指向式旋转导向系统旋转轴弯曲旋转试验研究.pdf

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1、108探矿工程(岩土钻掘工程)2009年增刊指向式旋转导向系统旋转轴弯曲旋转试验研究吕建国,刘宝林,杜建生,李清涛(中国地质大学(北京)科学钻探国家专业实验室,北京100083)摘要:对指向式旋转导向钻井系统旋转轴结构简化和力学模型建立的基础上,设计了旋转轴的模拟试验系统,该系统可测量旋转轴的挠度和静动态应变,测量结果表明,只要选择适宜的材料和支承,旋转轴可以在弯曲状态下旋转并达到导向的目的。关键词:指向式旋转导向系统;旋转轴;模拟试验系统;挠度;应变中图分类号:P63417文献标识码:A文章编号:1673-7428(2009)S1-0108-07ResearchonBendingR

2、otationTestofRotationShaftinPointtheBitRotarySteerableSystemLUJian2guo,LIUBao2lin,DUJian2sheng,LIQing2tao(StateProfessionalLabofScientificDrilling,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China)Abstract:Onthebasisofsimplifyingstructureandestablishingthemechanicsmodelofrotationshaftinpointtheb

3、itrotarysteerablesystem,simulationtestsystemoftherotationshaftweredesigned.deflectionandstraincanbemeasuredbythissystem,measurementresultindicatesthattherotationshaftcanrotateandsteerinbendingcondition,providedsuitablema2terialandbearingareselected.Keywords:Pointthebitrotarysteerablesystem;Rota

4、tionshaft;simulationtestsystem;deflection;strain[4]旋转自动导向闭环钻井技术是20世纪末期发核心是旋转轴。其结构示意图如图2所示。扭矩展起来的一项尖端自动化钻井技术,它代表了当今通过驱动连接器(2)从钻杆(1)传递到旋转轴[1-2]世界钻井技术发展的最高水平。旋转导向钻井(3),轴承组合(5)将钻压从钻杆传递到不旋转系统的核心是井下旋转导向钻井工具系统,根据其的外套(7),再由球轴承组合(10)传递到旋转[3]导向方式可分为推靠式和指向式两种。图1所示轴下端,旋转轴的下端接钻头,钻压传递到钻头进的指向式旋转导向井下工具中,偏置稳定器安

5、放在行钻进,绕过旋转轴的控制段,使旋转轴的弯曲便两个稳定器之间,在旋转导向过程中,偏置工具的于控制。偏心导致其上下两跨钻柱发生弯曲,使钻头处钻柱指向式旋转导向钻井系统旋转轴的弯曲是发生的轴线和井眼轴线之间出现夹角而实现旋转导向。在悬臂轴承(6)和球轴承(10)之间。悬臂轴承这种导向方式的特点是钻头的侧向力较小,造斜率支撑旋转轴并阻止上部旋转轴的弯曲,而球轴承支较低,但旋转导向钻出的井眼狗腿小,轨迹平缓,撑旋转轴并有利于旋转轴的弯曲。通过控制设备摩阻和扭矩较小,可以使用较大的钻压、机械钻速(9)带动偏心执行机构(8)的转动,使旋转轴产[4]较高,有助于发挥钻头的性能。生弯曲,球轴承处旋

6、转轴产生一个小的角度,从而改变与之相连的钻头的方向。该角度直接决定了指1旋转轴的结构简化与力学模型向式系统的造斜能力。指向式旋转导向钻井系统井下旋转导向工具的旋转轴在悬臂轴承上部无径向载荷作用在旋转收稿日期:2009-08-30基金项目:国家科学技术部国际科技合作重点项目“井下闭环高精度导向钻进技术的研究”部分内容(编号:2006DFB21300)作者简介:吕建国(1964-),男(汉族),蒙古人,中国地质大学(北京)工程技术学院副院长、教授,地质工程专业博士,从事地质工程和固体力学的教学和研究工作。2009年增刊探矿工程(岩土钻掘工程)109轴上,只有上端通过八面体轴套将钻井扭矩传

7、到旋旋转轴在保持挠曲状态下旋转,力学模型如图转轴上,防窜螺母防止旋转轴向上窜动,故上端简4所示,旋转轴在悬臂轴承和球轴承之间的长度为化成固定铰支座。悬臂轴承不约束轴线方向的位L,力F为双偏心环作用于旋转轴上的力,FB为球移,简化成滑动支座。钻压通过外套传到球轴承,轴承处支撑反力,FA和MA为悬臂轴承处的支撑反再传到旋转轴上,下端球轴承处可简化成活动铰支力和反力偶。座。双偏心环作用于轴上的力可简化为集中力。见旋转轴在球轴承处的偏转角与偏置力作用点位图3所示。