孫 鵬，白儒林，孫龍歡，侯香港

（西安石油大學機械工程學院，西安 710065）

0 引言

全旋轉推靠式自動垂直鉆井工具是用于垂直鉆井的一種相對比較前沿的鉆井工具［1-3］，可以在工作時實時對井斜角進行監(jiān)控和校正，達到垂直鉆井的目的，其所鉆出井眼的垂直度是衡量垂直鉆井工具精度的一個重要指標，越是先進的垂直鉆井工具鉆出來的井眼垂直度越高，井眼質量也越好［4］。

振動是影響垂直鉆井工具工作精度的一個非常重要的因素［5］，振動會使得工具的測量精度大大降低，工具本身也易產(chǎn)生疲勞強度降低、聯(lián)結失效，使工具壽命降低、影響鉆井的精度，并最終會影響井身質量。

自動垂直鉆井工具減振研究的趨勢為盡可能降低電子倉電子元件所受到的振動，來自于外殼的振動會通過懸架機構傳遞到穩(wěn)定平臺上，進而傳遞到內筒［6］，內筒內部一般設置有減振墊片或者減振彈簧，這些常規(guī)的減振措施目前研究的已經(jīng)很深入了，未來的發(fā)展方向一定是想辦法在振動傳遞的過程中降低振動給工具所帶來的影響。

目前出現(xiàn)的懸架機構都是通過剛性連接將外殼與內筒連接起來，沒有考慮在振動傳遞的這個過程中實現(xiàn)振動的抑制［1，7］。本文設計了一種用于全旋轉推靠式自動垂直鉆井工具的懸架機構，該機構設計有減振裝置，可以有效抑制振動向著電子倉傳遞，進而保證電子倉電子元件的測量精度。通過對傳統(tǒng)懸架機構的改進，實現(xiàn)在懸架機構上減振，采用在外殼與內筒之間添加彈簧，通過動力吸振的原理和方法使得來自外殼的振動轉化為彈簧的彈性勢能，降低振幅。

1 全旋轉推靠式自動垂直鉆井工具結構及工作原理

全旋轉推靠式自動垂直鉆井工具主要由外筒、全密封懸架支撐單元、渦輪發(fā)電機單元、測控與存儲單元、執(zhí)行機構單元、液壓分配單元等組成。工具結構簡圖如圖1 所示［8］。

圖1 全旋轉推靠式自動垂直鉆井工具結構圖

工具外筒1 通過螺紋連接于鉆桿上，全密封支撐單元2、6 將工具內筒懸掛起來，并且通過螺釘與外筒相連接，上渦輪發(fā)電機3 主要用于發(fā)電，為測控與存儲單元4 提供電力，下渦輪發(fā)電機5 有兩個作用：一是為測控與存儲單元4 提供電力，二是作為扭矩發(fā)生器，為液壓分配單元提供所需的扭矩。執(zhí)行機構單元則是完成測控與存儲單元4 發(fā)出的指令，對井斜角實時控制，執(zhí)行機構的動力源為鉆井液，而流入執(zhí)行機構矩形推力板10 的液壓腔室中的流量大小主要由液壓分配單元控制。

全旋轉推靠式自動垂直鉆井工具屬于動態(tài)推靠式垂直鉆井工具［9］，在鉆進過程中，通過三個矩形推力板擊打井壁來對井斜角進行調整。三個矩形推力板沿著工具外壁呈120 °分布，并且分別由三個執(zhí)行活塞控制。在工具下井之前，將計算機編好的程序輸入測控與存儲單元，整個工具連接在鉆桿上并由轉盤帶動隨著鉆柱一塊旋轉［10］。

當測控與存儲單元的傳感器檢測到井斜角超出一定的范圍后，井下小閉環(huán)自動控制系統(tǒng)會控制鉆井液向著井眼高邊方向流動，進而推動井眼高邊方向的執(zhí)行活塞，使得矩形推力板在轉動到井眼高邊方向時伸出，此時，鉆柱會發(fā)生傾斜，鉆頭會向著井眼低邊方向切削，達到糾斜的目的［11］。

