楊 育 升

(中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司)

0 引 言

定向裝置是連續(xù)管定向鉆井中的核心工具[1]。由于連續(xù)管不能像鉆桿一樣旋轉(zhuǎn)，所以無(wú)法通過(guò)旋轉(zhuǎn)管柱的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆頭工具面的調(diào)整，只能通過(guò)專用轉(zhuǎn)向裝置調(diào)整井下馬達(dá)彎角的朝向，將工具面角調(diào)整到所需的角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)井斜和方位的調(diào)整，達(dá)到井眼沿設(shè)計(jì)井身軌跡鉆進(jìn)的目的[2-3]。

連續(xù)管鉆井定向裝置正在不斷發(fā)展、完善，主要有機(jī)械式、電控液驅(qū)式及電控電驅(qū)式3種形式。機(jī)械式是通過(guò)控制鉆井液排量，改變鎖緊套位置，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置外體旋轉(zhuǎn)及定向模式與鎖緊模式之間的轉(zhuǎn)換，但由于只能單向轉(zhuǎn)動(dòng)，定向與鎖緊轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)，且調(diào)節(jié)精度差，已逐漸被淘汰[4]。電控電驅(qū)式利用地面控制裝置通過(guò)電纜輸送電能和操作信號(hào)，電馬達(dá)帶動(dòng)連接機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)井下工具定向施工，這種方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度大，使用并不廣泛[5]。

目前技術(shù)相對(duì)成熟、應(yīng)用較多的是電控液驅(qū)式定向裝置。國(guó)內(nèi)對(duì)連續(xù)管鉆井定向器相關(guān)產(chǎn)品的研究尚處于起步階段，還沒有成熟的連續(xù)管定向器投入市場(chǎng)，與國(guó)外已經(jīng)較為成熟的連續(xù)管定向器技術(shù)相比，在各個(gè)層面都有著很大的差距[6-7]。電控液驅(qū)式由地面主機(jī)通過(guò)電纜控制井下電機(jī)正反轉(zhuǎn)，井下電動(dòng)泵泵注液壓油實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)動(dòng)和鎖止，可連續(xù)旋轉(zhuǎn)、雙向定向，實(shí)現(xiàn)工具面的精確擺放，精度較高，輸出扭矩較大，應(yīng)用前景好。基于此，筆者研制了連續(xù)管側(cè)鉆井下定向器，并投入生產(chǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，取得較好的效果。

1 技術(shù)分析

1.1 主要結(jié)構(gòu)及工作原理

連續(xù)管側(cè)鉆井下定向器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由導(dǎo)向參數(shù)測(cè)量單元、電子控制單元、液壓動(dòng)力單元和機(jī)械旋轉(zhuǎn)單元4部分構(gòu)成。電子控制單元和液壓動(dòng)力單元合稱為電-液控制短節(jié)，機(jī)械旋轉(zhuǎn)單元也被稱為旋轉(zhuǎn)短節(jié)。導(dǎo)向參數(shù)測(cè)量單元實(shí)時(shí)測(cè)量井斜、方位、溫度、鉆壓和扭矩等參數(shù)，將測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，再利用內(nèi)置電纜上傳至地面解碼系統(tǒng)，顯示在地面控制主機(jī)屏幕上。當(dāng)井眼軌跡需要調(diào)整時(shí)，通過(guò)地面主機(jī)發(fā)出控制指令，驅(qū)動(dòng)定向裝置的電子控制單元工作，帶動(dòng)液壓動(dòng)力單元的微型電機(jī)、微型液壓泵和電磁閥等運(yùn)轉(zhuǎn)，將油缸中的液壓油通過(guò)流道泵入機(jī)械系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)下部的螺桿馬達(dá)及鉆頭旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，與旋轉(zhuǎn)軸連接的角度檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)將旋轉(zhuǎn)短節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度通過(guò)信號(hào)傳輸系統(tǒng)上傳至地面控制系統(tǒng)，指導(dǎo)地面操作。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

