完成-混合旋转导向系统可产生更高造斜率与更平滑的井眼
旋转导向钻井智能钻井介绍 Auto Trak,Power Drive, Geo Pilot
目录
旋转导向钻井技术概况
背景：为克服滑动导向技术的不足，从20世纪80 年代后期，国际上开始研究旋转导向钻井技术。 发展：20世纪90年代初期,多家公司形成了商业化 的旋转导向技术，目前有三种比较成熟导向系统。 组成：旋转导向钻井系统实质上是一个旋转导向 工具与测量传输仪器（MWD/LWD）联合组成的井下 闭环工具系统。 应用：非常适合目前开发特殊油藏的超深井、高 难度定向井、水平井、大位移井和水平分支井等。
3、动态指向式旋转导向钻井工具
4、基于旋转导向钻进方式的可控弯接头系统 5、指向式旋转导向钻井工具
动态推进式旋转导向钻井工具
• 胜利油田承担国家“863”计划“旋转导向钻井系统关键
技术研究”后,与西安石油大学联合开发 • 原理：斯伦贝谢的PowerDrive基本一样。
• 现状：进行了20 多次的地面试验,2006 年8 月在营122斜
动态指向式旋转导向钻井工具
由海洋石油工程股份有限公司及西南石油大学，结合了哈 里伯顿的Geo–Pilot的指向式结构和斯伦贝谢的Power Drive的随钻的下盘阀结构，提出了动态指向式旋转导向
钻井工具的设计思想,目前还停留在理论阶段。
基于旋转导向钻进方式的可控弯接头系统
由西安石油大学机械工程学院中原油田第三采油厂在CNPC
典型旋转导向钻井工具介绍
• Baker Hughes推出的Auto Trak不旋转外筒式 闭环自动导向钻井系统。
• Schlumberger Anadrill公司的Power Drive
全旋转导向钻井系统。 • Sperry-Sun 产品服务公司推出的Geo-Pilot 旋转导向自动钻井系统。
1.Auto Trak 旋转导向钻井系统
旋转导向技术在水平井中的应用
旋转导向技术在水平井中的应用旋转导向技术是一种在水平井中应用的钻井工艺。
水平井是一种在地下开钻水平段的井筒，广泛应用于石油和天然气勘探开发领域。
旋转导向技术在水平井中的应用为油气钻井提供了更高效、更精确的方案。
旋转导向技术可以实现井眼的方向控制。
在水平井的钻井过程中，需要确保井筒方向与油气层走向保持一致，以便后续的生产和采油作业。
旋转导向技术通过调整钻头在井筒中的方向，使其与目标地层的方向保持一致。
这样可以减少地层变化对钻井方向的影响，提高钻井的准确性。
旋转导向技术可以提高钻井速度。
传统的钻井技术中，靠悬挂钻头旋转来实现钻进，由于摩擦力较大，钻进速度相对较慢。
而旋转导向技术中，钻头采用主动旋转，可以减小钻井过程中的摩擦阻力，从而提高钻进速度。
这样可以缩短钻井周期，节约时间和成本。
旋转导向技术可以提高钻井的稳定性。
在水平井中，地层变化多样，包括地质构造的变化、岩性的差异等，这些变化会对钻进过程产生影响。
旋转导向技术中，钻头和测量工具的设计更加稳定可靠，可以更好地适应不同地层的条件，减少钻井事故的风险。
旋转导向技术还可以提高水平井的剖面控制能力。
在水平井中，剖面控制是钻井中的关键问题之一。
旋转导向技术中，通过灵活调整钻头的方向和角度，可以实现井筒剖面的控制，保持井眼的垂直度和横向偏移，有助于保持井筒在目标地层内的位置稳定。
旋转导向技术在水平井中的应用具有重要的意义。
它可以实现井眼方向的控制、提高钻进速度、增加钻井的稳定性和剖面控制能力。
这些优点使得旋转导向技术成为水平井钻井工程中的重要工艺之一，对于油气勘探开发具有重要的推动作用。
国外旋转导向技术的发展及国内现状
