高压水射流辅助掘进机截齿破岩能有效降低截齿受力,在分析适合掘进机截割头水射流配置方式的基础上,建立水射流辅助截齿破岩试验台,选定水射流前置式、后置式、中心式三种方式进行辅助破岩实验,分别得到不同水压下的截齿受力减小率和载荷方差,研究表明前置式和中心式射流辅助破岩效果好,后置式射流效果较差,当水压为40MPa时,三种方式截割力分别减少10.97%、13.67%和1.86%,载荷振动都有一定改善。三种截齿中,射流前置式截齿在低水压区出现截割力增长现象;射流中心式截齿旋转密封件易失效,齿尖易磨损;射流后置式截齿截割后,截槽破碎效果最好,可为后一个截齿截割提供便利。

通过调研国内外文献,介绍了当前扭力冲击器技术发展应用现状,阐述了扭力冲击器+PDC钻头在破碎硬度大、研磨性高的岩层时存在的问题,给出了该技术的发展建议。通过分析和研究国内外扭力冲击技术优缺点,为提高我国在超深井复杂地质构造领域油气勘探开发速度提出合理化建议。针对不同原理的扭力冲击器在现场应用过程中发现的问题和存在的缺陷,通过分析工具的内部结构、运动机理,结合泥浆体系、岩石特性等井下环境,确定影响工具性能优劣的主要原因。涡轮型扭力冲击器存在效率低、易损坏的特点;旋转冲击式装置实用性较差;以Tork Buster为代表的流道交替型扭力冲击器工作性能最为突出,但对钻遇地层、泥浆体系、钻头匹配性有一定要求。纯径向扭击及内部复杂结构限制了流道交替型扭冲性能提高,后续研究可沿增添工具轴向振荡方向和简化工...

硬岩掘进机(TBM)在硬岩甚至超硬岩段掘进时,采用高压水射流辅助破岩成为一种有效提高破岩效率的新的研究方向。由于高压水射流破岩受诸多因素影响,作用规律复杂,其破岩机理一直未能被准确揭示。主要利用正交实验方法研究水射流压力、喷嘴直径、喷嘴移动速度对破岩沟槽深度与沟槽宽度的影响,同时结合刀盘贯入度优化水射流压力、喷嘴直径、移动速度等关键参数,探索高压水射流与岩石耦合破岩规律,为进一步揭示破岩机理提供依据。

随着深井、超深井逐步成为油气开采的一种趋势,提高破岩效率、钻进速度至关重要。为了提高PDC钻头在层理岩层的破岩效率,分别设计伺服液压夹持系统,液压钻进系统,液压高速旋转系统,高频径向冲击系统和高频轴向冲击系统,对钻杆在不同钻压、不同转速、不同冲击频率、不同冲击力下,对破岩效率、钻进速度进行了规律研究。

双滚刀岩石试验台可以进行刀间距、贯入度等参数对滚刀破岩效率影响的试验,为掘进机刀盘滚刀的布置提供设计依据。设计了可调整刀间距的高速双滚刀岩石综合试验台并进行了受力和模态的有限元分析,并利用试验台对普通花岗岩进行了滚压试验。结果表明：经有限元分析试验台的应力小于制造材料的许用应力,分析了试验台振型及振动频率和振幅;岩石滚压试验表明试验台在强度和振动方面满足使用要求;通过普通花岗岩的破岩试验测得破岩力及支撑框架振动幅值,所设计的试验台滚压花岗岩具有良好的使用效果,满足工程研究及使用。

利用自行研制的射流破岩系统,对淹没和围压条件下多孔射流钻头的破岩钻孔规律进行了试验研究,重点考虑了水力参数（冲蚀时间、射流压力、围压、喷距）和结构参数（孔眼数量和侧向孔眼扩散角）对破岩效果的影响,结果表明：随着冲蚀时间的增加,破岩效果先增加,后趋于平缓;随着射流压力的增大破岩效果随之增大;随着围压的增加破岩效果随之减小;随着喷距的增加破岩效果呈先增大后减小的趋势,存在最优喷距范围;随着孔眼数量的增多,破岩成孔形状越来越圆整;随着侧向孔眼扩散角的增大,破岩效果呈先增大后减小趋势,存在最优扩散角范围。试验结果可为多孔射流钻头水力参数选择和结构参数设计提供依据。