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径向井钻杆变形与阻力测试系统的研制 朱瑞( 机械设计及理论) 指导老师：王慧艺副教授 摘要 径向井技术是一项先进的油田开发技术，特别适合于油田中后期的 原油开采。目前在国外已被成功应用，国内对径向水平井技术的研究尚 处于井下实验阶段，困扰径向井技术发展的问题之一是由于对径向井钻 杆的转向模式研究有限，对转向机理、条件、实验结果没有建立可供分 析的理论模型，致使现场实验带有很大的盲目性。课题针对这一问题进 行研究，分析了径向井钻杆的转向原理及力学模型，通过自行设计、组 装、搭建室内实验平台来模拟径向井钻杆的转向过程，采用先进的测量 装置及自主开发的测试软件对钻杆变形与阻力情况进行实时测试，测试 效率高，保证了数据的实时性和准确性。根据设计任务要求，设计并组 装实验台，对测试所需的传感器、信号调理模块、数据采集卡和电源等 元件进行了选型和电路设计。利用v b 开发径向井钻杆变形与阻力测试系 统，实现了参数选择、数据采集通信、信号滤波、波形显示、数据报表 打印、数据处理与分析等功能，程序模块化和结构化；采用数据库管理 技术，对数据进行存取、浏览、修改、统计等操作；采用面向对象编程 技术，方便维护。通过实验，观察钻杆的变形、运动模式等，通过分析 实验数据，确定系统的准确性和可靠性，为后续研究提供实验基础。考 虑到实验的各种干扰因素，在系统的软硬件设计过程中采取了充分的措 施来减少和抑制干扰。综合分析了系统各环节的误差影响，并采用相应 的措施来减少和消除误差的影响，提高了系统的可靠性。 关键词：径向井钻杆，测试系统，实验平台，数据采集，数据分析 t e s tp l a t f o r md e v e l o p m e n to ft h ed r i l lp i p ed e f o r m a t i o n a n dr e s i s t a n c ef o rt h eu l t r a s h o r tr a d i u sr a d i a ls y s t e m z h u r u i ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n g h u i - y i a b s t r a c t t h eu l t r a s h o r tr a d i u sr a d i a ls y s t e m ( u r r s ) i sa na d v a n c e d t e c h n o l o g y e s p e c i a l l yf o rt h ep o s t - d e v e l o p i n go f o i lf i e l d s a tp r e s e n t ，t h eu r r sh a sb e e n u s e di nt h ef o r e i g nc o u n t r y , a n dd o m e s t i cr e s e a r c ho nt h eu r r si si nt h e p e r i o do fu n d e r g r o u n de x p e r i m e n t ，am a i nr e s t r i c t i o nf o ru r r sd e v e l o p m e n t i ss h o r to ft h et u r n i n gm o d e lo fu r r sd r i l lp i p e w eh a v e n te s t a b l i s h e dt h e r e a s o n a b l et h e o r e t i c a lm o d e lt oa n a l y z et h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ；i tl e a d st o f i e l de x p e r i m e n tw i t hb l i n d n e s s a i m i n ga tt h i sq u e s t i o n ，t h et o p i ca n a l y z e s t h et u r n i n gp r i n c i p l ea n dm e c h a n i c sm o d e lo f t h eu r r sd r i l lp i p e ，u s et h el a b t e s tm e t h o dt os i m u l a t et h ed r i l l p i p em o v i n gp r o c e s s ，t h r o u g hd e s i g n ， a s s e m b l e ，b u i l dt h et e s tp l a t f o r mi nt h el a bt os i m u l a t et h et u r n i n gp r o c e s so f t h eu r r sd r i l lp i p e ，u s i n gt h ea d v a n c e dt e s te q u i p m e n ta n di n