摘要: 连续管钻井技术凭借作业效率与成本优势成为复杂油气藏开发关键手段，但其定向精度不足制约高效应用。本文系统梳理定向器技术演进，从早期液控式响应慢、精度低，经电液控式面临系统复杂性与可靠性挑战，发展至当前电控式实时精确导向，核心目标始终是提升定向控制的精度、实时性及环境适应性。主流技术路线涵盖高精度电驱动定向器、高稳定性电液定向器与大扭矩液压摆动油缸定向器，适配不同工程需求。国外依托电驱动融合高速通信实现地面实时闭环控制，主导超深井应用；国内基于无缆液压/电液驱动技术在微小井眼领域形成特色，但工具面控制精度、高温耐受性及通信实时性存在差距。国内近年突破井下动态切换、无线传输、液压集成优化及智能控制技术。未来亟需攻关极端工况核心器件可靠性及通信时效性，重点发展自主高精度电驱动定向技术并推进工程化，构建核心竞争力。
Abstract: Coiled Tubing Drilling (CTD) is vital for complex reservoirs due to efficiency and cost, yet insufficient directional accuracy limits its use. This paper reviews steerable tool evolution: from early slow, low-precision hydraulic types; through complex, less reliable electro-hydraulic systems; to current real-time precise electric steering. Core goals remain enhancing precision, real-time control, and adaptability. Mainstream technologies include high-precision electric, stable electro-hydraulic, and high-torque hydraulic steerable tools for varied needs. Abroad, electric drives with high-speed communication enable surface closed-loop control, leading in ultra-deep wells. Domestically, wireless hydraulic/electro-hydraulic tools excel in micro-boreholes, but lag in tool-face precision, high-temperature tolerance, and real-time communication. Recent domestic focus includes downhole switching, wireless transmission, hydraulic optimization, and smart control. Future requires tackling core component reliability in harsh conditions and communication timeliness, prioritizing high-precision electric steering R&D and deployment for core competitiveness.
1. 引言
油气勘探开发向深部复杂储层拓展，对高效钻井技术的需求持续升级。连续管钻井技术(CTD)凭借管柱连续下入、带压作业、循环不间断等核心优势，成为国际前沿钻井模式，尤其适用于老井侧钻、微小井眼等复杂工况[1]。然而，该技术长期受限于管柱不可旋转、滑动钻进效率低、轨迹调控能力不足等瓶颈，其中井下定向精度缺陷更成为制约高效开发的突出难题[2]。
