一种高稳定性短半径造斜钻井工具的制作方法

1.本发明涉及钻井及钻孔领域，具体是一种高稳定性短半径造斜钻井工具。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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，经济效益差且增加了施工井段的作业难度。


技术实现要素：

5.为此，本发明提出一种高稳定性短半径造斜钻井工具以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种高稳定性短半径造斜钻井工具，其包括导向短节、钻头以及自复位柔性钻杆、至少一个扶正器，其中，所述自复位柔性钻杆的后端设置有驱动接口，并通过驱动接口驱动于旋转驱动动力装置或任意钻柱驱动，以获取旋转钻井所需的旋转钻井动力，其特征在于：所述自复位柔性钻杆包含若干铰接传动短节，所述自复位柔性钻杆的前端与所述导向短节的后端固定连接，且所述自复位柔性钻杆能够向所述导向短节可转向的传递钻压和扭矩，所述导向短节的前端固定设置有钻头，所述扶正器设置于所述导向短节外侧和/或所述自复位柔性钻杆外侧，所述扶正器设置位置距离钻头前端距离小于3米。
7.进一步，作为优选，所述自复位柔性钻杆包括由至少一组弹性回复机构以及多个铰接传动短节，每个所述铰接传动短节内均固定有至少一个钻压扭矩偏转传递机构，且所述钻压扭矩偏转传递机构具有输入端和输出端，一所述铰接传动短节上的输出端与相邻的铰接传动短节上的输入端相连接。所述铰接传动短节内部设置有贯通结构，用于形成供钻井循环介质流动的流道或用于穿设供钻井循环介质流动的流道。
8.进一步，作为优选，当所述弹性回复机构为贯通弹性管或贯通弹性杆时，所述每个铰接传动短节与所述弹性回复机构之间设置有支点结构，所述弹性回复机构能够对所述铰接传动短节进行独立支撑；
9.或，当所述弹性回复机构为弹性杆、弹性板或弹簧等弹性构件时，所述自复位柔性钻杆包括若干组弹性回复机构以及若干个铰接传动短节，每相邻两个所述铰接传动短节的偏转区间内均设有一组弹性回复机构，所述弹性回复机构一端与相邻两个所述铰接传动短节之一固定连接或同轴连接，所述弹性回复机构的另一端与相邻两个所述铰接传动短节中的另外一个径向限位连接，能够使所述相临的两个所述铰接传动短节在发生偏转时能产生
恢复同轴状态的回复力；
10.所述钻压扭矩偏转传递机构可以是万向节。需要说明的是，在任意所述铰接传动短节中连接钻头方向的一端为输出端，另一端为输入端，所述输入端和输出端仅指示旋转钻井动力的传递方向，不特只具体结构。本发明所述的万向节的优选为刚性万向节，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。
11.位于左侧第一个所述铰接传动短节的输出端与所述导向短节的输入端同轴固定连接。用于充分利用所述弹性回复机构保持导向短节与邻近的若干铰接传动短节之间的同轴关系。
12.进一步，作为优选，每个所述铰接传动短节的长度小于1.5米，所述自复位柔性钻杆的长度大于10m；每两个相邻的所述铰接传动短节之间的极限偏转角度小于8
°
。当钻探短半径分支井时，所述钻头前端面到所述自复位柔性钻杆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。
13.进一步，作为优选，所述铰接传动短节(2)沿其轴线方向延伸有贯通结构(23)，所述贯通结构(23)内设有供钻井循环介质流通的流道(28)用于流通钻井循环介质；和/或，所述弹性回复机构(7)贯穿若干个所述铰接传动短节(2)内部的所述贯通结构(23)，所述弹性回复机构(7)与所述铰接传动短节(2)之间设置有支点结构(4)，所述弹性回复机构(7)能够通过支点结构(4)对每个所述铰接传动短节(2)进行独立支撑，使所述弹性回复机构(7)能够使两个相邻的所述铰接传动短节(2)恢复同轴状态，所述弹性结构可作为流道供钻井循环介质流动。
