国内老油田已进入开发中后期，常规钻井改造工艺存在成本高、周期长、精细挖潜难度大等问题，大量低效井、停产井亟待复活增效。连续油管侧钻技术凭借施工高效、适配性强、无起下钻作业等优势，成为老井剩余油开发、储量挖潜的核心技术手段，应用前景广阔。由于连续油管管柱作业全程不旋转，井下定向工具的性能直接决定侧钻井眼轨迹控制精度与施工成败。

当前国外定向设备技术壁垒高、价格昂贵，国内传统工具存在扭矩不足、可靠性差、功能单一、控制精度低等缺陷，难以适配复杂工况，严重制约技术规模化推广。为此，技术人员聚焦关键井下工具国产化研制，突破核心技术瓶颈，研发电液控制定向短节及配套工具串，通过室内试验与现场应用验证性能，为老油田高效改造提供国产化装备保障。

传统连续油管侧钻井下工具缺陷分析
扭矩输出不足，适配性差。传统连续油管侧钻井下工具受结构尺寸与设计工艺限制，扭矩输出能力较差，常规输出扭矩普遍不足800N·m，仅适用于软地层简单钻进作业。在中硬地层、高含砂复杂地层施工时，扭矩储备不足，易出现钻进卡顿、工具卡死、进尺受阻等问题。同时工具结构适配性有限，难以匹配φ95螺杆及常规套管，适用井型范围窄，无法满足老油田大批量低效井改造需求。

定向精度低，轨迹控制能力弱。传统工具多采用纯机械与简易液控结构，无闭环轨迹调控系统，工具面调整依赖人工经验，角度控制精度仅±3°~±5°，易造成井眼轨迹偏移、曲率超标。工具仅支持180°单向旋转，存在定向死角，施工需频繁起钻调整姿态，大幅延长施工周期，钻井中靶率低，作业稳定性与经济性较差。

环境适应性差，可靠性不足。传统工具井下环境适配性与可靠性不足，液压系统过滤、泄压保护结构简陋，在高温、高压、高含砂工况下易发生堵塞、泄漏与部件变形问题。电子系统未做抗振抗干扰优化，强振动、泥浆污染环境下易信号中断、电路故障。且核心部件材质耐磨、抗压性能偏弱，无故障作业时长较短，难以满足长期连续施工要求。

功能单一，配套性差。此外，传统工具功能单一，仅具备基础定向功能，缺失多参数实时监测模块，无法动态采集井下工况数据，难以实现精准轨迹调控。配套安全防护、减振工具不完善，工具串振动剧烈，遇卡释放、井控防护能力薄弱，施工风险高。工具兼容性差、拆装繁琐，未形成一体化作业体系，严重制约侧钻施工效率与作业安全性。

电液控制定向短节及配套工具研制
整套系统由地面测控系统与井下模块化工具串组成（图 1）。地面系统通过单芯铠装电缆供电与双向通信，实时监测参数、下发指令；井下工具串核心为定向短节，配套多参数测量短节、φ89 过电缆加重钻杆、安全接头、双瓣阀等。工作时，地面指令驱动井下微型液压泵产生高压油，经双向电磁阀控制螺旋摆动油缸带动芯轴旋转，配合高精度角度传感器形成闭环控制，实现 ±1° 精准调向。
 
 
图1：井下模块化工具串示意图
 
结合老油田工况，确定核心指标：外径 105mm、全长 1.6m，适配 φ95 螺杆；最大输出扭矩 1350N・m，双向旋转角度 400°；耐压 25MPa、耐温 120℃，满足常规老井侧钻需求。
定向短节核心模块包括电子系统、液压系统、机械系统。

电子系统：集成电源转换、角度监测、信号传输与电机控制单元，内置 30mm 过液通道，兼顾供电、通信与钻井液循环。电源模块适配 120℃高温，实现高低压电能转换；采用高精度磁敏角度传感器，采集精度达 ±0.5°；控制电路经抗干扰、抗振优化，适配泥浆污染、强振动工况。

液压系统：由微型高压泵、双向电磁阀、液压锁、过滤泄压组件组成，最高工作压力 20MPa。无刷电机驱动微型油泵，压力稳定、流量均匀；双向电磁阀精准控制油流方向，实现芯轴正反转切换；双向液压锁锁定姿态，杜绝角度漂移；过滤泄压组件滤除杂质、超压泄压，保障系统稳定。

