專利名稱：一種指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種海洋石油鉆井工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，特別是關(guān)于一種指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

背景技術(shù)：
在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的研究與應(yīng)用中，指向式鉆井工具的造斜能力以其高度可靠性，受到了廣大作業(yè)者的青睞。這種工具的造斜能力主要與工具本身的設(shè)計結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同于傳統(tǒng)鉆井工具，傳統(tǒng)鉆井工具的造斜能力主要依賴于地層的松軟度。這種工具的設(shè)計結(jié)構(gòu)的最大特點之一就是將一個偏置工具置于工具中間，在井眼軌跡控制過程中，偏置工具將旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的芯軸壓彎，產(chǎn)生在工具面方向的偏轉(zhuǎn)，從而達到造斜、降斜，進而達到控制井眼軌跡的目的。
我國自國家十一五以來，已經(jīng)陸續(xù)開展了有關(guān)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的理論和實驗研究，并取得了一定的研究進展[引自杜建生、劉寶林等，指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)偏置芯軸力學(xué)模型及優(yōu)化，《石油機械》，2008年第36卷第8期]。但是對于依賴自身設(shè)計結(jié)構(gòu)的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的芯軸彎曲變形及其支撐方式的選擇和確定方面，還沒有進行過深入研究。若能夠?qū)⒅赶蚴叫D(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的芯軸結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理，使芯軸上承受的應(yīng)力處于合理的范圍之內(nèi)，這對于進一步穩(wěn)定這種鉆井工具的造斜能力，靈活控制井眼軌跡，具有重要的指導(dǎo)意義。


發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其方法是通過優(yōu)化指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的結(jié)構(gòu)，使鉆井工具的造斜、降斜能力更為穩(wěn)定可靠，達到能夠靈活控制井眼軌跡的目的。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，它包括以下步驟1)將指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中的芯軸視為一外伸梁，以其下部軸承為鉸支，上部軸承為滑動鉸支，偏置機構(gòu)對芯軸施加的作用力為集中載荷；2)建立外伸梁的直角坐標系以下部軸承為原點，以井眼的軸線方向為X軸方向，令正方向沿X軸由原點指向上支撐軸承對芯軸的支撐點，則Y軸過原點，Y軸正方向與所設(shè)集中載荷的方向相反；3)基于上述假設(shè)和建立的直角坐標系，得到外伸梁的結(jié)構(gòu)力學(xué)方程外伸梁的最大撓度為 外伸梁彎曲后的軸向位移為 使外伸梁的長度拉長λ所需的應(yīng)力σ為 其中，P為偏執(zhí)機構(gòu)對外伸梁施加的力[KN]，E為外伸梁的彈性模量，J為外伸梁的極慣性矩[cm4]，J＝3.14(R外徑4-R內(nèi)徑4)/64，R外徑為外伸梁的外徑[cm]，R內(nèi)徑為外伸梁的內(nèi)徑[cm]，l為外伸梁的長度[cm]，λ為外伸梁彎曲后的軸向位移[cm]，y為外伸梁的偏置位移量[cm]，σ為應(yīng)力[KN/cm2]。
在步驟3)中，外伸梁的結(jié)構(gòu)力學(xué)方程由以下推導(dǎo)過程得出外伸梁在處的彎曲變形微分方程為 根據(jù)邊界條件 x＝0，y1＝0 y′1＝0 求得外伸梁的轉(zhuǎn)角和撓度方程分別為 外伸梁在處的彎曲變形微分方程為 根據(jù)邊界條件 x＝l，y2＝0 y′2＝0 求得外伸梁的轉(zhuǎn)角和撓度方程分別為 當時，外伸梁的最大撓度為 外伸梁發(fā)生彎曲時，其軸向位移λ為 則 欲使外伸梁的長度拉長λ時，所需的拉力H為 則對應(yīng)拉力H的應(yīng)力σ為 式中，A為外伸梁的橫截面積，A＝3.14(R外徑2-R內(nèi)徑2)。
