旋转导向钻井系统原理简介 (1)
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2. 钻头磨损加快； 3. 井眼质量差， 不利于测井； 4. 不能用于空气 钻井
滑动导向钻井：
8. 屈曲和自锁； 9. 造斜率对地层敏 感；
滑动钻进：改变井眼方向；
旋转钻进：保持井眼方向；
早期的旋转导向钻井思想
这是1955年申请专利的 旋转导向系统。
导向 钻井
一个非旋转套筒，指向钻 头的一个特定方位。
扶正器
翼块
钻头
第二类旋转导向系统的原理
导向 钻井
工具2所示，钻头也总是指向曲线的外侧。但比情况1的度数 要小。 工具2，例如Halliburton公司的Geo-Pilot系统 ，Cambridge 的AGS系统，是一个变形的连续旋转的驱动轴处在一个非旋转 套筒内。在套筒的中部，有一对偏心环，迫使驱动轴偏心变形， 导致钻头轴线倾斜，形成三点定圆趋势。钻头的轨迹由三点几 何确定，而钻头轴线趋向于和井眼轴线相一致。
旋转导向钻井系统 原理简介
石油大学（华东） 韩志勇 2003.07.10
作者郑重声明：本文件属于讲课的讲稿 ，并非公开发行材料。仅供学习人员学习时 参考，不得在撰写论文、报告或编写教材、 书籍中引用。
导向钻井系统的发展史
向有 工线 具导 和螺 弯杆 接钻 头具 钻无 测线 量随 导 向 马 达 钻旋 井转 系导 统向
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
2. Baker Hughes‟ AutoTrack Rotary Closed Loop 。由Baker Hughes和ENI-AGIP S.p.A. 联合开发的。侧推钻头原理(Push the bit)。在北海的一个井眼钻进中，钻进了4383英尺，垂深误 差在± 8英寸之内。
3. Schlumberger 的rotary steerable system called the PowerDrive* 475 。测推钻头原理(Push the bit)。突出特点是 钻速快，大大节约钻井成本。目前几口最大水平位移的大位移井， 都是用他钻成的。
扶正器
非旋转套筒
钻头轴
钻头
wenku.baidu.com
旋转导向系统的“三巨头”
目前市场上比较成熟的旋转导向钻井系统有三种：
导向 钻井
1. Halliburton‟s rotary steerable drilling system, dubbed GeoPilot 。由Sperry Sun 和Japan National Oil Corporation 联合 设计。指引钻头原理(Point the bit)。在北海进行裸眼侧钻，从 两个主井眼中侧钻出6个分支水平井。在第二口的四分支水平井 中，垂深误差在±1英尺之内。
• 还有其他许多早期的旋转导向钻井工具：
– 机械作用导向鞋；mechanically activated guide shoes, eccentric – 液压作用导向鞋； hydraulically activated guide shoes, – 偏心非旋转套筒； nonrotating sleeves, – 嵌套的偏心剑套筒； nested eccentric cam sleeves – 间歇作用的桨叶； intermittently activated paddles
导向 钻井
第 一 口 定 向 井
1933年
滑动导向钻井的存在问题
滑动钻进 旋转钻进
导向 钻井
滑动钻进时的存在 问题：
1. 滑动困难； 2. 需保持定向； 3. 井眼不清洁； 4. 钻速很低； 5. 井眼扭曲； 6. 环空压力波动； 7. 钻柱粘卡；
旋转钻进时的存 在问题：
1. 震动造成马达 和MWD的破 坏；
导向 钻井
第一类旋转导向系统的原理
工具1所示的钻头总是指向曲线的外侧。
导向 钻井
工具1是依靠靠近钻头处的一个或几个翼块控制几何约束力， 翼块独立伸出给井壁一个支撑力。翼块可以从一个非旋转筒内 半静态地伸出，例如Baker Hughes Inteq AutoTrak系统。或 者是从旋转筒内动态地伸出，例如Camco公司的 Steerable Rotary Drilling (SRD)系统。曲率大小取决于工具结构，和来 自组合上部的弯矩，还有翼块伸出的弯矩。翼块的伸出，直接 或间接地受到受限于设计的可调节的力的控制。轨迹控制取决 于翼块的有效伸出，井眼直径，钻头侧切能力等。一般来说， 这类工具的造斜率小于导向马达。
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；
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；
PowerDrive
• 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；
扶正器
旋转轴
非旋转套筒
钻头
第三类旋转导向系统的原理
导向 钻井
工具3是另一种工具，由于钻头轴的上端反时针转动，同时钻 柱顺时针转动，(Directional Drilling Dynamics Co.)使得钻头 轴线相对于井眼方向有一个“翘起”的位置。这种系统可提供 较高度数的钻头倾角，而不需要非旋转套筒接触井壁，而且可 以使钻头轴线与井眼轴线一致。这种工具由于商业原因而出在 上述两种之后。
导向 钻井
• 上述这些工具的原理，都与现代旋转导向系统类似， 但没有一个成功地商业化。显然，缺乏有效的井下 传感器和控制系统，阻碍了这些技术的发展，因而 也没能实现轨迹控制的理想。
导向马达采用 的轨迹控制原理 就是“三点定 圆”； 工具1-3旋转 导向工具也是采 用三点定圆法控 制轨迹，这与导 向马达相同。理 想情况下，钻头 按照三点定圆钻 出圆弧轨迹。但 要注意，除了几 何因素外，还有 力学因素。 但工具4的原 理不是三点定圆。
