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芯轴悬挂器高强度螺纹结构设计及评价研究

西南石油大学学报（自然科学版） 2024年第3期46卷 159-169页

作者：刘洋佘扬周练章华易先中长江大学机械工程学院湖北荆州434023 西南石油大学石油与天然气工程学院四川成都610500

为了防止芯轴下端连接螺纹强度不足而造成失效事故,采用高温高压套管柱设计计算方法、有限元数值模拟和实验手段,对芯轴材料进行了力学性能实验,开发了一种用于芯轴悬挂器高强度螺纹结构,并在极限复合载荷下对该螺纹进行了三维有限元计... 详细信息

为了防止芯轴下端连接螺纹强度不足而造成失效事故,采用高温高压套管柱设计计算方法、有限元数值模拟和实验手段,对芯轴材料进行了力学性能实验,开发了一种用于芯轴悬挂器高强度螺纹结构,并在极限复合载荷下对该螺纹进行了三维有限元计算。研究结果表明,拉扭压复合载荷对外螺纹强度影响较大,压缩载荷对内螺纹内台肩第一牙应力影响较大,内外螺纹其余部位相对安全。拉伸载荷在一定程度缓解了上扣扭矩对内外螺纹台肩部位的影响。从计算结果得到内外螺纹整体上应力小于材料允许的屈服极限,且螺纹接头接触压力均大于外在流体压力,可以形成有效密封,研究结果为芯轴悬挂器螺纹结构的选型和使用提供理论基础。

关键词：芯轴螺纹高强度复合载荷有限元

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高压管汇由壬翼形螺母的失效原因

腐蚀与防护 2024年第4期45卷 92-99页

作者：冉小丰王格一阳婷刘少胡张菲菲长江大学机械工程学院荆州434023 长江大学石油工程学院武汉430100

页岩气压裂施工中,某高压管汇由壬翼形螺母在服役期间发生断裂,从失效由壬翼形螺母断口位置取样,进行宏观、微观观察,断口能谱分析,硬度测试及金相检验等,并利用ABAQUS软件对由壬翼形螺母进行力学分析,揭示其失效机理。结果表明:螺母内... 详细信息

页岩气压裂施工中,某高压管汇由壬翼形螺母在服役期间发生断裂,从失效由壬翼形螺母断口位置取样,进行宏观、微观观察,断口能谱分析,硬度测试及金相检验等,并利用ABAQUS软件对由壬翼形螺母进行力学分析,揭示其失效机理。结果表明:螺母内径存在多点疲劳源,断口中央有明显贝纹线且被红褐色(Fe_(2)O_(3))、黄绿色(FeCl_(2))腐蚀产物覆盖;微观断口表面存在球状氧化物,能谱分析表明其含有一定量的Ca、Si元素,螺母原材料中存在较多C类和D类非金属氧化物;硬度和金相组织均达到工艺要求;有限元分析所得产生应力集中的部位与实际断裂位置一致,即靠近母由壬螺纹顶端处,且最大应力为910 MPa,超出材料屈服强度。故由壬翼形螺母失效机理为腐蚀疲劳断裂。最后,提出了相应的改进措施。

关键词：翼形螺母腐蚀疲劳断裂失效分析有限元仿真

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外笼套式节流阀气动噪声特性分析及优化

机床与液压 2024年第17期52卷 168-175页

作者：华剑王婧宇程荫李美求长江大学机械工程学院湖北荆州434023 长江大学机械结构强度与振动研究所湖北荆州434023 中石化四机石油机械有限公司湖北荆州434000

为解决外笼套式节流阀在生产过程中产生的高噪声问题,采用大涡模拟对外笼套式节流阀流场进行模拟计算。从流场特征角度分析气动噪声产生的机制,并基于此提出结构改进方法。通过Box-Behnken响应面设计,以改进结构的孔径、孔数和孔长为优... 详细信息

为解决外笼套式节流阀在生产过程中产生的高噪声问题,采用大涡模拟对外笼套式节流阀流场进行模拟计算。从流场特征角度分析气动噪声产生的机制,并基于此提出结构改进方法。通过Box-Behnken响应面设计,以改进结构的孔径、孔数和孔长为优化变量,以监测点总声压级为优化目标,开展降噪结构优化设计。结果表明:节流孔结构突变使流体介质在阀门下游形成多尺度多样化复杂流动,结构改进后流场内压力和速度脉动减小,湍化程度降低,具有二次节流和降噪效果;孔径的变化对监测点总声压级响应值的影响最为明显;对应流道模型的数值模拟结果与系统预测响应值之间的误差为1.19%,验证了BBD响应面法优化结果的可靠性;优化后节流阀总声压级下降了13.1 dB,达到了预期的降噪目的。

关键词：节流阀流场仿真气动噪声响应面法结构优化

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阻尼层敷贴法对钻井振动筛降噪效果的影响

科学技术与工程 2024年第25期24卷 10762-10767页

作者：华剑肖昱岳辉申平安周思柱长江大学机械工程学院荆州434023 长江大学机械结构强度与振动研究所荆州434023 中石化江汉石油工程有限公司石油装备服务分公司潜江433121