d e p e n d e n t d e v e l o p m e n tt e s ts o f t w a r et oc a r r yo nt h er e a l - t i m et e s to ft h ed e f o r m a t i o n a n dr e s i s t a n c es i t u a t i o no ft h ed r i l l p i p e ，a n dh a v eh i g ht e s te f f i c i e n c y , g u a r a n t e et h er e a lt i m ea n da c c u r a c yd a t a a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n r e q u i r e m e n t ，d e s i g na n da s s e m b l et h el a b o r a t o r yp l a t f o r m ，s e l e c ta n dw i r et h e s e n s o r , s i g n a lr e g u l a t i o nm o d u l e ，d a t aa c q u i s i t i o nc a r da n dp o w e rs o u r c e ，e t c ， w h i c hu s e di nt h et e s ts y s t e m u s i n gv bt o d e v e l o pt h eu r r sd r i l lp i p e d e f o r m a t i o na n dr e s i s t a n c et e s ts y s t e m ，r e a l i z et h ef u n c t i o n s ，s u c ha st h e p a r a m e t e rs e l e c t i n g ，d a t aa c q u i s i t i o nc o m m u n i c a t e ，s i g n a lf i l t e r , s i g n a lc h i v e o u t p u t , d a t ar e p o r ta n dp r i n t ，d a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i s ，a n d s oo n r e a l i z i n gt h em o d u l a r i z e da n ds t r u c t u r i z e dp r o g r a m ；u s i n gt h ed a t ab a s e m a n a g e m e n tt e c h n o l o g y , r e a l i z e t h ed a t a o p e r a t i o n s s u c ha s m a n a g i n g ， b r o w s i n g , m o d i f y i n g ，s t a t i s t i c s ，e t c u s i n gt h eo b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y , f a c i l i t a t et or e u s ea n dm a i n t a i n t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，o b s e r v ed e f o r m a t i o n a n dm o v e m e n tp a t t e mo ft h ed r i l lp i p e t h r o u g l la n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a l d a t a , c o n f i r mt h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，l a y ag o o dt h e o r ye x p e r i m e n t f o u n d a t i o nf o rt h el a t e rr e s e a r c h s i m u l t a n e o u s l y ，c o n s i d e r i n ge a c hb n do f d i s t u r b a n c ef a c t o ri nt h ee x p e r i m e n t ，a d o p ta d e q u a t em e a s u r et or e d u c ea n d c o n t r o ld i s t u r b a n c ei nd e s i g np r o c e s so ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e m a n a l y z et h ee r r o ri n f l u e n c eo f t