【正文】 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。正是三位導師的悉心指導和諄諄教誨使我順利完成了本科學業(yè)。（2） 由于旋轉(zhuǎn)導向工具的工作環(huán)境惡劣、工作空間有限、工具尺寸受限等原因，設計要根據(jù)實際情況，進行設計—分析校核—再設計的循環(huán)過程。 （4） 上盤閥高壓孔的圓弧角最佳值為180176。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)導向鉆井技術(shù)的研究很有必要，并且是可行，目前旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)仍有許多技術(shù)難題有待解決，有很大的發(fā)展?jié)摿?。中國的商業(yè)應用較少，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。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。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%。 本次設計的導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雜的多，所以這些因素間接提高了工具的成本。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。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。選擇各線段, 分別賦予不同的實常數(shù)值、材料屬性。 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)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 和 大小相等方向相同, 折算力從200N至800N 每隔100N取一個值。上 、下渦輪發(fā)電機分別受到沿軸向向下的推力 ,以及不同方向的沖擊振動力,這些力的合力將通過控制軸與上 、下渦輪發(fā)電機聯(lián)結(jié)的軸承施加到控制軸上。推力球軸承等效為軸向約束,深溝球軸承等效為徑向約束。圖51穩(wěn)定平臺單元結(jié)構(gòu) 控制軸的力學模型在建立控制軸的剛度仿真力學模型時 ,嚴格遵循準確和簡單的原則對實際結(jié)構(gòu)進行簡化 ,模型 的主要尺寸與實際結(jié)構(gòu)相同,但簡化了部分工藝結(jié)構(gòu)和與剛度分析無關(guān)的結(jié)構(gòu)。實際工作時,整個工具控制軸被固定在鉆鋌內(nèi)部 ,與鉆鋌的間隙最小處僅1mm,因此 ,工具控制軸的控制對整套系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定的工作有著至關(guān)重要的作用。在22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。鉆柱每轉(zhuǎn)一圈時上盤閥總的有效導通時間為 可得 （437）由上式可知，液流導通時間和高壓孔的圓心角成正比，與鉆柱轉(zhuǎn)速成反比。兩個低壓孔導通時: 。設計的下盤閥如下圖。有3 個均布的相位相差120176。（4）計算自由高度 （431） =94mm 工作高度??；.彈簧的自由高度去標準值為： 。 （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 （428）式中 K—補償系數(shù)根據(jù)強度極限計算彈簧直徑 （429）作用在彈簧上的最大壓力，為150N。 盤閥加壓彈簧的設計 為了保證上盤閥的平穩(wěn)運行，需要給上盤閥額外加力1850N. 由于在高溫高壓的條件下振動沖擊。 由此計算得 （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。 正常范圍內(nèi)上盤閥的壓力： （417）4PMa時壓力為： 8PMa時壓力為： 12PMa時壓力最大，為： （3）彈簧壓力工具在井下所受的縱向加速度a=15g，則彈簧預緊力: （418） 但為了減少盤閥之間的摩擦力，是上下盤閥之間的壓力較小，則. 慣性力： ,為了減少盤閥之間的摩擦力,預緊力應盡量的小，取.(4)上盤閥的總壓力計算上盤閥的總壓力來自3個因素。 1 上盤閥的結(jié)構(gòu)設計和計算 圖47 上盤閥泥漿壓力在柱塞兩邊的壓降在正常條件下按5MPa設計，工作時總有1個或2個低壓孔導通。時，始終最多只有1個巴掌伸出，但有3個巴掌同時縮回的情況，工具導向能力弱；而當 240176。 根據(jù)巴掌合力連續(xù)的要求，偏執(zhí)機構(gòu)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應不小于下盤閥相鄰2個低壓孔的中心角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(chǎn)生一側(cè)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=。圖46 鉆具本體泥漿過流孔結(jié)構(gòu) 由上圖可知 （49） =2120所以S。 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(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)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。擋板的推靠力由泥漿壓力和作用面積所決定。因此高壓孔圓弧角的設計原則是在保證偏執(zhí)機構(gòu)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(xiàn)工具工作穩(wěn)定，避免對鉆具產(chǎn)生較大的沖擊。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(guān)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(guān)系。（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(jié)構(gòu)如圖42. 圖42 工作液控制分配單元偏執(zhí)機構(gòu)單元（3）執(zhí)行機構(gòu)部分由柱塞、柱塞套、巴掌和擋塊組成。導向機構(gòu)在控制閥的控制下實現(xiàn)定向功能, 而伸縮翼片在隨鉆頭旋轉(zhuǎn)的過程中的有規(guī)律受控伸縮則產(chǎn)生一定的控制力。在鉆頭每一轉(zhuǎn)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。相位時, 則導向機構(gòu)就處于90176。當上盤高壓孔眼在控制機構(gòu)作用下處于90176。當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。通過對側(cè)向力的大小、方向和拍打頻率的調(diào)整，可直接控制該工具的導向狀態(tài)。 旋轉(zhuǎn)導向鉆井裝備置（機械部分）設計 偏執(zhí)機構(gòu)的組成導向機構(gòu)的導向原理和組成 導向機構(gòu)是旋轉(zhuǎn)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。