新型自转式空气锤产品研制

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空气锤钻井技术以小钻压、低转速、机械钻速高、防斜能力强等技术优势,在钻进硬质、复杂、高陡、易斜地层中取得了良好的经济效益,成为气体钻井的首选。然而作为气体钻井主要破岩工具的空气锤在现场应用中也存在钻头掉落、钻具失效、不能应用于水平井、大位移井、定向井钻井作业等不足,这严重影响了空气锤的钻进效率和应用范围。本文在深入调研国内外空气锤的基础上,应用现代凿岩理论,设计了一种新型自转式空气锤,它依靠高压气体提供的动力实现钻头冲击和旋转两个运动,在工作时,钻杆不旋转,有效的减轻了钻柱的受力情况,同时该空气锤采用一种新的防掉机构,以避免钻头落井等井下事故。开展新型空气锤—自转式空气锤的研究,必将为空气锤在定向井、大位移井、水平井等现代钻井技术的应用方面开辟新的领域,是空气锤未来的主要发展方向。本论文开展的具体工作如下:(1)国内外空气锤的文献调研。收集了国内外有关空气锤的文献资料、专利及在我国油气田的现场应用现状。(2)空气锤结构及工作原理研究。收集了国内外典型的空气锤结构,研究其工作原理,确定自转式空气锤结构设计的原则及方法。(3)自转式空气锤整体结构设计。设计了两种自转式空气锤的设计方案,并对其进行了优选,应用凿岩理论对其工作参数、结构参数及性能参数进行设计计算,利用Pro/e软件建立了自转式空气锤的三维实体模型。(4)主要部件的强度校核。利用理论计算及有限元分析的方法对螺旋棒与螺旋母、活塞与传动套、传动套与钎头等进行强度校核。(5)活塞—钎头冲击动力学分析。利用冲击动力学软件ANSYS/LS-DYNA建立了活塞—钎头的冲击动力学模型,对其强度进行了冲击动力学分析,并在此基础上对钎头和活塞结构进行了优化,研究了冲击过程中的能量转化规律和活塞的冲击末速度与最大Von Mises应力间的关系。(6)针对设计的自转式空气锤加工、组装样机并进行样机室外试验,验证了结构设计的可行性。
摘要第3-4页
Abstract第4页
第1章 绪论第8-11页
    1.1 题目的来源、目的及意义第8-9页
    1.2 论文的研究内容、技术路线及创新点第9-11页
        1.2.1 研究内容第9-10页
        1.2.2 技术路线第10页
        1.2.3 创新点第10-11页
第2章 空气锤钻井技术概述第11-26页
    2.1 空气锤钻井技术简介第11-17页
        2.1.1 空气锤钻井的主要设备第11-13页
        2.1.2 空气锤钻井技术的特点第13-14页
        2.1.3 空气锤的破岩机理第14-16页
        2.1.4 空气锤的分类第16-17页
    2.2 空气锤的发展历程第17页
    2.3 空气锤的国内外研究现状第17-19页
        2.3.1 国外研究现状第17-18页
        2.3.2 国内研究现状第18-19页
    2.4 几种典型空气锤的结构及工作原理第19-24页
    2.5 空气锤在我国油气田的应用状况第24-25页
        2.5.1 空气锤在我国油气田的应用情况第24页
        2.5.2 几种空气锤的钻进效果比较第24-25页
    2.6 空气锤的发展趋势第25页
    2.7 本章小结第25-26页
第3章 新型自转式空气锤方案设计第26-38页
    3.1 新型自转式空气锤整体方案设计第26-28页
        3.1.1 方案设计第26-28页
        3.1.2 方案优选第28页
    3.2 新型自转式空气锤的工作机理第28-30页
    3.3 新型自转式空气锤参数设计计算第30-36页
        3.3.1 工作参数第30页
        3.3.2 设计参数第30-31页
        3.3.3 结构参数第31-32页
        3.3.4 性能参数第32-33页
        3.3.5 钻进参数第33-36页
    3.4 新型自转式空气锤的结构特点第36-37页
    3.5 本章小结第37-38页
第4章 新型自转式空气锤结构设计第38-62页
    4.1 活塞的设计第38-39页
    4.2 螺旋棒和螺旋母设计第39-43页
        4.2.1 钻头转速计算第39-40页
        4.2.2 空气锤扭矩计算第40-43页
    4.3 配气行程设计第43-44页
    4.4 钻头设计第44-55页
        4.4.1 钎头端面结构设计第45-46页
        4.4.2 钎头布齿设计第46-50页
        4.4.3 钎头齿孔过盈量的选择第50-55页
    4.5 防掉装置设计第55-58页
    4.6 防空打机构设计第58-59页
    4.7 逆止阀设计第59页
    4.8 其它零部件第59-61页
    4.9 本章小结第61-62页
第5章 新型自转式空气锤主要零部件力学分析第62-76页
    5.1 螺旋棒与螺旋母强度校核及有限元分析第62-69页
        5.1.1 螺旋棒与螺旋母理论校核第62-64页
        5.1.2 螺旋棒与螺旋母有限元接触分析第64-67页
        5.1.3 螺旋棒有限元分析第67-69页
    5.2 活塞—传动套强度校核及有限元分析第69-73页
        5.2.1 活塞—传动套理论校核第69-70页
        5.2.2 活塞—传动套有限元接触分析第70-73页
    5.3 传动套—钎头强度校核及有限元分析第73-75页
        5.3.1 传动套—钎头理论校核第73页
        5.3.2 传动套—钎头有限元接触分析第73-75页
    5.4 本章小结第75-76页
第6章 自转式空气锤活塞—钎头冲击动力学分析第76-83页
    6.1 活塞和钎头强度校核及结构优化第76-80页
    6.2 活塞和钎头冲击过程中能量转化规律研究第80-81页
    6.3 活塞冲击末速度研究第81-82页
    6.4 本章小结第82-83页
第7章 自转式空气锤样机试验第83-87页
    7.1 样机技术参数及试验目的第83-84页
    7.2 样机试验设备第84页
    7.3 样机试验方案第84-85页
    7.4 样机试验结果第85-86页
    7.5 本章小结第86-87页
第8章 结论与展望第87-89页
    8.1 论文的主要结论第87-88页
    8.2 展望第88-89页
致谢第89-90页
参考文献第90-93页
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果第93页
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