基于偏载作用下的齿轮齿条啮合仿真研究

在研究的齿轮齿条钻机设计方案中,由于其特殊的结构设计,钻机井架重心和传动系统重心不在同一竖直平面上,产生的附加弯矩将会影响齿轮齿条的啮合。鉴于此,根据钻机实际偏载工况,建立了齿轮齿条模型,并从齿轮强度校核理论、有限元仿真两方面分析了齿轮齿条的啮合情况。分析结果表明:相比于无附加弯矩,附加弯矩会导致齿轮和齿条的齿面应力分布不均;同时随着附加弯矩的增加,应力呈线性增加,并在齿条受拉方向集中程度增加,增大了齿轮齿条轮齿破坏的风险;当齿轮运动逐步靠近齿条顶端时,推断齿轮和齿条可能出现脱开;附加弯矩将严重影响钻机的安全运行和钻井安全,并对齿轮齿条起升系统、井架结构和材料强度提出了更高要求。所得结论对钻机的设计具有一定的指导意义。     

基于启发式算法的套管柱组合优化设计方法

针对深井、超深油气井中套管柱组合设计存在非线性、多目标和离散变量组合的问题，提出了一种基于启发式算法的套管柱组合优化设计方法。采用树状结构表示套管柱组合并将其参数化，给出了体现套管柱成本、质量和安全因素的设计需求向量，建立了以该向量为基础的可调多目标数学模型，并给出了利用启发式算法求解该模型的方法。通过与经典的套管柱设计案例进行比较分析，在最经济方案的情形下，利用所建立数学模型得出的解在适应值方面比原方法更好，如解3在成本和质量方面均有所降低，解2的成本降低4.057%，但质量增加0.274%。研究结果表明，基于启发式算法的套管柱组合优化设计方法得出的解具有合理性，且在一定程度上比原有解更优，可解决深井、超深井套管柱组合设计存在的问题。      

深水钻井隔水管与地层管柱耦合力学分析

在深水钻井作业过程中,隔水管的安全对整个钻井过程至关重要。为了研究钻井系统在复杂海洋环境以及海底地质条件下的力学行为,综合考虑了海流载荷、海底地基反力、张紧力以及平台偏移量等因素,建立了隔水管与井口系统耦合的力学模型。采用解析法和有限元法结合,对力学模型进行了求解,并分析了张紧力和平台偏移量对隔水管和地层组合管柱力学行为的影响。分析结果表明:随着平台偏移量的增大,隔水管与地层组合管柱的横向位移相应增大;增加张紧力可以减小隔水管和地层组合管柱的横向位移和截面弯矩,有利于隔水管的稳定。研究结果对深水隔水管钻井作业具有指导意义。     

基于正交试验的钻井用水力振荡器结构性能参数设计

水力振荡器用于解决井下摩阻过大所造成的钻进缓慢、卡钻等问题。在螺杆马达已定情况下,振荡器的性能主要取决于动、定阀孔尺寸,及动阀孔偏心距的选取。结构参数选择不合适,如振荡力过小,不能解决由于摩阻过大造成的问题,影响钻井速度,延缓钻井完成时间;如振荡力过大,则会影响其他井下工具正常工作,严重时会造成安全事故。利用Fluent滑移网格及UDF模拟阀组流道在实际工况下的运动状态,计算产生振荡力的压降,并结合试验数据验证了其正确性。为得到不同结构性能参数下的压降数值,对动、定阀孔尺寸及动阀孔偏心距进行正交试验设计,筛选出压降均值为2~4.5 MPa区间的结构参数组合。该研究结果对水力振荡器的设计有重要指导意义。     

维修工程管理研究与发展综述

综述了近几十年来维修工程管理的研究与发展，如人工智能、故障诊断、机器状态监测技术(如振动分析、红外检测、热录像仪等)、预测和预防性维修(PPM)、全员生产维修(TPM)和主动性维修(PM)等，论述了综合应用机器实时状态监测与故障诊断、人工智能、计算机通讯技术以及先进的维修管理理念的集成质量控制与维修系统，最后提出一种目前世界领先的远程智能维修系统。内容包括：实践应用中的维修管理评估、智能和集成维修管理、状态监测维修中的智能预测决策支持系统(IPDSS)、设备状况衰退趋势预测——人工神经网络方法、IPDSS支持的维修管理、故障诊断中的人工智能应用、基于可靠性的预防性维修安排和远程智能维修系统。     

