导向钻井技术

1、导向钻井技术概述1定义钻井技术发展的新阶段是自动化钻井。所谓自动化钻井就是钻井的全部过程依靠传感器测量各种参数，并用计算机采集，进行综合解释与处理，然后再发出指令，最后由各相关设备自动执行，使整个钻井过程变成一个无人操作的自动控制过程。自动化钻井的全过程分六个环节：(1)地面实时测量主要用综合录井仪。井下随钻测量目前主要用MWD/LWD/FEWD等。数据实时采集由相关计算机(井下或地面)完成。数据综合解释并发出指令应用人工智能优化钻井措施。地面操作自动化地面操作自动化(铁钻工/自动排管机)井下操作自动控制钻头自动导向(轨迹自动控制)。以上六个环节中，井下随钻测量和井下自动控制是关键环节，同时也

2、是关键技术，二者结合起来实际上是井眼轨迹自动控制技术(即自动导向钻井技术)(AutoTrak自动跟踪/ClosedLoopSteeringDrilling闭环钻井)。导向钻井实际就是井眼轨迹控制问题，无论是常规直井或特殊工艺井，都需要井眼轨迹控制。直井需要防斜打直，定向井需要按设计井眼轨道控制钻头钻进的轨迹。传统的导向钻井（即井眼轨迹控制）是由井下导向工具配以适当的钻井参数来实现的，自动导向钻井是由井下计算机根据随钻采集的参数自动控制导向工具来实现的。2发展沿革自动导向钻井技术是钻井工程领域的高新技术，代表着世界最先进的钻井技术发展方向。目前，在世界范围内水平井、大位移井、分支井等高难度的复杂

3、井正蓬勃发展，常规钻井技术难以适应需要，必须依靠先进的导向技术才能保证井眼轨迹的准确无误。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；（3）利用导向马达（弯壳体井下马达）定向钻井。这三种定向钻井工具的广泛使用，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、水平分支井技术开发油田。随着石油工业的发展，为了获得更好的经济效益，需要钻深井、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。为了克服滑动导向技术的不足，从20世纪80年代后期，国际

4、上开始研究旋转导向钻井技术，到20世纪90年代初期多家公司形成了商业化技术。旋转导向钻井系统实质上是一个井下闭环变径稳定器与测量传输仪器（MWD/LWD）联合组成的工具系统。它完全抛开了滑动导向方式，而以旋转导向钻进方式，自动、灵活地调整井斜和方位,大大提高了钻井速度和钻井安全性，轨迹控制精度也非常高，非常适合目前开发特殊油藏的超深井、高难度定向井、水平井、大位移井、水平分支井等特殊工艺井导向钻井的需要。导向钻井技术最初用于水平井的施工，随后应用在大斜度井和大位移井。钻井施工中，导向钻井技术逐步完善和成熟，在一些条件合适的定向井中采用此技术，取得了良好的效益，大幅度提高了油田定向井的钻井速度和

5、质量。导向方式几何导向钻井根据井下测量工具（MWD）测量的井眼几何参数（井斜角、方位角和工具面角）来控制井眼轨迹的导向钻井方式称为几何导向钻井。如果井下参数测量和导向工具的控制由井下计算机完成，则为自动几何导向钻井。由井下随钻测量工具（MWD/LWD）测量的几何参数，井斜、方位和工具面的数值传给控制系统，由控制系统及时纠正和控制井眼沿预定的井眼轨迹前进。地质导向钻井地质导向是在拥有几何导向的能力的同时，又能根据随钻测井（LWD）得出的地质参数（地层岩性、地层层面、油层特点等），实时控制井眼轨迹，使钻头沿着地层的最优位置钻进。这样可在预先不掌握地层特性的情况下实现最优控制。地质导向本身就是自动导

6、向钻井，井眼轨迹控制的依据是地质地层参数，这样一来实钻井眼的轨迹很有可能脱离钻井设计的井眼轨道地质导向的目的就是要根据地层中碳氢化合物的含量控制井眼轨迹穿越油气层，而不是利用常规的几何方式控制井眼轨迹在地层中穿行。利用地质评价仪器进行地质导向施工，仪器测量点滞后钻头的距离达2030m,易导致EP点确定不精确、不能有效避开油/气、油/水界面、不能及时发现和避开断层等现象，实钻井眼轨迹难免会在油气层的上界或下界中交叉穿越，从而降低了油气层的暴露程度，不利于提高施工的效益。地质导向工具将地质仪器与钻井工具（井下动力钻具、可调径稳定器等）融为一体，缩短了地质参数测量点距钻头的距离，在钻进过程中能及早感

7、应到地层的变化，以此控制轨迹，能保证轨迹最大限度地在油气层中穿行、提高油井产量、降低完井费用。利用近钻头处实时采集的地质地层参数，超前预测和识别油气层，并根据需要调整井眼轨迹，引导钻头准确钻达油气富集区域。地质导向的技术关键是近钻头处地层参数、井眼轨迹参数和钻头工作参数的实时测量。国外对地质导向的研究始于八十年代末，主要有美国、英国、德国、法国和挪威等国家。1993年由Anadri11公司研制成功了钻井、测井综合评价系统，实现了地质导向。21地质导向钻井技术地质导向钻井系统是近年来国内外发展起来的前沿钻井技术之一,是石油钻井工业的一次技术革新，它以近钻头地质参数与工程参数的随钻测量、传输、地面

