摘要
深井钻进中，随着井深的增加，钻进条件变得更为复杂，钻井效率降低，钻井质量不易保证，井斜问题更加难以控制。俄罗斯地质钻探工程中正在积极使用回转导向系统Роторные управляемые системы——РУС （Rotary Steerable System——RSS），主要是利用井底钻头的造斜作用，进行增斜、减斜和稳斜钻进，可以控制井斜的方向和强度，精度很高（±0.1°），井深可达13 km，回次长度可以达到1000 m，对于我国深井，特别是地质超深井钻进具有一定参考价值。
何谓深井？如何界定？国家标准《石油天然气钻井工程术语》（GB/T 28911—2012）将4500~6000 m深度的井定为深井，6000~9000 m的井定为超深井，大于9000 m的井称为特深井；地质矿产行业标准《地质岩心钻探规程》（DZ/T 0227—2016）将1000~3000 m的钻孔称为深孔，超过3000 m的钻孔称为特深孔；大陆深部钻探孔深划分为浅钻（深度<2000 m）、中深钻（深度2000~5000 m）、深钻（5000~8000 m）和超深钻（深度>8000 m）和超万米的特深钻
但是无论如何划分，其共同点皆是：随着深度的增加，地层压力变大，井壁稳定性变差，温度升高，井眼轨迹难以控制，钻进遇到很多困难。井眼越深，井筒越长，哪怕开始时小的偏斜，也会造成井底“差之毫厘，失之千里
在深井钻进中，特别是超深井钻进中，为了提高钻井效率、保证钻井质量和降低井眼弯曲强度，一般都使用钻柱下部组合装置（КНБК）。在这种组合装置中，常常使用满眼钻具，见
图1 井底钻具组合
Fig.1 Downhole drilling assembly
1—钻头；2—КЛС扶正器；3—УТБЭ椭圆状钻铤；4—СУТБ外表面呈螺旋状的钻铤；5—СПЗУ-1极限顶角信号装置；6—减速器；7—井底动力机；8—井底动力机转速传感器；9—取心钻具
在井眼下部组合钻具中常用的动力学稳定装置（扶正器），其主要类型及特点见
| 类 型 | 特 点 |
|---|---|
| 主轴惯性矩不同的装置 |
（1）带有2个不平行、外光平面夹角<180°的装置（德国专利№260629）,见 （2）沿着纵向中心线有通槽的装置,见 （3）带有1个外光平面的装置（美国专利№3306378、3391749、4190122、450818），见 （4）带有偏心内孔的装置,见 （5）带有2个平行外光平面的椭圆环状钻铤（德国专利№260629)，见 |
| 偏心装置 |
（1）带有2个不平行、2个光面夹角<180°的装置（德国专利№260629）,见 （2）沿着纵向中心线有通槽的装置,见 （3）1个光面圆环型装置，见 （4）内孔偏移圆环装置，见 （5）带有偏心接头的装置（俄罗斯专利№825277、1680939） |
在钻柱下部组合钻具中，钻铤起着重要的作用，常用的钻挺有偏心钻铤和主轴惯性矩不同的钻铤，见
图2 偏心钻铤、主轴惯性矩不同钻铤的剖面
Fig.2 Cross‑section of the eccentric drilling collar and the drilling collar with different axial rigidity
在深部钻井中，俄罗斯专家建议大力使用回转导向系统Роторные управляемые системы——РУС （Rotary Steerable System——RSS），其中破碎岩石是利用顶驱钻杆驱动的钻头以回转方式进行的，同时利用孔底钻头造斜系统进行造斜钻进。在这种系统中，含有遥控系统和导航系统，可以控制井眼的方向，精度很高（±0.1°），钻井深度可达13 km，回次长度可以达到1000 m。这是一套远距离控制的电子机械设备智能导向系统，见
图3 井底钻头造斜系统框图
Fig.3 Block scheme of the downhole bit deflection system
1—造斜器具；2—造斜器具驱动装置；3—控制造斜器具驱动装置用的电子部件；4—电源（液动涡轮或电池）；5—遥测系统；6—遥测系统电子部件；7—信息收发传递部件；8—联系通道（水力脉冲通道或电磁通道）；9—信号接收和放大装置；10—计算机；11—井场平台目控钻进情况的仪器
从
使用这种回转导向系统的优点是：
（1）不会使井筒变窄，有利于有效排除岩屑；
（2）由于可以有效排出岩屑，防止其沉淀，有利于岩石破碎过程，所以提高了钻井速度；
（3）由于整个钻柱都是回转的，减少了钻柱和井壁的摩擦力，增加了钻井深度；
（4）由于回转导向系统没有与套管柱、造斜器具和井壁接触的活动零部件，所以降低了卡钻的风险。
回转导向系统主要是利用钻头的偏置来进行造斜，它有3种形式，即推动钻头造斜 （push‑the‑bit）方式、指点钻头造斜（point‑the‑bit）方式以及把二者结合起来的回转导向系
