旋轉導向鉆井技術發(fā)展現(xiàn)狀綜述傳統(tǒng)的定向鉆井主要采用采用井下馬達的定向鉆井工具，依靠彎頭和泥漿馬達實現(xiàn)井眼軌跡控制。這些工具工作性能差，操作復雜，大量滑動鉆進，存在井下事故風險。這些工具主要有以下缺點和弱點。（1）滑動鉆井發(fā)生在使用井下馬達進行導向的過程中。在滑動鉆進中，鉆柱比旋轉鉆進彎曲更大，井壁與鉆柱之間存在較大的軸向摩擦，使鉆重難以施加到鉆頭上。在大位移井和水平井中，這種情況更為嚴重，在極端情況下會導致管柱屈服，它限制了水平井和大斜度井的深度[1]。（2）從地面對井下馬達進行方位校正、旋轉摩擦、鉆頭扭矩和鉆桿扭轉彈性變形都阻礙了工具面控制。這影響了水平井和大斜度井中井下馬達的使用。（3）在導向鉆井中，管柱的扭轉彈性變形會導致工具面角度不穩(wěn)定，導致井眼軌跡變形，從而進一步增加管柱上的摩擦力，限制了鉆井深度。（4）與旋轉鉆進相比，滑動鉆進使切削困難，限制了機械鉆速和可鉆深度。（5）滑動鉆井的機械鉆速比旋轉鉆井低。井下電機高速運行，降低了鉆頭和井下電機的使用壽命，增加了起下鉆次數(shù)。同時，使用井下馬達通常會導致鉆頭卡鉆。（6）滑動鉆井和旋轉鉆井之間的多次轉換可能產(chǎn)生較大的井眼狗腿，隨著井斜曲率的增加，狗腿也會增加[2]。旋轉導向技術是在傳統(tǒng)定向鉆井基礎上發(fā)展起來的自動化、智能化鉆井技術的重要技術進步，是目前石油鉆井的主導方法。它具有以下特點:綜合鉆井、電測井、信息采集、傳輸和控制技術;從地面人工控制到井下全自動閉環(huán)控制，從地面間歇信息采集到井下直接連續(xù)信息采集。它能夠在鉆井時及時識別油氣藏，并盡可能多地鉆進油氣藏，以提高單井產(chǎn)量。許多國家在水平井、大位移井、大斜度井和三維多目標井中采用RSS技術，提高了鉆井速度，減少了事故，降低了鉆井成本。由于這項技術，管柱可以以較小的摩擦力連續(xù)旋轉，從而實現(xiàn)更長的水平位移和更高的延伸能力。清孔降低了卡鉆風險，調整了工具面，不起下鉆，提高了鉆井效率。鉆井軌跡的及時調整提高了控制精度，在滿足鉆井在地質目標上落地的需要的同時，提高了鉆速。旋轉導向系統(tǒng)已投入工業(yè)化應用，極大地促進了鉆井技術和油田開發(fā)建設。在目前的旋轉導向鉆井技術中，貝克休斯的AutoTrak、斯倫貝謝的PowerDrive和哈里伯頓的Geopilot是最具代表性的主流技術。（1）貝克休斯自動軌跡旋轉導向鉆井工具的主要特點貝克休斯自動跟蹤旋轉導向鉆井系統(tǒng)[3]是一個閉環(huán)鉆井系統(tǒng)。InteqAutotrakRCLS是一種推入式RSS。AutotrakRCLSRSS如圖1.1所示。圖1.1AutotrakRCLS井下導向工具系統(tǒng)結構Autotrack井下導向工具系統(tǒng)主要由一個非旋轉套筒和一個旋轉傳動軸組成。非旋轉套筒通過上、下軸承為旋轉傳動軸提供旋轉支撐。旋轉傳動軸的頂部和底部分別有鉆柱和鉆頭，起著傳遞鉆壓、扭矩和鉆井液的作用。非旋轉套筒配有井下CPU、測量控制、液壓系統(tǒng)和偏置執(zhí)行器。該系統(tǒng)的轉向原理如圖1.2所示。該工具具有獨特的不旋轉套筒和偏置機構，與鉆頭的旋轉傳動軸相比幾乎不旋轉；因此，在旋轉鉆井中，這種非旋轉滑套可以相對靜止，以確保鉆頭向特定方向移動。圖1.2Autotrak旋轉導向工具工作原理當三根沿圓周方向均勻分布的翼肋分別以不同的液壓支承在側壁上時，可阻止不旋轉套管隨管柱旋轉；同時，來自井壁的反作用力將在井下偏壓導向工具上產(chǎn)生偏壓合力。通過控制這三個轉向筋的輸出液壓的大小，可以控制偏置力的大小和方向來控制導向鉆進。液壓強度由井下CPU控制井下控制系統(tǒng)進行調節(jié)。