8、实时处理解释和决策控制为主要技术特征,被广泛应用于水平井（尤其是薄油层水平井）、大位移井、分支井、侧钻井和深探井。地质导向钻井技术是随着水平井钻井技术、地质评价仪器、地质导向工具发展和地质评价的需要而逐步发展起来的，到20世纪90年代初期，能满足当时各种不同需要的随钻地质评价仪器和地质导向工具相继出现，标志着地质导向钻井技术已经基本成熟。目前，地质导向钻井技术在大位移定向井、水平井及特殊工艺井中获得广泛应用，已经成为现代钻井技术的核心技术之一。地质导向钻井技术是在导向钻井技术的基础上发展起来的，但是和导向钻井技术又有着明显的区别，其核心是随钻地质评价仪器和地质导向工具。利用地质导向钻井技术施工

9、，具有实时获得真实的地质参数、实现地质导向、风险开发施工回避、提高勘探开发效率等优势。22地质导向钻井的优越性1、连续井眼轨迹控制，减少起下钻次数；2、近钻头处的井斜传感器减少了大斜度井、水平井的井斜误差，增强了井眼位移延伸的能力，减少了钻柱的摩阻；3、近钻头钻速传感器可帮助司钻最佳使用导向马达，提高机械钻速，延长马达的使用寿命，减少起下钻换钻具的时间；4、近钻头传感器使钻头处参数测量的滞后时间接近于零，能使井眼最大限度地保持在油气层内；5、方位伽马射线测量能在钻头处进行地层对比，这对探测标志层、确定套管下深和取心层位是非常有用的，同时还可使司钻确知是否钻穿地层的顶部或者底部；6、定性的电阻率

10、测量能够实时显示油气和岩性，这对地层对比和确定油气水界面是非常有用的；7、方位电阻率可使司钻得知油水、油气和其它液相界面流体边界的方向。2.3地质导向系统地质导向系统是把井眼轨迹测量和地层特性参数测量的传感器以短节的形式装在近钻头位置，测量的数据通过MWD传到地面，供控制人员识别地下情况，调整井眼轨迹。1、地质导向系统的组成地质导向系统：马达、近钻头电阻率测井仪、伽马射线测井仪、几何参数测井仪2、地质导向测量工具导向马达的壳体内安装多种传感器组件，使导向马达仪器化。工具直接与钻头相连，测量近钻头处的电阻率、自然伽玛、井斜及钻头转速等。近钻头电阻率工具(RAB)RAB是一种仪器化的近钻头稳定器，

11、直接与钻头相连，测量近钻头处的电阻率、自然伽玛、井斜和振动等参数。其最大特点是利用测得的数据进行地层评价、裂缝、薄产层或渗透性产层的检测。RAM测量原理图1部门“环叮匸融法上部卑旳吳可塩方惶的电按可趙方宜的飙耶擁式建定器近钻曝皂赳卑池晡霁利用环状电极测电阻率钻井参数测量工具测量井下的钻压、扭矩、钻头压降及环空压降等。动力脉冲MWD可测量井斜、方位和钻柱振动等参数，并用连续载波编码技术将数据传至地面。(4)补偿双电阻率(CDR)及中子密度仪测井眼补偿感应电阻率、自然伽玛、中子密度等。地质导向工具导向钻井的实现主要靠导向工具，导向工具分两大类：滑动式导向工具、旋转式导向工具。1滑动式导向工具滑动式

12、导向工具的特征是导向作业时钻柱不旋转，钻柱随钻头向前推进，沿井壁滑动。这就带来以下问题：钻柱的扭矩、摩阻问题。井眼清洗问题。机械钻速慢。钻头选型受限。滑动式导向工具虽存在诸多缺点，但目前仍占主导地位，因导向钻井大多使用井下动力钻具。主要的滑动式导向工具有弯外壳马达、可调弯接头等。工具组合方式：钻柱+MWD/LWD+动力钻具+导向工具+钻头2旋转式导向工具2.1旋转导向工具的工作原理旋转导向钻井系统的导向力主要是通过偏置钻头来获得的，下面以贝克休斯的AutoTrackRCLS系统为例简要说明旋转导向钻井系统的工作原理。A極钻一二非施转外族转内可伸缩翼如上图，旋转导向系统主要由可旋转内筒（接钻头）

13、、非旋转外筒和可伸缩翼肋组成。系统工作时钻头所需要的导向力（即侧向力）通过可伸缩翼肋的活动来提供。如图A-A，当一号翼肋伸出支撑在井壁上时，钻头就获得与一号翼肋伸出方向相反的侧向力F,这样钻头在这个侧向力的作用下就可以改变自己原来的切削轨迹。实际上旋转导向钻井系统的工作并非如此简单，整个系统的工作是由计算机控制的。系统工作时首先由测量系统根据需要测量井眼的实时几何参数（地质导向还要测地质地层参数），这些参数进入井下计算机，计算机进行评价决策，并向控制系统发出指令，由控制系统控制可伸缩翼肋的动作，从而给钻头施加侧向力，自动控制井眼轨迹。旋转式导向工具是在钻柱旋转的情况下实现自动的连续的钻头轨迹控

14、制，从而避免了钻柱躺在井壁上滑动，使井眼得到很好的清洗,同时允许根据地层选择合适的钻头类型，这样可显著地减轻或消除滑动式导向工具的不足。世界上最早的旋转导向工具是上世纪80年代末90年代初德国KTB计划中开发的垂直钻井（VDS）系统，专为直井防斜用的。在此基础上，国外多家公司相继开发了多种型号的旋转导向钻井系统,并成功地投入现场应用。目前世界上有代表性的旋转导向钻井系统有贝克休斯公司的AutoTrackRCLS系统，哈里伯顿的GEO-PILOT系统和斯仑贝协公司的PowerDriveSRD系统。21系统组成旋转自动导向钻井技术的核心是旋转自动导向钻井系统，如图1,它主要由井下旋转自动导向钻井系

