三种涡轮钻具用滚珠轴承承载能力分析与结构优化

文中研究了涡轮钻具用3种滚珠轴承组的结构特点，分析了轴承组真实载荷分布，并对3种轴承中的钢球与滚道的初始接触应力作了简化计算。对比分析结果表明。涡轮钻具中采用圆弧滚道球轴承对其承载有利。在此基础上，对圆弧滚道球轴承结构参数进行优化，有助于改进现有轴承。     

可控弯接头中钢球与滚道摩擦磨损研究

在旋转导向钻井系统中,可控弯接头是重要的导向钻井工具。介绍了可控弯接头结构,并对该结构中钢球的受力和接触情况进行阐述。采用赫兹理论对钢球与滚道进行分析计算,了解其在工作过程中具体的运动情况以及在受到工作载荷之后的摩擦磨损状态;通过MATLAB软件分析机构中各因素对摩擦应力的影响程度及趋势,为机构后续设计及改进提供依据。     

螺杆钻具球式万向轴失效分析及改进措施

针对钢球破碎、花瓣套和连接杆磨损等失效问题,以172螺杆钻具为研究对象,利用ABAQUS软件对钢球和花瓣套进行接触应力分析,得出局部接触应力过大会加速小钢球的磨损以及压溃,这是该类型万向轴小钢球容易失效的主要原因。利用fe-safe软件对花瓣套和连接杆进行疲劳分析,受马达扭矩和轴向力共同作用,花瓣套与小钢球接触的两侧、小钢球与连接杆球窝接触的底部容易发生疲劳失效,该位置也是接触应力较大的位置。为此,提出了针对性的改进建议,降低钢球、花瓣套和连接杆失效概率。     

永久封隔器胶筒结构改进与优化

利用ANSYS有限元软件模拟不同载荷作用下胶筒与套管的接触应力大小,对于判断胶筒能否达到预期密封效果以及对胶筒结构参数进行优化均具有重要意义。以永久封隔器胶筒为研究对象,对初始设计的胶筒在不同坐封载荷下胶筒与套管的接触应力以及摩擦因数对接触应力的影响进行了分析,对胶筒进行了结构优化。分析结果表明,随着摩擦因数的增大,胶筒与套管之间的最大接触应力减小;优化后胶筒与套管之间的接触应力达到21.073 MPa,满足设计要求。     

套管开窗万向节力学行为仿真及结构改进

针对水力径向喷射增产技术中的套管开窗工艺,利用有限元方法研究了万向节与导向器之间,以及万向节自身接触应力及摩擦力分布,并对现有的开窗工具进行了结构改进。在研究万向节与导向器内轨迹壁接触应力时,忽略万向节叉耳朵及中间外圆端面处倒角,不关注钻头与套管的相互作用,钻头前端简化成圆锥形状。分析结果表明,万向节在正常工作时,应力主要集中在万向节叉中间端面以及万向节叉耳朵位置;十字轴轴颈和两轴相贯的地方有应力集中现象,通过加大轴颈半径及改变两轴相交位置形状可有效降低应力集中,提高十字轴使用可靠性;合理设计万向节叉和导向器几何尺寸可以有效减小摩擦力与接触应力。     

偏心单牙轮钻头轴承接触应力分析

根据偏心单牙轮钻头的几何结构和受载特点建立了有限元计算模型,利用有限元软件分析了偏心单牙轮钻头轴承的接触应力.针对偏心单牙轮钻头的不同偏心距和轴承间隙,重点分析了大径向轴承轴颈底部的接触应力及在相同偏心距和不同间隙条件下止推面上的接触应力.结果表明,止推面、滚道、轴颈根部是牙掌轴颈应力最大的3个危险区域;轴颈底部的接触应力随偏心距增大而增大,且在正常公差范围内的间隙变化对接触应力的影响不明显;止推面上端的接触应力比下端大,制造时应加强止推面上端的强度和硬度.     

THT封隔器胶筒力学行为有限元分析

针对THT封隔器胶筒井下失封、断裂、脱落等情况,运用ANSYS软件对THT封隔器的胶筒力学行为进行有限元分析。根据THT封隔器工作原理与结构特征,建立胶筒-胶筒接触有限元模型,得到胶筒与套管接触应力云图。有限元分析结果显示,胶筒接触应力沿轴向递减分布,加载端接触应力大于远离端;倾斜角和加载方式对接触力有明显影响,小倾斜角下接触应力递减平缓,但最大接触应力较小;大倾斜角的接触应力与小倾斜角相反。经过分析对比,倾斜角在80°时,接触应力最优;与单向加载方式相比,双向加载方式能很好地避免因摩擦力而导致的接触力沿轴向分布不均现象。     

