一种小尺寸近钻头方位伽马地质导向工具结构设计_孙东鑫.pdf

2 0 2 3 4第卷总第期5459第期44一种小尺寸近钻头方位伽马地质导向工具结构设计*孙东鑫，王科强，贾超，徐浩东，朱旭辉西安石油大学机械工程学院摘要为盘活老井，降低成本，开窗侧钻成为挖掘老井剩余油藏的一种有效技术手段。进行一种小尺寸近钻头方位伽马地质导向工具结构设计，用于老井开窗侧钻。首先，根据公理设计理论完成小尺寸近钻头方位伽马地质导向工具的功能需求分析及设计参数映射；其次，基于功能需求分析及设计参数映射，完成地质导向工具的结构设计；最后，应用有限元分析软件，对设计的地质导向工具进行有限元强度分析。结果表明：该地质导向工具实现了有限空间下的结构设计及布局优化；在实际工况条件下，其最大等效应力小于无磁钻铤的屈服强度，结构满足强度要求。基于公理设计的研究方法可为石油行业地质导向工具的结构设计提供有益参考。关键词：小尺寸；地质导向工具；公理设计；结构设计；有限元分析*基金项目：西安石油大学研究生创新计划（YCS22213117）作者简介：孙东鑫（1992），女，山东日照人，硕士，研究方向：机械结构设计与性能优化。随着常规油气资源日益减少，老油井衰竭，剩余油藏勘探开发越来越受到重视1。为盘活老井，降低成本，应用小尺寸近钻头方位伽马地质导向工具进行开窗侧钻成为挖掘老井剩余油藏的一种有效技术手段2。为使地质导向工具的研制过程更具科学化和标准化，加强地质导向工具的设计水平，本文提出一种基于公理设计理论3的小尺寸近钻头方位伽马地质导向工具的结构设计方法。该方法运用公理设计理论中的功能分解和独立化设计思想进行模块化分解和模块建模工作，有利于小尺寸近钻头方位伽马地质导向工具整个设计过程的优化。针对工程实际问题，本文开展了一种小尺寸近钻头方位伽马地质导向工具的结构设计。首先，根据公理设计理论，完成小尺寸近钻头方位伽马地质导向工具的功能需求分析及设计参数映射；其次，基于功能需求分析及设计参数映射，完成该地质导向工具的整体结构设计和近钻头参数测量传输短节的重点局部设计；最后，运用有限元分析软件，对设计的地质导向工具进行有限元强度分析，验证其结构强度是否满足工程实际需求。1基于公理设计的功能需求分解及设计参数映射1.1公理设计理论公理设计理论是 Nam P.Suh 教授总结和归纳出的关于设计的基本公理和原则，诞生于其 1990 年出版的专著设计原理。公理设计4由 4 个区域构成：用户域、功能95设计 计算Design and Calculation2 0 2 3 4域、物理域和过程域，其映射关系如图 1 所示。其中，用户域是对用户正在寻找的一个产品、过程、系统或材料的需要（或属性）的描述；功能域代表设计方案的功能需求，用功能需求来表示，功能需求要满足可能的约束条件；物理域描述设计方案的设计参数；过程域则用于表达实现设计参数的过程变量5。1.2功能需求分解及设计参数映射基于地质导向工具的实际功能需求，确定功能域FRs。确定功能域之后，需对其不同层次的功能需求进行从功能域 FRs 到物理域 DPs 的映射，并通过参数化形式表示出来。最后在过程域 PVs 中确定实现 DPs 的工艺参数。表 1、表 2 及表 3 所示为小尺寸近钻头方位伽马地质导向工具的功能需求分解过程。图 1域间映射关系表 1第一层功能需求分解及参数表征实现功能描述参数（部件）描述功能实现FR1工具本体满足要求DP1钻铤式本体PV1通过 Solidworks 软件构建钻铤本体三维模型FR2结构设计满足地质导向功能DP2工具结构设计及布局优化PV2通过 Solidworks 软件构建工具结构三维模型FR3地质响应满足探测性能要求DP3蒙特卡罗地质响应分析计算模型PV3基于 MCNP 软件进行模型构建及探测性能评价FR4机械性能满足强度要求DP4机械强度分析计算模型PV4基于有限元软件进行模型构建及机械性能评价FR5水眼耐冲蚀性能满足工况要求 DP5冲蚀磨损计算模型PV5基于 CFD 