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液相放电等离子体破岩室内实验与破岩机理

石油学报 2020年第5期41卷 615-628页

作者：张辉蔡志翔陈安明刘科柔杨茂林余庆王昊谭天一陈雨飞中国石油大学(北京)石油工程学院北京102249 中国石油化工集团华东石油工程有限公司江苏南京210000

液相放电等离子体破岩是一种将电能转换为冲击波机械能的新型高效破岩技术,目前国内外对其在石油钻井中的应用研究较少。开展了液相放电等离子体破岩室内实验:首先使用3组不同厚度的页岩验证了等离子体冲击波破岩的可行性;然后使用损伤... 详细信息

液相放电等离子体破岩是一种将电能转换为冲击波机械能的新型高效破岩技术,目前国内外对其在石油钻井中的应用研究较少。开展了液相放电等离子体破岩室内实验:首先使用3组不同厚度的页岩验证了等离子体冲击波破岩的可行性;然后使用损伤变量和声幅衰减系数作为岩样损伤表征量,定量分析了不同影响因素下,混凝土岩样受等离子体冲击波作用后的损伤程度;使用3种岩样(混凝土、页岩、砂岩),验证了该技术对不同抗压强度岩样,在不同地层中的适应性;最后借助CT扫描,观察冲击波作用前后的岩样,分析和揭示了冲击波作用下岩样的损伤破坏形态和机制。室内实验结果表明:冲击波峰值压力高达130~190 MPa;页岩被劈裂成多块,混凝土岩样的破坏深度为3~5 mm,破坏程度随放电电压和冲击次数的增加而增加;载荷相同时,岩样的破坏程度随抗压强度减小而增加,但页岩的层理结构有利于吸收冲击波能量,增加其破坏程度;岩样的破坏形式以径向裂纹、片落裂纹和冲蚀坑为主。液相放电等离子体破岩机理的研究结果表明:冲击波作用岩样,岩样表面受压被破坏,岩样内部产生切向拉伸应力,应力波从岩样内部往边界传播时,在岩-液界面反射并产生拉伸应力,当拉伸应力大于岩样抗拉强度时产生裂纹;冲击波的产生伴随着高速射流,射流的水楔作用加速裂纹的扩展,形成冲蚀坑。

关键词：等离子体液电效应破岩机理钻井提速室内实验

等离子体电脉冲钻井破岩机理的电击穿实验与数值模拟方法

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石油学报 2020年第9期41卷 1146-1162页

作者：祝效华罗云旭刘伟吉高锐贾玉丹刘呈君西南石油大学机电工程学院四川成都610500 新奥科技发展有限公司(新奥能源研究院) 河北廊坊065000 中国石油西南油气田公司工程技术研究院四川成都610017

等离子体电脉冲钻井技术为一种高效破岩钻井技术。对4种岩石在80 kV固定输出电压、重频率为2.5 Hz下进行了电脉冲击穿实验。实验发现,电脉冲破碎结果中存在贯穿破碎和未贯穿破碎2种状貌,并针对产生这两种状貌的原因进行了分析。从电击... 详细信息

等离子体电脉冲钻井技术为一种高效破岩钻井技术。对4种岩石在80 kV固定输出电压、重频率为2.5 Hz下进行了电脉冲击穿实验。实验发现,电脉冲破碎结果中存在贯穿破碎和未贯穿破碎2种状貌,并针对产生这两种状貌的原因进行了分析。从电击穿角度明确了单次脉冲破岩效率的评价指标——能量转换效率η_e,并提出了一种新的岩石介质击穿模型——概率发展模型(PDM),借助PDM和简化的电击穿电路研究了单脉冲击穿时电路结构参数对破岩能耗分配的影响规律。基于电脉冲击穿实验参数和PDM生成的等离子体通道轨迹提出了等离子体电脉冲钻井破岩机理研究的数值模拟方法,利用该数值模拟方法研究了在地层压力为0~30 MPa下、直径为41 mm的电极钻具在加载峰值电压为60 kV时的破岩规律。

