旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明書樣本

Φ178旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì)摘要:旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是石油工業(yè)工程技術(shù)領(lǐng)域核心技術(shù)之一，得到了石油鉆井工程界極大關(guān)注，發(fā)揮著越來越重要作用，重要應(yīng)用于水平井、大位移井、超深井、三維多目的井等復(fù)雜構(gòu)造井作業(yè)。本文綜述了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具國內(nèi)外現(xiàn)狀，閘明了在國內(nèi)發(fā)展旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)重要性和必要性，簡介了它工作原理及構(gòu)造構(gòu)成，指出了研制該工具重要技術(shù)特點(diǎn)。調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)是靠內(nèi)外泥漿液壓力差驅(qū)動(dòng)原理來實(shí)現(xiàn)，這是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具能否正常工作核心。因此，對(duì)其液壓盤閥分派系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，及其在井下不同工況下所受力進(jìn)行分析計(jì)算。分析了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)井下鉆井工具系偏置方式和導(dǎo)向方式，完畢了導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械某些設(shè)計(jì)。核心詞:旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具；機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì)；壓力差；Φ178RotarySteerableDrillingToolMechanicalStructureDesignAbstract:Inmanyoilindustryengineeringfiledkeytechnologies,rotarysteerabledrillingtechnologyisonethathasbeenpaidmuchattentiontoinrecentyearsandexhibitsmoreandmoreimportanceinoildrillingindustry，mainlyusedinhorizontalwell,extendedreachwell,ultra-deepwell,3Dmulti-targetwellthecomplexstructureofmulti-lateralwellsinwellsoperating.Thispaperreviewsthedomesticandinternationaldrillingtoolstatus，illustratesthedevelopmentofrotarysteerabledrillingtechnologyoftheimportanceandnecessitytointroducetheworkingprincipleanditscomposition，thatthedevelopmentofthemaintechnicalfeaturesofthetool.Modulatedrotarysteerabledrillingtooldrivenbytheexecutingagencyisthepressuredifferencebetweeninsideandoutsidethemudfluid-drivenprinciplestoachieve，whichiswhetherthedrillingtooltoworkthekey.Therefore,itshydraulicdiscdistributionsystemanalysisandcalculation，anditsdifferentworkingconditionsinundergroundanalyzingandcalculatingtheforce.Analysisofdownholerotarysteerabledrillingtooldrillingsystemorientationbiasway.Completeguidethedesignofmechanicalpartsoftheimplementingagencies.Keywords：Rotarysteeringdrillingtool；Mechanicalpartsdesign；Pressuredifference目錄TOC\o"1-3"\h\u30672第一章緒論 1263921.1本論文研究目、價(jià)值和意義 169651.2國內(nèi)外研究狀況及趨勢(shì) 211.2.1國內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)研究與發(fā)呈現(xiàn)狀 24381.2.2國外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)研究與發(fā)呈現(xiàn)狀 3176401.3畢業(yè)設(shè)計(jì)論文重要內(nèi)容 922657第二章旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井裝置方案對(duì)比分析 1059122.1旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具分類 10318392.2三種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)構(gòu)造特性和對(duì)比 104712.2.1AutoTrak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng) 10184852.2.2PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng) 11196412.2.3三種不同旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向方式對(duì)比 15257332.3旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井方案選取 152.415912旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具工作原理 1525784第三章旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具機(jī)械某些設(shè)計(jì) 1853733.1導(dǎo)向機(jī)構(gòu)導(dǎo)向原理及構(gòu)成 18278593.2上盤閥高壓孔圓弧角擬定 22319533.3柱塞有關(guān)計(jì)算 22210013.4巴掌構(gòu)造 2381233.5盤閥泥漿過流有效面積計(jì)算 24306673.6巴掌銷釘強(qiáng)度校核 26288233.7擋塊上螺釘強(qiáng)度校核 26301893.8盤閥連接螺釘強(qiáng)度校核 27324313.9液壓盤閥系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2787793.9.1上盤閥構(gòu)造設(shè)計(jì)計(jì)算 3795353.9.2上盤閥傳動(dòng)軸校核 303.9.3下盤閥設(shè)計(jì)313.9.4上下盤閥導(dǎo)通時(shí)間計(jì)算3273593.10盤閥加壓彈簧設(shè)計(jì) 34160443.11工詳細(xì)校核 3510599第四章旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià) 3860364.1旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具加工成本 3861744.2旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具經(jīng)濟(jì)效果 3829375第五章結(jié)論及展望 40219705.1結(jié)論 40319135.2展望與建議 4011549參照文獻(xiàn)4123844致謝 43緒論1.1本論文研究目、價(jià)值和意義為了節(jié)約開發(fā)成本和提高石油產(chǎn)量，對(duì)那些受地理位置限制或開發(fā)后期油田，普通通過開發(fā)深井、超深井和長距離水平井來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)雜構(gòu)造井不斷增多，這就要加快旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具研究步伐。20世紀(jì)80年代后期，國際上開始加強(qiáng)對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井研究。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井法是在用轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆柱鉆井時(shí),隨鉆實(shí)時(shí)完畢導(dǎo)向功能。其長處是：在輸送鉆頭時(shí)摩阻小，鉆速高(是滑動(dòng)鉆井2-3倍)、鉆頭進(jìn)尺多、鉆井時(shí)效高、建井周期短，井身軌跡平滑易調(diào)控。此外，其極限井深可達(dá)15km。鉆井成本低。因而，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是當(dāng)代導(dǎo)向鉆井技術(shù)發(fā)展必然方向。到90年代初期，國外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)已呈現(xiàn)商業(yè)化。中華人民共和國古代鉆井技術(shù)被稱為中華人民共和國古代文明第五大創(chuàng)造。開創(chuàng)了世界鉆井歷史先河新中華人民共和國成立后，國內(nèi)石油工業(yè)有了舉世矚目巨大成就。國內(nèi)石油產(chǎn)量現(xiàn)居全世界第5至第8位，國內(nèi)鉆井規(guī)摸已躍居全世界第3位，鉆井業(yè)已走出國門參加國際競(jìng)爭。當(dāng)前，國際鉆井技術(shù)發(fā)展總趨勢(shì)是以信息化、智能化、自動(dòng)化為特點(diǎn)，向自動(dòng)化鉆井階段發(fā)展自20世紀(jì)80年代后期，國際上開始加強(qiáng)對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究，到90年代初期，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)已呈現(xiàn)商業(yè)化。另一方面隨著油氣田日益減少，大位移井相對(duì)重要性和技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)越來越明顯，而它所面臨技術(shù)難度也是前所未有。重要是軌跡控制精度規(guī)定大幅度提高，控制難度明顯增長，同步又必要盡量保證有足夠速度以保證鉆井成本相對(duì)下降。要實(shí)現(xiàn)這一目的，就規(guī)定一方面實(shí)現(xiàn)井下閉環(huán)控制，可以使井眼軌跡控制工作最大限度避免由人為經(jīng)驗(yàn)來解決不擬定性干擾因獲引起復(fù)雜問題，并使井眼軌跡控制類似于導(dǎo)彈飛行控制，保證井眼軌跡控制精度和精確性得以大幅度提高。井下閉環(huán)鉆井技術(shù)代表了當(dāng)今井眼軌跡控制技術(shù)最高水平，經(jīng)濟(jì)、資源、技術(shù)因素決定了必要研究井下閉環(huán)鉆井技術(shù)。其正實(shí)現(xiàn)井下閉環(huán)控制，老式鉆井工具已不能滿足規(guī)定，必要研制更加靈活、全方位可調(diào)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向井下工具。