井眼軌跡控制工具主軸載荷與造斜能力關(guān)系研究1)

張紅向正新錢利勤馮定,涂憶柳

?(湖北省油氣鉆完井工具工程技術(shù)研究中心(長江大學(xué))，湖北荊州434023)

?(水電機械設(shè)備設(shè)計與維護(hù)湖北省重點實驗室(三峽大學(xué))，湖北宜昌443002)

??(非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(長江大學(xué))，武漢430100)

井眼軌跡控制工具主軸載荷與造斜能力關(guān)系研究1)

張紅?,?,??,2)張紅，講師，在職博士生，主要從事石油裝備研究與開發(fā)等工作.E-mail:zhanghong821223@163.com向正新?,??錢利勤?,??馮定?,??,3)馮定,通訊作者，教授,博士生導(dǎo)師，主要從事石油機械及井下工具的設(shè)計、診斷及動態(tài)仿真的技術(shù)研究.E-mail:fengd0861@163.com涂憶柳?,??

?(湖北省油氣鉆完井工具工程技術(shù)研究中心(長江大學(xué))，湖北荊州434023)

?(水電機械設(shè)備設(shè)計與維護(hù)湖北省重點實驗室(三峽大學(xué))，湖北宜昌443002)

??(非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(長江大學(xué))，武漢430100)

井眼軌跡控制工具是隨鉆實時完成導(dǎo)向功能的一種導(dǎo)向式鉆井工具.在復(fù)雜工況下，主軸承受鉆壓、扭矩和偏置機構(gòu)作用力等，十分復(fù)雜.在課題組前期研究的基礎(chǔ)上，對樣機主軸的力學(xué)行為開展了進(jìn)一步的研究，在建立主軸靜力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析了工具外殼剛度、偏置機構(gòu)安裝位置等因素對主軸力學(xué)行為與造斜能力的影響規(guī)律.研究發(fā)現(xiàn)，主軸下端偏轉(zhuǎn)角、偏心機構(gòu)作用力和最大截面彎矩會隨著偏心位移增加呈線性增加；隨著外殼剛度的增加和偏置機構(gòu)安裝的位置與上支撐軸承之間距離的增加，工具造斜能力也會增強；通過分析偏置機構(gòu)安裝位置和外殼剛度對主軸力學(xué)行為的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)，隨著外殼剛度的增大和偏置機構(gòu)安裝位置與上支撐軸承之間距離的增大，主軸最大截面彎矩也會增大.最后，給出了最佳的外殼剛度與偏置機構(gòu)安裝位置建議.

井眼軌跡控制工具，主軸，力學(xué)模型，力學(xué)行為，造斜能力

近幾年來，隨著水平井、大位移井、多分支井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井和“海油陸采”技術(shù)的迅速發(fā)展，人們迫切要求鉆井工藝對提高效率、降低成本、提高在惡劣環(huán)境和復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆井能力，國內(nèi)外紛紛加大了對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的研究，相關(guān)技術(shù)研究已經(jīng)相當(dāng)成熟并被Schlumberger,Halliburton,Baker Hughes等油田技術(shù)服務(wù)公司所掌握[13].旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具主要分為推靠式和指向式，其中指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具因在鉆進(jìn)中所受摩阻和扭矩小,能鉆出較平滑的井眼,可以使用較大的鉆壓,機械鉆速較高,有助于發(fā)揮鉆頭的性能,鉆頭及其軸承承受的側(cè)向載荷較小,而逐漸得到重視與開發(fā)[47].它集信息化、智能化和自動化為一體，可精確和靈活控制復(fù)雜井眼軌跡，代表先進(jìn)鉆井工具的發(fā)展趨勢.在國內(nèi)，由長江大學(xué)和中海石油研究中心共同研發(fā)的井眼軌跡控制工具原理樣機，屬于指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具，主要由旋轉(zhuǎn)主軸、不旋轉(zhuǎn)外套、偏心環(huán)偏置機構(gòu)、懸臂軸承、電磁離合器、動密封以及支點承座等部分構(gòu)成.試驗中發(fā)現(xiàn)，該樣機的旋轉(zhuǎn)主軸在鉆進(jìn)中受到鉆壓、扭矩和偏心機構(gòu)作用力，十分復(fù)雜，對主軸力學(xué)行為的研究是將原理樣機實現(xiàn)工程化、打破國外技術(shù)壟斷的關(guān)鍵.本文在課題組前期研究[8]的基礎(chǔ)上對主軸的力學(xué)行為進(jìn)行了更深入研究，文獻(xiàn)[8]對主軸力學(xué)模型進(jìn)行了改進(jìn)，考慮了井眼軌跡控制工具主軸和外殼的相互作用，但是其上下端全部鉸接約束的邊界條件，與實際情況差距較大.本文在文獻(xiàn)[9]的基礎(chǔ)上考慮了外殼剛度對工具造斜能力的影響，并進(jìn)一步分析了工具主軸力學(xué)行為的影響因素，綜合考慮了外殼剛度、偏心機構(gòu)安裝位置和主軸剛度對主軸的影響規(guī)律，以期對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具主軸的設(shè)計和應(yīng)用提供一定的指導(dǎo).

