旋转导向钻井工具机械结构设计说明书样本

Φ178旋转导向钻井工具机械构造设计摘要:旋转导向钻井技术是石油工业工程技术领域核心技术之一，得到了石油钻井工程界极大关注，发挥着越来越重要作用，重要应用于水平井、大位移井、超深井、三维多目的井等复杂构造井作业。本文综述了旋转导向钻井工具国内外现状，闸明了在国内发展旋转导向钻井技术重要性和必要性，简介了它工作原理及构造构成，指出了研制该工具重要技术特点。调制式旋转导向钻井工具导向执行机构是靠内外泥浆液压力差驱动原理来实现，这是旋转导向钻井工具能否正常工作核心。因此，对其液压盘阀分派系统进行分析计算，及其在井下不同工况下所受力进行分析计算。分析了旋转导向钻井系统井下钻井工具系偏置方式和导向方式，完毕了导向执行机构机械某些设计。核心词:旋转导向钻井工具；机械构造设计；压力差；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目录TOC\o"1-3"\h\u30672第一章绪论 1263921.1本论文研究目、价值和意义 169651.2国内外研究状况及趋势 211.2.1国内旋转导向钻井系统研究与发呈现状 24381.2.2国外旋转导向钻井系统研究与发呈现状 3176401.3毕业设计论文重要内容 922657第二章旋转导向钻井装置方案对比分析 1059122.1旋转导向钻井工具分类 10318392.2三种旋转导向钻井系统构造特性和对比 104712.2.1AutoTrak旋转导向钻井系统 10184852.2.2PowerDrive旋转导向钻井系统 11196412.2.3三种不同旋转导向方式对比 15257332.3旋转导向钻井方案选取 152.415912旋转导向钻井工具工作原理 1525784第三章旋转导向钻井工具机械某些设计 1853733.1导向机构导向原理及构成 18278593.2上盘阀高压孔圆弧角拟定 22319533.3柱塞有关计算 22210013.4巴掌构造 2381233.5盘阀泥浆过流有效面积计算 24306673.6巴掌销钉强度校核 26288233.7挡块上螺钉强度校核 26301893.8盘阀连接螺钉强度校核 27324313.9液压盘阀系统设计 2787793.9.1上盘阀构造设计计算 3795353.9.2上盘阀传动轴校核 303.9.3下盘阀设计313.9.4上下盘阀导通时间计算3273593.10盘阀加压弹簧设计 34160443.11工详细校核 3510599第四章旋转导向钻井工具经济性评价 3860364.1旋转导向工具加工成本 3861744.2旋转导向工具经济效果 3829375第五章结论及展望 40219705.1结论 40319135.2展望与建议 4011549参照文献4123844致谢 43绪论1.1本论文研究目、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油田，普通通过开发深井、超深井和长距离水平井来实现，进而导致复杂构造井不断增多，这就要加快旋转导向钻井工具研究步伐。20世纪80年代后期，国际上开始加强对旋转导向钻井研究。旋转导向钻井法是在用转盘旋转钻柱钻井时,随钻实时完毕导向功能。其长处是：在输送钻头时摩阻小，钻速高(是滑动钻井2-3倍)、钻头进尺多、钻井时效高、建井周期短，井身轨迹平滑易调控。此外，其极限井深可达15km。钻井成本低。因而，旋转导向钻井技术是当代导向钻井技术发展必然方向。到90年代初期，国外旋转导向钻井技术已呈现商业化。中华人民共和国古代钻井技术被称为中华人民共和国古代文明第五大创造。开创了世界钻井历史先河新中华人民共和国成立后，国内石油工业有了举世瞩目巨大成就。国内石油产量现居全世界第5至第8位，国内钻井规摸已跃居全世界第3位，钻井业已走出国门参加国际竞争。当前，国际钻井技术发展总趋势是以信息化、智能化、自动化为特点，向自动化钻井阶段发展自20世纪80年代后期，国际上开始加强对旋转导向钻井技术研究，到90年代初期，旋转导向钻井技术已呈现商业化。另一方面随着油气田日益减少，大位移井相对重要性和技术、经济优势越来越明显，而它所面临技术难度也是前所未有。重要是轨迹控制精度规定大幅度提高，控制难度明显增长，同步又必要尽量保证有足够速度以保证钻井成本相对下降。要实现这一目的，就规定一方面实现井下闭环控制，可以使井眼轨迹控制工作最大限度避免由人为经验来解决不拟定性干扰因获引起复杂问题，并使井眼轨迹控制类似于导弹飞行控制，保证井眼轨迹控制精度和精确性得以大幅度提高。井下闭环钻井技术代表了当今井眼轨迹控制技术最高水平，经济、资源、技术因素决定了必要研究井下闭环钻井技术。其正实现井下闭环控制，老式钻井工具已不能满足规定，必要研制更加灵活、全方位可调旋转导向井下工具。其核心是能在旋转状态下按控制指令动作以变化作用在钻头上合力或变化钻具偏心限度偏三导向机构。旋转导向钻井时摩阻与扭阻小、钻速高、钻头进尺多、钻井时效高、钻井周期短、井身轨进平滑，每米进尺成本低，是当代导向钻井发展方向。旋转导向系统是一种集机、电、液于一体闭环自动控制系统，并以旋转钻井为其技术特性，因此在减少井下摩阻、提高钻深能力和控制精度方面具备独特优势，因此成为大位移井长稳斜段钻井作业惯用工具，也适合于水平井水平段（特别是薄油水层水平井）钻进与控制作业。当前国内也正在研制开发旋转导向系统，从各个油田和区块应用实例看，旋转导向钻井工具具备在旋转钻进时持续导向能力，可以提高井眼清洁度和机械钻速，减少压差卡钻；还具备井眼轨迹自动控制能力，从而提高井眼轨迹光滑度，减少扭矩和摩阻，也就相应地增长了水平井延伸长度。但该系统对设备规定比较高，规定设备、钻具等能承受高转速、大扭矩、高泵压，在某种限度上加大了对设备、钻具等损伤，并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合用这种钻井技术。1.2国内外研究状况及趋势1.2.1国内旋转导向钻井系统研究与发呈现状20世纪90年代，西安石油大学等国内少数研究机构开始关注旋转导向钻井技术，重要进行情报调研和初步概念性摸索研究。1991年，西安石油大学张绍槐专家组织力量进行了“井眼轨迹制导技术”中华人民共和国石油天然气总公司(CNPC)“九五”立项调研；1994年，西安石油大学张绍槐专家等又开展了井下旋转自动导向钻井系统RCLD(RotaryClose-LoopDrillingSystem)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、钻井智能信息与模仿技术以及随钻地震技术(SO)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，西安石油大学参加了这些研究项目并于初建立了国内第一种多学科导向钻井研究所。