⑴ 汽车系毕业论文范文
毕 业 论 文（设计）
题目：汽车发动机冷却系统维护
所在院系
专业班级
学 号
学生姓名
指导教师
2010 年 03月 21 日
目 录
摘要 ………………………………………………………………………………1
关键词 ……………………………………………………………………………1
1引言…………………………………………………………………………………2
2 冷却系统的作用……………………………………………………………2
3 冷却系统的组成………………………………………………………………2
4 冷却系统的构造及维护……………………………………………………………2
5 冷却系统的工作原理……………………………………………………………4
6 冷却系统的特点……………………………………………………………………4
7 冷却系统的检修……………………………………………………………………4
8冷却系统智能控制……………………………………………………………………6
8.1 系统组成……………………………………………………………………6
8.2 单片机控制系统工作原理……………………………………………………………6
8.3 单片机系统控制工作过程……………………………………………………………6
结论…………………………………………………………………………………10
谢辞…………………………………………………………………………………11
参考文献 ………………………………………………………………………12
摘 要
本文论述了冷却系统的作用、组成、主要构造、工作原理、日常维护、故障的检测步骤和排除方法，同时论述了冷却系统系统化、模块化设计方法，以及冷却系统的智能控制，并举例做出简单介绍。
关键词：冷却系统 冷却系统维护 温度设定点 冷却系统智能控制
1 引言：如果一台发动机,冷却系统的维修率一直居高不下,往往会引起发动机其他构件损坏,特别是随着车辆行驶里程的增加,冷却系统的工作效率逐渐下降,对发动机的整体工作能力产生较大影响,冷却系统的重要性在于维护发动机常温下工作,尤如人体的皮肤汗腺,如果有一天,人体的汗腺不能正常工作,那么身体内的热量将无法散去,轻则产生中暑,重则休克。
2 冷却系统的作用
冷却系统的功用是带走引擎因燃烧所产生的热量，使引擎维持在正常的运转温度范围内。引擎依照冷却的方式可分为气冷式引擎及水冷式引擎，气冷式引擎是靠引擎带动风扇及车辆行驶时的气流来冷却引擎；水冷式引擎则是靠冷却水在引擎中循环来冷却引擎。不论采何种方式冷却，正常的冷却系统必须确保引擎在各样行驶环境都不致过热。
3 冷却系统的组成
水冷却系统一般由散热器、节温器、水泵、水道、风扇等组成。散热器负责循环水的冷却，它的水管和散热片多用铝材制成，铝制水管做成扁平形状，散热片带波纹状，注重散热性能，安装方向垂直于空气流动的方向，尽量做到风阻要小，冷却效率要高。散热器又分为横流式和垂直流动两种，空调冷凝器通常与其装在一起。
水泵和节温器
发动机是由冷却液的循环来实现的，强制冷却液循环的部件是水泵，它由曲轴皮带带动，推动冷却液在整个系统内循环。目前最先进的水泵是宝马新一代直六发动机上采用的电动水泵，它能精确的控制水泵的转速，并有效的减少了对输出功率的损耗。这些冷却液对发动机的冷却，要根据发动机的工作情况而随时调节。当发动机温度低的时候，冷却液就在发动机本身内部做小循环，当发动机温度高的时候，冷却液就在发动机—散热器之间做大循环。实现冷却液做不同循环的控制部件是节温器。可以将节温器看作一个阀门，其原理是利用可随温度伸缩的材料（石蜡或乙醚之类的材料）做开关阀门，当水温高时材料膨胀顶开阀门，冷却液进行大循环，当水温低时材料收缩关闭阀门，冷却液小循环。
空气的流动