外徑：105 mm；

長(zhǎng)度：1 600 mm；

轉(zhuǎn)向控制方式：地面主機(jī)通過(guò)電纜控制井下電機(jī)正反轉(zhuǎn)，井下電動(dòng)泵泵注液壓油實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)動(dòng)和鎖止；

轉(zhuǎn)向控制精度：≤5°；

轉(zhuǎn)向扭矩：≥1 500 N·m；

總轉(zhuǎn)向角度：400°～440°；

數(shù)據(jù)傳輸方式：電纜有線傳輸。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 各單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 導(dǎo)向參數(shù)測(cè)量單元

導(dǎo)向參數(shù)測(cè)量?jī)x也稱單芯電纜在線式井斜方位測(cè)量?jī)x，其功能為在鉆井過(guò)程中實(shí)時(shí)提供鉆具姿態(tài)等幾何參數(shù)，為鉆井導(dǎo)向提供實(shí)時(shí)控制依據(jù)。導(dǎo)向參數(shù)測(cè)量?jī)x工作原理如圖2所示。

導(dǎo)向參數(shù)測(cè)量?jī)x采用單芯電纜連接方式，儀器電源電路通過(guò)電感器與單芯電纜連接獲取電能，在儀器電源電路板上形成儀器所需的DC電源，包括3.3 V數(shù)字電源，以及模擬電路和通信電路所需的12 V電源。井斜方位傳感器內(nèi)部包括傳感器電源電路、溫度傳感器、三軸加速度傳感器、三軸磁場(chǎng)傳感器和信號(hào)調(diào)理電路等元件。井斜方位傳感器將信號(hào)幅度放大，進(jìn)行濾波處理后提取有效信號(hào)，由主控采集板進(jìn)行采集，實(shí)時(shí)處理出井斜、方位、工具面角度及儀器溫度等儀器數(shù)據(jù)。由主控采集板接收地面儀器下傳的命令，執(zhí)行數(shù)據(jù)測(cè)量及處理命令，通過(guò)雙向調(diào)制解調(diào)電路向地面發(fā)送測(cè)量結(jié)果。雙向調(diào)制解調(diào)電路通過(guò)單芯測(cè)井電纜，在地面儀器向井下儀器串提供電能的同時(shí)，采取載波方式，由發(fā)送端把通信信號(hào)調(diào)制到單芯電纜上，在接收端通過(guò)解調(diào)電路，把調(diào)制到單芯電纜的通信信號(hào)解調(diào)恢復(fù)成可讀的通信信號(hào)，從而在單芯測(cè)井電纜上建立地面與井下雙向通信功能。

2.1.2 電子控制單元

電子控制單元使用電纜與地面的處理器及電腦等相連，通過(guò)地面電腦控制該工具的電子系統(tǒng)工作，如圖3所示。

電子控制單元主要由上接頭、螺紋套、儀器外殼、電路板、過(guò)濾通道和下接頭組成。電路板具備電源控制、旋轉(zhuǎn)角度監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集處理傳輸功能。

2.1.3 液壓動(dòng)力單元

液壓系統(tǒng)工作原理如圖4所示。該液壓系統(tǒng)主要由濾油器、溢流閥、換向閥1、換向閥2、雙向液壓鎖、旋轉(zhuǎn)定向、液壓釋放缸和壓力傳感器等組成。

圖4 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.4 Principle of hydraulic system

液壓泵在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)作用下經(jīng)過(guò)濾油器，泵出液壓油，通過(guò)換向閥1、雙向液壓鎖，推動(dòng)旋轉(zhuǎn)定向工作，旋轉(zhuǎn)定向儀旋轉(zhuǎn)一定角度后，雙向液壓鎖鎖定工作活塞兩端液壓油，保證工作活塞位置固定不動(dòng)。通過(guò)換向閥2的液壓通路，實(shí)現(xiàn)油路反向循環(huán)，即可使工作活塞反向運(yùn)動(dòng)。該液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)最高工作壓力21 MPa，抗振級(jí)別20g，耐溫120 ℃，耐壓105 MPa。

