CN101827994A - 用于利用旋转钻井系统定向钻井眼的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于利用旋转钻井系统定向钻井眼的系统和方法。在一些方面中，通过对地静止元件可控制由钻头在所施加的侧向力的作用下对井眼的侧壁的侧向钻切，以提供定向侧向钻切，因此提供对通过地球地层的井眼的定向钻进。在其它方面中，非同心连接的量规伸缩片组件可以与钻井系统一起旋转并且偏置或集中所施加的侧向力。

Description

用于利用旋转钻井系统定向钻井眼的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请主张2007年8月15日提出申请的题为“SYSTEM AND METHODFOR CONTROLLING A DRILLING SYSTEM FOR DRILLING ABOREWELL IN AN EARTH FORMATION”的待审的美国申请No.11/839,381的权益，并且本申请是所述申请的继续申请，该申请通过引用在此全文并入。

本申请涉及与本申请同一天提出申请的题为“Stochastic Bit NoiseControl”的美国专利申请No./(代理人案号暂时为No.57.0825)，该申请通过引用在此全文并入。

本申请涉及与本申请同一天提出申请的题为“DRILL BIT GAUGEPAD CONTROL”的美国专利申请No./(代理人案号暂时为No.57.0831)，该申请的内容通过引用在此全文并入。

本申请涉及与本申请同一天提出申请的题为“method and system forsteering a directional drilling system”的美国专利申请No./，(代理人案号暂时为No.57.0853 U.S.CIP)，该申请的内容通过引用在此全文并入。

技术领域

本公开总体涉及一种用于利用旋转钻井系统定向钻井眼的方法和系统。更具体地，但不是以限制性的方式，本发明的实施例用于当将侧向力施加到钻井系统时控制旋转钻井系统在井眼中的运动使得钻井系统将井眼定向钻通地球地层。在本发明的一些方面中，由对地静止元件控制在所施加的侧向力下由钻头对井眼的侧壁的侧向钻切，以提供定向侧向钻切，因此提供对井眼通过地球地层的定向钻进。

背景技术

在许多行业中，通常期望的是通过地球地层定向钻进一口井眼或者在地下地层中的井中取心，以便井眼和/或取心可以包围和/或通过地层内的沉积物和/或储层，以到达地层和/或类似地层内的预定目标。当在地下地层中钻井或取心时，有时期望能够改变和控制钻进方向，以例如朝向期望的靶心引导井眼，或者一旦已经到达靶心则水平控制在含有油气的区域内的方向。还期望的是当钻直井时可对偏离期望方向的井斜进行校正，或者控制井的方向以避免障碍物，例如，具有不利于钻井特性的地层。应该理解的是井眼的钻进可以包括垂直钻井、水平钻井和倾斜钻井，并且许多钻井工具可以包括所述钻井工具的组合。

例如，在油气行业中，可以进行钻井以截取具体位置处具体的地下地层。在一些钻井过程中，为了钻期望的井眼，可以预先设计通过地球地层的钻井轨迹，并且可以控制钻井系统以与轨迹一致。在其它过程中，或者在与前述过程的结合中，在钻井过程期间，可以确定用于井眼的目标并可以监测正在地球地层内钻进井眼的进程，并且可以采用用于确保井眼到达靶区目标的步骤。此外，可以控制钻井系统的操作以提供经济钻井，所述经济钻井可以包括进行钻进以尽快钻通地球地层，进行钻进以减小钻头磨损，进行钻进以获得通过地球地层的最佳钻井和最佳钻头磨损和/或类似结果。

钻井的一个方面被称作“定向钻井”。定向钻井是有意使井眼偏离所述井眼本身所通过的路径。换句话说，定向钻井是对钻柱进行导向，使得所述钻柱沿期望的方向移动。

因为定向钻井能够从单个平台钻多口井，因此定向钻井在诸如海上钻井或类似钻井的情况下是有利的。定向钻井还能够通过储层进行水平钻井以用于增加井眼的对储层的暴露，即，水平钻井可以用于使更长的井筒穿过储层，从而增加了井的生产率。

定向钻井系统同样也可以用于垂直型钻井操作中。例如，钻头由于被穿过的地层的不可预测的特性或钻头受到的变化力而离开设计好的钻井轨迹。当这种井斜发生时，定向钻井系统可以用于将钻头放回在规定的轨迹上。

用于井眼的定向钻进的监测过程可以包括确定钻头在地球地层内的位置、确定钻头在地球地层中的方位、确定钻井系统的钻压、确定通过地球地层的钻井速度、确定正在被钻进的地球地层的特性、确定包围钻头的地层的特性、期望确定钻头前面的地层的特性、对地球地层进行地震分析、确定邻近钻头的储层等的特性、测量井眼内和/或井眼或类似物周围的地层的压力、温度和/或类似参数。在用于井眼的定向钻进的任一过程中，不管是否在预先设计的轨迹之后、是否监测钻井过程和/或钻井条件和/或类似操作，必需能够对钻井系统进行导向。

在钻井操作期间作用在钻头上的力包括重力、由钻头产生的扭矩、施加到钻头的端部载荷、和来自钻井组合的弯矩。这些力与正在被钻进的地层类型和地层相对于井眼的倾角一起可以在钻井过程期间产生复杂的相互作用的力系。

在许多应用中，钻井系统可以包括“旋转钻井”系统，在所述旋转钻井系统中，包括钻头的底部钻具组合连接到可以从钻井平台被驱动/旋转的钻柱(套管柱)。在旋转钻井系统中，可以通过改变诸如钻压、旋转速度等因素提供井眼的定向钻井。

相对于旋转钻井，定向钻井公知的方法包括使用旋转导向钻井系统(RSS)。在RSS中，钻柱从地面旋转，从而是钻头在井眼的端部处抵靠地球地层旋转，并且钻通地层。可以启动如以下所述的井下装置和系统以使钻头沿期望的方向钻进。旋转钻柱大大减少了钻井期间钻柱悬空或卡钻的发生。

用于将斜井钻进到地球内的旋转导向钻井系统可以大致分类为“面向钻头”系统或“推进钻头”系统。在两个系统中，系统的目标是将侧向力施加到钻头以使钻头定向(即，偏离轴线)钻井。

在面向钻头系统中，钻头的旋转轴线沿新井的大致方向偏离底部钻具组合(“BHA”)的局部轴线。术语底部钻井组合可以用于表示在井眼中连接到钻柱的多个装置/系统。因此，底部钻具组合可以包括钻头、钻铤、量规伸缩片、钻头短接、泥浆马达、稳定器、重型钻杆、震击装置(“震击器”)和变换接头和/或类似部件。

总之，根据由上下稳定器接触点和钻头限定的常规三点几何尺寸可以扩展井眼。与钻头和下稳定器之间的有限距离相关联的钻头轴线的偏斜角产生要生成的弯曲所需的非共线条件。有许多方法可以实现此，包括在底部钻进组合中靠近下稳定器的点处的固定弯曲或在上稳定器与下稳定器之间分布的钻头驱动轴的挠曲。通过控制稳定器位置、稳定器之间倾斜接头的引入、柔性大小和弯曲位置和/或类似参数，可以获得定向钻井，即，可以在离开井眼的钻进轴线的钻头上生成侧向力。

面向钻头可以包括使用井下马达以在井眼内旋转/移动钻头。例如，钻头、马达和钻头可以安装在钻柱上，所述钻柱包括具有角度的弯头，并且马达可以使钻头旋转，使得具有角度的弯头将侧向力施加到钻头，并因此通过钻头在侧向力的方向上进行定向钻井。在这种系统中，钻头可以通过悬挂型或倾斜机构/接头、弯接头或类似机构连接到马达，其中，钻头可以移动使得所述钻头相对于马达倾斜。当需要改变钻井方向时，可以使用井下马达钻头使钻柱停止旋转并将钻头定位在井眼内，使得钻头在沿期望的方向并且钻头的旋转可以开始沿期望的方向进行钻进。在这种布置中，钻进方向取决于钻柱的角位移。

在钻头的理想形式中，在面向钻头系统中，因为钻头轴线沿弯曲井的方向连续旋转，因此，钻头不需要进行侧向钻切。美国专利申请出版物No.2002/0011359；2001/0052428和美国专利No.6,394,193；6,364,034；6,244,361；6,158,529；6,092,610；和5,113,953中说明了面向钻头型旋转导向系统的示例和所述面向钻头型旋转导向系统是如何操作的，所有这些申请通过引用在此并入。

推进钻头系统和方法将力施加在井壁上以弯曲钻柱和/或直接将侧向力施加在井壁上以优选的方向上进行钻进。在推进钻头旋转导向系统中，通过使机构在相对于井扩展的方向被优选定向的方向上施加力或产生位移来实现所需的非共线条件。有许多方法可以实现此，包括基于不旋转(相对于井)位移的方法和沿期望的导向方向将力施加到钻头的偏心致动器。此外，通过在钻头与至少两个其它接触点之间产生非共线性来实现导向。在钻头的理想形式中，钻头需要进行侧向钻切以生成弯曲井。美国专利No.5,265,682；5,553,678；5,803,185；6,089,332；5,695,015；5,685,379；5,706,905；5,553,679；5,673,763；5,520,255；5,603,385；5,582,259；5,778,992；5,971,085中说明了推进钻头型旋转导向系统的示例和所述推进钻头型旋转导向系统是如何操作的，这些申请通过引用在此并入。

RSS的公知形式可以包括在与钻柱旋转相反的方向上旋转的“反向旋转”机构。通常，反向旋转在与钻柱旋转相同的速度下发生，使得反向旋转部分相对于井眼的内部保持相同的角位置。因为反向旋转部分相对于井眼不旋转，因此通常被本领域的技术人员称作为“对地静止”。在此公开中，术语“反向旋转”和“对地静止”之间没有区别。

推进钻头系统通常使用内部或外部反向旋转稳定器。反向旋转稳定器相对于井壁保持固定角度(或对地静止)。当要使井眼偏斜时，可以致动被稳定器保持对地静止的致动器，以在与期望的井斜相反的方向上将伸缩片压靠在井眼上。产生的结果是将侧向力施加到钻头，使得推动钻头以在期望的方向上钻切。

通过用于弯曲底部钻具组合的力可平衡由致动器/伸缩片生成的力，并且所述力通过致动器/伸缩片反作用在底部钻具组合的相对侧，并且反作用力作用在钻头的牙轮上，从而对井进行导向。在一些情况下，来自伸缩片/致动器的力可以足够大以磨蚀应用系统的地层。

例如，Schlurnberger^TM Powerdrive^TM系统使用三个伸缩片，所述三个伸缩片绕底部钻具组合的截面布置以从底部钻具组合被同步部署，从而沿一方向推动钻头并且对正在被钻进的井眼进行导向。在所述系统中，伸缩片在钻头后面1-4ft的范围内紧密安装，并且通过从循环流体所取的泥浆流给所述伸缩片供电/致动所述伸缩片。在其它系统中，由钻井系统或楔形物或类似物提供的钻压可以用于将钻井系统定向在井眼中。

用于在钻头上生成侧向力的另一种方法是使用具有被设计成沿在相对于钻头的主体的一个方向(或者至少在一个象限内)的一个方向上保持大致固定的方向上在钻头上生成变化的或相对恒定的侧向力的牙轮结构。这可以通过当牙轮在反向旋转钻头的情况下进行时所述牙轮的正确布置来实现。出于定向钻井的目的，由牙轮布置产生的偏离中心的侧向力可以用于朝向井壁(反涡动的反方向)驱动一组量规伸缩片。当钻头旋转时，钻切侧向力旋转，并因此优选的钻切方向旋转。

发明内容

本公开总体涉及一种用于控制旋转钻井系统以将井眼定向钻通地球地层的方法和系统，钻井系统包括钻柱和钻头，其中钻头通过钻柱抵靠地球地层旋转。更具体地，但不是以限制性的方式，本发明的实施例用于当将侧向力作用在钻井系统时控制旋转钻井系统在通过所述系统正在被钻进的井眼中的运动和/或钻井系统与井眼的侧壁/内壁之间的反作用力。在这些实施例中，当将侧向力作用在钻井系统时，控制钻井系统在井眼内的运动和/或钻井系统与侧壁/内壁之间的反作用力可以用于对引导钻井系统，以沿期望的方向钻井眼和/或集中或偏置由侧向力产生的钻头的运动和/或钻头的钻进方向。

在一些方面中，通过控制钻头在井眼内的运动，使得在钻井系统在井眼内旋转的同时将期望的运动保持在恒定方向上，旋转钻井系统可以沿期望的方向钻井眼，其中，在一些实施例中，在钻井过程期间可以调节所述方向。在其它方面，在钻井过程期间旋转的非对称量规伸缩片装置可以用于增强/集中钻头在侧向力的作用下的侧向钻进。

在本发明的一些方面中，可以控制当施加侧向力时通过钻井系统的钻头对井眼的侧壁的侧向钻切以用于选择性地引导侧壁的侧向钻切，因此，引导通过地球地层的井眼的定向钻进。在一些方面中，侧向钻切控制元件用于控制通过钻头对井眼的侧向钻进，且侧向钻切控制元件与钻井系统连接，以使得侧向钻切控制元件在旋转钻井期间在井眼内保持对地静止。

因此，在本发明的一个实施例中，提供了一种用于控制旋转钻井系统以将井眼定向钻通地球地层的方法，所述旋转钻井系统包括钻柱和与钻头连接的底部钻具组合，所述底部钻具组合包括钻头，所述方法包括以下步骤：

将侧向力施加到底部钻具组合以通过钻头提供侧向钻切；和

控制底部钻具组合在井眼内的运动，其中，控制底部钻具组合的运动以用于对侧向钻切导向。

在一些方面中，对地静止控制元件可以用于控制底部钻具组合在井眼内的运动。对地静止元件可以构造成控制底部钻具组合与井眼的侧壁之间的相互作用，以用于沿具体的方向偏置/集中底部钻具组合的运动。在这些方面中，因为控制元件在井眼内对地静止，因此即使钻井系统正在井眼内旋转时，控制元件也可以使钻井系统沿侧向方向钻进。

