【正文】 泥漿過濾網(wǎng)； 3上下盤閥； 4柱塞 ； 5巴掌圖36 導(dǎo)向裝置裝配圖 巴掌結(jié)構(gòu)巴掌是與井壁直接接觸，施加導(dǎo)向力的零件。 巴掌銷釘?shù)膹?qiáng)度校核由于巴掌的推靠力是12KN巴掌的銷釘材料是45Mo，查手冊值=645MPa安全系數(shù)s=則 （38）銷釘?shù)募羟忻娣e為： （39）銷釘所受的應(yīng)力為： （310） 所以， 滿足強(qiáng)度要求。盤閥的運(yùn)動規(guī)律又反過來影響穩(wěn)定平臺的穩(wěn)定運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)。正常條件下，上盤閥對下盤閥所產(chǎn)生的總壓力最小值： F=F+F+F （320） =112++100 =最大值： F=F+F+F （321） =224++100 =在最大鉆柱內(nèi)外壓差狀態(tài)下： F=F+F+F （322） =336++100 =(5)上下盤閥摩擦阻力矩計算 軸端摩擦力矩計算公式 （323） 式中：f摩擦系數(shù) ； P單位面積上的最大壓強(qiáng)。下盤閥應(yīng)該選耐磨材料42SiMn，提高壽命。查《機(jī)械設(shè)計手冊》，相關(guān)資料如下：許用切應(yīng)力I類：=510MPa；許用彎曲應(yīng)力：=850MPa；剪切彈性模量：G=87000MPa；彈性模量：E=20000MPa；使用溫度：40186。 工具體的校核工具體校核應(yīng)該考慮三個因素：(1)承受的鉆壓；(2)承受的鉆井的扭矩；(3)承受泥漿的內(nèi)外壓力差的厚壁圓筒。導(dǎo)向工具的上下盤閥的配合要求特別精密，一些面只能在數(shù)控機(jī)床上加工才能達(dá)到所需的精度，就連一些螺釘?shù)奈恢镁鹊囊笠彩呛芨叩摹OWER DRIVER截至1999年8月，累計工作時間1160小時，總進(jìn)尺47780m。的3個柱塞在每次通過某一特定的方位時，在液壓作用下，徑向伸出，并與井壁接觸，對鉆頭產(chǎn)生一側(cè)向力，推動鉆頭離開該方向，到達(dá)改變井斜或方位的目的。(4)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置的執(zhí)行部分相對比較好設(shè)計與制造，但是控制部分相對較難，應(yīng)進(jìn)行深入研究。對此，再次對老師以及同學(xué)的幫助表示衷心的感謝。感謝段老師的諄諄教誨和悉心指導(dǎo)，在設(shè)計期間，在老師的幫助下，學(xué)會了使用Solid Edge進(jìn)行三維作圖，也對設(shè)計有了更深的更專業(yè)的理解。較為合適，上下盤閥有足夠的導(dǎo)通時間。 綜上可知，開發(fā)該系統(tǒng)有很大的前景，雖然開發(fā)費(fèi)用較高，但是回報是相當(dāng)可觀的。(2)提高鉆井效率2000年8月，CACT公司在中國南海油田的HZ2223SA側(cè)鉆水平井的1400m的定向井段的施工中，應(yīng)用了AUTOTRAK RCLS系統(tǒng)，結(jié)果只用了一天半就完成了用常規(guī)鉆井方式需要10天完成的定向井段的施工，是井身質(zhì)量大大提高，鉆井成本大大的降低，還提高了開發(fā)效率。第四章 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具經(jīng)濟(jì)性評價 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的加工成本旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)有了研究，并取得了一定的成果。根據(jù)彈簧標(biāo)準(zhǔn)直徑，取d=4mm?？芍? = = (334)可以認(rèn)為TT，即下盤閥沒有完全和上盤閥導(dǎo)通時，所通過下盤閥低壓孔的流量和壓強(qiáng)變化對整個導(dǎo)通時間內(nèi)擋塊的推靠力影響不大。 下盤閥的設(shè)計下盤閥和上盤閥配合使用，分配泥漿和傳遞壓力使巴掌運(yùn)動。圖 311 上盤閥受力簡圖上盤閥受到的力: F泥漿壓力 F加壓彈簧的力 F上盤閥重力 M穩(wěn)定平臺傳遞的扭矩 M摩擦扭矩（1） 由圖311可知上盤閥的重量為 （315） 故 （316）（2）上盤閥所受的泥漿壓力：鉆頭壓降在4 8MPa，最大壓力為12MPa。 液壓盤閥系統(tǒng)的設(shè)計旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的液壓盤閥系統(tǒng)不僅僅是液流分配機(jī)構(gòu)，同時也是控制伸縮塊所產(chǎn)生導(dǎo)向力大小與方向的控制機(jī)構(gòu)。 在鉆井中，泥漿的主要作用是排屑，因此鉆具應(yīng)有足夠的過流面積。