恒扭矩工具組合式非標(biāo)碟簧試驗(yàn)與數(shù)值分析

溫曉松，柳貢慧*，李 軍，郭雪利

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油與天然氣工程學(xué)院，北京 102249；2.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206)

常規(guī)聚晶金剛石復(fù)合片(polycrystalline diamond compact，PDC)鉆頭在鉆遇復(fù)雜地層及軟硬交錯(cuò)地層時(shí)，往往都會(huì)遇到扭矩大范圍波動(dòng)的問(wèn)題。測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，大部分井段扭矩波動(dòng)的區(qū)間為3～20 kN·m，部分井段的峰值扭矩達(dá)到53.3 kN·m。扭矩波動(dòng)容易引起鉆頭黏滑失速與鉆柱扭振，降低機(jī)械鉆速，嚴(yán)重時(shí)造成鉆具損壞及測(cè)量工具失效[1-3]。恒扭矩工具擁有的減振、過(guò)載保護(hù)、穩(wěn)定轉(zhuǎn)速等特點(diǎn)能有效解決現(xiàn)有鉆井過(guò)程中扭矩嚴(yán)重波動(dòng)的問(wèn)題，減少鉆頭黏滑失速現(xiàn)象，從而提高鉆井速度，其在長(zhǎng)慶、塔河、勝利等油田的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用中得到同行的一致認(rèn)可[4-6]。碟形彈簧(簡(jiǎn)稱碟簧)作為該類工具中重要的儲(chǔ)能與釋能結(jié)構(gòu)，很大程度上決定了工具的性能。作為一種承載能力強(qiáng)、空間體積利用率高、具有變剛度非線性特性的新型彈簧，碟簧被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空、建筑等領(lǐng)域。

中外針對(duì)碟簧的研究最早起始于單片碟簧，而組合式碟簧受制于單片碟簧的力學(xué)性能、組合形式等多方面的影響，僅在建筑、機(jī)械隔振等領(lǐng)域有部分研究。Ozaki等[7]采用數(shù)值與試驗(yàn)方法研究摩擦邊界對(duì)組合式碟簧靜態(tài)力學(xué)性能的影響，并基于能量守恒與摩擦定律，提出一種新的簡(jiǎn)化方法預(yù)測(cè)在不同摩擦狀態(tài)下的載荷-位移曲線。Nicholas等[8]對(duì)帶方形邊緣的單片碟簧建立了一種新的力學(xué)模型，該模型將非對(duì)稱摩擦條件施加在方形邊緣上，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)4種不同摩擦狀態(tài)下的載荷-位移關(guān)系，準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果也支持該模型的有效性。……