CN113107365A - 一种柔性旋转钻井导向装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性旋转钻井导向装置,包括钻进导向节、柔性驱动钻柱、柔性导向驱动系统以及液压动力节,其中,钻进导向节包括导向节本体、钻头,所述钻头设置于所述导向节本体下部,所述导向节本体内部设置有贯通结构;所述柔性驱动钻柱至少包括扭矩传递节串列,用于为钻进导向节提供钻进动力,所述柔性导向驱动系统包括液压驱动机构、跨接液压线路、液压源、液压源驱动控制模块;所述液压动力节连接于所述钻进导向节与所述柔性驱动钻柱之间,或者,所述液压动力节串接于所述柔性驱动钻柱中,或者,所述液压动力节连接于所述柔性驱动钻柱的上端;所述液压动力节用于容纳液压源,所述液压源通过跨接液压线路与液压驱动机构连接。
Description
技术领域
本发明涉及液压导向钻井技术领域,具体是一种柔性旋转钻井导向装置。
背景技术
目前设备难以实现常规口径的转弯半径小于30米的导向钻井,尤其是转弯半径小于10米的极短半径导向钻井,或者通过极短半径井段继续完成导向钻探。
因此,有必要提供一种柔性旋转钻井导向装置,可以实现直径为2-10寸的极短半径导向钻井,或通过前述井段实现其延伸井段的导向钻井。技术背景中极短半径分支井可以最大限度的利用主井眼,以及充分接触储层,较大的井眼直径可以更高效的输送流体,故该装置有望满足油气及其他资源高效开发的需求,的领域以解决上述背景技术中提出的问题。
发明内容
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种柔性旋转钻井导向装置,其特征在于,包括:
钻进导向节,其包括导向节本体、钻头,所述钻头设置于所述导向节本体下部,所述导向节本体内部设置有贯通结构;
柔性驱动钻柱,所述柔性驱动钻柱至少包括扭矩传递节串列;
柔性导向驱动系统,包括液压驱动机构、跨接液压线路、液压源;
液压源驱动控制模块;以及
液压动力节,所述液压动力节通过万向传动结构与所述钻进导向节连接,或者,所述液压动力节通过万向传动结构串接于所述柔性驱动钻柱中,或者,所述液压动力节连接于所述柔性驱动钻柱的上端;所述液压动力节用于放置液压源,所述液压源通过跨接液压线路与液压驱动机构连接,所述液压驱动机构设置于导向节本体上。
进一步,作为优选,所述液压源为可控压力液压源,还包括液压源驱动控制模块,所述液压源驱动控制模块能控制可控压力液压源产生预设的或运算获得的特定压力值的动力液,所述动力液通过所述跨接液压线路将液压力传递给所述液压驱动机构,能驱动液压驱动机构按照预设指令执行导向功能。
进一步,作为优选,所述液压驱动机构被配置为多个,各个所述液压驱动机构均对应连接至少一条跨接液压线路。
进一步,作为优选,还包括驱动控制节,所述液压源驱动控制模块设置于驱动控制节;
所述驱动控制节通过万向传动结构与所述液压动力节连接,或,所述驱动控制节通过万向传动结构串接于所述柔性驱动钻柱中。
进一步,作为优选,所述柔性驱动钻柱包括能传递钻井动力的扭矩传递节串列和穿设于所述扭矩传递节串列的内部的软管,所述扭矩传递节串列包括多个由上至下依次设置的扭矩传递短节,相邻两个所述扭矩传递短节之间通过变角度传力结构可转动的连接,位于最下方的所述扭矩传递短节通过变角度传力结构与所述导向节本体或液压动力节或所述驱动控制节相接;所述软管的下端与所述钻进导向节内部的贯通结构相连通。
进一步,作为优选,所述万向传动结构为铰链式万向节。
进一步,作为优选,所述万向传动结构的偏转极限范围为3°-15°;
所述扭矩传递短节或铰链式万向节的长度小于或者等于所述导向节本体的直径的5倍。
