苗芷芃，萬(wàn)教育，徐華冬，張瑞平，王洪濤，李俊勝，張興龍

(1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院 陜西 西安 710065；2.西安市致密油(頁(yè)巖油)開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710065；3．西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司 新疆 烏魯木齊 830026)

0 引 言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)大多數(shù)油田先后步入高含水階段，獲得油氣量日趨減少。對(duì)于這類已經(jīng)開(kāi)采到一定階段的油田，需要基于老井重鉆技術(shù)進(jìn)行二次開(kāi)采，對(duì)于油田的殘余潛能充分利用，其中最為主流的開(kāi)采方式是連續(xù)管鉆井技術(shù)[1-2]。連續(xù)管鉆井技術(shù)，其作業(yè)效率高，避免了起下油管操作，極大減低了工程費(fèi)用，在井下作業(yè)領(lǐng)域成為近年來(lái)發(fā)展的熱點(diǎn)技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用在石油鉆采的各個(gè)領(lǐng)域[3-4]。但由于目前所使用的連續(xù)管具有不可旋轉(zhuǎn)性或者轉(zhuǎn)向精度較低，嚴(yán)重影響了連續(xù)管鉆井技術(shù)的大范圍推廣應(yīng)用[5]。為此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)連續(xù)管定向優(yōu)化調(diào)整的需求，提出了一種新的定向器的設(shè)計(jì)思路[6]，即將連續(xù)管定向器設(shè)計(jì)為通過(guò)將工具的壓降變?yōu)檩S向的位移，再將軸向的位移轉(zhuǎn)變?yōu)橹芟虻男D(zhuǎn)，從而完成轉(zhuǎn)位動(dòng)作，同時(shí)依靠轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)套調(diào)節(jié)連續(xù)管單次可旋轉(zhuǎn)角度，再根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)連續(xù)管定向器進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，驗(yàn)證了研制的定向工具原理的可行性。

1 連續(xù)管定向器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

根據(jù)國(guó)內(nèi)各種結(jié)構(gòu)定向器的優(yōu)缺點(diǎn)，有針對(duì)性的提出一種新的定向器結(jié)構(gòu)方案，其設(shè)計(jì)依據(jù)準(zhǔn)則如下：

1)定向器運(yùn)行時(shí)應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性，能夠達(dá)到實(shí)際施工的需要，并且不應(yīng)對(duì)工具組合中其他工具的工作參數(shù)、性能等造成影響。

2)壓降應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，不應(yīng)過(guò)高，當(dāng)壓降過(guò)大會(huì)影響施工作業(yè)，如導(dǎo)致泵功率的升高以及泵排量難以達(dá)到需求等。

3)工具能夠?qū)崿F(xiàn)單次動(dòng)作后較小的旋轉(zhuǎn)角度，并且在一定條件下可改變轉(zhuǎn)向角度，這樣能較大提高轉(zhuǎn)向的效率和轉(zhuǎn)向精度。

4)工具產(chǎn)生的扭矩應(yīng)帶動(dòng)底部鉆具組合與工具一起旋轉(zhuǎn)，并留有一定的余量，避免發(fā)生工具卡死。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連續(xù)管液壓定向器主要結(jié)構(gòu)包括離合器機(jī)構(gòu)、動(dòng)力機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)角控制機(jī)構(gòu)和換向機(jī)構(gòu)，如圖1所示。離合器套、離合器軸、花鍵套及制動(dòng)方向相反的兩組單向軸承組成離合器機(jī)構(gòu)，主要功能是通過(guò)不斷地周向旋轉(zhuǎn)和周邊制動(dòng)，以切換主要機(jī)構(gòu)；芯管和節(jié)流噴嘴組成動(dòng)力機(jī)構(gòu)，使活塞通過(guò)節(jié)流壓降產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)。彈簧和轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)套組成轉(zhuǎn)角控制機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)單次軸向運(yùn)動(dòng)所旋轉(zhuǎn)角度的控制。換向機(jī)構(gòu)由換向接頭和花鍵軸活塞所組成，花鍵軸活塞與動(dòng)力機(jī)構(gòu)同軸相通。

1—上接頭；2—離合器軸；3—離合器套；4—上單向軸承；5—下單向軸承；6—花鍵套；7—花鍵軸活塞；8—轉(zhuǎn)位接頭；9—彈簧；10—轉(zhuǎn)角控制套；11—芯管；12—噴嘴；13—下接頭圖1 連續(xù)管鉆井液壓定向器結(jié)構(gòu)圖

