顶驱中心管螺纹的力学性能研究

顶驱中心管螺纹连接可靠性直接决定了钻井作业的效率,为降低事故发生率,有必要对中心管螺纹的力学性能和连接强度进行研究。基于弹塑性力学理论、虚功原理、Von Mises屈服准则、中心管材料本构模型试验研究结果,建立了二维轴对称有限元模型,获得了中心管螺纹接头的应力分布规律,通过钻具接头胀扣试验验证了有限元分析结果的可靠性。结合现场失效的管螺纹,分析了在紧扣圈数、轴向载荷工况下的应力分布以及管体变形情况。结果表明,过大的预紧载荷和轴向拉力易引起螺纹牙粘扣和管体剧烈变形。在此基础上对不同预紧状态和摩擦系数下的接头进行了分析,考察其在复合载荷作用时对应力分布的影响规律,得出其对牙体断裂风险、滑脱失效及抗粘扣性能等具有极大的影响。     

5-1/2 FH钻杆接头极限承载能力研究

随着超深井、定向井、水平井、大位移井及大斜度井在石油钻井工程中的广泛应用,由井下复杂工况引起的钻杆接头过早失效问题日益突出,导致钻井周期增长,成本增加,成为制约钻井工程效益的主要因素之一.近年来,不少学者对钻杆接头进行了大量研究,多数采用二维轴对称模型,少数采用三维力学模型,但并未同时考虑螺纹升角和井眼弯曲作用等因素的影响,而钻杆接头的极限承载能力研究更是鲜见报道.针对上述问题,基于虚功原理、von Mises屈服原则及接触非线性理论,同时考虑螺纹升角和井眼弯曲作用,建立了钻杆接头的三维数值仿真模型与井眼曲率到加载弯矩的转换模型,研究了钻杆接头的上扣特性、井眼曲率对连接强度和密封性能的影响,考虑预紧力、弯曲载荷及动载安全系数,计算了钻杆接头的极限工作拉力和极限工作扭矩.研究结果表明:上扣扭矩使钻杆接头产生一定的初始接触压力,保证钻杆接头井下作业过程中的连接强度与密封性能;井眼曲率对钻杆接头井下作业过程中的连接强度与密封性能影响极大,常见的某些工况会导致钻杆接头的连接强度和密封性能丧失,考虑服役时的随机振动与冲击,常规的超深井、水平井、定向井、大位移井及大斜度井弯曲段钻杆接头的设计和选型应着重考虑井眼曲率的影响;针对设计的每种钻杆接头,都应考虑常见的井眼曲率和轴向拉伸载荷进行极限工作拉力和极限工作扭矩的精细化数值计算,以确保其安全工作.     

钻杆接头表面裂纹的断裂性能研究

定向井的钻井作业中,受到最大拉力的井口附近以及交变弯矩作用的造斜段是钻杆发生断裂的危险范围;接头螺纹及加厚过渡段的截面形状变化比较大,结构复杂,是疲劳裂纹产生的最主要的区域。以API NC50钻杆接头为例,建立了公螺纹根部含半椭圆表面裂纹的接头有限元模型,通过研究拉力、弯矩分别作用下裂纹前缘的断裂性能发现:公螺纹中完整啮合第一扣的根部最容易产生疲劳裂纹;拉力作用下量纲为一的应力强度因子大于弯矩单独作用的情况。另外,得到了螺纹根部裂纹扩展至不同深度的临界形状比,拟合出拉力和弯矩分别作用下量纲为一的应力强度因子随着裂纹扩展的变化规律,为研究位于井口附近以及造斜段的钻杆接头螺纹的疲劳寿命提供依据。     

一种仅副台肩的新型钻井工具接头的研制与应用

针对钻具API接头和双台肩接头的外台肩外径较大,导致钻具与井眼环形空间变小,严重限制钻井专用工具和仪器开发的问题,研制了一种仅副台肩的51/2"FH新型钻具接头。该接头通过取消外台肩结构,减小接头对接部分外径,可以为专用工具和仪器的设计预留空间。基于弹塑性有限元分析和实验测试结果表明:该仅副台肩的新型钻井工具接头设计是可行和可靠的,其静态抗拉强度大于450t,抗扭强度大于60k N·m。另外,本文还给出了该接头推荐工作扭矩和极限工作扭矩。以该接头为基础研制的防磨减扭工具现场应用结果表明:该仅副台肩接头单套工具最长入井时间超过1000h,纯钻时间达到700h以上,工作最大拉力达到220t,最高扭矩45k N·m,其安全性和防磨减扭性能够满足深井、大位移井高扭矩、大摩阻工况对钻井工具高强度的要求。     

超高速微转子系统磨损特性的研究

针对高速旋转微电机中典型的转子轴衬摩擦磨损问题,以半球形轴衬为研究对象,提出了1种描述其磨损过程的线性滑动磨损模型,建立了半球形轴衬-极板接触有限元模型,分析微转子轴衬的磨损特性和轴衬-极板接触副的接触动力学特性,研究接触副几何结构参数和操作参数对微转子系统磨损特性的影响.结果表明:在MEMS微转子系统中,微转子轴衬偏心距离和转子轴衬半径影响线磨损率,以两者减至最小为较理想,但须注意设计中轴承半径的限制,并使轴衬偏心距离大于轴承内半径;在转子加工制造许可的范围内,可以通过调整转子轴衬的半径和偏心距离来减少摩擦磨损对微电机的影响,随着转子所承受载荷和转子旋转速度的增加,其磨损严重;接触区的应力分布不同于经典Hertz解,这是由于应力集中出现在不连续的曲率线上,且接触区的接触压力呈现轴对称抛物线状分布.该模型可用于预测微转子轴衬的磨损与接触状况,分析微转子系统的磨损特性.