CN100379936C - 自动控制的旋转可控钻井系统 - Google Patents

Abstract

用于定向钻井的自动控制旋转可控向钻井系统，其有钻井时由钻杆转动的钻具套管，支撑钻头并有位于套管内的上部分和从套管延伸的下端。钻头杆由套管内万向节可全向转动地支撑在上、下端之间，并由套管驱动。用偏移心轴使钻杆绕万向节转动控制转动钻头的方向。由钻井液驱动的涡轮机与交流发电机相结合驱动电动机。电动机使偏移心轴转动并由位置检测元件信号输入伺服控制。用制动器使偏移心轴和钻头杆轴线保持对地静止。或把涡轮机连到偏移心轴，使偏移心轴相对于钻具套管转动。

Description

自动控制的旋转可控钻井系统

技术领域

本发明总地来说是涉及钻井、尤其是钻进用于开采石油产品的油井的方法和装置。更具体地说，本发明涉及一种自动控制的旋转可控钻井系统，该系统能直接连接到一根旋转钻杆上，也可以利用一泥浆马达和/或推进器和/或柔性管(flexible sub)把该系统连接在一旋转钻杆内，使得能够把自动控制的旋转可控钻井系统从旋转钻杆上拆卸下来，例如对于泥浆马达驱动钻进，使钻杆转动或不转动，并使得能精确控制由一钻头所钻井眼的方向，以及能精确控制转速、转矩和作用在钻头上的重量。为了控制泥浆马达的转速和转矩，在泥浆马达的流体线路上设置一个可控排放阀，从而能可控地把一部分钻井液从泥浆马达的流体线路排放到或转向到环形空间，或者使一部分钻井液分流入泥浆马达的转子。泥浆马达的排出阀或旁通控制阀能根据从旋转可控钻井系统的传感器信号自动运作，也能根据来自地面或来自两者的信号进行运作。为了控制钻头上的重量，在钻杆内有一个钻井液驱动的推进器，该推进器位于旋转的可控钻井系统的上部或下部。推进器在它的钻井液线路上具有一个类似的可控排出阀或旁通阀，该阀可以由旋转的可控钻井系统的控制线路进行选择性地调节，以便控制向下的机械作用力，即施加于被钻地层的钻头的重量。通过旋转可控的钻具的控制系统对来自各种传感器的反馈信号作出反应，使泥浆马达和推进器的排出阀或旁通阀均能在井下被独立控制，并且还能通过地面遥测被选择性地控制。本发明还涉及这样一种自动控制的旋转可控的钻井系统，这种系统包括一个涡轮机驱动的电动机驱动机构，用于在钻头转动期间，通过旋转钻杆、泥浆马达、或通过该两者来对钻头进行对地静止定位(geostationary positioning)，并且当与内部摩擦相比，钻头/地层相互作用的转矩占优势时，具有选择性地将电动机作为一个制动器的能力。

背景技术

油井或气井通过具有一个被定向钻进的地下部分，即具有相对于竖直方向以一定角度倾斜该地下部分，并且该倾斜部分具有一个特定的罗盘方向或方位角。虽然具有偏斜部分的井可以在任何期望的位置钻进，例如从一口主井钻进水平方向的井眼或钻进偏斜分支井，比如说，在海洋环境中钻进众多的偏斜井。在这种情况下，从一个单一的海上工作平台以一种方式钻进大量的偏斜井，使得从多的井眼底部分布在一个庞大区域的生产地层，且使工作平台通常位于所说生产地层的中央，每口井的井口位于工作平台装置上。

不管是在陆地上钻井还是在海洋环境中钻井，在钻井操作中，现在都需要进行延伸钻进，按照本发明的原理，在钻井操作期间，通过更好地把重量和转矩传向钻头来实现这种延伸钻进。按照本发明还能通过使重量和转矩很好地传向钻头来获得高性能或高强度的钻进，其中的钻头由旋转的可控钻井系统来控制，对于这个钻井系统，下面将作详细描述。在所钻的井的轨线很复杂的情况下，本发明的旋转的可控钻井系统，能够在钻具套管对钻头进行旋转的同时对钻头进行控制，这就使得钻井工作人员能容易地通过井眼从一个地下储油区到另一个储油区。旋转的可控钻具使得能从倾斜点和方位点来控制井眼，从而使两个或更多个有关的地下区域通过所钻井眼可控制地相交贯穿。

钻进一个定向井眼的常规方法是，运去钻杆和钻头，通过该钻杆和钻头采用传统的旋转钻井技术钻出井眼的最初竖直部分，并把一个泥浆马达放入钻杆的底端，该泥浆马达具有一个弯曲腔，该弯曲腔用钻井液来驱动钻头。弯曲腔提供一个弯曲角，从而使得从上方观看时，弯曲点下部的与钻头的旋转轴相对应的轴线相对于一参照物具有一个“工具面”角。工具面角可简称为工具面，它形成方位角或罗盘方向，偏斜井眼部分将在这个方位角或罗盘方向上随着泥浆马达的运作而钻进。通过缓慢旋转钻杆，并观察各种定向装置的输出，形成工具面以后，放下泥浆马达和钻头，使钻杆不旋转，以保持所选定的工具面，然后激励钻井液泵、“泥浆泵”，使流体流过钻杆和泥浆马达，从而把旋转运动施加给泥浆马达输出轴及与其相连的钻头。由于存在这个弯曲角，使得钻头沿一曲线钻进，直到形成所期望的井眼倾角。为了沿着所期望的倾角和方位角钻进井眼，于是就转动钻杆，使钻杆的旋转与泥浆马达输出轴的旋转叠加，这就使得弯曲部分仅仅沿着井眼的轴线运行，因此，无论所形成的倾角和方位角为多少，钻头都能往前直线钻进。如果需要的话，在井眼达到最大深度时，可以采用这种相同的定向钻井技术，使井眼弯曲到水平方向上，然后沿水平方向延伸，使井眼进入或通过采油区域。边钻进边测量系统通常设置在泥浆马达上面的钻杆内，用于监测被钻井眼的进程，从而当井眼的各种参数表明井眼与所设计的不一致时，就可启动修正措施。

当井的各部份被钻进时，钻杆不转动，泥浆马达由钻井液的流动来操作，此时会产生各种各样的问题。由泥浆马达的运作所产生的反作用转矩会使工具面逐渐改变，从而使井眼不按所期望的方位角前进。如果不进行修正，这个井眼可能延伸到与另一个井眼太靠近的位置，从而使这个井眼不能达到所期望的“地下目标”，或者由于井眼的蜿蜒前进而造成井眼长度过长。这些不良因素会造成井眼钻进的成本过高，并且会降低从有关表面下的地层中采油的排放效率。此外，不转动的钻杆会使拖动时的磨擦力增大，从而减弱了对“作用到钻头上的重量”的控制，并且会降低钻头的钻进速度，这样就会使钻井成本增大。当然，不转动的钻杆要比转动的钻杆更可能被卡在井眼内，尤其是在钻杆通过一个渗透性区域的地方更容可能被卡住，因为在渗透性区域，井眼壁上积聚了一些渣块。

与本发明的主题相关的两篇专利是US5113953和US5265682。在US5113953中公开了一种定向钻井的装置和方法，其中的钻头通过一个万向节连接在钻杆的下端，钻头轴在可控钻具套管内以一个与钻杆转速相等、方向相反的速度旋转。与US5113953中的主题相比，本发明先进得多，因为钻头轴或心轴相对于本发明的钻进套管(drill collar)的角度是可变的，而不是固定的。此外，相对于现有技术而言，本发明在旋转的可控钻具内设置了一个制动系统(电器的、机械的或液压的)，这又是本发明的一个先进之处。此外，在本发明的旋转可控钻井系统中设有各种位置测量系统，并能进行位置信号敏感控制，这使得本发明与现有技术相互区别开。本发明与现有技术的原理不同的地方还在于，在本发明中，钻井系统的装置中，可控的泥浆马达和推进器装置以及一柔性杆可以被设置在任何适合的装置中，从而能选择性地通过旋转钻杆、泥浆马达或通过该两者来实现定向钻进，以便能精确控制钻头上的重量，在钻进期间确保钻头方向的精确性。

