【技术实现步骤摘要】
一种短半径定向钻井工具
[0001]本技术涉及石油开采及钻探
，特别是一种短半径定向钻井工具及方法。
技术介绍
[0002]定向井钻井工具分为滑动导向钻井工具和旋转导向钻井工具。滑动导向钻井工具的下部钻具一般由动力钻具和弯接头组成，整个钻柱不作旋转运动，由钻井循环介质驱动螺杆带动钻头做旋转运动，并通过弯接头工具面角的变化来改变钻具的井斜和方位性能，存在定向作业期间钻具不旋转、无法完成短半径定向钻井作业等限制。如连续油管定向钻具组合可以实现短半径钻井，但由于其无法旋转钻进，甚至不能顺利实现定向作业，且管柱容易破损和断裂，不适合承担高扭矩，因而不适用于大直径井眼钻探、水平井钻探、分支井钻探，在短半径定向钻井过程中更加难以取得满足现场需求的效果。
[0003]旋转钻井设备的下部钻具的组合结构可以是简单的，只包括钻头、接头、钻挺和钻杆；也可以是复杂的，包括钻头、稳定器、无磁钻挺、钻挺、接头、加重钻杆和普通钻杆等等。旋转钻井设备的下部钻具组合一般是通过不同稳定器的安放位置或者其他的钻具组合关系变化来控制钻具的造斜性能，可实现旋转钻井的定向井钻具组合的极限造斜率极低。可在旋转状态下提供钻井的井下工具有旋转导向技术，一般的旋转导向造斜能力在6
°
/30米左右，目前国际最先进的斯伦贝谢公司的最短半径定向导向仅能达到15
°
/30米，在小井眼中最也不超过18
°
/30米。然而在短
‑
超短半径钻井领域中，造斜曲率半径要求一般在10米
‑>60米之间。现有最先进的旋转导向系统先天性的无法被弯折，几乎不可能适应本技术所述的短半径钻井实际需求。其造斜能力以及通过弯曲井眼的能力均无在旋转钻井条件下实现转弯半径在 10米
‑
60米之间的短半径定向钻井的先例。其他有关产品也均存在无法在旋转钻井条件下实现井眼轨迹控制的功能，导致严重的拖钻压问题。
技术实现思路
[0004]本技术提供一种短半径定向钻井工具及方法，针对短半径井钻井中，其他钻井工具无法实现旋转钻井的问题，本技术通过可控钻压扭矩传递短节阵列实现短半径和/或超短半径井眼内的钻压扭矩传输，并为钻头提供旋转动力，并通过在可控钻压扭矩传递短节阵列前部设置导向装置，在可控钻压扭矩传递短节阵列内部布设穿越钻压扭矩传递短节且随可控钻压扭矩传递短节阵列同步旋转的过钻压扭矩传递短节电气线路进行可控钻压扭矩传递短节阵列内部各个电路之间的电气连接，实现短半径旋转定向钻井中钻压、扭矩传递的同时实现可靠电力传输与信息传输，降低旋转钻井过程中井斜控制的难度，使稳定可靠的短半径旋转导向钻井技术成为可能。
[0005]本技术技术方案如下：
[0006]一种短半径定向钻井工具，包括钻头、可控钻压扭矩传递短节阵列及固定于所述可控钻压扭矩传递短节阵列输出端附近的近钻头电气装置、与所述近钻头电气装置相互电
连接的接力通讯装置；所述可控钻压扭矩传递短节阵列一端连接所述钻头、另一端连接旋转驱动装置或者通过常规钻柱连接旋转驱动装置实现短半径旋转定向钻井，所述可控钻压扭矩传递短节阵列的相邻钻压扭矩传递短节之间具有预设偏转极限角度，且所述可控钻压扭矩传递短节阵列沿其轴线方向延伸有贯通结构，所述贯通结构形成供钻井循环介质流通的主流道，所述接力通讯装置包括与所述近钻头电气装置相连的经钻压扭矩传递短节电气线路，所述经钻压扭矩传递短节电气线路设于所述可控钻压扭矩传递短节阵列内部且与所述可控钻压扭矩传递短节阵列同步旋转和/或偏转；所述接力通讯装置还包括随可控钻压扭矩传递短节阵列旋转的中继装置，所述中继装置与近钻头电气装置间隔若干钻压扭矩传递短节，所述中继装置与井口端实现远距离通讯。所述旋转驱动装置包括位于井眼中的泥浆马达，或位于井口处的转盘、或顶部驱动或旋转驱动头。该技术的优势在于，可实现可控钻压扭矩传递短节阵列在短半径井眼中以旋转状态导向。这种条件下，由于可控钻压扭矩传递短节阵列在定向钻井过程中大体上是旋转的，因此摩擦力的主要力的分量为万向节阵列的圆周切线方向，大幅度降低了轴向的摩擦力，使得超短半径井眼中的轨迹控制得以实现。需要说明的是，所述旋转驱动头主要指水平钻机或其他类型的定向钻机中驱动钻柱旋转的部件。所述短半径定向钻井工具用于钻探长度不超过可控钻压扭矩传递短节阵列长度的井眼。
