旋转导向钻井系统
旋转导向钻井智能钻井介绍 Auto Trak,Power Drive, Geo Pilot
目录
旋转导向钻井技术概况
背景：为克服滑动导向技术的不足，从20世纪80 年代后期，国际上开始研究旋转导向钻井技术。 发展：20世纪90年代初期,多家公司形成了商业化 的旋转导向技术，目前有三种比较成熟导向系统。 组成：旋转导向钻井系统实质上是一个旋转导向 工具与测量传输仪器（MWD/LWD）联合组成的井下 闭环工具系统。 应用：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、大位移井和水平分支井等。
3、动态指向式旋转导向钻井工具
4、基于旋转导向钻进方式的可控弯接头系统 5、指向式旋转导向钻井工具
动态推进式旋转导向钻井工具
• 胜利油田承担国家“863”计划“旋转导向钻井系统关键
技术研究”后,与西安石油大学联合开发 • 原理：斯伦贝谢的PowerDrive基本一样。
• 现状：进行了20 多次的地面试验,2006 年8 月在营122斜
动态指向式旋转导向钻井工具
由海洋石油工程股份有限公司及西南石油大学，结合了哈 里伯顿的Geo–Pilot的指向式结构和斯伦贝谢的Power Drive的随钻的下盘阀结构，提出了动态指向式旋转导向
钻井工具的设计思想,目前还停留在理论阶段。
基于旋转导向钻进方式的可控弯接头系统
由西安石油大学机械工程学院中原油田第三采油厂在CNPC
典型旋转导向钻井工具介绍
• Baker Hughes推出的Auto Trak不旋转外筒式 闭环自动导向钻井系统。
• Schlumberger Anadrill公司的Power Drive
全旋转导向钻井系统。 • Sperry-Sun 产品服务公司推出的Geo-Pilot 旋转导向自动钻井系统。
1.Auto Trak 旋转导向钻井系统
旋转导向钻井系统原理简介 (1)
旋转导向钻井系统 原理简介
该专利描述其目的是：使 钻铤相对井眼轴线有一个 很小的偏离，从而使钻头 具有横向前进。
早期的旋转导向钻井思想
这是1959年申请专利的旋 转导向系统。
导向 钻井
液压驱动一个靠近钻头的导 引鞋，同样控制井眼轨迹。 导引鞋处在非旋转筒内，液 压控制其伸出或缩回，而无 需起下钻。
可连续定向造斜。
早期的旋转导向钻井思想
• 结构：
– 下部偏置部分：在旋转过程中始终给钻头一个侧向力； – 中部控制部分：始终控制侧向力的方向； – 上部MWD部分：测量信息及传输；
• 关键是控制总成内的不转动的部分，具有一个称作“惯性平台” 的部分，实际上是由井下计算机控制的“电子液压伺服系统”， 可以保证控制轴不受整个钻柱转动的影响。控制轴可以给定偏 置部分一个轨迹控制所需要的导向方位角。
• 基本数据：
– – – – – – – – 长度：4.9米； 排量：500～1000gpm 转速：40～220rpm 压降：〈100psi 最小钻头压降：500psi 最高温度：120°C 泥浆密度：7.5～20ppg 数据传输：通过MWD
二. 大位移井的轨迹控制技术
• PowerDrive 的优越性
PowerDrive
• 完全的旋转导向系统： – 整个钻柱，从上到下，全部都在旋转，没 有静止的部分； – 但在下部控制总成内部，有不旋转的部分；
旋转导向系统和地质导向钻井简介
随
地质参数
钻
测
量
井
底
信
息
钻井工程参数
自然伽玛 电阻率
声波 倾角
LWD/FEWD
密度
孔隙度
轨迹空间位置
井斜 方位 工具面
MWD
钻井参数
钻压 扭矩 压力
PWT
可视化三 维地质体
模型
导向
数据 处理
随钻测 量系统
地质导向 软件系统
曲线对比和 模型修正
7.2 地质导向钻井简介
三、地质导向钻井的概念
地质导向钻井就是在钻井过程中通过随钻测量多种地质和工 程参数对所钻地层的地质参数进行实时评价和对比，根据 评价对比结果而调整控制井眼轨迹，使之命中最佳地质目 标并在其中有效延伸。
旋转导向、地质导向钻井简介
• 7.1 旋转导向系统简介 • 7.2 地质导向钻井简介
7.1 旋转导向系统简介
一、导向钻井代初期发展起来的 一项钻井新技术，代表了钻井技术发展的最高水平。
LWD
斜 向 器
井 下 马
MWD
弯 外 壳 马
旋 革命性 转 进步
导
达 WLMWD 达 向
30' 40' 50' 60' 70' 80' 90' 2000' 年代
滑动导向
7.1 旋转导向系统简介
二、旋转导向钻井的主要优点
• 提高了机械钻速； • 增强了井眼清洁效果； • 增强了井眼轨迹控制精度和
灵活性； • 减少了起下钻次数； • 井眼规则、光滑； • 克服极限位移限制。
7.1 旋转导向系统简介
7.1 旋转导向系统简介
三、旋转导向系统的进展
旋转导向系统
谢谢观看
3.
