圆盘气压式钻孔自动控制装置

⑴ 钻孔轨迹控制关键技术

(一)钻孔轨迹控制机具

随着钻探难度的增大和技术不断进步,传统的钻孔造斜机具(如偏心楔、机械式连续造斜器)已不能满足全孔或长孔段钻孔轨迹控制要求。液动孔底马达(螺杆钻具、涡轮钻具)成为钻孔轨迹控制最理想的机具。

1.液动孔底马达工作原理及结构

(1)液动螺杆钻具

液动螺杆钻具的核心是螺杆马达。螺杆马达是一种正排量容积式液压马达,是“莫诺泵”(moyno pump)即单螺杆泵原理的逆应用。螺杆马达由两个表面带有螺旋齿和槽的零件(转子和定子)组成(图7-2)。定子内表面是一层有螺旋齿和槽腔的橡胶,处于定子包容之中的钢制转子表面也有螺旋齿和槽腔,通常与定子之间处于静配合状态,并形成由若干连续密封线划分成的若干个封闭腔。当有一定压力的液体输入到达定子、转子时,一部分密封腔中充满高压液体,而且它们周期性地与高压室或低压室相通。这样在工作液体压力作用下,每个工作空腔横断面上产生不平衡液压力dF₁。这个力的分力dF_Z和dF_y可造成旋转力矩M=dF_Z·R(R是平均半径)及作用于定子上的径向力k。因此沿着转子螺距长度上,就造成一个总的旋转力矩M。这就是螺杆马达进行机械动力传递的基本过程。

图7-2 螺杆马达转子和定子横断面作用力图

图7-3为i=9/10波齿螺杆马达转子和定子啮合时形成的一系列密封腔。可以看出,转子和定子在每个截面上至少有10个接触点,从而形成10个大小不同相互分隔的密封腔。当x=0时,低压腔面积为零,随后容积高度逐渐增大;x=0.5T时达最大值(T为定子导程),然后逐渐减小;x=T时,低压腔完全封闭,形成一个完整的密封腔。对于有K级螺杆马达者,其密封腔(或密封接触线)数如下:

∑=K(Z₁+1)-Z₁space@ (7-1)

密封腔的移动是发生能量转换的条件。当转子在定子中转动时,密封腔将沿轴向移动。在转子、定子传动副中,定子波齿数Z₁比转子波齿数Z₂多一个。

Z₁=Z₂+1 (7-2)

定子导程T及转子导程t与波齿数成比例,其旋向也应相同。

深部岩心钻探技术与管理

转子和定子螺旋表面的波齿数比通常称为传动比i。

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图7-3 螺杆马达工作机构内液体压力分布

1—高压液体腔;2—低压液体腔

(a)x=0,φ₂=0;(b)x=T/10,φ₂=40°;(c)x=2T/10,φ₂=80°;(d)x=3T/10,φ₂=120°;(e)x=4T/10,φ₂=160°;(f)x=4.5T/10,φ₂=180°;(g)x=5T/10,φ₂=2000°;(h)x=6T/10,φ₂=240°;(i)x=7T/10,φ₂=280°;(j)x=8T/10,φ₂=320°;(k)x=9T/10,φ₂=360°;(l)x=T,φ₂=400°

螺杆钻具的输出扭矩M取决于螺杆马达的工作压力降和有关结构参数:

M=M₀·ΔP·D_p·t·e (7-5)

式中:M₀为转子机械单位力矩(代表转子机械类型的量值),N·m;ΔP为螺杆马达工作压力降,Pa;D_p为机械设计直径(D_p=2eZ₁),m;e为转子机械的偏心矩,m。

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式中:C_e为偏心距与螺旋表面齿半径比例的无量纲参数。

螺杆钻具轴的旋转速度,理论上不取决于压力降,而取决于通过螺杆马达截面的液体流量Q和有关结构参数。

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式中:Q为工作液体流量,L/min;n0为螺杆马达轴的单位旋转速度,在不计算液体漏失情况下由下式确定。

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由n0计算公式可以看出,螺杆马达的单位转速与波齿数成反比,在同等工作流量情况下,波齿数越多,转速越低。

