提高贯通式潜孔锤反循环连续取心长度的钻进方法研究

论文摘要

全球能源危机已经越来越突出。在我国41种主要非能源固体矿产中,近一半矿种查明资源储量不能保证至2020年的需求,特别是铁、锰、铜、钾盐等大宗矿产供需缺口近年持续扩大,后备储量严重不足,对外依存度居高不下。找到新的、更多的储备矿藏已成为当前之主要工作,为此国家相继出台多个政策、规划。矿产形势步入全面复苏阶段,近几年为勘查找矿、评矿的岩心钻探任务量猛增,并毫无疑问可以预见未来很长一段时间岩心钻探取心任务仍会保持很高工作量,而浅部、易找寻探明的矿藏已经很少,大多数矿藏处于地质复杂地层中,钻探进尺难、取心难。贯通式潜孔锤反循环连续取心（样）钻进技术是集潜孔锤碎岩、流体介质反循环、钻进中连续获取岩心（样）三项先进技术于一体的钻进技术,经多年使用已经证明在硬、脆、碎等复杂地层钻进效率高,是正在推广的技术之一;但是目前取心长度只在10-20mm,在一定程度上影响了对地层岩性和储层特性等数据资料的准确评价,难以准确地提供地层剖面的原始标本,也就不能完全满足我国地质人员的分析要求,使得这一技术美中不足,本文主要结合项目对这一技术问题加以研究,以求获得成功,弥补缺憾。吉林大学建设工程学院已经顺利完成了地质调查局项目“西部复杂条件下高效钻探技术研究与开发”,其工作内容为:“贯通式取心（样）潜孔锤钻探技术在固体矿产勘探中的应用研究”,本论文为该项目的后续研究。本论文首先系统总结了动静载联合作用碎岩机理的研究现状,贯通式潜孔锤反循环连续取心这项技术的现状;接下来借助波动理论,凿岩理论等理论,系统分析了冲击能量以应力波的形式在岩石中的传播机制以及岩石在动静载荷下的凿入特性;结合岩石断裂力学和岩石损伤力学等固体力学理论对冲击载荷下岩石动力学特性进行分析;综合岩石力学分析结论,阐述了潜孔锤冲击回转钻进钻头上柱齿的碎岩机理,系统总结了影响岩心长度的因素,包括:冲击功、冲击频率、钻压、转速、钻头结构、齿形和柱齿镶焊角度等对碎岩效果及获取岩心长度的影响;对适合潜孔锤反循环连续取心钻进的数学模型进行了全新探讨;运用模拟冲击回转碎岩的试验装置,在多岩样、不同钻进参数情况下的碎岩情况进行了试验研究;试验结合理论分析得出一些结论,认为适当加大取心直径和减小钻头齿特别是内圈齿的规格或者选用小尺寸片状合金做内圈齿的钻头可以取得满意的岩心长度,对现有钻头结构进行3轮优化设计,共设计了8个新钻头;第3轮设计的钻头通过试验获得成功,两类不同钻头在两类不同岩性试件上分别获得长度为81.6mm和55mm左右岩心,成功实现了本论文的研究目标;同时,又提出一些展望,期望大家共同努力将贯通式反循环连续取心技术进一步完善并用于生产,为社会创造更大效益。

