一種空間擺軸的徑向交變載荷加載方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種交變載荷加載方法，特別是一種空間擺軸的徑向交變載荷加載方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會、工業(yè)的發(fā)展，對油氣資源的需求量呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，同時，陸地油 田相繼進入開發(fā)后期，對油氣能源行業(yè)供給形成巨大挑戰(zhàn)，石油行業(yè)不得不加大石油開發(fā) 勘探力度。然而，油氣資源的開發(fā)不得不由陸地向海洋、由淺海向深海轉(zhuǎn)移，這將無形中加 大石油開發(fā)的難度。同時隨著勘探、開發(fā)過程的不斷深入，由于受到井場、平臺條件的限制 和鉆探目標復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造越來越復(fù)雜，為提高油氣鉆遇率，增加油氣產(chǎn)量，大位移水平井、 三維多目標井、叢式井及高難度定向井等復(fù)雜工藝井相繼出現(xiàn)，對鉆井工具提出了更高的 要求。傳統(tǒng)利用有線隨鉆測量儀器（WLMWD)和無線隨鉆測量儀器（MWD)的滑動鉆井技術(shù)， 由于鉆柱在鉆井過程中不轉(zhuǎn)動的特點，存在高摩阻、容易卡鉆等問題，已經(jīng)不能滿足這些復(fù) 雜井的開發(fā)需求，已經(jīng)嚴重制約油氣井勘探開發(fā)進程。隨著隨鉆錄井（LWD)技術(shù)的出現(xiàn)，新 型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的研宄越來越多地受到關(guān)注。
[0003] 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)不僅可以實現(xiàn)地面對井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的實時自動控制， 實現(xiàn)鉆頭的精確控制，同時，通過鉆井過程中實施定向鉆進功能，能夠提高工作效率，因此， 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)使導(dǎo)向鉆井技術(shù)徹底改變、是一次質(zhì)的飛躍。與滑動導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)相比， 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)具有摩阻小、鉆速高、井眼軌跡平滑、鉆井周期短及良好的井眼清洗能 力，能夠提高鉆井的安全性及鉆具的使用壽命，被認為是現(xiàn)代導(dǎo)向鉆井技術(shù)的發(fā)展方向。
[0004] 專利文獻CN102900364A在2013年1月30日公開了一種靜態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆 井工具，專利文獻CN103195405A在2013年7月10日公開了一種指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向執(zhí)行機構(gòu) 心軸位移矢量控制系統(tǒng)及方法，提出了靜態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的控制方法；專利文 獻CN104265271A在2015年1月7日公開了一種空間擺軸偏心位移的測試方法，對實際芯 軸偏心位移的測量方法進行了研宄。在鉆井過程中，受來自鉆頭-巖層交變載荷的作用，導(dǎo) 向偏置執(zhí)行機構(gòu)的性能將直接影響到旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的工作性能和使用壽命，而在實驗 室條件下如何模擬導(dǎo)向偏置執(zhí)行機構(gòu)的交變載荷加載成為決定其實驗可靠性的重要因素， 為此，需要開展芯軸擺動情況下徑向交變載荷加載的研宄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種原理簡單且操作方便的空 間擺軸的徑向交變載荷加載方法。
[0006] 本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：一種空間擺軸的 徑向交變載荷加載方法，采用加載模型進行加載，所述加載模型包括調(diào)心關(guān)節(jié)軸承、空間擺 軸、增力環(huán)、激振裝置、滑動座、轉(zhuǎn)動座、連接板和柔性連接軸，所述空間擺軸通過所述調(diào)心 關(guān)節(jié)軸承周向轉(zhuǎn)動且軸向固定地安裝在所述轉(zhuǎn)動座內(nèi)；所述激振裝置的輸出端、所述柔性 連接軸、所述連接板和所述増力環(huán)依次同心固接，所述增力環(huán)周向轉(zhuǎn)動且軸向移動地安裝 在所述滑動座內(nèi)；所述增力環(huán)的內(nèi)部為錐形孔，所述增力環(huán)的錐形孔靠近所述激振裝置的 一端為小徑端，所述空間擺軸的一端延伸至所述增力環(huán)的錐形孔內(nèi)，二者形成點接觸；所述 空間擺軸的徑向交變載荷為：
[0008] 式中：
[0009] f?一空間擺軸的徑向交變載荷；
[0010] e -增力環(huán)的內(nèi)部錐形孔錐角；
[0011] F-激振裝置輸出的水平方向激振載荷。
[0012] 本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果：1)通過改變激振裝置輸出的水平方向激振載荷 和增力環(huán)內(nèi)部錐形孔的錐角即可調(diào)整空間擺軸徑向交變載荷，加載力控制簡單且可方便實 現(xiàn)不同的放大效果；2)通過改變激振裝置類型即可獲得不同的激振載荷類型，因而能夠滿 足不同激振載荷類型的加載需求。綜上所述，本發(fā)明原理簡單、操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)不同激 振載荷類型、不同大小激振載荷的加載。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明所采用的加載模型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖2為本發(fā)明的空間擺軸和增力環(huán)接觸點的受力分析示意圖。