h es y s t e mv a r i o u sl i n k si naw h o l e ，a n da p p l y c o r r e s p o n d i n gm e a s u r et or e d u c ea n de l i m i n a t et h ee r r o ri n f l u e n c e ，e n h a n c e t h es y s t e mr e l i a b i l i t y k e y w o r d ：u r r sd r i l lp i p e ，t e s ts y s t e m ，t e s tp l a t f o r m ，d a t aa c q u i s i t i o n ， d a t aa n a l y s i s 独创性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：a oo 薛6 窍ae j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：盔塑 。- 年，月。日 导师签名：翌型j 纱形年 d 月 2 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 径向井技术的研究意义与发展现状 1 1 1 径向井技术概述 二十世纪八十年代中期，由美国能源部( d o e ) 、b e c h t e l 投资公司和 美国石油物理公司( p e t r o lp h y s i c sl t d ) 联合开发了一种新型原油开采技 术：径向水平井系统，也称之为“超短半径水平井系统”( t h eu l t r a - s h o r t r a d i u sr a d i a ls y s t e m 。简称u r r s ) 。相对于常规的水平井，该技术采用 的钻杆转向半径很小( 约3 0 0 m m ) ，其转向在转向器内完成，完井后的井 眼轨迹中不存在弯曲段。因此，国内称该技术所钻出的井眼为径向水平 井，简称径向井。 1 1 2 径向井技术的发展 国外径向井技术研究始于2 0 世纪 一 7 0 年代末，8 0 年代中期投入工业试验，蜡一 g 8 0 年代末期正式形成“超短半径径向并r 勰上lp ” 系统”，进人商业应用。至1 9 9 2 年底，2 2 壬d ：。k 乏乒一点 已在加拿大和美国等地钻了1 0 0 0 多口通点；蜀二 径向水平井眼：这些径向水平井有的是善三：! 葬 i ! 霎强 在垂直井的同一油层中钻入的，有的是；一、h 7 “ 在不同油层中钻入的，每个垂直井中所 u 钻层位最多达5 个，每个层位钻入的辐 图l 一1 多个径向井眼示意图 射状径向水平井最多达2 0 个。如图i - 1 所示，实现了在多个层次钻多个 辐射状径向井的技术计划。对于这些径向井眼，大部分进行了测井和包 括裸眼技术、柔性防砂管技术及双向砾石充填技术完井。径向井眼的长 度一般在8 4 6 m ，比垂直井产能提高2 1 0 倍，平均原油增产2 4 倍1 2 2 】。 目前，国外从事该技术研究或拥有该项技术的国家有美国、加拿大、澳 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 大利亚、克罗地亚、英国等。 国内对该技术的研究始于1 9 9 1 年，主要研究国外报道资料内容的适 用性、国内相关设备、材料、技术等条件。国内在自主研发过程中也曾 尝试通过引进、合作等方式获得该技术，但最终均未成功。目前国内该 技术存在的主要问题是设备的工作可靠性低，经常达不到井眼深度要求， 致使该技术的风险成本偏高，影响其推广应用。中国石油天然气集团公 司科技发展部组织了各方面的科研力量，进行“径向水平井钻井综合配 套技术”攻关研究。 1 1 3 径向井技术的研究意义 径向井技术是一项先进的油田开发技术。它具有开发成本低、适应 性广等优点。可极大地提高原油采收率，增加可采储量。特别是对老井 改造，具有十分明显的效果1 1 0 1 。在当前我国东部几大主力油田先后进入 开发后期的时刻，成功地开发和应用该技术，具有巨大的经济意义和社 会意义。随着我国国民经济的发展，对原油的需求量越来越大。作为能 源工业的支柱，原油的开采技术也在不断进步。原油的开采从直井、斜 井、水平井到多底井；从一次采油、二次采油到三次采油；钻采技术的 进步无不围绕着这样的主题：增加可采储量；提高原油采收率。因此， 如何对这些储量进行有效的开采，是油田开发后期面临的重大课题。另 一方面，我国的几大主力油田已经过三十多年的开发。目前均已进入开 发的中后期，高含水、高粘度、小区块成为开发的主要对象，径向井正 是满足这一客观现实要求的技术。 1 2 测试系统介绍 1 2 1 测试系统简介 测试技术是一门探求事物之间量、质关系的科学，它与其他学科有 着广泛而密切的联系 2 1 。在高度发展的现代社会中，科学技术的突飞猛进 和生产过程的高度自动化已成为人所共知的必然发展趋势，而他们的共 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 同要求是必须建立在有着不断发展与提高的信息工业基础上，人们只有 从外界获取大量准确、可靠的信息后，经过一系列的科学分析、处理、 加工与判断，进而认识和掌握自然界与科学技术中的各种现象与其相关 的变化规律，并通过相应的系统与方法加以实现科学实验研究与生产过 程的高度自动化【l l 。