本文關(guān)鍵詞：壓力對超聲波振動(dòng)碎巖效果影響規(guī)律的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：在鉆探領(lǐng)域,硬巖鉆進(jìn)存在鉆進(jìn)效率低、鉆頭壽命短、鉆井成本高等問題。巖石受到超聲波振動(dòng)時(shí),內(nèi)部會(huì)快速產(chǎn)生損傷或裂紋,巖石強(qiáng)度會(huì)大幅度下降,從而降低破碎難度,提高巖石破碎效率。鉆壓作為重要鉆進(jìn)工藝參數(shù),直接影響鉆進(jìn)效率。壓力對振動(dòng)碎巖效果有較大影響:過大的壓力使得巖石的最大剪應(yīng)力減小,影響裂紋產(chǎn)生,并且鉆壓過大使得鉆頭消耗急劇增大,將導(dǎo)致鉆速下降;壓力過小,能量傳遞差、振動(dòng)碎巖效果不理想。超聲波振動(dòng)應(yīng)用于硬巖鉆進(jìn)時(shí),鉆壓可反映為裝置靜壓力的大小,因此壓力是影響超聲波振動(dòng)碎巖效率及其在硬巖鉆進(jìn)領(lǐng)域應(yīng)用的重要因素。而由于超聲波振動(dòng)碎巖機(jī)理、條件均與常規(guī)碎巖方式不同,須通過理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方式探究在超聲波振動(dòng)加載條件下,壓力對巖石破碎效果的影響規(guī)律,對于提高超聲波振動(dòng)破碎硬巖效率、擴(kuò)展超聲波振動(dòng)在硬巖鉆進(jìn)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要研究意義,為研究超聲波振動(dòng)碎巖機(jī)理、攻克硬巖鉆進(jìn)技術(shù)難題等提供重要的理論支撐。目前國內(nèi)外均未有涉及壓力等因素對超聲波振動(dòng)碎巖效果影響的研究,均未充分闡釋超聲波振動(dòng)碎巖機(jī)理。本文通過理論分析,試驗(yàn)驗(yàn)證的研究方式,研究了壓力對超聲波振動(dòng)碎巖效果的影響規(guī)律。本文對超聲波振動(dòng)碎巖作用進(jìn)行了理論分析。將超聲波振動(dòng)碎巖過程與疲勞破碎理論、斷裂力學(xué)理論及共振理論相結(jié)合,從巖石的疲勞損傷、能量耗散和共振破碎三個(gè)方面對超聲波振動(dòng)促進(jìn)巖石破碎作用進(jìn)行理論分析。本文就壓力對超聲波振動(dòng)碎巖效果的影響規(guī)律進(jìn)行了理論及數(shù)值模擬分析。建立了壓力與超聲波振動(dòng)組合加載巖石系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)模型,分析了壓力與超聲波振動(dòng)加載下巖石系統(tǒng)的突變失穩(wěn),結(jié)合能量耗散理論和疲勞損傷理論,從能量角度分析了壓力對巖石塑性應(yīng)變能的影響,得到超聲波振動(dòng)下巖石的能量耗散和破碎規(guī)律,并推導(dǎo)了壓力與超聲波振動(dòng)組合加載下巖石的損傷斷裂過程與微裂紋擴(kuò)展條件。利用ANSYS WORKBENCH軟件,對超聲波振動(dòng)巖石過程進(jìn)行了有限元仿真分析,通過對比分析巖石在不同壓力條件下振后產(chǎn)生塑性應(yīng)變情況,總結(jié)了壓力對超聲波振動(dòng)碎巖效果的影響規(guī)律。本文進(jìn)行了超聲波振動(dòng)碎巖試驗(yàn)研究。利用壓電陶瓷式超聲波振動(dòng)器建立超聲波振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái),在不同壓力條件下對巖樣進(jìn)行超聲波振動(dòng)試驗(yàn),使用核磁共振儀檢測巖石核磁共振特性,通過巖石壓裂試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行巖石單軸抗壓強(qiáng)度測試,對比巖石在不同壓力下進(jìn)行超聲波振動(dòng)試驗(yàn)前后的孔隙度、T2圖譜分布、核磁共振譜面積、抗壓強(qiáng)度及破碎形態(tài)等量的變化情況,并分析各量隨壓力增大的變化規(guī)律。