專利名稱：使用液壓伺服環(huán)路的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及一種鉆進(jìn)井眼尤其是石油產(chǎn)品生產(chǎn)井的方法和設(shè)備，具體而言，涉及一種可主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)，該旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)可以直接連接到鉆具組件上的一個(gè)旋轉(zhuǎn)鉆柱上或者通過一個(gè)泥漿馬達(dá)和/或一個(gè)推進(jìn)器和/或一個(gè)柔性接頭連接到該旋轉(zhuǎn)鉆柱上，從而實(shí)現(xiàn)斜井井段和分支井眼的鉆井。本發(fā)明還涉及一種對(duì)所鉆井眼方向進(jìn)行精確控制的方法和設(shè)備。本發(fā)明還涉及一種主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)，該旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)包括一個(gè)液壓動(dòng)力定位裝置，在由旋轉(zhuǎn)鉆柱、泥漿馬達(dá)或這兩者同時(shí)使得一個(gè)偏移式工作筒和一個(gè)鉆頭旋轉(zhuǎn)的過程中，用于完成該偏移式工作筒和該鉆頭的自動(dòng)對(duì)地靜止定位。本發(fā)明還涉及在主動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)中使用的連接裝置，用于在鉆井過程中連接鉆井工具和井壁。
一個(gè)油井或者氣井通常具有一個(gè)需要按照一定方向進(jìn)行鉆井的地下井段，其中所述方向是指與垂直方向成一定角度，并且其井斜角具有一定的羅盤方向或者方位角。盡管具有斜井井段的井眼可以在任何位置進(jìn)行鉆進(jìn)，例如一個(gè)“水平”井眼或者一個(gè)從主井眼偏斜分支出的分支井眼，但是更多數(shù)量的斜井還是在海洋環(huán)境中進(jìn)行鉆進(jìn)。在這種情況下，從一個(gè)單一的海洋鉆井平臺(tái)鉆進(jìn)多個(gè)斜井時(shí)，這些斜井的底部分布在一個(gè)較大面積的產(chǎn)區(qū)內(nèi)，而鉆井平臺(tái)通常位于產(chǎn)區(qū)的中心，每口斜井的井口裝置位于鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)上。
在鉆進(jìn)具有復(fù)雜井眼軌跡的井眼時(shí)，本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)能夠在工具接箍使鉆頭旋轉(zhuǎn)的同時(shí)使得鉆頭轉(zhuǎn)向，從而使得鉆井人員很容易將所鉆的井眼從一個(gè)地下儲(chǔ)油層導(dǎo)向到另外一個(gè)地下儲(chǔ)油層。本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)使得井眼既可以沿著井斜角方向也可以沿著方位角方向進(jìn)行轉(zhuǎn)向，從而使得所鉆的井眼可以按照可控方式穿過兩個(gè)或者多個(gè)地下區(qū)域。
鉆一個(gè)定向井的一個(gè)一般步驟是在利用鉆柱和鉆頭采用常規(guī)的鉆井技術(shù)鉆進(jìn)一個(gè)初始的垂直并段后再從該井段內(nèi)取出鉆柱和鉆頭，然后將處于鉆柱下端的具有一個(gè)彎曲殼體的泥漿馬達(dá)下入到該井段內(nèi)，該泥漿馬達(dá)根據(jù)鉆井液的循環(huán)來驅(qū)動(dòng)鉆頭進(jìn)行鉆井。該彎曲殼體提供一個(gè)彎曲角度，從而使得在從上方觀看井眼時(shí)，其彎曲點(diǎn)以下的軸線(與鉆頭的轉(zhuǎn)軸線對(duì)應(yīng))相對(duì)于參照物具有一個(gè)“工具面方位”角。該工具面方位角(簡稱為“工具面方位”)形成了一個(gè)方位角或者羅盤方向，在泥漿馬達(dá)的作用下，斜井井段將按照該方向進(jìn)行鉆井。在通過緩慢旋轉(zhuǎn)鉆柱并觀測各種定向裝置的輸出而確定了工具面方位后才下入泥漿馬達(dá)和鉆頭，并保持鉆柱不旋轉(zhuǎn)從而保持選定的工具面方位，啟動(dòng)鉆井液泵(“泥漿泵”)使得鉆井液流過鉆柱和泥漿馬達(dá)，從而將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)施加到泥漿馬達(dá)輸出軸，而鉆頭固定到該泥漿馬達(dá)輸出軸上。由于該彎曲角度的存在導(dǎo)致鉆頭沿著一個(gè)曲線進(jìn)行鉆井，直到獲得所需的井斜角位置。為了沿著所需的井斜角和方位角鉆進(jìn)一個(gè)井段，鉆柱需要旋轉(zhuǎn)，因此鉆柱的旋轉(zhuǎn)與泥漿馬達(dá)輸出軸的旋轉(zhuǎn)疊加在一起，從而使得鉆柱的彎曲段只是在井眼軸線周圍作圓周運(yùn)動(dòng)，因此鉆頭可以按照任何所建立的井斜角和方位角向前鉆進(jìn)。在到達(dá)了該井眼的最大深度后，可以按照需要使用同樣的定向鉆井技術(shù)使得井眼彎曲為水平方向，然后沿著水平方向伸入或者穿過產(chǎn)區(qū)。隨鉆測井裝置“MWD”通常放置在位于泥漿馬達(dá)上方的鉆柱中，從而檢測井眼鉆進(jìn)的過程。因此，如果各個(gè)鉆進(jìn)參數(shù)顯示與鉆井計(jì)劃有任何偏差時(shí)可以采取修正措施對(duì)井眼方向進(jìn)行修正。
但是在鉆柱不旋轉(zhuǎn)而泥漿馬達(dá)由鉆井液流動(dòng)驅(qū)動(dòng)來鉆井的情況下會(huì)產(chǎn)生各種問題。泥漿馬達(dá)作業(yè)所導(dǎo)致的反扭矩可能導(dǎo)致工具面方位逐漸改變，因此井眼不能按照所需的方位角向深處進(jìn)行鉆井。如果不對(duì)井眼方位進(jìn)行修正，井眼可能延伸到與另外一個(gè)井眼非常接近的一個(gè)位置、井眼可能錯(cuò)過其所希望的“地下靶子”，或者由于“井眼漂移”而使得井眼的長度過長。這些問題可能導(dǎo)致井眼的成本嚴(yán)重增加，并且降低了從地下地層生產(chǎn)流體的排出效率。而且，一個(gè)不旋轉(zhuǎn)的鉆柱可能增加較大的摩擦阻力，因此不太容易對(duì)“鉆頭鉆壓”進(jìn)行控制，降低了鉆頭的鉆穿速度，這也顯著增加了鉆井的成本。而且，當(dāng)鉆柱穿過一個(gè)滲透區(qū)時(shí)，該滲透區(qū)導(dǎo)致泥餅在井壁上大量聚集，因此一個(gè)不旋轉(zhuǎn)的鉆柱比一個(gè)旋轉(zhuǎn)的鉆柱更容易卡在井眼內(nèi)。
一個(gè)涉及本發(fā)明主題的專利是美國專利US5113953。該US5113953專利提供一種定向鉆井設(shè)備和方法，其中，鉆頭通過一個(gè)萬向節(jié)連接到鉆柱的下端，而鉆頭轉(zhuǎn)軸可以繞樞軸以大小等于鉆柱速度并且方向與其相反的速度在可轉(zhuǎn)向鉆井工具接箍內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。和該US5113953專利相比，本發(fā)明的改進(jìn)之處在于，鉆頭轉(zhuǎn)軸或者工作筒相對(duì)于本發(fā)明鉆鋌的角度是一個(gè)變量而不是一個(gè)固定值。另外一些與本發(fā)明有關(guān)的專利是英國專利GB2177738B、GB2172324B和GB2172325B。GB2177738B專利的題目是“井眼鉆井過程中鉆井路線的控制”，它公開了一個(gè)具有四個(gè)激勵(lì)器44的控制穩(wěn)定器40。這些激勵(lì)器為柔性軟管或者管線，這些軟管或者管線可以選擇性地膨脹從而對(duì)鉆鋌施加一個(gè)側(cè)向力，如圖中22所示，目的是使得鉆鋌偏移從而改變所鉆井眼的路線。GB2172324B與本發(fā)明有關(guān)之處在于該專利提供了一個(gè)具有穩(wěn)定器18和20的可轉(zhuǎn)向鉆井工具。在該可轉(zhuǎn)向鉆井工具的穩(wěn)定器18和22之間定位有一個(gè)控制模塊22，用于對(duì)鉆桿10的偏移方向進(jìn)行控制，從而改變所鉆井眼的路線。GB2172325B專利與本發(fā)明有關(guān)之處在于它提供了一個(gè)具有殼體31的可轉(zhuǎn)向鉆井工具，該殼體31具有傳感裝置，在鉆井過程中，該殼體31由一個(gè)井壁接觸裝置33基本上保持在靜止?fàn)顟B(tài)。鉆桿10相對(duì)于井壁接觸裝置的運(yùn)動(dòng)通過以可控方式分別給四個(gè)激勵(lì)器44提供不同的壓力來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)GB2172325B專利，鉆頭的轉(zhuǎn)向是通過感測可轉(zhuǎn)動(dòng)工具接箍的位置并產(chǎn)生導(dǎo)向信號(hào)來完成。
與其相反，本發(fā)明是通過液壓方式將一個(gè)偏移式工作筒的縱向軸線保持在對(duì)地靜止位置，并且該偏移式工作筒可以繞一個(gè)可旋轉(zhuǎn)工具接箍內(nèi)的一個(gè)接頭裝置或者鉸鏈裝置進(jìn)行定向。在該偏移式工作筒上安裝有一個(gè)鉆頭，而可旋轉(zhuǎn)工具接箍與偏移式工作筒之間為直接驅(qū)動(dòng)關(guān)系。偏移式工作筒在旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的過程中，偏移式工作筒保持在所需的井斜角和方位角，從而實(shí)現(xiàn)沿著一個(gè)所需的軌跡鉆進(jìn)井眼。一個(gè)基本上不旋轉(zhuǎn)的滑動(dòng)套筒用于提供一個(gè)殼體，該殼體用于安裝導(dǎo)向傳感器、電子裝置以及遙測系統(tǒng)，并在鉆井過程中保持與地層之間的配合關(guān)系。所述滑動(dòng)套筒以可旋轉(zhuǎn)方式支撐在旋轉(zhuǎn)式工具接箍的一部分上，并利用多個(gè)彈性葉片元件通過機(jī)械方式與所鉆井眼的井壁配合，而且基本上不相對(duì)于該井壁旋轉(zhuǎn)。所述彈性葉片從滑動(dòng)套筒徑向向外伸出。
本發(fā)明還可以連接在一個(gè)具有一個(gè)可控泥漿馬達(dá)、一個(gè)推進(jìn)器設(shè)備、一個(gè)柔性接頭或者其任何組合的鉆具組件中。另外，本發(fā)明的主動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)能夠利用一個(gè)旋轉(zhuǎn)鉆柱、一個(gè)泥漿馬達(dá)或者這二者同時(shí)提供動(dòng)力而實(shí)現(xiàn)定向可控鉆井，并在鉆井過程中對(duì)鉆頭鉆壓和鉆頭方向進(jìn)行精確控制。
美國專利US5265682中提供了一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過一個(gè)葉輪將一個(gè)井下儀器包保持在一個(gè)滾動(dòng)穩(wěn)定方向。該滾動(dòng)穩(wěn)定裝置用于調(diào)節(jié)流體壓力而施加到一組徑向活塞上，這些活塞按照順序進(jìn)行驅(qū)動(dòng)從而沿所需方向推動(dòng)鉆頭。美國專利US5265682的鉆頭轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與本發(fā)明思路的不同之處在于使得鉆頭沿所需方向偏斜的裝置不同。這就是說，US5265682專利所描述的裝置是利用活塞作用到井壁上從而將鉆頭沿所需的側(cè)向方向壓入井眼內(nèi)。由于’682專利的可轉(zhuǎn)向鉆進(jìn)系統(tǒng)的液壓部件暴露在鉆進(jìn)液的環(huán)境下，并且轉(zhuǎn)動(dòng)工具的轉(zhuǎn)動(dòng)墊與井壁接觸，這種鉆井工具的使用壽命將受到限制。
