旋转导向钻井系统RNDS
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VDS、ADD、RCLS、 XTCS 、RNDS
旋 转 导 向 工 具
两维
三维
调节式导向工具 SRD、（RCLD）
2013-8-5 4
•
近几年国内普遍推广应用的滑动导向钻井技术，采用的井 下工具是导向螺杆钻具PDM，滑动导向钻井技术首先是马达的 可靠性和寿命受到限制；更重要的是在大位移延伸井钻井过程 中，滑动钻进时钻具的摩阻力经常大于下滑力，使钻头加不上 钻压，以及工具面失控等问题。
Ç来自百度文库Ç÷ ÇÇ Ç Ç
2013-8-5 12
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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。
2013-8-5 6
•在变径稳定器的基础上，国外各大石油公司纷纷研制全方 位控制的旋转导向系统，其中，最有成就的就是Auto Track 和 Power Drive。
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Ç Ç ò · Ç× ÇÇ ÇÇ Ç ¨÷
2013-8-5 15
三、RNDS系统结构原理
• RNDS系统中的井下导向工具（CPD），全部采用机 械结构，不需要旋转稳定平台、电子伺服机构、油压 系统、以及井下微电脑、专门的测量系统等，并且很 好地解决了操作指令下行通道和数据传输问题（双向 通讯功能）。CPD全长只有3米，高强度的一体化外壳 设计，采用平衡活塞低压密封结构，安全可靠，简单 而巧妙的机械设计，运动部件全部在油浴中，动作平 稳，性能稳定。
旋转导 向工具
钻 头
控制回路
2013-8-5 19
六、RNDS系统的特点
静止式旋转导向钻井系统（静态可控偏心器）比调节式旋 转导向钻具更容易实现井下控制，并且对钻具不存在间歇冲击 力，静态合矢量方向可以精确控制，可以有效地解决大位移延 伸井钻井的摩阻、扭矩问题，不易造成粘卡，有助于排除岩屑； 容易解决近钻头测量问题。
29
•
参考文献
• 狄勤丰著 旋转导向井下闭环钻井技术 • 张双进 余志清 静态式可控偏心器旋转导向工具 造斜能力分析 石油钻探技术 2000年第五期 • Sperry-Sun AGS使用操作手册 • 舵板式钻头导向器的研制及应用 江苏石油局工 程技术研究院
2013-8-5 30
恭请各位专家给予指 导和提出好的建议， 以使RNDS进一步完善 和达到更高的水平。
2013-8-5 9
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2013-8-5 10
¹ ×´ » « ¾ Ä Ë Â ±Ð ¹ Ë µ
PowerDrive ý ÐÐòÐÐ Ð × Ð
2013-8-5 11
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2013-8-5 7
2013-8-5 8
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Ð ÐÐ Ð § Ð ×〃 ÐÐ Ð× Ð ÐÐ ¨ òê
• ÐÐ Ð×Ð--×Ð ÐÐ á Ð ú ê ê〃 • ÐÐ ¤ Ð • ÐÐ ÐÐ ó Ð • ÐÐ ÐÐÐ Ð
谢谢！谢谢！
Qin Li Min
2013-8-5 31
2013-8-5 20
由于MWD必须在开泵循环状态下测量， 所以，滑动导向钻井MWD测量都不是“静 态测量”，测量精度受到井下马达的震 动的影响；所以旋转导向钻井的测量精 度比滑动导向钻井高。 RNDS系统与目前国外已使用的井下闭 环旋转钻井系统相比，没有复杂的结构， 制造加工和使用成本低的多，不仅可以 用于大位移延伸井（ERD）和高难度三维 多目标井（Designer Well）的钻井，而 且能够在大量的定向井、水平井钻井中 推广应用。 由于这种工具可以通过泵简单且快 速的操作，能够对井身轨迹进行精确的 控制，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。
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
4、RNDS系统工作原理
5、RNDS系统的特点
6、附录1：活塞推力计算
7、附录2：“法面矢量法”轨迹控制和预测模 型 2013-8-5
3
一、概述
主要导向工具及分类
滑动导向 工具 单弯动力钻具 异向双弯动力钻具 固定偏心块钻具 可变径稳定器型 静止式导向工具 KOS、AKO DTU EBS HVGS、AGS、 TRACKS
旋转导向工具 MWD
上稳定器
2013-8-5 14
系统整体效果分析
我们认为导向钻井技术，就是只用一种具有多 功能的钻井轨迹控制系统，能够连续地控制井身轨 迹的钻井技术。 首先该系统整体必须具有稳斜效果，并能够对 井斜、方位的全面控制。不论是滑动导向钻井系统， 还是旋转导向钻井系统，都应该具有连续进行稳斜、 增斜、降斜和调整方位的能力。 整体具有稳斜效果和具有连续(不用起下钻更 换钻具)控制轨迹的能力,是导向钻井技术区别于传 统的定向方式钻井的两个必要条件。 RNDS系统根据钻具整体力学计算的结果，在 MWD系统之后再配置一个普通稳定器，在调节钻压 的情况下，系统整体还具有微量调节井斜的能力， 其整体稳斜效果相当好。
其中:
2013-8-5 25
在给定轨迹偏离设计线的最大限定距离后，在选定轨迹 偏离设计线的法面距离的情况下,必须控制井斜角偏差，以 及控制井斜方位角偏差。即:
2013-8-5 26
八、用途和意义
RNDS系统的研制开发，将对我国钻井技术产生巨大 的影响：
1、将是我国首家研制开发成功的旋转导向系统，进一步提高我们 钻井的技术水平，大面积推广之后，必将带来钻井技术的一次新 的革命，技术经济效益和社会效益是巨大的。
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.
