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不同贯入度对掘进机滚刀破岩效率的影响 被引量:26
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作者 龚秋明 何冠文 +4 位作者 赵晓豹 张浩 苗崇通 姚羲和 李晓昭 《现代隧道技术》 EI CSCD 北大核心 2016年第1期62-68,共7页
为了研究不同贯入度对破岩效率的影响,应用机械破岩试验平台,安装17英寸(432 mm)的常切面盘形滚刀,选取80 mm的滚刀间距,以0.5 mm为间隔,从0.5~3.5 mm分7个不同级次的贯入度对北山花岗岩进行线性切割试验,试样长×宽×高分别... 为了研究不同贯入度对破岩效率的影响,应用机械破岩试验平台,安装17英寸(432 mm)的常切面盘形滚刀,选取80 mm的滚刀间距,以0.5 mm为间隔,从0.5~3.5 mm分7个不同级次的贯入度对北山花岗岩进行线性切割试验,试样长×宽×高分别为1 000 mm×1 000 mm×600 mm。试验中记录滚刀的三向力并分层收集岩片,从平均法向力、平均滚动力、比能、岩片块度及形状的变化,分析了贯入度对滚刀破岩效率的影响,总结了滚刀在切割试验岩样时贯入度对滚刀力的影响规律。研究结果表明,当贯入度增加到一定的程度后单纯地增加贯入度并不能无限地提高破岩效率。 展开更多
关键词 掘进机 盘形滚刀 贯入度 滚刀破岩试验 滚刀力 比能
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徐深气田气体钻井破岩机理的初步研究 被引量:23
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作者 刘永贵 王洪英 《石油学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第5期773-776,共4页
根据气体钻井实钻情况及其与常规钻井方式的差异,借鉴前人研究成果,提出了一种新的破岩机理——内能释放破碎机理,即气体钻井依靠岩石脱离巨大压持作用而将岩石内积聚的巨大内能进行释放的破碎理论。岩石破碎过程为:原始岩石内能积聚;... 根据气体钻井实钻情况及其与常规钻井方式的差异,借鉴前人研究成果,提出了一种新的破岩机理——内能释放破碎机理,即气体钻井依靠岩石脱离巨大压持作用而将岩石内积聚的巨大内能进行释放的破碎理论。岩石破碎过程为:原始岩石内能积聚;径向岩石受力变化产生的内能膨胀;径向岩石膨胀及微裂纹产生;钻头敲击裂纹扩展及延伸阶段;钻头齿吃入岩石并旋转使裂纹延伸;剪切岩石使其产生脆性炸裂。因此,使岩石破碎由常规钻井的塑性破碎转变为脆性炸裂。在徐深气田进行了现场实钻,初步验证了该机理的准确性。依据该机理可以进行气体钻井的优化设计以及实钻中钻头和钻井参数的优选。 展开更多
关键词 气体钻井 破岩机理 内能释放 岩石破碎 钻头优选 徐深气田
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冲击作用下岩石破碎的动力学特性及能耗特征研究 被引量:16
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作者 邓勇 陈勉 +1 位作者 金衍 邹代武 《石油钻探技术》 CAS CSCD 北大核心 2016年第3期27-32,共6页
为了研究冲击钻井中岩石破碎的难易程度及动态破碎规律,基于固有缺陷的损伤原理,建立了岩石动态破裂强度、破碎时间和破碎能耗的理论模型,通过砂岩的霍普金森压杆冲击压缩试验分析了其破坏强度、破坏时间及破坏过程中的能量耗散特征。... 为了研究冲击钻井中岩石破碎的难易程度及动态破碎规律,基于固有缺陷的损伤原理,建立了岩石动态破裂强度、破碎时间和破碎能耗的理论模型,通过砂岩的霍普金森压杆冲击压缩试验分析了其破坏强度、破坏时间及破坏过程中的能量耗散特征。分析研究发现,试验结果与模型计算结果基本吻合,砂岩的动载强度、破碎时间和破碎能耗均与应变率之间呈幂函数关系,随着应变率在60~115s^(-1)范围内增加,砂岩的动载强度与静载强度相比增大了1.33~1.83倍,破碎时间从84μs迅速缩短至52μs,且应变率越大,岩石破坏后的碎块尺度越小、破碎能耗值越大。研究结果可为衡量岩石动力破碎的难易程度及提高冲击破岩效率提供参考。 展开更多
关键词 冲击钻井 岩石破碎 动力学特性 动载强度 能耗
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基于多钻进参数和概率分类方法的地层识别研究 被引量:13
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作者 梁栋才 汤华 +2 位作者 吴振君 张勇慧 房昱纬 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第4期1123-1134,共12页
