旋轉導向工具研究現狀及發展趨勢*

馮 定 王 鵬 張 紅 施 雷 洪騰蛟 苗恩銘 涂憶柳

(1.長江大學機械工程學院 2.湖北省油氣鉆完井工具工程技術研究中心 3.重慶理工大學機械工程學院)

0 引 言

旋轉導向技術是目前國內外石油鉆井領域先進的井眼軌跡控制技術，該技術可以使鉆具在旋轉鉆井的過程中按照預設井眼軌道實施鉆進。旋轉導向工具作為實施該技術的重要裝備，它集成了井下惡劣環境下的機、電、液一體化前沿技術，體現了當今世界井下導向工具發展的最高水平。該工具的相關技術長期被國際大型跨國油服公司所壟斷。近幾年，雖然國內在該技術的許多領域已有突破性進展，但與國外技術尤其在新的旋轉導向工具技術方面相比，仍有較大差距。針對此問題，筆者對當前旋轉導向工具技術的國內外發展現狀進行了梳理，并在此基礎上給出了旋轉導向工具未來的發展方向，以期為我國井眼軌跡控制技術及相關工具的發展提供一些新的參考和思路。

1 國外旋轉導向工具發展現狀

目前，旋轉導向鉆井工具技術較為成熟、應用效果較好的主要有Schlumberger、Halliburton和Weatherford等國外公司的產品。按其工作原理可劃分為推靠式、指向式和復合式導向工具[1]，根據工具外殼能否旋轉可分為動態式(全旋轉式)和靜態式。

1.1 推靠式旋轉導向工具

2018年，Weatherford公司推出了一種新的全旋轉推靠式工具Magnus[2]，如圖1所示。

1—鉆頭；2—推靠墊塊；3—無刷直流電機；4—近鉆頭井斜角、伽馬傳感器；5—穩定器。

該工具通過控制3個獨立的無刷直流電機帶動內部旋轉閥旋轉，通過旋轉閥可以打開或關閉鉆井液進入活塞腔室的通道。通過控制電機調整完全打開和完全關閉的時間比例，使閥體腔室的壓力值在旋轉閥完全打開狀態下實現100%的調節?；钊趦葌惹皇遗c外側環空壓差的作用下，以一定的推力推動墊塊支撐井壁，在3個連續變化的推靠力作用下推動井壁實現對井眼軌跡的控制。Magnus工具導向機構如圖2所示。通過傳感器高速連續測量和控制器的計算，當工具外殼旋轉速度高達300 r/min時，工具中3個電機仍可以獨立控制閥門，使閥門位置維持在非常小的誤差帶，進而保持工具面。

圖2 Magnus工具導向機構

2018年，Halliburton公司推出了一種智能旋轉導向工具iCruiseTM(見圖3)，該工具機械轉速可達到 400 r/min，造斜能力高達 18°。該工具擁有先進的傳感器，算法精密，并配備高速處理器，可實現精確的導向控制和復雜的井下計算。

1—控制單元；2—兩位三通電磁閥；3—活塞。

該工具外側有3個活塞，每個活塞對應一個兩位三通電磁閥，起到切換工具內部鉆井液分流的作用，工作原理如圖3b所示。當需要造斜時，電磁閥將工具內部鉆井液與活塞內側高壓流體貫通，此時活塞外側是較低壓力的環空流體，在內外壓力差作用下推動活塞動作，使鉆頭產生導向力；當不需要工具造斜時，電磁閥關閉工具內鉆井液與活塞內側流體通道，此時，活塞內側與環空液體連通，活塞的內外不存在壓差，不對鉆頭產生導向力[3]。

