煤矿钻机自动上下钻杆装置研制与应用

常规煤矿钻机在井下钻孔施工过程中,钻杆的装卸由人工完成。要实现钻杆装卸的自动化,首先需要研制钻杆储存及钻杆输送机构,其次要有钻杆拧卸配套机构。研制的自动装卸钻杆装置可以实现钻杆储存、输送等功能;自动拧卸钻杆装置主要用来加接钻杆,即自动松开、拧紧钻杆之间的螺纹联接,并能有效地保护钻杆螺纹,通过2种装置的配合便可实现钻机的自动上下钻杆功能。     

远距离控制防突钻机自动装卸钻杆机构的设计

自动装卸钻杆机构是远控钻机的关键部分,由钻杆举升机构、钻杆抓取机构及钻杆箱等组成。介绍了自动装卸钻杆机构的设计方案,重点介绍了钻杆举升、钻杆抓取等动作过程及工作原理。     

铝合金钻杆尺寸与缺陷自动化检测装置的研制

为了填补我国铝合金钻杆检测技术与装备的空白,作者设计了铝合金钻杆尺寸与缺陷自动化检测装置,该装置由底架机构、支撑机构、测量机构、视频检测机构电控柜和操作台等部分组成。底架机构是铝合金钻杆检测装置的整体支撑机构,在承受钻杆重量的同时还要保证支撑机构、测量机构和视频检测机构的平稳运行;支撑机构是铝合金钻杆的支撑和动力机构,在钻杆检测过程中主要起到承载钻杆、带动钻杆沿轴向平移和转动的作用;测量机构用来测量铝合金钻杆外形尺寸,可测量钻杆不同点位的外径和壁厚;视频检测机构则用来观察铝合金钻杆,以判断钻杆内表面是否存在缺陷。配合电控柜和操作台,便可以实现铝合金钻杆直径、壁厚和内腔表面质量的自动化检测。     

煤矿用全自动钻机滑落式钻杆箱的研究

针对煤矿用全自动钻机的开放式钻杆箱容纳能力有限、钻杆续接能力不足等问题,提出了一种滑落式钻杆箱结构,在阐述滑落式钻杆箱的工作原理的基础上,对其进行了运动学和动力学仿真,得到了钻杆滑落速度、加速度及钻杆受力动态曲线,并对滑落式钻杆箱进行了工业性试验,结果表明:滑落式钻杆箱中的钻杆滑落有序,运行稳定可靠。     

基于有限元法的钻杆柱纵向振动分析

钻杆的纵向振动对钻杆失效有较大影响。采用ANSYS软件对2000 m以内钻杆柱的纵向振动进行了分析,得到了不同钻具规格、不同钻铤长度、不同钻杆柱长度的固有频率,获得了钻杆柱纵向振动的前五阶固有振型。结果表明,钻杆柱的固有频率受钻杆规格和钻铤长度影响很小,受钻杆柱长度影响较大。     

煤矿钻探用钻杆疲劳寿命预测研究

目前矿用钻杆在煤矿井下施工疲劳寿命预测困难,无报废标准和报废依据,导致煤矿井下钻杆断裂事故频发,严重影响煤矿井下勘探钻孔、瓦斯抽采钻孔、探放水钻孔的施工安全和施工进度。矿用钻杆的工况条件复杂,基于弹塑性力学无法对钻杆疲劳寿命、断裂失效原因、结构工艺的优化提高进行可靠研究;通过综合钻杆所受到转矩、弯矩、轴向力以及井壁的约束作用力等复合载荷条件建立钻杆约束模型,提出基于断裂力学和损伤力学、运用解析法和有限元分析方法对钻杆的疲劳寿命进行研究,并基于研发的钻杆动态性能试验系统对钻杆的疲劳寿命进行试验,提出矿用钻杆疲劳寿命预测研究方法,为钻探施工和钻杆的设计提供依据。结果表明:按照现有钻杆杆体、螺纹的加工工艺,73型钻杆在转矩4 000 N·m,施工钻孔终孔直径为96 mm时,通过钻杆动态性能试验系统对钻杆的疲劳寿命进行试验,钻杆的疲劳寿命为5.32×10~5～4.78×10~5转,疲劳寿命与所建立的钻杆疲劳寿命预测模型一致,钻杆疲劳寿命最小位置在公螺纹处,杆体在受到1 mm以下划痕对钻杆整体疲劳寿命无影响。     

