3孔底钻具的受力与变形..doc

3 孔底钻具的受力与变形 了解在孔内工作状态下的钻具受力及其变形，是选用钻具和制定正的钻进工艺和钻进参数的前提条件之一。 3. 1孔底钻具作用力概述 孔底钻具在不同的工作状态以及不同的位置上作用着不同的载荷。概括起来，钻具承受着以下几种基本载荷: 轴向力 工作状态的钻具，首先作用有钻机的轴向推力、钻具自重在钻孔方向的分力、钻具与孔壁的摩擦力;其次还有循环系统在钻具内及钻头水眼上耗损的压力而且当钻具遇阻、遇卡，也会增大轴向载荷。 ②径向挤压力 钻机卡盘在进行起、下钻和旋转钻进等作业时，将在钻具上引起一定的挤压力，同时管内循环水也将对钻具产生挤压力。 ③ 弯曲力矩 弯曲力矩的产生是因钻具上有弯曲变形的存在。引起钻具弯曲变形的主要因素是给定的钻压超过了钻具的临界值或钻具在弯曲的钻孔内钻进；另外离心力的作用也会引起钻具的弯曲变形。在弯曲状态下，弯曲钻具如绕自身轴线旋转（自转）则会产生交变的弯曲应力。 ④ 离心力 弯曲钻具在某些条件下，将会围绕钻孔中心线旋转（公转）而产生离心力，它促使钻具更加弯曲。 ⑤ 扭矩 钻机破碎煤岩的功率是通过回转卡盘传递给钻具的。由于钻具与孔壁和循环水有摩擦阻力，因此钻具所承受的扭矩，孔口比孔底大（非孔底动力钻具正常钻进情况下）。 ⑥ 纵向振动 由于钻头破碎煤岩的不均匀和煤岩的非均质性，将引起钻具的纵向跳动。当外界的周期性干扰与钻具的固有频率接近时，钻具引起共振，出现剧烈跳钻。这不但影响钻头的使用寿命，而且易引起钻具的疲劳破坏。 ⑦ 扭转振动 由于钻头结构、地层、钻压等因素的变化，孔底的反扭矩也将随之变化。变化着的扭矩将引起扭转，当转速达到某一临界值时，钻具也可能出现扭转共振现象。用刮刀钻头钻进软硬交替地层时，钻具上受到剧烈的扭振，出现所谓的“蹩跳”。 ⑧ 横向摆振 在某一临界转速下，钻具将出现摆振，其结果是钻具进行公转，引起钻具严重偏磨。 由以上分析得知，孔口和孔底的钻具所承受的拉力、扭矩、弯矩和冲击力等均较大，同时也要注意到上述八种载荷有些情况下是同时出现的，使钻具的受力呈现复杂状态。 3.2孔底钻头及造斜段钻具受力与变形 煤矿井下抽放瓦斯定向长钻孔的施工，基本上都是采用常规钻具，典型的常规钻具上不安装定中器，如图 3-1 所示。 由于外部施加的钻压和钻具自重的联合作用，孔底钻具出现一段弯曲部分 BT，外端 T 与下孔壁相切，内端 B 即为钻头，可视为铰链支座，其转角为θT，即钻头中心线与钻孔中心线之间的夹角，称为偏转角。设用 L 表示BT 段钻具的长度。 把 L 可以看作一个受纵横弯曲作用的简支梁，并近似地认为该段梁所受到的纵向力是一个常量，则其数值为 所受到的横向均布载荷为 此时钻头要承受两项横向外力的作用，一项通称为钟摆力 另一项称为自然造斜力，它是众多参变量的函数 其中 H 为综合切削异性指数。 当 FP与 Ff在数值上正好相等的时候，其作用相互抵消，钻头将稳斜钻进。如 FPFf，钻具将与上孔壁（上向孔）相接触，并具有 FS=Ff－FP 的横向力，产生侧向切削，从而使钻孔倾角不断地增加。 定向孔所发生的增斜趋势系沿地层上倾方位发生的。施工定向钻孔时，孔斜方位与地层上倾方位之间的夹角为θ，如图 3-2 所示。此时，地层自然造斜力仍朝地层的上倾方向，其中一个分力 Ff′仍起增斜作用，另一个分力Ff″则可使钻头轨迹发生变化，即通常所说的地层漂移趋势。图 3-2 中的定向孔Ⅰ应具有增方位趋势，而定向孔Ⅱ应具有减方位的趋势。若把地层上倾方位取为 x 轴的正向，在一般情况下，Ff′和 Ff″将分别使钻头轨迹向地层法向靠拢（增斜）和向地层倾向方位漂移靠拢。 此外通常的回转式钻进，定向钻孔所处的地区具有较强烈的右漂趋势。如图 3-3 若钻孔的设计方位为 N45°，钻进施工中不加控制，钻孔在水平投影上成自然漂移线Ⅰ，从而大大超出了设计的终孔位置。可见，定向钻孔控制的对象，除去倾角的变化率以外，还有方位角的变化率。 在定向孔设计时，可根据以往的资料估算出漂移的幅度，钻进时预设一个提前角，使钻头沿前移的自然漂移线Ⅱ进入目标范围。但是，由于地层的复杂性，自然漂移幅度很难预先准确估算，所以施工中常出现较大的偏离。 当把钻头看成是一个铰链支座时，根据静力平衡关系可以把孔底加于钻头上的支座反力分解为三个分量，如图 3-4 中所取的坐标系统 yz 平面为孔斜平面。PB为钻压，沿孔身的切线方向；PA与 PB相垂直，是造成钻孔倾角变化的侧向力；PΦ是造成方位角变化的侧向力。 3.3 孔底钻具组合的三维分析及数学模型的建立 因为定向水平长钻孔在钻进过程中既有倾角的变化，又有方位角的变化，钻孔中心线是一条空间曲线，所以应对其进行具有普遍意义的孔底钻具组合