定向器作为连续管钻井的“导航核心”，其技术代际演进直接关系井眼轨迹控制效能。早期液控式定向器存在响应迟滞、抗干扰弱等固有局限；电液控式定向器虽实现连续导向，却面临系统可靠性低、维护成本高等挑战；当前电控式定向器通过电缆传输突破实时调控瓶颈，但高温高压环境下的稳定性与深井信号时效性仍需突破[3]-[5]。
我国连续管钻井技术坚持“自主创新与场景适配”双轨并进，前期攻关无缆液压定向技术，攻克微小井眼侧钻工艺；后期突破有缆电液复合系统，构建规模化作业能力。通过十年技术积累，已形成自主装备体系并完成多井次验证。然而，相较于国际先进水平，国内在工具面控制精度、高温环境耐受性及通信实时性等领域仍存显著差距。
本文系统剖析连续管钻井定向器的代际技术原理与性能边界，对比国内外技术路线差异，结合井下动态切换、无线能量传输等关键突破，探讨高精度定向技术在复杂结构井中的工程化路径，为我国连续管钻井技术升级提供理论支撑[6]。本文在剖析技术原理与性能边界时，着重从机械、液压、电子及材料角度探讨性能差异的内在根源[7] [8]。
2. 定向器技术发展历程
2.1. 第一代液控式连续管钻井定向器
液控式定向器是连续管钻井技术中最早获得应用的井下定向工具，具备相当的实用价值。Sperry-Sun定向器是其中代表，其结构主要由活塞、凸轮、棘轮、弹簧及轴等部件构成[9]。核心功能在于利用钻柱内部与外部环境之间的压力差驱动棘轮机构，进而精确调整钻头的工具面方位。该定向器设计紧凑，便于组合安装，能够直接与连续管连接，同时为诸如投球等控制操作提供了便利。
Sperry-Sun定向器的工作过程是在钻井泵开启状态下，钻井液流经定向器直达钻头，形成特定压力差(图1(a))。该压差作用于定向器内部机构，产生与压差大小成正比的输出扭矩，驱动底部钻具组合(BHA)发生旋转。钻井泵每完成一个工作循环，液压定向器引导BHA顺时针方向旋转约20˚。当钻井泵关闭时，压力差消失，定向器内部机构在弹簧等复位元件作用下回到初始状态(图1(b))。此时内置的棘轮闭锁装置自动锁定当前的定向方位，确保工具面位置在停泵期间保持稳定。重复进行上述泵循环操作，逐步将工具面调整至所需的方位角。
Figure 1. Schematic diagram of Sperry-Sun Steerable Tool Operation
图1. Sperry-Sun定向器工作示意图
但液控式定向器缺点也很多，此类定向器存在固有技术局限。其方位调整依赖钻井泵的启停循环实现离散步进旋转，响应迟滞且精度受限。每次调整需完成完整泵循环，显著降低钻进效率。核心驱动力源自钻柱内外压差，易受钻井液性能、排量波动及井况变化干扰，导致输出扭矩不稳定。典型棘轮机构仅支持单一方向旋转，逆向修正操作繁琐。复位过程需停泵完成，在需持续循环的工况下丧失调整能力。该类定向器在调整效率、方向灵活性及复杂工况适应性方面的不足，制约其在现代高精度导向钻井中的应用[10]。
传统液控定向器存在响应慢、精度低等缺陷。为此，液压摆动油缸定向器通过结构革新实现突破：摒弃棘轮机构，采用集成摆动油缸直接驱动转子，配合贺会群等开发的轴向一体式腔体结构，显著提升扭矩至1500 N·m (表1)，满足硬地层需求；取消复位弹簧等组件简化结构，维持对微小井眼(≤88.9 mm)适应性。但其调控仍依赖泵排量阶跃变化(响应延迟3 s)，精度限于±1˚~±5˚ (表1)，适用于中浅层硬地层侧钻。
总而言之，液控式定向器(如Sperry-Sun)结构简单、成本低，适用于早期作业及要求不高的场景[11]。但其响应迟滞源于压差驱动的离散特性及阀件机械惯性；精度受限与棘轮机构步进角及复位弹簧在含固相泥浆中的性能衰减有关；单向调整则受限于棘爪设计。主要适用于浅井或微小井眼初始阶段[12] [13]。
2.2. 第二代电液控式连续性钻井定向器
电液控式连续性钻井定向器是一种基于电子信号控制液压执行机构的旋转导向工具。该工具能够在钻井作业过程中实时连续地调整井眼轨迹，无需起钻更换工具，从而显著提升钻井效率。