胜利油田在国内导向钻井技术应用和研究方面也始终处在全国第一领先地位，曾于1989年在河50井组钻成功一种井场井数最多丛式井，并且己成功地为20各种油田提供了水平井技术服务，成功钻探水平井数量占同期全国所钻水平井总数三分之二；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；进行了旋转导向钻井系统开发可行性研究，“旋转导向钻井系统整体方案设计及核心技术研究”、“旋转导向钻井技术研究”分别被列为国家“863”前瞻性研究项目及中华人民共和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伙开始共同研制和开发具备自主知识产权旋转导向系统—调制式旋转导向钻井系统MRSS（ModulatedRotarySteerableSystem)。在全面完毕国家“863”前瞻性研究攻关项目基本上，“旋转导向钻井系统核心技术研究”被列为国家“863"正式科技攻关项目。MSS调制式旋转导向钻井系统为动态偏置推靠式系统，当前己在其核心技术研究方面获得突破，对该系统已建立起系统力学物理、数学模型，理论研究比较完善成熟，已形成了功能性样机，系统某些功能已在地面得到验证。由中海油与西安石油大学等研究单位承担国家“863”课题“旋转导向三维可控钻井技术研究”也获得了突破，研究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，当前己进行了偏心机理、井下BHA组合力学性能等一定理论研究和工具系统各单元样机现场实验，其在陆地和海上油田现场实验成果表白：在井斜约60º大斜度稳斜井段，井斜控制和方位控制都达到了控制规定，采用旋转导向钻具组合还可提高钻压，最高可达240KN，为“十一五”期间旋转导向钻井工具系统进一步完善和应用奠定了坚实工程化基本，在国内旋转导向钻井系统核心技术研究方面有一定突破。至上半年，该工具系统随钻电阻率、自然伽马测量工具单元样机进行了7次陆地油田钻井实验，重要技术指标达到了最高耐压140MPa，最高工作温度150℃，持续工作时间200h，实现了国内初次对随钻电阻率和地层自然伽马测量。1月，该工具系统井下工程参数测量短节在四川MP37井下井实验，钻井作业40.95h，钻井进尺320m，获得了较好实验效果。以来，对该工具系统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实验，钻井深度达到2850m，工作时间达到86h，最长时间200h，完全达到了设计规定，当前该系统在井下软件和硬件接口以及总控系统都可以满足作业需求，并与其她井下仪器具备良好兼容性能。5月30日该工具系统旋转导向可控偏心移送器单元样机在长庆油田Ning37-32井进行了钻井实验，国内初次运用品有自主知识产权旋转导向可控偏心器钻井技术实现成功钻井。此外，文献中有偏置工具后置式系统简介，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理论分析研究。由于美国实行技术封锁，国内缺少国外先进旋转一导向系统实物样机作为参照，加之研发费用高，在核心技术方面还是存在着重重困难，样机现场实验效果与国外技术相比还存在较大差别当前还无法形成应用于现场能力。1.2.2国外旋转导向钻井系统研究与发呈现状国外从20世纪80年代末期开始旋转导向钻井系统理论研究。导向钻井系统最初只用在定向井、丛式井，随油田开发增多，逐渐用到了大斜度井、水平井、兰维多目的井、大位移井等。因而导向钻井相应发展也经历了三个阶段：初级导向钻井、地面人工控制导向钻井及全自动井下闭环旋转导向钻井。初级导向钻井是运用弯外壳螺杆钻具，在造斜段(或降斜段)、稳斜段分别实行滑动钻进和旋转钻进。地面人工控制导向钻井系统是使用变径稳定器加螺杆钻具，采用遥控方式，通过变化井下稳定器直径来变化井下动力钻具力学特性，进行造斜(或降斜)和稳斜钻进，但在造斜段(或降斜段)同样需要滑动钻进。滑动钻进时机械钻速低，携岩能力差，井眼清洗不完善，容易发生粘吸卡钻。全自动井下闭环旋转导向钻井系统是从地面人工控制导向钻井系统发展成，可实行井下自动侧量、辨别解决、控制自动系统。这种系统在造斜、降斜、稳斜段内均能实行旋转钻进，有助于提高机械钻速，并且携岩能力好，井眼清洗完善，可大大减少压差卡钻现象。旋转导向钻井工具是20世纪90年代初，随着水平井、大位移井、丛式并等复杂井和“海油路采”迅速发展，而浮现一种新型钻井工具。到20世纪90年代中期，美、英、德、意、日五个国家8家大公司进行研制并垄断了其工程应用和商业化技术服务市场，例如德国自动垂直井钻井系统VDS、美国BakerHughesInteq公司自动直井钻井系统SDD、Halliburton公司自动导向钻井系统AGS、美国能源部资助自动定向钻井系统ADD、英国Cameo公司可导向旋转钻井系统SRD、BakerHugheslnteq公司旋转导向井下闭环钻井系统RCLS及日本提出RCDOS系统，特别是BakerHughes公司AatoTrak和Schlumberger公司PowerDrive获得了较好应用效果。当前己形成或正在开发旋转导向钻井系统公司详细状况如下表1-1所示。表1-1既有旋转导向钻井系统当前，闭环自动导向钻井技术已经形成了两个重要发展大方向：一种是以BakerHughesInteq公司AutoTrakRCLS系统为代表不旋转外筒式闭环自动导向钻井系统，它以其精准轨迹控制精度和完善地质导向技术为特点，非常合用于高开发难度特殊油藏开发方案设计和导向钻井作业，Halliburton公司Geo-Pilot系统也属于这一类导向钻井系统；此外一种是以SchlumbergerAnadrill公司PowerDriverSRD系统为代表全旋转自动导向钻井系统，它以其同样精准轨迹控制精度和特有位移延伸钻井能力为特点，非常合用于超深井、边沿油藏开发方案中深井、大位移井导向钻井作业。这两大方向又以BakerHughesInteq公司AutoTrakRCLS、SchlumbergerAnadril公司PowerDriveSRD和HalliburtonSperry-sun公司Geo-Pilot系统这三大系统为代表，分为三大类型，背面将对她们分别进行详细简介。尽管当前闭环自动导向钻井技术存在两个发展方向，但其长远发展方向都将是集两者长处在一身闭环自动导向钻井技术。(1)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定向钻井系统，可以在旋转钻井过程向造斜钻进，重要是由于它有一种独特非旋转可调扶正器滑套，此扶正器滑套并非真不旋转，只是相对钻头驱动轴而言它几乎是不旋转，因而在旋转钻进过程中，此扶正器滑套可以保持一种相对静止状态，从而保证钻头沿着某一特定方向钻进。非旋转扶正器滑套内有元件:近钻头井斜传感器、电子控制元件、液压控制阀和活塞，见图1-1。