液动螺杆钻具及侧向力控制组合系统主要由定向接头、上接头、溢流阀、螺杆马达(定子、转子)、万向联轴节、弯外壳、驱动轴、异径接头等组成(图7-4)。若不作为钻孔轨迹控制之用时,可以不接定向接头,弯外壳换成直外壳。

图7-4 螺杆钻具结构示意图

(2)液动涡轮钻具

液动涡轮钻具的核心是将高压液体能转换成机械能的涡轮马达,其物理基础是液力传动的欧拉方程式。涡轮水力单元由定子和转子叶片组成(图7-5),转子和定子叶片形状相同但弯曲方向相反。定子起到导流作用,将高压液体导向转子,推动转子旋转;转子将旋转力传递到传动轴带动钻头破碎岩石。涡轮马达由多级(多达百级)涡轮水力单元组成。

图7-5 单级涡轮结构图

液动涡轮钻具及侧向力控制组合系统主要由定向接头、涡轮钻具上接头、涡轮马达、弯外壳、万向接头、止推轴承、传动轴、下扶正轴承、下接头等部分组成,钻具结构如图7-6所示。

图7-6 涡轮钻具结构示意图

涡轮钻具叶片主要参数(图7-7)有:叶片平均直径,叶片高度,定、转子轴向高度、叶片结构角等。

涡轮叶片的平均计算直径D:

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叶片高度:

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级高:

l=l₁+l₂+Δ (7-11)

式中:l₁、l₂分别为涡轮定、转子的轴向高度;Δ为涡轮定、转子间的轴向间隙。

叶片结构角(图7-8)为涡轮叶片骨线与叶片水平断面的夹角。定子出口和进口角:α_1k、α_2k。转子出口和进口角:β_1k、β_2k。

多级(K级)涡轮的理论压头H_K、理论扭矩M_K、理论功率N_K可由下式计算:

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图7-7 涡轮叶片的结构参数

图7-8 涡轮叶片结构角

M_K=KQγ_mR(C_1u-C_2u) (7-13)

N_K=KQγ_mu(C_1u-C_2u) (7-14)

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式中:K为涡轮级数;u为转子叶轮计算直径D上的圆周速度;n为涡轮主轴转速;Q为通过涡轮的体积流量;γ_m为冲洗液密度;R为转子叶轮计算半径(R=D/2);C_1u为转子叶轮进口处绝对速度的切向分量;C_2u为转子叶轮出口处绝对速度的切向分量;g为重力加速度。

2.液动孔底动力钻具工作特性

(1)液动螺杆钻具

反映螺杆钻具工作方式的工作特性有:输出轴每分钟的转速n,输出扭矩M,有效功率N,压力降ΔP和水力效率η。通过大量试验台测试数据绘制成的螺杆钻具工作特性曲线如图7-9和图7-10所示。可以看出,输出轴载荷愈小转速愈高。转速等于零时扭矩达最大值,称为制动方式;输出轴转速最大时扭矩等于零,称为空转方式。

图7-9 YL-54型螺杆钻具特性曲线

(Q=150L/min)

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螺杆钻具属于容积式马达,其输出轴转速与泵量成正比;扭矩与压力降ΔP成正比而与泵量无关。操作者可根据螺杆钻具的特性曲线来优选钻具的合理工作范围,通过泵压表读数的变化来判断螺杆钻具在孔底的工作状况。

(2)液动涡轮钻具

分析由式(7-12)～(7-15)得出的涡轮钻具工作特性曲线(图7-11)可知:

