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本文对我国在井眼轨迹控制技术方面取得的进展进行了总结，重点在导向结构、实现功能和应用推广方面做了分析；在总结国外旋转导向工具技术并结合机械工程的新材料新技术发展基础上，提出井眼轨迹控制工具将向复合式工具技术的方向发展，其中工具的心轴、轴承的材料和结构以及工具的智能化研究将是未来的发展方向，而恶劣环境下的井下钻井机器人将是研究的最终目标。

一、国内旋转导向工具发展现状

近年来，国内也在积极进行井眼轨迹控制工具即旋转导向技术的研究工作，并在理论研究和原理样机方面取得了较多的研究成果，但距离工业规模化应用还有一定距离。

二、推靠式旋转导向工具

目前，国内的动态推靠式旋转导向工具主要以调制式旋转导向工具为主，西安石油大学与中石化胜利钻井工艺研究院合作，研发了调制式旋转导向钻井工具MRST。整个工具配备了以钻井液为液压介质的液压系统，工具内有上、下涡轮发电机驱动的稳定平台。该平台在下部电机的电气参数调控作用下，可以在高速旋转工具外壳内独立旋转，调节液压盘阀钻井液分流系统的上盘阀位置，对钻井液分流，在工具内外压差作用下推动翼肋伸缩产生偏置。工具原理结构如图1所示。

1—上轴承保护器;2—测控稳定平台;3—下轴承保护器;

4—液压盘阀分流系统;5—偏置单元;6—钻井液过滤装置;

7—下涡轮发电机;8—上涡轮发电机。

图1动态推靠式工具原理结构图

国内典型的静态推靠式旋转导向工具主要由驱动轴、不旋转外套、导向机构和密封系统等构成，其中导向机构由可独立伸出或缩回的翼肋和液压缸组成，翼肋在液压缸的作用下产生推靠力。国内企业或研究单位在该类工具的研发中投入较多，如：

中海油研发出了自主的静态推靠式旋转导向钻井系统Welleader，能够实现井斜自动闭环控制，导向力可以实现32级强度和级方向控制，最大转速r/min，工具耐温达℃。该工具已在渤海湾完成了试验工作，具备了海上作业的能力，实钻造斜率约每30m井段造斜6.5°，但是仍处于初步应用阶段。

中国石油天然气集团公司大庆钻探钻井工程技术研究院成功试制出静态推靠式旋转导向系统样机(DQXZ－01型)，并在5口水平井开展了钻进试验。中国石化胜利钻井院研制出了静态推靠式旋转导向工具样机(SINOMACSATSI型)，并于年在胜利油田现场试验成功，造斜率达到每30m井段造斜4.2°。

年以来，中国石油集团川庆钻探公司、航天科工及中国石油大学(华东)共同研制的静态推靠式旋转导向工具(CG-STEER)已完成4口页岩气水平井的造斜段和水平段钻井作业，累计进尺m，创下了国产旋转导向系统最大造斜率每30m井段造斜11.2°，单趟钻最长寿命h，进尺m等多项纪录。

三、指向式旋转导向工具

从年开始，长江大学科研团队在中海油的支持下，开始进行全自主知识产权的静态指向式旋转导向的基础研究和导向工具的研发，开展了指向式旋转导向工具主轴造斜性能、组合轴承力学与寿命和导向参数下传与解码的理论研究。

根据导向工具的结构，将导向工具主轴简化为超静定梁，建立了主轴在弯曲状态下的静力学模型，构建了工具外壳变形、主轴偏心与挠度和钻头偏转角的关系模型，建立了偏心机构作用力与偏心距、外壳载荷、上下端轴承间距等因素的关联关系，得出了旋转导向工具的导向力、偏转角和临界钻压等关键参数值，从而较准确地预测了导向工具的实际造斜率;通过对旋转导向工具组合轴承工作原理的系统分析，结合具体导向工具偏转角与主轴偏心距之间的关联关系，建立了组合轴承超静定静力学平衡方程，运用概率乘积定理的组合轴承L-P疲劳寿命经验模型，充分考虑工具在井下工作时的热力耦合影响和实际工况的I－H疲劳寿命计算方法，得出了可用于各类导向工具的组合轴承疲劳寿命评估模型;采用钻井液脉冲通信的“泄流式”模型，对钻井导向参数下传信号的设计、编码、滤波和解码进行了深入、系统的研究。