與此相反，本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具不具有暴露在鉆井液或者井壁下的液壓構(gòu)件或者力傳遞墊。本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具包括一個(gè)自動(dòng)啟動(dòng)的傳感器反應(yīng)液壓系統(tǒng)，以將鉆井系統(tǒng)的偏移式工作筒保持在對(duì)地靜止?fàn)顟B(tài)，并使之與旋轉(zhuǎn)式工具接箍成一定角度以偏離于主井眼方向，從而將鉆頭指向所需的井眼方向。本發(fā)明的液壓偏移式工作筒定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)偏移式工作筒軸線繞旋轉(zhuǎn)式工具接箍內(nèi)的鉸接連接件或者萬向連接件支撐件樞軸式定位，因此當(dāng)偏移式工作筒在旋轉(zhuǎn)式工具接箍的作用下旋轉(zhuǎn)時(shí)，該偏移式工作筒相對(duì)于所鉆地層保持在對(duì)地靜止?fàn)顟B(tài)。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，工具的各種導(dǎo)向傳感器和電子裝置位于基本上不旋轉(zhuǎn)的滑動(dòng)套筒內(nèi)，該滑動(dòng)套筒相對(duì)于鉆井工具的旋轉(zhuǎn)式工具接箍作相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而不是位于一個(gè)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件例如工具接箍上，從而簡化了導(dǎo)向傳感器的電子裝置，并保證了本發(fā)明的精度且延長了本發(fā)明的壽命。
本發(fā)明的主要特點(diǎn)就是提供一種新型的主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)，該旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)由一個(gè)旋轉(zhuǎn)鉆柱、一個(gè)泥漿馬達(dá)或者這兩者的組合來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，該旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)通過由旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具的旋轉(zhuǎn)工具接箍來旋轉(zhuǎn)鉆頭而使得鉆頭精確轉(zhuǎn)向，從而能夠選擇性地鉆出彎曲的井段。
本發(fā)明的另外一個(gè)特點(diǎn)是提供一種新型的主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一個(gè)偏移式工作筒，該偏移式工作筒在鉆井操作中由一個(gè)旋轉(zhuǎn)式工具接箍驅(qū)動(dòng)，并且該偏移式工作筒樞軸式安裝在所述旋轉(zhuǎn)式工具接箍內(nèi)以便在旋轉(zhuǎn)式工具接箍內(nèi)作樞軸式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而且該偏移式工作筒相對(duì)于所鉆地層保持對(duì)地靜止?fàn)顟B(tài)且指向所需的井斜角和方位角，以便將一個(gè)彎曲井眼鉆進(jìn)到預(yù)定目標(biāo)。
本發(fā)明的又一個(gè)特點(diǎn)是提供一種新型的主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一個(gè)鉆井液動(dòng)力液壓泵，該液壓泵提供液壓流體用于通過液壓定位活塞的伺服閥可控激勵(lì)來控制偏移式工作筒的位置，而液壓活塞則使得偏移式工作筒相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)工具接箍對(duì)地靜止定位，以實(shí)現(xiàn)鉆頭轉(zhuǎn)向。
本發(fā)明的再一個(gè)特點(diǎn)是提供新型的主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一個(gè)機(jī)載的電力位置感測和控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在一個(gè)連接元件內(nèi)，該連接元件相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍可以旋轉(zhuǎn)，并通過多個(gè)彈性葉片與所鉆井眼的井壁接觸且基本上保持相對(duì)靜止關(guān)系，其中的彈性葉片在鉆井過程中與井眼壁接合。本發(fā)明的又一個(gè)特點(diǎn)是將導(dǎo)向傳感器和某些電子裝置定位在基本上靜止的連接元件內(nèi)，而不是定位在鉆井工具的旋轉(zhuǎn)部件中，因此保護(hù)鉆井工具的機(jī)載電子裝置和導(dǎo)向傳感器不會(huì)受到旋轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的干擾的影響，從而顯著簡化了鉆井工具的控制電路。
本發(fā)明的又一個(gè)特點(diǎn)是提供新型的主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一個(gè)基本上不旋轉(zhuǎn)的滑動(dòng)套筒，該不旋轉(zhuǎn)的滑動(dòng)套筒可以相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并具有彎曲的細(xì)長連接彈性葉片，這些葉片保持鉆井工具與所鉆地層滑動(dòng)接觸，限制該基本上不旋轉(zhuǎn)的滑動(dòng)套筒的旋轉(zhuǎn)，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)所鉆井眼的井徑測量。
簡而言之，本發(fā)明的各個(gè)目的和特點(diǎn)通過本發(fā)明提供的一種主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具來實(shí)現(xiàn)。該鉆井工具具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)式工具接箍，該旋轉(zhuǎn)式工具接箍由一個(gè)可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)構(gòu)件例如泥漿馬達(dá)或者旋轉(zhuǎn)鉆柱的輸出軸驅(qū)動(dòng)，該旋轉(zhuǎn)鉆柱由一個(gè)鉆機(jī)的轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)。一個(gè)偏移式工作筒(這里也稱為鉆頭軸)通過一個(gè)萬向節(jié)或者鉸接連接件安裝在旋轉(zhuǎn)式工具接箍內(nèi)，并且直接由旋轉(zhuǎn)式工具接箍進(jìn)行驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)以進(jìn)行鉆井。偏移式工作筒的下端從旋轉(zhuǎn)式工具接箍的下端伸出，從而提供一個(gè)連接部分，鉆頭可以通過螺紋連接到該連接部分上。根據(jù)本發(fā)明的原理，在偏移式工作筒由可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)過程中，偏移式工作筒的軸線保持并指向給定的方向，從而使得鉆頭沿著由選定角度確定的曲線進(jìn)行鉆進(jìn)，其中上述給定的方向與該鉆井工具的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)部件的軸線傾斜成一個(gè)可變角度。通過將偏移式工作筒軸線與鉆井工具軸線之間的角度設(shè)置為零可以鉆出一個(gè)直的井眼。
旋轉(zhuǎn)式工具接箍的軸線與偏移式工作筒軸線之間的角度由多個(gè)液壓活塞來保持，這些液壓活塞定位在旋轉(zhuǎn)式工具接箍內(nèi)，由根據(jù)對(duì)傳感器作出響應(yīng)的由伺服環(huán)路激勵(lì)的伺服閥進(jìn)行選擇性地控制和定位，以保持偏移式工作筒的軸線對(duì)地靜止定位并使之處在預(yù)定的井斜角和方位角。另外，這些預(yù)定的井斜角和方位角可以根據(jù)地面產(chǎn)生的控制信號(hào)、計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)、傳感器產(chǎn)生的信號(hào)或者這些信號(hào)的組合來進(jìn)行選擇性控制。因此，本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具在其定位于井眼內(nèi)和在鉆井過程中可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，用于根據(jù)需要以可控方式改變偏移式工作筒相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍的角度，從而以可控方式使得由鉆井工具的偏移式工作筒旋轉(zhuǎn)的鉆頭轉(zhuǎn)向。
通過一個(gè)鉸接式驅(qū)動(dòng)連接件使得扭矩從旋轉(zhuǎn)式工具接箍直接傳遞到偏移式工作筒，而該驅(qū)動(dòng)連接件由旋轉(zhuǎn)式工具接箍內(nèi)的偏移式工作筒的鉸接連接件來建立。另外，偏移式工作筒的定位液壓活塞可以進(jìn)行伺服控制，從而保證在受到外界干擾的情況下仍然保持預(yù)定的工具面角。既然應(yīng)該一直保持偏移式工作筒的軸線對(duì)地靜止，所以偏移式工作筒通過液壓激勵(lì)活塞而在旋轉(zhuǎn)式工具接箍內(nèi)保持對(duì)地靜止。所述液壓激勵(lì)活塞安裝成在旋轉(zhuǎn)式工具接箍內(nèi)移動(dòng)。這個(gè)特點(diǎn)通過定位活塞的自動(dòng)伺服控制的液壓激勵(lì)來實(shí)現(xiàn)。這些定位活塞可以根據(jù)來自各個(gè)導(dǎo)向傳感器的信號(hào)并響應(yīng)于擬改變滑動(dòng)式工具接箍和偏移式工作筒的軸的各個(gè)力進(jìn)行精確控制。
為了提高主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具的靈活性，該鉆井工具能夠選擇性地包括許多電子感應(yīng)、測量、反饋和定位系統(tǒng)。鉆井工具的一個(gè)三維定位系統(tǒng)可以使用用于感應(yīng)地磁的磁性傳感器且使用一個(gè)解算器、三軸加速度計(jì)和陀螺傳感器，用于實(shí)時(shí)精確確定鉆井工具的位置。為了對(duì)旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具進(jìn)行控制，該鉆井工具通常具有一個(gè)三軸加速度計(jì)和一個(gè)解算器。單個(gè)的陀螺傳感器也可以包括在該鉆井工具中，以提供轉(zhuǎn)速反饋，并協(xié)助偏移式工作筒的穩(wěn)定，盡管如此，使用多個(gè)陀螺傳感器也不偏離本發(fā)明的精神和范圍。鉆井工具上機(jī)載的電子裝置的信號(hào)處理系統(tǒng)在鉆井工具的偏移式工作筒旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)位置測量。鉆井工具的傳感器和電子裝置處理系統(tǒng)也用于在鉆井過程中連續(xù)測量方位角和實(shí)際的傾角，從而及時(shí)采用修正措施，而不用中斷鉆井過程。鉆井工具包括一個(gè)基于位置的控制環(huán)路，該控制環(huán)路使用磁性傳感器、加速度計(jì)或者陀螺傳感器來提供位置信號(hào)，用于控制偏移式工作筒的軸向方向。從便于靈活操作的角度考慮，該鉆井工具可以包括一個(gè)用于反饋的隨鉆測量系統(tǒng)(MWD)、伽瑪射線探測器、電阻率測井、密度和孔隙度測井、聲波測井、用于井身成象的系統(tǒng)、向前觀測和向周圍觀測、鉆頭傾角的測量、鉆頭轉(zhuǎn)速的測量、馬達(dá)傳感器下方的振動(dòng)的測量、鉆頭鉆壓測量、鉆頭扭矩測量和鉆頭側(cè)向力測量。