在US5265682中公开了一种系统，用于通过一个推进器把一个下井仪表包(downhole instrumentation package)保持在一个运行稳定的方向上。运行稳定仪表被用于调节作用于一组径向活塞上的流体压力，这组活塞被依次启动，从而使钻头保持在一个期望的方向上。US5265682中的钻头控制系统与本发明的构思最显著不同的地方在于使用了不同的装置来使钻头偏移，使钻头处于所期望的方向。即，在US5265682中描述了一种机构，该机构采用活塞来迫使钻头在井眼内保持在一个所期望的侧向位置上。相比之下，在本发明中，尽管钻进套管是旋转的，但在本发明中通过利用一个推进器来驱动一个交流发电机来使本发明的可控钻井系统将钻头指向一个所期望的井眼方向，当钻头轴由钻具套管以旋转的方式驱动时，其中交流发电机的输出就驱动一个电动机，使钻头轴的轴线绕一万向节，以相同的转动频率转动。当与内部磨擦相比时，钻头/地层的相互作用的转矩占主导时本发明的旋转可控钻进系统还利用一制动系统(电动的、机械的或液压的)来控制钻头的旋转。在本发明的范围内，工具上的传感器和电子元件可以与钻具一起转动，或与该旋转可控的钻井系统的钻头轴一起保持对地静止。

发明内容

本发明的一个主要特征是提供了一种新颖的钻井系统，该钻井系统由一个旋转钻杆驱动，通过精确控制由钻杆和钻具所转动的钻头，从而允许选择性地进行弯曲井眼部分的钻进。

本发明的另一个特征是提供一种新颖的自动控制的旋转可控的钻井系统，该钻井系统具有一个钻头轴，在钻进期间，由套管对钻头轴进行旋转驱动，且该钻头轴被安装在其长度的中央，使其在套管内能多向转动，以便使钻头杆和钻头相对于钻具套管进行对地静止定位，从而使钻头连续地指向所期望的角度，实现弯曲井眼的钻进。

本发明的另一个特征是提供了一种新颖的自动控制的旋转可控的钻井系统，它具有一个偏移心轴(offsetting mandrel)，该偏移心轴的转动方向与钻具套管的转动方向相反，转动频率相同，从而把旋转运动施加给多向旋转座周围的转动钻头轴，从而使钻头轴保持对地静止(geostationary)。

本发明的另一个特征是提供一种新颖的自动控制的旋转可控的钻井系统，在工具内，设有一个钻井液驱动的涡轮机，该涡轮机与一个交流发电机呈驱动关系地相互连接，以便产生足够的电能来驱动一个马达，该马达抵消了套管或钻具腔与偏移心轴之间的阻抗力矩，偏移心轴在钻具套管内反向旋转，从而实现对可移动钻头杆的对地静止定位，以便对钻头进行控制。

本发明的另一个特征是提供一种新颖的自动控制的旋转可控的钻井系统，它具有板上电源和控制系统电路，控制系统电路安装在工具的整个长度上，并且可与钻杆驱动的钻具套管一起转动。

本发明的另一个特征是提供一种新颖的自动控制的旋转可控的钻井系统，它具有一些传感器和电子元件，这些传感器和电子元件能与钻井套管一起转动，或是对地静止，与偏移心轴保持一致。

本发明的另一个特征是提供一种新颖的自动控制的旋转可控的钻井系统，在这个系统内具有一电动控制、液压控制、或机械控制的制动系统，用于使偏移心轴和钻头轴的轴线在钻进期间保持对地静止。

本发明的另一个特征是提供自动控制的旋转可控的钻井系统的一个实施例，在这个实施例中，具有一个制动器，该制动器对流体驱动的涡轮机进行控制，并且根据工具面的实时测量来控制这个制动器。

本发明的实施例的另一个特征是提供一种新颖的自动控制的旋转可控的钻井系统，它具有一个传动机构，该传动机构与制动器及钻井液驱动的涡轮机相互连接，并通过该制动器提供适当的能量耗散，同时允许钻井液驱动的涡轮机以一个有效的旋转速度进行运作，以便形成优化的功率。

简言之，本发明的各个发明目的和特征通过提供一种自动控制的旋转可控的钻具来实现的，这种钻具具有一个套管或腔室，该腔室与旋转的钻杆直接相连，钻杆是由钻机的旋转台来驱动的。虽然在这里所作的描述是特别针对一种电动激励的自动控制的旋转可控钻具，但是，这并不是把本发明局限于此。本发明同样适用于液压控制的旋转可控钻具，也适用于同时具有电动和液压控制特征的旋转钻具。钻头轴上连接有一个钻头，该钻头轴通过一个万向座安装在套管内，并且可由钻具套管直接转动，以便进行钻进。钻头轴的下部从套管的下端突出，并支撑着钻头。根据本发明的发明构思，钻头轴的轴线相对于钻具套管绕其旋转座以相反方向转动，从而使钻头轴线保持在一个给定的方向上，这个给定的方向相对于工具的轴线倾斜一个可变的角度，从而允许钻头能沿所选定的角度的曲线钻进井眼。直线井眼可以通过这样来钻进，即通过把钻头轴的轴线与工具轴线之间的角度调为零来实现，或者是通过使钻头轴轴线围绕工具轴线以一个不同的频率转动来实现。钻头轴的轴线与钻具的套管的轴线之间的角度可以通过偏移心轴来获得，其中的偏移心轴相对于套管作反向旋转，并且它使钻头轴的轴线保持对地静止。本发明的旋转可控钻具具有一个在井下运作的机构，以便可控制按需要对角度进行改变，以便可控制地操作被工具旋转的钻头。转矩直接通过万向节从钻具套管传送到钻头轴。随着钻杆对套管进行转动，由于磨擦而在套管与偏移心轴及它的支撑件之间所产生的的阻抗转矩就倾向于使偏移心轴与套管一起转动，从而将会钻出一个超过标准度量的孔。为了防止这种情况的发生，尤其是为了使钻头轴保持对地静止，而不管套管的转动，采用一个由泥浆驱动的涡轮机和交流发电机驱动的电动机，它能产生足够的动力，以抵消阻抗转矩。利用一个电动的、液压的或机械的制动器来抵消地层与钻头之间的相互作用所产生的影响，这种相互影响会导致一个与旋转可控钻井系统的内部阻抗转矩相反的转矩。此外，电动机和制动器是伺服控制的，从而确保在存在外部干扰的情况下能把工具面保持住。由于应一直保持对地静止，因此，偏移心轴应总能相对于套管进行转动，且与套管的转动速度相等、方向相反。在本发明的另一个实施例中，一个钻井液驱动的涡轮机以驱动的关系与电磁制动器相连。为了允许涡轮机以更高的速度旋转且更适合于轴向涡轮机的操作，就在涡轮机与偏移心轴之间采用了一个具有一个齿轮系的传动机构，以使偏移心轴以更低的速度转动，且功率提高，以便实现钻头轴的对地静止定位。

为了提高自动控制的旋转可控钻具的灵活性，该钻具能够选择性地与许多电子传感系统、测量系统、反馈系统和定位系统相结合。钻具的三维定位系统能利用磁传感器监测地磁场，并能利用加速度计和陀螺仪传感器来及时地精确地在任何地点确定钻具的位置。为了控制，旋转的可控钻具一般都设有三个加速度计和三个磁强计。通常在钻具内只设置一个陀螺仪传感器，以便提供转速反馈，并有助于套管的稳定，但是也可以采用许多陀螺仪传感器，这并没有脱离本发明的实质和范围。板上钻具的信号处理系统在钻井期间，当钻具正在转动时，且钻具使钻头轴和钻头进行转动的同时，实现实时定位测量。钻具的传感器和电子处理系统还能随着钻进的推进进行连续的测量方位角和实际倾角，从而能实时地采取立即纠正措施，而无需中断钻井过程。钻具根据控制循环利用磁传感器、加速度计及陀螺仪传感器插入(incorporate)一个位置，从而能提供位置信号，以便对电动机和工具的制动器进行控制。关于制动，应当记住，用于驱动偏移心轴的电动机也可以用钻具的内部控制系统来控制，以便在需要抵消地层与钻头之间的相互作用的影响时提供一种制动功能，地层与钻头之间的相互作用会产生一个转矩，该转矩与钻具的内部阻抗转矩相反。考虑到运作的灵活性，钻具可以设置一个用于反馈的边钻进边测量系统、变容电动机/涡轮机、γ射线监测器、电阻率测井、密度和孔隙度测井、声波测井、井眼成像、前视和环视设备、钻头倾斜测量、钻头转速测量、电动机下的震动传感器、钻头上的重量、钻头上的转矩、钻头的侧向力、一个带有由钻具控制可使钻井效率最大化的推进器的软重系统、由钻具控制的可变的标准度量稳定器、或一个由钻具进行控制以便控制钻进速度和转距的泥浆马达放泄阀。钻具还可以设置其它的一些对钻井和完井有用的测量设备。

钻具的设计增加了井眼的软转矩(soft-torque)，从而在本质上减少了钻头的磨损，使钻井效率达到最大。在操作控制系统中采用了软件，钻具的板上电子元件可以减小卡住滑落。此外，钻具提供了这样一种可能性，即可以从地面对钻具进行编程，以便确定或改变钻具的方位角和倾角，及钻头轴相对套管的弯曲角。钻具的板上电子元件的电子内存能够保留、利用并传送一个完整的井眼轮廓，并实现对地操纵(geosteeing)井眼，从而在开始钻井到延伸钻进它都能被利用。此外，钻具可以利用一柔性杆，以便把旋转可控钻具从其余的井底装置及钻杆上拆卸下来。

