旋转导向钻井技术介绍
探讨石油定向井钻井中的旋转导向技术
探讨石油定向井钻井中的旋转导向技术
石油定向井钻井是指在地下岩层中垂直钻井的基础上，利用钻井工具的旋转引导石油
井筒在地下进行曲线或水平方向的钻探。
旋转导向技术是石油定向井钻井过程中使用的一
种关键技术，它通过控制井干内钻杆的旋转角度，使得井筒在地下形成一定的弧度或水平
延伸。
早期定向钻井是利用钻杆的弯曲特性来导航，但该技术存在限制，如钻杆易断、难以
控制等问题。
随后，随着石油工业对井眼定向控制的需求不断增加，石油定向井的钻井技
术不断创新，出现一系列的新型旋转导向技术，如测井绳技术、旋转搅拌技术、磁性导向
技术、超声波测量技术等，这些技术的出现使得定向井钻井技术水平得到了较大提高。
目前，最广泛应用的旋转导向技术为磁性导向技术，它是一种基于地球磁场的定向钻
井技术。
该技术利用井内的磁钢体感应地球磁场，在钻井过程中通过检测磁场强度和方向
以确定井筒的位置、方向和倾角。
这种技术具有测量精度高、可靠性好、适应性强等优点，在定向井钻井中得到了广泛应用。
但该技术也存在一些问题，如井筒旋转速度过快会影响
精度、磁场干扰等问题。
另外，超声波测量技术也是一种旋转导向技术，它利用超声波的传播特性来探测井筒
的位置和方向。
该技术具有无需环境磁场、精度高等优点，但是需要在井内安装传感器，
成本较高，应用范围相对较窄。
因此，在实际应用中，石油定向井钻井的旋转导向技术应根据钻井井筒的深度、地质
条件、工艺要求等因素来选择最适合的技术。
随着石油工业对井眼定向控制的要求不断提高，未来旋转导向技术也将不断发展创新，为定向井钻井提供更加精准、高效的技术支
持。
旋转导向钻井技术介绍-图文
旋转导向钻井技术介绍-图文引言近十几年来，水平井、大位移井、多分支井等复杂结构井和“海油陆采”的迅速发展。
为了节约开发成本和提高石油产量，对那些受地理位置限制或开发后期的油田，通常通过开发深井、超深井、大位移井和长距离水平井来实现，进而造成复杂结构的井不断增多。
目前通行的滑动钻井技术已经不能满足现代钻井的需要。
于是，自20世纪80年代后期，国际上开始加强对旋转导向钻井技术的研究；到90年代初期，旋转导向钻井技术已呈现商业化。
国外钻井实践证明，在水平井、大位移井、大斜度井、三维多目标井中推广应用旋转导向钻井技术，既提高了钻井速度，也减少了钻井事故，从而降低了钻井成本。
旋转导向钻井技术是现代导向钻井技术的发展方向。
旋转导向钻井法是在用转盘旋转钻柱钻井时随钻实时完成导向功能。
钻进时的摩阻与扭阻小、钻速高、钻头进尺多、钻井时效高、建井周期短、井身轨迹平滑易调控。
此外，其极限井深可达15km，钻井成本低。
旋转导向钻井技术的核心是旋转自动导向钻井统，如图1所示。
它主要由地面监控系统、地面与井下双向传输通讯系统和井下旋转自动导向钻井系统3部分组成。
1、地面监控系统旋转导向钻井系统的地面监控系统包括信号接收和传输子系统及地面计算存储分析模拟系统，有的还具有智能决策支持系统。
旋转导向钻井系统的主要功能通过闭环信息流监视并随钻调控井身轨迹，其关键技术是从地面发送到井下的下行控制指令系统。
2、地面与井下双向传输通讯系统目前已提出的信号传输方式有4种，即钻井液脉冲、绝缘导线、电磁波和声波。
通过比较分析，笔者发现这4种传输方式各有优缺点和应用局限，如表1所示。
3、井下旋转自动导向钻井系统井下旋转自动导向钻井系统是旋转自动导向系统的核心，它主要由3部分构成，即测量系统、导向机构、CPU和控制系统。
（1）测量系统测量系统主要用于监测井眼轨迹的井斜、方位及地层情况等基本参数，使钻井过程中井下地质参数、钻井参数和井眼参数能够实时测量、传输、分析和控制。
导向钻井技术的原理和应用
导向钻井技术的原理和应用导向钻井技术（Directional drilling），又称水平井钻井技术，是一种通过改变钻井井斜角度和方向的方法，来达到在地下水平方向波动井眼的目的。
导向钻井技术通过控制钻头的运动，实现在地下进行位置、角度和航向的精确调整。
它的原理和应用广泛，可以在地下钻孔中取得更好的结果。
导向钻井技术的原理基于多种原理和注入钻井工艺的结合。
