国内外七大公司旋转导向技术盘点

【技术】塔里木深井旋转地质导向钻井技术文/张程光吴千里王孝亮吕宁，中国石油钻井工程技术研究院中国石油塔里木油田公司中国石化石油工程公司胜利分公司引言对于埋藏深、地质构造复杂的油藏，应用弯壳体导向螺杆钻具通常无法有效引导井身轨迹准确达到或穿越储集层，而旋转地质导向钻井因其技术优势被越来越广泛地应用，目前已成为一项主流技术。

近年来全球范围内的地质导向与旋转导向服务井数快速增长：以斯伦贝谢公司为例，地质导向作业井由2006年的近300 口上升至2009 年的700 口，旋转导向系统进尺则从2006 年的5 898 km 提高至2011 年的19 740km；2004—2010 年在国内各种复杂、难动用油气藏应用地质导向技术的水平井超过345 口。

塔里木油田某区块的薄砂层油层埋藏深、厚度小，且构造边缘横向发育不稳定。

为了更高效地开发该类油层，引入旋转地质导向技术，并通过不断摸索试验使该技术更好地适应区块地层条件，确保井眼轨迹始终处于油层中最佳位置。

1 塔里木油田深井薄油层钻井技术难点及对策①的层埋藏深、厚度薄。

目的层垂深超过5 000m，完钻井深5 500～6 000 m，采用传统滑动钻进方式会因井深增加造成摩阻扭矩的增加，对MWD（随钻测量）信号传输的要求也会提高；目的层为两套砂岩，油层薄，厚度仅为1～2 m。