重要价值
重要价值
旋转导向系统
全球超过40%的定向井采用旋转导向系统钻成，其优势在于能够实时控制井下钻进方向，实现类似于“3D版 贪吃蛇”的钻具运行轨迹调整，从而一趟钻贯穿分布在“三维”区域内的目标地层——甚至可以让直径0.2米的 钻头在0.7米的薄油层中横向或斜向稳定穿行，实现一趟钻“横向”移动1000米的长距离作业。这种精准制导， 对降低开发成本、最大化开发油气田资源具有重要价值。
旋转导向系统
在钻柱旋转钻进时，随钻实时完成导向功能的导向式钻井系统
01 研发历史03 主要源自类目录02 技术特点 04 重要价值
基本信息
旋转导向系统（RSS）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，是20世纪90年 代以来定向钻井技术的重大变革。RSS钻进时具有摩阻与扭阻小、钻速高、成本低、建井周期短、井眼轨迹平滑、 易调控并可延长水平段长度等特点，被认为是现代导向钻井技术的发展方向。
研发历史
研发历史
2008年，在“国家863计划”的支持下，中国海油旗下控股公司中海油田服务股份有限公司，开始自主研发 旋转导向钻井和随钻测井两套系统，历经艰辛探索，终于突破技术瓶颈，形成了具备自主知识产权的商标、系统 技术和装备体系。
2014年11月18日，中海油服自主研发的旋转导向钻井和随钻测井系统首次联合完成海上作业。这标志着我 国在油气田钻井、测井尖端技术领域打破了国际垄断，有望大幅降低国内油气田开发成本，并为中海油服参与国 际高端油田技术服务市场竞争增添重量级砝码。
主要分类
主要分类
旋转导向钻井技术及Power-V
旋转导向钻井技术及Power-V导向系统介绍摘要：旋转导向钻井技术主要指井眼轨迹自动控制的闭环自动钻井技术，是20世纪90年代初期发展起来的一项钻井新技术，代表着当今国际钻井技术的最新发展方向，对超深井、超薄油层水平井、大位移井、分支水平井等轨迹控制具有独特效果。
本文分析了旋转导向钻井系统的技术特点，介绍了国内外旋转导向钻井系统的发展、应用情况。
并详细介绍了斯伦贝谢公司旋转导向系统Power-V的组成和工作原理。
1.概述所谓旋转导向钻井，是指钻柱在旋转钻进过程中实现过去只有传统泥浆马达才能实现的准确增斜、稳斜、降斜或者纠方位功能。
旋转导向钻井技术的核心是旋转导向钻井系统，如图1所示。
它主要由井下旋转自动导向钻井系统、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。
旋转导向钻井系统的核心是井下旋转导向工具，旋转导向钻井系统主要由以下几部分组成：①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。
②控制系统:接收测量系统的信息或对地面的控制指令进行处理，并根据预置的控制软件和程序，控制偏置导向机构的动作。
图1 旋转自动导向钻井系统功能框图2.旋转导向钻井技术的特点旋转导向钻井技术与传统的滑动导向方式相比有如下突出特点：①旋转导向代替了传统的滑动钻进：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；②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，可满足高难特殊工艺井的导向钻井需要；③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。
旋转导向钻井技术的上述特点，使其可以大大提高油气开发能力和开发效率，降低钻井成本和开发成本，满足了油气勘探开发形势的需要。
旋转导向钻井系统RNDS
2013-8-5 12
¹ ×´ » « ¾ Ä PowerDriveÐ ÐÐòÐÐ Ë Â ±Ð ¹ Ë µ ý × Ð
PowerDrive ÇÇ °Ç ×
2013-8-5 13
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Auto Track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。
热烈欢迎各位领导 专家光临指导
2013-8-5 1
地面控制旋转导向钻井系统（RNDS）
Rotary Navigate Drilling System
胜利钻井工程技术公司 魏文忠、秦利民
2013-8-5 2
Copyright 1996-98 © Dale Carnegie & Associates, Inc.
