旋转导向钻井系统RNDS-胜利钻井工程技术公司(推荐)

2023/2/31

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专家光临指导2023/2/32地面控制旋转导向钻井系统（RNDS）

RotaryNavigateDrillingSystem胜利钻井工程技术公司魏文忠、秦利民Copyright1996-98©DaleCarnegie&Associates,Inc.2023/2/33内容：

1、

导向钻井技术发展概述

2、

RNDS系统的组成和总体效果

3、

RNDS系统结构原理

4、RNDS系统工作原理

5、RNDS系统的特点

6、附录1：活塞推力计算

7、附录2：“法面矢量法”轨迹控制和预测模型

2023/2/34主要导向工具及分类旋转导向工具两维可变径稳定器型HVGS、AGS、TRACKS三维静止式导向工具VDS、ADD、RCLS、XTCS、RNDS调节式导向工具SRD、（RCLD）滑动导向工具单弯动力钻具异向双弯动力钻具固定偏心块钻具KOS、AKODTUEBS一、概述2023/2/35

近几年国内普遍推广应用的滑动导向钻井技术，采用的井下工具是导向螺杆钻具PDM，滑动导向钻井技术首先是马达的可靠性和寿命受到限制；更重要的是在大位移延伸井钻井过程中，滑动钻进时钻具的摩阻力经常大于下滑力，使钻头加不上钻压，以及工具面失控等问题。

2023/2/3620世纪80年代末，国外首先研制了遥控变径稳定器（如AGS、Tracks等），虽然仅是两维旋转导向控制钻井轨迹，但是在完成的许多大位移延伸井的钻井过程中起到了决定性的作用。1999年胜利钻井技术公司引进了美国Sperry-Sun公司的遥控变径稳定器AGS，在埕北21-平1大位移水平井施工中起到了很好的作用。但是，变径稳定器旋转系统,不能控制方位。2023/2/37在变径稳定器的基础上，国外各大石油公司纷纷研制全方位控制的旋转导向系统，其中，最有成就的就是AutoTrack和PowerDrive。2023/2/382023/2/392023/2/3102023/2/3112023/2/3122023/2/3132023/2/314二、RNDS系统的组成

旋转导向钻井系统（RNDS），由旋转导向钻井工具（CPD）和MWD测量系统组成，其中MWD系统是成熟的，不进行任何的改造就可以直接应用；旋转导向钻井工具（CPD）与AutoTrack井下工具属于同一类型，都是非旋转偏心稳定器结构，但具体的构造不同、控制方式不同，与后者相比结构简单的多；但是CPD也不同于江苏油田的舵板式钻头导向器，它是一个功能强大的井下导向工具，且具有双向通讯功能，与MWD/FEWD系统可以组成完整的、可靠的旋转导向钻井系统。旋转导向工具MWD上稳定器2023/2/315

我们认为导向钻井技术，就是只用一种具有多功能的钻井轨迹控制系统，能够连续地控制井身轨迹的钻井技术。首先该系统整体必须具有稳斜效果，并能够对井斜、方位的全面控制。不论是滑动导向钻井系统，还是旋转导向钻井系统，都应该具有连续进行稳斜、增斜、降斜和调整方位的能力。

整体具有稳斜效果和具有连续(不用起下钻更换钻具)控制轨迹的能力,是导向钻井技术区别于传统的定向方式钻井的两个必要条件。

RNDS系统根据钻具整体力学计算的结果，在MWD系统之后再配置一个普通稳定器，在调节钻压的情况下，系统整体还具有微量调节井斜的能力，其整体稳斜效果相当好。

系统整体效果分析2023/2/316三、RNDS系统结构原理

RNDS系统中的井下导向工具（CPD），全部采用机械结构，不需要旋转稳定平台、电子伺服机构、油压系统、以及井下微电脑、专门的测量系统等，并且很好地解决了操作指令下行通道和数据传输问题（双向通讯功能）。CPD全长只有3米，高强度的一体化外壳设计，采用平衡活塞低压密封结构，安全可靠，简单而巧妙的机械设计，运动部件全部在油浴中，动作平稳，性能稳定。

2023/2/317结构原理示意图定向线心轴活塞弹簧锁销活塞爪注油孔非旋转套筒凸轮凸轮销蘑菇头孔板平衡活塞筒式斜面体

通过CPD内部和环空的压差作用，使心轴带动斜面体向下运动，使这些活塞爪进行伸展，并在凸轮机构的控制下，活塞爪在钻井液的循环状态下有两种工作位置。由于偏心作用和活塞爪的推力作用，使钻头对井壁产生一侧向力和偏角，从而使井眼轨迹改变方向。通过MWD传输的数据信号进行地面定向控制和对轨迹进行计算和预测。2023/2/318四、力学原理图合力方向旋转轴非旋转套筒

