（机械电子工程专业论文）垂直钻井工具液压导向系统设计与优化.pdf

一一h 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 川f f f f 删伽圳肼 y 1 7 3 9 3 2 j i 菖i 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本沦文彳 包含任f l i 乓他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出最要贞献的个人和集体，均已在义r 1 1 以明确方式标明。 申请学位沦文与资料若有4 、= 实之处，本人承担切相关责任。 论文作者签名：缢璧碴 日期： 9 , 0 1 0 5 8 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果门武汉科技大学所有，其研究内容小得以其它单位 的名义发表。本人完仓j ，解武汉科技人学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 毯宣聋 指导教师签名：臣拦生 日期： , 2 0 l o 5 g 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 井斜是油气开采中的一个技术难题，严重制约着油气开发的进程。自动垂直钻井工具 能在保证井眼垂直的条件下，有效释放钻压，能够很好的应用于我国西部高陡构造地层的 油气开采。液压导向系统是自动垂直钻井工具的关键部件，担负着在近钻头处提供导向集 中力的重要任务，其动态特性直接影响井下纠斜的效果，研究其动态性能具有重要意义。 本文阐述了自动垂直钻井工具的研究意义及国内外研究现状，并对自主研发的自动垂 直钻井工具工作原理及其部件液压导向系统工作原理、结构进行了介绍。通过理论分析建 立了液压导向系统组成元件的数学模型，并运用仿真软件m a t l a b 6 5 对系统进行了仿真 分析，结果表明该系统能够提供稳定的导向集中力，可满足井下导向要求。规划合理的试 验方案对系统进行测试，试验结果和仿真结论基本一致，验证了系统模型的正确可靠。针 对液压导向系统的室内加载试验以及现场试钻出现的问题，如导向推力块的回程问题、柱 塞泵柱塞偏磨、提钻困难等，从理论上提出了各个问题的解决方案，对导向集成块结构进 行了优化。 关键字：自动垂直钻井工具；液压导向系统；动态仿真；优化设计 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w e l li n c l i n a t i o ni sat e c h n i c a lp r o b l e mi nt h eo i la n dg a se x p l o r a t i o n ，s e r i o u s l yh i n d e r i n g t h ep r o c e s so fo i la n dg a sd e v e l o p m e n t a u t o m a t i cv e r t i c a ld r i l l i n gt o o lc a ne n s u r eav e r t i c a lw a l l ， a tt h es a m et i m ee f f e c t i v e l yr e l e a s ed r i l l i n gp r e s s u r e ，w h i c hc a nb ew e l la p p l i e di no i la n dg a s e x p l o r a t i o no fh i g ha n ds t e e ps t r a t i g r a p h i ci nw e s t e r nc h i n a h y d r a u l i cg u i d i n gs y s t e mi st h ek e y c o m p o n e n to fa u t o m a t i cv e r t i c a ld r i l l i n gt o o l s ，s h o u l d e r i n gt h ei m p o r t a n tt a s ko fp r o v i d i n g g u i d i n gf o r c e ，a n di t sm e a n i n g f u lt os t u d yi t sd y n a m i cp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , i td e s c r i b e st h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n ds t a t u so fa u t o m a t i cv e r t i c a ld r i l l i n g t