在井下CPU進入井內之前，為其預置井眼軌跡數(shù)據(jù)。將隨鉆測量（MWD）井眼軌跡信息上傳至地面監(jiān)控中心與設計數(shù)據(jù)進行對比，實現(xiàn)對液壓的閉環(huán)控制。從地面調節(jié)設計參數(shù)，控制液壓，實現(xiàn)導向鉆進。非旋轉套筒以不同的鉆壓或速度旋轉，每半小時旋轉2到3次。為此，設置了電子探測器，隨時測量非旋轉套筒的相對位置。隨后運行井下CPU以調整每個活塞內部的壓力。當不旋轉的滑套轉動時，液壓轉向力也會相應調整，保證導向力的大小和方向不受影響，鉆頭沿指定方向前進。在鉆井過程中，該系統(tǒng)可設置為兩種鉆井模式。1）保持模式。在這種模式下，井眼軌跡保持一定的井斜角和方位角。在井下CPU中設置三個參數(shù)；角度建立/下降力、方位變化力和傾角/方位角。如果井眼軌跡偏離預設的傾角或方位角，井下CPU將使用設置的造角力對井眼軌跡進行校正，直到恢復預設的傾角和方位角。造角力和變方位力的設置主要是為了控制井筒拐彎。在保持模式下，可以同時施加角度建立力和方位改變力。2）導向造斜模式。這種鉆進方式類似于使用導向電機的滑動鉆進方式，可以控制井眼軌跡。必須設置轉向肋產(chǎn)生的合力矢量的大小和方向參數(shù)。所述方向相當于彎殼電機的刀面角度；大小用來控制井眼軌跡的變化率。與導向電機相比，該旋轉導向工具可以更精確地控制井眼軌跡，狗腿、井斜、方位、鉆頭側向力通過閉環(huán)系統(tǒng)連續(xù)控制。（2）斯倫貝謝動力驅動RSS的主要特點斯倫貝謝PowerDriver[4]為動態(tài)推靠式RSS。PowerDriverRSS如圖1.3所示。圖1.3動力驅動旋轉導向鉆井系統(tǒng)結構動力驅動器由穩(wěn)定平臺和輸出肋組成，控制部分和控制機構組成。其導向原理與貝克休斯AutotrakRCLS導向鉆井工具類似[5]，利用導向塊與井壁之間的相互作用產(chǎn)生導向力，但結構不同。其控制單元、旋轉換向閥和測量機構位于管柱中間，可以保持相對靜止。旋轉換向閥可以旋轉到任意位置，這是轉向原理。PowerDriverSRD的轉向原理如圖1.4所示。圖1.4動力驅動SRD轉向原理該工具具有自穩(wěn)定鉆井液動力和密封控制裝置。通過旋轉來觀察和控制穩(wěn)定平臺，同時調整井眼方向。當需要在一個方向上轉向時，在圓周方向上均勻分布的三個導向塊中的每一個都隨管柱旋轉。在控制系統(tǒng)施加的液壓作用下，它們每轉一圈可向該方向伸出一次。這會通過推動側壁產(chǎn)生轉向力。這會動態(tài)地在鉆頭上產(chǎn)生一個側向力，使其遠離該方向，從而改變鉆頭的傾角和方位角。改變方向后，導塊自動縮回。動力驅動方向控制系統(tǒng)包括穩(wěn)定平臺、液壓盤閥機構和導向塊。穩(wěn)定平臺通過支撐軸承位于刀具中心，并可自由旋轉。通過一個接頭連接到一個液壓盤閥，方向由內部傳感器監(jiān)控。在穩(wěn)定平臺的上下端各安裝一臺永磁渦輪發(fā)電機，為傳感器和控制電路供電。永磁體嵌入渦輪轉子的內腔中。電機線圈隨穩(wěn)定平臺旋轉。上渦輪逆時針旋轉，下渦輪順時針旋轉。當有回路電流流過汽輪發(fā)電機時，上、下水輪機分別作用于穩(wěn)定平臺上的逆時針和順時針電磁轉矩。通過將內部傳感器測得的方向與控制系統(tǒng)存儲單元中存儲的所需方向進行比較，可以得出結論：穩(wěn)定平臺的旋轉可通過調整發(fā)電機負載控制信號和上下水輪機的轉矩差來控制。通過支承軸承傳遞的旋轉鉆孔主軸產(chǎn)生的逆時針扭矩以及偏置裝置中產(chǎn)生的閥瓣摩擦力矩，可通過調節(jié)發(fā)電機負載來平衡，從而達到穩(wěn)定。