基于有限元法的井底应力场随井底压差变化规律研究

岩石破碎是钻头与井底岩石相互作用的结果,井底应力场是决定钻头破岩效果的重要因素。本文利用有限元数值模拟手段探讨了特定地应力条件下井底压差对井底岩石应力的影响规律。研究表明,降低井底压力可以减小井底岩石的等效应力、改变岩石的应力状态,有利于钻头破碎岩石。井底平面上井眼中心附近的岩石最易破碎,越靠近井壁岩石所受的应力越大,在近井壁地带0.8R（R为井眼半径）附近,会出现明显的应力集中现象,这使得该区域的岩石最难破碎。本文的研究成果为研究最经济、最有效的钻井工艺和破岩技术提供理论依据,为破岩工具的优化设计提供参考。     

牙轮钻头牙齿破岩机理研究进展

井眼形成是通过钻头牙齿破碎岩石形成岩屑来实现的,对钻头牙齿侵入破岩机理的认识有助于优化钻头结构,提高工具破岩效率。阐述了钻头牙齿与岩石相互作用机理的复杂性,分别从弹性力学、裂纹扩展、数值模拟等几个方面,综述了钻头牙齿与岩石相互作用机理的研究进展,指出了今后的研究重点。虽然前人开展了众多的物理实验与数值模拟研究,但是由于钻头牙齿破岩过程及井底环境的复杂性,目前为止其机理并没有被完全认识清楚。理论与实验研究证明,井底压力是影响机械钻速的重要因素之一,针对钻头牙齿与岩石相互作用机理的复杂性,建议采用先进实验和数值模拟技术,将物理实验和数值模拟结合开展研究,揭示井底复杂应力环境下钻头牙齿的破岩机理将成为未来的研究重点。     

考虑三向地应力差时不同钻井条件下井底应力场研究

井底压差和三向地应力是钻井过程中影响井底岩石应力分布的主要因素,从而影响钻井机械钻速。主要针对欠平衡、平衡、过平衡和气体钻井4种钻井条件下三向地应力对井底应力分布进行定量研究。在井底岩石力学分析的基础上,建立了考虑正断层模型下的三向地应力、液柱压力和孔隙压力因素时的井底岩石流-固耦合模型,采用数值计算方法进行求解。结果表明,三向地应力差相同时,井底面岩石最大主应力与井底压差无关,井底面岩石最小主应力随井底压差增大而增大;不同钻井条件下井底面最小主应力与水平最小地应力无关,且随水平最大地应力增大而减小;不同钻井条件下井底面最大主应力与水平最大地应力无关,当井底压差存在时,其随水平最小主应力增加而减小后逐渐趋于稳定;当气体钻井时,其与水平最小主应力也无关。针对走滑断层和逆断层模型时的井底应力场尚需进一步研究。不同井底压差和三向地应力时井底岩石应力分布的定量化研究为实际钻井条件下钻头破岩机制研究和快速高效破岩提供理论基础。     

PDC钻头井底流场实验装置设计

根据ＰＤＣ钻头的结构特点、破岩原理及现场使用情况，阐明了进行ＰＤＣ钻头井底流场试验研究的必要性和迫切性。结合国外的有关资料，设计出能够进行ＰＤＣ钻头单喷嘴射流特性、井底漫流特性及全尺寸钻头井底液流流动规律试验研究的实验装置。该装置实现了井底流场特性的三维空间测量。     

现代破岩方法综述

随着现代科学技术的发展 ,岩石破碎的方法和技术出现了一些新的发展趋势。一般地 ,破岩方法可分为机械能破岩和热能破岩 2种。介绍了几种现代破岩方法等离子体破岩、电子束破岩、激光破岩、微波破岩、热力综合破岩、射弹冲击破岩 ,以及它们的特点。     

旋流喷嘴钻头在NP32-3646井的现场应用分析

南堡32-3646井是一口四开三段制定向井,设计井深5798 m。3864～4265 m（井斜29.18°的稳斜段）试验了五刀翼旋流喷嘴PDC钻头（主切削齿直径16 mm, 3个φ11 mm常规水眼和4个φ18 mm旋流喷射水眼）。针对深井超深井钻进中常采用的相对较高的钻井液密度和粘度,不利于提高钻头破岩效率的问题,在系统介绍旋转射流发生机理和破岩机理的基础上,对NP32-3646井五刀翼旋流喷嘴PDC钻头现场应用情况进行了分析。试验结果表明,旋转射流因具有切向、轴向和径向三维速度,可在高粘钻井液条件下更好地改善井底清岩效果,并通过剪切、冲蚀、拉伸和磨削等多种方式实现辅助破岩,从而提高钻井效率。试验钻头进尺401 m,平均机械钻速4.45 m/h,可较好地满足现场钻进需要,具有良好的推广应用前景。     

