GeoPilot 旋转导向系统
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国内外旋转导向钻井系统导向原理
息与设计数据进行对比，自动产生控制命令； 也可按 照地面指令来控制液压系统的液压力。 2． 2 Noble Corp． NDT 的 Well Director 和 Express Drill
Well Director 系统的井下工具系统主要由旋转 驱动心轴和不旋转外筒 2 大部分组成。不旋转外筒 内部设计有井下微处理器，传感器电子短节，液压导 向执行机构，其中液压导向执行机构包括控制阀和 活塞驱动的导向翼肋，共 4 个导向翼肋。由于 AutoTrak RCLS 系 统 和 Well Director 系 统 都 源 于 德 国 KTB 项目开发的直井钻井系统，所以这 2 种系统工 作原理 类 似［8］。Express Drill 系 统 在 Well Director 的基础上做了部分的改进，最大的特点就是实现了 结构的模块化，使得该系统更容易拆装和维护保养， 更能满足实际钻井的需要。 2． 3 中国海洋石油集团公司的可控偏心器式旋转 导向钻井工具系统
2012 年第 39 卷第 9 期
探矿工程（ 岩土钻掘工程）
55
模式与贝克休斯公司的 AutoTrak 旋转闭环钻井工 具通过在 3 个翼肋上施加不同的压力形成导向力 矢量来控制井眼轨迹的导向控制模式有着本质的差 别［9］。
收稿日期： 2012 － 04 － 12 基金项目： 国土资源部基金项目“页岩气调查及勘探开发钻井技术研究”（ 2009GYXQ15 － 11 － 03） 作者简介： 雷静（ 1987 － ） ，男（ 土家族） ，湖南人，中国地质大学（ 北京） 硕士研究生，中交四航工程研究院有限公司，钻井工程专业，从事钻探 工具设计和工艺研究工作，北京市海淀区学院路 29 号，leijingcugb@ hotmail． com。
旋转导向钻井智能钻井介绍 Auto Trak,Power Drive, Geo Pilot
旋转导向钻井工具简介
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
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
哈里伯顿旋转导向GP Brief Introduction for Rig Crew_V02
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。
Geo-Pilot® 旋转导向钻井系统是由Sperry和 JOGMEC公司（日本石油天然气和金属国家股份有 限公司）共同开发的。
Geo-Pilot® 的基本构成
ShortGauge Bit
ExtendedGauge Bit
3/4” 3/4”
Spiraling Results 螺旋井眼的危害
Excess Sliding Friction 摩擦系数大 Poor sliding ROP, weight transfer Casing hangs up
Logging tools won’t go to bottom
• • • • • •
Rotary Steerable Systems
•
PUSH THE BIT 推靠式
– Power Drive
•
POINT THE BIT 指向式
– GeoPilot
Geo-Pilot® 的工作原理 - 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
不是滑动，所以不会损坏滚轮更不会增加软地层的摩擦阻力
GP9600 Reference Stabiliser 支撑扶正器
12”
14 1/8”
Reference Stabiliser 支撑扶正器
GP9600
12”
14 1/8”
井眼尺寸
GP9600 GP7600 12-1/4” 8-1/2”
工具外径
9-5/8” 7-3/8”
制井眼轨迹，进行高水平的地质导向作业
GeoPilot Rotary Steerable System(GeoPilot 旋转导向钻井系统)
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。
Geo-Pilot® 旋转导向钻井系统是由Sperry和 JOGMEC公司（日本石油天然气和金属国家股份有 限公司）共同开发的。
Geo-Pilot® 的基本构成
Max Overpull Ultimate Overpull Max RPM: Design DLS:
30,000 ft.lbs
120,000 lbs 580,000 lbs 250 6 deg/30m
Break in the Seals 润滑密封
•
Before Circulation commenced above the cement, ensure that the Seals are broken on the GP tool. 作业之前先进行润滑密封 Rotate at 5rpm, 10rpm, 20rpm, 40rpm, 60rpm for every 2 min 每5，10，20，40，60转各自进行2分钟，共计10分钟左右
硬夹层 白云岩 / 菱铁矿 25 - 35 Kpsi Sand / Shale 5 – 10 Kpsi
硬夹层
钻井
方法
钻出硬夹层 • 当PDC钻出硬夹层时，ROP会缓慢增加，但钻井参数可能会 有明显的变化 • 在穿过硬地层的时候,不要立即改变参数提高钻速,避免使用过 高钻压将残余的硬夹层压碎从而导致硬块在井底滚动。 • 而是保持较小的RPM小钻压钻进大约0.5米，以防钻头包径牙 齿的损坏，直到钻头完全进入软地层。减少排量，以防在硬夹 层下部形成一个硬台阶，难以起钻。 • 一旦钻出硬夹层，缓慢调整钻井参数，如同前面钻进软地层的 一样，注意观察有大外径的钻具全部通过硬夹层。
旋转导向钻井技术介绍
•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。
旋转导向钻井技术(简版)
指向式 23口井 占74.2%
推靠式 7口井 占 22.6%
即用推 靠式又 用指向 式1口井， 占3.2%
从市场统计来看，指向式比推靠式旋转导向工具更能适应
现在市场需求。
垂直钻井工具
Schlumberger 公司的Power V*系统
Power V * 是一个闭环工作的旋转导向系统，该系统 可以自动保持井眼垂直状态而几乎不需要任何地面的干 预措施，与PowerDrive Xtra 类似，主要由偏置单元和 控制单元两部分组成。
12 ¼ in.