当非旋转套筒支撑在井壁上时，由于稳定器的偏心作用和活塞爪的推力作用，钻头产生侧向力和倾角，从而实现对轨迹控制的目的。2023/2/319五、旋转钻井系统控制回路示意图地面电脑监控顶驱或转盘钻柱信息传输MWD探管旋转导向工具钻头数据工具面测量控制回路2023/2/320六、RNDS系统的特点

静止式旋转导向钻井系统（静态可控偏心器）比调节式旋转导向钻具更容易实现井下控制，并且对钻具不存在间歇冲击力，静态合矢量方向可以精确控制，可以有效地解决大位移延伸井钻井的摩阻、扭矩问题，不易造成粘卡，有助于排除岩屑；容易解决近钻头测量问题。可以用于易斜地层的垂直钻井；可以形成近钻头井斜测量，用于超薄油藏的水平钻进；并且具有结构简单、性能可靠，加工使用成本低，适用性强等特点，可以大面积推广应用。

RNDS系统与滑动导向钻井技术相比，不使用动力钻具，避免了动力钻具的不可靠性问题，钻井的安全性提高；不存在动力钻具反扭角造成的工具面失控问题，钻压、排量等钻井参数不受动力钻具的影响，使用范围扩大，可以做到优化钻井参数钻井，大大提高钻井速度和钻井效率。

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由于MWD必须在开泵循环状态下测量，所以，滑动导向钻井MWD测量都不是“静态测量”，测量精度受到井下马达的震动的影响；所以旋转导向钻井的测量精度比滑动导向钻井高。

RNDS系统与目前国外已使用的井下闭环旋转钻井系统相比，没有复杂的结构，制造加工和使用成本低的多，不仅可以用于大位移延伸井（ERD）和高难度三维多目标井（DesignerWell）的钻井，而且能够在大量的定向井、水平井钻井中推广应用。

由于这种工具可以通过泵简单且快速的操作，能够对井身轨迹进行精确的控制，是一个功能强大的井下导向工具，且具有双向通讯功能，与MWD/FEWD系统可以组成完整的、可靠的旋转导向钻井系统。2023/2/3221、活塞推力计算

其中，T=100kgf为复位弹簧的弹性力;μ=0.1钢与钢在油润滑情况下的摩擦系数。

七、理论研究2023/2/3232、“法面矢量法”轨迹控制和预测模型2023/2/3242023/2/325

将设计轨道分段，并列出各段起始点终点数据，建立各段方程与方程②联求解，即得过P点的法面与设计轨道的交点J的参数（xj、yj、zj），由此可得法面偏差距离

其中:2023/2/326

在给定轨迹偏离设计线的最大限定距离后，在选定轨迹偏离设计线的法面距离的情况下,必须控制井斜角偏差，以及控制井斜方位角偏差。即:

2023/2/327八、用途和意义

RNDS系统的研制开发，将对我国钻井技术产生巨大的影响：1、将是我国首家研制开发成功的旋转导向系统，进一步提高我们钻井的技术水平，大面积推广之后，必将带来钻井技术的一次新的革命，技术经济效益和社会效益是巨大的。2、进一步增强我们的的技术实力，为大位移延伸井、特殊工艺井钻井提供了可靠的工具。3、可以用于易斜地层的垂直钻井，在这种意义上，又相当于德国研制的VDS自动垂直钻井系统。4、由于MWD测量的位置距离钻头较近，因此，用于超薄油层的水平段钻进，将是非常理想的。5、容易形成近钻头井斜测量。6、其他旋转导向系统能够完成的任务，RNDS系统也能够完成。2023/2/328目前研制开发工作的进展：1、完成了旋转导向钻井工具总体方案的研究。2、完成了与AGS通用件的90%的测绘工作和拆装工具的设计工作。3、目前预计已完成设计总工作量的30%。2023/2/329九、结论

总之，根据对国内外旋转导向钻井技术的学习和了解，同时根据我公司引进的AGS变径稳定器的结构原理和设计特点，经过长期的研究，有了重大的突破，RNDS旋转导向系统的设计原理明确，结构简单可靠，可以大面积推广应用。目前，国外已经发展到旋转导向闭环系统，但是还没有真正的达到井底闭环阶段；而RNDS是静止式旋转导向系统，不能达到井底闭环钻井，但是，这在我国还是走在了前列，并且，它具有结构简单、可靠性强、使