自动垂直钻井系统管具力学分析及结构改进

摘要

自动垂直钻井系统能够有效解决当前石油钻探过程中复杂地层防斜提速的难题，自动垂直钻井系统集合了信息测量器件，控制电路以及包含液压系统的机械执行机构，系统的敏感度高。在恶劣的井底环境中，各类振动冲击十分剧烈，对自动垂直钻井系统以及钻柱的安全性都提出了严峻的挑战。 本文依据钻柱动力学的基本理论，以钻杆发生弯曲变形为例，综合考虑井壁和钻杆间隙距离等因素，研究了钻杆在横向震动条件下的弯曲挠度和应力分布。在此基础上，进行了钻柱结构的安全性分析，分析了钻柱振动的共振频率和钻柱的疲劳强度。形成了提高钻柱安全性的理论方法。 在钻柱安全性研究的理论基础上，针对自动垂直钻井系统的安全性进行了研究和优化改进。 利用有限元软件建立了自动垂直钻井系统和钻柱的有限元模型，并进行了有限元分析，结合钻井过程的实际工况，对自动垂直钻井系统内部的关键部件进行了振动模态分析和强度仿真，设计了测控短节的轴向和横向减震器，并进行了加速度计抗震优化设计，针对扶正环和弹簧压紧系统进行了有限元分析，分析了这些部件的安全性，完成了上下接头等重要部件的的优化设计和结构改进，有效的降低了自动垂直钻井系统的振动强度，自动垂直钻井系统的安全性获得了显著提高。

目录

声明

第一章 引言

1.1 研究背景及意义

1.2 本文研究的主要内容

1.2.1 钻杆的弯曲挠度分析与应力分布研究

1.2.2 自动垂直钻井系统结构的有限元分析

1.2.3 钻柱结构的安全性分析

1.2.4 自动垂直钻井系统内部构件的有限元分析及优化改进

第二章 钻杆的弯曲挠度分析与应力分布研究

2.1 钻杆的弯曲挠度分析

2.2 钻杆的弯曲应力分析

⑴ 当钻杆只有公转时

⑵ 既有公转又有自转

2.3 结论

第三章 自动垂直钻井系统结构的有限元分析

3.1 有限元模型建立以及约束和加载

3.2 自动垂直钻井系统结构的受力分析结果

3.3 小结

第四章 钻柱结构的安全性分析

4.1 钻柱振动的安全性分析

4.1.1 降低共振概率的可靠性分析

4.1.2 建立限制振动响应可靠性模型

4.2 钻柱的疲劳强度分析

4.2.1 轴向的应力分布

4.2.2 应力幅值的分布规律

4.2.3 疲劳极限的分布规律分析

4.3 小结

第五章 自动垂直钻井系统内部构件的有限元分析及优化改进

5.1 测控短节的有限元分析及减震优化设计

5.1.1 测控短节振动模拟分析

5.1.2 测控短节轴向和横向减震器设计

5.1.3 测控短节提高加表抗震性设计

5.2 扶正环设计及强度仿真

5.3 弹簧压紧系统的有限元分析

1、压力调整块的厚度为10mm

2、压力调整块的厚度为20mm

3、压力调整块的厚度为30mm

4、压力调整块的厚度为40mm

5.4 上下接头改进设计

5.5 发电机磁耦合驱动设计

5.5 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