螺杆钻具组合三维力学特性分析及应用.pdfVIP

第 33卷第 6期 建 井 技 术 Vo1．33 No．6 2O12年 12月 M INE CONSTRUCTI()N TECHN()I()GY Dec． 2012 螺杆钻具组合三维力学特性分析及应用 王胜利 ，韩圣铭 ～，刘 敏 (1国投煤炭有 限公司 ，北京 ，100037；2天地科技建井研究院，北京 ，100013 3煤矿深井建设技术国家工程实验 室，北京 ，100013) 摘 要：用螺杆钻具组合实施煤矿工程孔定 向钻进时，钻头侧 向力是其主要力学特性。建 立 了适用于上弯式螺杆钻具组合和下弯式螺杆钻具组合 的三维小挠度静力学分析数学模型， 并对影响上弯式螺杆钻具侧向力的主要参数(钻压、顶角、弯接头角度、装置角等)作 了定量分 析 ；对比分析 了上弯式和下弯式螺杆钻具组合的造斜能力。分析所得 的螺杆钻具组合主要力 学特性结果，对煤矿工程孔定 向钻进设计和施工具有一定的参考价值和指导意义。 关键词 ：螺杆钻具组合；三维力学特性；侧向力；分析；应用 中图分类号 ：TD421．3 文献标识码 ：A 文章 编号 ：1002—6029(2012)06—0022-0d 随着煤矿钻孔工程 ]，包括煤矿各种特殊工 环进入螺杆钻具 的马达时，在马达 的两端形成一 法施工的冻结、注浆钻孔等，对成孔广度 、深度和 定的压力差 ，推动马达的转子旋转 ，并将扭矩和转 难度的不断增大 ，控制实际钻孔轨迹 ，按照设计要 速通过万向轴和传动轴传递给钻头 ，并带动钻头 求进入靶域 ，就显得非常重要 。这是定 向钻进技 旋转破碎岩石 ，在钻进过程 中，整个钻具组合不旋 术的关键技术 。螺杆钻具组合 ，包括上弯式螺杆 转。 钻具组合以及下弯式螺杆钻具组合钻进时 ，由于 目前 ，煤矿工程孔施工 中使用 的螺杆钻具可 存在工具面和装置角 ，存在钻具组合弹性变形而 分为上弯式和下弯式两种 _2]。上弯式螺杆钻具组 造成的钻头变孔斜力 ，存在相应的钻头变方位力 ， 合一般 由钻杆+弯接头+直螺杆钻具+钻头组成 ， 再加上造斜段的顶角一般较小 ，更易造成方位漂 上弯弯接头角度一般在 2．5。以下 ，在直孔纠偏特 移。所以，从理论上定量分析，这种变孔斜力和变 别是冻结孔纠偏施工中使用较多，也可用于注浆 方位力，因而选择、控制孔斜变化率和方位变化 孔直孑L段微量调整钻孔轨迹时使用 。下弯式螺杆 率 ，对于定向孔 ，尤其是 “S”型定向孔非常重要 。 钻具组合一般 由钻杆+单弯螺杆钻具 (万 向轴处 根据煤矿工程孔 中定向钻进的特点 ，对螺杆 的外壳做成弯曲形状)+钻头组成 ，弯角常用 的有 钻具组合进行三维力学特性分析 ，对影响螺杆钻 1、1．5、2。。因其本身 已带有弯角，故若非有大造 具组合钻头处侧 向力的主要参数，钻压 、钻孔 曲 斜率的特殊要求 ，上部不需要接弯接头。 率 、顶角 、弯接头角度、装置角等作 出定量计算 ，分 2 上弯式螺杆钻具组合三维受力和变形分析 析这些参数与钻头侧向力 的变化规律 ，更好地服 务煤矿工程孑L定向钻进施工。 2．1 三维受力和变形条件 在一定的假设条件下 ，对上弯式螺杆钻具组 1 螺杆钻具组合 合进行三维分析时可将其空间斜平面 (假设为 尺 螺杆钻具组合是由螺杆钻具、弯接头及钻杆 平面)分解为