石油钻井工具用非标碟簧力学特性研究

石油钻井工具常使用非标碟形弹簧缓冲振动,基于大变形弹塑性理论,使用有限元法分析了118 mm非标碟簧在加载过程中的力学特性。分析结果表明,随碟簧压缩位移增加,VonMises应力、周向应力、轴向应力、轴向变形量、周向变形量和厚度t轴向变形量呈非线性增大趋势。压缩位移小于2.5 mm时,碟簧未出现塑性变形;压缩位移为2.5 mm时,周向应力、轴向应力、轴向变形量和厚度t轴向变形量剧增,且碟簧发生塑性变形。对碟簧进行了刚度试验,压缩位移小于0.47 mm时碟簧刚度约为0.66 kN/mm,压缩位移大于0.47 mm时碟簧刚度值约为2.74kN/mm。结合数值模拟结果,建议单片碟簧的工作载荷应小于6.02 kN。该项研究结果表明,有限元法和碟簧刚度试验测定相结合,可以分析非标碟簧的工作力学特性,确定非标碟簧的最大工作载荷,为其科学使用提供依据。     

三维激光扫描技术在超大模块合龙中的应用

在大型海洋平台超大模块合龙中，针对全站仪测量方法存在的测量难度大、危险性高等问题，依靠三维激光扫描技术完成对合龙口的测量，实现对超大模块合龙的精度控制。三维激光扫描技术的使用不仅可以解决全站仪测量存在的问题，而且验证了三维激光扫描技术在船舶行业中应用的可靠性。     

井下非接触电能传输装置设计与试验研究

推靠式旋转导向钻井系统需要在井下把旋转态的电能传输给不旋转外套,传统接触式传电形式难以适应井下恶劣的工作环境。为此,基于ICPT技术,采用互感模型理论、Maxwell仿真计算并与试验验证相结合的方法,对非接触式旋转电磁机构的耦合性能、传输效率以及初、次级的谐振补偿措施进行了优化设计。研究了非接触电能传输装置的铁氧体形状尺寸、线圈匝数和安装位置的变化引起的该装置传输效率和功率的变化规律。研究结果表明:井下非接触电能传输装置能够满足现有静态推靠式旋转导向钻井工具的传电要求,轴向安装误差对传输效率和功率影响最大;该装置在轴向位移-3 mm位置传输效率和功率最高,并在效率最高点±3 mm范围内均满足电路传输的系统要求。研究结果对非接触式能量传输系统的研制具有一定的指导意义。     

柱稳式平台下浮体web frame分析

下浮体的web Frame分析是柱稳式平台的局部分析之一。通过下浮体的web frame分析,根据DNV规范的要求,利用ANSYS软件建立模型,约束边界,施加载荷,对下浮体在不同工况和装载情况下的屈服和屈曲进行校核。同时可以为同类的平台和类似船型的分析提供借鉴。     

致密砂岩气藏水平井多学科综合导向新技术——以鄂尔多斯盆地为例

鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气藏的储层主要表现为近南北方向条带状展布,河道分叉、交汇频繁,单砂体接触方式以侧向加积形成的多层式接触为主,河流交汇处砂体具有近东西向横卧分布的特征,给水平井地质导向带来了很大的难度。为了提高水平井储层钻遇率,系统分析了水平井地质导向现状和储层沉积特征,利用三维地质建模与三维地震对储层空间展布进行预测,同时结合对已钻水平井砂体空间展布的认识,不断完善和丰富水平井地质导向技术与方法,形成了"小层精细对比入靶、地质小尺度、地震大方向"的多学科思维深度融合的综合导向新技术,并进行了现场应用。研究结果表明:①沉积模型导向可在入靶过程中精确制导,提高一次入靶成功率,是斜井段入靶导向的主要方法 ;②地质建模导向可指导水平井钻进,但与地下真实地质体存在着一定的误差,可作为水平段辅助导向方法 ;③三维地震导向可区分复合河道界限和判断优势砂体空间相对位置,对水平段导向有很好的预判和指导性,是水平段导向的主要方法 ;④新方法在致密砂岩气示范区应用于水平井62口,实现平均水平段长1 430 m、平均砂岩钻遇率86.2%、平均气层钻遇率70.2%,水平井气层钻遇率提高了10%以上。     

