φ178旋转导向钻井工具设计说明书
浅谈旋转导向钻井工具实验台的夹具设计
浅谈旋转导向钻井工具实验台的夹具设计【摘要】随着以旋转导向钻井系统为核心的钻井技术的发展，旋转导向钻井工具实验台能够模拟旋转导向钻井工具在井下的正常工作情况下，改变旋转导向工具的旋转速度，测量在不同的旋转速度下的压力、流量等参数，并通过控制面板上的压力表和流量表来测量出具体的数据，加以分析。
本文很好地的解决了旋转导向钻井工具在实验台的夹持固定，确保了实验的顺利进行。
【关键词】旋转导向钻井工具；实验台；夹具0.引言井下旋转导向工具是旋转导向钻井系统的核心，它是实现旋转导向的根本。
井下实时控制系统或地面监控系统能按照预置或要求的三维井眼轨迹，根据测量信息，对井下工具进行实时控制或遥控。
测量与传输系统应能测出近钻头处井眼的空间姿态信息，并能及时传送给井下微电脑以及地面计算机。
测量的信号经过处理成为新的控制指令。
井下实时控制系统或地面监控系统发出控制指令使井下旋转导向钻井按照控制指令进行动作，从而实现井眼轨迹的旋转导向控制。
目前，旋转导向钻井工具试验台的研究方面已经取得了一定的突破，出现了一些试验设备，由于旋转导向钻井工具的在实验台上夹持固定所限制，试验台的技术还不是很成熟，仍然处在发展阶段。
1.实验台夹持装置整体布局设计用实验的方法来测量模拟的现场旋转导向钻具的工作情况来测定旋转导向钻井工具在不同转速的工作情况是的压力、流量。
由于旋转的动力来源是电机通过减速器，带动皮带轮传递扭矩；而液体的来源主要靠电机带动离心泵用液体的压力差抽水，所以此实验属于液压实验的范畴，目前国内已经有这方面的研究，但由于钻具的刚度和其它技术方面所限制所以在技术上还有待进一步的发展。
根据旋转导向钻井工具的数据要求，参照以往此类实验台的数据，和有关旋转导向钻井工具的性能、工作原理，以下思整体够思如图（1.1）所示：图1.1 旋转导向钻井工具实验台图中的支撑架、旋转导向钻井工具支撑板、辅助支架、以及底座都是辅助机构。
其中整体支架和底座是最基本的构件之一，它的作用是支撑整个实验仪器，以及固定传动构件如：电机、离心泵、水箱、支撑板等实验仪器，并把实验仪器稳定的放在地面上。
钻井手册
钻井计算公式1.卡点深度：L=eEF/105P=K×e/P式中：L-----卡点深度米e------钻杆连续提升时平均伸长厘米E------钢材弹性系数=2.1×106公斤/厘米2F------管体截面积。
厘米2P------钻杆连续提升时平均拉力吨K------计算系数K=EF/105=21F钻具被卡长度l:l=H-L式中H-----转盘面以下的钻具总长米注：K值系数5＂=715（9.19）例：某井在井深2000米时发生卡钻，井内使用钻具为壁厚11毫米的59/16＂钻杆，上提平均拉力16吨，钻柱平均伸长32厘米，求卡点深度和被卡钻具长度。
解：L=Ke/P由表查出壁厚11毫米的59/16＂钻杆的K=957则：L=957×32/16=1914米钻具被卡长度：L=H-L=2000-1914=86米2、井内泥浆量的计算V=D2H/2或V=0.785D2H3、总泥浆量计算Q=q井+q管+q池+q备4、加重剂用量计算：W加=r加V原(r重-r原)/r加-r重式中：W加----所需加重剂的重量，吨r原----加重前的泥浆比重，r重----加重后的泥浆比重r加---加重料的比重V原---加重前的泥浆体积米3例：欲将比重为1.25的泥浆200米3，用比重为4.0的重晶石粉加重至1.40，需重晶石若干？解：根据公式将数据代入：4×200（1.40-1.25）/4.0-1.40=46吨5.降低泥浆比重时加水量的计算q=V原(r原-r稀)/r稀-r水式中：q----所需水量米3V原---原泥浆体积米3r稀---稀释后泥浆比重r水----水的比重（淡水为1）r原---原泥浆比重例：欲将比重1.30的泥浆150米3降至比重为1.17，需加淡水若干？解：根据公式代入数据：150（1.30-1.17）×1/1.17-1=115米36、泥浆循环一周所需时间计算T=V井-V柱/60Q泵式中：T---泥浆循环一周的时间，分V井---井眼容积，升V柱---钻柱体积升Q泵---泥浆泵排量升/秒备注：V井=0.785D井2V柱=0.785（D外2-d内2）例题：井径81/2"，使用壁厚为10毫米的41/2"钻至1000米，泵的排量为21.4升/秒，问泥浆循环一周需时若干？解： V井=0.785×（215.9）2=36591升V柱=0.785（114.32-94.32）=3275升T= V井-V柱/60Q泵=36591-3275/60×21.4=33316/1284=25.95分7、泥浆上返速度计算V返=12.7Q泵/D井2-d柱2式中：V返—泥浆上返速度米/秒Q泵---泥浆泵排量升/秒D井---井径厘米d柱---钻柱外径厘米例题：某井井径为22厘米，钻具外径为11.4厘米，泥浆泵排量为25升/秒，问泥浆上返速度是多少？