CN213597871U - 短半径可控轨迹钻井工具 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种短半径可控轨迹钻井工具，其包括钻头和可控柔性钻压扭矩传递管柱，可控柔性钻压扭矩传递管柱包括偏置杠杆和多个承载短节，偏置杠杆的下端与钻头固定连接，相邻两承载短节之间通过钻压扭矩偏转传递机构相铰接，位于最下方的承载短节为承载本体，承载本体上设有偏转导向机构，偏置杠杆的下部通过可控钻压扭矩偏转传递机构与承载本体的下部相铰接，且偏置杠杆与承载本体之间形成有活动间隙，偏转导向机构设于活动间隙内并位于可控钻压扭矩偏转传递机构的上方，偏转导向机构能驱动偏置杠杆摆动和/或转动。本实用新型可实现短‑极短半径井井眼造斜或通过短‑极短半径井段实现其延伸井段的导向钻井。

Description

短半径可控轨迹钻井工具

技术领域

本实用新型涉及钻井技术领域，特别涉及一种短半径可控轨迹钻井工具。

背景技术

开采成本的控制一直以来都是石油天然气钻探所追求的目标，随着非常规油气田的开发等对钻井装备的要求越来越高，自动化、智能化的高效钻井技术已成为降低成本，提高效率主流，此外，钻探技术在地质工程领域、矿产开发领域也有大量的应用。

目前，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°/30m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°/30m，在小井眼中最也不超过18°/30m。在超短半径钻井领域中，造斜曲率半径要求一般在10m～60m之间，在极短半径钻井领域中，极短半径钻井造斜曲率半径要求在小于10米的米级范围。这样可以很好的精准定位储层，避免在泥岩、盐岩等地质状况复杂的隔层实施钻井作业。此外，通过上述超短半径井段或极短半径井段完成其延伸井段的钻井，由于钻柱仍然需要实现高度的弯曲，因此也属于上述超短半径井段或极短半径井段钻井的范畴。

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10m～60m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。

很多油气藏、或者需要流化开采的固体矿藏的开发需要大量用到钻井技术，甚至于水平井钻探技术。由于现有的定向钻井技术无法实现短半径转向，难于开发超薄储层，或在盖层中难于造斜但进入储层后又需要大曲率转向的定向井，或尽可能大限度的实现分支钻井，或在浅部地层实现大角度转弯，或通过在已有井眼中侧钻分支井以实现井旁储量的动用；现有技术中，通常采用带有弯接头的螺杆钻具钻分支井的方式实现井旁储量的动用，已有资料表明，现有的螺杆钻具定向钻井技术以及其他定向钻井技术无法超过15°/30m的造斜率。

综上所述，井眼曲率太大，现有的可控轨迹的定向井技术无法实现；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，经济效益差且增加了施工井段的作业难度，其他的可控轨迹钻井工具的导向性能、通过性能也无法超过18°/30m的极限，存在与上述详细说明的螺杆钻具同等的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种能够具有导向性能且实现短-超短半径定向钻井或通过短-超短半径井眼完成其延伸井段的定向钻井，并实现短造斜率的短半径可控轨迹钻井工具。

为达到上述目的，本实用新型提供了一种短半径可控轨迹钻井工具，其包括：

钻头；

可控柔性钻压扭矩传递管柱，其包括偏置杠杆、电器执行器和多个承载短节，所述偏置杠杆的下端与所述钻头固定连接，相邻两所述承载短节之间通过钻压扭矩偏转传递机构相铰接，位于最下方的所述承载短节为承载本体，所述承载本体上设有偏转导向机构，所述偏置杠杆的下部通过可控钻压扭矩偏转传递机构与所述承载本体的下部相铰接，且所述偏置杠杆与所述承载本体之间形成有活动间隙，所述偏转导向机构设于所述活动间隙内并位于所述可控钻压扭矩偏转传递机构的上方，所述偏转导向机构能驱动所述偏置杠杆以所述可控钻压扭矩偏转传递机构为中心摆动和/或绕所述承载本体的轴线转动。

如上所述的短半径可控轨迹钻井工具，其中，所述可控柔性钻压扭矩传递管柱还包含第一扶正结构和第二扶正结构，所述第一扶正结构设置于所述偏转导向机构和所述钻头之间并位于所述承载本体的外侧，或者，所述第一扶正结构设置于所述偏转导向机构和所述钻头之间并位于所述偏置杠杆的外侧；所述第二扶正结构设置于所述承载本体的上方的首个所述钻压扭矩偏转传递机构的附近。

如上所述的短半径可控轨迹钻井工具，其中，所述偏置杠杆的上力臂长度大于所述可控钻压扭矩偏转传递机构至其上方邻近的所述钻压扭矩偏转传递机构之间间距的30％；

所述偏置杠杆的下力臂长度小于所述可控钻压扭矩偏转传递机构至其上方邻近的所述钻压扭矩偏转传递机构之间间距的50％。

如上所述的短半径可控轨迹钻井工具，其中，所述偏转导向机构与所述钻头的下端之间的距离大于所述钻头的下端至所述偏转导向机构的上方邻近的所述钻压扭矩偏转传递机构之间的距离的50％。

