一种高曲率分支井位置控制装置的制作方法

本发明涉及油气勘探技术领域，具体是一种高曲率分支井位置控制装置。

背景技术：

地下资源的探测需要大量采用连通井仪器。现有技术可以针对垂直井、斜井、分支井进行连通井或者平行钻井以及完成双水平井钻探。然而现有的技术无法通过曲率半径小于30米的高曲率井段或分支井段进行联通井或者双平行井钻探，尤其是无法通过曲率半径小于10米的极短半径井段或极短半径分支井段。这限制了高曲率井眼的双平行井或随钻连通井作业，增加了作业难度，阻碍了薄层资源或井旁资源的评价。

因此，有必要提供一种高曲率分支井位置控制装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

技术实现要素：

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高曲率分支井位置控制装置，包括：能够穿过曲率半径在预设范围内的分支井眼的定向钻井短节串列、位于另外一口目标井眼中的第二信号收发单元、解算模块以及控制器；

所述定向钻井短节串列包括以铰接的方式相连接的多个承载短节，且位于下部的承载短节还与导向短节相连；

所述第二信号收发单元能够向所述定向钻井短节串列及其所在地层发射信号，或者，接收所述定向钻井短节串列反馈或发射的信号；

所述解算模块用于解算定向钻井短节串列与目标井眼的相对位置关系并通过控制器控制所述定向钻井短节串列调整或保持与目标井眼的预设相对位置关系。需要说明的是，本发明中，所述目标井眼b可以是直井、斜井或水平井。

进一步，作为优选，还包括：第一钻柱，设置于所述定向钻井短节串列的上方，用于传送所述定向钻井短节串列进入所述分支井眼；

所述定向钻井短节串列的长度大于所述分支井眼的分支井段的长度；所述承载短节以铰接的方式串接于所述定向钻井短节串列中，所述承载短节的轴线长度均小于或等于所述导向短节外直径的5倍；

还包括第二井下工具串，所述第二信号收发单元设置于所述第二井下工具串中；

所述解算模块为第二位置解算模块，所述解算模块与所述第二信号收发单元通讯连接，用于采用第二信号收发单元测量的数据解算所述定向钻井短节串列与所述第二井下工具串之间的位置关系，所述第二位置解算模块可以设置于第二井下工具串中，也可以设置于井口端；

所述控制器为井口控制端，所述井口控制端分别与所述定向钻井短节串列和所述第二位置解算模块通讯连接，用于采用解算模块解算得到的所述定向钻井短节串列与所述第二井下工具串之间的位置关系控制所述定向钻井短节串列调整或保持与目标井眼的预设相对位置关系，所述井口控制端可以是能执行控制和通讯功能的fpga和/或数字芯片和/或工程师。

进一步，作为优选，所述第二井下工具串至少包括两个第二信号收发单元，所述第二信号收发单元为电磁探测探头，用于向地层发射和/或接收电磁波信号；其中，至少一个第二信号收发单元具有信号发射模块，用于向电磁探测探头施加瞬变电磁激励信号；至少一个第二信号收发单元包括信号拾取模块，用于拾取电磁探测探头中感应的来自于所述定向钻井短节串列的二次涡流场信号。

进一步，作为优选，所述第二井下工具串至少包括一组相控阵声信号收发单元，所述声信号收发单元包括换能器，用于可控方向的发射和/或接收声信号；还包括声学信号发射模块，用于驱动换能器发射声信号；还包括声学信号拾取模块，用于拾取换能器接收的来自于所述定向钻井短节串列的反射信号。

进一步，作为优选，所述定向钻井短节串列还包括第一信号收发单元，所述第一信号收发单元设置于任意承载短节中；

所述第二信号收发单元能够通过接收所述第一信号收发单元发射的信号计算出所述第一信号收发单元与第二信号收发单元之间的相对位置关系，或，所述第一信号收发单元能够通过接收所述第二信号收发单元发射的信号计算出所述第一信号收发单元与第二信号收发单元之间的相对位置关系。

进一步，作为优选，所述第一信号收发单元包括磁传感器和第一位置解算单元，所述磁传感器与所述第一位置解算单元电连接；所述第二信号收发单元包括磁场发射装置。所述解算模块而第一位置解算单元，所述第一位置解算单元与所述第第一号收发单元通讯连接，用于采用第一信号收发单元测量的数据解算所述定向钻井短节串列与所述第二井下工具串之间的位置关系；