1)涡轮钻具压降在流量、涡轮结构尺寸、级数确定后即为定值,不会随工况(钻压、扭矩)的变化而变化。

图7-11 涡轮钻具工作特性的理论曲线

2)涡轮钻具的扭矩与流量、冲洗液密度、涡轮级数成正比。

3)涡轮钻具的转速与输出扭矩成反比。扭矩超过涡轮钻具的额定扭矩就会停止旋转,即涡轮钻具没有过载能力。

4)涡轮钻具的输出功率与流量、涡轮结构尺寸、涡轮级数、冲洗液密度有关,随输出扭矩、转速的变化而变化,并存在最大值——涡轮钻具的理想工作负载点。

3.液动孔底动力钻具控制钻孔轨迹的特点

1)钻杆不回转可以精确控制钻孔轨迹,配合定向随钻系统利于遥控钻进。

2)钻杆不回转有利于控制垂直孔的孔斜。

3)钻孔纠(造)斜强度均匀,可根据需要任意调节造斜强度,可施工大中曲率半径的受控定向钻孔。

4)可在任何地层中控制钻孔轨迹。

4.液动孔底动力钻具性能差异

(1)工作特性的差异

螺杆钻具有较硬的机械特性,过载能力强;而涡轮钻的机械特性较软,过载能力差,随着钻压增大导致切削阻力矩增大时,会引起转速下降,易被“压死”而制动。因此,螺杆钻具用于地质岩心钻探作业更为适用。另一方面,螺杆钻具的压降随扭矩而变化,因而可通过泵压变化来检测螺杆钻具工作情况。而涡轮钻具的压降不因载荷而变化,对其在孔底的工作状况无法在地表直接检测。

(2)转速差异

涡轮钻具的转速明显高于螺杆钻具。一般涡轮钻具空转转速多在1200r/min以上,其工作转速(即空载转速的一半)也多在600r/min以上,而单头螺杆钻具的转速一般只在400r/min左右,多头螺杆钻具转速一般在200r/min左右。

(3)压降差异

外径相近、工况参数(排量、冲洗液密度)相同的两种钻具,涡轮钻具的压降远远大于螺杆钻具的压降。例如:Φ165mm的多头螺杆钻具,其额定工作压降Δp一般为3MPa(空载起动压降一般小于1MPa),而尺寸相近的涡轮钻具,其压降一般可达5～7MPa,涡轮钻具对于深孔小环状间隙钻孔钻进影响较大。

(4)耐温性能差异

螺杆钻具的定子衬里是耐油丁腈橡胶,过高的工作温度会使定子橡胶脆化而造成先期破坏,橡胶部件造成了钻具承温能力的极限值。一般的螺杆钻具工作温度不超过125℃;涡轮钻具内部没有橡胶件,不受高温的限制。

(5)直径影响的差异

涡轮钻具与螺杆钻具相比,涡轮钻具的功率和扭矩受直径的影响甚大,而直径对螺杆钻具的影响较小,地质岩心钻探一般多选用螺杆钻具。

(6)横振差异

螺杆钻具的转子在定子型腔内作平面行星运动,产生离心惯性力造成钻具横向振动。而涡轮钻具的转子作定轴转动不会引起离心惯性力和横向振动。

(7)长度差异

在外径相近、扭矩相近的条件下,涡轮钻具的长度明显大于(甚至成倍于)螺杆钻具长度,长度过大对钻孔造斜作业不利,而进行中小曲率半径钻孔轨迹控制选用螺杆钻具比较有利。

(二)钻孔轨迹控制定向测量技术

定向测量技术是实现钻孔轨迹控制的基础。目前主要有单点定向测量和随钻测量两大类。

1.单点定向测量技术

单点定向测量是在造斜机具下孔后,钻进前用仪器测量机具的方向,钻进过程中不再测量。目前单点定向测量方法有直接定向和间接定向两种。

(1)直接定向法

直接定向有两种情况。一是直孔中只需测量和确定造斜工具定向标记在孔内(相对子午线或坐标已知点)的方位。二是斜孔中需同时测量和确定造斜部位的方位角以及造斜工具所需的安装角(或安装方位)。

直接定向法采用专用测斜定向仪(如照相测斜定向仪、直读式测斜定向仪、环测法测斜定向仪等,详见第十章第二节)下孔对造斜工具进行井下定向。根据仪器所测参数数目,可分为全测仪和非全测仪。全测仪既可测量造斜工具定向标记的方位或安装角(面向角),又可测量钻孔方位与顶角。非全测仪只能测量造斜工具定向标记方位。根据读取参数的方法,还可分为测量型和记录型仪器。前者可在地表显示工具安装角和孔斜参数,后者则在孔内记录,延迟读数。