针对钻井振动筛工作噪声问题,提出了在钻井振动筛筛箱侧板敷贴阻尼层以减弱其噪声辐射的方法。通过筛箱振声模型,采用有限元法和模态应变能法对侧板敷贴阻尼前后的振动模态和侧板声辐射进行分析,利用COMSOL进行仿真求解,比较分析了不同... 详细信息

针对钻井振动筛工作噪声问题,提出了在钻井振动筛筛箱侧板敷贴阻尼层以减弱其噪声辐射的方法。通过筛箱振声模型,采用有限元法和模态应变能法对侧板敷贴阻尼前后的振动模态和侧板声辐射进行分析,利用COMSOL进行仿真求解,比较分析了不同材料、不同厚度的阻尼层对筛箱表面噪声辐射的影响。研究表明,表面阻尼结构能减弱噪声辐射;敷贴较硬的材料能对侧板起到一定的振动约束作用;需要根据材料属性选取最佳厚度,达到最佳减振降噪效果。

关键词：声学钻井振动筛噪声控制阻尼层 COMSOL

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水平井涡轮振荡冲砂工具设计与仿真

断块油气田 2024年第2期31卷 363-368页

作者：冯定纪海涛张一铎孙巧雷周斩黄成彬长江大学机械工程学院湖北荆州434023 湖北省油气钻完井工具工程技术研究中心湖北荆州434023

目前水平井常用于高渗透疏松砂岩油气藏的开发,在开发过程中经常面临出砂问题,即当油层出砂之后,砂粒会紧跟原油流进井筒中,随后逐渐沉积在水平段的较低位置处而产生砂床。砂床的存在会影响石油的开采,堵塞出油通道,增加流动阻力,甚至... 详细信息

目前水平井常用于高渗透疏松砂岩油气藏的开发,在开发过程中经常面临出砂问题,即当油层出砂之后,砂粒会紧跟原油流进井筒中,随后逐渐沉积在水平段的较低位置处而产生砂床。砂床的存在会影响石油的开采,堵塞出油通道,增加流动阻力,甚至会损坏井下设备,造成井下砂卡事故。针对我国目前常规水平井冲砂效率低、效果差且易发生堵塞等问题,文中设计了一种水平井涡轮振荡冲砂工具,确定了冲砂工具的总体方案,对振荡与冲砂参数进行了计算,并对冲洗头进行了冲砂效果仿真。研究表明,该工具通过振荡、旋转方式破砂,使得砂粒不易在井筒沉积形成砂床,在不影响冲砂效率的前提下冲砂工具不易卡涩,且该冲洗头喷嘴的布置方式可使冲洗效果更为显著。

关键词：水平井涡轮振荡冲砂工具流体仿真

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深水测试地面流程放喷热辐射安全

科学技术与工程 2024年第27期24卷 11937-11944页

作者：刘语维孙巧雷邓龙王健刚侯学文冯定长江大学机械工程学院荆州434023 湖北省油气钻完井工具工程技术研究中心荆州434023

为了对深水地面放喷火焰的温度与辐射量进行研究,从而预测放喷过程中的安全范围。基于此建立喷射火焰的热辐射强度理论计算模型,并采用有限元分析软件模拟喷射火焰的热辐射分布规律。根据深水测试现场实际放喷管汇,研究臂长为25 m时,不... 详细信息

为了对深水地面放喷火焰的温度与辐射量进行研究,从而预测放喷过程中的安全范围。基于此建立喷射火焰的热辐射强度理论计算模型,并采用有限元分析软件模拟喷射火焰的热辐射分布规律。根据深水测试现场实际放喷管汇,研究臂长为25 m时,不同管径和不同放喷产量对喷射火焰热辐射分布规律的影响。研究结果表明:①放喷火焰呈纺锤形分布,火焰中心的温度与辐射量最大,随着距离增加,温度和辐射量逐渐减小;②相同放喷产量下,随着放喷管径增大,100 kW/m^(2)以上的辐射区域轴向和径向范围尺寸逐渐增大,且最高辐射量也逐渐增大;③相同放喷管径下,随着产量的增加,温度和辐射量整体上都有一定程度的增加。④总体温度与辐射量在趋势上呈先上升,达到峰值后再下降,后又有小幅度上升。相关研究结果为深水测试地面放喷安全评价提供了一定理论支撑。

关键词：深水测试放喷辐射温度辐射量燃烧

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新型多级可变径随钻扩眼器结构设计

机械设计与研究 2024年第4期40卷 167-172,176页

作者：张红曾颖慧冯定张建龙袁子良长江大学机械工程学院湖北荆州434023 湖北省油气钻完井工具工程技术研究中心湖北荆州434023 邵阳学院机械与能源工程学院湖南邵阳422000

