CN115628011A - 连续旋转滑动钻井系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种连续旋转滑动钻井系统和方法，所述连续旋转滑动钻井系统包括顺次连接的无线传输机构、钻杆、可控旋转滑动执行工具、随钻测量工具和螺杆钻具，其中，可控旋转滑动执行工具包括本体、第一旋转机构、离合机构、第二旋转机构和控制机构，控制机构能够控制离合机构以预定频率间歇地切换为第一或第二状态，以使根据目标工具面角与实时工具面角之间的误差值趋于误差允许范围；处于第一状态下的离合机构能够与第二旋转机构连接，以使第一旋转机构能够带动第二旋转机构发生旋转，处于第二状态下的离合机构能够与第二旋转机构断开连接，以使第二旋转机构暂停旋转。本发明可靠性高，可实现工具面自动控制，且工具面角控制精度高。

Description

连续旋转滑动钻井系统和方法

技术领域

本发明涉及滑动导向钻井技术领域，具体来讲，涉及一种连续旋转滑动钻井系统和一种连续旋转滑动钻井方法。

背景技术

目前水平井导向钻井以旋转导向和弯螺杆滑动导向两种方式为主，由于旋转导向工具以进口为主，费用高、卡钻风险大等原因，弯螺杆滑动导向依然是水平井导向钻井的主体技术。据统计，2020年弯螺杆滑动导向井段川渝页岩气占比超过50%，长庆致密油气等由于成本限制占比甚至超过90%。

弯螺杆滑动导向由于钻柱不旋转，摩阻大极易“托压”，导致钻压不能有效传递，机械钻速通常为旋转钻井的20~50%，同时“托压”导致工具面不易调整和控制，钻井时效降低超过20%，且钻柱不旋转导致岩屑床和粘附卡钻风险大幅增加，传统滑动导向方式亟待升级换代。

钻柱旋转是解决滑动钻井“托压”最有效手段之一，前期研发了钻柱扭摆系统，实现了上部钻柱往复旋转，提速超过30%，但该系统应用井深受限，2000m水平段以上提速有限。基于滑动钻井钻柱旋转范围越大钻井效果越好的事实，业界提出了MWD以上钻柱全旋转，MWD以下钻柱静止的“可控旋转”滑动导向新思路。

例如，基于该原理，加拿大HydroClutch公司推出了液力离合器，通过双螺杆实现上部钻柱旋转和工具面可控，近期将进入国内试用。国内西部钻探等进行了隔离钻柱旋转的方法研究与离合器研发，实现了钻柱“分离”与“结合”，但无法传递扭矩，存在无法控制工具面和下部静止钻具过长的问题（超过700米）。

又例如，于2018年6月19日公开的发明名称为一种旋转滑动钻进工具、公开号为CN108179981A的中国专利文献记载了一种旋转滑动钻进工具，主要由上接头、传动轴、密封圈、密封筒、下接头、金属球、活塞、弹簧和调压阀组成。摆工具面或复合钻进时，传动轴扭矩传动段和下接头扭矩传动段重合，且传动轴和下接头通过金属球锁紧，上、下部钻具共同旋转送钻。滑动钻进时，传动轴扭矩传动段和下接头扭矩传动段分离，且传动轴和下接头通过金属球锁紧，下部钻具滑动送钻，上部钻具旋转送钻。停泵时，传动轴和下接头锁紧解除，通过机械辅助操作可转换成复合钻进或滑动钻进。因此，利用该旋转滑动钻进工具可有效解决定向井、水平井钻井过程中螺杆钻具滑动钻进托压问题，但其无法精确调整工具面角。

然而，现有技术无法解决水平井弯螺杆钻井“托压”导致井眼轨迹控制困难、钻速慢、安全性差的问题。亟待发明一种新的钻井工具，从根本上解决上述技术难题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够精确控制工具面角的连续旋转滑动钻井系统及方法。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种连续旋转滑动钻井系统，所述连续旋转滑动钻井系统包括沿地面至井底方向顺序连接的无线传输机构、钻杆、可控旋转滑动执行工具、随钻测量工具和螺杆钻具，其中，所述无线传输机构被配置为能够接收井眼轨迹参数的测量值，并计算出实钻井眼轨迹，以及，能够以泥浆脉冲方式将目标工具面角发射至可控旋转滑动执行工具；所述钻杆用于连接无线传输机构和可控旋转滑动执行工具；所述随钻测量工具被配置为能够获取井眼轨迹参数的测量值，所述井眼轨迹参数包括井斜角、方位角和实时工具面角；所述可控旋转滑动执行工具包括本体、第一旋转机构、离合机构、第二旋转机构和控制机构，其中，所述本体具有呈阶梯状的外壁，第一旋转机构、离合机构、第二旋转机构和控制机构沿地面至井底方向顺序设置在本体的所述外壁上，所述本体内部开设有供钻井液流通的第一流道；第一旋转机构被配置为能够在螺杆钻具在破岩过程中产生的反扭矩作用下按照与随钻测量工具的旋转方向相反的方向进行旋转；所述控制机构能够控制所述离合机构以预定频率间歇地切换为第一状态或第二状态，以使根据目标工具面角与实时工具面角之间的误差值小于或等于误差允许范围；处于第一状态下的离合机构能够与第二旋转机构连接，以使第一旋转机构能够带动第二旋转机构发生旋转，处于第二状态下的离合机构能够与第二旋转机构断开连接，以使第二旋转机构暂停旋转；所述螺杆钻具被配置为能够钻进岩层，并包括弯螺杆和钻头。

