摘要：井下旋转导向钻井工具是旋转导向钻井系统的核心部件，从应用情况来看，指向式旋转导向钻井工具是发展的趋势。为解决在钻大位移井、水平分支井等复杂结构井时出现的种种难题以及国内指向式旋转导向钻井技术的“瓶颈”问题，将理论与实践相结合，对旋转导向钻井技术的国内外研究现状做了分析；介绍了目前国内外运用比较广泛且典型的推靠式MRST和指向式Geo-Pilot井下闭环旋转导向钻井工具。在大量调研和文献分析的基础上，提出了研制与Geo-Pilot有所不同的新型指向式旋转导向钻井工具的思路，并着重论述了其结构与导向原理，总结出该指向式旋转导向钻井工具的特性与优点，提出了下一步的研究重点、难点与方向。
关键词：水平井；大位移井；推靠式；指向式；旋转导向钻井；偏置机构；稳定器；电子马达
O 引言
近十几年来，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，以及钻井工艺对提高效率、降低成本、提高在恶劣环境和复杂地质条件下钻井能力等的要求，国内外纷纷开展了对旋转导向钻井技术的研究。旋转导向钻井技术是一项尖端的自动化钻井新技术，国外钻井实践证明，在水平井、大位移井、大斜度井、三维多目标井中推广应用旋转导向钻井技术，既提高了钻井速度，也减少了钻井事故，从而降低了钻井成本。旋转导向钻井工具是旋转导向钻井系统的核心，决定了旋转导向钻井系统的工作特色和工作能力。
1 国内外研究现状
目前国外三大石油公司Baker Hughes、Schlumberger和Halliburton通过各种方式分别形成了其各自商业化应用的PowerDrive SRD、AutoTrak RCLS和Geo-Pilot旋转导向钻井系统，这3个系统的根本区别是井下钻井工具各不相同，这也充分说明了旋转导向钻井工具是旋转导向钻井系统的核心。前面两种系统可归类为一种系统即推靠式(push-the-bit)旋转导向钻井系统；而后一种属于指向式(point-the-bit)旋转导向钻井系统[1]。
国内开展这方面的研究工作较晚。20世纪90年代才全面展开这方面的研究工作，2006年以苏义脑院士为首的技术团队研制成功了CGDS-1近钻头地质导向旋转钻井系统，在冀东、辽河等油田应用15口井。另外，以张绍槐教授为首的研究团队，近年来与中国石化胜利油田合作，在旋转导向钻井方面也取得了突破性的成果。但大多研究在推靠式旋转导向钻井居多，指向式旋转导向钻井的研究在国内还处于“瓶颈”状态。
2 典型井下闭环旋转导向钻井工具
2.1 MRST的组成及工作原理
调制式旋转导向钻井工具(MRST)属于推靠式旋转导向钻井工具(图1)。由于其钻柱与井壁之间不存在静止点，因此，在钻井过程中更可体现旋转钻井的优越性[1]。调制式旋转导向钻井系统导向力的大小和方向主要是由稳定平台控制的。当需要最大导向力时，稳定平台控制轴就带动上盘阀旋转，使上盘阀稳定在预定方向，控制上盘阀高压孔方向恒定。在钻柱旋转过程中，每个“巴掌”依次在该方向附近伸出拍打井壁，导向机构对井壁的作用力就是这些拍打力的合力。这个合力的反力就是钻柱受到的导向力，方向沿着上盘阀预定方向的反方向。当不需要导向时，稳定平台带动上盘阀以和钻柱具有不同的某一转速匀速转动，这时“巴掌”均匀拍打井壁四周，导向工具可控制的液压导向力的合力就等于零，此时导向工具呈中性工作状态，达到稳斜效果。MRST液压控制阀采用上、下盘阀结构，上盘阀与稳定平台控制轴相连接，它只有一个弧形长孔形状的高压阀孔。下盘阀与钻柱本体连接，随MRST外壳及钻柱一起旋转，它有3个互成120°圆心角的等直径低压孔(泄流孔)，见图2。
2.2 Geo-Pilot的组成及工作原理
Geo-Pilot[2～3]是一种不旋转套式导向工具(图3)，属于指向式旋转导向钻井工具。它不是靠偏心稳定器的翼肋推靠井壁偏置钻头进行导向，而是靠不旋转套与万向短节之间的一套偏心机构使万向轴偏置，从而为钻头提供了一个与井眼轴线不一致的倾角，产生导向作用。该机构由几个可控制的偏心环组合而成，当井下自动控制完成偏心环组合之后，该机构将相对于不旋转套固定，从而始终将万向轴向固定方向偏置，为钻头提供一个方向固定的倾角。
3 新型指向式旋转导向钻井工具结构与导向原理
