指向式旋转导向钻井系统旋转轴力学模型.pdf

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1、2009年12月探矿工程(岩土钻掘工程)29指向式旋转导向钻井系统旋转轴力学模型吕建国，刘宝林，李清涛(中国地质大学(北京)科学钻探国家专业实验室，北京100083)摘要：在对指向式旋转导向钻井系统旋转轴结构和支承进行简化的基础上，建立了力学模型，给出了旋转轴在静态偏置状态下的转角方程、挠曲线方程、支撑反力及弯矩方程，对偏置力F作用点的位置进行了优化，为指向式旋转导向系统的工程设计和结构优化提供了理论计算依据。关键词：指向式旋转导向钻井系统；旋转轴；力学模型；优化中图分类号：TE921文献标识码：A文章编号：1672—7428(2009

2、)12—0029—04MechanicsModelofRotationAxisinDirectiveRotarySteerableDrillingSystem／LVJian—guo．，JBao—lin．LIQing—tao(StateProfessionallabofScientificDrilling，ChinaUniversityofGeosciences，Beijing100083，China)Abstract：Themechanicsmodelwasestablishedonthebasisofsimplifyingstruct

3、ureandsupportingofrotationaxisindirec—tirerotarysteerabledrillingsystem．Rotationequation，deflectionellrveequation，reactionandmomentequationofthero—tationaxisunderthestaticoffsetconditionwerederivedandthelocationofoffsetforceFwasoptimized，whichprovideabasisfortheoreticalc

4、alculationonengineeringdesignandstructureoptimizationfordirectiverotarysteerabledrillingsys—tem．Keywords：directiverotarysteerabledrillingsystem；rotationaxis；mechanicsmodel；optimization旋转自动导向闭环钻井技术是20世纪末期发展起来的一项尖端自动化钻井技术，它代表了当今世界钻井技术发展的最高水平，该技术使世界钻井技术发生了一次质的飞跃¨。旋转导向钻井系统的核

5、心是井下旋转导向钻井工具系统，根据其导向方式可分为推靠式和指向式2种。图1所示的指向式旋转导向井下工具中，偏置稳定器安放在两个稳定器之间，在旋转导向过程中，偏置工具的偏心导致其上下两跨钻柱发生弯曲，使钻头处钻柱的轴线和井眼轴线之间出现夹角而实现旋转导向。这种导向方式的特点是钻头的侧向力较小，造斜率较低，图1指向式旋转导向钻井系统旋转导同工具不惫图但旋转导向钻出的井眼“狗腿”小，轨迹平缓，摩阻转轴的弯曲便于控制。力和扭矩较小，可以使用较大的钻压，机械钻速较指向式旋转导向钻井系统旋转轴的弯曲是发生高，有助于发挥钻头的性能。在悬臂轴承6和球轴

6、承10之间的。悬臂轴承支撑旋转轴并阻止上部旋转轴的弯曲，而球轴承支撑旋1旋转轴的结构与简化转轴并有利于旋转轴的弯曲。通过控制设备9带动指向式旋转导向钻井系统井下旋转导向工具的偏心执行机构8的转动，使旋转轴产生弯曲，球轴承核心是旋转轴。其结构如图2所示_6J。扭矩通过驱处旋转轴产生一个小的角度，从而改变与之相连的动连接器2从钻杆1传递到旋转轴3，轴承组合5将钻头的方向。该角度直接决定了指向式系统的造斜钻压从钻杆传递到不旋转的外套7，再由球轴承组能力。合10传递到旋转轴下端，旋转轴的下端接钻头，钻旋转轴在悬臂轴承上部无径向载荷作用在旋转压传

7、递到钻头进行钻进，绕过旋转轴的控制段，使旋收稿日期：2009—06—30基金项目：科技部国际科技合作重点项目“井下闭环高精度导向钻进技术的研究”部分内容(编号：2006DFB21300)作者简介：吕建国(1964一)，男(汉族)，内蒙古人，中国地质大学(北京)工程技术学院副院长、教授，地质工程专业，博士，从事力学教学及力学在地质工程领域中应用研究工作，北京市海淀区学院路29号，ljg@cugb．edu．cn。探矿工程(岩土钻掘工程)第36卷第12期图2指向式旋转导向工具结构示意图l一钻杆；2一驱动连接器；3一旋转轴；4一上端密封；5一轴

8、承组合；6一悬臂轴承；7一外套；8一偏心执行机构；9一控制设备；l0一球轴承；11一下端密封轴上，只有上端通过八面体轴套将钻井扭矩传到旋轴上的力，作用位置在上下两轴承中间，F为球轴转轴上，防窜螺母防止旋转轴