（机械工程专业论文）连续管钻井承扭加压器的设计与研究.pdf

摘要 随着科学技术的进步，人们对能源需求的增大，连续管钻井的各项技术也得到较 快发展，国内外技术发展和应用实践证明，连续管钻井技术将成为利用钻井工程技术 提高油气采收率的重要手段。连续管承扭加压器的研究对于国内发展连续管钻井意义 重大。 本论文完成的工作机械方面主要有：前期通过对国内外文献及石油公司对连续管 承扭加压技术的研究成果，完成承扭加压器理论相关资料的收集、整理与分析，主要 有：连续管承扭加压器适用的钻井环境、配套的连续管的规格和工作时的具体工况； 然后以力学理论为基础，通过承扭加压器的工作条件和受力情况分析，结合石油机械 设计理念及承扭加压器的工作原理设计出执行机构的机械结构，通过c r e o e l e m e n t s p r 0 5 0 软件建立结构模型并进一步完善及检查是否存在机械干涉等，然后 通过导入c r e oe l e m e n t s p r 0 5 0 生产的i g e s 格式文件到有限元分析软件a n s y s 对其 进行仿真分析。工作的难点是国内此方面的研究涉及的甚少，优势是通过理论分析和 计算机模拟对连续管承扭加压器进行了设计、分析，建立了力学模型及给出实体模型， 将承扭与加压结合到一起，在国内相关领域尚处于领先地位。 本论文电气方面完成的工作有：设计和开发了承扭加压器的整体电气框架，主要 包括：p l c 控制模块的选用、信号采集模块、电气动作模块、人机交互介面、故障诊 断、程序的开发等。 关键词：连续管钻井承扭加压器，虚拟样机、c r e oe l e m e n t s p r 0 5 0 、a n s y s 、p l c a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，c o i l e d - t u b i n gd r i l l i n gd e v e l o p s r a p i d l y t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o ni np r a c t i c ea t h o m ea n d a b r o a d p r o v e dt h a tc o i l e d t u b i n gd r i l l i n gt e c h n o l o g yw i l lb e av e r yi m p o r t a n tm e t h o dt o e n h a n c eo i lr e c o v e r y t h es t u d yo fc o i l e d t u b i n gw i t h s t a n dt o r q u ep r e s s u r i z e ri sv e r y i m p o r t a n tf o rd e v e l o p m e n to fc o i l e d - t u b i n gd r i l l i n ga th o m e t h ew o r km a c h i n e r yh a sb e e nc o m p l e t e di nt h i sp a p e r ：t h ed o m e s t i ca n df o r e i g n l i t e r a t u r ea n dt h eo i lc o m p a n i e st ot h ec o n t i n u o u st u b eb e a r i n gt w i s tc o m p r e s s i o n t e c h n o l o g yr e s e a r c h e si ss e a r c h e d ，c o m p l e t i n gt o r s i o np r e s s u r i z e rt h e o r yr e l a t e dd a t a c o l l e c t i o n c o l l a t i o na n da n a l y s i s f i r s to fa l lt h ec o n t i n u o u st u b eb e a r i n gt o r q u e p r e s s u r ed e v i c ef o rd r i l l i n ge n v i r o n m e n t ，s u p p o r t i n g t h ec o n t i n u o u st u b e s p e c i f i c a t i o n sa n dw o r ko ft h es p e c i f i co p e r a t i n g c o n d i t i o ni sa n a l y s i s e d a n dt h e n ， a c t u a t o rm e c h a n i c a ls t r u c t u r ei sd e s i g n e db a s e do nm e c h a n i c st h e o r y ，t h et o r s i o n p r e s s u r i z e rw o r k i n