旋轉導向鉆井技術及鉆井工具應用研究

李才良

（渤海鉆探塔里木鉆井分公司裝備管理科，新疆庫爾勒 841000）①

旋轉導向鉆井技術及鉆井工具應用研究

李才良

（渤海鉆探塔里木鉆井分公司裝備管理科，新疆庫爾勒 841000）①

旋轉導向鉆井系統是由井下閉環變徑穩定器與測量傳輸儀器（MWD／LWD）聯合組成的工具系統，它完全拋開了滑動導向方式，以旋轉導向鉆進方式自動、靈活地調整井斜和方位，大幅提高了鉆井速度、鉆井安全性和軌跡控制精度。分析了旋轉導向鉆井系統的技術特點，介紹了典型旋轉導向鉆井系統的結構組成、工作原理及發展、應用情況。為超深井、高難度定向井、大位移井、水平分支井等特殊工藝井的導向鉆井提供技術支持。

旋轉導向鉆井系統；導向原理；系統結構；技術特點

旋轉導向鉆井技術通過井下旋轉導向工具實現軌跡的控制和鉆進施工，采用MWD實現軌跡幾何導向，采用LWD實現軌跡地質導向。該技術取消了滑動鉆進工作方式，使鉆具在旋轉鉆進的同時實現軌跡的控制，在有效克服地質導向鉆井技術的一些缺陷、提高油藏開發的整體效益、有效避免鉆井風險方面有重要意義［1］。

1 旋轉導向鉆井技術工作原理

旋轉導向鉆井技術主要是利用井下旋轉導向工具在鉆具底部控制鉆具軸線產生偏心效果，從而給鉆頭施加側向力來實現軌跡的旋轉控制［2］。

鉆具在井下產生偏心時的受力分析如圖1所示。下部鉆具AB犆在不受外力的作用下是1條直線，這時施加給鉆具的鉆壓（設為F）全部加在鉆頭上。當在B點因偏心裝置的作用使鉆具產生彎曲時，施加給鉆頭的鉆壓分解為沿鉆具軸向的力Fh和垂直于井壁的側向力Fc。Fh控制鉆頭沿鉆具軸線方向行進，Fc控制鉆頭沿側向方向行進。

式中：α為鉆具因彎曲而產生軸線間的夾角。

當偏心裝置在井下處于不同的位置時，鉆頭受到的側向力方向就不同。通過偏心控制裝置可以將偏心裝置擺放在任意位置，側向力也可控制在井眼垂直剖面360°范圍內的任意方向，從而實現軌跡全方位的控制。

圖1 旋轉導向鉆井鉆頭受力分析

2 旋轉導向鉆井工具

旋轉導向鉆井工具主要包括旋轉導向工具和其他配套工具。根據旋轉導向工具實現鉆具偏心的機理的不同，將旋轉導向工具分為不隨鉆柱旋轉的靜態調節式旋轉導向工具和隨鉆具旋轉的動態調節式旋轉導向工具2種。配套工具包括高性能鉆頭、定向接頭、無磁鉆桿、井下儀器MWD懸掛短節、無磁鉆鋌、短無磁鉆鋌、鉆鋌、短鉆鋌、柔性鉆鋌、加重鉆桿、斜坡鉆桿、井下加力器、震擊器、扶正器、單向閥和其他無磁／非無磁配合接頭等［3-5］。

2.1 動態可調式

動態可調式旋轉導向鉆井工具在轉動過程中，控制可調偏心穩定器翼片在固定的方向輪流伸出，從而給鉆頭施加1個與翼片伸出方向相反的側向力，實現旋轉導向功能。這種旋轉導向工具由于需要鉆具轉動才能使穩定器翼片伸出，故稱為動態可調式旋轉導向工具。

2.1.1 工作原理

動態調節式旋轉導向工具受導向控制裝置的控制。當導向控制裝置控制導向鉆具處于導向工作狀態時，調整導向軸的方向，使導向鉆具處于需要的工作位置。施工時，導向軸控制高壓流體進入高壓腔，由高壓流體為翼片的伸出提供動力，控制閥控制翼片的伸縮，相當于給鉆具施加了1個側向力，從而完成旋轉導向鉆進的任務。當導向控制裝置控制導向鉆具不處于導向工作狀態時，翼片不運動，井下鉆具組合以其自然的工作狀態工作。

