梯度硬质合金齿牙轮钻头开发与应用研究

硬质合金由于硬度高、抗压能力强、耐磨性好等优异性能，在牙轮钻头上得到了广泛应用。传统硬质合金的韧性与耐磨性是一对矛盾，而梯度硬质合金技术能在硬质合金的表面形成一层含钴量低、硬度较高的梯度层，形成了外硬内韧的材料结构，既提高了表层的耐磨性，又保持了整体的韧性，很好地解决了表层的耐磨性与整体的韧性之间的矛盾。采用含钴的硬质合金齿进行渗碳处理制备了梯度硬质合金齿，并通过检测梯度硬质合金齿从表面到心部的显微硬度分布，以检验形成的梯度层的情况。梯度硬质合金齿的梯度层的深度在800-1000μm，不同齿的硬度分布基本接近，说明梯度层的深度也基本相同。应用梯度硬质合金齿试制的牙轮钻头在四川油田、胜利油田和辽河油田一些难钻进地层使用，明显提高了牙轮钻头进尺与机械钻速，取得了理想的使用效果。

等壁厚螺杆钻具壳体结构强度分析与优化

在造斜段钻井过程中,螺杆钻具的工作环境较为恶劣,受力状态极其复杂,螺杆壳体断裂事故时有发生。利用有限元技术,针对滑动导向钻井过程,建立了螺杆钻具壳体结构强度分析与评价方法,对不同井眼曲率条件下螺杆钻具壳体结构强度变化进行了对比,优化了等壁厚螺杆钻具壳体结构。研究成果表明,随着井眼曲率的增大,螺杆钻具壳体结构强度逐渐下降;等壁厚螺杆比常规螺杆壳体结构强度降低了52.3%;在定子壳体上增加减应力槽结构,螺杆钻具壳体结构强度可提高33.2%。

滚滑复合轴承研究

针对牙轮钻头的滑动轴承和滚动轴承在实际工作中所存在的问题,提出一种牙轮钻头滚滑复合轴承,对滚滑复合轴承结构进行有限元对比分析、模拟对比试验和钻头现场验证实验,表明滚滑复合轴承是一种较先进的创新性轴承。

PDC钻头自动优化布齿设计软件平台建立

在PDC钻头产品结构中,布齿结构设计至关重要,直接影响PDC钻头的使用性能和寿命。利用PDC钻头切削力学分析程序计算钻头不平衡力和径向力/周向力比值,调整PDC钻头布齿结构,直到钻头力平衡与功力满足要求为止。采用人工探索的方式进行布齿结构设计,存在设计效率低、设计质量不稳定等缺点。利用MDO方法建立PDC钻头自动优化布齿设计平台,实现布齿结构自动优化设计,布齿结构设计时间仅为原来的1/16～1/8,其中人工干预时间仅为原来的1/96～1/48,布齿结构设计质量提高3～5倍,大幅降低了产品开发成本,提高了产品设计可靠性。

牙轮钻头设计的可靠性模型及应用

概述了江钻股份公司石油勘探开发用牙轮钻头的可靠性设计流程,阐述了牙轮钻头在设计过程中用三维建模、有限元分析模型等进行可靠性设计的思想,采用了理论计算法、相似产品的类比分析法、实验室试验法和产品现场试验法等相结合的系统的可靠性试验。以实例介绍了从产品的各个子系统到最终成型产品所进行的部分试验和验证。

深水采油树油管悬挂器下放工具关键参数设计

国内深水采油树研究处于起步阶段，迫切需要对水下采油树的各重要部件进行设计研究。为此，针对水深为1500m、压力等级为69MPa、温度等级为-18～120℃的设计条件，根据ISO13628—4和API17D的相应规范，设计了一套深水采油树油管悬挂器下放工具，对该工具的关键参数进行了设计分析，计算了锁紧环径向挤压力的大小，并对下放工具的主要受力零件进行了有限元强度分析。分析结果表明，设计的下放工具满足强度和功能要求。

