高压泡沫涨裂装置及其破岩性能研究

发布时间：2020-06-02 15:56

【摘要】：深部资源的开发和隧道地铁等地下空间工程的不断发展,对岩巷掘进、硬岩破碎提出了新的挑战,传统的钻爆法破岩工序复杂安全性差,掘进设备破岩效率低,无法持续的进行深部岩石的开挖。基于此本文提出高压泡沫涨裂破岩技术,利用岩石的抗拉强度远小于抗压强度的特性进行岩石破碎研究。本文主要采用理论分析、实验研究和仿真研究相结合的方法对高压泡沫涨裂装置破岩开展研究。基于泡沫流变理论和水射流破岩拉伸-水楔理论,构建泡沫涨裂岩石有限元模型,分析了泡沫射流柱冲击岩石孔底的应力分布和传递规律,对比实际实验得出岩石的泡沫涨裂破碎形态由泡沫射流冲击力、孔底密封空间涨裂力、泡沫流体在岩石裂缝中的流动压力共同作用造成岩石的破坏,并通过水射流拉伸-水楔理论解释了泡沫涨裂岩石破裂的宏观破碎形态呈锥形破碎坑。基于泡沫自控发生与配比实验系统进行泡沫配比发生实验,分析泡沫物理形态、泡沫特性及流动特性间的关系,得到适合加压和涨裂用的分散态泡沫;研究发泡剂浓度和空气含量对发生泡沫效果的影响,在所得实验结果的基础上从泡沫粘性、半衰期、发泡倍数三个方面分析泡沫流体的粘性和稳定性,得到水、发泡剂、空气的最佳配比方案,并对水和泡沫两种不同介质的涨裂破岩效果进行优势特性分析。基于有限元模型和fluent流场仿真,设计了高压泡沫涨裂装置的整体结构,并对装置的主要结构参数和液压阀体开启特性进行研究,得到装置内泡沫压力腔的最佳参数和阀体与喷射口的最佳配合角度,并加工出高压泡沫涨裂装置。基于高压泡沫涨裂破岩实验台进行不同岩石硬度、孔深变化、装置压力、二次涨裂等参数条件下的高压泡沫涨裂破岩实验,分析了不同涨裂参数对岩石揭裂面大小、破碎坑深度、破碎块度、破碎质量、泡沫涨裂压力变化的影响,得到高压泡沫涨裂装置破岩作业的最佳参数和局部裂缝网络在二次涨裂作业下的形成机理。通过实验破碎结果和压力变化对建立的高压泡沫涨裂孔底密封模型进行有效性验证,探究泡沫涨裂破岩过程中密封距离变化对岩石裂缝起裂扩展的影响,得出高压泡沫涨裂装置在孔底密封距离为40~60 mm的范围内孔底涨裂效果较好,岩石裂缝发育完全并伴有岩石上表面的损伤。
【图文】：

水力压裂技术,压裂

图 1-4 水力压裂技术Figure 1-4 Hydraulic fracturing technology压裂从 1985 年开始广泛用于页岩储层压裂增产作业中，多级压压裂、水力喷射压裂和重复压裂是目前页岩油气水力压裂常用技得了成功。如图 1-4 所示在水力压裂过程中，通过高压压裂液的产生新的裂缝，连通岩石内部原有的天然裂缝，进而形成复杂的裂中人工裂缝与天然裂缝、以及天然裂缝相互之间的连通性对于储响，只有形成稳定有效的人工压裂裂缝，才容易形成规模化相互这正是水力压裂破岩需要深入研究和克服的难点。压裂技术是 70 年代以来发展起来的一项适用于大规模压裂、低压施，与常规压裂液相比，泡沫压裂液具有高黏度、低滤失、低摩优点，是开发极低渗透油气田的一项重要技术[4]，，在国内外压裂重要的位置，在影响压裂成败的因素中，最为主要的是压裂液的流效实施压裂工艺、选择合理的压裂参数、进行更为准确的裂缝预等都至关重要。泡沫压裂液的流变特性受多种因素影响，包括泡

冲击岩,应力分布,泡沫,裂孔

2 泡沫涨裂破岩理论研究高压泡沫涨裂破岩理论研究了更为直观的观察和研究岩石在高压泡沫涨裂过程中的应力分布状态规律，基于autodyn仿真分析软件建立岩石的600 mm 800 mm的切面裂孔深度为 200 mm，直径为 50 mm，装置喷射管距离孔底距离空间为2 材料失效准则建立岩石的 SPH 模型，并在模型两侧和底部设置非反泡沫射流柱采用液相为水和气相为空气的 SPH 粒子建立射流柱模型的速度（对应约 20 MPa 的射流压力）冲击涨裂孔底部。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD263

【参考文献】