李才良

（渤海钻探塔里木钻井分公司装备管理科，新疆库尔勒 841000）①

旋转导向钻井技术及钻井工具应用研究

李才良

（渤海钻探塔里木钻井分公司装备管理科，新疆库尔勒 841000）①

旋转导向钻井系统是由井下闭环变径稳定器与测量传输仪器（MWD／LWD）联合组成的工具系统，它完全抛开了滑动导向方式，以旋转导向钻进方式自动、灵活地调整井斜和方位，大幅提高了钻井速度、钻井安全性和轨迹控制精度。分析了旋转导向钻井系统的技术特点，介绍了典型旋转导向钻井系统的结构组成、工作原理及发展、应用情况。为超深井、高难度定向井、大位移井、水平分支井等特殊工艺井的导向钻井提供技术支持。

旋转导向钻井系统；导向原理；系统结构；技术特点

旋转导向钻井技术通过井下旋转导向工具实现轨迹的控制和钻进施工，采用MWD实现轨迹几何导向，采用LWD实现轨迹地质导向。该技术取消了滑动钻进工作方式，使钻具在旋转钻进的同时实现轨迹的控制，在有效克服地质导向钻井技术的一些缺陷、提高油藏开发的整体效益、有效避免钻井风险方面有重要意义［1］。

1 旋转导向钻井技术工作原理

旋转导向钻井技术主要是利用井下旋转导向工具在钻具底部控制钻具轴线产生偏心效果，从而给钻头施加侧向力来实现轨迹的旋转控制［2］。

钻具在井下产生偏心时的受力分析如图1所示。下部钻具AB犆在不受外力的作用下是1条直线，这时施加给钻具的钻压（设为F）全部加在钻头上。当在B点因偏心装置的作用使钻具产生弯曲时，施加给钻头的钻压分解为沿钻具轴向的力Fh和垂直于井壁的侧向力Fc。Fh控制钻头沿钻具轴线方向行进，Fc控制钻头沿侧向方向行进。

式中：α为钻具因弯曲而产生轴线间的夹角。

当偏心装置在井下处于不同的位置时，钻头受到的侧向力方向就不同。通过偏心控制装置可以将偏心装置摆放在任意位置，侧向力也可控制在井眼垂直剖面360°范围内的任意方向，从而实现轨迹全方位的控制。

图1 旋转导向钻井钻头受力分析

2 旋转导向钻井工具

旋转导向钻井工具主要包括旋转导向工具和其他配套工具。根据旋转导向工具实现钻具偏心的机理的不同，将旋转导向工具分为不随钻柱旋转的静态调节式旋转导向工具和随钻具旋转的动态调节式旋转导向工具2种。配套工具包括高性能钻头、定向接头、无磁钻杆、井下仪器MWD悬挂短节、无磁钻铤、短无磁钻铤、钻铤、短钻铤、柔性钻铤、加重钻杆、斜坡钻杆、井下加力器、震击器、扶正器、单向阀和其他无磁／非无磁配合接头等［3-5］。

2.1 动态可调式

动态可调式旋转导向钻井工具在转动过程中，控制可调偏心稳定器翼片在固定的方向轮流伸出，从而给钻头施加1个与翼片伸出方向相反的侧向力，实现旋转导向功能。这种旋转导向工具由于需要钻具转动才能使稳定器翼片伸出，故称为动态可调式旋转导向工具。

2.1.1 工作原理

动态调节式旋转导向工具受导向控制装置的控制。当导向控制装置控制导向钻具处于导向工作状态时，调整导向轴的方向，使导向钻具处于需要的工作位置。施工时，导向轴控制高压流体进入高压腔，由高压流体为翼片的伸出提供动力，控制阀控制翼片的伸缩，相当于给钻具施加了1个侧向力，从而完成旋转导向钻进的任务。当导向控制装置控制导向钻具不处于导向工作状态时，翼片不运动，井下钻具组合以其自然的工作状态工作。

动态调节式旋转导向工具的施工效果是在钻具的转动过程中实现的。如果钻具不运动，则不能实现导向钻进。

2.1.2 典型动态可调式钻井系统

SCHLUMBERGER公司的Powerdrive旋转导向系统是一种动态可调式旋转导向工具，主要由侧向偏置机构和控制机构2部分组成，如图2所示，侧向偏置机构通过翼片伸出，以和井壁接触时受到井壁反作用的方式给钻头施加1个侧向力。控制机构通过机械连接方式与侧向偏置机构连接，主要功能是控制侧向偏置机构对钻头产生的侧向力的大小和方向，其动力由传递转矩的传动轴总成提供，涡轮为传动轴总成提供动力。

