【正文】 次 （3）當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為n=40r/min時(shí)，高壓孔過泥漿時(shí)間為 T= （43） 式中 為高壓孔的角度，為200176。 （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(yīng)有足夠的過流面積。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。 巴掌的銷釘?shù)膹?qiáng)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(cè)值全安全系數(shù)s=則 （410） 銷釘?shù)募羟忻娣e為 （411）銷釘所受的應(yīng)力為 （412）所以，滿足強(qiáng)度要求。 盤閥連接螺釘強(qiáng)度校核 參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》知 （415） 式中 預(yù)緊力 參考上盤閥的設(shè)計(jì)，下盤閥承受的軸向力：F=。 液壓盤閥系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的液壓盤閥系統(tǒng)不僅僅是液流分配機(jī)構(gòu)，同時(shí)也是控制伸縮塊所產(chǎn)生導(dǎo)向力大小與方向的控制機(jī)構(gòu)。的3個(gè)伸縮塊的某一個(gè)塊，它每一次通過某一特定位置時(shí)，通過上盤閥高壓孔施加的壓力，使相應(yīng)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(dòng)鉆頭離開該方向，達(dá)到改變井斜和方位的目的，離開該方向后巴掌自動(dòng)縮回。盤閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律又反過來影響穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。 根據(jù)巴掌合力連續(xù)的要求，偏執(zhí)機(jī)構(gòu)在工作過程中，任何時(shí)候至少應(yīng)有1個(gè)巴掌對(duì)井壁作用，同時(shí)任何時(shí)候最多只有2個(gè)巴掌對(duì)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(shí)，上盤閥的高壓孔圓弧角應(yīng)不小于下盤閥相鄰2個(gè)低壓孔的中心角120176。因此，當(dāng)176。時(shí)，始終最多只有1個(gè)巴掌伸出，但有3個(gè)巴掌同時(shí)縮回的情況，工具導(dǎo)向能力弱；而當(dāng) 240176。根據(jù)《鉆采工藝》第28卷，第5期《旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具液壓分配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》的分析結(jié)論，上盤閥的高壓孔圓弧角最優(yōu)為180176。 1 上盤閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)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(shè)計(jì)，工作時(shí)總有1個(gè)或2個(gè)低壓孔導(dǎo)通。在35004000m處振動(dòng)等級(jí)取15g。 正常范圍內(nèi)上盤閥的壓力： （417）4PMa時(shí)壓力為： 8PMa時(shí)壓力為： 12PMa時(shí)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(yù)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(yù)緊力應(yīng)盡量的小，取.(4)上盤閥的總壓力計(jì)算上盤閥的總壓力來自3個(gè)因素。正常條件下，上盤閥對(duì)下盤閥所產(chǎn)生的總壓力最小值： （419）最大值： 在最大鉆柱內(nèi)外壓差狀態(tài)下 （420） （5）上下盤閥摩擦阻力矩計(jì)算軸端摩擦力矩計(jì)算公式 （421） 式中： f摩擦系數(shù) ； P單位面積上的最大壓強(qiáng)。 由此計(jì)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(duì)轉(zhuǎn)速。 （423） （424） = 上盤閥傳動(dòng)軸的校核 盤閥傳動(dòng)軸受力如下 圖49 盤閥傳動(dòng)軸受力分析 泥漿壓力 加壓彈簧的力 上盤閥重力 穩(wěn)定平臺(tái)傳遞的扭矩 摩擦扭矩上盤閥所受最大總力為 （425） =720+150+6 =976N由圖45可知，中間那段為最危險(xiǎn)面，由《材料力學(xué)》知 最大擠壓強(qiáng)度 （426）最大剪切強(qiáng)度 （427） 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。 盤閥加壓彈簧的設(shè)計(jì) 為了保證上盤閥的平穩(wěn)運(yùn)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(dòng)沖擊。 使用溫度： 40176。 （1）選取旋轉(zhuǎn)比C: C=10. (2) 根據(jù)強(qiáng)度極限計(jì)算彈簧直徑根據(jù)公式 （428）式中 K—補(bǔ)償系數(shù)根據(jù)強(qiáng)度極限計(jì)算彈簧直徑 （429）作用在彈簧上的最大壓力，為150N。此時(shí)。（4）計(jì)算自由高度 （431） =94mm 工作高度取；.彈簧的自由高度去標(biāo)準(zhǔn)值為： 。 （432） 安全系數(shù) n= 所以彈簧滿足強(qiáng)度要求。有3 個(gè)均布的相位相差120176。為了減少摩擦，接觸面積盡可能小。設(shè)計(jì)的下盤閥如下圖。 圖411上盤閥剖面圖由上圖可知，；B=8mm；下盤閥半徑；；轉(zhuǎn)速n為60~120r/min。兩個(gè)低壓孔導(dǎo)通時(shí): 。可知下盤閥的過流面積與低壓孔得到他個(gè)數(shù)有關(guān)，并且在時(shí)間段內(nèi)的低壓孔導(dǎo)通數(shù)受到了低壓孔導(dǎo)通個(gè)數(shù)的影響，即受到高壓孔圓心角的影響。鉆柱每轉(zhuǎn)一圈時(shí)上盤閥總的有效導(dǎo)通時(shí)間為 可得 （437）由上式可知，液流導(dǎo)通時(shí)間和高壓孔的圓心角成正比，與鉆柱轉(zhuǎn)速成反比。(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。在22面最外斷點(diǎn)處的正壓力，剪切力最大，在此處取一單元體，如下圖。第五章 控制軸的動(dòng)力學(xué)分析 控制軸的介紹旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的核心是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具 ,該工具由穩(wěn)定平臺(tái)單元 、鉆井液分配單元和偏置執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元3 部分組成。