为了提高散热器的冷却能力，在散热器后面安装风扇强制通风。以前的轿车散热器风扇是由曲轴皮带直接带动的，发动机启动它就要转，不能视发动机温度变化而变化，为了调节散热器的冷却力，要在散热器上装上活动百页窗以控制风力进入。现在已经普遍使用风扇电磁离合器或者电子风扇，当水温比较低时离合器与转轴分离，风扇不动，当水温比较高时由温度传感器接通电源，使离合器与转轴接合，风扇转动。同样，电子风扇由电动机直接带动，由温度传感器控制电动机运转。这两种形式的散热器电扇运转实际上都由温度传感器控制。
散热器
散热器兼作储水及散热作用，再此之上还装有膨胀水箱。因为单纯依赖散热器有几个缺点，一是水泵吸水一侧因压力低而容易沸腾，水泵的叶轮容易穴蚀；二是气水分离会产生气阻；三是温度高冷却液容易沸腾。因此设计师就加装了膨胀水箱，它的上下两根水管分别与散热器上部和水泵进水口联接，防止上述问题的产生。
冷却介质
虽然我们称其为水冷但冷却介质并不是单纯的水，而是由水、防冻液和各种专门用途的防腐剂组成的混合物，也称为冷却液。这些冷却液中的防冻液含量占30%～50%，提高了液体的凝固点，防止在低温下结冰而损坏发动机。整个冷却系统并不与大气相通，相当于高压锅的作用，水箱盖则相当于高压阀，一般情况下，轿车冷却液的允许工作温度可达摄氏120度，提高传热能
4 冷却系统的构造及维护
汽车发动机的冷却系统是保持发动机正常工作的重要部件，如果发动机冷却系统的维修率很高，就会引起发动机其他部件的损坏，使发动机的整体工作能力受到影响，因此，汽车发动机冷却系统的维护与保养就显得尤为重要，那么，怎样才能使汽车发动机的冷却系统保持良好的状态呢？驰耐普的汽车美容养护专家告诉我们，正确堆护发动机的冷却系统，首先应了解常用的水冷式发动机的主要部件：
第一、冷却液，冷却液指清洁的软水，不是什么水都可以当作冷却液的，越娇贵的车对水质的要求越高。比如，清澈的泉水，虽然清澈，看起来也干净，但泉水中含有大量的矿物质，如果加入发动机的冷却系统中，就会产生大量的水垢，影响冷却系统正常作用的发挥，可见，冷却液水质的好坏是相当重要的，国际上普遍使用的乙二醇型冷却液是在软化水中按比例添加防冻剂乙二醇，配以适量的金属缓蚀剂、阻垢剂等添加剂进行科学调和，达到冬季防冻、夏季防沸、且能防腐蚀、防水垢等作用。
1、防冻。用乙二醇配制的冷却液最低可在-70℃环境下使用。市场上销售的冷却液，乙二醇浓度一般保持在33～50％之间，也就是冰点在-20℃～-45℃之间，往往根据不同地域的实际需要合理选择，以满足使用要求。
2、防沸。加到水中的乙二醇会改变冷却液的沸点。乙二醇浓度越高，冷却液的沸点也就越高，-20℃时冷却液的沸点为104.5℃，而-50℃时沸点达到108.5℃。如果冷却系统采用压力盖，冷却液的实际沸点会更高，即使在炎热的夏天，也能有效的防止冷却液“开锅”。
3、防腐。冷却液最主要的功能是防腐蚀。腐蚀是一种化学、电化学和浸蚀作用，逐步破坏冷却系统内的金属表面，严重时可使冷却系统的壁穿孔，引起冷却液漏失，导致发动机损坏。使用去离子水及适当的添加剂能防止各种腐蚀的出现。
4、防锈。锈蚀是由于冷却系统内的氧化作用造成的。热量和湿气使锈蚀的过程加速。锈蚀留下的残余物会阻塞冷却系统，加速磨损和降低热传导的效率。冷却液中的添加剂有助于防止冷却系统通道内锈蚀的出现。
5、防垢。水源中所含的各种杂质，其中包括金属离子、无机盐等，决定了结垢和沉淀的形成，会大大地降低冷却系统的导热效率，在许多情况下会对发动机造成严重损害。冷却液所使用的去离子水，可以避免结垢和沉淀的形成，从而保护发动机。
第二、汽缸水套，它相当于发动机燃烧室周围的水道，当发动机产生大量的热时，汽缸水套将发挥降温的作用在发动机中，水和油的管道泾渭分明、互不干涉，如果发现冷却液中有油，就说明水路和油路发生了穿孔现象，一旦出现这种情况，水温表的水温会急剧上升，这时一定要及时采取措施。
