一种永磁式反扭矩弯螺杆定向钻井方法及系统

本发明涉及石油与天然气钻井工程，尤其是涉及一种永磁式反扭矩弯螺杆定向钻井方法及系统。

背景技术：

1、长水平井可有效降低油气综合开发成本，是促进油气经济长效开发的重要手段。目前水平井导向钻井以旋转导向和弯螺杆滑动导向两种方式为主，由于旋转导向工具以进口为主，费用高、卡钻风险大等原因，弯螺杆滑动导向依然是水平井定向钻井的主体技术。但是弯螺杆滑动导向钻井时由于钻柱不旋转，摩阻大极易“托压”，导致钻压不能有效传递。同时钻头破岩产生的反扭矩导致工具面不易调整和控制。因此早期研发了钻柱扭摆系统，实现了上部钻柱往复旋转，提速超过30％，但该系统应用井深受限，3000m水平段以上提速有限。近几年，结合滑动导向工具和旋转导向工具的优缺点，加拿大ct energy公司研发了hydro clutch离合器，通过转盘转速和钻井液排量来控制钻柱扭矩的离合，但存在5～10mpa的压耗，接入该工具将导致循环总泵压偏高，未见现场应用。相关研究中，如申请号为201710424992.4的专利通过行星轴与传动轴间为外啮合传动，使得芯部钻头与环空钻头的转向相反，从而平衡螺杆马达和钻柱所受的反扭矩，机械结构复杂且存在工具面角不可控的问题。申请号为201810549680.5、202010062748.x的专利是通过钻井液压差为动力源使齿状离合结构之间的齿啮合与分离来实现离合功能，存在齿状结构的啮合齿有效啮合问题及齿在啮合过程中的冲击问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种永磁式反扭矩弯螺杆定向钻井方法及系统，通过改变耦合磁力来改变传递扭矩，进而控制弯螺杆工具面角。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种永磁式反扭矩弯螺杆定向钻井系统，包括永磁式反扭矩弯螺杆定向装置、随钻测量仪、测控模块和电磁阀组；

3、永磁式反扭矩弯螺杆定向装置、随钻测量仪、电磁阀组均与测控模块相连，永磁式反扭矩弯螺杆定向装置上端连接钻杆，永磁式反扭矩弯螺杆定向装置下端连接随钻测量仪，随钻测量仪下端依次连接弯螺杆和钻头；电磁阀组液口与液压腔a和液压腔b相连接；

4、测控模块用于接收随钻测量仪检测的实时工具面角β及地面发送的目标工具面角α；

5、电磁阀组用于控制液体进出液压腔a和液压腔b。

6、优选的，永磁式反扭矩弯螺杆定向装置包括主体轴、锁止齿、液压腔a、液压腔b、导体筒、导体、永磁、永磁筒、永磁筒啮合齿、活塞、密封筒、承载筒、轴承组、扭矩传递筒、下接头；

7、主体轴和承载筒均与导体筒通过螺纹连接；永磁筒和密封筒通过螺纹连接；扭矩传递筒和下接头通过螺纹连接；扭矩传递筒和密封筒通过花键连接；导体固连在导体筒上；永磁和活塞均固连在永磁筒上；

8、主体轴、导体筒、承载筒用于传递钻杆的转速和扭矩；永磁筒、密封筒、扭矩传递筒、下接头用于传递弯螺杆外壳所受的反扭矩a；锁止齿和永磁筒啮合齿用于主体轴与永磁筒的分离和啮合。

9、优选的，测控模块包括扭矩传感器a、扭矩传感器b、处理器；扭矩传感器a与弯螺杆外壳相连接，扭矩传感器b与导体筒相连接；扭矩传感器a、扭矩传感器b均与处理器相连接；

