本文關(guān)鍵詞：螺桿鉆具殼體聯(lián)接螺紋的強(qiáng)度分析及優(yōu)化

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【摘要】：本文針對當(dāng)前螺桿鉆具失效問題,以殼體聯(lián)接螺紋為研究對象,從鉆具振動(dòng)入手,對于螺紋參數(shù)優(yōu)選問題展開研究。螺桿鉆具被稱為定排量馬達(dá)(PDM),它是一種容積式井下動(dòng)力鉆具,主要包括以下幾部分：旁通閥、馬達(dá)總成、萬向軸總成和傳動(dòng)軸總成等。工作原理是將高壓鉆井液壓入馬達(dá),使其旋轉(zhuǎn),從而驅(qū)動(dòng)鉆頭鉆進(jìn),這一過程是高壓鉆井液壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。與其他動(dòng)力鉆具相比,螺桿鉆具本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能優(yōu)勢決定著其應(yīng)用范圍廣、效率高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。目前,螺桿鉆具失效概率居高不下,鉆具振動(dòng)較大,鉆具聯(lián)接螺紋斷裂時(shí)有發(fā)生。因此,對于螺桿鉆具失效問題的研究非常有必要。螺桿鉆具失效類型主要有：殼體斷裂、定子橡膠失效、聯(lián)接螺紋斷裂等,多半都是疲勞引起的失效,現(xiàn)如今針對螺桿鉆具聯(lián)接螺紋疲勞壽命及可靠性的研究,還有許多方面要完善,如在聯(lián)接螺紋壽命計(jì)算中將環(huán)境載荷及材料性能等看作為常值而不是服從分布的變量,得出壽命值為一固定值；對螺桿鉆具聯(lián)接螺紋壽命的可靠性研究僅限于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和理論計(jì)算上,并沒有從其振動(dòng)沖擊動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面進(jìn)行分析研究。因此螺桿鉆具聯(lián)接螺紋強(qiáng)度與壽命可靠性方面研究還需進(jìn)一步完善。國內(nèi)外大量鉆井現(xiàn)場顯示,螺桿鉆具聯(lián)接螺紋的疲勞破壞主要存在兩種失效形式：疲勞斷裂和牙齒剪切失效,一般來說最大應(yīng)力出現(xiàn)于公扣和母扣的最后幾牙螺紋附近,螺紋多從此處開始出現(xiàn)裂紋而發(fā)生斷裂。螺桿鉆具殼體承受復(fù)雜的交變彎曲應(yīng)力,由于鉆具殼體比其聯(lián)接螺紋的剛性大,所以應(yīng)力集中在聯(lián)接螺紋上,因此極易發(fā)生聯(lián)接螺紋疲勞斷裂。本文針對螺桿鉆具殼體聯(lián)接螺紋結(jié)構(gòu)問題展開分析,分別從螺紋失效、鉆柱力學(xué)、鉆具振動(dòng)、螺紋強(qiáng)度等幾個(gè)方面分析問題。查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料,首先了解到螺紋失效類型、失效機(jī)理,從螺桿鉆具失效問題中得到其聯(lián)接螺紋失效的原因,分析可能導(dǎo)致此類失效的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)特性,然后通過對鉆柱力學(xué)和鉆具振動(dòng)的了解,鉆具聯(lián)接螺紋主要受到鉆柱動(dòng)態(tài)載荷的作用。因此在分析螺紋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題之前,必須對于鉆柱力學(xué)和振動(dòng)問題進(jìn)行分析,以得出螺紋強(qiáng)度分析的初始條件。通過對鉆柱力學(xué)的分析模擬復(fù)雜的鉆柱系統(tǒng)的實(shí)際受力狀態(tài),簡化力學(xué)數(shù)學(xué)模型,以提出假設(shè)條件,為鉆柱建模分析提供了理論支撐。鉆具振動(dòng)是導(dǎo)致鉆具失效的主要原因,在研究螺紋結(jié)構(gòu)之前必須對鉆具振動(dòng)機(jī)理及其求解方法進(jìn)行較為細(xì)致的研究,文中列舉了多種求解方式,提出較為合理的假設(shè)條件,強(qiáng)調(diào)了縱向振動(dòng)對鉆柱的壽命影響最大,然后根據(jù)實(shí)際鉆具組合建立了鉆柱縱向振動(dòng)模型,借助于有限元分析軟件對鉆具組合進(jìn)行受迫振動(dòng)分析(諧響應(yīng)分析),初步得出了鉆柱振動(dòng)規(guī)律與特征,同時(shí)也為螺桿鉆具殼體聯(lián)接螺紋強(qiáng)度分析提出了初始載荷條件。本文以φ244螺桿鉆具為研究對象,對其殼體聯(lián)接螺紋結(jié)構(gòu)分別從牙型角、螺距、錐度等參數(shù)的不同來優(yōu)選出最佳設(shè)計(jì),借助于有限元分析軟件進(jìn)行螺紋幾何建模,定義合理邊界條件,加載求解分析,提取數(shù)據(jù)結(jié)果(所有齒根位置等效應(yīng)力、軸向應(yīng)力,危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力值和最大接觸應(yīng)力值等)。文中針對大量方案組合分析出的龐大結(jié)果數(shù)據(jù),首先采用正交設(shè)計(jì)方案三因素三水平進(jìn)行分析,以減少對三種因素的細(xì)化分析方案,然后運(yùn)用正交數(shù)據(jù)分析方法(均值化、極差法)進(jìn)行結(jié)果數(shù)據(jù)整理,在效應(yīng)折線圖上可較為明顯地看出各因素各水平的變化特征,進(jìn)而優(yōu)化各因素的水平值。最后分別對螺紋錐度和牙型角進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)建模,分析所得結(jié)果數(shù)據(jù)同樣運(yùn)用正交數(shù)據(jù)分析方法(均值化、極差法)進(jìn)行整理,分析各自對螺紋強(qiáng)度的影響規(guī)律,優(yōu)選出最佳螺紋扣型。經(jīng)過本文的分析研究,對鉆具振動(dòng)和螺桿鉆具聯(lián)接螺紋強(qiáng)度的影響規(guī)律有了更進(jìn)一步的了解和認(rèn)識(shí)。文中主要針對目前螺桿鉆具殼體聯(lián)接螺紋失效率居高不下的實(shí)際問題,對螺桿鉆具殼體振動(dòng)響應(yīng)分析,得出動(dòng)態(tài)載荷的特征及規(guī)律,然后進(jìn)行螺紋副強(qiáng)度分析研究,得出螺紋副動(dòng)態(tài)應(yīng)力變化特征,以優(yōu)選出最佳螺紋參數(shù),降低螺桿鉆具聯(lián)接螺紋的故障率,對于提高油田開發(fā)整體經(jīng)濟(jì)效益及油田持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。本文雖然做了一定量的方案分析,但還處于初步探索階段。主要體現(xiàn)在：(1)在方法理論的運(yùn)用上,提出了許多假設(shè)條件；(2)在影響因素和水平值的選擇上,僅僅考慮了較少部分；(3)評價(jià)體系的判別標(biāo)準(zhǔn)不充分且較不確切。因此需要進(jìn)行下一步的深度研究,以得出更加全面且直觀的分析結(jié)論。
【學(xué)位授予單位】：長江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TE921

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