导向钻井技术(讲课版)

导向钻井技术
（胜利钻井工程技术公司周跃云）
基本概念
在定向井、水平井钻井中，为了使井眼轨迹得到合理的控制，世界各国相继开发研究了各种相应的技术，这些技术大致可分为两方面：一是预测技术，一是导向技术。

预测技术是根据力学和数学理论，对影响井眼轨迹的各种因素进行分析研究，从而预测各种钻具组合可能达到的预期效果。

但目前的预测技术水平远远低于所要求的指标。

鉴于此，导向技术应运而生。

导向技术是根据实时测量的结果，井下实时调整井眼轨迹。

井下导向钻井技术是连续控制井眼轨迹的综合性技术，它主要包括先进的钻头（一般为PDC钻头）、井下导向工具、随钻测量技术（MWD、LWD等）以及计算机技术为基础的井眼轨迹控制技术,其主要特点是井眼轨迹的随钻测量、实时调整。

导向钻井技术是随油藏地质的要求和钻井采油地面条件的限制而逐步发展起来的。

在这种技术中，井下导向钻井工具处于核心地位，它决定导向钻井系统的技术水平，导向技术则是导向钻井系统的关键技术。

一、导向钻井的工具和仪器
定向井技术的进步与定向井工具和仪器的发展是相辅相成的，是密不可分的。

定向井钻井实践的需要，设计开发了专门用于定向井的工具和仪器，并在钻井实践中得到完善和提高；随着定向井工具和仪器的发展，极大地推动了定向井工艺技术水平的进步；而工艺技术的进步，对定向井工具仪器又提出了更新更高的要求。

胜利油田以及我国定向井发展的历程，充分地说明了这一辩证关系。

1.1 导向工具的主要类型
随着定向井、水平井和大位移延伸井的日益增多，各种相应的井下工具相继出现，如弯接头，变壳体马达，各种稳定器等。

对这些工具一般要分为两大类：一为滑动式导向工具，二为旋转式导向工具。

两者的主要区别在于导向作业时，上部钻柱是否转动，若不转动，则为滑动式导向工具，否者为旋转式导向工具。

1.1.1 滑动式导向工具
滑动式导向工具在导向作业时，转盘停止转动并被锁住，只有井底马达作业。

调整好工具面，钻进一段时间后，再开动转盘，使整体钻柱旋转，以减少摩阻及改善井眼清洗程度，随后再根据需要进行定向作业。

可以看出，这种作业方式要把大量的时间花费在定向作业上，尤其是深井作业更是如此。

但其优点是成本低，易于实现。

目前滑动式导向工具主要有各种弯角的固定式弯接头，弯壳体马达以及可变角的弯接头、弯壳体马达，偏心支撑型马达等。

1.1.2 旋转式导向工具
旋转式导向工具简单地分为两大类，一是井斜控制式旋转导向工具；一是全角控制式旋转导向工具。

a. 井斜控制式旋转导向工具
该种工具的核心是可变径稳定器，一般用于大井斜的条件下。

在
方位变化较小时，主要是通过调整稳定器的外径尺寸来改变BHA的性能，从而达到控制井斜、控制井眼轨迹的目的。

Halliburfon、Arco、BP等外国分别进行了大量研究，胜利油田引进的AGS可变径稳定器在CB21-P1大位移井中应用取得了明显的效果。

我国许多单位也研究了多种可变位扶正器。

b. 全角控制式旋转导向工具
由于通过可弯扶正器可以在一定程度上控制井斜，但很难控制方位，因此即能控制井斜，又能控制方位的全角控制式旋转导向工具也就成为发展方向。