[0015] 圖中：1、調(diào)心關(guān)節(jié)軸承；2、空間擺軸；3、增力環(huán)；4、激振裝置；5、滑動座；6、轉(zhuǎn)動 座；7、連接板；8、柔性連接軸。
【具體實施方式】
[0016] 為能進一步了解本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
、特點及功效，茲例舉以下實施方式，并配合附 圖詳細說明如下：
[0017] 請參閱圖1，一種空間擺軸的徑向交變載荷加載方法，通過一個加載模型來實現(xiàn)， 該加載模型主要包括：調(diào)心關(guān)節(jié)軸承1、空間擺軸2、增力環(huán)3、激振裝置4、滑動座5、轉(zhuǎn)動座 6、連接板7和柔性連接軸8。所述空間擺軸2通過所述調(diào)心關(guān)節(jié)軸承1周向轉(zhuǎn)動且軸向固 定的安裝在所述轉(zhuǎn)動座6內(nèi)，所述空間擺軸2可繞所述調(diào)心關(guān)節(jié)軸承1做空間擺動，擺動角 為[0,90。）。
[0018] 所述激振裝置4的輸出端、所述柔性連接軸8、所述連接板7和所述増力環(huán)3依次 同心固接，它們的中心線共線，所述增力環(huán)3周向轉(zhuǎn)動且軸向移動地安裝在所述滑動座5 內(nèi)。所述增力環(huán)3的內(nèi)部為錐形孔，所述增力環(huán)3的錐形孔靠近所述激振裝置4的一端為 小徑端，所述空間擺軸2的一端延伸至所述增力環(huán)3的錐形孔內(nèi)，二者形成點接觸。
[0019] 為計算由所述激振裝置4輸出的水平方向激振載荷與所述空間擺軸2徑向交變載 荷的轉(zhuǎn)換關(guān)系，本發(fā)明只考慮二者之間的正壓力而忽略二者之間的摩擦力，基于斜面滑塊 模型對所述空間擺軸2和所述增力環(huán)3進行受力分析如圖2所示。
[0020] 根據(jù)圖2所示的在所述空間擺軸2和所述增力環(huán)3的接觸點M建立的受力分析示 意圖，建立如下關(guān)系式：
[0022] 式中：
[0023] f一空間擺軸2的徑向交變載荷；
[0024] F'一接觸點M水平分力；
[0025] a-接觸點M水平分力F'的作用力方向與正壓力N的作用力方向夾角。
[0026] 同樣，基于圖2所示的受力分析示意圖，可得到如下關(guān)系式：
[0028] F' = F (3)
[0029]式中：
[0030] 0 -增力環(huán)3內(nèi)部錐形孔的錐角；
[0031] F-激振裝置4輸出的水平方向激振載荷。
[0032] 因此，將式⑵和式（3)代入式⑴可得到如下關(guān)系式：
[0034] 由式⑷可知，通過改變所述激振裝置4輸出的水平方向激振載荷和所述增力環(huán) 3內(nèi)部錐形孔的錐角即可調(diào)整所述空間擺軸2的徑向交變載荷。
[0035] 增力環(huán)通過內(nèi)部的錐形孔實現(xiàn)將激振裝置輸出的水平方向激振載荷轉(zhuǎn)換為空間 擺軸的徑向交變載荷，同時通過增力環(huán)內(nèi)部錐形孔的錐角大小改變激振載荷和徑向交變載 荷的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
[0036] 上述加載模型已經(jīng)應(yīng)用在專利文獻CN102900364A于2013年1月30日公開的靜 態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中。
[0037] 盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上 述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可 以做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種空間擺軸的徑向交變載荷加載方法，其特征在于，采用加載模型進行加載，所 述加載模型包括調(diào)屯、關(guān)節(jié)軸承、空間擺軸、增力環(huán)、激振裝置、滑動座、轉(zhuǎn)動座、連接板和柔 性連接軸，所述空間擺軸通過所述調(diào)屯、關(guān)節(jié)軸承周向轉(zhuǎn)動且軸向固定地安裝在所述轉(zhuǎn)動座 內(nèi)； 所述激振裝置的輸出端、所述柔性連接軸、所述連接板和所述増力環(huán)依次同屯、固接，所 述增力環(huán)周向轉(zhuǎn)動且軸向移動地安裝在所述滑動座內(nèi)；所述增力環(huán)的內(nèi)部為錐形孔，所述 增力環(huán)的錐形孔靠近所述激振裝置的一端為小徑端，所述空間擺軸的一端延伸至所述增力 環(huán)的錐形孔內(nèi)，二者形成點接觸； 所述空間擺軸的徑向交變載荷為：式中： f-空間擺軸的徑向交變載荷； 0-增力環(huán)的內(nèi)部錐形孔錐角； F-激振裝置輸出的水平方向激振載荷。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種空間擺軸的徑向交變載荷加載方法，采用加載模型進行加載，所述加載模型包括：調(diào)心關(guān)節(jié)軸承、空間擺軸、增力環(huán)、激振裝置、滑動座、轉(zhuǎn)動座、連接板和柔性連接軸；空間擺軸通過調(diào)心關(guān)節(jié)軸承周向轉(zhuǎn)動且軸向固定的安裝在轉(zhuǎn)動座內(nèi)；激振裝置的輸出端、柔性連接軸、連接板和增力環(huán)依次同心固接，增力環(huán)周向轉(zhuǎn)動軸向移動地安裝在滑動座內(nèi)；增力環(huán)內(nèi)部為錐形孔且與空間擺軸成點接觸。增力環(huán)通過內(nèi)部的錐形孔實現(xiàn)將激振裝置輸出的水平方向激振載荷轉(zhuǎn)換為空間擺軸的徑向交變載荷，同時通過增力環(huán)內(nèi)部錐形孔的錐角大小改變激振載荷和徑向交變載荷的轉(zhuǎn)換關(guān)系。本發(fā)明原理簡單、操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)不同激振載荷類型、不同大小激振載荷的加載。
【IPC分類】G01M7/02
【公開號】CN104931216
【申請?zhí)枴緾N201510242470
【發(fā)明人】牛文鐵, 李洪濤
【申請人】天津大學
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2015年5月13日