阀式反作用小流量冲击取样钻具

击入法取样是松软地层取样的有效方法,但钢丝绳冲击取样效率低,冲击振动虽能提高取样速度,但振动器大都位于地表,能量传递效率低,而传统潜孔锤虽然可潜入孔内,但由于所需要冲洗液量大,易于冲刷孔壁,因此,设计了小流量液动冲击取样钻具,不仅具有潜孔锤冲击取样钻的特点,而且冲击器所需泵量小,有利于松散软地层的孔壁稳定,提高了取样效率和取样质量。     

浅析软煤及煤层气钻探取样工具的结构特征

提出了在我国开展软煤及煤层气钻探取样的必要性和对取样工具的特殊要求,在总结提高采取率和取样质量技术途径的基础上,论述并具体分析了用于软煤钻探和钻取含气样品的新型钻具结构,得出了取煤样钻具应具有单动、超前、隔水、避振、防脱功能和取气样钻具应在此基础上增加密封、冻结、集气功能的结论。研讨的钻具结构特征对于开展软煤及煤层气钻探取样的同行具有参考价值。     

乌克兰的几种新型解卡震击器

国家经济的高速增长推动了对矿产能源的需求,使钻探工作量逐年增加。面对深孔复杂地层,钻探过程中卡钻事故时常发生。震击器是解决卡钻事故的有效措施,但油气钻井中常用的震击器在小口径的地质钻探中使用效果并不理想,因此设计适用于地质岩心钻探的新型震击器十分必要。介绍了乌克兰针对比较严重的卡钻事故而设计的带弹簧加压式阀门的液动震击器,在保证其工作可靠性的同时,利用其高频的冲击功可以大大提高解卡工作的效率;针对比较容易发生卡钻地区而设计的随钻式机械震击器,可以在卡钻发生后第一时间进行解卡工作,避免了卡钻事故的进一步恶化,有效的节省了处理卡钻事故的时间。这种解决地质钻探中卡钻事故的有效技术工具,引进、推广应用前景广泛。     

CBJ-10型冲击取样钻机的研制与应用

与常规的槽探和回转钻进相比,利用冲击钻探方法进行地质土壤取样具有取心效率高、取样质量高、对环境破坏小等优点。 为此研制了一种轻便型的冲击取样钻机。通过对冲击原理分析,钻具设计以及拔管器结构分析计算,经过多次设计验证,并在2次现场试用的基础上,进行了不断改进。实践证明该钻机取样效率高,土壤原状保持程度好,能满足高质量土壤取样施工的技术要求。     

气体推动式地下流体取样技术的室内验证

获取高质量的地下流体样品对于二氧化碳地质利用与封存(CCUS)场地的CO₂泄漏监测具有重要意义。基于气体推动原理的地下流体取样器具有取样精度高、地层扰动小、易与井下监测技术集成从而实现地下流体原位连续监测等多方面优势,已广泛应用于多个CCUS场地中。然而,在实际应用中取样器存在取样量不稳定、受地下水水位波动影响大等问题。为解决上述关键问题,作者研发并搭建一套模拟井筒内地下流体取样可视化实验装置,通过开展不同液面高度下地下流体的取样实验,探究气体推动式取样器的取样过程及取样机制。实验结果显示：气体推动式取样技术在取样过程对井筒内液体无干扰,证明具有被动取样的特点,对环境影响程度低。取样量大小主要取决于井筒内液面高度和储流容器大小,可通过液面高度及管路尺寸精确计算得出理论取样量。不同液面高度下实际取样量与理论计算量基本一致,其误差随液面高度的增加而降低,最大误差小于6.6%。取样时间与平均取样速率主要取决于注气压力,并与注气压力呈现幂函数关系,拟合相关系数大于99%。上述实验结果将有助于进一步理解气体推动式取样器的取样机理,对于取样器结构优化以及指导现场取样效果具有重...     

