机械式静态双层推靠自动垂直钻具设计

发布时间：2019-11-27 22:37

【摘要】：为满足小尺寸垂直钻探的作业要求,设计一种外径127 mm、具有双层推靠活塞的机械式静态自动垂直钻井工具。该垂直钻具不含独立的电子和液压系统,仅依靠偏重块在重力作用下自动偏向井眼低边的物理特性,带动环阀转动进而改变钻井液流道的开闭,使钻井液在钻具内部和环空中形成压差,驱动双层分布的8个活塞以相应的组合方式推向井眼高边,实现自动纠斜,维持井眼垂直。该钻具采用全新的环阀设计,避免常规盘阀较大的摩擦阻力,提高纠偏的灵敏度和精度,其推靠活塞为独特的双层分布,纠斜时有3个不同层的推靠活塞同时推出,可在较小的钻头压降下获得较大的推靠力和纠斜力矩,纠斜能力显著提升,而且不同层推出的3个推靠活塞形成稳定的三角结构,有效提升钻具的稳定性和可靠性。在钻具结构设计的基础上,对钻具偏心机构、推出机构的力学性能进行分析,并研究角接触球轴承的摩擦阻力对钻具纠斜行为的影响。结果表明:该自动垂直钻具的推靠合力是单个推靠活塞的1+2~(1/2)倍,理论上其纠斜精度仅在井斜角降至0.154°后才会受到影响,纠斜极限井斜角可达0.059°,具有很好的纠斜能力、纠斜精度和灵敏度,而且该钻具结构设计简单,造价及维护成本较低,其机械式的控制方式不受井下温度影响,具有很好的现场应用前景。
【图文】：

示意图,钻具结构,机械式,静态

侧的钻井液在钻具内部与环空中未形成压差，该侧的推靠活塞不会推向井壁;而井眼高边一侧的上排孔处于关闭状态，该侧钻井液不能流入泄流孔内泄压，钻井液在钻具内部和环空中形成压差，与下排孔连通的推靠活塞在高压钻井液的驱动下被推向井壁高边，井壁施加给钻具的反作用力使钻头在井眼低边一侧切削加强，使井眼轨迹逐步回复至垂直方向，实现自动感应连续纠斜［18-19］。图1机械式静态推靠自动垂直钻具结构Fig．1Structuralschematicofstaticmechanicalautomaticverticaldrillingtool图2机械式静态推靠自动垂直钻具工作原理Fig．2Workingprincipleschematicofstaticmechanicalautomaticverticaldrillingtool2垂直钻具力学行为机械式垂直钻具的纠斜过程主要由偏重块在偏心扭矩的作用下带动环阀偏转，进而控制推靠活塞推向井壁实现纠斜，因而偏重块产生偏心扭矩，推靠活塞的推靠力和纠斜力矩以及由角接触球轴承产生的摩擦力矩对偏心扭矩的影响是整个垂直钻具纠斜过程最关键的因素，直接关系到自动垂直钻具的纠斜性能。2.1偏重块设计及偏心扭矩为保证偏心机构产生足够的扭矩用于纠斜，须保证偏重块所产生的偏心扭矩尽可能大，且考虑到机加工的可行性，故偏重块采用对称式设计，横截面呈扇面形状(图3)，其偏重及偏心扭矩可通过以下计算过程求得。图3偏重块示意图Fig．3Schematicdiagramofeccentricblock以垂直于偏重块轴向对称面为基准面建立直角坐标系，设偏重块重心坐标为(XC，YC)，由于偏重块为对称式设计，重心坐标中XC=0，其偏心扭矩在XOY平面上仅与重心的Y坐标有关，根据重心的物理定义有YC=MxM=∑ni=1miyi∑ni=1mi．(1)式中，mi为XOY平面内坐标为(0，y

示意图,钻具,机械式,静态

侧的钻井液在钻具内部与环空中未形成压差，该侧的推靠活塞不会推向井壁;而井眼高边一侧的上排孔处于关闭状态，，该侧钻井液不能流入泄流孔内泄压，钻井液在钻具内部和环空中形成压差，与下排孔连通的推靠活塞在高压钻井液的驱动下被推向井壁高边，井壁施加给钻具的反作用力使钻头在井眼低边一侧切削加强，使井眼轨迹逐步回复至垂直方向，实现自动感应连续纠斜［18-19］。图1机械式静态推靠自动垂直钻具结构Fig．1Structuralschematicofstaticmechanicalautomaticverticaldrillingtool图2机械式静态推靠自动垂直钻具工作原理Fig．2Workingprincipleschematicofstaticmechanicalautomaticverticaldrillingtool2垂直钻具力学行为机械式垂直钻具的纠斜过程主要由偏重块在偏心扭矩的作用下带动环阀偏转，进而控制推靠活塞推向井壁实现纠斜，因而偏重块产生偏心扭矩，推靠活塞的推靠力和纠斜力矩以及由角接触球轴承产生的摩擦力矩对偏心扭矩的影响是整个垂直钻具纠斜过程最关键的因素，直接关系到自动垂直钻具的纠斜性能。2.1偏重块设计及偏心扭矩为保证偏心机构产生足够的扭矩用于纠斜，须保证偏重块所产生的偏心扭矩尽可能大，且考虑到机加工的可行性，故偏重块采用对称式设计，横截面呈扇面形状(图3)，其偏重及偏心扭矩可通过以下计算过程求得。图3偏重块示意图Fig．3Schematicdiagramofeccentricblock以垂直于偏重块轴向对称面为基准面建立直角坐标系，设偏重块重心坐标为(XC，YC)，由于偏重块为对称式设计，重心坐标中XC=0，其偏心扭矩在XOY平面上仅与重心的Y坐标有关，根据重心的物理定义有YC=MxM=∑ni=1miyi∑ni=1mi．(1)式中，mi为XOY平面内坐标为(0，y

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