中國石油天然氣集團有限公司科學技術協會秦永和：大力發展旋轉導向鉆井 促進非常規油氣革命

1.1　美國頁巖油氣革命正在改變世界能源格局美國2015 年天然氣自給率超過96% 之后，出口隨著非常規油氣的規模有效開發逐年增加，正在改變著世界能源格局。據EIA 統計，2023 年美國頁巖油產量4.69×10⁸t， 較2022 年4.37×10⁸t 增加0.32×10⁸t （圖1）；頁巖氣產量8369×10⁸m³， 較2022 年8099×10⁸m³增加270×10⁸m³ （圖2）。其中，2023 年海恩斯維爾（Haynesville）頁巖氣產量年增長10.8%，達到4.2×10⁸m³/d；二疊紀盆地頁巖油產量達到495×10⁴bbl （68×10⁴t/d）的歷史最高水平，甚至超過了沙特阿拉伯探明石油儲量最大的蓋瓦爾油田。在總產量和單井產量增加的同時，單井EUR也大幅增加。例如， 巴肯（Bakken） 和米德蘭（Midland）頁巖油單井EUR 平均達6.89×10⁴t/d，海恩斯維爾和馬塞勒斯（Marcellus）頁巖氣單井EUR 平均達4.89×10⁸m³/d。

圖1　美國頁巖油2000—2023 年歷年產量

（數據來源：EIA，2024）

圖2　美國頁巖氣2000—2023 年歷年產量

（數據來源：EIA，2024）

1.2　智能旋轉地質導向的規模應用發揮了重要作用美國頁巖油氣水平井數量不斷增加，占比始終保持高位。例如，2023 年頁巖油氣完鉆井10203口，盡管還未恢復到疫情前2019 年12953 口的水平，但是水平井比例依然高達98%（圖3）。

圖3　美國2019—2023 頁巖油氣井數量和水平井占比

（數據來源：Enverus，2024）水平井水平段長度逐年增加，且鉆井速度較快。以2023 年完成的10203 口井為例：4500m 以深井7820 口，占比76.6%，平均井深6303m，平均水平段長3116m，平均鉆井周期18.3d；6000m 以深井4941 口，占比48.4%，平均井深6791m，平均水平段長3458m，平均鉆井周期20.0d；8000m 以深井277 口，占比2.7%，平均井深8398m，平均水平段長5555m，平均鉆井周期25.7d；另外近年來完成6000m 水平段的井越來越多（表1）。

表1　部分超長水平井指標

智能旋轉地質導向系統的大規模研發和應用，對水平井施工提質提速起了關鍵作用。例如，在北美非常規油藏開發過程中，斯倫貝謝NeoSteer ABSS智能旋轉導向已經應用了250 余井次，共鉆進260×10⁴ft （792480m），平均單井進尺3100 多米；鉆進速度最快的井位于DJ 區塊，在29h 純鉆進時間內，一趟鉆完成直井段、造斜段與水平段，總進尺達15123ft （4609.5m）， 平均機械鉆速為523ft/h（159.4m/h）。斯倫貝謝NeoSteer CLx ABSS 智能旋轉導向在馬塞勒斯頁巖實現直井段、造斜段和水平段一趟鉆進尺13819ft （4212m），狗腿度較小，91%的井眼軌跡控制在4ft （1.2m）范圍內，遠低于10~20ft（3.1~6.2m）的平均偏離范圍，平均機械鉆速保持在150ft/h （45.7m/h）以上。綜上所述，美國頁巖油氣開發主要有三方面特點：一是平均水平段長，從2012 年的1806m 增至2023 年的3056m；二是隨著水平井段長度逐年大幅增加，鉆完井質量、單井日產量和EUR 也大幅提升；三是絕大部分水平井使用了旋轉導向，施工速度、質量、效率不斷改善。由于旋轉導向顛覆了傳統滑動導向的基本原理，很大程度上解決了井下鉆具阻卡、鉆壓扭矩傳遞不力等問題，實現了更多“一趟鉆”，帶來了質量好、速度快、成本低的顯著成效。

