具体实施方式

为了对本发明的技术方案、目的和效果有更清楚的理解，现结合附图说明本发明的具体实施方式。其中，形容词性或副词性修饰语“上”和“下”、“纵向”和“横向”，“前”和“后”、“顶”和“底”、“内”和“外”的使用仅是为了便于多组术语之间的相对参考，且并非描述对经修饰术语的任何特定的方向限制。另外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1至图4所示，本发明提供了一种复合式导向钻井工具，其包括导向短节，导向短节包括传力筒1和承载本体2，承载本体2设置于传力筒1的内部，即承载本体2插设于传力筒1的内部，且承载本体2的上部与传力筒1通过内铰接结构3相铰接，此时，承载本体2的长度小于传力筒1的长度，或者，传力筒1的上部与承载本体2通过内铰接结构3相铰接，此时，承载本体2的长度大于传力筒1的长度，以使得承载本体2与传力筒1之间能够相对偏转，承载本体2的下端连接有钻头4，钻头4的轴线能以内铰接结构3为中心朝向导向方向偏转，传力筒1与承载本体2之间设置有环形活动空间5，承载本体2的下部沿周向设有至少三组间隔设置的驱动液压缸21，较佳的，各驱动液压缸21沿承载本体2的周向均匀排布，驱动液压缸21包括设置于承载本体2的外壁中的活塞结构容置腔211和设置于活塞结构容置腔211内的驱动活塞结构212，驱动活塞结构212能推动传力筒1和承载本体2相对运动，使承载本体2的下端的钻头4侧向切削对称方位的地层。

本发明的复合式导向钻井工具，通过将驱动液压缸21设置于传力筒1与承载本体2之间，大幅度缩减了旋转导向尺寸，并可精确控制的旋转导向，从而能够提高复合式旋转导向工具在高曲率井眼中的通过性，且能用于通过主井眼底部或任意其他位置侧向钻出的短-极短半径井段，使其继续向侧向钻进，以实现可控轨迹的延伸。

进一步，传力筒1的外周面沿周向连接有多个间隔设置的第一扶正器11，传力筒1能带动第一扶正器11抵靠井壁，通过改变第一扶正器11的位置，能减小传力筒1向井壁传递推力的传力点与钻头4之间的距离，有助于克服钻头4后方扩径干扰驱动活塞结构212向井壁传递推靠力。

进一步，复合式导向钻井工具还包括驱动钻柱6，驱动钻柱6包括多个由上至下依次铰接的传动短节61，传动短节61用于承担扭矩，各传动短节61的内部均设有贯通孔611，多个贯通孔611依次连通形成用于钻井循环介质流通的贯通流道62，贯通流道62形成供钻井循环介质流通的主流道，以实现驱动钻柱6内的钻井循环介质流通，位于最下方的传动短节61与传力筒1的上端固定连接，或者，位于最下方的传动短节61与承载本体2的上端固定连接，以使得驱动钻柱6能够为钻头4传递旋转钻井的动力。

在使用过程中，驱动钻柱6在短半径井眼中以旋转状态导向，这种条件下，由于驱动钻柱6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驱动钻柱6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。

需要说明的是，复合式导向钻井工具可钻的短-极短半径井段的长度总和不超过钻头4、导向短节和驱动钻柱6长度总和。

进一步，相邻的两传动短节61之间的偏转角度为0.5°～8°，以防止各传动短节61在钻压扭矩传递过程中过度屈曲，从而妨碍钻压扭矩传递，当相邻的两传动短节61之间的转角达到偏转极限时，侧向钻井区段能形成的最小曲率半径应当大于或等于预设的短-极短半径井段。

进一步，传动短节61的内部设有至少一个能传递旋转钻井动力的万向节63，相邻的两万向节63之间的距离小于1m，以便于钻头4到最上端的传动短节61之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，此外，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，缩短每一节传动短节61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，以达到保护传动短节61不受到损害并减小井下振动的作用，尤其是保护传动短节61中用于传递旋转钻井动力的万向节63不受到损害。