除了本发明的其它监测和测量特征之外，自动控制的旋转可控钻具还可以设置一电感遥测线圈或多个线圈，以便把在钻井期间所获得的测井和钻进数据信息双向地通过柔性管、电动机、推进器及其它测量管发送给边钻边测系统。为了进行电感遥测(induction telemetry)，旋转可控钻具一般都在钻具套管内部设有一个电感器。钻具还沿轴向以一个预定间隔设有发送器和接收器，从而使信号通过井眼附近的地层穿过一个预定的距离，并测量它的阻力。这种系统在美国专利US5594343中有所描述，在些引以为参考。

工具的阻力系统的电子元件与各种测量控制系统，都能与钻具的旋转元件一起转动，从而也能抵抗钻杆旋转的影响。在一个可选方案中，旋转可控钻具的电子系统的一些元件可以是对地静止的。

在本发明的一个优选实施例中，一个钻井液驱动的涡轮机与一个交流发动机以驱动关系相互连接，从而从流动的钻井液获得电能。为了对涡轮机与交流发动机的运作进行优化，可以在涡轮机与交流发动机之间插入一个机械传动机构。一个电动机的电输入端与交流发动机的电输出端相连，电子控制系统与电动机相连，以便对其操作进行控制，电动机不与涡轮机或交流发动机机械相连。此外，一制动器与涡轮机或交流发动机不机械相连，当地层磨擦占主导时，可以选用这个制动器来使钻头杆的轴线保持对地静止。电动机的旋转输出被用于驱动旋转可控钻具的对地静止套管，从而使得涡轮机与交流发动机的运作不会直接干扰电动机和钻头杆的方向控制。为了提高机械效率，根据本实施例，钻头杆定位系统采用一个通用的钻头杆支撑件，该支撑件利用球和环，形成一种钩状接头，它既能在轴向上有效地支撑钻头杆，并能提供有效地转矩，同时，还能减小万向节上的磨擦。通过确保在其部件周围存在润滑油、并把钻井液从万向节排出，同时在钻进时允许钻头杆相对于钻具套管作循环操作控制移动，来进一步减小万向节的磨擦。一种可选的方案是，不采用球及环型的万向节，而是采用花键型(spline type)接头或采用具有花键和环的万向接头。

钻井液流通过一个涡轮机产生电流，由这个电流向旋转可控钻井系统的电动机提供动力。为了控制电力输出，涡轮机可具有可变的效率，这可以通过使定子相对于转子进行转动来实现。涡轮机还可以具有多级，或者在涡轮机上设置制动器，例如设置阻抗载荷。

为了更清楚地理解获得本发明的上述特征、优点、及发明目的的实现方式，参照作为本发明的一部分的附图中所示的本发明的优选实施例来对本发明作更详细的描述。

然而，应当注意，虽然附图只是对本发明进行的一个典型实施例进行了说明，这些附图并不应认为是对本发明的范围进行限制，因为本发明允许采用其它的等效的实施例。

附图说明

图1是按照本发明所钻的井的示意图，并表示出了利用本发明的自动控制的旋转可控钻井系统及其方法所钻井眼的下部的偏斜情况；

图2表示一井眼示意图，该井眼是通过自动控制的可控钻井系统及其方法所钻出来的，在旋转钻杆内采用了一个泥浆马达，该泥浆马达位于自动控制的旋转可控钻井系统的上部，并转动可控钻井系统的钻具套管，且转动速度不同于钻杆的速度；

图3是与图2相似的示意图，其中的泥浆马达设置在自动控制的旋转可控钻井系统的下部，使钻头直接转动，且转速不同于钻杆的转速；

图4是一个示意图，表示出了一个推进器，该推进器位于自动控制的旋转可控钻井系统的正上方，用于控制钻头上的重量，同时，旋转钻速和转矩由该旋转可控制钻井系统进行控制；

图5是一个示意图，表示一个推进器，该推进器在钻杆内位于自动控制的旋转可控钻井系统的正下方；

图6是一个示意图，表示一个推进器，该推进器在钻杆内位于一泥浆马达的正下方，并连接在自动控制的旋转可控钻井系统的上方，使旋转可控钻井系统以一个不同于钻杆的转速进行转动；

图7是一个示意图，表示一个推进器，该推进器在钻杆内位于一泥浆马达的正上方，泥浆马达位于自动控制的旋转可控钻井系统的上方；

图8是一个示意图，表示设置在一钻杆内的自动控制的旋转可控钻井系统，并表示出了连接在旋转可控钻井系统下面的一个泥浆马达以及一个连接在该泥浆马达下面的一推进器，以便于使这个泥浆马达对钻头进行支撑；

图9是一个示意图，表示设置在一钻杆内的自动控制的旋转可控钻井系统，并表示出了连接在该旋转可控钻井系统下方的一个推进器，还表示出了连接在该推进器下方的一泥浆马达，并对钻头进行支撑；

图10是本发明的旋转可控钻井系统的示意图，并表示出了该柔性管的直线状态；

图11表示图10中的旋转可控钻井系统的示意图，并表示出了该柔性管的弯曲状况；

图12是一个纵向剖面图，表示本发明的优选实施例中的旋转可控钻井系统，它具有一个涡轮机驱动的交流发动机，其电流输出用于驱动一个电动机，该电动机具有一个电动机输出轴，该输出轴与一个多向钻头杆支撑件及定位机构以驱动关系相连接，以便把钻头杆的纵轴线保持对地静止，并与钻具套管的转动轴线成一个预定的角度；

图13是一个剖面图，表示一个涡轮机，它可以用作图12和图14中的涡轮机，并表示出该涡轮机定子相对于转子进行定位，以便对涡轮机的动力输出进行控制；

图14表示本发明一个可选的实施例中的自动控制的旋转可控钻井系统的纵向剖面图，并表示出了与一交流发动机呈驱动关系相连的一个涡轮机，涡轮机与交流发动机位于钻具套管的与电动机、偏移心轴及钻头杆相同部分，还表示出了一个机构，该机构为钻头杆在钻具套管内提供多向转动的支撑；

图15是描述本发明一个可选实施例的自动控制的旋转可控钻井系统的纵向剖面图，图中表示出了涡轮机，该涡轮机与一齿轮箱通过涡轮机驱动轴呈驱动关系地连接着，涡轮机驱动轴穿过电子元件、传感器以及钻井系统的制动部分，齿轮箱的输出与一偏移心轴呈驱动关系地连接着，以便实现钻头杆的轴线的对地静止定位；

图16是一个部分纵向剖面图，表示本发明的另一个可选的实施例，图中表示出了一个旋转可控钻具，该钻具具有一个液压驱动系统，用于在钻井期间对钻头杆进行定向；

图17是一个纵向剖面图，更详细地表示出了图12中的自动控制的旋转可控钻井系统的下面部分；

图18是一个纵向剖面图，更详细地表示出了图12中的自动控制的旋转可控钻井系统的上面部分；

图19是沿图17中的线19-19的横剖面图；

图20是沿图18中的线20-20的横剖面图；

图21是本发明一个可选实施例的部分横剖面图，表示出了花键式万向接头，其用于在钻具套管内对钻头杆进行多向支撑，并向钻头杆施加一个转动，用于转动钻头；

图22A是一个横向剖面示意图，表示钻头杆定位环被相对定位，以便直线钻进，并表示出了钻头杆的轴线与钻具套管的轴线相互重合，使钻头杆的倾斜度为零；

图22B是沿图22A中线22B-22B的剖面图，表示钻头杆定位环处于同轴关系，以便进行直线钻进；

图22C是一个横剖面示意图，表示钻头杆定位环被设置在一些最大偏移的位置，从而使钻头杆的最大侧向定位，以便使钻头杆相对于钻具套管的倾角最大；

图22D是沿图22C中线22D-22D的剖面图，表示钻头杆定位环的偏移轴向关系，以便获得最大的偏移量，从而以最大的曲率进行钻进；

图23是一个方框图，表示本发明的旋转可控钻井系统的优选实施例的控制体系结构，表示出了为了对由钻具进行定向的钻头进行控制所采用的涡轮机驱动制动及制动控制；

图24是一个方框图，表示本发明的一个可选实施例的控制体系结构，其具有一个钻井液驱动的涡轮机和制动器，用于控制钻头杆相对于钻具套管的定位，并且具有一个位置信号感应制动制器控制器，用于控制制动器，并控制涡轮机效率；

