1、 . . . 178旋轉導向鉆井工具設計與控制軸的動力學分析摘要：旋轉導向鉆井技術是現代導向鉆井技術的發展方向，主要應用于大位移井、多分支井等復雜結構的井作業。本文綜述了旋轉導向鉆井工具的國內外現狀，闡明了在我國發展旋轉導向鉆井技術的重要性和必要性，介紹了它的工作原理與結構組成 ,指出了研制該工具的主要技術特點。調制式旋轉導向鉆井工具的導向執行機構是靠內外泥漿液壓力差驅動的原理來實現的，這是旋轉導向鉆井工具能否正常工作的關鍵。所以，對其液壓盤閥分配系統和控制軸進行分析計算，與其在井下不同工況下所受的力進行分析計算。分析了旋轉導向鉆井系統的井下鉆井工具系統的測控方式，偏置方式和導向方式。完成了導

2、向執行機構機械部分的設計，最后，對影響導向力的因控制軸素進行了動力學分析，并討論了導向力的控制方法對工具進行了經濟型評價和總結。關鍵詞：旋轉導向鉆井；設計；動力學分析Design and Control of the DynamicAnalysis of Shaftof 178 mmDiameterRotary Steerable Drilling ToolAbstractRotary steerable drilling technology is the development of modern drilling technology-oriented direction, mainly

3、 used in extended reach well, the complex structure of multi-lateral wells in wells operating. This paper reviews the domestic and international drilling tool status, illustrates the development of rotary steerable drilling technology of the importance and necessity to introduce the working principl

4、e and its composition, that the development of the main technical features of the tool. Modulated rotary steerable drilling tool driven by the executing agency is the pressure difference between inside and outside the mud fluid-driven principles to achieve, which is whether the drilling tool to work

5、 the key. Therefore,its hydraulic disc distribution system and control valve axis analysis and calculation, and its different working conditions in underground analyzing and calculating the force. Analysis ofdownhole rotary steerable drilling tool drilling system monitoring and control system mode,

6、manner and orientation bias way. Complete guide the design of mechanical parts of the implementing agencies, and finally, axis of the dynamic analysis of the control, and the tools of the economic evaluation and summary. the factors affecting the guidance force is analyzed and discussed the guiding

7、force of the control method.KeywordsRotary sSteerable dDrilling;dDesign;Dynamic Analysis50 / 53目錄第一章緒論111.1 本論文研究的目的、價值和意義111.2 國內外研究狀況與趨勢111.2.1 國外旋轉導向鉆井系統研究與發展現狀111.2.2 國內旋轉導向鉆井系統研究現狀331.3 畢業設計論文的主要內容54第二章旋轉導向鉆井裝置方案對比分析652.1 旋轉導向鉆井工具的分類652.2 三種旋轉導向鉆井系統的結構特征和對比652.2.1 Auto Trak 旋轉導向鉆井系統652.2.2 Powe

8、r Drive 旋轉導向鉆井系統652.2.3 Geo-Pilot旋轉導向鉆井系統752.2.4 三種不同方式旋轉導向系統對比762.3 旋轉導向鉆井方案的選擇87第三章旋轉導向鉆井系統總體結構與工作原理983.1 旋轉導向鉆井系統的組成983.2 旋轉導向鉆井工具工作原理983.3 旋轉導向鉆井工具的結構特點12113.4 旋轉導向鉆井工具的設計特點1312第四章旋轉導向鉆井裝置（機械部分）設計14134.1 導向機構的導向原理和組成14134.2 導向鉆井工具設計中的主要考慮因素16154. 3 巴掌與井壁接觸強度的計算18174. 4 盤閥泥漿過流的有效面積計算18174.5 巴掌的銷釘

9、的強度校核20194.6 擋塊上的螺釘強度校核20194.7 盤閥連接螺釘強度校核21204.8 液壓盤閥系統的設計21204.8.1 上盤閥的結構設計和計算22214.8.2 上盤閥傳動軸的校核25244.9 盤閥加壓彈簧的設計26254.10 下盤閥的設計27264.11 上下盤閥導通時間計算28274.12 工具體的校核3029第五章控制軸的動力學分析32315.1 控制軸的介紹32315.2 控制軸的力學模型32315.3 控制軸的剛度分析3433第六章 旋轉導向工具經濟性評估37366.1 旋轉導向工具的加工成本37366.2 旋轉導向工具的經濟效果3736第七章結論與建議39387

