【文章內容簡介】 系統(tǒng) ,由上、下盤閥 2 部分組成。上盤閥由穩(wěn)定平臺控制軸帶動 ,其上開有 1 個作為工作液泥漿通道的孔 ,稱為高壓閥孔 ,見圖32 a 所示。下盤閥固定在偏置機構單元本體內 ,上開有 3 個孔 ,分別與偏置執(zhí)行機構的 3 個柱塞相通 ,見圖 32 b 所示。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間 ,以保證側向控制力的作用效果 ,鉆井液通過過濾網再流向上盤高壓閥孔。當上盤閥的高壓孔與下盤閥的某 1 個或者 2 個孔相通時 ,高壓泥漿將推動偏置執(zhí)行單元的相應柱塞 ,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。液壓控制單元的核心就是在穩(wěn)定平臺的作用下 ,控制上盤閥高壓孔的位置 工程上的工具面角 。圖 32 　上盤閥和下盤閥結構　　旋轉導向鉆井工具中的偏置執(zhí)行單元主要由柱塞和推靠井壁的推板組成 ,在工作液控制單元的控制下 ,依次將高壓泥漿通向柱塞 ,再由柱塞將力施加給推板 ,使其與井壁接觸 ,避免柱塞直接與井壁接觸而造成鉆具卡死或井壁擠毀。旋轉導向鉆井技術信息閉環(huán)流程如圖 33 所示。由旋轉導向鉆井工具中的井眼幾何參數傳感器測得旋轉鉆井條件下近鉆頭處的井斜角、方位角和工具面角等參數 ,并通過短程通訊元件將上述參數傳輸到隨鉆測量儀 ,再繼續(xù)由隨鉆測量儀的上傳通道將數據傳輸到地面。根據實鉆井眼與設計井眼的相對位置的偏差 ,通過信息智能處理綜合決策系統(tǒng)來調整鉆頭走向 ,即改變工具面角參數 ,并將決策代碼通過泥漿泵排量載波下傳到井下信息處理中心進行指令接收、識別、解釋和處理 ,從而通過井下控制器調整穩(wěn)定平臺的控制軸 ,實施工具面角的調整、改變導向執(zhí)行機構推靠井壁的方向 ,從而實現鉆柱在連續(xù)旋轉狀態(tài)下的三維導向。圖 33 　旋轉導向鉆井技術信息傳輸流程 3 　旋轉導向鉆井工具的結構特點旋轉導向鉆井工具主要由穩(wěn)定平臺單元、工作液控制分配單元及偏置執(zhí)行機構 3 部分組成。圖 34 所示為自主開發(fā)的旋轉導向鉆井工具的三維 CAD 結構圖。穩(wěn)定平臺單元主要由渦輪發(fā)電機、控制電路電子倉、扭矩發(fā)生器、軸承支撐及密封部件等組成。工作液控制分配單元主要由上盤閥、下盤閥、上盤閥軸向力調節(jié)彈簧、上盤閥控制軸和相應的密封部件組成。偏置執(zhí)行機構主要由帶泥漿噴嘴的柱塞和推靠井壁的推板 組成。圖 34 　旋轉導向鉆井工具三維 CAD結構 　旋轉導向鉆井工具的設計特點針對復雜的井下工作條件和國內現有的條件 ,旋轉導向鉆井工具設計具有以下技術特點: ①在穩(wěn)定平臺的上部支撐中采用圓錐滾子軸承 ,下部支撐采用圓柱滾子軸承與推力圓柱滾子軸承組合結構。為了改善軸承的工作環(huán)境 ,提高其使用壽命 ,特設計了軸承保護器 ,將軸承密封在潤滑油中 ,同時精心設計了軸承的游隙。②經理論分析與模擬試驗確定 ,上盤閥高壓孔的圓心角選為 200176。,以確保了上盤閥相對井壁不動而下盤閥保持旋轉狀態(tài)的情況下始終存在一個推板來推靠井壁 ,防止沖擊式推靠力對鉆柱的沖擊。在保證密封與壽命的前提下 ,下盤閥表面有一部分突起 ,以減少摩擦面積。上、下盤閥均采用硬質合金的制造材料或表面噴涂高耐磨性材料。③穩(wěn)定平臺控制軸使扭矩與負載相匹配。為了提高穩(wěn)定平臺控制軸的驅動扭矩 ,采用了較大渦發(fā)電機定子反扭矩的設計原理 ,同時盡量降低工作液控制分配單元上、下盤閥之間的摩擦扭矩 ,減小控制軸的轉動慣量 ,降低負的摩擦扭矩。 旋轉導向鉆井裝備置（機械部分）設計 偏執(zhí)機構的組成導向機構的導向原理和組成 導向機構是旋轉導向鉆井系統(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。主要功能是根據軌跡控制要求，向鉆頭提供不同大小和方向的側向力。