在本发明的连续旋转滑动钻井系统的一个示例性实施例中，所述阶梯状的外壁可包括沿地面至井底方向依次设置的第一外圆柱面、第二外圆柱面、第三外圆柱面和第四外圆柱面，第一外圆柱面的外径小于第二外圆柱面的外径，第二外圆柱面的外径小于第三外圆柱面的外径，第四外圆柱面的外径小于第一外圆柱面的外径。

在本发明的连续旋转滑动钻井系统的一个示例性实施例中，所述第一旋转机构可包括第一连接接头、第二连接接头和旋转筒，所述离合机构包括固定外筒、角度调整内筒、第一驱动模块和第二驱动模块，所述第二旋转机构包括角度调整外筒，所述控制机构包括多个换向阀门，其中，第一连接接头的一端与钻杆可拆卸连接，另一端与本体的所述第一外圆柱面可拆卸连接；旋转筒套设在本体的所述第二外圆柱面上，且旋转筒的一端与第一连接接头可拆卸连接，另一端与第二连接接头可拆卸连接；角度调整内筒套设在本体的所述第二外圆柱面上，且角度调节内筒的外侧壁上设置有多个沿圆周方向均匀分布的第一啮合齿；固定外筒设置在角度调整内筒的外侧，且固定外筒的一端与角度调整内筒可拆卸连接，另一端与第二连接接头可拆卸连接；角度调整外筒设置在角度调整内筒的外侧，角度调整内筒与本体的所述第三外圆柱面可拆卸连接，且角度调整外筒的内侧壁上设置有多个沿圆周方向均匀分布的能够与第一啮合齿相互配合的第二啮合齿；本体、角度调整外筒以及角度调整内筒之间围合形成环形状的第一液压腔，第二连接接头、固定外筒以及角度调整内筒之间围合形成环形状的第二液压腔，第一驱动模块设置在第一液压腔内，第二驱动模块设置在第二液压腔内；多个换向阀门沿圆周方向均匀设置在本体的第四外圆柱面上，并具有多个介质出口，换向阀门被配置为能够改变本体内外钻井液的流通方向；在换向阀门开启情况下，第一液压腔的腔内压力高于第二液压腔的腔内压力，第一驱动模块能够推动角度调整内筒靠近第二驱动模块，以使第一啮合齿和第二啮合齿相互错开；在换向阀门关闭情况下，第一液压腔的腔内压力低于第二液压腔的腔内压力，第二驱动模块能够推动角度调整内筒靠近第一驱动模块，以使第一啮合齿和第二啮合齿相互啮合；所述第一连接接头能够承载螺杆钻具在破岩过程中产生的反扭矩，当第一啮合齿和第二啮合齿相互啮合时，第一连接接头、旋转筒、固定外筒和角度调整内筒能够在反扭矩作用下带动角度调整外筒及其下部连接的钻柱一起共同旋转，当第一啮合齿和第二啮合齿相互离开时，角度调整外筒及其下部连接的钻柱暂停旋转，仅上接头、旋转筒、角度调整内筒和固定外筒发生旋转。

在本发明的连续旋转滑动钻井系统的一个示例性实施例中，所述本体可开设有连通第一液压腔的第一液压孔、以及连通第二液压腔的第二液压孔；所述第一连接接头的内部开设有供钻井液流通的第二流道。

在本发明的连续旋转滑动钻井系统的一个示例性实施例中，所述换向阀门可以为二位四通电磁换向阀。

在本发明的连续旋转滑动钻井系统的一个示例性实施例中，所述控制机构还可包括井底压力传感器和控制模块，井底压力传感器用于接收泥浆脉冲信号，并发送至控制模块，控制模块被配置为能够解析泥浆脉冲信号获取目标工具面角，并根据目标工具面角与实时工具面角之间的误差值控制所述换向阀门在开启状态和关闭状态之间来回切换的预定频率。

在本发明的连续旋转滑动钻井系统的一个示例性实施例中，所述误差允许范围可为±5°以内。

在本发明的连续旋转滑动钻井系统的一个示例性实施例中，所述旋转筒与所述第二外圆柱面之间沿地面至井底方向顺序依次可以设置有限位筒和TC轴承，限位筒与第二外圆柱面通过螺纹连接，用于限制本体脱落，TC轴承通过键与第二外圆柱面连接。

在本发明的连续旋转滑动钻井系统的一个示例性实施例中，所述旋转筒的内壁和所述TC轴承的外壁可以均焊接有硬质合金片，所述限位筒上可以焊接有多个金刚石复合片。

在本发明的连续旋转滑动钻井系统的一个示例性实施例中，所述可控旋转滑动执行工具还可包括压力补偿机构，压力补偿机构可包括压力补偿筒、压力补偿模块和高压接头，压力补偿筒与本体的所述第四外圆柱面连接，用于隔绝钻井液，压力补偿模块设置在压力补偿筒与第四外圆柱面形成的环形腔体中，高压接头分别设置在压力补偿模块的两端、以及压力补偿筒的内壁上，压力补偿模块被配置为能够在钻井液的液压推动下在压力补偿筒和换向阀门之间移动，并通过高压接头将压力补偿给换向阀门。

在本发明的连续旋转滑动钻井系统的一个示例性实施例中，所述可控旋转滑动执行工具还可包括供电机构，供电机构被配置为能够向控制机构提供电能。

本发明另一方面提供了一种连续旋转滑动钻井方法，所述连续旋转滑动钻井方法包括：采用如上所述的连续旋转滑动钻井系统进行定向钻井，通过调整离合机构与第二旋转机构连接和断开的预定频率以控制弯螺杆的实时工具面角与目标工具面角之间的误差值小于或等于误差允许范围，最终实现上部钻具旋转、下部钻具滑动的钻井功能，并进行井眼轨迹实时控制。