(2)间接定向法

间接定向以造斜点原斜孔方向为基准,在已知造斜部位倾斜平面方向的基础上(即先用测斜仪测定造斜部位钻孔倾斜平面的方位)只需测量或确定造斜工具在孔内的安装角。由于各种重力敏感元件(如钢球、重锤、摆锤、偏重块、水银球、气泡、玻璃管中装酸液等)容易制作,并在倾斜钻孔中能正确反应钻孔倾斜平面方向,所以仪器结构比直接定向仪器简单。常用的有钢球定向仪、摆锤定向仪、偏重块定向器等。根据间接定向仪确定工具安装角方法的不同,可分为测量型、指示型、自动型。测量型仪器可在地表显示造斜工具的安装角;指示型只能在地表指示造斜工具的面向是否处于预定位置,不能显示安装角的具体数值;自动型可使造斜工具在孔内自动到达预定的面向位置,地表不显示。其中指示型间接定向仪种类最多。根据敏感元件孔内发出的信息及地表显示方式,指示型间接定向仪又分为机械指示型、电指示型、液力指示型、声及光指示型等。

2.随钻测量技术

随钻测量技术(Measurement While Drilling,简称MWD)可以不间断导向钻进并测量某些近钻头孔底信息,实时传至地表。获取的信息包括:导向钻进数据(孔斜角、方位角、工具面向角等),地层特征(伽马、电阻率等),钻进参数(钻压、扭矩、转速等)。目前,地质钻探随钻测量以钻孔轨迹参数为主。

如图7-12所示,随钻测量系统包括装在下部钻具组合中的井下仪器和发射器,通过遥测信道将信号发送到地表,再经译码和处理显示所需的信息。MWD的最大优点是使钻探和地质工作者能实时地“看”到孔内情况,从而改进决策过程。随钻测量主要包括有线随钻MWD和无线随钻MWD两大类。有线系统有钻杆传输和电缆传输;无线系统有电磁波、地震(声)波、泥浆脉冲传输方式。

图7-12 MWD系统示意图

(1)钻杆传输法

该方法的传感器装在特制钻铤内,用铠装电缆(或跨接线)将该钻铤与钻杆下端连接起来。跨接线的长度必须与BHA(孔底钻具组合)的总长相等并维持一定的张力。系统的另一端,在方钻杆顶部安装一个与地面设备相连的绝缘滑环,地面设备完成处理信号和显示最终结果的功能。这种系统的主要缺点是:制造特殊钻杆柱费用高,在接头处形成可靠的连续电路比较困难。

(2)电缆传输法

该方法往钻杆内下入铠装电测电缆传输信号。但加接单根时必须提出电缆和仪器,或预先将电缆线套入钻杆内孔,非常麻烦,有时甚至是不可行的。解决这一问题的方法一是:在钻柱中段加接一个类似三通接头的侧入式密封装置,将预装入钻柱的仪器电缆线附着在钻柱外壁上,可用于钻柱不回转的钻孔,只需防止电缆线的磨损与挤压;方法二是:在钻杆内卷轴上存放一段额外长度的电缆。加新单根时,系统内的电机锁销可使电缆暂时中断。但起钻前须先把整段电缆全部收回。电缆传输法的优点是操作较方便,信号传输速率高,可实现双向通讯,井底不需附加动力源,因为不存在信号减弱问题,传输效果不受深度限制。

(3)电磁波传输法

该方法把一个电磁波发射器装在孔内仪器中,孔内仪器作为BHA的一个组成部分,通过仪器中的传感器采集近钻头孔底信息,电磁波发射器产生可调制信号,以二进制码形式沿电磁波通道传输信号。通过插入钻场附近地面的天线接收并解码、显示这些信号。最具典型的是俄罗斯已研制成功的电磁波孔底遥测系统。近年来中国地质科学院勘探技术研究所开发的“慧磁”钻井中靶引导系统是电磁波信号传输与电缆传输法的结合(图7-13),已在盐田对接井中推广应用。

电磁波法传输系统的特点是数据传输速度快,载波信息量大,受泥浆和水泵特性的影响小,即使在提下钻过程中也能检测数据,系统安装比其他方法简便。

(4)声波传输法

该方法利用声波(或地震波)传播机理来工作。钻进过程中,声波沿钻杆、地层等介质传播到地表。地表监测仪器接收到信号,经处理得到有价值的相关数据。声波通道传送的信息量小。因为钻杆和接头直径的变化使声波产生反射、干涉、强度降低,从而很难在干扰噪声中分辨出有用信号。

