机械制造行业Φ旋转导向钻井工具机械结构设计说明书.docx
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机械制造行业Φ旋转导向钻井工具机械结构设计说明书
（机械制造行业）Φ旋转导向钻井工具机械结构设计说明书
Φ178旋转导向钻井工具机械结构设计
摘要:
旋转导向钻井技术是石油工业工程技术领域的关键技术之一，得到了石油钻井工程界的极大关注，发挥着越来越重要的作用，主要应用于水平井、大位移井、超深井、三维多目标井等复杂结构的井作业。
本文综述了旋转导向钻井工具的国内外现状，闸明了在我国发展旋转导向钻井技术的重要性和必要性，介绍了它的工作原理及结构组成，指出了研制该工具的主要技术特点。
调制式旋转导向钻井工具的导向执行机构是靠内外泥浆液压力差驱动的原理来实现的，这是旋转导向钻井工具能否正常工作的关键。
所以，对其液压盘阀分配系统进行分析计算，及其在井下不同工况下所受的力进行分析计算。
分析了旋转导向钻井系统的井下钻井工具系的偏置方式和导向方式，完成了导向执行机构机械部分的设计。
关键词:
旋转导向钻井工具；机械结构设计；压力差；
Φ178RotarySteerableDrillingToolMechanicalStructureDesign
Abstract:
Inmanyoilindustryengineeringfiledkeytechnologies,rotarysteerabledrillingtechnologyisonethathasbeenpaidmuchattentiontoinrecentyearsandexhibitsmoreandmoreimportanceinoildrillingindustry,mainlyusedinhorizontalwell,extendedreachwell,ultra-deepwell,3Dmulti-targetwellthecomplexstructureofmulti-lateralwellsinwellsoperating.Thispaperreviewsthedomesticandinternationaldrillingtoolstatus,illustratesthedevelopmentofrotarysteerabledrillingtechnologyoftheimportanceandnecessitytointroducetheworkingprincipleanditscomposition,thatthedevelopmentofthemaintechnicalfeaturesofthetool.Modulatedrotarysteerabledrillingtooldrivenbytheexecutingagencyisthepressuredifferencebetweeninsideandoutsidethemudfluid-drivenprinciplestoachieve,whichiswhetherthedrillingtooltoworkthekey.Therefore,itshydraulicdiscdistributionsystemanalysisandcalculation,anditsdifferentworkingconditionsinundergroundanalyzingandcalculatingtheforce.Analysisofdownholerotarysteerabledrillingtooldrillingsystemorientationbiasway.Completeguidethedesignofmechanicalpartsoftheimplementingagencies.
Keywords:
Rotarysteeringdrillingtool；Mechanicalpartsdesign；Pressuredifference
第一章绪论1
1.1本论文研究的目的、价值和意义1
1.2国内外研究状况及趋势2
1.2.1国内旋转导向钻井系统研究与发展现状2
1.2.2国外旋转导向钻井系统研究与发展现状3
1.3毕业设计论文的主要内容9
第二章旋转导向钻井装置的方案对比分析10
2.1旋转导向钻井工具的分类10
2.2三种旋转导向钻井系统的结构特征和对比10
2.2.1AutoTrak旋转导向钻井系统10
2.2.2PowerDrive旋转导向钻井系统11
2.2.3三种不同旋转导向方式对比15
2.3旋转导向钻井方案的选择15
2.4旋转导向钻井工具工作原理15
第三章旋转导向钻井工具机械部分设计18
3.1导向机构的导向原理及组成18
3.2上盘阀高压孔圆弧角的确定22
3.3柱塞的相关计算22
3.4巴掌结构23
3.5盘阀泥浆过流的有效面积计算24
3.6巴掌销钉的强度校核26
3.7挡块上的螺钉强度校核26
3.8盘阀连接螺钉强度校核27
3.9液压盘阀系统的设计27
3.9.1上盘阀的结构设计计算37
3.9.2上盘阀传动轴的校核30
3.9.3下盘阀的设计.....................................................................................................31
3.9.4上下盘阀导通时间计算.....................................................................................32
3.10盘阀加压弹簧的设计34
3.11工具体的校核35
第四章旋转导向钻井工具经济性评价38
4.1旋转导向工具的加工成本38
4.2旋转导向工具的经济效果38
第五章结论及展望40
5.1结论40
5.2展望与建议40
