旋转导向钻井系统是目前世界上最先进、高效的石油定向钻井工具，它能够在钻具旋转模式下实现三维复杂井眼轨迹的钻进作业和控制^[1]。根据造斜原理分为推靠式和指向式两种类型^[2]。推靠式利用推靠方式提供钻头侧向力以实现导向，受排量及井径扩大等因素影响较大；指向式通过为钻头提供一个与井眼轴线不一致的倾角产生导向作用，造斜能力强，不受排量、井径和地层因素的限制。目前国外三大石油公司Baker Hughes、Schlumberger和Halliburton通过各种方式分别形成了其各自商业化应用的旋转导向钻井系统^[3]：Auto Trak旋转闭环钻井系统、Power Drive调制式全旋转导向钻井系统和Geo-Pilot旋转导向自动钻井系统^[4]。其中前两种属于推靠式、最后一种属于指向式。国内开展旋转导向钻井系统方面的研究工作较晚，且研究推靠式居多，指向式的研究在国内还处于“瓶颈”状态^[3]。Geo-Pilot是Halliburton公司的一种比较成熟的指向式旋转导向钻井系统，性能稳定且保养维护简便，在渤海油田的高难度定向井中应用非常成功。

Geo-Pilot是由SPERRY和JOGMEC公司(日本石油天然气和金属国家股份有限公司)共同开发的一种指向式的旋转导向钻井系统，它由外筒、芯轴和控制单元、近钻头井斜和近钻头角方位伽马传感器(距离钻头1 m)、地面收发指令系统、长保径钻头(专用钻头，接头配合常规钻头)等组成。其外筒装有两个偏心环，一个位于另一个的内部，该偏心环总成组成计算机控制的偏心单元，两个偏心环驱动驱动轴偏离钻具中心，致使钻头产生偏斜力，从而实现全部旋转的导向钻进模式。其内部结构如图 1所示。

图 1(Fig. 1)

图 1 Geo-Pilot旋转导向钻井系统内部结构示意图

Geo-Pilot旋转导向钻井系统靠不旋转外筒与旋转心轴之间的偏置机构使旋转心轴弯曲，从而为钻头提供了一个与井眼轴线不一致的倾角，产生导向作用。其偏置机构是一套由两个可控制的偏心圆环组合形成的偏心机构，该机构通过调整两个可控的偏心圆环组合的相对位置，将钻头指向预定方向。当井下自动控制完成偏心环组合之后，该机构将相对于不旋转套固定，从而将万向轴向固定方向偏置，始终为钻头提供一个方向固定的倾角。其导向原理如图 2所示。

图 2(Fig. 2)

图 2 Geo-Pilot旋转导向钻井系统导向原理示意图

(1) 钻出井眼规整平滑，减少螺旋井眼，但影响机械钻速。

(2) 工具组合稳定器离钻头位置较远，影响工具造斜率。

(3) 需使用特制长保径内螺纹钻头。

渤海旅大27-2油田某井原设计为水平井，在∅311mm井眼即将着陆时发现油层深度提前了约10 m，被迫靠近油层下部着陆。钻后通过对油藏进行重新研究，确认地层倾角为5~8°，因此要避免钻遇下部泥岩，∅216 mm井眼钻穿套管鞋后必须全力上挑，但是水平段末端有钻遇断层的风险，限制了水平段的长度。为了最大程度的开发油气藏资源又节约成本，决定变更该井为水平分支井，从而增加水平段泄油面积。该井的井身结构见表 1。

表 1(Table 1)

表 1 井身结构数据

表 1 井身结构数据

如果使用常规螺杆钻具滑动钻进，由于井深近3 000 m，且本井又是反抠井，滑动时摩阻大，工具面无法控制；如果采用推靠式旋转导向钻井系统，受排量和地层等因素的限制太多，造斜率不能满足要求。从造斜率和侧钻能力上综合分析，最后决定选择Halliburton公司的Geo-Pilot旋转导向钻井系统。由于水平段地层较软，在钻头上部增加一个限流器，达到降低排量增大造斜率的同时能够保证MWD仪器信号稳定的目的；同时增大水眼面积(18×2+20×3)，以减少水力对井壁冲刷；为了在水平段顺利施加钻压，倒装加重钻杆。钻具组合为：∅216 mm PDC钻头(特制长保径内螺纹)+∅171 mm Geo-Pilot7600+∅165 mm挠性短节+∅171 mm FEWD+∅171 mm MWD+∅171 mm无磁钻铤+∅171 mm浮阀+扶正器+∅1171 mm震击器+∅127 mm加重钻杆2根。

裸眼侧钻一般采用边钻进边造斜分支的方法：在主井筒中下人技术套管并固井后，利用常规造斜和稳斜钻具组合沿设计方向钻出一口水平井(第一翼)，然后在该水平井的造斜段某点的井筒低边侧钻另一口水平井(第二翼)^[5]。

本井设计第一分支点为2 864 m，第二分支点为2 924 m，由于本井着陆前只有87.05°(三开钻进时重新测量数据)，三开时需全力增斜。考虑到在自由状态下Geo-Pilot的右漂趋势，把工具面摆在10~20 L(1eft)，采用100%的力钻进，按照设计4.5°/30 m的造斜率钻进。采用以上措施后实际造斜率达到5~6°/30 m，测斜结果(井深2 889.36 m，井斜95.32°，方位148.73°)追上设计轨迹。按照设计在90°以上增斜钻进，同时向左扭方位。钻进至2 985 m，Mb分支顺利完钻。

由于该工具外筒支撑在井壁上，钻进时不旋转，对井底携砂有一定的影响。Mb分支完钻时的当量钻井液密度由钻进初期的1.08 g/cm³增长至1.2 g/cm³。为了保证井况、保护储层，Mb分支完钻后，短起钻至上层套管鞋，将分支井眼内的岩屑循环干净。之后下钻至2 889 m开始Ma主井眼的侧钻作业。具体侧钻步骤见表 2。

表 2(Table 2)

表 2 Ma井眼侧钻步骤

表 2 Ma井眼侧钻步骤

期间造台阶时不划眼，不上提钻具，通过对比近钻头井斜变化：15 m内近钻头井斜降低2~3°，确认新的台阶已经形成，最终增斜钻进到2 993 m，Ma主井眼完钻，完钻数据见表 3。

表 3(Table 3)

表 3 该井井眼基本数据

表 3 该井井眼基本数据

本井最大井斜99.80°，创下了渤海水平分支井井斜最大的记录，号称“百度水平分支井”；同时也刷新了Geo-Pilot旋转导向钻井系统在井斜95°以上钻出分支井眼的世界记录^[6]，同时该井也由一口高风险井变成高产井：主支井眼钻遇209 m、分支钻遇95 m的良好油层，油层钻遇率比原设计超出52%，经济效益较好。

(1) Geo-Pilot是一种指向式旋转导向钻井系统，通过增加限流器、增大水眼面积等措施可有效解决在软地层中钻水平分支井出现的井下摩阻大、造斜困难等问题。

(2) Geo-Pilot外筒支撑在井壁上，钻进时不旋转，对井底携砂有一定的影响，钻进时需注意观察系统实时测量的井底当量钻井液密度，必要时及时活动钻具甚至短起下钻。

(3) 通过采用Geo-Pilot并优化钻具组合，实现了变高风险井为高产井的目的，提高了油田开发的综合经济效益。

(4) 国内目前在该类工具研发上面还有许多技术难题亟待解决，可借鉴世界先进技术，研制具有自主知识产权的、成熟的旋转导向钻井系统。