快速钻孔用潜孔锤反循环钻头设计与试验研究

发布时间：2017-10-14 01:36

  本文关键词：快速钻孔用潜孔锤反循环钻头设计与试验研究

  更多相关文章： 快速钻孔 贯通式潜孔锤 环状喷射 反循环钻头 抽吸性能

【摘要】：煤炭工业是关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业。虽然近些年来我国一直在对能源结构进行调整，削减煤炭在能源消费量中的比重。但是煤炭在一次能源结构中的比例依然保持在60%以上，在今后相当长的时期内，煤炭将作为我国主体能源的地位不会动摇。由于我国煤矿地质条件复杂多变,煤炭生产总体技术水平较低,导致煤炭开采过程中经常发生各种灾害事故,造成国家财产和人民生命的巨大损失，煤炭行业已然成为我国工业生产中伤亡事故最严重的行业。 有关数据统计表明，虽然在我国煤炭产量和消费量逐年增加的情况下，每年因煤炭生产的死亡总人数和百万吨死亡率在逐年下降。尤其是随着近些年来国家对煤矿安全生产的重视，相关的法律法规体系在逐步完善，安全管理基础工作进一步加强，全国范围内的煤矿安全生产形势呈现出持续稳定好转的现象。但是我国安全生产状况和世界先进产煤国家相比较还有很大差距。分析原因，除了我国煤矿地质条件复杂，开采难度大，采煤机械化程度与先进产煤国家差距较大之外，救援技术和装备水平也远远落后其他先进产煤国家。 本文针对矿区复杂破碎地层条件下，应急救援快速钻孔效率低、孔内事故多发的问题，提出将空气潜孔锤反循环钻进技术应用于煤矿应急救援快速钻孔中。基于科恩达附壁效应原理设计了适用于矿区复杂地层的新型环状喷射强力抽吸式潜孔锤反循环钻头。通过数值模拟和室内试验的手段对环状喷射式反循环钻头的抽吸特性和反循环形成效果进行了研究，并且与现有的内喷孔引射式反循环钻头进行了对比分析，本文的研究内容和结论如下： （1）总结近些年来矿山救援的成功案例发现，多采用空气潜孔锤正循环钻进技术。然而，从正循环钻井技术实践来看，当遇到破碎、裂隙等复杂地层时，压缩空气完全漏失到地层当中，无法形成循环，这样就造成了钻进过程中排渣困难，风量消耗大，甚至钻进无法进行。而鉴于空气潜孔锤反循环钻探技术的特点和优势，将其推广应用至今后的矿山救援、救生中，可以有效解决在有些工况下正循环无法钻进的难题。将对提高我国应急救援快速钻孔的工艺技术及装备水平具有重要意义。 （2）空气潜孔锤反循环钻进技术在生产与施工中的应用，为钻探领域带来了巨大的经济效益，反循环钻头作为该项技术的关键性部件也起到了较好的作用效果。野外试验表明，应用内喷孔引射式反循环钻头在裂隙发育、漏失地层钻进时，由于反循环钻头底喷孔的引射功能失效，反循环效果较差，孔底岩屑（样）不能及时从钻杆中心通道上返至地表，有相当一部分岩屑（样）正循环漏失到地层当中，岩心采取率低。试验现场对反循环钻头采取了封堵底喷孔和改变内喷孔位置的措施，但实际的反循环效果依然不理想。因此，反循环钻头的结构参数仍需进一步的改进和优化。 （3）通过调研发现，空气放大器和双级环隙式消泡器的环状喷嘴结构，由于附壁效应不仅可以改变气体的流动方向，并且在其内部能够形成较大的负压区，可对外界气体产生较强的抽吸作用。因此，在反循环钻头的结构创新设计中，将传统的内喷射孔结构改为环状喷射的结构，提出了新型环状喷射式反循环钻头的结构。 （4）通过FLUENT流体动力学软件，以直径是Φ180mm的反循环钻头为例。对内喷孔引射式反循环钻头和新型环状喷射式反循环钻头的内部流场进行了数值模拟。数值模拟结果表明，不论是否存在底喷孔，环状喷射式结构的反循环钻头较内喷孔引射式反循环钻头而言，能在钻头体内部产生更大的负压，对环空流体的抽吸作用也更强，抽吸系数是内喷孔引射式钻头的1.3倍左右。 （5）总结了多工艺冲击回转钻进课题组根据不同的研究内容，设计研制的4套反循环模拟试验装置及各试验装置的特点。结合以往反循环模拟试验器的设计经验和本项目的要求，创新设计了JJ-180-00反循环模拟试验器。详细介绍了试验器的各个组成部分及整个试验系统所用的试验设备、测试仪器仪表等。 （6）利用图形化的编程语言LabVIEW的平台建立了多通道流量压力数据采集记录系统，可对反循环钻头的孔底压力和抽吸流量进行动态监测并且能够简单快捷的记录存储于计算机内，方便日后的调用查看。 （7）采用逐步优化的方式，，在JJ-180-00模拟试验器上，对环状喷射式结构的反循环钻头进行了试验研究。试验测试结果显示，对于直径为Φ180mm的钻头，环状喷嘴的间隙为1mm时效果最佳；喷嘴距离孔底越低，喷射角度越小，抽吸特性和反循环效果越好。 （8）通过对称封堵内喷孔的方式，对不同过流断面积的内喷孔引射式反循环钻头进行试验测试。结果显示，对称减少内喷孔个数（减小过流断面积）能够提高钻头的抽吸性能，但是过流断面积过小容易造成进气口的憋压。 （9）在相同过流断面积的条件下，对比分析内喷孔引射式和新型环状喷射式反循环钻头的试验结果发现，环状喷射式结构的反循环钻头抽吸特性和反循环形成效果要优于内喷孔引射式的结构。