gc o n d i t i o na n ds t r e s sa n a l y s i s ，c o m b i n e dw i t ht h ep e t r o l e u m m a c h i n e r yd e s i g nc o n c e p ta n dt o r s i o np r e s s u r ef o rt h ew o r k i n gp r i n c i p l ed e s i g n t h r o u g ht h ec r e oe l e m e n t s | p r 0 5 0s o f t w a r e t oe s t a b l i s ht h es t r u c t u r em o d e la n d f u r t h e ri m p r o v ea n dc h e c kt h ee x i s t e n c eo ft h em e c h a n i c a li n t e r f e r e n c e t h em o d e li s s a v e da si g e sf o r m a tf i l et h r o u g ht h ei n t r o d u c t i o no fc r e oe l e m e n t s | p r 0 5 。0t h e m o d e li sa n a l y s i s e da n ds i m u l i n k e db yt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s t h ed i f f i c u l t yi st h el a c ko fs t u d ya th o m e ，a n db a c k w a r d n e s so fp r o c e s s i n ga n d m a t e r i a l d e s i g n e da n da n a l y z e dc o i l e d - t u b i n gd r i l l i n gs y s t e m ，a n ds e tu pm e c h a n i c s m o d e la n dp h y s i c a lm o d e l so nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p u t e r s i m u l a t i o n t h ee l e c t r i c a lw o r ki s c o m p l e t e di n t h i sp a p e r ，s u c ha st h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n to ft o r s i o np r e s s u r i z e ro v e r a l le l e c t r i c a lf r a m e w o r k ，i n c l u d i n gp l c c o n t r o lm o d u l es e l e c t i o n ，s i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l e ，e l e c t r i c a la c t i o nm o d u l e ， h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，f a u l td i a g n o s i s ，p r o g r a md e v e l o p m e n ta n ds oo n k e y w o r d s ：c o i l e d - t u b i n gt o r s i o np r e s s u r i z e r v i r t u a lp r o t o t y p e ，c r e oe l e m e n t sw r o e 5 0 、a n s y s 、p l c 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究目的和意义 本课题来源于中石化钻井工艺研究院石油机械研究所钻具组合一“钻井用连续管 承扭、加压关键技术科技项目的研究，本课题是其中一项关键性内容。当代世界的 主要能源有：石油、天然气，纠纷、冲突、战争等矛盾的焦点是石油、天然气等能源； 当代世界经济在发展，石油化工及汽车业也在飞速的发展，我国能源供应不足的矛盾也 日益尖锐，然而不可再生资源已经日益耗竭，油气资源主要集中在海底，储量是世界油 气总储量的百分之四十五，大陆边缘是其主要的分布地，油气资源的开发与世界经济的 发展息息相关【l 】，在此背景下连续管钻井技术得到发展。 第二次世界大战期间诞生了连续管( c o i l e dt u b i n g ) ，从2 0 世纪6 0 年代，才 开始用于石油行业。到现在有4 0 多年的历史。c o i l e dt u b i n gd r i l l i n g ( c t d ) 一连 续管钻井，c t d 技术的发展和应用开始于9 0 年代初，到现在仍处于初期阶段。