图25是沿图21中线25-25的横向剖面图，表示钻头杆与钻具套管之间的花键驱动连接关系。

具体实施方式

现在参照附图，首先参照图1，图中表示出了正由一旋转钻头12钻进的一井眼10。该钻头12连接在一钻杆14的下端，钻杆14向上延伸至地面，在地面上，该钻杆14由典型的钻机的旋转台进行驱动(图中未示)。钻杆14典型地设有一钻管18，钻管18连接有一个或多个钻井套管20，以便把重力作用在钻头12上。图中所示的井眼10具有一个竖直或基本竖直的上面部分22和一个偏斜的弯曲或水平的下面部分24，该下面部分24正由本发明的自动控制的旋转可控的钻具进行钻进，该钻具总体上由26表示。为了在井眼10的弯曲段24提供灵活性，可用钻管28的下面部分来把钻井套管20连接到钻具26上，从而使钻井套管保持在井眼10的竖直部分22内。根据本申请中所描述的原理，通过钻具26的控制动作使井眼10的下面部分24从坚直部分22偏斜。如图1中的附图标记28所示，钻杆位于旋转可控钻具的附近，它可以与一根柔性管协作，如图10和图11所示，这能使旋转可控钻井系统的钻进精度得到提高。根据通常实践，钻井液或“泥浆”由地面泵通过钻杆14向下输入，然后通过设置在钻头12上的喷嘴流出，然后通过钻杆14与井眼10的壁面之间的环形空间30返回地面。正如在下面将会详细描述的那样，把旋转可控的钻具26构造成使钻头12沿着一弯曲路径进行钻进，这个弯曲路径是由钻具26的控制设定来指定的。即使钻头和钻具正由钻杆14旋转着，也能保持支撑钻头12的钻头杆相对于钻具26的套管的角度，从而实现对钻头的方向控制，以便钻进弯曲的井眼。对钻具的方向控制从倾斜的观点和方位角的观点中进行选择性地来实现，即向左和向右。此外，可以根据需要来改变可控钻具26的设定，以便钻头可选择性地改变所钻井眼的路线，从而反偏斜井眼进行导向，实现对钻头方向的精确控制，从而对所钻井眼进行精确控制。

图2和图3是示意图，表示出了位于所钻井眼10内的旋转的可控钻井系统，还表示出了一种钻井方法，在这种方法中，利用了泥浆马达M，该泥浆马达设置在旋转钻杆内，设置在如图2所示的可控钻具上面，或设置在如图3所示的可控钻具的下面。这种独特的设置允许钻杆14以一个期望的转速转动，且允许泥浆马达的转动以一个不同的转速输出，以便使钻进特性得到优化，而不会造成钻杆的过度疲劳。当把本发明的旋转可控钻井系统直接与钻杆相连，那么钻头的转速就与钻杆的转速相同。这就限制了钻头的最大转速，因为钻杆的转速增大，会由于疲劳而限制钻杆的使用寿命。当图2和图3中的泥浆马达M与旋转的可控钻井系统联合运转时，钻机的旋转台能为钻杆设定成最优化的转速，且泥浆马达将使钻头的转速增大，该钻头是由泥浆马达的输出来驱动的。旋转台能以例如50转/分的转速转动，从而允许消除(breaking)井眼与钻杆之间的磨擦，这个速度不会因疲劳而限制钻杆的使用寿命，而钻头的速度能由泥浆马达来增大，以便使钻进特性得到改善，从而能进行延伸钻进。当旋转可控钻井系统位于泥浆马达下面时，旋转可控钻井系统能以泥浆马达控制的转速运作，当旋转可控钻井系统直接与钻杆相连时，它能以钻杆速度进行运作。如果泥浆马达位于旋转可控钻具的下面，那么它的旋转输出被直接作用到钻头上。当泥浆马达位于旋转可控钻具上面时，在钻进期间的控制会有更大的精度，这是因为从精确的方向控制来看，从旋转可控钻具到钻头之间的距离是一个主要的控制因素。

应当记住，本发明的旋转可控钻井系统可以与其它的钻具相联系被连接在钻杆内，如上面所提到的用于对转速和转矩进行控制的泥浆马达，以及用于控制钻头上的重量的推进器。此外，钻井人员可以根据不同的特性来选择钻杆内的这些部件的布置，如所钻的弯曲井眼的坚硬性、所钻地层的特性、钻井所用的钻井设备的特性、以及钻进处的深度。图4表示旋转可控钻具26沿着钻井液驱动的推进器T连接在钻杆14内，推进器用于控制钻头上的重量。推进器主要由一个液压控制活塞组成，底孔装置的下面部分与该活塞相连。旋转可控钻具26与推进器T之间的连接器27可以是一个简单的管连接器，或是一个工具部分，该工具部分允许控制特性、电子控制、液压控制、或液压控制与电子控制的组合在旋转可控钻具与推进器之间进行结合。如果需要的话，连接器27可以为如图10或图11所示的柔性管的形式。如图5所示，一个推进器T被连接在旋转可控钻具26的下面，并且这是可以通过调节钻具的钻头杆的位置来把它以与钻具26的套管呈角度的关系进行定位。在这种情况下，钻头杆为推进器提供支撑，而推进器为钻头提供支撑，并控制钻头上的重量。图7表示连接在旋转可控钻具26上面的一个泥浆马达M，并表示出了在泥浆马达上面连接在钻杆14内的一个推进器T。如果需要的话，旋转可控钻具与泥浆马达之间的连接或泥浆马达与推进器之间的连接或两者均可以通过图10和图11中所描述的柔性管来提供。图8表示与钻杆14相连的旋转可控钻具，它具有一个与钻具的对地静止的钻头杆相连的泥浆马达M，从而沿着钻头杆与钻具套管成一个角度。推进器T位子泥浆马达M的下面，用于支撑钻头和控制钻头上的重量。推进器T通过泥浆马达M的输出轴相对于旋转钻具26的套管进行定位，泥浆马达被定位，为了方向控制，通过旋转可控钻具的钻头杆用于方向控制。图9表示旋转可控钻具26，它与钻杆14相连，并具有一个推进器T，该推进器T由钻头杆支撑并相对于钻具的套管进行定向。泥浆马达M位于推进器的下面，从而马达的输出轴支撑并驱动钻头。钻头就这样由旋转可控钻具来控制方向，并以钻杆的转速和泥浆马达输出轴的转速两种速度驱动。这就使钻头能以大于或等于钻杆的转速进行转动，而同时，钻头上的重量由推进器来控制。

如图9所示，在推进器T的流体回路上可设置一个控制阀D1，同时可在泥浆马达M的流体回路上设置一控制阀D2。这些控制阀由旋转可控钻井系统的控制回路进行可选择地定位，由图中的线C所示，从而允许推进器和/或泥浆马达被设在旋转可控的钻井系统的控制系统内，形成一个整体。以这种方式，泥浆马达和推进器受反馈相应控制的方式与旋转可控钻井系统的相同。泥浆马达内的控制阀D2能由旋转可控钻井系统来控制，以便控制泥浆马达输出轴的转速，从而控制钻头上的转矩。推进器的控制阀D1由旋转可控钻井系统的控制系统进行选择性定位，从而对钻头上的重量进行控制。于是，本发明的旋转可控钻井系统通过有效地控制钻头上的转矩及控制钻头上的重量，对钻头实现了有效的方向控制，并提高了钻进特性，从而促进了延伸钻进。

图10和图11表示一根钻杆14，该钻杆14连接了一自动控制旋转可控钻井系统26，用于对连接有一钻头12的钻头杆进行方向控制。钻杆14还设有一个用于增大钻头12的转速的泥浆马达M以及一根用于提高方向控制精度的柔性管28，该方向控制精度是通过旋转可控钻井系统来实现的。柔性管28还使旋转可控钻井系统从钻杆上可选择地脱开，从而提高了方向控制能力。

