钻杆分料装置的研制

钻杆是目前煤矿瓦斯抽放钻孔施工的重要装备。在钻杆加工过程中,上下料采用人工方式,其劳动强度大、生产效率低。为了实现自动上下料,需要采用一种钻杆分料装置,将单根钻杆从成捆的料箱中分离出来。通过对3种分料方式的对比分析,选取了三轴分料方案,并介绍了该方案的设计思路和实现过程。应用表明,在降低工人劳动强度、提高生产效率等方面取得了良好的效果,为钻杆自动化生产线的建设奠定了基础。      

BG型钻杆排放设备的设计与应用

传统接卸钻杆多采用人工对扣、拖拽摆放方式,效率较低,工人劳动强度大。针对目前流行的可抬头式全液压钻机,设计了一种BG型自动钻杆排放设备,该设备通过机械手与夹持器2个机构与抬头式动力头配合完成钻杆的自动化接卸、摆放。详细介绍了机械手结构设计与回转驱动选型、夹持器结构设计与夹持油缸选型以及液压系统的设计思路,从理论上确定设备的可靠性。最后通过现场试验验证了BG型自动钻杆排放设备的实用性。     

地质钻探自动化移摆钻杆系统的研究

综述了地质钻探移摆钻杆的研究进展,针对全液压地质岩心钻机和钻探工艺,设计地质钻探自动化移摆钻杆系统,设计能完成自动抓取、平移及旋转功能的起下钻自动化系统,对系统进行作业分析,并对移摆钻杆系统的研究进行前景展望。     

基于模糊粒子群算法的钻杆运移装置控制系统研究

在大直径救援井施工起下钻作业中,钻杆运移装置用于大直径钻具输送及钻柱接续。针对钻杆运移装置定位过程中钻杆易产生振动,难以快速、准确地将钻杆举升至动力头翘起角度进行对扣的问题。首先分析了钻杆运移装置的结构特点和工作原理,利用结构关系推导了钻杆举升时的运动学模型,得出钻杆末端接头与举升油缸和运移小车运动规律的映射关系,并采用有限元方法建立了钻杆举升时的动载受力模型,得出了钻杆末端接头的振动加速度主要由举升油缸和运移小车的工作速度所决定,且各部件的工作速度主要由各自的输入流量所确定;其次引入了基于模糊粒子群优化算法的综合误差评价函数,将钻杆末端接头的转角误差和位姿误差作为输入信号,采用加权法进行计算出综合误差和加速度误差,利用梯形隶属度函数构造了模糊控制规则,得出综合误差、加速度误差与比例参数、积分参数、微分参数之间关系,完成PID的控制参数调节,实现了对钻杆末端接头的主动抑振控制;最后利用MATLAB软件搭建了数值仿真模型,以某次钻杆运移装置工作时测量数据信号为例进行仿真研究,系统综合误差只需0.9 s可将振幅衰减至峰值的10%以下,同时加速度误差仅为0.05 mm/s²     

深部钻探复合钻杆的研究与应用

绳索取心钻杆在深孔钻探中占重要的地位。本文分析了目前国内钻杆在深孔钻探中的使用情况,同时还对钻杆柱的失效及绳索取心钻杆在钻井内的受力情况进行了简要的分析。设计出了两种复合钻杆：一种是塔式复合钻杆,另一种是同径复合钻杆。将其应用在“中国岩金勘查第一深钻”山东莱州三山岛矿区ZK96-5孔4000m钻孔中,取得了良好的效果。     

深井复合钻柱技术在特深科学钻探中的应用探讨

深井复合钻柱技术是解决特深科学钻探超长钻杆柱可靠性问题的重要途径,其与设备能力、材料性能、钻进条件及管柱力学等息息相关。本文系统总结了复合钻柱技术在我国深部钻探中的发展和应用情况,在复合钻柱强度理论的基础上,探讨了不同复合钻柱的组合方案及其极限下深。研究结果表明,若以?216 mm直径终孔,仅依靠钢质钻柱已无法满足特深钻探13000 m的下深要求,而采用V150钢级?127 mm钻杆配合?127 mm钛合金钻杆及S135钢级?127 mm钻杆配合?129 mm铝合金钻杆可分别满足最大13484 m和18783 m的下深要求,钻柱总重分别仅有360.5 t和324.3 t,均具备可靠的安全性保障。本文对特深科学钻探用复合钻柱的设计和选择具有参考意义。     