第三、散热水箱和冷却风扇，散热水箱从外观看状似蜂窝，做成这种形状是为了增加水箱的散热面积，以增强散热效果；冷却风扇有在正面安装的，也有在侧面安装的，汽车在高速行驶过程中，冷却风扇将外面的空气吸引进来，利用自然风，起到冷却的作用。冷却系和空调冷凝器共同的风扇是直流永磁电动机风扇，用装在散热器上的温度控制开关来控制，当散热器中冷却液温度下降至93℃-98℃时风扇停转。由于电动风扇的电源不受点火开关的控制，因此发动机熄火后，散热器中液温若高于88℃-93℃，电动风扇运转是不正常的。如果低于88℃时风扇仍转，则是不正常的；而温度高于98℃时，仍不转也是不正常的。当温度高于105℃时，温控开关高温部分接通，电源接通电动机便高速运转；当温度达到120℃时，冷却水温过高，报警指示灯闪亮，为风扇有故障或冷却液不足。如电动机风扇不转，先检查和更换熔断丝，或检修温控开关，必要时再查看电风扇有无损坏。
第四、冷却水泵和节温器，冷却液在冷却系统中的流动，主要依靠冷却水泵的动力；节温器能感知发动机的工作温度，低温时，它封住水套中的水，令其在水套内流动，当达到一定温度时再打开，让水经过散热水箱，发挥散热作用。这里值得说明的是，切勿将节温器摘掉，否则会导致发动机过冷而难以启动。正确维护发动机的冷却系统，应了解经常出现的几种冷却系统故障：
1、由于冷却液水质不好，水箱中经常会出现锈污和水垢，它们积聚在水箱通道结合处、弯角处，阻碍水流畅通，造成散热不良，如果出现这种情况，应及时清洗干净，日常加水时，尽量加清洁软水，如果用除垢防锈液，养护效果会更好，这里给您推荐驰耐普的S-510冷却系快速除垢剂，它可以迅速溶解冷却系统中形成的水垢、油泥和锈皮，恢复冷却系统的功能，使冷却液循环顺畅，防止过热、开锅而引发的发动机损坏及动力不足；另外，驰耐普的S-520冷却系防锈润滑剂也是一款不错的产品，它能防止冷却系统锈蚀和腐蚀，有效抑制水垢生成，润滑水泵、节温器，消除水泵异响，保护铜、铝、锡和其它金属部件，延长水箱寿命，防止水箱开锅，使发动机在正常温度下工作。维护时清除冷却系水垢措施:可采用2%苛性钠水溶液加入冷却系统，使汽车行驶一天后全部放出，再用清水冲洗；然后再加入同样苛性钠溶液，使用一天后放净，最后用清水冲净即可。也可在冷却系统中加满清水后，从膨胀箱的加水口加入1kg苏打，让汽车行驶一天放净后，使发动机低速运行，并不断从加水口加入清水，即可彻底清除水垢。
2、漏水，只要是流体，都有泄漏的可能，汽缸水套中的水一旦发生泄漏，水温表的水温就会急剧上升，出现这种情况，您一定要及时采取必要的措施，以免发生不必要的麻烦，这里给您介绍驰耐普的S-530冷却系止漏剂，它对于冷却系统的修复和保护作用等同于“99超强修复剂”和“S-201”，对于发动机的修复和保护，对于阻止水箱、散热器、水泵、节温器等部件的渗漏是独到的，它可与任何冷却液相融使用，并可减缓冷却系统杂质的产生。
总的来讲，冷却系统还有很多故障，不能一一列举。一般情况下，各位车主应遵循这样一个原则，车辆每行驶1000千米，就应查看一下发动机的工作情况。另外，汽车刚停车时，不可立即打开水箱盖，以免出现烫伤的情况。
5 冷却系统工作原理
冷却系的功用就是使发动机在任何工况下都得到适度的冷却,从而保持在适宜的温度(冷却液温度)下工作。
夏利TJ376Q型发动机采用闭式强制循环水冷却系,其组成如图所示。
图1-1 发动机的冷却系
(A)冷却系的布置示意图;(b)发动机机体内的水套
l-风扇;2-散热器;3-散热器出水管;4-水泵;5-节温器;6-进气管；7-风扇电机控制开关;8-空阀散热器进水管;9-旁通软管;10-蓄电池;11-点火开关;12-膨胀水箱;13-空调散热器出水管;14-散热器进水管;l5—风扇电机;I6-进气管底部水套；17-气缸盖水套;l8-气缸体水套;A-到空调散热器去;B-由空调散热器来