关键词：等离子通道钻井高压电脉冲破岩机理电击穿数值模拟方法电脉冲钻具

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镶齿滚刀破岩机理及效率的旋转破岩试验

中国公路学报 2018年第10期31卷 150-159页

作者：吴帆殷丽君张浩龚秋明北京工业大学城市防灾与减灾教育部重点实验室北京100124 海南省交通工程建设局海南海口570100

随着隧道工程建设的不断增多,镶齿滚刀已被广泛应用于多种开挖机械,如隧道掘进机、反井钻机、采掘机等,不同破岩参数下镶齿滚刀的破岩机理及破岩效率研究,对提高机械掘进效率、降低施工成本有重要意义。应用北京工业大学自主研制的多功... 详细信息

随着隧道工程建设的不断增多,镶齿滚刀已被广泛应用于多种开挖机械,如隧道掘进机、反井钻机、采掘机等,不同破岩参数下镶齿滚刀的破岩机理及破岩效率研究,对提高机械掘进效率、降低施工成本有重要意义。应用北京工业大学自主研制的多功能机械破岩试验平台,选用直径304.8 mm(12英寸)的镶齿滚刀对尺寸为1 000 mm×1 000 mm×600 mm的北山花岗岩进行旋转切割破岩试验研究。通过对排齿及整刀进行不同贯入度的旋转切割试验,并应用荧光裂纹检测法对侵入坑下方裂纹进行检测,研究镶齿滚刀的破岩规律。结果表明:①镶齿滚刀为"递进式"破岩,破岩开始于相邻小齿间距的球齿之间,而后发展到相邻的大排间距的球齿之间;②第3排球齿破岩效率最高,且整刀在贯入度为1.5 mm时破岩效率最高;③应用荧光裂纹检测法分析滚刀下方岩体裂纹分布特征,发现每排球齿下的裂纹扩展方向及范围存在较大差异。裂纹分布特征分析结果与通过滚刀力、岩片分析得出的镶齿滚刀破岩效率的结论相一致。该研究可为机械开挖设备滚刀布置、刀型优化及施工运行参数优化提供试验参考和理论依据。

关键词：隧道工程破岩效率旋转切割试验荧光裂纹检测法镶齿滚刀破岩机理

不同刀具配置下隧道掘进机高效破岩机理与推力预估

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岩土工程学报 2013年第9期35卷 1627-1633页

作者：毛红梅陈馈冯欢欢陕西铁路工程职业技术学院轨道工程系陕西渭南714000 中铁隧道集团盾构及掘进技术国家重点实验室河南郑州450001

为解决隧道掘进机刀盘刀具破岩的安全性、可靠性、高效性这一隧道掘进机施工难题,从高效破岩机理和刀盘刀具与围岩耦合作用规律两个方面进行了研究,对单刀及多刀破岩理论体系进行了完善。结合理论分析和滚刀岩机作用综合实验台上的实验... 详细信息

为解决隧道掘进机刀盘刀具破岩的安全性、可靠性、高效性这一隧道掘进机施工难题,从高效破岩机理和刀盘刀具与围岩耦合作用规律两个方面进行了研究,对单刀及多刀破岩理论体系进行了完善。结合理论分析和滚刀岩机作用综合实验台上的实验结果,提出了红砂岩、石灰岩和花岗岩等3种常见岩石的最优破岩刀间距,并给出了当岩石强度位于40～170 MPa之间时的最优刀间距计算式。综合考虑各种因素对隧道掘进机总推力、刀盘扭矩的影响,提出了复合式隧道掘进机总推力、刀盘扭矩估算的理论公式。通过工程实例验证,该理论计算式具有较高的科学性和精确性。研究成果可直接用于刀具选型布置、推力、扭矩设计,从而降低隧道掘进机的制造成本、提高施工效率。

关键词：隧道掘进机刀盘滚刀破岩机理围岩

简单复合岩体中TBM多滚刀破岩机理离散元分析

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土木工程学报 2019年第A01期52卷 120-126页

作者：蒋明镜傅程王华宁刘俊廖优斌陈有亮天津大学建筑工程学院天津300072 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300072 同济大学土木工程防灾重点实验室上海200092 同济大学土木工程学院上海200092 同济大学航空航天与力学学院上海200092 上海理工大学上海200093