国外旋转导向技术的发展及国内现状王植锐;王俊良【摘要】旋转导向技术在国内外得到广泛应用,以斯伦贝谢、贝克-GE、哈里伯顿、威德福为代表的旋转导向系统已经在国外成为了一项常规的定向井、水平井钻井工具.文章以斯伦贝谢旋转导向系统为例,介绍了斯伦贝谢公司的旋转导向系统、典型的应用实例以及最新现状及他们的研发机制,同时简略介绍了国内旋转导向系统的应用现状.文章认为,国外旋转导向系统已经研制出了具有不同造斜能力、满足不同地质需求的旋转导向系统序列,系统的可靠性高、使用时间长、性能稳定、适用性好.国内的旋转导向系统已经在技术上有突破,在一些井上进行了现场试验,取得了初步的成效,但还需要进行持续不断的科技攻关,以期尽快大规模推广应用.【期刊名称】《钻采工艺》【年(卷),期】2018(041)002【总页数】5页(P37-41)【关键词】旋转导向系统;斯伦贝谢;推靠式;指向式;混合式;造斜能力;钻井系统【作者】王植锐;王俊良【作者单位】重庆科技学院;斯伦贝谢公司沙特阿拉伯达兰基地【正文语种】中文国外从20世纪80年代末期开始进行旋转导向钻井系统的研发，20世纪90年代进入商业化使用，并逐渐改进、升级、完善。
目前，以斯伦贝谢、贝克GE、哈里伯顿、威德福为代表的石油技术服务公司分别拥有自己先进的旋转导向系统序列，大规模应用在油田技术服务中，已经成为了一种主要的定向井、水平井钻井工具。
国内一些研究机构和技术服务公司也在同期开始了自主研发，取得了一些技术上的突破，但与国外服务公司水平相比，还存在着较大的差距。
通过调研，尚未发现有文章全面系统介绍国外旋转导向系统。
斯伦贝谢公司的旋转导向系统占据了大部分的服务市场，具有一定的代表性，因此本文主要以斯伦贝谢公司的旋转导向系统为例介绍国外旋转导向技术的发展现状、研发机制，力争能够有所借鉴，有利于国内旋转导向系统的不断改进、升级、完善，以期尽快大规模地投入商业化应用。
一、斯伦贝谢旋转导向系统介绍1.推靠式旋转导向系统—PowerDrive Orbit斯伦贝谢的推靠式旋转导向系统由最开初的PowerDrive Xtra，升级到PowerDrive X5、PowerDrive X6，目前升级到PowerDrive Orbit。
旋转导向钻井工具造斜率主要影响因素浅析
２ 影响导向工具造斜 率的 基本 因素
在过去 的几年 里，定 向井技术取 得 了惊人 的进 步，人
们 可 以 更 加 自 如 的 在 各 类 地 层 里 钻 探 特 殊 ： 艺 井 ， 超 深 １ ：
而 旋 转 导 向钻 井 技 术 利的诸多缺点进而 出色的完成这些井 的钻探 。使钻井成 为在
空 问 三 维 可 控 。旋 转 导 向钻 井 不 同与 常 规 钻 井 技 术 ，他 需 要
特殊 的井 下钻 具组合 （ Ｈ ），需要 选择合适 的钻 头 ，本文 ＢＡ
Ｂ ｋｒ Ｈ ｇ ｅ 、 Ｓ ｈｕ ｂ ｒ ｅ 和 Ｈ ｌ ｕ ｔ ｎ 过 各 种 方 ａ ｅ ｕ ｈ ｓ ｃ ｌｍ ｅ ｇ ｒ ａ ｉ ｒ ｏ 通 １ｂ
旋转 导向工具 。传统导 向方法利用弯接头和动 力钻具导 向钻 井属 于滑 动导 向钻井 ，准确地预测钻 具的造斜 率是实现导 向 钻 井 的技 术 关 键 。为 此 ， 国 内 外 钻 井 界 在 导 向 钻 具 组 合 的 力 学特 性 分析 方面 开展 了大 量 的研 究 工作 ，并 取得 了丰 硕成
按 导 向时 钻 具 旋 转 与 否 ，导 向工 具 分 为 滑 动 导 向工 具 和
今世界钻井技 术的最新领域 ，是一项新技 术，该技术能从 整体 上 降低钻 井 费用 ，提 高钻井 成 功率 和勘 探开 发 的效
益 。 井 眼 轨 道 旋转 导 向 钻 井 技 术 有 望 为 石 油 钻 井 带 来 一场 一 技 术 革 命 。至 ２ 世 纪末 期 ，三 家 大 的 石 油 技 术 服 务 公 司 ： Ｏ