图2 Power drive旋转导向钻井系统

控制机构由高压腔、盘状控制阀总成、传递转矩的传动轴总成、齿轮传动总成、电子线路及近钻头井斜传感器等组件共同组成。

电子线路及近钻头井斜传感器主要是测量旋转导向工具的状态及接收地面指令、控制侧向偏置机构的工作状态。当需要旋转导向工具导向工作时，地面指令通过脉冲泥浆压力形式传递到井下工具，井下工具接收到地面的信号后，自动摆放侧向偏置机构所需要设置的位置，并打开高压控制阀，使高压腔内充满高压泥浆。当井下工具不需要导向工作时，井下工具接收到地面的信号后，关闭高压控制阀，高压腔内没有高压泥浆，侧向偏置机构的3个活塞全部缩回，工具处于自然工作状态。

高压腔为侧向偏置机构翼片的伸出提供动力，内部的高压由高压控制阀控制。当工具处于导向工作状态时，高压控制阀打开，里面的高压泥浆将压力传递到盘状控制阀总成。

传动轴总成为转动旋转导向工具外壳提供动力，齿轮传动总成控制旋转导向工具是转动还是不转动。

盘状控制阀总成由上、下2个圆形盘阀共同组成。盘状控制阀总成的上盘阀不随钻具转动，其本体上有3个连通的孔，呈120°分布，其中1个为高压孔，2个为低压孔。高压孔的轴线方向就是Power drive旋转导向工具的高边位置，它与高压腔连通，同时低压孔与井眼环空连通。盘状控制阀总成的下盘阀随钻具一起同步转动，其本体上也有3个孔，呈120°分布，都是卸压孔。上、下控制盘在控制阀同轴心中上下放置，上、下控制盘上的孔都是同一轴心距。上、下盘阀的结构如图3所示。

图3 盘状控制阀总成上下盘阀结构

侧向偏置机构的核心是3个可伸缩的翼片和控制3个翼片伸缩的活塞。系统处于导向方式工作时，高压控制阀被打开，高压泥浆进入高压腔室，高压腔室与高压孔连通。控制阀中的下盘阀与钻具一起转动。当下盘阀上的1个孔转到与高压孔重叠的状态时，高压孔中的高压流体进入该孔，推动与该孔连通的活塞向外推进，从而将与活塞连接的翼片推出。当该孔转到与上盘阀的高压孔连通的同时，下盘阀上的另外2个孔也同时与上控制盘的低压孔连通，这2个孔内的活塞没有受到内、外的压力，在里面弹簧的作用下，带动翼片缩回。由于上控制盘是不动的，下控制盘上的每一个孔转动到与上控制盘上的高压孔同轴时，该下控制盘孔所对应的翼片伸出，其他两翼片缩回。因此，随着钻具的转动，翼片就在上控制盘高压孔处轮流固定伸出。

当翼片伸出时，翼片与井壁接触，相当于给井壁施加了1个外力，根据作用力与反作用力相等的原理，翼片给井壁施加外力的同时，导向工具也受到了大小与该力相等、但方向相反的力，这个力就是翼片伸出时钻具受到的侧向力，其方向与高压孔的位置正好相反，大小与导向工具控制轴的方向有关。Power drive旋转导向工具处于导向工作方式时的状态如图4所示。

图4 Power drive旋转导向工具导向工作状态

由此，调整高压孔的位置，钻头就可受到1个方向与高压孔位置相反的力。由于该工具的高边位置与上盘阀的高压孔一致，因此翼片伸出的方向与高压孔的方向相反，翼片施加给井壁的力也与高压孔的方向相反。根据作用力与反作用力间的相互关系，钻头受到的力的方向就与高压孔的方向一致，即高边方向就是钻头受到的侧向力方向。这样，当调整高压孔处于高边位置（0°）时，钻头受到的侧向力方向向上，此时相当于全力增井斜。当调整高压孔处于90°时，钻头受到的侧向力方向指向井眼法面90°方向，此时相当于全力增方位。当调整高压孔处于180°时，钻头受到的侧向力方向指向井眼法面180°，此时相当于全力降井斜。当调整高压孔处于270°时，钻头受到的侧向力方向指向井眼法面270°，此时相当于全力降方位。

