直推式取样钻具优化设计研究
发布时间：2021-06-08 08:03
我国土壤地层污染问题突出,取样是地层污染调查的重点所在。当前对污染地层取样主要采取直推式（冲击式）钻进和振动式（高频声频）钻进两类工艺。直推式和冲击式钻探过程中,取样钻头和地层间主要的破坏形式是剪切作用,与传统回转钻进方法有较大区别,两者间的耦合作用与地层、钻头结构、材料以及钻进参数等紧密相关,本文对此展开研究,以期对取样钻具和工艺优化奠定基础。本文首先建立了钻柱-地层作用等效数学模型,研究了激励载荷以及钻柱共振作用下地层振动响应变化规律。随后,基于ANSYS有限元分析软件建立了钻头-地层之间的耦合作用模型,进行了仿真分析,研究了钻头结构参数以及钻进参数对地层破坏效果的影响规律。最后,优化钻头结构,建立钻柱-钻头-地层间的耦合作用模型,仿真分析了高频激励载荷作用下钻柱、取样钻具对地层钻进影响规律。论文得到了一些研究结果如下:（1）理论分析结果表明,岩石地层振动响应位移与激励载荷最大幅值呈正比,与其自身的固有频率、相对阻尼比呈反比,且地层振动响应的发生相对于冲击载荷存在相位差。地层刚度增大,振动响应力峰值随之增大,响应力变化频率加快;随着钻进深度增加,钻柱共振使地层产生的响应力随之减小。...
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－３?ＴＥＣ１５型号钻机??又－于声频振动取样钻机的发展，卢频振动钻进取样技术是通过５０－２００Ｈｚ声??
中国地质大学（北京）硕士学位论文??１．３ＭＣ５钻具结构及工艺??１．３．１钻具结构??通过查阅相关资料可知，ＭＣ５系统取样钻具结构图如下。??１?一具??—§??３?—ｐ??孅??，—?ｈ—６??Ｉ?；?ｒ?ｒ??Ｉ?Ｉ??８??Ｏ——９??５?８?ｇ－－－ｌｏ??Ｑ—ｉｉ??图１－４?ＭＣ５定深取样钻具系统阁??Ｉ．外管顶驱帽?２．外钻杆顶驱头３．内杆顶驱帽４．?Ｉ．２５ｉｎ内杆?５．内杆堵头６．样品管??７．?ＰＶＣ内衬管８．芯样管环?９．芯样捕获器１０．取芯穿梭头ＩＩ．取芯钻头??１．３．２钻进过程??里??Ａ?Ａ?Ａ?ｆ?＾１?ｆ?礓?ｖ??ｑ?：?？？｜＊?＾?；??ｎ?ｔ?ｉ?ｋ?Ｋ?１?＾?＾?Ｖ??＾?ｎ?ｉ?；ｆｔ：?ｆｉ??｜?ｉ?ｉｌｋ????Ｉ??图１－５?ＭＣ５取样钻具定深采样工作过程??７??
中国地质大学（北京）硕士学位论文??更远区域的岩体产生微裂纹（孙琦等，２０１２）。??孙龙、卜长根等对声波振动钻进进行了共振柔性钻柱对岩石作用理论性的分??析，建立声波振动钻进岩体动力学方程，从岩石刚度、钻杆柱共振阶次、钻杆柱??长度变化等多个方面，考虑不同情况下长钻杆钻具冲击岩体使其产生振动响应力??的影响（Ｓｕｎ?Ｌｏｎｇ?等，２０１７）。??综上所述，可通过ＡＮＳＹＳ对取样钻头结构进行优化设计的研究。本文借鉴??学者通过有限元分析研究粧土相互作用、钻头冲击挤密钻进过程钻头土体相互作??用以及取样钻具刃部结构优化设计等方法，在不同外径结构Ｋ对取样钻头施加不??同形式载荷力（静压、冲击、振动），研究钻头与岩土体间相互作用影响，根据??有限元分析结果来调整优化钻头结构参数。??１．４技术路线与研究内容??１．４．１技术路线??现有直推式取阼钻具??｜?ｉ?，?Ｉ?，??１习削刃丨刀人深嗖分祈?｜钻柱岩土体等效模型建立及响应分Ｗ??????］［???耦含实（￥Ｉｆ逮立??？有限元汸真分析???＾?????”??不问钻具结构智数－－－１?不同地頃参数?不冋钻进工艺参数???Ｙ?１?计析?－ｐ??ｙｆｍ?????Ｖ?”??岩土体响应变化规律Ｉ?Ｉ?钻具受力影响??ａ论??图１－６技术路线??ＩＩ??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于岩石性质的钻进振动响应分析[J]. 陈晓君,陈根龙,宋刚,陈小根. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2019(10)