10、扭矩传感器a、扭矩传感器b用于采集扭矩并传递给处理器。

11、优选的，电磁阀组包括电比例节流阀、电比例溢流阀、电磁换向阀；电比例节流阀、电比例溢流阀、电磁换向阀均与处理器相连接；

12、电比例节流阀、电比例溢流阀用于控制永磁筒的速度；电磁换向阀用于控制永磁筒的运动方向。

13、本发明还提供了一种如上述的永磁式反扭矩弯螺杆定向钻井系统的钻井方法，包括以下步骤：

14、s1、扭矩传感器a检测弯螺杆外壳所受的反扭矩a，扭矩传感器b检测导体筒与永磁筒之间的传递扭矩b，并在处理器中进行储存和处理；

15、s2、测控模块控制电磁阀组进行换向，使钻井液进入永磁筒的液压腔a和液压腔b中，使永磁筒在主体轴上进行轴向滑动；

16、s3、通过电磁阀组精确改变导体筒与永磁筒之间的重叠面积，从而精确改变传递扭矩b的大小；

17、s4、传递扭矩b通过永磁筒、密封筒和扭矩传递筒传递给下接头；

18、s5、传递到下接头的传递扭矩b与弯螺杆外壳所受的反扭矩a相互作用，进而稳定或改变弯螺杆的工具面角；

19、s6、当要进行复合钻井时，测控模块控制电磁阀组进行换向，使永磁筒的啮合齿向锁止齿靠近，直到啮合齿与锁止齿相互啮合，此时永磁筒和主体轴相当于是啮合状态，可进行复合钻进。

20、优选的，步骤s3中，改变传递扭矩b的大小的方法为：通过电磁换向阀控制永磁筒的左右滑动，再由电比例节流阀和电比例溢流阀相结合，控制永磁筒的运动状态，达到精确控制永磁筒位置及滑动速度的目的，进而精确控制传递扭矩b的大小。

21、优选的，步骤s3中，改变传递扭矩b的大小的方法为：改变钻杆转速，进而改变导体筒的旋转转速，导体筒切割磁力线的速度加快或减慢，导体中产生的涡电流增大或减小，导体筒与永磁筒之间传递扭矩b增大或减小。

22、优选的，步骤s3中，改变传递扭矩b的大小的方法为：钻杆旋转带动主体轴旋转进而带动导体筒和导体旋转，导体切割永磁筒的永磁上的磁场的磁力线，会使导体中产生涡电流，同时导体会产生感应磁场，感应磁场与永磁的磁场两者之间的相互作用使导体筒与永磁筒之间传递扭矩；通过控制导体与永磁之间的重合面积改变导体中感应磁场的大小进而改变传递扭矩b的大小。

23、优选的，步骤s5中，稳定弯螺杆的工具面角的方法为：处理器实时记录并处理比对传递扭矩b与反扭矩a大小，当传递扭矩b大于反扭矩a时，测控模块控制电磁阀组进行换向，使永磁筒向远离导体筒的导体的方向运动，远离的过程中导体与永磁之间的重合面积减小，从而减小传递扭矩b的大小以平衡反扭矩a；

24、反之，当传递扭矩b小于反扭矩a时，测控模块控制电磁阀组进行换向，使永磁筒向靠近导体的方向运动，导体与永磁之间的重合面积增大，从而增大传递扭矩b的大小以平衡反扭矩a；

25、传递扭矩b与反扭矩a平衡，弯螺杆的工具面角可保持不变。

26、优选的，步骤s5中，改变弯螺杆的工具面角的方法为：

27、s51、处理器接收目标工具面角α，随钻测量仪检测实时工具面角β；

28、s52、处理器计算目标工具面角α和实时工具面角β的误差大小；

29、s53、误差小于设定值时，实时工具面角β满足定向要求，执行稳定工具面角程序；

30、误差大于设定值时测控模块控制电磁阀组进行换向改变导体筒与永磁筒之间的重合面积，使传递扭矩b与反扭矩a大小不相等进而改变弯螺杆的工具面角直到满足目标工具面角精度范围。

31、因此，本发明采用上述的一种永磁式反扭矩弯螺杆定向钻井方法及系统，技术效果如下：

32、(1)扭矩传递为磁力无接触传递，不存在离合机构频繁离合时带来的磨损或者冲击；

33、(2)可以实现传递扭矩的无极调节；

34、(3)没有复杂的机械结构，不受井下工具空间结构有限的限制。