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不压井作业双向自锁卡瓦接触分析及参数优化

发布时间:2018-01-19 18:41

  本文关键词: 不压井卡瓦装置 卡瓦牙板齿 非线性接触 代理模型 结构优化 出处:《吉林大学》2017年硕士论文 论文类型:学位论文


【摘要】:为了适应我国各种复杂地层油气田的开发,不压井作业采油和钻井深度不断加深,动力卡瓦装置的性能直接影响到钻井设备的作业效率。因此研究不压井双向自锁卡瓦结构并对卡瓦牙板齿进行优化设计,对保证不压井作业安全性、提高钻井效率具有很大的社会和经济价值。本文通过对双向自锁卡瓦的研究,讨论分析了卡瓦牙板齿结构参数及其接触应力分布规律,并做了双向自锁卡瓦承载试验,最后对双向自锁卡瓦牙板齿结构进行了优化设计。所包含的主要内容如下:(1)通过查阅相关国内外文献,综述了动力卡瓦国内外应用和研究现状。介绍了不压井作业提升装置的工作原理和三种动力卡瓦装置的方案,分析了新型双向自锁卡瓦装置结构特点,并对卡瓦牙板齿的主要参数进行了初步设计。(2)建立卡瓦管柱接触有限元模型,基于有限元法分析了卡瓦牙板齿的接触应力,结果表明卡瓦牙板齿的接触应力在周向呈现“正弦曲线”,而轴向分布很不均匀,最大接触应力发生在中间,两边接触应力较小。最后分析了不同承载工况下和不同卡瓦牙板齿材料分别对卡瓦牙板齿接触应力的影响。(3)搭建了双向自锁卡瓦承载测试试验台,采用有限元模型与试验结合的方法来进行分析研究,并对仿真结果与试验结果进行了对比。结果表明在四种承载工况下,卡瓦牙板边缘测点应力变化规律基本一致,有限元模型计算结果与现场测试结果吻合较好,卡瓦牙板齿测试结果与仿真结果误差基本满足工程分析要求。证明了本文提出的基于有限元法的卡瓦管柱接触计算方法的准确性。(4)提出构建不压井作业双向自锁卡瓦牙板齿代理模型方法,通过使用优化的拉丁超立方设计卡瓦牙板齿代理模型的试验方案,分别采用Kriging方法、RBF方法和RSM方法构建卡瓦牙板齿代理模型,并对比分析三者代理模型的误差精度。结果表明构建的RBF模型更适合做为双向自锁卡瓦牙板齿的代理模型。最后基于RBF模型应用MIGA优化算法对双向自锁卡瓦牙板齿,以卡瓦轴向承载均匀系数最小为优化目标,限制卡瓦牙板齿的齿间距、齿顶角、包角为设计变量进行优化。将优化前后结果进行对比分析。结果表明优化后的双向自锁卡瓦牙板齿在满足一定约束前提下卡瓦轴向承载系数最小。为双向自锁卡瓦牙板齿优化提供了一种合理的设计方法。本文通过对不压井作业双向自锁卡瓦结构分析和卡瓦牙板齿主要参数的初步设计,建立了卡瓦管柱接触有限元模型,主要分析了卡瓦牙板齿的接触应力。通过搭建双向自锁卡瓦承载试验台,验证了基于有限元模型卡瓦管柱接触仿真方法的准确性。并基于代理模型对双向自锁卡瓦牙板齿结构进行优化设计,对提高不压井作业设备的安全性具有重要意义。
[Abstract]:In order to adapt to the development of oil and gas fields in various complex formations in our country, the oil production and drilling depth are deepening continuously. The performance of the power sliver directly affects the working efficiency of the drilling equipment. Therefore, the structure of the double-direction self-locking sliver is studied and the optimum design of the plate teeth is carried out to ensure the safety of the non-wellbore operation. It is of great social and economic value to improve drilling efficiency. In this paper, the parameters of plate tooth structure and the distribution of contact stress are discussed and analyzed through the study of bidirectional self-locking slips. Finally, the optimum design of the tooth structure of the tooth plate of the bidirectional self-locking slips is carried out. The main contents are as follows: 1) by consulting the relevant literature at home and abroad. This paper summarizes the application and research status of power slips at home and abroad, introduces the working principle and three schemes of power clamping devices, and analyzes on the structural characteristics of new bidirectional self-locking slips. The contact finite element model of the slips is established, and the contact stress of the plate teeth is analyzed based on the finite element method. The results show that the contact stress of the plate teeth of the kava teeth presents a "sinusoidal curve" in the circumferential direction, but the axial distribution is very uneven, and the maximum contact stress occurs in the middle. Finally, the influence of different materials on the contact stress of plate teeth is analyzed under different loading conditions. Finally, a bidirectional self-locking bearing test bench is built. The finite element model and test method are used to analyze and research, and the simulation results are compared with the test results. The results show that under four load loading conditions. The stress changes at the edge of the kava plate are basically the same, and the results of the finite element model are in good agreement with the field test results. The error between the test results and the simulation results of kava teeth basically meets the requirements of engineering analysis. It is proved that the accuracy of the method proposed in this paper based on the finite element method for the contact calculation of the slips string is proved to be accurate. In this paper, a new method is proposed to construct a double-direction self-locking knuckle tooth surrogate model. By using the optimized Latin hypercube to design the dental surrogate model of kava tooth plate, the Kriging method and RSM method were used to construct the surrogate model respectively. The results show that the RBF model is more suitable as a proxy model for bidirectional self-locking teeth. Finally, based on RBF model, MIGA optimization algorithm is applied to double teeth. To the self-locking knuckles plate teeth. Taking the minimum uniform coefficient of axial bearing of the slips as the optimization objective, the tooth spacing and the tooth top angle of the plate teeth of the slips are limited. The results before and after optimization are compared and analyzed. The results show that the optimized bidirectional self-locking teeth have the minimum axial bearing coefficient under certain constraints, and the results are bidirectional self-locking cards. The optimization of plate teeth provides a reasonable design method. In this paper, the structure analysis of bidirectional self-locking slips and the primary design of the main parameters of plate teeth are carried out. The contact finite element model is established, and the contact stress of the plate teeth of the slips is analyzed. A bidirectional self-locking bearing test bed is built. The accuracy of the contact simulation method based on the finite element model is verified, and the optimum design of the plate tooth structure based on the agent model is carried out. It is of great significance to improve the safety of the equipment.
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TE92

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本文编号:1445081

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