锥形聚晶金刚石复合片齿破岩特征与机制研究

锥形聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)齿是一种具有较强抗冲击性和耐磨性的新型PDC齿,在坚硬、强研磨性和软硬交错地层中取得了非常好的钻井提速效果。为了揭示锥形齿破碎硬岩机制,开展锥形齿破碎花岗岩试验与数值模拟研究,分析了切削深度和前倾角对锥形齿切削力和破岩比能的影响规律,采用高速摄像机和透明K9玻璃观测了锥形齿作用下岩屑形成过程及微裂纹萌生与扩展过程,通过数值模拟分析了破岩过程中岩石应力响应与损伤演化特性,结合对切削槽和大尺寸块体岩屑表面形貌及断口微观特征分析,建立了锥形齿破碎花岗岩机制模型。结果表明,锥形齿破碎花岗岩的过程可以分为挤压成核和块体崩裂两个阶段,前倾角对岩石破碎过程影响较小,切削深度的影响显著;锥形齿周围的裂纹主要由压实核、纵向裂纹和横向裂纹组成,纵向裂纹和横向裂纹扩展的最大深度分别为切削深度的6.69倍和4.53倍;齿尖周围压应力集中,岩石发生压剪破坏,压应力区外围形成弧形条带状拉应力区,并在齿尖及压应力区边界处诱导出拉伸微裂纹;微裂纹向齿前扩展形成弧形拉伸主裂纹,发生块体岩屑崩裂,提高破岩效率,向岩石内部扩展劣化...     

弧角型PDC钻头切削齿布齿模式仿真分析

钻头在钻进复杂非均质地层时,由于其冠部形状的限制,钻头各部位切削齿受力不均匀,局部切削齿受到较大的冲击载荷,导致钻头发生“涡动”现象。为了解决上述问题,提出“多级力平衡”的切削齿周向布齿方案,通过建立全尺寸钻头破岩有限元仿真模型,分析顺时针、逆时针以及“多级力平衡”3种周向布齿模式下切削齿及钻头的受力特性。模拟结果表明:相对于顺时针和逆时针周向布齿,“多级力平衡”布齿模式下各刀翼载荷分布比较均匀,钻头的稳定性和攻击性均得到较大改善,钻头的破岩效率提高28%以上;顺时针布齿模式下钻头的侧向力最大,其稳定性相对最差;逆时针布齿模式下钻头的钻压最大,其攻击性相对较差,并且钻头的破岩效率最低。上述研究成果能够为指导PDC钻头切削齿的周向布齿设计提供理论依据。建议今后加强“多级力平衡”周向布齿模式下切削齿载荷沿钻头径向分布规律方面的研究,以指导防涡稳定PDC钻头的优化设计。      

复合冲击作用下PDC钻齿破岩过程连续-非连续数值模拟研究

复合冲击钻进是兼具轴向和扭转2个维度冲击的新型破岩技术,针对岩石在聚晶金刚石复合片钻头(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)钻齿轴向-扭转2个方向冲击作用下破坏机制复杂、复合冲击破岩机理不清晰等问题,基于连续-非连续分析方法(Continuous Discontinuous Element Method,CDEM),建立基于共享节点的FEM-DEM岩石模型,再通过室内单轴压缩实验验证该计算模型的合理性。基于JavaScript二次开发,建立单钻齿复合冲击运动模型,并模拟PDC单钻齿在正弦函数下的复合冲击破岩过程。通过对岩屑、径向剪切裂纹、侧向裂纹和侧向主裂纹等形成过程的分析,揭示岩石在复合冲击作用下的破坏规律。在此基础上,建立单钻齿复合冲击切削力学模型,开发适用于分析复合冲击破岩钻进的连续-非连续数值算法,分析不同切削深度、前倾角度、轴向冲击速度、扭转冲击速度下的破岩效果,探讨不同钻齿参数下的切削力和破岩规律。结果表明：复合冲击作用下钻齿前方和下方岩石均发生大体积破碎,可实现“立体破岩”效果,进而减小钻头的粘滑效应。钻齿与岩层的接触面积、接触弧长、冲...     