HCW-90型全液压自动猫道钻杆支架起升同步性分析

本文针对HCW-90型全液压自动猫道的钻杆支架起升过程进行研究,采用多体动力学与液压控制系统联合仿真方法,分析了钻杆支架起升液压缸动作的同步性对钻杆从支架末端运动至平台档销限位处的动态过程的影响。重点讨论了起升液压缸同步性对管体空间位姿、动力学参数、管体运动至终了处与档销碰撞过程。进一步分析了管体受到限位后趋于稳定的动态过程和定位精度。此外,综合考虑管体运移的快速性、平稳性和定位准确性,对起升液压缸的液压控制系统的输入信号进行了合理调整,并在满足工作性能的前提下,提出了采用分流阀构建低成本液压控制系统的方案。     

近水平孔坑道用绳索取心钻具

针对国内目前将地面绳索取心钻具用于坑道内施工效果不佳的问题,研制了一种坑道专用绳索取心钻杆,该钻杆具有捞矛头持心装置、弹卡复合定位机构、快断机构的内外管总成及水力输送器、水力打捞器及通缆式水接头等附属装置。现场实验证明,该钻具成功解决了地面用绳索取心钻具不适宜进行近水平孔坑道内取心钻探施工的现状。      

煤矿用钻杆螺纹的研究现状及展望

钻杆是煤层瓦斯抽采、探放水和地质勘探等钻孔施工的主要装备之一。由于钻杆受力情况及使用环境复杂，使得因钻杆螺纹失效而导致钻孔孔内事故屡见不鲜。按不同结构分类方式，详细介绍当前煤矿用钻杆螺纹结构特点；总结螺纹应力分布和螺纹失效原因分析的研究现状，螺纹应力分布的研究方法主要有解析法、有限元法和试验法，螺纹失效主要原因包括疲劳破坏、脆断和粘扣等。同时分析了钻杆螺纹在设计、生产过程中存在的问题，包括基础研究不到位、制造技术滞后和钻探新技术对螺纹结构提出更高需求。并结合石油钻杆API螺纹和特殊螺纹的技术现状，探讨煤矿用钻杆螺纹的发展方向，包括开展大直径钻杆螺纹研究、开发煤矿用特殊螺纹、优化螺纹牙受力分布、研究动态循环复合载荷试验方法评判钻杆螺纹的性能等。      

φ73 mm×5 mm薄壁摩擦焊绳索取心钻杆的研制

介绍了国内绳索取心钻杆和摩擦焊技术的现状。通过对3种深孔绳索取心钻杆连接结构和生产过程的对比,分析了薄壁摩擦焊绳索取心钻杆用于深孔钻探的优势。介绍了φ73 mm×5 mm薄壁摩擦焊绳索取心钻杆的结构设计和加工过程,提出了焊接过程的主要技术问题和注意事项。通过拉力扭矩试验得出钻杆主要技术参数,能承受的最大拉力580 kN,最大扭矩5500 N·m,建议使用深度2000～3000 m。     

深海底钻机自动接杆卸杆储管机构

本文介绍了一种深海底使用的钻杆钻具储管机构的工作原理和结构特点。按照深海底钻孔工艺,设计了自动接杆、卸杆、存储机构。这一种机构采用两个单排转笼式储管架,分别存放钻杆和钻具管组件。每一个储管架各配备一双机械手,用于夹持钻杆和钻具在孔口位和储管架管口位之间的移送和卡紧定位。该机构可靠性高,取心率高,结构简单,方便操作。     

“生物钻杆”—仿竹材料和结构对于提高钻杆韧性的设想

本文首先分析了钻杆的受力情况和失效机理,综述了仿竹材料和结构的发展现状,最后提出了利用仿竹材料(纤维)和螺旋结构来提高钻杆韧性的设想且给出了部分现阶段可实施建议,即对现有钻杆材料进行纤维改性或者碳纤维上面镀钢,同时改变钻杆壁的一些结构(外厚内薄的多层仿竹纤维以不同升角分布)。     

3500 m钻机移摆管设计及动力学仿真研究

随着我国探矿深度不断增加,钻探设备的尺寸不断加大,操作人员的劳动强度也在增加。基于此,3500 m液压岩心钻机需要适配一套移摆管装置,以实现快速、安全地运移钻杆,降低工人的劳动强度。对移摆管机构的设计进行了简单介绍,并利用ADAMS动力学仿真软件对移摆管机构进行运动仿真,找出设计的不足之处,给出优化建议。     

石油钻杆接头水基淬火的研究

对石油钻杆接头水淬热处理技术进行了研究分析。介绍了水基淬火和油基淬火后石油钻杆接头的硬度、硬度均匀性的对比试验;不同条件下的淬火液对钻杆接头冷却速度的影响。研究表明,水基淬火方式能更好地提高钻杆接头马氏体化程度,从而提高淬火质量。     