此外，旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具的電子裝置和控制設(shè)備提供了從地面對(duì)鉆井工具進(jìn)行編程的可能性，以建立或者改變鉆井工具的方位角和傾斜角，建立或者改變偏移式工作筒相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍的彎曲角度。鉆井工具的機(jī)載電子裝置的電子內(nèi)存能夠保持、使用和傳遞完整的井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并完成井下對(duì)地轉(zhuǎn)向，因此鉆井工具可以進(jìn)行鉆井。另外，在鉆井工具用一個(gè)柔性接頭來將旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具從井底鉆具組件的其它部分以及鉆柱上拆卸下來，并采用旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)的電子裝置進(jìn)行導(dǎo)向。
除了本發(fā)明的其它感應(yīng)和測量特點(diǎn)外，主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具還具有一個(gè)遙測系統(tǒng)，該遙測系統(tǒng)用于通過柔性接頭和其它的測量接頭沿著雙向?qū)@井過程中獲得的測井和鉆井信息發(fā)送到MWD系統(tǒng)。鉆井工具可以包括軸向分開一定距離的發(fā)射器和接收器，因此可以使信號(hào)穿過井眼附近的地下地層而橫穿過一定距離，因此在鉆井過程中能測量地層的電阻率。
鉆井工具的電阻率系統(tǒng)的電子裝置以及其他的各種測量和控制系統(tǒng)的電子裝置安裝在基本上不旋轉(zhuǎn)的滑動(dòng)套筒內(nèi)。該滑動(dòng)套筒可以相對(duì)于鉆井工具的旋轉(zhuǎn)式工具接箍進(jìn)行旋轉(zhuǎn)?；旧喜恍D(zhuǎn)的滑動(dòng)套筒在鉆井過程中通過多個(gè)彈性連接葉片而與地層連接，這些彈性葉片也用來限制滑動(dòng)套筒的旋轉(zhuǎn)。這個(gè)特點(diǎn)導(dǎo)致套筒沿著井壁滑動(dòng)，因此該滑動(dòng)套筒基本上是靜止的或者每小時(shí)僅轉(zhuǎn)幾轉(zhuǎn)而不是與鉆井工具的旋轉(zhuǎn)部件一起進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。因此，鉆井工具的導(dǎo)向傳感器和電子裝置受到保護(hù)而不會(huì)在鉆井過程中受到旋轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的干擾或者破壞。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，為旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具的旋轉(zhuǎn)式工具接箍提供一個(gè)液壓泵以便在鉆井工具機(jī)載的液壓系統(tǒng)上提供液壓壓力來實(shí)現(xiàn)液壓激勵(lì)活塞的操作，從而控制偏移式工作筒相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍的定位。液壓泵由流動(dòng)的鉆井液驅(qū)動(dòng)。加壓的液壓流體對(duì)由傳感器引發(fā)的伺服閥的激勵(lì)作出響應(yīng)而以可控方式施加到活塞室內(nèi)，以在鉆井過程中保持偏移式工作筒的軸線對(duì)地靜止，并且將其保持在所述井斜角和方位角。由液壓泵產(chǎn)生的液壓也可以用于包括線性差動(dòng)變換器(LVDT)的機(jī)載系統(tǒng)，以測量偏移式工作筒的激勵(lì)活塞的位移，并提供位移信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過處理后用于控制活塞的液壓激勵(lì)。LVDT還用于測量彈性連接元件的徑向位移，用于確定主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具相對(duì)于所鉆井眼中心線的精確位置。
為了提高機(jī)械效率，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，偏移式工作筒定位系統(tǒng)使用一個(gè)偏移式工作筒萬向支撐件(例如，可以為任何形式的萬向節(jié)或者鉸接連接件)以在軸向和扭矩方向上為偏移式工作筒提供足夠的支撐，同時(shí)減少在萬向節(jié)的摩擦。通過在萬向節(jié)部件的周圍充有潤滑油并將萬向節(jié)與鉆井液隔離開來，同時(shí)又使得偏移式工作筒在鉆井過程中相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍進(jìn)行顯著的轉(zhuǎn)向控制移動(dòng)，也可以減少在萬向節(jié)的摩擦。萬向節(jié)也可以選擇一個(gè)花鍵形式的連接件、一個(gè)包括花鍵和環(huán)的萬向節(jié)或者包括多個(gè)球體的萬向節(jié)，這些裝置允許偏移式工作筒的軸線相對(duì)于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)件的軸線進(jìn)行角度定位，該旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)件伸入到旋轉(zhuǎn)式工具接箍內(nèi)并與該旋轉(zhuǎn)式工具接箍同心。
用于控制和操作電磁閥和鉆井工具電子裝置的電能由一個(gè)機(jī)載的交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生。該機(jī)載的交流發(fā)電機(jī)還借助于一個(gè)渦輪機(jī)或者一個(gè)容積式馬達(dá)由流動(dòng)的鉆井液提供動(dòng)力。所述渦輪機(jī)或者容積式馬達(dá)暴露在流動(dòng)的鉆井液中。交流發(fā)電機(jī)的電能輸出還用于保持一個(gè)蓄電池組的電能，使其在交流發(fā)電機(jī)無法由流動(dòng)的鉆井液提供動(dòng)力時(shí)，該蓄電池能提供電能用于機(jī)載電子裝置操作和各種其他機(jī)載電子設(shè)備的操作。
為了詳細(xì)理解獲得本發(fā)明上述特征、優(yōu)點(diǎn)和目的，對(duì)上述簡要描述的本發(fā)明將參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)描述。所述實(shí)施方案將參照附圖進(jìn)行描述，附圖則作為本發(fā)明的一部分。
應(yīng)該指出的是，附圖只是用于說明本發(fā)明一個(gè)一般的實(shí)施例，因此不能認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明范圍的限制，因?yàn)楸景l(fā)明可以包括其它各種等效的實(shí)施方案。
這些附圖包括


圖1表示根據(jù)本發(fā)明所鉆的井眼的示意圖，圖中所示為利用主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)以及本發(fā)明方法所鉆進(jìn)井眼的下部的偏移；圖2是根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)的剖面圖；圖3是表示本發(fā)明的主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)的一部分的剖面圖，表示用于產(chǎn)生電能和液壓的鉆井液動(dòng)力系統(tǒng)，并表示了一個(gè)相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍可轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置的一個(gè)基本上不旋轉(zhuǎn)的滑動(dòng)套筒，利用多個(gè)彈性連接葉片該滑動(dòng)套筒相對(duì)于所鉆地層保持在基本上靜止?fàn)顟B(tài)；以及圖4是一個(gè)液壓和電子示意圖，表示一個(gè)液壓伺服環(huán)路，該伺服環(huán)路用于旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具的液壓活塞激勵(lì)系統(tǒng)的傳感器信號(hào)反應(yīng)控制。
本發(fā)明的主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)由四個(gè)基本的部分組成一個(gè)偏移機(jī)構(gòu)、一個(gè)滑動(dòng)套筒、一個(gè)控制系統(tǒng)和一個(gè)動(dòng)力產(chǎn)生系統(tǒng)。
偏移機(jī)構(gòu)-該偏移機(jī)構(gòu)包括一個(gè)鉆頭軸或者偏移式工作筒以及旋轉(zhuǎn)式工具接箍。偏移式工作筒通過一個(gè)萬向節(jié)連接到旋轉(zhuǎn)式工具接箍上，所述萬向節(jié)使得旋轉(zhuǎn)式工具接箍將驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給偏移式工作筒和連接在該偏移式工作筒前端上的鉆頭。萬向節(jié)使得在旋轉(zhuǎn)式工具接箍將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)施加給偏移式工作筒時(shí)能保持偏移式工作筒相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍按照選定角度進(jìn)行定位。這個(gè)特點(diǎn)允許在保持偏移式工作筒指向一個(gè)給定方向以便鉆進(jìn)一個(gè)傾斜的即彎曲的井眼時(shí)，能將扭矩和鉆壓從旋轉(zhuǎn)式工具接箍傳遞到偏移式工作筒。偏移式工作筒的方向在四個(gè)由兩個(gè)伺服閥激勵(lì)的液壓活塞的作用下在空間中保持固定。
滑動(dòng)套筒-該滑動(dòng)套筒安裝成繞旋轉(zhuǎn)式工具接箍的一部分進(jìn)行相對(duì)旋轉(zhuǎn)，該滑動(dòng)套筒通過多個(gè)(通常三個(gè))彈性葉片連接到井眼的井壁上。彈性葉片從滑動(dòng)套筒上向外伸出，并使得滑動(dòng)套筒相對(duì)于井壁基本上不旋轉(zhuǎn)?；瑒?dòng)套筒提供了對(duì)導(dǎo)向傳感器的支撐和對(duì)位置信號(hào)采集電子裝置的支撐。該導(dǎo)向傳感器包括一個(gè)三軸伺服加速度計(jì)和一個(gè)解算器。滑動(dòng)套筒還支撐一個(gè)旋轉(zhuǎn)換能器，以將加速度測量結(jié)果發(fā)送到鉆井工具的旋轉(zhuǎn)部分。一個(gè)所鉆井眼的井徑測量裝置安裝在旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)內(nèi)，用于測量每一個(gè)彈性連接葉片相對(duì)于滑動(dòng)套筒的軸向位移。
控制系統(tǒng)-本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的形式為一個(gè)液壓伺服環(huán)路，也稱為控制環(huán)路，該控制環(huán)路與鉆井工具的導(dǎo)向傳感器和電子裝置結(jié)合。液壓伺服環(huán)路包括一個(gè)用于探測鉆鋌相對(duì)于滑動(dòng)套筒的方位的解算器，還包括一個(gè)用于探測滑動(dòng)套筒相對(duì)于重力場的方位的三軸加速度計(jì)。液壓伺服環(huán)路還包括兩個(gè)LVDT，用于探測液壓活塞相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍的液壓缸體的徑向位置，其中活塞被可移動(dòng)地保持在旋轉(zhuǎn)式工具接箍內(nèi)。在液壓伺服環(huán)路內(nèi)還包括兩個(gè)電子控制的伺服閥，用于使得液壓活塞與旋轉(zhuǎn)式工具接箍的運(yùn)動(dòng)同步。液壓伺服環(huán)路還包括用于導(dǎo)向傳感器和伺服閥的信號(hào)采集和控制電子裝置。
