旋转导向钻井系统导向力测试装置设计及优化

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旋转导向是二十世纪末石油定向井作业领域发展起来的一种尖端定向钻井技术,推靠式旋转导向是当今旋转导向技术领域的一个重要研究分支,采用直接推靠钻头偏置的方式实现钻头导向,由于钻柱本身的刚性加上重量,使得推靠时需要的侧向推力必须足够大,所以一般采用液压作为推靠动力。文章深入研究了推靠式旋转导向系统的工作原理,分析了其控制系统的输入与输出,控制量与系统精度的关系,阐述了推靠力测量的重要性和传统推靠力测试的方法。推靠式旋转导向的控制系统不能直接测控实际作用在井壁上的推靠力,只能监控液压系统的压力,而实际作用在井壁上的力并不完全等效于压力与面积的乘积。为了精确测量实际推靠力与液压系统输出压力之间的关系,文中设计并研制了一套导向推靠力的测试装置,包括推力信号采集电路、模拟井壁的测力盘和用于数据分析处理的测试软件。用测力盘来模拟实际井壁,推力传感器直接测量推靠臂对测力盘的作用力,并将测量的推力与液压系统压力进行插值拟合,求出线性函数关系,以此作为控制系统的标定数据,同时为导向力控制及标定提供方法及手段。文章详细介绍了导向力信号采集处理模块的设计过程,电路的设计应用了目前成熟的单片机技术,满足了系统测试功能性和稳定性要求。机械设计运用SolidWorks软件对测力盘进行结构设计和三维建模,重点运用SolidWorksSimulation有限元软件对测力盘的受力情况进行分析,并根据分析结果对测力盘的结构进行了优化。测试软件的设计以delphi为开发语言,运用模块化设计思想,按照测试方法和步骤分为四个模块。论文完成了整个测试系统的设计和制造工作,并经过了联调测试,试验数据表明,经过优化的测力盘的变形明显小于改进前的测力盘,对系统的控制精度有明显的提高,且自动化的测试方式大大解放了人力,提高了工作效率,实现了课题研究的意义,达到了预期目标。
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