井眼轨迹控制工具主轴接触疲劳分析

旋转导向钻井工作过程中,井眼轨迹控制工具的主轴旋转同时发生弯曲,极易在偏心机构与主轴接触面产生很大的接触应力,导致主轴的接触处疲劳失效。鉴于此,根据试验工况建立了井眼轨迹控制工具主轴的力学模型,分析了偏心器内环宽度、倒角、主轴外径和偏心环偏移距离对接触应力的影响,并采用线性疲劳累积损伤理论计算主轴的疲劳寿命。通过计算与分析发现,当主轴在偏心器的作用下发生弯曲变形时,会在主轴与偏心器内环接触位置单侧产生应力集中,特别是偏距超过2 mm时,主轴的疲劳寿命最长为70 h,偏心器内环宽度和倒角对该应力集中影响不大,但是降低主轴刚度能有效降低应力集中。所得结论可以为指向式旋转导向钻井工具的优化设计与材料优选提供指导。     

DQ20Y1液压顶部驱动钻井装置

顶部驱动钻井装置是动力从钻具的顶部直接驱动钻具进行旋转钻进的装置,具有较强的自动化工作能力和较高的作业效率,是欠平衡钻井、套管钻井、大斜度钻井、水平钻井等多种钻井工艺重要的支持装备。DQ20Y1液压顶部驱动钻井装置设计理念先进,实现了顶驱产品的小型化,配套建立了试验的方法及实验设备,达到闭式液压传动与电液扭矩限定精确控制水平,液压系统及液力传动系统的散热效果较好。产品符合API及国内行业相关标准,经性能测试主要性能参数达到国际先进水平,经工业试验和生产应用,特别适合于中浅井钻机或修井机配套使用。装置设计钩载1350kN(150t),额定扭矩25kN.m,卸扣扭矩55kN.m(最大值),背钳夹持范围为φ73.025～φ127mm钻杆,转速为0～160r/min,IBOP工作压力为35 MPa,主体重量为5t。该装置是目前国内唯一定型生产的2000m顶驱装置。     

用于海洋平台拆除的桩腿耦合顶升装置设计研究

弃置平台的拆除方法主要有吊装拆除和浮托拆除两种。为了使双船浮托法在整体拆除组块时每个支撑点都具备可调性,以解决上部组块重量和重心无法精确计算的问题,设计了桩腿耦合顶升装置。在介绍了桩腿耦合顶升装置的球体转动结构、橡胶缓冲单元、顶升液压油缸等构成的基础上,重点论述了桩腿耦合顶升装置的强度校核内容,包括顶升装置的假定设计参数、转动结构强度、钢筒结构强度、支撑导向板强度、垂向橡胶缓冲单元刚度、横向橡胶缓冲单元刚度的校核等,最后简介了桩腿耦合顶升装置的系统设计。     

交流变频电动顶驱系统下齿轮箱体的结构优化

现有文献鲜有基于顶部驱动钻井装置的齿轮箱结构优化研究。鉴于此,利用APDL参数化语言对下齿轮箱体进行了有限元计算,在指定的设计工况下对下齿轮箱体进行强度和刚度校核,并在此基础上研究侧壁壁厚和底部壁厚对下齿轮箱体结构刚度的影响。研究结果表明:下齿轮箱体提环销轴处最大应力为628 MPa,选用35Cr Mo材料可以满足结构强度安全设计要求;在垂直载荷作用下,法向变形为主要变形,最大变形位置为箱体与承载法兰接触面,从各个刚度参数来看,满足下齿轮箱体结构刚度的安全设计要求;侧壁壁厚与底部壁厚对下齿轮箱体结构强度和刚度均有影响,通过优化变量与状态变量之间的对应关系可以获得最下齿轮箱体的最优结构参数。所得结论可为下齿轮箱体结构优化设计方案提供数值依据。     

