CN114439371B - 一种受控超短半径导向钻井系统及钻井方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种受控超短半径导向钻井系统及钻井方法，涉及钻井技术领域，包括依次连接的钻机、常规钻杆、柔性钻杆结构、数据中继传输短节结构、柔性马达结构、随钻测量短节结构和钻头；随钻测量短节结构用于测量井斜和方位信息；数据中继传输短节结构用于接收随钻测量短节结构测量的井斜和方位信息，并将井斜和方位信息发送至钻机；柔性钻杆结构包括至少一个柔性钻杆短节，柔性马达结构包括至少一个柔性马达。本发明的钻井方法能够进行定向钻井和复合钻井。本发明达到了超短半径定向井井眼轨迹控制和钻进提速增效的目的。

Description

一种受控超短半径导向钻井系统及钻井方法

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，特别是涉及一种受控超短半径导向钻井系统及钻井方法。

背景技术

现有的超短半径定向井或超短半径水平井钻井系统或工具中均不包含柔性马达，导致在超短半径定向井或超短半径水平井钻进过程中无法随钻实时控制井眼轨迹，钻进井眼轨迹处于失控状态，无法达到设计要求；此外，由于没有井下马达，钻进过程中只能通过钻机驱动钻柱和钻头旋转破岩，钻探效率低，施工成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种受控超短半径导向钻井系统及钻井方法，解决了超短半径定向井和超短半径水平井井眼轨迹控制和钻进提速技术难题，为陆域和海域深部能源资源钻采降本增效、挖潜增产提供了解决方案。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种受控超短半径导向钻井系统，包括依次连接的钻机、常规钻杆、柔性钻杆结构、数据中继传输短节结构、柔性马达结构、随钻测量短节结构和钻头；所述随钻测量短节结构用于测量井斜和方位信息；所述数据中继传输短节结构用于接收所述随钻测量短节结构测量的井斜和方位信息，并将井斜和方位信息发送至所述钻机；所述柔性钻杆结构包括至少一个柔性钻杆短节，所述柔性马达结构包括至少一个柔性马达，相邻的所述柔性钻杆短节、相邻的所述柔性马达、所述柔性马达与所述随钻测量短节结构均分别通过一摆动结构能够实现摆动；所述常规钻杆的内部、所述柔性钻杆结构的内部、所述数据中继传输短节结构的内部、所述柔性马达结构的内部、所述随钻测量短节结构的内部和所述钻头的内部形成钻井液流动的通道。

优选地，各所述柔性马达均包括马达外壳、马达主轴、马达定子和马达转子，所述马达主轴设置在所述马达外壳的内侧，所述马达外壳和所述马达主轴转动连接，所述马达外壳的上端与所述数据中继传输短节结构连接，所述马达外壳的下端与相邻的所述马达外壳或所述随钻测量短节结构连接，所述马达主轴的下端与相邻的所述马达主轴或所述随钻测量短节结构通过一万向轴传动连接，所述马达定子设置在所述马达外壳的内壁上，所述马达转子设置在所述马达主轴的外壁，所述马达定子和所述马达转子的位置对应，所述马达定子和所述马达转子之间存在间隙。

优选地，所述马达外壳与所述马达主轴通过第一轴承结构转动连接，所述马达外壳的内侧设置有第一轴承座，所述第一轴承座开设有第一通道孔，所述第一通道孔用于钻井液的流动，所述第一轴承结构位于所述马达主轴与所述第一轴承座之间。

优选地，所述随钻测量短节结构包括随钻测量短节外壳和随钻测量短节主轴，所述随钻测量短节外壳具有弯角，所述随钻测量短节外壳设置有测量部件和信号发射器，所述测量部件用于测量井斜和方位，所述信号发射器分别与所述测量部件和所述数据中继传输短节结构电联接，所述信号发射器将所述测量部件测量的井斜和方位的信号发射至所述数据中继传输短节结构，所述随钻测量短节主轴设置在所述随钻测量短节外壳的内侧，所述随钻测量短节主轴与所述随钻测量短节外壳转动连接，所述随钻测量短节外壳的上端与所述柔性马达结构连接，所述随钻测量短节主轴的下端与所述钻头连接。

优选地，所述随钻测量短节主轴的下部设置有空腔，所述空腔的上端对应的所述随钻测量短节主轴的侧壁开设有第一通孔，所述空腔和所述第一通孔用于钻井液的流动；所述钻头内部设置有内通道，所述内通道与所述空腔连通，所述内通道用于钻井液的流动。

优选地，所述随钻测量短节主轴与所述随钻测量短节外壳通过第二轴承结构转动连接，所述随钻测量短节主轴和所述随钻测量短节外壳之间还设置有扶正结构，所述扶正结构设置在所述第二轴承结构的上方，所述扶正结构包括扶正轴承内套和扶正轴承外套，所述扶正轴承内套设置在所述随钻测量短节主轴的外侧，所述扶正轴承外套设置在所述随钻测量短节外壳的内壁，所述扶正轴承外套开设有第二通孔，所述第二通孔用于钻井液的流动。