[0007]作为优选，所述可控钻压扭矩传递短节阵列的输入端或所述可控钻压扭矩传递短节阵列的任意两个钻压扭矩传递短节的之间串接设置有设有遥传短节，所述中继装置包括设于所述遥传短节的无线遥传装置，所述经钻压扭矩传递短节电气线路传递的近钻头电气装置获取的井下信息通过所述无线遥传装置发送到井口端通讯设备。以实现近钻头电气装置到井口端通讯设备的多段式接力通讯。
[0008]作为优选，所述近钻头电气装置包括导向装置，所述导向装置套设于所述可控钻压扭矩传递短节阵列的输出端与所述钻头之间的驱动芯轴外侧或设于所述可控钻压扭矩传递短节阵列的输出端与所述钻头之间的导向短节内，用于推动钻头完成其偏转导向，所述导向装置包括导向控制模块和导向执行器。所述各个钻压扭矩传递短节可以是万向节，所述万向节用于承担钻井过程中的钻压和扭矩，并持续的为钻头提供旋转钻进的动力。所述导向装置与所述遥传短节之间的全部钻压扭矩传递短节的最大限位角度之大于3
°
，其最佳范围是10
°
以上，以确保本技术中的短半径定向钻井工具具有足够的柔性。
[0009]作为优选，所述接力通讯装置还包括下行指令解算模块，所述下行指令解算模块包括解码电路和设于井下的流速传感器和/或压力传感器和/或钻柱转速传感器，井口端根据接收到的井下信息调整钻井循环介质的压力和/或流量和/或钻柱转速，所述解码电路根据所述流速传感器和/或压力传感器和/或钻柱转速传感器测得的钻井循环介质的流速随时间的变化信息和/或钻井循环介质的压力随时间的变化信息和/或钻柱转速随时间的变化信息解算下行导向信息，并将下行导向信息通过经钻压扭矩传递短节电气线路传递给导向控制模块；所述导向控制模块根据所述下行导向信息控制所述导向执行器进行相应导向操作。进而使长距离钻杆驱动可控钻压扭矩传递短节阵列，并进一步的驱动钻头破岩，以及在钻头处产生可控的造斜力成为可能。所述井口端将下传指令编码后以钻井循环介质的压力和/或流量随时间变化的方式实现指令下传，所述编码方式包括但不限于间隔码、FSK码、曼彻斯特码、密勒码等。所述解码电路，也采用对应编码的解码方法实现解码。当所述指令
解算模块包括流速传感器和解码电路时，所述流速传感器为涡轮和涡轮转速计数装置，通过涡轮的变化反演钻井循环介质的流量，所述指令结算模块需要与导向短节至少间隔一个偏转中心，以免所述指令结算模块占用导向短节的空间，用于缩短导向短节的长度。当所述指令解算模块包括压力传感器和/或钻柱转速传感器时，由于传感器占用空间小，因此可以设置于所述短半径定向钻井工具中的任何短节中。所述钻柱转速传感器的最佳配置为陀螺仪或磁力本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种短半径定向钻井工具，其特征在于，包括可控钻压扭矩传递短节阵列和固定于所述可控钻压扭矩传递短节阵列输出端附近的近钻头电气装置及钻头、与所述近钻头电气装置相互电连接的接力通讯装置；所述可控钻压扭矩传递短节阵列的相邻钻压扭矩传递短节之间具有预设偏转极限角度，且所述可控钻压扭矩传递短节阵列沿其轴线方向延伸有贯通结构，所述贯通结构内部为供钻井循环介质流通的主流道，所述接力通讯装置包括随可控钻压扭矩传递短节阵列旋转的中继装置和经钻压扭矩传递短节电气线路，所述经钻压扭矩传递短节电气线路设于所述可控钻压扭矩传递短节阵列内部且与所述中继装置电连接，所述中继装置与所述近钻头电气装置间隔若干钻压扭矩传递短节，实现近钻头电气装置与井口端的远距离通讯。2.根据权利要求1所述短半径定向钻井工具，其特征在于，所述可控钻压扭矩传递短节阵列输入端或所述可控钻压扭矩传递短节阵列的任意两个钻压扭矩传递短节之间串接设置有遥传短节，所述中继装置包括设于所述遥传短节的无线遥传装置，所述经钻压扭矩传递短节电气线路传递的近钻头电气装置获取的井下信息通过所述无线遥传装置发送到井口端。3.根据权利要求2所述短半径定向钻井工具，其特征在于，所述近钻头电气装置包括导向装置，所述导向装置套设于所述可控钻压扭矩传递短节阵列的输出端与所述钻头之间的驱动芯轴外或设于所述可控钻压扭矩传递短节阵列的输出端与所述钻头之间的导向短节内，用于在旋转钻井条件下驱动钻头完成其偏转导向，所述导向装置包括导向控制模块和导向执行器。4.根据权利要求3所述短半径定向钻井工具，其特征在于，所述接力通讯装置还包括下行指令解算模块，所述下行指令解算模块包括解码电路和设于井下的流速传感器和/或压力传感器，井口端根据接收到的井下信息调整钻井循环介质的压力和/或流量，所述解码电路根据所述流速传感器和/或压力传感器测得的钻井循环介质的流速随时间的变化信息和/或钻井循环介质的压力随时间的变化信息解算下行导向信息，并将下行导向信息通过经钻压扭矩传递短节电气线路传递给导向控制模块，所述导向控制模块根据所述下行导向信息控制所述导向执行器进行相应导向操作。5.根据权利要求4所述短半径定向钻井工具，其特征在于，所述可控钻压扭矩传递短节阵列的相邻钻压扭矩传递短节之间的预设偏转极限角度不大于8
