一种高稳定性可控轨迹柔性钻井工具及方法技术

本发明专利技术公开了一种高稳定性可控轨迹柔性钻井工具及方法，包括柔性传动短节串列、高稳定性导向钻进节、电驱动执行器、控制电路；柔性传动短节串列能为高稳定性导向钻进节传递旋转钻进的动力，其包括若干个传力短节，所述传力短节至少包含一个变角度传力结构；高稳定性导向钻进节包括钻头导向承载本体、前段主钻头、导向执行机构、后段保径钻头，所述高稳定性导向钻进节与所述柔性传动短节串列通过变角度传力结构连接；电驱动执行器和控制电路用于控制导向执行机构实现导向功能；柔性传动短节串列沿其轴线方向延伸有可过流钻井液的贯通结构；本发明专利技术公开的高稳定性可控轨迹柔性钻井工具及方法能够通过短‑极短半径井段实现其延伸井段的钻探。

【技术实现步骤摘要】
一种高稳定性可控轨迹柔性钻井工具及方法
本专利技术涉及钻探技术和油气开采领域，具体是一种高稳定性可控轨迹柔性钻井工具及方法。
技术介绍
以最低成本最大限度地增加与地层的接触程度，一直以来都是钻完井工程或钻孔工艺追求的目标。短半径钻井可以最大限度地以低成本增加与地层的接触。其中包括从主井眼底部以短半径造斜并进一步钻进，或，在既有的主井眼中任意位置以短-极短半径侧钻分支井，继而在与主井眼井轴不同的方向继续延伸分支井眼或在既有的井眼的末端通过短-极短半径造斜技术使井眼朝向与主井的眼井轴不同的方向延伸；一般而言，短半径的范围是10～60米。本专利技术中叙述的极短半径井井眼的曲率半径小于10米。目前实现短-极短半径钻井的方法是通过柔性传动短节串列驱动钻头钻进实现短-极短半径侧向钻井，即采用单节长度小于1.5米的短钻杆串联为柔性钻柱，短钻杆之间依靠球头和球碗形成的铰接结构传递轴向力，依靠在球头和球碗间设置的花键传递扭矩，通过所述柔性钻柱驱动底部的钻头旋转实现破岩；该方法可以依靠斜向器的造斜作用实现短-极短半径侧钻，然而进一步的井眼延伸过程中无法实现井眼轨迹控制，井眼屈曲严重，阻碍钻头的钻进，且扭曲不可控的井眼轨迹也难以达到现场需求。本专利技术意在解决上述短-极短井眼的延伸井段的控制精度。
技术实现思路
为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种高稳定性可控轨迹柔性钻井工具，包括柔性传动短节串列、高稳定性导向钻进节、电驱动执行器、控制电路，其特征在于，所述柔性传动短节串列包括由若干个能承担扭矩的传力短节构成，所述传力短节至少包含一个变角度传力结构，所述传力短节能够为所述钻头传递旋转钻进的动力，且相邻的所述传力短节之间具有预设有偏转极限，即相邻的所述传力短节之间可在所述偏转角度极限范围内发生偏转。需要说明的是，这种偏转是在井眼约束条件下的自由偏转。所述高稳定性导向钻进节与所述柔性传动短节串列通过变角度传力结构连接，所述柔性传动短节串列沿其轴线方向延伸有贯通结构，所述贯通结构能形成供钻井循环介质流通的主流道；所述高稳定性导向钻进节包括钻头导向承载本体、前段主钻头、导向执行机构、后段保径钻头，其中前段主钻头至少包括破岩结构，后段保径钻头包括破岩结构和/或保径结构；所述破岩结构一般指能在钻压和扭矩条件下向前钻进的钻齿，所述保径结构为外直径与井壁直径相似的刀翼。前段主钻头设置于推靠件推力中心前方，后段保径钻头设置于推靠件推力中心后方；需要说明的是，前段主钻头和后段保径钻头设置于连续的刀翼，也可以相互独立。所述推靠件可以是独立的推靠臂或者肋翼，或者，所述活塞可直接作为推靠件推靠井壁。所述变角度传力结构至少包含万向节和/或铰接结构，能用于变角度的传递钻压和/或扭矩。所述柔性传动短节串列与高稳定性钻进节的总长度大于短-极短半径井段及其延伸井段的长度。以保障柔性传动短节串列与高稳定性导向钻进节的长度可以满足极短半径导向钻井需求，实现短-极短半径井段，或，在继续深入钻进的延伸井段中实现井眼轨迹的控制。本专利技术的主要用途在于自主井眼任意位置向远离主井眼方向以短-极短半径钻分支井及其延伸井眼的情形，在该背景下，所述柔性传动短节串列与高稳定性钻进节的总长度大于短-极短半径的长度。进一步地，作为优选，所述前段主钻头包括破岩结构与保径结构；破岩结构为包含切削结构的刀翼，所述保径结构为包含保径结构的刀翼；所述后段保径钻头的最大外直径大于或等于所述前段主钻头的最大外直径，后段保径钻头能与井壁接触的面积大于所述前段保径结构能与井壁接触的面积。