本文關鍵詞：鋁合金鉆桿與鋼接頭冷組裝試驗研究

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【摘要】：隨著石油和天然氣工業(yè)及地質(zhì)勘探業(yè)的急劇發(fā)展,鉆探深度不斷增加,對鉆桿的性能也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的油氣工業(yè)和地質(zhì)鉆探中普遍使用鋼制鉆桿,在一些特殊的鉆井條件下,如在超深井、高腐蝕介質(zhì)井中經(jīng)常發(fā)生摩擦熱裂、應力腐蝕斷裂、氫脆等問題。相比于鋼鉆桿,鋁合金鉆桿材料本身特有的物理力學性能使其可以更好的替代鋼制鉆桿完成深井、超深井及水平井、大位移井的鉆進工作。與鋼鉆桿相比,鋁合金鉆桿的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在其良好的物理性能、質(zhì)量輕、比強度高、耐酸性腐蝕、磨阻小以及無磁特性等幾個方面。鋁合金鉆桿可以適用于惡劣的鉆井環(huán)境并大幅度減輕大鉤負載,使其在大直徑油氣井、超深井、超短半徑水平定向井、大位移井等鉆進作業(yè)中備受矚目。但鋁合金硬度較低、耐磨性差,難以頻繁的擰卸鉆桿,因此需要在鋁合金鉆桿的兩端通過過盈配合連接鋼接頭,以減輕因頻繁起下鉆擰卸鉆桿對鋁合金鉆桿的損傷,同時可以在一定程度上減輕鋁合金鉆桿與井壁的接觸摩擦,從而提高鋁合金鉆桿的使用壽命和經(jīng)濟效益。為了保證鋁合金鉆桿與鋼接頭的可靠連接,需要通過過盈配合連接提供一定的相互壓緊的壓力,形成可靠牢固的靜配合。傳統(tǒng)的做法是采用“熱組裝”方法,即將鋼接頭加熱至300-400℃,然后擰接到鋁合金管體上,冷卻后即可實現(xiàn)過盈配合連接。為減輕高溫對鋁合金性能的影響,需配備冷卻系統(tǒng),但增加了組裝工藝及組裝設備的復雜性。本文對鋁合金鉆桿與鋼接頭的“冷組裝”工藝技術進行了研究。即利用液氮深冷處理鋁合金管體螺紋段,然后快速擰接到處于室溫狀態(tài)的鋼接頭上,實現(xiàn)二者之間的過盈配合連接。為方便實現(xiàn)對組裝件的力學性能檢測,本文以直徑為Ф50mm、壁厚為5mm的7xxx系鋁合金鉆桿及直徑為Ф58mm的鋼接頭為研究對象。利用彈性力學理論計算出對上述尺寸的鋁合金鉆桿桿體和鋼接頭實現(xiàn)可靠連接的過盈量應為mm3214.0mm0960.0≤≤δ,并計算確定了為實現(xiàn)上述過盈量所需要的冷卻溫度和冷卻時間。利用液氮汽化深冷處理箱作為鋁合金鉆桿冷卻裝置,采用手動擰接方式,對設計過盈量分別為0.1mm、0.15mm、0.2mm的Ф50mm鋁合金鉆桿和Ф58mm鋼接頭進行了冷組裝試驗,組裝過程時間為15—20秒。為評價冷組裝連接的效果,對組裝件進行了拉伸和扭轉(zhuǎn)試驗,并對拉伸和扭轉(zhuǎn)斷口進行了分析。結(jié)果表明,過盈量為0.15mm的鋁合金鉆桿和鋼接頭組裝件力學性能最為優(yōu)秀,可承受最大拉伸力296.32KN,最大扭矩4162 N?m,斷裂基本都發(fā)生在鋁合金初始螺紋第一扣處,說明此處是鉆桿與接頭最為薄弱的環(huán)節(jié)。在對小直徑鋁合金鉆桿與鋼接頭冷組裝研究的基礎上,對直徑Ф147mm、長度9.1m的全尺寸鋁合金鉆桿進行了冷組裝連接,并對其力學性能進行了檢驗和評價。在此基礎上,進行了鋁合金鉆桿的實際鉆進試驗。在試驗過程中,鋁合金鉆桿累計進尺765m,貫穿了試驗井的直井段、造斜段、增斜段和穩(wěn)斜段,成功適應了該定向井的復雜井身結(jié)構(gòu),連續(xù)使用38小時,并無任何安全事故發(fā)生,最終安全提鉆,完全滿足該井鉆進需求。鉆進效率20.1m/h。提鉆后發(fā)現(xiàn)鋁合金鉆桿桿體和鋼接頭連接可靠,沒有發(fā)生斷裂現(xiàn)象。
【關鍵詞】：鋁合金鉆桿 鋼接頭 過盈配合 冷組裝
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P634.3
【目錄】：