通過地面軟件對穩(wěn)定平臺的運動進行控制，并可編程實現(xiàn)井斜角和方位的內部自動控制。液壓圓盤閥機構由上、下圓盤閥組成。上盤閥連接穩(wěn)定平臺并隨穩(wěn)定平臺旋轉，下盤閥連接導向塊并隨外部鉆柱旋轉。上盤閥上有一個流體通孔，該通孔在被卡止前可向任意方向旋轉，只有當導向塊向一個方向旋轉時才能凸出。液壓圓盤閥結構如圖1.5所示。圖1.5液壓圓盤閥結構（3）哈里伯頓Geo-Pilot旋轉自動導向工具的主要特點哈里伯頓的Geo-Pilot旋轉自動導向工具系統(tǒng)[6]也是一種非旋轉外殼體型導向工具。它主要由旋轉的主軸、不旋轉的外殼體、偏心環(huán)組、懸臂軸承和焦點軸承組成。此外，它還包括控制電子和傳感器組件、偏心凸輪單元驅動機構、非旋轉外殼體的防旋轉裝置、旋轉動態(tài)密封和壓力補償系統(tǒng)。Geo-Pilot系統(tǒng)結構如圖1.6所示。圖1.6Geo-Pilot旋轉導向鉆井系統(tǒng)結構但與Autotrack和PowerDriver不同的是，Geo-Pilot不使用推靠式技術。不旋轉的外殼體和旋轉的主軸之間的偏壓單元用于偏壓主軸，使鉆頭的傾角與井眼軸線不一致，從而產(chǎn)生側向力。工作原理如圖1.7所示。系統(tǒng)主要由傳動軸、殼體、傳動軸密封裝置、不旋轉裝置、上下軸承、偏心裝置、近鉆頭偏差傳感器、近鉆頭穩(wěn)定器、控制電路和傳感器組成。Geo-Pilot結構如圖1.8所示。圖1.7Geo-Pilot旋轉導向鉆具工作原理圖1.8Geo-Pilot結構傳動軸穿過系統(tǒng)，其兩端安裝在軸承上。上、下兩部分分別與鉆具、鉆頭相連，是系統(tǒng)的動力傳動部分。外殼是系統(tǒng)的外尾結構，不旋轉，相對于形成。其上端與系統(tǒng)的非旋轉裝置相連，下端有一個近鉆頭穩(wěn)定器。非旋轉裝置的卷繞成柔性滾輪，確保穩(wěn)定器被充分包裝并與側壁保持接觸，從而使系統(tǒng)外殼不隨轉軸旋轉而旋轉。軸承由上下兩部分組成。除了傳統(tǒng)的減阻外，上軸承還可以防止上穩(wěn)定器上方的鉆具彎曲，下軸承主要用于Geo-Pilot軸的中心。它也作為一個樞軸點，這樣當傳動軸輕微彎曲時，鉆頭可以有更好的撓度。偏心裝置是轉向系統(tǒng)的核心。它由兩個偏心環(huán)組成，控制它們運動的機械裝置相互獨立。其旋轉方向和位置由控制電路控制。旋轉裝置是帶法蘭的軸?？刂齐娐泛蛡鞲衅魇寝D向向系統(tǒng)的核心。一方面，傳感器不斷檢測系統(tǒng)的刀面位置（轉向系統(tǒng)的刀面方向）。另一方面，根據(jù)設計的刀面數(shù)據(jù)，控制轉向系統(tǒng)校正鉆井過程中刀面與系統(tǒng)的偏差，使系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定的施工刀面位置。近鉆頭穩(wěn)定器主要起到防斜作用，保證在傳動軸彎曲時，鉆頭被迫改變軸向，從而實現(xiàn)鉆頭定向。近鉆頭偏差傳感器用于測量近鉆頭偏差和系統(tǒng)的工具面方向。壓力補償器將壓力固定在系統(tǒng)旋轉密封位置略高于環(huán)空壓力。Geo-Pilot旋轉導向系統(tǒng)的傳動軸穿過系統(tǒng)，系統(tǒng)兩端安裝在軸承上，其上下部分分別與鉆具和鉆頭連接。它是位驅動的動力傳輸單元[7]。該系統(tǒng)的外殼安裝在軸承周邊，提供一個相對穩(wěn)定的工具面。機殼兩端的旋轉密封裝置使所有運動部件在轉動傳動軸時都能浸入機殼內的潤滑油中，以減少摩擦，保護這些部件。在外殼內部，有一個傳感器組，用于測量近鉆頭傾角和系統(tǒng)的工具面方向。殼體的中部是系統(tǒng)的核心部分，偏心裝置，由兩個獨立的偏心環(huán)組成。當這兩個偏心環(huán)具有相反的偏心位置時，傳動軸不彎曲。