【正文】 同時(shí)還特別感謝我們同一小組的其他幾位同學(xué)，在與他們一起進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，感謝他們在課題的分析以及軟件之間的應(yīng)用給予的幫助，使得我可以順利的完成設(shè)計(jì)。(2)由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的工作環(huán)境惡劣、工作空間有限、工具尺寸受限等原因，設(shè)計(jì)要根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行設(shè)計(jì)一分析一校核一再設(shè)計(jì)的循環(huán)過程，因而設(shè)計(jì)的許多方面還有待改進(jìn)，自己的專業(yè)方面的知識還有待提高。本文結(jié)合調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)研究，重點(diǎn)對偏執(zhí)機(jī)構(gòu)和液壓分配系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。(4)為油田提高采收率提供了有效的經(jīng)濟(jì)方法特別是在如今油氣資源缺少兒時(shí)的人們必須向更深的地層開發(fā)油氣資源時(shí)，為節(jié)約成本，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井技術(shù)被提出來了，水平井、大位移井、多底井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井提高了油層中井段的長度增加，增加了油層的泄油面積，提高了產(chǎn)量。就本次設(shè)計(jì)的工具本身來說，有一些關(guān)鍵部件直接影響著整個(gè)工具的成本，比如外殼體，要求為高的強(qiáng)度、較好的耐磨性、較好的柔韌性，還得是無磁的，并且是一個(gè)復(fù)雜的腔體結(jié)構(gòu)，所以一般的無縫鋼管很難滿足以上要求，給加工帶來很大的困難。(3)根據(jù)剛度條件計(jì)算彈簧圈數(shù)n查得K=15N/mm （338） 取n=6圈。 盤閥加壓彈簧的設(shè)計(jì)為了保證上盤閥的平穩(wěn)運(yùn)行，需要給上盤閥額外加力100N。的直徑為8mm的孔，用于分配泥漿。慣性力F： （319） F200N,為了減少盤閥之間的摩擦力，預(yù)緊力應(yīng)盡量的小，取F=F=100N。的3個(gè)伸縮塊的某一個(gè)塊，它每一次通過某一特定位置時(shí)，通過上盤閥高壓孔施加的壓力，使相應(yīng)的巴掌伸出與井壁接觸，并施力于井壁，產(chǎn)生一側(cè)向力，推動鉆頭離開該方向，達(dá)到改變井斜和方位的目的，離開該方向后巴掌自動縮回。圖39 鉆具本體泥漿過流孔結(jié)構(gòu)由上圖可知： （37）所以S S。由此，在鉆具尺寸允許的條件下，取其最大值?？紤]柱塞伸出和縮回的滯后影響及下盤閥低壓孔直徑的影響時(shí)，使下盤閥低壓孔實(shí)際導(dǎo)通角不等于上盤閥的高壓孔圓心角，會改變巴掌作用合力的作用形式，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，上盤閥的高壓孔圓弧角θ設(shè)計(jì)為200186。同時(shí)上盤閥的高壓孔圓弧角θ應(yīng)不大于下盤閥相鄰3個(gè)低壓孔的中心角240186。所以在設(shè)計(jì)過程中，工作液控制分配單元分配泥漿的時(shí)間，在不考慮穩(wěn)定平臺和外部轉(zhuǎn)速的情況下，導(dǎo)通時(shí)間主要由上盤閥的高壓孔圓弧角θ所決定。 圖34 執(zhí)行機(jī)構(gòu)本體圖35 柱塞 由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的原理和工作過程可知，其核心部件為導(dǎo)向偏置機(jī)構(gòu)，而導(dǎo)向偏執(zhí)機(jī)構(gòu)主要由控制液分配單元和偏執(zhí)機(jī)構(gòu)單元組成。在鉆頭每一轉(zhuǎn)過程中，下盤孔眼都與上盤高壓閥孔相通一次，與之相接的伸縮塊伸縮一次。當(dāng)上盤高壓孔眼在控制機(jī)構(gòu)作用下處于90176。上下盤閥泥漿控制分配單元將過濾后的泥漿依次分配到三個(gè)柱塞，給巴掌提供推靠動力，并使該推靠力的合力方向始終保持在上盤閥高壓孔的位置，在近鉆頭出形成拍打井壁的側(cè)向力。上盤閥孔為弧形長孔狀,能使高壓鉆井液作用在推板上的力具有一定的作用時(shí)間，以保證側(cè)向控制力的作用效果,鉆井液通過過濾網(wǎng)再流向上盤高壓閥孔。