如上所述的短半径可控轨迹钻井工具，其中，所述偏置杠杆插设于所述承载本体的内部，所述偏转导向机构为偏心环，所述承载本体上设有驱动电机，所述驱动电机环套于所述偏置杠杆的外侧，所述偏心环设置于所述驱动电机的上方并与所述驱动电机的转子输出端连接，所述驱动电机能驱动所述偏心环转动，所述偏心环与所述偏置杠杆间设置有轴承，所述偏心环的转动能驱动所述偏置杠杆以所述可控钻压扭矩偏转传递机构为中心摆动和/或绕所述承载本体的轴线转动。

如上所述的短半径可控轨迹钻井工具，其中，所述偏置杠杆插设于所述承载本体的内部，所述偏转导向机构包括至少三组沿所述承载本体的径向间隔设置的驱动液压缸，所述电器执行器包括电磁阀，所述驱动液压缸包括连接于所述承载本体的侧壁上的缸筒和设置于所述缸筒内的驱动活塞，所述电磁阀能周期性的驱动所述驱动活塞沿所述承载本体的径向移动，所述驱动活塞的移动能驱动所述偏置杠杆以所述可控钻压扭矩偏转传递机构为中心转动。

如上所述的短半径可控轨迹钻井工具，其中，所述偏置杠杆为铰接套筒，所述偏转导向机构连接于所述承载本体的内壁面上，所述偏转导向机构包括至少三组沿所述承载本体的径向间隔设置的驱动液压缸，所述驱动液压缸包括连接于所述承载本体的侧壁上的缸筒和设置于所述缸筒内的驱动活塞，所述驱动活塞能与所述铰接套筒的内壁相互抵接，所述承载本体上还设有电器执行器，所述承载本体内部设有流道，所述电器执行器包括转阀驱动电机和转阀，所述转阀包括转阀阀盘和转阀阀座，所述转阀阀座与所述驱动液压缸相连通，所述转阀驱动电机能驱动所述转阀将所述流道与所述驱动液压缸周期连通。

如上所述的短半径可控轨迹钻井工具，其中，所述短半径可控轨迹钻井工具中还包括用于测量重力工具面角或磁工具面角的姿态测量传感器。

如上所述的短半径可控轨迹钻井工具，其中，所述可控钻压扭矩偏转传递机构的偏转角度为0°～15°。

如上所述的短半径可控轨迹钻井工具，其中，所述可控钻压扭矩偏转传递机构包括传递万向节和套设于所述传递万向节的外部的固定套筒，所述固定套筒与所述传递万向节之间具有间隙形成偏转空间，所述传递万向节能在所述偏转空间内相对所述固定套筒的轴线偏转0°～15°。

如上所述的短半径可控轨迹钻井工具，其中，所述短半径可控轨迹钻井工具还包括电源模块和泥浆脉冲器，所述电源模块和所述泥浆脉冲器均设置于所述可控柔性钻压扭矩传递管柱的上端。

如上所述的短半径可控轨迹钻井工具，其中，各所述承载短节沿轴线方向设有贯通结构，所述承载本体的内部沿轴向穿设有流管，所述流管的出口位于所述可控钻压扭矩偏转传递机构的下方并与所述钻头相连通，所述流管的入口设置于所述可控钻压扭矩偏转传递机构的上方并与所述贯通结构相互连通。

如上所述的短半径可控轨迹钻井工具，其中，邻近所述承载本体的所述承载短节的外侧套设有隔离扶正器，所述隔离扶正器与所述承载本体的上端之间的距离不超过井眼的直径的10倍。

如上所述的短半径可控轨迹钻井工具，其中，所述第一扶正结构为扩眼钻头，所述扩眼钻头包含保径结构。

如上所述的短半径可控轨迹钻井工具，其中，所述短半径可控轨迹钻井工具中还包括用于测量所述偏置杠杆与所述承载本体的相对运动的位移传感器。

与现有技术相比，本实用新型的优点如下：

第一、本实用新型的短半径可控轨迹钻井工具，通过将相邻两承载短节之间通过可控钻压扭矩偏转传递机构相铰接，形成可控柔性钻压扭矩传递管柱，实现了短半径定向钻井技术对薄储层开发、剩余油挖潜、盐下储层水平井开发、多层系合并开发、稠油煤层气开发以及水合物等软质甚至具有流动性的固体矿物的开发具有工程可行性和实用价值，并实现了短造斜率；偏置导向机构通过偏置杠杆驱动钻头的轴线可控的偏离承载本体的轴线，实现了导向功能；

第二、由于后方的钻压扭矩偏转传递机构会向钻头传递大量的干扰力，干扰导向方向，而在较软的地层中，这种干扰力是不可避免的，会导致铰接套筒外侧的扶正器无法与井壁形成支撑，进一步的导致导向方位失稳，本实用新型的短半径可控轨迹钻井工具，通过设置扩眼钻头，可以使得铰接套筒至少有两处可以与井壁接触，达到了增加导向稳定性的目的；

第三、上方钻柱会将钻压和扭矩沿着所述可控柔性钻压扭矩传递管柱向下传递，在这个过程中，可控柔性钻压扭矩传递管柱中的各个承载短节会发生屈曲和晃动，继而引起钻压和扭矩的传递方向不稳定，就容易引起设置有导向机构的承载本体收到干扰力的影响，本实用新型通过设置隔离扶正器，有效避免了上述干扰的影响。

