大负载不压井作业机液压卡瓦结构的优化设计

针对不压井作业机液压卡瓦存在的大负载下局部失效的问题,采用试验与仿真相结合的方法对卡瓦的开槽宽度、开槽位置和齿顶宽度3个结构参数进行了研究,提出了将有限元分析法、正交试验法、线性加权法和Matlabs优化工具箱相结合的液压卡瓦结构优化设计方法。研究结果表明:液压卡瓦的薄弱部位为卡瓦齿,卡瓦齿在周向和轴向存在应力分布不均的问题;卡瓦齿周向的Mises应力基本呈现左右对称的趋势,卡瓦齿轴向的Mises应力呈现上下较大、中间较小的马鞍形;优化设计的卡瓦牙板开槽宽度为5mm、齿顶宽为0.23mm、开槽平面与左右端面角为21.67°。研究结果对液压卡瓦应力分布的改善以及夹持能力的提高有重要意义。     

复合接头钻杆钻井新技术

为了解决现有动力卡瓦牙板的齿尖会对钻杆造成伤害和动力卡瓦对钻杆的施力处会留下齿痕,一旦井内出现较高浓度的硫化氢就会造成钻杆氢脆断裂等问题,研究了复合接头钻杆钻井新技术及钻杆悬挂装置。该装置主要由复合接头钻杆、方瓦座、承载滑块、气缸、支承轴和螺钉等组成,可在井口对钻柱进行轴向承载,取代依靠卡瓦牙板与钻杆径向楔紧来承载钻柱重力的动力卡瓦。现场应用表明,该技术设计先进、结构简单、工作可靠,并且可减轻工人的劳动强度。     

W5/125吨钻杆卡瓦完成载荷试验

<正> 1982年12月在合肥通用机械研究所用WED-600型试验机,对江汉钻采所和如东通用机械厂共同研制的W5/125吨钻杆卡瓦进行了牙板-钻杆咬合试验、卡瓦体的应力分布测试和载荷试验。 在空载荷下进行的牙板-钻杆咬合试验和背锥接触情况的检查,其牙板与钻杆的咬合面积达75.1％。在45吨载荷下进行咬合试验时,咬合处牙印均匀,咬合面积达86％以上。     

卡瓦牙板重要几何参数分析

以卡瓦牙板简化模型为对象,分析在卡瓦牙与油管发生塑性变形时的嵌入行为,得出卡瓦牙板的几个重要几何参数对卡紧效果的影响,并利用正交优化法对几何参数进行了优化.采用ANSYS软件对卡瓦牙的强度进行分析,设单元属性为Shell 63,自动划分网格.结果表明,当量摩擦因数是检验卡瓦能否卡紧管柱的重要指标,卡紧管柱时,若考虑到让齿前角完全承担管柱重力时,当量摩擦因数与齿前角θ1有关,而齿后角的作用主要是增大卡瓦牙的强度.卡瓦牙的工作高度不宜过大,应控制在200～250 mm.     

微牙痕卡瓦在封隔器中的应用研究

封隔器的锚定机构在结构形式及卡瓦锚定能力方面存在不足,特别是卡瓦工作过程中会对套管表面造成较大损伤,不仅影响封隔器的工作性能,而且导致了套损井段在油井二次作业中无法进行二次封隔。鉴于此,分析了卡瓦锥面锥角、卡瓦包角、卡瓦牙数量和牙型角等影响卡瓦牙痕的重要几何参数,通过数值模拟得到封隔器卡瓦牙与套管接触应力的变化趋势,即:当卡瓦牙为4牙时对应区域的应力最大,对套管内壁的损伤也最大;卡瓦牙为5牙和7牙时应力分布曲线呈下降趋势;通过扩大每个牙顶的外径,可以使各牙及套管周边的应力分布均匀,同时使卡瓦稳定性增强,减少其对套管的损伤;减小锥面锲形角可以使椎体对卡瓦的作用力后移,有助于使各个齿受力均匀。研究结果可为卡瓦的结构修改及优化设计提供参考。     

封隔器卡瓦的三维接触有限元分析

由于封隔器卡瓦的尖齿结构,使卡瓦的理论分析、数值模拟分析和试验测试研究等都非常困难.利用ANSYS系统接触有限元方法和点组接触副技术,分析了卡瓦弹性和弹塑性Mises应力分布规律,结果表明,该型卡瓦的牙齿齿顶的Mises应力沿轴向从上到下依次减少,第5齿承受载荷很小,第6齿和第7齿几乎没有承受载荷,沿卡瓦的周向从轴对称面依次向卡瓦两侧面增加.提出了使齿均匀受力的改进意见.     