實(shí)際工作時(shí),整個(gè)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(duì)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。為了實(shí)現(xiàn)鉆柱沿某一方位鉆進(jìn)即控制軸保持相對(duì)穩(wěn)定,就需要整個(gè)控制軸達(dá)到力矩平衡。圖51穩(wěn)定平臺(tái)單元結(jié)構(gòu) 控制軸的力學(xué)模型在建立控制軸的剛度仿真力學(xué)模型時(shí) ,嚴(yán)格遵循準(zhǔn)確和簡(jiǎn)單的原則對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化 ,模型 的主要尺寸與實(shí)際結(jié)構(gòu)相同,但簡(jiǎn)化了部分工藝結(jié)構(gòu)和與剛度分析無關(guān)的結(jié)構(gòu)。不考慮電子倉內(nèi)部元器件骨架的影響,將電子倉看作等徑的圓管 。推力球軸承等效為軸向約束,深溝球軸承等效為徑向約束。由于控制軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ,剛度分析主要集中在橫向和縱向上 ,而扭轉(zhuǎn)剛度則不于考慮。上 、下渦輪發(fā)電機(jī)分別受到沿軸向向下的推力 ,以及不同方向的沖擊振動(dòng)力,這些力的合力將通過控制軸與上 、下渦輪發(fā)電機(jī)聯(lián)結(jié)的軸承施加到控制軸上。圖52 控制軸的力學(xué)模型分別為振動(dòng)加速度在x 、y 軸上的分量,分別為上下渦輪發(fā)電機(jī)處的推力通過角接觸球軸承施加到控制軸上的軸向力, 分別為上下渦輪所受振動(dòng)力通過兩對(duì)軸承(角接觸球軸承和深溝球軸承) 分別施加到控制軸上的力, 分別為上下渦輪發(fā)電機(jī)所受振動(dòng)力通過角接觸球軸承施加到控制軸上的軸向力。(3)渦輪發(fā)電機(jī)所受推力通過軸承施加到控制軸上的力F, 在計(jì)算中取一系列折算值, 同時(shí)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(gè)值?？梢詫⒖刂戚S剛度分析簡(jiǎn)化為3 種工況:工況1 , 當(dāng)沖擊振動(dòng)力垂直于控制軸時(shí), 發(fā)生徑向最大變形。 工況3 , 當(dāng)擊振動(dòng)力指向控制軸上端時(shí), 發(fā)生軸向最大壓縮。圖53控制軸簡(jiǎn)化力學(xué)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(gè)實(shí)常數(shù), 其數(shù)值見表51。選擇各線段, 分別賦予不同的實(shí)常數(shù)值、材料屬性。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(gè)。從表53 可以看出, , 說明水推力的大小對(duì)橫向變形量沒有影響。相對(duì)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。圖54 重要位置的橫向位移與振動(dòng)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(dāng)n=20r/min時(shí) 當(dāng)n=0r/min時(shí) P=0W，不傳遞功率。對(duì)于機(jī)械部分而言，無論在設(shè)計(jì)、制造還是在裝配上都有相當(dāng)高的要求。 本次設(shè)計(jì)的導(dǎo)向工具最大的難點(diǎn)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(jī)械部件復(fù)雜的多，所以這些因素間接提高了工具的成本。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。根據(jù)WYTCHFARM油田開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，鉆大位移井開發(fā)方案比建人工島或海洋平臺(tái)開發(fā)綜合成本降低50%。 （3）減少鉆井工程費(fèi)用2000年，南海西江油田設(shè)計(jì)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(fèi)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(jì)效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過直接經(jīng)濟(jì)效益。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。由上可知，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具取得了較好的應(yīng)用實(shí)踐。中國的商業(yè)應(yīng)用較少，但隨著石油資源的日益減少，價(jià)格的不斷上漲，石油公司對(duì)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(chǎng)。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(dòng)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。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Α５?個(gè)柱塞在每次通過某一特定的方位時(shí)，在液壓作用下，徑向伸出，并與井壁接觸，對(duì)鉆頭產(chǎn)生一側(cè)向力，推動(dòng)鉆頭離開該方向，到達(dá)改變井斜或方位的目的。 （4） 上盤閥高壓孔的圓弧角最佳值為180176。較為合適，上下盤閥有足夠的導(dǎo)通時(shí)間。（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(jì)要根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行設(shè)計(jì)—分析校核—再設(shè)計(jì)的循環(huán)過程。（4） 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置的執(zhí)行部分相對(duì)比較好設(shè)計(jì)與制造，但是控制部分相對(duì)較難，應(yīng)進(jìn)行深入研究。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(xué)業(yè)。三位導(dǎo)師工作中的認(rèn)真和嚴(yán)謹(jǐn)、生活中的謙遜和寬厚讓我深受感動(dòng)，導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、敏銳的學(xué)術(shù)思維和執(zhí)著的探索精神，將激勵(lì)我在今后的工作中勇敢面對(duì)各種壓力和挑戰(zhàn)。本論文工作的順利進(jìn)行得到了課題組許多老師和同學(xué)的支持和幫助，我完成畢業(yè)設(shè)計(jì)與他們的配合協(xié)作和幫助是分不開的，在一起探討學(xué)習(xí)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(shí)間的學(xué)習(xí)與工作將留給我深刻的記憶。