垂直钻进系统推靠机构设计及模拟试验研究

发布时间：2020-11-23 15:44

　　 随着国家“三深一土”战略以及大陆科学钻探等项目的实施,海洋、极地以及地球深部等领域的研究逐渐增多,钻探工程的研究方向也逐渐向这些领域拓展开来。但随之出现的问题也愈发增多,其中井斜问题就是钻探工作中较为普遍的问题之一。而为了垂直钻进而采取的传统的被动防斜打直措施,如钟摆钻具及塔式钻具等又会对钻井效率产生较大的影响。自动垂直钻进系统在一定程度上有效地解决了传统的防斜打直技术措施的牺牲钻压换取垂直钻进的做法,在一定程度上能够有效地提升钻井的效率以及安全性。深部地质钻探作为深部地层探测的关键手段,也同样面临着井斜问题。但由于国外只租不卖、国内尚未成熟,且现有垂钻系统基本上都不能满足深部地质钻探的应用需求,因此迫切需要研制出一种小直径取心式垂钻系统。而推靠机构作为垂钻系统中的主要部分,在垂钻系统研制初期对推靠机构进行合理设计与性能测试就显得尤为重要。本文创新性的采用密封推靠原理对小直径取心式推靠机构进行了设计,该推靠机构能够满足深部地质钻探的小直径及取心等需求。对该推靠机构的推靠纠斜原理进行了说明,同时对主要组成部分进行了设计校核。通过校核分析结果可知该推靠机构在理论上能够满足井下的工作需求。针对其工作环境,进行了受力分析,并对其推靠力及其影响因素进行了分析,从而为后续对该推靠机构进行性能测试提供理论依据。为在垂钻系统研制初期对推靠机构的性能进行测试,本文通过设计了一套推靠机构试验系统来对推靠机构的性能进行可行性验证。对试验系统的主要组成部分进行了设计说明,并对试验系统的各个部分进行了设计、选型及校核,同时初步对该试验系统进行了可行性验证,结果表明,该系统实现了设计目标,这为下步对推靠机构的试验分析评价奠定了基础。同时利用试验系统对推靠机构的性能进行了试验研究,得到了其推靠力、泄漏量以及响应情况等相关关系曲线,并对试验结果进行了分析。分析结果表明:该推靠机构达到了设计目标需求,能够较好地适用于深部地质钻探,这为后期垂钻系统的研制奠定了坚实的基础。
【学位单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：P634
【部分图文】：

4导向块会在泥浆压差的作用下向外伸出并推靠井壁使钻具能够居中钻进。当发生井眼偏斜时，控制机构会将位于井眼低边的导向块的泥浆流道关闭进而使导向块收回，钻头会在其余导向块的作用下切削井眼低边，从而使钻具逐步恢复到垂直钻进状态（JonesS，2016；FosterPE，1996）。VDS-5的推靠方式为静态推靠，其推靠机构动力主要来自电控液压，适用井眼尺寸约为355.6mm-431.8mm。由于有电控液压系统以及推靠部分为活塞缸推动棱块进行推靠，这就导致VDS-5垂钻系统的工具结构比较复杂，耐高温效果不佳以及工具外径比较大，同时对活塞缸的密封性能、活塞的伸出以及收回都有很高的要求，一旦井底温度高过高以及其它原因导致密封件失效或者活塞受井底的岩屑卡住都会影响垂钻系统的正常工作。图1-1VDS-5垂钻系统及推靠机构示意图（2）VertiTrak自动垂直钻进系统VertiTrak系统是由美国BakerHughes公司研发出的闭环垂直钻进系统。该垂钻系统的降斜能力最大能达1.5°/30m。其推靠机构示意图如图1-2所示。该垂钻系统在井下工作时，当垂钻系统的传感器检测到存在井眼的偏斜趋势时，该系统的控制机构就可以启动液压系统向推靠机构的1～2个伸缩导向块输出液压力推动其伸出并推靠井眼高边，通过导向块的合力矢量推动钻头切削井眼低边进而完成纠斜（杨忠华,2014；杨炳祥，2014；BakerHughesIncorporated，2010；薄和秋，2008）。

5图1-2VertiTrak系统推靠机构示意图VertiTrak垂直钻井系统其推靠方式为静态推靠，推靠动力来自电控液压，主要用于石油钻井，适用井眼尺寸为203.2mm-711.2mm。由于其内部有电液控制部分以及橡胶密封件较多等原因，导致其耐高温效果不佳。并且其导向块采用滑块结构，导向块的行程受制于内部活塞行程要求，这导致该垂钻系统结构不能满足小型化的要求。（3）PowerV垂直钻进系统PowerV系统是由Schlumberger公司研发出的动态推靠式垂钻系统，其结构示意图如图1-3所示，该系统主要由控制短节（CU）及推靠短节（BU）组成。图1-3PowerV垂直钻进系统结构示意图如图1-4所示为该系统的工作原理示意图。当井眼轨迹发生偏斜时，该系统的控制短节会控制上盘阀旋转并稳定到井眼高边，下盘阀上有与推靠巴掌泥浆通道相对应的三个圆孔，当下盘阀上的圆孔转动到井眼高边时并与上盘阀上的流道连通时，与之对应的推靠巴掌会在泥浆压力下向外推出并推靠井眼高边的井壁，使钻头切削井眼低边进而回到垂直钻进状态。在钻杆的带动下，推靠机构会继续进行旋转并将第一个推靠巴掌转向井眼低边，而此时高压钻井液会将下一个转动到井眼高边的第二个推靠巴掌推出并靠向井壁。而此时推靠机构的第一个推靠巴掌则会在井壁的作用下缩回到推靠机构内部。推靠部分一共有三个呈120°周向