旋转导向技术在水平井中的应用
旋转导向技术在水平井中的应用
旋转导向技术是一种在水平井中应用的导向方法，它通过使用旋转力来改变井斜角度
和方位，以实现在水平井中的精确导向。
在石油工业中，水平井是一种非常重要的钻井方法，它可以有效地开采潜在地层储层，并提高油气产量。
旋转导向技术在水平井中的应用
主要包括以下几个方面。
旋转导向技术可以帮助控制井斜角度。
在水平井中，钻井工具需要通过改变井斜角度
来适应地质层的变化，以达到最佳钻井效果。
由于旋转导向技术可以对井斜角度进行精确
控制，因此可以实现更加精确的钻井路径设计，减少误差，提高钻井效率。
旋转导向技术可以改变钻井工具的方位。
在水平井中，钻井工具需要在水平面上实现
方向调整，以确保钻井路径符合地质需求。
旋转导向技术通过施加旋转力，可以使钻井工
具改变方位，从而使钻井工具的轨迹更加准确，避免了方向偏离导致的钻井难题。
旋转导向技术还可以帮助测量地层信息。
在水平井中，地层信息对于钻井过程和油气
开采具有重要意义。
旋转导向技术可以通过内置的测量工具，实时监测井斜角度、方位和
地层信息，并将这些信息反馈给操作人员。
这样可以及时调整钻井策略，提高钻井精确度
和油气开采效率。
旋转导向技术还可以帮助解决水平井中的钻井难题。
在水平井中，由于地质条件复杂，存在着一系列的钻井难题，如遇到硬层、压裂、陷阱等。
旋转导向技术通过精确的导向控
制和实时地层测量，可以提供更好的解决方案，降低钻井风险，减少钻井困难。
旋转导向技术在水平井中的应用
旋转导向技术在水平井中的应用引言水平井是一种特殊的油井，其在储层中以水平方向延伸。
水平井的应用可以在提高油气开采效率的同时减少地面环境破坏，因此在近年来得到了广泛的应用。
而旋转导向技术则是一种主要用于定位井眼的技术，可以精准控制井眼的方向和位置。
本文将介绍旋转导向技术在水平井中的应用，包括其原理、优势以及一些在实际开采中的应用案例。
1. 旋转导向技术的原理旋转导向技术是一种通过旋转钻头来改变井眼方向的技术。
其基本原理是通过钻具的旋转使得井眼在地下钻进过程中呈现一定的方向变化。
具体来说，当钻头在钻进过程中旋转时，由于地下的阻力和摩擦力的作用，井眼会随着钻头的旋转而呈现出一定的曲线方向。
通过精确控制钻头的旋转速度和方向，可以实现对井眼的定向控制，从而在地下形成水平井。
2. 旋转导向技术在水平井中的优势相较于传统的直井钻探技术，旋转导向技术有许多显著的优势。
通过旋转导向技术可以实现对井眼的精准控制，可以在地下形成水平井或者其它特定形状的井眼，这有利于提高油气开采的效率。
由于水平井可以在地下更充分地开采储层资源，相较于传统的直井可以获得更高的产量。
采用旋转导向技术可以减小对地表的环境破坏，有利于保护地表的生态环境。
由于水平井可以更加精准地控制油气开采的方向，可以减少油气开采对地下水和环境的影响，有利于保护地下水资源。
旋转导向技术在水平井中的应用具有显著的优势，有利于提高油气开采的效率和保护地下水资源和环境。
3. 旋转导向技术在水平井中的应用案例在实际的油气开采中，旋转导向技术已经得到了广泛的应用，并取得了良好的效果。
以下将介绍一些旋转导向技术在水平井中的应用案例。
案例一：某油田采用旋转导向技术在水平井中进行油气采收，通过旋转导向技术在储层中开发出一条水平井，实现了对储层资源的充分开采并取得了显著的经济效益。
案例二：某地区的油气开采公司在水平井的开采中采用了旋转导向技术，通过对井眼的精确控制实现了对储层资源的高效开采并减小了对地表环境的影响，同时保护了地下水资源。
旋转导向造斜能力工具介绍 -回复