[2]环境取样钻机的关键技术及发展趋势研究[J]. 李炯,王瑜,周琴,刘宝林,张凯,王志乔. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2019(09)
[3]污染场地勘察钻探取样设备及工艺应用探讨[J]. 梁龙,蔡国成,王劲松,魏玲. 工程勘察. 2018(07)
[4]土-结构相互作用阻尼矩阵建模问题研究[J]. 康帅,楼梦麟,董正方. 世界地震工程. 2017(04)
[5]《全国土壤污染状况调查公报》探析[J]. 陈能场,郑煜基,何晓峰,李小飞,张晓霞. 农业环境科学学报. 2017(09)
[6]直接推进技术在有机污染场地调查中的应用研究[J]. 孔祥科,马骏,韩占涛,黄爽兵,王平,赵龙. 水文地质工程地质. 2014(03)
[7]基于双偏心轴驱动的声频振动钻机设计研究[J]. 王瑜,刘宝林,周琴,胡远彪,高明帅. 中国机械工程. 2013(17)
[8]基于ANSYS的取土器钻头参数优化设计[J]. 杨建立,张璐凡,陈沛然,李华朴,何予鹏. 中国农机化学报. 2013(03)
[9]城市化引发的污染场地问题详解与分析——看污染场地修复这十年[J]. 高艳丽,刘世伟,李书鹏. 世界环境. 2013(02)
[10]冲击回转碎岩机理研究[J]. 孙琦,杨甘生. 断块油气田. 2012(S1)
博士论文
[1]典型土壤中铬迁移转化规律和污染诊断指标[D]. 肖文丹.浙江大学 2014
[2]PDC钻头破碎岩石的力学分析与机理研究[D]. 李田军.中国地质大学 2012
[3]潜孔锤冲击挤密钻进机理及挤密钻头的设计与实验研究[D]. 曹品鲁.吉林大学 2007
硕士论文
[1]压力对超声波振动碎岩效果影响规律的研究[D]. 翟国兵.吉林大学 2016
[2]WT50型超高频振动物探钻机设计[D]. 陈跃.东北石油大学 2014
[3]潜孔锤及声波钻柔体振动冲击的理论与建模[D]. 孙龙.中国地质大学（北京） 2014
[4]取样技术在挥发性有机物污染土壤治理中的应用研究[D]. 赵磊.中国地质大学（北京） 2009
[5]声频振动钻进的机理研究[D]. 熊玉成.中国地质大学（北京） 2007
本文编号：3218012
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－３?ＴＥＣ１５型号钻机??又－于声频振动取样钻机的发展，卢频振动钻进取样技术是通过５０－２００Ｈｚ声??
中国地质大学（北京）硕士学位论文??１．３ＭＣ５钻具结构及工艺??１．３．１钻具结构??通过查阅相关资料可知，ＭＣ５系统取样钻具结构图如下。??１?一具??—§??３?—ｐ??孅??，—?ｈ—６??Ｉ?；?ｒ?ｒ??Ｉ?Ｉ??８??Ｏ——９??５?８?ｇ－－－ｌｏ??Ｑ—ｉｉ??图１－４?ＭＣ５定深取样钻具系统阁??Ｉ．外管顶驱帽?２．外钻杆顶驱头３．内杆顶驱帽４．?Ｉ．２５ｉｎ内杆?５．内杆堵头６．样品管??７．?ＰＶＣ内衬管８．芯样管环?９．芯样捕获器１０．取芯穿梭头ＩＩ．取芯钻头??１．３．２钻进过程??里??Ａ?Ａ?Ａ?ｆ?＾１?ｆ?礓?ｖ??ｑ?：?？？｜＊?＾?；??ｎ?ｔ?ｉ?ｋ?Ｋ?１?＾?＾?Ｖ??＾?ｎ?ｉ?；ｆｔ：?ｆｉ??｜?ｉ?ｉｌｋ????Ｉ??图１－５?ＭＣ５取样钻具定深采样工作过程??７??
