CN114075926A - 一种短半径定向钻井工具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种短半径定向钻井工具及方法，通过可控钻压扭矩传递短节阵列实现短半径旋转导向定向钻井的同时，利用设于所述可控钻压扭矩传递短节阵列内部且与其同步旋转和/或偏转的接力通讯装置，实现近钻头电气装置与井口端通讯设备的信息传递，有效解决超短半径分支井及短半径分支井可控轨迹钻探的信息传输问题，提高动力传输稳定性和电气线路安全性，所述可控钻压扭矩传递短节阵列具有极高的灵活性，便于导向装置采用更小的力取得满足短半径井造斜要求的导向效果，可使短半径定向钻井工具实现旋转钻井条件下的短半径可控轨迹钻井，具有极大工程意义和实用价值。

Description

一种短半径定向钻井工具及方法

技术领域

本发明涉及石油开采及钻探技术领域，特别是一种短半径定向钻井工具及方法。

背景技术

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。

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到像技术，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，几乎不可能适应本发明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。

发明内容

本发明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，本发明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接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。

本发明技术方案如下：

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。该发明的优势在于，可实现可控传动节阵列在短半径井眼中以旋转状态导向。这种条件下，由于可控传动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。

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。

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，以确保本发明中的短半径定向钻井工具具有足够的柔性。

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计，所述固定设置于所述短半径定向钻井工具中的陀螺仪或磁力计可以直接测量钻柱的转速。

作为优选，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°，目的在于防止可控钻压扭矩传递短节阵列中的钻压扭矩传递短节在钻压扭矩传递过程中过度屈曲，进而妨碍钻压扭矩传递，以及防止损害经钻压扭矩传递短节电气线路；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10 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。为进一步增加钻压扭矩传递的稳定性，以及提升旋转钻井的动力传递效率，各个钻压扭矩传递接之间的偏转角度应当控制在3°以内。

作为优选，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弹性金属管或紧密缠绕在所述经钻压扭矩传递节电气线路外侧的金属皮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。所述经钻压扭矩传递短节电气线路包括串接所述近钻头电气装置和遥传短节的电缆。

作为优选，所述短半径定向钻井工具还包括从所述贯通结构内部贯通设置的柔性贯通承压流管，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。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的固定方式可以是两端螺栓连接或螺纹连接，和/或任意两处以上紧密贴合。一般情况下，由钻杆输送的钻井循环介质会流经柔性贯通承压流管、导向短节和钻头进入环空中并返回井口。和/或，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；。

作为优选，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钻井循环介质的主流道内；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，用于将所述电气线路固定于柔性贯通承压流管外侧，作为该方式的择优选择，所述柔性贯通承压流管的外管壁开有电气线路容置槽，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，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。当所述经钻压扭矩传递短节电气线路设置于钻井循环介质主流到内部时，所述电气线路保护层的最佳配置为金属管，所述金属管为钛合金管、铜合金管或钢管。或当所述电气线路设置于柔性贯通承压流管或柔性承压短流管外侧使，所述电气线路保护层及所述电气线路的最佳组合配置为铠装电缆。

作为优选，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柔性贯通承压流管，同时增加仪器的整体安全性和使用效果。所述可控钻压扭矩传递短节输入端即为旋转钻井动力的输入端，远离钻头的一端。钻井过程中，所述泥浆脉冲器和所述遥传短节均不进入短半径井段，尤其是在分支井钻探过程中，所述泥浆脉冲器和所述遥传短置于分支井岔口主井眼一侧。

作为优选，所述经钻压扭矩传递短节电气线路设置于所述柔性贯通承压流管或所述柔性承压短流管外侧。用于使电气线路不受到钻井循环介质的冲刷，也使得电气线路不会因为旋转钻井而在钻井液循环介质的流通通道中发生翻滚。

作为优选，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通过线路固定件固定于所述柔性贯通承压流管的管壁外，所述多个线路固定件间隔一定距离沿所述贯通承压流管的轴线方向固定设置于所述贯通承压流管的管壁外，所述经钻压扭矩传递短节电气线路与所线路固定件固定连接以达到固定电气线路的目的。

作为优选，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。

作为优选，所述导向控制模块包括液压控制模块，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。

作为优选，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。

作为优选，所述导向短节包括带有轴向贯通结构的承载本体，所述承载本体一端与所述可控钻压扭矩传递短节阵列的输出端固定相连、另一端固定设有所述钻头，所述承载本体内设有设有所述导向控制模块和所述姿态测量模块，所述导向控制模块和所述姿态测量模块直接连接所述经钻压扭矩传递短节电气线路。

作为优选，所述液压导向控制模块包括电动转阀和所述导向控制电路，所述导向控制电路设置于承载本体内部的承压密封结构中，用于控制所述电动转阀，所述电动转阀设于所述承载本体的轴向贯通结构内，且与所述承载本体固定连接，包括沿所述承载本体的轴向布置且中心开有轴向高压导流孔的转阀阀芯和转阀阀壳，所述导向执行器沿周向间隔设置于所述承载本体上，所述承载本体内的钻井循环介质通过所述轴向高压导流孔流入所述钻头；每组所述液压活塞组件的活塞缸分别通过设于所述承载本体侧壁的活塞导流管连通所述承载本体的转阀阀壳，且在所述活塞导流管附近设有贯通所述承载本体侧壁及所述转阀阀壳的低压泄流孔，所述转阀阀芯设有低压泄流槽和连接所述轴向高压导流孔的第一高压入流孔，所述转阀阀壳上设有固定对接所述活塞导流管的若干液体入流孔，旋转所述转阀阀芯，使所述第一高压入流孔始终朝向导向方向，当有所述液压活塞组件旋转至导向方向所在扇区时，所述第一高压入流孔与所述液体入流孔对接，高压钻井循环介质流入该液压活塞组件，使该液压活塞组件内外产生较大压差，进而推动推靠件推靠井壁产生导向推力，井壁对导向工具的反作用力使工具定向的偏离自身轴线，使工具实现导向功能。对应的处于非导向方向所在区的液压活塞组件，其低压泄流槽同时对接所述低压泄流孔和所述液体入流孔，该液压活塞组件内外压差相等，进而不产生导向推力。

