1、西安石油大学本科毕业设计（论文）1178 旋转导向钻井工具设计及控制轴的动力学分析摘要：旋转导向钻井技术是现代导向钻井技术的发展方向，主要应用于大位移井、多分支井等复杂结构的井作业。本文综述了旋转导向钻井工具的国内外现状，阐明了在我国发展旋转导向钻井技术的重要性和必要性，介绍了它的工作原理及结构组成 ,指出了研制该工具的主要技术特点。调制式旋转导向钻井工具的导向执行机构是靠内外泥浆液压力差驱动的原理来实现的，这是旋转导向钻井工具能否正常工作的关键。所以，对其液压盘阀分配系统和控制轴进行分析计算，及其在井下不同工况下所受的力进行分析计算。分析了旋转导向钻井系统的井下钻井工具系统的测控方式，偏置方
2、式和导向方式。完成了导向执行机构机械部分的设计，最后，对影响导向力的因控制轴素进行了动力学分析，并讨论了导向力的控制方法对工具进行了经济型评价和总结。关键词：旋转导向钻井；设计；动力学分析西安石油大学本科毕业设计（论文）2Design and Control of the DynamicAnalysis of Shaftof 178 mmDiameterRotary Steerable Drilling ToolAbstractRotary steerable drilling technology is the development of modern drilling technolog
3、y-oriented direction, mainly 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 in
4、troduce the working principle 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 wheth
5、er the drilling tool to work 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 monitori
6、ng and control system mode, 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
7、 and discussed the guiding force of the control method.KeywordsRotary sSteerable dDrilling;dDesign;Dynamic Analysis西安石油大学本科毕业设计（论文）3西安石油大学本科毕业设计（论文）1目录第一章绪论 111.1 本论文研究的目的、价值和意义 111.2 国内外研究状况及趋势 111.2.1 国外旋转导向钻井系统研究与发展现状 111.2.2 国内旋转导向钻井系统研究现状 331.3 毕业设计论文的主要内容 54第二章旋转导向钻井装置方案对比分析 652.1 旋转导向钻井工具的分 类
8、 652.2 三种旋转导向钻井系统的结构特征和对比 652.2.1 Auto Trak 旋转导向钻井系统 652.2.2 Power Drive 旋转导向钻井系统 652.2.3 Geo-Pilot 旋转导向钻井系统 752.2.4 三种不同方式旋转导向系统对比 762.3 旋转导向钻井方案的选择 87第三章旋转导向钻井系统总体结构及工作原理 983.1 旋转导向钻井系统的组成 983.2 旋转导向钻井工具工作原理 983.3 旋转导向钻井工具的结构特点 12113.4 旋转导向钻井工具的设计特点 1312第四章旋转导向钻井装置（机械部分）设计 14134.1 导向机构的导向原理和组成 141
9、34.2 导向钻井工具设计中的主要考虑因素 16154. 3 巴掌与井壁接触强度的计算 18174. 4 盘阀泥浆过流的有效面积计算 18174.5 巴掌的销钉的强度校核 20194.6 挡块上的螺钉强度校核 20194.7 盘阀连接螺钉强度校核 21204.8 液压盘阀系统的设计 21204.8.1 上盘阀的结构设计和计算 22214.8.2 上盘阀传动轴的校核 25244.9 盘阀加压弹簧的设计 2625西安石油大学本科毕业设计（论文）24.10 下盘阀的设计 27264.11 上下盘阀导通时间计算 28274.12 工具体的校核 3029第五章控制轴的动力学分析 32315.1 控制轴的