参照图12、14及15，图中表示根据本发明的原理所构成的一自动控制的旋转可控钻井系统，其总体上由附图标记26表示，它代表本发明的一个优选实施例。自动控制的旋转可控钻井系统26具有一套管32，在该套管32的顶端形成一内螺纹部分34，从而能把套管32直接连接到柔性管28上或一泥浆马达和推进器的输出轴上，这取决于可控钻具26的使用方式。参照图14中的可选实施例，在套管32的上面部分，设置了一个电磁感应系统36和一电线连通连接物38，以便从旋转可控钻具26向井上边钻边测系统(MWD)之间提供信号通信，在钻井期间实时地把井下数据送回地表，从而有利于从地面钻井控制设备到钻具之间的控制信号的通信。套管32还形成一个电子元件和传感器支撑部分40，在这部分内具有各种传感器设备。支撑部分40可以形成一个接受器42，该接受器42内安装一磁强计、加速度计、陀螺仪传感器，它能提供电子输出信号，这些信号被动态地用于钻具的方向控制。自动控制的旋转可控钻井系统26的许多电子元件也可以设置在电子元件和传感器支撑部分40内。例如，一个地层阻力测量系统41可设在套管32内用于沿着套管转动，并且设有垂直方向间隔开的发送器和接收器，从而使电磁信号能确定地层阻力。在旋转钻进正处于操作过程时，测量所钻地层阻力，这种用于测量地层阻力所用的方法和装置可以方便地采用美国专利US5594343，在此引用这篇专利文献作为参考。阻力测量系统的装置和电子元件可以和套管32一起转动，或它可与自动控制的旋转可控钻具的其它部件一起转动。阻力测量系统还可以根据需要设置在钻具26内的任何其它的期望位置上，以便改善旋转可控钻井系统的制造及应用。各种其它传感和测量系统也可以设在电子元件和传感器支撑部分40内，包括例如γ射线测量系统，或声音成像系统。钻具26还可以结合转速监测设备、钻头杆震动传感器等等。此外，电子数据处理系统也可以被包括在钻具的电子元件包内，用于接收和处理各种数据输入，并提供信号输出，这些信号输出被用于方向控制和控制钻井期间所遇到的其它因素。电子数据处理系统可以选择性地位于钻具内，从而能与钻具套管一起转动或在钻具套管内与钻头杆及它的操作部件一起反转。

如图12和14所示，在电子元件和传感器支撑部件40的正上方或下方，设有一个流体驱动的涡轮机构，图中由附图标记48所示，该涡轮机构48具有一个定子50和一个转子52，其中的定子50最好与套管32相互固定地设置，其中的转子52被安装成相对于定子50转动。如图13所示，转子52和定子50的相对位置能调节，为了可控制地改变效率并改变涡轮机48的输出，定子和转子中的任何一个或两者都可以进行位置控制移动。转子52设有一根涡轮机输出轴54，该涡轮机输出轴54通过一传动机构58与一个交流发电机56(altemator)呈驱动关系地设置。由于涡轮机输出轴54与传动机构58呈驱动关系地连接，因此就能通过安装定子50来获得效率控制，从而能通过钻井系统的电子元件对涡轮机输出要求的响应来可控制地移动。涡轮机也可以被电制动，以限制它的自由旋转，从而增大可从涡轮机上获得的动力。在这种电制动过程中所产生的热量将通过流经钻具的钻井液被散发掉。这种流经钻具的钻井液还可以对钻具的各种内部元件进行冷却，如电子元件包、交流发电机和钻头杆定位马达。在本发明的一个实施例中，如图14所示，交流发电机56作为涡轮输出的阻力，并由于它的阻力，这个交流发电机被用作一个电磁制动器。根据本发明的一个优选实施例，交流发电机设置一个传动机构58，它允许涡轮机48能以一个最优转速运作，以便交流发电机有效地运作。交流发电机56提供一个电输出，它与电动机60的操作和控制电路相连，从而由涡轮机驱动的交流发电机56产生的电能被用于驱动电动机60。

一个由电动机60驱动的齿轮箱或传送装置61的转动输出与偏移心轴62呈驱动关系相连，该偏移心轴62由电动机60的内部转子来可转动地驱动，连接在这个偏移心轴62上的是一个旋转驱动头64，该旋转驱动头64具有一个偏心布置的定位接受器66，在这个接受器66内，容装了一钻头杆70的一个端部68。偏移心轴62与旋转驱动头64相对于套管32的转动来说是反向的转动，以便在钻井期间保持钻头杆70的轴线对地静止。钻头杆70被安装成能在套管32内，在它的两端中间进行转动，以便围绕一个象枢轴似的万向节72进行全向移动，这个万向节最好采用球形枢轴结构并具有球形枢轴的功能，如图17和图19所示，并详见下面的描述，如果需要的话，也可以采用如图21和图25中所示的那种花键结构，这些也将在下面作详细描述。电子数据处理系统的某些部件可以对地静止的设在旋转驱动头64内。例如，加速度计、磁传感器和陀螺仪传感器可以设置在旋转驱动头64内。在旋转驱动头64上设置一个倾斜传感器，从而对钻头在井眼内的位置进行测量。

为了保证旋转可控钻井系统井下方向控制的精确性，钻具的旋转部件的精确定位形成一个已知的位置指标，根据这个位置指标就能确定方向的正确性。这样，把位置指示传感器以一个与相对于钻头杆的旋转驱动系统呈对地静止的关系进行设置是可取的。因此，偏移心轴62的旋转驱动头64可以设置各种位置指示器，例如加速度计、磁强计以及陀螺仪传感器，它们都以与旋转驱动头64以及与其并行转动的其它部件呈固定的关系被设置。采用这些位置指示部件，就不需要在钻井操作时对旋转可控钻井系统26的套管32和钻杆进行精确定位了，并有助于实时地向钻井系统的信号处理包进行位置信号反馈，从而通过旋转可控钻井系统的控制系统能自动进行跟踪纠正，以保持钻头的期望路线。

现在参照图14，图中26A总体地表示本发明的一个可选的实施例，与图12中相同的部件在此采用相同的附图标记。但应当记住，  图12与图14中所示实施例的基本区别在于涡轮机48和交流发电机56与旋转可控钻井系统26的电子元件和传感器支撑部分40之间的相对位置。如图14所示，在管状的钻具套管32内，电子元件和传感器支撑部分40位于涡轮机48的上面。图14中的涡轮机48的定子50和转子52能相对调节，定子50在套管32内相对于转子52最好直线移动，以便调节效率并因此调节涡轮机的输出功率。涡轮机输出轴54与一交流发电机56呈驱动关系地连接着，其中的交流发电机56具有一个传动机构58，用于允许涡轮机和交流发电机以一个适合的速度进行运行，从而能获得最优的转矩输出。由电动机运作、制动及系统的电子元件所产生的热量将不断地通过连续流经旋转可控钻井系统的钻井液来散发掉。交流发电机56向一个电动机60提供动力。电动机60的输出轴用作一偏移心轴62，并设有一个旋转驱动头64，在该旋转驱动头64内偏心地设有一个定位接受器66，它接受一钻头杆70的驱动端68，用于使钻头杆围绕它的万向节支撑件72以上述附图12中所示实施例的方式进行转动。关于用于钻头杆70的全向或万向节支撑件72，应当记住，  全向或万向节支撑件可以为如图17和图19所示的球形的，或者是如图21和图25所示的花键形的。

现在来参照附图15，图中26B总体地表示本发明的另一个可选的实施例，图中与图12所示实施例中相同的部件也采用相同的附图标记。旋转可控钻井系统26B设有一细长的管状钻具套管32，它用于与一钻杆或钻杆的旋转部件相连，从而在钻井期间，使得钻具套管32被转动。在钻具套管32内，安装了一个涡轮机，图中大体上用附图标记48来表示，它包括一转子和一定子装置，流经钻具套管的钻井液流49对这个涡轮机进行驱动。如图所示，旋转可控钻井系统的电子元件和传感器及制动机构35通过安装元件33被固定在钻具套管32内，从而形成一个环形空间37，该环形空间37形成一条流通路，允许钻井液从该流通路中通过。在钻井期间，在电子元件和传感器及制动机构35内产生的热量被不断流经旋转可控钻井系统26B的钻井液带走。涡轮机的转子使驱动杆以一个涡轮机的最优运作速度进行转动，虽然这个速度一般都超过了偏移心轴和钻头杆转动，且它具有一个转矩输出，该转矩输出足够用于钻头杆轴线的对地静止定位。因此，安装在钻具套管32内的齿轮系39的输入机构与涡轮面的驱动轴相连，而输出机构与一偏移心轴62相连，以施加驱动转动。与图14所示的方式相同，偏移心轴62设有一个旋转驱动头64，该旋转驱动头64设有一个偏心的定位接受器66，其接受万向转动钻头杆70的上端68。钻头杆70通过一个万向节72被安装在钻具套管32内，其安装的方式及目的见上面的描述。

现在参照图16，应当记住，本发明的范围旨在包括具有液压驱动的偏移心轴旋转控制和钻头杆定位控制及图12和图14中所示的涡轮/交流发电机驱动的马达控制的旋转可控钻具。如图16所示，一涡轮机48安装在钻具套管32内，并设有一个转子52和一个定子50，转子的输出轴与一液压泵53呈驱动关系连接。如图所示，涡轮机48可以安装在电子元件和传感器支撑部分40上面的钻具套管32内。一液压马达55被安装在钻具套管32内，并由来自泵53的高压液压流体进行运作，以便驱动偏移心轴62。如果需要的话，该液压马达55也可设置一个制动系统或与一制动系统相连，从而可用作为马达或制动器。此外，液压马达55的旋转输出可以通过齿轮箱57来改变，以提供期望的转速和动力，从而在钻井期间能有效地控制方向。

