自动垂直保持装置

A. 自动控向垂直钻井系统

一、内容概述

国外在进行深部钻井，特别是在进行大陆深部科学钻探的过程中，认识到被动防斜技术的不足，迫切需要一种能适应深井和超深井钻进的主动防斜技术。而最早提出这一要求并投入实际研制和应用的项目是20 世纪80 年代开始进行的联邦德国大陆超深井计划（KTB计划），该井的设计深度近万米，而所钻深部地层很多都是结晶岩，地层倾角可达60 °左右，在这样的条件下用传统的钻井工具难以使井眼保持垂直，迫切需要一种新型的垂直钻井系统来完成这一大陆超深井计划，因此提出研制一种采用主动防斜技术的自动垂直钻井系统（Automationed Vertieal Drilling System，简称为VDS）。

自从发明旋转钻进技术以来，钻孔的弯曲问题就一直存在着，造成钻孔弯曲的根本原因是粗径钻具轴线偏离钻孔轴线。造成发生钻孔弯曲的充要条件主要是3个方面：①存在孔壁间隙，为粗径钻具偏倒或弯曲提供了空间；②具备偏倒或弯曲的力，为粗径钻具偏倒或弯曲提供动力；③粗径钻具偏倒或弯曲的方向稳定。

为了保证冲洗液能顺畅地排出碎屑，孔壁直径一般大于钻具直径，孔壁与钻具之间的环形空隙是必然存在的。而在钻进过程中，当孔深达到一定长度时，钻杆柱已不是简单的刚性体，而可视为一个细长的柔性杆件。对钻头施加轴向力时，钻杆将会产生弯曲变形，由此可见，使钻具偏倒或弯曲的条件是客观存在的。但最终钻孔是否弯曲，还将决定于钻具偏倒或弯曲的方向是否稳定。如果钻具偏倒或弯曲方向不稳定，则有可能使钻头在不同时刻朝着不同方向钻进，从而发生扩壁作用。

由于钻孔弯曲和倾斜现象的存在，一些相应的防斜技术例如钟摆钻具、满眼钻具以及偏轴钻具等防斜打直技术也先后出现并应用到工程中。钟摆钻具是较早用于防斜、纠斜的钻具组合，它是利用倾斜井内切点以下部分钻挺重力的横向分力，把钻头推靠在已斜井段的低边，产生降斜和纠斜效果，这个力又称为钟摆力。而满眼钻具的主要特征是其底部钻具组合中含有2～3个或更多的与钻头直径相近的稳定器以及相应的大直径钻挺，从而组成刚性很大、不易弯曲的防斜钻具组合。其工作原理是在已钻过的直井段中，保持刚性的满眼钻具位于井眼中间，其钻具轴线与井眼轴心线基本保持一致，从而减小钻头的倾斜角度，起到控制井眼弯曲和井斜的作用。偏轴钻具是在钻柱的下部靠近钻头处设置偏重钻铤或者设置回转心轴偏离钻柱轴心线的偏轴接头。当钻头回转时，偏轴部分在靠近钻头上方的钻具组合中产生一个离心力，该离心力的大小与偏心重量和偏心距有关。在轴向钻压的作用下，下部钻具组合发生弯曲旋转时成弓形。偏重钻铤每回转一周就会对倾斜井段的井眼低边产生一定的纠斜力，以减小倾斜井段的井斜角。前述几种传统的防斜设备和技术的共同特点是均属于被动防斜技术。它们虽然也得到了较广泛的工程应用，但在高陡构造的大倾角地层以及高应力破碎性地层中，由于无法克服地层极强的自然造斜能力，因而难以满足对于深井、超深井以及复杂结构井上直井段钻进的要求。

在提出该设想以后，美国贝克休斯公司（BakerHuges）即开展了相应的研究工作，贝克休斯公司最终于1988年研制成功垂直钻井系统（VDS），成功解决了德国大陆超深井计划中遇到的井斜问题。在VDS的研制过程中，从首例样机开始，先后经历了3 代共计5种型号的垂直钻井系统。其中VDS-1（图1）属于外导向垂直钻进系统，为最初的试验性产品，其主要结构如图1所示：不旋转的导向套与旋转轴6之间通过轴承4连接，在导向套四周均匀分布了4个可以伸缩的导向块8，由泥浆提供驱动力的4个活塞可以分别控制导向块的外伸。钻进过程中的井斜数据由井斜传感器测量并反馈到装置的微处理器单元，微处理器单元经过计算，发出控制命令给液压阀，由液压阀控制驱动活塞的运动，从而使得导向块伸缩。当导向块向外伸出时压靠井壁，因此产生作用于旋转轴上的纠斜导向力，使得钻具回到中心位置。在该系统中测斜传感器、微处理器单元7等是靠内置电池供电的。由于自动垂直钻井系统的导向块布置在外部，工作时外伸并作用在井壁上，因此这种结构形式称为外导向式垂钻结构，如图2（a）所示。