在本发明的连续旋转滑动钻井方法的一个示例性实施例中，所述连续旋转滑动钻井方法还可包括：采用所述连续旋转滑动钻井系统进行复合钻井，通过控制离合机构与第二旋转机构维持连接关系，以使弯螺杆的转速与钻杆的转速保持一致，从而实现复合钻井。与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：

（1）本发明的连续旋转滑动钻井系统结构简单，可靠性高；

（2）本发明的连续旋转滑动钻井系统可实现工具面自动控制，且工具面角控制精度高；

（3）本发明的连续旋转滑动钻井方法可应用于深井、长水平井，可有效解决钻柱“托压”难题，能显著增加定向钻进的机械钻速。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和/或特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明示例性实施例的连续旋转滑动钻井系统的结构示意图。

图2示出了本发明示例性实施例的连续旋转滑动钻井系统的可控旋转滑动执行工具的结构示意图。

图3示出了本发明示例性实施例的连续旋转滑动钻井系统的工具面角控制原理图。

图4示出了本发明示例性实施例的连续旋转滑动钻井系统的可控旋转滑动执行工具旋转原理图。

附图标记说明：

1-地面泥浆脉冲发射装置，2-钻杆，3-可控旋转滑动执行工具，4-随钻测量仪，5-弯螺杆，6-钻头，7-待钻井眼，8-连接接头，9-旋转筒，10-硬质合金片，11-TC轴承，12-限位筒，13-金刚石复合片，14-防掉螺母，15-第一环形密封O型圈，16-第一防尘圈，17-端面O型圈，18-上接头，19-本体，20-左活塞，21-角度调整外筒，22-第二防尘圈，23-第二环形密封O型圈，24-固定外筒，25-右活塞，26-第三环形密封O型圈，27-第三防尘圈，28-测控电路，29-第一固定螺钉，30-第一高压接头，31-第二高压接头，32-压力补偿活塞，33-第三高压接头，34-二位四通电磁换向阀，35-压力补偿筒，36-第四环形密封O型圈，37-左接头，38-第一发电机转子密封圈，39-第一轴承，40-发电机转子，41-发电机定子，42-第二轴承，43-第二发电机转子密封圈，44-轴承套，45-发电机外筒，46-第五环形密封O型圈，47-第六环形密封O型圈，48-第二固定螺钉，49-盖板，50-角度调整内筒，51-键，52-压力传感器，53-MWD数据处理单元，55-目标工具面角，56-实时工具面角，57-井底压力传感器，58-左液压腔，59-右液压腔，101-主控电脑，102-继电器，103-闸阀，104-泥浆泵。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的连续旋转滑动钻井系统和方法。

需要说明的是，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等仅仅为了便于描述和构成相对的方位或位置关系，而并非指示或暗示所指的部件必须具有该特定方位或位置。对于本领域普通技术人员而言，本文中的部分术语“压力”相当于压强。

常规弯螺杆钻井技术、扭摆钻井技术具有工艺简单、成本低等特点，但无法应用于深井、长水平井。旋转导向技术，可从有效解决钻柱“托压”难题，能显著增加定向钻进的机械钻速，也存在结构尺寸大，成本极高的问题。为了解决上述问题，本发明提出了一种连续旋转滑动钻井系统，其上端连接常规钻杆，下端连接底部动力钻具-螺杆钻具。该钻井系统以螺杆钻具在破岩过程中产生的反扭矩及机身内外的钻井液压力差作为动力源，通过自身的离合机构和控制机构实现工具面角度调整，从而实现定向钻井的目的。为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种连续旋转滑动钻井系统。

在本发明的连续旋转滑动钻井系统的一个示例性实施例中，连续旋转滑动钻井系统包括沿地面至井底方向顺序连接的无线传输机构、钻杆、可控旋转滑动执行工具、随钻测量工具和螺杆钻具。

其中，无线传输机构被配置为能够接收井眼轨迹参数的测量值，并计算出实钻井眼轨迹，以及，能够以泥浆脉冲方式将目标工具面角发射至可控旋转滑动执行工具。

钻杆用于连接无线传输机构和可控旋转滑动执行工具。

随钻测量工具被配置为能够获取井眼轨迹参数的测量值，井眼轨迹参数包括井斜角、方位角和实时工具面角。例如，随钻测量工具可以为随钻测量仪（Measure WhileDrilling，简称MWD）。

可控旋转滑动执行工具包括本体、第一旋转机构、离合机构、第二旋转机构和控制机构。

其中，本体具有呈阶梯状的外壁，第一旋转机构、离合机构、第二旋转机构和控制机构沿地面至井底方向顺序设置在本体的外壁上。例如，阶梯状的外壁可包括沿地面至井底方向依次设置的第一外圆柱面、第二外圆柱面、第三外圆柱面和第四外圆柱面。第一外圆柱面的外径可小于第二外圆柱面的外径，第二外圆柱面的外径可小于第三外圆柱面的外径，第四外圆柱面的外径可小于第一外圆柱面的外径。本体内部开设有供钻井液流通的第一流道。

