环保新型旋转导向钻井技术的应用与发展

清洗世界Cleaning World 第35卷第3期2019年3月
环,尿节能
文章编号:1671-8909(2019)3-0062-002
环保新型旋转导向钻井技术的应用与发展
冉琳娜，高嗣土，尹福来，程礼林
(西安石油大学，陕西西安710065)
摘要：本文着重分析研究了当前我国石油鮎井工程的现状，介绍了环保新型旋转导向钻井系统的组成及工作原理、技术特点、现有钻井系统的分类简介及应用，并对旋转导向钻井的发展前景做了进一步的预测。

关键词：旋转导向钻井技术；可持续钻井；应用；可持续发展；节能
中图分类号:TE243文献标识码：A
0引言
随着我国地质行业的不断深入发展，石油工业也在不断地深入挖掘中，但同时，伴随着大量不节制的开釆，地表石油资源也出现了枯竭的情况。

目前，国内外都在探明地下石油储藏，不过因这些石油所在位置较为复杂，大多是海洋、沙漠等地，为了开发这些复杂地质的油田，陆续出现了水平大位移井、三维多目标井、高难度定向井等复杂井，这些复杂井使得所用的钻孔工具也越来越复杂，因而研究新型的钻井工具也受到钻孔人员越来越多的关注。

旋转导向钻井工具与国内目前滑动钻进的定向钻井相比较，有着更加优良的性能与功能，不仅能对固定的方向进行钻进，并且还可以将滑动功能与旋转功能同步进行，可以更加精确控制运行的轨迹，并且可以有效将井下各类复杂情况进行消除，大大增强了钻进的效果和能力。

1旋转导向技术简介
旋转导向系统(RSS)指的是在进行钻进的过程中，钻柱能够随钻同步完成导向功能的一种钻井系统，是近些年来我国定向钻井技术领域兴起并广泛应用的新型技术系统。

RSS的最大优势在于成本低廉、钻速极快，并且RSS还可以进行有效调控、井眼轨迹相对平滑，可以说该技术是未来我国钻井领域的主流技术方向。

其中，该系统配备了比特稳定系统，使用时，钻头极易产生倾斜，并且在偏心环的作用下，也能够有效地将钻头沿着中心轴线移动。

在钻井的过程中，钻头的倾斜度是保持固定的，这就解决了钻头倾斜的问题。

旋转导向钻井技术可以传输钻井压力信息，从而解决操作安全问题。

2旋转导向技术的工作原理
旋转导向钻井技术通过井下旋转导向工具，直接控制钻井，使得钻井工具在轴上产生偏心，从而能够做到将侧向力施加到钻头，对轨迹实现旋转控制。

对于下部钻具，在不受作用时的前进轨迹为直线，给钻头施加大小为F的钻力。

此时，在偏心装置的作用下，某一点会发生弯曲，与轴线的形成a角度，施加到钻头的钻压就会被分解为两个方向的钻压：
侧向垂直井壁力F x=Fcosa
沿钻具轴向力F2=Fsina
钻头受到的侧向力与偏心装置所处的井下位置有关，根据其位置不同而侧向力不同。

在偏心控制装置作用下，偏心装置的摆放位置能随意调整，通过井眼垂直剖面的360°范围，能够从任何方向上控制横向力以控制所有方向上的轨迹。

3旋转导向技术的特点
3.1简化装置，提高控制效果
在旋转导向钻井技术的应用中，考虑到在井下，钻具能长时间旋转，无需在井中设置电机，所以，只要优化钻井组合性能，紧密结合地层自然减斜增斜能力的现实情况，当组合旋转有效完成后，在轨迹方向和地层对轨迹的影响之间进行系统综合的选择。

但由于一般的旋转导向工具不能够长时间保持工作状态，在旋转导向工具状态调整时，地面釆用启动泵、往复泵和加压，通过钻具加压组件等地面操作，及时调整和控制轨迹，在钻
作者简介：冉琳娜(1994-),女，学历：硕士在读，研究方向：智能导向钻具。

收稿日期:2019-03—20。

第35卷冉琳娜等.环保新型旋转导向钻井技术的应用与发展•63•
具转换中可以获得良好的控制效果。

3.2解决技术难题，促进钻压的控制。

由于旋转转向钻井技术在实践中应用，井下马达不需要控制井眼轨迹，仅需要调整旋转引导工具的状态，从而为组合式塑料旋转钻井工具的操作提供侧向力，避免了井下钻井工具摩擦阻力增大和钻柱弹性变形导致的工具表面难以控制的技术问题，更好地控制了井眼变形程度，促进了传统井深限制问题的处理。