2019年，Schlumberger公司推出了一種近鉆頭導向系統NeoSteer At-Bit Steerable System(ABSS)。該工具仍采用全旋轉動態推靠式導向機理，但和以往的推靠式(間接推靠原理)不同，它直接作用在鉆頭處，是一種直接推靠式工具。在工具內外側鉆井液壓差的作用下，推動活塞支撐井壁，改變鉆頭姿態進行導向。液壓系統密封結構采用金屬液壓密封件以減少沖蝕。目前，近鉆頭推靠式工具有兩種結構：一種是導向機構與鉆頭分離式NeoSteer CLx ABSS，另一種是導向機構與鉆頭一體式NeoSteer CL ABSS，如圖4所示。

圖4 NeoSteer近鉆頭導向系統

1.2 指向式旋轉導向工具

2015年Weatherford公司推出的Revolution 16是一種靜態指向式旋轉導向工具，其執行機構安置在不旋轉的外殼內，環向有12列活塞，如圖5所示。工具通過液壓系統控制柱塞泵，將高壓液體泵入執行機構對應的幾列活塞，該列柱塞在壓力的作用下伸出，頂在工具不旋轉的外殼上；此時，另一部分處于低壓的活塞，在推靠工具殼體的反作用力下，其內的彈簧壓縮，使得心軸處于偏心狀態，在靠近鉆頭處穩定器支點的作用下，鉆頭被偏轉，從而實現鉆頭沿某一方向的導向鉆進。

圖5 Revolution 16工具導向執行機構

1.3 復合式旋轉導向工具

2011年，斯倫貝謝公司推出的PowerDrive Archer，是具有高造斜能力的旋轉導向工具，其導向機構含4個推靠墊塊，在推靠墊塊的推動下，導向扶正套以萬向節為支點旋轉，使鉆頭產生偏轉效果，工作原理如圖6所示。推靠墊塊運動部分結構和控制繼承了原有動態推靠式工具PowerDrive X6的所有結構(含穩定平臺)[4]和整個控制系統[5]，因此采用的仍是其傳統的調制式推靠控制方法；而導向扶正套帶動鉆頭偏轉部分繼承了PowerDrive Xceed動態指向式工具的原理[6]?；诖?，該公司將其定義為復合式旋轉導向工具。由于推靠墊塊不是作用在井壁上，而是作用在工具導向扶正套內壁上，使工具可以適用于軟硬地層，在全程旋轉鉆進中，可以產生較好的井壁質量；同時，由于不再偏置心軸，具有較大的造斜能力，可在全旋轉狀態下實現每30 m井段造斜18°的高造斜率安全鉆進[7-8]。該工具的導向機構是傳統式的推靠式機構，但最終效果與指向式工作原理產生的效果一致。因此，從嚴格意義上來說，該工具是一種新型執行機構的指向式旋轉導向工具。

1—導向扶正套；2—推靠墊塊；3—萬向節；4—鉆頭。

2015年，Nabors公司推出了一種復合式旋轉導向工具OrientXpress，其導向機構是一個由雙電機驅動的近鉆頭非旋轉穩定器，總長約3.5 m，設計的造斜率為每30 m井段造斜15°。該工具有一段不旋轉的外殼，外殼外有一近鉆頭非旋轉穩定器，外殼內配備有不相鄰的兩個偏心套筒，它們分別有一個電機通過齒輪傳動驅動旋轉，以調節心軸的偏心程度，實現對鉆頭偏移量的連續控制。兩個套筒的偏心量完全相同，因此當它們彼此相對定位時，對鉆頭的偏移量和側向力貢獻為0。在電機旋轉過程中，當一個套筒相對于另一個套筒旋轉時，鉆頭就會偏移，鉆頭工具面和偏移量可以連續變化，從而平滑地控制鉆具方向和造斜率[9]。其導向原理如圖7所示。從圖7可以看出，工具導向機構沒有外部運動部件(例如活塞或墊塊)，而是采用工具內部推力使鉆頭產生偏移量。該工具導向機構是傳統指向式工具的執行機構(雙偏心環機構)，但最終效果與推靠式原理工具一致，因此從嚴格意義上講，該工具為一種新型執行機構的推靠式旋轉導向工具。