27
目前研制开发工作的进展：
1、完成了旋转导向钻井工具总体方案的研 究。
2、完成了与AGS通用件的90%的测绘工作和 拆装工具的设计工作。 3、目前预计已完成设计总工作量的30%。
2013-8-5 28
九、结论
•
总之，根据对国内外旋转导向钻井技术的学习和了解， 同时根据我公司引进的AGS变径稳定器的结构原理和设计 特点，经过长期的研究，有了重大的突破，RNDS旋转导 向系统的设计原理明确，结构简单可靠，可以大面积推 广应用。 目前，国外已经发展到旋转导向闭环系统，但是 还没有真正的达到井底闭环阶段；而RNDS是静止式旋转 导向系统，不能达到井底闭环钻井，但是，这在我国还 是走在了前列，并且，它具有结构简单、可靠性强、使 用成本低、适应性强的特点，深受井队的欢迎，可以在 一般井上大面积推广应用，与国际上其他旋转导向系统 相比，具有更强的生命力和应用价值。 2013-8-5
2013-8-5 17
四、力学原理图
旋转轴 合力方向
非旋转套筒
当非旋转套筒支撑在井壁上时，由于稳定器的偏心作用和活塞 爪的推力作用，钻头产生侧向力和倾角，从而实现对轨迹控制的目 的。 2013-8-5
18
五、旋转钻井系统控制回路示意图
数据工具面测量
地面电 脑监控
顶驱或 转盘
钻 柱
信息 传输
MWD 探管
2013-8-5 21
七、理论研究
1、活塞推力计算
其 中，T=100kgf为复位弹簧的弹性力; μ=0.1钢与钢在油润滑情况下 2013-8-5 的摩擦系数。
22
2、“法面矢量法”轨迹 控制和预测模型
实钻线 （α ，φ ） ω 设计线 法面矢量 σ
2013-8-5 23
2013-8-5 24
将设计轨道分段，并列出各段起始点终点数据，建 立各段方程与方程②联求解，即得过P点的法面与设计轨 道的交点J的参数（xj、yj、zj），由此可得法面偏差距离
2013-8-5 16
结构原理示意图
凸轮凸轮销 非旋转套筒 活塞爪 注油孔 锁销 弹簧
心轴活塞
蘑菇头孔板
平衡活塞
筒式斜面体
定向线
通过CPD内部和环空的压差作用，使心轴带动斜面体向下运动，使这些 活塞爪进行伸展，并在凸轮机构的控制下，活塞爪在钻井液的循环状态下 有两种工作位置。由于偏心作用和活塞爪的推力作用，使钻头对井壁产生 一侧向力和偏角，从而使井眼轨迹改变方向。通过MWD传输的数据信号进行 地面定向控制和对轨迹进行计算和预测。
2、进一步增强我们的的技术实力，为大位移延伸井、特殊工艺井 钻井提供了可靠的工具。 3、可以用于易斜地层的垂直钻井，在这种意义上，又相当于德国 研制的VDS自动垂直钻井系统。
4、由于MWD测量的位置距离钻头较近，因此，用于超薄油层的水平 段钻进，将是非常理想的。
5、容易形成近钻头井斜测量。
6、其他旋转导向系统能够完成的任务， RNDS系统也能够完成。 2013-8-5
可以用于易斜地层的垂直钻井；可以形成近钻头井斜测量， 用于超薄油藏的水平钻进；并且具有结构简单、性能可靠，加 工使用成本低，适用性强等特点，可以大面积推广应用。
RNDS系统与滑动导向钻井技术相比，不使用动力钻具，避 免了动力钻具的不可靠性问题，钻井的安全性提高；不存在动 力钻具反扭角造成的工具面失控问题，钻压、排量等钻井参数 不受动力钻具的影响，使用范围扩大，可以做到优化钻井参数 钻井，大大提高钻井速度和钻井效率 。
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。
旋 转 导 向 工 具
两维
三维
调节式导向工具 SRD、（RCLD）
2013-8-5 4
•
近几年国内普遍推广应用的滑动导向钻井技术，采用的井 下工具是导向螺杆钻具PDM，滑动导向钻井技术首先是马达的 可靠性和寿命受到限制；更重要的是在大位移延伸井钻井过程 中，滑动钻进时钻具的摩阻力经常大于下滑力，使钻头加不上 钻压，以及工具面失控等问题。
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2013-8-5 12
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PowerDrive ÇÇ °Ç ×
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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。
