反扭矩定向系統研制及試驗

劉偉 趙建國 汪洋 王國榮 王平安 曾杰 楊瑞帆 董學成 謝惠豐 方世紀

摘要：現有旋轉滑動鉆井工具無法同時實現隔離上部鉆具旋轉和鉆頭破巖產生的反扭矩，且工具面角不可控。基于此，設計了分時動態隔離上部鉆具旋轉和承載下部鉆具扭矩的反扭矩定向鉆井系統；研制了反扭矩定向系統樣機；利用該樣機開展了實鉆測試，實鉆總進尺57 m，工具面角控制精度小于±5°、造斜率達23.0°/100 m，平均機械鉆速約為6.5 m/h（泥巖）。研究表明：研制的反扭矩定向系統可同時隔離上部鉆具旋轉和下部鉆具扭矩；能精確控制工具面角，實現了下部鉆具自動精確導向鉆井的功能，驗證了反扭矩定向系統結構設計理論的正確性。相關成果有望解決滑動鉆進鉆柱“托壓”和井眼軌跡控制難題，提高彎螺桿滑動導向鉆井時效。

關鍵詞：旋轉滑動鉆井；旋轉導向；導向鉆井；井眼軌跡控制

中圖分類號：TE921.2

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.01.006

Development and Testing of a Rotary Steering System with a Function of Timing Clutch between Rotation and Torque

LIU Wei¹，? ZHAO Jianguo^2，3， WANG Yang¹， WANG Guorong³， WANG Pingan¹，

ZENG Jie²， YANG Ruifan¹， DONG Xuecheng²， XIE Huifeng³， FANG Shiji³

（1. Drilling and Production Engineering Technology Research Institute of CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company， Deyang 618399，China; 2. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation Engineering， Chengdu University of Technology，

Chengdu 610039，China; 3. School of Mechanical and Electrical Engineering，

Southwest Petroleum University， Chengdu 610500，China）

Abstract：The existing rotary sliding drilling tools cannot simultaneously isolate the rotation of the upper drilling tool and the reverse torque generated by the rock breaking of the drill bit， and the tool face angle is not controllable. A rotary steering system with a function of timing clutch between rotation and torque was designed to dynamically isolate the rotation of the upper drilling tool and bear the torque of the lower drilling tool. A prototype of the rotary steering system with a function of timing clutch between rotation and torque was developed. Real drilling testing was conducted using this prototype. The total drilling footage is 57 m. The tool surface angle control accuracy is less than ± 5 °. The slope rate is 23.0 °/100m， and the average mechanical drilling speed is about 6.5 m/h. The research result shows that the rotary steering system with a function of timing clutch between rotation and torque can simultaneously isolate the rotation of the upper drilling tool and the torque of the lower drilling tool. It can accurately control the tools face angle. It has achieved the function of automatic and precise guidance drilling， and verified the correctness of the structural design theory of the rotary steering system with a function of timing clutch between rotation and torque. The related achievements are expected to solve the problems of buckling and wellbore trajectory control in sliding drilling， and improve the efficiency of sliding steering drilling.

Key words：rotary-sliding drilling; rotating guidance; guided drilling; wellbore trajectory control

長水平井可有效降低油氣綜合開發成本，是促進油氣經濟長效開發的重要手段，例如：北美都沃內油田，2016年～2021年，平均水平段長增加了66% （1 887 m↗3 140 m），每米鉆井成本降低了48%，頁巖氣單井產量提高了125%^［1］。隨著油氣儲層埋深和水平段長的增加，鉆柱摩阻顯著增加，鉆柱屈曲鎖死現象極其普遍，水平段延伸異常困難^［2-3］。

旋轉鉆柱是解決鉆柱屈曲鎖死最有效手段之一，目前主要有旋轉導向鉆井和扭擺鉆井兩種旋轉鉆井技術。旋轉導向鉆井系統結構復雜，成本高^［4-6］；扭擺系統反轉扭矩和幅度較小，鉆柱旋轉傳遞井深較淺，無法適應于深井或長水平井^［7-8］。基于此，業界提出了MWD以上鉆柱全旋轉，MWD以下鉆柱靜止的導向新思路^［9-10］。加拿大（HydroClutch）公司推出了“液力離合器”^［11-12］，通過雙螺桿實現上部鉆柱旋轉和工具面可控，但未見應用的報道。國內西部鉆探等^［13-15］進行了隔離鉆柱旋轉的方法研究與離合器研發，實現了鉆柱“分離”與“結合”，但無法傳遞扭矩，存在無法控制工具面和下部靜止鉆具過長的問題。

基于此，本文設計了分時動態隔離上部鉆具旋轉和承載下部鉆具扭矩的反扭矩定向鉆井系統，該系統可同時傳遞扭矩以平衡鉆頭破巖傳遞到彎螺桿上的反扭矩，并具備精確控制彎螺桿工具面角的功能，以實現彎螺桿滑動導向，進而有效解決井眼軌跡控制技術難題，顯著提高彎螺桿滑動導向鉆井鉆速和純鉆時效。

