松软煤层钻具及成孔技术研究

发布时间：2020-11-21 18:28

　　对高瓦斯以及煤与瓦斯突出的松软煤层,由于其存在透气性差、瓦斯压力高等特点,瓦斯钻孔作业难度非常大,在钻孔深部位置,经常发生塌孔、丢钻等事故。钻进效率和成孔率低等问题,大大限制了松软煤层瓦斯的预抽效果,因而对松软煤层瓦斯钻孔钻具及成孔技术的研究具有深远意义。本文依托山西省重点研发计划松软煤层瓦斯钻孔本构关系和管内输运控制特征方程研究项目,对松软煤层钻孔配套钻杆及成孔技术进行研究。从探究松软煤层性质开始,对比了各种接头连接和钻杆排粉特点;针对瓦斯钻机钻孔效率低等问题,设计了一种适用于松软煤层的双动力快速螺旋钻杆连接结构,采用CATIA建立模型,利用ABAQUS针对公母接头做了拉力特性仿真模拟,可知承受拉力时公母接头圆孔处应力最大,公接头圆孔处最大应力为460.4MPa,母接头圆孔处最大应力是627.8MPa,均处于安全范围;通过分析水平钻孔过程中螺旋钻杆排渣机理,确定了影响排粉效率的关键参数,利用MATLAB优化工具箱对螺旋钻杆参数进行优化,在此基础上,采用EDEM软件对输煤过程进行仿真分析,并设计实验方案对钻杆排粉模拟结果进行验证;通过对钻孔失稳机理的分析,建立蠕变煤层与套管相互作用力学模型,并利用ABAQUS有限元软件对钻孔稳定性进行了数值仿真分析,对比松软煤层在有无水泥环和套管作用下的蠕变情况,得出水泥环和套管对煤孔的稳定性会产生积极的影响,当钻孔直径为(?)85mm时,套管和孔壁应力较小的结论。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD712.63
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 钻孔技术发展
        1.2.2 钻孔变形及稳定性研究现状
    1.3 研究内容及技术路线
        1.3.1 研究内容
        1.3.2 技术路线
    1.4 本章小结
第二章松软煤层及配套钻具分析
    2.1 松软煤层特征
    2.2 松软煤层钻孔问题及成因
    2.3 配套钻具分析
        2.3.1 钻杆接头分析
        2.3.2 配套钻杆
        2.3.3 钻杆排粉工艺分析
    2.4 本章小结
第三章钻杆接头结构设计及仿真分析
    3.1 钻杆接头结构设计及工作原理
        3.1.1 钻杆接头结构设计
        3.1.2 双动力钻杆接头的密封结构
        3.1.3 双动力钻杆接头的工作原理
    3.2 钻杆接头连接有限元分析
        3.2.1 ABAQUS有限元软件介绍
        3.2.2 等效模型的建立
        3.2.3 材料参数的定义
        3.2.4 模型网格划分
        3.2.5 边界条件和载荷施加
        3.2.6 有限元结果分析
    3.3 钻杆接头受拉力学实验
    3.4 本章小结
第四章螺旋钻杆排粉的研究
    4.1 螺旋钻杆输煤机理
    4.2 螺旋钻杆参数优化
        4.2.1 建立目标函数
        4.2.2 建立约束条件
        4.2.3 螺旋钻杆参数优化数学模型
        4.2.4 基于MATLAB优化算法及求解
    4.3 螺旋钻杆EDEM有限元仿真分析
        4.3.1 EDEM理论分析
        4.3.2 螺旋钻杆模型
        4.3.3 煤颗粒模型
        4.3.4 仿真参数的设置
        4.3.5 边界条件
        4.3.6 仿真结果分析
    4.4 螺旋钻杆排粉实验
        4.4.1 实验目的
        4.4.2 实验设备
        4.4.3 实验平台设计
        4.4.4 实验过程
        4.4.5 实验结果分析
        4.4.6 实验结论
    4.5 本章小结
第五章松软煤层钻孔蠕变的数值模拟
    5.1 钻孔失稳分析
        5.1.1 钻孔失稳机理
        5.1.2 钻孔失稳特征
        5.1.3 钻孔的蠕变变形分析
        5.1.4 钻孔多应力耦合失稳分析
    5.2 蠕变煤层套管力学模型
    5.3 钻孔蠕变有限元分析
        5.3.1 有限元模型
        5.3.2 单煤体有限元模型
        5.3.3 组合体有限元模型
    5.4 本章小结
第六章结论及展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
致谢
攻读学位期间取得的研究成果

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