连续管钻井电液控定向工具分析
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连续管侧钻技术是近年来应用较为广泛的一种新型钻井技术，在侧钻作业中具有低成本、方便快捷、安全等显著优势，对老油田改造挖潜与稳产、低渗透油气藏开发具有重要意义。连续管钻井定向工具是实现连续管侧钻的核心工具，国内外连续管钻井定向工具从操控方式上主要分为液控式、电液控式及电控式三类。国内目前主要采用液控式定向工具进行连续管侧钻定向施工，通过控制钻井液的排量，驱动定向工具产生工具外体旋转以达到应用要求。这种操控方式精度低、单向旋转、功能简单、作业范围受限、不利于钻井轨迹的控制。国外主要采用电液控及电控式的连续管钻井定向工具或定向系统，这两类定向工具共同点是通过在连续管内设置电缆，利用地面计算机控制，按井下施工要求通过电机驱动旋转定向，技术先进、性能可靠，适用范围较广。本文研制的电液控式定向工具属国内首创，采用电液机一体化控制方式，利用高压直流供电、载波通信技术，达到地面远程调整井下工具面并精确控制井眼轨迹的目的，在辽河油田11口连续管侧钻井中得到应用。
工作原理
连续管钻井电液控定向工具采用电液机控一体化设计，主要由复合接头、电液控系统、机械系统三部分构成。地面测控系统发出指令，经由连续管内置电缆和复合接头向电液控系统高压直流供电，通过分时载波通信机制进行双向通讯以传输电能和操作信号，电液控系统内的微电机接收电能和操作信号后带动微型泵运转，产生高压液体，驱动机械系统内的活塞进行直线运动，并通过螺旋换向机构将直线运动转化为下接头的旋转运动，从而实现工具旋转调整工具面的功能，进而达到精确控制井眼轨迹的目的。
结构设计
连续管钻井电液控定向工具主要由三大部分构成：复合接头、电液控系统及机械系统，如图1所示。（1）复合接头结构设计复合接头主要起到为定向工具电液控系统以及定向工具所连接的其它测控工具供电与传递信号的作用，因此，保证复合接头的绝缘密封性能是设计重点，要求复合接头与定向工具机械系统之间在最高60MPa的钻井液压力下绝缘电阻至少要达到500Ωm以上。复合接头主要由上复合接头和下复合接头构成，结构如图2所示，其中上复合接头位于定向工具上接头内，主要由插针总成、导线连接总成及扶正块总成组成。而下复合接头位于定向工具下接头内，主要由插针套总成、导线连接总成及扶正块总成组成。为达到高压环境下的绝缘目的，复合接头插针总成和插针套总成中，设计有铜针和铜套用于传递电流和信号。绝缘套采用耐高压、高强度材料，包裹在插针外面，既可以起到绝缘作用，又可以固定插针，防止插针断裂。绝缘套和钢质外壳之间主要采用多个轴向排布的O型密封圈来保证高压密封性能。导线连接总成内，将铠装电缆的外层钢丝剥开并翻转用一个压紧套锁死，再采用一截铜质导线将钢丝电缆内剥出的铜丝与铜针或铜套的一端相连，导线连接处被一个绝缘套和钢质支撑套保护，两者之间通过O型密封圈密封，防止进入液体而导致电路短路。扶正块总成由一组设计较为独特的扶正块组成，扶正块为内外两层套筒结构，套筒中间由筋板连接，插针总成、导线连接总成、插针套总成均套装在扶正块内层套筒内，并分别安装在定向工具上下头内，起到了固定扶正的作用，防止由于震动造成插针连接虚接，影响通讯。（2）电液控系统结构设计电液控系统是整套定向工具最为核心的部分，耐高温微型电子及液压元器件、电路板及其上电子元件的布局、电控器与液控器之间主线的连接方式、注油方式的选择等均对工具信号接收稳定性及动作执行可靠性产生重大影响。研究人员通过对该系统各组成部件进行反复试验、调试与改进完善，最终达到了研制目的。该系统结构简图如图3所示，主要由电子总成、供油总成、阀门组三部分构成，并总装在一个形状结构复杂的不锈钢外筒内。电子总成的作用是接收地面测控系统下达的指令与传感器信号，控制电机工作。为实现该功能，研究人员将ARM芯片控制模块、电机控制模块、电磁阀控制模块、数据采集模块集成到PCB形式的控制电路板上，上位机下达的指令通过电缆传输到井下工具的供电与通信模块，解码后由控制模块接收，控制模块根据指令内容向电机控制模块和电磁阀控制模块发送命令，从而控制电机和两位三通电磁阀、两位三通电磁阀执行开关动作，驱动液压部分运行。