【正文】 （34）壓力腔泥漿過液面積 （35）由于 所以滿足上盤閥的流量供給要求。擋板的推靠力由泥漿壓力和作用面積所決定。θ240186。和n = round (N/2)情況下，導(dǎo)向力才可能出現(xiàn)連續(xù)的情況，N=3(n=2)~ P之間連續(xù)變化，N=5(n=3)~，變化幅值隨N增大而減小，趨于平穩(wěn)；否則導(dǎo)向力不連續(xù)，變化幅值較大，易造成鉆具振動，不利于導(dǎo)向控制和導(dǎo)向功能的實現(xiàn)。但是在工作過程中每次可以有倆個巴掌同時伸出，它們的合力是一個連續(xù)的力的分量。由其工作過程，我們可知導(dǎo)向機構(gòu)的兩部分組成：a、工作液控制分配單元；b、偏執(zhí)機構(gòu)單元。增方位狀態(tài)。當(dāng)上盤高壓孔眼在控制機構(gòu)作用下處于井眼高邊方向時，該作用力方向就沿井眼高邊方向，井壁對它的反作用力就指向井眼低邊。主要功能是根據(jù)軌跡控制要求，向鉆頭提供不同大小和方向的側(cè)向力。2個井下渦輪發(fā)電機利用鉆井液的動能為平臺中的電氣設(shè)備提供電源,同時作為平臺穩(wěn)定控制的執(zhí)行器控制與其相聯(lián)的液壓控制單元中的上盤閥。穩(wěn)定平臺單元由上、下2個渦輪發(fā)電機、測控電子系統(tǒng)及電子倉組成。導(dǎo)向功能是指當(dāng)需要向某一個井斜、方位導(dǎo)向時，可由穩(wěn)定平臺通過控制軸將上盤閥高壓孔的中心即工具面角調(diào)整到與所需導(dǎo)向的井斜、方位相反的位置上，這時鉆具沿所需的井斜及方位進行鉆進，并由各隨鉆測試儀器隨時監(jiān)測井眼軌跡。Power Drive SRD:鉆頭和鉆頭軸承的磨損較嚴(yán)重，工作壽命有待進一步提高。靜態(tài)偏置推靠式導(dǎo)向鉆具采用了靜態(tài)式工作原理，主要靠鉆具的偏心控制來改變鉆頭上的側(cè)向力。2) GeoPilot總體外觀和參數(shù)介紹圖23 GeoPilot 主體如圖23所示，GeoPilot系統(tǒng)有關(guān)結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)如下：公稱直徑171mm；上部外徑194mm；；連接上扣(母扣)；連接下扣(REG母或公扣)；造斜、降斜5176。與Auto Trak RCLS系統(tǒng)靠獨立的液壓系統(tǒng)為支撐翼肋的支出提供動力來源不同的是，Power Drive SRD系統(tǒng)的支撐冀肋的支出動力來源是鉆并過程中自然存在的鉆柱內(nèi)外的鉆井液壓差?？刂茊卧倪\動由地面軟件進行控制。它們都置于鉆柱中間，可以保持相對靜止。須設(shè)里導(dǎo)向塊產(chǎn)生合力矢的大小和方向兩個參數(shù)。井下工作時，可將MWD測量的井眼軌跡信息或LWD測量的地層信息與設(shè)計數(shù)據(jù)進行對比，自動控制液壓力，也可根據(jù)接收到的地面指令調(diào)整設(shè)計參數(shù)，控制液壓力，以實現(xiàn)導(dǎo)向鉆進。MRST主要采用偏置鉆頭、旋轉(zhuǎn)外筒式，其傳感器為靜止式。這種原理的典型產(chǎn)品有2000年Spent “指向鉆頭”原理的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，其原理相對較新，在原井眼井斜5186。鉆具內(nèi)部的電子測量工具會自動調(diào)整鉆具的位置，使鉆具在不與井壁接觸的情況下始終處于井眼的高邊，但工作壽命有待進一步提高。因為鉆具沒有產(chǎn)生摩擦的固定部件，也提高了機械鉆速。／100ft，PowerDriveX5475型最大轉(zhuǎn)速250r／min，最大造斜率8176。井下工作時，可將MWD測量的井眼軌跡信息或LWD測量的地層信息與設(shè)計數(shù)據(jù)進行對比，自動控制液壓力，也可根據(jù)接收到的地面指令調(diào)整設(shè)計參數(shù)，控制液壓力，以實現(xiàn)導(dǎo)向鉆進。為了能使地面指令向下傳輸，開發(fā)了一項通過在井上調(diào)制排量來向下傳遞命令的新技術(shù)：立管上安裝一個旁通觸發(fā)器，可在地面把部分鉆并液送回鉆井液池，相應(yīng)的流盆變化導(dǎo)致井下發(fā)電機的電壓變化，這樣加載了信息的排量變化順序就送到井下并在井下得到解釋。