在一些方面中，对地静止控制元件可以包括与底部钻具组合偏心连接的套筒。在这种方面中，当将侧向力施加到底部钻具组合时，侧向力将在与侧向力基本上一致的方向上驱动底部钻具组合。然而，偏心连接的套筒可以与井眼的侧壁相互作用，并且抑制底部钻具组合在沿一些方向的运动，而不会抑制底部钻具组合沿其它方向的运动或少量抑制所述底部钻具组合沿其它方向的运动。因此，在本发明的实施例中，当偏心连接的套筒在作用在底部钻具组合上的侧向力的作用下与侧壁重复相互作用时，偏心连接的套筒可以引导/集中/偏置底部钻具组合的运动，并且使钻头沿所引导/集中/偏置的方向侧向钻切井眼。

在本发明的一些方面中，钻井系统的钻头可以包括均匀分布的保径齿排。因此，当将侧向力施加到钻头时，保径齿排沿与侧向力的方向一致的方向被驱动以与井眼的侧壁接合。然而，在当所述力作用在底部钻具组合时底部钻具组合在井眼内的运动期间，偏心连接的套筒的一些部分可以抑制保径齿排与侧壁的接合，其中，套筒的所述部分延伸超过或延伸达到保径齿排的尺寸，并且套筒的这些部分将与侧壁接触并防止保径齿排与侧壁完全接合。相反，偏心连接的套筒的其它部分可以不干涉保径齿排与侧壁的接合，并且当接触侧壁时在底部钻具组合的由正在作用的侧向力产生的运动下允许保径齿排与侧壁完全接合。因此，偏心连接的套筒可以控制由保径齿排在所施加的侧向力的作用下对井眼的侧向钻切。

套筒可以包括与钻头和/或底部钻具组合连接的圆盘、圆筒或类似物。套筒可以包括钻铤、量规伸缩片或类似物。在一些方面中，套筒可以包括多个分离元件，所述多个分离元件绕底部钻具组合布置并且被布置成使得底部钻具组合的外表面和多个元件是不对称的。在其它方面中，可伸出元件与底部钻具组合连接，并且从底部钻具组合延伸，以使得底部钻具组合与侧壁之间的相互作用是不均匀的。

在一些方面中，套筒可以可旋转地与底部钻具组合连接。在这些方面中，套筒可以在底部钻具组合上旋转使得侧壁的与保径齿排完全接合或以较少被抑制的方式与保径齿排接合的一部分可以根据套筒位置而变化。这样，由保径齿排在侧向力的作用下对侧壁的钻切可以通过在底部钻具组合上如所期望地旋转偏心连接的套筒而沿期望的方向被引导/集中。

在一些方面中，相反，多个量规伸缩片的套筒可以与底部钻具组合连接以使得由量规伸缩片的外表面形成的外表面是不对称的。当底部钻具组合与井眼的侧壁重复相互作用时，由于侧向力作用在底部钻具组合上，这种非对称表面将控制底部钻具组合在井眼内的运动。与偏心连接的套筒一样，非对称外表面可以用于引导/偏置/集中井眼的运动，其中被引导的运动又可以使钻头根据被引导/集中/偏置运动成直线而对井眼进行侧向钻切。

在本发明的一些方面中，旋转钻井系统的钻头可以包括用于与侧壁接合并钻切到所述侧壁内的一个或多个保径齿排。在这种方面中，非对称量规伸缩片可以构造成通过抑制一个或多个保径齿排与侧壁之间的在方位角的范围内的相互作用而没有抑制一个或多个保径齿排与侧壁之间的在互补的方位角范围内的相互作用来提供井眼的定向钻进。

在本发明的一些实施例中，系统的定向控制元件可以包括与钻头和/或底部钻具组合连接的圆筒、圆盘或多个元件，其中，圆筒、圆盘或多个元件具有沿圆周方向变化的柔度。因此，当圆筒或圆盘的具有低柔度/弹性的一部分或多个元件中的具有低柔度/弹性的一个元件在侧向力的作用下接触侧壁时，所述部分可以抑制在所述运动方向上的运动，而圆筒或圆盘的具有更大柔性/弹性的部分或具有更大弹性/柔性的元件可以变形/顺从，并且允许沿具有更大柔性/弹性的部分的方向运动和/或较少程度地抑制所述运动。因此，圆筒、圆盘或多个元件与侧壁之间的重复相互作用将使底部钻具组合在侧向力的作用下的运动方向被引导，并因此使由钻头进行的侧向钻切被引导。

在本发明的一些方面中，旋转钻井系统的钻头可以包括用于与侧壁接合和钻切到所述侧壁内的一个或多个保径齿排。在这种方面中，当圆筒或圆盘的具有低柔度/弹性的一部分或多个元件中的具有低柔度/弹性的一个元件在侧向力的作用下接触侧壁时，所述一部分或所述一个元件可以抑制保径齿排与靠近圆筒或圆盘的具有低柔度/弹性的一部分或多个元件中的具有低柔度/弹性的一个元件的保径齿排的侧壁之间的接合，相反，圆筒或圆盘的具有更大柔性/弹性的一部分或具有更大弹性/柔性元件当接触侧壁时在侧向力的作用下将变形/顺从，从而允许靠近具有更大弹性/柔性的元件或部分的保径齿排与侧壁之间更多的接合。因此，与沿具有较小弹性/柔度的部分或元件的方向对侧壁进行钻切和井眼的定向钻井相比，将会增加沿柔性部分/元件的方向对侧壁的钻切。

本发明的侧向力可以由任意公知的方法生成。这些方法可以包括但是不局限于：将牙轮布置在钻头上以当钻头钻井眼时产生作用在钻头上的侧向力、使用柔性构件和/或弯接头和多个稳定器以使用钻压生成侧向力、操纵钻头面向远离井眼的中心轴线的方向、使用与底部钻具组合连接的致动器以将力施加在井眼的内壁上和/或类似方法。

在本发明的另一个实施例中，用于控制旋转钻井系统以将井眼定向钻通地球地层的设备可以包括：底部钻具组合，所述底部钻具组合包括钻头；和定向控制元件，所述定向控制元件与底部钻具组合连接且构造成当将侧向力施加到底部钻具组合时使底部钻具组合沿所选择的方向产生运动。在一些实施例中，控制元件与底部钻具组合连接，使得控制元件在旋转钻井过程期间在井眼内保持对地静止。

在本发明的一个实施例中，用于控制旋转钻井系统以将井眼定向钻通地球地层的设备包括：钻头；一个或多个保径齿排，所述一个或多个保径齿排与钻头连接，并且构造成接合井眼的侧壁；和定向控制元件，所述定向控制元件与钻头连接以在井眼的旋转钻进期间保持对地静止，并且构造成允许由一个或多个保径齿排在期望的方位角范围内对侧壁进行钻切和抑制由一个或多个保径齿排在互补的方位角范围内对侧壁进行钻切。

在本发明的一个实施例中，对地静止的偏心量规组件可以与钻头一起使用，侧向力沿一个方向施加到钻头，所述方向沿相对于钻头的主体在一个方向上(或在至少四分之一圆内)大致保持固定。这种侧向力可以是推进钻头型侧向力、面向钻头型侧向力等，由牙轮在钻头上的正确布置生成。在系统中，钻头的平均钻切侧向力朝向具体的方向(四分之一圆)被引导。在实施例中，以地心为中心的量规组件可以保持对地静止，并且可以用于调节钻头的钻切，这可产生相对于地球的优选钻切方向，从而以地心为中心的量规组件提供用于旋转导向的可控制机构。实施例的偏心套筒构造成抑制保径齿排与地层在方位角方向的范围内的相互作用，但允许保径齿排在互补的方位角方向的范围内与井壁接合。这样，可防止钻头在抑制范围内侧向钻切，但能够在互补的范围内自由进行侧向钻切。通过控制对地静止套筒的方位，在旋转钻具组合的同时可控制钻头的方向趋势。

一些实施例提供了一种旋转钻井系统、一种用于在钻井系统的底部钻具组合和/或钻头上生成侧向力的装置/方法、和用于偏置所生成的/作用在底部钻具组合和/或钻头上的侧向力的控制元件。

多个方面用于控制旋转钻井系统以将井眼定向钻通地球地层。因此，用于控制底部钻具组合和/或钻头与正在被钻进的井眼的内壁之间的相互作用和/或偏置作用在底部钻具组合和/或钻头上的侧向力的控制元件可以是有源的/可移动以选择性地改变钻井方向，可以对地静止以在固定方向上提供定向钻井、可以构造成偏置施加/生成的侧向力，其中可以在所述结构中考虑施加/生成的侧向力的特征。此外，控制元件可以构造成考虑没有施加/没有生成的侧向力(例如，重力)的特征。

在又一个实施例中，提供了一种用于控制旋转钻井系统以将井眼定向钻通地球地层的设备，所述设备包括：钻头；用于生成侧向力以作用在钻头上的装置；和用于偏置生成的侧向力的装置。在一些方面中，用于偏置所生成的侧向力的装置可以包括一个或多个量规伸缩片，其中，量规伸缩片与钻头连接以使得钻头的尺寸和连接的量规伸缩片是不一致的。量规伸缩片可以在钻井过程期间旋转，并且可以用于强调/集中在所施加的侧向力的作用下对井眼的侧向钻进。

在一些实施例中，用于偏置生成的侧向力的装置可以包括与钻头连接的量规伸缩片组，其中，量规伸缩片组可以包括多个量规伸缩片，所述多个量规伸缩片与钻头连接，以使得由多个量规伸缩片的每一个井眼内壁面对表面形成的圆周关于钻头的纵向轴线是不对称的，且内壁面对表面是量规伸缩片的在钻井过程期间面对井眼的内壁的表面。在一些方面中，量规伸缩片(一个或多个)可以包括一个或多个保径齿排。能够控制用于生成侧向力的装置和用于偏置生成的侧向力的装置中的至少一个的控制器可以用于控制由钻井系统进行的定向钻井。

附图说明

在附图中，类似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，相同类型的各种部件可以通过在附图标记之后具有虚线和在类似部件中进行区别的第二标记来区别。只要在说明书中使用第一附图标记，则不管第二附图标记，说明适用于具有相同的第一附图标记的类似部件中的任一个。

以下参照附图根据以下非限制性说明和示例性实施例更好地理解本发明，其中：

图1A是定向钻井系统的示意图；

图1B示出了在定向钻井过程期间当将侧向力施加到图1A的定向钻井系统的底部钻具组合和/或钻头时所述底部钻具组合和/或钻头在正在被钻进的井眼内的运动；

图2A是根据本发明的实施例的、用于通过定向钻井系统控制定向钻井的系统的示意图；

图2B是根据本发明的实施例的、通过在用于控制图2A的定向钻井的系统中使用的柔性系统的横截面图；

图3A-3C是根据本发明的实施例的、用于集中/引导/偏置侧向力以用于对定向钻井系统进行导向的凸轮控制系统的示意图；

图4A-4C是根据本发明的实施例的、用于控制构造成使用侧向力以定向钻井眼的定向钻井系统的有源量规伸缩片系统的示意图；

图5是根据本发明的实施例的、用于控制定向钻井系统的系统的示意图；和

图6是根据本发明的实施例的、用于操纵钻井系统以定向钻井眼的方法的示意性流程图。

具体实施方式

随后的说明仅提供了示例性实施例，并且目的不是限制本公开的保护范围、适用性或结构。相反，示例性实施例的随后说明将为本领域的技术人员提供用于能够实施一个或多个示例性实施例的说明。在不背离如所附权利要求所述的精神和保护范围的情况下可以对说明书的元件的功能和布置做各种改变。

以下说明中给出了具体细节以提供对实施例的充分理解。然而，要理解的是可以在没有这些具体细节的情况下实施所述实施例。例如，系统、结构和其它部件可以被示出为方框图的形式的部件，从而不会以不必要的细节的方式使实施例不清楚。在其它情况下，可以简单的方式示出公知的过程、技术、和其它方法，以免使实施例不清楚。

此外，要注意的是单个实施例可以被描述为流程图、流程图解、结构图、或方框图的过程。虽然流程图可以说明作为连续过程的操作，但是可以并行或同时执行多个操作。此外，可以重新布置操作的顺序。此外，在一些实施例中可以不发生任一个或多个操作。当过程的操作完成时结束所述过程，但是可以具有没有包括在附图中的另外的步骤。过程可以与方法、程序等相对应。

本公开总体涉及一种用于控制定向钻井系统以将井眼定向钻通地球地层的方法和系统。更具体地，但不是以限制性的方式，本发明的实施例用于控制在侧向力的施加下底部钻具组合和/或钻头在井眼内的运动以沿期望的方向将井眼钻通地球地层。

图1是用于钻井眼的旋转钻井系统的示意图。如图1所示，钻柱10可以包括连接器系统12和底部钻具组合17，并且钻柱10可以设置在井眼27内；其中正在通过旋转钻井系统钻井眼27。底部钻具组合17可以包括钻头20和各种其它部件(未示出)，例如，钻头短接、泥浆马达、稳定器、钻铤、重型钻杆、震动装置(“震动器″)、用于各种螺纹形状的变换接头和/或类似部件。底部钻具组合17可以为钻头20提供力以破碎岩石，其中所述力可以由钻压或类似物来提供-并且底部钻具组合17可以构造成可承受恶劣的高温、高压和/或腐蚀性化学剂的机械环境。底部钻具组合17可以包括泥浆马达、定向钻井和测量设备、随钻测量仪、随钻测井仪和/或其它专用装置。

钻铤或类似部件可以与底部钻具组合17连接，并且可以包括可以用于提供钻压以“推动”钻头与钻进面接触的重型部件。因此，钻铤可以包括厚壁重型管状部件，所述厚壁重型管状部件可以具有中空中心以提供钻井液通过钻铤的通道。钻铤的外径可以为圆形以通过正在被钻进的井眼27，并且在一些情况下，所述钻铤的外径可以被加工有螺旋槽(“螺旋钻铤”)。钻铤可以包括一端为公螺纹而另一个端为母螺纹的螺纹连接件，使得多个钻铤可以与其它井下工具一起拧到一起，所述其它井下工具可以一起包括底部钻具组合17。