0-8 deg/30m 50-250 rpm 5,678 gal/min 47.5 ton 30,000 psi 175 deg C * 350 ton 无限制No limitations 垂直Vertical
钻头压降Bit Pressure Drop
最Hale Waihona Puke 造斜角度Minimum KO angle
二、国外主要旋转导向钻井系统
大尺寸系统
随着世界范围内深水勘探开发的迅速发展，提高 上部井段的钻井效率的需求越来越强烈，从而促进 了用于大尺寸井眼（ Ø444.5mm 和 Ø463.6mm）的旋 导工具的开发。 斯伦贝谢公司与BP公司合作，历时9个月，于2002 年初推出了大尺寸Power Drive旋导系统。
和大位移井， 2000 年至今，已在中国南海、渤海湾和陆 上成功完成30多口大位移井作业，最大测深超8000m，其 中南海某区块大位移井位垂比4.58居国内之首。
二、国外主要旋转导向钻井系统
国内应用：
塔河油田TK238H井
TK238H 井 设 计 井 深 5111.76m , 实 钻 井 深
5177m , 造斜点 4163m , 水平段 300m , 成功穿 越油层276m，机械钻速15.68m/h。 斜井段及水平段平均狗腿度 3.88°/30m,而 常规水平井平均狗腿度为 10°/30m 以上 , 很好 的控制了井眼的光滑度,实际钻井周期50d,节约 钻井周期27d, 创造塔河油田水平井钻井周期最 短记录。
自动旋转导向钻井工具结构原理及特点
自动旋转导向钻井工具结构原理及特点[摘要] 自动旋转导向钻井工具弥补了滑动式导向钻井工具在定向井钻井,特别是在大位移井及长距离水平井的使用中暴露的缺点与不足。
浅显分析国内外在定向钻井工具技术差距,从结构原理和特点上出发阐述了自动旋转导向向钻井工具的。
[关键词] 自动旋转导向钻井工具一.前言现有的滑动式导向钻井工具在定向钻井,特别是在大位移井及长距离水平井的使用中暴露出不少缺点与不足。
自动旋转导向钻井工具可以弥补这些缺点,是目前定向钻井工具发展的一个热点及方向。
笔者据此介绍美国三家公司的自动旋转导向钻井工具的结构原理及特点。
针对现有定向钻井工具的缺点和不足,浅析今后旋转导向钻井工具结构设计的发展趋势。
迄今为止,定向钻井技术经历了三个里程碑:①利用造斜器(斜向器)定向钻井;②利用井下马达配合弯接头定向钻井(造斜率是弯接头弯角、井下马达刚度和地层岩石硬度的函数);③利用导向马达(弯壳体井下马达)定向钻井(弯角点离钻头的距离近得多,因此产生的造斜率大)。
目前这三种定向钻井工具在世界各地被广泛使用,并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、水平井技术开发油田。
二.目前国内定向钻井工具现状随着石油工业的发展,为了获得更好的经济效益,需要开发深井、超深井、大位移井和长距离水平井,而且常常要在更复杂的地层,如高陡构造带钻井。
这些都对定向钻井工具提出了更高的要求。
目前以井下马达为主的定向钻井工具已不能满足现代钻井技术的要求,主要存在以下缺点和不足:(1)利用井下马达导向时是滑动钻进,钻柱弯曲比旋转钻进时严重,井壁与钻柱间的轴向摩擦力大,使钻压很难加在钻头上。