钻井泵活塞动态分析

活塞是钻井泵的主要易损件之一,其失效主要发生在活塞运动过程中。利用有限元软件对活塞的运动过程进行模拟,得到了活塞的应力和位移云图及接触应力和摩擦力云图。通过分析得到了在不同皮碗唇部过盈量和唇角时,活塞的接触应力分布规律曲线。     

单牙轮钻头滑动轴承组接触应力分布研究

为了提高单牙轮钻头滑动轴承的使用寿命 ,采用有限元软件对其轴承组的接触应力分布进行了研究。得出结论 :(1)接触应力的大小与轴承组的磨损情况直接相关 ,通过降低轴承组的最大接触应力及使接触应力的分布更合理可改善其磨损 ;(2 )钻头的最大接触应力出现在止推面 ,在保持牙轮和牙爪止推面垂直度接近的前提下 ,尽量同步减小其垂直度可降低最大接触应力 ;(3)止推面接触应力呈明显的上大下小的阶梯分布 ,适当增加小轴颈的直径 ,可使止推面接触应力分布更均匀 ;(4)调整牙轮止推面和小轴孔之间的倒角可降低倒角处应力 ;(5 )只有合理的轴倾角才能使外载荷的合力方向垂直向上 ,以避免钻头过大摆动而影响钻进。     

球笼式等速万向节润滑脂的研制

等速万向节(CVJ)是连接变速箱与车轮之间的重要传动部件,是动力的直接传递单元.随着汽车向高速,高扭矩,大功率和小型化方向发展,传递功率增加,CVJ的接触应力也随之增加.如果CVJ在汽车行驶过程中得不到充分的润滑,滚动体和内外滚道都有可能发生擦伤,严重时将直接危及到汽车的行车安全.根据球笼式CVJ的运行工况,对球笼式C...     

两种主要高强度套管的耐磨性能试验

套管磨损是深井、超深气井钻井过程中困扰作业人员的突出问题,摸清P110和V140这两种主要钢级的高强度套管的耐磨性能对于钻井设计选用套管具有重要意义。为此,采用美国摩尔技术公司的全尺寸套管磨损试验机,模拟油气田现场的钻井作业参数以及钻井液配方,开展了钻杆接头与套管内壁间低、中、高3种典型的侧向力对P110和V140钢级套管的全尺寸实物磨损试验研究,检测并对比分析了磨损套管试样在不同磨损时间段的磨损沟槽深度、沟槽宽度、磨损系数、摩擦系数以及磨损体积等参数,并对套管摩擦表面进行了扫描电镜分析,进而探讨了不同工况条件下的套管摩擦机理。结果认为:在低侧向力的情况下,两种套管的磨损情况基本相当;在中等侧向力的情况下,V140套管的磨损比P110套管严重;在高侧向力的情况下,P110套管的磨损明显要大于V140套管;随着钻杆接头与套管内壁之间接触侧向力的增加,摩擦副之间的摩擦系数增大且处于黏着磨损状态。该研究成果对于在套管柱设计中根据不同井眼曲率考虑套管的耐磨性能选用套管具有参考价值。     

动态接触角研究

动态接触角研究是研究流体渗流微观规律的基础,在选择提高采收率的方法及模拟油藏动态试验等方面具有重要意义。国外从分子理论和动力学角度对动态接触角与驱替速率、液体的毛细管数、黏度比之间的关系进行理论研究,实验研究结论为:较低驱替速率时,动态接触角的余弦差与驱替速率呈线性关系;较高驱替速率时,动态接触角的正切与驱替速率的对数呈线性关系;表面活性剂使液-液界面的动态接触角变小,滞后接触角增大;固体表面粗糙度对动态接触角的影响不大。国内目前主要采用实验方法研究动态接触角,根据插板法实验得出中性玻璃片在气／水和气／油系统中前进接触角的余弦与驱替速率呈线性关系;后退接触角的余弦与驱替速率呈两段线性关系,驱替速率高时的斜率比驱替速度低时的斜率大。图5参17     

动态接触角研究

动态接触角研究是研究流体渗流微观规律的基础,在选择提高采收率的方法及模拟油藏动态试验等方面具有重要意义.国外从分子理论和动力学角度对动态接触角与驱替速率、液体的毛细管数、黏度比之间的关系进行理论研究,实验研究结论为较低驱替速率时,动态接触角的余弦差与驱替速率呈线性关系;较高驱替速率时,动态接触角的正切与驱替速率的对数呈线性关系;表面活性剂使液-液界面的动态接触角变小,滞后接触角增大;固体表面粗糙度对动态接触角的影响不大.国内目前主要采用实验方法研究动态接触角,根据插板法实验得出中性玻璃片在气/水和气/油系统中前进接触角的余弦与驱替速率呈线性关系;后退接触角的余弦与驱替速率呈两段线性关系,驱替速率高时的斜率比驱替速度低时的斜率大.图5参17     

