Laboratory investigations on rotary diamond drilling

Extensive laboratory drilling investigations were conducted on a wide variety of rocks to study the inter-dependence of machine as well as rock parameters on the performance of the drilling operation. Detailed physical and mechanical properties of all the rock types were determined to study the influence of the rock properties on the drilling performance. The effect of PEO (poly-ethylene-oxide) added to the drilling water was also studied. Slake durability tests were conducted in plain water as well as a PEO mixed water medium to observe the effects of PEO on the surface properties of the rock. An attempt is also made to understand the different modes of wear of impregnated diamond bits in the rotary drilling operation.     

Bowing of marble slabs: can the phenomenon be arrested and prevented by inorganic treatments?

Bowing of thin marble slabs is a phenomenon affecting both historic monuments and modern buildings. In spite of the ubiquity and destructiveness of this phenomenon, no fully satisfactory treatment is currently available to arrest and/or prevent bowing. In this study, a treatment based on formation of hydroxyapatite (HAP) was investigated as a possible route to arrest and possibly prevent bowing of Carrara marble slabs. Four different formulations of the HAP treatment were tested and compared to ammonium oxalate and ethyl silicate (widely used in the practice of marble conservation). The treatments were applied onto pre-weathered and unweathered specimens to investigate their ability to arrest and prevent bowing, respectively. Marble behavior was studied in terms of residual strain and bowing after thermal cycles up to 90 °C in dry and wet conditions. Marble cohesion was assessed before and after the thermal cycles by ultrasound. The HAP treatments exhibited promising results, as the residual strain and the bowing after the cycles were always lower or equal to the untreated references, while marble cohesion was always higher. Surprisingly, ammonium oxalate caused marked worsening of marble thermal behavior. In the case of ethyl silicate, most of the initial benefit after consolidation was lost after the thermal cycles. In general, the results of the study point out the importance of evaluating marble thermal behavior to assess the suitability of any conservation treatment and suggest that treatments able to strengthen marble without causing excessive pore occlusion and stiffening are preferable to enhance durability to thermal cycles.     

煤矿井下3 000 m顺煤层定向钻孔钻进关键技术

保德煤矿大盘区工作面采前瓦斯超前治理模式要求井下定向长钻孔能够沿煤层钻进3 000 m以上,针对现有技术装备在超长定向钻孔施工中存在滑动钻进困难、进水水路压耗大、有线随钻测量信号传输距离受限、冲洗液无法循环利用等问题,开发了煤矿井下基于螺杆马达水力加压和超长钻具正反扭转给进的滑动钻进减阻工艺、基于回转钻进倾角控制和侧钻分支的复合钻进轨迹控制技术,设计了低压耗进水水路系统、泥浆脉冲无线随钻测量系统和冲洗液净化循环系统,结合保德煤矿生产需要,完成了主孔深度3 353 m、孔径120 mm的顺煤层超长贯通定向孔。钻进效果表明:滑动钻进减阻工艺有效降低了给进力,显著提高了深孔滑动定向钻进能力;基于复合钻进的轨迹控制技术,保证了钻孔轨迹沿煤层定向延伸,并提高了钻进能力和钻进效率;泥浆脉冲无线随钻测量信号长距离传输稳定可靠,克服了有线随钻测量信号传输的局限性;井下冲洗液净化循环系统净化效果良好,实现了井下定向钻进冲洗液循环利用。研究成果对支撑煤矿大区域瓦斯超前治理、以孔代巷工程、水害防治及地质勘探等技术进步具有重要意义。      

高水压条件下大理岩破坏机理试验研究

锦屏二级水电站深埋隧洞中大理岩洞段处于高水压力和高应力环境中, 该段在施工过程中多次发生严重突水灾害。对该段大理岩的高水压条件岩石力学试验表明, 高水压条件下, 岩石应力-应变曲线在峰值应力附近出现明显平缓段, 应力降大, 岩石峰值强度及脆性破坏后破碎程度随水压力升高而升高, 岩石试件以压致拉裂破坏为主。基于高水压条件下裂纹周边应力解析分析, 认为裂隙中高水压力存在降低了裂隙尖端附近高应力集中效应, 与加载方向一定小夹角范围内的微裂隙尖端附近最大拉应力集中程度接近, 这使得岩石中应变能可进一步积累、压致拉裂型微裂隙数量进一步增加, 岩石呈脆性破坏, 并且破碎程度明显增加。研究工作对深埋隧洞突水灾害防治及强降雨诱发高速滑坡灾害预防具有重要的理论和现实意义。     