设计了一种利用钻井液作用在芯轴上的压差推动扩眼刀翼伸出的新型液压式多级可变径随钻扩眼器,以实现一次起下钻完成多种井眼尺寸的扩大,同时通过投球憋压的方式解决刀翼的卡阻问题。为确保扩眼刀翼能够在扩眼井段顺利伸出完成作业,建... 详细信息

设计了一种利用钻井液作用在芯轴上的压差推动扩眼刀翼伸出的新型液压式多级可变径随钻扩眼器,以实现一次起下钻完成多种井眼尺寸的扩大,同时通过投球憋压的方式解决刀翼的卡阻问题。为确保扩眼刀翼能够在扩眼井段顺利伸出完成作业,建立了钻井液在井下钻具组合以及井眼环空中的流动模型,得到芯轴尺寸对芯轴所受钻井液作用力的影响规律以及钻井液流量对芯轴所受钻井液作用力的影响规律,确定了芯轴的直径和钻井液的流量;依据平面轴对称理论扩眼器的投球解卡原理进行了分析,得到了投球座与芯轴间的过盈量对接触压力的影响规律,确定了投球座与芯轴之间的过盈量和投球座高度;以动量定理和质量守恒为基础,提出了投球憋压钻井液冲击压强的计算方法,得到了钻井液初始速度对冲击压强的影响规律。

关键词：多级可变径液压式随钻扩眼器结构设计影响规律

深水采油树Spring-Seal密封圈接触模型构建与实验测试

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中国安全生产科学技术 2024年第8期20卷 112-119页

作者：张红龙圣均冯定黄熠长江大学机械工程学院湖北荆州434023 湖北省油气钻完井工具工程技术研究中心湖北荆州434023 中海石油(中国)有限公司湛江分公司广东湛江524057

为提高深水采油树在高压、高温、低温等工况下长时间工作的稳定性,对采油树密封圈进行重新设计,提出Spring-Seal密封圈(以下简称S密封圈);基于赫兹接触理论、填料密封接触理论,重新构建S密封圈接触力学模型;建立有限元仿真分析模型,分... 详细信息

为提高深水采油树在高压、高温、低温等工况下长时间工作的稳定性,对采油树密封圈进行重新设计,提出Spring-Seal密封圈(以下简称S密封圈);基于赫兹接触理论、填料密封接触理论,重新构建S密封圈接触力学模型;建立有限元仿真分析模型,分析不同条件下S密封圈的密封性能,同时验证新建接触模型的合理性;利用实验测试S密封圈的实际密封效果。研究结果表明:S密封圈在高压、高温、低温等工况下能够长时间稳定工作且密封性能良好。研究结果可为S密封圈的接触研究及工程运用提供理论参考。

关键词： S密封圈接触模型密封性能实验

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旋冲钻具凸轮-滚轮冲击机构工作特性分析

煤田地质与勘探 2024年第3期52卷 164-175页

作者：孙养清易先中万继方马健祺吴霁薇易军殷光品长江大学机械工程学院湖北荆州434023 湖北省智能油气钻采装备企校联合创新中心湖北荆州434000 中能建数字科技集团有限公司北京100044 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司天津300459 湖北佳业石油机械股份有限公司湖北荆州434000

旋冲钻具能有效提高深层、硬地层的破岩效率,具有广阔的应用前景。凸轮-滚轮是实现冲击动作的关键机构,但复杂多变的井下环境导致机构损伤严重,进而影响破岩效率。基于旋冲钻具多井次的试钻数据,建立凸轮-滚轮动力学模型,通过显式动力学... 详细信息

旋冲钻具能有效提高深层、硬地层的破岩效率,具有广阔的应用前景。凸轮-滚轮是实现冲击动作的关键机构,但复杂多变的井下环境导致机构损伤严重,进而影响破岩效率。基于旋冲钻具多井次的试钻数据,建立凸轮-滚轮动力学模型,通过显式动力学(Autodyn)分析不同冲程、转速、钻压下的工作特性,总结机构的形变特征提出优化方法。分析结果与试验数据和理论数值对比,验证了计算模型的准确性。结果表明:冲程增大可提高冲击效果,但高于10 mm冲程的滚子实际运动轨迹受钻速、滚轮尺寸、凸轮轮廓曲率影响其轨迹将变平缓。转速在9~18 rad/s时轴向加速度波动幅度较大,对钻具的稳定性具有一定影响。钻压增大凸轮内缘处形变特性明显,其形变量与钻压成正比,25 kN钻压下凸轮的形变量约是10 kN的2.6倍。凸轮齿顶、滚轮内缘处为易变形点,在齿顶处安装可换滚筒同时改变滚轮为鼓轮构型并对抛物线-直线-抛物线、2次多项式、摆线、7次多项式4类凸轮轮廓线型进行特性分析。选用摆线及7次多项式凸轮座轮廓和鼓轮可提高冲击效果,计算结果可为旋冲钻具设计提供参考依据。

关键词：旋冲破岩凸轮-滚轮动力学仿真冲击特性旋冲钻具