采用引入考虑胶结尺寸的微观接触模型的PFC2D离散元软件,对全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀作用下简单形式的复合岩体破岩机理进行数值模拟研究。进行了单滚刀、双滚刀和三滚刀作用下的复合岩体破碎过程的模拟。模拟结果表明:滚刀破岩过... 详细信息

采用引入考虑胶结尺寸的微观接触模型的PFC2D离散元软件,对全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀作用下简单形式的复合岩体破岩机理进行数值模拟研究。进行了单滚刀、双滚刀和三滚刀作用下的复合岩体破碎过程的模拟。模拟结果表明:滚刀破岩过程可以分为三个阶段:加载阶段、卸载阶段和残余跃进阶段。通过双滚刀和三滚刀侵入复合岩体的推力-侵深曲线分析,软岩上的滚刀比硬岩上的滚刀进入各阶段稍慢,略有滞后;不同滚刀间的峰值法向推力相差较大,易造成滚刀磨损。对于花岗岩-绿片岩复合岩体,破岩时接触力链被岩体分界面分割,硬岩区胶结破坏数目较多,双滚刀、三滚刀侵入时易形成贯通裂缝;破岩效率由大到小为双滚刀效率、三滚刀效率、单滚刀效率,而且双滚刀能够将效率提高一倍左右。

关键词： TBM 复合岩体滚刀破岩机理离散元

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TBM边缘滚刀破岩机理的数值研究

煤炭学报 2014年第1期39卷 172-178页

作者：夏毅敏吴元郭金成田彦朝林赉贶卞章括中南大学高性能复杂制造国家重点实验室湖南长沙410083 湖南华银能源技术有限公司湖南长沙410001

为研究刀刃角和不同被切削材料对全断面硬岩掘进机(TBM)边缘滚刀破岩机理的影响规律,基于二维离散单元法,利用UDEC仿真软件建立了一系列边缘滚刀破岩数值模型,对边缘滚刀作用下被切削体内部裂纹生成、扩展和破碎过程进行数值模拟。仿真... 详细信息

为研究刀刃角和不同被切削材料对全断面硬岩掘进机(TBM)边缘滚刀破岩机理的影响规律,基于二维离散单元法,利用UDEC仿真软件建立了一系列边缘滚刀破岩数值模型,对边缘滚刀作用下被切削体内部裂纹生成、扩展和破碎过程进行数值模拟。仿真结果表明:张拉破坏是滚刀破岩时裂纹生成与扩展的主要原因;对于不同刀刃角的边缘滚刀接近弧面下端的斜裂纹长度要比弧面上端的长;大理岩裂纹扩展能力和破岩效率均随刀刃角的增大先增大后减小,因此对于硬岩刀刃角不宜过小也不宜过大;随着被切削材料强度增大,裂纹扩展越不充分,裂纹扩展能力和破岩效率均降低;与其他材料相比,TBM边缘滚刀对大理岩破坏损伤范围最小,破岩效率最低。最后通过实验和工程数据验证了仿真方法的正确性和可行性。

关键词： TBM 边缘滚刀破岩机理裂纹扩展

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全断面隧道掘进机破岩机理离散元分析

同济大学学报（自然科学版） 2016年第7期44卷 1038-1044页

作者：蒋明镜孙亚王华宁袁聚云同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092 同济大学土木工程学院上海200092 同济大学航空航天与力学学院上海200092

将基于微观胶结试验得到的岩石微观力学模型植入离散元软件,模拟滚刀破岩过程并重点分析滚刀破岩各阶段的宏微观机理.结果表明:滚刀破岩过程按破岩阻力和侵入深度的关系可以分为3个阶段,即加载阶段、卸载阶段和残余跃进阶段;破岩过程中... 详细信息

将基于微观胶结试验得到的岩石微观力学模型植入离散元软件,模拟滚刀破岩过程并重点分析滚刀破岩各阶段的宏微观机理.结果表明:滚刀破岩过程按破岩阻力和侵入深度的关系可以分为3个阶段,即加载阶段、卸载阶段和残余跃进阶段;破岩过程中的胶结破坏主要分为拉破坏和剪扭破坏2种类型,其中,中裂纹主要由拉剪扭复合破坏引起,斜裂纹主要由拉破坏引起,证实了张拉破坏理论.加载阶段是滚刀破岩的必经阶段,卸载阶段是滚刀破岩的关键阶段,有效利用卸载阶段破碎特性可以提高破岩效率.

