王永現(xiàn)，趙龍歸，趙 堯

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，資源愈發(fā)的匱乏，石油開(kāi)采面臨著越來(lái)越多的困難，原先開(kāi)采的油田資源多存在于開(kāi)采難度較大的邊緣油氣藏以及超薄復(fù)雜斷塊的地質(zhì)儲(chǔ)層中[1]。在鉆直井作業(yè)的過(guò)程中，井斜問(wèn)題愈發(fā)的嚴(yán)重，通過(guò)降速和減壓來(lái)達(dá)到防斜的傳統(tǒng)方法已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際中工程的需要。自動(dòng)垂直鉆井技術(shù)克服了鉆直井過(guò)程中遇到井斜的難題，在井下資源的開(kāi)采中實(shí)現(xiàn)了新的技術(shù)突破。自動(dòng)垂直鉆井技術(shù)第一次在德國(guó)大陸超深井科學(xué)鉆探計(jì)劃中運(yùn)用，在當(dāng)時(shí)取得了良好的效果[2-3]。

輪轂電機(jī)技術(shù)起源于19世紀(jì)末期。近幾年來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，輪轂電機(jī)的研發(fā)又重新引起廠家研發(fā)人員的重視，2003年，普利司通公司推出了一款在車(chē)輪內(nèi)部使用的外轉(zhuǎn)子式永磁同步輪轂電機(jī)車(chē)輪，豐田汽車(chē)公司于2007年研制出高轉(zhuǎn)速和高功率密度的永磁同步輪轂電機(jī)[4-5]。使用這種外轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)方式，能使全車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)大幅度精簡(jiǎn)，電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩密度也有了進(jìn)一步的提升。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)在1996年成功研制出[6]一種兼具有異步和同步電機(jī)雙重特性外轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。該車(chē)縮減結(jié)構(gòu)，電機(jī)功率也得到了提升。同濟(jì)大學(xué)于2003年成功研發(fā)出低速外轉(zhuǎn)子型永磁輪轂電機(jī)，并采用了四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)技術(shù)[7]。本文根據(jù)輪轂電機(jī)的特點(diǎn)，將車(chē)用輪轂電機(jī)與垂直鉆井工具相結(jié)合，用輪轂電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的渦輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)盤(pán)閥的轉(zhuǎn)動(dòng)，為了驗(yàn)證方案的合理性，運(yùn)用Adams軟件對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。

1 自動(dòng)垂直鉆井技術(shù)

自動(dòng)垂直鉆井技術(shù)具有極強(qiáng)的糾斜能力，其特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井下的實(shí)時(shí)防斜糾斜，該技術(shù)能夠使鉆速得到明顯的提高。自動(dòng)垂直鉆井工具一般采用井下閉環(huán)控制，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，在鉆壓敏感和高陡構(gòu)造地層取得了良好的效果。自動(dòng)垂直鉆井技術(shù)集機(jī)電液一體化，降低了發(fā)生鉆井事故的風(fēng)險(xiǎn)。該智能鉆井系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)的創(chuàng)新突破，利用井下的高壓鉆井液作用于推靠翼肋，使其與井壁接觸產(chǎn)生作用力，達(dá)到糾斜的目的。由井下的電子控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下高壓鉆井液的分配。20世紀(jì)80年代以來(lái)，鉆井技術(shù)突飛發(fā)展，國(guó)外研制出了多種不同的自動(dòng)垂直鉆井工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地層的井斜控制精度。自動(dòng)垂直鉆井工具具有降低狗腿度、提高井眼質(zhì)量、解放鉆壓、提高鉆速以及自動(dòng)閉環(huán)控制等優(yōu)點(diǎn)。因此，自動(dòng)垂直鉆井工具的研究具有非常重要的意義。

1.1 輪轂電機(jī)特點(diǎn)

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有更低速大扭矩的特點(diǎn)。輪轂電機(jī)作為動(dòng)力輸出的核心部件，對(duì)其結(jié)構(gòu)和工作性能有著很高的要求。輪轂電機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕盈等。輪轂電機(jī)將整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置安裝在密閉狹小的輪轂內(nèi)部，電機(jī)的結(jié)構(gòu)更加緊湊；具有優(yōu)良的密封性、散熱性和可靠性；輪轂電機(jī)具有良好的密封性，可以長(zhǎng)期工作在接觸泥漿的工作環(huán)境中[8]。

