中国石油天然气集团有限公司科学技术协会秦永和：大力发展旋转导向钻井促进非常规油气革命

大力发展旋转导向钻井促进非常规油气革命

秦永和1 杨建永2 房平亮3 周波3

1. 中国石油天然气集团有限公司科学技术协会；

2. 中国石油集团油田技术服务有限公司；

3. 中国石油集团工程技术研究院有限公司摘要：旋转导向钻井系统在国外水平井施工中规模应用，已成为非常规油气钻井必需装备，促进了美国非常规油气革命，改变了世界能源格局。当前，国内水平井施工应用比例较小，滑动导向钻井技术仍占据主体地位，非常规油气藏开发总体上产速度较慢、单井产量较低、经济效益较差。国外旋转导向技术系统发展迅速，智能导向技术已发展到“高温、高造斜率、多参数、智能化”新一代产品。对比分析国内外非常规油气钻完井技术应用进展和差距，建议加强智能旋转导向钻井闭环控制、随钻测量数据传输等基础研究，强化旋转导向工具偏置方式、测量控制方式、井下动力源驱动方式等攻关，加快推进旋转导向技术迭代升级和推广应用，促进我国非常规油气革命。

关键词：非常规油气；滑动导向钻井；旋转导向钻井；井下控制闭环；地下地面双向通信非常规油气是指用传统技术无法获得自然工业产量、需用物理方式改善储层渗透率与流体黏度或用化学方式转化油气等新技术才能经济开采的连续型油气资源。非常规油气有两个关键标志和两项关键参数：油气大面积连续分布，圈闭界限不明显；无自然工业稳定产量，达西渗流不明显；孔隙度一般小于10%；孔喉直径一般小于1μm 或空气渗透率小于1mD。按赋存运聚特点，非常规油气可分为滞聚油气、致密油气和源岩油气3 种类型。迄今，我国已发现的非常规油气聚集类型包括致密砂岩气、致密油、页岩气、页岩油、煤岩油气、油页岩油、重油沥青、油砂、天然气水合物等。中国非常规油气资源丰富，其中致密气可采资源量为（8.8～12.1）×10¹²m³，页岩气可采资源量为（15～25）×10¹²m³，煤层气可采资源量为10.9×10¹²m³，致密油可采资源量为（13～14）×10⁸t，可回收页岩油资源量为160×10⁸t。美国率先探索形成了水平井加体积压裂“人造渗透率”核心技术及大平台多水平井“工厂化”钻采模式，该技术系列使得美国天然气产量于2010 年超过6000×10⁸m³，重新成为世界第一天然气大国，其中非常规天然气产量占比超过50%，扭转了美国天然气进口量不断攀升的局面。2015 年，美国天然气自给率超过96%，之后很快实现了出口。在这个过程中，旋转导向代替滑动导向，发挥了巨大作用。

1　美国非常规油气革命得益于旋转导向的规模化应用

1.1　美国页岩油气革命正在改变世界能源格局美国2015 年天然气自给率超过96% 之后，出口随着非常规油气的规模有效开发逐年增加，正在改变着世界能源格局。据EIA 统计，2023 年美国页岩油产量4.69×10⁸t，较2022 年4.37×10⁸t 增加0.32×10⁸t （图1）；页岩气产量8369×10⁸m³，较2022 年8099×10⁸m³增加270×10⁸m³ （图2）。其中，2023 年海恩斯维尔（Haynesville）页岩气产量年增长10.8%，达到4.2×10⁸m³/d；二叠纪盆地页岩油产量达到495×10⁴bbl （68×10⁴t/d）的历史最高水平，甚至超过了沙特阿拉伯探明石油储量最大的盖瓦尔油田。在总产量和单井产量增加的同时，单井EUR也大幅增加。例如，巴肯（Bakken）和米德兰（Midland）页岩油单井EUR 平均达6.89×10⁴t/d，海恩斯维尔和马塞勒斯（Marcellus）页岩气单井EUR 平均达4.89×10⁸m³/d。