其核心是能在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下按控制指令動(dòng)作以變化作用在鉆頭上合力或變化鉆具偏心限度偏三導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井時(shí)摩阻與扭阻小、鉆速高、鉆頭進(jìn)尺多、鉆井時(shí)效高、鉆井周期短、井身軌進(jìn)平滑，每米進(jìn)尺成本低，是當(dāng)代導(dǎo)向鉆井發(fā)展方向。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)是一種集機(jī)、電、液于一體閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，并以旋轉(zhuǎn)鉆井為其技術(shù)特性，因此在減少井下摩阻、提高鉆深能力和控制精度方面具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因此成為大位移井長穩(wěn)斜段鉆井作業(yè)慣用工具，也適合于水平井水平段（特別是薄油水層水平井）鉆進(jìn)與控制作業(yè)。當(dāng)前國內(nèi)也正在研制開發(fā)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，從各個(gè)油田和區(qū)塊應(yīng)用實(shí)例看，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具具備在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)持續(xù)導(dǎo)向能力，可以提高井眼清潔度和機(jī)械鉆速，減少壓差卡鉆；還具備井眼軌跡自動(dòng)控制能力，從而提高井眼軌跡光滑度，減少扭矩和摩阻，也就相應(yīng)地增長了水平井延伸長度。但該系統(tǒng)對(duì)設(shè)備規(guī)定比較高，規(guī)定設(shè)備、鉆具等能承受高轉(zhuǎn)速、大扭矩、高泵壓，在某種限度上加大了對(duì)設(shè)備、鉆具等損傷，并且該系統(tǒng)造價(jià)比較昂貴，一次性投入較大，并不是每個(gè)區(qū)塊和地層都合用這種鉆井技術(shù)。1.2國內(nèi)外研究狀況及趨勢(shì)1.2.1國內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)研究與發(fā)呈現(xiàn)狀20世紀(jì)90年代，西安石油大學(xué)等國內(nèi)少數(shù)研究機(jī)構(gòu)開始關(guān)注旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，重要進(jìn)行情報(bào)調(diào)研和初步概念性摸索研究。1991年，西安石油大學(xué)張紹槐專家組織力量進(jìn)行了“井眼軌跡制導(dǎo)技術(shù)”中華人民共和國石油天然氣總公司(CNPC)“九五”立項(xiàng)調(diào)研；1994年，西安石油大學(xué)張紹槐專家等又開展了井下旋轉(zhuǎn)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)RCLD(RotaryClose-LoopDrillingSystem)研究，并以國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目為依托研究了井身軌跡控制技術(shù)、鉆井智能信息與模仿技術(shù)以及隨鉆地震技術(shù)(SO)等。21世紀(jì)初國家科技部和中石油、中石化、中海油都紛紛立項(xiàng)研究旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，西安石油大學(xué)參加了這些研究項(xiàng)目并于初建立了國內(nèi)第一種多學(xué)科導(dǎo)向鉆井研究所。勝利油田在國內(nèi)導(dǎo)向鉆井技術(shù)應(yīng)用和研究方面也始終處在全國第一領(lǐng)先地位，曾于1989年在河50井組鉆成功一種井場(chǎng)井?dāng)?shù)最多叢式井，并且己成功地為20各種油田提供了水平井技術(shù)服務(wù)，成功鉆探水平井?dāng)?shù)量占同期全國所鉆水平井總數(shù)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(wěn)定器；1999年勝利油田開始進(jìn)行旋轉(zhuǎn)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)跟蹤調(diào)研、論證和初步研究方案設(shè)計(jì)等工作，同年引進(jìn)了地層評(píng)價(jià)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)(FEWD)并進(jìn)入卡塔爾國際市場(chǎng)；進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)開發(fā)可行性研究，“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)及核心技術(shù)研究”、“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究”分別被列為國家“863”前瞻性研究項(xiàng)目及中華人民共和國石化集團(tuán)公司科技攻關(guān)項(xiàng)目，勝利油田與西安石油學(xué)院合伙開始共同研制和開發(fā)具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)—調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)MRSS（ModulatedRotarySteerableSystem)。在全面完畢國家“863”前瞻性研究攻關(guān)項(xiàng)目基本上，“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)核心技術(shù)研究”被列為國家“863"正式科技攻關(guān)項(xiàng)目。MSS調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)為動(dòng)態(tài)偏置推靠式系統(tǒng)，當(dāng)前己在其核心技術(shù)研究方面獲得突破，對(duì)該系統(tǒng)已建立起系統(tǒng)力學(xué)物理、數(shù)學(xué)模型，理論研究比較完善成熟，已形成了功能性樣機(jī)，系統(tǒng)某些功能已在地面得到驗(yàn)證。由中海油與西安石油大學(xué)等研究單位承擔(dān)國家“863”課題“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向三維可控鉆井技術(shù)研究”也獲得了突破，研究可控偏心器式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)，為靜態(tài)偏置推靠式系統(tǒng)，當(dāng)前己進(jìn)行了偏心機(jī)理、井下BHA組合力學(xué)性能等一定理論研究和工具系統(tǒng)各單元樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，其在陸地和海上油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)成果表白：在井斜約60o大斜度穩(wěn)斜井段，井斜控制和方位控制都達(dá)到了控制規(guī)定，采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合還可提高鉆壓，最高可達(dá)240KN，為“十一五”期間旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)進(jìn)一步完善和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)工程化基本，在國內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)核心技術(shù)研究方面有一定突破。至上半年，該工具系統(tǒng)隨鉆電阻率、自然伽馬測(cè)量工具單元樣機(jī)進(jìn)行了7次陸地油田鉆井實(shí)驗(yàn)，重要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了最高耐壓140MPa，最高工作溫度150℃，持續(xù)工作時(shí)間200h，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)初次對(duì)隨鉆電阻率和地層自然伽馬測(cè)量。1月，該工具系統(tǒng)井下工程參數(shù)測(cè)量短節(jié)在四川MP37井下井實(shí)驗(yàn)，鉆井作業(yè)40.95h，鉆井進(jìn)尺320m，獲得了較好實(shí)驗(yàn)效果。以來，對(duì)該工具系統(tǒng)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(jìn)行了鉆井實(shí)驗(yàn)，鉆井深度達(dá)到2850m，工作時(shí)間達(dá)到86h，最長時(shí)間200h，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)規(guī)定，當(dāng)前該系統(tǒng)在井下軟件和硬件接口以及總控系統(tǒng)都可以滿足作業(yè)需求，并與其她井下儀器具備良好兼容性能。5月30日該工具系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向可控偏心移送器單元樣機(jī)在長慶油田Ning37-32井進(jìn)行了鉆井實(shí)驗(yàn)，國內(nèi)初次運(yùn)用品有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向可控偏心器鉆井技術(shù)實(shí)現(xiàn)成功鉆井。此外，文獻(xiàn)中有偏置工具后置式系統(tǒng)簡介，該系統(tǒng)為靜態(tài)偏置外推指向式系統(tǒng)，國內(nèi)僅對(duì)其導(dǎo)向性能等做了初步理論分析研究。由于美國實(shí)行技術(shù)封鎖，國內(nèi)缺少國外先進(jìn)旋轉(zhuǎn)一導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)物樣機(jī)作為參照，加之研發(fā)費(fèi)用高，在核心技術(shù)方面還是存在著重重困難，樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)效果與國外技術(shù)相比還存在較大差別當(dāng)前還無法形成應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)能力。1.2.2國外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)研究與發(fā)呈現(xiàn)狀國外從20世紀(jì)80年代末期開始旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)理論研究。導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)最初只用在定向井、叢式井，隨油田開發(fā)增多，逐漸用到了大斜度井、水平井、蘭維多目的井、大位移井等。因而導(dǎo)向鉆井相應(yīng)發(fā)展也經(jīng)歷了三個(gè)階段：初級(jí)導(dǎo)向鉆井、地面人工控制導(dǎo)向鉆井及全自動(dòng)井下閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井。初級(jí)導(dǎo)向鉆井是運(yùn)用彎外殼螺桿鉆具，在造斜段(或降斜段)、穩(wěn)斜段分別實(shí)行滑動(dòng)鉆進(jìn)和旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。地面人工控制導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)是使用變徑穩(wěn)定器加螺桿鉆具，采用遙控方式，通過變化井下穩(wěn)定器直徑來變化井下動(dòng)力鉆具力學(xué)特性，進(jìn)行造斜(或降斜)和穩(wěn)斜鉆進(jìn)，但在造斜段(或降斜段)同樣需要滑動(dòng)鉆進(jìn)?