进一步,作为优选,所述液压驱动机构包括至少三组沿所述导向节本体的周向间隔设置的驱动液压缸,所述驱动液压缸包括设置于所述导向节本体的筒壁中的活塞容置腔和设置于所述活塞容置腔的驱动活塞;所述驱动活塞能抵靠井壁继而向井壁传递推力,或,所述驱动活塞能驱动钻头相对导向节发生偏转;
所述跨接液压线路穿越万向传动结构,可以实现跨越万向传动结构的液压力的传递。
进一步,作为优选,所述驱动活塞上连接有推靠件,所述推靠件能抵靠所述井壁。
进一步,作为优选,所述液压源包括电驱动执行器和液压分流装置,所述电驱动执行器输出端与驱动液压分流装置的液压分流控制端相连,所述液压分流装置通过跨接液压线路与液压驱动机构连接,所述电驱动执行器能够驱动液压分流装置周期性地将贯通流道中的高压钻井液通过所述跨接液压线路与液压驱动机构连通,从而驱动液压驱动机构执行导向功能。
进一步,作为优选,所述液压源为电磁阀,所述电磁阀能在液压源驱动控制模块的控制下周期性的为液压驱动机构提供高压流体。
进一步,作为优选,所述跨接液压线路为内置于扭矩传递节和/或液压动力节本体中的跨接液压线路,用于导流高压流体。
进一步,作为优选,当所述跨接液压线路为内置于扭矩传递节中的跨接液压线路时,所述跨接液压线路为柔性承压管,用于导流高压流体;当所述跨接液压线路为设置于导向节、扭矩传递节和/或液压动力节本体中的跨接液压线路时,所述导向节、扭矩传递节和/或液压动力节本体内开设有贯通液压流道,所述导向节、扭矩传递节和/或液压动力节本体内的贯通液压流道之间密封连接,用于导流高压流体。
进一步,作为优选,所述导向节本体包括驱动芯轴和导向套筒,所述导向套筒通过上复合轴承和下复合轴承套接设置于所述驱动芯轴外部,上复合轴承与下复合轴承能实现轴向止推轴承和/或径向扶正轴承的功能,所述驱动芯轴一端设置有所述钻头,另一端固定连接所述扭矩传递节串列的输出端;
还包括液压滑环机构,所述液压滑环机构包括液压滑环芯轴端和液压滑环套筒端,所述液压滑环机构设于所述驱动芯轴和所述导向套筒之间的环形间隙内,所述液压滑环芯轴端与驱动芯轴固定连接,所述液压滑环套筒端与所述导向套筒固定连接,用于将液压源提供的液压力传递给对应的液压驱动机构;
进一步,作为优选,所述液压驱动机构包括至少三组液压驱动缸,所述液压源包括至少三组电机泵组,所述各组液压驱动缸与独立可控压力电机泵组一一对应;所述电机泵组在液压源驱动控制模块的控制下为各组液压驱动缸提供可控的液压力,使所述各组液压驱动缸产生的推力合力的大小和方向达到预设值。
与现有技术相比,本发明提供了一种柔性旋转钻井导向装置,具有以下有益效果:
针对小尺寸钻进导向节和柔性驱动钻柱内部无法容纳导向驱动系统的问题,将复杂的导向驱动系统柔性化,将所述可控液压源和所述液压驱动机构通过跨接液压线路连接,使所述可控液压源和所述液压驱动机构可以通过万向万向传动结构间隔设置,实现了导向驱动系统柔性化,使高通过性液压导向钻井装置成为可能。
本发明装置中,针对极短半径钻井以及延伸井段钻井过程中的井眼轨迹控制问题,采用扭矩传递节串列实现了高曲率井眼条件下的钻井动力传递。针对小尺寸钻进导向节和柔性驱动钻柱内部无法容纳导向驱动系统的问题,将复杂的导向驱动系统柔性化,将所述可控液压源和所述液压驱动机构通过跨接液压线路连接,使所述可控液压源和所述液压驱动机构可以通过万向万向传动结构间隔设置,实现了导向驱动系统柔性化,使高通过性液压导向钻井装置成为可能。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图一;
图2为图1的部分放大结构示意图;
图3为本发明的整体结构示意图二;
图4为图3的部分放大结构示意图;
图5为本发明采用电磁阀作为液压源的结构示意图;
图6为本发明的整体结构示意图二;
图7为图6的部分放大结构示意图;
图8为图7中跨接液压线路横截面结构示意图;