优选地，所述摆动结构包括球头结构和限位球，所述球头结构的内部中空设置，所述球头结构包括球头和球杆，所述球杆的一端与所述球头连接，所述球头的外壁开设有限位球槽，所述限位球位于所述限位球槽中。

本发明还提供了一种采用所述受控超短半径导向钻井系统的钻井方法，包括以下步骤：

第一步，在井筒内下入造斜器，并根据设计侧钻深度、方位将造斜器稳定坐挂在井筒内；

第二步，利用钻机先后将钻头、随钻测量短节结构、柔性马达结构、数据中继传输短节结构、柔性钻杆结构、常规钻杆下入井筒中；柔性钻杆结构和柔性马达结构的长度之和应大于计划新钻进井段长度，常规钻杆的长度按常规钻井工程作业需要调整；

第三步，钻头下入到造斜器位置时，先通过随钻测量短节结构测量随钻测量短节外壳的弯角方位是否与设计侧钻方位一致，如不一致应根据实测情况进行调整，使随钻测量短节外壳的弯角方位与设计侧钻方位一致；

第四步，当进行定向钻井时，锁定钻机的钻柱驱动装置，确保常规钻杆不回转；启动钻机的泥浆泵将钻井液泵入常规钻杆，钻井液依次通过柔性钻杆结构、数据中继传输短节结构、柔性马达结构、随钻测量短节结构和钻头，钻井液驱动柔性马达结构工作，通过柔性马达结构为钻头提供破岩动力，从而驱动钻头旋转进行侧钻定向作业；

当进行复合钻井时，解开钻机的钻柱驱动装置，通过钻机驱动常规钻杆、柔性钻杆结构、数据中继传输短节结构、柔性马达结构、随钻测量短节结构同步回转，钻头在钻机和柔性马达结构的共同驱动下复合高速旋转破岩。

优选地，所述第四步中，在钻进过程中随钻测量短节结构实时测量井斜和方位信息并将测量到的井斜和方位信息传输给数据中继传输短节结构，数据中继传输短节结构将随钻测量短节结构实时测量到的井斜和方位信息中继传输到钻机平台上；

在钻进过程中钻机平台上的作业人员实时获取数据中继传输短节结构发送的井斜和方位信息信号，并根据井斜和方位信息实时地对新钻井眼轨迹、钻进方向、钻进效果进行分析预测，并根据分析预测结果决定是否需要对钻进参数进行调整。

优选地，所述第四步中，在钻进过程中如果需要调整钻头的钻进方向，则调整钻机的钻柱驱动装置，进而驱动常规钻杆、柔性钻杆结构、数据中继传输短节结构、柔性马达结构、随钻测量短节结构同步回转；并根据随钻测量短节结构测量的井斜和方位信息判断调整后的钻进方向是否符合设计方向，如仍未达到设计方向，则继续调整，直到钻进方向符合设计为止，此时锁定钻机的钻柱驱动装置，继续钻进施工。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明能够随钻实时近钻头测量井下井斜和方位数据，并根据实时测量的井下数据调整钻进参数和钻头破岩方向，达到了超短半径定向井井眼轨迹控制和钻进提速增效的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的受控超短半径导向钻井系统示意图；

图2为本发明的柔性钻杆结构外部示意图；

图3为本发明的柔性钻杆结构内部示意图；

图4为本发明的柔性马达结构外部示意图；

图5为本发明的柔性马达结构内部示意图；

图6为本发明的随钻测量短节结构外部示意图；

图7为本发明的随钻测量短节结构内部示意图；

其中：100-受控超短半径导向钻井系统，1-钻机，2-常规钻杆，3-柔性钻杆结构，4-数据中继传输短节结构，5-柔性马达结构，6-随钻测量短节结构，7-钻头，8-造斜器，9-摆动结构，10-限位球，11-限位球槽，12-马达外壳，13-马达主轴，14-马达定子，15-马达转子，16-第一轴承结构，17-第一通道孔，18-第一轴承座，19-随钻测量短节外壳，20-随钻测量短节主轴，21-测量部件，22-信号发射器，23-空腔，24-第一通孔，25-第二轴承结构，26-扶正轴承内套，27-扶正轴承外套，28-第二通孔，29-柔性钻杆短节，30-钻具上接头，31-悬挂端头，32-马达上端头，33-球座，34-联轴器，35-传动轴，37-密封盖板，38-主轴锥形套，39-外壳调整套，40-第三通孔，41-密封内套，42-密封外套，43-连接接头，44-柔性马达，45-第一通道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种受控超短半径导向钻井系统及钻井方法，解决了超短半径定向井和超短半径水平井井眼轨迹控制和钻进提速技术难题，为陆域和海域深部能源资源钻采降本增效、挖潜增产提供了解决方案。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-图7所示：本实施例提供了一种受控超短半径导向钻井系统100，包括依次连接的钻机1、常规钻杆2、柔性钻杆结构3、数据中继传输短节结构4、柔性马达结构5、随钻测量短节结构6和钻头7；随钻测量短节结构6用于测量井斜和方位信息；数据中继传输短节结构4用于接收随钻测量短节结构6测量的井斜和方位信息，并将井斜和方位信息发送至钻机1；柔性钻杆结构3包括至少一个柔性钻杆短节29，柔性马达结构5包括至少一个柔性马达44，相邻的柔性钻杆短节29、相邻的柔性马达44、柔性马达44与随钻测量短节结构6均分别通过一摆动结构9能够实现摆动；相邻的柔性马达44之间、柔性马达44与随钻测量短节结构6之间、随钻测量短节结构6与钻头7之间均传动连接；常规钻杆2的内部、柔性钻杆结构3的内部、数据中继传输短节结构4的内部、柔性马达结构5的内部、随钻测量短节结构6的内部和钻头7的内部形成钻井液流动的通道；钻机1驱动常规钻杆2、柔性钻杆结构3、数据中继传输短节结构4、柔性马达结构5、随钻测量短节结构6和钻头7同时转动；随钻测量短节结构6具有弯角，柔性马达结构5驱动随钻测量短节结构6和钻头7同时转动，实现定向钻进。