第一旋转机构被配置为能够在螺杆钻具在破岩过程中产生的反扭矩作用下按照与随钻测量工具的旋转方向相反的方向进行旋转。例如，第一旋转机构能承载螺杆钻具在破岩过程中产生的反扭矩，若随钻测量工具的旋转方向为顺时针方向，那么，第一旋转机构的旋转方向则为逆时针方向。

离合机构可具有两种状态，控制机构能够控制离合机构以预定频率间歇地切换为第一状态或第二状态，以使根据目标工具面角与实时工具面角之间的误差值小于或等于误差允许范围。误差允许范围可为±5°以内。

处于第一状态下的离合机构能够与第二旋转机构连接，以使第一旋转机构能够带动第二旋转机构发生旋转，处于第二状态下的离合机构能够与第二旋转机构断开连接，以使第二旋转机构暂停旋转。也就是说，第一旋转机构能承载螺杆钻具在破岩过程中产生的反扭矩，当离合机构切换为第一状态时，反扭矩能直接从第一旋转机构传递至第二旋转机构上，使得第一旋转机构和第二旋转机构一起共同旋转；而当离合机构切换为第二状态时，反扭矩无法从第一旋转机构传递至第二旋转机构上，此时第二旋转机构的旋转暂停，而第一旋转机构仍能继续旋转。通过控制离合机构在第一状态和第二状态之间切换的预定频率，能够让第一旋转机构带动第二旋转机构在扭矩的作用下产生一个旋转-暂停-旋转-暂停……的间歇动作，进而实现旋转控制。

螺杆钻具被配置为能够钻进岩层，并包括弯螺杆和钻头。

在本发明的连续旋转滑动钻井系统的又一个示例性实施例中，第一旋转机构可包括第一连接接头、第二连接接头和旋转筒；离合机构可包括固定外筒、角度调整内筒、第一驱动模块和第二驱动模块；第二旋转机构可包括角度调整外筒；控制机构可包括多个换向阀门。

其中，第一连接接头的一端与钻杆可拆卸连接，另一端与本体的第一外圆柱面可拆卸连接。

旋转筒套设在本体的第二外圆柱面上，且旋转筒的一端与第一连接接头可拆卸连接，另一端与第二连接接头可拆卸连接。

角度调整内筒套设在本体的第二外圆柱面上，且角度调节内筒的外侧壁上设置有多个沿圆周方向均匀分布的第一啮合齿。

固定外筒设置在角度调整内筒的外侧，且固定外筒的一端与角度调整内筒可拆卸连接，另一端与第二连接接头可拆卸连接。

角度调整外筒设置在角度调整内筒的外侧，角度调整内筒与本体的第三外圆柱面可拆卸连接，且角度调整外筒的内侧壁上设置有多个沿圆周方向均匀分布的能够与第一啮合齿相互配合的第二啮合齿。

本体、角度调整外筒以及角度调整内筒之间围合形成环形状的第一液压腔，第二连接接头、固定外筒以及角度调整内筒之间围合形成环形状的第二液压腔。第一驱动模块设置在第一液压腔内，第二驱动模块设置在第二液压腔内。例如，第一驱动模块和第二驱动模块可以为活塞。

多个换向阀门沿圆周方向均匀设置在本体的第四外圆柱面上，并具有多个介质出口，换向阀门被配置为能够改变本体内外钻井液的流通方向。例如，换向阀门可以为二位四通电磁换向阀，也可以为二位四通手动换向阀。

在换向阀门开启情况下，管内钻井液流入第一液压腔，管外钻井液流入第二液压腔，从而使得第一液压腔的腔内压力高于第二液压腔的腔内压力，第一驱动模块能够推动角度调整内筒靠近第二驱动模块，以使第一啮合齿和第二啮合齿相互错开。在换向阀门关闭情况下，管内钻井液流入第二液压腔，管外钻井液流入第一液压腔，从而使得第一液压腔的腔内压力低于第二液压腔的腔内压力，第二驱动模块能够推动角度调整内筒靠近第一驱动模块，以使第一啮合齿和第二啮合齿相互啮合。

第一连接接头能够承载螺杆钻具在破岩过程中产生的反扭矩，当第一啮合齿和第二啮合齿相互啮合时，第一连接接头、旋转筒、固定外筒和角度调整内筒能够在反扭矩作用下带动角度调整外筒及其下部连接的钻柱一起共同旋转；当第一啮合齿和第二啮合齿相互离开时，角度调整外筒及其下部连接的钻柱暂停旋转，仅上接头、旋转筒、角度调整内筒和固定外筒发生旋转。

另外，本体可开设有连通第一液压腔的第一液压孔、以及连通第二液压腔的第二液压孔。第一连接接头的内部开设有供钻井液流通的第二流道。

在本发明的连续旋转滑动钻井系统的又一个示例性实施例中，控制机构还可包括井底压力传感器和控制模块。井底压力传感器用于接收泥浆脉冲信号，并发送至控制模块。控制模块被配置为能够解析泥浆脉冲信号获取目标工具面角，并根据目标工具面角与实时工具面角之间的误差值控制换向阀门在开启状态和关闭状态之间来回切换的预定频率。

在本发明的连续旋转滑动钻井系统的又一个示例性实施例中，旋转筒与第二外圆柱面之间沿地面至井底方向顺序依次可以设置有限位筒和TC轴承，限位筒与第二外圆柱面通过螺纹连接，用于限制本体脱落，TC轴承通过键与第二外圆柱面连接。限位筒和TC轴承的设置有利于固定本体，防止本体脱落。

