CN114776235A - 一种液压推靠式自复位柔性钻杆及钻柱 - Google Patents

Abstract

一种液压推靠式自复位柔性钻杆及钻柱，通过在相邻传动短节铰接处设置液压推靠自复位形式的同轴复位机构，在保证高柔性弯曲的同时，增强柔性钻柱稳定性，避免柔性钻杆的屈曲干扰钻井的精度及钻压传递，提高井眼曲率可控性，降低井眼轨迹控制难度，尤其适用于短半径导向钻进过程。搭配包括钻头、钻进短节、扶正器等井下工具共同构成钻具组合，能够提高短半径定向钻井技术对薄层的开发、剩余油挖潜、多层油气合采、煤层气开发以及其他种类矿物的开发的工程可行性和实用价值。

Description

一种液压推靠式自复位柔性钻杆及钻柱

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，特别是一种液压推靠式自复位柔性钻杆及钻柱。

背景技术

短半径定向钻井技术对多层系的油气田开发、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。

部分学者认为，应将曲率半径在30°～90°/30m的定向井定义为中短半径定向井，将曲率半径在90°～300°/30m的定向井定义为短半径定向井，将曲率半径大于300°/30m以上的定向井定义为超短半径定向井。

目前，在钻井过程中，经常发生井眼曲率太小，导致造斜段太长，处于转弯状态的井段会产生大量的无效进尺，经济效益差且增加施工井段的作业难度。

发明内容

本发明提供一种液压推靠式自复位柔性钻杆及钻柱，通过在相邻传动短节铰接处设置液压推靠自复位形式的同轴复位机构，在保证高柔性弯曲的同时，增强柔性钻柱稳定性，避免柔性钻杆的屈曲干扰柔性钻具条件下钻井的精度及钻压传递，提高井眼曲率可控性，降低井眼轨迹控制难度。

本发明技术方案如下：

一种液压推靠式自复位柔性钻杆，包括依次铰接的多个传动短节和设于相邻传动短节铰接处的同轴复位机构(330)；所述同轴复位机构(330)为相邻传动短节(310)铰接处提供保持同轴状态的回复力；所述传动短节内部为沿其轴向贯通的孔，所述同轴复位机构(330)为推力复位机构，包括活塞杆(334)、活塞帽(335)和液压缸(336)；所述活塞帽(335)固定于所述传动短节的孔内；所述活塞杆(334)一端滑动设于所述活塞帽(335)内部的环形盲孔内，另一端穿过该传动短节延伸至下一传动短节；所述活塞杆(334)的外侧面设有至少一个环形凸台(331)，所述环形凸台(331)、传动短节的孔、活塞杆(334)的外侧面以及活塞帽(335)形成密封的高压活塞腔(333)；所述液压缸(336)固定于所述活塞杆(334)内部且通过液压通道与所述高压活塞腔(333)相连通；通过控制所述液压缸(336)向所述高压活塞腔(333)内注入液压流体，控制所述活塞杆(334)推靠下一传动短节，使得推靠位置形成铰接处保持稳定的支点。

作为优选，所述同轴复位机构(330)在控制系统的作用下完成液压缸(336)向所述高压活塞腔(333)内进行液压流体注入和泄出，进而完成同轴复位机构(330)的加压、保压和泄压动作。

作为优选，所述同轴复位机构(330)为相邻传动短节的铰接处提供保持同轴状态的回复力大于额定钻压在铰接处产生的径向分力。

作为优选，所述同轴复位机构(330)沿其轴线方向延伸有贯通结构(360)，所述贯通结构(360)内设有供钻井循环介质流通的流道。

作为优选，所述控制系统包括指令接收装置(350)和控制电路(500)，所述指令接收装置(350)与控制电路(500)通讯连接；所述指令接收装置(350)接收井上下传至井下的控制指令并将控制指令解析，然后将解析结果传递给控制电路(500)；所述控制电路(500)按照解析结果通过控制阀将液压流体注入到液压缸(336)的高压活塞腔(333)完成加压，使得活塞杆(334)下行推靠下一传动短节的输入端，形成铰接处的稳定支点；或者，在加压完成以后，所述控制电路(500)按照解析结果保持高压活塞腔(333)内部压力,为所述传动短节提供稳定推靠力，维持钻柱稳定；或者所述控制电路(500)按照解析结果通过控制阀将高压活塞腔(333)内部的液压流体抽入到液压缸(336)内部，完成泄压。

作为优选，液压推靠式自复位柔性钻杆还包括一个或多个液压短节(338)，所述液压短节(338)为内置有总液压源(339)的所述传动短节或所述液压短节为内置有总液压源(339)且位于所述自复位柔性钻杆(300)上端的刚性钻柱；每个所述液压缸均通过液压管线(600)连接所述总液压源(339)。

作为优选，所述总液压源(339)还包括指令接收装置(350)和控制电路(500)，所述指令接收装置(350)通过控制线路与所述总液压源(339)通讯连接，用于接收井上下传至井下的控制指令并将控制指令解析，然后将解析结果传递给所述总液压源(339)；总液压源(339)按照解析结果通过控制阀液压流体通过液压管线(600)注入到所述自复位柔性钻杆(300)中的各个液压缸(336)内部完成加压，使得活塞杆(334)下行推出形成铰接结构(340)处的稳定支点；；或者，在加压完成以后，所述总液压源(339)按照解析结果保持液压缸(336)内部压力维持在一个稳定范围,为所述传动短节(310)提供稳定推靠力，维持钻柱稳定；或者根据解析指令，对总液压源(339)按照解析结果进行泄压，使得所述液压缸(336)内部的液压流体通过液压管线(600)抽回到总液压源(339)内部，完成泄压。

作为优选，所述传动短节包括球头和球座，所述球头固定于所述球座，第一传动短节(310)的球头(311)与第二传动短节(320)的球座(322)相对接形成铰接结构(340)；所述第一传动短节(310)的球头(311)与第二传动短节(320)的球座(322)之间未达到结构死点状态下的偏转角度为0°～7°。