10、.1 結論39387.2 建議3938參考文獻4039致謝4241第一章 緒論1.1本論文研究的目的、價值和意義為了節約開發成本和提高石油產量 , ，對那些受地理位置限制或開發后期的油田 , 通常通過開發深井、超深井、大位移井和長距離水平井來實現 , ，進而造成復雜結構的井不斷增多。目前通行的滑動鉆井技術已經不能滿足現代鉆井的需要。于是 , ，自20世紀 80年代后期 , 國際上開始加強對旋轉導向鉆井技術的研究; 到 90年代初期 , 旋轉導向鉆井技術已呈現商業化。旋轉導向系統是一個集機、電、液于一體的閉環自動控制系統 ， 并以旋轉鉆井為其技術特征 ， 所以在減少井下摩阻、提高鉆深能力和控制精

11、度方面具有獨特的優勢 ，所以成為大位移井長穩斜段鉆井作業的常用工具 ， ，也適合于水平井水平段（特別是薄油水層水平井）的鉆進與控制作業 。目前國內也正在研制開發旋轉導向系統 ， 從各個油田和區塊的應用實例看 ， ，旋轉導向鉆井工具具有在旋轉鉆進時連續導向的能力 ，可以提高井眼的清潔度和機械鉆速 ， ，減少壓差卡鉆 ； ；還具有井眼軌跡自動控制的能力，從而提高井眼軌跡的光滑度 ，降低扭矩和摩阻 ，也就相應地增加了水平井的延伸長度 。 但該系統對設備要求比較高 ， ，要求設備、鉆具等能承受高轉速、大扭矩、高泵壓 ， ，在某種程度上加大了對設備、鉆具等的損傷 ， ，而且該系統造價比較昂貴 ， ，一次

12、性投入較大 ， ，并不是每個區塊和地層都適用這種鉆井技術 。旋轉導向系統在現在的鉆井作業中應用越來越多，對其的要求液越來越高，因此，要不斷的對旋轉導向系統進行技術性改進和突破，才能滿足鉆井的要求，提高采油率。1.2國內外研究狀況與趨勢1.2.1國外旋轉導向鉆井系統研究與發展現狀 國外從20 世紀80年代末期開始旋轉導向鉆井系統的理論研究 。 20 世紀 90 年代世界上多家公司，包括 ： ：Baker Hughes公司與 ENIAgip 公司的聯合研究項目組、英國的 Camco 公司、英國的 CambridgeDrilling Automation 公 司、日 本 國 家 石 油 公 司（JN

13、OC）等分別形成了各自的旋轉導向系統樣機 ， ，并開始進行現場試驗和應用 。至20 世紀末期 ， 三家大的石油技術服務公司 Schlumberger、Baker Hughes和Halliburton通過各種方式分別形成了其各自商業化應用的 AutoTrak RCLS 、PowerDrive SRD 和Geo Pilot 旋轉導向鉆井系統。（1） Geo Pilot旋轉導向鉆井系統Geo Pilot 系統是 Halliburton公司下屬的 Speny Sun 公司開發的旋轉導向系統 ， ，又稱 RST （Rotary Steerable Tool）。其主要特征是下部驅動主軸可在殼體內旋轉成一定

14、角度 ， 相當于形成一個可調彎角 ， ，可對井斜和方位進行糾正 。Geo Pilot 系統采用控制鉆柱彎曲特征來實現鉆頭軸線的有效導控 ，其優點是造斜率由工具本身確定 ，不受鉆進地層巖性的影響 ，在軟地層與不均質地層中效果明顯 ，缺點是鉆柱承受高強度的交變應力 ，鉆柱容易發生疲勞破壞 。另外， ， 高精度加工是保證這種系統導向效果的關鍵 。（2）AutoTrak旋轉導向鉆井系統AutoTrak系統是一套集鉆進和隨鉆測量為一體的定向鉆井系統 ， ，能夠在旋轉鉆井過程向造斜鉆進 ， ，主要是因為它有一個獨特的非旋轉可調扶正器滑套 ， ，此扶正器滑套并非真的不旋轉 ， ，只是相對鉆頭驅動軸而言它幾乎

