CN100540845C - 钻柱扭转能量控制组件和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于消除滑动粘附和/或包括轴向和/或旋转振荡的钻头振荡的扭转能量控制组件和方法。在一个优选实施方案中，该组件允许在钻柱的上部和钻柱的下部之间进行滑动。该旋转控制组件可以安装在钻柱中的任意所期望的位置处。该旋转控制组件可以用作其它钻井机构例如井下钻井马达的组成部件。该旋转控制装置允许在钻井期间进行滑动一段时间或预定的转动距离或其它标准，由此释放出钻柱中的扭转能量，否则该能量可能产生出破坏性的滑动粘附扭转振荡例如滑动粘附。该旋转控制组件在一个实施方案可以包括一开-关离合器，由此通过该组件可以在短时间内基本上完全传递或者基本上没有传递扭矩。

Description

钻柱扭转能量控制组件和方法

技术领域

本发明大体上涉及钻探石油、天然气等井眼。更具体地说，本发明涉及可操作用来将上下钻柱部分快速连接和脱开以通过防止钻头振荡来大大提高钻探性能的组件和方法。

背景技术

能源业专家认为滑动粘附是现代石油和天然气钻井的一个最大问题。其它工业技术专家认为轴向钻头振动和/或钻头跳动构成了在石油和天然气钻井中的最显著的问题。根据有本发明人对这些问题的研究，这些研究包括作为本发明一部分的对这些问题的理解，如后面所述一样已经以计算机模拟的方式推断并且阐明了这两个问题是密切相关的，并且实际上两者都与钻柱扭转振动或振荡直接等同。

无论何时钻头转动以钻入到岩层中，钻柱都具有扭转绕紧或扭转势能，就如在向扭转弹簧施加扭矩时其所具有的势能一样。在钻探时，最理想的是这个扭转绕紧或势能为基于钻柱的扭转常数的恒定数值，而不是变化的或振荡的量。钻管直径和井深在确定钻柱扭转弹簧常数中是重要的参数。

所出现的绕紧基本上存储了弹性势能。钻柱扭转能量可以随着钻头重量、钻井摩擦或切削条件变化，由此将或多或少的绕紧引入到该钻柱中。钻头速度随着扭矩增大而按比例降低。如果扭矩增大至足够大，则钻头完全停止转动。但是，由于转动动力仍然施加在用于钻井的钻柱上，所以该钻柱继续绕紧(不断增大弹性势能)。在该绕紧(所存储的弹性势能)大得足以克服使钻头停止的扭矩的增大时，所存储的势能变为使钻柱、BHA和钻头加速的动能。钻柱、BHA和钻头迅速加速，并且由于所存储的弹性势能目前比在初始转矩(RPM)下使钻柱、BHA和钻头转动所需的能量大得多，所以它们将比例如最大驱动输入rpm更快地加速。

钻头、BHA和钻柱速度(RPM)增大直到它比初始驱动的输入速度(RPM)更快地转动，从而使得钻柱的松开超过需要。过大的松开释放出比在初始转矩(RPM)下驱动钻头所需的能量更多的存储弹性势能并且开始谐波运动，例如但不限于轴向运动(钻头跳动)和滑动粘附(粘滑)。

绕紧和松开使得整个钻柱缩短然后伸长。速度从接近零rpm或零rpm改变至大于钻柱驱动恒定输入速度的速度，由此产生充分发展的滑动粘附(粘滑)和钻头跳动。过去，循环扭转振荡一直持续到钻工除去WOB或者存在连接故障。

钻柱扭转振动在钻井期间频繁地出现。通常，在钻柱的一个端部扭转同时另一个端部保持固定或者沿着相反的方向扭转时产生扭转应力。长的钻柱长度在钻井时一般将存储相当大的扭转能量。在扭转振荡变得剧烈时，它们能够逐步升级至滑动粘附振荡，由此钻头将短暂地停止转动或者至少放慢速度直到在钻头处发展了足够的扭矩以克服静摩擦。在停止的钻头自由转动时，它会以表面转速两至十倍的转动速度转动。例如，在以200rpm进行钻探时，滑动粘附变化会产生出在0和2000rpm之间的钻头转动rpm变化。

如上所述，钻柱的相伴而生的扭转和解开使得钻柱的轴向长度发生变化。因为现代的钻头的PDC切削元件具有非常短的长度并且理论上必须要与所要切削的表面保持恒定的紧密接触以便实现最大的切削效果，所以即使是在钻柱长度上的较小轴向变化也会大大妨碍钻井进程并且会造成钻头跳动。

而且，扭转滑动粘附通常被认为是其中一个最具破坏性的振动形式。在钻柱中的波动扭矩在不反复停止钻井的情况下难以控制。扭转滑动粘附几乎不可改变地对钻头或钻柱造成损坏。甚至小幅滑动粘附也被认作是钻头磨损的主要原因。