气体钻井连续循环短节旁通阀的设计与分析

气体钻井连续循环短节能有效解决井底压力不易控制、地层孔隙压力与破裂压力之间的操作压力窗口窄小、井眼鼓胀效应严重以及油气意外入侵等难题。设计了一种气体钻井连续循环短节,对其核心组件旁通阀在两种工况下受力状态进行了分析:关闭和打开两种工况下循环介质均会对阀体局部产生冲击力,易造成阀体局部强度破坏,且旁通阀关闭时,容易出现循环介质泄漏的情况。利用ANSYS有限元分析软件模拟了旁通阀处于关闭和打开两种工况下阀体的力学行为,对阀体危险截面进行分析。结果表明,该阀体结构满足各种工况下的强度条件,且旁通阀处于关闭状态时对密封性能有严格要求。研究同时完成了旁通阀密封副的密封设计分析。     

气体钻井连续循环短节主通阀的设计与分析

气体钻井连续循环短节主通阀可能会遇到阀本体强度失效、阀球转动失效和密封失效等问题。对气体连续循环短节主通阀阀球进行了力学分析,计算出靠人工转动阀球打开主通阀时阀体上、下所需的压力差。对主通阀阀体进行了局部三维分析,分析结果表明,最大应力出现在4个上开口挡圈与阀体的作用面上靠近凹槽根部,最大应力达192.8 MPa,满足强度条件。对主通阀密封进行了设计和计算,主通阀在内、外压差从5 MPa到35 MPa的变化过程中,主通阀的密封副所受作用力都大于密封面必须作用力,保证了所设计的主通阀满足密封性能要求。     

双封隔器间环空压力计算模型研究

双封隔器分层密封结构的密闭环空较高的环空压力,可能造成油管抗外挤强度及生产套管抗内压强度不足,严重时可能造成油套管柱失效或封隔器的密封失效,影响气井的正常生产作业。为此,基于流体介质的热膨胀效应,并考虑油管的弹性变形和热膨胀对环空体积的影响,建立了双封隔器间环空压力计算模型。利用建立的计算模型进行了算例分析并研究了流体介质的体积膨胀系数、等温压缩系数和套管内径对密闭环空压力的影响。研究结果表明:在相同温度变化量下,体积膨胀系数的增大会导致环空压力的变化量呈线性增加;等温压缩系数的增大会导致压力变化量减小,且减小幅度逐渐变小;套管内径的增大会导致压力变化量增大,且增大幅度逐渐变小。双封隔器间环空压力的研究对井身结构设计、套管强度设计、测试安全性设计及安全生产等具有一定的参考价值。     

气体钻井连续循环短节的设计与本体的力学分析

气体钻井是欠平衡钻井技术的重要组成部分,可以提高钻井速度,但接单根工况需要中断循环,容易造成岩屑沉降、井壁垮塌、卡钻等安全隐患。为此,设计了一种在气体钻进中接、卸钻具可保持气体连续循环且便于安装和拆卸的短节,其主要结构包括短节本体、主通阀、旁通阀和旁通接头,重点解决了其核心部件主通阀、旁通阀的结构设计;在对其本体进行静力学分析的基础上,运用ANSYS有限元分析软件,模拟了短节本体在受拉伸、扭转、内压工况下的受力状况。分析结果表明,其应力分布趋势与弹塑性力学分析结果相符,在短节本体两处圆孔附近产生应力集中现象,最大变形量仍然处于材料弹性变形阶段。有限元分析结果与弹塑性力学分析结果相符,能满足本体强度的要求。该成果为解决大位移井、欠平衡井、窄密度窗口井等安全钻井提供了新的方案。     

涡轮钻具涡轮扭曲叶片造型设计与研究

考虑涡轮流道径向不同圆柱层液体至轴线距离对液体质点的运动速度以及与叶片间相互作用的影响,建立了一种简化的涡轮液流模型,并对涡轮轴流系数和环流系数进行了适当修正,设计了一种扭曲叶片涡轮。采用数值模拟的方法,对比分析了扭曲叶片涡轮和直叶片涡轮的水力性能,验证了该设计方法的可行性。结果表明:扭曲叶片涡轮较直叶片涡轮,在压降减小39.6%时,转化扭矩降低19.4%,效率提高10.5%,并且其综合水力性能得到了提升。相关研究为扭曲叶片涡轮的设计提供了理论依据,对实际工程具有一定的参考价值。