目前这种旋转导向工具主要有两种，一种是静止式，当钻柱旋转时，导向支撑块不转动，可沿井眼轴线方向滑动。

另一种是调节式，当钻柱旋转时，支撑块随钻柱一起转动，但其整体工作效果具有导向作用。

有关旋转导向工具的结构和原理在后面有专门的介绍。

1.2 测量仪器的主要类型
为了满足各种定向井测量的需要，研制出了多种多样的测量仪器，其发展也是经历了从低级到高级的过程。

一般地，按方位的测量原理可分为两大类，即磁性和非磁性测量仪器；按测量方式来分，又可分为单多点和随钻类。

随钻类还可以分为有线和无线，随钻测量和随钻测井。

1.2.1 磁性和非磁性测量仪器
简单地讲，磁性测量仪器采用的是指南针的工作原理，是通过感受地磁场的参数来测量的，其方位以地磁北极为基准，习惯上叫磁方位，需要进行磁偏角的校正。

它必须在无磁干扰的环境下工作。

这类仪器包括各种罗盘照像单多点、电子单多点、有线随钻和无线随钻。

非磁性测量仪器根据其工作原理也是多种多样的，单其核心的是陀螺测斜仪，它是利用陀螺定轴性的原理进行方位测量的。

这类仪器包括FH酸、虹吸、打孔测斜仪以及各种陀螺测斜仪。

陀螺测斜仪主
要用于钻杆内、套管内及各种有磁干扰的环境下的方位测量。

1.2.2 单多点和随钻测斜仪
单多点测斜仪有罗盘照像单多点、电子单多点和陀螺单多点之分，其共同点是仪器在井下测量后，需要将仪器起到地面才能将数据读取出来，单点类仪器一次只能测量一个点的数据。

随钻类的仪器能进行随钻测量，及时地反映出井斜角、方位、工具面等测量数据。

1.2.3 有线随钻和无线随钻
随钻测斜仪按数据的传输方式可分为有线和无线类，有线随钻是通过电缆传输数据的，无线随钻通常称为MWD（Measure While Drilling）,是采用泥浆脉冲、电磁波等方式传输数据的，泥浆脉冲又有正脉冲、负脉冲和连续波三种方式。

1.2.4 随钻测量和随钻测井
随钻测量一般指测量井身轨迹控制参数的MWD，也可称为DWD（Directional While Drilling），随钻测井通常称为LWD（Log While Drilling），它是在DWD的基础上增加一些地质参数的随钻测量，通常有电阻率、自然伽玛、孔隙度、中子密度等。

二、导向钻井技术
导向技术按导向工具的工作方式可分为滑动导向技术和旋转导
向技术。

按导向依据的特点又可分为几何导向技术和地质导向技术。

2.1 滑动和旋转导向技术
滑动导向技术的特点是在导向作业时，上部钻具不随钻头转动，随钻进深度的增加，钻柱整体沿井壁向下滑动（井眼轴向），这种工作方式可能带来摩阻过大和井眼清洁不完善两大问题。

轴向摩阻使得在滑动方式下很难控制钻头上的钻压，这个问题随着水平位移的增加越来越明显，在极限情况下，钻柱发生屈曲，从而限制了定向井、水平井的有效深度。

旋转导向技术的特点是无论定向与否，都使整体钻柱保持旋转状态，它是唯一能解决摩阻、井眼清洗问题的导向钻井技术。

因此，旋转导向工具也就成了井下闭环钻井(自动化)系统的核心工具。

2.2 几何和地质导向技术
几何导向技术，指的是控制机构根据预先设计的空间几何曲线井眼轨迹，通过井下导向工具进行实时控制，使钻头沿要求的轨迹钻进。

目前，大多数的井眼轨迹控制技术都是采用地面设计与井下调控相结合的几何导向技术。

目前最先进的几何导向技术是英国Camco公司的SRD系统，可以测得钻头以上1—4m范围内的井斜角和方位角(近钻头井斜测量)。

地质导向技术主要通过随钻测量技术（MWD、LWD）等，探测
近钻头处的地层特性，地层界面，岩性，油、气水层位置，以及井眼轨迹参数（井斜、方位、深度等），从而根据地质特性来确定钻头的前进方向，控制钻头穿过薄层和复杂地层。

