旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析

張達(dá) 王旭東 梁軍 張希玉 趙凱

（1.航天深拓（北京）科技有限公司，北京 100176；2.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司頁巖氣研究院，四川成都 610056）

1.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)概述

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向施工技術(shù)在用具和輔助工具上，不同于傳統(tǒng)的鉆井方法。其定向旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)包括鉆頭和鉆桿、控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。在工程鉆進(jìn)過程中，鉆頭受控制系統(tǒng)指令，控制鉆頭鉆進(jìn)方向。通過對調(diào)整鉆桿，使鉆頭在鉆進(jìn)中，不論面對在有傾角或坡度條件下都能滿足鉆進(jìn)要求，并根據(jù)工程需要有效的提高了鉆進(jìn)效率，從而實(shí)現(xiàn)所有斜井和水平井的實(shí)際鉆井需要。導(dǎo)向技術(shù)的應(yīng)用，也使鉆具組合最大限度地提高了施工效率，對滿足鉆井要求和解決施工轉(zhuǎn)向技術(shù)的難題具發(fā)揮了重要作用。從現(xiàn)有的鉆井工具組的應(yīng)用來看，基本可以滿足各種復(fù)雜地層的鉆井施工要求，在實(shí)際應(yīng)用中，為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用，提供了有力的支撐。因此，全面了解旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)對處理復(fù)雜地層中的鉆井工作有重大意義[1]。

2.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的特點(diǎn)

2.1 鉆桿旋轉(zhuǎn)時(shí)可以改變鉆距和方位角

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向操作系統(tǒng)，是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的特殊工程應(yīng)用。在其應(yīng)用過程中，可改變鉆桿的傾角和方位角，實(shí)現(xiàn)鉆孔方向的調(diào)整。并可根據(jù)鉆井要求和特點(diǎn)，有效應(yīng)用靶標(biāo)，解決了鉆井問題，提升整個(gè)鉆井過程效果。通過調(diào)整鉆井施工過程中的傾角和方位角，使整個(gè)鉆井系統(tǒng)滿足水平方向井的施工要求，使所有水平方向鉆孔都能地控制鉆井方位，特別是對鉆頭的控制。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)具有鉆井效率高、路徑好控制的優(yōu)點(diǎn)，能全面滿足水平定向鉆孔的施工要求。

2.2 鉆孔效率高不會出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象

在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)應(yīng)用中，其鉆井施工效率比較高，而且不會卡鉆。在特殊地層鉆進(jìn)時(shí)，通過調(diào)整角度改變鉆孔鉆進(jìn)方向，因而有效提高民工程整體的鉆進(jìn)效率。在應(yīng)用中，由于鉆頭不會發(fā)生粘連，效率高，因此可以應(yīng)對各種地層中的鉆孔施工問題。在水平定向鉆孔施工過程中，容易卡鉆現(xiàn)象，影響鉆井的正常施工。而旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)有不卡鉆的施工優(yōu)點(diǎn)，因此在施工水平定向孔時(shí)具有先天優(yōu)勢。因此，將該技術(shù)合理應(yīng)用于水平定向鉆孔，不僅有利于改善施工效果，而且滿足了系統(tǒng)的鉆井要求。

2.3 強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢

應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢，是可以根據(jù)鉆井需要，判斷地層特征，再根據(jù)地層特點(diǎn)優(yōu)化鉆井工藝，調(diào)整鉆井施工角度，滿足鉆孔路徑控制要求。在應(yīng)用中對鉆井方向，特殊角度控制和水平鉆進(jìn)能力，對于有效解決水平鉆孔的技術(shù)問題具有重要作用。因此旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)，已成為地層鉆井的核心技術(shù)，推動(dòng)了復(fù)雜地層鉆井的技術(shù)發(fā)展[2]。

3.國內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

我國對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的研究始于90年代，有許多機(jī)構(gòu)都參與了該技術(shù)的研發(fā)。在國家“863”工程的支持下，石油管理局鉆井研究所、中國石油總公司等科研院所，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和開發(fā)，已攻克了一些關(guān)鍵技術(shù)難題。并在現(xiàn)場測試中表現(xiàn)良好，但同時(shí)也存在一些問題。通過經(jīng)過不斷改進(jìn)和研究，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)已經(jīng)下鉆幾十次試驗(yàn)，取得了有一些令人鼓舞的成果，但其故障率仍然很高，還有一些如可靠性方面的問題急需解決。因此，國產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，其廣泛推廣和應(yīng)用還有很長的路要走。

4.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基本旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向技術(shù)分析

