天然氣水合物鉆探取樣保真系統(tǒng)力學(xué)行為數(shù)值研究.pdf

1、深海天然氣水合物的無擾動保真取樣是通過大尺寸繩索取樣專用鉆柱帶動刮刀鉆頭旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的。鉆探取樣過程中,鉆柱的安全可靠性以及鉆頭對水合物巖層的擾動情況直接關(guān)系到能否成功獲取海底天然氣水合物實(shí)物樣品。論文結(jié)合課題組多年對天然氣水合物取樣設(shè)備的研究成果,主要運(yùn)用數(shù)值模擬及理論計(jì)算的方法對天然氣水合物保真取樣系統(tǒng)的力學(xué)行為進(jìn)行深入研究。
　　 論文首先對大尺寸繩索取樣專用鉆柱進(jìn)行靜態(tài)有限元分析。在忽略動態(tài)因素的前提下,對鉆柱進(jìn)行受力和變形

2、分析,找出鉆柱應(yīng)力集中部位,即危險(xiǎn)截面。并分析了扭矩、鉆壓、轉(zhuǎn)速等因素對鉆柱受力的影響,得出鉆柱等效應(yīng)力變化規(guī)律及撓度變形情況。
　　 論文在忽略鉆頭幾何尺寸的前提下,對鉆柱的振動模態(tài)進(jìn)行分析,得到鉆柱振動的前10階固有頻率,確定鉆柱發(fā)生共振的臨界轉(zhuǎn)速,并分析鉆柱壁厚、鉆鋌長度對固有頻率的影響,為防止鉆探取樣過程中鉆柱發(fā)生共振提供理論依據(jù)。
　　 論文在考慮慣性力和阻尼作用的影響的基礎(chǔ)上,對鉆柱進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析,研究鉆

3、柱在隨時(shí)間變化的載荷下軸向位移隨時(shí)間變化的規(guī)律,并分析了轉(zhuǎn)速對橫向波動范圍的影響。
　　 論文通過設(shè)置鉆頭與水合物地層之間的剛-柔接觸模擬取樣過程,對取樣過程中鉆頭對水合物地層的擾動情況進(jìn)行了模擬分析。研究鉆探取樣過程中鉆頭對水合物巖層的擾動率,并提出減小擾動的措施。
　　 最后,論文對鉆探取樣過程進(jìn)行瞬態(tài)熱應(yīng)力分析。在天然氣水合物鉆探取樣過程中,由于鉆頭與天然氣水合物地層之間存在切削摩擦作用,會產(chǎn)生大量的熱能,摩擦熱量