本实施例中，钻机1是指钻机系统，应至少包含大钩、钻柱驱动装置、泥浆泵等常规配套设备，可采用满足钻井工程需要的各种钻机1，例如ZJ30石油钻机1、XJ450修井机等。

本实施例中，摆动结构9包括球头结构和限位球10，球头结构的内部中空设置，用于钻井液的流动，球头结构包括球头和球杆，球杆的一端与球头连接，球头的外壁开设有限位球槽11，限位球10位于限位球槽11中。

本实施例中，常规钻杆2采用现有符合钻井工程相关标准的钻杆，常规钻杆2为中空钻杆，常规钻杆2的长度根据需要进行调整。常规钻杆2与柔性钻杆短节29之间通过摆动结构9连接，常规钻杆2与柔性钻杆短节29之间的摆动结构9为第一摆动结构，常规钻杆2下端的内壁呈圆弧状，常规钻杆2下端与第一摆动结构形成球铰，常规钻杆2的内壁设置有凹槽，第一摆动结构的限位球10位于凹槽和限位球槽11中，限位球10进行限位，第一摆动结构的球头能够在常规钻杆2下端实现一定角度的摆动，但第一摆动结构的球头与常规钻杆2不能相对转动，从而实现传递扭矩的功能；第一摆动结构的球杆与柔性钻杆短节29上端螺纹连接。

本实施例中，柔性钻杆结构3的总长取决于连接的柔性钻杆短节29数量，柔性钻杆结构3总长可根据钻井工程需要，通过增加或减少柔性钻杆短节29数量的方式进行调整，柔性钻杆结构3具有传递钻压扭矩功能、能够为钻井液循环提供通道，多个摆动结构9摆动的角度累加使得柔性钻杆结构3能够通过曲率半径R≥3m的井段。各柔性钻杆短节29均为中空结构，柔性钻杆短节29内部的中空结构用于钻井液的流动，相邻的柔性钻杆短节29之间的摆动结构9为第二摆动结构，各柔性钻杆短节29下端的内壁呈圆弧状，柔性钻杆短节29下端与第二摆动结构形成球铰，柔性钻杆短节29的内壁设置有凹槽，第二摆动结构的限位球10位于凹槽和限位球槽11中，限位球10进行限位，第二摆动结构的球头能够在柔性钻杆短节29下端实现一定角度的摆动，但第二摆动结构的球头与柔性钻杆短节29不能相对转动，从而实现传递扭矩的功能；第二摆动结构的球杆与相邻的柔性钻杆短节29上端螺纹连接。

本实施例中，柔性钻杆短节29与数据中继传输短节结构4通过摆动结构9连接，柔性钻杆短节29与数据中继传输短节结构4之间的摆动结构9为第三摆动结构，柔性钻杆短节29下端的内壁呈圆弧状，柔性钻杆短节29下端与第三摆动结构形成球铰，柔性钻杆短节29的内壁设置有凹槽，第三摆动结构的限位球10位于凹槽和限位球槽11中，限位球10进行限位，第三摆动结构的球头能够在柔性钻杆短节29下端实现一定角度的摆动，但第三摆动结构的球头与柔性钻杆短节29不能相对转动，从而实现传递扭矩的功能；第三摆动结构的球杆与数据中继传输短节结构4的上端螺纹连接。

本实施例中，数据中继传输短节结构4内部设置有用于钻井液流动的通道，数据中继传输短节结构4包括信号接收装置和信号发生装置，信号接收装置与随钻测量短节结构6电连接，信号接收装置用于接收随钻测量短节结构6测量的井斜和方位信息，即信号接收装置可探测和储存随钻测量短节结构6发出的电磁波，信号发生装置与钻机1电连接，信号发生装置用于将接收的井斜和方位信息发送至钻机1，具体地，信号发生装置通过无线的方式将信号接收装置接收到的电磁波数据发送到钻机1的钻机平台上，信号发生装置发射数据信号的方式可以选用泥浆脉冲方式，也可以选用电磁波方式。