连续循环系统上卸扣装置负载分析与计算

上卸扣装置是连续循环系统的关键部件。为合理设计连续循环系统上卸扣装置,对其工作原理和操作流程进行了分析,根据设计需求,建立了上半封摩阻、钻井液上顶力、旋扣扭矩和上卸扣装置执行机构的力学模型,并选取常用钻井参数对主要负载阻力和技术参数进行计算。计算结果表明:上半封摩阻为179 kN,钻井液上顶力为537 kN,旋扣扭矩为376 N·m;为满足上卸扣操作要求,上卸扣装置夹紧油缸最小输出力为188 kN,紧崩扣油缸最小输出力为96 kN,定位油缸最小输出力为48 kN,旋扣马达最小输出扭矩为411 N·m,平衡油缸最小输出力为147 kN,背钳油缸最小输出力为1 054 kN。分析计算结果为上卸扣装置设计提供了理论依据。     

陆地水平滑道建造自升式钻井平台滑移装船技术研究及应用

在陆地水平滑道上建造的自升式钻井平台若没有专用倾斜船台,如何实施平台下水是设计人员需要解决的问题.借鉴海洋工程在水平滑道上建造的导管架与组块滑移装船的方法完成了L780 MODE Ⅱ型自升式钻井平台滑移装船,使得在没有干船坞和专用倾斜船台条件下陆地建造自升式钻井平台的装船、下水成功实施,为其它类似船型结构物采用陆地水平滑道建造方式提供了很好的设计与建造范例.     

双弯壳体动力钻具结构分析

采用能量法分析了A、B两种型号侧钻水平井双弯壳体动力钻具的结构特性 ,给出了钻具弯曲变形与井壁压力、钻头造斜力、井眼几何尺寸的关系 ,讨论了在直井眼内的下入问题。通过分析计算可知 ,当双弯壳体弯曲变形C点挠度为 4 3 58mm时 ,A型钻具与套管的摩阻力为1 1 82 8N ;当双弯壳体弯曲变形C点挠度为 6 66mm时 ,B型钻具与套管的摩阻力为 1 569 7N ,因此两种型号钻具均可顺利下入井底 ,此时钻具最大弯曲应力在C截面 ,分别为 3 9 76MPa和3 6 65MPa ,均小于材料许用应力 ,钻具强度安全系数大于 1 0 ,满足强度条件。     

基于ANSYS的水平井下套管摩阻分析计算

随着水平井和大位移井的日益普遍,由于套管柱自重和井眼弯曲等多种因素的影响,水平井和大位移井中的套管柱存在较高的摩阻力,摩阻过大将会影响到套管柱的顺利下入,水平井中套管柱轴向力的准确预测也为套管强度设计提供了重要的基础数据。用CAE大型有限元软件ANSYS,对江沙8-H水平井的?139.7 mm套管的受力和变形进行了数值模拟,计算了刚性扶正器处的接触力和刚性扶正器间套管的横向位移,并得到了套管柱在水平井中的摩阻力。计算模型考虑了套管的刚度和刚性扶正器对摩阻力影响,计算结果与现场实测数据比较吻合。计算结果表明,水平井中套管摩阻对轴向力的影响较大,且刚性扶正器间套管较长时,扶正器间大部分套管仍会与井壁接触,导致扶正效果降低。该计算方法为钻井工程设计提供了理论支持。     

非均匀各向同性介质中声波传播的盒式积分法模拟

利用积分差值法,将运动方程、自由边界条件上的吸收边界条件进行积分,根据高斯定理,得出二维非均匀各向同性介质中的声波传播的二阶显式格式。避免了不准确的二阶中心差分算子,对自由表面、人工边界及交接层面可以方便且精确处理。编制了声波方程的数值模拟程序,针对几种典型的地质模型,相应的计算了声波的数值模拟结果。     

端面粗糙度及静环静态角偏差对低速干气密封稳态特性的影响

建立了考虑低速干气密封端面各向同性粗糙度和静环静态角偏差的理论模型。采用有限单元法数值求解修正的雷诺方程,分析了不同压缩数下粗糙度和静环静态角偏差对密封稳态特性参数的影响规律。结果表明,粗糙度和静环静态角偏差对密封的稳态特性产生显著影响。较大的粗糙度可以使密封开启力、气膜刚度增大,但同时会造成泄漏率显著增大,因此对低速干气密封是有害的。过大的静环静态角偏差会使密封产生剧烈偏摆,造成端面瞬间接触,加剧端面磨损,最终导致密封泄漏失效。     

