上世纪90年代末RSS的问世，推动了复杂定向井、水平井、大位移井钻井活动的不断增加。图1展示了定向钻井导向方式的发展历程，从左向右依次为：斜向器、带弯角的导向马达、推靠式（push-the-bit）RSS、指向式（point-the-bit）RSS。旋转导向系统衍生和改进的导向方式有混合式（Hybrid Push-the-bit 或Hybrid-Point-the-bit）RSS和连续比例式导向（Continuous Proportional Steering Method）方式。根据RSS的最新发布，混合式RSS以斯伦贝谢系列产品为代表；连续比例式推靠RSS以贝克休斯全系产品为代表。

推靠式RSS（2000年）的原理解析
 
旋转导向系统自问世以来经历了不断改进的发展过程，早期的产品大都为推靠式RSS，采用泥浆驱动的衬垫（或称“巴掌”、或“推进块”）或扶正器使钻头轴改变方向，设计理念至今仍延续着其成功的性能表现。依靠工具管靠近钻头一端安置的3个衬垫的分时推出，衬垫触碰井壁并被施加一定的推力，实现钻头轴的转向与控制。图2为早期的推靠式RSS示意图。

早期的推靠式RSS包含一个转向或偏置单元和一个控制单元，加起来的长度约3.8m；转向单元或装置紧随钻头之后，全钻具旋转时以期望的方向对导向衬垫施加推力推靠井壁，改变钻头钻进方向。控制单元位于转向单元上方，包含自供电的电控板、传感器和一套控制机构，提供改变钻进轨迹所需的侧推力和方向控制。
 
转向单元有3个外露的铰接式衬垫，通过控制泥浆流过一个盘阀触发衬垫移动，盘阀利用转向装置内外的泥浆压差对衬垫施加液压。见图3（泥浆流通过一个三通盘式阀，驱动三个外露的铰接式衬垫，衬垫在每个旋转周恰当的点动态地被推出，推靠井壁，实现钻头转向）。当每个衬垫旋转到与期望的推点（与希望钻进的方向相反的点）对准时，三通旋转盘阀通过依次将泥浆转移至每个衬垫的活塞室来驱动衬垫推靠井壁；当一个衬垫通过推点后，旋转盘阀切断泥浆供给，泥浆通过一个特殊设计的漏液口排出，在转向单元的每一次旋转中，每个衬垫最多伸出约3/8 in.（1cm）。

一个输入轴将旋转盘阀与控制单元连接在一起，以调整推点的位置。如果输入轴的角度相对于地层是不变的或与地球的相对位置保持不变，那么，钻头会被不断地推向一个方向，即与推点相反的方向。如果不需要改变钻进方向，系统会以一种中性模式运转，随着每个衬垫依次伸出，衬垫向各个方向推出并有效地得到相互抵消。图4展示了衬垫缩回（左）和伸出（右）的示意图，伸出的幅度或长短约3/8 in.（1cm）。

控制单元保持输入轴相对于地层合适的角度位置，控制单元中的控制板和相关组件安装在轴承上，允许其随钻具轴自由旋转。通过控制单元中的驱动系统，可以下令控制单元保持一个相对于岩层的固定的滚动角或工具面角。三轴加速计和磁力计传感器提供有关钻头钻进的井斜和方位信息，以及输入轴的角位置信息。在控制单元内部，安装在控制单元两端异向旋转的涡轮的叶轮通过其携带的高强度永磁铁产生所需的稳定扭矩，永磁铁与控制单元中的转矩线圈相耦合，从叶轮到控制单元的扭矩传送通过电开关转矩线圈的回路电阻来控制；控制单元上部涡轮的叶轮或扭矩器用来以钻具旋转相同的方向转动平台，而下部涡轮的叶轮或扭矩器以相反的方向转动平台。另有线圈为电子电路发电、供电。
    
旋转导向工具根据井斜和方位的选择范围可以在地面定制和编程，如果需要改变指令，可以通过泥浆向下发送脉冲序列向工具传送新指令。RSS的导向性能可以通过随钻测量MWD工具以及控制单元中的传感器来监测，这一信息可以通过泥浆脉冲通信系统传送至地面。通过控制单元安装的三组三轴加速计或磁力计，提供用于设定钻头轴的地层静止角的基准；对于直井眼，采用预测磁北的方法作为确定方向偏离的参考，对于井斜超过3°的井眼，加速计提供导向参考。
 