；瑒?dòng)鉆進(jìn)時(shí)機(jī)械鉆速低，攜巖能力差，井眼清洗不完善，容易發(fā)生粘吸卡鉆。全自動(dòng)井下閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)是從地面人工控制導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)發(fā)展成，可實(shí)行井下自動(dòng)側(cè)量、辨別解決、控制自動(dòng)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在造斜、降斜、穩(wěn)斜段內(nèi)均能實(shí)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，有助于提高機(jī)械鉆速，并且攜巖能力好，井眼清洗完善，可大大減少壓差卡鉆現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是20世紀(jì)90年代初，隨著水平井、大位移井、叢式并等復(fù)雜井和“海油路采”迅速發(fā)展，而浮現(xiàn)一種新型鉆井工具。到20世紀(jì)90年代中期，美、英、德、意、日五個(gè)國家8家大公司進(jìn)行研制并壟斷了其工程應(yīng)用和商業(yè)化技術(shù)服務(wù)市場(chǎng)，例如德國自動(dòng)垂直井鉆井系統(tǒng)VDS、美國BakerHughesInteq公司自動(dòng)直井鉆井系統(tǒng)SDD、Halliburton公司自動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)AGS、美國能源部資助自動(dòng)定向鉆井系統(tǒng)ADD、英國Cameo公司可導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)SRD、BakerHugheslnteq公司旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向井下閉環(huán)鉆井系統(tǒng)RCLS及日本提出RCDOS系統(tǒng)，特別是BakerHughes公司AatoTrak和Schlumberger公司PowerDrive獲得了較好應(yīng)用效果。當(dāng)前己形成或正在開發(fā)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)公司詳細(xì)狀況如下表1-1所示。表1-1既有旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)當(dāng)前，閉環(huán)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井技術(shù)已經(jīng)形成了兩個(gè)重要發(fā)展大方向：一種是以BakerHughesInteq公司AutoTrakRCLS系統(tǒng)為代表不旋轉(zhuǎn)外筒式閉環(huán)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，它以其精準(zhǔn)軌跡控制精度和完善地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)為特點(diǎn)，非常合用于高開發(fā)難度特殊油藏開發(fā)方案設(shè)計(jì)和導(dǎo)向鉆井作業(yè)，Halliburton公司Geo-Pilot系統(tǒng)也屬于這一類導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)；此外一種是以SchlumbergerAnadrill公司PowerDriverSRD系統(tǒng)為代表全旋轉(zhuǎn)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，它以其同樣精準(zhǔn)軌跡控制精度和特有位移延伸鉆井能力為特點(diǎn)，非常合用于超深井、邊沿油藏開發(fā)方案中深井、大位移井導(dǎo)向鉆井作業(yè)。這兩大方向又以BakerHughesInteq公司AutoTrakRCLS、SchlumbergerAnadril公司PowerDriveSRD和HalliburtonSperry-sun公司Geo-Pilot系統(tǒng)這三大系統(tǒng)為代表，分為三大類型，背面將對(duì)她們分別進(jìn)行詳細(xì)簡介。盡管當(dāng)前閉環(huán)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井技術(shù)存在兩個(gè)發(fā)展方向，但其長遠(yuǎn)發(fā)展方向都將是集兩者長處在一身閉環(huán)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井技術(shù)。(1)AutoTrak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)AutoTrak系統(tǒng)是一套集鉆進(jìn)和隨鉆測(cè)量為一體定向鉆井系統(tǒng)，可以在旋轉(zhuǎn)鉆井過程向造斜鉆進(jìn)，重要是由于它有一種獨(dú)特非旋轉(zhuǎn)可調(diào)扶正器滑套，此扶正器滑套并非真不旋轉(zhuǎn)，只是相對(duì)鉆頭驅(qū)動(dòng)軸而言它幾乎是不旋轉(zhuǎn)，因而在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中，此扶正器滑套可以保持一種相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，從而保證鉆頭沿著某一特定方向鉆進(jìn)。非旋轉(zhuǎn)扶正器滑套內(nèi)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1-1。通過液壓可推動(dòng)活塞分別對(duì)3個(gè)穩(wěn)定塊施加不同壓力，其合力就使鉆具沿某一特定方向偏移，從而在鉆進(jìn)過程中使鉆頭產(chǎn)生1個(gè)側(cè)向力，保證鉆頭沿這一方向定向鉆進(jìn)。圖1-1AutoTrak內(nèi)部構(gòu)造AutoTrak結(jié)合了當(dāng)前最為先進(jìn)MWD，LWD技術(shù)，滿足了地質(zhì)導(dǎo)向和鉆井作業(yè)雙重需要：同步結(jié)合MDL、MNP、MDP等工具，實(shí)現(xiàn)隨鉆測(cè)井規(guī)定。工具包括地面與井下雙向通訊系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)和LW以隨鉆測(cè)井系統(tǒng)三個(gè)某些。1)地面與井下雙向通訊系統(tǒng)此系統(tǒng)可使操作者能在不斷鉆狀況下，用鉆井液脈沖從地面向井下工具發(fā)出指令變化井眼軌跡、造斜率、方位變化率及降斜率等，批示井底發(fā)射器有選取地發(fā)送需要信息。為了能使地面指令向下傳播，開發(fā)了一項(xiàng)通過在井上調(diào)制排量來向下傳遞命令新技術(shù)：立管上安裝一種旁通觸發(fā)器，可在地面把某些鉆并液送回鉆井液池，相應(yīng)流盆變化導(dǎo)致井下發(fā)電機(jī)電壓變化，這樣加載了信息排量變化順序就送到井下并在井下得到解釋。它可以把地層參數(shù)、井下溫度、井眼軌跡參數(shù)、井底壓力及工具運(yùn)營狀態(tài)等數(shù)據(jù)用鉆井液正脈沖傳播到地面，并在地面接受譯碼。此工具上傳數(shù)據(jù)采用了己經(jīng)成功應(yīng)用20近年MWD中井下遙控脈沖發(fā)射器。2)AutoTrakRCLS導(dǎo)向系統(tǒng)RCLS系統(tǒng)井下偏置導(dǎo)向工具由不旋轉(zhuǎn)外套和旋轉(zhuǎn)心軸兩大某些通過上下軸承連接形成一可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)造，旋轉(zhuǎn)心軸上接鉆柱，下接鉆頭，起傳遞鉆壓、扭矩和輸送鉆井液作用，不旋轉(zhuǎn)外套上設(shè)立有井下CPU，控制某些和支撐翼肋。當(dāng)周向均布三個(gè)支撐翼肋分別以不同液壓力支捧于井壁時(shí)，將使不旋轉(zhuǎn)外套不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，同步，井壁反作用力將對(duì)井下偏置導(dǎo)向工具產(chǎn)生一種偏置合力。通過控制三個(gè)支撐翼肋支出液壓力大小，可控制偏置力大小和方向，以控制導(dǎo)向鉆井。液壓力大小由井下CPU控制井下控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)。井下CPU在下井前，預(yù)置了井眼軌跡數(shù)據(jù)。井下工作時(shí)，可將MWD測(cè)量井眼軌跡信息或LWD測(cè)量地層信息與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)控制液壓力，也可依照接受到地面指令調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)，控制液壓力，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向鉆進(jìn)。3)LWD(隨鉆測(cè)井)系統(tǒng)該系統(tǒng)可以使鉆頭得到精準(zhǔn)地質(zhì)導(dǎo)向，并取代了有線測(cè)井。它還具備GAMMA測(cè)井和電阻率測(cè)井功能。（2）PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)核心是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，其導(dǎo)向原理與BakerHughes公司RCLS導(dǎo)向鉆井工具類似，都是運(yùn)用近鉆頭導(dǎo)向塊伸縮與井壁互相作用產(chǎn)生導(dǎo)向力，但是構(gòu)造有所不同。PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)具備自我穩(wěn)定鉆井液動(dòng)力和密封控制單元，通過旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定傳感器同步調(diào)節(jié)井眼走向。當(dāng)需要在某個(gè)方向?qū)驎r(shí)，鉆柱在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，相位相差1200隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)3個(gè)導(dǎo)向塊中某一塊，它每一次通過某一特定垂向或徑向方位時(shí)，通過控制系統(tǒng)施加液壓，使同步導(dǎo)向塊伸出與井壁接觸，并對(duì)鉆頭產(chǎn)生一側(cè)向力，推動(dòng)鉆頭離開該方向，達(dá)到變化井斜和方位目，轉(zhuǎn)離該方向后，滑塊自動(dòng)縮回。圖1-2PowerDrive盤閥控制機(jī)構(gòu)示意圖斯倫貝謝公司旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)重要是指PowerDrive系統(tǒng)，涉及PowerDriveX51100、PowerDriveX5900、PowerDriveX5、PowerDrivX5675、PowerDriveX475、PowerDriveXceed900、PowervorteX除了PowervorteX是動(dòng)力式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)外，其她均為全旋轉(zhuǎn)式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，PowerDriveX5系列旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具可通過PowerPulse和TeleScope工具實(shí)時(shí)測(cè)量井下數(shù)據(jù)，測(cè)量近鉆頭地層狀態(tài)、鉆頭振動(dòng)狀況和鉆頭轉(zhuǎn)速，運(yùn)用近鉆頭伽馬射線顯示地質(zhì)和井眼成像，自動(dòng)糾斜。