摘要:在地热井建井过程中，为保证出口水温、提高井筒耐久性，固井不可或缺。地热井固井目前仍主要采用G级油井水泥，但地温梯度大、钻遇破碎裂隙性地层多以及存在腐蚀性介质等复杂环境，对传统硅酸盐水泥体系提出更严苛的性能要求。本文从抗高温、耐腐蚀及低密度三方面对硅酸盐水泥体系的现有技术效果及未来发展趋势进行了梳理，结果表明：克服水泥石高温性能劣化的最常用手段为掺入硅粉或硅砂，通过降低体系钙硅比调整水化产物类型以减缓强度衰退；水泥防腐剂已从单一的有机/无机惰性材料，发展为水性胶乳、酸响应型胶乳以及有机/无机复合多元防腐体系；通过吸水增黏物质、低密度减轻剂或充气泡沫等形成的轻质水泥体系，仍存在密度保持难、强度发展慢、稳定性差等缺点。未来应着重开展水泥石强度衰退机理的主控因素分析和新型强度衰退抑制剂的研发；建立多相动态冲刷条件，开展水泥石本体及胶结二界面受腐蚀机理研究；兼顾地热井固井复杂环境，辅以纤维等堵漏材料，形成耐高温抗腐蚀轻质防漏水泥体系。针对地热井固井环境，全面梳理现有硅酸盐水泥体系的技术现状及发展趋势，可为地热水泥的研发方向提供参考。

摘要:油页岩是一种富含有机物的沉积岩，我国已探明的油页岩资源储量位居世界第三位，实现油页岩资源的商业化开发是保证我国能源安全的重要举措之一。油页岩地下原位转化法开采具有绿色环保、占地面积小、可开发深部油页岩资源等优点，是实现中深层油页岩资源高效开发的重要技术手段。文章介绍了水力压裂、超临界CO₂压裂、酸化压裂、清水压裂等储层改造技术在油页岩原位开采过程中的应用情况和研究成果，并对比了4种储层改造技术的优缺点。同时，重点阐述了目前油页岩水力压裂技术在实验研究、数值模拟及先导试验研究方面的应用及进展。最后，论述了目前油页岩储层改造技术的不足与未来发展方向。

摘要:钻探是隧洞工程勘察最直接有效的勘察手段，然而对于深埋长隧洞，传统的垂直钻孔在勘察中存在有效进尺少、设备搬迁难度大等缺点。定向钻探技术可以选择在隧洞傍山段或沟谷内等布置钻孔，通过控制钻孔轨迹对隧洞洞身地质条件进行勘察，具有很高的经济效益。在引江补汉工程中成功实施了一个分支定向勘察孔，其中主孔深630.8 m、分支孔长度81 m，取心回次共158次，累计采取岩心166.3 m，目标取心段岩心采取率达到95%，并在孔内实施了声波、录像测试及水文试验。总结了水利水电工程定向钻探-孔内试验综合勘察方法，为水利水电深埋隧洞工程勘察提供了新的手段，也为同类型工程定向钻探技术的应用提供借鉴。

摘要:深埋长隧洞工程在施工前勘察期间很难全面查明相关工程地质问题，可能对工程的顺利实施造成一定影响。探索将定向钻探技术运用于深埋长隧洞施工超前地质预报工作，利用水平定向钻机较好的导向功能及长距离快速钻进特点，实现对隧洞掘进前方重大风险的超前探测，有效弥补常规技术手段下长距离超前探测的不足。本文结合引江补汉工程7号施工支洞，根据不同的地质条件及预报重点，采用了不同类型钻机进行了超前预报技术方法探索，并对比分析了超前预报成果及实际开挖揭露的地质条件。分析认为定向钻探技术旨在超前探测开挖面前方重大致灾构造，结合钻进特征、物探测试等手段可基本实现目的，为提高预报时效性，钻孔宜减少取心的比率。基于现有技术水平分析，定向钻探钻进效率高于钻爆法、TBM法开挖掘进效率，可实现超前探测，在钻爆法、TBM法施工隧洞的超前探测方面具备可行性。