• 摘要4-6
• abstract6-12
• 第1章 緒論12-19
• 1.1 課題背景12-13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-18
• 1.2.1 鋁合金鉆桿國外研究現(xiàn)狀13-15
• 1.2.2 鋁合金鉆桿國內(nèi)研究現(xiàn)狀15-18
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容18-19
• 第2章 鋁合金鉆桿及組裝工藝介紹19-27
• 2.1 鋁合金鉆桿的主要特點19-20
• 2.1.1 鋁合金鉆桿材料要求19-20
• 2.1.2 鋁合金鉆桿的優(yōu)點20
• 2.2 鋁合金鉆桿的生產(chǎn)流程20-21
• 2.3 鋁合金鉆桿桿體結(jié)構(gòu)設計21-23
• 2.4 深冷處理技術簡介23-24
• 2.5 鋁合金鉆桿與鋼接頭組裝工藝介紹24-26
• 2.5.1 鋁合金鉆桿桿體與鋼接頭熱組裝法24-26
• 2.5.2 鋁合金鉆桿桿體與鋼接頭冷組裝法26
• 2.6 本章小結(jié)26-27
• 第3章 鋁合金鉆桿與鋼接頭過盈配合理論計算27-34
• 3.1 過盈量的確定27-30
• 3.2 鋁合金鉆桿冷卻溫度及時間的確定30-33
• 3.2.1 鋁合金鉆桿冷卻溫度計算30-31
• 3.2.2 鋁合金鉆桿冷卻時間計算31-33
• 3.3 本章小結(jié)33-34
• 第4章 鋁合金鉆桿冷組裝室內(nèi)試驗研究34-51
• 4.1 鋁合金鉆桿冷組裝試驗主要設備34-37
• 4.2 Φ50mm鋁合金鉆桿冷組裝實驗37-40
• 4.3 Ф50mm鋁合金鉆桿拉伸試驗40-46
• 4.3.1 拉伸試驗設備41-42
• 4.3.2 抗拉試驗42-44
• 4.3.3 拉伸斷裂結(jié)果分析44-46
• 4.4 Ф50mm鋁合金鉆桿抗扭實驗46-50
• 4.4.1 抗扭試驗設備及試驗材料46-48
• 4.4.2 抗扭試驗48-50
• 4.5 本章小結(jié)50-51
• 第5章 Φ147mm鋁合金鉆桿冷組裝及入井實鉆試驗51-66
• 5.1 Φ147mm鋁合金鉆桿的設計51-54
• 5.1.1 鋁合金鉆桿與鋼接頭的設計51-53
• 5.1.2 鋁合金鉆桿與鋼接頭性能參數(shù)53-54
• 5.2 Ф147mm鋁合金鉆桿全尺寸冷組裝試驗54-55
• 5.3 鋁合金鉆桿入井實鉆55-65
• 5.3.1 試驗設備的選擇55-59
• 5.3.2 試驗地層和油層59-60
• 5.3.3 鉆井液設計及性能參數(shù)60-61
• 5.3.4 鉆具組合設計61-62
• 5.3.5 鉆進參數(shù)62-63
• 5.3.6 結(jié)果分析63-65
• 5.4 本章小結(jié)65-66
• 第6章 結(jié)論與展望66-68
• 6.1 結(jié)論66-67
• 6.2 展望67-68
• 參考文獻68-73
• 作者簡介及科研成果73-74
• 致謝74

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本文編號：1014907