当发动机工作时,在水泵4的作用下,进入水泵4中的冷却液被压入缸体水套l8中,并进入缸盖水套l7中,然后经缸盖侧向水道进入进气管底部的水套16中,对进气管6进行加热,以促进其中的混合气中的汽油蒸发、混合。在进气管6的后端装有节温器5,在冷却液温度低于82℃时,节温器阀门关闭,冷却液仅经空调散热器进水管8、空调散热器、空调散热器出水管l3流入散热器出水管3。如果空调暖风开关处于关闭,冷却液则不流经空调散热器,而直接由空调散热器进水管8经旁通管9流进散热器出水管3,最后进入水泵4,即进行小循环;在冷却液温度高于82℃时,节温器阀门打开,冷却液除进行上述小循环外,还经散热器进水管8流入散热器2中冷却降温,再沿散热器出水管3流入水泵4,即进行大循环。冷却液如此不断地循环流动,就使得发动机能在适宜的温度下进行工作。
冷却液的循环路线如图2-2所示。
图2-2 冷却液循环路线示意图
图3-3 散热器盖
（A）压力阀打开；（B）真空阀打开
1-溢流管；2-压力阀弹簧；3-压力阀；4-散热器加水口；5-真空阀
6 冷却系统的特点
传统冷却系统的作用是可靠地保护发动机，而还应具有改善燃料经济性和降低排放的作用。为此，现代冷却系统要综合考虑下面的因素：发动机内部的摩擦损失；冷却系统水泵的功率；燃烧边界条件，如燃烧室温度、充量密度、充量温度。
先进的冷却系统采用系统化、模块化设计方法，统筹考虑每项影响因素，使冷却系统既保证发动机正常工作，又提高发动机效率和减少排放。
6.1 温度设定点
发动机工作温度的极限值取决于排气门周围区域最高温度。最理想的情况是按金属温度而不是冷却液温度控制冷却系统，这样才能更好地保护发动机。由于冷却系统设定的冷却温度是以满负荷时最大散热率为基础，因此，发动机和冷却系统在部分负荷时处于不太理想状态，如市区行驶和低速行驶时，会产生高油耗和排放。
通过改变冷却液温度设定点可改善发动机和冷却系统在部分负荷时的性能。根据排气门周围区域温度极限值，可升高或降低冷却液或金属温度设定点。升高或降低温度点都各有特点，这取决于希望达到的目的。
6.2 提高温度设定点
提高工作温度设定点是一种比较受欢迎的方法。提高温度有许多优点，它直接影响发动机损耗和冷却系统的效果以及发动机排放物的形成。提高工作温度将提高发动机机油温度，降低发动机摩擦磨损，降低发动机燃油消耗。
研究表明，发动机工作温度对摩擦损失有很大影响。将冷却液排出温度提高到150℃，使气缸温度升高到195℃，油耗则下降4%-6%。将冷却液温度保持在90-115℃范围内，使发动机机油的最高温度为140℃，则油耗在部分负荷时下降10%。
提高工作温度也明显影响冷却系统的效能。提高冷却液或金属温度会改善发动机和散热气热传递传递的效果，降低冷却液的流速，减小水泵的额定功率，从而降低发动机的功率消耗。此外，可采用不同的方式，进一步减小冷却液的流速。
6.3 降低温度设定点
降低冷却系统的工作温度可提高发动机充气效率，降低进气温度。这对燃烧过程、燃油效率及排放有利。降低温度设定点可以节省发动机运行成本，提高部件使用寿命。
研究表明，若气缸盖温度降低到50℃，点火提前角可提前3℃A而不发生爆震，充气效率提高2%，发动机工作特性改善，有助于优化压缩比和参数选择，取得更好的燃油效率和排放性能。
7 冷却系统的检修
常见引起发动机过热的原因有:冷却空气流量减少(如散热器阻塞等)；散热风扇不工作；低速上坡，环境温度过高；V型皮带过松，转动效率差；以及缸体有水垢，节温器失效，水泵损坏，热敏开关失灵等。
为防止冷却液温度过高，在使用中必须保持散热器和水套清洁、冷却液数量充足、风扇皮带张紧适当，以防发动机在负荷工作时间过长。必须注意以下要点:
1.保持冷却系(尤其散热器)外部和内部清洁，是提高散热效能的重要条件。散热器外部沾有泥污或碰撞变形，均合影响风量流通，使冷却液温度过高，必要时清洗或修复。
2.按规定使用防冻冷却液，保持冷却液数量充足。正确的冷却液液面高度:当发动机处于冷态时，冷却液液面在膨胀箱内，位于最高和最低标志之间。膨胀箱内装有自动液位报警传感器，当箱内液面过低时、位于仪表板上的冷却液温度报警灯问烁，应及时予以添加。