参考文献..............................................................................................................................41
致谢43
第1章绪论
1.1本论文研究的目的、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的油田，通常通过开发深井、超深井和长距离水平井来实现，进而造成复杂结构的井不断增多，这就要加快旋转导向钻井工具研究的步伐。
20世纪80年代后期，国际上开始加强对旋转导向钻井的研究。
旋转导向钻井法是在用转盘旋转钻柱钻井时,随钻实时完成导向功能。
其优点是：
在输送钻头时的摩阻小，钻速高（是滑动钻井的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。
因此，旋转导向钻井技术是现代导向钻井技术发展的必然方向。
到90年代初期，国外旋转导向钻井技术已呈现商业化。
中国古代钻井技术被称为中国古代文明的第五大发明。
开创了世界钻井历史的先河新中国成立后，我国石油工业有了举世瞩目的巨大成就。
我国石油产量现居全世界第5至第8位，我国的钻井规摸已跃居全世界第3位，钻井业已走出国门参与国际竞争。
当前，国际钻井技术发展的总趋势是以信息化、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的研究，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的日益减少，大位移井的相对重要性和技术、经济优势越来越显著，而它所面临的技术难度也是前所未有的。
主要是轨迹控制的精度要求大幅度提高，控制难度明显增加，同时又必须尽量保证有足够的速度以保证钻井成本的相对下降。
要实现这一目标，就要求首先实现井下闭环控制，可以使井眼轨迹控制工作最大限度的避免由人为经验来解决不确定性干扰因获引起的复杂问题，并使井眼轨迹控制类似于导弹飞行控制，保证井眼轨迹控制的精度和准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的最高水平，经济的、资源的、技术的因素决定了必须研究井下闭环钻井技术。
其正实现井下闭环控制，传统钻井工具已不能满足要求，必须研制更加灵活的、全方位可调的旋转导向井下工具。
其核心是能在旋转状态下按控制指令动作以改变作用在钻头上的合力或改变钻具偏心程度的偏三导向机构。
旋转导向钻井时的摩阻与扭阻小、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，是现代导向钻井的发展方向。
旋转导向系统是一个集机、电、液于一体的闭环自动控制系统，并以旋转钻井为其技术特征，所以在减少井下摩阻、提高钻深能力和控制精度方面具有独特的优势，所以成为大位移井长稳斜段钻井作业的常用工具，也适合于水平井水平段（特别是薄油水层水平井）的钻进与控制作业。
目前国内也正在研制开发旋转导向系统，从各个油田和区块的应用实例看，旋转导向钻井工具具有在旋转钻进时连续导向的能力，可以提高井眼的清洁度和机械钻速，减少压差卡钻；还具有井眼轨迹自动控制的能力，从而提高井眼轨迹的光滑度，降低扭矩和摩阻，也就相应地增加了水平井的延伸长度。
但该系统对设备要求比较高，要求设备、钻具等能承受高转速、大扭矩、高泵压，在某种程度上加大了对设备、钻具等的损伤，而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适用这种钻井技术。
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展现状
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，主要进行情报调研和初步的概念性探索研究。
1991年，西安石油大学张绍槐教授组织力量进行了“井眼轨迹制导技术”的中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教授等又开展了井下旋转自动导向钻井系统RCLD（RotaryClose-LoopDrillingSystem）的研究，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、钻井智能信息与模拟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2002年初建立了我国第一个多学科的导向钻井研究所。
胜利油田在我国导向钻井技术应用和研究方面也一直处于全国第一的领先地位，曾于1989年在河50井组钻成功一个井场井数最多的丛式井，并且己成功地为20多个油田提供了水平井技术服务，成功钻探的水平井数量占同期全国所钻水平井总数的三分之二；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的跟踪调研、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；2000年进行了旋转导向钻井系统开发可行性研究，2001年“旋转导向钻井系统整体方案设计及关键技术研究”、“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作开始共同研制和开发具有自主知识产权的旋转导向系统—调制式旋转导向钻井系统MRSS（ModulatedRotarySteerableSystem）。
