自动导向垂钻系统与随钻测量技术

第1章 自动导向垂直钻井系统

1．1 自动导向垂直钻井系统概述

1．1．1 自动垂直钻井系统

1．1．2 旋转导向钻井系统

1．2 自动导向垂直钻井系统应用情况

1．2．1 Power V应用情况

1．2．2 VertiTrak应用情况

1．2．3 Smart Drilling应用情况

1．2．4 V-pilot应用情况

1．3 自动导向垂直钻井系统的比较

1．3．1 Power V与VertiTrak的比较

1．3．2 Power V与Power Drive的比较

1．4 自动导向垂直钻井系统国内外研究现状

1．4．1 钻井过程的钻孔弯曲与纠正

1．4．2 国外自动导向垂直钻井技术研究现状

1．4．3 国外闭环旋转导向钻井技术研究现状

1．4．4 我国自动导向垂直钻井技术研究现状

参考文献

第2章 自动导向垂直钻井系统关键技术

2．1 自动导向垂直钻井系统组成及结构分析

2．2 自动导向垂直钻井系统主要单元结构的特点

2．2．1 随钻测量仪

2．2．2 动力源

2．2．3 纠斜单元

参考文献

第3章 自动导向钻具设计理论

3．1 钻具的设计思路及步骤

3．1．1 系统的设计思路

3．1．2 系统的设计步骤

3．2 功能设计的基本方法

3．2．1 导向测控系统的作用与功能

3．2．2 传动机构的作用与功能

3．2．3 执行机构的功能

3．2．4 动力源的作用与功能

3．3 钻具的功能设计

3．3．1 钻具的测控系统

3．3．2 钻具的执行机构

3．3．3 动力源

3．4 钻具的设计目标和原则

3．5 实际钻进轨迹的测定

3．6 钻孔段偏斜判断

3．7 位移控制原理简介

3．8 导向钻具工作原理

参考文献

第4章 自动导向钻具偏置机构的设计与优化

4．1 自动导向钻具偏置机构的基本结构及工作原理

4．1．1 自动导向钻具基本结构

4．1．2 偏置机构的工作原理

4．1．3 偏置机构的工作要求

4．2 自动导向钻具偏置机构液压系统

4．2．1 偏置机构液压系统运动规律

4．2．2 偏置机构推靠力计算

4．3 自动导向钻具偏置力优化控制

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 自动导向钻具偏置机构控制方案

4．4 自动导向钻具偏置机构三维参数化仿真设计

4．4．1 三维参数化设计

4．4．2 自动旋转导向钻具三维参数化仿真设计

参考文献

第5章 自动导向垂直钻井系统纠斜单元设计与优化

5．1 纠斜单元液压系统控制方案分析

5．2 纠斜单元液压元件选型及设计

5．2．1 液压泵选型

5．2．2 液压阀选型

5．2．3 液压缸设计

5．3 纠斜单元液压系统动态仿真

5．3．1 液压仿真软件的选择

5．3．2 液压仿真试验分析

5．4 纠斜单元液压系统试验及分析

5．4．1 纠斜单元液压试验系统硬件方案

5．4．2 纠斜单元液压系统试验软件方案

5．4．3 纠斜单元液压系统试验结果及分析

参考文献

第6章 自动导向钻具BHA动力学分析及研究

6．1 钻井系统钻柱固有频率的计算

6．1．1 钻井系统纵向振动频率分析

6．1．2 钻井系统横向振动规律分析

6．1．3 钻井系统扭转振动规律分析

6．1．4 钻井系统钻柱耦合动力学模型

6．2 自动导向钻具BHA耦合振动的动力学分析

6．2．1 钻杆系统的动能

6．2．2 钻杆系统的势能

6．2．3 非保守所做的功

参考文献

第7章 自动导向钻具BHA动力学有限元分析

7．1 有限元软件ANSYS

7．2 钻柱的有限元分析法

7．3 自动导向钻具BHA振动模型分析

7．3．1 自动导向钻具BHA轴向振动分析

7．3．2 自动导向钻具BHA横向振动分析

7．3．3 自动导向钻具BHA扭转振动分析

7．4 自动导向钻具偏置机构有限元分析

7．4．1 不同工况对偏置机构轴向振动的影响

7．4．2 不同工况对偏置机构横向振动的影响

参考文献

第8章 随钻测量电磁波传输理论

8．1 随钻测量电磁波双向传输

8．1．1 随钻测量的电磁波传输

8．1．2 随钻测量电磁波双向信号传输原理

8．2 随钻测量电磁波传输理论

8．2．1 电磁波传播的基本理论

8．2．2 电磁波信号传输深度及影响因素

8．3 随钻测量电磁波发射模式

8．3．1 随钻测量电磁波激励方式

8．3．2 随钻测量电磁波常见发射方式

8．4 随钻测量电磁波接收天线

8．4．1 直接电激励发射的两种天线

8．4．2 并式天线特性分析

8．5 随钻测量电磁波孔内双向传输试验

8．5．1 不同地层的双向信号传输试验

8．5．2 正弦波双向信号传输试验

参考文献

第9章 电磁波随钻测量仪结构设计与优化