它合用井眼尺寸為514～26in，可用常規(guī)鉆井液，最高耐溫150℃，流量范疇480～1900gpm，最高耐壓0psi，其中，PowerDriveX51100型最大轉(zhuǎn)速200r／min，最大造斜率3°／100ft，PowerDriveX5475型最大轉(zhuǎn)速250r／min，最大造斜率8°／100ft。PowerDriveXceed系列可以用于裸眼側(cè)鉆、隨鉆擴(kuò)眼或用雙芯鉆頭鉆研磨性地層，其使用參數(shù)與PowerDriveX5系列大體相似，合用井眼尺寸為838～1712in，可用常規(guī)鉆井液，最高耐溫150℃，流量范疇450～1800gpm，最高耐壓0psi，最大轉(zhuǎn)速350r／min，其中，PowerDriveXceed900型最大造斜率6.5°/100ft，PowerDriveXceed675型最大造斜率8°／100ft。PowervorteX是一種高性能導(dǎo)向鉆井工具，可以提高所需井下動(dòng)力，增長井眼穩(wěn)定性，自動(dòng)糾斜，有智能高性能動(dòng)力組件，可合用于434in井眼，最高耐溫150℃。相對(duì)前面兩種鉆井系統(tǒng)而言，PowerDrive調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在構(gòu)造設(shè)計(jì)方面更為簡樸，小型化趨勢(shì)好，全旋轉(zhuǎn)工作方式使鉆柱對(duì)井壁沒有靜止點(diǎn)，從而可以保證這種系統(tǒng)更能適合各種復(fù)雜環(huán)境，鉆井極限井深更深，速度更快，在大位移井、三維多目的井及其他高難度特殊工藝井中更具競(jìng)爭力。由于在鉆具與井壁間不會(huì)產(chǎn)生阻礙鉆屑流動(dòng)瓶頸，因此提高了攜屑液流通過能力。由于鉆具沒有產(chǎn)生摩擦固定部件，也提高了機(jī)械鉆速。由于沒有固定部件或慢速旋轉(zhuǎn)部件與套管、斜向器或井壁接觸，因此發(fā)生機(jī)械故障和壓差卡鉆幾率大幅度下降，從而提高了鉆具壽命。全旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以使用任何類型鉆井液。斯倫貝謝公司PowerDriveXceed鉆具可以解決鉆軟地層和裸眼側(cè)鉆過程中旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具所遇到問題。這套系統(tǒng)唯有近鉆頭穩(wěn)定器與井壁接觸，在鉆軟地層時(shí)不再需要借助翼片推靠井壁或慢速旋轉(zhuǎn)鉆具來控制方位。井下鉆具與地面通訊是借助于PowerPluseMWD遙測(cè)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，它涉及一整套隨鉆電子測(cè)量工具。PowerDriveXceed與PowerPluse互相結(jié)合，PowerDriveXceed就可以在鉆進(jìn)過程中向井口提供鉆具面、井斜角、方位等實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。依照所獲得信息，可從井口發(fā)出指令以保持或變化鉆頭軌跡。鉆具內(nèi)部電子測(cè)量工具會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)鉆具位置，使鉆具在不與井壁接觸狀況下始終處在井眼高邊，但工作壽命有待進(jìn)一步提高。（3）Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)Geo-Pilot系統(tǒng)是Halliburton公司下屬Spenysun公司開發(fā)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，又稱RST（RotarySteerableTool）。其重要特性是下部驅(qū)動(dòng)主軸可在殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)成一定角度，相稱于形成一種可調(diào)彎角，可對(duì)井斜和方位進(jìn)行糾正。Geo-Pilot系統(tǒng)采用控制鉆柱彎曲特性來實(shí)現(xiàn)鉆頭軸線有效導(dǎo)控，其長處是造斜率由工具自身擬定，不受鉆進(jìn)地層巖性影響，在軟地層及不均質(zhì)地層中效果明顯，缺陷是鉆柱承受高強(qiáng)度交變應(yīng)力，鉆柱容易發(fā)生疲勞破壞。此外，高精度加工是保證這種系統(tǒng)導(dǎo)向效果核心。圖1-3Geo-Pilot主體綜合以上國外各種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具工作方式，其重要有兩種類型。一種是靠側(cè)向力推靠鉆頭原理旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具—稱“推靠鉆頭”(PushtheBit)導(dǎo)向原理工具，此類原理導(dǎo)向工具已有各種，其導(dǎo)向方式示意圖如1-4(a)所示。此外一種是近年來提出定向給鉆頭以角位移—簡稱“定向鉆頭”或“指向鉆頭”(PointtheBit)原理旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，其指向方式示意圖如1-4(b)所示。這種原理典型產(chǎn)品有SpentSun和JNOC公司合伙開發(fā)Geo-Pilot.這種“指向鉆頭”原理旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，其原理相對(duì)較新，在原井眼井斜5o以上才可增斜、穩(wěn)斜，在井斜較大時(shí)可降斜，但難以在直井中防斜。圖1-4（a)推靠鉆頭式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具圖1-4（b）指向鉆頭式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具1.3畢業(yè)設(shè)計(jì)論文重要內(nèi)容(1)查閱、收集關(guān)于鉆轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具資料，理解鉆轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具原理與構(gòu)造，理解國內(nèi)外鉆轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具研究與應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，弄清本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所要設(shè)計(jì)內(nèi)容，在此基本上完畢開題報(bào)告；(2)查閱關(guān)于鉆轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具外文資料并選定一篇進(jìn)行翻譯；(3)分析旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具構(gòu)造特點(diǎn)及其所存在缺陷，提出鉆轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具設(shè)計(jì)方案；(4)畫出構(gòu)造草圖，并依照任務(wù)書所給數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和校核，擬定鉆轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具各零部件詳細(xì)尺寸，如有需要，對(duì)初步方案和草圖進(jìn)行修改，并進(jìn)行整個(gè)工具經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)；(5)畫出鉆轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具裝配圖和各零部件零件圖；(6)完畢畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。

第二章旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井裝置方案對(duì)比分析2.1旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具分類旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)按導(dǎo)向方式可分為兩類：一種是靠側(cè)向力推靠鉆頭原理旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具—稱“推靠鉆頭”(PushtheBit)導(dǎo)向原理工具；此外一種是近年來提出定向給鉆頭以角位移—簡稱“定向鉆頭”或“指向鉆頭”(PointtheBit)原理旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)按偏置機(jī)構(gòu)工作方式又可分為靜態(tài)偏置式(StaticBias)和動(dòng)態(tài)偏置式(DynamicBias)即調(diào)制式(Modulated))二種。調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具是依托工具執(zhí)行機(jī)構(gòu)推靠井壁，使其給鉆頭一反作用側(cè)向力為原理工作，是當(dāng)今國內(nèi)外鉆井界已經(jīng)商業(yè)化3種導(dǎo)向原理之一鉆井工具。按傳感器不同區(qū)別，分為靜止式(如AUTOTRAKRCLS和POWERDRIVESRD系統(tǒng))和捷聯(lián)式(3S)兩種；以導(dǎo)向方式區(qū)別，有偏置鉆頭式(biasthebits，如AUTOTRAKRCLS和POWERDRIVESRD系統(tǒng))和傾斜鉆頭式(pointingthebits，如GEOPILOTS系統(tǒng))兩種；以工具構(gòu)造不同區(qū)別，有不旋轉(zhuǎn)外筒式((AUTOTRAKRCLS和GEOPILOTS系統(tǒng))和調(diào)制式(POWERDRIVESRI)系統(tǒng))兩種;尚有依照工具尺寸進(jìn)行分類，不同工具尺寸也不盡相似。MRST重要采用偏置鉆頭、旋轉(zhuǎn)外筒式，其傳感器為靜止式。相比較而言，偏置鉆頭工作方式調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)井下工具系統(tǒng)具備如下特點(diǎn)：(1)以鉆井過程中自然存在鉆井液壓差為動(dòng)力，其構(gòu)造簡樸緊湊；(2)這種工具系統(tǒng)力工作方式使其能適合各種復(fù)雜環(huán)境；(3)全旋轉(zhuǎn)工作方式使鉆柱對(duì)井壁沒有靜止點(diǎn)，從而可以保證井下安全，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜井眼軌跡能力強(qiáng)，鉆進(jìn)速度快。2.2三種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)構(gòu)造特性和對(duì)比2.2.1AutoTrak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)AutoTrak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)系統(tǒng)井下偏置導(dǎo)向工具由不旋轉(zhuǎn)外套和旋轉(zhuǎn)心軸兩大某些通過上下軸承連接形成一可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)造，旋轉(zhuǎn)心軸上接鉆柱，下接鉆頭，起傳遞鉆壓、扭矩和輸送鉆井液作用，不旋轉(zhuǎn)外套上設(shè)立有井下CPU，控制某些和支撐翼肋。圖2-1是井下偏置導(dǎo)向工具導(dǎo)向原理示意圖。當(dāng)周向均布三個(gè)支撐翼肋分別以不同液壓力支撐于井壁時(shí)，將使不旋轉(zhuǎn)外套不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，同步，井壁反作用力將對(duì)井下偏置導(dǎo)向工具產(chǎn)生一種偏置合力。