中国地质大学（北京）硕士学位论文??更远区域的岩体产生微裂纹（孙琦等，２０１２）。??孙龙、卜长根等对声波振动钻进进行了共振柔性钻柱对岩石作用理论性的分??析，建立声波振动钻进岩体动力学方程，从岩石刚度、钻杆柱共振阶次、钻杆柱??长度变化等多个方面，考虑不同情况下长钻杆钻具冲击岩体使其产生振动响应力??的影响（Ｓｕｎ?Ｌｏｎｇ?等，２０１７）。??综上所述，可通过ＡＮＳＹＳ对取样钻头结构进行优化设计的研究。本文借鉴??学者通过有限元分析研究粧土相互作用、钻头冲击挤密钻进过程钻头土体相互作??用以及取样钻具刃部结构优化设计等方法，在不同外径结构Ｋ对取样钻头施加不??同形式载荷力（静压、冲击、振动），研究钻头与岩土体间相互作用影响，根据??有限元分析结果来调整优化钻头结构参数。??１．４技术路线与研究内容??１．４．１技术路线??现有直推式取阼钻具??｜?ｉ?，?Ｉ?，??１习削刃丨刀人深嗖分祈?｜钻柱岩土体等效模型建立及响应分Ｗ??????］［???耦含实（￥Ｉｆ逮立??？有限元汸真分析???＾?????”??不问钻具结构智数－－－１?不同地頃参数?不冋钻进工艺参数???Ｙ?１?计析?－ｐ??ｙｆｍ?????Ｖ?”??岩土体响应变化规律Ｉ?Ｉ?钻具受力影响??ａ论??图１－６技术路线??ＩＩ??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于岩石性质的钻进振动响应分析[J]. 陈晓君,陈根龙,宋刚,陈小根. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2019(10)
[2]环境取样钻机的关键技术及发展趋势研究[J]. 李炯,王瑜,周琴,刘宝林,张凯,王志乔. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2019(09)
[3]污染场地勘察钻探取样设备及工艺应用探讨[J]. 梁龙,蔡国成,王劲松,魏玲. 工程勘察. 2018(07)
[4]土-结构相互作用阻尼矩阵建模问题研究[J]. 康帅,楼梦麟,董正方. 世界地震工程. 2017(04)
[5]《全国土壤污染状况调查公报》探析[J]. 陈能场,郑煜基,何晓峰,李小飞,张晓霞. 农业环境科学学报. 2017(09)
[6]直接推进技术在有机污染场地调查中的应用研究[J]. 孔祥科,马骏,韩占涛,黄爽兵,王平,赵龙. 水文地质工程地质. 2014(03)
[7]基于双偏心轴驱动的声频振动钻机设计研究[J]. 王瑜,刘宝林,周琴,胡远彪,高明帅. 中国机械工程. 2013(17)
[8]基于ANSYS的取土器钻头参数优化设计[J]. 杨建立,张璐凡,陈沛然,李华朴,何予鹏. 中国农机化学报. 2013(03)
[9]城市化引发的污染场地问题详解与分析——看污染场地修复这十年[J]. 高艳丽,刘世伟,李书鹏. 世界环境. 2013(02)
[10]冲击回转碎岩机理研究[J]. 孙琦,杨甘生. 断块油气田. 2012(S1)
博士论文
[1]典型土壤中铬迁移转化规律和污染诊断指标[D]. 肖文丹.浙江大学 2014
[2]PDC钻头破碎岩石的力学分析与机理研究[D]. 李田军.中国地质大学 2012
[3]潜孔锤冲击挤密钻进机理及挤密钻头的设计与实验研究[D]. 曹品鲁.吉林大学 2007
硕士论文
[1]压力对超声波振动碎岩效果影响规律的研究[D]. 翟国兵.吉林大学 2016
[2]WT50型超高频振动物探钻机设计[D]. 陈跃.东北石油大学 2014
[3]潜孔锤及声波钻柔体振动冲击的理论与建模[D]. 孙龙.中国地质大学（北京） 2014
[4]取样技术在挥发性有机物污染土壤治理中的应用研究[D]. 赵磊.中国地质大学（北京） 2009
[5]声频振动钻进的机理研究[D]. 熊玉成.中国地质大学（北京） 2007
本文编号：3218012
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