从应用情况来看，指向式旋转导向钻井工具能够更好地对井斜和方位进行控制，具有更长的寿命，指向式旋转导向系统是发展趋势[2]。笔者经过大量调研和相关文献的分析，提出新型指向式旋转导向钻井工具与Geo Pilot旋转导向钻井工具有些不同，并且还结合了少许推靠式旋转导向钻井工具的特性。
3.1 底部钻具组合(BHA)
新型指向式旋转导向钻井工具BHA结构(图4)由4个部分组成，分别是：枢轴稳定器、水力偏置系统、MWD总成和钻柱稳定器。其中，MWD总成包括：CPU、存储器、螺线型电导管、随钻测量仪(MWD)及控制电路和传感器。该指向式旋转导向钻井工具(图5)包含两个尤为重要的组成部分：一个是近钻头稳定器(枢轴稳定器)，该稳定器由不锈钢材料组成，拥有4个螺旋形刀锋翼肋且相互“环布”连接，并为旋转中心轴提供固定支点；另一个是水力偏置机构，也可看着是一个特殊的“稳定器”，因为它是由不旋转外套筒、电子马达和放射状偏心环组成，并且在不旋转外套筒上安装有3个水力驱动“巴掌”，旋转中心轴位于不旋转外套筒内依次穿过偏置系统和近钻头稳定器。动力模块电子马达位于中心轴和不旋转套筒之间与控制电路相连[4～7]。
3.2 导向原理
正常情况下，中心轴与外套筒中心线重合(图6-Ⅰ)。钻井的过程中，该新型指向式旋转导向钻井工具中的控制电路CPU接收到MWD总成中相关高端传感器传输的信号(比如：井斜、方位)，然后经由螺线形电导管传输给动力模块电子马达，电子马达给放射状水力偏置系统提供动力[5～6，8]，安装在不旋转套筒外部的“巴掌”伸出与井壁接触，同时安装在其内部的偏心环旋转。在“巴掌”和近钻头稳定器支点共同作用下，钻头形成一偏角，即中心轴与不旋转套筒中心线形成一定角度(图6-Ⅱ)。在偏心环作用下，将连接着钻头的中心轴向固定方向偏置，为钻头提供一个方向的固定的倾角，从而使钻头的钻井方向发生改变，对井斜和方位进行纠正(见图6-Ⅲ)。其中，钻头偏移角度不仅可调，而且在钻井过程中将钻杆传递的扭矩和钻压实时传递给钻头。同时，控制电路把信号转化成泥浆脉冲信号，上传给地面控制系统进行分析。其导向原理如图7所示。
4 新型指向式旋转导向钻井工具的特性与优点
1) 稳斜作业时，360°全方位计量、监测，能实时地得到近钻头井径大小，使得枢轴稳定器能保证旋转钻进不偏心，降低近钻头振动，达到稳斜目的。
2) 连续、平滑钻进保证了井眼质量和井身轨迹的规范。
3) 导向作业时，枢轴稳定器给钻头提供一个固定的支点以便指向钻头顺利完成导向，并且支点离钻头的距离越近钻头获得的指向力就越大。在钻软地层时，电子控制模块内的几何算法会使钻头的侧削和倾斜作用适度，防止其超过极限值；相反，在作用于硬地层时，该工具施予钻头一个最大的指向力以获得预设的偏角(地质导向直接中靶)[5]。与该指向式钻井工具配套使用的钻头为一种“环布”式的新型PDC钻头，不容易出现卡钻，研磨能力强，寿命较长。
5 新型指向式旋转导向钻井工具今后研究的重点、难点及思路
在钻井过程中，由于钻井工具处在井下高温、高压的工作环境中，并伴有腐蚀、冲蚀、振动等，其工作环境和工作条件异常恶劣，给井下钻井工具的研究和设计带来相当的难度。针对目前指向式旋转导向钻井工具现状存在的不足，提出了如下的研究方向：①指向式旋转导向钻井工具中心轴三维结构动力学分析，建立三维力学模型；②指向式旋转导向钻井工具控制轴强度和刚度有限元分析及计算，振动模态分析；③指向式旋转导向钻井工具偏置机构力学模型建立及仿真分析；④指向式旋转导向钻井工具的下部钻具组合力学分析；⑤指向式旋转导向钻井工具结构的优化设计；⑥与指向式旋转导向钻井工具配伍的钻头优选。
6 结论
1) 旋转导向钻井系统是一个集机、电、液于一体的闭环自动控制系统，并以旋转钻井为其技术特征，旋转导向钻井工具是整个导向系统的核心，而指向式旋转导向钻井工具是未来的发展趋势，其在减少井下摩阻、提高钻探能力和控制精度方面具有独特的优势。
2) 认识、了解和掌握旋转导向钻井工具的特性和工作原理，并介绍了目前在国际上应用比较广泛的推靠式MRST和指向式Geo-Pilot旋转导向钻井工具。
3) 提出了研制与Geo-Pilot有所不同的新型指向式旋转导向钻井工具，并着重分析了其结构与导向原理，总结了其特性和优点，提出了今后研究的重点、难点及思路。
4) 指向式旋转导向钻井工具的优越性显而易见，但目前还有许多技术难题有待解决，发展潜力很大，需进一步研究。
