空气螺杆钻具螺杆衬套副设计研究

论文摘要

空气钻井是欠平衡钻井的重要分支。由于空气钻井技术突出的优点,正在得到广泛的应用。随着空气钻井技术的发展以及采用空气钻井技术进行定向井、水平井作业的需要,空气螺杆钻具已成为国内外各大钻井科研机构研究的热点。针对现有空气螺杆钻具存在的问题,本论文对空气螺杆钻具的动力节——螺杆衬套副进行了设计研究。本文采取的技术路线是理论研究及设计计算。首先,通过对螺杆钻具的工作原理进行研究,分析了螺杆钻具形成的必要条件,确定了螺杆和衬套的线型,采用回归法归纳5/6头螺杆衬套副过流面积,并对5/6头螺杆衬套副进行了优选。其次,研究了空气钻井理论,并采用最小动能法进行算例计算,总结了对空气钻井影响较大的几个因素。再次,分析了容积式马达的逆应用—容积式空气压缩机的工作原理及其工作过程中气体状态,并在上述理论分析的基础上初步总结出两种新型空气螺杆钻具螺杆衬套副的设计方法,用此方法结合算例对两种空气螺杆钻具螺杆衬套副进行了设计,确定了新型空气螺杆钻具的速度特性公式。最后,通过对空气钻井的理论研究和新型空气螺杆钻具的特性研究,初步确定了空气钻井与新型空气螺杆钻具的匹配关系,并采用有限元软件ANSYS对螺杆衬套副进行受力分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 空气螺杆钻具国内外发展现状及趋势
• 1.2.1 螺杆钻具的发展
• 1.2.2 空气螺杆钻具的发展
• 1.3 现有空气螺杆钻具存在的问题及解决方法
• 1.4 课题研究的主要内容及研究方法
• 1.4.1 课题研究的主要内容
• 1.4.2 课题研究的研究方法
• 第二章 螺杆钻具工作原理及截面线型优选
• 2.1 单螺杆钻具的工作原理及基本公式
• 2.1.1 单螺杆钻具的工作原理
• 2.1.2 单螺杆钻具工作特性基本公式
• 2.2 单螺杆钻具的线型
• 2.2.1 摆线介绍
• 2.2.2 常用摆线线型
• 2.3 螺杆衬套副几何参数的计算和选择
• 2.3.1 等距曲线的曲率
• 2.3.2 短幅内摆线螺杆衬套副的几何参数的计算和选择
• 2.4 短幅内摆线外等距线型优选设计方法算例
• 2.4.1 算例
• s对其外廓直径D_f 比值的选择'>2.4.2 螺杆衬套幅的衬套导程T_s对其外廓直径D_f比值的选择
• 第三章 空气钻井最小排气量及空气螺杆钻具入口流量
• 3.1 空气钻井设计
• 3.2 沿程压力分布
• 3.2.1 基本假设
• 3.2.2 基本关系式
• 3.2.3 混合体密度的推导
• 3.2.4 直井段环空流速的推导
• 3.2.5 直井段环空中混合流体公式的推导
• 3.2.6 造斜段及稳斜段环空流方程
• 3.2.7 通过钻头的混合流体公式推导
• 3.3 气体及不稳定泡沫钻井钻井作业环空中压力变化
• 3.4 最小排气量
• 3.4.1 三种最小气量理论
• 3.4.2 最小排气量的确定
• 3.4.3 算例
• 3.5 计算数据分析
• 3.5.1 机械钻速对最小排气量及空气螺杆钻具入口流量的作用分析
• 3.5.2 井眼尺寸对最小排气量及空气螺杆钻具入口流量的作用分析
• 3.5.3 造斜段所需空气状态随钻井过程的变化
• 3.5.4 数据分析结论
• 第四章 空气螺杆钻具做功分析及新型螺杆衬套副设计
• 4.1 常规空气螺杆衬套副的做功分析及存在问题
• 4.1.1 常规空气螺杆钻具中存在的问题
• 4.1.2 气体在常规空气螺杆钻具中的做功分析
• 4.2 新型螺杆衬套副设计方案及其转速公式
• 4.2.1 新型螺杆衬套副设计方案
• 4.2.2 新型螺杆衬套副转速公式及功率公式
• 4.3 新型螺杆衬套副设计方法
• 4.3.1 变导程空气螺杆衬套副的设计方法
• 4.3.2 变截面空气螺杆衬套副的设计方法
• 4.4 算例
• 4.4.1 变导程空气螺杆衬套副设计算例
• 4.4.2 变截面空气螺杆衬套副设计算例
• 第五章 钻井参数与空气螺杆钻具匹配
• 5.1 空气在钻柱内的运动规律
• 5.1.1 造斜段及稳斜段钻柱内混合流方程
• 5.1.2 直井段钻柱内气体压强变化与井深关系的推导
• 5.2 螺杆钻具选择
• 5.3 空气压缩机选择
• 5.3.1 空气压缩机类型选择
• 5.3.2 空气压缩机轴功率选择
• 5.4 算例
• 第六章 基于ANSYS的衬套有限元分析
• 6.1 ANSYS接触分析模块
• 6.2 有限元模型的建立
• 6.3 结果分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