c t 的屈 服强度由3 4 5 m p a 到现在的7 5 8 m p a ，在2 0 世纪9 0 年代开始用于钻井。连续管在钻井 中的不断应用，c t 尺寸由由6 0 3 m m 至由8 8 9 m m 。美国和加拿大占全世界用连续管所钻 井的8 0 左右，同时，法国、荷兰等国家也有不少连续管钻井。世界上较大的石油服 务公司及石油公司都在积极探索和发展c t d 技术。在上个世纪5 0 年代末连续管作业机 就已研制出来，到了上世纪7 0 年代开始出现连续管钻井机。由于连续管技术要求及对 钻井的特殊性、c t d 工具及技术的配套等因素，c t d 真正的应用于钻井业是在2 0 世纪 9 0 年代【2 1 。 随着科学技术的进步，人们对能源需求的增大，连续管钻井的各项技术也得到较 快发展，国内外技术发展和应用实践证明，连续管钻井技术将成为利用钻井工程技术 提高油气采收率的重要手段。勘探开发不断向深层发展，深井的年钻井比例达到3 0 以上，且增长趋势较大。要改变深井中后1 3 的钻井工作量占全井2 3 的钻井时间的 状况，采用连续管钻井无疑是最佳选择。连续管钻井技术的不断发展与进步，连续管 钻井技术的高效性、低成本、低污染、环境友好型等优点更加日益明显，连续管钻井 技术将成为石油钻井行业的新技术的重要发展方向。 连续管承扭加压器的研究对于国内发展连续管钻井意义重大 第一章绪论 连续管钻井承扭加压器与传统的钻井模式区别较大 具有以下诸多优势： l 、钻井起下钻过程中不用接单根，起下钻速度快，缩短钻井周期，降低钻 井成本。 2 、井底的占地面积缩小，适用于地面环境受限的地区以及海上平台的钻井 作业。特别是车载连续管钻井系统( 自走式连续管钻机) ，机动性更强。 3 、可以实现在泵的连续循环作业及带压情况下，降低了起下钻时间和增加 了作业的安全性，能有效的避免因接单根引起的事故如：井喷或卡钻等。 连续管钻井系统： 连续管的钻井系统包括连续管专用钻机、钻井液循环系统、井控系统、辅助 钻井设备、井下的钻具组合( b o t t o mh o l ea s s e m b l y ，b h a )等硬件的系统。软 件系统：连续管钻井工艺、专用软件。连续管钻井地面系统囊括了其中的连续管专 用钻机、钻井液循环系统、井控系统、辅助钻井设备等。 其中的钻井液循环、处理系统、井控系统和相关的钻井辅助设备与常规钻井地 面系统并无太大区别，主要特征差异在于连续管钻机。其中b h a 是连续管钻机效率高 低的关键技术，b h a 对于不同的钻井工艺区别也比较明显，设计要求也不同，一套完 整而复杂的连续管钻井b h a 通常需要2 0 多个单元模块组成。典型的由以下组成：专用 钻头、定向工具、正向驱动马达、连续管接头、测量仪、和紧急断开接头等。 连续管钻井用的马达有高速小扭矩、中速中等扭矩和低速大扭矩3 种类型。 因此可以说，连续管井钻井是未来智能动力钻井的基础和根本，对整个钻井 技术的发展具有深远影响和重要意义。只有立足深入对各项关键核心技术的研 究，攻破各项技术难关，才能掌握、拥有核心技术、自主知识产权。而井下钻具 组合是连续管井下钻井技术的核心，其发展的好坏对“未来智能动力钻井 具有 决定性的作用，因此我们应首先开展此项技术研究，以此推进我国连续管钻井技 术的进步。缩小与世界先进钻井技术的差距。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外现状分析 通过调研发现，我国连续管钻井承扭加压器的研究尚处于初步阶段。 7 0 年代我国才开始借鉴和研究c t d ，第一台连续油管作业机于1 9 7 7 年引进，在四川等 地取得了明显的效果。所以，c t d 技术的深入研究和应用，必将产生积极的作用及较好 生产经济效益。 2 0 0 6 年后，国家先后设立的研究项目就多达十几个： 1 连续管修井装备与工具研制 2 连续管测井装备与工具研制 3 连续管制造与监测评估技术 4 复杂结构井连续管技术应用基础研究 5 连续管技术与装备研制 6 连续管作业装备化 7 连续管装备产能基本建设投资 8 连续管技术科技平台实验室建设 9 连续管井下作业技术推广应用 国内取得的突破性进展和阶段成果为国内发展和应用连续管技术和装备奠定了坚实 基础，但依然局限在连续管作业技术和作业装备范畴。尽管目前取得的少数单项成果达 到或接近国际先进水平，但我国的整体水平( 包括连续管装备拥有量、连续管技术和工 艺的应用规模等) 与国外差距明显。特别是大管径连续管作业机和高难度复杂作业工艺 技术、连续管钻井装备、钻井工艺技术和钻井用连续管的研究、开发和应用仍然处于空 白，与国外差距巨大。 主要表现在如下四个方面： ( 1 ) 大管径连续管作业装备研制与应用； ( 2 ) 高难度复杂作业工艺技术研究开发与应用； ( 3 ) 连续管钻井装备研制与应用； ( 4 ) 连续管钻井工艺技术和钻井井下工具系统的开发与应用； ( 5 ) 钻井用高性能大管径连续管的研制； 第一章绪论 ( 6 ) 连续管装备拥有量及整体应用规模和水平。 国外连续管钻井承扭加压技术已经比较成熟，有的已经投入了使用。 