旋转导向钻井工具介绍
旋转导向钻井工具的研制原理
第26卷 第5期2005年9月石油学报AC TA PETROL EI SIN ICAVol.26 No.5Sept.2005 基金项目:国家高技术研究发展计划(863)“旋转导向钻井系统关键技术研究”(2003AA602013)和中国石油化工集团公司重大攻关项目(J P01005)联合资助。
作者简介:闫文辉,男,1965年9月生,1999年获西安石油学院硕士学位,现为西安石油大学副教授,硕士生导师,主要从事石油机械设计及设备检测与故障诊断方面的教学和科研工作。
E 2mail :ywh369@文章编号:0253Ο2697(2005)05Ο0094Ο04旋转导向钻井工具的研制原理闫文辉 彭 勇 张绍槐(西安石油大学机械工程学院 陕西西安 710065)摘要:介绍了旋转导向钻井工具的工作原理及结构,指出了研制该工具的主要技术特点。
旋转导向钻井工具主要由稳定平台单元、工作液控制分配单元和偏置执行机构单元3部分组成,其测试元件将测得的井眼参数通过短程通讯传输到随钻测量仪,再由随钻测量仪将信息传输到地面。
同时,旋转导向钻井工具接收由地面发出的指令,并通过稳定平台单元调控工作液来控制分配单元中的上盘阀高压孔的位置。
工作液控制分配单元将过滤后的泥浆依次分配到3个柱塞,给推板提供推靠动力,并使该推靠力的合力方向始终保持在上盘阀高压孔所对应的位置,在近钻头处形成拍打井壁的侧向力。
通过对侧向力的大小、方向和拍打频率的调整,可直接控制该工具的导向状态。
关键词:旋转导向钻井工具;测试元件;导向控制;井眼参数;随钻测量中图分类号:TE82 文献标识码:AMechanism of rotary steering drilling toolYAN Wen 2hui PEN G Y ong ZHAN G Shao 2huai(College of Mechanical Engineering ,X i πan S hi you Universit y ,X i πan 710065,China )Abstract :The working principle and structure of a rotary steering drilling tool are introduced.The main technical properties of the tool are described.The tool mainly includes three parts :①unit of stabilization platform ;②unit for controlling and assigning work 2ing liquid ;③unit of Push 2the 2Bit working structure.The wellbore data can be transmitted to measurement while drilling (MWD )u 2nit f rom the test component in the tool through a short distance communication component and then transmitted to the instrument on ground by MWD unit.At the same time ,the receiver in the component receives the instruction f rom the instrument on ground ,and then control the high 2pressure hole located on the upper plate hose by controlling and assigning working liquid with a controller in the stabilization platform unit.The unit for controlling and assigning working liquid takes the filtered mud as the working liquid distribu 2ted in three mud pipes in turn.The mud provides the “pad ”with a motive force and maintains the direction of the join force on the position in