通過控制三個(gè)支撐翼肋支出液壓力大小，可控制偏置力大小和方向，以控制導(dǎo)向鉆井。液壓力大小由井下CPU控制井下控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)。井下CPU在下井前，預(yù)置了井眼軌跡數(shù)據(jù)。井下工作時(shí)，可將MWD測(cè)量井眼軌跡信息或LWD測(cè)量地層信息與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)控制液壓力，也可依照接受到地面指令調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)，控制液壓力，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向鉆進(jìn)。圖2-1RCLS井下偏置導(dǎo)向工具導(dǎo)向原理示意圖在鉆井時(shí)該系統(tǒng)可以設(shè)立兩種鉆進(jìn)模式：①保持摸式。這種模式可使井眼軌跡保持一定井斜角和方位角。它在井下微解決設(shè)有造斜力或降斜力、變方位力、井斜角和方位角3個(gè)參數(shù).若井眼軌跡與預(yù)定井斜角或方位角發(fā)生偏差，井下微解決器將用設(shè)定好造斜力或變方位力來修正井眼軌跡，直到恢復(fù)預(yù)定井斜角和方位角。設(shè)定造斜力和變方位力重要是為了控制井眼狗腿度。保持模式可同步施加造斜力和變方位力。②導(dǎo)向模式。這種鉆進(jìn)模式猶如運(yùn)用導(dǎo)向馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)方式，可控制井眼軌跡變化。須設(shè)里導(dǎo)向塊產(chǎn)生合力矢大小和方向兩個(gè)參數(shù)。合力矢方向相稱于彎殼體馬達(dá)工具面角。合力矢大小是為了控制井眼軌跡變化率。與導(dǎo)向馬達(dá)相比，該旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具能更精準(zhǔn)地控制井眼軌跡，鉆頭側(cè)向力和井眼狗腿度可由閉環(huán)系統(tǒng)持續(xù)控制。2.2.2PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)核心是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，其導(dǎo)向原理與BakerHughes公司RCLS導(dǎo)向鉆井工具類似，都是運(yùn)用近鉆頭導(dǎo)向塊伸縮與井壁互相作用產(chǎn)生導(dǎo)向力，但是構(gòu)造有所不同。PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)具備自我穩(wěn)定鉆井液動(dòng)力和密封控制單元，通過旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定傳感器同步調(diào)節(jié)井眼走向。當(dāng)需要在某個(gè)方向?qū)驎r(shí)，鉆柱在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，相位相差1200隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)3個(gè)導(dǎo)向塊中某一塊，它每一次通過某一特定垂向或徑向方位時(shí)，通過控制系統(tǒng)施加液壓，使同步導(dǎo)向塊伸出與井壁接觸，并對(duì)鉆頭產(chǎn)生一側(cè)向力，推動(dòng)鉆頭離開該方向，達(dá)到變化井斜和方位目，轉(zhuǎn)離該方向后，滑塊自動(dòng)縮回。1)PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)井下控制單元井下工具包括控制器、旋轉(zhuǎn)換向閥及測(cè)量機(jī)構(gòu)。它們都置于鉆柱中間，可以保持相對(duì)靜止。為了與無磁鉆挺一起旋轉(zhuǎn)，將一密封壓力套安裝在中央，它通過聯(lián)接器和控制軸與偏置單元控制閥相連接，其方向由內(nèi)部傳感器監(jiān)控。單級(jí)軸向流體轉(zhuǎn)子也安裝在其上以獲得同心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子軸承也支撐著其線圈在壓力套內(nèi)部交流發(fā)電機(jī)永磁極構(gòu)造，這可使傳感器解決器和控制系統(tǒng)所需能源得到基本滿足。來自被稱為“扭矩裝里”交流發(fā)電機(jī)并作用在壓力套上逆時(shí)針扭矩，可以通過增大其電負(fù)載來平衡產(chǎn)生于旋轉(zhuǎn)著鉆挺并通過支撐軸承傳遞順時(shí)針扭矩以及產(chǎn)生于偏置單元中盤閥順時(shí)針扭矩進(jìn)行控制。通過對(duì)內(nèi)部傳感器測(cè)得方向與在控制系統(tǒng)存貯器中存貯規(guī)定方向進(jìn)行比較可以推導(dǎo)出負(fù)載控制信號(hào)和逆時(shí)針扭矩信號(hào)。壓力套及其內(nèi)部裝置、以及安裝在其上轉(zhuǎn)子和扭矩裝置構(gòu)成了“控制單元”?？刂茊卧δ苌婕埃孩倨每刂?；②提供測(cè)量數(shù)據(jù):鉆頭軸線實(shí)際井斜角和方位角。控制單元運(yùn)動(dòng)由地面軟件進(jìn)行控制。PowerDrive產(chǎn)品可以選取具備：通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)井斜角和方位角內(nèi)部自動(dòng)控制功能，這就規(guī)定系統(tǒng)應(yīng)具備信號(hào)以適應(yīng)速串下傳功能，但同步也會(huì)大大減少信號(hào)上傳規(guī)定。為了獲得測(cè)量及定向數(shù)據(jù)，運(yùn)用控制單元中傳感器來測(cè)量控制單元坐標(biāo)中重力及磁力矢盒。該系統(tǒng)所用單三軸力反饋加速度計(jì)，伺服機(jī)構(gòu)作用在敏感單元上，在其三個(gè)互相垂直方向上重心附近。加速度計(jì)殼體內(nèi)布滿著粘性液體，以緩和伺服機(jī)構(gòu)對(duì)高頻震動(dòng)響應(yīng)，使其對(duì)震動(dòng)和沖擊具備較大抵抗力。它直徑為1英寸，具備開發(fā)用于更小井眼PowerDrive系統(tǒng)潛力。2)PowerDrive井下偏叉導(dǎo)向工具構(gòu)造原理RSRD系統(tǒng)由控制某些穩(wěn)定平臺(tái)和翼肋支出及控制機(jī)構(gòu)構(gòu)成?？刂颇承┓€(wěn)定平臺(tái)內(nèi)部涉及測(cè)盆傳感器、井下CPU和控制電路，通過上下軸承懸掛于外筒內(nèi)，靠控制兩端渦輪在鉆井液中轉(zhuǎn)速使該某些形成一種不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)、相對(duì)穩(wěn)定控制平臺(tái)。與AutoTrakRCLS系統(tǒng)靠獨(dú)立液壓系統(tǒng)為支撐翼肋支出提供動(dòng)力來源不同是，PowerDriveSRD系統(tǒng)支撐冀肋支出動(dòng)力來源是鉆并過程中自然存在鉆柱內(nèi)外鉆井液壓差。如圖2-2所示，有一控制軸從控制某些穩(wěn)定平臺(tái)延伸到下部其肋支出控制機(jī)構(gòu)，底端固定上盤閥，由控制某些穩(wěn)定平臺(tái)控制上盤閥轉(zhuǎn)角。下盤閥固定于井下偏置工具內(nèi)部，隨鉆柱一起轉(zhuǎn)動(dòng)，其上液壓孔分別與翼肋支撐液壓腔相通。在井下工作時(shí)，由控制某些穩(wěn)定平臺(tái)控制上盤閥相對(duì)穩(wěn)定性:隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)下盤閥上液壓孔將依次與上盤閥上高壓孔接通，使鉆柱內(nèi)部高壓鉆井液通過該暫時(shí)接通液壓通道進(jìn)入有關(guān)揮肋支撐液壓腔，在鉆柱內(nèi)外鉆井液壓差作用下將冀肋支出。這樣，隨著鉆柱旋轉(zhuǎn)，每個(gè)支撐其肋都將在設(shè)計(jì)位置支出，從而為鉆頭提供一種側(cè)向力，產(chǎn)生導(dǎo)向作用。圖2-2PowerDrive盤閥控制機(jī)構(gòu)示意圖2.2.3Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)Geo-Pilot系統(tǒng)是Halliburton公司下屬Sperry-Sun公司開發(fā)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，又稱RST(RotarySteerableTool)。這是一種和AutoTrak、PowerDriveS作原理和構(gòu)造形式有較大區(qū)別另一種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，其重要特性是下部驅(qū)動(dòng)主軸可在殼體內(nèi)偏轉(zhuǎn)成一定角度，相稱于形成一種可調(diào)彎角，可對(duì)井斜和方位進(jìn)行糾正。1)Geo-Pilot系統(tǒng)井下偏置導(dǎo)向工具構(gòu)造原理Sperry-Sun公司Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)也是一種不旋轉(zhuǎn)外筒式導(dǎo)向工具，但與BakerHughesInteq公司AutoTrakRCLS系統(tǒng)和SchlumbergerAnadrill公司PowerDriveSRD系統(tǒng)不同是，Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)不是靠偏置鉆頭進(jìn)行導(dǎo)向，而是靠不旋轉(zhuǎn)外筒與旋轉(zhuǎn)心軸之間一套偏置機(jī)構(gòu)使旋轉(zhuǎn)心軸偏置，從而對(duì)于不旋轉(zhuǎn)外套固定，從而始終將旋轉(zhuǎn)心軸向固定方向偏置，為鉆頭提供一種方向固定傾角。2)Geo-Pilot總體外觀和參數(shù)簡介圖2-3Geo-Pilot主體如圖2-3所示，Geo-Pilot系統(tǒng)關(guān)于構(gòu)造和工作參數(shù)如下：公稱直徑171mm；上部外徑194mm；長度6.1m；連接上扣(母扣)114.3mm；連接下扣(REG母或公扣)114.3mm；造斜、降斜5°/30m；最大狗腿度10°/30m；最大主軸扭矩27.115Nm；最大轉(zhuǎn)速250r/min；最大流量4545kg/min；最大鉆壓245kN；鉆井液類型以水基鉆井液為主；最大含砂量2%；壓降0.46MPa(在22Us排量下計(jì)算值)外觀構(gòu)造；最大提拉力333kN；上接MWD；地面軟件為INSILE鉆機(jī)信息系統(tǒng)；井斜儀測(cè)量精度與范疇0.1°，測(cè)量傳感器距鉆頭位置；井斜、方位17.3m，伽馬13.8m，振動(dòng)13.8m，電阻率11.7m，近鉆頭井斜0.9m；電源為鏗電池；最大工作周期不少于200h(旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向)。其導(dǎo)向原理如圖2-4所示：圖2-4Geo-Pilot導(dǎo)向原理2.2.3三種不同旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向方式對(duì)比旋轉(zhuǎn)式導(dǎo)向鉆井工具，按導(dǎo)向方式不同重要分為3種類型，靜態(tài)偏置推靠式導(dǎo)向鉆具，調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具，靜態(tài)偏置指向式導(dǎo)向鉆具。從工作原理和適應(yīng)井下工作環(huán)境方面來講，三種工作方式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)各有其特點(diǎn)。靜態(tài)偏置指向式導(dǎo)向鉆具采用控制鉆柱彎曲特性，來實(shí)現(xiàn)鉆頭軸線有效導(dǎo)控，其長處是造斜率由工具自身擬定，不受鉆進(jìn)地層巖性影響，在軟地層及不均質(zhì)地層中效果明顯，缺陷是鉆柱承受高強(qiáng)度交變應(yīng)力，鉆柱容易發(fā)生疲勞破壞。此外，高精度加工是保證這種系統(tǒng)導(dǎo)向效果核心。靜態(tài)偏置推靠式導(dǎo)向鉆具采用了靜態(tài)式工作原理，重要靠鉆具偏心控制來變化鉆頭上側(cè)向力。