指向式旋轉導向鉆井工具導向偏置執(zhí)行機構關鍵技術研究.pdf

1、隨著鉆探工程對水平井、定向井、大位移井等特殊工藝井的開發(fā)需求，傳統(tǒng)的滑動導向鉆井技術已經不能滿足當代鉆井工藝要求，先進的旋轉導向鉆井系統(tǒng)已成為提升導向鉆井技術的研究熱點。由于旋轉導向鉆井系統(tǒng)對小型化、大造斜力、可靠性和穩(wěn)定性的高要求，作為旋轉導向鉆井系統(tǒng)核心的導向偏置執(zhí)行機構一直是制約旋轉導向鉆井技術發(fā)展的技術難點，為此，開展導向偏置執(zhí)行機構關鍵技術的研究對于提升旋轉導向鉆井技術水平具有重要意義。本文結合天津市科技支撐計劃重點項目“靜態(tài)

2、偏置指向式旋轉導向執(zhí)行機構(項目編號:11ZCKFGX03500)”，提出一種應用于定向井開發(fā)的新型靜態(tài)偏置指向式旋轉導向偏置執(zhí)行機構，針對導向偏置執(zhí)行機構在工作中受井眼規(guī)格尺寸及鉆頭-巖層振動等工況影響的特點，開展了導向偏置執(zhí)行機構動力學建模、動態(tài)響應分析、實驗驗證及優(yōu)化分析研究。論文主要內容和成果如下:
　　新型導向偏置執(zhí)行機構方案設計:提出一種基于偏心少齒差行星輪系和可伸縮中空萬向節(jié)的指向式旋轉導向鉆井工具偏置執(zhí)行機構，該導

3、向偏置執(zhí)行機構能夠實現在不提鉆狀態(tài)下完成增斜、穩(wěn)斜和降斜等鉆井工作，具有較高的可控制精度。同時，可伸縮中空萬向節(jié)能夠有效改善芯軸在工作過程中所承受的交變應力，從而提高導向鉆井工具壽命和可靠性。
　　導向偏置執(zhí)行機構動力學建模:綜合考慮齒輪時變嚙合剛度、阻尼，傳動誤差及支承軸承剛度、阻尼等因素，應用集中參數法建立導向偏置執(zhí)行機構的“平移-扭轉”耦合動力學模型，并完成時變嚙合剛度、鉆頭-巖層交變力等系統(tǒng)激勵的分析，為系統(tǒng)動態(tài)響應分析和

4、動態(tài)特性實驗研究奠定基礎。
　　考慮系統(tǒng)動力學特性的齒輪變位系數選擇方法研究:針對導向偏置執(zhí)行機構中少齒差行星輪系內嚙合齒輪需要變位的問題，以K-H-V少齒差行星輪系為例，在建立系統(tǒng)動力學模型的基礎上，運用相軌跡、龐加萊圖及頻率譜等混沌理論分析方法開展考慮系統(tǒng)動力學特性的變位系數選擇方法研究，研究結果揭示了不同變位系數時齒側間隙、綜合誤差等對系統(tǒng)動力學特性的影響規(guī)律，從而為齒輪變位系數的選擇提供了新的理論依據。
　　導向偏置

5、執(zhí)行機構動態(tài)特性實驗平臺搭建:在導向偏置執(zhí)行機構原理方案設計的基礎上，通過導向偏置執(zhí)行機構原理樣機建造，控制系統(tǒng)和交變載荷加載系統(tǒng)設計，搭建了導向偏置執(zhí)行機構動態(tài)特性實驗平臺，并開展導向偏置執(zhí)行機構動力學建模和求解方法的驗證。實驗結果驗證了導向偏置執(zhí)行機構的可行性和動力學建模的正確性，為導向偏置執(zhí)行機構優(yōu)化和原理樣機改進提供了理論和實驗基礎。
　　基于改進NSGA-Ⅱ和模糊集合理論的多目標優(yōu)化:建立了以導向偏置執(zhí)行機構中齒輪齒數、

6、模數、齒寬等結構參數為設計變量，以齒輪、芯軸加工要求及鉆井工藝需求為約束條件，以系統(tǒng)各部件最大振動加速度響應最小和導向偏置執(zhí)行機構外徑最小為目標的優(yōu)化模型，并提出一種基于改進NSGA-Ⅱ和模糊集合理論的優(yōu)化方法用于該優(yōu)化模型的求解。通過系統(tǒng)優(yōu)化前后動態(tài)響應結果對比分析表明，系統(tǒng)優(yōu)化之后的最大振動加速度明顯降低，且衰減速度更快，有效降低了系統(tǒng)動態(tài)激勵，更進一步證明了所提出優(yōu)化方法在導向偏置機構優(yōu)化分析中的可行性。同時，對優(yōu)化后的導向偏置執(zhí)