扭转振动可以由通过所施加的扭矩变化而出现的扭矩波动或由因多种原因上升的钻柱抵消。作为非限定实施例，扭矩变化可以由岩性变化、沿着钻井的摩擦力的变化、钻头重量和/或附着在软岩层中的稳定器的变化引起。要理解的是，随着施加用于使钻头转动以切削穿过岩层所需的扭矩，大量扭转能量将存储在钻柱中。扭转振动还影响了井孔并且会产生出扭曲的井孔，它会变成额外力矩的来源。因此，扭转振荡的问题是自加强的。由于许多原因，理想的是钻出更直的井眼，并且沿着所期望的钻探路径的螺旋形效应减小而且冲蚀部分更少。例如，已经发现在钻探期间在井眼中经常产生出的扭曲度或螺旋形效应与钻头性能降低、钻头涡动、钻柱装卸次数增大、由于通常与之相关的振动而引起的MWD(随钻测量)和LWD(随钻测井)的可靠性降低、在井眼中的设备损耗可能性增大、由于沿着井眼的沟槽而导致的循环和泥浆问题增大、稳定器磨损增大、钻井方向控制的降低、由于井眼变化包括冲蚀和侵蚀而导致测井工具响应变差、由于存在一个或多个细长沟槽而导致固井可靠性降低、砾石填充筛管的间隙问题、ROP(钻井穿透速率或速度)降低以及许多其它问题有关。

在钻井时，最好尽可能快地钻井以限制成本。已经估计出将目前的钻井速度加倍将导致石油业每年节约2-6亿美元的成本节约。这个估计是保守的。

在钻井期间，由于需要装卸钻柱所以浪费了大量时间。从井眼中取出钻柱有各种原因，例如为了更换钻头。降低钻柱装卸次数，尤其在其中钻柱的取出和更换需要花费相当长时间的深井中，将大大降低钻机日常租用成本。

虽然钻头的设计在现有技术中往往是主要关心的问题以减少上述许多问题，但是已经针对改善底部钻具组合的其它方面进行了一些努力。通常的底部钻具组合包括多个沉重的钻铤。典型的钢制重型钻铤相对廉价并且持久耐用。但是，由于其尺寸和结构，现有技术的重型钻铤不太平衡并且容易产生出变化。而且，即使在它们完全平衡的情况下，这些重型钻铤具有一弯曲点并且容易在钻井过程中向该点弯曲。不平衡的重型钻铤和整个井下组件的弯曲的结果产生出飞轮效应，并且在其中的不平衡性很容易使得钻头涡动、振动和/或不能沿着所期望的钻井方向与井眼表面接触。

已经努力制造出更重型的钻柱。例如，已经试图增大钢钻铤的直径以在钻头附近提供更大的重量。但是，这降低了直径更大的钢钻铤和井孔的壁之间的环形空间。尤其在不密实的岩层中，环形空间的减小导致穿过更小的环形空间的泥浆流速度更高，从而造成井眼受到明显冲蚀。本发明人已经提出了具有许多好处的钻铤，例如美国专利申请No.60/442737，该文献在这里被引用作为参考。但是，即使在如本发明人在这里所教导的一样明显增大直接位于钻头上方的重量的情况下，如可以由本发明人所开发出的计算机程序模拟所表明并且在这里所述的一样，虽然滑动粘附效应降低，但是不会完全停止。下面提出了在可能造成滑动粘附的条件下使用与标准钻柱相比改进的钻柱的实施例。

由Chen等人于2001年8月在Offshore Magazine上发表的题目为“Wellbore design：How long bits improve wellbore micro-tortuosityin ERD operations”的文章披露了作为在大位移井操作中的其中一个关键因素的扭曲度，它具有两个分量：宏观扭曲度和微观扭曲度。这些效果包括高扭矩和拉力、不好的井眼净化、钻柱弯曲、损失可用的钻探深度、以及其它负面情况。使用长标准尺寸的新钻井系统明显降低了并眼的螺旋形状，即一种形式的微观扭曲度，这是试图采用钻头设计来改善了钻井操作的许多方面。

上面所引用的现有技术不能提供用于防止在钻井期间的滑动粘附的可靠装置。因此，仍然需要一种改进的井下组件来执行这个功能。本领域普通技术人员将理解本发明解决了上面的问题和其它显著的问题。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种改进的钻井组件和方法。

本发明的一个可能实施方案的目的在于提供一种改进的旋转控制组件和方法。

另一个可能实施方案的目的在于提供更快的钻井ROP(钻速)、更长的钻头寿命、在钻柱接头上的应力更小、更准确的标准井孔、改进的循环状况、改善的固井、改善的更低噪声MWD和LWD、改善的电缆测井精度、改善的筛管组件运行和安装、更少的钻头装卸、降低或消除扭曲度、降低或消除钻柱弯曲、降低的井眼冲蚀、改善安全性和/或其它好处。

本发明的再一个可能实施方案的另一个目的可以包括将上面目的的一个或多个或所有结合，并且具有或没有在下面所述的一个或多个附加目的、特征和优点。

从附图、在这里给出的说明书和所附权利要求中将了解本发明的这些和其它目的、特征和优点。但是，要理解的是，上面列出的本发明的目的、特征和优点只是用来帮助理解本发明的各个方面，而不是用来以任何方式限制本发明，因此不会构成对本发明的目的和/或特征、定义和/或优点的综合性或限制性列举。

