1、年月机电工程技术第卷第期 收 稿 日 期：孙 鹏，白 儒 林，孙 龙 欢，等全 旋 转 推 靠 式 自 动 垂 直 钻 井 工 具 悬 架 机 构 设 计 机 电 工 程 技 术，（）：全旋转推靠式自动垂直钻井工具悬架机构设计孙鹏，白 儒 林，孙 龙 欢，侯 香 港（西 安 石 油 大 学 机 械 工 程 学 院，西 安）摘 要：自 动 垂 直 钻 井 工 具 的 振 动 会 使 得 工 具 的 测 量 精 度 大 大 降 低，工 具 本 身 也 易 产 生 疲 劳 强 度 降 低、联 结 失 效，使 工 具 寿 命 降 低、影 响 钻 井 的 精 度，并 最 终 会 影 响 井 身 质 量。
2、设 计 了 一 种 用 于 全 旋 转 推 靠 式 自 动 垂 直 钻 井 工 具 的 全 密 封 悬 架 机 构，其 主 要 作 用 是 连 接稳 定 平 台 和 外 壳。同 时 采 用 动 力 吸 振 的 原 理 设 计 减 震 机 构，降 低 机 构 振 幅，有 效 抑 制 振 动 向 稳 定 平 台 传 递，降 低 电 子 仓 电 子 元 件 所受 到 的 振 动，提 高 传 感 器 的 测 量 精 度 和 控 制 系 统 的 控 制 精 度，进 而 提 高 井 身 垂 直 度。所 设 计 的 悬 架 机 构 与 传 统 的 悬 架 机 构 相 比 较 拥有 更 好 的 减 振 效 果
3、，并 且 消 除 了 工 具 零 件 在 装 配 时 所 存 在 的 轴 向 间 隙。采 用 对 工 具 控 制 轴 的 强 度 校 核 结 果 表 明：该 机 构 控 制 轴 所 受 到 的 轴 向 最 大 应 力 为 ，满 足 强 度 要 求。关 键 词：自 动 垂 直 钻 井 工 具；悬 架 机 构；振 动；动 力 吸 振；减 震 机 构中 图 分 类 号：文 献 标 志 码：文 章 编 号：（），（，）：，：；引 言全 旋 转 推 靠 式 自 动 垂 直 钻 井 工 具 是 用 于 垂 直 钻 井 的一 种 相 对 比 较 前 沿 的 钻 井 工 具，可 以 在 工 作 时 实 时对
4、井 斜 角 进 行 监 控 和 校 正，达 到 垂 直 钻 井 的 目 的，其 所钻 出 井 眼 的 垂 直 度 是 衡 量 垂 直 钻 井 工 具 精 度 的 一 个 重 要指 标，越 是 先 进 的 垂 直 钻 井 工 具 钻 出 来 的 井 眼 垂 直 度 越高，井 眼 质 量 也 越 好。振 动 是 影 响 垂 直 钻 井 工 具 工 作 精 度 的 一 个 非 常 重 要的 因 素，振 动 会 使 得 工 具 的 测 量 精 度 大 大 降 低，工 具本 身 也 易 产 生 疲 劳 强 度 降 低、联 结 失 效，使 工 具 寿 命 降低、影 响 钻 井 的 精 度，并 最 终 会
5、影 响 井 身 质 量。自 动 垂 直 钻 井 工 具 减 振 研 究 的 趋 势 为 尽 可 能 降 低 电子 仓 电 子 元 件 所 受 到 的 振 动，来 自 于 外 壳 的 振 动 会 通 过悬 架 机 构 传 递 到 稳 定 平 台 上，进 而 传 递 到 内 筒，内 筒内 部 一 般 设 置 有 减 振 垫 片 或 者 减 振 弹 簧，这 些 常 规 的 减振 措 施 目 前 研 究 的 已 经 很 深 入 了，未 来 的 发 展 方 向 一 定是 想 办 法 在 振 动 传 递 的 过 程 中 降 低 振 动 给 工 具 所 带 来 的影 响。目 前 出 现 的 悬 架 机 构
6、都 是 通 过 刚 性 连 接 将 外 壳 与 内筒 连 接 起 来，没 有 考 虑 在 振 动 传 递 的 这 个 过 程 中 实 现 振动 的 抑 制，。本 文 设 计 了 一 种 用 于 全 旋 转 推 靠 式 自 动 垂直 钻 井 工 具 的 悬 架 机 构，该 机 构 设 计 有 减 振 装 置，可 以有 效 抑 制 振 动 向 着 电 子 仓 传 递，进 而 保 证 电 子 仓 电 子 元件 的 测 量 精 度。通 过 对 传 统 悬 架 机 构 的 改 进，实 现 在 悬架 机 构 上 减 振，采 用 在 外 壳 与 内 筒 之 间 添 加 弹 簧，通 过动 力 吸 振 的 原
