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安全工程硕士毕业论文（热门推荐6篇） 本文简介：安全工程硕士毕业论文主要是对安全技术及工程、安全科学与研究、安全监察与管理、工作场所危险有害因素识别与检测、安全设计与生产、安全教育与培训、生产型企业职业卫生防护等方面的研究，本篇文章就为大家介绍几篇安全工程硕士毕业论文，供大家作为一个参考。安全工程硕士毕业论文热门推荐6篇之第一篇：地面瓦斯抽采钻井
安全工程硕士毕业论文（热门推荐6篇） 本文内容：
安全工程硕士毕业论文主要是对安全技术及工程、安全科学与研究、安全监察与管理、工作场所危险有害因素识别与检测、安全设计与生产、安全教育与培训、生产型企业职业卫生防护等方面的研究，本篇文章就为大家介绍几篇安全工程硕士毕业论文，供大家作为一个参考。
安全工程硕士毕业论文热门推荐6篇之第一篇：地面瓦斯抽采钻井中金属柔性套管的剪切变形特性研究
摘 要
地面钻井瓦斯抽采技术是一种高效的瓦斯抽采治理方法，但受到煤层开采的影响，钻井极易发生破坏。目前的地面钻井瓦斯抽采生产套管多采用刚性套管，刚性套管由于局部变形能力有限，在受到岩层的挤压、剪切力之后极易发生断裂造成抽采钻井的报废。本论文采用实验室试验、数值模拟相结合的方法，研究了刚性套管变形区流场的变化规律，分析了剪切变形过程中影响柔性套管剪切变形的因素，主要结论有：
采用Fluent数值模拟软件模拟了抽采套管在三种典型变形区域内的流场分布以及局部阻力系数，掌握了套管变形区流场分布及局部阻力系数变化规律：（1）不同变形形式的局部阻力系数对比表明，剪切变形套管的局部阻力系数最大，挤压变形次之，拉伸变形最小。与剪切变形相比，套管挤压变形和拉伸变形区域的局部阻力较小，可以忽略不计；（2）气体在套管拉伸变形区域流动过程中，管壁附近的气体速度方向发生改变，气体在套管挤压和剪切变形区域流动过程中，除气体流速方向改变外，还形成了涡流。
研究了套管剪切变形区过流通道的变化以及套管的不同形式、不同外径、不同剪切距离对套管剪切变形的影响，得出以下结论：（1）波纹管发生剪切变性后管壁仍然完整且有较大的过流通道，能够保持抽采通道正常运行。（2）双扣管承受的剪切荷载最大，但其管壁在很小的剪切位移下便发生破坏，不能保证管壁完整性。波纹管能够承受的剪切荷载最小，但其局部变形能力很大，原因是当发生剪切变形时，波纹管管壁沿着轴向伸展增加变形区域长度。（3）套管外径增大，双扣管最大剪切荷载减小，产生原因是双扣管的管壁结构为螺旋结构，在螺旋键宽度相同的情况下，管径越大结构稳定性越小，越容易发生破坏。剪切距离增大，三种类型套管最大剪切载荷对应的剪切位移均增大，说明剪切距离的存在会增加套管的变形能力。
采用 LS-DYNA 显式动力分析有限元程序，研究了不同类型套管在剪切变过程中应力分布规律，波纹管的不同波纹形式以及材料性能对套管变形的影响，得出的结论有：（1）波纹管波纹高度 h 增大会增大波纹管的变形能力，波纹宽度T 增大会减小套管的变形能力；（2）工程应用当中波纹管的材料可以选取较小的弹性模量，可以增加套管抗剪切变形能力。极限强度可以在 300~2024MPa 范围内选取较大的作为套管材料。
关键词：地面钻井；剪切变形；数值模拟；柔性软管；瓦斯抽采
Abstract
Surface drilling gas extraction technology is an efficient gas extraction control method, but by the influence of coal seam mining, drilling is easy to be destroyed. At present, rigid casing is used in the production casing of gas pumping production in surface drilling. Due to limited local deformation ability, rigid casing is easily broken after being squeezed by rock and shear force, resulting in scrapping of pumping drilling. In this paper, the variation of the flow field in the deformation zone of rigid casing is studied by means of laboratory test and numerical simulation, and the factors that affect the shear deformation of flexible casing in the process of shear deformation are analyzed. The main conclusions are as follows:
Through the use of Fluent numerical simulation software, the flow field distribution and local drag coefficient of the casing in three typical deformation regions are simulated. The distribution of flow field and the variation of local resistance coefficient in the deformation zone of casing are grasped: （1） The comparison of local resistance coefficient of different deformation forms shows that the local resistance coefficient of shear deformation casing is the largest, the extrusion deformation is the second, and the tensile deformation is the smallest. Compared with shear deformation, the local resistance of extrusion deformation and tensile deformation region of casing is small and can be ignored. （2） During the process of gas flow in the zone of casing tensile deformation, the direction of gas velocity near the pipe wall changes. In addition to the change of gas velocity direction, eddy current is formed during the process of gas flow in the casing extrusion and shear deformation region.