因此说，测试在我们的生产生活中扮演着越来越重要 的角色。 高性能的测试系统，大都具有通道多、精度高、速度快、功能强、 操作简便等特点【4 】。它利用计算机来辅助测试，使得数据采集、处理和控 制融为一体。它可以在人工最少的情况下对测量数据进行各种复杂的分 析、统计、判断和处理，以适当的方式输出结果和反馈信息，并能进行 自校准和自检查，在很大程度上消除或减小了随机误差和系统误差，可 获得较高的测量精度。理论和实践证明：测试系统在项目的研制、试验、 使用、维护过程中有着十分重要的意义。 1 2 2 测试系统的组成 尽管现代测试仪器和测试系统的种类、型号繁多，用途、性能干差 万别，但它们的作用都是用于各种参量的测试，其组成单元按信号传递 的流程来区分：通常由各种传感器( 变送器) 将被测非电量转化为电信号， 然后经信号调理( 信号转换、检波、滤波、放大等) 、数据采集、信号处 理后显示输出，有以上设备以及系统所需的交、直流稳压电源和必要的 输入设备( 如拨动开关、按钮、数字键盘等) 便组成了一个完整的测试 系统【4 1 ，如图1 2 所示： 图1 - 2 测试系统的一般组成 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 在大量的科学研究或生产过程中，需要测量各种物理量，其中多数 是非电量，例如：位移、速度、加速度、力、力矩、应变、温度、压力、 流量、液位等。非电量电测技术的任务，就是把待测的非电量，通过一 种器件或装置，把非电量变换成与它有关的电信号( 电压，电流、频率 等) ，然后利用电器测量的方法，对该电信号进行测量，来确定被测的非 电量。非电量电测系统一般有三个部分组成，如图l 一3 所示。 非 厂叫里蚕茎星i 陧 + 岖圊 卜_ + i 数据处理装置i i 电源i ， l 叫覆垂互i i 否d 叫显示记录装置l 图l - 3 非电量电测系统的组成 1 2 。3 测试系统中关键技术的研究 随着现代科学技术的发展，科研开发和生产管理对测试提出了更多 更新的要求。一个完整的测试系统包括以下几部分：传感器、信号调理、 数据采集、显示与记录装置及数据处理仪器等外围设备，此外还有系统 的相关标定设备、电源等附属部件。下面介绍一下测试系统中几个关键 技术。 1 传感器 传感器技术、通信技术、计算机技术是信息产业的三大支柱，它们 分别是智能系统的“感官”、“神经”和“大脑”。传感器作为获取信 息的首要部件在工程测试中起着至关重要的作用【6 1 。传感器是把非电量或 电量信号转换为标准电信号输出的装置，在工程中，传感器是实现自动 检测和自动控制的首要环节l 那。 传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分构组成，有时 还需要加辅助电源，常用传感器的构成如图1 4 所示。其中，敏感元件为 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 传感器直接感受被测参量变化的过程，转换部分的作用通常是将敏感元 件的输出转换为便于传输和后续环节处理的电信号口1 。 图1 4 传感器结构图 2 数据采集 数据采集技术是信息科学的一个重要分支，与传感器技术、信号处 理技术、计算机技术共同构成了现代检测技术的基础【3 】。 数据采集( 系统) 在测试系统中的作用是对信号调理后的连续模拟信 号进行离散化并转换成模拟信号电压幅度相对应的一系列数值信息，同 时以一定的方式把这些转换数据及时传递给微处理器或依次自动存储。 数据采集系统通常以各类模，数( a d ) 转换器为核心，辅以模拟多路开关、 采样，保持器、输入缓冲器、输出锁存器等。数据采集系统的主要性能指 标有： ( 1 ) 输入模拟电压信号范围，v ； ( 2 ) 转换速度( 率) ，次s ； ( 3 ) 分辨率，通常以模拟信号输入为满度时的转换值的倒数来表征： ( 4 ) 转换误差，通常是指实际转换数值与理想a d 转换器理论转换值 之差。 随着科学技术的发展和数据采集系统的广泛应用，人们对数据采集 提出了愈来愈高的要求。在进行数据采集时，要尽可能做到数据的真实 性、数据的完整性以及数据的准确性。 3 信号调理 信号调理在测试系统中的作用是对传感器输出的微弱信号进行检 波、转换、滤波、放大等，以方便测试系统后续环节处理或显示。例如， 工程上常见的热电阻型数字温度检测( 控制) 仪表，其传感器p t l 0 0 输出信 号为热电阻值的变化。为便于处理，通常需设计一个四臂电桥，把随被 测温度变化的热电阻阻值转换成电压信号；由于信号中往往夹杂着5 0 h z 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 工频等噪声电压，故其信号调理电路通常包括滤波、放大、线性化等环 节。需要远传的话，通常采取d ，a 或v i 电路将获得的电压信号转换成 标准的4 2 0 m a 电流信号后再进行远距离传送。检测系统种类繁多，复 杂程度差异很大，信号的形式也多种多样，各系统的精度、性能指标要 求各不相同，它们所配置的信号调理电路的多寡也不尽一致。