在工作過程中接受由地面發(fā)出的指令，并通過穩(wěn)定平臺單元調控工作液來控制分配單元上盤閥高壓孔的位置。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向力。通過對側向力的大小、方向和拍打頻率的調整，可直接控制該工具的導向狀態(tài)。 當導向機構處于工作狀態(tài)時, 控制軸中的流體進入開關打開, 鉆井液由篩孔通向上盤高壓孔眼。下盤隨鉆頭一起同步旋轉, 當其中的一個孔眼與上盤高壓孔眼位于同一軸線上時 兩孔相接 , 與之相連的伸縮機構被高壓鉆井液推動, 活塞外推, 翼片與井壁接觸, 并給井壁施加一作用力。該作用力的方向則由上盤高壓孔眼的位置確定。當上盤高壓孔眼在控制機構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。此時, 導向機構就處于全力降斜狀態(tài)。當上盤高壓孔眼在控制機構作用下處于井眼低邊方向時, 該作用力方向就指向井眼低邊方向, 井壁的反作用力就指向井眼高邊。此時, 導向機構就處于全力增斜狀態(tài)。當上盤高壓孔眼在控制機構作用下處于90176。相位時, 導向機構就處于90176。降方位狀態(tài)。當上盤高壓孔眼在控制機構作用下處于270176。相位時, 則導向機構就處于90176。增方位狀態(tài)。研究表明, 對于RSDS 系統(tǒng)來講, 90176。扭方位狀態(tài)實際上也是全力扭方位狀態(tài) 。在鉆頭每一轉過程中, 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。相通時, 伸縮塊伸出。 不相通時, 下盤閥孔就與上盤閥的低壓孔相通, 伸縮機構活塞腔內的壓力卸壓, 伸縮塊在復位彈簧的作用下回收。低壓室與井眼環(huán)空相通, 保持低壓室內的環(huán)空壓力。導向機構在控制閥的控制下實現定向功能, 而伸縮翼片在隨鉆頭旋轉的過程中的有規(guī)律受控伸縮則產生一定的控制力。伸縮翼片對井壁的作用是在鉆頭每一轉的過程中獲得動態(tài)實現, 并不象靜止式導向機構的伸縮翼片相對井壁的周向位置保持不變, 這正是調節(jié)式導向機構的特點所在。 圖41 伸縮塊對井壁的側向導向力的產生原理由其工作過程，我們可知導向機構的兩部分組成：a、工作液控制分配單元；b、偏執(zhí)機構單元。 偏執(zhí)機構主要由泥漿過濾、液壓分配和執(zhí)行機構三部分組成。（1）泥漿過濾部分由泥漿過濾支架和壓力腔通過螺紋連接連在一起的；（2）工作液控制分配單元液壓分配部分由盤閥加壓彈簧、上盤閥和下盤閥、上盤閥控制軸和相應的密封部件組成組成；，結構如圖42. 圖42 工作液控制分配單元偏執(zhí)機構單元（3）執(zhí)行機構部分由柱塞、柱塞套、巴掌和擋塊組成。，結構如圖43. 圖43偏執(zhí)機構單元其他部件如下： （1）外筒 是一個長約860mm，直徑為176mm的金屬筒，上下倆兩端由母扣連接；（2）柱塞 有三個，均布在外筒上，利用鉆具的內外壓力差工作；（3）柱塞套 柱塞在柱塞套內往復運動。 導向鉆井工具設計中的主要考慮因素 由旋轉導向鉆井的原理和工作過程可知，其核心部件為導向偏置機構，而導向偏執(zhí)機構主要由控制液分配單元和偏執(zhí)機構單元組成。控制液分配單元的結構和工作方式決定了偏執(zhí)機構的工作方式和結構。在控制液分配單元中上盤閥的高壓孔圓弧角是設計中的關鍵，因為上盤閥的高壓孔圓弧角的大小于巴掌的推靠力的大小有很大的關系。在導向工具工作過程中，高壓孔和下盤閥的低壓孔導通一次就驅動一個巴掌作用于井壁，關閉時就失去作用力。下盤閥和鉆柱一起轉動，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，在一段時間內存在，在某一段時間內消失，是一個有沖擊的作用力。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。