国外旋转导向最新技术进展与发展趋势精品

国外旋转导向最新技术进展与发展趋势

王鹏，盛利民，窦修荣，唐雪平

(中国石油集团钻井工程技术研究院)

王鹏等.国外旋转导向最新技术进展与发展趋势.钻采工艺，2013 ,36( 6): 32 —35

摘要：旋转导向钻井系统由于井下工具一直在旋转状态下工作，因此井眼净化效果好，井身轨迹控制精度高，位移延伸能力强，适用于大位移井、水平井、三维复杂结构井等高难度的钻井施工作业。文中首先简要介绍了

旋转导向系统的构成、分类、特征优势及适用范围。其次对国际上最新研发的旋转导向系统进行了追踪研究，并对旋转导向系统最近的市场业绩和应用案例进行了分析介绍。并总结出旋转导向技术的发展趋势，最后对国内的相

关技术研究提出几点建议。

关键词：旋转导向系统；几何导向钻井；地质导向钻井；大位移井；轨迹控制

DOI: 10.3969/J. ISSN. 1006 —768X .2013. 06 .09

旋转导向钻井系统(R otary Steerable Systems，简称R SS)是在钻柱旋转钻进时，随钻实时完成导向功能的一种导向式钻井系统，它是当今世界上钻井技

术发展的最高阶段一一闭环自动钻井的主要内容⑴。R SS可以将几何导向和地质导向功能集为一体，使定向钻井既可依据工程参数进行几何导向，又可依据地质参数进行地质导向，根据实时监测到的

井下情况，引导钻头在储层中的最佳位置钻进。R SS技术是现代定向钻井技术的核心技术，是现代

导向钻井技术的发展方向。

为了适应目前国内R SS技术研究的形势，本文

对国外最新的技术进展进行了跟踪研究，分析总结岀R SS的技术发展趋势，并对国内相关的技术研究提出了几点建议。

一、旋转导向钻井系统简介

1 ?构成

R SS主要由地面系统和井下系统组成，如图1 所示。具

体可分为地面监控系统、双向通讯系统、随钻测量系统和井下导向工具系统四大部分。其中，井下导向工具是钻头钻进轨迹控制的执行机构，是一个集机、电、液于一体的闭环自动控制系统，是旋

转导向系统的难点和核心。

R SS的主要功能特征是：旋转导向、实时监测

双向通讯、连续导向。高端R SS还具备地质导向

2. 分类

目前国际上的旋转导向钻井系统 ，根据其导向 方式可以划分 为推靠式(Push the Bit)和指向式 (Point the

Bit)两种也。相比而言，指向式旋转导向 系统则具有摩阻和扭矩

较小 、水平极限位移大、钻岀 的井眼质量高等优势，能适应各种复杂地层和工况

。 在钻井应用统计中 ，指向式系统也占有越来越大的 收稿日期：2013 —01 —18;修回日期：2013 —10 —10

基金项目：国家重大科技专项课题 “复杂深井随钻测录、酸性气层测试等技术与装备 ”编号:2008ZX05021 -005)的研究成果。

作者简介：王鹏(1983 —)，工程师，硕士学位，2008年毕业于北京科技大学机械工程学院机械制造及自动化专业

，主要从事井下随钻测量 与导向控制技术研究 。地址：(100195)北京市海淀区四季青镇北坞村路甲 25号静芯园S 座103，电话:010 -52784859,138******** ,E —mail: wangpengdri@cnpc . 03035fe658cfa1c7aa00b52acfc789eb172d9eb7

图1 旋转导向系统组成原理示意图

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系址

比例。有关技术资料显示，各大公司最新开发的旋转导向系统有朝着指向式或者推靠指向复合形式发展的趋势。

国际上的R SS普遍分为“静止套+驱动轴”与“全旋转”两种结构形式。前者具有结构简单、强度好的特点，而“全旋转”结构由于钻柱对井壁没有静止点，使这种系统更能适合各种复杂的地层环境，钻井极限井深更深，速度更快，在大位移井、三维多目标井及其它高难度特殊工艺井中更具竞争力。

3.优势及适用范围

近年来，随着国内外大部分油田相继进入开发后期，而新探区大部分都处于特殊环境，使勘探开发

难度和成本增大。为了提高油气采收率、降低成本，超深井、高难度定向井、丛式井、水平井、大位移井、多底井及三维多目标井等特殊工艺井技术相继岀现并受到广泛重视，而能够引导或控制井眼按预定的井眼轨迹(几何导向)或预定的目标地层(地质导向)钻进的旋转导向钻井技术成为钻成这些高难度的复杂结构井的关键技术。