為了使穩(wěn)定平臺在旋轉(zhuǎn)的鉆柱內(nèi)維持穩(wěn)定, 必須使施加到控制軸上的力矩平衡。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)原理如圖25所示：圖25 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)工作原理根據(jù)對井下工程、地質(zhì)及幾何參數(shù)的監(jiān)測和要求，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具可以按已設(shè)定的程序或給定的指令調(diào)整井斜和方位。鉆頭和鉆頭軸承的磨損較嚴(yán)重。三種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具系統(tǒng)的對比見表 21。測量傳感器距鉆頭位置；井斜；電源為鏗電池；最大工作周期不少于200h(旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向)。在井下工作時(shí)，由控制部分穩(wěn)定平臺控制上盤閥的相對穩(wěn)定性:隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)的下盤閥上的液壓孔將依次與上盤閥上的高壓孔接通，使鉆柱內(nèi)部的高壓鉆井液通過該臨時(shí)接通的液壓通道進(jìn)入相關(guān)的揮肋支撐液壓腔，在鉆柱內(nèi)外鉆井液壓差的作用下將冀肋支出。該系統(tǒng)所用單三軸力反饋加速度計(jì)，伺服機(jī)構(gòu)作用在敏感單元上，在其三個(gè)相互垂直方向上的重心附近。轉(zhuǎn)子軸承也支撐著其線圈在壓力套內(nèi)部的交流發(fā)電機(jī)的永磁極結(jié)構(gòu)，這可使傳感器處理器和控制系統(tǒng)所需能源得到基本滿足。與導(dǎo)向馬達(dá)相比，該旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具能更精確地控制井眼軌跡，鉆頭側(cè)向力和井眼狗腿度可由閉環(huán)系統(tǒng)連續(xù)控制。它在井下微處理設(shè)有造斜力或降斜力、變方位力、井下微處理器將用設(shè)定好的造斜力或變方位力來修正井眼軌跡，直到恢復(fù)預(yù)定的井斜角和方位角。圖21是井下偏置導(dǎo)向工具的導(dǎo)向原理示意圖。第二章 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井裝置的方案對比分析 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的分類旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)按導(dǎo)向方式可分為兩類：一種是靠側(cè)向力推靠鉆頭原理的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具—稱“推靠鉆頭”(Push the Bit)導(dǎo)向原理工具；另外一種是近年來提出的定向給鉆頭以角位移—簡稱“定向鉆頭”或“指向鉆頭”(Point the Bit)原理的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。GeoPilot系統(tǒng)采用控制鉆柱彎曲特征來實(shí)現(xiàn)鉆頭軸線的有效導(dǎo)控，其優(yōu)點(diǎn)是造斜率由工具本身確定，不受鉆進(jìn)地層巖性的影響，在軟地層及不均質(zhì)地層中效果明顯，缺點(diǎn)是鉆柱承受高強(qiáng)度的交變應(yīng)力，鉆柱容易發(fā)生疲勞破壞。斯倫貝謝公司的Power DriveXceed鉆具可以解決鉆軟地層和裸眼側(cè)鉆過程中旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具所遇到的問題。/100ft，PowerDriveXceed675型最大造斜率8176。（2）Power Drive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng) Power Drive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的核心是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，其導(dǎo)向原理與Baker Hughes公司的RCLS導(dǎo)向鉆井工具類似，都是利用近鉆頭導(dǎo)向塊的伸縮與井壁相互作用產(chǎn)生導(dǎo)向力，但是結(jié)構(gòu)有所不同。