月球钻探取心特种钻头研制与试验

对月壤形成过程和物质组成进行了介绍,并将实际月壤基本物理力学指标与CUG-1型模拟月壤和普通干砂进行对比,认为在月球钻探取样过程中可能遇到具有一定胶结强度的硬质团块。为保证钻探取样顺利进行,需要研制月球钻探用特种取心PDC钻头。基于PDC钻头的碎岩机理,对钻头的负前角、旁通角、出露高度、钻头保径和PDC切削齿的钎焊工艺分别进行了设计,并对钻杆和钻头装配体在钻进过程中的受力过程进行有限元分析。最后,采用所设计的特种取心PDC钻头进行岩石干钻试验,试验结果表明,该钻头能钻进可钻性级别小于或等于6级的岩石,能满足月球钻探需要。     

TGQ-15型轻便取样钻机钻具改进实验及其应用

结合北京市土壤地质环境情况,改进以钻代槽(浅层钻探技术)。选取TGQ-15型轻便取样钻机,在北京市平原区、山区共开展两种类型改进应用实验,即取样管改进应用实验和取样管外部刻度尺改进应用实验。在河床沉积区、河床一级阶地和山前坡积区,3种不同的区域选择不同的方法采集样品分析测试。结果表明:经过不同材质对比以及样式设计的有机玻璃管用来取样及存储土壤样品是安全的,并且土壤中的重金属含量不会受到影响;通过对3个不同地貌单元的分析评价后得出结论,钻机采取垂直样品过程中,Cu(铜)、Zn(锌)、Pb(铅)、Cr(铬)、Ni、Cd(镉)、AS(砷)和Hg的含量未受影响,其分析评价结果可以反应取样区域的污染状况;经过改进设计的刻度尺,提高了孔深校正的效率和精度,同时便于地质地层的编录。总之,钻机的改进避免了土壤的人为污染,提高了土壤样品质量,同时提高了取样效率。     

相关距离分析与勘察钻孔取样间距的合理确定

在场地岩土工程勘察中,为使所取土样之间满足数据独立性的要求,本文提出应使钻孔取样间距等于土的相关距离,这样能真实、准确地反映地基土的特性。根据Vanmarcke提出的随机场模型,结合数理统计和随机过程理论,采用递推平均法计算得到土的相关距离,其计算数据来自现场静力触探试验。     

月球钻探取心特种钻头研制与试验

对月壤形成过程和物质组成进行了介绍,并将实际月壤基本物理力学指标与CUG-1型模拟月壤和普通干砂进行对比,认为在月球钻探取样过程中可能遇到具有一定胶结强度的硬质团块.为保证钻探取样顺利进行,需要研制月球钻探用特种取心PDC钻头.基于PDC钻头的碎岩机理,对钻头的负前角、旁通角、出露高度、钻头保径和PDC切削齿的钎焊工艺分别进行了设计,并对钻杆和钻头装配体在钻进过程中的受力过程进行有限元分析.最后,采用所设计的特种取心PDC钻头进行岩石干钻试验,试验结果表明该钻头能钻进可钻性级别小于或等于六级的岩石,能满足月球钻探需要.     

新型混合重取样算法在岩爆预测中的应用

针对岩爆现象发生的不均衡及发生机理受多因素影响的问题,在分析重取样技术的基础上,设计并实现了自适应选择近邻的混合重取样算法,并将其用于岩爆危险性预测.该方法结合过取样和欠取样方法的优势,改进了SMOTE过取样算法在产生合成样本过程中存在的盲目性及只能复制生成数值属性的问题,新算法能根据实例样本集内部分布的真实特性,自适应调整近邻选择策略,对不同属性的数据采取不同的复制方法生成新的少数类实例,控制和提高合成样本的质量;并通过对合成之后的数据集,用改进的邻域清理方法进行适当程度欠取样,去掉多数类中的冗余实例和边界上的噪音数据,减少其规模,在一定程度上达到相对均衡,从而,可有效地处理非均衡数据分类问题,提高分类器的性能.该算法在VCR采场岩爆实例上进行实验,预测的结果与实际情况完全一致,表明在工程实例岩爆危险性实例数据非均衡情况下实施混合重取样方案是可行的,预测准确率高,具有良好的工程应用前景.采用该方法可找到岩爆发生的主控因素,为深部开采工程的合理设计与安全施工提供科学依据.      

