随着钻探工程对水平井、定向井、大位移井等特殊工艺井的开发需求,传统的滑动导向钻井技术已经不能满足当代钻井工艺要求,先进的旋转导向钻井系统已成为提升导向钻井技术的研究热点。由于旋转导向钻井系统对小型化、大造斜力、可靠性和稳定性的高要求,作为旋转导向钻井系统核心的导向偏置执行机构一直是制约旋转导向钻井技术发展的技术难点,为此,开展导向偏置执行机构关键技术的研究对于提升旋转导向钻井技术水平具有重要意义。本文结合天津市科技支撑计划重点项目“静态偏置指向式旋转导向执行机构(项目编号:11ZCKFGX03500)”,提出一种应用于定向井开发的新型静态偏置指向式旋转导向偏置执行机构,针对导向偏置执行机构在工作中受井眼规格尺寸及钻头-岩层振动等工况影响的特点,开展了导向偏置执行机构动力学建模、动态响应分析、实验验证及优化分析研究。论文主要内容和成果如下:新型导向偏置执行机构方案设计:提出一种基于偏心少齿差行星轮系和可伸缩中空万向节的指向式旋转导向钻井工具偏置执行机构,该导向偏置执行机构能够实现在不提钻状态下完成增斜、稳斜和降斜等钻井工作,具有较高的可控制精度。同时,可伸缩中空万向节能够有效改善芯轴在工作过程中所承受的交变应力,从而提高导向钻井工具寿命和可靠性。导向偏置执行机构动力学建模:综合考虑齿轮时变啮合刚度、阻尼,传动误差及支承轴承刚度、阻尼等因素,应用集中参数法建立导向偏置执行机构的“平移-扭转”耦合动力学模型,并完成时变啮合刚度、钻头-岩层交变力等系统激励的分析,为系统动态响应分析和动态特性实验研究奠定基础。考虑系统动力学特性的齿轮变位系数选择方法研究:针对导向偏置执行机构中少齿差行星轮系内啮合齿轮需要变位的问题,以K-H-V少齿差行星轮系为例,在建立系统动力学模型的基础上,运用相轨迹、庞加莱图及频率谱等混沌理论分析方法开展考虑系统动力学特性的变位系数选择方法研究,研究结果揭示了不同变位系数时齿侧间隙、综合误差等对系统动力学特性的影响规律,从而为齿轮变位系数的选择提供了新的理论依据。导向偏置执行机构动态特性实验平台搭建:在导向偏置执行机构原理方案设计的基础上,通过导向偏置执行机构原理样机建造,控制系统和交变载荷加载系统设计,搭建了导向偏置执行机构动态特性实验平台,并开展导向偏置执行机构动力学建模和求解方法的验证。实验结果验证了导向偏置执行机构的可行性和动力学建模的正确性,为导向偏置执行机构优化和原理样机改进提供了理论和实验基础。基于改进NSGA-II和模糊集合理论的多目标优化:建立了以导向偏置执行机构中齿轮齿数、模数、齿宽等结构参数为设计变量,以齿轮、芯轴加工要求及钻井工艺需求为约束条件,以系统各部件最大振动加速度响应最小和导向偏置执行机构外径最小为目标的优化模型,并提出一种基于改进NSGA-II和模糊集合理论的优化方法用于该优化模型的求解。通过系统优化前后动态响应结果对比分析表明,系统优化之后的最大振动加速度明显降低,且衰减速度更快,有效降低了系统动态激励,更进一步证明了所提出优化方法在导向偏置机构优化分析中的可行性。同时,对优化后的导向偏置执行机构进行重新建模和基于ADAMS的动力学仿真,仿真结果与优化结果具有相同规律和趋势,从而为下一代工程样机的建造奠定了理论基础。上述研究成果为指向式旋转导向钻井工具导向偏置执行机构的优化设计提供理论支撑,对于提高旋转导向钻井技术水平具有重要意义。