因此，本发明提供了一种控制钻头在钻井期间的旋转振荡的方法。该钻头安装在包括多个相互连接的管状部分的钻柱上。本发明可以包括一个或多个步骤，例如将钻柱中的旋转控制组件安装在钻柱的下管状部分和钻柱的上管状部分之间。下和/或上管状部分可以为在钻头、泥浆马达、钻杆、底部钻具组合、重型管状件等上发现的任意类型的管状连接部分。在钻井操作期间在钻柱的下管状部分和钻柱的上管状部分之间选择地传递扭矩并且选择地允许在钻井操作期间在钻柱的上管状部分和钻柱的下管状部分之间滑动，由此来抑制旋转振荡。该方法还包括促动旋转控制组件以使滑动能够响应于所选的钻头加速量。

该方法还可以包括液压松开旋转锁定机构以产生出所选的旋转滑动量。其它步骤可以包括提供用于促动旋转控制组件的电子控制以允许旋转滑动和/或针对可选的滑动量对电子控制进行编程和/或控制一个或多个液压活塞的运动。

本发明提供一种允许在包括用钻头进行钻探的钻井操作期间在钻柱的下管状部分和钻柱的上管状部分之间进行旋转滑动的组件，由此从钻柱中释放出扭转能量。该组件可以包括一个或多个元件例如用于连接在钻柱的下部和钻柱的上部之间的管状外壳和/或一个或多个位于管状外壳内用于控制在钻柱的下部和钻柱的上部之间的扭矩传递的可动构件和/或用于控制一个或多个可动构件的控制装置。

井下还可以包括用于感测钻头的所选类型的运动的传感器，其中传感器对钻头的可编程的加速运动量敏感。在一个实施方案中，可以响应于加速但是在出现预定转动速度之前促动转动滑动，由此释放出更多的扭转能量。例如，最好在钻头达到钻井驱动转速之前释放出扭转能量。一个或多个可动构件包括一个或多个由一个或多个阀门控制的液压活塞。

本发明还包括对启动安装在钻柱中的旋转控制装置的效果的计算机模拟，其中该旋转控制装置可操作用于例如使用开-关离合器类型机构或可变控制装置来在钻柱中的管状部分之间选择地传递转矩。该计算机模拟的方法可以包括一个或多个步骤，例如提供用于输入描述该钻柱的钻柱参数的参数输入、提供用于输入启动转动控制所处的条件的一个或多个转动控制启动参数并且提供一个或多个与钻柱的钻头的扭转振荡相关的输出。该方法还可以包括绘出钻头运动相对于时间的曲线图，其中启动转动控制以允许在钻柱中的各个管状部分之间滑动，从而减轻扭转振荡。例如，可以输入钻柱长度、重量等。可以引入例如600ft-lb负载的扭矩变化以查看这是否造成扭转振荡。可以按照任意加速度、转速或这些参数的任意组合的任意所要求的方式测试启动转动例如开-关离合器的特定定时。

在另一个实施方案中，提供这样一种方法，该方法包括一个或多个步骤，例如将离合器组件安装在钻柱中的钻柱的下管状部分和钻柱的上管状部分之间和/或选择地接合离合器以在钻井操作期间在钻柱的下管状部分和钻柱的上管状部分之间传递扭矩和/或选择地脱开离合器以在钻井操作期间允许在钻柱的上管状部分和钻柱的下管状部分之间滑动，由此减轻钻头振荡。

该方法还包括感测出表示容易出现钻头振荡的钻头运动。该方法还包括进行响应于所述感测步骤选择地脱开的步骤。

该方法还包括选择地使离合器部分脱开或接合以允许一些滑动但是还能传递扭矩，但不能传递所有扭矩。

附图说明

为了进一步理解本发明的特征和目的，应该必须参照以下结合附图给出的详细说明，在这些附图中相同的元件被赋予相同或相似的参考标号，并且其中：

图1为根据本发明一个可能实施方案的用于控制钻柱扭转能量的旋转控制组件的剖面正视图；

图2为根据本发明一个可能实施方案的设在钻柱中的图1的旋转控制组件的剖面正视图；

图3为用于根据本发明的旋转控制系统的一部分离合器组件的放大剖面立视图；

图4为一计算机输出的示意图，显示出在根据本发明的计算机模拟中的两种不同类型的底部钻具组合的扭转振荡；

图5为一计算机输出的示意图，显示出在计算机模拟中根据本发明的扭转控制装置在使图5的两种不同类型的底部钻具组合中的一个的振荡停止方面的效果；

图6为一计算机输出的示意图，显示出在计算机模拟中针对图5的两种不同类型底部钻具组合而言根据本发明扭转控制装置使其扭转振荡停止的效果；

图7为计算机模拟的输入页面，显示出用于同时测试两个或多个不同钻柱的选项；

图8为计算机模拟的输入页面，显示出各种输入因素例如底部钻具组合细节、泥浆重量和其它因素；

图9和图10显示出用于钻柱的各个管子的一些细节，它们可以针对模拟的钻柱从许多钻杆中输入或选择；

图11为一示意图，显示出用于根据本发明的旋转控制装置的具有液压控制系统的快速响应井下离合器；

图12为一剖面正视图，显示出用于根据本发明的快速作用离合器的在图11中所示的那种类型的活塞/凸轮部分的放大剖面；并且

图13为用于根据本发明的快速作用离合器的凸轮的剖面正视图。

虽然将参照当前优选的实施方案对本发明进行说明，但是要理解的是本发明并不打算局限于那些实施方案。相反，本发明打算覆盖包含在本发明的精神范围内的所有可选方案、变型和等同方案。