本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、由于本發(fā)明根據(jù)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的結(jié)構(gòu)特點，將芯軸視為一外伸梁，該模型簡單，便于計算，因此簡化了分析步驟，這對于深入分析和了解指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的特點和性能，優(yōu)化芯軸的結(jié)構(gòu)，使鉆井工具的造斜、降斜能力更為穩(wěn)定可靠，達到了能夠靈活控制井眼軌跡的目的。2、由于本發(fā)明方法指出不僅可以對指向式旋轉(zhuǎn)鉆井工具的芯軸的撓度可以用偏心機構(gòu)來實現(xiàn)，同時還可以反過來用芯軸的撓度來求等效集中載荷，這樣就可以簡化求解問題的難度，同時也有助于在研究芯軸的變形與受力模型時，易于結(jié)合實際，作出準確的分析和判斷。3、由于本發(fā)明方法將芯軸的支撐中的一端采用了滑動支撐方式，并且留有滑動位移的距離λ，保證了芯軸不承受軸向鉆壓作用，因此更進一步簡化了力學(xué)模型。



圖1是現(xiàn)有技術(shù)中指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的結(jié)構(gòu)示意圖 圖2是本發(fā)明中外伸梁的受力模型示意圖
具體實施例方式 下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行詳細的描述。
本發(fā)明方法欲建立一與指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中芯軸相應(yīng)的外伸梁力學(xué)模型(簡稱外伸梁)，通過對外伸梁的力學(xué)分析，來優(yōu)化設(shè)計指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的結(jié)構(gòu)，以提高其鉆井工具造斜能力的可靠性和穩(wěn)定性，達到控制井眼軌跡的目的。
如圖1所示，指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具包括工具外殼1、鉆頭2、下部軸承3、偏置機構(gòu)4、芯軸5、上部軸承6，其造斜能力主要是依賴偏置機構(gòu)4將芯軸5壓彎，使得鉆頭2產(chǎn)生偏離井眼軸線的偏角θ，根據(jù)實際情況增斜、降斜、穩(wěn)斜，從而達到控制井眼軌跡的目的。
如圖2所示，本發(fā)明方法包括以下步驟 1、將芯軸5視為一外伸梁。
2、對上述外伸梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行如下設(shè)定 ①假設(shè)下部軸承3為鉸支，上部軸承6為滑動鉸支，且下部軸承3和上部軸承6對芯軸5的支撐點分別為A、B； ②假設(shè)偏置機構(gòu)4對芯軸5施加的作用力為集中載荷P，集中載荷P的作用點為C。
③由于芯軸5的支撐結(jié)構(gòu)采用如①所述的特殊設(shè)計，因此芯軸5本身不承受軸向鉆壓的作用。芯軸5的質(zhì)量與外殼1的質(zhì)量相比，可以忽略不計芯軸5的質(zhì)量?，F(xiàn)假設(shè)芯軸5的外徑、內(nèi)徑、外伸長度、與材質(zhì)相關(guān)的彈性模量和極慣性矩分別為R外徑、R內(nèi)徑、l、E和J，則芯軸5的抗彎模量為EJ。其中，J＝3.14(R外徑4-R內(nèi)徑4)/64。
3、根據(jù)步驟2中設(shè)定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對外伸梁建立一直角坐標系以下部軸承3對芯軸5的支撐點為原點，即A點；令井眼的軸線方向為x方向，且正方向沿X軸由A指向B，x的大小表示外伸梁的長度；Y軸過B點，正方向沿Y軸與所設(shè)等效集中載荷P的方向相反，y的大小表示芯軸5的撓度，即外伸梁的撓度。
4、基于步驟2的假設(shè)和步驟3建立的直角坐標系，計算外伸梁的結(jié)構(gòu)力學(xué)方程。
