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随着我国国民经济的快速增长，资源与环境日益成为可持续发展两大制约因素。尽管地质找矿有许多问题要解决，深部找矿及在已有开采矿山的范围内，攻深、找盲、探底更具实际操作性，可实现地质找矿的突破。这是因为：(一)从地质成矿理论来讲，矿连矿、矿生矿等是矿产生成规律；(二)大部分老矿山，矿下有矿(如煤下有铝)，矿上有矿(如油上有盐)。并且这些地方经济发达，水电路及工业基础齐备。另外，这也是解决因矿山枯竭造成人员下岗等不稳定因素的有效途径。这样，解决深部找矿问题，小直径自动导向钻具的研制开发与应用对国家经济可持续发展就显得越来越重要。
石油开采行业也有类似的需求。近年来，国内外大部分油田已相继进入开发后期，易开发油气田日益减少，新探明区块的地质、环境条件复杂，如沙漠、滩海、海洋等地区，使得勘探开发难度和成本大大增加。已有老油田为实现稳产，面临着大量的边缘油气藏、独立小油气藏、超薄油气藏、复杂断块油气藏等难动用储量的开发问题。为高效率低成本的勘探开发上述油气田，超深井、大位移井、定向井、水平井、超薄油层水平井、多分枝井等复杂结构井所占的比例越来越大。为了适应这些复杂结构井钻井作业的需要，迫切需要发展自动导向钻井高新技术。
20世纪90年代，自动导向钻井技术在国外迅速发展。到本世纪初美国三大石油公司斯伦贝谢、哈利伯顿和贝克休斯都已研制出自己的旋转导向钻具以及自动垂直钻具。但这些高新技术钻具不卖给中国，只能高价租用。国内中石油和中石化下属单位目前正在研究适用于石油钻井的自动导向钻具。但用于地质、煤田等其他领域的小直径旋转导向钻具迄今为止尚未有人研究。
小直径自动导向钻进具有钻进速度高、成本低、应用范围广的优点，在我国资源持续紧张的大背景下具有极大的市场需求。特别在进行深部矿产资源勘探与开采方面，迫切需要小直径旋转导向钻井系统。由于钻具内空间狭小，小直径旋转导向钻具的研制比大口径更难。
本论文为适应这种需要，在国家863项目和地质调查项目的支持下对小直径自动导向钻井系统进行预研究。研究设计了直径为146mm的自动导向钻具，并对其关键部件单元如测控单元、动力单元和执单元进行了理论研究和设计，且完成了加工与试验。该项研究是为我国“十二五”期间制作小直径自动导向钻具进行的前期工作。这种自动导向钻具将用于深部找矿地质钻探、下一轮大陆科学钻探、煤田探采钻探以及小直径工程施工钻探等，也可用于小直径石油钻井。
论文的主要内容包括：
1、在绪论中阐述了小直径自动导向钻具的研究意义，指出研究的必要性与迫切性。分析了国内外研究现状，阐明了研究的先进性与挑战性。
2、在总体功能与结构设计一章中，分析了自动导向钻具的设计原理。提出了一种确定钻具倾斜状态与偏离距离的计算方法，此种方法根据钻进测斜计算理论与空间几何直线相对位置进行判断。采用平均角法或最小曲率法计算出测段两测点的方位与深度坐标值，判断测段空间坐标偏离设计轨迹的距离与方向，根据计算结果，确定控制支撑板的序号，进行纠斜控制。为完成这一过程，钻具需要具有测斜、判断、输出控制指令、完成控制动作等基本功能。确定结构单元主要包括测斜、数据采集与控制、双向信息传输通道、执行单元与动力单元等。
3、在电磁波双向信号传输一章中，讨论了电磁波双向信号传输在旋转导向钻进中的作用，指出电磁波在硬岩中传输距离远、传输速率高、容易小直径化、制作成本低，比较适用于地质钻探。分析了电磁波信号在地下传输的基本原理与频率特性。把检测数据或指令调制成时变电信号，采用1～100Hz的可调频率发射出去。电磁波双向信号传输装置包括井下机、井上机、计算机控制台以及地上和地下天线。根据天线互易定理，天线的发射与接收性能是一致的，故发射与接收可共用同一天线。井下机主要发射钻孔测斜及其他孔底状态数据，井上机主要向下发射计算机控制台传来的数据。信号发射方式不同对信号在地层中的传播有较大的影响，以磁天线方式发射，传播距离近，电天线发射传播距离远。为达到传输2000m以上的距离，本课题采用直接电场耦合信号发射方式。国外实际应用的这类天线是在距传感器较近的位置截断钻杆安装绝缘段，构成不对称的偶极子天线。这样上下两个电极，中间由绝缘段隔开的天线，可以称之为“串式”天线，由于要和钻杆一样承受钻压、扭矩，对绝缘段强度的要求相当高。这种天线具有一个很大的优点是钻深孔时可以把绝缘段适当上移，以增加下部发射电极的长度，从而提高发射能力。