具体实施方式

现在参照这些附图，更具体地说参照图1和图2，这些图显示出可以用于钻井、钻探和/或用于其它需要钻柱将扭矩通常传递给底部钻具组合和钻头的井下旋转控制组件10。虽然在这里提供了旋转控制系统10的特定实施方案，但是旋转控制组件10还可以包括任意机构，其可操作用来使在轴或钻探管状部分之间的扭矩连接和断开以消除扭转振荡，并且由此控制在钻柱中的扭转能量。因此，该旋转控制组件10可以包括一开-关离合器，它使得两个旋转轴和/或两个钻探管状部分和/或一个钻探管状部分和钻头基本或者完全连接(接合)以用于扭矩传递，但是也可以基本或者完全断开(脱开)以用于少量的或者没有扭矩传递。在优选实施方案中，旋转控制组件10是基本完全接合或者完全不接合，但是本发明也考虑部分接合，这大致对应于汽车中的流体驱动或者自动变速传动，以下给出了至少一个实施例。

旋转控制组件10可以用于钻探，由此产生了旋转钻头的旋转能量，并在表面处施加给钻柱，例如旋转钻井，或者与泥浆马达一起使用，由此将旋转钻头的旋转能量更靠近钻头地施加给井下。另外，尽管在图1中显示了旋转控制组件10作为单机组件，但是它也包括旋转控制组件10可以并入其它井下机构的情况，例如用于井下泥浆马达。

当扭矩增加时，钻头速度(RPM)降低，钻柱绕紧或者扭转势能增加。在一个优选实施方案中，旋转控制组件10可以指一个防加速子组件，因为在本优选实施方案中，组件10响应于钻探的过度加速而启动，以通过减少和消除伴随着速度或者RPM改变的谐波循环(harmonic cycle)或振荡来在竖直、定向和水平井中停止滑动粘附(粘滑运动)和钻头跳动。但是本发明不限于此实施方案，可以响应来限制RPM和/或在到达选定的RPM之前基于加速度而启动和/或用于任何所需类型的钻头移动包括钻头涡动或者任何其它类型的钻头移动。

在旋转控制组件10的操作中，当钻头例如图2所示的钻头12开始加速的时候，旋转控制组件10在上管状部分和/或上钻柱14和下管状部分或者下钻柱16，或者底部钻具组合18，和/或钻头12之间释放或者脱开，允许底部钻具组合18和/或钻头12和/或泥浆马达以与上钻柱14不同的速度或者RPM(速率)旋转，由此释放可变的设定量的绕紧(存储的弹性势能)。旋转控制组件10可以优选设置在钻柱的下部，但是可以设置在钻柱中钻头12以上的希望释放扭转能量的任何所需的位置上。另外，如果需要，在钻柱的一个以上的位置中可以采用另外的旋转控制组件10。

旋转控制组件10在钻探的过程中操作，并且可以通常仅释放一个短的瞬间或者例如上管状部分14和下管状部分16之间的选定量的相对旋转。短的释放时间保证不是所有用于恒定扭矩(速度)的能量都会因为钻柱的完全松开而损失。在每次钻头旋转速度或者RPM或者两者都超过一个可变的设定量的时候可以程控释放的发生，以将BHA和/或钻头返回至恒定速度，这对于高效钻探来说是最希望的。换句话说，在一个优选实施方案中，旋转控制组件10响应于钻头旋转加速度。但是如果希望，可以使旋转控制组件10响应于钻头旋转速度和/或加速度的变化。在本优选实施方案中，可以希望在达到钻头驱动旋转速度之前响应于加速度的变化，由此在旋转速度变得过大之前释放更多量的扭矩。例如，如果钻头因为碰到不同的岩层而停止，钻柱中的扭矩会累计，直至钻头上的扭矩大至足以克服阻力，由此钻头的RPM开始加速了。在本优选实施方案中，在钻头达到平均旋转RPM之前，就可以开始释放。因此，旋转控制组件10在检测到钻头的过大加速度之后在几个毫秒之内响应，从而在钻头到达平均旋转RPM之前作用，由此释放在钻柱中的过大扭矩。

用于旋转控制组件10的传感器例如加速计优选设在与由旋转控制组件10所使用的相同的外壳内，但是也可以安装其它地方，例如安装在钻头中。例如，可以响应于信号例如从钻头发出的声波或泥浆波信号或者从表面中发出的控制信号启动旋转控制组件10。在另一个不太优选实施方案中，旋转控制组件10可以自动地仅仅在预定的时刻启动或者以设定的间隔启动，从而不再需要任何传感器。

在当前优选实施方案中，旋转控制组件10根据检测出表示有害旋转振荡开始的加速度或RPM增大的原则工作。可以通过加速度计、电气/电子传感器、液压流量阀、声波传感器、机械凸轮和/或任意其它合适的装置来进行用于释放的加速度或RPM测量。可以通过如在图11中的系统100中所示的电路例如可编程逻辑控制器(PLC)或液压计量装置或机械凸轮来控制所需的释放量或时间。可以通过控制来自由机械凸轮、在图11、12和13的系统100中略为详细地显示出的那种机械凸轮、同心、偏心或曲轴类型驱动装置移动的径向或轴向活塞的液压油量来进行在上钻柱部分20和下钻柱部分22之间的旋转运动的锁定/开锁。上钻柱部分20可以包括在钻柱中的管状部分、泥浆马达、底部钻具组合等。下钻柱部分22可以包括在钻柱中的另一个管状部分、泥浆马达、底部钻具组合、钻头等。