图9为本发明的应用背景及使用流程示意图;
图中:
100、钻进导向节;
110、钻头;114、跨接液压线路;1141、第一跨接液压线路;1142、第二跨接液压线路;1143、第三跨接液压线路;
121、导向节本体;1211、贯通流道;1212、节流装置;122、导向套筒;123、驱动芯轴;124、上复合轴承;125、下复合轴承;126、液压滑环机构;1261、第一液压滑环;1262、第二液压滑环;1263、第三液压滑环;
130、液压驱动机构;131、驱动液压缸;1311、活塞容置腔;1312、驱动活塞;1313、推靠件;
140、电驱动执行器;1411、阀盘;1412、阀座;142、电动机;143、电磁阀;144、旋转变压器;147、电机泵组;
150、液压动力节;
160、液压源;
200、柔性驱动钻柱;
210、承载短节;
220、万向传动结构;221、传递万向节;224、球头;225、球座;226、传动销;240、跨接液压线路;
230、液压源驱动控制模块;
270、捷联式姿态测量模块;
280、驱动控制节;
300、主井眼;310、分支井眼;320、斜向器;330、刚性传动钻柱。
具体实施方式
实施例1:参照图1~9,一种柔性旋转钻井导向装置,包括:
钻进导向节100,其包括导向节本体121、钻头110,所述钻头设置于所述导向节本体下部,所述导向节本体内部设置有贯通结构;
柔性驱动钻柱200,所述柔性驱动钻柱至少包括扭矩传递节串列;
柔性导向驱动系统,包括液压驱动机构130、跨接液压线路240、液压源160;
液压源驱动控制模块;
液压动力节150,所述液压动力节通过万向传动结构220与所述钻进导向节100连接,或者,所述液压动力节通过万向传动结构串接于所述柔性驱动钻柱200中,或者,所述液压动力节连接于所述柔性驱动钻柱200的上端;所述液压动力节用于放置液压源160,所述液压源通过跨接液压线路与液压驱动机构连接,所述液压驱动机构设置于导向节本体上。
需要说明的是,所述液压源为可控的液压动力输出装置,包括利用水眼内和环空之间的压差产生液压力的液压源和利用电机泵组产生液压力的液压源。所述钻头与导向节本体通过丝扣连接、插接机构连接、焊接或一体化制作。
作为较佳的实施例,所述液压源160为可控压力液压源,还包括液压源驱动控制模块230,所述液压源驱动控制模块能控制可控压力液压源产生预设的或运算获得的特定压力值的动力液,所述动力液通过所述跨接液压线路114将液压力传递给所述液压驱动机构,能驱动液压驱动机构按照预设指令执行导向功能。
另外,所述液压驱动机构130被配置为多个,各个所述液压驱动机构均对应连接一跨接液压线路。
本实施例中,还包括驱动控制节280,所述液压源驱动控制模块设置于驱动控制节中;
所述驱动控制节通过万向传动结构220与所述液压动力节连接,或,所述驱动控制节通过万向传动结构串接于所述柔性驱动钻柱中。
本实施例中,所述柔性驱动钻柱包括能传递钻井动力的扭矩传递节串列和穿设于所述扭矩传递节串列的内部的软管,所述扭矩传递节串列包括多个由上至下依次设置的扭矩传递短节,相邻两个所述扭矩传递短节之间通过变角度传力结构可转动的连接,位于最下方的所述扭矩传递短节通过变角度传力结构与所述导向节本体或液压动力节或所述驱动控制节相接;所述软管的下端与所述钻进导向节内部的贯通结构相连通。所述变角度传动结构可以是嵌套结构,或由键、槽、销、齿等能传递扭力的结构,使所述扭矩传递节串列能承受扭矩。
本实施例中,所述万向传动结构为铰链式万向节。
本实施例中,所述万向传动结构的偏转极限范围为3°-15°;
所述扭矩传递短节或铰链式万向节的长度小于或者等于所述导向节本体的直径的5倍,可以减小每一铰接点之间的距离,在扭矩传递节串列发生振动时,每个铰接点两端都不会形成过长的力臂,以导致铰接处折断。