第四、本实用新型采用液压推动铰接套筒偏转的方式具有很好的弯曲井眼适应性，电气执行器仅通过控制驱动液压缸和流道的联通性实现对驱动活塞施加推力，而不会限制其位移，因此，即便在所述可控柔性钻压扭矩传递管柱发生剧烈震动、通过高曲率井眼或遭遇井眼扩径时，所述驱动活塞可适应外力作用被动发生位移改变，可以避免所述短半径可控轨迹钻井工具在井眼中发生遇阻的现象。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：

图1是本实用新型的短半径可控轨迹钻井工具的第一种结构示意图；

图2是本实用新型的短半径可控轨迹钻井工具的第二种结构示意图；

图3是本实用新型的短半径可控轨迹钻井工具的第三种结构示意图；

图4是图3的局部放大结构示意图；

图5是本实用新型的短半径可控轨迹钻井工具的第四种结构局部示意图；

图6铰接球笼式传递万向节结构示意图；

图7是本实用新型的短半径可控轨迹钻井工具处于使用状态的示意图；

附图标号说明：

100、钻头；101、位移传感器；102、测量模块；

200、可控柔性钻压扭矩传递管柱；

210、偏置杠杆；211、可控钻压扭矩偏转传递机构；212、轴承；

220、承载短节；

221、承载本体；2211、电器执行器；22111、电磁阀；22112、第一通路；22113、第二通路；22114、二位二通阀阀体；2212、流道；22141、转阀阀盘；22142、转阀阀座；22143、排液流道；

222、钻压扭矩偏转传递机构；2221、传递万向节；22211、贯通结构；2222、固定套筒；22221、扭矩传递球笼；22222、铰接结构；22223、铰接套筒限位端；22224、导流管；

223、驱动控制短节；2231、电器执行器驱动控制电路；

230、偏转导向机构；231、偏心环；232、驱动电机；233、驱动液压缸；2331、缸筒；2332、驱动活塞；2334节流阀；234、铰接套筒；2322、转阀驱动电机；2323、旋转变压器；

240、第一扶正结构；

250、第二扶正结构；

18、电气线路；19、钻杆；20、电源模块；35、高压活塞引流管。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术方案、目的和效果有更清楚的理解，现结合附图说明本实用新型的具体实施方式。其中，形容词性或副词性修饰语“上”和“下”、“前”和“后”、“内”和“外”的使用仅是为了便于多组术语之间的相对参考，且并非描述对经修饰术语的任何特定的方向限制。另外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1、图2和图3所示，本实用新型提供了一种短半径可控轨迹钻井工具，其包括钻头100和可控柔性钻压扭矩传递管柱200，其中：

钻头100可以是以依靠切削和/或射流作用破碎地层的钻头100，当钻头100为依靠或部分依靠射流作用破碎地层的钻头100时，射流中含有的固相会随射流沿着钻头100内置喷嘴方向喷射；

可控柔性钻压扭矩传递管柱200能驱动钻头100完成短-极短半径井眼钻探或通过短-极短半径井段完成其延伸井段的钻进；

可控柔性钻压扭矩传递管柱200包括偏置杠杆210和多个承载短节220，偏置杠杆210的下端与钻头100固定连接，钻头100能随偏置杠杆210移动，相邻两承载短节220之间通过钻压扭矩偏转传递机构222相铰接，以实现短半径可控轨迹钻井工具的大幅度偏转和旋转钻井的动力传递；位于最下方的承载短节220为承载本体221，承载本体221上设有偏转导向机构230，偏置杠杆210可以套装于承载本体221的外部，偏置杠杆210也可以穿设于承载本体221内，偏置杠杆210的下部通过可控钻压扭矩偏转传递机构211与承载本体221的下部相铰接，且偏置杠杆210与承载本体221之间形成有活动间隙，以使得偏置杠杆210能够相对承载本体221偏转预设角度，偏转导向机构230设于活动间隙内并位于可控钻压扭矩偏转传递机构211的上方，偏转导向机构230能驱动偏置杠杆210以可控钻压扭矩偏转传递机构211为中心摆动和/或绕承载本体211的轴线转动，即偏转导向机构230能驱动偏置杠杆210带动钻头100相对承载本体221发生偏转角度，以达到改变井眼轨迹的目的，并且，偏转导向机构230由外部的测控系统控制，从而能够实现井眼轨迹控制。

需要说明的是，固定连接可以是包括焊接、一体化加工、丝扣连接在内的任意一种可以传递钻井动力的连接方式；

可控柔性钻压扭矩传递管柱200与现有技术中的柔性节有着明显区别，现有技术中所述的柔性节仅为直径稍细的钻杆，由于其要同时承担抗拉、钻压传递、扭矩传递的作用，所以其直径和截面积受到了很大的限制，远不能在维持钻完井基本安全的条件下实现短半径钻井；