15、是不旋轉 ， ，因此在旋轉鉆進過程中 ， ，此扶正器滑套可以保持一種相對靜止的狀態 ，從而保證鉆頭沿著某一特定的方向鉆進 。非旋轉扶正器滑套內有元件 ： 近鉆頭井斜傳感器、電子控制元件、液壓控制閥和活塞 ， ，見圖11-1。通過液壓可推動活塞分別對3 個穩定塊施加不同的壓力 ， ，其合力就使鉆具沿某一特定方向偏移 ， ，從而在鉆進過程中使鉆頭產生1 個側向力 ， ，保證鉆頭沿這一方向定向鉆進 。圖 1-1 AutoTrak內部結構（3） Power Drive旋轉導向鉆井系統斯倫貝謝公司的旋轉導向系統主要是指 PowerDrive系統 ， ，包括 PowerDrive X5110 、 Powe

16、rDrive X5900 、 PowerDrive X5 、 PowerDrive X5675 、 PowerDrive X5475 、 PowerDrive Xceed 900、 Power vorteX ，除了 Power vorteX 是動力式旋轉導向系統外 ， ，其他均為全旋轉式旋轉導向系統 ， ，PowerDrive X5 系列旋轉導向工具可通過 PowerPulse 和 TeleScope工具實時測量井下數據 ， ，測量近鉆頭地層狀態、鉆頭振動情況和鉆頭轉速 ， ，利用近鉆頭伽馬射線顯示地質和井眼成像 ，自動糾斜 。它適用的井眼尺寸為5.2526 in， ，可用常規鉆井液 ， ，最

17、高耐溫 150 ， ，流量范圍480 1900 gpm ， ，最高耐壓20000 psi，其中 ， ，PowerDrive X51100 型最大轉速200 rmin ，最大造斜率3° 100 f t ， ，PowerDrive X5475 型最大轉速 250 rmin ， 最大造斜率 8 °100 f t 。PowerDrive Xceed 系列可以用于裸眼側鉆、隨鉆擴眼或用雙芯鉆頭鉆研磨性地層 ， ，其使用參數與 PowerDrive X5 系列大致一樣 ， ，適用的井眼尺寸為 8.375 17.5in ， 可用常規鉆井液 ， 最高耐溫150 ， ，流量范圍 450 18

18、00 gpm ，最高耐壓20000 psi ，最大轉速 350 rmin ，其中 ，PowerDrive Xceed 900 型最大造斜率 6.5°100 f t ，PowerDrive Xceed 675 型最大造斜率 8°100 f t 。Power vorteX 是一種高性能的導向鉆井工具 ， ，可以提升所需的井下動力 ， ，增加井眼的穩定性 ， ，自動糾斜 ， ，有智能的高性能動力組件 ， ，可適用于 4.75 11in的井眼 ， ，最高耐溫150 。PowerDrive 調制式旋轉導向系統在結構設計方面更為簡單 ， ，小型化趨勢好 ， ，全旋轉工作方式使鉆柱對井壁

19、沒有靜止點從而可以保證這種系統更能適合各種復雜的環境鉆井極限井深更深 ， ，速度更快 ， ，在大位移井、三維多目標井與其它高難度特殊工藝井中更具競爭力 。由于在鉆具與井壁間不會產生阻礙鉆屑流動的瓶頸所以提高了攜屑液流的通過能力 。因為鉆具沒有產生摩擦的固定部件 ， ，也提高了機械鉆速 。由于沒有固定部件或慢速旋轉部件與套管、斜向器或井壁接觸所以發生機械故障和壓差卡鉆的幾率大幅度下降從而提高了鉆具壽命 。全旋轉系統可以使用任何類型的鉆井液 。斯倫貝謝公司的 Power Drive Xceed 鉆具可以解決鉆軟地層和裸眼側鉆過程中旋轉導向鉆具所遇到的問題 。這套系統唯有近鉆頭穩定器與井壁接觸在鉆軟

