天然气水合物作为有望接替化石燃料的新能源,在我国展现出了极大的应用前景。固态流化开采方法是我国首创的海底非成岩天然气水合物绿色高效开采的新方法,其水平井作业方式是进一步提高产气量的关键,而现有油气开采装备难以适应在埋深浅、储层薄、弱胶结的天然气水合物赋存区进行水平井作业。本文基于海底浅层水合物沉积层开展了水平井导向工具的研究,在线驱动柔性机械臂的基础上提出了一种适用于海底浅层水平井作业的导向机构,并对其可行性进行论证。所开展的主要研究工作如下:(1)针对海底浅层水合物赋存区储层埋深浅、弱胶结、储层厚度不均等特点,设计了一种适用于海底浅层水平井作业的导向机构,并以侧向破碎距离为指标规划出了指定转弯半径下的井身结构以及轨迹参数,为本文后续导向机构的运动控制和轨迹规划提供了参数方程。(2)基于所设计的导向机构,开展了转向短节的静力学和运动学分析,论证导向机构在驱动和控制上的可行性,得到导向机构的静力学模型以及运动学方程。针对传统D-H运动学难以适应线驱动结构的问题,采用几何分析法对导向机构的转向短节建模,推导出关节转角、对应的弯曲角度和偏转角度以及各个驱动钢丝绳变化量之间的关系。对几何分析法的误差进行了分析,证明了简化的合理性,为导向机构的控制方程提供了理论基础。(3)在导向机构力学模型的基础上,通过开展不同工作参数和位置姿态变化下转向短节负载的研究,分析了各工作参数对转向短节负载的影响规律。研究结果表明,高压软管内流体压力和流速的提高对负载的影响呈线性增长且无耦合作用;在转向短节的弯曲过程中,随着弯曲角度的增大,充满流体的高压软管弯曲负载呈现出特殊的变化规律,得到了类似于弹塑性材料的弹性模量变化趋势。综合以上分析确定了导向机构在工作过程中的负载,为驱动部分的电机参数提供了选型依据。(4)基于导向机构运动学方程和造斜段的参数方程,对导向机构的运动进行了轨迹规划,并对控制系统进行了初步的规划。通过造斜段的参数方程结合实际工况参数,规划实时的侧向破碎距离,并经过运动学方程的映射对导向机构的驱动短节进行控制。利用LabVIEW编程完成了控制软件的编写,初步论证了导向机构设计的可行性,为后续的深水浅层导向机构提出了一种研究方向。本文提出了用于海洋水合物水平井导向的导向机构,在现有工业领域机械臂的基础上将其应用于弱胶结地层的钻进导向,通过合理的设计使之满足天然气水合物开采的需要。研究成果为海洋非成岩水合物开采的水平井钻进初步论证了一套可行性较高的导向工具,对海洋水合物开采的研究具有支撑作用。