這種系統(tǒng)長處是可以運(yùn)用成熟控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)偏心距控制，但是井下復(fù)雜條件使得這種系統(tǒng)具備許多缺陷，如位移工作方式、靜止外套、小型化能力差、構(gòu)造復(fù)雜等，所有這些都會(huì)影響這種系統(tǒng)發(fā)展。相對(duì)而言，調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具系統(tǒng)在構(gòu)造設(shè)計(jì)方面更為簡樸，小型化趨勢(shì)好，全旋轉(zhuǎn)工作方式使鉆柱對(duì)井壁沒有靜止點(diǎn)，從而可以保證這種系統(tǒng)更能適合各種復(fù)雜環(huán)境，鉆井極限井深更深，速度更快，在大位移井、三維多目的井及其他高難度特殊工藝井中更具競(jìng)爭力，但工作壽命有待進(jìn)一步提高。三種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具系統(tǒng)對(duì)比見表2-1。表2-1三種不同方式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)對(duì)比工作方式代表系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向限度造斜能力鉆井安全性位移延伸能力螺旋井眼適應(yīng)井眼尺寸靜態(tài)偏置推靠式AutoTrakRCLS工具系統(tǒng)外筒不旋轉(zhuǎn)6.5°/30m中低存在φ215.9~φ311.2mm調(diào)制式PowerDriveSRD全旋轉(zhuǎn)8.5°/30m高高存在φ152.4~φ311.2mm靜態(tài)偏置指向式Geo-Pilot工具系統(tǒng)外筒不旋轉(zhuǎn)5.5°/30m中中消除φ215.9~φ311.2mmAutoTrackRCLS:位移工作方式、靜止外套、小型化能力差、構(gòu)造復(fù)雜等。PowerDriveSRD:鉆頭和鉆頭軸承磨損較嚴(yán)重，工作壽命有待進(jìn)一步提高。Geo-Pilot:鉆柱承受高強(qiáng)度交變應(yīng)力，鉆柱容易發(fā)生疲勞破壞。2.3旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井方案選取推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)特點(diǎn)：側(cè)向力大，造斜率高，但旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆出井眼狗腿大，軌跡波動(dòng)大，不平滑。鉆頭和鉆頭軸承磨損較嚴(yán)重。指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)特點(diǎn)：能鉆出較平滑井眼，摩阻和扭矩較小，可以使用較大鉆壓，機(jī)械鉆速較高，有助于發(fā)揮鉆頭性能，鉆頭及其軸承承受側(cè)向載荷較小，極限位移增長，但是造斜率較低。通過重復(fù)論證和分析，這兩種方案中，推靠式通過了大量實(shí)踐，其可靠性強(qiáng)，并得到了不斷技術(shù)改進(jìn)和完善。而指向式控制較難，偏心機(jī)構(gòu)彎軸及兩個(gè)偏心環(huán)設(shè)計(jì)較難，執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制較推靠式有一定難度，并且導(dǎo)向能力比較弱，不能滿足大位移、定向鉆井等鉆井作業(yè)，因而，我選取了調(diào)制式全旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)為自己設(shè)計(jì)方向。2.4旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具工作原理旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具最基本功能有2種：①導(dǎo)向功能；②穩(wěn)斜或不導(dǎo)向功能。導(dǎo)向功能是指當(dāng)需要向某一種井斜、方位導(dǎo)向時(shí)，可由穩(wěn)定平臺(tái)通過控制軸將上盤閥高壓孔中心即工具面角調(diào)節(jié)到與所需導(dǎo)向井斜、方位相反位置上，這時(shí)鉆具沿所需井斜及方位進(jìn)行鉆進(jìn)，并由各隨鉆測(cè)試儀器隨時(shí)監(jiān)測(cè)井眼軌跡。穩(wěn)斜功能(不導(dǎo)向)是使穩(wěn)定平臺(tái)帶動(dòng)上盤閥，使其和鉆柱以不同某一轉(zhuǎn)速作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)(如20-40r/min)，這時(shí)在360°工具面角方向上，不斷有類似巴掌推板伸出并推靠井壁，綜合伙用則體現(xiàn)為不導(dǎo)向，亦即穩(wěn)斜鉆進(jìn)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)原理如圖2-5所示：圖2-5旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)工作原理依照對(duì)井下工程、地質(zhì)及幾何參數(shù)監(jiān)測(cè)和規(guī)定，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具可以按已設(shè)定程序或給定指令調(diào)節(jié)井斜和方位。它是一種機(jī)、電一體化智能導(dǎo)向工具，接近鉆頭推靠柱塞和推板、工作液控制閥以及穩(wěn)定平臺(tái)是它核心部件。推板動(dòng)力來自于泥漿通過鉆頭水眼后所產(chǎn)生鉆柱內(nèi)外壓差；工作液控制閥(上、下盤閥相對(duì)位置)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定則由穩(wěn)定平臺(tái)控制；3個(gè)推板相位差為120°，鉆柱在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，任意一種或兩個(gè)推板通過某一特定方位時(shí)，借助工作液控制閥所施加壓力(泥漿壓差)來同步調(diào)節(jié)推板伸出，使其與井壁接觸，并對(duì)鉆頭產(chǎn)生一種側(cè)向力(即運(yùn)用井壁對(duì)推板反作用力)來推動(dòng)鉆頭變化原方向，達(dá)到變化井斜或方位目，從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中穩(wěn)定平臺(tái)單元作用是在鉆井工具中產(chǎn)生一種不受鉆桿旋轉(zhuǎn)影響、相對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)，從而可以使鉆柱導(dǎo)向鉆井工具及推板工具面角在旋轉(zhuǎn)時(shí)保持穩(wěn)定。穩(wěn)定平臺(tái)單元由上、下2個(gè)渦輪發(fā)電機(jī)、測(cè)控電子系統(tǒng)及電子倉構(gòu)成。上渦輪發(fā)電機(jī)是系統(tǒng)動(dòng)力發(fā)生器，提供井下電源，其旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針方向；下渦輪發(fā)電機(jī)是扭矩發(fā)生器，其旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針。2個(gè)渦輪發(fā)電機(jī)之間設(shè)立密封電子倉，電子倉中有控制電路和測(cè)量工具面角、井斜角三軸重力加速度計(jì)、短程通訊、下傳信號(hào)接受器及其電路等。為了使穩(wěn)定平臺(tái)在旋轉(zhuǎn)鉆柱內(nèi)維持穩(wěn)定，必要使施加到控制軸上力矩平衡。工作中平臺(tái)受到重要力矩涉及驅(qū)動(dòng)上盤閥旋轉(zhuǎn)扭矩、鉆柱旋轉(zhuǎn)帶來機(jī)械摩擦阻力矩和作為電能發(fā)生器渦輪發(fā)電機(jī)自身電磁力矩。作為力矩發(fā)生器下渦輪電機(jī)電樞在磁場(chǎng)中也會(huì)產(chǎn)生一種電磁力矩，即驅(qū)動(dòng)動(dòng)力矩。渦輪發(fā)電機(jī)與扭矩發(fā)生器扭矩聯(lián)合伙用實(shí)現(xiàn)可控調(diào)節(jié)與平衡。按照其功能，穩(wěn)定平臺(tái)控制機(jī)構(gòu)由渦輪發(fā)電機(jī)、控制電路、檢測(cè)電路、通訊電路和驅(qū)動(dòng)電路等6大某些構(gòu)成。2個(gè)井下渦輪發(fā)電機(jī)運(yùn)用鉆井液動(dòng)能為平臺(tái)中電氣設(shè)備提供電源,同步作為平臺(tái)穩(wěn)定控制執(zhí)行器控制與其相聯(lián)液壓控制單元中上盤閥。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中工作液控制單元是一種盤閥開關(guān)系統(tǒng),由上、下盤閥2某些構(gòu)成。上盤閥由穩(wěn)定平臺(tái)控制軸帶動(dòng)，其上開有1個(gè)作為工作液泥漿通道孔，稱為高壓閥孔，見圖2-6(a)所示；下盤閥固定在偏置機(jī)構(gòu)單元本體內(nèi),上開有3個(gè)孔,分別與偏置執(zhí)行機(jī)構(gòu)3個(gè)柱塞相通，見圖2-6(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力具備一定作用時(shí)間，以保證側(cè)向控制力作用效果,鉆井液通過過濾網(wǎng)再流向上盤高壓閥孔。當(dāng)上盤閥高壓孔與下盤閥某1個(gè)或者2個(gè)孔相通時(shí),高壓泥漿將推動(dòng)偏置執(zhí)行單元相應(yīng)柱塞,并由柱塞推動(dòng)推板，將力作用在井壁上,該作用力方向則由上盤高壓孔位置擬定。液壓控制單元核心就是在穩(wěn)定平臺(tái)作用下,控制上盤閥高壓孔位置(工程上工具面角)。圖2-6上盤閥和下盤閥構(gòu)造旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中偏置執(zhí)行單元重要由柱塞和推靠井壁推板構(gòu)成，在工作液控制單元控制下，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導(dǎo)致鉆具卡死或井壁擠毀。

第三章旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具機(jī)械某些設(shè)計(jì)3.1導(dǎo)向機(jī)構(gòu)導(dǎo)向原理及構(gòu)成導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)核心某些，重要由三個(gè)伸縮巴掌和控制系統(tǒng)控制盤閥構(gòu)成。重要功能是依照軌跡控制規(guī)定，向鉆頭提供不同大小和方向側(cè)向力。如圖4-1原理圖所示，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具導(dǎo)向力直接來源于工具執(zhí)行機(jī)構(gòu)柱塞推靠井壁所產(chǎn)生反作用力推靠力，該力在導(dǎo)向方向分量稱為導(dǎo)向力，同步產(chǎn)生與導(dǎo)向方向垂直分量，稱為擴(kuò)徑力，該擴(kuò)徑力使井徑較之鉆頭有所擴(kuò)大。在工作過程中接受由地面發(fā)出指令，并通過穩(wěn)定平臺(tái)單元調(diào)控工作液來控制分派單元上盤閥高壓孔位置。上下盤閥泥漿控制分派單元將過濾后泥漿依次分派到三個(gè)柱塞，給巴掌提供推靠動(dòng)力，并使該推靠力合力方向始終保持在上盤閥高壓孔位置，在近鉆頭出形成拍打井壁側(cè)向力。通過對(duì)側(cè)向力大小、方向和拍打頻率調(diào)節(jié)，可直接控制該工具導(dǎo)向狀態(tài)。當(dāng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)處在工作狀態(tài)時(shí)，控制軸中流體進(jìn)入開關(guān)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(zhuǎn)，當(dāng)其中一種孔眼與上盤高壓孔眼位于同一軸線上時(shí)兩孔相接，與之相連伸縮機(jī)構(gòu)被高壓鉆井液推動(dòng)，活塞外推，翼片與井壁接觸，并給井壁施加一作用力。