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1、1报告内容报告内容1 1、研究背景及意义、研究背景及意义2 2、国内外研究现状、国内外研究现状3 3、主要研究内容、主要研究内容5 5、进度安排、进度安排4 4、技术路线、技术路线2一、研究背景及意义一、研究背景及意义 旋旋转转导导向向钻钻井井技技术术是是适适应应水水平平井井，大大位位移移井井多多分分支支井井等等复复杂杂结结构构井井和和“海海油油陆陆采采”迅迅速速发发展展而而兴兴起起的的一一项项采采油油技技术术，与与滑滑动动导导向向相相比比具具有有摩摩阻阻和和扭扭阻阻小小，钻钻速速高高，钻钻头头进进尺尺多多钻钻井井时时效效高高，钻钻井井周周期期短短，井井身身轨轨迹迹平平滑滑等等优优点点，并并克
2、克服服了了极极限限位位移移限限制制极极限限井井深深可可达达15km。采用旋转导向钻井技术可根据地质要求钻出空间三维井眼，以达到绕障，穿过多油藏采用旋转导向钻井技术可根据地质要求钻出空间三维井眼，以达到绕障，穿过多油藏和精确钻穿薄油层的目的，从而大大提高了采收率和效率，降低了成本从而提高钻井的和精确钻穿薄油层的目的，从而大大提高了采收率和效率，降低了成本从而提高钻井的经济效益。经济效益。滑动导向滑动导向旋转导向旋转导向旋转导向应用现场旋转导向应用现场旋转导向在复杂地质环境中的应用旋转导向在复杂地质环境中的应用3二、国外研究现状及存在的二、国外研究现状及存在的问题问题 AutoTrakAutoTr
3、ak旋转导向钻井系统形成了两大发展方向：旋转导向钻井系统形成了两大发展方向：1.不旋转外筒式自动导向钻井系统：不旋转外筒式自动导向钻井系统：Baker Hughes公司的公司的 AutoTrak RClS 和和 Halliburton公司的公司的Geo-Pi1ot2.全旋转自动导向钻井系统：全旋转自动导向钻井系统：Schlumberger公司的公司的Power Driver SRD 及及 Power Driver Xceed2.1 AutoTrak 不旋转外套依靠反向电机驱动，使其相对于井眼不旋转，保持侧退钻头的力的方向不不旋转外套依靠反向电机驱动，使其相对于井眼不旋转，保持侧退钻头的力的方向
4、不变。当周向均布的三个支撑翼肋分别以不同液压力支撑于井壁时，井壁的反作用力将对井变。当周向均布的三个支撑翼肋分别以不同液压力支撑于井壁时，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使钻头倾斜。下偏置导向工具产生一个偏置合力使钻头倾斜。42.2 Geo-Pilot2.2 Geo-PilotText 1Text 1Text 1Text 1偏心环偏心环焦点轴承焦点轴承悬臂轴承悬臂轴承 Geo-Pilot系统的导向原理是静态偏置内推指向式，其偏置机构由一套可控制的偏心环系统的导向原理是静态偏置内推指向式，其偏置机构由一套可控制的偏心环组成，当井下自动控制完成偏心环的组合之后，该机构将相对于不旋
5、转外套固定，从而始终组成，当井下自动控制完成偏心环的组合之后，该机构将相对于不旋转外套固定，从而始终将旋转心轴向固定方向偏置，为钻头提供一个方向固定的倾角。该偏心环机构包括外偏心环，将旋转心轴向固定方向偏置，为钻头提供一个方向固定的倾角。该偏心环机构包括外偏心环，内偏心环及各自的偏置驱动机构内偏心环及各自的偏置驱动机构.二二、国外研究现状及国外研究现状及存在的存在的问题问题 Geo-PilotGeo-Pilot偏心环原理偏心环原理5Power Driver SRD系统的支撑翼肋的支出动力来源是钻井过程中自然存在的钻柱内外的钻井系统的支撑翼肋的支出动力来源是钻井过程中自然存在的钻柱内外的钻井液压
