[發明專利]一種慣性約束牽連運動的誘導鉆進方法

有效

• 申請號: 201710997940.6
• 申請日: 2017-10-24
• 公開（公告）號: CN107701100B
• 公開（公告）日: 2019-02-15
• 發明（設計）人: 陶亮;陶毅;于洋;陶炎午;陶冠合
• 申請（專利權）人: 西北工業大學;西安漫垣機電設備有限公司
• 主分類號: E21B6/04
• 分類號: E21B6/04;E21B7/24;E21B12/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 慕安榮

1.一種慣性約束牽連運動的誘導鉆進方法,其特征在于：

步驟1，誘導鉆進的模型選型：

所確定的誘導鉆進模型選型能夠通過扭轉彈簧將慣性齒圈與行星架連接；

所確定的誘導鉆進運動模型的參數為：伴隨PDC鉆頭的慣性約束誘導鉆進裝置中鉆柱輸入與鉆頭輸出的傳動比m≥1.0，慣性齒圈轉動慣量I＝0.25～5.4kgm²；

步驟2，誘導鉆進的勢能儲存：

啟動鉆進系統，使鉆柱以轉動速度ω₀在扭轉彈簧中開始儲存勢能；當鉆頭扭矩達到破巖扭矩T₀時，慣性齒圈牽連扭轉扭轉彈簧相對鉆頭轉動θ弧度，根據傳動比為m的行星輪減速器的傳動方法，扭轉彈簧中儲存反向勢能-mT₀θ；鉆頭開始轉動切削，并且儲存的反向勢能保持在所述扭轉彈簧中；儲存的反向勢能作為扭矩波動變化的中值存在于整個鉆進過程中；

所述誘導鉆進勢能儲存是基于行星輪減速器的行星架輸出軸與慣性齒圈之間連接的扭轉彈簧形變實現，當行星架輸出軸與慣性齒圈相對轉動，并且行星架輸出軸順時針轉動過程中，慣性齒圈相對該行星架輸出軸逆時針轉動，行星架輸出軸與慣性齒圈之間的扭轉彈簧產生彈性形變；

所述誘導鉆進勢能儲存方向要求與鉆進系統的運動方向相反,形成逆向儲能；

所述誘導鉆進勢能儲存階段要求在鉆進系統的鉆頭開始破巖之前階段；

所述誘導鉆進勢能儲存大小作為鉆進過程中波動變化的中值；

步驟3，穩態與瞬態的誘導鉆進：

所述的穩態與瞬態的誘導鉆進中存在不同的工況，具體是：

Ⅰ、穩態工況下的勻速切削誘導鉆進

所述的穩態工況下勻速切削誘導鉆進時，慣性約束誘導鉆進裝置的太陽輪、行星架和慣性齒圈的轉速一致；

所述的儲存勢能沒有相對變化，依然保持在所述扭轉彈簧中；

所述的穩態工況下的勻速切削誘導鉆進是一種理想的工作狀態，這種理想工況現實中也存在，但是概率不高；

Ⅱ、瞬態工況下誘導鉆進沖擊波傳播的分配

在所述瞬態工況下誘導鉆進時，鉆頭產生扭轉剪切應力幅值為τ₀的剪切應力波S，剪切應力波S以橫向剪切波速度向上傳播；剪切應力波S通過行星架傳播到行星輪上；行星輪接收的剪切應力波S按照動量和動能守恒原理以及傳動比m，分配給慣性齒圈的剪切波應力幅值是-mτ₀，分配給太陽輪的剪切波應力幅值是τ₀/m；

所述慣性齒圈剪切波應力幅值-mτ₀傳播到扭簧中引起慣性齒圈的周向波動，有效地引導吸收了鉆頭的沖擊波動；而太陽輪剪切波應力幅值τ₀/m沿著鉆柱繼續上傳，則減弱鉆柱運動中的擾動，從而提升了整體鉆進系統的運動穩定性；

Ⅲ、瞬態工況下誘導鉆進中的扭轉彈簧勢能釋放

勻速切削的鉆頭在鉆進中遇阻時釋放儲存在所述扭轉彈簧中的彈性勢能；慣性約束牽連鉆進系統所釋放的能量自然匹配遇阻能量，以適應鉆進遇阻阻力；所述的鉆頭在鉆進中遇阻是指鉆頭遇卡轉速為零，或者鉆頭遇阻轉速降低；

所述的釋放的能量自然匹配遇阻能量符合能量守恒與動量守恒定理；

Ⅳ、瞬態工況下誘導鉆進的約束緩沖

當鉆頭突破阻力點現轉動加速突進，對鉆頭破巖突進能量動態再分配；

所述的動態再分配是隨遇阻時間變化的系統的動量平衡分配；分配給慣性齒圈的能量須使該慣性齒圈回到正向轉動；分配給鉆頭的能量須使該鉆頭繼續勻速鉆進運動；

Ⅴ、瞬態工況下誘導鉆進的勢能補嘗

所述瞬態工況下誘導鉆進的勢能補嘗的來源有：

將在鉆進中鉆柱產生的扭距能量輸入補充至扭轉彈簧的勢能；

將慣性齒圈的正向轉動與鉆頭的勻速鉆進運動之間的相對位移變化產生的勢能輸入補充至扭轉彈簧中；

至此，完成了慣性約束牽連運動的誘導鉆進。

2.如權利要求1所述慣性約束牽連運動的誘導鉆進方法,其特征在于，所述瞬態工況下誘導鉆進中的扭轉彈簧勢能釋放時，當所述的鉆頭遇卡轉速為零時，慣性齒圈在扭轉彈簧的牽連下停止轉動，存在于慣性齒圈中的慣性動能Iω₀²/2與儲存的反向勢能-mT₀θ疊加，儲存的反向勢能瞬間減小，也瞬間降低了對鉆頭牽連力矩；這部分減小的儲存勢能瞬間釋放到鉆頭上，形成對鉆頭阻力點的沖擊，得以突破鉆遇卡點的阻力功。