电动活塞式取心钻具的设计与试验研究

论文摘要

环境科学钻探要求取出的岩心完整、未扰动、未受污染、代表性好。在胶结性差或完全未胶结即松散软或破碎地层取心,对钻探工艺及取心机具有更高的要求,有必要深入开展取心工艺和取心机具等创新研究工作。本论文以现有取心工艺为基础,提出了新型电动活塞式取心钻具的设计方案,并进行具体设计,通过室内试验研究,得到以下成果。首先,总结了环境钻探取心及松散软、破碎地层钻探取心的关键技术,主要包括孔底冲洗液局部反循环的形成、卡心机构、活塞式取心钻具以及各种改进型单动双管的应用等。结合力学分析,得出各自的优缺点。在取心关键技术基础上,本文设计了一种应用于松散软、破碎地层及环境钻探取心的新型电动活塞式取心钻具。将其核心控制结构定义为电动活塞结构体,主要构成包括(1)传动机构：通过蜗轮蜗杆传动形式控制摩擦轮沿岩心管内壁滚动行走,带动电动活塞结构体上行；(2)活塞机构：选用合适的密封材料并进行尺寸及安装形式设计,形成可实现抽吸作用的活塞结构；(3)动力机构：为活塞结构体运行提供动力的电机驱动机构及电源等；(4)智能控制机构：引入传感器及电机调速模块(或继电器),根据所设定的电动活塞启动条件(即岩心进入岩心管,距离活塞结构体下端0——5mm范围内),制定合适的智能控制方案,对电机转速进行控制。最终实现随岩心进入岩心管,自动控制电动活塞结构体自适应岩心进入速度上行,对岩心产生抽吸作用,钻进时避免岩心卡堵,提钻时避免脱心。并提出电动活塞取心钻具不能形成稳定抽吸作用时,组合喷反钻具接头设计,保证抽吸效果。将电动活塞结构体加工出实物并组装运行,通过对上行速度、上行提升力的测量,验证了设计的可靠性及可行性。设计抽水试验,将电动活塞结构体对岩心的抽吸力测试,转化成对水抽吸能力的测量。根据试验结果及分析,得出电动活塞结构体可以实现对岩心管内相对密闭空间产生抽真空作用,通过改良活塞机构密封性能,可提高抽吸效率,为进一步改良设计提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究的目的和意义
• 1.2 环境钻探取心技术研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 论文研究内容与技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 第2章 环境钻探取心关键技术研究
• 2.1 孔底冲洗液循环方式控制
• 2.1.1 钻具接头
• 2.1.2 钻头水路设计
• 2.2 卡取岩心机构
• 2.3 单动双管
• 2.4 活塞式取样钻具
• 2.5 钻进取心力学分析
• 2.5.1 岩心进入岩心管时受力分析
• 2.5.2 提钻时岩心受力分析
• 第3章 电动活塞式取心钻具设计
• 3.1 总体技术方案
• 3.2 电动活塞结构体设计
• 3.2.1 取心钻进参数设计
• 3.2.2 传动机构的设计
• 3.2.3 活塞机构设计
• 3.2.4 动力机构设计
• 3.2.5 智能控制机构设计
• 3.3 电动活塞式取心钻具辅助设计
• 3.3.1 喷反钻具接头及卡心机构的设计
• 3.3.2 钻头水路选择设计
• 第4章 电动活塞结构体实物安装及试运行
• 4.1 设计和加工
• 4.1.1 蜗杆的轴向安装定位问题及修正
• 4.1.2 立板孔位加工精度问题及修正
• 4.1.3 立板固定及轴承盖安装障碍及改进
• 4.2 电动活塞结构体试运行
• 4.2.1 运行环境条件的定义
• 4.2.2 电动活塞结构体初步运行情况及分析
• 4.2.3 更换大直径摩擦轮后电动活塞结构体运行情况及分析
• 4.2.4 限制PC管变形后电动活塞结构体运行及数据测量
• 4.2.5 更换45#钢管后电动活塞结构体运行数据测量及分析
• 4.2.6 安装密封圈后电动活塞结构体运行数据测量及分析
• 4.3 可行性分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 室内抽水试验
• 5.1 试验方案
• 5.1.1 试验目的
• 5.1.2 试验器材
• 5.1.3 试验方法
• 5.1.4 试验数据
• 5.1.5 试验结果及分析
• 5.2 试验结论
• 第6章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 后续工作建议
• 致谢
• 参考文献
• 附图