首先，通过引入方向钻井工具（如扭曲土工钻）可以改变钻铤方向的角度。
通过调整工具的旋转角度和力量，可以引导钻台在井斜方向移动，从而最终达到水平钻探的目的。
其次，通过适当的钻井液系统以及利用重钢球或倾斜模块，可以控制钻铤的角度和方向。
此外，借助技术进展和先进的感应技术，现代导向钻井系统经常使用传感器和测量工具来监测钻探过程中的方位和位置。
这些传感器可以提供导向钻井师所需的数据，以使整个过程保持稳定和控制。
1.油气开采：导向钻井技术在油气开采中广泛应用，可以在地下受限地区实现地层的最大有效开发。
通过水平或倾斜钻井，可以将井眼穿过油气藏层，以提高生产效率和产量。
此外，导向钻井技术还可以通过选择合适的路径，避开地下障碍物，使油气井的路径更加有效和经济。
2.水井钻探：导向钻井技术在水井钻探中也有广泛应用。
通过水平钻井技术，可以在地下水井中取得更好的水源。
通过控制钻井井斜角度和方向，可以钻出更多的水管，提供更多的水资源。
3.基础工程：导向钻井技术在基础工程中可以实现精确钻孔和钢筋混凝土结构中的导管穿越。
通过控制钻井井斜角度和方向，可以在地下准确定位，避开其他地下设施和地质障碍。
4.矿产勘探：导向钻井技术在矿产勘探中也有很大的应用潜力。
通过水平钻井技术，可以在地下开采矿石和矿藏资源，并提高开采效率。
总的来说，导向钻井技术的原理基于钻铤角度的调整和工具位置的控制。
通过引入方向钻井工具、调整钻井液系统、使用传感器和测量工具等先进技术，可以实现钻井的精确控制和地下导向。
旋转导向系统和地质导向钻井简介
随
地质参数
钻
测
量
井
底
信
息
钻井工程参数
自然伽玛 电阻率
声波 倾角
LWD/FEWD
密度
孔隙度
轨迹空间位置
井斜 方位 工具面
MWD
钻井参数
钻压 扭矩 压力
PWT
可视化三 维地质体
模型
导向
数据 处理
随钻测 量系统
地质导向 软件系统
曲线对比和 模型修正
7.2 地质导向钻井简介
三、地质导向钻井的概念
地质导向钻井就是在钻井过程中通过随钻测量多种地质和工 程参数对所钻地层的地质参数进行实时评价和对比，根据 评价对比结果而调整控制井眼轨迹，使之命中最佳地质目 标并在其中有效延伸。
旋转导向、地质导向钻井简介
• 7.1 旋转导向系统简介 • 7.2 地质导向钻井简介
7.1 旋转导向系统简介
一、导向钻井代初期发展起来的 一项钻井新技术，代表了钻井技术发展的最高水平。
LWD
斜 向 器
井 下 马
MWD
弯 外 壳 马
旋 革命性 转 进步
导
达 WLMWD 达 向
30' 40' 50' 60' 70' 80' 90' 2000' 年代
滑动导向
7.1 旋转导向系统简介
二、旋转导向钻井的主要优点
• 提高了机械钻速； • 增强了井眼清洁效果； • 增强了井眼轨迹控制精度和
灵活性； • 减少了起下钻次数； • 井眼规则、光滑； • 克服极限位移限制。
7.1 旋转导向系统简介
7.1 旋转导向系统简介
三、旋转导向系统的进展
贝克休斯旋转导向原理
贝克休斯旋转导向原理贝克休斯旋转导向原理是指在石油钻井中，通过旋转钻具来实现钻井方向控制的一种方法。
该原理是由美国工程师贝克和休斯在20世纪30年代提出的，是钻井技术中的重要突破之一。
在传统的钻井方法中，钻井工具靠施加扭矩和推力来实现钻井，但是在某些情况下，需要改变钻井的方向，以便达到特定的目标。
贝克休斯旋转导向原理就是为了解决这一问题而提出的。
该原理的关键是利用钻杆的扭转来改变钻井方向。
在钻井过程中，通过在钻杆上加装一种叫做导向装置的工具，可以使钻杆在钻井过程中产生不同的方向偏差。
这种导向装置通常由可调节的导向翼片组成，可以根据需要进行调整。
当钻杆旋转时，导向装置会产生一个由切向力和摩擦力组成的向下施加的力，这个力会使钻杆发生弯曲，从而改变钻井方向。
通过调整导向装置的角度和位置，可以实现钻井方向的精确控制。
贝克休斯旋转导向原理的优点在于可以实现高精度的钻井方向控制。
相比传统的钻井方法，旋转导向技术可以实现更小的偏差角度和更精确的方向控制。
这对于一些需要在地下目标点附近进行操作的任务非常重要，比如在石油开采中需要在油层下方进行侧向钻井。
