液力转向器研制与应用

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(中国石油集团 工程技术研究院有限公司，北京 102200)①

近几年，连续管钻井技术得到快速发展，其主要研究方向为利用连续管技术进行老井侧钻。自2013年以来，已经进行近10口井的现场试验，包括4次连续管定向钻井现场试验。连续管定向钻井的核心技术是井下定向钻具组合的工具面控制技术，其关键工具是转向器。根据动力来源的不同，转向器可分为电动转向器、电液转向器和液力转向器等。连续管定向钻井的钻具组合为钻头+弯螺杆+MWD+转向器+马达头+非旋转接头+连接器+连续管[1-3]。

钻井过程中，利用MWD测得井斜、方位等工程数据并通过泥浆脉冲将信息传递到地面；地面操作人员根据测量的数据，通过在地面启停泥浆泵的方式，给液力转向器发送压力脉冲信号，液力转向器在压力脉冲的驱动下发生正向转动，同时带动弯螺杆正向转动，从而调整定向钻具组合的工具面，实现连续管定向钻井。与电动/电液转向工具相比，液力转向器为纯机械式结构，制造成本低、可靠性高，但定向时操作较为复杂。作业过程中，为了将工具面调整到设计角度，有时需多次启停泥浆泵。此外，液力转向器只能应用于不可压缩流体的作业[4-7]。

基于泥浆脉冲的液力转向器已在大港油田进行了4口井的现场应用。该工具有效解决了连续管定向钻井的技术难题，满足了现阶段连续管老井侧钻的技术要求。

1 工具设计

1.1 结构组成

泥浆脉冲式液力转向器主要由上接头、节流喷嘴、活塞机构、上部壳体、复位弹簧、中部接头、换向机构、下部壳体、驱动齿轮、锁定齿轮、输出轴等组成，如图1所示。其中，上接头、节流喷嘴、活塞机构、上部壳体、复位弹簧组成了液力转向器的动力驱动系统；中部接头、换向机构、下部壳体和驱动齿轮组成了工具的转换系统；锁定齿轮、输出轴组成了工具的执行系统。

1—上接头；2—节流喷嘴；3—活塞机构；4—上部壳体；5—复位弹簧；6—中部接头；7—换向机构；8—下部壳体；9—驱动齿轮；10—锁定齿轮；11—输出轴。

1.2 基本原理

该工具依靠泥浆压力脉冲进行工作，操作人员每启停泥浆泵1次，工具内部的活塞在泥浆压力脉冲的驱动下进行直线往复运动1次。依靠工具内部的转换系统，可将活塞的直线往复运动转变为定向工具输出轴的正向转动，每次可正向转动45°。当定向钻具组合的工具面调整到设计角度后，锁定齿轮可以将定向钻具的工具面锁定在固定的角度，此时可不停泵进行正常钻进。

1.3 主要技术参数

工具本体外径95 mm，额定工作压降3～4 MPa，额定工作排量8～10 L/s，额定输出转矩700～945 N·m，单次转动角度45°，最高工作温度150 ℃，两端连接扣型NC31。

2 室内试验

液力转向器最重要的工作参数为输出转矩和单次转动角度。足够高的输出转矩能够确保液力转向器克服定向钻具在井底的摩擦阻力，进行工具面调整；单次转动角度的精确性可以使地面人员更好地判断定向钻具转动后所处的工具面，减少每次转动定向钻具后用MWD测量工具面的次数，节省作业时间。由于试验条件所限，需分别单独进行静态输出转矩试验和转动角度试验。

2.1 静态输出转矩试验

将液力转向器按试验设计方案(如图2)，在地面连接好并固定，转向器输出轴后面连接转矩传感器，二者不能相对转动。开启泥浆泵，排量由0逐渐增加至10 L/s，同时压力也不断增加，分别记录不同压力对应的转矩值(如表1)。根据试验记录，该工具在8 L/s对应的压力为3 MPa。在不同井底条件下，定向钻具组合在井底所受的摩擦转矩为380～530 N·m，而液力转向器在额定工作排量下的额定输出转矩为700～945 N·m，因此，液力转向器的设计转矩能够满足连续管定向钻井的技术要求。

