摘要: 连续管钻井工具技术凭借结构紧凑、控制精准、井下适应性强的核心优势，已在国际高端钻井市场实现规模化应用，显著提升钻井效率并降低事故率；而国内尚未突破核心工具工程化瓶颈，目前连续管技术仅用于常规修井作业，钻井级工具系统仍依赖进口。为攻克上述瓶颈，本文系统梳理连续管钻井(CTD)核心工具——井下定向器的技术进展，从驱动方式革新、结构优化、智能控制三个维度分析现状，总结出当前攻关重点在于高精度位移控制与高温高压适应性，并指出智能化、模块化及超深井应用为未来发展趋势。
Abstract: With the core advantages of compact structure, precise control and strong downhole adaptability, continuous tube drilling tool technology has been applied on a large scale in the international high-end drilling market, significantly improving drilling efficiency and reducing accident rate. However, China has not yet broken through the bottleneck of core tool engineering, and the continuous pipe technology is only used for conventional workover operations, and the drilling-grade tool system still relies on imports. In order to overcome the above bottlenecks, this paper systematically sorts out the technical progress of downhole orienter, the core tool of continuous pipe drilling (CTD), analyzes the current situation from three dimensions: drive mode innovation, structural optimization and intelligent control, summarizes the current research focus on high-precision displacement control and high temperature and high pressure adaptability, and points out that intelligence, modularity and ultra-deep well application are the future development trends.
1. 引言
连续管钻井技术凭借其高效起下钻能力、低成本作业优势及复杂井况适应性，已成为页岩气与煤层气开发的核心技术。贺会群等[1]表明相较于常规钻杆钻井，CTD无需接单根工序，可减少井场占地30%以上，施工周期缩短50%，作业成本降低20%-35%。尹方雷等[2]说明该技术在老井侧钻、超长水平段钻进及欠平衡作业中展现显著效益，但其钻井精度与效率高度依赖井下定向器的性能——作为CTD系统的“转向核心”，定向器直接决定了井眼轨迹控制能力和储层钻遇率。
近十年，随着电动化与智能化技术的深度渗透，连续管井下定向器迎来革命性突破。早期机械式工具依赖钻井液脉冲通信，存在数据滞后、工具面调整效率低等瓶颈，难以满足薄储层开发需求[3]。而新一代有缆实时传输系统将数据更新频率提升至2~5秒/次，结合电液伺服控制机构，实现工具面角度±1˚级精准调控；动态切换装置的出现更攻克了定向/旋转钻进模式井下无缝转换的难题，大幅减少提钻次数[4]。
国内技术发展同样迅猛，通过产学研协同创新，中国石油、长庆油田等单位在超长水平段作业、核心工具国产化等领域取得突破，2023年国内连续管作业量已突破1万口井。然而，对比国际先进水平，国产工具在高温高压适应性、自主决策能力等方面仍存差距，尤其面对页岩气复杂地层失返、超深井H₂S腐蚀等极端工况时，定向精度与可靠性亟待提升[5]。
本文聚焦连续管钻井井下定向器技术，系统剖析近十年电动化突破、国产化路径及智能化趋势：首先梳理有缆实时传输、电液伺服控制等关键技术原理；其次结合长庆油田等实钻案例，量化工具性能对钻井效率的影响；最后针对超深井高温高压、小井眼侧钻等场景，提出高精度低成本定向器的研发路径，为我国非常规油气资源高效开发提供理论支撑。
