旋转导向技术在定向井研究与应用

向易 刘亚奇

摘要：旋转导向技术是目前国内外石油钻井领域先进的井眼轨迹控制技术，该技术可以使钻具在旋转钻井的过程中按照预设井眼轨道实施钻进。旋转导向工具作为实施该技术的重要装备，它集成了井下恶劣环境下的机、电、液一体化前沿技术，体现了当今世界井下导向工具发展的最高水平。本文介绍旋转导向技术原理，及技术优势，发展方向，及在定向井钻井的有点。

关键词：定向井，钻井，旋转导向，系统

前言

旋转导向钻井法是在用转盘旋转钻柱钻进时，随钻实时完成导向功能，钻进时摩阻与扭阻小、钻速高、钻头进尺多、钻井时效高、建井周期短、井身轨迹平滑易调控。极限井深可达15 km、钻进成本低，是现代导向钻井的发展方向。随着水平井、大位移井、多分支井等复杂结构井和“海油陆采”的迅速发展，从20世纪90年代初国际上就开始研究这项技术，到20世纪90年代中期，己有美、英、德、意、日5个国家8家大公司掌握并垄断了其工程应用和商业化技术服务市场。但这项技术总体上仍处于快速发展之中，国际竞争十分激烈。它的先进性、优越性、方向性足以表明它是当今世界钻井技术的重大革命。我国在本领域起步较晚，近年开始立项投资研究，但与国际大公司相比差距很大，这一关键技术在近期若干年内仍将由国外大公司垄断。我国必须迎接挑战，加大投入力度，加速发展。

1  旋转导向技术概述

石油定向井钻井中旋转导向技术中的导向装置主要由三部分组成，每个系统负责不同的功能。主要是：

1.1地面监控系统：

主要任务是监测和控制定向钻井条件，包括利用定向井设计水平井剖面，进行二维地质导向建模，分析组合受力等功能。

1.2 钻具系统：

包括无磁模块稳定器、动力模块、导向器和对讲模块，这些是旋转导向技术的主要设备部分。

1.3随钻测井系统：

主要功能是使用传感器模块、旋转密度计和动压模块等工具确定钻探环境中钻头的状态。旋转导向技术中导向装置是最为重要的组成部分，其主要功能是根据目标表面和工具功率进行导向钻孔，同时，导向装置还负责随时重新定向。导向传感器模块是其重要组成部分，它提供了基本的钻井参数，例如多频电阻率和伽马辐射。一些导向装置还配备有磁通计，其功能是计算井眼的方位角。此外，通信和电源模块还配备了正压脉冲发生器和涡轮发电机。

2旋转导向技术优势

旋转导向技术在石油定向钻井中的应用与传统的钻井技术相比，主要的优势是可以在旋转时实时地引导井眼轨迹，同时与传统的钻探技术相比，旋转导向在钻井时具有较小的摩擦力和较小的扭矩因此具有较高的工作功率，可以更好地实现钻井的极限延伸，提高开采效率。另外，通过旋转导向，可以有效地改善井眼的清洁条件，提高了钻井的安全性和可性。旋转导向技术不仅可以提高钻井效率，而且可以确保钻井安全性，特别是在复杂地层中进行钻井时，具有非常突出的优势。

（1）定向施工中用旋转代替了传统的滑动钻进方式，一方面提高了钻井速度，另一方面解决了滑动导向方式带来的井身质量差、井眼轨迹不规则、净化效果差等问题，也为后期的完井作业创造了良好的施工环境。

（2）具有井下闭环自动导向的能力，大大提高了定向钻井效率和井眼轨迹控制的灵活性，导向工具可根据井下工程、地质等各种需要按已设定的程序根据指令进行井斜和方位的调整，可满足高难度特殊工艺井的导向钻井需要。