短半径可控轨迹钻井工具需要采用钻机转盘、钻机顶驱、钻柱、动力马达等旋转动力源提供旋转钻井的动力。

本实用新型的短半径可控轨迹钻井工具，通过将相邻两承载短节220之间通过钻压扭矩偏转传递机构222相铰接，形成可控柔性钻压扭矩传递管柱200，实现了短半径定向钻井技术对薄储层开发、剩余油挖潜、盐下储层水平井开发、多层系合并开发、煤层气开发以及水合物等软质甚至具有流动性的固体类矿物的开发具有工程可行性和实用价值，并实现了短造斜率；偏置导向机构通过偏置杠杆210驱动钻头100的轴线可控的偏离承载本体221的轴线，实现了导向功能。

进一步，如图1所示，可控柔性钻压扭矩传递管柱200还包含第一扶正结构240和第二扶正结构250，第一扶正结构240设置于偏转导向机构230的下端与钻头100之间并位于承载本体221的外侧，或者，第一扶正结构240设置于偏转导向机构230的下端与钻头100之间并位于偏置杠杆210的外侧；第二扶正结构250设置于邻近承载本体221的上方的首个钻压扭矩偏转传递机构222处，第一扶正结构240和第二扶正结构250能够保证可控柔性钻压扭矩传递管柱200与井眼始终保持同轴。

再进一步，第一扶正结构240为扩眼钻头，扩眼钻头包含保径结构，具体的，扩眼钻头为3-8个镶有PDC齿的刀翼，用于在钻头后方扩大和平整井眼，且保径结构的轴向长度为0.5英寸～10英寸。需要说明的是，在钻井过程中，钻头与扩眼钻头均在切削岩石，处于井眼的中心位置，因此扩眼钻头的设置增加了短半径可控轨迹钻井工具的地层适应性和稳定性，避免井眼扩径导致第一扶正结构无法支撑井壁的情况发生。

进一步，邻近承载本体221的承载短节220的外侧套设有隔离扶正器，隔离扶正器与承载本体221的上端之间的距离不超过井眼的直径的10倍，隔离扶正器能隔离自上而下传递的绕扰动力。

进一步，如图1、图2和图3所示，偏置杠杆210的上力臂长度至少为可控钻压扭矩偏转传递机构211至其上方邻近的钻压扭矩偏转传递机构222之间间距的30％，以能充分利用承载本体221的空间延长上力臂，使钻头100可以获得尽可能多的导向力；

偏置杠杆210的下力臂长度小于可控钻压扭矩偏转传递机构211至其上方邻近的钻压扭矩偏转传递机构222之间间距的50％，以尽可能减缓钻头100扭矩或振动给偏置杠杆210带来的干扰，以求最大限度的加强导向过程的稳定性。

需要说明的是，偏置杠杆210的上力臂长度c为可控钻压扭矩偏转传递机构211至偏转导向机构230向偏置杠杆210的施力点的距离，下力臂长度b为钻头100的下端面到可控钻压扭矩偏转传递机构211间的距离。

进一步，偏转导向机构230与钻头100的下端之间的距离d至少为钻头100的下端至其上方邻近的钻压扭矩偏转传递机构222之间的距离a的50％，以使得承载本体221能够向钻头100施加足够的侧向力。

进一步，钻压扭矩偏转传递机构222的偏转角度为0°～15°，以将相邻两承载短节220之间的偏转角度限制在0°～15°之间，从而实现短造斜率。

再进一步，如图1至图3所示，钻压扭矩偏转传递机构222包括传递万向节2221和套设于传递万向节2221的外部的固定套筒2222，相邻两承载短节220分别与传递万向节2221的输入端和输出端相连，传递万向节2221的输出端和输入端是根据动力传递方向定义的，固定套筒2222与传递万向节2221之间具有间隙形成偏转空间，传递万向节2221能在偏转空间内相对固定套筒2222的轴线偏转0°～15°，通过固定套筒2222限制传递万向节2221的偏转角度，能够防止钻压扭矩偏转传递机构222在钻压扭矩传递过程中过度屈曲，妨碍钻压扭矩传递，从而使得钻压扭矩能够顺利传递。

需要说明的是，可控钻压扭矩偏转传递机构211的结构可以与钻压扭矩偏转传递机构222的结构相同，可控钻压扭矩偏转传递机构211也可以仅包括传递万向节2221，或者，可控钻压扭矩偏转传递机构211为球铰与扭矩传递结构的组合。

进一步，各承载短节220沿轴线方向设有贯通结构22211，贯通结构22211形成供钻井循环介质流通的主流道2212或容纳供钻井液流动的结构，承载本体221的内部沿轴向穿设有流管，流管用于为钻井液提供流动通道，流管的出口位于可控钻压扭矩偏转传递机构211的下方并与钻头100相连通，流管的入口设置于可控钻压扭矩偏转传递机构211的上方并与贯通结构22211相互连通。

实施方式一

如图1所示，偏置杠杆210插设于承载本体221的内部，偏转导向机构230包含偏心环231，承载本体221上设有电器执行器2211，该电器执行器2211为驱动电机232，驱动电机232环套于偏置杠杆210的外侧，偏心环231设置于驱动电机232的上方并与驱动电机232的转子输出端连接，驱动电机232能驱动偏心环231转动，偏心环231与偏置杠杆210间设置有轴承212，偏心环231的转动能驱动偏置杠杆210以可控钻压扭矩偏转传递机构211为中心摆动和/或绕承载本体221的轴线转动，具体的，偏心环231驱动偏置杠杆210的后端绕承载本体221轴线的旋转方向与短半径可控轨迹钻井工具驱动钻头100旋转的方向相反，即向特定导向时偏心环231驱动偏置杠杆210相对承载本体221向导向方向偏转且对地静止，偏心环231驱动偏置杠杆210的后端绕承载本体221轴线的公转速度与短半径可控轨迹钻井工具驱动钻头100旋转的速度相同，以使得偏置杠杆210可以驱动钻头100朝向预设方向导向偏转。