2.1.4 機(jī)械旋轉(zhuǎn)單元

機(jī)械系統(tǒng)選用高強(qiáng)度合金材料，采用“兩級(jí)螺紋副傳動(dòng)、螺桿換向”結(jié)構(gòu)，利用螺旋式液壓擺動(dòng)油缸(見圖5)的工作原理，主要由以下3部分構(gòu)成：殼體(含有內(nèi)螺旋線結(jié)構(gòu)及兩條油路)、花鍵套(也可稱為活塞，末端連有一體的旋轉(zhuǎn)密封，含有內(nèi)螺旋線和外螺旋線結(jié)構(gòu))和軸(含有外螺旋線結(jié)構(gòu)，跟輸出軸一體)。這3部分即為3個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，形成了兩對(duì)螺旋線嚙合，分別為殼體的內(nèi)螺旋線跟花鍵套的外螺旋線嚙合，花鍵套的內(nèi)螺旋線和軸的外螺旋線嚙合。

圖5 螺旋式液壓擺動(dòng)油缸Fig.5 Spiral hydraulic swing cylinder

由圖5可知，定向器機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩個(gè)流道，旋轉(zhuǎn)密封將缸體分為左右兩個(gè)腔，缸體上有左右兩個(gè)油口，每個(gè)油口對(duì)應(yīng)一個(gè)腔。殼體固定時(shí)，由液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓液體經(jīng)流道進(jìn)入，推動(dòng)花鍵套邊旋轉(zhuǎn)邊朝另一個(gè)油口的方向運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)了軸的旋轉(zhuǎn)；當(dāng)需要反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，只需將液壓油從前述的出油口泵入，前述的進(jìn)油口變?yōu)槌鲇涂?，花鍵套即朝相反的方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)軸反向旋轉(zhuǎn)?；钊蜃蟆⑾蛴抑本€移動(dòng)帶動(dòng)芯軸旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到旋轉(zhuǎn)器順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)換向的目的。

2.2 傳動(dòng)部分性能校核

設(shè)計(jì)的定向器機(jī)械傳動(dòng)部分的主要參數(shù)為：第一螺旋副材料HT600，螺紋牙型30°梯形，螺旋升角60°，外螺紋大徑56 mm，外螺紋中徑53 mm，螺距10.7 mm，螺旋線數(shù)27，導(dǎo)程288 mm；第二螺旋副材料42CrMo，螺紋牙型30°梯形，螺旋升角60°，外螺紋大徑82 mm，外螺紋中徑79 mm，螺距10.7 mm，螺旋線數(shù)40，導(dǎo)程430 mm；活塞行程192 mm，最高工作壓力21 MPa，活塞外徑為85 mm，活塞內(nèi)徑50.8 mm，活塞有效受力面積3 645.8 mm2。

2.2.1 輸出扭矩校核

考慮摩擦力影響的實(shí)際輸出扭矩為[8-9]:

(1)

式中：M為輸出扭矩，N·m；p為液壓缸中油的壓力，MPa；d1、d2為兩級(jí)螺旋副螺紋中徑尺寸，mm；A為空心螺桿的有效受力面積，mm2；α1、α2為兩級(jí)螺旋副的螺旋升角，(°)；β1、β2為兩級(jí)螺旋副的摩擦角，(°)。

通過(guò)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[5]，鋼與鑄鐵在有潤(rùn)滑的條件下摩擦因數(shù)范圍在0.05～0.15之間，考慮活塞所采用的HT600材料所含碳以石墨的形式存在，具有一定的自潤(rùn)滑能力，故摩擦因數(shù)取值0.08，由摩擦因數(shù)f=tanβ可求得β1=β2≈4.6°。由此可得最大輸出扭矩M≈1 761 N·m。

2.2.2 輸出轉(zhuǎn)角校核

擺動(dòng)缸輸出轉(zhuǎn)角為兩級(jí)螺旋副轉(zhuǎn)角的矢量疊加[10-12]，即：

(2)

