國(guó)內(nèi)外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)導(dǎo)向原理

雷 靜，楊甘生，梁 濤，胡 馳

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉科學(xué)鉆探國(guó)家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083;2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州510230;3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

國(guó)內(nèi)外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)導(dǎo)向原理

雷 靜1，2，楊甘生1，梁 濤1，胡 馳3

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉科學(xué)鉆探國(guó)家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083;2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州510230;3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是目前世界上最具代表性和先進(jìn)性的鉆井技術(shù)，該技術(shù)的核心是旋轉(zhuǎn)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)?？偨Y(jié)了國(guó)內(nèi)外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的發(fā)展概況，對(duì)各系統(tǒng)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)工作原理進(jìn)行了對(duì)比分析，并就旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展和完善提出了看法。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng);導(dǎo)向原理;系統(tǒng)結(jié)構(gòu);偏置機(jī)構(gòu);鉆井工具

國(guó)際上，導(dǎo)向鉆井技術(shù)先后經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段:（1）滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井階段;（2）地面控制導(dǎo)向鉆井階段;（3）旋轉(zhuǎn)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井階段。自20世紀(jì)80年代末期，國(guó)外就開(kāi)始了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的理論研究。目前，已形成一系列較為成熟的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)開(kāi)展這方面的研究工作起步較晚，20世紀(jì)90年代中期才開(kāi)始相關(guān)的研究工作。近幾年，研制出了相應(yīng)的工具系統(tǒng)，并在關(guān)鍵技術(shù)方面取得了突破［1～5］。但與國(guó)外同類型工具相比，在工作性能、自動(dòng)化程度等方面仍存在一定差距。

1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的分類

按照導(dǎo)向原理的不同，可將現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)劃分為推靠鉆頭式（Push The Bit）和指向鉆頭式（Point The Bit）兩大類。推靠鉆頭式是通過(guò)偏置機(jī)構(gòu)（Bias Units）在鉆頭附近偏置鉆頭直接給鉆頭提供側(cè)向力。指向鉆頭式是通過(guò)偏置機(jī)構(gòu)直接或間接彎曲心軸使鉆頭指向井眼軌跡控制方向。同時(shí)，偏置機(jī)構(gòu)的工作方式又有2種:靜態(tài)偏置（Static Bias）和動(dòng)態(tài)（或調(diào)制式）偏置（Dynamic Bias）。靜態(tài)偏置式是指偏置機(jī)構(gòu)在鉆進(jìn)過(guò)程中不與鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，可在某一方向上固定提供側(cè)向力;動(dòng)態(tài)式是指偏置機(jī)構(gòu)在鉆進(jìn)過(guò)程中與鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，依靠控制系統(tǒng)使其在某一位置產(chǎn)生定向周期性的側(cè)向力［6～8］。

綜合考慮導(dǎo)向方式和偏置方式，可以更全面、更準(zhǔn)確地將旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)按其井下工具系統(tǒng)的工作方式分為4種:靜態(tài)偏置推靠式、動(dòng)態(tài)偏置推靠式、靜態(tài)偏置指向式和動(dòng)態(tài)偏置指向式。目前，還沒(méi)有成型的動(dòng)態(tài)偏置指向式系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的其他3種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)如表1所示。

2 靜態(tài)偏置推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)

目前世界上已成形的靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)主要有Baker Hughes Inteq公司開(kāi)發(fā)的AutoTrak RCLS和Noble Technology Ltd的子公司德國(guó)D.M.T Welldown Drilling Service GmbH開(kāi)發(fā)的Well Director兩種。國(guó)內(nèi)由中海油與西安石油學(xué)院等研究單位承擔(dān)的國(guó)家“863”課題“可控（閉環(huán)）三維軌跡鉆井技術(shù)”也取得了突破，所研究設(shè)計(jì)的可控偏心器式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)屬于靜態(tài)偏置推靠式。

表1 國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)

2.1 Baker Hughes Inteq的 AutoTrak RCLS

AutoTrak RCLS系統(tǒng)的井下導(dǎo)向工具系統(tǒng)由不旋轉(zhuǎn)外筒和旋轉(zhuǎn)心軸2大部分組成。旋轉(zhuǎn)心軸上接鉆柱，下接鉆頭，起傳遞鉆壓、扭矩和輸送鉆井液的作用。不旋轉(zhuǎn)外筒上設(shè)置有井下CPU，測(cè)控系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)和偏執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 AutoTrak RCLS系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

