旋转导向钻井工具3D参数化虚拟样机设计.pdf

2 O l 3年 第 4 2卷 第 6 期第 2 7页 石 油矿 场机 械 0I L F I EL D EQU1 PME NT 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 l 3 0 6 0 0 2 7 0 4 旋转导向钻井工具 3 D参数化虚拟样机设计 王鹏 ， 唐 雪平 ， 洪迪峰 中国石 油集 团 钻井工程技术研究院 ， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 简述 了旋 转导 向工具 的结 构组 成和 工作 原理 。利 用 S o l i d Wo r k s 软件 平 台对 某型 旋转 导 向工 具进行 3 D参数化设计 。采用 S o l i d Wo r k s自带的有限元插件 C OS MOS Wo r k s建立 了该工具的三 维有 限元 网格 模 型 ， 对 芯轴进 行 了有 限元 分析 ， 分析 结 果证 明芯 轴 的结 构 设计 合 理 ， 强 度 满足 工 况 要求。虚拟样机设计和有限元计算结果为进一步改进和优化旋转导向钻 井工具提供 了理论依据。 关键 词 旋转 导 向钻 井工具 ； 计算 机辅 助设 计 ； 三维模 型 中图分 类号 T E 9 2 7 ． 6 文献 标识 码 A Vi r t u a l De s i g n o f Ro t a r y Dr i l l i n g S t e e r i n g To o l Ba s e d o n 3 D Pa r a me t r i c Te c hn o l o g y W AN G Pe n g， TANG Xu e pi n g， H ONG Di f e n g Dr i l l i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ， CNPC， Be i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C i n a Ab s t r a c t The s t r u c t ur e a nd wor k i ng me c ha n i s m o f t h e r o t a r y dr i l l i n g s t e e r i n g t o ol i s i n t r o duc e d ． Co m b i ne d wi t h i t s d e s i gn f e a t u r e， a 3 D s o l i d mo d e l o f t he r ot a r y d r i l l i ng s t e e r i ng t oo l i s s e t up b y me a n s of So l i d W or k s s o f t wa r e， a nd i t s FEA mo du l e i S e s t a bl i s he d， b a s e d O n t h e C SM SW or ks mod ul e， whi c h i s i nt e gr a t e d i n t he So l i dW o r ks s y s t e m． Thr o ug h FEA pr o gr a m ， t he s t r e ng t h o f t h e ma nd r e l o f t h e dr i l l i n g t o o l i s c a l c u l a t e d， a n d t he r a t i o na l i t y o f t he ma nd r e l s t r u c t u r e i s v e r i f i e d wi t h FEA． M o r e o v e r ， t he r e s u l t s o f t he vi r t u a l d e s i gn a n d FEA m a ke s ug g e s t i on s f o r t he op t i mi z a t i o n o f r o t a r y d r i l l i n g s t e e r i ng t oo 1 ． Ke y wo r d s r o t a r y d r i l l i ng s t e e r i n g t o o l ； c o m p ut e r a s s i s t e d de s i g n； 3 D mo de l 世界 上最 早 的一项 有关旋 转 导 向钻井技 术 的专 利于 1 9 5 5年获得授权。