折叠式定向钻机辅助上钻杆装置设计

为降低定向钻机施工时工人劳动强度并提高定向钻机上钻杆自动化水平,设计了一种折叠式辅助上钻杆装置。该辅助上钻杆装置采用模块化设计,将钻杆箱、钻杆架、滑动架等机构集成于一体,工作时钻杆在辅助上杆装置推杆机构、升降机构、滑动机构的共同作用下被送至预定位置,并实现辅助上钻杆功能。在非工作状态下,钻杆架向下翻转可有效减少整机宽度,方便转场运输。样机测试表明：辅助上钻杆装置可满足定向钻机上钻杆功能并有效降低工人劳动强度。     

一种新型高强度钻杆的研制

深部钻探时钻杆在井下要承受拉伸、压缩、扭曲等复杂交变应力和泥浆酸化的影响,对钻杆的强度要求更高。本文指出了钻杆的主要失效形式及部位,通过对钻杆管体加厚过渡区、钻杆接头及螺纹和摩擦焊区三个部位试验研究,研制开发了新型高强度钻杆。该钻杆在施工中抗交变应力能力强,能够满足深部探矿施工要求,提高了钻杆的使用寿命,减少了钻具失效事故。     

解决三棱钻杆断裂问题的研究

分析影响三棱钻杆断裂的因素,如三棱接头热处理的控制、三棱钻杆焊接参数的控制、两端螺纹同轴度的控制。通过设计三棱接头焊接工装,调整钻杆加工工艺,保证钻杆的加工质量,提高钻杆使用的可靠性。     

63ZGS73型三棱钻杆研制

研制的63ZGS73型三棱钻杆,能够在松软突出煤层中稳定钻进,减少在使用普通钻杆时经常出现的抱钻和钻杆断裂等孔内事故,对三棱钻杆结构、参数进行设计,确定三棱钻杆的结构组成和具体参数;对三棱钻杆工艺流程、焊接工艺和热处理工艺进行分析和优化,使焊缝质量得到提高,解决焊缝处断裂的问题;对三棱钻杆进行台架性能试验以及工业性能试验,校验钻杆整体性能,试验结果表明:三棱钻杆符合设计要求,满足现场使用需求。     

基于ANSYS工艺参数对钻杆端部成形性能影响的仿真分析

钻杆的底端联接有钻头,钻头工作过程中,载荷会通过钻杆与钻头的联接部位传递到钻杆,这就要求钻杆与钻头的联接部位具有较高的强度,因而,钻杆生产过程中通常会将钻杆与钻头的联接部位即钻杆的底端部进行增粗处理,以提高其强度。钻杆端部增粗过程中的加热温度、挤压速度等参数是影响其成形质量的关键因素。采用ANSYS软件模拟分析不同工艺参数下的钻杆增粗过程中的变形规律,以此为工艺参数的优化提供依据。     

钻杆螺纹失效分析及改进措施

介绍了钻杆接头螺纹的失效类型,采用弹性有限元方法建立了钻杆联接螺纹分析模型;讨论了钻杆断裂的具体失效原因,针对钻杆断裂的原因,在结构上提出了增加应力减荷槽和切削公扣大端第1牙高度的改进方案。     