作为优选，所述液压控制模块包括电磁阀，每个所述液压活塞组件的附近均对应设置一个所述电磁阀；所述电磁阀设于所述承载本体的侧壁内，包括轴向设置的电磁阀座和T型可伸缩阀杆，所述电磁阀座包括一轴向液体容纳腔室，所述T型可伸缩阀杆在所述轴向液体容纳腔室内滑动，且所述轴向液体容纳腔室的内径等于所述T型可伸缩阀杆的阀杆头的外径，所述液体容纳腔室的一端设有与所述轴向贯通结构相通的径向高压入流孔、另一端设有径向泄流孔，所述径向高压入流孔与所述径向泄流孔之间设有通液孔，每组所述液压活塞组件的活塞缸分别通过设于所述承载本体侧壁的活塞导流管连通所述通液孔，处于导向方向所在扇区内的液压活塞组件，其T型可伸缩阀杆位于所述径向泄流孔与所述通液孔之间，所述通液孔与所述径向高压入流孔相连通，使所述液压活塞组件内外产生较大压差，进而推动推靠件推靠井壁产生导向推力；对应的处于非导向方向所在区的液压活塞组件，其T型可伸缩阀杆位于所述径向高压入流孔与所述通液孔之间，其T型可伸缩阀杆位于所述径向高压入流孔与所述通液孔之间，其低压泄流槽与所述所述通液孔连通，该液压活塞组件内外压差相等，进而不产生导向推力。

作为优选，所述随钻地层信息测量模块包括伽马测量分模块和/或电阻率测量分模块和/ 或地层密度测量分模块和/或地层声波时差测量分模块，对应的所述地层信息包括地层伽马射线强度信息和/或地层电阻率信息和/或地层密度信息和/或地层声波时差信息。

作为优选，位于所述伽马测量分模块前方的全部钻压扭矩传递短节的最大限位角度之和小于12°，和/或所述伽马测量模与钻头的距离小于6米。用于克服所述可控钻压扭矩传递短节阵列的高度屈曲带来的测量不确定性和测量滞后。

作为优选，在距离所述导向短节至少一个所述可控钻压扭矩传递短节处还设有电力供应短节，所述电力供应短节包括供电电源，所述供电电源包括为所述近钻头电气装置供电的电池和/或井下发电机。

作为优选，所述电力供应短节、所述导向短节和所述遥传短节相互间隔至少一个所述钻压扭矩传递短节，或所述电力供应短节和所述遥传短节均设置于所述钻压扭矩传递短节阵列的上方。其目的在于，使得自导向装置到最上端的钻压扭矩传递短节间的区段可以达到足够的曲率以完成短半径井钻探，最大限度实现造斜。所钻探的短半径井段的长度小于钻头下端面到最上端的钻压扭矩传递短节的距离。

作为优选，所述井发电机包括井下涡轮发电机，所述流速传感器即为所述井下涡轮发电机的涡轮，所述钻井循环介质的流速随时间的变化信息通过所述井下涡轮发电机的涡轮转速换算而来。

作为优选，所述可控钻压扭矩传递短节阵列的长度大于15米。

作为优选，所述短半径定向钻井工具还包括矫直装置，用于保持可控钻压扭矩传递短节阵列的稳定性。

作为优选，所述矫直装置设于所述贯通结构内部，所述矫直装置至少连接所述可控钻压扭矩传递短节阵列的相邻可控钻压扭矩传递短节，且使相邻可控钻压扭矩传递短节始终存在保持同轴特性的趋势。

作为优选，所述矫直装置可为所述柔性贯通承压流管。

作为优选，所述短半径定向钻井工具还包括用于使钻井循环介质不进入所述可控钻压扭矩传递短节阵列的偏转缝隙行程中的密封件，所述密封件可为所述柔性贯通承压流管和/或设于所述钻压扭矩传递短节的万向节外侧的的波纹密封管。

作为优选，所述电能传输装置为无线能量传输装置，所述无线能量传输装置设于所述驱动芯轴与所述导向套筒之间，所述无线能量传输装置包括能量发射端、能量接收端，所述能量发射端与能量接收端之间以高频无线能量传输的方式将电能由驱动芯轴后方的能量发射控制电路传递给导向套筒中的近钻头电气装置；所述能量发射控制电路设置于能量发射控制短节内部，所述能量发射控制短节设置于所述驱动芯轴后方，与所述驱动芯轴至少间隔一个钻压扭矩传递短节；所述电力供应短节设置于所述能量发射控制短节的后方，与所述能量发射控制短节至少间隔一个钻压扭矩传递短节；所述能量发射控制电路将供电电源输送的电力转换为中心频率在3-200k的高频交流电，通过所述无线能量传递装置传输至导向套筒，为近钻头电气装置提供电力。作为更优的选择，一般选择15-60k的范围作为无线能量传输装置的电能传输频率。

一种短半径定向钻井方法，使用上述短半径定向钻井工具进行定向钻井，根据所述定向井的目标轨迹，通过调整所述可控钻压扭矩传递短节阵列的偏转角度调整所述钻头的钻井角度，并通过与所述可控钻压扭矩传递短节阵列同步旋转和/或偏转的所述接力通讯装置实现井下与井上的接力通讯，进而实现定向钻井的轨迹检测和/或轨迹控制。

需要说明的是，在裸眼井中，所述短半径定向钻井工具可以自行实现侧钻并完成短半径分支井钻井作业。在套管井中，另外需要锚定导引装置的配合，所述锚定导引装置包括锚定器和导引器，锚定器通过卡瓦卡住主井眼中的套管内壁，将导引器斜面朝向特定方向固定，进一步的通过开窗钻头在套管管壁上完成开窗作业，进一步的下入所述短半径定向钻井工具，实现短半径分支井的侧钻。

本发明相对于现有技术优势在于：

1、本发明所述短半径定向钻井工具及方法，通过可控钻压扭矩传递短节阵列实现短半径钻柱旋转条件下的定向钻井，且通过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/或偏转的接力通讯装置，尤其是经钻压扭矩传递短节电气线路实现近钻头电气装置与中继通讯设备的信息传递，实现了可控钻压扭矩传递短接阵列的相关各个短节中的电气装置通讯难题，有效解决对超短半径分支井及短半径分支井进行可控轨迹钻探的信息传输问题。通过经可控钻压扭矩传递短节电气线路，有效分散了各个短接的功能，使任何一个短接内部只具备系统的单一功能，达到了大幅度缩减任意短接长度及体积的目的，提高可控钻压扭矩传递短节阵列的动力传输稳定性和电气线路安全性，便于仪器适应更高曲率的井眼，并完成短半径井眼的造斜任务。通过由限制转动偏转角度的钻压扭矩传递短节形成的阵列实现短半径井段中的钻压扭矩传递和旋转动力传递，实现了局部的短半径井眼钻探。上述技术内容形成的短半径定向钻井技术对多层的油气田开发、薄层的开发、剩余油挖潜、煤层气开发以及其他种类矿物的开发具有工程可行性和实用价值。本发明所述旋转是指绕其轴线的进行的转动，本发明所述偏转指导向装置的推动下其轴线本身产生弯曲或偏离原来的轴线位置。