1.2 輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)

通常情況下，常見(jiàn)的輪轂電機(jī)分為內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)（減速式輪轂電機(jī)）與外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)（直接驅(qū)動(dòng)式輪轂電機(jī)）兩種。其結(jié)構(gòu)如圖1所示[9]。減速式輪轂電機(jī)有著穩(wěn)定的動(dòng)力輸出，其內(nèi)部含有減速裝置。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)可以通過(guò)減速裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)輪轂電機(jī)的減速操作。內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)有著較高的運(yùn)行效率，成本也比較低，尺寸比較小。但是由于電機(jī)內(nèi)部含有減速裝置，因此內(nèi)部會(huì)發(fā)生磨損，導(dǎo)致電機(jī)發(fā)生故障，降低了使用壽命，產(chǎn)生的維修成本也比較高。此外，內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)有著較差的散熱設(shè)施，工作的時(shí)候會(huì)發(fā)出很大的噪聲。直接驅(qū)動(dòng)式輪轂電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其電機(jī)內(nèi)部不含有減速裝置，因而有著較快的響應(yīng)速度。除此之外，外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)有著諸多優(yōu)點(diǎn)，如工作效率高，電機(jī)內(nèi)部不會(huì)發(fā)生齒輪的磨損，使輪轂電機(jī)損壞的可能降低，大大地提高了電機(jī)的使用壽命，所產(chǎn)生的維修費(fèi)用也比較低[10]。

圖1 內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

2 輪轂電機(jī)與自動(dòng)垂直鉆井工具結(jié)合方案的設(shè)計(jì)

自動(dòng)垂直鉆井工具主要由6大模塊組成，分別為上渦輪發(fā)電機(jī)模塊、測(cè)量模塊、存儲(chǔ)模塊、輪轂電機(jī)控制模塊、盤(pán)閥液流分配模塊以及巴掌執(zhí)行模塊。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動(dòng)垂直鉆井工具結(jié)構(gòu)

自動(dòng)垂直鉆井工具的結(jié)構(gòu)具有工具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部分的設(shè)計(jì)制造具有模塊化、集成化的特征，且通過(guò)工具內(nèi)外鉆井泥漿的壓差提供動(dòng)力來(lái)推靠巴掌動(dòng)態(tài)推靠井壁來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)直和糾斜目的。

上渦輪發(fā)電機(jī)為測(cè)量模塊和存儲(chǔ)模塊提供足夠的電力，以保證自動(dòng)垂直鉆井工具的正常運(yùn)行。存儲(chǔ)模塊對(duì)井眼姿態(tài)、工具面角、控制軸扭矩、下傳指令以及環(huán)境溫度等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行存儲(chǔ)。高壓鉆井液的液流分配主要依靠盤(pán)閥單元來(lái)控制，盤(pán)閥單元由上盤(pán)閥和下盤(pán)閥組成。上盤(pán)閥與輪轂電機(jī)、偏重塊聯(lián)接，可以發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。帶有一個(gè)高壓孔的上盤(pán)閥由輪轂電機(jī)控制，輪轂電機(jī)為上盤(pán)閥提供穩(wěn)定的控制力矩；下盤(pán)閥有3個(gè)通孔，與傳統(tǒng)的下盤(pán)閥功能一致，結(jié)構(gòu)相同，分別與3個(gè)泥漿通道連接。巴掌功能由液流分配系統(tǒng)提供或斷開(kāi)泥漿動(dòng)力，推動(dòng)或停止活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)在確定的工具面位置上進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。活塞推動(dòng)巴掌作用于井壁，產(chǎn)生推靠鉆頭的側(cè)向力，實(shí)現(xiàn)井斜、方位的調(diào)整；輪轂電機(jī)帶動(dòng)上盤(pán)閥旋轉(zhuǎn)，高壓孔依次與下盤(pán)閥通孔接通，鉆井液流通，3個(gè)巴掌共同作用于井壁，可實(shí)現(xiàn)工具的穩(wěn)直功能。