1 反扭矩定向系統技術分析

1.1 工藝原理

如圖 1所示，復合鉆進過程中：常規鉆具組合（圖1a）和基于反扭矩定向系統鉆進組合（圖1b）復合鉆進模式相同，即全鉆柱旋轉。滑動導向過程中：常規鉆具組合整個鉆柱不旋轉，全滑動鉆進（圖1a右圖）；而基于反扭矩定向系統滑動鉆進時，僅反扭矩定向系統以下鉆具滑動，反扭矩定向系統以上鉆具旋轉，彎螺桿僅有較小的擺動（圖1b右圖）。

基于反扭矩定向系統的鉆具組合結構為：鉆桿+反扭矩定向系統+無磁鉆鋌+彎螺桿+鉆頭，如圖2所示。

1.2 結構與工作原理

反扭矩定向系統主要由電控系統、液控系統、離合機構、防掉總成組成，如圖 3所示。電控系統用于接收地面發射的工具面角、控制液控系統工作、安裝電池和電路板等功能，液控系統用于控制離合機構分時離合，離合機構實現隔離上部旋轉和下部鉆具扭矩的功能，防掉總成用于防止離合機構斷裂、脫落。

1.2.1 離合機構原理

可控旋轉滑動鉆井工具離合機構即為一個離合器，其通過固定外筒上的固定齒與角度調整筒調整齒的交替嚙合與分離，從而實現工具的工具面角度調整，從而實現穩定或調節工具面角度。離合機構結構示意如圖 4所示。

1.2.2 控制電路設計

可控旋轉滑動鉆井工具電路板如圖 5所示。

1.2.3 控制系統原理

如圖 6所示控制系統中液壓動力由泥漿通道與環空間的壓差勢能提供。泥漿通道里泥漿的壓力始終大于環空里泥漿的壓力，因此液壓回路僅由二位四通換向閥和閥座組成，不需要單向閥或溢流閥進行過載保護。執行裝置為角度換向機構。控制回路為井下通信系統里的單片機控制裝置。二位四通換向閥是常開電磁閥，在不通電時電磁閥處于左位常開狀態，其P口與泥漿通道相連，A口與左液壓腔相連，B口與右液壓腔相連，T口與環空相連。在通電時電磁閥P口與泥漿通道相連，A口與右液壓腔相連，B口與左液壓腔相連，T口與環空相連。

液控系統及離合機構具體工作原理如下：

1） 從地面往泥漿通道里泵入泥漿（鉆井液），產生壓差。

2） 泥漿引入閥座的過濾槽內過濾形成液壓介質，液壓介質引入換向閥P口，從A口流出至左液壓腔，角度調整筒往右移動，在反扭矩的作用下，旋轉一次角度，并與固定筒上的固定齒嚙合，實現鎖緊。同時，右側液壓腔的液體經右液壓流道流入換向閥B口，再從換向閥T口流出至過濾槽，流體經過濾后排出至環空中。

3） 電磁閥換向即可使液流方向改變，實現角度調整筒換向。此時，過濾后的液壓將從換向閥的P口流入，B口流出至右液壓腔使角度調整筒往左移動，角度調整筒旋轉一次，并與固定筒上的固定齒嚙合，實現鎖緊。同時，左液壓腔的液體經左液壓流道流回換向閥A口，再從換向閥T口流出至過濾槽，流體經過濾后排出至環空中。

4） 根據地面發射的脈沖信號，井下單片機進行邏輯判斷是否定向，當進行定向模式時，電磁閥需要反復啟閉以穩定工具面角度。

控制回路工作原理如下：

1） 壓力傳感器識別地面發射的壓力脈沖信號。

2） 上單片機進行信號識別并儲存數據，使下單片機進入工作狀態。

3） 下單片機進行“是否定向”的邏輯判斷，控制電磁閥工作。

4） 陀螺儀用于檢測實際工具面角度，下單片機根據實際工具面角度與作業指令輸入的工具面角度進行邏輯判別，從而控制電磁換向閥啟閉，使執行機構換向。

1.2.4 反扭矩定向鉆井工具工作機理

可控旋轉滑動鉆井工具工作機理如下：

1） 定向工具的液壓系統的動力由泥漿通道與環空之間產生的壓差勢能提供，并且將泥漿作為液壓介質。

2） 采用地面發射壓力脈沖+井下單片機調制解調的方式控制多組二位四通電磁閥無線控制：①從地面發射壓力脈沖，通過鉆井液（傳輸介質）傳輸

至井下置于壓力傳感槽內的壓力傳感器；壓力傳感器在接收到壓力脈沖信號后將信號傳輸至濾波器，過濾掉干擾的壓力脈沖信號，并將過濾后的脈沖信號傳遞給數模轉換器；數模轉換器將脈沖信號轉換為數字信號并將數字信號傳送至上單片機；上單片機進行標志碼的識別并儲存，同時記錄時間；上單片機在接收到標志碼后，將信號傳輸至下單片機，下單片機進入工作狀態；②下單片機進入工作狀態后，接收地面傳輸的控制信號，判斷是否定向。

