自动导向垂钻系统与随钻测量技术

　　自动导向钻具指的是钻柱在旋转钻进的过程中，随钻同步实现自动导向功能的一种钻具。由于这种钻具能够实时检测孔斜状态并实时纠斜，钻井时能够沿着预先设计的轨迹钻进。并且具有钻进摩阻和扭阻小、转速高以及井身的轨迹较为平滑等优点，被认为是当代导向钻井的主流发展趋势。一个完整的自动导向垂直钻井系统一般至少应包括井下供电单元、信息处理与控制单元、测斜及通讯单元（MWD）、纠斜单元、地面监控系统等几个方面。它是机械、电子、液压、通讯、自动控制和钻探等技术集成的高技术产品，其外部环境特殊，内部元件众多、结构复杂。受元器件种类、材料加工工艺，以及设计、制造和装配技术的的制约，自动垂钻系统的研制难度较大，要解决的问题很多，涉及的领域也比较广泛，本书不可能逐一涉及。本书的主要工作内容主要是研究和解决自动化垂钻系统设计中机械、液压和测量方面的相关技术，涉及的对象是自动控向垂直钻井系统中的测斜及通讯单元（MWD）、纠斜单元以及井下供电单元和随钻测量系统。

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目录
第1章 自动导向垂直钻井系统 1
1.1 自动导向垂直钻井系统概述 1
1.1.1 自动垂直钻井系统 1
1.1.2 旋转导向钻井系统 2
1.2 自动导向垂直钻井系统应用情况 3
1.2.1 Power V应用情况 3
1.2.2 VertiTrak应用情况 4
1.2.3 Smart Drilling应用情况 5
1.2.4 V-pilot应用情况 6
1.3 自动导向垂直钻井系统的比较 6
1.3.1 Power V与VertiTrak的比较 6
1.3.2 Power V与Power Drive的比较 7
1.4 自动导向垂直钻井系统国内外研究现状 8
1.4.1 钻井过程的钻孔弯曲与纠正 8
1.4.2 国外自动导向垂直钻井技术研究现状 9
1.4.3 国外闭环旋转导向钻井技术研究现状 13
1.4.4 我国自动导向垂直钻井技术研究现状 13
参考文献 14
第2章 自动导向垂直钻井系统关键技术 16
2.1 自动导向垂直钻井系统组成及结构分析 16
2.2 自动导向垂直钻井系统主要单元结构的特点 17
2.2.1 随钻测量仪 17
2.2.2 动力源 20
2.2.3 纠斜单元 21
参考文献 28
第3章 自动导向钻具设计理论 29
3.1 钻具的设计思路及步骤 29
3.1.1 系统的设计思路 29
3.1.2 系统的设计步骤 29
3.2 功能设计的基本方法 29
3.2.1 导向测控系统的作用与功能 30
3.2.2 传动机构的作用与功能 30
3.2.3 执行机构的功能 30
3.2.4 动力源的作用与功能 30
3.3 钻具的功能设计 30
3.3.1 钻具的测控系统 30
3.3.2 钻具的执行机构 31
3.3.3 动力源 31
3.4 钻具的设计目标和原则 31
3.5 实际钻进轨迹的测定 31
3.6 钻孔段偏斜判断 33
3.7 位移控制原理简介 35
3.8 导向钻具工作原理 35
参考文献 37
第4章 自动导向钻具偏置机构的设计与优化 38
4.1 自动导向钻具偏置机构的基本结构及工作原理 38
4.1.1 自动导向钻具基本结构 38
4.1.2 偏置机构的工作原理 39
4.1.3 偏置机构的工作要求 39
4.2 自动导向钻具偏置机构液压系统 40
4.2.1 偏置机构液压系统运动规律 40
4.2.2 偏置机构推靠力计算 41
4.3 自动导向钻具偏置力优化控制 42
4.3.1 偏置合力矢量控制分析 42
4.3.2 偏置位移矢量控制分析 44
4.3.3 自动导向钻具偏置机构控制方案 47
4.4 自动导向钻具偏置机构三维参数化仿真设计 48
4.4.1 三维参数化设计 48
4.4.2 自动旋转导向钻具三维参数化仿真设计 49
参考文献 51
第5章 自动导向垂直钻井系统纠斜单元设计与优化 52
5.1 纠斜单元液压系统控制方案分析 52