在旋转钻井系统中，在地面上的马达可以用于旋转连接器系统12，从而使钻头在井眼27的底部上旋转。在一些系统中，地面设备33可以包括顶部驱动装置、转盘或可以将旋转运动通过可以包括钻杆、套管、挠性管或类似管的连接器系统传递给钻头20的类似装置(未示出)。在一些系统中，顶部驱动装置可以由一个或多个马达(电动的、液压的和/或类似马达)组成，所述马达可以通过适当的齿轮连接到称作钻轴的一小段管。钻轴又可以拧到保护接头或钻柱、套管或挠性管本身。顶部驱动装置可以从大钩悬挂，使得所述顶部驱动装置可自由上下移动井架。管、挠性管或类似管可以连接到顶部驱动装置、转盘或类似装置，以将旋转运动沿着井眼27传递给钻头20。

在旋转钻井系统中，重力作用在可以包括大质量钻铤(一个或多个)的底部钻具组合17上，从而提供向下力，当钻头20旋转时，所述向下力可以使所述钻头破碎岩石并且钻通地球地层。为了精确地控制施加到钻头20的力的大小，当钻头20刚刚离开井眼27的底面41时，钻头可以小心地监测钻井系统的地面重量。接下来，可以缓慢并且小心地下放钻柱(和钻头)，直到所述钻柱(和钻头)触及井眼27.的底面41。在所述点之后，当钻机继续下放钻柱时，越来越多的重量施加到钻头20，并且相应地在地面处悬挂时测量的重量越来越小。仅以示例的方式，当地面测量值显示20,000磅[9080kg](20,000磅比钻头41离开底面41时的重量小)，则在钻头20上(在垂直井中)应该有20,000磅的力。井下传感器可以用于更加精确地测量钻压，并且将数据发送到地面。

钻头20可以包括一个或多个牙轮23。在操作中，钻头20可以用于打碎和/或钻切底面41处的岩石，以将井眼27钻通地球地层30。钻头20可以设置在连接器系统12的底部上，并且当钻头20变钝或者变得不能进一步通过地球地层30时，可以更换钻头20。可以以不同的方式构造钻头20和牙轮23以提供与地球地层不同的相互作用并且生成不同的钻切图案。

传统的钻头20通过钻比钻头20的最大外径稍大的井而工作，且井眼27的直径/尺寸由钻头20的牙轮的作用范围和牙轮与正在被钻进的岩石的相互作用而产生。这种通过钻头20对井眼27的钻进可通过旋转钻头20的钻切作用和产生的钻压的组合来实现，且所述钻压由于大质量钻柱产生。通常，钻井系统可以包括量规伸缩片(一个或多个)，所述量规伸缩片可以向外延伸到井眼27的尺寸。量规伸缩片可以包括设置在底部钻具组合17上的伸缩片或在钻头20的一些牙轮的端部和/或类似地方上的伸缩片。量规伸缩片可以用于将钻头20稳定在井眼27中，以用于均匀地钻井眼。

钻头20可以包括一个或多个保径齿排24，保径齿排24可以绕钻头的周边设置，与量规伸缩片或类似物连接，并且可以构造成接合井眼27的侧壁40。在操作中，保径齿排24可以接合侧壁40以使得旋转钻井系统钻出具有等于或稍微大于钻头20的直径的尺寸的井眼。

连接器系统12可以包括管(一个或多个)-诸如钻杆、套管或类似管-挠性管和/或类似管。连接器系统12的管、挠性管或类似管可以用于连接地面设备33与底部钻具组合17和钻头20。管、挠性管或类似管可以用于将钻井液泵送到钻头20，并且提升、下放和/或旋转底部钻具组合17和/或钻头20。

在一些钻井系统中，钻井马达(未示出)可以沿井眼27设置。钻井马达可以包括电动马达、液压型马达和/或类似马达。液压型马达可以由钻井液或泵送到井眼27内的和/或沿钻柱循环的其它流体驱动。钻井马达可以用于给底面41上的钻头20提供动力/旋转所述钻头。使用钻井马达可以用于在不需要旋转连接器系统12的情况下通过旋转钻头20来钻井眼27，所述连接器系统在钻井过程期间可以保持固定。

钻头20在井眼27内的不管是通过旋转钻杆或钻井马达产生的旋转运动可以用于打碎和/或刮削底面41处的岩石以在地球地层30中钻一段新井眼27。保径齿排24抵靠侧壁40的旋转可以用于绕钻头20钻一小层侧壁40。钻井液可以通过连接器系统12或类似系统沿着井眼27被泵送，以将能量提供给钻头20，从而旋转钻头20或类似装置，以用于钻进井眼27、从底面41清除钻屑和/或进行类似动作。

在一些钻井系统中，可以使用震击钻头以与施工现场气锤几乎相同的方式垂直重击岩石。在其它钻井系统中，井下马达可以用于操作钻头20或相关联的钻头，或者除了由顶部驱动装置、转盘、钻井液和/或类似装置提供的能量之外，井下马达可以将能量提供给钻头20。此外，流体喷射器、电脉冲和/或类似装置还可以用于钻井眼27或与钻头17结合来钻井眼27。

在钻井操作期间，可以作用在钻头20上的力可以包括重力、由钻头20产生的扭矩、施加到钻头20的端部载荷、来自包括连接器系统12的钻井系统的弯矩和/或类似力。这些力与正在被钻进的地层类型和钻头20相对于井眼27的底面41的表面的倾角一起可以产生复杂的作用力与反作用力的相互作用系统。在旋转钻井系统中，钻井系统当垂直钻井时通常没有将定向力施加在钻头上，从而钻垂直井眼，对于非垂直钻井来说，旋转钻井系统将在大致连续向前的方向上钻进；然而，向前的重力将使钻头往往朝向垂直方向钻进。

为了通过旋转钻井系统进行定向钻井，可以将侧向力15施加到钻头20。将侧向力15施加到钻头20可驱动钻头20进行侧向(即，远离井眼27的中心轴线39)钻切。通过将侧向力15保持在井眼27内的具体方向上，钻头20将被驱动以至少部分地沿施加侧向力的方向连续钻进，从而产生正在被定向钻进的一段井眼(与简单地通过钻压和钻头抵靠井眼的表面的旋转而钻的一段井眼不同)。

当将侧向力15施加到底部钻具组合17和/或钻头20时，侧向力15可以使保径齿排24与侧壁40接合，并且这可以使保径齿排24优先地沿与所施加的侧向力15一致的方向从侧壁40钻/移除一块地层，从而用于和/或有助于沿所施加的侧向力的方向对井眼27进行侧向钻切。通过控制侧向力15、钻速、钻压和/或类似参数，钻头20可以沿期望的轨迹钻通地球地层30。

各种系统已经被认为用于由旋转钻井系统通过控制在旋转钻井期间正在施加到钻头20的现有力或将新的力施加钻头20来进行定向钻井。这些系统已经被认为弯曲/成形/引导/推动钻井系统以将钻井系统定向在井眼内和/或相对于井眼27的底部定向所述钻井系统，使得钻头的运动被至少部分地侧向(即，远离中心轴线39)引导。一些系统可以使用/利用作用在钻井系统上的重力和/或可以用于通过从底部钻具组合向外推到地球地层30内而在钻井系统上生成大的反作用力，从而将钻井系统定向在井眼内和/或相对于井眼27的底部定向所述钻井系统和/或推动钻头20，以对钻井系统进行导向，从而定向钻井眼27。其它系统可以弯曲钻井系统或使用钻井系统中的弯曲部分以引导钻头，从而远离中心侧向钻进。

在一些钻井过程中，被公知为弯接头的弯管(未示出)或倾斜/绞链型机构可以设置在钻头20与钻井马达之间。弯接头或类似装置可以位于井眼内以使得钻头20接触底面41的表面，使得用于沿具体的方向、角度、轨迹和/或类似参数钻井眼27。在不需要从井眼27移除连接器系统12和/或底部钻具组合17的情况下，可以调节弯接头在井眼中的位置。然而，由于在钻井过程期间井眼中的力可能使弯接头难以操纵和/或难以有效地用于对钻井系统进行导向，因此利用弯接头或类似装置进行定向钻井可能变得复杂。

当利用传统的钻井系统钻直井时，在有或没有施加侧向力15的情况下，申请人已经确定钻头20可能基本上在井眼27中“振动”，且所述振动包括钻头20在径向方向(即，从中心轴线39向外)上的重复移动/随机运动。术语振动/振荡/随机运动这里用于说明钻井系统在钻井过程期间的重复/连续运动，所述重复/连续运动可以在井眼内的除了钻井方向之外的方向上，并且所述重复/连续运动的方向和周期实际上有些可以是随机的。

钻井系统的这些振动/振荡可能受限于冲击和延伸井的表面的牙轮和撞击井眼27的壁的量规伸缩片或类似装置的作用。在试验中，申请人发现包括钻头而没有量规伸缩片的钻井系统产生的井眼的直径明显大于包括钻头和量规伸缩片的等效钻井系统产生的井眼。分析来自这些试验的结果，能确定的是在钻井系统的操作期间，底部钻具组合17在钻井过程期间重复受到包括远离底部钻具组合17和/或钻头20的中心轴线(即，在朝向井眼27的内壁40的径向方向上)的移动的运动。对各种钻井操作的分析得到量规伸缩片限制底部钻具组合17和/或钻头20的这种径向运动，从而产生具有较小钻孔的井眼。传统钻井系统的量规伸缩片被部署以最小化/消除钻井系统的振动运动，从而提供较小/规则钻孔。

从对钻井系统的实验和分析，申请人发现当钻头20钻进到地球地层30内时，牙轮23可能不能与地球地层均匀相互作用，例如，可能由地球地层30产生岩屑，因此，可能在底部钻具组合17和/或钻头20中产生不稳定运动(所述不稳定运动是除了底部钻具组合17和/或钻头20的纵向/向前运动之外的沿一定方向的运动)。此外，申请人已经分析了钻井系统的操作，并且发现在钻井系统的操作期间，通过连接器系统12和钻头20将力施加到井眼27的底部处的地球地层30、钻头20的操作/旋转、钻头20与地球地层在井眼27的底部处的相互作用(其中，钻头20可能滑脱、失速、离开钻井轴线和/或产生类似动作)、连接器系统12的旋转运动、顶部驱动装置的操作、旋转台的操作、井下马达的操作、诸如流体喷射器或电脉冲系统的钻井辅助设备的操作、井眼20的钻孔(所述钻孔可以是不规则的)和/或类似动作可以在底部钻具组合17和/或钻头20中产生运动，并且这种运动可以是重复运动、随机运动、瞬变运动、不稳定运动，其中，至少不稳定运动的分量没有沿着底部钻具组合17和/或钻头20的轴线指向，相反在底部钻具组合17和/或钻头20的中心处从纵向轴线径向向外指向。

此外，申请人已经发现当将侧向力15施加到钻头20和/或底部钻具组合17时也可以发生钻头20和/或底部钻具组合17的不稳定/随机运动。因此，在井眼的定向钻进期间，当将侧向力15施加到钻头20和/或底部钻具组合17时，钻头20和/或底部钻具组合17受到随机运动并且没有与侧壁40均匀相互作用。如上所述，钻头20和/或底部钻具组合17的运动由于诸如地球地层30的不均匀特性、作用在钻头20和/或底部钻具组合17上的各种不同的力和/或类似因素的因素而复杂。因此，即使当以均匀的方式(实际上这非常难以提供)施加侧向力15时，钻头20和/或底部钻具组合17可以通过与侧向力15不同的侧向力15被驱动以运动，但是相反却可以包括在侧向力15的方向上由侧向力生成的运动和钻头和/或底部钻具组合17的随机运动的组合的运动。实际上，由于如何产生侧向力15(例如，通过由致动器或类似装置将力重复施加在侧壁40上，通过钻头铣刀，通过弯曲钻柱，通过使用弯接头和/或类似方法)，因此侧向力15是不均匀的并且可能随着时间的逝去在方位角的范围内被引导，因此可以使钻头20和/或底部钻具组合17在井眼27内在与方位角的范围相对应的径向方向上运动。

因此，在钻井操作期间，底部钻具组合17的动力可以包括沿钻进方向的纵向运动37以及瞬变径向运动36A和36B，其中，瞬变径向运动36A和36B可以包括底部钻具组合17远离正在被钻进的井眼27的中心轴线39和/或底部钻具组合17和/或钻头20的中心轴线指向的任意运动。并且这些瞬变运动、径向运动可以与侧向力15的方向不同，和/或侧向力15可以是单向的，并且本身可以在方位角的范围上产生底部钻具组合17的瞬变运动、径向运动。

总之，已经确定的是底部钻具组合17在钻井过程期间的径向运动实际上可以是随机的、瞬变的。因此，底部钻具组合17在整个钻井过程可能受到重复随机径向/不稳定运动。为了进行这种说明，底部钻具组合17在钻井过程期间在井眼27中的重复径向/不稳定运动可以被称为底部钻具组合17和/或钻柱的动态运动、径向运动、随机运动、不稳定运动、径向动态运动、径向不稳定运动、动态或不稳定运动、重复径向运动、重复动态运动、重复不稳定运动、振动、振动型运动和/或类似运动。

底部钻具组合17在井眼27的钻进期间的动态和/或不稳定运动可以产生/导致底部钻具组合17在整个钻井过程中与井眼27的内表面重复接触和/或冲击所述内表面。井眼27的内表面包括井眼27的内壁40和底面41，即，限定井眼27的地球地层30的整个表面。如先前所述，底部钻具组合17的动态和/或不稳定运动实际上可以是随机的，因此，可以在钻井过程期间在底部钻具组合17与内表面之间产生/导致随机周期性/重复接触和/或冲击。