在全面完成国家“863”前瞻性研究攻关项目的基础上，2003年“旋转导向钻井系统关键技术研究”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，目前己在其关键技术研究方面取得突破，对该系统已建立起系统的力学物理、数学模型，理论研究比较完善成熟，已形成了功能性样机，系统的部分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的国家“863”课题“旋转导向三维可控钻井技术研究”也取得了突破，研究的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，目前己进行了偏心机理、井下BHA组合力学性能等一定的理论
研究和工具系统各单元样机的现场试验，其在陆地和海上油田的现场试验结果表明：
在井斜约60º的大斜度稳斜井段，井斜控制和方位控制都达到了控制要求，采用的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的进一步完善和应用奠定了坚实的工程化基础，在国内旋转导向钻井系统关键技术研究方面有一定的突破。
2002年至2005年上半年，该工具系统的随钻电阻率、自然伽马测量工具单元样机进行了7次陆地油田钻井试验，主要技术指标达到了最高耐压140MPa，最高工作温度150℃，连续工作时间200h，实现了国内首次对随钻电阻率和地层自然伽马的测量。
2005年1月，该工具系统的井下工程参数测量短节在四川MP37井下井试验，钻井作业40.95h，钻井进尺320m，取得了较好的试验效果。
2005年以来，对该工具系统的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试验，钻井深度达到2850m，工作时间达到86h，最长时间200h，完全达到了设计要求，目前该系统在井下的软件和硬件接口以及总控系统都可以满足作业需求，并与其他井下仪器具有良好的兼容性能。
2006年5月30日该工具系统的旋转导向可控偏心移交器单元样机在长庆油田Ning37-32井进行了钻井试验，国内首次利用具有自主知识产权的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的介绍，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的理论分析研究。
由于美国实行的技术封锁，国内缺少国外先进的旋转一导向系统实物样机作为参考，加之研发费用高，在关键技术方面还是存在着重重困难，样机现场试验效果与国外技术相比还存在较大的差别目前还无法形成应用于现场的能力。
1.2.2国外旋转导向钻井系统研究与发展现状
国外从20世纪80年代末期开始旋转导向钻井系统的理论研究。
导向钻井系统最初只用在定向井、丛式井，随油田开发的增多，逐渐用到了大斜度井、水平井、兰维多目标井、大位移井等。
因此导向钻井相应的发展也经历了三个阶段：
初级导向钻井、地面人工控制的导向钻井及全自动的井下闭环旋转导向钻井。
初级导向钻井是利用弯外壳螺杆钻具，在造斜段（或降斜段）、稳斜段分别实行滑动钻进和旋转钻进。
地面人工控制的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，通过改变井下稳定器的直径来改变井下动力钻具的力学特性，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。
全自动的井下闭环旋转导向钻井系统是从地面人工控制的导向钻井系统发展成的，可实施井下自动侧量、辨别处理、控制的自动系统。
这种系统在造斜、降斜、稳斜段内均能实行旋转钻进，有利于提高机械钻速，而且携岩能力好，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”的迅速发展，而出现的一种新型钻井工具。
到20世纪90年代中期，美、英、德、意、日五个国家的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，例如德国的自动垂直井钻井系统VDS、美国BakerHughesInteq公司的自动直井钻井系统SDD、Halliburton公司的自动导向钻井系统AGS、美国能源部资助的自动定向钻井系统ADD、英国Cameo公司的可导向的旋转钻井系统SRD、BakerHugheslnteq公司的旋转导向井下闭环钻井系统RCLS及日本提出的RCDOS系统，尤其是BakerHughes公司的AatoTrak和Schlumberger公司的PowerDrive取得了很好的应用效果。
目前己形成或正在开发旋转导向钻井系统的公司的具体情况如下表1-1所示。
表1-1现有的旋转导向钻井系统
目前，闭环自动导向钻井技术已经形成了两个主要的发展大方向：
一个是以BakerHughesInteq公司的AutoTrakRCLS系统为代表的不旋转外筒式闭环自动导向钻井系统，它以其精确的轨迹控制精度和完善的地质导向技术为特点，非常适用于高开发难度的特殊油藏的开发方案设计和导向钻井作业，Halliburton公司的Geo-Pilot系统也属于这一类导向钻井系统；另外一个是以SchlumbergerAnadrill公司的PowerDriverSRD系统为代表的全旋转自动导向钻井系统，它以其同样精确的轨迹控制精度和特有的位移延伸钻井能力为特点，非常适用于超深井、边缘油藏的开发方案中的深井、大位移井的导向钻井作业。
这两大方向又以BakerHughesInteq公司的AutoTrakRCLS、SchlumbergerAnadril公司的PowerDriveSRD和HalliburtonSperry-sun公司的Geo-Pilot系统这三大系统为代表，分为三大类型，后面将对他们分别进行详细介绍。
尽管目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优点于一身的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的定向钻井系统，能够在旋转钻井过程向造斜钻进，主要是因为它有一个独特的非旋转可调扶正器滑套，此扶正器滑套并非真的不旋转，只是相对钻头驱动轴而言它几乎是不旋转，因此在旋转钻进过程中，此扶正器滑套可以保持一种相对静止的状态，从而保证钻头沿着某一特定的方向钻进。
