反扭矩定向系统研制及试验

刘伟 赵建国 汪洋 王国荣 王平安 曾杰 杨瑞帆 董学成 谢惠丰 方世纪

摘要：现有旋转滑动钻井工具无法同时实现隔离上部钻具旋转和钻头破岩产生的反扭矩，且工具面角不可控。基于此，設计了分时动态隔离上部钻具旋转和承载下部钻具扭矩的反扭矩定向钻井系统；研制了反扭矩定向系统样机；利用该样机开展了实钻测试，实钻总进尺57 m，工具面角控制精度小于±5°、造斜率达23.0°/100 m，平均机械钻速约为6.5 m/h（泥岩）。研究表明：研制的反扭矩定向系统可同时隔离上部钻具旋转和下部钻具扭矩；能精确控制工具面角，实现了下部钻具自动精确导向钻井的功能，验证了反扭矩定向系统结构设计理论的正确性。相关成果有望解决滑动钻进钻柱“托压”和井眼轨迹控制难题，提高弯螺杆滑动导向钻井时效。

关键词：旋转滑动钻井；旋转导向；导向钻井；井眼轨迹控制

中图分类号：TE921.2

文献标识码：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

长水平井可有效降低油气综合开发成本，是促进油气经济长效开发的重要手段，例如：北美都沃内油田，2016年～2021年，平均水平段长增加了66% （1 887 m↗3 140 m），每米钻井成本降低了48%，页岩气单井产量提高了125%^［1］。随着油气储层埋深和水平段长的增加，钻柱摩阻显著增加，钻柱屈曲锁死现象极其普遍，水平段延伸异常困难^［2-3］。

旋转钻柱是解决钻柱屈曲锁死最有效手段之一，目前主要有旋转导向钻井和扭摆钻井两种旋转钻井技术。旋转导向钻井系统结构复杂，成本高^［4-6］；扭摆系统反转扭矩和幅度较小，钻柱旋转传递井深较浅，无法适应于深井或长水平井^［7-8］。基于此，业界提出了MWD以上钻柱全旋转，MWD以下钻柱静止的导向新思路^［9-10］。加拿大（HydroClutch）公司推出了“液力离合器”^［11-12］，通过双螺杆实现上部钻柱旋转和工具面可控，但未见应用的报道。国内西部钻探等^［13-15］进行了隔离钻柱旋转的方法研究与离合器研发，实现了钻柱“分离”与“结合”，但无法传递扭矩，存在无法控制工具面和下部静止钻具过长的问题。

基于此，本文设计了分时动态隔离上部钻具旋转和承载下部钻具扭矩的反扭矩定向钻井系统，该系统可同时传递扭矩以平衡钻头破岩传递到弯螺杆上的反扭矩，并具备精确控制弯螺杆工具面角的功能，以实现弯螺杆滑动导向，进而有效解決井眼轨迹控制技术难题，显著提高弯螺杆滑动导向钻井钻速和纯钻时效。

1 反扭矩定向系统技术分析

1.1 工艺原理

如图 1所示，复合钻进过程中：常规钻具组合（图1a）和基于反扭矩定向系统钻进组合（图1b）复合钻进模式相同，即全钻柱旋转。滑动导向过程中：常规钻具组合整个钻柱不旋转，全滑动钻进（图1a右图）；而基于反扭矩定向系统滑动钻进时，仅反扭矩定向系统以下钻具滑动，反扭矩定向系统以上钻具旋转，弯螺杆仅有较小的摆动（图1b右图）。

基于反扭矩定向系统的钻具组合结构为：钻杆+反扭矩定向系统+无磁钻铤+弯螺杆+钻头，如图2所示。

1.2 结构与工作原理

反扭矩定向系统主要由电控系统、液控系统、离合机构、防掉总成组成，如图 3所示。电控系统用于接收地面发射的工具面角、控制液控系统工作、安装电池和电路板等功能，液控系统用于控制离合机构分时离合，离合机构实现隔离上部旋转和下部钻具扭矩的功能，防掉总成用于防止离合机构断裂、脱落。