In the process of shear deformation, the change of the over-flow channel in the shear deformation area of casing and the influence of different forms, external diameters and shear distance of casing on the shear deformation of casing are studied. The conclusions are as follows: （1） The wall of corrugated pipe is still intact after shear denaturation, which can keep the pumping channel running normally. （2） The shear load of double buckle pipe is the largest. However, the integrity of the pipe wall can not be guaranteed because of the failure of the pipe wall under the small shear displacement. The corrugated tube can bear the least shear load, but its local deformation capacity is very large. The reason is that when shear deformation occurs, the corrugated pipe wall extends along the axial direction to increase the length of the deformation area. （3） The outer diameter of the casing increases. The maximum shear load of double-buckle pipe decreases because the wall structure of double-buckle pipe is spiral structure. When the width of spiral bond is the same, the larger the diameter of pipe is, the smaller the stability of the structure is, and the more easily it will be destroyed. The shear displacement corresponding to the maximum shear load of the three types of casing increases with the increase of the shear distance, which indicates that the existence of the shear distance will increase the deformation capacity of the casing.
By using the finite element program of LS-DYNA explicit dynamic analysis, the stress distribution law of different types of casing during shear deformation, different corrugated forms of bellows and the influence of material properties on casing deformation are studied. The conclusions are as follows: （1） The corrugated height of the bellows increases the deformation capacity of the bellows and the corrugated width T increases the deformation ability of the casing. （2） In engineering application, the material of bellows can select a smaller elastic modulus, which can increase the shear deformation resistance of casing. The ultimate strength can be selected as casing material in the range of 300~2024MPa.