2013-8-5 6
•在变径稳定器的基础上，国外各大石油公司纷纷研制全方 位控制的旋转导向系统，其中，最有成就的就是Auto Track 和 Power Drive。
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三、RNDS系统结构原理
• RNDS系统中的井下导向工具（CPD），全部采用机 械结构，不需要旋转稳定平台、电子伺服机构、油压 系统、以及井下微电脑、专门的测量系统等，并且很 好地解决了操作指令下行通道和数据传输问题（双向 通讯功能）。CPD全长只有3米，高强度的一体化外壳 设计，采用平衡活塞低压密封结构，安全可靠，简单 而巧妙的机械设计，运动部件全部在油浴中，动作平 稳，性能稳定。
旋转导 向工具
钻 头
控制回路
2013-8-5 19
六、RNDS系统的特点
静止式旋转导向钻井系统（静态可控偏心器）比调节式旋 转导向钻具更容易实现井下控制，并且对钻具不存在间歇冲击 力，静态合矢量方向可以精确控制，可以有效地解决大位移延 伸井钻井的摩阻、扭矩问题，不易造成粘卡，有助于排除岩屑； 容易解决近钻头测量问题。
29
•
参考文献
• 狄勤丰著 旋转导向井下闭环钻井技术 • 张双进 余志清 静态式可控偏心器旋转导向工具 造斜能力分析 石油钻探技术 2000年第五期 • Sperry-Sun AGS使用操作手册 • 舵板式钻头导向器的研制及应用 江苏石油局工 程技术研究院
2013-8-5 30
恭请各位专家给予指 导和提出好的建议， 以使RNDS进一步完善 和达到更高的水平。
2013-8-5 9
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谢谢！谢谢！
Qin Li Min
2013-8-5 31
2013-8-5 20
由于MWD必须在开泵循环状态下测量， 所以，滑动导向钻井MWD测量都不是“静 态测量”，测量精度受到井下马达的震 动的影响；所以旋转导向钻井的测量精 度比滑动导向钻井高。 RNDS系统与目前国外已使用的井下闭 环旋转钻井系统相比，没有复杂的结构， 制造加工和使用成本低的多，不仅可以 用于大位移延伸井（ERD）和高难度三维 多目标井（Designer Well）的钻井，而 且能够在大量的定向井、水平井钻井中 推广应用。 由于这种工具可以通过泵简单且快 速的操作，能够对井身轨迹进行精确的 控制，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。
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
4、RNDS系统工作原理
5、RNDS系统的特点
6、附录1：活塞推力计算
7、附录2：“法面矢量法”轨迹控制和预测模 型 2013-8-5
3
一、概述
主要导向工具及分类
滑动导向 工具 单弯动力钻具 异向双弯动力钻具 固定偏心块钻具 可变径稳定器型 静止式导向工具 KOS、AKO DTU EBS HVGS、AGS、 TRACKS
旋转导向工具 MWD
上稳定器
2013-8-5 14
系统整体效果分析
我们认为导向钻井技术，就是只用一种具有多 功能的钻井轨迹控制系统，能够连续地控制井身轨 迹的钻井技术。 首先该系统整体必须具有稳斜效果，并能够对 井斜、方位的全面控制。不论是滑动导向钻井系统， 还是旋转导向钻井系统，都应该具有连续进行稳斜、 增斜、降斜和调整方位的能力。 整体具有稳斜效果和具有连续(不用起下钻更 换钻具)控制轨迹的能力,是导向钻井技术区别于传 统的定向方式钻井的两个必要条件。 RNDS系统根据钻具整体力学计算的结果，在 MWD系统之后再配置一个普通稳定器，在调节钻压 的情况下，系统整体还具有微量调节井斜的能力， 其整体稳斜效果相当好。
其中:
2013-8-5 25
在给定轨迹偏离设计线的最大限定距离后，在选定轨迹 偏离设计线的法面距离的情况下,必须控制井斜角偏差，以 及控制井斜方位角偏差。即:
2013-8-5 26
八、用途和意义
RNDS系统的研制开发，将对我国钻井技术产生巨大 的影响：
1、将是我国首家研制开发成功的旋转导向系统，进一步提高我们 钻井的技术水平，大面积推广之后，必将带来钻井技术的一次新 的革命，技术经济效益和社会效益是巨大的。
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.
