自从RSS（旋转导向系统）引入钻井以来，钻井的技术人员和研究者一直在比较PDM（螺杆钻具）和RSS在不同钻井环境下的有效性。PDM和RSS操作原理的不同之处在于，PDM通过弯壳体使钻头偏移或倾斜而产生侧向力，在钻柱不旋转时改变井眼轨迹，而RSS分为两个类型：推靠式和指向式。推靠式旋转导向系统通过三个推靠块在井底钻具组合（BHA）上产生弯曲力，该弯曲力与所产生的曲率近似成比例，而指向式旋转导向系统是在被称为导向离合器的壳体内通过枢轴或凸轮使导向轴偏心而使钻头偏移。
 
PDM和RSS技术的选择
 
PDM和RSS技术还在不断地发展，促进钻井性能不断地提升。例如，HP-PDM（高性能PDM）在90年代开始进入市场，其特征是定子橡胶厚度相等，与常规PDM定子变形正比于钻头扭矩而导致大扭矩时机械效率低的特性不同，HP-PDM可以在大扭矩工况下保持恒定的转速，从而适应攻击性更强的钻头，获得更高的机械钻速。
PDM弯壳体的机械特性使之在最大狗腿度（DLS）方面比RSS有优势，因此在材料和尺寸相同即弯曲强度相同的情况下，PDM能够得到更大的狗腿度。另外，RSS的成本远高于PDM，这归因于其较好的控制性能、昂贵的电子元器件以及技术价值。
尽管高成本的RSS不适合有些钻井场景使用，但在另一些场景，如钻机运行成本较高情况下的复杂轨迹井，RSS显然是最优的选择。大多数情况下直接选择定向工具是困难的。不要单独对比定向钻井工具，而要将其作为影响钻井整体性能的钻井系统的组成部分来考虑。
 
定向工具的选型依据
 
定向工具选型一般考虑几个方面因素。首先是与钻井设备及钻头的匹配。使用PDM还是RSS，从一开钻就对施工操作有主导影响。由于PDM依赖于井下泥浆液体动力驱动钻头旋转，因此适用于弱顶驱系统（TDS）或转盘钻井，而上述钻井系统不适合使用RSS，因为RSS转动依赖地面动力。由于PDM自身的压耗是泥浆泵缸套尺寸选择的一个因素，如果不做优化，可能影响井眼清洁。RSS（推靠式或指向式）和PDM需要匹配不同的钻头性能参数。PDM在扭矩/转速组合方面有更大的变化范围，使其在钻头选型方面比RSS更灵活。有些地层需要使用特定的钻头型号，可能不适合使用RSS，另一些情况下则必须使用PDM。
 
钻井参数和定向性能。钻井过程中，钻压（WOB）对PDM和RSS的造斜能力有不同的影响。较高的钻压有助于提高PDM的造斜率（BUR），但对于推靠式旋转导向系统，高钻压使钻头没有足够的时间侧向切削，从而降低了井眼的狗腿度（DLS）。PDM的机械结构虽然在滑动钻进时具有较高的造斜率优势，但同时也是限制其转速的主要因素。壳体弯角越大，地面许用的转速越低。
使用RSS，其转速的效应与PDM组合不同，增大转速，可以增大其造斜率，因为侧向切削性能得到了改善。钻井性能方面，在定向作业（造斜、降斜或扭方位）时使用RSS，钻头的机械钻速（瞬时机械钻速）通常要高于使用PDM，这主要是由于RSS不存在滑动钻进，而滑动钻进时，PDM通常存在摩阻，尽管可以使用井下振荡器（downhole agitator）消除摩阻影响。然而，也有使用PDM时平均机械钻速比使用RSS时高69%的案例，这主要归因于使用PDM时钻头转速的增加。
根据定义，平均机械钻速总是小于井底机械钻速。与使用PDM比较，使用RSS在大多数情况下定向作业较快，而在稳斜段可能不快。PDM具有额外的井下转速优势，而转速是影响机械钻速的一个正向因素，因此，平均机械钻速的对比取决于定向段长度占总井段长度的比例。除了钻进时间外，还有其他作业时间，包括摆工具面、向井下发送指令（RSS）、轨迹测量、上卸扣、洗井和划眼等。
值得注意的是，在向RSS发送指令时，司钻可以选择降低机械钻速继续钻进或停止钻进，这取决于工具响应所发送指令需要的时间。在某些时候，使用RSS对于机械钻速的总体提升与成本的增加不匹配，此时可考虑使用带PDM的RSS改善钻井性能，一些案例中机械钻速提高达到39%。
 
