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國(guó)內(nèi)老油田已進(jìn)入開發(fā)中后期，常規(guī)鉆井改造工藝存在成本高、周期長(zhǎng)、精細(xì)挖潛難度大等問(wèn)題，大量低效井、停產(chǎn)井亟待復(fù)活增效。連續(xù)油管側(cè)鉆技術(shù)憑借施工高效、適配性強(qiáng)、無(wú)起下鉆作業(yè)等優(yōu)勢(shì)，成為老井剩余油開發(fā)、儲(chǔ)量挖潛的核心技術(shù)手段，應(yīng)用前景廣闊。由于連續(xù)油管管柱作業(yè)全程不旋轉(zhuǎn)，井下定向工具的性能直接決定側(cè)鉆井眼軌跡控制精度與施工成敗。

當(dāng)前國(guó)外定向設(shè)備技術(shù)壁壘高、價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)工具存在扭矩不足、可靠性差、功能單一、控制精度低等缺陷，難以適配復(fù)雜工況，嚴(yán)重制約技術(shù)規(guī)模化推廣。為此，技術(shù)人員聚焦關(guān)鍵井下工具國(guó)產(chǎn)化研制，突破核心技術(shù)瓶頸，研發(fā)電液控制定向短節(jié)及配套工具串，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證性能，為老油田高效改造提供國(guó)產(chǎn)化裝備保障。

傳統(tǒng)連續(xù)油管側(cè)鉆井下工具缺陷分析
扭矩輸出不足，適配性差。傳統(tǒng)連續(xù)油管側(cè)鉆井下工具受結(jié)構(gòu)尺寸與設(shè)計(jì)工藝限制，扭矩輸出能力較差，常規(guī)輸出扭矩普遍不足800N·m，僅適用于軟地層簡(jiǎn)單鉆進(jìn)作業(yè)。在中硬地層、高含砂復(fù)雜地層施工時(shí)，扭矩儲(chǔ)備不足，易出現(xiàn)鉆進(jìn)卡頓、工具卡死、進(jìn)尺受阻等問(wèn)題。同時(shí)工具結(jié)構(gòu)適配性有限，難以匹配φ95螺桿及常規(guī)套管，適用井型范圍窄，無(wú)法滿足老油田大批量低效井改造需求。

定向精度低，軌跡控制能力弱。傳統(tǒng)工具多采用純機(jī)械與簡(jiǎn)易液控結(jié)構(gòu)，無(wú)閉環(huán)軌跡調(diào)控系統(tǒng)，工具面調(diào)整依賴人工經(jīng)驗(yàn)，角度控制精度僅±3°~±5°，易造成井眼軌跡偏移、曲率超標(biāo)。工具僅支持180°單向旋轉(zhuǎn)，存在定向死角，施工需頻繁起鉆調(diào)整姿態(tài)，大幅延長(zhǎng)施工周期，鉆井中靶率低，作業(yè)穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性較差。

環(huán)境適應(yīng)性差，可靠性不足。傳統(tǒng)工具井下環(huán)境適配性與可靠性不足，液壓系統(tǒng)過(guò)濾、泄壓保護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)陋，在高溫、高壓、高含砂工況下易發(fā)生堵塞、泄漏與部件變形問(wèn)題。電子系統(tǒng)未做抗振抗干擾優(yōu)化，強(qiáng)振動(dòng)、泥漿污染環(huán)境下易信號(hào)中斷、電路故障。且核心部件材質(zhì)耐磨、抗壓性能偏弱，無(wú)故障作業(yè)時(shí)長(zhǎng)較短，難以滿足長(zhǎng)期連續(xù)施工要求。

功能單一，配套性差。此外，傳統(tǒng)工具功能單一，僅具備基礎(chǔ)定向功能，缺失多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊，無(wú)法動(dòng)態(tài)采集井下工況數(shù)據(jù)，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)軌跡調(diào)控。配套安全防護(hù)、減振工具不完善，工具串振動(dòng)劇烈，遇卡釋放、井控防護(hù)能力薄弱，施工風(fēng)險(xiǎn)高。工具兼容性差、拆裝繁瑣，未形成一體化作業(yè)體系，嚴(yán)重制約側(cè)鉆施工效率與作業(yè)安全性。