井下鉆進(jìn)時(shí)，周向均布的3個(gè)支撐翼肋分別以不同的液壓力支撐于井壁，將使不旋轉(zhuǎn)外筒不隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，同時(shí)井壁的反作用力將對(duì)井下導(dǎo)向工具產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的偏置合力，從而改變鉆頭的鉆進(jìn)方向。該系統(tǒng)有獨(dú)立的液壓系統(tǒng)為支撐翼肋的支出提供動(dòng)力，通過(guò)井下CPU控制3個(gè)支撐翼肋的支出液壓的大小，達(dá)到控制偏置合力的大小和方向的目的。這樣既可以調(diào)節(jié)井眼軌跡方向，也可以調(diào)節(jié)造斜率的大小，從而實(shí)現(xiàn)控制導(dǎo)向鉆井。井下CPU在下井之前，預(yù)置了井眼軌跡數(shù)據(jù)，在其工作時(shí)，可將MWD測(cè)量的井眼軌跡信息或LWD測(cè)量的地層信息與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)產(chǎn)生控制命令;也可按照地面指令來(lái)控制液壓系統(tǒng)的液壓力。

2.2 Noble Corp.NDT 的 Well Director和 Express Drill

Well Director系統(tǒng)的井下工具系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)心軸和不旋轉(zhuǎn)外筒2大部分組成。不旋轉(zhuǎn)外筒內(nèi)部設(shè)計(jì)有井下微處理器，傳感器電子短節(jié)，液壓導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中液壓導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括控制閥和活塞驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)向翼肋，共4個(gè)導(dǎo)向翼肋。由于Auto-Trak RCLS系統(tǒng)和Well Director系統(tǒng)都源于德國(guó)KTB項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的直井鉆井系統(tǒng)，所以這2種系統(tǒng)工作原理類似［8］。Express Drill系統(tǒng)在 Well Director的基礎(chǔ)上做了部分的改進(jìn)，最大的特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的模塊化，使得該系統(tǒng)更容易拆裝和維護(hù)保養(yǎng)，更能滿足實(shí)際鉆井的需要。

2.3 中國(guó)海洋石油集團(tuán)公司的可控偏心器式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)

可控偏心器旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具主要由驅(qū)動(dòng)軸、不旋轉(zhuǎn)外套、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、定位總成、測(cè)控單元、信號(hào)傳輸滑環(huán)、軸承支撐系統(tǒng)和密封系統(tǒng)等構(gòu)成。其中導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由3個(gè)互成120°角的翼肋及驅(qū)動(dòng)液缸組成，液壓動(dòng)力來(lái)源于鉆井液，3個(gè)翼肋可獨(dú)立伸出或縮回（如圖2所示）。

圖2 可控偏心器式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆井液通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸上的小孔進(jìn)入翼肋驅(qū)動(dòng)液缸。在鉆柱內(nèi)外鉆井液壓差的作用下，3個(gè)翼肋被驅(qū)動(dòng)而伸出，并與井壁相接觸。3個(gè)翼肋伸出時(shí)在鉆具的相應(yīng)位置形成一個(gè)偏心位移矢量，使可控偏心器軸線偏離井眼中心線。通過(guò)調(diào)整3個(gè)翼肋的偏心位移矢量，可形成不同的工具面角和彎接頭彎角，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向鉆進(jìn)。鉆井過(guò)程中，工程參數(shù)探測(cè)器不斷將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送到地面監(jiān)控系統(tǒng)中，當(dāng)?shù)孛姹O(jiān)控系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)后，判斷應(yīng)該改變當(dāng)前偏心矢量時(shí)，就通過(guò)下行通道發(fā)出調(diào)整命令，由測(cè)控單元和翼肋定位機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的操作。這一導(dǎo)向控制模式與貝克休斯公司的AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井工具通過(guò)在3個(gè)翼肋上施加不同的壓力形成導(dǎo)向力矢量來(lái)控制井眼軌跡的導(dǎo)向控制模式有著本質(zhì)的差別［9］。

3 動(dòng)態(tài)偏置推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)

目前世界上已成形的動(dòng)態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)主要有 Schlumberger Anadrill公司的 Power Drive SRD系統(tǒng)以及中國(guó)石油化工集團(tuán)公司組織研究設(shè)計(jì)的MRSS系統(tǒng)。

