封隔器锁紧机构关键几何参数分析

以封隔器锁紧机构即锁环的简化模型为研究对象,分析封隔器坐封时锁环齿牙与中心管上齿牙的接触情况,得出当量摩擦因数f当是检验锁环能否自锁的关键指标。锁环承受载荷时回弹卡紧中心管,上齿面与中心管齿牙接触,当量摩擦因数只与齿前角θ1有关,齿后角θ2的作用主要是增大锁环齿牙的强度。基于有限元分析和正交优化方法,分析齿后角θ2、齿牙间距p、齿牙高度h、齿牙尖角圆弧半径r等4个几何参数对锁环齿牙承载时的影响,得出影响最小的最优组合为:齿后角θ2=70°,齿牙间距p=3 mm,齿牙高度h=1 mm,齿牙尖角圆弧半径r=0.2 mm。     

钻杆卡瓦牙板齿齿形设计

在实际工况下对钻杆卡瓦牙板齿的变形和受力状态进行测试比较困难,为此采用AN-SYS软件对卡瓦牙板齿进行有限元分析。讨论了不同的钻杆卡瓦牙板齿齿前角、后角和载荷情况下,齿前后边界面应力及齿横截面内应力的分布,并对卡瓦牙板齿与钻杆进行了接触分析,分析结果表明,齿处于受压状态,应力大小与到齿的距离成反比,齿顶受力集中,齿的破坏主要以齿顶磨损为主;齿前、后边界面应力分布呈双曲线。最后给出了钻杆卡瓦牙板齿的设计准则。     

液压动力卡瓦结构设计及力学分析

液压动力卡瓦是井口机械自动化的重要工具。介绍了国内外液压动力卡瓦的发展现状,分析了卡瓦卡紧管柱条件、卡瓦上提不自锁条件、最大半锥角αmax、卡瓦最小工作面积及卡瓦牙的牙形、材料和硬度等影响卡瓦性能的因素,并对其主要部件——卡瓦牙和卡瓦座进行了有限元分析和动力学分析,结果表明强度满足使用要求。     

微牙痕卡瓦在封隔器中的应用研究

封隔器的锚定机构在结构形式及卡瓦锚定能力方面存在不足,特别是卡瓦工作过程中会对套管表面造成较大损伤,不仅影响封隔器的工作性能,而且导致了套损井段在油井二次作业中无法进行二次封隔。鉴于此,分析了卡瓦锥面锥角、卡瓦包角、卡瓦牙数量和牙型角等影响卡瓦牙痕的重要几何参数,通过数值模拟得到封隔器卡瓦牙与套管接触应力的变化趋势,即:当卡瓦牙为4牙时对应区域的应力最大,对套管内壁的损伤也最大;卡瓦牙为5牙和7牙时应力分布曲线呈下降趋势;通过扩大每个牙顶的外径,可以使各牙及套管周边的应力分布均匀,同时使卡瓦稳定性增强,减少其对套管的损伤;减小锥面锲形角可以使椎体对卡瓦的作用力后移,有助于使各个齿受力均匀。研究结果可为卡瓦的结构修改及优化设计提供参考。     

大负载不压井作业机液压卡瓦结构的优化设计

针对不压井作业机液压卡瓦存在的大负载下局部失效的问题,采用试验与仿真相结合的方法对卡瓦的开槽宽度、开槽位置和齿顶宽度3个结构参数进行了研究,提出了将有限元分析法、正交试验法、线性加权法和Matlabs优化工具箱相结合的液压卡瓦结构优化设计方法。研究结果表明:液压卡瓦的薄弱部位为卡瓦齿,卡瓦齿在周向和轴向存在应力分布不均的问题;卡瓦齿周向的Mises应力基本呈现左右对称的趋势,卡瓦齿轴向的Mises应力呈现上下较大、中间较小的马鞍形;优化设计的卡瓦牙板开槽宽度为5mm、齿顶宽为0.23mm、开槽平面与左右端面角为21.67°。研究结果对液压卡瓦应力分布的改善以及夹持能力的提高有重要意义。     