盾构切刀顺次破岩机制的数值模拟研究

在对盾构切刀顺次破岩实际工况提出合理简化的基础上,从岩土细观角度出发,采用颗粒离散元法建立了切刀破岩的二维数值模型,研究了两把盾构切刀顺次作用下的破岩机制和影响因素,并通过试验对切刀破岩过程中切屑堆积现象及破岩力学特性进行了验证。研究表明,刀具尖端的破坏作用最为明显;切削岩石时切削力随着切削行程不断波动,水平切削力大于垂直切削力;不同于单刀切削,切刀顺次作用时前刀刮过的岩面留下了大量残余裂纹,使得后刀所受的切削力减小;从切削性能来看,随着切削深度的增加,岩石破碎块度不断增大,切削力和裂纹数迅速增加,说明切深与切削力密切相关;切削试验观测到了切屑在前刀面堆积和切削力的波动现象,与数值模拟具有较好的一致性。     

大比尺切削模型试验条件下砂岩破坏特征研究

为探究单刀齿线性切削作用下岩石的破坏规律，利用大比尺模型试验平台对砂岩开展了线性切削试验，结合分形几何学方法，对砂岩在不同切削角度及不同切削深度下的切削产物，包括切削沟槽的尺寸及切削碎块的几何特征进行了分析。试验结果表明，切削影响宽度与切削深度呈良好的线性关系，且随切削深度的增加而增加，切削角度为45°时相同切削深度对应的切削影响宽度最小。砂岩的切削碎块块度分布具有分形特征，分形维数集中在1.88～2.66。分形维数与切削深度呈良好的线性关系，随切削深度的增加而减小。分形维数与切削角度间的关系可统一用二次函数进行拟合，但随着切削深度的增加，函数二次项系数由正值变为负值。     

PDC碎岩功耗的理论分析与计算

PDC钻头破碎岩石的理论研究,对于合理设计与应用PDC钻头有着非常重要的意义。虽然国内外学者对PDC钻头的碎岩问题进行了诸多的试验和数值模拟研究,但是理论分析研究相对缺乏。PDC碎岩功耗可以定量地从能量角度反映工具破碎岩石的效率,也是评价钻进效率有效指标之一。本文基于单齿PDC的受力模型和接触力学理论,推导了PDC单齿碎岩功耗和PDC钻头碎岩功耗的理论计算公式。结合实例对比分析表明,该公式对于整形PDC片是适用的。研究结果有助于PDC钻头的设计和PDC片的布齿措施,为深化认识PDC切削碎岩机理提供重要的理论依据。     

超声波辅助PDC切削齿振动破岩仿真分析

PDC钻头在软至中硬地层钻进时具有钻速高、使用寿命长、设计灵活等显著优点,在钻井领域中的需求量逐年增加。而超声波钻进作为一种新型碎岩技术,由于在钻进过程中具有穿透能力强、钻进效率高等优点而获得了广泛关注。以超声波振动辅助PDC钻头破岩有望取得良好的钻进效果。为此,基于线型Drucker-Prager模型,利用ABAQUS软件建立了超声波辅助PDC钻进振动切削岩石的二维有限元模型,分析了不同超声波振动频率下PDC钻进破岩比功和切削力的变化规律,比较了超声波振动切削与常规切削岩屑形成过程的差异。研究结果表明,当激励频率从20 kHz至40 kHz增长的过程中,破岩比功与平均切削力都呈现先减少后增加的变化趋势,即存在一个最优频率位于25~30 kHz间,使破岩比功最小,钻进效率最高;超声波辅助振动切削的破岩方式与常规切削的塑性破坏不同,主要以脆性破坏为主,其切屑形成过程共分为4个阶段,且切削力保持为零的阶段较常规切削更为明显;当激励频率接近岩石固有频率时,超声波振动切削的平均切削力较常规切削小20.5%,并更易产生大块岩屑,使岩石产生更多体积破碎,从而提高破岩效率。     

