自動導(dǎo)向垂鉆系統(tǒng)與隨鉆測量技術(shù)

第1章 自動導(dǎo)向垂直鉆井系統(tǒng)

1．1 自動導(dǎo)向垂直鉆井系統(tǒng)概述

1．1．1 自動垂直鉆井系統(tǒng)

1．1．2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)

1．2 自動導(dǎo)向垂直鉆井系統(tǒng)應(yīng)用情況

1．2．1 Power V應(yīng)用情況

1．2．2 VertiTrak應(yīng)用情況

1．2．3 Smart Drilling應(yīng)用情況

1．2．4 V-pilot應(yīng)用情況

1．3 自動導(dǎo)向垂直鉆井系統(tǒng)的比較

1．3．1 Power V與VertiTrak的比較

1．3．2 Power V與Power Drive的比較

1．4 自動導(dǎo)向垂直鉆井系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1．4．1 鉆井過程的鉆孔彎曲與糾正

1．4．2 國外自動導(dǎo)向垂直鉆井技術(shù)研究現(xiàn)狀

1．4．3 國外閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究現(xiàn)狀

1．4．4 我國自動導(dǎo)向垂直鉆井技術(shù)研究現(xiàn)狀

參考文獻(xiàn)

第2章 自動導(dǎo)向垂直鉆井系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2．1 自動導(dǎo)向垂直鉆井系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)分析

2．2 自動導(dǎo)向垂直鉆井系統(tǒng)主要單元結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

2．2．1 隨鉆測量儀

2．2．2 動力源

2．2．3 糾斜單元

參考文獻(xiàn)

第3章 自動導(dǎo)向鉆具設(shè)計理論

3．1 鉆具的設(shè)計思路及步驟

3．1．1 系統(tǒng)的設(shè)計思路

3．1．2 系統(tǒng)的設(shè)計步驟

3．2 功能設(shè)計的基本方法

3．2．1 導(dǎo)向測控系統(tǒng)的作用與功能

3．2．2 傳動機(jī)構(gòu)的作用與功能

3．2．3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能

3．2．4 動力源的作用與功能

3．3 鉆具的功能設(shè)計

3．3．1 鉆具的測控系統(tǒng)

3．3．2 鉆具的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

3．3．3 動力源

3．4 鉆具的設(shè)計目標(biāo)和原則

3．5 實(shí)際鉆進(jìn)軌跡的測定

3．6 鉆孔段偏斜判斷

3．7 位移控制原理簡介

3．8 導(dǎo)向鉆具工作原理

參考文獻(xiàn)

第4章 自動導(dǎo)向鉆具偏置機(jī)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化

4．1 自動導(dǎo)向鉆具偏置機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

4．1．1 自動導(dǎo)向鉆具基本結(jié)構(gòu)

4．1．2 偏置機(jī)構(gòu)的工作原理

4．1．3 偏置機(jī)構(gòu)的工作要求

4．2 自動導(dǎo)向鉆具偏置機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)

4．2．1 偏置機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)運(yùn)動規(guī)律

4．2．2 偏置機(jī)構(gòu)推靠力計算

4．3 自動導(dǎo)向鉆具偏置力優(yōu)化控制

4．3．1 偏置合力矢量控制分析

4．3．2 偏置位移矢量控制分析

4．3．3 自動導(dǎo)向鉆具偏置機(jī)構(gòu)控制方案

4．4 自動導(dǎo)向鉆具偏置機(jī)構(gòu)三維參數(shù)化仿真設(shè)計

4．4．1 三維參數(shù)化設(shè)計

4．4．2 自動旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具三維參數(shù)化仿真設(shè)計

參考文獻(xiàn)

第5章 自動導(dǎo)向垂直鉆井系統(tǒng)糾斜單元設(shè)計與優(yōu)化

5．1 糾斜單元液壓系統(tǒng)控制方案分析

5．2 糾斜單元液壓元件選型及設(shè)計

5．2．1 液壓泵選型

5．2．2 液壓閥選型

5．2．3 液壓缸設(shè)計

5．3 糾斜單元液壓系統(tǒng)動態(tài)仿真

5．3．1 液壓仿真軟件的選擇

5．3．2 液壓仿真試驗分析

5．4 糾斜單元液壓系統(tǒng)試驗及分析

5．4．1 糾斜單元液壓試驗系統(tǒng)硬件方案

5．4．2 糾斜單元液壓系統(tǒng)試驗軟件方案

5．4．3 糾斜單元液壓系統(tǒng)試驗結(jié)果及分析

參考文獻(xiàn)

第6章 自動導(dǎo)向鉆具BHA動力學(xué)分析及研究

6．1 鉆井系統(tǒng)鉆柱固有頻率的計算

6．1．1 鉆井系統(tǒng)縱向振動頻率分析

6．1．2 鉆井系統(tǒng)橫向振動規(guī)律分析

6．1．3 鉆井系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動規(guī)律分析

6．1．4 鉆井系統(tǒng)鉆柱耦合動力學(xué)模型

6．2 自動導(dǎo)向鉆具BHA耦合振動的動力學(xué)分析

6．2．1 鉆桿系統(tǒng)的動能

6．2．2 鉆桿系統(tǒng)的勢能

6．2．3 非保守所做的功

參考文獻(xiàn)