作为优选，所述传动短节还包括传动球，所述球头直径最大处设有若干半球形槽(314)，对应所述半球形槽(314)，所述球座孔径最大处设有若干条形传动槽(315)，所述传动球(313)位于所述半球形槽(314)和与之对应的条形传动槽(315)形成的容置腔内，且所述传动球(313)在所述半球形槽(314)的带动下沿所述条形传动槽(315)来回移动；所述条形传动槽(315)沿所述球座的轴向延伸，所述条形传动槽(315)的轴向长度将所述第一传动短节(310)的球头(311)与第二传动短节(320)的球座(322)之间的偏转角度限定在0°～7°。

作为优选，所述传动短节还包括传动销，所述球头直径最大处沿周向设有若干条形槽(314)，对应所述条形槽(314)，所述球座孔径最大处设有若方形传动槽(315)，所述传动销位于所述条形槽(314)和与之对应的方形传动槽(315)形成的容置腔内，且所述传动销(313)在所述条形槽(314)的带动下在所述方形传动槽(315)内移动；所述方形传动槽(315)的长度等于所述传动销的长度，所述方形传动槽(315)的宽度沿所述球座的轴向延伸，所述方形传动槽(315)的轴向宽度将所述第一传动短节(310)的球头(311)与第二传动短节(320)的球座(322)之间的偏转角度限定在0°～7°。

作为优选，所述传动短节(310，320)的长度不大于1.5米；和/或三个相邻传动短节的两个铰接中心点之间的最小距离低于钻头(100)直径的8倍。

作为优选，所述传动短节内设置有限位机构(370)，所述限位机构(370)限制相邻传动短节(310，320)之间的偏转角度不大于5°。

作为优选，所述总液压源(339)通过连接结构(301)固定于所述液压短节(338)，所述连接结构(301)包括螺纹连接结构，销钉连接结构或焊接结构；或所述总液压源(339)与所述液压短节(338)一体成型；所述承载壳体内部设置有可供钻井流体循环的若干通道所述总液压源(339)与所述液压短节(338)之间还设置有可供钻井流体通过的液流通道(361)，所述液流通道(361)与所述贯通结构(360)连通，构成钻井流体循环通道。

作为优选，所述总液压源(339)为电控液压源，包括井底电机(302)和总液压泵(303)，所述井底电机(302)和总液压泵(303)均通过所述连接结构(301)与所述液压短节(338)连接固定；所述井底电机(302)包括电机本体和输出轴(304)，所述总液压泵(303)包括活塞盘(305)和活塞缸套(307)，所述井底电机(302)的输出轴(304)与所述总液压泵(303)的活塞盘(305)连接固定，使得当所述输出轴(304)运动时，所述活塞盘(305)可随之产生一定位移，从而改变所述总液压泵(303)的内部压力。

作为优选，所述液压管线(600)设置在所述活塞杆(334)的内壁上，并且与所述传动短节(310,320)同步旋转。

作为优选，所述液压缸(336)均通过单独的液压管线(600)连接所述总液压源(339)；或者多个相邻传动短节内的液压缸(336)公用一条液压母线，且该液压母线上设置有若干分流子管连接各液压缸，所述液压母线直接连接所述总液压源(339)或多个所述液压母线通过若干级液压传动缸以级联的方式连接到所述总液压源(339)。

一种液压推靠式自复位柔性钻柱，包括钻头(100)、钻进短节(200)、液压推靠式自复位柔性钻杆(300)和扶正器(400)，所述钻头(100)设于钻进短节(200)的前端，所述液压推靠式自复位柔性钻杆(300)一端与所述钻进短节(200)后端固定连接、另一端通过驱动接口(306)与旋转驱动动力装置或其他刚性钻柱相连；所述扶正器(400)设置于所述液压推靠式自复位柔性钻杆(300)外侧且与钻头(100)前端之间的距离不大于3米。

作为优选，所述液压推靠式自复位柔性钻柱可包括多段所述液压推靠式自复位柔性钻杆(300)。

作为优选，所述总液压源(339)包括液压泵和流体马达，所述流体马达为叶轮、涡轮或螺杆，所述流体马达的动力输出端与液压泵的动力输入端传动连接；所述液压泵的高压液体出口端与高压管线连接，所述液压缸(336)与高压管线连接；当所述液压推靠式柔性钻柱内部流通有钻井循环介质时，所述钻井循环介质驱动流体马达旋转，所述流体马达带动液压泵旋转，并将高压流体泵入所述液压缸(336)。

本发明相对于现有技术优势在于：本发明所述液压推靠式自复位柔性钻杆及钻柱，通过有限制转动偏转角度的传动短节形成的自复位柔性钻杆(300)实现短半径井段中的钻压扭矩传递和旋转动力传递，通过同轴复位机构(330)对每一节传动短节实现独立支撑，以保证钻压可以稳定的向钻进短节传递，不会由于铰接传动短节的过度摆动而导致导向控制失稳，以满足短半径井眼钻探对井眼轨迹精度的需求；由于本发明所述液压推靠式柔性钻柱的自复位柔性钻杆(300)可通过铰接结构和同轴复位机构的配合实现一定角度范围内的弯曲，且实现弯曲所需的力远远低于常规钻杆或钻铤的弯曲，因此可以使导向工具以极低的导向力(侧向力)实现导向，以提高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的工程可行性和实用价值。