为获得较好的开发效果，需采用双台阶水平井钻井。

旋转地质导向钻井技术的旋转钻进方式有利于岩屑运移和井眼清洁，能降低摩阻，从而提高水平井段延伸能力。

②裸眼井段长、岩性变化大。

二开裸眼井段长达5 000 m 左右，易出现托压和黏卡现象，渗漏层和垮塌层均处于同一井眼内，地层砂泥岩互层多，钻时不均匀，地层研磨性强。

因此，需控制合适的钻井液黏度和切力、根据导向工具的作业特点选择钻头型号，同时在旋转钻进的基础上加强短程起下钻协助带砂。

③构造边缘储集层横向展布不均、地层对比困难。

油藏构造边缘的砂体发育不稳定、地层倾角变化大，地层对比困难，增加了着陆位置判断和油层追踪的难度。

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。

旋转导向技术在水平井中的应用引言水平井是一种特殊的油井，其在储层中以水平方向延伸。

水平井的应用可以在提高油气开采效率的同时减少地面环境破坏，因此在近年来得到了广泛的应用。

而旋转导向技术则是一种主要用于定位井眼的技术，可以精准控制井眼的方向和位置。

本文将介绍旋转导向技术在水平井中的应用，包括其原理、优势以及一些在实际开采中的应用案例。

1. 旋转导向技术的原理旋转导向技术是一种通过旋转钻头来改变井眼方向的技术。

其基本原理是通过钻具的旋转使得井眼在地下钻进过程中呈现一定的方向变化。

具体来说，当钻头在钻进过程中旋转时，由于地下的阻力和摩擦力的作用，井眼会随着钻头的旋转而呈现出一定的曲线方向。

通过精确控制钻头的旋转速度和方向，可以实现对井眼的定向控制，从而在地下形成水平井。

2. 旋转导向技术在水平井中的优势相较于传统的直井钻探技术，旋转导向技术有许多显著的优势。

通过旋转导向技术可以实现对井眼的精准控制，可以在地下形成水平井或者其它特定形状的井眼，这有利于提高油气开采的效率。

由于水平井可以在地下更充分地开采储层资源，相较于传统的直井可以获得更高的产量。

采用旋转导向技术可以减小对地表的环境破坏，有利于保护地表的生态环境。

由于水平井可以更加精准地控制油气开采的方向，可以减少油气开采对地下水和环境的影响，有利于保护地下水资源。

旋转导向技术在水平井中的应用具有显著的优势，有利于提高油气开采的效率和保护地下水资源和环境。

3. 旋转导向技术在水平井中的应用案例在实际的油气开采中，旋转导向技术已经得到了广泛的应用，并取得了良好的效果。

以下将介绍一些旋转导向技术在水平井中的应用案例。

案例一：某油田采用旋转导向技术在水平井中进行油气采收，通过旋转导向技术在储层中开发出一条水平井，实现了对储层资源的充分开采并取得了显著的经济效益。

案例二：某地区的油气开采公司在水平井的开采中采用了旋转导向技术，通过对井眼的精确控制实现了对储层资源的高效开采并减小了对地表环境的影响，同时保护了地下水资源。

导向钻井技术（胜利钻井工程技术公司周跃云）基本概念在定向井、水平井钻井中，为了使井眼轨迹得到合理的控制，世界各国相继开发研究了各种相应的技术，这些技术大致可分为两方面：一是预测技术，一是导向技术。

预测技术是根据力学和数学理论，对影响井眼轨迹的各种因素进行分析研究，从而预测各种钻具组合可能达到的预期效果。

但目前的预测技术水平远远低于所要求的指标。

鉴于此，导向技术应运而生。

导向技术是根据实时测量的结果，井下实时调整井眼轨迹。

井下导向钻井技术是连续控制井眼轨迹的综合性技术，它主要包括先进的钻头（一般为PDC钻头）、井下导向工具、随钻测量技术（MWD、LWD等）以及计算机技术为基础的井眼轨迹控制技术,其主要特点是井眼轨迹的随钻测量、实时调整。

导向钻井技术是随油藏地质的要求和钻井采油地面条件的限制而逐步发展起来的。

在这种技术中，井下导向钻井工具处于核心地位，它决定导向钻井系统的技术水平，导向技术则是导向钻井系统的关键技术。

一、导向钻井的工具和仪器定向井技术的进步与定向井工具和仪器的发展是相辅相成的，是密不可分的。

定向井钻井实践的需要，设计开发了专门用于定向井的工具和仪器，并在钻井实践中得到完善和提高；随着定向井工具和仪器的发展，极大地推动了定向井工艺技术水平的进步；而工艺技术的进步，对定向井工具仪器又提出了更新更高的要求。