（3）相比常规钻具组合，能有效解决定向钻进中“托压”问题，使钻具粘附卡钻发生概率大大降低，提高了钻井安全性。

（4）测量装置距离钻头距离较近，井底数据测量读取及时，提高了轨迹控制实时性，能够钻出更符合设计要求的轨迹。

3 旋转导向发展方向

3.1继续深化旋转导向钻井控制理论

发展现代导向钻井技术应从以下几方面入手:①用旋转导向矢量控制理论调控己钻井身与待钻井身之间的偏差矢量;②用旋转导向智能控制理论来解决不确定性因素、大滞后特征和超调等复杂性问题;③用地面向井下发送下行控制指令的原理来设计控制指令，使旋转导向土具按指令动作;④用自主制导理论来设计自主式旋转导向钻井系统;⑤研究旋转导向钻井时一的钻柱力学理论、模型及其求解方法;特别是在复杂条件下，钻柱动力学模型的研究是一个国际性的新课题。

3.2不断完善旋转导向钻井系统

（1）现代旋转导向钻井土具的控制、执行、伸缩机构向机电仪自计一体化的高新技术水平发展，其技术指标不断满足复杂井井下恶劣与苛刻土况条件下的环

境要求

（2）随钻实时一参数测量系统，包括实钻井身轨迹随钻井身几何参数与随钻地层评价、随钻测井、随钻地震等评价参数以及随钻土程参数的多种实时一信息技术向综合性可选择性方向高速发展。

(3)地面监控系统旋转导向钻井系统的地面监控系统包括信号接收和传输子系统和地面计算存储分析模拟系统，有的还具有智能决策支持系统。主要功能是通过闭环信息流监视并随钻调控井身轨迹，它的关键技术是从地面发送到井下的下行控制指令系统。

(4)软件系统旋转导向钻井系统的软件系统主要有:①预置井身轨迹设计软件;②待钻井段随钻实时-调正井身轨迹设计软件;③旋转导向土具内为控制其动作的令用软件;④旋转导向闭环钻井系统的地面监控和可视化应用软件。

4 旋转导向技术在石油定向钻井中的优点

4.1 强化的轨迹控制能力

在旋转导向技术之前，所采用的是滑动和旋转钻井，虽然这两种技术带动了生产，但是它们所表现出来的缺点也是一目了然的。这两种技术对于钻头和以及轨迹得不到很好的控制，根本原因是它们的速度和导向能力很差。旋转导向技术正好弥补了先前两种技术的弱势，尤其是在导向能力和轨迹控制方面上大大加强，弥补了这些缺点，在实际的石油钻井工作中可以准确地把握轨迹控制，从而增加产能以及保证机器的正常工作。

4.2 推动了环保和定向钻井产业的升级

旋转导向所产生的优点还表现在环保和推动产业升级方面。其具体表现为，提高了钻速，因为提高了钻速所以它在工作中可以保证效率的提高和产能的大幅度提高以及工作稳定性。除此之外，还表现在环保上，由于各方面的提高降低了能耗，保证了钻头的磨损以及在成本上降低等等，这些都是一些利于环保的做法。旋转导向技术推动了石油钻井的升级从而大大缩短了周期。对于其石油整体的工作进程都有其推动的作用。

4.3  地质复杂油藏应用

定向钻井技术具有高度的适应性，其重要性在石油钻井中已逐渐显现。使用旋转导向技术进行石油定向钻井除了方便快捷之外，同时在地形复杂的地区具有很高的适应性。这使人们能够在更多地区勘探石油，并且作业范围与作业量大大增加。此外，使用旋转导向技术进行石油定向钻井时，不受天气条件的影响，可显着提高生产效率。针对复杂地质区域，可及时调整回转导向技术，可以进行分析再利用，提升技术的应用优势。旋转转向技术对于未来断层沉积非常有用，虽然这项技术经历了创新，但它的适应性比其他技术更有优势。

5  结束语

随着勘探程度的深人，旋转导向技术是钻探作业中必不可少的工具和技术手段，发展、完善具有自主知识产权的国产旋转导向系统十分迫切。建议在现有基础上，加大科研投人，坚持可持续的研发、改进、维护旋转导向系统，力争尽快解决施工中出现的问题，并在油田大规模使用。。

参考文献

[1] 刘晓军.旋转导向钻井技术应用研究及其进展[J].中国石油和化工标准与质量.2021(24).195-196

[2] 杨勇.旋转导向钻井技术的应用研究与进展[J].山东工业技术.2017(02).114