此外，页岩气等非常规油气资源开发需要R SS 技术。为了降低页岩气开发成本，获得较高的收益

率，丛式水平井已成为页岩气开发的主要钻井方式。在丛式水平井钻井作业中，为了加快钻井速度，延长

水平段位移，提高单井产能，RSS就成了页岩气开发中必不可少的技术装备。

二、国外最新的旋转导向系统

经过10多年的现场应用与发展进步，国外的旋转导向钻井技术已经趋于成熟。国外最新的旋转导

向系统通过集成井下马达、大幅度提高造斜率、丰富地层描述参数等技术手段，具备了高机械钻速、高井

眼轨迹控制精度、高工作可靠性等特征⑷。满足各

种复杂地层和恶劣工况的要求，“一趟钻”完成定向

作业任务曰。本文对国外各大公司最新产品的性能和优势特征进行了详细追踪研究，并对其中三大油服公司Schlumberger、Baker Hughes 与Halliburton 最近推岀的具有代表性的产品研究分析。

1.Schlumberger 公司的Power Drive Archer 旋转导向钻井系统

斯伦贝谢公司初始研发的R SS为调制推靠式

即“拍打式”的Power Drive X5、X6、Xbow 及vorteX 系列工具，后来改进为指向式的Power Drive Xceed 旋转导向工具。最近，该公司推岀了名为Power Drive Archer的新型高造斜率的指向式R SS (见图2)。图2 PowerDrive Archer新型旋转导向系统

Power Drive Archer采用创新技术，系统内外部件设计

为全旋转结构，能够一直保持高效率工作，实

现全方位的定向控制。在导向方式上采取钻头指向

式导向，即采用液压系统内推钻头轴的方式改变钻头的角度，使

其沿着预定方向实现导向钻进。在测

量控制平台方面，由于Power Dri ve Archer系统是在高速旋

转过程中进行导向钻进的，然而高速旋转下

的定位比较困难，该系统采用了在工具内部安装不旋转组件的方

法解决此问题。

Power Drive Archer系统性能优势及特征如下：

(1)高造斜率。设计造斜率15 °30 m,实际最咼造斜率可达到17 /30 m°

(2)全旋转结构。导向部分内、外部零件共同

旋转，降低了机械或压差卡钻的风险°

(3)宽松的操作要求。对钻井液密度、流量范

围、机械转速、钻压和扭矩等几乎没有操作限制°

(4)