o o l ，a n di n t r o d u c e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fs e l f - d e v e l o p e da u t o m a t i cv e r t i c a ld r i l l i n gt o o l ，a s w e l l 勰t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n ds 仃u c t u r eo fh y d r a u l i cg u i d i n gs y s t e m i te s t a b l i s h e dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fh y d r a u l i cg u i d i n gs y s t e m sc o m p o n e n t st h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a n d u s e ds i m u l a t i o ns o f t w a r em a t l b a 6 5t oa n a l y s i st h eh y d r a u l i cs y s t e m ，t h er e s u l ts h o w e dt h a t t h eh y d r a u l i cs y s t e mc a np r o v i d eas t a b l eg u i d i n gf o r c ea n ds a t i s f yt h eo r i e n t a t i o nr e q u i r e m e n t i t p l a n n e dp i l o tp r o g r a mt ot e s tt h es y s t e m ，a n dt h et e s tr e s u l t sw e r es i m i l a rt os i m u l a t i o nr e s u l t s ， w h i c hv 嘶f i e dt h es y s t e mm o d e lw a sa c c u r a t e i tr a i s e ds o l u t i o n si nt h e o r yf o re a c hp r o b l e m w h i c hc a m ef r o mt h ei n d o o rl o a d i n gt e s ta n ds p o td r i l l i n go fh y d r a u l i cg u i d i n gs y s t e m ，s u c ha s g u i d ep a dr e t u r ni s s u e s ，p i s t o np l u n g e re c c e n t r i cw e a r , d i f f i c u l t i e so fr a i s e dd r i l l ，a n do p t i m i z e d t h es t r u c t u r eo fm a n i f o l db l o c k k e y w o r d s ：a u t o m a t i cv e r t i c a ld r i l l i n gt o o l s ；h y d r a u l i cs t e e r i n g ；d y n a m i cs i m u l a t i o n ； o p t i m i z a t i o nd e s i g n 武汉科技大学硕士学位论文 第1 i i 页 目录 摘要”i a b s t r a c t i i 目勇乏“i i i 第一章绪论l 1 1 本课题的研究意义一l 1 2 垂直钻井工具国外研究现状”2 1 2 1v e r t i t r a k 闭环直井钻进系统“3 1 2 2p o w e rv 旋转导向自动垂直钻井系统一3 1 3 垂直钻井工具国内研究现状一4 1 4 本文主要研究内容“5 第二章垂直钻井工具系统概述7 2 1 垂直钻井工具基本结构“7 2 2 垂直钻井工具工作原理7 2 2 1 垂直钻井工具导向控制模式8 2 2 2 垂直钻井工具井斜测量lo 2 3 垂直钻井工具液压导向系统工作原理1 1 2 4 本章小结1 2 第三章液压导向系统建模与仿真”1 3 3 1 液压导向系统各元件的数学模型1 3 3 1 1 柱塞泵数学模型13 3 1 2 吸油单向阀数学模型l5 3 1 3 排油单向阀数学模型1 6 3 1 4 溢流阀数学模型1 7 3 1 5 导向液压缸数学模型1 8 3 2 基于m a t l a b s i m u l i n k 的液压导向系统仿真1 9 3 2 1m a t l a b 