需要说明的是，由于偏置导向机构无法在向钻头100施加侧向力的同时直接向井壁施加反作用力，因此，采用偏心环231，可以增加承载本体221-偏置杠杆210-偏转导向机构230-传递万向节2221之间的结构刚性，更容易增加导向钻井的稳定性，对于可控柔性钻压扭矩传递管柱200带来的扰动起到更好的抑制和隔离作用。

实施方式二

如图2所示，偏置杠杆210插设于承载本体221的内部，承载本体221上设有电器执行器2211，该电器执行器2211包括电磁阀22111，偏转导向机构230包括至少三组沿承载本体221的径向间隔设置的驱动液压缸233，驱动液压缸233包括连接于承载本体221的侧壁上的缸筒2331和设置于缸筒2331内的驱动活塞2332，驱动活塞2332上连接推靠件，电磁阀22111能周期性的驱动驱动活塞2332沿承载本体221的径向移动，驱动活塞2332能周期性的驱动推靠件沿承载本体221的径向移动，推靠件的移动能驱动偏置杠杆210绕可控钻压扭矩偏转传递机构211的中心转动，具体的，推靠件的移动能抵推偏置杠杆210，使偏置杠杆210绕可控钻压扭矩偏转传递机构211的中心转动，从而驱动钻头100朝向预方向导向。

需要说明的是，推靠件的设置是为了保证力传递的稳定性，在实际使用时，也可以不设置推靠件。

实施方式三

如图3和图4所示，偏置杠杆210为铰接套筒234，偏转导向机构230连接于承载本体221的内壁面上，偏转导向机构230包括至少三组沿承载本体221的径向间隔设置的驱动液压缸233，驱动液压缸233包括连接于承载本体221的侧壁上的缸筒2331和设置于缸筒2331内的驱动活塞2332，驱动活塞2332能与铰接套筒234的内壁相互抵接，承载本体221上还设有电器执行器2211，承载本体221内部设有流道2212，电器执行器2211包括多个与各驱动液压缸233一一对应的电磁阀22111，电磁阀22111具有第一通路22112和第二通路22113，第一通路22112与驱动液压缸233相连通，第二通路22113与流道2212相连通，电磁阀22111能将流道2212与驱动液压缸233周期性连通，具体的，电磁阀22111为二位二通电磁换向阀，其包括二位二通阀阀体22114，第一通路22112和第二通路22113设置在二位二通阀阀体22114上，二位二通阀阀体主要指可被电磁铁或可同等替代电控机构控制，能实现阀的开/闭两种阀位状态，实现第一通路和第二通路的联通状态，进一步的控制流道和驱动液压缸的联通性。本实施例中采用电磁换向实现二位二通阀的功能，但不排除其他任意同等替代，例如采用电动机或者其他电器执行器驱动二位二通阀均属于同等替代。此外，本实用新型重点保护偏置杠杆、承载本体、承载短节和钻压扭矩偏转传递机构所形成的力学结构。具体的驱动方式均可做同等替代，只要能实现为各个驱动液压缸周期性供液，均属于本实用新型的保护范围。

进一步，位于承载本体221的上方的一个承载短节220为驱动控制短节223，驱动控制短节223内设有电器执行器驱动控制电路2231，电器执行器驱动控制电路2231与电器执行器2211电连接，电磁阀22111能在电器执行器驱动控制电路2231的控制作用下周期性的开/闭第一通路22112和第二通路22113之间的连接，使得驱动液压缸233周期性的接触承载本体221内部的流道2212中的高压流体并产生推力，此外，驱动控制短节223的设置，适用于容置对空间需求较大以及对散热要求较高的电器执行器驱动控制电路，有利于各个承载本体221最大限度的缩减长度，提高短半径钻井工具的通过性，并且，由于电器执行器驱动控制电路中包括开关管和开关管驱动器等体积较大且对散热要求较高的电子元器件，将电器执行器驱动控制电路后置，有利于电器执行器驱动控制电路的减震。

进一步，可控钻压扭矩偏转传递机构211的偏转点至铰接套筒234上端的距离大于可控钻压扭矩偏转传递机构211偏转点至位于最下端的钻压扭矩偏转传递机构222的偏转点的距离的30％；且可控钻压扭矩偏转传递机构211的偏转点至铰接套筒234上端的距离大于可控钻压扭矩偏转传递机构211偏转点至第二扶正结构250的距离的40％；钻头100的下端至可控钻压扭矩偏转传递机构211偏转点的距离长度设置为可控钻压扭矩偏转传递机构211的偏转点至位于最下端的钻压扭矩偏转传递机构222的偏转点的距离的5％～50％。这样做的好处在于，通过力臂比例的设置，尽可能的让偏转导向机构230的推力作用于钻头100和第一扶正结构240，而免于受到其后方的钻压扭矩偏转传递机构222的摆动干扰。

