CN112901075A - 一种高精度短半径旋转导向钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度短半径旋转导向钻井工具，其包括导向钻进短节、钻压扭矩偏转传递机构、工具面角测量模块、控制模块、跨接线路以及驱动钻柱，其中，导向钻进短节通过驱动钻柱连接于其上方的常规钻柱或旋转驱动装置。导向钻进短节由钻头和导向短节构成，导向短节包括承载本体，承载本体的末端固定有所述钻头。驱动钻柱包括多个由上至下依次连接的承载短节，位于最下方的所述承载短节与所述承载本体相接，且相邻两所述承载短节之间以及所述承载短节与所述承载本体之间均通过钻压扭矩偏转传递机构相铰接；本发明能够有效实现短‑极短半径井眼条件下的钻井、测量及导向，并可实现高曲率井眼导向钻井或完成高曲率井段延伸井眼的导向钻井。

Description

一种高精度短半径旋转导向钻井工具

技术领域

本发明涉及短半径旋转导向钻井工具领域，具体是一种高精度短半径旋转导向钻井工具。

背景技术

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°/30米的造斜率。

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。

发明内容

为此，本发明提出一种高精度短半径旋转导向钻井工具以解决上述背景技术中提出的问题。用于实现转弯半径小于50米的定向钻井或通过上述弯半径小于50米的高曲率井段完成其延伸井段的定向钻井。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种高精度短半径旋转导向钻井工具，其特征在于，所述高精度短半径旋转导向钻井工具包括：

导向钻进短节，其包括钻头和导向短节，所述导向短节包括承载本体，所述承载本体上设置有偏转导向机构和钻头姿态测量模块，所述钻头姿态测量模块用于测量导向钻进短节处的井斜角和方位角，所述钻头连接于所述承载本体的下端，所述偏转导向机构能驱动所述钻头按预设方向偏转；

驱动钻柱，其包括多个由上至下依次连接的承载短节，位于最下方的所述承载短节与所述承载本体相接，且相邻两所述承载短节之间以及所述承载短节与所述承载本体之间均通过钻压扭矩偏转传递机构相铰接；

电驱动执行器，能驱动所述导向机构实现导向功能；

电驱动执行器驱动模块，随所述承载本体和承载短节一同旋转，能通过驱动所述电驱动执行器实现导向功能；

控制模块，随所述承载本体和承载短节一同旋转，能通过驱动所述电驱动执行器驱动模块实现导向功能；

工具面角测量模块，随所述承载本体和承载短节一同旋转，能测量所述高精度短半径旋转导向钻井工具的工具面角，并辅助控制模块实现其功能；

需要说明的是:所述工具面角测量模块、钻头姿态测量模块、所述控制模块、所述电驱动执行器驱动模块均说明其功能，并不代表上述模块不能进行组合，例如所述测量模块和所述控制模块采用同一块电路板实现，再例如所述控制模块和所述电驱动执行器驱动模块被采用同一块电路板实现。

跨接线路，能跨越所述钻压扭矩偏转传递机构传递电能和/或信号。

所述设置于不同短节的电力和/或电子设备之间能通过与所述跨接线路电连接，以实现电力和/或通讯连接。所述电力和/或电子设备包括所述工具面角测量模块、钻头姿态测量模块、所述控制模块、所述电驱动执行器驱动模块、工具面角测量模块、电驱动执行器。

钻压扭矩偏转传递机构可以包含万向节，或包含万向节和铰接结构，或包含扭矩传递轴与铰接结构。

进一步的，一种高精度短半径旋转导向钻井工具，其包括导向钻进短节、钻压扭矩偏转传递机构、驱动短节以及驱动钻柱，其中，所述导向钻进短节通过所述驱动钻柱驱动连接于刚度远大于所述高精度短半径旋转导向钻井工具的常规钻杆，所述常规钻杆被井口处的旋转设备驱动，所述旋转设备可以是转盘、顶驱、旋转头等提供钻井旋转动力的设备。

所述导向钻进短节由钻头和导向短节构成，所述导向短节包括承载本体，所述承载本体的末端固定有所述钻头，所述承载本体上设置有钻头姿态测量模块、电驱动执行器、电驱动执行器驱动模块、控制模块以及能够驱动所述钻头按预设方向偏转的偏转导向机构；