在大延伸井和水平井中这一情况更严重,在极端情况下会造成钻柱屈服,因此它限制了水平井和大斜度井的深度。
(2)在地面对井下马达进行扭方位操作时,旋转摩擦、钻头扭矩、钻杆的扭转弹性变形等都妨碍了工具面的控制,从而影响井下马达在大斜度井和水平井中的使用。
国内外七大公司旋转导向技术盘点
贪吃蛇技术哪家强？国内外七大公司旋转导向技术盘点旋转导向钻井技术已经逐渐成为定向井、水平井钻井的主要工具，但主流技术依然以国外油服产品为主。
在多年持续攻关下，国产自主创新技术现已取得多项重大突破，国内外技术差距正在逐步缩小。
当前，油气勘探开发过程正面临的挑战日益严峻。
在资源品质劣质化、勘探目标多元化、开发对象复杂化等愈发恶劣的勘探开发大环境下，我国油气勘探开发领域正在由常规油气资源向“三低”、深层及超深层、深水及超深水等非常规资源拓展。
而作为油气资源勘探开发过程中的关键环节，现有的钻井技术在应对上述挑战时却略显勉强。
中石油经研院石油科技研究所总结出了“未来10年极具发展潜力的20项油气勘探开发新技术”（点击查看：颠覆传统！未来十年这些油气勘探开发新技术最具潜力），其中，“智能钻井技术”位列其中。
未来的智能钻井主要由智能钻机、智能导向钻井系统、现场智能控制平台、远程智能控制中心组成。
智能导向钻井系统主要利用随钻数据的实时获取、传输与处理，通过井下控制元件对钻进方向进行智能调控，从而提高钻井效率和储层钻遇率。
作为页岩气开发的“芯片”式技术，旋转导向钻井尚且年轻，但实际上从上世纪90年代起，国际各大油服公司便相继实现了旋转导向系统的现场应用。
经过20余年的技术发展，油服巨头均取得了阶段性进展，并形成了各自的核心技术体系（点击查看：五大油服的旋转导向系统大比拼）。
目前的主流旋转导向技术主要来自几大国际油服巨头，并基本形成了两大发展方向：一是以贝克休斯AutoTrak系统为代表的不旋转外筒式闭环自动导向钻井系统，这类系统以精确的轨迹控制和完善的地质导向技术为特点，适用于开发难度高的特殊油藏导向钻井作业；二是以斯伦贝谢PowerDrive系统为代表的全旋转自动导向钻井系统，这类系统以同样精确的轨迹控制和特有的位移延伸钻井能力为特点，适用于超深、边缘油藏的开发方案中的深井、大位移井的导向钻井作业。
01. 各大油服核心技术对比大宗商品价格暴跌给服务公司的定价和付款时间表带来了下行压力。
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-4080
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-4100 -4110 -4120
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4 5
6 7 -4110 8 9 10
干层 油层 差油层
油层
差油层 油层
含油水层
-4100 -4110
海拔（m） -4050 -4060 -4070 -4080 -4090 -4100 -4110 -4120
哈德1-24H 地质导向 :总结
runs of 5 wells
• Bit Hour: 75.77
• 1-1-WT-A-X-I-No-TD
Questions?
