旋转导向钻井技术和工具
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。
旋转导向造斜能力工具介绍
旋转导向造斜能力工具介绍
旋转导向造斜能力工具是一种用于油气井钻井过程中的先进设备，它通过精确控制钻头的旋转方向和速度，实现对井眼轨迹的精确控制，从而提高钻井效率和安全性。
这种工具主要由以下几个部分组成：
1. 旋转导向系统：这是旋转导向造斜能力工具的核心部分，主要包括马达、减速器、轴承等部件。
马达负责提供动力，减速器将马达的高速旋转转换为低速高扭矩输出，轴承则承受钻头在钻井过程中产生的各种力和振动。
2. 传感器和控制系统：传感器用于实时监测钻头的位置、速度、振动等信息，将这些信息传输给控制系统。
控制系统根据这些信息，自动调整马达的转速和方向，以实现对钻头运动轨迹的精确控制。
3. 钻头：旋转导向造斜能力工具的钻头通常采用高强度、高耐磨性的材料制成，以保证在高压、高温、高磨蚀性的环境中正常工作。
钻头的形状和结构也经过特殊设计，以提高钻井效率和降低摩阻。
4. 钻井液循环系统：钻井液循环系统负责将钻井液从地面泵入井内，通过钻头喷出，形成高速射流，清洗井底并冷却钻头。
同时，钻井液还可以传递钻头受到的压力和振动，保护井壁稳定。
旋转导向造斜能力工具通过集成先进的旋转导向系统、传感器和控制系统、高性能钻头以及钻井液循环系统，实现了对井眼轨迹的精确控制，大大提高了钻井效率和安全性。
地质导向钻井技术
地质导向钻井技术
四种信号传输方式 负脉冲
泥浆负脉冲发生器需要组装在专用的 无磁钻铤中使用，开启泥浆负脉冲发生器 的泄流阀，可使钻柱内的泥浆经泄流阀与 无磁钻铤上的泄流孔流到井眼环空，从而 引起钻柱内部的泥浆压力降低，泄流阀的 动作是由探管编码的测量数据通过调制器 控制电路来实现。在地面通过连续地检测 立管压力的变化，并通过译码转换成不同 的测量数据。
优点：数据传输速度较快，适合于普 通泥浆、泡沫泥浆、空气钻井、激光钻 井等钻井施工中传输定向和地质资料参 数。
缺点是：地层介质对信号的影响较大， 低电阻率的地层电磁波不能穿过，电磁 波传输的距离也有限，不适合超深井施 工。
地质导向钻井技术
导向钻井技术施工特点
导向钻井技术在提高钻井速度、缩短建井周期、精确 控制轨迹几何走向方面发挥积极的作用，但不能确保轨 迹一直在产层中穿行，对于油气的运移不能识别，在碰 到意外地质变化的情况下仍需要借助电测仪器来确定真 实的目的层或重新评价其开发价值
导向工具主要是井下动力钻井具导向工具主要是井下动力钻井具其它的配套钻井工具包括钻头定向接头弯接头定向弯接头无磁钻杆井下仪器mwd悬挂短无磁钻杆井下仪器mwd悬挂短铤短钻铤加重钻杆斜坡钻杆井下加力器震击器扶正杆井下加力器震击器扶正器单向阀和其它无磁非无磁配合接头等右图为两种典型的导向具组合地质导向钻井技术地质导向钻井技术地质导向钻井技术地质导向钻井技术导向钻井技术的导向工具主要是马达其它配套钻井工具包括钻头定向接头弯接头或定向弯其它配套钻井工具包括钻头定向接头弯接头或定向弯接头无磁钻杆井下仪器mwd悬挂短节无磁钻铤短无磁钻铤钻铤短钻铤加重钻杆斜坡钻杆井下加力无磁钻铤钻铤短钻铤加重钻杆斜坡钻杆井下加力器震击器扶正器单向阀和其它无磁非无磁配合接头地质导向钻井技术地质导向钻井技术地质导向钻井技术地质导向钻井技术有线随钻工作原理和施工工艺有线随钻工作原理和施工工艺sst地面仪器给井下仪器通过电缆供电sst地面仪器给井下仪器通过电缆供电井下仪器完成对数据的实时采集后按一定数据格式通过电缆传送至地面地面仪器对接受到的信号经解码处理计算后器对接受到的信号经解码处理计算后得到井下实时数据并在司钻阅读器上显需要利用sst进行导向钻进或测量时将井下仪器通过电缆下放到井底进行测量或座键后随钻施工
