钻具稳定器专用机床自动编程系统研究

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1、钻具稳定器专用机床自动编程系统研究第1章绪论1.1课题的及背景在石油、天然气钻井工程中，钻柱系统的总长度通常能达到数千米甚至上万米，钻具组合系统要承载拉伸、压缩、扭转以及与井壁的摩擦力等载荷作用，而使钻柱系统经常发生屈曲变形、钻柱偏磨甚至共振等现象，经常导致井眼轨迹偏离理论设计轨迹，甚至发生钻具断裂等[2]。为约束、控制钻柱系统在旋转钻进过程中的横向位移，在钻具组合设计时常常在钻柱系统的某些位置连接若干个钻具稳定器，可以组成不同形式的钻具系统，以起到稳定钻柱系统，调控钻井走向的作用。在钻具系统中调控钻井走向，是钻具扶正

2、器的主要作用。将多个稳定器正确地安装在钻柱规定部位，调整稳定器在钻柱系统中的相对位置，可改变钻柱系统的受力状态，这样不但使钻铤的大部分重量施加在钻头上，减少钻头所承受的其他非井眼中心力等额外压力，而且也使钻井斜率满足要求，从而满足钻直井时防止井斜的要求，钻定向井时起到控制井眼轨迹的作用，如图1.1所示。另外，只有钻具扶正器与井壁接触，使得钻铤不与井壁接触，可有效防止钻具卡钻。扩眼不是扶正器的直接作用，但是，在缩颈处或者弯曲井眼处、扶正器的稳定棱端下端倒角处，可起到不同程度的扩眼作用。随着钻井力度和深度的不断增加，稳定棱

3、下端与井壁摩擦，常发生磨损失效。........1.2国内外发展现状鉴于稳定器在石油、天然气等钻井领域中的重要作用，国内外很早就开始研究使用稳定器了。自上世纪30年代首次采用钻具稳定器后，钻井技术有了一定的提升，然后又对钻具稳定器进行了较为详细的理论研究，目前钻具稳定器的广泛应用，又大大促进了钻井技术的发展[8]。目前我国各类钻井企业，在钻井过程中广泛采用整体式螺旋稳定器。在加工过程中，一般使用传统的普通车床或者采用手工编程的普通数控机床。螺旋槽实际上属于螺旋面加工，主要有成形法和展成法两种成型工艺。当使用指状铣刀时，

4、沿铣刀自身轴向的各个截面都是圆，如果是一次加工成型，铣刀轴向截面直径就是螺旋槽的法向宽度，属于成形加工；而采用端面铣刀加工时，刀具中心线和工件中心线不平行，而是呈一定角度，螺旋面是在刀具自身旋转主运动与工件旋转和轴向进给运动过程中包络而形成，工件的螺旋槽廓形与刀具的不相同，属于展成加工。采用成形法铣削加工，工件的螺旋槽廓形比较容易控制和实现。但是由于钻具稳定器廓形复杂多变，采用成形法加工则不够柔性化，所以加工效率比较低、不能达到经济效益最大化。采用端面铣刀展成加工，刀盘直径基本上不受螺旋槽空间控制，可以采用较高的切削速

5、度进行加工，不但可以显著提高铣削效率，也能具有比较高的表面铣削质量，所以得以广泛应用[9]。此外，因为可变直径钻具稳定器不但能减少起钻和下钻次数，而且能够有效减少钻井成本，纵观国内外，可变直径钻具稳定器势必成为钻具稳定器未来发展的主要趋势。截止到20世纪末期，我国已成功研制出可变直径钻具稳定器。在国家重大项目的资助下，可变直径钻具稳定器在理论上取得突破，并且在国内部分深井和超深井井况下，进行试验研究，试验结果良好，标志着国内可变直径钻具稳定器的研制进入广泛应用阶段。为适应钻井工况的需要，发展可变直径钻具稳定器也是我国未

6、来发展的一个主要趋势。..........第2章钻具稳定器铣削方法研究钻具稳定器数控铣削理论是钻具稳定器的加工方法和刀具运动轨迹的理论基础，也是实现数控加工CAM和加工过程计算机仿真的技术保障。2.1钻具稳定器的基本概述旋转叶片型可分为直棱稳定器和螺旋棱稳定器，都能作为短型或长型以满足各异的加工工艺要求和地质条件，其中目前应用最广泛的是螺旋棱稳定器。在螺旋棱的外表面上堆焊耐磨材料和镶嵌硬质合金柱，用来提高钻具稳定器的耐磨性。整体式螺旋稳定器的螺旋棱呈螺旋线型，其能与井眼内壁维持连续接触，使得钻井工具运行平稳，寿命延长。

7、可换套稳定器由一段扶正体和两段本体相连接构成，当扶正段直棱或螺旋棱表面磨损失效后，只需要更换扶正段即可，能够减少成本，而且更换也快速灵活。但是连接处，也容易出现螺纹磨损等失效，相对地也会增加钻井工具整体失效概率的可能性。钻具稳定器全长按功能一般分成三段：钳合段、扶正段和打捞段，即下段、中段和上段。如图2.3所示。钳合段，其直接连接钻铤或直接接钻头；扶正段，是稳定器起关键作用的部分，能起到支撑点和修整井壁等作用；打捞段，便于钻具起钻。........2.2铣削工艺SY/T50512009是钻具稳定器的最新行业标准，除工作

8、外径D1、两端外径2D和有效稳定长度2L三项具体规定外，没有对整体螺旋稳定器的主要工作部分螺旋棱带给出较为具体规定，尽管这一点给产品的设计、制造留下了较为宽泛的空间，但同时也降低了标准执行中的可操作性。为此，作为产品的生产制造者，有必要对产品螺旋结构的主要尺寸参数做较为详尽的研究。由于现代机械行业的迅猛发展，多轴数控机床得到广泛应