作为优选，传递万向节2221是十字轴万向节或铰接球笼式传递万向节，其中，如图7所示，铰接球笼式传递万向节具体为扭矩传递球笼22221与铰接结构22222的结合，具体的，扭矩传递球笼22221用以传递扭矩，在扭矩作用下旋转时，扭矩便通过扭矩传递球笼传递至铰接套筒进一步的带动钻头旋转，铰接结构22222用于传递轴向力，扭矩传递球笼22221和铰接结构22222共同构成了可传递轴向力的钻压扭矩偏转传递机构222，在旋转导向过程中，通过钻压扭矩偏转传递机构222将上部钻压直接传递至钻头100或通过铰接套筒234传递至所述钻头100，为满足导向钻进过程中铰接套筒234以扭矩传递球笼22221为中心产生偏转所需要的偏转空间，铰接套筒234上端设置有铰接套筒限位端22223，铰接套筒限位端22223与承载本体221的外表面之间均设计有活动间隙；另外，铰接套筒234上设有作为钻井液通道的导流管22224，以保障钻井液从柔性承压流管流经承载本体的中心水眼并进一步的通过导流管22224流动至钻头100，并最终通过水眼排放至环空。

实施方式四

如图5所示，偏置杠杆210为铰接套筒234，偏转导向机构230连接于承载本体221的内壁面上，偏转导向机构230包括至少三组沿承载本体221的径向间隔设置的驱动液压缸233，驱动液压缸233包括连接于承载本体221的侧壁上的缸筒2331和设置于缸筒2331内的驱动活塞2332，驱动活塞2332能与铰接套筒234的内壁相互抵接，承载本体221内部设有流道2212，承载本体221上还设有电器执行器2211，所述电器执行器包括转阀驱动电机2322和转阀，转阀包括转阀阀盘22141和转阀阀座22142，转阀阀座22142中设置有多个与各驱动液压缸233一一对应的连通孔，转阀中设置有开口，转阀驱动电机2322驱动转阀转动，以使开口朝向特定方向，从而使转阀阀座上处于开口方向的连通孔与流道2212连通，最终使流道2212与驱动液压缸233周期性连通，实现向特定方向的驱动液压缸233供液，达到导向的目的。需要补充说明的是，实施方式三和实施方式四中给出的驱动活塞可以实现导向和稳斜两种功能，当需要导向时，电器执行器通过控制流道2212内的高压流体流入与预设导向方向相反的扇区内的驱动活塞对应的高压活塞引流管35，驱使与预设导向方向相反将的扇区内的驱动活塞2332驱动铰接套筒234以传递万向节2221为中心偏转，使钻头向预设导向方向偏转，随着钻井进尺的加深，可控轨迹短半径钻井工具逐渐调整到与所需导向的井斜、方位相同的位置上；当需要稳定钻进时，电器执行器将控制均匀分布的驱动活塞2332交替推出，使得在周向360°方向上，不断的有驱动活塞2332作用于铰接套筒234，使得钻头在周向360°方向上摆动，达到稳斜钻进的目的。此外，由于钻井工具面临的工况复杂，本实用新型中所述的朝向任何“方向”或者“扇区”仅表示高概率的朝向某一“方向”或者“扇区”。

需要说明的是，转阀驱动电机2322也能驱动转阀转动，以使排液流道22143与驱动液压缸233随短半径可控轨迹钻井工具的旋转而周期性联通和关闭，辅助所述驱动液压缸233中的乏液排入环空，所述关闭主要指一种联通性变差的状态，并不是特指绝对断绝联通，使联通性明显变差也属于关闭状态的一种，其中，转阀阀盘22141和转阀阀座22142实现流道开关的具体结构和功能属于现有技术，此处不再赘述。

此外，在通过转阀控制排液的条件下，还可以通过节流阀2334实时排出所述驱动液压缸233内的流体，所述转阀驱动电机2322驱动所述转阀为背对导向方向所在扇区的所述驱动液压缸233供液时，所述供液量大于所述节流阀2334的排液量，故驱动液压缸233推靠所述铰接套筒234，所述转阀驱动电机2322驱动所述转阀不为背对导向方向所在扇区的所述驱动液压缸233供液时，所述供液量小于所述节流阀2334的排液量，则所述驱动液压缸233被所述铰接套筒234的内壁挤压并回收。

进一步，缸筒2331通过高压活塞引流管35与电器执行器2211(转阀驱动电机2322)相连通；电气线路18固定设置于所述可控柔性钻压扭矩传递管柱内部，随所述可控柔性钻压扭矩传递管柱200共同旋转，所述电气线路18能够为电器执行器2211和偏转导向机构230提供电力和通讯。

进一步，所述承载本体221上还设置有测量模块102和控制电路，所述承载本体221外表面设置有第二扶正结构250。所述铰接套筒234外表面上设置有第一扶正结构240；测量模块用于测量短半径可控轨迹钻井工具的工具面角，并传输给控制电路，用控制电路驱动电器执行器2211实现导向，具体流程为现有技术，此处不再赘述。与转阀驱动电机2322同轴连接的旋转变压器2323也与控制电路保持电连接，用于接收转阀驱动电机2322反馈的角位置信息，以便实现对转阀的角度位置控制，具体流程为现有技术，此处不再赘述。