图1 VDS-1结构示意图

1—马达驱动节；2—内部吸振单元；3—旋转部分；4—轴承；5—顶部稳定器；6—旋转轴；7—传感器、电子及电池部分；8—外促式导向块；9—钻头

图2 VDS导向块结构布置示意图

（a）VDS-1；（b）VDS-3

在KTB计划中实际投入应用的产品为VDS-3和VDS-5。VDS-3在结构上与VDS-1相比的主要区别有2点：一是在电子部分上VDS-3用数字电路取代了VDS-1的模拟电路；二是在导向块的结构形式上。如图2（a）及（b）所示分别为VDS-1及VDS-3的导向块布置形式。两者的主要区别是图2（a）中液压缸及导向块作用在井壁上，图2（b）中所示VDS 3的导向块不直接作用于井壁，而是作用在内部的旋转中轴上。4个导向活塞内的压力是可以独立控制的，动力来源于内部的泥浆压力。当钻具未发生偏斜和弯曲时，4个导向活塞均外伸抵靠旋转中轴，如果井眼偏离了垂直方向，井下测斜仪测得井斜数据并传递给微处理器单元，微处理器单元经过运算，将使其中1 个或2 个控制阀关闭，使得相应中轴在钻头上形成一个侧向力，从而使井眼轨迹保持到垂直方向。图3 是VDS 3的结构示意图，其基本组成包括：马达联轴节、不旋转外壳、马达驱动节、旋转轴、传感器、电子及电池部分、内置式导向块以及钻头等。

可以看出在近钻头处的不旋转外壳的外部是比较平整的，内置式导向块安装于不旋转外壳中，导向块作用在内部旋转轴上，通过对旋转轴的推挤调整钻头的方位，导向块自身并不与外井壁直接接触，从而提高了装置的使用寿命，所钻井眼轨迹的变化也更加光滑。VDS-3在钻进时有时会引起悬挂的现象。为了改进这一问题，此外为了使VDS能应用于井径扩大的井眼，并使其能适应井下200℃左右的高温工作环境，贝克休斯公司进一步研制了VDS-5。VDS-5与VDS-1相似，也属于外导向型的垂直钻井系统。与VDS-1的主要区别在于，VDS-5采用了“负液压导向”。所谓的“负液压导向”是指当钻具处于完全垂直的井眼中时，4个导向块均在压力作用下外伸并支撑于井壁上，使得钻具与井眼中轴线对中。如果井眼偏斜或弯曲时，处于井眼低边处的导向块由于对应液压缸失压而缩回，这样就会使得其对面的导向块产生导向力把底部钻具推向井眼低边，从而达到纠斜目的。VDS-5与VDS-3相比，其改进之处还体现在系统中机械、液压及电子组件是严格分开的，这显然增加了系统的可靠性并便于进行维护，另外一点，VDS-5中还采用了井下交流发电机来代替抗高温电池，使得此系统有更好的环境适应性和更长的井下工作时间。

图3 VDS-3结构示意图

1—马达联轴节；2—不旋转外壳；3—马达驱动节；4—旋转轴；5—传感器、电子及电池部分；6—内置式导向块；7—钻头

VDS系列在KTB计划中的应用是成功的，在使用过程中也出现了一些不足之处，一个主要原因是因为VDS中产生导向块的驱动力的来源是泥浆（钻井液）的能量，然而泥浆与液压油等普通液压介质相比，存在颗粒含量高、润滑性能差等特点，利用泥浆作为传动介质时，系统中的电磁阀以及柱塞缸等液压元件容易发生磨损和卡死现象，从而降低了系统的可靠性。其后，贝克休斯公司与其他公司合作在VDS的基础上进行了改进，在20世纪90年代中期研制了新的垂直钻井装置SDD（Straight Hole Drilling Device）。SDD的结构如图4所示。它与VDS系统基本相同，但其结构形式更为复杂一些。其主要的改进在于液压系统和电子线路方面。SDD中的电磁阀是隔离式的，从电磁阀到液压缸活塞之间采用了液压油为工作介质，减小了电磁阀及液压缸等液压元件的磨损情况，提高了装置的使用寿命。此外SDD中导向块的数量也由VDS中的4个减少为3个。

