新型連續管鉆井用電液定向裝置的研制

胡亮 阮臣良 崔曉杰 曹海濤 尹壘

1. 中國石化石油工程技術研究院；2. 中國石化石油工程技術研究院德州大陸架石油工程技術有限公司

連續管鉆井是一項前沿的小井眼鉆井技術，特別適用于開發埋藏較淺的低滲透率非常規油氣資源，以及原有油氣資源的二次開發，在國內外具有廣泛的應用前景［1-3]。區別于常規鉆井的定向扭方位操作，連續管鉆井在定向過程時，由于注入頭的限制，無法通過地面旋轉鉆柱的方式來調整井下工具面，因此需要一種在井下實現工具面調整的工具，即定向器［4-6]。筆者對國外已有的液壓定向器和電子定向器的工作原理和使用情況進行了分析，發現常規的液壓定向器以鉆井液壓差作為驅動力，采用啟停泵的方式進行控制操作，不僅影響正常的鉆井液循環，還會因其他原因的啟停泵而造成定向器誤動作，影響鉆井定向效率［7-10]；而電子定向器以電動馬達配合減速器輸出旋轉動力，采用電子電路進行控制操作，克服了液壓定向器啟停泵控制帶來的誤動作等問題，但執行機構復雜，維護成本高，相比液壓定向器工作可靠性低［11-12]。因此，筆者設計了一種電液定向器，通過電子控制-液壓驅動-機械傳動的方式，克服了常規液壓定向器容易誤動作的缺點；以鉆井液為動力，機械結構實現旋轉動作，提高了工具的可靠性，降低了成本。

1 電液定向器介紹

1.1 總體結構設計

連續管鉆井用電液定向器總體結構見圖1，包括電子控制系統、液壓驅動系統和機械傳動系統。

圖 1 電液定向器總體結構Fig. 1 Overall structure of electric-hydraulic orienter

電子控制系統主要包括控制電路、驅動馬達和絲杠，控制電路接收定向指令，驅動馬達連接絲杠控制液壓驅動系統動作；液壓驅動系統包括兩位四通閥、驅動活塞和連接軸，通過兩位四通閥狀態的改變，驅動活塞往復運動，連接軸上部連接驅動活塞，下部連接機械傳動系統，傳遞活塞運動；機械傳動系統包括傳動軸、轉動筒和輸出軸，傳動軸與液壓系統連接軸連接，傳動軸和轉動筒的相互配合，將傳動軸的直線運動轉化為轉動筒的旋轉運動，并通過輸出軸輸出到下部鉆具。

1.2 工作原理

連續管鉆井過程中，當需要進行定向操作時，地面控制系統通過連續管內置的鎧裝電纜向定向器中的電子控制系統發送定向指令，驅動馬達根據指令帶動絲杠動作，從而改變液壓驅動系統中兩位四通閥的狀態，實現驅動活塞兩側的內外鉆井液切換，利用內外鉆井液壓差推動活塞桿往復運動，并通過連接軸將活塞桿的運動傳遞給機械傳動機構的傳動軸，通過傳動軸和轉動筒的鍵槽配合，將傳動軸的直線運動轉化為轉動筒的旋轉運動，最終通過輸出軸帶動下部鉆具旋轉，實現連續管鉆井工具面的調整。

1.3 技術參數

定向器長度3.8 m，外徑105 mm，定向誤差±15°，輸出扭矩400 N · m。

2 關鍵技術分析

連續管鉆井屬于滑動鉆進，環空間隙小，巖屑易沉積，造成井壁摩阻較大，需要定向器輸出足夠大的扭矩才能旋轉井下鉆具。而連續管鉆井屬于小井眼鉆井，留給定向器的設計空間非常有限，其液壓驅動系統和機械傳動系統又相對復雜，這就極大增加了工具的設計難度。

為了保證定向器的可靠性和長壽命，在優化設計過程中，重點進行了以下兩個方面的工作：

(1)根據機械傳動系統的工作原理，確定最極端的受力情況，并對其進行受力分析，獲得系統機械效率和輸出扭矩的影響因素及影響規律，為機械傳動結構的優化設計提供理論依據。

(2)根據液壓驅動系統的工作原理，建立了系統動態特性模型，通過仿真分析液壓驅動的整個過程，得到各個階段中活塞位移和活塞受力的變化情況，以及傳動接觸面沖擊力與活塞運動速度的關系，從而為液壓驅動系統的優化設計提供理論依據。

2.1 機械傳動系統

2.1.1 結構設計

本文設計了機械傳動機構，如圖2 所示，傳動軸上設計有固定角度偏差的鍵槽，與轉動筒上的鍵塊配合使用。當傳動軸直線往復運動時，轉動筒上的鍵塊落入到傳動軸不同的鍵槽內，由于鍵槽之間存在角度偏差，從而實現轉動筒的旋轉。

