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。     

美国声波钻进规程ASTM D6914/D6914M—16浅析

声波钻进技术具有速度快、岩心保真好、适用地层广等优点,广泛应用于工程勘察、环境调查、浅源地热、基础工程、矿山治理等领域。为了提高声波钻进施工质量和过程控制,美国材料与实验协会于2004年制定了第一部声波钻进规程D6914—04,后经多次修订完善,形成最新声波钻进规程D6914/D6914M—16。本文根据该版规程内容,从技术原理、钻进设备、成孔工艺等方面展开了阐述。当振动器与钻柱谐振频率重叠时,声波钻头受到的能量达到峰值。钻机和取心钻具是声波钻进的核心设备。成孔工艺主要以双管高频振动、低速回转为主,实现多种目的层的原位取心作业。标准相关内容对声波钻进技术在我国的持续推广具有参考意义。     

煤层气含量测定用绳索密闭取心装置及技术研究

煤层气含量是煤层气资源开发利用和矿井瓦斯防治的重要技术参数,针对地面井煤层气含量测定过程中因煤心损失气量估算不准导致的煤层气含量测定结果偏差问题,研制了地面井煤层绳索密闭取心装置,提出了地面井煤层绳索密闭取心技术工艺。煤层绳索密闭取心装置上端设计绳索投捞接口,配套设计绳索投捞工具串和绳索提升系统,实现取心内筒组件的快速下放与提升;采用液压推动头直接推动取心内筒下行、取心钻头与取心内筒配合的方式达到球阀旋转关闭的目的,在保证足够的取心内筒容积和过流环空间隙的同时,将密闭取心装置外径最小化（?114 mm）,配套?127 mm取心钻头,使整套密闭取心装置适用较多井型。选择晋城矿区（中硬、高变质、高瓦斯煤层）地面煤层气抽采检验井进行煤（岩）层绳索密闭取心试验,测试结果表明,煤层绳索密闭取心样品空气干燥基气含量为常规（绳索）取心样品气含量测值的1.12~1.17倍,绳索提心速度为63.60~66.92 m/min。地面煤层气井绳索密闭取心技术提高了煤层气含量测定准确度,实现快速提心、精准测定地面井煤层气含量之目的。      

钻进大口径钻井用的钻机和工具

使用取心和全巷钻进的钻探装置钻进大口径钻井和竖井。取心钻探装置与全巷钻进装置相比,前者的主要优点是,建井时破碎和运输岩石的能量消耗少,在硬岩层中尤其如此。破碎岩石的环圈仅占井底面积的10—30％,而主要岩块做为岩心从钻井内提取。取心钻探装置的岩石破碎工具是钻粒钻头或牙轮钻头。     

DJ型单动双管取心器的改进与应用

针对传统的单动双管取心器存在的内外管同心度差、轴承容易损坏、没有滤浆沉砂装置、双管间隙容易堵塞、取心效率低等问题,研制出DJ型单动双管取心器。该取心器主要由滤浆沉砂装置、密封单动装置、内管（半合管）调节组件和卡心装置组成,具有同心度高、密封性好、滤液及水路设计合理、取心管长度大、可减少钻进回次、提高取心效率等特点。现场应用表明：该取心器取心效果好,使用寿命是传统取心器的2倍以上。     

低温电镀孕镶金刚石石油取心钻头研制与应用

该钻头用于坚硬地层取心。河南油田以往常用园柱聚晶、三角聚晶钻头以及烧结孕镶金刚石钻头，取心效率低、钻速慢、成本高。近两年采用低温电镀孕镶金刚石钻头取心后，平均单筒进尺由原来的4．20m／筒提高到7．62m/筒，平均取心机械钻速由原来的0．21m/h提高到的0.84m/h。该钻头生产工艺完全改变原来高温（1000℃以上）烧结为低温（室温）电镀工艺，极大地避免了金刚石热损伤，采用高强度大颗粒的金刚石，提高了取心机械钻速。     