本实施例中，柔性马达结构5的总长取决于连接的柔性马达44的数量，柔性马达结构5总长可根据钻井工程需要通过增加或减少柔性马达44数量的方式进行调整；柔性马达结构5具有传递钻压扭矩功能，多个摆动结构9摆动的角度累加使得柔性马达结构5能够通过能够通过曲率半径R≥4m的井段，在钻井液的驱动下能够将钻井液的水力能转化为机械能为钻头7提供井下动力。各柔性马达44均包括马达外壳12、马达主轴13、马达定子14和马达转子15，马达主轴13设置在马达外壳12的内侧，马达外壳12和马达主轴13转动连接，马达外壳12的下端与相邻的马达外壳12或随钻测量短节结构6连接，马达主轴13的下端与相邻的马达主轴13或随钻测量短节结构6通过一万向轴传动连接，马达定子14设置在马达外壳12的内壁上，马达转子15设置在马达主轴13的外壁，马达定子14和马达转子15的位置对应，马达定子14和马达转子15之间存在间隙，马达定子14和马达转子15配合组成钻井液马达，将钻井液的水力能转化为旋转的机械能，在钻井液的驱动下马达转子15高速旋转，马达转子15带动马达主轴13同步旋转。

本实施例中，数据中继传输短节结构4与柔性马达44通过连接接头43、马达上端头32连接，具体地，连接接头43包括钻具上接头30和悬挂端头31，钻具上接头30设置有第一通道45，第一通道45用于钻井液的流动，钻具上接头30的上端设置有与数据中继传输短节结构4连接的API螺纹结构，悬挂端头31设置在钻具上接头30的下端，悬挂端头31与柔性马达44通过摆动结构9连接，悬挂端头31与柔性马达44之间的摆动结构9为第四摆动结构，第四摆动结构的球头位于钻具上接头30下端的内侧，钻具上接头30下端的内壁呈圆弧状，钻具上接头30下端与第四摆动结构形成球铰，钻具上接头30的内壁设置有凹槽，第四摆动结构的限位球10位于凹槽和限位球槽11中，限位球10进行限位，第四摆动结构的球头能够在钻具上接头30下端实现一定角度的摆动，但第四摆动结构的球头与钻具上接头30不能相对转动，从而实现传递扭矩的功能；马达上端头32通过外螺纹与马达外壳12连接，马达上端头32通过内螺纹与第四摆动结构的球杆连接。

本实施例中，马达外壳12与马达主轴13通过两个第一轴承结构16转动连接，两个第一轴承结构16分别位于马达转子15的上方和下方，马达外壳12的内侧设置有两个第一轴承座18，两个第一轴承座18分别位于马达定子14的上方和下方，第一轴承座18均开设有第一通道孔17，第一通道孔17用于钻井液的流动，第一轴承结构16位于马达主轴13与第一轴承座18之间，起扶正支撑作用。

本实施例中，相邻的柔性马达44通过摆动结构9连接，相邻的柔性马达44之间的摆动结构9为第五摆动结构，第五摆动结构的球头位于前一马达外壳12下端的内侧，前一马达外壳12下端的内侧设置有球座33，球座33与前一马达外壳12键连接，球座33的内壁呈圆弧状，球座33与第五摆动结构形成球铰，前一马达外壳12的球座33设置有凹槽，第五摆动结构的限位球10位于凹槽和限位球槽11中，限位球10进行限位，第五摆动结构的球头能够在前一马达外壳12下端实现一定角度的摆动，但第五摆动结构的球头与前一马达外壳12下端不能相对转动，从而实现传递扭矩的功能；第五摆动结构的球杆与相邻的马达外壳12上端螺纹连接。

本实施例中，万向轴包括两个联轴器34和传动轴35，万向轴用以实现万向摆动并将扭矩传递向下传递，马达主轴13与相邻的马达主轴13之间的万向轴为第一万向轴，具体地，当马达主轴13的下端与相邻的马达主轴13通过第一万向轴传动连接时，一个联轴器34的上端与前一马达主轴13的下端螺纹连接，一个联轴器34的下端与传动轴35的上端的上球头连接，另一个联轴器34的上端与传动轴35的下端的下球头连接，另一个联轴器34的下端与下一马达主轴13的上端螺纹连接，联轴器34与上球头、联轴器34与下球头形成球铰，两个联轴器34与传动轴35相互之间可以摆动，在传递扭矩的同时具有万向作用，工作时，实现相邻的马达主轴13的同步旋转，实现扭矩的向下传递，第一万向轴位于第五摆动结构的内侧，且第一万向轴的外壁与第五摆动结构的内壁存在间隙，用于钻井液的流动；

