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旋转导向钻井技术介绍引言近十几年来，水平井、大位移井、多分支井等复杂结构井和“海油陆采”的 迅速发展为了节约开发成本和提高石油产量，对那些受地理位置限制或开发后 期的油田，通常通过开发深井、超深井、大位移井和长距离水平井来实现，进而 造成复杂结构的井不断增多目前通行的滑动钻井技术已经不能满足现代钻井的 需要于是，自20 世纪80 年代后期，国际上开始加强对旋转导向钻井技术的研 究；到90 年代初期，旋转导向钻井技术已呈现商业化国外钻井实践证明，在 水平井、大位移井、大斜度井、三维多目标井中推广应用旋转导向钻井技术，既 提高了钻井速度，也减少了钻井事故，从而降低了钻井成本旋转导向钻井技术 是现代导向钻井技术的发展方向旋转导向钻井技术旋转导向钻井法是在用转盘旋转钻柱钻井时随钻实时完成导向功能钻进时 的摩阻与扭阻小、钻速高、钻头进尺多、钻井时效高、建井周期短、井身轨迹平 滑易调控此外，其极限井深可达15 km,钻井成本低旋转导向钻井技术的核 心是旋转自动导向钻井统，如图1所示它主要由地面监控系统、地面与井下双 向传输通讯系统和井下旋转自动导向钻井系统 3 部分组成1、 地面监控系统旋转导向钻井系统的地面监控系统包括信号接收和传输子系统及地面计算 存储分析模拟系统，有的还具有智能决策支持系统。

旋转导向钻井系统的主要 功能通过闭环信息流监视并随钻调控井身轨迹，其关键技术是从地面发送到井 下的下行控制指令系统2、 地面与井下双向传输通讯系统目前已提出的信号传输方式有 4 种，即钻井液脉冲、绝缘导线、电磁波和 声波通过比较分析，笔者发现这 4 种传输方式各有优缺点和应用局限，如表 1 所示农1俏息件输方式的比较传iuJ Jj 式度in传输 速率可孫性必须估井 液介煩开岌 成本钻坤液脉冲>6 000般必烦中等电磁波MX} ~6 ()0()尚一般不必较高声波约 1 00C高一般不必较低电缆A($ 000很高好不必较髙绝缘导纱>6 000很高好不必很髙特种钻杆二f 000很為一般不必3、 井下旋转自动导向钻井系统 井下旋转自动导向钻井系统是旋转自动导向系统的核心，它主要由 3 部分 构成，即测量系统、导向机构、CPU和控制系统1)测量系统 测量系统主要用于监测井眼轨迹的井斜、方位及地层情 况等基本参数，使钻井过程中井下地质参数、钻井参数和井眼参数能够实时测 量、传输、分析和控制它经历了随钻测量(MWD)、随钻测井(LWD)、随钻地震 (SWD)、随钻地层评价测试技术(FEMWD)和地质导向技术(GST)几个阶段。

2)导向机构 导向机构代表了目前导向技术的先进水平按原理不 同，导向机构原理可分为:① 导向力原理推力式(或称偏置式)旋转导向工具和指向式旋转导向工 具推力式旋转导向工具是通过侧向力推靠钻头来改变钻头的井斜和方位而 指向式旋转导向工具是预先定向给钻头一个角位移，通过为钻头提供一个与井 眼轴线不一致的倾角来使钻头定向造斜② 控制原理可变径稳定器式旋转导向工具和调制式旋转导向工具前者 是先通过电磁阀调节在伸缩块上的液压，以使导向力矢量满足所需导向目标； 再通过定向控制系统进行方位与井斜的控制(图 2)而后者是通过调节涡轮发 电机负载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耦合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角度，即工具面角，最终实现控制轴在受控状 态下的运动状态改变(图 3)③ 套筒旋转与否原理全旋转导向工具和不旋转套筒旋转导向工具全旋 转导向工具与井壁动态接触，其旋转控制阀在垂直井段随钻柱一起旋转不旋转套筒旋转导向工具与井壁静态接触，其外套不随钻柱旋转3）CPU 和控制系统 CPU 和控制系统是整个系统的信息处理和管理中 心，它接受来自各个传感器的信号，并依据特定的数据处理方法和控制规律，来控制可调稳定块的伸缩，从而改变钻头的运动轨迹，以达到预设的要求。

