声频振动钻进系统共振机理及能量传递规律研究

The sonic drilling system is driven by the high-speed hydraulic motors and made the soil liquefaction which can acquire the highly efficient sample in the sedimentary formation. It can be used widely in the enviroment drilling engineering, mineral resources, engineering exploration and etc. The drilling and coring technology are put forward based on the research of the energy propagation behaviors in drilling tools and strata. Firstly, energy fluctuation models of every section of drilling subs are established by using the one-dimensional stress wave theory. Secondly, after the kinetics characteristics and liquefaction mechanisms of medium sand, clay and gravel layer are cleared, the shear and failure mechanism by the coring bit are set up by the variable stiffness, variable damping, vibration friction and other boundary conditions. Thirdly, the structural parameters of drilling tools, drilling parameters and vibration parameters are optimizated by using the whole energy propagation model from the sonic vibration head, drilling tools to the sedimentary formation. Finally, Then the drilling and coring technology are formed in the typical sedimentary formation.

声频振动钻进由液压马达驱动钻具系统共振产生能量克服地层阻力，使地层局部液化而获得连续无扰动沉积层样品，可广泛应用于环境钻探、矿产普查、工程勘查等领域。课题在开展声频钻进系统共振机理及能量传递规律研究基础上，提出声频振动钻进与取样工艺。首先，以波动力学为基础，建立钻具纵向、横向和径向三个方向的分段振动能量波动模型，优化钻具强度和结构设计；再选择砂土、粘土和卵砾石层等三种典型地层介质，在研究地层介质动力学特性和液化机理基础上，考虑不同地层对钻具的振动摩擦，确定孔中变刚度、变阻尼约束边界条件，导出钻具对地层的破坏机理；在振动头振动模型、钻具波动模型，以及钻具破坏地层模型的基础上，建立声频钻进系统整体共振模型，确定共振判据，开展多阶次多方向的振动模态分析及耦合分析；以取样质量和钻进速度为目标函数，利用该模型优化钻具结构参数、钻进参数和振动参数，为该项工艺技术的应用和推广奠定理论基础。

声频振动钻进由液压马达驱动钻具系统共振产生能量克服地层阻力，使地层局部液化而获得连续无扰动沉积层样品，可广泛应用于环境钻探、矿产普查、工程勘查等领域。课题开展声频钻进系统共振机理及能量传递规律研究，主要在钻柱振动模型、钻具-地层作用模型、振动系统优化、声频振动钻进参数优选以及成果推广应用等方面取得了一些研究进展。.首先，综合运用振动法和波动法对声频振动系统进行分析，将声频动力头视为集中质量的质点，建立了声频振动钻柱振动模型，对破岩力和破岩能量数值分析表明，共振频率越高，最大破岩力的局部峰值点也越高；随着钻进深度的加深，峰值点逐渐降低，但在工作频率范围内出现了更多的局部峰值点。随着钻进深度的加深，破岩能量利用率呈现下降的趋势；但是在较高阶的共振工作情况下，随着钻进深度的加深，破岩能量利用率会出现先增加，然后突变降低的情况，并且随着共振阶数的升高，这个突变发生的位置会相应的后延。在较低阶的共振工作环境下，破岩能量利用率相对较高。.随后，开展了钻具-地层耦合作用研究，对不同钻杆材料的破岩能力进行了数值分析，结果表明：低频和较高频域内，钢、铝合金钻杆的破岩性能都优于钛合金钻杆，其中钢钻杆产生的破岩力最大。利用ANSYS /Workbench数值分析技术，通过改变钻头外径大小，对钻具施加轴向载荷，分别与土壤、软岩、硬岩相互作用有限元分析，研究破土碎岩效果的影响。.最后，利用动力头-钻具-地层之间耦合振动分析结果，对动力头、钻杆、钻具、钻头等结构进行了优化，提出了声频振动最优工艺方法，在污染场地取样、振动注浆加固等现场进行了应用，并分析和展望了振动减阻、振动沉桩等方面的应用前景。通过本项目研究，完成了声频动力头结构优化，取得的专利成果顺利进行了应用转化（50万）。