如公式 F = dP （31） 式中：d柱塞的直徑 P鉆頭環(huán)形壓差 可知主要因素為柱塞泥漿壓力的面積和泥漿泄流的影響。時，滿足上盤閥的高壓孔圓弧角的設(shè)計原則。根據(jù)巴掌合力連續(xù)的要求，偏執(zhí)機(jī)構(gòu)在工作過程中，任何時候至少應(yīng)有1個巴掌對井壁作用，同時任何時候最多只有2個巴掌對井壁作用，因此，在不考慮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，上盤閥的高壓孔圓弧角。因此高壓孔圓弧角θ的設(shè)計原則是在保證偏執(zhí)機(jī)構(gòu)單元中高低壓鉆井液通道輪流導(dǎo)通前提下，巴掌作用在井壁的合力在導(dǎo)向方向的分量應(yīng)該連續(xù)而且其變化范圍盡可能恒定，以實(shí)現(xiàn)工具工作穩(wěn)定，避免對鉆具產(chǎn)生較大的沖擊。工作液控制分配單元由盤閥加壓彈簧、上盤閥和下盤閥、上盤閥控制軸和相應(yīng)的密封部件組成，結(jié)構(gòu)如圖32。研究表明，對于RSDS系統(tǒng)來講，90176。此時，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)就處于全力降斜狀態(tài)。如圖41原理圖所示，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的導(dǎo)向力直接來源于工具執(zhí)行機(jī)構(gòu)柱塞推靠井壁所產(chǎn)生的反作用力推靠力，該力在導(dǎo)向方向的分量稱為導(dǎo)向力，同時產(chǎn)生的與導(dǎo)向方向垂直的分量，稱為擴(kuò)徑力，該擴(kuò)徑力使井徑較之鉆頭有所擴(kuò)大。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中的工作液控制單元是一個盤閥開關(guān)系統(tǒng),由上、下盤閥2 部分組成。上渦輪發(fā)電機(jī)是系統(tǒng)動力發(fā)生器，提供井下電源，其旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r針方向；下渦輪發(fā)電機(jī)是扭矩發(fā)生器，其旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r針。穩(wěn)斜功能( 不導(dǎo)向) 是使穩(wěn)定平臺帶動上盤閥，使其和鉆柱以不同的某一轉(zhuǎn)速作勻速轉(zhuǎn)動( 如20 40 r/ min)，這時在360176。GeoPilot: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。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以利用成熟的控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)偏心距的控制，但是井下復(fù)雜條件使得這種系統(tǒng)具有許多缺點(diǎn)，如位移工作方式、靜止外套、小型化能力差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等，所有這些都會影響這種系統(tǒng)的發(fā)展。/30m；最大狗腿度10176。如圖22所示，有一控制軸從控制部分穩(wěn)定平臺延伸到下部的其肋支出控制機(jī)構(gòu)，底端固定上盤閥，由控制部分穩(wěn)定平臺控制上盤閥的轉(zhuǎn)角。Power Drive產(chǎn)品可以選擇具有：通過編程實(shí)現(xiàn)對井斜角和方位角的內(nèi)部自動控制的功能，這就要求系統(tǒng)應(yīng)具有信號以適應(yīng)速串下傳的功能，但同時也會大大降低信號上傳的要求。為了與無磁鉆挺一起旋轉(zhuǎn)，將一密封壓力套安裝在中央，它通過聯(lián)接器和控制軸與偏置單元控制閥相連接，其方向由內(nèi)部的傳感器監(jiān)控。合力矢的方向相當(dāng)于彎殼體馬達(dá)的工具面角。圖21 RCLS井下偏置導(dǎo)向工具的導(dǎo)向原理示意圖在鉆井時該系統(tǒng)可以設(shè)置兩種鉆進(jìn)模式：①保持摸式。相比較而言，偏置鉆頭工作方式的調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的井下工具系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1)以鉆井過程中自然存在的鉆井液壓差為動力，其結(jié)構(gòu)簡單緊湊；(2)這種工具系統(tǒng)的力的工作方式使其能適合各種復(fù)雜的環(huán)境；(3)全旋轉(zhuǎn)工作方式使鉆柱對井壁沒有靜止點(diǎn)，從而可以保證井下安全，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜井眼軌跡的能力強(qiáng)，鉆進(jìn)速度快。