當井斜沒有超出設定的范圍時，在井下小閉環(huán)自動控制系統(tǒng)的控制下［12］，鉆井液依次均勻的流入三個執(zhí)行活塞所在的腔室，三個矩形推力板交替推靠井壁，從而達到一個穩(wěn)斜的目的［13］。

2 懸架系統(tǒng)主要作用

懸架系統(tǒng)是全旋轉推靠式自動垂直鉆井工具中不可缺少的一個結構，它支撐著整個穩(wěn)定平臺，同時也為控制軸的旋轉提供自由度，全密封懸架支撐系統(tǒng)的結構就本質是一個軸承保護器，它將主軸承組完全密封起來，保證主軸承組不受鉆井液的侵蝕，降低了主軸承組的磨損，提高了主軸承的使用壽命，因為主軸承組是整個工具中比較容易損壞的零件，同時，主軸承組的磨損會降低控制軸的旋轉精度，影響井眼質量，因此，將主軸承組密封起來，做成這種全密封懸架支撐可以提高軸承的使用壽命，進而提升整個工具的使用壽命［8］。

3 懸架機構設計

3.1 控制軸的設計

控制軸將懸架機構的各個零件串聯(lián)起來，上控制軸主要是為渦輪發(fā)電機提供旋轉自由度，下控制軸則主要是為了傳遞扭矩，將下渦輪大電機的扭矩傳遞給執(zhí)行機構，實時對井斜角進行修正。整個零件的振動最終都要傳遞到控制軸上，因此對控制軸進行設計的主要依據(jù)就是根據(jù)最大動載荷進行設計，控制軸承受的主要載荷為軸向振動載荷，控制軸的最小直徑D 滿足抗拉強度公式：

式中：D為控制軸的直徑，；F 為控制軸的軸向動載荷，N；d為控制軸內孔直徑，mm；［n］為安全系數(shù)；σb為控制軸的抗拉剛度，MPa。

圖2 為控制軸的三維模型結構圖，中間的孔主要是為了通訊線路以及導線的鋪設。

圖2 控制軸結構圖

3.2 軸承組裝配設計

全旋轉自動垂直鉆井工具懸架機構控制軸除了主要承受軸向的拉力或者壓力之外，還應該可以承受一定的徑向載荷，因此在進行軸承組的選擇時應該考慮以承受軸向載荷為主，同時可以承受少量的徑向載荷，因此選擇軸承組由三個軸承組成，分別為兩個推力球軸承和一個深溝球軸承［14］。其軸承組的裝配結構半剖圖如圖3所示。

圖3 軸承組裝配設計結構半剖視圖

整個軸承組處于一個完全密封的環(huán)境之中，上面通過護帽、鎖緊螺母、壓蓋等裝置實現(xiàn)軸承組上端的密封。在深溝球軸承的下方設置有壓力腔室，主要有兩個作用，第一是實現(xiàn)軸承組的下端密封，其二，主要是平衡整個懸架機構內部與井底的壓力，在工作時，壓力彈簧會隨著井深的增加而不斷被壓縮，從而保證整個機構內部的壓力時刻保持與井底壓力的平衡。

3.3 減震系統(tǒng)設計

整個工具所受到的振動首先會傳遞到工具的外殼上面，進一步通過外殼與內筒之間的連接螺釘傳遞到工具穩(wěn)定平臺，影響電子倉內部電子元件的正常運行，因此，在振動的傳播鏈中設計減振結構可以有效降低骨架所受到的振動，提高工具運行的穩(wěn)定性和測控的準確性。

本文所設計的工具減震系統(tǒng)采用動力吸振的原理及方法，假設工具所受到的載荷為一定頻率的恒定交變載荷時，以工具外殼為參考對象，也就是將鉆柱作為主系統(tǒng)，穩(wěn)定平臺作為吸振器的質量源，只需要在外殼與穩(wěn)定平臺之間加裝彈簧即可構成一個完整的動力吸振結構。

假設外殼所受到的激勵為，穩(wěn)定平臺的重量為，鉆柱作用于外殼與內筒連接螺釘?shù)挠行з|量為，作用于工具外殼的彈性系數(shù)為，所安裝彈簧的彈性系數(shù)為，為工具外殼的位移，為穩(wěn)定平臺的位移，則根據(jù)動力吸振的原理有：