由底部钻具组合17在钻井过程期间的动态和/或不稳定运动产生的钻柱10与内表面之间的间歇/重复接触和/或冲击可能发生在底部钻井组合17的一个或多个部分/部件和内表面之间。例如，所述部分/部件可以是底部钻具组合17的靠近钻头20的一部分、底部钻具组合17的部件(例如，钻铤、量规伸缩片、稳定器、马达外壳)，连接器系统12的一部分和/或类似部分/部件。为了进行说明，底部钻具组合17与内表面之间的由底部钻具组合17的动态和/或不稳定产生/导致的相互作用可以被称为动态相互作用、不稳定相互作用、径向运动相互作用、振动相互作用和/或类似相互作用。

图1B是通过底部钻具组合17横截面，示出了底部钻具组合17在侧向力的作用下在井眼中的侧向运动。如上所述，底部钻具组合17在定向钻井过程期间在井眼内受到随机运动。因此，并且因为侧向力通常不能施加到为单向的底部钻具组合17，因此，当将侧向力15施加到底部钻具组合17时，除了与侧向力15的方向一致的运动之外，可以在方位角4OA、4OB和4OC的范围内引导底部钻具组合17的运动，其中方位角的范围通常可以主要位于具有基线45的范围内，且基线45垂直于侧向力15。

图2A是根据本发明的实施例的、用于控制侧向力以对钻井系统进行导向从而定向钻井眼的系统的示意图。在图2A中，用于钻井眼的钻井系统可以包括底部钻具组合17，所述底部钻具组合又可以包括钻头20。钻井系统可以用于钻进具有内壁53和钻进面54的井眼50。

在钻井过程期间，钻头20可以接触钻进面54并且打碎/移动钻进表54处的岩石。在本发明的实施例中，钻铤组件55可以通过柔性元件57与底部钻具组合17连接。钻铤组件55可以是管、圆筒、框架或类似组件。钻铤组件55可以具有外表面55A。

在其中钻铤组件55包括管、圆筒和/或类似组件的方面中，外表面55A可以包括管/圆筒的外表面和/或与管/圆筒的外表面连接的任何伸缩片、突起部和/或类似部件。钻铤组件55的外表面可以具有用于增加钻铤组件55的外表面与内壁53之间的摩擦接触的在外表面55A上的粗糙部分、涂层、突起部。钻铤组件55可以包括构造成用于接触内壁53的多个伸缩片。

在一些方面中，钻铤组件55可以包括量规伸缩片系统。在其中钻铤组件55可以包括一系列元件(例如，伸缩片或类似元件)的方面中，外表面55A可以由钻铤组件55的每一个元件(伸缩片)的外表面限定。

图示的钻井系统的钻头20包括保径齿排24。保径齿排24在钻井过程期间可以与侧壁53相互作用以及钻切到侧壁53内。侧向力15可以用于使得钻头20在方位角方向的范围内移动，所述方位角方向大致集中在与侧向力15一致的方向上。如此，保径齿排24可易于定向钻入到侧壁53内。然而，如前面提到的，保径齿排24与侧壁53的接合可以包括有点零星的相互作用，其中在钻的侧壁的方向不是一致的，而是可以包括方位角方向的范围。

在本发明的实施例中，钻铤组件55可以与底部钻具组合17一起构造而成，使得在钻井过程期间外表面55A由于底部钻具组合17的动态运动而与侧壁53和/或钻进面54接合、接触、相互作用和/或进行类似动作。外表面55A的设计/轮廓/柔度和/或外表面55A相对于钻头20的钻切轮廓的分布可以用于控制保径齿排24与侧壁53之间的相互作用和钻头20的其它牙轮与钻进面54之间的相互作用。

柔性元件57可以包括提供钻铤组件55相对于钻头20的侧向运动的结构，其中所述侧向运动是至少部分地朝向底部钻具组合17的中心轴线61指向的运动。在一些方面中，钻铤组件55本身可以构造成在侧向方向上是柔性的，并且在不需要使用柔性元件57的情况下可以连接到底部钻具组合17和/或可以是底部钻具组合17的一部分。

在本发明的一个实施例中，柔性元件57的柔度可以沿圆周方向是非均匀的。在这样一个实施例中，柔性元件57的绕柔性元件57的圆周设置的一个或多个部分在侧向方向上的柔度可以比柔性元件57的其它部分的柔度大。

如先前所观察的，在钻井过程期间，在施加侧向力15的情况下，钻头20的牙轮可以由侧向力15驱动以远离中心轴线61钻进和/或保径齿排24A和24B可以与侧壁53进行连续和/或重复相互作用，其中因为将侧向力15施加到底部钻具组合17，因此这种相互作用沿侧向力15的大致方向被偏置，从而在侧向力15的方向上产生底部钻具组合17的运动。

在本发明的实施例中，柔性元件57的侧向柔度可以绕柔性元件57沿圆周方向变化。因此，钻铤组件55与侧壁53之间的动态相互作用绕钻铤组件55沿圆周方向可以是不均匀的。仅以示例的方式，柔性元件57可以包括减小柔度区59B和增加柔度区59A。

在一些方面中，与在柔性元件57的具有减小侧向柔度的部分(即，减小柔度区59B)的上方在钻铤组件55与侧壁53之间的动态相互作用相比较，在柔性元件57的具有增加侧向柔度的部分(即，增加柔度区59A)上方在钻铤组件55与侧壁53之间的动态相互作用可以用于增加底部钻具组合17沿增加柔度区59A的方向的运动。因此，与底部钻具组合17沿减小柔度区59B的方向的运动相比，底部钻具组合17沿增加柔度区59A的方向的运动更加自由，其中，与增加柔度区59A不同(所述增加柔度区59A在与侧壁53接触时允许底部钻具组合17运动)，当减小柔度区59B接触侧壁53时，所述减小柔度区防止底部钻具组合17的运动。

由于钻铤组件55与侧壁53之间相互作用的不均匀性，底部钻具组合17在侧向力15的作用下的运动可以被偏置、集中和/或引导。例如，当钻铤组件55与侧壁相互作用时，可抑制底部钻具组合17在施加侧向力15时的朝向减小柔度区59B引导的运动，从而又可抑制由钻头20在所述方向上的任意侧向钻切。相反，通过增加柔度区59A的柔度可至少部分地允许井眼组件17在侧向力15的作用下沿增加柔度区59A的方向的运动，从而提供由钻头20在此方向上更大的侧向钻进。因此，由于不均匀柔度，钻铤组件55可以偏置、集中、引导井眼组件17在所施加的力下的运动，并因此可以偏置、集中、引导由钻头17在侧向力15的作用下对井眼的侧向钻切。

在其中钻头包括保径齿排24A和24B的钻井系统中，当沿增加柔度区59A的方向引导侧向力15时，属于增加柔度区59A的保径齿排24A将与侧壁53接合，并且与所述侧壁进行更大的相互作用，然后当在减小柔度区59B的方向上引导侧向力15时，侧壁将受到保径齿排24B的作用。因此，柔性元件57可以用于偏置/集中侧向力15，使得保径齿排24优先地沿增加柔度区59A的方向钻进到侧壁53内，从而用于偏置、集中、和/或引导在侧向力15的作用下对井眼的侧向钻切。

在其中底部钻具组合17或钻头20在钻井过程期间没有旋转的钻井系统中，柔性元件57与底部钻具组合17和/或钻头20连接，并且可以用于连续偏置、集中和/或引导在侧向力15的作用下沿所选择的方向、更大柔度的方向的侧向钻切。然而，在其中底部钻具组合17或钻头20在钻井过程期间旋转的钻井系统中，柔性元件57可以与底部钻具组合17和/或钻头20连接，使得柔性元件57在钻井过程期间保持对地静止。在本发明的这种方面中，通过在定向钻井过程期间保持柔性元件57对地静止，在旋转钻井过程期间可保持对侧向钻进的偏置、集中和/或引导的方向。

在本发明的一些实施例中，可以改变增加柔度区59A的尺寸相对于柔性元件57的尺寸以控制侧向力的偏置/集中/引导量。然而，本领域的技术人员将要认识到：由于增加柔度区59A太小而不能产生与侧壁53期望不同的相互作用，因此使增加柔度区59A太小可能不会产生侧向力15的集中/偏置期望的增加。

在本发明的一些实施例中，钻铤组件55可以构造成使得钻铤组件55与底部钻具组合连接，以使得钻铤组件55整个设置在钻头20的钻切轮廓21内，且钻切轮廓21包括钻头20的边到边钻切轮廓。在本发明的其它实施例中，钻铤组件55、钻铤组件55的一部分、外表面55A和/或外表面55A的一部分可以延伸超过钻切轮廓21。

仅以示例的方式，钻铤组件55可以与底部钻具组合17连接，以使得外表面55A在钻切轮廓21内大约1-几十毫米。在其它方面中，并且再次仅以示例的方式，钻铤组件55可以与底部钻具组合17连接，以使得外表面55A的至少一部分在延伸超过钻切轮廓21达到几十毫米的范围或更大范围内。在其中外表面55A延伸超过钻切轮廓21的方面中，即使当在侧向力15的作用下朝向侧壁53引导保径齿排时，也可通过钻铤组件55防止靠近外表面55A延伸超过钻切轮廓21的地方的保径齿排钻切到侧壁53内。

图2B是根据本发明的实施例的、通过在图2A的用于对钻井眼用的钻井系统进行导向的系统中使用的柔性系统截得的横截面图。在图2B中的横截面中所示的柔性元件包括增加柔度区59A和减小柔度区59B。在一些方面中，在柔性元件57中可以仅仅具有相对于柔性元件57剩下的区域和/或其它区域增加或减小柔度的单个区域。在其它方面中，柔性元件57可以包括绕柔性元件57产生非均匀柔度的任何结构。

在图2B中，柔性元件57被示出为实心圆柱形结构，然而，在本发明的不同方面中，柔性元件57可以包括其它类型的结构，例如，绕底部钻具组合17布置并且构造成将钻铤组件55连接到底部钻具组合17的多个柔性元件、能够将钻铤组件55连接到底部钻具组合17并且提供钻铤组件55的侧向运动的支撑元件的组件和/或类似结构。在本发明的其它方面中，钻铤组件55本身可以是具有一体式柔性部的结构，其中一体式柔性部可以被选择为绕钻铤组件55是不均匀的，并且在没有柔性元件57的情况下，钻铤组件55可以与底部钻具组合17连接，或者可以是底部钻具组合17的一部分。在又一方面中，钻铤组件55可以包括诸如伸缩片或类似元件的多个柔性元件，且多个柔性元件与底部钻具组合17连接，并且柔性元件中的至少一个具有不同于其它柔性元件的柔度。

在本发明的实施例中，增加柔度59A区可以设置在柔性元件57上以与减小柔度区59B沿直径方向相对。在这样一个实施例中，柔性元件57可以防止钻铤组件在减小柔度区59B的位置处向内移动，但是可以允许钻铤组件55在增加柔度区59A处向内移动。因此，当钻头20在钻井过程期间受到动态运动时，所述钻头可以与侧壁53相互作用，和/或保径齿排24可以沿增加柔度区59A的方向或朝向所述增加柔度区(如图2A中向上)更深地钻切到侧壁53内。在这样一个实施例中，由于柔性元件57具有被选择的非均匀柔度，因此在钻井过程期间，由于底部钻具组合17和钻头20在侧向力15的作用下的运动(所述运动如上所述，并且可以是基于侧向力15如何被生成并且在方向上是不均匀的连续运动或重复运动，而不是通常在侧向力15的方向的中心产生的在方位方向的范围内的运动)，柔性元件57可以使钻井系统优先地朝向增加柔度区59A钻进，并因此使钻井系统被导向，并且可以提供对井眼50的定向钻进。

在本发明的实施例中，钻铤组件55或柔性元件57的任何非均匀周向柔度可以用于对钻井系统进行导向/控制。可以选择钻铤组件55和/或柔性元件57的不同柔度的大小和/或钻铤组件55和/或柔性元件57的非均匀柔度剖面图以提供对钻头20期望的导向响应和/或控制。对于柔度差和/或周向柔度剖面图来说，可以理论上、通过模拟、由实验推导、由先前的钻井过程和/或类似方法确定钻井系统的导向响应和/或钻头响应。

在本发明的构造成用于与不涉及使用旋转钻头的钻井系统一起使用或在钻井系统的外壳(例如，底部钻具组合的外壳)是不旋转的情况下的实施例，钻铤组件55和/或柔性元件57可以与钻井系统或外壳连接。在这样一个实施例中，钻井系统可以设置在井眼内，且增加柔度区59A在具体的方位处设置到钻头20，以用于沿增加柔度区59A的方向在侧向力15的作用下偏置、集中和/或引导井眼50的钻进。为了通过钻井系统改变钻进方向，可以改变增加柔度区59A的位置。

在一些实施例中，可以包括马达、液压致动器和/或类似装置的定位装置65可以用于旋转/定位钻铤组件55和/或柔性元件57，以用于通过钻井系统沿期望的方向钻井眼50。定位装置65可以与处理器70通信。处理器70可以控制定位装置65以提供期望的定向钻井。处理器70可以以下方式确定钻铤组件55和/或柔性元件57在井眼50内的正确位置：由人工干预、井眼的端点目标、期望的钻井轨迹、期望的钻头响应、钻头与地球地层期望的相互作用、地震数据、可以提供关于地球地层的数据的来自传感器(未示出)的输入、井眼50内的条件、钻井数据(例如，钻压、钻井速度和/或类似数据)、钻井系统的振动数据、动态相互作用数据和/或关于钻头在地球地层内的位置/方位的类似数据、关于井眼的轨迹/方向的数据和/或类似数据。

处理器70可以与显示器(未示出)连接以显示井眼50的方位/方向/位置、钻井系统、钻头20、钻铤组件55、柔性元件57、钻井速度、钻井轨迹和/或类似参数。显示器可以远离钻井位置并且通过例如Internet联接、网络连接、无线电通讯连接和/或类似连接被供给有数据，并且可以用于远距离操作钻井过程。来自处理器70的数据可以存储在存储器和/或通信给与钻井过程相关联的其它处理器和/或系统。