14.进一步，作为优选，所述铰接传动短节上设置有限位机构，所述限位机构能够限制相邻的所述铰接传动短节之间的偏转角度在0
°
～5
°
。
15.进一步，作为优选，所述支点结构设置有两个及两个以上，其中第一支点结构和第二支点结构之间的区段设置为支撑段，所述支撑端的轴向长度大于15mm。
16.进一步，作为优选，所述弹性回复机构在钻压扭矩偏转传递机构偏转任意角度时，所述弹性回复机构驱使所述钻压扭矩偏转传递机构输入端和所述钻压扭矩偏转传递机构输出端恢复同轴状态的回复力可以克服该角度下额定钻压下产生的驱使所述钻压扭矩偏转传递机构输入端和所述钻压扭矩偏转传递机构输出端进一步发生偏转的径向分力，使所述钻压扭矩偏转传递机构输入端和所述钻压扭矩偏转传递机构输出端具有恢复同轴状态的趋势。用于尽可能的保障钻压沿最小曲率的轴线向前传递。
17.作为优选，所述弹性回复机构产生的回复力大于20000sinαn。
18.进一步，作为优选，所述导向短节的外壁设置有扶正器，所述导向短节内设置有测控电路、导向执行机构和电气执行器。
19.进一步，作为优选，所述自复位柔性钻杆还包括过偏转传递机构电气线路，所述过偏转传递机构电气线路固定设置在所述自复位柔性钻杆的内部，其具体设置方式可以是设置于铰接传动短节的贯通结构与流道的间隙中，并且所述过偏转传递机构电气线路与自复位柔性钻杆及其包含的各个铰接传动短节同步运动，所述过偏转传递机构电气线路与测控电路和所述电气执行器电连接，用于为所述测控电路和所述电气执行器供电。
20.所谓系统的必要组成部分，所述自复位柔性钻杆末端设置有电源和泥浆脉冲器，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过偏转传递机构电气线路为所
述测控电路和所述电气执行器供电；所述泥浆脉冲器通过过偏转传递机构电气线路与所述测控电路实现通讯，并进一步的将所述测控电路中的信息通过压力脉冲波传递至地面。
21.进一步的，作为优选，所述自复位柔性钻杆中任意两个所述钻压扭矩偏转传递机构偏转中心之间的最小距离低于钻头直径的8倍。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
23.通过有限制转动偏转角度的铰接传动短节形成的自复位柔性钻杆实现短半径井段中的钻压扭矩传递和旋转动力传递，通过弹性回复机构对每一节铰接传动短节实现独立支撑，以保证钻压可以稳定的向导向短节传递，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；由于本发明装置可实现弯折以及本发明装置的刚性远远低于常规钻杆或钻铤，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
24.图1为一种高稳定性短半径造斜钻井工具的整体结构示意图；
25.图2为一种高稳定性短半径造斜钻井工具中铰接传动短节的结构示意图；
26.图3为一种高稳定性短半径造斜钻井工具的自复位柔性钻杆示意图；
27.图4为一种高稳定性短半径造斜钻井工具中铰接传动短节的弹性回复机构示意图；
28.图5为一种高稳定性短半径造斜钻井工具的流道安装示意图；
29.图6为一种高稳定性短半径造斜钻井工具的弹簧板安装意图；
30.图7为一种高稳定性短半径造斜钻井工具的供电及通讯系统示意图；
31.图8为一种高稳定性短半径造斜钻井工具的静态偏置导向短节示意图。
32.图中：1、导向短节；11、导向套筒；12、驱动芯轴；2、铰接传动短节；3、钻头；4、支点结构；41、第一支点结构；42、第二支点结构；6、驱动接口；7、弹性回复机构；8、过偏转传递机构电气线路；9、扶正器；13、导向执行机构；15、测控电路；21、万向节；22、钻压扭矩偏转传递机构；23、贯通结构；24、输入端；25、输出端；26、转阀；27、电器执行器；28、流道；29、电源；30、泥浆脉冲器；31、逆变短节；51、前复合轴承；52、后复合轴承；71、贯通弹性管；72、弹性板；73、挠性杆；411、电能旋转传递发送端；412、电能旋转传递接收端。