图1　美国页岩油2000—2023 年历年产量

（数据来源：EIA，2024）

图2　美国页岩气2000—2023 年历年产量

（数据来源：EIA，2024）

1.2　智能旋转地质导向的规模应用发挥了重要作用美国页岩油气水平井数量不断增加，占比始终保持高位。例如，2023 年页岩油气完钻井10203口，尽管还未恢复到疫情前2019 年12953 口的水平，但是水平井比例依然高达98%（图3）。

图3　美国2019—2023 页岩油气井数量和水平井占比

（数据来源：Enverus，2024）水平井水平段长度逐年增加，且钻井速度较快。以2023 年完成的10203 口井为例：4500m 以深井7820 口，占比76.6%，平均井深6303m，平均水平段长3116m，平均钻井周期18.3d；6000m 以深井4941 口，占比48.4%，平均井深6791m，平均水平段长3458m，平均钻井周期20.0d；8000m 以深井277 口，占比2.7%，平均井深8398m，平均水平段长5555m，平均钻井周期25.7d；另外近年来完成6000m 水平段的井越来越多（表1）。

表1　部分超长水平井指标

智能旋转地质导向系统的大规模研发和应用，对水平井施工提质提速起了关键作用。例如，在北美非常规油藏开发过程中，斯伦贝谢NeoSteer ABSS智能旋转导向已经应用了250 余井次，共钻进260×10⁴ft （792480m），平均单井进尺3100 多米；钻进速度最快的井位于DJ 区块，在29h 纯钻进时间内，一趟钻完成直井段、造斜段与水平段，总进尺达15123ft （4609.5m），平均机械钻速为523ft/h（159.4m/h）。斯伦贝谢NeoSteer CLx ABSS 智能旋转导向在马塞勒斯页岩实现直井段、造斜段和水平段一趟钻进尺13819ft （4212m），狗腿度较小，91%的井眼轨迹控制在4ft （1.2m）范围内，远低于10~20ft（3.1~6.2m）的平均偏离范围，平均机械钻速保持在150ft/h （45.7m/h）以上。综上所述，美国页岩油气开发主要有三方面特点：一是平均水平段长，从2012 年的1806m 增至2023 年的3056m；二是随着水平井段长度逐年大幅增加，钻完井质量、单井日产量和EUR 也大幅提升；三是绝大部分水平井使用了旋转导向，施工速度、质量、效率不断改善。由于旋转导向颠覆了传统滑动导向的基本原理，很大程度上解决了井下钻具阻卡、钻压扭矩传递不力等问题，实现了更多“一趟钻”，带来了质量好、速度快、成本低的显著成效。

2　旋转导向优势及我国非常规油气钻完井潜力

2.1　我国导向钻井方式及旋转导向优势滑动导向钻井技术是我国定向井和水平井钻井所采用的主要方式。其中定向井钻井几乎100%应用滑动导向技术；水平井钻井约80% 应用滑动导向技术，也就是说应用旋转导向技术的井仅占20%左右。滑动导向钻进的原理是在定向或调整井眼轨迹时，必须先找准和固定工具面，钻进过程中上部钻具的有限度活动不能影响到弯螺杆钻具工具面的固定，否则将无法完成改变井斜和方位的任务。这样一来，钻头的转动要靠弯螺杆钻具带动，而钻头的钻压只能通过弯螺杆钻具以上钻具沿井壁向下滑动产生。由于地面转盘或顶驱不能正常转动，会造成摩阻扭矩大、钻进托压、反扭角增大、轨迹控制困难、井眼质量差、钻速慢等一系列问题。为解决井下摩阻和托压等突出问题，现场一般采用加装岩屑床破坏器、实施顶驱扭摆、加装水力振荡器、增加钻进排量、增加划眼或短起下频次、提高钻井液润滑性等措施，虽取得较好效果，但并未改变滑动导向钻进过程中钻具几乎不能转动的状况，从而不能彻底解决钻速慢、井眼差、综合效益低等突出问题。与滑动导向相比，旋转导向具有诸多优势：定向过程中加压容易，不容易托压；三维绕障能力强，钻速高，水平段钻得更长；工艺简单，井眼净化好，摩阻扭矩小，不用频繁短起下钻，井下事故复杂少；轨迹控制精确，井眼轨迹更加平滑；配套近钻头地质参数测量，能及早应对储层变化，储层钻遇率高；井眼光滑，完井、压裂顺利，有利于增产；等等。依靠旋转导向技术优势，美国页岩油气开发已形成了平台化布井模式，形成了薄储层长水平段关键技术，页岩油气水平井水平段长度逐年增加，目前已经突破8000m。我国在长宁—威远页岩气水平井造斜段施工，旋转导向较常规技术效率提高3~5 倍；在新疆玛湖造斜段，旋转导向施工效率约为滑动导向的3.5 倍；其他地区应用也呈现出越来越好的态势。