旋转导向造斜能力工具介绍-回复什么是旋转导向造斜能力工具？旋转导向造斜能力工具是一种用于在石油和天然气钻井过程中实现井眼偏斜的工具。
它通过旋转方向的改变和摆动的运动来实现钻井井眼倾斜的目标。
这种工具通常由一系列旋转导向工具组成，包括导向翼、模块短节、固定尾节和导向电缆。
旋转导向造斜能力工具的工作原理：1. 导向翼：导向翼通过改变旋转方向来实现井眼的偏斜。
导向翼带有特殊的翼片，当工具旋转时，翼片会向外张开，使整个工具发生摆动运动。
通过控制翼片的摆动程度和空间角度，可以实现井眼的倾斜。
2. 模块短节：模块短节是旋转导向造斜能力工具中的关键部件。
它由多个独立的模块组成，每个模块都配有导向翼和连接机构。
当模块短节暴露在井眼中时，它们可以相互连接，并形成一个稳定的整体。
通过改变短节的数量和排列方式，可以调整井眼的倾斜程度。
3. 固定尾节：固定尾节是连接在模块短节后部的部件。
它通常由金属材料制成，并具有保持整个工具稳定的作用。
固定尾节的特殊形状可以帮助工具在钻进的过程中控制井眼的方向。
4. 导向电缆：导向电缆是连接在旋转导向造斜能力工具上的电器线，在钻进过程中传输控制指令和数据。
导向电缆通过与地面上的控制台通信，使钻井工程师能够实时监控工具的位置和状态，并做出相应的调整。
旋转导向造斜能力工具的应用范围：旋转导向造斜能力工具在石油和天然气钻井工程中具有广泛的应用。
以下是一些常见的应用场景：1. 建立水平井眼：在水平井眼中，旋转导向造斜能力工具可以通过控制翼片的旋转方向和摆动程度来使井眼偏斜，从而实现水平井眼的构建。
这可以提高井眼的排水能力和采油效果。
2. 侧向钻进：旋转导向造斜能力工具可以在垂直井眼中实现侧向钻进。
通过调整导向翼的摆动程度和空间角度，可以将钻头引导到目标油气层的侧向位置，增加钻探范围和采油效率。
3. 水平井段控制：在水平井眼中，旋转导向造斜能力工具可以实现水平段的控制。
通过控制导向翼的旋转和摆动，可以调整井眼的方向和轨迹，使其与目标油气层的位置保持一致。
旋转导向工具研究现状及发展趋势
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ: ｒｏｔａｒｙ ｓｔｅｅｒｉｎｇꎻ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｃｏｎｔｒｏｌꎻ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓꎻ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ
０ 引 言
旋转导向技术是目前国内外石油钻井领域先进
的井眼轨迹控制技术ꎬ 该技术可以使钻具在旋转钻
井的过程中按照预设井眼轨道实施钻进ꎮ 旋转导向
工具作为实施该技术的重要装备ꎬ 它集成了井下恶
劣环境下的机、 电、 液一体化前沿技术ꎬ 体现了当
∗ 基金项目: 湖北省技术创新专项 “ 智能油气钻采井眼轨迹控制工具研究” (２０１９ＡＡＡ０１０) ꎮ
因此采用的仍是其传统的调制式推靠控制方法ꎻ 而
导向扶 正 套 带 动 钻 头 偏 转 部 分 继 承 了 ＰｏｗｅｒＤｒｉｖｅ
Ｘｃｅｅｄ 动态指向式工具的原理 [６] ꎮ 基于此ꎬ 该公司
将其定义为复合式旋转导向工具ꎮ 由于推靠垫块不
是作用在井壁上ꎬ 而是作用在工具导向扶正套内壁
上ꎬ 使工具可以适用于软硬地层ꎬ 在全程旋转钻进
和静态式ꎮ
１ １ 推靠式旋转导向工具
２０１８ 年ꎬ Ｗｅａｔｈｅｒｆｏｒｄ 公司推出了一种新的全
旋转推靠式工具 Ｍａｇｎｕｓ [２] ꎬ 如图 １ 所示ꎮ
１—钻头ꎻ２—推靠垫块ꎻ３—无刷直流电机ꎻ
