管柱螺旋屈曲时接触压力的研究

在油井生产过程中管柱会受到各种载荷。管柱在轴向力作用时，在有外管壁或井壁约束的情况下，内管柱与外管壁或井壁间会产生接触压力，并可能发生螺旋屈曲，严重时会导致管柱失效。文中综述了一些学者的典型接触压力计算式，发现不同计算式间的计算结果差异很大。根据工程应用中的需要，进行了理论推导并首次对该问题作了实验检测，给出了三维光弹性应力冻结法的实验结果，探讨了管柱在屈曲时接触压力分布规律的三个阶段和工程应用的更接近实际的计算公式。在此基础上对前人所发表的不同接触压力表达式进行分析和探讨。为研究管柱屈曲时的受力情况和工程应用提供了理论与实验依据。

厚壁圆筒内壁半椭圆形多裂缝应力强度因子的研究

通过受内压厚壁圆筒内表面环向均布与非均布多个纵向半椭圆形裂缝大量的三维光弹性实验 ,测量了其应力场和“应力强度因子”( SIF) ,得到了它们的变化规律 ,研究了使 SIF变化的“载荷松弛”现象的机理 ,发现了在有裂缝的应力场中“附加弯矩”的出现是“载荷松弛”现象的本质 ,建立了无因次“附加弯矩”和“载荷松弛因子”( LRF)的表达式 ,利用 LRF概念和实验结果以及有关学者的结果建立了相对分布两个不同裂缝以及环向均布和非均布半椭圆形多裂缝 SIF的近似计算式 ,用三维趋势面描绘了它们的变化规律 ,给出了工程上的应用方法和实例。

抽油杆缺陷容限和有缺陷杆使用应力确定

利用按有限元法得到的抽油杆平面模型、轴对称模型及三维光弹性试验结果，比较了仅因缺陷模型不同带来的差异，提出并建立了“模型比系数”，在三种缺陷模型值中进行抛物线插值，最后得到了杆体、杆体过渡段上不同周向长度（缺陷最深点周向连线长度）与纵向截面内不同轴向长度和径向深度的近半椭圆形状的三维凹坑的应力集中系数近似表达式，利用该表达式求得抽油杆在不同应力水平下的不同形状凹坑、凹槽缺陷的容限。提出了有缺陷杆的修复判废条件和使用应力的确定方法。

用自动划分网格的有限元法计算凹坑应力场和应力集中系数

以抽油杆平面模型、轴对称模型为依据编制了有限元单元网格的自动划分程序,有限元计算程序.用有限元法计算了抽油杆在具有不同凹坑缺陷时的应力场,编制了绘制应力场等值线程序,描绘了凹坑应力场的变化情况,对凹坑应力集中系数进行了逐步回归分析,求得其近似表达式。

抽油杆扳手方缺陷应力集中系数和容限

针对抽油杆扳手方部位经常出现引发断裂的各种缺陷的情况，建立了横向凹槽、平面凹坑和边棱凹坑三组有代表性的缺陷模型，利用平面模型有限元法计算结果及受拉伸无限体和半无限体旋转椭球面空洞和凹坑应力集中系数，求得近、远边界影响修正系数以及三组不同缺陷模型应力集中系数近似表达式。用三维趋势面图描述了这些应力集中系数的变化规律，求得各组缺陷容限方程，绘制了典型的容限图，为带缺陷抽油杆的修复使用和判废提供了理论依据。

深井钻柱动力学瞬态随机过程分析

建立了一种深井整体钻柱动力学瞬态随机过程分析模型，通过给定井口悬吊位移模型、井底动态位移边界条件和扭矩、弯矩的动态激励以及下部钻具随机横向碰反力的引入，较好地模拟了整体钻柱的动力学响应，编制了从井眼轨迹描绘、形成计算用数据文件、动力学计算到结果描绘分析的整套软件，计算了下部钻具各节点（包括钻头）６个自由度和上部钻具各节点２个自由度上的位移与角位移、速度与角速度、加速度与角加速度、碰反力与碰反力矩以及内力与内力矩，其中包括钻头处的钻压、侧向力。

环向非对称分布多裂缝应力强度因子

本文利用三维光弹性实验研究了工程中最危险的受内压厚壁圆筒内表面环向相对分布２条不同裂缝和非对称多裂缝应力强度因子（ＳＩＦ）的变化规律，给出近似计算式，利用趋势面图描绘了它们变化的典型特征，给出工程应用方法和实例．