2、本发明所述短半径定向钻井工具及方法通过输出端设有导向装置或导向短节的可控钻压扭矩传递短节阵列进行导向并通过姿态监控实现反馈导向调整，通过布设有经钻压扭矩传递短节电气线路的可控钻压扭矩传递短节阵列实现超短半径井眼内的钻压扭矩传输以及通讯，利用经钻压扭矩传递短节电气线路和设置于可控钻压扭矩传递短节上方的遥传短节组成的两段式接力通讯装置实现井下近钻头电气装置与井口间的信息接力传递，使导向短接不需要完成远距离通讯的任务，转而将远距离通讯的任务由遥传短接来完成，大幅缩减了各个偏转点之间的间距，降低钻井过程中的遇阻风险，解决遥传短节的长度限制问题。且可控钻压扭矩传递短节阵列中的各个钻压扭矩传递短节的长度有着苛刻的限制，因此近钻头电气装置不宜包含可实现远距离通讯的装置。本发明在可控钻压扭矩传递短接阵列需要依靠长距离的钻杆与井口连接的情形下，通过中继装置实现接力通讯，使得近钻头电气装置可以在受到限制得尺寸空间环境下，跨越若干钻压扭矩传递短节与所述中继装置实现近距离通讯，进一步的，所述中继装置以更强的能量实现中继位置到井口远距离通讯，最终实现近钻头电气装置至井口处的通讯，使短半径定向钻井工具成为可能。

3、本发明通过将遥传短节的设置于可控钻压扭矩传递短节阵列的输入端可解决如下几点阻碍所述短半径定向钻井工具及其可控钻压扭矩传递短节阵列发挥作用的瓶颈问题。由于遥传短节一般含有泥浆脉冲器，会产生较强的压力脉冲，进而使得柔性贯通承压流管遭到水击压力的破坏，因此将遥传短节设置于可控钻压扭矩传递短节阵列的输入端，即用于跨越常规钻杆形成的钻柱实现对井口端的通讯的所述遥传短节需要设置于可控钻压扭矩传递短节阵列的后方(钻头所指方向为前)；由于旋转钻井过程会使得钻柱在旋转钻井过程中与井壁发生频繁磕碰，钻压扭矩传递节的低刚度特性会加剧钻柱振动的烈度和瞬时剧烈撞击发生的频率，所述强烈的振动可达10-50倍重力加速度，所述瞬时撞击可达到100-500倍重力加速度。因此，为有效保证遥传短节与井口端的通讯质量，以及遥传短节中的电气零部件的稳定性，将遥传短节的设置于可控钻压扭矩传递短节阵列的输入端具对提升工具安全性和稳定性有极大的好处；由于钻压扭矩传递阵列的任何一个偏转点均为所述短半径定向钻井工具的相对薄弱环节，因此将遥传短节设置于可控钻压扭矩传递短节阵列的输入端对减小工具的落井损失有着极大和好处。

在可控钻压扭矩传递短节阵列和遥传短节间设置少量钻杆、或在遥传短节与常规钻柱间设置少量可控钻压扭矩传递短节等设计，均不脱离本发明的设计初衷，也属于本发明的保护范围。

4、由于旋转钻井的特殊问题，导致可控钻压扭矩传递短节在定向钻井过程中处于不断的旋转状态。针对这持续性的旋转导致的电气线路破损、翻滚的问题，以及为了解决长距离短半径中携岩不畅的问题，本发明中的特殊设计在于将电气线路固定设置于柔性贯通承压流管或柔性承压短管外侧，让出了全通径的流道，使电气线路不会因为旋转钻井而在钻井循环介质流道中翻滚，便于增加钻井循环介质的输送排量。此外，由于可控钻压扭矩传递阵列的特殊性，柔性贯通承压流管或柔性承压短管管壁较薄，无法实现对内部线路的支撑，故本发明采用缠绕或者固定件的方式将电气线路固定于柔性贯通承压流管或柔性承压短管的外侧，可以使得柔性贯通承压流管或柔性承压短管的内壁无支点且光滑，可均匀的与钻井循环介质接触，不会出现局部的严重冲蚀。

5、在使用本发明所述短半径定向钻井工具进行超短半径分支井眼钻探过程中，所述短半径定向钻井工具由锚定导引装置引入窗口，井口处的钻探设备施加钻压并驱动常规钻柱旋转，进而驱动可控钻压扭矩传递短节阵列旋转，并同时可通过导向装置或导向短节驱动钻头偏转，实现钻井轨迹的反馈调整功能。在这种作业环境下，套管壁上的窗口非常容易造成工具遇卡，因此本发明中将供电短接和谣传短节设置于可控钻压扭矩传递短节阵列的后方，即可在短半径分支井作业期间避免过多的仪器设备进入所述窗口，大幅度降低了工具遇卡的可能。

6、本发明所述短半径定向钻井工具及方法，其可控钻压扭矩传递短节阵列的相邻可控钻压扭矩传递短节之间的极限偏转角不大于8°，这里的极限偏转角是钻压扭矩传递动力传递短节转角的机械结构极限，以防止可控钻压扭矩传递短节阵列中的可控钻压扭矩传递短节在钻压扭矩传递过程中过度屈曲，进而妨碍钻压扭矩传递，以及防止损害经钻压扭矩传递短节电气线路；所述钻头至所述可控钻压扭矩传递短节阵列的输出端转动中心的距离不超过钻头直径的10倍；和/或所述可控钻压扭矩传递短节阵列中任意两个所述可控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，以便于钻头到最上端的钻压扭矩传递短节间的区段可以达到足够的曲率以完成短半径井钻探，最大限度实现造斜。此外，在同样的造斜性能条件下，或者同样的高曲率井眼通过性的条件下，缩短每一节钻压扭矩传递短节的长度，即缩短两个偏转点之间的距离，就可以缩小每一个偏转点的偏转极限。以达到保护钻压扭矩传递短节不受到损害并减小井下振动的作用。尤其是保护钻压扭矩传递短节中用于传递旋转钻井动力的万向节不受到损害。

