极地多工艺钻探用铝合金双壁钻杆设计及试验研究

作     者：白皓亮 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘宝昌

授予年度：2023年

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] 

主      题：极地钻探 铝合金双壁钻杆 结构设计 有限元分析 

摘      要：南极大陆被巨厚的冰层覆盖,人类对冰下地质环境的认识十分有限。排除南极地区上覆粒雪层、冰层、冰岩夹层干扰,直接获取冰下基岩样品,对了解全球气候变化的规律和机制,研究地层演变规律、地震活动与板块活动历史,揭露地球早期生命特征和生活环境等具有重要意义。但南极冰盖力学性质差异大,常规钻进时孔壁稳定性差、冰屑返排困难、钻具易卡堵、钻进效率低。设计极地多工艺钻探用铝合金双壁钻杆,采用多工艺钻进的技术开展南极的钻进工作,可以实现复杂冰层安全高效钻进,将大幅度降低井下复杂事故发生率,减少非钻进时间,为实现复杂冰层安全高效钻进奠定基础。为实现极地钻具的轻量化,保证钻具的安全和寿命,选定7075铝合金为双壁钻杆内、外管材料。为了验证所选择的材料是否满足极地低温钻进的使用要求,开展了铝合金材料试样的低温拉伸试验与低温抗冲试验。试验结果表明,随着温度的降低,7075铝合金材料在-50℃环境下的抗拉强度较25℃环境下提升4.3%,屈服强度提升5.3%,材料的抗冲击性能有所波动但变化不明显。上述结果表明7075铝合金材料可以适应极地钻探低温环境,可以作为极地多工艺钻探用铝合金双壁钻杆内、外管材料。针对极地多工艺钻探用铝合金双壁钻杆不同的使用场景,对钻杆的内外管尺寸结构及其结合形式、密封方法、钻杆间连接形式进行设计,重点对双壁钻杆外管螺纹连接处进行设计,并完成螺纹的强度校核计算,使钻杆可以满足极地上覆积雪层、冰层、深冰层和冰下基岩等不同地层的钻进需求,使其可以适用于空气反循环钻进、水力反循环钻进、与绳索取心钻具相配合等不同的钻进方法。综合考虑钻杆材料的在低温条件下的物理力学性质,分析极地多工艺钻探用铝合金双壁钻杆在不同应用场景下的工作特性、受力特点、与不用钻探工艺适应性,计算了双壁钻杆在极限拉伸、拉扭组合、压弯扭组合、弯扭组合四种工况下的受力情况,并在此基础上,利用AutoCAD、SolidWorks、ABAQUS等建模与模拟分析软件,完成了双壁钻杆的实体建模、零部件设计、加工图纸绘制与钻杆强度模拟分析等工作。结果表明:在极限拉伸工况、拉扭组合工况、压弯扭组合、弯扭组合工况下,双壁钻杆内产生的最大应力为183.8MPa、161.9MPa、14.5MPa、12.2MPa,均小于试验测得的铝合金材料屈服强度489.99MPa。上述结果表明极地多工艺钻探用铝合金双壁钻杆设计方案满足极地钻探使用要求。完成了铝合金双壁钻杆外管与钢接头连接试样拉伸试验与扭转试验,结果表明:拉伸试样破坏时的极限可承载拉力为399.5k N,而提升1000m长度的铝合金双壁钻杆所需的最大拉力为208.11k N,远小于试验中试样破坏时可承载的极限拉力;扭转试样破环时的极限可承载扭矩为8264.7N·m,而在钻杆在正常钻进过程当中所需承受的最大扭矩为1990.56N·m,同样小于试验中试样破坏时的极限扭矩值。上述结果表明极地多工艺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。