传统的超前钻探地质预报常以某个钻进参数的变化率作为地层识别的主要依据。钻头破岩是一个复杂的力学过程,应考虑多个参数的协同作用,仅采用单钻进参数识别地层的不确定性较大。首先,对超前钻探数据进行预处理,包括标准化、频数分布分... 传统的超前钻探地质预报常以某个钻进参数的变化率作为地层识别的主要依据。钻头破岩是一个复杂的力学过程,应考虑多个参数的协同作用,仅采用单钻进参数识别地层的不确定性较大。首先,对超前钻探数据进行预处理,包括标准化、频数分布分析和敏感性分析,筛选出对地层变化敏感的关键钻进参数;其次,基于能量守恒、二元无序逻辑回归分析和多参数变异性分析原理分别建立了破岩能量、逻辑回归概率和地层硬度3种地层识别综合指标;最后,采用基于贝叶斯原理的概率分类方法建立地层识别模型,利用ROC分析方法得到模型参数,实现基于多钻进参数和概率分类方法的地层识别。以地质条件复杂的隧道工程为例,介绍了该地层识别方法的应用,结果表明:3种地层识别综合指标均具有较好的跨孔地层识别能力,识别准确率超过80%;破岩能量和逻辑回归概率指标适用于较近距离的跨孔地层识别,平均识别准确率分别为86.3%和84.1%;逻辑回归概率指标对软弱夹层识别能力较强,准确率达到94.2%;地层硬度指标适用于较远距离的跨孔地层识别;灰岩识别准确率最大达到93.2%。 展开更多
关键词 超前钻探 破岩能量 逻辑回归概率 地层硬度指标 概率分类 地层识别
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破碎后微小煤颗粒分布与破碎功关系实验研究 被引量:12
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作者 罗甲渊 黄滚 +1 位作者 熊阳涛 张龙 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第12期3054-3061,共8页
对突出/非突出原煤在不同条件下进行破碎实验,将碎煤分筛后分析粒级分布规律及比表面积与破碎比功之间关系。实验表明:〈0.075 mm煤颗粒所占质量比不多,却占有相当大的表面积;突出煤〈0.075 mm颗粒筛上质量分布服从Gauss分布而非突出... 对突出/非突出原煤在不同条件下进行破碎实验,将碎煤分筛后分析粒级分布规律及比表面积与破碎比功之间关系。实验表明:〈0.075 mm煤颗粒所占质量比不多,却占有相当大的表面积;突出煤〈0.075 mm颗粒筛上质量分布服从Gauss分布而非突出煤服从正态分布;在相同块度前提下,比表面积随能量增加而增加;当时间相同能量时,突出煤的比表面积是非突出煤的1-2倍;新增表面积随能量增加呈指数增长,增加的速率却随能量增加而减小。揭示煤材料破碎后粒径分布规律与破碎功之间关系,为煤瓦斯突出过程中能量耗散分析提供实验依据。 展开更多
关键词 煤岩破碎 粒径分布 破碎功 比表面积
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单齿复合冲击切削破岩机制及其与扭转冲击的对比 被引量:12
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作者 刘伟吉 曾义金 +1 位作者 祝效华 丁士东 《中国石油大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第3期74-80,共7页
复合冲击钻井技术是继扭转冲击钻井技术之后发展起来的新的针对硬地层的提速技术,但其破岩提速机制及其相对于扭转冲击技术的区别还不够清晰,使在实际钻井中对于这两种钻井技术的选择没有依据。针对此问题,在室内试验的基础上基于有限... 复合冲击钻井技术是继扭转冲击钻井技术之后发展起来的新的针对硬地层的提速技术,但其破岩提速机制及其相对于扭转冲击技术的区别还不够清晰,使在实际钻井中对于这两种钻井技术的选择没有依据。针对此问题,在室内试验的基础上基于有限元方法建立单齿复合冲击切削岩石(硬岩和软岩)的拟三维数值仿真模型,研究复合冲击作用下钻齿切削岩石过程中岩屑形成及破岩比功等,并与扭转冲击切削做相应对比分析。结果表明:针对硬岩(雅安花岗岩),当切削深度较小(小于0.6 mm)时,复合冲击切削破岩效率最高;当切削深度适中(0.6~1.2 mm)时,扭转冲击切削破岩效率最高;当切削深度较大(大于1.2 mm)时,扭转冲击和复合冲击相对于常规切削破岩几乎没有提速效果;在软地层(南充砂岩)中复合冲击和扭转冲击切削几乎没有提速效果。 展开更多
关键词 钻井 复合冲击 扭转破岩 破岩机制 破岩比功
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岩石切削损伤后PDC齿破岩规律探讨 被引量:9
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作者 伍开松 廖飞龙 《石油机械》 北大核心 2014年第5期29-33,共5页