15、统、地面监控系统和将上述2部分联系在一起的双向通讯技术3部分组成。旋转自动导向钻井系统的核心是井下旋转自动导向钻井系统，它主要由以下几部分组成。a）测量系统包括近钻头井斜测量、地层评价测量，MWD/LWD随钻测量仪器等，用于监测井眼轨迹的井斜、方位及地层情况等基本参数。b）控制系统接收测量系统的信息或地面控制指令进行处理，并根据预置的控制软件和程序控制偏置导向机构的动作。偏置导向机构在井下CPU的控制下进行导向钻井作业。图1旋转自动导向钻井系统功能框图2.2技术特点a）旋转导向代替了传统的滑动导向。一方面大大提高了钻井速度；另一方面解决了滑动导向方式带来的诸如井身质量差、井眼净化效果差及极限位

16、移限制等缺点，从而大大提高了钻井安全性，解决了大位移井的导向问题。b）具有不必起下钻自动调整钻具导向性能的能力，大大提高了钻井效率和井眼轨迹控制的灵活性，可满足特殊工艺井的导向钻井需要。c）具有井下闭环自动导向的能力，结合地质导向技术使用，使井眼轨迹控制精度大大提高。2.3按导向方式分类综合上述各种旋转导向钻井工具，从导向方式上可以分为两类；推靠式（Pushthebit）（如图4所示）和指向式（Point-the-bit）（如图5所示）。it图4推靠式in图5指向式图5指向式(Pointthebit)旋转导向工具的导向原理图2.3.1推靠式图4所示的推靠式旋转导向井下工具中，偏置稳定器安放在靠

17、钻头位置，其后面串接一个或多个钻柱稳定器，为了减小上部的钻柱力学性能对底部钻具组合导向性能的影响，串接了一根柔性钻具。在旋转导向过程中，偏置工具的偏心产生的钻头侧向力起主要导向作用。这样导向方式的特点是钻头的侧向力大，造斜率高，但旋转导向钻出的井眼狗腿大，轨迹波动大，不平滑。2.3.2指向式图5所示的指向式旋转导向井下工具中，偏置稳定器安放在两个稳定器之间，为了减小上部的钻柱力学性能对底部钻具组合导向性能的影响，串接了一根柔性钻具。在旋转导向过程中，偏置工具的偏心导致其上下两跨钻柱发生弯曲，使钻头处钻柱的轴线和井眼轴线之间出现夹角，当然也有侧向力，但主要是由于钻头的转角而实现的旋转导向。这样导

18、向方式的特点是钻头的侧向力较小，造斜率较低，但旋转导向钻出的井眼狗腿小，轨迹平缓。国际上现有的旋转导向工具的分类；AutoTrack和WellDone的VERTICALIXXRWELLDIRECTORR、WELLDIREGENTR属于推靠式旋转导向工具；GeoPilot、CDA、PowerDrive和3S属于指向式旋转导向工具。2.3.3两种旋转导向方式的特点（1）推靠式旋转导向钻具的特点；-造斜率较高-侧向载荷较大-钻头和钻头轴承的磨损较严重（2）指向式旋转导向钻具的特点；-能钻出较平滑的井眼-摩阻和扭矩较小-可以使用较大的钻压-机械钻速较高-有助于发挥钻头的性能-钻头及其轴承承受的侧向载荷

19、较小-极限位移增加推靠式和指向式导向方式的对比图工具类型推靠式旋转导向钻具指向式旋转导向钻具工具特点造斜率较咼侧向载荷较大钻头和钻头轴承的磨损较严重能钻出较平滑的井眼摩阻和扭矩较小可以使用较大的钻压机械钻速较咼有助于发挥钻头的性能钻头及其轴承承受的侧向载荷较小极限位移增加3旋转式导向工具的缺点由于阻力矩、钻头扭矩和可能的钻柱扭转弯曲可能导致下部钻柱的扭转振动，同时导向控制难度大，投资也大。采用旋转导向钻井技术，可根据地质要求，钻出空间三维井眼(DESIGNERWELL)，以达到绕障、穿过多油藏和精确钻穿薄油层的目的，从而大大提高了采收率和效率。4.旋转导向钻井系统的特点是：在钻柱旋转的情况下，

20、具有导向能力；如果需要，可以与井下马达一起使用；配有全系列标准的地层参数及钻井参数检测仪器；配有地面井下双向通讯系统，可根据井下传来的数据，在不起钻的情况下从地面发出指令改变井眼轨迹；工具设计制造模块化、集成化；可以在150以上的高温井中使用；定向钻井时不需要特殊的钻井参数，就可以保证最优的钻井过程；导向自动控制，以保证准确光滑的井眼轨迹。4导向工具的功能特点目前，比较成熟的地质导向工具主要是Schlumberger公司的地质导向工具GeosteerTM、Baker-HughesINTEQ公司的NaviGatorTM地质导航系统和Sperry-Sun公司的仪器动力钻具IMMTM，这些地质导向工

21、具具有以下功能和特点；地面可调弯壳体可以根据施工的需要调整工具的弯度，能适用于中、短曲率的井的施工。近钻头井斜为轨迹的控制及早提供依据，可以使轨迹更加平滑，为完井施工顺利进行打好基础。工具的转速传感器可以协助施工人员优选钻井参数，提高机械钻速，延长动力钻具的工作寿命，节省起下钻时间。近钻头地质评价传感器测量的范围与钻头所处的位置接近同步，地层的变化在地层刚被打开时就能被仪器探测到，可以最大限度地提高轨迹穿过油气层的有效距离。(5)方位伽玛测量仪器可以准确确定标志地层、套管鞋位置及取心点，并能分辨轨迹所处的地层是位于油气层的上方或下方，便于轨迹的控制。实时电阻率参数能准确分辨地层中碳氢化合物的含