电液控式定向器结构是由Schlumberger研发的电液定向器是一款高度集成化的井下定向工具，其核心结构包含涡轮驱动单元、交流发电模块、可变速电动马达、减速传动机构及动力输出轴，采用冗余设计增强系统可靠性[14]。该设备的工作流程始于钻井液流经涡轮驱动单元，驱动交流发电模块产生电能此电能经由井下电缆传输至工具内部的电动马达，为定向作业提供动力。鉴于井下定向弯接头在旋转过程中需承受极高扭矩载荷，精密齿轮传动机构负责将电动马达输出的低扭矩、高转速特性转换为定向弯接头所需的低转速、高扭矩输出，从而有效驱动其完成精准定向作业。
电液控式定向器虽具有精准导向优势，却存在显著局限性。其复杂的系统结构增加了井下故障风险。液压回路对高温高压环境敏感，易引发密封失效与液压油性能衰减。此外，该工具对钻井液清洁度要求苛刻，细微固相侵入可能堵塞精密液压阀。同时，其对电子控制单元与传感器网络的依赖在强振动、电磁干扰或极端井况下稳定性不足。高昂的维护成本以及维修时必需的起钻作业进一步显著影响了钻井时效与经济性[15]。
电液控式定向器(如Schlumberger产品)实现了连续导向[16] [17]。但系统复杂性及高故障率源于精密液压阀对泥浆清洁度的苛刻要求；高温下密封失效与液压油性能劣化是主要风险；电子元件在强振环境下可靠性不足亦是瓶颈。适用于对精度要求较高、工况稳定的中深井，但成本高昂[18]-[21]。
2.3. 第三代电控式连续管钻井定向器
电控式连续管钻井定向器采用电子控制系统实现全电控操作，可在钻井过程中实现工具面角度的无级调节与随钻实时精确导向。
第三代电控式连续管钻井定向器通过内置电缆为电动马达及控制系统供电，实现定向数据、控制信号与电能的双向高速传输[22]。其电驱动单元由马达、行星齿轮减速机构、联轴器、万向节、角度位置感应器和空心驱动轴构成，支持无级调节工具曲角，可在连续旋转中完成双向定向且无需启停钻井泵。其关键性能参数有最大扭矩1.36 kN·m，转速0.5˚~1.0˚/s，井斜角测量范围0˚~125˚ (精度±0.1˚)，方位角范围0˚~360˚ (精度±0.1˚)，工具面角范围−200˚~200˚ (精度±0.1˚)。
电控式定向器的工作原理是在定向钻井作业中，若井下工具面实时角度偏离设计设定值，可通过地面控制系统向连续管内置电缆传输电能与指令信号。该信号驱动井下电动机运转，进而依次带动联轴装置、减速机构和空心驱动轴旋转。空心驱动轴将动力传递至井下定向工具，执行角度校正作业。当工具面角度达到设计目标时，地面控制系统发出终止指令，井下电动机随即停止工作，从而完成定向调整[23]。
但电控式连续管钻井定向器也存在缺点，其电子元件在井下高温高压强振动环境下的可靠性不足，显著增加系统故障风险；电缆电阻导致的功率衰减制约电马达在超深井的有效扭矩输出；地面至井下信号的百毫秒级传输延迟影响复杂轨迹调控精度；电控系统与多级传动机构的高度集成推高制造维护成本，且电子故障需起钻处理；同时易受井下电磁干扰引发定向偏差。在定向器这条发展的路上亟需不断地进步[24]。
电控式定向器通过电缆实现高精度(±0.1˚)、实时双向调控，适用于复杂轨迹控制。其高温可靠性挑战主要来自电机永磁体退磁、电子元器件寿命衰减及绝缘材料老化；深井应用受限于电缆电阻损耗导致的功率衰减与信号延迟；高昂成本源于精密机电系统制造及耐高温材料。主导超深井、大位移水平井等高端应用[25]。
2.4. 国内外连续管钻井定向器技术对比
2.4.1. 技术路线差异
动力源：国外以电驱动为主流(如斯伦贝谢、AnTech)，依赖井下电缆传输能量与数据；国内则以无缆液压/电液驱动为核心，通过泥浆压差或环空压力供能，适应微小井眼限制。
控制方式：国外普遍实现地面远程实时调控，国内仍需依赖压力脉冲信号传输指令，虽在最大工作扭矩指标(1500 N·m)上具有优势，但其依赖压力脉冲通信的方式，在控制实时性与信息交互带宽方面存在固有局限[26]。
2.4.2. 性能参数对比
Table 1. Performance parameter comparison
表1. 性能参数对比
指标 |
国内先进水平 |
国际先进水平 |
工具面调整精度 |
±1˚~±5˚ |
±0.5˚~±1˚ |
最大工作扭矩 |
1500 N·m |
1350 N·m (VIPER系统) |
温度适应性 |
175℃ |
200℃(Schlumberger) |
通信方式 |
压力脉冲(单向) |
