旋转导向钻井技术现状及研究进展

旋转导向钻井技术现状及研究进展

韩来聚刘新华孙铭新

（胜利石油管理局钻井院，山东东营，257017）

摘要旋转导向钻井技术是20世纪90年代国际钻井界发展起来的钻井新技术，它是钻井发展史上又一次质的飞跃，目前国外应用该技术已取得了显著效果，“十五”期间在国家“863”项目的支持下，国内也开始对该项技术进行重点攻关研究，并在关键技术方面取得了重大突破。本文在概括介绍旋转导向钻井技术现状的基础上，重点介绍了研究开发的调制式旋转导向钻井系统工作原理以及取得的重大进展，同时对该技术的发展趋势做出了预测。

关键词钻井旋转导向闭环偏置

旋转导向钻井技术是国际上20世纪90年代发展起来的一项尖端自动化钻井新技术，它是当今世界上钻井技术发展的最高阶段——闭环自动钻井的主要内容。它的出现是世界钻井技术的一次质的飞跃。与传统的滑动导向钻井相比，旋转导向钻井技术由于井下工具一直在旋转状态下工作，因此井眼净化效果更好，井身轨迹控制精度更高，位移延伸能力更强，因此更适合于海洋油气资源开发以及在油田开发后期的复杂油气藏中钻超深井、高难定向井、丛式井、水平井、大位移井、分支井及三维复杂结构井等特殊工艺井。

1 国内外旋转导向钻井系统研究与发展现状

1.1 旋转导向钻井技术国外发展现状

国外从20世纪80年代末期开始进行旋转导向钻井系统的理论研究。20世纪90年代世界上多家公司包括：Baker Hughes公司与ENIAgip 公司的联合研究项目组、英国的Camco公司、英国的Cambridge Drilling Automation公司、日本国家石油公司（JNOC）等分别形成了各自的旋转导向系统样机，并开始进行现场试验和应用。至20世纪末期，三家大的石油技术服务公司Baker Hughes、Schlumberger和Halliburton通过各种方式分别形成了其各自商业化应用的AutoTrak RCLS、PowerDrive SRD和Geo-Pilot旋转导向钻井系统。目前已形成或正在开发旋转导向钻井系统的公司的具体情况如表1所示。1.2 国内及胜利油田的研究现状

20世纪90年代中期，在跟踪调研国外先进技术的基础上，国内少数研究机构开始进行这一方面的研究工作，但与国外水平相比存在相当大的差距，更没有形成应用于现场的能力，根本无法满足越来越严峻的油藏开发形势和越来越苛刻的油藏开发地质条件的要求。进入21世纪，国内在国家“863”项目的支持下，由中国石化集团公司胜利石油管理局钻井院和中国海洋石油总公司分别牵头对调制式旋转导向钻井系统和静态偏置推靠式旋转导向钻井系统进行了系统的研究攻关，并在关键技术方面取得了突破，即将形成样机进入现场试验阶段。

表1现有的旋转导向钻井系统

胜利油田1996年开始进行旋转导向钻井技术的跟踪调研工作，2000年进行了旋转导向钻井系统开发可行性研究，2001年“调制式旋转导向钻井系统整体方案设计及关键技术研究”、“旋转导向钻井技术研究”分别被列为国家“863”前瞻性研究项目及中国石化集团公司科技攻关项目，开始研制具有自主知识产权的旋转导向系统。在全面完成国家“863”前瞻性研究攻关项目的基础上，2003年“旋转导向钻井系统关键技术研究”被列为国家“863”正式科技攻关项目，目前已在调制式旋转导向钻井系统关键技术研究方面取得突破，形成了功能性样机，系统的部分功能已在地面得到验证。

2 旋转导向钻井系统分类

旋转导向钻井系统的核心是井下旋转导向钻井工具系统。按照国际惯例，目前的旋转导向钻井井下工具系统，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（见图1）。推靠式是在钻头附近直接给钻头提供侧向力，指向式是通过近钻头处钻柱的弯曲使钻头指向井眼轨迹控制方向。

图1 旋转导向钻井工具系统导向方式示意图

图2 两种偏置工作方式对比

旋转导向钻井系统的工作机理都是靠偏置机构（Bias Units ）分别偏置钻头或钻柱，从而产生导向。偏置机构的工作方式又可分为静态偏置式（Static Bias ）和动态偏置式（Dynamic Bias ）（即调制式（Modulated ））两种，如图2所示。静态偏置式是指偏置导向机构在钻进过程中不与钻柱一起旋转，从而在某一固定方向上提供侧向力；调制式是指偏置导向机构在钻进过程中与钻柱一起旋转，依靠控制系统使其在某一位置定向支出钻头倾角

侧向力

推靠式

指向式

偏置机构

提供导向力。

综合考虑导向方式和偏置方式，可以将目前世界上所有的旋转导向钻井系统的井下工具系统按其工作方式更全面、准确地分为三种，即静态偏置推靠式、调制式（动态偏置推靠式）和静态偏置指向式，其代表性系统分别是Baker Hughes Inteq公司的AutoTrak RCLS、Schlumberger Anadrill公司的PowerDrive SRD和Halliburton Sperry-sun公司的Geo-Pilot系统。三种旋转导向工具系统的对比见表2。

表2 三种工作方式的旋转导向工具系统性能对比表

在目前比较成熟的三种旋转导向系统中，从工作原理和适应井下工作环境方面来讲，三种工作方式的旋转导向钻井系统各有其特点。Geo-Pilot系统采用控制钻柱弯曲特征来实现钻头轴线的有效导控，其优点是造斜率由工具本身确定,不受钻进地层岩性的影响，在软地层及不均质地层中效果明显，缺点是钻柱承受高强度的交变应力，钻柱容易发生疲劳破坏。另外，高精度加工是保证这种系统导向效果的关键。AUTOTRAK系统采用了静态式工作原理，主要靠钻具的偏心控制来改变钻头上的侧向力。这种系统的优点是可以利用成熟的控制技术来实现偏心距的控制，但是井下复杂条件使得这种系统具有许多缺点，如位移工作方式、静止外套、小型化能力差、结构复杂等，所有这些都会影响这种系统的发展。相对而言，调制式旋转导向工具系统在结构设计方面更为简单，小型化趋势好，全旋转工作方式使钻柱对井壁没有静止点，从而可以保证这种系统更能适合各种复杂的环境，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，但工作寿命有待进一步提高。

3 调制式旋转导向钻井系统工作原理

研究开发的调制式旋转导向钻井系统主要包括地面监控系统、双向通讯系统、井下