深井鉆具穩定器失效分析及設計研究

現場鉆具失效資料的統計分析表明,在鉆具失效事故中穩定器失效占有很大一部分.為了提高在深井和超深井井底鉆具組合中穩定器的使用壽命,根據收集的國內外和現場的關于穩定器的資料,對穩定器作失效分析,得出現場使用中穩定器失效的主要機理;然后就穩定器的工作段、螺紋聯接區和本體三部分的結構進行設計研究,提出相應的改進措施.通過對穩定器進行失效分析,找出現場使用中穩定器的主要失效類型和失效機理:螺紋接頭發生粘扣或刺扣;螺紋接頭發生疲勞斷裂;工作段基體材料因磨料理磨損和沖蝕磨損而凹陷,凸出基體表面的硬質合金塊折斷或因失去基體支撐而脫落,工作段因無法保持工作直徑而失效.基體材料的抗磨損性能是工作段壽命的關鍵,為此采用在硬質合金塊之間的基體上堆焊一層抗磨料磨損的材料,增加基體的抗磨損性能.選擇了幾種抗磨料磨損性能好的焊接材料,與基體材料進行了抗磨損性能對比實驗,優選出在基體表面堆焊鑄造WC能夠大大的提高工作段的抗磨損性能.對試件的表面進行電鏡分析,驗證了失效分析得出的結果和機理的正確性.螺紋聯接區是另一個穩定器失效的常見區域,對螺紋接頭在預緊力和軸向力作用下進行受力分析,得出螺紋各牙的載荷百分比.計算出在橫向力作用下螺紋的周向應力.對接頭進行疲勞計算,得出螺紋根底是一個高的應力集中源.螺紋部位承受高的交變應力,是導致螺紋聯接螺紋失效的主要原因.針對螺紋聯接區的設計,綜述了一系列改進措施.提出在穩定器的本體上加上加工應力分散區,既有利于降低本體段的應力峰值,同時可降低螺紋接頭的應力峰值,提高螺紋聯接的可靠性.針對應力分散區不同的深度、寬度和位置建立了相關的有限元模型,分析出應力分散區深度、寬度和位置的不同對螺紋接頭應力峰值的影響程度.