式中：γ為兩級(jí)螺旋副合成轉(zhuǎn)角，rad；γ1、γ2分別為兩級(jí)螺旋副最大轉(zhuǎn)角，rad；L為空心螺桿行程，mm；S1、S2分別為兩級(jí)螺旋副的導(dǎo)程，mm。

將設(shè)計(jì)的參數(shù)代入式(2)，可得最大輸出轉(zhuǎn)角γ≈400.7。

3 室內(nèi)測(cè)試

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，檢驗(yàn)連續(xù)管側(cè)鉆井下定向器的轉(zhuǎn)角、工作扭矩、密封絕緣，以及在高溫、振動(dòng)情況下儀器電子控制單元及液壓控制單元的抗溫抗振性能。

3.1 轉(zhuǎn)角及扭矩測(cè)試

將連續(xù)管側(cè)鉆井下定向器固定在試驗(yàn)臺(tái)架上，用導(dǎo)線將地面控制主機(jī)和續(xù)管側(cè)鉆井下定向器連接起來(lái)，主機(jī)通電開機(jī)，空載情況下控制定向裝置分別順時(shí)針、逆時(shí)針到頭，測(cè)量旋轉(zhuǎn)角為400°。使用專用力臂套在定向裝置輸出軸上，逐步增加懸掛重物的重力，利用軟件控制旋轉(zhuǎn)定向裝置正向、反向旋轉(zhuǎn)，根據(jù)所懸掛重物的重力及力臂的長(zhǎng)度即可計(jì)算旋轉(zhuǎn)定向裝置的工作扭矩，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。試驗(yàn)最高扭矩1 808 N·m，轉(zhuǎn)向裝置工作正常，檢查工具外形、連接部位無(wú)變形及損傷，說(shuō)明轉(zhuǎn)向裝置的扭矩達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表1 連續(xù)管側(cè)鉆井下定向器扭矩及自鎖測(cè)試數(shù)據(jù)表Table 1 Torque and self-locking test data of directional device for coiled tubing sidetracking

3.2 密封絕緣測(cè)試

將控制主機(jī)與電子控制單元連接，測(cè)試控制旋轉(zhuǎn)短節(jié)工作正常，然后用專用試壓密封堵頭將定向器兩端及連接插針堵死，連接好試壓接頭，再接好高壓管線及試壓泵，向工具內(nèi)泵入清水，試驗(yàn)壓力由0逐漸增加至35 MPa，穩(wěn)壓30 min，觀察工具各連接處無(wú)滲漏。試壓完成后泄壓拆掉試壓接頭，排凈工具內(nèi)腔的清水，測(cè)量插針的通斷及絕緣情況，結(jié)果均顯示良好，然后將控制主機(jī)與儀器用導(dǎo)線連接。開機(jī)后下發(fā)旋轉(zhuǎn)指令，旋轉(zhuǎn)定向裝置旋轉(zhuǎn)正常，儀器旋轉(zhuǎn)角度與軟件顯示角度相匹配，說(shuō)明測(cè)量裝置與旋轉(zhuǎn)定向裝置的密封、絕緣性符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 耐溫抗振測(cè)試

將控制主機(jī)與旋轉(zhuǎn)定向裝置的電子控制單元用導(dǎo)電線連接后進(jìn)行測(cè)試，檢查控制及旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量正常，然后將旋轉(zhuǎn)定向裝置放入高溫振動(dòng)試驗(yàn)艙內(nèi)并固定，并通過(guò)導(dǎo)線與放在艙外的地面控制主機(jī)連接。啟動(dòng)加溫和振動(dòng)程序，觀察并記錄工具在不同溫度和振動(dòng)狀態(tài)下的工作參數(shù)和工作性能。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及存在的問題

連續(xù)管側(cè)鉆井下定向器先后在G04-19NX和G08-21-X兩口井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，累計(jì)完成裸眼段鉆進(jìn)610.66 m，最長(zhǎng)單井裸眼長(zhǎng)度達(dá)到401.60 m，定向裝置按要求完成井斜、方位的調(diào)整并可靠自鎖。