圖 2 機械傳動機構Fig. 2 Mechanical drive mechanism

2.1.2 工作原理

工作原理如圖3 所示，轉動筒鍵塊和傳動軸鍵槽上加工有相互配合的機械傾角。狀態Ⅰ時，轉動筒鍵塊位于傳動軸鍵槽A 的直槽內，當傳動軸向下運動時，相當于轉動筒鍵塊向上運動，當運動到狀態Ⅱ時，轉動筒鍵塊傾角部分與傳動軸鍵槽C 傾角配合，轉動筒鍵塊滑入傳動軸鍵槽C 中，最終到達狀態Ⅲ中傳動軸鍵槽C 的直槽內。由于鍵槽A 和鍵槽C 偏差一個角度，因此實現了轉動筒旋轉相應角度，由于轉動筒下端接有輸出軸，轉動筒旋轉帶動下部彎接頭旋轉，實現工具面調整。同時，由于鎖緊棘輪的存在，當狀態Ⅱ轉動筒鍵塊脫離鍵槽A 的直槽約束且尚未和鍵槽C 的螺旋部分接觸時，不會因反扭矩作用而使轉動筒鍵塊與傳動軸鍵槽B 發生碰撞，起到保護作用，提高了系統可靠性。

圖 3 機械傳動原理圖Fig. 3 Principle of mechanical drive

2.1.3 受力分析

圖3 機械傳動過程中，狀態Ⅱ實現了將傳動軸直線運動的推力轉化為轉動筒旋轉運動扭矩，此時為系統的極端受力情況，需要重點分析。將傳動軸的中徑沿圓柱面展開，并假定作用力系集中作用在配合傾角上，可得如圖4 所示的受力圖。其中，d 為傳動軸中徑，mm；N1為工具外殼約束傳動軸旋轉的正壓力，N；f1為傳動軸直線運動時與外殼間的滑動摩擦力，N；N2為傾角接觸面的正壓力，N；f2為傾角接觸面的滑動摩擦力；N3為外殼約束轉動筒鍵塊直線運動的正壓力，N；工具設計中，轉動筒通過推力軸承與外殼頂在一起，f3為轉動筒旋轉時與推力軸承間的滑動摩擦力，N；Nd為轉動筒旋轉承受的反扭矩，N；F 為液壓系統提供的直線運動推力，N；θ 為傳動軸中徑上的螺旋導程角，°。

圖 4 機械傾角接觸受力分析Fig. 4 Analysis on the contact force of mechanical dip

由靜力平衡可得

其中， f1=μ1N1， f2=μ2N2， f3=μ3N3。

由式(1)～(4)可求得

因此，機械傳動機構的實際輸出扭矩為

在不考慮摩阻的理想情況下，短螺旋傳動機構的理論輸出扭矩為

因此，短螺旋傳動機構的機械效率為實際輸出轉矩與理論輸出轉矩的比值，即

2.1.4 設計優化

由式(9)～(11)可以看出，機械傳動系統的輸出扭矩與機械傾角有關，機械效率與摩擦因數和機械傾角有關。

設傳動軸、轉動筒和外殼的材料相同、潤滑條件相同，則其滑動摩擦因數 μ1=μ2，轉動筒與推力軸承之間的摩擦為滾動摩擦，設為固定值μ3=0.01。則系統機械效率隨摩擦因數的變化規律如圖5 所示，機械效率與滑動摩擦因數之間近似呈對數關系，摩擦因數越小，機械效率越高。圖6 給出了滑動摩擦因數為0.1 的情況下，系統機械效率隨機械傾角的變化規律。機械效率在傾角為25～65°之間時效率較高。

圖 5 機械效率隨摩擦因數的變化規律Fig. 5 Variation of the mechanical efficiency with the friction coefficient

圖 6 機械效率隨傾角的變化規律Fig. 6 Variation of the mechanical efficiency with the dip

假設摩擦因數為0.1，輸入推力為 9 000 N 時，輸出扭矩隨機械傾角的變化規律如圖7 所示，機械傾角越大，輸出扭矩越高。綜合圖6 和圖7，當機械傾角為40°時系統機械效率最高，此時輸出的扭矩為228 N · m，不能滿足定向器的性能指標，因此，只能選用較大導程角，由圖7可知，65°時，輸出扭矩為432 N · m，滿足定向器設計要求，此時對應的機械效率為0.675。

圖 7 輸出扭矩隨機械傾角的變化規律Fig. 7 Variation of the output torque with the mechanical dip

因此，在機械傳動系統優化設計中，需重點進行以下兩個方面的工作：

(1)通過減小傳動機構的摩擦阻力來提高系統機械效率。可以通過提高傳動接觸面的光潔度或加入潤滑油等方式降摩減阻；

(2)優化設計傳動面傾角時，要綜合考慮機械效率和輸出扭矩，在機械效率較高的傾角范圍內，選取一個符合定向器輸出扭矩要求的值。

2.2 液壓驅動系統

2.2.1 結構優化設計

本文設計的液壓驅動系統以定向器內外鉆井液壓差為動力，通過控制一個兩位四通閥的狀態改變，實現活塞兩側腔體的高低壓切換，從而驅動活塞往復運動，并通過連接軸帶動機械傳動系統的傳動軸運動。其結構如圖8 所示。