3.1 Schlumberger Anadrill的 Power Drive SRD

Power Drive SRD系統(tǒng)主要由測(cè)控穩(wěn)定平臺(tái)和偏置執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。測(cè)控穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)部包括測(cè)量傳感器、井下CPU和控制電路，通過(guò)上下軸承懸掛于外筒內(nèi)。整個(gè)工具系統(tǒng)在隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，穩(wěn)定平臺(tái)通過(guò)控制其兩端的扭矩發(fā)生器輸出的扭矩大小，使穩(wěn)定平臺(tái)不隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，處于一種隨動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài)（如圖3所示）。

圖3 Power Drive SRD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

井下導(dǎo)向工作時(shí)，穩(wěn)定平臺(tái)控制上盤閥的相對(duì)穩(wěn)定，而隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)的下盤閥上的液壓孔將依次與上盤閥上的高壓孔接通，鉆柱內(nèi)部的高壓鉆井液通過(guò)該臨時(shí)接通的液壓通道進(jìn)入相關(guān)的翼肋支撐液壓腔，在鉆柱內(nèi)外鉆井液的壓差作用下，翼肋被支出。這樣，隨著鉆柱的旋轉(zhuǎn)，每個(gè)支撐翼肋都將在相同位置支出，從而為鉆頭提供一個(gè)側(cè)向力，產(chǎn)生導(dǎo)向作用。

3.2 中國(guó)石油化工集團(tuán)公司的MRSS

MRSS旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的核心是MRST旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，該工具主要由測(cè)控短節(jié)、偏置導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分組成。測(cè)控短節(jié)內(nèi)部安裝有穩(wěn)定平臺(tái)，要包括:空間姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、井下微電腦、控制電路及供電機(jī)構(gòu)（上下渦輪發(fā)電機(jī)）。偏置導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括液壓分配機(jī)構(gòu)、翼肋伸縮機(jī)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的高/低壓孔。測(cè)控短節(jié)通過(guò)一控制軸與偏置導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)相聯(lián)接，用于控制偏置執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如圖4所示）。

圖4 MRST旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的工作原理類似Power Drive SRD系統(tǒng)。其主要特征是導(dǎo)向機(jī)構(gòu)隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，相對(duì)井壁沒(méi)有靜止支撐點(diǎn)。鉆柱內(nèi)外的鉆井液壓差為翼肋伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮提供動(dòng)力，并由液壓分配機(jī)構(gòu)分配。需要導(dǎo)向時(shí)，高壓鉆井液由上盤閥的弧形高壓孔進(jìn)入液壓盤閥分配系統(tǒng)，通過(guò)控制與下盤閥某低壓孔導(dǎo)通進(jìn)入與其相連的支撐翼肋液壓腔，該支撐翼肋將被高壓鉆井液推動(dòng)伸出支撐于井壁，產(chǎn)生偏置力，推動(dòng)鉆頭偏離原方向，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向鉆進(jìn)［10］。

4 靜態(tài)偏置指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)

目前世界上已經(jīng)成形的靜態(tài)偏置指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)近10種，國(guó)內(nèi)尚無(wú)此類成型的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。

4.1 Hallibutron Sperry-Sun的 Geo-Pilot

1997年，Sperry-Sun公司與日本國(guó)家石油公司合作，在 RCDOS基礎(chǔ)上，在獲得英國(guó) Cambridge Drilling Automation Ltd授權(quán)的柔性心軸結(jié)構(gòu)的專利技術(shù)后，研發(fā)出了新一代偏置內(nèi)推指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)——Geo-Pilot。該系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)心軸，不旋轉(zhuǎn)外筒和偏心環(huán)偏置機(jī)構(gòu)組成。其偏心環(huán)偏置機(jī)構(gòu)由外偏心環(huán)，內(nèi)偏心環(huán)及各自的偏置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，偏置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由歐式連軸節(jié)，減速機(jī)構(gòu)及離合器等組成（如圖5所示）。

圖5 Geo-Pilot系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及導(dǎo)向原理

心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)歐式連軸節(jié)傳遞到減速機(jī)構(gòu)，經(jīng)減速機(jī)構(gòu)按180∶1的比例減速后，通過(guò)離合器傳遞到偏心環(huán)，并帶動(dòng)偏心環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)2個(gè)偏心環(huán)分別轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度以后，離合器脫開(kāi)并起鎖緊作用，阻止偏心環(huán)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，通過(guò)控制2個(gè)偏心環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，就可以控制心軸的偏置方向和位移，從而實(shí)現(xiàn)可控導(dǎo)向。