動(dòng)力產(chǎn)生系統(tǒng)-利用一個(gè)容積式馬達(dá)(PDM)或者渦輪機(jī)將流動(dòng)的鉆井液的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。PDM或者渦輪機(jī)的輸出軸連接到一個(gè)泵(齒輪或者活塞泵)，這個(gè)泵將液壓動(dòng)力提供給伺服閥。一個(gè)交流發(fā)電機(jī)連接到PDM或者渦輪機(jī)的輸出軸，以提供電能用于操作旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)的電子裝置和傳感器。
本發(fā)明的主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)還能夠連接到一個(gè)隨鉆測量(MWD)系統(tǒng)或者隨鉆測井(LWD)系統(tǒng)。與MWD/LWD工具的雙向通訊可以通過使用穿過所鉆地層的感應(yīng)式發(fā)射來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)的雙向通訊系統(tǒng)還允許將一個(gè)泥漿馬達(dá)裝在MWD/LWD工具和旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)之間，因此泥漿馬達(dá)可以用于提供旋轉(zhuǎn)能量以用于轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)式工具接箍，并且為鉆井工具提供足夠的扭矩和用于進(jìn)行有效轉(zhuǎn)向鉆井的鉆壓。使得四個(gè)液壓活塞同步并實(shí)現(xiàn)且保持鉆頭偏移的液壓動(dòng)力由PDM或者渦輪機(jī)通過液壓泵和兩個(gè)伺服閥進(jìn)行輸送。
偏移式工作筒相對(duì)于重力場的方向由兩組測量獲得。旋轉(zhuǎn)式工具接箍相對(duì)于重力場(工具面)的旋轉(zhuǎn)用旋轉(zhuǎn)式工具接箍相對(duì)于滑動(dòng)套筒(解算器)的旋轉(zhuǎn)和滑動(dòng)套筒相對(duì)于重力場的旋轉(zhuǎn)(加速度計(jì))的組合測量來確定。滑動(dòng)套筒相對(duì)于井眼的旋轉(zhuǎn)很慢(每小時(shí)幾轉(zhuǎn))，來自徑向加速度計(jì)的信號(hào)很容易進(jìn)行過濾，以排除沖擊和振動(dòng)所導(dǎo)致的噪音，從而僅保持信號(hào)的DC直流分量。偏移式工作筒相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍的位置由兩組液壓活塞的位移組合測量來進(jìn)行確定。這個(gè)位移由定位在活塞室內(nèi)的兩個(gè)LVDT來進(jìn)行測量。
從動(dòng)力學(xué)角度來看，活塞沿著X軸和Y軸相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍的位移幅值為正弦曲線的，X軸以及Y軸方向位移的相位差為90度Ax＝A sin(wt)Ay＝A sin(wt+90°)
其中，A為鉆頭偏移(如圖2所示的L1/L2)而w為旋轉(zhuǎn)式工具接箍的轉(zhuǎn)速。
相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍轉(zhuǎn)動(dòng)的位移Ax和Ay的結(jié)合形成一個(gè)靜止向量，該向量將偏移式工作筒的軸線保持在一個(gè)固定的方向。工具面則由該靜止向量相對(duì)于重力場的方向來確定。
現(xiàn)在參考附圖并首先參考圖1，表示采用根據(jù)本發(fā)明原理的一個(gè)旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具(用附圖標(biāo)記10表示)鉆進(jìn)的一個(gè)井眼1。該旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具10連接在圖中由2所示的一個(gè)鉆柱的下端，該鉆柱2向上伸出到地面，在地面處該鉆柱由一個(gè)常規(guī)鉆機(jī)(未示出)的轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)。應(yīng)該記住的是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的鉆柱對(duì)于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明并非是必要的。該旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具也可以由一個(gè)泥漿馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)輸出軸驅(qū)動(dòng)，而該泥漿馬達(dá)連接到一個(gè)不旋轉(zhuǎn)鉆柱上。或者，可以采用一個(gè)旋轉(zhuǎn)鉆柱，而泥漿馬達(dá)則連接在該鉆柱內(nèi)，因此該旋轉(zhuǎn)的鉆柱可以在所需轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，而由泥漿馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的鉆頭則在一個(gè)不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。鉆柱2通常包括一個(gè)鉆桿4，該鉆桿4具有一個(gè)或者多個(gè)連接在鉆桿4內(nèi)的鉆鋌5，鉆鋌5用于給鉆頭施加鉆壓并穩(wěn)定整個(gè)鉆柱。圖中所示的井眼1具有一個(gè)垂直或者基本上垂直的上部和一個(gè)傾斜、彎曲或者水平的下部井段7，該下部井段7在主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具10的控制下進(jìn)行鉆進(jìn)。在根據(jù)本發(fā)明原理的鉆井工具10的轉(zhuǎn)向作用下，井眼的下部井段7將偏離于垂直上部井段。如圖1所示，緊靠旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具10的鉆柱可以包括一個(gè)柔性接頭8，該柔性接頭可以提高旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)的鉆井精確性。根據(jù)通常的做法，鉆井液或者“泥漿”在地面泵(未示出)的作用下向下穿過鉆柱2，然后穿過鉆頭20中的噴嘴排出，并穿過鉆柱2和井眼之井壁1之間的環(huán)形空間21返回到地面。如下詳細(xì)所述，旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具10的結(jié)構(gòu)和設(shè)置可以使得鉆頭20沿著一個(gè)由該鉆井工具10控制設(shè)置確定的彎曲路線進(jìn)行鉆井。參考圖2，即使鉆井工具10和鉆頭20由鉆柱、泥漿馬達(dá)或者其它旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的情況下，支撐鉆頭20的偏移式工作筒14以可控角度關(guān)系相對(duì)于鉆井工具10的旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍12的角度被保持，因此使得鉆頭轉(zhuǎn)向以鉆進(jìn)一個(gè)彎曲的井眼井段。鉆井工具既可以根據(jù)一定的井斜角進(jìn)行轉(zhuǎn)向也可以根據(jù)一定的方位角進(jìn)行轉(zhuǎn)向，即向左和向右方向進(jìn)行轉(zhuǎn)向。此外，旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具的偏移式工作筒的位置參數(shù)可以根據(jù)需要進(jìn)行改變，例如可以通過泥漿脈沖遙測裝置來改變，從而使得鉆頭選擇性地改變所鉆井眼的軌跡，因而沿著X、Y和Z軸方向引導(dǎo)斜井眼，用于實(shí)現(xiàn)鉆頭精確轉(zhuǎn)向亦即對(duì)所鉆井眼精確控制。
參考圖2，主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具10包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)式工具接箍12，該旋轉(zhuǎn)式工具接箍12可以在任何合適裝置例如泥漿馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)輸出軸或者旋轉(zhuǎn)鉆柱的作用下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)式工具接箍12內(nèi)部，由圖中所示的萬向節(jié)16支撐一個(gè)偏移式工作筒14。在鉆井過程中所述萬向節(jié)可以使得偏移式工作筒14與旋轉(zhuǎn)式工具接箍12一起旋轉(zhuǎn)，同時(shí)使得偏移式工作筒相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍12進(jìn)行繞樞軸點(diǎn)P的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此當(dāng)偏移式工作筒14由旋轉(zhuǎn)式工具接箍12旋轉(zhuǎn)時(shí)也能夠以可控方式實(shí)現(xiàn)偏移式工作筒14的對(duì)地靜止定位，從而使得所鉆井眼以可控方式偏離主井眼的軸線。在鉆井操作中，偏移式工作筒14相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍12的對(duì)地靜止定位是由如圖中所示的偏移機(jī)構(gòu)18以可控方式建立的。為了在旋轉(zhuǎn)工具接箍12旋轉(zhuǎn)偏移式工作筒14的過程中實(shí)現(xiàn)該偏移式工作筒14的對(duì)地靜止定位，在所述偏移機(jī)構(gòu)18的作用下偏移式工作筒14根據(jù)偏移式工作筒的旋轉(zhuǎn)速度連續(xù)定位，因此當(dāng)偏移式工作筒14旋轉(zhuǎn)時(shí)，保持該偏移式工作筒14指向預(yù)定的方位角和井斜角方向。這個(gè)特點(diǎn)促使所鉆井眼以預(yù)定方式進(jìn)行轉(zhuǎn)向，而這種方式對(duì)于從主井眼鉆出分支井眼或者使得所鉆井眼轉(zhuǎn)向以與感興趣的一個(gè)地下異常區(qū)域相交是所需的。
在鉆井過程中，偏移式工作筒14由旋轉(zhuǎn)式工具接箍12驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從而使得旋轉(zhuǎn)式工具接箍12的旋轉(zhuǎn)力直接施加給偏移式工作筒14，因此在旋轉(zhuǎn)式工具接箍12旋轉(zhuǎn)時(shí)可以直接驅(qū)動(dòng)偏移式工作筒14和鉆頭20。此外，將偏移式工作筒14和旋轉(zhuǎn)式工具接箍12連接在一起的萬向節(jié)16使得由于與所鉆地層作用而在鉆頭20上產(chǎn)生的向上推力通過萬向節(jié)16從偏移式工作筒14傳遞給旋轉(zhuǎn)式工具接箍12。因此，如圖所示偏移式工作筒14為管狀形式，因此可以形成一個(gè)流動(dòng)通道22，鉆井液可以通過該流動(dòng)通道22進(jìn)行流動(dòng)，然后鉆井液繼續(xù)流動(dòng)到鉆頭20的流動(dòng)通道系統(tǒng)24。在旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具10的旋轉(zhuǎn)式工具接箍12和偏移式工作筒14之間形成一個(gè)環(huán)形空間26，該環(huán)形空間26充有保護(hù)性流體介質(zhì)例如潤滑油，因此該環(huán)形空間在此也稱為儲(chǔ)油腔。偏移機(jī)構(gòu)18的各種構(gòu)件和萬向節(jié)16因此受到保護(hù)性流體介質(zhì)的保護(hù)，以將這些構(gòu)件與腐蝕性的鉆井液隔離開來，因此提高了旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具的使用壽命。利用波紋管密封裝置將儲(chǔ)油腔26內(nèi)的油或者保護(hù)性流體介質(zhì)與井下的鉆井液環(huán)境之間實(shí)現(xiàn)密封，這在下面還要進(jìn)行詳細(xì)描述。因此在儲(chǔ)油腔26內(nèi)的油不僅作為潤滑油介質(zhì)而且還能與波紋管密封件一起將旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具的偏移機(jī)構(gòu)與鉆井液造成的污染隔離開來。