抽油杆方凸过渡段缺陷应力集中因数和容限

抽油杆方凸过渡段部位在制造和使用中经常会出现引发断裂的各种缺陷，影响抽油杆的正常使用。在常出现缺陷的部位建立了横向凹槽、中间凹坑和边棱凹坑三组有代表性的缺陷模型，利用有关文献给出的平面模型的有限元法计算结果以及平面模型与轴对称模型间的模型比因数和凸缘影响因数等，求得方凸过渡段的最危险部位三组不同缺陷模型应力集中因数表达式，用三维趋势面描绘了应力集中因数的变化规律，求得缺陷容限方程，绘制了典型的容限图，为有缺陷杆的修复使用和判废提供了理论依据。

PDC钻头动力学

在坚硬地层中PDC钻头较差的性能是由于井下振动造成的。但只要按正确的操作条件并在振动的控制方面采用一些新技术就能成功地延长PDC钻头在坚硬地层中的使用寿命。PDC钻头模型是全动态的三维模型并被用于模拟常规的转盘钻井。对于不同PDC钻头灵敏性分析设计也都显示出了由钻头所导致的扭转、轴向和侧向的振动。此外这些分析也表明常规PDC钻头有回转的趋势。从而导致钻进速度的降低和钻头寿命的缩短。而反螺旋PDC钻头在低转速、高钻压的正确操作条件下能有效地抑制这种倾向。

长细非圆大变径螺旋面橡胶内孔尺寸测量

一种简易长细非圆大变径螺旋面橡胶内孔尺寸测量装置，可用于各种螺杆钻具、螺杆泵内橡胶件的测量。可以解决这些橡胶件因长期在油等介质中，经常出现变形、腐蚀、脱胶、磨损、撕裂等问题，以提高橡胶件的工作寿命。文中介绍了该装置的基本结构、工作原理、误差分析。

抽油机井油管载荷及应力应变分析

将自制开发的新型载荷测试仪和模拟油管工况测试台 ,成功地用于油管载荷及应力应变的实测试验。在此基础上 ,应用大型有限元分析软件ANSYS ,对油管在各种工况下的应力和应变进行了计算。结果表明 ,抽油机井油管受到的是拉—拉疲劳载荷 ,处于有阻尼强迫振动状态 ,是油管产生疲劳断裂的基本条件。最危险点在接头的第一啮合齿的齿根处 ,最大应力应变值一般均超过屈服极限。在正常工况下 ,尽管危险点应力应变水平很高 ,但是仍处于低弹性应变幅循环状态下 ,所以油管能较长期地在井内服役 ;当发生非正常工况时 ,油管内的最大应力应变幅可能达到强化段 ,在循环载荷作用下会产生较大的塑性应变幅 。

油管的疲劳强度分析

疲劳断裂是油管失效的一种形式 ,本文针对抽油机井常用油管 (J5 5 ,2 1/ 2″)在循环载荷作用下的疲劳断裂问题进行了理论与实验研究。在实测油管载荷谱与应变谱的基础上应用弹塑性有限元法计算油管螺纹内的应力应变场 ,并进行了有关的疲劳实验 ,以得到油管的疲劳强度。油管内第一啮合齿齿根处应力应变最大 ,应力已经达到屈服阶段 ,油管是在高应力应变水平和低应力应变幅状态下工作。当油管内的应力应变进入强化段εeq >1 0 - 2 ε,塑性应变幅超过 4× 1 0 - 5ε时 。

橡胶-钢双材料界面断裂韧性的实验测定

把测定橡胶类材料临界Ｊ积分的裂纹启裂迹线法引入到橡胶－钢双材料界面裂纹临界Ｊ积分的测定中，研究了橡胶－钢双材料界面裂纹的扩展方式．依据螺杆泵橡胶定子制做了双剪切试件，实验测定其橡胶－钢双材料界面断裂韧性（即临界Ｊ积分值）为５．４３×１０－３Ｊ／ｍｍ２．

J55油管螺纹工作特性研究

通过对J5 5油管螺纹内壁的应变测量和有限元计算 ,指出正常工作状态下 ,油管螺纹内部处于弹塑性状态。螺纹端部和尾部第 1啮合齿的根部已进入屈服区。油管螺纹与接箍螺纹联接后会发生变形协调 ,有利于提高螺纹联接质量。油管螺纹联接的失效以螺纹断裂、漏失和螺纹损伤为主 ,与配合螺纹的几何尺寸、上螺纹扭矩和油管的工作载荷有关。