贝克休斯旋转导向原理也可以提高钻井的效率和安全性。
传统的钻井方法需要频繁地停工和更换钻具，而旋转导向技术可以减少停工时间，提高钻井的连续性。
同时，由于钻井方向的精确控制，可以避免一些潜在的危险情况，提高钻井作业的安全性。
贝克休斯旋转导向原理的应用范围非常广泛。
除了石油开采领域，旋转导向技术还可以应用于其他领域，比如地质勘探、水井钻探、盐井钻探等。
在这些领域中，旋转导向技术可以帮助钻井工程师更好地了解地下地层的情况，提高勘探和钻探的效率。
总的来说，贝克休斯旋转导向原理是钻井技术中一项重要的突破，通过旋转钻具来实现钻井方向控制。
该原理具有高精度、高效率和高安全性的优点，广泛应用于石油开采和其他领域。
随着技术的不断发展，相信旋转导向技术将会在未来的钻井领域中发挥更大的作用。
旋转导向钻井技术介绍
高
静态偏置 指向式
Geo-Pilot
工具系统 外筒不旋
转
6.5°/30m
高
低
存在
216～ 311mm
高
存在
152～ 311mm
高
消除
149311mm
7
January 2010
Geo-Pilot® - 指向式旋转导向钻井系统
Geo-Pilot® 的外筒装有两个偏心环，一个位于另一个的内 部，该偏心环总成组成了精细、紧凑经久耐用的计算机控制 的偏心单元，两个偏心环驱动驱动轴偏离钻具中心，致使钻 头产生偏斜力，从而实现全部旋转的导向钻进模式。
3
January 2010
全套的解决方案
INCREASING DIFFICULTY
OF WELL
施工难度 增加
GXT™
Geo-Pilot® system
V-Pilot ™
EZ-Pilot™
Rotary Steerable Systems 旋转导向系统
GeoForce™
SlickBore®
AGM™
AGS™
• 90秒完成指令的发送并计算机确认、正常钻进 • 保养维护简便
13
January 2010
巡航模式
近钻头井斜表明工具 面和受力不需改变
近钻头数据回到允许 范围，GP工具自动 降低受力，阻止井斜 继续增大
90.0 90.0 90.0 90.0 90.0 89.8 89.7 89.6 89.7 89.8 89.9 90.0 90.0 90.0 90.0
7600系列
8-3/8” 8-1/2” 8-3/4” 9-1/2” 9-7/8” 10-5/8”
7.375”- 7.625”
旋转导向钻井技术(简版)
扩大应用范围
03
旋转导向钻井技术的应用范围不断扩大，不仅适用于直井和斜
井，还可应用于水平井、分支井和多分支井的钻井作业。
旋转导向钻井技术的发展前景
技术创新
随着科技的不断进步，旋转导向钻井技术将不断创新和完善，提高 钻井效率和精度。
智能化发展
未来旋转导向钻井技术将与智能化技术相结合，实现钻井过程的自 动化和智能化，进一步提高钻井效率和安全性。
操作难度大
旋转导向钻井技术的操作 难度较大，需要专业技术 人员进行操作和维护。
维护保养成本高
旋转导向钻井技术的维护 保养成本较高，需要定期 进行检测和维修。
03
技术应用
旋转导向钻井技术在石油工业中的应用
水平井和复杂结构井的钻井
旋转导向钻井技术能够实现水平井和复杂结构井的高效钻井，提 高油藏的采收率。
案例概述
某研究机构致力于旋转导向钻井技术的研发，经过多年的 研究与实践，成功开发出具有自主知识产权的旋转导向钻 井系统。
技术研发
该研究机构在旋转导向钻井技术方面取得了多项突破，包 括高精度导航控制、钻头稳定器设计、信号传输技术等关 键技术。
成果与效益
该研究机构的旋转导向钻井技术成果得到了广泛应用，为 国内外石油公司提供了技术支持与解决方案，推动了该技 术的发展与进步。
地热能开发
在地热能开发领域，旋转导向钻 井技术有助于实现地热井的高效、 精确钻进。
地下水开采
在地下水开采领域，旋转导向钻 井技术能够优化井位布局，提高 开采效率。
旋转导向钻井技术的未来发展技术将不断 进行技术创新和改进，提高钻井精度和效率。
智能化与自动化
分析认为旋转导向钻井技术在该地区油气田开发中取得了良好的应用效 果，建议进一步推广该技术，提高油气勘探开发水平。