当马达主轴13的下端与随钻测量短节结构6的随钻测量短节主轴20通过万向轴传动连接时，马达主轴13的下端与随钻测量短节结构6的随钻测量短节主轴20之间的万向轴为第二万向轴，一个联轴器34的上端与马达主轴13的下端螺纹连接，一个联轴器34的下端与传动轴35的上端的上球头连接，另一个联轴器34的上端与传动轴35的下端的下球头连接，另一个联轴器34的下端与随钻测量短节主轴20的上端螺纹连接，联轴器34与上球头、联轴器34与下球头形成球铰，两个联轴器34与传动轴35相互之间可以摆动，在传递扭矩的同时具有万向作用，工作时，实现马达主轴13与随钻测量短节主轴20的同步旋转，实现扭矩的向下传递，第二万向轴位于第六摆动结构的内侧，且第二万向轴的外壁与第六摆动结构的内壁存在间隙，用于钻井液的流动。

本实施例中，柔性马达44与随钻测量短节结构6之间通过摆动结构9连接，柔性马达44与随钻测量短节结构6之间的摆动结构9为第六摆动结构，第六摆动结构的球头位于马达外壳12下端的内侧，马达外壳12下端的内侧设置有球座33，球座33与马达外壳12外壳键连接，球座33的内壁呈圆弧状，球座33与第六摆动结构形成球铰，马达外壳12的球座33设置有凹槽，第六摆动结构的限位球10位于凹槽和限位球槽11中，限位球10进行限位，第六摆动结构的球头能够在马达外壳12下端实现一定角度的摆动，但第六摆动结构的球头与马达外壳12下端不能相对转动，从而实现传递扭矩的功能。

本实施例中，随钻测量短节结构6包括随钻测量短节外壳19和随钻测量短节主轴20，随钻测量短节外壳19的上端设置有随钻测量短节端头，随钻测量短节端头通过外螺纹与随钻测量短节外壳19连接，随钻测量短节端头通过内螺纹与第六摆动结构的球杆螺纹连接，随钻测量短节外壳19的外观呈圆柱状，随钻测量短节外壳19具有弯角，具有定向造斜钻进功能，随钻测量短节外壳19包括第一弯折部和第二弯折部，第二弯折部指向的方向即为钻头7破岩方向，随钻测量短节外壳19的第二弯折部的外侧开设有凹槽，凹槽内设置有测量部件21和信号发射器22，测量部件21和信号发射器22的外侧设置有密封盖板37，密封盖板37与随钻测量短节外壳19密封连接，密封盖板37的作用是阻断钻井液侵入，固定并保护内部的测量部件21和信号发射器22等电器元件，测量部件21用于测量井斜和方位，信号发射器22分别与测量部件21和数据中继传输短节结构4电联接，信号发射器22将测量部件21测量的井斜和方位的信号发射至数据中继传输短节结构4，随钻测量短节主轴20设置在随钻测量短节外壳19的内侧，随钻测量短节主轴20与随钻测量短节外壳19转动连接，随钻测量短节外壳19的上端与柔性马达结构5连接，随钻测量短节主轴20的下端的内壁或外壁设置有用于与钻头7连接的标准API螺纹。

本实施例中，测量部件21包括数字陀螺仪、蓄电池和存储器，数字陀螺仪用于测量井斜和方位，存储器与数字陀螺仪电连接，存储器用于存储数字陀螺仪测量的井斜和方位的数据，蓄电池用于为数字陀螺仪和存储器提供电能。存储器与信号发射器22电连接，信号发射器22为电磁波发生器，其作用是将收到的井斜和方位信息通过电磁波发射到数据中继传输短节结构4。

本实施例中，测量部件21还可以测量钻压、扭矩、转速、自然伽马、等，测量钻压采用压力传感器、测量扭矩采用扭矩传感器，测量转速采用加速度计，测量自然伽马采用自然伽马探测器，压力传感器、扭矩传感器、加速度计和自然伽马探测器分别与存储器电连接。

本实施例中，随钻测量短节主轴20的下部设置有空腔23，空腔23的上端对应的随钻测量短节主轴20的侧壁开设有第一通孔24，第一通孔24与空腔23连通，空腔23和第一通孔24用于钻井液的流动；钻头7内部设置有内通道，内通道与空腔23连通，内通道用于钻井液的流动。

本实施例中，随钻测量短节主轴20与随钻测量短节外壳19通过第二轴承结构25转动连接，第二轴承结构25为开式推力轴承，其作用是承担随钻测量短节主轴20轴向的钻压，钻井液可通过第二轴承结构25，随钻测量短节主轴20和随钻测量短节外壳19之间还设置有扶正结构，扶正结构设置在第二轴承结构25的上方，扶正结构包括扶正轴承内套26和扶正轴承外套27，扶正轴承内套26设置在随钻测量短节主轴20的外侧，扶正轴承外套27设置在随钻测量短节外壳19的内壁，扶正轴承内套26与扶正轴承外套27互相作用组成滑动轴承，起扶正随钻测量短节主轴20的作用，扶正轴承外套27开设有第二通孔28，第二通孔28用于钻井液的流动。