3.应保持风扇皮带张紧力适当，风扇正常工作。皮带过松影响水循环，加剧其磨损；过紧易损坏轴承。
4.热敏开关连接良好，若有松动会影响风扇换档变速及正常运转；如果发现冷却系溢水，应及时检查节温器技术状况。
5.防止发动机大负荷、长时间工作，以免水温过高；上坡及时换档，减轻负荷。汽车长时间坡道行驶、挡住低或是环境温度较高时，应注意散热。
更换冷却液时，将仪表板的暖风开关拨至右端使暖风控制阀全开，拆下冷却液膨胀箱盖，松开水泵口软管夹箍，拉出冷却液软管，放出冷却液后再将软管夹箍拧紧。在膨胀箱中加入冷却液，直到液面高度与最高标志齐平为止。拧紧膨胀箱盖。启动发动机，直到风扇运转，将发动机熄火，检查冷却液高度，必要时补充。膨胀箱内冷却液不能注满，加注1/2即可，一般使用2年左右更换一次。
8 冷却系统智能控制
系统由于汽车运行过程中产生强烈的振动、热辐射和电磁干扰，因此对该系统电路有特殊要求：1.电路要有较高的抗振动能力，以适应不同路况、车况的要求。提高系统整体的可靠性和稳定性。2.电路应采取有效的防护隔离措施，以提高其抗干扰能力。
8.1 系统组成
该系统由电控冷却风扇、电控节温器、电控导风板、微控制机构组成。电控冷却风扇由电动机驱动；电控节温器利用电加热引起双金属片变形，由双金属片变形带动节温阀旋转运动，来改变大小循环；电控导风板由双向电动机通过传动机构使之打开或关闭；微控制机构是利用89C51开发的单片机控制系统。
8.2 单片机控制系统工作原理
由温度传感器感受发动机水温的变化，同时把温度信号转变为同其成反比关系的电压模拟信号。这些信号经过处理(电容器低通滤波、校正和电压跟随器耦合)送入A/D转换器(ADC0809)中INO信号通道。由A/D转换器把采集来的模拟电压信号转换为数字信号并读入单片机，89C510单片机89C51根据不同的输入信号分析处理去控制驱动电路，实现对节温器继电器、导风板继电器和风扇继电器的控制。即可实现对发动机冷却能力的智能控制。
8.3 单片机 系统控制过程
当发动机预热时(发动机水温(70℃)，单片机根据检测来的温度数据处理分析向执行元件发出控制信号，使其完成如下操作。
a.电控冷却风扇不工作；
b.电控导风板关闭状态；
c.电控节温器处于小循环状态。
由于导风板关闭，冷却风扇不工作，以至冷却空气不能进入散热器；同时节温器处于小循环(加热电阻丝通电)，发动机水温上升很快。当水温升至75℃，单片机根据检测来的温度数据处理分析向执行元件发出控制信号，使电控节温器的加热电阻丝断电(让其进入大循环控制状态)。当水温达到80℃时，单片机又发出指令，使电控导风板处于敞开状态。
此时可充分利用汽车行驶迎面风对散热器的冷却作用，尽量减少冷却风扇的工作时间。当水温高达95℃时，单片机经数据分析发出控制指令使电控冷却风扇工作，而让节温器仍处于大循环状态，导风板仍处于敞开状态。这时冷却系统的冷却能力最大，实现快速降温。当发动机水温降至89℃时，单片机根据采样数据分析处理发出控制指令，使执行元件完成以下操作。
a.电控冷却风扇不工作；
b.电控导风板处于敞开状态；
c.电控节温器处于大循环状态。
这样，直到发动机水温返升至95℃，电控冷却风扇又重新工作。
结 论
汽车冷却系统对汽车来说是至关重要的,发动机就如同人类的心脏,如果不好好保护就会受到威胁,现在随着科技发展,冷却系统不象以往那样只是单纯的水冷循环,现在冷却系统智能控制很受欢迎,所以在以后的汽车发展中,单纯的冷却系统不会站主导位置了,虽然智能控制要求很高,但是在高级轿车中很实用,它代表着未来冷却系统的发现方向,智能冷却系统控制将会作为标准装置在汽车上,未来一段时间在冷却系统中将占主导位置;而智能控制将会提高发动机的使用寿命,保障汽车的安全行驶,提高人身安全等原因,将来智能控制冷却系统的发展将占主导位置.
