螺杆钻具推力轴承工作力学分析及结构改进

针对螺杆钻具向心推力球轴承寿命短的问题,分析了其载荷特性和服役情况,依据Hertz接触理论,利用有限元数值模拟技术建立了球轴承接触模型,计算了球轴承的应力情况。对承受轴向载荷的圆柱滚子轴承进行了有限元分析,结果表明,在同等条件下圆柱滚子轴承比球轴承的工作应力大幅降低。为此,建议组合使用球轴承和圆柱滚子轴承,以延长螺杆钻具推力轴承的使用寿命;建议螺杆钻具配套使用减振工具或优化BHA及钻井参数,通过减少轴向负载的波动量,延长轴承的疲劳寿命。     

螺杆钻具推力轴承的载荷研究

离井底循环钻井液时,螺杆钻具传动轴向下的作用力由上轴承承受。一般随着钻压的增加上轴承的载荷有所减小。下轴承不受力。钻井工艺希望的钻头水眼压降对上轴承会造成很大的栽荷,故螺杆钻具都需说明钻头水眼压降的许用的最大值。设计时选用小限流直径、大导程,使用时用大钻压、大水眼、小钻头等措施均能减轻轴承栽荷。工作时万向轴壳体受拉而不受压,因此铰接螺杆钻具所装的铰链能提高钻具的通过性而无确定的造斜能力。     

螺杆钻具特性分析

螺杆钻具采用容积式单螺杆液马达作为动力机。无工作液漏失、无摩擦的理想马达是不存在的。马达工作液的漏失使得螺杆钻具总效率降低，并导致其实际工作特性偏离理论工作特性。在相同负载下，马达副的配合间隙对螺杆钻具的流量—转速特性影响很大，配合过盈量在０～０．３０ｍｍ范围内，螺杆钻具的功率及总效率较高；对漏失量超过２Ｌ／ｍｉｎ的液马达，建议不要继续使用。负载（转子输出扭矩）是影响流量—转速特性的另一重要因素，试验表明，螺杆钻具在最佳工况时的扭矩是制动扭矩的５０％～７０％。按螺杆钻具在不同流量下的扭矩—转速特性，为适应牙轮钻头钻井工况的要求，设计马达时应尽量降低转速，提高输出扭矩。     

螺杆钻具传动轴力学特性评价

传动轴是螺杆钻具中的关键零部件，也是易失效件之一。针对传动轴常见失效特征，结合常用工况，进行了力学分析和有限元计算。通过大量的数值计算，完成了扭矩、轴向力、侧向栽荷、几何边界等相关因素对传动轴力学特性影响的定量评价，可以较好地指导传动轴总成的设计与使用。     

中空转子螺杆钻具工作特性分析

介绍了中空转子螺杆钻具的结构、原理，导出了转矩、转速、功率、效率与马达两端压降的关系式，分析了其工作特性。为了改善该类螺杆钻具转速软特性，对中空转子分流嘴结构提出了改进建议。     

螺杆钻具Tc轴承的研制

螺杆钻具中的径向Tc轴承是影响螺杆钻具使用寿命的关键部件。在分析国内外Tc轴承样品的基础上,对Tc轴承制造技术及组成摩擦面的材料进行了实验、分析和对比,采用无压浸渍技术试制成φ150mmTc轴承,并对模具的设计及有关工艺问题进行了探索。     

螺杆钻具硬特性与软特性的关系

通过对螺杆钻具工作原理及特性的分析，论述了目前在螺杆钻具设计，生产，使用中一些不易搞清楚的概念，观点，诸如“软，硬特性”，制动扭矩以及对它们的调控意义，给出了螺杆钻具的评判方法，并进行试验，证明是可行的。     

螺杆钻具打捞器接头有限元力学分析

建立了打捞器接头及其造扣过程的有限元力学模型。根据实际情况,将造扣过程划分为4种力学工况,并将造扣力简化为打捞筒内的线性分布。经过有限元计算,造扣位置的径向力最大,并在造扣段线性减小为零,结果符合实际情况。该打捞器接头及其特Tr210×4螺纹强度满足现场使用要求。     

螺杆钻具壳体力学特性评价

螺杆钻具外壳体是螺杆钻具的关键零部件,也是易失效件之一。针对传动轴外壳体、万向轴弯壳体、定子外壳体,建立了力学分析模型和有限元计算模型,通过大量的数值计算,定量研究了不同工作载荷情况下外壳体的力学特性,获得的结论可以作为外壳体结构设计和使用的参考准则。     

弯螺杆钻具力学特性分析与设计

设计或选择弯螺杆钻具组合时，既要确定弯螺杆钻具的总体方案结构参数，还要预测该钻具组合的造科能力。利用结构弯角的等效角和等效横向载荷，推导了用以分析具有结构弯角的螺杆钻具组合力学特性的三弯矩方程组，并应用它确定钻具组合的平衡曲率。根据实钻结果研究了弯螺杆钻具组合造斜能力与平衡曲率间的关系，得出了平衡曲率系数的数学表达式，并将其应用于φ39．7mm套管侧钻水平井的φ89mm弯螺杆钻具总体方案设计。计算表明，这种φ89弯螺杆钻具应设计成传动轴本体上带有稳定器的单弯钻具。     