動態調節式旋轉導向工具的施工效果是在鉆具的轉動過程中實現的。如果鉆具不運動，則不能實現導向鉆進。

2.1.2 典型動態可調式鉆井系統

SCHLUMBERGER公司的Powerdrive旋轉導向系統是一種動態可調式旋轉導向工具，主要由側向偏置機構和控制機構2部分組成，如圖2所示，側向偏置機構通過翼片伸出，以和井壁接觸時受到井壁反作用的方式給鉆頭施加1個側向力。控制機構通過機械連接方式與側向偏置機構連接，主要功能是控制側向偏置機構對鉆頭產生的側向力的大小和方向，其動力由傳遞轉矩的傳動軸總成提供，渦輪為傳動軸總成提供動力。

圖2 Power drive旋轉導向鉆井系統

控制機構由高壓腔、盤狀控制閥總成、傳遞轉矩的傳動軸總成、齒輪傳動總成、電子線路及近鉆頭井斜傳感器等組件共同組成。

電子線路及近鉆頭井斜傳感器主要是測量旋轉導向工具的狀態及接收地面指令、控制側向偏置機構的工作狀態。當需要旋轉導向工具導向工作時，地面指令通過脈沖泥漿壓力形式傳遞到井下工具，井下工具接收到地面的信號后，自動擺放側向偏置機構所需要設置的位置，并打開高壓控制閥，使高壓腔內充滿高壓泥漿。當井下工具不需要導向工作時，井下工具接收到地面的信號后，關閉高壓控制閥，高壓腔內沒有高壓泥漿，側向偏置機構的3個活塞全部縮回，工具處于自然工作狀態。

高壓腔為側向偏置機構翼片的伸出提供動力，內部的高壓由高壓控制閥控制。當工具處于導向工作狀態時，高壓控制閥打開，里面的高壓泥漿將壓力傳遞到盤狀控制閥總成。

傳動軸總成為轉動旋轉導向工具外殼提供動力，齒輪傳動總成控制旋轉導向工具是轉動還是不轉動。

盤狀控制閥總成由上、下2個圓形盤閥共同組成。盤狀控制閥總成的上盤閥不隨鉆具轉動，其本體上有3個連通的孔，呈120°分布，其中1個為高壓孔，2個為低壓孔。高壓孔的軸線方向就是Power drive旋轉導向工具的高邊位置，它與高壓腔連通，同時低壓孔與井眼環空連通。盤狀控制閥總成的下盤閥隨鉆具一起同步轉動，其本體上也有3個孔，呈120°分布，都是卸壓孔。上、下控制盤在控制閥同軸心中上下放置，上、下控制盤上的孔都是同一軸心距。上、下盤閥的結構如圖3所示。

圖3 盤狀控制閥總成上下盤閥結構

側向偏置機構的核心是3個可伸縮的翼片和控制3個翼片伸縮的活塞。系統處于導向方式工作時，高壓控制閥被打開，高壓泥漿進入高壓腔室，高壓腔室與高壓孔連通。控制閥中的下盤閥與鉆具一起轉動。當下盤閥上的1個孔轉到與高壓孔重疊的狀態時，高壓孔中的高壓流體進入該孔，推動與該孔連通的活塞向外推進，從而將與活塞連接的翼片推出。當該孔轉到與上盤閥的高壓孔連通的同時，下盤閥上的另外2個孔也同時與上控制盤的低壓孔連通，這2個孔內的活塞沒有受到內、外的壓力，在里面彈簧的作用下，帶動翼片縮回。由于上控制盤是不動的，下控制盤上的每一個孔轉動到與上控制盤上的高壓孔同軸時，該下控制盤孔所對應的翼片伸出，其他兩翼片縮回。因此，隨著鉆具的轉動，翼片就在上控制盤高壓孔處輪流固定伸出。

當翼片伸出時，翼片與井壁接觸，相當于給井壁施加了1個外力，根據作用力與反作用力相等的原理，翼片給井壁施加外力的同時，導向工具也受到了大小與該力相等、但方向相反的力，這個力就是翼片伸出時鉆具受到的側向力，其方向與高壓孔的位置正好相反，大小與導向工具控制軸的方向有關。Power drive旋轉導向工具處于導向工作方式時的狀態如圖4所示。

圖4 Power drive旋轉導向工具導向工作狀態

由此，調整高壓孔的位置，鉆頭就可受到1個方向與高壓孔位置相反的力。由于該工具的高邊位置與上盤閥的高壓孔一致，因此翼片伸出的方向與高壓孔的方向相反，翼片施加給井壁的力也與高壓孔的方向相反。根據作用力與反作用力間的相互關系，鉆頭受到的力的方向就與高壓孔的方向一致，即高邊方向就是鉆頭受到的側向力方向。這樣，當調整高壓孔處于高邊位置（0°）時，鉆頭受到的側向力方向向上，此時相當于全力增井斜。當調整高壓孔處于90°時，鉆頭受到的側向力方向指向井眼法面90°方向，此時相當于全力增方位。當調整高壓孔處于180°時，鉆頭受到的側向力方向指向井眼法面180°，此時相當于全力降井斜。當調整高壓孔處于270°時，鉆頭受到的側向力方向指向井眼法面270°，此時相當于全力降方位。

