油井鉆桿全自動壓力矯直在線檢測與工藝優(yōu)化研究.pdf

1、油井鉆桿是石油勘探開采時驅動鉆頭向地層深處快速掘進的關鍵構件,因此對其直線度有很高的要求。由于油井鉆桿長徑比大、管壁溥、兩端鐓粗的形狀特點,在其端部有一段直線度超差的矯直盲區(qū)需要通過壓力矯直加工進行修正。因為缺乏必要的全自動壓力矯直裝備,目前我國的油井鉆桿壓力矯直工藝方法勞動強度大、矯直效率低、產品直線度差。本文以上海寶鋼重點科技攻關項目為依托,圍繞彎曲度在線檢測與評定方法、壓力矯直力學模型、壓力矯直工藝優(yōu)化和裝備的控制方法等油井鉆桿全

2、自動壓力矯直中的重點和難點問題,展開了理論和實驗研究,為油井鉆桿全自動壓力矯直裝備的研究和開發(fā)奠定了基礎。
　　 彎曲度是計算壓力矯直工藝參數(shù)和進行有限元分析的軸心線彎曲模型。為了提高油井鉆桿彎曲度的檢測精度,本文提出了多激光位移傳感器彎曲度在線檢測方法,為油井鉆桿截面圓度誤差的分離提供了檢測方法支持。并將諧波分析方法引入圓度誤差的表示,通過數(shù)字濾波的方式實現(xiàn)了圓度誤差的高效準確分離。本文還提出了基于NURBS曲線的彎曲度評定方

3、法,能得到光順連續(xù)的空間彎曲度模型。在自主研發(fā)的油井鉆桿彎曲度檢測實驗系統(tǒng)中,經(jīng)過重復實驗表明多激光位移傳感器彎曲度在線檢測方法具有大量程、非接觸、測量速度快、系統(tǒng)柔性高等優(yōu)點,彎曲度評價精度從原有的0.5mm提高到0.2mm,達到了油井鉆桿全自動壓力矯直裝備對彎曲度在線檢測系統(tǒng)的精度要求。
　　 根據(jù)油井鉆桿壓力矯直過程的特征,建立了油井鉆桿壓力矯直力學模型,并根據(jù)力學模型分析了油井鉆桿在彈性變形、彈塑性變形和卸載三個階段中的

4、應力應變關系,進一步得到了油井鉆桿壓力矯直進給量計算公式。并選用了定位移增量法和直接約束法建立了有限元分析模型,有限元模擬的結果證明了油井鉆桿壓力矯直過程力學模型和矯直進給量計算公式的正確性,模擬結果還表明矯直進給量的計算結果除了與力學模型相關之外,還與矯直工件的材料性能模型密切相關。本文還進行了拉伸性能實驗,得到了油井鉆桿材料的性能模型。
　　 全自動壓力矯直裝備是通過自動控制工藝路線來實現(xiàn)油井鉆桿的壓力矯直過程。本文提出了基

5、于遺傳算法的壓力矯直工藝路線優(yōu)化方法,通過引入NURBS曲線的重新定位控制頂點算法,得到壓力矯直后油井鉆桿的彎曲度預測模型,通過遺傳算法搜索優(yōu)化變量組合,實現(xiàn)以最少的矯直步數(shù)達到盡可能高直線度的優(yōu)化目標。通過具體實例的模擬表明,該優(yōu)化方法由于統(tǒng)籌考慮了各步矯直結果,避免了相互干涉形成新的彎曲變形,從而提高了全自動壓力矯直裝備的工作效率和矯直精度。同時,矯直進給量是全自動壓力矯直裝備最重要的工藝參數(shù),本文通過大量實際矯直數(shù)據(jù)的PLSR法分

6、析,推導得到了矯直進給量修正計算公式,提高了矯直進給量的計算精度5％～10％,可用于油井鉆桿全自動壓力矯直裝備的矯直進給量計算。
　　 根據(jù)彎曲度在線檢測方法和壓力矯直工藝優(yōu)化研究的結果,本文對油井鉆桿全自動壓力矯直裝備的控制方法進行了整體研究。并針對油井鉆桿準確定位于軸向任意位置的需求,提出了光電開關自動引導軸向定位方法,實現(xiàn)了油井鉆桿的軸向任意定位,而且定位精度可以得到保證。矯直進給量的控制是全自動壓力矯直裝備的最終執(zhí)行控制