在图1中，朝向径向的活塞24用于锁定/开锁凸轮轴心轴26，但是如上所述，也可以采用其它锁定/开锁机构。凸轮轴心轴26可以转动但是通过使用凸轮轴锁紧螺母50、轴向-径向轴承37和支承轴颈38、39和40相对于上外壳34轴向固定。凸轮轴心轴26安装在下外壳36上或者可以作为其整体组成部分。因此，如果如后面所述一样通过朝向径向的活塞24将凸轮轴心轴26锁定，则上外壳34和下外壳36必须一起转动。如果凸轮轴心轴26被朝向径向的活塞24开锁，则上外壳34和下外壳36可以相对于彼此转动，由此释放了存储在钻柱中的潜在扭矩能量。

在图3中更详细地显示出利用了凸轮轴心轴26和朝向径向的活塞24的锁定机构的一般实施例，并且在图11、图12和图13中显示出当前优选的实施方案。在图3中，油流路25从在其内部设有朝向径向的活塞24的缸体27开始，并且延续回到其中设有凸轮轴心轴26的液压油腔室29。活塞24由弹簧33径向向内偏压，因此在阀门31打开时，因为活塞24可以自由运动所以它们跟随着凸轮凸角28运动。在阀门31打开时，因为液压油自由地流经油流路25，所以可径向运动的活塞24自由地运动。因此，随着阀门31打开，弹簧33使得径向活塞24随着凸轮轴心轴在凸轮轴/活塞外壳42内转动而跟随着凸轮凸角28向内和向外运动。因此，在阀门31打开时，凸轮轴26相对于其中安装有朝向径向的活塞24的凸轮轴/活塞外壳自由地转动。在阀门31关闭时，朝向径向的活塞固定不动，因此与凸轮轴26锁在一起，从而将凸轮轴/活塞外壳42和凸轮轴26有效地锁在一起。

阀门31也是可变的以可变地控制在上钻柱部分20和下钻柱部分22之间传递的扭矩量。因此，大范围的转动控制操作根据本发明是可以想象的，从而可以采用更长时间的旋转振荡抑制，而不是仅仅采用用于短脉冲的开/关控制。

在当前优选的实施方案中，具有电子加速度计的基于PLC的控制装置可以安装在电子/液压/电源外罩44中并且可以用来测量加速度或RPM的增大。可以通过PLC来根据旋转位置变化和/或时间控制在上外壳34和下外壳36之间的释放量。旋转距离或释放时间是响应于来自内置传感器的用于速度、RPM、相对转动位置或速度和/或速度例如加速度变化和/或响应于钻头旋转或任意其它类型的可检测出的钻头或钻柱运动的基于编程的可变量或固定量。通过允许液压油通过径向活塞24可以在其中径向移动的活塞腔室27流动，可以完成释放。径向活塞24可以与多个偏心凸轮28在凸轮轴26上啮合。径向活塞24安装在凸轮轴/活塞外壳24中，外壳24依次以螺纹固定至上外壳34，该上外壳34依次以螺纹固定至上钻柱部分20。可以利用优选安装在外壳28内的PLC控制和促动器来控制阀门31。PLC传感器优选测量在释放的旋转上钻柱部分20和下钻柱部分22之间的旋转差值和/或释放时间。

在旋转控制组件10的操作方法的优选实施方案中，BHA和/或钻头实际上可以不停止旋转，同时在上外壳34和下外壳36之间发生释放或者滑动。图4-5显示了可能的实施例。但是，控制钻头的旋转速率，以防止伴随着扭转振荡而发生的过大的加速度。当电子方式测量出了预定量的释放或者经过了预定的时间之后，例如150毫秒的时候，通过闭合阀门31，将径向活塞靠着偏心凸轮28锁定在适当位置上。利用阀门、促动器等可以实现径向活塞24的所需移动。当径向活塞与凸轮轴26相啮合而相对于径向移动被锁定的时候，在上钻柱部分20和下钻柱部分22之间传递高扭矩，这可能是驱动底部钻具组合18和/或钻头12所需要的。

液压油供应优选在外壳42内具有存储体积，以确保恒定体积的油。在优选实施方案中，这种液压油是独立的，不需要马达或者泵。如果需要，PLC可以是预先编程的或者具有从位于表面处(钻机底面)的外部来源、来自位于钻柱的MWD和LWD测井工具、来自钻头自身(因为信号从此发出)或者其它来源的实时逻辑或者程序变化。

在本优选实施方案中，整个的旋转控制组件10包括如图1所示的三个或者多个管状部分，包括上外壳34、下外壳36、以及凸轮轴/活塞外壳42。电子、液压部分可以采用可替换的设计安装在任何部分中。

优选的设计允许所有的电子元件、PLC、传感器和液压促动器可以位于外壳44内，如图所示。下外壳36通过任何适当的手段固定至凸轮轴26，可以采用例如螺纹连接、或者其它类型的机械固定连接或者可以是其一个整体部分。下外壳36的一端利用密封区域46和48用于和包括朝向径向的活塞24及液压油的活塞/凸轮管状外壳42密封。下端具有API阳螺纹，例如通过与下钻柱部分或者管状部分22螺纹连接，它允许该子组件用于标准的钻杆柱中。