1 井眼軌跡控制工具的工作原理

圖1是井眼軌跡控制工具的機械動力偏置機構(gòu)簡化框圖，以由內(nèi)外偏心環(huán)組成的偏心機構(gòu)為中心，對稱布置減速裝置、電磁離合器和聯(lián)軸器.主軸動力通過聯(lián)軸器傳給電磁離合器，當(dāng)電磁離合器通電后，與減速裝置嚙合，動力經(jīng)減速后傳到偏心機構(gòu)，從而實現(xiàn)內(nèi)外偏心環(huán)的轉(zhuǎn)動.

圖1 機械動力偏置機構(gòu)簡化框圖

如圖2所示，井眼軌跡控制工具主軸前端裝有上懸臂軸承，下端裝有下調(diào)心軸承，中間裝有偏心機構(gòu)，當(dāng)工具需要鉆進(jìn)造斜時，偏心機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，使主軸發(fā)生不同程度的彎曲，從而使主軸軸線偏離原來的方向，讓鉆頭發(fā)生偏轉(zhuǎn)，達(dá)到造斜的目的[10].

圖2 工具導(dǎo)向原理圖

2 主軸靜力學(xué)模型的建立

井眼軌跡控制工具主軸在穩(wěn)定造斜狀態(tài)下，承受著扭矩、鉆壓以及轉(zhuǎn)速的作用.在建立靜力學(xué)模型前，為簡化計算需做出如下假設(shè)：(1)不考慮鉆井液對主軸的作用；(2)軸承為剛性支撐，忽略其變形；(3)主軸上端懸臂軸承不發(fā)生轉(zhuǎn)動和軸向移動，簡化為移動副，下端調(diào)心軸承簡化為鉸支約束，偏心環(huán)等效為一個位移載荷；(4)忽略鉆頭與地層的相互作用，不考慮鉆壓與扭矩的影響.綜合上述基本假設(shè)，可以建立圖3所示的造斜井眼軌跡工具主軸的靜力學(xué)模型.

圖3 井眼軌跡控制工具主軸力學(xué)模型

以下支撐軸承中心為參考系的原點O，以上支撐軸承為終點建立參考系的X軸，并沿垂直向上方向建立參考系Y軸.L為上懸臂軸承與下調(diào)心軸承的間距，m；L1為偏心機構(gòu)與下部調(diào)心軸承的間距，m；L2為偏心機構(gòu)與上支撐軸承的間距，m；P為偏心機構(gòu)施加的載荷大小，N；B為主軸作用點，C為外殼作用點，θ為主軸繞O點的轉(zhuǎn)角，rad；M2和R2分別為上支撐軸承處的彎矩和支持力，N·m，N；R1是工具下部支撐軸承受到的反力，N；d和D分別為井眼軌跡控制工具主軸內(nèi)外徑，m.

如圖3所示，在偏心機構(gòu)的作用下主軸發(fā)生彎曲，主軸受到偏心機構(gòu)的力P作用，同時主軸通過偏心機構(gòu)給外殼一個反作用力.外殼的偏轉(zhuǎn)角為θ2,因此，主軸的撓度曲線和鉆頭轉(zhuǎn)角θ1與偏置力P的大小以及導(dǎo)向工具主軸剛度、工具外殼剛度等參數(shù)有關(guān).

