自动控向垂钻系统(VDS)最早源于煤田地质钻探,属于现代导向闭环钻井系统中的一种类型.我国垂钻系统的研制处于起步阶段,还没有一台真正意义上的自动垂钻系统,由随钻测量和控向钻具组成的闭环垂钻系统还是空白.我国自动垂直钻进系统项目的实施,将解决与其相关的一系列前沿课题,并进行开创性的科学研究.在提出自动控向垂钻系统各个部分的设计思想的基础上,将计算机技术和钻探技术有机结合,并将计算机技术、智能控制技术、随钻测量技术等应用于项目的开发中,重点对测斜原理和纠斜原理进行了细致深入的分析,并基于此原理设计开发了大口径自动垂钻系统.在此基础上,创新性地采用了正液压导向原理为理论指导,进一步开发设计小口径自动控向垂钻系统,使测斜、随钻测量、纠斜等过程综合构成了闭环自动控制系统,并对液压系统和机械结构进行设计和可靠性分析,为全自动小口径垂钻系统的最终实现奠定技术基础.该技术涉及面广,开发难度大,但随着我国工程技术的进步和随钻测量技术的发展趋于成熟,为自动垂钻系统的研制开发奠定了良好的技术基础.自动垂直钻进系统是较先进的主动闭环垂钻系统.其工作原理是:钻进时由测斜系统在井下测出钻孔的顶角与方位角,根据所测参数信息,控制系统自动做出是否孔斜的判断,并根据钻具的空间状态向纠斜系统发出指令,使侧向支撑机构给出适当的横向力,推动钻具朝要求的方向钻进,以确保钻孔的垂直方向,实现随钻、随测和随纠.它主要包括以下几个组成部分:测斜系统、信号传输系统、控制系统、钻具纠斜系统.测量系统用于测量井斜角、钻孔的顶角与方位角等参数;信号传输系统将测量到的参数信息传送到控制中心,并接收控制指令;控制系统对接收到的信息进行处理和比较,检测实际倾角与垂直度的偏差,然后发出控制指令驱动纠斜机构;钻具纠斜系统按控制指令动作,给出一个适当的合力矢指向高边,保持钻具向垂直方向钻进.在验证了测斜原理和纠斜原理的基础上,利用该原理对小口径垂钻系统进行全新设计,重点是液压系统和机械部分的设计,设计涉及的内容较多,难度较大,特别是液压系统作为整个设计中主要的执行控制系统,它的可靠性和准确性直接关系到纠斜的效果和正确性,经过反复论证,采用外定向、正液压导向纠斜的原理进行设计.液压系统的主要任务是接受由控制电路根据钻具所处的空间状态发出的控制信号,控制系统的压力,油泵的压力油经过调压回路进入三个油缸,分别驱动三个导向块的伸缩,控制纠斜力的大小,保证垂直钻进的顺利进行.系统中三个导向块输出力的合力大小决定了纠斜力的大小,三个导向块的运动必须是独立的,互不干扰;对它们的控制要实现单独控制而且压力可调;整个系统的工作要求高压力、小流量、压力脉动小;保证导向块达到纠斜要求的工作压力和工作速度;整个系统的径向尺寸限制在φ200以内,结构简单可靠、密封性能好.为实现上述液压系统的设计要求,我们在确定了整体纠斜方案的基础上,选择由柱塞泵与电磁压力比例阀组成的简单压力调节回路,满足系统的高压力、小流量的要求;能连续的、按比例的对油液的压力、流量进行调节,控制导向块的运动,达到纠斜的目的.由系统的工作要求,对各个液压元件进行了设计计算和选择,保证压力输出的相对稳定和油液的清洁.在新产品的开发和设计阶段,在可靠性数据缺乏的情况下,用模糊数学方法来预测系统的可靠度这一方法在新产品的研制阶段被认为是非常有效的方法,而且由于模糊预测方法考虑了液压系统自身的模糊性,更符合系统的实际情况.机械设计部分是整个系统得以正常工作的前提条件,在整个系统的设计中占有很大的比重.机械部分不仅要将测斜系统、控制系统、纠斜系统、液压系统等部分组合在一个密封性能可靠的整体结构中,还要保证传递运动的可靠性及整体结构的合理性.论文完成了整个设计的关键内容,为小口径垂钻系统的最终实现奠定了良好的技术基础,也为大陆科钻的顺利实施提供了强有力的技术保障.该项项目的完成标志着我国定向钻进技术的一次飞跃,将全方位拉动行业的改革创新和技术进步,为钻探技术领域的发展起到了积极的推进作用.