1—偏心套筒；2—心軸；3—鉆頭；4—非旋轉穩定器；5—電機。

2017年，韓國J.H.KIM等[10]結合指向式和推靠式兩種旋轉導向工具的導向原理，提出了一種復合式旋轉導向工具，并設計出了原理樣機，完成了地面水泥靶模擬鉆井試驗，工具的造斜率可以達到每30 m井段造斜32°。該工具具有3個外置墊塊，墊塊根據需要可以推靠井壁或偏置心軸，其導向原理如圖8a所示。

1—墊塊；2—鉆頭；3—萬向節；4—滑桿；5—柱塞；6—軸承；7—墊塊；8—斜面導軌；9—柱塞桿。

工具的心軸被兩個萬向節分成3段，使得心軸具有較大的偏置位移能力。工具外殼上有3個墊塊，每個墊塊都配有一個液壓缸，液壓缸的活塞桿在液壓的作用下產生與心軸平行方向的運動，在活塞桿非液力端安裝有軸承，軸承在斜面導軌上運動，將活塞的平行運動轉換為墊塊的垂直運動。通過調配進入液壓缸的鉆井液壓力，可以實現墊塊的垂直方向運動。當墊塊垂直方向上伸出時，可以推靠井壁，符合推靠式導向原理；當墊塊在垂直方向上回縮時，可以偏置心軸，符合指向式導向原理。工具在兩種導向機理共同配合作用下，可以獲得較大的造斜率。

2 國內旋轉導向工具發展現狀

近年來，國內也在積極進行井眼軌跡控制工具即旋轉導向技術的研究工作，并在理論研究和原理樣機方面取得了較多的研究成果，但距離工業規?；瘧眠€有一定距離。

2.1 推靠式旋轉導向工具

目前，國內的動態推靠式旋轉導向工具主要以調制式旋轉導向工具為主，西安石油大學與中石化勝利鉆井工藝研究院合作，研發了調制式旋轉導向鉆井工具MRST[11]。整個工具配備了以鉆井液為液壓介質的液壓系統，工具內有上、下渦輪發電機驅動的穩定平臺。該平臺在下部電機的電氣參數調控作用下，可以在高速旋轉工具外殼內獨立旋轉，調節液壓盤閥鉆井液分流系統的上盤閥位置，對鉆井液分流，在工具內外壓差作用下推動翼肋伸縮產生偏置。工具原理結構如圖9所示。

1—上軸承保護器；2—測控穩定平臺；3—下軸承保護器；4—液壓盤閥分流系統；5—偏置單元；6—鉆井液過濾裝置；7—下渦輪發電機；8—上渦輪發電機。

國內典型的靜態推靠式旋轉導向工具主要由驅動軸、不旋轉外套、導向機構和密封系統等構成，其中導向機構由可獨立伸出或縮回的翼肋和液壓缸組成，翼肋在液壓缸的作用下產生推靠力。國內企業或研究單位在該類工具的研發中投入較多，如：中海油研發出了自主的靜態推靠式旋轉導向鉆井系統Welleader，能夠實現井斜自動閉環控制，導向力可以實現32級強度和240級方向控制，最大轉速180 r/min，工具耐溫達150 ℃。該工具已在渤海灣完成了試驗工作，具備了海上作業的能力，實鉆造斜率約每30 m井段造斜6.5°，但是仍處于初步應用階段[12]。中國石油天然氣集團公司大慶鉆探鉆井工程技術研究院成功試制出靜態推靠式旋轉導向系統樣機(DQXZ-01型)[13-14]，并在5口水平井開展了鉆進試驗。中國石化勝利鉆井院研制出了靜態推靠式旋轉導向工具樣機(SINOMACS ATS I型)，并于2019年在勝利油田現場試驗成功，造斜率達到每30 m井段造斜4.2°[15]。2019年以來，中國石油集團川慶鉆探公司、航天科工及中國石油大學(華東)共同研制的靜態推靠式旋轉導向工具(CG-STEER)[16]已完成4口頁巖氣水平井的造斜段和水平段鉆井作業，累計進尺7 758 m，創下了國產旋轉導向系統最大造斜率每30 m井段造斜11.2°，單趟鉆最長壽命297 h，進尺1 090 m等多項紀錄。

