极地钻探用铝合金双壁钻杆结构强度的有限元分析及试验研究

作     者：白皓亮 刘宝昌 王如生 彭莉 蔡继雄 BAI Haoliang;LIU Baochang;WANG Rusheng;PENG Li;CAI Jixiong

作者机构：吉林大学建设工程学院吉林长春130026 自然资源部复杂条件钻采技术重点实验室吉林长春130026 中地装(无锡)钻探工具厂有限公司江苏无锡214100 

出 版 物：《钻探工程》 (Drilling Engineering)

年 卷 期：2024年第51卷第1期

页      面：75-82页

学科分类：081801[工学-矿产普查与勘探] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

基　　金：国家重点研发计划“南极冰下复杂地质环境多工艺钻探理论与方法”(编号:SQ2021YFA070410) 

主　　题：极地钻探 铝合金双壁钻杆 结构设计 有限元分析 强度试验 

摘      要：为了实现钻穿冰盖、直接获取冰下基岩样品的科研目标,本文设计了一种极地钻探用铝合金双壁钻杆,使钻杆可以满足极地上覆积雪层、冰层、冰岩夹层和冰下基岩等不同地层的空气反循环、水力反循环、绳索取心钻进相配合等钻进需求。依据铝合金双壁钻杆在极限拉伸、极限拉扭组合工况下的受力情况,开展了双壁钻杆的有限元分析,并对双壁钻杆外管与钢接头连接试样进行了拉伸试验与扭转试验。双壁钻杆有限元分析结果表明:在极限拉伸和极限拉扭组合工况下铝合金双壁钻杆中产生的最大应力分别为183.8 MPa与161.9 MPa,均小于铝合金材料的屈服强度489.99 MPa。双壁钻杆外管与钢接头连接试样强度试验结果也表明:拉伸试样破坏时的极限可承载拉力为399.5 kN,远大于提升1000 m双壁钻杆所需的拉力(208.11 kN);扭转试样破坏时的极限可承载扭矩为8264.7N·m,同样大于钻杆在正常钻进过程当中所承受的最大扭矩(1990.56 N·m)。上述结果表明,极地钻探用铝合金双壁钻杆设计方案可以满足极地钻探使用要求。