机械系统：采用螺旋式摆动油缸结构，由高强度壳体、花键套与传动芯轴组成，通过双螺旋副啮合将活塞直线运动转为芯轴旋转运动。壳体采用 42CrMo 高强度合金，抗压抗冲击；花键套与芯轴精密啮合，扭矩传递效率高，可稳定实现 400° 双向连续旋转，无轴向位移（图 2、图 3）。
 

图2：螺旋式摆动油缸  
图3：定向器机械系统
 
配套工具结构设计如下：
多参数测量及传输短节：集成井斜、方位、工具面、压力多维度监测模块，实时采集井下工况数据并回传地面，为轨迹调控提供数据支撑。采用耐高温、抗振动传感器，数据采集准确率达 99%，传输延迟＜1s。

φ89 过电缆加重钻杆：内置电缆通道，稳定提供钻压、抑制工具串振动，保障作业稳定性。选用高强度合金材质，抗拉强度达 800MPa，可承受 150kN 轴向载荷，适配深井、长裸眼段施工。

安全接头与双瓣阀：安全接头采用剪切式结构，遇卡时可通过地面投球实现安全释放，避免工具串卡死；双瓣阀采用单向密封设计，有效规避井喷风险，适配高压油气井施工。

材料选型与强度校核。关键零部件选用高强度合金：壳体 42CrMo 钢材经调质处理，抗拉强度≥980MPa；芯轴 30CrMnTi 渗碳处理，硬度 HRC58-62，耐磨性强。通过有限元仿真模拟极限工况，校核应力与形变，关键部件安全系数≥1.5，无应力集中与形变超标问题，满足长期连续作业要求。

工具整体集成与优化。优化工具串连接结构，减少连接节点，降低故障风险；优化外径与长度，确保套管内顺利通过，降低作业阻力。关键连接部位增设减振组件，降低强振动下的部件磨损与信号干扰。集成后工具串结构紧凑、拆装便捷，可快速适配不同井况，现场实用性强（图 4）。
 
图4：多参数测量及传输短接结构图
性能试验与分析
为验证自研定向短节综合性能，开展多组室内性能试验。单项参数测试结果表明，工具最大输出扭矩达1362N·m，双向旋转角度405°，角度调整精度可达±0.8°，优于±1°设计指标。在25MPa压力下保压无泄漏、无变形，48h抗振试验无部件松动，72h连续运转电流波动小于5%，各项基础参数均达标且部分性能优于设计标准，基础作业性能可靠。
开展地面与井下一体化系统联调试验，模拟井下高温、高压、强振动复杂工况。试验结果显示，系统指令响应时间小于2s，数据丢包率低于1%，数据传输稳定精准。72h不间断模拟施工过程中，设备无工具面漂移、液压泄漏及电路故障，定向与稳斜模式切换顺畅，系统联动协调性、运行稳定性满足现场施工要求。
行业对标试验表明，自研工具在扭矩输出、控制精度、环境适配性等核心性能上，全面优于国内同类产品，有效解决国产工具可靠性差、扭矩不足的短板。相较于国外高端定向设备，核心性能指标基本持平，但造价大幅降低，性价比优势突出，更适配国内老油田复杂井况，具备大规模推广应用条件。
可靠性强化试验针对高含砂泥浆、温压循环、频繁启停等恶劣工况开展测试。针对初期过滤组件易堵塞问题，优化多级分层过滤结构后，设备抗堵塞性能显著提升。经100次高温高压循环、500次频繁启停试验，工具性能无衰减、运行响应灵敏，可长期适应井下复杂恶劣工况，整体可靠性与工况适配性良好。
 
为验证自研井下工具的现场适配性与作业可靠性，选取胜利油田GDO4-16-19低效井开展现场试验，施工井段1270–1460m，地层条件稳定、无腐蚀性介质，套管完好，具备典型老井侧钻施工条件。现场采用φ118钻头、φ95单弯螺杆搭配自研电液控制定向短节的标准化钻具组合，完整开展套管开窗、定向钻进、稳斜钻进及完钻测井全流程施工。作业期间，定向短节累计完成5次精准工具面调整，设备运行平稳无卡顿、无角度漂移，井眼轨迹完全符合设计参数，施工成功率100%，充分验证了工具现场作业的稳定性与轨迹控制精度。