直到 2 0世纪 9 o年代， 旋转 导 向钻 井技 术作 为一 项尖 端 自动化 钻井 新技 术在 国 际上才 真 正发展 起来 。旋 转导 向钻 井 系统 由于井 下 工具一直在旋转状态下工作 ， 井身轨迹控制精度高， 位移延伸能力强 ， 井眼净化效果好 ， 适用于海洋油气 资源开 发 以及在 油 田开发 后期 的复 杂油 气藏 中钻 大 位移井 、 高难定向井 、 丛式井及三维复杂结构井等特 殊工艺井_ 1 ] 。此外 ， “ 页岩气” 等非常规资源开发 中 的丛式水平井施工也需要旋转导向钻井系统。 目前 ， 国际上 的旋 转导 向钻 井 系统 根 据工 作 原 理 的不 同 可 分 为 推 靠 式 P u s h t h e B i t 和 指 向 式 P o i n t t h e B i t 2种 类 型 l 2 } 。在 钻 头 附 近 直 接 给 钻 头施 加侧 向力 进行 导 向 的为 推靠 式 ； 通 过 近钻 头 处 钻柱 的弯 曲使 钻 头指 向井 眼轨迹 控制方 向的为指 向 式 。旋转 导 向钻井 系统 主 要 由地 面监 控 系 统 、 双 向 收稿 日期 2 0 1 2 - 1 2 - 0 3 基金项 目 中 国石 油 集 团 钻 井 工 程 技 术 研 究 院课 题 “ 钻 头 指 向式 旋 转 导 向 工 具 总 体 方 案 设 计 及 关 键 单 元 研 制” DRI 2 01 21 0 作者简介 王鹏 1 9 8 3 ， 男 ， 陕西延安人 ， 工程师 ， 硕 士， 2 0 0 8年毕业 于北 京科技 大学 ， 主要从 事井下 随钻测量 与导 向控 制技术研究 ， E ma i l w a n g p e n g d r i c n p c ． c o m． c n 。 2 8 石油 矿场 机械 2 0 l 3年 6月 通讯 系 统 、 随钻测 量 系统 和 井 下 导 向工具 系统 4大 部 分组 成 。其 中 ， 井 下 导 向工 具 是 钻 头 钻 进 轨迹 控 制 的执 行机 构 ， 是 一 个 集 机 、 电 、 液 于 一 体 的 闭 环 自 动 控制 系统 ， 是旋 转导 向系统 的核心 。 本 文 主要对 旋转 导 向钻井 系统 的井下 导 向工具 以下 简称 旋 转 导 向工 具 进 行 3 D 建 模 ， 并 对 其 重 要部件芯轴进行有限元分析计算 ， 通过计算结 果对工具设计的合理性进行验证 ， 并为以后工具 的 结构 优化 改进 提供 理论 指导 。 1 结构组成及 工作原理 设计 的旋 转导 向工 具 采 用 “ 推 靠 式 ” 工 作 原 理 ， 主要由不旋转导 向套 和旋转芯轴 2大部 分组成 ， 2 部分通过上下轴承连接形成可相对转动的结构 。旋 转导向工具的结构如图 1所示 。其 中 旋转芯轴上 端 连接 钻柱 ， 下端 连 接 钻 头 ， 起 传 递 钻 压 、 扭 矩 的作 用 ， 同时是 钻井 液 的输送通 道 ； 不旋 转导 向套 中设 置 有井下主控 C P U、 测量控制模块和可控导向肋 ， 其 内安装有传感器 ， 可测 量井斜角 、 温度及压力 等参 数 ， 并 实 时监控 导 向工具 的工 作状 态 。 旋转 导 向工具 的导 向原 理如 图 2 所 示 。 当环形 均布的 3个可控导向肋分别以不同推靠力支撑于井 壁时， 使不旋转导向套不随钻柱旋转 或者 以极小的 速率旋转 ； 同时 ， 井壁的反作用力将对旋转导 向工 具产生一个偏置合力 。通过控制 3 个可控导向肋输 出的推靠 力 的大小 ， 控 制偏 置力 的大小 和 方 向 ， 来实 现可控连续导 向钻进 。推靠力 的大小 由井下 主控 C P U操纵液压系统来调节 。根据力的合成原理 ， 不 仅 可 调节导 向力 的大 小 ， 还 可 把导 向力 调 整 到 任 意 方 向 ， 所 以此工 具既 可调 节井 眼轨迹 方 向 ， 又 可调 节 造斜率的大小 。