多功能钻杆气动卡瓦的优化设计及应用

针对气动卡瓦的产品系列化和标准化程度不够,并且在承载力方面没有明确的行业标准等问题,对钻杆卡瓦进行了系列化和标准化优化设计。优化设计方案主要从以下2点考虑:(1)在结构允许的情况下,力求加大卡瓦与钻杆的接触长度和面积,以提高卡瓦的承载能力,又不咬伤钻杆。(2)改善卡瓦体与卡瓦牙的装配结构,保证卡瓦有足够的强度,利用有限元软件开展卡瓦受力模型优化设计。在压力试验的基础上,还对优化方案进行了进一步的改进。优化结果表明,多功能钻杆卡瓦的厂内最大试验压力达到并超过了6122kN,卡瓦卡紧管柱可靠、卡瓦及钻杆本体无损伤,承载能力达到了设计指标。     

连续循环系统上卸扣卡瓦卡紧力计算方法研究

连续循环系统可以在更换钻杆接头操作时保持泥浆的连续循环。从连续循环系统上卸扣卡瓦的工作机理入手,分析了钻杆工作时的受力状态。在调研了卡瓦卡紧管柱力学模型的基础上,将钻杆看作厚壁筒,采用弹性力学中的拉美公式求解连续循环系统钻杆内、外受压的应力问题;将钻杆外表面承受的摩擦力矩看作圆筒扭转问题进行求解。给出了连续循环系统上卸扣卡瓦卡紧力的计算方法,可用于指导连续循环系统的设计。     

修井作业用新型管柱起下装置

针对目前修井作业时起下管柱繁琐的问题,研制了一种新型管柱起下装置。该装置采用卡紧管柱体的方式夹持管柱,充分利用现有的通井机、井架、液压钳等主要修井设备,并新开发了专用筒式吊卡、动力卡瓦和防溢流罩等部件。动力卡瓦中的楔形卡瓦牙组件可无滑动地卡紧管柱体,筒式吊卡能自动卡住和放开管柱接箍,控制系统协调各部件的工作。该装置结构简单,工作可靠,能充分利用现有修井设备,可明显改善修井作业的工作条件,并有助于实现油田修井作业的自动化。     

一种新型不压井作业自动卡瓦设计与分析

卡瓦是不压井作业装置的核心设备,不压井作业要求卡瓦具有管柱处于“管重”或“管轻”状况下快速、可靠的卡紧和松开管柱的功能.论文为满足不压井作业对卡瓦的要求,提出了新型不压井作业自动卡瓦结构.文中详细地介绍了新型不压井作业自动卡瓦的结构和工作原理.新型不压井作业自动卡瓦由上下两组卡瓦组件对称安装,采用液压缸做动力,实现了管柱在“管重”或“管轻”状况下自动卡紧、松开管柱,在起下管柱作业过程中将大大减轻井口操作工人的劳动强度,且具有起下管柱速度快、作业效率高的优点.论文通过卡瓦力学模型建立和受力分析得出了卡瓦牙均布力计算公式,依据美国API工程实用算法的卡瓦卡紧管柱力学分析模型得出了卡瓦高度计算公式,为进一步设计出可靠的不压井作业自动卡瓦提供了设计理论依据.     

海上完井封隔器新型锚定卡瓦咬入套管分析

基于海上φ244.5 mm(9 5/8in)套管井内封隔器应用要求,对卡瓦进行受力分析,计算卡瓦咬入套管的深度。运用ANSYS软件建立卡瓦咬入套管二维有限元模型,研究80°、90°和100°等3种牙型角的卡瓦咬入套管深度和等效应力分布规律。研究结果表明,在相同的坐封压力、验封压力和承载情况下,80°牙型角卡瓦咬入套管深度最小,90°牙型角卡瓦咬入套管深度最大,大于90°咬入套管深度减小;随着卡瓦承受载荷的增大,卡瓦等效应力增大,验封过程中卡瓦应力均已超过材料屈服强度。卡瓦设计时除了需要优化其本身结构参数外,对选材和热处理也有特殊要求,应采用整体淬火+回火+表面渗碳处理,这样可将卡瓦表面硬度和强度提高近2倍。     