2.2　我国优质高效施工非常规油气藏水平井的潜力近年来，借鉴美国页岩油气革命核心技术（工厂化钻水平井+工厂化体积压裂），我国四川页岩气、新疆页岩油、大庆页岩油和长庆致密油气等非常规油气藏实现了有效开发，与此同时，也创造了不少工程技术指标。例如，已经有几口水平井水平段长度达到5000m 以上，也有一些平台布井数量超过了20 口水平井。但在这里值得注意的是，我们创造的一些工程技术指标井的关键井段都或多或少地应用了旋转导向系统。对比美国非常规油气的快速有效发展，我国非常规油气藏开发总体上产速度较慢，单井产量较低，经济效益较差。究其原因，一方面我们资源品位低、储层薄、储层横向展布不均匀；另一方面，除了存在压裂效率低、压裂参数较弱、密切割不到位等因素以外，钻井工程指标与美国相比，还存在单平台布井少、水平段短（比美国短1300m 左右）、钻进参数弱、钻井周期长（为美国的2.5 倍以上）等问题。对此笔者认为，旋转导向应用比例低（只有20% 左右）是造成这些问题的根源。从美国非常规油气效益开发的经验还可以看出：非常规资源品位越低，越应该增加水平井水平段长度、口井压裂规模和平台布井数量。这样不仅可以增加储层的裸露面积，直接提产，还可以充分共享和重复利用各种资源，大幅度降低钻井、压裂、采油成本，提升整体效益。由此我们可以预判，我国要想进一步提高非常规油气开发的效率和效益，需要打越来越多的长水平段水平井，而要打好长水平段水平井，旋转导向技术是发挥基础性作用必需的重大利器。因此，我们必须转变观念，大力研发应用智能旋转地质导向系统。

3　国内外旋转导向系统工具发展状况

3.1　国外旋转导向技术系统发展迅速旋转导向系统主要由地面监控子系统、双向通信子系统、井下测量子系统、短程通信子系统和井下工具子系统组成，各子系统协同对井眼轨迹精确控制（图4）。

图4　旋转导向系统组成旋转导向系统的核心工具是旋转头，其旋转导向的基本原理分为推靠式（贝克休斯称连续比例导向）、指向式、二者混合式3 类（图5）。推靠式是在钻头附近直接给钻头提供侧向力，以贝克休斯的AutoTrak 系统为代表。指向式是通过近钻头处钻柱的弯曲使钻头指向井眼轨迹控制方向，以哈里伯顿的Geo-Pilot 系统和斯伦贝谢的Power Drive Xceed 系统为代表。

图5　典型推靠式和指向式导向工作原理

目前，国外智能导向技术已发展到“高温、高造斜率、多参数、智能化”新一代产品。其中，斯伦贝谢Neosteer CLx/Cl ABSS 钻头导向系统、哈利伯顿iCruise（X）智能导向系统、贝克休斯Lucida 高级旋转导向系统等典型171.5mm （6.75in）旋转导向系统类别及关键参数详见表2。

