旋转导向钻井技术现状及研究进展

旋转导向钻井技术现状及研究进展韩来聚刘新华孙铭新（胜利石油管理局钻井院，山东东营，257017）摘要旋转导向钻井技术是20世纪90年代国际钻井界发展起来的钻井新技术，它是钻井发展史上又一次质的飞跃，目前国外应用该技术已取得了显著效果，“十五”期间在国家“863”项目的支持下，国内也开始对该项技术进行重点攻关研究，并在关键技术方面取得了重大突破。

本文在概括介绍旋转导向钻井技术现状的基础上，重点介绍了研究开发的调制式旋转导向钻井系统工作原理以及取得的重大进展，同时对该技术的发展趋势做出了预测。

关键词钻井旋转导向闭环偏置旋转导向钻井技术是国际上20世纪90年代发展起来的一项尖端自动化钻井新技术，它是当今世界上钻井技术发展的最高阶段——闭环自动钻井的主要内容。

它的出现是世界钻井技术的一次质的飞跃。

与传统的滑动导向钻井相比，旋转导向钻井技术由于井下工具一直在旋转状态下工作，因此井眼净化效果更好，井身轨迹控制精度更高，位移延伸能力更强，因此更适合于海洋油气资源开发以及在油田开发后期的复杂油气藏中钻超深井、高难定向井、丛式井、水平井、大位移井、分支井及三维复杂结构井等特殊工艺井。

1 国内外旋转导向钻井系统研究与发展现状1.1 旋转导向钻井技术国外发展现状国外从20世纪80年代末期开始进行旋转导向钻井系统的理论研究。

20世纪90年代世界上多家公司包括：Baker Hughes公司与ENIAgip 公司的联合研究项目组、英国的Camco公司、英国的Cambridge Drilling Automation公司、日本国家石油公司（JNOC）等分别形成了各自的旋转导向系统样机，并开始进行现场试验和应用。

至20世纪末期，三家大的石油技术服务公司Baker Hughes、Schlumberger和Halliburton通过各种方式分别形成了其各自商业化应用的AutoTrak RCLS、PowerDrive SRD和Geo-Pilot旋转导向钻井系统。

目前已形成或正在开发旋转导向钻井系统的公司的具体情况如表1所示。

1.2 国内及胜利油田的研究现状20世纪90年代中期，在跟踪调研国外先进技术的基础上，国内少数研究机构开始进行这一方面的研究工作，但与国外水平相比存在相当大的差距，更没有形成应用于现场的能力，根本无法满足越来越严峻的油藏开发形势和越来越苛刻的油藏开发地质条件的要求。

进入21世纪，国内在国家“863”项目的支持下，由中国石化集团公司胜利石油管理局钻井院和中国海洋石油总公司分别牵头对调制式旋转导向钻井系统和静态偏置推靠式旋转导向钻井系统进行了系统的研究攻关，并在关键技术方面取得了突破，即将形成样机进入现场试验阶段。

表1现有的旋转导向钻井系统胜利油田1996年开始进行旋转导向钻井技术的跟踪调研工作，2000年进行了旋转导向钻井系统开发可行性研究，2001年“调制式旋转导向钻井系统整体方案设计及关键技术研究”、“旋转导向钻井技术研究”分别被列为国家“863”前瞻性研究项目及中国石化集团公司科技攻关项目，开始研制具有自主知识产权的旋转导向系统。

在全面完成国家“863”前瞻性研究攻关项目的基础上，2003年“旋转导向钻井系统关键技术研究”被列为国家“863”正式科技攻关项目，目前已在调制式旋转导向钻井系统关键技术研究方面取得突破，形成了功能性样机，系统的部分功能已在地面得到验证。

2 旋转导向钻井系统分类旋转导向钻井系统的核心是井下旋转导向钻井工具系统。

按照国际惯例，目前的旋转导向钻井井下工具系统，根据其导向方式可以划分为推靠式（Push the Bit ）和指向式（Point the Bit ）两种（见图1）。