井下主控 C P U 在下井 前， 可 预置 井 眼轨迹数据。在井下工作 时， 既可根据预置轨道 参数进行几何导 向， 又可根据 L WD测量的地层信 息 ， 通 过 下传 指 令实 时 调整 井 眼轨 迹， 进 行地 质 导 向 。 不旋转 导向套 扶正轮测量控制模块 可摔导 向肋 旋转芯轴 轴承 轴承 图 1 旋转导 向工具结构 ◆ 方向 ＼导向 上， l 图 2 旋转导向工具导向原理 2旋转导 向工具样机 3 D建模 量 2 ． 1 3 D参数化 设计 原理 与 方法 本文 以计算机辅助设计 S o l i d Wo r k s软件平 台 为基 础进 行旋 转 导 向工 具 的 3 D 建 模 。S o l i d W o r k s 以 Wi n d o ws 操作系统为运行平台， 是一套功能强大 的三维 C AD设计 软件[ 3 ] 。相 比其他 C AD设计 软 件 ， S o l i d Wo r k s 具有高效、 迅速的实体建模功能 ， 并 可以利用集成的辅助功能 ， 对设计的实体模型进行 一 系列 的计算 机辅 助分 析 ， 能更好 地满 足设计 需 要 ， 节省设计成本并提高设计效率。 3 D建模实际上是对零件进行参数化设计。零 件参数化设计是指零件实体模型的尺寸用对应 的关 系来表示 ， 根 据零 件 的尺 寸 大小 、 相 互关 系 ， 建立 相 应 的尺寸集合， 确定其主要参数及外界的接口尺寸 ， 并 实现 在该 结构 的 一个 尺寸 改 变 时 ， 保 持 结 构 的拓 扑关 系不 变 。参 数 化设计 的优 势在 于通 过建 立对 象 间各种关系的约束模型 ， 实现结构尺寸的互动， 能够 通过修改参数来调整和控制几何形状 ， 从而对产品 进行 精确 造型 l_ 4 J 。 2 ． 2零件 三 维建模 首先 ， 对旋转导向工具 的零件进行三维实体建 模 ， 零件的实体建模主要通过特征来实现。特征是 零 件 的细胞 ， 是组 成 零 件 实 体模 型 的基 本 要 素 。根 据 零件 实物模 型 或者 零 件 图纸 建 立模 型时 ， 要 考 虑 如何将这个零件化为不 同的特征， 从而将一个完整 的零件划 分 为 几个 相 对 独 立 且 外 形 规 则 的 加 工 形 状 ， 将这些不 同的特征组合起来 ， 就形成了零件的实 体模型。S o l i d Wo r k s软件 的主要特征包括拉伸 、 切 除、 旋转 、 扫 描、 抽 壳、 圆角 、 倒角 、 拔模 、 阵列和镜 向等 。 设计 的旋转导 向工具主要 由芯轴、 不旋转导 向 套、 轴承、 扶正轮、 可控导 向肋等部件组成， 每个部件 又由若干零件装配而成 。在这里 ， 每一个零件都需 要进行参数化 建模设 计。三 维零件 设计 以 S o l i d Wo r k s 的参 数 化 三 维 实 体 建模 功 能 为基 础 。值 得 注意的是， 在零件参数化设计过程中， 绘制草图时并 第 4 2卷第 6 期 王鹏 ， 等 旋转导 向钻井工具 3 D参数化虚拟样机设计 不 需要 严格 按 照实 际 尺 寸进 行 ， 可 以 在 图形 绘 制 过 程中利用参数驱动 的功能， 以人机对话输入尺寸 的 方式来进行零件尺寸准确值的确定_ 4 ] 。在零件基本 框架草图的基础上 ， 利用软件所具有 的特征指令来 最终完成零件 的实体建模 。其中建立的芯轴三维实 体模 型 如 图 3所示 。 图 3 芯轴的三维实体模型 2 ． 3建 立装 配体模 型 由零件生成 每个部件的装配模型， 再 由各个部 件生成旋转导向样机 的总装配模型。装配体设计是 三 维设 计 中 的 一 个 重 要 环 节 ， 其 工 作 原 理 是 利 用 S o l i d Wo r k s 所提供的装配约束关系 ， 将建好 的零件 组装起来 ， 形成一个可以实现特定功能的整体。装 配体 设计 中的“ 装 配” 并 不 是在 真实 的装 配 车间环 境 下完成的， 因此也被称为“ 虚拟装配” 。在装配体设 计过 程 中 ， 不 仅 可 以利 用零 件 的重合 共 面 、 共 线 、 共 点、 平行、 垂直 、 相切 、 同心 同轴、 夹角、 距 离等 装配约束关系实现工具整体 的装配， 而且可 以使用 装配体的辅助功能， 实现动态模拟、 装配流程和运动 仿真等一系列产品的辅助设计。 