表2　国外典型171. 5mm 旋转导向系统类别及关键参数

斯伦贝谢NeoSteer Clx ABSS 智能旋转导向系统创新性最强，属于钻头导向，一体化设计，以水力驱动执行机构，能够实现智能闭环，以及更高的造斜率、更快的速度、更好的井眼和更长的位移。技术已经成熟，并大量应用于页岩油气长水平段水平井。哈里伯顿iCruise 智能旋转导向系统，最大造斜率为18°/30m，可实现大钻压、高转速、高扭矩快速钻进；可实现旋转导向的井下闭环导向控制，适用于垂钻、定向井、水平井；配套EarthStar X 近钻头浅探测电阻率和超深探测电阻率技术，可实现近钻头反演距离钻头3.66m （12ft）、60m 半径储层描绘，为业界最深，并实现30m 前探。

3.2　国内技术研发制造及应用存在差距
国内旋转导向钻井技术发展相对较晚。中国石油、中国海油和中国石化等国内多家公司和机构经过多年努力，目前已经研发成功多款旋转导向产品，主要以推靠式为主。中国海油研制出Welleader 2.0 旋转导向系统；中国石油合作研制的CG-STEER 和自行研制的CNPC-IDS，在页岩油气、致密油气等领域广泛应用，并建立了维保、测试等标准化体系；中国石化研制出IB Plus 旋转导向系统。总体上看，我国旋转导向研发处于起步阶段，产品性能低、可靠性差，现场应用比例较低，今后发展潜力巨大。国内旋转导向的具体差距主要包括：（1）在井下闭环控制、地面系统噪声处理、随钻测量数据处理解释等基础理论研究方面，与国外差距较大；（2）国外导向机构有推靠式、指向式等多种方式，国内主要是推靠式；国外工具尺寸、耐温系列化，可以满足152.4~444.5mm 不同井眼和抗高温需要，国内工具尺寸不全，耐温较低；（3）国外旋转导向实现连续波传输，传输速率可达30bit/s，国内传输速率只有3bit/s 左右；国外随钻测量参数多，探边和前探距离可达30m 以上，并正在向随钻测量和随钻地层评价方向发展，国内工具随钻测量参数较少；（4）国外旋转导向工具智能化程度高，正在向自主巡航导向发展，国内旋转导向工具智能化尚处于起步阶段。

4　我国智能旋转导向钻井技术的发展建议

4.1　发展目标针对我国旋转导向与国外的差距和问题，应加大旋转导向的研发、制造、试验和推广应用。

4.1.1　近期目标（1）在171.5mm 工具的基础上，尽快开展120.7mm、228.6mm 等多种尺寸工具研制，实现工具尺寸规格系列化，满足全尺寸井眼的需要。（2）开展工具抗高温、抗高压、抗强振动技术研究，提升工具稳定性和可靠性，延长井下无故障工作时间，提高行程钻速和趟钻进尺。（3）向随钻测量多参数方向发展，在测量井斜、方位等参数基础上，增加振动、环空压力、方位伽马和电阻率等参数，不断丰富工程与地质测量信息；将随钻测量短节通过功能集成、一体化设计，使传感器距钻头位置更近，提高钻头前面地层判断和薄储层地质导向能力，提高储层钻遇率。（4）继续开展井下实时高速数据传输技术研究，解决传输速率不足、无法实现大量随钻成像测井参数实时上传的问题，为精细评价、精准导向及精确轨迹控制提供支撑。（5）在现有最大造斜率6.5°/30m、15°/30m 工具的基础上，开展更高造斜率工具的研发，如导向钻头等，实现0~18°/30m 造斜率，满足不同区块不同井型的需求。（6）多措并举，提高旋转导向工具实用性，扩大生产规模，增加工具整体保有数量；加大推广力度，提高旋转导向应用市场份额；加强人员培训，提高现场服务人员水平，尽快把旋转导向技术变成常用技术。