所述驱动钻柱包括多个依次连接的承载短节，位于最末端的一所述承载短节通过钻压扭矩偏转传递机构与所述承载本体相铰接，且每两个相邻的所述承载短节之间也都通过钻压扭矩偏转传递机构相铰接。

进一步的，作为优选，所述偏转导向机构包括至少三个圆周阵列设置在所述承载本体内壁上的驱动液压缸，所述驱动液压缸由连接于所述承载本体内壁上的活塞缸，驱动活塞以及推靠件组成，所述活塞缸内设置有驱动活塞，所述驱动活塞上固定有推靠件。

进一步的，作为优选，工具面角测量短节，其设有工具面角测量模块，所述工具面角测量模块与控制模块电连接，所述控制模块能通过电驱动执行器驱动模块驱动所述电驱动执行器实现导向功能，所述工具面角测量短节连接于所述导向钻进短节与所述驱动钻柱之间，或者，所述工具面角测量短节连接于所述驱动钻柱中任意位置，或者，所述工具面角测量短节连接于所述驱动钻柱的上端。工具面角测量短节与任意邻近的承载短节、承载本体或其他功能短节均采用所述钻压扭矩偏转传递机构连接。

所述工具面角测量模块，至少包括能测量径向加速度分量的加速度传感器、能测量径向磁通分量的磁力计中的任意一种或组合。

后置的工具面角测量模块可以很好的防止钻头处震动或者防止近钻头处的磁场干扰。

进一步的，作为优选，所述钻头的上端同轴连接有传动杠杆，所述传动杠杆通过可控万向节与所述承载本体的下部相接，且所述传动杠杆与所述承载本体之间形成有活动间隙，所述活动间隙内设有所述偏转导向机构并位于所述可控万向节的上方，以便所述驱动活塞能通过所述传动杠杆与井壁抵接，所述驱动活塞的伸缩驱动所述传动杠杆绕所述可控万向节的中心转动，从而使得所述传动杠杆带动所述钻头按预设方向偏转。

进一步的，作为优选，高精度角速度传感器，用于测量所述高精度短半径旋转导向钻井工具的旋转角速度，所述角速度测量模块包括磁力计和/或陀螺仪；

导向钻进短节包括至少两支相互存在夹角的沿径向设置的加速度传感器构成的径向加速度测量组合，所述高精度角速度传感器与所述径向加速度测量组合电连接，所述高精度角速度传感器与所述径向加速度测量组合共同构成工具面角测量模块，所述高精度角速度传感器测得的角速度数据用于补偿径向加速度测量组合对工具面角的测量误差；

钻头为稳斜钻头，或，所述导向钻进短节外侧还设置有扶正器。

需要说明的是，所述高精度角速度传感器测得的角速度数据作为所述径向加速度测量组合测得的工具面角的增益数据，用于对加速度测量组合进行滤波。其好处在于，所述磁力计或者陀螺仪测量井下工具旋转角速度的过程中受到振动的干扰较加速度传感器小，可以获得准确的角速度，而径向加速度测量组合可以感知重力方向，因此将所述高精度角速度传感器测得的角速度数据与径向加速度测量组合测得的数据进行融合，可以达到很好的滤波效果。例如，卡尔曼滤波姿态测量算法即可利用所述高精度角速度传感器测得的角速度数据与径向加速度测量组合测得的数据进行融合得到相对稳定工具面角，其具体计算方式为现有技术，在公开的文献和专利中被大量记载，本发明不再赘述。钻头为稳斜钻头或所述导向钻进短节外侧设置扶正器能对所述径向加速度测量组合起到稳定作用。

进一步的，作为优选，所述一种高精度短半径旋转导向钻井工具还包括工具角速度测量短节，所述高精度角速度传感器设置于所述工具角速度测量短节内部；所述工具角速度测量短节设置于所述承载本体和任意承载短节之间，或，所述工具角速度测量短节设置于任意两个承载短节之间，所述工具角速度测量短节与承载短节或承载本体均采用钻压扭矩偏转传递机构连接。

