【摘 要】
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环境科学钻探主要是在松散软、欠固结的湖泊相沉积盆地内获取岩心样本,要求取心连续、无污染、无扰动,保持岩心的原状性。因此,设计一种在松散软地层中能够有效保护岩心的新
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环境科学钻探主要是在松散软、欠固结的湖泊相沉积盆地内获取岩心样本,要求取心连续、无污染、无扰动,保持岩心的原状性。因此,设计一种在松散软地层中能够有效保护岩心的新型取心钻具,对于环境科学钻探大有裨益。本文首先对钻进松散软地层岩心进入岩心管时的受力进行建模,通过力学模型分析对比各种常用钻具对于岩心的破坏或保护作用。结果表明采用主动活塞结合单动三层管钻具取心钻进时,对于岩心原状性的保护效果最为显著。结合力学分析的结果,本文提出主动活塞抽吸式取心钻具的总体方案,并确定其由四个部分组成:(1)动力源。考虑到钻具在井下工作,外形尺寸受到限制,且要对运行速度进行精确控制,动力源选择为蓄电池加直流减速电机;(2)运动执行机构。运动机构为实现活塞体上行的机构,本论文分别提出了牵引式、泵吸式以及改进摩擦轮式等三种运动执行方案,并分别对其进行了结构设计及仿真装配;(3)控制系统。控制系统的作用是控制活塞体在岩心管中上行的速度,本论文采用压力传感器加电机调速模块的方式来实现这一目的;(4)活塞体。活塞体即活塞钻具的主体,其作用是容纳传动机构和电机电源等,并在岩心管中形成密封,本文针对不同传动方案对其进行了分别设计。在对方案进行了详细设计之后,加工了原理样机,并开展了相关的室内试验。通过对样机运行状态的观察、对活塞运行时提供的拉力的测定、对活塞运行速度的测定以及对活塞抽水能力的相关测定,综合考察了设计的主动活塞钻具的性能,并找出设计的不足加以改进。通过试验观察以及对得到的数据的分析,本文设计的改进摩擦轮式主动活塞钻具、泵吸式主动活塞钻具,均能产生一定的抽吸效果,但其产生的抽吸力过小;而牵引式主动活塞钻具,能够提供足够的抽吸力和抽吸速度,满足设计要求,在取心过程中将对岩心提供抽吸力,提高环境科学钻探取心质量和取心效率。
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