在本发明的另一个实施例中，导向/钻头功能控制系统可以构造成与旋转型钻井系统一起使用，在所述旋转型钻井系统中，底部钻具组合17和/或钻头20可以在钻井过程期间旋转，因此，钻头20和/或底部钻具组合17可以在井眼50中旋转。在这样一个实施例中，钻铤组件55和/或柔性元件57可以构造成使得钻铤组件55和/或柔性元件57的运动独立或至少部分独立于钻头20和/或底部钻具组合17的旋转运动。因此，在钻井过程期间，钻铤组件55在井眼50内可以保持对地静止。

在一些方面中，钻铤组件55和/或柔性元件57可以是无源系统，所述无源系统包括绕钻井系统设置的一个或多个圆筒。在一些情况下，一个或多个圆筒可以绕钻井系统的底部钻具组合17设置。一个或多个圆筒可以构造成独立于钻井系统旋转。在这些方面中，一个或多个圆筒可以构造成使得一个或多个圆筒与地层之间的磨擦可以固定，防止一个或多个圆筒相对于旋转钻井系统进行旋转运动。在本发明的一些方面中，当没有钻压并因此没有钻井眼时，一个或多个圆筒可以锁定到底部钻具组合，然后当施加钻压并且开始钻井时，所述一个或多个圆筒被定向并且从底部钻具组合被释放；一个或多个圆筒与内表面之间的磨擦保持一个或多个圆筒的方位。在本发明的一些方面中，一个或多个圆筒可以通过轴承或类似元件与底部钻具组合17连接。

在本发明的一些实施例中，当在非旋转钻井系统中，可以通过定位装置65提供一个或多个圆筒的位置，所述定位装置可以使一个或多个圆筒旋转以改变圆筒在井眼50内的有效区的位置，从而改变钻井方向和/或钻头20的功能。例如，柔性元件57可以包括圆筒并且可以绕底部钻具组合17旋转，以改变增加柔度区59A和/或减小柔度区59B的位置，从而由于钻铤组件55与内壁53之间的动态相互作用而改变钻井系统的钻井方向。可选地，有源控制器可以用于在钻井过程期间保持钻铤组件55和/或柔性元件57相对于底部钻具组合17的期望的方位/位置。此外，这类装置可以在马达组件中使用以替换弯接头。这带来的益处在于当以旋转方式钻直井时通过管道和完井限制将组件下放到井内。

图3A-3C是根据本发明的实施例的、用于在侧向力的作用下集中、偏置和/或引导底部钻具组合和/或钻头的运动的凸轮系统的示意图。

图3A示出了根据本发明的实施例的、具有凸轮控制系统的定向钻井系统。在图3A中，钻井系统构造成用于将井眼50钻通地球地层。钻井系统包括设置在将要/正在被钻进的井眼50的端部处的底部钻具组合17。底部钻具组合17包括钻头20，所述钻头接触地球地层并且钻井眼50。钻头20可以包括牙轮23和保径齿排24，所述牙轮可以接合井眼50的钻进面/底面，所述保径齿排可以接合井眼的侧壁53。保径齿排24可以与钻头20、量规伸缩片或连接到钻头20的钻铤和/或类似部件连接。

在本发明的实施例中，量规伸缩片组件73可以通过柔性联接器76与底部钻具组合17连接。量规伸缩片组件73可以包括钻铤、圆筒、钻头20的一个或多个牙轮的非钻切边和/或类似装置。

图3B示出了根据本发明的一个方面的、图3A的系统的量规伸缩片组件73。如图所示，量规伸缩片组件73可以包括具有多个伸缩片74B的圆筒74A，所述多个伸缩片设置在圆筒74A的表面上。在一些方面中，多个伸缩片74可以具有柔性特性，而在其它方面中，多个伸缩片74B可以是非柔性的，并且可以包括金属。在本发明的一些实施例中，在没有柔性联接器76的情况下，量规伸缩片组件73本身可以是柔性的，并且柔性量规伸缩片组件可以与底部钻具组合17连接/是底部钻具组合17的元件连接。

在本发明的一个实施例中，凸轮79可以与底部钻具组合17连接。凸轮79可以在底部钻具组合17上移动。在本发明的实施例中，凸轮79可以包括偏心/非对称圆筒。凸轮79可以移动以接触量规伸缩片组件73。量规伸缩片组件73可以构造成在井眼50的钻进过程期间接触侧壁53和/或钻进面54。量规伸缩片组件73可以与底部钻具组合17直接连接、通过联接器76或类似部件连接到底部钻具组合17。联接器76可以包括柔性/弹性型材料，所述柔性/弹性型材料可以允许量规伸缩片组件73相对于底部钻具组合17移动。

凸轮79可以由控制器80致动。控制器80可以包括马达、液压系统和/或类似系统，并且可以用于在钻井过程期间移动凸轮79和/或保持凸轮79在井眼50内对地静止。在一些方面中，凸轮79可以包括具有外表面81和在外表面81内的凹槽82。在这些方面中，在钻井过程期间，控制器80可以用于将凸轮79移动到外表面81可以靠近量规伸缩片组件73或与所述量规伸缩片组件接触的作用位置。在本发明的一些实施例中，可以没有控制器80，并且可以在将底部钻具组合17定位在井眼50内之前，可以例如将凸轮79设置到作用位置。

在本发明的一个实施例中，凸轮79可以用于通过使得量规伸缩片组件73的特性绕量规伸缩片组件73是非均匀的来控制量规伸缩片组件73与侧壁53之间的相互作用。在本发明的又一个实施例中，代替使用凸轮79改变量规伸缩片组件73的特性、位置和/或类似特性，压电致动器、液压致动器和/或其它机械致动器可以用于使得量规伸缩片组件73具有非均匀特性，使得非均匀特性可以用于控制量规伸缩片组件73与侧壁53和/或钻进面54之间的动态相互作用。

在作用位置，即，在凸轮79与量规伸缩片组件73接合的位置中，可以通过凸轮79抑制量规伸缩片组件73沿侧向方向(即，朝向底部钻具组合17和/或井眼50的中心轴线)的移动。在作用位置处，凹槽82可以与量规伸缩片组件分开间距83，其中间距83大于在绕系统的其它位置处量规伸缩片组件73与外表面81之间的间距。因此，与量规伸缩片组件73的设置在外表面81上方的其它部分相比，量规伸缩片组件73在凹槽82上方的一部分可以具有更多的自由度/能够侧向移动。因此，在钻井过程期间量规伸缩片组件73与内壁和/或钻进面54之间的相互作用将绕量规伸缩片组件73是不均匀的。

在本发明的实施例中，保径齿排24在钻井期间可以接合井眼的侧壁。当施加侧向力15时，保径齿排24可以由侧向力15驱动以接合侧壁53并且沿侧向力15的方向钻切，从而提供定向钻井。在本发明的实施例中，可以通过凸轮79控制/操纵侧向力15对保径齿排24与侧壁53之间的接合的影响。

在这样一个实施例中，量规伸缩片组件73的在凹槽83上方的一部分(与被设置的量规伸缩片组件73的其它部分相比，所述部分由于其在凹槽上方的位置而具有更大的自由度/能够侧向移动)可以被定位成使得钻头20在侧向力15的作用下的运动的至少一部分朝向更大自由移动的部分被引导。因此，钻头20在侧向力15的作用下的运动在更大自由移动的部分的方向上将更大、更少被抑制和/或进行类似动作。因此，钻头20的牙轮将能够具有在更大自由移动部分的方向上更多的接合、侧向钻切，并且在侧向力的作用下的侧向钻井将朝向更自由移动的部分被偏置、集中和/或引导。

在其中钻头20包括保径齿排24的一些方面中，量规伸缩片组件73的在凹槽83的上方的一部分(与被设置的量规伸缩片组件73的其它部分相比，所述一部分由于其在凹槽上方的位置而具有更大的自由度/能够侧向移动)可以被定位成使得钻头20在侧向力15的作用下的运动的至少一部分朝向更加自由移动部分引导，以与保径齿排24的由侧向力15产生的其它运动方向相比在保径齿排24与侧壁53之间沿此方向提供更多的接合。这样，通过保径齿排24在侧向力15的作用下对侧壁53进行钻切的方向可以通过凸轮79的定位而被偏置、集中和/或引导。通过保持凸轮79在井眼内对地静止，由凸轮79产生的偏置/集中/引导作用在钻井过程期间保持在相同的对地静止的方向上，从而提供在井眼的定向钻进中产生的连续作用。在一些方面中，可以旋转凸轮79以改变偏置/集中/引导的方向，从而控制通过钻头20在侧向力15的作用下对井眼的钻进方向。

在本发明的一些方面中，凸轮79可以用于控制量规伸缩片组件73的偏移，以使量规伸缩片组件73产生偏移从而对钻井系统进行导向，或者减小量规伸缩片组件73中的偏移从而用于垂直钻井。在用于控制钻头20的操作的实施例中，凸轮79可以用于控制量规伸缩片组件73的偏移，以使量规伸缩片组件73产生偏移从而产生钻头20的某一特性，或减小量规伸缩片组件73中的偏移从而提供钻头20的不同特性。

凸轮79可以包括偏心圆筒。在操作中，凸轮79可以与量规伸缩片组件73接合，并且可以使得量规伸缩片组件73的至少一部分可以相对于钻头20尺寸较大(over gauge)。因此，尺寸较大的量规伸缩片组件73可以与井眼50的内表面以非均匀的方式接触。凸轮79可以具有带有稳定变化的外径以用于在钻井过程期间稳定改变量规伸缩片组件73的至少一部分的尺寸/直径。

在钻井过程期间，底部钻具组合17在侧向力15的作用下在井眼50内可以受到动态运动，从而在底部钻具组合17与井眼50的内表面之间产生动态相互作用。在本发明的实施例中，由于与在量规伸缩片组件73相对于凹槽的相对侧的位置处的量规伸缩片组件73的柔度相比，在凹槽82上方的量规伸缩片组件73具有更大的柔度，因此量规伸缩片组件73与侧壁53和/或钻进面54之间重复的动态相互作用将使钻井系统沿钻进方向85钻进，其中钻进方向85沿着凹槽82的方向指向。当接合时，凸轮79可以防止量规伸缩片组件73向内(如图所示向上)移动，但是可以允许量规伸缩片组件73在相反的方向上(如图所示向下)移动。因此，钻头20将相对于量规伸缩片组件73向上移动、振动，由此用于通过钻井系统沿向上方向朝向凹槽82钻进，以产生井眼50的向上指向段。在本发明的一些方面中，侧向力15的至少一个方位分量应该指向更大柔度或减小量规伸缩片的部分，以用于集中/偏置侧向力15。

在本发明的实施例中，凸轮79可以用于使量规伸缩片组件73的轴线在对地静止的平面内与钻头20的轴线偏移。在一些方面中，当量规伸缩片组件73与钻头20和/或底部钻具组合17一起旋转时，可以通过凸轮79提供量规伸缩片组件73的偏移。

当使用钻井系统钻井眼的弯曲段(例如，具有10度/100英尺井斜的弯曲段)时，井眼的实际侧钻可以较小；例如，在这种弯曲段中，对于向前钻进150mm(6英寸)的井眼来说，井眼的侧钻为007mm。在本发明的实施例中，因为用于产生具有每100英尺大约10度井斜的弯曲段的侧钻较小，因此用于在钻井过程期间产生与井眼的内表面的受控制的非均匀动态相互作用的系统可以只须生成井眼的小井斜。在对本发明的实施例的实验中，使用相对于底部钻具组合和/或钻头的中心轴线具有偏心周向轮廓(包括相对于钻头尺寸较大和/或尺寸较小的偏心轮廓)的钻铤/量规伸缩片组件对动态相互作用的控制产生对井眼的具有这种期望曲率的弯曲段的导向。

在本发明的一些方面中，为了最小化动力需求，量规伸缩片组件73可以安装在柔性联接器76上，且量规伸缩片组件73的轴线与钻头20和/或钻切系统的轴线重合，所述钻切系统可以包括钻头20。在本发明的实施例中，可以通过使用凸轮79以限制柔性联接器76的柔度的方向来实现对钻井系统的导向，因此量规伸缩片组件73可以在一个方向上移动，但是在相反方向上却是非常刚性的(对径向运动具有抵抗性)。在一些方面中，为了对钻井系统进行导向以钻直井，所述凸轮79可以被接合以使量规伸缩片组件73系统的移动在所有方向上是刚性的(不会进行径向运动)。

在本发明的实施例中，量规伸缩片组件73可以包括单个环形组件，所述环形组件携带量规伸缩片，所述环形组件与钻头20尺寸配合。在一些方面中，尺寸较大或尺寸较小的小范围是可以容许的。在可选的实施例中，量规伸缩片组件73上的伸缩片可以独立地安装在环形组件和/或可以被独立控制。量规伸缩片组件73可以安装在刚性柔性结构上，并且可以相对于钻头20径向移动。凸轮79可以是偏心的，并且可以构造成当对钻井系统进行导向时对地静止，和当钻柱正在起下钻或不期望进行导向时被引入、除去和/或类似动作。通过将凸轮79保持在对地静止的位置，凸轮79的有源部分(例如，凹槽83或类似部分)可以相对于井眼50保持在对地静止位置以用于沿期望的方向(例如，沿对地静止的凹槽83的方向)钻井眼50。在一些方面中，凸轮79可以是对地静止的，并且量规伸缩片或类似部件可以在钻井过程期间自由旋转。

如先前所述，各种方法可以用于连接量规伸缩片组件73与钻头20和/或底部钻具组合17。在一些方面中，支架可以是径向柔性的，但是还可以能够将扭矩和轴向重量传递给底部钻具组合17。在本发明的一个实施例中，可以是支架或类似部件的柔性联接器76可以包括薄壁圆筒，所述薄壁圆筒具有在圆筒内的槽切口以允许径向灵活度但是保持切向和轴向刚性。其它实施例可以包括用于将重量传递给可以用于传递扭矩的公接头和/或枢转臂的支承面。

使用可以保持凹槽82(或凸轮79的尺寸较大的部分、尺寸较小的部分或凸轮79和量规伸缩片组件73或量规伸缩片组件73的径向刚性或径向柔性部分的组合)在井眼50内对地静止的量规伸缩片组件73和/或柔性联接器76的结构，可以在侧向力15的施加下控制钻井系统的运动以定向钻井眼50。

在本发明的一些实施例中，处理器75可以用于操纵控制器80以用于在钻井操作期间或在所述钻井操作之间使凸轮79旋转，从而连续控制钻井过程的方向。在一些实施例中，凹槽82可以具有用于改变凹槽82的深度的分级轮廓82A。在这种实施例中，可以改变在量规伸缩片组件73的在凹槽82上方的一部分相对于量规伸缩片组件73的不在凹槽82上方的一部分之间的量规伸缩片组件73的相对柔度。这样，在本发明的一些实施例中，可以以变化的方式控制钻进方向85的锐角(θ)86。

在本发明的一些方面中，多个凹槽可以设置在凸轮79内以用于控制量规伸缩片组件73与侧壁53之间的相互作用。多个凹槽可以绕凸轮79的圆周设置在不同的位置处，以提供保径齿排24与侧壁53之间的相互作用和所产生的期望的导向效果。此外，多个凸轮可以与底部钻具组合17上的一个或多个量规伸缩片组件一起使用以在钻井过程期间提供不同的导向效果。

图4A-4C是根据本发明的实施例的、用于控制构造成使用侧向力定向钻井眼的定向钻井系统的有源(active)量规伸缩片系统的示意图。在本发明的实施例中，有源量规伸缩片100可以用于定向钻井系统，所述定向钻井系统使用侧向力以提供定向钻井。钻井系统可以包括与底部钻具组合95连接的钻杆90。底部钻具组合95可以包括用于钻井眼的钻头97。有源量规伸缩片100可以包括钻铤、量规伸缩片、底部钻具组合的一部分、管状组件、钻头的一部分和/或可以以非均匀方式与正在被钻进的井眼的内表面相互作用并因此可以影响钻头97的保径齿排24与井眼的内壁之间的相互作用的类似部件。

有源量规伸缩片100可以包括圆盘、圆筒、多个独立元件-例如，绕底部钻具组合95或钻杆90的圆周设置的一系列伸缩片，所述圆盘、圆筒、多个独立元件可以与钻井系统连接，并且在钻井过程期间与正在被钻进的井眼的内表面相互作用。在一些方面中，为了提供有源量规伸缩片100或类似部件与井眼的内表面之间重复的相互作用，有源量规伸缩片100可以与钻井系统连接以与钻头97的距离小于20英尺。在其它方面中，有源量规伸缩片100可以与钻井系统连接以与钻头97的距离小于10英尺。在又一些方面中，有源量规伸缩片100可以靠近钻头97或是所述钻头的一部分，使得有源量规伸缩片100对保径齿排24与井眼的内表面之间的相互作用具有最大影响。

在本发明的实施例中，有源量规伸缩片100可以在井眼内移动。因此，有源量规伸缩片100可以使用致动器或类似装置在井眼中定位到井眼内的方位，以由于有源量规伸缩片100对保径齿排24与内壁之间的相互作用的影响而产生对钻井系统期望的控制。使用处理器或类似装置以控制有源量规伸缩片100在井眼内的位置，可以控制/操纵对钻井系统的操作和/或导向，并且这种控制/操纵可以在一些方面中实时发生。

在图4A中，有源量规伸缩片100与底部钻具组合95连接以在靠近钻头97的位置处提供与正在被钻进的井眼的内表面的相互作用。在其中钻杆90、底部钻具组合95和/或类似部件在钻井操作期间旋转的钻井系统中，有源量规伸缩片100可以构造成在钻井操作期间保持对地静止。致动器、摩擦力和/或类似装置可以用于保持有源量规伸缩片100对地静止。仅以示例的方式，在本发明的一个实施例中，有源量规伸缩片可以在钻头97后面小于10-20英尺的距离处与底部钻具组合95连接。在其它实施例中，有源量规伸缩片100可以与钻头97连接或与底部钻具组合95连接，以距离钻头97大约几英寸。

图4B示出了图4A中所示的系统的有源量规伸缩片的一个实施例。在图4B中，根据本发明的实施例，有源量规伸缩片100A可以包括非对称元件。通过将非对称有源量规伸缩片与钻柱连接使得量规伸缩片100A的外表面延伸超过钻柱的外表面，非对称有源量规伸缩片的外表面可以与正在被钻进的井眼的内表面相互作用。因为有源量规伸缩片100A具有非对称外表面，因此有源量规伸缩片100A在井眼内的对地静止定位将使钻头97的牙轮和/或保径齿排24以非均匀的方式与井眼的底面和井眼的侧壁相互作用。因此，当将侧向力15施加到底部钻井组合95时，由牙轮和/或保径齿排24对地层的定向钻切将取决于侧向力15的方向和有源量规伸缩片100A的特性。

仅以示例的方式，与靠近量规伸缩片100A的具有较小厚度的部分的保径齿排24相比，靠近量规伸缩片100A的具有增加厚度的部分的保径齿排24将使其有效钻切能力降低。因此，当将侧向力15施加到底部钻具组合95和/或钻头97时，底部钻具组合95和/或钻头97将受到随机运动，但是由于底部钻具组合95和/或钻头97对侧向力15的不一致响应的响应，底部钻具组合95和/或钻头97与包围井眼的地球地层的相互作用、侧向力15不是单向而是包括具有不同方位角和/或类似参数的多个侧向力分量，随机运动在多个方位角度上被引导。因此，与朝向有源量规伸缩片100A的具有更大厚度的部分的侧向力15的分量相比，底部钻具组合95和/或钻头97在朝向量规伸缩片100A的具有较少厚度的部分被引导的侧向力15的作用下的运动将在靠近较少厚度部分的量规伸缩片之间产生更大的钻切相互作用。因此，钻头97往往在与朝向量规伸缩片100A的具有较少厚度的部分被引导的侧向力15的作用下底部钻具组合95和/或钻头97的运动分量相同的方向被引导。因此，量规伸缩片100A可以用于控制底部钻具组合95和/或钻头97在侧向力15的作用下的运动，并因此控制钻头97在侧向力15的作用下的钻进方向。

仅以示例的方式，有源量规伸缩片100A的设计可以是不对称的，并且可以构造成如图4A中所示与底部钻具组合连接。在一些实施例中，有源量规伸缩片100A可以包括均匀圆筒，并且可以偏心地布置在底部钻具组合上以提供由于钻柱在侧向力15的作用下的运动而与内表面的非均匀相互作用。

在一些实施例中，有源量规伸缩片100A可以包括对地静止管，并且在一侧可以稍微尺寸较小。在其它实施例中，有源量规伸缩片100A可以在一侧尺寸较小，而在相对侧可以尺寸较大。在一些方面中，有源量规伸缩片100A可以包括多个对地静止管，所述对地静止管在圆周方向上尺寸较小或大于尺寸较大，并且可以绕钻杆90和/或底部钻具组合95的圆周连接。在本发明的实施例中，有源量规伸缩片100A可以构造成使有源量规伸缩片100A与钻柱连接，使得有源量规伸缩片100A整个设置在钻头的钻切轮廓内；钻切轮廓包括钻头的边对钻切轮廓。在本发明的其它实施例中，有源量规伸缩片100A的一部分或所有有源量规伸缩片100A可以延伸超过钻头的钻切轮廓。

仅以示例的方式，有源量规伸缩片100A可以与钻柱连接以使得有源量规伸缩片100A的外表面在钻切轮廓内大约1-几十毫米。在其它方面中，并且再次仅以示例的方式，有源量规伸缩片100A可以与钻柱连接以使得有源量规伸缩片100A的外表面的至少一部分在十分之几毫米到几十毫米的范围内延伸超过钻切轮廓。

图4C示出了图4A中所示的系统的有源量规伸缩片的又一个实施例。在图4C中，有源量规伸缩片100B可以包括与可延伸元件107连接的钻铤105。钻铤105可以包括圆筒、圆盘、钻铤量规伸缩片、底部钻具组合95的一部分、钻柱的一部分、钻杆的一部分和/或类似部件。

在本发明的实施例中，可伸出元件107可以是可以被控制以改变钻铤105的周向轮廓的元件。可伸出元件107可以被控制器110控制/致动。控制器110可以包括马达、液压系统和/或类似装置。在本发明的实施例中，控制器110可以致动可伸出元件107以从底部钻具组合95向外延伸，从而控制底部钻具组合95和/或钻头97与正在被钻进的井眼的内表面之间的相互作用。因此，可伸出元件107可以改变钻头97上的牙轮和/或保径齿排24与在侧向力15的作用下正在被定向钻进的井眼的内表面之间的相互作用。

在本发明的实施例中，有源量规伸缩片100B的一部分或整体延伸/部分延伸的有源量规伸缩片100B可以延伸超过钻头的钻切轮廓以限制/减小靠近延伸元件107的保径齿排24与内壁之间的相互作用。仅以示例的方式，有源量规伸缩片100B可以与钻柱连接，以使得当延伸或部分延伸时有源量规伸缩片100B的外表面的至少一部分在十分之几毫米到几十毫米或更大毫米的范围内延伸超过钻切轮廓。

在本发明的实施例中，保径齿排24与内壁之间的相互作用可以通过可伸出元件107的定位/延伸来控制，并因此可以用于在侧向力15的作用下控制对钻井系统的导向。在一些方面中，处理器70可以接收关于期望的钻井方向的数据、关于钻井过程的数据、关于井眼的数据、关于井眼内的条件的数据、地震数据、关于包围井眼的地层的数据和/或类似数据，并且可以操作控制器110以用于可伸出元件107的定位/延伸，从而控制侧向力15对保径齿排24的作用以对钻井系统进行导向。在一些方面中，可以监测侧向力的方向以作为输入提供给处理器，从而用于控制侧向力15。在本发明的实施例中，可伸出元件107可以延伸以调节保径齿排24与正在被钻进的井眼的内表面之间的相互作用。这可能需要可伸出元件107延伸，使得有源量规伸缩片100具有绕钻井系统和/或井眼的中心轴线的非均匀形状，并且不需要将推力或较大的力施加在内表面上。事实上，因为这可能会产生对可伸出元件107的损坏，不利地影响钻井过程或类似原因，因此理想的是防止可伸出元件107与内壁之间的较大力的相互作用。因此，可伸出元件可以被铰接、具有一些柔性形式和/或类似物，以减小可伸出元件107与内壁之间的冲击型相互作用。

然而，在一些方面中，可伸出元件107可以被定位、延伸以将力施加在内表面上。仅以示例的方式，在一些实施例中，可伸出元件107可以将小于1kN的力施加在内表面上，以用于将来自内表面的反作用力施加在钻井系统上并且控制钻井系统与内表面之间的动态相互作用。因为1kN的力可以不需要很大的井下功率消耗/电源，可以减小控制器110和/或类似部件的尺寸和复杂性。操作可伸出元件107以用于施加小于这种力的力是有利的。

在本发明的实施例中，底部钻具组合95、钻头97、有源量规伸缩片100和/或类似部件可以构造成具有不均匀的分布质量。底部钻具组合95、钻头97、有源量规伸缩片100和/或类似部件的质量可以沿圆周方向或以类似方式变化，以使得钻头97在侧向力15的作用下的运动沿一方向是不均匀的。因此，钻井系统的非均匀重量可以用于控制侧向力15，使得与侧向力15的其它方向分量，侧向力15的一些方向分量在保径齿排24之间产生更大的相互作用。仅以示例的方式，提供钻压的钻铤可以是具有非均匀重量分布的圆筒。在一些方面中，圆柱形钻铤可以旋转以改变非均匀重量/质量分布相对于井眼的轮廓，以提供对钻井系统的期望控制和/或对钻井系统的导向。

图5是用于控制定向钻井系统115的系统的示意图。在图5中，示出了通过钻头120的横截面。钻头120与量规伸缩片组123连接，所述量规伸缩片组也在横截面中被示出。在图5中，量规伸缩片组123包括紧密连接的一组多个单独的量规伸缩片。在实施例中，量规伸缩片组123可以包括较稀疏间隔开的较少量的量规伸缩片。仅以示例的方式，在量规伸缩片组123中可以具有小于十个(10)的量规伸缩片，在量规伸缩片组123中可以具有小于五个(5)的量规伸缩片，在量规伸缩片组123中可以具有超过十个(10)的量规伸缩片，而在一些实施例中，量规伸缩片组123可以包括单个量规伸缩片。钻头120可以连接到底部钻具组合150。

可以被称为外表面、井壁面对表面、井壁面对面、量规面、有效面、有效表面和/或类似面的量规伸缩片组126的外表面在钻井过程期间面对井眼的内壁(在简化图中未示出)，并且可以限定井眼的尺寸和/或钻头120和量规伸缩片组123的组合。量规伸缩片126的外面限定圆周129，所述圆周可以被称为量规伸缩片组123的尺寸、量规伸缩片组123的外圆周、量规伸缩片组123的圆周和/或类似称谓。量规伸缩片组123中的一个或多个量规伸缩片可以包括用于钻切正在被钻进的井眼的侧壁的保径齿排。

在钻井过程期间，侧向力发生器140可以产生用于作用在钻头120上的侧向力143。侧向力发生器140可以是推进钻头系统、面向钻头系统、钻头120上的被形成为产生侧向力143的牙轮的布置和/或类似系统。在一些实施例中，圆周129可以是不对称的。这可以由量规伸缩片组123中相对于量规伸缩片组123中的其它量规伸缩片具有较大径向尺寸的一些量规伸缩片、较大的量规伸缩片125A-C产生。其中，径向尺寸是使量规伸缩片组123的外表面远离钻头120的圆周延伸的尺寸。在其它实施例中，量规伸缩片组123可以是均匀的，但是可以与钻头120偏心连接和/或非对称连接，其中，偏心连接和/或非对称连接可以包括使量规伸缩片组123的纵向轴线平行于钻头的纵向轴线。

在一些实施例中，圆周129可以与钻头120的外圆周同心，但是量规伸缩片组123或将量规伸缩片组123连接到钻头120的结构的压缩响应可以沿圆周方向变化。这样，量规伸缩片组123将与井眼的内壁以非均匀方式相互作用，且非均匀性基于量规伸缩片组123在圆周上的位置处的弹性和/或在圆周位置处的量规伸缩片下面的结构的弹性而沿圆周方向变化。通常，改变量规伸缩片组123和/或将量规伸缩片组连接到钻头的结构(一个或多个)的周向弹性可以如下所述用于集中/偏置侧向力。

在一些实施例中，量规伸缩片组123可以与钻头120和/或底部钻具组合150连接，使得量规伸缩片组可以在钻头120和/或底部钻具组合150上旋转。在一些方面中，在钻井过程之前，可以在钻头120和/或底部钻具组合150上调节量规伸缩片组123。在其它方面中，可以在钻井过程期间和/或在中断钻井过程期间在钻头120和/或底部钻具组合150上调节量规伸缩片组123。量规伸缩片组123的人为操纵可以手动实现或者通过量规伸缩片控制器153来实现。

在一些方面中，量规伸缩片组123可以在钻井过程期间旋转。在这种方面中，较大的量规伸缩片125A-C可以响应于侧向力143而作用在井壁的内表面上并且通过定向钻井系统115集中/增强侧向钻井。在其它实施例中，量规伸缩片组123在钻井过程期间可以保持对地静止，或者可以在钻头120的旋转频率的多个频率(包括多个负频率)下旋转。在这些方面中，圆周129的相对于钻头120的圆周具有更大径向位移的一段可以相对于侧向力143保持在固定的位置处或旋转以在相对于侧向力的位置处比绕圆周129的其它位置消耗更多的周期。因此，可以沿侧向钻井方向146偏置侧向力143的侧向钻井作用。

在一些实施例中，处理器160可以能够与侧向力发生器140、底部钻具组合150、量规伸缩片控制器153和/或类似装置通信。处理器可以从传感器接收信息，所述传感器监测钻井过程、钻进方向、正在被钻进的地层的特性、将要被钻进的地层的特性、正在被钻进的储层的特性、将要被钻进的储层的特性和/或类似特性。处理器可以输入有期望的钻井轨迹、井眼位置和/或期望的钻井终点。处理器160可以控制侧向力发生器和/或量规伸缩片控制器153以控制定向钻井系统115，从而以最好的方式钻如所期望的井眼或实现期望的目标，且考虑了钻头磨损、钻进速度、与周围地层和/或储层相关联的危险和/或类似因素。

图6是是根据本发明的实施例的、用于操纵测量力以对钻井系统进行导向从而定向钻井眼的方法的示意性流程图。在步骤200中，钻井系统可以用于钻通过地球地层的一段井眼。钻井系统可以包括连接到地面设备或类似设备的钻柱。钻柱本身可以包括底部钻具组合，所述底部钻具组合又可以包括用于接触地球地层并且钻通地球地层的井眼段的钻头。钻头可以包括用于钻切到正在被钻进的井眼的表面的牙轮和/或用于对正在被钻进的井眼的侧壁进行钻切的保径齿排。

底部钻具组合可以通过钻杆、套管、挠性管或类似管连接到地面设备。钻头可以由顶部驱动装置、转盘、马达、钻井液和/或类似装置供给动力。在定向钻井期间，将侧向力施加到钻头以迫使钻头沿某一方向进行钻切。侧向力可以由以下已知的方法生成：牙轮在钻头上的布置、迫使可伸出压缩片与侧壁接触以在钻头上生成反作用侧向力、弯曲钻柱、使用弯接头以使得钻头上的钻压利用侧向力推动钻头和/或类似方法。

实际上，在定向钻井过程中生成的侧向力可以不是单向的，并且可以作为在例如以下所述的所述侧向力生成中的变量随时间定向变化：在钻井过程期间可伸出伸缩片在井眼内的移动、钻头在钻井过程期间的位置、由地球地层的侧壁产生的反作用力、在定向钻井过程期间弯接头或类似部件相对于钻头和/或类似装置变化的相对位置。另外，底部钻具组合和/或钻头在侧向力的施加下的运动可以不是单向的，而是相反可以包括在方位角的范围内由侧向力的方向变化、钻井系统与正在被钻进的地球地层之间的相互作用、牙轮与地球地层之间的非均匀相互作用、地球地层的特性的变化、与钻井过程相关联的噪音和/或类似物产生的运动。

因此，在定向钻井过程期间，即使当施加侧向力时，底部钻具组合和/或钻头的也不是单向的，而是相反所述运动变化和/或包括多个不同的定向运动。这种变化的运动方向的结果在于钻头的钻进方向也变化。底部钻具组合和/或钻头的定向运动的变化越大，产生的定向钻井的变化就越大。

在步骤210中，可以控制底部钻具组合和/或钻头的变化的定向运动和/或运动的不同向量。在本发明的实施例中，底部钻具组合和/或钻头的运动可以通过控制底部钻具组合和/或钻头与井眼的内表面之间的由底部钻具组合和/或钻头的运动产生的相互作用和/或通过给底部钻具组合和/或钻头施加重量来控制。

在本发明的一些方面中，通过控制底部钻具组合和/或钻头在侧向力的作用下的运动，可以控制钻头上的牙轮与正在被钻进的地球地层之间的钻切相互作用以提供定向钻切。

仅以示例的方式，控制底部钻具组合和/或钻头在侧向力的作用下的运动可以用于控制钻头上的保径齿排与侧壁之间的钻切相互作用。当将侧向力施加到钻头时，侧向力迫使保径齿排沿与侧向力一致的方向钻切到侧壁内。通过保持侧向力的方向与期望钻进方向相对一致，可实现定向钻井。然而，如以上所观察的，由于钻井变量和在侧向力的生成中的变量，所述侧向力通常不是单向的。因此，钻井系统在定向变化侧向力的作用下的定向钻井也绕期望的方向变化。在一些情况下，可能具有反馈效应，并且侧向力可以产生显著不同于通过生成侧向力而寻求的期望的方向的钻进方向。此外，在由钻头上的牙轮图案生成侧向力的情况下，钻进方向可能是不精确的并且可能难以控制。

为了在步骤210中控制与侧壁的钻切相互作用，在步骤212中可以使用对地静止相互作用元件。相互作用元件可以是定向偏置底部钻具组合和/或钻头在侧向力的作用下的运动并因此定向偏置牙轮钻切地球地层的能力的任意元件。仅以示例的方式，对地静止元件可以是圆筒、钻铤、量规伸缩片和/或与底部钻具组合和/或钻头偏心连接的类似部件，或者可以是非对称圆筒、非对称钻铤、非对称量规伸缩片、和/或与底部钻具组合和/或钻头居中连接的类似部件。

在一些方面中，偏心连接的圆筒或非对称圆筒可以具有对保径齿排钻切到侧壁内的能力的影响，并且这种影响将绕圆柱形钻铤、量规伸缩片和/或类似部件沿圆周方向变化。例如，因为圆柱形钻铤、量规伸缩片和/或类似部件被偏心连接或是不对称的，因此与圆柱形钻铤、量规伸缩片和/或类似部件的其它部分相比，圆柱形钻铤、量规伸缩片和/或类似部件具有被设置成更加远离底部钻具组合和/或钻头的中心纵向轴线的部分(以下简称为“远端部分”)。类似地，因为圆柱形钻铤、量规伸缩片和/或类似部件偏心连接或者是不对称的，因此与圆柱形钻铤、量规伸缩片和/或类似部件的其它部分相比，圆柱形钻铤、量规伸缩片和/或类似部件具有被设置成更加靠近底部钻具组合和/或钻头的中心纵向轴线的部分(以下简称为“近端部分”)。在本发明的一些方面中，圆柱形钻铤、量规伸缩片和/或类似部件可以与底部钻具组合和/或钻头连接，使得当将侧向力施加到底部钻具组合和/或钻头时，可防止靠近远端部分的保径齿排(一个或多个)钻切到侧壁内，或者可抑制近端保径齿排(一个或多个)与侧壁之间的钻切接合。在这种方面中，由于圆筒、钻铤、量规伸缩片和/或类似部件的几何形状，通过近端部分，靠近近端部分的保径齿排(一个或多个)不会被抑制，或者使所述保径齿排与侧壁进行钻切相互作用。因此，圆柱形钻铤、量规伸缩片和/或类似部件可以用于控制量规伸缩片与侧壁在侧向力的作用下的钻切相互作用。

如先前所述，用于控制定向钻井侧向力的侧向力在钻井过程期间不会是单向的，而是由于在钻井过程期间改变条件而将定向变化和/或包括多个不同的向量。在本发明的实施例中，圆筒、钻铤、量规伸缩片和/或类似部件可以与底部钻具组合和/或钻头连接，使得由牙轮钻切的底面和/或由保径齿排在定向变化的侧向力的作用下的钻切被偏置，以与一个或小倾斜范围的定向变化侧向力一致。这样，可以控制由保径齿排在侧向力的作用下进行的侧向钻切的方向。

如上所观察的，在本发明的一些实施例中，与圆柱形钻铤、量规伸缩片和/或类似部件是不对称的或与底部钻具组合和/或钻头偏心连接不同，圆柱形钻铤、量规伸缩片和/或类似部件可以具有沿圆周方向变化的柔度，所述柔度改变保径齿排绕正在被钻进的井眼的内径的钻切能力。在其它实施例中，底部钻具组合和/或钻头可以具有重量分布，所述重量分布径向变化并且用于偏置、集中和/或引导底部钻具组合和/或钻头在侧向力的作用下的运动。在这种实施例中，底部钻具组合95和/或钻头97的非均匀重量可以偏置/集中/引导底部钻具组合和/或钻头的运动，因此，偏置/集中/引导钻头的牙轮和/或保径齿排的钻切能力。在本发明的一些方面中，相互作用元件可以包括可伸出伸缩片，可以从底部钻具组合和/或钻头向外推所述可伸出以调节底部钻具组合和/或钻头与井眼的内表面之间的相互作用，并因此调节牙轮和/或保径齿排与所述井眼的内表面之间的钻切相互作用。

在非旋转钻井系统中，相互作用元件可以与底部钻具组合和/或钻头连接，使得当将侧向力施加到底部钻具组合和/或钻头时，选择的钻进方向将是优选的/被偏置并且钻头将优先沿所选择方向的进行钻切。在旋转钻井系统中，根据本发明的实施例，相互作用元件与底部钻具组合和/或钻头连接以在旋转钻井过程期间对地静止。这样，在井眼的旋转钻进期间，当施加侧向力时，所选择的、已被偏置的钻井方向保持恒定。在本发明的其中相互作用元件是可伸出元件使得可伸出元件可以周期延伸的方面中，周期延伸是底部钻具组合和/或钻头的多个旋转周期，使得可伸出元件的作用相对于旋转钻井系统对地静止。

通常，正在被钻进的井眼是地球地层内的具有大致圆柱形内表面的井眼。因此，在一些方面中，相互作用元件可以包括具有相对于钻柱和/或井眼的中心为非均匀轮廓的元件。仅以示例的方式，相互作用元件可以包括与底部钻具组合连接的偏心圆筒；其中，当与底部钻具组合连接时，偏心圆筒的中心轴线不与底部钻具组合的中心轴线重合。在另一个示例中，相互作用元件可以包括一系列伸缩片，所述伸缩片绕底部钻具组合设置，并且构造成在钻井过程期间接触井眼的圆柱形内表面，其中，伸缩片中的至少一个构造成与其它伸缩片相比从底部钻具组合向外延伸更少或更多的长度。

在其它实施例中，相互作用元件可以包括具有非均匀柔度的元件。仅以示例的方式，柔性元件可以包括具有一定柔度的元件，和所述元件的一部分相对于该元件剩余部分的一定柔度具有增加或减小柔度，并且构造成使得增加柔度区或减小柔度区的至少一部分和具有一定柔度的元件的至少一部分每一个都可以由于底部钻具组合的动态运动而在钻井过程期间接触圆柱形内表面。在本发明的一些实施例中，致动器可以用于改变相互作用元件的特征，以从与井眼的内表面以均匀方式相互作用的元件到以非均匀方式与内表面相互作用的元件来致动相互作用元件。

在本发明的一些实施例中，相互作用元件，无论是具有非均匀剖面、非均匀柔度的元件和/或元件都可以不必构造成将压力施加在内表面或推靠在内表面上，而事实上所述相互作用元件可以是无源的并且由于在钻井过程期间钻柱的动态运动而与内表面相互作用。例如，相互作用元件可以包括从钻柱向外延伸的可伸长元件。在一些方面中，可以通过可伸长元件将力施加到内表面上，但是出于简单和经济原因，力事实上可以仅仅是小的，即，力小于大约1kN。

在本发明的一些实施例中，相互作用元件可以构造成没有延伸超过钻头的牙轮的轮廓和/或被整体设置在所述轮廓内。在其它实施例中，相互作用元件可以至少具有延伸超过钻头的轮廓的一部分。在本发明的一些方面中，相互作用元件可以在钻头的轮廓之外1毫米到几十毫米的范围内延伸，且这种延伸范围用于对钻井系统进行导向/控制。

在本发明的其中相互作用元件包括一个或多个可伸出元件的一些方面中，一个或多个可伸出元件可以延伸以延伸不超过牙轮和/或钻头的轮廓和/或整体设置在所述牙轮和/或钻头的轮廓内。在其它方面中，一个或多个可伸出元件可以延伸使得一个或多个可伸出元件的至少一部分延伸超过牙轮和/或钻头的轮廓。在本发明的一些实施例中，可以通过使一个或多个可伸出元件在1-10mm范围内延伸超过牙轮和/或钻头的轮廓来提供对钻井系统的导向。在这种实施例中，与使用反作用力、用力推靠在井壁上用于进行导向的定向钻井系统不同，可以仅使用/需要少量的动力和/或最小的井下设备以致动和/或保持可伸出元件在超过牙轮和/或钻头的轮廓的期望的延伸范围内。