其好处在于，后置角速度传感器可以避免近钻头处的振动或磁场对高精度角速度传感器的干扰，使得陀螺仪或磁力计可以在更小干扰的环境下工作。

进一步的，作为优选，所述电驱动执行器包括多个分别与各所述驱动液压缸一一对应的电磁阀，每个所述电磁阀与所述电驱动执行器驱动模块电连接，所述电磁阀具有第一通路和第二通路，所述第一通路与所述驱动液压缸相连通，所述第二通路与所述贯通流道相连通，所述电磁阀能将所述贯通流道与所述驱动液压缸进行周期性连通。

进一步的，作为优选，还包括井斜角测量模块，所述井斜角测量模块固定设置于所述承载短节中，所述井斜角测量模块包括至少一个用于测量轴向加速度分量的加速度传感器，所述加速度传感器的设置位置至所述钻头下端的距离小于钻头直径的五倍。

进一步的，作为优选，工具面角测量短节和/或工具角速度测量短节外侧设置有扶正器，用于抑制所述工具面角测量短节和/或工具角速度测量短节在井眼内晃动。

进一步的，作为优选，所述承载本体、工具面角测量短节和/或工具角速度测量短节由无磁材料制成；所述钻头姿态测量模块由厚膜电路工艺制成。

具体的，作为容易实施的方案，所述钻头姿态测量模块设置于所述承载本体的贯通流道，所述钻井循环介质能绕过所述姿态测量模块自上而下流至钻头。所述姿态测量模块需设置于承压腔体中，所述承压腔体固定设置于所述承载本体的流道内部，其具体操作方式作为本领域技术人员应知应会的内容，此处不再赘述。

进一步的，作为优选，还包括高精度短半径旋转导向钻井工具薄层闭环自动控制方法：还包括方位伽马射线传感器、存储芯片，所述存储芯片能存储预设方位角，所述方位伽马射线传感器能测量所述井周的伽马射线强度，所述控制芯片能根据朝向泥岩层方向的伽马射线强度判断所述高精度短半径旋转导向钻井工具至泥岩层的距离，进一步的控制所述高精度短半径旋转导向钻井工具距离泥岩层保持适当距离。综上，实现所述高精度短半径旋转导向钻井工具朝向合适的方位钻进并与泥岩层保持合适的距离。

进一步的，作为优选，所述高精度短半径旋转导向钻井工具包含电源短节，所述电源短节串联于近钻头处的任意两承载短节或承载本体之间，所述电源短节与其临近的承载短节或承载本体采用所述钻压扭矩偏转传递机构连接。所述控制芯片采用闭环控制的方式实现导向钻井。其好处在于，无需将电缆连接至主井眼内的泥浆脉冲器，极大减小了安全隐患。

所述刀翼数量与所述驱动活塞数量一致，所述刀翼与所述驱动活塞交替设置。

还包括电源短节，所述电源短节连接于所述驱动钻柱的顶端为高精度短半径旋转导向钻井工具提供电力，所述电源短节可以是设置有耐高温电池的电源短节或井下涡轮发电机。

还包括旋转变压器，所述旋转变压器与所述转阀同轴连接，所述旋转变压器能测量转阀的工具面角。需要说明的是，转阀的工具面可以定义为与转阀同步旋转的任意结构或转阀上的任意结构。

本发明采用以上技术,与现有的技术相比具有以下有益效果：

1.本发明的高精度短半径旋转导向钻井工具，通过设置偏转导向机构，使得在旋转的条件下偏转导向机构能驱动钻头按预设方向偏转，以改变井眼轨迹，从而实现短-极短半径定向钻井或通过所述短-极短半径井段完成其延伸井段的定向钻探；通过将含有大量功率器件且需要散热空间的电驱动执行器驱动模块设置于承载本体后方的工具面角测量短节内，使得导向短节内仅保留偏转导向机构和电驱动执行器，从而有效缩短了导向短节的长度，进而更容易在高曲率井眼里实现定向功能。

2.本发明选用电驱动执行器为驱动液压缸分配贯通流道中钻井循环介质，以实现向特定方向的导向，可以最大限度的节约导向过程所需额能量，对缩小机械结构和电路的体积起到至关重要的作用。

3.所述工具面角测量模块固定设置于所述工具面角测量短节中，不依赖惯性平台实现所述高精度短半径旋转导向钻井工具的工具面角测量，消除了惯性平台占用的大量空间和带来的隐患，有助于所述高精度短半径旋转导向钻井工具承载本体或承载短节的小型化。