具体实施方式
33.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做出创造性劳动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。
34.实施例1：请参阅附图1-7，本发明提供一种技术方案：一种高稳定性短半径造斜钻井工具，其包括导向短节1、钻头3以及自复位柔性钻杆，其中，自复位柔性钻杆的尾端设置有驱动接口6，并通过驱动接口6驱动于旋转驱动动力装置或任意其他类型钻柱，以获取旋转钻井所需的旋转钻井动力，需要说明的是，驱动接口6为丝扣，旋转驱动装置可以是各类
型钻机、钻孔机或井下动力钻具，一种高稳定性短半径造斜钻井工具可通过其后端的丝扣与钻杆连接，由钻机驱动钻杆旋转，并进一步的驱动高稳定性短半径造斜钻井工具旋转，实现可控轨迹的旋转钻井，其中导向短节可以为任意原理的导向短节，即可在旋转钻井条件下实现导向功能的任意导向短节均在本专利的保护范围内。
35.其特征在于，自复位柔性钻杆的前端固定连接于导向短节1的后端，且自复位柔性钻杆能够向导向短节1可转向的传递钻压和扭矩，导向短节1的前端固定设置有钻头3，旋转驱动动力装置通过自复位柔性钻杆驱动钻头3；具体的，自复位柔性钻杆与导向短节1的连接方式还可以是螺纹连接、耦合连接等任意可以实现钻压扭矩传递的连接方式；需要补充说明的是，旋转驱动动力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。本实施例中，所述扶正器(9)设置于所述自复位柔性钻杆外侧且与钻头(3)的前端之间的距离值小于3米。
36.需要强调的是，本发明装置的优势在于，可实现可控传动节阵列在短半径井眼中以旋转状态导向钻进，这种条件下，由于自复位柔性钻杆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自复位柔性钻杆的圆周切线方向，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。
37.本实施例中，当所述弹性回复机构为弹性杆、弹性板72或弹簧等弹性构件时，自复位柔性钻杆包括由弹性回复机构7以及多个铰接传动短节2，每个铰接传动短节2内均固定有多个钻压扭矩偏转传递机构22，且钻压扭矩偏转传递机构22具有输入端24和输出端25，所述铰接传动短节2上的输出端25与相邻的铰接传动短节2上的输入端24相连接，每个铰接传动短节2均设有一组弹性回复机构7，当所述弹性回复机构7为贯通弹性管71或贯通弹性杆时，铰接传动短节2与弹性回复机构7之间设置有支点结构4，弹性回复机构7能够对铰接传动短节2进行独立支撑，用于保证自复位柔性钻杆提供恢复直线状态回复力，且由于对每一个铰接传动短节2实现了独立支撑，保证自复位柔性钻杆不发生屈曲，其好处在于，可以保证每个铰接传动短节2之间相互牵制，避免自复位柔性钻杆的屈曲导致的干扰力扰动导向机构的作业；具体的，输入端24和输出端25相互连接是以达到传递钻压扭矩为目的，输入端24和输出端25是可互换的，其连接方式可以是丝扣连接、一体化制造、焊接等任意能够传递钻压和扭矩的方式，并使若干个铰接传动短节2构成自复位柔性钻杆。需要强调的是，本发明装置的优势在于，可实现可控传动节阵列在短半径井眼中以旋转状态导向钻进，所述自复位柔性钻杆通过钻压扭矩偏转传递机构实现了高曲率的井眼适应性，通过弹性回复机构实现了稳定性，防止了屈曲，使钻压沿着所述自复位柔性钻杆以及导向短节的轴线传递至钻头，便于钻井稳定性的提高以及避免了对导向短节的导向力的干扰。
38.位于左侧第一个铰接传动短节2的输出端25与导向短节1的输入端固定连接。
39.本实施例中，自复位柔性钻杆的长度大于10m；每两个相邻的铰接传动短节2之间的极限偏转角度小于8
°
；具体的，极限偏转角是铰接传动短节2的机械结构极限，以防止铰接传动短节2在钻压扭矩传递过程中过度屈曲，进而妨碍钻压扭矩传递。