解：V返=12.7Q泵/D井2-d柱2=12.7×25/222-11.42=0.90米/秒8、漏失速度计算公式：V漏=Q漏/t时式中：V漏—漏失速度米3/小时Q漏---在某段时间内的漏失量米 3t时----漏失时间小时例题：某井在30分钟内共漏泥浆15.6米3问该井在这段时间内的漏失速度是多少？解：V漏=Q漏/t时=15.6/0.5=31.2米3/小时9、泵压计算公式：P=0.081ρQ2/0.96D4式中：P---泵压MPaρ---使用密度 g/cm3Q----泥浆泵排量 l/sD---钻头水眼毫米D=√d12+d22+d32+…..10.常用套管数据表11．接头扣型尺寸：（1：内平 2：贯眼 3：正规）12.常用单位换算表长度:1英寸(in)=25.4毫米(mm)=2.54厘米(cm)=0.0254米(m) 1英尺(ft)=12英寸(in)=304.8毫米(mm)=30.48厘米(cm)=0.3048米(m)1码(yd)=3英尺(ft)=914.4毫米(mm)=91.44厘米(cm)=0.9144米(m)1里=150丈=500米1丈=3.33米1尺=0.33米1寸=0.033米面积:1亩=666.6m²13.常规井身结构14.常用钻铤尺寸与钻头直径关系对照表公式：允许最小钻铤直径 = 2倍套管接箍外径 - 钻头直径有效井眼直径 =（钻头直径 + 钻铤直径）÷20在大于215.9mm(8 1/2in)的井眼中，应采用塔式钻铤组合，钻铤柱中最下一段钻铤(一般应不少于1立柱)的外径应不小于这一允许最小外径，才能保证套管的顺利下入。
2020年(机械制造行业)Φ旋转导向钻井工具机械结构设计说明书
（机械制造行业）Φ旋转导向钻井工具机械结构设计说明书Φ178旋转导向钻井工具机械结构设计摘要:旋转导向钻井技术是石油工业工程技术领域的关键技术之一，得到了石油钻井工程界的极大关注，发挥着越来越重要的作用，主要应用于水平井、大位移井、超深井、三维多目标井等复杂结构的井作业。
本文综述了旋转导向钻井工具的国内外现状，闸明了在我国发展旋转导向钻井技术的重要性和必要性，介绍了它的工作原理及结构组成，指出了研制该工具的主要技术特点。
调制式旋转导向钻井工具的导向执行机构是靠内外泥浆液压力差驱动的原理来实现的，这是旋转导向钻井工具能否正常工作的关键。
所以，对其液压盘阀分配系统进行分析计算，及其在井下不同工况下所受的力进行分析计算。
分析了旋转导向钻井系统的井下钻井工具系的偏置方式和导向方式，完成了导向执行机构机械部分的设计。
关键词:旋转导向钻井工具；机械结构设计；压力差；Φ178 Rotary Steerable Drilling Tool MechanicalStructure DesignAbstract:In many oil industry engineering filed key technologies,rotary steerable drilling technology is one that has been paid much attention to in recent years and exhibits more and more importance in oil drilling industry, mainly used in horizontal well,extended reach well,ultra-deep well ,3D multi-target well the complex structure of multi-lateral wells in wells operating. This paper reviews the domestic and international drilling tool status, illustrates the development of rotary steerable drilling technology of the importance and necessity to introduce the working principle and its composition, that the development of the main technical features of the tool. Modulated rotary steerable drilling tool driven by the executing agency is the pressure difference between inside and outside the mud fluid-driven principles to achieve, which is whether the drilling tool to work the key. Therefore,its hydraulic disc distribution system analysis and