一般情况下，相邻的两万向节63间距在0.4米以内，用于使导向短节可通过短-极短半径井段，继而完成所述短-极短半径井段的延伸井段的钻探；对驱动钻柱6的各个万向节63间的距离进行限制的目的在于：防止各传动短节61在钻压扭矩传递过程中过度屈曲，进而妨碍钻压扭矩传递，以及防止驱动钻柱6过度屈曲干扰导向短节控制井眼轨迹；需要说明的是，复合式导向钻井工具在钻探短半径的延伸井段的过程中，驱动钻柱6总存在一小段区段处于短-极短半径井段中，因此相邻的两传动短节61之间的预设偏转极限角度过大则会使钻具过度屈曲，影响高通过性导向执行装置控制井眼轨迹，而预设偏转极限角度过小，则会导致无法顺畅的通过短-极短半径井段，通常，为进一步增加钻压扭矩传递的稳定性，以及提升旋转钻井的动力传递效率，各个所述传动短节61之间的偏转角度应当控制在3°以内。

再进一步，万向节63包括球头631和球窝632，球头631的外表面设有扭矩传递槽，球窝632的内表面固定设有传动销，或者，球窝632的内表面设有扭矩传递槽，球头631的外表面固定设有传动销，传动销能转动的嵌设于扭矩传递槽内，通过传动销与扭矩传递槽的配合实现扭矩传递。

或者，万向节63为等速万向节63，以避免动力输入端和动力输出端的转速不一致，预防了驱动钻柱6的输出端的转速波动对导向短节的导向精度造成不良影响。

当然，万向节63也可以采用其他能够传递扭矩的任何现有结构，例如，球头631与球窝632间也可依靠键槽或齿槽相互咬合的方式传递扭矩。

进一步，相邻的两传动短节61的偏转中心之间的最小距离小于钻头4的直径的5倍，可以减小每一铰接点之间的距离，在驱动钻柱6发生振动时，每个铰接点两端都不会形成过长的力臂，以导致铰接处折断。

进一步，承载本体2内设有电驱动执行器22和液压分流器23，电驱动执行器22与液压分流器23连接，各驱动液压缸21能分别通过沟通流道24与液压分流器23相连通，电驱动执行器22能够驱动液压分流器23为各驱动液压缸21配液，并向各个驱动液压缸21分配液压流体，从而控制各个驱动活塞结构212的受液压力状态。

需要说明的是，液压的力的来源可以是液压动力系统，或者主流道中的钻井工作流体，在本实施例中，压力源于主流道与井眼环空之间的压力差，钻井循环介质从主流道经过钻头4上设置的钻头4水眼流入井眼环空的过程会产生较大的压降，这个压降即为驱动活塞结构212所需的压力。

驱动活塞结构212包括活塞结构和柱塞结构，若采用活塞结构或柱塞结构直接抵推井壁，则不需要独立的推靠件，即利用活塞结构容置腔211内的液压力直接推动驱动活塞结构212，使驱动活塞结构212抵推井壁传递推力。

在本发明的一种实施方式中，如图2所示，电驱动执行器22为电动机，电动机包括电动机定子221和电动机转子222，液压分流器23为转阀，转阀包括转阀定子231和阀芯232，阀芯232与电动机转子222耦接，即在导向钻井过程中，电动机转子222能驱动阀芯232相对转阀定子231旋转，转阀定子231上设有多个分别与各驱动液压缸21一一对应设置的供液窗口，供液窗口与驱动液压缸21能通过沟通流道24相连通，阀芯232能控制各供液窗口与贯通流道62的通断，具体的，驱动活塞结构212在液压分流器23的配液作用下受到液压流体的推动沿导向短节的径向推靠传力筒1，传力筒1推靠井壁，各驱动活塞结构212周期性沿其径向推靠井壁产生的合力使所述钻头4发生偏转，以完成导向钻井作业，较佳的，阀芯232设置于导向短节的端部，且位于各驱动液压缸21的远离驱动钻柱6的一侧，以最大限度的缩短承载本体2的长度，从而有利于复合式导向钻井工具通过曲率更高的短-极短半径井段。