4.所述控制模块与所述电驱动执行器驱动模块均设置于所述电驱动执行器工具面角测量短节的内部的好处在于，使控制模块可以更加迅速敏捷通过PWM信号控制开关管驱动器，进一步的通过开关管驱动器驱动开关管实现对电驱动执行器的控制，大幅度降低了控制链路中的可能发生的干扰。

5.将所述工具面角测量模块设置于工具面角测量短节，并设置于承载本体后方，可以使工具面角测量模块远离近钻头处的振动干扰和/或磁场干扰，大幅度提升测量精度。

6.对传感器干扰最大的振动形式主要是低频大幅度振动，在工具面角测量短节和/或工具角速度测量短节外侧设置扶正器的好处在于，扶正器可以填补工具面角测量短节和/或工具角速度测量短节与井壁之间的环形空间，大幅度减小了工具面角测量短节和/或工具角速度测量短节与井壁的间隙，可避免低频的剧烈振动。

附图说明

图1为一种高精度短半径旋转导向钻井工具实施例一的结构示意图；

图2为一种高精度短半径旋转导向钻井工具实施例一的局部放大示意图；

图3为一种高精度短半径旋转导向钻井工具实施例二的结构示意图；

图4为一种高精度短半径旋转导向钻井工具实施例三的结构示意图；

图5为一种高精度短半径旋转导向钻井工具工作原理示意图；

图6为一种高精度短半径旋转导向钻井工具中工具面角测量短节与驱动短节共用同一承载短节时的截面结构示意图；

图7为一种高精度短半径旋转导向钻井工具中角速度测量短节截面结构示意图；

图8为另外一种高精度短半径旋转导向钻井工具工作原理示意图。

图中：41、钻头姿态测量模块；42、工具面角测量模块；43、高精度角速度传感器；44、径向加速度测量组合；100、导向钻进短节；110、钻头、111、传动杠杆；112、可控万向节；120、导向短节；121、承载本体；1211、贯通流道；1212、节流结构；130、偏转导向机构；131、驱动液压缸；1311、活塞缸；1312、驱动活塞；1313、推靠件；140、电驱动执行器；141、转阀；1411、转阀转子；1412、转阀定子；142、驱动电机；1421、驱动电机转子；1422、驱动电机定子；143、电磁阀；144、旋转变压器；200、驱动钻柱；210、承载短节；220、钻压扭矩偏转传递机构；221、传递万向节；222、固定套筒；223、流管；224、扭矩传递轴；225、铰接结构；230、电驱动执行器驱动模块；231、开关管承载电路板；232、开关管驱动器承载电路板；240、跨接线路；270、控制模块；280、工具面角测量短节；281、电路承载本体；282、承压套筒；285、工具角速度测量短节；290、驱动短节；300、主井眼。

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。

实施例1：请参阅附图1-8，图中：标号3为贯通结构，标号281为电路承压本体，标号282为承压套筒，本发明提供一种技术方案：一种高精度短半径旋转导向钻井工具，其包括导向钻进短节100、钻压扭矩偏转传递机构220、驱动短节290以及驱动钻柱200，其中，导向钻进短节100通过驱动钻柱200驱动连接于驱动短节290，驱动短节290内固定设置有电驱动执行器驱动模块230，导向钻进短节100由钻头110和导向短节120构成，导向短节120包括承载本体121，承载本体121的末端固定有钻头110，承载本体121上设置有钻头姿态测量模块41、电驱动执行器140、电驱动执行器驱动模块230、控制模块270以及能够驱动钻头110按预设方向偏转的偏转导向机构；具体的，钻头姿态测量模块41设置于电驱动执行器140的下方，且钻头姿态测量模块41与钻头110同轴设置；控制模块270能通过驱动电驱动执行器驱动模块230实现导向功能，电驱动执行器驱动模块230能通过驱动电驱动执行器140实现导向功能，电驱动执行器140能驱动导向机构实现导向功能；更进一步的，控制模块270固定设置于工具面角测量短节280内部，且控制模块270在工具面角测量短节280内部与电驱动执行器驱动模块230电连接，控制模块270与工具面角测量模块42和电驱动执行器驱动模块230电连接，控制模块270能根据工具面角测量模块42的检测数据控制电驱动执行器140执行指令动作。