目前，该团队已研制出了二代指向式旋转导向工具样机，该工具以钻杆驱动为动力，通过不旋转外壳与主轴之间的偏置机构使旋转主轴产生小角度弯曲，从而使钻头与井眼轴线之间形成夹角，实现指向式旋转导向钻进。该工具主要由控制短节、电磁离合器、减速机构、偏心机构及组合轴承等部分组成。控制短节由电池短节和测控电子系统等构成。电池短节提供井下电源。测控电子系统包括控制电路、测量工具面角和井斜角的检测仪器、小闭环通信、下传信号接收器及其电路，以及测量方位和倾角的传感器等，如图2所示。该工具的设计造斜率为每30m井段造斜8°，通过全尺寸旋转导向测试台架的水泥靶实钻试验，测试出的实际造斜率为每30m井段造斜8.56°，可实现钻头与井眼轴线之间夹角的无级调节。

图2静态指向式旋转导向工具

年，西安石油大学张光伟等提出了一种双伺服电机驱动内、外偏心环的全旋转动态指向式旋转导向钻井工具，结构如图3所示。

1—外偏心环控制电机;2—外偏心环法兰;3—外偏心环;

4—内偏心环;5—内偏心环法兰;6—内偏心环控制电机;

7—导向轴;8—扭矩传递机构;9—密封装置;

10—球座;11—旋转外套。

图3全旋转指向式旋转导向工具结构图

四、复合式旋转导向工具

年，文献提出了一种复合式旋转导向钻井工具。该工具采用与调制推靠式旋转导向工具相同的稳定平台和液压分配单元，它的导向执行单元主要包括驱动轴、钻头轴、柱塞组件、调节环组件和万向节组件等。其中驱动轴与钻铤相连接，驱动轴与钻头轴通过万向节相连接。钻井液经过液压分配单元，在压差的作用下推动驱动轴上的柱塞，柱塞进一步推动钻头轴的导向套筒，使钻头轴绕着万向节偏转，从而达到导向钻进的目的，其结构如图4所示。

1—上盘阀控制轴;2—钻井液过滤网;3—盘阀座;

4—上盘阀;5—下盘阀;6—调节环组件;7—摩擦环;

8—柱塞组件;9—驱动轴;10—导向套筒;

11—万向节组件;12—钻头轴;13—钻头接头。

图4复合式旋转导向工具结构图

五、旋转导向工具发展趋势

国内旋转导向工具技术基础相对薄弱，工具的研发速度与国外的工具发展相比有一定的滞后。从现有调研的国外新型旋转导向工具情况可以看出，与前些年以指向式工具为主的趋势不同，目前市场推出的新型工具主要集中在推靠式和新型的复合式旋转导向工具上。由于复合式旋转导向工具兼具指向式和推靠式旋转导向工具的优点，所以它将成为未来旋转导向工具的发展趋势。而工具心轴、轴承和工具智能化将是研发复合式旋转导向工具需要解决的主要问题。

其中，在工具智能化方面，现有的地质传感器、工具姿态传感器和工具状态传感器等可以为旋转导向工具提供丰富的感知信息，通过信息驱动技术将工具的物理运行状态和地层状态实时映射到工具和地质模型的数字孪生体上，将传统数字模型与人工智能技术有机结合，对数字模型进行实时迭代更新，实现井眼轨迹的预测和工具的导向决策功能。因此，将人工智能引入工具地质导向控制，实现工具和井下环境的数字孪生技术，通过虚实交互和耦合互联功能实现工具的智能控制将成为未来工具智能化发展的一个趋势。

六、结论

由于旋转导向系统集机、电、液、测、控等多学科于一体，单凭一家很难在短时间内补齐这些短板，所以在很大程度上造成了国内旋转导向工具的研发周期长。国内旋转导向系统的研发需要向专业的科研单位借力，在地面监控系统、地面井下信号双向通信、井下高精度连续测量系统、井下智能导向控制系统以及机械本体导向机构设计等方面进行分工合作，整合全国优质资源，进一步优化并完善旋转导向系统的各个模块，不断增强其稳定性，提高其可靠性，尽早实现产品规模化应用，自主创新研究出属于我国特色的旋转导向系统，真正实现弯道超车。

本文作者：冯定，王鹏，张红，施雷，洪腾蛟，苗恩铭，涂忆柳，文章转载自《石油机械》，内容不做商用，仅用于技术交流，如有侵权，请联系编辑，欢迎业内朋友投稿交流，共同传播油气创新知识。

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