3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真

3.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理

自動(dòng)垂直鉆井工具執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分主要由盤(pán)閥和推靠巴掌來(lái)組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中上盤(pán)閥由輪轂電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)使鉆井液流通。盤(pán)閥由上盤(pán)閥和下盤(pán)閥兩部分組成，其中上盤(pán)閥有一個(gè)高壓孔來(lái)充當(dāng)鉆井液的流通通道，下盤(pán)閥開(kāi)有分別與3個(gè)活塞相連接的3個(gè)流通管道，直接與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連接，當(dāng)鉆井液工作液通過(guò)過(guò)濾網(wǎng)在流通到下盤(pán)閥通孔管道時(shí)，輪轂電機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)上盤(pán)閥發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)上盤(pán)閥的高壓流通管道與下盤(pán)閥的1個(gè)或者2個(gè)通孔流通管道對(duì)齊時(shí)，高壓鉆井液流通，推動(dòng)與管道連接的活塞，由活塞推靠巴掌進(jìn)而推靠井壁，其中力的方向由上盤(pán)閥的高壓孔位置來(lái)決定，相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)受到井壁的反作用力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)垂直鉆井工具的糾斜穩(wěn)直功能[11]。上盤(pán)閥高壓孔的位置也就是指工程意義上的鉆井工程中產(chǎn)生的工具面具。自動(dòng)垂直鉆井工具可以實(shí)時(shí)對(duì)地質(zhì)、井下?tīng)顩r和幾何參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)記錄，按照給定的指令或者設(shè)定的程序進(jìn)行方位的調(diào)整。3個(gè)推靠巴掌均勻分布在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，相位差為120°，由經(jīng)過(guò)盤(pán)閥流通的高壓鉆井液鉆井液作用到活塞，產(chǎn)生巴掌推靠井壁的作用力。在自動(dòng)垂直鉆井工具的穩(wěn)直工況下，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)上盤(pán)閥的轉(zhuǎn)動(dòng)，每次通過(guò)特定的方位時(shí)，借助鉆井液的壓力差驅(qū)動(dòng)3個(gè)巴掌來(lái)依次推靠井壁，依靠井壁對(duì)巴掌的反作用力來(lái)達(dá)到自動(dòng)垂直鉆井工具穩(wěn)直的目的[12]。

圖3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

3.2 等效推靠力的計(jì)算

選取盤(pán)閥高壓孔開(kāi)口角度為90°，活塞半徑為r=30 mm，每個(gè)巴掌由一個(gè)流通管道連接。在受到穩(wěn)定的液壓差作用下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生推靠力的大小與活塞尺寸有關(guān)。本章主要考慮活塞位置確定的情況下的推靠力大小，其力主要與活塞的半徑有關(guān)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常工作時(shí)受到鉆井液液壓差范圍為5～8 MPa[13]。

令執(zhí)行機(jī)構(gòu)在正常工作時(shí)活塞受到上盤(pán)閥流通的高壓鉆井液作用下的壓力大小為F，設(shè)推靠巴掌正常推靠井壁時(shí)所受到的最大壓力為F1，最小壓力為F2，則：

則執(zhí)行機(jī)構(gòu)在正常推靠井壁時(shí)所受到的最大壓力為：

執(zhí)行機(jī)構(gòu)在正常推靠井壁時(shí)所受到的最小壓力為：

由自動(dòng)垂直鉆井工具的結(jié)構(gòu)和工作原理可以推出，巴掌所受到的作用力由活塞來(lái)傳遞，巴掌將受到井壁的反作用力作用到執(zhí)行機(jī)構(gòu)推動(dòng)鉆具達(dá)到穩(wěn)直的目的。推靠巴掌的受力分析如圖4所示。由圖可以得到式（4）以及式（5）：

圖4 巴掌受力分析簡(jiǎn)圖

式中：Fb為巴掌作用于井壁的力；F為活塞對(duì)巴掌產(chǎn)生的推靠力；L1為活塞產(chǎn)生的推靠力作用點(diǎn)到銷(xiāo)軸的距離；L2為巴掌作用于井壁的力到銷(xiāo)軸的距離。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)在正常工作時(shí)受到上盤(pán)閥流通的高壓鉆井液處于5～8 MPa時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)井壁的作用力大小計(jì)算如下。