該作用力方向則由上盤高壓孔眼位置擬定。當(dāng)上盤高壓孔眼在控制機(jī)構(gòu)作用下處在井眼高邊方向時(shí)，該作用力方向就沿井眼高邊方向，井壁對(duì)它反作用力就指向井眼低邊。此時(shí)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)就處在全力降斜狀態(tài)。當(dāng)上盤高壓孔眼在控制機(jī)構(gòu)作用下處在井眼低邊方向時(shí)，該作用力方向就指向井眼低邊方向，井壁反作用力就指向井眼高邊，此時(shí)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)就處在全力增斜狀態(tài)。當(dāng)上盤高壓孔眼在控制機(jī)構(gòu)作用下處在90°相位時(shí)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)就處在90°降方位狀態(tài)。當(dāng)上盤高壓孔眼在控制機(jī)構(gòu)作用下處在270°相位時(shí)，則導(dǎo)向機(jī)構(gòu)就處在90°增方位狀態(tài)。研究表白，對(duì)于RSDS系統(tǒng)來講，90°扭方位狀態(tài)事實(shí)上也是全力扭方位狀態(tài)。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，與之相接伸縮塊伸縮一次。相通時(shí)，伸縮塊伸出；不相通時(shí)，下盤閥孔就與上盤閥低壓孔相通，伸縮機(jī)構(gòu)活塞腔內(nèi)壓力卸壓，伸縮塊在復(fù)位彈簧作用下回收。低壓室與井眼環(huán)空相通，保持低壓室內(nèi)環(huán)空壓力。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在控制閥控制下實(shí)現(xiàn)定向功能，而伸縮翼片在隨鉆頭旋轉(zhuǎn)過程中有規(guī)律受控伸縮則產(chǎn)生一定控制力。伸縮翼片對(duì)井壁作用是在鉆頭每一轉(zhuǎn)過程中獲得動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)，并不象靜止式導(dǎo)向機(jī)構(gòu)伸縮翼片相對(duì)井壁周向位置保持不變，這正是調(diào)節(jié)式導(dǎo)向機(jī)構(gòu)特點(diǎn)所在。由其工作過程，咱們可知導(dǎo)向機(jī)構(gòu)兩某些構(gòu)成：a、工作液控制分派單元；b、偏執(zhí)機(jī)構(gòu)單元。工作液控制分派單元由盤閥加壓彈簧、上盤閥和下盤閥、上盤閥控制軸和相應(yīng)密封部件構(gòu)成，構(gòu)造如圖3-2。圖3-1伸縮塊對(duì)井壁側(cè)向?qū)蛄Ξa(chǎn)生原理圖3-2工作液控制分派單元偏執(zhí)機(jī)構(gòu)單元由柱塞、柱塞套、巴掌和擋塊構(gòu)成，構(gòu)造如圖3-3.圖3-3偏執(zhí)機(jī)構(gòu)單元其她部件如下:(1)外筒是一種長約860mm，直徑為176mm金屬筒，上下兩端由母扣連接如圖3-4所示；(2)柱塞有三個(gè)，均布在外筒上，運(yùn)用鉆具內(nèi)外壓力差工作，如圖3-5所示；(3)柱塞套柱塞在柱塞套內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。圖3-4執(zhí)行機(jī)構(gòu)本體圖3-5柱塞由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井原理和工作過程可知，其核心部件為導(dǎo)向偏置機(jī)構(gòu)，而導(dǎo)向偏執(zhí)機(jī)構(gòu)重要由控制液分派單元和偏執(zhí)機(jī)構(gòu)單元構(gòu)成?？刂埔悍峙蓡卧獦?gòu)造和工作方式?jīng)Q定了偏執(zhí)機(jī)構(gòu)工作方式和構(gòu)造。在控制液分派單元中下盤閥高壓孔圓弧角θ是設(shè)計(jì)中核心，由于上盤閥高壓孔圓弧角θ大小與巴掌推靠力大小有很大關(guān)系。在導(dǎo)向工具工作過程中，高壓孔和下盤閥低壓孔導(dǎo)通一次就驅(qū)動(dòng)一種巴掌作用于井壁，關(guān)閉時(shí)就失去作用力。下盤閥和鉆柱一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而上盤閥保持靜止，在這個(gè)過程中，對(duì)于伸縮巴掌力是不變，在一段時(shí)間內(nèi)存在，在某一段時(shí)間內(nèi)消失，是一種有沖擊作用力。但是在工作過程中每次可以有倆個(gè)巴掌同步伸出，它們合力是一種持續(xù)力分量。因而高壓孔圓弧角θ設(shè)計(jì)原則是在保證偏執(zhí)機(jī)構(gòu)單元中高低壓鉆井液通道輪流導(dǎo)通前提下，巴掌作用在井壁合力在導(dǎo)向方向分量應(yīng)當(dāng)持續(xù)并且其變化范疇盡量恒定，以實(shí)現(xiàn)工具工作穩(wěn)定，避免對(duì)鉆具產(chǎn)生較大沖擊。在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，為了保證導(dǎo)向機(jī)構(gòu)能滿足鉆井規(guī)定，必要保證工作液控制分派單元能分派足夠泥漿流量和有效控制能力，詳細(xì)來說就是保證推巴掌有足夠推靠力大小和作用時(shí)間，但是在鉆井過程中泥漿壓力是由地而泵壓所決定。因此在設(shè)計(jì)過程中，工作液控制分派單元分派泥漿時(shí)間，在不考慮穩(wěn)定平臺(tái)和外部轉(zhuǎn)速狀況下，導(dǎo)通時(shí)間重要由上盤閥高壓孔圓弧角θ所決定。3.2上盤閥高壓孔圓弧角擬定參照段正勇教師《旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具執(zhí)行機(jī)構(gòu)推靠力規(guī)律分析》所知，執(zhí)行機(jī)構(gòu)柱塞個(gè)數(shù)為N時(shí)，同步作用柱塞最優(yōu)個(gè)數(shù)為不不大于“柱塞”總數(shù)一半最小整數(shù)(n≤round(N/2)）。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具直徑范疇約為120.7mm一241.3mm，執(zhí)行機(jī)構(gòu)柱塞個(gè)數(shù)也許數(shù)目為2-6個(gè)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)柱塞個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)，導(dǎo)向力和擴(kuò)徑力均不也許浮現(xiàn)持續(xù)狀況，并且變化幅值很大，易引起鉆具振動(dòng)，應(yīng)避免設(shè)計(jì)偶數(shù)個(gè)柱塞個(gè)數(shù)，因而旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具執(zhí)行機(jī)構(gòu)柱塞個(gè)數(shù)應(yīng)為3或5。執(zhí)行機(jī)構(gòu)柱塞個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)，同步滿足上盤閥高壓孔圓心角θ=180°和n=round(N/2)狀況下，導(dǎo)向力才也許浮現(xiàn)持續(xù)狀況，N=3(n=2)時(shí)導(dǎo)向力在0.867P~P之間持續(xù)變化，N=5(n=3)時(shí)導(dǎo)向力在1.539P~1.618P之間持續(xù)變化，變化幅值隨N增大而減小，趨于平穩(wěn)；否則導(dǎo)向力不持續(xù)，變化幅值較大，易導(dǎo)致鉆具振動(dòng)，不利于導(dǎo)向控制和導(dǎo)向功能實(shí)現(xiàn)。依照巴掌合力持續(xù)規(guī)定，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，同步任何時(shí)候最多只有2個(gè)巴掌對(duì)井壁作用，因而，在不考慮柱塞伸出和縮回滯后影響及下盤閥低壓孔直徑影響時(shí)，上盤閥高壓孔圓弧角。應(yīng)不不大于下盤閥相鄰2個(gè)低壓孔中心角120o，同步上盤閥高壓孔圓弧角θ應(yīng)不不不大于下盤閥相鄰3個(gè)低壓孔中心角240o。因而，當(dāng)0o<θ<120o時(shí)，始終最多只有1個(gè)巴掌伸出，但有3個(gè)巴掌同步縮回狀況，工具導(dǎo)向能力弱；而當(dāng)θ>240o時(shí)，始終至少有2個(gè)巴掌伸出，但有3個(gè)巴掌同步伸出拍打井壁狀況，對(duì)井壁作用合力為零，工具導(dǎo)向能力也弱；只有當(dāng)120oθ240o時(shí)，滿足上盤閥高壓孔圓弧角設(shè)計(jì)原則。依照《鉆采工藝》第28卷，第5期《旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具液壓分派系統(tǒng)設(shè)計(jì)》分析結(jié)論，上盤閥高壓孔圓弧角θ最優(yōu)為180o，考慮柱塞伸出和縮回滯后影響及下盤閥低壓孔直徑影響時(shí)，使下盤閥低壓孔實(shí)際導(dǎo)通角不等于上盤閥高壓孔圓心角，會(huì)變化巴掌作用合力作用形式，依照實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，上盤閥高壓孔圓弧角θ設(shè)計(jì)為200o。因而優(yōu)先選柱塞數(shù)為三個(gè)，呈120°分布。高壓孔圓弧角θ取200°。3.3柱塞有關(guān)計(jì)算對(duì)于偏執(zhí)機(jī)構(gòu)單元來說，其擋板所能否產(chǎn)生足夠鉆頭推靠力，是設(shè)計(jì)重要問題。擋板推靠力由泥漿壓力和作用面積所決定。如公式F=dP （3-1）式中：d柱塞直徑P鉆頭環(huán)形壓差 可知重要因素為柱塞泥漿壓力面積和泥漿泄流影響。（1）柱塞直徑(3-2)式中：F是泥漿對(duì)柱塞推靠力，為12KNP是工作處泥漿內(nèi)外壓力差，為7MP代入計(jì)算得d=46.73mm取50mm（2）柱塞長度柱塞長度重要受到鉆具外徑尺寸限定，其長度越長，行程越大，鉆具巴掌伸縮距離也越大，合用井眼尺寸范疇也相應(yīng)越廣。由此，在鉆具尺寸容許條件下，取其最大值。故起裝配圖如圖3-6。1上控制軸；2泥漿過濾網(wǎng)；3上下盤閥；4柱塞；5巴掌圖3-6導(dǎo)向裝置裝配圖3.4巴掌構(gòu)造巴掌是與井壁直接接觸，施加導(dǎo)向力零件。為使巴掌與井壁間受力狀況較好，巴掌與井壁接觸面，可以考慮設(shè)計(jì)成圓弧狀，以加大接觸面積.其圓面半徑可依照工具合用井眼尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)擬定.本文設(shè)計(jì)普通合用井眼尺寸81/2-91/2in7in鉆具，其巴掌構(gòu)造如圖3-7所示。為了增大巴掌耐磨強(qiáng)度，在巴掌表面鑲嵌一系列硬質(zhì)合金鑲塊。圖4-7執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元巴掌構(gòu)造巴掌與井壁接觸而積為（3-3）巴掌受到壓強(qiáng)3.5盤閥泥漿過流有效面積計(jì)算(1)壓力腔過濾網(wǎng)有效面積高壓孔過液面積為（3-4）壓力腔泥漿過液面積（3-5）由于因此滿足上盤閥流量供應(yīng)規(guī)定。在鉆井中，泥漿重要作用是排屑，因而鉆具應(yīng)有足夠過流面積。在普通狀況下，直徑是178mm鉆具過流面積應(yīng)不不大于直徑是50mm圓孔面積，即S=1962.5mm圖3-8軸承支座由上圖可知軸承支座處孔過流面積為（3-6）因此S遠(yuǎn)不不大于S。圖3-9鉆具本體泥漿過流孔構(gòu)造由上圖可知：（3-7）因此S>S。故設(shè)計(jì)構(gòu)造合理，泥漿可以暢通流過，滿足供求規(guī)定。3.6巴掌銷釘強(qiáng)度校核由于巴掌推靠力是12KN巴掌銷釘材料是45Mo，查手冊(cè)值=645MPa安全系數(shù)s=1.2則（3-8）銷釘剪切面積為：（3-9）銷釘所受應(yīng)力為：（3-10）因此，滿足強(qiáng)度規(guī)定。3.7擋塊上螺釘強(qiáng)度校核擋塊所受力為擋塊對(duì)巴掌作用力，則F=12KN（3-11）螺釘所選材料是45號(hào)鋼，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》知=600MPa取安全系數(shù)為s=1.2，則（3-12）則，滿足強(qiáng)度規(guī)定。