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.     

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。     

螺杆钻具壳体连接螺纹结构性能分析与优化

考虑螺纹牙和基体的弹性变形,根据受力平衡方程和变形协调方程,构造线性方程组,建立了连接螺纹接头载荷分布特性的理论计算方法。采用迭代的方法,完成了全尺寸连接螺纹螺距P的优化,结果表明,针对连接螺纹螺距的优化极大地改善了螺纹牙载荷分布极度不均的现象,实现了螺纹牙均匀承载的变螺距结构设计。应用有限元分析方法分析了上扣扭矩状态下参数影响,结果表明,螺距P、牙高h等牙型参数全尺寸变化对提高强度性能效果不大,而降低前端几扣高度可以小幅提高连接螺纹接头的强度,但发生粘扣的风险却成倍增加。分析了外螺纹剪应力槽结构对连接螺纹性能的影响,并完成了相应参数优化。扭弯复合载荷作用下的连接螺纹接头应力分析表明,在产生弯矩的载荷作用下外螺纹受拉侧应力升高、受压侧应力降低,内螺纹则相反,环向Mises应力呈余弦函数分布。     

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。     

油套管特殊螺纹球面对锥面密封结构的弹塑性接触应力分析

基于Hertz接触应力和Mises屈服准则建立了考虑密封面附加作用扭矩的特殊螺纹球面对锥面密封结构的弹塑性接触应力理论模型,研究了密封面附加作用扭矩对密封面接触应力分布的影响规律.结果表明:随密封面附加作用扭矩的增加,密封面接触状态逐渐从完全弹性接触转变为弹塑性接触,接触应力分布逐渐由开口向下的抛物线向抛物线杯形转变,...     

非牛顿重载滚滑工况有限长线接触热弹流研究

在流速主矢量方向使用Eyring流变模型,用多重网格法求出接触压力高达1.04 GPa的相交圆弧修形滚子的热弹流完全数值解.研究表明:随着Eyring流体非牛顿效应的增强,有限长线接触弹流二次压力峰的高度明显降低,每次工作循环中摩擦副受第二次高压的强度减小;热效应显著减弱,有助于防止由热效应导致的各种形式的失效;最小油膜厚度略有增加,有利于润滑膜的形成.因此,使用Eyring非牛顿流体有利于延长线接触副的寿命.与此同时,使用Eyring非牛顿流体时,非牛顿效应对滚子端部的压力分布影响很小,因此Eyring非牛顿效应对有限长摩擦副的凸度设计无明显影响.     

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.     

微动频率对钢丝拉扭复合微动腐蚀疲劳行为影响研究

拉扭复合微动腐蚀疲劳是深井提升钢丝绳主要失效形式之一,深井提升钢丝绳振动频率决定钢丝间微动频率,直接影响钢丝拉扭复合微动腐蚀疲劳机理和损伤程度,进而制约深井提升钢丝绳服役安全性. 本文作者通过自制钢丝拉扭复合微动腐蚀疲劳试验机开展了酸性电解质溶液中钢丝拉扭复合微动腐蚀疲劳试验,通过钢丝切向力-位移幅值和扭矩-扭转角滞后回线分析了拉扭复合微动腐蚀疲劳过程中钢丝间接触状态及轴向和扭转方向钢丝耗散能,运用扫描电子显微镜和三维白光干涉表面形貌仪考察了拉扭复合微动腐蚀疲劳过程中钢丝磨痕形貌和磨损深度轮廓特性,采用X射线三维成像系统揭示了钢丝拉扭复合微动腐蚀疲劳裂纹扩展演化规律,通过电化学分析仪分析试验后钢丝Tafel极化曲线和阻抗谱以探究钢丝电化学腐蚀倾向和耐腐蚀性,揭示了微动频率对拉扭复合微动腐蚀疲劳过程中钢丝间接触状态、钢丝耗散能、微动磨损机理、疲劳裂纹扩展演化和疲劳寿命、电化学腐蚀倾向和耐腐蚀性的影响规律. 结果表明:在拉扭复合微动腐蚀疲劳过程中,随着微动频率的增加,钢丝间由完全滑移和部分滑移混合状态变为完全滑移状态,钢丝扭矩-扭转角滞后现象削弱,钢丝切向力-位移幅值和扭矩-扭转角滞后回线对应的耗散能均总体降低,钢丝间摩擦系数和钢丝磨损深度均降低,钢丝磨损机理均为磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损,钢丝最大裂纹深度和裂纹扩展速率均降低,疲劳寿命增加,钢丝电化学腐蚀倾向下降和耐腐蚀性增强.