探地雷达探测采煤工作面隐伏钻杆研究

为了提前探测定位采煤工作面中的隐伏钻杆,探讨了利用防爆探地雷达技术进行采煤工作面隐伏钻杆超前探测的技术方法,结合雷达探测理论,计算出钻杆与煤层分界面的雷达波反射系数介于0.25~0.35,论证了雷达探测一般隐伏钻杆的可行性。通过煤层中雷达探测钻杆正演模型分析,获得了钻杆的雷达波波形响应特征。阳泉矿区煤层中隐伏钻杆的探测实践,确定了隐伏钻杆所在位置,探测结果得到了回采验证,经过统计探测钻杆准确率为81.2%,取得了很好的地质效果。研究表明,采用防爆探地雷达能较好的对采煤工作面中隐伏钻杆进行超前探测,解决了采煤工作面中隐伏钻杆的超前预测定位难题。     

螺旋钻杆的有限元分析及运动仿真

以某矿现有旋转钻机为研究对象,运用有限元分析软件ANSYS WorkBench对钻杆进行了受力分析及参数优化,获得了钻杆质量最小时钻杆轴内径和螺旋叶片厚度值。运用ADAMS软件建立了钻杆钻进系统刚-柔体模型,通过对钻进过程的运动仿真,得到了钻杆在钻进工作中的接触及变形情况,并分析了钻杆完全钻进过程中的屈曲行为。研究结果为钻机的改进及钻进效率的提高提供了理论参考。     

矿用钻杆的失效修复及分体式设计应用

基于露采钻机钻杆的失效形式及原因分析,改进了两端内、外锥形螺纹接头的材质和结构,重新制作并替代了失效钻杆的螺纹接头,与钻杆管体重新联接,提出了失效钻杆修复工艺方案。结合修复工艺方案,从结构改进设计角度,提出了分体式钻杆的设计方案,并针对其特点和应用效果进行了说明和分析。失效钻杆修复工艺和分体式钻杆具有一定的推广应用价值。     

基于路径规划的大容量钻杆自动输送系统研究

针对现有煤矿钻机钻杆自动输送系统容量小,需要人工频繁补充钻杆的问题,开发了大容量钻杆自动输送系统。以钻杆一般输送路径规划和多列多层钻杆起点归一化方法为基础,结合ZYWL全方位自动钻机总体结构方案,利用钻杆箱侧下方的空间,设计了升降输送路径方案,降低了钻机整体高度。基于路径方案设计了钻杆箱、转运器、主机械手和副机械手等执行机构,并根据具体结构对输送路径进行了适应性调整,避免了输送装置与钻机主机结构发生运动干涉。理论验算与样机试验表明,大容量钻杆自动输送系统路径设置合理,可准确实现钻杆的自动输送。     

定向钻机用辅助上钻杆机构设计

针对煤矿井下定向钻机用大直径钻杆预拧紧依靠人工操作劳动强度大、安全风险高的问题,提出了一种定向钻机用辅助上钻杆机构设计方案,对其结构设计要点进行了详细说明。通过受力分析得到了摩擦轮上钻杆机构传动简图,并对其传动参数进行了计算和校核。该辅助上钻杆机构结构简单、体积小,过载时可以打滑保护钻杆丝扣,为定向钻机上钻杆问题提供了一种解决方案。     

深部科学钻探钻杆接头优化措施

地球深部探测对提高我国勘探开发深部资源能力和深部地质研究水平及地位是不可或缺的,深部科学钻探是唯一准确地获取深地实物资料的工程方法。钻杆柱作为深部科学钻探技术的核心与关键,其管柱规格组合与钻杆接头选配决定着钻杆在平衡其自重后的剩余强度和应付孔内复杂情况的能力,尤其是作为连接各钻杆柱短节的钻杆接头的性能直接决定着钻杆柱的使用极限深度。本文从产品类型、结构特点等方面对国内外高性能石油钻杆接头进行了梳理,分析了现有钻杆接头存在的不足与失效的原因,提出了钻杆接头结构改进方案,对提高钻杆柱的可靠性与安全性,延长钻杆使用寿命,使其更好地应用于深部科学钻探,具有一定的科学意义与工程价值。