油管螺纹图像处理方法研究

油管螺纹图像主要用于对螺纹形貌的观察和测量。对螺纹图像采用了低通滤波、对比度变换、高通滤波等处理方法,有效地改善了图像的质量。用于尺寸测量的螺纹牙型图像根据其直方图的特征,首先采用灰度阈值分割法分离牙型轮廓,生成二值图像,然后利用跨度最小的Roberts算子提取二值图中螺纹轮廓线,得到的轮廓边缘细致、准确,可以用于尺寸测量。

油田常用橡胶断裂韧性的实验测定

给出了带裂纹橡胶零件的开裂判据Ｊ≥ＪＣ。由标准橡胶试件的实验发现， 试件拉断时的最大载荷和裂纹开始启裂时的临界载荷， 均与裂纹相对深度ａ／ ｗ 呈线性关系， 且随着裂纹相对深度的增加而减小。利用载荷位移曲线上的裂纹启裂点拟合出了裂纹启裂迹线， 进而采用裂纹启裂迹线法测定了油田常用橡胶的临界Ｊ积分值（ 断裂韧性） ， 计算时去除了远离裂尖区域所吸收的能量， 得到４ 种橡胶的临界Ｊ积分值， 即２４０ 号橡胶的ＪＣ＝ ７－１５ ×１０ － ３Ｊ／ｍｍ２ ； ８０２ 号橡胶的ＪＣ＝４－７８ ×１０－ ３Ｊ／ｍｍ２ ； ８１３ 号橡胶的ＪＣ＝ ３－８５ ×１０ － ３Ｊ／ｍｍ２ ； ８１４ 号橡胶的ＪＣ＝ ３－６９×１０ － ３Ｊ／ｍｍ２ 。

多裂缝“载荷松弛”与应力强度因子

通过三维光弹性实验测量了具有内表面单裂缝与受内压厚壁圆简型化工容器内的环向应力场，研究了内表面多裂缝的“载荷松弛”机理，建立了“无因次附加弯矩”（Ｍ）的概念及其计算式，给出了Ｍ随裂缝位置、裂缝深度比以及裂缝形状比的变化规律，说明了Ｍ与“载荷松弛因子”（ＬＲＦ）的关系。建立了受内压厚壁圆筒内表面环向对称分布纵向半椭圆形多裂缝的ＬＲＦ，以及由ＬＲＦ得到的应力强度因子的近似计算式。

抽油杆杆体表面缺陷临界尺寸的确定

应用应力强度因子表达式,在线弹性断裂力学K_I=K_(IC)判据的基础上,提出了25.40mm、22.23mm、19.05mm、15.88mm等4种规格的20CrMo钢D级抽油杆杆体存在局部表面缺陷时确定缺陷临界尺寸的8张图线,并举例说明了工程中使用这些图线的具体方法。对抽油杆杆体实际表面缺陷的简化也提出了原则性的处理意见。

抽油杆杆体表面裂纹应力强度因子近似式研究

本文以拉伸无限体中椭圆片裂纹应力强度因子的精确解析解为基础,引入抽油杆杆体自由表面边界影响系数M,并将抽油杆杆体局部表面缺陷简化为部份椭圆表面裂纹,于是就将有局部表面缺陷的抽油杆杆体问题简化为有部份椭圆表面裂纹的拉伸圆杆问题。在假设拉伸圆杆部份椭圆表面裂纹的变形为“部份椭球”的条件下,得到了M与该表面裂纹嘴中心张开位移Δ_0之间的关系,简称M-Δ_0公式,用变载勾线法勾画不同裂纹形状,用实验测定相应Δ_0,用M-Δ_0公式计算相应的M值,将不同裂纹形状下的M数据进行数学回归,得到了系数M(a/r,a/c)函数,从而得到了抽油杆杆体局部表面裂纹应力强度因子近似式。将对应的表面裂纹形状最深点的数值与文献的结果进行了比较,比较表明,二者大体一致。

井眼轨迹曲线的计算机描绘与检测

介绍了在实践中总结出的计算机绘制与光标检测３维图形的原理和方法，给出了３维动态图形到屏幕坐标的变换式、各测点的平滑连接方法以及描绘与检测井眼轨迹曲线的典型应用，实现了空间井眼轨迹曲线的任意旋转、投影和给出了任一井段的井深、井斜角和方位角的光标检测软件。对任一井段还可局部放大显示，为钻井工程中井下钻具组合的设计和井斜方位的控制，提供形象而可靠的理论和计算工具。