7、本发明所述短半径定向钻井工具及方法，针对旋转钻井过程中，经钻压扭矩传递短节阵列电气线路在偏转点处因反复弯折而导致易发生破损的系列问题，本发明提出了系列解决措施。通过贯通结构和/或固定于柔性贯通承压流管和/或缠绕于柔性贯通承压流管外侧实现经钻压扭矩传递短节电气线路与钻头等的同步旋转，结构简单而紧凑，充分保证了经钻压扭矩传递短节电气线路的使用安全性。且所述柔性贯通承压流管其内部可以实现钻井循环介质的过流，并能承受钻柱水眼内部压力与环空压力之差，保护可控钻压扭矩传递短节内的偏转部件不受到钻井循环介质中的泥浆等污物的破坏。此外，通过经钻压扭矩传递短节电气线路外侧设有电气线路保护层，避免钻井循环介质或者渗漏的钻井循环介质对经钻压扭矩传递短节电气线路造成冲蚀或腐蚀损害。

8、本发明所述短半径定向钻井工具及方法，根据姿态测量模块测得的钻头工具面高边角，通过所述导向控制模块的控制驱动所述多肋翼液压推靠式执行器，进而使多组活塞组件分别沿其径向推靠井壁产生推靠合力使所述钻头发生偏转，提高可控钻压扭矩传递短节阵列的动力传输稳定性和安全性，便于提高导向精度，进而大幅降低钻头偏转对导向装置和可控钻压扭矩传递短节阵列的磨损，进而降低导向装置的失效概率。

9、设于所述贯通结构内部的矫直装置，使得短半径定向钻井工具不仅可以用于提高所述短半径定向钻井工具在井眼造斜钻进期间的稳定性还可进行常规的直井钻探，并使可控钻压扭矩传递短节阵列不易在井眼内发生剧烈震动、产生撞击力、破坏井壁。

10、本发明所述短半径定向钻井工具及方法，针对短半径井和/或超短半径(井眼曲率大于1度/米)分支井的深部井眼轨迹无法控制的问题，通过在导向短节后方设置可控钻压扭矩传递短节阵列，在保证钻压扭矩传递的前提下适应高曲率，在需要导向时，保证井眼轨迹控制的稳定性。解决了钻压扭矩传递、高曲率井眼适应性以及井眼轨迹控制稳定性之间的矛盾。且本发明所述的导向短节、可控钻压扭矩传递短节阵列和/或电力供应短节及其他承载短节均便于实现小型化，且其长度均可根据钻井需求进行缩短或拉长处理，进而适应极高造斜率的井眼曲率及其井眼轨迹的稳定控制。

附图说明

图1是本发明短半径定向钻井工具及方法的轴向截面示意图；

图2是本发明短半径定向钻井工具实施例3的轴向截面放大示意图；

图3是本发明短半径定向钻井工具实施例4的轴向截面放大示意图；

图4是本发明短半径定向钻井工具实施例5的轴向截面放大示意图；

图5是本发明短半径定向钻井工具实施例8的结构示意图；

图6是本发明短半径定向钻井工具实施例8的另一结构示意图。

附图标记列示如下：

1-钻头，11-钻头过液孔，2-导向短节，21-驱动芯轴，22-导向套筒，23(24)-复合轴承， 231-轴向止推轴承，径向扶正轴承232，25-承载本体，251-活塞导流管，252-低压泄流孔，26- 承载本体的贯通结构，3-可控钻压扭矩传递短节阵列，31-可控钻压扭矩传递短节，4-遥传短节，41-信息传递中继装置，411-下行信息传递模块，42-泥浆脉冲器，5-常规钻柱，6-井架， 7-近钻头电气装置，71-测量装置，711-姿态测量模块，72-导向装置，721-导向控制模块，722- 导向执行器，7211-液压控制模块，7212-电动转阀，72121-转阀阀芯，721211-轴向高压导流孔，721212-低压泄流槽，721213-第一高压入流孔，72122-转阀阀壳，721221-液体入流孔， 7213-电磁阀，72131-电磁阀座，721311-液体容纳腔室，721312-径向高压入流孔，721313-径向泄流孔，721314-通液孔，72132-T型可伸缩阀杆，7221-液压活塞组件，72211-活塞缸，72212- 活塞，72213-推靠件，73-能量发射控制短节，8-经钻压扭矩传递短节电气线路，81-电能传输装置811-能量发射端，812-能量接收端，82-电气线路保护层，83-线路固定件，84-固定件， 9-波纹密封管，91-柔性贯通承压流管，911-电气线路容置槽，92-柔性承压短流管，93-扶正器， 94-供电电源。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图1-6和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。

实施例1

一种短半径定向钻井工具，如图1所示，从下至上一依次包括同步旋转的钻头1、导向短节2、可控钻压扭矩传递短节阵列3和常规钻柱5，所述常规钻柱5固定悬挂于井架6，所述可控钻压扭矩传递短节阵列3一端连接所述钻头1、另一端连接旋转驱动装置或者通过常规钻柱5连接旋转驱动装置实现高造斜率的短半径旋转定向钻井。所述旋转驱动装置包括位于井眼中的泥浆马达，或旋转驱动装置包括位于井口处的驱动转盘、顶部驱动或旋转驱动头。所述可控钻压扭矩传递短节阵列3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3沿其轴线方向延伸有贯通结构G，所述贯通结构G形成供钻井循环介质流通的主流道，主流道内的钻井循环介质从钻头1冲出，以冲洗井底岩屑并为钻头降温。所述导向短节2内固定设有近钻头电气装置7，所述近钻头电气装置7通过接力通讯装置进行井下与井上的信息传递。所述接力通讯装置包括与所述近钻头电气装置7相连的经钻压扭矩传递短节电气线路8，所述经钻压扭矩传递短节电气线路8设于所述可控钻压扭矩传递短节阵列3内部且与所述可控钻压扭矩传递短节阵列3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3旋转的中继装置，所述中继装置与近钻头电气装置7间隔若干钻压扭矩传递短节31，进而将近钻头电气装置7测得的井下数据通过可同时产生旋转和偏转的可控钻压扭矩传递短节阵列3经中继装置传递到井上并实现对可控钻压扭矩传递短节阵列3的旋转和偏转的稳定控制，实现可控钻压扭矩传递短节阵列3在短半径井眼中整体以旋转状态导向。此时，由于可控钻压扭矩传递短节阵列3整体上是旋转的，因此与井眼之间的摩擦力其主要分力的方向为可控钻压扭矩传递短节阵列3的圆周切线方向，进而大幅度降低了可控钻压扭矩传递短节阵列3内部的钻压扭矩传递短节之间的轴向摩擦力，使得超短半径井眼中的轨迹控制得以实现。