2.2 指向式旋轉導向工具

從2007年開始，長江大學科研團隊在中海油的支持下，開始進行全自主知識產權的靜態指向式旋轉導向的基礎研究和導向工具的研發，開展了指向式旋轉導向工具主軸造斜性能、組合軸承力學與壽命和導向參數下傳與解碼的理論研究。根據導向工具的結構，將導向工具主軸簡化為超靜定梁，建立了主軸在彎曲狀態下的靜力學模型，構建了工具外殼變形、主軸偏心與撓度和鉆頭偏轉角的關系模型，建立了偏心機構作用力與偏心距、外殼載荷、上下端軸承間距等因素的關聯關系，得出了旋轉導向工具的導向力、偏轉角和臨界鉆壓等關鍵參數值[17]，從而較準確地預測了導向工具的實際造斜率[18]；通過對旋轉導向工具組合軸承工作原理的系統分析，結合具體導向工具偏轉角與主軸偏心距之間的關聯關系，建立了組合軸承超靜定靜力學平衡方程，運用概率乘積定理的組合軸承L-P疲勞壽命經驗模型，充分考慮工具在井下工作時的熱力耦合影響和實際工況的I-H疲勞壽命計算方法，得出了可用于各類導向工具的組合軸承疲勞壽命評估模型[19]；采用鉆井液脈沖通信的“泄流式”模型[20]，對鉆井導向參數下傳信號的設計、編碼、濾波和解碼進行了深入、系統的研究。

目前，該團隊已研制出了二代指向式旋轉導向工具樣機，該工具以鉆桿驅動為動力，通過不旋轉外殼與主軸之間的偏置機構使旋轉主軸產生小角度彎曲，從而使鉆頭與井眼軸線之間形成夾角，實現指向式旋轉導向鉆進。該工具主要由控制短節、電磁離合器、減速機構、偏心機構及組合軸承等部分組成?？刂贫坦澯呻姵囟坦澓蜏y控電子系統等構成。電池短節提供井下電源。測控電子系統包括控制電路、測量工具面角和井斜角的檢測儀器、小閉環通信、下傳信號接收器及其電路，以及測量方位和傾角的傳感器等，如圖10所示。該工具的設計造斜率為每30 m井段造斜8°，通過全尺寸旋轉導向測試臺架的水泥靶實鉆試驗，測試出的實際造斜率為每30 m井段造斜8.56°，可實現鉆頭與井眼軸線之間夾角的無級調節。

圖10 靜態指向式旋轉導向工具

2009年，中國地質大學杜建生[21]針對指向式旋轉導向工具的心軸力學展開了試驗研究，并提出了一種新的雙對頂滑塊斜面導向機構，通過滑移斜面，將雙對頂滑塊水平運動轉化為斜面塊垂直運動，推動心軸產生偏置，并加工制造出了偏置導向單元樣機[22]，如圖11所示。

圖11 雙對頂滑塊斜面導向機構

2016年，西安石油大學張光偉等[23-24]提出了一種雙伺服電機驅動內、外偏心環的全旋轉動態指向式旋轉導向鉆井工具，結構如圖12所示。

1—外偏心環控制電機; 2—外偏心環法蘭;3— 外偏心環;4—內偏心環; 5—內偏心環法蘭; 6—內偏心環控制電機;7—導向軸;8—扭矩傳遞機構;9—密封裝置;10—球座；11—旋轉外套。