谢 辞
时间过的很快，两年的大学生活就这么结束了，有些匆忙、有些不舍，却也很充实。感谢我的母校黑龙江旅游职业技术学院让我有一段值得回忆的快乐充实的大学生活。
感谢我的辅导员XXX老师。他给予我学习上的指导和生活上的无私帮助，表示衷心感谢！祝X老师工作顺利，桃李满天下！
谢我的论文导师，XX老师，X老师在我写论文过程中为我提出了许多宝贵建议，指正了我论文中的诸多不足，使我的论文得以顺利完成，在此对导师的细心指导表示衷心感谢！
在两年的大学生活中还有很多老师和同学给予我学习和生活上的帮助，在此我向他们表示我衷心地感谢！
最后，祝母校蒸蒸日上！祝所有老师工作顺利！
参考文献
[1] 杨万福.发动机原理与汽车性能.北京：高等教育出版社，2004
[2] 孔宪辉.张广坤。汽车故障诊断技术。北京：高等教育出版社,2002
[3] 张子波.汽车发动机构造与维修。北京：高等教育出版社，2005
[4] 陈家瑞等.汽车构造.北京:人民交通出版社,2003
[5] 黄虎等.现代汽车维修.上海:上海交通大学出版社,2001
⑵ 自动控向垂直钻井系统
一、内容概述
国外在进行深部钻井，特别是在进行大陆深部科学钻探的过程中，认识到被动防斜技术的不足，迫切需要一种能适应深井和超深井钻进的主动防斜技术。而最早提出这一要求并投入实际研制和应用的项目是20 世纪80 年代开始进行的联邦德国大陆超深井计划（KTB计划），该井的设计深度近万米，而所钻深部地层很多都是结晶岩，地层倾角可达60 °左右，在这样的条件下用传统的钻井工具难以使井眼保持垂直，迫切需要一种新型的垂直钻井系统来完成这一大陆超深井计划，因此提出研制一种采用主动防斜技术的自动垂直钻井系统（Automationed Vertieal Drilling System，简称为VDS）。
自从发明旋转钻进技术以来，钻孔的弯曲问题就一直存在着，造成钻孔弯曲的根本原因是粗径钻具轴线偏离钻孔轴线。造成发生钻孔弯曲的充要条件主要是3个方面：①存在孔壁间隙，为粗径钻具偏倒或弯曲提供了空间；②具备偏倒或弯曲的力，为粗径钻具偏倒或弯曲提供动力；③粗径钻具偏倒或弯曲的方向稳定。
为了保证冲洗液能顺畅地排出碎屑，孔壁直径一般大于钻具直径，孔壁与钻具之间的环形空隙是必然存在的。而在钻进过程中，当孔深达到一定长度时，钻杆柱已不是简单的刚性体，而可视为一个细长的柔性杆件。对钻头施加轴向力时，钻杆将会产生弯曲变形，由此可见，使钻具偏倒或弯曲的条件是客观存在的。但最终钻孔是否弯曲，还将决定于钻具偏倒或弯曲的方向是否稳定。如果钻具偏倒或弯曲方向不稳定，则有可能使钻头在不同时刻朝着不同方向钻进，从而发生扩壁作用。
由于钻孔弯曲和倾斜现象的存在，一些相应的防斜技术例如钟摆钻具、满眼钻具以及偏轴钻具等防斜打直技术也先后出现并应用到工程中。钟摆钻具是较早用于防斜、纠斜的钻具组合，它是利用倾斜井内切点以下部分钻挺重力的横向分力，把钻头推靠在已斜井段的低边，产生降斜和纠斜效果，这个力又称为钟摆力。而满眼钻具的主要特征是其底部钻具组合中含有2～3个或更多的与钻头直径相近的稳定器以及相应的大直径钻挺，从而组成刚性很大、不易弯曲的防斜钻具组合。其工作原理是在已钻过的直井段中，保持刚性的满眼钻具位于井眼中间，其钻具轴线与井眼轴心线基本保持一致，从而减小钻头的倾斜角度，起到控制井眼弯曲和井斜的作用。