作为较佳的一种实施方案，钻头姿态测量模块41设置于承载本体的贯通流道1211，钻井循环介质能绕过钻头姿态测量模块41自上而下流至钻头，钻头姿态测量模块41需设置于承压腔体中，承压腔体固定设置于承载本体的流道内部，其具体操作方式作为本领域技术人员应知应会的内容，此处不再赘述。

驱动钻柱200包括多个依次连接的承载短节210，位于最末端的一承载短节210通过钻压扭矩偏转传递机构220与承载本体121相铰接，且每两个相邻的承载短节210之间也都通过钻压扭矩偏转传递机构220相铰接；具体的，工具面角测量模块280固定设置于任意承载短节210中，其能测量高精度短半径旋转导向钻井工具的工具面角，并辅助控制模块270实现其功能。

本实施例中，偏转导向机构包括至少三个圆周阵列设置在承载本体121内壁上的驱动液压缸131，驱动液压缸131由连接于承载本体121内壁上的活塞缸1311，驱动活塞1312以及推靠件1313组成，活塞缸1311内设置有驱动活塞1312，驱动活塞1312上固定有推靠件1313。

需要说明的是，采用驱动液压缸131的目的和意义在于，液压力可以以柔性的较为恒定压力推靠井壁，在一定的井眼曲率范围内都可以稳定运行并不至于被卡住；此外，由于井下仪器设计受到空间的限制，因此，驱动活塞1312和活塞缸1311的形状不一定是标准的圆柱形状，驱动活塞1312可以是活塞结构、柱塞结构及任意同等替代；驱动活塞1312和活塞缸1311之间可以采用金属密封、橡胶件密封或O型圈密封等任意有助于驱动活塞1312伸缩功能的密封方式；活塞缸1311和驱动活塞1312的截面形状相适配，其可以是圆形、方形或槽口形等。

需要说明的是，钻头110为采用无磁材质制成的钻头110，可以更好的避免对磁力计的干扰。

本实施例中，导向钻进短节100与驱动钻柱200之间还设置有工具面角测量短节280，工具面角测量短节280内设置有工具面角测量模块42，工具面角测量模块42与控制模块270电连接，控制模块270能通过电驱动执行器驱动模块230驱动电驱动执行器140进行导向；具体的，工具面角测量模块42至少包括能测量径向加速度分量的加速度传感器、能测量径向磁通分量的磁力计中的任意一种或组合，其好处在于，后置的工具面角测量模块可以很好的防止钻头处震动或者防止近钻头处的磁场干扰。

本实施例中，钻头110的上端同轴连接有传动杠杆111，传动杠杆111通过可控万向节112与承载本体121的下部相接，且传动杠杆111与承载本体121之间形成有活动间隙，活动间隙内设有偏转导向机构并位于可控万向节112的上方，以便驱动活塞1312能通过传动杠杆111与井壁抵接，驱动活塞1312的伸缩驱动传动杠杆111绕可控万向节122的中心转动，从而使得传动杠杆111带动钻头110按预设方向偏转。

需要说明的是，传动杠杆111的上力臂长度至少为可控万向节112至其上方邻近的钻压扭矩偏转传递机构220之间间距的30％，以能充分利用承载本体121的空间延长上力臂，使钻头110可以获得尽可能多的导向力；

传动杠杆111的下力臂长度小于可控万向节112至其上方邻近的钻压扭矩偏转传递机构220之间间距的50％，以尽可能减缓钻头110扭矩或振动给传动杠杆111带来的干扰，以求最大限度的加强导向过程的稳定性。

其中，传动杠杆111的上力臂长度c为可控万向节112至偏转导向机构130向传动杠杆的施力点的距离，下力臂长度b为钻头110下端面到可控万向节112间的距离。

进一步的，偏转导向机构130与钻头110的上端之间的距离d至少为钻头110的上端至其上方邻近的可控万向节112之间的距离a的50％，以使得承载本体121能够向钻头110施加足够的侧向力。

本实施例中，还包括井斜角测量模块，井斜角测量模块固定设置于承载短节210中，井斜角测量模块包括至少一个用于测量轴向加速度分量的加速度传感器，加速度传感器的设置位置至钻头110下端的距离小于钻头110直径的五倍。

