减振冲击钻井系统设计研究

论文摘要

旋转冲击钻井技术依靠冲击器产生冲击载荷并作用在钻头上来破碎岩石。该技术能够有效提高硬地层钻井速度,能够防止硬地层及复杂地层钻井中的井斜问题。在钻进硬地层时,井底钻压波动将使钻头跳离井底、与井底产生不连续的接触,影响了该钻井技术的应用效果。因此,减小井底钻压的波动,研究减振冲击钻井系统具有实用价值。论文首先运用底部钻具组合运动状态模拟试验装置,在室内对直井眼中井底钻压波动规律进行模拟实验研究,分析得出了不同底部钻具组合在不同参数组合下的井底钻压波动的振幅、频率和相位规律,为减振冲击钻井系统的设计提供相关的依据。其次,基于室内模拟实验结论和冲击器设计原则,设计了一套减振冲击钻井系统,给出了冲击器及减振部分碟形弹簧的设计参数。再次,建立了减振冲击钻井系统的纵向振动分析模型,进行了减振冲击钻井系统动力学分析;分析结果表明,为了能够发挥最佳的冲击旋转破岩效果并且避免能量传递的损失,冲击器的冲击频率应该与钻压波动频率相一致,同时还要使冲击频率和钻柱的固有频率分开。最后,应用机械仿真软件ProE完成了减振冲击钻井系统的三维建模,对该系统进行了运动学分析及装配干涉、运动协调性验证,证明了设计减振冲击钻井系统方法的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 研究目的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 钻柱振动与钻柱减振研究现状
• 1.2.2 冲击钻井系统研究现状
• 1.3 存在问题与攻关方向
• 第二章 井底钻压波动特性的实验研究
• 2.1 模拟实验原理、装置及组合方案
• 2.1.1 相似原理
• 2.1.2 模拟实验原理
• 2.1.3 模拟实验装置
• 2.1.4 实验规划
• 2.2 实验结果分析
• 2.2.1 不同钻柱条件下，钻压波动幅度的实验研究
• 2.2.2 不同的钻柱组合条件下，井底钻压波动频率的实验研究
• 2.3 本章小结
• 第三章 减振冲击钻井装置结构设计
• 3.1 减振冲击钻井系统的原理分析
• 3.2 冲击器部分的设计
• 3.2.1 双作用液动冲击器的参数的设计原则
• 3.2.2 冲击器部分主要性能参数的设计
• 3.2.3 冲击器的密封结构设计
• 3.3 冲击系统冲击部件的强度设计
• 3.3.1 冲击部件的受力分析
• 3.3.2 冲击器冲击部件的强度设计方法
• 3.4 减振器碟形弹簧的设计及强度校核
• 3.4.1 减振器碟簧的受力分析
• 3.4.2 碟簧的设计计算
• 3.4.3 减振器碟形弹簧的强度校核
• 3.5 本章小结
• 第四章 减振冲击钻井系统动力学分析
• 4.1 减振冲击钻井钻压模型的建立
• 4.1.1 模型的简化
• 4.1.2 模型的建立及求解
• 4.2 减振冲击钻井系统的动力学分析
• 4.2.1 减振冲击钻井系统纵向振动模型的建立
• 4.2.2 纵向振动模型的求解
• 4.2.3 结论及分析
• 第五章 减振冲击钻井装置的动态仿真分析
• 5.1 零件的三维实体造型
• 5.2 机构模块的整体装配研究
• 5.3 执行Pro/ENGINEER 机构运动仿真分析
• 5.4 本章结论
• 结论
• 参考文献
• 致谢