4.2 Gyro-Data Drilling Automation Ltd 的 Well-Guide RSS

Gyro-Data Drilling Automation Ltd收購(gòu)了英國(guó)的Cambridge Drilling Automation Ltd的AGS，并在其基礎(chǔ)上形成了全閉環(huán)控制自動(dòng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)——Well-Guide RSS（如圖6所示）。

圖6 Well-Guide RSS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Well-Guide RSS是一種偏置外推指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，它由旋轉(zhuǎn)心軸和不旋轉(zhuǎn)外筒組成。Well-Guide RSS根據(jù)其近鉆頭的定向傳感器測(cè)量信息，通過(guò)井下計(jì)算機(jī)計(jì)算出工具面，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照計(jì)算機(jī)指令自動(dòng)將旋轉(zhuǎn)心軸按預(yù)定工具面偏置（產(chǎn)生導(dǎo)向），偏置動(dòng)力來(lái)源于心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。其井斜和方位的調(diào)整是井下自動(dòng)閉環(huán)控制的，基本不需要地面干預(yù)，可鉆出光滑的井眼，提高鉆井效率和速度。

4.3 Hallibutron Sperry-Sun的 EZ-Pilot

EZ-Pilot是一種偏置內(nèi)推指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。它由心軸、帶有偏心凸輪的內(nèi)筒、含有測(cè)控系統(tǒng)的偏置外筒及軸承和密封機(jī)構(gòu)組成（如圖7所示）。

圖7 EZ-Pilot系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

心軸與鉆柱和鉆頭連接，起到傳輸鉆井液和傳遞鉆壓、扭矩的作用。偏重外筒在一定井斜的井中，在偏重作用下自然穩(wěn)定，并由其內(nèi)部的測(cè)控機(jī)構(gòu)確定出井眼高邊方向和內(nèi)筒上的偏心凸輪的方向，以便控制其按預(yù)定要求偏置。偏重外筒內(nèi)部有一航空性能的電控馬達(dá)，由測(cè)控系統(tǒng)控制其轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)帶有偏心凸輪的內(nèi)筒（偏心內(nèi)筒）旋轉(zhuǎn)到預(yù)定位置后加以鎖定，使心軸產(chǎn)生偏置，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向。早期Rotary Steerable Tools LLC的SmartSleeve旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)與EZ-Pilot的工作原理類似。

4.4 Weatherford International Ltd的 Revolution

Revolution是一種偏置外推指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，它由測(cè)控系統(tǒng)和偏置穩(wěn)定器短節(jié)2大部分組成，其偏置穩(wěn)定器短節(jié)由驅(qū)動(dòng)心軸、不旋轉(zhuǎn)外筒和偏置機(jī)構(gòu)等組成（如圖8所示）。

圖8 Revolution系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及導(dǎo)向原理

Revolution的偏置穩(wěn)定器短節(jié)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)是周向均布的一組（12個(gè)）軸向方向的柱塞泵，當(dāng)驅(qū)動(dòng)心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)其上的一個(gè)一端帶有斜面的圓盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)。圓盤斜面在其每一周的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，依次推動(dòng)各個(gè)柱塞泵，使它們依次產(chǎn)生一次軸向運(yùn)動(dòng)，將液壓油注入液壓腔，使液壓腔的液壓升高，該液壓腔內(nèi)儲(chǔ)集的液壓力在測(cè)控系統(tǒng)的控制下導(dǎo)入預(yù)定的偏置執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞列，該列活塞被支出，將不旋轉(zhuǎn)外筒在該方向推出從而產(chǎn)生偏置作用。偏置后的不旋轉(zhuǎn)外筒支撐于井壁，在井壁的反作用力作用下，將驅(qū)動(dòng)心軸壓彎，在近鉆頭穩(wěn)定器的支點(diǎn)作用的協(xié)助下，使鉆頭傾斜，產(chǎn)生指向式導(dǎo)向作用。

4.5 Pathfinder Energy Services Inc的 PathMaker

1999年 Pathfinder Energy Services Inc.公司開(kāi)始開(kāi)發(fā)其指向式三維旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng) PathMaker。2002年收購(gòu)了擁有三維旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)專利及開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的3D Stabilizers公司，對(duì)其開(kāi)發(fā)此系統(tǒng)起到了巨大的推動(dòng)作用。

PathMaker是一種偏置外推指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，由旋轉(zhuǎn)心軸和不旋轉(zhuǎn)外筒2大部分組成。不旋轉(zhuǎn)外筒上有3支可獨(dú)立運(yùn)作的支撐翼肋，用于提供偏置導(dǎo)向力（如圖9所示）。