仿真软件简介1 9 3 2 2 液压导向系统仿真模型的建立2 0 3 3 导向系统仿真分析2 3 3 3 1 仿真条件设置”2 3 3 3 2 仿真结果分析2 4 3 4 本章小结2 7 第四章液压导向系统动态特性模拟实验2 8 4 1 模拟实验系统工作原理及组成2 8 4 2 实验结果分析2 9 第页武汉科技大学硕士学位论文 4 3 本章小结3 2 第五章液压导向系统结构设计3 3 5 1 电磁球阀结构设计3 3 5 1 1 电磁球阀主要结构参数设计3 4 5 1 2 电磁球式换向阀效果检验”3 5 5 2 柱塞泵柱塞偏磨问题3 6 5 2 1 偏磨原因分析“3 6 5 2 2 柱塞泵合理安装角度分析一3 7 5 3 导向推力块结构优化4 1 5 3 1 导向推力块结构及存在问题4 1 5 3 2 导向推力块结构优化“4 l 5 4 液压导向集成块结构规划4 3 5 5 本章小结4 3 第六章总结与展望”4 4 6 1 全文总结”4 4 6 2 研究展望4 4 考文献4 5 谢“4 8 读硕士学位期间发表的论文4 9 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 本课题的研究意义 第一章绪论 石油是经济赖以运转的血液，而石油的供给却在日益耗尽，美国与中国、俄罗斯、印 度和巴西等其他大国正在进行着一种惨烈的争夺战，以确保未来的石油供应。石油对于一 个国家的重要性可见一斑。油气资源成为一个国家最重要的战略性资源之一，关系国计民 生与国防安全。在中国，石油开采和石油化工产业已成为国民经济的主要支柱产业h 1 。虽 然自新中国成立后，我国相继建立了一些大型油田，但随着近几年我国经济的飞速发展， 石油供需矛盾日益突出。国家每年都要花费上百亿美元进口大量石油来满足国内的需求。 易采油区油源的枯竭迫使我国石油开采转向西部，如玉门、塔里木、柴达木等，而西部近 年也相继发现了比较大的油气田，成为我国重要的油气源基地瞳1 。 然而，西部高陡构造地层的油气开采有较大的困难，井易斜，钻速低，防斜快打成为 一个技术难题，威胁我国西气东输基地的气源供应和国家经济建设，打直井已成为制约西 部油气开发的瓶颈口1 ，同时井斜问题也严重制约着东部及其它很多地区的油气开采。对于 油气开采这一高风险、高投入、高收益的行业来说，高陡构造地层带来的低钻速和大井斜 问题，不仅严重制约着勘探开发进程，对人力、物力以及国家资源都是极大的浪费h 1 。 此外井斜问题严重制约着深层找油找气的勘探开发进程，并且井斜过大会带来众多钻 井工程难以预测的问题：会使井深发生误差，所取地质资料不真实，导致井底远离设计 井位，错过油气层，造成勘探工作的失误；会使井眼偏离设计井位，打乱油田开发布井 方案；会造成下套管困难影响固井质量；对采油井会引起油管和抽油杆的磨损和折断， 造成严重的井下事故畸1 。有些问题可能在油气开采的过程便可发现，还可及时调整；有些 问题可能导致所钻的井成为废井，费时费力。由此可见井斜所造成的危害不容小觑，开始 引起各国的广泛关注，相关学者对其进行了深入研究，在局部领域也取得了一些成果。目 前出现的常规直井防斜方法主要有钟摆钻具组合“轻压吊打”纠斜，满眼钻具组合“重压 快钻”保直，也即用低钻压和高成本来换取小井斜、用低钻速来保证井身质量，终归不能 从根本上解决井斜问题。除此之外，虽然也出现了塔式钻具、偏心钻铤、方钻铤、h c y 抗 斜器、偏轴防斜打快、柔性组合防斜打快、导向钻具防斜打快以及反钟摆防斜打快等技术 口，删，在特定地质条件下可以有效防止井斜问题的产生，但是这些技术都存在一定的局限 性，并不能从根本上解决我国西部油气开采中的并斜问题。总体来看，目前国内已有的防 斜、纠斜技术尚不能从根本上解决直井井斜的问题，也不能满足高陡构造、深井等复杂情 况下钻直井的需要，因此开展新技术的研究，提高油气钻探效率就极为迫切哺，别。而对于高 陡构造地层以及深井的直井勘探，国外经验表明，自动垂直钻井技术是行之有效的方法之 一【9 12 】。 自动垂直钻井技术是一种新型钻井技术， 钻压，极大地提高钻井效率及安全性呻吨1 3 叫4 i 。 可在实现主动、适时防斜的同时有效地解放 鉴于这一先进钻井技术无法比拟的优势，2 0 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 世纪8 0 年代末，国外开始研制具有主动防斜能力的闭环导向系统n 1 忏1 8 1 ，有的国家甚至把 参与这一领域内的竞争提高到“战略性和社会重要性的高度来认识，如美国、英国、德 国等多个国家在此领域投入大量人力物力，并且取得了较好的效果，所研制出的产品能够 很好的应用于高陡构造、盐层、断层等情况下的油气开采，而国内的相关研究还在起步阶 段u4 1 9 3 。国外研制出的产品有些投入商业化应用，其中有两家公司b a k e rh u g h e si n t e q 和 s 砌u i n b e r g e r 研制的v e n i t r a k 啪】、a u t ot r a kr c l s 盥和p o w e rd r i v e rs r d 陇】、p o w e r v 1 在应 用于较大的倾角地层方面有较好的效果。