通过液压可推动活塞分别对3个稳定块施加不同压力，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。图1-1AutoTrak内部构造AutoTrak结合了当前最为先进MWD，LWD技术，满足了地质导向和钻井作业双重需要：同步结合MDL、MNP、MDP等工具，实现随钻测井规定。工具包括地面与井下双向通讯系统、导向系统和LW以随钻测井系统三个某些。1)地面与井下双向通讯系统此系统可使操作者能在不断钻状况下，用钻井液脉冲从地面向井下工具发出指令变化井眼轨迹、造斜率、方位变化率及降斜率等，批示井底发射器有选取地发送需要信息。为了能使地面指令向下传播，开发了一项通过在井上调制排量来向下传递命令新技术：立管上安装一种旁通触发器，可在地面把某些钻并液送回钻井液池，相应流盆变化导致井下发电机电压变化，这样加载了信息排量变化顺序就送到井下并在井下得到解释。它可以把地层参数、井下温度、井眼轨迹参数、井底压力及工具运营状态等数据用钻井液正脉冲传播到地面，并在地面接受译码。此工具上传数据采用了己经成功应用20近年MWD中井下遥控脉冲发射器。2)AutoTrakRCLS导向系统RCLS系统井下偏置导向工具由不旋转外套和旋转心轴两大某些通过上下轴承连接形成一可相对转动构造，旋转心轴上接钻柱，下接钻头，起传递钻压、扭矩和输送钻井液作用，不旋转外套上设立有井下CPU，控制某些和支撑翼肋。当周向均布三个支撑翼肋分别以不同液压力支捧于井壁时，将使不旋转外套不随钻柱旋转，同步，井壁反作用力将对井下偏置导向工具产生一种偏置合力。通过控制三个支撑翼肋支出液压力大小，可控制偏置力大小和方向，以控制导向钻井。液压力大小由井下CPU控制井下控制系统来调节。井下CPU在下井前，预置了井眼轨迹数据。井下工作时，可将MWD测量井眼轨迹信息或LWD测量地层信息与设计数据进行对比，自动控制液压力，也可依照接受到地面指令调节设计参数，控制液压力，以实现导向钻进。3)LWD(随钻测井)系统该系统可以使钻头得到精准地质导向，并取代了有线测井。它还具备GAMMA测井和电阻率测井功能。（2）PowerDrive旋转导向钻井系统PowerDrive旋转导向钻井系统核心是旋转导向工具，其导向原理与BakerHughes公司RCLS导向钻井工具类似，都是运用近钻头导向块伸缩与井壁互相作用产生导向力，但是构造有所不同。PowerDrive旋转导向系统具备自我稳定钻井液动力和密封控制单元，通过旋转稳定传感器同步调节井眼走向。当需要在某个方向导向时，钻柱在旋转状态下，相位相差1200随钻柱一起旋转3个导向块中某一块，它每一次通过某一特定垂向或径向方位时，通过控制系统施加液压，使同步导向块伸出与井壁接触，并对钻头产生一侧向力，推动钻头离开该方向，达到变化井斜和方位目，转离该方向后，滑块自动缩回。图1-2PowerDrive盘阀控制机构示意图斯伦贝谢公司旋转导向系统重要是指PowerDrive系统，涉及PowerDriveX51100、PowerDriveX5900、PowerDriveX5、PowerDrivX5675、PowerDriveX475、PowerDriveXceed900、PowervorteX除了PowervorteX是动力式旋转导向系统外，其她均为全旋转式旋转导向系统，PowerDriveX5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、钻头振动状况和钻头转速，运用近钻头伽马射线显示地质和井眼成像，自动纠斜。它合用井眼尺寸为514～26in，可用常规钻井液，最高耐温150℃，流量范畴480～1900gpm，最高耐压0psi，其中，PowerDriveX51100型最大转速200r／min，最大造斜率3°／100ft，PowerDriveX5475型最大转速250r／min，最大造斜率8°／100ft。PowerDriveXceed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PowerDriveX5系列大体相似，合用井眼尺寸为838～1712in，可用常规钻井液，最高耐温150℃，流量范畴450～1800gpm，最高耐压0psi，最大转速350r／min，其中，PowerDriveXceed900型最大造斜率6.5°/100ft，PowerDriveXceed675型最大造斜率8°／100ft。PowervorteX是一种高性能导向钻井工具，可以提高所需井下动力，增长井眼稳定性，自动纠斜，有智能高性能动力组件，可合用于434in井眼，最高耐温150℃。相对前面两种钻井系统而言，PowerDrive调制式旋转导向系统在构造设计方面更为简朴，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环境，钻井极限井深更深，速度更快，在大位移井、三维多目的井及其他高难度特殊工艺井中更具竞争力。由于在钻具与井壁间不会产生阻碍钻屑流动瓶颈，因此提高了携屑液流通过能力。由于钻具没有产生摩擦固定部件，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，因此发生机械故障和压差卡钻几率大幅度下降，从而提高了钻具寿命。全旋转系统可以使用任何类型钻井液。斯伦贝谢公司PowerDriveXceed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。井下钻具与地面通讯是借助于PowerPluseMWD遥测系统来实现，它涉及一整套随钻电子测量工具。PowerDriveXceed与PowerPluse互相结合，PowerDriveXceed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。依照所获得信息，可从井口发出指令以保持或变化钻头轨迹。钻具内部电子测量工具会自动调节钻具位置，使钻具在不与井壁接触状况下始终处在井眼高边，但工作寿命有待进一步提高。（3）Geo-Pilot旋转导向钻井系统Geo-Pilot系统是Halliburton公司下属Spenysun公司开发旋转导向系统，又称RST（RotarySteerableTool）。其重要特性是下部驱动主轴可在壳体内旋转成一定角度，相称于形成一种可调弯角，可对井斜和方位进行纠正。Geo-Pilot系统采用控制钻柱弯曲特性来实现钻头轴线有效导控，其长处是造斜率由工具自身拟定，不受钻进地层岩性影响，在软地层及不均质地层中效果明显，缺陷是钻柱承受高强度交变应力，钻柱容易发生疲劳破坏。此外，高精度加工是保证这种系统导向效果核心。图1-3Geo-Pilot主体综合以上国外各种旋转导向钻井系统旋转导向钻具工作方式，其重要有两种类型。一种是靠侧向力推靠钻头原理旋转导向钻井工具—称“推靠钻头”(PushtheBit)导向原理工具，此类原理导向工具已有各种，其导向方式示意图如1-4(a)所示。