超声波振动碎岩机理的研究

在钻探领域，硬岩钻进存在钻进效率低、钻头寿命短、钻井成本高等问题。超声波振动作用可使岩石内部快速产生损伤或裂纹，岩石强度大幅度下降，从而降低破碎难度，提高岩石破碎效率。通过采用数值模拟方法，对超声波振动破碎硬岩过程进行模拟分析，从理论上探索超声波振动下岩石裂纹的形成与扩展规律，运用试验研究手段，探究静压力、振动时间、振动力、振动频率等超声波振动参数对岩石破碎效果的影响，获取各参数的最优取值区间。经研究，成功研制了超声波振动钻进实验装置，通过理论分析、数值模拟与试验相结合的研究方法，以岩石的细观损伤力学为基础，结合疲劳破碎理论、共振碎岩理论，分析岩石在超声波振动下的受力过程、力与岩石裂纹形成的关系，建立了超声波振动过程及花岗岩裂纹变化特性的数学模型数学模型，发现岩石胁迫响应的振幅与施加载荷的幅值成比例并得出公式。运用有限元软件、离散元软件对超声波振动岩石内部裂纹的动态演化过程进行建模计算得出了演化机理，发现拉伸破坏是裂纹失效的主要机制，扩展多沿与载荷加方向平行方向，且沿与加载方向成60°方向。基于核磁共振检测、热红外成像、渗透探伤法和数字图片处理技术等检测技术开展超声波振动实验，获取了超声波振动碎岩的裂纹衍生规律，发现岩样内的孔隙随超声波振动次数的变化呈现出弹性形变、起裂扩展、贯通破坏三个阶段，探究了振动碎岩参数对碎岩效果影响，发现振幅、静压力、时间均存在阈值，选取高于阈值的振动参数及接近固有频率的振动频率，能够获得最优的超声波振动碎岩效果。通过研究获取了岩石在超声波振动下的强度下降的规律、岩石损伤规律、最优碎岩振动参数，补充了领域空白，为超声波振动技术在工程实践中解决硬岩钻进难题提供理论支撑和技术指导，具有较大的实际意义与应用价值。 2100433B

随着矿产资源勘探深度的不断增加，硬岩在钻探工程中所占的比例越来越大。而硬岩一直是钻探工程的一大难题（由于硬岩强度高，造成钻头寿命短、钻进速度低、钻探成本高），严重影响了资源勘探的效果和成本。目前硬岩中常用冲击回转钻进法的振动频率低（14Hz），碎岩机理为冲击产生剪崩，再配合回转剪切碎岩，岩石强度降低的不明显，钻进效率低、钻头寿命短。硬岩的固有频率为20KHz～40KHz，在岩石受到共振时，内部会快速产生损伤（或裂纹），岩石的强度会大幅度急剧下降。在不同频率、不同电压的驱动下，压电陶瓷能产生频率15Hz～10GHz、振动力0～2000KN的机械振动，可用于共振破碎岩石。利用现有系列压电陶瓷振动器，通过实验与数值模拟的方法，研究岩石在超声波振动下强度损伤规律（即裂纹起裂条件及扩展规律）、最优振动参数，为超声波振动辅助回转钻进提供理论指导，解决硬岩钻探（包括隧道掘进等）的技术难题。

随着能源需求的急剧增加，低孔低渗、致密等非均质碎屑岩储层所占比例越来越多，引起了国内外学者和石油公司的高度重视。非均质碎屑岩储层的孔隙结构与物性、渗流、电性等特征密切相关，是影响储层品质及流体性质的重要因素。国内外缺乏系统的非均质碎屑岩储层孔隙结构定量评价技术，饱和度计算、流体性质及油水界面识别和产能评价也缺乏有效的处理方法，给非均质碎屑岩储层测井精细评价带来极大的困难，制约着该类油气藏的勘探开发成功率。

岩石物理数值模拟、实验测试和测井技术的发展丰富了人们对储层性质的认识。通过多学科、多信息分析可得不同尺度的响应特征。针对非均质碎屑岩，通过多信息融合技术进行孔隙结构分析并建立饱和度模型及流体识别标准，实现定性-定量相结合的储层综合评价，进而提高解释符合率是测井解释家所关注的重点。

对碎屑岩成岩作用研究的意义在于，为深部油气勘探提供理论基础和科学依据。成岩作用对储层的影响表现在二个方面：

1. 对形成、保存储层有利的建设性成岩作用；

2. 对缩小孔隙、减少孔隙，致使储层致密化的破坏性成岩作用成岩作用是对储层物性的影响是伴随埋藏深度的增加以及对成岩过程的进行而实现的。

随着埋藏深度的增加，压实作用造成原生孔隙度的减少，一般发生在成岩A亚期；随着埋深的增加，储层逐渐进入早成岩B亚期，地层温度相应增加，地层中的有机质开始进入半成熟阶段，发生压溶作用。到晚成岩A B亚期.埋深和古地温都进一步增加，地层中的有机质开始进入成熟阶段，释放出大量的CO₂和有机酸，使储层孔隙水变为酸性，导致了长石、碳酸盐胶结物等易溶组分的溶解.从而形成大量的次生孔隙，这是次生孔隙的大量发育时期。晚成岩C期，由于受到成岩作用或构造破裂作用的影响，可以形成少量的次生孔隙，但储层已经变得非常致密，因而不会对储层物性造成明显的影响。在成岩作用过程中，多数情况下储层的总孔隙度可以呈现相似的演化规律。当然在不同的沉积盆地，由于储层沉积环境、物质组成、埋藏速度、古地温梯度、原始地层水性质等因素的不同，储层的成岩作用历程、成岩作用等级等也不尽相同，储层物性的发育程度及变化特征也可能出现较大的差异。在对储层物性进行研究时，应当结合上述因素进行综合分析。

振动破碎机主要用于矿物加工工程中对矿石进行破碎，使矿石中有用成分解离。在选矿作业中，破碎与磨碎作业，是把各种有用矿物里紧密结合与共生在一起的有用成分和杂质分开，即“解离”。物料解离后，才能用选矿的方法出去杂质而得到纯洁的精矿还可以用于固体废物的回收利用，选用振动颚式破碎机破碎建筑废物钢筋混凝土物块，回收其中的金属回炉再利用，破碎后的混凝土可用于制作建筑用的砖瓦；应用振动圆锥破碎机对废弃的电器绝缘体、废电灯泡、废电脑、废冰箱、废电视机、电子管、电子线路板等进行破碎，可以从中回收有色金属、金属及非金属原料用于生产。