Keyword:Surface drilling; Shear deformation; Numerical simulation; Flexible hose; Gas drainage
目 录
1 绪论
1.1 研究背景与意义（Research Background and Significance）
当前我国的能源格局为富煤、贫油、少气，以煤炭为主要能源的趋势在今后一段时间内不会发生很大的改变[1, 2].煤矿瓦斯涌出对我国煤炭安全开采产生巨大的威胁。在煤炭开采过程中一旦对瓦斯控制防范不当，及会造成大量人员伤亡的严重事故。瓦斯也是一种清洁能源，对其进行开发可有效缓解我国天然气供应量不足的局面。因此，从煤矿安全生产和资源利用的角度来看，应该对煤层瓦斯进行抽采利用。经过几十年的发展，井下穿层钻孔抽采、顺层钻孔抽采、井下巷道抽采、地面钻井瓦斯抽采等许多瓦斯抽采技术已经逐渐完善，在我国瓦斯抽放领域发挥着巨大的作用[3, 4].然而，由于我国的煤层赋存条件复杂、渗透率低等特点，在瓦斯抽采中又普遍存在着钻孔施工困难、抽采率低、抽采瓦斯成本高等难题[5, 6].中国的经济在快速增长的过程中，对煤炭的需求也在增长，这也引起了开采条件的不断恶化，表现最突出的特点为开采深度增加、瓦斯压力和瓦斯含量增大等，特别是煤与瓦斯突出灾害日趋严重[7, 8].防治瓦斯灾害和利用煤层气的方法主要为钻孔瓦斯抽采。瓦斯抽采方法有地面钻井瓦斯抽采和井下瓦斯抽采等抽采方法。井下瓦斯抽采工艺与煤炭开采工艺共同进行，只通过井下瓦斯抽采工艺解决瓦斯突出于超限问题，会降低煤炭回采速率，增加瓦斯抽采成本。
地面钻井瓦斯抽采方法是一种逐渐发展起来的新型抽采技术。地面钻井瓦斯抽采原理是：煤层开采过程中，上覆煤岩层会发生垮落、断裂和变形等，形成大量裂隙[9].在此过程中，含瓦斯煤岩体中的吸附瓦斯快速解吸，形成可以在裂隙网络中自由流动的游离瓦斯[10].同时，煤层开采的卸压效应，大幅度提高了煤层的渗透率，降低了低渗透率煤层的瓦斯抽采难度。此时在地面施工垂直钻井，钻井底部位于开采煤层上部岩层的裂隙带当中，在地面泵站运行产生的负压作用下，采空区瓦斯和临近煤岩层的卸压瓦斯通过裂隙带中的裂隙网络通道并经过抽采钻井到达地面。从而实现控制工作面瓦斯浓度和利用煤层气的目的[11, 12].对比井下瓦斯抽采工艺，地面钻井瓦斯抽采方法的特点为瓦斯抽采流量大、浓度高。且整个施工过程位于地面，对井下煤炭回采不产生任何影响，不仅可以抽采卸压区瓦斯还可以抽采采空区瓦斯。
因此，地面钻井瓦斯抽采技术是一种高效的卸压瓦斯抽采方法[13].地面钻井抽采瓦斯的过程中，由于工作面的连续回采，开采煤层上覆岩层会发生不同程度的移动与断裂，运动的岩层对地面瓦斯抽采护孔套管产生不同形式的破坏，抽采套管最主要的破坏形式有三种：拉伸、挤压、剪切破坏形式[14].受到变形破坏的钻井瓦斯抽采率会大大降低，不能充分展现出地面钻井瓦斯抽采方法的优点。套管的三种破坏形式对瓦斯抽采效率会产生不同的影响，对于何种破 坏形式造成的影响最为严重，目前还不得而知。当前对于套管变形破坏的防护措施大部分以增大套管的强度为出发点，如套管局部采用厚壁刚性防护结构和抽采井身采用双层套管结构[15, 16].这些防护措施能够增大抽采钻井套管的强度，但并不能提高套管局部变形能力。基于此本文作者所在团队发明一种柔性抽采井身结构[17],柔性金属软管作为生产套管的具体信息如图 1-1 所示。
与刚性套管相比，柔性金属软管具有局部变形能力强的特点，然而柔性金属软管作为地面钻井瓦斯抽采的生产套管的工程案例并没有相关记载，金属柔性软管在煤矿开采过程中的受力分析和变形分析没有相应的研究。因此，开展套管的破坏形式对瓦斯抽采造成的影响及柔性金属软管的受力变形分析研究十分必要，研究的相关结论对于地面抽采井的井身结构优化具有积极的参考价值和借鉴意义。
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1.2 国内外研究现状
1.3 主要研究内容及技术路线
2 套管变形形式对钻井抽采效果的影响特征分析
2.1 地面钻井套管典型的变形形式
2.2 钻井套管变形特征参数
2.3 套管变形区气体流动数值模拟
2.4 数值模拟结果
2.5 本章小结
3 金属柔性套管剪切变形行为的试验研究
3.1 试验系统介绍
3.2 套管剪切试验方案
3.3 试验步骤
3.4 柔性套管剪切试验结果分析