10、介绍 32315.2 控制轴的力学模型 32315.3 控制轴的刚度分析 3433第六章 旋转导向工具经济性评估 37366.1 旋转导向工具的加工成本 37366.2 旋转导向工具的经济效果 3736第七章结论及建议 39387.1 结论 39387.2 建议 3938参考文献 4039致谢 4241西安石油大学本科毕业设计（论文）3西安石油大学本科毕业设计（论文）4西安石油大学本科毕业设计（论文）5第一章 绪论1.1 本论文研究的目的、价值和意义为了节约开发成本和提高石油产量 , ，对那些受地理位置限制或开发后期的油田 , 通常通过开发深井、超深井、大位移井和长距离水平井来实现 , ，进而
11、造成复杂结构的井不断增多。目前通行的滑动钻井技术已经不能满足现代钻井的需要。于是 , ，自 20 世纪 80 年代后期 , 国际上开始加强对旋转导向钻井技术的研究; 到 90 年代初期 , 旋转导向钻井技术已呈现商业化。旋转导向系统是一个集机、电、液于一体的闭环自动控制系统 ， 并以旋转钻井为其技术特征 ， 所以在减少井下摩阻、提高钻深能力和控制精度方面具有独特的优势 ，所以成为大位移井长稳斜段钻井作业的常用工具 ， ，也适合于水平井水平段（特别是薄油水层水平井）的钻进与控制作业 。目前国内也正在研制开发旋转导向系统 ， 从各个油田和区块的应用实例看 ， ，旋转导向钻井工具具有在旋转钻进时连续
12、导向的能力 ，可以提高井眼的清洁度和机械钻速 ， ，减少压差卡钻 ； ；还具有井眼轨迹自动控制的能力， ，从而提高井眼轨迹的光滑度 ， ，降低扭矩和摩阻 ， ，也就相应地增加了水平井的延伸长度 。 但该系统对设备要求比较高 ， ，要求设备、钻具等能承受高转速、大扭矩、高泵压 ， ，在某种程度上加大了对设备、钻具等的损伤 ， ，而且该系统造价比较昂贵 ， ， 一次性投入较大 ， ， 并不是每个区块和地层都适用这种钻井技术 。旋转导向系统在现在的钻井作业中应用越来越多，对其的要求液越来越高，因此，要不断的对旋转导向系统进行技术性改进和突破，才能满足钻井的要求，提高采油率。1.2 国内外研究状况及趋
13、势1.2.1 国外旋转导向钻井系统研究与发展现状国外从 20 世纪 80 年代末期开始旋转导向钻井系统的理论研究 。 20 世西安石油大学本科毕业设计（论文）6纪 90 年代世界上多家公司，包括 ： ：Baker Hughes 公司与 ENIAgip 公司的联合研究项目组、英国的 Camco 公司、英国的 CambridgeDrilling Automation 公 司、日 本 国 家 石 油 公 司（ JNOC）等分别形成了各自的旋转导向系统样机 ， ，并开始进行现场试验和应用 。至 20 世纪末期 ， 三家大的石油技术服务公司 Schlumberger、 、Baker Hughes 和 H
14、alliburton 通过各种方式分别形成了其各自商业化应用的 AutoTrak RCLS 、PowerDrive SRD 和 Geo Pilot 旋转导向钻井系统。（1） Geo Pilot 旋转导向钻井系统Geo Pilot 系统是 Halliburton 公司下属的 Speny Sun 公司开发的旋转导向系统 ， ，又称 RST （Rotary Steerable Tool） 。其主要特征是下部驱动主轴可在壳体内旋转成一定角度 ， 相当于形成一个可调弯角 ， ，可对井斜和方位进行纠正 。Geo Pilot 系统采用控制钻柱弯曲特征来实现钻头轴线的有效导控 ，其优点是造斜率由工具本身确定
15、，不受钻进地层岩性的影响 ，在软地层及不均质地层中效果明显 ，缺点是钻柱承受高强度的交变应力 ，钻柱容易发生疲劳破坏 。 另外， ， 高精度加工是保证这种系统导向效果的关键 。（2）AutoTrak 旋转导向钻井系统AutoTrak 系统是一套集钻进和随钻测量为一体的定向钻井系统 ， ，能够在旋转钻井过程向造斜钻进 ， ，主要是因为它有一个独特的非旋转可调扶正器滑套 ， ，此扶正器滑套并非真的不旋转 ， ，只是相对钻头驱动轴而言它几乎是不旋转 ， ，因此在旋转钻进过程中 ， ，此扶正器滑套可以保持一种相对静止的状态 ，从而保证钻头沿着某一特定的方向钻进 。非旋转扶正器滑套内有元件 ： 近钻头井
