高速涡轮钻具支承节分析研究

论文摘要

高速涡轮钻具作为井下动力钻具应用于油气钻探在提高机械钻速,减少钻井事故,降低钻井成本,提高经济效益方面有着显著的优势,近年来得到了广泛的推广应用,在国内外石油钻探领域已经占领了相当重要的地位。特别是深井、超深井以及复杂地层钻井领域有着不可替代优势。但高速涡轮钻具亦存在转速高、扭矩小、支承节轴承寿命短等的不足,孕镶钻头与高速涡轮钻具配合充分利用了其转速高、扭矩小、钻压小的特点,解决了诸多钻井问题,而支承节寿命短却严重影响了高速涡轮钻具应用范围及钻井优势。为了开展对高速涡轮钻具支承节失效破坏的探索,总结出支承节轴承磨损机理以及对支承节轴承损伤的影响因素,本文完成了针对高速涡轮钻具支承节轴承失效机理展开研究,主要做了以下四方面的工作：1.对涡轮钻具支承节结构进行分析,探讨高速涡轮钻具工况、工作性能以及受力情况,确定适合高速涡轮钻具支承节结构。2.分析了各类型推力轴承特点以及应用于高速涡轮钻具支承节的优势,对轴承材料,轴承钢、金刚石(PCD)、工程陶瓷、硬质合金以及复合材料的性能特点进行总结和对比分析,得出了PCD和陶瓷材料做摩擦片的滑动推力轴承性能优良,能满足高速涡轮钻具对支承节轴承的极高要求。3.分析研究了支承节轴承的失效机理及影响因素,根据滑动轴承磨损计算方法,推导出推力滑动轴承的磨损量以及寿命计算式,且通过计算机模拟仿真验证了工作参数对轴承摩擦生热的影响效果。4.分析了动压推力滑动轴承以及支承节结构,研究了动压滑动轴承动压油膜形成机理和动压油膜承载能力,最后得出了扇形摩擦片推力滑动轴承动压油膜承载能力计算方程。通过本文研究,确定了适合高速涡轮钻具的轴承类型及性能特点,且得出了高速涡轮钻具支承节轴承失效形式和各参数的影响效果,为高速涡轮钻具现场应用提供了依据和参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 研究目的及意义
• 1.2.1 高速涡轮钻具与其他动力钻具比较
• 1.2.2 高速涡轮钻具独特的优越性
• 1.2.3 高速涡轮钻具与螺杆钻具的比较
• 1.3 国内外研究历程及现状
• 1.3.1 高速涡轮钻具国外的研究应用情况
• 1.3.2 高速涡轮钻具国内研究用用情况
• 1.4 应用前景分析
• 1.4.1 深井超深井中应用前景
• 1.4.2 复杂地层应用前景
• 1.4.3 欠平衡钻井中应用前景
• 1.5 论文主要研究内容
• 第2章 支承节结构及原理
• 2.1 支承节结构方案分析
• 2.1.1 闭式支承节结构
• 2.1.2 开式支承节结构
• 2.1.3 开闭式支承节对比分析
• 2.2 支承节受力分析
• 2.2.1 支承节轴向负载
• 2.2.2 支承节受力工况
• 2.3 支承节工况及失效形式
• 2.4 小结
• 第3章 支承节轴承结构及材料
• 3.1 滚动轴承支承节
• 3.1.1 四支点轴承结构特点及材料特性
• 3.1.2 圆弧滚道轴承结构特点及材料性能
• 3.2 滑动推力轴承支承节
• 3.2.1 PDC轴承基本结构及材料特性
• 3.2.2 动压滑动推力轴承结构特点及材料性能
• 3.3 小结
• 第4章 支承节轴承基本理论及仿真研究
• 4.1 支承节轴承工作机理研究
• 4.1.1 支承节承载机理研究
• 4.1.2 支承节轴承失效机理研究
• 4.1.3 支承节轴承均载机理研究
• 4.2 相关基本理论研究
• 4.2.1 黏着磨损理论
• 4.2.2 能量磨损理论
• 4.2.3 剥层磨损理论
• 4.2.4 疲劳磨损理论
• 4.2.5 磨损计算
• 4.2.6 推力滑动轴承寿命计算
• 4.3 推力滑动轴承计算机仿真
• 4.3.1 PDC推力滑动轴承模型的建立
• 4.3.2 PDC推力滑动轴承有限元模型建立
• 4.3.3 仿真结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 动压滑动推力轴承结构及力学模型
• 5.1 动压滑动推力轴承支承节结构
• 5.1.1 动压滑动推力轴承的结构
• 5.1.2 动压滑动推力轴承支承节结构
• 5.2 动压推力轴承的力学模型
• 5.2.1 流体润滑理论基础
• 5.2.2 动压润滑止推轴承力学模型
• 5.3 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 研究结论
• 6.2 展望和不足
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间科研成果情况