摘要：针对依靠经验制造的恒扭矩工具的螺旋组件,无法保证在不均匀地层中的工作性能。通过对螺旋组件进行受力分析,建立了恒扭矩工具内芯的微分运动方程。使用仿真软件对钻头端所受不同频率冲击扭矩进行仿真分析,同时改变螺旋内芯的螺纹导程、螺纹中径进行仿真分析。螺旋组件的螺纹导程为210 mm和270 mm时钻柱底部峰值较小,螺纹导程为210 mm时扭矩变化率为3.75%,螺纹导程为270 mm时扭矩的变化率为负3.6%。螺纹升角影响启动扭矩的大小,随着螺纹升角的增大,启动扭矩也在增大,螺纹升角在0.4~0.6之间取值时对扭矩偏离比的影响很大。恒扭矩工具结构参数工作特性研究对恒扭矩工具设计、使用有一定意义。

摘要：旋冲钻具能有效提高深层、硬地层的破岩效率,具有广阔的应用前景。凸轮-滚轮是实现冲击动作的关键机构,但复杂多变的井下环境导致机构损伤严重,进而影响破岩效率。基于旋冲钻具多井次的试钻数据,建立凸轮-滚轮动力学模型,通过显式动力学(Autodyn)分析不同冲程、转速、钻压下的工作特性,总结机构的形变特征提出优化方法。分析结果与试验数据和理论数值对比,验证了计算模型的准确性。结果表明:冲程增大可提高冲击效果,但高于10 mm冲程的滚子实际运动轨迹受钻速、滚轮尺寸、凸轮轮廓曲率影响其轨迹将变平缓。转速在9~18 rad/s时轴向加速度波动幅度较大,对钻具的稳定性具有一定影响。钻压增大凸轮内缘处形变特性明显,其形变量与钻压成正比,25 kN钻压下凸轮的形变量约是10 kN的2.6倍。凸轮齿顶、滚轮内缘处为易变形点,在齿顶处安装可换滚筒同时改变滚轮为鼓轮构型并对抛物线-直线-抛物线、2次多项式、摆线、7次多项式4类凸轮轮廓线型进行特性分析。选用摆线及7次多项式凸轮座轮廓和鼓轮可提高冲击效果,计算结果可为旋冲钻具设计提供参考依据。

摘要：常规冲击器采用的水力脉冲方法存在的冲蚀问题对冲击器的工作寿命影响较大。为此,提出一种机械举升及碟簧蓄能冲击方法并设计了一种机械式复合冲击器,通过实例模型验证了机构的可行性,在此基础上采用理论计算与数值分析相结合的方法对其压缩蓄能、扭冲、轴冲特性展开分析。研究结果表明:在10~100 MPa轴向压缩下,数量为11的碟簧组其总变形量增长率是数量为5的碟簧组变形量的约2.66倍,但其等效应力曲线特性相近;扭冲特性与径向冲击力成正比,下轴体端面总速度和总变形量与冲击力均呈线性相关,4对扭转冲击力作用的端面总速度约是2对的2.54倍;摆线轨迹线的举升座在30 r/min的运动状态下,12 mm冲程的最大冲击速度为0.2 m/s,最大冲击加速度为5.6 m/s^(2),为防止冲击过程接触应力过大需合理选择冲程大小,可通过增加扭冲对数、提高组合碟簧数量来增强冲击特性。研究结果可为复合冲击器的设计选型提供理论支撑。

摘要：针对死绳固定器绳轮强度、安全裕度不足和结构失稳等安全问题,根据JZG97型万米超深井钻机死绳固定器绳轮受力及结构特点,提出采用增加腹板的方法来解决死绳固定器绳轮存在的问题。采用有限元法数值模拟,分析了不同腹板绳轮的结构力学性能,三腹板绳轮的强度、安全裕度均满足钻井作业时的安全要求,确定采用三腹板绳轮。实物测试试验中,三腹板绳轮仿真结果与试验结果的最大相对误差为12.95%,综合分析仿真结果与实验结果基本吻合;线性屈曲分析表明,最大死绳拉力作用下的三腹板绳轮临界屈曲载荷为绳轮实际受载的48.8倍,满足结构稳定性要求。研究表明,三腹板绳轮可以解决死绳固定器绳轮存在的问题,可以为万米超深井钻机结构设计提供支持。

摘要：随着石油勘探开采逐渐由陆地转向海洋,浅海转向深海、超深海,常规的陆地铁钻工已无法在深水海洋平台直接应用。针对该问题,提出一种新型海底钻井系统配套的铁钻工机械臂结构,运用数值仿真模拟的方法对铁钻工机械臂结构的强度、疲劳强度、刚度、稳定性、抗振性展开安全性分析。研究表明:海底钻井用铁钻工机械臂结构在危险姿态(伸出1.8 m)时的最大von Mises应力为195.45 MPa(小于许用应力[σ]=320 MPa),疲劳强度安全系数n=4.63(大于许用安全系数[n]=2.0);危险姿态下机械臂结构的总弯曲刚度,x、y和z轴方向上的弯曲刚度分别为1.11×10^(10)、1.62×10^(12)、2.43×10^(13)、7.34×10^(10)N·m^(2),符合机械臂结构的刚度要求;机械臂结构的屈曲临界载荷Pcr=915.80 kN,为实际受载的45.79倍,满足结构稳定性要求;随机振动激励作用下机械臂结构有68.23%的概率最大von Mises应力不超过179.77 MPa,满足材料强度安全要求。研究结果验证了新型海底钻井用铁钻工机械臂的结构设计安全可靠,可为海底钻井用铁钻工机械臂的结构设计提供一定参考。

摘要：涪陵区块页岩气老井在分段多级压裂后滑移段套管变形严重,将会影响后期优化改造效果,且目前对该区块套管变形特征分析较少。为此,通过结合现场测井数据,建立不同射孔参数、水泥环材料属性、页岩滑移量的套管-水泥环-地层耦合模型,并采用经典Lame公式验证模型的正确性。数值分析结果表明:ø139.70 mm×10.54 mm的P110无损套管受周向挤压与上覆压力时的应力变化率相近,但射孔后套管的周向挤压应力变化加快,此时套管易产生较大变形,45°、90°相位角射孔比30°、60°、120°和180°相位角射孔对套管强度的影响小;45°方向页岩滑移下,套管最大等效应力位于滑移面上接触点,微小的滑移量将导致套管严重变形,页岩滑移量为4.243 mm时,套管的总变形量为3.957 mm;增大水泥环在页岩滑移处的弹性模量能减少套管的最大等效应力,但套管的总形变量也相对增加。水泥环弹性模量为7 GPa时,减小或增大泊松比至0.26以上均能降低套管的最大等效应力,但对预防套管变形效果不明显。设计的套管受内压地面试验装置及搭建室内试验平台,可为套管变形分析提供试验指导。

摘要：旋扣钳是轨道式铁钻工的重要组成部分,其受力和运动特性对整机性能有重要影响。提出一种新型轨道式铁钻工旋扣钳,建立旋扣钳力学模型,利用ADAMS软件对其进行力学特性分析。随后,利用机构的结构分析与综合方法对旋扣钳关键铰点进行运动学分析。研究结果表明:旋扣钳在旋扣过程中的接触力与驱动力均在允许范围内,证明旋扣钳结构设计的合理性;建立旋扣钳关键铰点的位移方程、速度方程以及加速度方程,继而得到偏转角α2的活动范围为5°~76°、α3的活动范围为14°~85°以及α4的活动范围为0°~65°。