上外壳34优选具有带API螺纹的母螺纹52(threaded box)，以提供与上管状部分20的标准连接。在母螺纹之下是一个中空区域或者凹槽，用于一个或多个凸轮轴上保持螺母50，其被用于将凸轮轴26轴向固定至上外壳34，同时允许随其旋转。保持螺母50将轴向-径向推力轴承37锁定在凸轮轴26上，并且在凸轮轴26被释放而用于速度、旋转位置、加速度的旋转调整和/或RPM增加的时候不允许在上外壳34和下外壳36之间产生完全轴向或者径向分离。上外壳34与母螺纹52的相对端利用阳螺纹54，它连接至凸轮轴/活塞外壳42的内侧。在螺纹端之间的区域包括密封件56，它在凸轮轴26周围密封，以如前所述的密封液压流体区域29。

下外壳36具有用于和凸轮轴/活塞部分42密封的密封区域48。在下部外壳36的径向向外的另外的中空密封区域包括电子/液压控制/功率的包封外罩44，它可以用于安装电子元件，包括PLC，以及液压促动器和传感器。下外壳36的相对(上)端是凸轮轴26。如上所述，凸轮轴26具有偏心凸轮凸角28，它已经被硬化和磨削。每个凸轮部分优选具有两个或者多个凸角28。同心轴承区域优选设有支承轴颈，它可以类似于支承轴颈38、39、40，用于在每个凸轮部分之间径向支撑。凸轮轴26的上凸轮轴端部58可以优选具有螺纹区域，用于和保持螺母50以及轴向-径向轴承连接。凸轮轴26的上端58也具有用于母螺纹部分密封件56的磨光表面区域。所有的内部区域都从内侧和外侧密封。

如上所述，凸轮轴/活塞外壳42包含朝向径向的活塞24和围绕着凸轮轴心轴26的密封液压流体区域29。凸轮轴/活塞外壳42在一个端部上与阳螺纹54连接，并且在相对端部上具有密封件46和48。凸轮轴/活塞外壳42在凸轮轴锁紧螺母50和轴向-径向推力轴承37之前装配到旋转控制组件10上。在将上外壳34连接在凸轮轴/活塞外壳42上时，台肩60将轴向-径向推力轴承37固定到凸轮轴心轴上，因此将所有组成部件锁在一起以产生出所完成的旋转控制组件10。该旋转控制组件10填充有流体并且在装配之后对它进行测试。

图4、图5和图6提供根据可以用来模拟钻柱的扭转振荡的计算机模拟实施方案的两个模拟钻柱的操作的几个实施例。可以将钻管类型、钻探速度以及实际上任意钻探参数的所有细节输入到该程序中以观看效果。整个钻柱可以一个部件接一个部件地构建出。同样，可以输入各种类型的拉力等。在图7、图8、图9和图10中可以看到用于模拟的输入屏幕的几个实施例。图7显示出同时输入两个或多个不同钻柱从而可以根据钻柱组成来比较各种效果的可能性。图8显示出输入底部钻具组合、泥浆重量和许多其它参数。图9和图10显示出可以从多种钻管中针对所模拟的钻柱输入或选择单独的钻管，从而可以模拟任意所期望的结构。

计算机软件利用方程式来模拟钻柱操作并且包括用于确定在施加变量例如滑动利用组件10时所发生的事情的软件控制部件。模拟输入可以包括使用可变的滑动量，并且可以使用与任意类型离合器机构对应的滑动持续时间。同样，可以插入所有与扭转能量相关的参数，例如钻柱长度、尺寸、旋转驱动、岩层变化等。

图4显示出在两个相同钻柱中的所选扭矩变化并且底部钻具组合不同的情况下在时刻70处开始的钻头速度振荡的效果。曲线62显示出在施加600ft磅的扭矩变化的情况下在使用具有重型钻铤的标准底部钻具组合(BHA)时钻头的转速(但是可以显示出钻铤或钻柱的其它部分的转速)和在转速上的作用，这模拟了钻入到不同岩层中或者其它在时刻70可以加速扭矩振荡的井下扭矩变化情况。曲线64显示出在美国专利申请60/442737的改进钻铤情况下施加600ft磅的扭矩变化在钻头速度上的相同作用，其中重量正好位于钻头上方。通过比较曲线64和62可以看出，使用改进的钻铤在降低钻头速度振荡方面获得了明显改善，但是仍然出现扭转振荡。钻进驱动速度显示出大约为125RPM，并且在曲线图上表示为曲线66。曲线68为根据API标准的钻柱的临界速度。在转速超过该临界速度时容易出现钻柱损坏。

在时刻70施加了600英尺磅的扭矩变化后，则钻头对于这两种钻柱而言都慢下来。在标准钻柱的情况中，振荡开始并且然后实际上增加至如在72处所示一样钻头实际上暂时停止的点，即充分发展的滑动粘附。在绕紧之后，如在74处所示一样，钻头然后加速到超过钻柱的临界速度的速度。因此，对于标准钻柱而言容易出现钻柱损坏。