1.2.1 离合机构原理

可控旋转滑动钻井工具离合机构即为一个离合器，其通过固定外筒上的固定齿与角度调整筒调整齿的交替啮合与分离，从而实现工具的工具面角度调整，从而实现稳定或调节工具面角度。离合机构结构示意如图 4所示。

1.2.2 控制电路设计

可控旋转滑动钻井工具电路板如图 5所示。

1.2.3 控制系统原理

如图 6所示控制系统中液压动力由泥浆通道与环空间的压差势能提供。泥浆通道里泥浆的压力始终大于环空里泥浆的压力，因此液压回路仅由二位四通换向阀和阀座组成，不需要单向阀或溢流阀进行过载保护。执行装置为角度换向机构。控制回路为井下通信系统里的单片机控制装置。二位四通换向阀是常开电磁阀，在不通电时电磁阀处于左位常开状态，其P口与泥浆通道相连，A口与左液压腔相连，B口与右液压腔相连，T口与环空相连。在通电时电磁阀P口与泥浆通道相连，A口与右液压腔相连，B口与左液压腔相连，T口与环空相连。

液控系统及离合机构具体工作原理如下：

1） 从地面往泥浆通道里泵入泥浆（钻井液），产生压差。

2） 泥浆引入阀座的过滤槽内过滤形成液压介质，液压介质引入换向阀P口，从A口流出至左液压腔，角度调整筒往右移动，在反扭矩的作用下，旋转一次角度，并与固定筒上的固定齿啮合，实现锁紧。同时，右侧液压腔的液体经右液压流道流入换向阀B口，再从换向阀T口流出至过滤槽，流体经过滤后排出至环空中。

3） 电磁阀换向即可使液流方向改变，实现角度调整筒换向。此时，过滤后的液压将从换向阀的P口流入，B口流出至右液压腔使角度调整筒往左移动，角度调整筒旋转一次，并与固定筒上的固定齿啮合，实现锁紧。同时，左液压腔的液体经左液压流道流回换向阀A口，再从换向阀T口流出至过滤槽，流体经过滤后排出至环空中。

4） 根据地面发射的脉冲信号，井下单片机进行逻辑判断是否定向，当进行定向模式时，电磁阀需要反复启闭以稳定工具面角度。

控制回路工作原理如下：

1） 压力传感器识别地面发射的压力脉冲信号。

2） 上单片机进行信号识别并储存数据，使下单片机进入工作状态。

3） 下单片机进行“是否定向”的逻辑判断，控制电磁阀工作。

4） 陀螺仪用于检测实际工具面角度，下单片机根据实际工具面角度与作业指令输入的工具面角度进行逻辑判别，从而控制电磁换向阀启闭，使执行机构换向。

1.2.4 反扭矩定向钻井工具工作机理

可控旋转滑动钻井工具工作机理如下：

1） 定向工具的液压系统的动力由泥浆通道与环空之间产生的压差势能提供，并且将泥浆作为液压介质。

2） 采用地面发射压力脉冲+井下单片机调制解调的方式控制多组二位四通电磁阀无线控制：①从地面发射压力脉冲，通过钻井液（传输介质）传输

至井下置于压力传感槽内的压力传感器；压力传感器在接收到压力脉冲信号后将信号传输至滤波器，过滤掉干扰的压力脉冲信号，并将过滤后的脉冲信号传递给数模转换器；数模转换器将脉冲信号转换为数字信号并将数字信号传送至上单片机；上单片机进行标志码的识别并储存，同时记录时间；上单片机在接收到标志码后，将信号传输至下单片机，下单片机进入工作状态；②下单片机进入工作状态后，接收地面传输的控制信号，判断是否定向。