论文目录

• 内容提要
• 第1章 绪论
• 1.1 论文选题的背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 岩石力学的研究现状
• 1.2.2 冲击碎岩的理论研究现状
• 1.2.3 切削碎岩的理论研究现状
• 1.2.4 贯通式潜孔锤反循环连续取心（样）钻进技术发展状况
• 1.2.5 贯通式潜孔锤反循环连续取心（样）钻头的研究现状
• 1.3 论文研究的主要内容
• 1.4 论文研究的技术路线
• 第2章 动静载荷碎岩理论分析
• 2.1 冲击回转钻进碎岩特点
• 2.2 动载作用下岩石的力学性质
• 2.2.1 硬度
• 2.2.2 强度
• 2.2.3 弹性和塑性
• 2.2.4 研磨性
• 2.2.5 比功
• 2.3 动静载荷下岩石的凿入特性分析
• 2.3.1 静压载荷的凿入特点分析
• 2.3.2 冲击载荷的凿入特点分析
• 2.3.3 动静载荷联合的凿入特点分析
• 2.4 动静载荷碎岩的力学分析
• 2.5 动静载组合碎岩的微观损伤断裂分析
• 2.5.1 静压断裂形态及分析
• 2.5.2 冲击断裂形态及分析
• 2.5.3 静压、冲击联合碎岩损伤断裂分析
• 2.6 切削碎岩分析
• 2.6.1 静压切削
• 2.6.2 冲击—切削碎岩分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 贯通式潜孔锤反循环连续取心（样）钻进技术
• 3.1 贯通式潜孔锤反循环连续取心（样）技术的开发背景
• 3.2 贯通式潜孔锤反循环连续取心（样）钻进原理
• 3.3 贯通式潜孔锤反循环连续取心（样）钻进钻具系统
• 3.4 潜孔锤反循环取心样钻进技术特点
• 3.5 贯通式潜孔锤的研发过程
• 3.5.1 潜孔锤总体结构设计
• 3.5.2 潜孔锤主要参数确定
• 3.5.3 潜孔锤结构参数的微机辅助优化设计
• 3.5.4 反循环连续取心（样）钻进钻头设计
• 3.5.5 使用效果
• 3.6 本章小结
• 第4章 贯通式潜孔锤反循环连续取心的取心技术
• 4.1 对岩矿心的质量要求
• 4.2 贯通式潜孔锤反循环连续取心（样）钻进技术
• 4.2.1 钻头的反循环原理
• 4.2.2 反循环钻头取心结构的研究
• 4.2.3 岩心悬浮及运输的风速试验及研究
• 4.3 潜孔锤钻头柱齿碎岩机理的研究
• 4.3.1 钻头球形齿碎岩机理
• 4.3.2 钻头楔形齿碎岩机理
• 4.3.3 钻头球形齿和楔形齿碎岩特点比较
• 4.3.4 潜孔锤冲击回转钻进方法碎岩的特点
• 4.4 取心长度的影响因素分析
• 4.4.1 钻进工艺参数对岩心长度的影响
• 4.4.2 纵向和横向的振动对岩心长度的影响
• 4.4.3 钻头布齿方案对岩心长度的影响
• 4.4.4 钻头合金齿形状对岩心长度的影响
• 4.4.5 钻头合金规格及镶焊角度对岩心长度的影响
• 4.4.6 客观地质因素对岩心长度的影响
• 4.4.7 主观人为因素对岩心长度的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 潜孔锤钻进钻头与岩石相互作用的模型
• 5.1 岩石的本构模型
• 5.2 对钻头与岩石互作用模型研究的探讨
• 5.2.1 对岩石抗冲击破碎阻力的探讨
• 5.2.2 对建立钻头与岩石互作用模型的讨论
• 5.3 本章小结
• 第6章 贯通式潜孔锤取心钻进试验研究
• 6.1 试验装置、测试功能及测试意义
• 6.1.1 试验装置
• 6.1.2 试验装置的测试功能
• 6.1.3 测试意义
• 6.2 Φ89 反循环取心钻头试验及结论
• 6.2.1 Φ89 反循环取心钻头试验
• 6.2.2 Φ89 反循环取心钻头试验小结
• 6.3 第一轮钻头的结构优化及改进设计
• 6.3.1 钻头的结构优化及改进设计思路
• 6.3.2 钻头结构的简化设计
• 6.3.3 试验方案设计
• 6.4 内圈镶锥形齿中心凸出的钻头试验及结论
• 6.4.1 内圈镶锥形齿中心凸出的钻头试验
• 6.4.2 内圈镶锥形齿中心凸出的钻头试验小结
• 6.5 柱片混镶钻头试验及结论
• 6.5.1 柱片混镶钻头试验
• 6.5.2 柱片混镶钻头试验小结
• 6.6 第二轮钻头的结构优化及改进设计
• 6.7 第二轮钻头的试验及结论
• 6.7.1 两排Ф5 mm 球形柱齿取心钻头试验
• 6.7.2 单排Ф7 mm 球形齿钻头试验
• 6.7.3 四排Ф3 mm 球形柱齿钻头的试验效果
• 6.7.4 第二轮取心钻头试验小结
• 6.8 第三轮钻头的结构优化及改进设计
• 6.8.1 内圈长片齿相间小球形齿外圈球形齿取心钻头
• 6.8.2 内圈短片齿相间锥形齿外圈球形齿取心钻头
• 6.8.3 全球形齿钻头
• 6.9 第三轮钻头的试验及结论
• 6.9.1 全球形齿钻头试验
• 6.9.2 内圈短片齿相间锥形齿外圈球形齿取心钻头试验
• 6.9.3 内圈长片齿相间小球形齿外圈球形齿取心钻头试验
• 6.9.4 全球齿钻头更改岩性试验
• 6.9.5 第三轮钻头试验小结
• 6.10 本章小结
• 第7章 结论、创新点与展望
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 攻博期间发表的学术论文
• 攻博期间编写专业教材
• 攻博期间参与的科研与试验项目
• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT