CN101525979B - 用于消除钻头净扭矩和控制钻头游动的设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于消除钻头净扭矩和控制钻头游动的设备。钻井设备控制或消除来自钻头的反作用扭矩，从而防止由于钻井设备的不期望旋转，穿透的损失；或通过期望地控制反作用扭矩，控制钻井方向，从而导致期望的钻头游动。该钻井设备具有同心地分开的钻头，其中：内部钻头沿与外部钻头相反的方向同时旋转。该内部钻头能够从外部钻头轴向向前运动或向后冲着外部钻头运动。由内部和外部钻头产生的力被控制以消除或调节反作用扭矩。

Description

用于消除钻头净扭矩和控制钻头游动的设备

技术领域

本发明通常涉及油田钻井，并且更具体地说，涉及用于钻井的自主钻井设备和遥控钻井机器人。

背景技术

在油田操作中，通过经钻柱将扭矩和轴向力应用到钻头，钻进岩石需要通常在钻机处提供相当大的功率水平和力。垂直井中的钻柱的下部包括(从下到上)钻头、钻头接头、稳定器、钻铤、厚重钻杆、震击装置和多种螺纹形式的角控制区。井底组件在下文中称作BHA，提供力以破碎岩石并为钻机提供井的定向控制，所述力的量度称作“钻压”。在传统钻井中，使用接合的钻杆或挠性管(coiled tubing)，BHA被降低进入井眼中。通常，BHA包括泥浆电机、定向钻井与测量设备、随钻测量工具、随钻记录工具和其它特定设备。由钻头、各种转换器和钻铤组成的简单BHA相对廉价，花费几十万美元，而复杂的BHA花费该数目的十倍以上。

BHA的钻头部件用于破碎或切割岩石。钝钻头可能导致进展失败，而必须被更换。多种钻头通过破碎或压碎岩石或两者工作，通常在称作旋转钻井的过程中，作为连续圆运动的部分。在旋转钻井期间，利用经钻头循环的钻井流体去除岩屑，并从井眼向上到表面。

另一种钻井形式是使用利用井下泥浆电机旋转钻头以使井眼加深的挠性管，其与使用接合杆钻机相比进展快。通过使用挠性管，消除了采用旋转钻井所需的连接时间。蛇形管钻井在多种应用中较经济，诸如钻窄井，在需要小钻机印迹的区域工作，或当重新进入井中用于油井维修操作时。

许多钻井操作需要定向控制以将沿特定轨道的井定位在地层中。定向控制，也称作“定向钻井”，使用特殊的BHA配置、测量三维空间中的井眼的通路的仪器、将在井下取得的测量值通信到表面的数据链路、泥浆电机和特殊的BHA部件和钻头实现。该定向钻机能够使用诸如钻压和旋转速度的钻井参数以使钻头偏离离开现有井眼的轴。相反地，在一些情况中，诸如钻进陡峭的倾斜地层或由于在传统钻井操作中未预料的偏差，可以使用定向钻井技术以确保孔被垂直钻井。

定向控制通常通过使用井下可操纵泥浆电机中的钻头附近的弯曲(bend)实现。当整个钻柱不旋转时，该弯曲沿与井眼的轴不同的方向指引钻头。通过经泥浆电机抽取泥浆，钻头旋转，而钻柱本身不旋转，从而允许钻头单独沿它指引的方向钻进。当取得特定的井眼方向时，则通过旋转包括弯曲部件的整个钻柱，可以保持新的方向，以便：钻头不沿离开期望的井眼轴的方向钻井，而代替地在周围扫过(sweeps around)，使其方向与现有井眼对齐。如本领域的技术人员周知的，钻头具有从其期望钻井方向偏离的趋势，称作“钻头游动”的现象。钻头游动源自钻头的切割动作、重力和旋转，以及被钻的地层的不规则性。消除或至少使钻头游动最小以确保钻井操作沿期望的方向前进是有利的。虽然钻头游动通常是不利的，但是受控的钻头游动能够产生从已建立的钻井方向的期望和有利的偏差。

多数井眼接近垂直并且不特别深。在这种井中，标准的线缆能够将记录工具和其它设备运送到期望的深度。然而，石油的缺乏已导致期望开采更难到达的地层。因此，在日益增加的频率的情况下，井眼极深并且具有高倾斜角度。多年来，钻杆和挠性管将钻头和钻探设备运送入井眼。一旦在所需的井下位置时，设备被期望执行复杂的任务，所述的任务经常需要在远离井眼的表面钻井设备处实时监视与控制。

期望具有可用于开采更深和更困难的井的备选运送技术。一种这样的技术可能是自主钻井机器人，其不使用钻杆、挠性管或其它装置连接到表面设备。

如果将使用传统的旋转钻井技术开发钻井机器人，则钻井机器人必须能够同时支持反作用扭矩和推进力。如果钻井机器人无法抵消反作用扭矩，则钻井机器人将开始在井眼中旋转，从而降低了钻井操作的效率。设计反对反作用扭矩的钻井机器人对于具有小井眼的井甚至更加困难。在井眼中钻井机器人的穿透速度低将导致钻井机器人上扭矩减小。然而，采用更高的穿透速度，例如使用与传统钻井技术中使用的相同的旋转速度，可以期望：扭矩对机器人来说存在问题。

在Robert Charles Southard的美国专利第5,845,721号中公开了一种随钻控制扭矩的设备，该发明包括带有产生旋转力的电机的管状钻柱。该设备还包括适合电机装置的内部钻井设备和同心地设置在内部钻井设备附近的外部钻井设备。Southard的设备包括行星齿轮系统，该行星齿轮系统适合用于将从电机产生的旋转传递给外部钻井设备。从电机延伸的轴可操作地连接到内部钻井设备，并且该轴具有在其上形成的多个轴键，以与行星齿轮系统配合。由于行星齿轮系统的特殊结构，内部和外部钻井设备沿相反的方向旋转。内部和外部钻头具有固定的齿轮关系，导致内部和外部钻头以恒定的相对速度旋转。

