海底绳索取芯钻具的设计与研究.doc

海底绳索取芯钻具的设计与研究绳索取芯钻具是钻机研制的关键部件之一,相较于普通双管钻具,它有着作业效率高、劳动成本低等一系列优势。但到目前为止,我国所研制的海底岩芯钻机都采用的是普通双管取心钻具,随着海底岩芯钻机钻深能力的不断提升,海底绳索取芯钻具研究与开发具有重要意义且十分迫切。本文根据国内外绳索取芯钻具的标准系列和结构形式以及钻具需要钻进的地层,研究设计了一套海底绳索取芯钻具,并进行了室内试验。全文主要研究工作如下:(1)分析了现有绳索取芯钻具的功能特点、整体结构,根据所研发钻机的勘探目标,明确了钻进方法,确定了绳索取芯钻具整体结构、技术要求与钻杆长度、根数等参数,形成了海底绳索取芯钻具整体设计方案。(2)根据国内外较成熟的绳索取芯钻具结构和所确定的整体方案,开展了弹卡定位机构、到位报信机构、悬挂机构、调节机构、岩芯卡取机构等机构的结构设计,并确定了相应零部件尺寸。同时对钻头的水路、唇面形状等进行了分析,使所研制钻头更加适用于海底复杂的地质环境。(3)基于Ansys软件,对钻具钻进过程中常常发生破坏的零部件如悬挂机构、钻杆螺纹接头等进行了静力学分析,研究了不同参数对它们强度的影响,依据分析结果合理的选取了相关尺寸。开展了钻柱模态分析,结果表明在钻孔深度较浅的情况下,相比于扭转和纵向振动,横向振动更容易引起钻柱共振。同时得到了几个在钻进过程中应当避免的转速,为钻进参数的选取提供了理论指导。对新型底喷式钻头和普通底喷式钻头流场进行了对比分析,验证了新型底喷式钻头冲洗性能的优越性。(4)针对钻头水眼易破坏这一现象,运用响应曲面法建立了水口处尺寸与水眼最大应力之间的数学模型,采用遗传算法对水眼处最大应力进行了优化,优化后水眼处最大应力降低16%。(5)依托海底60m多用途钻机,在湖南科技大学室内实验室进行了室内钻进试验。试验结果表明,钻具各机构配合良好,运行稳定,取芯完整度高,达到了本套海底绳索取芯钻具设计规定的技术指标与功能。