°
；和/或所述钻头至所述可控钻压扭矩传递短节阵列的输出端偏转中心的距离不超过钻头直径的10倍；和/或所述导向执行器所在的导向短节或钻压扭矩传递短节的长度不超过钻头直径的8倍；和/或所述可控钻压扭矩传递短节阵列中各个钻压扭矩传递短节的偏转中心之间的最小距离不得超过钻头直径的8倍。6.根据权利要求2所述短半径定向钻井工具，其特征在于，所述经钻压扭矩传递短节电气线路外侧设有电气线路保护层，所述电气线路保护层包括金属管和/或紧密缠绕在所述经钻压扭矩传递节电气线路外侧的钢皮和/或紧密缠绕在所述经钻压扭矩传递节电气线路外侧的绕钢丝胶管。7.根据权利要求6所述短半径定向钻井工具，其特征在于，所述贯通结构包括在所述钻压扭矩传递短节的轴线处开设的等径贯通孔，且所述等径贯通孔存在偏转间隔区的位置通过柔性承压短流管串接到一起；所述柔性承压短流管的两端分别与相邻的两个钻压扭矩传
递短节的等径贯通孔密封连接；所述等径贯通孔和柔性承压短流管共同形成的供钻井循环介质流通的主流道；和/或，从所述贯通结构内部贯通设置有柔性贯通承压流管，所述柔性贯通承压流管与所述可控钻压扭矩传递短节阵列固定连接，所述柔性贯通承压流管的内部为供钻井循环介质流通的主流道。8.根据权利要求7所述短半径定向钻井工具，其特征在于，所述经钻压扭矩传递短节电气线路或带有所述电气线路保护层的所述经钻压扭矩传递短节电气线路设于所述主流道内；和/或所述柔性贯通承压流管的外管壁设置有电气线路固定件，用于将所述经钻压扭矩传递短节电气线路固定于所述柔性贯通承压流管外侧，和/或所述柔性贯通承压流管的外管壁设置有用于容纳并固定所述经钻压扭矩传递短节电气线路的电气线路容置槽，所述电气线路容置槽沿所述柔性贯通承压流管的轴线方向延伸或以所述柔性贯通承压流管的轴线为中心螺旋缠绕布置在所述柔性贯通承压流管的外管壁上。9.根据权利要求7或8所述短半径定向钻井工具，其特征在于，所述遥传短节内部设置有泥浆脉冲器，所述遥传短节设置于所述可控钻压扭矩传递短节阵列的输入端，用于避免泥浆脉冲器产生的压力波破坏所述柔性贯通承压流管。10.根据权利要求4所述短半径定向钻井工具，其特征在于，所述近钻头电气装置还包括测量装置，所述测量装置包括姿态测量模块和/或随钻地层信息测量模块，对应的所述井下信息包括近钻头处的姿态信息和/或地层信息；所述测量装置可设于所述导向短节，或所述近钻头电气装置设于近钻头位置的若干测量短节内。11.根据权利要求10所述短半径定向钻井工具，其特征在于，所述导向控制模块包括液压导向控制模块，对应的所述导向执行器包括多肋翼液压推靠式执行器，所述多肋翼液压推靠式执行器包括沿所述导向短节外表面中心对称布置的至少3组液压活塞组件，每组所述液压活塞组件包括相互配合的活塞缸、活塞和推靠件，所述活塞缸和活塞在液压控制模块的作用下推动所述推靠件沿所述导向短节的径向推靠井壁，多组活塞组件分别沿其径向推靠井壁产生的合力使所述钻头发生偏转。12.根据权利要求11所述短半径定向钻井工具，其特征在于，所述导向短节包括驱动芯轴和环套于所述驱动芯轴外部的导向套筒，所述导向套筒通过至少两副复合轴承环套于所述驱动芯轴外部，所述复合轴承包括轴向止推轴承和径向扶正轴承，所述驱动芯轴一端固定设有所述钻头、另一端固定连接所述可控钻压扭矩传递短节阵列的输出端；所述导向套筒内设有所述导向装置和所述测量装置；所述接力通讯装置还包括电能传输装置，所述电能传输装置设于所述驱动芯轴或所述导向套筒，以实现所述近钻头电气装置与所述经钻压扭矩传递短节电气线路之间的能量传递及信号传递；所述电能传输装置可以是导电滑环或者无线能量传输装置，每组所述活塞组件均设有与活塞缸直接相连的独立液压系统。13.根据权利要求...
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