附图说明

图1是本发明所述液压推靠式自复位柔性钻杆一种实施方式的剖视结构示意图；

图2是本发明所述液压推靠式自复位柔性钻杆中铰接结构的剖视图；

图3是本发明所述液压推靠式自复位柔性钻杆中同轴复位机构的剖视图；

图4是本发明所述液压推靠式自复位柔性钻柱另一种实施方式的的剖视结构示意图；

图5是本发明所述液压推靠式自复位柔性钻柱的流道装配结构示意图；

图6是本发明所述液压推靠式自复位柔性钻柱再一种实施方式的的剖视结构示意图；

图7是本发明所述液压推靠式自复位柔性钻柱中液压短节和总液压源的装配结构示意图；

图8是实施例4所述液压推靠式自复位柔性钻柱的剖视结构示意图；

图9是本发明所述液压推靠式自复位柔性钻柱中控制电路与总液压源的连接结构示意图；

图10是本发明所述液压推靠式自复位柔性钻柱液力驱动装置的装配结构示意图；

图11是本发明所述液压推靠式自复位柔性钻柱液力驱动装置的剖视结构示意图。

图中各标号为：

100-钻头；

200-钻进短节；

300-液压推靠式自复位自复位柔性钻杆；301-连接结构；302-井底电机；303-总液压泵；304-输出轴；305-活塞盘；306-驱动接口；307-活塞缸套；

310-第一传动短节；

320-第二传动短节；311,321-球头；312,322-球座；313-传动球；314-半球形槽；315-条形传动槽；316-传动销；

330-同轴复位机构；331-环形凸台；332-环形空间；333-活塞腔；334-活塞杆；335-活

塞帽；336-液压缸；337-叶轮；338-液压短节；339-总液压源；

340-铰接结构；341-铰接输入端；342-铰接输出端；

350-指令接收装置；

360-贯通结构；361-液流通道；

370-限位机构；

380-机械驱动装置；

390-液力驱动装置；391-变径套；3911-上台肩；3912-下台肩；3913-上台肩面；3914-下台肩面；392-变径杆；3921-前台肩；3922-后台肩；3923-前台肩面；3924-后台肩面；393-旁通模块；394-支撑件；395-上部腔体；396-中间腔体；397-下部腔体；398-径向通孔；

400-扶正器；

500-控制电路；

600-液压管线；

601-液压补偿装置。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合具体实施例，对本发明进行更详细的说明。具体地，本发明所述前是指钻头(100)指向端，后是指远离钻头(100)的一端；下是指靠近钻柱下部方向，上是指靠近钻柱上部方向。

实施例1

一种液压推靠式自复位柔性钻杆(300)，如图1-5所示，包括依次铰接的多个传动短节(310，320)和设于相邻传动短节铰接处的同轴复位机构(330)。多个相互铰接的传动短节(310，320)能够实现液压推靠式自复位柔性钻杆(300)的轴线灵活弯曲，进而使得所述液压推靠式自复位柔性钻杆(300)能够向钻进短节(200)和钻头(100)可转向的传递钻压和扭矩。所述铰接主要指采用球铰或关节连接。同时，所述同轴复位机构(330)为相邻传动短节(310)铰接处的铰接结构(340)提供保持同轴状态的回复力，以确保液压推靠式自复位柔性钻杆(300)轴线弯曲过程中能够保持稳定。进而实现液压推靠式自复位柔性钻杆(300)的高柔性的弯曲，且所述同轴复位机构(330)与铰接结构(340)的配合可使钻进短节(200)的导向工具以极低的导向力实现导向。

每个铰接处均设有一个所述同轴复位机构(330)。所述同轴复位机构(330)可为弹性回复机构和/或弹性推力复位机构和/或液压推力复位机构的任意一种，本实施例中的同轴复位机构(330)为液压推力复位机构，所述同轴复位机构(330)为液压推力复位机构可提供所述柔性钻杆(300)在弯曲状态下保持稳定所需的轴向推力。所述同轴复位机构(330)沿所述传动短节(310)的轴向布置，且至少有一端沿所述传动短节(310)的轴向产生滑动。使得同轴复位机构(330)在自复位柔性钻杆(300)弯曲时不会发生受拉或受压的情况。进而降低同轴复位机构的尺寸和设计难度。

所述传动短节内部为沿其轴向贯通的圆柱孔，所述同轴复位机构(330)设于该圆柱孔中，且所述同轴复位机构(330)沿其轴线方向延伸有贯通结构(360)，所述贯通结构(360)内设有供钻井循环介质流通的流道。所述同轴复位机构(330)沿所述传动短节(310)的轴向布置，包括活塞杆(334)、活塞帽(335)和液压缸(336)；所述活塞帽(335)通过螺纹连接固定于所述传动短节(310)输入端(341)的圆柱孔内；所述活塞杆(334)一端滑动设于所述活塞帽(335)内部的环形通孔内，另一端穿过该传动短节延伸至下一传动短节(320)，并与下一传动短节(320)的输入端(341)接触；所述活塞杆(334)的外侧面设有至少一个环形凸台(331)，所述环形凸台(331)、传动短节的圆柱孔、活塞杆(334)的外侧面以及活塞帽(335)形成密封的高压活塞腔(333)；也即为所述环形凸台(331)能够在传动短节内部自由滑动，并将活塞杆(334)和传动短节(310)之间的环形空间(332)隔断。所述液压缸(336)固定于所述活塞杆(334)内部且通过液压通道与所述高压活塞腔(333)相连通。

优选地，所述液压缸(336)为如图3所示的长方体形，所述活塞杆(334)和活塞帽(335)均开设有轴线圆柱形通孔(也即为所述贯通结构)，所述液压缸(336)与所述活塞杆(334)之间的空隙形成贯通结构(360)的一部分。

通过控制所述液压缸(336)向所述高压活塞腔(333)内注入液压流体，使活塞杆(334)上的环形凸台(331)上下端面形成压差，进而使得所述活塞杆(334)下行，此时推力活塞杆(334)底部推靠下一传动短节(320)的端面(如图2-3所示的传动短节320内设置的活塞帽(335)的上端面；或传动短节320的上端面，也即为铰接输入端341)，使得推靠位置形成铰接处保持稳定的支点。当所述同轴复位机构(330)的一端在液压力的作用下滑动抵靠在相邻传动短节(320)的输入端面时，形成的推靠力可使相邻传动短节(310，320)趋于保持同轴状态，以此类推，所述同轴复位机构(330)保持同轴状态的回复力通过液压推力活塞，推靠传动短节(320)端面形成稳定支撑，为每两个相邻传动短节(310，320)的铰接处提供保持同轴状态的回复力。