新型超声波钻探设备的建模分析

目前,对宇宙中生命迹象的探索是世界各国所关注的最重要的目标之一。美国宇航局研制了由超声波或者声波驱动器驱动的一系列超声波／声波钻头／取心器（USDC）设备,用来进行空间探测并提取岩石、冰与土壤样品,以及进行原位分析。此设备在声波频率下,超声波压电驱动器驱动中间的自由质量块,进而冲击钻头来进行采样。基于此设备的运行过程,分析了超声波激发器的原理过程,主要是自由质量块与激发器的反应过程,变幅杆顶部与自由质量块的碰撞过程,自由质量块与钻杆的碰撞过程。初步建立了USDC内部各部分相互作用的模型。     

超声波/声波钻头/取心器装置

目前,对宇宙中生命迹象的探索是世界各国所关注的最重要的目标之一。美国宇航局研制了由超声波或者声波驱动器驱动的一系列超声波/声波钻头/取心器（USDC）,用来进行空间探测并提取岩石、冰与土壤样品,以及进行原位分析。此设备在声波频率下,超声波压电驱动器驱动中间的自由质量块进而冲击钻头来进行采样。目前所制造的超声波钻头/取心器（USDC）装置能够取出岩心和岩屑,在未来的行星探测中,有着非常重要的优点。主要介绍USDC的优点、各装置的结构及其性能特点,以供我国月球探测工程及未来深空探测参考借鉴。     

基于压电效应的随钻式能量回收装置设计

针对钻探领域中井下仪器的连续供电问题和钻杆纵向振动能量的回收问题，设计了一种基于正压电效应的新型随钻式能量回收装置。通过现场经验及地质调查报告，设计了装置的径向尺寸参数及压电片材料。基于COMSOL Multiphysics数值模拟软件建立压电耦合模型，通过强迫振动分析得出压电片的长度范围及最佳安装位置；通过模态分析与频率响应研究，得到压电悬臂梁固有频率在到达拐点厚度之前随压电片厚度单调递增，峰值电压随压电片厚度增加呈区域性变化等规律，压电片厚度为1.2~1.4 mm时发电性能最佳，装置峰值电压为15~40 V。该设计为压电式能量回收装置应用于钻探领域的探索提供了理论支撑和设计参考。      

Experimental study on the road energy harvesting of piezoelectric ceramic in unbound granular materials based on a large-scale triaxial apparatus

As one of the methods to harvest and then reuse the traffic-induced mechanical energy or one of the materials to make specific piezoelectric sensors, the application of piezoelectric ceramic to the traffic engineering has drawn more and more attention in recent years. However, few studies have tried to install the piezoelectric ceramic especially piezoelectric patch in the unbound granular materials (UGMs) of pavement base or subbase layers, and then to investigate their coupling including the power generation characteristics of piezoelectric ceramic and the resilient behavior of UGMs under traffic loading. In this study, a special piezoelectric transducer in which the piezoelectric ceramic worked in a single 31-mode was made and it was installed in the UGMs sample. A series of resilient deformation tests based on a large-scale triaxial apparatus was performed to explore the effects of water content of UGMs, confining pressure, cyclic stress magnitude and initial deviatoric stress on the open-circuit voltage generated by piezoelectric patch, and the influences of power generation on the resilient modulus of UGMs. Test results show that the open-circuit voltage in saturated sample is larger than that in sample of optimum moisture condition. The increase in both confining pressure and cyclic stress magnitude lead to the increase in open-circuit voltage, while the influence of initial deviatoric stress is slight. However, the development patterns of open-circuit voltage over either confining pressure or cyclic stress magnitude are very different between the two water content conditions. The power generation by piezoelectric ceramic tends to lower the resilient modulus of UGMs. In general, the installation of piezoelectric ceramic in the UGMs of base or subbase layers is feasible, which provides another way to harvest the traffic-induced mechanical energy. The cyclic stress level should be the key factor influencing the power generation of piezoelectric ceramic, while the confining pressure and water content of UGMs would play minor but non-negligible roles.

     

多参数液动潜孔锤测试平台的研究

液动冲击回转钻进技术现已广泛应用于地质勘探领域,但在石油、地热、煤层气等其他钻井领域应用还较少。原因之一是现有的液动潜孔锤正常工作所需泵量和泵压与输出冲击功和冲击频率难以适应上述钻井领域的要求。针对这一问题,分析了冲击功与冲击力的关系,利用压电石英传感器测定液动潜孔锤的冲击功,并研制了多参数液动潜孔锤测试平台,探索液动潜孔锤结构参数对其输入、输出性能参数的影响,以适应不同领域钻井技术的要求。新研制的液动潜孔锤测试平台由数据采集和处理模块、循环动力模块和机械固定模块3个主要模块组成,实现了在尽可能不破坏液动锤结构的前提下对其输出冲击功、冲击频率及泵量、上下腔压力、背压等多个参数进行实时动态监测,进而开展液动潜孔锤理论研究,进一步提高其研究水平和适用领域。     