2　旋轉導向優勢及我國非常規油氣鉆完井潛力

2.1　我國導向鉆井方式及旋轉導向優勢滑動導向鉆井技術是我國定向井和水平井鉆井所采用的主要方式。其中定向井鉆井幾乎100%應用滑動導向技術；水平井鉆井約80% 應用滑動導向技術，也就是說應用旋轉導向技術的井僅占20%左右?；瑒訉蜚@進的原理是在定向或調整井眼軌跡時，必須先找準和固定工具面，鉆進過程中上部鉆具的有限度活動不能影響到彎螺桿鉆具工具面的固定，否則將無法完成改變井斜和方位的任務。這樣一來，鉆頭的轉動要靠彎螺桿鉆具帶動，而鉆頭的鉆壓只能通過彎螺桿鉆具以上鉆具沿井壁向下滑動產生。由于地面轉盤或頂驅不能正常轉動，會造成摩阻扭矩大、鉆進托壓、反扭角增大、軌跡控制困難、井眼質量差、鉆速慢等一系列問題。為解決井下摩阻和托壓等突出問題，現場一般采用加裝巖屑床破壞器、實施頂驅扭擺、加裝水力振蕩器、增加鉆進排量、增加劃眼或短起下頻次、提高鉆井液潤滑性等措施，雖取得較好效果，但并未改變滑動導向鉆進過程中鉆具幾乎不能轉動的狀況，從而不能徹底解決鉆速慢、井眼差、綜合效益低等突出問題。與滑動導向相比，旋轉導向具有諸多優勢：定向過程中加壓容易，不容易托壓；三維繞障能力強，鉆速高，水平段鉆得更長；工藝簡單，井眼凈化好，摩阻扭矩小，不用頻繁短起下鉆，井下事故復雜少；軌跡控制精確，井眼軌跡更加平滑；配套近鉆頭地質參數測量，能及早應對儲層變化，儲層鉆遇率高；井眼光滑，完井、壓裂順利，有利于增產；等等。依靠旋轉導向技術優勢，美國頁巖油氣開發已形成了平臺化布井模式，形成了薄儲層長水平段關鍵技術，頁巖油氣水平井水平段長度逐年增加，目前已經突破8000m。我國在長寧—威遠頁巖氣水平井造斜段施工，旋轉導向較常規技術效率提高3~5 倍；在新疆瑪湖造斜段，旋轉導向施工效率約為滑動導向的3.5 倍；其他地區應用也呈現出越來越好的態勢。

2.2　我國優質高效施工非常規油氣藏水平井的潛力近年來，借鑒美國頁巖油氣革命核心技術（工廠化鉆水平井+工廠化體積壓裂），我國四川頁巖氣、新疆頁巖油、大慶頁巖油和長慶致密油氣等非常規油氣藏實現了有效開發，與此同時，也創造了不少工程技術指標。例如，已經有幾口水平井水平段長度達到5000m 以上，也有一些平臺布井數量超過了20 口水平井。但在這里值得注意的是，我們創造的一些工程技術指標井的關鍵井段都或多或少地應用了旋轉導向系統。對比美國非常規油氣的快速有效發展，我國非常規油氣藏開發總體上產速度較慢，單井產量較低，經濟效益較差。究其原因，一方面我們資源品位低、儲層薄、儲層橫向展布不均勻；另一方面，除了存在壓裂效率低、壓裂參數較弱、密切割不到位等因素以外，鉆井工程指標與美國相比，還存在單平臺布井少、水平段短（比美國短1300m 左右）、鉆進參數弱、鉆井周期長（為美國的2.5 倍以上）等問題。對此筆者認為，旋轉導向應用比例低（只有20% 左右） 是造成這些問題的根源。從美國非常規油氣效益開發的經驗還可以看出：非常規資源品位越低，越應該增加水平井水平段長度、口井壓裂規模和平臺布井數量。這樣不僅可以增加儲層的裸露面積，直接提產，還可以充分共享和重復利用各種資源，大幅度降低鉆井、壓裂、采油成本，提升整體效益。由此我們可以預判，我國要想進一步提高非常規油氣開發的效率和效益，需要打越來越多的長水平段水平井，而要打好長水平段水平井，旋轉導向技術是發揮基礎性作用必需的重大利器。因此，我們必須轉變觀念，大力研發應用智能旋轉地質導向系統。

3　國內外旋轉導向系統工具發展狀況

3.1　國外旋轉導向技術系統發展迅速旋轉導向系統主要由地面監控子系統、雙向通信子系統、井下測量子系統、短程通信子系統和井下工具子系統組成，各子系統協同對井眼軌跡精確控制（圖4）。

圖4　旋轉導向系統組成旋轉導向系統的核心工具是旋轉頭，其旋轉導向的基本原理分為推靠式（貝克休斯稱連續比例導向）、指向式、二者混合式3 類（圖5）。推靠式是在鉆頭附近直接給鉆頭提供側向力，以貝克休斯的AutoTrak 系統為代表。指向式是通過近鉆頭處鉆柱的彎曲使鉆頭指向井眼軌跡控制方向，以哈里伯頓的Geo-Pilot 系統和斯倫貝謝的Power Drive Xceed 系統為代表。

