【正文】 施加到控制軸上的軸向力。在用ANSYS有限元分析剛度時, 控制軸將受到3種力的作用：（1） 自身所受到的振動力, 作用方向有3 種情況, 垂直于軸、沿軸向下、沿軸向上；（2）渦輪發(fā)電機所受振動力通過軸承施加到控制軸上的力G, 作用方向有3 種情況, 垂直于軸、沿軸向下、沿軸向上, 。(3)渦輪發(fā)電機所受推力通過軸承施加到控制軸上的力F, 在計算中取一系列折算值, 同時假設(shè) 和 大小相等方向相同, 折算力從200N至800N 每隔100N取一個值。振動加速度的最大強度為15g。可以將控制軸剛度分析簡化為3 種工況:工況1 , 當沖擊振動力垂直于控制軸時, 發(fā)生徑向最大變形。工況2 , 當沖擊振動力指向控制軸下端時, 發(fā)生軸向最大拉伸。 工況3 , 當擊振動力指向控制軸上端時, 發(fā)生軸向最大壓縮。3 種工況所對應(yīng)的控制軸力學模型可簡化為如圖53 所示(圖中的長度單位為mm ) 的情況。圖53控制軸簡化力學模型5．.3 控制軸的剛度分析在圖52 中, 由于1和9 、2 和3 和7 的截面尺寸分別相同, 因此可以只設(shè)置5個實常數(shù), 其數(shù)值見表51。表51實常數(shù)編號與對應(yīng)各參數(shù)編號12345直徑/mm25304477 3077 60面積/152139481828慣量/18116861089圖52中的，3 、7 、9 的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼, 4 、5 、6的材料為欽合金, 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和鈦合金的彈性模量分別為和MPa, 。選擇各線段, 分別賦予不同的實常數(shù)值、材料屬性。各線段與實常數(shù)編號、材料屬性編號的對應(yīng)關(guān)系見表52 。根據(jù)需要設(shè)定網(wǎng)格化的密度, 筆者選擇element的數(shù)量為1000個。表52 線段編號與實常數(shù)、材料屬性對照表53 三種工況最大變形量/mm采用有限元軟件計算出了3種工況的最大變形量（見表53） , 工況1 所反映的是向位移情況, 工況2 、3 所反映的是縱向位移情況。從表53 可以看出, , 說明水推力的大小對橫向變形量沒有影響。 有限元計算結(jié)果表明發(fā)生最大橫向位移的節(jié)點( 稱為最大位移點) , 位于關(guān)鍵點4 、5之間, 實際發(fā)生在電子倉中部偏下約3/4 處。相對于同一水推力而言, 最大拉伸量和最大壓縮量的和約為一恒值() , 可用來指導(dǎo)相關(guān)軸承游隙的選擇。上渦輪下端、下渦輪上端、最大位移點為3 個重要位置, 其中上渦輪下端和下渦輪上端與鉆挺間隙只有1mm , 最大位移點允許最大變形量為17mm , 圖54繪出了3 個重要位置的橫向位移與振動加速度的關(guān)系, 顯然, 上渦輪下端、最大位移點2 個位置的最大位移在允許范圍內(nèi), 而下渦輪上端的最大位移則超出了允許范圍, g時, 下渦輪上端的最大位移在允許范圍, 因此, , 否則, 應(yīng)進一步提高控制軸的抗彎剛度。圖54 重要位置的橫向位移與振動加速度的關(guān)系5．.4 控制軸的功率由扭矩公式 (51)式中 T—扭矩，取10N； P—功率，單位為KW； n—轉(zhuǎn)速，單位為r/min.得 (52)當n=20r/min時 當n=0r/min時 P=0W，不傳遞功率。 第六章 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具經(jīng)濟性評估 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，但是回報是相當可觀的。第七章 結(jié)論及建議 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，并對控制軸進行了動力學分析。通過本文，可以得出以下結(jié)論： （1） 從國內(nèi)勘探開發(fā)的現(xiàn)狀來看，開展旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的研究很有必要，并且是可行，目前旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)仍有許多技術(shù)難題有待解決，有很大的發(fā)展?jié)摿Α? （2） 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120176。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。 （3） 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)形壓差及柱塞面積決定，方向由穩(wěn)定平臺控制上盤閥的高壓孔位置決定。 （4） 上盤閥高壓孔的圓弧角最佳值為180176。，但是考慮泄流及滯后的影響，選用200176。較為合適，上下盤閥有足夠的導(dǎo)通時間。 建議（1） 國內(nèi)外都在不斷研究旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具 , 國外產(chǎn)品已經(jīng)商業(yè)化 , 而國內(nèi)也進入了試驗階段 , 但是目前旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具仍有許多技術(shù)難題有待解決，需要加大研究力度和資金投入。（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—分析校核—再設(shè)計的循環(huán)過程。（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] 張紹槐,狄勤豐. 用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)鉆大位移井[J ]. 石油學報,2000 ,21 （(1）):7680.[2] [J ].石油學報,2003 ,24 （(3）):8285 ,89.[3] 狄勤豐,張小柯,韓來聚,[J ].石油學報,2004 ,25( 4) :8486 ,91.[4] 狄勤豐,[J].