本文關(guān)鍵詞：鉆桿螺紋接頭仿真應(yīng)力分析及密封性能研究

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【摘要】：小井眼鉆井可大幅度地降低成本,提高開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益,是鉆井的發(fā)展方向,應(yīng)用于小井眼的小直徑鉆桿具有良好的發(fā)展前景[1]。鉆進(jìn)過(guò)程中受到扭矩、軸向拉壓力以及與井壁摩擦力作用,其螺紋部分結(jié)構(gòu)脆弱,容易發(fā)生強(qiáng)度不足,密封失效,造成泄露。接頭螺紋嚙合時(shí)的應(yīng)力大小及其分布規(guī)律是提高其氣密性的關(guān)鍵所在,本文針對(duì)這一問(wèn)題,開展了小直徑鉆具接頭的設(shè)計(jì)與研究工作。根據(jù)小井眼鉆井需要,設(shè)計(jì)了一種外徑為ф68的鉆桿以及錐螺紋接頭,將鉆具接頭任意軸向位置的截面簡(jiǎn)化為厚壁圓筒,利用Lame厚壁筒理論,建立了接頭螺紋在荷載作用下的接觸應(yīng)力模型。提出了螺紋密封的判據(jù),即公母螺紋接觸壓力之和應(yīng)該大于鉆桿內(nèi)外的壓差,且應(yīng)保持接觸面的平整度。隨后,基于三維建模軟件SolidWork和有限元分析平臺(tái)Ansys Workbench,構(gòu)建2D仿真模型,將鉆進(jìn)所受扭矩等效成上扣扭矩,對(duì)接頭副在外力條件下的接觸應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了仿真研究,結(jié)合前述數(shù)學(xué)模型和氣密性判據(jù),確定了影響氣密性的關(guān)鍵因素,預(yù)測(cè)了接頭氣密效果,并模擬計(jì)算了該型螺紋最佳上扣扭矩等參數(shù),為實(shí)驗(yàn)研究和后續(xù)應(yīng)用提供了參考依據(jù)。加工出所設(shè)計(jì)的螺紋接頭,根據(jù)仿真模型所得到的結(jié)果,確定了接頭氣密性實(shí)驗(yàn)方案,針對(duì)模擬中的各種不同加載及上扣狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,并與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:(1)上扣狀態(tài)對(duì)密封性起決定性作用,選擇合適上扣扭矩能大大提高接頭密封強(qiáng)度;(2)相比于壓差對(duì)于接頭密封強(qiáng)度的判定作用,接觸面的平整度在維持接頭氣密性方面也起著決定性作用;(3)臺(tái)肩面的過(guò)盈對(duì)于保持軸向荷載下接頭的穩(wěn)定以及氣密性有著重要作用。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究,進(jìn)一步驗(yàn)證了氣密性判據(jù),同時(shí),螺紋接觸面的平整度也對(duì)整體氣密性具有較大影響,需要嚴(yán)格控制加工精度和質(zhì)量。論文的研究成果將為下一步優(yōu)化設(shè)計(jì)小直徑鉆具接頭結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ),同時(shí),也可為其他接頭的設(shè)計(jì)提供借鑒。
【關(guān)鍵詞】：鉆桿接頭 氣密性 強(qiáng)度 上扣扭矩 仿真分析
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TE921.2
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 緒論9-13
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 研究目的與意義10
• 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-11
• 1.4 存在的問(wèn)題11
• 1.5 研究?jī)?nèi)容與研究方法11-13
• 1.5.1 研究?jī)?nèi)容11-12
• 1.5.2 研究方法12-13
• 第二章 相關(guān)基本理論13-17
• 2.1 API螺紋密封機(jī)理及特點(diǎn)13-14
• 2.2 特殊螺紋密封機(jī)理及特點(diǎn)14-17
• 第三章 理論模型的建立17-24
• 3.1 理論基礎(chǔ)與假設(shè)17-18
• 3.2 接觸力學(xué)模型18-23
• 3.2.1 軸向力對(duì)上扣扭矩的影響18-19
• 3.2.2 接頭螺紋表面接觸壓力模型19-20
• 3.2.3 接頭螺紋周向應(yīng)力模型20-22
• 3.2.4 接頭螺紋徑向應(yīng)力模型22-23
• 3.3 接頭密封模型與判據(jù)23-24
• 第四章 接頭有限元模擬分析24-47
• 4.1 分析模塊的選擇與接觸問(wèn)題分析方法24-25
• 4.1.1 模塊的選取24
• 4.1.2 接觸問(wèn)題的分析方法24-25
• 4.2 接頭模型的建立25-29
• 4.2.1 平面模型的建立25-26
• 4.2.2 Ansys中模型的建立26-27
• 4.2.3 加載方式與過(guò)盈量的計(jì)算27-29
• 4.3 參數(shù)設(shè)置29-31
• 4.3.1 材料的選取29
• 4.3.2 接觸對(duì)設(shè)置與網(wǎng)格劃分29-30
• 4.3.3 加載方式與邊界條件的設(shè)定30-31
• 4.4 計(jì)算結(jié)果與分析31-40
• 4.4.1 手緊狀態(tài)31-34
• 4.4.2 臺(tái)肩面接觸不過(guò)盈狀態(tài)34-37
• 4.4.3 臺(tái)肩接觸過(guò)盈狀態(tài)37-40
• 4.5 最佳上扣扭矩的計(jì)算40-47
• 4.5.1 最佳上扣狀態(tài)判定條件40-44
• 4.5.2 最佳上扣狀態(tài)及上扣扭矩的計(jì)算44-47
• 第五章 螺紋承載力實(shí)驗(yàn)研究47-55
• 5.1 實(shí)驗(yàn)方案47
• 5.2 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與加工47-49
• 5.3 相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)步驟49-51
• 5.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備49-50
• 5.3.2 實(shí)驗(yàn)流程圖50
• 5.3.3 實(shí)驗(yàn)步驟50-51
• 5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬綜合分析51-55
• 5.4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析51-53
• 5.4.2 位移曲線與氣壓終值曲線綜合分析53-55
• 第六章 結(jié)論與展望55-57
• 6.1 結(jié)論55-56
• 6.2 展望56-57
• 6.2.1 下一步的工作56
• 6.2.2 接頭強(qiáng)度改進(jìn)建議56-57
• 致謝57-58
• 參考文獻(xiàn)58-59

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