钻井吊钳牙板齿形的对比

钻井吊钳的牙板现有四种齿形:直齿、虎齿、双圆弧鼓形齿和双圆弧平面齿。文章对四种齿形矛板的工作情况进行了对比分析,指出双圆弧平面齿牙板与钻杆扣合时,两端齿尖易吃入钻杆表面,沿牙板长度方向所有牙板齿都与钻杆接触,避免了牙板的相对转动,减小了对钻杆的磨损。此外,这种牙板两端的齿小而短,中间的齿粗而长,整个齿面强度高,耐冲击,故其使用寿命高于另外三种齿形的牙板。     

钻杆卡瓦牙板齿形设计的试验研究

<正> 牙板是钻杆卡瓦的关键零件,其性能好坏决定了卡瓦工作寿命的长短和卡瓦能否牢靠地卡住钻杆而又对钻杆的损伤最小。长期以来,牙板齿形的设计都仅限于选用或测绘。本文将从强度和当量摩擦系数的观点出发,对牙板的齿形设计提出一些看法。     

卡瓦作用下钻杆的损伤机理及对策

卡瓦体背锥与转盘补心间的摩擦系数μ对钻杆所受径向载荷影响极大。为保证卡瓦能牢固地夹持住钻杆,应选取较小的μ值;而为使钻杆承受较小的径向载荷,μ值应较大。实际操作中应通过室内实验及现场试验,在保证卡瓦能有效夹持钻杆的基础上获得较大的摩擦系数。卡瓦与补心不符API标准,卡瓦与钻杆规格不对应,使用损坏的牙板,牙板新旧混装,摩擦系数过小或过大,用卡瓦旋转钻杆以及钻杆振动等都易加剧钻杆的损伤,使用过程中应避免这些情况的出现。     

封隔器卡瓦咬合过程受力模拟研究

文章采用云纹法物理模拟技术和有限元法数值模拟技术相结合的方法,对封隔器卡瓦与套管之间的咬合受力情况进行了研究,得到了卡瓦内部应力、应变分布规律,发现了卡瓦各齿受力不均匀情况和对卡瓦失效产生的重要影响.上述研究结果为改善卡瓦结构、提高工作可靠性提供了实验基础和理论依据.     

分瓣式卡瓦接触应力实验研究

封隔器卡瓦是封隔器的重要零部件,其工作性能好坏直接影响封隔器在使用中的成败和生产安全.本文采用光弹性实验对封隔器卡瓦进行了模拟试验应力分析.得到了封隔器卡瓦应力分布规律,对于卡瓦同一个齿的齿尖应力分布主要在齿面的两侧,同一轴向剖面内,卡瓦上下两端齿尖的应力比中间区域的应力大得多.上述研究结论为优化卡瓦结构、提高工作性能提供了实验基础和理论依据.     

钻井连续循环系统上卸扣卡瓦卡紧力分析

从钻井连续循环系统上卸扣卡瓦的工作机理入手,弄清了钻杆工作时的受力状态。将钻杆看作厚壁筒,采用弹性力学中的拉美公式求解钻杆内外受压的应力问题。钻杆外表面承受的摩擦力矩,看作圆筒扭转问题进行求解 。考虑管壁的变形的影响,解决了钻井连续循环系统上卸扣卡瓦卡紧力的计算难题,给出了上卸扣卡瓦卡紧力的计算公式。实例计算表明采用φ127或φ140钻杆进行连续循环钻井,上卸扣卡瓦卡紧力最好取19MPa;为提高钻杆的安全系数,应尽量采用厚壁钻杆;在卡瓦的设计时,可考虑加大卡瓦长度的方法减小卡瓦卡紧钻杆时的卡紧力。该计算方法可以用于指导钻井连续循环系统上卸扣卡瓦的设计。     

可降解桥塞坐封过程卡瓦力学分析

现有文献对可降解桥塞卡瓦-锥体的断裂压力分析较少,而且大多没有考虑卡瓦-套管弹塑性变形以及卡瓦牙渗碳层的影响。鉴于此,应用ANSYS有限元分析软件对可降解桥塞坐封过程卡瓦-锥体进行断裂压力分析,同时对卡瓦-套管进行锚定压力分析,获得了卡瓦与套管的接触状态分布、接触应力分布和Mises应力分布规律。分析结果表明:坐封过程中下卡瓦断裂压力为24.7 kN,比上卡瓦先断裂;卡瓦与套管的接触状态和接触应力沿轴向分布比较均匀,卡瓦与套管等效应力沿轴向分布不均匀,靠近加载端的牙齿应力较大,起主要锚定作用;卡瓦牙最大等效应力为3 422.50 MPa,套管最大等效应力为403.22 MPa,卡瓦牙尖处局部发生塑性变形,卡瓦牙大部分处于弹性变形,卡瓦对套管损坏程度不大。研究结果可为类似桥塞卡瓦结构的优化设计提供理论依据。     

连续循环系统上卸扣卡瓦卡紧力计算方法研究

连续循环系统可以在更换钻杆接头操作时保持泥浆的连续循环。从连续循环系统上卸扣卡瓦的工作机理入手,分析了钻杆工作时的受力状态。在调研了卡瓦卡紧管柱力学模型的基础上,将钻杆看作厚壁筒,采用弹性力学中的拉美公式求解连续循环系统钻杆内、外受压的应力问题;将钻杆外表面承受的摩擦力矩看作圆筒扭转问题进行求解。给出了连续循环系统上卸扣卡瓦卡紧力的计算方法,可用于指导连续循环系统的设计。     