以上才可增斜、穩(wěn)斜，在井斜較大時可降斜，但難以在直井中防斜。（3）GeoPilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng) GeoPilot系統(tǒng)是Halliburton公司下屬的Speny sun公司開發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，又稱RST（Rotary Steerable Tool）。由于沒有固定部件或慢速旋轉(zhuǎn)部件與套管、斜向器或井壁接觸，所以發(fā)生機(jī)械故障和壓差卡鉆的幾率大幅度下降，從而提高了鉆具壽命。／100ft。3) LWD(隨鉆測井)系統(tǒng)該系統(tǒng)能夠使鉆頭得到精確的地質(zhì)導(dǎo)向，并取代了有線測井。它可以把地層參數(shù)、井下溫度、井眼軌跡參數(shù)、井底壓力及工具的運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)用鉆井液正脈沖傳輸?shù)降孛?，并在地面接收譯碼。盡管目前閉環(huán)自動導(dǎo)向鉆井技術(shù)存在兩個發(fā)展方向，但其長遠(yuǎn)發(fā)展方向都將是集兩者優(yōu)點(diǎn)于一身的閉環(huán)自動導(dǎo)向鉆井技術(shù)。滑動鉆進(jìn)時機(jī)械鉆速低，攜巖能力差，井眼清洗不完善，容易發(fā)生粘吸卡鉆。2006年5月30日該工具系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向可控偏心移交器單元樣機(jī)在長慶油田Ning3732井進(jìn)行了鉆井試驗(yàn)，國內(nèi)首次利用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向可控偏心器鉆井技術(shù)實(shí)現(xiàn)成功鉆井。勝利油田在我國導(dǎo)向鉆井技術(shù)應(yīng)用和研究方面也一直處于全國第一的領(lǐng)先地位，曾于1989年在河50井組鉆成功一個井場井?dāng)?shù)最多的叢式井，并且己成功地為20多個油田提供了水平井技術(shù)服務(wù)，成功鉆探的水平井?dāng)?shù)量占同期全國所鉆水平井總數(shù)的三分之二；1996年，勝利油田鉆井工藝研究院研究了可控變徑穩(wěn)定器；1999年勝利油田開始進(jìn)行旋轉(zhuǎn)自動導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的跟蹤調(diào)研、論證和初步研究方案設(shè)計等工作，同年引進(jìn)了地層評價隨鉆測量系統(tǒng)(FEWD)并進(jìn)入卡塔爾國際市場；2000年進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)開發(fā)可行性研究，2001年“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)整體方案設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究”、“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究”分別被列為國家“863”前瞻性研究項目及中國石化集團(tuán)公司科技攻關(guān)項目，勝利油田與西安石油學(xué)院合作開始共同研制和開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)—調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)MRSS（Modulated Rotary Steerable System)。其核心是能在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下按控制指令動作以改變作用在鉆頭上的合力或改變鉆具偏心程度的偏三導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。開創(chuàng)了世界鉆井歷史的先河新中國成立后，我國石油工業(yè)有了舉世矚目的巨大成就。20世紀(jì)80年代后期，國際上開始加強(qiáng)對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的研究。因此，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是現(xiàn)代導(dǎo)向鉆井技術(shù)發(fā)展的必然方向。