另外，旋转筒的内壁和TC轴承的外壁可以均焊接有硬质合金片，限位筒上可以焊接有多个金刚石复合片。在旋转筒和TC轴承的连接处设置硬质合金片是为了提高旋转筒的耐磨性能，以延长使用寿命，而在限位筒上设置金刚石复合片则是为了提高限位筒在发生相对转动时的耐磨性能，以延长使用寿命。

在本发明的连续旋转滑动钻井系统的又一个示例性实施例中，可控旋转滑动执行工具还可包括压力补偿机构，压力补偿机构可包括压力补偿筒、压力补偿模块和高压接头。压力补偿筒与本体的第四外圆柱面连接，用于隔绝钻井液。压力补偿模块设置在压力补偿筒与第四外圆柱面形成的环形腔体中，高压接头分别设置在压力补偿模块的两端、以及压力补偿筒的内壁上。压力补偿模块被配置为能够在钻井液的液压推动下在压力补偿筒和换向阀门之间移动，并通过高压接头将压力补偿给换向阀门。例如，压力补偿模块可为压力补偿活塞。高压接头用于传递高压，以实现压力补偿。

这里，设置压力补偿机构的用意是向换向阀门补偿压力，以提高换向阀门的耐压级别。

在本发明的连续旋转滑动钻井系统的又一个示例性实施例中，可控旋转滑动执行工具还可包括供电机构，供电机构被配置为能够向控制机构提供电能。

本发明另一方面提供了一种连续旋转滑动钻井方法。

在本发明的连续旋转滑动钻井方法的一个示例性实施例中，连续旋转滑动钻井方法包括：采用如上所述的连续旋转滑动钻井系统进行定向钻井，或者，进行复合钻井。

具体来讲，实施定向钻井时，通过调整离合机构与第二旋转机构连接和断开的预定频率以控制弯螺杆的实时工具面角与目标工具面角之间的误差值小于或等于误差允许范围，最终实现上部钻具旋转、下部钻具滑动的钻井功能，并进行井眼轨迹实时控制。

实施复合钻井时，通过控制离合机构与第二旋转机构维持连接关系，以使弯螺杆的转速与钻杆的转速保持一致，从而实现复合钻井。

为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合附图和具体示例对其进行进一步说明。

示例1

如图1所示，连续旋转滑动钻井系统由地面泥浆脉冲发射装置1、钻杆2、可控旋转滑动执行工具3、随钻测量仪（以下简称MWD）4、弯螺杆5和钻头6组成。

地面泥浆脉冲发射装置1由主控电脑101、继电器102、闸阀103、泥浆泵104、压力传感器52及MWD数据处理单元53构成。其中，压力传感器52用于采集启动、停止工作信号，MWD数据处理单元53用于获取到的随钻测量仪4传递的井斜和方位数据，并计算出实钻井眼轨迹。泥浆泵104和闸阀103配合使用以向井下输送钻井液，主控电脑101和继电器102配合使用以泥浆脉冲方式将目标工具面角发射至可控旋转滑动执行工具3。

钻杆2用于连接设置在地面的地面泥浆脉冲发射装置1和位于井下的可控旋转滑动执行工具3、随钻测量仪4、弯螺杆5以及钻头6。

弯螺杆5和钻头6组成螺杆钻具，用于向待钻井眼7进行岩层钻进。

如图2所示，可控旋转滑动执行工具包括本体、第一旋转机构、离合机构、第二旋转机构、控制机构、压力补偿机构和供电机构，由连接接头8、旋转筒9、硬质合金片10、TC轴承11、限位筒12、金刚石复合片13、防掉螺母14、第一环形密封O型圈15、第一防尘圈16、端面O型圈17、上接头18、本体19、左活塞20、角度调整外筒21、第二防尘圈22、第二环形密封O型圈23、固定外筒24、右活塞25、第三环形密封O型圈26、第三防尘圈27、测控电路28、第一固定螺钉29、第一高压接头30、第二高压接头31、压力补偿活塞32、第三高压接头33、二位四通电磁换向阀34、压力补偿筒35、第四环形密封O型圈36、左接头37、第一发电机转子密封圈38、第一轴承39、发电机转子40、发电机定子41、第二轴承42、第二发电机转子密封圈43、轴承套44、发电机外筒45、第五环形密封O型圈46、第六环形密封O型圈47、第二固定螺钉48、盖板49、角度调整内筒50、键51、井底压力传感器57、左液压腔58、右液压腔59构成。

其中，本体19具有呈阶梯状的外壁，包括沿地面至井底方向依次设置的第一外圆柱面、第二外圆柱面、第三外圆柱面和第四外圆柱面，第一外圆柱面的外径小于第二外圆柱面的外径，第二外圆柱面的外径小于第三外圆柱面的外径，第四外圆柱面的外径小于第一外圆柱面的外径。本体19内部开设有供钻井液流通的第一流道。

第一旋转机构由上接头（即第一连接接头）18、TC轴承11、限位筒12、旋转筒9、连接接头（即第二连接接头）8、硬质合金片10、端面O型圈17、第一环形密封O型圈15、第一防尘圈16、金刚石复合片13、防掉螺母14和键51构成。

上接头18的上端与钻杆螺纹连接，下端与本体19的第一外圆柱面连接。旋转筒9套装在本体19的第二外圆柱面上，且旋转筒9的上端与上接头18螺纹连接，旋转筒9的下端则与连接接头8的上端螺纹连接。