研究岩石切削损伤后PDC齿的破岩规律可以为PDC钻头的设计以及布齿提供依据。从PDC钻头齿的实际工作特点出发,考虑了受损岩石中残余应力以及裂隙对PDC齿切削破岩的影响,研究了岩石切削损伤后PDC齿的破岩机理。同时基于ABAQUS软件开发了PD... 研究岩石切削损伤后PDC齿的破岩规律可以为PDC钻头的设计以及布齿提供依据。从PDC钻头齿的实际工作特点出发,考虑了受损岩石中残余应力以及裂隙对PDC齿切削破岩的影响,研究了岩石切削损伤后PDC齿的破岩机理。同时基于ABAQUS软件开发了PDC齿切削岩石损伤前、后的有限元仿真程序,通过对比岩石损伤前后的切削比功得知,PDC齿切削破碎单位体积受损岩石所消耗的功比破碎单位体积未受损岩石的功小26.9%。这说明在PDC齿一次切削加卸载作用后,在形成的切削表面附近产生了残余应力及裂纹,使下一次切削的破岩效率提高。 展开更多
关键词 PDC齿 损伤岩石 破岩规律 切削比功 接触力 残余应力 仿真
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PDC切削齿直径对切削力的影响规律研究 被引量:3
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作者 未九森 邵方源 +2 位作者 谭紫阳 刘维 高德利 《石油机械》 北大核心 2023年第4期8-15,共8页
针对不同地层岩性特点,需进行个性化PDC钻头设计,其中PDC切削齿的直径是重要的钻头优化设计参数之一。为了探究不同PDC切削齿直径对破岩切削力的影响,通过室内模拟试验方法进行研究。试验所用岩样为石灰岩。单齿破岩试验选取了ø13... 针对不同地层岩性特点,需进行个性化PDC钻头设计,其中PDC切削齿的直径是重要的钻头优化设计参数之一。为了探究不同PDC切削齿直径对破岩切削力的影响,通过室内模拟试验方法进行研究。试验所用岩样为石灰岩。单齿破岩试验选取了ø13.44、ø15.88、ø19.05、ø21.95 mm的常规圆柱状PDC切削齿和3个不同的切削深度作为试验变量,使用三轴力传感器记录了切削力数据并收集了岩屑,对比了不同试验条件下单齿破岩过程的机械比能和不同直径切削齿的攻击性;使用水平钻机进行了全尺寸钻头破岩试验,对比了3种不同PDC切削齿直径的钻头在3 mm左右吃入深度下的破岩机械比能。试验结果显示:PDC切削齿的破岩切削力并不随着直径的增大而增大;在相同吃入深度下,ø19.05 mm齿的破岩效果最好;随着吃入深度的增加,切削岩石所需要的力变大。全尺寸钻头破岩试验结果表明,ø19.05 mm齿的全尺寸钻头机械比能最低。分析认为,在破岩过程中,PDC切削齿直径会改变岩石内部产生的应力区域,影响PDC切削齿的破岩效果。选取与岩性匹配的PDC切削齿直径能够取得最优的破岩钻进效果。研究结果可为PDC钻头优化设计提供部分理论指导。 展开更多
关键词 PDC钻头 破岩效率 切削力 机械比能 单齿破岩 全尺寸钻头破岩
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The rock breaking and ROP increase mechanisms for single-tooth torsional impact cutting using DEM 被引量:9
9
作者 Xiao-Hua Zhu Yun-Xu Luo Wei-ji Liu 《Petroleum Science》 SCIE CAS CSCD 2019年第5期1134-1147,共14页
Torsional impact drilling is a new technology which has the advantages of high rock-breaking efficiency and a high rate of penetration(ROP).So far,there is no in-depth understanding of the rock-breaking mechanism for ... Torsional impact drilling is a new technology which has the advantages of high rock-breaking efficiency and a high rate of penetration(ROP).So far,there is no in-depth understanding of the rock-breaking mechanism for the ROP increase from torsional impact tools.Therefore,it has practical engineering significance to study the rock-breaking mechanism of torsional impact.In this paper,discrete element method(DEM)software(PFC2 