7、理 和 方 法 使 得 来 自 外 壳 的 振 动 转 化 为 弹 簧的 弹 性 势 能，降 低 振 幅。全 旋 转 推 靠 式 自 动 垂 直 钻 井 工 具 结 构 及 工 作 原 理全 旋 转 推 靠 式 自 动 垂 直 钻 井 工 具 主 要 由 外 筒、全 密封 悬 架 支 撑 单 元、涡 轮 发 电 机 单 元、测 控 与 存 储 单 元、执 行 机 构 单 元、液 压 分 配 单 元 等 组 成。工 具 结 构 简 图 如图所 示。图全 旋 转 推 靠 式 自 动 垂 直 钻 井 工 具 结 构 图工 具 外 筒通 过 螺 纹 连 接 于 钻 杆 上，全 密 封 支 撑 单元、将
8、 工 具 内 筒 悬 挂 起 来，并 且 通 过 螺 钉 与 外 筒 相 连接，上 涡 轮 发 电 机主 要 用 于 发 电，为 测 控 与 存 储 单 元提 供 电 力，下 涡 轮 发 电 机有 两 个 作 用：一 是 为 测 控与 存 储 单 元提 供 电 力，二 是 作 为 扭 矩 发 生 器，为 液 压分 配 单 元 提 供 所 需 的 扭 矩。执 行 机 构 单 元 则 是 完 成 测 控与 存 储 单 元发 出 的 指 令，对 井 斜 角 实 时 控 制，执 行 机构 的 动 力 源 为 钻 井 液，而 流 入 执 行 机 构 矩 形 推 力 板的液 压 腔 室 中 的 流 量 大
9、 小 主 要 由 液 压 分 配 单 元 控 制。全 旋 转 推 靠 式 自 动 垂 直 钻 井 工 具 属 于 动 态 推 靠 式 垂直 钻 井 工 具，在 钻 进 过 程 中，通 过 三 个 矩 形 推 力 板 击打 井 壁 来 对 井 斜 角 进 行 调 整。三 个 矩 形 推 力 板 沿 着 工 具外 壁 呈 分 布，并 且 分 别 由 三 个 执 行 活 塞 控 制。在 工具 下 井 之 前，将 计 算 机 编 好 的 程 序 输 入 测 控 与 存 储 单 元，整 个 工 具 连 接 在 钻 杆 上 并 由 转 盘 带 动 随 着 钻 柱 一 块旋 转。当 测 控 与 存 储 单
10、元 的 传 感 器 检 测 到 井 斜 角 超 出 一 定的 范 围 后，井 下 小 闭 环 自 动 控 制 系 统 会 控 制 钻 井 液 向 着井 眼 高 边 方 向 流 动，进 而 推 动 井 眼 高 边 方 向 的 执 行 活 塞，使 得 矩 形 推 力 板 在 转 动 到 井 眼 高 边 方 向 时 伸 出，此 时，钻 柱 会 发 生 倾 斜，钻 头 会 向 着 井 眼 低 边 方 向 切 削，达 到纠 斜 的 目 的。当 井 斜 没 有 超 出 设 定 的 范 围 时，在 井 下 小 闭 环 自 动控 制 系 统 的 控 制 下，钻 井 液 依 次 均 匀 的 流 入 三 个 执
11、行活 塞 所 在 的 腔 室，三 个 矩 形 推 力 板 交 替 推 靠 井 壁，从 而达 到 一 个 稳 斜 的 目 的。悬 架 系 统 主 要 作 用悬 架 系 统 是 全 旋 转 推 靠 式 自 动 垂 直 钻 井 工 具 中 不 可缺 少 的 一 个 结 构，它 支 撑 着 整 个 稳 定 平 台，同 时 也 为 控制 轴 的 旋 转 提 供 自 由 度，全 密 封 悬 架 支 撑 系 统 的 结 构 就本 质 是 一 个 轴 承 保 护 器，它 将 主 轴 承 组 完 全 密 封 起 来，保 证 主 轴 承 组 不 受 钻 井 液 的 侵 蚀，降 低 了 主 轴 承 组 的 磨损，提