本实施例中，第二轴承结构25的下端设置有主轴锥形套38和外壳调整套39，主轴锥形套38套设在随钻测量短节主轴20的外侧，外壳调整套39位于随钻测量短节外壳19的内侧，外壳调整套39的作用是沿轴向限定第二轴承结构25的位置，主轴锥形套38上开设有第三通孔40，第三通孔40与第二通孔28连通，用于钻井液循环通过。

本实施例中，随钻测量短节主轴20和随钻测量短节外壳19之间设置有密封结构，密封结构包括密封内套41和密封外套42，密封内套41套设在随钻测量短节主轴20的外侧，且密封内套41位于主轴锥形套38的下端，密封外套42位于随钻测量短节外壳19的内侧，且密封外套42位于外壳调整套39的下端，密封外套42与密封内套41间隙较小，其作用是阻断钻井液泄露，并扶正随钻测量短节主轴20。

钻头7上的钻压依次通过随钻测量短节主轴20、密封内套41、主轴锥形套38传递到第二轴承结构25上。随钻测量短节外壳19的第二弯折部朝向定向钻进造斜方向，实施定向钻进；测量部件21测定井斜和方位信息，信号发射器22将井斜和方位信息发射给数据中继传输短节结构4，进而传输至钻机1，技术人员即可获得井斜和方位信息，从而掌握和控制定向钻进方位。本实施例的随钻测量短节外壳19具有弯角可实施定向造斜钻进，定向钻进过程中随钻测量短节外壳19不发生转动，可以通过随钻测量短节外壳19上的测量部件21静止测量井斜和方位，测量精度较高。

本实施例中，受控超短半径导向钻井系统100还包括造斜器8，具体采用适用于钻井工程的具有坐挂功能的造斜器8。

钻井液的循环通道如下：钻井液由钻机1的方钻杆、顶驱进入常规钻杆2、第一摆动结构的中空孔、柔性钻杆结构3(在相邻的柔性钻杆短节29中，依次经过柔性钻杆短节29、第二摆动结构的中空孔、柔性钻杆短节29)、第三摆动结构的中空孔、数据中继传输短节结构4、第四摆动结构的中空孔、钻具上接头30的第一通道45、柔性马达结构5(在各柔性马达44中，依次经过第一轴承结构16的第一通道孔17、马达定子14和马达转子15之间的间隙、另一个第一轴承结构16的第一通道孔17)、第六摆动结构的中空孔、第二通孔28、第二轴承结构25、外壳调整套39与主轴锥形套38之间的间隙、第三通孔40、第一通孔24、空腔23、内通道流出钻头7至井眼，再在泥浆泵的作用下，由受控超短半径导向钻井系统100与井眼之间的间隙流回至钻机1，实现循环。

本实施例的摆动结构9可以使受控超短半径导向钻井系统100根据井眼形状摆出一定角度，摆动角度多级累加使本实施例的受控超短半径导向钻井系统100具有柔性特征，能够穿过复杂结构的井眼，进行钻进作业。柔性马达结构5能够将钻井液的水力能转化为旋转的机械能，驱动马达主轴13、随钻测量短节主轴20和钻头7同步旋转，提高钻头7钻进机械钻速进行钻进作业。

采用本实施例进行定向钻时，柔性马达结构5工作，柔性马达结构5的马达主轴13带动随钻测量短节主轴20、钻头7转动，钻进角度固定；采用本实施例进行符合钻时，钻机1和柔性马达结构5同时通过，钻机1带动常规钻杆2、柔性钻杆结构3、数据中继传输短节结构4、马达外壳12、随钻测量短节外壳19转动，柔性马达结构5的马达主轴13带动随钻测量短节主轴20、钻头7转动，钻进角度不固定。

本实施例可以实现超短半径定向井或超短半径水平井随钻井眼轨迹控制，采用本实施例可以在超短半径定向井或超短半径水平井钻进过程中进行复合钻进，大幅提高钻探效率。

本发明中的万向轴可以采用球形万向轴、十字万向轴等多种形式，采用其他万向轴形式仍属于本发明的发明范围。

钻井液马达也称为泥浆马达，其具体形式可以是螺杆马达、涡轮马达或其他液动马达形式，对于液动马达形式的改变仍属于本发明的发明范围。

实施例二

本实施例提供了一种采用实施例一的受控超短半径导向钻井系统100的钻井方法，包括以下步骤：

第一步，在井筒内下入造斜器8，并根据设计侧钻深度、方位将造斜器8稳定坐挂在井筒内；

第二步，利用钻机1先后将钻头7、随钻测量短节结构6、柔性马达结构5、数据中继传输短节结构4、柔性钻杆结构3、常规钻杆2下入井筒中，具体地，钻头7、随钻测量短节结构6、柔性马达结构5、数据中继传输短节结构4、柔性钻杆结构3之间依次连接，最后将常规钻杆2与钻机1通过螺纹连接；柔性钻杆结构3和柔性马达结构5的长度之和应大于计划新钻进井段长度，由于新钻井眼的曲率半径较小，柔性钻杆结构3和柔性马达结构5长度总和，需保证钻具在新钻井眼的通过能力，并满足新钻井眼长度方向上的延伸距离需要；常规钻杆2的长度按常规钻井工程作业需要调整；