20、地層時不再需要借助翼片推靠井壁或慢速旋轉鉆具來控制方位 。井下鉆具與地面的通訊是借助于 Power Pluse MWD 遙測系統來實現的 ， ，它包括一整套隨鉆電子測量工具。Power Drive Xceed與 Power Pluse相互結合 ， ，Power Drive Xceed 就可以在鉆進過程中向井口提供鉆具面、井斜角、方位等實時測量數據 。根據所獲得的信息 ， ，可從井口發出指令以保持或改變鉆頭軌跡 。鉆具內部的電子測量工具會自動調整鉆具的位置 ， ，使鉆具在不與井壁接觸的情況下始終處于井眼的高邊 。但工作壽命有待進一步提高 。1.2.2 1.2.21.2.2國內旋轉導向鉆井系統研究

21、現狀20 世紀 90 年代，西安石油學院等國內少數研究機構開始關注旋轉導向鉆井技術，主要進行情報調研和初步的概念性探索研究。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”的中國石油天然氣總公司(CNPC)“九五”立項調研；1994 年，西安石油學院張紹槐教授等又開展了井下旋轉自動導向鉆井系統 RCLD(Rotary Close-Loop 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、鉆井智能信息與模擬技術以與隨鉆地震技術(SWD)等。21 世紀初國家科技部和中石油、中石化、中海油都紛紛立項研究旋轉導向鉆井技術，西安石油學院

22、參加了這些研究項目并于 2002 年初建立了我國第一個多學科的導向鉆井研究所。勝利油田在我國導向鉆井技術應用和研究方面也一直處于全國第一的領先地位，曾于 1989 年在河 50 井組鉆成功一個井場井數最多的叢式井，并且已成功地為 20 多個油田提供了水平井技術服務，成功鉆探的水平井數量占同期全國所鉆水平井總數的三分之二； 1996 年，勝利油田鉆井工藝研究院研究了可控變徑穩定器；1999 年勝利油田開始進行旋轉自動導向鉆井系統的跟蹤調研、論證和初步研究方案設計等工作，同年引進了地層評價隨鉆測量系統(FEWD )并進入卡塔爾國際市場；2000 年進行了旋轉導向鉆井系統開發可行性研究，2001 年

23、“旋轉導向鉆井系統整體方案設計與關鍵技術研究”、“旋轉導向鉆井技術研究”分別被列為國家“863”前瞻性研究項目與XX集團公司科技攻關項目，勝利油田與西安石油學院合作開始共同研制和開發具有自主知識產權的旋轉導向系統調制式旋轉導向鉆井系統 MRSS(Modulated Rotary Steerable System)。在全面完成國家“863”前瞻性研究攻關項目的基礎上，2003 年“旋轉導向鉆井系統關鍵技術研究”被列為國家“863”正式科技攻關項目。MRSS 調制式旋轉導向鉆井系統為動態偏置推靠式系統，目前已在其關鍵技術研究方面取得突破，對該系統已建立起系統的力學物理、數學模型，理論研究比較完善成

24、熟，已形成了功能性樣機，系統的部分功能已在地面得到驗證。由中海油與西安石油學院等研究單位承擔的國家“863” 課題“旋轉導向三維可控鉆井技術研究”也取得了突破，研究的可控偏心器式旋轉導向鉆井工具系統，為靜態偏置推靠式系統，目前已進行了偏心機理、井下 BHA 組合力學性能等一定的理論研究和工具系統各單元樣機的現場試驗，其在陸地和海上油田的現場試驗結果表明：在井斜約 60°的大斜度穩斜井段，井斜控制和方位控制都達到了控制要求，采用的旋轉導向鉆具組合還可提高鉆壓，最高可達 240 kN，為“十一五”期間旋轉導向鉆井工具系統的進一步完善和應用奠定了堅實的工程化基礎，在國內旋轉導向鉆井系統關鍵

25、技術研究方面有一定的突破。2002 年至 2005 年上半年，該工具系統的隨鉆電阻率、自然伽馬測量工具單元樣機進行了 7 次陸地油田鉆井試驗，主要技術指標達到了最高耐壓 140 MPa，最高工作溫度 150，連續工作時間 200 h，實現了國內首次對隨鉆電阻率和地層自然伽馬的測量；2005 年 1 月，該工具系統的井下工程參數測量短節在四川 MP37 井下井試驗，鉆井作業 40.95 h，鉆井進尺 320 m，取得了較好的試驗效果。- 14 -2005 年以來，對該工具系統的鉆井液脈沖上傳信息技術與 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