这种方式主要是利用在造斜力的作用下铣切井壁，非对称破碎井底岩石，以增加井眼弯曲强度。在钻头造斜系统中，依靠的是由于以压力向井壁施加压力的切削块2的伸出而使钻头产生的造斜力（见
图4 利用推动钻头造斜的回转导向系统
Fig.4 RSS with bit deflection
图5 利用钻头径向位移回转导向系统弯曲半径计算用图
Fig.5 Diagram for calculating the distortion radius of RSS with bit radial displacement
造斜力与冲洗液的压力、从水力腔室方面看伸出切削块的面积有
式中：——水力腔室中的冲洗液压力，MPa；——从水力腔室方面看伸出切削块的面积，
如果钻头半径Rд=147.65 mm，壳体半径Rо=122 mm，稳定器半径Rц=140 mm，l1=0.7 m，l2=2.5 m，切削块伸出高度H=30~26.75 mm，则按公式计算得曲率半径R=152~350
切削块2的驱动装置是由水力（钻井液）驱动的，是利用后来向相应液压室供给的钻井液实现的。为了增加造斜角度，转动切削块，使其位于井筒的底部，压向井筒的下帮。如果想减小造斜角度，则切削块可以压向井筒的上帮。利用遥测系统发出的指令，可以沿着水力脉冲通道或电磁联系通道，决定钻头铣鞋启动的时间和力度。位于造斜器部件5上方的控制部件，带动转动阀门（盘阀），根据钻柱的转动情况关闭或开启向装有切削具的腔室供给钻井液的通道。Power Drive SRD系统盘阀控制结构如
图6 Power Drive SRD系统盘阀控制结构示意
Fig.6 Plate valve control structure in Power Drive SRD
从
本系统可以同步测量切削具作用的部位和力度，对井壁施加作用，从而引导钻头的方向。钻头可以通过侧部装置以铣切井壁方式来保证井筒弯曲。所以，在RSS系统的弯曲过程中，钻头起着很大的作用，故对钻头有一定的要
Schlumberger公司研发的大功率、进行强力弯曲的Power Drive Vortex控制系统，见
图7 钻头造斜的Power Drive Vortex控制系统
Fig.7 Control system of Power Drive Vortex with bit deflection
控制系统使用的Control Collar（能源部件+电子部件），见
图8 控制系统用的Control Collar(能源部件+电子部件)
Fig.8 Energy part and electronic part of Control Collar for the control system
Control Collar部件由钻铤和置于其中的Control Unit组件组成。Control Unit组件含有2个叶轮，这2个叶轮由冲钻井液流驱动回转，由2个磁矩发生器带动，向2个彼此相反的方向回转。这个Control Unit组件还装有与遥测系统实时连接用的天线、与切削具控制阀门连接的轴，以及控制用传感器和装置的电子部件。
Control Unit的目的是保持钻头切削具造斜方向与仪器初始安装的记录程序或从地表联系通道传来的程序规定的方向一致。
从
传感器组件中的仪器有：测量地磁场和与仪器轴线定向的地磁场（磁方位角）的三轴磁力仪、测量地球重力场和与仪器轴线定向的地磁场（顶角）三轴加速度计、2个互相垂直并测量回转频率和控制相对Control Collar位置的二轴磁力仪和控制仪器相对其轴线回转的回转传感器。
这种利用指点钻头（point‑the‑bit）造斜方式的回转导向系统是利用造斜器具的内轴弯曲来指导钻头造斜钻进的，例如利用Geopilot系统。在这种系统中，内轴弯曲点位于钻头上方的外壳内部，见
图9 利用指点钻头（point‑the‑bit）造斜方式的回转导向系统弯曲半径计算用图
Fig.9 Diagram for calculating the distortion radius of RSS with point‑the‑bit deflection
对于Geopilot系统来说，其有关参数a=b=2.25 m，l1=0.8 m，l2=4.5 m，Dц=244 mm，在用直径295.3 mm钻头钻进时，经过计算造斜器具内轴的挠度等参数见
| 稳定器直径Dц/mm | 轴的挠度 /mm | 偏斜角 | 弯曲半径 R/m |
|---|---|---|---|
| 244 | 4 | 1.75 | |
| 5 | 2.18 | 438 | |
| 6 | 2.62 | 194 | |
| 280 | 2 | 0.87 | 475 |
| 3 | 1.31 | 200 | |
| 4 | 1.75 | 126 | |
| 5 | 2.18 | 93 |
在Geopilot系统（见
图10 Geopilot系统造斜器具示意