在导向过程中，液压分流器23在电驱动执行器22的驱动下，使液压分流器23的阀芯232上的供液端朝向导向方向的反方向，以向处于导向方向反方向的所在扇区内的驱动活塞结构212提供高压流体，使得阀芯232上的供液窗口以及通往贯通流道62的当量过流面积大于旁通节流结构的当量过流面积，此时，驱动活塞结构212会沿径向驱动传力筒1抵推井壁，反之，处于导向方向所在扇区内的各活塞结构容置腔211中的流体从旁通节流结构排出；所述导向方向所在扇区是指不超过导向方向±90°的范围。

在本发明的另一种实施方式中，如图3所示，液压分流器23包括至少一个换向阀233，电驱动执行器22包括与换向阀233对应设置的摆动电机223，摆动电机223通过丝杠25驱动换向阀233往复运动，具体的，电驱动执行器22为若干个分别与各驱动液压缸21一一对应设置的且能往复运转的摆动电机223，液压分流器23为与各摆动电机223一一对应设置的换向阀233，摆动电动机通过丝杠25或齿轮齿条将旋转运动转化为能驱动换向阀233动作的往复运动，以实现对换向阀233的动作进行控制，换向阀233作为液压分流器23在控制电路7的控制作用下执行动作，以实现第一通路28和第二通路29之间的开闭，其具体导向方式与上述实施例基本相同，在此不在赘述。

在本发明的又一种实施方式中，如图4所示，液压分流器23包括至少一个换向阀233，电驱动执行器22包括与换向阀233对应设置的电磁铁224，电磁铁224与换向阀233相连并能驱动换向阀233的开合，具体的，驱动执行器为多个分别与各驱动液压缸21一一对应设置的电磁铁224，液压分流器23为多个与各电磁铁224一一对应设置的换向阀233，电磁铁224与控制电路7电连接，并在控制电路7的控制下驱动换向阀233实现第一通路28和第二通路29的开合，第一通路28与驱动液压缸21相连通，第二通路29与贯通流道62相连通，电磁铁224打开阀的通路时，能将贯通流道62中的高压钻井液与驱动液压缸21周期性连通，具体的，控制电路7打开未处于导向方向所在区的驱动液压缸21所对应的换向阀233的通路，使贯通流道62内的高压流体通过换向阀233流进驱动液压缸21内，使驱动活塞结构212的内外产生较大压差，使得驱动活塞结构212推靠井壁产生导向推力；对应的，处于导向方向所在区的驱动液压缸21对应的换向阀233处于关闭状态，此时，钻井液经过节流结构排出活塞结构，不产生推力，贯通流道62内钻井液随着钻柱的旋转被电磁铁224的控制下周期性的分配给各个驱动液压缸21，各个驱动液压缸21分别沿其径向推靠井壁产生的合力使钻头4发生偏转，以达到改变井眼轨迹的目的。

需要说明的是，于本发明解决的问题在于实现短-极短半径导向钻井以及继续钻探延伸井眼，采用任何方式对电驱动执行器22和液压分流器23进行同等替代，均在本发明的保护范围内。

进一步，驱动钻柱6的上端连接有电力供应短节64，电力供应短节64包括电池和/或井下发电机，电力供应短节64通过电气线路65与电驱动执行器22电连接，以实现为电驱动执行器22供电。

进一步，驱动钻柱6的上端连接有中继通讯装置66，中继通讯装置66与电气线路65电连接。具体的，中继讯通装置的一端电连接电气线路65，中继通讯装置66的另一端能够与井口端进行远距离通讯，通过中继通讯装置66实现了地面装置或人员对导向短节的导向功能和姿态实现监控，更好的实现了可控轨迹的功能。

进一步，承载本体2内设有测量装置26，测量装置26包括加速度传感器和/或磁传感器和/或陀螺仪，较佳的，测量装置26至少包括三轴加速度传感器和三轴磁传感器，以能测量导向短节的倾斜角、方位角以及工具面角。