复合片钻头钻进时机械钻速和碎岩功耗的研究

关于复合片钻头钻进大理岩和花岗岩时机械钻速和碎岩功率消耗同规程参数的关系,用实验设计方法进行了试验研究,得出了机械钻速和碎岩功耗与钻压、钻头转速及冲洗液量关系的数学模型;提出了碎岩绝对功耗和相对功耗的概念,而相对碎岩功耗是个更为重要的概念,求出了大理岩相对碎岩功耗最小时的最优钻进规程参数值。     

X射线粉晶衍射仪在大理岩鉴定与分类中的应用

大理岩主要有方解石大理岩、白云石大理岩和菱镁矿大理岩三种。以往大理岩是依据偏光显微镜下观察岩石结构构造及矿物成分进行分类定名,由于方解石、白云石、菱镁矿都属于三方晶系,具有闪突起、高级白干涉色、一轴晶负光性和菱形解理等相同晶体光学特征,偏光显微镜下区分十分困难。为了准确鉴定大理岩中碳酸盐矿物种类及其相对含量,本文利用岩石薄片偏光显微镜和X射线粉晶衍射技术对32件大理岩岩石样品进行分析测试。岩石薄片鉴定结果表明:大理岩造岩矿物主要有方解石、白云石、菱镁矿、石英、斜长石、白云母、黑云母、绿泥石、黏土和金属矿物。根据岩石结构构造及矿物组分特征,可把32件大理岩样品划分为方解石大理岩、长英质方解石大理岩、石英绿泥白云石大理岩、白云石大理岩、云英质白云石大理岩和菱镁矿大理岩等15个类型。X射线粉晶衍射分析表明:大理岩造岩矿物主要有方解石、白云石、菱镁矿、石英、斜长石、钾长石、云母、绿泥石、滑石和蒙脱石。综合分析认为:岩石薄片偏光显微镜鉴定技术很难区分方解石、白云石和菱镁矿等碳酸盐矿物,以及细小的石英、钾长石和斜长石、滑石和白云母等鳞片状硅酸盐矿物;X射线粉晶衍射分析技术不仅能准确检测出大理岩中方解石、白云石和菱镁矿等碳酸盐矿物种类及相对含量(方解石、白云石和菱镁矿的X射线衍射主峰有明显差异,d值分别为0.303 nm、0.288 nm和0.274 nm),而且能够有效鉴别岩石中粉砂级斜长石、钾长石与石英(三种矿物的X射线衍射主峰d值分别为0.319 nm、0.324 nm、0.334 nm);且能区分蒙脱石、绿泥石、云母和滑石等层状硅酸盐矿物(四种硅酸盐矿物的X射线衍射主峰d值分别为1.400 nm、0.705 nm、0.989 nm、0.938 nm)。综合岩石薄片偏光显微镜鉴定和X射线粉晶衍射分析结果,最终确定32件大理岩样品划分为22个岩石类型。研究认为:仅根据岩石薄片偏光显微镜鉴定或X射线粉晶衍射技术其中一种方法不能准确鉴定大理岩岩石,应将大理岩岩石野外观察、岩石薄片鉴定和X射线粉晶衍射技术结合起来,才能准确确定大理岩岩石类型。     

无固相冲洗液在深溪锰矿施工中的应用

贵州深溪锰矿普（详）查区钻探钻遇较为复杂的水敏性地层、破碎性岩层,在合理选择好钻探设备、钻进参数和正确操作的前提下,选用PHP-GSP和GPLS植物胶两类无固相冲洗液,有效地预防了钻孔缩径、孔壁坍塌,降低了钻具与孔壁的摩擦阻力,从而达到了预防孔内事故的目的;同时还提高了机械钻速、减少了冲洗液材料运输量,提高了钻探经济效益;此外还具有环保等优点。介绍了PHP-GSP和GPLS植物胶无固相冲洗液的作用机理、配制方法及使用注意事项等。     

固井冲洗液室内模拟评价方法研究

针对现有固井冲洗液评价方法对于油基钻井液冲洗情况评价存在不足的问题,运用环空壁面与改进装置内筒壁面处剪切速率相等的原理,研究出了一种适用于油基和水基钻井液条件的固井冲洗液室内评价新方法。室内模拟实验分析表明,该方法能更好地反映冲洗液的冲洗效率,并能模拟评价冲洗效率对固井第一或第二界面处胶结的影响情况。该方法操作方便,适用于油基和水基钻井液固井条件。     