calculation, and its different working conditions in underground analyzing and calculating the force. Analysis of downhole rotary steerable drilling tool drilling system orientation bias way. Complete guide the design of mechanical parts of the implementing agencies.Key words: Rotary steering drilling tool；Mechanical parts design；Pressuredifference目录第一章绪论 (1)1.1 本论文研究的目的、价值和意义 (1)1.2 国内外研究状况及趋势 (2)1.2.1 国内旋转导向钻井系统研究与发展现状 (2)1.2.2 国外旋转导向钻井系统研究与发展现状 (3)1.3 毕业设计论文的主要内容 (9)第二章旋转导向钻井装置的方案对比分析 (10)2.1 旋转导向钻井工具的分类 (10)2.2 三种旋转导向钻井系统的结构特征和对比 (10)2.2.1 Auto Trak旋转导向钻井系统 (10)2.2.2 Power Drive旋转导向钻井系统 (11)2.2.3 三种不同旋转导向方式对比 (15)2.3 旋转导向钻井方案的选择 (15)2.4 旋转导向钻井工具工作原理 (15)第三章旋转导向钻井工具机械部分设计 (18)3.1 导向机构的导向原理及组成 (18)3.2 上盘阀高压孔圆弧角的确定 (22)3.3 柱塞的相关计算 (22)3.4 巴掌结构 (23)3.5 盘阀泥浆过流的有效面积计算 (24)3.6 巴掌销钉的强度校核 (26)3.7 挡块上的螺钉强度校核 (26)3.8 盘阀连接螺钉强度校核 (27)3.9 液压盘阀系统的设计 (27)3.9.1 上盘阀的结构设计计算 (37)3.9.2 上盘阀传动轴的校核 (30)3.9.3下盘阀的设计 (31)3.9.4上下盘阀导通时间计算 (32)3.10 盘阀加压弹簧的设计 (34)3.11 工具体的校核 (35)第四章旋转导向钻井工具经济性评价 (38)4.1 旋转导向工具的加工成本 (38)4.2 旋转导向工具的经济效果 (38)第五章结论及展望 (40)5.1 结论 (40)5.2 展望与建议 (40)参考文献 (41)致谢 (43)第一章绪论1.1 本论文研究的目的、价值和意义为了节约开发成本和提高石油产量，对那些受地理位置限制或开发后期的油田，通常通过开发深井、超深井和长距离水平井来实现，进而造成复杂结构的井不断增多，这就要加快旋转导向钻井工具研究的步伐。
Φ178旋转导向钻井工具机械结构设计 说明书
Φ178旋转导向钻井工具机械结构设计摘要:旋转导向钻井技术是石油工业工程技术领域的关键技术之一，得到了石油钻井工程界的极大关注，发挥着越来越重要的作用，主要应用于水平井、大位移井、超深井、三维多目标井等复杂结构的井作业。
本文综述了旋转导向钻井工具的国内外现状，闸明了在我国发展旋转导向钻井技术的重要性和必要性，介绍了它的工作原理及结构组成，指出了研制该工具的主要技术特点。
调制式旋转导向钻井工具的导向执行机构是靠内外泥浆液压力差驱动的原理来实现的，这是旋转导向钻井工具能否正常工作的关键。
所以，对其液压盘阀分配系统进行分析计算，及其在井下不同工况下所受的力进行分析计算。
分析了旋转导向钻井系统的井下钻井工具系的偏置方式和导向方式，完成了导向执行机构机械部分的设计。
关键词:旋转导向钻井工具；机械结构设计；压力差；Φ178 Rotary Steerable Drilling Tool Mechanical StructureDesignAbstract:In many oil industry engineering filed key technologies,rotary steerable drilling technology is one that has been paid much attention to in recent years and exhibits more and more importance in oil drilling industry, mainly used in horizontal well,extended reach well,ultra-deep well ,3D multi-target well the complex structure of multi-lateral wells in wells operating. This paper reviews the domestic and international drilling tool status, illustrates