基于MatDEM的TBM滚刀破岩机理研究

全断面隧道掘进机(TBM)以其高效、安全、环保等诸多优势被广泛地应用于隧道工程建设中,其中滚刀破岩机理是TBM设计阶段和施工阶段的核心问题。由于岩石与滚刀相互作用时会发生断裂破碎,离散元法(DEM)成为研究滚刀破岩机理的有效手段,但采用一般离散元软件构建的模型尺寸相对较小,且多简化为二维侵入问题,尺寸效应明显。采用基于离散元法的MatDEM软件构建滚刀破岩大尺寸三维模型,模拟真实滚刀破岩过程。采用团簇单元模拟刚性滚刀,实现双滚刀在不同条件下的破岩动态过程。监测破岩过程中滚刀的受力特征,计算分析不同刀间距/贯入度比(S/P)下的滚刀受力模型和比能变化。模拟结果表明,滚刀破岩时的滚刀力是一种复杂无规律的冲击荷载,其值与滚刀切割参数、岩石性质等因素有关;贯入度和刀间距的增加导致滚刀需要更大的力来破碎岩石;对于一种岩石材料,存在最优刀间距/贯入度比值,使得破岩比能最小;MatDEM软件能较好模拟滚刀的破岩过程,与室内线性切割试验相结合,有利于深入、全面地探索滚刀破岩机理。     

井底压差对垂直井井底应力场的影响研究

井底压差是影响钻井机械钻速的重要因素之一。实践证明欠平衡钻井与常规钻井相比机械钻速有显著提高,不同钻井条件下的井底应力场需要深入地研究。在分析井底岩石所受载荷的基础上,建立了轴对称条件下井底岩石流固耦合模型,并利用有限元方法进行求解,通过对不同井底压差下的井底岩石应力场进行数值模拟计算,针对井壁岩石的理论解和数值模拟结果进行对比验证模型的合理性,并对井底待破碎岩石进行了力学分析。结果表明,数值模拟结果与理论结果相符,验证了模型的正确性;井底待破碎岩石按照应力状态分为3个区域,分别为3向拉伸区、2向压缩区和3向压缩区。井底压差对井底应力场的影响研究为快速高效破岩提供理论基础。     

定向钻进控制预测技术

定向钻井技术在矿产勘探及开发、煤层气开发中正发挥重大作用。准确预测定向钻井井底井斜和方位角,可降低定向钻井成本,减少定向钻进失误。目前使用的计算方法不利于现场快速准确预测井底轨迹。本文通过对井斜、方位与造斜工具角、造斜井长和造斜率的数据处理技术,建立了井底井斜和方位增量预测模型,与通用定向井公式比,精度高,且可在井场快速预测出定向钻井井底轨迹参数。经土耳其46对对接井实际证明,大大地提高井底预测速度和防止定向钻进失误率,对指导定向钻井现场快速预测具有指导意义。     

高压电脉冲破岩试验装置的研制

高压电脉冲破岩钻进在国际上被认为是一种在深部钻探中具有广阔发展前景的破岩方法,但在国内研究还很少。本文设计制造了一套高压电脉冲破岩试验装置,包含伺服电动缸、控制柜、岩石容器等部件,试验装置配套了?60 mm和?100 mm的电脉冲钻头,可选择手动或自动加压放电破碎岩石。在放电电压为120 kV、放电频率为1 Hz的条件下进行了红砂岩等岩石的钻进试验,实现了60 mm口径的钻进碎岩。试验结果表明,该装置能满足电脉冲破岩试验的基本要求,可用于电脉冲碎岩室内研究。     

沉积速率的定量计算

分别推导并给出了砂砾岩和泥质岩沉积速率的定量计算公式,以松辽盆地白垩系钻孔数据为实例详述了公式的使用方法、公式的通用性和计算精度,以及对一些具体问题的处理方法。     

南秦岭铁瓦殿岩体岩石谱系单位特征

将铁瓦殿岩体划分为5个岩石谱系单位，厘定为2个超单元，即铁瓦殿超单元和马院子超单元。研究认为：铁瓦殿超单元形成于消减带活动板块边缘环境，其岩浆物质来源于上部地壳，以类岩墙扩张形式被动顶蚀上侵定位，是新元古代活动陆缘聚合作用的产物；马院子超单元形成于造山晚期－晚造山期消减带环境，其岩浆物质来源于上部地壳，以类岩墙扩张－底劈形式上侵定位，是印支－燕山造山期陆内裂槽聚合作用的产物。     

地下厂房洞室群岩爆趋势综合预测方法

以拉西瓦水电站地下厂房洞室群原设计方案为例，基于其赋存地质条件调研结果和岩爆产生基本条件，对岩爆趋势进行宏观预测；并结合研究区其他高地应力现象，建立了岩爆预测类比判据。进而基于厂房开挖后二次应力场数值计算结果，以所建判据圈定了岩爆可能发生部位及强烈程度。结果表明，将宏观判据与类比判据结合的岩爆综合预测方法，考虑因素全面，也尊重了研究区实际情况，因而合理可行。     