當它們有相同的偏心方向，傳動軸彎曲增強(給予最強的轉向能力)。當它們的偏心位置沒有對齊時，驅動軸的彎曲在最大彎曲幅度和零彎曲之間。這控制了系統(tǒng)不同的偏轉能力。通過控制偏心環(huán)凸輪的轉動可以實現(xiàn)偏心方向，偏心方向矢量和可以指向360°以內的任意方向。矢量和的大小也可以在最小值和最大值之間調節(jié)，這樣系統(tǒng)就可以提供不同方向的制導，并且偏轉能力可以控制在最小值和最大值之間。當內外偏心環(huán)偏心位置不同時，轉軸發(fā)生偏轉。撓度和方向可根據(jù)鉆進需要進行調整和控制。系統(tǒng)偏心裝置與井下控制軟件協(xié)同工作，自動防止系統(tǒng)工作在工具面設計誤差范圍之外。Geo-Pilot的工作原理如圖1.10所示。圖1.10Geo-Pilot工作原理參考文獻楊燕.滑動導向鉆井PDC鉆頭鉆進力學研究[D].西南石油大學,2017.王可可,李曉紅,張光偉.指向式旋轉導向鉆井工具的典型結構和原理分析[J].河南科技,2012(10):78-79.BakerHughes,“/productsandservicesdirectionaldrillingservices/rotary-steerable-systems.”.RHONDA,DUEY.SCHLUMBERGER:POWERDRIVEORBITROTARYSTEERABLESYSTEM[J].E&PAHartEnergyPublication,2017.徐天文,楊峰,趙建國.AutoTrack旋轉導向工具現(xiàn)場應用分析[J].西部探礦工程,2016,28(06):11-13.KimJ,ParkB,ShinJU,etal.Anovelsteeringsectionsofhybridrotarysteerablesystemfordirectionaldrilling[C].InternationalConferenceonControl.IEEE,2014.付天明.Geo-Pilot旋轉導向系統(tǒng)發(fā)展與應用研究[J].石油礦場機械,2014,000(005):77-80.孫銘新.旋轉導向鉆井技術[M].中國石油大學出版社,2009.蘇義腦,竇修榮,王家進.旋轉導向鉆井系統(tǒng)的功能、特性和典型結構[J].石油鉆采工藝,2003(04):8-15.孫學珍.帶旋轉導向鉆井工具的下部鉆具組合力學分析[D].西安石油大學.張光偉,游莉,李武平.基于旋轉導向鉆進方式的可控彎接頭發(fā)展現(xiàn)狀[J].鉆采工藝,2009,32(002):23-25.展茂雷.可控彎接頭導向機構密封設計與研究[D].西安石油大學.王偉,張士新,鄭瑞強,等.旋沖螺桿鉆井工具研制與應用[J].西部探礦工程,2020,288(04):76-78.梁志新,Liang,Zhixin,等.螺桿驅動旋沖鉆井工具的設計及試驗應用[J].石化技術,2017,03(24):40-53.王然.水平井彎外殼螺桿鉆具組合造斜趨勢預測[D].西南石油大學,2014.BarrJ,CleggJ,RussellM.Brief:SteerableRotaryDrillingWithanExperimentalSystem[J].JournalofPetroleumTechnology,1996,48(3):237-238.SchaafS.ApplicationofaPointtheBitRotarySteerableSysteminDirectionalDrillingPrototypeWellBoreProfilesforAeraEnergy,LLC[J].AapgBulletin,2000,84.WeiJ,JiangS,FuX,eta