16、斜传感器、电子控制元件、液压控制阀和活塞 ， ，见图 11-1 。通过液压可推动活塞分别对 3 个稳定块施加不同的压力 ， ，其合力就使钻具沿某一特定方向偏移 ， ，从而在钻进过程中使钻头产生 1 个侧向力 ， ，保证钻头沿这一方向定向钻进 。西安石油大学本科毕业设计（论文）7图 1-1 AutoTrak 内部结构（3） Power Drive 旋转导向钻井系统斯伦贝谢公司的旋转导向系统主要是指 PowerDrive 系统 ， ，包括 PowerDrive X5110 、 PowerDrive X5900 、 PowerDrive X5 、 PowerDrive X5675 、 PowerDr
17、ive X5475 、 PowerDrive Xceed 900、 Power vorteX ，除了 Power vorteX 是动力式旋转导向系统外 ， ，其他均为全旋转式旋转导向系统 ， ，PowerDrive X5 系列旋转导向工具可通过 PowerPulse 和 TeleScope 工具实时测量井下数据 ， ，测量近钻头地层状态、钻头振动情况和钻头转速 ， ，利用近钻头伽马射线显示地质和井眼成像 ，自动纠斜 。它适用的井眼尺寸为 5.2526 in， ，可用常规钻井液 ， ，最高耐温 150 ， ，流量范围 480 1900 gpm ， ，最高耐压 20000 psi， ，其中 ， ，
18、PowerDrive X51100 型最大转速 200 rmin ，最大造斜率 3 100 f t ， ，PowerDrive X5475 型最大转速 250 r min ， 最大造斜率 8 100 f t 。PowerDrive Xceed 系列可以用于裸眼侧钻、随钻扩眼或用双芯钻头钻研磨性地层 ， ，其使用参数与 PowerDrive X5 系列大致相同 ， ，适用的井眼尺寸为 8.375 17.5in ， 可用常规钻井液 ， 最高耐温 150 ， ，流量范围 450 1800 gpm ，最高耐压 20000 psi ，最大转速 350 rmin ，其中 ，PowerDrive Xceed
19、 900 型最大造斜率 6.5100 f t ，PowerDrive Xceed 675 型最大造斜率 8100 f t 。Power vorteX 是一种高性能的导向钻井工具 ， ，可以提升所需的井下动力 ， ，增加井眼的稳定性 ， ，自动纠斜 ， ，有智能的高性能动力组件 ， ，可适用于 4.75 11in 的井眼 ， ，最高耐温 150 。PowerDrive 调制式旋转导向系统在结构设计方面更为简单 ， ，小型化趋势好 ， ，全旋转工作方式使钻柱对井壁没有静止点从而可以保证这种系统更能适合各种复杂的环境钻井极限井深更深 ， ，速度更快 ， ，在大位移井、三维多目标井及其它高难度特殊工艺
20、井中更具竞争力 。由于在钻具与井壁间不会产生阻碍钻屑流动的瓶颈所以提高了携屑液流的通过能力 。因为钻具没有产生摩擦的固定部西安石油大学本科毕业设计（论文）8件 ， ，也提高了机械钻速 。由于没有固定部件或慢速旋转部件与套管、斜向器或井壁接触所以发生机械故障和压差卡钻的几率大幅度下降从而提高了钻具寿命 。全旋转系统可以使用任何类型的钻井液 。斯伦贝谢公司的 Power Drive Xceed 钻具可以解决钻软地层和裸眼侧钻过程中旋转导向钻具所遇到的问题 。这套系统唯有近钻头稳定器与井壁接触在钻软地层时不再需要借助翼片推靠井壁或慢速旋转钻具来控制方位 。井下钻具与地面的通讯是借助于 Power P