国外自动垂直钻井工具良好的应用效果所带来的 优势让我国油气开采看到了希望。综合考虑我国油田所处的地质条件，近几年，我国石油 勘探行业也租用国夕b b a k e rh u g h e s ，s c h l u m b e r g e r 等公司的垂直钻井工具在有关油田进行了 试钻，结果表明自动垂直钻井工具能够很好的解决我国油气开采中的井斜问题。但国外在 该领域的产品对我国只提供租赁服务，而且日租金相当的昂贵，自动垂直钻井工具的研究 在我国还属于空白，研制自动垂直钻井工具，则有可能解决我国防斜打快的问题乜蚰。因此 大力发展该技术对我国国民经济发展具有重大意义。 1 2 垂直钻井工具国外研究现状 自动垂直钻井系统属于现代井下闭环控制钻井系统中的一种，源于德国的k t b 计划 口5 矧，采用井下闭环自动控制，可以在地层倾角很大的情况下把井眼控制在几乎垂直的状 态，而且垂直钻井时钻压得到了解放。目前国外有多家石油钻具公司对这一先进钻井工具 进行了研究，并取得了一些初步的成果，有些投入商业化应用心7 矧。 ( 1 ) v d s 自动垂直钻井系统啪1 ：该系统用于1 9 8 8 年联邦德国的大陆超深井科学钻探 计划( k t b 计划) 中，由德国国家能源部委托美国b a k e rh u g h e si n t e q 公司研制啪1 。在9 0 年 代前半期，研制了五代样机，由v d s 1 发展到v d s 5 。该系统在德国k t b 计划的万米超 深井中共钻进2 7 1 0 m ；在地层倾角6 0 。的条件下，钻至6 7 0 0 m 时井斜角为1 0 ，水平位移 不足4 m ，最大井斜角为2 5 0 。 ( 2 ) s d d 直井钻井系统口：由意大利e n i a g i p 公司与b a k e rh u g h e si n t e q 公司合作 研发，其导向机构的工作介质为液压油，系统可靠性得到了改善。 ( 3 ) a u t ot r a k 口和v e r t i t r a k 啼别：a u t ot r a k 又名r c l s ，1 9 9 3 年由a g i p 公司与b a k e r h u g h e si n t e q 公司合作研制，并于1 9 9 6 年在4 口井中试验成功，次年r c l s 系统改名为 a u t ot r a k 系统并投入商业化应用。 v e r t i t r a k 闭环直井钻进系统是贝克休斯1 n t e q 公司推出的一种先进的垂直钻井工具， 可在常规钻井需要多次纠斜的地区或地质条件下使用，包括大倾角地层、断层、墨西哥湾 或北海的盐层。此外，由于该系统不旋转，在井壁稳定性差的井段也可使用。 ( 4 ) p o w e r v 旋转导向自动垂直钻井系统嘧一3 1 ：p o w e r v 是一套全自动化旋转导向 垂直钻井系统，由斯伦贝谢公司研制，利用旋转导向技术实现旋转钻进时对井斜角的连续 控制，可实现在保证井眼垂直的前提下最大程度地提高机械钻速。 ( 5 ) a d d 自动直井钻井系统口1 j ：该系统在1 9 9 1 年由美国能源部资助研发。美国能源 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 部提出的自动定向钻井系统( a d d ) ，能够精确地沿着预存储在井下微处理器中的设计轨迹 平滑钻进，实现井下自动控制。 ( 6 ) a g s 和g e op i l o t 旋转导向钻井系统盼别：1 9 8 9 年日本国家石油公司开始研究动态 遥控定向系统( r c d o s ) ，1 9 9 3 年美国s p e r r ys u n 公司研制出a g s 旋转导向钻井系统，六 年后这两个公司合作以h a l l i b u r t o n 公司的名义推出g e op i l o t 旋转导向钻井系统。 其中v e r t i t r a k 和p o w e r v 两种垂直钻井工具在中国应用证明能够满足垂直钻井，表现 出了其他纠斜技术不能实现的前所未有的优势。如在惠州油田和塔里木油田使用这两种工 具，将井斜角控制在要求精度的同时钻速显著提高m 3 7 。下面对这两种工具分别进行介绍。 1 2 1v e r t i t r a k 闭环直井钻进系统 v e r t i t r a k 闭环直井钻进系统是一种能够主动防斜的钻井工具，主要由导向装置、m w d 控制短节、高性能马达等组成。其结构如图1 1 所示： x t r e m e 马达 导向机构 钻头 马达部分 图1 1v e r t i t r a k 垂直钻井工具及其部件 m w d 控制短节由控制电路、涡轮发电机、重力传感器、脉冲发生器以及液压系 统组成。涡轮发电机给电控系统和液压泵供电。导向执行机构的推力块伸缩由液压控 制系统控制，由控制阀控制液压力传递到相应的推力块。