9．1 电磁波随钻测量仪总体方案设计

9．1．1 系统设计方案

9．1．2 设计技术指标

9．1．3 总体结构设计

9．1．4 结构设计关键技术分析

9．2 电磁波随钻测量仪密封抗压技术

9．2．1 电磁波随钻测量仪管筒抗压设计

9．2．2 电磁波随钻测量仪密封设计

9．3 电磁波随钻测量仪密封结构仿真分析

9．3．1 仿真软件的选用及基本理论和计算

9．3．2 管筒连接头O形橡胶圈径向密封结构仿真分析

9．3．3 管简连接头O形橡胶圈轴向密封结构仿真分析

9．4 电磁波随钻测量仪电气安装技术

9．4．1 电源的选取与安装

9．4．2 各组件的连接方式

9．4．3 测斜传感器的安装

9．5 电磁波随钻测量仪环境适应性技术

9．5．1 电磁波随钻测量仪减振设计

9．5．2 电磁波随钻测量仪散热设计

9．6 电磁波随钻测量仪现场试验

参考文献

第10章 井下涡轮发电机结构分析与仿真

10．1 井下涡轮发电机基本理论

10．1．1 水轮机工作中的能量转换

10．1．2 交流同步发电机基本理论

10．2 井下涡轮发电机涡轮结构的优化

10．2．1 井下涡轮发电机涡轮结构分析

10．2．2 井下涡轮发电机结构设计与试验

参考文献2100433B

《自动导向垂钻系统与随钻测量技术》根据自动导向垂直钻井系统的工作原理，对自动导向垂直钻井系统的整体结构进行分析；根据导向钻具的工作状况对其进行动力学研究和有限元分析；对偏置机构的控制方案，纠斜单元的纠斜策略进行研究；分析电磁波信号在地下传输的基本原理，对电磁波随钻测量仪设计的关键问题进行研究；最后对井下涡轮发电机不同外部结构形式下的内部流场特性进行仿真，提出适用于井下涡轮发电机的结构方案。

《自动导向垂钻系统与随钻测量技术》可供从事钻井工程、石油钻井、地质勘查、地质钻探等领域的科研人员、教师、工程师及其他相关人员参考和阅读。

20世纪90年代末，日本 MAC 公司研制了以陀螺惯量原理为主的盾构掘进导向系统，英国 ZED 公司研制了 ZED 盾构导向系统。由于陀螺仪不适应于盾构慢速运动状态; ZED 产品换站过程中需用人工计算，也不适应现场需求。所以，两个系统相继被市场淘汰。之后，德国 VMT 公司研制了以激光电子检测技术为主的VMT盾构掘进导向系统; 日本演算工房研制了以光学棱镜测量技术为主的 Robtec盾构掘进自动导向系统。前者是将激光束照射在置于盾构内专用的电子目标靶上，测出激光光束和标靶的位置关系，再推算出盾构机姿态; 后者是通过测量设置在盾构机中固定位置上的若干个棱镜的绝对坐标，根据棱镜与盾构机切口和盾尾的相对位置关系，推算出盾构机的位置和姿态。两者的共同特点是: 充分运用现代计算机、信息、测量技术，结合盾构施工技术，使所研制的系统测量精度符合盾构姿态连续检测的要求。两者的差异是: VMT系统的激光始终落在定制的目标靶上，目标测量和数据处理的周期为1s左右; Robtec 系统循环检测盾构内不同位置的标准棱镜，巡回检测周期为40s以上。

井底钻井参数随钻测量（measuring with drilling of the drilling parameters of hole bottom）指在钻井过程中，在井底放置钻井参数的检测元件，直接测量钻头处的钻井参数。

自动导向系统设计依据

采用光学棱镜测量技术为主的技术方案。在盾构内部正上方布置3个光学棱镜，全站仪检测盾构内3个棱镜的位置，由计算机根据空间测量计算得出盾构的运动姿态，包括盾构掘进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，以及盾构倾斜角和盾构转角数据。如果盾构内某棱镜受到施工环境干扰，只要测出 2个目标棱镜，结合安装在盾构内的电子倾斜仪数据也可以计算出盾构姿态。后视棱镜作为地面绝对坐标引入的参考基准，以动态校验全站仪的空间位置。盾构掘进过程中，需要及时掌握盾构的姿态变化数据，以提供纠偏依据。根据盾构掘进的速度和盾构姿态数据尚未参与盾构掘进自动控制的现状。一般认为1min的采样周期就能满足工程应用要求。

自动导向系统自动导向系统的组成

1) 系统由全站仪、目标棱镜、倾斜仪、计算机组成 。

(1) 该系统选用TPS1200全站仪，利用ATR功能，可自动搜索棱镜，并使望远镜十字丝精确照准目标。该全站仪可实现与其他设备的通信。

(2) 采用徕卡小棱镜或 360°小棱镜，目标棱镜固定在盾构机内，为系统自动跟踪测量提供目标。

(3)采用NS-15/P2SAMS-A型高精度双轴传感器，检测盾构机的坡度与滚角。该传感器精度为0. 01°，为数字量输出的倾角传感器，量程范围为± 15°，输出的是 RS232 信号。

(4) 选用无线收发转换器( SAMS-C和SAMS-B) ，建立盾构内计算机和置于隧道内测量平台上的全站仪的通信链路。

(5) 计算机实现测控运算和系统集成功能。