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隨著全球能源需求的不斷增長(zhǎng)，油氣勘探 與 開 發(fā) 勢(shì) 頭 迅猛，定向井、水平井、大位移井和分支井等占據(jù)著相當(dāng)大的市場(chǎng)比例，為了應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的鉆井活動(dòng)，服務(wù)公司都在為油氣井鉆探提供新工具，擴(kuò)展他們打定向井、水平井和大位移井的能力，打出平滑順暢的井眼軌跡，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，提高油氣井產(chǎn)量。當(dāng)今，定向鉆井市場(chǎng)在 RSS 需求與服務(wù)方面呈現(xiàn)出高速增長(zhǎng)的勢(shì)頭。世界首個(gè)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向 RSS 系統(tǒng)誕生于上世紀(jì) 80 年代末。
 
在德國(guó)南部的陸上深井鉆井項(xiàng)目中出現(xiàn)了垂直鉆井系統(tǒng)。系統(tǒng)包含一個(gè)近鉆頭井斜傳感器、一個(gè)井下微處理器、鉆頭上方扶正器上的轉(zhuǎn)向筋；系統(tǒng)原理為閉環(huán)控制。1993 年，Agip S.p.A. 與貝克休斯共同開發(fā)了旋轉(zhuǎn)閉環(huán)控制系統(tǒng)。1997 年，BP 公 司 采 用 Camco公司（后被斯倫貝謝收購(gòu)）的旋轉(zhuǎn) 導(dǎo) 向 打 成 了 第 一 口 位 移 超 過(guò)10km 的大位移井。
 
鉆井利器
 
地 面 控 制 定 向。100% 全鉆 柱 旋 轉(zhuǎn)； 鉆 進(jìn) 期 間 可 以 下 傳Downlink 指令；鉆頭在或未在井底都可下傳指令；采用泥漿排量或地面控制鉆桿轉(zhuǎn)速都可以下傳指令；從直井段開始造斜，造斜、降斜、改變方位——獲得三維井眼軌跡；開窗側(cè)鉆打水泥塞或不打水泥塞都可以開窗側(cè)鉆；長(zhǎng) 半 徑 至 中 半 徑 造 斜， 可 打 出18°/30m 的造斜率；大位移井鉆井應(yīng)用。機(jī)械鉆速高。100% 鉆柱旋轉(zhuǎn)有效傳送井底鉆壓，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滑動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速。
 
降低壓差卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。采用泥漿馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，馬達(dá)以上的鉆具不旋轉(zhuǎn)；采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)，全鉆柱始終旋轉(zhuǎn)（有些 RSS 系 統(tǒng) 有 非 旋 轉(zhuǎn) 外 筒； 有些 RSS 系統(tǒng)所有的外部組件全旋轉(zhuǎn)。井斜超過(guò) 30°，高轉(zhuǎn)速連續(xù)旋轉(zhuǎn)，井眼凈化明顯改善。井眼上部截面泥漿流速積極；巖屑和鉆桿堆躺在井眼下部（見圖 3），需要機(jī)械攪拌使巖屑隨泥漿流動(dòng)。
 
典型的地面轉(zhuǎn)速。泥漿馬達(dá)鉆 具 組 合：50~60 RPM（ 轉(zhuǎn) 數(shù)／每分鐘），最高至 80 RPM；旋 轉(zhuǎn) 導(dǎo) 向 鉆 具 組 合：100~200RPM。井眼質(zhì)量明顯改善。采用泥漿馬達(dá)鉆具組合鉆進(jìn)，井徑擴(kuò)大，見圖 4 左圖；采用泥漿馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)易產(chǎn)生微狗腿；馬達(dá)鉆進(jìn)產(chǎn)生不均勻、擴(kuò)徑、螺旋井眼，見圖 4 右上；采用 RSS 鉆進(jìn)，井眼圓滑、通徑，見圖 4 右下?？朔R達(dá)鉆具組合滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)鉆桿壓彎現(xiàn)象見圖 5。嚴(yán)重傾斜地層順利實(shí)現(xiàn)垂直鉆井見圖 6。
 
國(guó)際品牌
 
目 前 全 球 市 場(chǎng) 上 RSS 主 要有 如 下 品 牌： 貝 克 休 斯 公 司 的Auto Trak 系 列； 斯 倫 貝 謝 公司 的 Power Drive 系 列； 哈里 伯 頓 公 司 的 Geo-Pilot 系列； 威 德 福 公 司 的 Revolution系 列；TerraVici 鉆 井 公 司 的TerraVici 系 列； 國(guó) 民 油 井 的VDT 垂直鉆井工具；陀螺數(shù)據(jù)東半球的 Well-Guide 系列；APS的 SureSteer 系列。
 
從以上品牌可以看出，幾乎全部是美國(guó)鉆井技術(shù)服務(wù)公司的產(chǎn)品，這些品牌統(tǒng)治著全球旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用與服務(wù)。目前全球市場(chǎng)上的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)按導(dǎo)向方式分主要分為四種模式。推靠式：鉆具旋轉(zhuǎn)期間，通 過(guò) 工 具 上 3~4 個(gè) 襯 墊 或 推 進(jìn)塊，向希望鉆進(jìn)的相反方向推靠井壁，反作用力使井底鉆具及鉆頭改變方向，實(shí)現(xiàn)全鉆柱旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)。
 