為了將推力從偏移式工作筒傳遞到旋轉(zhuǎn)式工具接箍12，偏移式工作筒14形成有一個(gè)環(huán)形溝槽28，該環(huán)形溝槽28至少容納兩個(gè)推力傳遞塊30。推力傳遞塊30利用一個(gè)推力傳遞元件34的一個(gè)環(huán)形保持器凸緣32保持在環(huán)形溝槽28內(nèi)。推力傳遞元件34形成一個(gè)彎曲的軸向端面36，該軸向端面36的定位適合于與一個(gè)推力傳遞環(huán)40的凹錐形表面38構(gòu)成力傳遞接觸。所述推力傳遞環(huán)40定位在一個(gè)推力傳遞套筒42的一個(gè)肩部內(nèi)，而該推力傳遞套筒42又抵靠定位在旋轉(zhuǎn)式工具接箍12的內(nèi)側(cè)肩部44上。推力傳遞套筒42通過一個(gè)保持器元件46防止其相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍12作軸向移動(dòng)。推力傳遞套筒42還形成一個(gè)內(nèi)側(cè)開口48，該內(nèi)側(cè)開口48具有足夠大的尺寸以允許偏移式工作筒14在一定范圍內(nèi)相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍12作繞樞軸的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。內(nèi)部開口48的一部分由擴(kuò)口的或者錐形表面50限定，而該錐形表面50可以保證推力傳遞套筒42不會(huì)干擾偏移式工作筒14在旋轉(zhuǎn)式工具接箍12內(nèi)的定位。
一個(gè)保持器環(huán)52定位成與推力傳遞元件34的環(huán)形保持器凸緣32接觸，并協(xié)助環(huán)形保持器凸緣將推力傳遞塊30卡合保持在偏移式工作筒14的環(huán)形溝槽28內(nèi)。保持器環(huán)52形成一個(gè)球形凹表面54。該球形凹表面54與一個(gè)鉸鏈控制環(huán)58的球形凸表面56形成力傳遞接觸。這些環(huán)形的元件40、34、52、58互相形成力傳遞嚙合并且在盤形彈簧(貝氏彈簧)60和62的作用下與推力傳遞塊30之間形成力傳遞嚙合。所述盤形彈簧60、62可以變形到足夠程度，從而允許偏移式工作筒14繞樞軸點(diǎn)P作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并允許推力傳遞元件34和保持器環(huán)52沿著偏移式工作筒14側(cè)向移動(dòng)，而對(duì)應(yīng)的推力傳遞環(huán)40和鉸鏈控制環(huán)58基本上在推力傳遞套筒42內(nèi)保持靜止。因此，在鉆井過程中，向上的推力通過推力傳遞塊30、推力傳遞元件34、推力傳遞環(huán)40和推力傳遞套筒42的上端部從偏移式工作筒14傳遞到旋轉(zhuǎn)式工具接箍12。向下的力將也通過推力傳遞塊30、保持器環(huán)52和鉸鏈控制環(huán)58而在旋轉(zhuǎn)式工具接箍12和偏移式工作筒14之間傳遞。這些向下的推力也將由所示的萬向節(jié)16和下部盤形彈簧62所承擔(dān)。
為了使旋轉(zhuǎn)式工具接箍12旋轉(zhuǎn)偏移式工作筒14，一個(gè)萬向從動(dòng)元件64的內(nèi)側(cè)環(huán)形周邊66與偏移式工作筒14的從動(dòng)部分68之間為不旋轉(zhuǎn)關(guān)系。所述萬向從動(dòng)元件64利用一個(gè)環(huán)形保持器環(huán)70而防止該萬向從動(dòng)元件64從其位于偏移式工作筒14上的座落位置產(chǎn)生軸向移動(dòng)。而環(huán)形保持器環(huán)70定位在偏移式工作筒14內(nèi)形成的一個(gè)外側(cè)保持器溝槽內(nèi)。根據(jù)需要，該萬向從動(dòng)元件64可以與偏移式工作筒14之間形成花鍵連接或者通過鍵槽與偏移式工作筒連接，從而在萬向從動(dòng)元件64和偏移式工作筒14之間建立不旋轉(zhuǎn)關(guān)系。在萬向從動(dòng)元件64的外側(cè)，萬向從動(dòng)元件限定了一個(gè)外側(cè)環(huán)形部分72，該外側(cè)環(huán)形部分72具有多個(gè)以齒輪齒或者花鍵形式的從動(dòng)齒。在旋轉(zhuǎn)式工具接箍的內(nèi)側(cè)，旋轉(zhuǎn)工具接箍12形成對(duì)應(yīng)的多個(gè)內(nèi)側(cè)主動(dòng)齒或者花鍵74，從而與外側(cè)環(huán)形部分72的從動(dòng)齒或者花鍵之間建立了驅(qū)動(dòng)關(guān)系。旋轉(zhuǎn)式工具接箍12和偏移式工作筒14之間的花鍵或者齒輪齒驅(qū)動(dòng)關(guān)系使得偏移式工作筒14在繞樞軸點(diǎn)P旋轉(zhuǎn)的同時(shí)保持偏移式工作筒14和旋轉(zhuǎn)式工具接箍12之間的直接驅(qū)動(dòng)關(guān)系。
如上所述，應(yīng)該使偏移式工作筒14相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍12繞樞軸點(diǎn)P旋轉(zhuǎn)進(jìn)行顯著的角度定位，同時(shí)在偏移式工作筒14和其內(nèi)部儲(chǔ)油腔26充有油的旋轉(zhuǎn)式工具接箍之間保持密封關(guān)系，并保護(hù)萬向節(jié)16和偏移機(jī)構(gòu)18不會(huì)受到鉆井液的污染。根據(jù)本發(fā)明如圖2所示的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，用于旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具10的下端或者前端的一個(gè)密封裝置如圖中76所示，該密封裝置76包括一個(gè)密封波紋管78，該密封波紋管78具有一個(gè)上部波紋管支撐環(huán)80，該上部波紋管支撐環(huán)80座落在偏移式工作筒14的一個(gè)外部密封表面82上并與該外部密封表面82之間形成密封關(guān)系。上部波紋管支撐環(huán)80向下靠在偏移式工作筒14的一個(gè)環(huán)形肩部84上。密封波紋管78的另外一端或者下端固定到一個(gè)波紋管安裝和密封環(huán)86上，該波紋管安裝和密封環(huán)86通過卡環(huán)式保持器元件90與一個(gè)管狀密封裝置88之間保持密封關(guān)系，而卡環(huán)式保持器元件90則容納在管狀密封裝置88的一個(gè)內(nèi)部溝槽內(nèi)。管狀密封裝置88由一個(gè)螺紋連接件92以及一個(gè)管狀端蓋96的下部保持器凸緣94固定在旋轉(zhuǎn)式工具接箍12的下端或者前端。管狀端蓋96通過其螺紋連接件98而螺紋連接到旋轉(zhuǎn)式工具接箍12上。在偏移式工作筒14的上端或者尾端，該偏移式工作筒14通過一個(gè)上部密封波紋管100而與旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍12之間形成密封。盡管并不是必須的，但管狀端蓋96可以設(shè)有外部螺旋或者槽形幾何形狀，這些幾何形狀可以有助于鉆井液向上流動(dòng)穿過旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具與所鉆井眼的井壁之間的環(huán)形空間。
如上所述，本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具10具有的偏移式機(jī)構(gòu)能夠保持該偏移式工作筒14相對(duì)于所鉆地層的對(duì)地靜止關(guān)系并且在旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具10的位置上方偏離于主井眼。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具10具有一個(gè)液壓激勵(lì)系統(tǒng)，用于相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍12對(duì)偏移式工作筒14進(jìn)行定位以及在旋轉(zhuǎn)式工具接箍12的旋轉(zhuǎn)和由該旋轉(zhuǎn)式工具接箍12旋轉(zhuǎn)偏移式工作筒14的過程中保持偏移式工作筒14對(duì)地靜止定位。為了實(shí)現(xiàn)上述特點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)式工具接箍12形成兩對(duì)液壓缸體，每對(duì)液壓缸體沿著直徑方向相對(duì)。如圖2所示，一對(duì)沿著直徑方向相對(duì)的液壓缸體如圖中102和104所示。沿著直徑方向相對(duì)的液壓缸體還如圖4所示，表示兩個(gè)沿著直徑方向相對(duì)的液壓缸體106和108。液壓活塞110、112、114和116在各自的液壓缸體內(nèi)可以移動(dòng)，以便相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍12對(duì)偏移式工作筒14實(shí)施定位控制。如圖2和4所示，一個(gè)外側(cè)軸承座圈118定位成分別與四個(gè)液壓活塞形成力傳遞接觸。如圖4所示，該外側(cè)軸承座圈118可以形成平面(如圖中120所示)以便在液壓活塞和外側(cè)軸承座圈之間形成能夠傳遞足夠力的表面配合。一個(gè)內(nèi)側(cè)軸承座圈122通過一個(gè)花鍵連接件124而與偏移式工作筒14之間形成不旋轉(zhuǎn)關(guān)系，如圖2所示。
在鉆井過程中，應(yīng)該在偏移式工作筒14由旋轉(zhuǎn)式工具接箍12轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的過程中同步連續(xù)調(diào)整偏移式工作筒相對(duì)于樞軸點(diǎn)P的位置，以旋轉(zhuǎn)鉆頭20并保持偏移式工作筒的軸線對(duì)地靜止定位，并使得鉆頭相對(duì)于所鉆地層選擇性地定向。該特點(diǎn)使得能鉆進(jìn)一個(gè)彎曲井眼，該井眼具有一定的井斜角和方位。這種井斜角和方位是通過在旋轉(zhuǎn)式工具接箍12旋轉(zhuǎn)偏移式工作筒14的過程中保持偏移式工作筒14的軸線對(duì)地靜止定位來建立的。根據(jù)本發(fā)明，如下詳細(xì)所述，偏移式工作筒的軸向?qū)Φ仂o止定位是在伺服閥控制下以液壓方式建立的，這些伺服閥根據(jù)合適的定位傳感信號(hào)而進(jìn)行啟動(dòng)。如圖3所示，用于控制偏移式工作筒14位置的由液壓引發(fā)的能量由一個(gè)液壓泵126產(chǎn)生，該液壓泵126定位在旋轉(zhuǎn)式工具接箍12上形成的一個(gè)泵凹腔128內(nèi)。液壓泵126由旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具10所設(shè)置的一個(gè)合適的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。如圖3所示，一個(gè)容積式馬達(dá)(PDM)或者渦輪機(jī)130由來自于鉆井工具的流動(dòng)通道132并穿過液壓泵126的鉆井液驅(qū)動(dòng)，因此用于驅(qū)動(dòng)PDM或者渦輪機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)。PDM或者渦輪機(jī)輸出軸134相對(duì)于一個(gè)內(nèi)部腔室136密封，而該內(nèi)部腔室136周圍形成鉆井液通道138。根據(jù)需要，鉆井液通道138可以由旋轉(zhuǎn)式工具接箍12的內(nèi)壁140和內(nèi)部腔室136之間的一個(gè)環(huán)形空間形成。這個(gè)特點(diǎn)使得鉆井液能從內(nèi)部腔室136周圍流過以便對(duì)內(nèi)部腔室136內(nèi)的機(jī)械和電子部件進(jìn)行冷卻。