D)is used to compare granite breaking under the steady and torsional impacting conditions.Meanwhile,the energy consumption to break rock,microscopic crushing process and chip characteristics as well as the relationship among these three factors for granite under different impacting frequencies and amplitudes are discussed.It is found that the average cutting force is smaller in the case of torsional impact cutting(TIC)than that in the case of steady loading.The mechanical specific energy(MSE)and the ratio of brittle energy consumption to total energy are negatively correlated;rock-breaking efficiency is related to the mode of action between the cutting tooth and rock.Furthermore,the ROP increase mechanism of torsional impact drilling technology is that the ratio of brittle energy consumption under the TIC condition is larger than that under a steady load;the degree of repeated fragmentation of rock chips under the TIC condition is lower than that under the steady load,and the TIC load promotes the formation of a transverse cracking network near the free surface and inhibits the formation of a deep longitudinal cracking network. 展开更多
关键词 Torsional impact rock breaking Mechanical specific energy Fractal dimension MICROCRACK DEM
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新型重力式竖井连续掘进机滚动截齿破岩机理 被引量:8
10
作者 陈新明 张将令 +4 位作者 焦华喆 李振华 杜锋 杨柳华 张勃阳 《采矿与安全工程学报》 EI CSCD 北大核心 2022年第3期576-583,597,共9页
为改变竖井掘进方式,提高破岩效率,研发一种新型重力式竖井连续掘进机。采用SolidWorks软件建模,利用HyperMesh和LS-DYNA软件开展有限元分析,模拟不同速度下截齿的滚动、扭转嵌入岩石的动态破岩过程;通过现场重力式竖井连续掘进机滚动... 为改变竖井掘进方式,提高破岩效率,研发一种新型重力式竖井连续掘进机。采用SolidWorks软件建模,利用HyperMesh和LS-DYNA软件开展有限元分析,模拟不同速度下截齿的滚动、扭转嵌入岩石的动态破岩过程;通过现场重力式竖井连续掘进机滚动截齿破混凝土相似试验,进行动态下截齿破岩试验以探究截齿破岩机理。结果表明:截齿在最优滚筒转动速度为30 r/min下破岩比能较低,可加大岩石内部应力变化,削弱岩石内部结构承载力,增加岩石裂缝产生和扩张范围,最终岩石发生凹陷性破坏。再结合重力式竖井连续掘进机滚动截齿破混凝土相似试验,分析在相同时间内混凝土破坏程度,证明最优滚筒转动速度为30 r/min,验证数值模拟的准确性。新型重力式竖井连续掘进机的研发可革新现有竖井掘进方式,尤其对卵砾石、冻土、中低强度岩石等地层具有良好的适应性。 展开更多
关键词 新型重力式竖井连续掘进机 滚动截齿 破岩机理 比能 有限元分析
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岩弹冲击破岩规律试验研究 被引量:4
11
作者 刘勇 郭鑫辉 +1 位作者 魏建平 张宏图 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2023年第4期270-278,305,共10页