對于外伸梁，由文獻[引自劉鴻文，主編，《材料力學(xué)》，高等教育出版社，北京，2004年1月第4版]可知，在等效集中載荷P的作用下，外伸梁的彎曲變形微分方程為 當時 則 當時 則 由外伸梁的邊界條件確定積分常數(shù)， 當x＝0時，y1＝0，代入(3)式，可得D1＝0(7) 當時，y′1＝σ，代入(2)式，可得 當x＝l，y2＝0，代入(6)式，可得 當y′2＝0，代入(5)式，可得 聯(lián)立(9)式和(10)式可解得 將(7)式、(8)式分別代入(2)式和(3)式，可得 因此，在時，外伸梁的轉(zhuǎn)角和撓度方程分別為 將(11)式和(12)式分別代入(5)式和(6)式， 因此，在時，外伸梁的的轉(zhuǎn)角和撓度方程分別為 在(14)式和(16)式中，當時，外伸梁的最大撓度為 同時，由文獻[引自[美]S.鐵摩辛柯.J.蓋爾著張福范譯《彈性穩(wěn)定理論》科學(xué)出版社北京1958年第1版]可知，外伸梁發(fā)生彎曲時，其外伸梁與弦長之差λ為 顯然，將(14)式微分，可得代(19)式入(16)式，可得芯軸5彎曲后的軸向位移λ為解之 由文獻[引自[美]S.鐵摩辛柯.J.蓋爾著胡人永譯《材料力學(xué)》科學(xué)出版社北京1978年3月第1版]可知欲使外伸梁的長度拉長λ時，所需的拉力H為 代(20)式入(21)式，可得 而與拉力H對應(yīng)的應(yīng)力σ為 其中，A為外伸梁的橫截面積，A＝3.14(R外徑2-R內(nèi)徑2)。
代(22)式入(23)式，可得 5、定性、定量分析芯軸5的力學(xué)方程，其包括(4)式、(17)式、(20)式和(24)式。
51、定性分析芯軸5的力學(xué)方程。
本發(fā)明方法根據(jù)建立的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中芯軸5的受力模型與其對應(yīng)的撓曲方程(4)式，可以求出在芯軸5發(fā)生彎曲后沿其軸向發(fā)生的位移λ(軸向位移λ)，即(20)式。
在(4)式中，芯軸5的撓度y與等效集中載荷P成正比，同時與芯軸2的抗彎模量EJ成反比。
在(17)式中，若芯軸5的撓度y為定值，則可以求得等效集中載荷P為 從(25)式可看出若鉆井工具的撓度為定值，則可以求得等效集中載荷P，且等效集中載荷P與芯軸5長度l3成反比，因此增大芯軸5長度l有助于減小等效集中載荷P。
在(24)式中，欲使外伸梁的長度拉長λ對應(yīng)的拉應(yīng)力σ與等效集中載荷P2、芯軸5的長度l4成正比，同時與芯軸2的抗彎模量EJ成反比。因此欲減小拉應(yīng)力σ，在芯軸5長度l為定值時，選擇彈性模量E較大的材質(zhì)，或者材質(zhì)為確定時，增大芯軸5的截面尺寸，即增大極慣性矩J。
52、定量分析芯軸5的力學(xué)方程。
實施例一指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中芯軸5的R外徑和R內(nèi)徑分別為9.5cm、4.5cm，且芯軸5長度l為400cm，偏置機構(gòu)4位于芯軸5的中點，即AC＝200cm，并設(shè)定芯軸5的最大撓度ymax＝2cm時，芯軸5彎曲后的的軸向位移λ以及芯軸5產(chǎn)生的應(yīng)力σ的變化規(guī)律如下，如表1所示 表1 由表1可以觀察出，芯軸5的幾何尺寸中，R外徑、R內(nèi)徑、極慣性矩J和彈性模量E為確定值時，其力學(xué)特性有如下規(guī)律和特點 (1)當芯軸5的長度l為定值時，隨著芯軸5的撓度y的增加，等效集中載荷P、軸向位移λ和應(yīng)力σ均隨撓度y的增加而增加。如在序號1～4中，當l＝400cm時，撓度y的變化范圍為1cm～3cm，此時等效集中載荷P＝597.7KN增至1793.1KN，而此時軸向位移λ亦由0.017cm增至0.155cm，應(yīng)力σ由90.563KN/cm2增加至815.063KN/cm2。
(2)當芯軸5的撓度y為定值時，隨著芯軸5的長度l的增加，等效集中載荷P減小、軸向位移λ和應(yīng)力σ隨長度l的增加而減小。如在序號3、6、9和12中，當芯軸5的撓度y為3cm時，芯軸5的長度l由400cm逐步增加至1000cm時，其對應(yīng)的等效集中載荷P分別為1793.1KN、531.3KN、227.7KN和116.6KN，同時對應(yīng)的軸向位移λ分別為0.155cm、0.104cm、0.078cm和0.062cm，且對應(yīng)的應(yīng)力σ分別為815.063KN/cm2、362.250KN/cm2、203.766KN/cm2和130.410KN/cm2。
6、根據(jù)步驟5分析的結(jié)果，得出對指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計的結(jié)論，其包括以下幾點 (1)應(yīng)用本發(fā)明方法不僅對指向式旋轉(zhuǎn)鉆井工具的芯軸5的撓度y可以用偏心機構(gòu)4來實現(xiàn)，同時還可以反過來用芯軸5的撓度y來求等效集中載荷P，這樣就可以簡化求解問題的難度，同時也有助于在研究芯軸5的變形與受力模型時，易于結(jié)合實際，作出準確的分析和判斷。