圖9 PathMaker導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

當(dāng)驅(qū)動(dòng)心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，液壓測(cè)控系統(tǒng)控制液壓油進(jìn)入預(yù)定偏置執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞液壓腔中，活塞被支出。產(chǎn)生的偏置合力將不旋轉(zhuǎn)外筒在該合力方向推出，在井壁的反作用力作用下，推動(dòng)心軸套筒，將驅(qū)動(dòng)心軸壓彎，從而帶動(dòng)鉆頭傾斜，產(chǎn)生導(dǎo)向作用。

4.6 Schlumberger的 Power Drive Xceed

Power Drive Xceed是Schlumberger的第二代產(chǎn)品。該系統(tǒng)與Power Drive系統(tǒng)一樣是全旋轉(zhuǎn)的，與井壁沒(méi)有靜止的觸點(diǎn)，其導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的外筒隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，主要由萬(wàn)向節(jié)和驅(qū)動(dòng)心軸2大主要部分組成，偏置方式類似Geo-Pilot的偏心環(huán)結(jié)構(gòu)（如圖10所示）。

圖10 Power Drive Xceed系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及導(dǎo)向原理

萬(wàn)向節(jié)用于向鉆頭傳遞鉆壓、扭矩，并允許鉆頭傾斜。驅(qū)動(dòng)心軸與鉆頭連接，用于向鉆頭傳送鉆井液，同時(shí)在偏置機(jī)構(gòu)的作用下一直處于一個(gè)固定的角度（0.6°）的傾向指向狀態(tài)，并靠馬達(dá)相對(duì)鉆柱的反向旋轉(zhuǎn)保持其指向方向的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)預(yù)定方向的導(dǎo)向。當(dāng)不需要導(dǎo)向時(shí)，馬達(dá)控制偏置機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)心軸以一個(gè)不同于鉆柱轉(zhuǎn)速的速度旋轉(zhuǎn)，使鉆頭的指向一直處于旋轉(zhuǎn)變化中，導(dǎo)向作用抵消，實(shí)現(xiàn)非導(dǎo)向鉆進(jìn)。

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)際上已成功商業(yè)化的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)大部分屬于指向式，指向式導(dǎo)向系統(tǒng)已經(jīng)成為未來(lái)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。其優(yōu)點(diǎn)在于該類系統(tǒng)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)全部安置在鉆柱內(nèi)部，不與井壁直接接觸，因此導(dǎo)向效果不受地層不完整或井眼擴(kuò)徑的影響，特別是在松軟地層中其鉆進(jìn)效果要比推靠式好，能鉆出更規(guī)則的井眼，可以更好地保障井下安全;而推靠式則會(huì)出現(xiàn)井眼螺旋化、擴(kuò)徑等問(wèn)題。但是，由于指向式系統(tǒng)是通過(guò)偏置心軸來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向的，心軸及其相關(guān)偏置機(jī)構(gòu)的可靠性、壽命等問(wèn)題就直接決定了此類系統(tǒng)的工作性能。目前，大口徑的指向式導(dǎo)向技術(shù)已趨于成熟，但如何在保證良好導(dǎo)向性能的前提下，實(shí)現(xiàn)小口徑導(dǎo)向鉆進(jìn)將是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方向。

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Steering Principles of Rotary Steerable Drilling Systems in China and Abroad

LEI Jing1，2，YANG Gan-sheng1，LIANG Tao1，HU Chi3（1.State Professional Lab of Scientific Drilling，China University of Geosciences，Beijing 100083，China;2.CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510230，China;3.School of Engineering＆ Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

Rotary steerable drilling technology is the most representative and advanced drilling technology in the world，and the core of the technology is rotary steerable drilling system.This paper summarizes the development situation of rotary steering drilling systems in China and abroad and analyzes the working principle of each system＇s steering mechanism.The paper also presents the development and perfection of the rotary steerable drilling system in the future.

rotary steerable drilling system;steering principle;system structure;bias unit;drilling tool

P634.7

A

1672-7428（2012）09-0053-06

2012-04-12

國(guó)土資源部基金項(xiàng)目“頁(yè)巖氣調(diào)查及勘探開(kāi)發(fā)鉆井技術(shù)研究”（2009GYXQ15-11-03）

雷靜（1987-），男（土家族），湖南人，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）碩士研究生，中交四航工程研究院有限公司，鉆井工程專業(yè)，從事鉆探工具設(shè)計(jì)和工藝研究工作，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)，leijingcugb@hotmail.com。