1 9 9 1 年，美国的o r y x 能源公司第一次在得克萨斯州等应用了连续管钻井( c o i l e d t u b i n gd r i l l i n g ，c t d ) ，成功地在一口老井中顺利的完成侧钻水平井的工作，这标志 着连续管钻井的技术已经应用于实际的石油钻井作业。到目前为止经过了2 0 多年的研究 与发展，连续管钻井技术的应用已经突飞猛进迅速发展。全球应用连续管钻井的数量约 为1 10 0 0d ，截止2 0 0 8 年底。2 0 0 4 年开始，每年平均完钻9 0 0 一l0 0 0 口井u 。 连续管钻井钻机的装配、连续管钻井用的井下工具和连续管钻井系列的不断研究、 创新和持续跟踪发展，并且连续管钻井技术和欠平衡钻井技术、控压钻井技术、旋转导 向钻井技术等的有机结合，使连续管钻井技术的发展和实际应用水平及标准大大的提 高了一个新的台阶，连续管实际应用领域同时得到了大幅度的发展，创下多项连续管 钻井的新记录。应用2 - i n ( 6 0 3m m ) 连续管、牵引器、减阻器完钻的最长裸眼水平 段为2 8 8 0 米。采用牵引推进技术完钻的最深水平井全长4 5 7 2 米。在英国北海开窗侧钻 3 血( 9 8 4 衄) 小井眼下中7 3 o 胁尾管射孔完井，创下连续管老井开窗侧钻的最大窗 口深度为3 8 6 2 - 3 8 6 6 m ( 该井深4 1 3 7 m ) 。 斯伦贝谢的下属a n a d r i l l 公司研制的v i p e r 连续管钻井系统能提供实时钻井信息、 精确的定向控制及井底压力监测。v i p e r 系统是种电缆控制的b h a ，由用于定向控制的 井下定向工具和用于定向测量的m w d 工具组成。v i p e r 系统的随钻定向功能可确保精确、 连续的定向控制。该系统采用机电定向工具，可正、反两个方向连续旋转或者以1 。增 幅旋转，以便更好地控制井眼轨迹。将所需要的工具面校正数据输入v i p e r 系统的地面 计算机，可实时进行井下微调。该系统由顶部模块、测量工具、定向工具和导向马达4 大部分组成如图1 1 4 中固石油大学( 华东) 硕士学位论文 一爱部模块一， 连续f 与电囊导藏一 井工具一 压力俦髓及 电子元冉马射娩伟毫一 墨奄军蔫器盖拳譬皇毒墨耋阿一言耋鲞鸯宣言匾一 丑接头电g i l 足矗避舅与动力 方位井斜传哆基 及电子元件 寻目马达 马达4 力电子 元脾 四丘团 口困 图1 卜连续管钻井的钻具组合 f i 9 1 1 - b o t t o mh o l ea s s e m b l y o fc o i l e dt u b i n gd r i l l i n g 1 2 2 特点及发展趋势 c t d 主要有以下几种类型：欠平衡、平衡及过平衡钻井，定向重钻及直井钻井。 优点： c t d 适合于侧钻井、小井眼钻井、欠平衡钻井及过油管作业等且具有明显的作业 优势。c t d 与常规钻井相比有以下优点1 ，井场占地空间小，更适合海洋平台及地面受 限制的情况。小井眼钻井工况下，更容易降低钻井成本。老井重钻或修复提高采收率施 工中瞪3 ，因为c t 直径较小可操作过油管作业，无需取出老井中的设备，因此可以边钻边 采。c t 不需要接单根，因而在起下钻过程中能够连续循环泥浆，避免因接单根可能引起 的事故如井喷和卡钻：连续管可以内置电缆，改善信号的随钻传输，实现随钻测量：地 面设备少，能够实现快速搬迁和重新组装，减少施工人员【6 1 。 缺点： 由于连续管不能旋转，导致压差卡钻和底部钻具组合无法或难以打捞等诸多使用 问题。因此，用目前的连续管作业装置还不能顺利完成从开钻到完钻的所有作业，而主 要用于现有井的加深和侧钻开窗作业吲。在定向钻井中，为控制井眼特定轨迹，需要频 繁起下钻来控制底驱马达的弯曲姿态。很容易考虑到频繁的起下钻过程必然导致c t 过早的达到疲劳极限。由于所采用的c t 的材料不同，导致了使用寿命比常规钻杆的短 i s 。庞大的滚筒不利于运输和安装【9 1 。 到2 0 0 9 年1 月，全球的连续管钻井机数量已达到9 9 台套，这些钻机主要集中在加 第一章绪论 拿大等地区。尽管连续管钻机的全球数量不大，但因为连续管钻机的结构型式、技术参 数、应用场合仍然保持多样化，继而保持和延续了连续管钻井装备“个性化鲜明的特 征。连续管作业机、连续管钻机和的基本构成相似之处惊人，主要构成：注入头、导向 定位器、连续管管材滚筒及连续管、动力控制单元及辅助检测控制单元等。两种设备 在用途、技术所处阶段和关键零部件所达到的能力等有着本质区别。 1 3 研究目标内容和解决的关键问题 1 3 1 研究目标 首先根据井下马达或井眼直径确定b h a 的尺寸，继而设计钻井用连续管承扭加压 装备的尺寸，通常对于垂直井，b h a 通常为3 - 4 7 5 i n ，对于定向井b h a 通常为2 7 5 - 3 i n ， 选取一合适通用尺寸通过p r o e 建立满足现场要求的钻井用连续管承扭加压器的实体 结构。分析各项性能参数，对材料匹配优选、加工工艺改善提高连续管钻井承扭加压 器的可靠性及寿命。建立钻井用连续管承扭加压器的力学模型，并通过有限元分析软 件a n s y s 对其进行力学分析、应力状态数值模拟，分析可行性、可靠性，再改进。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 调研国内外连续管钻井承扭加压器的发展、经验。 