连续管钻井电液双螺旋传动定向器的设计

摘要: 针对目前连续管钻井液压定向器定向耗时、 精度较低ꎬ 电驱动和电液驱动定向器结构
复杂等问题ꎬ 设计了一种连续管钻井电液双螺旋传动定向器ꎬ 针对该定向器双螺旋传动机构的性
能及工具面角度调整等方面进行了分析ꎮ 分析结果表明: 所设计的定向器以双螺旋传动的方式传
递精度与扭矩ꎬ 可在 ０° ~ ３６０°范围内逆时针单方向调整工具面ꎬ 每次调整后液压缸活塞和传动机
Ｍａ Ｗｅｉｇｕｏ Ｗａｎｇ Ｌｉ Ｗａｎｇ Ｃｈｅｎｇｆｅｉ
( Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｔｏ ａｄｄｒｅｓｓ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｉｍｅ￣ｃｏｎｓｕｍｉｎｇꎬ ｌｏｗ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｉｌｅｄ ｔｕｂｉｎｇ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｈｙｄｒａｕ￣
ｓｔｕｄｙ ｌａｉｄ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏ￣ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒｉｅｎｔｅｒꎬ
ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｈｉｇｈ￣ｅｎｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｅｖｉｃｅｓ
ａｎｄ ｌａｒｇｅｒ ｏｕｔｅｒ ｓｐｉｒａｌ ｐａｉｒ ｌｅａｄ ｉｓ ｍｏｒｅ ｐｒｅｆｅｒａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｏｒｉｅｎｔｅｒ Ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅ￣
ｔｗｅｅｎ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｏｌ ｆａｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｐｉｓｔｏｎ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ａｔ ａｎｙ ｔｉｍｅ ａｒｅ ｄｅｒｉｖｅｄ Ｔｈｅ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ: ｃｏｉｌｅｄ ｔｕｂｉｎｇ ｄｒｉｌｌｉｎｇꎻ ｄｏｕｂｌｅ ｈｅｌｉｘ ｄｒｉｖｅꎻ ｏｒｉｅｎｔｅｒꎻ ｅｌｅｃｔｒｏ￣ｈｙｄｒａｕｌｉｃꎻ ｏｕｔｐｕｔ ｔｏｒｑｕｅꎻ ｏｕｔｐｕｔ ａｎ￣
ｇｌｅꎻ ｔｏｏｌ ｆａｃｅ
０ 引 言
连续管钻井技术是国际公认的高难度、 全新钻
ｄｏｕｂｌｅ ｈｅｌｉｘ ｄｒｉｖｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｏｒｉｅｎｔｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｔｓ ｐｒｅｃｉ￣
ｓｉｏｎ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ ｂｙ ｄｏｕｂｌｅ ｈｅｌｉｘ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｄｅꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｏｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｃａｎ ｂｅ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｉｎ ｃｏｕｎｔｅｒｃｌｏｃｋｗｉｓｅ ｉｎ ｔｈｅ
ｌｉｃ ｏｒｉｅｎｔｅｒꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏ￣ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｄｒｉｖｅ ｏｒｉｅｎｔｅｒꎬ ａｎ ｅｌｅｃｔｒｏ￣ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｄｏｕｂｌｅ ｈｅｌｉｘ
ｄｒｉｖｅ ｏｒｉｅｎｔｅｒ ｆｏｒ ｃｏｉｌｅｄ ｔｕｂｉｎｇ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｏｌ ｆａｃｅ ａｎｇｌｅ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ
石 油 机 械
２０２０ 年 第 ４８ 卷 第 ４ 期
ＣＨＩＮＡ ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ
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连续管钻井电液双螺旋传动定向器的设计
马卫国 王 力 王程飞
( 长江大学机械工程学院)
马卫国ꎬ 王力ꎬ 王程飞 连续管钻井电液双螺旋传动定向器的设计 石油机械ꎬ ２０２０ꎬ ４８ (４) : ３７－４２
井模式的前沿技术ꎬ 以一根能连续盘卷数千米的钢
制管替代钻杆ꎬ 具有钻柱连续、 带压作业、 不间断
循环、 易于预置光纤和电缆、 适合欠平衡钻井和气
体钻井等显著特征 [１] ꎮ 由于连续管管柱不能旋转ꎬ
必须采取连续管钻井定向器调整工具面以达到定向
钻进的目的 [２－３] ꎮ
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２０２０ 年 第 ４８ 卷 第 ４ 期
石 油 机 械
连续管钻井定向器可分为液压定向器、 电驱动
定向器及电液驱动定向器ꎮ 液压定向器可靠性高ꎬ
但定向耗时、 精度较低 [４] ꎬ 电驱动和电液驱动定
向器定 向 精 度 较 高、 输 出 扭 矩 较 大、 可 以 减 少
“ 鱼尾现象” ꎬ 但结构较复杂ꎬ 研制难度大ꎮ 目前ꎬ
ｒａｎｇｅ ｏｆ ０° ~ ３６０° Ａｆｔｅｒ ｅａｃｈ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔꎬ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｐｉｓｔｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｒｅ ｒｅｓｅｔ
ｔｏ ｂｅ ｒｅａｄｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｎｅｘｔ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ Ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ ｈｅｌｉｘ ｄｒｉｖｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｓｐｉｒａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ￣ｓｔａｇｅ ｓｐｉｒａｌ ｐａｉｒ
构复位ꎬ 准备下一次调整ꎻ 两级螺旋副螺旋方向相同且外螺旋副导程大于内螺旋副导程的双螺旋
传动更适合作为该定向器的传动方式ꎻ 推导出了任意时刻工具面调整角度与液压缸活塞位移之间
的函数关系ꎮ 所得结论为定向器电液控制程序的建立奠定了理论基础ꎬ 可为国内高端定向器的研
制提供一定的借鉴ꎮ
关键词: 连续管钻井ꎻ 双螺旋传动ꎻ 定向器ꎻ 电液ꎻ 输出扭矩ꎻ 输出角度ꎻ 工具面
中图分类号: ＴＥ２４２ ９ 文献标识码: Ａ ＤＯＩ: １０ １６０８２ / ｊ ｃｎｋｉ ｉｓｓｎ １００１－４５７８ ２０２０ ０４ｏ￣Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｄｏｕｂｌｅ Ｈｅｌｉｘ Ｄｒｉｖｅ
Ｏｒｉｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｃｏｉｌｅｄ Ｔｕｂｉｎｇ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