现在来参照图17和图18，详细地表示出了图12中的自动控制旋转的可控钻具26的机构，该机构代表本发明的一个优选实施例。在管状钻具套管80的下端，设有一钻头杆支撑接受器82，它由钻具套管80的一管状延伸件84形成。在这个接受器82内，设有一个管状套86，它具有一个推进环90，它由弹簧加载，挤压着钻头杆转动环94，并形成一个球面部分92。钻头杆转动环94被设置在钻头杆96的周围，形成一个相应的球面部分98，它与推进环90的球面部分92相支撑配合，从而使得推进环90把推进力从钻头杆转动环94传送到管状钻具套管80，同时，允许钻头杆绕旋转点99转动，球面部分92就是绕这个旋转点形成的。一个分段保持器97被设置在钻头杆96的一条圆形的保持器槽101内，并通过一个钻头杆转动环94的一个压在上面的圆形部分固定在该圆形保持器槽101内。一第二推进环100被设置在钻头杆96周围，并形成一球面部分106，它绕旋转点99对中，并与推进环90的球面部分92朝向相同的方向。该第二推进环100形成一个平面传送台肩面102，该台肩面102与钻头杆转动环94及分段的保持器97呈传送配合，一第二钻头杆转动环104被设置在钻头杆96的周围，并形成一球面部分107，该球面部分107与球面部分98同心，并与推进环100的球面部分106呈传送配合，从而允许钻头杆96绕旋转点99转动，球面部分92和106都是围绕这个旋转点99而形成的。钻头杆转动环104被保持着，它通过一弹簧与推进环100配合，其中的弹簧通过一第一球支撑环108来定位。推进环90和100能够相对于旋转点99改变其位置和直径，这并没有脱离本发明的范围。

位于钻具套管80与钻头杆96之间的一系列推进环是一个优选的实施例机构，它用于把轴向力从钻具套管80传送到钻头杆96，并在杆支撑接受器82内沿轴向和径向将钻头杆96包住。这种双向力传递的实施允许钻头杆96绕旋转点99转动，并允许钻头杆的轴线保持对地静止，同时以一个特定的方向转动。传递力的一些可选方法包括也可以允许钻头杆绕旋转点99转动的角形接触径向轴承，或允许力传送和旋转的锥形推进环和角形接触径向轴承的组合。

第一球形支撑环108形成一个圆形槽部分表面110，该表面具有许多凹坑，这些凹坑与许多球形轴承112紧密配合，球形轴承112安装在钻头杆96内的球表轴承槽114内。利用许多键或花键，如图19中的附图标记211所示，球表支撑环108相对于钻具套管80可转动地被束缚着。一第二圆形球形支撑环116被定位，从而使得一圆形槽部分表面118形成许多凹坑，这些凹坑与球形轴承112宽松地配合，并利用花键也可相对于钻具套管80可转动地被束缚着。第二球表支撑环116反过来由一保持器套120来支撑着，该保持器套120通过螺纹与钻具套管80的管状延伸件84相连。

图25中表示用于传送套管182与钻头杆188之间的转矩的一个可选实施例，其中，套管182通过钻头杆延伸件300的平的或圆接触面301把转矩传送到钻头杆188。也能采用许多钻头杆延伸件300，它们可以作为钻头杆188的一个整体部分，或者是作为被束缚在钻头杆内的附加件。

图17和图19中所示的球形支撑环108、球形轴承112及球形轴承槽114的组合形成把钻进转矩从钻具套管80传送到钻头杆96的装置，并依次传送给钻头。球形支撑环108和116内的超大型的槽部分表面110和118允许钻头杆96绕旋转点99转动，同时，把钻井转矩从钻具套管80传送到钻头杆96。

因此，这个实施例对钻具套管80与钻头杆96之间的推力和转矩负荷进行传递，同时允许钻头杆轴线在被钻具套管80转动的同时保持对地静止，从而实现在选定方向进行钻进。

在其下端，管状钻具套管80设有密封装置，用于把外部钻泥浆与在万向节周围的内部润滑保护油分隔开。实现这种密封的一种适合的装置为一种波纹管式的密封装置126，它能形成有效的障碍，把钻井液排除在万向节装置之外，同时适应钻头杆96相对于钻具套管80的旋转移动。

钻头杆96相对于管状钻具套管80的角定位通过图17中附图标记128所示的一个偏心定位机构来实现。偏移心轴130由轴承142可转动地被支撑在钻具套管80内，并设有一个弥补机构，以便实现钻头杆96相对于套管80的纵轴的角向偏移。一种用于形成这种偏离的优选方法如图22A-D所示，其中，偏移心轴可转动地与一具有偏移内表面401的外环400相连，这个圆形内表面具有一中线，与内环406的外径成一个角度并具有一偏移量，这在图22B中能看得更明显。在图22A中，外环和内环的偏移量减小，这使得钻头杆轴线402(与内环406的内径407对齐)与偏移心轴的纵轴线对齐。因此，如图22A和22B所示，内环(钻头杆)的中心405与外环(偏移心轴)404的中心404一致，因此，使得旋转可控钻具钻进直线井眼。

如果内环406相对于外环400转动180度，如图22C和22D所示，那么外环400和内环406的最终几何尺寸就加上外环和内环的偏移量，使得穿过中点405的钻头杆轴线402相对于外环400位于最大偏移量处，因此使钻头杆相对于钻井套管的角度最大，从而沿期望的方向进行钻进。为了使钻头杆相对于钻具套管的角度小于图22C和图22D中所产生的角度，钻头杆定位环在图22A和22B的环位置与图22C和图22D的环位置之间能进行任何的相对旋转定位。因此，钻头杆的纵轴相对于钻井套管纵轴的角度以在零度与一个预定的最大角度之间变化，这取决于钻头杆定位环的相对位置。这些环能通过各种机械装置或电子装置进行相对转动，这些装置包括齿轮传动马达，但并不局限于齿轮传动马达。

应当记住，偏移机构的环中的一个环能由图17所示的位于偏移心轴130下端的同心驱动元件132的偏心接受器134来形成。当偏移心轴130的偏心接受器134被同心驱动元件132转动时，偏心接受器134使得钻头杆96的上端相对于偏移心轴130的旋转轴线侧向定位，它由图22A-22D中的环400和406的相对位置来确定，因此，使得钻头杆96绕其万向支撑件转动，从而使它的纵轴线133与图17所示的管状钻具套管80的旋转轴线135成倾斜角度关系。由于偏移心轴驱动马达，其可以为电动的、液压的或为一驱动涡轮，该偏移心轴驱动马达反转管状驱动轴和偏移心轴130的同心驱动元件，其转动频率与管状钻具套管80的频率相同，从而同心驱动132把钻头杆的纵轴线133保持成与管状钻具套管80的旋转轴线成一个对地静止的角。由于钻具套管80与钻头套管96之间是直接转动驱动关系，因此由钻杆或由一个与钻杆相连的泥浆马达使钻具套管80进行的转动造成钻头杆96去转动钻头，该钻头以一个倾角和方位角被支撑着，该倾角和方位角是通过对钻头杆的这种定向来形成的。这就使得钻头可以钻进弯曲的井眼，这种弯曲的井眼可以继续它的弯曲，直到形成所期望的井眼倾斜度。然后通过地面信号或通过从各种板上(onboard)控制系统来控制钻具，使得钻具的方向控制机构被中和，使所形成的井眼沿着由弯曲井眼所形成的倾角和方位角继续直线钻进。这种“环内套环”的钻杆调节特征有利于在钻进过程中进行钻头杆的角度调节，而无需停止钻进，也无需把钻井设备从井眼内撤出。

为了适应钻头杆96的转动移动，而不会干扰液体流经钻头杆的流通路，偏移心轴130设有一个偏移流路部分150，它对来自管状驱动轴的流通路152的流动的钻井液进行导向，并即使当钻头杆96被定位成与钻具套管80成最大角度时，也允许钻井液非限制流动经过偏移心轴130。如图18所示，在偏移心轴130周围设有一个管状的压力补偿器154，它把油腔与一环形腔159相互分开，并在油腔158内容纳有一种保护油介质。压力补偿器154被连接和密封到一管状电子元件承载器166的下端，这在图20的剖面图中也有表示。管状电子元件承载器166形成一个偏重部分168，该偏重部分168在90度范围内沿周向伸出，如图20所示，并对各种控制元件进行固位，例如，磁强计、陀螺仪设备、加速度度、阻力传感器等等。此外，在钻头杆转动期间，加重部分168还提供平衡力，来补偿旋转的钻头杆启动时的侧向载荷，从而减小了钻进期间旋转可控钻具的震动。在钻具套管80的内部和管状电子元件承载器166的外部形成一个部分周向空间170，它为旋转可控钻具的系统电子元件172提供了位置。系统电子元件172与各种系统控制元件被驱动马达进行反转，其转速与钻具套管的转速相同，从而在钻井期间，使得电子元件与系统控制元件基本上是对地静止的。