因此高壓孔圓弧角的設計原則是在保證偏執(zhí)機構單元中高低壓鉆井液通道輪流導通前提下，巴掌作用在井壁的合力在導向方向的分量應該連續(xù)而且其變化范圍盡可能恒定，以實現工具工作穩(wěn)定，避免對鉆具產生較大的沖擊。在導向機構的設計過程中，為了保證導向機構能滿足鉆井要求，必須保證工作液控制分配單元能分配足夠的泥漿流量和有效的控制能力，具體來說就是保證推巴掌有足夠的推靠力大小和作用時間，但是在鉆井過程中泥漿的壓力是由地面的泵壓所決定的。所以在設計過程中，工作液控制分配單元分配泥漿的時間，在不考慮穩(wěn)定平臺和外部轉速的情況下，導通時間主要由上盤閥的高壓孔圓弧角所決定。對于偏執(zhí)機構單元來說，其擋板所能否產生足夠的鉆頭推靠力，是設計的主要問題。擋板的推靠力由泥漿壓力和作用面積所決定。如公式 （41） 式中： d柱塞的直徑 鉆頭環(huán)形壓差可知主要因素為柱塞瘦泥漿壓力的面積和泥漿泄流得出影響。．1柱塞的設計與計算 （1）柱塞的直徑 （42） 式中 是泥漿對柱塞的推靠力，為13KN。 是工作處泥漿內外壓力差，為5MPa。 代入計算得 d=，取56mm （2）柱塞每伸出一次所需的流量為 次 （3）當轉盤轉速為n=40r/min時，高壓孔過泥漿時間為 T= （43） 式中 為高壓孔的角度，為200176。； 代入計算得 T=22s故起裝配圖如圖44.1上控制軸 ； 2泥漿過濾網；3上下盤閥；4柱塞； 5巴掌 圖44 導向裝置裝配圖. 3 巴掌與井壁接觸強度的計算巴掌與井壁的接觸面積為 （44）巴掌受到的壓強 （45）4. 4 盤閥過濾網泥漿過流的有效面積計算 （1）壓力腔過濾網的有效面積高壓孔的過液面積為 （46）壓力腔泥漿過液面積 （47）由于=所以滿足上盤閥的流量供給要求。 （2） 鉆具過流泥漿的有效面積在鉆井中，泥漿的主要作用是排屑，因此鉆具應有足夠的過流面積。在一般情況下，直徑是178mm的鉆具的過流面積應大魚直徑是50mm的圓孔面積，即S=軸承支座處的孔過流面積為圖45 軸承支座由上圖可知 （48） = 4721所以遠大于S。圖46 鉆具本體泥漿過流孔結構 由上圖可知 （49） =2120所以S。故設計的結構合理，泥漿可以暢通流過，滿足供求要求。 巴掌的銷釘的強度校核 由于巴掌的推靠力是13KN 巴掌的銷釘材料是45Mo,查手冊值全安全系數s=則 （410） 銷釘的剪切面積為 （411）銷釘所受的應力為 （412）所以，滿足強度要求。 擋塊上的螺釘強度校核擋塊所受力為擋塊對巴掌的作用力，則F=13KN （413）螺釘所選的材料是45號鋼，查《機械設計手冊》知取安全系數為s=,則 （414）所以，滿足強度要求。 盤閥連接螺釘強度校核 參考《機械設計》知 （415） 式中 預緊力 參考上盤閥的設計，下盤閥承受的軸向力：F=。選擇螺釘材料，取安全系數為S=，故螺釘材料的許用壓力為 （416）按螺紋標準（GB19681），選用螺紋的公稱直徑是10mm的螺釘。 液壓盤閥系統(tǒng)的設計 旋轉導向鉆井系統(tǒng)的液壓盤閥系統(tǒng)不僅僅是液流分配機構，同時也是控制伸縮塊所產生導向力大小與方向的控制機構。當需要在某個方向導向時，在旋轉鉆井時，相位相差120176。的3個伸縮塊的某一個塊，它每一次通過某一特定位置時，通過上盤閥高壓孔施加的壓力，使相應的巴掌伸出與井壁接觸，并施力于井壁，產生一側向力，推動鉆頭離開該方向，達到改變井斜和方位的目的，離開該方向后巴掌自動縮回。 盤閥的結構對巴掌所產生的導向力的大小有決定性的影響。盤閥的運動規(guī)律又反過來影響穩(wěn)定平臺的穩(wěn)定運動控制系統(tǒng)的設計和實現。上盤閥的高壓孔圓弧角的大小與巴掌的作用力有著分廠密切的關系，角的設計原則是在保證偏執(zhí)機構單元中高低壓鉆井液通道輪流導通前提下，巴掌作用在井壁的合力在導向方向的分量應該連續(xù)而且其變化范圍盡可能恒定，以實現工具工作穩(wěn)定，避免對鉆具產生較大的沖擊。 根據巴掌合力連續(xù)的要求，偏執(zhí)機構在工作過程中，任何時候至少應有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