推靠式是在钻头附近直接给钻头提供侧向力，指向式是通过近钻头处钻柱的弯曲使钻头指向井眼轨迹控制方向。

图1 旋转导向钻井工具系统导向方式示意图图2 两种偏置工作方式对比旋转导向钻井系统的工作机理都是靠偏置机构（Bias Units ）分别偏置钻头或钻柱，从而产生导向。

偏置机构的工作方式又可分为静态偏置式（Static Bias ）和动态偏置式（Dynamic Bias ）（即调制式（Modulated ））两种，如图2所示。

静态偏置式是指偏置导向机构在钻进过程中不与钻柱一起旋转，从而在某一固定方向上提供侧向力；调制式是指偏置导向机构在钻进过程中与钻柱一起旋转，依靠控制系统使其在某一位置定向支出钻头倾角侧向力推靠式指向式偏置机构提供导向力。

综合考虑导向方式和偏置方式，可以将目前世界上所有的旋转导向钻井系统的井下工具系统按其工作方式更全面、准确地分为三种，即静态偏置推靠式、调制式（动态偏置推靠式）和静态偏置指向式，其代表性系统分别是Baker Hughes Inteq公司的AutoTrak RCLS、Schlumberger Anadrill公司的PowerDrive SRD和Halliburton Sperry-sun公司的Geo-Pilot系统。

三种旋转导向工具系统的对比见表2。

表2 三种工作方式的旋转导向工具系统性能对比表在目前比较成熟的三种旋转导向系统中，从工作原理和适应井下工作环境方面来讲，三种工作方式的旋转导向钻井系统各有其特点。

Geo-Pilot系统采用控制钻柱弯曲特征来实现钻头轴线的有效导控，其优点是造斜率由工具本身确定,不受钻进地层岩性的影响，在软地层及不均质地层中效果明显，缺点是钻柱承受高强度的交变应力，钻柱容易发生疲劳破坏。

另外，高精度加工是保证这种系统导向效果的关键。

AUTOTRAK系统采用了静态式工作原理，主要靠钻具的偏心控制来改变钻头上的侧向力。

这种系统的优点是可以利用成熟的控制技术来实现偏心距的控制，但是井下复杂条件使得这种系统具有许多缺点，如位移工作方式、静止外套、小型化能力差、结构复杂等，所有这些都会影响这种系统的发展。

相对而言，调制式旋转导向工具系统在结构设计方面更为简单，小型化趋势好，全旋转工作方式使钻柱对井壁没有静止点，从而可以保证这种系统更能适合各种复杂的环境，钻井极限井深更深，速度更快，在大位移井、三维多目标井及其它高难度特殊工艺井中更具竞争力，但工作寿命有待进一步提高。

3 调制式旋转导向钻井系统工作原理研究开发的调制式旋转导向钻井系统主要包括地面监控系统、双向通讯系统、井下工具系统、井下测量系统及短程通讯系统等五部分，如图3所示。

地面监控系统的主要功能可概括为以下三个方面：（1）随钻监测旋转导向钻井工具在井下的工作状况，此即所谓的“监”；（2）当实钻井眼轨迹偏离了设计轨道，能够及时分析和计算出轨迹的偏离程度，设计出新的待钻井眼轨道，并产生使旋转导向系统按新的井眼轨道钻进的控制指令，此即所谓的“控”；（3）把设计井眼轨道和实钻井眼轨迹以及其它相关的重要参数可视化地显示出来，便于现场工程技术人员直观地掌握和分析钻头所在位置以及旋转导向钻井工具对井眼轨迹的控制情况。

图3 旋转导向钻井系统原理示意图井下测量系统主要由随钻测量系统和工具测控系统两部分组成。

随钻测量系统主要用于测量井眼轨迹几何参数和地质参数，如井斜角、方位角、工具面角、自然伽马、电阻率等。

此外，由于调制式旋转导向钻井系统在钻井过程中一直处于全旋转工作状态，因此，作为井下工具系统测控部分的稳定平台测量系统是保证实现旋转导向钻井的关键，稳定平台首先通过自身的测控系统在旋转钻柱内与大地保持相对静止，然后完成对井斜角、方位角及工具面角的测量，从而实现对井下工具的实时空间姿态测量。