图4 SDD结构示意图

1—泥浆脉冲发生器；2—交流发电机；3—井斜传感器及电子部分；4—液压油源；5—井下马达；6—挠性轴；7—外伸式导向块；8—钻头

二、应用范围及应用实例

目前国外已研制出可以自动控向的垂直钻井设备，并已在钻井实践中得到了一定程度的应用，例如在美国南部路易斯安那州的盐丘构造区域的油气开采过程中，由于采用了自动控向垂直钻井系统（Automationed Vertieal Drilling System），井眼轨迹的倾斜角控制在了0.18 °，与传统的旋转钻进相比，钻进效率提高了25% ～75%。在美国哥伦比亚地区的地质钻探过程中，由于采用了自动控向垂直钻井系统，使得每钻进一万英尺由耗时188天减少到了140天，大大节省了勘探费用。这些应用的实践均说明了自动控向垂钻技术可以大大地提高生产效率，而且钻进的井眼质量好。我国目前已经在一些地区引入了国外的自动控向的垂直钻井设备进行了一系列直井的钻探，取得了较好的应用效果。

三、资料来源

张萌.2005.自动控向垂钻系统小型化设计的关键技术研究.博士学位论文

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C. f35战斗机的垂直起降是怎么设计的、什么原理

1、设计

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降落时的工作程序完全相反，先打开升力发动机，逐步改主发动机尾喷管向后喷气为九十度向下喷气，直至速度为零，降落地面。

2、原理

（1）喷气反作用力，就是由发动机向下喷气产生的反作用力升力来克服重力实现垂直起降的。办法有三个，一个是偏转发动机的喷管，第二种是直接使用升力发动机提供升力，第三个是前两种办法的组合，同时使用升力发动机和主发动机。

根据牛顿第三定律，作用力与反作用力大小相等，也就是发动机的的推力与升力相等，那么垂直起降时的推重比就得大于1才能垂直起降，与推重比小于1的飞机的飞行相比，这种反作用力升力并不省力，耗能太多，不实用，因此很难推广。

（2）空气动力垂直起降，就是在发动机输出的扭矩力作用下能利用空气动力的装置，比如风扇等，像美国的F-35B的升力风扇就是一种。但这种传统的旋转式的升力风扇还是问题多多，所以还要对传统风扇进行改进，比如多环分级升力风扇，使风扇超薄，强力，坚固。

3、俄罗斯可以垂直起降的战斗机：米格-21PD、米格-23PD和苏-15VD、雅克-38、雅克-141等战斗机。

(3)自动垂直保持装置扩展阅读

1、垂直起降战斗机的主要类型：

垂直起降飞行器按照动力方式大致可分为旋翼类飞行器、喷气发动机推力转向飞机、倾转旋翼飞机、尾座式螺旋桨动力飞行器、涵道风扇动力飞行器，此外还有涵道风扇与矢量喷管联合应用的飞机，以及其他特殊概念飞行器。还有一类能够垂直起降的飞行器是微型扑翼动力的。

2、垂直起降的作用：

垂直起降飞机减少或基本摆脱了对跑道的依赖，只需要很小的平地就可以拔地而起和垂直着陆，所以在战争中飞机可以分散配置，便于灵活出击、转移和伪装隐蔽，不易被敌方发现，出勤率也大幅提高，并且对敌方的打击具有很高的突然性，大大提高了飞机的战场生存率。

另外，具有垂直起降能力的飞机不需要专门的机场和跑道，这样就省去了昂贵的机场建设费用，不用驱鸟了，也能在恶劣气象条件下起降，好处太多，降低了使用成本，所以飞机的垂直起降成了航空发展的一个方向。

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2. 水泵压力式自动上水装置：这种数派装置是通过水泵自身的压力控制，当储水罐的水位降低，水泵自动启动，供水到储水罐中，当储水罐水位升高到一定高度时，水泵会自动停止工作。

3. 智能控制式自动上水装置：这种装置是通过智能控制系统实现自动上水，可以念弊通过传感器检测储水罐的水位，控制薯高贺电磁阀和水泵的启停，实现全自动上水。

不同的类型适用于不同的场景和使用环境，需要根据实际需要选择合适的自动上水装置。