对信号调 理电路的一般要求是： ( 1 ) 能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号； ( 2 ) 信噪比高，抗干扰能力要好。 1 3 课题研究的目的和意义 径向水平钻井技术在国内外已进行了多年研究，并取得了很大的进 展。目前在国外已被成功应用，国内对径向水平井技术的研究尚处于井 下实验阶段，困扰径向井技术发展的问题之一是由于对径向井钻杆的转 向模式研究有限，对转向机理、条件、实验结果没有建立可供分析的理 论模型，致使现场实验带有很大的盲目性。对钻杆的弯曲变形规律，由 于缺乏必要的研究设备，也无针对性的理论，一直处于比较模糊的状态。 其直接后果是相关设备的设计处于感性设计状态，钻井过程也凭直观控 制。设备正常工作的参数范围、极限状态参数均无法从理论上界定。本 研究的目的在于通过室内实验，利用自行设计的实验平台、选用的先进 测量装置以及开发的测试软件实时采集径向水平井转向过程中的变形与 阻力变化，从而分析钻杆的变形、运动之间的关系，以指导转向器滑道 轨迹、滑道截面形状、滑道截面尺寸的设计，指导钻进工艺参数的制定 及钻杆材质与规格的选择。 本课题研究来源于石油科技中青年创新基金支持的项目“径向井转 向器滑道的建模及实验研究”，该项目是径向井技术在机械工程领域的进 一步深入研究，主要是根据以往研究所得出的结论及建立的相关模型， 采用实验法进行验证和校准，然后细化模型，使这些模型能够对钻杆的 截面变形和运动阻力进行准确预测，此研究结果将对推动该技术的发展 具有重大意义。 6 中国石油大学( 华东) g i 士论文第1 章前言 1 4 课题研究的内容和方法 1 4 1 课题研究的内容 课题针对以上目的进行研究，采用室内模拟钻杆运动的实验方式进 行研究，研究的内容主要分为硬件和软件两个大方面： 1 硬件方面 ( 1 ) 设计、组装、搭建用以模拟径向井钻杆转向过程的室内实验平台， 因为目前市场上尚无能满足要求的设备，所以需自行设计，委托加工。 这也是课题研究的创新点之一： ( 2 ) 测试系统所用的传感器、信号调理模块、数据采集卡、稳压电源 以及传输线的选型： ( 3 ) 测试系统的布线设计。 2 软件方面 ( 1 ) 以w i n d o w sx p 作为操作系统，采用功能完善的v b 程序设计语 言开发径向井钻杆变形与阻力测试系统，使程序模块化和结构化，增强 了程序的可读性：采用面向对象技术，可复用、方便维护； ( 2 ) 所开发的径向井钻杆变形与阻力测试系统软件，实现参数选择、 数据采集通信、信号滤波、波形输出、数据报表打印输出、数据处理与 分析等功能： ( 3 ) 采用数据库管理技术，对数据进行存取、浏览、修改、统计等 操作，系统在单层应用中使用本地数据库，采用直接访问方式，有其速 度优势； ( 4 ) 所开发软件集数据采集、数据库维护、数据分析和数据处理为 一体。具有界面友好、实用、易于操作的优点。 最后，通过实验，观察钻杆的变形、运动模式等，通过分析实验数 据，确定系统的准确性和可靠性，为后续研究提供一个好的实验基础。 同时，应考虑到实验的各种干扰因素，在系统的软硬件设计过程中 采取一定的措施来减少和抑制干扰：分析系统各环节的误差影响，并采 用相应的措施来减少和消除误差的影响，提高系统的可靠性。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 4 2 课题研究的方法 针对研究内容，采取文献调研、理论分析与实验相结合的方法开展 工作。借鉴前人的研究成果，充分利用现代高性能微型计算机的硬件、 软件功能，设计组建出一套精度、可靠性及性能能够满足实验要求的室 内钻杆转向模拟平台，开发径向井钻杆变形与阻力测试系统软件，对径 向井钻杆转向过程中所受的阻力和变形情况进行实时测试；采集阻力及 变形信号；进行信号调理和滤波；采集数据纪录；采集数据校正：采集 数据波形显示；实现采集数据的最优化处理等。分析钻杆的变形、运动 模式，验证所建立的理论模型。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章径向井钻杆转向机理的理论研究 第2 章径向井钻杆转向机理的理论研究 为研制径向井钻杆变形与阻力测试系统，必须了解径向井钻杆的转 向原理及钻杆在转向过程中的受力特性。这样才能设计出符合钻杆转向 变形与阻力特性的测试系统。 2 1 径向并钻杆转向原理 2 1 1 径向井钻进系统的组成 径向井钻进系统一般由地面和地下两部分组成，国内实验用的径向 控制 高压 高压 压裂 油管 图2 - l径向井钻井系统组成 9 井钻井系统结构组成如图 2 1 所示。地面部分由大修作 业机械、压裂作业设备及专 用井口组成，地下设备由转 向器总成、锚定器和方位定 向节组成。 来自压裂车高压管汇的 钻并液，在高压腔内建立起 稳定的高压。连接于高压腔 两端的钻杆和控制光杆，由 于截面面积差的原因，而向 下端移动；在钻杆通过转向 器时，钻杆发生塑性弯曲变 形成弯曲状态：当钻杆通过 校直器时，钻杆由弯变直： 与原来的运动方向成垂直状 头 态，至此完成钻杆的转向。 径向井以连续管为钻 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章径向井钻杆转向机理的理论研究 杆，依靠钻井液的静压力推动钻杆前进。