螺杆钻具壳体联接螺纹的强度分析及优化

发布时间：2017-11-12 11:38

  本文关键词：螺杆钻具壳体联接螺纹的强度分析及优化

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【摘要】：本文针对当前螺杆钻具失效问题,以壳体联接螺纹为研究对象,从钻具振动入手,对于螺纹参数优选问题展开研究。螺杆钻具被称为定排量马达(PDM),它是一种容积式井下动力钻具,主要包括以下几部分：旁通阀、马达总成、万向轴总成和传动轴总成等。工作原理是将高压钻井液压入马达,使其旋转,从而驱动钻头钻进,这一过程是高压钻井液压力能转化为机械能。与其他动力钻具相比,螺杆钻具本身的结构特点及性能优势决定着其应用范围广、效率高、操作简单等优点。目前,螺杆钻具失效概率居高不下,钻具振动较大,钻具联接螺纹断裂时有发生。因此,对于螺杆钻具失效问题的研究非常有必要。螺杆钻具失效类型主要有：壳体断裂、定子橡胶失效、联接螺纹断裂等,多半都是疲劳引起的失效,现如今针对螺杆钻具联接螺纹疲劳寿命及可靠性的研究,还有许多方面要完善,如在联接螺纹寿命计算中将环境载荷及材料性能等看作为常值而不是服从分布的变量,得出寿命值为一固定值；对螺杆钻具联接螺纹寿命的可靠性研究仅限于数据统计和理论计算上,并没有从其振动冲击动态响应方面进行分析研究。因此螺杆钻具联接螺纹强度与寿命可靠性方面研究还需进一步完善。国内外大量钻井现场显示,螺杆钻具联接螺纹的疲劳破坏主要存在两种失效形式：疲劳断裂和牙齿剪切失效,一般来说最大应力出现于公扣和母扣的最后几牙螺纹附近,螺纹多从此处开始出现裂纹而发生断裂。螺杆钻具壳体承受复杂的交变弯曲应力,由于钻具壳体比其联接螺纹的刚性大,所以应力集中在联接螺纹上,因此极易发生联接螺纹疲劳断裂。本文针对螺杆钻具壳体联接螺纹结构问题展开分析,分别从螺纹失效、钻柱力学、钻具振动、螺纹强度等几个方面分析问题。查阅国内外相关文献资料,首先了解到螺纹失效类型、失效机理,从螺杆钻具失效问题中得到其联接螺纹失效的原因,分析可能导致此类失效的静态或动态特性,然后通过对钻柱力学和钻具振动的了解,钻具联接螺纹主要受到钻柱动态载荷的作用。因此在分析螺纹结构强度问题之前,必须对于钻柱力学和振动问题进行分析,以得出螺纹强度分析的初始条件。通过对钻柱力学的分析模拟复杂的钻柱系统的实际受力状态,简化力学数学模型,以提出假设条件,为钻柱建模分析提供了理论支撑。钻具振动是导致钻具失效的主要原因,在研究螺纹结构之前必须对钻具振动机理及其求解方法进行较为细致的研究,文中列举了多种求解方式,提出较为合理的假设条件,强调了纵向振动对钻柱的寿命影响最大,然后根据实际钻具组合建立了钻柱纵向振动模型,借助于有限元分析软件对钻具组合进行受迫振动分析(谐响应分析),初步得出了钻柱振动规律与特征,同时也为螺杆钻具壳体联接螺纹强度分析提出了初始载荷条件。本文以φ244螺杆钻具为研究对象,对其壳体联接螺纹结构分别从牙型角、螺距、锥度等参数的不同来优选出最佳设计,借助于有限元分析软件进行螺纹几何建模,定义合理边界条件,加载求解分析,提取数据结果(所有齿根位置等效应力、轴向应力,危险点应力值和最大接触应力值等)。文中针对大量方案组合分析出的庞大结果数据,首先采用正交设计方案三因素三水平进行分析,以减少对三种因素的细化分析方案,然后运用正交数据分析方法(均值化、极差法)进行结果数据整理,在效应折线图上可较为明显地看出各因素各水平的变化特征,进而优化各因素的水平值。最后分别对螺纹锥度和牙型角进行结构细化设计建模,分析所得结果数据同样运用正交数据分析方法(均值化、极差法)进行整理,分析各自对螺纹强度的影响规律,优选出最佳螺纹扣型。经过本文的分析研究,对钻具振动和螺杆钻具联接螺纹强度的影响规律有了更进一步的了解和认识。文中主要针对目前螺杆钻具壳体联接螺纹失效率居高不下的实际问题,对螺杆钻具壳体振动响应分析,得出动态载荷的特征及规律,然后进行螺纹副强度分析研究,得出螺纹副动态应力变化特征,以优选出最佳螺纹参数,降低螺杆钻具联接螺纹的故障率,对于提高油田开发整体经济效益及油田持续发展具有重要的意义。本文虽然做了一定量的方案分析,但还处于初步探索阶段。主要体现在：(1)在方法理论的运用上,提出了许多假设条件；(2)在影响因素和水平值的选择上,仅仅考虑了较少部分；(3)评价体系的判别标准不充分且较不确切。因此需要进行下一步的深度研究,以得出更加全面且直观的分析结论。
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE921

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本文编号：1175773