2.2.2 工作原理

驅動電機控制兩位四通閥中的閥桿向左運動到如圖8(a)的位置時，P2 口和B 口連通，內部鉆井液流入液壓缸活塞桿下端，此時為高壓腔；T 口和A 口連通，環空鉆井液流入液壓缸活塞桿上端，此時為低壓腔，活塞桿在上下端壓差的作用下向上運動，通過連接軸帶動機械傳動機構動作；當驅動電機控制兩位四通閥中的閥桿向右運動到如圖8(b)的位置時，P1 口和A 口連通，內部鉆井液流入液壓缸活塞桿上端，此時為高壓腔；T 口和B 口連通，環空鉆井液流入液壓缸活塞桿下端，此時為低壓腔，活塞桿在上下端壓差的作用下向下運動，通過連接軸帶動機械傳動機構動作。

圖 8 液壓驅動系統總體結構示意圖Fig. 8 Schematic overall structure of hydraulic drive system

2.2.3 液壓驅動動態過程仿真

利用AMESim 軟件對液壓驅動過程進行動態特性仿真，分析各部件的運動過程及液壓動力參數的變化。建立的仿真模型如圖9 所示。

圖 9 液壓驅動仿真模型Fig. 9 Simulation model of hydraulic drive

首先進行了模型中部件運動位移仿真，得到閥體推桿位移和液壓缸活塞位移之間的關系，如圖10所示，閥體桿在電機驅動下先運動一段位移，此時二位四通閥正在進行狀態切換，液壓缸活塞兩側狀態不變，活塞不移動；當閥體桿運動到位后，二位四通閥完成狀態切換，活塞兩端液壓腔開始高低壓轉換，并推動活塞開始運動；當活塞運動到一側止點后靜止，此時閥體桿在電機驅動下反向運動，二位四通閥再次進行狀態切換，開啟活塞反向移動過程。圖10中仿真的位移變化與實際工況相符，也證明了所建立仿真模型的正確性。

圖 10 閥體桿位移和液壓缸活塞位移之間的關系Fig. 10 Relationship between the rod displacement of valve body and the piston displacement of hydraulic cylinder

仿真過程中，活塞受力變化也間接反映機械傳動機構傳動軸的受力情況，為機械傳動機構優化設計和強度校核提供理論依據。活塞位移與活塞受力的關系如圖11 所示。

圖 11 活塞位移與活塞受力的關系Fig. 11 Relationship between the piston displacement and the piston force

從圖11 中可以看出，活塞運動一次，其受力分5 個階段：(1)初始狀態活塞靜止時不受力；(2)當活塞開始運動時，帶動傳動軸運動，轉動筒鍵塊開始在傳動軸鍵槽的直槽中滑動，此時活塞受到鍵塊與直鍵槽之間的滑動摩擦力以及傳動軸與外殼之間的滑動摩擦力，活塞受力較小；(3)隨著活塞繼續運動，轉動筒鍵塊傾角部分與另一個傳動軸鍵槽的傾角部分咬合，此時傳動軸的直線運動向轉動筒的旋轉運動轉化，產生轉動筒的旋轉扭矩，活塞受力最大；(4)活塞繼續運動，傾角部分脫離，轉動筒鍵塊滑入傳動軸另一個鍵槽的直槽部分，輸出旋轉扭矩消失，活塞受力減小；(5)活塞到達一側止點，運動停止，活塞不受力。活塞返回過程類似，不再贅述。

從階段3 中可以看出，當傳動部分剛接觸時，存在著一個很大的受力波動，這是由剛接觸時的沖擊引起的，這對傳動接觸面的結構強度和壽命有很大的影響。圖12 為傳動接觸面最大沖擊力與活塞移動速度的關系，可以看出，接觸沖擊力與活塞速度近似成指數關系，初期活塞速度的增加對沖擊力的影響不大，可利用這一特性，設計合適的活塞速度，既保證液壓驅動系統較高的工作效率，又使產生的沖擊力較小，從而減小對傳動接觸面的影響。

圖 12 傳動接觸面最大沖擊力與活塞位移的關系Fig. 12 Relationship between the maximum impact force on the drive contact surface and the piston displacement

3 結論

(1)設計了一種連續管鉆井用電液定向器，采用電控液、液驅機的工作模式。通過電控系統執行定向指令，克服了常規液壓定向器容易誤動作的缺點。以鉆井液為動力，機械結構實現旋轉動作，相比于常規電子定向器，提高了工具的可靠性，降低了成本。

(2)對設計的定向器機械傳動系統進行了受力分析，得到摩擦因數與機械傾角對傳動系統機械效率和輸出扭矩的影響變化規律，可以通過采用降摩減阻和合理優選機械傾角等措施提高系統傳動機械效率，保證較大的輸出扭矩。

(3)建立了液壓驅動系統的動態特性模型，通過仿真分析液壓驅動的整個過程，得到各個階段中活塞位移和活塞受力的變化情況，以及傳動接觸面沖擊力與活塞運動速度的關系，從而為優化設計液壓系統參數，提高系統的工作效率和可靠性提供了理論依據。