胜利油田以及我国定向井发展的历程，充分地说明了这一辩证关系。

1.1 导向工具的主要类型随着定向井、水平井和大位移延伸井的日益增多，各种相应的井下工具相继出现，如弯接头，变壳体马达，各种稳定器等。

对这些工具一般要分为两大类：一为滑动式导向工具，二为旋转式导向工具。

两者的主要区别在于导向作业时，上部钻柱是否转动，若不转动，则为滑动式导向工具，否者为旋转式导向工具。

1.1.1 滑动式导向工具滑动式导向工具在导向作业时，转盘停止转动并被锁住，只有井底马达作业。

调整好工具面，钻进一段时间后，再开动转盘，使整体钻柱旋转，以减少摩阻及改善井眼清洗程度，随后再根据需要进行定向作业。

Value Engineering 0引言元坝气田是中国石化天然气增储上产的一个重要勘探开发区域，为我国埋藏最深的大型海相气田。

为加快元坝气田开发力度，开发方案以钻水平井为主，实现在储层中更多钻进以保证单井产能最大化。

元坝超深水平井设计造斜点在6400m 左右，完钻井深8000m 左右，采用常规滑动定向存在到轨迹控制难度大，施工摩阻、扭矩大，施工泵压高等钻井难题。

为确保元坝超深水平井的顺利实施，采用了贝克休斯的旋转导向钻井技术。

旋转导向钻井技术是20世纪90年代初期发展起来的一项钻井新技术，可以实现井眼轨迹的连续控制，代表了钻井技术发展的最高水平。

与传统的滑动导向钻井相比，旋转导向钻井技术由于井下工具一直在旋转状态下工作，因此井眼净化效果更好，井身轨迹控制精度更高，位移延伸能力更强。

在国外和中国海上油田开发中，旋转地质自动导向钻井技术得到了广泛应用，取得了良好的经济效益。

1旋转导向钻井系统组成及工作原理1.1系统组成旋转导向钻井技术包括地面监控系统、井下旋转导向钻井工具系统和随钻测量系统。

地面监控系统用来完成旋转（地质）导向二维建模、定向井水平井剖面设计或修正设计、底部钻具组合受力分析、井下信号解释处理、井眼轨迹参数计算等工作。

井下旋转导向钻井工具系统包括导向装置、双向通讯和动力模块、无磁模块稳定器等等井下工具。

随钻测量系统包括传感器模块、优化旋转密度仪和动态与压力模块等随钻地质特性和钻具特性测量工具。

旋转导向钻具组合主要由导向装置、传感器模块、双向通讯和动力模块、模块马达以及其他配套工具组成。

1.2工作原理导向装置（Steering Unit ）：导向装置造斜率的大小与每个造斜肋块在单位进尺中的伸缩次数无关。

在导向造斜模式下，液压系统可以对导向装置提供7500个动力矢量，使其按照给定工具面和给定动力进行导向钻进，而且，可以随时通过下传指令重新定向。

———————————————————————作者简介：崔庆东（1962-），男，云南宣威人，工程师，研究方向为钻井工程作业安全。

25旋转导向钻井系统（简称RSS）是指在钻具不停的旋转工况下，能够随时完成对井眼轨迹的调整。

由于旋转导向钻井技术能够很好的解决摩阻扭矩、井眼净化、位移延伸、轨迹控制等难点，所以，被称为钻井工业的一场革命创新。

上个世纪90年代，国际上多家石油服务公司分别研制了各自的旋转导向钻井系统。

目前，已经技术成熟并进行商业化应用的石油技术服务公司主要有：斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克、威德福等。

一、旋转导向钻井系统简介1.旋转导向钻井系统构成旋转导向钻井系统的组成如下图1所示。

其主要有图中所标注的四部分组成即地面监控系统、双向通讯系统、随钻测量系统、井下导向工具。

其中井下导向工具是旋转导向钻井系统的最重要组成部分，也是技术上的难点和核心。

旋转导向钻井系统的最主要特点是：旋转导向、实时监控、双向通讯等。

图1　旋转导向钻井系统组成示意图2.旋转导向钻井系统分类旋转导向钻井系统依据导向方式和原理可分为两种：推靠式和指向式。

这两种方式的工作机理都是依靠其各自的偏置机构偏置钻头或钻具，产生导向作用。

其中偏置机构依据工作方式划分为静态式和动态式。

静态偏置式是井下导向工具在旋转钻进中不与钻具一起旋转，而是稳定在某一设计方向上提供导向力；动态偏置式是井下导向工具在旋转钻进中与钻具一起旋转，导向工具在旋转时定时支出向某一设定方向提供导向力。

相对比而言，指向式系统具有造斜能力强、应用范围广等优势，能够满足各种复杂情况。

二、国外最新的旋转导向系统1.斯伦贝谢公司的PowerDrive系统斯伦贝谢初始的PowerDrive系统是全旋转导向，其井下导向工具具有三个支撑导向棱块。

当井下工具开始工作后，地面监控系统通过双向通讯系统向导向工具发送指令需要在某个方向导向时，导向工具每旋转一周三个导向棱块都在该方向的相反方向伸出一次，顶向井壁产生支撑力，使钻头偏向所需固定方向，导向棱块转离该方向后自动收回。

斯伦贝谢公司由最初研发的PowerDrive系列工具，后续发展了指向式的PowerDrive Xceed系列旋转导向工具，近期该公司又发布了新型高造斜率的指向式旋转导向工具（PowerDrive Archer）。

旋转导向钻井系统发展概述旋转导向钻井系统（Rotary Steerable Systems，RSS）是一种钻井技术，通过在钻井过程中不依靠旋转钻头，而是通过推动钻井工具本身的方式来实现钻进方向的调整。