在本体19的第二外圆柱面与旋转筒9之间形成有环形空间，用于安装限位筒12和TC轴承11。限位筒12套设在本体19上，位于TC轴承11的上部，用于限制本体脱落。限位筒12的上端通过防掉螺母14与本体19进行固定连接，限位筒12的下端内侧加工有锥螺纹，并与本体19上的锥螺纹连接。限位筒12的上端和防掉螺母14的下端分别焊接有金刚石复合片13，金刚石复合片13数量可以为10~20片，且周向均匀分布，用于提高限位筒12和防掉螺母14相对转动时的耐磨性能。TC轴承11与本体19通过键51连接，用于支撑旋转筒9。旋转筒9的内壁和TC轴承11的外壁上都焊接有硬质合金片10，用于提高旋转筒耐磨性能。

在旋转筒9和本体19的接触壁面上还安装有多个第一环形密封O型圈15和第一防尘圈16，在上接头18与本体19的接触面上安装有端面O型圈17，以提高第一旋转机构的整体密封性能。

离合机构由左活塞20、角度调整内筒50、第二防尘圈22、第二环形密封O型圈23、固定外筒24、右活塞25、左液压腔58、右液压腔59、第三环形密封O型圈26、第三防尘圈27构成。第二旋转机构由角度调整外筒21组成。

连接接头8的下端与固定外筒24的上端螺纹连接，且在连接接头8和固定外筒24的接触面上安装有多个第三环形密封O型圈26和第三防尘圈27，以提升密封性能。

角度调整内筒50套装在本体19的第二外圆柱面上，且角度调整内筒50的上端与固定外筒24花键连接。角度调整外筒21设置在角度调整内筒50的外侧，角度调整内筒50的外侧壁上设置有多个沿圆周方向均匀分布的第一啮合齿；角度调整外筒21的内侧壁上设置有多个沿圆周方向均匀分布的第二啮合齿。角度调整外筒21的上端与角度调整内筒50通过交叉布置的牙齿啮合配合，角度调整内筒的下端与本体19的第三外圆柱面螺纹连接。

本体19、角度调整外筒21以及角度调整内筒50之间围合形成环形状的左液压腔（即第一液压腔）58，连接接头8、固定外筒24以及角度调整内筒50之间围合形成环形状的右液压腔（即第二液压腔）59。左活塞（即第一驱动模块）20设置在左液压腔58内，右活塞（即第二驱动模块）25设置在右液压腔59内。

另外，固定外筒24与角度调整内筒50的连接处设置有多个第二防尘圈22、第二环形密封O型圈23，以提高密封性能。

控制机构由二位四通电磁换向阀34、井底压力传感器57和测控电路28组成。压力补偿机构由第一高压接头30、第二高压接头31、压力补偿活塞32、第三高压接头33、压力补偿筒35、第二固定螺钉48、盖板49、以及第一固定螺钉29组成。

二位四通电磁换向阀34设置的数量为3~5个，沿圆周方向均匀设置在本体19的第四外圆柱面上，并与本体19螺纹连接。当泥浆泵104将钻井液泵入井下，大部分钻井液依次经本体内的钻井液流道向下流道并最终到达钻头上以冷却钻头，而另一部分钻井液通过二位四通电磁换向阀34流入左液压腔58或者右液压腔59。在二位四通电磁换向阀34通电情况下，管内钻井液与左液压腔58连通形成高压，管外钻井液与右液压腔59连通形成低压，此时，左活塞20能够推动角度调整内筒50靠近右活塞25，以使第一啮合齿和第二啮合齿相互错开；在二位四通电磁换向阀34断电情况下，管外钻井液与左液压腔58连通形成低压，管内钻井液与右液压腔59连通形成高压，此时，右活塞25能够推动角度调整内筒50靠近左活塞20，以使第一啮合齿和第二啮合齿相互啮合。二位四通电磁换向阀34的作用是控制管内钻井液和管外钻井液的流动方向，而管内钻井液的压力高于管外钻井液的压力。也就是说，二位四通电磁换向阀34的功能是控制高压进入哪个腔，控制低压进入哪个腔。

上接头18承载着一个足够大的扭矩，反扭矩会直接传递到角度调整内筒50上，使得上接头18、旋转筒9、角度调整内筒50和固定外筒24一起旋转。当角度调整内筒50和角度调整外筒21相互啮合时，角度调整内筒50能带动角度调整外筒21及其下部的钻具一起旋转，当角度调整内筒50和角度调整外筒21相互离开时，角度调整外筒21及其下部的钻具暂停旋转，仅上接头18、旋转筒9、角度调整内筒50和固定外筒24一起旋转。

本体19的下端与压力补偿筒35螺纹连接，压力补偿活塞32装配在压力补偿筒35和本体19形成的腔体中，第一高压接头30通过螺纹连接在压力补偿筒35上，第二高压接头31和第三高压接头33通过螺纹连接在压力补偿活塞32上。压力补偿活塞32在钻井液的液压作用力下在压力补偿筒35与二位四通电磁换向阀34之间来回运动，并通过高压接头将压力补偿给二位四通电磁换向阀34。

测控电路28通过螺钉固定在压力补偿筒35上，井底压力传感器57通过螺纹连接在本体19上。井底压力传感器57用于接收泥浆脉冲信号，并将信号传输至测控电路28，测控电路28用于解码出目标工具面角并对比分析目标工具面角和实时工具面角的误差值，从而控制二位四通电磁换向阀34的通断电。

盖板49的两端分别通过第一固定螺钉29、第二固定螺钉48与压力补偿筒35固定连接，用于隔绝泥浆，避免二位四通电磁换向阀34和测控电路28浸入泥浆。

供电机构由第四环形密封O型圈36、左接头37、第一发电机转子密封圈38、第一轴承39、发电机转子40、发电机定子41、第二轴承42、第二发电机转子密封圈43、轴承套44、发电机外筒45、第五环形密封O型圈46、以及第六环形密封O型圈47组成。

