自动垂直钻井工具控制轴阻力矩影响因素分析_白儒林.pdf

收稿日期：20220920自动垂直钻井工具控制轴阻力矩影响因素分析白儒林，孙鹏，孙龙欢，侯香港（西安石油大学 机械工程学院，西安710065）摘要：自动垂直钻井工具的钻井精度与其控制轴上的力矩平衡程度有关，为提高自动垂直钻井工具控制轴上的力矩平衡程度，研究了在下涡轮发电机产生的电磁力矩克服上涡轮发电机产生的电磁力矩驱动控制轴旋转的工作形式下，自动垂直钻井工具控制轴上阻力矩的影响因素。基于理论分析，建立了包括轴承摩擦力矩、盘阀摩擦力矩、电子仓表面粘滞摩擦力矩，上涡轮发电机产生的电磁力矩的控制轴阻力矩分析模型，在此基础上分析了井斜角、稳定平台与工具外壳的相对转速，工具内外钻井液压差对控制轴阻力矩的影响规律。分析结果表明，控制轴上主要阻力矩是轴承和盘阀产生的摩擦力矩；稳定平台与工具外壳的相对转速和工具内外钻井液压差对控制轴阻力矩的影响显著。研究结果可为自动垂直钻井工具稳定平台的结构设计和控制提供理论依据。关键词：自动垂直钻井工具；稳定平台；控制轴；阻力矩分析中图分类号：TE921文献标志码：A文章编号：10099492(2023)02016804Analysis of the Factors Affecting the Control of Axial Resistance Moment ofAutomatic Vertical Drilling ToolsBai Rulin，Sun Peng，Sun Longhuan，Hou Xianggang（College of Mechanical Engineering,Xian Shiyou University,Xian 710065,China）Abstract:The drilling accuracy of the automatic vertical drilling tool is related to the torque balance degree on the control shaft.In order toimprove the torque balance degree on the control shaft of the automatic vertical drilling tool,the influencing factors of the resistance torque onthe control shaft of the automatic vertical drilling tool were studied under the working mode that the electromagnetic torque generated by thelower turbine generator overcomes the electromagnetic torque generated by the upper turbine generator to drive the control shaft to rotate.Based on theoretical analysis,an analysis model of control shaft resistance torque was established,including bearing friction torque,disc valvefriction torque,electronic chamber surface viscous friction torque,and electromagnetic torque generated by upper turbine generator.On thebasis,the influence of well deviation angle,relative speed of stabilized platform and tool housing,and the difference between internal andexternal drilling hydraulic pressure of tools on control shaft resistance torque was analyzed.The analysis results show that the main resistancetorque on the control shaft is the friction torque generated by the bearing and disc valve.The relative speed between the stabilized platform andthe tool housing and the difference of drilling hydraulic pressure inside and outside the tool have significant effects on the control of shaftresistance torque.The research results can provide a theoretical basis for the structural design and control of the stabilized platform ofautomatic vertical drilling tools.Key words:automatic vertical drilling tool;stabilized platform;control axis;resistance moment analysis2023年02月第52卷第02期Feb.2023Vol.52No.02机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.02.038白儒林，孙鹏，孙龙欢，等.