作为优选，所述同轴复位机构(330)在控制系统的作用下完成液压缸(336)向所述高压活塞腔(333)内进行液压流体注入和泄出，进而完成同轴复位机构(330)的加压、保压和泄压动作。

作为优选，所述同轴复位机构(330)为相邻传动短节的铰接处提供保持同轴状态的回复力大于额定钻压在铰接处产生的径向分力。也即为，如图1或4所示，在铰接结构(340)偏转任意角度时，所述同轴复位机构(330)驱使铰接输入端(341)和铰接输出端(342)恢复同轴状态的回复力可以克服该角度的额定钻压产生的驱使所述铰接输入端(341)和铰接输出端(342)进一步发生偏转的径向分力，使所述铰接输入端(341)和铰接输出端(342)具有恢复同轴状态的趋势，以尽可能的保障钻压沿最小曲率的轴线向前传递。

此时，所述传动短节本身即为所述铰接结构(340)的一部分，所述铰接结构(340)优选为万向节，如球铰或关节。本发明所述的万向节优选为刚性万向节，即可在不产生弯矩条件下实现变角度传递旋转动力的万向节。且位于前侧第一个所述传动短节的输出端与所述钻进短节(200)的输入端同轴固定连接。以充分利用所述同轴复位机构(330)保持钻进短节(200)与邻近的若干传动短节之间的同轴关系。在任意所述传动短节(310，320)中，靠近钻头方向的一端为铰接输出端(342)、另一端为铰接输入端(341)，所述铰接输入端(341)和铰接输出端(342)仅指示旋转钻井动力的传递方向，不特指具体结构。

如图2所示，所述传动短节(310)包括球头(311)、球座(312)和传动球(313)，第一传动短节(310)的球头(311)与第二传动短节(320)的球座(322)相对接形成所述铰接结构(340)，对应到图1和图3，铰接输出端(342)为第一传动短节(320)的球座(322)，所述铰接输入端(341)为第二传动短节(320)的球头(321)。

所述第一传动短节(310)的球头(311)与第二传动短节(320)的球座(322)之间未达到结构死点状态下的偏转角度为0°～7°(所述第一、第二仅表达二者之间的铰接关系，并不代表二者的前后位置关系或主次关系)。

具体的，相邻所述传动短节的前端面和后端面将所述相邻传动节之间的偏转角度限定在0°～7°。所述球头直径最大处设有若干半球形槽(314)，对应所述半球形槽(314)，所述球座孔径最大处设有若干条形传动槽(315)，所述传动球(313)位于所述半球形槽(314)和与之对应的条形传动槽(315)形成的容置腔内，且所述传动球(313)在所述半球形槽(314)的带动下沿所述条形传动槽(315)来回移动；所述条形传动槽(315)沿所述球座的轴向延伸，所述条形传动槽(315)的轴向长度将所述第一传动短节(310)的球头(311)与第二传动短节(320)的球座(322)之间的偏转角度限定在0°～7°，此时所述条形传动槽(315)同时也是限位机构(370)。

或者，所述传动短节的传动球由柱形传动销代替，所述球头直径最大处沿周向设有若干条形槽(314)，对应所述条形槽(314)，所述球座孔径最大处设有若方形传动槽(315)，所述传动销位于所述条形槽(314)和与之对应的方形传动槽(315)形成的容置腔内，且所述传动销(313)在所述条形槽(314)的带动下在所述方形传动槽(315)内移动；所述方形传动槽(315)的长度等于所述传动销的长度，所述方形传动槽(315)的宽度沿所述球座的轴向延伸，所述方形传动槽(315)的轴向宽度将所述第一传动短节(310)的球头(311)与第二传动短节(320)的球座(322)之间的偏转角度限定在0°～7°。

作为优选，所述传动短节(310，320)的长度不大于1.5米。

作为优选，三个相邻传动短节的两个铰接中心点之间的最小距离低于钻头(100)直径的8倍。

作为优选，所述传动短节内设置有限位机构(370)，所述限位机构(370)限制相邻传动短节(310，320)之间的偏转角度不大于5°。

实施例2

与上一实施例不同地是，所述液压推力复位机构是通过控制系统进行控制，如图6所示，所述控制系统包括指令接收装置(350)和控制电路(500)，所述控制电路(500)设置在所述自复位柔性钻杆(300)内部的流道中，优选设置在活塞杆(334)的内壁上，并且所述控制电路(500)与所述传动短节(310,320)同步旋转，所述控制电路(500)电连接指令接收装置(350)，为所述指令接收装置(350)供电、传递指令。

作为系统的必要组成部分，所述液压推靠式自复位柔性钻杆(300)内部还可设置有电源和泥浆脉冲器等有利于供电、信号传输的辅助设备，所述电源可以是井下涡轮发电机，所述井下涡轮发电机通过所述控制电路(500)为所述指令接收装置(350)供电；所述泥浆脉冲器通过控制电路(500)与所述指令接收装置(350)实现通讯，并进一步的将井底信息通过压力脉冲波传递至地面。

所述指令接收装置(350)与控制电路(500)通讯连接；所述指令接收装置(350)接收井上下传至井下的控制指令并将控制指令解析，然后将解析结果传递给控制电路(500)。

控制电路(500)按照解析结果通过控制阀将液压流体注入所述液压缸(336)的高压活塞腔(333)完成加压，使得活塞杆(334)下行，推靠下一传动短节的输入端，形成铰接处的稳定支点；或者，在加压完成以后，所述控制电路(500)按照解析结果保持高压活塞腔(333)内部压力,为所述传动短节提供稳定推靠力维持钻柱稳定；或者所述控制电路(500)