26、m，工作時間達到 86 h，最長時間 200 h，完全達到了設計要求，目前該系統在井下的軟件和硬件接口以與總控系統都可以滿足作業需求，并與其他井下儀器具有良好的兼容性能。2006年5月30日該工具系統的旋轉導向可控偏心移交器單元樣機在長慶油田 Ning37-32 井進行了鉆井試驗，國內首次利用具有自主知識產權的旋轉導向可控偏心器鉆井技術實現成功鉆井 60 m。此外，文獻中有偏置工具后置式系統的介紹，該系統為靜態偏置外推指向式系統，國內僅對其導向性能等做了初步的理論分析研究。由于美國實行的技術封鎖，國內缺少國外先進的旋轉導向系統實物樣機作為參考，加之研發費用高，在關鍵技術方面還是存在著重重困難，

27、樣機現場試驗效果與國外技術相比還存在較大的差距，目前還無法形成應用于現場的能力。1.320世紀90 年代中期 ， 在跟蹤調研國外先進技術的基礎上 ， 國內少數研究機構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XX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制式旋轉導向鉆井系統和靜態偏置推靠式旋轉導向鉆井系統進行了系統的研究攻關 ， 并在關鍵技術方面取得了突破畢業設計論文的主要內容（1）查閱、收集有關鉆轉導向鉆井工具的資料，理解鉆轉導向鉆井工具原理與結構，了解國內外鉆轉導向鉆井工具的研究與應用現狀和發展

28、趨勢，搞清本次畢業設計所要設計的內容，在此基礎上完成開題報告。；（2）查閱有關鉆轉導向鉆井工具的外文資料并選定一篇進行翻譯。；（3）分析鉆轉導向鉆井工具的結構特點與其所存在的缺陷，提出鉆轉導向鉆井工具的的設計方案和對控制軸進行動力學理論分析。；（4）畫出結構草圖，并根據任務書所給數據進行計算和校核，確定鉆轉導向鉆井工具的各零部件具體尺寸，如有需要，對初步方案和草圖進行修改，并進行整個工具經濟性評價。；（5）畫出鉆轉導向鉆井工具的裝配圖和各零部件的零件圖。；（6）完成畢業設計論文。2.第二章調制式鉆轉導向系統的結構旋轉導向鉆井裝置方案對比分析2.1 1 旋轉導向鉆井工具的分類旋轉導向系統按導向方

29、式可分為兩類：推靠式(Push the bit) 和指向(Point the bit)。旋轉導向系統按偏置機構的工作方式又可分為靜態偏置式(Static Bias) 和動態偏置式(Dynamic Bias ,即調制式(Modulated) ) 二種。2.2三種旋轉導向鉆井系統的結構特征和對比2.2.1Auto Trak 旋轉導向鉆井系統工作原理:AutoTrak RCLS系統的井下偏置導向工具由不旋轉外套和旋轉心軸兩大部分通過上下軸承連接形成一可相對轉動的結構。旋轉心軸上接鉆柱，下接鉆頭，起傳遞鉆壓、扭矩和輸送鉆井液的作用。不旋轉外套上設置有井下CPU、控制部分和支撐翼肋。2.2.2Power

30、 Drive 旋轉導向鉆井系統產品特點：1、系統是全旋轉式的。2、該系統由穩定平臺單元、工作液控制分配單元與偏置執行機構3部分組成。導向原理如圖2-1。圖2-1 Power Drive的導向原理2.2.3.Geo-Pilot旋轉導向鉆井系統 其結構如圖2-2。圖2-2 Geo-Pilot的結構其主要特點：外筒不旋轉，改變角度導向其導向原理如圖2-3。圖2-3 Geo-Pilot的導向原理2.2.4三種不同方式旋轉導向系統對比表2-1 三種不同方式旋轉導向系統對比工作方式代表系統旋轉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偏置推靠鉆頭式Auto Trak RCLS工具系統外