摘要:水平定向钻进技术在城市地下空间开发、资源勘探等领域具有广阔的应用前景，但其破岩过程复杂，研究水平定向钻进过程的动态特性及参数响应规律十分重要。本文以PDC钻头和牙轮钻头为研究对象，基于ABAQUS建立了水平定向钻进地层的三维有限元仿真模型，模拟了钻头在钻进过程中岩体的变形、破坏和钻头的受力情况，得到了钻头的反力和扭矩的响应曲线，并分析两种钻头破岩动态特性的差异。通过参数化仿真，研究了不同钻进参数和岩石力学参数对钻头破岩动力学特性的影响规律。基于响应面分析法建立了钻头反力和扭矩的多元参数回归预测模型，从而得出两种钻头的钻速预测方程，并验证了该方程具有较高的精确性，为优化钻进参数、提高钻进效率提供了理论依据。

摘要:青海省引黄济宁工程隧洞古近系地层分布范围广，隧洞埋深大，研究古近系地层的物理力学特征进而评价隧洞围岩的变形与稳定，对于隧洞设计与施工具有重要意义。针对隧洞古近系地层围岩稳定性问题，采用试验及经验分析的方法进行了古近系地层软岩物理力学特征研究。结果表明：古近系地层岩石密度较低，吸水率较高；饱和状态下岩石单轴抗压强度急剧降低，软化系数极低；部分岩性具有膨胀性；少量岩性耐崩解性较差。引黄济宁工程隧洞古近系地层岩石在富水条件下力学性能差，对围岩稳定不利，当埋深>127 m时，围岩可能产生严重—极严重挤压变形，施工中应根据围岩变形特征，有针对性地采取工程措施，以减少围岩变形的危害。

摘要:在深埋隧洞施工过程中，岩爆是主要面临的工程地质问题之一。准确判别岩爆发生的可能性以及岩爆级别，对工程建设具有举足轻重的意义，也给勘察带来了较大的挑战。当前，水利工程勘察过程中，行业规范在判别隧洞岩爆时，仅考量强度应力比这一因素。为深入评价某深埋引水隧洞的岩爆问题，本研究基于勘察资料与实测地应力成果，运用基于能量准则的线弹性能判据（W_e=40~100 kJ/m3）对隧洞岩爆等级进行初步预测。结果显示围岩弹性能密度为41.5 kJ/m3，属中等岩爆风险。在此基础上，采用有限差分法构建三维地质力学模型，反演地应力场并模拟开挖卸荷过程，揭示弹性能聚集区主要分布于隧洞两侧边墙，数值模拟结果与能量准则判据相互验证，证实中等岩爆风险的空间分布特征，并运用能量-运动学耦合模型对围岩发生岩爆岩体弹射的速度和距离进行了定量预测，为动态支护设计提供依据，对其他水利工程深埋长隧洞勘察的岩爆预测工作具有参考与借鉴价值。

摘要:本文依托香港狮子山隧道扩容改造工程前期勘察阶段水平定向钻孔项目，基于工程地质资料、钻孔电视、声波和压水试验数据，采用定性与定量结合的方法，探讨其在均质区划分中的应用。钻孔电视光学成像弥补了岩石破碎时裂隙方位倾角获取的不足，声波测井和压水试验提供了岩体完整性和渗透性数据。多方法联合划分均质区，有助于提高隧道围岩分级的精度和可靠性。实验结果与实际高度吻合，证明综合物探方法可高效探明地层裂隙发育，围岩均质区划分方法准确，为工程勘察提供技术支撑。