按照解析结果通过控制阀将高压活塞腔(333)内部的液压流体抽入到液压缸(336)内部，完成泄压动作。

实施例3

与上一实施例不同地是，所述液压推靠式自复位柔性钻杆(300)还包括一个液压短节(338)，如图7所示，所述液压短节(338)为内置有总液压源(339)；每个所述液压缸均通过液压管线(600)连接所述总液压源(339)。

作为优选方案，多个相互铰接且结构相同的传动短节(310，320)形成传动短节阵列，所述液压推靠式自复位柔性钻杆(300)还可包括多个所述传动短节阵列，且各个传动短节阵列之间可设置若干个铰接结构相同、但是长度不同的液压短节(338)。

作为优选，所述总液压源(339)还包括指令接收装置(350)和控制电路(500)，所述指令接收装置(350)通过控制线路与所述总液压源(339)通讯连接，用于接收井上下传至井下的控制指令并将控制指令解析，然后将解析结果传递给所述总液压源(339)；总液压源(339)按照解析结果通过控制阀将液压流体通过液压管线(600)注入到所述自复位柔性钻杆(300)中的各个液压缸(336)内部完成加压，使得活塞杆(334)下行推出形成铰接结构(340)处的稳定支点；或者，在加压完成以后，所述总液压源(339)按照解析结果通过控制阀保持液压缸(336)内部压力维持在一个稳定范围,为所述传动短节(310)提供稳定推靠力，维持钻柱稳定；或者根据解析指令，对总液压源(339)按照解析结果进行泄压，使得所述液压缸(336)内部的液压流体通过液压管线(600)抽回到总液压源(339)内部，完成泄压。

作为优选，所述总液压源(339)通过连接结构(301)固定于所述液压短节(338)，所述连接结构(301)包括螺纹连接结构，销钉连接结构或焊接结构；或所述总液压源(339)与所述液压短节(338)一体成型，也即为所述液压短节(338)作为所述总液压源(339)的承载壳体；所述承载壳体内部设置有可供钻井流体循环的若干通道所述总液压源(339)与所述液压短节(338)之间还设置有可供钻井流体通过的液流通道(361)，所述液流通道(361)与所述贯通结构(360)连通，构成钻井流体循环通道。

作为优选，所述液压缸(336)均通过单独的液压管线(600)连接所述总液压源(339)；或者多个相邻传动短节内的液压缸(336)公用一条液压母线，且该液压母线上设置有若干分流子管连接各液压缸，所述液压母线直接连接所述总液压源(339)或多个所述液压母线通过若干级液压传动缸以并联的方式连接到所述总液压源(339)。

作为优选，所述总液压源(339)还包括机械驱动装置(380)和流体补偿装置(601)，所述机械驱动装置是指：通过某一机械结构或特征，可将井内高压流体能量转化为机械能，并进一步利用所述机械能直接驱动液压源产生驱动动力的装置，其结构和特征包括但不仅限于叶轮、螺杆、涡轮等流体能量转换装置，所述驱动动力是指：液压源驱动液压流体注入目标液压缸(336)的动力；

作为本实施例的优选方案之一，所述机械结构或特征为叶轮(337)，当高压钻井流体经过所述叶轮(337)时，叶轮(337)产生旋转将流体能量转化为机械能，此为现有成熟技术，在此不再复述。

进一步的，所述叶轮(337)的动力输出端与液压源的动力输入端传动连接；所述液压源的高压液体出口端与高压管线连接，所述液压缸(336)与高压管线连接；当所述液压推靠式柔性钻柱内部流通有钻井循环介质时，钻井流体驱动叶轮(337)旋转，所述叶轮(337)带动液压泵的输入端旋转，并将高压流体泵入所述液压缸(336)。

进一步的，所述流体补偿装置(601)可为所述总液压源(339)提供液压流体。本实施例中，所述总液压源(339)向目标液压缸(336)注入了液压流体时，液压回路中就需要额外增加部分液压流体，该额外增加部分液压流体即为所述流体补偿装置(601)提供的。也即为，所述总液压源(339)可抽取所述流体补偿装置(601)内部液压流体，注入到目标液压缸(336)内部完成加压动作，使得活塞杆(334)下行推出形成铰接结构(340)处的稳定支点；或者，在加压完成以后，由于所述目标液压缸(336)内部压力逐渐升高，直至由所述叶轮(337)提供的驱动动力不再满足所述总液压源(339)继续向目标液压缸(336)注入液压流体，此时，所述叶轮(337)处于停止状态，由于钻井流体对所述叶轮(337)的驱动的恒定的，当叶轮(337)停止转动时，其旋转阻力即为定值，也即为所述目标液压缸(336)内部压力至上升到了一个稳定值，当所述液压缸(336)内部压力维持在一个稳定范围时,其为所述传动短节(310)提供的稳定推靠力即可维持钻柱稳定；或者当地面停泵时，所述叶轮(337)便失去了驱动力，此时所述液压缸(336)内部过高的液压力将会通过液压管线(600)返回所述总液压源(339)，进一步进入所述流体补偿装置(601)，完成泄压。

实施例4

一种液压推靠式自复位柔性钻柱，如图8所示，包括钻头(100)、钻进短节(200)、液压推靠式自复位柔性钻杆(300)和扶正器(400)，所述钻头(100)设于钻进短节(200)的前端，所述液压推靠式自复位柔性钻杆(300)一端与所述钻进短节(200)后端固定连接、另一端通过驱动接口(306)与旋转驱动动力装置或其他刚性钻柱相连，以获取旋转钻井所需的旋转钻井动力；所述扶正器(400)设置于所述液压推靠式自复位柔性钻杆(300)外侧且与钻头(100)前端之间的距离不大于3米。通过采用所述液压推靠式柔性钻柱，提高钻柱高柔性弯曲时的整体稳定性，避免柔性屈曲干扰导向钻井精度及钻压传递，以此来提高井眼曲率可控性，降低井眼轨迹控制难度。