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。
指向式旋转导向钻井工具的生产技术
本技术为一种指向式旋转导向钻井工具，包括本体外壳，本体外壳上贯通设置中心孔，本体外壳的底端花瓣式连接中空的钻头座；中心孔内设置能轴向移动且能周向转动的导向内筒，导向内筒的底端通过旋转支撑轴摆动连接钻头座，导向内筒上套设能推拉导向内筒沿轴向移动的导向外筒，导向内筒通过轴向移动改变钻头座与本体外壳之间的弯角；导向内筒的顶端设置能驱动导向内筒周向转动的旋转驱动结构，导向内筒通过周向转动改变钻头座的方位，旋转驱动结构包括中空的螺杆输出轴，螺杆输出轴的底端通过连接轴驱动导向内筒周向转动。
该工具能同时调节工具的弯角和方位，自动导向钻井，实现钻进过程中井眼轨迹的控制。
权利要求书1.一种指向式旋转导向钻井工具，包括本体外壳，所述本体外壳上沿轴向贯通设置中心孔，其特征在于，所述本体外壳的底端花瓣式连接中空的钻头座；所述中心孔内设置能轴向移动且能周向转动的导向内筒，所述导向内筒的底端通过中空的旋转支撑轴摆动连接所述钻头座，所述导向内筒上套设能推拉所述导向内筒沿轴向移动的导向外筒，所述导向内筒通过轴向移动改变所述钻头座与所述本体外壳之间的弯角；所述导向内筒的顶端设置能驱动所述导向内筒周向转动的旋转驱动结构，所述导向内筒通过周向转动改变所述钻头座的方位，所述旋转驱动结构包括中空的螺杆输出轴，所述螺杆输出轴的顶端连接能驱动所述螺杆输出轴转动的螺杆马达，所述螺杆输出轴的底端通过中空的连接轴驱动所述导向内筒周向转动；所述螺杆输出轴、所述连接轴、所述导向内筒和所述旋转支撑轴的内腔轴向贯通构成钻井液通道。
2.如权利要求1所述的指向式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述本体外壳内还设置能驱动所述导向外筒轴向移动且能调节所述导向内筒转速的调节结构。
3.如权利要求2所述的指向式旋转导向钻井工具，其特征在于，所述导向内筒的底端偏心设置倾斜的支撑块容置槽，所述支撑块容置槽内设置支撑块，所述支撑块内设置第一球形凹槽；所述旋转支撑轴的顶端设置支撑轴球头，所述旋转支撑轴向下延伸穿设于所述钻头座内，所述支撑轴球头能摆动连接于所述第一球形凹槽内以改变所述钻头座与所述本体外壳之间的方位和弯角。
旋转导向钻井技术简介
WE MUST DO BETTER
㈠、AutoTrak旋Trak是旋转 系统组成: 导向钻井系统的代表产品，它 是基于推靠钻头的偏置原理来 导向的，其可变径稳定器的伸 缩块装在不旋转套筒上， AutoTrak旋转闭环钻井系统由 地面与井下的双向通讯系统( 地面监控计算机、解码系统及 钻井液脉冲信号发生装置)、 导向系统(AutoTrak工具)和 LWD(随钻测井)组成（图l）。
2、工作原理:AutoTrak RClS 工作原理:AutoTrak 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。 对转动的结构。旋转心轴上接 钻柱，下接钻头， 钻柱，下接钻头，起传递钻压 扭矩和输送钻井液的作用。 、扭矩和输送钻井液的作用。 不旋转外套上设置有井下CPU 不旋转外套上设置有井下CPU 控制部分和支撑翼肋（ 、控制部分和支撑翼肋（右图 ）。
图2
AutoTrak RCLS结构示意图
WE MUST DO BETTER