Power drive旋轉導向工具對軌跡的控制是通過由地面向井下工具傳遞泥漿壓力脈沖的形式來控制的，地面計算機監視由地面向井下工具傳遞的脈沖序列，然后顯示出導向工具的新狀態以便地面進一步確認工具的位置是否正確。

2.2 靜態可調式

旋轉導向工具的偏心穩定器固定不動，但可調整其固定方向。鉆具轉動過程中，由于可調偏心穩定器在固定的方向，從而給鉆頭施加固定的側向力，實現旋轉導向功能。鉆具不動偏心穩定器翼片就已伸出，可以控制偏心穩定器的方向，故稱為靜態可調式旋轉導向工具。

2.2.1 工作原理

和動態調節式旋轉導向工具工作原理不同，靜態調節式旋轉導向工具是利用可調偏心扶正器來實現的。可調偏心扶正器是1個可以在地面控制其伸縮及其伸縮量的偏心扶正器，其扶正器偏心塊在鉆具轉動過程中與井壁保持相對穩定。

其工作機理是：在地面通過開泵或加壓等手段，調整可調偏心扶正器各個伸出塊的伸出量，進而改變偏心扶正器的偏心距大小和偏心方位角，從而改變井下鉆具組合的軸向偏心，使鉆頭上的造斜力和方位調整力符合軌跡調整的需要，進而達到導向鉆進的目的。當不需要導向鉆進時，可調偏心扶正器各個伸出塊縮回，井下鉆具組合以其自然的工作狀態工作。

2.2.2 典型靜態可調式鉆井系統

Auto Trak RCLS旋轉導向鉆井系統是由BAKER-HUGHES INTEQ公司和AGIP公司聯合研制成功的閉路旋轉裝置。

Auto Trak RCLS系統是1種靜態可調式旋轉導向工具，它主要由與鉆具一起旋轉的傳動軸和不隨鉆具旋轉的靜態穩定器套組成，如圖5所示。靜態穩定器套包含1個近鉆頭井斜傳感器、隨鉆控制電路以及可由液壓控制的3個翼片。3個翼片是相互獨立的，流經穩定器的高壓流體為翼片伸出或縮回提供動力，各翼片伸出的大小由井下微處理系統根據設計的數據和實時監測的結果來綜合控制，以使各翼片與井壁相互作用，受到井壁的作用力的矢量和指向設計軌跡的前進方向，如圖6所示。當需要穩斜鉆進時，各翼片在控制機構的控制下縮回，不與井壁相互作用，鉆具以其自然的對軌跡的影響力工作。

圖5 Auto Trak RCLS系統結構

圖6 Auto Trak RCLS受力分析

AutoTrak RCLS系統內部微處理器根據實時監測的數據，計算出軌跡沿設計方向行進時各穩定器翼片需要承受的力，確定定向所需要的工具面數據及方向，同時還控制軌跡控制井段的造斜率以符合要求。

實鉆過程中，由于受地層特性和鉆速的影響，非旋轉套會出現一定量的偏移。為了補償該偏移對軌跡控制造成的影響，系統連續監測穩定器套的位置，根據軌跡控制所需要的力及其方向，自動調整各穩定器翼片所受到的力，使鉆具始終受到1個與軌跡控制需要一致的恒定合力。

井下工具和地面之間的雙向通訊通過泥漿來進行。當地面需要向下傳遞信號時，采用負脈沖信號技術，而井下數據向上傳送則采用正脈沖信號技術。

與Auto Trak RCLS系統配套施工的儀器還包括井下探管。井下探管控制井下各組成部分的工具面位置，實現地面和井下之間的雙向通訊。同時該部分還包括施工所需要的定向傳感器和鉆具振動傳感器，同時與近鉆頭井斜傳感器通過超聲波進行通訊。方位傳感器測量軌跡的方向，近鉆頭井斜傳感器在地層剛打開不久就可測量到軌跡近鉆頭處的井斜，三維分布的方位和近鉆頭井斜傳感器一起，共同實現軌跡的精確測量和為控制軌跡所需參數提供依據。振動傳感器測量鉆具的振動情況，由此判斷和控制井下工具安全工作。

