【摘要】：為滿足小尺寸垂直鉆探的作業(yè)要求,設(shè)計一種外徑127 mm、具有雙層推靠活塞的機(jī)械式靜態(tài)自動垂直鉆井工具。該垂直鉆具不含獨(dú)立的電子和液壓系統(tǒng),僅依靠偏重塊在重力作用下自動偏向井眼低邊的物理特性,帶動環(huán)閥轉(zhuǎn)動進(jìn)而改變鉆井液流道的開閉,使鉆井液在鉆具內(nèi)部和環(huán)空中形成壓差,驅(qū)動雙層分布的8個活塞以相應(yīng)的組合方式推向井眼高邊,實(shí)現(xiàn)自動糾斜,維持井眼垂直。該鉆具采用全新的環(huán)閥設(shè)計,避免常規(guī)盤閥較大的摩擦阻力,提高糾偏的靈敏度和精度,其推靠活塞為獨(dú)特的雙層分布,糾斜時有3個不同層的推靠活塞同時推出,可在較小的鉆頭壓降下獲得較大的推靠力和糾斜力矩,糾斜能力顯著提升,而且不同層推出的3個推靠活塞形成穩(wěn)定的三角結(jié)構(gòu),有效提升鉆具的穩(wěn)定性和可靠性。在鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上,對鉆具偏心機(jī)構(gòu)、推出機(jī)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行分析,并研究角接觸球軸承的摩擦阻力對鉆具糾斜行為的影響。結(jié)果表明:該自動垂直鉆具的推靠合力是單個推靠活塞的1+2~(1/2)倍,理論上其糾斜精度僅在井斜角降至0.154°后才會受到影響,糾斜極限井斜角可達(dá)0.059°,具有很好的糾斜能力、糾斜精度和靈敏度,而且該鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單,造價及維護(hù)成本較低,其機(jī)械式的控制方式不受井下溫度影響,具有很好的現(xiàn)場應(yīng)用前景。
【圖文】：

側(cè)的鉆井液在鉆具內(nèi)部與環(huán)空中未形成壓差，該側(cè)的推靠活塞不會推向井壁;而井眼高邊一側(cè)的上排孔處于關(guān)閉狀態(tài)，該側(cè)鉆井液不能流入泄流孔內(nèi)泄壓，鉆井液在鉆具內(nèi)部和環(huán)空中形成壓差，與下排孔連通的推靠活塞在高壓鉆井液的驅(qū)動下被推向井壁高邊，井壁施加給鉆具的反作用力使鉆頭在井眼低邊一側(cè)切削加強(qiáng)，使井眼軌跡逐步回復(fù)至垂直方向，實(shí)現(xiàn)自動感應(yīng)連續(xù)糾斜［18-19］。圖1機(jī)械式靜態(tài)推靠自動垂直鉆具結(jié)構(gòu)Fig．1Structuralschematicofstaticmechanicalautomaticverticaldrillingtool圖2機(jī)械式靜態(tài)推靠自動垂直鉆具工作原理Fig．2Workingprincipleschematicofstaticmechanicalautomaticverticaldrillingtool2垂直鉆具力學(xué)行為機(jī)械式垂直鉆具的糾斜過程主要由偏重塊在偏心扭矩的作用下帶動環(huán)閥偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制推靠活塞推向井壁實(shí)現(xiàn)糾斜，因而偏重塊產(chǎn)生偏心扭矩，推靠活塞的推靠力和糾斜力矩以及由角接觸球軸承產(chǎn)生的摩擦力矩對偏心扭矩的影響是整個垂直鉆具糾斜過程最關(guān)鍵的因素，直接關(guān)系到自動垂直鉆具的糾斜性能。2.1偏重塊設(shè)計及偏心扭矩為保證偏心機(jī)構(gòu)產(chǎn)生足夠的扭矩用于糾斜，須保證偏重塊所產(chǎn)生的偏心扭矩盡可能大，且考慮到機(jī)加工的可行性，故偏重塊采用對稱式設(shè)計，橫截面呈扇面形狀(圖3)，其偏重及偏心扭矩可通過以下計算過程求得。圖3偏重塊示意圖Fig．3Schematicdiagramofeccentricblock以垂直于偏重塊軸向?qū)ΨQ面為基準(zhǔn)面建立直角坐標(biāo)系，設(shè)偏重塊重心坐標(biāo)為(XC，YC)，由于偏重塊為對稱式設(shè)計，重心坐標(biāo)中XC=0，其偏心扭矩在XOY平面上僅與重心的Y坐標(biāo)有關(guān)，根據(jù)重心的物理定義有YC=MxM=∑ni=1miyi∑ni=1mi．(1)式中，mi為XOY平面內(nèi)坐標(biāo)為(0，y

側(cè)的鉆井液在鉆具內(nèi)部與環(huán)空中未形成壓差，該側(cè)的推靠活塞不會推向井壁;而井眼高邊一側(cè)的上排孔處于關(guān)閉狀態(tài)，，該側(cè)鉆井液不能流入泄流孔內(nèi)泄壓，鉆井液在鉆具內(nèi)部和環(huán)空中形成壓差，與下排孔連通的推靠活塞在高壓鉆井液的驅(qū)動下被推向井壁高邊，井壁施加給鉆具的反作用力使鉆頭在井眼低邊一側(cè)切削加強(qiáng)，使井眼軌跡逐步回復(fù)至垂直方向，實(shí)現(xiàn)自動感應(yīng)連續(xù)糾斜［18-19］。圖1機(jī)械式靜態(tài)推靠自動垂直鉆具結(jié)構(gòu)Fig．1Structuralschematicofstaticmechanicalautomaticverticaldrillingtool圖2機(jī)械式靜態(tài)推靠自動垂直鉆具工作原理Fig．2Workingprincipleschematicofstaticmechanicalautomaticverticaldrillingtool2垂直鉆具力學(xué)行為機(jī)械式垂直鉆具的糾斜過程主要由偏重塊在偏心扭矩的作用下帶動環(huán)閥偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制推靠活塞推向井壁實(shí)現(xiàn)糾斜，因而偏重塊產(chǎn)生偏心扭矩，推靠活塞的推靠力和糾斜力矩以及由角接觸球軸承產(chǎn)生的摩擦力矩對偏心扭矩的影響是整個垂直鉆具糾斜過程最關(guān)鍵的因素，直接關(guān)系到自動垂直鉆具的糾斜性能。2.1偏重塊設(shè)計及偏心扭矩為保證偏心機(jī)構(gòu)產(chǎn)生足夠的扭矩用于糾斜，須保證偏重塊所產(chǎn)生的偏心扭矩盡可能大，且考慮到機(jī)加工的可行性，故偏重塊采用對稱式設(shè)計，橫截面呈扇面形狀(圖3)，其偏重及偏心扭矩可通過以下計算過程求得。圖3偏重塊示意圖Fig．3Schematicdiagramofeccentricblock以垂直于偏重塊軸向?qū)ΨQ面為基準(zhǔn)面建立直角坐標(biāo)系，設(shè)偏重塊重心坐標(biāo)為(XC，YC)，由于偏重塊為對稱式設(shè)計，重心坐標(biāo)中XC=0，其偏心扭矩在XOY平面上僅與重心的Y坐標(biāo)有關(guān)，根據(jù)重心的物理定義有YC=MxM=∑ni=1miyi∑ni=1mi．(1)式中，mi為XOY平面內(nèi)坐標(biāo)為(0，y

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