2) Auto Trak RCLS的導(dǎo)向系統(tǒng)RCLS系統(tǒng)的井下偏置導(dǎo)向工具由不旋轉(zhuǎn)外套和旋轉(zhuǎn)心軸兩大部分通過上下軸承連接形成一可相對轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)心軸上接鉆柱，下接鉆頭，起傳遞鉆壓、扭矩和輸送鉆井液的作用，不旋轉(zhuǎn)外套上設(shè)置有井下CPU，控制部分和支撐翼肋。非旋轉(zhuǎn)扶正器滑套內(nèi)有元件:近鉆頭井斜傳感器、電子控制元件、液壓控制閥和活塞，見圖11。這種系統(tǒng)在造斜、降斜、穩(wěn)斜段內(nèi)均能實(shí)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，有利于提高機(jī)械鉆速，而且攜巖能力好，井眼清洗完善，可大大減少壓差卡鉆現(xiàn)象。由于美國實(shí)行的技術(shù)封鎖，國內(nèi)缺少國外先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)一導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)物樣機(jī)作為參考，加之研發(fā)費(fèi)用高，在關(guān)鍵技術(shù)方面還是存在著重重困難，樣機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)效果與國外技術(shù)相比還存在較大的差別目前還無法形成應(yīng)用于現(xiàn)場的能力。MSS調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)為動態(tài)偏置推靠式系統(tǒng)，目前己在其關(guān)鍵技術(shù)研究方面取得突破，對該系統(tǒng)已建立起系統(tǒng)的力學(xué)物理、數(shù)學(xué)模型，理論研究比較完善成熟，已形成了功能性樣機(jī)，系統(tǒng)的部分功能已在地面得到驗(yàn)證。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)是一個(gè)集機(jī)、電、液于一體的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，并以旋轉(zhuǎn)鉆井為其技術(shù)特征，所以在減少井下摩阻、提高鉆深能力和控制精度方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，所以成為大位移井長穩(wěn)斜段鉆井作業(yè)的常用工具，也適合于水平井水平段（特別是薄油水層水平井）的鉆進(jìn)與控制作業(yè)。當(dāng)前，國際鉆井技術(shù)發(fā)展的總趨勢是以信息化、智能化、自動化為特點(diǎn)，向自動化鉆井階段發(fā)展自20世紀(jì)80年代后期，國際上開始加強(qiáng)對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的研究，到90年代初期，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)已呈現(xiàn)商業(yè)化。其優(yōu)點(diǎn)是：在輸送鉆頭時(shí)的摩阻小，鉆速高(是滑動鉆井的23倍)、鉆頭進(jìn)尺多、鉆井時(shí)效高、建井周期短，井身軌跡平滑易調(diào)控。此外，其極限井深可達(dá)15km。另一方面隨著油氣田的日益減少，大位移井的相對重要性和技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢越來越顯著，而它所面臨的技術(shù)難度也是前所未有的。目前國內(nèi)也正在研制開發(fā)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，從各個(gè)油田和區(qū)塊的應(yīng)用實(shí)例看，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具具有在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)連續(xù)導(dǎo)向的能力，可以提高井眼的清潔度和機(jī)械鉆速，減少壓差卡鉆；還具有井眼軌跡自動控制的能力，從而提高井眼軌跡的光滑度，降低扭矩和摩阻，也就相應(yīng)地增加了水平井的延伸長度。