空气冲旋钻头牙齿失效分析与新材料实验研究

针对目前空气冲旋钻头钻进中牙齿频繁断裂、脱落以及磨损严重，导致破岩效率低、使用寿命短等问题，采用纳米改型技术，在硬质合金中掺杂纳米Al₂O₃制备出Al₂O₃/WC Co纳米/微米复合材料，对其性能、组织结构进行分析，对其耐磨性、耐冲击性进行实验研究，结果表明：加入3%的纳米Al₂O₃并添加适量的抑制剂和稀土元素能明显改善Al₂O₃/WC Co纳米/微米复合材料的组织结构、细化晶粒，复合材料的耐磨性和耐冲击性能得到大幅提高，较硬质合金YG8提高4～8倍。为大幅度提高钻头破岩效率，延长钻头使用寿命提供了可能性。     

基于小波变换的钻头实验信号降噪方法

在钻头破岩实验中存在钻头对岩石的周期性动载冲击, 同时受实验设备和环境等因素的影响, 在动态信号中存在着大量噪声, 无法获得准确的测试数据, 实验结果往往不能真实反映实验的特性和规律。基于小波变换的浮动阈值方法, 建立了一套用于钻头破岩实验测试信号噪声压制方法, 通过对实验和实测数据的处理和分析, 证明了方法有效性, 提高了实验数据的准确性和可靠性。     

牙轮钻头牙齿与岩石垂向互作用仿真模型

建立钻头牙齿与岩石的互作用仿真模型是实现钻头与岩石互作用仿真研究的核心问题之一。本文以岩石破碎力学为基础，从钻头牙齿与岩石的互作用特.点出发，突破通常的力/侵深曲线描述方法，推导出了钻头牙齿与岩石垂向互作用仿真模型。并在该模型中用岩石硬度、塑性系数和弹性系数来反映岩石的力学性质，从而使模型具有较宽的应用范围。     

泥包对破岩效率影响的PDC 单齿切削模型研究

PDC 钻头泥页岩地层钻进易发生泥包，严重影响机械钻速。钻进性能的变化归根结底源于切削齿与地层的 相互作用，但是目前建立的单齿切削模型考虑的因素不全面，并不适用于钻头发生泥包的情况。建立了PDC 钻头分 别发生切削齿泥包和钻头整体泥包时的单齿切削模型，模型全面考虑了围压、切削齿倒角面、切削齿后底面、岩屑破碎 带等因素，通过实例计算、利用前人实验数据验证了模型计算结果的可靠性。最后利用模型量化分析了泥包对破岩效 率的影响规律，结果发现切削齿泥包和钻头泥包均严重影响破岩效率，且后者影响程度更大；切削齿泥包中，围压和 “泥包团”长度对破岩效率影响显著，破岩效率均随两者的增大而减小；钻头泥包中，泥包面积对破岩效率影响显著， 破岩效率随泥包面积的增大而减小。     

钻孔间距对岩石静态破碎效果影响的数值模拟研究

运用岩石破裂系统RFPA~(2D),基于静态破碎膨胀力增长曲线,模拟不同间距条件下双孔模型的破裂过程,探究不同钻孔间距在静态破碎作用下的岩石破裂贯通过程的声发射规律、钻孔间应力分布变化,研究不同间距钻孔之间裂纹生长、发育和破裂机制.研究结果表明:岩石破裂阶段产生少量的声发射事件,声发射累计能量较多,而裂纹贯通阶段正好相反;随着预制孔间距的加大,开裂破碎需要更多的载荷步,裂纹贯通阶段的声发射数量分布趋于平缓,同时裂纹发展方向不再沿着最短路径延伸且会产生较多的岩石碎块,运用孔间最小主应力曲线对裂纹扩展过程进行解释,以为不同工程条件下合理布置岩石钻孔提供新的研究方法和途径.     

TBM双刃滚刀破岩过程模拟研究

采用ANSYS/LS-DYNA对TBM双刃滚刀破岩过程进行动态掘进仿真和动力学分析。根据济南R2线工程地质和TBM设备参数,建立双刃滚刀-岩石三维模型,通过对双刃盘形滚刀不同刀刃宽度、不同贯入度进行仿真,分析双刃滚刀受力情况,并与CMS模型对比,研究TBM双刃盘形滚刀刀刃宽度、贯入度在破岩过程中的影响。通过分析结果表明:当双刃滚刀贯入度在5～7 mm时,比耗能较小,对应双刃滚刀破岩效率较高;在贯入度定值下,随着刀刃宽度增加,侧向力与滚刀破岩力随之增加,刀刃宽度在16～20 mm时对应的破岩效率较高。通过分析双刃盘形滚刀破岩特征,对深入研究盘形双刃滚刀优化设计提高破岩效率具有重要的工程价值。     