2013-8-5 5
20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SperrySun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。
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
第7讲 旋转导向系统和地质导向钻井简介
随
地质参数
钻
测
量
井
底
信
息
钻井工程参数
自然伽玛 电阻率
声波 倾角
LWD/FEWD
密度
孔隙度
轨迹空间位置
井斜 方位 工具面
MWD
钻井参数
钻压 扭矩 压力
PWT
可视化三 维地质体
模型
导向
数据 处理
随钻测 量系统
地质导向 软件系统
曲线对比和 模型修正
7.2 地质导向钻井简介
三、地质导向钻井的概念
地质导向钻井就是在钻井过程中通过随钻测量多种地质和工 程参数对所钻地层的地质参数进行实时评价和对比，根据 评价对比结果而调整控制井眼轨迹，使之命中最佳地质目 标并在其中有效延伸。
7.1 旋转导向系统简介
三、旋转导向系统的进展
斯伦贝谢公司的PowerDrive 系统最新进展
1）小井眼旋导系统 PowerDrive Xtra 475 外径：120.7mm
2）大尺寸旋导系统 所钻最大井眼：463.6mm
7.1 旋转导向系统简介
三、旋转导向系统的进展
贝克休斯Inteq的AutoTrak系统最新进展 2002年推出了第三 代AutoTrak系统。
7.1 旋转导向系统简介
三、旋转导向系统的原理
动态推靠式 Power Drive SRD
静态推靠式 Auto Trak RCLS
静态指向式 Geo-pilot
7.1 旋转导向系统简介
三、旋转导向系统的原理
斯伦贝谢公司的PowerDrive系统
7.1 旋转导向系统简介
三、旋转导向系统的原理
哈里伯顿斯派里森公司的Geo-Pilo系统
旋转导向钻井系统
旋转导向工具系统的结构
液压导向结构原理 图
液压系统原理图
自动垂直钻井工具的主要部件是一个通过轴承与近钻头处的钻杆 相连接的导向活套，偏心轴承安装在钻杆上;导向活套的外圆周上 沿径向均布着三个导向液压缸A、B、C，其内圆周上径向均布着 三个柱塞液压泵A、B、C。导向套上部安装有阻尼器，且其外圆 轴向方向开设三道导流槽，环空泥浆部分通过导流槽返回地面， 在阻尼器和环空泥浆共同作用下导向套与钻杆间存在转速差。从 上面对该垂直钻井工具结构的介绍可知，这一转速差是柱塞泵正 常工作的必备条件。钻杆开始转动，布置在导向套内的柱塞泵A、 B、C，从钻杆上提取机械能，转换成液压系统的液压动力源，为 导向液压缸活塞提供伸缩动力。通过实时检测井斜，按控制规则 发令，控制导向液压缸A、B、C中一个或两个导向活塞伸出顶向 井壁，产生导向主要由储油皮囊、吸油单向阀、柱 塞泵、压油单向阀、电磁阀、溢流阀、导向液压缸组成。钻杆旋转时， 带动与钻杆相连的偏心轴承一起转动。当钻杆与导向套间存在转速差时， 泵柱塞在复位弹簧力和钻杆传递过来动力的共同作用下作往复运动。随 着柱塞的伸出缩回，液压泵进行吸排油。钻杆旋转一周，柱塞泵完成一 次吸、排油过程。导向液压缸无杆腔最高工作压力通过溢流阀设定，也 即限定了导向活塞对井壁的最大推靠力。通过控制电磁阀的电磁铁通断 电来决定液压系统是否起导向作用。电磁铁不通电，导向液压缸无杆腔 与皮囊通过电磁阀相连通，液压泵输出油液直接回皮囊，导向液压缸无 杆腔未建立起油压，导向活塞不伸出。当井斜检测系统检测到井斜超过 限定值时，按控制规则发出控制信号，控制电磁阀电磁铁通电，导向液 压缸无杆腔与低压回路切断，导向活塞在油液压力作用下伸出，顶向井 壁，产生导向集中力，把井眼轨迹纠回到正确方向;反之，井斜在限定范 围内，电磁阀电磁铁断电，导向液压缸活塞在复位弹簧作用下缩回，至 此导向过程结束。
旋转导向钻井系统原理
旋转导向钻井系统原理旋转导向钻井系统原理是：旋转钻井是从顿钻钻井演变而来的，它的应用最为广泛。
转盘钻井是通过一套地面设备，即钻机、井架以及一套提升系统，通过提升系统将井下钻具提起、下放、靠转盘转动。
钻具转动带动下边钻头转动，钻头转动时就可破碎岩石，破碎了的岩屑被泥浆泵泵人井内的泥浆循环带到地面。
钻头磨损了，再将钻具起出来换上新钻头，再下钻钻进，这样井不断加深直到将井钻到预计井深。