圖5　典型推靠式和指向式導向工作原理

目前，國外智能導向技術已發展到“高溫、高造斜率、多參數、智能化”新一代產品。其中，斯倫貝謝Neosteer CLx/Cl ABSS 鉆頭導向系統、哈利伯頓iCruise（X）智能導向系統、貝克休斯Lucida 高級旋轉導向系統等典型171.5mm （6.75in）旋轉導向系統類別及關鍵參數詳見表2。

表2　國外典型171. 5mm 旋轉導向系統類別及關鍵參數

斯倫貝謝NeoSteer Clx ABSS 智能旋轉導向系統創新性最強，屬于鉆頭導向，一體化設計，以水力驅動執行機構，能夠實現智能閉環，以及更高的造斜率、更快的速度、更好的井眼和更長的位移。技術已經成熟，并大量應用于頁巖油氣長水平段水平井。哈里伯頓iCruise 智能旋轉導向系統，最大造斜率為18°/30m，可實現大鉆壓、高轉速、高扭矩快速鉆進；可實現旋轉導向的井下閉環導向控制，適用于垂鉆、定向井、水平井；配套EarthStar X 近鉆頭淺探測電阻率和超深探測電阻率技術，可實現近鉆頭反演距離鉆頭3.66m （12ft）、60m 半徑儲層描繪，為業界最深，并實現30m 前探。

3.2　國內技術研發制造及應用存在差距
國內旋轉導向鉆井技術發展相對較晚。中國石油、中國海油和中國石化等國內多家公司和機構經過多年努力，目前已經研發成功多款旋轉導向產品， 主要以推靠式為主。中國海油研制出Welleader 2.0 旋轉導向系統；中國石油合作研制的CG-STEER 和自行研制的CNPC-IDS，在頁巖油氣、致密油氣等領域廣泛應用，并建立了維保、測試等標準化體系；中國石化研制出IB Plus 旋轉導向系統?？傮w上看，我國旋轉導向研發處于起步階段，產品性能低、可靠性差，現場應用比例較低，今后發展潛力巨大。國內旋轉導向的具體差距主要包括：（1）在井下閉環控制、地面系統噪聲處理、隨鉆測量數據處理解釋等基礎理論研究方面，與國外差距較大；（2）國外導向機構有推靠式、指向式等多種方式，國內主要是推靠式；國外工具尺寸、耐溫系列化，可以滿足152.4~444.5mm 不同井眼和抗高溫需要，國內工具尺寸不全，耐溫較低；（3）國外旋轉導向實現連續波傳輸，傳輸速率可達30bit/s，國內傳輸速率只有3bit/s 左右；國外隨鉆測量參數多，探邊和前探距離可達30m 以上，并正在向隨鉆測量和隨鉆地層評價方向發展，國內工具隨鉆測量參數較少；（4）國外旋轉導向工具智能化程度高，正在向自主巡航導向發展，國內旋轉導向工具智能化尚處于起步階段。

4　我國智能旋轉導向鉆井技術的發展建議

4.1　發展目標針對我國旋轉導向與國外的差距和問題，應加大旋轉導向的研發、制造、試驗和推廣應用。

4.1.1　近期目標（1）在171.5mm 工具的基礎上， 盡快開展120.7mm、228.6mm 等多種尺寸工具研制，實現工具尺寸規格系列化，滿足全尺寸井眼的需要。（2）開展工具抗高溫、抗高壓、抗強振動技術研究，提升工具穩定性和可靠性，延長井下無故障工作時間，提高行程鉆速和趟鉆進尺。（3）向隨鉆測量多參數方向發展，在測量井斜、方位等參數基礎上，增加振動、環空壓力、方位伽馬和電阻率等參數，不斷豐富工程與地質測量信息；將隨鉆測量短節通過功能集成、一體化設計，使傳感器距鉆頭位置更近，提高鉆頭前面地層判斷和薄儲層地質導向能力，提高儲層鉆遇率。（4）繼續開展井下實時高速數據傳輸技術研究，解決傳輸速率不足、無法實現大量隨鉆成像測井參數實時上傳的問題，為精細評價、精準導向及精確軌跡控制提供支撐。（5）在現有最大造斜率6.5°/30m、15°/30m 工具的基礎上，開展更高造斜率工具的研發，如導向鉆頭等，實現0~18°/30m 造斜率，滿足不同區塊不同井型的需求。（6）多措并舉，提高旋轉導向工具實用性，擴大生產規模，增加工具整體保有數量；加大推廣力度，提高旋轉導向應用市場份額；加強人員培訓，提高現場服務人員水平，盡快把旋轉導向技術變成常用技術。