2.3 復合式旋轉導向工具

2018年，文獻[25]提出了一種復合式旋轉導向鉆井工具。該工具采用與調制推靠式旋轉導向工具相同的穩定平臺和液壓分配單元，它的導向執行單元主要包括驅動軸、鉆頭軸、柱塞組件、調節環組件和萬向節組件等。其中驅動軸與鉆鋌相連接，驅動軸與鉆頭軸通過萬向節相連接。鉆井液經過液壓分配單元，在壓差的作用下推動驅動軸上的柱塞，柱塞進一步推動鉆頭軸的導向套筒，使鉆頭軸繞著萬向節偏轉，從而達到導向鉆進的目的，其結構如圖13所示。

1—上盤閥控制軸；2—鉆井液過濾網；3—盤閥座；4—上盤閥；5—下盤閥；6—調節環組件；7—摩擦環；8—柱塞組件；9—驅動軸；10—導向套筒；11—萬向節組件；12—鉆頭軸；13—鉆頭接頭。

3 旋轉導向工具發展趨勢

國內旋轉導向工具技術基礎相對薄弱，工具的研發速度與國外的工具發展相比有一定的滯后。從現有調研的國外新型旋轉導向工具情況可以看出，與前些年以指向式工具為主的趨勢不同，目前市場推出的新型工具主要集中在推靠式和新型的復合式旋轉導向工具上。由于復合式旋轉導向工具兼具指向式和推靠式旋轉導向工具的優點，所以它將成為未來旋轉導向工具的發展趨勢。而工具心軸、軸承和工具智能化將是研發復合式旋轉導向工具需要解決的主要問題，它們的發展將主要集中在以下幾個方面：

(1)在主軸方面，由于主軸需要承受扭轉、部分鉆壓、偏置力、高溫和偏置力等載荷，為了提升鉆頭的偏轉角，則需增大主軸的撓度變形。主軸在材料方面應該選擇具有一定柔性且滿足上述載荷的新材料，如鈦合金材料；而在主軸的結構方面，也將從原來的單根軸結構逐漸變為分段軸結構，以滿足復合式旋轉導向工具的偏置需求，同時提高工具的造斜能力。

(2)在軸承方面，作為支承工具主軸的關鍵部件，軸承需承擔減振和鉸支的功能。目前國內外已經商業化并得到現場應用的軸承，主要采用推力調心滾子軸承與調心滾子軸承加墊圈的組合形式，但這種組合形式不能減少鉆頭鉆進時振動的影響，同時調心滾子軸承的轉速存在限制。因此，組合軸承結構仍需進一步改進，如使用滑動軸承部分替代原有組合軸承結構，或改變組合軸承潤滑方式。此外，還可以采用新材料，如陶瓷材料和金剛石等，進一步提高軸承耐磨性能和抗變形能力，從而提升復合式旋轉導向工具的整體性能。

(3)在工具智能化方面，現有的地質傳感器、工具姿態傳感器和工具狀態傳感器等可以為旋轉導向工具提供豐富的感知信息，通過信息驅動技術將工具的物理運行狀態和地層狀態實時映射到工具和地質模型的數字孿生體上，將傳統數字模型與人工智能技術有機結合，對數字模型進行實時迭代更新，實現井眼軌跡的預測和工具的導向決策功能。因此，將人工智能引入工具地質導向控制，實現工具和井下環境的數字孿生技術，通過虛實交互和耦合互聯功能實現工具的智能控制將成為未來工具智能化發展的一個趨勢。

4 結束語

由于旋轉導向系統集機、電、液、測、控等多學科于一體，單憑一家很難在短時間內補齊這些短板，所以在很大程度上造成了國內旋轉導向工具的研發周期長。國內旋轉導向系統的研發需要向專業的科研單位借力，在地面監控系統、地面井下信號雙向通信、井下高精度連續測量系統、井下智能導向控制系統以及機械本體導向機構設計等方面進行分工合作，整合全國優質資源，進一步優化并完善旋轉導向系統的各個模塊，不斷增強其穩定性，提高其可靠性，盡早實現產品規?；瘧?，自主創新研究出屬于我國特色的旋轉導向系統，真正實現彎道超車。