accord with the high 2pressure hole on the upper valve all the time.Thus there will form a side force near the bit flapping the wall of the well.The adjustment of the size and direction of the side force acted on the wall and the flapping f requency could di 2rectly control the steering state of the drilling tool.K ey w ords :rotary steering drilling tool ;measurement unit ;steering control ;wellbore data ;measurement while drilling 旋转导向钻井技术是20世纪90年代初发展起来的一项自动化钻井新技术。
旋转导向钻井技术介绍
High Side
Bearing Housing Sleeve
High Side
Sleeve Orientati on Direction
P2 Bit Side Force
=
P3
P1
Magnitude
Drive Shaft
13
（1）AutoTrak RCLS系统
15
Surface Equipment
Sensor Interface / Decoding Unit (TR700) Other Sensors Transducer Signal By Pass Controller DrillByte Computer
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。
14
Control principle two way communication
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 （°/30m） 6.5 8.5 5.5
位移延伸 能力 低 高 中
螺旋 井眼 存在 存在 消除
井眼尺寸 （mm） 216～311 152～311 216～311
Non Rotating • 1997 年注册为AutoTrak，正式推向市场 。 Sleeve
旋转导向系统PowerV简介
斯伦贝谢旋转导向系统PowerV简介一. PowerV 简介和应用范围PowerV是斯伦贝谢公司发明的一种旋转导向系统的产品名称，它只是斯伦贝谢旋转导向系统PowerDrive家族中的一员。
所谓旋转导向系统，是指让钻柱在旋转钻进过程中实现过去只有传统泥浆马达才能实现的准确增斜、稳斜、降斜或者纠方位功能，但相对于泥浆马达，PowerDrive有非常明显的优点，稍后进行比较。
旋转导向系统广泛用于使用泥浆马达进行滑动钻进时比较困难的深井、大斜度井、大位移井、水平井、分枝井(包括鱼刺井)，以及易发生粘卡的情况。
二. 旋转导向系统PowerDrive的优点1. 反映和降低了所钻井段的真正狗腿度，使井眼更加平滑。
例如：用泥浆马达打30米井段，滑动钻进15米，转动钻进15米，井斜角增加4度，得到平均狗腿度4度/30米。
实际上，转钻15米井斜角几乎没有变化，这15米的实际狗腿度是零；而4度的井斜角变化是由滑钻15米产生的，这15米的实际狗腿度是8度/30米。
而用PowerV在同一设置下打出的每一米都是同样均匀和平滑的，减少了井眼轨迹的不均匀度，从而减少了在起下钻和钻进过程中钻具实际所受的拉力和扭矩，减少了以后下套管和起下完井管串的难度。
2.使用PowerV钻出的井径很规则。
而使用传统泥浆马达在滑动井段的井径扩大很多，而转动井段的井径基本不扩大。
这种井径的忽大忽小为是井下事故的隐患，也不利于固井时水泥量的计算。
3.由于PowerV钻具组合中的所有部分都在不停的旋转，大大降低了卡钻的机会。
而使用传统泥浆马达在滑动钻进时除钻头外，其它钻具始终贴在下井壁上，容易造成卡钻。
4.在钻进过程中，由于PowerV组合中的所有钻具都在旋转，这有利于岩屑的搬移，大大减少了形成岩屑床的机会，从而更好的清洁井眼。
这对于大斜度井、大位移井、水平井意义很大。
5.由于PowerV钻具组合一直在旋转，特别有利于水平井、大斜度井和3000米以下深井中钻压的传递，可以使用更高的钻压和转盘转速，有利于提高机械钻速。
旋转导向钻井技术和工具