22、量及岩层性质，防止轨迹进入水层。方位电阻率协助施工人员及时分辨油/水界面、油/气界面及其它流相界面。5导向工具的发展51旋转导向钻井技术地质导向钻井技术在高效开发复杂油藏方面具有极大的优势，但是它也有自身的不足，那就是在必要的时候该钻井技术仍然需要采用弯壳体马达滑动钻进，这样会造成轨迹过度扭曲。同时，滑动钻进不利于井眼清洁和有效克服摩阻，轨迹控制难度增加，井眼轨迹在达到一定的程度后难以继续向前延伸，使地质导向钻井技术在现代钻井工业中的应用受到极大限制。旋转导向钻井技术就是为了克服上述缺陷而产生的，其目的就是为了取消滑动钻进工作方式、使钻具在旋转钻进的同时，实现轨迹的控制，在有效克服地质导向钻井

23、技术的一些缺陷、提高油藏开发的整体效益、有效避免钻井风险方面有重要意义。世界上多家具有相当实力的钻井服务公司都在研究、开发旋转导向工具，如SPERRY-SUN公司、BAKER-HUGHESINTEQ公司、SCHLUMBERGER公司、CAMCO钻井服务公司、CAMBRIDGE钻井自动化公司等，但到目前为止，其中获得商业性成功的只有SPERRY-SUN公司的GEO-PILOT旋转导向钻井系统、BAKER-HUGHESINTEQ公司的旋转闭环钻井系统RCLS(RotaryClosedLoopDrillingSystem)和SCHLUMBERGER公司的POWERDRIVE旋转导向钻井系统。52旋转

24、地质导向钻井技术目前，由于投入应用的旋转导向工具都不具有地质评价功能，旋转地质导向钻井技术因此并未完全成熟，旋转地质导向钻井技术只能和地质评价仪器配合使用，利用地质评价仪器测量的地质参数进行地质导向。现在，世界上有多家钻井服务公司或仪器/工具开发的公司，正致力于带地质导向功能的旋转导向工具的研究，并且取得了很大的进展。相信在不久的将来，旋转地质导向钻井技术一定会成为现代钻井工业的主流技术，并将进一步推动自动闭环钻井技术的更进一步的成熟。53其它方面的进一步发展随着大位移定向井钻井、超深井钻井、欠平衡钻井、油管钻井等钻井技术的发展，地质导向钻井技术在钻井工业的应用越来越广。为了适应这种发展的需要

25、，地质导向钻井技术也要不断的发展。531无线随钻测量系统无线随钻测量系统需要提高数据传输速度、改静态测量为动态测量，同时应加强电磁波传输媒介的研究，减少地层因素对电磁波传输的影响。小尺寸测量仪器的开发也有待于进一步加强。532地质评价仪器声波、核磁共振等实时地质评价仪器在评价地层岩石机械物理性质、孔隙特性及流体性质等方面具有独特功能。因各种因素，这两种仪器并未完全成熟，很多地方需要进一步完善。同时，小尺寸地质评价仪器也需要进一步发展。533旋转地质导向工具旋转导向钻井技术的核心就是旋转导向工具。为了满足长时间施工的需要，其机械性能有待于进一步提高。同时，为了实现轨迹的精确控制、提高油层的穿透率

26、，旋转导向工具需具备自动进行地质导向的能力。导向钻井的优点1导向钻井技术的优点(1)井眼轨迹控制精度高；导向钻井系统可以做到及时测量，在井下可完成包括造斜、增斜、稳斜、降斜和扭方位等各项施工，一是实际井眼轨迹与设计轨迹吻合良好，中靶精度高；二是稳斜、稳方位效果好，在稳斜段可以小井段定向调整，井眼轨迹圆滑，避免第二次较大工作量定向。(2)钻井速度提高明显；导向钻井系统由钻头、单弯螺杆作为下部钻具组合，在一般井滑动定向时，钻速和常规的转盘钻井方式相当，而复合钻井时，其钻速可以大幅度提高，达到常规钻井方法的2倍以上。导向钻井技术控制井眼轨迹精度高，不要更换钻具，而常规定向井工艺往往需要经常起下钻更换

27、钻具组合，制约了施工进度，增大工人的劳动强度，同时钻头使用时间不长。（3）井下安全性增强；水平井、大斜度井，由于井斜30，在井眼的下井壁易形成!岩屑床，不易被钻井液带出，摩阻增大；同时位移大，大段的钻具躺在下井壁，井下摩阻大，钻具扭矩大。导向钻具组合相对于常规定向井钻具，可以简化，少下钻铤和稳定器，用加重钻杆取代，降低井下摩阻和钻具的悬重。同时，钻头破碎岩石的动力由螺杆提供，降低井口钻具的扭矩应力，这一点在深井中增加钻具安全。同时，钻井速度的提高，降低了井下产生事故复杂的风险。五自动导向的关键技术1、旋转导向工具2、参数（地质参数、钻头工作参数、井眼轨迹参数）的实时测量、评价与控制3、信号传输

28、技术（双向通讯）六旋转导向工具1国际上已经商业化的旋转导向系统美国SchlumbergerAnadrill公司的RILlMonti在1987年世界石油大会上宣读的/OptimizedDrilling-ClosingtheLoopO论文中，对自动化闭环优化钻井技术第一次做了系统的阐述。目前，世界上已有几家大石油公司形成了商业化应用技术；(1)VDS自动垂直钻井系统；自动垂直钻井系统实际上是垂直导向钻井系统，该系统利用自动变径工具，对钻头施加径向力，克服钻头的侧向力，自动纠斜，保证钻头垂直钻进。自动垂直钻井系统的研究始于80年代末，以德国、美国为代表。当时德国正实施KTB(超深井钻井)计划，自动垂

