【正文】 計算公式 （323） 式中：f摩擦系數(shù) ； P單位面積上的最大壓強。正常工況下，工作液壓差作用在上盤閥的壓力：112N至224N.上下盤閥的接觸面積A為： （324）上盤閥對下盤閥的最大壓強: P= (325)上下盤閥摩擦阻力矩: = (326) r=0； r=； B=； r=由此計算得： M=?m(6)上下盤閥摩擦副所消耗的功率上下盤閥摩擦副所消耗的功率取決于摩擦阻力矩與上下盤閥之間的相對轉(zhuǎn)速。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。查《零件手冊》知屈服強度為=885MPa,安全系數(shù)取S=，則許用應(yīng)力為: 故，上盤閥滿足要求。 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動。有3個均布的相位相差120186。的直徑為8mm的孔，用于分配泥漿。為了減少摩擦，接觸面積盡可能小。下盤閥應(yīng)該選耐磨材料42SiMn，提高壽命。設(shè)計的下盤閥如下圖： 圖:312 下盤閥 上下盤閥導(dǎo)通時間計算上盤閥的圓弧角為θ，高壓孔寬度為B，弧的半徑為R，下盤閥液流通孔直徑為B，假設(shè)轉(zhuǎn)速為n，結(jié)構(gòu)圖如下圖： 圖313 上盤閥剖面圖 由上圖可知：θ=200186。；B=8mm；下盤閥半徑R=8mm；R=13mm；轉(zhuǎn)速n為40200r/min。當(dāng)穩(wěn)定平臺的控制軸在某一工作面時，上盤閥相對井壁保持靜止不動，下盤閥隨鉆柱一轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，則高壓孔的液流導(dǎo)通時間T滿足： = (331)當(dāng)n=40r/min時， T= 當(dāng)n=200r/min時 T=下盤閥的一個低壓孔從高壓孔導(dǎo)通到該低壓孔完全導(dǎo)通經(jīng)歷的時間T滿足如下關(guān)系： T= = (332)當(dāng)n=40r/min時， T=由圖可知，上下盤閥的高低壓孔完全導(dǎo)通時，上盤閥孔的過流面積為 (333) =2RθR下盤閥低壓孔的總的過流面積為 一個低壓孔導(dǎo)通時： 兩個低壓孔導(dǎo)通時： 三個低壓孔導(dǎo)通時： 可知下盤閥的過流面積與低壓孔得到他個數(shù)有關(guān)，并且在時間段內(nèi)的低壓孔導(dǎo)通數(shù)受到了低壓孔導(dǎo)通個數(shù)的影響，即受到高壓孔圓心角的影響?？芍? = = (334)可以認為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變化對整個導(dǎo)通時間內(nèi)擋塊的推靠力影響不大。鉆柱每轉(zhuǎn)一圈時上盤閥總的有效導(dǎo)通時間為 T=TT 可得： T (335)由上式可知，液流導(dǎo)通時間和高壓孔的圓心角成正比，與鉆柱轉(zhuǎn)速成反比。 盤閥加壓彈簧的設(shè)計為了保證上盤閥的平穩(wěn)運行，需要給上盤閥額外加力100N。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。查《機械設(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。400186。；(1)選取旋轉(zhuǎn)比C ：C=10。(2)根據(jù)強度極限計算彈簧直徑根據(jù)公式： (336)式中k補償系數(shù)根據(jù)強度極限計算彈簧直徑 (337）P作用在彈簧上的最大壓力，為150N。根據(jù)彈簧標(biāo)準(zhǔn)直徑，取d=4mm。此時，彈簧中徑D=26 mm。(3)根據(jù)剛度條件計算彈簧圈數(shù)n查得K=15N/mm （338） 取n=6圈。(5)彈簧強度校核極限工作應(yīng)力取=，則 ==極限工作載荷：P （339）安全系數(shù) n=所以彈簧滿足強度要求。 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。極限工況：最大鉆壓300KN；外壓96MPa；內(nèi)壓101MPa；最大扭矩2000N? m。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。在315面最外斷點處的正壓力，剪切力最大，在此處取一單元體，如下圖： 圖 315 工具體應(yīng)力分析 （344） （345）所以 = =由第三強度理論知 （346）因為 ,所以工具體滿足強度要求。第四章 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具經(jīng)濟性評價 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。對于機械部分而言，無論在設(shè)計、制造還是在裝配上都有相當(dāng)高的要求。就本次設(shè)計的工具本身來說，有一些關(guān)鍵部件直接影響著整個工具的成本，比如外殼體，要求為高的強度、較好的耐磨性、較好的柔韌性，還得是無磁的，并且是一個復(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。本次設(shè)計的導(dǎo)向工具最大的難點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械部件復(fù)雜的多，所以這些因素間接提高了工具的成本。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)控機床上加工才能達到所需的精度，就連一些螺釘?shù)奈恢镁鹊囊笠彩呛芨叩?。較普通的工具來說，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的成本就要高一些了。 