第三步，钻头7下入到造斜器8位置时，先通过随钻测量短节结构6测量随钻测量短节外壳19的弯角方位是否与设计侧钻方位一致，如不一致应根据实测情况进行调整，使随钻测量短节外壳19的弯角方位与设计侧钻方位一致；具体地，随钻测量短节结构6标定后，可以测量随钻测量短节外壳19的弯角方位，也就是弯角的朝向，可以通过钻机1扭转钻头7、随钻测量短节结构6、柔性马达结构5、数据中继传输短节结构4、柔性钻杆结构3、常规钻杆2形成的钻柱系统，调整弯角方位；

第四步，当进行定向钻井时，锁定钻机1的钻柱驱动装置，确保常规钻杆2不回转；启动钻机1的泥浆泵将钻井液泵入常规钻杆2，钻井液依次通过柔性钻杆结构3、数据中继传输短节结构4、柔性马达结构5、随钻测量短节结构6和钻头7，钻井液驱动柔性马达结构5工作，缓慢加钻压，通过柔性马达结构5为钻头7提供破岩动力，从而驱动钻头7旋转进行侧钻定向作业；

当进行复合钻井时，即在钻进过程中需要保持井眼方向沿直线钻进，不需要钻头7进行增斜钻进，则解开钻机1的钻柱驱动装置，通过钻机1驱动常规钻杆2、柔性钻杆结构3、数据中继传输短节结构4、柔性马达结构5、随钻测量短节结构6同步回转，钻头7在钻机1和柔性马达结构5的共同驱动下复合高速旋转破岩，从而达到提速增效的效果。

在钻进过程中随钻测量短节结构6实时测量井斜和方位信息并将测量到的井斜和方位信息传输给数据中继传输短节结构4，数据中继传输短节结构4将随钻测量短节结构6实时测量到的井斜和方位信息中继传输到钻机平台上；

在钻进过程中钻机平台上的作业人员实时获取数据中继传输短节结构4发送的井斜和方位信息信号，并根据井斜和方位信息实时地对新钻井眼轨迹、钻进方向、钻进效果进行分析预测，并根据分析预测结果决定是否需要对钻进参数进行调整；

在钻进过程中如果需要调整钻头7的钻进方向，则调整钻机1的钻柱驱动装置，进而驱动常规钻杆2、柔性钻杆结构3、数据中继传输短节结构4、柔性马达结构5、随钻测量短节结构6同步回转，随钻测量短节结构6外壳弯角指向的方向变化，即钻头7的破岩钻进方向变化；并根据随钻测量短节结构6测量的井斜和方位信息判断调整后的钻进方向是否符合设计方向，如仍未达到设计方向，则继续调整，直到钻进方向符合设计为止，此时锁定钻机1的钻柱驱动装置，继续钻进施工。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种受控超短半径导向钻井系统，其特征在于：包括依次连接的钻机、常规钻杆、柔性钻杆结构、数据中继传输短节结构、柔性马达结构、随钻测量短节结构和钻头；所述随钻测量短节结构用于测量井斜和方位信息；所述数据中继传输短节结构用于接收所述随钻测量短节结构测量的井斜和方位信息，并将井斜和方位信息发送至所述钻机；所述柔性钻杆结构包括至少一个柔性钻杆短节，所述柔性马达结构包括至少一个柔性马达，相邻的所述柔性钻杆短节、相邻的所述柔性马达、所述柔性马达与所述随钻测量短节结构均分别通过一摆动结构能够实现摆动；所述常规钻杆的内部、所述柔性钻杆结构的内部、所述数据中继传输短节结构的内部、所述柔性马达结构的内部、所述随钻测量短节结构的内部和所述钻头的内部形成钻井液流动的通道；

各所述柔性马达均包括马达外壳、马达主轴、马达定子和马达转子，所述马达主轴设置在所述马达外壳的内侧，所述马达外壳和所述马达主轴转动连接，所述马达外壳的上端与所述数据中继传输短节结构连接，所述马达外壳的下端与相邻的所述马达外壳或所述随钻测量短节结构连接，所述马达主轴的下端与相邻的所述马达主轴或所述随钻测量短节结构通过一万向轴传动连接，所述马达定子设置在所述马达外壳的内壁上，所述马达转子设置在所述马达主轴的外壁，所述马达定子和所述马达转子的位置对应，所述马达定子和所述马达转子之间存在间隙。

2.根据权利要求1所述的受控超短半径导向钻井系统，其特征在于：所述马达外壳与所述马达主轴通过第一轴承结构转动连接，所述马达外壳的内侧设置有第一轴承座，所述第一轴承座开设有第一通道孔，所述第一通道孔用于钻井液的流动，所述第一轴承结构位于所述马达主轴与所述第一轴承座之间。