４—近钻头井斜角、伽马传感器ꎻ５—稳定器ꎮ
图 １ Ｍａｇｎｕｓ 工具结构图
Ｆｉｇ １ Ｍａｇｎｕｓ ｔｏｏｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
际大型跨国油服公司所垄断ꎮ 为缩小与国外技术的差距并取长补短ꎬ 详细论述了几种国外最新的
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混合旋转导向系统可产生更高造斜率与更平滑的井眼
每个钻井工程师都梦想在更短的时间内——理想的一趟钻内——排除起钻的必要，实现更复杂的井身剖面与更平滑、更连续的井眼。
但是，传统的PDMs （容积式井下马达）和RSS （旋转导向系统）在钻井过程存在局限性。
行业的挑战与需求
例如井下马达，能产生可靠的、狗腿度很高的井身剖面。
但是，由于在旋转钻进和滑动钻进中能更换钻杆，导致机械钻速低，井眼扭曲，并增加了卡钻的危险。
另外，相比PDMs ，在高机械钻速下，完全旋转的RSS 能产生更平滑的井眼，减少50%的钻进时间。
但是，传统的RSS 造斜率范围为6-8deg/100ft ，并且钻遇软地层或者有夹层的薄岩层时。
造斜率更低，井径扩大。
为了得到高造斜率下的井身剖面，RSS 用于直井和分支井，但是在造斜点和着陆点之间必须使用马达。
该过程要求至少使用3套井底钻具组合以及多次起钻操作。
为了减少风险，节省钻进时间，降低费用，钻工更倾向于使用质量高并且带有PDM 造斜与旋转功能的RSS 。
为了满足钻进非常规页岩和高难度地层的要求，斯伦贝谢公司开发了驱动射手（PowerDrive Archer ）的高造斜率旋转导向系统（RSS ）。
在单趟下入中，该系
图1通过提高井眼质量和减少扭曲，该系统减少了卡钻的风险，
良好的部署了套管、滑套以及完井设备
统仅靠马达就能预先形成井身剖面。
通过提高井眼质量和减少扭曲，该系统减少了卡钻的风险，良好的部署了套管、滑套以及完井设备（如图1）。
相比其它RSS 系统，在造斜前，该系统能够实现裸眼侧钻，并且钻进更深，最大限度的扩大油层的暴露面积，提高油气生产潜能。
描述发展与部署
高造斜率RSS在导向控制上有突破。
RSS系统自1990年起开始使用,但是RSS系统不能在非常规页岩中产生造斜率范围为8-12deg/100ft的井身剖面。
由于页岩钻井的快速发展，自2007年，斯伦贝谢公司开始开发新型RSS系统解决造斜率的问题。
图2新系统为混合系统，结合了先前RSS系统推靠式钻头技术与指向式钻头技术
新系统为混合系统，结合了先前RSS系统推靠式钻头技术与指向式钻头技术（如图2）。
常规的推靠式钻头RSS系统，外部垫块反推井壁，迫使钻头沿着要求方向前进。
常规的导向马达使用外部弯管，导向式钻头RSS系统使用内部弯管，校正工具相对于井眼轴线的偏斜。
新型的RSS系统包含可靠地电子控制元件和机械导向元件。
所有外部构件组成随着钻柱完全旋转。
在导向模式中，电子元件保持了与地球相对位置不变的旋转值，将4%-5%的泥浆分流到一套内部垫块上，垫块被稳定套筒推动，而并不是原先的井壁推动。
套筒铰接在接头上，
将钻头指向所要求的方向。
通过机械指向环控制角度的偏移，通过电子方式保持方向。
2008年开始现场试验，到目前已经经过两个阶段的测试。
初始阶段，现场试验专注于产生更高的造斜率。
当混合导向系统出现特殊钻头要求与井下钻组组合的疲劳管理要求时，随后的实验也是必要的。
混合RSS系统不能被简单处理成一件“工具”，而应当被设计成组头与井下钻具组合“系统”；否则，该系统就不能保证在不同地层和井眼状况下的持续稳定性与优化性能。
使用史密斯钻头设计平台，工程师模拟了钻柱、井下钻具组合与RSS系统，即实际变化的钻进条件下的钻头行为。
