磁力冲击式钻井提速装置设计及分析

摘要

在定向井的滑动钻进过程中，钻柱与井壁之间的摩阻过大，导致钻头钻压不足，严重影响了钻进速度，严重时还会引发卡钻事故，毁坏钻具，降低井眼质量，造成巨大的经济损失。因此，定向井的摩阻问题一直是困扰石油开采的重大技术难题。
　　利用库仑摩擦定律分析了钻柱径向振动对摩阻的影响，研究了激励钻柱做径向振动可以实现减摩降阻可行性，提出了基于径向振动的磁力冲击式钻井提速装置设计方案；利用 U形波纹管的柔性和电磁铁通电生磁断电消磁特性设计了机械结构和电路控制系统相结合的磁力冲击式钻井提速装置，采用SolidWorks进行三维建模，完成了机械结构设计；针对关键零部件波纹管振子通过理论计算和利用ABAQUS进行有限元分析，研究了波纹管结构参数对轴向刚度、弯曲刚度的影响，为优化设计提供依据；研究了波纹管在钻井液内压作用下的应力分布情况并进行强度校核，验证了结构设计的可靠性；通过理论计算和模态分析，得到了波纹管振子径向振动频率，证明了结构设计满足要求，通过瞬态分析得到了波纹管振子在周期性径向载荷下的振动响应，证明了波纹管振子在给定最小周期性载荷下能够产生共振；根据钻井提速装置工作要求，设计了基于ATmega168型单片机的电磁铁驱动系统，确保了波纹管振子在不同工作环境下都能达到共振状态，提高了钻井提速装置性能的稳定性；设计并搭建了磁力冲击机构作用力试验平台，分析了电磁力在空气中的衰减规律，证明了所选用电磁铁满足驱动波纹管振子的要求，能够实现钻井过程中的减摩降阻功能。

目录

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1 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题的设计思想和研究内容

2 钻井提速装置机理与方案设计

2.1 钻井提速装置工作机理

2.2 方案设计

2.3 本章小结

3 基于ABAQUS的波纹管振子参数设计

3.1 波纹管振子结构的基本参数

3.2 有限元理论

3.3 波纹管结构的轴向刚度

3.4 波纹管结构的弯曲刚度

3.5 波纹管振子在内压作用下的有限元分析

3.6 本章小结

4 波纹管振子动力学分析

4.1 波纹管振子模态分析

4.2 波纹管振子瞬态动力学分析

4.3 本章小结

5 钻井提速装置电磁铁驱动系统原理设计

5.1 钻井提速装置电磁铁驱动系统硬件电路

5.2 钻井提速装置电磁铁驱动系统软件设计

5.3 本章小结

6 磁力冲击机构作用力的试验分析

6.1 电磁铁的选用

6.2 试验及分析

6.3 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录