发电机外筒45的上端与压力补偿筒35的下端螺纹连接，发电机外筒45的下端则与左接头37螺纹连接。发电机转子40和发电机定子41设置在发电机外筒45中，其中，发电机定子41通过螺纹固定在发电机外筒45的内壁上，发电机转子40通过第一轴承39和第二轴承42与发电机定子41固定连接，第二轴承42的上端还安装有轴承套44。第一轴承39和第二轴承42的两端分别安装有第一发电机转子密封圈38和第二发电机转子密封圈43，发电机外筒45与压力补偿筒35的接触面上安装有第六环形密封O型圈47，轴承套44与压力补偿筒35的接触面上安装有第五环形密封O型圈46。

需要说明的是，本示例中的“上”是指从井下指向地面的方向，“下”是指从地面指向井下的方向，“左”是指图2中的左边方向，即井下方向，“右”是指图2中的右边方向，即地面方向。

示例2

在本示例中，连续旋转滑动钻井方法通过以下两种方式实施。

方式一：将图1中的连续旋转滑动钻井系统组装、调试并投入井底钻井，工程师根据MWD数据处理单元获取到的MWD传输的井斜、方位数据计算出实钻井眼轨迹。若需要进行井眼轨迹控制，如图3所示，则设置一个目标工具面角55，地面泥浆脉冲发射装置将目标工具面角55通过泥浆脉冲方式发射至可控旋转滑动执行工具，井底压力传感器接收到泥浆脉冲信号，井底压力传感器将信号传输至测控电路。测控电路解码出目标工具面角55并进行存储，同时测控电路实时测量实时工具面角56，并对比分析目标工具面角和实时工具面角56的误差值，控制二位四通电磁阀的通断电，进而控制左液压腔和右液压腔的高低压交替，进而控制角度调整外筒和角度调整内筒啮合和离开。如图4所示，在钻头反扭矩的作用下，弯螺杆以R'的速度逆时针旋转，而钻杆以R的速度顺时针旋转，通过调整角度调整外筒和角度调整内筒啮合和离开的频率以控制弯螺杆的实时工具面角趋近目标工具面角，当实时工具面角趋近目标工具面角达到误差允许范围（即±5°）时，保持当前啮合和离开的频率，最终实现上部钻具旋转，下部钻具滑动的钻井功能，并进行井眼轨迹实时控制。

方式二：若需要复合钻井，则通过地面泥浆脉冲发射装置将复合钻井信号发射至可控旋转滑动执行工具，井底压力传感器接收到复合钻井泥浆脉冲信号，井底压力传感器将复合钻井信号传输至测控电路，测控电路解码出复合钻井信号，测控电路控制二位四通电磁换向阀处于断电状态，则角度调整外筒和角度调整内筒完全啮合，弯螺杆的转速和钻杆保持一致，实现复合钻井。

综上所述，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：

（1）本发明的连续旋转滑动钻井系统结构简单，可靠性高；

（2）本发明的连续旋转滑动钻井系统可实现工具面自动控制，且工具面角控制精度高；

（3）本发明的连续旋转滑动钻井方法可应用于深井、长水平井，可有效解决钻柱“托压”难题，能显著增加定向钻进的机械钻速。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (11)

1.一种连续旋转滑动钻井系统，其特征在于，所述连续旋转滑动钻井系统包括沿地面至井底方向顺序连接的无线传输机构、钻杆、可控旋转滑动执行工具、随钻测量工具和螺杆钻具，其中，

所述无线传输机构被配置为能够接收井眼轨迹参数的测量值，并计算出实钻井眼轨迹，以及，能够以泥浆脉冲方式将目标工具面角发射至可控旋转滑动执行工具；

所述钻杆用于连接无线传输机构和可控旋转滑动执行工具；

所述随钻测量工具被配置为能够获取井眼轨迹参数的测量值，所述井眼轨迹参数包括井斜角、方位角和实时工具面角；

所述可控旋转滑动执行工具包括本体、第一旋转机构、离合机构、第二旋转机构和控制机构，其中，

所述本体具有呈阶梯状的外壁，第一旋转机构、离合机构、第二旋转机构和控制机构沿地面至井底方向顺序设置在本体的所述外壁上，所述本体内部开设有供钻井液流通的第一流道；

第一旋转机构被配置为能够在螺杆钻具在破岩过程中产生的反扭矩作用下按照与随钻测量工具的旋转方向相反的方向进行旋转；

所述控制机构能够控制所述离合机构以预定频率间歇地切换为第一状态或第二状态，以使根据目标工具面角与实时工具面角之间的误差值小于或等于误差允许范围；

处于第一状态下的离合机构能够与第二旋转机构连接，以使第一旋转机构能够带动第二旋转机构发生旋转，处于第二状态下的离合机构能够与第二旋转机构断开连接，以使第二旋转机构暂停旋转；

所述螺杆钻具被配置为能够钻进岩层，并包括弯螺杆和钻头。

2.根据权利要求1所述的连续旋转滑动钻井系统，其特征在于，所述阶梯状的外壁包括沿地面至井底方向依次设置的第一外圆柱面、第二外圆柱面、第三外圆柱面和第四外圆柱面，第一外圆柱面的外径小于第二外圆柱面的外径，第二外圆柱面的外径小于第三外圆柱面的外径，第四外圆柱面的外径小于第一外圆柱面的外径。

