专利名称：一种指向式旋转导向钻井工具的结构设计方法
技术领域：
本发明涉及一种海洋石油钻井工具的结构设计方法，特别是关于一种指向式旋转导向钻井工具的结构设计方法。
背景技术：
在旋转导向钻井工具的研究与应用中，指向式钻井工具的造斜能力以其高度可靠性，受到了广大作业者的青睐。这种工具的造斜能力主要与工具本身的设计结构有关，不同于传统钻井工具，传统钻井工具的造斜能力主要依赖于地层的松软度。这种工具的设计结构的最大特点之一就是将一个偏置工具置于工具中间，在井眼轨迹控制过程中，偏置工具将旋转导向钻井工具的芯轴压弯，产生在工具面方向的偏转，从而达到造斜、降斜，进而达到控制井眼轨迹的目的。
我国自国家十一五以来，已经陆续开展了有关指向式旋转导向钻井工具的理论和实验研究，并取得了一定的研究进展[引自杜建生、刘宝林等，指向式旋转导向系统偏置芯轴力学模型及优化，《石油机械》，2008年第36卷第8期]。但是对于依赖自身设计结构的指向式旋转导向钻井工具的芯轴弯曲变形及其支撑方式的选择和确定方面，还没有进行过深入研究。若能够将指向式旋转导向钻井工具的芯轴结构设计更合理，使芯轴上承受的应力处于合理的范围之内，这对于进一步稳定这种钻井工具的造斜能力，灵活控制井眼轨迹，具有重要的指导意义。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种指向式旋转导向钻井工具的结构设计方法，其方法是通过优化指向式旋转导向钻井工具的结构，使钻井工具的造斜、降斜能力更为稳定可靠，达到能够灵活控制井眼轨迹的目的。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种指向式旋转导向钻井工具的结构设计方法，它包括以下步骤1)将指向式旋转导向钻井工具中的芯轴视为一外伸梁，以其下部轴承为铰支，上部轴承为滑动铰支，偏置机构对芯轴施加的作用力为集中载荷；2)建立外伸梁的直角坐标系以下部轴承为原点，以井眼的轴线方向为X轴方向，令正方向沿X轴由原点指向上支撑轴承对芯轴的支撑点，则Y轴过原点，Y轴正方向与所设集中载荷的方向相反；3)基于上述假设和建立的直角坐标系，得到外伸梁的结构力学方程外伸梁的最大挠度为 外伸梁弯曲后的轴向位移为 使外伸梁的长度拉长λ所需的应力σ为 其中，P为偏执机构对外伸梁施加的力[KN]，E为外伸梁的弹性模量，J为外伸梁的极惯性矩[cm4]，J＝3.14(R外径4-R内径4)/64，R外径为外伸梁的外径[cm]，R内径为外伸梁的内径[cm]，l为外伸梁的长度[cm]，λ为外伸梁弯曲后的轴向位移[cm]，y为外伸梁的偏置位移量[cm]，σ为应力[KN/cm2]。
在步骤3)中，外伸梁的结构力学方程由以下推导过程得出外伸梁在处的弯曲变形微分方程为 根据边界条件 x＝0，y1＝0 y′1＝0 求得外伸梁的转角和挠度方程分别为 外伸梁在处的弯曲变形微分方程为 根据边界条件 x＝l，y2＝0 y′2＝0 求得外伸梁的转角和挠度方程分别为 当时，外伸梁的最大挠度为 外伸梁发生弯曲时，其轴向位移λ为 则 欲使外伸梁的长度拉长λ时，所需的拉力H为 则对应拉力H的应力σ为 式中，A为外伸梁的横截面积，A＝3.14(R外径2-R内径2)。