钻杆在转向器中从垂直转入水 平最小曲率半径3 0 0 m m 。钻杆从转向器中通过时受到滑道阻力、内部静 压力和弯曲力矩的作用，处于应力塑性应变状态。 念叼j j 升。 图2 - 2 转向器结构示意图 转向器滑道可分为转向段和校直段，转 向段使钻杆在其中沿预定轨迹运动，方向由垂直变为水平；校直段用于 将钻杆的残余弯曲消除，保证钻杆以平直状态进入地层。转向段和较直 段内均设有滚轮和导向滑块，各段内分立的支撑轮和导向滑块构成虚拟 态的连续光滑滑道。在滑道曲率急剧变化处，靠近支撑轮上部的位置， 常设有导向块，引导钻杆通过滚轮。通过设置导向块，可以降低由于滑 道不连续而产生的阻力波动，增加操作的平稳性和安全性。在钻头通过 导向滑块之后，导向滑块脱离与钻杆的接触，钻杆与支撑轮之间是滚动 运动。 2 2 径向井钻杆截面变形的影响因素 径向井钻杆弯曲转向时的截面变形是厚壁管、大曲率、高内压下的弹 塑性反复弯曲变形。影响变形的主要因素有：内压力、摩擦力及塑性协 应型加1 。 1 内压力。管内流体的压力，在管壁上产生切向拉应力及轴向拉应 力。将钻杆简化为薄壁管，则管壁处于平面应力状态，因此其弯曲与常 o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章径向井钻杆转向机理的理论研究 规的轴力弯矩联合作用下的弯曲不同。 2 摩擦力。钻杆上的摩擦力有两种，滑道外的摩擦力和滑道中的摩 擦力，前一种作为集中力作用于钻杆的端部，随时间改变滑道中所有弯 曲处的弹性层状态；后一种作为分布力，影响滑道各自弯曲处钻杆内的 弹性层状态。 3 塑性协应变。钻杆弯曲时轴向发生塑性变形。由于切向应力的影 响，钻杆弯曲后拉压两侧的面积将不再相同，而面积不对称对后继弯曲 时弹性层的偏移有影响。 2 3 径向井钻杆受力分析 2 3 1 切向应力的影响 在平面应力状态下有： 式中，q 。、岛：分别为轴向、切向应变；o - i 。、0 2 2 分别为轴向、切向应力， m p a ；v 为泊松比：e 为弹性模量，m p a ：r 为钻杆形心处曲率半径，m m ； h 为轴的偏移量，姗；y 为管壁上一点距应变中性轴的距离，m m 。如图 2 3 ，因为 r r h q l = j o y ( 其中p = 1 r ) ( 2 2 ) 式中，为钻杆截面半径，m m ；p 为曲率，l n n l 1 。因此， 吼l = e p y + v c r 2 2 ( 2 3 ) 令c r i 。= o ，则应力中性层距应变中性层的距离为 q d伍 e e w ：、焉k = = q 龟 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章径向并钻杆转向机理的理论研究 以= 一l ”0 _ 2 2 止口 应变中性层和应力中性层发生 分离，但他们均在弹性层内，随着p 增加，弹性层越来越薄，以也越来 h 越小。 图2 3 为在内压p 作用下，弯曲 钻杆两侧进入塑性时的应力状态。 应变中性层偏移h ，对应中心角口， s i n a = h l r 。压缩侧弹性层厚度y l ， ( 2 4 ) 图2 - 3 钻杆弯曲时轴向应力分布 对应中心角，s i n f l = t y 。+ h ) l r 。拉伸侧弹性层厚度儿，对应中心角y ， s i n y = o ，2 + h ) r 。则有 虬= ( 盯n 一一v 盯2 2 ) l e a y 2 = ( 吼“一v o 2 2 ) e p 一2 ? + 2 广4 - 鬲3 k 2 ) 吒应( 2 - 5 ) 盯1 1 + = ( 一 j 4 3 后2 ) 仃，2 仃2 2 = p r t k = 盯2 2 盯， 在轴向合力为零时，有： b 吼l r t d o = 0 ( 2 6 ) 一i 式中，棚为弧长微元所对中心角：，为钻杆壁厚，展开上式有： c i 巨d 护+ c 2 乒c r u + d o + e p ( r s i n 0 - h ) + 让t j 硼= o ( 2 7 ) 式中，c 1 、c 2 为常数。当y 。+ s 一，时，c l = 0 ，= 一x 2 ；否则，c 。- - - 1 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章径向井钻杆转向机理的理论研究 当y 2 + 矗r ，c 2 = 0 ，y = n 2 ；否则，c 2 = i 。当p o o 时，应变中 性层偏移量为 h = = r s i n t r k 2 4 3 _ j 2 】 ( 2 - 8 ) 选定材料、管子规格及工作压力下，可求得 ) ，y 。) ，y 2 0 ) 及 以c p ) 。x c , r , = 4 8 0 m p a ，e = 2 1 0 0 0 0 m p a ；v = 0 3 ；r = 1 3 r a m ；，= 3 m m ； p = 5 5 m p a 的计算表明，当局= 1 1 5 x 1 0 。m m 1 时，钻杆压缩侧开始进入 塑性状态：当岛= 2 5 4 x 1 0 4 n l l n 1 时，钻杆拉伸侧也进入塑性状态。当 p l = 1 3 5 x 1 0 4 n l n ! ) 时，应变中性层离对称面距离最小( 厅= 2 8 0 n u n ) ；当 p 0 0 时，应变中性层趋向于= 5 4 m m 。