31、筒不旋轉6.5°/30m中低存在215.9311.2MM動態偏置推靠鉆頭式Power Drive SRD全旋轉8.5°/30m高高存在152.4311.2MM靜態偏置指向鉆頭式Geo-Pilot工具系統外筒不旋轉5.5°/30m中中消除215.9311.2MMAuto Track RCLS：位移工作方式、靜止外套、小型化能力差、結構復雜等。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。Geo-Pilot：鉆柱承受高強度的交變應力,鉆柱容易發生疲勞破壞。2.3 3旋轉導向鉆井方案的選擇推靠式旋轉導向系統的特點：側向力大, 造斜率

32、高, 但旋轉導向鉆出的井眼狗腿大, 軌跡波動大, 不平滑。鉆頭和鉆頭軸承的磨損較嚴重。指向式旋轉導向系統的特點：能鉆出較平滑的井眼；摩阻和扭矩較小；可以使用較大的鉆壓；機械鉆速較高；有助于發揮鉆頭的性能；鉆頭與其軸承承受的側向載荷較小；極限位移增加。但是造斜率較低。經過反復的論證和分析，這兩種方案中，推靠式經過了大量的實踐，其可靠性強，并得到了不斷的技術改進和完善。而指向式控制較難，偏心機構的彎軸與兩個偏心環的設計較難，執行機構的控制較推靠式有一定的難度，并且導向能力比較弱，不能滿足大位移、定向鉆井等鉆井作業，因此，我選擇了動態偏置推靠鉆頭式的全旋轉導向鉆井系統為自己的設計方向。第三章 旋轉導

33、向鉆井系統總體結構與工作原理3.1 1 旋轉導向鉆井系統的組成旋轉導向鉆井工具下部接鉆頭，上部連接無磁鉆鋌，無磁鉆鋌內安裝MWD，經MWD攜帶的通訊工具與地面系統形成信息流閉環。旋轉導向鉆井系統由五部分組成：（1）電源部分 給整個工具供電，包括測量單元、控制單元、通訊單元、信息處理單元提供工作電源的電源管理模塊與渦輪發電機輸出穩定模塊；（2）測量部分 主要是測量穩定平臺所在位置處的井斜角、方位角和工具面角，以滿足控制所需；（3）控制部分 完成工具面角的控制，包括工具面角（上盤閥高壓孔）的穩定控制和調節控制； （4）短程通訊部分 包括信息的篩選、編碼和譯碼，完成MRGCLT與MWD之間的信息傳遞

34、；（5）執行機構部分 完成旋轉導向的機械動作，包括高低壓孔的連接和柱塞的伸出與縮回。3.22旋轉導向鉆井工具工作原理旋轉導向鉆井工具的最基本功能有2 種: 導向功能; 穩斜或不導向功能。導向功能是指當需要向某一個井斜、方位導向時,可由穩定平臺通過控制軸將上盤閥高壓孔的中心即工具面角調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與方位進行鉆進,并由各隨鉆測試儀器隨時監測井眼軌跡。穩斜功能 不導向 是使穩定平臺帶動上盤閥,使其和鉆柱以不同的某一轉速作勻速轉動 如 2040 r/ min ,這時在360°工具面角的方向上,不斷有類似巴掌的推板伸出并推靠井壁,綜合作用則表現為

35、不導向,亦即穩斜鉆進。旋轉導向鉆井系統原理如圖3-1所示。圖 3-1 旋轉導向鉆井系統工作原理根據對井下工程、地質與幾何參數的監測和要求旋轉導向鉆井工具可以按已設定的程序或給定的指令調整井斜和方位。它是一種機、電一體化智能導向工具 ,靠近鉆頭的推靠柱塞和推板、工作液控制閥以與穩定平臺是它的核心部件。推板的動力來自于泥漿經過鉆頭水眼后所產生的鉆柱內外壓差;工作液控制閥上、下盤閥的相對位置 的調節和穩定則由穩定平臺控制;3 個推板的相位差為 120°鉆柱在旋轉狀態下任意一個或兩個推板通過某一特定的方位時,借助工作液控制閥所施加的壓力 泥漿壓差 來同步調整推板的伸出,使其與井壁接觸,并對鉆