针对深部岩层掘进过程中钻具磨损快、掘进效率低等问题,基于粒子冲击破岩技术,提出采用高压气体驱动加速岩弹冲击预裂掘进面岩体,减少钻具磨损。通过SHPB试验和三维扫描试验,测试岩石破坏吸收能和新增表面积,构建岩石冲击破坏吸收能理... 针对深部岩层掘进过程中钻具磨损快、掘进效率低等问题,基于粒子冲击破岩技术,提出采用高压气体驱动加速岩弹冲击预裂掘进面岩体,减少钻具磨损。通过SHPB试验和三维扫描试验,测试岩石破坏吸收能和新增表面积,构建岩石冲击破坏吸收能理论模型;采用自主研制的岩弹冲击破岩试验装置研究了气体压力、岩弹质量及岩性对破岩效果的影响。形成了以下结论:基于实测岩石破坏吸收能和新增表面积,得出试验花岗岩岩样比表面自由能γs为6.34 mJ/mm^(2);增大气体压力能够有效提高岩弹冲击动能,使花岗岩吸收能和新增表面积增大,同时岩弹破碎和弹射耗散能随之提高,岩弹冲击动能转化为花岗岩破坏吸收能效率降低;吸收能与岩弹质量和动能乘积成幂次方关系,保持气压不变,增大岩弹质量可在一定范围内提高岩弹冲击动能和花岗岩破坏吸收能,提升破坏效果。但过多提高岩弹质量,导致其动能降低,从而使吸收能转化效率降低。不同岩性的岩石比表面自由能不同,但气体压力、岩弹质量对不同岩性岩石冲击破坏效果的影响基本一致。研究结论为硬岩辅助掘进提供理论和技术支撑。 展开更多
关键词 辅助掘进 粒子射流 冲击破岩 硬岩破碎 能量耗散
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基于机械比能与滑动摩擦系数的PDC钻头破岩效率试验 被引量:8
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作者 管志川 呼怀刚 +3 位作者 王斌 孙美伟 刘永旺 许玉强 《中国石油大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第5期92-100,共9页
为探究机械比能理论指导下PDC钻头破岩效率的影响因素,通过简化钻头与地层相互作用模型并推导滑动摩擦系数,结合室内试验分析各因素对钻头滑动摩擦系数的影响。结果表明:钻压通过切削齿的吃入深度影响摩擦系数,当切削齿完全吃入地层所... 为探究机械比能理论指导下PDC钻头破岩效率的影响因素,通过简化钻头与地层相互作用模型并推导滑动摩擦系数,结合室内试验分析各因素对钻头滑动摩擦系数的影响。结果表明:钻压通过切削齿的吃入深度影响摩擦系数,当切削齿完全吃入地层所产生的摩擦系数最大;钻速过快导致的岩屑过多且无法有效移除时摩擦系数会减小;转速增加会使摩擦系数减小;不同类型的岩样其最终稳定的摩擦系数不同,但一般在0.4~0.6;钻头直径不会影响摩擦系数最终稳定值;钻进软至中硬地层时,应选取尽量大的钻压和转速,即使较大钻压和转速对于提升破岩效率并无裨益,但却会明显提升机械钻速,此时机械比能增加并不明显,说明钻头能量利用率保持在一个稳定的阶段;钻进较硬地层时,提升钻压、转速水平会明显提高机械钻速,增大机械比能,降低破岩效率,钻头机械能量利用率下降,此时钻进参数的选取就需要综合钻速、机械比能、破岩效率等因素判定。 展开更多
关键词 PDC钻头 破岩效率 滑动摩擦系数 参数优选 机械钻速 机械比能
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油气钻井组合式破岩技术研究 被引量:6
13
作者 张正禄 刘运荣 +1 位作者 胡琼 任小玲 《石油钻探技术》 CAS CSCD 北大核心 2014年第6期49-52,共4页
为了提高钻井效率,对油气钻井组合式破岩技术进行了深入研究,摩擦热-机械破岩、微波-机械破岩、激光-气体机械破岩等新型组合破岩技术较常规机械破岩方法能明显提高破岩效率,但也有各种技术瓶颈需要突破,距工业化应用还存在一定距离,机... 为了提高钻井效率,对油气钻井组合式破岩技术进行了深入研究,摩擦热-机械破岩、微波-机械破岩、激光-气体机械破岩等新型组合破岩技术较常规机械破岩方法能明显提高破岩效率,但也有各种技术瓶颈需要突破,距工业化应用还存在一定距离,机械破岩仍是高效破岩的主体。在研究岩石热物理特性、空气钻井装备工具、高温材料等的基础上,提出燃烧热能-机械能综合破岩方法是最有发展前景的新型破岩方法。采用燃烧热能-机械能综合破岩,双壁钻杆及双通道水龙头提供燃料通道,耐热材料用于研制高温钻头,高温造壁器将破岩形成的井眼井壁玻璃化,可实现深井和超深井钻井,并保护储层。 展开更多
关键词 破岩方法 机械破岩 热能 岩石强度 燃烧热能
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高压水射流破岩比能演化机理研究 被引量:6
14
作者 倪红坚 王瑞和 +1 位作者 韩来聚 付显威 《石油钻探技术》 CAS 2004年第1期14-16,共3页