旋转导向钻井系统的发展历程可以分为以下几个阶段。

第一阶段是早期试验阶段。

20世纪初，人们开始尝试使用下铣头来改变钻井方向。

然而，由于技术限制和钻井工具的不稳定性，这种尝试并没有得到广泛应用。

20世纪50年代，美国科罗拉多州的一家石油公司开始使用一个旋转导向钻头，成功地用于在海上进行导向钻井。

这是旋转导向钻井系统的雏形。

第二阶段是旋转导向钻井系统的商业化阶段。

20世纪80年代和90年代，随着石油行业的发展，对更高效、更准确的钻井技术的需求不断增加。

为了满足这一需求，多家公司开始研发和推出旋转导向钻井系统。

这些系统通过在钻井过程中控制钻具的导向来实现钻井方向的调整，从而提高了钻井效率和准确性。

第三阶段是技术的不断进步阶段。

随着对旋转导向钻井系统的需求不断增加，各个公司积极投入研发工作，不断改进旋转导向钻井系统的性能和可靠性。

例如，改进了钻井工具的设计和材料，提高了系统的可靠性和耐用性；开发了新的导向控制技术，提高了钻井方向的准确性；引入了新的测井技术，提供了更多的钻井参数和地层信息。

这些技术的不断改进和创新，使得旋转导向钻井系统在石油勘探和开采中得到了广泛应用。

第四阶段是多元化应用阶段。

旋转导向钻井系统不仅可以用于传统的油气勘探和开采，还可以应用于其他领域。

例如，可以用于地下水勘探和开采、地热能开发等。

此外，由于旋转导向钻井系统可以准确控制钻井方向，使得更高质量的水井和地下基础工程可以得到更好的施工和管理。

总结来看，旋转导向钻井系统经历了试验、商业化、技术进步和多元化应用等阶段的发展。

随着技术的不断进步和应用范围的扩大，旋转导向钻井系统将在石油和其他领域中发挥更重要的作用。

152旋转导向钻井技术是在井下旋转导向工具作用下控制轨迹和实施钻进，其轨迹几何导向和轨迹地质导向分别通过MWD和LWD实现。

该技术不再采取滑动钻进方式，在旋转钻进的过程中也能实时控制轨迹，相对于地质导向钻井技术，有着更低的风险、更高的整体效益，也避免了一些缺陷，在油气资源开发中具有重要意义。

1 旋转导向钻井技术工作原理旋转导向钻井技术是在井下旋转导向工具的作用下对钻井进行控制，使钻具产生轴线偏心，以此来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，将大小为F 的钻压施加到钻头。

偏心装置的作用下在某一点发生弯曲，与轴线的角度为α，施加到钻头的钻压就会分解为两个方向钻压，垂直井壁的侧向力࡯ ൌ Ƚ沿钻具轴向的力࡯ ൌ Ƚ钻头受到的侧向力会随着偏心装置所处的井下位置不同而不同。

在偏心控制装置作用下，能随意调整偏心装置的摆放位置，在井眼垂直剖面的360º范围内，侧向力可以实现任意方向的控制，以此来全方位控制轨迹。

2 旋转导向钻井工具该技术所涉及的工具主要是旋转导向工具，其他还包括对应的配套工具等。

根据实现钻具偏心机理的区别可将旋转导向工具分为两类：动态调节式旋转导向工具和静态调节式旋转导向工具，动态调节式会随钻具旋转，静态调节式则不会随钻柱旋转。

配套工具主要包括扶正器、高性能钻头、震击器、定向接头、井下加力器、加重钻杆、无磁钻杆、柔性钻铤、短钻铤、钻铤、短无磁钻铤、井下仪器MWD悬挂短节、单向阀等。

2.1 动态可调式动态可调式旋转导向工具要在转动的钻具作用下才能伸处稳定器翼片。

导向控制装置可对动态调节式旋转导向工具实现控制。

在导向控制装置的作用下使钻具工作状态为导向工作时，对导向轴的方向进行调整，可将钻具导向既定的工位。

施工过程中，高压流体在导向轴的控制下流进高压腔，作为动力来伸出翼片，翼片的伸缩通过控制阀来控制，类似于将一个侧向力施加到钻具上，以此来达到旋转导向钻进目的。