偏轴钻具是在钻柱的下部靠近钻头处设置偏重钻铤或者设置回转心轴偏离钻柱轴心线的偏轴接头。当钻头回转时，偏轴部分在靠近钻头上方的钻具组合中产生一个离心力，该离心力的大小与偏心重量和偏心距有关。在轴向钻压的作用下，下部钻具组合发生弯曲旋转时成弓形。偏重钻铤每回转一周就会对倾斜井段的井眼低边产生一定的纠斜力，以减小倾斜井段的井斜角。前述几种传统的防斜设备和技术的共同特点是均属于被动防斜技术。它们虽然也得到了较广泛的工程应用，但在高陡构造的大倾角地层以及高应力破碎性地层中，由于无法克服地层极强的自然造斜能力，因而难以满足对于深井、超深井以及复杂结构井上直井段钻进的要求。
在提出该设想以后，美国贝克休斯公司（BakerHuges）即开展了相应的研究工作，贝克休斯公司最终于1988年研制成功垂直钻井系统（VDS），成功解决了德国大陆超深井计划中遇到的井斜问题。在VDS的研制过程中，从首例样机开始，先后经历了3 代共计5种型号的垂直钻井系统。其中VDS-1（图1）属于外导向垂直钻进系统，为最初的试验性产品，其主要结构如图1所示：不旋转的导向套与旋转轴6之间通过轴承4连接，在导向套四周均匀分布了4个可以伸缩的导向块8，由泥浆提供驱动力的4个活塞可以分别控制导向块的外伸。钻进过程中的井斜数据由井斜传感器测量并反馈到装置的微处理器单元，微处理器单元经过计算，发出控制命令给液压阀，由液压阀控制驱动活塞的运动，从而使得导向块伸缩。当导向块向外伸出时压靠井壁，因此产生作用于旋转轴上的纠斜导向力，使得钻具回到中心位置。在该系统中测斜传感器、微处理器单元7等是靠内置电池供电的。由于自动垂直钻井系统的导向块布置在外部，工作时外伸并作用在井壁上，因此这种结构形式称为外导向式垂钻结构，如图2（a）所示。
图1 VDS-1结构示意图
1—马达驱动节；2—内部吸振单元；3—旋转部分；4—轴承；5—顶部稳定器；6—旋转轴；7—传感器、电子及电池部分；8—外促式导向块；9—钻头
图2 VDS导向块结构布置示意图
（a）VDS-1；（b）VDS-3
在KTB计划中实际投入应用的产品为VDS-3和VDS-5。VDS-3在结构上与VDS-1相比的主要区别有2点：一是在电子部分上VDS-3用数字电路取代了VDS-1的模拟电路；二是在导向块的结构形式上。如图2（a）及（b）所示分别为VDS-1及VDS-3的导向块布置形式。两者的主要区别是图2（a）中液压缸及导向块作用在井壁上，图2（b）中所示VDS 3的导向块不直接作用于井壁，而是作用在内部的旋转中轴上。4个导向活塞内的压力是可以独立控制的，动力来源于内部的泥浆压力。当钻具未发生偏斜和弯曲时，4个导向活塞均外伸抵靠旋转中轴，如果井眼偏离了垂直方向，井下测斜仪测得井斜数据并传递给微处理器单元，微处理器单元经过运算，将使其中1 个或2 个控制阀关闭，使得相应中轴在钻头上形成一个侧向力，从而使井眼轨迹保持到垂直方向。图3 是VDS 3的结构示意图，其基本组成包括：马达联轴节、不旋转外壳、马达驱动节、旋转轴、传感器、电子及电池部分、内置式导向块以及钻头等。