根據(jù)圖3，由幾何關(guān)系可知

式中，ω1表示主軸在偏心機構(gòu)處的變形量，m；ω2表示外殼在偏心機構(gòu)處的變形量，m；e表示偏心環(huán)偏心距，m.

由結(jié)構(gòu)力學(xué)可以得出主軸變形和偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系.

(1)主軸的撓度方程與轉(zhuǎn)角方程

撓度方程

轉(zhuǎn)角方程

式中，ω1為主軸的變形，m；θ1為主軸轉(zhuǎn)角，rad；E1為主軸彈性模量，Pa；I1為主軸截面慣性矩，m4.

(2)外殼的撓度方程與轉(zhuǎn)角方程

撓度方程與轉(zhuǎn)角方程分別為式(4)和式(5)

式中，ω2為外殼的變形，m；θ2為外殼轉(zhuǎn)角，rad；E2為外殼彈性模量，Pa；I2為外殼截面慣性矩，m4.

由作用力與反作用力有P=P′，然后根據(jù)式(4)和式(5)可知，在B和C處的撓度方程分別為式(6)和式(7).

將式(6)和式(7)代入式(1)可得偏心機構(gòu)需要施加的偏置力的計算表達(dá)式

主軸下端部偏轉(zhuǎn)角是式(3)中，當(dāng)x=0的轉(zhuǎn)角計算表達(dá)式

3 室內(nèi)試驗驗證

以現(xiàn)有的井眼軌跡控制工具實驗臺架為基礎(chǔ)(如圖4所示)，展開室內(nèi)模擬實驗，其具體參數(shù)如表1所示.

圖4 井眼軌跡控制工具試驗臺架

表1 工具參數(shù)

現(xiàn)有井眼軌跡控制工具的偏心機構(gòu)的偏心距為0～6mm，現(xiàn)取偏心機構(gòu)偏心距為最大值6mm，將實際參數(shù)帶入上述方程，可以得到偏心機構(gòu)作用力P=12491N，主軸下端部偏轉(zhuǎn)角為0.690?，下支撐軸承支撐反力R1=7899N.通過前期實驗測得工具偏轉(zhuǎn)角為0.6389?[8]，由此可得實驗與理論推導(dǎo)結(jié)果十分相近.

4 主軸力學(xué)行為和造斜能力的影響因素分析

井眼軌跡控制工具的造斜能力主要取決于主軸在下調(diào)心軸承處的偏轉(zhuǎn)角度.通過建立的主軸力學(xué)模型，討論各參數(shù)對主軸力學(xué)行為和造斜能力的影響.

4.1 外殼剛度對主軸力學(xué)行為和造斜能力的影響規(guī)律分析

根據(jù)實際的鉆井參數(shù)和設(shè)計要求，為考慮外殼剛度對主軸力學(xué)行為和造斜能力的影響，根據(jù)設(shè)計要求，保持主軸剛度不變，改變外殼剛度，使得外殼剛度和主軸剛度之比分別為：E2I2/(E1I1)=1,E2I2/(E1I1)=5,E2I2/(E1I1)=10,E2I2/(E1I1)= 20,E2I2/(E1I1)=25,E2I2/(E1I1)=30，計算結(jié)果如圖5～圖7所示.

圖5 外殼剛度對偏心機構(gòu)作用力的影響

圖6 外殼剛度對主軸最大截面彎矩的影響

圖7 外殼剛度對主軸下端部偏轉(zhuǎn)角的影響

(1)外殼剛度對主軸力學(xué)行為的影響

由圖5和圖6可得，偏心機構(gòu)作用力和最大截面彎矩都會隨著偏心機構(gòu)偏心位移的增加而增加，當(dāng)外殼剛度和主軸剛度比值達(dá)到25后，外殼剛度對偏心機構(gòu)作用力影響很小，同時彎矩也不再增加.