本实施例中，还包括电源短节，电源短节连接于驱动钻柱200的顶端。

本实施例中，承载本体121由无磁材质制成；钻头姿态测量模块41由厚膜电路工艺制成；控制模块270由厚膜电路工艺制成。

实施例2：请参阅附图3，本发明提供第二种控制偏转驱动技术方案：导向钻进短节100，其包括钻头110和导向短节120，所述导向短节120包括承载本体121，所述承载本体121上设置有偏转导向机构130和钻头姿态测量模块41，所述钻头姿态测量模块至少包括沿轴向设置的能测量轴向加速度分量的加速度计，和一个沿轴向设置的能测量轴向磁通量的磁力计，所述钻头110连接于所述承载本体121的下端，所述偏转导向机构能驱动所述钻头按预设方向偏转；

驱动钻柱200，其包括多个由上至下依次连接的承载短节，位于最下方的所述承载短节与所述承载本体相接，且相邻两所述承载短节之间以及所述承载短节与所述承载本体之间均通过钻压扭矩偏转传递机构220相铰接；

电驱动执行器140，能驱动所述导向机构实现导向功能；

电驱动执行器驱动模块230，能通过驱动所述电驱动执行器实现导向功能；

控制模块250，能通过驱动所述电驱动执行器驱动模块实现导向功能；

工具面角测量模块42，能测量所述高精度短半径旋转导向钻井工具的工具面角，并辅助控制模块实现其功能；

具体的，所述偏转导向机构为推靠式偏转导向机构，所述偏转导向机构包括至少三个圆周阵列设置在所述承载本体121内壁上的驱动液压缸131，所述驱动液压缸131由连接于所述承载本体121内壁上的活塞缸1311，驱动活塞1312以及推靠件1313组成，所述活塞缸1311内设置有驱动活塞1312，所述驱动活塞1312上固定有推靠件1313。

高精度角速度传感器43，用于测量所述高精度短半径旋转导向钻井工具的旋转角速度，所述角速度测量模块包括磁力计和/或陀螺仪；

导向钻进短节100包括至少两支相互存在夹角的沿径向设置的加速度传感器构成的径向加速度测量组合44，所述高精度角速度传感器43与所述径向加速度测量组合44电连接，所述高精度角速度传感器43与所述径向加速度测量组合44共同构成工具面角测量模块42，所述高精度角速度传感器43测得的角速度数据用于补偿径向加速度测量组合44对工具面角的测量误差；

钻头110为稳斜钻头，或，所述导向钻进短节100外侧还设置有扶正器；

需要说明的是，所述高精度角速度传感器43测得的角速度数据作为所述径向加速度测量组合44测得的工具面角的增益数据，用于对加速度测量组合44进行滤波。其好处在于，所述磁力计或者陀螺仪测量井下工具旋转角速度的过程中受到振动的干扰较加速度传感器小，可以获得准确的角速度，而径向加速度测量组合44可以感知重力方向，因此将所述高精度角速度传感器43测得的角速度数据与径向加速度测量组合44测得的数据进行融合，可以达到很好的滤波效果。例如，卡尔曼滤波姿态测量算法即可利用所述高精度角速度传感器43测得的角速度数据与径向加速度测量组合44测得的数据进行融合得到相对稳定工具面角，其具体计算方式为现有技术，在公开的文献和专利中被大量记载，本发明不再赘述。钻头为稳斜钻头或所述导向钻进短节100外侧设置扶正器能对所述径向加速度测量组合44起到稳定作用；

所述一种高精度短半径旋转导向钻井工具还包括工具角速度测量短节285，所述高精度角速度传感器43设置于所述工具角速度测量短节285内部；所述工具角速度测量短节285设置于所述承载本体和任意承载短节之间，或，所述工具角速度测量短节285设置于任意两个承载短节之间，所述工具角速度测量短节285与承载短节或承载本体均采用钻压扭矩偏转传递机构220连接。