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。圖 34 　旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具三維 CAD結(jié)構(gòu) 　旋轉(zhuǎn)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(nèi)現(xiàn)有的條件 ,旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具設計具有以下技術(shù)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(jié)構(gòu)。圖 34 所示為自主開發(fā)的旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具的三維 CAD 結(jié)構(gòu)圖。旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)信息閉環(huán)流程如圖 33 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(cè)向控制力的作用效果 ,鉆井液通過過濾網(wǎng)再流向上盤高壓閥孔。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。工作中平臺受到的主要力矩包括驅(qū)動上盤閥旋轉(zhuǎn)的扭矩、鉆柱旋轉(zhuǎn)帶來的機械摩擦阻力矩和作為電能發(fā)生器的渦輪發(fā)電機本身的電磁力矩。上渦輪發(fā)電機是系統(tǒng)動力發(fā)生器,提供井下電源 ,其旋轉(zhuǎn)方向為順時針方向。3 個推板的相位差為 120176。圖 31 　旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)工作原理根據(jù)對井下工程、地質(zhì)及幾何參數(shù)的監(jiān)測和要求旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具可以按已設定的程序或給定的指令調(diào)整井斜和方位。導向功能是指當需要向某一個井斜、方位導向時,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。第三章 旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理 1 旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的組成 旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具下部接鉆頭，上部連接無磁鉆鋌，無磁鉆鋌內(nèi)安裝MWD，經(jīng)MWD攜帶的通訊工具與地面系統(tǒng)形成信息流閉環(huán)。指向式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的特點：能鉆出較平滑的井眼；摩阻和扭矩較??；可以使用較大的鉆壓；機械鉆速較高；有助于發(fā)揮鉆頭的性能；鉆頭及其軸承承受的側(cè)向載荷較??；極限位移增加。Power Drive SRD：鉆頭和鉆頭軸承的磨損較嚴重,工作壽命有待進一步提高。圖23 GeoPilot的導向原理 三種不同方式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)對比 表21 三種不同方式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)對比工作方式代表系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)導向程度造斜能力鉆井安全性位移延伸能力螺旋井眼適應井眼尺寸靜態(tài)偏置推靠鉆頭式Auto Trak RCLS工具系統(tǒng)外筒不旋轉(zhuǎn)176。該系統(tǒng)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(gòu)3部分組成。 三種旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征和對比 Auto Trak 旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)工作原理:AutoTrak RCLS系統(tǒng)的井下偏置導向工具由不旋轉(zhuǎn)外套和旋轉(zhuǎn)心軸兩大部分通過上下軸承連接形成一可相對轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)。；（5）畫出鉆轉(zhuǎn)導向鉆井工具的裝配圖和各零部件的零件圖。 20世紀90 年代中期 ， 在跟蹤調(diào)研國外先進技術(shù)的基礎上 ， 國內(nèi)少數(shù)研究機構(gòu)開始進行這方面的研究工作 ， 但與國外水平相比存在相當大的差距 ． 進入21 世紀 ， 在國家“863”項目的支持下 ， 由中國石化集團公司勝利石油管理局鉆井院和中國海洋石油總公司分別牽頭對調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)和靜態(tài)偏置推靠式旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)進行了系統(tǒng)的研究攻關(guān) ， 并在關(guān)鍵技術(shù)方面取得了突破．畢業(yè)設計論文的主要內(nèi)容 （1）查閱、收集有關(guān)鉆轉(zhuǎn)導向鉆井工具的資料，理解鉆轉(zhuǎn)導向鉆井工具原理與結(jié)構(gòu)，了解國內(nèi)外鉆轉(zhuǎn)導向鉆井工具的研究與應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，搞清本次畢業(yè)設計所要設計的內(nèi)容，在此基礎上完成開題報告。 14 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、2361 m，工作時間達到 86 h，最長時間 200 h，完全達到了設計要求，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。MRSS 調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)為動態(tài)偏置推靠式系統(tǒng)，目前已在其關(guān)鍵技術(shù)研究方面取得突破，對該系統(tǒng)已建立起系統(tǒng)的力學物理、數(shù)學模型，理論研究比較完善成熟，已形成了功能性樣機，系統(tǒng)的部分功能已在地面得到驗證。1991 年，西安石油學院張紹槐教授組織力量進行了“井眼軌跡制導技術(shù)”的中國石油天然氣總公司(CNPC)“九五”立項調(diào)研；1994 年，西安石油學院張紹槐教授等又開展了井下旋轉(zhuǎn)自動導向鉆井系統(tǒng) RCLD(Rotary CloseLoop Drilling System)的研究，并以國家自然科學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)(SWD)等。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