自动化智能化地质岩芯钻探技术装备研发与应用

为解决5000 m地质岩芯钻探基础准则与依据缺失问题，提高钻探装备的自动化、智能化水平，启动了5000 m智能地质钻探技术装备研发工作，通过钻机装备、钻探器具研制，钻探工艺技术研究并经试验示范验证，取得多项创新成果，形成了5000 m地质岩芯钻探技术体系。通过特深孔钻孔口径与管柱规格优化研究、钻杆规格设计、装备性能参数选配，形成了5000 m地质岩芯钻探技术规范体系；基于5000 m特深孔地质岩芯钻机、孔口自动化作业装置等关键设备研制，实现了绳索取芯钻进的孔口作业全流程自动化，形成了轻量化钻机孔口管柱柔顺控制技术；基于复杂地层孔内工况判别、钻进参数优化与轨迹优化控制等技术问题研究，形成了多源信息融合的地面与孔底一体化钻进过程智能控制技术；基于高性能薄壁绳索取芯钻杆和系列小口径高效钻具研制，形成了大深度绳索取芯系列钻杆钻具技术；研发了耐高温环保型冲洗液、生物破胶废浆处理技术、“广谱型”双浆堵漏技术，形成了绿色环保型冲洗液体系与护壁堵漏技术。     

自动化智能化地质岩芯钻探技术装备研发与应用

为解决5000 m地质岩芯钻探基础准则与依据缺失问题，提高钻探装备的自动化、智能化水平，启动了5000 m智能地质钻探技术装备研发工作，通过钻机装备、钻探器具研制，钻探工艺技术研究并经试验示范验证，取得多项创新成果，形成了5000 m地质岩芯钻探技术体系。通过特深孔钻孔口径与管柱规格优化研究、钻杆规格设计、装备性能参数选配，形成了5000 m地质岩芯钻探技术规范体系；基于5000 m特深孔地质岩芯钻机、孔口自动化作业装置等关键设备研制，实现了绳索取芯钻进的孔口作业全流程自动化，形成了轻量化钻机孔口管柱柔顺控制技术；基于复杂地层孔内工况判别、钻进参数优化与轨迹优化控制等技术问题研究，形成了多源信息融合的地面与孔底一体化钻进过程智能控制技术；基于高性能薄壁绳索取芯钻杆和系列小口径高效钻具研制，形成了大深度绳索取芯系列钻杆钻具技术；研发了耐高温环保型冲洗液、生物破胶废浆处理技术、“广谱型”双浆堵漏技术，形成了绿色环保型冲洗液体系与护壁堵漏技术。     

金刚石绳索取心钻杆接头螺纹的优化研究

金刚石绳索取心是一种高效优质、快速经济、应用广泛的钻探技术。我国绳索取心钻杆螺纹强度低,使用寿命短,钻杆折断事故时有发生,不能满足深孔钻进的需要。以接触非线性有限元理论为基础,运用大型通用有限元分析软件研究了钻杆接头螺纹螺距及螺纹长度等参数对螺纹强度的影响规律,并实现了对螺距和螺纹长度等的优化。研究结果表明,适当增大螺距及螺纹总长度,可以有效改善接头螺纹内部的应力分布状态,优化后的接头螺纹整体强度提高约15.4%。     

基于单目视觉的钻杆位姿识别技术研究

钻杆自动装卸技术作为智能钻探装备领域的关键技术,制约着煤矿井下钻探装备的自动化和智能化发展,现有钻杆自动装卸系统主要依靠机械结构和接近开关进行定位,存在定位精度差自动化程度低的问题。针对此问题,提出一种基于单目视觉技术的钻杆位姿识别算法,利用摄像机拍摄含有合作目标的图像,解算摄像机与合作目标之间的相对距离和姿态,通过固定坐标变换,推导钻杆相对于机械手的位姿,引导机械手进行钻杆自动装卸。首先,确定系统总体方案,利用小孔成像原理和张正友标定法建立摄像机成像数学模型,求解摄像机内外参数;然后,使用棋盘格标定板作为被测钻杆的合作目标,根据小孔成像模型和空间成像关系,建立空间任意平面的单目测距模型,计算得到相机光心与合作目标点的距离;最后,通过摄像机成像模型得出合作目标的姿态矩阵,结合摄像机内外参数,经坐标转换求解得到合作目标在世界坐标系中的姿态矩阵,再通过固定坐标变换完成钻杆位姿识别。为验证算法准确性,在室内进行了钻杆位姿识别试验,试验中对每张现场图片进行重复测距与姿态估计,结果显示钻杆距离识别偏差在0.12%之内,钻杆姿态识别偏差在1.08%之内,满足钻杆自动装卸精度要求。试验结果表明,基于单目视觉技术的钻杆位姿识别算法真实有效,利用该算法可实现钻杆定位智能识别,提高钻杆自动装卸精度和钻探装备的智能化水平。