摘要:随着国家大型工程建设的推进，深埋隧洞施工日益增多，其衬砌结构设计面临高外水压力的挑战，现有针对深埋隧洞水文地质试验的试验装置和方法存在诸多不足。本文介绍了一种基于可控卸压装置的深埋隧洞分层水文地质试验装置及方法。该试验装置通过封隔器栓塞隔离试验段与上下岩层的水力联系，利用可控卸压装置消减试验段内高地下水压力，再通过渗压计测得地下水压力恢复时间及最终分层地下水压力，通过建立内置空气罐气体与地下水压力、入渗水总量的动态平衡关系，可推算出岩层渗透系数，实现地下水正向流入工况下的水文地质试验。该装置及方法具有操作简便、适用性强、成本较等优点，已在某大型水资源配置工程中得到应用，为深埋隧洞的结构设计和安全运行提供了可靠依据。

摘要:传统压水试验设备在数据采集和试验操作上存在诸多局限，难以满足高精度工程需求。本文介绍了一套适用于千米级水平定向孔的压水试验方法及设备，压水试验设备引入先进的自动采集系统，集成了高精度传感器和智能控制模块，创新设计了止水栓塞结构。该套设备可直接测定试验段实际压力，获取的试段压力排除了管路损失；判别试验段密封性，提高试验可靠性；可对试验过程中的关键参数进行实时、连续、准确的记录，避免了人工操作误差和数据采集不及时的问题；新型止水栓塞的设计降低了事故率。与之配套的试验方法，依据智能化成套设备的特点进行优化，实现了试验的自动化运行和高效管理，并且根据试验所得数据可准确计算压水试验在水平孔中试验段的水位高程。经实际工程应用验证，该新型压水试验设备及试验方法显著提高了试验数据的可靠性和精度，提升了工作效率，为岩土工程、水利水电工程等领域的地质勘察和工程设计提供了更为科学、准确的基础数据，具有重要的工程应用价值和推广意义。

摘要:热水钻被认为是开展极地冰下湖探测最高效、最安全和最清洁的钻探装备。利用热水钻开展冰下湖钻探时需要建造回水腔，但目前回水腔的结构及热特性尚不清楚。为此，本文首先梳理了深层热水钻回水腔的主要结构形式。然后，以上覆冰层对冰下湖水的压力为基础，建立了回水腔建造深度计算方法，并确定了回水腔的初始形状及主要尺寸的计算方法。接着，通过建立回水腔周围冰层温度场的物理模型和数学模型，提出了回水腔临界回水温度和临界注热流量的计算方法，并系统分析了各因素对这两个参数的影响规律。研究结果表明：当深层热水钻用于冰下湖钻探时，回水腔应优先选用双层主/副孔结构，主孔和副孔之间的距离应该小于1 m，主/副孔直径应在0.3~0.6 m之间且回水腔的高度应比潜水泵大2~3 m；回水腔的建造深度主要由冰盖厚度决定，在实际工程中，回水腔的建造深度应比理论计算值大15~30 m；回水腔的临界回水温度和临界注热流量随时间的增大而减小；正常工况下，回水腔的临界回水温度不超过2~3 ℃，而临界注热流量不超过12 L/min。

摘要:常规油气和非常规油气储层损害机理研究比较成熟，而地热储层类型划分与损害机理研究至今尚未引起人们的关注和重视。目前，在地热资源勘查开发中仅出现砂岩热储和岩溶热储2种类型的概念。由于储层概念和类型的含糊不清，从而造成了钻井方法、钻井液选择不当和资源评价失真现象。在热储层损害机理和损害程度评估方面，更是没有规范要求，使地热完井工序缺失，最终导致水量小、温度低，甚至报废等问题。本文在大量地热资源勘查工程基础上，针对目前存在的突出问题，借鉴常规油气储层研究成果，着重从地热储层类型划分和热储层损害机理2方面进行了分析研究。研究表明：地热储层按照孔隙型、裂隙型、溶洞型和复合型4种模式划分，可以使钻井方法、钻井液选择和资源评价更加合理和精准。热储层损害表现方式主要是孔隙堵塞或储层结构破坏。其中，钻井液侵入和井内压力液柱静、动压力是热储层损害的主要因素，也是不可避免普遍存在的问题。热储层损害类型可划分为应力损害、流速损害、水敏损害、碱敏损害和酸敏损害5大类。