可以看出在近钻头处的不旋转外壳的外部是比较平整的，内置式导向块安装于不旋转外壳中，导向块作用在内部旋转轴上，通过对旋转轴的推挤调整钻头的方位，导向块自身并不与外井壁直接接触，从而提高了装置的使用寿命，所钻井眼轨迹的变化也更加光滑。VDS-3在钻进时有时会引起悬挂的现象。为了改进这一问题，此外为了使VDS能应用于井径扩大的井眼，并使其能适应井下200℃左右的高温工作环境，贝克休斯公司进一步研制了VDS-5。VDS-5与VDS-1相似，也属于外导向型的垂直钻井系统。与VDS-1的主要区别在于，VDS-5采用了“负液压导向”。所谓的“负液压导向”是指当钻具处于完全垂直的井眼中时，4个导向块均在压力作用下外伸并支撑于井壁上，使得钻具与井眼中轴线对中。如果井眼偏斜或弯曲时，处于井眼低边处的导向块由于对应液压缸失压而缩回，这样就会使得其对面的导向块产生导向力把底部钻具推向井眼低边，从而达到纠斜目的。VDS-5与VDS-3相比，其改进之处还体现在系统中机械、液压及电子组件是严格分开的，这显然增加了系统的可靠性并便于进行维护，另外一点，VDS-5中还采用了井下交流发电机来代替抗高温电池，使得此系统有更好的环境适应性和更长的井下工作时间。
图3 VDS-3结构示意图
1—马达联轴节；2—不旋转外壳；3—马达驱动节；4—旋转轴；5—传感器、电子及电池部分；6—内置式导向块；7—钻头
VDS系列在KTB计划中的应用是成功的，在使用过程中也出现了一些不足之处，一个主要原因是因为VDS中产生导向块的驱动力的来源是泥浆（钻井液）的能量，然而泥浆与液压油等普通液压介质相比，存在颗粒含量高、润滑性能差等特点，利用泥浆作为传动介质时，系统中的电磁阀以及柱塞缸等液压元件容易发生磨损和卡死现象，从而降低了系统的可靠性。其后，贝克休斯公司与其他公司合作在VDS的基础上进行了改进，在20世纪90年代中期研制了新的垂直钻井装置SDD（Straight Hole Drilling Device）。SDD的结构如图4所示。它与VDS系统基本相同，但其结构形式更为复杂一些。其主要的改进在于液压系统和电子线路方面。SDD中的电磁阀是隔离式的，从电磁阀到液压缸活塞之间采用了液压油为工作介质，减小了电磁阀及液压缸等液压元件的磨损情况，提高了装置的使用寿命。此外SDD中导向块的数量也由VDS中的4个减少为3个。
图4 SDD结构示意图
1—泥浆脉冲发生器；2—交流发电机；3—井斜传感器及电子部分；4—液压油源；5—井下马达；6—挠性轴；7—外伸式导向块；8—钻头
二、应用范围及应用实例
目前国外已研制出可以自动控向的垂直钻井设备，并已在钻井实践中得到了一定程度的应用，例如在美国南部路易斯安那州的盐丘构造区域的油气开采过程中，由于采用了自动控向垂直钻井系统（Automationed Vertieal Drilling System），井眼轨迹的倾斜角控制在了0.18 °，与传统的旋转钻进相比，钻进效率提高了25% ～75%。在美国哥伦比亚地区的地质钻探过程中，由于采用了自动控向垂直钻井系统，使得每钻进一万英尺由耗时188天减少到了140天，大大节省了勘探费用。这些应用的实践均说明了自动控向垂钻技术可以大大地提高生产效率，而且钻进的井眼质量好。我国目前已经在一些地区引入了国外的自动控向的垂直钻井设备进行了一系列直井的钻探，取得了较好的应用效果。
三、资料来源
张萌.2005.自动控向垂钻系统小型化设计的关键技术研究.博士学位论文