旋转导向工具液压系统稳定性分析与改进

张冠祺 王智明

（中海油田服务股份有限公司油田技术事业部，北京 101149）



旋转导向工具液压系统稳定性分析与改进

张冠祺 王智明

（中海油田服务股份有限公司油田技术事业部，北京 101149）

摘 要：旋转导向钻井技术是定向井技术中的一个高端技术，具有广泛的应用范围。文章分析了影响液压系统稳定性的因素，并给出了解决方案。海上实钻表明，这些方案是有效的。

关键词：液压系统 粘度 气体 稳定性 抽真空

旋转导向钻井技术被认为是现代导向钻井技术的发展方向，是世界各国争相开发的一项自动化钻井技术，它发展于上世纪90年代初，在超深井、大位移井、高难定向井等特殊工艺井的钻井过程中具有明显的优势：旋转导向钻井工具在钻进时具有摩阻与扭阻小、钻速高、成本低、建井周期短、井眼轨迹平滑、易调控并可延长水平段长度等特点，能有效地解决以上特殊工艺井的钻井难题。本文着重介绍了影响旋转导向工具导向单元的液压控制系统稳定性的关键点以及采取的应对措施。

1 导向原理

旋转导向工具的核心部分是其导向单元的液压控制系统，该系统能实时控制3片翼肋的展开与收回，如图1所示。当3片翼肋全部伸出时，能支撑在井壁上，从而对导向工具产生反作用力。根据液压系统給每片翼肋提供的不同压力，从而使3片翼肋产生的合力方向不同，进而控制导向工具的偏移角度，实现定向钻井的功能。

图1 旋转导向工具3片翼肋示意图

根据事先设计好的井眼轨迹，需要不断变化导向工具的钻进方向。因而，液压系统提供給3片翼肋的工作压力也是不断变化的，所以，如何能保证液压系统持续、稳定地給3片翼肋提供所需的工作压力便成为一个重要的关键。若其中一片翼肋展开时未能按照系统要求达到所需的作用力，则整个导向工具的合力方向便会发生偏移，从而使井眼轨迹发生差错，将会給生产造成巨大的损失。

2 液压系统的稳定性分析

通常液压系统是一个封闭的循环回路，包括液压泵、电机、各类阀等元件，工作介质通常是液压油，而液压油在系统中的作用是至关重要的。若液压油中混杂了水、空气、铁屑等有害物质，会引起液压系统的气蚀，降低系统的刚度，使系统的稳定性下降。

对于旋转导向工具这样的井下仪器，通常工作在井下高温高压的环境里，并且工作时的振动较大，因此对其液压系统是个严峻的考验。当井深达到数千米，翼肋全部展开满载工作时，液压系统的压力将达到20～30MPa，温度达到100℃以上，在此条件下，影响系统稳定性的因素主要有：液压油的粘度和油液中的含气量。

3 旋转导向工具对液压油粘度的要求

旋转导向工具的工作环境温度一般为常温至150℃，随着井深的加大，温度逐渐升高。在这样大跨度的温度范围下，导向工具的液压系统所使用的液压油要具有很强的温度适应性，要能在广泛的温度应用范围上实现粘度的较小变化。由于导向工具的液压系统具有十分精密的电机与泵，对液压油粘度的改变较为敏感，需要在高压和高温的环境下，保持系统的效率，不出现系统内部泵漏的现象，所以，就需要一种高粘度指数的液压油做为系统介质。

一般来说，油液粘性对温度十分敏感，当油液温度升高时，粘性下降；其次，油液所受压力增大，其粘性变大，在高压时，压力对粘性的影响尤为明显。油液的动力粘度与压力、温度的关系可以用如下公式表示：

式中，μ为压力为p（MPa）、温度为t时的动力粘度；μ0为大气压下，温度为t0时的动力粘度；a为油液的粘压系数，对石油基液压油a=0.02～0.03（MPa）-1；λ为油液的粘温系数，对石油基液压油λ= 0.017～0.050。假设液压油在零下40℃时的动力粘度μ0=896St（厘泊），旋转导向工具的工作温度为150℃，液压系统压力为30MPa，可算出，在150℃时的动力粘度µ= 64.6St（厘泊）。动力粘度与μ与油液密度ρ（Ns2/m4）之间的比值，称为运动粘度，即：

ν=μ/ρ（m2/s）

由手册可查得油的密度，经计算得油的运动粘度大约为ν= 76.7cSt（厘沲）。根据ISO工业润滑油粘度分类，在150℃的高温下，能达到76.7cSt厘沲运动粘度的液压油是可以满足旋转导向工具液压系统要求的，可以提高系统的工作效率，加强液压系统的稳定性。

4 油液中的气体对系统的影响

（1）液压油气体对旋转导向工具影响。液压油中含有的气体通常有溶解空气和掺混空气两种。溶解空气是指溶解在油液中的气体，根据亨利定律，空气在已知液体中的溶解度与溶液上方的空气的绝对压力成正比。一般用溶解度δ表示溶解程度：