3.根据权利要求1所述的受控超短半径导向钻井系统，其特征在于：所述随钻测量短节结构包括随钻测量短节外壳和随钻测量短节主轴，所述随钻测量短节外壳具有弯角，所述随钻测量短节外壳设置有测量部件和信号发射器，所述测量部件用于测量井斜和方位，所述信号发射器分别与所述测量部件和所述数据中继传输短节结构电联接，所述信号发射器将所述测量部件测量的井斜和方位的信号发射至所述数据中继传输短节结构，所述随钻测量短节主轴设置在所述随钻测量短节外壳的内侧，所述随钻测量短节主轴与所述随钻测量短节外壳转动连接，所述随钻测量短节外壳的上端与所述柔性马达结构连接，所述随钻测量短节主轴的下端与所述钻头连接。

4.根据权利要求3所述的受控超短半径导向钻井系统，其特征在于：所述随钻测量短节主轴的下部设置有空腔，所述空腔的上端对应的所述随钻测量短节主轴的侧壁开设有第一通孔，所述空腔和所述第一通孔用于钻井液的流动；所述钻头内部设置有内通道，所述内通道与所述空腔连通，所述内通道用于钻井液的流动。

5.根据权利要求3所述的受控超短半径导向钻井系统，其特征在于：所述随钻测量短节主轴与所述随钻测量短节外壳通过第二轴承结构转动连接，所述随钻测量短节主轴和所述随钻测量短节外壳之间还设置有扶正结构，所述扶正结构设置在所述第二轴承结构的上方，所述扶正结构包括扶正轴承内套和扶正轴承外套，所述扶正轴承内套设置在所述随钻测量短节主轴的外侧，所述扶正轴承外套设置在所述随钻测量短节外壳的内壁，所述扶正轴承外套开设有第二通孔，所述第二通孔用于钻井液的流动。

6.根据权利要求1所述的受控超短半径导向钻井系统，其特征在于：所述摆动结构包括球头结构和限位球，所述球头结构的内部中空设置，所述球头结构包括球头和球杆，所述球杆的一端与所述球头连接，所述球头的外壁开设有限位球槽，所述限位球位于所述限位球槽中。

7.一种采用如权利要求1-6任一项所述的受控超短半径导向钻井系统的钻井方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，在井筒内下入造斜器，并根据设计侧钻深度、方位将造斜器稳定坐挂在井筒内；

第二步，利用钻机先后将钻头、随钻测量短节结构、柔性马达结构、数据中继传输短节结构、柔性钻杆结构、常规钻杆下入井筒中；柔性钻杆结构和柔性马达结构的长度之和应大于计划新钻进井段长度，常规钻杆的长度按常规钻井工程作业需要调整；

第三步，钻头下入到造斜器位置时，先通过随钻测量短节结构测量随钻测量短节外壳的弯角方位是否与设计侧钻方位一致，如不一致应根据实测情况进行调整，使随钻测量短节外壳的弯角方位与设计侧钻方位一致；

随钻测量短节结构包括随钻测量短节外壳，随钻测量短节外壳具有弯角，具有定向造斜钻进功能，随钻测量短节外壳的上端与柔性马达结构连接；

第四步，当进行定向钻井时，锁定钻机的钻柱驱动装置，确保常规钻杆不回转；启动钻机的泥浆泵将钻井液泵入常规钻杆，钻井液依次通过柔性钻杆结构、数据中继传输短节结构、柔性马达结构、随钻测量短节结构和钻头，钻井液驱动柔性马达结构工作，通过柔性马达结构为钻头提供破岩动力，从而驱动钻头旋转进行侧钻定向作业；

当进行复合钻井时，解开钻机的钻柱驱动装置，通过钻机驱动常规钻杆、柔性钻杆结构、数据中继传输短节结构、柔性马达结构、随钻测量短节结构同步回转，钻头在钻机和柔性马达结构的共同驱动下复合高速旋转破岩。

8.根据权利要求7所述的钻井方法，其特征在于：所述第四步中，在钻进过程中随钻测量短节结构实时测量井斜和方位信息并将测量到的井斜和方位信息传输给数据中继传输短节结构，数据中继传输短节结构将随钻测量短节结构实时测量到的井斜和方位信息中继传输到钻机平台上；

在钻进过程中钻机平台上的作业人员实时获取数据中继传输短节结构发送的井斜和方位信息信号，并根据井斜和方位信息实时地对新钻井眼轨迹、钻进方向、钻进效果进行分析预测，并根据分析预测结果决定是否需要对钻进参数进行调整。

9.根据权利要求8所述的钻井方法，其特征在于：所述第四步中，在钻进过程中如果需要调整钻头的钻进方向，则调整钻机的钻柱驱动装置，进而驱动常规钻杆、柔性钻杆结构、数据中继传输短节结构、柔性马达结构、随钻测量短节结构同步回转；并根据随钻测量短节结构测量的井斜和方位信息判断调整后的钻进方向是否符合设计方向，如仍未达到设计方向，则继续调整，直到钻进方向符合设计为止，此时锁定钻机的钻柱驱动装置，继续钻进施工。

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