最小壓降時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)井壁的推靠力大小為：

最大壓降時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)井壁的推靠力大小為：

3.3 動(dòng)力學(xué)仿真

將建立好的系統(tǒng)模型導(dǎo)入到Adams軟件，并定義好材料屬性，為方便觀察執(zhí)行機(jī)構(gòu)與井壁之間的接觸力情況，在鉆井工具施加了井壁，井壁材料屬性定義為巖石，井壁顏色為黑色，推靠巴掌為鋼，銷(xiāo)軸為42CrMo，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行施加約束，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副建模，其中推靠巴掌與銷(xiāo)軸施加旋轉(zhuǎn)副，井壁與執(zhí)行機(jī)構(gòu)施加了固定副。

為了更加接近實(shí)際鉆井工程中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作情況，在設(shè)置中選擇打開(kāi)了重力，并對(duì)巴掌施加了接觸力大小為22 608 N，方向?yàn)?X軸，在鋼體之間打開(kāi)了庫(kù)侖摩擦力，其中推靠巴掌與井壁的摩擦因數(shù)為0.4，銷(xiāo)軸與各部件摩擦因數(shù)為0.1[14]，仿真時(shí)間設(shè)置為1.5 s，進(jìn)行仿真分析。

3.4 結(jié)果分析

執(zhí)行巴掌的受力曲線和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的接觸力曲線分別如圖5～6所示。由執(zhí)行巴掌與井壁的接觸力曲線圖可知，推靠巴掌受到推靠力后瞬間與井壁接觸，接觸力穩(wěn)定在10 970 N左右，上下存在著波動(dòng)，當(dāng)鉆井液作用時(shí)間完畢后，推靠巴掌的推靠力瞬間消失，推靠巴掌恢復(fù)閉合狀態(tài)，當(dāng)高壓孔轉(zhuǎn)到下個(gè)通孔時(shí)，與該通孔連接的推靠巴掌工作。由執(zhí)行機(jī)構(gòu)所受到的反作用力曲線來(lái)看，力比較平穩(wěn)，波動(dòng)幅度較小。對(duì)比圖5以及圖6兩圖可以發(fā)現(xiàn)，兩圖中力大小近似且位置相對(duì)應(yīng)，即推靠板與井壁接觸力和執(zhí)行機(jī)構(gòu)受到的反作用力的大小相近，方向相反，產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的原因是推靠板與井壁發(fā)生接觸后，推動(dòng)鉆具向井壁另一側(cè)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)殼體與井壁發(fā)生接觸而產(chǎn)生作用力，方向相反。當(dāng)力保持不變時(shí)說(shuō)明達(dá)到了平衡，能夠使鉆井工具保持穩(wěn)直作業(yè)。

圖5 推靠巴掌的接觸力曲線

圖6 井壁反作用力曲線

根據(jù)仿真動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，其結(jié)果如表1所示。

表1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)理論計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

通過(guò)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的理論計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比可以得到，執(zhí)行推靠所受的反作用力仿真結(jié)果大于理論計(jì)算結(jié)果，誤差處于2%～3%之間，誤差小于10%，說(shuō)明仿真結(jié)果合理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)輪轂電機(jī)低速大扭矩的特點(diǎn)與自動(dòng)垂直鉆井工具的結(jié)構(gòu)原理完成了輪轂電機(jī)與自動(dòng)垂直鉆井工具結(jié)合方案的設(shè)計(jì)，并對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)建立了力學(xué)模型，分析了推靠巴掌的等效推靠力，借用Adams軟件對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在穩(wěn)直工況下進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，并觀察了分析了巴掌與井壁之間的接觸力、執(zhí)行機(jī)構(gòu)本體受到的反作用力的變化，巴掌所受到的力由上盤(pán)閥流通的高壓鉆井液推靠活塞產(chǎn)生，在活塞的半徑為30 mm時(shí)，鉆井液壓差為8 MPa時(shí)，計(jì)算出巴掌瞬時(shí)最大壓力為22 608 N，其最大等效推靠力為11 304 N。仿真測(cè)得力大小為10 970 N，誤差小于10%，當(dāng)3個(gè)巴掌共同推靠井壁時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)所受的力大小穩(wěn)定，可以保證鉆井工具的穩(wěn)直作業(yè)，證實(shí)了方案的設(shè)計(jì)有效性。