第7章 自動導(dǎo)向鉆具BHA動力學(xué)有限元分析

7．1 有限元軟件ANSYS

7．2 鉆柱的有限元分析法

7．3 自動導(dǎo)向鉆具BHA振動模型分析

7．3．1 自動導(dǎo)向鉆具BHA軸向振動分析

7．3．2 自動導(dǎo)向鉆具BHA橫向振動分析

7．3．3 自動導(dǎo)向鉆具BHA扭轉(zhuǎn)振動分析

7．4 自動導(dǎo)向鉆具偏置機(jī)構(gòu)有限元分析

7．4．1 不同工況對偏置機(jī)構(gòu)軸向振動的影響

7．4．2 不同工況對偏置機(jī)構(gòu)橫向振動的影響

參考文獻(xiàn)

第8章 隨鉆測量電磁波傳輸理論

8．1 隨鉆測量電磁波雙向傳輸

8．1．1 隨鉆測量的電磁波傳輸

8．1．2 隨鉆測量電磁波雙向信號傳輸原理

8．2 隨鉆測量電磁波傳輸理論

8．2．1 電磁波傳播的基本理論

8．2．2 電磁波信號傳輸深度及影響因素

8．3 隨鉆測量電磁波發(fā)射模式

8．3．1 隨鉆測量電磁波激勵方式

8．3．2 隨鉆測量電磁波常見發(fā)射方式

8．4 隨鉆測量電磁波接收天線

8．4．1 直接電激勵發(fā)射的兩種天線

8．4．2 并式天線特性分析

8．5 隨鉆測量電磁波孔內(nèi)雙向傳輸試驗

8．5．1 不同地層的雙向信號傳輸試驗

8．5．2 正弦波雙向信號傳輸試驗

參考文獻(xiàn)

第9章 電磁波隨鉆測量儀結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

9．1 電磁波隨鉆測量儀總體方案設(shè)計

9．1．1 系統(tǒng)設(shè)計方案

9．1．2 設(shè)計技術(shù)指標(biāo)

9．1．3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

9．1．4 結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)分析

9．2 電磁波隨鉆測量儀密封抗壓技術(shù)

9．2．1 電磁波隨鉆測量儀管筒抗壓設(shè)計

9．2．2 電磁波隨鉆測量儀密封設(shè)計

9．3 電磁波隨鉆測量儀密封結(jié)構(gòu)仿真分析

9．3．1 仿真軟件的選用及基本理論和計算

9．3．2 管筒連接頭O形橡膠圈徑向密封結(jié)構(gòu)仿真分析

9．3．3 管簡連接頭O形橡膠圈軸向密封結(jié)構(gòu)仿真分析

9．4 電磁波隨鉆測量儀電氣安裝技術(shù)

9．4．1 電源的選取與安裝

9．4．2 各組件的連接方式

9．4．3 測斜傳感器的安裝

9．5 電磁波隨鉆測量儀環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)

9．5．1 電磁波隨鉆測量儀減振設(shè)計

9．5．2 電磁波隨鉆測量儀散熱設(shè)計

9．6 電磁波隨鉆測量儀現(xiàn)場試驗

參考文獻(xiàn)

第10章 井下渦輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)分析與仿真

10．1 井下渦輪發(fā)電機(jī)基本理論

10．1．1 水輪機(jī)工作中的能量轉(zhuǎn)換

10．1．2 交流同步發(fā)電機(jī)基本理論

10．2 井下渦輪發(fā)電機(jī)渦輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

10．2．1 井下渦輪發(fā)電機(jī)渦輪結(jié)構(gòu)分析

10．2．2 井下渦輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗

參考文獻(xiàn)2100433B

《自動導(dǎo)向垂鉆系統(tǒng)與隨鉆測量技術(shù)》根據(jù)自動導(dǎo)向垂直鉆井系統(tǒng)的工作原理，對自動導(dǎo)向垂直鉆井系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；根據(jù)導(dǎo)向鉆具的工作狀況對其進(jìn)行動力學(xué)研究和有限元分析；對偏置機(jī)構(gòu)的控制方案，糾斜單元的糾斜策略進(jìn)行研究；分析電磁波信號在地下傳輸?shù)幕驹?，對電磁波隨鉆測量儀設(shè)計的關(guān)鍵問題進(jìn)行研究；最后對井下渦輪發(fā)電機(jī)不同外部結(jié)構(gòu)形式下的內(nèi)部流場特性進(jìn)行仿真，提出適用于井下渦輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)方案。

《自動導(dǎo)向垂鉆系統(tǒng)與隨鉆測量技術(shù)》可供從事鉆井工程、石油鉆井、地質(zhì)勘查、地質(zhì)鉆探等領(lǐng)域的科研人員、教師、工程師及其他相關(guān)人員參考和閱讀。