其工作过程可表述为：钻进 过程中，如果m w d 重力传感器检测到钻井轨迹产生了偏斜，便启动液压导向控制 系统，至两个推力块在液压力作用下伸出顶向井壁，产生导向集中力，把井眼轨迹 纠回到正确方向，同时m w d 实时传送钻井相关数据到地面系统实现跟踪和监测。 v e n i t r a k 钻井工具通过选择其欠尺寸扶正器在钻具组合中的位置及扶正器外径 的大小，对预期降斜率的大小可设定在1 5 0 8 0 3 0 m 之间，降斜能力最大为1 5 0 m 。 在钻进的过程中通过对钻压、排量等技术参数进行调整，可实现降斜率的适当微调 a 8 ，3 9 1 2 2p o w e rv 旋转导向自动垂直钻井系统 s c h l u m b e r g e r 公司研制的p o w e rv 系统( 图1 2 ) ，属于全自动旋转导向垂直钻进仪器， 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 主要由电子控制系统( c u ) 和机械纠斜装置( b u ) 两大部分组成，两者之间配有一个加长短 节。 涡轮电子控制部分 祸轮 拍打式“巴掌” 图1 2p o w e r v 垂直钻井工具 电子控制系统是p o w e r v 的指挥中枢，内装陀螺、钻井液驱动的发电机和各种传感器， 不受钻铤的制约。机械纠斜装置上接电子控制系统，下接钻头，主要由钻井液作介质的导 流阀、三个液压缸和推靠“巴掌 组成。开泵后，发电机发电，陀螺测量井斜角和方位角， 然后c u 调整控制轴对准需要的方位，不受钻柱旋转方式的影响。控制轴带动导流阀分配上 盘阀，改变导流阀分配高压泥浆的输出方向，当每个导向液压缸随钻柱旋转至高压泥浆的 输出方位时，“巴掌”就会拍击井眼高边一次，产生脉冲式导向集中力，使井斜快速减小。 钻进过程中p o w e rv 系统自动感应井斜，自动设定并调整仪器的侧向力，使井斜快速 恢复垂直状态。侧向力能有效地克服自然造斜力，因而解决了由滑动钻进和钻压限制造成 低钻速的问题；解决了由连续滑动钻进造成狗腿度大的问题，允许施加更高的钻压，从而 大幅度提高钻速；1 0 0 的旋转使井眼更加平滑，进一步提高钻速，大幅度降低每米成本。 根据在墨西哥湾、南美洲和北海的作业经验，井斜从未超过0 5 0 ，并且该系统不需要m w d 仪器和地面系统，不需要现场人员进行操作，能排除滑动钻进，提高钻速陋3 7 。3 9 l 。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 壁高边，井壁的反作用力将钻头推向低边，而在井眼的其它位黄，侧向推靠机构不工作， 从而实现在钻进过程中井斜的自动感应和修正。机械式自动垂直钻井工具结构简单、可靠， 能在实现主动、适时防斜的同时，有效释放钻压，提高钻速和井眼质量，降低施工风险。 狄勤丰提出了一种新型的旋转导向井下闭环钻井系统r c l d h 制，并对旋转导向钻具组 合的传递函数进行了求解h 副。这种系统类似于第一代的p o w e rd r i v es r d 系统，但控制模 式不同，通过调整控制面的摆动角度来达到调整控制力的目的，也即采用“等力合成模型 作为其控制机理1 。 “十五”期间，国家8 6 3 “可控三维轨迹钻井技术”课题组联合多家科研院所及单位， 对旋转导向钻井技术进行了研究，研制和开发了具有自主知识产权的旋转导向钻井系统 h h 引。该系统中旋转导向钻井工具主要通过可控偏心器来实现导向，达到控制井眼轨迹的 目的。胜利油田承担国家8 6 3 计划“旋转导向钻井系统关键技术研究 后，与西安石油大 学联合开发了三套旋转导向钻井井下工具系统样机。此外西安石油大学与中国海洋石油天 然气总公司联合，共同研制和开发了具有自主知识产权的旋转导向钻井系统嘞1 。 2 0 0 3 年，武汉科技大学与中国石油勘探开发研究院钻井所合作，在苏义脑院士指导下 对深井自动垂直钻井工具的理论与技术问题进行了较为深入的研究，并成功研制出了国内 首台自动垂直钻井工具的室内原理实验样机畸。 国内虽然有多家单位和部分学者进行了垂直导向钻井工具的研究和开发，有的已经试 制出样机，进行了功能试验，在局部领域取得了一定的成绩，但真正能达到应用程度的还 未见报道。 国外虽然有几家大公司具有垂直钻井技术，但是他们都对该技术实行严格技术封锁， 相关产品只租不卖，派专人现场施工，价格昂贵，日费用达1 2 万美元以上，难以在我国 西部油田大规模推广采用。我国必须突破该技术封锁，研制具有自主知识产权的垂直钻井 导向工具。 1 4 本文主要研究内容 本文以武汉科技大学和中国石油勘探开发研究院钻井所合作研制的自动垂直钻井系 统中液压导向系统为对象，根据现场试钻出现的问题，对液压导向系统进行设计及优化。 在对该工具工作原理及下井工艺进行阐述的基础上，主要研究内容如下： ( 1 ) 液压导向系统动态特性仿真分析。应用现有的仿真软件m a t l a b 6 5 对液压导向 系统的动态特性进行分析，检验其是否满足设计的要求，比直接进行现场试验经济，又可 及时反馈信息来指导系统的重新设计。