自动垂直钻井工具控制轴阻力矩影响因素分析 J.机电工程技术，2023，52（02）：168-171.0引言随着石油储藏地的地层复杂程度越来越高，在高陡构造地层以牺牲钻压、降低机械转速为代价的被动防斜方式已不能满足如今经济高效的垂直钻井作业要求1-5。自动垂直钻井系统是一种能够在井下实现主动纠斜和防斜的自动化钻井装备6-7。这类装备在保证垂直井身精度的前提下能够释放钻压并且提高机械钻速，缩短钻井周期8，是解决在复杂地层条件下垂直钻井难题的工业利器。国内多家单位先后研制了自动垂直钻井工具，电控式自动垂直钻井工具具有精度高、可控性好等特点，能有效解决防斜打快的问题9。电控式自动垂直钻井工具在执行垂直钻井任务时，自动垂直钻井工具控制轴上力矩平衡的程度对井眼精度有巨大影响。自动垂直钻井工具的控制轴受到轴承摩擦力矩、钻井液对电子仓表面的粘滞摩擦力矩、盘阀摩擦力矩、涡轮发电机产生的电磁力矩等影响。这些力矩对控制轴上的力矩平衡起决定性作用，因此为保证井眼精度，需要对稳定平台控制轴上阻力矩影响因素展开研究。闫文辉等10给出了旋转导向钻井工具控制轴维持稳定的条件，即控制轴上的力矩平衡。汪跃龙等11对旋转导向钻井工具稳定平台进行了动力学和运动学分析，得168到了平台结构和扰动作用参数对稳定平台运动的影响规律。自动垂直钻井工具有两种工作形式，分别是上涡轮发电机产生的电磁力矩克服下涡轮发电机产生的电磁力矩驱动控制轴旋转，以及下涡轮发电机产生的电磁力矩克服上涡轮发电机产生的电磁力矩驱动控制轴旋转。本文将研究在下涡轮发电机产生的电磁力矩克服上涡轮发电机产生的电磁力矩驱动控制轴旋转的工作形式下，井斜角、稳定平台与工具外壳的相对转速、工具内外钻井液压差等参数对自动垂直钻井工具控制轴阻力矩的影响。研究结果可为自动垂直钻井工具的结构设计，控制方法提供理论依据。1控制轴阻力矩分析模型1.1控制轴作用力矩分布自动垂直钻井工具的结构可参考王闻涛等12研制的全旋转推靠式自动垂直钻井工具。由于井下环境复杂，工具控制轴受到诸多力矩的影响，记稳定平台控制轴的上下主支撑轴承的摩擦力矩分别为Mz1、Mz2；上下涡轮发电机转子与定子的支撑轴承的摩擦力矩分别为Mf 1、Mf 2；盘阀交变摩擦力矩为Mp；钻井液对电子仓表面旋转运动的粘滞摩擦力矩为Md；上下涡轮发电机产生的电磁力矩分别为Mc1、Mc2。各力矩分布如图1所示。1.2轴承摩擦力矩（1）上下主支撑单元是稳定平台与工具外筒的连接部分，两者与工具外筒固定，跟随工具外筒顺时针旋转。稳定平台所用轴承均为滚动轴承，轴承摩擦力矩的计算中忽略了温度对轴承润滑的影响，忽略了工具振动对轴承摩擦力矩的影响。稳定平台的重量以及钻井液冲刷涡轮产生的轴向力，均由上下主支撑承受。滚动轴承摩擦力矩13-14为：Mz=10-7 f0()n23dm3+f1P1dm式中：f0为考虑轴承结构和润滑方法的系数；为油或脂的基础油的工作黏度，mm2/s；n为轴承转速，r/min；dm为轴承节圆直径，mm；f1为负荷系数；P1为轴承负荷，N。（2）上涡轮发电机顺时针旋转，为电子仓内测控存储元件提供电力；下涡轮发电机逆时针旋转，产生可控的电磁力矩，驱动控制轴的运动15-16。两个涡轮发电机内部都有支撑涡轮和发电机的滚动轴承。由于两个涡轮发电机转向相反，结构相似，且涡轮转速相同，由涡轮发电机内部的轴承产生的回转摩擦力矩大致相互抵消。1.3盘阀交变摩擦力矩钻井液控制分配单元主要由上下盘阀组成，上盘阀开有一个高压孔，由工具的控制轴带动旋转，下盘阀开有3个低压孔，与工具外筒固连。如图2所示，上下盘阀相对旋转一周时，高压孔依次切入和切出低压孔1、低压孔2、低压孔3。上下盘阀接触面积可以表示为：S=S-1+S（2）式中：S-1为上下盘阀前1 的接触面积，mm2；S为上下盘阀相对旋转1 时接触面积的改变量，mm2。高压孔切入低压孔时：S=2()r2arccos()R360r-Rr360sin()arccos()R360r0 28(3)高压孔切出低压孔时：S=2()r2arccos()R360r-Rr360sin()arccos()R360r-r20 28(4)式中：为高压孔切入或切出低压孔角度，；R高压孔圆心旋转半径，mm；r为低压孔半径，mm。盘阀受到弹簧力和钻井液压差的作用，盘阀摩擦力矩：Mp=2f F弹+F液SR2R12d（5）式中：f为盘阀之间的摩擦因数；s为盘阀接触面积，mm2。1.4电子仓表面粘滞摩擦力矩电子仓表面与钻井液相接触，二者保持相对运动状态，钻井液具有粘滞性，会阻碍电子仓的运动，形成阻力矩。假设钻井液是牛顿流体且在电子仓处的流动为层流，由牛顿内摩擦定律得电子仓表面粘滞摩擦力矩：Md=Adudd2（6）式中：A为电子仓表面面积，mm2；d为电子仓外径，图1控制轴力矩分布图2盘阀高压孔切换低压孔示意图白儒林，孙鹏，孙龙欢，等：自动垂直钻井工具控制轴阻力矩影响因素分析169mm；为钻井液动力黏性系数，Pa s；dud为电子仓相对于钻井液在周向的速度梯度，1/s。1.5上涡轮发电机电磁力矩涡轮发电机在发电的过程中会在电枢上产生电磁力矩，此电磁力矩随着电流大小的变化而变化15。由于上涡轮发电机负载恒定，其产生的电磁力矩不变。下涡轮发电机采用脉宽调制的方法控制发电机电流，进而控制下涡轮发电机产生的电磁力矩11。上发电机电磁力矩公式：Mc1=CT I cos（7）式中：CT为力矩常数；为磁通密度；I为定子电流；cos为电路功率因素1.6控制轴阻力矩分析模型下涡轮发电机产生的电磁力矩需要克服阻力矩，维持控制轴的稳定。控制轴阻力矩分析模型为：M=Mz1+Mz2+Mf1+Mf2+Mc1+Md+Mp（8）2控制轴阻力矩影响因素分析工具控制轴受到众多力矩的影响，包括轴承摩擦力矩、盘阀摩擦力矩、电子仓表面粘滞摩擦力矩，上涡轮发电机产生的电磁力矩。钻进参数会影响这些力矩的变化，影响控制轴上力矩平衡的程