井下闭环可控弯接头导向机构基础理论研究

井下闭环可控弯接头导向机构的设计理论是目前亟待解决的重要理论问题。本项目将在已完成的井下闭环旋转导向钻井工具研究成果的基础上，首次提出一种带有变异万向轴的空间机构作为新颖可控弯接头的导向机构模型，通过利用井下伺服电机与转动钻杆混合驱动机械系统，实现多自由度可控弯接头的闭环控制；通过开展导向机构模型研究，提出最佳构型新方案；通过建立可控弯接头正运动学、逆向运动学、动力学模型，为混合输入控制参数和控制方式提供理论依据；通过开展对导向机构数学模型求解方法的研究，完成对数学模型的求解；通过开展变异万向轴共轭啮合原理研究，确定相关啮合几何参数；通过开展变异万向轴磨损机理与接触特性分析，研究影响磨损的因素。将模拟旋转导向钻井环境的实验研究与仿真分析相结合，实现对可控弯接头设计理论的研究，找到钻井参数、环境参数、结构参数对可控弯接头工作行为的影响规律，并形成可控弯接头导向机构设计的新理论和新准则。

可控弯接头是一种新型全旋转动态指向式旋转导向钻井工具，它的理论机构模型的建立对旋转导向钻井工具功能的研究有着非常重要的现实意义。根据可控弯接头基本结构和工作原理，提出了导向机构的整体结构设计方案,相比其它结构形式的旋转导向钻井工具，该机构能使井眼轨迹形状更优,工作空间范围更大。基于机构学原理，以空间六杆机构作为可控弯接头导向机构模型,给出了自由度计算准则，得出了机构具有确定运动的条件。通过对可控弯接头偏心机构的合偏心位移与内,外偏心环偏心距之间的关系分析，建立了导向机构偏心矢量的数学模型。根据钻头的钻进状态，建立了导向机构运动学数学模型，得出了可控弯接头在不同工作模式下的运动学参数。在此基础上提出了一种动态偏置指向式旋转导向钻井工具的工具角与工具面角灵活调节的三种控制方式，并且在工具角与工具面角调节完成后,使整个系统处于稳定状态。通过对可控弯接头的工作特性仿真，模拟了可控弯接头在造斜和稳斜阶段的工作情况，得到了钻头的摆角曲线、角速度曲线和角加速度曲线等关键动力学参数。通过对导向节中钢球与滚道之间的啮合分析，建立了共轭啮合接触数学模型，得到了滚道参数的计算公式。根据赫兹理论对钢球和滚道的接触力学行为进行了分析，建立了钢球与滚道的摩擦应力数学模型，得到了影响钢球与滚道接触应力的主要因素。应用润滑理论，得到了在导向节工作过程中润滑膜厚度计算数学模型，得到了低速重载情况下，影响润滑油膜厚度的因素，并借助于摩擦磨损测试仪进行了实验研究，为提高导向机构的工作寿命奠定了理论基础。通过三坐标测量机对导向轴啮合摆动灵巧性进行了实验研究，为导向节的改进设计提供了有力的指导。结合井下工具实验测试相关技术，研制了可控弯接头综合试验台，为动态指向式旋转导向钻井工具的深入研究提供了有力的实验设备。