所述可控钻压扭矩传递短节阵列3输入端是指直接接收来自井架6电动机的扭矩和钻压的一端(一般处于井上或近井口位置处)，所述可控钻压扭矩传递短节阵列3输出端是指将来自井架6的扭矩和钻压传递给钻头1的一端(一般位于井下)。旋转指围绕其轴线旋转。偏转指同一部件的轴线发生弯曲或多个同轴部件的轴线间呈现夹角，如对对可控钻压扭矩传递短节阵列3来说，具体表现为由同轴的可控钻压扭矩传递短节31组成的可控钻压扭矩传递短节阵列3的轴线整体出现弯曲，相邻同轴的可控钻压扭矩传递短节31之间出现夹角。

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 10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，以防止可控钻压扭矩传递短节阵列中的钻压扭矩传递短节在钻压扭矩传递过程中过度屈曲，进而妨碍钻压扭矩传递，以及防止损害经钻压扭矩传递短节电气线路。

实施例2

与上述实施例不同地是，如图1所示，所述可控钻压扭矩传递短节阵列3的输入端设有遥传短节4，具体地，所述遥传短节4可位于所述可控钻压扭矩传递短节阵列3输入端的上方，也可位于所述可控钻压扭矩传递短节阵列3输入端的某几个可控钻压扭矩传递短节31之间，或设置于常规钻柱5之间，特别是在钻探分支井时，所述遥传短节4必须位于主井眼中，也即为所述可控钻压扭矩传递短节阵列3的长度至少要大于需钻分支井的长度。

作为优选，所述中继装置包括设于所述遥传短节4的无线遥传装置，所述近钻头电气装置7获取的井下信息通过所述经钻压扭矩传递短节电气线路8传递到所述遥传短节4，然后经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7到井口端通讯设备的多段式接力通讯。其中，所述近钻头电气装置7与遥传短节4之间通过经钻压扭矩传递短节电气线路8连接，此为第一接力通讯段L1；遥传短节4与井口端通讯设备之间通过无线通讯设施或其他电气线路进行数据通讯和/或电力传递，此为第二接力通讯段L2。

作为优选，所述近钻头电气装置7还包括测量装置71和导向装置72，所述测量装置71 包括姿态测量模块711和/或随钻地层信息测量模块712，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。

作为优选，所述随钻地层信息测量模块包括伽马测量分模块和/或电阻率测量分模块和/ 或地层密度测量分模块和/或地层声波时差测量分模块，对应的所述地层信息包括地层伽马射线强度信息和/或地层电阻率信息和/或地层密度信息和/或地层声波时差信息。

作为优选，位于所述伽马测量分模块前方的全部钻压扭矩传递短节的最大限位角度之和小于12°，和/或所述伽马测量模与钻头的距离小于6米。以克服所述可控钻压扭矩传递短节阵列3的高度屈曲带来的测量不确定性和测量滞后等问题。

作为优选，所述近钻头电气装置7可固设于所述可控钻压扭矩传递短节阵列3的输出端。

作为优选，所述近钻头电气装置7可设于近钻头位置的若干承载短节如导向短节2内。

作为优选，如图2-4所示，所述导向装置72和/或姿态测量模块711和/或随钻地层信息测量模块712设于所述导向短节2；或所述导向短节与所述可控钻压扭矩传递短节阵列3之间还设有用于放置姿态测量模块711的姿态测量短节和/或地层信息测量短节等测量短节。本发明中，为了提高导向的精确性，所述姿态测量模块与所述导向装置设置于同一短节中，即说明，为了提高导向性能或增加对地层认知的及时性，所述导向短节与所述测量短节可以发生重合。

作为优选，所述导向短节2也可固定设于钻头1与所述测量短节之间，或设于所述测量短节与所述可控钻压扭矩传递短节阵列3输出端之间，或设于多个所述测量短节之间。

作为优选，如图3-4所示，在距离所述导向短节2至少一个所述可控钻压扭矩传递短节31处还设有电力供应短节，所述电力供应短节内固定有供电电源94，所述供电电源94包括为其他近钻头电气装置7供电的电池和/或井下发电机。

所述电力供应短节、所述导向短节2和所述遥传短节4相互间隔至少一个所述钻压扭矩传递短节31，或所述电力供应短节和所述遥传短节4均设置于所述钻压扭矩传递短节阵列3 的上方。其目的在于，使得自导向短节2到最上端的钻压扭矩传递短节间的区段，能够达到足够的短半径井钻探曲率，以实现最大限度的造斜功能。所钻探的短半径井段的长度小于钻头下端面到最上端的钻压扭矩传递短节的距离。

作为优选，所述遥传短节2与所述可控钻压扭矩传递短节阵列3之间设有压力缓冲器，用于缓解所述遥传短节2的泥浆脉冲器42向下传递的压力脉冲。

实施例3

与上述实施例不同地是，如图2所示，所述近钻头电气装置7的所述导向装置21设于所述可控钻压扭矩传递短节阵列3的输出端与所述钻头1之间，用于推动钻头1完成其偏转导向，所述导向装置72包括导向控制模块721和导向执行器722。优选地，所述导向装置21可设于所述可控钻压扭矩传递短节阵列3的输出端的第一个钻压扭矩传递短节的后部，所述可控钻压扭矩传递短节阵列3可以是因为所述导向装置21对其进行导向偏转实现简单可控，同时若设有矫直装置9，则通过及矫直装置9对钻压扭矩传递短节的万向节进行矫直作用，导向偏转及矫直装置9的综合作用实现阵列的稳定可控。

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，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721根据所述下行导向信息控制所述导向电气控制执行,722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3，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。

作为优选，所述井下发电机包括井下涡轮发电机，所述流速传感器即为所述井下涡轮发电机的涡轮，所述钻井循环介质的流速随时间的变化信息通过所述井下涡轮发电机的涡轮转速换算而来。

