论文摘要
现场资料分析表明,80%的钻柱失效是由于疲劳引起的。采用理论分析的方法,并与现场数据相结合,对直井钻柱的安全可靠性进行了分析研究。钻柱发生屈曲变形,随着钻柱的转动而产生振动,引起钻柱上应力的交替变化,在交变应力作用下,钻柱上的疲劳裂纹不断扩展导致钻柱断裂。根据能量原理推导了钻柱屈曲变形后节距与钻压、转速、扭矩之间的关系模型,为确定钻柱在井眼中的位置,计算钻柱应力提供帮助。在钻柱应力分析的基础上,考虑疲劳因素,建立了钻柱强度的校核模型,与常规方法只基于静载相比,提高了钻柱强度设计的安全性。结合现场数据,分析了钻柱疲劳强度系数随钻井参数的变化规律,得出了随钻压、转速、井深的增加而减小的重要结论,且应用结果也说明了钻柱强度校核必须考虑疲劳的重要性。通过钻柱接头螺纹的受力分析,建立了螺纹牙在轴向载荷和弯曲载荷作用下的变形协调方程,并根据边界条件,推导出了每圈螺纹牙所受载荷的计算公式。结果表明,当钻柱接头受力不变时,随着螺纹牙底倒角半径的增大,螺纹处的应力集中系数是降低的;而强度系数是增大的。基于钻柱疲劳S ? N曲线及修正的Miner线性疲劳累积损伤理论,建立了一种关于钻柱疲劳累积损伤的计算方法,便于钻柱疲劳损伤的度量。算例表明,随着井深的增加,钻柱损伤是减小的;随着转速的增大,钻柱疲劳损伤是增加的,顺序向下倒换钻柱是最佳方法,且倒换6次后钻柱整体损伤趋于平衡。同时,推导出了钻铤疲劳S ? N曲线表达式,能够计算一定可靠度下钻铤的疲劳寿命,便于工程应用。在钻柱受力分析的基础上,提出钻柱上的疲劳裂纹是张开型与撕开型表面复合型裂纹的假设,比较接近实际钻柱,并建立了张开型与撕开型表面复合型裂纹扩展速率的计算模型。分析表明,随着钻压、转速的增加,钻柱的循环次数是减小的。根据钻柱尺寸参数、材料特性参数、钻进参数等数据的分布规律,基于可靠性理论,从概率的角度建立了钻柱可靠度的计算方法,克服了安全系数选取时的经验性,具有一定的先进性。
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摘要Abstract第一章 引言1.1 研究目的和意义1.2 国内外研究现状及进展1.2.1 钻柱受力分析的理论研究1.2.2 钻柱疲劳寿命的计算研究1.2.3 钻柱疲劳安全可靠性分析理论与方法1.3 目前存在的问题及本文的研究内容第二章 钻柱失效原因分析2.1 钻柱失效类型2.1.1 钻柱过量变形2.1.2 钻柱表面损伤2.1.3 钻柱断裂2.2 现场钻柱疲劳失效统计分析2.2.1 油田现场钻柱疲劳失效分类2.2.2 钻柱失效位置分析2.2.3 钻柱疲劳失效机理2.3 本章小结第三章 直井钻柱屈曲变形研究3.1 基本假设3.2 基于能量原理的钻柱屈曲变形分析3.2.1 能量原理要点3.2.2 直井钻柱屈曲变形的节距计算3.3 直井钻柱摩扭矩的计算3.3.1 中性点以上钻柱与井壁正压力的计算3.3.2 中性点以下钻柱与井壁正压力的计算3.3.3 摩擦系数的确定3.4 屈曲变形钻柱在直井中的位置3.5 钻柱接头的应力集中系数3.6 本章小结第四章 直井钻柱疲劳强度校核方法研究4.1 直井钻柱受力分析4.2 钻柱应力合成4.3 钻柱疲劳强度校核4.4 钻柱接头螺纹牙强度校核研究4.4.1 钻柱螺纹破坏类型4.4.2 钻柱螺纹破坏原因分析4.4.3 钻柱接头螺纹牙的强度校核4.5 算例分析4.5.1 莫深1 井4.5.2 LN2-2J1 井4.5.3 TZ-26 井4.6 本章小结第五章 直井钻柱疲劳累积损伤研究5.1 疲劳损伤的定义5.2 钻柱疲劳累积损伤的度量5.2.1 钻柱疲劳累积损伤的度量方法5.2.2 钻柱疲劳累积损伤的计算方法5.2.3 算例分析5.3 钻铤疲劳S ? N 曲线的推导5.4 本章小结第六章 直井钻柱疲劳裂纹寿命研究6.1 直井钻柱疲劳裂纹形成寿命6.2 直井钻柱疲劳裂纹扩展寿命6.2.1 钻柱疲劳裂纹扩展的类型6.2.2 钻柱疲劳裂纹的扩展速率6.2.3 钻柱疲劳裂纹扩展寿命的计算6.3 钻柱复合型疲劳裂纹扩展寿命6.4 算例分析6.5 本章小结第七章 直井钻柱可靠性分析研究7.1 影响钻柱疲劳强度的随机量的分布规律7.2 钻柱疲劳安全可靠度的计算7.2.1 钻柱可靠度的定义7.2.2 非对称循环应力条件下钻柱的可靠度7.3 钻柱整体安全可靠度的计算7.4 本章小结结论与建议1. 结论2. 建议参考文献攻读博士学位期间取得的研究成果致谢作者简介
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