在實驗模擬階段通過激振的方法人為制造振動，模擬井下各種工作狀況，進而通過式求出不同的鉆井工況下所安裝彈簧的彈性系數(shù)，在求出減振彈簧的彈性系數(shù)之后就可以選擇合適的彈簧，從而盡可能降低振動向著內筒傳遞。圖4 為本文所設計的一種減振結構，其工作的基本原理是將外界的振動載荷轉化為彈簧的彈性勢能，減少工具電子倉所受到的振動。振動從外殼1 通過螺釘6 傳遞到減振連接塊4 上，進而通過減振推桿2 傳遞到減振彈簧5 上，實現(xiàn)振源本身強度的降低，使得來自于外筒的振動載荷盡可能少的傳遞到穩(wěn)定平臺上。

圖4 減振機構示意圖

3.4 三維結構示意圖

懸架系統(tǒng)的結構主要由控制軸4、軸承組、軸承壓蓋3、鎖緊螺母2、護帽1、活塞12、預壓彈簧15、懸架外殼10、油塞等部件組成。穩(wěn)定平臺通過控制軸懸掛起來，軸承組則為控制軸提供旋轉自由度，軸承組下部固定在軸肩上，上部則使用軸承壓蓋壓住，并通過鎖緊螺母將其與控制軸使用螺紋相連接，最后蓋上護帽防止雜質進入，軸承組下部設置壓力腔室，通過活塞和預壓彈簧保證軸承組內部的壓力在設定的數(shù)值。整個懸架機構的密封方式選用靜密封。懸架機構三維結構示意圖如圖5 所示。

圖5 懸架機構三維結構示意圖

全旋轉推靠式自動垂直鉆井工具有兩個懸架機構，上懸架和下懸架機構，兩個懸架機構將穩(wěn)定平臺支撐起來，一般分為下壓式和上掛式兩種裝配方式，圖6 為上懸架機構零件裝配示意圖。

圖6 懸架機構零件裝配示意圖

上、下懸架機構將穩(wěn)定平臺懸掛起來，此時由于減震機構的存在，內筒會隨著外部振動的變化而處于一個受壓或者受拉的狀態(tài)。傳統(tǒng)的懸架機構內筒受力狀態(tài)自設計好之后基本就固定了，而裝有減震機構的懸架機構可以通過彈簧抑制內筒的振動，降低振幅，提高整個垂直鉆井工具的工作精度。

3.5 控制軸強度校核

使用Ansys對控制軸進行強度校核［15，16］，控制軸主要承受的載荷為軸向振動載荷，在這里取軸向最大振動載荷為14 G，其中G 表示穩(wěn)定平臺的質量（忽略控制軸的質量）。表1為某推靠式自動垂直鉆井工具的部分結構參數(shù)。

表1 推靠式自動垂直鉆井工具結構參數(shù)

利用SolidWorks對控制軸進行建模，并導入ANSYS進行靜力學仿真，選定控制軸的材料為40CrNiMo（抗拉強度），將控制軸上端固定，下端施加軸向拉力40 659 N，計算結果如圖7，得出控制軸的的最大等效應力為140.41 MPa，滿足強度要求。

圖7 控制軸應力云圖

4 結束語

本文從減振的角度出發(fā)，在傳統(tǒng)懸架機構的基礎上進行改進和創(chuàng)新，設計了一種用于自動垂直鉆井的全密封懸架機構。該機構內部充滿潤滑油，潤滑油處于壓力腔室之中，可以有效避免雜質進入軸承組，最大程度地保護了軸承組，為軸承組提供了良好的工作環(huán)境，提高了軸承組的使用壽命，也保證了主軸的旋轉精度。另外，該裝置還設計有減振裝置，采用動力吸振的原理有效地隔絕來自于外殼的振動，降低骨架上面電子元件所受到的振動。最后，本文針對一種具體的鉆井工況和結構參數(shù)利用ANSYS對控制軸進行強度校核，結果表明所受到的最大等效應力為140.41 MPa，滿足強度要求。