涡轮钻具密封设计与实验研究

论文摘要

井下动力钻具与传统的转盘钻井相比,在提高机械钻速、增加钻头进尺、减少钻井成本方面有极大的优越性。但开式涡轮钻具的支承节轴承在泥浆的冲刷下磨损比较严重,需要通过密封机构来最大程度的保护轴承,减速器的齿轮传动系统同样需要通过密封装置,将密封腔外的泥浆和密封腔内的润滑油分隔开来,但常规密封系统很容易出现泄露,涡轮钻具就会很快失效。本文在常规密封的基础上提出新的思路,一方面对支承节密封进行轴向力平衡推导,得出承压面积比结论,然后设计新的密封结构,并用三种从不同方面反映机械密封结构性能的[PV]值对机械密封进行校核,以实现设计的可靠性与准确性。另一方面从减速器振动的角度入手,考虑到减速器主轴轴向和径向的复杂振动,设计以橡胶作为弹性元件的集装式单金属密封来替代以弹簧作为弹性元件的机械密封,并进行理论计算和有限元分析,得到密封面上从内到外的应力曲线,结合密封面油膜的最佳工作状态,对密封进行优化。在上述两种密封模型的基础上,结合涡轮钻具的实际工况,设计并组装涡轮钻具密封试验台架,在VB6.0基础上开发密封测试软件。本实验一方面用来测试密封端面扭矩和温度,研究密封端面的摩擦功耗；另一方面研究不同的压力和转速等对密封使用寿命的影响以及振动对机械密封性能的影响。最后在组装的试验台架上进行试验,分低压和高压两组试验,主要测试了扭矩、端面温度、油膜厚度和动环跳动量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 涡轮钻具国内外发展概述
• 1.2.1 国外涡轮钻具发展概述
• 1.2.2 国内涡轮钻具发展概述
• 1.3 井下密封的研究情况
• 1.3.1 机械密封的发展
• 1.3.2 井下工具密封的研究情况
• 1.3.3 密封端面摩擦工况的研究
• 1.4 研究的理论依据
• 1.5 本文研究的主要内容与方法
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究方法
• 第2章 涡轮钻具支承节密封方案研究
• 2.1 支承节轴承密封结构设计
• 2.1.1 支承节轴设计与校核
• 2.1.2 支承节密封初方案
• 2.1.3 实际工况下密封受力分析
• 2.2 支承节轴承密封计算
• 2.2.1 确定结构尺寸
• 2.2.2 端面比压的确定
• 2.2.3 端面比压的校核
• 2.3 机械密封的温度分析
• 2.3.1 密封端面摩擦热的计算
• 2.3.2 搅拌热的计算
• 2.3.3 端面温差的计算
• 2.4 泄漏量
• 2.5 本章小结
• 第3章 减速器密封方案设计与计算
• 3.1 减速器密封方案设计
• 3.1.1 常规方案分析
• 3.1.2 单金属密封方案可行性分析
• 3.1.3 密封方案的改进
• 3.2 减速器密封的结构计算
• 3.2.1 油膜静压计算
• 3.2.2 油膜动压计算
• 3.3 单金属密封有限元分析
• 3.3.1 非线性材料分析理论
• 3.3.2 有限元分析目的和模型的建立
• 3.3.3 网格划分和有限元计算
• 3.3.4 不同环境压力下的接触应力分析
• 3.3.5 不同压缩量下的接触应力对比
• 3.4 本章小结
• 第4章 涡轮钻具密封台架设计与实验
• 4.1 密封试验台架研究目的和意义
• 4.2 密封试验台架的测试内容和设计方案
• 4.2.1 测试内容
• 4.2.2 测试装置总体方案
• 4.2.3 循环方案设计
• 4.2.4 洗车机和减压阀的选用
• 4.2.5 端面信号采集方案
• 4.2.6 端面比压调整方案
• 4.3 密封试验台架主要零件设计和校核
• 4.3.1 电机和变频器选择
• 4.3.2 主轴的设计和校核
• 4.3.3 螺栓的设计和校核
• 4.4 密封试验台架数据采集硬件设计
• 4.4.1 数据采集系统简介
• 4.4.2 密封试验台架监测系统方案
• 4.4.3 PCI1710L数据采集卡
• 4.4.4 接线端子板
• 4.4.5 铠装热电偶和温度变送器
• 4.4.6 扭矩传感器
• 4.4.7 电涡流传感器
• 4.4.8 压力传感器
• 4.4.9 温度变送器
• 4.5 测试系统抗干扰设计
• 4.5.1 干扰来源
• 4.5.2 硬件抗干扰措施
• 4.5.3 影响试验台架的干扰因素
• 4.5.4 本实验降低干扰采取的措施
• 4.6 数据采集系统软件设计
• 4.6.1 软件介绍
• 4.6.2 软件系统组成
• 4.6.3 数据处理的任务
• 4.6.4 数据采集系统程序
• 4.6.5 数据采集系统测试界面
• 4.6.6 采集系统的的测试
• 4.6.7 数据采集系统误差分析
• 4.7 实验步骤及结果
• 4.7.1 实验方案与步骤
• 4.7.2 机械密封的性能试验
• 4.7.3 单金属密封的性能试验
• 4.7.4 密封的振动性能对比试验
• 4.8 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录