21、luse MWD 遥测系统来实现的 ， ，它包括一整套随钻电子测量工具 。Power Drive Xceed 与 Power Pluse 相互结合 ， ，Power Drive Xceed 就可以在钻进过程中向井口提供钻具面、井斜角、方位等实时测量数据 。 根据所获得的信息 ， ，可从井口发出指令以保持或改变钻头轨迹 。钻具内部的电子测量工具会自动调整钻具的位置 ， ，使钻具在不与井壁接触的情况下始终处于井眼的高边 。但工作寿命有待进一步提高 。1.2.21.2.2 国内旋转导向钻井系统研究现状20 世纪 90 年代，西安石油学院等国内少数研究机构开始关注旋转导向钻井技术，主要进行情报调研和初
22、步的概念性探索研究。1991 年，西安石油学院张绍槐教授组织力量进行了“井眼轨迹制导技术”的中国石油天然气总公司(CNPC)“九五”立项调研；1994 年，西安石油学院张绍槐教授等又开展了井下旋转自动导向钻井系统 RCLD(Rotary Close-Loop Drilling System)的研究，并以国家自然科学基金项目为依托研究了井身轨迹控制技术、钻井智能信息与模拟技术以及随钻地震技术(SWD)等。21 世纪初国家科技部和中石油、中石化、中海油都纷纷立项研究旋转导向钻井技术，西安石油学院参加了这些研究项目并于 2002 年初建立了我国第一个多学科的导向钻井研究所。胜利油田在我国导向钻井技术
23、应用和研究方面也一直处于全国第一的领先地位，曾于 1989 年在河 50 井组钻成功一个井场井数最多的丛式井，并且已成功地为 20 多个油田提供了水平井技术服务，成功钻探的水平井数量占同期全国所钻水平井总数的三分之二； 1996 年，胜利油田钻井工艺研究院研究了可控变径稳定器；1999 年胜利油田开始进行旋转自动导向钻井系统的跟踪调研、论证和初步研究方案设计等工作，同年引进了地层评价随钻测量系统(FEWD )并进入卡塔尔国际市场；2000 年进行了旋转导向钻井系统开发可行性研究，2001 年“旋转导向钻井系统整体方案设计及关键技术研究” 、 “旋转导向钻井技术研究”分别被列为国家“863”前瞻
24、性研究项目及中国石化集团公司科技攻关项目，胜利油田与西安石油学院合作开始共同研制和开发具有自主知识产权的旋转导西安石油大学本科毕业设计（论文）9向系统调制式旋转导向钻井系统 MRSS(Modulated Rotary Steerable System)。在全面完成国家“863”前瞻性研究攻关项目的基础上，2003 年“旋转导向钻井系统关键技术研究”被列为国家“863”正式科技攻关项目。MRSS 调制式旋转导向钻井系统为动态偏置推靠式系统，目前已在其关键技术研究方面取得突破，对该系统已建立起系统的力学物理、数学模型，理论研究比较完善成熟，已形成了功能性样机，系统的部分功能已在地面得到验证。由中海
25、油与西安石油学院等研究单位承担的国家“863” 课题“旋转导向三维可控钻井技术研究”也取得了突破，研究的可控偏心器式旋转导向钻井工具系统，为静态偏置推靠式系统，目前已进行了偏心机理、井下 BHA 组合力学性能等一定的理论研究和工具系统各单元样机的现场试验，其在陆地和海上油田的现场试验结果表明：在井斜约 60的大斜度稳斜井段，井斜控制和方位控制都达到了控制要求，采用的旋转导向钻具组合还可提高钻压，最高可达 240 kN，为“十一五”期间旋转导向钻井工具系统的进一步完善和应用奠定了坚实的工程化基础，在国内旋转导向钻井系统关键技术研究方面有一定的突破。2002 年至 2005 年上半年，该工具系统的
26、随钻电阻率、自然伽马测量工具单元样机进行了 7 次陆地油田钻井试验，主要技术指标达到了最高耐压 140 MPa，最高工作温度 150，连续工作时间 200 h，实现了国内首次对随钻电阻率和地层自然伽马的测量；2005 年 1 月，该工具系统的井下工程参数测量短节在四川 MP37 井下井试验，钻井作业 40.95 h，钻井进尺 320 m，取得了较好的试验效果。- 14 -2005 年以来，对该工具系统的钻井液脉冲上传信息技术及 MWD 工具分别在四川、冀东和渤海等油田进行了钻井试验，钻井深度达到 2850 m、2361 m，工作时间达到 86 h，最长时间 200 h，完全达到了设计要求，目前
