4 500 kN变频直驱顶部驱动钻井装置设计

常规的顶部驱动钻井装置(简称顶驱)通过减速箱进行减速、增扭,以满足钻井作业的要求。减速箱一般为2级齿轮传动,结构复杂,传动效率降低,油润滑系统容易泄露。为进一步提高顶驱的传动效率和可靠性,研制了一种由变频电机直接驱动主轴的直驱顶驱。该顶驱取消减速箱,采用无级变频控制技术,将电机与主轴融合,电机转子直接驱动主轴钻进。与同规格减速箱顶驱相比,零件数量大幅减少,故障率低,操作维护容易。厂内试验结果表明,该顶驱的各项性能指标达到了设计要求。     

PVD陶瓷覆膜工艺对控压节流阀耐冲蚀性能影响研究

采用PVD陶瓷覆膜工艺对控压钻井节流阀阀芯表面处理,通过实验对比研究不同表面覆膜处理的阀芯耐冲蚀性能。结果表明,经过冲蚀后,Ti Al N涂层材料阀芯的质量损失约为Ti N涂层材料的1/3,Ti Al N涂层材料阀芯冲蚀最严重处表面轮廓损失约为Ti N涂层材料的1/2,Ti Al N涂层材料在提升控压钻井节流阀耐冲蚀性能和使用可靠性上较Ti N涂层材料优越。     

液压直驱式修井顶驱整机结构设计

顶部驱动修井系统是一种新型的石油天然气修井作业装备,可替代常规转盘驱动钻具旋转钻进。针对修井 现场自动化作业的需要,顶部驱动修井系统成了自动化修井作业所必需的产品。本研究从整机结构到关键零部件 的有限元分析、校核,简单介绍了85t顶部驱动修井系统主机结构,为进一步推动该产品的应用提供一些参考。     

表面织构润滑减磨性能仿真分析方法实验验证

选用销-盘实验模型,以圆柱形表面织构为研究对象,通过实验测得表面织构的摩擦因数和盘试件磨损量,通过单元仿真分析得到油膜上表面压力最大值。引入相关系数,研究不同参数表面织构下,摩擦因数和磨损量与油膜上表面压力最大值之间相关关系。结果表明：数值分析得到的油膜压力最大值与实验得到的磨损量和摩擦因数之间在有着较高的相关性;单元仿真分析方法能够反映出表面织构润滑减磨性能的总体趋势,可用于确定表面织构优化参数,是一种有效减少实验的方法。但是该方法不能适用于表面织构直径较小时。     

一种新型顶部驱动修井系统的设计

随着油田服役时间的增长和油井开发的不断深入,井下技术状况日益复杂,经常出现油井停产待修的情况,为进一步提高修井作业效率,保证油井正常生产,研制了一种由液压马达直接驱动主轴的新型顶部驱动修井系统。该修井系统取消机械减速装置,将液压马达与主轴融合,液压马达直接驱动主轴工作;液压回路采用闭环方式,液压管线可自动盘卷,动力水龙头可自动翻转。厂内试验结果表明,该修井系统各项性能指标达到了设计要求。     

新型筒形控压钻井节流阀研制及其性能试验

针对国产控压钻井节流阀节流特性差、使用寿命短、设计方法不科学等问题,设计了一种新型筒形控压钻井节流阀。介绍了该节流阀的整体结构、阀芯阀座设计方法、阀腔尺寸的优化方法,并对节流特性进行了试验验证。试验测试结果与理论吻合,表明该节流阀控压线性度好,设计方法合理。通过克里金响应面法优化了阀腔尺寸,提高阀芯使用寿命高达30.2%。该节流阀的研制方法为节流阀的设计提供了一种科学可重复的设计思路,为节流阀的进一步设计提供了理论参考。该节流阀在节流阀特性和使用寿命等方面的优势将在一定程度上促进控压钻井技术在国内的推广。     

基于ANSYS Workbench的顶驱提环侧连接板的拓扑优化设计

针对经验设计方法中顶驱提环侧连接板存在质量偏重、外型不尽合理的问题,将连续体拓扑优化理论引入顶驱提环侧连接板的设计中,在设计空间内建立了最大范围设计模型,应用ANSYS Workbench进行了求解,通过两次拓扑优化将质量在最大设计空间内进行了最为合理的分布,摆脱了传统优化设计在原设计基础上优化的思路,克服了传统优化在优化初始排除最佳方案的可能性。根据拓扑优化结果并综合考虑了装配条件、加工制造费用等因素建立了侧连接板模型,分析了优化后侧连接板形变和应力的分布情况。结果表明该方法设计出的侧连接板完全满足实际需求,证明了该方法的可行性和合理性,为顶驱侧连接板的设计提供了新的思路和参考,为降低顶驱生产成本和整机重量,提高顶驱市场竞争力提供了可能,具有重要的实际经济意义。     

顶驱回转头锁紧系统的优化研究

顶驱回转头锁紧系统是顶驱装置的重要组成部分,锁紧系统的故障直接影响背钳的正常使用,进而导致顶驱无法顺利完成上卸扣等功能。鉴于此,通过查阅文献资料,针对机、电、液一体化的锁紧系统,分析并指出锁紧系统的关键技术问题在于接近开关连接线路的选择和锁紧销失效引起的误检测,借助ANSYS Workbench有限元软件,构建了锁紧系统三维力学分析模型。分析结果表明:锁紧销受静力产生的弯曲变形处于弹形变形范畴,不会对接近开关的检测造成影响,但其在变应力作用下的疲劳损伤所引起的变形和断裂将直接影响接近开关的检测结果。通过在锁紧销台肩过渡端面加入圆弧角能有效改善应力集中处的疲劳寿命。研究结果可对顶驱回转头锁紧系统的现场应用提供指导。     

控压钻井节流阀液-固两相流冲蚀预测及验证

运用欧拉-拉格朗日法和离散相模型,预测了节流阀内部粒子运动和分布规律,利用半经验冲蚀模型求解了颗粒对阀芯的冲蚀率,并设计相关实验验证了数值模拟的准确性。结果表明,数值模拟能够较为精确地预测节流阀阀芯的冲蚀轮廓;5 h以内的预测冲蚀损失量与实验数据贴合度很高,5 h以后的预测数据经合理修正后与实验结果相近,随冲蚀时间增长,预测误差逐渐减小,最终达到1% 以下;该模型能够用于预测控压钻井节流阀复杂流场的冲蚀,有望为控压钻井节流阀的进一步优化设计提供参考。     

高压流体入射角对节流阀材料的冲蚀预测及验证

针对钻井作业中高压流体携带的固相颗粒高速撞击阀芯曲面,导致阀芯轮廓冲蚀严重及节流阀使用寿命缩短这一技术性难题,运用欧拉-拉格朗日法和离散相模型,预测了颗粒在不同入射角度下对40Cr钢的冲蚀磨损量、冲蚀速率和冲蚀形貌分布,并将其与相关实验进行了对比。对比结果表明：当粒子入射角由15°增大到90°时,预测冲蚀斑坑深度、冲蚀质量损失和冲蚀速率先增大、再减小,冲蚀表面形貌由椭圆形逐渐向圆形变化;当粒子入射角为45°时,材料质量损失达到最大。因此,在进行节流阀的优化设计时,应尽量避免粒子入射角为45°以减缓粒子对阀芯的冲蚀。