探讨石油定向井钻井中的旋转导向技术
探讨石油定向井钻井中的旋转导向技术石油定向井钻井中的旋转导向技术是一种有效的钻井技术，在油气勘探开发中应用广泛。
该技术通过旋转导向工具实现井眼的弯曲与导向，使钻头达到设定的方位和深度，从而实现在油气藏目标层中的精确定位和钻探工作。
定向井的钻井需要掌握熟练的技能和良好的钻井设备。
相比传统钻井技术，石油定向井钻井具有很高的技术难度，需要严格执行操作规程，加强管理以保证操作质量。
旋转导向技术是石油定向井钻井中的关键技术之一，其核心是通过改变导向工具内的阀门状态来控制工具的弯曲程度，实现井眼的弯曲与导向。
在运用该技术时，需对导向工具的配置、选型、安装、校正等细节进行周密的安排和操作。
旋转导向技术的优点是操作和环境的灵活性大，使钻井工人可以进行更加复杂的钻井操作，同时也大大降低了钻井对环境的危害，减轻了钻井时的人员劳动强度，更好地保护石油勘探人员的身体健康。
此外，旋转导向技术还具有钻井精度高、定位准确、成本低廉等特点，从而大大提高了油气勘探的效益和经济效益。
在石油定向井钻井中采用旋转导向技术时，需要解决各种不同的问题。
例如，对于长距离的井段，旋转导向技术可能面临误差累计、弯曲变形或导向方向不一致等问题，增加井眼和弯曲半径时也会带来挑战。
为了克服这些问题，可以结合位移测量技术、遥感技术和导向系统中的亚波长位移感应器等，全面提升旋转导向技术的效果和应用范围。
总之，石油定向井钻井中的旋转导向技术是一种十分重要的技术，具有一定的技术难度，需要严格管理和操作。
在钻井过程中，需要结合实际情况进行合理的技术选型，根据环境和井眼形态等特殊情况及时调整，以达到理想的钻井效果。
随着技术的不断提升和应用的深入，旋转导向技术将会更加灵活、高效，在石油勘探领域发挥更加重要的作用。
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•1993年，意大利AGIP公司与美国BakerHughes INTEQ公司合作
在早期的垂直钻井系统(VDS)和直井钻井装置(SDD)基础上研制
了旋转闭环系统(RCLS)。
Triple Combo
Non Rotating
•199S7le年ev注e 册为AutoTrak，正式推向市场 。
• 用连续旋转钻井方式钻成理想的井斜和方位，既可以精确地按照
Magnitude
12
（1）AutoTrak RCLS系统
整体设计
①非旋转固定套筒上装有能够单独操作的、可调的导向筋，导向筋 可以在钻头上形成侧向力，以便进行造斜或保持现在的井眼轨迹；
②井下计算机和传感器可连续监测和控制相对于下步目标的当前井 眼轨迹，地面与地下的实时双向通信联系。
13
Control principle two way communication
静态偏置式：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：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提供导向力。
旋转导向钻井系统的工 作机理都是靠偏置机构 (Bias Units)偏置钻 头或钻柱而产生导向。
两种偏ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ工作方式对比
5
2、旋转导向钻井系统分类
（3）综合考虑导向方式和偏置方式分类
静态偏置推靠式： Baker Hughes Inteq公司AutoTrak RCLS。 动态偏置推靠式（调制式）： Schlumberger Anadrill公司
PowerDrive SRD。 静态偏置指向式：Halliburton Sperry-sun公司Geo-Pilot系统。
Steering Ribs
Steerable Stabilizer
Measurement
Sleeve
Rotating M30
Brush Connection
Hydraulic Piston
10
（1）AutoTrak RCLS系统
•导向原理：通过液压可推动活塞分别对3 个稳定块施加不同的压力，