石油和天然气埋藏在地下几十m到几km深度不等的有孔隙、裂缝或溶洞的岩石中，为了寻找和开采石油天然气，从地面向地下的油气层之间，钻凿出一个通道的过程称之为石油天然气钻井。
其工序为：①钻井前，要在地面确定钻井的位置，然后在井位处打好安装钻机的基础并安装井架和钻机。
②钻井作业时，依靠钻机带动钻杆和钻头旋转，钻头逐次向下破碎岩层，形成一个井眼（钻井井眼尺寸的大小是由钻头大小来决定的）。
钻头在破碎岩层的同时，通过空心的钻杆向地下注人钻井液，将钻头破碎地层而产生的大量岩屑由循环的钻井液带到地面。
地面的固控装置将钻井液中的岩屑清除后，通过钻井泵再次将钻井液打入井内。
③钻达设计深度后，要在井眼内下入专用仪器进行测井作业，目的是确定井下地层岩性和各个油、气、水层的位置。
然后再下入小于钻井井眼的套管，并在套管与井壁缝隙间内注入水泥浆将套管固定在井壁上。
④最后一道工序是对油层位置的套管进行射孔，形成一个井下油气流人套管内的孔道。
油气的地层压力高时可自行流出地面，这种井称为自喷油气井r油气压力较低时借助外力从井下抽吸，这种井称之为非自喷井。
钻井时要有一套配套完整、功能齐全的钻机，有质量优异不易发生事故的钻杆、套管和钻头，有性能优良和钻遇地层岩性相匹配的钻井液等。
总之，石油天然气钻井的目的就是要凿穿岩石，发现和保护好油气层，并钻成一个通道确保石油和天然气通畅地流到地面。
动旋转导向钻井工具结构原理及特点
动旋转导向钻井工具结构原理及特点
一、结构原理：
1.器身：器身是工具的主要结构，由一根中空管组成。
中空管通常由高强度合金钢材料制成，具有足够的强度和刚度，以承受旋转和转向的作用力。
2.钻头：钻头位于器身的下端，用于切削岩层。
钻头一般采用合金钢制造，表面覆盖硬质合金，以提高抗磨损性能。
3.钻领：钻领位于钻头的上部，用于连接导向系统和起下钻工具。
钻领一般由海洋合金钢材料制造，具有足够的强度和刚度，以承受导向系统的作用力。
4.导向系统：导向系统是动旋转导向钻井工具的关键部分，通过控制导向力和扭矩，使钻头能够沿着预定方向前进。
导向系统主要由测量装置和调整机构组成，测量装置用于测量钻井工具与井眼的位置关系，调整机构用于调整钻井工具的导向力和扭矩。
5.起下钻工具：起下钻工具用于传递旋转力和推进力，使钻头能够切削岩层。
二、特点：
1.高效性：动旋转导向钻井工具能够实现同钻井作业，既可以完成钻井又可以进行导向，提高了钻井效率。
2.精确性：动旋转导向钻井工具通过测量装置和调整机构实现精确的导向控制，能够准确定位和导向井眼，提高了钻井的准确性。
3.可控性：动旋转导向钻井工具能够通过调整导向力和扭矩，实现对钻头的精确控制，能够适应不同的地质条件和井眼要求。
4.安全性：动旋转导向钻井工具能够实现对井眼的实时监测和控制，减少了钻井事故的发生概率，提高了作业安全性。
5.经济性：动旋转导向钻井工具能够提高钻井效率和准确性，降低钻井成本，提高经济效益。
总体而言，动旋转导向钻井工具结构简单，操作方便，能够提高钻井效率和准确性，降低钻井成本，是目前广泛应用的一种钻井工具。
旋转导向系统介绍
旋转导向系统介绍一、概述随着科学技术的发展，石油钻井的勘探仪器的信息化、自动化有了长远的进步，从20世纪80年代后期，在国际上开始研究旋转导向钻井技术，到90年代初期多家公司形成了商业化技术并最终实现了信息化和自动化钻井，旋转导向钻井技术作为目前发展的前沿钻井技术之一，代表着世界钻井技术发展的最高水平。
旋转导向钻井技术可以自动、灵活地调整井斜和方位，大大提高钻井速度和钻井安全性，精确控制井眼轨迹，完全适合目前开发特殊油藏的超深井、高难定向井、水平井、大位移井、智能井等特殊工艺井导向钻井的需要，极大的降低了石油勘探、钻井的成本。
目前该项技术主要被斯伦贝谢、贝克休斯和哈里伯顿公司所垄断，而国内旋转钻井技术仅处于初级阶段，未实现商业化。
二、系统组成1-固定钻铤 2-悬挂脉冲器 3-电池短节 4-测斜探管 5-无磁钻铤 6-无线接收短节7-无线发射短节 8-转换接头 9-旋转导向工具 10-钻头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。
同时配有地面—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。
旋转自动导向闭环钻井系统包括由井下导向工具、MWD系统、地面监控系统组成，实现了全井闭环控制的双向通讯。