与几何导向相比，地质导向并不一定需要预先确定的设计井眼轨迹，它能利用随钻测井资料，根据地层特点（特别是原来未了解或未设计的地质变化情况）动态地按地质和工程要求实时随机地控制井眼轨迹，使钻头沿地层最优位置钻进。

Schlumberger 公司的Ａnadrill生产的地质导向工具GST(Geosteering Tool)，已经在许多井中成功地实现了地质导向钻井。

该公司的一位经理说：“现在，我们已经能在储层中朝上或朝下看到几英尺，使井眼正好通过储层中间或储层中的任何特殊位置，把三维地震与随钻测量的井下数据结合起来就可做到这一点。

”
地质导向技术一方面可容纳几何导向技术，另一方面它能使井下控制独立于人们对地层的认识程度，使井眼轨迹控制更具有灵活性和针对性。

地质导向是目前导向钻井技术的最高阶段。

2.3 导向钻井技术的发展
最初所钻的井多为直井，所钻出的井眼轨迹是随机的，所产生的井底位移及方向也是随机的，这种井型受到一些地面条件（建筑物、障碍物等）的限制，也不能满足一些特殊油藏（如不整合油藏、稠油
油藏等）勘探开发的要求，于是产生了定向井钻井技术。

定向钻井是人为的、有目地控制井眼轨迹朝着预先设计的目的层钻进。

随着各种钻井新工艺、新工具、新技术的应用，定向井、水平井等一系列特殊工艺井钻井技术得到了飞速发展，并迅速地体现出了所具有的巨大经济优势。

一方面，使油气田开发方式更加多样化，油田开采真正进入立体化阶段，解除了地面环境条件对油井布置的限制；另一方面，使油层中井段的长度进一步加长，增加了油层的泄油面积，为提高单井或井组产量提供了潜力，并为减少地面占用面积，降低钻井成本创造了条件。

大位移井ERD（Extended Reach Drilling）作为定向井、水平井技术的进一步发展形式，既能反映定向井、水平井的技术优势和经济优势，同时又具有更大的经济效益和更高的技术水平。

它主要是利用井眼在地层中超长的延伸长度来控制泄油面积，可从海上平台进行大位移钻井，但更主要的是在沿海滩涂向海底延伸钻井，从而节省建造钻井平台的昂贵费用。

大位移井等新技术的经济效益十分显著，但它面临的技术难度也是前所未有的。

轨迹控制的精度要求大幅度提高，控制难度明显增加，同时又必须尽量保证有足够的速度以确保钻井成本相对下降，而现有的钻井技术，在两方面很难得到同时满足。

目前常用的井眼轨迹导向
技术（MWD+动力钻具+PDC钻头，即滑动导向技术）的极限深度在7km左右，而这个极限深度远没有达到由钻具强度决定的极限深度（超过10km）。

井下导向钻井技术的发展主要是随定向井、水平井等特殊工艺井技术的发展而发展的，是在井下导向工具、井下导向仪器及配套设备的基础上发展起来的。

最初的定向技术已有导向技术的雏形，井下定向（导向）工具、仪器、设备十分简陋，如井下马达从高转速、低扭矩，发展到现在的多头、加长、低转速、高扭矩，其工作寿命也从20-30h提高到目前的上百小时；定向测量仪器的发展更是日新月异，从最初地面定向、井下氢氟酸腐蚀定向，逐步走过了单点定向、有线定向、及目前的无线随钻定向测量跟踪井眼轨迹。

按导向技术的定义和特点，最早的导向技术应该是有线随钻＋井下马达的轨迹控制技术，但它只是在一口井的部分井段（随钻测量井段）实现了导向钻井，属于滑动的、几何导向技术。

在MWD投入使用以后，才使全井段导向钻进成为可能。

井下导向钻井技术发展的初衷是实现井眼轨迹的可控制，也就是几何导向技术，现场应用后，由于其完美的可使用性及产生的巨大价值，立即引起钻井界的关注，这项技术很快被发展成为目前油田增储上产的最重要的手段之一。