基于剪胀理论的嵌岩桩嵌岩段荷载传递法分析

结合桩岩作用的剪滑扩张规律,建立了适于弱质岩石嵌岩桩嵌岩段的荷载传递函数及相应的解析解。从理论上较好解释了桩端阻力随嵌岩比H/D的变化关系,分析了桩侧岩壁性质、桩端岩性等因素对单桩沉降与桩端阻力的影响,并提出了有关的设计建议。     

关于用岩体分类预测TBM掘进速率AR的讨论

以Maen、Pieve、Cogolo和Varzo 4条隧道为例,本文分析说明了岩体质量分类系统不能预测TBM净掘进速率PR的原因:由于影响岩体可掘进性的因素与影响岩体质量的因素不一样,且岩体质量分类系统多采用半定性半定量的评分形式描述岩体条件,故岩体的质量分数值与TBM的净掘进速率PR很难有一一对应的关系。因此,岩体质量分类系统和基于此的预测模型不能够用来预测TBM的净掘进速率PR。根据TBM施工隧道岩体分类的目的及TBM施工的特点,提出预测TBM净掘进速率PR的岩体分类系统应与评价岩体稳定的岩体分类系统分开进行。用岩体可掘进性分类系统预测净掘进速率PR,用岩体质量分类系统预测TBM利用率U,从而计算出TBM的掘进速率AR。     

构造——蛇绿混杂岩工作方法、研究途径及填图单位划分

板块聚敛、洋盆封闭，洋壳残片（蛇绿岩）构造侵位到陆壳（陆源碎屑岩）之上形成了构造－－蛇绿混杂岩。它由以脆性剪切破裂为主的刚性构造包体和以韧－脆性剪切变形为主的剪切基质两部分组成。由构造－－蛇绿混杂岩研究应采用大比例尺精细露头填图，详测剖综合研究方法。同时对构造－－蛇绿混杂岩带填图单位划分方案进行了讨论，提出了对构造－－蛇绿混杂岩带建立杂岩。对蛇绿岩刚性构造块体建立杂岩组合、杂岩体等级体制划分方案；对其它刚性构造块体建立岩片、岩块级非正式地层单位，对剪切基质建立相当与岩组，岩段级非正式地层单位。     

澜沧江某水电站右坝肩工程边坡倾倒变形问题的数值 模拟研究

澜沧江某水电站处于青藏高原东部边缘地带,属于高山峡谷地形地貌,高地应力环境,岩体卸荷裂隙很发育,使得倾倒变形和岩体质量、断裂活动及地震构造一样成为影响工程边坡岩体稳定的主要因素。针对工程边坡的大变形问题可采用离散元的数值模拟分析方法。通过建立理论开挖和工程边坡开挖离散元模型,可分别得出倾倒变形破坏机理发展过程为初期弱倾倒变形岩体的层内剪切错动、强倾倒变形岩体的层内拉张变形、强倾倒变形岩体的切层张-剪破裂及极强倾倒破裂岩体的折断张裂(坠覆)破裂和工程边坡的变形范围、确定开挖面及加固方式等。通过工程边坡模型的计算结果和现场地质调查成果的比较表明,计算结果和实际情况基本吻合。     

依兰达连河勘探区钻探使用泥浆类型的选择

在以水敏性地层为主的煤田钻探施工中,）中洗液起着相当重要的作用。KHM—CMC—PAM高聚物泥浆在依兰达连河矿区水敏性易塌地层中的应用,起到了维护孔壁的作用,保证了钻探过程孔壁的安全。     

石漠化的成因机理与防治对策

从石漠化的研究现状出发，依据我国西南岩溶石山地区石漠化特征，着重分析其主要控制介质为岩性、构造、地貌、气候、岩溶、地下水、植被等自然介质因子与森林砍伐、高坡开垦等人为介质因子．石漠化是以岩溶山区脆弱的岩溶生态环境为基础，以内、外地质作用和人类恶性生态地质作用为驱动力，以资源退化和恶化为本质，基岩不断裸露，生态环境不断恶化，周而复始的恶性循环过程．提出对石漠化的研究重点是成固机理研究，对石漠化的防治应着重于对石漠化的驱动力及其主异因子的防治，阐述了治山必须先治水等防治对策与建议．     

中国西部深切河谷谷底卸荷松弛带成因机理研究

中国西部深切河谷中大量钻孔等资料分析表明,西部深切河谷谷底浅表层普遍存在卸荷松弛现象。谷底卸荷松弛带一般厚10~20m,具有弱风化、裂隙发育、岩体强度较低、完整性差、透水性较高等特征。研究结果揭示谷底形成后岩体经历了谷底应力集中→谷底岩体变形破坏→表层岩体卸荷松弛→次生裂隙发育→长期水岩相互作用→形成现今谷底弱风化、弱卸荷带。室内物理模拟研究直观地再现了谷底岩体应力集中、变形破坏,形成卸荷松弛现象。