the development of rotary steerable drilling technology of the importance and necessity to introduce the working principle and its composition, that the development of the main technical features of the tool. Modulated rotary steerable drilling tool driven by the executing agency is the pressure difference between inside and outside the mud fluid-driven principles to achieve, which is whether the drilling tool to work the key. Therefore,its hydraulic disc distribution system analysis and calculation, and its different working conditions in underground analyzing and calculating the force. Analysis of downhole rotary steerable drilling tool drilling system orientation bias way. Complete guide the design of mechanical parts of the implementing agencies.Key words: Rotary steering drilling tool；Mechanical parts design；Pressure difference目录第一章绪论 (1)1.1 本论文研究的目的、价值和意义 (1)1.2 国内外研究状况及趋势 (2)1.2.1 国内旋转导向钻井系统研究与发展现状 (2)1.2.2 国外旋转导向钻井系统研究与发展现状 (3)1.3 毕业设计论文的主要内容 (9)第二章旋转导向钻井装置的方案对比分析 (10)2.1 旋转导向钻井工具的分类 (10)2.2 三种旋转导向钻井系统的结构特征和对比 (10)2.2.1 Auto Trak旋转导向钻井系统 (10)2.2.2 Power Drive旋转导向钻井系统 (11)2.2.3 三种不同旋转导向方式对比 (14)2.3 旋转导向钻井方案的选择 (15)2.4 旋转导向钻井工具工作原理 (15)第三章旋转导向钻井工具机械部分设计 (18)3.1 导向机构的导向原理及组成 (18)3.2 上盘阀高压孔圆弧角的确定 (22)3.3 柱塞的相关计算 (22)3.4 巴掌结构 (23)3.5 盘阀泥浆过流的有效面积计算 (24)3.6 巴掌销钉的强度校核 (26)3.7 挡块上的螺钉强度校核 (26)3.8 盘阀连接螺钉强度校核 (27)3.9 液压盘阀系统的设计 (27)3.9.1 上盘阀的结构设计计算 (27)3.9.2 上盘阀传动轴的校核 (30)3.9.3下盘阀的设计 (31)3.9.4上下盘阀导通时间计算 (32)3.10 盘阀加压弹簧的设计 (34)3.11 工具体的校核 (35)第四章旋转导向钻井工具经济性评价 (38)4.1 旋转导向工具的加工成本 (388)4.2 旋转导向工具的经济效果 (38)第五章结论及展望 (40)5.1 结论 (40)5.2 展望与建议 (40)参考文献 (41)致谢 (43)第一章绪论1.1本论文研究的目的、价值和意义为了节约开发成本和提高石油产量，对那些受地理位置限制或开发后期的油田，通常通过开发深井、超深井和长距离水平井来实现，进而造成复杂结构的井不断增多，这就要加快旋转导向钻井工具研究的步伐。
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φ178旋转导向钻井工具设计及控制轴的动力学分析摘要：旋转导向钻井技术是现代导向钻井技术的发展方向，主要应用于大位移井、多分支井等复杂结构的井作业。
本文综述了旋转导向钻井工具的国外现状，阐明了在我国发展旋转导向钻井技术的重要性和必要性，介绍了它的工作原理及结构组成 ,指出了研制该工具的主要技术特点。
调制式旋转导向钻井工具的导向执行机构是靠外泥浆液压力差驱动的原理来实现的，这是旋转导向钻井工具能否正常工作的关键。
所以，对其液压盘阀分配系统和控制轴进行分析计算，及其在井下不同工况下所受的力进行分析计算。
分析了旋转导向钻井系统的井下钻井工具系统的测控方式，偏置方式和导向方式。
完成了导向执行机构机械部分的设计，最后，对控制轴进行了动力学分析，并对工具进行了经济型评价和总结。
