高压旋转控制头轴承总成设计

论文摘要

欠平衡钻井技术是近年来发展起来的先进钻井技术,具有常规钻井不可比拟的优越性。国内各油田都非常重视欠平衡钻井技术的开发推广,但实施欠平衡钻井施工用的核心部件——旋转控制头及其轴承总成目前全部依赖进口,限制了欠平衡钻井技术的普及实施。为了推动我国欠平衡钻井技术的发展和推广应用,本文研制了一种具有自主知识产权的安全、可靠的欠平衡钻井旋转控制头用高压旋转动密封轴承总成。根据轴承总成的使用工况,本文首次建立力学模型,对轴承总成的受力状况进行分析。结合现场工况,分析了轴承总成受到的轴向力以及在三种工况情况(方补芯与天车同轴度偏差、天车与防喷器中心线同轴度误差、钻具接头与套管壁接触等)下的侧向力;用非线性接触有限元法仿真计算了4 1/8″胶芯抵御横向变形的刚度。根据可靠性设计理论,借助于有限单元法,设计了轴承总成的主要结构。经过对不同旋转机械的对比研究,确定了轴承的布置方案;计算了抗弯扶正轴承在各种工况的受力,利用可靠性设计法对滚动轴承进行选型、对轴承总成内外简体进行了设计。分析了井口偏斜对轴承寿命及内外筒应力的影响;最后计算了轴承总成整体的可靠度。为了使轴承总成在高压钻井液介质中工作能够保持高的可靠度,本文还通过对比选择了一种高压旋转动密封件,并设计了合理的润滑、冷却结构,设计出了旋转控制头轴承总成的总体结构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 欠平衡钻井技术
• 1.2.1 欠平衡压力钻井技术的发展
• 1.2.2 欠平衡压力钻井技术及其优点
• 1.2.3 欠平衡压力钻井专用设备
• 1.3 旋转控制头国内外发展现状
• 1.3.1 国内外各种旋转控制头的产品性能参数
• 1.3.2 国内外产品工作原理及结构特点
• 1.4 轴承总成可靠性设计方法综述
• 1.4.1 可靠性设计法
• 1.4.2 车由承可靠性计算
• 1.5 课题研究目标、研究内容和技术路线
• 1.5.1 研究目标
• 1.5.2 主要研究内容
• 1.5.3 技术路线
• 第二章 旋转控制头轴承总成的力学分析
• 2.1 旋转控制头轴承总成工作原理
• 2.2 轴承总成承受的钻井液压力分析
• 2.3 轴承总成承受的轴向力
• 2.3.1 钻具与胶芯之间的摩擦力
• 2.3.2 车由承总成受到的液压轴向力
• 2.4 轴承总成受到的侧向力
• 2.4.1 方补芯与天车同轴时的受力分析
• 2.4.2 天车与防喷器中心线同轴时的受力分析
• 2.4.3 钻具与套管壁接触侧向载荷分析
• 2.4.4 冲击载荷分析
• 2.5 有限元法计算胶芯刚度
• 2.5.1 有限元法简介
• 2.5.2 胶芯刚度计算
• 2.6 胶芯与钻杆摩擦力
• 2.7 本章小结
• 第三章 轴承系统可靠性设计
• 3.1 轴承系统布置方案设计
• 3.2 止推轴承可靠度计算
• 3.2.1 车由承系统可靠性计算
• 3.2.2 止推轴承可靠性计算
• 3.3 扶正轴承选择及可靠度计算
• 3.3.1 轴承选型及结构设计
• 3.3.2 扶正轴承受力计算
• 3.3.3 车由承系统可靠性设计
• 3.4 轴承总成内筒有限元建模及应力分析
• 3.4.1 内筒设计
• 3.4.2 有限元法计算内筒应力
• 3.5 轴承总成外筒有限元建模及应力分析
• 3.5.1 外筒设计
• 3.5.2 有限元法计算外筒应力
• 3.6 内外筒及连接螺栓可靠性计算
• 3.7 本章小结
• 第四章 旋转控制头轴承总成密封、润滑与冷却设计
• 4.1 旋转动密封类型及应用分析
• 4.2 径向密封的形式、参数选择
• 4.3 润滑及冷却
• 4.4 本章小结
• 第五章 旋转控制头轴承总成的总体结构设计
• 5.1 旋转控制头轴承总成总体结构的设计原则
• 5.2 与轴承总成相关部件的关联设计
• 5.3 轴承总成旋转部分的设计要求
• 5.4 总体结构描述
• 结论
• 参考文献
• 攻读工程硕士期间取得的研究成果
• 致谢