取心钻具接头螺纹优化设计研究

论文摘要

取心钻具用于钻探获取地表以下的土壤或者岩心,广泛应用于油气资源勘探开发、工程勘察、以及环境监测取样中。取心钻具在整个钻杆柱中属于结构复杂,价格昂贵,也是容易损坏的一部分,通过锥管螺纹连接,螺纹部分受到内外压力、轴向载荷、扭矩、弯矩等多种载荷交替、叠加作用极易发生断裂、变形,导致连接失效,整个取心钻具也无法继续使用,需要提钻更换管件,造成大量经济损失。取心钻具需要承担携带和包裹岩心的任务或者提供取心的通道,所以壁厚要比普通钻杆小的多,薄壁特征更为明显,其连接的螺纹部分相应的也会更薄,但它却承受着同等的载荷,如果这里仍然使用常规的钻杆螺纹,则必将承担随时发生危险事故的风险,因此需要单独针对取心钻具的螺纹进行研究。本文借助有限元软件ANSYS分析了不同载荷下接头螺纹处的应力分布情况,结果表明:钻杆接头螺纹在载荷作用下,呈现两端高中间低的应力分布规律,靠近载荷施加端的接头螺纹外圈应力值最高,这是由于端部发生变形吸收能量,致使螺纹连接中段不易发生变形;远离载荷施加端的外圈螺纹应力值有所升高,且随载荷提高而升幅越大,这是由螺纹的螺旋面随载荷提高而过盈造成。根据这一规律提出了降低接头前3圈螺纹牙高度的优化方案,结果显示:该方案使接头螺纹上应力集中系数降低了14%。对锥管螺纹结构参数进行了正交分析,包括螺纹的牙高、牙型角,以及锥螺纹的锥度,研究表明:螺纹锥度越小,螺纹上应力集中系数越小;15°螺纹的应力集中系数最小。通过实验验证,实验结果与仿真结果保持一致,15°牙型角螺纹具备最高的轴向载荷承载能力,但是螺纹气密性较30°螺纹有所降低,增大螺纹牙高到2.44mm有利于提高螺纹轴向载荷承载能力,但是效果低于15°螺纹,同时螺纹整体气密性也有降低。本文通过对薄壁取心钻具接头螺纹仿真与实验相结合的研究,为日后设计各种不同需求的钻杆接头螺纹提供了参考依据,对增强取心钻具接头螺纹的强度、提高钻速和降低取样成本都具有重要意义。

论文目录

摘要

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第1章绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 地质钻探取心钻进工艺概况

1.2.2 取心钻具薄壁螺纹研究现状

1.3 研究内容与技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

第2章螺纹力学模型

2.1 钻杆受力计算

2.2 薄壁螺纹模型与强度计算

2.2.1 螺纹预紧力

2.2.2 螺纹极限扭矩

2.3 非线性问题简介

2.4 ANSYS接触分析

2.4.1 接触的定义

2.4.2 接触公式

第3章取心钻具薄壁螺纹仿真分析

3.1 螺纹仿真前处理

3.1.1 螺纹模型

3.1.2 接触与连接设置

3.1.3 网格划分

3.2 计算收敛分析

3.3 螺纹仿真及结果分析

3.3.1 拉伸载荷

3.3.2 扭矩载荷

3.3.3 弯矩载荷

3.3.4 机紧影响分析

第4章取心钻具螺纹优化及实验分析

4.1 钻杆螺纹结构参数

4.2 螺纹参数正交分析

4.3 螺纹结构优化方案

4.3.1 方案一

4.3.2 方案二

4.4 试验方案设计

4.5 螺纹拉伸实验

4.5.1 测试接头螺纹样品准备

4.5.2 试验设备

4.5.3 实验流程图

4.5.4 材料强度校核

4.5.5 试验步骤

4.6 实验结果及分析

4.6.1 试验结果

4.6.2 结果综合分析

第5章结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 钱程远

导师: 王瑜,宫晋武

关键词: 薄壁螺纹,非线性接触,应力集中,参数优化

来源: 中国地质大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,石油天然气工业,矿业工程

单位: 中国地质大学(北京)

分类号: P634.4

DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.000766

总页数: 67

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