绳索取心钻杆的研究试验

一、绳索取心的特点绳索取心又叫不提钻取心。它的最大特点是取心时不需要提升孔内钻杆，而在钻杆内借助专用打捞工具（打捞器）把装满岩心的内管捞取上来获得岩心。绳索取心钻杆除了和普通钻杆一样，在钻进过程中传递和承受拉、压、扭等应力外，还具有如下特点：1．内外平。保证取心钻具在钻杆内顺利通过。2．壁薄。增大内管和钻杆的间隙，减小取心钻具在钻杆内的升降阻力，并且增大岩心直径，减小钻头壁厚。3．绳索取心钻头壁厚（10.5毫米），所需钻进压力较大，因此，应能承受和传递比普通小口径钻杆     

卡爪式软岩取心器

卡爪式取心器是为满足露天煤矿边坡勘探需要，提高松软地层岩煤心采取率，保持岩心原生结构而研制的取心工具。一、结构与工作原理我们在研究国内外各种取心器特点的基础上，设计了一种结构简单，操作方便的水力压卡式双管单动软岩取心器。该取心器分回转、单动和卡心三部分，由37个零部件组成（见附图）。回转部分由外管接头、外管、钻头等部件组成，传递压力和回转力。     

BH—75不提钻换钻头钻具及其钻进技术

一、前言地质矿产部探矿工艺研究所从1981年起，花了4年时间研制成功了BH-75不提钻换钻头钻具（以下称BH-75钻具），并通过其开发研究，使我国在岩心钻探的世界领域内首先将不提钻换钻头技术投入工业应用。BH-75钻具，是借助同径绳索取心钻具的钻杆、打捞器和辅助工具，利用钢绳投捞实现钻头升降，从而在每个绳索取心回次都可以对孔内服役钻头进行观察或更换。目前，已有75台BH-75钻具在全国35个勘探队的钻探施工中投入或即将投入使用，已经达到的钻进深度为997.26m，最长的提钻时间间隔达16天，不提钻累计钻进     

松辽盆地南部油气田钻井取心关键技术

为有效解决松辽盆地南部油气田储集层取心钻头选型困难、机械钻速低和岩心收获率不稳定等难题,在分析取心井段地质特征、XRD元素组分占比、地层可钻性的基础上,开展了取心筒和岩心爪比选、取心钻头选型和个性化取心钻头的研制,同时优选取心钻具组合和优化取心参数,完善不同储集层取心工艺技术配套。比选后的取心工具配合新型取心钻头在多口井的取心实践中,取得了平均岩心收获率>98.98%、最高机械钻速达到6.03 m/h的效果。系列取心钻头优选和配套关键技术的应用解决了目前松辽盆地南部储集层取心的技术难题,可为后续取心提供可靠的参考和技术支持。     

超声波取样钻机电耦合特性研究

压电驱动的超声波取样钻具有质量轻、能耗低、无回转部件的特点,可以满足地外岩石采样的需求。电能通过压电陶瓷转换为致动器高频振动的机械能,使其在特定频率做超声的共振。这种超声取样钻的机电耦合特征,使超声致动器的设计变得复杂。基于ANSYS环境,研究超声致动器在机电耦合场边界条件下的动力学特性,其耦合场的模态频率、激励响应与单一机械结构场条件得到的结果具有较好的一致性。结果表明,超声致动器把电能转换机械能过程的机电耦合场相互作用是很弱的。因此,采用解耦方法,超声致动器的设计过程将大大简化。     

勘探地球物理层析成像软件系统及其应用

本文对人工场源激发的地震波、声波、电磁波及电阻率分布而重建地下物理参数图像的理论、正反演算法、计算机软件、实验室超声波模型实验、电阻率实验等做了大量的研究,完成了由Windows95支持的勘探地球物理层析成像软件系统的研制,并介绍了三个勘探应用实例。     

超声波振动下不同应力条件对岩石强度影响的试验

振动有助于碎岩,以往关于振动碎岩机理的研究大多在低频率段展开。为填补超高频率段下振动碎岩机理的空白,采用单轴动静组合加载模式,开展了超声波振动下不同应力条件对岩石强度影响的试验研究,其中超声波振动频率为20kHz,预压范围为100～500N。研究结果表明:当预压小于200N时,岩石内部应力状态无法满足强度准则,岩石强度下降不明显;当预压大于等于200N时,岩石强度随振动时间的增加而逐渐降低且存在最优预压力值(400N)使得岩石强度最低。缩短振动频率与岩石固有频率的差值有利于提高超声波振动碎岩效率。     