(2)通過對指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的研究，其關(guān)鍵技術(shù)之一為芯軸5的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通常情況下，芯軸5在結(jié)構(gòu)設(shè)計上需要保證不承受軸向鉆壓作用。而目前的研究和分析結(jié)果來看為保證芯軸5不承受軸向載荷，芯軸5的支撐中必然要有一端采用滑動支撐方式，并且要留有滑動位移的距離λ，這是在機械設(shè)計上必須要考慮。
(3)應(yīng)用本發(fā)明方法，可以很簡捷的分析偏心機構(gòu)4和芯軸5的受力與變形情況，同時也可以迅速求解芯軸5的應(yīng)力變化及其端部的軸向位移λ并作相應(yīng)的分析，這對于深入分析和了解指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的特點和性能，有重要幫助和意義。
表1中的“R外徑、R內(nèi)徑、l和y”的量綱均為[cm]，“I”的量綱為[cm4]，“E”的量綱為[MPa]，“Q和P”的量綱均為[KN]，σ的量綱為[KN/cm2]。
權(quán)利要求
1、一種指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，它包括以下步驟
1)將指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中的芯軸視為一外伸梁，以其下部軸承為鉸支，上部軸承為滑動鉸支，偏置機構(gòu)對芯軸施加的作用力為集中載荷；
2)建立外伸梁的直角坐標系以下部軸承為原點，以井眼的軸線方向為X軸方向，令正方向沿X軸由原點指向上支撐軸承對芯軸的支撐點，則Y軸過原點，Y軸正方向與所設(shè)集中載荷的方向相反；
3)基于上述假設(shè)和建立的直角坐標系，得到外伸梁的結(jié)構(gòu)力學(xué)方程
外伸梁的最大撓度為
外伸梁彎曲后的軸向位移為
使外伸梁的長度拉長λ所需的應(yīng)力σ為
其中，P為偏執(zhí)機構(gòu)對外伸梁施加的力[KN]，
E為外伸梁的彈性模量，
J為外伸梁的極慣性矩[cm4]，J＝3.14(R外徑4-R內(nèi)徑4)/64，
R外徑為外伸梁的外徑[cm]，
R內(nèi)徑為外伸梁的內(nèi)徑[cm]，
l為外伸梁的長度[cm]，
λ為外伸梁彎曲后的軸向位移[cm]，
y為外伸梁的偏置位移量[cm]，
σ為應(yīng)力[KN/cm2]。
2、如權(quán)利要求1所述的一種指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特征在于在步驟3)中，外伸梁的結(jié)構(gòu)力學(xué)方程由以下推導(dǎo)過程得出
外伸梁在處的彎曲變形微分方程為
根據(jù)邊界條件
x＝0，y1＝0
y′1＝0
求得外伸梁的轉(zhuǎn)角和撓度方程分別為
外伸梁在處的彎曲變形微分方程為
根據(jù)邊界條件
x＝l，y2＝0
求得外伸梁的轉(zhuǎn)角和撓度方程分別為
當時，外伸梁的最大撓度為
外伸梁發(fā)生彎曲時，其軸向位移λ為
則
欲使外伸梁的長度拉長λ時，所需的拉力H為
則對應(yīng)拉力H的應(yīng)力σ為
式中，A為外伸梁的橫截面積，A＝3.14(R外徑2-R內(nèi)徑2)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，它包括以下步驟1)將指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中的芯軸視為一外伸梁，以其下部軸承為鉸支，上部軸承為滑動鉸支，偏置機構(gòu)對芯軸施加的作用力為集中載荷；2)建立外伸梁的直角坐標系以下部軸承為原點，以井眼的軸線方向為X軸方向，令正方向沿X軸由原點指向上支撐軸承對芯軸的支撐點，則Y軸過原點，Y軸正方向與所設(shè)集中載荷的方向相反；3)基于上述假設(shè)和建立的直角坐標系，得到外伸梁的結(jié)構(gòu)力學(xué)方程。本發(fā)明提出的研究思路，為鉆井工具控制井眼軌跡提供了設(shè)計理論依據(jù)。
文檔編號E21B3/02GK101566045SQ20091008394
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月11日
發(fā)明者偉 姜 申請人:中國海洋石油總公司, 中海石油研究中心