36、頭產生一個側向力 即利用井壁對推板的反作用力 來推動鉆頭改變原方向,達到改變井斜或方位的目的,從而實現旋轉導向鉆井。旋轉導向鉆井工具中穩定平臺單元的作用是在鉆井工具中產生一個不受鉆桿旋轉影響、相對穩定的平臺 ,從而能夠使鉆柱導向鉆井工具與推板的工具面角在旋轉時保持穩定。穩定平臺單元由上、下 2 個渦輪發電機、測控電子系統與電子倉組成。上渦輪發電機是系統動力發生器,提供井下電源 ,其旋轉方向為順時針方向;下渦輪發電機是扭矩發生器 ,其旋轉方向為逆時針。2 個渦輪發電機之間設置密封電子倉 ,電子倉中有控制電路和測量工具面角、井斜角的三軸重力加速度計、短程通訊、下傳信號接受器與其電路等。為了使穩定平

37、臺在旋轉的鉆柱內維持穩定 ,必須使施加到控制軸上的力矩平衡。工作中平臺受到的主要力矩包括驅動上盤閥旋轉的扭矩、鉆柱旋轉帶來的機械摩擦阻力矩和作為電能發生器的渦輪發電機本身的電磁力矩。作為力矩發生器的下渦輪電機電樞在磁場中也會產生一個電磁力矩 ,即驅動動力矩。渦輪發電機與扭矩發生器的扭矩聯合作用實現可控調節與平衡。按照其功能,穩定平臺控制機構由渦輪發電機、控制電路、檢測電路、通訊電路和驅動電路等 6 大部分組成。2個井下渦輪發電機利用鉆井液的動能為平臺中的電氣設備提供電源 ,同時作為平臺穩定控制的執行器控制與其相聯的液壓控制單元中的上盤閥。旋轉導向鉆井工具中的工作液控制單元是一個盤閥開關系統 ,

38、由上、下盤閥 2 部分組成。上盤閥由穩定平臺控制軸帶動 ,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3-2 a 所示;下盤閥固定在偏置機構單元本體內 ,上開有 3 個孔 ,分別與偏置執行機構的 3 個柱塞相通 ,見圖 3-2 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

39、在穩定平臺的作用下 ,控制上盤閥高壓孔的位置 工程上的工具面角 。圖 3-2 上盤閥和下盤閥結構旋轉導向鉆井工具中的偏置執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流程如圖 3-3 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

40、息智能處理綜合決策系統來調整鉆頭走向 ,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定平臺的控制軸 ,實施工具面角的調整、改變導向執行機構推靠井壁的方向 ,從而實現鉆柱在連續旋轉狀態下的三維導向。圖 3-3 旋轉導向鉆井技術信息傳輸流程3.3 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定平臺單元、工作液控制分配單元與偏置執行機構 3 部分組成。圖 3-4 所示為自主開發的旋轉導向鉆井工具的三維 CAD 結構圖。穩定平臺單元主要由渦輪發電機、控制電路電子倉、扭矩發生器、軸承支撐與密封部件等組成;工作

41、液控制分配單元主要由上盤閥、下盤閥、上盤閥軸向力調節彈簧、上盤閥控制軸和相應的密封部件組成;偏置執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 3-4 旋轉導向鉆井工具三維 CAD結構3.4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: 在穩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。經理論分析與模擬試驗確定 ,上盤閥高壓孔的圓心角選為 200°,以確保了

42、上盤閥相對井壁不動而下盤閥保持旋轉狀態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。穩定平臺控制軸使扭矩與負載相匹配。為了提高穩定平臺控制軸的驅動扭矩 ,采用了較大渦發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。 4.第四章 旋轉導向鉆井裝備置（機械部分）設計4.1 偏執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的核心部分，主要由三個伸縮巴掌和控

43、制系統的控制盤閥組成。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出的指令，并通過穩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。當導向機構處于工作狀態時, 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

44、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。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。當上盤高壓孔眼在控制機構作用下處于90°相位時, 導向機構就處于90°降方位狀態。當上盤高壓孔眼在控制機構作用下處于270°相位時, 則導向機構