29、直钻井系统是德国专为KTB计划而设计的，1988年到1992年，先后开发了5种型号的VDS系统，VDS1、VDS2、VDS3、VDS4、VDS5。在钻进过程中可自动使井眼保持垂直。在KTB项目中，VDS系统共下井80多次，每次工作42小时，最大使用井深达到7200米，大部分的井井斜都小于10，最大的2.50,对井斜的控制取得了显著的效果。剁?蜡节趨池找嗨机一控制陳-井下丽导曲制-通帆肘财导向-酣泥劇胪生孰力-feWSW賜向力-她耐觀电子墮池图4VDS-5主要瓠件VDS系统是在传动轴外壳上装有自动伸缩的扶正器的井下马达系统。系统由井下工具、压力传感器、地面控制装置和司钻显示器组成。工作原理在钻井

30、过程中，当井眼偏离垂直方向而向某一方向造斜时，其内部的电子控制电路检测到井斜传感器测出的井斜信号，并通过控制电磁阀的电流，改变四个液缸内的压力，推动其上面的四个可伸展的翼肋，使其压靠并支撑井壁，同时利用井壁的反作用力推动钻头沿井斜相反的方向钻进。由于电子控制电路实时采集井斜数据，并对液缸加以控制，就保证了钻头始终以垂直状态钻进。II蛍转T.为最大限度地增大导向作用力，导向工具应尽可能靠近钻头。导向装置有两种工作方式：(1)近钻头外部导向(2)近钻头内部导向。叫呻協忖*5电軽!I肮fl；(2)SDD自动直井钻井系统；AGIP公司与BakerHughesInteq公司合作在VDS系统的基础上开发研

31、制。该系统具有商业性推广价值。该系统提供了一种能够自动连续钻直井，而无须地面人员参于过程控制。VES-i；VM-2VDS-4VDS-5SDD-a5DQ-7屉向圈:粥ns与吨的开发朋殍晁笨矗冲阀龙砥班电机井下走子元伶蚌下马追擁性相5直井钻井装?tSDD7的主要品杵SDD系统的技术特点：连续测量井斜；连续校正任何微小的井斜;井下自动导向；地面可实时监控井眼轨迹和井下工具的工作状态；寿命可超过钻头寿命。(3)ADD自动定向钻井系统；1991年美国能源部资助研制，目前已达到商业应用阶段。AUTO-TRAKRCLS旋转闭环系统(不旋转外筒式旋转导向钻井系统)RCLS旋转闭环自动钻井系统；贝克休斯公司的A

32、utoTrackRCLS-SteerableRotaryCloseLoopdrillingSystem导向方式：偏置钻头不旋转外筒式动力：独立液压系统1996年现场试验成功，1997年投入商业应用，截止到2001年6月:共在15个国家575口井应用累计工作时间超过7万小时,总进尺100万米单次下井工作时间：63/4系统创下了单次下井工作时间286.2h（纯钻进时间241.7h的世界纪录单次下井进尺：81/4系统创下了单次下井进尺4037m的世界纪录目前可靠性水平：75%的单次下井工作时间超过75h。1系统组成:AutoTrak是旋转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

33、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1）。立管传感器井架解码裝置旁通阀定向模块钻杆振动测量模块伸缩块MWD系统AutoTrak工具电阻率和伽马短节下行捋令DrillByte计算机2滑套钻头AutoTrdkS1AutoTrak統主要组成部分H灿则忙c醐也迪名an蓟SS驚蕊鸚爲彌T亦Slew?ApplicationofBitSideForceEldivtOrunfsliijnKKUFanDtCflU曲d90*4librSMHI

34、井下偏置导向工具导向原理示意Atopirrte,i：-connectarismumilmbbfaraddingapVonalLWDmeasurements.ReservoirhlaviaticnBensofSubAlternatorfPulserSubDriveSubTcpStabilizerNonRotatingSlvwllhSteeringRibs2工作原理:AutoTrakRC1S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。旋转心轴上接钻柱，下接钻头，起传递钻压、扭矩和输送钻井液的作用。不旋转外套上设置有井下CPU、控制部分和支撑翼肋（下图

35、）。旋转轴粗出控制阀控制电子组件及井斜勰器导向梭块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

36、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。（下图是：井下偏置导向工具的导向原理示意图）RCLS系统的井下旋转闭环钻井系统由不旋转外套和旋转心轴2部分组成，上述2部分通过上下轴承联接，形成一个可相对转动的结构。旋转心轴上接钻柱，下接钻头，起传递钻压、扭矩和输送钻井液的作用。不旋转外套上设置有测量系统、井TCPU及控制执行机构。当不旋转外套上周向均布的3个支撑翼肋在井下CPU的指挥下，由控制机构控制，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，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3个支撑翼肋的支出液

37、压力的大小，可控制偏置力的大小和方向，以实现导向钻进。（5）SRD全旋转导向自动钻井系统POWER-DRIVESRD旋转导向系统（调制式旋转导向钻井系统）；Schlumberger公司的PowerDrive1994年英国Cameo公司在英格兰Montrose地区进行了现场井下试验，获得了极大成功。该系统第一次被世界石油界认可，是其997年在世界上第一口水平位移超过10000m的WytchFarm油田M-11井的成功应用。1999年5月，Cameo公司与Schlumberger公司的Anadri11公司合并，其SRD系统注册为PowerDrive应用于现场。截至1999年底，该系统已下井138次

