自動垂直保持裝置

A. 自動控向垂直鑽井系統

一、內容概述

國外在進行深部鑽井，特別是在進行大陸深部科學鑽探的過程中，認識到被動防斜技術的不足，迫切需要一種能適應深井和超深井鑽進的主動防斜技術。而最早提出這一要求並投入實際研製和應用的項目是20 世紀80 年代開始進行的聯邦德國大陸超深井計劃（KTB計劃），該井的設計深度近萬米，而所鑽深部地層很多都是結晶岩，地層傾角可達60 °左右，在這樣的條件下用傳統的鑽井工具難以使井眼保持垂直，迫切需要一種新型的垂直鑽井系統來完成這一大陸超深井計劃，因此提出研製一種採用主動防斜技術的自動垂直鑽井系統（Automationed Vertieal Drilling System，簡稱為VDS）。

自從發明旋轉鑽進技術以來，鑽孔的彎曲問題就一直存在著，造成鑽孔彎曲的根本原因是粗徑鑽具軸線偏離鑽孔軸線。造成發生鑽孔彎曲的充要條件主要是3個方面：①存在孔壁間隙，為粗徑鑽具偏倒或彎曲提供了空間；②具備偏倒或彎曲的力，為粗徑鑽具偏倒或彎曲提供動力；③粗徑鑽具偏倒或彎曲的方向穩定。

為了保證沖洗液能順暢地排出碎屑，孔壁直徑一般大於鑽具直徑，孔壁與鑽具之間的環形空隙是必然存在的。而在鑽進過程中，當孔深達到一定長度時，鑽桿柱已不是簡單的剛性體，而可視為一個細長的柔性桿件。對鑽頭施加軸向力時，鑽桿將會產生彎曲變形，由此可見，使鑽具偏倒或彎曲的條件是客觀存在的。但最終鑽孔是否彎曲，還將決定於鑽具偏倒或彎曲的方向是否穩定。如果鑽具偏倒或彎曲方向不穩定，則有可能使鑽頭在不同時刻朝著不同方向鑽進，從而發生擴壁作用。

由於鑽孔彎曲和傾斜現象的存在，一些相應的防斜技術例如鍾擺鑽具、滿眼鑽具以及偏軸鑽具等防斜打直技術也先後出現並應用到工程中。鍾擺鑽具是較早用於防斜、糾斜的鑽具組合，它是利用傾斜井內切點以下部分鑽挺重力的橫向分力，把鑽頭推靠在已斜井段的低邊，產生降斜和糾斜效果，這個力又稱為鍾擺力。而滿眼鑽具的主要特徵是其底部鑽具組合中含有2～3個或更多的與鑽頭直徑相近的穩定器以及相應的大直徑鑽挺，從而組成剛性很大、不易彎曲的防斜鑽具組合。其工作原理是在已鑽過的直井段中，保持剛性的滿眼鑽具位於井眼中間，其鑽具軸線與井眼軸心線基本保持一致，從而減小鑽頭的傾斜角度，起到控制井眼彎曲和井斜的作用。偏軸鑽具是在鑽柱的下部靠近鑽頭處設置偏重鑽鋌或者設置回轉心軸偏離鑽柱軸心線的偏軸接頭。當鑽頭回轉時，偏軸部分在靠近鑽頭上方的鑽具組合中產生一個離心力，該離心力的大小與偏心重量和偏心距有關。在軸向鑽壓的作用下，下部鑽具組合發生彎曲旋轉時成弓形。偏重鑽鋌每回轉一周就會對傾斜井段的井眼低邊產生一定的糾斜力，以減小傾斜井段的井斜角。前述幾種傳統的防斜設備和技術的共同特點是均屬於被動防斜技術。它們雖然也得到了較廣泛的工程應用，但在高陡構造的大傾角地層以及高應力破碎性地層中，由於無法克服地層極強的自然造斜能力，因而難以滿足對於深井、超深井以及復雜結構井上直井段鑽進的要求。

在提出該設想以後，美國貝克休斯公司（BakerHuges）即開展了相應的研究工作，貝克休斯公司最終於1988年研製成功垂直鑽井系統（VDS），成功解決了德國大陸超深井計劃中遇到的井斜問題。在VDS的研製過程中，從首例樣機開始，先後經歷了3 代共計5種型號的垂直鑽井系統。其中VDS-1（圖1）屬於外導向垂直鑽進系統，為最初的試驗性產品，其主要結構如圖1所示：不旋轉的導向套與旋轉軸6之間通過軸承4連接，在導向套四周均勻分布了4個可以伸縮的導向塊8，由泥漿提供驅動力的4個活塞可以分別控制導向塊的外伸。鑽進過程中的井斜數據由井斜感測器測量並反饋到裝置的微處理器單元，微處理器單元經過計算，發出控制命令給液壓閥，由液壓閥控制驅動活塞的運動，從而使得導向塊伸縮。當導向塊向外伸出時壓靠井壁，因此產生作用於旋轉軸上的糾斜導向力，使得鑽具回到中心位置。在該系統中測斜感測器、微處理器單元7等是靠內置電池供電的。由於自動垂直鑽井系統的導向塊布置在外部，工作時外伸並作用在井壁上，因此這種結構形式稱為外導向式垂鑽結構，如圖2（a）所示。