這兩大方向又以Baker Hughes Inteq公司的AutoTrak RCLS、 Schlumberger Anadril公司的Power Drive SRD和Halliburton Sperrysun公司的GeoPilot系統(tǒng)這三大系統(tǒng)為代表，分為三大類型，后面將對他們分別進行詳細(xì)介紹。地面人工控制的導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)是使用變徑穩(wěn)定器加螺桿鉆具，采用遙控方式，通過改變井下穩(wěn)定器的直徑來改變井下動力鉆具的力學(xué)特性，進行造斜(或降斜)和穩(wěn)斜鉆進，但在造斜段(或降斜段)同樣需要滑動鉆進。2005年以來，對該工具系統(tǒng)的鉆井液脈沖上傳信息技術(shù)及MWD工具分別在四川、冀東和渤海等油田進行了鉆井試驗，鉆井深度達到2850 m，工作時間達到86 h，最長時間200 h，完全達到了設(shè)計要求，目前該系統(tǒng)在井下的軟件和硬件接口以及總控系統(tǒng)都可以滿足作業(yè)需求，并與其他井下儀器具有良好的兼容性能。21世紀(jì)初國家科技部和中石油、中石化、中海油都紛紛立項研究旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，西安石油大學(xué)參加了這些研究項目并于2002年初建立了我國第一個多學(xué)科的導(dǎo)向鉆井研究所。其正實現(xiàn)井下閉環(huán)控制，傳統(tǒng)鉆井工具已不能滿足要求，必須研制更加靈活的、全方位可調(diào)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向井下工具。中國古代鉆井技術(shù)被稱為中國古代文明的第五大發(fā)明。 Φ178旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具機械結(jié)構(gòu)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計論文緒論 本論文研究的目的、價值和意義為了節(jié)約開發(fā)成本和提高石油產(chǎn)量，對那些受地理位置限制或開發(fā)后期的油田，通常通過開發(fā)深井、超深井和長距離水平井來實現(xiàn)，進而造成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的井不斷增多，這就要加快旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具研究的步伐。到90年代初期，國外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)已呈現(xiàn)商業(yè)化。井下閉環(huán)鉆井技術(shù)代表了當(dāng)今井眼軌跡控制技術(shù)的最高水平，經(jīng)濟的、資源的、技術(shù)的因素決定了必須研究井下閉環(huán)鉆井技術(shù)。1991年，西安石油大學(xué)張紹槐教授組織力量進行了“井眼軌跡制導(dǎo)技術(shù)”的中國石油天然氣總公司(CNPC)“九五”立項調(diào)研；1994年，西安石油大學(xué)張紹槐教授等又開展了井下旋轉(zhuǎn)自動導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)RCLD(Rotary CloseLoop Drilling System)的研究，并以國家自然科學(xué)基金項目為依托研究了井身軌跡控制技術(shù)、鉆井智能信息與模擬技術(shù)以及隨鉆地震技術(shù)(SO)等。2005年1月，該工具系統(tǒng)的井下工程參數(shù)測量短節(jié)在四川MP37井下井試驗，鉆井作業(yè)40. 95 h，鉆井進尺320 m，取得了較好的試驗效果。初級導(dǎo)向鉆井是利用彎外殼螺桿鉆具，在造斜段(或降斜段)、穩(wěn)斜段分別實行滑動鉆進和旋轉(zhuǎn)鉆進。