电缆/电磁波(双向) |
动态调整实时性 |
秒级(3 s/次) |
毫秒级 |
指标 |
国内先进水平 |
国际先进水平 |
2.4.3. 应用场景适应性
国内在微小井眼(≤88.9 mm)和侧钻开窗领域优势突出，结构紧凑且成本低，但深井高温环境可靠性待验证。而国外则适用于超深井、大位移水平井，依托高精度导向与实时数据传输能力，实现复杂储层经济开发，但成本高昂且受技术封锁限制[27]。
3. 关键技术突破与创新应用
3.1. 井下动态切换技术
为缩小差距并适应国内需求，近年国内在关键技术领域取得突破，以下结合国际水平评价其价值。针对国内连续管钻井需频繁提钻更换工具导致的效率瓶颈，李寅等[28]创新性提出“双螺杆马达–离合器协同调控系统”。该系统通过实时监测转子相位(精度±0.1˚)，结合液压通道的毫秒级(≤20 ms)智能启闭，实现定向/旋转模式的井下无缝切换。现场验证表明，该技术减少提钻次数60%，有效解决了传统滑动钻进模式调整周期长、效率低的问题，为复杂地层高效钻进提供了新路径。该技术显著提升效率，提供了一种经济高效的切换方案，但长期可靠性及超高温适应性需验证。
3.2. 无线能量–信号同步传输
为突破旋转部件线缆磨损对深井作业的限制，张强等[29]开发的“LCL双频磁耦合谐振系统”采用2 MHz/5 MHz双载波分频传输策略，实现能量传输效率95.16%、信号损耗 < 3 W。结合华北电力大学专利的陷波电路设计，成功抑制电–磁干扰，在5000 m井深条件下保障了随钻测量(MWD)数据的实时性与可靠性，填补了国内井下高速数据传输的技术空白。其传输效率接近国际水平，填补了国内空白，超深井强干扰环境稳定性待提升[30]。
3.3. 液压系统集成优化
针对传统液压单元故障率高、维护频繁的痛点，贺会群等[12]首创轴向一体式腔体结构，将驱动电机、液压泵与活塞杆集成于单一密封单元，流阻降低40%。耦合动态油液补偿技术，通过蓄能器自动平衡密封腔压力波动，使液压系统故障率下降40%，保养周期延长至常规设备的3倍，大幅提升了井下工具的服役稳定性。有效提升了可靠性与维护经济性，是现有技术路线的成熟化改进，极端工况性能待加强[31]。
3.4. 智能化工具面控制
为攻克水平井轨迹控制精度不足的难题，四川宏华电气研发的闭环定向控制系统集成两大创新。其一是钻具结构优化，采用浅内锥角PDC钻头与螺旋短保径设计，横向振动抑制率超50%。
基于MWD数据构建反扭矩补偿模型，驱动电控定向器动态修正工具面角，实现水平段轨迹误差 < 0.5 m。该技术在国内辽河油田J2-7-XXXXC井等侧钻井中成功应用，机械钻速提升至5.53 m/h (高于区块均值)。实现了接近国际水平的轨迹控制精度，是智能化重要实践，测量实时性与模型普适性可进一步提升[32]。
4. 结论与建议
(1) 技术发展驱动力与主流路线：连续管钻井定向器技术通过迭代克服响应迟滞、精度不足和操作依赖性强等关键限制，持续提升定向控制的精度、实时性、可靠性和复杂环境适应性。当前主流技术路线包括：电驱动定向器凭借高精度和连续双向调节能力主导复杂轨迹控制；电液定向器在小井眼和系统稳定性方面表现优异；液压摆动油缸定向器则在大扭矩输出场景中展现价值。
(2) 国内外现状对比与差距：国外技术以电驱动为核心，结合高速双向通信实现地面实时闭环控制，在超深井和复杂储层开发中优势明显。相比之下，国内技术在微小井眼应用和低成本无缆解决方案上具有特色，但在工具面控制精度、高温环境耐受能力以及通信实时性等关键性能指标上仍与国际先进水平存在差距；尽管如此，国内已在井下模式动态切换、无线能量信号传输等关键技术领域取得突破，提升了作业效率与可靠性，为工业化应用奠定了基础。
(3) 未来重点发展方向：未来发展需重点突破核心器件在极端工况(高温高压)下的长期可靠性和通信时效性瓶颈，集中攻克电控元件可靠性问题并深化无线高速传输技术研究，以缩短信号延迟，支撑实时高精度调控。同时，必须加速推进高精度电驱动定向技术的自主研发与工程化应用，在保持微小井眼技术优势的基础上，突破外部限制，并通过在超深井、大位移水平井等典型复杂井中进行规模化工程验证，全面提升我国高端连续管钻井装备的核心竞争力。