所述控制器为闭环控制模块，所述闭环控制模块设置于所述定向钻井短节串列中的任意承载短节中，所述闭环控制模块分别与所述导向短节和第一位置解算单元通讯连接，用于采用第一位置解算单元解算得到的所述定向钻井短节串列与目标井之间的位置关系控制所述定向钻井短节串列调整或保持与目标井眼的预设相对位置关系。

进一步，作为优选，所述磁场发射装置为磁体；

还包括第二钻柱，所述第二钻柱能够驱动所述磁体旋转，从而产生交变的待测磁场；

或，

所述第二钻柱和所述磁体之间连接有马达，所述马达能够驱动所述磁体旋转，从而于产生交变的待测磁场；

或，所述第二钻柱通过第二短节串列驱动所述磁场发射装置旋转，从而于产生交变的待测磁场。

进一步，作为优选，所述第一信号收发单元包括磁场发射装置；所述第二信号收发单元包括磁传感器，还包括第二位置解算模块，所述第二信号收发单元与所述第二位置解算模块电连接。

所述控制器为井口控制端，所述井口控制端分别与所述定向钻井短节串列和第二位置解算模块通讯连接，用于采用第二位置解算模块解算得到的所述定向钻井短节串列与所述第二井下工具串之间的位置关系控制所述定向钻井短节串列调整或保持与目标井眼的预设相对位置关系。

进一步，作为优选，所述第一信号收发单元包括接收换能器和第一位置解算单元，所述接收换能器与所述位置解算单元电连接；所述第二信号收发单元包括发射换能器；

或

所述第二信号收发单元包括接收换能器和第二位置解算模块，所述接收换能器与所述第二位置解算模块电连接；所述第一信号收发单元包括发射换能器。

进一步，作为优选，所述第一信号收发单元和第二信号收发单元均包括换能器，从而采用声波的形式向地层发射和/或接收信号；

且至少一个承载短节用于容置控制单元、第一位置解算单元，该承载短节以铰接的方式串接于所述定向钻井短节串列中任意位置，或，设置于所述定向钻井短节串列的上方，或，设置于所述定向钻井短节串列的下方；

所述控制单元、第一位置解算单元通过跨接测量线路与所述第一信号收发单元电连接，当所述控制单元、第一位置解算单元为控制单元时则用于控制所述第一信号收发单元向地层发射信号，当所述控制单元、第一位置解算单元为位置解算单元时则用于采集所述第一信号收发单元接收到的地层信号。

进一步，作为优选，所述第一信号收发单元和第二信号收发单元均包括线圈，和/或，所述第一信号收发单元和第二信号收发单元均包括换能器；

所述定向钻井短节串列至少包括两个所述第一信号收发单元，以便采用电磁波或声波的形式向地层发射和/或接收信号；

且每个所述第一信号收发单元分别设置在不同的承载短节上。

进一步，作为优选，所述第一信号收发单元和第二信号收发单元均包括线圈，和/或，所述第一信号收发单元和第二信号收发单元均换能器；

还包括第二钻柱；所述第二钻柱至少包括两个所述第二信号收发单元，以便采用电磁波和/或声波的形式向地层发射和/或接收信号；

每个所述第二信号收发单元分别设置在第二钻柱的不同承载短节上。

进一步，作为优选，还包括：弹性件，贯穿于所述定向钻井短节串列中，用于使多个承载有第一信号收发单元的承载短节与邻近的承载短节处于同轴状态。

进一步，作为优选，还包括：姿态测量单元，所述姿态测量单元与所述第一信号收发单元设置在同一个承载短节上。

进一步，作为优选，所述姿态测量单元包括：至少一个加速度计和一个磁力计，所述加速度计和所述磁力计设置在载有第一信号收发单元的承载短节的轴线上，用于测量载有第一信号收发单元的承载短节的倾斜角和方位角。

进一步，作为优选，还包括：自下而上顺次电连接的下通讯电路、跨接线路、上通讯电路和信息遥传装置；

所述下通讯电路与所述第一位置解算单元和/或导向短节通讯连接；

所述下通讯电路将来自所述第一位置解算单元的信号通过所述跨接线路传递给所述上通讯电路，或者，所述上通讯电路将来信号通过所述跨接线路传递给所述下通讯电路并通过所述下通讯电路传递至导向短节。

进一步，作为优选，在所述定向钻井短节串列中，相邻两个所述承载短节通过铰接结构的结构死点控制相邻两个短节的轴线之间的最大可偏转角度，当相邻两个短节间达到结构死点位置时，所述最大可偏转角度为2°-10°。

进一步，作为优选，所述换能器的工作范围在20-200k赫兹，或者由两个或多个换能器实现在多个频段内工作，其中，低频段内工作的换能器用于实现远距离条件下的定位，高频率换能器用于实现近距离条件下的定位。