再进一步，测量装置26还包括采用厚膜电路工艺制造的测量电路27，测量电路27至少包括一片数字芯片，以能解算近钻头4处的工具姿态。

进一步，位于最下方的传动短节61的外部连接有第二扶正器12，第二扶正器12与钻头4的共同作用可以最大限度地减小自前向后的首个万向节63引发的钻具大幅度摆动对测量装置26的测量精度造成的影响。

或者，复合式导向钻井工具还包括第二扶正器12，第二扶正器12固定连接于传力筒1的外侧，或者，第二扶正器12设置于承载本体2的外侧且位于传力筒1的上方，第二扶正器12能够使导向短节与其后方连接的驱动钻柱6进行弹性连接，使导向短节与其后方连接的驱动钻柱6具有了保持同轴特性的趋势。

进一步，活塞结构容置腔211与承载本体2为一体式结构，以便于加工制造。

需要说明的是，本发明中所述的旋转是指绕其轴线的进行的转动。

本发明中描述的电路板、电路模块、控制模块、控制电路等一般情况下都需要承压壳体的保护，或者设置于仪器金属结构物种的容置腔内，并且需要一定的密封措施阻止井眼中的流体与电路板接触，其具体方法为本领域常识，在此不再赘述。

本发明还提供了一种复合式导向钻井方法，其包括：

步骤210：下入斜向器进行侧向钻进，并使斜向器的造斜面朝向主井眼的方位角方向，具体的，利用常规钻柱通过一段特定长度的柔性钻杆驱动钻头4，以使钻头4在斜向器提供的斜向力以及钻压的作用下完成短-极短半径井段的侧向钻进，该柔性钻杆和该钻头4的长度不小于短-极短半径井段的长度；

步骤220：下入上述的复合式导向钻井工具进行延伸井段的钻进，斜向器能在主井眼内对复合式导向钻井工具进行支撑，具体的，从井眼内起出柔性钻杆及高造斜钻头4，下入所述复合式导向钻井工具并使其以通过钻成的短-极短半径井段，继而完成延伸井段的钻探，当主井眼为斜井且主井眼的方位角与分支井眼的方位角不同时，在钻探延伸井段的过程中，逐步改变延伸井段的方位角，即可使其逐步达到理想角度。

需要说明的是，在有些特殊情况，例如在主井眼在井斜和方位同时变化的井段实施开窗侧钻，则以开窗点处的主井眼建柱面坐标系，取全角变化率最大的方向实施开窗，并进一步的完成短至极短半径钻井，进一步的，再完成延伸井段钻探，在钻探延伸井段过程中，使延伸井段的方向逐步向延伸井段的设计方向靠拢。

综上所述，本发明的复合式导向钻井工具及方法，通过将驱动液压缸设置于传力筒与承载本体之间，大幅度缩减了旋转导向尺寸，并可精确控制的旋转导向，从而能够提高复合式旋转导向工具在高曲率井眼中的通过性，且能用于通过主井眼底部或任意其他位置侧向钻出的短-极短半径井段，使其继续向侧向钻进，以实现可控轨迹的延伸；

本发明的复合式导向钻井工具及方法，通过驱动钻柱实现短半径钻柱在旋转条件下的定向钻井，有效解决短-极短半径井的井眼延伸问题，对短半径定向钻井技术对多层系油气资源的合并开发、薄油气层的开发、剩余油挖潜、煤层气开发和其他种类矿物的开发具有工程可行性和实用价值；

本发明的复合式导向钻井工具及方法，能减少驱动钻柱在井眼内发生剧烈震动而产生撞击力导致破坏井壁的情况。

本发明的复合式导向钻井工具及方法，采用厚膜电路工艺制作测量电路，能以最大限度的缩小测量电路的尺寸，并且提高测量电路的抗振性能。

本发明的复合式导向钻井工具及方法，对传动短节的铰接点、驱动液压缸和钻头之间的相对位置及直径进行了限定，以满足高曲率井眼对工具的通过性要求。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。