进一步地，作为优选，所述柔性传动短节串列和高稳定性导向钻进节之间设置有变角度传力结构的第一偏转点；所述距离钻头最近的传力短节的传动中心点至前段主钻头前端的距离应当小于钻头最大直径的10倍；所述中相邻的传力短节偏转中心之间的距离小于钻头直径的8倍；所述传力短节之间的预设偏转极限角度设为范围在1°～12°之间；进一步地，作为优选，所述前段主钻头前端与后段保径钻头后端的距离大于前段主钻头前端与第一偏转点间的距离的1/3位置。能使后段保径钻头可以对导向钻进节形成支撑，使前段主钻头在导向执行机构的作用下，以后段保径钻头为支撑朝向导向方向切削地层。第一偏转点为柔性传动短节串列和高稳定性导向钻进节之间设置的变角度传力结构的偏转点。为避免所述导向钻进节在通过所述短-极短半径井段时遇阻，除后段保径钻头具备一定的扩眼能力以外，要求其距离变角度传力结构的偏转点足够近，以使得所述导向节能通过高曲率井段，同时，在进入新井眼之后，所述后段保径钻头能与新井壁之间形成有效支点。进一步地，作为优选，所述隔离扶正器设置于自前向后的第二个传力短节偏转中心附近。用于隔离来自于后方的柔性传动短节串列的干扰。进一步地，作为优选，一种高稳定性可控轨迹柔性钻井工具还包括高刚性钻井动力传递区段，其中，高刚性钻井动力传递区段由依次同轴连接的钻杆构成，所述钻杆的截面外直径至少达到钻头最大外直径的50％。进一步地，作为优选，所述前段主钻头的最大外直径为后段保径钻头的最大外直径的50％～98％。进一步地，作为优选，所述高稳定性导向钻进节包括内部贯通的承载结构，液压分流器、电驱动执行器以及若干组液压活塞组件，所述若干组液压活塞组件沿所述高稳定性导向钻进节的圆周方向固定连接于所述钻头导向承载本体上；其中电驱动执行器能够驱动所述液压分流器为液压活塞组件配液，并向各个液压活塞组件可控的分配液压流体，从而控制各个液压活塞组件受液压力状态。进一步地，作为优选，所述柔性传动短节串列的一侧还设有电力供应短节，电力供应短节包括电池和井下发电机；所述电力供应短节通过电气线路与所述高稳定性导向钻进节之间采用电连接；所述电力供应短节前端至钻头前端的轴线长度大于所述高稳定性可控轨迹柔性钻井工具可钻探的短-极端半径井段及其延伸井段的长度。当所述高稳定性可控轨迹柔性钻井工具用于钻探分支井眼时，所述电力供应短节前端至钻头前端的轴线长度大于所述分支井段的预设长度，钻井过程中，所述电力供应短节在主井眼内部随所述高稳定性可控轨迹柔性钻井工具运行。进一步地，作为优选，驱动控制短节设有控制电路，控制电路通过跨接线路与所述电驱动执行器电连接，所述驱动控制短节与柔性传动短节串列相连。进一步地，作为优选，在钻探所述分支井的特殊应用中，所述柔性传动短节串列和高稳定性导向钻进节轴线长度之和大于分支井的轴线长度。需要说明的是，所述分支井包括短-极短半径井段及其延伸井段，所述短-极短半径井段为自主井眼侧钻并完成转向的井段，其延伸井段是沿着短-极短半径井段的延伸方向，按照预设轨迹继续钻进的井段。进一步地，作为优选，一种高稳定性可控轨迹柔性钻井工具的钻进方法，其包括以下步骤：S1、下入斜向器，使斜向器的造斜面朝向主井眼的方位角方向；S2、短-极短半径造斜工具包括柔性传动短节串列和高造斜钻头，利用常规钻柱通过一段特定长度的所述柔性传动短节串列驱动所述高造斜钻头在斜向器提供的斜向力以及钻压的作用下完成短-极短半径井本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高稳定性可控轨迹柔性钻井工具，包括柔性传动短节串列、高稳定性导向钻进节，其特征在于，所述柔性传动短节串列包括若干个串连的能传递扭矩的传力短节，所述传力短节至少包含一个变角度传力结构，能够为所述高稳定性导向钻进节传递旋转钻进的动力；/n所述柔性传动短节串列内部延伸有贯通结构，所述贯通结构能形成供钻井循环介质流通的主流道；/n所述高稳定性导向钻进节包括钻头导向承载本体、前段主钻头、导向执行机构、后段保径钻头，其中前段主钻头至少包括破岩结构，后段保径钻头包括破岩结构和/或保径结构；导向执行机构包括推靠件；前段主钻头设置于推靠件推力中心前方，后段保径钻头设置于推靠件推力中心后方；/n所述变角度传力结构至少包含万向节和/或铰接结构，能用于变角度的传递钻压和/或拉力和/或扭矩。/n