新型等壁厚螺杆钻具定子结构设计及力学分析

等壁厚螺杆钻具定子以其独特的性能受到国内外专家学者的推崇,但是其细长内螺旋曲面的存在带来了加工上的困难。提出了套装式螺杆钻具马达定子结构设计方案,变定子整体加工为分层加工,降低加工难度。通过有限元法对其在不同过盈量、均匀内压下的力学性能进行分析,获得套装式定子结构的应力分布规律,为套装式等壁厚螺杆钻具定子设计与应用提供理论依据。     

高抗扭强度钻铤螺纹设计及有限元分析

研制的高抗扭强度钻铤螺纹与API标准钻铤螺纹相比,只是在外螺纹小端增加了一段光滑的圆柱面。该结构可在达到上扣扭矩时,使螺纹内、外台肩同时顶紧,形成2道密封面,不仅增加了螺纹的受力截面积,而且提高了钻铤螺纹连接强度和抗扭强度,大大降低了密封面发生刺漏的几率。有限元分析和现场使用表明,使用高抗扭强度钻铤螺纹是延长钻铤寿命、减少井下事故的一种有效措施。     

带扶正器弯螺杆钻具的造斜率计算及应用

介绍了单扶正器钻具组合力学模型和弯壳体螺杆钻具的理论造斜率计算方法.综合分析了带扶正器弯螺杆钻具组合的造斜率影响因素及控制井眼轨迹的方法.该方法成功应用于2根试验螺杆的设计,对现场技术服务也有指导意义.     

增压透平膨胀机组轴承推力载荷分析及消除

通过对增压透平膨胀机组轴承两端推力载荷压差的分析,采取了相应措施减小或消除轴承推力载荷的负面影响,提高了机组长周期平稳运行性能,延长了转子使用寿命,效果明显。     

钻铤螺纹接头上卸扣过程力学分析

摩擦因数是螺纹接头上卸扣过程中非常重要的参数之一。应用有限元软件对不同摩擦因数下的螺纹接头上扣和卸扣过程分别进行了建模计算,主要观察螺纹接头表面各个区域的受力状况,对受到接触应力较大的台肩面和螺纹牙扣进行重点分析。由于接触应力是导致螺纹接头发生粘扣等失效的直接原因,通过有限元模拟得到的结果可以用来指导实际上卸扣过程。     

井下钻柱纵向振动特性分析

针对钻柱纵向振动影响钻头寿命和加剧钻柱疲劳破坏的问题,把整体钻柱作为研究对象,建立钻柱振动方程,采用动力有限元方法求解该模型。研究表明,稳定器的数量及尺寸等参数对钻柱组合的纵向振动力影响不大,给出的钻柱纵向振动分析动力学模型和求解方法合理有效。     

等壁厚螺杆钻具及应用

等壁厚螺杆钻具是一种新型动力钻具。介绍了等壁厚螺杆钻具的基本结构、与普通螺杆钻具的结构区别和技术优势,并对其现场应用效果进行了分析。与普通螺杆钻具相比,等壁厚螺杆钻具具有工作扭矩大、使用寿命长、耐高温等优点,在深井和高密度钻井液井及小曲率半径水平井应用具有较大的技术优势。     

井温对螺杆钻具使用性能的影响

对井底温度引起螺杆钻具定子橡胶的变化进行了理论分析,利用模拟加热试验方法找出定子橡胶尺寸随温升的变化规律。提出改进橡胶配方、选择合适的粘接剂及合理配置过盈量的方法,可以有效地提高螺杆钻具的扭矩,延长螺杆钻具使用寿命,避免掉胶等质量事故的发生,对于螺杆钻具的合理配置和选型有一定的借鉴意义。     

钻直井螺杆钻具止推轴承载荷计算

螺杆钻具止推轴承受力计算分两种工况进行，一是钻头离开井底循环钻井液时，轴承受轴向力ＴＬ为转子、万向轴、传动轴和钻头在钻井液中的总重力与传动轴总成受压差力及空转时马达压降产生的轴向水马力之和；二是在加压钻进时，其轴承所受轴向为ＴＺ＝Ｗ＋Ｑ＋Ｆ－Ｂｏ若ＴＺ为正值，轴承受力由上而下；着ＴＺ为负值，轴承受力由下而上；若ＴＺ为零，轴承寿命最高，此时钻压为合理钻压。在实际钻进时，根据地层条件，可得出轴承不受轴向力的合理钻压。     

地面可调螺杆钻具的研制

在定向井、大斜度井、水平井等特殊工艺井中,为优化井身质量,不同井段的造斜率可能会不同。而常规的弯螺杆钻具的弯角是固定的,为减少弯螺杆钻具的配备数量,设计了一种可分级调整弯度的螺杆钻具。该螺杆钻具的调弯机构由中间接头、调节花键套和弯母扣下壳体组成,可使一根钻具能得到0°-3°内13个不同的弯度。设计了一种适合地面可调螺杆钻具的球型万向轴,该万向轴采用分体式球型万向摆动的万向节和全密封式结构,克服了花瓣式万向轴的缺点,延长了螺杆钻具的使用寿命。