具体的，自复位柔性钻杆(300)与钻进短节(200)的连接方式可以是螺纹连接、耦合连接等任意可以实现钻压扭矩传递的连接方式。所述驱动接口(306)优选为丝扣，所述旋转驱动装置可以是各类型钻机、钻孔机或井下动力钻具，旋转驱动装置还可以是位于井眼中的泥浆马达、位于井口处的转盘、顶部驱动或旋转驱动头，其中，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。或液压推靠式柔性钻柱可通过其后端的驱动接口(306)与其他类型的钻杆连接，由钻机驱动钻杆旋转，并进一步驱动本发明所述液压推靠式柔性钻柱旋转，实现可控轨迹的旋转钻井，其中钻进短节(200)为任意原理的钻进短节，凡是可在旋转钻井条件下实现导向功能的任意种类的钻进短节均在本专利的保护范围内。

一般情况下，所述扶正器(400)设置于所述自复位柔性钻杆(300)外侧且与钻头(100)的前端之间的距离不大于3米，以保证钻头(100)在所述自复位柔性钻杆(300)发生弯曲时，仍旧能够平稳钻进。

本发明所述液压推靠式柔性钻柱，在实现钻压扭矩传递的基础上，可轻易实现自复位柔性钻杆(300)高柔性的弯曲，且所述同轴复位机构(330)与铰接结构(340)的配合可使钻进短节(200)的导向工具以极低的导向力实现导向，以提高短半径定向钻井技术对薄层的开发、剩余油挖潜、多层油气合采、煤层气开发以及其他种类矿物的开发的工程可行性和实用价值。

作为优选，如图9所示，所述总液压源(339)为电控液压源，包括井底电机(302)和总液压泵(303)，所述井底电机(302)和总液压泵(303)均通过所述连接结构(301)与所述液压短节(338)连接固定；所述井底电机(302)包括电机本体和输出轴(304)，所述总液压泵(303)包括活塞盘(305)和活塞缸套(307)，所述井底电机(302)的输出轴(304)与所述总液压泵(303)的活塞盘(305)连接固定，使得当所述输出轴(304)运动时，所述活塞盘(305)可随之产生一定位移，从而改变所述总液压泵(303)的内部压力。

具体的，当所述电机本体带动所述输出轴(304)伸出时，由于所述活塞盘(305)连接固定与所述输出轴(304)，此时所述活塞盘(305)随之进入活塞缸套(307)，使所述活塞缸套(307)内部空间减小造成压力升高，与此同时，高压流体通过与所述活塞缸套(307)连接的液压管线(361)向目标位置进行加压。反之，当所述电机本体带动所述输出轴(304)收回时，此时所述活塞盘(305)将随之退出活塞缸套(307)，使所述活塞缸套(307)内部空间增大造成压力降低，与此同时，高压流体通过液压管线(361)由原目标位置返回到所述活塞缸套(307)内部进行泄压。

作为优选技术方案，所述传动短节(310，320)的长度不大于1.5米；每两个相邻的所述传动短节(310，320)轴线之间的夹角不大于8°。当钻探短半径分支井时，所述钻头(100)前端面到所述自复位柔性钻杆(300)后端面的轴线长度大于所钻探短半径分支井的预设轴线长度。优选地，紧挨所述钻进短节(200)，设置有至少20节所述传动短节(310)，用于保障钻进短节的稳定性。

实施例5

如图10所示，与上述实施例不同的是，所述总液压源(339)还包括液力驱动装置(390)，所述液力驱动装置(390)是通过液力驱动结构或装置，为液压源提供驱动动力的。所述液力驱动结构或装置，可将井内高压流体能量直接转化为液压源驱动液压流体注入目标液压缸(336)所需要的动力；

作为本实施例的优选方案之一，所述液力驱动装置(390)为变直径活塞，所述变直径活塞包括变径套(391)、变径杆(392)、旁通模块(393)和支撑件(394)。所述变径套(391)为一内部设有变径盲孔的圆柱体，与之对应的所述变径杆(392)为一外部设有变径台阶的圆杆，所述变径杆(392)可全部插入到所述变径套(391)内部并可自由滑动。

具体的，如图11所示，所述变径套(391)的内部变径盲孔包括上台肩(3911)、下台肩(3912)、上台肩面(3913)和下台肩面(3914)，所述变径杆(392)外部的变径台阶包括前台肩(3921)、后台肩(3922)、前台肩面(3923)和后台肩面(3924)。当所述变径杆(392)完全插入到所述变径套(391)内部时，所述前台肩面(3923)和后台肩面(3924)可以完全与所述上台肩面(3913)和下台肩面(3914)贴合，并通过密封件进行密封，此时，所述前台肩(3921)、后台肩(3922)和所述上台肩(3911)、下台肩(3912)共同将所述变径套(391)内部的变径盲孔分割为上部腔体(395)、中间腔体(396)和下部腔体(397)，腔体之间均通过密封件密封隔断。

进一步的，所述下部腔体(397)内部预充满有液压介质，且腔体底部预设有液压通道，所述液压通道与液压管线(600)连通；

进一步的，所述旁通模块(393)固定设置与所述传动短节(310，320)及所述变径套(391)之间的环空间隙内，其内部设有径向通孔(398)，与之对应的，所述所述传动短节(310，320)及所述变径套(391)均设有径向孔与之连通，使得所述变径套(391)内部腔体与井眼环空进行连通。