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就要求首先實(shí)現(xiàn)井下閉環(huán)控制，可以使井眼軌跡控制工作最大限度的避免由人為經(jīng)驗(yàn)來解決不確定性干擾因獲引起的復(fù)雜問題，并使井眼軌跡控制類似于導(dǎo)彈飛行控制，保證井眼軌跡控制的精度和準(zhǔn)確性得以大幅度提高。 國內(nèi)外研究狀況及趨勢 國內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)研究與發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)90年代，西安石油大學(xué)等國內(nèi)少數(shù)研究機(jī)構(gòu)開始關(guān)注旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，主要進(jìn)行情報調(diào)研和初步的概念性探索研究。2002年至2005年上半年，該工具系統(tǒng)的隨鉆電阻率、自然伽馬測量工具單元樣機(jī)進(jìn)行了7次陸地油田鉆井試驗(yàn)，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了最高耐壓140 MPa，最高工作溫度150℃，連續(xù)工作時間200 h，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首次對隨鉆電阻率和地層自然伽馬的測量。因此導(dǎo)向鉆井相應(yīng)的發(fā)展也經(jīng)歷了三個階段：初級導(dǎo)向鉆井、地面人工控制的導(dǎo)向鉆井及全自動的井下閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井。目前己形成或正在開發(fā)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的公司的具體情況如下表11所示。工具包含地面與井下的雙向通訊系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)和LW以隨鉆測井系統(tǒng)三個部分。液壓力的大小由井下CPU控制井下控制系統(tǒng)來調(diào)整。圖12 Power Drive盤閥控制機(jī)構(gòu)示意圖斯倫貝謝公司的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)主要是指PowerDrive系統(tǒng)，包括PowerDriveX51100、PowerDriveX5900、PowerDriveXPowerDrivX567PowerDriveX47PowerDriveXceed900、Power vorte X除了Power vorte X是動力式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)外，其他均為全旋轉(zhuǎn)式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，PowerDriveX5系列旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具可通過Power Pulse和Tele Scope工具實(shí)時測量井下數(shù)據(jù)，測量近鉆頭地層狀態(tài)、鉆頭振動情況和鉆頭轉(zhuǎn)速，利用近鉆頭伽馬射線顯示地質(zhì)和井眼成像，自動糾斜。相對前面兩種鉆井系統(tǒng)而言，Power Drive調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面更為簡單，小型化趨勢好，全旋轉(zhuǎn)工作方式使鉆柱對井壁沒有靜止點(diǎn)，從而可以保證這種系統(tǒng)更能適合各種復(fù)雜的環(huán)境，鉆井極限井深更深，速度更快，在大位移井、三維多目標(biāo)井及其它高難度特殊工藝井中更具競爭力。Power Drive Xceed與Power Pluse相互結(jié)合，Power Drive Xceed就可以在鉆進(jìn)過程中向井口提供鉆具面、井斜角、方位等實(shí)時測量數(shù)據(jù)。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，這類原理的導(dǎo)向工具已有多種，其導(dǎo)向方式示意圖如14(a)所示。按傳感器不同區(qū)分，分為靜止式(如AUTO TRAK RCLS和POWER DRIVE SRD系統(tǒng))和捷聯(lián)式(3S)兩種；以導(dǎo)向方式區(qū)分，有偏置鉆頭式(bias the bits，如AUTO TRAK RCLS和POWER DRIVE SRD系統(tǒng))和傾斜鉆頭式(pointing the bits，如GEO PILOTS系統(tǒng))