软件进行模型构建及冲蚀性能评价表 2第二层功能需求分解及参数表征实现功能描述参数（部件）描述功能实现FR21方位探测功能满足要求DP21伽马探头安装结构及布局设计建模 PV21将伽马探头偏心安装于钻铤式本体中FR22供电功能满足要求DP22电池安装结构及布局设计建模PV22基于有限空间和工况要求，确定电池型号和数量FR23控制功能满足要求DP23控制电路安装结构及布局设计建模 PV23根据实际功能需求，确定控制电路的组成部分FR24泥浆循环功能DP24泥浆导流通道结构及布局设计建模 PV24计算泥浆通道直径，确定泥浆通道结构及布局FR25信号发射功能DP25信号发射部件结构及布局建模PV25设计发射线图，应用电磁耦合实现信号无线传输表 3第三层功能需求分解及参数表征实现功能描述参数（部件）描述功能实现FR211伽马探头长度满足要求 DP211伽马探头长度PV211基于有限空间和探测性能要求，计算确定伽马探头长度FR212伽马探头直径满足要求 DP212伽马探头直径PV212基于有限空间和探测性能要求，计算确定伽马探头直径FR213伽马探头数量满足要求 DP213伽马探头数量PV213基于有限空间和探测性能要求，计算确定伽马探头数量962 0 2 3 4第卷总第期5459第期442结构设计及工作原理2.1小尺寸近钻头地质导向工具整体结构设计小尺寸近钻头方位伽马地质导向工具主要由近钻头参数测量传输短节、近钻头接收短节和随钻测量系统MWD 组成，如图 2 所示。近钻头参数测量传输短节安装在钻头和螺杆马达之间。近钻头接收短节安装在 MWD 的通信短节中，与旁通阀相连，该设计既不增加地质导向工具长度，又可实现与近钻头参数测量传输短节的无线通信功能。本文的重点研究对象是近钻头参数测量传输短节。图 2小尺寸近钻头方位伽马地质导向工具整体结构图 3近钻头参数测量传输短节结构组成2.2近钻头参数测量传输短节近钻头参数测量传输短节主要由方位伽马探测器、定向传感器、电池组和主控电路组成，如图 3 所示，其中，方位伽马探测器是在普通伽马传感器周围增加屏蔽层并在屏蔽层开一定角度的窗口，偏心安装于钻铤中；定向传感器由三轴磁通门磁场计和三轴加速度计组成；主控电路主要由时钟模块、数据处理模块、发射电路和存储模块组成。2.3小尺寸近钻头地质导向工具的工作原理近钻头参数测量传输短节将测得的方位伽马、井斜及工具面等数据通过发射电路以电磁波的形式传输到近钻头接收短节。近钻头接收短节将接收到的数据信号传输至 MWD，其驱动器短节接收数据信号，进行数据处理、编码、存储及发送等，驱动脉冲发生器的主阀动作，从而控制钻杆内泥浆流量变化，使钻杆内产生泥浆压力正脉冲信号，供地面压力传感器接收。3有限元分析本文设计的小尺寸近钻头方位伽马地质导向工具的结构特点是在钻铤本体上开槽用来安放电子电路设备。鉴于井下高温高压、转矩及拉压载荷大的恶劣工作环境，钻铤本体最小壁厚容易遭到破坏，为此对开槽钻铤本体采用有限元方法进行强度校核。3.1材料选择鉴于地质导向工具处于井下高温、高压、高腐蚀性环境，地质导向工具选用 P550 高氮铬锰无磁不锈钢材料，该材料具有高硬度、高耐点蚀性和高耐磨性，能够有效保护工具中的电子元件，减少设备维修更换频率，降低保养成本。3.2边界条件依据钻井实际工况及 钻井工程技术手册6，确定对地质导向工具模型施加的最大拉力为 100 kN、最大钻压为 100 kN、最大转矩为 12 kN m。3.3有限元分析结果近钻头测量传输短节在分别施加拉伸载荷、压缩载荷、转矩载荷 3 种情况下的 Mises 应力云图如图 4 所示。从图 4（a）有限元分析结果可以看出，近钻头测量传输短节在拉伸载荷作用下的最大应力位置出现在工具靠近外螺纹端和靠近内螺纹端开槽部位，最大等效应力为66.8 MPa，远小于无磁钻铤抗拉强度（1 035 MPa），说明该结构满足强度要求，在井下承受拉伸载荷时能够保持结构完整，无破坏。