钻井采煤导向井大变径扩眼钻头设计和力学分析

发布时间：2017-07-27 08:32

  本文关键词：钻井采煤导向井大变径扩眼钻头设计和力学分析

  更多相关文章： 钻井采煤 大变径 扩眼钻头 水力携煤 力学分析

【摘要】：我国的能源布局是“贫油、少气、富煤”。我国煤炭资源储量5.9万亿吨,探明储量2.3亿吨,占一次能源资源总量的94.22%,而石油、天然气不足6%,可以说煤炭是我国最丰富的能源资源。随着能源需要增大,深层煤炭资源的开发时代必将到来,采用钻井技术实现钻井采煤具可行性,这种采煤方法称之为“钻井采煤法”。该方法伴随着钻井过程,通过钻头破碎煤层,利用液体循环携带煤颗粒返回地面,采用地面装备对采出的多相流体进行分离获得煤炭资源,分离的液体再次循环使用。本文系统地提出了钻井采煤工艺的基本原理,并对钻井采煤导向井工艺进行了井身结构设计和水力携煤管道输送参数计算。本文针对钻井采煤的特殊工艺要求,在广泛调研国内外相关扩眼钻头文献的基础上,分析和总结了现有扩眼钻头的优缺点,设计了一种钻井采煤导向井大变径扩眼钻头。该钻井采煤导向井大变径扩眼钻头可以穿过215.9mm的小尺寸岩层井眼,到达煤层以后可以实现井下扩径,扩径后的井眼尺寸达到395mm。本文对钻井采煤导向井大变径扩眼钻头进行了详细的结构设计,并重点就扩眼总成和锁定总成进行了具体地运动分析和力学分析,研究了本扩眼钻头的工作原理和运动机理。对芯轴和节流嘴进行了流体力学分析,确定了芯轴和节流嘴的内径,并对芯轴的强度和刚度进行了校核。其次对扩眼钻头上截齿的切割阻力和轴向阻力进行了理论计算,得到扩眼钻头受到煤层的切割扭矩T=7845N·m,轴向阻力FZ=4.3t,切割功率P=123kW,上述参数均在与扩眼钻头配合使用的7LZ172螺杆钻具额定参数以内。再次,在Abaqus软件中建立了扩眼总成的有限元计算模型,分析了扩眼壳体、芯轴、扩眼刀翼、支撑臂和销轴的力学性能。研究了装配环境下扩眼壳体和芯轴整体的力学性能和变形情况,以及零件独立环境下扩眼壳体和芯轴下的力学性能和变形情况,研究表明芯轴结构对扩眼总成整体强度有显著的加强作用。最后,在Abaqus软件中建立了锁定总成的有限元计算模型,分析了钢球、芯轴、上中心管和解锁套的力学性能。由于钢球和各零件之间为点接触,接触应力过大,因此对锁定总成的局部结构进行改进。将钢球和芯轴变为线接触,对改进的锁定总成进行力学分析,保证了结构的合理性。
【关键词】：钻井采煤 大变径 扩眼钻头 水力携煤 力学分析
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD82
【目录】：

• 摘要3-4
• abstract4-8
• 第1章 绪论8-16
• 1.1 研究背景及意义8-9
• 1.2 国内外采煤方法和设备9-10
• 1.3 深层煤开采必要性及其难度10-12
• 1.4 钻井采煤法的提出12
• 1.5 国内外可变径扩眼工具概况12-14
• 1.6 论文的研究内容14
• 1.7 论文的技术路线14-15
• 1.8 论文的创新点15-16
• 第2章 钻井采煤总体工艺技术方案研究16-27
• 2.1 钻井采煤目的16
• 2.2 钻井采煤工艺技术方案设计16-18
• 2.3 导向井井身结构设计18-19
• 2.4 钻井采煤导向井关键工具设计19-26
• 2.4.1 一种大变径钻井采煤钻柱稳定器设计19-20
• 2.4.2 一种液力可变径扶正器设计20-21
• 2.4.3 一种柱塞式大变径扶正器设计21-22
• 2.4.4 一种大变径两翼扩眼钻头设计22-23
• 2.4.5 一种柱塞式大变径随钻扩眼工具设计23-24
• 2.4.6 一种撑杆式两刀翼大变径扩眼工具设计24-25
• 2.4.7 一种反循环钻井工具设计25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第3章 钻井采煤水力携煤工艺技术研究27-34
• 3.1 水力携煤技术研究现状27
• 3.2 水力携煤管道输送参数研究27-30
• 3.3 导向井采煤水力参数计算30-33
• 3.3.1 正循环钻井工艺水力计算30-31
• 3.3.2 反循环钻井工艺水力计算31-33
• 3.3.3 钻井采煤导向井钻速计算33
• 3.4 本章小结33-34
• 第4章 钻井采煤导向井大变径扩眼钻头结构设计34-51
• 4.1 设计原则34
• 4.2 结构设计34-46
• 4.2.1 整体方案设计34-36
• 4.2.2 扩眼总成结构设计36-37
• 4.2.3 扩眼总成机构运动分析37-40
• 4.2.4 芯轴结构设计40-43
• 4.2.5 锁定总成结构设计43-45
• 4.2.6 变位滑套结构设计45-46
• 4.3 煤层切削力学分析46-50
• 4.3.1 截齿切割阻力计算46-47
• 4.3.2 截齿轴向阻力计算47-48
• 4.3.3 扩眼钻头主要动力学参数计算48-50
• 4.4 本章小结50-51
• 第5章 导向井大变径扩眼钻头扩眼总成有限元分析51-68
• 5.1 扩眼总成受力分析51-53
• 5.2 扩眼壳体和芯轴力学仿真53-62
• 5.2.1 装配模型有限元分析54-59
• 5.2.2 扩眼壳体有限元分析59-60
• 5.2.3 芯轴有限元分析60-62
• 5.3 扩眼刀翼和支撑臂力学仿真62-67
• 5.3.1 扩眼刀翼有限元分析64-65
• 5.3.2 支撑臂有限元分析65-66
• 5.3.3 销轴有限元分析66-67
• 5.4 本章小结67-68
• 第6章 导向井大变径扩眼钻头锁定总成有限元分析68-77
• 6.1 锁定总成力学仿真68-69
• 6.2 锁定总成各部件力学分析69-71
• 6.3 改进锁定总成力学仿真71-73
• 6.4 改进锁定总成各部件力学分析73-76
• 6.5 本章小结76-77
• 第7章 结论与展望77-79
• 7.1 结论77-78
• 7.2 展望78-79
• 致谢79-80
• 参考文献80-83
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果83

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 ;可膨胀扩眼钻头使用效率高[J];青海石油;2010年02期

2 朱邦海;;扩眼钻头及其钻具组合在杜邦1井的应用[J];科技致富向导;2011年36期

3 孙明光;;PDC扩眼钻头的研制与试验[J];石油钻探技术;2006年03期

4 朱丽华;;适用于页岩气水平井钻井的PDC Ghost扩眼钻头[J];钻采工艺;2012年06期

5 李传武,李发东,任海军,和昔;科钻一井先导孔扩孔技术[J];石油钻探技术;2002年05期

6 ;[J];;年期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 赵勇;钻井采煤导向井大变径扩眼钻头设计和力学分析[D];西南石油大学;2016年

，

本文编号：580573