实际钻杆在转向时，在小于 5 0 0 m m ，曲率变化大于1 2 p 2 ，因此，钻杆弯曲主体是曲率远离戊 的两侧塑性弯蓝。钻杆轴向应力主要改变弹性层位置，弹性层厚度基本 不变。 2 3 2 塑性变形及计算 钻杆可看作是半径为，壁厚 为t 的圆管，内部流体压力为p ， 在通过转向器曲率半径为r 的滑 图2 - 4 钻杆微元体应力应变状态图 道时，在弯矩的作用下沿轴向发生塑性变形( 如图2 - 4 ) 。由于变形的相关 性，钻杆的截面形状及壁厚也将产塑性变形。假定材料为冈4 塑性材料， 屈服极限为盯，取边长为豳、f 、出微元体，有， 盯，= p ( r - t ) l t盯，= 一p 1 2 0 ( 2 - 9 ) 忽略弯曲剪应力的影响，q 、盯：、盯，即为主应力方向a 根据m i s e s 生里互垫查兰! 望奎! 堡主堕壅 笙! 童丝塑苎丝堑整皂塑塑! 迹 屈服准则。有： ( 盯，一盯，) 2 + ( 盯，一盯：) 2 + ( 盯：一盯，) 2 = 2 盯； ( 2 1 0 ) 将( 2 1 0 ) 式代入( 2 9 ) 式解得盯：的正负两解，其中正值代表钻杆弯曲时拉 伸侧压力，负值代表钻杆弯曲时压缩侧的压力 在简单加载的情况下，有l e v y - m i s e s 塑性流动方程： 旦：旦：盟 ( 2 1 1 ) 6 l 一6 m g f o m or 一6m 式中盯。= ( 盯：+ 盯。+ 盯，) 3 刚塑性材料，简单加载，对上式积分有 土：笠：竺 ( 2 1 2 ) g r z a o r o m d r o m 忽略弹性应变，由图知： 占! ： s i n y l r ( 2 1 3 ) 将( 2 1 3 ) 式代入( 2 - 1 2 ) 式得 s 罗= i o r - - o t o 。r n ， 2 - 1 4 周向塑性应变在x ，y 轴方向分量为 i 刮弓p s i n g i 嘭= 够c o s y 对拉伸侧或压缩侧，沿x ，y 方向的总塑性应变量为 k 胁咖= 精鬻 k 眵咖= i 1 素羞 式中正号代表拉伸侧，负号代表压缩侧。 假设截面变形后为椭圆形状，x ，y 方向半轴长为口，b 。有； 1 4 ( 2 1 5 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章径向井钻杆转向机理的理论研究 j 舻三【雠+ 略) + 2 】 卜2 j - 。p + 吩) + 2 】 将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 - 1 6 ) 得 卜并r - a + 2 】 卜是r - a + 2 ， - l 纠2 a , , - c r , i + 矧2 0 i ：一q i 盯：。，o r ：为式( 2 ) 中解得的钻杆轴向 弯曲正应力，拉伸侧取正，压缩侧取负。 2 3 3 钻杆轴向受力分析 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 钻杆从转向器通过时，曲率反复变 图2 5 钻杆曲率单调变化段受力图 化，取一曲率单调变化段( 图2 5 ) ，取截面1 和截面2 之间的钻杆外表面为 控制体，钻杆从截面l 以曲率岛在e 作用下进入控制体，从截面2 以曲率 p ：及在反作用力f 2 作用下离开控制体，控制体侧面受滑道支持力和摩 擦力j r 。 稳定工作状态下，该控制体受力应保持平衡。有： f e 2 + 霹一2 f , e c o s o = 2 + ，2 = ( 1 + a2 ) i v 2 = 岛c 冉碍- 2 f i g c 。s o ) ； q 1 8 稳定工作状态下，控制体应保持能量的平衡。有： e e l l = e d l + d l + 4 口r ：r 2 f i 岛一p 2 l d l ( 2 1 9 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章径向井钻杆转向机理的理论研究 其中4 0 ，。r 2 小i p , 一岛j 刃为钻十f d l 长度的轴向塑性趸形能。由f 2 # f 将 式( 2 1 8 ) 代入式( 2 一1 9 ) 得： e = e + 告( 鼻2 + 巧一2 e e c o s o ) j 十4 盯：，2 f i p , - p ：i l + 2 ( 2 - 2 0 ) 因为 1 ，按泰勒级数展开1 = 些i 有 1 + a 2 赤一+ 等p 5 1 3 - 石5 加叠 式( 2 - 2 0 ) 化简为 舅= 疋+ ( e 2 + 霹一2 f , 疋c o s 0 ) i + 4 0 - ：，2 小b 一伤i ( 2 2 1 ) 对一定材料及规格的钻杆，滑道轨迹确定后，e 取决于f 2 及声。 ( 1 ) 摩擦系数对f l 的影响 摩擦系数通过e 、r 的合力影响e ，其关系较复杂，与疋的大小 及夹角0 均有关，在理想情况下= 0 ，则式( 2 2 1 ) 简化为 e = 最+ 4 0 - ：，2 ，h 一仍 e 取决于疋和变形能，仅在最= p l = 0 时，e = 4 0 - ：，2 小k i ；钻 杆无内压，即p = 0 时，0 - ：= 盯，。 ( 2 ) 口角对e 的影响 从式( 2 2 1 ) 中可看出口= 0 时，e 取极小值，因此钻杆在塑性弯曲过 程中，应一次快速弯曲到位，而不应该有很长的曲率连续过渡段，这样 阻力小一些。