由中海油與西安石油大學(xué)等研究單位承擔(dān)的國家“863”課題“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向三維可控鉆井技術(shù)研究”也取得了突破，研究的可控偏心器式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)，為靜態(tài)偏置推靠式系統(tǒng)，目前己進(jìn)行了偏心機(jī)理、井下BHA組合力學(xué)性能等一定的理論研究和工具系統(tǒng)各單元樣機(jī)的現(xiàn)場試驗(yàn)，其在陸地和海上油田的現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明：在井斜約60186。 國外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)研究與發(fā)展現(xiàn)狀國外從20世紀(jì)80年代末期開始旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的理論研究。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是20世紀(jì)90年代初，隨著水平井、大位移井、叢式并等復(fù)雜井和“海油路采”的迅速發(fā)展，而出現(xiàn)的一種新型鉆井工具。通過液壓可推動活塞分別對3個(gè)穩(wěn)定塊施加不同的壓力，其合力就使鉆具沿某一特定方向偏移，從而在鉆進(jìn)過程中使鉆頭產(chǎn)生1個(gè)側(cè)向力，保證鉆頭沿這一方向定向鉆進(jìn)。當(dāng)周向均布的三個(gè)支撐翼肋分別以不同液壓力支捧于井壁時(shí)，將使不旋轉(zhuǎn)外套不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，井壁的反作用力將對井下偏置導(dǎo)向工具產(chǎn)生一個(gè)偏置合力。Power Drive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)具有自我穩(wěn)定的鉆井液動力和密封控制單元，通過旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定傳感器同步調(diào)整井眼走向。／100ft。這套系統(tǒng)唯有近鉆頭穩(wěn)定器與井壁接觸，在鉆軟地層時(shí)不再需要借助翼片推靠井壁或慢速旋轉(zhuǎn)鉆具來控制方位。另外，高精度加工是保證這種系統(tǒng)導(dǎo)向效果的關(guān)鍵。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)按偏置機(jī)構(gòu)的工作方式又可分為靜態(tài)偏置式(Static Bias)和動態(tài)偏置式(Dynamic Bias)即調(diào)制式(Modulated))二種。當(dāng)周向均布的三個(gè)支撐翼肋分別以不同液壓力支撐于井壁時(shí)，將使不旋轉(zhuǎn)外套不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，井壁的反作用力將對井下偏置導(dǎo)向工具產(chǎn)生一個(gè)偏置合力。設(shè)定造斜力和變方位力主要是為了控制井眼狗腿度。 Power Drive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)Power Drive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的核心是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，其導(dǎo)向原理與Baker Hughes公司的RCLS導(dǎo)向鉆井工具類似，都是利用近鉆頭導(dǎo)向塊的伸縮與井壁相互作用產(chǎn)生導(dǎo)向力，但是結(jié)構(gòu)有所不同。來自被稱為“扭矩裝里”的交流發(fā)電機(jī)并作用在壓力套上的逆時(shí)針扭矩，可以通過增大其電負(fù)載來平衡產(chǎn)生于旋轉(zhuǎn)著的鉆挺并通過支撐軸承傳遞的順時(shí)針扭矩以及產(chǎn)生于偏置單元中的盤閥的順時(shí)針扭矩進(jìn)行控制。加速度計(jì)殼體內(nèi)充滿著粘性液體，以緩解伺服機(jī)構(gòu)對高頻震動的響應(yīng)，使其對震動和沖擊具有較大的抵抗力。這樣，隨著鉆柱的旋轉(zhuǎn)，每個(gè)支撐其肋都將在設(shè)計(jì)位置支出，從而為鉆頭提供一個(gè)側(cè)向力，產(chǎn)生導(dǎo)向作用。其導(dǎo)向原理如圖24所示：圖24 GeoPilot 的導(dǎo)向原理 三種不同旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向方式對比旋轉(zhuǎn)式導(dǎo)向鉆井工具，按導(dǎo)向方式不同主要分為3種類型，靜態(tài)偏置推靠式導(dǎo)向鉆具，調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具，靜態(tài)偏置指向式導(dǎo)向鉆具。