12、 高 了 主 轴 承 的 使 用 寿 命，因 为 主 轴 承 组 是 整 个 工具 中 比 较 容 易 损 坏 的 零 件，同 时，主 轴 承 组 的 磨 损 会 降低 控 制 轴 的 旋 转 精 度，影 响 井 眼 质 量，因 此，将 主 轴 承组 密 封 起 来，做 成 这 种 全 密 封 悬 架 支 撑 可 以 提 高 轴 承 的使 用 寿 命，进 而 提 升 整 个 工 具 的 使 用 寿 命。悬 架 机 构 设 计 控 制 轴 的 设 计控 制 轴 将 悬 架 机 构 的 各 个 零 件 串 联 起 来，上 控 制 轴主 要 是 为 涡 轮 发 电 机 提 供 旋 转 自 由 度，下
13、 控 制 轴 则 主 要是 为 了 传 递 扭 矩，将 下 涡 轮 大 电 机 的 扭 矩 传 递 给 执 行 机构，实 时 对 井 斜 角 进 行 修 正。整 个 零 件 的 振 动 最 终 都 要传 递 到 控 制 轴 上，因 此 对 控 制 轴 进 行 设 计 的 主 要 依 据 就是 根 据 最 大 动 载 荷 进 行 设 计，控 制 轴 承 受 的 主 要 载 荷 为轴 向 振 动 载 荷，控 制 轴 的 最 小 直 径满 足 抗 拉 强 度公 式：（）式 中：为 控 制 轴 的 直 径，；为 控 制 轴 的 轴 向 动 载 荷，；为 控 制 轴 内 孔 直 径，；为 安 全 系 数
14、；为控 制 轴 的 抗 拉 刚 度，。图为 控 制 轴 的 三 维 模 型 结 构 图，中 间 的 孔 主 要 是为 了 通 讯 线 路 以 及 导 线 的 铺 设。图控 制 轴 结 构 图 轴 承 组 装 配 设 计全 旋 转 自 动 垂 直 钻 井 工 具 悬 架 机 构 控 制 轴 除 了 主 要承 受 轴 向 的 拉 力 或 者 压 力 之 外，还 应 该 可 以 承 受 一 定 的径 向 载 荷，因 此 在 进 行 轴 承 组 的 选 择 时 应 该 考 虑 以 承 受轴 向 载 荷 为 主，同 时 可 以 承 受 少 量 的 径 向 载 荷，因 此 选择 轴 承 组 由 三 个 轴
15、 承 组 成，分 别 为 两 个 推 力 球 轴 承 和 一个 深 沟 球 轴 承。其 轴 承 组 的 装 配 结 构 半 剖 图 如 图所 示。整 个 轴 承 组 处 于 一 个 完 全 密 封 的 环 境 之 中，上 面 通过 护 帽、锁 紧 螺 母、压 盖 等 装 置 实 现 轴 承 组 上 端 的 密 封。在 深 沟 球 轴 承 的 下 方 设 置 有 压 力 腔 室，主 要 有 两 个 作 用，第 一 是 实 现 轴 承 组 的 下 端 密 封，其 二，主 要 是 平 衡 整 个年月 机 电 工 程 技 术 第卷第期悬 架 机 构 内 部 与 井 底 的 压 力，在 工 作 时，压
16、力 弹 簧 会 随着 井 深 的 增 加 而 不 断 被 压 缩，从 而 保 证 整 个 机 构 内 部 的压 力 时 刻 保 持 与 井 底 压 力 的 平 衡。图轴 承 组 装 配 设 计 结 构 半 剖 视 图 减 震 系 统 设 计整 个 工 具 所 受 到 的 振 动 首 先 会 传 递 到 工 具 的 外 壳上 面，进 一 步 通 过 外 壳 与 内 筒 之 间 的 连 接 螺 钉 传 递 到工 具 稳 定 平 台，影 响 电 子 仓 内 部 电 子 元 件 的 正 常 运 行，因 此，在 振 动 的 传 播 链 中 设 计 减 振 结 构 可 以 有 效 降 低骨 架 所 受 到 的 振 动，提 高 工 具 运 行 的 稳 定 性 和 测 控 的准 确 性。本 文 所 设 计 的 工 具 减 震 系 统 采 用 动 力 吸 振 的 原 理 及方 法，假 设 工 具 所 受 到 的 载 荷 为 一 定 频 率 的 恒 定 交 变 载荷 时，以 工 具 外 壳 为 参 考 对 象，也 就 是 将 钻 柱 作 为 主系 统，稳 定 平 台 作 为 吸 振 器 的 质 量 源，只