3.5 本章小结
4 金属柔性套管剪切力学特性的数值模拟研究
4.1 数值模拟软件
4.2 确定材料参数
4.3 数值计算模型的建立
4.4 数值模拟结果分析
4.5 本章小结
5 结论与展望
5.1 主要结论（Main Conclusions）
地面抽采套管多为刚性套管，刚性套管由于局部变形能力有限，在受到岩层的挤压力、剪切力之后极易发生断裂造成抽采钻井的报废，从而影响地面钻井的服务年限。本文首先采用 Fluent 数值模拟软件模拟了抽采套管在三种典型变形区域内的流场分布以及局部阻力系数，掌握了套管变形区流场分布及局部阻力系数变化规律；然后构建了柔性套管剪切试验系统，研究了套管剪切变形过程中过流通道的变形特征和面积的变化，以及不同形式、不同外径、不同剪切距离对套管剪切变形的影响，总结分析出变形能力最强的柔性软管；最后采用 LS-DYNA显式动力分析有限元程序对三种不同类型套管进行数值分析，研究了不同类型套管在剪切变形过程中应力分布规律以及变形机理，以及不同的波纹形式和材料参数对波纹管剪切变形的影响。取得的主要结论如下：
（1）拉伸变形、挤压变形和剪切变形的特征参数分别为套管变形区域横截面的缩颈比 s、椭圆离心率 e 和套管相对移动量 x.拉伸变形的局部阻力系数与缩颈比的变化呈负指数相关，挤压变形和剪切变形的局部阻力系数分别与椭圆离心率和套管相对移动量的变化呈正指数关系；
（2）不同变形形式的局部阻力系数对比表明，剪切变形套管的局部阻力系数最大，挤压变形次之，拉伸变形最小。与剪切变形相比，套管挤压变形和拉伸变形区域的局部阻力较小，可以忽略不计；
（3）剪切位移等于套管外径情况下，薄壁管在变形区出现裂缝，波纹管在剪切变形后管壁仍然完整，没有产生裂纹；此时双扣管管壁已完全失去完整性。通过计算可知薄壁管过流通道面积为 339.66mm2,波纹管过流通道面积为1034.75mm2.相比之下可知波纹管剪切变形后仍有较大的过流通道，能够保持抽采通道正常运行；
（4）套管外径增大，薄壁管和波纹管的最大剪切荷载增大，双扣管最大剪切荷载减小。原因是双扣管的螺旋键之间形成了一种自锁结构，在螺旋键宽度相同的情况下，管径越大结构稳定性越小，越容易发生破坏。剪切间距增大，三种类型套管的最大剪切荷载均减小，根据梁的挠曲方程可知，挠度相同时套管的剪切载荷与剪切距离呈反比关系，即剪切距离增大，套管的剪切载荷减小。剪切距离增大，三种类型套管最大剪切载荷对应的剪切位移均增大，说明剪切距离的存在会增加套管的变形能力。
（5）双扣管可承受更大的剪切荷载，但其管壁结构易发生失稳破坏，以剪切变形为主的情况下不适用。波纹管能够承受的剪切荷载最小，但其变形后有较大的过流通道且有完整的壁面结构，局部变形能力强，相比较之下适合用于以剪切变形为主的情况。 （6）波纹管波纹高度 h 增大，套管失效位移增大；波纹宽度 T 增大，套管失效位移减小。工程应用当中，可选择波纹宽度小、波纹高度大的波纹管作为瓦斯抽采生产套管；
（7）工程应用当中，套管材料可以选取较小的弹性模量，可以增加套管抗剪切变形能力。材料极限强度在 300-2024MPa 范围内，提高极限强度可以增加套管剪切位移，极限强度超过 2024MPa 以后，套管剪切位移提高并不明显。因此，工程应用当中可以在极限强度为 300-2024MPa 范围内选取较大的套管材料。
5.2 创新点（Innovation Points）
本文的主要创新点为：
（1）采用 Fluent 数值模拟软件模拟了抽采套管在三种典型变形区域内的流场分布以及变形区域内流体的局部阻力系数，掌握了套管变形区流场分布及局部阻力系数变化规律；
（2）分析了不同类型套管剪切变形过程中过流通道的变化规律，分别研究了不同形式、不同外径、不同剪切距离对套管剪切变形的影响，总结分析出变形能力最强的柔性软管。
5.3 研究展望（Expectation of Future Study）
本论文在前人的优秀研究成果的基础之上，构建了柔性套管剪切试验系统，从实验室试验的角度研究了柔性套管的剪切变形规律，通过数值分析研究了抽采套管在三种典型变形区域内的流场分布以及局部阻力系数以及不同类型套管在剪切变形过程中应力分布规律以及变形机理。但在以下方面需进一步的深入研究：
（1）可供选择的金属柔性套管种类太少，并且只考虑了金属类套管，没有考虑非金属套管，在以后的研究当中，可以适当考虑其他种类套管。
（2）受柔性金属软管型号限制，套管外径的变化对剪切变形的影响数据太少，后期研究要增加此部分试验数据。
（3）本文对柔性套管进行了在剪切变形过程中的力学特性分析与研究，但没有对柔性套管进行单轴拉伸试验，缺少拉伸试验分析与研究。
参考文献
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