了解并掌握承扭加压器的工作环境、基本工作原理、实现动作要求以及各个发展 阶段代表性的成果。 ( 2 ) 根据工况研究连续管钻井承扭加压器的各项工作性能指标。 根据性能指标完成连续管承扭加压器的结构设计，应用p r o e 软件初步建立三维实 体结构。 ( 3 ) 利用a n s y s 进行分析 通过有限元分析软件a n s y s 对建立的模型进行结构分析、力学分析，给出各项结 构参数，进一步优化结构、提高工作可靠性、性能。 1 3 3 拟解决的关键问题 ( 1 ) 钻井用连续管承扭加压装备的工作机制原理及结构设计。 ( 2 ) 所设计零部件的具体结构，材料选择和制造可行性。 ( 3 ) 运用a n s y s 结构分析及涉及到的运动学和动力学分析，判断所设计结构运行 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的合理性、平稳性、可靠性和投产可行性。 1 4 本文采用的研究方案、技术路线及可行性分析 1 4 1 研究方案、技术路线 总体采用理论基础分析研究与计算机虚拟相结合的研究方法技术路线，首先通过对 国内外文献及石油公司对连续管承扭加压装备的研究成果，完成承扭加压装备理论相 关资料的收集、整理与分析。 ( 1 ) 通过现场对钻井用连续管承扭加压器的工作条件和受力情况分析，探索研究承 扭、加压两大模块的工作性能及工作原理。 ( 2 ) 提出结构设计方案及建立三维实体p r o e 结构，并进行机械可行性分析、运动模 拟、可行性优化，结合制造工艺，匹配优选材料、增加热处理工艺。 ( 3 ) 通过建立有限元分析软件a n s y s 与p r o e 的接口文件，对建立的结构进行力学分 析及仿真，分析承扭加压器的各项力学参数。首先通过对国内外文献及石油公司对连 续管承扭加压技术的研究成果，完成承扭加压器理论相关资料的收集、整理与分析。 以力学理论为基础，通过承扭加压器的工作条件和受力情况分析，建立承扭加压器的 力学模型，并通过有限元分析软件a n s y s 对其进行力学分析、工况仿真。 1 4 2 可行性分析 首先，国内外在连续管钻井系统方面技术逐渐成熟，特别是国外在连续管承扭加 压技术方面已经取得了长足进步。同时近几年计算机技术、虚拟仿真软件的日益成熟 和推广为该课题的模拟研究创造了条件。 其次，国内钻压推加器已经应用在结构复杂的水平、垂直井中。提高了机械钻速和 钻头寿命，改善施工条件和减少井下事故。技术日渐成熟。 再者，本课题来源于中石化钻井工艺研究院，有经验丰富的研发团队的支撑，并 且中国石油大学机电工程学院经验丰富的老师将对课题的研究进行指导，从事这方面 研究的硕博士同学也将对本课题的研究起到帮助作用，通过之前的一系列研究论证工 作表明：开展本课题的研究是实际生产需要，在技术上是可行的。 本课题研究成功后，将填补国内钻井用连续管承扭加压技术方面的空白，提高钻井 效率、增加钻井的可靠性安全性，具有良好的社会经济效益。 7 第二章 虚拟样机仿真模型一承扭器的建立 第二章 虚拟样机仿真模型一承扭器的建立 为了对连续管承扭器更好的研究与设计，首先了解承扭器应用的技术环境和连续 管钻井技术的发展趋势，然后根据需要在计算机上建立承扭器的虚拟样机模型。初步 结构模型可根据工况需要通过p r o e 来建立，然后通过与a n s y s 的通用接口进行数 据的交换，应用a n s y s 进行仿真分析。 2 1 1 虚拟样机技术简介 虚拟样机技术( v p t ，v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ) 是一种基于虚拟样机的 数字化设计方法，涉及到多体系的动力学理论、多体系的运动学理论。v p t 是一种综合 性的应用技术。是c a x ( 如c a d 、c a m 、c a e 等) d f x ( 如d f a 、d f m 等) 技术的发展 和继承。虚拟样机技术较好的融合了先进技术的建模、计算机高级仿真、现代制造信息 技术、先进的设计制造技术及现代管理技术。v p t 把多种技术成熟的应用于复杂产品全 生命周期、整套系统的设计中。 处于探索和发展中的虚拟样机技术，目前没有确切的定义，有代表性的概括如下 【l l 】： ( 1 ) ) t 是在第一台实验样机加工制造之前，开发者通过将计算机技术与理论分 析结合建立机械系统的数字化虚拟模型。 ( 2 ) 能够反映实际产品特性一种计算机数字化模型。 ( 3 ) ) t 实现了在虚拟环境下，对产品的几何、功能、制造等多方面交叉建模、 分析。 v p t 特有的优点 强调整体方面产品的建模、性能仿真； 虚拟样机的设计、测试辅助了物理样机的设计过程； 虚拟样机能够在同一时间进行更多的试验，甄别了最优方案； 产品的整个生命周期内，通过虚拟样机的不断更新与完善，使得产品更具竞 争力； 2 1 2 连续管承扭器工作原理简介 连续管的钻井系统包括连续管专用钻机、钻井液循环系统、井控系统、辅助 钻井设备、井下的钻具组合( b o t t o mh o l ea s s e m b l y ，b h a ) 等硬件的系统。软件系 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 统：连续管钻井工艺、专用软件。