5.2 纠斜单元液压元件选型及设计 55
5.2.1 液压泵选型 55
5.2.2 液压阀选型 56
5.2.3 液压缸设计 57
5.3 纠斜单元液压系统动态仿真 58
5.3.1 液压仿真软件的选择 58
5.3.2 液压仿真试验分析 60
5.4 纠斜单元液压系统试验及分析 66
5.4.1 纠斜单元液压试验系统硬件方案 67
5.4.2 纠斜单元液压系统试验软件方案 68
5.4.3 纠斜单元液压系统试验结果及分析 71
参考文献 78
第6章 自动导向钻具BHA动力学分析及研究 79
6.1 钻井系统钻柱固有频率的计算 79
6.1.1 钻井系统纵向振动频率分析 79
6.1.2 钻井系统横向振动规律分析 80
6.1.3 钻井系统扭转振动规律分析 81
6.1.4 钻井系统钻柱耦合动力学模型 82
6.2 自动导向钻具BHA耦合振动的动力学分析 86
6.2.1 钻杆系统的动能 87
6.2.2 钻杆系统的势能 88
6.2.3 非保守所做的功 90
参考文献 92
第7章 自动导向钻具BHA动力学有限元分析 93
7.1 有限元软件ANSYS 93
7.2 钻柱的有限元分析法 93
7.3 自动导向钻具BHA振动模型分析 95
7.3.1 自动导向钻具BHA轴向振动分析 96
7.3.2 自动导向钻具BHA横向振动分析 98
7.3.3 自动导向钻具BHA扭转振动分析 101
7.4 自动导向钻具偏置机构有限元分析 103
7.4.1 不同工况对偏置机构轴向振动的影响 104
7.4.2 不同工况对偏置机构横向振动的影响 107
参考文献 110
第8章 随钻测量电磁波传输理论 111
8.1 随钻测量电磁波双向传输 111
8.1.1 随钻测量的电磁波传输 111
8.1.2 随钻测量电磁波双向信号传输原理 111
8.2 随钻测量电磁波传输理论 113
8.2.1 电磁波传播的基本理论 113
8.2.2 电磁波信号传输深度及影响因素 113
8.3 随钻测量电磁波发射模式 114
8.3.1 随钻测量电磁波激励方式 114
8.3.2 随钻测量电磁波常见发射方式 116
8.4 随钻测量电磁波接收天线 117
8.4.1 直接电激励发射的两种天线 118
8.4.2 并式天线特性分析 119
8.5 随钻测量电磁波孔内双向传输试验 122
8.5.1 不同地层的双向信号传输试验 122
8.5.2 正弦波双向信号传输试验 123
参考文献 124
第9章 电磁波随钻测量仪结构设计与优化 125
9.1 电磁波随钻测量仪总体方案设计 125
9.1.1 系统设计方案 125
9.1.2 设计技术指标 126
9.1.3 总体结构设计 127
9.1.4 结构设计关键技术分析 128
9.2 电磁波随钻测量仪密封抗压技术 129
9.2.1 电磁波随钻测量仪管筒抗压设计 129
9.2.2 电磁波随钻测量仪密封设计 132
9.3 电磁波随钻测量仪密封结构仿真分析 136
9.3.1 仿真软件的选用及基本理论和计算 136
9.3.2 管筒连接头O形橡胶圈径向密封结构仿真分析 138
9.3.3 管筒连接头O形橡胶圈轴向密封结构仿真分析 143
9.4 电磁波随钻测量仪电气安装技术 144
9.4.1 电源的选取与安装 145
9.4.2 各组件的连接方式 146
9.4.3 测斜传感器的安装 146
9.5 电磁波随钻测量仪环境适应性技术 147
9.5.1 电磁波随钻测量仪减振设计 147
9.5.2 电磁波随钻测量仪散热设计 148
9.6 电磁波随钻测量仪现场试验 149
参考文献 150
第10章 井下涡轮发电机结构分析与仿真 151
10.1 井下涡轮发电机基本理论 151
10.1.1 水轮机工作中的能量转换 151
10.1.2 交流同步发电机基本理论 154
10.2 井下涡轮发电机涡轮结构的优化 155
10.2.1 井下涡轮发电机涡轮结构分析 155
10.2.2 井下涡轮发电机结构设计与试验 162
参考文献 164