作为优选，所述导向控制模块721包括液压控制模块7211，所述导向执行器722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2周向外表面中心对称布置的至少3组液压活塞组件7221，每组所述液压活塞组件7221包括相互配合的活塞缸72211、活塞72212和推靠件72213，所述活塞缸72211和活塞72212在液压控制模块 7211的作用下推动所述推靠件72213沿所述导向短节2的径向推靠井壁，液压活塞组件分别沿其径向推靠井壁产生的合力使所述钻头1发生偏转。本发明正是通过控制推靠件72213沿不同方位推靠井壁产生使钻头1以可控钻压扭矩传递短节阵列3的第一个可控钻压扭矩传递短节21的偏转中心为中心、以扶正器93为支点产生的推靠偏转力，进而控制钻井方向。由于产生偏转仅需克服可控钻压扭矩传递短节阵列3发生偏转的较小力，进而可以降低推靠件 72213的推靠力大小及结构大小，并提高系统的整体可靠性。

作为优选，如图2所示，所述液压控制模块为电磁阀7213，每个所述液压活塞组件的附近均对应设置一个所述电磁阀7213；所述电磁阀7213设于所述承载本体25的侧壁内，包括轴向设置的电磁阀座72131和T型可伸缩阀杆72132，所述电磁阀座72131包括一轴向液体容纳腔室721311，所述T型可伸缩阀杆72132在所述轴向液体容纳腔室721311内滑动，

且所述轴向液体容纳腔室721311的内径等于所述T型可伸缩阀杆72132的阀杆头的外径，所述液体容纳腔室721311的一端设有与所述承载本体25的轴向贯通结构相通的径向高压入流孔721312、另一端设有径向泄流孔721313，所述径向高压入流孔721312与所述径向泄流孔721313之间设有通液孔721314，每组所述液压活塞组件的活塞缸分别通过设于所述承载本体25侧壁的活塞导流管251连通所述通液孔721314，处于导向方向所在扇区内的液压活塞组件，其T型可伸缩阀杆72132位于所述径向泄流孔721313与所述通液孔721314之间，所述通液孔721314与所述径向高压入流孔721312相连通，使所述液压活塞组件内外产生较大压差，进而推动推靠件推靠井壁产生导向推力；对应的处于非导向方向所在区的液压活塞组件，其T型可伸缩阀杆72132位于所述径向高压入流孔721312与所述通液孔721314 之间，其低压泄流槽721312与所述所述通液孔721314连通，该液压活塞组件内外压差相等，进而不产生导向推力。

实施例4

与上述实施例不同地是，如图3所示，所述导向短节2包括驱动芯轴21和环套于所述驱动芯轴21外部的导向套筒22，所述导向套筒22至少通过两副复合轴承23-24环套于所述驱动芯轴21外部，所述复合轴承23/24均包括轴向止推轴承231和径向扶正轴承232，所述驱动芯轴21一端固定设有所述钻头1、另一端固定连接所述可控钻压扭矩传递短节阵列3的输出端，所述导向套筒21内设有所述导向装置72和所述测量装置71；所述接力通讯装置还包括电能传输装置81，所述电能传输装置81包括能量发射端811和能量接收端812能量发射端811和能量接收端812分别设于所述驱动芯轴21或所述导向套筒22，以实现所述近钻头电气装置7与所述经钻压扭矩传递短节电气线路8之间的能量传递及信号传递；所述电能传输装置81可以是导电滑环或者无线能量传输装置。3组液压活塞组件7221-7223在所述导向套筒22的周向外表面中心对称布置，每组所述液压活塞组件7221-7223均设有与活塞缸72211直接相连的独立液压系统。该独立液压系统根据所述液压控制模块7211接收的导向信息推动各自的活塞72212和推靠件72213沿所述导向套筒22的径向推靠井壁产生的合力使所述钻头 1发生偏转。

实施例5

与上述实施例不同地是，如图4所示，所述导向短节2包括带有轴向贯通结构的承载本体25，所述承载本体25一端与所述可控钻压扭矩传递短节阵列3的输出端固定相连、另一端固定设有所述钻头1，所述承载本体25内设有所述导向控制模块721和所述测量装置71，所述导向控制模块721和所述测量装置71直接连接所述经钻压扭矩传递短节电气线路8。

作为优选，所述液压控制模块为电动转阀7212，所述电动转阀7212设于所述承载本体 25的轴向贯通结构内，包括沿所述承载本体25的轴向布置且中心开有轴向高压导流孔721211 的转阀阀芯72121和转阀阀壳72122，所述轴向高压导流孔721211连通所述承载本体25的轴向贯通结构进而与所述钻头1的钻头过液孔11相通，所述转阀阀壳72122的外端面密封所述导向执行器722所在位置的所述承载本体25内的轴向贯通结构，所述承载本体25内的钻井循环介质通过所述轴向高压导流孔721211流入所述钻头1；每组所述液压活塞组件的活塞缸分别通过设于所述承载本体25侧壁的活塞导流管251连通所述承载本体25的轴向贯通结构，且在所述活塞导流管251附近设有贯通所述承载本体25侧壁及所述转阀阀壳72122的低压泄流孔252，所述转阀阀芯72121设有低压泄流槽721212和连接所述轴向高压导流孔 721211的第一高压入流孔721213，所述转阀阀壳72122上设有固定对接所述活塞导流管251 的若干液体入流孔721221，旋转所述转阀阀芯72121，使所述第一高压入流孔721213始终朝向导向方向，当有所述液压活塞组件旋转至导向方向所在扇区时，所述第一高压入流孔721213 与所述液体入流孔721221对接，高压钻井循环介质流入该液压活塞组件，使该液压活塞组件内外产生较大压差，进而推动推靠件72213推靠井壁产生导向推力；对应的处于非导向方向所在区的液压活塞组件，其低压泄流槽721212同时对接所述低压泄流孔252和所述液体入流孔721221，该液压活塞组件内外压差相等，进而不产生导向推力。

作为优选，所述所述液压控制模块7211还包括液压控制芯片，所述导向方向所在扇区根据所述姿态测量模块711测得的钻头工具面高边角在所述液压控制芯片进行计算设定。

实施例6

与上述实施例不同地是，所述可控钻压扭矩传递短节阵列3的相邻可控钻压扭矩传递短节之间的极限偏转角不大于8°，以防止可控钻压扭矩传递短节阵列中的可控钻压扭矩传递短节在钻压扭矩传递过程中过度屈曲，进而妨碍钻压扭矩传递，以及防止损害经钻压扭矩传递短节电气线路；和/或所述钻头1至所述可控钻压扭矩传递短节阵列3的输出端偏转中心的距离不超过钻头1直径的10倍；和/或所述可控钻压扭矩传递短节阵列3中各个可控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1直径的8倍，以使得在装置稳定传送组织尼亚和扭矩的基础上，能够使从钻头到最上端的钻压扭矩传递短节间的区段，达到足够完成短半径井钻探的曲率，以实现最大限度的造斜功能。