1. 井下导向工具导向工具采用推靠式，外壳不旋转，三个支腿(支撑力不低于2.5t)可独立控制；导向工具采用涡轮发电机供电(功率400-500W)，发电机的交流电进行整流后，一部分为导向工具主控电路供电，另一部分再逆变为交流电通过无线方式传输到外壳中的执行电路；导向工具需要计算自身井斜及高边，以便控制支腿，停泵再开泵后，各支腿恢复到停泵前的状态；导向工具通过无线发射短节及无线接收短节向MWD系统索取仪器的方位信息后，根据地面指令调整三个支腿的收缩状态以实现导向功能。
2. MWD系统MWD系统通过脉冲器将测斜数据上传的同时，需要根据井下导向工具要求将导向信息同时上传到地面，并为井下导向工具提供仪器的方位参数以便于导向工具调整支腿状态。
旋转导向钻井技术介绍
2020/9/5
1
主要内容
1. 旋转导向钻井技术概述 2. 井下旋转导向钻井系统分类 3. 典型的旋转导向钻井系统
（1）AutoTrak RCLS系统： Baker Hughes公司 （2）PowerDrive SRD系统：Schlumberger公司 （3） Geo-Pilot系统：Halliburton公司
②为稳定器设置了多个控制位置，采用钻井液脉冲遥控技术、电 子及液压技术对稳定器的径向位置进行控制。
29
PowerDrive 结构及工作参数
• 长度：16 ft [4.9 m] • 排量：500 - 1000 gpm [1900 - 3800 lpm] • 转速：40 - 220 rpm • 工具压降：少于100 psi [6 bar] • 最小钻头所需压降：500 psi [34 bar] • 现最高运行温度：250ºF [120º C] • 泥浆比重：7.5 - 20 ppg [0.9 - 2.4 sg] • LCM ：使用MWD 指示
16
Application Areas
Directional / Geosteering wells in 8.1/2” - 12.1/4” hole size Where the operator wants:
– better hole cleaning, less circulation time, less wiper trips – extented run lengths by using PDC bits – better hole quality to ease logging and completion – superior geometrical steering & geosteering to maximise
旋转导向钻井系统发展概述
旋转导向钻井系统发展概述旋转导向钻井系统（Rotary Steerable Systems，RSS）是一种钻井技术，通过在钻井过程中不依靠旋转钻头，而是通过推动钻井工具本身的方式来实现钻进方向的调整。
旋转导向钻井系统的发展历程可以分为以下几个阶段。
第一阶段是早期试验阶段。
20世纪初，人们开始尝试使用下铣头来改变钻井方向。
然而，由于技术限制和钻井工具的不稳定性，这种尝试并没有得到广泛应用。
20世纪50年代，美国科罗拉多州的一家石油公司开始使用一个旋转导向钻头，成功地用于在海上进行导向钻井。
这是旋转导向钻井系统的雏形。
第二阶段是旋转导向钻井系统的商业化阶段。
20世纪80年代和90年代，随着石油行业的发展，对更高效、更准确的钻井技术的需求不断增加。
为了满足这一需求，多家公司开始研发和推出旋转导向钻井系统。
这些系统通过在钻井过程中控制钻具的导向来实现钻井方向的调整，从而提高了钻井效率和准确性。
第三阶段是技术的不断进步阶段。
随着对旋转导向钻井系统的需求不断增加，各个公司积极投入研发工作，不断改进旋转导向钻井系统的性能和可靠性。
例如，改进了钻井工具的设计和材料，提高了系统的可靠性和耐用性；开发了新的导向控制技术，提高了钻井方向的准确性；引入了新的测井技术，提供了更多的钻井参数和地层信息。
这些技术的不断改进和创新，使得旋转导向钻井系统在石油勘探和开采中得到了广泛应用。
第四阶段是多元化应用阶段。
旋转导向钻井系统不仅可以用于传统的油气勘探和开采，还可以应用于其他领域。
例如，可以用于地下水勘探和开采、地热能开发等。
此外，由于旋转导向钻井系统可以准确控制钻井方向，使得更高质量的水井和地下基础工程可以得到更好的施工和管理。
总结来看，旋转导向钻井系统经历了试验、商业化、技术进步和多元化应用等阶段的发展。
随着技术的不断进步和应用范围的扩大，旋转导向钻井系统将在石油和其他领域中发挥更重要的作用。
国内外旋转导向钻井对比.
