煤矿井下近水平定向孔螺杆钻具钻进受控机理研究

论文摘要

为保证煤矿安全生产,达到高效瓦斯抽采效果,对煤矿地质异常条件位置准确探测和瓦斯抽采钻孔轨迹延伸范围准确度要求逐渐提高,采用螺杆钻具及其配套设备机具运用近水平定向钻进技术进行钻孔施工是解决上述问题的有效途径。本论文通过归纳国内外煤矿井下螺杆钻具的研究应用现状,总结钻孔轨迹控制的影响因素及弯曲条件,对煤矿井下用于瓦斯抽采近水平定向钻进所用钻具进行选择和优化,得出螺杆钻具组合用于近水平定向钻进的优势所在;分析研究螺杆钻具的性能特点,优选出适合煤矿井下瓦斯抽采定向钻进国内外常用的两种73mm螺杆钻具,并通过室内性能测试试验进行总结验证,同时对螺杆钻具主孔和分支孔定向成孔工艺原理和方法进行研究。用纵横弯曲法对弯外管螺杆钻具组合在二维和三维状况下受力变形进行分析,建立了相关力学模型,并利用Visual C++6.0开发平台编程和最小二乘法计算原理,对影响钻头侧向力的钻具结构、钻孔结构和钻进工艺这三类主要因素在二维状况下作定量参数敏感性分析,开发了相应的分析软件,为定向钻孔轨迹控制提供有益的理论探索。最后分别利用螺杆钻具组合及配套设备机具进行室内模拟试验和两次现场工业性定向钻进试验,成功施工了6个主孔和5个分支孔,总进尺4226m,最大钻孔深度1046m,并对定向效果进行分析,同时对参数敏感性分析结果进行验证。通过理论研究与现场实践相结合,取得了阶段性的成果。论文对煤矿井下近水平定向钻进中螺杆钻具受控机理进行系列分析研究并成功应用于现场试验,相信对相关领域的研究应用将有一定参考价值。实践证明,合理应用螺杆钻具及其配套机具进行近水平定向钻孔施工,将平衡煤矿掘、抽、采比例的紧张状况,为提高煤矿瓦斯抽采能力提供可靠保证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 研究方法和内容
• 2 钻孔轨迹的影响因素及弯曲条件
• 2.1 影响因素
• 2.1.1 地质因素
• 2.1.2 工艺技术因素
• 2.2 弯曲条件
• 2.2.1 力学条件
• 2.2.2 空间条件
• 2.2.3 位置条件
• 2.3 小结
• 3 定向钻具组合选择及优化
• 3.1 近水平定向钻进存在的主要问题
• 3.2 定向钻进常用钻具
• 3.3 定向钻具的选择
• 3.3.1 孔底稳定组合钻具
• 3.3.2 螺杆钻具
• 3.4 钻具选择的优化
• 3.5 小结
• 4 螺杆钻具的性能特点及成孔工艺
• 4.1 螺杆钻具的结构原理
• 4.2 螺杆钻具特性分析
• 4.2.1 理论工作特性
• 4.2.2 实际工作特性
• 4.3 螺杆钻具性能测试试验
• 4.3.1 螺杆钻具的技术参数
• 4.3.2 试验内容
• 4.3.3 试验采用设备机具及现场布置
• 4.3.4 试验流程
• 4.3.5 试验数据分析
• 4.3.6 结论
• 4.4 螺杆钻具成孔工艺
• 4.4.1 主孔成孔工艺
• 4.4.2 分支孔成孔工艺
• 4.4.3 注意事项
• 4.5 钻孔轨迹测量
• 4.5.1 常用测量仪器
• 4.5.2 YHDI-1000型随钻测量系统工作原理
• 4.6 小结
• 5 螺杆钻具组合受力变形分析
• 5.1 弯外管螺杆钻具组合受力变形力学模型
• 5.1.1 纵横弯曲法概述
• 5.1.2 基本假设
• 5.1.3 力学模型的等效处理
• 5.1.4 弯外管螺杆钻具组合受力变形二维分析
• 5.1.5 弯外管螺杆钻具组合受力变形三维分析
• 5.2 力学性能分析软件编制
• 5.2.1 软件功能
• 5.2.2 Visual C++ 6.0开发平台简介
• 5.2.3 程序编制
• 5.3 弯外管螺杆钻具组合二维力学性能参数敏感性分析
• 5.3.1 力学性能分析基本参数
• 5.3.2 钻头孔斜力参数敏感性分析
• 5.4 小结
• 6 螺杆钻具定向钻进试验
• 6.1 室内模拟实验
• 6.1.1 试验目的
• 6.1.2 试验内容
• 6.1.3 试验方案设计
• 6.1.4 试验状况
• 6.1.5 钻进工艺参数
• 6.1.6 试验结论
• 6.2 现场试验
• 6.2.1 第一次现场试验
• 6.2.2 第二次现场试验
• 6.3 螺杆钻具试验效果分析
• 6.3.1 螺杆钻具定向效果分析
• 6.3.2 对比分析力学性能参数敏感性分析结果
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录一 第二次试验钻孔轨迹图
• 附录二 个人简介