实施例7

与上述实施例不同地是，如图3-4所示，所述经钻压扭矩传递短节电气线路8外侧设有电气线路保护层82，所述电气线路保护层82包括能够容纳所述经钻压扭矩传递短节电气线路8的弹性钢管或紧密缠绕在所述经钻压扭矩传递节电气线路8外侧的钢皮。所述经钻压扭矩传递短节电气线路8包括串接所述近钻头电气装置7和遥传短节4的电缆。

作为优选，如图4所示，所述贯通结构G包括以所述可控钻压扭矩传递短节阵列3的轴线为中心开设的等径贯通孔G1，且在所述等径贯通孔G1存在偏转间隔区G2的位置，通过柔性承压短流管92串接到一起。所述柔性承压短流管92为承压密封结构，用于保护所述可控钻压扭矩传递短节阵列3的偏转部件不受到贯通结构内的高压钻井循环介质的破坏。所述偏转间隔区G2位于存在间隙的多个临近偏转部件或偏转时会产生间隙及错位的临近偏转部件，所述等径贯通孔G1和柔性承压短流管92共同形成的供钻井循环介质流通的主流道。

作为优选，所述短半径定向钻井工具还包括与所述贯通结构G紧密贴合的柔性贯通承压流管91，所述柔性贯通承压流管91的内部为供钻井循环介质流通的主流道。此时所述柔性贯通承压流管的壁厚应不小于3毫米，且其半径和弹性模量等可以根据井眼扩径情况、造斜率需求和钻压情况合理选择。

作为优选，所述遥传短节4内部设置有泥浆脉冲器，所述遥传短节4设置于所述可控钻压扭矩传递短节阵列3的输入端，用于避免泥浆脉冲器产生的压力波破坏柔性贯通承压流管。

作为优选，如图4所示，所述经钻压扭矩传递短节电气线路8或带有所述电气线路保护层82的所述经钻压扭矩传递短节电气线路8设于所述主流道内。

作为优选，所述经钻压扭矩传递短节电气线路8或带有所述电气线路保护层82的所述经钻压扭矩传递短节电气线路8直接通过线路固定件83固定于所述柔性贯通承压流管91的外管壁表面上，此时所述经钻压扭矩传递短节电气线路8在所述柔性贯通承压流管91的外管壁表面上的布置方式包括螺旋缠绕布置或直接沿所述柔性贯通承压流管91的轴线方向布置。

作为优选，所述柔性贯通承压流管91的外管壁开有电气线路容置槽911，所述电气线路容置槽911沿所述柔性贯通承压流管91的轴线方向延伸，和/或所述电气线路容置槽911以所述柔性贯通承压流管91的轴线为中心，螺旋缠绕布置在所述柔性贯通承压流管91的外管壁上。所述经钻压扭矩传递短节电气线路8或带有所述电气线路保护层82的所述经钻压扭矩传递短节电气线路8设于所述电气线路容置槽911内。

实施例8

与上述实施例不同地是，所述可控钻压扭矩传递短节阵列的长度大于15米。

作为优选，所述短半径定向钻井工具还包括设于所述贯通结构内部的矫直装置，所述矫直装置至少连接所述可控钻压扭矩传递短节阵列的相邻可控钻压扭矩传递短节，且使相邻可控钻压扭矩传递短节始终存在保持同轴特性的趋势。

作为优选，所述矫直装置可为所述柔性贯通承压流管91或设于所述钻压扭矩传递短节的万向节外侧的的波纹密封管9。

作为优选，所述电能传输装置81为无线能量传输装置，所述无线能量传输装置设于所述驱动芯轴21与所述导向套筒22之间，以高频无线能量传输的方式将电能由驱动芯轴21后方的能量发射控制电路传递给导向套筒22中的近钻头电气装置7，以实现所述近钻头电气装置7与所述经钻压扭矩传递短节电气线路8之间的能量传递；所述能量发射控制电路设置于能量发射控制短节73内部，所述能量发射控制短节73设置于所述驱动芯轴21后方，与所述驱动芯轴21至少间隔一个钻压扭矩传递短节31，如图5所示，用于节省每一节的空间位置；或如图6所示，所述电力供应短节94设置于所述能量发射控制短节73的后方，与所述能量发射控制短节73至少间隔一个钻压扭矩传递短节31；所述能量发射控制电路将供电电源输送的电力转换为中心频率在20-50k的高频交流电，通过所述无线能量传递装置传输至导向套筒22，为近钻头电气装置7提供电力。

实施例9

一种短半径定向钻井方法，使用上述短半径定向钻井工具进行定向钻井，根据所述定向井的目标轨迹，通过调整所述可控钻压扭矩传递短节阵列的偏转角度调整所述钻头的钻井角度，并通过与所述可控钻压扭矩传递短节阵列同步旋转和/或偏转的所述接力通讯装置实现井下与井上的接力通讯，进而实现定向钻井的轨迹检测和/或轨迹控制。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (27)

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1-2之一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1-4之一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1-5之一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1-6之一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3-9之一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3-10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，所述导向短节包括带有轴向贯通结构的承载本体，所述承载本体一端与所述可控钻压扭矩传递短节阵列的输出端固定相连、另一端固定设有所述钻头，所述承载本体内设有设有所述导向控制模块和所述姿态测量模块，所述导向控制模块和所述姿态测量模块直接连接所述经钻压扭矩传递短节电气线路。