45、就處于90°增方位狀態。研究表明, 對于RSDS 系統來講, 90°扭方位狀態實際上也是全力扭方位狀態 。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。低壓室與井眼環空相通, 保持低壓室內的環空壓力。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

46、保持不變, 這正是調節式導向機構的特點所在。圖4-1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、偏執機構單元。偏執機構主要由泥漿過濾、液壓分配和執行機構三部分組成。（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4-2.圖4-2 工作液控制分配單元偏執機構單元（3）執行機構部分由柱塞、柱塞套、巴掌和擋塊組成。，結構如圖4-3. 圖4-3偏執機構單元其他部件如下：（1）外筒 是一個長約860mm，直徑為1

47、76mm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。4.2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，而導向偏執機構主要由控制液分配單元和偏執機構單元組成。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

48、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的力的分量。因此高壓孔圓弧角的設計原則是在保證偏執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而且其變化范圍盡可能恒定，以實現工具工作穩定，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

49、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（4-1）式中： d-柱塞的直徑-鉆頭環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。4.21柱塞的設計與計算（1）柱塞的直徑（4-2）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=55.3mm，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

50、，高壓孔過泥漿時間為 T=（4-3） 式中為高壓孔的角度，為200°； 代入計算得T=22s故起裝配圖如圖4-4.1-上控制軸 ； 2-泥漿過濾網；3-上下盤閥；4-柱塞； 5-巴掌圖4-4 導向裝置裝配圖4.34. 3巴掌與井壁接觸強度的計算巴掌與井壁的接觸面積為（4-4）巴掌受到的壓強3.25MPa（4-5）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（4-6）壓力腔泥漿過液面積（4-7）由于=48.1/9.8=5.0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

51、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=1962.5軸承支座處的孔過流面積為圖4-5 軸承支座由上圖可知（4-8） =4721所以遠大于S。圖4-6鉆具本體泥漿過流孔結構 由上圖可知（4-9） =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。4.5 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=1.2則 （4-10）銷釘的剪切面積為（4-11）銷釘所受的應力為（4-12）所以，滿足強度要求。4.6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（4-13）螺

52、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=1.2,則（4-14）所以，滿足強度要求。4.7 盤閥連接螺釘強度校核 參考機械設計知（4-15）式中 -預緊力 參考上盤閥的設計，下盤閥承受的軸向力：F=18.86MPa。選擇螺釘材料，取安全系數為S=1.5，故螺釘材料的許用壓力為（4-16）按螺紋標準（GB196-81），選用螺紋的公稱直徑是10mm的螺釘。4.8液壓盤閥系統的設計旋轉導向鉆井系統的液壓盤閥系統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120°的3個伸縮塊的某一個塊，它每一次通過某

53、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。盤閥的運動規律又反過來影響穩定平臺的穩定運動控制系統的設計和實現。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而且其變化范圍盡可能恒定，以實現工具工作穩定，避免對鉆具產生較大的沖擊。根據巴掌合力連續的要求，偏執機構在工作過程中，任何時候至少應有1個巴掌

54、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與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120°，同時上盤閥的高壓孔圓弧角應不大于下盤閥相鄰3個低壓孔的中心角240°。因此，當°< <120°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 >240°時，始終至少有2個巴掌伸出，但有3個巴掌同時伸出拍打井壁的情況，對井壁的作用合力為零，工具導向能力也弱；只有當時，滿足上盤閥的高壓孔圓弧角的設計原則。根據鉆采工藝第

55、28卷，第5期旋轉導向鉆井工具液壓分配系統的設計的分析結論，上盤閥的高壓孔圓弧角最優為180°，考慮柱塞伸出和縮回的滯后影響與下盤閥低壓孔直徑的影響時，使下盤閥低壓孔實際導通角不等于上盤閥的高壓孔圓心角，會改變巴掌作用合力的作用形式，根據實際經驗，上盤閥的高壓孔圓弧角設計為200°。4.8.11上盤閥的結構設計和計算 圖4-7 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。加壓彈簧的設計按振動要求設計。在3500-4000m處振動等級取15g。 圖4-8上盤閥受力簡圖 上盤閥受到的力：-泥漿壓力-加壓彈簧的力-上盤閥重力-穩定平臺傳遞的扭矩-摩擦扭矩（1）由