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、由于本发明根据指向式旋转导向钻井工具的结构特点，将芯轴视为一外伸梁，该模型简单，便于计算，因此简化了分析步骤，这对于深入分析和了解指向式旋转导向钻井工具的特点和性能，优化芯轴的结构，使钻井工具的造斜、降斜能力更为稳定可靠，达到了能够灵活控制井眼轨迹的目的。2、由于本发明方法指出不仅可以对指向式旋转钻井工具的芯轴的挠度可以用偏心机构来实现，同时还可以反过来用芯轴的挠度来求等效集中载荷，这样就可以简化求解问题的难度，同时也有助于在研究芯轴的变形与受力模型时，易于结合实际，作出准确的分析和判断。3、由于本发明方法将芯轴的支撑中的一端采用了滑动支撑方式，并且留有滑动位移的距离λ，保证了芯轴不承受轴向钻压作用，因此更进一步简化了力学模型。
图1是现有技术中指向式旋转导向钻井工具的结构示意图 图2是本发明中外伸梁的受力模型示意图
具体实施例方式 下面结合实施例，对本发明进行详细的描述。
本发明方法欲建立一与指向式旋转导向钻井工具中芯轴相应的外伸梁力学模型(简称外伸梁)，通过对外伸梁的力学分析，来优化设计指向式旋转导向钻井工具的结构，以提高其钻井工具造斜能力的可靠性和稳定性，达到控制井眼轨迹的目的。
如图1所示，指向式旋转导向钻井工具包括工具外壳1、钻头2、下部轴承3、偏置机构4、芯轴5、上部轴承6，其造斜能力主要是依赖偏置机构4将芯轴5压弯，使得钻头2产生偏离井眼轴线的偏角θ，根据实际情况增斜、降斜、稳斜，从而达到控制井眼轨迹的目的。
如图2所示，本发明方法包括以下步骤 1、将芯轴5视为一外伸梁。
2、对上述外伸梁的结构参数进行如下设定 ①假设下部轴承3为铰支，上部轴承6为滑动铰支，且下部轴承3和上部轴承6对芯轴5的支撑点分别为A、B； ②假设偏置机构4对芯轴5施加的作用力为集中载荷P，集中载荷P的作用点为C。
③由于芯轴5的支撑结构采用如①所述的特殊设计，因此芯轴5本身不承受轴向钻压的作用。芯轴5的质量与外壳1的质量相比，可以忽略不计芯轴5的质量。现假设芯轴5的外径、内径、外伸长度、与材质相关的弹性模量和极惯性矩分别为R外径、R内径、l、E和J，则芯轴5的抗弯模量为EJ。其中，J＝3.14(R外径4-R内径4)/64。
3、根据步骤2中设定的结构参数，对外伸梁建立一直角坐标系以下部轴承3对芯轴5的支撑点为原点，即A点；令井眼的轴线方向为x方向，且正方向沿X轴由A指向B，x的大小表示外伸梁的长度；Y轴过B点，正方向沿Y轴与所设等效集中载荷P的方向相反，y的大小表示芯轴5的挠度，即外伸梁的挠度。
4、基于步骤2的假设和步骤3建立的直角坐标系，计算外伸梁的结构力学方程。
对于外伸梁，由文献[引自刘鸿文，主编，《材料力学》，高等教育出版社，北京，2004年1月第4版]可知，在等效集中载荷P的作用下，外伸梁的弯曲变形微分方程为 当时 则 当时 则 由外伸梁的边界条件确定积分常数， 当x＝0时，y1＝0，代入(3)式，可得D1＝0(7) 当时，y′1＝σ，代入(2)式，可得 当x＝l，y2＝0，代入(6)式，可得 当y′2＝0，代入(5)式，可得 联立(9)式和(10)式可解得 将(7)式、(8)式分别代入(2)式和(3)式，可得 因此，在时，外伸梁的转角和挠度方程分别为 将(11)式和(12)式分别代入(5)式和(6)式， 因此，在时，外伸梁的的转角和挠度方程分别为 在(14)式和(16)式中，当时，外伸梁的最大挠度为 同时，由文献[引自[美]S.铁摩辛柯.J.盖尔著张福范译《弹性稳定理论》科学出版社北京1958年第1版]可知，外伸梁发生弯曲时，其外伸梁与弦长之差λ为 显然，将(14)式微分，可得代(19)式入(16)式，可得芯轴5弯曲后的轴向位移λ为解之 由文献[引自[美]S.铁摩辛柯.J.盖尔著胡人永译《材料力学》科学出版社北京1978年3月第1版]可知欲使外伸梁的长度拉长λ时，所需的拉力H为 代(20)式入(21)式，可得 而与拉力H对应的应力σ为 其中，A为外伸梁的横截面积，A＝3.14(R外径2-R内径2)。