此外一种是近年来提出定向给钻头以角位移—简称“定向钻头”或“指向钻头”(PointtheBit)原理旋转导向工具，其指向方式示意图如1-4(b)所示。这种原理典型产品有SpentSun和JNOC公司合伙开发Geo-Pilot.这种“指向钻头”原理旋转导向工具，其原理相对较新，在原井眼井斜5º以上才可增斜、稳斜，在井斜较大时可降斜，但难以在直井中防斜。图1-4（a)推靠钻头式旋转导向钻井工具图1-4（b）指向钻头式旋转导向钻井工具1.3毕业设计论文重要内容(1)查阅、收集关于钻转导向钻井工具资料，理解钻转导向钻井工具原理与构造，理解国内外钻转导向钻井工具研究与应用现状和发展趋势，弄清本次毕业设计所要设计内容，在此基本上完毕开题报告；(2)查阅关于钻转导向钻井工具外文资料并选定一篇进行翻译；(3)分析旋转导向钻井工具构造特点及其所存在缺陷，提出钻转导向钻井工具设计方案；(4)画出构造草图，并依照任务书所给数据进行计算和校核，拟定钻转导向钻井工具各零部件详细尺寸，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装配图和各零部件零件图；(6)完毕毕业设计论文。

第二章旋转导向钻井装置方案对比分析2.1旋转导向钻井工具分类旋转导向系统按导向方式可分为两类：一种是靠侧向力推靠钻头原理旋转导向钻井工具—称“推靠钻头”(PushtheBit)导向原理工具；此外一种是近年来提出定向给钻头以角位移—简称“定向钻头”或“指向钻头”(PointtheBit)原理旋转导向工具。旋转导向系统按偏置机构工作方式又可分为静态偏置式(StaticBias)和动态偏置式(DynamicBias)即调制式(Modulated))二种。调制式旋转导向钻井工具是依托工具执行机构推靠井壁，使其给钻头一反作用侧向力为原理工作，是当今国内外钻井界已经商业化3种导向原理之一钻井工具。按传感器不同区别，分为静止式(如AUTOTRAKRCLS和POWERDRIVESRD系统)和捷联式(3S)两种；以导向方式区别，有偏置钻头式(biasthebits，如AUTOTRAKRCLS和POWERDRIVESRD系统)和倾斜钻头式(pointingthebits，如GEOPILOTS系统)两种；以工具构造不同区别，有不旋转外筒式((AUTOTRAKRCLS和GEOPILOTS系统)和调制式(POWERDRIVESRI)系统)两种;尚有依照工具尺寸进行分类，不同工具尺寸也不尽相似。MRST重要采用偏置钻头、旋转外筒式，其传感器为静止式。相比较而言，偏置钻头工作方式调制式旋转导向钻井系统井下工具系统具备如下特点：(1)以钻井过程中自然存在钻井液压差为动力，其构造简朴紧凑；(2)这种工具系统力工作方式使其能适合各种复杂环境；(3)全旋转工作方式使钻柱对井壁没有静止点，从而可以保证井下安全，实现复杂井眼轨迹能力强，钻进速度快。2.2三种旋转导向钻井系统构造特性和对比2.2.1AutoTrak旋转导向钻井系统AutoTrak旋转导向钻井系统系统井下偏置导向工具由不旋转外套和旋转心轴两大某些通过上下轴承连接形成一可相对转动构造，旋转心轴上接钻柱，下接钻头，起传递钻压、扭矩和输送钻井液作用，不旋转外套上设立有井下CPU，控制某些和支撑翼肋。图2-1是井下偏置导向工具导向原理示意图。当周向均布三个支撑翼肋分别以不同液压力支撑于井壁时，将使不旋转外套不随钻柱旋转，同步，井壁反作用力将对井下偏置导向工具产生一种偏置合力。通过控制三个支撑翼肋支出液压力大小，可控制偏置力大小和方向，以控制导向钻井。液压力大小由井下CPU控制井下控制系统来调节。井下CPU在下井前，预置了井眼轨迹数据。井下工作时，可将MWD测量井眼轨迹信息或LWD测量地层信息与设计数据进行对比，自动控制液压力，也可依照接受到地面指令调节设计参数，控制液压力，以实现导向钻进。图2-1RCLS井下偏置导向工具导向原理示意图在钻井时该系统可以设立两种钻进模式：①保持摸式。这种模式可使井眼轨迹保持一定井斜角和方位角。它在井下微解决设有造斜力或降斜力、变方位力、井斜角和方位角3个参数.若井眼轨迹与预定井斜角或方位角发生偏差，井下微解决器将用设定好造斜力或变方位力来修正井眼轨迹，直到恢复预定井斜角和方位角。设定造斜力和变方位力重要是为了控制井眼狗腿度。保持模式可同步施加造斜力和变方位力。②导向模式。这种钻进模式犹如运用导向马达滑动钻进方式，可控制井眼轨迹变化。须设里导向块产生合力矢大小和方向两个参数。合力矢方向相称于弯壳体马达工具面角。合力矢大小是为了控制井眼轨迹变化率。与导向马达相比，该旋转导向工具能更精准地控制井眼轨迹，钻头侧向力和井眼狗腿度可由闭环系统持续控制。2.2.2PowerDrive旋转导向钻井系统PowerDrive旋转导向钻井系统核心是旋转导向工具，其导向原理与BakerHughes公司RCLS导向钻井工具类似，都是运用近钻头导向块伸缩与井壁互相作用产生导向力，但是构造有所不同。PowerDrive旋转导向系统具备自我稳定钻井液动力和密封控制单元，通过旋转稳定传感器同步调节井眼走向。当需要在某个方向导向时，钻柱在旋转状态下，相位相差1200随钻柱一起旋转3个导向块中某一块，它每一次通过某一特定垂向或径向方位时，通过控制系统施加液压，使同步导向块伸出与井壁接触，并对钻头产生一侧向力，推动钻头离开该方向，达到变化井斜和方位目，转离该方向后，滑块自动缩回。1)PowerDrive旋转导向钻井系统井下控制单元井下工具包括控制器、旋转换向阀及测量机构。它们都置于钻柱中间，可以保持相对静止。为了与无磁钻挺一起旋转，将一密封压力套安装在中央，它通过联接器和控制轴与偏置单元控制阀相连接，其方向由内部传感器监控。单级轴向流体转子也安装在其上以获得同心逆时针旋转。转子轴承也支撑着其线圈在压力套内部交流发电机永磁极构造，这可使传感器解决器和控制系统所需能源得到基本满足。来自被称为“扭矩装里”交流发电机并作用在压力套上逆时针扭矩，可以通过增大其电负载来平衡产生于旋转着钻挺并通过支撑轴承传递顺时针扭矩以及产生于偏置单元中盘阀顺时针扭矩进行控制。通过对内部传感器测得方向与在控制系统存贮器中存贮规定方向进行比较可以推导出负载控制信号和逆时针扭矩信号。压力套及其内部装置、以及安装在其上转子和扭矩装置构成了“控制单元”。控制单元功能涉及：①偏置控制；②提供测量数据:钻头轴线实际井斜角和方位角。控制单元运动由地面软件进行控制。PowerDrive产品可以选取具备：通过编程实现对井斜角和方位角内部自动控制功能，这就规定系统应具备信号以适应速串下传功能，但同步也会大大减少信号上传规定。为了获得测量及定向数据，运用控制单元中传感器来测量控制单元坐标中重力及磁力矢盒。该系统所用单三轴力反馈加速度计，伺服机构作用在敏感单元上，在其三个互相垂直方向上重心附近。