基于Abaqus的油管悬挂器锁紧机构接触分析

利用Abaqus有限元软件对普通C形卡环、带圆角C形卡环和卡块式3种不同的油管悬挂器锁紧机构在锁紧过程中所受的应力进行了分析。在分析时切向接触条件使用Conlomb摩擦模型,限制了卡环竖直方向的自由度,只允许卡环在水平面有位移。分析结果表明,普通C形卡环式锁紧机构的应力最大,卡块式锁紧机构的最大应力最小;带圆角的C形卡环应力分布比普通C形卡环更为均匀,过渡更为平缓;卡块式锁紧机构的最大应力明显小于卡环式锁紧机构,若能在卡块与推动环接触处增加圆角,则能进一步减小应力集中,降低最大应力值。

水下采油树内部输油管应力分析

根据API 17D规范,对深水水下采油树零部件中容易损坏的输油管进行受力分析,建立不同水深、水温等条件下的输油管应力计算模型,用ABAQUS软件进行应力的有限元计算。结果表明,随着水深增加,油管固定边界对输油管强度的作用逐渐增大。因此在进行深水采油树输油管设计时,应合理设计输油管与采油树主管或与阀门之间的距离,提高边界对输油管强度的加强作用。

基于混合遗传模拟退火算法的圆柱螺旋弹簧优化设计

针对复合形法等传统优化方法在全局搜索能力较弱,容易陷入局部最优解,并且最优解依赖于初始点选择的特点,提出了应用混合遗传模拟退火算法来解决这些问题。建立了某采油树阀门执行机构内部弹簧的优化设计数学模型,应用混合遗传模拟退火算法对其进行了优化设计,并与复合形法、随机方向法、模拟退火算法和遗传算法所计算的结果进行了比较。结果表明,与复合形法相比,经过混合遗传模拟退火算法优化得到的弹簧体积减小了16.01%。

水下采油树关键技术研究

水下采油树是深水油气开发中必不可少的装备。该课题拟通过掌握水下卧式采油树及下放机具的设计、制造相关关键技术,研制出具有自主知识产权的1 500 m水深、10 000 psi压力等级、温度等级为SU（-18℃~121℃）的水下采油树样机,为最终形成国产水下采油树设计、制造、测试及工程服务能力奠定基础。课题主要研究内容包括：（1）水下采油树总体方案设计与结构设计;（2）水下采油树下放安装回收工艺及配套工具设计;（3）水下采油树控制系统设计;（4）水下采油树材料及制造工艺技术研究;（5）水下采油树风险评价及可靠性分析;（6）水下采油树样机的测试;目前,课题组已完成水下采油树机械结构、控制系统及下放机具总体方案设计、水下采油树机械结构基本设计与详细设计、水下控制模块的相关设计、下放安装机具基本设计、水下采油树原理样机关键部件的制造准备工作、水下采油树地面测试系统的建立、水下采油树安装功能模拟测试方案、FAT测试方案及SIT测试方案、水下采油树风险评价及可靠性分析。通过该阶段课题研究,课题组已基本掌握水下采油树研发关键技术,为下一步水下卧式采油树国产化应用奠定了坚实基础,主要关键技术包括：（1）水下采油树及配套系统的总体设计技术;（2）油管悬挂器、穿越器等核心部件的设计技术;（3）水下采油树水下控制模块配套测试系统技术;（4）水下采油树风险评价及可靠性分析技术;（5）水下采油树材料设计及防腐技术。

水下采油树MEC密封试验装置研究

MEC密封是水下卧式采油树密封的一项关键技术。为了进行密封性能试验,设计了MEC密封件的密封试验装置。分析了该装置的组成部分和关键参数,并采用ABAQUS软件对其上、下安装盖的强度进行有限元分析。分析结果表明,设计的试验装置满足强度要求。