采用非线性动力有限元和岩石动态损伤模型,在对高压水射流破岩过程模拟分析的基础上,进行了射流破岩比能演化机理的研究。研究结果表明,在脉冲射流载荷的衰减阶段,由于岩石卸载的阻力较小,卸载过程中所释放的能量利用较为充分,使得脉冲... 采用非线性动力有限元和岩石动态损伤模型,在对高压水射流破岩过程模拟分析的基础上,进行了射流破岩比能演化机理的研究。研究结果表明,在脉冲射流载荷的衰减阶段,由于岩石卸载的阻力较小,卸载过程中所释放的能量利用较为充分,使得脉冲射流的破岩比能明显小于连续射流;因为旋转射流的每一质点均具有三维速度,易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏。且回流的干扰较少,提高了射流的能量利用率,使得破岩比能也明显低于连续射流,且随着切向速度与轴向速度比值的增大,旋转射流破岩比能逐渐减小。 展开更多
关键词 高压水射流破岩比能 水射流破岩机理 脉冲射流载荷 阻力 能量利用率 损伤敏感系数
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异形齿切削破碎页岩的试验与数值模拟研究 被引量:1
15
作者 温博 张春亮 +2 位作者 吴昊 任海涛 杨迎新 《石油机械》 北大核心 2024年第1期11-19,共9页
针对PDC钻头在页岩气钻井中破岩效率低和寿命短的问题,开展异形齿切削破碎页岩机理研究。选用凹面齿、斧形齿、三棱齿等典型异形齿开展切削页岩过程、切削载荷的试验研究,利用数值模拟分析异形齿切削过程中岩石的损伤特性。试验结果表明... 针对PDC钻头在页岩气钻井中破岩效率低和寿命短的问题,开展异形齿切削破碎页岩机理研究。选用凹面齿、斧形齿、三棱齿等典型异形齿开展切削页岩过程、切削载荷的试验研究,利用数值模拟分析异形齿切削过程中岩石的损伤特性。试验结果表明:切削齿切削页岩过程中,出现了镜面和“卷屑”等硬塑性特征;凹面齿切削载荷和破岩比功小于其他齿型;平面齿和三棱齿随着前倾角的增加,切削载荷呈增大趋势;凹面齿和斧形齿对前倾角的变化不敏感,且凹面齿在前倾角为10°时破岩效果最好;在相同条件下,4种齿型中凹面齿形成的岩屑最大,利于破岩效率的提高。模拟结果表明:切削过程中凹面齿以“铲削”的方式破碎岩石,三棱齿和斧形齿的棱脊对岩石产生明显的挤压效果;三棱齿沿着棱脊将岩屑一分为二向两侧排出,而斧形齿在块体岩屑的中间部分形成了明显的塑性变形。研究结果可为页岩气钻井提速增效提供基础支撑。 展开更多
关键词 PDC钻头 异形齿 破岩 效率 载荷 能耗 岩屑
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考虑破岩模式的TBM滚刀破岩力计算模型 被引量:3
16
作者 曹久磊 俞缙 +3 位作者 张竹清 冯学卫 常方强 蔡燕燕 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第8期3300-3311,共12页
滚刀破岩力是研究TBM开挖硬岩隧道效率和安全性的核心参数,提高破岩力计算模型精度的重点在于如何使计算模型与破岩模式相匹配。通过对滚刀破岩过程中不同破岩模式下的裂纹交汇情况及岩片产生的主导因素进行分析,认为协同破岩时岩石主... 滚刀破岩力是研究TBM开挖硬岩隧道效率和安全性的核心参数,提高破岩力计算模型精度的重点在于如何使计算模型与破岩模式相匹配。通过对滚刀破岩过程中不同破岩模式下的裂纹交汇情况及岩片产生的主导因素进行分析,认为协同破岩时岩石主要发生压拉破坏,非协同破岩时主要发生压剪破坏,基于此提出了一种新的刀具荷载计算方法;建立单滚刀及双滚刀线性破岩三维离散元模型,统计不同贯入度下的侧向裂纹扩展长度,以此为基础计算各刀间距和贯入度组合下的理论破岩模式,并通过分析各工况下岩石内部裂纹交汇及其水平应力分布情况,验证了破岩模式划分理论的正确性;以岩石内部裂纹分布特征为基础,提出了协同和非协同破岩模式下破碎岩片体积的计算方法,利用指数函数对岩渣破碎厚度比和刀间距之间的关系进行拟合,定义了协同系数β,并结合新破岩力公式推导出了比能耗表达式。研究发现:由新破岩力模型计算得到的垂直力和滚动力相较于实测值的误差分别为7.3%和11.0%,其相比于CSM和线性计算模型的误差较小;岩石破碎区域取决于破岩模式,协同模式下的破碎区域主要为滚刀之间,非协同模式下为刀刃下方及其两侧;随刀间距增大,岩石内高应力区逐渐分离并出现上移现象且面积下降,最优贯入度增大而最小比能耗值减小,当贯入度增大时,比能耗值先减小后增大,同时比能耗曲线变化趋势和相关破岩试验结果具有一致性。 展开更多
关键词 破岩力计算模型 破岩模式 比能耗 颗粒离散元 盘形滚刀
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超临界CO_(2)热冲击破岩技术:致裂原理与振动安全研究 被引量:3
17
作者 王小飞 胡少斌 王恩元 《土木工程学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第8期118-130,共13页