電液控制定向短節(jié)及配套工具研制
整套系統(tǒng)由地面測(cè)控系統(tǒng)與井下模塊化工具串組成（圖 1）。地面系統(tǒng)通過(guò)單芯鎧裝電纜供電與雙向通信，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)參數(shù)、下發(fā)指令；井下工具串核心為定向短節(jié)，配套多參數(shù)測(cè)量短節(jié)、φ89 過(guò)電纜加重鉆桿、安全接頭、雙瓣閥等。工作時(shí)，地面指令驅(qū)動(dòng)井下微型液壓泵產(chǎn)生高壓油，經(jīng)雙向電磁閥控制螺旋擺動(dòng)油缸帶動(dòng)芯軸旋轉(zhuǎn)，配合高精度角度傳感器形成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn) ±1° 精準(zhǔn)調(diào)向。
 
 
圖1：井下模塊化工具串示意圖
 
結(jié)合老油田工況，確定核心指標(biāo)：外徑 105mm、全長(zhǎng) 1.6m，適配 φ95 螺桿；最大輸出扭矩 1350N?m，雙向旋轉(zhuǎn)角度 400°；耐壓 25MPa、耐溫 120℃，滿足常規(guī)老井側(cè)鉆需求。
定向短節(jié)核心模塊包括電子系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)。

電子系統(tǒng)：集成電源轉(zhuǎn)換、角度監(jiān)測(cè)、信號(hào)傳輸與電機(jī)控制單元，內(nèi)置 30mm 過(guò)液通道，兼顧供電、通信與鉆井液循環(huán)。電源模塊適配 120℃高溫，實(shí)現(xiàn)高低壓電能轉(zhuǎn)換；采用高精度磁敏角度傳感器，采集精度達(dá) ±0.5°；控制電路經(jīng)抗干擾、抗振優(yōu)化，適配泥漿污染、強(qiáng)振動(dòng)工況。

液壓系統(tǒng)：由微型高壓泵、雙向電磁閥、液壓鎖、過(guò)濾泄壓組件組成，最高工作壓力 20MPa。無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)微型油泵，壓力穩(wěn)定、流量均勻；雙向電磁閥精準(zhǔn)控制油流方向，實(shí)現(xiàn)芯軸正反轉(zhuǎn)切換；雙向液壓鎖鎖定姿態(tài)，杜絕角度漂移；過(guò)濾泄壓組件濾除雜質(zhì)、超壓泄壓，保障系統(tǒng)穩(wěn)定。

機(jī)械系統(tǒng)：采用螺旋式擺動(dòng)油缸結(jié)構(gòu)，由高強(qiáng)度殼體、花鍵套與傳動(dòng)芯軸組成，通過(guò)雙螺旋副嚙合將活塞直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為芯軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。殼體采用 42CrMo 高強(qiáng)度合金，抗壓抗沖擊；花鍵套與芯軸精密嚙合，扭矩傳遞效率高，可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn) 400° 雙向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，無(wú)軸向位移（圖 2、圖 3）。
 

圖2：螺旋式擺動(dòng)油缸  
圖3：定向器機(jī)械系統(tǒng)
 
配套工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：
多參數(shù)測(cè)量及傳輸短節(jié)：集成井斜、方位、工具面、壓力多維度監(jiān)測(cè)模塊，實(shí)時(shí)采集井下工況數(shù)據(jù)并回傳地面，為軌跡調(diào)控提供數(shù)據(jù)支撐。采用耐高溫、抗振動(dòng)傳感器，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確率達(dá) 99%，傳輸延遲＜1s。

φ89 過(guò)電纜加重鉆桿：內(nèi)置電纜通道，穩(wěn)定提供鉆壓、抑制工具串振動(dòng)，保障作業(yè)穩(wěn)定性。選用高強(qiáng)度合金材質(zhì)，抗拉強(qiáng)度達(dá) 800MPa，可承受 150kN 軸向載荷，適配深井、長(zhǎng)裸眼段施工。

安全接頭與雙瓣閥：安全接頭采用剪切式結(jié)構(gòu)，遇卡時(shí)可通過(guò)地面投球?qū)崿F(xiàn)安全釋放，避免工具串卡死；雙瓣閥采用單向密封設(shè)計(jì)，有效規(guī)避井噴風(fēng)險(xiǎn)，適配高壓油氣井施工。

材料選型與強(qiáng)度校核。關(guān)鍵零部件選用高強(qiáng)度合金：殼體 42CrMo 鋼材經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，抗拉強(qiáng)度≥980MPa；芯軸 30CrMnTi 滲碳處理，硬度 HRC58-62，耐磨性強(qiáng)。通過(guò)有限元仿真模擬極限工況，校核應(yīng)力與形變，關(guān)鍵部件安全系數(shù)≥1.5，無(wú)應(yīng)力集中與形變超標(biāo)問(wèn)題，滿足長(zhǎng)期連續(xù)作業(yè)要求。