加速度计壳体内布满着粘性液体，以缓和伺服机构对高频震动响应，使其对震动和冲击具备较大抵抗力。它直径为1英寸，具备开发用于更小井眼PowerDrive系统潜力。2)PowerDrive井下偏叉导向工具构造原理RSRD系统由控制某些稳定平台和翼肋支出及控制机构构成。控制某些稳定平台内部涉及测盆传感器、井下CPU和控制电路，通过上下轴承悬挂于外筒内，靠控制两端涡轮在钻井液中转速使该某些形成一种不随钻柱旋转、相对稳定控制平台。与AutoTrakRCLS系统靠独立液压系统为支撑翼肋支出提供动力来源不同是，PowerDriveSRD系统支撑冀肋支出动力来源是钻并过程中自然存在钻柱内外钻井液压差。如图2-2所示，有一控制轴从控制某些稳定平台延伸到下部其肋支出控制机构，底端固定上盘阀，由控制某些稳定平台控制上盘阀转角。下盘阀固定于井下偏置工具内部，随钻柱一起转动，其上液压孔分别与翼肋支撑液压腔相通。在井下工作时，由控制某些稳定平台控制上盘阀相对稳定性:随钻柱一起旋转下盘阀上液压孔将依次与上盘阀上高压孔接通，使钻柱内部高压钻井液通过该暂时接通液压通道进入有关挥肋支撑液压腔，在钻柱内外钻井液压差作用下将冀肋支出。这样，随着钻柱旋转，每个支撑其肋都将在设计位置支出，从而为钻头提供一种侧向力，产生导向作用。图2-2PowerDrive盘阀控制机构示意图2.2.3Geo-Pilot旋转导向钻井系统Geo-Pilot系统是Halliburton公司下属Sperry-Sun公司开发旋转导向系统，又称RST(RotarySteerableTool)。这是一种和AutoTrak、PowerDriveS作原理和构造形式有较大区别另一种旋转导向系统，其重要特性是下部驱动主轴可在壳体内偏转成一定角度，相称于形成一种可调弯角，可对井斜和方位进行纠正。1)Geo-Pilot系统井下偏置导向工具构造原理Sperry-Sun公司Geo-Pilot旋转导向钻井系统也是一种不旋转外筒式导向工具，但与BakerHughesInteq公司AutoTrakRCLS系统和SchlumbergerAnadrill公司PowerDriveSRD系统不同是，Geo-Pilot旋转导向钻井系统不是靠偏置钻头进行导向，而是靠不旋转外筒与旋转心轴之间一套偏置机构使旋转心轴偏置，从而对于不旋转外套固定，从而始终将旋转心轴向固定方向偏置，为钻头提供一种方向固定倾角。2)Geo-Pilot总体外观和参数简介图2-3Geo-Pilot主体如图2-3所示，Geo-Pilot系统关于构造和工作参数如下：公称直径171mm；上部外径194mm；长度6.1m；连接上扣(母扣)114.3mm；连接下扣(REG母或公扣)114.3mm；造斜、降斜5°/30m；最大狗腿度10°/30m；最大主轴扭矩27.115Nm；最大转速250r/min；最大流量4545kg/min；最大钻压245kN；钻井液类型以水基钻井液为主；最大含砂量2%；压降0.46MPa(在22Us排量下计算值)外观构造；最大提拉力333kN；上接MWD；地面软件为INSILE钻机信息系统；井斜仪测量精度与范畴0.1°，测量传感器距钻头位置；井斜、方位17.3m，伽马13.8m，振动13.8m，电阻率11.7m，近钻头井斜0.9m；电源为铿电池；最大工作周期不少于200h(旋转导向)。其导向原理如图2-4所示：图2-4Geo-Pilot导向原理2.2.3三种不同旋转导向方式对比旋转式导向钻井工具，按导向方式不同重要分为3种类型，静态偏置推靠式导向钻具，调制式旋转导向钻具，静态偏置指向式导向钻具。从工作原理和适应井下工作环境方面来讲，三种工作方式旋转导向钻井系统各有其特点。静态偏置指向式导向钻具采用控制钻柱弯曲特性，来实现钻头轴线有效导控，其长处是造斜率由工具自身拟定，不受钻进地层岩性影响，在软地层及不均质地层中效果明显，缺陷是钻柱承受高强度交变应力，钻柱容易发生疲劳破坏。此外，高精度加工是保证这种系统导向效果核心。静态偏置推靠式导向钻具采用了静态式工作原理，重要靠钻具偏心控制来变化钻头上侧向力。这种系统长处是可以运用成熟控制技术来实现偏心距控制，但是井下复杂条件使得这种系统具备许多缺陷，如位移工作方式、静止外套、小型化能力差、构造复杂等，所有这些都会影响这种系统发展。相对而言，调制式旋转导向工具系统在构造设计方面更为简朴，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环境，钻井极限井深更深，速度更快，在大位移井、三维多目的井及其他高难度特殊工艺井中更具竞争力，但工作寿命有待进一步提高。三种旋转导向工具系统对比见表2-1。表2-1三种不同方式旋转导向系统对比工作方式代表系统旋转导向限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式AutoTrakRCLS工具系统外筒不旋转6.5°/30m中低存在φ215.9~φ311.2mm调制式PowerDriveSRD全旋转8.5°/30m高高存在φ152.4~φ311.2mm静态偏置指向式Geo-Pilot工具系统外筒不旋转5.5°/30m中中消除φ215.9~φ311.2mmAutoTrackRCLS:位移工作方式、静止外套、小型化能力差、构造复杂等。PowerDriveSRD:钻头和钻头轴承磨损较严重，工作寿命有待进一步提高。Geo-Pilot:钻柱承受高强度交变应力，钻柱容易发生疲劳破坏。2.3旋转导向钻井方案选取推靠式旋转导向系统特点：侧向力大，造斜率高，但旋转导向钻出井眼狗腿大，轨迹波动大，不平滑。钻头和钻头轴承磨损较严重。指向式旋转导向系统特点：能钻出较平滑井眼，摩阻和扭矩较小，可以使用较大钻压，机械钻速较高，有助于发挥钻头性能，钻头及其轴承承受侧向载荷较小，极限位移增长，但是造斜率较低。通过重复论证和分析，这两种方案中，推靠式通过了大量实践，其可靠性强，并得到了不断技术改进和完善。而指向式控制较难，偏心机构弯轴及两个偏心环设计较难，执行机构控制较推靠式有一定难度，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，因而，我选取了调制式全旋转导向钻井系统为自己设计方向。2.4旋转导向钻井工具工作原理旋转导向钻井工具最基本功能有2种：①导向功能；②稳斜或不导向功能。导向功能是指当需要向某一种井斜、方位导向时，可由稳定平台通过控制轴将上盘阀高压孔中心即工具面角调节到与所需导向井斜、方位相反位置上，这时钻具沿所需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。稳斜功能(不导向)是使稳定平台带动上盘阀，使其和钻柱以不同某一转速作匀速转动(如20-40r/min)，这时在360°工具面角方向上，不断有类似巴掌推板伸出并推靠井壁，综合伙用则体现为不导向，亦即稳斜钻进。