新型井下动力钻具的模拟分析与设计

发布时间：2017-05-26 08:07

  本文关键词：新型井下动力钻具的模拟分析与设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：井下动力钻具是一种适用范围广,高效节能的近钻头的动力驱动工具,在地质钻探、煤田钻探和油气钻井领域中应用极多,其中最具代表性的是涡轮和螺杆井下动力钻具,但这两种钻具本身也存在一定的不足,涡轮钻具一般直径较大,因其扭矩是由流体冲击动能形成的,因此具有软的机械特性,即扭矩的增加会促使转速的降低,其抗过载能力也较弱,易产生制动。而螺杆钻具一般长度较长,具有相比于涡轮钻具硬的机械特性,过载能力也较强,但在工作时扭矩越大转速越低,当超过压差时还会发生急剧制动,同时其定子材料是丁腈橡胶,易在长时间的工作中发生脆化,影响其使用寿命。针对以上的问题并结合现有技术发展情况,本文提出了多级多腔容积式流体传压的工作机理,建立以闭式腔体间的压力差为驱动力的多级并联动力钻具系统,这是一种较为高效的作用机理,是本文新型井下动力钻具的设计基础。共设计了球塞式、滑块式和摆线式三种井下动力钻具,其中球塞式井下动力钻具适应于大中口径系列钻具,其作用介质为气体和液体,配流方式为盘轴式配流,动力机构与壳体采用的是销杆连接。滑块式井下动力钻具适用于各种口径系列钻具,其作用介质是液体,配流方式为三层轴配流,动力机构与壳体采用的是键连接。对设计完成的动力钻具进行理论分析和模拟仿真分析,理论分析主要是对球塞式和滑块式两种井下动力钻具的理论工作参数进行推导和计算,确定其结构化参数和工作能力,并得出两种钻具的输出扭矩与输入的流体压力都成正比关系,其输出转速与输入流量也成正比关系。通过模拟仿真分析得出三个结论,一是利用ADAMS应用软件对滑块式井下动力钻具进行动力学分析得出滑块式井下动力钻具转速输出具有周期性间歇式的特点;二是利用LMS Virtual.Lab Motion应用软件对球塞式井下动力钻具的单个柱塞的运动情况和扭矩特性进行分析,得出动力机构运行较为平稳;三是利用ANSYS软件对球塞式井下动力钻具的输出轴进行校核得出所设计输出轴满足强度要求。
【关键词】：容积式 球塞式 滑块式 摆线式 井下动力钻具
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P634.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第1章 绪论11-16
• 章节提要11
• 1.1 国内外研究背景和发展趋势11-14
• 1.1.1 涡轮钻具11-12
• 1.1.2 螺杆钻具12-13
• 1.1.3 电动钻具13-14
• 1.2 研究的目的和意义14-15
• 1.3 研究的内容15
• 1.4 研究方法15-16
• 第2章 单级多腔容积式流体传压16-22
• 章节提要16
• 2.1 常用液力式井下动力钻具工作机理16-18
• 2.1.1 涡轮钻具16-17
• 2.1.2 螺杆钻具17-18
• 2.2 单级多腔容积式流体传压18-22
• 第3章 球塞式新型井下动力钻具的设计分析22-64
• 章节提要22
• 3.1 概述22-24
• 3.2 球塞式井下动力钻具的结构设计24-34
• 3.2.1 动力机构的结构设计24-27
• 3.2.2 配流体系和高低压流道的建立27-29
• 3.2.3 轴系总成的建立29-31
• 3.2.4 球塞式井下动力钻具的连接限位及密封总成31-34
• 3.3 工作参数计算34-38
• 3.3.1 流量计算34-35
• 3.3.2 转速计算35
• 3.3.3 扭矩计算35-36
• 3.3.4 工作参数的赋值计算36-38
• 3.4 瞬时工作参数计算38-48
• 3.4.1 动力机构的受力分析38-39
• 3.4.2 动力机构工作柱塞的运动分析39-40
• 3.4.3 动力机构工作参数的公式推导40-44
• 3.4.4 球塞式井下动力钻具的瞬时流量和瞬时扭矩的计算44-48
• 3.5 球塞式井下动力钻具的动力学仿真48-57
• 3.5.1 几何模型的建立48
• 3.5.2 分析模型的建立48-53
• 3.5.3 结果分析53-57
• 3.6 轴的有限元校核分析57-64
• 3.6.1 材料57
• 3.6.2 几何建模57-58
• 3.6.3 分析模型的建立58-61
• 3.6.4 结果分析61-64
• 第4章 滑块式井下动力钻具的设计分析64-89
• 章节提要64
• 4.1 方案设计概述64-65
• 4.2 结构设计65-74
• 4.2.1 动力机构设计65-68
• 4.2.2 配流机制68-71
• 4.2.3 过渡节和过渡轴的结构设计71-72
• 4.2.4 滑块式井下动力钻具的壳体设计72-73
• 4.2.5 滑块式井下动力钻具的组装73-74
• 4.3 工作参数计算74-78
• 4.3.1 流量计算74-75
• 4.3.2 转速计算75-76
• 4.3.3 扭矩计算76-77
• 4.3.4 滑块式井下动力钻具的工作参数的赋值计算77-78
• 4.4 滑块式井下动力钻具的动力学分析78-89
• 4.4.1 动力分析模型的建立78-82
• 4.4.2 仿真结果与分析82-89
• 第5章 摆线式井下动力钻具的设计89-109
• 章节提要89
• 5.1 总体设计布局89-90
• 5.2 动力结构设计90-99
• 5.2.1 摆线针齿啮合原理91-92
• 5.2.2 连续啮合传动条件92-94
• 5.2.3 摆线针齿啮合结构的参数确定94-96
• 5.2.4 摆线针齿啮合结构的模型建立96-99
• 5.3 高低压配流机构设计99-104
• 5.3.1 配流机构的作用99
• 5.3.2 配流机构的配流原理99-101
• 5.3.3 配流机构的结构设计101-104
• 5.4 花键联动轴设计104-105
• 5.5 钻具的过渡节及连接轴设计105
• 5.6 多级钻具壳体的设计和钻具的整体组装105-106
• 5.7 钻具工作的基本工作参数106-109
• 5.7.1 钻具的每转流量计算106-107
• 5.7.2 钻具的扭矩和转速计算107
• 5.7.3 多级驱动钻具的基本参数107-109
• 第6章 结论与展望109-111
• 6.1 结论109-110
• 6.2 展望110-111
• 参考文献111-117
• 致谢117-118
• 攻读学位期间发表的学术论文及取得的科研成果118
• 发表的学术论文118
• 参加的科研项目118
• 发表的专利118

【参考文献】

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本文编号：396170