【摘要】：鉆進(jìn)系統(tǒng)的工作特性決定著鉆探作業(yè)的效率、安全、取心質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái),隨著固體礦產(chǎn)資源勘探朝著深孔發(fā)展,常規(guī)的立軸式、動(dòng)力頭式、轉(zhuǎn)盤(pán)式以及立軸轉(zhuǎn)盤(pán)一體式的鉆進(jìn)系統(tǒng)均難以適應(yīng)深部地質(zhì)鉆探取心作業(yè)的要求,在鉆進(jìn)能力、施工效率、風(fēng)險(xiǎn)控制、工藝適應(yīng)性等方面均存在一定的局限性。本文以滿(mǎn)足大口徑深孔繩索取心工藝為目標(biāo),設(shè)計(jì)了地質(zhì)深孔電動(dòng)頂驅(qū)鉆進(jìn)系統(tǒng),采用理論分析、計(jì)算機(jī)仿真和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法,對(duì)其工作特性進(jìn)行系統(tǒng)、深入的分析和優(yōu)化研究,得到了一些有價(jià)值的研究成果。根據(jù)管柱力學(xué)、摩擦學(xué)和流體力學(xué)的相關(guān)理論,針對(duì)繩索取心鉆進(jìn)環(huán)狀間隙比較小的特點(diǎn),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(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中各個(gè)階段的力學(xué)模型進(jìn)行了分析,為后續(xù)大口徑深孔繩索取心作業(yè)過(guò)程中的提升、進(jìn)給、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)與控制提供了參考依據(jù)。根據(jù)地質(zhì)深孔鉆進(jìn)和取心工藝需要,在吸收石油鉆井系統(tǒng)全面鉆進(jìn)工藝優(yōu)點(diǎn),對(duì)比分析立軸式、動(dòng)力頭式、轉(zhuǎn)盤(pán)式和頂驅(qū)式等各種巖心鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)型式特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,確定了新型地質(zhì)深孔鉆機(jī)采用了變頻直驅(qū)頂驅(qū)系統(tǒng)(Direct-Drive)、主電機(jī)升降與小電機(jī)送鉆一體化絞車(chē)系統(tǒng)的總體鉆進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)方案。依據(jù)鉆進(jìn)系統(tǒng)整體技術(shù)方案,利用虛擬樣機(jī)理論,設(shè)計(jì)了變頻直驅(qū)頂驅(qū)系統(tǒng)的主軸、導(dǎo)軌、背鉗承載組件、吊卡、卡盤(pán)和自動(dòng)送鉆及控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部件。利用多體動(dòng)力學(xué)基本理論,建立了重點(diǎn)承載單元的力學(xué)模型。采用CREO軟件對(duì)升降與送鉆系統(tǒng)一體化絞車(chē)的主軸、卷筒進(jìn)行了動(dòng)力傳扭與制動(dòng)傳扭兩種工況下的有限元分析,確定了其設(shè)計(jì)和校核的基本依據(jù)。利用ADAMS軟件對(duì)頂驅(qū)與導(dǎo)軌耦合作用模型、頂驅(qū)擺管機(jī)構(gòu)動(dòng)作過(guò)程、游車(chē)提升系統(tǒng)力學(xué)模型進(jìn)行了仿真分析。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和多樣化的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)完成了頂驅(qū)鉆進(jìn)系統(tǒng)整機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)大口徑的薄壁繩索取心鉆桿,創(chuàng)新設(shè)計(jì)了爬坡式頂驅(qū)背鉗、新型液壓吊卡和地質(zhì)深孔用自動(dòng)卡盤(pán)等輔助操作設(shè)備,解決了鉆進(jìn)系統(tǒng)高位自動(dòng)擰卸的難題,實(shí)現(xiàn)了外平繩索鉆桿的有效夾持、安全提吊及自動(dòng)操作。通過(guò)加載方式、通徑、側(cè)開(kāi)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(yīng)性,通過(guò)動(dòng)作試驗(yàn)提高了頂驅(qū)鉆進(jìn)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(qū)鉆進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)物樣機(jī),結(jié)合2818m深度P口徑(φ122鉆頭)繩索取心鉆探項(xiàng)目(CUSD-1號(hào)孔)的實(shí)施,對(duì)所設(shè)計(jì)研制的新型電動(dòng)頂驅(qū)系統(tǒng)和大口徑深孔繩索取心工藝進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。通過(guò)試驗(yàn)初步驗(yàn)證,該型鉆進(jìn)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(zhì)鉆進(jìn)系統(tǒng)功能的局限性,體現(xiàn)出強(qiáng)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(yù)防孔內(nèi)事故、防斜保垂、扭矩監(jiān)控保護(hù)鉆機(jī)具等方面具備優(yōu)勢(shì)。本文研究為新型地質(zhì)鉆探變頻頂驅(qū)及其輔助操作系統(tǒng)的進(jìn)一步研究和推廣應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。
[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(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：P634.5

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本文編號(hào)：2195820