其好处在于，后置角速度传感器可以避免近钻头处的振动或磁场对高精度角速度传感器43的干扰，使得陀螺仪或磁力计可以在更小干扰的环境下工作。

需要说明的是，预设导向方向的预设方式可以是工具下井前预设或钻井过程中通过泥浆的压力变化或者流量变化下传信号进行预设；来自于钻柱水眼中的钻井液经过流经承载本体121的贯通流道1211进入钻头110内部继而流入环空，钻头110内部或钻头110与转阀141之间的流道中设置有喷嘴或其他可以产生节流压降的节流结构1212，钻井液流经喷嘴或节流结构时，会产生压降，压降即为驱动液压缸131的工作压差，其产生压差的具体过程和原理为本领域常识，此处不在赘述；周期性联通指贯通流道与驱动液压缸的联通性随短半径钻井工具的旋转而周期改变，以保证处于特定扇区的驱动液压缸得到液压力，用以驱动传动杠杆带动钻头向导向方向偏转；相互耦接是指能保证驱动电机转子和转阀转子同步旋转的连接方式，包括但不限于插接；所述驱动电机内部设置有旋转变压器144，用于增加对电机控制的准确性。

实施例3：请参阅附图4，本发明提供第三种控制偏转驱动技术方案：电驱动执行器140包括多个分别与各驱动液压缸131一一对应的电磁阀143，每个电磁阀143与电驱动执行器驱动模块230电连接，电磁阀143具有第一通路和第二通路，第一通路与驱动液压缸131相连通，第二通路与贯通流道1211相连通，电磁阀143能将贯通流道1211与驱动液压缸131进行周期性连通；具体的，电驱动执行器驱动电路230打开处于与导向方向相反扇区内的驱动液压缸131所对应的二位二通阀的通路，使贯通流道内的高压流体通过电磁阀143并经过贯通流道1211流进活塞缸1311内，使驱动液压缸131的内外产生较大压差，进而通过驱动活塞1312推靠井壁产生导向推力；对应的，与处于导向方向所在区的驱动液压缸131对应的二位二通阀处于关闭状态，处于导向方向所在区的驱动液压缸131的钻井液经过节流结构1212排出活塞，不产生推力，故水眼内钻井液随着钻柱的旋转被电磁阀143在电驱动执行器驱动电路230的控制下周期性的分配给各个驱动液压缸131，各个驱动液压缸131分别沿其径向推靠井壁产生的合力使钻头110发生偏转，以达到改变井眼300轨迹的目的。

需要说明的是，预设导向方向的预设方式可以是工具下井前预设或钻井过程中通过泥浆的压力变化或者流量变化下传信号进行预设；使用电动机或其他方式独立驱动阀实现第一通路1431和第二通路1432之间的开/闭，均属于本发明的电磁阀143的同等替换，均在本发明的保护范围内。

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。

Claims (10)

1.一种高精度短半径旋转导向钻井工具，其特征在于，所述高精度短半径旋转导向钻井工具包括：

导向钻进短节(100)，其包括钻头(110)和导向短节(120)，所述导向短节(120)包括承载本体(121)，所述承载本体(121)上设置有偏转导向机构(130)和钻头姿态测量模块(41)，所述钻头(110)连接于所述承载本体(121)的下端，所述偏转导向机构能驱动所述钻头按预设方向偏转；

驱动钻柱(200)，其包括多个由上至下依次连接的承载短节(210)，位于最下方的所述承载短节(210)与所述承载本体(121)相接，且相邻两所述承载短节(210)之间以及所述承载短节(210)与所述承载本体(121)之间均通过钻压扭矩偏转传递机构(220)相铰接；

电驱动执行器(140)，能驱动所述导向机构实现导向功能；

电驱动执行器驱动模块(230)，能通过驱动所述电驱动执行器实现导向功能；

控制模块(250)，能通过驱动所述电驱动执行器驱动模块(230)实现导向功能；

工具面角测量模块，能测量所述高精度短半径旋转导向钻井工具的工具面角，并辅助控制模块实现其功能。

2.根据权利要求1所述的一种高精度短半径旋转导向钻井工具，其特征在于：所述偏转导向机构包括至少三个圆周阵列设置在所述承载本体(121)内壁上的驱动液压缸(131)，所述驱动液压缸(131)由连接于所述承载本体(121)内壁上的活塞缸(1311)，驱动活塞(1312)以及推靠件(1313)组成，所述活塞缸(1311)内设置有驱动活塞(1312)，所述驱动活塞(1312)上固定有推靠件(1313)。