Fig.10 Deflecting tool of Geopilot system
用1个或2个传动系统作用的结果是，偏心套组件可以一起转动，也可单个转动，把轴推向外壳轴线的一旁，迫使轴弯曲，把轴定向在造斜装置设计安装角的方向上。位于外壳内的专门设计的回转密封圈，使钻井液不能进入造斜器具内，润滑液在造斜器外面流动，保证了系统的寿命和可靠性都非常高。
通过外壳的轴，靠在固定端的上部轴承、径向支持轴承和下部游动轴承上。当偏心套组件使轴弯曲时，轴不让轴弯曲高出自己的上部固定端、让钻头在任意方向上偏斜，在自由回转的下部支撑轴承之间弯曲。由于钻头的主要载荷是通过外壳传递的，因此轴要做成比较细的和容易控制的。
位于钻头部件上部的计算机控制的部件，对轴的偏斜进行控制。
在指点钻头造斜（point‑the‑bit）方式的回转导向系统中，可以使用1个或2个偏心套。
在使用1个偏心套的回转导向系统中，偏心套置于造斜器外壳的内部，偏离造斜器外壳横断面几何中心一定距离，这是为了保证在钻进过程中井眼不偏斜，因为偏心套的偏心孔和造斜器外壳是同轴的，见
图11 钻头偏斜的回转导向系统工作示意
Fig.11 Working scheme of RSS with bit deflection
1—偏心套；2—外壳-定子；3—内轴-转子；4—伸出式卡瓦；5—钻头；6—井眼弯曲方向
在回转导向系统中，有带2个偏心套的设计（见
图12 偏心套不同位置示意
Fig.12 Eccentric sleeves in different positions
图13 造斜部件位置和曲率增大示意
Fig.13 Deflecting tool position and increasing of distortion intensity
Power Drive Archer 回转导向系统是把利用钻头造斜（push‑the‑bit）方式的回转导向系统的性能和把利用改变钻头偏斜方向（point‑the‑bit）方式的回转导向系统的性能结合起来的回转导向系
利用这个系统可以自动保持井眼的空间位置（弯曲角度）。根据井眼直径（406.4~660.4 mm）的不同，利用本系统可以使井眼的弯曲强度达到0.1° ~0.3°/
与前面讨论的回转导向系统不同，本系统不是利用从外面伸出的切削块对地层施加压力，而是利用加重钻杆内部的4个驱动活塞，从内部对在万向接头回转的圆柱形转动套施压，把钻头定位在希望的方向上（见
图14 Power Drive Archer回转导向系统
Fig.14 RSS combining push‑the‑bit RSS with point‑the‑bit RSS
图15 Power Drive Archer回转导向系统万向接头和驱动轴的部件
Fig.15 Universal joint and drive shaft parts in Power Drive Archer RSS
置于钻头端部附近、用于定位的内阀，把一小部分钻井液供给活塞，钻井液带动活塞对转动套环施压，保证钻头按设计方向定向和井眼弯曲。
钻井液阀门在空档情况下是连续回转的，所以钻头对井壁的压力是均匀分布的，钻孔的方向是稳定的。
利用这种系统可以实现稳斜钻进、增斜钻进、降斜钻进、左扭方位、右扭方位、降陡增方位等。
伽马辐射强度、顶角和方位角等参数，在钻头的上方进行测量，可以帮助操作员有效控制钻井过程。这些参数的实时数值，利用控制部件，通过水力脉冲联系通道的遥测方法传到地面。工作人员从地面将指令传到导航部件，将其变成钻井液供给速度的振荡信号，对钻进过程进行导航。
根据上述资料可做如下分析与讨论。
（1）回转导向钻井系统（RSS）是一种高度智能化和自动化的井眼轨迹控制系统，是由井下闭环控制的钻头偏置机构与无线测量传输仪器（MWD/LWD）联合组成的复杂器具系统组成的。回转导向钻井中，该系统可以实时测量实钻轨迹与设计轨迹或地质目标的偏差方向、距离，按照要求的造斜率和回转导向钻井工具造斜能力给出相应的控制指令，改变导向偏置工具面向位置和造斜率，使实钻轨迹尽量向设计轨迹或地质目标靠近，并沿校正的设计轨迹钻进，准确钻到目标。
（2）这种系统是在钻柱回转情况下进行导向的，所以井眼净化效果更好，延深能力更强；可以连续导向，井眼轨道更为光滑；工具设计制造模块化、集成化，能够连续、实时、准确监测钻头的钻进方向，引导钻头在最佳位置钻进；具有双向通信能力，可以自动调节钻进方向，具有创新性。
（3）这种系统可以用于垂直井、斜井和水平井钻进，使用范围较宽，使用效果较好，具有积极使用和推广价值。
（4）这种系统美国已经研发多年，俄罗斯也在积极使用，我国石油天然气集团公司等也在进行研究并取得一定效果。建议我国地质深钻有关单位对此引起重视，进行研究开发，确认其创新性、可用性和合理性，将其早日用于深钻和超深钻探工程中。
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