4.1.2　远期目标
（1）实现井下智能闭环钻井。形成井下智能控制（利用井斜角、方位角测量数据，按照预设井眼轨迹自动控制巡航，或按照地质导向专家系统智能决策钻进）和井下数据与地面指令双向高速传输（地面指令改变井下钻井模式，井下数据反馈控制下传指令）两个闭环。（2）实现地面远程智能决策与控制。利用AI 技术，自学习、自适应，不断升级人工智能钻井专家系统，实现对多口定向井和水平井钻进参数自动寻优，及时预警、处置各种事故和复杂等。（3）实现“航地”——井下自动驾驶。形成集精准制导、深远探测、智能钻具、闭环调控、智能决策于一体的自主化导向钻井新技术，实现“鞋到鞋的超级一趟钻”，大幅提升储层钻遇率和作业效率，实现非常规油气资源的规模效益开发。

4.2　发展建议
发展旋转导向技术需要多学科融合与多专业协作，建议瞄准近期和远期目标，跨学科、跨专业、跨单位汇集优质资源，组建强有力的研发团队，不断加大投入，持续开展战略研究，不断迭代升级技术与装备，努力追赶世界先进。（1）攻关优选偏置方式，提升工具造斜率和钻进效率。进一步提高推靠式旋转导向工具的稳定性和可靠性，形成实用产品。指向式旋转导向工具造斜率受地层因素影响小，导向能力强，井眼轨迹平滑，非常适合中浅地层，而且钻头和工具轴承侧向载荷小，有助于发挥钻头性能，应积极开展研究攻关。（2）攻关优选测量控制方式，增强工具调控方向能力和自身安全性。目前多数公司采用结构简单的静态测控平台，而动态测控平台可实现旋转导向全旋转，防止钻屑堆积，不容易造成卡钻，有利于提高钻速和生产时效。虽然动态测控平台结构复杂、运算复杂、实现难度大，但是也应积极开展研究攻关，力争拥有基于全姿态稳定控制平台方法的新型旋转导向系统。（3）攻关随钻测量和测井系列，形成工程地质大数据。基于大数据、广泛感知、数字化智能化，为实现数字孪生、精细描述、精准控制和精确评价，应增加随钻测量工程参数和测井参数，以满足井下安全、地质导向和随钻评价要求。（4）攻关双向通信高速传输技术，实现大数据传输。当前，脉冲式上传信号速率仅有3b/s，严重影响大量工程地质数据上传，亟须攻克连续波、钻杆、光纤等传播方式，并持续降低应用成本，以满足旋转导向地质信息上传需求。（5）攻关工程地质装备一体化软件，促进旋转导向智能化。加强多学科、多专业协作，运用人工智能算法，挖掘利用大数据资源，开发出针对性强、有效性强的专业模型和软件，实现钻头与井下控制器、井下控制器与地面总控、地面总控与后方远程专家支持系统“三环”畅联局面，大幅提升储层钻遇率、产量和效益，促进我国非常规油气革命。

秦永和, 杨建永, 房平亮, 周波. 大力发展旋转导向钻井促进非常规油气革命[J]. 石油科技论坛, 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———

中国石油天然气集团有限公司科学技术协会秦永和：大力发展旋转导向钻井促进非常规油气革命

中国石油大学（北京）联合国家自然科学基金委中国21世纪议程管理中心、国际二氧化碳捕集利用封存技术创新合作组织（筹）、联合国教科文组织“碳中和与气候变化驱动绿色转型”教席、中国岩石力学与工程学会以及中关村绿色矿山产业联盟，定于2025年5月28-29日在北京市召开“2025第三届二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）国际会议”。大会联合Applied Energy＼Engineering等顶级期刊联合征稿！论文摘要截止时间：2025年4月18日；论文全文截止时间：2025年7月20日;

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