2. 连续管钻井工具分类及技术现状
2.1. 电动定向器
采用伺服电机直驱传动结构，通过高分辨率编码器实时反馈工具面角，实现井下±0.8˚~±2˚级高精度轨迹控制，同时集成动态密封与抗振设计，在含固钻井液与振动工况下维持动力传输稳定性，显著提升复杂地层定向钻进效率。朱玉杰等[6]提出齿轮传动电动定向器设计，融合行星齿轮紧凑传动与谐波减速高精度控制优势(如表1)。
Table 1. Technology and advantages of gear drive electric direction
表1. 齿轮传动电动定向器技术与优势
齿轮传动电动定向器 |
类别 |
技术细节 |
优势 |
传动结构 |
采用行星齿轮 + 谐波减速器复合传动系统 |
体积缩减40%，适配Ø60mm小井眼 |
扭矩输出 |
最大输出扭矩850 N·m |
较传统液压定向器提升35%，满足硬地层钻进需求 |
精度控制 |
集成高分辨率编码器与伺服电机 |
工具面角控制精度达±0.8˚ |
密封方案 |
双级金属波纹管 + 纳米陶瓷涂层动态密封 |
耐压105 MPa/耐温150℃，H2S环境密封寿命超500小时 |
为综合提升定向器性能，马卫国等[7]提出电液双螺旋传动设计，旨在融合电动控制的高响应性与液压系统的大推力优势。其核心采用电控液压驱动与双螺旋副复合传动机构。通过将螺旋副导程角设计为45˚，实现轴向力向周向偏转力的高效转换，工具面调整速度可达15˚/s。系统集成基于PID算法的压力–流量自适应阀控制液压回路，确保井下振动工况下工具面角波动稳定控制在±2˚以内。同时采用耐磨硼化钨涂层增强抗污染能力，适应含固率≤15%的钻井液环境，显著提升了复杂工况下的定向效率与可靠性。(如表2)
Table 2. Electro-hydraulic double-helix drive orientator technology and advantages
表2. 电液双螺旋传动定向器技术与优势
电液双螺旋传动定向器 |
类别 |
技术细节 |
优势 |
驱动原理 |
电控液压 + 双螺旋副复合驱动 |
融合电力响应速度与液压出力优势 |
换向机制 |
螺旋副导程角45˚设计，实现轴向力→轴向偏转力高效转换 |
工具面调整速度达15˚/s |
动态响应 |
基于PID算法的压力–流量自适应阀控制液压回路 |
井下振动工况下工具面角波动≤ ±2˚ |
抗污染设计 |
采用耐磨硼化钨涂层 |
适应钻井液含固率≤15%的复杂工况 |
局限性 |
传动效率约80%，高温下液压油粘度稳定性不足 |
制约其在>175℃超深井的应用 |
2.2. 电液定向器
采用电液混合驱动架构，通过液压执行机构生成8~12.8 kN级井下支撑力，其技术核心在于集成传感器闭环控制系统，实时监测位移→解算工具面角→动态分配推力。关键技术突破聚焦极端工况适应性优化，包括WC-Co抗磨涂层应用、记忆金属耐温材料开发、含固钻井液兼容性验证及小型化结构设计，共同支撑复杂地层定向钻进效率提升目标。李猛等[8]完成结构轻量化设计，外径缩小至φ89 mm；刘琦[9]优化推靠式执行机构控制系统，偏置位移误差≤ ±0.5˚；邢志晟等[10]通过肋式结构优化，将偏置位移输出效率提升18%。(如图1)
2.3. 液压定向器
采用液压机械式转向机构，通过钻井液压力驱动轴向–周向转换结构，实现单次0.5˚~3˚可调精密转向；结合电液闭环控制系统与动态仿真优化，在含固钻井液环境中保持±1.5˚级工具面角控制精度，显著提升连续管钻井轨迹调控效率。苗芷芃等[11]设计耐高温液压定向器，可耐150℃高温，并通过室内试验验证密封可靠性；胡亮等[12]研制新型电液定向装置，引入压力补偿机制适应井深>5000 m。
Figure 1. Technology evolution
图1. 技术演进
2.4. 先进工具系统
Baker Hughes AutoTrakTM Curve RT系统[13]：
该系统采用模块化设计，整合双向供电与通讯短节(BCPM)和OnTrak传感器模块，实现旋转钻进过程中的实时轨迹控制与地面双向通讯。BCPM通过井下涡轮自动发电(功率250瓦特，输出33伏直流电)，支持高速泥浆脉冲数据传输，确保指令可靠下达；OnTrak模块则集成多相位电磁波传播电阻率(采用2MHz和400kHz双频电磁波，结合长/短源距配置提升地层边界识别精度)、方位伽玛成像(双NaI晶体传感器分8扇区探测，垂直分辨率6英寸)、近钻头井斜/方位测量、环空与钻柱内压力监测(生成ECD曲线评估井眼清洁度)以及振动/粘滑振动监控功能，全面优化钻井效率与轨迹精度，适用于大位移井和地质导向作业。
3. 连续管钻井工具关键技术瓶颈
3.1. 动力传输效率不足