同时将控制电路板、传感器组件整合到电路系统安装骨架上，装在抗压绝缘筒内，使其能在高压钻井液环境内正常运行。供油总成主要由油箱系统、直流可控微电机、液压泵等组成；其中液压泵是关键，研究人员通过反复的优选试验，最终找到了能装在内径小于79mm的管具内，同时实现60MPa以后高压的微型泵。高压供油总成中的微型高压液压泵在电机的驱动作用下泵出液压油，通过阀门组中的一组单流阀、液控单向阀和电磁阀，推动机械系统活塞运动，活塞另一侧的液压油经过另一组单向阀、液控单向阀和电磁阀，回到油箱。当运动到一定位置停止电机工作，停止供液，活塞停到一定位置。阀门组则主要由注油阀、单流阀、压力控制安全阀、电磁阀、液控单向阀等组成。阀门组起到了双向液压锁的功能，锁定活塞两端液压油，保证活塞位置固定不动。活塞反向运动，改变两套电磁阀的液压通路，实现反向油路循环。由此机械系统活塞在两套阀组的控制下上行下行，带动机械系统下接头进行正逆双向旋转动作。（3）机械系统结构设计机械系统设计的理念是将活塞的直线运动转化为下接头的旋转运动。结构设计如图4所示，为实现该功能研究人员设计了上接头、油流通路、防扭套筒、活塞、芯轴套筒、换向套筒、换向心轴、下接头等部件。油流通路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ均为管状零件，在管壁内设计有轴向对称分布的两个细孔，形成A、B两个流道，这4个油流通路零件与活塞套筒及活塞一起形成了液压油的流转空间。活塞右端通过螺纹与换向套筒连接在一起，换向套筒与芯轴套筒之间设计有花键配合，可以防止活塞在左右进行直线运动的过程中发生相对旋转运动。换向套筒套装在换向芯轴上，其末端处，径向圆周均布设计安装有6个换向螺钉，这6个螺钉下端分别探入换向芯轴外圆面上设计的6个螺旋换向长槽内。当电液控系统泵出的高压流体经A流道进入油流通路Ⅳ与活塞套筒构成的液缸下腔室时，推动活塞上行，带动换向套筒上行，换向套筒上的换向螺钉将迫使换向心轴沿换向槽的旋向产生旋转运动，从而带动下接头顺时针旋转。在此过程中，液缸上腔室的液压油将通过B流道返回定向工具电液控系统的油箱中。反之，当电液控系统泵出的高压流体经B流道进入机械系统并由A流道返回电液控系统时，机械系统下接头将进行逆时针旋转，上述动作交替进行，定向工具最终实现顺时针或逆时针旋转换向的目的。机械系统的设计难点一方面在于如何保证液压油流转空间在高压下的密封性能，如果密封不良，一方面会造成液压系统内的油质不干净，导致其内微型泵、阀的堵塞，影响工具正常运转，另一方面会导致油箱系统内的液压油泄漏，油量不足以驱动机械系统达到旋转目的。研究人员通过采取优化密封材料、尺寸与结构加焊接封堵的方式保证了机械系统的高压密封性能。另一方面在于如何保证换向螺钉与换向槽之间运动时的灵活性、流畅性与耐磨性，技术人员通过精心设计换向槽旋转角度，精心选择换向槽与换向螺钉的材质与热处理方式解决了这一问题。
主要技术参数
适合井眼：φ118mm定向输出扭矩：32Nm～1132Nm定向旋转范围：±440°旋转方向：正逆双向旋转定向旋转精度：±1°
应用情况
2013年至2021年，连续管钻井电液控定向工具在辽河油田锦州采油厂、沈阳采油厂共进行了11口井的现场试验与应用。11口井中，2019年4月完成的锦××井是国内第一口全过程连续管侧钻水平井，创造了最长进尺807m、最大井斜90.11°、最长水平段123m、最大水平位移414.5m等多项国内连续管侧钻施工记录。该工具在整个定向及水平段钻进施工过程中，调整工具面精确、迅速，控制简便，性能稳定，安全可靠，完全满足了连续管侧钻水平井定向钻进及轨迹控制的要求，具备了连续管侧钻井、侧钻水平井定向施工的能力，为后续连续管钻井技术的应用与推广奠定了基础，也为连续管侧钻技术在低渗油藏开发、老井挖潜、煤层气开采等方面的推广应用提供有力的技术支持。
结语
（1）连续管钻井电液控定向工具为国内首创，打破国外技术垄断，填补了国内同类技术领域研究空白。（2）连续管钻井电液控定向工具目前仅研制了φ95mm尺寸系列，适用于5-1/2″套管开窗φ118mm井眼连续管侧钻施工，建议继续研制其它尺寸系列的电液控定向工具，以拓宽该工具适用井型范围。（3）建议未来研制更为先进的电控式定向系统以及连续管旋转导向系统。
作者：郑颖异