3.根据权利要求1所述的一种高精度短半径旋转导向钻井工具，其特征在于：所述一种高精度短半径旋转导向钻井工具还包括工具面角测量短节(280)，所述工具面角测量短节(280)内设置有工具面角测量模块(42)，所述工具面角测量模块(42)与所述控制模块(270)电连接；所述工具面角测量模块(42)设置于所述承载本体(121)和任意承载短节(210)之间，或，设置于任意两个承载短节之(210)间，所述工具面角测量短节(280)与承载短节(210)或承载本体(121)均采用钻压扭矩偏转传递机构(220)连接。

4.根据权利要求1所述的一种高精度短半径旋转导向钻井工具，其特征在于：所述钻头(110)的上端同轴连接有传动杠杆(111)，所述传动杠杆(111)通过可控万向节(112)与所述承载本体(121)的下部相接，且所述传动杠杆(111)与所述承载本体(121)之间形成有活动间隙，所述活动间隙内设有所述偏转导向机构并位于所述可控万向节(112)的上方，以便所述驱动活塞(1312)能通过所述传动杠杆(111)与井壁抵接，所述驱动活塞(1312)的伸缩驱动所述传动杠杆(111)绕所述可控万向节(122)的中心转动，从而使得所述传动杠杆(111)带动所述钻头(110)按预设方向偏转。

5.根据权利要求1所述的一种高精度短半径旋转导向钻井工具，其特征在于：高精度角速度传感器(43)，用于测量所述高精度短半径旋转导向钻井工具的旋转角速度，所述角速度测量模块包括磁力计和/或陀螺仪；

导向钻进短节(100)包括至少两支相互存在夹角的沿径向设置的加速度传感器构成的径向加速度测量组合(44)，所述高精度角速度传感器(43)与所述径向加速度测量组合(44)电连接，所述高精度角速度传感器(43)与所述径向加速度测量组合(44)共同构成工具面角测量模块(42)，所述高精度角速度传感器(43)测得的角速度数据用于补偿径向加速度测量组合(44)对工具面角的测量误差；

钻头(110)为稳斜钻头，或，所述导向钻进短节(100)外侧还设置有扶正器。

6.根据权利要求1和5所述的一种高精度短半径旋转导向钻井工具，其特征在于：所述一种高精度短半径旋转导向钻井工具还包括工具角速度测量短节(285)，所述高精度角速度传感器(43)设置于所述工具角速度测量短节(285)内部；所述工具角速度测量短节(285)设置于所述承载本体(121)和任意承载短节(210)之间，或，所述工具角速度测量短节(285)设置于任意两个承载短节(210)之间，所述工具角速度测量短节(285)与承载短节(210)或承载本体(121)均采用钻压扭矩偏转传递机构(220)连接。

7.根据权利要求1或3所述的一种高精度短半径旋转导向钻井工具，其特征在于：所述电驱动执行器(140)包括多个分别与各所述驱动液压缸(131)一一对应的电磁阀(143)，每个所述电磁阀(143)与所述电驱动执行器驱动模块(230)电连接，所述电磁阀(143)具有第一通路和第二通路，所述第一通路与所述驱动液压缸(131)相连通，所述第二通路与所述贯通流道(1211)相连通，所述电磁阀(143)能将所述贯通流道(1211)与所述驱动液压缸(131)进行周期性连通。

8.根据权利要求1所述的一种高精度短半径旋转导向钻井工具，其特征在于：还包括井钻头姿态模块(41)，所述钻头姿态测量模块(41)固定设置于所述承载短节(210)中，所述钻头姿态测量模块(41)包括至少一个用于测量轴向加速度分量的加速度传感器，能测量所述高精度短半径旋转导向钻井工具中钻头(110)附近位置的井斜角；所述加速度传感器的设置位置至所述钻头(110)下端的距离小于钻头(110)直径的五倍。

9.根据权利要求1所述的一种高精度短半径旋转导向钻井工具，其特征在于：所述工具面角测量短节和/或工具角速度测量短节外侧设置有扶正器。

10.根据权利要求1所述的一种高精度短半径旋转导向钻井工具，其特征在于：所述承载本体(121)、工具面角测量短节(280)和/或工具角速度测量短节(285)由无磁材料制成；所述钻头姿态测量模块(41)由厚膜电路工艺制成。

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