关键词：全断面隧道掘进机(TBM) 破岩机理离散元模拟

分离式冲击-刮切复合钻头破岩机理及钻进破岩研究

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振动与冲击 2022年第16期41卷 232-241页

作者：蔡灿谭政博玄令超杨迎新任海涛蒲治成张沛谢松西南石油大学机电工程学院岩石破碎学与钻头研究所成都610500 西南石油大学油气钻井技术国家工程实验室钻头研究室成都610500 西南石油大学油气藏地质与开发国家重点实验室成都610500 中国石化石油工程技术研究院北京100101

随着油气勘探开发的不断深入,传统PDC钻头在深部地层钻进过程中的黏滑、回弹震荡等问题愈加突显,为此提出一种新型冲击-刮切复合PDC钻头,并基于该钻头分离式冲击-刮切的工作原理,开展了单元齿冲击、单元齿切削以及冲击-刮切复合破岩的... 详细信息

随着油气勘探开发的不断深入,传统PDC钻头在深部地层钻进过程中的黏滑、回弹震荡等问题愈加突显,为此提出一种新型冲击-刮切复合PDC钻头,并基于该钻头分离式冲击-刮切的工作原理,开展了单元齿冲击、单元齿切削以及冲击-刮切复合破岩的试验与数值模拟。结果表明,冲击齿冲击岩石产生冲击坑,使冲击坑7 mm范围内岩石强度显著降低,同时可降低切削齿所需切削力,形成了较大切削岩屑,并影响冲击坑附近应力分布。同时基于正交试验,对冲击参数和切削参数的敏感性进行分析,探究各因素对冲击-刮切复合破岩的影响规律,结果表明影响较大的因素分别是冲击位置、切削速度、冲击齿类型以及切削深度。采用全尺寸钻头对比分析常规PDC钻头和复合钻头破岩井底形貌,发现复合钻头井底破碎体积更大。研究内容对研制和应用新型冲击-刮切复合PDC钻头具有重要参考价值。

关键词：冲击作用破岩机理冲击-刮切复合破岩数值模拟

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新型重力式竖井连续掘进机滚动截齿破岩机理

采矿与安全工程学报 2022年第3期39卷 576-583,597页

作者：陈新明张将令焦华喆李振华杜锋杨柳华张勃阳河南理工大学河南省地下工程及灾变防控重点实验室河南焦作454150 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454150 河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454150

为改变竖井掘进方式,提高破岩效率,研发一种新型重力式竖井连续掘进机。采用SolidWorks软件建模,利用HyperMesh和LS-DYNA软件开展有限元分析,模拟不同速度下截齿的滚动、扭转嵌入岩石的动态破岩过程;通过现场重力式竖井连续掘进机滚动... 详细信息

为改变竖井掘进方式,提高破岩效率,研发一种新型重力式竖井连续掘进机。采用SolidWorks软件建模,利用HyperMesh和LS-DYNA软件开展有限元分析,模拟不同速度下截齿的滚动、扭转嵌入岩石的动态破岩过程;通过现场重力式竖井连续掘进机滚动截齿破混凝土相似试验,进行动态下截齿破岩试验以探究截齿破岩机理。结果表明:截齿在最优滚筒转动速度为30 r/min下破岩比能较低,可加大岩石内部应力变化,削弱岩石内部结构承载力,增加岩石裂缝产生和扩张范围,最终岩石发生凹陷性破坏。再结合重力式竖井连续掘进机滚动截齿破混凝土相似试验,分析在相同时间内混凝土破坏程度,证明最优滚筒转动速度为30 r/min,验证数值模拟的准确性。新型重力式竖井连续掘进机的研发可革新现有竖井掘进方式,尤其对卵砾石、冻土、中低强度岩石等地层具有良好的适应性。

关键词：新型重力式竖井连续掘进机滚动截齿破岩机理比能有限元分析