现在来参照图21，图中附图标记180总体上表示本发明的一个可选实施例，该实施例中具有一个与一钻杆相连的钻具套管182，它按上述方式进行转动。钻具套管182形成一细长的管状延伸部分184，该管状延伸部分184形成一个内部接受器186，该内部接受器186内具有全向驱动连接或万向节，以便允许钻头杆188相对于钻具套管182倾斜，从而使钻头杆与钻头对地静止定位，用于弯曲井眼的钻进。位于内部接受器186的一个台肩支撑着一推进环190，该推进环具有一个球面部分192。在钻头杆188的周围设有一个钻头杆转动环194，钻头杆转动环194形成一个球面部分196，该球面部分196与推进环190呈力传递和转动移动关系。钻头杆转动环194形成一个圆形凹坑，在这个凹坑内设有一个圆形推进突缘200。一第二推进环204也环绕着钻头杆188，该推进环204的一个轴端与圆形推进突缘200及钻头杆转动环194相配合。第二推进环204的下部圆形面是由一个圆形球面部分206形成的，它是球的一部分，并与球面部分192同心。圆形球面部分206通过一下部推进环208的外部朝上的球面部分207来配合，从而在绕旋转点209对钻头杆188的纵轴线相对于钻具套管182的纵轴进行固定。

现在来参照图23，图中通过方框图的形式来描述本发明的旋转可控钻井系统的系统控制结构。系统电子元件240结合一可编程的电子内存和处理器242，它采用恰当的算法来编程，以便进行期望的钻具面的计算，形成井眼弯曲，对所钻井眼进行方向控制，使井眼被钻到所期望的地下区域。系统电子元件能井下编程，并能在钻进期间可编程，从而使钻井人员在钻进期间能选择性地对钻头进行方向控制。

当可控钻进正在进行时，形成各种数据，并将这些数据输入系统电子元件，用于钻具面计算。来自磁强计244的数据为系统电子元件提供钻具套管相对于地球磁场的位置。来自一个或多个陀螺仪传感器246的数据为系统电子元件提供输出轴即旋转可控钻井系统的钻头杆轴的角速度。为了进行控制，通过选择一个“或”门电路248，使系统电子元件能获得来自磁强计和陀螺仪传感器的数据，其中的“或”门电路能由系统电子元件自动开动，并由来自地面的控制信号来选择性的开动。在旋转可控钻井系统内设置至少一个、最好是设置许多加速度计250，并向系统电子元件提供数据输入，系统电子元件对钻具套管的位置相对于重力进行实时确定。

利用来自磁强计、陀螺仪传感器及加速度计的数据，系统电子元件240计算钻具套管划线与偏移心轴划线之间的瞬时期望角，并把信号传送到代表期望角度的马达控制器252。

一个角度位置传感器260，例如一分解器(resolver)设置在管状钻具套管内，并以不能转动的关系设置在无刷直流电动机/制动器256的驱动轴周围，该直流电动机/制动器256能转动地驱动偏移心轴或能转动地制动偏移心轴，该偏移心轴由系统电子元件240对各种信号输入作出反应来加以控制。角度位置传感器或分解器260的目的是及时地在任何给定的点确定电动机/制动器轴相对于钻具套管的实时位置，并通过信号导线257把电动机/制动器位置信号传向电动机控制器252。应当记住，电动机轴在一转动方向上被驱动，该转动方向与管状钻具套管的转动方向相反，管状套管是由钻杆来转动的，管状钻具套管与钻杆相连，电动机轴的转动频率与钻具套管的转动频率相同。角度位置传感器或分解器可以采用美国专利US5375098中所描述和显示的形式，在此引用这篇专利作为参考。电动机/制动器256的输出轴驱动一齿轮箱262，从而允许电动机以其最优的转速运作，从而获得期望的转矩，并允许输出轴258与钻具套管的转速同步转动。设置了一开关/触发器264，例如霍尔效应传感器或其它触发器电路，当被触发时，它就提供偏移心轴相对于钻具套管的实际位置。开关/触发器的信号通过信号导线265输入电动机控制器252，以便确定钻头杆的位置变化，如果有变化，那么在可控的钻进操作期间，就需要使钻头沿着所设的弯曲轨道进行钻进。作为可选的方案是，角度位置传感器260可以安装在齿轮箱262输出轴上。

现在来参照图24，图中表示图14所示的可选实施例的系统控制结构，其中，通过一钻井液驱动的涡轮机和制动器来实现偏移心轴的反转的动力，从而实现钻头杆的转轴的对地静止定位，并通过控制涡轮机的效率来进行部分控制。那部分系统控制结构用于形成一个控制信号，代表钻具套管的划线与偏移心轴的划线或参考线之间的期望的角度，这部分系统控制结构大致为结合图23所描述的形式。这个角度控制信号被供给一制动控制器266，该制动控制器266也通过触发器信号导线268接收来自一触发器电路270的位置信号输入，并通过一分解器信号导线接收来自一分解器274的位置信号输入。制动控制器266的控制信号输出被供给效率控制电路276，用于控制涡轮机278的效率，并且被供给一制动器280，用于可控制地对涡轮机278的输出轴进行制动，从而通过分解器控制轴的转动。为了确保由涡轮机转动且由制动器控制的杆，典型的是偏移心轴，以一个适当的速度转动，以便对钻头杆进行有效率的定位控制，一齿轮箱280的输入轴可与由涡轮机驱动和制动的杆相连，并且可以适当地传动，以便在期望的速度范围内驱动它的输出轴282，从而有效地对钻头杆进行定位，并进行有效地弯曲井眼的钻进。

一个可选择的方案中，在该系统内包括一个涡轮机控制机构，该控制机构能通过改变它的效率来改变涡轮机所产生的动力(power)。如图24的方框系统控制结构图中的附图标记276和278及图13中所示，这个特征是这样来实现的，即通过把涡轮机的转子52安装在一定子50内，形成一个锥面53，并通过相对于转子直线移动定子50，形成一个选择性的可变涡轮机。旋转可控钻具内的用于涡轮机48的安装系统将使定子50被安装在钻具套管内，以便根据对系统电子元件和制动控制器的反应来控制直线移动。定子的安装系统由钻具的控制电子元件来启动，即由图24中所示的位置信号敏感制动控制器266和效率控制276来启动，从而钻具位于井眼内的情况下能获得可调节的定位，并在钻具工作的同时能有效地把涡轮机转速和转矩保持在期望的限度内，以便有效地进行运作。

这种涡轮控制机构可被用于降低以高流速的涡轮机的动力输出。在流速更低时，涡轮机将以最大效率运作，以确保涡轮机动力总是大于阻抗动力。由于涡轮控制机构主要对流速变化进行反应，因此，它的响应带宽不需要非常高。

根据前面所述，很明显，本发明能获得在此描述的发明目的和特征，也能实现在此公开的装置中所固有的发明目的和特征。

对于本领域普通技术人员来说，本发明可以很容易地采用其它的特定形式，而这并没有脱离本发明的实质和必要特征。这里的实施例应被认为是说明性的，而不是限制性的，本发明的范围是由权利要求限定的，而不是由前面的描述来确定的，本发明包括了属于权利要求中的等效方案的各种变型。

Claims (23)

1.一种用于钻井的自动控制的旋转可控的钻井系统，包括：

一钻具套管(20，32，80，182)，适合与一钻杆(14)相连，以便由钻杆(14)转动，所述钻具套管具有一条纵轴线；

一钻头杆(70，96，188，406)，被支撑在所述的钻具套管(20，32，80，182)内，围绕一旋转点(72，99，209)进行旋转移动，所述的钻头杆具有一条纵轴线并由所述的钻具套管可转动地驱动，并适合支撑一钻头；

设在所述钻具套管内的装置(246，260)，用于动态地检测所述钻头杆的纵轴线与所述钻具套管的纵轴线之间夹角，并提供钻头杆位置信号；

用于处理所述检测装置的钻头杆信号的装置(242)，该装置使得所述钻头杆围绕所述旋转点相对于所述钻具套管的转动作同步反转，并在所述钻具套管转动所述钻头杆期间，使所述的钻头杆的所述纵轴线基本保持对地静止，并且相对于所述钻具套管可选择性地轴向倾斜；

一偏移心轴(62，130)，可转动地设置在所述钻具套管内，并与所述的钻头杆具有偏移驱动关系，以便向所述的钻头杆施加旋转运动，并使所述的钻头杆围绕所述旋转点转动；所述的偏移心轴限定了一个用于接受所述钻头杆的一端的钻头杆驱动接受器(134，186)，并与所述的纵轴线偏心设置；