Humble oil 和Byron Jackson公司早在40年代就开展了井下
导向钻井技术，Anadrill Schlumberger Co.比较全面地进行了这方面的理论和实践的大胆探索。

现在，以导向马达为主的滑动、几何导向钻井技术已在国内外的得到大面积的推广应用。

世界上比较有代表性的几家公司已先后研究出了多种旋转导向钻井系统：
德国KTB项目与Eastman公司合作开发的VDS（Vertical Drilling System）自动垂直井钻井系统；
意大利Agip与Baker Hughes合作在VDS基础上开发的SDD 垂直钻井系统。

英国Cambrige Radiation Technology System Ltd.（Sperry-sun）的AGS（Automated Guidance System）自动导向钻井系统；99年又推出Sperry-sun Halliburton的Geo-pilot旋转导向系统。

美国能源部资助的ADD（Automatic Directional Drilling）自动定向钻井系统；
英国Camco.生产的SRD（Steerable Rotary Drilling System）旋转钻井方式下导向的自动钻井系统；99年与Anadrill合并后注册为PowerDrive，世界上有3口上万米的大位移井中，有2口井用了该工具。

目前已累计下井一、二百次，上万小时。

美国Baker Hughes INTEQ公司的RCLS（Rotary Closed-Loop System）旋转导向井下闭环钻井系统。

97年注册为AutoTrak，现已累计下井超过300次，累计时间超过4万小时。

非旋转导向稳定器
在国内开展这方面的研究工作主要在近几年，特别是水平井钻井技术的进一步成熟，为开展井下导向钻井技术的应用研究提供了技术保障。

部分水平井钻井技术已经应用到普通定向井中，在水平井中推广使用井下导向钻具+MWD进行滑动、几何导向钻井，一是可以在不起钻的情况下方便地调整井眼轨迹，二是由于井下动力钻具带动钻头快速的旋转，即减少了施工工序，又相应的提高了钻头对岩石的破碎功，从而大幅度地提高了钻井速度。

胜利油田在引进FEWD（Formation Evaluate While Drilling）的基础上，采用导向马达＋FEWD，成功地钻成了几口地质导向的水平井，并取得了很好的技术经济效益。