Baker Hughes
AutoTrak RCLS系统已 下井320次， 累计工作 40000h，总 进尺约 160000m；
中国石油天然气集团公司
Schlumberger Anadrill Power Drive SRD系统下井 138次，累计 工作11610h ，总进尺 47780m；
Sperry-Sun
CGDS-1近钻头地质导向钻井系 2006年12月，在辽河油田齐604-莲H2Z井 中应用。2007年1月底在冀东油田成功完 成柳北 - 平 8 井 (LB-P8 井 ) 等 3 口水平井， 累计进尺2994.5m，累计工作时间860.5h。 2008 年 11 月，辽河油田欢 127- 莲 H205 井 应用。2010年2月，江汉浩平2井应用。 可控偏心器式旋转导向钻井工具系统 应用于长庆油田西28-022井、宁37-32井 和渤海油田LD5-2-A1井。 MRSS系统 2006 年 7 月成功应用，同一年 8 月底成功 应用于在胜利油田营12．斜225井。
应用概况
AutoTrak旋转闭环钻 井系统1996年在4口井中 试验获得功,1997正式推 向市场。截至2002年7月 累积钻进超过 1.609×106m。 Power Drive SRD 系统下井138次，累计工 作 1 1 6 1 0 h， 总 进 尺 47780m； Geo-Pilot系统已功 应用50口井
国内外旋转导向钻井系统对比
汇报人：时
概述
旋转导向钻井系统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 —— 闭环自动钻 井的主要内容。旋转导向钻井系统可以将几何导向 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。旋转导向钻井系统技术是现 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。
旋转导向钻井技术及Power-V
旋转导向钻井技术及Power-V第一篇：旋转导向钻井技术及Power-V旋转导向钻井技术及Power-V导向系统介绍摘要：旋转导向钻井技术主要指井眼轨迹自动控制的闭环自动钻井技术，是20世纪90年代初期发展起来的一项钻井新技术，代表着当今国际钻井技术的最新发展方向，对超深井、超薄油层水平井、大位移井、分支水平井等轨迹控制具有独特效果。
本文分析了旋转导向钻井系统的技术特点，介绍了国内外旋转导向钻井系统的发展、应用情况。
并详细介绍了斯伦贝谢公司旋转导向系统Power-V的组成和工作原理。
1.概述所谓旋转导向钻井，是指钻柱在旋转钻进过程中实现过去只有传统泥浆马达才能实现的准确增斜、稳斜、降斜或者纠方位功能。
旋转导向钻井技术的核心是旋转导向钻井系统，如图1所示。
它主要由井下旋转自动导向钻井系统、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。
旋转导向钻井系统的核心是井下旋转导向工具，旋转导向钻井系统主要由以下几部分组成：①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。
②控制系统:接收测量系统的信息或对地面的控制指令进行处理，并根据预置的控制软件和程序，控制偏置导向机构的动作。
图1 旋转自动导向钻井系统功能框图2.旋转导向钻井技术的特点旋转导向钻井技术与传统的滑动导向方式相比有如下突出特点：①旋转导向代替了传统的滑动钻进：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；②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，可满足高难特殊工艺井的导向钻井需要；③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。
旋转导向钻井技术的上述特点，使其可以大大提高油气开发能力和开发效率，降低钻井成本和开发成本，满足了油气勘探开发形势的需要。
旋转导向系统介绍
旋转导向系统介绍一、概述随着科学技术的发展，石油钻井的勘探仪器的信息化、自动化有了长远的进步，从20世纪80年代后期，在国际上开始研究旋转导向钻井技术，到90年代初期多家公司形成了商业化技术并最终实现了信息化和自动化钻井，旋转导向钻井技术作为目前发展的前沿钻井技术之一，代表着世界钻井技术发展的最高水平。
旋转导向钻井技术可以自动、灵活地调整井斜和方位，大大提高钻井速度和钻井安全性，精确控制井眼轨迹，完全适合目前开发特殊油藏的超深井、高难定向井、水平井、大位移井、智能井等特殊工艺井导向钻井的需要，极大的降低了石油勘探、钻井的成本。
目前该项技术主要被斯伦贝谢、贝克休斯和哈里伯顿公司所垄断，而国内旋转钻井技术仅处于初级阶段，未实现商业化。
二、系统组成1-固定钻铤 2-悬挂脉冲器 3-电池短节 4-测斜探管 5-无磁钻铤 6-无线接收短节7-无线发射短节 8-转换接头 9-旋转导向工具 10-钻头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。