將試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果相結(jié)合進(jìn)行分析對比,得到的研究成果如下:(1)通過超聲波振動(dòng)碎巖作用理論分析得到:由于超聲波振動(dòng)具有高頻率、高振動(dòng)力的特點(diǎn),加載應(yīng)力波的能量密度高,使得巖石損傷累積速度快,達(dá)到疲勞破壞極限時(shí)間短;又由于超聲波振動(dòng)可達(dá)到巖石的共振頻率,促使巖石裂紋擴(kuò)大和發(fā)展,強(qiáng)度降低,因此超聲波振動(dòng)具有更高的破碎巖石效率。(2)通過壓力對超聲波振動(dòng)碎巖影響的理論及數(shù)值模擬分析,發(fā)現(xiàn):超聲波振動(dòng)與壓力結(jié)合作用時(shí),加載應(yīng)力波能量密度存在最小壓力閾值,在200N至300N之間。只有當(dāng)壓力增大至加載應(yīng)力波能量密度大于該能量最小閾值時(shí),微裂紋才開始擴(kuò)展,巖石開始損傷累積;在一定范圍內(nèi),施加于巖石上的能量密度隨著壓力的增大而提高,巖石吸收的用于裂紋產(chǎn)生和破碎的塑性應(yīng)變能越多,巖石疲勞強(qiáng)度越低,裂紋擴(kuò)展速度和損傷速率也越大,破碎效率越高;當(dāng)壓力在200N至500N的范圍內(nèi),塑性應(yīng)變隨壓力增大而大幅度遞增,巖石破碎效率逐漸提高,并在300N時(shí)塑性應(yīng)變遞增幅度達(dá)到最大值;在500N至2000N范圍內(nèi),塑性應(yīng)變隨壓力遞增幅度減緩,增大壓力而提高超聲波振動(dòng)下巖石破碎效率的相對作用較弱。這是由于隨加載能量的增大,塑性應(yīng)變能隨壓力提高而增大的程度有限,到達(dá)一定值后塑性應(yīng)變能增大幅度趨于平緩,無用耗散的彈性波能量的相對值緩慢下降,巖石損傷速度趨于穩(wěn)定,巖石內(nèi)部裂紋以較快的速度保持平穩(wěn)發(fā)展。(3)通過壓力對超聲波振動(dòng)碎巖效果影響規(guī)律的試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn):超聲波振動(dòng)對巖石的破碎具有促進(jìn)作用,但這種促進(jìn)作用存在壓力閾值,在200N至300N之間,低于此閾值時(shí),振動(dòng)對巖石內(nèi)部裂紋影響微弱,巖石強(qiáng)度幾乎無變化,振動(dòng)不對巖石產(chǎn)生損傷,無促進(jìn)巖石破碎作用;超過壓力閾值,在試驗(yàn)的壓力范圍內(nèi)(即500N以內(nèi)),超聲波振動(dòng)能夠促使巖石裂紋產(chǎn)生和發(fā)展,損傷累積、強(qiáng)度降低,并且這種促進(jìn)作用隨壓力的增大而提高;當(dāng)壓力增大到一定值(即300N)后繼續(xù)增大時(shí),促進(jìn)作用隨壓力遞增有向平緩發(fā)展趨勢,巖石在超聲波振動(dòng)下處于微裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的平穩(wěn)發(fā)展階段。試驗(yàn)結(jié)果同理論分析結(jié)果相符合,初步驗(yàn)證了理論分析的正確性。(4)由仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:在頻率為20KHz,振動(dòng)時(shí)間為5min的條件下,當(dāng)壓力為300N時(shí),超聲波振動(dòng)對巖石破碎的促進(jìn)作用隨壓力遞增的速度最快;當(dāng)壓力超過500N后,壓力增大對巖石破碎效率的相對提高作用減緩。因此,在此條件下從能量利用率及碎巖效果上來看,存在一最優(yōu)壓力值為300N,此時(shí)巖石核磁共振特性及抗壓強(qiáng)度變化幅度最大。
【關(guān)鍵詞】：超聲波振動(dòng) 巖石破碎 壓力
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TU45
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-26
• 1.1 研究背景13-14