38、，累计工作时间11610h，总进尺47780m。目前，世界上3口位移超过10000m的大位移井中，有2口应用了该系统。2000年，Schlumberger的PowerDriveSRD系统引入中国境内应用，在设计井深8800m，水平位移超过7500m的南海西江油田XJ243A18井在68718610m井段中成功应用，使该井井身质量大大提高，避免了6871m以上井段用滑动钻井方式多次出现的断马达等井下复杂事故，同时大大提高了钻井效率和效益。尽管该工具的日租金高达数万美元，仍直接节约了500万美元的钻井作业费用；而油田开发和后续完井、采油作业带来的间接经济效益更远远超过了直接经济效益。1、系统的组成

39、及工作原理PowerDrive属调制式全旋转导向钻井系统的典型代表产品，它也是利用推靠钻头的偏置原理来导向。该系统由井下旋转导向工具、MWD随钻测量系统、地面井下双向信息通讯系统和地面计算机监控系统组成（见下图）。PowerDriverSRD系统由控制部分稳定平台和翼肋支出及控制机构组成。控制部分稳定平台内部包括测量传感器、井下CPU和控制电路，通过上下轴承悬挂于外简内，靠控制两端的涡轮在钻井液中的转速使该部分形成一个不随钻柱旋转的、相对稳定的控制平台。图5PowerDrive系统主要组成部分与AutoTrakRC1S系统靠独立的液压系统为支撑翼肋的支出提供动力来源不同的是，PowerDriv

40、erSRD系统的支撑翼肋的支出动力来源是钻井过程中自然存在的钻柱内外的钻井液压差。如图6所示，有一控制轴从控制部分稳定平台延伸到下部的翼肋支出控制机构，底端固定上盘阀，由控制部分稳定平台控制上盘阀的转角。下盘阀固定于井下偏置工具内部，随钻柱一起转动，其上的液压孔分别与翼肋支撑液压腔相通。在井下工作时，由控制部分稳定平台控制上盘阀的相对稳定性；随钻柱一起旋转的下盘阀上的液压孔将依次与上盘阀上的高压孔接通，使钻柱内部的高压钻井液通过该临时接通的液压通道进入相关的翼肋支撑液压腔，在钻柱内外钻井液压差的作用下，将翼肋支出。这样，随着钻柱的旋转，每个支撑翼肋都将在设计位置支出，从而为钻头提供一个侧向力，

41、产生导向作用。支挣翼肋井f侗逼导旬工只怕世力方向图6PowerDrive盘阀控制机构示意图它的导向力大小由液压机构所在井深的钻柱内外压差决定。控制导向块在某个方向上的伸出时间可调整井眼曲率，最大造斜率可达8/30m。PowerDrive工具把旋转钻井条件下测得的井斜角、方位角和工具面角等数据上传到地面，地面计算机监控系统根据实钻井眼与设计井眼的相对位置来产生改变工具面角等参数的下传指令，经钻井液同步传输到井下仪器，微处理器对钻井液脉冲信号加以识别，与储存在仪器里的指令对比解释后，由井下旋转导向工具执行指令，从而实现钻柱旋转状态下的三维全导向。=Therntnry&tBErdbl&tSin.Pu

42、shingthebit.MudflowthroughthrsQwaydik.volvadctu-otcsthreesxtBrnEiIpadsltoptThepadspush占直百iri【tHbDiGhalQattneappropriatepominineachrotabonld右右thedsirsdiraiectDrymthislurmngrighi(topandxiQndouiwarduplqMm.1cm.Tl皿iilluseraLionsoltnboiLDinshowmeldoiwimmepndsrGtractsclftoftfand%【门1右cl(right/.2、井下定向控制单元Pow

43、erDrive工具属调制式全旋转导向工具，该类工具的控制器、测量传感器都密封在稳定平台内。三轴力反馈加速度计和磁通门传感器可提供钻头倾斜角和方位角以及输入轴倾角位置信息；与控制器经信号连接器接收的地面下行的井眼轨迹调控指令要求方向进行比较，推导出涡轮发电机负载电流大小和通电时间。通过调节电流改变涡轮发电机绕组回路阻抗，以使携带高强度永磁铁的涡轮叶片与稳定平台内的扭矩线圈锅台产生不同的电磁转矩和加速度，进而使旋转换向阀保持一个相对于井壁的固定转角，即工具面角，实现控制轴在受控状态下的运动状态改变。控制单元的运动由地面软件指令进行控制。在带井下实时通讯工具时，该类工具可以通过编程实现对井斜角和方位

44、角的内部自动控制，同时会大大降低信号上传的要求。调制式旋转导向工具定向控制原理图MWD卜*II丽测量仪一IjgggW-稳定平台rT发哼机i十卡Sr调阻抗1换|向发曲机|4一阀稳定平台发电机卜调阻抗IPowerDrive系统的特点整个钻具组合对井眼没有静止点，能减小摩阻、利于井眼清洗、优化井身质量、减小卡钻风险；有利于延长位移。内部故障诊断和工具维护指示减小了井下故障发生的几率。用连续的钻井液脉冲波可同步发送和接收MWD、LWD等数据，一体化的设计特色和软件使其获得6-12bit/s的数据传输速度，传输质量通过提高信噪比得到提高。地面监控系统能改善对钻压、钻井泵的控制。通过改变钻井泵的流量，可改

45、编数据传输速度，存贮记录频率和数据帧格式。通过改变数据帧，它能随钻井和地质条件的改变而选择哪个数据实时传输和哪个数据存贮起来。可配套使用特制的PDC钻头，大幅度提高机械钻速。与GST(地质导向工具)、MWD、LWD等工具组合使用，能测地层密度、孔隙度、双电阻率和定向参数，实现地质导向。旋转控制阀在垂直井段随钻柱一起旋转，导向块产生的导向力也不断变化，会造成井眼扩径和井下钻具的横向冲击与振动。同时由于活塞伸缩频繁和液压控制系统的工作介质的影响，工具的耐磨损与密封是关键技术。1994年，CAMCO公司研制开发了SRD系统。1999-05，CAMCO公司与SCHLUMBERGER公司的ANADRIL