27、该系统在井下的软件和硬件接口以及总控系统都可以满足作业需求，并与其他井下仪器具有良好的兼容性能。2006 年 5 月 30 日该工具系统的旋转导向可控偏心移交器单元样机在长庆油田 Ning37-32 井进行了钻井试验，国内首次利用具有自主知识产权的旋转导向可控偏心器钻井技术实现成功钻井 60 m。此外，文献中有偏置工具后置式系统的介绍，该系统为静态偏置外推指向式系统，国内仅对其导向性能等做了初步的理论分析研究。由于美国实行的技术封锁，国内缺少国外先进的旋转导向系统实物样机作为参考，加之研发费用高，在关键技术方面还是存在着重重困难，样机现场试验效果与国外技术相比还存在较大的差距，目前还无法形成应
28、用于现场的能力。西安石油大学本科毕业设计（论文）101.320 世纪 90 年代中期 ， 在跟踪调研国外先进技术的基础上 ， 国内少数研究机构开始进行这方面的研究工作 ， 但与国外水平相比存在相当大的差距 进入 21 世纪 ， 在国家“863”项目的支持下 ， 由中国石化集团公司胜利石油管理局钻井院和中国海洋石油总公司分别牵头对调制式旋转导向钻井系统和静态偏置推靠式旋转导向钻井系统进行了系统的研究攻关 ， 并在关键技术方面取得了突破毕业设计论文的主要内容（1）查阅、收集有关钻转导向钻井工具的资料，理解钻转导向钻井工具原理与结构，了解国内外钻转导向钻井工具的研究与应用现状和发展趋势，搞清本次毕业
29、设计所要设计的内容，在此基础上完成开题报告。；（2）查阅有关钻转导向钻井工具的外文资料并选定一篇进行翻译。；（3）分析钻转导向钻井工具的结构特点及其所存在的缺陷，提出钻转导向钻井工具的的设计方案和对控制轴进行动力学理论分析。；（4）画出结构草图，并根据任务书所给数据进行计算和校核，确定钻转导向钻井工具的各零部件具体尺寸，如有需要，对初步方案和草图进行修改，并进行整个工具经济性评价。 ；（5）画出钻转导向钻井工具的装配图和各零部件的零件图。 ；（6）完成毕业设计论文。西安石油大学本科毕业设计（论文）112.第二章调制式钻转导向系统的结构旋转导向钻井装置方案对比分析2.1 1 旋转导向钻井工具的分
30、类旋转导向系统按导向方式可分为两类：推靠式(Push the bit) 和指向(Point the bit)。旋转导向系统按偏置机构的工作方式又可分为静态偏置式(Static Bias) 和动态偏置式(Dynamic Bias ,即调制式(Modulated) ) 二种。2.2 三种旋转导向钻井系统的结构特征和对比2.2.1Auto Trak 旋转导向钻井系统工作原理:AutoTrak RCLS 系统的井下偏置导向工具由不旋转外套和旋转心轴两大部分通过上下轴承连接形成一可相对转动的结构。旋转心轴上接钻柱，下接钻头，起传递钻压、扭矩和输送钻井液的作用。不旋转外套上设置有井下CPU、控制部分和支撑
31、翼肋。2.2.2Power Drive 旋转导向钻井系统产品特点：1、系统是全旋转式的。西安石油大学本科毕业设计（论文）122、该系统由稳定平台单元、工作液控制分配单元及偏置执行机构 3部分组成。导向原理如图 2-1。图 2-1 Power Drive 的导向原理2.2.3.Geo-Pilot 旋转导向钻井系统其结构如图 2-2。西安石油大学本科毕业设计（论文）13图 2-2 Geo-Pilot 的结构其主要特点：外筒不旋转，改变角度导向其导向原理如图 2-3。图 2-3 Geo-Pilot 的导向原理2.2.4 三种不同方式旋转导向系统对比表 2-1 三种不同方式旋转导向系统对比工作方式 代
32、表系统 旋转导向程度造斜能力钻井安全性位移延伸能力螺旋井眼适应井眼尺寸静态偏置推靠钻头式Auto Trak RCLS工具系统外筒不旋转6.5/30m中 低 存在 215.9311.2MM动态偏置推靠钻头式Power Drive SRD全旋转 8.5/30m高 高 存在 152.4311.2MM静态偏置指向钻头式Geo-Pilot 工具系统外筒不旋转5.5/30m中 中 消除 215.9311.2MM西安石油大学本科毕业设计（论文）14Auto Track RCLS：位移工作方式、静止外套、小型化能力差、结构复杂等。Power Drive SRD：钻头和钻头轴承的磨损较严重,工作寿命有待进一步提