钻井：促进钻头，泥浆，钻井工艺和测井技术的发展； 材料：高强度柔性钢材； 传感器：耐高温高压电磁传感器，微型抗强振加速度计； 液控元件：微型阀，无刷直流电机和泵； 电子元器件：耐高温存储器芯片，时钟芯片； 微处理器技术：快速高精度CPU和DSP技术； 数据处理及压缩技术；
钻头推向 一 侧
极板推出
控制阀盘
PowerDrive Xtra
4
伸出量
井壁
D1
D2
D3
不旋套转
旋转轴
高边
工具面角
P
P
AutoTrak
1
P1
P2
P3
“Push” & “Point” ？
支点
井 壁 两 侧 受力状态不同
钻头
Push the bit first,Then Point the bit
AutoTrak ——压力矢量调整（7500个可调挡位）； 光滑的井眼轨迹 XTCS —— 偏心矢量调整（无级变角调整）； 光滑的井眼轨迹 Geopilot —— 预置角导向，6挡变角；变造斜率——“导向模式”+“稳斜模式” 折线轨迹； Powerdrive Direct —— 预置力导向，可设置81 个挡位； 无稳斜模式，造成稳斜段扩径
旋转导向钻井技术简介
旋转导向钻井技术概述
旋转导向钻井系统的特点是：
▪ ·在钻柱旋转的情况下，具有导向能力； ▪ ·如果需要，可以与井下马达一起使用； ▪ ·配有全系列标准的地层参数及钻井参数检测仪器； ▪ ·配有地面—井下Biblioteka 向通讯系统，可根据井下传来的数据，在不
起钻的情况下从地面发出指令改变井眼轨迹； ▪ ·工具设计制造模块化、集成化； ▪ ·可以在150º以上的高温井中使用； ▪ ·定向钻井时不需要特殊的钻井参数，就可以保证最优的钻井过
旋转导向钻井 技术介绍
姚振华 2007年6月
内容
✓ 概述 ✓ 国际上已经投入使用的旋转导向钻井系统 ✓ 在渤海油田使用的旋转导向钻井系统介绍 ✓ 旋转导向方式的分类 ✓ 旋转导向技术的应用
旋转导向钻井技术概述
迄今为止，定向钻井技术经历了三个里程碑：利用造斜器(斜向器)定向钻 井；利用井下马达配合弯接头定向钻井；利用导向马达(弯壳体井下马达)定向 钻井。这三种定向钻井工具的广泛使用，促进了定向钻井技术的快速发展， 使得今天人们能够应用斜井、丛式井、水平井、水平分支井技术开发油田。
国际上已经投入使用的旋转导向 钻井系统(续)
2000年，Schlumberger的PowerDrive SRD系 统引入中国境内应用，在设计井深8800m、水平位移 超过7500m的南海西江油田XJ24—3—A18井6871— 8610m井段中成功应用，大大提高了井身质量，避免 了6871m以上井段用滑动钻井方式多次出现的断马达 等井下复杂事故，大大提高了钻井效率和效益。尽管 该工具的日租金高达数万美元，仍直接节约了500万 美元的钻井作业费用；而油田开发和后续完井、采油 作业带来的间接经济效益更远远超过了直接经济效益。
目前，旋转导向钻井系统形成了两大发展方向：一个是
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”
BAKER HUGHS 旋转导向简介
70
Inclination (deg)
60
50
- AutoT rak RCLS - Conventional
40
30
20
10 0.00
1000.00
2000.00
3000.00
4000.00
5000.00
6000.00
Normalized M D (ft)
Auto Trak G3 旋转导向小结
结构紧凑。旋转导向系统总长（包含供电、脉冲发生器，随钻测量、测井系统 和旋转导向系统）不超过16米； 模块化设计。位置可根据实际需要，进行条换； 钻柱振动、冲击、环空压力（ECD），并能实时传输该数据； 具备方位伽玛成像功能，可广泛应用于储层地质导向； 具有旋转导向和近钻头井斜测量功能，在钻具连续旋转的状况下实现井眼轨迹 精确控制； 具有地面与井下仪器指令、命令双向通讯功能，实现地面指令对井下工具姿态 控制； 自动电脑控制下发指令系统；钻进过程中下发指令，不额外占用作业时间； 旋转导向系统具备多种控制模式：导向模式、稳斜模式等；井下闭合环路自动 控制系统； 工具维修简单，在作业现场即可进行旋转导向短节的拆装作业，从而保证现场 作业的顺利进行； 现场配钻具需要2-3小时，快捷、方便。
Thank you
谢谢！
三、 BCPM简介
全系统自动发电 功率：250瓦特；提供33伏直流电 指令发送功能
高速泥浆脉冲数据传输
四、 ONTRAK简介
OnTrak集成传感器模块包括： 定向控制和测量 多相位电磁波传播电阻率 方位伽玛（伽玛成像 ） 环空和钻具内动/ 静压力 监控振动和粘滑振动 存储及数据高速下载Leabharlann 一）定向测量GAMMA LOG
