【摘要】：鉆進系統(tǒng)的工作特性決定著鉆探作業(yè)的效率、安全、取心質量和經濟效益。近年來,隨著固體礦產資源勘探朝著深孔發(fā)展,常規(guī)的立軸式、動力頭式、轉盤式以及立軸轉盤一體式的鉆進系統(tǒng)均難以適應深部地質鉆探取心作業(yè)的要求,在鉆進能力、施工效率、風險控制、工藝適應性等方面均存在一定的局限性。本文以滿足大口徑深孔繩索取心工藝為目標,設計了地質深孔電動頂驅鉆進系統(tǒng),采用理論分析、計算機仿真和試驗研究相結合的方法,對其工作特性進行系統(tǒng)、深入的分析和優(yōu)化研究,得到了一些有價值的研究成果。根據(jù)管柱力學、摩擦學和流體力學的相關理論,針對繩索取心鉆進環(huán)狀間隙比較小的特點,建立了鉆柱與孔壁之間的摩擦扭矩模型、鉆具提升阻力模型和沖洗液循環(huán)壓力模型。對鉆進過程中各個階段的力學模型進行了分析,為后續(xù)大口徑深孔繩索取心作業(yè)過程中的提升、進給、旋轉等動作的驅動與控制提供了參考依據(jù)。根據(jù)地質深孔鉆進和取心工藝需要,在吸收石油鉆井系統(tǒng)全面鉆進工藝優(yōu)點,對比分析立軸式、動力頭式、轉盤式和頂驅式等各種巖心鉆機驅動型式特點的基礎上,確定了新型地質深孔鉆機采用了變頻直驅頂驅系統(tǒng)(Direct-Drive)、主電機升降與小電機送鉆一體化絞車系統(tǒng)的總體鉆進系統(tǒng)技術方案。依據(jù)鉆進系統(tǒng)整體技術方案,利用虛擬樣機理論,設計了變頻直驅頂驅系統(tǒng)的主軸、導軌、背鉗承載組件、吊卡、卡盤和自動送鉆及控制系統(tǒng)等關鍵部件。利用多體動力學基本理論,建立了重點承載單元的力學模型。采用CREO軟件對升降與送鉆系統(tǒng)一體化絞車的主軸、卷筒進行了動力傳扭與制動傳扭兩種工況下的有限元分析,確定了其設計和校核的基本依據(jù)。利用ADAMS軟件對頂驅與導軌耦合作用模型、頂驅擺管機構動作過程、游車提升系統(tǒng)力學模型進行了仿真分析。在此基礎上,通過構建標準化、模塊化和多樣化的虛擬樣機系統(tǒng)完成了頂驅鉆進系統(tǒng)整機的優(yōu)化設計。針對大口徑的薄壁繩索取心鉆桿,創(chuàng)新設計了爬坡式頂驅背鉗、新型液壓吊卡和地質深孔用自動卡盤等輔助操作設備,解決了鉆進系統(tǒng)高位自動擰卸的難題,實現(xiàn)了外平繩索鉆桿的有效夾持、安全提吊及自動操作。通過加載方式、通徑、側開口形式、操作方式等優(yōu)化,提高了多直徑規(guī)格繩索取心鉆桿操作的適應性,通過動作試驗提高了頂驅鉆進系統(tǒng)輔助作業(yè)的效率、可靠性和安全性。制造出了XD35DB型頂驅鉆進系統(tǒng)的實物樣機,結合2818m深度P口徑(φ122鉆頭)繩索取心鉆探項目(CUSD-1號孔)的實施,對所設計研制的新型電動頂驅系統(tǒng)和大口徑深孔繩索取心工藝進行實踐驗證。通過試驗初步驗證,該型鉆進系統(tǒng)在能力、能耗、效率、智能化作業(yè)、操控等方面突破了傳統(tǒng)地質鉆進系統(tǒng)功能的局限性,體現(xiàn)出強大的鉆井能力與金剛石取心鉆探工藝適用性相融合的功能性,尤其在深孔預防孔內事故、防斜保垂、扭矩監(jiān)控保護鉆機具等方面具備優(yōu)勢。本文研究為新型地質鉆探變頻頂驅及其輔助操作系統(tǒng)的進一步研究和推廣應用奠定了良好的基礎。
[Abstract]:The working characteristics of the drilling system determine the efficiency, safety, core quality and economic benefits of drilling operations. In recent years, with the development of solid mineral resources exploration towards deep holes, the conventional vertical axis, power head, rotary table and vertical axis rotary table integrated drilling systems are difficult to meet the requirements of deep geological drilling core operations, drilling in. There are some limitations in capability, construction efficiency, risk control and process adaptability. In this paper, a geological deep hole electric top drive drilling system is designed to meet the requirements of large diameter deep hole wire-line coring technology. According to the theory of string mechanics, tribology and fluid mechanics, the friction torque model between drill string and borehole wall, the friction resistance model between drill string and borehole wall, and the circulation pressure model of flushing fluid are established. The mechanical model of each stage is analyzed, which provides a reference for the driving and controlling of hoisting, feeding and rotating in the following large-bore deep-hole wire-line coring operation. On the basis of the driving characteristics of various core drilling rigs, such as type I, rotary table type and top drive type, it is determined that the new type of geological deep hole drilling rig adopts the overall drilling system scheme of frequency conversion direct-drive winch system, main motor lifting and small motor feeding integrated winch system. Based on mechanism theory, the main shaft, guide rail, back clamp bearing assembly, crane, chuck, automatic drilling and control system of the variable frequency direct drive roof drive system are designed. Based on the finite element analysis of force-transfer and brake-transfer, the basic basis of design and checking is determined. The coupling model of top drive and guide rail, the action process of top drive swing mechanism and the mechanical model of cruise hoisting system are simulated and analyzed by ADAMS software. Aiming at the large diameter thin-walled wire-rope coring drill pipe, the slope climbing back clamp, the new hydraulic lifting clip and the automatic chuck used in the geological deep hole are innovatively designed. The problem of automatic screwing and unloading of the high position in the drilling system is solved, and the horizontal wire-rope drill pipe is realized. Effective clamping, safe lifting and automatic operation. By optimizing loading mode, diameter, side opening form and operation mode, the adaptability of multi-diameter wire-line coring drill pipe operation is improved. The efficiency, reliability and safety of auxiliary operation of top drive drilling system are improved through action test. XD35DB top drive drilling system is manufactured. The prototype, combined with the implementation of the 2818m deep P-bore coring project (hole CUSD-1), is used to verify the new electric top drive system and the large-bore deep-bore coring technology. It breaks through the limitation of the traditional geological drilling system and embodies the integration of powerful drilling ability and the applicability of diamond core drilling technology, especially in the prevention of accidents in deep holes, inclination and sag protection, torque monitoring and protection of drilling tools and other aspects. This paper studies a new type of geological drilling variable frequency top drive and its auxiliary operation. The system has laid a good foundation for further research and application.
【學位授予單位】：中國地質大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P634.5

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本文編號：2195820