表11 現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)目前，閉環(huán)自動導(dǎo)向鉆井技術(shù)已經(jīng)形成了兩個主要的發(fā)展大方向：一個是以Baker Hughes Inteq公司的Auto Trak RCLS系統(tǒng)為代表的不旋轉(zhuǎn)外筒式閉環(huán)自動導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，它以其精確的軌跡控制精度和完善的地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)為特點，非常適用于高開發(fā)難度的特殊油藏的開發(fā)方案設(shè)計和導(dǎo)向鉆井作業(yè)，Halliburton公司的GeoPilot系統(tǒng)也屬于這一類導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)；另外一個是以Schlumberger Anadrill公司的Power Driver SRD系統(tǒng)為代表的全旋轉(zhuǎn)自動導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，它以其同樣精確的軌跡控制精度和特有的位移延伸鉆井能力為特點，非常適用于超深井、邊緣油藏的開發(fā)方案中的深井、大位移井的導(dǎo)向鉆井作業(yè)。1)地面與井下的雙向通訊系統(tǒng)此系統(tǒng)可使操作者能在不停鉆的情況下，用鉆井液脈沖從地面向井下工具發(fā)出指令改變井眼軌跡、造斜率、方位改變率及降斜率等，指示井底發(fā)射器有選擇地發(fā)送需要的信息。井下CPU在下井前，預(yù)置了井眼軌跡數(shù)據(jù)。它適用的井眼尺寸為514～26in，可用常規(guī)鉆井液，最高耐溫150℃，流量范圍480～1900gpm，最高耐壓20000psi，其中，Power DriveX51100型最大轉(zhuǎn)速200r／min，最大造斜率3176。由于在鉆具與井壁間不會產(chǎn)生阻礙鉆屑流動的瓶頸，所以提高了攜屑液流的通過能力。根據(jù)所獲得的信息，可從井口發(fā)出指令以保持或改變鉆頭軌跡。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，其指向方式示意圖如14 (b)所示。還有根據(jù)工具尺寸進行分類的，不同的工具尺寸也不盡相同。井下CPU在下井前，預(yù)置了井眼軌跡數(shù)據(jù)。這種鉆進模式如同利用導(dǎo)向馬達滑動鉆進方式，可控制井眼軌跡的變化。1) Power Drive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)井下控制單元井下工具包含控制器、旋轉(zhuǎn)換向閥及測量機構(gòu)。控制單元的功能包括：①偏置控制；②提供測量數(shù)據(jù):鉆頭軸線的實際井斜角和方位角?？刂撇糠址€(wěn)定平臺內(nèi)部包括測盆傳感器、井下CPU和控制電路，通過上下軸承懸掛于外筒內(nèi)，靠控制兩端的渦輪在鉆井液中的轉(zhuǎn)速使該部分形成一個不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)的、相對穩(wěn)定的控制平臺。1) GeoPilot系統(tǒng)井下偏置導(dǎo)向工具的結(jié)構(gòu)原理SperrySun公司的Geo Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)也是一種不旋轉(zhuǎn)外筒式導(dǎo)向工具，但與Baker Hughes Inteq公司的Auto Trak RCLS系統(tǒng)和Schlumberger Anadrill公司的Power Drive SRD系統(tǒng)不同的是，GeoPilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)不是靠偏置鉆頭進行導(dǎo)向，而是靠不旋轉(zhuǎn)外筒與旋轉(zhuǎn)心軸之間的一套偏置機構(gòu)使旋轉(zhuǎn)心軸偏置，從而對于不旋轉(zhuǎn)外套固定，從而始終將旋轉(zhuǎn)心軸向固定方向偏置，為鉆頭提供一個方向固定的傾角。另外，高精度加工是保證這種系統(tǒng)導(dǎo)向效果的關(guān)鍵。/30m中中消除~ Auto Track RCLS:位移工作方式、靜止外套、小型化能力差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等。 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具工作原理旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的最基本功能有2種：①導(dǎo)向功能；②穩(wěn)斜或不導(dǎo)向功能。