作为本实施例的优选方案之一，所述径向通孔(398)与井眼环空及所述中间腔体(396)进行连通，使得所述中间腔体(396)的内部液压始终与井眼环空内的液压力相同。

当井内注入高压钻井流体时，所述高压钻井流体直接进入上部腔体(395)作用于后台肩(3922)的后端面，由于所述中间腔体(396)内部液压始终与井眼环空内的液压力相同，此时所述变径杆(392)在后台肩(3922)前后压差的推动下前进，进而压缩下部腔体(397)的内部空间，造成腔体内压力上升，继而完成对目标液压缸(336)的加压动作。

作为优选，所述前台肩(3921)受液压作用的面积小于所述后台肩(3922)的液压作用面积，使得所述变径杆(392)更容易受后台肩(3922)前后压差的推动，在所述变径套(391)内部滑行，同时提高所述下部腔体(397)的内部压力。

进一步的，由于所述液压源向目标液压缸(336)内加压的液压流体是预存在所述下部腔体(397)内部的，受限于所述变径套(391)的结构和尺寸，所述下部腔体(397)内部预存的液压流体是有限的，这就使得本发明所述的一种液压推靠式自复位柔性钻柱，需要设置多级所述液力驱动装置(390)配合多级同轴复位机构(330)共同实现钻柱稳定。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改变，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

Claims (21)

1.一种液压推靠式自复位柔性钻杆，其特征在于，包括依次铰接的多个传动短节和设于相邻传动短节铰接处的同轴复位机构(330)；所述同轴复位机构(330)为相邻传动短节(310)铰接处提供保持同轴状态的回复力；所述传动短节内部为沿其轴向贯通的孔，所述同轴复位机构(330)为液压推力复位机构。

2.根据权利要求1所述液压推靠式自复位柔性钻杆，其特征在于，所述液压推力复位机构包括活塞杆(334)、活塞帽(335)和液压缸(336)；所述活塞帽(335)固定于所述传动短节的孔内；所述活塞杆(334)一端滑动设于所述活塞帽(335)内部的环形盲孔内，另一端穿过该传动短节延伸至下一传动短节；所述活塞杆(334)的外侧面设有至少一个环形凸台(331)，所述环形凸台(331)、传动短节的孔、活塞杆(334)的外侧面以及活塞帽(335)形成密封的高压活塞腔(333)；所述液压缸(336)固定于所述活塞杆(334)内部且通过液压通道与所述高压活塞腔(333)相连通；通过控制所述液压缸(336)向所述高压活塞腔(333)内注入液压流体，控制所述活塞杆(334)推靠下一传动短节，使得推靠位置形成铰接处保持稳定的支点。

3.根据权利要求1所述液压推靠式自复位柔性钻杆，其特征在于，所述同轴复位机构(330)在控制系统的作用下完成向液压缸(336)内进行液压流体注入和泄出，进而完成同轴复位机构(330)的加压、保压和泄压动作。

4.根据权利要求1所述液压推靠式自复位柔性钻杆，其特征在于，所述同轴复位机构(330)为相邻传动短节的铰接处提供保持同轴状态的回复力大于额定钻压在铰接处产生的径向分力。

5.根据权利要求1所述液压推靠式自复位柔性钻杆，其特征在于，所述同轴复位机构(330)沿其轴线方向延伸有贯通结构(360)，所述贯通结构(360)内设有供钻井循环介质流通的流道。

6.根据权利要求1所述液压推靠式自复位柔性钻杆，其特征在于，所述控制系统包括指令接收装置(350)和控制电路(500)，所述指令接收装置(350)与控制电路(500)通讯连接；所述指令接收装置(350)接收井上下传至井下的控制指令并将控制指令解析，然后将解析结果传递给控制电路(500)；控制电路(500)按照解析结果通过控制阀将液压流体注入所述液压缸(336)的高压活塞腔(333)完成加压，使得活塞杆(334)下行，推靠下一传动短节的输入端，形成铰接处的稳定支点；或者，在加压完成以后，所述控制电路(500)按照解析结果保持高压活塞腔(333)内部压力,为所述传动短节提供稳定推靠力维持钻柱稳定；或者所述控制电路(500)按照解析结果将高压活塞腔(333)内部的液压流体抽入到液压缸(336)内部，完成泄压。

7.根据权利要求1所述液压推靠式自复位柔性钻杆，其特征在于，还包括一个或多个液压短节(338)，所述液压短节(338)为内置有总液压源(339)的所述传动短节或所述液压短节为内置有总液压源(339)且位于所述自复位柔性钻杆(300)上端的刚性钻柱；每个所述液压缸均通过液压管线(600)连接所述总液压源(339)。

8.根据权利要求1或7所述液压推靠式自复位柔性钻杆，其特征在于，所述总液压源(339)还包括指令接收装置(350)和控制电路(500)，所述指令接收装置(350)通过控制线路与所述总液压源(339)通讯连接，用于接收井上下传至井下的控制指令并将控制指令解析，然后将解析结果传递给所述总液压源(339)；总液压源(339)按照解析结果通过控制阀将液压流体通过液压管线(600)注入到所述自复位柔性钻杆(300)中的各个液压缸(336)内部完成加压，使得活塞杆(334)下行推出形成铰接结构(340)处的稳定支点；或者，在加压完成以后，所述总液压源(339)按照解析结果保持液压缸(336)内部压力维持在一个稳定范围,为所述传动短节(310)提供稳定推靠力，维持钻柱稳定；或者根据解析指令，对总液压源(339)按照解析结果进行泄压，使得所述液压缸(336)内部的液压流体通过液压管线(600)抽回到总液压源(339)内部，完成泄压。

9.根据权利要求1所述液压推靠式自复位柔性钻杆，其特征在于，所述传动短节包括球头和球座，所述球头固定于所述球座，第一传动短节(310)的球头(311)与第二传动短节(320)的球座(322)相对接形成铰接结构(340)；所述第一传动短节(310)的球头(311)与第二传动短节(320)的球座(322)之间未达到结构死点状态下的偏转角度为0°～7°。