4.1.2　遠期目標
（1）實現井下智能閉環鉆井。形成井下智能控制（利用井斜角、方位角測量數據，按照預設井眼軌跡自動控制巡航，或按照地質導向專家系統智能決策鉆進） 和井下數據與地面指令雙向高速傳輸（地面指令改變井下鉆井模式，井下數據反饋控制下傳指令） 兩個閉環。（2）實現地面遠程智能決策與控制。利用AI 技術，自學習、自適應，不斷升級人工智能鉆井專家系統，實現對多口定向井和水平井鉆進參數自動尋優，及時預警、處置各種事故和復雜等。（3）實現“航地”——井下自動駕駛。形成集精準制導、深遠探測、智能鉆具、閉環調控、智能決策于一體的自主化導向鉆井新技術，實現“鞋到鞋的超級一趟鉆”，大幅提升儲層鉆遇率和作業效率，實現非常規油氣資源的規模效益開發。

4.2　發展建議
發展旋轉導向技術需要多學科融合與多專業協作，建議瞄準近期和遠期目標，跨學科、跨專業、跨單位匯集優質資源，組建強有力的研發團隊，不斷加大投入，持續開展戰略研究，不斷迭代升級技術與裝備，努力追趕世界先進。（1）攻關優選偏置方式，提升工具造斜率和鉆進效率。進一步提高推靠式旋轉導向工具的穩定性和可靠性，形成實用產品。指向式旋轉導向工具造斜率受地層因素影響小，導向能力強，井眼軌跡平滑，非常適合中淺地層，而且鉆頭和工具軸承側向載荷小，有助于發揮鉆頭性能，應積極開展研究攻關。（2）攻關優選測量控制方式，增強工具調控方向能力和自身安全性。目前多數公司采用結構簡單的靜態測控平臺，而動態測控平臺可實現旋轉導向全旋轉，防止鉆屑堆積，不容易造成卡鉆，有利于提高鉆速和生產時效。雖然動態測控平臺結構復雜、運算復雜、實現難度大，但是也應積極開展研究攻關，力爭擁有基于全姿態穩定控制平臺方法的新型旋轉導向系統。（3）攻關隨鉆測量和測井系列，形成工程地質大數據?；诖髷祿?、廣泛感知、數字化智能化，為實現數字孿生、精細描述、精準控制和精確評價，應增加隨鉆測量工程參數和測井參數，以滿足井下安全、地質導向和隨鉆評價要求。（4）攻關雙向通信高速傳輸技術，實現大數據傳輸。當前，脈沖式上傳信號速率僅有3b/s，嚴重影響大量工程地質數據上傳，亟須攻克連續波、鉆桿、光纖等傳播方式，并持續降低應用成本，以滿足旋轉導向地質信息上傳需求。（5）攻關工程地質裝備一體化軟件，促進旋轉導向智能化。加強多學科、多專業協作，運用人工智能算法，挖掘利用大數據資源，開發出針對性強、有效性強的專業模型和軟件，實現鉆頭與井下控制器、井下控制器與地面總控、地面總控與后方遠程專家支持系統“三環”暢聯局面，大幅提升儲層鉆遇率、產量和效益，促進我國非常規油氣革命。

秦永和, 楊建永, 房平亮, 周波. 大力發展旋轉導向鉆井  促進非常規油氣革命[J]. 石油科技論壇, 2025, 44(1): 43-50.

Qin Yonghe, Yang Jianyong, Fang Pingliang, Zhou Bo. Develop Rotary Steerable Drilling; Promote Unconventional Oil and Gas Revolution[J]. Petroleum Science and Technology Forum, 2025, 44(1): 43-50.———END———

中國石油大學（北京）聯合國家自然科學基金委中國21世紀議程管理中心、國際二氧化碳捕集利用封存技術創新合作組織（籌）、聯合國教科文組織“碳中和與氣候變化驅動綠色轉型”教席、中國巖石力學與工程學會以及中關村綠色礦山產業聯盟，定于2025年5月28-29日在北京市召開“2025第三屆二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）國際會議”。大會聯合Applied Energy＼Engineering等頂級期刊聯合征稿！論文摘要截止時間：2025年4月18日；論文全文截止時間：2025年7月20日;

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