使用滚转稳定平台确定方向导向的众多好处之一是其对钻具粘滑行为的不敏感性。控制单元中其它几个传感器记录钻具相对于地层的瞬间速度，从而提供钻具行为及状态的有用数据。控制单元还携带有震动和热传感器，记录其它有关井下工况的信息，控制单元中的微处理计算机连续不断的采集和记录钻井工况信息，通过随钻测量MWD即刻将信息上传至地面，或起钻后在地面从MWD工具中取出；这些信息能帮助判断钻井期间的各类问题，加上MWD数据、泥浆录井信息和采集的地层信息，将这些信息联系起来分析，这种方法已被证明对优化接下来的钻井作业有极大帮助和价值。
 
推靠式RSS（2012年）的原理解析
 
旋转导向RSS系统自推出以来发展的非常快，早期版本的推靠式RSS采用泥浆推进的衬垫或扶正器使钻头改变钻进方向，依靠衬垫推靠井壁产生的推力使钻头向推靠相反的方向移动，偏离井筒轴中心，从而改变钻头钻进方向。推靠式RSS经常会因井眼冲蚀、井径不规则或凹凸不均匀而受影响，因此，井眼轨迹的规则性并非非常完美，也会出现微狗腿现象。
 
推靠式RSS设有一个转向单元或偏置单元，该装置含有三个安置在近钻头的衬垫推进器，推进器按要求的方向推动衬垫向井壁施加侧向力，改变钻头轴的方向。见图6，推靠式RSS工具外筒三个外露的衬垫从正在旋转的工具壳体内动态地伸出，产生一个针对地层或井壁的侧向力，进而使钻进方向发生改变。
 
造斜时，每个泥浆推进的衬垫在其旋转至井眼的低边时对低边施加推力；降斜时，每个泥浆推进的衬垫在其旋转至井眼的高边时对高边施加推力；司钻通过泥浆脉冲遥测装置向井下工具发送指令，控制衬垫推出的记时和推力；转向单元上方安置有一个控制单元，控制装置驱动一个旋转阀，旋转阀打开和关闭通向衬垫的泥浆供给或压力，衬垫与钻具旋转速度相吻合。当每个随钻具旋转的衬垫经过某个方向点时，系统会同步调整衬垫的伸出和触动压力。每当一个衬垫经过一个特定点时，通过施加液压，衬垫推靠井壁迫使钻具离开井筒轴线方向，将钻头钻进转向期望的方向。图7为衬垫伸出和回位的示意图，衬垫伸出的行程约为18-20mm（3/4 in.）。
 
由于早期的推靠式RSS采用外露的衬垫推靠井壁，易受井眼井径不规则影响。直到最近（2011年），推靠式RSS很难打出导向马达钻具打出的复杂井眼轨迹；改进型的推靠式RSS已证明其高造斜率和高机械钻速的特性，更重要的是全钻具旋转——所有外部的工具组件随钻具旋转，能使井眼净化变得更好，降低卡钻风险。斯伦贝谢的PowerDrive Archer RSS就是这种旋转导向的典型代表。
 
不像其它一些RSS，Archer不依靠外部移动衬垫推靠地层或井壁，而是利用工具筒内4个推进器活塞推靠一个铰接式圆柱形导向套筒的内侧，导向套筒随着一个万向链接轴转动，将钻头指向期望的方向；此外，万向链接轴上方工具筒外的4个扶正器刀翼在其接触井壁时对钻头施加侧向力，使得这种RSS表现的像推靠式RSS一样。由于这种RSS的移动组件都位于工具筒的内部，因此，使其不会与地层或井壁产生互动，不受井下恶劣钻井环境影响；这种RSS工具误动作率低，损坏的风险也低；这种设计还有助于延长RSS的工作寿命。PowerDrive Archer 又被称作混合式（Hybrid-mode）RSS。
 
一个工具面与地层相对位置保持不变的内部阀，向活塞转移或分流一小部分泥浆，泥浆驱动活塞，活塞推靠导向套筒。中性模式时，泥浆阀连续不断地旋转，这样钻头钻进的钻压会沿井壁被均匀分配，使RSS保持其钻进方向或稳斜方向。
 
近钻头测量如伽马射线、井斜和方位让作业者可以密切监测钻井进程，当前的钻进方位和其它操作参数通过控制单元传送给作业者，控制装置通过连续泥浆脉冲遥测系统将信息发送到地面，在地面，定向司钻向井下转向或偏置单元上方的控制单元下传指令，这些指令被转换为泥浆排量的波动，每条指令具有唯一的、与预先设定的导向图有关的波动模式，这在钻井作业前已被编程植入工具中。作业者可以很快评价PowerDrive Archer RSS的导向能力和表现。由于这种RSS可以钻直井段、曲线段和水平段，可以获得复杂的三维井眼轨迹，从一个套管鞋的深度一次下井钻至下一个套管的下深。