6、差。随着钻柱的旋转，每个支撑翼肋都将在设计位置支出，从而为钻头提供一个侧向力，液压差。随着钻柱的旋转，每个支撑翼肋都将在设计位置支出，从而为钻头提供一个侧向力，产生导向作用。产生导向作用。二二、国外研究现状及存在的国外研究现状及存在的问题问题 PowerDrive PowerDrive SRDSRD 2.3 2.3 PowerDrive PowerDrive SRDSRD62.4 2.4 PowerDrive-XceedPowerDrive-Xceed动力产生模块动力产生模块电子控制元件电子控制元件传感器模块传感器模块导向系统导向系统钻头钻头二二、国外研究现状及存在的国外研究现状及存在的问题问
7、题 PowerDrive-XceedPowerDrive-Xceed 马达反时针方向转动马达反时针方向转动,转速转速与外壳转速相等与外壳转速相等外壳顺时针方向转动外壳顺时针方向转动当外壳带动钻头旋转时，马达带动偏离节反向旋转，当外壳带动钻头旋转时，马达带动偏离节反向旋转，从而保持钻头的偏离方向不变，钻出预定的曲线形井眼。从而保持钻头的偏离方向不变，钻出预定的曲线形井眼。Drilling tendency7二二、国内旋转导向研究情况国内旋转导向研究情况 从从20世纪世纪90年代开始，国内部分钻井科研人员及钻井技术研究机构对旋转导向钻井技术进年代开始，国内部分钻井科研人员及钻井技术研究机构对旋转导
8、向钻井技术进行跟踪分析及探索性研究。西安石油大学与胜利油田联合开发和研制的调制式旋转导向系统行跟踪分析及探索性研究。西安石油大学与胜利油田联合开发和研制的调制式旋转导向系统MRSS目前已研发出实验室样机；中国地质大学做出了偏置导向机构实验室样机并对该机构进目前已研发出实验室样机；中国地质大学做出了偏置导向机构实验室样机并对该机构进行了动力学分析和工作性能研究。行了动力学分析和工作性能研究。MRSSMRSS原理图及样机局部图原理图及样机局部图用扣与用扣与MWD短节相连短节相连稳定平台单元稳定平台单元工作液控制分配单元工作液控制分配单元用扣与钻头相连用扣与钻头相连偏置执行机构单元偏置执行机构单元扭
9、矩发生器扭矩发生器（下涡轮发电机）（下涡轮发电机）下轴承保护器及稳下轴承保护器及稳定平台下支撑连接定平台下支撑连接工作液泥浆工作液泥浆过滤装置过滤装置工作液控制分配工作液控制分配（上下盘阀等）（上下盘阀等）柱塞、销轴及推板柱塞、销轴及推板8二二、国外研究现状及存在的国外研究现状及存在的问题问题 结构复杂结构复杂小型化能力差小型化能力差机构间歇性冲击机构间歇性冲击大，钻头和钻头大，钻头和钻头轴承磨损严重，轴承磨损严重，难以实现完全井难以实现完全井下闭环控制下闭环控制钻柱承受高强度钻柱承受高强度交变应力，钻柱交变应力，钻柱容易发生疲劳容易发生疲劳破坏破坏旋转导向系统不受旋转导向系统不受井眼影响，精
10、度高，井眼影响，精度高，能钻更复杂的井眼能钻更复杂的井眼提出新型静态指向式旋转导向，拟采用提出新型静态指向式旋转导向，拟采用上下盘阀分液，放射状液压缸提供偏置上下盘阀分液，放射状液压缸提供偏置力，并使用万向联轴节克服交变应力的力，并使用万向联轴节克服交变应力的缺陷。缺陷。典型旋转导典型旋转导向钻井工具向钻井工具静态推靠式静态推靠式 Auto Trak 动态推靠式动态推靠式动态推靠式动态推靠式 PowerDrive SRD静态指向式静态指向式Geo-Pilot动态指向式动态指向式PowerDrive-Xceed9三、主要研究内容三、主要研究内容 导向执行机构原理方案导向执行机构原理方案运动学运动
