（一）地质导向的优越性
1、连续井眼轨迹控制，减少起下钻次数； 2、近钻头处的井斜传感器减少了大斜度井、水平井的井斜误差，增 强了井眼位移延伸的能力，减少了钻柱的摩阻； 3、近钻头钻速传感器可帮助司钻最佳使用导向马达，提高机械钻速， 延长马达的使用寿命，减少起下钻换钻具的时间； 4、近钻头传感器使钻头处参数测量的滞后时间接近于零，能使井眼 最大限度地保持在油气层内； 5、方位伽马射线测量能在钻头处进行地层对比，这对探测标志层、 确定套管下深和取心层位是非常有用的，同时还可使司钻确知是否钻穿地 层的顶部或者底部； 6、定性的电阻率测量能够实时显示油气和岩性，这对地层对比和确 定油气水界面是非常有用的； 7、方位电阻率可使司钻得知油水、油气和其它液相界面流体边界的 方向。
4、国外旋转导向钻井系统简介
世界上已有多个国家的石油公司对旋转导向钻井系统开展了深入的 研究与应用，其中较成熟的有以下几种： 90年代初德国KTB项目组开发的VDS系统 AGIP公司与BAKER HUGHES公司合作研制了SDD系统 美国能源部资助研制的ADD系统 HALLIBURTON SPERRY-SUN公司研制了GEO-PILOT系统 英国CAMCO公司和SCHLUMBERGER 公司研制PowerDrive SRD系统
（二）地质导向设计与施工
钻井之前首先了解地质结构.把地震资料、邻井的相关测井资料 和其他石油物理数据结合在一起进行分析。地震质料能揭示大量的地 质地层特性，如地层倾角、断层、横向延伸以及不连续性。根据掌握 的资料可绘出详细的油藏图，确定流体的接触情况、压力分布情况， 以及油藏参数的空间变化，进行敏感性研究，以确定井眼位置对产能 的影响。 把以上资料、限制条件以及轨道设计中的不确定因素结合起来设 计井眼轨道，同时对不同的方案进行成本或效益分析，可得到一个优 化的目标和井眼轨道设计。 设计与施工步骤： 1、对大斜度井的预期目标建立依据； 2、评估可用的地震资料； 3、计算和评估邻井的测井数据； 4、评估邻井/油田的生产数据； 5、选择目标段；
偏置机构（执行机构）
可伸缩的翼肋结构 导 向 力 液压活塞机构
方向
导向力方向与翼肋 伸出方向相反
工作原理
偏置机构（执行机构）
导向力大小方向与接触象限有关
接触力
导向力
Fk F0 sin 0 0
1 F0 d 2 ( Pi Po ) 4
(0 0 )
工作原理
★发电
工作原理
稳定平台的控制原理
控制回路 遥控指令 1 预置井眼轨迹 参数给定环节 放大及 计算装置 2 3 放大器 执行机构 控制面 下部钻具 控制面随动和稳定回路 干扰 干扰
位置传感器
测速传感器
空间姿态测量元件
工作原理
影响稳定平台随动稳定的因素
▲
井眼形状钻柱角运动及纵向、横向振动 ▲ 泥浆流体的摩擦力矩 ▲温度、压力
GEO-PILOT系统
导向方式：
POINTING THE BITS
偏置钻柱
不旋转外筒式
旋转导向钻井系统工作原理
地面监控系统
地 面 控 制 指 令
双向通讯
井下旋转导向钻井系统
可调节式旋转导向钻井系统井下系统组成
偏置机构（执行机构） 三大部分：
盘阀机构（压力分配机构）
稳定平台（控制机构）
工作原理
具有代表性的有三种
• SCHLUMBERGER，ANADRIL公司的PowerDrive SRD系统（调制式旋转导向钻井系统） • BAKER HUGHES INTEQ公司的AutoTrack RCLS 系统（不旋转外筒式旋转导向钻井系统） • SPERRY SUN公司与JNOC联合研制的GEOPILOT系统
旋转导向钻井
完全抛开了滑动导向钻井，而是以旋转方式连续自动控制轨迹，从而解决了 常规导向钻井的缺点
采用旋转导向钻井技术，可根据地质要求，钻出空间三维井眼 （DESIGNER WELL），以达到绕障、穿过多油藏和精确钻穿薄油层的 目的，从而大大提高了采收率和效率。
3、旋转导向工具的工作原理
旋转导向钻井系统的导向力主要是通过偏置钻头来获得的，下 面以贝克休斯的 AutoTrack RCLS 系统为例简要说明旋转导向钻井 系统的工作原理。
自动导向钻井技术是钻井工程领域的高新技术，代表着 世界先进的钻井技术发展方向。目前，在世界范围内水平井、 大位移井、分支井等高难度的复杂井正蓬勃发展，常规钻井 技术难以适应需要，必须依靠先进的导向技术才能保证井眼 轨迹的准确无误。
二、导向钻井的方式
导向钻井按照导向的依据可分为几何导向钻井和地质导向钻井。 1、几何导向钻井 根据井下测量工具（MWD）测量的井眼几何参数（井斜角、方 位角和工具面角）来控制井眼轨迹的导向钻井方式称为几何导向钻井。 如果井下参数测量和导向工具的控制由井下计算机完成，则为自动几 何导向钻井。 2、地质导向钻井 地质导向是在拥有几何导向的能力的同时，又能根据随钻测井 （LWD）得出的地质参数（地层岩性、地层层面、油层特点等）， 实时控制井眼轨迹，使钻头沿着地层的最优位置钻进。这样可在预先 不掌握地层特性的情况下实现最优控制。地质导向本身就是自动导向 钻井，井眼轨迹控制的依据是地质地层参数，这样一来实钻井眼的轨 迹很有可能脱离钻井设计的井眼轨道。