33、高。Geo-Pilot：钻柱承受高强度的交变应力,钻柱容易发生疲劳破坏。2.3 3 旋转导向钻井方案的选择推靠式旋转导向系统的特点：侧向力大, 造斜率高, 但旋转导向钻出的井眼狗腿大, 轨迹波动大, 不平滑。钻头和钻头轴承的磨损较严重。指向式旋转导向系统的特点：能钻出较平滑的井眼；摩阻和扭矩较小；可以使用较大的钻压；机械钻速较高；有助于发挥钻头的性能；钻头及其轴承承受的侧向载荷较小；极限位移增加。但是造斜率较低。经过反复的论证和分析，这两种方案中，推靠式经过了大量的实践，其可靠性强，并得到了不断的技术改进和完善。而指向式控制较难，偏心机构的弯轴及两个偏心环的设计较难，执行机构的控制较推靠式有一
34、定的难度，并且导向能力比较弱，不能满足大位移、定向钻井等钻井作业，因此，我选择了动态偏置推靠钻头式的全旋转导向钻井系统为自己的设计方向。第三章 旋转导向钻井系统总体结构及工作原理3.1 1 旋转导向钻井系统的组成旋转导向钻井工具下部接钻头，上部连接无磁钻铤，无磁钻铤内安装 MWD，经MWD 携带的通讯工具与地面系统形成信息流闭环。旋转导向钻井系统由五部分西安石油大学本科毕业设计（论文）15组成：（1）电源部分 给整个工具供电，包括测量单元、控制单元、通讯单元、信息处理单元提供工作电源的电源管理模块及涡轮发电机输出稳定模块；（2）测量部分 主要是测量稳定平台所在位置处的井斜角、方位角和工具面角，
35、以满足控制所需；（3）控制部分 完成工具面角的控制，包括工具面角（上盘阀高压孔）的稳定控制和调节控制；（4）短程通讯部分 包括信息的筛选、编码和译码，完成 MRGCLT 与 MWD之间的信息传递；（5）执行机构部分 完成旋转导向的机械动作，包括高低压孔的连接和柱塞的伸出与缩回。3.22 旋转导向钻井工具工作原理旋转导向钻井工具的最基本功能有 2 种: 导向功能; 稳斜或不导向功能。导向功能是指当需要向某一个井斜、方位导向时,可由稳定平台通过控制轴将上盘阀高压孔的中心即工具面角调整到与所需导向的井斜、方位相反的位置上,这时钻具沿所需的井斜及方位进行钻进,并由各随钻测试仪器随时监测井眼轨迹。稳斜功
36、能 不导向 是使稳定平台带动上盘阀 ,使其和钻柱以不同的某一转速作匀速转动 如 2040 r/ min ,这时在 360工具面角的方向上,不断有类似巴掌的推板伸出并推靠井壁,综合作用则表现为不导向,亦即稳斜钻进。旋转导向钻井系统原理如图 3-1 所示。图 3-1 旋转导向钻井系统工作原理根据对井下工程、地质及几何参数的监测和要求旋转导向钻井工具可以按已设定的程序或给定的指令调整井斜和方位。它是一种机、电一体化智能导向工具 ,靠近钻头的推靠柱塞和推板、工作液控制阀以及稳定平台是它的核心部西安石油大学本科毕业设计（论文）16件。推板的动力来自于泥浆经过钻头水眼后所产生的钻柱内外压差;工作液控制阀上
37、、下盘阀的相对位置 的调节和稳定则由稳定平台控制;3 个推板的相位差为 120;钻柱在旋转状态下任意一个或两个推板通过某一特定的方位时,借助工作液控制阀所施加的压力 泥浆压差 来同步调整推板的伸出,使其与井壁接触,并对钻头产生一个侧向力 即利用井壁对推板的反作用力 来推动钻头改变原方向,达到改变井斜或方位的目的,从而实现旋转导向钻井。旋转导向钻井工具中稳定平台单元的作用是在钻井工具中产生一个不受钻杆旋转影响、相对稳定的平台 ,从而能够使钻柱导向钻井工具及推板的工具面角在旋转时保持稳定。稳定平台单元由上、下 2 个涡轮发电机、测控电子系统及电子仓组成。上涡轮发电机是系统动力发生器,提供井下电源
38、,其旋转方向为顺时针方向;下涡轮发电机是扭矩发生器 ,其旋转方向为逆时针。2 个涡轮发电机之间设置密封电子仓 ,电子仓中有控制电路和测量工具面角、井斜角的三轴重力加速度计、短程通讯、下传信号接受器及其电路等。为了使稳定平台在旋转的钻柱内维持稳定 ,必须使施加到控制轴上的力矩平衡。工作中平台受到的主要力矩包括驱动上盘阀旋转的扭矩、钻柱旋转带来的机械摩擦阻力矩和作为电能发生器的涡轮发电机本身的电磁力矩。作为力矩发生器的下涡轮电机电枢在磁场中也会产生一个电磁力矩 ,即驱动动力矩。涡轮发电机与扭矩发生器的扭矩联合作用实现可控调节与平衡。按照其功能,稳定平台控制机构由涡轮发电机、控制电路、检测电路、通讯