5图1-2VertiTrak系统推靠机构示意图VertiTrak垂直钻井系统其推靠方式为静态推靠，推靠动力来自电控液压，主要用于石油钻井，适用井眼尺寸为203.2mm-711.2mm。由于其内部有电液控制部分以及橡胶密封件较多等原因，导致其耐高温效果不佳。并且其导向块采用滑块结构，导向块的行程受制于内部活塞行程要求，这导致该垂钻系统结构不能满足小型化的要求。（3）PowerV垂直钻进系统PowerV系统是由Schlumberger公司研发出的动态推靠式垂钻系统，其结构示意图如图1-3所示，该系统主要由控制短节（CU）及推靠短节（BU）组成。图1-3PowerV垂直钻进系统结构示意图如图1-4所示为该系统的工作原理示意图。当井眼轨迹发生偏斜时，该系统的控制短节会控制上盘阀旋转并稳定到井眼高边，下盘阀上有与推靠巴掌泥浆通道相对应的三个圆孔，当下盘阀上的圆孔转动到井眼高边时并与上盘阀上的流道连通时，与之对应的推靠巴掌会在泥浆压力下向外推出并推靠井眼高边的井壁，使钻头切削井眼低边进而回到垂直钻进状态。在钻杆的带动下，推靠机构会继续进行旋转并将第一个推靠巴掌转向井眼低边，而此时高压钻井液会将下一个转动到井眼高边的第二个推靠巴掌推出并靠向井壁。而此时推靠机构的第一个推靠巴掌则会在井壁的作用下缩回到推靠机构内部。推靠部分一共有三个呈120°周向
【相似文献】

相关期刊论文 前15条

1 韩振;;地质勘查及深部地质钻探找矿技术分析[J];中国金属通报;2019年12期

2 张哲;;地质钻探技术的应用及原理思路构建[J];智能城市;2019年14期

3 郭翔;;新型环保地质钻探技术测试及应用[J];科技创新导报;2019年19期

4 卢月文;;地质勘查与深部地质钻探找矿技术研究[J];中国金属通报;2019年09期

5 陈小俊;;煤矿地质钻探中相关问题研究[J];决策探索(中);2017年08期

6 章术;;地质钻探技术与应用研究[J];城市建设理论研究(电子版);2016年23期

7 孙平贺;赵研;王瑜;王胜;刘天乐;王稳石;张杰;;勘探技术与地质钻探学国家自然科学基金项目资助分析[J];探矿工程(岩土钻掘工程);2017年02期

8 王永强;;地质勘查与深部地质钻探找矿技术[J];黑龙江科技信息;2016年33期

9 谭虎虎;;论地质勘查与深部地质钻探找矿技术[J];科技创新与应用;2017年07期

10 王超技;;煤炭地质钻探中关键问题的探讨[J];绿色环保建材;2017年05期

11 徐勇;;地质钻探工艺技术中的安全管理与生产管理[J];城市建设理论研究(电子版);2017年20期

12 银跃华;;煤田地质钻探中孔内情况及事故处理措施[J];科学技术创新;2017年28期

13 刘立鹏;;地质钻探技术与应用解析[J];资源信息与工程;2017年05期

14 刘忠伟;;地质勘查和深部地质钻探找矿技术[J];资源信息与工程;2017年05期

15 曾德勇;;地质钻探技术与应用研究[J];科技与企业;2015年24期

相关博士学位论文 前1条

1 赵广金;煤田地质钻探员工的可靠性因素测试及不安全行为的评估[D];天津大学;2012年

相关硕士学位论文 前10条

1 张耀澎;垂直钻进系统推靠机构设计及模拟试验研究[D];中国地质大学(北京);2020年

2 吴晔;深部地质钻探钻柱失稳行为研究[D];中国地质大学（北京）;2014年

3 肖明;垂直钻具液压纠斜机构输出力的低频脉宽调制及其优化[D];武汉科技大学;2016年

4 陈瀚;地质钻探管用Φ75管坯轧制模拟仿真研究[D];江西理工大学;2012年

5 丁鹏翔;基于三维谐振触发探头的实验系统研制与应用研究[D];合肥工业大学;2019年

6 张慧;基于可控型器件负载的光伏电源防孤岛性能测试装置模型的研究[D];南昌大学;2019年

7 易育之;面向农村信用社应用系统的性能测试模拟器设计与实现[D];南昌大学;2019年

8 蔡豪;正负刚度并联主动减振器结构分析与性能测试[D];华中科技大学;2019年

9 刘馨遥;动车组空调国产化及其性能测试研究[D];中国铁道科学研究院;2019年

10 陆国栋;汽车减振器性能测试与追溯系统开发[D];辽宁工业大学;2019年

本文编号：2894748