钻井牵引机器人摩擦块—井壁接触性能分析

钻井牵引机器人的牵引力主要来源于支撑机构摩擦块与岩石井壁之间的相互作用力, 牵引力与等效摩擦系数是机器人力学特性分析和结构设计的关键。基于此,文章建立了摩擦块与井壁数值仿真模型,分析了摩擦块牙齿轮廓尺寸、数量、正压力、嵌入深度等对当量摩擦系数、牵引力的影响规律。结果表明,正压力和齿前角是影响摩擦块当量摩擦系数的主要参数,也是影响钻井牵引机器人是否能稳定抓靠井壁的主要因素;当摩擦块牙齿齿前角35°、齿后角 60°、齿斜角 30°、嵌入深度2. 5 ~ 3. 0 mm 时,单个摩擦块可提供的轴向牵引力约 30 000 N,则钻井牵引机器人三个摩擦块可提供牵引力约90 000 N。该研究成果可为钻井牵引支撑机构力学特性分析和结构优化设计提供理论依据。     

环境介质及表面结构对夹持块摩擦性能的影响

连续管注入头夹持块在使用过程中表面会粘附钻井液、原油和石蜡等井下介质,从而对夹持块摩擦性能造成影响,另外夹持块表面结构形式的不同也会对摩擦性能造成影响。为此,用自行设计的测试设备对夹持块与连续管在不同条件下的当量摩擦因数进行测试及分析。分析结果表明,对于光面夹持块,在无介质条件下,其当量摩擦因数为0.443;原油对当量摩擦因数影响较小,石蜡对夹持块摩擦性能影响最大,其当量摩擦因数下降至0.074;对于无介质环境下的表面刻槽夹持块,齿宽和槽宽越窄,夹持性能越好;在石蜡环境下,23型夹持块有效减少了接触面上的石蜡,摩擦性能大幅度提高。     

高温高压井完井封隔器卡瓦抗剪切强度分析

卡瓦作为封隔器中重要的组成部分,起支撑封隔器和锁定胶筒的作用。针对坐封后卡瓦的咬入会对套管产生损伤,以及套管剪切力会对卡瓦产生损害等问题,模拟高温高压完井封隔器卡瓦的实际受力情况,建立了简化的完井封隔器卡瓦的力学模型,应用弹性力学理论分析了卡瓦的剪切强度,得到了卡瓦剪切强度的计算方法和卡瓦发生损坏的边界条件;采用ANSYS软件分析了卡瓦咬入套管的深度。研究发现,前4个卡瓦牙基本上承受了整个卡瓦作用力,在同一卡瓦牙上,应力最大值出现在卡瓦牙最顶端部位,且对比不同位置的卡瓦齿,发现相同节点的等效应力逐渐下降。第7个卡瓦齿上所有节点的Mises应力很小,可以忽略不计。     

卡瓦承载部件相关参数分析

手动操作卡瓦容易造成重大人身事故。为了保证钻修井工人安全,研制出了动力卡瓦。通过卡瓦体和卡瓦座模型,分析了卡瓦体和卡瓦座工作中的几个参数对卡紧可靠性能的影响,并利用正交优化法进行了优化。     

封隔器卡瓦锚定力学行为与高温高压实验分析

封隔器卡瓦与套管的锚定效果直接影响到封隔器的坐封性能。当卡瓦嵌入套管时,会在套管接触面上形成咬痕,过大的嵌入深度有可能导致套管损坏、失效。为了确保卡瓦能起到良好的固定封隔器的作用,并且减少其对套管的损伤,采用滑移线理论、有限元法及与试验相结合的方法,研究了卡瓦锚定过程中的力学行为,计算了卡瓦嵌入套管的深度,并分析了卡瓦牙型角、倾角、内锥角及轴向载荷对锚定情况的影响,优选了结构参数。研究结果表明:①卡瓦齿面接触各齿的应力分布不均,会产生应力集中;②卡瓦牙应力随着齿数的增加而逐渐减小;③卡瓦牙嵌入套管的深度随载荷的增加而增加,随着齿数的增加逐渐减小;④在相同载荷下,卡瓦嵌入套管的深度随牙型角和内锥角的增大而减小,随倾角的增大而增大;⑤通过高温高压下的封隔器卡瓦锚定和坐封实验,套管上的卡瓦最大嵌入深度介于0.40～0.45 mm。结论认为,实验结果与有限元模拟结果吻合较好,由此证明了设计和分析的正确性和可靠性。     