本实施例中,所述液压驱动机构包括至少三组沿所述导向节本体的周向间隔设置的驱动液压缸131,所述驱动液压缸包括设置于所述导向节本体的筒壁中的活塞容置腔1311和设置于所述活塞容置腔的驱动活塞1312;所述驱动活塞能抵靠井壁继而向井壁传递推力,或,所述驱动活塞能驱动钻头相对导向节发生偏转;
所述跨接液压线路穿越万向传动结构,可以实现跨越万向传动结构的液压力的传递。
本实施例中,所述驱动活塞上连接有推靠件1313,所述推靠件能抵靠所述井壁。
如图1和2,所述液压源包括电驱动执行器140和液压分流装置,所述电驱动执行器输出端与驱动液压分流装置的液压分流控制端相连,所述液压分流装置通过跨接液压线路与液压驱动机构连接,所述电驱动执行器能够驱动液压分流装置周期性地将贯通流道中的高压钻井液通过所述跨接液压线路与液压驱动机构连通,从而驱动液压驱动机构执行导向功能。本实施例中,液压分流装置包括阀盘1411和阀座1412。电驱动执行器140在液压源驱动控制模块230的驱动下能够驱动阀盘1411相对阀座1412旋转,并为液压驱动机构配液,向各个驱动液压缸可控的分配液压流体,从而控制各个驱动液压缸受液压力状态。
所述电驱动执行器的输出端直接与液压分流装置的输入端相连,所述柔性驱动钻柱上设有贯通流道,所述液压分流装置通过跨接液压线路与液压驱动机构连通,所述液压分流装置周期性地将贯通流道中的高压钻井液通过所述跨接液压线路与液压驱动机构连通,另外,所述跨接液压线路为柔性管,用于导流高压流体。
具体的,所述电驱动执行器为电动机142,所述液压分流装置为转阀,所述电动机驱动阀盘1411,驱使阀盘1411与阀座1412相对运动,周期性地将贯通流道1211中的高压钻井液通过所述跨接液压线路114与液压驱动机构连通,能驱动偏转导向机构执行导向功能。
实施例2:如图5,与实施例1不同的地方在于:所述液压源为电磁阀143,所述电磁阀143能在液压源驱动控制模块的控制下周期性的为液压驱动机构提供高压流体。具体的,所述电驱动执行器包括多个分别与各所述驱动液压缸一一对应的电磁阀,还包括多条与电磁阀一一对应的跨接液压线路,所述电磁阀与所述液压源驱动控制模块电连接,所述电磁阀能将所述贯通流道与所述驱动液压缸周期性连通。
实施例3:如图6和7,与实施例1不同的地方在于:所述导向节本体包括驱动芯轴123和导向套筒122,所述导向套筒通过上复合轴承和下复合轴承套接设置于所述驱动芯轴外部,上复合轴承124与下复合轴承125能实现轴向止推轴承和/或径向扶正轴承的功能,所述驱动芯轴一端设置有所述钻头110,另一端固定连接所述扭矩传递节串列的输出端;
还包括液压滑环机构126,所述液压滑环机构包括液压滑环芯轴端和液压滑环套筒端,所述液压滑环机构设于所述驱动芯轴和所述导向套筒之间的环形间隙内,所述液压滑环芯轴端与驱动芯轴固定连接,所述液压滑环套筒端与所述导向套筒固定连接,用于将液压源提供的液压力传递给对应的液压驱动机构;
本实施例中,所述液压驱动机构包括至少三组液压驱动缸,所述液压源包括至少三组电机泵组,所述各组液压驱动缸与独立可控压力电机泵组一一对应;所述电机泵组在液压源驱动控制模块的控制下为各组液压驱动缸提供可控的液压力,使所述各组液压驱动缸产生的推力合力的大小和方向达到预设值。本实施例中所述的液压源驱动控制模块为电机泵组的液压控制电路,其中至少包括电机泵组中所包含电动机的控制电路。