关键词：旋转导向钻井；设计；动力学分析Design and Control of the Dynamic Analysis of Shaft of 178 mm Diameter Rotary Steerable Drilling ToolAbstractRotary steerable drilling technology is the development of modern drilling technology-oriented direction, mainly used in extended reach well, the complex structure of multi-lateral wells in wells operating. This paper reviews the domestic and international drilling tool status, illustrates the development of rotary steerable drilling technology of the importance and necessity to introduce the working principle and its composition, that the development of the main technical features of the tool. Modulated rotary steerable drilling tool driven by the executing agency is the pressure difference between inside and outside the mud fluid-driven principles to achieve, which is whether the drilling tool to work the key. Therefore,its hydraulic disc distribution system and control valve axis analysis and calculation, and its different working conditions in underground analyzing and calculating the force. Analysis of downhole rotary steerable drilling tool drilling system monitoring and control system mode, manner and orientation bias way. Complete guide the design of mechanical parts of the implementing agencies, and finally, axis of the dynamic analysis of the control, and the tools of the economic evaluation and summary.KeywordsRotary Steerable Drilling; Design; Dynamic Analysis目录第一章绪论 (1)1.1 本论文研究的目的、价值和意义 (1)1.2 国外研究状况及趋势 (1)1.2.1 国外旋转导向钻井系统研究与发展现状 (1)1.2.2 国旋转导向钻井系统研究现状 (3)1.3 毕业设计论文的主要容 (5)第二章旋转导向钻井装置方案对比分析 (6)2.1 旋转导向钻井工具的分类 (6)2.2 三种旋转导向钻井系统的结构特征和对比 (6)2.2.1 Auto Trak 旋转导向钻井系统 (6)2.2.2 Power Drive 旋转导向钻井系统 (6)2.2.3 Geo-Pilot旋转导向钻井系统 (7)2.2.4 三种不同方式旋转导向系统对比 (7)2.3 旋转导向钻井方案的选择 (8)第三章旋转导向钻井系统总体结构及工作原理 (9)3.1 旋转导向钻井系统的组成 (9)3.2 旋转导向钻井工具工作原理 (9)3.3 旋转导向钻井工具的结构特点 (12)3.4 旋转导向钻井工具的设计特点 (13)第四章旋转导向钻井装置（机械部分）设计 (14)4.1 导向机构的导向原理和组成 (14)4.2 导向钻井工具设计中的主要考虑因素 (16)4. 3 巴掌与井壁接触强度的计算 (18)4. 4 盘阀泥浆过流的有效面积计算 (18)4.5 巴掌的销钉的强度校核 (20)4.6 挡块上的螺钉强度校核 (20)4.7 盘阀连接螺钉强度校核 (21)4.8 液压盘阀系统的设计 (21)4.8.1 上盘阀的结构设计和计算 (22)4.8.2 上盘阀传动轴的校核 (25)4.9 盘阀加压弹簧的设计 (26)4.10 下盘阀的设计 (27)4.11 上下盘阀导通时间计算 (28)4.12 工具体的校核 (30)第五章控制轴的动力学分析 (32)5.1 控制轴的介绍 (32)5.2 控制轴的力学模型 (32)5.3 控制轴的刚度分析 (34)第六章旋转导向工具经济性评估 (37)6.1 旋转导向工具的加工成本 (37)6.2 旋转导向工具的经济效果 (37)第七章结论及建议 (39)7.1 结论 (39)7.2 建议 (39)参考文献 (40)致 (42)第一章绪论1.1 本论文研究的目的、价值和意义为了节约开发成本和提高石油产量，对那些受地理位置限制或开发后期的油田 , 通常通过开发深井、超深井、大位移井和长距离水平井来实现，进而造成复杂结构的井不断增多。