其中在GO8-21-X井實(shí)現(xiàn)了完整的增斜段定向鉆進(jìn)試驗(yàn)。該井開窗深度953.18 m，完鉆井深1 354.78 m，裸眼段長(zhǎng)度401.60 m，整個(gè)定向試驗(yàn)過(guò)程中利用定向裝置對(duì)工具面調(diào)整8次，井斜由0°增至11.28°，方位由338.1°調(diào)整至247.1°，實(shí)鉆井眼軌跡與設(shè)計(jì)井眼軌跡對(duì)比見圖6。

圖6 GO8-21-X井設(shè)計(jì)與實(shí)鉆井眼軌跡對(duì)比Fig.6 Comparison between designed borehole trajectory and drilled borehole trajectory for Well GO8-21-X

為了檢驗(yàn)定向裝置測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，在完成裸眼鉆進(jìn)后，利用?73.0 mm鉆桿攜帶無(wú)線MWD對(duì)井眼軌跡進(jìn)行復(fù)測(cè)校核。無(wú)線MWD測(cè)得的井眼軌跡數(shù)據(jù)與連續(xù)管定向裝置測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

表2 GO8-21-X井井眼軌跡數(shù)據(jù)對(duì)比Table 2 Comparison of borehole trajectory data for Well GO8-21-X

從表2可以看出,井斜的誤差較小，而方位誤差較大，尤其是在井斜小、距離套管近時(shí)。分析認(rèn)為影響定向裝置測(cè)量數(shù)據(jù)誤差較大的原因?yàn)榫狈轿粶y(cè)量?jī)x所處的無(wú)磁環(huán)境不夠，受套管、鉆具及定向裝置中電機(jī)、閥件等的磁場(chǎng)影響，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)偏差較大。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了定向器的抗振、耐溫、工作扭矩等指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)工具面調(diào)整的基本要求，但也存在如下問題。

(1)所研制的定向器，其工作扭矩小于彎螺桿的工作扭矩，因此在調(diào)整工具面時(shí)需要停泵，并上提鉆具，將鉆頭提離井底，方可進(jìn)行調(diào)整工具面作業(yè)。

(2)由于定向器的工作扭矩有限，且單向旋轉(zhuǎn)角度為400°，無(wú)法同彎螺桿配合進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)，所以在完成增斜鉆進(jìn)進(jìn)入穩(wěn)斜鉆進(jìn)井段時(shí)，需要起出彎螺桿更換直螺桿進(jìn)行穩(wěn)斜鉆進(jìn)。

(3)井斜、方位測(cè)量數(shù)據(jù)與無(wú)線WMD相比存在一定的偏差，原因是儀器在測(cè)量時(shí)受磁場(chǎng)影響較大，需加長(zhǎng)井斜方位測(cè)量短節(jié)上下無(wú)磁短節(jié)的長(zhǎng)度，以增加無(wú)磁環(huán)境，減少測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差。

5 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)的連續(xù)管側(cè)鉆井下定向器，采用電-液控制，實(shí)現(xiàn)了大扭矩下的精準(zhǔn)控制，相比較利用改變鉆井液排量實(shí)現(xiàn)工具面調(diào)整的純機(jī)械式定向器，提高了操作的便捷性、可靠性和精準(zhǔn)性。

(2)室內(nèi)測(cè)試結(jié)果表明，該定向裝置滿足井溫120 ℃、壓差35 MPa以內(nèi)的施工井況，可實(shí)現(xiàn)±200°雙向旋轉(zhuǎn)調(diào)整工具面角，最大工作扭矩為1 500 N·m。

(3)目前定向裝置中的井斜、方位測(cè)量模塊測(cè)得的數(shù)據(jù)還存在一定的偏差，需降低磁場(chǎng)干擾，提高M(jìn)WD探管無(wú)磁環(huán)境后做進(jìn)一步現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。