导向工具的执行机构有一不旋转导向套，中轴 从导向套中间穿过与钻头连接，带动钻头随钻 柱一起旋转，导向套与中轴通过轴承连接。当 周向均布的三个支撑冀肋分别以不同液压力支 撑于井壁时，将使不旋转外套不随钻柱旋转， 同时，井壁的反作用力将对井下偏置导向工具 产生一个偏置合力。通过控制三个支撑翼肋的 支出液压力的大小，可控制偏置力的大小和方 向，以控制导向钻井。液压力的大小由井下CPU 控制井下控制系统来调整。井下CPU在下井前， 预置了井眼轨迹数据。井下工作时，可将MWD测 量的井眼轨迹信息或LWD测量的地层信息与设计 数据进行对比，自动控制液压力，也可根据接 收到的地面指令调整设计参数，控制液压力， 以实现导向钻进。导向套内还有各种传感器， 可测量井斜角、方位角及工具的工作状态。(右 图是:井下偏置导向工具的导向原理示意图 )
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泥浆脉冲
固定稳定器
上传数据
B H A (1)
资料处理 综合解释
起钻、 通过井口 操作：改变稳定器
直径/弯度
N
Y 起钻？
地面信息 记录显示
2、由地面控制井下可变径稳定器 构成的钻井系统总体(简化)框图
变径式：地面控制泵压/排量，井下变径
泥浆脉冲
变径稳定器
上传数据
BHA
地面操作:
改变稳定器 直径/弯度
道
MWD
扶正器
地质参数测量
MWD
测控单元
下行通道
可伸缩翼肋 钻头
设计轨迹
靶心
井下闭环钻井系统硬件配置
无磁钻铤
可控偏心器
二、井眼轨迹控制技术发展现状
90年代起，特别是，海上钻井进入了以 导向技术为标志的超大水平位移钻井的新 时期，并以前所未有的速度向更新技术方 向迈进！XTCS —— 集中体现了二十世纪 末钻井科技最新成果！
Geopilot
万向轴
“Point”
连续旋转导向钻井 & 闭环控制
All Rotating, No Sliding （全旋转，无滑动导向）
Closed Loop Control （闭环控制）
& AutoTrak————压H力O矢L量D调M整（od75e00个可S调T挡E位E）R；Ve光c滑to的r井眼轨迹
提高采收率1-5%！
“三维轨迹闭环钻井技术” 是重大专项的关键技术！
2、中国石油天然气集团公司 钻井领域前沿（应用基础）项目
旋转导向钻井关键技术研究
九三年来承担的科研课题
No.
研究项目名称
资金来源
时间
成果情况
1 井下闭环钻井控制新技术
国际合作
2 井下闭环控制钻井工具总体设计 课题组自筹
93.1-93.8 94
8 井下闭环旋转导向智能钻井系统 国家教育部优秀青 2002.3-2003.12 进行中
控制理论研究
年教师基金项目
其中：国家自然科学基金 2项； “九五”863 1项；教育部1项；集团公司 2项；
七、初 步 研 究 成 果
— 研制成井下闭环可变径稳定器样机
稳定器测控及通道部分 井下闭环可变径稳定 器样机在实验台上
– 旋转导向技术 – 井眼轨迹井下闭环控制技术 – 近钻头测井技术
三、井下闭环和旋转导向钻井
优
点
井下闭环带来高质量的井眼轨迹； 旋旋转导向避免滑动钻进,降低磨阻, 净化井眼； 特殊钻井的需要如高难度大位移井。
四、旋转（闭环）导向工具
国外： 广泛进行现场应用的有:
Baker Hughes
AutoTrak
无稳斜模式，造成稳斜段扩径
巨大社会价值和经济效益！！
带动经济领域其它学科和技术的发展
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；
These tools alternate between steer average curve. In doing so they drill
aanfrdagnmeuetnratel dmco折udrev线eto轨sgim迹ivie；ladr etosiaremd otor.
PoPwoewrderridvreivDeirDeicret c—t —dril预ls 置ov力er导ga向ug，e可ho设le置w8h1en个in挡n位eu；tral mode.