改进的钻铤更能抵抗扭转振荡并且不会如标准钻柱BHA一样增加，但是钻头在该情景下仍然继续具有扭转振荡。

在图5中，显示出改进钻铤的扭转控制的作用。扭转控制组件10感测过大的加速度并且在由时间点76表示的通常时刻中启动，由此允许滑动并且释放出扭转能量。在一个当前优选的实施方案中，如在66处所示一样，最好在钻头速度到达驱动速度之前允许滑动，由此从钻柱中释放出更多的能量。一直等到钻头速度到达更高的速度对于减轻扭转振荡不会有任何效果。可以看出允许滑动的作用在于在几个循环内完全消除扭转振荡。扭转控制组件10因此提供了一种快速作用离合器，它可以感测加速度然后在短时间例如十至五十毫秒内释放。

在图6中，显示出标准BHA钻柱和具有改进钻铤的钻柱的扭转控制的作用。因此，扭转控制组件10感测出过大的加速度并且在时间点76的通常区域中启动。结果扭转控制使得任一种钻柱在几个循环内将扭转振荡衰减至零。换句话说，通过在76所示的时刻处施加滑动，从钻柱中释放出扭矩，从而钻头不会如在滑动粘附操作期间所出现的一样急剧地加速和减速。

图11显示出用来感测加速度并且操作用来释放在钻柱中的扭矩的控制系统100。在系统100中，电池组102给可编程逻辑电路(PLC)104、加速计106和螺线管108提供能量。PLC104被编程为在检测到过大加速度时启动螺线管108。在螺线管108操作之前，如参照图1和图2中的关系一样，凸轮轴芯轴26锁在活塞/凸轮轴管状外壳42上(参见图11和放大的图12)，从而将钻柱14锁在钻头12上。在螺线管108操作之前，由于液压流体如上所述是不可压缩的，所以防止了径向活塞24运动。阀芯114(spool)在螺线管108操作之前一直向左，并且阻挡了通过端口116和118的流体流。经过活塞回路124(活塞回路A、B、C、D等)的流体流的其它流体流路由单向阀128阻挡住。因此，活塞24锁住凸轮轴心轴26。

在一个优选实施方案中，可以有总共具有150至200个径向活塞的许多凸轮部分。图12显示出具有八个径向活塞24的一个凸轮部分。

螺线管108操作导阀或控制阀110。在控制阀110打开然后液压流体可以流动穿过管道120由此通过克服由阀芯弹簧122所产生出的偏压力使阀芯114向右运动。要指出的是，一个实施方案的阀芯114成锥形以允许逐渐打开/关闭。在阀芯114向右运动时，打开了在端口116和118之间的流路，由此允许液压流体流动穿过单向阀112、经过滑闸122、穿过管道126并且进入到液压储存器129中。流体流然后可以穿过单向阀128前进回到径向活塞24。因此，可以与钻头连接的凸轮轴心轴26相对于可以与钻柱连接的活塞外壳42自由转动。

在PLC确定要停止滑动时，则使螺线管108停止，由此降低了在管道120处的压力并且使得线圈122向左运动以关闭端口116和118。凸轮轴心轴26的松开和夹紧的整个过程可以非常快速地进行。例如，在一个实施方案中，在PLC104检测到过大加速度之后，凸轮轴可以在五至五十毫秒内并且通常在大约10毫秒的范围内被释放。在一个实施方案中，可以采用固定时间，例如150毫秒或任意合适的时间，由此使凸轮轴心轴26相对于外壳42锁定。如果必须消除振荡，则该过程将在RPM振荡的另一个随后循环中再次启动。但是，按照要求PLC可以编程为响应于降低的加速度等。

可以使用扭矩限制阀130来限制在凸轮26和外壳42之间传递的扭矩量，从而避免在非常大扭矩的情况下可能出现的其组成部件损坏。根据设计准则其它控制限制元件例如阀门132和134可以有或没有。

图12显示出相对于在接合凸轮轴心轴26的外壳42内的径向活塞24的管状部分轴线的放大剖视图。图13显示出凸轮轴心轴26的放大剖视图。

因此本发明的前面公开内容和说明是对本发明的当前优选实施方案及其变型进行举例说明，并且本领域普通技术人员要理解的是，在不脱离本发明的精神的情况下可以在设计、制造、布置、组织、操作顺序、操作方式、设备结构和位置、方法和机械等同物的使用方面以及在所示的各个元件的结构或特征组合的细节方面作出各种变化。例如，本发明可以用在钻取岩芯以及标准钻孔中。相关的部件可以在钻柱中倒转。而且，当前的结构可以用在其它工具以及其它用途中。

通常，要理解的是，术语例如“上”、“下”、“垂直”、“右”、“左”等参照这些附图和/或地面给出，并且这些装置可以根据操作、运输、安装等的变化不是一直布置在这些位置中。同样，这些附图用来说明本发明的构思，从而向本领域普通技术人员清楚地披露了本发明的当前优选实施方案，但是这些附图不是制造水平的图或者最终产品的实施，而是可以包括为了更方便快速地理解或说明本发明而给出的简化概念图。因此，在本发明的精神范围内可以采用各种变化和替换。因为在这里所教导的本发明构思的范围内可以作出许多变化且不同的实施方案，并且因为可以在根据法律的说明要求所详细描述的实施方案中作出许多变型，所以要理解的是，在这里给出的细节应该解释为对当前优选实施方案的举例说明而不是进行限定。

Claims (24)