PDM或者渦輪機(jī)130的輸出軸134通過一個(gè)密封件142與旋轉(zhuǎn)式工具接箍12之間實(shí)現(xiàn)密封，以防止鉆井液污染位于內(nèi)部腔室136中的電子和機(jī)械部件。旋轉(zhuǎn)軸密封件142是該旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)的唯一暴露于鉆井液中的旋轉(zhuǎn)密封構(gòu)件。輸出軸134驅(qū)動(dòng)連接一個(gè)交流發(fā)電機(jī)144，該交流發(fā)電機(jī)144對(duì)穿過旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具10流動(dòng)的鉆井液作出響應(yīng)而輸出電流以便為旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具的電子和機(jī)電部件提供電能。該交流發(fā)電機(jī)具有一個(gè)輸出軸146，該輸出軸驅(qū)動(dòng)連接到一個(gè)液壓泵126，因此可以根據(jù)穿過主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具10流動(dòng)的鉆井液而驅(qū)動(dòng)該液壓泵126。該液壓泵126可以是一個(gè)齒輪或者活塞泵，根據(jù)使用者的需要和目的進(jìn)行選擇。液壓泵126提供加壓的液壓流體輸出148，而該液壓流體148引導(dǎo)到伺服閥150和152，參見圖4中的電子液壓系統(tǒng)流程圖。
根據(jù)PDM或者渦輪機(jī)130，液壓泵126給液壓供給管線154提供具有一定壓力的液壓流體，該液壓供給管線154通過液壓管線158將加壓的液壓流體提供給液壓控制器156，并通過液壓供給管線160和162將液壓流體提供給伺服閥150和152。在如圖4所示的閥位置，加壓的液壓流體通過伺服閥152和其液壓管線166提供給液壓缸體108，由此導(dǎo)致活塞116沿著X-軸方向給偏移式工作筒14施加一個(gè)力。同時(shí)，液壓缸體106內(nèi)的液壓流體通過液壓管線170、伺服閥152和液壓返回管線172返回到液壓儲(chǔ)腔174。伺服閥150也可以定位成通過液壓管線164將加壓的液壓流體提供到液壓缸體104，因此導(dǎo)致活塞112移動(dòng)，從而通過軸承裝置給偏移式工作筒14施加了一個(gè)力，使得偏移式工作筒14沿著Y-軸方向移動(dòng)。因此通過相互間隔90度相位而交替操作活塞112和116來完成偏移式工作筒14的定位。這種閥定位通過一個(gè)電子回路176來完成，該電子回路可以為一個(gè)90度相位回路。該回路176通過信號(hào)傳導(dǎo)裝置178接收來自控制器180的信號(hào)，然后通過信號(hào)傳導(dǎo)裝置182和184將信號(hào)發(fā)射給兩個(gè)伺服閥150和152。因此，這兩個(gè)伺服閥同時(shí)進(jìn)行操作，從而使得兩個(gè)伺服閥的移動(dòng)可以保持力傳遞活塞之間相差90度的相位。
盡管旋轉(zhuǎn)式工具接箍12在鉆井過程中旋轉(zhuǎn)并且直接驅(qū)動(dòng)鉆頭20，但是這種旋轉(zhuǎn)可能傷害或者干擾來自主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具10的導(dǎo)向傳感器的信號(hào)。為了克服這種旋轉(zhuǎn)干擾，旋轉(zhuǎn)式工具接箍12形成一個(gè)直徑減少的中間部分186，如圖3所示。一個(gè)以不旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)套筒188形式的連接元件定位在該直徑減少的中間部分186的周圍，并由軸承元件190和192支撐成與該中間部分形成可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)系。在鉆井過程中，不旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)套筒通過多個(gè)(最好3個(gè))如附圖中所示的彈性葉片194而以機(jī)械方式連接到所鉆井眼的井壁“W”上。所述彈性葉片194為彎曲形狀，其中間部分196從滑動(dòng)套筒188徑向向外伸出以便與井眼的井壁“W”形成有力的接觸。每一個(gè)彈性葉片194的端部200和201可以以任何方式連接到不旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)套筒188。因此，當(dāng)旋轉(zhuǎn)式工具接箍12在鉆井過程中旋轉(zhuǎn)時(shí)，滑動(dòng)套筒188在彈性葉片194的阻擋作用下與所鉆地層的井眼井壁“W”之間基本上保持不旋轉(zhuǎn)的關(guān)系。不旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)套筒188最好具有3個(gè)彈性葉片，以形成一個(gè)與井壁連接的三點(diǎn)接觸構(gòu)型，當(dāng)然具有更多數(shù)量的彈性葉片也不偏離本發(fā)明的范圍。在實(shí)際操作中，不旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)套筒188可能會(huì)緩慢旋轉(zhuǎn)，例如每小時(shí)僅幾轉(zhuǎn)。來自導(dǎo)向傳感器、一個(gè)解算器202(該導(dǎo)向傳感器安裝到旋轉(zhuǎn)式工具接箍12上)和三軸加速度計(jì)204(該三軸加速度計(jì)204安裝到滑動(dòng)套筒188上)的電子定位信號(hào)將不需要過濾和其它用以減少傳感器信號(hào)干擾的電子處理。由于加速度計(jì)安裝在滑動(dòng)套筒188上并且通過彈性葉片194直接與井壁連接，因此不需要高帶寬傳感器。
除了三軸加速度計(jì)和解算器外，不旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)套筒188還可以使用一個(gè)旋轉(zhuǎn)換能器以將三軸加速度計(jì)測量結(jié)果發(fā)送到鉆井工具的旋轉(zhuǎn)部分。通過測量三個(gè)彈性葉片194中的每一個(gè)相對(duì)于鉆井工具10之不旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)套筒188的徑向位移也可以結(jié)合一個(gè)井徑測量。如果每一個(gè)彈性葉片的一端相對(duì)于不旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)套筒188軸向移動(dòng)，那么井眼的井徑儀測量可以通過測量彈性葉片194相對(duì)于不旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)套筒188的軸向位移來進(jìn)行測量。
如圖4所示，液壓伺服控制環(huán)路系統(tǒng)中的控制器180通過信號(hào)傳導(dǎo)裝置206和208接收來自解算器202和三軸加速度計(jì)204的電子信號(hào)輸入?？刂破?80還接收代表液壓活塞110和114相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍12的徑向位置的信號(hào)。液壓缸體102和104包括活塞位置測量裝置例如LVDT 210和212，這些裝置可以測量兩個(gè)活塞110和112的徑向位移并通過信號(hào)傳導(dǎo)裝置214和216將位置信號(hào)發(fā)送給控制器180。這些活塞位置信號(hào)與來自的解算器202和加速度計(jì)204的位置信號(hào)一起進(jìn)行處理以產(chǎn)生控制器輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)通過信號(hào)傳導(dǎo)裝置178提供給90度相位回路176。
本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)采用由伺服閥進(jìn)行控制的液壓動(dòng)力。不需要高功率電子裝置。本發(fā)明提供了一個(gè)有效的解決方案來解決妨礙現(xiàn)有技術(shù)旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)的許多問題。本發(fā)明當(dāng)采用PWM(脈沖寬帶調(diào)制)動(dòng)力激勵(lì)時(shí)不需要高溫散熱。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了利用較低程度的信號(hào)例如電阻率、側(cè)向測井和感應(yīng)測井測量結(jié)果對(duì)地層進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。本發(fā)明的控制系統(tǒng)使用低壓、低功率，只產(chǎn)生非常低的電磁干擾。本發(fā)明基本上不使用與鉆井液接觸的旋轉(zhuǎn)密封件。本發(fā)明的最佳實(shí)施例使用波紋管密封件，以補(bǔ)償偏移式工作筒14相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍12的擺動(dòng)。本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)密封件位于動(dòng)力產(chǎn)生模塊內(nèi)，位于由流動(dòng)的鉆井液驅(qū)動(dòng)的容積式馬達(dá)(PDM)和交流發(fā)電機(jī)之間。根據(jù)本發(fā)明，沒有必要提供一個(gè)地面液壓動(dòng)力源。本發(fā)明的液壓動(dòng)力系統(tǒng)包括在旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具內(nèi)，該系統(tǒng)可以通過一個(gè)PDM將流動(dòng)鉆井液的機(jī)械能直接轉(zhuǎn)化為液壓泵的液壓能。旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井工具的液壓控制環(huán)路根據(jù)導(dǎo)向傳感器和控制電路的信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行操作，以保持偏移式工作筒14的方向或者使得該偏移式工作筒的軸線指向一個(gè)預(yù)定的對(duì)地靜止方向，因此支撐在偏移式工作筒14上的鉆頭20將鉆出一個(gè)具有預(yù)定井斜角和方位角的彎曲井眼。所采用的用于探測偏移式工作筒方向的穩(wěn)定傳感器是解算器和至少一個(gè)加速度計(jì)。由于加速度計(jì)定位在直接通過彈性連接元件與井壁連接的不旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)套筒18上，因此不需要高帶寬傳感器。鉆頭的偏移直接由兩個(gè)伺服閥控制，而所述兩個(gè)伺服閥則由來自導(dǎo)向傳感器的信號(hào)進(jìn)行電子控制。這些信號(hào)已由旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)上機(jī)載的電子包進(jìn)行了處理。不需要其它的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
如上所述，某些可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向部件與腐蝕性的鉆井液接觸，由于鉆井液的存在使其使用壽命大打折扣。本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向部件則不會(huì)受到鉆井液的影響。液壓活塞定位在鉆井工具的內(nèi)部并與鉆井液分隔開來。實(shí)際上所有的用于偏移式工作筒14的定位和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的可移動(dòng)機(jī)械部件例如液壓活塞、伺服閥和萬向節(jié)均定位在鉆井工具的一個(gè)內(nèi)部腔室內(nèi)，該內(nèi)部腔室充滿油或者其它保護(hù)性流體介質(zhì)，因此這些部件不會(huì)暴露在鉆井液中。因此本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)的這些部件的使用壽命不會(huì)因?yàn)殂@井液而受到影響。