新型超临界CO_(2)热冲击破岩技术与传统钻爆法相比振动弱、能量可控,适合城市公共区域等复杂敏感地区破岩工作。目前超临界CO_(2)热冲击破岩技术的致裂原理尚不清楚,现场试验中振动安全评价没有标准。为了研究超临界CO_(2)热冲击破岩技... 新型超临界CO_(2)热冲击破岩技术与传统钻爆法相比振动弱、能量可控,适合城市公共区域等复杂敏感地区破岩工作。目前超临界CO_(2)热冲击破岩技术的致裂原理尚不清楚,现场试验中振动安全评价没有标准。为了研究超临界CO_(2)热冲击破岩技术致裂原理和振动安全,同时进行了真三轴CO_(2)热冲击致裂试验和破岩现场振动监测试验。试验结果表明:(1)CO_(2)热冲击破岩诱发振动速度在6m时即降到了30mm/s左右,满足爆破振动安全允许标准要求;(2)CO_(2)热冲击破岩引发振动频率主要分布于1~100Hz,随着震源距的增加,破岩诱发振动波形频谱主要成分分布也逐渐变宽;(3)传统CO_(2)相变致裂能量计算公式同样适用于CO_(2)热冲击破岩技术,致裂能量的TNT当量适用于萨道夫斯基公式;(4)CO_(2)热冲击破岩是冲击波和高能气体共同作用致裂岩石,可以分为3个阶段,其中高能气体的气楔作用在岩体损伤中占主导作用。 展开更多
关键词 破岩技术 CO_(2)热冲击 振动安全 致裂原理 能量计算
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钢粒子迟滞重复冲击破岩硬岩损伤破裂特征研究
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作者 鞠明和 陶泽军 +3 位作者 蔚立元 姜礼杰 郑彦龙 邹春江 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期1242-1255,共14页
粒子冲击辅助破岩技术凭借其快速、高效等优点,对硬质岩体有着较好的破岩效果。通过粒子冲击试验和离散元模拟相结合的方法研究单、双粒子冲击速度、双粒子间距等因素对高强度花岗岩表面、三维及剖面形貌特征的影响,探寻冲击坑深度、冲... 粒子冲击辅助破岩技术凭借其快速、高效等优点,对硬质岩体有着较好的破岩效果。通过粒子冲击试验和离散元模拟相结合的方法研究单、双粒子冲击速度、双粒子间距等因素对高强度花岗岩表面、三维及剖面形貌特征的影响,探寻冲击坑深度、冲击坑体积及冲击坑表面面积随冲击参数的变化规律,统计粒子冲击破岩裂纹的分布规律,并且从能量吸收率的角度评价双粒子迟滞冲击破岩的效能。结果表明:冲击坑深度与冲击速度呈正相关;随着粒子间距的增大,冲击坑由相交逐渐相离,形貌随之变化,冲击坑体积随之减小,而冲击坑表面面积增大;通过模拟发现,裂纹主要分布在斜长石与钾长石的晶界处,以拉伸破坏为主;当选用5mm直径的钢粒子破碎强度200MPa左右的极坚硬花岗岩时,双粒子迟滞冲击破岩的能量吸收率曲线随粒子冲击速度增大趋于平缓,在双粒子迟滞冲击破岩的粒子间距为8~10 mm且冲击速度400 m/s左右时能达到最佳的冲击辅助破岩效果。 展开更多
关键词 辅助破岩 粒子迟滞冲击 冲击参数 硬岩损伤特征 能量吸收率
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Experimental research and energy analysis of a new type of dry ice powder pneumatic rock breaking technology 被引量:2
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作者 Xiaofei Wang Shaobin Hu +2 位作者 Enyuan Wang Qiang Zhang Bing Liu 《International Journal of Mining Science and Technology》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第4期423-435,共13页
When the traditional drill and blast method is applied to rock crushing projects,it has strong vibration,loud noise and dust pollution,so it cannot be used in densely populated areas such as urban public works.We deve... When the traditional drill and blast method is applied to rock crushing projects,it has strong vibration,loud noise and dust pollution,so it cannot be used in densely populated areas such as urban public works.We developed a supercritical