连续管钻井地面系统囊括了其中的连续管专用钻 机、钻井液循环系统、井控系统、辅助钻井设备等。钻头的旋转动力只能来自井 下马达。因此必须考虑连续管钻进时扭矩对临界屈曲载荷的影响，承扭器的主要作 用在于抵消或减小井下马达的扭矩对于连续管临界屈曲载荷。目前国内类似的装备 或工具还没成熟，处于初步阶段。 承扭器属于井下钻具组合的范畴。 考虑到井下复杂的情况，设计承扭器最关键的是要考虑其工作时的可靠性。承扭 器要求结构可靠可行，根据井下钻具组合的尺寸要求，一种可采用液压作为动力源驱 动机械结构来完成动作要求，主要动作即为使机械结构膨胀【1 2 】，使承扭机构通过接 触摩擦与井壁或套管接触以达到抵消井下马达的扭矩对连续管的影响。作为液压动力 源的液体液压油或其他，可以储存到承扭器内或者在地面通过回路输送到井下承扭器。 一种是利用井下周围环境的液体，液体可以是钻井液、钻井泥浆，通常是来自中心回 路里的泥浆，通过压力控制充满到可膨胀的囊中物中，当囊状物收缩时，泥浆又流回 到中心回路【1 3 】 2 2 承扭器的初步设计 承扭器的基本结构主要包括： 1 承扭器与连续管的接头机构的设计； 2 承扭器核心结构设计； 3 承扭器与井下钻具组合其他部分的接头设计； 2 2 1 承扭器与连续管的接头机构的设计 此接头也称作连续管连接器c t c ( c tc o n n e c t o r s ) ，虽然种类较多，但主要有三种 比较典型通用如图2 1 【1 6 】一种是抓紧式连接( g r a p p l ec o n n e c t o r ) ：一种是固定螺丝钉 连接( s e t s c r e w d i m p l ec o n n e c t o r ) ：一种是滚抹式连接( r o ll - o nc o n n e c t o r ) ；三种 结构无论哪一种在设计时必须考虑连续管下井、钻进时轴向载荷带来的影响。此轴向载 荷将会传递到承扭器结构上。根据能量守恒原理，分别对处于不同井段的连续管进行临 界屈曲载荷分析，得出连续管弯曲成不同屈曲状态时的临界屈曲载荷。 9 第二章虚拟样机仿真模型一承扭嚣的建立 一 t i + 抓紧式固定螺丝钉式滚抹式 图2 卜连续管连接器c t c f i 9 2 1 - c o i l e dt u b i n gc o n n e c t o r s 抓紧式连接( g r a p p l ec o n n e c t o r ) 通常应用环形楔状紧扣在连续管上，通过连接器的外壳的螺纹来锁紧连续管，更 为复杂的设计通常采用双向锁紧，因为连续管在工作过程中有可能承受轴向双向的载 荷和冲击，传递到接头上就为显著的拉伸或压缩。 固定螺丝钉连接( s e t s c r e w d i m p lec o n n e c t o r ) 此连接方式是确保连续管连接安全、可靠的典型设计。固定螺丝钉连接通常由环绕 连接器外壳一周均匀分布的螺孔和与之连续管对齐的螺孔组成。这种连接方式在连续管 钻井过程中效果明显，尤其是在抗扭、抗拉以及减轻钻进过程中的震动，效果更佳突出。 s e t s c r e w d i m p l ec o n n e c t o r 连接方式的经久耐用性在高强度的震动及复杂环境的钻井 过程中已得到验证。 滚抹式连接( r 0 1 - o nc o n n e c t o r ) 滚抹式连接通过连续管内径与连接器外壁特殊形式的卷边处理已达到连接效果。这 种连接方式突出的特点是提供了一种充分防止钻井液外泄导致钻压下降的有效方法。 三种结构无论哪一种在设计时必须考虑连续管下井、钻进时轴向载荷带来的影响。 此轴向载荷将会传递到承扭器结构上。根据能量守恒原理，分别对处于不同井段的连续 管进行临界屈曲载荷分析，得出连续管弯曲成不同屈曲状态时的临界屈曲载荷。进而对 轴向载荷的传输特性进行分析。 综上三种常用连接方式，不难看出承扭器与连续管的接头机构大都分成几部分构 1 0 重一邑 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 成：相应的连接方式、密封圈、连接头与其它部分连接用的螺纹。 螺纹的定义： d 2 s1 l r 将一直角三角形绕在直径为d 2 的圆柱表面上，使三角形底边a b 与圆柱体的 底边重合，则三角形的斜边在圆柱体表面形成一条螺旋线。三角形的斜边与底边的夹角 入，称为螺旋线升角。若取一平面图形，使其平面始终通过圆柱体的轴线并沿着螺旋线 运动，则这平面图形在空间形成一个螺旋形体，称为螺纹。根据平面图形的形状，螺 纹可分为三角形、矩形、梯形和锯齿形螺纹等。根据螺旋线的绕行方向，可分为左旋螺 纹和右旋螺纹，规定将螺纹直立时螺旋线向右上升为右旋螺纹，向左上升为左旋螺纹。 机械制造中一般采用右旋螺纹，有特殊要求时，才采用左旋螺纹。根据螺旋线的数目， 可分为单线螺纹和等距排列的多线螺纹。为了制造方便，螺纹一般不超过4 线。 螺纹的主要参数： 要区分不同的螺纹，就要掌握说明螺纹特点的一些参数。以广泛应用的圆柱普通螺 纹为例，螺纹的主要参数如下：大径、小径、中径、螺距、导程、线数、螺旋升角、 牙型角。具体解释这里不做赘述，请参照相关机械设计手册或资料。 几种常用螺纹的特点和应用： 螺纹是螺纹联结和螺旋传动的关键部分，现将机械中几种常用螺纹的特点和应用介 绍如下： 1 三角形螺纹 牙型角大，自锁性能好，而且牙根厚、强度高，故多用于联接。