滑动导向钻井：
8. 屈曲和自锁； 9. 造斜率对地层敏 感；
滑动钻进：改变井眼方向；
旋转钻进：保持井眼方向；
早期的旋转导向钻井思想
这是1955年申请专利的 旋转导向系统。
导向 钻井
一个非旋转套筒，指向钻 头的一个特定方位。
扶正器
翼块
钻头
第二类旋转导向系统的原理
导向 钻井
工具2所示，钻头也总是指向曲线的外侧。但比情况1的度数 要小。 工具2，例如Halliburton公司的Geo-Pilot系统 ，Cambridge 的AGS系统，是一个变形的连续旋转的驱动轴处在一个非旋转 套筒内。在套筒的中部，有一对偏心环，迫使驱动轴偏心变形， 导致钻头轴线倾斜，形成三点定圆趋势。钻头的轨迹由三点几 何确定，而钻头轴线趋向于和井眼轴线相一致。
旋转导向钻井系统 原理简介
石油大学（华东） 韩志勇 2003.07.10
作者郑重声明：本文件属于讲课的讲稿 ，并非公开发行材料。仅供学习人员学习时 参考，不得在撰写论文、报告或编写教材、 书籍中引用。
导向钻井系统的发展史
向有 工线 具导 和螺 弯杆 接钻 头具 钻无 测线 量随 导 向 马 达 钻旋 井转 系导 统向
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
2. Baker Hughes‟ AutoTrack Rotary Closed Loop 。由Baker Hughes和ENI-AGIP S.p.A. 联合开发的。侧推钻头原理(Push the bit)。在北海的一个井眼钻进中，钻进了4383英尺，垂深误 差在± 8英寸之内。
3. Schlumberger 的rotary steerable system called the PowerDrive* 475 。测推钻头原理(Push the bit)。突出特点是 钻速快，大大节约钻井成本。目前几口最大水平位移的大位移井， 都是用他钻成的。
扶正器
非旋转套筒
钻头轴
钻头
wenku.baidu.com
旋转导向系统的“三巨头”
目前市场上比较成熟的旋转导向钻井系统有三种：
导向 钻井
1. Halliburton‟s rotary steerable drilling system, dubbed GeoPilot 。由Sperry Sun 和Japan National Oil Corporation 联合 设计。指引钻头原理(Point the bit)。在北海进行裸眼侧钻，从 两个主井眼中侧钻出6个分支水平井。在第二口的四分支水平井 中，垂深误差在±1英尺之内。
• 还有其他许多早期的旋转导向钻井工具：
– 机械作用导向鞋；mechanically activated guide shoes, eccentric – 液压作用导向鞋； hydraulically activated guide shoes, – 偏心非旋转套筒； nonrotating sleeves, – 嵌套的偏心剑套筒； nested eccentric cam sleeves – 间歇作用的桨叶； intermittently activated paddles
导向 钻井
第 一 口 定 向 井
1933年
滑动导向钻井的存在问题
滑动钻进 旋转钻进
导向 钻井
滑动钻进时的存在 问题：
1. 滑动困难； 2. 需保持定向； 3. 井眼不清洁； 4. 钻速很低； 5. 井眼扭曲； 6. 环空压力波动； 7. 钻柱粘卡；
旋转钻进时的存 在问题：
1. 震动造成马达 和MWD的破 坏；
导向 钻井
第一类旋转导向系统的原理
工具1所示的钻头总是指向曲线的外侧。
导向 钻井
工具1是依靠靠近钻头处的一个或几个翼块控制几何约束力， 翼块独立伸出给井壁一个支撑力。翼块可以从一个非旋转筒内 半静态地伸出，例如Baker Hughes Inteq AutoTrak系统。或 者是从旋转筒内动态地伸出，例如Camco公司的 Steerable Rotary Drilling (SRD)系统。曲率大小取决于工具结构，和来 自组合上部的弯矩，还有翼块伸出的弯矩。翼块的伸出，直接 或间接地受到受限于设计的可调节的力的控制。轨迹控制取决 于翼块的有效伸出，井眼直径，钻头侧切能力等。一般来说， 这类工具的造斜率小于导向马达。
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；
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；
PowerDrive
• 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；
扶正器
旋转轴
非旋转套筒
钻头
第三类旋转导向系统的原理
导向 钻井
工具3是另一种工具，由于钻头轴的上端反时针转动，同时钻 柱顺时针转动，(Directional Drilling Dynamics Co.)使得钻头 轴线相对于井眼方向有一个“翘起”的位置。这种系统可提供 较高度数的钻头倾角，而不需要非旋转套筒接触井壁，而且可 以使钻头轴线与井眼轴线一致。这种工具由于商业原因而出在 上述两种之后。
导向 钻井
• 上述这些工具的原理，都与现代旋转导向系统类似， 但没有一个成功地商业化。显然，缺乏有效的井下 传感器和控制系统，阻碍了这些技术的发展，因而 也没能实现轨迹控制的理想。
导向马达采用 的轨迹控制原理 就是“三点定 圆”； 工具1-3旋转 导向工具也是采 用三点定圆法控 制轨迹，这与导 向马达相同。理 想情况下，钻头 按照三点定圆钻 出圆弧轨迹。但 要注意，除了几 何因素外，还有 力学因素。 但工具4的原 理不是三点定圆。