Power drive旋转导向工具对轨迹的控制是通过由地面向井下工具传递泥浆压力脉冲的形式来控制的，地面计算机监视由地面向井下工具传递的脉冲序列，然后显示出导向工具的新状态以便地面进一步确认工具的位置是否正确。

2.2 静态可调式

旋转导向工具的偏心稳定器固定不动，但可调整其固定方向。钻具转动过程中，由于可调偏心稳定器在固定的方向，从而给钻头施加固定的侧向力，实现旋转导向功能。钻具不动偏心稳定器翼片就已伸出，可以控制偏心稳定器的方向，故称为静态可调式旋转导向工具。

2.2.1 工作原理

和动态调节式旋转导向工具工作原理不同，静态调节式旋转导向工具是利用可调偏心扶正器来实现的。可调偏心扶正器是1个可以在地面控制其伸缩及其伸缩量的偏心扶正器，其扶正器偏心块在钻具转动过程中与井壁保持相对稳定。

其工作机理是：在地面通过开泵或加压等手段，调整可调偏心扶正器各个伸出块的伸出量，进而改变偏心扶正器的偏心距大小和偏心方位角，从而改变井下钻具组合的轴向偏心，使钻头上的造斜力和方位调整力符合轨迹调整的需要，进而达到导向钻进的目的。当不需要导向钻进时，可调偏心扶正器各个伸出块缩回，井下钻具组合以其自然的工作状态工作。

2.2.2 典型静态可调式钻井系统

Auto Trak RCLS旋转导向钻井系统是由BAKER-HUGHES INTEQ公司和AGIP公司联合研制成功的闭路旋转装置。

Auto Trak RCLS系统是1种静态可调式旋转导向工具，它主要由与钻具一起旋转的传动轴和不随钻具旋转的静态稳定器套组成，如图5所示。静态稳定器套包含1个近钻头井斜传感器、随钻控制电路以及可由液压控制的3个翼片。3个翼片是相互独立的，流经稳定器的高压流体为翼片伸出或缩回提供动力，各翼片伸出的大小由井下微处理系统根据设计的数据和实时监测的结果来综合控制，以使各翼片与井壁相互作用，受到井壁的作用力的矢量和指向设计轨迹的前进方向，如图6所示。当需要稳斜钻进时，各翼片在控制机构的控制下缩回，不与井壁相互作用，钻具以其自然的对轨迹的影响力工作。

图5 Auto Trak RCLS系统结构

图6 Auto Trak RCLS受力分析

AutoTrak RCLS系统内部微处理器根据实时监测的数据，计算出轨迹沿设计方向行进时各稳定器翼片需要承受的力，确定定向所需要的工具面数据及方向，同时还控制轨迹控制井段的造斜率以符合要求。

实钻过程中，由于受地层特性和钻速的影响，非旋转套会出现一定量的偏移。为了补偿该偏移对轨迹控制造成的影响，系统连续监测稳定器套的位置，根据轨迹控制所需要的力及其方向，自动调整各稳定器翼片所受到的力，使钻具始终受到1个与轨迹控制需要一致的恒定合力。

井下工具和地面之间的双向通讯通过泥浆来进行。当地面需要向下传递信号时，采用负脉冲信号技术，而井下数据向上传送则采用正脉冲信号技术。

与Auto Trak RCLS系统配套施工的仪器还包括井下探管。井下探管控制井下各组成部分的工具面位置，实现地面和井下之间的双向通讯。同时该部分还包括施工所需要的定向传感器和钻具振动传感器，同时与近钻头井斜传感器通过超声波进行通讯。方位传感器测量轨迹的方向，近钻头井斜传感器在地层刚打开不久就可测量到轨迹近钻头处的井斜，三维分布的方位和近钻头井斜传感器一起，共同实现轨迹的精确测量和为控制轨迹所需参数提供依据。振动传感器测量钻具的振动情况，由此判断和控制井下工具安全工作。