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目前研制开发工作的进展：
1、完成了旋转导向钻井工具总体方案的研 究。
2、完成了与AGS通用件的90%的测绘工作和 拆装工具的设计工作。 3、目前预计已完成设计总工作量的30%。
2013-8-5 28
九、结论
•
总之，根据对国内外旋转导向钻井技术的学习和了解， 同时根据我公司引进的AGS变径稳定器的结构原理和设计 特点，经过长期的研究，有了重大的突破，RNDS旋转导 向系统的设计原理明确，结构简单可靠，可以大面积推 广应用。 目前，国外已经发展到旋转导向闭环系统，但是 还没有真正的达到井底闭环阶段；而RNDS是静止式旋转 导向系统，不能达到井底闭环钻井，但是，这在我国还 是走在了前列，并且，它具有结构简单、可靠性强、使 用成本低、适应性强的特点，深受井队的欢迎，可以在 一般井上大面积推广应用，与国际上其他旋转导向系统 相比，具有更强的生命力和应用价值。 2013-8-5
2013-8-5 17
四、力学原理图
旋转轴 合力方向
非旋转套筒
当非旋转套筒支撑在井壁上时，由于稳定器的偏心作用和活塞 爪的推力作用，钻头产生侧向力和倾角，从而实现对轨迹控制的目 的。 2013-8-5
18
五、旋转钻井系统控制回路示意图
数据工具面测量
地面电 脑监控
顶驱或 转盘
钻 柱
信息 传输
MWD 探管
2013-8-5 21
七、理论研究
1、活塞推力计算
其 中，T=100kgf为复位弹簧的弹性力; μ=0.1钢与钢在油润滑情况下 2013-8-5 的摩擦系数。
22
2、“法面矢量法”轨迹 控制和预测模型
实钻线 （α ，φ ） ω 设计线 法面矢量 σ
2013-8-5 23
2013-8-5 24
将设计轨道分段，并列出各段起始点终点数据，建 立各段方程与方程②联求解，即得过P点的法面与设计轨 道的交点J的参数（xj、yj、zj），由此可得法面偏差距离
2013-8-5 16
结构原理示意图
凸轮凸轮销 非旋转套筒 活塞爪 注油孔 锁销 弹簧
心轴活塞
蘑菇头孔板
平衡活塞
筒式斜面体
定向线
通过CPD内部和环空的压差作用，使心轴带动斜面体向下运动，使这些 活塞爪进行伸展，并在凸轮机构的控制下，活塞爪在钻井液的循环状态下 有两种工作位置。由于偏心作用和活塞爪的推力作用，使钻头对井壁产生 一侧向力和偏角，从而使井眼轨迹改变方向。通过MWD传输的数据信号进行 地面定向控制和对轨迹进行计算和预测。
2、进一步增强我们的的技术实力，为大位移延伸井、特殊工艺井 钻井提供了可靠的工具。 3、可以用于易斜地层的垂直钻井，在这种意义上，又相当于德国 研制的VDS自动垂直钻井系统。
4、由于MWD测量的位置距离钻头较近，因此，用于超薄油层的水平 段钻进，将是非常理想的。
5、容易形成近钻头井斜测量。
6、其他旋转导向系统能够完成的任务， RNDS系统也能够完成。 2013-8-5
可以用于易斜地层的垂直钻井；可以形成近钻头井斜测量， 用于超薄油藏的水平钻进；并且具有结构简单、性能可靠，加 工使用成本低，适用性强等特点，可以大面积推广应用。
RNDS系统与滑动导向钻井技术相比，不使用动力钻具，避 免了动力钻具的不可靠性问题，钻井的安全性提高；不存在动 力钻具反扭角造成的工具面失控问题，钻压、排量等钻井参数 不受动力钻具的影响，使用范围扩大，可以做到优化钻井参数 钻井，大大提高钻井速度和钻井效率 。
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。