(2)外殼剛度對造斜能力的影響

由圖7可以看出，隨著外殼剛度和偏心機構(gòu)偏心位移的增加，主軸下端部偏轉(zhuǎn)角(即圖3中的θ1)隨之增加；但當(dāng)外殼剛度和主軸剛度比值達(dá)到25以后，若繼續(xù)增加外殼剛度，對主軸下端偏轉(zhuǎn)角的影響很小.

4.2 偏心機構(gòu)安裝位置對主軸力學(xué)行為和造斜能力的影響規(guī)律分析

為考慮偏心機構(gòu)安裝位置對主軸力學(xué)行為和造斜能力的影響，現(xiàn)分別取偏心機構(gòu)距上支撐軸承的距離和主軸長度之比為：5/12,6/12,7/12,8/12, 9/12,10/12，即L2的距離為：993mm,1193mm, 1391mm,1590mm,1789mm,1988mm，計算結(jié)果如圖8～圖11所示.

(1)偏心機構(gòu)安裝位置對主軸力學(xué)行為的影響

由圖8～圖10可見，下部軸承支撐反力、偏心機構(gòu)作用力和最大截面彎矩隨著偏心機構(gòu)偏心位移的增加而遞增；當(dāng)偏心機構(gòu)距上支撐軸承的距離逐漸增大時，則下部支撐軸承反力會成倍增加，說明當(dāng)偏心機構(gòu)離上支撐軸承的距離越遠(yuǎn)，對下部支撐軸承作用越明顯.

(2)偏心機構(gòu)安裝位置對造斜能力的影響

通過圖11可以看出，主軸下端部轉(zhuǎn)角隨著偏心機構(gòu)偏心位移的增加而增加；當(dāng)偏心機構(gòu)與上支撐軸承的距離越來越大時，主軸下端部轉(zhuǎn)角也隨之變大，并且呈倍數(shù)增長，說明當(dāng)偏心機構(gòu)距離上支撐軸承越遠(yuǎn)，則主軸下端部偏轉(zhuǎn)角越大，工具造斜能力越強.

圖8 偏心機構(gòu)安裝位置對下部軸承支撐反力的影響

圖9 偏心機構(gòu)安裝位置對偏心機構(gòu)作用力的影響

圖10 偏心機構(gòu)安裝位置對主軸最大截面彎矩的影響

圖11 安裝位置對主軸下端部偏轉(zhuǎn)角的影響

4.3 主軸剛度對主軸力學(xué)行為的影響規(guī)律分析

根據(jù)實際的鉆井參數(shù)和設(shè)計要求，為考慮主軸剛度對主軸力學(xué)行為的影響，保持主軸截面積不變，改變截面尺寸，使主軸剛度分別為原截面積的：8/10,9/10,10/10,11/10,12/10，即主軸外徑D∈(62mm,75mm)，內(nèi)徑d∈(25mm,48mm)，計算結(jié)果如圖12和圖13所示.

由圖12和圖13可知，隨著偏心機構(gòu)偏心位移的增加，下端軸承支撐反力和最大截面彎矩也隨之增加；并且隨著主軸剛度的增加，下端軸承支撐反力和最大截面彎矩都會增加.

綜上所述，外殼剛度和偏心機構(gòu)安裝位置對造斜井眼軌跡控制工具有著非常明顯的影響.可以增加外殼剛度，調(diào)整偏心機構(gòu)安裝位置，使其靠近下端調(diào)心軸承.隨著外殼剛度增大和偏置機構(gòu)與下端調(diào)心軸承間距減小，主軸彎矩、偏置機構(gòu)偏置力和下端軸承支撐反力會增大.綜合考慮受力和造斜能力的情況，建議取偏置機構(gòu)距上支撐軸承的距離和主軸長度之比為9/12，即L1=1789mm，取外殼剛度和主軸剛度之比為25，此時偏心機構(gòu)處于最佳安裝位置，外殼剛度與主軸剛度也最佳.

圖12 主軸剛度對下部軸承支撐反力的影響

圖13 主軸剛度對主軸最大截面彎矩的影響

5 結(jié)論

(1)基于井眼軌跡控制工具原理樣機和室內(nèi)試驗臺架，建立了主軸的靜力學(xué)模型，并通過試驗驗證了力學(xué)模型的合理性.