再进一步，测量模块102为姿态测量传感器，姿态测量传感器用于测量重力工具面角或磁工具面角，具体的，所述姿态测量传感器为捷联式测量系统，可以不依赖惯性平台和外界信息测量所述短半径可控轨迹钻井工具的姿态参数，控制电路根据所述测得的重力工具面角和/或磁工具面角通过控制所述电气执行器执行指令动作，进一步驱动所述偏转导向机构带动钻头向导向方向偏转，偏转导向机构、姿态测量传感器、电器执行器、控制电路随短半径可控轨迹钻井工具一同旋转。

进一步，所述承载本体221上还设有括位移传感器101，所述位移传感器101位于偏置杠杆210和承载本体211的间隙内，位移传感器101用于测量偏置杠杆210和承载本体221的相对运动。所述控制电路与所述姿态测量传感器和所述位移传感器电连接，获取所述短半径可控轨迹钻井工具旋转期间各个扇区中的所述位移传感器反馈的位移数据，并根据所述位移数据推算所述偏置杠杆相对所述承载本体的偏转方向。

实施方式五

如图6所示，短半径可控轨迹钻井工具可由钻杆19驱动，实现长距离的钻井动力传递。与上述几个实施例不同的是，本实施例主要面对深井中侧钻分支井的应用，因此本实施例中的所述短半径可控轨迹钻进工具是包含钻杆19的实施方式，所述钻头100以及可控柔性钻压扭矩传递管柱由刚度较高的钻杆19驱动，以保证所述短半径可控轨迹钻进工具在井底获得稳定的转速和钻压。需要说明的是，图6中A所示的区段为可控柔性钻压扭矩传递管柱，用于完成短-极短半径井段的钻探或通过所述短-极短半径井段完成其延伸井眼的钻探。在这种条件下钻杆19可以在主井眼内很稳定的传递钻井动力和/或承担扭矩。

所述钻杆19通过可控柔性钻压扭矩传递管柱200与所述钻头100传动连接，使得钻杆19能够通过可控柔性钻压扭矩传递管柱200对所述钻头100进行旋转动力传递。

本实施例中所述的短半径可控轨迹钻井工具还包括电源模块20和跨钻杆通讯模块，作为更优的选择，所述电源模块为井下涡轮发电机，所述跨钻杆通讯模块为泥浆脉冲器。所述电源模块和所述跨钻杆通讯模块均设置在可控柔性钻压扭矩传递管柱的上端。其好处在于，由于包括井下电源模块20和跨钻杆通讯模块的尺寸较大，长度较长，无法随可控柔性钻压扭矩传递管柱进入短半径井段，因此，将所述电源模块和所述跨钻杆通讯模块设置于可控柔性钻压扭矩传递管柱上端，以利于实现短造斜率。本实用新型中，所述钻头100与可控柔性钻压扭矩传递管柱200的长度大于短半径井段及其延伸井段的预设长度，因此钻井过程中，所述电源模块20和所述跨钻杆通讯模块始终保持在主井眼内不进入分支井，通过布设于所述可控柔性钻压扭矩传递管柱内的电器线路与电器执行器及其相关的测量模块和控制电路电连接，为电器执行器、测量模块和控制电路提供电力和/或通讯连接。

综上所述，本实用新型的短半径可控轨迹钻井工具，通过将相邻两承载短节之间通过钻压扭矩偏转传递机构相铰接，形成可控柔性钻压扭矩传递管柱，实现了短半径定向钻井技术对薄储层开发、剩余油挖潜、盐下储层水平井开发、多层系合并开发、煤层气开发以及水合物等软质甚至具有流动性的固体类矿物的开发具有工程可行性和实用价值，并实现了短造斜率；偏置导向机构通过偏置杠杆驱动钻头的轴线可控的偏离承载本体的轴线，实现了导向功能。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。而且需要说明的是，本实用新型的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本实用新型的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本实用新型理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。

Claims (15)

1.一种短半径可控轨迹钻井工具，其特征在于，所述短半径可控轨迹钻井工具包括：

钻头；

可控柔性钻压扭矩传递管柱，其包括偏置杠杆、电器执行器和多个承载短节，所述偏置杠杆的下端与所述钻头固定连接，相邻两所述承载短节之间通过钻压扭矩偏转传递机构相铰接，位于最下方的所述承载短节为承载本体，所述承载本体上设有偏转导向机构，所述偏置杠杆的下部通过可控钻压扭矩偏转传递机构与所述承载本体的下部相铰接，且所述偏置杠杆与所述承载本体之间形成有活动间隙，所述偏转导向机构设于所述活动间隙内并位于所述可控钻压扭矩偏转传递机构的上方，所述偏转导向机构能驱动所述偏置杠杆以所述可控钻压扭矩偏转传递机构为中心摆动和/或绕所述承载本体的轴线转动。