1.一种在钻井期间用于控制钻头旋转振荡的方法，所述钻头安装在钻柱上，所述钻柱包括多个互连的管状部分，该方法包括：

在所述钻柱的下管状部分和所述钻柱的上管状部分之间将旋转控制组件安装在所述钻柱中；

在钻井操作期间在所述钻柱的所述上管状部分和所述钻柱的下管状部分之间选择地传递扭矩；并且

在所述钻井操作期间按照使所述旋转振荡减弱或停止的方式选择地允许在所述钻柱的所述上管状部分和所述钻柱的下管状部分之间进行旋转滑动；

随后在所述钻柱的所述上管状部分和所述钻柱的下管状部分之间传递扭矩以便继续所述钻井操作；并且

启动所述旋转控制组件以允许响应于所述钻头的选定的加速度而进行所述旋转滑动。

2.如权利要求1所述的方法，还包括液压地松开旋转锁定机构预定时间，然后锁定所述旋转锁定机构。

3.如权利要求1所述的方法，还包括提供用于启动所述旋转控制组件以允许进行所述旋转滑动的电子控制。

4.如权利要求3所述的方法，还包括对可选量的所述旋转滑动将所述电子控制编程。

5.如权利要求1所述的方法，还包括控制一个或多个液压活塞的运动。

6.如权利要求1所述的方法，还包括在所述钻柱的所述下管状部分的转动速度小于所述钻井的驱动速度时启动所述旋转控制组件。

7.一种组件，用于在用钻头钻井期间允许在钻柱的下管状部分和所述钻柱的上管状部分之间进行旋转滑动，由此从所述钻柱中释放出扭转能量，所述组件包括：

一管状外壳，用于在所述钻柱的所述下管状部分和所述钻柱的所述上管状部分之间进行连接；

位于所述管状外壳内的一个或多个可动构件，用于控制在所述钻柱的所述下管状部分和所述钻柱的所述上管状部分之间的扭矩传递；以及

一控制装置，用于控制所述一个或多个可动构件。

8.如权利要求7所述的组件，还包括一个或多个传感器，用于感测所述钻头的所选类型的运动。

9.如权利要求8所述的组件，其中所述一个或多个传感器对所述钻头的加速运动量可进行感测。

10.如权利要求8所述的组件，其中所述控制装置可操作用于进行这样一个循环，即开锁以允许在所述钻柱的所述下管状部分和所述钻柱的所述上管状部分之间进行相对自由转动，然后锁定以在从大约50毫秒到小于1秒的时间内防止在所述钻柱的所述下管状部分和所述钻柱的所述上管状部分之间进行转动。

11.如权利要求7所述的组件，其中所述一个或多个可动构件包括一个或多个活塞。

12.如权利要求7所述的组件，其中所述一个或多个可动构件包括液压活塞和一个或多个用于控制所述液压活塞运动的阀门。

13.一种用于在钻井期间控制钻头的钻头振荡的方法，所述钻头安装在钻柱上，所述钻柱包括多个互连的管状部分，该方法包括：

在所述钻柱的下管状部分和所述钻柱的上管状部分之间将离合器组件安装在所述钻柱中；

在钻井操作期间选择性地接合所述离合器以在所述钻柱的下管状部分和所述钻柱的上管状部分之间传递扭矩；

在所述钻井操作期间选择性地脱开所述离合器以允许在所述钻柱的下管状部分和所述钻柱的上管状部分之间进行滑动，由此减轻所述钻头振荡；并且

感测出表示所述钻头振荡可能出现的所述钻头的运动。

14.如权利要求13所述的方法，还包括响应于所述感测进行所述选择性地脱开的步骤。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述接合或脱开的步骤还包括选择性地部分脱开或选择地部分接合所述离合器以允许一些滑动并且还能够传递一些但不是全部扭矩。

16.如权利要求13所述的方法，其中所述感测运动还包括感测加速度。

17.如权利要求13所述的方法，其中所述感测运动还包括感测旋转速度。

18.如权利要求13所述的方法，其中所述感测运动还包括感测旋转速度和加速度。

19.如权利要求16所述的方法，还包括感测出所选的加速度并且在到达所选的旋转速度之前脱开。

20.一种组件，用于在用钻头钻井期间允许在钻柱的下管状部分和所述钻柱的上管状部分之间进行短期的旋转滑动，所述组件包括：

一管状外壳，用于在所述钻柱的所述下管状部分和所述钻柱的所述上管状部分之间进行连接；

位于所述管状外壳内的一个或多个可动构件，用于控制在所述钻柱的所述下管状部分和所述钻柱的所述上管状部分之间的扭矩传递；以及

一控制装置，用于控制所述一个或多个可动构件，其中所述控制装置可操作用于进行这样一个循环，即解锁以允许在所述钻柱的所述下管状部分和所述钻柱的所述上管状部分之间进行转动，然后锁定以在从大约50毫秒到小于1秒的时间内防止在所述钻柱的所述下管状部分和所述钻柱的所述上管状部分之间进行转动。

21.如权利要求20所述的组件，还包括一个或多个传感器，用于感测所述钻头的所选类型的运动。

22.如权利要求21所述的组件，其中所述一个或多个传感器可对所述钻头选定的加速度感测。

23.如权利要求20所述的组件，其中所述一个或多个可动构件包括一个或多个活塞。

24.如权利要求20所述的组件，其中所述一个或多个可动构件包括液压活塞和一个或多个用于控制所述液压活塞的运动的阀门。

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