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个稳定块施加不同的压力，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内部结构
AutoTrak结合了当前最为先进的MWD，LWD技术，满足了地质导向和钻井作业的双重需要：
同时结合MDL、MNP、MDP等工具，实现随钻测井的要求。
工具包含地面与井下的双向通讯系统、导向系统和LW以随钻测井系统三个部分。
1）地面与井下的双向通讯系统
此系统可使操作者能在不停钻的情况下，用钻井液脉冲从地面向井下工具发出指令改变井眼轨迹、造斜率、方位改变率及降斜率等，指示井底发射器有选择地发送需要的信息。
为了能使地面指令向下传输，开发了一项通过在井上调制排量来向下传递命令的新技术：
立管上安装一个旁通触发器，可在地面把部分钻并液送回钻井液池，相应的流盆变化导致井下发电机的电压变化，这样加载了信息的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、井底压力及工具的运行状态等数据用钻井液正脉冲传输到地面，并在地面接收译码。
此工具的上传数据采用了己经成功应用20多年的MWD中的井下遥控脉冲发射器。
2）AutoTrakRCLS的导向系统
RCLS系统的井下偏置导向工具由不旋转外套和旋转心轴两大部分通过上下轴承连接形成一可相对转动的结构，旋转心轴上接钻柱，下接钻头，起传递钻压、扭矩和输送钻井液的作用，不旋转外套上设置有井下CPU，控制部分和支撑翼肋。
当周向均布的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，同时，井壁的反作用力将对井下偏置导向工具产生一个偏置合力。
通过控制三个支撑翼肋的支出液压力的大小，可控制偏置力的大小和方向，以控制导向钻井。
液压力的大小由井下CPU控制井下控制系统来调整。
井下CPU在下井前，预置了井眼轨迹数据。
井下工作时，可将MWD测量的井眼轨迹信息或LWD测量的地层信息与设计数据进行对比，自动控制液压力，也可根据接收到的地面指令调整设计参数，控制液压力，以实现导向钻进。
3）LWD（随钻测井）系统
该系统能够使钻头得到精确的地质导向，并取代了有线测井。
它还具有GAMMA测井和电阻率测井功能。
（2）PowerDrive旋转导向钻井系统
PowerDrive旋转导向钻井系统的核心是旋转导向工具，其导向原理与BakerHughes公司的RCLS导向钻井工具类似，都是利用近钻头导向块的伸缩与井壁相互作用产生导向力，但是结构有所不同。
PowerDrive旋转导向系统具有自我稳定的钻井液动力和密封控制单元，通过旋转稳定传感器同步调整井眼走向。
当需要在某个方向导向时，钻柱在旋转状态下，相位相差1200随钻柱一起旋转的3个导向块中的某一块，它每一次通过某一特定的垂向或径向方位时，通过控制系统施加的液压，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，达到改变井斜和方位的目的，转离该方向后，滑块自动缩回。
图1-2PowerDrive盘阀控制机构示意图
斯伦贝谢公司的旋转导向系统主要是指PowerDrive系统，包括PowerDriveX51100、PowerDriveX5900、PowerDriveX5、PowerDrivX5675、PowerDriveX475、PowerDriveXceed900、PowervorteX除了PowervorteX是动力式旋转导向系统外，其他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、钻头振动情况和钻头转速，利用近钻头伽马射线显示地质和井眼成像，自动纠斜。
它适用的井眼尺寸为514～26in，可用常规钻井液，最高耐温150℃，流量范围480～1900gpm，最高耐压20000psi，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系列大致相同，适用的井眼尺寸为838～1712in，可用常规钻井液，最高耐温150℃，流量范围450～1800gpm，最高耐压20000psi，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是一种高性能的导向钻井工具，可以提升所需的井下动力，增加井眼的稳定性，自动纠斜，有智能的高性能动力组件，可适用于434in的井眼，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结构设计方面更为简单，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的环境，钻井极限井深更深，速度更快，在大位移井、三维多目标井及其它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的瓶颈，所以提高了携屑液流的通过能力。
因为钻具没有产生摩擦的固定部件，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，所以发生机械故障和压差卡钻的几率大幅度下降，从而提高了钻具寿命。
全旋转系统可以使用任何类型的钻井液。
斯伦贝谢公司的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的问题。
这套系统唯有近钻
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