1.3 工作原理

在連續(xù)管鉆井過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)當(dāng)前工具面角與目的工具面角存在偏差的情況時(shí)，需要調(diào)整工具面角。連續(xù)管鉆井液壓轉(zhuǎn)向器的操作可分成旋轉(zhuǎn)和復(fù)位兩個(gè)過(guò)程。旋轉(zhuǎn)原理示意圖如圖2所示。在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，鉆井液通過(guò)連續(xù)管和鉆具流入，在通過(guò)芯管和噴嘴時(shí)，節(jié)流壓力會(huì)增加，在節(jié)流壓力的作用下活塞開(kāi)始下行，并壓縮彈簧直至轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)套位置。與此同時(shí)，在換向機(jī)構(gòu)的作用下軸向運(yùn)動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)換為周向旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)力由花鍵套傳至離合機(jī)構(gòu)；此時(shí)，離合器中上單向軸承會(huì)松開(kāi)，下單向軸承被鎖定，使下接頭以下部位帶動(dòng)定向器下部的工具串一起轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)套長(zhǎng)度最終確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)套可在入井前根據(jù)需求更換長(zhǎng)度。

單次旋轉(zhuǎn)過(guò)程結(jié)束后，將地面泵流量恢復(fù)到正常鉆井值，工具開(kāi)始進(jìn)入復(fù)位過(guò)程，復(fù)位原理示意圖如圖3所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)原理示意圖

圖3 復(fù)位原理示意圖

在復(fù)位過(guò)程中，在復(fù)位彈簧的作用下活塞會(huì)向上移動(dòng)，反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)會(huì)被帶動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位旋轉(zhuǎn)；此時(shí)，離合器的上單向軸承被鎖定，下單向軸承松開(kāi)，使下接頭以下部位帶動(dòng)定向器下部的工具串保持靜止，僅有花鍵套發(fā)生復(fù)位旋轉(zhuǎn)。通過(guò)不斷重復(fù)轉(zhuǎn)位動(dòng)作，即可達(dá)到預(yù)期的工具面角。

2 連續(xù)管定向器室內(nèi)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證研制的連續(xù)管定向器的工作原理，并對(duì)其性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)裝配后的連續(xù)管定向器室進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。

2.1 靜壓試驗(yàn)

1)靜壓試驗(yàn)?zāi)康?/p>

本次靜壓試驗(yàn)的目的是測(cè)試研制的連續(xù)管定向器能夠承受的靜壓大小，驗(yàn)證在一定的靜液壓力下，連續(xù)管定向器是否會(huì)出現(xiàn)漏壓的情況，并以此來(lái)判斷連續(xù)管的各個(gè)扣型、密封部位的設(shè)計(jì)合理性。另外，測(cè)試靜壓情況下，連續(xù)管提供的扭矩與壓力的關(guān)系。

2)靜壓試驗(yàn)步驟

(1)將裝配好的連續(xù)管定向器安裝在靜壓試驗(yàn)臺(tái)上。

(2)將密封裝置與連續(xù)管定向器底部連接，然后裝上扭矩測(cè)試儀。

(3)將泵的出口與連續(xù)管定向器入口處相連接。

(4)先將泵用低排量啟動(dòng)，依次檢查各個(gè)管線和泵的密封性，然后檢查壓力表是否為正確讀數(shù)。

(5)逐步提升泵排量，直至壓力表指示到10 MPa，并記錄扭矩?cái)?shù)據(jù)。

(6)當(dāng)壓力達(dá)到10 MPa后，靜壓試驗(yàn)泵自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)關(guān)閉回壓閥，工具開(kāi)始憋壓10～20 min，在此期間開(kāi)始觀察是否有壓力漏失。

(7)完成試驗(yàn)后，將設(shè)備及工具依次拆卸，對(duì)工具內(nèi)部的密封部位和密封工件進(jìn)行檢查。

3)靜壓試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)步驟完成靜壓試驗(yàn)后，測(cè)量的連續(xù)管定向器在不同壓力下的扭矩傳遞數(shù)值見(jiàn)表1，這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)連續(xù)管定向器在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用有非常重要的意義，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以通過(guò)調(diào)節(jié)工具的壓降來(lái)達(dá)到需要的扭矩。耐壓試驗(yàn)完成后，通過(guò)壓力表讀數(shù)和觀察連續(xù)管定向器外觀，發(fā)現(xiàn)并無(wú)漏壓，漏液現(xiàn)象出現(xiàn)，說(shuō)明連續(xù)管定向器的密封部件、扣型結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)合理。