从图 4（b）有限元分析结果可以看出，近钻头测量传输短节在压缩载荷作用下的最大应力位置出现在工具靠近外螺纹端和靠近内螺纹端开槽部位，最大等效应力为68.1 MPa，远小于无磁钻铤抗拉强度（1 035 MPa），说明该97设计 计算Design and Calculation2 0 2 3 4图 4近钻头测量传输短节 Mises 应力云图结构满足强度要求，在井下承受压缩载荷时能够保持结构完整，无破坏。从图 4（c）有限元分析结果可以看出，近钻头测量传输短节在转矩载荷作用下的最大应力位置出现在工具靠近外螺纹端和靠近内螺纹端开槽部位，最大等效应力为875.3 MPa，小于无磁钻铤屈服强度（1 000 MPa），说明该结构满足强度要求，在井下承受转矩载荷时能够保持结构完整，无破坏。4结论（1）基于公理化设计理论，本文分析了小尺寸近钻头方位伽马地质导向工具的功能需求及设计参数映射，完成了小尺寸近钻头方位伽马地质导向工具的结构设计，实现了有限空间下的结构设计及布局优化。（2）该地质导向工具的伽马测量零长约为 0.46 m，测量盲区短，并具有可实时测量及导向，能够降低钻井成本和周期，可实时确定钻具具体位置及增强井眼轨迹控制精度等优点，能够实现对老井剩余油藏的多次利用并提高储层钻遇率。（3）基于有限元理论及有限元分析软件，根据实际工况条件对开槽钻铤进行有限元分析，其最大等效应力小于无磁钻铤的屈服极限强度，这一结果表明，该小尺寸近钻头方位伽马地质导向工具的强度符合实际工程需求。参考文献1 魏佳.面向地质导向的多源数据集成及融合D.青岛：中国石油大学（华东），2017.2 陈新勇，付潇，李东杰，等.国内老井侧钻技术研究现状及展望J.石油矿场机械，2019，48（6）：73-76.3 杜轩，李宝万，方子帆.基于公理设计和多色集合的树障清除机器人方案设计J.计算机集成制造系统，2022，28（9）：2782-2793.4 王建磊，门川皓，崔亚辉，等.基于公理设计的静压滑动轴承设计软件开发研究J.机械设计与研究，2020，36（5）：89-95.5 程贤福，邱浩洋，万丽云，等.基于公理设计和模块关联矩阵的产品族设计耦合分析J.中国机械工程，2019，30（7）：794-803.6 赵金洲，张桂林.钻井工程技术手册M.北京：中国石化出版社，2011.通信地址：陕西省西安市雁塔区电子二路西安石油大学（710065）（收稿日期：2023-02-28）（a）拉伸模拟（b）压缩模拟（c）转矩模拟98of the damper.The static load bearing and vibration isolation rate of each point of the powertrain mount are calculated,and the dynamic and static stiffness of the damper is determined.Through on-board test,the vibration isolation rate and the acceleration cloudsof each mounting point are collected to verify the rational-ity of the theoretical calculation.The test data show that the designed mounting system has a good vibration isolation ef-fect.Keywords:Mounting system;Wide-body dump truck;Vibration isolation rate;VibrationResearch on Automatic Strength Check Technology for Axial Struts and TiesStrength check is an important part of the actual engi