海底绳索取芯钻具的设计与研究-机械工程专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 The design and research of bottom rope coring tool Type of Degree A c a d e m i c D e g r e e Discipline(Type of Professional Degree) M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g Candidate F e n g F a n Student Number 1 2 0 1 0 3 0 1 0 0 5 Supervisor and Professional Title Wa n g b u y a n ( p r o f . ) Practice Mentor and Professional Title School C o l l e g e o f E l e c t r o m e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g Date A p r i l 7 t h , 2 0 1 5 University H u n a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 摘 要 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。 关键词： 绳索取芯 ；钻具；流场分析 ；有限元；优化； I ABSTRACT The Rope coring drill is one of the key part of drilling equipment i