非金属桥塞镶齿卡瓦的有限元分析及优化

运用Abaqus有限元软件对一种新型非金属桥塞镶齿卡瓦的锚定过程进行弹塑性接触有限元分析,获得了锚定时卡瓦牙及套管的弹塑性Mises应力分布、接触应力分布和接触力分布规律。分析结果表明,套管内壁所受卡瓦牙接触应力和接触力从卡瓦中部沿周向逐渐减小;同时,与卡瓦槽接触的各卡瓦牙底端最大Mises应力均接近于同套管接触的顶端应力值,卡瓦牙应力集中明显。将卡瓦牙和卡瓦结构优化设计后,避免了局部应力集中。卡瓦与套管之间接触应力和接触力的略微增大,也让卡瓦与套管的锚定更稳固。     

RTTS封隔器卡瓦力学性能分析

为了解RTTS封隔器卡瓦在井下的力学行为,优化其结构参数和提高其承载能力,利用弹性力学楔形体应力分析方法分析了RTTS封隔器卡瓦的应力分布及强度,确定了卡瓦牙根部的应力集中系数与集中应力,同时根据井下卡瓦的平衡条件,导出了RTTS封隔器卡瓦在井下承受的真实轴向载荷的计算公式。算例分析结果表明:(1)卡瓦下端面牙齿受力较大,该点为应力危险点,而卡瓦端面最薄处牙齿受力则较小;(2)相同轴向载荷作用下,封隔器卡瓦在不同套管尺寸下的应力分布不同;(3)增大卡瓦片数、牙面长度、牙面宽度及卡瓦楔角等结构参数可以有效降低卡瓦的相当应力。因此,校核RTTS封隔器卡瓦的强度应以其牙根部应力危险点为依据。     

RTTS封隔器卡瓦力学性能分析

为了解RTTS封隔器卡瓦在井下的力学行为,优化其结构参数和提高其承载能力,利用弹性力学楔形体应力分析方法分析了RTTS封隔器卡瓦的应力分布及强度,确定了卡瓦牙根部的应力集中系数与集中应力,同时根据井下卡瓦的平衡条件,导出了RTTS封隔器卡瓦在井下承受的真实轴向载荷的计算公式。算例分析结果表明:(1)卡瓦下端面牙齿受力较大,该点为应力危险点,而卡瓦端面最薄处牙齿受力则较小;(2)相同轴向载荷作用下,封隔器卡瓦在不同套管尺寸下的应力分布不同;(3)增大卡瓦片数、牙面长度、牙面宽度及卡瓦楔角等结构参数可以有效降低卡瓦的相当应力。因此,校核RTTS封隔器卡瓦的强度应以其牙根部应力危险点为依据。     

卡在卡瓦内管柱力学模型的探讨

在分析国内外卡在卡瓦内管柱力学模型的基础上，采用ANSYS软件，对钳牙与钻杆进行三维接触分析，弄清了钳牙与钻杆的接触状况，揭示了钳牙接触应力的分布规律；在此基础上确定了合理的管柱力学模型：将管柱视为厚壁筒，卡瓦夹紧部分的管体的径向位移非均匀分布，卡瓦夹紧力均匀分布，考虑轴向拉应力和卡瓦下边缘管柱横截面上的弯矩，为卡瓦的结构优化设计和新型卡瓦的研制提供一定的指导。     

多功能钻杆气动卡瓦的优化设计及应用

针对气动卡瓦的产品系列化和标准化程度不够,并且在承载力方面没有明确的行业标准等问题,对钻杆卡瓦进行了系列化和标准化优化设计。优化设计方案主要从以下2点考虑:(1)在结构允许的情况下,力求加大卡瓦与钻杆的接触长度和面积,以提高卡瓦的承载能力,又不咬伤钻杆。(2)改善卡瓦体与卡瓦牙的装配结构,保证卡瓦有足够的强度,利用有限元软件开展卡瓦受力模型优化设计。在压力试验的基础上,还对优化方案进行了进一步的改进。优化结果表明,多功能钻杆卡瓦的厂内最大试验压力达到并超过了6122kN,卡瓦卡紧管柱可靠、卡瓦及钻杆本体无损伤,承载能力达到了设计指标。     

高温高压井完井封隔器卡瓦抗剪切强度分析

卡瓦作为封隔器中重要的组成部分,起支撑封隔器和锁定胶筒的作用。针对坐封后卡瓦的咬入会对套管产生损伤,以及套管剪切力会对卡瓦产生损害等问题,模拟高温高压完井封隔器卡瓦的实际受力情况,建立了简化的完井封隔器卡瓦的力学模型,应用弹性力学理论分析了卡瓦的剪切强度,得到了卡瓦剪切强度的计算方法和卡瓦发生损坏的边界条件;采用ANSYS软件分析了卡瓦咬入套管的深度。研究发现,前4个卡瓦牙基本上承受了整个卡瓦作用力,在同一卡瓦牙上,应力最大值出现在卡瓦牙最顶端部位,且对比不同位置的卡瓦齿,发现相同节点的等效应力逐渐下降。第7个卡瓦齿上所有节点的Mises应力很小,可以忽略不计。