3.根据权利要求2所述的连续旋转滑动钻井系统，其特征在于，所述第一旋转机构包括第一连接接头、第二连接接头和旋转筒，所述离合机构包括固定外筒、角度调整内筒、第一驱动模块和第二驱动模块，所述第二旋转机构包括角度调整外筒，所述控制机构包括多个换向阀门，其中，

第一连接接头的一端与钻杆可拆卸连接，另一端与本体的所述第一外圆柱面可拆卸连接；

旋转筒套设在本体的所述第二外圆柱面上，且旋转筒的一端与第一连接接头可拆卸连接，另一端与第二连接接头可拆卸连接；

角度调整内筒套设在本体的所述第二外圆柱面上，且角度调节内筒的外侧壁上设置有多个沿圆周方向均匀分布的第一啮合齿；

固定外筒设置在角度调整内筒的外侧，且固定外筒的一端与角度调整内筒可拆卸连接，另一端与第二连接接头可拆卸连接；

角度调整外筒设置在角度调整内筒的外侧，角度调整内筒与本体的所述第三外圆柱面可拆卸连接，且角度调整外筒的内侧壁上设置有多个沿圆周方向均匀分布的能够与第一啮合齿相互配合的第二啮合齿；

本体、角度调整外筒以及角度调整内筒之间围合形成环形状的第一液压腔，第二连接接头、固定外筒以及角度调整内筒之间围合形成环形状的第二液压腔，第一驱动模块设置在第一液压腔内，第二驱动模块设置在第二液压腔内；

多个换向阀门沿圆周方向均匀设置在本体的第四外圆柱面上，并具有多个介质出口，换向阀门被配置为能够改变本体内外钻井液的流通方向；

在换向阀门开启情况下，第一液压腔的腔内压力高于第二液压腔的腔内压力，第一驱动模块能够推动角度调整内筒靠近第二驱动模块，以使第一啮合齿和第二啮合齿相互错开；

在换向阀门关闭情况下，第一液压腔的腔内压力低于第二液压腔的腔内压力，第二驱动模块能够推动角度调整内筒靠近第一驱动模块，以使第一啮合齿和第二啮合齿相互啮合；

所述第一连接接头能够承载螺杆钻具在破岩过程中产生的反扭矩，当第一啮合齿和第二啮合齿相互啮合时，第一连接接头、旋转筒、固定外筒和角度调整内筒能够在反扭矩作用下带动角度调整外筒及其下部连接的钻柱一起共同旋转，当第一啮合齿和第二啮合齿相互离开时，角度调整外筒及其下部连接的钻柱暂停旋转，仅上接头、旋转筒、角度调整内筒和固定外筒发生旋转。

4.根据权利要求3所述的连续旋转滑动钻井系统，其特征在于，所述本体开设有连通第一液压腔的第一液压孔、以及连通第二液压腔的第二液压孔；所述第一连接接头的内部开设有供钻井液流通的第二流道。

5.根据权利要求4所述的连续旋转滑动钻井系统，其特征在于，所述换向阀门为二位四通电磁换向阀。

6.根据权利要求3所述的连续旋转滑动钻井系统，其特征在于，所述控制机构还包括井底压力传感器和控制模块，井底压力传感器用于接收泥浆脉冲信号，并发送至控制模块，控制模块被配置为能够解析泥浆脉冲信号获取目标工具面角，并根据目标工具面角与实时工具面角之间的误差值控制所述换向阀门在开启状态和关闭状态之间来回切换的预定频率。

7.根据权利要求3所述的连续旋转滑动钻井系统，其特征在于，所述旋转筒与所述第二外圆柱面之间沿地面至井底方向顺序依次设置有限位筒和TC轴承，限位筒与第二外圆柱面通过螺纹连接，用于限制本体脱落，TC轴承通过键与第二外圆柱面连接。

8.根据权利要求7所述的连续旋转滑动钻井系统，其特征在于，所述旋转筒的内壁和所述TC轴承的外壁均焊接有硬质合金片，所述限位筒上焊接有多个金刚石复合片。

9.根据权利要求3所述的连续旋转滑动钻井系统，其特征在于，所述可控旋转滑动执行工具还包括压力补偿机构，压力补偿机构包括压力补偿筒、压力补偿模块和高压接头，压力补偿筒与本体的所述第四外圆柱面连接，用于隔绝钻井液，压力补偿模块设置在压力补偿筒与第四外圆柱面形成的环形腔体中，高压接头分别设置在压力补偿模块的两端、以及压力补偿筒的内壁上，压力补偿模块被配置为能够在钻井液的液压推动下在压力补偿筒和换向阀门之间移动，并通过高压接头将压力补偿给换向阀门。

10.一种连续旋转滑动钻井方法，其特征在于，所述连续旋转滑动钻井方法包括：采用如权利要求1~9中任意一项所述的连续旋转滑动钻井系统进行定向钻井，通过调整离合机构与第二旋转机构连接和断开的预定频率以控制弯螺杆的实时工具面角与目标工具面角之间的误差值小于或等于误差允许范围，最终实现上部钻具旋转、下部钻具滑动的钻井功能，并进行井眼轨迹实时控制。

11.根据权利要求10所述的连续旋转滑动钻井方法，其特征在于，所述连续旋转滑动钻井方法还包括：采用所述连续旋转滑动钻井系统进行复合钻井，通过控制离合机构与第二旋转机构维持连接关系，以使弯螺杆的转速与钻杆的转速保持一致，从而实现复合钻井。

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