CO_(2)true triaxial pneumatic rock-breaking experimental system,and conducted laboratory and field tests of dry ice powder pneumatic rock-breaking.The characteristics of the blast-induced vibration velocity waveform and the evolution of the vibration velocity and frequency with the focal distance were analyzed and discussed.The fracturing mechanism of dry ice powder pneumatic rock breaking is studied.The research results show that:(1)The vibration velocity induced by dry ice powder pneumatic rock breaking decays as a power function with the increase of the focal distance;(2)The vibration frequency caused by dry ice powder pneumatic rock breaking is mainly distributed in 1–120 Hz.Due to the dispersion effect,the dominant frequency of 10–30 Hz appears abnormally attenuated;(3)The traditional CO_(2)phase change fracturing energy calculation formula is also applicable to dry ice pneumatic rock breaking technology,and the trinitrotoluene(TNT)equivalent of fracturing energy is applicable to the Sadovsky formula;(4)Dry ice powder pneumatic rock breaking is shock wave and highenergy gas acting together to fracture rock,which can be divided into three stages,among which the gas wedge action of high-energy gas plays a dominant role in rock mass damage. 展开更多
关键词 Dry ice powder pneumatic rock breaking Cracking mechanism energy analysis Vibration frequency
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二氧化碳静态爆破的边坡振动场地效应和能量分析
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作者 王小飞 胡少斌 王恩元 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第1期210-224,共15页
进行真三轴CO_(2)静态爆破压裂实验和现场测试,获得压力曲线、试样裂隙分布、现场振动曲线和岩体破坏特征,并通过分析压力曲线和裂缝扩展特征来研究致裂原理,同时还利用窗函数傅里叶变换提取振动特征,以评估破岩现场边坡的结构安全。研... 进行真三轴CO_(2)静态爆破压裂实验和现场测试,获得压力曲线、试样裂隙分布、现场振动曲线和岩体破坏特征,并通过分析压力曲线和裂缝扩展特征来研究致裂原理,同时还利用窗函数傅里叶变换提取振动特征,以评估破岩现场边坡的结构安全。研究结果表明:(1)CO_(2)静态爆破的峰值振动速度在8 m处衰减至满足建筑物保护要求,比传统的钻爆法更安全;(2)CO_(2)静态爆破引起的振动波形的主频高于钻爆法的,且随着距离的加长,振动能量的分布逐渐分散;(3)钻爆法的振动速度预测公式适用于CO_(2)静态爆破的,且带高程的预测公式更为准确。根据压力曲线、试样裂隙分布和现场岩体损伤,提出CO_(2)静态爆破的HIG破岩模型,为新技术的研究提供了基础框架。在实验中没有采集到温度数据,今后迫切需要对聚能剂的瞬时放热特性和温度对CO_(2)状态的影响进行研究。 展开更多
关键词 破岩技术 二氧化碳静态爆破 振动速度 致裂机理 能量计算
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