圖1 VDS-1結構示意圖

1—馬達驅動節；2—內部吸振單元；3—旋轉部分；4—軸承；5—頂部穩定器；6—旋轉軸；7—感測器、電子及電池部分；8—外促式導向塊；9—鑽頭

圖2 VDS導向塊結構布置示意圖

（a）VDS-1；（b）VDS-3

在KTB計劃中實際投入應用的產品為VDS-3和VDS-5。VDS-3在結構上與VDS-1相比的主要區別有2點：一是在電子部分上VDS-3用數字電路取代了VDS-1的模擬電路；二是在導向塊的結構形式上。如圖2（a）及（b）所示分別為VDS-1及VDS-3的導向塊布置形式。兩者的主要區別是圖2（a）中液壓缸及導向塊作用在井壁上，圖2（b）中所示VDS 3的導向塊不直接作用於井壁，而是作用在內部的旋轉中軸上。4個導向活塞內的壓力是可以獨立控制的，動力來源於內部的泥漿壓力。當鑽具未發生偏斜和彎曲時，4個導向活塞均外伸抵靠旋轉中軸，如果井眼偏離了垂直方向，井下測斜儀測得井斜數據並傳遞給微處理器單元，微處理器單元經過運算，將使其中1 個或2 個控制閥關閉，使得相應中軸在鑽頭上形成一個側向力，從而使井眼軌跡保持到垂直方向。圖3 是VDS 3的結構示意圖，其基本組成包括：馬達聯軸節、不旋轉外殼、馬達驅動節、旋轉軸、感測器、電子及電池部分、內置式導向塊以及鑽頭等。

可以看出在近鑽頭處的不旋轉外殼的外部是比較平整的，內置式導向塊安裝於不旋轉外殼中，導向塊作用在內部旋轉軸上，通過對旋轉軸的推擠調整鑽頭的方位，導向塊自身並不與外井壁直接接觸，從而提高了裝置的使用壽命，所鑽井眼軌跡的變化也更加光滑。VDS-3在鑽進時有時會引起懸掛的現象。為了改進這一問題，此外為了使VDS能應用於井徑擴大的井眼，並使其能適應井下200℃左右的高溫工作環境，貝克休斯公司進一步研製了VDS-5。VDS-5與VDS-1相似，也屬於外導向型的垂直鑽井系統。與VDS-1的主要區別在於，VDS-5採用了「負液壓導向」。所謂的「負液壓導向」是指當鑽具處於完全垂直的井眼中時，4個導向塊均在壓力作用下外伸並支撐於井壁上，使得鑽具與井眼中軸線對中。如果井眼偏斜或彎曲時，處於井眼低邊處的導向塊由於對應液壓缸失壓而縮回，這樣就會使得其對面的導向塊產生導向力把底部鑽具推向井眼低邊，從而達到糾斜目的。VDS-5與VDS-3相比，其改進之處還體現在系統中機械、液壓及電子組件是嚴格分開的，這顯然增加了系統的可靠性並便於進行維護，另外一點，VDS-5中還採用了井下交流發電機來代替抗高溫電池，使得此系統有更好的環境適應性和更長的井下工作時間。

圖3 VDS-3結構示意圖

1—馬達聯軸節；2—不旋轉外殼；3—馬達驅動節；4—旋轉軸；5—感測器、電子及電池部分；6—內置式導向塊；7—鑽頭

VDS系列在KTB計劃中的應用是成功的，在使用過程中也出現了一些不足之處，一個主要原因是因為VDS中產生導向塊的驅動力的來源是泥漿（鑽井液）的能量，然而泥漿與液壓油等普通液壓介質相比，存在顆粒含量高、潤滑性能差等特點，利用泥漿作為傳動介質時，系統中的電磁閥以及柱塞缸等液壓元件容易發生磨損和卡死現象，從而降低了系統的可靠性。其後，貝克休斯公司與其他公司合作在VDS的基礎上進行了改進，在20世紀90年代中期研製了新的垂直鑽井裝置SDD（Straight Hole Drilling Device）。SDD的結構如圖4所示。它與VDS系統基本相同，但其結構形式更為復雜一些。其主要的改進在於液壓系統和電子線路方面。SDD中的電磁閥是隔離式的，從電磁閥到液壓缸活塞之間採用了液壓油為工作介質，減小了電磁閥及液壓缸等液壓元件的磨損情況，提高了裝置的使用壽命。此外SDD中導向塊的數量也由VDS中的4個減少為3個。

