【摘要】：近年來定向井、水平井、多分支井、大斜度井等先進(jìn)的鉆井技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用,這類井型結(jié)構(gòu)能夠大幅度降低鉆井成本并提高儲層開發(fā)效率。然而在定向井、水平井、多分支井等井型結(jié)構(gòu)中均存在彎曲井眼段,也就是造斜段。在彎曲井眼內(nèi),由于鉆柱受到井壁的作用力,將產(chǎn)生較大的撓度,大部分工作過程中鉆柱在井眼內(nèi)旋轉(zhuǎn)作業(yè),因此在彎曲井眼內(nèi)鉆柱的疲勞壽命遠(yuǎn)小于直井工況。鉆桿接頭螺紋是整個(gè)鉆柱的薄弱環(huán)節(jié),隨著井眼狗腿度的增加,鉆井過程中彎曲載荷對其連接性能的影響越來越嚴(yán)重,鉆桿接頭螺紋的強(qiáng)度已成為限制井眼軌跡設(shè)計(jì)的主要因素之一。因此研究抗彎性能較強(qiáng)的鉆桿接頭螺紋具有重要意義。本文基于以上情況,主要開展了以下幾個(gè)方面的研究工作：(1)針對彎曲井段鉆柱所受載荷的復(fù)雜性,提出了新型結(jié)構(gòu)的高抗彎鉆桿接頭螺紋和高抗彎雙臺肩鉆桿接頭螺紋。基于正交優(yōu)化的方法,對兩種結(jié)構(gòu)的鉆桿接頭螺紋關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)(牙型角、錐度、螺紋段長度、螺距和斜面傾角)進(jìn)行正交優(yōu)化,分析得出高抗彎和高抗彎雙臺肩兩種鉆桿接頭螺紋各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對抗彎性能影響的主次順序依次為：螺距、牙型角、斜面傾角、螺紋段長度和錐度；高抗彎雙臺肩鉆桿接頭螺紋各因素對抗彎性能影響的主次順序依次為：螺距、牙型角、螺紋段長度、斜面傾角和錐度；兩種結(jié)構(gòu)各因素的最優(yōu)組合均為：牙型角45。、錐度1：12、螺紋段長度133.35mmm、螺距3牙/inch、斜面傾角45。。兩種結(jié)構(gòu)的接頭螺紋比API結(jié)構(gòu)抗彎性能均提高25%。(2)研究了高抗彎鉆桿接頭螺紋和高抗彎雙臺肩鉆桿接頭螺紋加工過程中錐度、牙型尺寸、斜面傾角、斜臺肩間隙等結(jié)構(gòu)偏差對其承載性能的影響。研究指出：錐度對兩種結(jié)構(gòu)的鉆桿接頭螺紋抗扭性能和抗壓性能影響較大,在加工中應(yīng)嚴(yán)格控制錐度偏差,在錐度偏差難以保障時(shí),應(yīng)以適度降低內(nèi)螺紋的負(fù)偏差要求,盡可能保證外螺紋的錐度不發(fā)生偏差為原則；牙頂高負(fù)偏差對兩種結(jié)構(gòu)鉆桿接頭螺紋的承載性能影響較小但牙型整體正偏差和負(fù)偏差均會對抗扭性能和抗壓性能產(chǎn)生較大的影響,是對兩種類型載荷極其敏感的參數(shù)；斜臺肩面傾角的正負(fù)偏差也均會對其抗扭性能和抗壓性能產(chǎn)生較大影響,對抗彎性能和抗壓性能影響較小；斜臺肩面間隙會對兩種結(jié)構(gòu)接頭螺紋的抗扭性能、抗壓性能產(chǎn)生一定的影響,在加工中若能將間隙控制在0-0.02mm范圍內(nèi),應(yīng)盡可能減少兩斜臺肩面之間的間隙,若無法將其控制在該范圍內(nèi),可犧牲部分抗扭強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度,將斜臺肩間隙范圍控制在0-0.04mm范圍內(nèi)；計(jì)算了以上各情況下,多種偏差量對承載強(qiáng)度的影響量,為合理確定其公差范圍提供依據(jù)。(3)針對鉆桿接頭螺紋在加工中因切削力所引起的牙型加工誤差問題,基于CAE協(xié)同仿真的方法,通過建立三維的鉆桿接頭螺紋切削加工過程計(jì)算有限元模型分析鉆桿接頭螺紋切削加工過程對鉆桿接頭螺紋加工精度的影響。基于在切削加工過程中背吃刀量所產(chǎn)生切削力與導(dǎo)致工件變形切削力相等的原則,推導(dǎo)出螺紋車削加工最后一刀的車床徑向進(jìn)給深度計(jì)算公式,為高抗彎鉆桿接頭螺紋數(shù)控程序的編制提供依據(jù)。(4)研究了鉆桿在彎曲井眼內(nèi)所受彎矩載荷情況,為鉆桿接頭螺紋疲勞壽命計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過全井鉆柱系統(tǒng)有限元模型,研究了鉆桿在彎曲井眼內(nèi)所受到的SM1向和SM2向彎矩載荷變化情況；分析了鉆柱所受彎矩載荷隨鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)間變化規(guī)律、隨鉆柱進(jìn)入彎曲井段長度變化規(guī)律和隨井眼曲率的變化規(guī)律；通過背向疊加的方式獲得鉆柱3D截面彎曲的SM1和SM2變化情況,并定義彎矩載荷在鉆柱進(jìn)入彎曲井段長度0-25m范圍內(nèi)為“彎曲非穩(wěn)區(qū)”、25m-170m范圍內(nèi)為“彎曲高載區(qū)”、170m直至進(jìn)入水平段前為“彎曲穩(wěn)定區(qū)”。(5)通過對多軸疲勞相關(guān)理論進(jìn)行分析,提出適用于鉆桿接頭螺紋多軸疲勞計(jì)算的理論模型,并通過有限元計(jì)算方式計(jì)算鉆桿接頭螺紋在彎曲井眼內(nèi)的多軸疲勞壽命；研究了井眼曲率對API結(jié)構(gòu)和高抗彎結(jié)構(gòu)鉆桿接頭螺紋疲勞壽命的影響規(guī)律,獲得引起鉆桿接頭螺紋疲勞斷裂失效的造斜率范圍主要集中在造斜率大于12。/30m的工況；以鉆柱進(jìn)入彎曲井段長度25m-170m的范圍為例,基于疲勞壽命等價(jià)原則,應(yīng)用正弦波載荷譜擬合了全井鉆柱系統(tǒng)模擬計(jì)算所得載荷譜,并推導(dǎo)出在鉆柱進(jìn)入彎曲井段長度25m～170m范圍內(nèi)的載荷譜計(jì)算公式；利用全井鉆柱系統(tǒng)模型計(jì)算結(jié)果,進(jìn)一步驗(yàn)證了擬合式計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文的研究工作為提高鉆桿接頭螺紋的抗彎強(qiáng)度提供了新型方案；為開發(fā)設(shè)計(jì)新型鉆桿接頭螺紋提供了力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及公差量選取的整套方法；為降低螺紋在切削加工過程中因切削力導(dǎo)致的加工偏差提供了改進(jìn)方案。鉆桿接頭螺紋在彎曲井眼內(nèi)的疲勞壽命預(yù)估也為新型鉆桿接頭合理使用提供了新判據(jù)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TE921.2

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本文編號：2366778