地面瓦斯欠平衡车装钻机的研究与开发

Research and Application of the Truck-maounted Drilling Rig On-ground Underbalanced Ges Drainage

作者: 专业:机械工程 导师:张戌社 年度:2011 学位:硕士  院校: 河北科技大学

Keywords

gas drainage, underbalanced drilling, truck-mounted drilling rig, full-hydraulic, top-drive drill

        目前煤矿区地面瓦斯超前抽采是我国煤矿瓦斯综合治理的一项重大措施,而地面瓦斯抽采欠平衡车装钻机是煤矿区地面瓦斯抽采的重要设备,国内还没有厂家生产,一些施工企业不得不花费大量外汇从国外购进先进钻井设备。针对这一现状,本文研究与开发适宜于我国煤层地质条件,满足瓦斯高效、低成本抽采井施工的地面瓦斯抽采欠平衡车装钻机。本文主要采用了归纳分析、优化设计、三维建模和有限元分析等研究方法,先确定总体方案,然后分别对动力系统、伸缩桅杆式井架、液压顶部驱动装置和车辆底盘进行研究,最后工业性试验验证,研究结果主要如下:1.归纳总结了煤层气钻机国内外发展现状,从钻井工程技术角度和工程管理角度分析地面瓦斯抽采钻井工程的特点。根据我国煤矿区瓦斯抽采井施工现状及对车装钻机的性能要求,比对国外进口钻机,确定了本文研究的地面瓦斯抽采欠平衡车装钻机的总体结构方案和性能参数。2.对钻进负载特性进行理论分析,根据钻进对动力系统驱动特性的基本要求,确定车装钻机的动力选型。3.采用三维建模、有限元分析方法对伸缩桅杆式井架方案进行静态力学及模态分析验证,得到满足强度要求和不与环境产生共振的设计模型。4.采用数学建模和参数最优化设计方法确定液压顶部驱动装置的主要参数和结构形式。5.采用三维建模、有限元分析方法对所选底盘进行静态力学及模态分析验证,确定底盘选型。经过研究与开发,试制了国内首台地面瓦斯抽采欠平衡车装钻机,并通过了中国煤炭学会煤层气专业委员会组织的专家评议和工业性试验,本文的研究对生产适应我国煤矿区瓦斯超前地面抽采的专用钻机具有一定的实际意义。
    Currently, in systematic disposing of coal mine gas, on-ground gas pre-drainage has been adopted as an important method in coalfield these years. And the under-balanced gas drainage truck-mounted drilling rig is the main equipment. But there is no domestic manufacturer. Some construction enterprises have to cost much foreign exchange to import advanced drilling machines. In this condition, this paper studied and developed the truck-mounted under-balanced drilling rig to drainage gas more efficiently with low cost on the ground, which adapts to the coal layer condition of our country.In order to design the machine, this paper adopts the design methods of conclusion, optimization design,3D modeling and finite element analysis etc. First, decide the the general design, then research the power system, telescopic mast, top-drive device and truck chassis. Last, be proven by industrial experiment. The results are as followed:1. It concludes and summarizes the development of gas drainage drilling rigs of domestic and overseas.Analyses the features of on-ground gas drainage drilling engineering from the view of drilling technique and engineering management. According to the situation of coal mine gas drainage and functions requirement of truck-mounted drilling rigs, comparing with the imported drilling rigs. General construction and parameters of the rig have been determined.2. Theoretically analyzes the drilling loading character, according to the requirement of driving character of drilling power system, decides the power mode of the machine.3. Analyzes the telescopic mast through static force analysis and model analysis through 3D modeling and finite element analysis. Acquires the design model that meets the requirement of strength and there is no resonance.4. Adopts math model and parameters optimization design method to design the main parameters and construction of the top-drive device.5. Adopts 3D modeling and finite element analysis to prove the static force and model analvsis of the chassis. Decide the chassis mode.Through research and development, the first on-ground gas drainage under-balanced truck-mounted drilling rig has been trial-produced and has been appraised by the experts of coal-bed methane committee of china coal society. This research gives actual significance to manufacturing special drilling rig which meet the need of gas pre-drainage on ground.
        

地面瓦斯欠平衡车装钻机的研究与开发

摘要4-5
Abstract5
第1章 绪论9-14
    1.1 研究的背景9-10
    1.2 国内外研究发展现状10-11
        1.2.1 国内研究发展现状10
        1.2.2 国外研究发展现状10-11
    1.3 研究的目的和意义11
    1.4 主要研究内容及方法11-12
    1.5 本章小结12-14
第2章 整体方案设计14-21
    2.1 地面瓦斯抽采钻井工程特点及其对钻机性能要求14-15
    2.2 车装钻机的性能定位及主要技术参数的确定15-16
    2.3 总体结构设计方案16-20
    2.4 本章小结20-21
第3章 动力系统优化设计及配套21-26
    3.1 钻进负载特性的理论分析21-23
    3.2 钻进对动力系统驱动特性的基本要求23
    3.3 发动机与钻机动力匹配的外特性分析23-24
    3.4 发动机的选型24-25
    3.5 本章小结25-26
第4章 伸缩桅杆式井架设计26-43
    4.1 井架结构设计26
    4.2 井架模拟及工况分析26-28
        4.2.1 井架模型26-27
        4.2.2 ANSYS井架工况分析27-28
    4.3 井架结构静力学分析28-35
        4.3.1 井架材料28
        4.3.2 井架网格划分28-29
        4.3.3 边界条件29-30
        4.3.4 结构静力学分析30-35
    4.4 井架模态分析35-42
        4.4.1 模型简介35
        4.4.2 边界条件35
        4.4.3 井架模态分析35-41
        4.4.4 模态分析结论41-42
    4.5 本章小结42-43
第5章 液压顶部驱动装置的研制43-53
    5.1 液压顶部驱动装置主要参数的确定43-44
        5.1.1 结构形式43
        5.1.2 主要参数43-44
    5.2 动力头工作过程数学建模及参数最优化设计44-45
        5.2.1 钻机液压顶驱结构设计及性能参数44-45
        5.2.2 技术路线45
    5.3 钻机液压顶驱数学模型建立45-51
        5.3.1 顶驱工作过程描述45
        5.3.2 顶驱液压马达选型计算45-46
        5.3.3 顶驱中心轴主参数数学模型建立46-48
        5.3.4 顶驱减速器主参数数学模型建立48-51
    5.4 钻机液压顶驱参数最优化计算51-52
        5.4.1 优化算法及程序设计51
        5.4.2 优化结果51-52
    5.5 本章小结52-53
第6章 底盘的选型和车架静态力学分析及模态分析53-70
    6.1 分析技术路线53
    6.2 车架模拟53-54
        6.2.1 车架模型53
        6.2.2 车架材料53
        6.2.3 车架网格划分53-54
    6.3 车架静载分析54-65
        6.3.1 工况分析54-55
        6.3.2 边界条件55-56
        6.3.3 上装质量分布56-58
        6.3.4 静载分析58-64
        6.3.5 车架静载分析结论64-65
    6.4 车架模态分析65-69
        6.4.1 模型简介65
        6.4.2 边界条件65
        6.4.3 上装质量分布65
        6.4.4 车架模态分析65-69
        6.4.5 车架模态分析结论69
    6.5 本章小结69-70
第7章 样机工业性试验70-72
    7.1 工业性试验方案70
    7.2 工业性试验井设计结构70-71
    7.3 使用情况71
    7.4 本章小结71-72
结论72-73
参考文献73-76
致谢76-77
个人简历77
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