高轨迹控制精度。钻出的井眼平滑，易于完井，适用于各种地

层°

(5)防斜打直效果良好°可以一趟

钻完成直井

段和定向段的施工作业°

“让每个接触井壁的部分都在转动”的思想是

斯伦贝谢R SS产品的核心，也是优于其它系统的根本⑹。因其外

部钻柱始终处于旋转状态，能够有效

防止形成钻屑堆积°

2.Baker H ughes 公司的AutoTrak Curve 旋转导向钻井系统

贝克休斯公司的R SS产品以推靠式导向方式为主，不旋转

外套上分布3个支撑翼肋，独立的液压

系统为支撑翼肋的动作提供动力，支撑翼肋推靠井

壁产生侧向力，3个支撑翼肋的合力控制导向力的

大小和方向，实现旋转导向°近年来，贝克休斯推岀的新产品已

改进为推靠和指向复合形式°

贝克休斯公司最近研制岀一种AutoTrak Curve

旋转导向系统，可以在一趟钻过程中完成直井段、曲

线段和水平段钻进，钻速更快，系统性能更优越，轨

迹控制更精确°具体而言，AutoTrak Curve旋转导向系统具有如下几方面的性能优势：

(1)高造斜率°系统在实际应用中最高造斜率

达到15 °30 m °

(2)钻速更高。可以一趟钻完成直井段、造斜

2013年11月 Nov. 2013

段和稳斜段，减少了起下钻时间 ，平均每口井大约能

节约60%的钻机工作时间

(3)轨迹控制精度更高。准确实时的地质导向

功能保证了系统能够精确地在目标油层中穿 行，贝

克休斯公司最新研制的新型钻头能够钻岀质量更高的 水平段井眼，并且在坚硬地层中使用寿命更长 ，这些创 新技术都保证了该系统能够准确命中目标靶区

。 (4)提高产量。系统造斜曲率半径小

，允许更

深的造斜点，增加了井眼在油层中的暴露面积 ，光滑

的井眼也更有利于进行压裂作业

3. Halli burton 公司的 Geo —Pilot 系统

哈里伯顿公司一直开展指向式 公司研发的

Geo — Pilot 系列各型号

工作原理。其工具在结构上均采用 动轴”方式，系统采用锂电池供电驱动

，提咼单井产量 °

GXT 旋转导向钻井

R SS 的研发，该 R SS 具有相同的 "不

旋转套-驱

，导向工具内

部依靠组合偏心环驱使导向轴弯曲产生倾角来实现 导向钻进°该系列工具的优点是长保径钻头自对中 性能使钻岀的井眼质量更好 摩擦力也大大减小

°

，钻头的振动和井壁的

图3 Geo -Pilot GXT 旋转导向系统

哈里伯顿公司最新开发的 Geo —Pil ot GXT 旋 转导向系统在导向工具与

LWD 之间集成了 Geo

Force 马达动力节(见图3)，增加了钻头扭矩和转 速，提高了钻

速，近钻头传感器与

LWD 之间可实现

高速双向通讯 ° Geo — Pilot GXT 旋转导向系统具 有如下优势和特征

：

(1) 在克服 黏滑的同时，更多的能量被传递到

钻头，提高了切削效率和钻速

°

(2) 长保径钻头的自对中性使系统钻岀的井眼

质量更好，钻头的振动和井壁的摩擦力也大大减小

，

同时减弱了振动向 LWD 和井底BHA 机构的传递， 提高了系统的寿命 °

(3)

在保证 钻头转

速最优化的同时

，转 盘转速

可以适当降低以减少套管磨损

°

4.国外近期的市场应用业绩及应用案例

R SS 自上世纪90年代后期投入工业化应用以 来，应用范围

不断扩大，现已成为海上和陆上各种类 型的复杂结构井(水平井、大位移井、多分支井、三 维多目标井、薄产层井)的重要钻井方法

⑺，极大地

推动了边沿油气资源的大规模开发

°

2009年受国际金融危机的影响 ，全球常规定向

钻井市场规模显著下降，而 R SS 市场规模却逆势而 上，市场占有率从2000年的5%提升到最近的 32% °据斯伦贝谢公司称 ，该公

司使用

R SS 完成的

钻井进尺已占到公司陆上和海上钻井总进尺的 50%以上，而此前5年这一比例只有

20% °据美国

SPEA R S & ASSOCIATES 公司的油田市场研究报告

，

2010年全球定向钻井市场规模较2009年上升 10. 9% ,2011年

再创新高，估计达到112.52亿美 元，同比增长大约 17% °

R SS 正不断取代包括导向

泥浆马达在内的常规定向钻井技术 ，其全球市场规模 和占有率不断提高，近3年市场占有率接近 30% ° 使用导向泥浆马达进行滑

动钻进前 ，需要花时

间进行工具面定向；而使用R SS 时钻井过程是连续 的，而且钻成的井眼平滑

，有利于降低摩阻

，更好地

传递钻压，因此有助于提高机械钻速 ，减少非生产时

间田。尽管R SS 本身的费用还很高，但可以通过 “少走弯路”和解决井眼问题 ，减少钻进过程中的非 生产时间，从而缩短钻井周期，降低综合钻井成本

°

2008年5月由Transocean 公司用自升式钻井平

台为Maersk 石油卡塔尔公司在卡塔尔近海

Al —Sha

heen 油田钻成了一口刷新多项世界纪录的大位移井

测深达12 289 .5 m,水平位移达 10 902 .7 m °在钻进 过程中使用了斯伦贝谢公司的

PowerDri ve X5和Pow-

erDrive Xceed 两种 R SS 产品，而且只通过两次起下钻 就完成了

长度达

10 804 m 的 216 mm 英寸水平段的

钻进°全井钻井作业仅用了短短

36 d 时间°

美国路易斯安那州

H aynesvill e 页岩气主要靠

水平井进行开发 °从2008年第三季度至 2010年2 月上旬，水平井的平均井深从

4 85

5 m 增加到5 195

m,增加了 7% °由于R SS 等先进技术的推广应用

，

钻井效率显著提高

，平均日钻井进尺从 86.9 m 提到

117 .7 m,提高了 35.4% ;平均钻井周期从 55. 87 d

缩短至44.14 d ，缩短了 21%，从而显著提高了水平 井钻井的经济效益

°

三、旋转导向技术未来发展趋势

最初发展用来钻大位移水平井的旋转导向系 统，因其可显著缩短钻井时间而在常规的钻井中同 样取得了良好的经济效益 °机械钻速的提高和钻井 可靠性的改进促进了这些工

具在世界 范围内的使

用。经过10多年的现场应用，旋转导向技术得到了 很大的发展，最新开发的系统所具有的独特性能使 其能在恶劣环境中更灵活

、可靠地钻进复杂的井眼

轨迹。围绕着更好地控制井眼轨迹

，进一步提升性

-34 ?