旋转导向钻井系统原理如图2-5所示：图2-5旋转导向钻井系统工作原理依照对井下工程、地质及几何参数监测和规定，旋转导向钻井工具可以按已设定程序或给定指令调节井斜和方位。它是一种机、电一体化智能导向工具，接近钻头推靠柱塞和推板、工作液控制阀以及稳定平台是它核心部件。推板动力来自于泥浆通过钻头水眼后所产生钻柱内外压差；工作液控制阀(上、下盘阀相对位置)调节和稳定则由稳定平台控制；3个推板相位差为120°，钻柱在旋转状态下，任意一种或两个推板通过某一特定方位时，借助工作液控制阀所施加压力(泥浆压差)来同步调节推板伸出，使其与井壁接触，并对钻头产生一种侧向力(即运用井壁对推板反作用力)来推动钻头变化原方向，达到变化井斜或方位目，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作用是在钻井工具中产生一种不受钻杆旋转影响、相对稳定平台，从而可以使钻柱导向钻井工具及推板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构成。上涡轮发电机是系统动力发生器，提供井下电源，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立密封电子仓，电子仓中有控制电路和测量工具面角、井斜角三轴重力加速度计、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钻柱内维持稳定，必要使施加到控制轴上力矩平衡。工作中平台受到重要力矩涉及驱动上盘阀旋转扭矩、钻柱旋转带来机械摩擦阻力矩和作为电能发生器涡轮发电机自身电磁力矩。作为力矩发生器下涡轮电机电枢在磁场中也会产生一种电磁力矩，即驱动动力矩。涡轮发电机与扭矩发生器扭矩联合伙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、通讯电路和驱动电路等6大某些构成。2个井下涡轮发电机运用钻井液动能为平台中电气设备提供电源,同步作为平台稳定控制执行器控制与其相联液压控制单元中上盘阀。旋转导向钻井工具中工作液控制单元是一种盘阀开关系统,由上、下盘阀2某些构成。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孔，称为高压阀孔，见图2-6(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3个柱塞相通，见图2-6(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力具备一定作用时间，以保证侧向控制力作用效果,钻井液通过过滤网再流向上盘高压阀孔。当上盘阀高压孔与下盘阀某1个或者2个孔相通时,高压泥浆将推动偏置执行单元相应柱塞,并由柱塞推动推板，将力作用在井壁上,该作用力方向则由上盘高压孔位置拟定。液压控制单元核心就是在稳定平台作用下,控制上盘阀高压孔位置(工程上工具面角)。图2-6上盘阀和下盘阀构造旋转导向钻井工具中偏置执行单元重要由柱塞和推靠井壁推板构成，在工作液控制单元控制下，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导致钻具卡死或井壁挤毁。

第三章旋转导向钻井工具机械某些设计3.1导向机构导向原理及构成导向机构是旋转导向钻井系统核心某些，重要由三个伸缩巴掌和控制系统控制盘阀构成。重要功能是依照轨迹控制规定，向钻头提供不同大小和方向侧向力。如图4-1原理图所示，旋转导向钻井工具导向力直接来源于工具执行机构柱塞推靠井壁所产生反作用力推靠力，该力在导向方向分量称为导向力，同步产生与导向方向垂直分量，称为扩径力，该扩径力使井径较之钻头有所扩大。在工作过程中接受由地面发出指令，并通过稳定平台单元调控工作液来控制分派单元上盘阀高压孔位置。上下盘阀泥浆控制分派单元将过滤后泥浆依次分派到三个柱塞，给巴掌提供推靠动力，并使该推靠力合力方向始终保持在上盘阀高压孔位置，在近钻头出形成拍打井壁侧向力。通过对侧向力大小、方向和拍打频率调节，可直接控制该工具导向状态。当导向机构处在工作状态时，控制轴中流体进入开关打开，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，当其中一种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。该作用力方向则由上盘高压孔眼位置拟定。当上盘高压孔眼在控制机构作用下处在井眼高边方向时，该作用力方向就沿井眼高边方向，井壁对它反作用力就指向井眼低边。此时，导向机构就处在全力降斜状态。当上盘高压孔眼在控制机构作用下处在井眼低边方向时，该作用力方向就指向井眼低边方向，井壁反作用力就指向井眼高边，此时，导向机构就处在全力增斜状态。当上盘高压孔眼在控制机构作用下处在90°相位时，导向机构就处在90°降方位状态。当上盘高压孔眼在控制机构作用下处在270°相位时，则导向机构就处在90°增方位状态。研究表白，对于RSDS系统来讲，90°扭方位状态事实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低压孔相通，伸缩机构活塞腔内压力卸压，伸缩块在复位弹簧作用下回收。低压室与井眼环空相通，保持低压室内环空压力。导向机构在控制阀控制下实现定向功能，而伸缩翼片在随钻头旋转过程中有规律受控伸缩则产生一定控制力。伸缩翼片对井壁作用是在钻头每一转过程中获得动态实现，并不象静止式导向机构伸缩翼片相对井壁周向位置保持不变，这正是调节式导向机构特点所在。由其工作过程，咱们可知导向机构两某些构成：a、工作液控制分派单元；b、偏执机构单元。工作液控制分派单元由盘阀加压弹簧、上盘阀和下盘阀、上盘阀控制轴和相应密封部件构成，构造如图3-2。图3-1伸缩块对井壁侧向导向力产生原理图3-2工作液控制分派单元偏执机构单元由柱塞、柱塞套、巴掌和挡块构成，构造如图3-3.图3-3偏执机构单元其她部件如下:(1)外筒是一种长约860mm，直径为176mm金属筒，上下两端由母扣连接如图3-4所示；(2)柱塞有三个，均布在外筒上，运用钻具内外压力差工作，如图3-5所示；(3)柱塞套柱塞在柱塞套内往复运动。图3-4执行机构本体图3-5柱塞由旋转导向钻井原理和工作过程可知，其核心部件为导向偏置机构，而导向偏执机构重要由控制液分派单元和偏执机构单元构成。控制液分派单元构造和工作方式决定了偏执机构工作方式和构造。在控制液分派单元中下盘阀高压孔圆弧角θ是设计中核心，由于上盘阀高压孔圆弧角θ大小与巴掌推靠力大小有很大关系。在导向工具工作过程中，高压孔和下盘阀低压孔导通一次就驱动一种巴掌作用于井壁，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，对于伸缩巴掌力是不变，在一段时间内存在，在某一段时间内消失，是一种有冲击作用力。