3.8盤閥連接螺釘強(qiáng)度校核參照《機(jī)械設(shè)計(jì)》知（3-13）式Q預(yù)緊力參照上盤閥設(shè)計(jì)，下盤閥承受軸向力：F=18.86MPa。選取螺釘材料，取安全系數(shù)為s=1.5，故螺釘材料許用壓力為：（3-14）按螺紋原則(GB196-81)，選用螺紋公稱直徑是10mm螺釘。3.9液壓盤閥系統(tǒng)設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)液壓盤閥系統(tǒng)不但僅是液流分派機(jī)構(gòu)，同步也是控制伸縮塊所產(chǎn)生導(dǎo)向力大小與方向控制機(jī)構(gòu)。當(dāng)需要在某個(gè)方向?qū)驎r(shí)，在旋轉(zhuǎn)鉆井時(shí)，相位相差120o3個(gè)伸縮塊某一種塊，它每一次通過某一特定位置時(shí)，通過上盤閥高壓孔施加壓力，使相應(yīng)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)到變化井斜和方位目，離開該方向后巴掌自動(dòng)縮回。盤閥構(gòu)造對(duì)巴掌所產(chǎn)生導(dǎo)向力大小有決定性影響。盤閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律又反過來影響穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。上盤閥高壓孔圓弧角θ大小與巴掌作用力有著密切關(guān)系，θ角設(shè)計(jì)原則是在保證偏執(zhí)機(jī)構(gòu)單元中高低壓鉆井液通道輪流導(dǎo)通前提下，巴掌作用在井壁合力在導(dǎo)向方向分量應(yīng)當(dāng)持續(xù)并且其變化范疇盡量恒定，以實(shí)現(xiàn)工具工作穩(wěn)定，避免對(duì)鉆具產(chǎn)生較大沖擊。3.9.1上盤閥構(gòu)造設(shè)計(jì)計(jì)算圖3-10上盤閥泥漿壓力在柱塞兩邊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。加壓彈簧設(shè)計(jì)按振動(dòng)規(guī)定設(shè)計(jì)，在3000-4500m處振動(dòng)級(jí)別取15g。圖3-11上盤閥受力簡圖上盤閥受到力:F泥漿壓力F加壓彈簧力F上盤閥重力M穩(wěn)定平臺(tái)傳遞扭矩M摩擦扭矩由圖3-11可知上盤閥重量為（3-15）故（3-16）（2）上盤閥所受泥漿壓力：鉆頭壓降在4-8MPa，最大壓力為12MPa。正常范疇內(nèi)上盤閥壓力：（3-17）4MPa時(shí)壓力為：8MPa時(shí)壓力為：12MPa時(shí)壓力為：N(3)彈簧壓力F工具在井下所受縱向加速度a=15g，則彈簧預(yù)緊力F：（3-18）但為了減少盤閥之間摩擦力，使上下盤閥之間壓力較小，則。慣性力F：（3-19）43.35NF200N,為了減少盤閥之間摩擦力，預(yù)緊力應(yīng)盡量小，取F=F=100N。(4)上盤閥總壓力計(jì)算上盤閥總壓力來自3個(gè)因素：a.上盤閥受到泥漿壓力差所產(chǎn)生壓力；F；b.工作時(shí)，上盤閥所帶附加慣性力；F；c.彈簧所產(chǎn)生預(yù)緊力；F。正常條件下，上盤閥對(duì)下盤閥所產(chǎn)生總壓力最小值：F=F+F+F（3-20）=112+43.35+100=255.35N最大值：F=F+F+F（3-21）=224+43.35+100=367.35N在最大鉆柱內(nèi)外壓差狀態(tài)下：F=F+F+F（3-22）=336+43.35+100=479.35N(5)上下盤閥摩擦阻力矩計(jì)算軸端摩擦力矩計(jì)算公式（3-23）式中：f摩擦系數(shù)0.08；P單位面積上最大壓強(qiáng)。正常工況下，工作液壓差作用在上盤閥壓力：112N至224N.上下盤閥接觸面積A為：（3-24）上盤閥對(duì)下盤閥最大壓強(qiáng):P=(3-25)上下盤閥摩擦阻力矩:=(3-26)r=0；r=0.021m；B=0.008m；r=0.01m由此計(jì)算得：M=0.51N?m(6)上下盤閥摩擦副所消耗功率上下盤閥摩擦副所消耗功率取決于摩擦阻力矩與上下盤閥之間相對(duì)轉(zhuǎn)速。普通狀況下，上下盤閥之間相對(duì)轉(zhuǎn)速為:n=40-200r/min.==0.51=10.7w(3-27)3.9.2上盤閥傳動(dòng)軸校核盤閥傳動(dòng)軸受力如下圖3-12盤閥傳動(dòng)軸受力分析上盤閥受到力:F泥漿壓力F加壓彈簧力F上盤閥重力M穩(wěn)定平臺(tái)傳遞扭矩M摩擦扭矩上盤閥所受最大總力為：N=F+F+F=224+100+2.89=326.89N(3-28)由圖3-12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：(3-29)最大剪切強(qiáng)度：(3-30)上盤閥材料為4SiMn，有較高硬度和較好耐磨性，該材料合用于較大截面零件圖，用于中檔速度和高載荷零件，因此滿足上盤閥使用規(guī)定。查《零件手冊(cè)》知屈服強(qiáng)度為=885MPa,安全系數(shù)取S=1.8，則許用應(yīng)力為:故，上盤閥滿足規(guī)定。3.9.3下盤閥設(shè)計(jì)下盤閥和上盤閥配合使用，分派泥漿和傳遞壓力使巴掌運(yùn)動(dòng)。有3個(gè)均布相位相差120o直徑為8mm孔，用于分派泥漿。為了減少摩擦，接觸面積盡量小。下盤閥應(yīng)當(dāng)選耐磨材料42SiMn，提高壽命。設(shè)計(jì)下盤閥如下圖：圖:3-12下盤閥3.9.4上下盤閥導(dǎo)通時(shí)間計(jì)算上盤閥圓弧角為θ，高壓孔寬度為B，弧半徑為R，下盤閥液流通孔直徑為B，假設(shè)轉(zhuǎn)速為n，構(gòu)造圖如下圖：圖3-13上盤閥剖面圖由上圖可知：θ=200o；B=8mm；下盤閥半徑R=8mm；R=13mm；轉(zhuǎn)速n為40-200r/min。當(dāng)穩(wěn)定平臺(tái)控制軸在某一工作面時(shí)，上盤閥相對(duì)井壁保持靜止不動(dòng)，下盤閥隨鉆柱一轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，則高壓孔液流導(dǎo)通時(shí)間T滿足：=(3-31)當(dāng)n=40r/min時(shí)，T=1.2s當(dāng)n=200r/min時(shí)T=0.25s下盤閥一種低壓孔從高壓孔導(dǎo)通到該低壓孔完全導(dǎo)通經(jīng)歷時(shí)間T滿足如下關(guān)系：T==(3-32)當(dāng)n=40r/min時(shí)，T=0.92s由圖可知，上下盤閥高低壓孔完全導(dǎo)通時(shí)，上盤閥孔過流面積為(3-33)=2RθR下盤閥低壓孔總過流面積為一種低壓孔導(dǎo)通時(shí)：兩個(gè)低壓孔導(dǎo)通時(shí)：三個(gè)低壓孔導(dǎo)通時(shí)：可知下盤閥過流面積與低壓孔得到她個(gè)數(shù)關(guān)于，并且在時(shí)間段內(nèi)低壓孔導(dǎo)通數(shù)受到了低壓孔導(dǎo)通個(gè)數(shù)影響，即受到高壓孔圓心角影響?？芍?=13.3(3-34)可以以為T>>T，即下盤閥沒有完全和上盤閥導(dǎo)通時(shí)，所通過下盤閥低壓孔流量和壓強(qiáng)變化對(duì)整個(gè)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)擋塊推靠力影響不大。鉆柱每轉(zhuǎn)一圈時(shí)上盤閥總有效導(dǎo)通時(shí)間為T=T-T可得：T(3-35)由上式可知，液流導(dǎo)通時(shí)間和高壓孔圓心角成正比，與鉆柱轉(zhuǎn)速成反比。3.10盤閥加壓彈簧設(shè)計(jì)為了保證上盤閥平穩(wěn)運(yùn)營，需要給上盤閥額外加力100N。由于在高溫高壓條件下振動(dòng)沖擊，因此選彈簧材料為Co40CrNiMo，取其直徑為4mm。查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，有關(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=0MPa；使用溫度：-40o-400o；(1)選用旋轉(zhuǎn)比C：C=10。(2)依照強(qiáng)度極限計(jì)算彈簧直徑依照公式：(3-36)式中k補(bǔ)償系數(shù)依照強(qiáng)度極限計(jì)算彈簧直徑(3-37）P作用在彈簧上最大壓力，為150N。依照彈簧原則直徑，取d=4mm。此時(shí)，彈簧中徑D=26mm。(3)依照剛度條件計(jì)算彈簧圈數(shù)n查得K=15N/mm（3-38）取n=6圈。(5)彈簧強(qiáng)度校核極限工作應(yīng)力取=1.12，則=1.12510=571.2MPa極限工作載荷：P（3-39）安全系數(shù)n=196.8/100=1.968>1.0因此彈簧滿足強(qiáng)度規(guī)定。3.11工詳細(xì)校核工詳細(xì)校核應(yīng)當(dāng)考慮三個(gè)因素：(1)承受鉆壓；(2)承受鉆井扭矩；(3)承受泥漿內(nèi)外壓力差厚壁圓筒。極限工況：最大鉆壓300KN；外壓96MPa；內(nèi)壓101MPa；最大扭矩N?m。圖3-14工詳細(xì)受力分析在1-1面（3-40）（3-41）在2-2面（3-42）（3-43）由于工詳細(xì)是材料為35CrMo合金鋼，本體承受拉力等于向心力。在3-15面最外斷點(diǎn)處正壓力，剪切力最大，在此處取一單元體，如下圖：圖3-15工詳細(xì)應(yīng)力分析（3-44）（3-45）因此=4.15MPa=70.1MPa由第三強(qiáng)度理論知（3-46）由于<,因此工詳細(xì)滿足強(qiáng)度規(guī)定。

第四章旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)4.1旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具加工成本旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)在國內(nèi)已有了研究，并獲得了一定成果。對(duì)于機(jī)械某些而言，無論在設(shè)計(jì)、制造還是在裝配上均有相稱高規(guī)定。就本次設(shè)計(jì)工具自身來說，有某些核心部件直接影響著整個(gè)工具成本，例如外殼體，規(guī)定為高強(qiáng)度、較好耐磨性、較好柔韌性，還得是無磁，并且是一種復(fù)雜腔體構(gòu)造，因此普通無縫鋼管很難滿足以上規(guī)定，給加工帶來很大困難。本次設(shè)計(jì)導(dǎo)向工具最大難點(diǎn)是工具自身體積較小，而部件又多，也就是說重要是空間較小問題，因此裝配起來比普通機(jī)械部件復(fù)雜多，因此這些因素間接提高了工具成本。導(dǎo)向工具上下盤閥配合規(guī)定特別精密，某些面只能在數(shù)控機(jī)床上加工才干達(dá)到所需精度，就連某些螺釘位置精度規(guī)定也是很高。較普通工具來說，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具成本就要高某些了。4.2旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具經(jīng)濟(jì)效果(1)海洋油田陸地采收英國在開采北海油田時(shí)，近海油田原籌劃采用海洋平臺(tái)進(jìn)行開采，最后采用了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)進(jìn)行大位移鉆井方式開采，節(jié)約了海洋平臺(tái)制造費(fèi)用，大大減少了油田開發(fā)前期投入，節(jié)約費(fèi)用近5億美元。依照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)綜合成本減少50%。(2)提高鉆井效率8月，CACT公司在中華人民共和國南海油田HZ2-2-23SA側(cè)鉆水平井1400m定向井段施工中，應(yīng)用了AUTOTRAKRCLS系統(tǒng)，成果只用了一天半就完畢了用常規(guī)鉆井方式需要10天完畢定向井段施工，是井身質(zhì)量大大提高，鉆井成本大大減少，還提高了開發(fā)效率。(3)減少鉆井工程費(fèi)用，南海西江油田設(shè)計(jì)井深8800m，水平位移超過7500mX