2.2 動(dòng)壓試驗(yàn)

1)動(dòng)壓試驗(yàn)?zāi)康?/p>

動(dòng)壓試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證研制的連續(xù)管定向器的工作原理，測(cè)試連續(xù)管定向器在不同排量條件下的性能參數(shù)，以確定所研制設(shè)計(jì)的連續(xù)管定向器是否能夠穩(wěn)定運(yùn)行，隨后對(duì)獲得的參數(shù)進(jìn)行分析處理，分析出研制的連續(xù)管定向器的壓降與排量的關(guān)系以及壓降與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的變化規(guī)律。

表1 連續(xù)管不同壓力的的傳遞扭矩測(cè)試結(jié)果

2)動(dòng)壓試驗(yàn)步驟

(1)將裝配好的連續(xù)管定向器固定懸掛在井下工具試驗(yàn)臺(tái)架上，為了能夠更明顯的觀測(cè)到定向器的轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)位置涂畫(huà)標(biāo)識(shí)線，以標(biāo)記定向器定向器發(fā)生的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度。

(2)連接壓力傳感器、磁粉制動(dòng)器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

(3)將泵的出口連接在連續(xù)管定向器的入口，并在連續(xù)管定向器出口處安裝液體循環(huán)裝置。

(4)先將泵用低排量啟動(dòng)，依次檢查各個(gè)管線和泵的密封性，然后檢查壓力表是否為正確讀數(shù)。

(5)逐漸加大排量，直至連續(xù)管定向器開(kāi)始工作。然后將入口調(diào)至超過(guò)排量至9 L/s，觀察連續(xù)管定向器的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，之后反復(fù)將排量降低，隨后再提升排量至9 L/s，觀察連續(xù)管定向器是否能連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

(6)完成試驗(yàn)后，將設(shè)備及工具依次拆卸。

3)動(dòng)壓試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)動(dòng)壓試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)節(jié)流噴嘴中產(chǎn)生壓降作用時(shí)，研制的連續(xù)管定向器可將軸向的位移轉(zhuǎn)化為周向的旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，并能轉(zhuǎn)到目標(biāo)角，如圖4所示，藍(lán)色線為上一次轉(zhuǎn)動(dòng)的位置，白色線為本次轉(zhuǎn)動(dòng)的位置。在反復(fù)升高降低排量的過(guò)程中，連續(xù)管定向器能夠正常運(yùn)行，沒(méi)有出現(xiàn)卡住或者轉(zhuǎn)位不足的情況，證明了它的原理與結(jié)構(gòu)切實(shí)可行。連續(xù)管定向器的壓降與其工作排量和所安裝的噴嘴直徑有關(guān)，如圖5所示。隨著排量的增大連續(xù)管定向器的壓降也逐漸增大；采用不同噴嘴時(shí)，噴嘴的直徑越大，連續(xù)管定向器的壓降越小。所以在實(shí)際施工過(guò)程中，需要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，合理選擇噴嘴參數(shù)。

圖4 定向器轉(zhuǎn)位位置

圖5 不同噴嘴直徑時(shí)連續(xù)管定向器的壓降和排量之間的關(guān)系圖

3 結(jié) 論

1)連續(xù)管定向器的主要機(jī)理是將工具的壓降變?yōu)檩S向的位移，實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程依靠節(jié)流噴嘴的節(jié)流壓降，再將軸向的位移變?yōu)橹芟虻男D(zhuǎn)，每次轉(zhuǎn)位后需要鎖緊實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程依靠的是離合機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)、鎖緊和復(fù)位；同時(shí)連續(xù)管單次可旋轉(zhuǎn)角度可以通過(guò)轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)套進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2)連續(xù)管定向器在靜壓耐壓試驗(yàn)中，可以承受10 MPa的靜壓且沒(méi)有出現(xiàn)漏壓漏液現(xiàn)象；靜壓下連續(xù)管定向器所傳遞的扭矩值與壓力值成正比。

3)連續(xù)管定向器在動(dòng)壓參數(shù)試驗(yàn)中，可按照設(shè)計(jì)發(fā)生轉(zhuǎn)位，且轉(zhuǎn)位角度準(zhǔn)確；同時(shí)動(dòng)壓下連續(xù)管定向器的壓降與排量成正比，與噴嘴直徑成反比；結(jié)合靜壓試驗(yàn)可以得到在不同節(jié)流壓降下調(diào)節(jié)連續(xù)管定向器能產(chǎn)生的扭矩，可現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)的工作排量及噴嘴選型。