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。根據(jù)WYTCHFARM油田開發(fā)經(jīng)驗，鉆大位移井開發(fā)方案比建人工島或海洋平臺開發(fā)綜合成本降低50%。(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。(3)減少鉆井工程費用2000年，南海西江油田設(shè)計井深8800m，水平位移超過7500m的XJ2432A18井，在6871m以下井段使用了POWER DRIVER SRD系統(tǒng)，結(jié)果取得了巨大的成功，節(jié)約了近500萬元的鉆井作業(yè)費用，由于解決了大位移井導(dǎo)向問題，提高了井身質(zhì)量，為油田開發(fā)和后續(xù)完井作業(yè)帶來的間接經(jīng)濟效益遠遠超過直接經(jīng)濟效益。(4)為油田提高采收率提供了有效的經(jīng)濟方法特別是在如今油氣資源缺少兒時的人們必須向更深的地層開發(fā)油氣資源時，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。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。POWER DRIVER截至1999年8月，累計工作時間1160小時，總進尺47780m。由上可知，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具取得了較好的應(yīng)用實踐。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。中國的商業(yè)應(yīng)用較少，但隨著石油資源的日益減少，價格的不斷上漲，石油公司對鉆井技術(shù)的使用也日益增多，該技術(shù)在中國和全球有交大的市場。 綜上可知，開發(fā)該系統(tǒng)有很大的前景，雖然開發(fā)費用較高，但是回報是相當(dāng)可觀的。第五章 結(jié)論及展望 結(jié)論旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是國際石油行業(yè)列為最主要的關(guān)鍵技術(shù)之一，是代表鉆井技術(shù)向信息化、智能化和自動化發(fā)展方向的前沿技術(shù)，是鉆井科研攻關(guān)的重大課題之一。本文結(jié)合調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)研究，重點對偏執(zhí)機構(gòu)和液壓分配系統(tǒng)進行了設(shè)計計算。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。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，到達改變井斜或方位的目的。（2）由于偏執(zhí)機構(gòu)與鉆頭直接相接，導(dǎo)向力的大小由鉆頭處的環(huán)形壓差及柱塞面方向由穩(wěn)定平臺控制上盤閥的高壓孔位置決定。（3）上盤閥高壓孔的圓弧角最佳值為180186。，但是考慮泄流及滯后的影響，選用200186。較為合適，上下盤閥有足夠的導(dǎo)通時間。 展望與建議(1)由于本次設(shè)計時間有限，僅完成了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的機械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向是一個很新的研究課題，希望以后可以有機會你把整個部分的設(shè)計加以完善。(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)計要根據(jù)實際情況，進行設(shè)計一分析一校核一再設(shè)計的循環(huán)過程，因而設(shè)計的許多方面還有待改進，自己的專業(yè)方面的知識還有待提高。(3)由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置為全滾動的方式進行運動，內(nèi)部的穩(wěn)定控制平臺和上盤閥與外部鉆柱是相對運動的，對其壽命要求較高，但可以保證整個鉆柱旋轉(zhuǎn)時相對于井壁沒有靜止點，所以應(yīng)該有較高的密封性和耐磨性。(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)進行深入研究。 參考文獻[1] 段正勇，彭勇，[J]. 鉆采工 藝，2007,30(5):102105.[2] 彭勇,閆文輝,[J]. 石油學(xué)報，2005， 26(5):949.[3] [J]. ,24 (3)：8289.[4] 蘇義腦，竇修榮，、特性和典型結(jié)構(gòu)[J]. 石油 ,25 (4):58.[5] 方朝亮，[M]. 北京:石油工業(yè)出 版社，2006.[6] 張紹槐，[J]. ,22 (6): 6368.[7] 趙金海，國外典型的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)[J]., 18(11): 3336.[8] 李松林，蘇義腦，[J]. 石油 , 28 (1):4244.[9] 肖仕紅，[J]. 石油機械，2006, 34(4):6670.[10] 孫桓，[M]. :高等教育出版社，2000, 8.[11] 閏文輝，彭勇，[J]. 鉆采工藝， 2005，28 (5):6972.[12] 彭勇，閏文輝，[J]. 石油機械， 2005,33(11)，2429.[13] 馮長青，[J]. 石油機械， 2006,1416.[14] 彭勇，閏文輝，[J]. 石油鉆探技術(shù)， 34(2):1014.[15] 張紹槐，[J]. 石油學(xué)報，2000,21 (1):76