在步骤220中，钻头与地球地层之间的钻切相互作用由底部钻具组合和/或钻头的运动来控制。在本发明的实施例中，相互作用元件可以选择性地定位于井眼内以用于选择性地偏置由牙轮和/或保径齿排在侧向力的施加下进行的钻切的方向。在一些方面中，在钻另一段井眼之前，相互作用元件可以重新定位在底部钻具组合和/或钻头上。在其中诸如凸轮或类似装置的致动器可以用于改变由相互作用元件提供的相对于底部钻具组合和/或钻头的响应的位置的实施例中，在钻井过程期间可以选择性地被定位和/或重新定位凸轮。

在本发明的一些实施例中，用于控制井眼内的位置、井眼内的方位、相互作用元件的钻柱上的位置和/或方位的装置可以用于在钻井过程间移动相互作用元件。这可以用于实时操纵侧向力。用于进行控制的装置可以包括由马达驱动的致动器、由在井眼内流动的钻井液获得的流水剪切力和/或类似装置。

在步骤230中，对钻井系统进行导向以沿期望的方向钻井眼。在本发明的实施例中，可以确定用于将要被钻进的一段井眼的期望的方向，并且相互作用元件可以与底部钻具组合和/或钻头连接，并且定位在井眼内，以集中/偏置由保径齿排对侧壁进行钻切的方向，从而对钻井系统进行导向，以沿期望的方向钻一段井眼。在一些方面中，处理器可以控制用于进行控制的对地静止的相互作用元件的位置、方位和/或类似参数。在一些实施例中，可以通过处理器处理来自设置在钻柱上的设置的数据、来自设置在井眼内的传感器的数据、来自设置在靠近井眼的地球地层内的传感器的数据、地震数据和/或类似数据，以为期望的钻进方向确定用于控制动态相互作用的装置的位置或方位。传感器可以包括加速仪、重力计和/或与底部钻具组合连接并构造成确定底部钻具组合的位置、方位和作用在底部钻具组合上的力和底部钻具组合在井眼内的运动的类似装置。

可以感测关于钻柱和/或钻头在钻井过程期间的操作的数据。所述数据可以包括诸如钻压、钻井系统的转速、大钩载荷、扭矩和/或类似参数的参数。另外，可以从井眼、地面设备、包围井眼的地层和/或类似地方采集数据，并且所述数据可以是关于在钻井过程中正在实施或将要实施的干预/钻井过程的输入。例如，可以确定井眼和地层内的压力和/或温度，可以由井眼和/或地层获得地震数据，可以表示钻井液性能和/或类似性能。

可以处理关于钻井系统的感测数据和/或关于地球地层和/或正在被钻进的井眼内的条件的数据和/或类似数据。事实上处理可以是决定性的/随机的，并且所述处理可以表示钻井系统的当前和/或将来潜在的状态。例如，可以表示条件和/或诸如钻头的无效性能、钻头的停止和/或类似性能的条件和/或潜在的钻井系统条件。

在本发明的一些实施例中，接收感测数据的处理器可以用于操纵对侧向力的控制/引导。例如，磁力仪、比重计、加速仪、回转仪系统和/或类似装置可以确定钻井系统的振幅、频率、速度、加速度和/或类似参数，以提供对钻井系统的任意运动和/或侧向力的作用/方向的了解。可以将来自传感器的数据发送到处理器，以便进行处理，并且关于侧向力的方向或类似物的值可以被显示、在控制系统中使用，以便控制相互作用元件的定位、与来自地球地层、井眼和/或类似地方的其它数据一起被处理，以提供对用于控制在侧向力的作用下由保径齿排进行的定向钻切。仅以示例的方式，可以通过遥测系统、光纤、有线钻杆、钢丝挠性管、无线通信和/或类似方式来实现感测数据到处理器的通信。

为了清楚和理解，已经详细说明了本发明。然而，要认识的是在所附权利要求的保护范围内可以实施一些改变和修改。此外，在上述说明中，出于说明的目的，以具体的顺序说明了各种方法和/或过程。应该认识的在可选的实施例中，可以以不同于所述顺序的顺序执行所述方法和/或过程。

Claims (45)

1.一种用于控制旋转钻井系统以将井眼定向钻通地球地层的方法，所述旋转钻井系统包括钻柱和与钻头连接的底部钻具组合，所述方法包括以下步骤：

将侧向力施加到所述底部钻具组合以使所述底部钻具组合在所述井眼内产生侧向运动并且由所述钻头提供侧向钻切；和

控制所述底部钻具组合的所述侧向运动，以引导所述侧向钻切并提供对所述井眼的定向钻进。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制所述底部钻具组合的所述侧向运动的步骤包括：

使用对地静止元件以与所述井眼的侧壁相互作用，以引导所述底部钻具组合的所述侧向运动和通过所述钻头进行的所述侧向钻切。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述钻头包括一个或多个保径齿排，并且所述控制所述底部钻具组合的所述侧向运动的步骤包括以下步骤：

使用对地静止元件以控制所述一个或多个保径齿排与所述井眼的侧壁之间的相互作用。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述对地静止元件包括套筒，所述套筒与所述底部钻具组合或所述钻头偏心连接，并且构造成：通过抑制所述一个或多个保径齿排与所述侧壁之间的在方位角的范围内的相互作用来提供所述定向钻井，和用于较少抑制或不抑制所述一个或多个保径齿排与所述侧壁之间的在互补的方位角范围内的相互作用。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述对地静止元件包括套筒，所述套筒与所述底部钻具组合或所述钻头偏心连接，并且构造成：用于抑制所述底部钻具组合在方位角的范围内的所述侧向运动，和用于较少抑制或不抑制所述底部钻具组合在互补的方位角范围内的侧向运动。

6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述套筒以能够旋转的方式与所述底部钻具组合或所述钻头连接，以使得所述套筒能够绕所述底部钻具组合旋转。

7.根据权利要求2所述的方法，其中，所述对地静止元件包括多个量规伸缩片，所述多个量规伸缩片与所述底部钻具组合非对称地连接，并且构造成通过抑制所述底部钻具组合在方位角的范围内的径向运动而提供所述定向钻井。

8.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个量规伸缩片中的一个或多个能够相对于所述底部钻具组合的中心轴线移动，并且能够移动的所述一个或多个量规伸缩片能够被移动以改变所述方位角的范围。

9.根据权利要求2所述的方法，其中，所述对地静止元件包括圆筒，所述圆筒具有绕所述圆筒沿圆周方向变化的柔度，以用于偏置或集中所述底部钻具组合的所述径向运动的方向。

10.根据权利要求3所述的方法，其中，所述对地静止元件包括圆筒，所述圆筒具有绕所述圆筒沿圆周方向变化的柔度，并且构造成通过抑制所述一个或多个保径齿排与所述侧壁在方位角的范围内的相互作用来提供所述定向钻井。

11.根据权利要求3所述的方法，其中，所述对地静止元件包括量规伸缩片组，所述量规伸缩片组中的一个或多个具有不同于所述量规伸缩片组中的其它量规伸缩片的柔度特性的柔度特性，并且构造成通过抑制所述一个或多个保径齿排与所述侧壁在方位角的范围内的相互作用来提供所述定向钻井。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述将侧向力施加到钻头的步骤包括：

将牙轮布置在所述钻头上，以当所述钻头钻所述井眼时产生作用在所述钻头上的侧向力。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述将侧向力施加到钻头的步骤包括：

使用柔性构件和多个稳定器以使用钻压从而产生所述侧向力。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述将侧向力施加到钻头的步骤包括：

使用所述钻井系统中的固定弯管和多个稳定器，以使用所述钻压从而产生所述侧向力。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述将侧向力施加到钻头的步骤包括：

操纵所述钻头指向远离所述井眼的中心轴线的方向。

16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述将侧向力施加到钻头的步骤包括：

使用与所述底部钻具组合连接的致动器，以将力施加在所述内壁上，从而在所述底部钻具组合上产生反作用侧向力。

17.一种用于控制旋转钻井系统以将井眼定向钻通地球地层的设备，包括：

钻头；

底部钻具组合，所述底部钻具组合与所述钻头连接；和

定向控制元件，所述定向控制元件与所述底部钻具组合连接，以在所述井眼的旋转钻进期间保持对地静止，并且构造成与所述井眼的侧壁相互作用以偏置或集中所述底部钻具组合的朝向所述侧壁被引导的侧向运动，其中，所述侧向运动由作用在所述钻头上的侧向力生成。

18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述对地静止元件包括套筒，所述套筒与所述底部钻具组合偏心连接，并且构造成：用于抑制所述底部钻具组合在方位角的范围内的所述侧向运动，和用于较少抑制或不抑制所述底部钻具组合在互补的方位角范围内的侧向运动。

19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述套筒以能够旋转的方式与所述底部钻具组合连接。

20.根据权利要求19所述的设备，还包括致动器，所述致动器与所述套筒连接并且构造成使所述套筒在所述底部钻具组合上旋转。

21.根据权利要求19所述的设备，还包括：处理器，所述处理器与所述致动器连接并且构造成控制所述致动器的操作。

22.根据权利要求17所述的设备，其中，所述对地静止元件包括多个量规伸缩片，所述多个量规伸缩片与所述底部钻具组合非对称地连接，并且构造成通过抑制所述底部钻具组合在方位角的范围内的径向运动而提供所述定向钻井。

23.根据权利要求22所述的设备，其中，所述多个量规伸缩片中的一个或多个能够相对于所述底部钻具组合的中心轴线移动，并且所述一个或多个能够移动的量规伸缩片能够被移动以改变所述方位角的范围。

24.根据权利要求17所述的设备，其中，所述对地静止元件包括圆筒，所述圆筒具有绕所述圆筒沿圆周方向变化的柔度，以用于偏置或集中所述底部钻具组合的所述径向运动。

25.根据权利要求17所述的设备，其中，所述对地静止元件包括量规伸缩片组，其中所述量规伸缩片组中的一个或多个具有不同于所述量规伸缩片组中的其它量规伸缩片的柔度特性的柔度特性，并且所述量规伸缩片组构造成用于偏置或集中所述径向运动。

26.一种用于控制旋转钻井系统以将井眼定向钻通地球地层的设备，包括：

钻头；

一个或多个保径齿排，所述一个或多个保径齿排与所述钻头连接并且构造成接合所述井眼的侧壁；和

定向控制元件，所述定向控制元件与所述钻头连接以在所述井眼的旋转钻进期间保持对地静止，并且构造成允许由所述一个或多个保径齿排在方位角的范围内优先对所述侧壁进行钻切。

27.根据权利要求26所述的设备，其中，所述钻头与底部钻具组合连接，并且所述定向控制元件与所述底部钻具组合连接。

28.根据权利要求26所述的设备，其中，所述控制元件包括与所述钻头偏心连接的套管和圆盘中的一种。

29.根据权利要求26所述的设备，还包括致动器，所述致动器与所述套管或所述圆盘连接，并且构造成使所述套管或所述圆盘绕所述钻头旋转。

30.根据权利要求26所述的设备，其中，所述控制元件包括与所述钻头非对称地连接的多个量规伸缩片。

31.根据权利要求30所述的设备，其中，所述多个量规伸缩片中的一个或多个以能够移动的方式与所述钻头连接，并且构造成使得能够移动连接的所述一个或多个量规伸缩片的移动用于改变所述多个量规伸缩片的不对称性。

32.根据权利要求26所述的设备，其中，所述控制元件包括圆筒，所述圆筒具有绕所述圆筒沿圆周方向变化的柔度。

33.根据权利要求26所述的方法，其中，所述对地静止元件包括与所述钻头连接的多个量规伸缩片，并且其中，所述多个量规伸缩片中的一个或多个相对于其它量规伸缩片具有不同的柔度特性。

34.根据权利要求29所述的设备，还包括处理器，所述处理器能够与所述致动器通信，并且构造成控制所述致动器的操作。

35.根据权利要求34所述的设备，还包括传感器，所述传感器与所述底部钻具组合连接，并且构造成在旋转钻井过程期间感测所述底部钻具组合的特性并将感测的所述特性通信给所述处理器。

36.一种用于控制旋转钻井系统以将井眼定向钻通地球地层的设备，包括：

钻头；

用于生成作用在所述钻头上的侧向力的装置；和

用于偏置生成的所述侧向力的装置。

37.根据权利要求36所述的设备，其中，所述生成作用在所述钻头上的侧向力的装置包括面向钻头系统。

38.根据权利要求36所述的设备，其中，所述生成作用在所述钻头上的侧向力的装置包括推进钻头系统。

39.根据权利要求36所述的设备，其中，所述生成作用在所述钻头上的侧向力的装置包括在所述钻头上的以生成所述侧向力的图案布置的牙轮结构。

40.根据权利要求36所述的设备，其中，所述用于偏置生成的所述侧向力的装置包括一个或多个量规伸缩片，并且其中，所述量规伸缩片与所述钻头连接以使得所述钻头和连接的所述量规伸缩片的尺寸是不一致的。

41.根据权利要求36所述的设备，其中，所述用于偏置生成的所述侧向力的装置包括与所述钻头连接的量规伸缩片组，并且其中，所述量规伸缩片组包括多个量规伸缩片，所述多个量规伸缩片与所述钻头连接，以使得由所述多个量规伸缩片的每一个井眼内壁面对表面形成的圆周相对于所述钻头的纵向轴线是不对称的，且所述内壁面对表面是所述量规伸缩片的在钻井过程期间面对所述井眼的内壁的表面。

42.根据权利要求40所述的设备，其中，所述一个或多个量规伸缩片包括一个或多个保径齿排。

43.根据权利要求36所述的设备，还包括控制器，所述控制器能够控制所述生成作用在所述钻头上的侧向力的装置和所述用于偏置生成的所述侧向力的装置中的至少一个。

44.根据权利要求43所述的设备，其中，所述控制器能够改变所述侧向力的偏置方向。

45.根据权利要求43所述的设备，其中，所述控制器能够改变由所述生成作用在所述钻头上的侧向力的装置生成的侧向力的方向或所述侧向力的大小中的至少一个。

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