20世紀(jì)90年代末，日本 MAC 公司研制了以陀螺慣量原理為主的盾構(gòu)掘進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)，英國 ZED 公司研制了 ZED 盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)。由于陀螺儀不適應(yīng)于盾構(gòu)慢速運(yùn)動狀態(tài); ZED 產(chǎn)品換站過程中需用人工計算，也不適應(yīng)現(xiàn)場需求。所以，兩個系統(tǒng)相繼被市場淘汰。之后，德國 VMT 公司研制了以激光電子檢測技術(shù)為主的VMT盾構(gòu)掘進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng); 日本演算工房研制了以光學(xué)棱鏡測量技術(shù)為主的 Robtec盾構(gòu)掘進(jìn)自動導(dǎo)向系統(tǒng)。前者是將激光束照射在置于盾構(gòu)內(nèi)專用的電子目標(biāo)靶上，測出激光光束和標(biāo)靶的位置關(guān)系，再推算出盾構(gòu)機(jī)姿態(tài); 后者是通過測量設(shè)置在盾構(gòu)機(jī)中固定位置上的若干個棱鏡的絕對坐標(biāo)，根據(jù)棱鏡與盾構(gòu)機(jī)切口和盾尾的相對位置關(guān)系，推算出盾構(gòu)機(jī)的位置和姿態(tài)。兩者的共同特點(diǎn)是: 充分運(yùn)用現(xiàn)代計算機(jī)、信息、測量技術(shù)，結(jié)合盾構(gòu)施工技術(shù)，使所研制的系統(tǒng)測量精度符合盾構(gòu)姿態(tài)連續(xù)檢測的要求。兩者的差異是: VMT系統(tǒng)的激光始終落在定制的目標(biāo)靶上，目標(biāo)測量和數(shù)據(jù)處理的周期為1s左右; Robtec 系統(tǒng)循環(huán)檢測盾構(gòu)內(nèi)不同位置的標(biāo)準(zhǔn)棱鏡，巡回檢測周期為40s以上。

井底鉆井參數(shù)隨鉆測量（measuring with drilling of the drilling parameters of hole bottom）指在鉆井過程中，在井底放置鉆井參數(shù)的檢測元件，直接測量鉆頭處的鉆井參數(shù)。

自動導(dǎo)向系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)

采用光學(xué)棱鏡測量技術(shù)為主的技術(shù)方案。在盾構(gòu)內(nèi)部正上方布置3個光學(xué)棱鏡，全站儀檢測盾構(gòu)內(nèi)3個棱鏡的位置，由計算機(jī)根據(jù)空間測量計算得出盾構(gòu)的運(yùn)動姿態(tài)，包括盾構(gòu)掘進(jìn)施工需要掌握的切口平面、切口高程、盾尾平面、盾尾高程等偏差，以及盾構(gòu)傾斜角和盾構(gòu)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)。如果盾構(gòu)內(nèi)某棱鏡受到施工環(huán)境干擾，只要測出 2個目標(biāo)棱鏡，結(jié)合安裝在盾構(gòu)內(nèi)的電子傾斜儀數(shù)據(jù)也可以計算出盾構(gòu)姿態(tài)。后視棱鏡作為地面絕對坐標(biāo)引入的參考基準(zhǔn)，以動態(tài)校驗全站儀的空間位置。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，需要及時掌握盾構(gòu)的姿態(tài)變化數(shù)據(jù)，以提供糾偏依據(jù)。根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)的速度和盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)尚未參與盾構(gòu)掘進(jìn)自動控制的現(xiàn)狀。一般認(rèn)為1min的采樣周期就能滿足工程應(yīng)用要求。

自動導(dǎo)向系統(tǒng)自動導(dǎo)向系統(tǒng)的組成

1) 系統(tǒng)由全站儀、目標(biāo)棱鏡、傾斜儀、計算機(jī)組成 。

(1) 該系統(tǒng)選用TPS1200全站儀，利用ATR功能，可自動搜索棱鏡，并使望遠(yuǎn)鏡十字絲精確照準(zhǔn)目標(biāo)。該全站儀可實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的通信。

(2) 采用徠卡小棱鏡或 360°小棱鏡，目標(biāo)棱鏡固定在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)，為系統(tǒng)自動跟蹤測量提供目標(biāo)。

(3)采用NS-15/P2SAMS-A型高精度雙軸傳感器，檢測盾構(gòu)機(jī)的坡度與滾角。該傳感器精度為0. 01°，為數(shù)字量輸出的傾角傳感器，量程范圍為± 15°，輸出的是 RS232 信號。

(4) 選用無線收發(fā)轉(zhuǎn)換器( SAMS-C和SAMS-B) ，建立盾構(gòu)內(nèi)計算機(jī)和置于隧道內(nèi)測量平臺上的全站儀的通信鏈路。

(5) 計算機(jī)實(shí)現(xiàn)測控運(yùn)算和系統(tǒng)集成功能。