建立液压导向系统各液压组件的数学模型，在 m a t l a b 软件中搭建系统的仿真模型，对系统进行接近实况的仿真，分析系统动态特性， 为实际液压导向机构的研制和优化提供依据。 ( 2 ) 液压系统动态特性实验分析。通过规划合理可靠的实验方案，得出系统动态特 性的实验结果。对仿真结果与实验结果进行比较，验证所建模型的正确性。 ( 3 ) 导向液压系统结构优化设计。针对导向液压系统泄漏、导向推力块在完成纠斜 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 任务后不能完全收回、柱塞泵柱塞偏磨、系统油液中污染物容易堵住电磁阀阀口等问题， 主要研究内容为：研制电磁球式换向阀，以期解决导向推力块不能完全收回以及油液中 污染物容易堵塞电磁阀阀口等问题；重新设计导向推力块结构保证系统纠斜时的安全可 靠；确定合理的柱塞泵安装角度解决柱塞的偏磨问题；设计合理的密封及油路布局方 案，解决系统泄漏及离线维护问题；系统结构的整体规划。 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 第二章垂直钻井工具系统概述 垂直钻井工具基本结构 本文所研究的垂直钻井工具采用不旋转套结构，利用主轴与不旋转套的相对转动带动 径向柱塞泵形成液控系统动力源，以液压控制方式驱动推力块，可在不停泵的条件下任意 调节推力块的伸缩和推力的大小。以不旋转套作为坐标基准，井斜偏差作为控制条件，实 时控制纠斜力的方向，达到自动垂直钻进的目的。垂直钻井工具装配结构如图2 1 所示。 钻头由钻盘驱动，通过浮动导向套中间芯轴与钻杆相连。导向套通过轴承与芯轴相连， 可实现其与井壁保持相对静止【4 2 】。导向套下端靠近钻头处是三个可独立伸缩的液压导向机 构。井下控制电路板、双轴重力加速度计等安装于导向套内部。钻具工作过程可表述为： 由双轴重力加速度计测定井眼的井斜角及相对井斜方位，并将信息反馈给井下控制电路， 经过系统分析处理，控制液压导向系统电磁阀电磁铁是否通电，进而控制导向液压缸活塞 是否伸出，实现井眼方向控制。 下接头导向推力块 测控系统部件浮动导向套芯轴上接头 2 2 垂直钻井工具工作原理 液控系统部件 图2 1 垂直钻井工具装配结构 ，- 前 垂直钻井工具导向控制基本思想是：当井眼轨迹偏斜量超过设定值后，在浮动导向套 上的一个或两个导向液压缸活塞伸出支撑井壁，产生与井眼实际偏斜方向相反的导向集中 力，把井眼轨迹纠回到正确方向；当井眼轨迹偏斜量在正常范围内时，导向液压缸活塞全 部缩回，不与井壁接触，不起导向作用。钻具工作时，柱塞式泵通过偏心轴承从旋转的钻 杆上提取机械能，转化为液压能驱动导向液压缸活塞，形成导向动力。自动闭环控制原理 如图2 2 所示。 ；p 。! m 缈厂一 _ _ 一双轴重力加速度计噜一 i 一 图2 2 垂直钻井工具自动闭环控制系统框图 由 一 密 一 匠 弩r 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 图中符号说明见表2 1 。 表2 1 图2 2 中符号说明 符号说明符号说明 a 井斜角 p 井斜角实际值与期望值差 p 井斜相对方位角 u c 计算机查询控制规则后发出控制指令 p c 导向液压缸无杆腔压力 功率放火后驱动电流，6 0 m a l f 导向活塞对井壁推靠力p s导向液压系统油源压力 虬期望井斜角( 电信号)m钻柱所受力矩 吁 实际井斜角( 电信号) 2 2 1 垂直钻井工具导向控制模式 导向过程中导向液压缸动作可进行不同的组合，主要可分为单缸动作和单双缸混合动 作。其区别在于单缸控制模式下每次只需一个导向液压缸动作，电池需要输出电流较小， 但导向时间相对较长；单双缸混合控制模式导向时间较短，但部分动作要求两个导向液压 缸同时动作，工作时电池需要输出较大电流，本系统采用单双缸混合控制模式进行控制规 。 导向液压缸彳推力块中心与导向套中心连线为基准，相对该基准线的井斜方位角范 向液压缸活塞动作与导向集中力关系如表2 2 所示， 表2 2 单双缸混合控制导向模式相对井斜方位角与导向液压缸活塞动作关系 相对井斜方位角( 0 )导向缸活塞动作作用区域导向力 ( - 3 0 0 ，3 0 0 】 彳 乃作用区 f a ( 3 0 0 ，9 0 0 彳、b 乃+ b 作用区f a + b ( 9 0 0 9 1 5 0 0 】 br 作用区 f s ( 1 5 0 。，2 1 0 。】 b 、c b + c 作用区f s + c ( 2 10 0 ，2 7 0 0 】 c f c 作用区f c ( 2 7 0 0 ，3 3 0 。】 c 、彳n + 舴用区 f a + c 双缸混合控制导向过程如图2 3 所示。 