3） 若信號為“定向”，下單片機在檢測到“定向”的信號后首先解調出需要定向的目標工具面角度T，同時置于無磁短節的陀螺儀對當前工具面角度Tc進行檢測，然后下單片機進行邏輯判斷，判斷兩者之差的絕對值是否在精度范圍r內，若判斷值小于精度范圍，則應從地面發射定向的壓力脈沖，下單片機在檢測到“定向”的信號后使電磁閥一直啟閉，換向頻率為6 Hz，角度調整筒一直左右切換，由于軸向防掉機構一直存在一個反扭矩M，該扭矩將通過滑槽筒傳遞給角度調整筒，使其一直處于旋轉狀態，匹配鉆桿鉆速，穩定工具面角度，螺桿鉆具定向鉆進，直到出現“不定向”的控制信號為止；若判斷值大于精度值，則當陀螺儀工具面角度與目標工具面角度之差在精度范圍內時，重復上述換向動作，穩定工具面角度。

4） 若信號為“不定向”信號，下單片機發出控制信號，使各電磁閥復位，角度調整筒不再左右換向，可控旋轉滑動鉆井工具隨鉆桿一同旋轉鉆進。

1.3 樣機研制

如圖 7所示研制的反扭矩導向鉆井工具最大外徑178 mm，工具總長5 834 mm，耐溫150 ℃、抗壓140 MPa，抗扭40 kN·m，抗拉壓2 000 kN，設計離合機構最大離合頻率為6 Hz，設計滿足鉆柱最高轉速60 r/min。

2 反扭矩定向系統實鉆試驗

2.1 試驗基本情況

利用川慶鉆采工程技術研究院鉆試1井開展試驗，鉆試1井原設計井深940 m，井身結構如圖 8所述。設計鉆具組合為：鉆具組合：?215.9 mm×0.3 m鉆頭+?172 mm×7.8 m螺桿鉆具+?178 mm×9 m無磁鉆鋌（MWD）+?178 mm×5.6 m反扭矩定向系統+?139.7 mm鉆桿。利用上述鉆柱系統在鉆試1井已開窗井眼進行導向鉆井。

反扭矩定向系統共工程樣機于2023-4-25T 09：20下鉆到底開鉆，2023-4-25T 18：10停止鉆進并起鉆，反扭矩定向系統樣機入井前情況如圖 9所示。

反扭矩定向系統樣機實鉆試驗的鉆井參數如表1所示。

1） 旋轉滑動實鉆測試流程。

①排量30 L/s循環2 min左右，停泵30～60 s，開泵排量增至30 L/s。

②鉆桿旋轉5～30 r/min。

③工具面角波動在±5°以內，反扭矩定向系統實現了隔離上部鉆具旋轉和下部鉆具扭矩功能，信號識別正常，正常旋轉滑動導向鉆進。

2） 復合鉆實鉆測試流程。

①排量30 L/s循環2 min，停泵30～60 s，開泵排量增至30 L/s。

②鉆桿旋轉5～30 r/min，持續5 min。

③停泵30～60 s，開泵排量增至30 L/s。

④鉆桿旋轉5～30 r/min，持續5 min。

⑤工具面角波動無規律，反扭矩定向系統識別了復合鉆進信號，信號識別正常，正常復合鉆進。

2.2 試驗結果評價

反扭矩定向系統樣機實鉆試驗實鉆數據如表2所示。從表2可知，反扭矩定向系統樣機實鉆過程以10°目標工具面角進行實鉆試驗，目標工具面角控制范圍為5°～15°，工具面角控制精度小于±5°（如圖 10）。

反扭矩定向系統樣機出井如圖 11所示，反扭矩定向系統樣機未出現斷裂、磨損等情況，工具性能狀態良好。

利用反扭矩定向系統實現了工具面角的自動控制，提高了彎螺桿滑動導向鉆進井眼軌跡控制精度，實現了彎螺桿自動導向鉆進功能。同時降低了彎螺桿滑動導向工具面角控制難度，提高了彎螺桿滑動導向鉆進效率。本次實鉆試驗井斜角較小，未出現“托壓”現象，反扭矩定向系統實現了上部鉆具旋轉、下部鉆具定向功能。

3 結論

成功研發了反扭矩定向鉆井系統，實現了分時動態隔離上部鉆具旋轉和承載下部鉆具扭矩的功能，通過實鉆測試驗證了鉆柱轉速、扭矩分時離合理論的正確性。測試數據表明，研制的反扭矩定向系統工具面角控制精度小于±5°，能精確控制工具面角；上部鉆具轉速可達60 r /min，實現了下部鉆具自動精確導向鉆井的功能，研究成果有望解決滑動鉆進鉆柱“托壓”和井眼軌跡控制難題，提高彎螺桿滑動導向鉆井時效，這對促進我國頁巖氣、致密油氣等非常規油氣安全、經濟、長效開發具有重要的意義。

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