其合力就使钻具沿某一特定方向偏移，从而在钻进过程中使钻头产生 一个侧向力，保证钻头沿这一方向定向钻进。
设计钻进，也可在油藏内精确地进行地质导向钻井。 MWD
Rotating Drive Shaft
Formation Evaluation “Gamma Ray + Resistivity”
Non Rotating Sleeve w/
Steering Ribs & Inclination Sensors
14
Surface Equipment
Sensor Interface /
Decoding Unit (TR700)
Other Sensors
DrillByte Computer
Transducer Signal
By Pass Controller
Standpipe
8
（1）AutoTrak RCLS系统
•核心工具
• 非旋转可调扶正器滑套：近钻头井斜传感器、电子控制元件、液 压控制阀和活塞。
9
Non Rotating Steerable Stabilizer
Oil Reservoir
Control Valves
Rotating Drive Shaft
Sensor Electronics for Inclination
3
2、旋转导向钻井系统分类
（1）根据导向方式分类
推靠式（Push the Bit）：在钻头附近直接给钻头提供侧向力。 指向式（Point the Bit）：通过近钻头处钻柱的弯曲使钻头指
向井眼轨迹控制方向。
推靠式
侧向力
偏置机构
钻头倾角
指向式
4
2、旋转导向钻井系统分类
（2）根据偏置机构的工作方式分类
152～311
216～311
6
3、典型的旋转导向钻井系统
（1）AutoTrak RCLS系统： Baker Hughes公司 （2）PowerDrive SRD系统：Schlumberger公司 （3） Geo-Pilot系统：Halliburton公司
7
（1）AutoTrak RCLS系统
概述
11
Steering Principle
Static side force, dynamic control
High Side
Bearing Housing Sleeve
Sleeve Orientation
P2
High Side
Direction
=
P3
Bit Side Force
P1
Drive Shaft
Automated Steering of the downhole tool while drilling ahead
Bypass valve at the stand pipe creates coded flow rate variations of ±15%
Commands for Steering and to control the MWD / LWD operation
工作方式
静态偏置 推靠式
调制式
静态偏置 指向式
代表系统
AutoTrak RCLS
PowerDrive SRD
Geo-Pilot
旋转导向程度
工具系统 外筒不旋转
全旋转
工具系统 外筒不旋转
造斜能力 位移延伸 螺旋
（°/30m） 能力
井眼
6.5
低
存在
8.5
高
存在
5.5
中
消除
井眼尺寸 （mm） 216～311
旋转导向钻井技术简介
2020/9/5
1
主要内容
1. 旋转导向钻井技术概述 2. 井下旋转导向钻井系统分类 3. 典型的旋转导向钻井系统
（1）AutoTrak RCLS系统： Baker Hughes公司 （2）PowerDrive SRD系统：Schlumberger公司 （3） Geo-Pilot系统：Halliburton公司
2
1、旋转导向钻井技术概述
（1）技术关键：井下旋转导向
核心是井下旋转导向钻井工具系统。 钻柱在旋转钻进过程中实现准确增斜、稳斜、降斜及扭方位。
（2）技术优势
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。
（3）应用范围
广泛用于井下马达滑动钻进比较困难的深井、大斜度井、大位 移井、水平井、分支井，以及易发生粘卡的情况。