(2)隨著偏心機構(gòu)偏心位移的增加，主軸下端偏轉(zhuǎn)角、偏置機構(gòu)作用力、下支撐軸承反力和最大截面彎矩呈線性增加；增加外殼剛度，偏置機構(gòu)作用力、下支撐軸承反力和最大截面彎矩都會增加，但是當(dāng)外殼剛度和主軸剛度之比達(dá)到25以后，再增加外殼剛度，變化也非常微小.

(3)增加外殼剛度和增大偏置機構(gòu)與上支撐軸承的間距，工具造斜能力明顯增強,主軸彎矩、偏置結(jié)構(gòu)作用力與軸承支撐反力也會相應(yīng)增加.建議選擇外殼剛度和主軸剛度之比為25，偏置機構(gòu)距上支撐軸承的距離和主軸長度之比為9/12，即L1= 1789mm.

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2姜偉,蔣世全,付鑫生等.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)應(yīng)用研究及其進(jìn)展.天然氣工業(yè),2013,4:75-79

3馮定,袁詠心,李漢興等.井眼軌跡控制工具發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢.石油機械,2011,3:70-734邊景紅.靜態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)導(dǎo)向執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計與研究.[碩士論文].天津：天津大學(xué),2012

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10 Feng D,Wu L,Wang JW,et al.Research on eccentric displacement of the trajectory control tool of high build-up rate wellbore.Lecture Notes in In-formation Technology, 2012,9:291-296

(責(zé)任編輯:周冬冬)

THE CORRELATION BETWEEN THE SPINDLE LOAD AND THE DEFLECTING CAPACITY OF THE WELLBORE TRAJECTORY CONTROL TOOL1)

ZHANG Hong?,?,??2)XIANG Zhengxin?,??QIAN Liqin?,??FENG Ding?,??,3)TU Yiliu?,???(Hubei Engineering Research Center of Oil and Gas Drilling and Completion Tools(Yangtze University), Jingzhou 434023,Hubei,China)
?(Hubei Key Laboratory of Hydro-mechanical Equipment Design and Maintenance(China Three Gorges University)，Yichang 443002,Hubei,China)
??(Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas,Yangtze University,Wuhan 430100,Hubei,China)

The wellbore trajectory control tool is a sort of guiding drilling tool to achieve the orientation function while drilling.Under complex conditions,the spindle is under the actions of the bit pressure,the torque,the force of biasing mechanism and so on.This paper studies the mechanical behavior of the prototype spindle.A spindle mechanical model is established.With the model,the in fl uences of the housing sti ff ness andthe position of the eccentric mechanism of the spindle on the mechanical behavior and the de fl ecting capacity are analyzed.The data analysis shows that the de fl ection angle of the lower end of the principal axis,the force of the biasing mechanism and the maximum bending moment will increase linearly with the eccentric displacement of the eccentric ring.With the increase of the housing sti ff ness and the axial bearing distance from the mounting position of the biasing mechanism,the tool de fl ecting capacity will be enhanced and the maximum bending moment of the spindle will increase.It is shown that,we have selected the most suitable house sti ff ness and the mounting position of the biasing mechanism,which would serve as a reference for the spindle design and the improvement of the de fl ecting capacity of the wellbore trajectory control tool.

wellbore trajectory control tool,the spindle,mechanical model,mechanical behavior,de fl ecting capacity

TE242.9

A

10.6052/1000-0879-16-309

2016–09–23收到第1稿，2016–11–11收到修改稿.

1)國家自然科學(xué)基金(51275057)、石油天然氣裝備教育部重點實驗室(西南石油大學(xué))項目(OGE201403-01)、湖北省教育廳科學(xué)研究計劃中青年人才項目(Q20151301)和水電機械設(shè)備設(shè)計與維護(hù)湖北省重點實驗室開放基金項目(2016KJX12)資助.

張紅,向正新,錢利勤等.井眼軌跡控制工具主軸載荷與造斜能力關(guān)系研究.力學(xué)與實踐,2017,39(2):152-157,134 Zhang Hong,Xiang Zhengxin,Qian Liqin,et al.The correlation between the spindle load and the de fl ecting capacity of the wellbore trajectory control tool.Mechanics in Engineering,2017,39(2):152-157,134