圖4 SDD結構示意圖

1—泥漿脈沖發生器；2—交流發電機；3—井斜感測器及電子部分；4—液壓油源；5—井下馬達；6—撓性軸；7—外伸式導向塊；8—鑽頭

二、應用范圍及應用實例

目前國外已研製出可以自動控向的垂直鑽井設備，並已在鑽井實踐中得到了一定程度的應用，例如在美國南部路易斯安那州的鹽丘構造區域的油氣開采過程中，由於採用了自動控向垂直鑽井系統（Automationed Vertieal Drilling System），井眼軌跡的傾斜角控制在了0.18 °，與傳統的旋轉鑽進相比，鑽進效率提高了25% ～75%。在美國哥倫比亞地區的地質鑽探過程中，由於採用了自動控向垂直鑽井系統，使得每鑽進一萬英尺由耗時188天減少到了140天，大大節省了勘探費用。這些應用的實踐均說明了自動控向垂鑽技術可以大大地提高生產效率，而且鑽進的井眼質量好。我國目前已經在一些地區引入了國外的自動控向的垂直鑽井設備進行了一系列直井的鑽探，取得了較好的應用效果。

三、資料來源

張萌.2005.自動控向垂鑽系統小型化設計的關鍵技術研究.博士學位論文

B. 物理實驗桌子邊上掛下來保持豎直的是什麼東西

球1和球2的質量m 1 和m 2 ，立柱的高h，桌面離地面的高H，m 1 =m 1 +m 2 c

C. f35戰斗機的垂直起降是怎麼設計的、什麼原理

1、設計

F35戰機採用的是機身前部安裝升力發動機，尾部主發動機矢量噴管可以九十度向下噴氣。起飛時同時打開升力發動機與主發動機，二者合力向下噴氣，把飛機托起，尾噴管由九十度向下逐步改向後噴氣，待起飛後逐步減少升力發動機的供油，直至關閉。

降落時的工作程序完全相反，先打開升力發動機，逐步改主發動機尾噴管向後噴氣為九十度向下噴氣，直至速度為零，降落地面。

2、原理

（1）噴氣反作用力，就是由發動機向下噴氣產生的反作用力升力來克服重力實現垂直起降的。辦法有三個，一個是偏轉發動機的噴管，第二種是直接使用升力發動機提供升力，第三個是前兩種辦法的組合，同時使用升力發動機和主發動機。

根據牛頓第三定律，作用力與反作用力大小相等，也就是發動機的的推力與升力相等，那麼垂直起降時的推重比就得大於1才能垂直起降，與推重比小於1的飛機的飛行相比，這種反作用力升力並不省力，耗能太多，不實用，因此很難推廣。

（2）空氣動力垂直起降，就是在發動機輸出的扭矩力作用下能利用空氣動力的裝置，比如風扇等，像美國的F-35B的升力風扇就是一種。但這種傳統的旋轉式的升力風扇還是問題多多，所以還要對傳統風扇進行改進，比如多環分級升力風扇，使風扇超薄，強力，堅固。

3、俄羅斯可以垂直起降的戰斗機：米格-21PD、米格-23PD和蘇-15VD、雅克-38、雅克-141等戰斗機。

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1、垂直起降戰斗機的主要類型：

垂直起降飛行器按照動力方式大致可分為旋翼類飛行器、噴氣發動機推力轉向飛機、傾轉旋翼飛機、尾座式螺旋槳動力飛行器、涵道風扇動力飛行器，此外還有涵道風扇與矢量噴管聯合應用的飛機，以及其他特殊概念飛行器。還有一類能夠垂直起降的飛行器是微型撲翼動力的。

2、垂直起降的作用：

垂直起降飛機減少或基本擺脫了對跑道的依賴，只需要很小的平地就可以拔地而起和垂直著陸，所以在戰爭中飛機可以分散配置，便於靈活出擊、轉移和偽裝隱蔽，不易被敵方發現，出勤率也大幅提高，並且對敵方的打擊具有很高的突然性，大大提高了飛機的戰場生存率。

另外，具有垂直起降能力的飛機不需要專門的機場和跑道，這樣就省去了昂貴的機場建設費用，不用驅鳥了，也能在惡劣氣象條件下起降，好處太多，降低了使用成本，所以飛機的垂直起降成了航空發展的一個方向。

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層門導向裝置和保持裝置和應急裝置區別：
是指當電梯層門導向裝置失效的情況下，維持層門位置的裝置。例如在火災情況下，電梯層門門靴部分尼龍鍵搜滾件融化，但導向裝置中的鋼制結構位置層門位置，這時這個結構就是應急導向裝置。
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1. 垂直式自動上水裝置：這種裝置一般是通過浮球控制水位，當儲水罐的水位降低到一定的程度時，浮球就會下沉，觸發水泵自動上水，直到水位達到設定高度，浮球再次上升使水泵停止工作。

2. 水泵壓力式自動上水裝置：這種數派裝置是通過水泵自身的壓力控制，當儲水罐的水位降低，水泵自動啟動，供水到儲水罐中，當儲水罐水位升高到一定高度時，水泵會自動停止工作。

3. 智能控制式自動上水裝置：這種裝置是通過智能控制系統實現自動上水，可以念弊通過感測器檢測儲水罐的水位，控制薯高賀電磁閥和水泵的啟停，實現全自動上水。

不同的類型適用於不同的場景和使用環境，需要根據實際需要選擇合適的自動上水裝置。