A Joint Collaboration with Japan Oil, Gas, and Metals National Corporation
time penalty
• FullDrift® system approach
– Consistent hole quality, lower vibration, longer runs at higher ROP
• Consistently delivers 5-6°/100’ doglegs in even challenging directional situations and formations
度岩
深感应 0.2 2000.0
性
解释结论
浅感应 0.00 0.00
1
干层
-4060 2
3
-4070
油层 油层
-4080
-4080
HD1-24H
自然电位 0.00 15.00
深
自然伽马 0.0 150.0
度岩
深感应 0.2 2000.0
性
解释结论
浅感应 0.00 0.00
B
D
C
A -4060
-4070
1. 70125井队配合哈里波顿旋转导向工具顺利在十天内完成HD1-24H水平段。 施工周期比预定（二十五天）少了十五天。无任何乙方原因造成的停工。
2. 油层钻遇率在预定的目标百份之八十五以上, 。由定向井公司钻进至水平段 后，井斜超越91度，虽迅速调整轨迹，钻头依然保持增斜趋势， 以至钻出 C2沙层外二十多米. 由于C3沙层厚度从南向北转薄且顶部提高，使到完钻 前井底部进入泥岩。
• More than just a Point-the-Bit RSS
– Incorporates the Bit into the Geometry to also deliver FullDrift benefits 长保径钻
头技术
• On the fly control using Geo-Span
54.7 13.44-91.02 248.53-244.16
899-1558(659)
52.1 19.04-89.5 187.94-213.70
3-3.5 (70%) 4.6 (90%)
3.5-4 (90%) 4.5(100%)
3.8-4 (90%) 5.5
• FSF2563 PDC Bit
• 3657.95m in 6
Optimized Design 钻头整体优化设计
• Length 钻头长度 • Blade width 刀翼宽度 • Blade shape 刀翼形状
• Amount of wrap / Spiral angle 螺旋刀翼设计
• Surface treatment 表面处理
• Placement of impact arrestors 减震齿布齿
A1h
200-834 (634) 2.13-13.44 53.3-248.53
A8h
190-899 (709) 5.46-19.04 98.22-187.94
1st GP Run
Section (m) ROP (m/h) Inclination(º) Azimuth(º)
Average DLS (º/30m )
Geo-Pilot® Rotary Steerable System
旋转导向系统
A Joint Collaboration with Japan Oil, Gas, and Metals National Corporation
Introducing the Pilot Fleet 旋转导向系统款式
• Aggressiveness of gauge cutters 保径齿攻击性
• Torsional aggressiveness 扭力的攻击性
• Cutter type and location 切削齿选型与布齿
For Better Hole Quality 优化井眼质量
Geo-Pilot Advantages
Average DLS (º/30m )
Max DLS (º/30m )
756-1546 (790) 57.7 8.50-89.20 87.80-89.40
3.5 (85%) 4.9
945-1615.50(670.5)
39.2 27.54-90.22 288.25-283.42
834-1529.41(695.41)
• Azimuthal Gamma and Inclination 1 m from the bit for precise geosteering
Inclination and Azimuthal Gamma Ray @ 3 feet
• Cruise Control 巡航轨迹控制 • High Temperature / Pressure Option
3. 从C2沙层降低井斜经过泥岩直到进入C3沙层，旋转导向工具造斜能力强， 只需六十五米，比预定的一百米少。
4. 若能提升钻井泥浆排量，配合哈里波顿旋转导向工具和钻头， 四百米或更 长的水平段能在八天内一趟钻完成。
哈德1-24H长保径钻头
哈德1-ห้องสมุดไป่ตู้4H 水平井
秦皇岛33-1作业简要总结
Motor Run
Section (m) Inclination (º) Azimuth (º)
A4h
219.5-774(554.5) 0.89-13.87 288.02-201.78
A2h
215.5-716(500.5) 3.52-7.58 41.46-90.93
A6h
251-945 (694) 4.05-27.54 119.84-288.25
SlimWell™ • Produces excellent hole quality
GeoPilot Features and Benefits
• ABI – At Bit Inclination.
– Reduces geometric uncertainty – Enables faster and more accurate corrections
• ABG – At Bit Gamma
– Only 1m behind the bit – Earliest confirmation of bed boundary crossing – Azimuthal image for direction of bed crossing
• Point the Bit Rotary Steerable
What does it do?
• 3D, high tortuosity well designs • Geosteering applications • Extreme Extended Reach • Very soft formations • Very tight casing tolerances /
• 12,001 possible settings
– 0 – 100% build rate in 1% increments – 0 – 360° orientation in 3° increments
• On bottom communications
– Fine tune trajectory to produce ultimately smooth curvature – No interruption – freedom to modify settings at will with no
generating geometry – unique among RSS providers 使用长保径钻头技术
Geo-Pilot Design Concept 设计概念
Inclination and Azimuthal Gamma Ray @ 3 feet
Geo-Pilot Design Concept 设计概念
Vertical Performance Drilling 垂直超越表现钻井
* *
* *
Setting Direction
Geo-Pilot®旋转导向系统的应用
• A Rotary Steerable System - Provides Directional Control while Rotating 提供旋转定向服务
Max DLS (º/30m )
774-1577.9(803.9)
43.5 13.87-89.52 201.78-130.19
4.5-5 (100%) 5.5
716-756 (40)
8.86 7.58-8.50 90.93-87.80
-----
2nd GP Run
Section (m) ROP (m/h) Inclination(º) Azimuth(º)
– Precise well path control with higher ROP – Cruise Control mode for very straight hole