14.根据权利要求13所述短半径定向钻井工具，其特征在于，所述液压控制模块包括电动转阀，所述电动转阀设于所述承载本体的轴向贯通结构内，包括所述设置于承载本体内部的开有高压导流孔的转阀阀芯和转阀阀壳，所述导向控制模块密封于所述承载本体的承压结构内部，所述承载本体为贯通结构，所述钻井循环介质可通过所述承载本体内部的轴向贯通结构流入所述钻头；所述导向执行器包括至少三组液压活塞组件，每组所述液压活塞组件的活塞缸分别通过设于所述承载本体侧壁上，所述活塞导流管连通所述转阀阀壳和所述活塞缸，且在所述活塞导流管附近设有低压泄流孔，所述转阀阀芯设有低压泄流槽和连接所述高压导流孔的第一高压入流孔，所述转阀阀壳上设有固定对接所述活塞导流管的若干液体入流孔，旋转所述转阀阀芯，使所述第一高压入流孔始终朝向导向控制器的预设方向，当有所述液压活塞组件旋转至导向方向所在扇区时，所述第一高压入流孔与所述液体入流孔对接，高压钻井循环介质流入该液压活塞组件，使该液压活塞组件内外产生较大压差，进而推动推靠件推靠井壁产生导向推力；对应的处于非导向方向所在区的液压活塞组件，其低压泄流槽同时对接所述低压泄流孔和所述液体入流孔，该液压活塞组件内外压差相等，进而不产生导向推力；多组液压活塞组件的合力改变了钻头的破岩方向，使可控钻压扭矩传递短节阵列实现了旋转状态下的导向功能。

15.根据权利要求13所述短半径定向钻井工具，其特征在于，所述液压控制模块包括电磁阀，每个所述液压活塞组件的附近均对应设置一个所述电磁阀；所述电磁阀设于所述承载本体的侧壁内，包括轴向设置的电磁阀座和T型可伸缩阀杆，所述电磁阀座包括一轴向液体容纳腔室，所述T型可伸缩阀杆在所述轴向液体容纳腔室内滑动，且所述轴向液体容纳腔室的内径等于所述T型可伸缩阀杆的阀杆头的外径，所述液体容纳腔室的一端设有与所述轴向贯通结构相通的径向高压入流孔、另一端设有径向泄流孔，所述径向高压入流孔与所述径向泄流孔之间设有通液孔，每组所述液压活塞组件的活塞缸分别通过设于所述承载本体侧壁的活塞导流管连通所述通液孔，处于导向方向所在扇区内的液压活塞组件，其T型可伸缩阀杆位于所述径向泄流孔与所述通液孔之间，所述通液孔与所述径向高压入流孔相连通，使所述液压活塞组件内外产生较大压差，进而推动推靠件推靠井壁产生导向推力；对应的处于非导向方向所在区的液压活塞组件，其T型可伸缩阀杆位于所述径向高压入流孔与所述通液孔之间，其T型可伸缩阀杆位于所述径向高压入流孔与所述通液孔之间，其低压泄流槽与所述所述通液孔连通，该液压活塞组件内外压差相等，进而不产生导向推力。

16.根据权利要求14或15所述短半径定向钻井工具，其特征在于，所述液压控制模块还包括液压控制芯片，所述导向方向所在扇区根据所述姿态测量模块测得的钻头工具面高边角在所述液压控制芯片进行设定。

17.根据权利要求10所述短半径定向钻井工具，其特征在于，所述随钻地层信息测量模块包括伽马测量分模块和/或电阻率测量分模块和/或地层密度测量分模块和/或地层声波时差测量分模块，对应的所述地层信息包括地层伽马射线强度信息和/或地层电阻率信息和/或地层密度信息和/或地层声波时差信息。

18.根据权利要求17所述短半径定向钻井工具，其特征在于，位于所述伽马测量分模块前方的全部钻压扭矩传递短节的最大限位角度之和小于12°，和/或所述伽马测量模与钻头的距离小于6米。

19.根据权利要求3-18之一所述短半径定向钻井工具，其特征在于，在距离所述导向短节至少一个所述可控钻压扭矩传递短节处还设有电力供应短节，所述电力供应短节包括供电电源，所述供电电源包括为所述近钻头电气装置供电的电池和/或井下涡轮发电机。

20.根据权利要求19所述短半径定向钻井工具，其特征在于，所述电力供应短节、所述导向短节和所述遥传短节相互间隔至少一个所述钻压扭矩传递短节，或所述电力供应短节和所述遥传短节均设置于所述钻压扭矩传递短节阵列的上方。

21.根据权利要求19或20所述短半径定向钻井工具，其特征在于，所述井下发电机包括井下涡轮发电机，所述流速传感器即为所述井下涡轮发电机的涡轮，所述钻井循环介质的流速随时间的变化信息通过所述井下涡轮发电机的涡轮转速换算而来。

22.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的长度大于15米。

23.根据权利要求1-22之一所述短半径定向钻井工具，其特征在于，还包括矫直装置，所述矫直装置至少连接所述可控钻压扭矩传递短节阵列的相邻可控钻压扭矩传递短节，且使相邻可控钻压扭矩传递短节始终存在保持同轴特性的趋势。

24.根据权利要求23所述短半径定向钻井工具，其特征在于，所述矫直装置为所述柔性贯通承压流管。

25.根据权利要求7所述短半径定向钻井工具，其特征在于，还包括用于使钻井循环介质不进入所述可控钻压扭矩传递短节阵列的偏转缝隙行程中的密封件，所述密封件可为所述柔性贯通承压流管和/或柔性承压短流管和/或设于所述钻压扭矩传递短节的万向节外侧的波纹密封管。

26.根据权利要求12所述短半径定向钻井工具，其特征在于，所述电能传输装置为无线能量传输装置，所述无线能量传输装置设于所述驱动芯轴与所述导向套筒之间，以高频无线能量传输的方式将电能由驱动芯轴后方的能量发射控制电路传递给导向套筒中的近钻头电气装置；所述能量发射控制电路设置于能量发射控制短节内部，所述能量发射控制短节设置于所述驱动芯轴后方，与所述驱动芯轴至少间隔一个钻压扭矩传递短节；所述电力供应短节设置于所述能量发射控制短节的后方，与所述能量发射控制短节至少间隔一个钻压扭矩传递短节；所述能量发射控制电路将供电电源输送的电力转换为中心频率在3k-200k的高频交流电，通过所述无线能量传递装置传输至导向套筒，为近钻头电气装置提供电力。

27.一种短半径定向钻井方法，其特征在于，使用权利要求1-26之一所述短半径定向钻井工具进行定向钻井，根据所述定向井的目标轨迹，通过调整所述可控钻压扭矩传递短节阵列的偏转角度调整所述钻头的钻井角度，并通过与所述可控钻压扭矩传递短节阵列同步旋转和/或偏转的所述接力通讯装置实现井下与井上的接力通讯，进而实现定向钻井的轨迹检测和/或轨迹控制。

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