为高造斜率RSS系统设计的工程钻头也能够被优化，从而提高机械钻速以及在耐久性。
当通过具有大挑战性的曲线阶段时，为了避免旋转是扭断或者磨损井下钻具组合要进行精细原件分析和应变疲劳性分析预测在高造斜率下的元件寿命。
疲劳管理系统能够实时监测实际的造斜率，并与疲劳模式相比较，从而减少减少风险延长井下钻具组合寿命。
在现场试验中，新型RSS产生的造斜率能够高达17deg/100ft。
四年后，达到了6,000hr,138,000ft,并在北美、非洲、亚洲和中东试验了100口井，2011年3月正式商业化应用。
应用及案例
新型RSS系统的主要应用于相对于井下马达，对造斜率要求更高的井眼。
比如非常规储层的水平井、侧钻的裸眼井段以及不稳固地层的裸眼井段。
在窄区域的不稳定地层，通过减少倾斜性，该系统可以重新设计井身剖面，将造斜点向深度推进，减少钻井风险，降低费用。
这是因为单趟钻完成了井身剖面从而减少了设备操作以及多次起钻涉及的HSE方面的风险。
案例分析：非常规页岩储层，美国
使用PDMs,, Cimarex Energy在Woodford页岩中钻了4口水平井。
为了减少井眼扭转，节省时间，操作者使用了全旋转系统，高造斜率RSS系统钻进8.75in 井段，狗腿度为8deg/100ft，在一趟钻内，从4,353ft分支钻到了全井深度。
扭转降低了20%，机械钻速提高了80%，与使用马达相比，节省了10天的操作时间。
在Eagle Ford页岩使用中，机械钻速提高了85%。
Cotton Valley的使用者节省的时间从4-8天，Marcellus的使用者，机械钻速提高了170%。
案例分析：深水油田非常规砂岩，亚洲
亚洲的使用者在深水油田使用常规的RSS系统钻分支井，在通过不稳定区域时，由于砂岩的极端不稳定性，不能确保长水平段轨迹地质要求上到达指定的井斜。
定向侧钻和使用马达就十分必要。
使用工程钻头以及专门设计的井下钻具组合，新型混合RSS成功钻完6个分支，方向控制在1-2m内，机械钻速达到1,000ft/hr，节省了4天的施工时间、450万美元。
这是使用者首次在（bypassed attic oil,）完成有效侧钻，增加了价值几百万美元的产量。
案例分析：井眼剖面重新设计，中东
中东的使用者原计划在12.25in直井段内开始造斜。
但是，这要求在不稳定地层内倾斜钻进。
使用高造斜率的RSS，使用者重新设计该井，在12.25in井段减少了倾角，将造斜点向下推进，在8.5in井段产生更高的狗腿度。
钻第一口井时，使用者应用了保守的造斜率7.6ft/100ft钻进846ft，钻进时间25.8hr到达总深度。
第二口井在一趟钻内，造斜率11.2ft/100ft钻进8.5in井段742ft，钻进时间15hr，缩短了700ft的尾管长度，2.5天的钻机时间，节省费用125,000美元。
案例分析：海上复杂井身剖面，泰国
为了增加Bualuang油田的产量，Salamander Energy 需要钻比常规的水平井段复杂的更长的定向井段，由于初始造斜点浅，狗腿度高，地层软，先前钻井使用了PDMs。
但是，扭矩与阻力剖面表明，2000m之后，滑动下入马达时期望中靶，下放时无钻具重量。
为了提高井眼质量，减少摩擦力，达到狗腿度要求，Salamander使用了新型混合型RSS系统以及多功能随钻录井工具。
造斜从13-90deg，随后为124-355deg，着陆于上部油层边界1.5m以下，一趟钻钻至总井深，机械钻速提高了50%。
未来发展
高造斜率RSS系统能钻83/8in和84
3in井眼。
目前，系统开发和现场试验在不同的井眼尺寸内进行，每口井具有不同的要求。