常用的有普通螺纹、 英制螺纹和圆柱管螺纹。 ( 1 ) 普通螺纹：国家标准中，把牙型角a = 6 0 。的三角形米制螺纹称为普通螺纹， 大径d 为公称直径。同一公称直径可以有多种螺距的螺纹，其中螺距最大的称为粗牙螺 纹，其余都称为细牙螺纹，粗牙螺纹应用最广。细牙螺纹的小径大、升角小，因而自锁 性能好、强度高，但不耐磨、易滑扣，适用于薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构的 调整。 ( 2 ) 英制螺纹：牙型角a = 5 5 。，以英寸为单位，螺距以每英寸的牙数表示，也 有粗牙、细牙之分。主要是英、美等国使用，国内一般仅在修配中使用。 2 圆柱管螺纹 牙型角a = 5 5 。，牙项呈圆弧形，旋合螺纹间无径向间隙，紧密性好，公称直径 为管子的公称通径，广泛用于水、煤气、润滑等管路系统联接中。 第二章虚拟样机仿真模型一承扭器的建立 3 矩形螺纹 牙型为正方形，牙型角a = 0 。，牙厚为螺距的一半，当量摩擦系数较小，效率 较高，但牙根强度较低，螺纹磨损后造成的轴向间隙难以补偿，对中精度低，且精加工 较困难，因此，这种螺纹己较少采用。 4 。梯形螺纹 牙型为等腰梯形，牙型角q = 3 0 。，效率比矩形螺纹低，但易于加工，对中性 好，牙根强度较高，当采用剖分螺母时还可以消除因磨损而产生的间隙，因此广泛应用 于螺旋传动中。 5 锯齿形螺纹 锯齿形螺纹工作面的牙侧角为3 ，非工作面的牙侧角为3 0 ，兼有矩形螺纹效率高 和梯形螺纹牙根强度高的优点，但只能承受单向载荷，适用于单向承载的螺旋传动。螺 纹牙强度高，用于单向受力的传力螺旋：如螺旋压力机、千斤项等。 螺纹连接可以参考套管螺纹连接。 套管螺纹连接丰要有： 三角螺纹连接( 如图2 2 ) 承载面：齿侧角3 0 。，在轴向拉力下，产生较大径向分力： 连接强度：为管体强度的6 0 - - 7 5 ； 密封方式：齿间干涉及丝扣油堵塞，密封性差： 图2 2 - - - 角螺纹连接受力分析 f 够2 - t r i a n g l et h r e a d e dc o n n e c t i o nf o r c e ：a j l y s i s ( 1 ) 梯形螺纹连接( 如图2 3 ) 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 承载面：3 。； 导向面：1 0 。： 增强了齿形，减少了径向力： 连接强度：为管体强度的8 5 5 ： 密封方式：齿间干涉和丝扣油堵塞： 密封性差： 图2 3 一梯形纹连接受力分析 f 1 9 2 3 - t r a p e z o i dt h r e a dc o n n e c t i o nf o r c ea n a l y s i s 接头螺纹受力分布规律： 在轴向拉力作用下，近似于抛物线，接头螺纹两端扣牙受力大，中间部位大多数 扣牙受力很小。 综上所述，承扭器与连续管的接头机构的设计可以采用固定螺丝钉连接 ( s e t s c r e w d i m p l ec o n n e c t o r ) ，接头与承扭器的连接采用梯形螺纹加三级密封圈，解 决梯形螺纹密封差的缺点。 2 2 2 承扭器核心结构设计 前文已经提到承扭器的工作原理，即：承扭器要求结构可靠可行，根据井下钻具 组合的尺寸要求，一种可采用直流马达作为动力源驱动机械结构来完成动作要求，主 要动作即为使机械结构膨胀【1 2 】，使承扭机构通过接触摩擦与井壁或套管接触以达到 抵消井下马达的扭矩对连续管的影响。一种是利用液压或井下周围环境的液体，液体 可以是钻井液、钻井泥浆，通常是来自中心回路里的泥浆，通过压力控制充满到可膨 第二章虚拟样机仿真模型一承扭器的建立 胀的囊中物中，当囊状物收缩时，泥浆又流回到中心回路【1 3 1 ，作为液压动力源的液体 液压油或其他，可以储存到承扭器内或者在地面通过回路输送到井下承扭器。 一般电液控制驱动的连续管承扭加压器也称作连续管承扭牵引系统，包括一组或 多组电液驱动的承扭加压系统组成。承扭牵引系统的动力来源及控制信号通过电力、 信号线束从地面上传送到系统上，有的控制信号也可以通过无线信号传递，比如常用 的超声波、高频信号等。 在某些连续管承扭牵引系统中，牵引器必须适应在钻孔或井眼中爬行( 行走) 。 典型的方式就是有多组相同承扭牵引系统构成整套的承扭牵引系统( 如图2 4 ) 图2 4 _ 承扭牵引系统( 复位) f i 9 2 4 - c o i l e dt u b i n gt o r s i o n a lt r a c t o rs y s t e m s ( r e s e t ) 工作时第一组承扭器在地面控制信号的及动力驱动的作用下开始工作，承扭部件 受电液驱动传递到机械机构，膨胀变大，这种情况下就是使得承扭器牢牢“抓住 钻 孔或井眼，之后第一组加压器或牵引器开始工作，在纵向动力源的作用下，加压或牵 引器纵向伸长，带动未动作的第二组承扭加压器纵向向前推进，从而达到了牵引或加 压的效果。