4旋转导向钻具的分类
4.1静态偏置指向式钻具
钻具的钻头直接与钻柱连接，钻头依靠钻柱在钻头上传递扭矩和重量。

当导向时，偏心机构在钻柱上施加偏压力，以使钻柱倾斜，类似于杠杆，并且钻头沿相反方向倾斜。

国内对定向旋转制导的研究大多保持这种形式。

这种类型的钻柱受到弯曲引起的交变应力，容易引起疲劳损坏并影响其使用寿命。

4.2动态偏置指向式钻具
钻头通过旋转外套传递扭矩和钻压，这种形式中，钻头与钻柱并未连为一体，而是依靠推力轴承使钻轴(变异万向轴)与旋转外套联接。

力由旋转外套传递到万向轴上。

导向机构在变异万向轴的上端施加导向力，避免了钻柱产生弯曲应力。

导向机构由马达驱动，事先通过偏心环调整一个钻角，需要保持这个钻角钻进时，马达就以外套相反的方向，相等的转速转动偏心块，从而使钻轴相对大地静止。

当需要垂直钻孔时，马达以不同于外套筒的转速驱动偏心块，使得钻杆成圆锥形摆动以钻出略大于钻头直径的直孔部分。

4.3双偏心动态可调指向转向工具
在该形式中，依然是由旋转外套传递扭矩和钻压，采用了双偏心偏置机构。

它可以实现从0°到最大值的摆角之间的任何角度。

当需要垂直钻孔时，调整两个偏心块以抵消偏心位移。

当要实现最大角度钻孔时，调整两个偏心块以叠加两个偏心位移。

此时，驱动电机的速度必须与旋转套筒的速度相同，并且必须反转方向。

5旋转导向钻具的应用
旋转导向钻井技术起源于20世纪后期。

当时，欧洲公司是该技术领域的领头人，其中旋转转向钻井技术最成功的系统是美国贝克休斯公司的AutoTrak系统和法国斯伦贝谢公司的PowerDrive系统。

21世纪以来,中国逐渐开始研究旋转定向钻井技术并得到了不小的收获。

旋转导向钻井技术在中国的应用主要体现在以下三个方面的成功：第一，地下矿山测量和控制方法取得了很大进展；其次，在独立设计开始时，预期的目标设定与技术研究的总体规划都给设计打下了非常良好的基础，这也让中国的旋转导向钻井技术得到了很大的收获。

另外，中国的轨道控制和测量技术已经达到了世界先进水平；第三，在旋转转向钻井技术中，偏心稳定器设备研究也取得了重大突破。

中国的旋转导向钻井技术基于钻孔测绘数据，并与用于测量环形压力、扭矩、钻头重量等的设备相连，通过信号通道。

此外，旋转导向钻井技术能够监测井眼实时轨迹数据，并通过相关信息渠道把这些数据系统相结合，让特定的钻井参数信息传递到地面的工作人员，方便安全高效地完成石油钻井工作。

6研发前景
未来关于新型旋转导向钻井工具的主要发展会集中于如下的方向：尽可能改造并完善钻井工具系统的结构力学，并构建出三维力学模型，有限元分析及振动模态分析对井工具控制轴的强度和刚度。

就现有旋转导向钻具而言，其造斜率比较低，可实现疏松地层的应用，在石油资源日益匮乏的今天，更快、更高效的开采石油必然是一个趋势，结构优化设计、高造斜率、高时效、高机械转速肯定是另一个选择。

决定钻井成败的关键因素就是钻头技术。

优质的、与钻井工具配对的钻头也是非常重要的，钻头的设计能影响导向能力，锋利侧向切削能力的钻头一般配置在推靠式旋转导向系统上，来帮助系统达到高造斜率，而不锋利、长侧向保径钻头配置在指向式旋转导向系统上，通常据此对方向进行逐步稳定。

在我国当前渤海领域的钻进作业方面，自主研发的随钻测井系统、旋转导向系统两项系统技术联合作业，在深达数千米的岩石中钻进，从而发现油气资源。

该技术的革命标志着全国钻井技术的最高水平，从而使得我国逐渐成为全球拥有这方面技术的少数国家之一。

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