坑道钻探水力双循环双壁钻具设计

摘要

在矿山的坑道钻探中，经常会遇到硬、脆、碎、漏、坍等复杂地层。当采用常规的绳索取芯钻具、双管钻具或单管钻具等钻进方法钻进这类地层时，往往存在钻进效率低、岩矿心采取率低、钻孔质量差、钻头寿命低、孔底事故多、钻探成本高等问题，多年来一直是国内外钻进领域需要解决的难题。坑道钻探中，钻孔一般设计为水平孔或倾斜孔，孔深一般在200米以内。由于采矿爆破过程的影响，钻孔一般漏失比较严重。
　　 针对以上问题，本文设计了一套适用于坑道钻探的小口径水力双循环双壁钻具，包括双壁水龙头、双壁钻杆（带双壁接头）、双壁扩孔器、特殊金刚石钻头。文中描述了这套钻具的设计思路和方案，讨论了这套钻具参数的设计和选择依据，并探讨了该钻具在钻进过程中冲洗液的水头阻力损失计算问题。并通过现场试验对双壁钻具的使用效果进行了验证。
　　 本课题主要做的工作和得出的结论如下:
　　 (1)了解和分析目前国内外反循环取芯钻具的研究现状，结合实际问题，设计出一种水力双循环连续取芯技术;
　　 (2)针对水力双循环连续取芯技术，设计一套双壁钻具，确定钻杆外管尺寸为(φ)45/38mm，内管尺寸为(φ)31/27mm;
　　 (3)设计了配合双壁钻杆工作的双壁水龙头、双壁接头、双壁扩孔器以及特殊金刚石钻头;
　　 (4)对钻进过程中冲洗液进行了流态分析，探讨了水头损失问题;
　　 (5)现场试验结果表明，岩芯能够正常返出孔外，从钻具内管返出的冲洗液量约占泵送的总冲洗液量的80％。该套水力双循环双壁钻具能够解决坑道钻探中冲洗液漏失的问题，保证连续取芯的顺利进行。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题的目的和意义

1．2 国内外研究概况

1．3 主要研究内容和创新点

第二章 普通坑道反循环钻进

2．1 普通坑道反循环钻进工艺

2．1．1 孔底局部反循环

2．1．2 全孔反循环

2．2 普通坑道反循环钻进方法优缺点

2．2．1 优点

2．2．2 存在的问题

第三章 水力双循环双壁钻具的设计

3．1 钻具的组成与功能

3．2 双壁水龙头的设计

3．2．1 双壁水龙头的各组成部分

3．2．2 各部分零件材质及处理

3．2．3 水龙头各部件的相对转动

3．2．4 密封

3．2．5 连接

3．2．6 自锁与松紧调节

3．2．7 粗糙度

3．3 双壁钻杆及接头的设计

3．3．1 材质

3．3．2 尺寸

3．3．3 内外管连接

3．4 扩孔器的设计

3．4．1 材质

3．4．2 尺寸

3．4．3 连接

3．5 金刚石钻头的设计

3．5．1 尺寸和材质

3．5．2 胎体粉料和金刚石选用

3．5．3 烧结工艺

第四章 钻具工作状态水力学计算

4．1 计算基础

4．1．1 过流断面与恒定不可压缩流体连续性方程

4．1．2 流动阻力与水头损失

4．2 水力学计算

4．2．1 管道的分流

4．2．2 水头损失与流速计算

第五章 坑道中水力双循环双壁钻具现场钻进试验

5．1 现场概况

5．2 施工设备

5．3 钻进方案

5．3．1 钻进主要参数

5．3．2 施工技术措施及操作注意事项

5．4 应用结果与分析

5．4．1 钻进情况

5．4．2 效果分析

第六章 结论与改进建议

6．1 课题结论

6．2 进一步研究建议

参考文献

致谢

攻读学位期间主要成果