本文關鍵詞： 不壓井卡瓦裝置 卡瓦牙板齒 非線性接觸 代理模型 結構優(yōu)化　出處：《吉林大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：為了適應我國各種復雜地層油氣田的開發(fā),不壓井作業(yè)采油和鉆井深度不斷加深,動力卡瓦裝置的性能直接影響到鉆井設備的作業(yè)效率。因此研究不壓井雙向自鎖卡瓦結構并對卡瓦牙板齒進行優(yōu)化設計,對保證不壓井作業(yè)安全性、提高鉆井效率具有很大的社會和經濟價值。本文通過對雙向自鎖卡瓦的研究,討論分析了卡瓦牙板齒結構參數及其接觸應力分布規(guī)律,并做了雙向自鎖卡瓦承載試驗,最后對雙向自鎖卡瓦牙板齒結構進行了優(yōu)化設計。所包含的主要內容如下:(1)通過查閱相關國內外文獻,綜述了動力卡瓦國內外應用和研究現狀。介紹了不壓井作業(yè)提升裝置的工作原理和三種動力卡瓦裝置的方案,分析了新型雙向自鎖卡瓦裝置結構特點,并對卡瓦牙板齒的主要參數進行了初步設計。(2)建立卡瓦管柱接觸有限元模型,基于有限元法分析了卡瓦牙板齒的接觸應力,結果表明卡瓦牙板齒的接觸應力在周向呈現“正弦曲線”,而軸向分布很不均勻,最大接觸應力發(fā)生在中間,兩邊接觸應力較小。最后分析了不同承載工況下和不同卡瓦牙板齒材料分別對卡瓦牙板齒接觸應力的影響。(3)搭建了雙向自鎖卡瓦承載測試試驗臺,采用有限元模型與試驗結合的方法來進行分析研究,并對仿真結果與試驗結果進行了對比。結果表明在四種承載工況下,卡瓦牙板邊緣測點應力變化規(guī)律基本一致,有限元模型計算結果與現場測試結果吻合較好,卡瓦牙板齒測試結果與仿真結果誤差基本滿足工程分析要求。證明了本文提出的基于有限元法的卡瓦管柱接觸計算方法的準確性。(4)提出構建不壓井作業(yè)雙向自鎖卡瓦牙板齒代理模型方法,通過使用優(yōu)化的拉丁超立方設計卡瓦牙板齒代理模型的試驗方案,分別采用Kriging方法、RBF方法和RSM方法構建卡瓦牙板齒代理模型,并對比分析三者代理模型的誤差精度。結果表明構建的RBF模型更適合做為雙向自鎖卡瓦牙板齒的代理模型。最后基于RBF模型應用MIGA優(yōu)化算法對雙向自鎖卡瓦牙板齒,以卡瓦軸向承載均勻系數最小為優(yōu)化目標,限制卡瓦牙板齒的齒間距、齒頂角、包角為設計變量進行優(yōu)化。將優(yōu)化前后結果進行對比分析。結果表明優(yōu)化后的雙向自鎖卡瓦牙板齒在滿足一定約束前提下卡瓦軸向承載系數最小。為雙向自鎖卡瓦牙板齒優(yōu)化提供了一種合理的設計方法。本文通過對不壓井作業(yè)雙向自鎖卡瓦結構分析和卡瓦牙板齒主要參數的初步設計,建立了卡瓦管柱接觸有限元模型,主要分析了卡瓦牙板齒的接觸應力。通過搭建雙向自鎖卡瓦承載試驗臺,驗證了基于有限元模型卡瓦管柱接觸仿真方法的準確性。并基于代理模型對雙向自鎖卡瓦牙板齒結構進行優(yōu)化設計,對提高不壓井作業(yè)設備的安全性具有重要意義。
[Abstract]:In order to adapt to the development of oil and gas fields in various complex formations in our country, the oil production and drilling depth are deepening continuously. The performance of the power sliver directly affects the working efficiency of the drilling equipment. Therefore, the structure of the double-direction self-locking sliver is studied and the optimum design of the plate teeth is carried out to ensure the safety of the non-wellbore operation. It is of great social and economic value to improve drilling efficiency. In this paper, the parameters of plate tooth structure and the distribution of contact stress are discussed and analyzed through the study of bidirectional self-locking slips. Finally, the optimum design of the tooth structure of the tooth plate of the bidirectional self-locking slips is carried out. The main contents are as follows: 1) by consulting the relevant literature at home and abroad. This paper summarizes the application and research status of power slips at home and abroad, introduces the working principle and three schemes of power clamping devices, and analyzes on the structural characteristics of new bidirectional self-locking slips. The contact finite element model of the slips is established, and the contact stress of the plate teeth is analyzed based on the finite element method. The results show that the contact stress of the plate teeth of the kava teeth presents a "sinusoidal curve" in the circumferential direction, but the axial distribution is very uneven, and the maximum contact stress occurs in the middle. Finally, the influence of different materials on the contact stress of plate teeth is analyzed under different loading conditions. Finally, a bidirectional self-locking bearing test bench is built. The finite element model and test method are used to analyze and research, and the simulation results are compared with the test results. The results show that under four load loading conditions. The stress changes at the edge of the kava plate are basically the same, and the results of the finite element model are in good agreement with the field test results. The error between the test results and the simulation results of kava teeth basically meets the requirements of engineering analysis. It is proved that the accuracy of the method proposed in this paper based on the finite element method for the contact calculation of the slips string is proved to be accurate. In this paper, a new method is proposed to construct a double-direction self-locking knuckle tooth surrogate model. By using the optimized Latin hypercube to design the dental surrogate model of kava tooth plate, the Kriging method and RSM method were used to construct the surrogate model respectively. The results show that the RBF model is more suitable as a proxy model for bidirectional self-locking teeth. Finally, based on RBF model, MIGA optimization algorithm is applied to double teeth. To the self-locking knuckles plate teeth. Taking the minimum uniform coefficient of axial bearing of the slips as the optimization objective, the tooth spacing and the tooth top angle of the plate teeth of the slips are limited. The results before and after optimization are compared and analyzed. The results show that the optimized bidirectional self-locking teeth have the minimum axial bearing coefficient under certain constraints, and the results are bidirectional self-locking cards. The optimization of plate teeth provides a reasonable design method. In this paper, the structure analysis of bidirectional self-locking slips and the primary design of the main parameters of plate teeth are carried out. The contact finite element model is established, and the contact stress of the plate teeth of the slips is analyzed. A bidirectional self-locking bearing test bed is built. The accuracy of the contact simulation method based on the finite element model is verified, and the optimum design of the plate tooth structure based on the agent model is carried out. It is of great significance to improve the safety of the equipment.
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TE92

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本文編號：1445081