如上所述，顯然本發(fā)明適合獲得所述所有目的和特點(diǎn)以及本發(fā)明所公開的設(shè)備所固有的其它目的和特點(diǎn)。
對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員顯而易見，本發(fā)明很容易用其它具體的形式來實(shí)現(xiàn)而并不偏離本發(fā)明的精神和實(shí)質(zhì)。本發(fā)明的實(shí)施例只是說明性的，而不是對(duì)本發(fā)明范圍的限制，這些范圍由權(quán)利要求書而不是說明書來確定，所有的落入本發(fā)明權(quán)利要求書的等同范圍內(nèi)的變化均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用一個(gè)主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)進(jìn)行鉆井和同時(shí)使鉆頭轉(zhuǎn)向的方法，包括下列步驟(a)在所鉆井眼內(nèi)使一個(gè)旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍和安裝在所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍內(nèi)并相對(duì)于其可以移動(dòng)的一個(gè)偏移式工作筒旋轉(zhuǎn)，所述偏移式工作筒適合于支撐一個(gè)鉆頭并且由所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，所述主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)具有信號(hào)響應(yīng)轉(zhuǎn)向裝置；(b)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向信號(hào)，用于調(diào)節(jié)所述偏移式工作筒相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍和所述偏移式工作筒的位置；以及(c)在偏移式工作筒由所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍旋轉(zhuǎn)的過程中，根據(jù)所述轉(zhuǎn)向信號(hào)將所述偏移式工作筒保持在預(yù)定的井斜角和方位上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，安裝一個(gè)連接元件用于相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍旋轉(zhuǎn)，該連接元件具有多個(gè)彈性連接葉片，所述彈性葉片徑向向外伸出從而與所鉆井眼的井壁接觸，所述的方法還包括(d)在所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍的旋轉(zhuǎn)過程中以機(jī)械方式保持所述多個(gè)彈性連接葉片與所鉆地層之間的基本上靜止關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，一個(gè)連接元件設(shè)置成可以相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，而導(dǎo)向傳感器安裝到所述連接元件上，所述的方法還包括(d)在所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍的旋轉(zhuǎn)過程中在所述連接元件和所述導(dǎo)向傳感器與所鉆井眼之間保持基本上靜止的關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)具有液壓和電子裝置、液壓活塞裝置和至少一個(gè)伺服閥；所述液壓和電子裝置用于產(chǎn)生液壓且對(duì)流動(dòng)的鉆井液作出響應(yīng)而產(chǎn)生電能；所述液壓活塞裝置用于實(shí)現(xiàn)所述偏移式工作筒相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍的位置控制移動(dòng)；所述伺服閥用于根據(jù)所述轉(zhuǎn)向信號(hào)控制所述液壓活塞裝置的由液壓產(chǎn)生的移動(dòng)；所述的方法還包括(d)對(duì)鉆井液的流動(dòng)作出響應(yīng)來產(chǎn)生液壓和電能；以及(d)根據(jù)所述轉(zhuǎn)向信號(hào)以電子方式激勵(lì)至少一個(gè)所述伺服閥，并且以液壓方式相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍移動(dòng)所述偏移式工作筒；所述轉(zhuǎn)向信號(hào)用于控制液壓向所述液壓活塞裝置的傳遞。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于，所述液壓活塞裝置包括至少兩個(gè)活塞，每一個(gè)活塞定位在所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍內(nèi)并設(shè)置在所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍和所述偏移式工作筒之間，而且在所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍和所述偏移式工作筒之間形成力傳遞關(guān)系，所述的方法還包括(f)選擇性并且獨(dú)立地控制液壓向每一個(gè)所述液壓活塞的傳遞，用于在所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍的旋轉(zhuǎn)過程中使偏移式工作筒在所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍內(nèi)實(shí)現(xiàn)由活塞驅(qū)動(dòng)的樞軸旋轉(zhuǎn)式定位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍具有液壓缸體裝置和伺服閥，所述液壓缸體裝置可移動(dòng)地定位在所述液壓缸體裝置內(nèi)并且設(shè)置成與所述偏移式工作筒之間形成力傳遞關(guān)系；所述伺服閥用于控制液壓向所述液壓缸體裝置的傳遞，所述的方法還包括(d)探測各個(gè)液壓活塞裝置在各個(gè)液壓缸體裝置內(nèi)的位置，并產(chǎn)生電子活塞位置信號(hào)；(e)確定所述液壓活塞裝置在所述液壓缸體裝置內(nèi)的所需位置變化，以根據(jù)需要相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍改變所述偏移式工作筒的定位；以及(f)以可控方式激勵(lì)所述伺服閥，用于獨(dú)立地控制連通到所述液壓缸體裝置的液壓，從而完成所述液壓活塞裝置的所述所需的位置變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述液壓缸體裝置具有液壓流體，用于根據(jù)液壓來移動(dòng)液壓活塞，所述的方法還包括(g)探測在所述液壓缸體裝置內(nèi)的液壓流體的容積，以識(shí)別在所述液壓缸體裝置內(nèi)的活塞的位置；(h)改變所述液壓缸體裝置內(nèi)的液壓流體的容積，以改變所述液壓活塞的位置，因此改變所述偏移式工作筒在所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍內(nèi)的位置；以及(i)順序地改變所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍內(nèi)的所述偏移式工作筒的位置，以便在由所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍旋轉(zhuǎn)所述偏移式工作筒的過程中保持所述偏移式工作筒基本上對(duì)地靜止的狀態(tài)，并使其按照預(yù)定的方位角和井斜角的方向進(jìn)行定位。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)生轉(zhuǎn)向信號(hào)的步驟包括(a)感測所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍的位置和方向以及所述偏移式工作筒相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍的角度位置，并產(chǎn)生實(shí)時(shí)位置信號(hào)；(b)處理所述實(shí)時(shí)位置信號(hào)，根據(jù)實(shí)時(shí)位置信號(hào)產(chǎn)生所述轉(zhuǎn)向信號(hào)；以及(c)根據(jù)所述轉(zhuǎn)向信號(hào)可控制地將由液壓引發(fā)的力施加到所述偏移式工作筒上，以將所述偏移式工作筒相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍選擇性地進(jìn)行定位。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)具有機(jī)載的電子裝置，所述機(jī)載電子裝置用于接收遙測傳遞的轉(zhuǎn)向控制信號(hào)，所述的方法還包括(d)通過信號(hào)遙測裝置從地面位置發(fā)送轉(zhuǎn)向控制信號(hào)至所述旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng)的所述機(jī)載電子裝置；以及(e)利用所述轉(zhuǎn)向信號(hào)控制所述偏移式工作筒相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍的對(duì)地靜止定位。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍具有至少兩個(gè)液壓缸體、一個(gè)加壓的液壓流體供給源和一個(gè)控制器；每一個(gè)液壓缸體具有一個(gè)液壓活塞，所述液壓活塞與所述偏移式工作筒形成力傳遞關(guān)系；所述液壓流體供給源通向所述液壓缸體和液壓伺服閥，而所述液壓伺服閥用于選擇性地將加壓的液壓流體從所述液壓流體供給源連通到所述液壓缸體；所述控制器用于接收位置信號(hào)，并且選擇性地激勵(lì)液壓伺服閥裝置用于以液壓方式控制偏移式工作筒相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍的定位，所述的方法還包括(d)產(chǎn)生表示所述液壓缸體內(nèi)的所述液壓活塞位置的信號(hào)；(e)提供表示所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍位置的工具接箍位置信號(hào)；以及(f)用所述控制器處理所述活塞位置信號(hào)和所述工具接箍位置信號(hào)，并從所述控制器提供閥位置輸出信號(hào)，以根據(jù)需要改變所述液壓伺服閥的位置以便相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍將所述偏移式工作筒保持在預(yù)定的角度位置。