在Sigmund Stokka的美国专利申请公布第2004/0011558 A1号中公开了一种钻井设备，该发明包括一种利用钻井设备将仪器或测量设备或工具引入地壳的地层或其它固体材料中的方法，材料通过钻头的旋转释放，并且随后释放的材料流动或被抽取、经过或穿过钻井设备。Stokka的方法包括：通过交替钻头的旋转方向，吸收由钻头的惯性旋转运动产生的反作用扭矩。

从前述内容，本领域的技术人员将明白：存在对能够钻进井眼或从油田中的现有井眼侧向偏离的遥控钻井机器人的需要，以及对于这样的钻井机器人，消除或控制施加给所连接的钻井模块的钻井反作用扭矩和推动力的需要。此外，存在对消除、减小或控制自钻头到机器人的反作用扭矩的改进方法的需要。此外，存在对改进方法的需要，所述的改进方法用于控制由来自钻头的反作用扭矩引起的钻头游动，或者用于使用机械对地静止参照物，确保受控的直着向前钻进的目的，或者操纵沿新的方向的钻井操作。

发明内容

本发明提供了在油田钻井操作领域的改进，其中：诸如遥控钻井机器人的钻井设备被布置以钻入井眼并控制反作用扭矩，从而防止钻井设备的不期望的旋转和产生的穿透损失。钻井机器人的成功或失败可能取决于消除来自钻井机器人的钻井组件的反作用扭矩的能力。此外，根据本发明的钻井设备控制反作用扭矩，用于操纵钻井操作的目的，以取得期望的井眼轨迹。此外，在包括挠性管的钻井应用中-例如，使用用于操纵的弯接头的应用-自钻头的反作用扭矩可旋转用于导向的弯接头。本发明可用于如此应用中，以消除或控制反作用扭矩以增加定向钻井的稳定性。

在本发明的一个实施例中，钻井设备控制钻井操作期间的钻头扭矩。这种设备包括：提供轴向推进力的推进模块；连接到推进模块的旋转联接件；和钻井组件，其中：旋转联接件将推进力从推进模块传输到钻井组件，并且包括旋转编码器，其可操作地确定推进模块与钻井组件之间的相对旋转角度。该钻井组件被连接到旋转联接件，以从推进模块接收推进，并接收表示推进模块与钻井组件之间的相对旋转角度的来自旋转编码器的信号。该钻井组件相对于地层或物理表面的相对角度相对于任何对地静止的参照物确定，例如使用钻井与包括加速度计和磁力仪的倾斜组件的钻井单元。该对地静止的参照物可以是准静止的，原因在于：它可以在横贯井眼的同时偏移，但局部保持相对静止。

此外，该钻井模块包括同心地分成外部钻头和内部钻头的钻头；内部和外部钻头被连接到动力单元，所述的动力单元可操作地同时沿相反方向驱动内部和外部钻头。该内部和外部钻头利用其各自的驱动电机旋转，所述的驱动电机允许独立地调节内部和外部钻头的速度。该钻井模块还可包括线性致动器，该线性致动器响应自控制模块接收的信号，可操作地提供内部钻头相对于外部钻头的轴向运动。该控制模块可提供与表面钻井与处理设备的通信，并使用钻井模块相对于推进模块的角度旋转，以通过调节内部和外部钻头的相对RPM或通过移动线性致动器，来调节与钻头相关的扭矩。

在备选实施例中，为了操纵钻井操作的目的，钻井设备控制井眼钻探期间的钻头游动。这种钻井设备包括：同心地分成外部钻头和内部钻头的圆柱钻头，内部钻头位于外部钻头内部，内部钻头可操作以在外部钻头内前后轴向运动，并且动力单元可操作以独立控制内部和外部钻头。此外，在备选实施例中，钻井设备可包括表面钻井与处理设备，监视由外部钻头产生的扭矩、由内部钻头产生的扭矩和外部钻头与内部钻头的钻压。钻井设备的控制模块被连接到动力单元，并可操作地从钻井与处理设备接收从对应于内部钻头与外部钻头指示的力的分量矢量计算的合成矢量，将合成矢量与对应于期望钻井方向的期望矢量比较，确定修改合成矢量以取得期望的矢量所需的对至少一个分量矢量的至少一次调节，和调节对应于力的钻井参数，所述的力对应于调节的至少一个分量矢量的，从而控制设备的钻井方向。

通过举例说明本发明的原理，并结合附图，通过下述的详细描述，本发明的其它方面和优点将会很清楚。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的示意图，所述的实施例具有带有用于钻井眼的设备的钻井机器人。

图2是使用旋转联接件连接到图1中所示的钻井组件的推进模块的一个实施例的详细视图。

图3A是本发明的一个实施例的详细侧断面图，所述的实施例具有结合在图2中所示的钻井机器人的钻井模块中的旋转联接件，其中：钻井模块的轴向推进器在内缩位置中。

图3B也是钻井模块的详细侧断面视图，但与图3A中所示的视图不同之处在于：钻井模块的轴向推进器向前推动内钻头，离开外部钻头。

图4A是图3A的钻井模块的横断面A-A的视图。

图4B是图3A中所示钻井模块的横断面B-B的视图。

图5A是图2所示的钻井机器人的三维视图，其中：推进模块和钻井模块被旋转对准，指示井眼的直线向前钻井。

图5B是图2所示的钻井机器人的透视图，其中：推进模块和钻井模块未被旋转对准，指示钻井模块已相对于推进模块旋转。

图6A是显示用于钻直井眼的矢量力的示例性平衡的矢量图。

图6B是显示产生从直线向前钻井轨迹偏离的合成矢量的不平衡矢量力的矢量图。

图7是说明根据本发明的一个实施例的示例性方法的流程图，所述的方法用于使用钻井模块角度位置分析工具以控制或消除反作用扭矩。

图8是说明示例性方法的流程图，所述的方法用于通过将一个电机的RPM保持在恒定或近恒定RPM，同时控制另一电机的RPM以保持施加在两个钻头上的扭矩平衡，使用钻头方向分析工具以控制两个同轴钻头上的相对扭矩。

图9是说明当仅RPM调节无法控制相对扭矩时，例如当两个钻头遇到硬度相对较大不相称的材料时可能出现的，由钻井模块进入的紧急模式的流程图。

图10是说明根据本发明的备选实施例的示例性方法的流程图，所述的方法用于使用钻头方向分析工具以操纵钻井操作。

图11是根据本发明的钻井模块的钻井模块处理部分的示意图。

具体实施方式

在如下详细说明中，对通过说明显示其中可实践本发明的具体实施例的附图进行参考。这些实施例的描述充分详细以使本领域的专业人员能够实践本发明。应该理解：本发明的多种实施例虽然不同，但不一定彼此排斥。例如，在这里描述的关于一个实施例的特定特性、结构或特征可在其它实施例中实现，并不背离本发明的精神与范围。此外，应该理解：在不背离本发明的精神与范围的情况下，可以修改每个公开实施例中的单个元件的位置或布置。另外，这里的术语“油井”、“井”、“井眼”、“井筒”和变化将可以互换使用以描述本发明。

因此，下述详细描述不是限制意义的，而，本发明的范围仅由适当解释的所附权利要求连同权利要求赋予的整个等价物的范围限制。在附图中，遍及几个视图中，类似标号指相同或类似的功能性。

I.介绍

图1是本发明的井筒钻井系统100的示意图，所述的系统具有遥控钻井机器人119。在一个实施例中，该钻井机器人119包括推进模块107，用于在井筒117中的钻井操作期间，经钻台103运送钻井机器人119，并且提供推进给连接到钻井模块111上的钻头。该推进模块107被连接到旋转联接单元109。该旋转联接单元109被连接到钻井模块111。根据本发明，该钻井模块111支撑着同心地分成内部钻头115和外部钻头113的钻头，所述的内部钻头115和外部钻头113采用这里描述的方式操作以消除钻井操作期间的钻头净扭矩。该推进模块107产生轴向力并通过旋转联接单元109将该轴向力施加于钻井模块111。该推进模块107、旋转联接单元109和钻井模块111本地通信以共享钻井数据和钻井参数。

在一个备选实施例中，BHA的部件，例如推进模块107，与例如位于服务车123内部的表面钻井与处理单元105通信，从而根据需要将钻井数据发送到该表面设备和从那里接收钻井参数。该表面钻井与处理单元105或操作表面处理单元105的人员分析接收的信息，并将钻井参数的任何变化通信到钻井模块。

在一个备选实施例中，钻井机器人119经由电力电缆121被连接到可安装在钻井车123中的表面钻井与处理单元105。该钻井机器人119的推进模块107和钻井模块111经电力电缆121接受电力。此外，经电力电缆121，传送在钻井机器人和在钻井车123中的表面钻井与处理设备之间的通信。在一个备选实施例中，钻井机器人119带有电池组或其它电源。在这种实施例中，表面钻井与处理单元105可无线通信，例如通过泥浆脉冲遥测技术。

II.钻井机器人

图2是图1中所示钻井机器人119的一个实施例的部分切除视图。推进模块107的轴向推进器205使用旋转联接单元109连接到钻井模块111。该推进模块107的运送装置203实现钻井机器人119在井眼117中的轴向运动。该轴向推进器205在旋转联接单元109上施加力，以仅将推进力从推进模块107传送到钻井模块111。利用旋转联接单元109，没有反作用扭矩从钻井模块111传送回推进模块107。相反地，如果钻井模块111由于反作用扭矩而开始旋转，则钻井模块111相对于推进模块107旋转。该旋转联接单元109的旋转编码器201提供指示推进模块107与钻井模块111之间的旋转关系的信号。

该推进模块107与钻井模块111能够相对于彼此自由旋转。内部钻头115与外部钻头113之间的扭矩失衡可导致钻井模块111的扭矩为非零，从而导致钻井模块111旋转。因为旋转联接件109没有将钻井模块经受的扭矩传送到推进模块107，所以推进模块111独立于推进模块107旋转。允许这种旋转不受限制地进行将导致穿进速度的损失。当钻井模块111相对于推进模块107旋转时，该推进模块107不受到围绕其轴的任何扭矩，从而使推进模块107在钻井操作期间总在井眼117中保持旋转静止。

如图2所示使用旋转编码器210的旋转联接单元109提供钻井模块111相对于推进模块107的角度位置。旋转编码器也称作轴编码器，是可操作以将轴或轴线的角度位置转换为数字信号或模拟电压的数字电子设备。该旋转编码器210可以例如是光学编码器、磁编码器、机械编码器或简单电位计。该旋转编码器201输出对应于推进模块107与钻井模块111之间的相对角度的信号。

图3A是根据本发明的钻井模块111的一个实施例的侧断面示图，该钻井模块111具有沿钻井模块111的轴、并入图2中所示的钻井机器人119的钻井模块111中的旋转联接件。在这个实施例中，内部钻头115连接到内部钻轴303，其使用行星齿轮系统320，被操作以从包括转子315和定子317的第一电机沿顺时针方向旋转。具有中空电机轴的转子315驱动行星齿轮系统320的输入恒星齿轮325。该行星齿轮系统320由以下组成：多个(例如4个)行星齿轮319A-319D(其中：319B和319D在横断面图中不可见)，每个分别被连接到齿轮轴323A-323D并由恒星齿轮325驱动。该齿轮轴323A-323D被安装在活动行星齿轮架327A-327D上。该行星齿轮架被附于内部钻轴303。行星齿轮系统的齿圈321被连接到钻井模块111的外壳301，并且不旋转。加虚线的标记A-A表示在下述图4A中的横断面视图的位置。

图4A是用于为内部钻头轴303提供旋转的行星齿轮系统320的横断面视图。该恒星齿轮325被连接到电机转子315，沿顺时针方向旋转并将顺时针旋转传递给主轴323。如所示，每个主轴323被安装在行星齿轮架327上，并被连接到内部钻轴303。因为齿圈321不旋转，所以向恒星齿轮325传递顺时针旋转导致行星齿轮架327顺时针旋转。结果，因为内部钻轴303被附于行星齿轮架327，所以内部钻轴沿与恒星齿轮325相同的方向旋转。因为行星齿轮在小设计空间中提供高的传动比，所以该行星齿轮系统320用于本发明的一个实施例。在一个备选实施例中，可以使用诸如谐振驱动器、摆线驱动器和正齿轮的其它传动驱动器。

再次参照图3A，外部钻头113被连接到外部钻轴(drill shaft)305，其利用由定子331和转子339组成的第二电机沿逆时针方向旋转，以驱动第二行星齿轮系统332。本领域的技术人员将容易认识到：这仅是与本发明所使用的实例实施例，并不期望限制其范围。专业技师将容易理解：本发明的许多备选实施例可用于实践本文所要求保护的内容。具有中空电机轴的转子329驱动第二行星齿轮系统332的外部恒星齿轮333。第二行星齿轮系统332由多个(例如4个)行星齿轮335A-335D组成，每个行星齿轮分别被连接到齿轮轴339A-339D并由恒星齿轮333驱动。每个齿轮轴339A-339D被安装在活动的行星齿轮架341A-341D上。该行星齿轮架341A-341D被附于外部钻轴305。第二行星齿轮系统332的第二齿圈337被连接到钻井模块111的外壳301，并且不旋转。加虚线的标记B-B表示在下述图4B中的横断面视图的位置。

图4B是沿图3A的横断面B-B的外部驱动轴用驱动机构的横断面视图。每个主轴339被安装在第二行星齿轮架341上。该外部钻轴305也被连接到行星齿轮架341。因为第二齿圈337静止，所以利用连接到第二行星齿轮架341，外部恒星齿轮333的逆时针旋转导致外部钻轴305以沿与外部恒星齿轮333相同的逆时针方向旋转。

此外，在这个实施例中，钻井模块111的线性致动器部件310由以下组成：附于内部钻头轴303的活动部件311；和附于钻井模块的外壳301的静止部件313，例如电磁线圈线性致动器。电磁线圈线性致动器将受控磁场转换为活动部件311的线性运动。该线性致动器部件310实现了内部钻头115的轴向运动。图3A显示了在内缩位置的内部钻头115，其中：内部钻头115已被轴向推进器311推入钻井模块，从而使内部钻头115更接近井眼中的外部钻头113。图3B是在舒展位置中的内部钻头115的横断面视图，其中：利用井眼中的线性致动器的活动部件311，内部钻头115相对于外部钻头113向前推动。

如图3A所示，在一组径向轴承345上，该内部钻头轴303被定位并允许在外部钻头轴305内部旋转。当将内部钻头115缩回钻头组件外壳301内部或由线性致动器的活动部件311推出时，该径向轴承345被连接到外部钻头轴305以允许内部钻头轴303在旋转期间轴向运动。此外，该径向轴承345用作内部钻头轴303相对于外部钻头轴305的旋转轴承。

在一组径向轴承343上，该外部钻头轴305被定位并允许在钻井模块外壳301内部旋转。

在本发明的一个实施例中，旋转联接件109被加入钻井模块111中，并由推进轴承347和具有推进模块的机械连接359支持。该旋转联接件109的编码器201被连接到钻井模块外壳301。此外，来自推进模块107的在井眼中的轴向推力经机械连接359被施加到钻井模块111。在这个实施例中，自来推进模块107的泥浆流363经过流体联接351，到内部钻头轴303的内部，用于在井眼中的钻井操作。一组密封件355防止泥浆流363进入钻井模块外壳301，并在钻头旋转的同时，允许到钻井模块111的轴向运动。从推进模块107的电连接353被引导到连接到钻井模块外壳301的滑动环组件的静止部件365，其提供对钻井模块111的所有部件的电连接349。

连接到推进模块107的滑动环组合件的静止部件357实现了旋转联接件109的旋转编码器201与钻井模块111的控制模块367之间的通信，并且此外，在一个备选实施例中，例如使用泥浆脉冲遥测系统，控制模块367实现了表面钻井与处理单元105和钻井模块111之间的通信。

图5A和5B是本发明的一个实施例的推进模块107、旋转联接件109和钻井模块111透视图。在图5A中，钻井模块111和推进模块107相对于彼此在旋转上是中立的(rotationally neutral)，如十字线501和503所示。如在下面更详细地描述，钻井模块111上的净扭矩得到控制。通过消除钻井模块111上的净扭矩，推进模块107和钻井模块111在井眼中在旋转上是静止的，并且此外，将相对于推进模块107的旋转轴的位置(由十字线501指示)与相对于钻井模块111的旋转轴(由十字线503指示)的位置对准。例如如图2所示，该旋转编码器201可被容纳在旋转联接件109中，并提供指示推进模块107与钻井模块111之间的角度关系的信号。因此，因为推进模块107和钻井模块111如图5A所示被对准，所以旋转编码器201为钻井模块提供推进模块107与钻井模块111之间的中间对准(neutral alignment)的信号。

在图5B中，由于外部扰动，该钻井模块111已相对于推进模块107沿它们的公共轴旋转角度α。因此，在那种旋转后，钻井模块111与推进模块107之间沿它们公共轴的角度关系是角度α，由相对于十字线503的新十字线503’指示。该旋转α可能是由于外部钻头113和内部钻头115之间的扭矩失衡导致的。结果，通过发送代表推进模块107与钻井模块111之间的角度α的信号，该旋转编码器201通信到钻井模块111。响应于指示已出现旋转的旋转编码器201的信号输入，该钻井模块111调节外部钻头113和内部钻头115之间的钻压分布，即由钻井模块111的线性致动部件310表明的轴向推进得到调节；或者分别调节驱动外部钻头113和内部钻头115的电机的相对RPM，以内部恢复对所有钻井扭矩的平衡，并消除钻井模块111的旋转。

钻头上的扭矩不仅是钻压的函数，而且也是外部钻头113和内部钻头115的旋转速度的函数。因此，通过改变或者外部钻头113或者内部钻头115的旋转速度，或改变两者的旋转速度，能够控制净扭矩。

在一个备选实施例中，定向钻井工具包括反旋转钻头以控制反作用钻井扭矩，并期望增大或减小反作用钻井扭矩，目的是控制钻头游动，以改变井眼中的钻井的期望方向。在那种实施例中，钻井模块111的控制模块367与表面钻井与处理单元105通信，以接收关于钻井机器人在井眼中的方向的信息。使用例如加入检测倾斜的加速度表和检测方向的磁力表的方向和倾斜组件，感应钻井操作期间的方向在本领域中是周知的。

图6A是表示为矢量的钻力的示意说明。该控制模块367的方向处理部件组合和操纵这些矢量以控制钻头游动，从而实现期望的钻井方向。由内部钻头115的旋转引起的力由矢量601表示；由外部钻头113的旋转引起的力由矢量603表示；并且由钻压引起的力由矢量605表示(总体来说，“钻力”)。在图6A中，钻力是平衡的；因此，井眼的钻井的方向是直向前的。为继续直向前钻进，力矢量的平衡保持均衡。如果期望直着向前钻进，并且未保持均衡，则通过操纵外部钻头113和内部钻头115的相对旋转速度或内部钻头115上的钻压调节力矢量。

图6B是当钻力失衡时出现的力矢量的示意说明。由内部钻头115的旋转引起的力由607表示；由外部钻头113的旋转引起的力由609表示；并且由钻压引起的力由611表示。合成矢量613(来自矢量609’和607’到矢量611的相加)表示其中考虑这种特定的力平衡，应期望的钻头游动的方向。

因此，在这个备选实施例中，通过操纵外部钻头113和内部钻头115的相对旋转速度以及内部钻头115上的钻压，实现期望的钻井方向。此外，沿从内部钻头的相反方向的外部钻头旋转加上其幅度能够通过控制钻压和一个或两个钻头的旋转速度调节另外的游动趋势矢量。在一个备选实施例中，操作人员可以指示钻井设备应操纵到的位置615。然后，该位置615被通信到钻井模块111。在钻井模块111中的软件确定所需矢量以到达该位置615。例如，如果如图6A中直向前钻井并期望改变方向到点615，矢量601可减小以对应于矢量607，即因为矢量601和607对应于内部钻头615的力，所以将内部钻头615的旋转速度减小。

III.工作流程

单个钻头的特征能够通过如在扭矩(T)、钻压(WOB)、切割深度(dc)、钻井速度(ROP)和旋转速度(RPM)之间的等式(1)，(2)和(3)所示的数学关系描述。

T＝C_T*d_c+T₀       (等式1)

WOB＝C_W*d_c+WOB₀   (等式2)

d_c＝ROP/RPM       (等式3)

常数C_T，C_W取决于岩石类型和诸如破裂强度的岩石属性。T₀表示由纯摩擦引起的扭矩分量。WOB₀表示钻头从简单摩擦井眼中的岩石地层到实际切割岩石所需的最小重量。通过从上面列出的等式(1)和(2)消除的切割深度的相关性，扭矩表示为T＝(C_T/C_W)*(WOB-WOB₀)+T₀。只同质状态中，C_T，C_W，T₀和WOB₀不改变。考虑其中WOB保持恒定的钻井设备。在这种环境中，即同质地层和常数WOB，在单个钻头处的扭矩独立于旋转速度。因此，扭矩无法通过改变旋转速度控制。在其中常数ROP能够应用于这种单一钻头系统的场合中，例如使用推进模块107，导致单个钻头上的扭矩与旋转速度成反比，T＝C_T*(ROP/RPM)+T₀。

上述数学表达式能够延伸到如下描述的同轴设置的内部和外部钻头。

T₁＝C_T1*(ROP/RPM₁)+T₀₁      (等式4)

WOB₁＝C_W1*(ROP/RPM₁)+WOB₀₁  (等式5)

T₂＝C_T2*(ROP/RPM₂)+T₀₂      (等式6)

WOB₂＝C_W2*(ROP/RPM₂)+WOB₀₂  (等式7)

推力_总＝WOB₁+WOB₂           (等式8)

同轴布置的钻头的每个钻头具有其岩石切割属性常数，即，C_T1，C_T2，C_W1，C_W2，T₀₁，T₀₂，WOB₀₁和WOB₀₂。钻井模块111的控制模块367平衡扭矩T₁和T₂。该扭矩T₁和T₂被平衡，以便它们不必采用恒定的值。然而，它们相同并且相反。该钻井模块111受到的扭矩由T_DM＝T₁-T₂表示。因此，当扭矩T₁和T₂相同时，该钻井模块111在井眼中不旋转。

图7是钻井模块111的可能工作流程的示意说明，其中：钻井扭矩，因而钻井模块111与推进模块107之间的相对旋转得到控制。该旋转联接单元109的旋转编码器201确定了钻井模块111相对于推进模块107的角度旋转(也称作相对旋转)，并将指示角度关系的数字信号发送到控制模块367。在一个备选实施例中，表示相对旋转的信号也能够来自任何其它对地静止或准对地静止参考，即不一定来自旋转编码器201。该钻井模块111的控制模块367接收表示推进模块107与钻井模块111之间的角度关系的来自旋转编码器201(或备选源)的信号，并使用该信息以确定钻井模块111是否已开始相对于推进模块107旋转。此外，控制模块367接收有关内部钻头电机和外部钻头电机的当前RPM的信息。

该推进模块107应用轴向推进，步骤107，即常数WOB或常数ROP到钻井模块111以在井眼中继续钻井过程。使用适合取得角度位置的任何方法，例如使用旋转编码器201，取得该钻井模块111相对于推进模块107沿它们的公共轴的相对旋转。该钻井模块111的控制模块367估计从旋转编码器201接收的角度位置信息，以确定钻井模块111是否已开始相对于推进模块107旋转。为抵消旋转，例如通过导致内部钻头115由线性致动器310轴向运动或通过调节钻头的相对RPM，调节内部钻头的钻压703。

根据许多不同的策略的任一个，可进行调节参数的选择。在本发明的一个实施例中，内部钻头与外部钻头的ROP相对于彼此固定，即ROP₁等于ROP₂。换言之，不涉及线性致动器310(除如以下描述的以外)。在这个实施例中，分别地，通过操作驱动这些钻头的两个电机的相对RPM，调节内部和外部钻头的相对扭矩。(因为或者内部钻头115或外部钻头113的RPM可保持恒定，并另一个可被调节，分别地，图7显示通常作为第一和第二钻头711和713的这些钻头。类似地，第一电机707和第二电机709可对应于驱动内部钻头115或外部钻头113的电机。)

反馈控制回路用于将一个电机例如第一电机707保持在近恒定RPM。例如考虑第一电机707被指定以相对于第二电机709以恒定RPM操作，第二电机709的RPM被调节以控制由两个钻头711和713施加的相对扭矩。然后，将第一电机707的RPM反馈到控制模块367。该控制模块367调节应用于第一电机707的电力以保持该电机以近恒定的RPM操作。控制第一电机707的速度的反馈控制回路例如可以是PID(比例-积分-微分)控制器。

图8是说明控制模块367软件的一个实施例的流程图，其中：两个电机707和709之一的RPM用于控制自两个同轴钻头的相对扭矩。该控制模块367自旋转编码器201连续接收相对旋转，步骤851。如果相对旋转指示扭矩平衡，即不存在旋转，步骤853，控制简单地再次返回从旋转编码器读新的相对旋转，步骤851。该循环继续，直到扭矩不平衡，步骤853，此时调节相对RPM。如果相对旋转指示第二钻头709上的扭矩大于第一钻头711上的扭矩，步骤853，应增加第二钻头709的RPM，步骤855。如果第二钻头709上的RPM增加，除了两个钻头的ROP保持相同的条件外，第二钻头713的ROP也将增加。然而，因为第一钻头711上的RPM保持近恒定，增加ROP的第一钻头711的ROP增加了WOB，以及第一钻头711上的扭矩。另一方面，因为第二钻头713的RPM的增加未实现总ROP的增加，其可能已由隔离的第二钻头实现，第二钻头713的WOB减小，并且结果，同样第二钻头713上的扭矩减小。相应地，当第二钻头的扭矩大于第一钻头上的扭矩时，第二电机的RPM可增加以减小第二钻头上的扭矩，同时增加第一钻头上的扭矩。

相反地，如果相对旋转指示第二钻头709上的扭矩未大于第一钻头711上的扭矩，步骤853，第二钻头709的RPM应减小，步骤857。

然而，自然地，如果RPM或者最大，步骤859，或者已为零，步骤861，，必须采取一些其它校正动作。在那种情况中，进入紧急模式863。由于特定的外部扰动，控制钻井模块的操作可能失败。例如，一个钻头可能遇到极硬的材料，例如花岗岩，同时另一钻头钻进软的材料，例如沙子。在这种情况中，更改RPM可能不足以控制由钻头施加的相对扭矩。因此，响应于这种状况，由控制模块启动紧急模式。在紧急模式中，线性致动器310被用于产生尺蠖(inchworm)类型运动，以恢复钻井模块的正常操作。内部钻头115和外部钻头113的电机与线性致动器310一起间歇地接通和关闭，从而在井筒中前进，导致钻压交替地施加到内部电机和外部电机。钻头和线性致动器的这种重复连续运动被称作尺蠖类型运动，并且还恢复钻井模块的正常模式。

图9是说明图8的紧急模式863的流程图。当外部扰动导致上面描述的钻井控制系统失败时，可进行紧急模式。在紧急模式中，线性致动器310被用于使驱动机器人沿钻井方向尺蠖向前。在紧急模式863的一个实施例中，钻井控制模块367首先关闭第一电机707，步骤901。这个步骤(步骤901)导致整个推进负载停留在第一钻头711上。第二电机709然后被接通，步骤903，并且使用线性致动器310，第二钻头713前进进入地层，步骤905。在一个实施例中，在紧急模式中第二钻头前进的速度被设置为操作参数。使用PID控制回路可以保持第二钻头旋转的RPM。在紧急模式中，可由旋转钻头施加的最大扭矩，所述的旋转钻头在这里是第二钻头713，为静止钻头的保持扭矩的函数。根据本发明的一个实施例，旋转钻头的扭矩可以小于保持扭矩。否则静止钻头开始滑动。从上述等式，从而：

T_drill＝C_Tdrill*(ROP/RPM_drill)+T_0drill  (等式9)

其中：“drill”是旋转钻井的下标，例如在步骤903和905，它是2。RPM_drill被调节以便Tdrill＜Thold。作为一种实际情况，如果探测到静止钻头上的滑动(通过控制钻井模块111的旋转可指示滑动)，这可以通过调节RPM_drill实现。

当线性致动器310已使第二钻头713前进线性致动器310的全范围运动(或接近全范围运动)，第二电机709关闭，步骤907。第一电机然后被接通，并且例如使用PID控制回路，保持其旋转，步骤909。使用线性致动器310，第一钻头711现在前进入地层，步骤911。在线性致动器310的行程结束(或接近结束)时，将第一电机711关闭，步骤913。

对返回RPM模式的可能性周期地进行检测，步骤915，例如在运动第二电机的每个完整循环结束时，步骤905和907，并且将第一电机运动进入地层，步骤911和913。在一个实施例中，通过相继地增加经回路的每次重复的PRM，直到静止钻头滑动，执行确定是否可能离开紧急模式的检测。对于具有更小阻力的钻头，RPM能够比对于具有更高阻力的钻头高得多。因此，当在不滑动静止钻头的情况下可以保持的各个RPM之间的差很大时，将需要紧急模式。然而，随着两个可能的RPM彼此更接近，即该差小于设置的阈值，可以离开紧急模式，并且可以重新进入RPM调节模式。

在本发明的备选实施例中，钻井模块111被用于控制钻头操作的操纵方向。图10是说明一个备选实施例的可能流程图，其中：这里描述的钻井模块111被用于操纵钻井方向。作为第一步骤，钻井模块111例如控制模块367，接收钻井方向参数，例如钻井轨迹的期望的新方向，步骤801。使用泥浆脉冲遥测术或在连接表面处理设备105和钻井机器人119的电缆121上，这些钻井参数可以从能够例如位于油田服务车123内部的表面设备105发送到钻井模块111。在本发明的一个实施例中，钻井模块111被连接到传统钻杆，并接收自钻杆的推进。通过引导钻头游动，对内部和外部钻头的相对扭矩的调节被用于取得特定的期望轨迹。

该钻井模块111读取扭矩和钻压传感器以确定内部钻头115上的扭矩、外部钻头113上的扭矩和内部钻头115的钻压，步骤803。在一个备选实施例中，泥浆流速和内部钻头115与外部钻头113的钻压被表面钻井与处理单元105记录。此外，利用表面泥浆泵的速度和泥浆的转移可以测量流速，并通信到表面钻井与处理单元105。在这个实施例中，钻杆为外部钻头提供顺时针旋转，从而提供来自轴的力矢量，在钻井中的大多数岩石地层中，与钻压一起将导致钻头游动的趋势。泥浆电机为内部钻头提供逆时针旋转，并且内部钻头的旋转受到泥浆电机的流速的控制。通过平衡内部钻头上的钻压、外部钻头上的钻压，自内部钻头与外部钻头的相对扭矩的不平衡(相对于彼此沿相反方向旋转)提供了非中间力矢量。结合两种钻头的设计，不同的钻压提供了第三力矢量。在示例性实施例中，通过如图6所示分析力矢量和合成矢量，表面钻井与处理单元105确定是否需要对方向参数的校正，步骤805。接下来，确定期望的合成矢量，步骤807。如果期望的合成矢量与从当前钻力的合成矢量之间匹配，步骤809，过程可返回到等待新的方向参数的步骤，步骤801。否则，调节钻井力，步骤811，并且重复读取力传感器，计算目前的合成力矢量和与期望的合成矢量比较的步骤。通过测量钻井力和根据需要调节以匹配期望的结果力矢量，钻井与处理单元105控制钻头游动，从而使用钻头游动以在钻井中沿期望的轨迹操纵钻井操作。该钻井与处理单元跟踪对方向参数的调节和对钻井机器人遵循的轨迹的效果。这种学习过程允许对方向参数的未来调节，从而钻井机器人保持预先确定的轨迹。学习过程也允许有关调节和轨迹成功的数据用于相类似地层与钻井条件中的未来钻井操作。

IV.原理图

图11是钻井模块111的控制模块367的示意说明。一个或多个传感器901被连接到处理器903。该处理器根据在存储器907中存储的软件程序909的程序指令操作。该软件程序909是图7到图10中所示的流程图和结合其它图在上面描述的控制扭矩的方法的至少一部分的实施。换言之，软件程序909可包括组件913，以实现上面论述的算法，从而处理钻井模块111和推进模块107的相对角度位置，并使用该信息以控制扭矩，以使旋转最小化，或理想地消除旋转。备选地，软件程序909提供上面论述的算法的实施915，以处理方向参数，从而控制钻头游动以实现期望的钻井方向。该存储器907也可包含用于存储数据的区域911，所述的数据例如控制控制模块367的参数，如具有常数RPM的电机的RPM的设置点，线性电机在紧急模式期间的前进速度，定向控制的期望方向。在本发明的一个备选实施例中，控制模块357位于表面设备中或甚至不在现场。钻井模块111的控制模块367也可包含通信逻辑部分905，用于与推进模块107、旋转联接单元109通信，并执行从表面钻井与处理单元105的数据的发送与接收。

从前述内容，将认识到：本发明提供的消除钻头净扭矩的设备表示在本技术领域中明显的进步。在一个实施例中，根据本发明的钻井设备期望平衡由钻进井眼引起的钻井扭矩，从而增加自主钻井机器人的稳定性和效率。在另一个实施例中，对影响同心钻头的钻井力的钻井参数的改变被应用于控制钻头游动，目的在于沿钻井中的期望方向操纵钻井操作。

虽然已描述和显示了本发明的特定实施例，本发明并不局限于如此描述和说明的部件的特定形式或布置。

Claims (20)

1.一种钻井设备，所述的钻井设备用于控制钻井操作期间的钻头扭矩，并且包括：

提供轴向推进力的推进模块；

连接到推进模块和钻井模块的旋转联接件；其中：旋转联接件包括旋转编码器，所述的旋转编码器是可操作地确定推进模块与钻井模块之间的相对旋转角度；

钻井模块，其被连接到旋转联接件，以从推进模块接收推进，并接收表示推进模块与钻井模块之间的相对旋转角度的来自旋转编码器的信号，其中：钻井模块包括：分成外部钻头和内部钻头的钻头；内部和外部钻头被连接到动力单元，所述的动力单元是可操作地沿相反方向同时驱动内部和外部钻头；和驱动模块；和

控制模块，其被连接到动力单元并可操作地控制内部与外部钻头的相对旋转速度。

2.根据权利要求1所述的设备，还包括：

线性致动器，其响应从旋转编码器接收的信号，可操作地提供内部钻头相对于外部钻头的轴向运动。

3.根据权利要求2所述的设备，其中：内部钻头相对于外部钻头的轴向运动产生内部钻头与外部钻头之间的钻压分布的变化，以调节钻头净扭矩。

4.根据权利要求2所述的设备，其中：钻井模块相对于推进模块的角度旋转位置被用于调节内部钻头与外部钻头之间的钻压分布。

5.根据权利要求1所述的设备，其中：钻井模块相对于推进模块的角度旋转位置被用于调节内部钻头和/或外部钻头的旋转速度。

6.根据权利要求1所述的设备，其中：控制模块包括用于以下的装置：

与表面钻井与处理设备通信；

处理钻井模块相对于推进模块的角度旋转，以调节与钻头相关联的扭矩。

7.一种为了操纵钻井操作的目的而用于控制钻井期间的钻头游动的钻井设备，包括：

分成外部钻头和内部钻头的圆柱钻头，内部钻头位于外部钻头内部，

动力单元，可操作以独立控制内部和外部钻头；

监视泥浆流速和外部钻头与内部钻头的钻压；和

控制模块，其连接到动力单元并可操作以：

从表面钻井与处理设备接收从分量矢量计算的合成矢量；

将合成矢量与对应于期望钻井方向的期望矢量比较，

确定对于修改合成矢量以取得期望的矢量所需的至少一个分量矢量的至少一次调节，和

调节对应于这样的力的钻井参数，所述力对应于经调节的至少一个分量矢量。

8.根据权利要求7所述的设备，其中：控制模块将外部钻头与内部钻头的方向参数传送到表面钻井与处理设备。

9.根据权利要求7所述的设备，其中：控制模块接收对来自表面钻井与处理设备的钻井参数的校正。

10.根据权利要求7所述的设备，其中：控制模块处理从表面钻井与处理设备接收的钻井参数的校正包括用于以下的装置：

用于调节与内部钻头与外部钻头的旋转相关的力；和

响应来控制钻头游动。

11.一种操作钻井设备的方法，所述钻井设备具有推进模块和带有多个钻头的钻井模块，包括：

以第一旋转速度沿第一方向旋转第一钻头；

以第二旋转速度沿与第一方向相反的第二方向旋转第二钻头；

从推进模块对钻井模块提供推进；

确定推进模块和钻井模块之间的相对旋转；和

响应探测钻井模块与推进模块之间的相对旋转，调节第一旋转速度与第二旋转速度的至少一个。

12.根据权利要求11所述的操作钻井设备的方法，其中：确定相对旋转包括：

从旋转编码器取得相对旋转。

13.根据权利要求11所述的操作钻井设备的方法，其中：

如果相对旋转指示第二钻头上的扭矩大于第一钻头上的扭矩，则增大第二钻头的旋转速度。

14.根据权利要求11所述的操作钻井设备的方法，其中：

如果相对旋转指示在第二钻头上的扭矩小于第一钻头上的扭矩，则减小第二钻头的旋转速度。

15.根据权利要求13或14所述的操作钻井设备的方法，其中：

如果第二钻头的旋转速度小于最小值，则进入紧急模式，其中：一个钻头保持静止，并且另一个钻头相对于静止钻头旋转和轴向运动。

16.根据权利要求15所述的操作钻井设备的方法，其中：第一和第二钻头交替保持静止，同时另一个钻头轴向运动。

17.根据权利要求11所述的操作钻井设备的方法，其中：

如果第二钻头的旋转速度小于最小值，则进入紧急模式，其中：一个钻头保持静止，并且另一个钻头相对于静止钻头旋转和轴向运动。

18.根据权利要求11所述的操作钻井设备的方法，包括：

确定第一和第二钻头上的相对扭矩；

确定钻井模块的轨迹；

确定期望轨迹与确定轨迹之间的差；

从确定轨迹与相对扭矩，确定对于取得期望轨迹所需的相对扭矩；

调节第一或第二钻头的旋转速度以取得对于实现期望轨迹所需的相对扭矩。

19.根据权利要求18所述的操作钻井设备的方法，还包括：

确定在第一和第二钻头上由扭矩产生的力矢量；

从力矢量确定实际的合成矢量；

确定期望的合成矢量；

将期望的合成矢量与实际合成矢量比较；

如果期望的合成矢量不匹配实际的合成矢量，调节钻井力以取得期望的合成矢量。

20.根据权利要求19所述的操作钻井设备的方法，其中：调节钻井力包括从下面选择的操作：调节第一钻头的旋转速度；调节第二钻头的旋转速度；调节第一和第二钻头之间的轴向关系。

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