同时配有地面—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。
旋转自动导向闭环钻井系统包括由井下导向工具、MWD系统、地面监控系统组成，实现了全井闭环控制的双向通讯。
1. 井下导向工具导向工具采用推靠式，外壳不旋转，三个支腿(支撑力不低于2.5t)可独立控制；导向工具采用涡轮发电机供电(功率400-500W)，发电机的交流电进行整流后，一部分为导向工具主控电路供电，另一部分再逆变为交流电通过无线方式传输到外壳中的执行电路；导向工具需要计算自身井斜及高边，以便控制支腿，停泵再开泵后，各支腿恢复到停泵前的状态；导向工具通过无线发射短节及无线接收短节向MWD系统索取仪器的方位信息后，根据地面指令调整三个支腿的收缩状态以实现导向功能。
2. MWD系统MWD系统通过脉冲器将测斜数据上传的同时，需要根据井下导向工具要求将导向信息同时上传到地面，并为井下导向工具提供仪器的方位参数以便于导向工具调整支腿状态。
旋转导向钻井系统中关键技术的发展现状和前景研究
旋转导向钻井系统中关键技术的发展现状和前景研究摘要：为了达到提高油层裸露面积来提高采收率、高效开发复杂油藏、以最小的开发投资获取最佳的目的，各种复杂的特殊工艺井应运而生。
在钻井过程中，旋转导向技术为钻井系统提供方法，井下涡轮发电机为钻井系统提供电能，泥浆脉冲发生器为钻井系统提供数据传输。
故此，本文对旋转导向技术、井下涡轮发电机和泥浆脉冲发生器展开分析，分析具体发展前景，旨在为相关工作人员提供参考。
关键词：旋转导向技术,井下涡轮发电机,泥浆脉冲发生器引言随着国内外大部分的油田相继进入开发后期，而大部分新探油气田的地层状况越来越复杂，钻探难度变高、成本增大。
通过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系统成功钻出超深井、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高难度的复杂结构井，从而提高油气的采收率、降低勘探开发成本[1]。
旋转导向钻井相比于传统的钻井方法有许多优点，在利润、效益及技术创新等各方面因素的驱使下，世界许多石油工程服务公司都加大了对旋转导向钻井系统的研发投入。
基于此，本文围绕旋转导向技术、井下涡轮发电机和泥浆脉冲发生器的研究现状进行讨论，总结今后技术的发展前景[2-5]。
1、旋转导向技术旋转导向技术是在钻柱旋转钻进时，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信息，引导钻头在储层中的最佳位置钻进。
目前，旋转导向技术按其工作原理可划分为推靠式、指向式和复合式导向工具，根据工具外壳能否旋转可分为动态式（全旋转式）和静态式[6]。
由于指向式旋转导向系统具有摩阻和扭矩较小、水平极限位移大、钻出的井眼质量高、能适应各种复杂地层和工况等优势，指向式系统占有越来越大的比例。
在钻井现场应用时，要求旋转导向技术具有独特的性能，使其能够在恶劣环境中更灵活、可靠地钻进复杂的井眼轨迹，具体要求是:（1）高造斜率。
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随钻 测量 仪 测斜器
轨迹 控制 器
井上设备
信息流、能量流
掘进 任务
井底 动力
钻 头
造斜器
井底钻具
能量流传动方式
井 底 动 力 钻 进
定向钻 进系统
水平定向钻 井上可移动 回转动力头 水 力 电 力 钻 杆 液 压 中程 增矩 钻 杆 孔底 马达
液 压 系 统
孔 内 钻 具
浅底钻进
深孔钻进
液力能传递方式
涡轮钻具
定向钻 进系统
Mud-泥浆 Stator-定子
Rotor-转子
涡轮钻具
定向钻 进系统
涡轮钻具
Reduction turbodrill design-减速涡轮钻具设计
Turbine section-动力端
定向钻 进系统
Reduction-减速
器
Spindle-传动轴
Angle regulator可调弯壳体
当泥浆流量和压力达到标准设定值时，阀芯下移，关闭旁通阀孔，此时 泥浆流经马达，使其转变成机械能。当泥浆流量值过小或停泵时，所产 生的压力不足以克服弹簧力和静摩擦力时，弹簧把阀芯顶起，旁通阀孔 又处于开启位置。
泥浆 泥浆 泥浆
泥浆
泥浆
螺杆钻具
旁通阀总成：
定向钻 进系统
它主要由阀体、阀芯、阀套、弹簧、筛板、密封件、孔用挡圈组成。
钻杆及稳定器
T2 F N1 T1
定向钻 进系统
w
1
T2
F N2
σ τ
N1
1
σ τ σ τ
N2 3 N2
2
钻杆稳定器 为了减小钻杆受孔壁摩擦阻力，一般将钻杆制成比钻孔直径小些，钻杆表面不与孔 壁直接接触，而是通过直径与孔径接近大小的稳定器支承在钻出的孔内，以防止垂直于 孔轴线的侧向力使钻杆过度弯曲。钻杆稳定器对两段较长距离钻杆起隔离作用，改善各 自的受力条件
螺杆钻具
螺杆钻具结构
定向钻 进系统
传动轴总成、万向轴总成、马达总成、防掉总成和旁通阀总成五大 部分组成 .