3） 若信号为“定向”，下单片机在检测到“定向”的信号后首先解调出需要定向的目标工具面角度T，同时置于无磁短节的陀螺仪对当前工具面角度Tc进行检测，然后下单片机进行逻辑判断，判断两者之差的绝对值是否在精度范围r内，若判断值小于精度范围，则应从地面发射定向的压力脉冲，下单片机在检测到“定向”的信号后使电磁阀一直启闭，换向频率为6 Hz，角度调整筒一直左右切换，由于轴向防掉机构一直存在一个反扭矩M，该扭矩将通过滑槽筒传递给角度调整筒，使其一直处于旋转状态，匹配钻杆钻速，稳定工具面角度，螺杆钻具定向钻进，直到出现“不定向”的控制信号为止；若判断值大于精度值，则当陀螺仪工具面角度与目标工具面角度之差在精度范围内时，重复上述换向动作，稳定工具面角度。

4） 若信号为“不定向”信号，下单片机发出控制信号，使各电磁阀复位，角度调整筒不再左右换向，可控旋转滑动钻井工具随钻杆一同旋转钻进。

1.3 样机研制

如图 7所示研制的反扭矩导向钻井工具最大外径178 mm，工具总长5 834 mm，耐温150 ℃、抗压140 MPa，抗扭40 kN·m，抗拉压2 000 kN，设计离合机构最大离合频率为6 Hz，设计满足钻柱最高转速60 r/min。

2 反扭矩定向系统实钻试验

2.1 试验基本情况

利用川庆钻采工程技術研究院钻试1井开展试验，钻试1井原设计井深940 m，井身结构如图 8所述。设计钻具组合为：钻具组合：?215.9 mm×0.3 m钻头+?172 mm×7.8 m螺杆钻具+?178 mm×9 m无磁钻铤（MWD）+?178 mm×5.6 m反扭矩定向系统+?139.7 mm钻杆。利用上述钻柱系统在钻试1井已开窗井眼进行导向钻井。

反扭矩定向系统共工程样机于2023-4-25T 09：20下钻到底开钻，2023-4-25T 18：10停止钻进并起钻，反扭矩定向系统样机入井前情况如图 9所示。

反扭矩定向系统样机实钻试验的钻井参数如表1所示。

1） 旋转滑动实钻测试流程。

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

②钻杆旋转5～30 r/min。

③工具面角波动在±5°以内，反扭矩定向系统实现了隔离上部钻具旋转和下部钻具扭矩功能，信号识别正常，正常旋转滑动导向钻进。

2） 复合钻实钻测试流程。

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

②钻杆旋转5～30 r/min，持续5 min。

③停泵30～60 s，开泵排量增至30 L/s。

④钻杆旋转5～30 r/min，持续5 min。

⑤工具面角波动无规律，反扭矩定向系统识别了复合钻进信号，信号识别正常，正常复合钻进。

2.2 试验结果评价

反扭矩定向系统样机实钻试验实钻数据如表2所示。从表2可知，反扭矩定向系统样机实钻过程以10°目标工具面角进行实钻试验，目标工具面角控制范围为5°～15°，工具面角控制精度小于±5°（如图 10）。

反扭矩定向系统样机出井如图 11所示，反扭矩定向系统样机未出现断裂、磨损等情况，工具性能状态良好。

利用反扭矩定向系统实现了工具面角的自动控制，提高了弯螺杆滑动导向钻进井眼轨迹控制精度，实现了弯螺杆自动导向钻进功能。同时降低了弯螺杆滑动导向工具面角控制难度，提高了弯螺杆滑动导向钻进效率。本次实钻试验井斜角较小，未出现“托压”现象，反扭矩定向系统实现了上部钻具旋转、下部钻具定向功能。

3 结论

成功研发了反扭矩定向钻井系统，实现了分时动态隔离上部钻具旋转和承载下部钻具扭矩的功能，通过实钻测试验证了钻柱转速、扭矩分时离合理论的正确性。测试数据表明，研制的反扭矩定向系统工具面角控制精度小于±5°，能精确控制工具面角；上部钻具转速可达60 r /min，实现了下部钻具自动精确导向钻井的功能，研究成果有望解决滑动钻进钻柱“托压”和井眼轨迹控制难题，提高弯螺杆滑动导向钻井时效，这对促进我国页岩气、致密油气等非常规油气安全、经济、长效开发具有重要的意义。

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