10.根据权利要求1所述液压推靠式自复位柔性钻杆，其特征在于，所述传动短节还包括传动球，所述球头直径最大处设有若干半球形槽(314)，对应所述半球形槽(314)，所述球座孔径最大处设有若干条形传动槽(315)，所述传动球(313)位于所述半球形槽(314)和与之对应的条形传动槽(315)形成的容置腔内，且所述传动球(313)在所述半球形槽(314)的带动下沿所述条形传动槽(315)来回移动；所述条形传动槽(315)沿所述球座的轴向延伸，所述条形传动槽(315)的轴向长度将所述第一传动短节(310)的球头(311)与第二传动短节(320)的球座(322)之间的偏转角度限定在0°～5°。

11.根据权利要求1所述液压推靠式自复位柔性钻杆，其特征在于，所述传动短节还包括传动销，所述球头直径最大处沿周向设有若干条形槽(314)，对应所述条形槽(314)，所述球座孔径最大处设有若方形传动槽(315)，所述传动销位于所述条形槽(314)和与之对应的方形传动槽(315)形成的容置腔内，且所述传动销(313)在所述条形槽(314)的带动下在所述方形传动槽(315)内移动；所述方形传动槽(315)的长度等于所述传动销的长度，所述方形传动槽(315)的宽度沿所述球座的轴向延伸，所述方形传动槽(315)的轴向宽度将所述第一传动短节(310)的球头(311)与第二传动短节(320)的球座(322)之间的偏转角度限定在0°～7°。

12.根据权利要求1所述液压推靠式自复位柔性钻杆，其特征在于，所述传动短节(310，320)的长度不大于1.5米；和/或三个相邻传动短节的两个铰接中心点之间的最小距离低于钻头(100)直径的8倍。

13.根据权利要求1所述液压推靠式自复位柔性钻杆，其特征在于，所述传动短节内设置有限位机构(370)，所述限位机构(370)限制相邻传动短节(310，320)之间的偏转角度不大于5°。

14.根据权利要求1所述液压推靠式自复位柔性钻杆，其特征在于，所述总液压源(339)通过连接结构(301)固定于所述液压短节(338)，所述连接结构(301)包括螺纹连接结构，销钉连接结构或焊接结构；或所述总液压源(339)与所述液压短节(338)一体成型；所述承载壳体内部设置有可供钻井流体循环的若干通道所述总液压源(339)与所述液压短节(338)之间还设置有可供钻井流体通过的液流通道(361)，所述液流通道(361)与所述贯通结构(360)连通，构成钻井流体循环通道。

15.根据权利要求1所述液压推靠式自复位柔性钻杆，其特征在于，所述总液压源(339)为电控液压源，包括井底电机(302)和总液压泵(303)，所述井底电机(302)和总液压泵(303)均通过所述连接结构(301)与所述液压短节(338)连接固定；所述井底电机(302)包括电机本体和输出轴(304)，所述总液压泵(303)包括活塞盘(305)和活塞缸套(307)，所述井底电机(302)的输出轴(304)与所述总液压泵(303)的活塞盘(305)连接固定，使得当所述输出轴(304)运动时，所述活塞盘(305)可随之产生一定位移，从而改变所述总液压泵(303)的内部压力。

16.根据权利要求1所述液压推靠式自复位柔性钻杆，其特征在于，所述液压管线(600)设置在所述活塞杆(334)的内壁上，并且与所述传动短节(310,320)同步旋转。

17.根据权利要求1或15所述液压推靠式自复位柔性钻杆，其特征在于，所述液压缸(336)均通过单独的液压管线(600)连接所述总液压源(339)；或者多个相邻传动短节内的液压缸(336)公用一条液压母线，且该液压母线上设置有若干分流子管连接各液压缸，所述液压母线直接连接所述总液压源(339)或多个所述液压母线通过若干级液压传动缸以并联的方式连接到所述总液压源(339)。

18.一种液压推靠式自复位柔性钻柱，其特征在于，包括钻头(100)、钻进短节(200)、液压推靠式自复位柔性钻杆(300)和扶正器(400)，所述钻头(100)设于钻进短节(200)的前端，所述液压推靠式自复位柔性钻杆(300)一端与所述钻进短节(200)后端固定连接、另一端通过驱动接口(306)与旋转驱动动力装置或其他刚性钻柱相连；所述扶正器(400)设置于所述液压推靠式自复位柔性钻杆(300)外侧且与钻头(100)前端之间的距离不大于3米。

19.根据权利要求1所述液压推靠式自复位柔性钻杆，其特征在于，所述同轴复位机构(330)在液力驱动装置(390)的作用下完成加压、保压和泄压动作；所述液力驱动装置(390)为变径活塞增压装置，所述液力驱动装置(390)包括变径杆(392)，所述变径活塞的一侧设置有与钻具贯通流道流通的上部腔体(395)，所述变径杆的另外一侧设置有下部腔体(397)，所述增压腔与液压推力复位机构相连。

20.根据权利要求19所述液压推靠式自复位柔性钻柱，其特征在于，所述总液压源(339)还包括液力驱动装置(390)，所述液力驱动装置(390)通过液力驱动装置将井内高压流体能量直接转化为液压源驱动液压流体注入目标液压缸(336)；所述液力驱动装置(390)内部预设有液压介质及液压通道，所述液压通道与液压管线(600)连通，当所述液压推靠式柔性钻柱内部流通有钻井循环介质时，所述变直径活塞下行，将所述液力驱动装置(390)内部预设有液压介质泵入所述液压缸(336)完成加压动作。

21.根据权利要求15或19，所述液压推靠式自复位柔性钻柱，其特征在于，所述总液压源(339)还包括流体补偿装置(601)，所述总液压泵(303)将流体补偿装置(601)内的液压介质转化为动力液，并能直接驱动液压缸动作；或者，所述补偿装置与上部腔体(395)或中间腔体(396)连通，为变径活塞提供润换和保护。

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