万向轴总成 防掉总成
传动轴总成马达ຫໍສະໝຸດ 成旁通阀总成旁通阀总成：
螺杆钻具
定向钻 进系统
旁通和关闭两个位置，在起下钻作业过程中处于旁通位置， 使钻柱中泥浆循环绕过马达进入环空，这样起下钻时泥浆不溢于 井台上。
空心钻杆 高压钻井液通道
定向钻 进系统
钻杆与井壁间隙 钻井液回流通道 冲洗井底 带走岩屑
液力能传递方式
定向钻 进系统
井底钻具组成
1 2 3 4
~0.4m 2~4m ~1m
定向钻 进系统
5
6 7
8
~1.5m 100~m
~2m
~1m
9
10
11
12
井底钻具组成 1-钻头；2-传动总成；3-井底马达；4-旋转导向装置；5-液动冲击锤；6-钻铤柱； 7-钻杆；8-稳定器；9-高强度螺纹接头；10-旋转接头；11-方钻杆；12-高压钻井液管
Power of pumping facility-泵功率 RPM-转速 Operating load-作业负
荷
钻头
名目 钻头名称 牙轮钻头 （Rock）
定向钻 进系统
钻头类型
PDC钻头 孕鑲PDC钻头 （Polycrystallin （impregnated） e diamond compact） 取心钻头 （core bit）
弹 簧 密封件 隔 板 筛 板 隔 板 挡 圈
挡 圈
阀 体 阀 套 阀 芯
螺杆钻具
防掉总成：
定向钻 进系统
作用：由于异常原因造成壳体断裂、脱扣时，起到防掉的作用；同 时使泵压升高，使地面及时发现问题避免造成事故。
泥浆 泥浆
防掉接头 防掉锁母
防掉连杆
螺杆钻具
定向钻 进系统
马达转子的螺旋线有单头和多头之分（定子的螺旋线头数比转 子多1）。转子的头数越少，转速越高，扭矩越小; 头数越多，转速 越低，扭矩越大。我公司可根据用户需求，制造转子头数与定子头 数比为 1：2、3：4、5：6、7：8、9：10 的马达，下图是几种典型马 达配合的截面轮廊：
1:2
3:4
5:6
7:8
9:10
钻杆弯曲
蠕动式脉动 单点驱动器
定向钻 进系统
σ τ
N2
2
F N1
T1
半径约为50m
钻杆
w
1
τ σ
σ τ
N1
N4
4
1
w
σ τ
N3 3
1
F N2 T2
钻杆弯曲
定向钻 进系统
为多点脉动式驱动器的受力情况， 蠕动式脉动单点驱动器利用摩擦副自锁 原理，驱动器前方向的钻杆向驱动器施 加扭矩和推力时，驱动器与孔壁的螺旋 摩擦副不自锁，螺副摩擦副发生相对滑 动，驱动器克服阻力向前相对蠕动，而 驱动器后方的钻杆向驱动器施加推力时， 螺旋摩擦副自锁，使后面钻杆的压力转 移到孔壁上，从而阻隔了每段钻杆压力 的相互影响。
孕鑲PDC钻头 （impregnated）
钻头
w1 w3
定向钻 进系统
w5
孔底马达 配套 推进节
w4 w2
切削节
破碎节
扭力自平衡式钻头 岩土对钻头的反作用力在钻头上自平衡，省去锚固装置并改善钻杆的受力。 钻头钻进部分为多节，分别为一到两段的切削节、推进节和钻尖破碎节组成，相邻两 节转动方向相反，图中的方案为三节顺时针两节逆时针（往钻进方向看），由于结合冲 击破岩、切削破岩和水力破岩，钻头的破岩效率和破岩速度将有较大提高。
图片示例
破岩机理
透用岩层
冲击破岩 压碎破岩 剪切破碎 软中硬 各类岩层
软岩层：室犁 硬岩层：剪切
微切削原理
微切削原理
软中岩层 用途越来越广
研磨性地层 硬、极硬地层
硬质岩层取心 钻进
定向钻 进系统
牙轮钻头 单锥牙轮在 井底破岩面 上作纯滚动 将钻杆的主 旋转运动转 为牙轮齿的 冲击岩石运 动。
牙轮钻头
钻井效率决定因素
Drilling process efficiency-钻井过程效率
定向钻 进系统
钻遇地层特征
使用钻头类型
-Formations-地层 -Temperature-温度 -Drilling problems-井
下复杂
-Rock-牙轮钻头 -PDC-PDC钻头 -Impregnated-孕镶钻头
旋转导向钻进系统
Rotary steering system
主讲人：离蒙遁
交流内容
• • • • • • 1.定向钻进简介 2.定向钻进系统组成 3.涡轮钻具原理及结构 4.螺杆钻具原理及结构 5.定向钻进系统应用 6.煤矿瓦斯抽放治理
定向钻 进系统
1.定向钻进简介
定义： 定向钻进技术是 指利用钻孔自然弯曲 规律或采用人工造斜 工具，使钻孔按照设 计要求进行延伸钻到 预定目标的一种钻进 方法。
三牙轮钻头上的各排齿相互啮合，能有效 而不重复地全面破碎井底岩石并防止齿槽泥 包。
钻头
定向钻 进系统
基金 体刚 复石 合微 晶粉 片硬 质 合 金
剪切破岩机理
PDC钻头
1）剪切破岩，破岩耗能 低； 2）PDC复合片具有超高 的硬 度、耐磨性和自锐 性； 3）PDC钻头为无活动部 件，工作可靠。
定向钻 进系统
定向钻 进系统
定向钻进应用
科 学 钻 定向钻进是集测量、 探 钻 井 控制、钻井、机械、地质 取 心 等学科于一体的科学钻进
瓦 斯 治 理
定向钻 进系统
技术，可大幅提高传统钻 油 市 气 政 进的质量与效益。 探 建
设
采
2.定向钻进系统组成
钻掘系统
定向钻 进系统
钻杆 拆缷 装置
动 力 头
钻 杆
钻掘 执行 机构