PDC锚杆钻头回转钻进的力学特性与试验

针对煤矿巷道锚固孔快速精准钻进的施工需求,通过建立PDC锚杆钻头回转钻进力学模型,对其主要力学影响因素进行了理论分析。结果表明:PDC切削齿轴向力随压入深度的增大而增大,随切入角的增大表现出先减小后增大的趋势;当煤系岩石摩擦系数f为0.20~0.43时,可得最优切入角为15.0°~18.3°,此时在相同压入深度条件下轴向力和切向力最小。并进一步结合煤系岩石的力学特性,提出了PDC切削齿作用下的岩石破碎条件,得出不同压入深度时轴向力和切向力的关系。利用自主研发的钻进试验台对模拟岩样进行了钻进试验,试验结果验证了PDC锚杆钻头回转钻进力学模型的正确性。研究结果为PDC锚杆钻头优化设计,锚固孔钻进效率与精度的提高,以及钻进轴向力和切向力的变化预测等提供了理论依据。      

全断面岩石掘进机滚刀最优刀间距计算公式研究

基于剪切与张拉破岩机制,提出拉剪综合失效机制假设;建立了非协同切削与协同切削体积模型,推导了协同切削模式的滚刀比能耗理论模型;通过离散元仿真得到滚刀侵入岩石裂纹长度与贯入度的映射关系;推导出滚刀最优刀间距理论公式;以全断面岩石掘进机（TBM）回转切削试验台为基础,水泥模拟料为切削对象,通过多次压痕试验得到滚刀贯入度和岩石裂纹长度的趋势曲线,验证了仿真结果;通过滚刀滚动破岩进行了12组不同贯入度与刀间距的物理切削试验,统计滚刀做功与岩石破碎体积,拟合得到比能耗关系曲线,验证了最优刀间距理论公式的结论。研究表明：TBM滚刀最优刀间距计算公式综合考虑了岩石特性与滚刀结构特性,适应性较广泛;刀间距超过滚刀协同工作距离时,滚刀破岩以剪切破碎为主;刀间距小于2倍岩石裂纹长度时,张拉破碎的影响更加明显;随着贯入度的增加,最优刀间距逐渐增大,而最优滚刀间距S与贯入度P之比（S/P）值则逐渐减小。     

PDC钻头综合受力模型的试验研究

模拟钻头上的切削齿的不同的切削断面形状、重叠切削状态及磨损状态,利用PDC切削齿对多种岩样进行了切削试验,研究了切削面积、接触弧长、切削齿后倾角、岩石抗钻强度、切削齿磨损高度等因素对PDC切削齿受力的影响规律。结果表明,切削面积相同情况下切削齿受力随接触弧长、岩石可钻性极值、切削齿磨损高度分别呈线性,幂函数和指数函数趋势变化;切削齿受力最小的后倾角在5～10°区间内。引入弧长系数、磨损高度系数,建立了PDC切削齿综合受力模型。根据力的平衡原理,推导得出完整的PDC钻头受力计算模型,为PDC钻头优化设计和合理使用提供了理论依据。     

模拟深井条件下的PDC钻头破岩试验研究

利用深井破岩试验装置模拟不同井深压力条件下对泥岩进行了ＰＤＣ钻头破岩试验，试验结果表明，随着井深的增加，岩石强度增加，破碎岩石的切削力增加，同时，ＰＤＣ钻头齿形和结构对破岩效率影响较大，因此必须按深井条件和岩石特点进行ＰＤＣ钻头齿形和结构设计，以达到提高机械钻速的目的。     

双轮铣槽机铣削过程及截齿入岩顺序优化研究

双轮铣槽机（简称“双轮铣”）是地下连续墙的专业施工装备,布齿系统是其核心部件,其参数设计与破岩性能密切相关。基于连续?非连续单元法（CDEM）,建立了铣轮铣削岩土体过程的三维仿真模拟方法。在此基础上,考虑自由面与铣削关联性等因素,对布齿系统截齿入岩顺序影响破岩性能机制进行了研究,建立了关联铣削条件下以预置相邻自由面数目为主要影响因素的入岩顺序数值概化模型。结果表明：（1）获得的铣轮铣削岩土体的铣削力与铣削深度曲线,验证了此数值模拟方法的正确性;（2）相比于完整岩体,具有单相邻预设自由面与双相邻预设自由面岩样的峰值荷载分别下降了32.5%与68.2%,破岩能耗分别下降了19.8%与56.6%;（3）布齿系统中双相邻预设自由面的截齿占总体截齿数目比值越大,布齿系统整体能耗越低,异构式布齿系统能耗低于顺序式。研究成果为完善双轮铣槽机破岩过程与布齿系统优化提供了基础。     