浅析声测岩石试件尺寸的确定

本文从声发射的辐射、散射理论出发，讨论了室内岩石试件在满足有关尺寸的情况下可视为无限体，从而对各单位的有关规定进行了评价，为今后室内岩石试件的声测从理论上找出了标准尺寸，统一了认识，以便更好地服务于工程建设。     

Quantitative Assessment of Extrinsic Damage in Rock Materials

Summary   Comminution (crushing and grinding) of rock materials is energy-intensive and expensive. Much effort has been directed to improve the efficiency of conventional milling practice, but relatively little attention has been given to the potential benefits of blast-induced (extrinsic) damage on comminution processes. The objective of this research is to investigate the effect of shock-induced “crack-like” damage on rock properties for three petrologically distinct rock materials under laboratory conditions. In order to evaluate the effect of shock-induced damage, a quantitative measure of rock damage is needed. Shock loading of rock material was accomplished with an explosively driven split Hopkinson pressure bar. Laboratory measurements show that the average uniaxial compressive strengths for damaged specimens are slightly lower than those for intact specimens. Based on damage mechanics, the scalar damage variable () was experimentally determined as the relative reduction in ultrasonic wave velocity of damaged versus intact rock. increases as the shock energy dissipated in rock material increases. A crack density was determined by confocal image analysis. Measurements following shock loading indicate that ultrasonic wave velocity in rock partially recovers with time. Ultrasonic wave velocity and confocal image analysis may be useful in quantitatively assessing the internal crack-like damage in rock materials.     

超声波冰层钻进方法的可行性研究

人类对极地资源的开采和科学研究需要高效、环保的冰层钻探技术,热熔钻进是常用方法之一。为解决热熔钻进技术能量利用率低的问题,本文提出了一种以超声波频率振动进行冰层钻进的方法,分析了超声波振动钻进冰层的机理,通过超声波振动冰层钻进效率的计算及室内试验,得出了超声波振动冰层钻进速度大、热效率高的结论,可用于极地冰盖、冰架等冰层的钻进。     

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。     

Mineral exploration in regolith-dominated terrains: Global considerations and challenges

Mineral exploration through transported cover is becoming one of the fundamental challenges for the exploration industry in this century. The sharp increase in demand for commodities driven by a growing population and technology-based society is coupled with the decrease in world-class ore deposit discoveries in the last three decades. This is setting the stage for an unprecedented scenario, that is, ensuring that the market supply for critical metals (Ni, Co, Au, PGE, etc.) is satisfied. This situation is becoming the driving force for a restructuring of mineral exploration paradigms. New technologies and methodologies are being developed; and, as a consequence, regions that were considered to be unfavourable for ore deposit exploration are now being reconsidered. Among these areas are vast regions of Regolith-Dominated Terrains (RTD) with basement rock suites buried under thick transported cover and/or deeply weathered profiles.This Special Issue presents several studies on mineral exploration in RTDs in Brazil, China and Australia, and addresses some of the issues that hinder exploration in these problematic terrains, in the hope of reaching a broad audience, and encouraging researchers from a wide spectrum of disciplines to contribute to this exciting and inspiring exercise.     

叶巴滩水电站深部破裂岩体波速特征

揭示深部破裂岩体波速特征及深部破裂对岩体卸荷、损伤、完整性及弹性模量的影响,以叶巴滩水电站岸坡深部破裂为典型实例,开展深部破裂现象精细测绘与声波测试。研究表明:根据宏观地质特征与波速,可将深部破裂划分为轻微松弛型、中等松弛型、强烈松弛型;轻微松弛型深部破裂岩体纵波波速大于4 200m/s,中等松弛型深部破裂岩体纵波波速3 000~4 500m/s,强烈松弛型深部破裂岩体纵波波速小于3 000m/s;轻微松弛型深部破裂对岩体卸荷程度、损伤程度、强度弱化影响较小,中等松弛型深部破裂次之,强烈松弛型深部破裂影响最为显著;轻微松弛型深部破裂岩体较完整,中等松弛型深部破裂岩体完整性差-较破碎;强烈松弛型深部破裂岩体已处于较破碎-破碎状态。