在装 配体 模 型的生 成 中 ， 采 用 自下而 上 的方式 ， 分别调用各个组成零件 ， 利用零件之间的装配关系 ， 通过在零件之间添加装配约束关 系， 使设计好 的零 部 件组 装形 成 装 配体 。通 过 这种 方 式 ， 可将 旋 转 导 向工具 包含 的几 十 种 零 件 组装 在 一 起 ， 完成 样 机 的 总装配 。样机装配完成后 ， 可以利用“ 干涉检查” 功 能对装配体进行干涉检查 。完成装配的样机实体模 型 如 图 4所 示 。 图 4旋转导向工具三维装配实体模型 3芯轴 的有 限元分 析 旋转导 向工具的结构组成复杂 ， 在实 际工作中 的工况也 比较复杂。其 中， 工具 的芯轴起着传递 钻 压 、 扭矩的重要作用 ， 力学分析表明， 芯轴的结构性 能对旋转导 向工具的整体性能有着直接而重要的影 响 。因此 ， 对芯轴进行模拟分析是 最基本也是最重 要 的结 构 分析 。 3 ． 1 建 立计算 模型 由于芯轴的工作受力情况和机械结构 比较 复 杂 ， 在建立有 限元分析计算模型的时候需要对实际 的受力状况和机械结构进行等效简化处 理， 以便 于 进行 网格划分和分析求解 ] 。芯轴的主要结构分为 上下两端连接扣 锥形螺纹 、 中部长轴、 左端定位台 肩、 中部两侧突起 台阶等部分。在结构上将 芯轴 中 部的定位 台阶简化为与相邻部分外径尺寸相同的结 构 ， 忽 略 中部结 构 变化部 位 附带 的 圆弧 过渡 段 倒 圆 角 。根据设计 图纸及结构的等效简化 ， 利用计算机 辅助设 计 S o l i d Wo r k s 软件 平 台 ， 建立 了芯轴 的三 维 实体模型 ， 并生成便于计算分析的有限元模型。 3 ． 2 约束 及载 荷 芯轴在井下工作时， 下端通过锥型螺纹与钻头 直接连接 ， 其上端一般设有柔性短节。在处理有限 元计算模型的边界约束条件时 ， 计算模型边界约束 条件要尽量与实际支承作用相吻合 。柔性短节对芯 轴的作用， 采用活动铰链近似模拟 ， 将钻头对芯轴的 作用 近 似为 刚性 连接 ， 即 规定 连 接 处 所 有 节点 的位 移为 零 ] 。将井 壁对 可控 导 向肋 的反作 用力 综合 等 效为一个导向合力 ， 可控 导向肋经 内部垫块 与芯轴 连接接触 ， 将井壁对导向肋 的反作用力通过垫块间 接传递到芯轴上。 由于旋转 导 向工具 在井 下工作 时 的实 际受力 情 况比较复杂， 因此在计算 时需要对其 进行近似简化 处理 ， 忽 略其他 次要 的影 响 因素 如 弯 矩 、 摩 擦 阻 力 矩 、 重力、 摩擦力等 _ 5 ] 。其 中， 对芯轴起主要作用的 载荷有作用于上下两端头的转矩 M、 作用于上下两 端面的钻压 P， 以及作用于芯轴下端侧面 的井壁对 导 向肋 的径 向作 用合 力 F 。芯 轴 的 受 力 分 析 如 图 5所示 。 1 图 5 芯轴受力分析 3 ． 3 网格划 分 利用 S o l i d Wo r k s ／ C o s mo s wo r k s中的“ 网 格 应 用控制” 功能划分网格 ， 结合人工修改， 在结构过渡、 应力集 中处进行适当调整， 采用填充能力较强的三 油 矿场 机械 节点 和 网节点 单 元 ， 建 立 有 限元 模 型 。在 有 限元 模 型 的 网格 划 分 叶 1 ， 共 划 分 了4 7 5 9 3 个单 元 ， 5 8 1 7 7 个 节 点 ， 其 网格 划分 如 图 6所 示 。 网格 划 分 后 的 有 限 元 模 型与实 体模 型基 本一 致 ， 没 有 出现“ 凹 陷” 和“ 赘 余 ” ， 由此可 见 ， 网格划 分 比较 合 理 。 网格 划 分 完 成 后生成可直接导入有限元分析软件的计算模型。 图 6 芯轴模 型网格划 分 3 ． 4 计 算结 果分 析 计 算 分析 前 ， 需 要 确 定 芯轴 的使 用材 料 及 其 力 学 性能 参数 ， 将 芯轴材 料 定 为 4 2 C r Ni Mo ， 其 基 本 参 数 定 义 弹 性 模 量 2 ． 0 6 l 0 P a ； 剪 切 模 量 8 ． 1 l O P a ； 泊 松 比 0 ． 3 ； 屈 服 极 限 9 3 0 MP a 。