连续管钻井定向器面临显著动力传输效率问题。据刘琦研究，电液系统能量损耗超25%，主要因液压管路阻力及高压泄漏导致；朱玉杰等指出电动齿轮传动在≤120 mm空间内输出800 N·m以上扭矩时，因接触应力集中与散热不足，温升速率达8℃/min，安全系数由1.8骤降至1.2，存在断齿风险。两类系统分别需优化流体密封与热管理设计以提升可靠性。
3.2. 高温高压适应性弱
根据Chen的研究[14]，连续管钻井工具在超过175℃/140MPa的高温高压深井工况下可靠性显著降低，高温环境会导致金属材料强度衰减和密封件硬化失效，叠加高压引发的液压泄漏加剧；同时局部热膨胀引发齿轮啮合错位(扭矩传递效率下降20%)，钻头破岩热效应进一步诱发轴承卡滞风险；而现有热管理模型因忽略钻井液流变性变化与旋转热效应，导致井底温度预测偏差显著放大系统失稳，亟需通过耐高温材料与多场耦合模型提升适应性。
3.3. 动态控制精度待提升
在连续管钻井作业中，井下振动引发的定向器偏置位移控制精度不足是关键技术难题。实测表明，钻柱涡动与钻头冲击形成多物理场耦合效应，钻柱涡动诱发低频振动改变井壁接触状态，钻头破岩冲击产生高频载荷突变，两者在时域和频域叠加导致偏置机构位移回滞，波动幅度超15%。液压伺服系统0.2~0.5秒的响应延迟无法实时补偿振动偏差，而钻柱–定向器–井壁系统在3~8 Hz频段的机械共振进一步放大振动能量，形成非线性滞后波动特征。该动态耦合效应显著削弱轨迹控制能力，需通过结构优化与控制算法升级提升动态控制精度。
4. 连续管钻井工具发展趋势
4.1. 驱动方式电动化
基于朱玉杰等的研究，连续管钻井定向器驱动方式正加速向电动化转型，全电动定向器凭借±180˚连续精准调节和避免液力依赖，突破液压系统单次小角度局限成为研发核心，其关键在于高扭矩密度电机与紧凑传动的集成设计(扭矩达液压定向器8倍)，但需攻克齿轮疲劳寿命与井下高温散热瓶颈；电液混合驱动作为过渡方案，融合液压大推力与电控精度，适用于超深井等极端工况。当前技术瓶颈已转向热管理可靠性与锁紧机构稳定性，国内需强化基础理论及耐候材料研究，以电液系统为短期突破路径，加速追赶国际水平。
4.2. 智能闭环控制
基于井下倾角/扭矩/温度等多传感器实时数据融合，构建自适应控制系统，通过磁致感应器与磁环定位精准反馈活塞位置，结合电磁阀状态(保持/定向/回复)的动态切换逻辑，实现工具面角的闭环调节；同时引入涡轮转速–指令成功率优化算法，提升极端工况下的指令响应可靠性，减少定向偏差并抑制“鱼尾现象”。
4.3. 超深井与非常规应用
面向地热井(>200℃)需突破耐高温材料瓶颈，如陶瓷轴承与镍基合金密封环的应用，以保障工具在热膨胀下的结构稳定性；径向钻井技术中连续管导向工具集成成为关键趋势，通过高精度导向器控制径向钻孔轨迹(倾角误差<0.5˚)，结合欠平衡穿透工艺降低储层伤害，显著提升超深井(>6000 m)及页岩/致密砂岩等非常规储层的采收效率[15] [16]。
4.4. 模块化与标准化
推行“核心模块 + 可换执行机构”架构，通过分离电子控制单元、液压动力单元与机械传动单元三大核心模块，实现定向器功能解耦；同时设计标准化机械接口与电液快换通道，支持执行机构的快速更换，显著降低复杂工况下的维护成本与备件库存压力，并适配高温、高磨蚀等差异化场景需求。
5. 结论
(1) 电液混合驱动融合了液压系统的大推力输出与电控模块的高精度响应，在超深井(>175℃)等极端工况中实现360˚单向调节与压差锁紧，可靠性显著提升；而全电动定向器凭借±180˚连续精准调节能力(突破液压系统单次5˚~30˚调节局限)和免液力依赖特性成为研发核心，其扭矩输出达传统液压定向器的8倍(1260 N·m)，但需攻克齿轮接触疲劳(<10⁵次循环寿命)及井下高温散热(>150℃)瓶颈。
(2) 国际厂商通过多传感器融合(倾角/扭矩/温度)与涡轮转速–指令成功率优化算法，实现工具面角的实时闭环调节，显著抑制“鱼尾现象”并降低井眼曲率误差40%；而国内在自适应控制算法和传感器精度方面仍存差距，需强化井下数据融合模型与容错机制设计以提升复杂地层的控制可靠性。
(3) 面向>200℃地热井，需突破陶瓷轴承、镍基合金密封环等耐高温材料应用(耐温极限提升80℃)，并开发相变材料散热模块以解决电控系统热漂移；针对井下涡动与钻头冲击引发的偏置位移波动(>15%)，需结合负载动态响应模型与机械共振抑制算法，降低工具面角偏差710；通过钛合金传动部件与模块化架构，适配6000 m以上深井的强度与空间约束，国内需加速CT130Q钢级高强度钢材的工程化应用。
(4) 连续管定向器与径向钻井技术的集成成为关键趋势，通过高精度导向器控制径向钻孔轨迹(倾角误差<0.5˚)，结合欠平衡穿透工艺降低储层伤害，提升页岩气/致密砂岩采收率；同时，在多分支井中依托模块化接口实现快速更换执行机构，显著缩短超长水平段作业周期50%并降低成本20%。