11、学/动力学建模与参动力学建模与参数初步设计数初步设计基于运动学基于运动学/动力学仿真及优化动力学仿真及优化设计理论方法，优化导向执行设计理论方法，优化导向执行机构主要结构参数及动力学性机构主要结构参数及动力学性能，为结构详细设计及控制系能，为结构详细设计及控制系统设计提供指导统设计提供指导。液压控制系统及其结构设计液压控制系统及其结构设计建建立立上上下下液液压压阀阀盘盘、放放射射状状液液压压缸缸结构参数化模型结构参数化模型虚虚拟拟性性能能仿仿真真及及结结构构优优化化计计以以 Matlab Simulink/Adams/Fluent为为工工具具，完完成成机机械械-液液压压系系统统多多体体联仿真，
12、并进行结构优化设计联仿真，并进行结构优化设计导向能力研究导向能力研究基于优化结构研究导向力的影响因素及偏置机构基于优化结构研究导向力的影响因素及偏置机构的结构参数对导向力的影响规律，建立参数化模的结构参数对导向力的影响规律，建立参数化模型。型。10四、技术路线四、技术路线总体技术路线总体技术路线 运动学建模运动学建模l利用矢量几何与力学分利用矢量几何与力学分析建立运动学模型析建立运动学模型l根据已知条件求得机构根据已知条件求得机构基本参数基本参数l优化导向工具主要结优化导向工具主要结 构构 参数参数支撑软件：支撑软件：Matlab/Viso偏置机构详细结构设计偏置机构详细结构设计l液压回路设计
13、液压回路设计l上下盘阀结构设计上下盘阀结构设计l放射状液压缸机构设计放射状液压缸机构设计支撑软件：支撑软件：SloidWorks导向能力研究导向能力研究l研究上下盘阀相对位置对研究上下盘阀相对位置对导向力的影响规律导向力的影响规律l研究泥浆过流孔孔径的研究泥浆过流孔孔径的 尺寸对高压孔圆心角影尺寸对高压孔圆心角影 响响l研究泥浆的流动特性对研究泥浆的流动特性对 高压孔圆心角的影响高压孔圆心角的影响支撑软件：支撑软件：Matlab/Adams/Fluent虚拟性能仿真虚拟性能仿真 l机械、液压系统机械、液压系统-多体联多体联合仿真合仿真l结构优化结构优化支撑软件：支撑软件：Matlab Simu
14、link/Adams/Fluent建立动力学模型及建立动力学模型及 有限元分析有限元分析l建立动力学模型建立动力学模型l建立有限元模型建立有限元模型l有限元分析有限元分析l根据有限元结果提出该根据有限元结果提出该钻井工具适用条件钻井工具适用条件支撑软件：支撑软件：Ansys建立实验室样机建立实验室样机实验性能研究实验性能研究11分分析析偏偏置置机机构构、导导向向心心轴轴在在工工具具面面内内的运动的运动在复合坐标系下建立钻具的运动学模型，在复合坐标系下建立钻具的运动学模型，分析心轴偏置施力点处挠曲变形力与每个偏分析心轴偏置施力点处挠曲变形力与每个偏置传动平面内偏置力关系的理论模型，得出置传动平面
15、内偏置力关系的理论模型，得出指向式旋转导向钻井工具偏置导向的基本运指向式旋转导向钻井工具偏置导向的基本运动规律。动规律。采采用用弹弹性性动动力力学学的的分分析析方方法法对对心心轴轴进进行行动动力力学学分分析析，建建立立旋旋转转心心轴轴在在偏偏置置作作用用下下导导向向工工作作时时的的动动力力学学模模型型，为为指指向向式式旋旋转转导导向向井井下工具的导向控制理论研究提供了理论依据下工具的导向控制理论研究提供了理论依据四、技术路线四、技术路线运动学运动学/动力学建模动力学建模12四、技术路线四、技术路线偏置机构设计及导向能力研究偏置机构设计及导向能力研究详细机构设计详细机构设计l首首先先设设计计上上