冲击倾向性煤层注水对钻进中吸钻卡钻的影响及试验

应用螺旋钻杆局部预测和评价冲击地压等动力灾害时易发生吸钻、卡钻等钻孔动力现象。为研究具有冲击倾向性煤层注水对吸钻、卡钻的影响规律，通过建立钻杆力学模型分析吸钻、卡钻动力现象产生机理，探明煤体应力和钻屑量是影响吸钻、卡钻发生的重要影响因素，推导了注水煤体的钻杆推力、钻杆扭矩等钻削力学参数计算公式，分析煤层注水后煤体应力重分布规律与钻屑量变化规律，并利用钻孔多参量测试系统，在井下对不同含水率煤体进行钻孔试验，从而研究钻杆推力、钻杆扭矩及钻屑量随煤体含水率的变化规律，并结合现场观测到的吸钻、卡钻动力现象，深入研究冲击倾向性煤层注水对煤体力学性质及吸钻、卡钻力学特性的影响。研究结果表明:吸钻时，钻杆推力值明显降低，卡钻时，钻杆扭矩值急剧升高；钻杆推力、钻杆扭矩均值增大幅度和钻屑量均值减小幅度随煤体含水率增大呈现先增大后减小的变化趋势；吸钻、卡钻点随煤体含水率的增大逐渐向煤壁深部转移；井下钻杆推力、钻杆扭矩及钻屑量的数据变化特征与煤体应力分布具有较好的对应关系。研究结果可为冲击地压预测和井下钻孔安全作业提供一定理论借鉴和工程指导。      

时间对大理岩凯塞效应的影响

岩石的凯塞效应具有记忆历史最大应力和应变的能力,但时隔两月对大理岩样品进行再加载试验表明,尽管大理岩仍有凯塞效应出现,但凯塞效应记忆先前应力和先前应变的准确程度不高。笔者认为岩石声发射产生的原因在于其内部存在的裂纹,岩石凯塞效应的机理则在于对其先前损伤的记忆。按照笔者确定的损伤因子,凯塞效应具有记忆先前损伤的能力,时隔两个月对大理岩样品进行再加载试验,凯塞效应记忆先前损伤的准确程度仅损失3%。文章从时间因素证明了凯塞效应的机理在于对先前损伤的记忆。      

关于复合片钻头钻进工艺的试验研究

用试验设计方法研究了复合片钻头钻进时机械钻速、碎岩功耗、钻头磨损与规程参数的关系,求出了它们的最优值以及与其相应的钻进规程最优值。     

Recycling waste from natural stone processing plants to stabilise clayey soil

For the countries with a developed stone industry the waste generated in the natural stone processing plants pose environmental and economic problems. The utilisation of stone waste in various areas is still under research. In addition, there are only a limited number of studies concerning the use of stone waste obtained from processing plants in the stabilisation of clayey soil. Furthermore, none of the studies in the literature investigated the effect of the characteristics of the stone on the stabilisation of the soil. This is the first study that compares the efficiency of the waste calcitic marble, dolomitic marble and granite powder as additives for the stabilisation of clayey soil. Artificial soil samples were prepared in the laboratory using bentonite and kaolinite. Natural stone waste powder was added to the soil samples at different percentages, and the index and compaction parameters of the stabilised soil were analysed. The results showed that the types of waste powder used in this study, like lime, could be used as stabilisers. As the percentage of additives increased, the plasticity index of the clayey soil decreased and the physical properties of the soil changed from clay to silt. In terms of compaction parameters, the use of all types of natural waste powder in the study resulted in a decrease in the optimum water content and an increase in the maximum dry unit weight. The lowest optimum water content and the highest maximum dry unit weight were obtained from the dolomitic marble powder.     

低软化点防塌减阻剂研究及在复杂地层中的应用

为解决现有沥青类防塌剂软化点高及较低温度条件下润滑性差等问题,采用沥青及石油树脂等为主要原料,研制出软化点30℃~60℃可调的防塌减阻剂GFT。室内性能评价表明,GFT具有胶体稳定性好、软化点低、乳液粒径小及润滑能力强等特点,而且与冲洗液配伍性强,不会明显增加冲洗液的粘度,并能有效地降低冲洗液的滤失量。在淡水膨润土基浆中加入1%软化点为46℃的防塌减阻剂,基浆的润滑系数降低率达69%。经在山东及安徽等地多个复杂地层钻孔中现场应用,证明了防塌减阻剂GFT对松散破碎地层、见水易分散地层及硬碎地层具有良好的护壁效果,同时能较好地降低钻具扭矩及摩擦阻力。     