具体的,所述液压滑环机构126包括第一液压滑环1261、第二液压滑环1262、第三液压滑环1263,所述液压滑环芯轴端与第一跨接液压线路、第二跨接液压线路、第三跨接液压线路密封连接;其中所述第一跨接液压线路1141与所述第一液压滑环连通,所述第二跨接液压线路1142与所述第二液压滑环连通,所述第三跨接液压线1143与所述第三液压滑环连通;所述第一液压滑环、第二液压滑环、第三液压滑环之间设置有密封件,能使所述第一液压滑环、第二液压滑环、第三液压滑环之间的压力系统相互独立,使三组液压驱动机构对应的三组液压源可以独立传送液压能给对应的液压驱动机构;上述液压驱动机构和液压源的数量为四组时也可取得同等效果。所述液压滑环机构对液压驱动机构的具体控制方式并非本发明的创新点,其属于现有技术,例如专利号为US 6913095B2和60/380646的专利中已经做出详细阐述。
实施例4:如图1和2,所述跨接液压线路114为柔性承压管,用于导流高压流体。
实施例5:如图3和4,与实施例4不同的地方在于:所述跨接液压线路114内置于导向节、扭矩传递节和/或液压动力节本体中,所述导向节、扭矩传递节和/或液压动力节本体内开设有贯通液压流道,所述导向节、扭矩传递节和/或液压动力节本体内的贯通液压流道之间密封连接,用于导流高压流体。在图3、图4所示的实施例中,所述跨接液压线路114即为设置于所述导向节、扭矩传递节和/或液压动力节本体内的至少两个贯通液压流道密封连接而成的跨接液压线路114。本实施例中,所述密封连接方式为所述导向节、扭矩传递节和/或液压动力节本体之间的小间隙配合,或,金属密封。
实施例6:与实施例1不同的地方在于:所述扭矩传递节串列为多个由上至下依次通过万向传动结构连接的铰链式万向节。具体的,所述铰链式万向节包括球头、球座,所述球头容置于球座内部,球头与球座形成铰接结构;所述万向传动结构可以是通过采用销连接、采用齿槽连接、采用键槽连接或同等替代的方式传递扭矩,能使所述传扭短节串列承受一定扭矩。作为性价比较优的选择,本实施例中采用传动销226连接。
上述万向传动结构在柔性钻杆技术中已被良好应用,其具体实现方式为现有技术,本发明不再赘述。
如图9中所示,实施例中介绍了本发明应用于分支井钻井时的情形,尤其是转弯半径小于10米的分支井钻井及其延伸井段的导向钻井。即在主井眼300内通过刚性传动钻柱330将所述柔性导向钻井工具下如主井眼内,在斜向器320的支撑作用下完成分支井眼310的钻探作业。
以上所述的,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种柔性旋转钻井导向装置,其特征在于,包括:
钻进导向节,其包括导向节本体、钻头,所述钻头设置于所述导向节本体下部;
柔性驱动钻柱,所述柔性驱动钻柱至少包括扭矩传递节串列;
柔性导向驱动系统,包括液压驱动机构、跨接液压线路、液压源、液压源驱动控制模块;
液压动力节,所述液压动力节通过万向传动结构与所述钻进导向节连接,或者,所述液压动力节通过万向传动结构串接于所述柔性驱动钻柱中,或者,所述液压动力节连接于所述柔性驱动钻柱的上端;所述液压动力节用于容纳液压源,所述液压源通过跨接液压线路与液压驱动机构连接,所述液压驱动机构设置于导向节本体上。
2.根据权利要求1所述的一种柔性旋转钻井导向装置,其特征在于,所述液压源为可控压力液压源,还包括液压源驱动控制模块,所述液压源驱动控制模块能控制可控压力液压源产生预设的或运算获得的特定压力值的动力液。
3.根据权利要求2所述的一种柔性旋转钻井导向装置,其特征在于,所述液压驱动机构被配置为多个,各个所述液压驱动机构均对应连接至少一条跨接液压线路。
4.根据权利要求1所述的一种柔性旋转钻井导向装置,其特征在于,还包括驱动控制节,所述液压源驱动控制模块设置于驱动控制节;
所述驱动控制节通过万向传动结构与所述液压动力节连接,或,所述驱动控制节通过万向传动结构串接于所述柔性驱动钻柱中。