武汉科技大学硕主兰篁笙茎 笙竺夏 _ - _ _ - - - - _ _ l - _ _ _ _ _ _ - _ _ 一 一 玉器醐薅季瞎 辚文夕、砬 憨 力作用区域示意图 i 启动阶段 第二阶段导向 自由阶段 第一阶段导向 图2 3 单双缸混合导向控制模式流程 单双缸混合导向控制模式下，钻具工作过程可简述为：当检测到井眼轨迹未发生偏斜 时，三套导向液压缸活塞处于自由状态；当检测到井斜时，导向系统启动，导向液压缸活 塞全部伸出顶向井壁，使导向套相对于井壁保持静止；按检测井斜值与控制规则表进行比 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 对，看井眼轨迹落入哪个力作用区域，控制不参与作用的导向液压缸活塞缩回，由另外两 个导向活塞提供导向动力，完成第一阶段导向；再次检测井眼轨迹，根据井眼轨迹落入力 作用区域，控制不参与作用的导向活塞缩回，由单个导向活塞提供导向动力将井眼轨迹纠 回到正确方向，完成导向，系统恢复自由状态。 2 2 2 垂直钻井工具井斜测量 垂直钻井工具在工作过程中，发出控制指令前要对井眼井斜角a 和相对方位角0 进行 实时测量。该垂直钻井工具在轴线方向安装双轴重力加速度计，也即与导向液压缸彳安装 方位一致，完成对井斜角和相对方位角的测量。双轴重力加速度计利用重力加速度在两个 测试轴瓜】，轴上投影来实现对井斜的测量。当垂直钻井工具处于不同倾斜状态时，安装 于其上的双轴重力加速度计输出两路电压信号以、巩也随之改变，图2 4 表示井斜测量原 理。图中o x y z 和o x t y ，z 1 分别表示井眼未发生偏斜和发生偏斜的坐标系，z 、历表示实际 井眼方向。 图中参数意义如下： ( 卜双轴重力加速度计在轴上进行投影后输出电压； ( ，；】- 一双轴重力加速度计在玢轴上进行投影后输出电压； ( 卜传感器的输出电压； 伉井斜角； 0 井斜相对方位角。 f cu ： r z l 图2 4 井斜测量原理 井斜角和相对方位角变化规律满足式( 2 1 ) 、式( 2 2 ) ： 口：撒s ；n 丝堡 u ： 0 ：a r c t a l l 生 u 。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 由于双轴重力加速度计安装在导向套中，工作时会受到导向套随机转动和钻进时钻杆 强烈振动的影响，输出的测试信号也相应会产生畸变，在井斜实时测量中还必须采用相应 手段进行信号降噪处理，才能得到较真实的井斜角和相对方位角。 结合以上分析，垂直钻井导向工具工作过程可描述如下： ( 1 ) 当井斜角伉 = 9 时( 9 为允许井斜角) ，井斜角在正常范围内，三套导向液压系 统电磁阀断电，全部导向液压缸活塞在复位弹簧力作用下收回，不产生导向集中力，井眼 按原来轨迹继续钻进。 ( 2 ) 当井斜角驴伊时( 妒为允许井斜角) ，井斜角超过正常范围，三套导向液压系统 电磁阀通电，三个导向液压缸活塞伸出，并推靠井壁，使导向套相对于井壁保持静止，计 算机系统进一步精确测量并计算出井斜角和井斜相对方位角。根据相对方位角按单双缸混 合控制模式的控制规则，三套导向液压系统中一个或两个电磁阀通电，控制对应的导向液 压缸活塞伸出推靠井壁，使井眼轨迹恢复正确方向。 2 3 垂直钻井工具液压导向系统工作原理 自动垂直钻井工具的主要部件是一个通过轴承与近钻头处的钻杆相连接的导向活套， 如图2 5 所示。偏心轴承安装在钻杆上；导向活套的外圆周上沿径向均布着三个导向液压 缸彳、曰、c ，其内圆周上径向均布着三个柱塞液压泵a 、b 、c 。导向套上部安装有阻尼器， 且其外圆轴向方向开设三道导流槽，环空泥浆部分通过导流槽返回地面，在阻尼器和环空 泥浆共同作用下导向套与钻杆间存在转速差。从上面对该垂直钻井工具结构的介绍可知， 这一转速差是柱塞泵正常工作的必备条件。钻杆开始转动，布置在导向套内的柱塞泵4 、b 、 c ，从钻杆上提取机械能，转换成液压系统的液压动力源，为导向液压缸活塞提供伸缩动 力。通过实时检测井斜，按控制规则发令，控制导向液压缸彳、丑、c 中一个或两个导向活 塞伸出顶向井壁，产生导向集中力，实现对井眼轨迹的控制。 i 图2 5 垂直钻井工具液压导向机构结构原理图 垂直钻井工具液压系统原理如图2 6 所示， 5 l 一皮囊式油箱 2 _ 吸油单向阀 3 一柱塞泵 4 仁排油单向阀 卜导向液压缸 3 仁电磁阀 2 7 一溢流阀 1 图2 6 垂直钻井工具液压系统原理图 为闭式系统，主要由储油皮囊、吸油单向 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 阀、柱塞泵、压油单向阀、电磁阀、溢流阀、导向液压缸组成。钻杆旋转时，带动与钻杆 相连的偏心轴承一起转动。当钻杆与导向套间存在转速差时，泵柱塞在复位弹簧力和钻杆 传递过来动力的共同作用下作往复运动。随着柱塞的伸出缩回，液压泵进行吸排油。钻杆 旋转一周，柱塞泵完成一次吸、排油过程。导向液压缸无杆腔最高工作压力通过溢流阀设 定，也即限定了导向活塞对井壁的最大推靠力。通过控制电磁阀的电磁铁通断电来决定液 压系统是否起导向作用。