【关键词】：快速钻孔 贯通式潜孔锤 环状喷射 反循环钻头 抽吸性能
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P634.41
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-28
• 1.1 选题背景14-16
• 1.2 论文研究的目的和意义16-17
• 1.3 应急救援快速钻孔技术概述17-20
• 1.3.1 应急救援快速钻孔技术国外发展现状17-18
• 1.3.2 应急救援快速钻孔技术国内发展现状18-19
• 1.3.3 应急救援快速钻孔技术发展趋势19-20
• 1.4 空气潜孔锤反循环钻头国内外研究现状20-26
• 1.4.1 国外研究现状20-24
• 1.4.2 国内研究现状24-26
• 1.5 本文主要研究内容和研究方法26-27
• 本章小结27-28
• 第2章 环状喷射式反循环钻头结构设计28-38
• 2.1 内喷孔引射式反循环钻头野外试验总结28-30
• 2.2 科恩达附壁效应及相关应用30-34
• 2.2.1 附壁效应原理31-32
• 2.2.2 空气放大器的结构原理32-33
• 2.2.3 双级环隙式机械消泡器的结构原理33-34
• 2.3 环状喷射式反循环钻头结构设计34-37
• 2.3.1 内置管式环状喷射结构34-35
• 2.3.2 组合心管式环状喷射结构35-37
• 本章小结37-38
• 第3章 反循环钻头内部流场数值模拟38-64
• 3.1 计算流体动力学概述38-39
• 3.2 反循环钻头内部流场数值模拟求解过程39-46
• 3.2.1 基本假定39
• 3.2.2 控制方程的建立39-41
• 3.2.3 几何模型的建立41-44
• 3.2.4 网格划分和边界条件的设置44-45
• 3.2.5 模型求解与监测曲线45-46
• 3.3 数值模拟结果分析46-63
• 3.3.1 无底喷孔时反循环钻头内部流场对比分析46-55
• 3.3.2 有底喷孔时反循环钻头内部流场对比分析55-63
• 本章小结63-64
• 第4章 JJ-180-00 反循环模拟试验装置设计64-88
• 4.1 试验装置设计研制背景64-69
• 4.1.1 空气反循环连续取心（样）模拟试验器64-65
• 4.1.2 大直径反循环钻头井底流动模拟试验器65-66
• 4.1.3 引射器式反循环结构试验器66-67
• 4.1.4 FZS-89-00 反循环钻头模拟试验器67-69
• 4.2 JJ-180-00 反循环模拟试验器的设计69-74
• 4.2.1 试验器的设计目的69-70
• 4.2.2 试验器的结构原理70-71
• 4.2.3 JJ-180-00 反循环模拟试验器的组成部分71-74
• 4.3 试验系统的组成74-86
• 4.3.1 空气压缩机75
• 4.3.2 供气管路75-76
• 4.3.3 测试仪器仪表76-80
• 4.3.4 数据采集记录系统80-86
• 本章小结86-88
• 第5章 反循环钻头室内试验测试88-118
• 5.1 试验台架的安装调试及试验测试方案88-91
• 5.1.1 试验台架的安装调试88-89
• 5.1.2 试验测试方案的确定89-90
• 5.1.3 试验用反循环钻头体90-91
• 5.2 环状喷射式反循环钻头室内试验91-107
• 5.2.1 环状喷嘴间隙对反循环形成的影响规律92-101
• 5.2.2 环状喷嘴高度对反循环形成的影响规律101-103
• 5.2.3 喷射角度对反循环形成的影响规律103-105
• 5.2.4 有底喷孔时环状喷射式反循环钻头的试验测试105-107
• 5.3 内喷孔引射式反循环钻头室内试验107-110
• 5.3.1 无底喷孔时内喷孔引射式反循环钻头试验测试107-109
• 5.3.2 有底喷孔时内喷孔引射式反循环钻头试验测试109-110
• 5.4 内喷孔式和环状喷射式结构反循环钻头试验结果对比分析110-114
• 5.4.1 无底喷孔时的对比分析结果111-113
• 5.4.2 有底喷孔时的对比分析结果113-114
• 5.5 模拟与试验结果对比114-117
• 5.5.1 孔底压力结果对比114-116
• 5.5.2 抽吸流量结果对比116-117
• 本章小结117-118
• 第6章 结论与展望118-122
• 6.1 论文的主要结论118-119
• 6.2 论文的创新点119-120
• 6.3 展望120-122
• 参考文献122-128
• 作者简介及攻博期间所取得的科研成果128-130
• 致谢130