δ=Va/V0

式中，Va为溶解的空气体积，V0为油液的体积。若在大气压下油液中空气的溶解度为δ0，当空气的绝对压力为p时，其溶解度为δ=10δ0p，常用液压油的溶解度δ与压力的关系如图2所示。

1.硅油；2.矿物油；3.油－水乳化液；4.磷酸酯；5.水－乙二醇图2 空气在油液中的溶解度与压力的关系

石油基液压油在大气压和常温下通常能吸收约9%的空气。掺混空气是以直径为0.25～0.3mm的球状气泡悬浮于油液中，它有两种生成方式：一是溶解了一定数量的空气，处于饱和状态的油液，流经节流口、泵入口段或液压缸处，当绝对压力下降到油液的饱和蒸汽压或空气分离压时，油中过饱和空气就被析出，使原溶解于油中的微细气泡聚集成较大的气泡出现；二是通过油箱和泵的进油管掺混入油体内。

油液的压缩率约为5×10-4MPa-1～8×10-4MPa-1，在通常情况下，认为油是不可压缩的流体，但油中混入空气，其压缩率就会大大增加。当油液中的空气含量达到5%时，再达到一定的真空度时便会出现过饱和现象，并开始逐渐分解出空气，这就是气穴现象。在旋转导向工具的液压系统中，具有大量的小孔道，缝隙，若油液含气量过高，在泵的吸油口、节流阀、小孔道等部位，都将可能产生气穴现象。当气泡随着流体被带到翼肋等部位的高压区时，气泡体积急剧缩小或溃灭，并又重新混入或溶于油液中凝结成液体。在气泡凝结处瞬间局部压力和温度急剧升高，不仅会产生液压冲击，还伴随噪音和振动，油氧化变质，并导致支撑翼肋的压力不稳，造成导向工具的失效。

（2）液压油气体过滤系统。为了能有效解决以上问题，设计了一套旋转导向液压测试系统，该设备包括两套油筒，两套齿轮泵，若干高精度过滤阀，一套旋片式真空泵等液压部件。工作原理是：利用高精度的真空泵先将导向工具液压系统内的空气抽出，待真空度达到要求值时，立即开启注油泵，在不关闭真空泵的情况下，对导向工具进行注油工作，利用液压油的冲刷，将液压腔内部难以排净的空气全部排出。在整个抽真空的过程中，可以同时保持对导向工具的注油工作，这样，能有效地将导向工具内油液的空气排除。同时，它具有自动将油箱内的油进行过滤的功能，利用系统中两个高精度过滤阀，在循环泵的带动下，可在工作之前，预先对油箱中的油进行反复的循环，使之在进入导向工具前保持洁净。

油气分离原理，根据亨利定律，液体中空气的溶解量与绝对压力成正比。在一定温度下，绝对压力越低，液体空气含量就越小。假如在压力p0下，一定量的液压油中的空气溶解量为a0，当压力降到p1时的溶解量为a1，则Δa=a0-a1为空气的过饱和量。如果压力p1低于某一压力pg，则过饱和的空气就会加速分离出来，这个压力pg即为空气分离压。经过反复实践，该设备能达到低于100Pa的真空度，在该真空度下，能很好地实现油气的分离，从而使旋转导向工具的液压系统处于一个稳定、可靠的工作介质中。

5 实钻实验

2015年8月，旋转导向系统与随钻测量系统联合在渤海某井进行水平井作业，总入井时间超过120h，实钻时间超过90h，达到最大井斜90°，最大造斜率5.5°，成功命中靶点，并完成设计的井眼轨迹。

6 结论

文章阐释了旋转导向工具液压系统稳定的重要性，分析了旋转导向工具对液压油粘度的详细要求，提出了液压系统的含气量是影响旋转导向工具稳定性的重要因素，并给出了解决的办法。通过在实验室反复测试，能达到很好地效果，明显地改善了旋转导向工具的工作状况，这为其进一步的发展应用，打下了坚实的基础。

参考文献

［1］唐莉萍，蘇娣娣，楊敏.旋转导向钻井工具研究现状及发展趋势［J］.西安石油大学学报：自然科学版，2010，（S1）.

［2］陈超，龚国芳，金瑶兰，等.液压油抽真空除气装置的设计及实验研究［J］.液压与气动，2008，（2）∶88-91.

［3］王智明，菅志军，李相方，等.连续波高速泥浆脉冲器设计研究［J］.石油天然气学报，2008，（2）：611-613.

［4］孙畅.液压系统中气泡的产生原因及处理方法［J］.机械工程与自动化，2010，（5）：183-184.

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

基金项目：国家863项目，液压动力旋转导向钻井系统研究（YJB11YF015）。