• 1.2 研究目的和意義14-15
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-24
• 1.3.1 超聲波振動(dòng)碎巖相關(guān)理論國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-18
• 1.3.2 聲波、超聲波鉆進(jìn)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-21
• 1.3.3 壓力對超聲波振動(dòng)碎巖效果影響研究現(xiàn)狀21-24
• 1.4 論文主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線24-26
• 第二章 超聲波振動(dòng)碎巖作用理論分析26-37
• 2.1 超聲波振動(dòng)碎巖疲勞損傷過程理論分析26-28
• 2.1.1 疲勞損傷分析26-27
• 2.1.2 破裂破壞的裂紋擴(kuò)展過程27-28
• 2.2 超聲波振動(dòng)碎巖能量耗散理論分析28-32
• 2.2.1 巖石在振動(dòng)沖擊下的能量耗散28-30
• 2.2.2 損傷累積理論30-32
• 2.3 超聲波振動(dòng)共振碎巖理論分析32-36
• 2.3.1 巖石共振理論32-35
• 2.3.2 巖石共振破碎35-36
• 本章小結(jié)36-37
• 第三章 壓力對超聲波振動(dòng)碎巖影響的理論及有限元仿真分析37-55
• 3.1 壓力與超聲波振動(dòng)加載下巖石系統(tǒng)的突變失穩(wěn)37-40
• 3.1.1 壓力與超聲波振動(dòng)加載下巖石系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)模型37-39
• 3.1.2 壓力與超聲波振動(dòng)加載下巖石系統(tǒng)自振頻率變化規(guī)律39-40
• 3.2 壓力對超聲波振動(dòng)碎巖的影響規(guī)律40-45
• 3.2.1 壓力對超聲波振動(dòng)下巖石塑性應(yīng)變能的影響40-42
• 3.2.2 壓力與超聲波振動(dòng)加載下巖石的能量耗散與破碎規(guī)律42-44
• 3.2.3 壓力與超聲波振動(dòng)加載下巖石的損傷斷裂過程與判據(jù)44-45
• 3.3 超聲波振動(dòng)碎巖有限元分析45-53
• 3.3.1 有限元分析條件45-46
• 3.3.2 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析46-53
• 本章小結(jié)53-55
• 第四章 超聲波振動(dòng)碎巖試驗(yàn)研究55-81
• 4.1 試驗(yàn)技術(shù)55-59
• 4.1.1 巖樣制備55-56
• 4.1.2 使用的儀器設(shè)備56-59
• 4.2 試驗(yàn)方法和步驟59-62
• 4.2.1 超聲波振動(dòng)試驗(yàn)60
• 4.2.2 核磁共振特性測定試驗(yàn)60-62
• 4.2.3 單軸抗壓強(qiáng)度測試試驗(yàn)62
• 4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析62-77
• 4.3.1 巖石孔隙度變化規(guī)律62-66
• 4.3.2 巖石核磁共振T2圖譜分布變化規(guī)律66-71
• 4.3.3 核磁共振譜面積變化規(guī)律71-73
• 4.3.4 巖石抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律73-77
• 4.4 試驗(yàn)結(jié)論77-80
• 本章小結(jié)80-81
• 第五章 結(jié)論與展望81-83
• 5.1 結(jié)論81-82
• 5.2 展望82-83
• 參考文獻(xiàn)83-89
• 作者簡介及在學(xué)期間所取得的科研成果89-90
• 致謝90-91

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本文編號(hào)：310708