16、盘盘阀阀圆圆弧弧孔孔圆圆心心角角为为180180,下下盘盘阀阀具具有有三三个个泥泥浆浆通通道道的的上上下盘阀结构下盘阀结构l推推得得液液压压缸缸活活塞塞直直径径(d)(d)与与导导向向力力F F间间的的函函数数关关系系F(d)F(d)l根根据据运运动动学学、动动力力学学分分析析中中求求得得的的导导向向力力大大小小设计液压缸活塞直径。设计液压缸活塞直径。液压回路设计液压回路设计设设计计液液压压分分配配系系统统与与液液压压缸缸之间的回路之间的回路设设计计上上下下盘盘阀阀间间液液压压回回并并通通过过流流体体力力学学计计算算泄泄压压孔孔的位置及尺寸。的位置及尺寸。参考调制式旋转导向系统的液压回路参考调
17、制式旋转导向系统的液压回路1.1.上盘阀控制轴上盘阀控制轴2.2.泥浆过滤网泥浆过滤网3.3.盘阀盘阀座座4.4.上盘阀加压弹簧上盘阀加压弹簧5.5.上盘阀上盘阀6.6.下盘阀下盘阀7.7.柱塞座柱塞座8.8.柱塞柱塞9.9.喷喷嘴嘴10.10.推靠巴掌推靠巴掌11.11.导向块导向块12.12.导导向机构主体向机构主体偏偏置置机机构构机机构构设设计计偏置原理偏置原理拟拟用用上上下下盘盘阀阀原原理理设设计计液液压压分分配配系系统统，导导向向时时上上盘盘阀阀由由稳稳定定平平台台控控制制其其保保持持静静止止，圆圆弧弧孔孔中中心心方方向向即即为为导导向向力力的的方方向向，低低压压孔孔与与高高压压孔孔
18、相相通通时时泥泥浆浆进进入入液液压压缸缸推推动动活活塞塞偏偏置置钻头实现旋转导向。钻头实现旋转导向。泥浆泥浆控制轴控制轴上盘阀上盘阀旋转轴旋转轴下盘阀下盘阀液压缸示意图液压缸示意图导导向向能能力力研研究究建立下盘阀泥浆通道个数建立下盘阀泥浆通道个数(N)(N)、上盘、上盘阀圆心角阀圆心角()()、下盘阀通道导通个数、下盘阀通道导通个数(n)(n)、下盘阀过流孔孔径、下盘阀过流孔孔径d dp p与偏置力与偏置力(F)(F)之间的函数关系之间的函数关系F(F(，N N，n n，d dp p)，建立上下盘阀的参数化模型。，建立上下盘阀的参数化模型。将导向力函数带入将导向力函数带入到运动学到运动学/动
19、力学模动力学模型中，获得整个钻型中，获得整个钻井工具的参数化模井工具的参数化模型。型。偏置机构最优参数偏置机构最优参数最优导向能力最优导向能力F13五、进度安排五、进度安排11.07 11.07 11.1011.10 11.11 11.1211.11 11.12 12.01 12.0212.01 12.02 12.03 12.04 12.03 12.04 查阅相关文献，撰写开题报告查阅相关文献，撰写开题报告建立运动学模型建立运动学模型建立动力学模型进行动力学分析建立动力学模型进行动力学分析12.05 12.0612.05 12.06 偏置结构详细设计偏置结构详细设计12.07 12.0812.07 12.08 撰写论文撰写论文12.11 12.1212.11 12.1212.09 12.1012.09 12.10 对控制轴进行强度分析优化结构对控制轴进行强度分析优化结构导向能力研究及其影响因素导向能力研究及其影响因素液压分配系统参数化液压分配系统参数化14 谢 谢！