行星钻头转向滚刀破岩机理

行星钻头具有破岩效率高、旋转扭矩小、耗电省等优点，本文叙述了行星钻头的破岩过程，对全断面钻进时所构成的破碎网进行了深入的讨论，论述了转向滚刀的破岩特点。通过试验，提出了刀具的布置方案和主要参数的计算，对其破岩效果进行了分析。     

西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩影响因素分析

竖井钻机钻井法凿井是现阶段我国盲竖井机械化、无人化、智能化建设的重要工艺技术之一。西部矿区厚基岩地层以胶结程度低、遇水易泥化、强度低的弱胶结岩石为主,与我国中东部竖井钻机钻进的深厚表土地层力学特性不同。针对西部富水弱胶结厚基岩地层条件,简述了竖井钻机钻井技术的发展历程、竖井钻机装备及旋转破岩方式,探讨了竖井钻机机械破岩钻进面临的厚基岩地层高效破岩、钻进技术参数随钻实时控制、地层自稳性差导致井帮失稳风险、泥包钻头或砂包钻头、泥浆性能参数随钻调配设计等难题,并从工程条件、地质特性、破岩刀具、钻头结构、刀具布置、钻进参数、泥浆排渣等方面分析了竖井钻机机械破岩的影响因素及其相互关联和制约关系,梳理了西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩技术发展方向,以期为西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩钻进技术发展提供参考。     

大切削具钻头回转钻进的分析

根据刃具斜切入破岩的一些试验研究成果，分析了大切削具钻头的钻进过程，推导出了大切削具钻头进行回转钻进的机械钻速公式。     

基于CSM模型硬岩滚筒载荷理论研究

相比圆形刀盘,在滚筒式刀盘上安装盘形滚刀更容易实现矩形断面的开挖,该技术有望广泛应用于硬岩矩形隧道施工。以滚筒式刀盘在破岩过程中的力学参数研究为目标,通过建立了滚筒刀盘的数学模型,确立了盘形滚刀切削轨迹的参数方程,得出滚筒刀盘的切削物理参数,结合CSM模型,推导出硬岩滚筒载荷的力学方程。该理论研究,为滚筒式刀盘优化设计和力学预测提供了理论依据。     

行星轮系钻井机具的研究与应用

介绍行星轮系钻井机具的形式、应用条件、刀具的运动与破岩特点，以及它的钻进效果与存在问题。     

大直径反循环冲击钻头破岩数值模拟

反循环冲击钻头冲击钻进岩石是一个复杂非线性的过程,利用试验方法很难细致地观察分析钻头破岩的过程,运用LS-DYNA分析软件,分析了2.5m直径型号钻头在不同岩层、不同高度下的钻头破岩情况,对钻头进行了模态分析并与钻头实际工况下的频率进行对比,研究成果对探究反循环冲击钻头的破岩机理具有一定的意义,同时也为实际钻进过程中的钻进参数的选取提供参考。     

针对地层岩性特征进行金刚石钻头优化设计和选型

金刚石钻头在钻井破岩中所占的比例越来越大，而岩石力学特性是进行金刚石钻头设计和选型以及制定钻进参数的主要依据。本文在弹性力学理论基础上建立起预测岩石力学特性的数学模型，利用现场测井资料对金刚石钻头设计参数(保径材料、水力结构、切削齿尺寸、布齿密度以及钻头剖面)进行了分析研究，针对地层岩性特点作出钻头的优化设计，并相应地推荐了适用的钻头型号。     

基于数字钻孔的钻头磨损与随钻参数关系研究

通过随钻参数反演岩石力学参数是数字钻孔技术的核心问题，PDC钻头是数字钻孔技术中破岩的主要结构。为了分析PDC钻头磨损程度对随钻参数的影响，基于煤矿液压锚杆钻机建立了数字钻进系统。利用该系统进行了钻头不同磨损程度下的数字钻进试验，同时结合有限元软件对钻进过程进行模拟，研究了PDC钻头磨损条件下随钻参数的变化规律。研究结果表明：钻进过程中各随钻参数之间的相关性与岩石强度变化规律显著；随钻参数对钻头磨损程度响应明显，在相同动力以及岩石强度条件下，钻进速度随着钻头磨损程度的增大而减小，钻杆扭矩随磨损程度增加而增大。试验结果与数值计算结果变化规律一致，证明了钻头不同磨损程度对于数字钻孔技术确定岩石性质具有重要影响。该研究为PDC钻头在数字钻孔中合理调整钻进参数以及反演岩石力学参数提供了参考。     

煤矿深孔定向钻进给进力参数优化研究

针对煤矿深孔定向钻进缺乏给进力参数的理论指导,影响钻孔轨迹、钻进效率和成孔率,结合理论和实践提出了给进力参数的确定方法。在对钻杆受力过程进行合理假设的基础上,从静力学的角度出发,建立了钻进过程的起拔力、给进力的平衡方程;根据现场实测数据,计算了摩擦阻力系数、最小破岩力参数,最终确定了在不同岩性中钻进的最小给进力方程;最后,对比分析了钻进给进力的理论计算值与现场实测值,验证了给进力参数理论的可行性与合理性。     

同轴双向回转钻进破岩效率研究

国内外相关研究均显示同轴双向回转可有效降低钻具振动和提高破岩效率,但双向回转相对传统单向回转的钻进效率的提升水平研究较少。据此,本文建立双向回转钻头以及单向回转钻头与岩石相互作用的有限元模型,以破岩比功作为评价指标量化比较分析了2种钻头的破岩效率。通过定义双向钻头内外壁尺寸差、内外钻头的间隙、内钻头壁厚与双向钻头内外壁尺寸差之比、内外钻头转速比和内外钻头底部高度差5种核心参数,并设计正交试验完成了仿真分析。结果显示,内外钻头高度差与内外钻头间隙对于破岩比功影响比较小,内外钻头尺寸差、内外钻头转速比和内钻头壁厚与双向钻头内外尺寸差之比对破岩比功影响显著。