臭氧-超声联用处理聚乙烯醇废水

本研究采用臭氧-超声（O₃/US）联用技术处理聚乙烯醇（PVA）废水,分别考察了PVA初始质量浓度、初始pH、臭氧通入速率、超声功率、超声频率及反应时间对PVA和COD去除效率的影响,并在此基础上通过正交实验确定了降解PVA和COD的最佳实验条件。研究结果表明,超声频率对去除率有显著影响,PVA初始质量浓度对去除效率的影响较大,反应时间、超声功率、臭氧通入速率和初始pH的影响相对较小。通过影响实验和正交实验确定的最佳降解条件为:PVA初始质量浓度100 mg/L、初始pH=9、臭氧通入速率4 g/h、超声功率320 W、超声频率40 kHz、反应时间20 min,此时COD和PVA的去除效率分别为86.4%和99.3%。超声对臭氧降解聚乙烯醇废水具有明显的协同作用,在最佳条件下,臭氧-超声联用技术比单独臭氧技术对PVA的去除率增加了5.1%,对COD去除率增加了19.4%。     

多频去耦在双频激电数据去耦中的应用

在频率域激电法所用频段0.1~10Hz范围内,单纯由激电效应决定的视电阻率幅值的频率特性,可近似地表示为频率对数的线性函数;电磁耦合效应使视电阻率幅值发生的变化,可近似表示为频率的幂函数。因此,多频测量法被提出用于频率域激电法的电磁耦合校正。SQ-3型双频激电仪设有4个频组,频率从1/13~8Hz,正处于近似公式适用的范围。将前人多频去耦的思路应用于双频激电数据的处理中,根据双频激电的特点,提出双频仪的多频组电磁耦合校正,经野外实际应用,去耦效果良好。     

岩土超声波测试研究进展及应用综述

超声波在岩土介质中传播时携带了许多与岩土物理力学性质有关的信息,这些信息可综合反映到声学参数如超声波速、衰减系数、波形、频率、频谱及振幅等的变化上,根据这些参数可反演得到岩土体的物理力学指标及细观结构特征,从而解决一系列的岩土工程问题。首先对超声波无损检测可以解决的岩土工程问题进行了概述。其次系统地阐述了土体和岩石(体)超声试验的研究进展:土体强度参数声学特性的试验研究、土体微结构参数的超声探测、岩石强度参数的超声测试研究、超声波速在岩石破裂方面的应用研究、超声波声波衰减在岩石材料中的应用、超声波速度和衰减各向异性的研究及超声波流体流动试验的研究。最后,笔者将超声波测试拓宽到土石混合体研究领域,探讨了不同含石量试样的波速和衰减规律,以及损伤声学参数对试样在单轴压缩作用下裂纹扩展的细观损伤特性的研究,更进一步说明了土石混合材料即不有别于土也不同于岩的特殊性。在以上研究基础上,基于超声波岩土试验国内外研究动态的总结,对其未来的发展趋势进行了展望。     

混凝土构件缺陷超声无损检测的研究

对混凝土构件进行超声无损检测,超声波的振幅参数对混凝土构件中的缺陷（裂缝）最敏感,在耦合良好和测试条件基本一致时,振幅值的大幅衰减可作为判断混凝土构件存在缺陷的主要依据。超声波的速度参数对微小裂隙不敏感,缺陷较大会引起速度值的显著下降;频率参数用于检测混凝土构件缺陷不够敏感;对混凝土构件缺陷进行超声检测,速度变化和频率变化只能作为参考因素。超声波通过裂缝与未过裂缝,波形存在明显差异,通过裂缝后,有时会出现很大周期的波列,可作为判断缺陷的重要依据。综合分析超声波运动学和动力学各参数的变化,能够提高检测的准确性。     

温度-渗流-应力耦合作用分类

根据耦合作用实现方式的不同,将温度-渗流-应力耦合作用分为“力学”耦合和“参数”耦合两大类,“力学”耦合通过场之间的某种力学作用或过程实现,而“参数”耦合则通过场的控制参数的变化而体现出来。