摘要:随着深海深地钻探需求的增加，使用传统PDC钻头井下钻具磨损严重，不能够完全满足深井硬地层的钻进要求，因此异型齿PDC钻头尤其是V形齿PDC钻头成为了研究重点。目前关于V形齿PDC钻头磨损对接触面积的影响研究较少，接触面积大小会影响切削齿的接触压力，进而影响侵入岩石深度和切削效率，研究V形齿接触面积的变化规律具有重要意义。针对V形齿在磨损阶段与岩石接触面积的计算问题，通过使用平面斜截复合片所在圆柱面的方法，推导了接触面积与磨损高度和V形齿弦长、切角等几何参数的函数表达式，并分析了V形齿几何参数、磨损高度对接触面积和接触压力的影响。结果表明：在磨损初期，圆柱形齿与V形齿接触面积相同，当复合片磨损到一定阶段，V形齿接触面积更小，且弦长、切角越小，接触面积越小；在相同载荷下，相对于圆柱形齿，磨损到一定阶段后V形齿与岩石接触压力更大，具有更深切入岩石的能力。在现场应用时，测量一批同型号钻头提钻后的磨损高度及其提钻前对应的钻速，获得该型号钻头的磨损高度与钻速之间的统计关系，进而通过磨损高度估算接触面积，方便及时调整钻压，以维持较高的钻速，或设计时优化V形齿几何参数，也有利于提高钻进效率。

摘要:钻探工程中常常遇到钻孔弯曲问题。钻孔弯曲与许多因素有关，如地层条件、钻头结构、规程参数、操作水平和管理能力等。地层条件中，常常遇到各向异性岩石，钻进时此类岩石对钻头产生翻转力矩，致使钻头唇面偏斜，进而钻孔弯曲。为此，俄罗斯专家提出了利用钻进时偏心唇面钻头产生的弯曲力矩抵制（平衡）这个翻转力矩来设计钻头，取得了专利，得到了较好的效果，值得引起我们的注意。

摘要:空气潜孔锤钻井技术作为地热资源勘探与开发的关键技术之一，其效率和效果在很大程度上取决于潜孔锤钻头的性能，尤其是PDC球形切削齿的质量和寿命。针对目前空气潜孔锤钻头钻进中切削齿出现断裂、脱落以及磨损严重导致的钻进效率低、使用寿命短等问题，本文对PDC球形切削齿进行宏观和微观分析，探究其失效原因和失效机理，并针对性地提出相应改善措施。研究结果显示：PDC球形切削齿的主要失效形式为齿的断裂、磨损及脱落。切削齿失效的主要原因是由于冲击破岩过程中切削齿同时受到切向冲击压缩和法向拉伸应力而造成损伤，同时切削齿材料本身的性能较差、金刚石层与硬质合金基体两相结合强度不高也是失效的重要原因。为了提高PDC球形切削齿的性能和使用寿命，可以通过优化钻井参数和调整外部作业条件来减轻切削齿的应力负担。此外，对PDC球形切削齿的材料配方、结构设计和制造工艺进行创新和改进，也是提升其抗冲击能力和耐磨性的有效途径。通过这些综合性能的改进措施，可有效提升PDC球形切削齿的可靠性，进而提高潜孔钻井的作业效率和钻头寿命。

摘要:本文针对CDH-125型气动潜孔锤冲击动力学过程进行研究，对无阀配气活塞运动过程中的受力状态进行了准确的分析，进而基于有限差分方法，对潜孔锤工作过程中的热力学以及动力学微分方程组进行迭代求解，得到潜孔锤活塞以及气室的动态工作特性，包括活塞位移和速度之间的相对关系，前、后气室的压力、温度交换关系等；应用多物理场仿真软件SimulationX对有限差分法求解结果进行对比验证，活塞冲程最大速度相差3%，回程最大速度相差19%，工作频率相差5%。基于上述结果，进一步对活塞与内缸之间气体黏性摩擦力进行计算与分析，结果表明：与无黏流体理想情况下进行对比，单一工作周期内黏性摩擦力使潜孔锤工作频率降低0.15%，使活塞的冲程最大能耗增加0.05~1.34 J/次，黏性摩擦力对潜孔锤动态性能的影响不可忽略。