双向通讯系统首先是将井下测量信息，通过上行通讯系统传至地面，上传数据包含两部分：①MWD测量的实钻井眼轨迹参数；②井下工具系统自身测量的近钻头轨迹参数和有关旋转导向井下工具工况的参数。

上传至地面的数据可通过通讯电缆或数据传输线直接传到地面监控计算机。

现场工程师利用地面监控系统可对设计井眼轨道与已钻井眼轨迹进行比较，然后通过下行通讯系统发送控制指令到控制机构，实现对井眼轨迹的实时监控。

研究开发的调制式旋转导向井下工具系统主要由稳定平台测控短节、偏置导向执行短节等两大部分组成。

偏置导向执行短节主要包括液压分配机构、翼肋伸缩机构及对应的高/低压孔。

翼肋伸缩机构的伸缩由钻柱内外的钻井液压差提供动力，并由液压分配机构分配。

液压分配机构为一盘阀系统，它主要由上、下盘阀组成。

上盘阀由稳定平台的控制轴控制，不随钻柱转动，其上有弧形高压孔。

下盘阀与钻柱本体连接，并随钻柱一起旋转，上面有三个沿周向均匀分布直径相同的低压孔，三个低压孔分别与伸缩翼肋的液压腔相通。

需要导向时，高压钻井液由上盘阀高压孔控制进入下盘阀某一低压孔，并经下盘阀低压孔进入相连的支撑翼肋液压腔，该支撑翼肋将被高压钻井液推动支撑于井壁，产生导向力。

当下盘阀随钻柱一起同步旋转时，其上的3个低压孔将依次与上盘阀高压孔接通，与其相连的支撑翼肋也将依次在预定位置伸出，产生预定方向的导向合力。

该合力方向称为工具面，由稳定平台根据导向需要确定，并由控制轴控制。

井下工具测控系统与MWD（LWD）随钻测量系统数据之间的交换由井下短程通讯系统完成。

现场工程师通过地面处理系统了解井下工具测控单元对下传指令的接收/解码情况（导向方向、解码的正确性和井下工具系统实际的执行情况等）。

同时地面处理系统通过对井眼信息的计算处理，形成实钻井眼轨迹数据，并进一步计算出井下工具系统的实际造斜率。

这两项结合在一起可以得出井下工具系统的实际导向能力。

同时，根据实钻井眼轨迹数据进行井眼轨道校正设计，得出下一步进行导向钻井所需要的导向能力和导向方向的参数。

上述经过地面系统处理得到的井下工具系统的实际造斜率与经过井眼轨道校正设计得到的下一步继续进行导向钻井所需要的导向能力和导向方向，将代替闭环控制系统最初的输入参数，用于设定新的工具系统的参数。

对该新的工具系统设定参数进行编码、下传，指导井下工具系统进行新的旋转导向钻进，从而实现“大闭环”控制。

4 发展趋势随着井下测控系统CPU功能的加强，一些由地面计算机完成的计算及控制指令的产生将在井下由CPU直接完成，当大闭环控制系统的地面部分只起到“监”的作用时，大闭环即发展成为了井下闭环控制系统。

井下闭环控制系统的导向控制主要由井下系统来完成：随钻测量的井眼信息一方面上传到地面系统，用于地面监控，另一方面将通过井下短程通讯系统传输到稳定平台测控系统内部的井下CPU。

该CPU内预置了井眼轨道设计参数，将随钻测量的井眼信息与预置的井眼轨道设计参数进行比较，直接产生控制指令，实现偏置导向工具系统的偏置，从而实现旋转导向钻进。

同时，控制指令将通过井下短程通讯系统传输到随钻测量及信息上传系统，并与随钻测量系统测量的井眼信息（井眼轨迹数据，包括：井斜、方位等参数）一起上传到地面系统进行监控。