Auto Trak RCLS系統可加掛地質導向儀器RNT（The Reservoir Navigation Tool）。RNT系統包括1個多級電阻率傳感器MPR（Multiple Propagation Resistivity）和方位伽瑪傳感器GR（Dual Azimuthal Gamma Ray）。采用雙頻發射雙接收器設計技術，RNT可以測量4種補償電阻率曲線，可在各種變化不定的條件下精確測量地層的真實電阻率。400 k Hz的電磁波可以探測地層深層的測量數據，2 MHz的電磁波可以提高地層的分辨率。在水平段施工，400 k Hz的電磁波可以準確分辨地層邊界，精確測量高達5.5 m深的地層電阻率，實鉆過程中可以提前75 m探測到地層的邊界，從而精確控制軌跡在產層中穿行。

常用的Auto Trak RCLS旋轉導向系統鉆具組合如圖7。

圖7 常用的AutoTrak RCLS旋轉導向系統鉆具組合

3 技術特點

1） 采用旋轉導向鉆井技術施工，由于取消了井下馬達操作，井下鉆具一直處于旋轉狀態，因此對鉆具組合性能的選擇尤為重要。

2） 施工時，應根據地層對軌跡的影響力、軌跡走向合理選擇下井鉆具組合，以充分利用地層的自然增、降斜能力，避免長時間使用旋轉導向工具施工。

3） 施工過程中，當需要對軌跡進行調整時，只需要在地面通過向鉆具加壓、往復開泵或加壓、開泵組合來調整旋轉導向工具的狀態，使鉆具在轉動狀態下能達到所需要的軌跡控制的效果。

4 結論

1） 旋轉導向鉆井技術取消了井下馬達，其對軌跡的控制主要是通過調節旋轉導向工具的狀態，從而使鉆具在連續轉動時產生不同效果的側向力來完成的。因此，避免了由于鉆柱彈性變形而造成的工具面控制問題和井下鉆具所受摩阻大的問題，井眼扭曲程度得到控制，使鉆井施工對井深的限制得到解決。

2） 由于井下鉆具采用穩定器結構，且鉆具連續轉動，井下鉆具和井壁間的接觸面積減少，井眼清洗效果得到改善，避免了鉆井施工過程中常發生的粘附卡鉆、砂橋卡鉆等鉆井事故，有效避免了鉆井施工的風險。

3） 鉆具轉動，使得鉆壓控制更容易；摩阻減少，軌跡平滑，使得軌跡能最大限度的向前延伸，并可使完井作業和測井作業變得更加容易。

4） 采用旋轉地質導向鉆井技術，在提高軌跡穿越油層效率的同時，超長水平段能使單井施工的效益得到大幅度提高，并可有效減少油藏開發所須的油井數量、降低油藏整體開發費用。

5） 旋轉導向鉆井技術現已進入了現場試驗階段并取得了良好的效果，它能克服滑動導向工具施工中存在的諸多缺陷，能提高鉆井速度、降低鉆進時的摩阻和轉矩、高精度地控制井身軌跡，是大幅度提高鉆井工作能力的有效技術，必將成為未來導向鉆井技術的主流。

［1］ 孫銘新.旋轉導向鉆井技術［M］.東營：中國石油大學出版社，2009.

［2］ 雷靜，楊甘生，梁濤，等.國內外旋轉導向鉆井系統導向原理［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2012（9）：53-58.

［3］ 付天明.Geo-Pilot旋轉導向系統發展與應用研究［J］.石油礦場機械，2014，43（5）：77-80.

［4］ 王鵬，唐雪平，洪迪峰.旋轉導向鉆井工具3D參數化虛擬樣機設計［J］.石油礦場機械，2013，42（6）：27-30.

［5］ 趙金海，唐代緒，朱全塔，等.國外典型的旋轉導向鉆井系統［J］.國外油田工程，2002（11）：33-36.

Application Study on Rotary Steering Drilling Technology and Its Drilling Tools

rotary oriented drilling system；orient principle；system structure；technical feature

TE921

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.019

1001-3482（2014）09-0069-05

2014-03-25

李才良（1979-），男，四川瀘縣人，工程師，主要從事鉆井裝備技術及管理工作。

Abstract：The rotary steerable drilling system is the combined one consisting of down-hole closeloop radial adjustable stabilizers and MWD／LWD，which totally put the slide steering system but based on rotary guided drilling，automatically and flexibly adjusting inclination and azimuth，greatly increasing drilling speed，safety and the precision of trajectory control.Its technical feature is analyzed and structure，working principle and tendency and application are introduced.It provides the technical assistance to super deep well，directive well drilling，highly displacement drilling，horizontal branch well.