井身质量。井身质量是钻井最重要的要求之一。井身质量影响钻井深度、钻井速度和钻柱使用寿命，还影响下套管、测井和完井施工。井眼弯曲度能简单描述井眼与设计轨迹的偏差，可以在宏观尺度（标准测量站之间）或微观尺度（使用连续测量仪或高频井眼成像工具）上测量。均匀轨迹曲线的弯曲度为零，改变造斜率或方位变化率，弯曲度会增加，因此，使用PDM的井眼弯曲度比使用RSS高。此外，对于PDM，宏观测量的弯曲度比实际小，这是由于测量站可能会有移动或旋转，从而导致隐形的弯曲度较多。
RSS钻出的井眼光滑均匀，而PDM钻出的井眼不光滑，会出现井壁台阶，但必须强调的是，如果司钻技术水平差，使用RSS同样会使井眼出现台阶。假设下一个50ft从5000ft到5050ft，井斜要从63°变到65°，需要RSS调整侧向力，使井斜变化梯度为每100ft增加4°，在井深5050ft处井斜达到65°。比如，司钻不必使用更大的导向力，就在5035ft井深处井斜达到65°，然后稳斜到5050ft，此时，在井身质量方面使用RSS便没有优势。
理论上，在使用PDM滑动钻进时，井眼直径应该达到规径要求，但在复合钻进时，钻出的井眼会略大于规径。虽然RSS在局部狗腿度上一般要优于PDM，但操作模式和人的因素仍会影响井身质量并产生一定的弯曲度。
与PDM相比，使用RSS钻出的井眼弯曲度较小，使得摩阻较小，从而使水平延伸长度增加。在一些情况下，使用RSS时摩擦系数（FF）比使用PDM时小28.6%，表明井身质量好且井眼弯曲度小。
另外，连续转动--这是一个对井眼清洁影响很大的因素---使RSS比PDM有更大的优势。由于钻柱持续旋转且井眼清洁状况好，使用RSS时卡钻风险小。然后，尽管卡钻风险小，但卡钻的后果会更加严重。如果RSS发生卡钻，打捞不成功的话，由于RSS与PDM的价差将导致落井（LIH）成本高得多。
 
钻井力学和动力学。振动是钻定向井应关注的主要问题。振动类型主要有：横向振动、轴向振动、扭转振动（粘滑振动）。轴向振动在井深较浅时较明显，可能导致地面设备损坏。该类振动可以用安装在钻头上方的减震器来消除。横向振动是最具破坏性的振动类型，容易引起钻柱扭断。而扭转振动可能损坏井下传感器和钻柱。钻柱与井眼的摩擦或钻头与地层的互作用可引发扭转振动。如果使用PDM，在复合钻进时，它可以作为阻尼器或解耦装置阻止振动从钻头传递到钻柱，而滑动钻进时不会发生扭转振动。在已知有粘滑风险的区域，高频记录振动是必要的，以防止遗漏严重的微粘滑振动现象。
一般来说，振动对PDM会产生机械作用，而对于更容易发生粘滑振动的推靠式RSS来说，振动则可能导致RSS机械损坏（刺穿、疲劳破坏或扭断）或推靠块液压腔损坏。有些时候，降低地面转速，有助于减轻井下横向振动，这就是此时采用PDM要优于RSS的原因。
除了来自服务公司的建议外，研究者也发现了一些共性的问题。建议钻井过程中，横向振动加速度均方根（RMS）不要超过5g，以降低钻具扭断的风险。降低井下振动有助于钻井参数的优化，获得更高的钻进速度。
在讨论钻柱应力时，详尽描述是需要的。影响应力的因素之一是转速。在某个角度上，使用PDM会因为以下两个因素而降低转速。壳体弯角会使转速受限，以避免薄弱部位应力过大；由于PDM结构设计固有的井下转速，达到相同的钻井性能只需要较小的地面转速。在这方面，PDM产生的应力比RSS小，但RSS钻出的井眼更光滑，因而摩擦力（主要是摩阻扭矩）较小，此外，滑动钻进时最易引发螺旋屈曲，而RSS通过消除滑动钻进而减小了屈曲的发生。无论使用何种定向工具，BHA设计会极大地影响其振动趋势。
 
井眼轨迹设计和地质设计。一般来说，RSS由于其在钻进时钻压传递效果好而在长水平段井钻进具有优势。如果由于固有的微弯曲度和调整井眼轨迹需要花费较长的时间而规划了地质导向作业，就不能优先选用PDM。
RSS相对PDM的另一个优势是其能对近钻头井斜（NBI）进行连续的闭环控制，从而获得更可靠的井眼轨迹。另外，尽管运营商采用了定制方案，在一些情况下，如地层预期会冲坏、地层软或地层UCS（无限压抗压强度）过高或过低时，RSS（推靠式）都不是最佳选项。在上述情况下，指向式RSS比推靠式更好，因为它对井壁冲刷的敏感度较低，并且能达到要求的狗腿度。必须指出的是，尽管定向工具（PDM或RSS）理论上能达到一定的狗腿度，但实际上能达到的最大狗腿度通常要小于其理论值。
 
特定应用。在类似带套管定向钻井等特定应用中，由于小尺寸PDM钻具组合的定向能力较低，RSS在小井眼井更具优势。在垂直钻井中，优选具备垂直钻井功能的RSS，因为其具有瞬时修正井斜的能力。另外，尽管RSS被证实某些情况下成功应用于开窗侧钻，但PDM的效率更高。
 
机器学习与数字驱动
 
尽管上述研究广泛探索了定向工具的选择，但大多数研究仍然是定性的，仅依赖于专家的判断和描述性分析。许多研究基于案例、定性指出每种工具的优势和劣势，最接近应用的是图1所示的流程图。但是，该流程图仅在特定区域环境下有定性指导作用，通用性有限。定量分析，特别是数字驱动和机器学习，客观评估和预测特定油气井条件下定向工具优选方面，上述研究还存在很大差距。
尽管机器学习在勘探开发和钻进行业的各个领域不断整合发展，但还没有应用这些技术系统预测和对比定向钻井工具在成本和效率方面的性能。因此，本研究是该领域开创性的成果，提供了一个新型的数据驱动框架，以弥合定性决策和定量预测之间的差距。通过利用井的历史数据和先进的机器学习算法，本研究将传统的主观决策过程转变为一个有科学基础的、自动化的工具选型模型。通过定性和定量差距的弥合，本研究旨在推动现有知识体系的进步，并为定向工具选型提供一个更稳健的框架。(未完待续)