[发明专利]一种惯性约束牵连运动的诱导钻进方法

摘要

一种惯性约束牵连运动的诱导钻进方法。诱导钻进的动力学模型中存在多种工况，诱导钻进的动力学模型是静力学模型。钻进过程中的动力学模型包含了复杂的振动冲击相互转换的时间历程。在诱导钻进的动力学模型基础上，根据输入转速和扭矩条件，进行惯性约束牵连运动的诱导钻进。钻头启动储能T₀之后，在钻头连续匀速钻进运动过程中，一旦遇阻诱导才能够形成冲击波阻断、势能释放、约束缓冲和势能补偿的周期性振动冲击，完成连续循环的诱导钻进周期过程。本发明突破传统静力学设计理念，应用动力学设计原理的实现技术，具有自适应性强、钻进冲击平稳连续、钻头耐久性好和井眼质量保证的特点，钻进无额外动力需求，经济性好。

主权项

1.一种惯性约束牵连运动的诱导钻进方法,其特征在于：步骤1，诱导钻进的模型选型：所确定的诱导钻进模型选型能够通过扭转弹簧将惯性齿圈与行星架连接；所确定的诱导钻进运动模型的参数为：伴随PDC钻头的惯性约束诱导钻进装置中钻柱输入与钻头输出的传动比m≥1.0，惯性齿圈转动惯量I＝0.25～5.4kgm2；步骤2，诱导钻进的势能储存：启动钻进系统，使钻柱以转动速度ω0在扭转弹簧中开始储存势能；当钻头扭矩达到破岩扭矩T0时，惯性齿圈牵连扭转扭转弹簧相对钻头转动θ弧度，根据传动比为m的行星轮减速器的传动方法，扭转弹簧中储存反向势能‑mT0θ；钻头开始转动切削，并且储存的反向势能保持在所述扭转弹簧中；储存的反向势能作为扭矩波动变化的中值存在于整个钻进过程中；所述诱导钻进势能储存是基于行星轮减速器的行星架输出轴与惯性齿圈之间连接的扭转弹簧形变实现，当行星架输出轴与惯性齿圈相对转动，并且行星架输出轴顺时针转动过程中，惯性齿圈相对该行星架输出轴逆时针转动，行星架输出轴与惯性齿圈之间的扭转弹簧产生弹性形变；所述诱导钻进势能储存方向要求与钻进系统的运动方向相反,形成逆向储能；所述诱导钻进势能储存阶段要求在钻进系统的钻头开始破岩之前阶段；所述诱导钻进势能储存大小作为钻进过程中波动变化的中值；步骤3，稳态与瞬态的诱导钻进：所述的稳态与瞬态的诱导钻进中存在不同的工况，具体是：Ⅰ、稳态工况下的匀速切削诱导钻进所述的稳态工况下匀速切削诱导钻进时，惯性约束诱导钻进装置的太阳轮、行星架和惯性齿圈的转速一致；所述的储存势能没有相对变化，依然保持在所述扭转弹簧中；所述的稳态工况下的匀速切削诱导钻进是一种理想的工作状态，这种理想工况现实中也存在，但是概率不高；Ⅱ、瞬态工况下诱导钻进冲击波传播的分配在所述瞬态工况下诱导钻进时，钻头产生扭转剪切应力幅值为τ0的剪切应力波S，剪切应力波S以横向剪切波速度向上传播；剪切应力波S通过行星架传播到行星轮上；行星轮接收的剪切应力波S按照动量和动能守恒原理以及传动比m，分配给惯性齿圈的剪切波应力幅值是‑mτ0，分配给太阳轮的剪切波应力幅值是τ0/m；所述惯性齿圈剪切波应力幅值‑mτ0传播到扭簧中引起惯性齿圈的周向波动，有效地引导吸收了钻头的冲击波动；而太阳轮剪切波应力幅值τ0/m沿着钻柱继续上传，则减弱钻柱运动中的扰动，从而提升了整体钻进系统的运动稳定性；Ⅲ、瞬态工况下诱导钻进中的扭转弹簧势能释放匀速切削的钻头在钻进中遇阻时释放储存在所述扭转弹簧中的弹性势能；惯性约束牵连钻进系统所释放的能量自然匹配遇阻能量，以适应钻进遇阻阻力；所述的钻头在钻进中遇阻是指钻头遇卡转速为零，或者钻头遇阻转速降低；所述的释放的能量自然匹配遇阻能量符合能量守恒与动量守恒定理；Ⅳ、瞬态工况下诱导钻进的约束缓冲当钻头突破阻力点现转动加速突进，对钻头破岩突进能量动态再分配；所述的动态再分配是随遇阻时间变化的系统的动量平衡分配；分配给惯性齿圈的能量须使该惯性齿圈回到正向转动；分配给钻头的能量须使该钻头继续匀速钻进运动；Ⅴ、瞬态工况下诱导钻进的势能补尝所述瞬态工况下诱导钻进的势能补尝的来源有：将在钻进中钻柱产生的扭距能量输入补充至扭转弹簧的势能；将惯性齿圈的正向转动与钻头的匀速钻进运动之间的相对位移变化产生的势能输入补充至扭转弹簧中；至此，完成了惯性约束牵连运动的诱导钻进。