随着石油开采方面逐渐向低渗透和非常规油气藏方向发展,钻井工程作为石油勘探开发的一项非常重要的工作,特别是定向钻井的发展也呈现出非常明显的态势。作为定向钻井的重要工具弯壳体螺杆钻具使用量也逐渐占据整个动力钻具的产业,然而随着钻井工作难度的加大,对螺杆钻具的设计和使用提出了更高的要求,对于螺杆钻具的设计和制造,包括使用的研究的文献也较多,本文主要在前人研究基础上,完成了国内外定向钻井用可调弯壳体螺杆钻具的相关资料收集与研究,借助定向钻井理论知识分析弯壳体螺杆钻具各种零部件的结构及工作原理,并根据钻柱运动学和动力学特征,建立定向钻井用弯壳体螺杆钻具的理论力学模型及使用有限元软件,对弯壳体螺杆钻具的主要零部件进行了设计和仿真研究,对弯壳体螺杆钻具在钻进过程进行静力学和动力学的研究,对底部钻具组合下入井底的可靠性打好理论基础。本文的主要研究内容:(1)完成了国内外定向钻井的相关资料收集与分析,通过对定向钻井用动力工具的设计和使用情况的调研与分析,提出了本文的研究方案和研究思路。(2)在详细分析研究定向钻井用弯螺杆钻具组成及工作机理的基础上,通过现场调研,以及查阅大量的国内外相关文献,收集了螺杆钻具主要组成部件以及工作机理,为定向钻井用弯螺杆钻具的设计和制造建立提供了重要的依据。(3)借助定向钻井理论知识分析弯壳体螺杆钻具各种零部件的结构及工作原理,并根据钻柱运动学和动力学特征,建立定向钻井用弯壳体螺杆钻具的理论力学模型,对弯壳体螺杆钻具在钻进过程进行相关分析,对钻柱下入井底的静力学与动力学有限元计算结果进行比较打好理论基础。(4)根据现场易损件花瓣的应力较大的地方及变形严重的位置,利用有限元软件对花瓣式万向轴的花瓣体进行模态分析,找出其振动频率的变化情况,发现花瓣振动故障多为高、低循环疲劳损伤,花瓣高循环疲劳损伤,其主要是由于花瓣处于共振条件产生交变应力,并提出设计和使用一种新型结构的万向轴,通过对高强度的万向轴总成分析来看,主要零件工作时的强度是满足要求的,为万向轴的设计、制造和使用提供理论依据,以便最大限度地发挥万向轴的功能和延长其使用寿命。(5)对弯壳体螺杆钻具的弯壳体连接螺纹进行有限元分析,不同压缩载荷作用下螺纹部分应力分布在圆周方向周期性变化,压缩载荷也是连接螺纹粘扣的重要原因,API螺纹总体强度低于梯形接头螺纹,同时发现梯形螺纹公扣螺纹端整体受到的应力比母扣螺纹要大的多,且公扣螺纹牙顶受到的应力比其他部位要大一些。这些分析结果有助于对接头螺纹疲劳失效的载荷性质做定性和定量的判断。(6)通过对关键部件传动轴两种结构的对比分析,在条件允许的范围内,增大传动轴小径半径,改进后的传动轴等效应力、位移及侧向力都有所减小,应力分布情况与改进前相同但是应力峰值有所下降,通过这些分析验证了改进设计是合理可行的。(7)本文通过对水帽内流体模型的仿真分析后,发现道内流速变化更加符合实际流体变化规律,流体在整体位置变化剧烈,伴随涡动和激流变化,在流过水孔附近流体流场速度和压力有突变,沿流体主通道路径,压力越大的位置速度越小。当入口平面与水平面保持为0°时,最终的速度也和压力都最小,对水帽产生的冲蚀也最小。(8)开展了井底弯壳体钻具组合静力学模拟分析,建立了井底弯壳体钻具组合静力学模拟分析力学模型,重点分析了弯壳体钻具组合在直井段和弯曲段不同位置时的钻杆应力情况,得出了钻杆在弯曲井段,Von Mises应力达到最大为783.3MPa,比包括弯壳体钻具组合附近钻杆的应力相对其他位置更大,此处更容易发生钻杆疲劳断裂。本文通过对定向钻井的相关理论及弯螺杆钻具的研究工作,较全面系统地研究了弯螺杆钻具主要结构的工作机理,为确保工具下入的强度要求,采用可调弯壳体结构,对提高其可靠性和使用寿命都具有重要的理论意义和实际应用价值。