考慮到國內(nèi)外對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的研究及發(fā)展，目前一些關(guān)鍵技術(shù)還存在問題。國內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果與國外相對成熟的技術(shù)仍有較差距。要完全達(dá)到工業(yè)應(yīng)用水平，還需解決不好問題。其中主要問題包括：鉆頭速度低、鉆頭卡鉆問題、加卸載指令信號異常、電能量比較低以及關(guān)鍵零部件不耐高溫等問題。其中，工具的耐低溫性，是阻礙旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)推廣使用的重要因素。另外電路元件故障也是縮短工程系統(tǒng)正常使用壽命的重要因素。因此，在使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具時(shí)，其目的是實(shí)現(xiàn)施工鉆孔的控制。如果無法進(jìn)行有效控制，則無法實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向效果。根據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)功能的分類和設(shè)計(jì)指示，技術(shù)人員列出了，推動(dòng)式旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向信息框架，形成了可靠性比較成熟的推動(dòng)式旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[3]。

4.2 電力非接觸傳輸技術(shù)

在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)部分，傳統(tǒng)的系統(tǒng)采用接觸式傳輸方式，由于接觸滑環(huán)安裝極為不方便，且易受水和泥漿腐蝕。在總線電路中，其電力傳輸有大量的無功功率，導(dǎo)致非接觸式線路中產(chǎn)生大量的功耗，造成設(shè)備容易損壞，同時(shí)載波信號的傳輸過程容易受到干擾。因此，通常的做法是，優(yōu)化非接觸電力參數(shù)，并有效提高電力傳輸效率。目前的技術(shù)應(yīng)用中，迫切需要非接觸式的電力傳輸方法，即松耦合電力傳輸技術(shù)，以此適用于非接觸電力的地下傳輸。松耦合變壓器的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)部分間的電力能源和數(shù)據(jù)同步。在實(shí)際操作中，動(dòng)力的傳輸效率和信號誤碼率，是旋轉(zhuǎn)手輪導(dǎo)向的關(guān)鍵。使用ANSYS仿真軟件對磁鐵進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化其電磁場分布，降低和改善過程動(dòng)力傳輸中，磁鐵產(chǎn)生的熱量。有效提供了接觸式傳輸效率和導(dǎo)向控制元件的推力，確保操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了更高的施工速度。非接觸式電能傳輸方式，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備旋轉(zhuǎn)軸與非旋轉(zhuǎn)部件的數(shù)據(jù)同步傳輸，保證了傳輸效率，降低了傳輸?shù)男盘栧e(cuò)誤率，同時(shí)提高了電源輸出的穩(wěn)定性。而諧振頻率，提高了接觸能量的非旋轉(zhuǎn)傳輸作用效率，接收信號的軟硬件，通過濾波處理，提高非接觸信號傳輸?shù)某晒β剩岣咴Ω邷睾驼駝?dòng)環(huán)境的適應(yīng)性。

4.3 單總線電路

單總線電路，負(fù)責(zé)井下電路的數(shù)據(jù)傳輸和信息通信，并完成井下指令的加載功能。由于它既可以傳輸電源，也可以傳輸功能信號，因此節(jié)省了大量的鉆井空間。其設(shè)備外殼作為公共接地部件，使全部設(shè)備之間只有一根連接電纜，降低了設(shè)備結(jié)構(gòu)使用操作的難度。同時(shí)使無線傳輸操作也變得也簡單，具有傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定和可靠的優(yōu)點(diǎn)。通信載波技術(shù)，其作用是將信號疊加在電源線上，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)的通信。多級濾波技術(shù)可以濾除電源中多余的噪聲。減少了發(fā)送電路和接收信號的衰減，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)連接。單總線的主要作用是處理對不同數(shù)據(jù)的請求、發(fā)送或接收等。也就是完成數(shù)據(jù)的信號傳輸功能，起到“橋梁”的作用。關(guān)于信息傳輸，單總線的主控芯片，其發(fā)出的方波信號，經(jīng)過有源濾波和功率放大后，轉(zhuǎn)變成傳輸正弦波或峰值波等形式，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。關(guān)于信號接收部分：信號經(jīng)保護(hù)電路、噪聲消除、源濾波、整形和逆變電路過程，最后返回主控芯片，同時(shí)完成類比轉(zhuǎn)換。將信號再轉(zhuǎn)換回?cái)?shù)字信號，以此完成交換信息以及發(fā)送和接收命令的過程。單總線電路是系統(tǒng)配置、檢測系統(tǒng)的中心。它是總線控制系統(tǒng)電路的一部分，也是在實(shí)際操作中，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)方向的重要環(huán)節(jié)。

5.結(jié)語

隨著對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的深入了解，該技術(shù)在復(fù)雜地層中得到了廣泛應(yīng)用。技術(shù)人員通過開發(fā)了完整的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向體系，使其在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)了良好的應(yīng)用效果，解決許多復(fù)雜的應(yīng)用難題，確保了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)有效達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。為相關(guān)的開采企業(yè)提供了有力的技術(shù)支持。