参考文献
[1] 李俊，倪学莉，张晓东.动态指向式旋转导向钻井工具设计探讨[J].石油矿场机械，2009，38(2)：63-66.
[2] 张光伟，游莉，李武平.基于旋转导向钻进方式的可控弯接头发展现状[J].钻采工艺，2009，32(2)：23-28.
[3] KOK K H，HUGHES-JOINES HUW，CHAVES E，et al. Case history：arobust point-the-bit rotary steerable system with at-bit imaging and 3D geosteering service integral to optimal wellbore placement in a complex thin sand reservoir[J].SPE 121186，2009.EUROPEC/EAGE Conference and Exhibition，8-11.June 2009.Amsterdam，The Netherlands.
[4] BARTON STEVE，CLARKE ALAN，PEREZ DANIEL G.Unique pivot stabilizer geometry advances directional efficiency and bore hole quality with a specific-rotary-steerable system[J].SPE/IADC Drilling Conference.20-22 February 2007.Amsterdam，Netberlands.SPE 105493，2007.
[5] STEVE BARTON，GARRETT PIERCE.Changing selection concepts：true optimization of drill bits with latest generation rotary steerable systems[J].SPE Annual Technical Conference and exhibition，4-7 October 2009，New Orleans，Louisrana，USA.SPE 124865，2009.
[6] BARTON STEVE，GARCIA ALEXIS，LUTHER CHARLES. Unique string tools combine to save over USD 11 million in challenging hole opening rotary-steerable applications[J].SPE Annual Technical Conference and exhibition，4-7 October 2009.New Orleans，Louisrana，USA.SPE124352，2009.
[7] SUGIURA JUNICHI. Optimal BHA design for steerability and stability with configurable rotary-steerable system[J].SPE Asia Pacific oil and Gas Conference and Exhibition，20-22 October 2008，Perth，Australia. SPE 114599，2008.
[8] STROUD D，RUSSELL M，PEACH S. Development of the industry’s first slimhole point-the-bit rotary steerable system[J].SPE Annual Technical Conference and Exhibition，5-8 October 2003，Denver，Colorado，USA SPE 84449，2003.
(本文作者：熊继有 温杰文 荣继光 李宸晓 “油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学)
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