旋轉(zhuǎn)導向工具液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與改進

張冠祺 王智明

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部，北京 101149）

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旋轉(zhuǎn)導向工具液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與改進

張冠祺 王智明

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部，北京 101149）

摘 要：旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)是定向井技術(shù)中的一個高端技術(shù)，具有廣泛的應用范圍。文章分析了影響液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素，并給出了解決方案。海上實鉆表明，這些方案是有效的。

關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng) 粘度 氣體 穩(wěn)定性 抽真空

旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)被認為是現(xiàn)代導向鉆井技術(shù)的發(fā)展方向，是世界各國爭相開發(fā)的一項自動化鉆井技術(shù)，它發(fā)展于上世紀90年代初，在超深井、大位移井、高難定向井等特殊工藝井的鉆井過程中具有明顯的優(yōu)勢：旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具在鉆進時具有摩阻與扭阻小、鉆速高、成本低、建井周期短、井眼軌跡平滑、易調(diào)控并可延長水平段長度等特點，能有效地解決以上特殊工藝井的鉆井難題。本文著重介紹了影響旋轉(zhuǎn)導向工具導向單元的液壓控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵點以及采取的應對措施。

1 導向原理

旋轉(zhuǎn)導向工具的核心部分是其導向單元的液壓控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實時控制3片翼肋的展開與收回，如圖1所示。當3片翼肋全部伸出時，能支撐在井壁上，從而對導向工具產(chǎn)生反作用力。根據(jù)液壓系統(tǒng)給每片翼肋提供的不同壓力，從而使3片翼肋產(chǎn)生的合力方向不同，進而控制導向工具的偏移角度，實現(xiàn)定向鉆井的功能。

圖1 旋轉(zhuǎn)導向工具3片翼肋示意圖

根據(jù)事先設(shè)計好的井眼軌跡，需要不斷變化導向工具的鉆進方向。因而，液壓系統(tǒng)提供給3片翼肋的工作壓力也是不斷變化的，所以，如何能保證液壓系統(tǒng)持續(xù)、穩(wěn)定地給3片翼肋提供所需的工作壓力便成為一個重要的關(guān)鍵。若其中一片翼肋展開時未能按照系統(tǒng)要求達到所需的作用力，則整個導向工具的合力方向便會發(fā)生偏移，從而使井眼軌跡發(fā)生差錯，將會給生產(chǎn)造成巨大的損失。

2 液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

通常液壓系統(tǒng)是一個封閉的循環(huán)回路，包括液壓泵、電機、各類閥等元件，工作介質(zhì)通常是液壓油，而液壓油在系統(tǒng)中的作用是至關(guān)重要的。若液壓油中混雜了水、空氣、鐵屑等有害物質(zhì)，會引起液壓系統(tǒng)的氣蝕，降低系統(tǒng)的剛度，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。

對于旋轉(zhuǎn)導向工具這樣的井下儀器，通常工作在井下高溫高壓的環(huán)境里，并且工作時的振動較大，因此對其液壓系統(tǒng)是個嚴峻的考驗。當井深達到數(shù)千米，翼肋全部展開滿載工作時，液壓系統(tǒng)的壓力將達到20～30MPa，溫度達到100℃以上，在此條件下，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素主要有：液壓油的粘度和油液中的含氣量。

3 旋轉(zhuǎn)導向工具對液壓油粘度的要求

旋轉(zhuǎn)導向工具的工作環(huán)境溫度一般為常溫至150℃，隨著井深的加大，溫度逐漸升高。在這樣大跨度的溫度范圍下，導向工具的液壓系統(tǒng)所使用的液壓油要具有很強的溫度適應性，要能在廣泛的溫度應用范圍上實現(xiàn)粘度的較小變化。由于導向工具的液壓系統(tǒng)具有十分精密的電機與泵，對液壓油粘度的改變較為敏感，需要在高壓和高溫的環(huán)境下，保持系統(tǒng)的效率，不出現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部泵漏的現(xiàn)象，所以，就需要一種高粘度指數(shù)的液壓油做為系統(tǒng)介質(zhì)。

一般來說，油液粘性對溫度十分敏感，當油液溫度升高時，粘性下降；其次，油液所受壓力增大，其粘性變大，在高壓時，壓力對粘性的影響尤為明顯。油液的動力粘度與壓力、溫度的關(guān)系可以用如下公式表示：

式中，μ為壓力為p（MPa）、溫度為t時的動力粘度；μ0為大氣壓下，溫度為t0時的動力粘度；a為油液的粘壓系數(shù)，對石油基液壓油a=0.02～0.03（MPa）-1；λ為油液的粘溫系數(shù)，對石油基液壓油λ= 0.017～0.050。假設(shè)液壓油在零下40℃時的動力粘度μ0=896St（厘泊），旋轉(zhuǎn)導向工具的工作溫度為150℃，液壓系統(tǒng)壓力為30MPa，可算出，在150℃時的動力粘度μ= 64.6St（厘泊）。動力粘度與μ與油液密度ρ（Ns2/m4）之間的比值，稱為運動粘度，即：

ν=μ/ρ（m2/s）

由手冊可查得油的密度，經(jīng)計算得油的運動粘度大約為ν= 76.7cSt（厘沲）。根據(jù)ISO工業(yè)潤滑油粘度分類，在150℃的高溫下，能達到76.7cSt厘沲運動粘度的液壓油是可以滿足旋轉(zhuǎn)導向工具液壓系統(tǒng)要求的，可以提高系統(tǒng)的工作效率，加強液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 油液中的氣體對系統(tǒng)的影響