5.根据权利要求1所述的一种柔性旋转钻井导向装置,其特征在于,所述柔性驱动钻柱包括能传递钻井动力的扭矩传递节串列和穿设于所述扭矩传递节串列的内部的软管,所述扭矩传递节串列包括多个由上至下依次设置的扭矩传递短节,相邻两个所述扭矩传递短节之间通过变角度传力结构可转动的连接,位于最下方的所述扭矩传递短节通过变角度传力结构与所述导向节本体或液压动力节或所述驱动控制节相接;所述软管的下端与所述钻进导向节内部的贯通结构相连通。
6.根据权利要求1所述的一种柔性旋转钻井导向装置,其特征在于,所述万向传动结构为铰链式万向节。
7.根据权利要求1所述的一种柔性旋转钻井导向装置,其特征在于,所述万向传动结构的偏转极限范围为3°-15°;
所述扭矩传递短节的长度小于或者等于所述导向节本体的直径的5倍。
8.根据权利要求1所述的一种柔性旋转钻井导向装置,其特征在于,所述液压驱动机构包括至少三组沿所述导向节本体的周向间隔设置的驱动液压缸,所述驱动液压缸包括设置于所述导向节本体的筒壁中的活塞容置腔和设置于所述活塞容置腔的驱动活塞;所述驱动活塞能抵靠井壁继而向井壁传递推力,或,所述驱动活塞能驱动钻头相对导向节发生偏转;
所述跨接液压线路穿越万向传动结构,可以实现跨越万向传动结构的液压力的传递。
9.根据权利要求8所述的一种柔性旋转钻井导向装置,其特征在于,所述驱动活塞上连接有推靠件,所述推靠件能抵靠所述井壁。
10.根据权利要求1或8所述的一种柔性旋转钻井导向装置,其特征在于,所述液压源包括电驱动执行器和液压分流装置,所述电驱动执行器输出端与驱动液压分流装置的液压分流控制端相连,所述液压分流装置通过跨接液压线路与液压驱动机构连接,所述电驱动执行器能够驱动液压分流装置周期性地将贯通流道中的高压钻井液通过所述跨接液压线路与液压驱动机构连通,从而驱动液压驱动机构执行导向功能。
11.根据权利要求1或8所述的一种柔性旋转钻井导向装置,其特征在于,所述液压源为电磁阀,所述电磁阀能在液压源驱动控制模块的控制下周期性的为液压驱动机构提供高压流体。
12.根据权利要求1所述的一种柔性旋转钻井导向装置,其特征在于,所述跨接液压线路为内置于扭矩传递节和/或液压动力节本体中的跨接液压线路,用于导流高压流体。
13.根据权利要求12所述的一种柔性旋转钻井导向装置,其特征在于,当所述跨接液压线路为内置于扭矩传递节中的跨接液压线路时,所述跨接液压线路为柔性承压管,用于导流高压流体;当所述跨接液压线路为设置于导向节、扭矩传递节和/或液压动力节本体中的跨接液压线路时,所述导向节、扭矩传递节和/或液压动力节本体内开设有贯通液压流道,所述导向节、扭矩传递节和/或液压动力节本体内的贯通液压流道之间密封连接,用于导流高压流体。
14.根据权利要求1所述的一种柔性旋转钻井导向装置,其特征在于,所述导向节本体包括驱动芯轴和导向套筒,所述导向套筒通过上复合轴承和下复合轴承套接设置于所述驱动芯轴外部,上复合轴承与下复合轴承能实现轴向止推轴承和/或径向扶正轴承的功能,所述驱动芯轴一端设置有所述钻头,另一端固定连接所述扭矩传递节串列的输出端;
还包括液压滑环机构,所述液压滑环机构包括液压滑环芯轴端和液压滑环套筒端,所述液压滑环机构设于所述驱动芯轴和所述导向套筒之间的环形间隙内,所述液压滑环芯轴端与驱动芯轴固定连接,所述液压滑环套筒端与所述导向套筒固定连接,用于将液压源提供的液压力传递给对应的液压驱动机构。
15.根据权利要求14所述的一种柔性旋转钻井导向装置,其特征在于,所述液压驱动机构包括至少三组液压驱动缸,所述液压源包括至少三组电机泵组,所述各组液压驱动缸与独立可控压力电机泵组一一对应;所述电机泵组在液压源驱动控制模块的控制下为各组液压驱动缸提供可控的液压力,使所述各组液压驱动缸产生的推力合力的大小和方向达到预设值。
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