但是在工作过程中每次可以有俩个巴掌同步伸出，它们合力是一种持续力分量。因而高压孔圆弧角θ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，巴掌作用在井壁合力在导向方向分量应当持续并且其变化范畴尽量恒定，以实现工具工作稳定，避免对钻具产生较大冲击。在导向机构设计过程中，为了保证导向机构能满足钻井规定，必要保证工作液控制分派单元能分派足够泥浆流量和有效控制能力，详细来说就是保证推巴掌有足够推靠力大小和作用时间，但是在钻井过程中泥浆压力是由地而泵压所决定。因此在设计过程中，工作液控制分派单元分派泥浆时间，在不考虑稳定平台和外部转速状况下，导通时间重要由上盘阀高压孔圆弧角θ所决定。3.2上盘阀高压孔圆弧角拟定参照段正勇教师《旋转导向钻井工具执行机构推靠力规律分析》所知，执行机构柱塞个数为N时，同步作用柱塞最优个数为不不大于“柱塞”总数一半最小整数(n≤round(N/2)）。旋转导向钻井工具直径范畴约为120.7mm一241.3mm，执行机构柱塞个数也许数目为2-6个。执行机构柱塞个数为偶数时，导向力和扩径力均不也许浮现持续状况，并且变化幅值很大，易引起钻具振动，应避免设计偶数个柱塞个数，因而旋转导向钻井工具执行机构柱塞个数应为3或5。执行机构柱塞个数为奇数时，同步满足上盘阀高压孔圆心角θ=180°和n=round(N/2)状况下，导向力才也许浮现持续状况，N=3(n=2)时导向力在0.867P~P之间持续变化，N=5(n=3)时导向力在1.539P~1.618P之间持续变化，变化幅值随N增大而减小，趋于平稳；否则导向力不持续，变化幅值较大，易导致钻具振动，不利于导向控制和导向功能实现。依照巴掌合力持续规定，偏执机构在工作过程中，任何时候至少应有1个巴掌对井壁作用，同步任何时候最多只有2个巴掌对井壁作用，因而，在不考虑柱塞伸出和缩回滞后影响及下盘阀低压孔直径影响时，上盘阀高压孔圆弧角。应不不大于下盘阀相邻2个低压孔中心角120º，同步上盘阀高压孔圆弧角θ应不不不大于下盘阀相邻3个低压孔中心角240º。因而，当0º<θ<120º时，始终最多只有1个巴掌伸出，但有3个巴掌同步缩回状况，工具导向能力弱；而当θ>240º时，始终至少有2个巴掌伸出，但有3个巴掌同步伸出拍打井壁状况，对井壁作用合力为零，工具导向能力也弱；只有当120ºθ240º时，满足上盘阀高压孔圆弧角设计原则。依照《钻采工艺》第28卷，第5期《旋转导向钻井工具液压分派系统设计》分析结论，上盘阀高压孔圆弧角θ最优为180º，考虑柱塞伸出和缩回滞后影响及下盘阀低压孔直径影响时，使下盘阀低压孔实际导通角不等于上盘阀高压孔圆心角，会变化巴掌作用合力作用形式，依照实际经验，上盘阀高压孔圆弧角θ设计为200º。因而优先选柱塞数为三个，呈120°分布。高压孔圆弧角θ取200°。3.3柱塞有关计算对于偏执机构单元来说，其挡板所能否产生足够钻头推靠力，是设计重要问题。挡板推靠力由泥浆压力和作用面积所决定。如公式F=dP （3-1）式中：d柱塞直径P钻头环形压差 可知重要因素为柱塞泥浆压力面积和泥浆泄流影响。（1）柱塞直径(3-2)式中：F是泥浆对柱塞推靠力，为12KNP是工作处泥浆内外压力差，为7MP代入计算得d=46.73mm取50mm（2）柱塞长度柱塞长度重要受到钻具外径尺寸限定，其长度越长，行程越大，钻具巴掌伸缩距离也越大，合用井眼尺寸范畴也相应越广。由此，在钻具尺寸容许条件下，取其最大值。故起装配图如图3-6。1上控制轴；2泥浆过滤网；3上下盘阀；4柱塞；5巴掌图3-6导向装置装配图3.4巴掌构造巴掌是与井壁直接接触，施加导向力零件。为使巴掌与井壁间受力状况较好，巴掌与井壁接触面，可以考虑设计成圆弧状，以加大接触面积.其圆面半径可依照工具合用井眼尺寸进行设计拟定.本文设计普通合用井眼尺寸81/2-91/2in7in钻具，其巴掌构造如图3-7所示。为了增大巴掌耐磨强度，在巴掌表面镶嵌一系列硬质合金镶块。图4-7执行机构单元巴掌构造巴掌与井壁接触而积为（3-3）巴掌受到压强3.5盘阀泥浆过流有效面积计算(1)压力腔过滤网有效面积高压孔过液面积为（3-4）压力腔泥浆过液面积（3-5）由于因此满足上盘阀流量供应规定。在钻井中，泥浆重要作用是排屑，因而钻具应有足够过流面积。在普通状况下，直径是178mm钻具过流面积应不不大于直径是50mm圆孔面积，即S=1962.5mm图3-8轴承支座由上图可知轴承支座处孔过流面积为（3-6）因此S远不不大于S。图3-9钻具本体泥浆过流孔构造由上图可知：（3-7）因此S>S。故设计构造合理，泥浆可以畅通流过，满足供求规定。3.6巴掌销钉强度校核由于巴掌推靠力是12KN巴掌销钉材料是45Mo，查手册值=645MPa安全系数s=1.2则（3-8）销钉剪切面积为：（3-9）销钉所受应力为：（3-10）因此，满足强度规定。3.7挡块上螺钉强度校核挡块所受力为挡块对巴掌作用力，则F=12KN（3-11）螺钉所选材料是45号钢，查《机械设计手册》知=600MPa取安全系数为s=1.2，则（3-12）则，满足强度规定。3.8盘阀连接螺钉强度校核参照《机械设计》知（3-13）式Q预紧力参照上盘阀设计，下盘阀承受轴向力：F=18.86MPa。选取螺钉材料，取安全系数为s=1.5，故螺钉材料许用压力为：（3-14）按螺纹原则(GB196-81)，选用螺纹公称直径是10mm螺钉。3.9液压盘阀系统设计旋转导向钻井系统液压盘阀系统不但仅是液流分派机构，同步也是控制伸缩块所产生导向力大小与方向控制机构。当需要在某个方向导向时，在旋转钻井时，相位相差120º3个伸缩块某一种块，它每一次通过某一特定位置时，通过上盘阀高压孔施加压力，使相应巴掌伸出与井壁接触，并施力于井壁，产生一侧向力，推动钻头离开该方向，达到变化井斜和方位目，离开该方向后巴掌自动缩回。盘阀构造对巴掌所产生导向力大小有决定性影响。盘阀运动规律又反过来影响稳定平台稳定运动控制系统设计和实现。上盘阀高压孔圆弧角θ大小与巴掌作用力有着密切关系，θ角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，巴掌作用在井壁合力在导向方向分量应当持续并且其变化范畴尽量恒定，以实现工具工作稳定，避免对钻具产生较大冲击。3.9.1上盘阀构造设计计算图3-10上盘阀泥浆压力在柱塞两边压降在正常条件下按5MPa设计，工作时总有1个或2个低压孔导通。加压弹簧设计按振动规定设计，在3000-4500m处振动级别取15g。图3-11上盘阀受力简图上盘阀受到力:F泥浆压力F加压弹簧力F上盘阀重力M稳定平台传递扭矩M摩擦扭矩由图3-11可知上盘阀重量为（3-15）故（3-16）（2）上盘阀所受泥浆压力：钻头压降在4-8MPa，最大压力为12MPa。正常范畴内上盘阀压力：（3-17）4MPa时压力为：8MPa时压力为：12MPa时压力为：N(3)弹簧压力F工具在井下所受纵向加速度a=15g，则弹簧预紧力F：（3-18）但为了减少盘阀之间摩擦力，使上下盘阀之间压力较小，则。