指向式旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具導向偏置執(zhí)行機構(gòu)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(jīng)不能滿足當代鉆井工藝要求，先進的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)核心的導向偏置執(zhí)行機構(gòu)一直是制約旋轉(zhuǎn)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(gòu)關鍵技術的研究對于提升旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術水平具有重要意義。本文結(jié)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(zhuǎn)導向執(zhí)行機構(gòu)(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(zhuǎn)導向偏置執(zhí)行機構(gòu)，針對導向偏置執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)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(nèi)容和成果如下:
　　新型導向偏置執(zhí)行機構(gòu)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(zhuǎn)導向鉆井工具偏置執(zhí)行機構(gòu)，該導

3、向偏置執(zhí)行機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)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(gòu)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(shù)法建立導向偏置執(zhí)行機構(gòu)的“平移-扭轉(zhuǎn)”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(shù)選擇方法研究:針對導向偏置執(zhí)行機構(gòu)中少齒差行星輪系內(nèi)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(shù)選擇方法研究，研究結(jié)果揭示了不同變位系數(shù)時齒側(cè)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(shù)的選擇提供了新的理論依據(jù)。
　　導向偏置

5、執(zhí)行機構(gòu)動態(tài)特性實驗平臺搭建:在導向偏置執(zhí)行機構(gòu)原理方案設計的基礎上，通過導向偏置執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)動態(tài)特性實驗平臺，并開展導向偏置執(zhí)行機構(gòu)動力學建模和求解方法的驗證。實驗結(jié)果驗證了導向偏置執(zhí)行機構(gòu)的可行性和動力學建模的正確性，為導向偏置執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)中齒輪齒數(shù)、

6、模數(shù)、齒寬等結(jié)構(gòu)參數(shù)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(gòu)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(jié)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(gòu)優(yōu)化分析中的可行性。同時，對優(yōu)化后的導向偏置執(zhí)