[发明专利]一种全旋转指向式导向工具及导向方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种定向钻井导向工具及导向方法，尤其涉及一种全旋转指向式导向工具及导向方法。

背景技术

现有技术中，旋转导向工具由于在钻柱旋转状态下实现井眼轨迹的导向控制，克服了滑动导向作业中摩阻过大、岩屑沉积及极限位移小等缺陷，可大幅度提高井身质量、钻井效率和钻井安全性，所以广泛应用于大位移井、水平井和三维复杂结构井的导向施工作业，是当今典型的先进钻井装备之一。

目前旋转导向工具按导向方式分为钻头推靠式和钻头指向式两种基本类型，按动力传递结构方式又可划分为“驱动轴—不旋转套”结构和“全旋转”结构等，其中全旋转指向式导向工具结合了指向式导向和全旋转钻井两者的优点，更能适应各种复杂的地层和作业工况，钻得更深，钻速更高，在海洋油气资源开发以及在油田开发复杂油气藏中钻超深井、高难定向井、丛式井、水平井、大位移井、分支井及三维复杂结构井等特殊工艺井中更具竞争力。因此，它是当今钻井工程和油气勘探开发迫切需要的一项尖端钻井装备，是现代导向钻井技术发展的趋势。

在旋转导向工具设计研发上国内外现存很多种方式，在国外，很多公司研发的旋转导向工具在设计上存在诸多差别，特点也各不相同。诸如贝克休斯公司的AutoTrack是钻头推靠式工具的典型代表，研发的“驱动轴—不旋转套”结构特点在于通过控制不旋转外套上推力块作用于井壁的合力大小及方向进行导向作业(例如参照专利文献WO2008101020A、US2013256034A等)。而典型的钻头指向式旋转导向工具诸如哈里伯顿公司的Geo-Pilot(例如参照专利文献WO2014055068A)、威德福公司的Revolution(例如参照专利文献WO2008120025A)及斯伦贝谢公司的PowerDrive Xceed(例如参照专利文献NO20061119A)等，其中所述Geo-Pilot和Revolution是静态指向式旋转导向工具，特点是工具造斜能力通过井下调整导向工具偏置位移实现，且可连续调节。所述PowerDrive Xceed是“全旋转”结构，即全旋转指向式导向工具，采用了固定导向偏置结构，其造斜率通过交替变化的导向和稳斜钻进模式来实现，依靠地面系统下传导向参数(工具面及导向比例)来进行控制。由于受控制指令编码长度的限制，所传参数不能满足井眼轨道精细控制的需要，且由于地层特性等引起导向工具造斜率变化时，频繁地下传导向指令，将影响导向钻井作业效率。

在国内也有多家公司和科研机构在研发旋转导向工具，现已成型的工具几乎全是钻头推靠式导向方式，工作原理与国外产品基本相同，只是在具体技术实现方式上呈现出一定的差异。而钻头指向式旋转导向工具目前国内尚处于空白状态。

基于此，本申请人在深入调研国外钻头指向式旋转导向工具的基础上，特别是针对斯伦贝谢公司的PowerDrive Xceed全旋转指向式导向工具存在的缺点，提出了一种改进的全旋转指向式导向工具，并构建了一种高效的旋转导向系统，不但有效解决上述问题，能够满足井眼轨道精细控制的需要，无需频繁地下传导向指令，大大提高了井眼轨道控制精度和导向钻井作业效率，而且填补国内此项技术的空白。

发明内容

鉴于此，本发明目的在于提出一种能够确定导向工具控制模式和导向参数、提高导向钻井作业效率、满足定向钻井导向控制需求的旋转导向工具及导向方法。

根据本发明，能够优化旋转导向工具控制并实现闭环导向控制，提高导向钻井作业效率和井眼轨道控制精度，能够满足大位移井、复杂地质结构水平井及地质导向钻井轨道控制的要求。

具体的，本发明提供一种全旋转指向式导向工具，其特征在于，其自上而下由对接与扩展单元、供电单元、测量控制单元和导向执行单元组成，在配有泥浆马达时，所述对接与扩展单元与无线短传发射/接收单元连接，在没有配泥浆马达时，与传输及随钻测量单元机械及电连接；所述供电单元为井下所述导向工具提供动力，由涡轮发电机、电池、供电控制电路等组成；测量控制单元包括井下主控、定向参数/钻柱转速/内外压力测量测量部分，实现地面下传指令接收和导向控制指令输出功能；导向执行单元包括电机、减速器、旋转变压器、导向偏置机构、导向芯轴、轴承组和密封结构等，导向芯轴上端置于导向偏置机构内，通过轴承连接，可相对导向偏置机构自由转动；通过传扭部件，将钻柱旋转动力传递给芯轴，驱动其下端的钻头旋转钻进。

另外，通过电机，以钻柱相同速度驱动导向偏置机构反向旋转，从而在导向工具内部动态形成一个相对大地稳定的工具面进行导向作业。