图7-13 “慧磁”钻井中靶引导系统原理图

声波通道的主要缺点是信号随深度衰减很快。所以,钻柱中每隔400～500m要装一个中继站,使系统很复杂,其使用的最大孔深为3000～4000m。

(5)冲洗液压力脉冲传输法

目前国内外广泛应用的是基于钻孔冲洗液脉冲遥测技术,信号传播的载体是冲洗液。孔内仪器借助孔底涡轮发电机或电池组供电;孔内传感器将物理量转变为模拟电信号,经过孔内MWD组件处理转换为数字信号,被送到信号发射器,经编码、压缩处理后,控制孔内仪器阀门的开闭产生断续或连续泥浆压力脉冲信号;压力脉冲信号通过水力通道到达地表,由MWD接收器(即压力传感器)转变为电信号,经过解码、滤波等处理得到孔内测量数据。

冲洗液压力脉冲遥测法的优点在于比较简单,不需要特殊的钻杆,只需对正常钻探作业作很小改变。压力脉冲在冲洗液中以大约1200～1500m/s的速度传输,不受地层电磁特性、孔内振动波干扰,信号衰减小。但实时传送的速度与信息量有限,孔内仪器对冲洗液有严格要求:含砂量＜1%～4%,含气量＜7%。

(三)钻孔轨迹计算机智能控制技术

通过计算机智能控制钻孔轨迹属于尖端钻探技术,可望在21世纪中得以实现。它主要包括由可调造斜装置、MWD和微电脑构成的孔底自动钻孔轨迹控制系统(图7-14)。下钻前将钻孔孔身剖面设计参数存入微电脑,钻进过程中MWD随时测定钻头空间位置,同时将结果送入微电脑计算处理并与设计剖面对比,作出智能分析和决策,并发出指令调节造斜装置的状态,校正钻进方向的偏差,保证钻头按预置轨迹自动钻进。当孔内控制系统失灵时,还可以通过双向通信子系统启动孔底造斜装置和地面伺服装置,调节钻压、转速及泥浆排量等钻进参数。

目前,钻孔轨迹控制系统还很不成熟,还必须在物理模型、智能软件、执行机构及计算机测控系统等方面进行大量的多学科交叉研究工作。

图7-14 自动钻孔轨迹控制示意图

⑵ 怎样调整台钻的钻孔深度

1、首先控制工件的装卡精度。

2、细致调节固定钻床标尺。

3、精密刃磨专钻头，精密控制装卡尺寸。属

4、没有高度限位螺母，就调节工作台面的高低。

5、台钻如果没有限位装置，最简单的是防水胶布，贴在钻头上，长出2-3公分，随机甩动可以看到深度。

(2)圆盘气压式钻孔自动控制装置扩展阅读：

在使用台钻进行钻孔和扩孔加工中，现有的钻孔深度控制装置仅 适用于平整表面的工件加工，且深度控制误差大，而对于扭翘、不平整的，或厚度lmm左右的薄型板材的扩孔加工，则十分困难，而且经常会出现废品。

一种台钻钻孔深度控制装置，其特征在于: 它包括一个固定在台钻主轴套外圆上的套管，套管的下方连接U形支架， 位于U形支架底部的中心位置上设置有用于穿过钻头的通孔，位于通孔的 下方设置有长度可调的钻孔深度调节管。

具有以下优点本实用新型设计合理，结 构简单，安装和使用方便；尤其适用于厚度lmm左右且扭翘不平的薄型 板材的钻孔和扩孔加工，其加工深度的精度可控制在l丝左右，保证了产 品质量，提高生产效率3 5倍。

⑶ 求气动机械手的简单工作原理

气动机械手复主要由执制行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令。

必要时可对气动机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。

(3)圆盘气压式钻孔自动控制装置扩展阅读：

机械手气压传动采用的压缩空气往往含有水分，直接使用会影响气缸工作和腐蚀工件。故需设置一个分水装置，将压缩空气中的水分分离出去。一般选用低于6kg/c㎡的压缩空气时，需用减压阀控制气体压力，并用蓄压器储备足够的气体，以保证气缸消耗气体时，压力不致降低。

由于气压低，机械手速度就减慢，动作就失调，故在气路上需安一个压力继电器，当气压低于规定的压力时，电路断开，停止工作。