三牙轮钻头的计算机仿真模型

本文将牙轮钻头上各牙齿置于易于描述的坐标系下．通过坐标变换方法,实现了各牙齿的空间位置交换．在钻头几何学和运动学的基础上,建立了随钻运动的牙轮钻头的计算机仿真模型。该仿真模型可真实反映牙轮钻头钻进过程中牙轮上各牙齿的形状、大小,钻头上各牙齿的布置及钻头钻进过程中各牙齿间的相互位置关系。该项研究不但是钻头与岩石互作用仿真研究的核心问题之一,也是分析研究牙轮钻头工作行为的基础。     

核燃料裂变破碎过程中静力学和动力学受力分析的对比研究

利用工程法和ANSYS软件对UO2/Zr核燃料裂变气体爆炸破碎过程进行了静力学近似分析和有限元动力学分析。结果表明:UO2/Zr发生塑性变形乃至塑性失效,主要与气体大小和材料自身屈服强度有关,表现为自然对数关系。塑性失效路径由内至外,孔的圆周首先塑性失效和破碎,随着裂变过程进行和气体冲击作用下,圆心连线上产生应力集中,最终连接贯通。静力条件下裂变气体使基体产生破碎需要更大的内压,而动力学条件下使材料发生破坏需要的冲击载荷变小。经过对比发现,静力学分析方法能够对反应气体裂变中的受力情况进行有效评估。     

喷射钻井中井底岩面最大水功率和最大冲击力工作方式

本文首次把解决现代工程技术问题行之有效的“黑箱(blackbox)”理论用来研究井底射流流场。明一种新的全尺寸水力能量测试实验,直接测得三牙轮钻头下射流到达井底岩面(即钻进过程中钻头钻出的瞬时井底岩石表面)的水功率和冲击力。建立了计算井底水功率和冲击力的经验公式,提出了以井底岩面获得最大水功率和最大冲击力为喷射钻井水力程序设计准则的两种新的最优工作方式。本文在所实验的条件下,获得了井底岩面最大水力能量的功率分配比值(RN)和全喷距(135毫米)下射流水力能量衰减系数的范围等极值条件。在同样的条件下,以井底岩面最大水力能量优选的最优排量比钻头最大水力能量的最优排量约提高7.5%左右。并从理论和实践上证实了适当提高排量和强化机泵的必要性。     

涠西南凹陷流沙港组成岩相与有效储层研究

在岩石薄片、粘土X 衍射、镜质体反射率研究基础上,划分流沙港组砂岩于早成岩B 至中成岩B 阶段,通过成岩参数定量分析,区分8 种成岩相,厘定了压实是主要成岩作用。研究区中深层存在差异孔隙演化,岩石类型与成岩差异对孔隙演化起控制作用。根据地层测试、岩类孔渗关系综合确定常规有效储层渗透率下限为5 mD。采用经验公式法作为基本孔隙演化模型,孔隙预测误差为0.2%2.8%。建立以孔隙度、渗透率、岩石类型、压力、产能多因素约束的精细度储层分类。中等—好储层类型与三角洲水下分流河道和中等压实成岩相有关。同深度背景条件下,湖底扇浊流储层性质比三角洲滩坝差。     

使用PDC钻头对录井的影响及技术改进

PDC钻头在给钻井工作带来高钻速、高效益、较高井身质量的同时,由于其特殊的破岩机理,导致常规录井方法在使用PDC钻头时受到了限制。总结PDC钻头对岩屑录井、钻时录井和荧光录井的影响,提出相应的改进措施,并探讨在使用PDC钻头时的一些新的录井技术,通过这些改进可以实现录井结果的真实可靠。     

东营凹陷北部砂砾岩成岩作用及次生孔隙特征

通过对大量岩石薄片、扫描电镜以及储层物性数据进行分析，研究了东营凹陷北部砂砾岩体的成岩作用和次生孔隙的发育特征。东营凹陷北部发育近岸水下扇、深水浊积扇等砂砾岩扇体，储层成分成熟度和结构成熟度均较低。砂砾岩储层在埋藏过程中经历了压实、胶结、溶蚀等多种成岩作用。压实作用以机械压实为主；胶结作用主要为碳酸盐胶结、石英次生加大和粘土矿物胶结；溶蚀作用以碳酸盐胶结物溶蚀为主，长石和灰岩岩屑的溶蚀次之。根据镜质体反射率、包裹体测温以及粘土矿物混层比的变化特征，确定砂砾岩体经历了早成岩 A、早成岩 B 和中成岩 A 期，同期孔隙经历了由原生到次生的演化过程。北部砂砾岩体次生孔隙主要发育在 1 650～2 450 m 深度范围，与北部地区滨南、胜坨地区相比，利津地区次生孔隙相对不发育。     