小直径井下工具用新型锁紧机构设计

针对小直径桥塞类井下工具设计空间狭小的现实,设计了一种结构较紧凑的锁紧结构,能实现锁紧和解锁功能,使其适用于可打捞类井下工具。根据当量摩擦因数的理论,对锁环的齿牙和压紧锥面的角度关系进行分析,得出锁环自锁的基本条件是锁环压紧锥面的锥角α应小于齿牙齿前角的倾角β。根据锁环和锁环座的结构特点,计算出解锁时所需满足的几何条件。经试验验证,该锁紧机构能实现设计的功能,并具有较强的承载能力。该锁紧机构的结构为过油管类钢丝电缆桥塞或堵塞器的研制提供有益的支持,可拓展油管压力控制工具的应用范围,具有良好的推广应用前景。     

基于正交试验法的高温封隔器镶齿卡瓦优化

高温高压深井、超深井井下工况恶劣，对封隔器等井下工具性能提出了更为严格的要求。为此，以RTTS封隔器卡瓦为研究对象，结合高温井下工况开展卡瓦材料试验，运用有限元法以及正交试验设计，开展卡瓦力学行为分析。优化结果表明：井下高温条件会降低卡瓦材料力学性能，在210℃时屈服强度以及抗拉强度分别下降了9.19%和4.98%,高温下安全系数、安全裕度较常规工况应增加5%～10%;根据正交试验结果，可得卡瓦最优结构参数，即卡瓦安装间距20 mm、合金块安装倾角75°、合金块直径11 mm及卡瓦楔角8°;与原始方案对比，卡瓦最大应力由1 446.1 MPa下降为752.1 MPa,卡瓦各齿咬入深度均匀性标准差由0.003 05下降为0.000 732。所得结论可为镶齿卡瓦结构参数优化提供理论参考。     

PDC钻头布齿参数对其强度影响的研究

为了探寻PDC钻头的主要几何参数对其强度的影响,以适应软-中硬互层岩层的三翼内凹PDC钻头为例,利用ANSYS软件建立了PDC钻头有限元分析模型,并对模型在静载荷作用下的应力、位移进行了数值分析研究,得到了齿前角、侧转角等布齿结构参数对该PDC钻头切削齿强度的影响规律。计算结果表明,齿前角和侧转角的变化对切削齿强度的影响显著,为三翼内凹PDC钻头合理设计提供了依据。最后指出采用的数值分析方法也适用于其他类型PDC钻头的强度研究。     

基于黏着理论的牵引器驱动轮力学分析及优化

轮式牵引器的牵引力由驱动轮与套管的接触摩擦力决定。目前对驱动轮与套管的接触摩擦研究分析多采用考虑犁沟效应下的单齿模型,未考虑接触部位滑动时的剪切作用。为此,提出了驱动轮六面体梯形齿结构,引入黏着理论,同时考虑黏着效应和犁沟效应,建立了驱动轮与套管之间的力学模型,推导出相应效应下的摩擦因数公式,采用数值模拟的方法对驱动轮齿参数进行优化设计。分析结果表明:驱动轮与套管之间的摩擦因数应为黏着效应摩擦因数和犁沟效应摩擦因数之和,其值为1.046;在套管损伤较轻的情况下,驱动轮齿的最优参数为齿顶角105°、齿倾角120°、下底长4 mm。所得结论可为轮式牵引器牵引力的提高和驱动轮的设计提供理论基础和设计参考。     

锥度对油管螺纹联接应力影响的有限元分析

服役条件是影响油管螺纹联接性能的主要因素之一,油管螺纹的几何参数也会影响螺纹联接的接触应力及应力场分布。影响螺纹应力的几何参数主要包括锥度、螺距和牙型角等,采用有限元分析的方法,对不同锥度变化方案下的螺纹联接的应力场进行了有限元分析,得出螺纹截面等效应力、齿面接触应力、螺纹牙侧法向接触压力的分布,通过定量分析锥度的变化对螺纹联接的影响规律,为油管螺纹参数的优化提供依据。