代(22)式入(23)式，可得 5、定性、定量分析芯轴5的力学方程，其包括(4)式、(17)式、(20)式和(24)式。
51、定性分析芯轴5的力学方程。
本发明方法根据建立的指向式旋转导向钻井工具中芯轴5的受力模型与其对应的挠曲方程(4)式，可以求出在芯轴5发生弯曲后沿其轴向发生的位移λ(轴向位移λ)，即(20)式。
在(4)式中，芯轴5的挠度y与等效集中载荷P成正比，同时与芯轴2的抗弯模量EJ成反比。
在(17)式中，若芯轴5的挠度y为定值，则可以求得等效集中载荷P为 从(25)式可看出若钻井工具的挠度为定值，则可以求得等效集中载荷P，且等效集中载荷P与芯轴5长度l3成反比，因此增大芯轴5长度l有助于减小等效集中载荷P。
在(24)式中，欲使外伸梁的长度拉长λ对应的拉应力σ与等效集中载荷P2、芯轴5的长度l4成正比，同时与芯轴2的抗弯模量EJ成反比。因此欲减小拉应力σ，在芯轴5长度l为定值时，选择弹性模量E较大的材质，或者材质为确定时，增大芯轴5的截面尺寸，即增大极惯性矩J。
52、定量分析芯轴5的力学方程。
实施例一指向式旋转导向钻井工具中芯轴5的R外径和R内径分别为9.5cm、4.5cm，且芯轴5长度l为400cm，偏置机构4位于芯轴5的中点，即AC＝200cm，并设定芯轴5的最大挠度ymax＝2cm时，芯轴5弯曲后的的轴向位移λ以及芯轴5产生的应力σ的变化规律如下，如表1所示 表1 由表1可以观察出，芯轴5的几何尺寸中，R外径、R内径、极惯性矩J和弹性模量E为确定值时，其力学特性有如下规律和特点 (1)当芯轴5的长度l为定值时，随着芯轴5的挠度y的增加，等效集中载荷P、轴向位移λ和应力σ均随挠度y的增加而增加。如在序号1～4中，当l＝400cm时，挠度y的变化范围为1cm～3cm，此时等效集中载荷P＝597.7KN增至1793.1KN，而此时轴向位移λ亦由0.017cm增至0.155cm，应力σ由90.563KN/cm2增加至815.063KN/cm2。
(2)当芯轴5的挠度y为定值时，随着芯轴5的长度l的增加，等效集中载荷P减小、轴向位移λ和应力σ随长度l的增加而减小。如在序号3、6、9和12中，当芯轴5的挠度y为3cm时，芯轴5的长度l由400cm逐步增加至1000cm时，其对应的等效集中载荷P分别为1793.1KN、531.3KN、227.7KN和116.6KN，同时对应的轴向位移λ分别为0.155cm、0.104cm、0.078cm和0.062cm，且对应的应力σ分别为815.063KN/cm2、362.250KN/cm2、203.766KN/cm2和130.410KN/cm2。
6、根据步骤5分析的结果，得出对指向式旋转导向钻井工具的结构进行优化设计的结论，其包括以下几点 (1)应用本发明方法不仅对指向式旋转钻井工具的芯轴5的挠度y可以用偏心机构4来实现，同时还可以反过来用芯轴5的挠度y来求等效集中载荷P，这样就可以简化求解问题的难度，同时也有助于在研究芯轴5的变形与受力模型时，易于结合实际，作出准确的分析和判断。