一对相互配合的偏心环(400，406)设置在所述钻头杆驱动接受器内，相对相互配合的偏心环中的一个偏心环(406)与所述钻头杆呈传送力的关系接触，另一个偏心环(400)与所述钻头杆驱动接受器呈传送力的关系接触，所述的相互配合的偏心环能相互定位，以便对所述钻具套管的所述转动轴线及所述钻头杆的所述纵轴线进行角度定位；以及

向所述偏移心轴施加反转的装置(60，61)，转动的频率与所述钻具套管的转动频率相同，所述装置(60，61)包括一个转动马达，设置在所述的钻具套管内，与所述的偏移心轴呈旋转驱动关系；和用于控制所述转动马达的运作的装置(58)，它是根据对转动的实时测量和钻头杆相对于钻具套管的角度位置来进行控制的；

其特征在于：所述的转动马达是一个电动机(60)，其被连接而由设置在所述的钻具套管内的涡轮机驱动的交流发电机(56)所提供的电流操作；

还包括制动装置(35)，设置在所述的钻具套管内，用于选择性地向所述偏移心轴施加转动制动力。

2.根据权利要求1所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于：

一个基于位置的控制环，与所述的自动控制的旋转可控钻井系统成为一体，所述的系统包括磁强计、加速度计和用于传送位置指示信号的陀螺仪传感器；

系统电子元件处理所述的位置指示信号，并提供马达控制信号输出，用于控制所述转动马达的运作。

3.根据权利要求1所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于：

一万向节(72，180)被设置在所述的钻具套管(20，32，80，182)内，支撑所述的钻头杆(70，96，188，406)，以便相对于所述钻具套管进行旋转运动；

所述的万向节具有力传送支撑装置(196)，允许所述钻头杆绕所述的与所述钻具套管的所述纵轴线相一致的所述旋转点(72，99，209)作旋转运动，并把力从所述钻头杆传送到所述钻具套管以及从所述钻具套管传送到所述钻头杆。

4.根据权利要求3所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于，还包括：

密封装置(126)，与所述的钻具套管(20，32，80，182)和所述钻头杆(70，96，188，406)密封配合，并形成一个内腔，所述的万向节(72，180)被设置在这个内腔内；

一保护和润滑液体介质，位于所述的密封的内腔内，以便对所述万向节进行保护和润滑。

5.根据权利要求4所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于：

所述的密封装置是一个管状结构的波纹密封件(126)，它的一端被密封到所述的钻具套管(20，32，80，182)上，另一端被密封到所述的钻头杆(70，96，188，406)上，所述的波纹密封件把密封的内腔与所钻井内的钻井液相互分开。

6.根据权利要求1所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于，

一个可转动地支撑着所述钻头杆(70，96，188，406)的万向节(72，180)位于所述的钻具套管(20，32，80，182)内，所述的万向节包括：

位于所述钻具套管内的装置(118)设有内部凹坑；

所述的钻头杆设有外部凹坑，这些外部凹坑与所述的内部凹坑对齐；

多个旋转球元件(112)，被配合在所述的内部凹坑和外部凹坑内，支撑着所述钻头杆，以便钻头杆的轴线相对于所述钻具套管的纵轴线，在零度与一预定的最大角度之间，围绕在所述钻具套管内的一旋转点转动，并与所述钻头杆和钻具套管的所述纵轴线相一致。

7.根据权利要求6所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于，还包括：

推力传送环装置(90，100，104)，设置在所述钻头杆与所述钻具套管之间，并在所述旋转点(72，99，209)周围形成球面装置(92，98)，所述的推力传送环装置允许所述钻头杆在所述钻具套管内转动，并同时在所述钻头杆与所述钻具套管之间传送力。

8.根据权利要求7所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于，所述的推力传送环装置包括：

一第一推力环(90)，设置在所述钻头杆和所述钻具套管之间，与钻具套管呈推力传送关系，所述的第一推力环在所述的旋转点周围形成一凹球面部分(92)；

一第一钻头杆转动环(94)，设置在所述钻头杆和所述钻具套管之间，并形成一凸球面部分(98)，该凸球面部分与所述的第一推力环的凹球面部分之间能精确移动地配合；

一第一保持器(97)，与所述钻头杆呈力传送的关系，并把所述的第一推力环(90)和所述的第一钻头杆转动环以力传送的关系与所述钻头套管和所述钻头杆固定；

一第二推力环(100)，设置在所述钻头套管与所述钻头杆之间，与所述的保持器呈力传送的关系，所述的第二推力环在旋转点周围形成一凹球面部分(106)；

一第二钻头杆转动环(104)，设置在所述钻头套管和所述钻头杆之间，形成一凸球面部分(101)，与所述的第二推力环的凹球面部分之间能精确移动的力传送关系配合；以及

用于保持所述第二推力环和所述第二钻头杆转动环的装置，使其相对于所述钻具套管呈固定关系。

9.根据权利要求1所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于，还包括：

至少一个设置在所述钻具套管内的磁强计(244)，提供电子输出信号，以便在所述钻具套管转动钻头杆期间，通过选择性地对所述钻头杆进行定向，从而动态地对所述的钻井系统进行方向控制。

10.根据权利要求1所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于，还包括：

陀螺仪传感器装置(246)，设置在所述钻头套管内，提供电子信号，以便使所述钻头杆在一段时间内指向一个期望的角度。

11.根据权利要求1所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于，还包括：

所述钻具套管具有一个参照物；

加速度计(250)，设置在所述的钻具套管内，提供电子信号，这些电子信号表示所述钻具套管的所述参照物与重力场之间的角度。

12.根据权利要求1所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于，还包括：

一个电子控制系统，设置在所述的钻具套管内，在钻井期间，可以由所述的钻具套管转动。

13.根据权利要求1所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于，还包括：

一推进器(T)，连接在所述的钻杆(14)内，位于所述钻具套管附近，该推进器对旋转可控钻井系统的控制信号进行响应而被触发，以便在旋转可控钻井系统运作期间，控制钻头上的重量和转矩。

14.根据权利要求13所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于，还包括：

系统电子元件，设置在所述的钻具套管内，并具有可编程的推进器控制电路；

一钻井液控制阀(DI)，设置在所述的推进器内，并可控制地与所述的系统电子元件相连，所述的控制阀被系统电子元件可选择性地开动，以便在钻井期间对推进器钻井液的开动进行控制，减小钻头的卡滑，控制转矩。

15.根据权利要求14所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于：

所述的系统电子元件包括可编程电路，可以对所钻井眼的整个井眼轮廓进行编程，并为所述的自动旋转可控钻井系统提供井下对地的方向控制能力，允许使用所述的自动控制的旋转可控钻井系统来对井眼的整个弯曲部分进行钻进。

16.根据权利要求1所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于，还包括：

一泥浆马达(M)，连接在所述钻具套管上面的所述钻杆(14)内，使所述钻具套管的转速与所述钻杆的转速不同。

17.根据权利要求1所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于，还包括：

一泥浆马达(M)，连接在所述钻具套管下面的所述钻杆内，使钻头的转速与钻杆及钻具套管的转速不同。

18.根据权利要求17所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于，还包括：

设置在所述的钻具套管内的系统电子元件；

一控制阀(D2)，设置在所述的泥浆马达内，并可控制地与所述的系统电子元件相连，所述的控制阀由系统电子元件可选择性地开动，以便控制所述泥浆马达的钻井液的开动。

19.根据权利要求1所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于，还包括：

一个推进器(T)，连接在所述钻杆内，位于所述钻具套管附近，并在旋转可控的钻井系统运作期间控制钻头上的重量；及

一泥浆马达(M)，连接在所述的钻杆内，使钻头的转速与钻杆的转速不同。

20.根据权利要求19所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于，还包括：

位于所述推进器(T)的流体通路和所述的泥浆马达内的控制阀(D1，D2)，由系统电子元件可控制地开动，以便控制所述推进器和所述泥浆马达的效率，从而调节钻头上的重量、转速及钻头杆和钻头上的转矩。

21.根据权利要求1所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于，还包括：

一柔性管(28)，连接在所述钻杆(14)内，位于所述的钻具套管附近，以便提高所述钻头杆相对于所述钻具套管的角度位置的精度。

22.根据权利要求1所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于，还包括：

测量传感器装置(41)，设置在所述钻头附近，所述的测量传感器装置允许进行位置检测和在钻头附近进行测量，有利于钻井系统作出井下的方向控制决定。

23.根据权利要求1所述的自动控制的旋转可控钻井系统，其特征在于，还包括：

加速度计(250)，与所述的钻头杆构成一个整体，提供定位信号，这些定位信号反映在钻井期间所述钻头杆的倾斜度。

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