扩孔钻进工况下反井钻机钻具的纵向振动研究

发布时间：2021-07-01 20:40

　　反井钻井工程中,扩孔钻头体采用滚压破岩的方式对岩石进行破碎。滚压破岩的本质是滚刀刀齿对岩石的跃进式侵入,这一侵入过程会伴生大量的冲击荷载。随着刀盘转动,冲击荷载周期性产生,引起钻具系统的纵向振动。反井钻机扩孔钻具系统由普通钻杆、稳定钻杆和扩孔钻头体构成,当钻具系统的纵向自由振动固有频率和纵向振动频率重合时,将会诱发纵向共振。扩孔钻进工况下,反井钻机钻具系统处于大荷载条件下的复合受力状态,纵向共振将严重降低钻具使用寿命,是导致钻具疲劳和损伤的重要因素之一。本文从反井钻机扩孔钻具的固有频率和振动频率两方面入手,通过理论分析、数值模拟、编程计算和现场实验等手段,对扩孔钻进工况下反井钻具的纵向振动问题进行了系统研究。一、针对反井钻机扩孔钻具的纵向固有频率问题,建立了适用于反井钻机扩孔钻具的纵向自由振动力学模型,推导了扩孔钻具系统固有频率的解析式。在四种不同直径钻头体、三类不同规格钻杆、四种不同钻具材料和四类不同钻具长度条件下,建立了扩孔钻具系统的有限元模型,计算了不同参数组合条件下钻具系统的纵向自由振动固有频率,建立了钻具长度100米范围内的纵向固有频率表。研究表明:钻具长度的改变是影响扩孔钻... 

【文章来源】：煤炭科学研究总院北京市

【文章页数】：129 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 课题的提出和研究意义
    1.2 文献综述
        1.2.1 钻柱振动国内外研究现状
        1.2.2 主要振动测量技术
        1.2.3 反井钻机国内外研究现状
    1.3 研究内容
第二章 钻具纵向振动固有频率研究
    2.1 反井钻机钻具纵向振动模型的建立
        2.1.1 钻具系统的受力分析
        2.1.2 钻具系统的纵向自由振动模型
    2.2 钻具系统的纵向振动固有频率解析解
    2.3 反井钻机钻具有限元模型的建立
    2.4 反井钻机钻具固有频率影响因素分析
        2.4.1 材料参数对固有频率的影响
        2.4.2 钻杆直径对固有频率的影响
        2.4.3 钻具长度对固有频率的影响
        2.4.4 钻头体直径对固有频率的影响
    2.5 反井钻机钻具固有频率表
    2.6 本章小结
第三章 钻具纵向振动频率研究
    3.1 钻具纵向振动的产生机理
    3.2 钻头体破岩频率的数学模型
        3.2.1 滚刀的排齿设计与布置
        3.2.2 钻头体的滚刀布置
        3.2.3 滚刀坐标系的建立
        3.2.4 滚刀布置的简化
        3.2.5 破岩轨迹的确定
        3.2.6 模型的基本参数
        3.2.7 钻具破岩频率数学模型的建立
    3.3 钻具纵向振动频率的推导
    3.4 钻具纵向振动频率的计算程序
        3.4.1 MATLAB软件介绍
        3.4.2 计算程序的编制
        3.4.3 计算程序的初步验证
    3.5 钻具纵向振动频率的计算及分析
        3.5.1 计算参数的确定
        3.5.2 冲击荷载的计算及分析
        3.5.3 钻头体破沿轨迹曲线
        3.5.4 钻具纵向振动频率的计算结果
    3.6 本章小结
第四章 钻具的纵向共振问题及解决方案
    4.1 钻具的纵向共振现象分析
    4.2 基于模糊控制的钻具共振解决方案
        4.2.1 控制条件分析
        4.2.2 输入输出变量的确定和模糊化
        4.2.3 模糊控制规则的建立
        4.2.4 模糊决策与反模糊化
    4.3 本章小结
第五章 钻具纵向振动频率的测量实验
    5.1 实验背景与工程资料
        5.1.1 工程背景
        5.1.2 反井钻机参数
        5.1.3 工程围岩条件
    5.2 钻具纵向振动频率的建模计算
    5.3 钻具纵向振动频率的测量方案
        5.3.1 纵向振动频率的间接测量依据
        5.3.2 测量手段和测量设备
    5.4 钻具纵向振动频率的实测分析
        5.4.1 现场信号的收集
        5.4.2 快速傅里叶变换法
        5.4.3 信号处理及结果分析
    5.5 本章小结
第六章 结论与展望
    6.1 论文结论
    6.2 主要创新点
    6.3 展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]大直径暗立井反井一次成井施工技术[J]. 荆国业.  中国矿业. 2018(01)
[2]国内反井钻井技术发展综述[J]. 程守业.  建井技术. 2017(05)
[3]矿山反井钻进技术与装备的发展现状及展望[J]. 刘志强.  煤炭科学技术. 2017(08)
[4]用于钻柱振动加速度测量的电路设计[J]. 程晶晶,高双,孟祥隆,孙豫斌.  仪表技术与传感器. 2017(01)
[5]基于Rayleigh-Love杆理论的非均质土中大直径桩纵向振动（英文）[J]. Zhen-ya LI,Kui-hua WANG,Wen-bing WU,Chin Jian LEO.  Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2016(12)
[6]反井钻机球形镶齿滚刀破岩数值分析[J]. 孟益平,汪莹莹,谭昊.  建井技术. 2016(05)
[7]基于平板冲击声的声源特性表征及自动识别[J]. 李晗,陈克安,田旭华.  应用声学. 2016(04)
[8]基于相似原理的钻柱振动模拟试验研究[J]. 张东霄,李波,邱琳琳,范勇,李敏杰.  矿山机械. 2016(05)
[9]滚刀破岩试验装置的研制及应用[J]. 韩博,刘志强,荆国业,谭昊.  煤矿机械. 2015(12)
[10]大直径瓦斯抽排井钻进技术分析[J]. 刘志强,荆国业,王桦.  建井技术. 2015(01)

硕士论文
[1]不同齿形的镶齿滚刀破岩效果模拟仿真[D]. 汪莹莹.合肥工业大学 2017



本文编号：3259832