这种方法对轨迹的调整仍是滑动的，应该称其为滑动、地质导向技术。

在旋转导向技术方面，近年国内一些院校的专家、学者开展了理论上的研究，但到目前为止还没
有现场应用的实例。

胜利油田与西安石油学院合作研制RCLD （Rotary Closed-Loop Drilling）已被列入国家863计划，预计在“十五”末样机可以投入现场实验。

钻井工程技术公司自行研制的机械式简易旋转导向工具的样机正在加工，今年有望进行现场实验。

三、闭环钻井系统的结构及工作原理
闭环钻井（RCLD）系统是一以旋转导向为特征的井下闭环钻井系统，它的核心工具是一旋转导向工具。

这种导向工具使闭环钻井系统能在各种环境下自行导向、自动优化，确保以最高的效率、最优的质量完成预设计井眼轨迹或实时设计井眼轨迹。

另一方面，测量系统好象RCLD系统的“眼睛”，井下微电脑好象RCLD系统的“大脑”，控制机构则可以认为是RCLD系统的“手”或“脚”。

只有将四者结合起来，再辅以地面的监控，井下闭环方能实现。

3.1 RCLD系统的总体结构
RCLD系统在总体结构上可分为井下系统和地面系统两部分。

井下系统包括导向机构、钻头空间姿态测量系统、控制机构、微电脑、MWD及相应的配用工具如专用柔性钻铤等。

地面系统即为一地面监控系统，主要由计算机及地面仿真软件、信息接收入传输系统组成。

下面是RCLD系统的结构框图。

图中两虚线框架分别表示井下闭环控
制回路。

井下系统由MWD 测量系统、钻头、及井下闭环控制回路三部分组成。

井下闭环制回路由井下微电脑、控制机构、钻头空间姿态测量系统、导向机构组成。

地面系统与井下系统之间为信号双向传输，其它的双向箭头表示井下系统内部的信号双向传输。

井下闭环
控制回路
钻头
RCLD系统结构框图
为了更清楚地了解RCLD系统的结构特点，下边给出了RCLD系统的结构简图。

图中所示闭环回路部分根据钻头空间姿态测量系统测得的信息，经井下微电脑处理后，与储存在井下微电脑中预置井眼轨迹信息比较，然后形成控制指令并发送给控制机构，控制机构按控制指令控制导向机构（也称偏置机构）的工作。

导向机构产生的导向效果则又由钻头空间姿态测量系统测量，从而完成闭环控制回路。

钻头空间姿态测量系统的测量结果同时又通过井下传输通道传给MWD系统。

MWD系统一方面完成自己的测量任务，同时又把近钻头测量信息以及自测信息通过传输系统传给地面监控系统。

监控系统通过（仿真）软件的模拟（仿真）视情况作出反应。

当模拟（仿真）结果表明井下情况正常时，监控系统不发出干预指令，否则干预指令将向井下传送，
由MWD接收后，送给井下微电脑并传向控制机构。

控制机构根据地面指令操作导向机构，这样就实现了地面干预任务。

3.2 旋转式导向机构的结构与工作原理
旋转式导向机构的出发点在于使导向系统在旋转状态下导向。

实现旋转导向有两种方案。

一种是静止式导向，即导向机构不随钻头旋转，相对井壁静止。

整个钻柱除导向机构外都随钻头旋转，导向机构除沿轴向作缓慢滑动外，只有周向的、相对井壁的、偶尔的、很小的滑动。

另一种是可调节式旋转导向机构，即导向机构随钻头同步旋转，并在旋转过程中实现导向功能。

下边以调节式旋转导向机构为例介绍导向作用原理
3.2.1 可调节式旋转导向机构及工作原理
可调节式旋转导向机构的结构如下图所示。

其主要由三个伸缩翼肋以及控制三个翼肋伸缩的控制阀组成。

伸缩翼肋的伸缩由钻井液提供动力，并由控制阀分配。

控制阀的结构见下图：
它实为一盘阀系统，由上下两部分组成。

上盘阀由控制轴带动。

上盘阀上有三个孔，其中之一与空心控制轴相通，称为高压阀孔，其余两个与低压室相通，称为低压阀孔。

高压阀孔做成如图所示弧形长孔形状，目的是为了使高压钻井液作用在翼肋上的力具有一定的作用时间，以保证侧向控制力的作用效果。

钻井液通过控制轴上的带筛孔的元件进入控制轴再流向上盘高压阀孔。

下盘与导向机构轴体相固
联，上边有三个直径相同的圆孔圆孔下的通道通向伸缩翼肋的活塞室，三个圆孔之间的相位相差120 。

当导向机构处于工作状态时，控制轴中的流体进入开关打开，钻井液由筛孔通向上盘高压孔眼。

下盘随钻头一起同步旋转，当其中的一个孔眼与上盘高压孔眼位于同一轴线上时（两孔相接），与这相连的伸缩机构被高压钻井液推动，活塞外推，翼肋与井壁接触，并给井壁施加一作用力。