(2)通过对指向式旋转导向钻井工具的研究，其关键技术之一为芯轴5的结构设计，通常情况下，芯轴5在结构设计上需要保证不承受轴向钻压作用。而目前的研究和分析结果来看为保证芯轴5不承受轴向载荷，芯轴5的支撑中必然要有一端采用滑动支撑方式，并且要留有滑动位移的距离λ，这是在机械设计上必须要考虑。
(3)应用本发明方法，可以很简捷的分析偏心机构4和芯轴5的受力与变形情况，同时也可以迅速求解芯轴5的应力变化及其端部的轴向位移λ并作相应的分析，这对于深入分析和了解指向式旋转导向钻井工具的特点和性能，有重要帮助和意义。
表1中的“R外径、R内径、l和y”的量纲均为[cm]，“I”的量纲为[cm4]，“E”的量纲为[MPa]，“Q和P”的量纲均为[KN]，σ的量纲为[KN/cm2]。
权利要求
1、一种指向式旋转导向钻井工具的结构设计方法，它包括以下步骤
1)将指向式旋转导向钻井工具中的芯轴视为一外伸梁，以其下部轴承为铰支，上部轴承为滑动铰支，偏置机构对芯轴施加的作用力为集中载荷；
2)建立外伸梁的直角坐标系以下部轴承为原点，以井眼的轴线方向为X轴方向，令正方向沿X轴由原点指向上支撑轴承对芯轴的支撑点，则Y轴过原点，Y轴正方向与所设集中载荷的方向相反；
3)基于上述假设和建立的直角坐标系，得到外伸梁的结构力学方程
外伸梁的最大挠度为
外伸梁弯曲后的轴向位移为
使外伸梁的长度拉长λ所需的应力σ为
其中，P为偏执机构对外伸梁施加的力[KN]，
E为外伸梁的弹性模量，
J为外伸梁的极惯性矩[cm4]，J＝3.14(R外径4-R内径4)/64，
R外径为外伸梁的外径[cm]，
R内径为外伸梁的内径[cm]，
l为外伸梁的长度[cm]，
λ为外伸梁弯曲后的轴向位移[cm]，
y为外伸梁的偏置位移量[cm]，
σ为应力[KN/cm2]。
2、如权利要求1所述的一种指向式旋转导向钻井工具的结构设计方法，其特征在于在步骤3)中，外伸梁的结构力学方程由以下推导过程得出
外伸梁在处的弯曲变形微分方程为
根据边界条件
x＝0，y1＝0
y′1＝0
求得外伸梁的转角和挠度方程分别为
外伸梁在处的弯曲变形微分方程为
根据边界条件
x＝l，y2＝0
求得外伸梁的转角和挠度方程分别为
当时，外伸梁的最大挠度为
外伸梁发生弯曲时，其轴向位移λ为
则
欲使外伸梁的长度拉长λ时，所需的拉力H为
则对应拉力H的应力σ为
式中，A为外伸梁的横截面积，A＝3.14(R外径2-R内径2)。
全文摘要
本发明涉及一种指向式旋转导向钻井工具的结构设计方法，它包括以下步骤1)将指向式旋转导向钻井工具中的芯轴视为一外伸梁，以其下部轴承为铰支，上部轴承为滑动铰支，偏置机构对芯轴施加的作用力为集中载荷；2)建立外伸梁的直角坐标系以下部轴承为原点，以井眼的轴线方向为X轴方向，令正方向沿X轴由原点指向上支撑轴承对芯轴的支撑点，则Y轴过原点，Y轴正方向与所设集中载荷的方向相反；3)基于上述假设和建立的直角坐标系，得到外伸梁的结构力学方程。本发明提出的研究思路，为钻井工具控制井眼轨迹提供了设计理论依据。
文档编号E21B3/02GK101566045SQ20091008394
公开日2009年10月28日 申请日期2009年5月11日 优先权日2009年5月11日
发明者伟 姜 申请人:中国海洋石油总公司, 中海石油研究中心