与现有技术相比，本发明提供了一种高曲率分支井位置控制装置，具有以下有益效果：

本发明中，包括两串钻具组合，分别设置于待连通或相互保持距离的两口井中，其中至少一套包括定向钻井短节串列，定向钻井短节串列设置于高曲率分支井中，用于穿过曲率半径在预设范围内的高曲率井段进行连通井作业，且两串钻具分别具有第一信号收发单元和第二信号收发单元，其中，第二信号收发单元能够通过接收所述第一信号收发单元发射的信号计算出所述第一信号收发单元与第二信号收发单元之间的相对位置关系，或，所述第一信号收发单元能够通过接收所述第二信号收发单元发射的信号计算出所述第一信号收发单元与第二信号收发单元之间的相对位置关系，本发明可以实现对高曲率分支井与其他井的定位，另外，定向钻井短节串列由多个承载短节以铰接的方式相互连接，其柔性高，可穿过曲率半径在预设范围内的高曲率井段进行信号的发射或探测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例中第一种高曲率分支井位置控制装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中第二种高曲率分支井位置控制装置的结构示意图；

图3为本发明实施例中第三种高曲率分支井位置控制装置的结构示意图；

图4为本发明实施例中第二种高曲率分支井位置控制装置的局部示意图；

图中：

1导向短节，

2承载短节，

3钻头，

4第一信号收发单元，

5第一位置解算单元，

6下通讯电路，

7跨接线路，

8上通讯电路，

9信息遥传装置，

10跨接测量线路，

11闭环控制模块，

12第二信号收发单元，

14磁场发射装置，

15扭矩传递销，

16扭矩传递槽，

19第二位置解算模块，

121信号发射模块，

122信号拾取模块，

x第一钻柱，

y定向钻井短节串列，

z第二钻柱，

k第二井下工具串，

a分支井眼，

b目标井眼。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定

请参阅图1～2，本发明实施例中，一种高曲率分支井位置控制装置，包括：能够穿过曲率半径在预设范围内的分支井眼a的定向钻井短节串列y、位于另外一口目标井眼b中的第二信号收发单元、解算模块以及控制器；

所述定向钻井短节串列包括以铰接的方式相连接的多个承载短节，且位于下部的承载短节还与导向短节相连；

所述第二信号收发单元12能够向所述定向钻井短节串列y及其所在地层发射信号，或者，接收所述定向钻井短节串列y反馈或发射的信号；

所述解算模块用于解算定向钻井短节串列y与目标井眼b的相对位置关系并通过控制器控制所述定向钻井短节串列调整或保持与目标井眼b的预设相对位置关系。

如图1所示，本实施例中，还包括：

第一钻柱x，设置于所述定向钻井短节串列y的上方，用于传送所述定向钻井短节串列y进入所述分支井眼a；

所述定向钻井短节串列的长度大于所述分支井眼的分支井段的长度；

所述承载短节2以铰接的方式串接于所述定向钻井短节串列y中，所述承载短节2的轴线长度均小于或等于所述导向短节1外直径的5倍；

还包括第二井下工具串，所述第二信号收发单元设置于所述第二井下工具串中。所述解算模块为第二位置解算模块，所述解算模块与所述第二信号收发单元通讯连接，用于采用第二信号收发单元测量的数据解算所述定向钻井短节串列与所述第二井下工具串之间的位置关系，所述第二位置解算模块可以设置于第二井下工具串中，也可以设置于井口端；

所述控制器为井口控制端，所述井口控制端分别与所述定向钻井短节串列和所述第二位置解算模块通讯连接，用于采用解算模块解算得到的所述定向钻井短节串列与所述第二井下工具串之间的位置关系控制所述定向钻井短节串列调整或保持与目标井眼的预设相对位置关系，所述井口控制端可以是能执行控制和通讯功能的fpga和/或数字芯片和/或工程师；

所述第二位置解算模块与所述第二信号收发单元采用电缆通讯连接，所述第二位置解算模块与所述井口控制端采用有线或无线通讯连接，所述井口控制端采用指令下传装置调节供应给所述定向钻井短节串列的钻井液的压力或排量实现控制指令的下传，以实现控制所述定向钻井短节串列调整或保持与目标井眼的预设相对位置关系。

本实施例中，所述第二井下工具串至少包括两个第二信号收发单元，所述第二信号收发单元为电磁探测探头，用于向地层发射和/或接收电磁波信号；其中，至少一个第二信号收发单元具有信号发射模块，用于向电磁探测探头施加瞬变电磁激励信号；至少一个第二信号收发单元包括信号拾取模块，用于拾取电磁探测探头中感应的来自于所述定向钻井短节串列y的二次涡流场信号，需要解释的是，信号拾取模块可将所述二次涡流场信号经过电缆发送至解算模块，所述解算模块用于分析所述第二井下工具串与所述定向钻井短节串列y之间的相对位置关系。