XTCS 偏心
有 3 绕横轴 连续 泥浆 4°~ 8° 有 有
Autotrak 贴井壁力
有 3 绕横轴 连续 电-液 4°~ 8° 有 无
Powerdr. 贴井壁力
无 3 绕纵轴 不连续 泥浆 6.5° 有 无
GeoPilot 弯角 有 不连续 电-液 -
五、石油工业面临的任务 与对钻井的需求
增产、增储 提高采收率
探测器
94.西安石油学院
井下闭环控制 钻井系统
•必要时, 执行单元 •采取干预措施
设计井身 微机自适 轨 迹 应控制器
下行指令
干预 指令
井下
泥浆脉冲 上传数据
资料处理 综合解释
地面
下行信息 传输通道
地面控制器
地面信息 记录显示
1、由井下固定式稳定器构成的 钻井系统总体(简化)框图
固定式： 多次起下钻；
中国石油天然气集团公司钻井工程重点实验室
西安石油大学井下测控重点研究室
旋转导向钻井 技术 & 工具
2005.6.5
测控研究室的研究方向
研究方向：井眼轨迹遥控技术 目 标：
井下闭环旋转导向 智能钻井系统（XTCS）
XI’AN TRAJECTORY CONTROL SYSTEM
一、 XTCS系统
正常钻井 轨迹控制过程 定时发送监控信息
旋转导向钻 井工具作业量近 年来呈直线上升 趋势！
600,000ft
8,000,000ft
巨大社会价值和经济效益！！
由于旋转导向技 术的出现，钻井不只是 在地球上打个洞。它已 成为增产，增储提高采 收率的有效手段。
扩大面积 波及系数
增产，增储
充分开发薄层 和低渗油层
Gullfaks 井斜变化率、
XTCS 轨迹控制
术
连续旋转导向的结果
防止 岩屑堆积 与 轴向冲击
Axial Shock & Cutting Buildup
连续旋转导向的结果
避免扩径 与 台阶
Gullfaks
井斜变化率、
高
Well
方位变化率
难
A - 42
三
调整 0
度
维
可
大
多
目
）
标 井
变 径
弯外壳动力钻具
稳 定
可控偏心器
器
位 移 井
发明名称：定向 钻井装置
流场变向器图纸
3 井身轨迹制导的智能钻井系统的 国家自然科学基金 1995-1996 理论与实验研究 编号5947-4003
按时通过验收
4 可控偏心器研制 （课题编号：970507-3）
中国石油天然气总 1996.11公“九五”项目
98 ． 11 通 过 中 评 估（等级：A）
放映结束 感谢各位的批评指导！
谢 谢！
让我们共同进步
知识回顾 Knowledge Review
偏心距
D3
旋转轴
井底流场方向 不对称 井底流场
流场变向器
AutoTrak
“Push” & “Point” ？
红色为侧向 切屑部分
Powerdrive
钻头
“Push”
支点
形成弯曲 井眼剖面
“Point” & “Push”
推力
井壁两侧 受力状态不同
Push the bit first,Then Point the bit
—— 快速机电连接装置
下行信息通道
钻 头 内 压/ MPa
第1段
25
23
21
0
220
225
40
轴 向 振 动/g
20
0
220
225
100
横 向 振 动/ g
——下发指令的传输通道 50
0
220
225
第2段
第3段
第4段 第5段
230
235
240
245
250
230
235
240
245
250
230
235
240
变径式：地面下达变轨迹的命令，井下自动变径；
井下闭环 变径稳定器
BHA
变径 单元
井下操作： 改变设计轨迹
实现设计 造斜率
泥浆脉冲
控制 Y 下传N轨迹
参数指令？
上传数据
资料处理 综合解释
地面信息 记录显示
井下闭环旋转导2向8 过程示意
27
19
17
29
21
15
监测
23
20 12
负 脉 冲振 通动 道通
1 不旋套转
P1
AutoTrak
2 井壁 极板推出 控制阀盘
3 传动轴
定位轴承
泥浆动力偏心导向方案
P2
P3
旋转轴
高边 工具面角
P
P
导 不旋套转
D2
向
方 式
井壁
钻头推向
伸出量
一侧
导
D1
向
动
力
PowerDrive Xtra
4 井壁
偏心方向
万向轴承
钻进方向
GeoPilot
水眼 钻头运动方向
5
XTCS-njd
泥浆动力，类似Schlumb. 但用法不同。
Powerdrive用于导向； XTCS —— 控制；
GeoPilot —— 可变弯接头
XTCS —— 可控偏心器
XTCS
研究调试中……
导向装置
—— 形成导向需要的偏心
定位总成
—— 翼肋伸出量的控制机构
电子舱
—— 信息采集、处理、 存储、控制和通讯
快速连接头
245
250
时间/ Min
第6段
255
260
255
260
255
260
第7段
265
270
265
270
265
270
地面信息读出 &