基于SACS的半潜式生产平台整体提升非线性分析

采用SACS软件对半潜式生产平台进行整体提升模拟,对于采用液压系统的提升系统,基于力-变形曲线的非线性模拟方法更精确地模拟提升系统的钢绞线受力情况,根据液压提升系统实际刚度对整体提升系统进行非线性计算,此方法可准确模拟单个吊点处多个液压提升器的钢绞线受力情况,计算结果与实际情况情况相符。     

FPSO一体化变形简化计算方法

研究FPSO主船体与上部模块结构一体化时船体梁的快速估算方法,主要目的是在船体设计初步阶段即可大致估算船体梁变形。根据FPSO自身特性对国内外相关估算公式进行分析改进,将改进后公式的计算变形值与整船有限元变形值进行对比,结果显示估算值与有限元计算值两者吻合度较高,改进后公式满足FPSO船体梁变形估算的精度要求,适用于FPSO船体变形的快速估算。     

深水钻井送入管柱技术及其发展趋势

为解决深水钻井送入管柱设计及选型设计的问题,对深水表层钻井中送入管柱的负载力学特性及其在作业中遇到的问题进行了研究,建立了送入管柱设计计算力学模型,并结合实钻井进行了模型应用分析.实例计算结果表明,相对于其他设计方法,用推荐的卡瓦挤毁修正模型计算的φ168.2 mm和φ149.2 mm送入管柱的最大拉伸载荷分别为3 234和3 136 kN,与最大许用拉伸载荷最为接近,反之说明用该方法设计出的送入管柱更加安全;用建立的极限拉伸载荷模型计算出在处理导管下沉时φ168.2 mm和φ149.2 mm送入管柱的安全系数分别是1.37和1.26,均满足最小安全系数1.10的要求,且送入管柱尺寸越大,安全余量和安全系数越高;而普通钻杆无法满足安全作业要求.研究结果表明,深水送入管柱设计必须综合考虑卡瓦挤毁和导管下沉复杂情况处理过程中管柱承受极限拉伸载荷两方面的因素,确保送入管柱在作业过程中的安全性.      

钻头牙齿过盈配合计算机仿真模拟实验研究

用弹塑性接触有限元法 ,建立了牙齿与牙轮体孔眼过盈配合的有限元力学模型 ,用ANSYS5 51软件对该力学模型进行了计算机仿真模拟 ,模拟并分析了牙齿压入孔眼的全过程 ,并根据孔眼的过盈量值 ,计算出了不同时刻需要在牙齿上施加的动态载荷。详细分析了孔眼壁附近的等效应力随牙齿压入深度的变化关系。当过盈量为 0 0 1 0、 0 0 2 0、 0 0 80和 0 1 0 0mm时 ,将牙齿全部压入孔眼内需要的压力分别为 1 2 4、 2 3 7、 46 1和 49 5kN ;当过盈量大于 0 0 35mm时 ,牙轮体内孔壁附近开始出现塑性变形 ,变形主要发生在孔眼根部 ;当过盈量超过 0 1 0 0mm时 ,牙齿不能全部压入。设计牙齿时必须把牙齿根部设计成有倒角的形式。     

穿刺工况自升式平台动力灾变特性

针对穿刺引起的自升式平台结构损伤问题,系统研究其动力灾变行为。考虑损伤积累对刚度衰减影响提出构件失效准则,在定义结构抗力和地基抗力基础上提出穿刺工况下平台结构失效准则,以121 m桁架式自升式平台为研究对象,考虑构件损伤演化及桩土动力耦合作用建立平台整体分析模型,并从入泥承载力、损伤影响、约束条件3方面验证了模型适用性;进一步基于整体失效准则开展穿刺工况下平台动力灾变演化模式研究。结果表明：构件损伤演化降低了平台极限承载能力并影响其整体灾变演化规律,CEL法可以有效模拟复杂土层桩土动力耦合作用;穿刺工况下平台失效模式受结构抗力和地基抗力共同影响,其演化规律为未穿刺桩腿与桩靴连接区域杆件由于船体倾斜产生较大弯矩发生塑性变形,随着穿刺深度的增加进一步演化为上下导向块区域桩腿杆件屈曲变形,这与穿刺工况下观察到的桩腿失效模式一致。