该作用力的方向则由上盘高压孔眼的位置确定。

当上盘高压孔眼在控制机构控制下处于井眼高边方向上时，该作用力方向就沿井眼高边方向，井壁对它的反作用力就指向井眼低边。

此时，导向机构就处于全力降斜状态。

当上盘高压孔眼在控制机构控制下处于90︒相位时，导向机构就处于270︒降方位状态。

当上盘高压孔眼在控制机构控制下处于270︒相位时，则导向机构就处于90︒增方位状态。

在钻头每一转过程中，下盘孔眼都与上盘高压阀孔相通一次，与之相接的伸缩块伸缩一次。

相通块伸出；不相通时，下盘阀孔就与上盘阀的低压孔相通，伸缩块在复位弹簧的作用下和井壁的推动下回收。

低压室与井眼环空相通，保持环空压力。

导向机构在控制阀的控制下实现导向功能，而伸缩翼肋在随钻头旋转的过程中的有规律受控伸缩，产生一定的控制力。

伸缩翼肋对井壁的作用是在钻头每一转的过程中获得的动态作用力，并不象静止式导向机构的伸缩翼肋相对井壁的周向位置保持不变，这正是调节式导
向机构的特点所在。

3.2.2 导向机械作用力的求解
翼肋对井壁的作用力求解：
设导向机构处钻具内外压力分别为P （钻具内部液体压力）和P。

（环空压力），伸缩机构的活塞直径为d，则作用在井壁上的力可由上式求解：
1
F。

= πd2（Pι-P。

）
4
当活塞直径为5cm，钻具内外压差8Mpa时，通过计算可得翼肋对井壁的作用力大小为=15.7kN。

一般情况下，导向机构的伸缩机构的活塞直径恒定，翼肋作用力的大小主要取决于导向机构处钻具内外的液体压差。

在某一工作井深，由于钻速一般较慢，若钻井液压力改变较小，那么，井底内外压差可近似看作定值。

此时，翼肋对井壁的作用力也可近似看作定值。

3.2.3 测量系统的结构及工作原理
RCLD系统的测量系统由两部分组成。

第一部分为现有的MWD 随钻测量系统，主要用来测量井眼的空间位置参数、井下钻压、温度、压力等，同时负责向地面传送测量信息和接收地面指令；第二部分，
为钻头空间姿态测量系统，主要用来测量近钻头处井眼的空间姿态参数（井斜和方位），以便实现实时控制。

A、MWD随钻测量系统
MWD随钻测量系统已成为深受钻井工作者欢迎的测量工具，目前已有以泥浆脉冲为特点和以电磁波、声波为特征的MWD系统。

后者相对来讲技术成熟度较低，使用欠普及。

采用泥浆作为信号传递媒介，用泥浆连续压力波作为信息携带体的MWD系统现已达以相当高的水平，主要由数据测量传感器、动力脉冲系统等组成。

测量系统通过加速度计、磁通门传感器、压力传感器、温度传感器等测量井斜角、方位角、工具面角、钻压、扭矩、温度、压力等。

加速度计（三轴的或三个单轴的）和磁通门感器与钻具一体安装。

当在滑动作业下导向时，能测出测点处的井斜角、方位角及工具面角。

但在旋转作业方式下，MWD仅能测出平均井斜角和方位角。

动力脉冲系统是这种MWD的核心系统，主要由涡轮发电机、接收系统、连续脉冲发生器三部分组成。

涡轮发电机利用泥浆提供的动力发电，并给MWD系统供电，功率大约在2W左右。

接收系统主要接收各部分传感器采集的数据。

连续脉冲发生器由转子和定子组成。

在转子转动过程中，转子与定子之间切割泥浆，产生不同的泥浆压力差，再由泥浆连续传递到地面，形成了连续的脉冲波。

地面的连
续跟踪系统接收到连续波后，按规律将其转换为数据，用地面计算机进行处理。

B、钻头空间姿态测量系统的结构及工作原理
钻头空间姿态测量系统安装在控制系统的压力室内，主要由三轴力反馈式加速度计以及三个沿加速度计轴向安装的磁通门传感器组成。

它们被安装在一个“惯性平台”上。

该“平台”实际上是一滚动稳定伺服系统。

该“平台”能保证测量元件的位置在空中保持滚动稳定，使测量系统成为一滚动稳定式系统。

三轴力反馈式加速度计的结构如下图所示：
伺服机构在三个相互垂直的方向上作用在靠近其重心的传感器上，安装在端部的挡板消除了剩余的三个自由度（转动方向）。

加速。