【技术特征摘要】
20201019 CN 20201111960691.一种高稳定性可控轨迹柔性钻井工具，包括柔性传动短节串列、高稳定性导向钻进节，其特征在于，所述柔性传动短节串列包括若干个串连的能传递扭矩的传力短节，所述传力短节至少包含一个变角度传力结构，能够为所述高稳定性导向钻进节传递旋转钻进的动力；
所述柔性传动短节串列内部延伸有贯通结构，所述贯通结构能形成供钻井循环介质流通的主流道；
所述高稳定性导向钻进节包括钻头导向承载本体、前段主钻头、导向执行机构、后段保径钻头，其中前段主钻头至少包括破岩结构，后段保径钻头包括破岩结构和/或保径结构；导向执行机构包括推靠件；前段主钻头设置于推靠件推力中心前方，后段保径钻头设置于推靠件推力中心后方；
所述变角度传力结构至少包含万向节和/或铰接结构，能用于变角度的传递钻压和/或拉力和/或扭矩。


2.根据权利要求1所述的一种高稳定性可控轨迹柔性钻井工具，其特征在于，所述后段保径钻头的最大外直径大于或等于所述前段主钻头的最大外直径，后段保径钻头能与井壁接触的面积大于所述前段保径结构能与井壁接触的面积。


3.根据权利要求1所述的一种高稳定性可控轨迹柔性钻井工具，其特征在于，所述高稳定性导向钻进节与所述柔性传动短节串列通过变角度传力结构连接；所述前段主钻头、钻头导向承载本体以及后段保径钻头能实现钻头的功能，距离所述钻头最近的传力短节的传动中心点至前段主钻头前端的距离小于钻头最大直径的8倍；相邻的传力短节偏转中心之间的距离小于钻头直径的5倍；相邻的所述传力短节之间的预设偏转极限角度设为范围在1°～12°之间。


4.根据权利要求1所述的一种高稳定性可控轨迹柔性钻井工具，其特征在于，所述前段主钻头前端与后段保径钻头后端的距离至少达到前段主钻头前端与第一偏转点间的距离的30％。


5.根据权利要求1所述的一种高稳定性可控轨迹柔性钻井工具，其特征在于，还包括隔离扶正器，所述隔离扶正器设置于自前向后的第二个传力短节偏转中心附近。


6.根据权利要求1所述的一种高稳定性可控轨迹柔性钻井工具，其特征在于，还包括高刚性钻井动力传递区段，所述高刚性钻井动力传递区段包...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐梓辰，杨忠华，万晓跃，其他发明人请求不公开姓名，
申请(专利权)人：万晓跃，
类型：发明
国别省市：北京;11