CPU 运行的控制算法（包括控制器设计、模型辨识以及状态估计等）是智能钻井的 关键部分可见， CPU 运行的控制算法、传感器技术和变径机构的开发是构成 可变径稳定器的三大组成部分旋转导向钻井工具旋转导向钻井工具是旋转导向钻井系统的核心，决定了旋转导向钻井系统 的工作特色和工作能力1、 典型井下闭环旋转导向钻井工具1.1 MRST 的组成及工作原理调制式旋转导向钻井工具（MRST ）属于推靠式旋转导向钻井工 具（图 4）由于其钻柱与井壁之间不存在静止点，因此，在钻井过 程中更可体现旋转钻井的优越性调制式旋转导向钻井系统导向力 的大小和方向主要是由稳定平台控制的当需要最大导向力时，稳 定平台控制轴就带动上盘阀旋转，使上盘阀稳定在预定方向，控制 上盘阀高压孔方向恒定在钻柱旋转过程中,每个“巴掌”依次在该 方向附近伸出拍打井壁，导向机构对井壁的作用力就是这些拍打力 的合力这个合力的反力就是钻柱受到的导向力，方向沿着上盘阀 预定方向的反方向当不需要导向时，稳定平台带动上盘阀以和钻 柱具有不同的某一转速匀速转动，这时“巴掌”均匀拍打井壁四 周，导向工具可控制的液压导向力的合力就等于零，此时导向工具 呈中性工作状态，达到稳斜效果。

MRST液压控制阀采用上、下盘 阀结构，上盘阀与稳定平台控制轴相连接，它只有一个弧形长孔形 状的高压阀孔下盘阀与钻柱本体连接，随MRST外壳及钻柱一起 旋转，它有 3 个互成 120°圆心角的等直径低压孔（泄流孔），见图 5图 4 调制式旋转导向钻井工具图低阀橘H討L图 5 液压控制上、下盘阀图1.2 Geo-Pilot 的组成及工作原理Geo-Pilot 是一种不旋转套式导向工具（图6）属于指向式旋转导 向钻井工具它不是靠偏心稳定器的翼肋推靠井壁偏置钻头进行导 向，而是靠不旋转套与万向短节之间的一套偏心机构使万向轴偏置， 从而为钻头提供了一个与井眼轴线不一致的倾角，产生导向作用该 机构由几个可控制的偏心环组合而成，当井下自动控制完成偏心环 组合之后，该机构将相对于不旋转套固定，从而始终将万向轴向固定 方向偏置，为钻头提供一个方向固定的倾角图 6 Geo-Pilot 旋转导向钻井工具图2、 新型指向式旋转导向钻井工具结构与导向原理2.1底部钻具组合（BHA）及导向原理新型指向式旋转导向钻井工具 BHA 结构（图 7）由 4 个部分组成，分别 是：枢轴稳定器、水力偏置系统、MWD总成和钻柱稳定器。

其中，MWD总 成包括：CPU、存储器、螺线型电导管、随钻测量仪（MWD）及控制电路和 传感器该指向式旋转导向钻井工具（图 8）包含两个尤为重要的组成部分： 一个是近钻头稳定器（枢轴稳定器），该稳定器由不锈钢材料组成,拥有 4 个 螺旋形刀锋翼肋且相互“环布”连接，并为旋转中心轴提供固定支点；另一 个是水力偏置机构，也可看着是一个特殊的“稳定器”，因为它是由不旋转 外套筒、电子马达和放射状偏心环组成，并且在不旋转外套筒上安装有 3 个 水力驱动“巴掌”，旋转中心轴位于不旋转外套筒内依次穿过偏置系统和近 钻头稳定器动力模块电子马达位于中心轴和不旋转套筒之间与控制电路相 连椒轴恿疋器偏M系纸hdWD总成 iMI也二腊钻头t t tH C D图7新型指向式旋转导向钻井工具BHA结构简图图 8 新型指向式旋转导向钻井工具图导向原理正常情况下，中心轴与外套筒中心线重合（图9- I）钻井的过程中，该 新型指向式旋转导向钻井工具中的控制电路CPU接收到MWD总成中相关高 端传感器传输的信号（比如：井斜、方位），然后经由螺线形电导管传输给动 力模块电子马达，电子马达给放射状水力偏置系统提供动力，安装在不旋转 套筒外部的“巴掌”伸出与井壁接触，同时安装在其内部的偏心环旋转。

在 “巴掌”和近钻头稳定器支点共同作用下，钻头形成一偏角，即中心轴与不 旋转套筒中心线形成一定角度（图9-11）在偏心环作用下，将连接着钻头 的中心轴向固定方向偏置，为钻头提供一个方向的固定的倾角，从而使钻头 的钻井方向发生改变，对井斜和方位进行纠正（见图9-111）其中，钻头偏移 角度不仅可调，而且在钻井过程中将钻杆传递的扭矩和钻压实时传递给钻头 同时，控制电路把信号转化成泥浆脉冲信号，上传给地面控制系统进行分析 其导向原理如图 10 所示图 9 新型指向式旋转导向钻井工具导向流程图i达图 10 新型指向式旋转导向钻井工具导向原理简图转換g] I过超传感雒Ih—J—』螺线形Hl导筲戶-*压力递械侑。