指向式：鉆具旋轉(zhuǎn)期間，將鉆頭轉(zhuǎn)軸偏離工具殼中心軸線，指向希望的方向，實(shí)現(xiàn)全鉆柱旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)?；旌鲜剑恒@具旋轉(zhuǎn)期間，在采用推靠機(jī)制的工具筒內(nèi)將鉆頭轉(zhuǎn)軸偏離工具中心軸線，使鉆頭鉆進(jìn)方向同時(shí)獲得兩種方式的調(diào)向，實(shí)現(xiàn)全鉆柱旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)，這種方式的造斜率通常比上述單一方式的要高。連續(xù)比例式導(dǎo)向：三個(gè)精密控制的襯墊或推進(jìn)塊保持一種連續(xù)呈比例的導(dǎo)向矢量，實(shí)現(xiàn)襯墊連續(xù)推靠而非間斷推靠，實(shí)現(xiàn)全鉆柱旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)。
 
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向主要有以下幾種概念性原理：指向式、推靠式、混合式和連續(xù)比例式。指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向采用與彎殼體馬達(dá)相同的原理，采用一個(gè)固定傾斜的井底工具，見圖 7，通常彎殼體位于工具管內(nèi)，所以它能在鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)調(diào)整鉆頭軸的方向，調(diào)向希望的鉆進(jìn)方向。
 
指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向易打出螺旋、超出鉆頭通徑的井眼，一般要求使用長(zhǎng)量規(guī)鉆頭，目的是盡量消除螺旋鉆進(jìn)，將井眼鉆的更直、更圓潤(rùn)、更順暢。推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向　采用 3~4個(gè)導(dǎo)向襯墊或推進(jìn)塊，以一個(gè)“推/ 停推”周期或一個(gè)很短的時(shí)間段讓推進(jìn)塊推靠井壁，使鉆具偏離井筒軸向，鉆出一個(gè)有角度和一定造斜率的曲線井眼；推靠式導(dǎo)向?qū)︺@頭施加側(cè)力，將鉆頭推靠向井壁一側(cè)，達(dá)到改變井眼方向的目的，實(shí)現(xiàn)要求的井眼軌跡；推力可以是泥漿液動(dòng)力，也可以是某種機(jī)械力。
 
推靠式導(dǎo)向有一定的缺陷，如果出現(xiàn)井眼井徑不規(guī)則或凹凸不均勻，推靠的效果就會(huì)不理想，因此打出的井眼軌跡就會(huì)不理想，見圖 8。一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向要么采用指向式，要么采用推靠式，實(shí)現(xiàn)全鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)造斜、降斜，8½-in 規(guī)格的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向一般造斜率能達(dá)到 6~8°。
 
指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向造斜率一般略高于推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向?；旌鲜叫D(zhuǎn)導(dǎo)向　是一種同時(shí)采用指向式和推靠式兩種理念的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，因此被稱作混合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。這種類型的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向打出的井眼通常造斜率高于單一的指向式或推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，但原理和制造工藝也更復(fù)雜，當(dāng)今高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)許多都采用混合式原理研發(fā)而成。
 
連續(xù)比例導(dǎo)向機(jī)制出自于貝克休斯公司。一般的指向式和推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，由于都采用的是“導(dǎo)向 / 停止導(dǎo)向”這種周期性變化，與傳統(tǒng)的導(dǎo)向馬達(dá)方式非常類似。與馬達(dá)方式相比，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向唯一的優(yōu)勢(shì)就是鉆進(jìn)過(guò)程中全鉆柱旋轉(zhuǎn)。指向式系統(tǒng)依靠工具內(nèi)的偏置機(jī)構(gòu)在“導(dǎo)向周期內(nèi)”讓鉆頭向著希望的鉆進(jìn)方向傾斜；而推靠式系統(tǒng)依靠襯墊推靠井壁向鉆頭鉆具施加推力來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆頭轉(zhuǎn)向。通常，某一時(shí)刻只有一個(gè)襯墊在工作或推井壁。
 
這兩種方式的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向由于都存在“導(dǎo)向 / 停止導(dǎo)向”周期，因此，鉆 出 的 井 眼 都 存 在 一 定 程 度 的“微扭曲或微狗腿”，這對(duì)后續(xù)鉆井、下套管及完井作業(yè)會(huì)帶來(lái)負(fù)面影響。貝克休斯的“連續(xù)比例導(dǎo)向機(jī)制”通過(guò)連續(xù)控制安裝在一個(gè)低速旋轉(zhuǎn)套筒上三個(gè)獨(dú)立襯墊的壓力實(shí)現(xiàn)鉆頭鉆具轉(zhuǎn)向，這種方法不存在襯墊的“導(dǎo) / 停”周期，實(shí)現(xiàn)連續(xù)導(dǎo)向；這種連續(xù)比例式導(dǎo)向確保了更精確和更一致的鉆頭方向控制，連續(xù)比例式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向能提供更平滑、與鉆頭量規(guī)更一致、井眼定位更精確、鉆進(jìn)速度更快、更可靠的井眼軌跡和鉆井性能。
 
相比指向式和推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，井眼扭曲度或微狗腿可縮減 4~6 倍。圖 9 是采用高分辨率測(cè)井測(cè)得的 3 口鄰井井眼扭曲度的對(duì)比，從對(duì)比中可以明顯看出，連續(xù)比例導(dǎo)向方法鉆出的井眼質(zhì)量明顯優(yōu)于指向式和推靠式導(dǎo)向方法。
 
斯 倫 貝 謝 公 司 旋 轉(zhuǎn) 導(dǎo) 向系 列 大 都 采 用 混 合 式 原 理， 即Hybrid-point-the-bit或 Hybridpush-the-bit， 也 有 幾 種 產(chǎn) 品采 用 的 是 指 向 式 point-the-bit 原理。
 
哈里伯頓公司幾乎所有的產(chǎn)品都采用指向式 Point-the-bit 導(dǎo)向原理，最高造斜率可達(dá) 14~15°/100ft ，一般的為8~10°/100ft。貝克休斯公司旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系列采用的都是連續(xù)比例導(dǎo)向原理。威德福公司旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系列大都采用指向式原理。