如图2 5 ： 图2 5 一承扭牵引系统( 承扭加压) f i 9 2 5 - c o i l e dt u b i n gt o r s i o n a lt r a c t o rs y s t e m s ( t o r s i o np r e s s u r i z e rw o r k i n g ) 当第一组加压或牵引器纵向行程达到极限时，第二组类似的承扭加压器开始工作， 动作步骤类似第一组的工作状态。同时当第二组承扭器全部打开时，相应的第一承扭 加压器就要复位，即：第一组的承扭器在电液的驱动下恢复“收缩“状态，加压器同 样纵向收缩，为下一步动作做准备。如图2 6 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 6 一承扭牵引系统( 承扭) f i 9 2 6 - c o i l e dt u b i n gt o r s i o n a lt r a c t o rs y s t e m s ( t o r s i o nw o r k i n g ) 上面论述的机械膨胀式的承扭加压器的动力来源有几种解决方案。 第一种为将动力源( 主要包括电动马达及液压泵站) 集中安放在地面，通过油路 传送到井底的承扭加压系统。油路可提前布放到连续管中。这种方案相对于钻具组合 b h a 的结构设计相对方便，因为不需要考虑动力源在b h a 中的安放，空间上不需要 考虑，只解决承扭加压器的机械结构设计。但从控制角度考虑，细长的油路对于连贯 的动作控制要求来讲，难度加大，控制调试周期变长。还有一点必须考虑就是油路的 使用寿命，长期浸泡于钻井液中，油路的使用寿命势必打折，因此油路的材料的选用 实验或者新型材料的研制必不可少。 第二种同第一种恰恰相反，就是将动力源集成到b h a 钻具组合中。省去从地面 到系统的油路，显而易见最大的难点就是动力源怎样才能更好的集成到钻具组合中去。 首先需考虑的是空间问题，横向与纵向两方面。横向根据现在通行的钻孔直径或井眼 直径，当横向尺寸为了安装动力源方便放大到一定程度后就到了极限。纵向方向，加 大纵向方向的尺寸，对于b h a 在井下工作时，必须考虑其工作的转弯半径，纵向尺 寸越大，钻具组合工作时越不灵活，必要时可以通过在动力源与承扭加压系统之间加 柔性环节。 承扭器的工作部分主要就是把电液或电动马达驱动的往复直线运动转换为机械结 构径向运动即承扭器工作时所需要的运动轨迹。井下工况环境复杂恶劣，必须考虑机 械结构的可靠性，及加工制造的经济性。 综上所述，可以给出几种可行方案。 第二章 虚拟样机仿真模型一承扭器的建立 图2 7 一承扭器的膨胀机构一1 f i 9 2 7 - t o r s i o n a ls y s t e m se x p a n s i o no f i n s t i t u t i o n s - 1 如图2 7 所示，承扭器的膨胀机构主要由1 0 1 0 柱体、1 0 2 0 滑块、1 0 3 0 撑板、2 3 2 弹性梁组成。工作时，当1 0 1 0 柱体带动1 0 2 0 滑块做纵向运动时，1 0 2 0 滑块特有的几 何形状，将有弹性的2 3 2 与1 0 3 0 组成的弓状机构项起，从而达到承扭器能牢牢抓住钻 孔或井眼，已实现连续管钻进过程中的承扭。2 3 2 与1 0 3 0 组成的弓状机构，绕柱体1 0 1 0 一周均匀分布，每隔1 2 0 。一组。当1 0 1 0 柱体带动1 0 2 0 滑块做纵向恢复运动时，2 3 2 与1 0 3 0 组成的弹性机构，又将恢复未变形状态。 第二种方案： 凹 图2 8 一承扭器的膨胀机构一2 f i 9 2 8 - t o r s i o n a ls y s t e m se x p a n s i o no fi n s t i t u t i o n s - 2 如图2 8 所示，图中给出了详细的纵向往复运动机构、膨胀机构，主要有1 1 1 0 滑 块、1 1 3 0 导向轮、2 3 2 弹性弓梁组成。与方案一的明显区别在于，2 3 2 弹性弓梁的构 成由三部分组成，简化为强度更好、受力更均匀的一个构件组成。导向轮安装于1 1 1 0 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 滑块上。2 3 2 弹性弓梁、1 1 3 0 导向轮和1 1 1 0 滑块空间上均匀分布，每隔9 0 。一组， 这样分布使得承扭器工作时更佳稳定可靠。1 1 3 0 导向轮的安装，使得滑块的纵向往复 运动到2 3 2 弹性梁的径向运动，由摩擦运动转换为滚动摩擦，摩擦系数减小，因此延 长了整套机构的使用寿命及可靠性。2 3 2 弹性弓梁的结构形式，由以前的一点受力变 为现在的两点着力，并且将以前的三部分简化为一整体结构，减轻了工作时震动带来 的影响，同时使得膨胀机构系统响应更敏捷迅速。 z 璎 图2 9 承扭器的膨胀机构- 3 f i 9 2 9 - t o r s i o n a ls y s t e m se x p a n s i o no fi n s t i t u t i o n s - 3 如图2 9 所示，1 2 1 0 滑块在动力源的驱动下可以做往复纵向运动，通过连杆1 2 2 0 与弹性弓梁2 3 2 连接。滑块上与连杆1 2 2 0 连接处，通过凹槽轨道，产生连杆横向运动 的力，连杆与2 3 2 连接为固定连接。通过类似的结构就实现了，承扭器的膨胀功能。 相对前两种方案，此方案可靠性并不高，