（1）液壓油氣體對旋轉(zhuǎn)導向工具影響。液壓油中含有的氣體通常有溶解空氣和摻混空氣兩種。溶解空氣是指溶解在油液中的氣體，根據(jù)亨利定律，空氣在已知液體中的溶解度與溶液上方的空氣的絕對壓力成正比。一般用溶解度δ表示溶解程度：

δ=Va/V0

式中，Va為溶解的空氣體積，V0為油液的體積。若在大氣壓下油液中空氣的溶解度為δ0，當空氣的絕對壓力為p時，其溶解度為δ=10δ0p，常用液壓油的溶解度δ與壓力的關(guān)系如圖2所示。

1.硅油；2.礦物油；3.油－水乳化液；4.磷酸酯；5.水－乙二醇圖2 空氣在油液中的溶解度與壓力的關(guān)系

石油基液壓油在大氣壓和常溫下通常能吸收約9%的空氣。摻混空氣是以直徑為0.25～0.3mm的球狀氣泡懸浮于油液中，它有兩種生成方式：一是溶解了一定數(shù)量的空氣，處于飽和狀態(tài)的油液，流經(jīng)節(jié)流口、泵入口段或液壓缸處，當絕對壓力下降到油液的飽和蒸汽壓或空氣分離壓時，油中過飽和空氣就被析出，使原溶解于油中的微細氣泡聚集成較大的氣泡出現(xiàn)；二是通過油箱和泵的進油管摻混入油體內(nèi)。

油液的壓縮率約為5×10-4MPa-1～8×10-4MPa-1，在通常情況下，認為油是不可壓縮的流體，但油中混入空氣，其壓縮率就會大大增加。當油液中的空氣含量達到5%時，再達到一定的真空度時便會出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象，并開始逐漸分解出空氣，這就是氣穴現(xiàn)象。在旋轉(zhuǎn)導向工具的液壓系統(tǒng)中，具有大量的小孔道，縫隙，若油液含氣量過高，在泵的吸油口、節(jié)流閥、小孔道等部位，都將可能產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。當氣泡隨著流體被帶到翼肋等部位的高壓區(qū)時，氣泡體積急劇縮小或潰滅，并又重新混入或溶于油液中凝結(jié)成液體。在氣泡凝結(jié)處瞬間局部壓力和溫度急劇升高，不僅會產(chǎn)生液壓沖擊，還伴隨噪音和振動，油氧化變質(zhì)，并導致支撐翼肋的壓力不穩(wěn)，造成導向工具的失效。

（2）液壓油氣體過濾系統(tǒng)。為了能有效解決以上問題，設(shè)計了一套旋轉(zhuǎn)導向液壓測試系統(tǒng)，該設(shè)備包括兩套油筒，兩套齒輪泵，若干高精度過濾閥，一套旋片式真空泵等液壓部件。工作原理是：利用高精度的真空泵先將導向工具液壓系統(tǒng)內(nèi)的空氣抽出，待真空度達到要求值時，立即開啟注油泵，在不關(guān)閉真空泵的情況下，對導向工具進行注油工作，利用液壓油的沖刷，將液壓腔內(nèi)部難以排凈的空氣全部排出。在整個抽真空的過程中，可以同時保持對導向工具的注油工作，這樣，能有效地將導向工具內(nèi)油液的空氣排除。同時，它具有自動將油箱內(nèi)的油進行過濾的功能，利用系統(tǒng)中兩個高精度過濾閥，在循環(huán)泵的帶動下，可在工作之前，預先對油箱中的油進行反復的循環(huán)，使之在進入導向工具前保持潔凈。

油氣分離原理，根據(jù)亨利定律，液體中空氣的溶解量與絕對壓力成正比。在一定溫度下，絕對壓力越低，液體空氣含量就越小。假如在壓力p0下，一定量的液壓油中的空氣溶解量為a0，當壓力降到p1時的溶解量為a1，則Δa=a0-a1為空氣的過飽和量。如果壓力p1低于某一壓力pg，則過飽和的空氣就會加速分離出來，這個壓力pg即為空氣分離壓。經(jīng)過反復實踐，該設(shè)備能達到低于100Pa的真空度，在該真空度下，能很好地實現(xiàn)油氣的分離，從而使旋轉(zhuǎn)導向工具的液壓系統(tǒng)處于一個穩(wěn)定、可靠的工作介質(zhì)中。

5 實鉆實驗

2015年8月，旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)與隨鉆測量系統(tǒng)聯(lián)合在渤海某井進行水平井作業(yè)，總?cè)刖畷r間超過120h，實鉆時間超過90h，達到最大井斜90°，最大造斜率5.5°，成功命中靶點，并完成設(shè)計的井眼軌跡。

6 結(jié)論

文章闡釋了旋轉(zhuǎn)導向工具液壓系統(tǒng)穩(wěn)定的重要性，分析了旋轉(zhuǎn)導向工具對液壓油粘度的詳細要求，提出了液壓系統(tǒng)的含氣量是影響旋轉(zhuǎn)導向工具穩(wěn)定性的重要因素，并給出了解決的辦法。通過在實驗室反復測試，能達到很好地效果，明顯地改善了旋轉(zhuǎn)導向工具的工作狀況，這為其進一步的發(fā)展應用，打下了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻

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Stability Analysis and Reformation of Hydraulic System on the Rotary Steerable Tools

ZHANG Guanqi， WANG Zhiming
（Well-Tech of China Oilfield Services L imited，Beijing 101149）

Abstract:The rotary steerable drilling technology is a directional well technology in high-end technology， This paper analyzes the factors that influence the hydraulic system stability，and gives a solution，offshore drilling also indicates the real effective these programs are.

Key words:Hydraulic， viscosity， gas， stability， evacuated

基金項目：國家863項目，液壓動力旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)研究（YJB11YF015）。