本实施例中，所述第二井下工具串至少包括一组相控阵声信号收发单元，所述声信号收发单元包括换能器，用于可控方向的发射和/或接收声信号；还包括激励电路，用于驱动换能器发射声信号；还包括信号拾取电路，用于拾取换能器接收的来自于所述定向钻井短节串列y的反射信号，需要解释的是，信号拾取模块可将从所述相控阵声信号收发单元接收到的信号经过电缆发送至解算模块，所述解算模块用于分析所述第二井下工具串与所述定向钻井短节串列y之间的相对位置关系。

如图2所示，本实施例中，所述定向钻井短节串列y还包括第一信号收发单元4，所述第一信号收发单元4设置于任意承载短节2中；

所述第二信号收发单元能够通过接收所述第一信号收发单元发射的信号计算出所述第一信号收发单元与第二信号收发单元之间的相对位置关系，或，所述第一信号收发单元能够通过接收所述第二信号收发单元发射的信号计算出所述第一信号收发单元与第二信号收发单元之间的相对位置关系。

需要说明的是，所述定向钻井短节串列由多个承载短节以铰接的方式相互连接，其柔性高，可穿过曲率半径在预设范围内的高曲率井段进行信号的发射或探测；还包括收发单元、控制单元、位置解算单元、定向工具、钻头。所述收发单元能发射和/或探测磁场、电场、电磁波、声波，位置解算单元用于利用收发单元探测到的信号解算两口待定位井之间的空间位置关系。本发明可以实现对高曲率分支井与其他井的进行定位。此外，所述第二信号发射单元可以由电缆下入目标井眼b中或者由钻柱送入目标井眼b中。

所述解算模块而第一位置解算单元5，所述第一位置解算单元5与所述第第一号收发单元通讯连接，用于采用第一信号收发单元测量的数据解算所述定向钻井短节串列与所述第二井下工具串之间的位置关系；

本实施例中，所述第一信号收发单元4包括磁传感器和第一位置解算单元5，所述磁传感器与所述第一位置解算单元5电连接；所述第二信号收发单元12包括磁场发射装置14；

所述控制器为闭环控制模块11，所述闭环控制模块设置于所述定向钻井短节串列中的任意承载短节中，所述闭环控制模块11分别与所述导向短节1和第一位置解算单元5通讯连接，用于采用第一位置解算单元5解算得到的所述定向钻井短节串列与目标井之间的位置关系控制所述定向钻井短节串列调整或保持与目标井眼b的预设相对位置关系；

所述磁场发射装置14为磁体；所述第二井下工具串包括第二钻柱z，所述第二钻柱能够驱动所述磁体旋转，从而产生交变的待测磁场。

本实施例中：该连通井装置包括：至少一套定向钻井短节串列、位置解算单元、定向钻井钻具，所述定向钻井短节串列用于穿过预先钻探完成的曲率半径在预设范围内的高曲率井段进行连通井的测量作业，所述定向钻井钻具用于钻探另外一口井实现与预先钻探完成的曲率半径在预设范围内的高曲率井段连通；定向钻井短节串列包括多个承载短节、若干个第一信号收发短节，所述第一信号收发短节上设置有第一信号接收和/或信号发射单元；所述承载短节之间采用关节结构连接和/或采用扭矩传递结构连接，所述承载短节与所述信号收发短节之间采用关节结构和/或采用扭矩传递结构连接；位置解算单元用于采集所述信号收发单元接收到信号，用于获得定向钻井钻具与所述信号收发短节之间的距离和/或相对位置关系。所述定向钻井短节串列y设置于分支井眼a中，所述定向钻井钻具设置于其他井眼中。此外，所述定向钻井短节串列用于进入所述高曲率分支井眼，所述定向钻井短节串列由钻柱驱动，所述钻柱在主井眼中，通过所述定向钻井短节串列进入分支井眼进行连通井的测量定位工作。与此同时，所述定向钻井钻具由另外一条钻柱实现送钻，进行连通井的钻探。第一信号收发短节不代表只有一个信号收发短节，而代表设置于定向钻井短节串列上的信号收发短节。