6、设计和优化井眼轨道剖面； 7、确定目的层内井眼合适位置的允许误差及风险； 8、完成钻井评估/完井计划； 9、开钻，将垂直井段钻至造斜点并进行初始定向钻井； 10、进行地质对比和目标控制； 11、需要时在最后的造斜段调整井眼轨迹剖面； 12、使钻头准确定位于水平井入口点处； 13、监测大斜度井段的轨迹及导向能力； 14、确定钻头的前探距离及预测异常情况的位置； 15、对地质上的意外情况采取补救方法，必要时采取绕障法或做出 侧钻决策； 16、用关于井眼稳定性风险评价的最新资料来有效地确定总井深； 17、根据达到的设计目标或已钻井段中所遇到的不可接受的风险 值来确定总井深。
A 接钻头 A 可伸缩翼肋
旋转内筒
非旋转外筒
如上图，旋转导向系统主要由可旋转 内筒（接钻头）、非旋转外筒和可伸缩翼 肋组成。系统工作时钻头所需要的导向力 （即侧向力）通过可伸缩翼肋的活动来提 供。如图 A-A，当一号翼肋伸出支撑在井 壁上时，钻头就获得与一号翼肋伸出方向 相反的侧向力F，这样钻头在这个侧向力的
AutoTrack RCLS系统
导向方式：偏置钻头 （BIAS THE BITS）
不旋转外筒式
动力：独立液压系统
AutoTrack RCLS系统
1996年现场试验成功，1997年投入商业应用， 截止到2001年6月:共在15个国家575口井应用 累计工作时间超过7万小时,总进尺100万米 • 单次下井工作时间：6 3/4″系统创下了单次下井 工作时间286.2h(纯钻进时间241.7h)的世界纪录 • 单次下井进尺：8 1/4″系统创下 了单次下井进尺 4037m的世界纪录 • 目前可靠性水平：75%的单次下井工作时间超过75h
盘阀机构（压力分配机构） 控制轴 与控制机构相联 高压孔
控制轴 进液孔 进液控制开关 轴承 控制阀 高压孔 上阀 低压室 通环空 下阀 进液开关 控制轴
上盘阀
低压孔 下盘阀 与翼肋伸缩的液 压缸相通
通伸缩翼肋 加压通道 卸压通道
高压孔
低压孔
上阀(盘)
工作原理
盘阀机构（压力分配机构） 导向力大小 方向控制 稳定平台输出 特 性
2、旋转导向工具
旋转式导向工具是在钻柱旋转的情况下实现自动的连续的钻 头轨迹控制，从而避免了钻柱躺在井壁上滑动，使井眼得到很好 的清洗，同时允许根据地层选择合适的钻头类型，这样可显著地 减轻或消除滑动式导向工具的不足。 世界上最早的旋转导向工具是上世纪80年代末90年代初德国 KTB计划中开发的垂直钻井（VDS）系统，专为直井防斜用的。 在此基础上，国外多家公司相继开发了多种型号的旋转导向钻井 系统，并成功地投入现场应用。目前世界上有代表性的旋转导向 钻井系统有贝克休斯公司的AutoTrack RCLS系统，哈里伯顿的 GEO-PILOT系统和斯仑贝协公司的PowerDrive SRD系统。
自动导向钻井技术简介
周广陈
中国石油大学石油工程学院
主要内容
• • • • • 概述 导向方式 导向工具 地质导向 自动垂直钻井 系统 • 自动导向钻井 的关键技术
一、概述
1、自动化钻井 钻井技术发展的最高阶段是自动化钻井。所谓自动 化钻井就是钻井的全部过程依靠传感器测量各种参数， 并用计算机采集，进行综合解释与处理，然后再发出决 策指令，最后由各相关设备自动执行各自的动作，使整 个钻井过程变成一个无人操作的自动控制过程。这样一 来，不但地面操作自动化，井下钻头钻进的轨迹也可以 自动控制。
四、地质导向钻井
地质导向 利用近钻头处实时采集的地质地层参数，超前预测和 识别油气层，并根据需要调整井眼轨迹，引导钻头准确钻达油气 富集区域。 地质导向的技术关键是近钻头处地层参数、井眼轨迹参数和 钻头工作参数的实时测量。 国外对地质导向的研究始于八十年代末，主要有美国、英国、 德国、法国和挪威等国家。1993年由Anadrill公司研制成功了钻井、 测井综合评价系统，实现了地质导向。
PowerDrive SRD系统
井眼 支撑翼肋 控制机构
导向方式：偏置钻头 （BIAS THE BITS）
偏置方向
调制式：整体旋转 动力：钻井液压差
PowerDrive SRD系统
1994年现场试验成功 截止到1999年底：共下井138次
累计工作时间11,610小时 总进尺47,780米 目前，世界上3口位移超过10,000米的大位 移井中，有2口应用了该系统。
作用下就可以改变自己原来的切削轨迹。
2
1 3 F
A—A
实际上旋转导向钻井系统的工作并非如此简单，整个 系统的工作是由计算机控制的。系统工作时首先由测量系 统根据需要测量井眼的实时几何参数（地质导向还要测地 质地层参数），这些参数进入井下计算机，计算机进行评 价决策，并向控制系统发出指令，由控制系统控制可伸缩 翼肋的动作，从而给钻头施加侧向力，自动控制井眼轨迹。