盘形滚刀破岩过程的数值研究

为了研究全断面岩石掘进机盘形滚刀的破岩过程以及盘形滚刀的结构参数（刀刃宽、刀刃角）对滚刀破岩特性的影响,利用离散元方法建立岩石与盘形滚刀的二维数值模型,研究了滚刀侵入岩石过程中贯入度、切削力以及裂纹数三者的关系,在此基础上通过仿真得到滚刀结构参数与岩石破碎特性的规律。研究结果表明：裂纹的扩展与滚刀受到的切削力密切相关;破岩过程中切削力先增大后减小的循环模式,证实了岩石跃进破碎特性。在盘形滚刀作用下,岩石中的应力是向下、向四周无限扩展的对称的应力泡。滚刀刀刃作用区域,应力值最高,随着滚刀贯入度增加,最大应力减小;远离滚刀刀刃区域,应力呈应力泡形式逐层降低至0。选择滚刀刀刃宽在10～15 mm之间,既避免滚刀受到的推力过大,又能提高滚刀的破岩效率;岩石破碎以滚刀刀刃下方向下发展裂纹的扩展为主,刀刃角在10°～20°之间,既能减少滚刀的磨损又能提高破岩效率。     

Numerical Studies on Chip Formation in Drag-Pick Cutting of Rocks

A two dimensional non-linear finite element simulation model has been developed using a mathematical model for progressive rock failure for understanding the mode and sequence of rock failure under a drag pick cutter. Rock cutting simulation has also been done using linear elastic modeling using local stability factor contouring. It has been observed from the simulation results that during negative rake angle cutting the chipping occurs by shear failure of the elements. Whereas, in positive rake angle cutting, some elements were observed to fail in shear and some under tension. The predicted peak cutting force using the developed models was found to be up to 25% higher than the experimental values. The effect of input parameters such as rake angle, flank wear, depth of cut and rock properties on the predicted peak cutting force has been studied, verified from earlier experimental studies and compared with some earlier proposed theories on rock cutting. The elastic stress analysis model based on the stability factor contouring method has also been found to be an effective tool to bracket the expected peak cutting force for a given operational and rock parameters but failed to simulate the effect of pick geometry (rake angle) correctly. The non-linear simulation model using progressive rock element failure is superior to elastic linear stress analysis model by simulating the correct trends for all the rock and machining parameters.     

水力切缝上方TBM滚刀贯入破坏机制模拟研究

为了提高坚硬岩层隧道掘进机（tunnel boring machine, TBM）贯入度和降低滚刀受力,高压水射流辅助TBM滚刀破岩已在工业界初步应用。为了揭示水力切缝滚刀破岩机制,基于水力切缝岩石滚刀贯入试验进行了三维颗粒流模拟,研究了滚刀贯入力和贯入刚度随切缝深度的变化规律,揭示了不同切缝深度滚刀纵横剖面内的裂纹扩展和力链演化过程,分析了拉裂纹和剪裂纹随切缝深度的变化规律,明确了不同切缝岩石滚刀贯入的破坏模式和破坏机制。结果表明,第1次贯入的贯入刚度和贯入力随切缝深度的增加大致呈线性降低,第2次贯入的峰值力和贯入刚度小于第1次。而且,50～80 mm刀间距的变化对峰值贯入力的影响并不显著。随着切缝深度的增加,滚刀下方力链集中区边缘的倾角变大。由此导致破坏倾向于倾斜向下发展,当刀间距增加时,破坏由切缝一侧倾斜破坏向两切缝中间岩脊倾斜破坏转变,研究结果可为TBM滚刀与水射流布置和切缝深度的选取提供一定参考。