新型型线单螺杆钻具的设计研究

摘要

随着国内外市场对石油类产品需求的空前增加，以及石油钻井行业的迅猛发展，单螺杆钻具已逐渐取代其他各种类型的井下动力钻具，成为当今石油钻井过程中使用最多的一种井下动力钻具。新型型线单螺杆钻具因具备加工制造成本低、难度小，螺杆-衬套副啮合性能优良、使用寿命长以及便于型线分析等优点，逐渐开始受到相关研究人员的重视。 本论文对常规摆线单螺杆钻具存在的加工制造难度大以及因啮合性能不佳造成使用寿命降低等问题做了深入研究，并根据研究结果设计了一套便于加工制造、啮合性能优良、使用寿命长的新型型线单螺杆钻具。本论文首先阐述了目前应用最为广泛的短幅内摆线外等距型线的设计以及结构参数优化方法，并根据单螺杆钻具的设计参数完成了单螺杆马达螺杆-衬套副结构参数的优选与计算，为后续新型型线的设计与研究以及新型型线单螺杆马达的设计提供一定的理论参考和对比依据。 本论文重点完成了单螺杆马达新型型线的设计与研究，通过建立原始齿形曲线的数学模型推导出新型型线的原始齿形曲线方程；采用内滚包络法与齿形法线法分别推导出新型型线的共轭齿形曲线方程；推导出新型型线螺杆-衬套副过流面积的计算公式；分析了新型型线曲率的变化规律并定义了新型型线螺杆-衬套副的最优曲率K?；确定出新型型线螺杆-衬套副设计所需的7 个独立结构参数；完成了新型型线与短幅内摆线外等距型线螺杆-衬套副独立结构参数、过流面积以及曲率的对比分析。 完成了新型型线单螺杆钻具整体结构方案的设计，包括旁通阀总成、防掉总成、新型型线单螺杆马达总成、万向轴总成和传动轴总成；完成了新型型线单螺杆马达结构参数的设计计算、万向轴总成的选型以及最大摆动角计算；完成了各部分总成的结构设计并给出了各总成关键零件的设计图纸；完成了传动轴总成的强度校核与可靠性分析以及万向轴总成的强度校核与疲劳寿命计算。

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