工具整體集成與優(yōu)化。優(yōu)化工具串連接結(jié)構(gòu)，減少連接節(jié)點(diǎn)，降低故障風(fēng)險(xiǎn)；優(yōu)化外徑與長(zhǎng)度，確保套管內(nèi)順利通過(guò)，降低作業(yè)阻力。關(guān)鍵連接部位增設(shè)減振組件，降低強(qiáng)振動(dòng)下的部件磨損與信號(hào)干擾。集成后工具串結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝便捷，可快速適配不同井況，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用性強(qiáng)（圖 4）。
 
圖4：多參數(shù)測(cè)量及傳輸短接結(jié)構(gòu)圖
性能試驗(yàn)與分析
為驗(yàn)證自研定向短節(jié)綜合性能，開展多組室內(nèi)性能試驗(yàn)。單項(xiàng)參數(shù)測(cè)試結(jié)果表明，工具最大輸出扭矩達(dá)1362N·m，雙向旋轉(zhuǎn)角度405°，角度調(diào)整精度可達(dá)±0.8°，優(yōu)于±1°設(shè)計(jì)指標(biāo)。在25MPa壓力下保壓無(wú)泄漏、無(wú)變形，48h抗振試驗(yàn)無(wú)部件松動(dòng)，72h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)電流波動(dòng)小于5%，各項(xiàng)基礎(chǔ)參數(shù)均達(dá)標(biāo)且部分性能優(yōu)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，基礎(chǔ)作業(yè)性能可靠。
開展地面與井下一體化系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，模擬井下高溫、高壓、強(qiáng)振動(dòng)復(fù)雜工況。試驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)指令響應(yīng)時(shí)間小于2s，數(shù)據(jù)丟包率低于1%，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定精準(zhǔn)。72h不間斷模擬施工過(guò)程中，設(shè)備無(wú)工具面漂移、液壓泄漏及電路故障，定向與穩(wěn)斜模式切換順暢，系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)性、運(yùn)行穩(wěn)定性滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。
行業(yè)對(duì)標(biāo)試驗(yàn)表明，自研工具在扭矩輸出、控制精度、環(huán)境適配性等核心性能上，全面優(yōu)于國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品，有效解決國(guó)產(chǎn)工具可靠性差、扭矩不足的短板。相較于國(guó)外高端定向設(shè)備，核心性能指標(biāo)基本持平，但造價(jià)大幅降低，性價(jià)比優(yōu)勢(shì)突出，更適配國(guó)內(nèi)老油田復(fù)雜井況，具備大規(guī)模推廣應(yīng)用條件。
可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)針對(duì)高含砂泥漿、溫壓循環(huán)、頻繁啟停等惡劣工況開展測(cè)試。針對(duì)初期過(guò)濾組件易堵塞問(wèn)題，優(yōu)化多級(jí)分層過(guò)濾結(jié)構(gòu)后，設(shè)備抗堵塞性能顯著提升。經(jīng)100次高溫高壓循環(huán)、500次頻繁啟停試驗(yàn)，工具性能無(wú)衰減、運(yùn)行響應(yīng)靈敏，可長(zhǎng)期適應(yīng)井下復(fù)雜惡劣工況，整體可靠性與工況適配性良好。
 
為驗(yàn)證自研井下工具的現(xiàn)場(chǎng)適配性與作業(yè)可靠性，選取勝利油田GDO4-16-19低效井開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，施工井段1270–1460m，地層條件穩(wěn)定、無(wú)腐蝕性介質(zhì)，套管完好，具備典型老井側(cè)鉆施工條件。現(xiàn)場(chǎng)采用φ118鉆頭、φ95單彎螺桿搭配自研電液控制定向短節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化鉆具組合，完整開展套管開窗、定向鉆進(jìn)、穩(wěn)斜鉆進(jìn)及完鉆測(cè)井全流程施工。作業(yè)期間，定向短節(jié)累計(jì)完成5次精準(zhǔn)工具面調(diào)整，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)卡頓、無(wú)角度漂移，井眼軌跡完全符合設(shè)計(jì)參數(shù)，施工成功率100%，充分驗(yàn)證了工具現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的穩(wěn)定性與軌跡控制精度。