当然，实际设计中过渡段长度不可能为零，总存在一定的口 角。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章径向井钻杆转向测试系统的设计 第3 章径向井钻杆转向测试系统的设计 3 1 测试系统方案设计的任务与原则 3 1 1 测试对象与测试任务要求 测试对象是指具体的工作条件与环境、信号类别与性质、信号接口、 测点数目与位置等，它是选择方案与系统硬件的前提。测试任务要求是 测试对象对系统提出的功能与性能要求，主要包括：测试对象信号的种 类、数目、分布、测试方法、量程选择、输入输出方式、记录存储、软 件环境和应用软件功能等。组建一个测试系统主要应包括如下几个方面： 1 ) 明确测试对象与测试任务要求： 2 ) 制定测试系统的硬件构成方案； 3 ) 选择测试系统硬件并研究其布线； 4 ) 系统组装； 5 ) 测试系统的检验； 6 ) 测试软件的研制、调试、运行与维护。 同时，我们在组建测试系统的过程中还应充分考虑以下几个问题： 1 ) 系统应满足当前测试对象与任务的要求； 2 ) 应适当考虑测试对象与任务变动时系统良好的可重建性以及调 整补充的余地( 即系统的通用性与灵活性) ； 3 ) 方案与硬件选择的经济性与可扩展性； 4 ) 系统组建的方便与快速性： 5 ) 与现有仪器设备的兼容性。 本文所开发的“径向井钻杆变形与阻力测试系统”主要应完成对钻 杆转向过程中变形与阻力的测试，测试对象主要有两部分，一部分是受 力信号( 6 个) ，包括轴向和周向受力；一部分变形信号( 4 个) 。 “径向井钻杆变形与阻力测试系统”要求能够准确方便地测量钻杆 在转向过程中的受力和变形情况，实现钻杆受力和位移信号的实时采集、 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章径向井钻杆转向测试系统的设计 滤波、波形输出、数据报表打印、数据分析与处理等功能。测试系统软 件模块化和结构化，可读性、可移植性好。同时，应该考虑到实验的各 种干扰因素，在系统的软硬件设计过程中采取一定的措施来减少和抑制 干扰；分析系统各环节的误差影响，并采用相应的措施来减少和消除误 差的影响，提高系统的可靠性。 3 1 2 测试系统方案设计原则 为了保证测试系统性能优越、可靠性高，必须满足以下设计原则： 1 系统的稳定性 在硬件的设计和选配上，应充分考虑到周围环境对系统可能造成的 影响。同时，硬件间的布线尽量做到相互独立，从而减小彼此间的干扰。 2 系统的可操作性 系统采用w i n d o w sx p 作为软件开发平台，各部分操作及系统管理均 采用面向对象交互方式，具有操作简单，方便、界面友好等特点。 3 系统的可维护性 在系统的设计中，应充分考虑到传感器、信号调理模块、数据采集 卡等可能出现的非正常情况对测试系统造成的影响，出现故障时可及时 调整，以保证系统的正常运行。 4 系统的安全性 由于系统对径向井钻杆变形与阻力的测试涉及到高压，所以在设计 时要充分考虑到系统的安全和可靠性。 3 2 测试系统的总体设计方案 根据测试系统的测试任务总体分析，测试系统的设计可分为硬件和 软件两部分，如图3 - l 所示。 1 硬件部分 从构成要素来讲，为计算机配置的电子测量仪器硬件模块是各种传 感器、信号调理器、a d 转换器、数据采集卡等，这些构成了测试系统 的基础。从构成方式讲，系统可分为：以数据采集卡和信号调理部分为 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章径向井钻杆转向测试系统的设计 硬件部分软件部分 图3 - 1 系统总体方案框图 硬件组成的测试系统，以g p i b 、v x | 、p c i 、u s b 等总线为基础构成的 现场总线系统等。 2 软件部分 在配置好必要的仪器硬件之后，构造和使用测试系统的关键在于软 件。系统的软件结构主要包括以下四个部分： ( 1 ) 控制软件 即测试管理层，是用户与仪器之问交流信息的纽带。利用控制模块 选择执行命令。 ( 2 ) 数据分析处理软件 将系统所采用的数据处理分析方法，以编程的方式固化到程序中， 用户只需在开发平台上调用相应的分析函数，即能完成用户对信号的分 析和处理要求，节省了大量开发时间。 ( 3 ) 仪器驱动软件 仪器的驱动程序与通信接口及开发环境相联系，是用户完成对仪器 硬件控制的纽带和桥梁。 ( 4 ) 通用f o 接口软件 在测试系统中，f o 接口软件作为系统软件结构中承上启下的一层， 其模块化与标准化显得越来越重要。 根据课题所提出的技术要求，测试系统应能实时采集钻杆在转向过 程中的变形与阻力信号，为了能达到测试的目的，系统必须对所采集的 信号进行适当的处理和分析，进而监测系统中的工作状态。因此，硬件 系统的设计应包括对测试系统实验平台的设计，对各类传感器、信号调 理模块、数据采集卡和电源的选型，以及它们之间的布线设计等；软件 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章径向井钻杆转向测试系统的设计 系统应实现对钻杆转向过程中的变形与阻力信号实时采集、分析、处理、 存储和显示，以达到自动检测的目的，同时，还应开发相应的测试系统 数据库。具体来