39、电路和驱动电路等 6 大部分组成。2 个井下涡轮发电机利用钻井液的动能为平台中的电气设备提供电源 ,同时作为平台稳定控制的执行器控制与其相联的液压控制单元中的上盘阀。旋转导向钻井工具中的工作液控制单元是一个盘阀开关系统 ,由上、下盘阀 2 部分组成。上盘阀由稳定平台控制轴带动 ,其上开有 1 个作为工作液泥浆通道的孔 ,称为高压阀孔 ,见图 3-2 a 所示; 下盘阀固定在偏置机构单元本体内 ,上开有 3 个孔 ,分别与偏置执行机构的 3 个柱塞相通 ,见图 3-2 b 所示。上盘阀孔为弧形长孔状 ,能使高压钻井液作用在推板上的力具有一定的作用时间 ,以保证侧向控制力的作用效果 ,钻井液通过过
40、滤网再流向上盘高压阀孔。当上盘阀的高压孔与下盘阀的某 1 个或者 2 个孔相通时 ,高压泥浆将推动偏置执行单元的相应柱塞 ,并由柱塞推动推板 ,将力作用在井壁上 ,该作用力的方向则由上盘高压孔的位置确定。液压控制单元的核心就是在稳定平台的作用下 ,控制上盘阀高压孔的位置 工程上的工具面角 。西安石油大学本科毕业设计（论文）17图 3-2 上盘阀和下盘阀结构旋转导向钻井工具中的偏置执行单元主要由柱塞和推靠井壁的推板组成 ,在工作液控制单元的控制下 ,依次将高压泥浆通向柱塞 ,再由柱塞将力施加给推板 ,使其与井壁接触 ,避免柱塞直接与井壁接触而造成钻具卡死或井壁挤毁。旋转导向钻井技术信息闭环流程如
41、图 3-3 所示。由旋转导向钻井工具中的井眼几何参数传感器测得旋转钻井条件下近钻头处的井斜角、方位角和工具面角等参数 ,并通过短程通讯元件将上述参数传输到随钻测量仪 ,再继续由随钻测量仪的上传通道将数据传输到地面。根据实钻井眼与设计井眼的相对位置的偏差 ,通过信息智能处理综合决策系统来调整钻头走向 ,即改变工具面角参数 ,并将决策代码通过泥浆泵排量载波下传到井下信息处理中心进行指令接收、识别、解释和处理 ,从而通过井下控制器调整稳定平台的控制轴 ,实施工具面角的调整、改变导向执行机构推靠井壁的方向 ,从而实现钻柱在连续旋转状态下的三维导向。西安石油大学本科毕业设计（论文）18图 3-3 旋转导
42、向钻井技术信息传输流程3.3 3 旋转导向钻井工具的结构特点旋转导向钻井工具主要由稳定平台单元、工作液控制分配单元及偏置执行机构 3 部分组成。图 3-4 所示为自主开发的旋转导向钻井工具的三维 CAD 结构图。稳定平台单元主要由涡轮发电机、控制电路电子仓、扭矩发生器、轴承支撑及密封部件等组成;工作液控制分配单元主要由上盘阀、下盘阀、上盘阀轴向力调节弹簧、上盘阀控制轴和相应的密封部件组成;偏置执行机构主要由带泥浆喷嘴的柱塞和推靠井壁的推板 组成。西安石油大学本科毕业设计（论文）19图 3-4 旋转导向钻井工具三维 CAD 结构3.4 旋转导向钻井工具的设计特点针对复杂的井下工作条件和国内现有的
43、条件 ,旋转导向钻井工具设计具有以下技术特点: 在稳定平台的上部支撑中采用圆锥滚子轴承 ,下部支撑采用圆柱滚子轴承与推力圆柱滚子轴承组合结构。为了改善轴承的工作环境 ,提高其使用寿命 ,特设计了轴承保护器 ,将轴承密封在润滑油中 ,同时精心设计了轴承的游隙。经理论分析与模拟试验确定 ,上盘阀高压孔的圆心角选为 200,以确保了上盘阀相对井壁不动而下盘阀保持旋转状态的情况下始终存在一个推板来推靠井壁 ,防止冲击式推靠力对钻柱的冲击。在保证密封与寿命的前提下 ,下盘阀表面有一部分突起 ,以减少摩擦面积。上、下盘阀均采用硬质合金的制造材料或表面喷涂高耐磨性材料。稳定平台控制轴使扭矩与负载相匹配。为了
44、提高稳定平台控制轴的驱动扭矩 ,采用了较大涡发电机定子反扭矩的设计原理 ,同时尽量降低工作液控制分配单元上、下盘阀之间的摩擦扭矩 ,减小控制轴的转动惯量 ,降低负的摩擦扭矩。西安石油大学本科毕业设计（论文）204.第四章 旋转导向钻井装备置（机械部分）设计4.1 偏执机构的组成导向机构的导向原理和组成导向机构是旋转导向钻井系统的核心部分，主要由三个伸缩巴掌和控制系统的控制盘阀组成。主要功能是根据轨迹控制要求，向钻头提供不同大小和方向的侧向力。在工作过程中接受由地面发出的指令，并通过稳定平台单元调控工作液来控制分配单元上盘阀高压孔的位置。上下盘阀泥浆控制分配单元将过滤后的泥浆依次分配到三个柱塞，