Auto Trak RCLS系统可加挂地质导向仪器RNT（The Reservoir Navigation Tool）。RNT系统包括1个多级电阻率传感器MPR（Multiple Propagation Resistivity）和方位伽玛传感器GR（Dual Azimuthal Gamma Ray）。采用双频发射双接收器设计技术，RNT可以测量4种补偿电阻率曲线，可在各种变化不定的条件下精确测量地层的真实电阻率。400 k Hz的电磁波可以探测地层深层的测量数据，2 MHz的电磁波可以提高地层的分辨率。在水平段施工，400 k Hz的电磁波可以准确分辨地层边界，精确测量高达5.5 m深的地层电阻率，实钻过程中可以提前75 m探测到地层的边界，从而精确控制轨迹在产层中穿行。

常用的Auto Trak RCLS旋转导向系统钻具组合如图7。

图7 常用的AutoTrak RCLS旋转导向系统钻具组合

3 技术特点

1） 采用旋转导向钻井技术施工，由于取消了井下马达操作，井下钻具一直处于旋转状态，因此对钻具组合性能的选择尤为重要。

2） 施工时，应根据地层对轨迹的影响力、轨迹走向合理选择下井钻具组合，以充分利用地层的自然增、降斜能力，避免长时间使用旋转导向工具施工。

3） 施工过程中，当需要对轨迹进行调整时，只需要在地面通过向钻具加压、往复开泵或加压、开泵组合来调整旋转导向工具的状态，使钻具在转动状态下能达到所需要的轨迹控制的效果。

4 结论

1） 旋转导向钻井技术取消了井下马达，其对轨迹的控制主要是通过调节旋转导向工具的状态，从而使钻具在连续转动时产生不同效果的侧向力来完成的。因此，避免了由于钻柱弹性变形而造成的工具面控制问题和井下钻具所受摩阻大的问题，井眼扭曲程度得到控制，使钻井施工对井深的限制得到解决。

2） 由于井下钻具采用稳定器结构，且钻具连续转动，井下钻具和井壁间的接触面积减少，井眼清洗效果得到改善，避免了钻井施工过程中常发生的粘附卡钻、砂桥卡钻等钻井事故，有效避免了钻井施工的风险。

3） 钻具转动，使得钻压控制更容易；摩阻减少，轨迹平滑，使得轨迹能最大限度的向前延伸，并可使完井作业和测井作业变得更加容易。

4） 采用旋转地质导向钻井技术，在提高轨迹穿越油层效率的同时，超长水平段能使单井施工的效益得到大幅度提高，并可有效减少油藏开发所须的油井数量、降低油藏整体开发费用。

5） 旋转导向钻井技术现已进入了现场试验阶段并取得了良好的效果，它能克服滑动导向工具施工中存在的诸多缺陷，能提高钻井速度、降低钻进时的摩阻和转矩、高精度地控制井身轨迹，是大幅度提高钻井工作能力的有效技术，必将成为未来导向钻井技术的主流。

［1］ 孙铭新.旋转导向钻井技术［M］.东营：中国石油大学出版社，2009.

［2］ 雷静，杨甘生，梁涛，等.国内外旋转导向钻井系统导向原理［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2012（9）：53-58.

［3］ 付天明.Geo-Pilot旋转导向系统发展与应用研究［J］.石油矿场机械，2014，43（5）：77-80.

［4］ 王鹏，唐雪平，洪迪峰.旋转导向钻井工具3D参数化虚拟样机设计［J］.石油矿场机械，2013，42（6）：27-30.

［5］ 赵金海，唐代绪，朱全塔，等.国外典型的旋转导向钻井系统［J］.国外油田工程，2002（11）：33-36.

Application Study on Rotary Steering Drilling Technology and Its Drilling Tools

rotary oriented drilling system；orient principle；system structure；technical feature

TE921

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.019

1001-3482（2014）09-0069-05

2014-03-25

李才良（1979-），男，四川泸县人，工程师，主要从事钻井装备技术及管理工作。

Abstract：The rotary steerable drilling system is the combined one consisting of down-hole closeloop radial adjustable stabilizers and MWD／LWD，which totally put the slide steering system but based on rotary guided drilling，automatically and flexibly adjusting inclination and azimuth，greatly increasing drilling speed，safety and the precision of trajectory control.Its technical feature is analyzed and structure，working principle and tendency and application are introduced.It provides the technical assistance to super deep well，directive well drilling，highly displacement drilling，horizontal branch well.