表21 三種不同方式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)對比工作方式代表系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向程度造斜能力鉆井安全性位移延伸能力螺旋井眼適應(yīng)井眼尺寸靜態(tài)偏置推靠式Auto Trak RCLS工具系統(tǒng)外筒不旋轉(zhuǎn)176。指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的特點(diǎn)：能鉆出較平滑的井眼，摩阻和扭矩較小，可以使用較大的鉆壓，機(jī)械鉆速較高，有助于發(fā)揮鉆頭的性能，鉆頭及其軸承承受的側(cè)向載荷較小，極限位移增加，但是造斜率較低。它是一種機(jī)、電一體化智能導(dǎo)向工具，靠近鉆頭的推靠柱塞和推板、工作液控制閥以及穩(wěn)定平臺是它的核心部件。工作中平臺受到的主要力矩包括驅(qū)動上盤閥旋轉(zhuǎn)的扭矩、鉆柱旋轉(zhuǎn)帶來的機(jī)械摩擦阻力矩和作為電能發(fā)生器的渦輪發(fā)電機(jī)本身的電磁力矩。當(dāng)上盤閥的高壓孔與下盤閥的某1 個(gè)或者2 個(gè)孔相通時(shí),高壓泥漿將推動偏置執(zhí)行單元的相應(yīng)柱塞,并由柱塞推動推板，將力作用在井壁上,該作用力的方向則由上盤高壓孔的位置確定。通過對側(cè)向力的大小、方向和拍打頻率的調(diào)整，可直接控制該工具的導(dǎo)向狀態(tài)。相位時(shí)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)就處于90176。相通時(shí)，伸縮塊伸出；不相通時(shí)，下盤閥孔就與上盤閥的低壓孔相通，伸縮機(jī)構(gòu)活塞腔內(nèi)的壓力卸壓，伸縮塊在復(fù)位彈簧的作用下回收?？刂埔悍峙鋯卧慕Y(jié)構(gòu)和工作方式?jīng)Q定了偏執(zhí)機(jī)構(gòu)的工作方式和結(jié)構(gòu)。 上盤閥高壓孔圓弧角的確定參考段正勇老師的《旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具執(zhí)行機(jī)構(gòu)推靠力規(guī)律分析》所知，執(zhí)行機(jī)構(gòu)柱塞個(gè)數(shù)為N時(shí)，同時(shí)作用的柱塞最優(yōu)個(gè)數(shù)為大于“柱塞”總數(shù)的一半的最小整數(shù)(n≤ round(N/2)）。因此，當(dāng)0186。 因而優(yōu)先選柱塞數(shù)為三個(gè)，呈120176。故起裝配圖如圖36。故設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)合理，泥漿可以暢通流過，滿足供求要求。盤閥的結(jié)構(gòu)對巴掌所產(chǎn)生的導(dǎo)向力的大小有決定性的影響。(4)上盤閥的總壓力計(jì)算上盤閥的總壓力來自3個(gè)因素：；F；，上盤閥所帶的附加慣性力；F；；F。為了減少摩擦，接觸面積盡可能小。由于在高溫高壓的條件下振動沖擊，所以選彈簧的材料為Co40CrNiMo，取其直徑為4mm。(5)彈簧強(qiáng)度校核極限工作應(yīng)力取=，則 ==極限工作載荷：P （339）安全系數(shù) n=所以彈簧滿足強(qiáng)度要求。本次設(shè)計(jì)的導(dǎo)向工具最大的難點(diǎn)是工具本身體積較小，而部件又多，也就是說主要是空間較小的問題，所以裝配起來比普通機(jī)械部件復(fù)雜的多，所以這些因素間接提高了工具的成本。為難開發(fā)油田提供了有效的方法，從本質(zhì)上提高了采收率。通過本文，可以得出以下結(jié)論：（1）工具的導(dǎo)向原理可概括為：鉆柱在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，相位相差120186。(3)由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置為全滾動的方式進(jìn)行運(yùn)動，內(nèi)部的穩(wěn)定控制平臺和上盤閥與外部鉆柱是相對運(yùn)動的，對其壽命要求較高，但可以保證整個(gè)鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)相對于井壁沒有靜止點(diǎn)，所以應(yīng)該有較高的密封性和耐磨性。還有感謝宿舍同學(xué)的悉心指導(dǎo)，使得我在論文和作圖方面的細(xì)節(jié)得以改