能、降低成本和扩大应用，旋转导向钻井技术未来的

发展趋势主要集中在以下几个方面：

(1)高造斜率。目前国际石油技术公司已经研

发成功造斜率达到15 ° /30 m的旋转导向工具，为了

应对油气资源开发中的高难度定向井，高造斜率导

向工具必不可少。

(2)高轨迹控制精度。由于旋转导向工具实现

了闭环实时控制，为了提高命中目标靶区的能力，

R SS必然朝着提高井眼轨迹控制精度的方向发展。

(3)高工作可靠性。为满足复杂地层和恶劣工

况要求，“一趟钻”完成定向钻井作业任务，要求R SS具备很高的工作可靠性和耐高温高压能力。

(4)高机械转速。为了提高钻速，减少作业时间，R SS结合井下马达，从而使提高机械转速也成为R SS的一大发展趋势。

(5)全旋转结构方式。导向工具采用全旋转方

式，能够适应各种复杂地层和井下恶劣工况，满足各

种钻井作业需要，提高井下复杂情况处理能力，降低

钻井作业风险，减少钻井复杂事故。

(6)多参数化随钻测量。随钻测量结合多种工程与地质参数，在常规测量参数的基础上，根据需要

添加随钻地震、声波和核磁等，丰富地层描述参数，

并进一步集成深探测传感器和发展随钻前视功能，

完善地质导向，同时使传感器距离钻头更近。

(7)可视化钻进。加快井下数据传输速率，增

强地面与井底双向通讯功能，比如与智能钻杆配合

使用，实现井下信息高速上传。

(8)自动化钻进。进一步提高导向工具的自动化和智能化程度，采用卫星遥控技术，实现“无人” 智能钻进作业。

(9)与其他技术集成应用。扩大与套管钻井、尾管钻井、欠平衡钻井、气体钻井、连续管钻井等先

进钻井技术的集成应用。

随着井下处理系统技术的发展及随钻测井技术的日益成熟，旋转导向钻井技术与地质导向钻井技术相结合，实现地质导向闭环控制的旋转导向钻进。

旋转地质导向钻井系统作为一种发展方向将在复杂油气藏开发等方面发挥越来越重要的作用，以满足

地质开发的需求。

四、结论与建议

(1)R SS以旋转钻井为其技术特征，在减少井下摩阻、提高钻探能力和轨迹控制精度方面具有独特的优势，已成为海上和陆上各种类型复杂结构井(水平井、大位移井、多分支井、三维多目标

井、薄产

层井)的重要钻井方法。随着旋转导向钻井技术的不断发展，旋转

导向钻井技术市场的不断扩展，服务

价格必然走低，钻井界普遍认为其应用前景极好，将

成为未来复杂结构井的一种常用钻井方法。

(2)世界钻井技术的发展趋势是向自动化、智

能化、信息化钻井发展。研发具有自主知识产权的R SS，进一步展

开对旋转导向闭环钻井技术的研究，

可以缩短国内钻井技术水平与世界先进水平之间的

差距，打破国外先进技术的垄断，提高国内钻井行业

在国际市场的竞争力。

(3)R SS是一个集机、电、液于一体的闭环自动控制系统，其研发周期长、难度大。首先实现自动几何导向功能。在此基础上再逐步完善随钻测量和地

面指令实时调整钻头轨迹功能，实现地质导向。由

易而难，逐步提升，最终完成具备应用水平的R SS

成熟产品的研发。

(4)完

全依靠自主研发旋转导向技术难度大、

风险高。国内科研单位应该积极通过技术引进或者国际合作的方式

发展R SS技术，以便快速掌握该技

术。当然，技术引进并不单单是引进产品，而应重点

掌握核心技术并获得相关知识产权，快速形成全球

服务能力。

作者附言：本文部分资料与插图取自国外有关公司网站

提供的文献材料，在此特作说明并致谢意O

参考文献

[1]肖仕红，梁政.旋转导向钻井技术发展现状及展望

[J0 .石油机械，2006,34(4) : 66 —70 .

2 赵金洲，孙铭新.旋转导向钻井系统的工作方式分析

[J0 .石油机械，2004,32(6) : 73 —75 .

[3]苏义脑，窦修荣.旋转导向钻井系统的功能、特性和典

型结构[J].石油钻采工艺，2003 ,25(4): 5 —7.

[4]BILL PIKE . R otary Steerables Gain R ecognition as Tech-

nology Improves [R] . Steerable Systems Technology Ad- van ces，November 2007 .

⑸ Frank Hartley . 2006 Annual R otary Steerable System Di

rectory [JO . Offshore，April 2006 .

Jessica Goldsmith . Optimizing BHA' s Through Compari- ⑥ son of Conventional Drilli ng Methods to Use of R otary Steerable Systems in the Barnett Shale [J] . SPE 141127

— STU，2010.

[7]Tetsuo Yonezawa . R obotic Controll ed Drilli ng: A N ew

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/a1vl.html