水泥-粘土浆液护壁堵漏工艺研究及其工程应用

钻探工程中钻孔漏失常用纯水泥浆液进行堵漏,而针对矿区复杂地层钻进,漏失严重,易垮孔卡钻,为防止漏失及井内事故发生,必须使用高效的水泥堵漏浆液及合理的堵漏工艺。以道真新民铝土矿区为例,对水泥-粘土浆液护壁堵漏工艺进行研究,分析了水泥浆液中加入膨润土、水玻璃、减水剂后性能的变化规律,得出水泥堵漏浆液的优化配方。实际工程应用中取得了良好效果,大大提高了钻进效率。     

关于提高金刚石钻进效果的试验研究

为了提高金刚石钻进的效果，根据试验研究结果建议从金刚石镀膜，胎体添加稀土元素2个方面来提高金刚石钻头的工作能力，采用以每转进尺为基础的恒钻速钻进方法，利用泡沫作为冲洗介质的钻进工艺。     

河北省古马铁矿深孔岩心钻探施工技术

河北省滦县古马铁矿矿区地层复杂,钻探存在坚硬打滑、漏失严重、构造发育（局部断层）的现象,在总结以往钻探施工经验的基础上,提出了千米以深钻孔复杂地层的钻探施工技术措施和钻探施工质量保证措施。从钻孔结构、冲洗液选取、钻探设备、钻具配置等方面入手,提出了解决坚硬“打滑”、破碎漏失及坍塌掉块地层的处理方法,优化了钻孔施工环境和广谱护壁剂、防塌堵漏剂以及聚丙烯酰胺冲洗液的配置,改善了复杂地层的深孔钻进环境,提高了钻探生产效率,保证了钻孔安全终孔。     

绳索取心钻进在水利水电勘探中存在的问题及解决思路

钻探是水利水电工程勘探中获取地下信息最直接、最重要的手段,钻探质量对水利工程的投资和安全具有极其重大的影响。绳索取心是提高钻探质量十分重要的技术,在国土资源、冶金、煤炭等部门得到了广泛的应用。但是将该技术应用于水利水电工程勘探还存在压水试验、绳索取心钻具不匹配、冲洗液限制等问题。通过对上述问题的分析和研究,提出了解决思路和方法,且在工程实践中取得了良好的效果。特别是研究设计的不提大钻压水试验方法,将压水试验和绳索取心钻进有机地结合在一起,很好地解决了绳索取心钻进难以适应水利水电勘探的关键技术难题。     

关于钻探工程中洗孔工艺的分析研究

洗孔是钻探工程中的重要环节。冲洗介质在孔内进行循环,可以达到清洗孔底、携带和悬浮岩屑、冷却钻头和保护孔壁的目的。不同的洗孔工艺可以产生不同的复杂情况。冲洗液孔底反循环,由于冲洗液是反向循环,与岩心进入岩心管的方向一致,因此可以提高在裂隙、破碎、性脆、软硬不均等复杂地层钻进时采取岩心的数量和质量。俄罗斯莫斯科国立地质勘探大学KULIKOV V.V.博士等人在洗孔方面做了很多的研究工作,提出了钻孔钻进时洗孔复杂情况的分类,对地质钻探中常用的无泵钻具钻进、喷射式钻具钻进和气举钻具钻进时的洗井工艺问题进行了分析与讨论,提出了相应的建议。     

低固相冲洗液在赣南再里地区的应用研究

钻进过程中,孔壁的稳定性和冲洗液的渗漏是影响钻进效率和钻孔质量的重要因素。孔内情况越复杂,施工周期越长,对冲洗液性能的要求也越高。赣南再里地区施工区构造发育复杂,地层中存在大量的松散、胶结性差的砂岩以及高岭土、绿泥石等水敏性地层,钻探施工钻孔容易缩径,孔壁稳定性差,极易出现剥落、掉块、坍塌等现象,试验采用了低固相不分散冲洗液,取得了良好的钻进效果。     

地质勘探套管钻进技术专用套管的研制及应用

地质勘探套管钻进技术中的专用套管是实现套管钻进的关键因素之一。本文介绍了在地质勘探套管钻进过程中,专用套管作为绳索取心钻杆,传递钻压和扭矩,钻进结束后,作为技术套管留在孔内,恢复护壁套管功能。通过室内试验完成专用套管结构、材料及加工工艺等的选型和研制,且经过实际野外应用效果良好。