46、L公司合并，其SRD系统注册为POWERDRIVER，成功应用于现场。截止到1999-08，该系统已下井138次，累计工作时间11610h，总进尺47780m。(6)AGS和GeoPilot旋转导向自动钻井系统GEO-PILOT旋转导向钻井系统；SperrySun公司1993年研制了AGS；1999年，又推出新一代的GeoPilot旋转导向自动钻井系统，该系统的性能已达到90年代末世界先进的RCLS和SRD系统水平。Halliburton-SperrySun公司的RCDOS-RemoteControlledDynamicOrientatingSystemGeo-Pilot导向方式：pointi

47、ngthebitsSperry-Sun公司的Geo-Pilot旋转导向钻井系统也是一种不旋转外筒式导向工具，但与AutoTrakRC1S系统和PowerDriverSRD系统不同的是，Geo-Pilot旋转导向钻井系统不是靠偏置钻头进彳丁导向，而是靠不旋转外筒与旋转心轴之间的一套偏置机构使旋转心轴偏置，从而为钻头提供了一个与井眼轴线不一致的倾角，产生导向作用。其偏置机构是一套由几个可控制的偏心圆环组合形成的偏心机构，当井下自动控制完成组合之后，该机构将相对于不旋转外套固定，从而始终将旋转心轴向固定方向偏置，为钻头提供一个方向固定的倾角（如下图：井下偏置导向工具结构示意图）。a銀MWD1nter

48、TaceFlexsubSpHralstatDiiizerR卩fp厂已门upstab11ier/X吕I(at-OIrinclination)sndtoolfaceurityDBSbox-up(sxterKied-gaugemtGeo-PilotSystemGeo-PilotBasicOperatingPrincipleCiintiivverSmrinaFocfllB4rivigEccvntrfcRlnpsPrincipleofOperationShaft（中吧軸）FocalBearingAllowsBitToTilt【站StoitA昭头OppositeDirectionofBendCreatin

49、gaToolfaceneverBearingpreventsshaftendingaboveit（县臂轴承,中，询在它之上弯曲）EccentricRingsBendShaft（馆心凸轮弯轴）ShaftDeflectionbyEccentricRingsDrillingFluidShaftInnerEccentricRingHousingOuterEccentricRingDirectionofToolfaceSupportsGEO-PILOT旋转导向钻井系统近2年在美国墨西哥弯地区应用的近50口井次，取得了良好效果。2国外旋转自动导向钻井系统原理及应用旋转导向钻井系统工作原理：旋转导向工具的原

50、理和类型可以分为Push-the-Bit和Point-the-Bit两类。Push-the-BitPoint-the-BitSchlumberger公司的PowerDrive调制式全旋转导向工具Halliburton-SperrySun公司的Geo-Pilot静止指向式旋转导向工具BakerHughesInteq公司的Autotrak带不旋转套筒的变径稳定器Pdvq叽OFMiniiurblncdlrIUli-pddtdadcentalS0tixn*柿训匹翊佯四MntiorIL叩r.TH.jrqr-Point-the-BitPush-the-BitO两类旋转导向系统的原理Push-the-Bit

51、和Point-the-Bit优缺点对比工具类型Push-the-BitPoint-the-Bit作用原理力位移工作方式导向工具对井壁无（或有）静止点由柔性可弯曲轴来控制钻头，井眼可能较光滑效果造斜率大、侧向力大；可不产生螺旋井眼因弯曲轴的弯曲度受限难点稳定平台、变径伸缩块不旋转套筒弯轴及三组轴承、一对动密封偏置机构调制式静止式传感器静止式、也有捷联式多为静止式现场应用多少地面监控系统地面监控系统惡向逋讯血;血;井下旋转导向钻井系统1-可调节式旋转导向钻井系统井下系统组成偏置机构（执行机构）工作原理：偏置结构（执行结构）可伸缩的翼肋结构液压活塞结构导向力方向与翼肋伸出方向相反3应用效果分析31提

52、高钻井效率降低钻井成本由于旋转自动导向钻井技术以旋转导向钻井方式代替了传统的滑动导向钻井方式，并且具有不必起下钻自动调整钻具导向性能的能力，因此，使机械钻速和钻井效率大大提高，从而降低了钻井成本。32保证井身质量提高钻井安全性钻井井下复杂情况是制约提高钻井效率的一项主要因素，有些井甚至因为井下事故而报废，使总体开发成本增加；旋转自动导向钻井技术可以解决滑动导向方式带来的诸如井身质量差、井眼净化效果差等缺点，从而提高了钻井安全性和钻井效率。3.3提高井眼轨迹控制精度和油气采出率旋转自动导向钻井技术具有井下闭环自动导向的能力，井眼轨迹控制的灵活性大；配合地质导向技术，提高井眼轨迹控制精度，使井眼轨

53、迹可以按设计要求或地质情况一直保持在目的油气层中运行，或钻穿多套油层，从而可以提高油气开采效率。3.4提高轨迹控制灵活性和位移延伸能力降低油气开发成本据国外钻井专家分析，理想状况下，大位移井的位移达到6000m时，由于钻压传递阻力的限制，传统的滑动导向钻井将无法实施；而在实际钻井作业中，由于钻井液性能和井深质量等制约因素的影响，位移延伸能力将远远低于6000m。如，国内采用传统滑动导向方式钻成功的大位移井的最大位移不超过3000m。而旋转自动导向钻井技术则可以将位移延伸能力提高到1万m以上，如，英国WYTCHFARM油田采用SCHLUMBERGERANADRILL公司的POWERDRIVERS