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 胡振阳;白鸿雁;殷琨;;潜孔锤反循环钻进技术在复杂地层中的试验研究[J];地质与勘探;2006年04期

2 刘腾飞;汪芸;;钻探技术在煤矿事故救援中的应用分析[J];矿业安全与环保;2010年04期

3 祁海莹;唐述明;;国内外矿山救援装备现状及发展趋势探讨[J];矿业安全与环保;2011年04期

4 吴银奎;;空气潜孔锤反循环钻进技术在矿山应急救援中的应用研究[J];广东化工;2013年14期

5 宋元明,刘志军,王万生;快速钻孔技术——煤矿应急救援领域的技术创新[J];当代矿工;2004年09期

6 博坤;殷琨;王茂森;;贯通式潜孔锤反循环钻进技术在矿区勘探中的应用研究[J];金属矿山;2009年03期

7 朱红萍;陈沈融;;空气放大器油雾抽吸性能分析[J];机械设计与研究;2011年06期

8 姜正良，吴万敏;气体引射器的一维流动特性计算及优化设计[J];空气动力学学报;1995年04期

9 王志坚;;矿山钻孔救援技术的研究与务实思考[J];中国安全生产科学技术;2011年01期

10 王茂森,殷琨,蒋荣庆;全孔反循环中心取样钻进设备与试验研究[J];煤田地质与勘探;2000年05期

中国博士学位论文全文数据库 前8条

1 范黎明;贯通式潜孔锤钻头反循环机理研究及结构优化[D];吉林大学;2011年

2 博坤;贯通式潜孔锤反循环钻进技术钻具优化及应用研究[D];吉林大学;2009年

3 刘建林;气体钻井用贯通式潜孔锤关键技术研究[D];吉林大学;2009年

4 朱丽红;油气勘探风动潜孔锤反循环钻井系统流体动力学参数研究[D];吉林大学;2010年

5 党政军;煤炭清洁化利用对我国能源安全的作用和影响机制[D];中国地质大学;2012年

6 黄勇;潜孔锤反循环钻进孔底气固两相流场数值模拟及试验研究[D];吉林大学;2013年

7 张军波;煤矿瓦斯爆炸应急救援组织管理研究[D];中国矿业大学（北京）;2013年

8 殷其雷;潜孔锤反循环钻探工艺试验研究[D];吉林大学;2014年

本文编号：1028284