本实施例中，所述第一信号收发单元和第二信号收发单元均包括换能器，从而采用声波的形式向地层发射和/或接收信号；需要说明的是：所述换能器能够实现接收、发射两种功能；

且至少一个承载短节2用于容置控制单元、第一位置解算单元5，该承载短节2以铰接的方式串接于所述定向钻井短节串列y中任意位置，或，设置于所述定向钻井短节串列y的上方，或，设置于所述定向钻井短节串列y的下方；

所述控制单元、第一位置解算单元5通过跨接测量线路10与所述第一信号收发单元4电连接，当所述控制单元、第一位置解算单元5为控制单元时则用于控制所述第一信号收发单元4向地层发射信号，当所述控制单元、第一位置解算单元5为位置解算单元时则用于采集所述第一信号收发单元4接收到的地层信号。

本实施例中，所述第一信号收发单元和第二信号收发单元均包括线圈，和/或，所述第一信号收发单元和第二信号收发单元均包括换能器；

所述定向钻井短节串列y至少包括两个所述第一信号收发单元，以便采用电磁波或声波的形式向地层发射和/或接收信号；

且每个所述第一信号收发单元分别设置在不同的承载短节上。

本实施例中，所述第一信号收发单元和第二信号收发单元均包括线圈，和/或，所述第一信号收发单元和第二信号收发单元均换能器；

还包括第二钻柱；所述第二钻柱至少包括两个所述第二信号收发单元，以便采用电磁波和/或声波的形式向地层发射和/或接收信号；

每个所述第二信号收发单元分别设置在第二钻柱的不同承载短节上。

作为较佳的实施例，还包括：弹性件，所述弹性件为弹簧版、弹性杆或弹性管贯穿于所述定向钻井短节串列y中，用于使多个承载有第一信号收发单元4的承载短节与邻近的承载短节处于同轴状态。

作为较佳的实施例，还包括：姿态测量单元，所述姿态测量单元与所述第一信号收发单元4设置在同一个承载短节2上。

作为较佳的实施例，所述姿态测量单元包括：至少一个加速度计和一个磁力计，所述加速度计和所述磁力计设置在载有第一信号收发单元的承载短节的轴线上，用于测量载有第一信号收发单元的承载短节的倾斜角和方位角。

作为较佳的实施例，还包括：自下而上顺次电连接的下通讯电路6、跨接线路7、上通讯电路8和信息遥传装置9；

所述下通讯电路6与所述第一位置解算单元5和/或导向短节1通讯连接；

所述下通讯电路6将来自所述第一位置解算单元5的信号通过所述跨接线路7传递给所述上通讯电路8，或者，所述上通讯电路8将来信号通过所述跨接线路7传递给所述下通讯电路6并通过所述下通讯电路6传递至导向短节1。

所述信息遥传装置9用于将连通井信号经第一钻柱x发送至井口处的接收端，或者，接收井口控制端经第一钻柱x下传给导向短节1的控制指令

作为较佳的实施例，在所述定向钻井短节串列y中，相邻两个所述承载短节通过铰接结构的结构死点控制相邻两个短节的轴线之间的最大可偏转角度，当相邻两个短节间达到结构死点位置时，所述最大可偏转角度为2°-10°。

如图3所示，作为较佳的实施例，所述第二信号收发单元12为换能器，所述换能器的工作范围在20-200k赫兹，或者由两个或多个换能器实现在多个频段内工作，其中，低频段内工作的换能器用于实现远距离条件下的定位，高频率换能器用于实现近距离条件下的定位。

实施例1：如图2所示，所述第一信号收发单元4包括磁传感器和第一位置解算单元5，所述磁传感器与所述第一位置解算单元5电连接；所述第二信号收发单元12包括磁场发射装置14。

进一步的，所述磁场发射装置14为磁体；

还包括第二钻柱z，所述第二钻柱能够驱动所述磁体旋转，从而产生交变的待测磁场；

或，

所述第二钻柱和所述磁体之间连接有马达，所述马达能够驱动所述磁体旋转，从而于产生交变的待测磁场；

或，所述第二钻柱通过第二短节串列k驱动所述磁场发射装置14旋转，从而于产生交变的待测磁场。

实施例2：所述第一信号收发单元4包括磁场发射装置14；所述第二信号收发单元包括磁传感器和第二位置解算模块19，所述磁传感器与所述第二位置解算模块19电连接。

实施例3：如图3所示，所述第一信号收发单元4包括接收换能器和第一位置解算单元5，所述接收换能器与所述位置解算单元电连接；所述第二信号收发单元12包括发射换能器；

实施例4：所述第二信号收发单元12包括接收换能器和第二位置解算模块19，所述接收换能器与所述第二位置解算模块19电连接；所述第一信号收发单元包括发射换能器。

以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。