2.根据权利要求1所述的短半径可控轨迹钻井工具，其特征在于，

所述可控柔性钻压扭矩传递管柱还包含第一扶正结构和第二扶正结构，所述第一扶正结构设置于所述偏转导向机构和所述钻头之间并位于所述承载本体的外侧，或者，所述第一扶正结构设置于所述偏转导向机构和所述钻头之间并位于所述偏置杠杆的外侧；所述第二扶正结构设置于所述承载本体的上方的首个所述钻压扭矩偏转传递机构的附近。

3.根据权利要求1所述的短半径可控轨迹钻井工具，其特征在于，

所述偏置杠杆的上力臂长度大于所述可控钻压扭矩偏转传递机构至其上方邻近的所述钻压扭矩偏转传递机构之间间距的30％；

所述偏置杠杆的下力臂长度小于所述可控钻压扭矩偏转传递机构至其上方邻近的所述钻压扭矩偏转传递机构之间间距的50％。

4.根据权利要求3所述的短半径可控轨迹钻井工具，其特征在于，

所述偏转导向机构与所述钻头的下端之间的距离大于所述钻头的下端至所述偏转导向机构的上方邻近的所述钻压扭矩偏转传递机构之间的距离的50％。

5.根据权利要求1所述的短半径可控轨迹钻井工具，其特征在于，

所述偏置杠杆插设于所述承载本体的内部，所述偏转导向机构为偏心环，所述承载本体上设有驱动电机，所述驱动电机环套于所述偏置杠杆的外侧，所述偏心环设置于所述驱动电机的上方并与所述驱动电机的转子输出端连接，所述驱动电机能驱动所述偏心环转动，所述偏心环与所述偏置杠杆间设置有轴承，所述偏心环的转动能驱动所述偏置杠杆以所述可控钻压扭矩偏转传递机构为中心摆动和/或绕所述承载本体的轴线转动。

6.根据权利要求1所述的短半径可控轨迹钻井工具，其特征在于，

所述偏置杠杆插设于所述承载本体的内部，所述承载本体上设有包括电磁阀，所述偏转导向机构包括至少三组沿所述承载本体的径向间隔设置的驱动液压缸，所述驱动液压缸包括连接于所述承载本体的侧壁上的缸筒和设置于所述缸筒内的驱动活塞，所述电磁阀能周期性的驱动所述驱动活塞沿所述承载本体的径向移动，所述驱动活塞的移动能驱动所述偏置杠杆以所述可控钻压扭矩偏转传递机构为中心转动。

7.根据权利要求1所述的短半径可控轨迹钻井工具，其特征在于，

所述偏置杠杆为铰接套筒，所述偏转导向机构连接于所述承载本体的侧壁上，所述偏转导向机构包括至少三组沿所述承载本体的径向间隔设置的驱动液压缸，所述驱动液压缸包括连接于所述承载本体的侧壁上的缸筒和设置于所述缸筒内的驱动活塞，所述驱动活塞能与所述铰接套筒的内壁相互抵接，所述承载本体内部设有流道，所述承载本体上还设有电器执行器，所述电器执行器包括转阀驱动电机和转阀，所述转阀包括转阀阀盘和转阀阀座，所述转阀阀座与所述驱动液压缸相连通，所述转阀驱动电机能驱动所述转阀将所述流道与所述驱动液压缸周期性连通。

8.根据权利要求1、5或7所述的短半径可控轨迹钻井工具，其特征在于，

所述短半径可控轨迹钻井工具中还包括用于测量重力工具面角或磁工具面角的姿态测量传感器。

9.根据权利要求1所述的短半径可控轨迹钻井工具，其特征在于，

所述可控钻压扭矩偏转传递机构的偏转角度为0°～15°。

10.根据权利要求9所述的短半径可控轨迹钻井工具，其特征在于，

所述可控钻压扭矩偏转传递机构包括传递万向节和套设于所述传递万向节的外部的固定套筒，所述固定套筒与所述传递万向节之间具有间隙形成偏转空间，所述传递万向节能在所述偏转空间内相对所述固定套筒的轴线偏转0°～15°。

11.根据权利要求1所述的短半径可控轨迹钻井工具，其特征在于，

所述短半径可控轨迹钻井工具还包括电源模块和泥浆脉冲器，所述电源模块和所述泥浆脉冲器均设置于所述可控柔性钻压扭矩传递管柱的上端。

12.根据权利要求1所述的短半径可控轨迹钻井工具，其特征在于，

各所述承载短节沿轴线方向设有贯通结构，所述承载本体的内部沿轴向穿设有流管，所述流管的出口位于所述可控钻压扭矩偏转传递机构的下方并与所述钻头相连通，所述流管的入口设置于所述可控钻压扭矩偏转传递机构的上方并与所述贯通结构相互连通。

13.根据权利要求1所述的短半径可控轨迹钻井工具，其特征在于，

邻近所述承载本体的所述承载短节的外侧套设有隔离扶正器，所述隔离扶正器与所述承载本体的上端之间的距离不超过井眼的直径的10倍。

14.根据权利要求2所述的短半径可控轨迹钻井工具，其特征在于，

所述第一扶正结构为扩眼钻头，所述扩眼钻头包含保径结构。

15.根据权利要求1所述的短半径可控轨迹钻井工具，其特征在于，

所述短半径可控轨迹钻井工具中还包括用于测量所述偏置杠杆与所述承载本体的相对运动的位移传感器。

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