惯性力F：（3-19）43.35NF200N,为了减少盘阀之间摩擦力，预紧力应尽量小，取F=F=100N。(4)上盘阀总压力计算上盘阀总压力来自3个因素：a.上盘阀受到泥浆压力差所产生压力；F；b.工作时，上盘阀所带附加惯性力；F；c.弹簧所产生预紧力；F。正常条件下，上盘阀对下盘阀所产生总压力最小值：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在最大钻柱内外压差状态下：F=F+F+F（3-22）=336+43.35+100=479.35N(5)上下盘阀摩擦阻力矩计算轴端摩擦力矩计算公式（3-23）式中：f摩擦系数0.08；P单位面积上最大压强。正常工况下，工作液压差作用在上盘阀压力：112N至224N.上下盘阀接触面积A为：（3-24）上盘阀对下盘阀最大压强:P=(3-25)上下盘阀摩擦阻力矩:=(3-26)r=0；r=0.021m；B=0.008m；r=0.01m由此计算得：M=0.51N•m(6)上下盘阀摩擦副所消耗功率上下盘阀摩擦副所消耗功率取决于摩擦阻力矩与上下盘阀之间相对转速。普通状况下，上下盘阀之间相对转速为:n=40-200r/min.==0.51=10.7w(3-27)3.9.2上盘阀传动轴校核盘阀传动轴受力如下图3-12盘阀传动轴受力分析上盘阀受到力:F泥浆压力F加压弹簧力F上盘阀重力M稳定平台传递扭矩M摩擦扭矩上盘阀所受最大总力为：N=F+F+F=224+100+2.89=326.89N(3-28)由图3-12可知，中间那段为最危险面，由《材料力学》知最大挤压强度：(3-29)最大剪切强度：(3-30)上盘阀材料为4SiMn，有较高硬度和较好耐磨性，该材料合用于较大截面零件图，用于中档速度和高载荷零件，因此满足上盘阀使用规定。查《零件手册》知屈服强度为=885MPa,安全系数取S=1.8，则许用应力为:故，上盘阀满足规定。3.9.3下盘阀设计下盘阀和上盘阀配合使用，分派泥浆和传递压力使巴掌运动。有3个均布相位相差120º直径为8mm孔，用于分派泥浆。为了减少摩擦，接触面积尽量小。下盘阀应当选耐磨材料42SiMn，提高寿命。设计下盘阀如下图：图:3-12下盘阀3.9.4上下盘阀导通时间计算上盘阀圆弧角为θ，高压孔宽度为B，弧半径为R，下盘阀液流通孔直径为B，假设转速为n，构造图如下图：图3-13上盘阀剖面图由上图可知：θ=200º；B=8mm；下盘阀半径R=8mm；R=13mm；转速n为40-200r/min。当稳定平台控制轴在某一工作面时，上盘阀相对井壁保持静止不动，下盘阀随钻柱一转速n旋转，则高压孔液流导通时间T满足：=(3-31)当n=40r/min时，T=1.2s当n=200r/min时T=0.25s下盘阀一种低压孔从高压孔导通到该低压孔完全导通经历时间T满足如下关系：T==(3-32)当n=40r/min时，T=0.92s由图可知，上下盘阀高低压孔完全导通时，上盘阀孔过流面积为(3-33)=2RθR下盘阀低压孔总过流面积为一种低压孔导通时：两个低压孔导通时：三个低压孔导通时：可知下盘阀过流面积与低压孔得到她个数关于，并且在时间段内低压孔导通数受到了低压孔导通个数影响，即受到高压孔圆心角影响。可知：==13.3(3-34)可以以为T>>T，即下盘阀没有完全和上盘阀导通时，所通过下盘阀低压孔流量和压强变化对整个导通时间内挡块推靠力影响不大。钻柱每转一圈时上盘阀总有效导通时间为T=T-T可得：T(3-35)由上式可知，液流导通时间和高压孔圆心角成正比，与钻柱转速成反比。3.10盘阀加压弹簧设计为了保证上盘阀平稳运营，需要给上盘阀额外加力100N。由于在高温高压条件下振动冲击，因此选弹簧材料为Co40CrNiMo，取其直径为4mm。查《机械设计手册》，有关资料如下：许用切应力I类：=510MPa；许用弯曲应力：=850MPa；剪切弹性模量：G=87000MPa；弹性模量：E=0MPa；使用温度：-40º-400º；(1)选用旋转比C：C=10。(2)依照强度极限计算弹簧直径依照公式：(3-36)式中k补偿系数依照强度极限计算弹簧直径(3-37）P作用在弹簧上最大压力，为150N。依照弹簧原则直径，取d=4mm。此时，弹簧中径D=26mm。(3)依照刚度条件计算弹簧圈数n查得K=15N/mm（3-38）取n=6圈。(5)弹簧强度校核极限工作应力取=1.12，则=1.12510=571.2MPa极限工作载荷：P（3-39）安全系数n=196.8/100=1.968>1.0因此弹簧满足强度规定。3.11工详细校核工详细校核应当考虑三个因素：(1)承受钻压；(2)承受钻井扭矩；(3)承受泥浆内外压力差厚壁圆筒。极限工况：最大钻压300KN；外压96MPa；内压101MPa；最大扭矩N•m。图3-14工详细受力分析在1-1面（3-40）（3-41）在2-2面（3-42）（3-43）由于工详细是材料为35CrMo合金钢，本体承受拉力等于向心力。在3-15面最外断点处正压力，剪切力最大，在此处取一单元体，如下图：图3-15工详细应力分析（3-44）（3-45）因此=4.15MPa=70.1MPa由第三强度理论知（3-46）由于<,因此工详细满足强度规定。

第四章旋转导向钻井工具经济性评价4.1旋转导向工具加工成本旋转导向钻井技术在国内已有了研究，并获得了一定成果。对于机械某些而言，无论在设计、制造还是在装配上均有相称高规定。就本次设计工具自身来说，有某些核心部件直接影响着整个工具成本，例如外壳体，规定为高强度、较好耐磨性、较好柔韧性，还得是无磁，并且是一种复杂腔体构造，因此普通无缝钢管很难满足以上规定，给加工带来很大困难。本次设计导向工具最大难点是工具自身体积较小，而部件又多，也就是说重要是空间较小问题，因此装配起来比普通机械部件复杂多，因此这些因素间接提高了工具成本。导向工具上下盘阀配合规定特别精密，某些面只能在数控机床上加工才干达到所需精度，就连某些螺钉位置精度规定也是很高。较普通工具来说，旋转导向工具成本就要高某些了。4.2旋转导向工具经济效果(1)海洋油田陆地采收英国在开采北海油田时，近海油田原筹划采用海洋平台进行开采，最后采用了旋转导向钻井技术进行大位移钻井方式开采，节约了海洋平台制造费用，大大减少了油田开发前期投入，节约费用近5亿美元。依照WYTCHFARM油田开发经验，钻大位移井开发方案比建人工岛或海洋平台开发综合成本减少50%。(2)提高钻井效率8月，CACT公司在中华人民共和国南海油田HZ2-2-23SA侧钻水平井1400m定向井段施工中，应用了AUTOTRAKRCLS系统，成果只用了一天半就完毕了用常规钻井方式需要10天完毕定向井段施工，是井身质量大大提高，钻井成本大大减少，还提高了开发效率。(3)减少钻井工程费用，南海西江油田设计井深8800m，水平位移超过7500mX