连续管旋转接头密封性能及其影响因素分析

连续管旋转接头可实现高压动密封功能,该结构的密封元件由多个V型橡胶圈构成。连续管旋转接头密封性能不稳定、V型圈寿命低等问题制约了连续管正常作业,易出现重大安全隐患。采用有限元法,研究了V型橡胶圈材料性能、摩擦因数、工作介质压力等参数对密封性能的影响。研究结果表明:V型圈在介质压力作用下能够形成稳定可靠的密封; V型圈密封副的摩擦因数以及材料硬度对密封性能和摩擦磨损性能有显著影响,聚氨酯和丁腈橡胶材料硬度相同,均为85 HA或90 HA。适当降低密封副的摩擦因数,可提高V型橡胶圈的密封性能和摩擦磨损性能; V型橡胶圈在10 MPa以上介质压力作用下变形达到稳定,轴向压缩量在0.9～1.0 mm。研究成果可为连续管旋转接头方案设计提供一定的指导意义。     

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。     

微量水对含清净剂油品抗磨减摩性的影响究

利用高频往复试验机研究了被微量水污染的含清净剂油品的抗磨减摩性能变化及其作用机理。结果表明：试验选用的5种清净剂均能增强润滑油基础油的抗磨减摩性;碱值高的清净剂C对基础油的润滑性改善效果最好,摩擦因数仅为0.10;但是水对分别添加清净剂A,B,E的油品抗磨性能影响较小,对分别添加清净剂C和D的油品抗磨性能影响较大;当油品中清净剂C加入量（w）为2.0%、水加入量（w）分别为0.1%和0.3%时,往复试验钢球的平均磨斑直径分别增至410.0 μm和416.0 μm,油品抗磨性明显变差。含有相同有机酸基质类型的清净剂,过剩碱性组分的水溶性越强,相应油品测试时钢球的磨斑直径越大;含有相同金属类型,不同有机酸基质清净剂的油品试验时的摩擦因数和钢球磨斑形貌变化趋势不同。     

煤层气欠平衡钻井旋转控制头胶芯密封特性分析

旋转控制头胶芯的密封性能是影响煤层气欠平衡钻井施工效果的重要因素。根据煤层气钻井工况,对井口偏心工况、起钻和钻进工况下,旋转控制头胶芯和钻具间的接触压力进行了有限元模拟研究,并分析了胶芯不同结构参数对胶芯密封性能的影响,为煤层气钻井低压密封胶芯的优化设计和研制提供了依据。结果表明:胶芯与钻具间的接触压力随偏心距的增大而增大,且靠近偏心侧的接触压力较大;钻进工况下,钻具本体和接头部分的接触压力都明显小于起钻工况;接触压力随外锥角的减小而增大,随内锥角的减小而减小,但变化量较小;摩擦力随主密封段长度的增加呈线性增加,钻杆接头部分明显大于本体。现场应用实践验证了分析结果的正确性。     

分体轴承式减扭防磨工具设计与安全性分析

在大位移井和狗腿度超标的深直井中,钻柱接头或本体与套管或岩石产生摩擦与碰撞,钻柱承受大的摩擦扭矩,长时间工作后钻柱局部壁厚减薄而导致钻具断裂失效,套管也会发生过量磨损,降低油井寿命。为解决该问题,设计了一种销栓连接分体轴承式减扭防磨工具,工具的轴承及复合套可分别减少扭转和轴向的摩擦阻力,且可吸收横向振动。对φ139.7 mm(51/2英寸)规格工具的主要承载件及易损件进行了安全性分析。结果表明,本体、钢球和螺栓工作安全性高,该工具可用于大位移井和深直井的钻井作业。     

X52管线钢接触损伤的磁记忆检测试验研究

接触损伤会对油气管道的完整性和安全性造成严重威胁,采用磁记忆检测技术可实现损伤的早期诊断,为此对X52管线钢试件不同接触载荷下的磁记忆信号特征进行了试验研究。结果表明:在接触损伤点磁记忆信号的法向分量过零点,切向分量出现极值;通过与摩擦损伤的磁记忆信号进行对比分析,说明压应力集中对磁记忆信号的影响更大;利用法向分量的峰-谷值差和水平间距两个特征参数随接触载荷增加而增大的特点,可以表征接触损伤的严重程度和影响范围。通过对X52管线钢接触损伤与磁记忆信号之间的关联性进行分析,为油气管道接触损伤的无损定量化评价奠定了基础。     

封隔器胶筒密封性能有限元分析

封隔器胶筒的密封性能直接制约其使用性能，且胶筒属于超弹性材料，在井下多种载荷作用下，其力学行为复杂。以三胶筒组合的压缩式封隔器为研究对象，建立了封隔器密封元件的有限元力学模型，分析了加载方式、摩擦因数以及胶筒硬度等对胶筒接触应力的影响，得出了接触应力沿胶筒轴向的分布规律，研究结果可指导封隔器胶筒组合的设计和井下作业。