损伤是影响岩石强度的重要因素

本文重点阐述了损伤对岩石强度的影响，提出了损伤对岩石破碎过程的力学反映。并获取了传压系数，传剪系数与岩石强度及损伤因子间的关系。     

压痕硬度测试的有限元分析

根据压痕硬度测试理论,建立了有限元模型。通过有限元手段分析了金属材料在不同载荷作用下的压入过程,了解在压痕硬度试验过程中压痕周围所产生的应力分布,计算了硬度HB值,与在硬度试验中所测的HB值吻合,证实了模型和材料特性描述的可靠性,在此基础上,研究了不同硬度的试件,载荷对压痕参数和压痕周围应力分布的影响。结果表明:载荷大小直接影响压痕深度、隆起部分、回弹量和塑性区域大小,随着载荷的增加,压痕深度、隆起部分、回弹量和塑性区域大小均有不同程度的增加,增加的程度与材料的硬度有关,而且随着载荷的增加,压入深度加深,压痕周围塑性区域逐渐扩大,其硬度值和塑性区域逐渐趋于稳定范围。     

薄片式轻型格栅在隧道中的应用

薄片式轻型格栅是针对硬岩局部破碎段施工提出的一种新型支护方式，其主要原理是通过在锚喷支护中加入薄片式格栅来增强支护，从而改进隧道硬岩局部破碎段的支护方式，增强支护以便保证施工安全，同时薄片式轻型格栅具有重量轻、安装简单迅速、成本低的特点，在实际施工过程能够很好的解决硬岩局部破碎段的施工。     

甘长隧道围岩可钻性指标的试验研究

介绍了岩石坚固性有钻也方面的表现即可钻性，测定隧道围岩可钻性指标的凿岩比功法，通过一实际隧道围岩可钻性试验，采用符合钻孔破岩特点的凿碎比功来反映岩石的可钻性，不受钻具类型和工作参数的局限，其指标具有较高可信度和实用价值。     

深厚淤泥层嵌岩桩荷载传递特性研究

采用接触面单元模拟竖向荷载作用下桩与岩土的相互作用,应用轴对称弹塑性有限元法研究了深厚淤泥层嵌岩桩的荷载传递机理,并探讨了嵌岩深度对嵌岩桩竖向承载力的影响。结果表明,深厚淤泥层嵌岩桩应以桩顶沉降来控制极限承载力,且桩侧阻力主要来自嵌岩段的嵌阻力;桩端阻力对荷载的分担比例随着嵌岩深度的增加而减少,当嵌岩达到一定临界深度后,再继续加大嵌岩深度对桩垂直承载能力的提高已无积极作用。     

关于岩石破碎的三角形效应研究

本文从分形几何学的角度研究了岩石的断裂规律，从理论上论述了岩石破碎的三角形效应，并给出了一般岩石破碎的数学模型．     

基于最小二乘支持向量机的岩石可钻性研究

岩石可钻性的确定直接影响钻头选型和钻速预测，国内外各主要油田虽对地层岩性的测定相当重视，但适合于油气井钻井条件的岩石可钻性问题仍未彻底解决。针对目前国内在钻头选型方面存在的困难和问题，提出了利用LS-SVM最小二乘支持向量机求取岩石可钻性的实用方法。该方法以测井资料为参数，利用LS-SVM支持向量机技术建立岩石可钻性的数学模型。该模型在SC油田DU4井中的应用中取得了较好效果。     

高压水射流与机械联合作用处理堵塞油管

在油田开发过程水泥浆堵塞油管现象时有发生。传统的处理方法是将这些堵塞的油管报废,结果造成很大的浪费。在系统研究高压水射流流动规律和动力特性基础上,深入分析了水力与机械联合破岩机理,根据不同使用条件和适用对象,对水射流参数进行了调整,对钻头切削齿和喷嘴布置进行合理的设计。首创了一种高压水射流处理水泥堵塞油管新技术,设计制造了清洗堵塞油管专用设备和工具,现场实验取得了突破性进展。