4、在动力单元一章提出了螺杆泵驱动发电机供电的概念。设计了外径为60mm的螺杆泵驱动装置与外径为60mm的低速永磁发电机。制作这种发电机的主要难点在于长径比过长，采用传统的电机设计方法无法完成这一任务。论文中采用磁平衡原理设计出了长径比为6∶1的发电机。经初步试验发电机达到了设计目标。发电机主要为执行机构、测斜传感器、电子数据采集与控制装置以及电磁波双向信号传输装置提供电力。这些用电装置要求提供多级电压的直流稳压电源。因而，设计了整流稳压系统，可以提供24V的稳定直流电，可以直接提供给电磁波信号传输装置。另外，分别变压12V与5V提供给电动机与电子控制装置。为了避免由钻杆扭振造成的供电不连续的问题，设计了蓄电系统。进行试验时采用2节12V2.3A胶体蓄电池，用以测定稳压装置的工作性能。制作商业化的自动导向钻具时将专门定做直径为50mm的专用胶体蓄电池。
5、设计了防斜/纠斜的执行机构。微型直流电动机低速旋转，带动螺杆轴直线运动，带动楔形块上下运动，推动支撑板径向运动。钻具上装有三个支撑板，可以使支撑机构在6个方向位移。支撑板是这种位移控制式支撑机构的重要部件，为了满足支撑结构承受大负荷，具有高弹性变形的要求，特别选用高强度弹簧钢，加工成凹凸凹的形式。采用有限元Ansys软件按支撑板几何尺寸实际参数，模拟支撑孔壁的受力状态，分析了支撑板的受力与变形情况，给出了较好了的设计方案。对已经加工完成的执行机构单元进行了测试试验，支撑板可以输出150kg的支撑力，可满足导向钻具纠斜的需要。
6、设计了轴承密封机构。密封形式分为静密封、滑动密封和动密封三种，不同的连接采用不同形式的密封，以优化密封结构，提高其工作可靠性。考虑到自动导向系统在井内的工作状况极其恶劣，不但受到持续的冲击振动，还要受到高温高压，泥浆液腐蚀等，选择充填绝缘油以起到绝缘、散热冷却和避免电弧的作用，同时保护电气元件以延缓绝缘材料的氧化腐蚀。
论文取得的主要成果包括：
1、提出了小直径自动导向钻具的设计原理，设计了直径为146mm的自动导向钻具。钻具包括电磁波信号传输、数据采集与控制、动力单元与纠斜执行单元。
2、研制了电磁波双向信号传输装置样机，样机包括井上机、井下机与发射天线。制作了并式天线并对其结构参数进行了分析与优化。进行了浅孔信号传输试验，结果证明该装置能够实现双向信号传输功能，但与正弦波相比，方波在接收信号微弱时误码率较高。
3、研制了螺杆驱动的发电装置，螺杆马达在泥浆的驱动下转动带动发电机转动进行发电，经过整流稳压后通过集流环传送到蓄电系统，供电动机、电子控制装置、各种传感器以及信号传输装置使用。
4、研制了自动导向钻具执行机构，由微型电动机带动传动装置推动支撑板张开，在弹簧作用下收拢。采用常规方法与有限元法结合设计支撑板，保证支撑板满足工作需要。经试验该装置能输出150kg的支撑力，达到了自动导向钻具防斜/纠斜的设计要求。本文作者自2002年就参与自动垂直钻具的研究，有大直径(311mm和216mm两个型号)自动垂钻的设计经验。在前两项研究中对电子数据采集、纠斜判断与控制等单元的设计制作积累了较多的经验。进行小犁化设计时，最大的难点是执行机构的小型化。执行机构最终的设计方案看似很简单，但工作量却非常大，是经过电磁式、偏推式等多种方案设计、加工、试验性能比较后才最终确定下来。
论文的主要创新点在于：
1、完成了外径为146mm的自动导向钻具的总体设计，这个设计是基于关键部件的加工与测试基础之上的，因而充分可行，这为今后样机生产提供了保证。
2、完成了执行机构的设计制作与试验，这是本项目的难点之一。
3、完成了螺杆马达驱动微型(外径为60mm)大功率(2×75w)发电机的供电系统的研制。这为自动导向以及自动垂钻进一步小型化提供了可资利用的电源。该项技术正在申请国家专利。
4、进行了电磁波双向信号传输装置的设计、加工与试验。该项技术已获得1项发明专利和1项实用新型专利。
由于本项目研究时间短、难度大，论文中许多地方未能尽如人意，不足之处主要表现在：
(1)没有进行孔内实钻实验，这样就不能客观地暴露该小直径自动导向钻具所存在的问题和不足。建议下一步进行井内实钻实验。
(2)由于在传动执行机构设计中，没有针对井内复杂工况情况专门进行发电机的防护功能设计，论文选用的发电机不一定能完全满足实际功能要求。建议下一步针对复杂钻井环境专门进行小直径大功率低速发电机的设计理论和试验分析研究。
(3)尽管无刷永磁发电机由于其自身的电磁特性不会对控制系统产生影响，但是在电流传输过程中，由于在钻柱和导向套相对转动时涉及到集流环和碳刷的滑动，由此产生的电磁效应对控制系统的影响需要进一步研究。