图2 输出转矩试验台设计方案

2.2 转动角度试验

将液力转向器按试验设计方案(如图3)在地面连接好并固定，液力转向器下部壳体处于固定状态，输出轴处于自由状态，二者可以相对转动。用粉笔分别在下部壳体和输出轴上做好标记，以测量二者间相对转动的距离。开启泥浆泵，排量增加至10 L/s，观察输出轴相对下部壳体发生转动，停泵。用软尺测量出输出轴转动距离l，则单次转动角度α=1 80l/πd≈45°(d为工具外径)。重复试验8次，通过观察原始标记，输出轴刚好转动一圈回到原位，验证了工具性能达到了设计目标。

表1 静态输出转矩试验数据

图3 转动角度试验台设计方案

3 现场应用

近10 a来，在世界范围内连续管钻井的数量在逐步增加，从2004年起，平均每年完钻井数达到900～1 000口。但由于利用电动/电液转向工具进行连续管定向钻井使用成本较高，在一定程度上限制了连续管钻井技术的应用[8-10]。利用液力转向器进行连续管定向钻井极大地降低了连续管钻井的成本，自2015年以来，连续管液力转向器先后在大港油田进行了4口井的现场应用，工具定向钻进总长度达到1 110 m。通过现场试验证明，利用液力转向器能够实现连续管定向钻井，与电动/电液转向工具相比，其使用成本较低，现场维护方便。

3.1 官142-xx井

该井位于大港油田王官屯油田官xxx断块，1988年完钻，此次施工进行老井侧钻。钻井设计在139.7 mm套管内1 510 m处开窗，目的层为孔店组孔一段油组，完钻井深1 909 m，造斜率4(°)/ 30m，最大井斜角25.93°，井底水平位移130.24 m，靶心距范围小于20 m。

2015-05-28正式开始作业，利用连续管开窗并稳斜钻进至1 515 m(井斜2.50°，方位189.25°)，此时，使用液力转向器进行增斜、扭方位钻进至设计井深1 714 m(井斜25.02°，方位161.51°)；最后采用PDC钻头稳斜钻进至完钻井深1 909 m。连续管定向钻井施工过程中，每钻进10 m，钻具提离井底，测量井斜、工具面，并利用液力转向器及时调整工具面。全井累计连续管钻井进尺403 m，平均机械钻速3.30 m/h；其中，定向段进尺199 m，平均机械钻速2.75 m/h。实钻靶心距6.51 m，实现地质目标安全中靶。

3.2 港539-xx井

该井位于大港油田唐家河油田xxx断块，2007年完钻，此次施工进行老井侧钻。钻井设计在139.7 mm套管内1 406 m处开窗，目的层为馆陶组，设计垂深2 120 m。井口至靶点方位92.81°，水平位移338.81 m，靶心距范围小于20 m。

2016-11-02该井自1 406 m开窗至1 410 m，起钻换钻具后利用液力转向器进行定向钻进。定向钻进时每10 m测量井斜、方位，及时进行工具面的调整，自井深1 410 m(井斜0.86°，方位179.02°)进行增斜、扭方位钻进至设计井深1 768 m(井斜16.86°，方位150.52°)，定向进尺350 m。定向钻井作业达到了钻井设计要求，成功完成了此次连续管定向钻井试验。

4 结论

1) 现场试验证明，液力转向器在调整工具面时工作可靠，工具额定输出转矩能够克服井底摩擦阻力，单次转动角度精确，能够有效满足连续管定向钻井的技术要求。

2) 连续管钻井定向时操作较为复杂。作业过程中，为了将工具面调整到设计角度，有时需多次启停泥浆泵。

3) 液力转向器依靠泥浆的压力脉冲进行工作，因此不适用于连续管气体钻井，具有一定的局限性。