在 计算 过 程 中 ， 将 材料 性 质 定 义 为线 弹性 材 料 。参 考 同规 格 钻井 工具 的_ L 作 受 力 情 况 ， 对 起 主要 作 用 的载 荷 的 大小 进行 限定 ， 取转 矩 M 为 7 0 0 0 N i7 1 ， 钻 压 P 为 4 0 0 k N， 径 向作 用合 力 F 为 2 0 k N。 忽略温度 、 压力等因素的影响， 对芯轴模型进行 模拟 计算 ， 得 出 了芯轴 内各 单元 的应 力分 布情况 ， 芯 轴的应力分布情况如图 7所示 。计算结果显示 下 端 公扣 部位 的应 力值 最大 ， 其值 为 1 7 7 ． 7 MP a ， 此处 为芯轴强度分布 中应力最 大的部位 ， 是芯轴 中最 为 薄 弱 的环节 ， 一般 需 要 进 行 相应 的特 殊 L艺 处 理来 增 加强 度 。但对 于 芯 轴 的实 际情 况 而 言 ， 即便 考虑 到芯轴 中部 加工 定 位 台肩 所 引起 的应 力 集 中 ， 其强 度也 已足够 ， 因芯轴 各 部 位 的最 大应 力 值 都 远 小 于 其材 料 的 屈 服 极 限 。若 按 芯 轴 材 料 屈 服 极 限 9 3 0 MP a 计 算 ， 其安 全 系数 为 5 ． 2 3 。 由此 可 见 ， 旋 转 导 向工 具 的芯轴 结构 具有 较大 的强 度储 备 。 I 7 2 6 42 7 1 ．777 e 0 圈 嚣 i 雕 5．慧392e毳e 蠹 图 7 芯轴应力分布 根据 有 限元 分 析结果 ， 可 以得 出如下 结论 1 在各种载荷组合作用】 况下 ， 芯轴 的最大 应 力值 为 1 7 7 ． 7 MP a ， 低 于许 用应 力 ， 完全 能够 满足 强度要 求 ， 许有 较大 的强 度储 备 。 2 芯轴 的薄弱 部 位 集 中在 下端 连 接 螺 纹 处 ， 为 了增加 强 度 ． 有 必 要 对下 端 公 扣 进 行 特殊 工 艺 处 理 ， 通常 进行 喷丸 处理 来提 高表 面强度 。 4 结论 1 以旋转 导 向 工具 为 例 ， 介 绍 了一 种科 学 合 理 的井 下 随钻工 具 的计算 机辅 助设计 及有 限元 模拟 分析的思路与方法。能够使设计者及时发现设计中 的缺 陷 ， 从 而进 行结 构优 化改进 ， 大 幅度 提高工 具设 计 的效 率 。 2 井下 随钻 工具 尺寸 空 间小 、 结 构复 杂 ， 利 用 S o l i d Wo r k s 软件平 台进行样机参数化虚拟设计 ， 可 使结构观察和分析更为直接 ， 设计者能够及早方便 地 发现设 计 中 的不 足 。参数 化设 计改 善 了零 部件 的 设计 手 法 ， 提 高 了设 计 灵活性 ， 使 工具 的功 能结构 设 计 更为科 学 合理 。 3 针 对井 下 随钻 工 具 L 况 复 杂 ， 容 易 出现 强 度 破坏 的 问题 ， 利 用 有 限 元分 析 软 件 对 旋 转导 向工 具的主要零部件进行 了模拟计算分析， 计算结果显 示了零部件的应力分布和强度储备情况 。根据计算 结果 ， 可 以对设 计 的零 部 件 进 行优 化 改 进 和 局 部 特 殊工 艺处 理 ， 以降低 应力 集 中 、 提 高安全 系数 。 4 文中的计算分析忽略了温度和压力等环境 因素 对工 具样 机 的 影 响 。针 对井 下 高 温 、 高 压 工 作 环境 对 随钻工 具 的不 利 影 响 ， 有 限元 软件 还 可 以进 行温 度 和压力 场模 拟 ， 全 面准 确 地 对 井下 随钻 工 具 进行 仿 真分析 ， 以得 到 更 科学 、 更 准确 的求 解 结 果 ， 为 随钻工 具 的优化 设计 提供 理论 依据 。 参 考文献 [ 1 ] 苏义脑 ， 窦修 荣． 旋 转导 向钻井系 统的功 能 、 特 性 和典 型结构[ J ] ． 石油钻采工艺 ， 2 0 0 3 ， 2 5 4 5 7 ． [ 2 ] 孙铭新 ， 韩来 聚 ， 李作会． 静态偏 置推靠 钻头 式旋转 导 向钻井 系统介绍E J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 3 ， 3 2 6 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