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中穩(wěn)定平臺單元的作用是在鉆井工具中產(chǎn)生一個不受鉆桿旋轉(zhuǎn)影響、相對穩(wěn)定的平臺，從而能夠使鉆柱導(dǎo)向鉆井工具及推板的工具面角在旋轉(zhuǎn)時保持穩(wěn)定。按照其功能, 穩(wěn)定平臺控制機構(gòu)由渦輪發(fā)電機、控制電路、檢測電路、通訊電路和驅(qū)動電路等6 大部分組成。第三章 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具機械部分設(shè)計 導(dǎo)向機構(gòu)的導(dǎo)向原理及組成導(dǎo)向機構(gòu)是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的核心部分，主要由三個伸縮巴掌和控制系統(tǒng)的控制盤閥組成。該作用力的方向則由上盤高壓孔眼的位置確定。相位時，則導(dǎo)向機構(gòu)就處于90176。伸縮翼片對井壁的作用是在鉆頭每一轉(zhuǎn)的過程中獲得動態(tài)實現(xiàn)，并不象靜止式導(dǎo)向機構(gòu)的伸縮翼片相對井壁的周向位置保持不變，這正是調(diào)節(jié)式導(dǎo)向機構(gòu)的特點所在。下盤閥和鉆柱一起轉(zhuǎn)動，而上盤閥保持靜止，在這個過程中，對于伸縮的巴掌的力是不變的，在一段時間內(nèi)存在，在某一段時間內(nèi)消失，是一個有沖擊的作用力。執(zhí)行機構(gòu)柱塞個數(shù)為奇數(shù)時，同時滿足上盤閥高壓孔圓心角θ=180176。時，始終至少有2個巴掌伸出，但有3個巴掌同時伸出拍打井壁的情況，對井壁的作用合力為零，工具導(dǎo)向能力也弱；只有當(dāng)120186。 柱塞的相關(guān)計算對于偏執(zhí)機構(gòu)單元來說，其擋板所能否產(chǎn)生足夠的鉆頭推靠力，是設(shè)計的主要問題。為了增大巴掌的耐磨強度，在巴掌的表面鑲嵌一系列的硬質(zhì)合金鑲塊。 盤閥連接螺釘強度校核參考《機械設(shè)計》知 （313）式Q預(yù)緊力參考上盤閥的設(shè)計，下盤閥承受的軸向力：F=。 上盤閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 圖 310 上盤閥泥漿壓力在柱塞兩邊的壓降在正常條件下按5MPa設(shè)計，工作時總有1個或2個低壓孔導(dǎo)通。一般情況下，上下盤閥之間的相對轉(zhuǎn)速為:n=40200r/min. = = = (327) 上盤閥傳動軸的校核盤閥傳動軸受力如下 圖312 盤閥傳動軸受力分析上盤閥受到的力: 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摩擦扭矩上盤閥所受最大總力為： N=F+F+F =224+100+ = (328)由圖312可知，中間那段為最危險面，由《材料力學(xué)》知最大擠壓強度： (329)最大剪切強度： (330)上盤閥的材料為4SiMn，有較高的硬度和較好的耐磨性，該材料適用于較大截面零件圖，用于中等速度和高載荷的零件，所以滿足上盤閥的使用要求。；B=8mm；下盤閥半徑R=8mm；R=13mm；轉(zhuǎn)速n為40200r/min。；(1)選取旋轉(zhuǎn)比C ：C=10。圖314 工具體受力分析在11面 （340） （341）在22面 （342） （343）因為工具體是材料為35CrMo的合金鋼，本體的承受拉力等于向心力。 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的經(jīng)濟效果(1)海洋油田陸地采收英國在開采北海油田時，近海油田原計劃采用海洋平臺進行開采，最終采用了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)進行大位移鉆井方式開采，節(jié)約了海洋平臺的制造費用，大大的減少了油田開發(fā)前期的投入，節(jié)約費用近5億美元。由于國外鉆井公司及油田公司為了保持自己的技術(shù)壟斷和取得超額利潤，只提供技術(shù)服務(wù)而不出售工具。（3）上盤閥高壓孔的圓弧角最佳值為180186。本論文是在我的指導(dǎo)老師段正勇老師的悉心指導(dǎo)下完成的。43