石油學報,2000 ,21( 4) :8792.[5] 湯楠,霍愛清,崔琪琳. 基于狀態(tài)空間法的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具控制系統(tǒng)研究[J ].石油學報,2004 ,25( 2) :8992.[6] 楊劍鋒,張紹槐. 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向閉環(huán)鉆井系統(tǒng)[J ]. 石油鉆采工藝,2003 ,25 (1) :15.[7] 韓來聚,孫銘新,[J ].石油機械,2002 ,30(3) :79.[8] 李繼博，彭勇，李軍強，閆文輝. 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具控制軸剛度分析[J]. 石油鉆探技術(shù),2006,34(6).[9] 閆文輝,彭勇,張紹槐. 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的研制原理[J].石油學報，2005，26（5）.[10］肖仕紅 ，梁政 ．旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望［J］．石油機械 ,2006 ， 34(4) ：66 70 ．[11］ 孫銘新 ,韓來聚 ，李作會．靜態(tài)偏置推靠鉆頭式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)介紹［J］ ． 石油礦場機械 ，2003 ，32(6) ：4 7 ．[12］ 李松林 ，蘇義腦 ，董海平 ．美國自動旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具結(jié)構(gòu)原理及特點［J］ ．石油機械 ，2000 ，28(1)：42 44 ．[13］ 張家希 ．連續(xù)旋轉(zhuǎn)定向鉆井系統(tǒng) ——— Auto Trak RCLS［J］ ．石油鉆采工藝 ，2001 ,23(2) ：4 9 ．[14］ 王土權(quán) ，張荊洲 ，焦延安 ，張文盛 ．旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)在中國大陸水平井的首次應(yīng)用［J］．西部探礦工程 ，2006(5) ：210223 ．[15］ 姜偉 ，蔣世全．旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)的研究及應(yīng)用［J］．石油鉆采工藝 ， 2008 ， 30(5) ：2125 .[16] 狄勤豐, 張紹槐. 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)控制井眼軌跡機理研究[J].石油鉆探技術(shù), 1998,26(3):5254.[17] 閆文輝 ，彭勇,施紅勛. 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具液壓分配系統(tǒng)的設(shè)計[J].鉆采工藝 ,2005,28(5):6973.[18] [M].陜西：陜西科學技術(shù)出版社,1999,1948.[19] 狄勤豐,張小柯, 韓來聚, [ J] . 石油學報,2004 , 25( 4) : 84 91 .[20] 彭勇,閆文輝, 李軍強. 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具執(zhí)行機構(gòu)推靠力分析[ J].石油機械, 2005 , 33( 11): 24 27 .[21] 蘇義腦,盛利民,鄧樂,［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2005：4353.[22] （上冊）[M].北京:高等教育出版社,1987.[23] （下冊）[M].北京:高等教育出版社,1987:7484.[24] 劉修善，何樹山，鄒野．導(dǎo)向鉆具幾何造斜率的研究[朋．石油學報，2004，25(6)：83～87．[25] [M].西安：陜西科學技術(shù)出版社，2001，173220.[26] 濮良貴，紀名剛，陳國定,[M].：高等教育出版社，2006.[27] Sandro Poli，F(xiàn)ranco Donat，Joachim Oppelt，etal．Advanced Tools for Advanced Wells：Rotary Closed Loop Drilling System[J]．SPE 36884．[28] John Edmondson，Rotary Closed—Loop Drilling[J]．Oilfield Review．Vol 12 No．1：18～22．[29] Barr J D，Clagg J M，Russell M K．Steerable Rotary Drilling with Experimental System[J]．SPE 29382． 致謝在本文落筆之際，首先要特別感謝導(dǎo)師彭勇教授、閆文輝教授和段正勇老師。正是三位導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)和諄諄教誨使我順利完成了本科學業(yè)。在查閱資料方面，三位導(dǎo)師給予了我們無限的支持和幫助，并提供了良好的學習環(huán)境，在做畢業(yè)設(shè)計的過程中給予了耐心的指導(dǎo)和幫助。三位導(dǎo)師工作中的認真和嚴謹、生活中的謙遜和寬厚讓我深受感動，導(dǎo)師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、敏銳的學術(shù)思維和執(zhí)著的探索精神，將激勵我在今后的工作中勇敢面對各種壓力和挑戰(zhàn)。在此，謹向三位導(dǎo)師近半年來的辛勤指導(dǎo)和無微不至的關(guān)懷表示最真誠的感謝。本論文工作的順利進行得到了課題組許多老師和同學的支持和幫助，我完成畢業(yè)設(shè)計與他們的配合協(xié)作和幫助是分不開的，在一起探討學習過程中，我們共同交流發(fā)現(xiàn)、解決問題、克服各種困難，這段時間的學習與工作將留給我深刻的記憶。最后，我要感謝我的家人和朋友，正是他們一貫的鼓勵、支持和幫助，才使我有信心和毅力堅持到全部學業(yè)的完成。