54、RD系统，已完成了2口位移超过1万m的大位移井，下一步计划施工1口位移超过15000m的大位移井。根据WYTCHFARM油田开发经验，钻大位移井开发方案比建造人工岛或采用海洋钻井平台开发综合成本降低50%；WYTCHFARM油田自1991年开始钻大位移井以来，已节约开发投资1.5亿元。4结论与建议1）旋转自动导向钻井技术是一项尖端自动化石油钻井新技术，代表了当今世界钻井技术发展的最高水平，其出现将使钻井技术出现一次质的飞跃。2）旋转自动导向钻井技术是为了适应目前油气勘探开发形势和自动化钻井发展趋势的需要而发展起来的，可广泛应用于超深井、水平井、大位移井、分支井、设计者井等特殊工艺井的导向钻井作

55、业。旋转自动导向钻井技术可大大提高油气资源勘探开发效率和钻井效率，降低钻井成本和勘探开发总成本，经济效益和社会效益十分显著。旋转式导向工具是在钻具旋转条件下直接引导钻头沿着期望的轨迹钻进，从而避免了钻柱躺在井壁上滑动，使井眼得到很好的清洗，同时允许根据地层选择合适的钻头。这样可显著地减轻或消除了滑动式导向工具的不足。七我国地质导向钻井技术的现状1.我国地质导向钻井技术的发展历程我国地质导向钻井技术起始于西江24-3-A1大位移井的成功开发。1996年中国海洋石油南海东部公司在与美国菲利普斯中国有限公司合作开发西江24-3-A1大位移井的过程中，采用ANADRILL公司的M10型MWD和CDRT

56、M(CompensatedDualResistivity)/CDNTM(CompensatedDensityNeutron)系统进行地质导向，可测量电阻率、中子、地层密度、自然伽玛、声波、井径、环空压力等参数。1997年中油北京地质录井技术公司从美国Halliburton公司引进了国内首套无线随钻测井仪器LWD,组建了自己的作业队伍和研究力量，并先后在国内各大油田的7口探井中提供了随钻测井服务，取得了很好的测井效果和经济效益。1999年胜利油田从美国NLSperry-Sun公司引进了随钻地质评价仪器FEWD成套设备，测量参数包括定向参数、自然伽玛、电磁波电阻率、中子孔隙度、地层密度及井下钻具振

57、动量，实时、记录工作方式可同时工作。现在，中海油、大港油田、大庆、胜利等油田正大规模从国外引进地质导向成套设备，同时部分油田也已经从国外直接引进地质导向钻井成套技术用于海上、复杂油藏的开发。2.地质导向钻井技术的应用状况胜利油田从美国引进的FEWD投入使用以来，到目前为止累计完成了130多口水平井的施工，主要用于对采用常规钻井技术难以开发的薄层油藏、复杂断块油藏、存在边水/底水的薄层油藏、边远油藏、超稠/特稠油/低渗透剩余油藏等油藏的钻井开发任务。在这些井的施工过程中，利用FEWD对地层能够有效识别的优势，解决薄油层水平井的油层薄、中靶难和如何保证井眼轨迹在油层中的最佳位置穿行等难题，提高了水

58、平段在油层的穿行率，在取得可观的经济效益的同时，也推动了常规水平井钻井技术在难动用剩余油藏开发方面的推广应用。3技术上与国外的差距和国外地质导向钻井技术相比，我国地质导向钻井技术的整体水平还处于十分落后的地位。1.MWD无线随钻测量仪器目前，国内的MWD无线随钻测量仪器主要还是以进口的为主，国产MWD目前仍处于初始阶段，如大港油田钻井工艺研究所开发的QDTMWD系统，北京海蓝公司生产的YSTMWD系统，北京普利门公司生产的DSTMWD系统，西安石油勘探仪器总厂生产的BGD型MWD系统等，这些国产的MWD，目前有的仍然在攻关，有的还处于现场实验阶段，都还没有达到大规模生产和使用的地步。LWD地质

59、评价仪器地质评价仪器目前完全依赖进口。国内近几年才开始进行这方面的理论研究，如北京航空航天大学等单位。地质导向工具目前国产的动力钻具还只局限于普通井下动力钻具，其它的如地质导向动力钻具、可变径地质导向稳定器、旋转导向工具等国内尚未生产出来。地质导向工具离国际水平相差甚远。造成我国地质导向钻井技术整体水平落后的原因主要在于研究力量不足、投资力度不够。如果仅仅依靠自己的技术和力量赶超世界先进水平，还需要付出很大的努力、经历一个漫长的过程。4结论地质导向钻井技术在国外已经发展成为一项成熟的核心技术，在大位移定向井、水平井及特殊工艺井中获得了广泛应用，是开发复杂油藏的有效工具。地质导向钻井技术能在钻井

60、施工过程中通过井下地质评价仪器或地质导向工具获取地层被污染前的参数，使得地质评价结果更加真实、可靠。地质导向钻井技术利用实时地质参数，能有效地控制井眼轨迹的着陆和走向、及时调整井身轨迹和产层的位置关系，在回避钻井风险、提高产层暴露程度、简化施工过程、提高勘探开发效果和效益等方面，具有重要意义。地质导向是在拥有几何导向的能力的同时，又能根据随钻测井（LWD）得出的地质参数（地层岩性、地层层面、油层特点等），实时控制井眼轨迹，使钻头沿着地层的最优位置钻进。这样可在预先不掌握地层特性的情况下实现最优控制。八实例1营31断块油藏的开发胜利油田营31断块是一典型的断块油藏，位于胜利油田东营穹隆背斜南翼，