左图井眼进入砂岩薄层 低边首先探测到该地层 （较高边提前5米） 伽玛成像更加真实、显 像化反应地层变化
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静态偏置推靠钻头工作方式
静态偏置指向钻头工作方式
动态偏置推靠钻头工作方式
动态偏置指向钻头工作方式
推靠式旋转导向系统的特点：侧向力大, 造斜率高, 但旋转导向钻出的井眼狗腿大, 轨迹波动大, 不平 滑。钻头和钻头轴承的磨损较严重。
可控弯接头导向结构示意图 可控弯接头导向原理图
指向式旋转导向钻井工具
中国地质大学的李颖对指向式旋转导向钻井工具的 动力学分析和工作性能研究，且做出了偏置导向机 构的实验样机。
偏置单元的实物图
偏置单元样机主要由电机、齿轮同步器传动机构、 两套双丝杠对顶滑块-斜面传动机构等组成。
谢谢
产品特点： 1、系统是全旋转式的。 2、该系统由稳定平台单元、工作液控制分配单元及偏置 执行机构3部分组成。
Pad out
偏置单元
Pad in
导向原理
3.Geo-Pilot旋转导向钻井系统
主要特点：外筒不旋转，改变角度导向
导向原理
偏置原理
旋转导向钻井工具的分类及对比
• 旋转导向系统按导向方式可分为两类：推靠式(Push the bit) 和指向式(Point the bit)。
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
225 井上进行了整个旋转导向钻井系统的联合现场试验, 获得了成功。目前已基本成熟。
重要的组成部分：近钻头稳定器(枢轴稳定器)，拥有4个螺旋 形刀锋翼肋且相互“环布”连接，并为旋转中心轴提供固定支 点； 导向作业时，枢轴稳定器给钻头提供一个固定的支点以便指向 钻头顺利完成导向，并且支点离钻头的距离越近钻头获得的指 向力就越大。
国内旋转导向工具研究状况
1、动态推进式旋转导向钻井工具 2、可控偏心器旋转导向钻井工具 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
工作原理: AutoTrak RCLS系统的井下 偏置导向工具由不旋转外 套和旋转心轴两大部分通 过上下轴承连接形成一可 相对转动的结构。旋转心 的作用。不旋转外 套上设置有井下CPU、控制 部分和支撑翼肋。
偏置原理
2.Power Drive 旋转导向钻井系统
• Power Drive SRD：钻头和钻头轴承的磨损较严重, 工作寿命有待进一步提高。
• Geo-Pilot：钻柱承受高强度的交变应力,钻柱容 易发生疲劳破坏。
国外旋转导向工具研究的新进展
1、结合了哈里伯顿的Geo–Pilot的指向式原理 和斯伦贝谢的Power Drive的动态全旋转结构； 2、2000年的SPE年度技术大会上斯伦贝谢公司 就提出了一种新的动态偏置指向式旋转导向系 统； 3、在2004年投入市场使用，定型为Power Drive Xceed，同年被美国《Hart''s E&P》杂 志评出2004年世界16大工程技术创新特别贡献 奖，被称为是划时代的产品。
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
指向式旋转导向系统的特点：能钻出较平滑的井眼； 摩阻和扭矩较小；可以使用较大的钻压；机械钻速 较高；有助于发挥钻头的性能；钻头及其轴承承受 的侧向载荷较小；极限位移增加。但是造斜率较低。
推靠式
指向式
旋转导向钻井系统
三种不同方式旋转导向系统对比
三种主流钻井旋转系统结构对比
• Auto Track RCLS：位移工作方式、静止外套、小 型化能力差、结构复杂等。
可控偏心器旋转导向钻井
• 由中海石油研究中心、西安石油大学及中海油田服务股份 有限公司联合研制。
• 导向原理与贝克休斯基本一样，液压动力来源于钻井液 • 2005年11月分别在长庆油田西28-022井、宁37-32井和渤
海油田LD5-2-A1井进行了现场钻井作业试验。
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 钻井工程重点实验室的支持下,对可控弯接头导向机构基 本原理进行了探索性研究,研制出原理性样机,取得了初步 的成果。
旋转导向钻井工具简介
报 告 人： 惠 坤 亮 指导老师：丁庆新教授
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。