40.本实施例中，如图1所致，铰接传动短节2沿其轴线方向延伸有贯通结构23，贯通结构23内设有弹性回复机构，所述弹性回复机构同时作为供钻井循环介质流通的流道，铰接传动短节2与穿设与其内部的弹性复位结构间设置有扶正结构4，使得相邻的铰接传动短节
2之间保持同轴状态；弹性回复机构7包括穿过铰接传动短节2的贯通结构连接铰接传动短节2的输入端和输出端的所述贯通弹性管71，所述贯通弹性管71与所述铰接传动短节2的贯通结构形成活动空间，给所述贯通弹性管71留有更充足的变形空间，使其可以承受更大的变形量，所述贯通弹性管71提供使铰接传动短节的输入轴与输出轴处于同一直线上的回复力，该回复力远小于导向短节发生偏转时所产生的推力，且本发明中的所述导向短节仅负责执行导向动作，井下涡轮发电机和泥浆脉冲器设置于所述自复位柔性钻杆后部，因此所述导向短节长度较短，发生弯曲的偏转点更靠下，更有利于工具导向性能的释放；具体的，弹性回复机构为柔性贯通承压金属管，其承压标准满足所述柔性贯通承压金属管内的钻井液与管外钻井液的压差即可。
41.本实施例中，铰接传动短节2上设置有限位机构，限位机构能够限制相邻的铰接传动短节2之间的偏转角度在0
°
～5
°
，在铰接传动短节2的偏转角在0
°
～5
°
范围转动任意角度时，弹性回复机构7提供的驱使铰接传动短节输入端和输出端恢复同轴状态的回复力大于该角度下钻压乘以sinα，使铰接传动短节输入端和输出端保持恢复同轴状态的趋势。
42.本实施例中，特别如图1所示的实施例中，支点结构4设置有两个及两个以上，其中第一支点结构41和第二支点结构42之间的区段设置为支撑段，支撑端的轴向长度大于15mm，用于保持在支承段的位置，铰接传动短节2与挠性件的对应区段保持同轴。
43.本实施例中，特别是图3所示的一种高稳定性短半径造斜钻井工具，所述弹性回复机构7可以是任何弹性件，所述弹性件设置为挠性杆73；具体的，弹性件还可以设置为挠性管或者挠性杆73，铰接传动短节2间的摆动使挠性件发生变形，挠性件的挠性会抵抗变形的趋势，抑制作用可以抑制各个铰接传动短节2间发生摆动；更进一步的，弹性回复机构7包括中心对称环设于铰接传动短节承载钻铤壳体内的多根挠性杆73，挠性杆73提供使铰接传动短节2的输入轴与输出轴处于同一直线上的回复力，或者说，弹性回复结构还可以包括设于杠杆结构和承载钻铤外壳之间的偏转空间内的多块板簧以及其他同等替代。
44.本实施例中，导向短节1的外壁设置有扶正器9，导向短节1内设置有测控电路15、导向执行机构13、转阀26和电气执行器27；具体的，各个铰接传动短节2至少包含一个万向节21，万向节21用于承担钻井过程中的钻压和扭矩，并持续的为钻头3提供旋转钻进的动力。导向执行机构13与遥传短节之间的全部铰接传动短节2的最大限位角度值大于3
°
，其最佳范围是10
°
以上，以确保本发明装置有足够的柔性。
45.本实施例中，自复位柔性钻杆还包括过偏转传递机构电气线路8，过偏转传递机构电气线路8固定设置在自复位柔性钻杆的内壁上，并且过偏转传递机构电气线路8与铰接传动短节2同步运动，过偏转传递机构电气线路8依次电连接电气执行器27和转阀26；需要说明的是，由于本发明重点为了解决导向的稳定性问题，因此特别的要求导向执行机构13附近不能有过度的摆动，这样会导致钻头3螺旋式前进或者顶住井壁一侧，严重影响井眼轨迹控制精度，因此，本发明在导向执行机13所在短节的后方设置一段自复位柔性钻杆用于使导向节后方的钻柱具有一定的同轴度，自复位柔性钻杆的长度根据成本而定，更进一步的，自复位柔性钻杆的长度大于钻头直径的十倍，且，至少包含三个钻压扭矩偏转传递机构22。
46.所谓系统的必要组成部分，自复位柔性钻杆末端设置有电源29和泥浆脉冲器30，电源29可以是井下涡轮发电机，井下涡轮发电机通过过偏转传递机构电气线路8为测控电路15和电气执行器27供电；泥浆脉冲器30通过过偏转传递机构电气线路8与测控电路15实
现通讯，并进一步的将测控电路15中的信息通过压力脉冲波传递至地面。