水下卧式采油树井口连接器VX钢圈力学特性研究

VX钢圈是水下卧式采油树连接器上的全金属锥形密封圈,其性能好坏直接影响着采油树功能的实现。为保证密封件的性能,需要进行密封件力学特性及相关参数的计算。根据VX钢圈密封的工作原理,对VX钢圈密封锥面进行预紧及操作工况下的力学分析,推导出了VX密封钢圈的预紧接触应力和操作接触应力公式,并用ABAQUS有限元法对推导的VX钢圈的设计计算公式进行验证及相关分析,指出在操作工况下,钢圈接触应力与内压呈线性关系,先随内压增大而降低,到达最低值后,则随内压增大而线性增大,钢圈实现自紧密封。

水下采油树油管悬挂器锁紧块参数设计

油管悬挂器是水下采油树的核心部件,其锁紧机构对油管悬挂器至关重要。阐述了油管悬挂器锁紧机构的组成、锁紧及解锁原理,确定了锁紧方案和解锁方案。对锁紧块在锁紧和解锁工况下的受力进行分析,得出2种工况下的推动环倾角均为45°。分析了单齿锁紧块和多齿锁紧块的受力情况和力传递途径,推导出单齿锁紧块和多齿锁紧块在X方向和Y方向的受力方程。建立了单齿轮廓和双齿轮廓的有限元模型,研究不同锁紧齿数对载荷传递路径的影响及不同路径应力分布。研究结果表明,2齿形的锁紧块结构更适合油管悬挂器的锁紧机构。

深水采油树井口连接器锁紧机构设计研究

分析了水下采油树的关键部件——井口连接器的功能、类型及结构。针对水深300m、设计压力为34.5MPa(5000psi)、设计温度为-18～121℃的卧式采油树,根据ISO13628-4和API17D相应规范,在考虑井口结构、目标油田油藏特性和环境参数的基础上,设计采油树井口连接器,并对关键部件C型锁紧环所需要的液压锁紧力进行计算分析;利用ABAQUS软件对液压锁紧力进行验证和强度校核。计算结果表明:所设计的锁紧机构满足井口连接器和水下采油树的需要。

水下采油树树体安装工具及锁紧环设计分析

针对海水深度为1500m、工作压力为69 MPa（10000psi）、温度级别为-18～120 ℃的设计条件,根据ISO 和API的相应规范,设计了一套水下采油树树体下放工具.对该工具的关键参数进行设计分析,对锁紧环进行力学分析,并利用ABAQUS软件对锁紧环进行有限元强度分析.结果表明,设计的下放工具满足强度和功能要求.

一种利用坐标重心求解坐标转换关系式的方法

提出了一种简捷、新颖的坐标转换关系式,介绍了该方法是通过求取点阵在不同坐标系中的重心坐标,利用重心坐标和各点间的空间关系来求解坐标转换关系式,并结合实际案例验证了该方法的可靠性及实用性。

三维直角坐标转换在盾构引导中的运用

运用三维直角坐标转换,先求出盾构机轴线局部坐标系与实际三维空间坐标系两种坐标系的转换参数,然后再利用转换参数求出盾首中心和盾尾中心点的实际坐标,进而计算盾构机的姿态,该方法用于地铁盾构的引导测量,取得了令人满意的效果。

施工坐标在大红山铁矿胶带系统测量中的应用

大红山铁矿400万t/a二期采矿工程胶带运输系统是其一个重要子系统,胶带系统工程施工涵盖巷道掘进及胶带系统设备安装,由于该胶带系统延伸较长,坡度陡,井口标高330m,井底标高-40m,系统复杂。施工时,为保证巷道掘进断面尺寸、胶带设备安装精度达到设计要求,工程测量往往起到至关重要的作用。由于井下温湿度较大,作业环境差,采用常规的测量方法对巷道断面检测、安装精度复核,测量内业工作量大,作业效率低,测量人员劳动强度大。利用施工坐标测量方法来检测、复核巷道断面尺寸及设备安装精度,具有测量内业处理量小,简单、方便、准确等特点,同时极大地降低测量人员的劳动强度,提高工作效率,在大红山铁矿井下测量中值得推广应用。