电磁铁不通电，导向液压缸无杆腔与皮囊通过电磁阀相连通，液 压泵输出油液直接回皮囊，导向液压缸无杆腔未建立起油压，导向活塞不伸出。当井斜检 测系统检测到井斜超过限定值时，按控制规则发出控制信号，控制电磁阀电磁铁通电，导 向液压缸无杆腔与低压回路切断，导向活塞在油液压力作用下伸出，顶向井壁，产生导向 集中力，把井眼轨迹纠回到正确方向；反之，井斜在限定范围内，电磁阀电磁铁断电，导 向液压缸活塞在复位弹簧作用下缩回，至此导向过程结束。 垂直钻井工具液压系统集成块结构如图2 7 所示，由于该系统的使用环境及安装空间 受到限制，系统各组成元件难以在现有液压产品中进行选用，需要通过专业厂家进行生产 制造；又导向液压系统零件较多，内部孔道及零部件配合面加工较为复杂，因而将其设计 为独立的单体设备，便于在液压元件制造专用机床上进行加工，同时便于维修和更换。液 压系统母体为整体锻件，在母体上加工腔室，将液压泵、吸排油单向阀、电磁阀、溢流阀、 导向液压缸和皮囊安装于母体内，形成具有设计功能的液压集成块。 2 4 本章小结 图2 7 垂直钻井工具液压系统集成块结构 本章对垂直钻井工具的基本结构及其液压导向机构的工作原理、导向控制模式及井斜 测量原理进行了分析。液压导向系统担负着在近钻头处产生导向集中力的重要任务。然而 井下超常的环境压力、高温和强震，井下能量提取、携带的困难以及井下空间的狭小都是 设计液压系统时必须考虑的因素。考虑到井下空间的狭小，液压系统的元器件尺寸受到限 制，将液压系统集成在一个块里面，避免了复杂的加工过程同时便于系统维护及更换。借 助仿真软件对液压系统进行模拟仿真可及时反馈信息，缩短开发周期，同时避免因重复试 验及加工所带来的昂贵费用。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 第三章液压导向系统建模与仿真 由前一章对液压导向系统工作原理及基本结构的介绍可知，该系统不同于常规液压系 统，其导向集成块的设计源于液压泵的基本工作原理。系统工作时，钻杆旋转一周，柱塞 泵完成一次吸排油过程，液压系统供油不连续，导致压力稳定较为困难。其次流量波动大， 平均流量小，适合要求的液压元件规格太小，在现有成熟产品中选择参数匹配的元件较为 困难，同时可能带来压力、流量稳定性和工作可靠性问题。此外由于没有设计和制造这种 特殊液压系统的经验可借鉴，系统原理和结构设计可能与实际要求存在偏差，最终影响钻 具性能，达不到预期效果。本章将通过理论分析建立液压系统各个组成元件的数学模型， 并借助m a t l 蛆s i m u l i n k 仿真软件建立系统的仿真模型进行仿真分析，对系统动态性 能进行研究。 3 1 液压导向系统各元件的数学模型 在建立液压导向系统的数学模型时，考虑到系统中电磁阀起开关作用，即通过其电磁 铁的通断电控制导向系统是否进行导向，而电磁阀电磁铁得电时导向工况下，导向集中力 的稳定性、导向液压缸活塞的伸出速度以及导向集中力的大小是主要工作参数，是仿真分 析的主要研究对象。仿真模拟系统导向工况( 即电磁阀电磁铁通电，阀口关闭) ，在不考 虑电磁阀泄漏的前提下，省去了电磁阀可简化仿真模型提高仿真效率，因而未建立其数学 模型。简化后的液压导向系统原理如图3 1 所示。 5 4 1 一油箱2 一吸油单向阀3 一柱塞泵4 一排油单向阀5 一导向液压缸6 一溢流阀 图3 1 液压导向系统简化后原理图 3 1 1 柱塞泵数学模型 由液压导向系统原理可知，柱塞泵通过偏心轴承提取旋转钻杆的机械能，将其转换为 液压导向系统的油液压力能。如图3 2 所示，柱塞泵由缸体、复位弹簧、柱塞等构成。钻 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 杆带动其上偏心轴承转动时，偏心轴承外圈推动柱塞作往复运动，泵的密封容腔周期性变 化，从而形成泵正常工作的条件。 ( 至溢 图3 2 柱塞泵结构不葸图 此处偏心轴承的功能相当于凸轮机构，由凸轮机构运动规律可得柱塞的位移为【5 2 】： x ，= s c o s ( o t ) 一1 】( 3 1 ) 柱塞泵的瞬时流量为： 驴4 d p 2 v p 一呜掣警= 百, r fd p 2 ( 鲁 一呜掣鲁n 2 ， 柱塞泵建压方程为【5 2 】： 一d p o ：坠二堡二堡二垒丝 ( 3 3 ) 出 三q 2 k + z ) 一 式中： x 一柱塞的位移，m 5 s 偏心轴承的偏心距，m ； 灭偏心轴承直径，m ； 0 3 偏心轴承转速，r a d s o q 广柱塞泵的流量，l s ； d 广柱塞直径，m ； 彳广柱塞面积，m 2 , 广柱塞有效行程，m ； 劭一柱塞泵出口压力，m p a ； g 一通过吸油单向阀的流量，协； q 】- 一通过排油单向阀的流量，1 s ； q 广通过溢流阀的流量，1 s ； 墨广柱塞泵处于初始位置的柱塞位移，m ； 夕厂油液弹性模量，m p a 。 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 从建立的柱塞泵数学模型可看出，