47.本实施例中，自复位柔性钻杆中任意两个钻压扭矩偏转传递机构22偏转中心之间的最小距离低于钻头3直径的8倍，以便于钻头3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；具体的，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，缩短每一节铰接传动短节2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21不受到损害。
48.实施例2：请参阅附图8，本发明提供另一种导向短节技术方案：
49.导向短节1包括驱动芯轴12和环套于驱动芯轴外部的导向套筒11，导向套筒通过至少两副复合轴承环套于驱动芯轴外部，复合轴承包括前复合轴承51和后复合轴承52，驱动芯轴前端固定设置有钻头3、驱动芯轴后端固定连接自复位柔性钻杆的输出端，导向套筒内设有导向执行机构13、电气执行器27和测控电路15；本实施例中还包括电能旋转传递发送端411和电能旋转传递接收端412，用于将经由过偏转传递机构电气线路传输的电能输送至导向套筒中的包括电气执行器在内的用电器，为导向套筒中的用电器提供电能。电能旋转传递发送端411与驱动芯轴固定连接，且与过偏转传递机构电气线路8电连接，电能旋转传递接收端412与导向套筒固定连接，至少与电气执行器电连接。
50.由于本实施例中，井眼曲率高、自复位柔性钻杆屈曲、自复位柔性钻杆屈曲与井壁刮蹭等因素会带来钻柱旋转速度的剧烈波动。因此为了避免对电能旋转传递发送端411和电能旋转传递接收端412带来损害，以实现导向套筒中的电气装置顺畅的接受能量以及实现信号传递，电能旋转传递发送端411和电能旋转传递接收端412可以分别是无线能量发射端和无线能量接受端，即电能旋转传递发送端411和电能旋转传递接收端412采取高频无线输电的方式传递能量，故在驱动芯轴12的后方设置逆变短节31逆变短节至少容置一块逆变电路用于将直流电逆变为与电能旋转传递发送端411相互适配的高频交流电。由于导向短节和逆变短节均不可避免的占用较长的空间，因此在驱动芯轴与逆变短节之间设置第一自复位柔性钻杆，用于增加系统对高井眼曲率的适应性的同时具备一定的韧性，使该系统具在井眼中具有恢复同轴状态的回复力，尽可能的使钻压在近钻头处可以沿着直线传播，而非在严重屈曲的管柱上传播，进一步的加剧屈曲。逆变短节用于将电源传输的直流电逆变为5-300khz范围内的高频交流电，高频交流电经由第一自复位柔性钻杆中过偏转传递机构电气线路8传递给电能旋转传递发送端411，进一步的由电能旋转传递接收端412接收，进一步的经由设置于导向套筒中的整流电路将电能旋转传递接收端412接收所得的交流电转变为直流电，供应导向套筒中的用电器使用。
51.导向执行机构为推靠式导向执行机构，至少包括液压活塞，液压活塞可以直接沿导向短节的径向推靠井壁，或，液压活塞通过抵推翼肋沿导向短节的径向向井壁施加推力。为了进一步的提高系统稳定性，保持导向套筒的稳定，每组活塞组件均设有与活塞缸直接相连的独立液压系统，以便于在钻井期间，时每一个导向执行机构都可以向井壁施加推力，以避免导向短节的振动，减轻自复位柔性钻杆的摆动对导向短节执行导向功能的干扰。电气执行器至少包括液压系统，用于为液压活塞提供液压力。导向套筒包括至少3组导向执行机构和至少三套液压系统，多组导向执行机构分别沿其径向推靠井壁产生的合力使钻头发
生偏转。
52.进一步的，逆变短节后方固定连接一定长度第二自复位柔性钻杆，用于更好的改善近钻头处的钻压扭矩传递状态。
53.需要说明的是，附图8中的左端为钻头方向，及本发明描述的前段，附图8中的右端为背离钻头的方向，即本发明描述的后端。
54.此外，本发明对本领域常识性问题不作赘述。例如，本发明中电路应当采用承压密封，本发明中电气线路都应当采用绝缘保护以及绝缘连接。
55.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。