【摘 要】
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随着煤炭技术、矿井规模与采煤深度的不断提高,有效利用定向井钻井技术提高煤炭水害治理愈发重要。然而在煤矿定向钻井钻进过程中,钻柱易受到复杂工况下的各种因素的影响产生变形与损坏,造成整体定向井工程的质量与效率的降低,因此进行对钻柱的运动状态与动力学特性分析与研究,仍是实现对定向井轨迹精确控制的关键性问题。首先,本文从对定向井钻柱的结构组成、工作状态与受力状态出发,以非线性动力学为基础,并综合考虑到定向
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随着煤炭技术、矿井规模与采煤深度的不断提高,有效利用定向井钻井技术提高煤炭水害治理愈发重要。然而在煤矿定向钻井钻进过程中,钻柱易受到复杂工况下的各种因素的影响产生变形与损坏,造成整体定向井工程的质量与效率的降低,因此进行对钻柱的运动状态与动力学特性分析与研究,仍是实现对定向井轨迹精确控制的关键性问题。首先,本文从对定向井钻柱的结构组成、工作状态与受力状态出发,以非线性动力学为基础,并综合考虑到定向钻井中边界条件与载荷对钻柱的影响,把钻柱系统处理成弹性梁单元,建立了钻柱在定向中的纵横扭动力学模型和摩阻与碰撞模型,以此研究了钻柱与定向井井壁的摩擦机理,反映钻柱系统在定向井中的运动特点。其次,采集实际定向钻井工程中的各项参数,通过现场钻井wellplan应用技术软件,分别得到了两口定向井中钻柱的有效拉力、疲劳系数、扭矩和侧向力。对各项计算数据进行分析,得到了钻柱在定向井直孔段扭矩最大,易发生钻柱扭断事故;在造斜段处于受压较大的状态,钻柱易发生弯曲变形以及疲劳破坏;在顺层井段钻柱各项数据较小,但在靠近井底处的钻柱会出现明显数据突增现象,应重点考虑钻头接头处钻柱的状态。又对两口井计算数据进行对比,得出了定向井中的造斜曲率半径是影响钻柱性能的重要因素。最后,利用有限元ABAQUS/EXPLICIT中的时间中心差分法对造斜段钻柱非线性动力学特性进行分析。研究钻柱在不同曲率半径井眼中的失效机理、运动规律和力学性能等。从仿真结果可以看出,造斜半径越小则钻柱应变越大,与井壁的接触就更频繁,钻柱的各个位置在钻井造斜段内的摆动幅度越大;造斜半径变小则等效应力变大,钻柱越容易弯曲;造斜半径越小,则钻柱与井壁的接触力越大,钻柱越容易磨损。研究为定向井钻柱使用寿命的提高与井眼轨迹预测与优化提供了理论依据,为减少煤矿水害的发生和促进煤矿的安全生产提供了有力的技术支持。图[50]表[3]参[80]
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