11.一種主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井設(shè)備，包括(a)一個(gè)旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍，該管狀工具接箍適合于被旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)以進(jìn)行鉆井；(b)一個(gè)偏移式工作筒，所述偏移式工作筒安裝在所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍內(nèi)，用于相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍進(jìn)行定位移動(dòng)，所述偏移式工作筒可以由所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍旋轉(zhuǎn)并支撐一個(gè)鉆頭；(c)致動(dòng)器裝置，所述致動(dòng)器裝置用于保持所述偏移式工作筒相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍選擇性地定位，以使得所述偏移式工作筒和所述鉆頭指向一個(gè)選定的方向，從而能沿著一個(gè)預(yù)想的路徑進(jìn)行鉆井；以及(d)用于選擇性控制所述致動(dòng)器裝置的裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井設(shè)備，還包括(e)一個(gè)連接元件，該連接元件可旋轉(zhuǎn)地安裝到所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍上，該連接元件與所鉆井眼的井壁基本上靜態(tài)接觸；以及(f)導(dǎo)向傳感器，該導(dǎo)向傳感器安裝到所述連接元件上，并用于產(chǎn)生導(dǎo)向信號(hào)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井設(shè)備，還包括(g)彈性連接裝置，該彈性連接裝置從所述連接元件上伸出，并且保持與所鉆井眼的井壁基本上靜態(tài)接觸。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井設(shè)備，其特征在于，所述致動(dòng)器裝置包括(a)液壓缸體裝置，該液壓缸體裝置位于所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍內(nèi)；(b)液壓活塞裝置，該液壓活塞裝置位于所述液壓缸體裝置內(nèi)，該液壓活塞裝置與所述偏移式工作筒形成力傳遞關(guān)系；(c)液壓供給裝置，所述液壓供給裝置用于將加壓的液壓流體提供給所述液壓缸體裝置，用于保持所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍內(nèi)的所述偏移式工作筒基本上對(duì)地靜止定位；以及(d)伺服閥裝置，該伺服閥裝置用于以可控方式激勵(lì)所述液壓供給裝置，并且在所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍的旋轉(zhuǎn)過程中相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍選擇性地保持所述偏移式工作筒的方位。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井設(shè)備，其特征在于所述彈性連接裝置是多個(gè)彈性連接件，所述彈性連接件在所述連接元件周圍均勻間隔開地設(shè)置；該主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井設(shè)備還包括(h)用于探測所述彈性連接件相對(duì)于所述連接元件的相對(duì)位置并因此產(chǎn)生表示所鉆井眼的井徑儀測量結(jié)果的信號(hào)的裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井設(shè)備，還包括(e)一個(gè)萬向節(jié)，該萬向節(jié)位于所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍內(nèi)；并且其中所述偏移式工作筒以可繞樞軸旋轉(zhuǎn)的方式由所述萬向節(jié)支撐，并且相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍繞樞軸旋轉(zhuǎn)，用于實(shí)現(xiàn)所述偏移式工作筒相對(duì)于所鉆地層的定位。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井設(shè)備，其特征在于所述萬向節(jié)建立了所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍與所述偏移式工作筒之間的直接旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)關(guān)系。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井設(shè)備，其特征在于所述偏移式工作筒形成一個(gè)貫穿的鉆井液流通道；該旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井設(shè)備還包括(e)接箍密封裝置，該接箍密封裝置在所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍和所述偏移式工作筒之間建立密封，并形成一個(gè)保護(hù)性流體腔室，用于盛裝保護(hù)性流體介質(zhì)，所述接箍密封裝置可以防止鉆井液侵入所述保護(hù)性流體腔室。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井設(shè)備，還包括(e)一個(gè)液壓流體供給系統(tǒng)，該液壓流體供給系統(tǒng)定位在所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍內(nèi)且在鉆井過程中由流動(dòng)的鉆井液提供動(dòng)力，所述液壓流體供給系統(tǒng)將加壓的液壓流體提供給所述液壓致動(dòng)器裝置；(f)一個(gè)電能供給系統(tǒng)，該電能供給系統(tǒng)定位在所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍內(nèi)且在鉆井過程中由流動(dòng)的鉆井液提供動(dòng)力；以及(g)位于所述液壓流體供給系統(tǒng)內(nèi)的伺服閥裝置，用于控制液壓流體向所述液壓致動(dòng)器裝置的供給。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井設(shè)備，還包括(h)一個(gè)連接元件，該連接元件可安裝成相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；(i)導(dǎo)向傳感器，所述導(dǎo)向傳感器安裝到所述連接元件上并提供導(dǎo)向信號(hào)；以及(j)控制器裝置，所述控制器裝置定位在所述連接元件上，用于接收導(dǎo)向信號(hào)，所述控制器裝置提供閥控制輸出信號(hào)，用以選擇性地控制所述伺服閥裝置的操作。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井設(shè)備，其特征在于所述致動(dòng)器裝置是液壓致動(dòng)器裝置；該旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井設(shè)備還包括(g)液壓流體供給裝置，其定位在所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍內(nèi)；(h)電力供給裝置，其定位在所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍內(nèi)；(i)伺服閥裝置，其定位在所述液壓流體供給裝置內(nèi)，用于控制加壓液壓流體向所述液壓致動(dòng)器裝置的供給；(j)位置感測裝置，用于感測所述液壓致動(dòng)器裝置的位置并提供一個(gè)位置輸出信號(hào)；以及(k)控制器裝置，用以接收和處理所述導(dǎo)向信號(hào)和所述位置輸出信號(hào)，并且提供定位控制信號(hào)，用于選擇性地控制所述伺服閥裝置的激勵(lì)。
22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井設(shè)備，還包括(g)遙測裝置，其位于所述連接元件內(nèi)，用于接收從地面發(fā)送來的定位控制信號(hào)，并提供一個(gè)遙測輸出信號(hào)；(h)控制器裝置，用于接收和處理所述遙測輸出信號(hào)并提供所述定位控制信號(hào)；并且其中所述致動(dòng)器裝置根據(jù)所述定位控制信號(hào)控制所述偏移式工作筒的定位。
23.根據(jù)權(quán)利要求12所述的主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井設(shè)備，還包括(g)至少一個(gè)加速度計(jì)，該加速度計(jì)由所述連接元件支撐，用于探測所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍相對(duì)于所述連接元件的旋轉(zhuǎn)，并根據(jù)探測結(jié)果提供位置信號(hào)；(h)至少一個(gè)解算器，該解算器由所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍支撐，用于探測所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍相對(duì)于所述連接元件的旋轉(zhuǎn)，并且根據(jù)探測結(jié)果提供位置信號(hào)；以及(i)控制器裝置，用于接收和處理所述位置信號(hào)，并且提供定位控制信號(hào)；并且其中所述致動(dòng)器裝置根據(jù)所述定位控制信號(hào)將所述偏移式工作筒相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍定位。
24.根據(jù)權(quán)利要求11所述的主動(dòng)控制的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井設(shè)備，其特征在于所述致動(dòng)器裝置包括至少兩個(gè)以液壓方式移動(dòng)的活塞元件，每一個(gè)活塞元件均與所述偏移式工作筒形成力傳遞關(guān)系；并且其中在激勵(lì)所述活塞元件后，所述以液壓方式移動(dòng)的活塞元件相對(duì)于所述管狀工具接箍移動(dòng)所述偏移式工作筒，以便相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)式管狀工具接箍將所述偏移式工作筒選擇性地定位，以及保持所述偏移式工作筒相對(duì)于所鉆地層的選擇性定位。
全文摘要
一種主動(dòng)控制的用于定向鉆井的旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向鉆井系統(tǒng),包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)式工具接箍,其具有一個(gè)基本上不旋轉(zhuǎn)的具有多個(gè)彈性連接件的滑動(dòng)套筒。一個(gè)偏移式工作筒由一萬向節(jié)樞軸式支撐在工具接箍內(nèi)且保持在對(duì)地靜止方向。用導(dǎo)向傳感器測量鉆井工具的方位,且圍繞萬向節(jié)對(duì)偏移式工作筒進(jìn)行定位從而選擇性地相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式工具接箍軸向傾斜。定位在旋轉(zhuǎn)式工具接箍內(nèi)的交流發(fā)電機(jī)和液壓泵由流動(dòng)的鉆井液所驅(qū)動(dòng)的一個(gè)動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生電能和液壓。
文檔編號(hào)E21B7/08GK1266940SQ0010416
公開日2000年9月20日 申請(qǐng)日期2000年3月15日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月15日
發(fā)明者A·P·多雷, 張世恭 申請(qǐng)人:施盧默格控股有限公司