目前通行的滑动钻井技术已经不能满足现代钻井的需要。
于是，自20世纪 80年代后期 , 国际上开始加强对旋转导向钻井技术的研究; 到 90年代初期 , 旋转导向钻井技术已呈现商业化。
旋转导向系统是一个集机、电、液于一体的闭环自动控制系统，并以旋转钻井为其技术特征，所以在减少井下摩阻、提高钻深能力和控制精度方面具有独特的优势，所以成为大位移井长稳斜段钻井作业的常用工具，也适合于水平井水平段（特别是薄油水层水平井）的钻进与控制作业。
目前国也正在研制开发旋转导向系统，从各个油田和区块的应用实例看，旋转导向钻井工具具有在旋转钻进时连续导向的能力，可以提高井眼的清洁度和机械钻速，减少压差卡钻；还具有井眼轨迹自动控制的能力，从而提高井眼轨迹的光滑度，降低扭矩和摩阻，也就相应地增加了水平井的延伸长度。
但该系统对设备要求比较高，要求设备、钻具等能承受高转速、大扭矩、高泵压，在某种程度上加大了对设备、钻具等的损伤，而且该系统造价比较昂贵，一次性投入较大，并不是每个区块和地层都适用这种钻井技术。
旋转导向系统在现在的钻井作业中应用越来越多，对其的要求液越来越高，因此，要不断的对旋转导向系统进行技术性改进和突破，才能满足钻井的要求，提高采油率。
1.2国外研究状况及趋势1.2.1 国外旋转导向钻井系统研究与发展现状国外从20 世纪80年代末期开始旋转导向钻井系统的理论研究。
20 世纪 90 年代世界上多家公司，包括：Baker Hughes公司与 ENIAgip 公司的联合研究项目组、英国的 Camco 公司、英国的 CambridgeDrilling Automation 公司、日本国家石油公司（JNOC）等分别形成了各自的旋转导向系统样机，并开始进行现场试验和应用。
至20 世纪末期，三家大的石油技术服务公司 Schlumberger、Baker Hughes 和Halliburton通过各种方式分别形成了其各自商业化应用的 AutoTrak RCLS 、PowerDrive SRD 和Geo － Pilot 旋转导向钻井系统。
（1） Geo － Pilot旋转导向钻井系统Geo － Pilot 系统是 Halliburton公司下属的 Speny － Sun 公司开发的旋转导向系统，又称 RST （Rotary Steerable Tool）。
其主要特征是下部驱动主轴在壳体旋转成一定角度，相当于形成一个可调弯角，可对井斜和方位进行纠正。
Geo － Pilot 系统采用控制钻柱弯曲特征来实现钻头轴线的有效导控，其优点是造斜率由工具本身确定，不受钻进地层岩性的影响，在软地层及不均质地层中效果明显，缺点是钻柱承受高强度的交变应力，钻柱容易发生疲劳破坏。
另外，高精度加工是保证这种系统导向效果的关键。
（2）AutoTrak旋转导向钻井系统AutoTrak系统是一套集钻进和随钻测量为一体的定向钻井系统，能够在旋转钻井过程向造斜钻进，主要是因为它有一个独特的非旋转可调扶正器滑套，此扶正器滑套并非真的不旋转，只是相对钻头驱动轴而言它几乎是不旋转，因此在旋转钻进过程中，此扶正器滑套可以保持一种相对静止的状态，从而保证钻头沿着某一特定的方向钻进。
非旋转扶正器滑套有元件：近钻头井斜传感器、电子控制元件、液压控制阀和活塞，见图1-1。
通过液压可推动活塞分别对3 个稳定块施加不同的压力，其合力就使钻具沿某一特定方向偏移，从而在钻进过程中使钻头产生 1 个侧向力，保证钻头沿这一方向定向钻进。
图 1-1 AutoTrak部结构（3） Power Drive旋转导向钻井系统斯伦贝公司的旋转导向系统主要是指 PowerDrive系统，包括 PowerDrive X5110 、 PowerDrive X5900 、 PowerDrive X5 、 PowerDrive X5675 、 PowerDrive X5475 、 PowerDrive Xceed 900、 Power vorteX ，除了 Power vorteX 是动力式旋转导向系统外，其他均为全旋转式旋转导向系统，PowerDrive X5 系列旋转导向工具可通过 PowerPulse 和 TeleScope工具实时测量井下数据，测量近钻头地层状态、钻头振动情况和钻头转速，利用近钻头伽马射线显示地质和井眼成像，自动纠斜。