摘要:破碎机是泥水平衡盾构机的关键部件之一，通常采用液压马达驱动滚轮机构破碎岩石，其液压系统为闭式系统。在工作过程中，破碎机受到冲击负载时有时会瞬时卡停，此时液压马达低压侧的压力会在短时间内急剧下降甚至出现液压马达压力吸空现象，进而导致马达损坏。本文针对现有破碎机液压系统存在的这一问题，深入分析了破碎机在冲击负载工况下瞬间卡停时，液压马达低压侧出现压力吸空现象的原因，并提出了一种增加补油蓄能器的优化方案。通过对该方案进行仿真分析和试验验证，确定采用在破碎机左右驱动马达出口处各增加1个4 L蓄能器的优化方案，以此解决破碎机液压马达因压力吸空而损坏的问题。

摘要:岩溶地貌区浅部地层钻探过程中发生大量漏失、涌水等复杂情况，地层中广泛发育的缝洞网络形成了流体运移通道，而钻井液和地层水之间的压差也是重要的影响因素，常规孔隙压力预测方法无法对浅层孔隙压力实现有效表征。为探索岩溶地貌区浅层孔隙压力的实际分布情况，基于水文地质学和流体力学原理，构建了基于地下水实际分布的浅部地层孔隙压力剖面，并利用黔西探井钻探实例验证了剖面的有效性，结果表明岩溶地貌区浅层存在多个压力分区且与地下水的分布密切相关：地下水位以上为无孔隙压力；潜水层孔隙压力的计算应以地下水面为基线，是典型的低压区；承压水层的孔隙压力取决于补给区与排泄区位置差异，可能表现为高压、低压或常压。分析了堵漏材料、清水钻进及空气潜孔锤钻进在岩溶地貌区的适应性，建议在钻井设计中充分利用水文地质资料构建浅层压力剖面，据此选择钻探工艺或钻探工艺组合并确定各开次钻探深度，以避免钻井复杂情况，提高钻探效率。本研究能够为岩溶地貌区钻探工程设计与实施提供参考。

摘要:川渝地区裂缝、断层、不整合接触的弱面结构及多压力体系等复杂地层因素，导致同一裸眼段多层、多机理漏失频发，传统堵漏技术存在大粒径堵漏材料泵送通道建立慢、堵漏耗时长、堵漏工具稳定性差等问题，见效慢、效率低，为钻探工作正常开展带来了挑战。对此，本文以地面投球切换流道而快速建立堵漏通道的思路，开展快速堵漏阀优化设计、堵漏作业流程制定，完成基于快速堵漏阀的多漏层不起钻堵漏技术研究，通过现场实钻应用，可实现不起钻单趟最多堵漏5个漏层，堵漏作业时效提高74%，大大降低堵漏成本。为复杂漏层快速随钻堵漏提供了新的技术手段。

摘要:雄安新区地热资源开发面临多项钻井技术挑战，主要体现在复杂地质条件与环境保护双重压力。深层地热储层普遍具有高温特性，井下高温导致钻井液性能调控难度大；碳酸盐岩裂缝性储层易发生井漏、井塌等井下复杂情况，甚至发生失返性漏失和卡钻事故，严重影响钻井取心和录井作业；目的储层岩石具有高硬度、强研磨性特征，严重影响机械钻速。针对雄安新区岩溶热储复杂地质条件，开展精细地质研究，优化井身结构设计，主要以三开井身结构为主；针对高温环境，采用耐高温螺杆钻具配合抗高温钻井液体系；裂缝性非目的储层采用随钻堵漏技术，配套使用纳米封堵材料与纤维增强型堵漏剂，岩溶热储目的层钻进采用清水、清水充空气、双壁钻杆钻井技术解决地层漏失问题；环保方面重点开展废弃钻井液无害化处理，应用闭式循环系统减少废弃物排放。