45、给巴掌提供推靠动力，并使该推靠力的合力方向始终保持在上盘阀高压孔的位置，在近钻头出形成拍打井壁的侧向力。通过对侧向力的大小、方向和拍打频率的调整，可直接控制该工具的导向状态。当导向机构处于工作状态时, 控制轴中的流体进入开关打开, 钻井液由筛孔通向上盘高压孔眼。下盘随钻头一起同步旋转, 当其中的一个孔眼与上盘高压孔眼位于同一轴线上时 两孔相接 , 与之相连的伸缩机构被高压钻井液推动, 活塞外推, 翼片与井壁接触, 并给井壁施加一作用力。该作用力的方向则由上盘高压孔眼的位置确定。当上盘高压孔眼在控制机构作用下处于井眼高边方向时, 该作用力方向就沿井眼高边方向, 井壁对它的反作用力就指向井眼低边。
46、此时, 导向机构就处于全力降斜状态。当上盘高压孔眼在控制机构作用下处于井眼低边方向时, 该作用力方向就指向井眼低边方向, 井壁的反作用力就指向井眼高边。此时, 导向机构就处于全力增斜状态。当上盘高压孔眼在控制机构作用下处于 90相位时, 导向机构就处于 90降方位状态。当上盘高压孔眼在控制机构作用下处于 270相位时, 则导向机构就处于 90增方位状态。研究表明, 对于 RSDS 系统来讲, 90扭方位状态实际上也是全力扭方位状态 。在钻头每一转过程中, 下盘孔眼都与上盘高压阀孔相通一次, 与之相接的伸缩块伸缩一次。相通时, 伸缩块伸出; 不相通时, 下盘阀孔就与上盘阀的低压孔相通, 伸缩机构
47、活塞腔内的压力卸压, 伸缩块在复位弹簧的作用下回收。低压室与井眼环空相通, 保持低压室内的环空压力。导向机构在控制阀的控制下实现定向功能, 而伸缩翼片在随钻头旋转的过程中的有规律受控伸缩则产生一定的控制力。伸缩翼片对井壁的作用是在钻头每一转的过程中获得动态实现, 并不象静止式导向机构的伸缩翼片相对井壁的周向位置保持不变, 这正是调节式导向机构的特点所在。西安石油大学本科毕业设计（论文）21图 4-1 伸缩块对井壁的侧向导向力的产生原理由其工作过程，我们可知导向机构的两部分组成：a、工作液控制分配单元；b、偏执机构单元。偏执机构主要由泥浆过滤、液压分配和执行机构三部分组成。（1）泥浆过滤部分由泥
48、浆过滤支架和压力腔通过螺纹连接连在一起的；（2）工作液控制分配单元液压分配部分由盘阀加压弹簧、上盘阀和下盘阀、上盘阀控制轴和相应的密封部件组成组成；，结构如图 4-2.西安石油大学本科毕业设计（论文）22图 4-2 工作液控制分配单元偏执机构单元（3）执行机构部分由柱塞、柱塞套、巴掌和挡块组成。，结构如图 4-3.图 4-3 偏执机构单元其他部件如下：（1）外筒 是一个长约 860mm，直径为 176mm 的金属筒，上下俩两端由母扣连接；（2）柱塞 有三个，均布在外筒上，利用钻具的内外压力差工作；（3）柱塞套 柱塞在柱塞套内往复运动。西安石油大学本科毕业设计（论文）234.2 导向钻井工具设计
49、中的主要考虑因素由旋转导向钻井的原理和工作过程可知，其核心部件为导向偏置机构，而导向偏执机构主要由控制液分配单元和偏执机构单元组成。控制液分配单元的结构和工作方式决定了偏执机构的工作方式和结构。在控制液分配单元中上盘阀的高压孔圆弧角 是设计中的关键，因为上盘阀的高压孔圆弧角 的大小 于巴掌的推靠力的大小有很大的关系。在导向工具工作过程中，高压孔和下盘阀的低压孔导通一次就驱动一个巴掌作用于井壁，关闭时就失去作用力。下盘阀和钻柱一起转动，而上盘阀保持静止，在这个过程中，对于伸缩的巴掌的力是不变的，在一段时间内存在，在某一段时间内消失，是一个有冲击的作用力。但是在工作过程中每次可以有俩个巴掌同时伸出，它们的合力是一个连续的力的分量。因此高压孔圆弧角 的设计原则是在保证偏执机构单元中高低压钻井液通道轮流导通前提下，巴掌作用在井壁的合力在导向方向的分量应该连续而且其变化范围尽可能恒定，以实现工具工作稳定，避免对钻具产生较大的冲击。在导向机构的设计过程中，为了保证导向机构能满足钻井要求，必须保证工作液控制分配单元能分配足够的泥浆流量
