CN104812987B - 使用可变流体流动路径来定向控制旋转的可操纵钻探组件 - Google Patents

Abstract

根据本发明诸方面，本文描述用来控制钻孔内钻探组件方向的系统和方法。一示例的系统可包括外壳201b(图2B)和外壳201b内的可变的流体流动路径203(图2B)。流体受控的驱动机构209(图2C)可与可变的流体流动路径203流体地连通。此外，偏移心轴212可偶联到流体受控的驱动机构209的输出。该偏移心轴212可相对于外壳201b独立地转动。该系统还可包括枢转地偶联到外壳201b并偶联到偏移心轴212的偏心座的钻头轴216。

Description

使用可变流体流动路径来定向控制旋转的可操纵钻探组件

背景技术

本发明总的涉及钻井作业，具体来说，涉及使用可变流体流动路径对旋转可操纵钻探组件的定向控制。

由于钻井作业变得越来越复杂，且碳氢化合物储层变得更加难于到达，所以，精确地将钻探组件定位(垂直地和水平地)在地层内的需求在增加。部分的该作业要求操纵钻探组件避开特殊的地层或相交于感兴趣的地层。操纵钻探组件包括改变钻探组件/钻头指向的方向。目前操纵钻探组件的机构一般来说既复杂又昂贵，并会要求钻孔与可延伸的啮合机构相啮合，当可延伸的啮合机构必须通过重要机构(诸如防井喷器)时，可延伸的啮合机构会出问题，这在钻探作业期间对于安全来说是至关紧要的。

附图说明

通过部分地参照以下的描述和附图，可理解本发明某些具体的示范实施例。

图1是图示根据本发明诸方面的示例的钻探系统的示意图。

图2A-D是图示根据本发明诸方面的示例的操纵组件的示意图。

图3A-C是图示根据本发明诸方面的示例的操纵组件的示意图。

尽管图示和描述了本发明的实施例，且参照本发明的示范实施例予以定义，但如此的参照并不暗示对本发明限制，且并不推断出如此的限制。本发明的主题内容在形式和功能上能够作相当的修改、改变和等价替换，本技术领域内技术人员从本披露的发明中获益后将会想到这些修改、改变和等价替换。所图示和描述的本发明实施例仅是示例而已，并不是本发明范围详尽无遗漏的。

具体实施方式

本发明总的涉及钻井作业，具体来说，涉及使用可变流体流动路径对旋转可操纵钻探组件的定向控制。

本文详细描述本发明的说明性实施例。为清晰明了起见，在本说明书中可能不会描述实际实施方式的全部特征。当然，将会认识到，在任何如此实际实施方式的开发中，必须作出许多专用于实施方式的决定以达到特殊的实施方式之目标，这些决定会随实施方式不同而变化。此外，将会认识到，如此的开发工作会是既复杂又费时，但这对于获益于本发明的本技术领域内技术人员来说仍然是要承担的例行公事。

为了便于更好地理解本发明，下面给出某些实施例的实例。但以下的实例决不应看作限制或限定本发明的范围。本发明的实施例可适用于水平的、垂直的、偏转的、多侧向的、u形管连接、相交、旁路(围绕中深卡落物钻入到下面的井中)，或任何类型地下地层内的其它非线性的钻孔。各种实施例可适用于注入井和生产井，包括诸如硫化氢的天然资源生产井，碳氢化合物或地热井；以及穿越河流的隧道的钻孔构造和其它如此用于近地面构造的隧道钻孔，或用于运输诸如碳氢化合物那样流体的u形管管线钻孔。下面参照一个实施方式描述的实施例并不意图限制。

根据本发明诸方面，本文描述用来控制钻孔内钻探组件方向的系统和方法。一示例的系统可包括外壳和外壳内可变的流体流动路径。流体受控的驱动机构可与可变的流体流动路径流体地连通。此外，偏移心轴可偶联到流体受控的驱动机构的输出。该偏移心轴可相对于外壳独立地转动。在某些实施例中，该系统还可包括枢转地偶联到外壳的钻头轴。该钻头轴可偶联到偏移心轴的偏心座，而外壳可构造成对钻头轴赋予转矩。正如下文中将要描述的，钻头轴可偶联到钻头上，由外壳赋予钻头轴上的转矩可驱动钻头。流体受控的驱动机构可相对于外壳反向转动偏移心轴，在钻探作业过程中这可使偏移心轴、钻头轴和钻头相对于周围地层保持角度的定向。通过控制流体受控的驱动机构速度可改变偏移心轴的反向转速。通过改变可变流体流动路径内钻探流体流动，可控制流体受控的驱动机构的速度，流体受控的驱动机构与该可变的流体流动路径流体地连通。

图1是显示根据本发明诸方面的示例的钻探系统100的示意图。该钻探系统100包括安装在地面101上并定位在地下地层103内钻孔104上方的台架102。在所示的实施例中，钻探组件105可定位在钻孔104内，并可偶联到台架102。钻探组件105可包括钻柱106和底部孔组件(BHA)107。钻柱106可包括用螺纹方式连接的多段。BHA107可包括钻头109、边测量边钻探(MWD)装置108和操纵组件114。操纵组件114可控制钻孔104钻探的方向。正如本技术领域内技术人员阅读本披露后将会认识到的，钻孔104将沿垂直于钻头109的工具面110的方向钻探，该方向对应于钻头109的纵向轴线116。因此，控制钻孔104的方向可包括控制钻头109的纵向轴线116与操纵组件114的纵向轴线115之间的角度，以及控制钻头109相对于地层103的角度定向。

根据下面将要描述的本发明的诸方面，操纵组件114可包括偏移心轴(未示出)，其致使钻头109的纵向轴线116偏离操纵组件114的纵向轴线115。该偏移心轴可相对于钻柱106的转动作反向转动，以使钻头109相对于地层103保持角度的定向。操纵组件114可接收来自控制单元113的控制信号。控制单元113可包括带有处理器和存储器件的信息操作系统，并可通过遥控系统与操纵组件114通讯。在某些实施例中，正如下文中将要描述的，控制单元113可将控制信号发送到操纵组件114，以改变钻头109的纵向轴线115，以及控制偏移心轴的部分的反向转动以保持钻头109相对于地层103的角度定向。如文中所使用的，保持钻头109相对于地层103的角度定向可指定为将钻头保持在与地球相对位置不变的位置中。在某些实施例中，处理器和存储器件可位于操纵组件114内以执行某些或所有的控制功能。此外，包括MWD装置108的其它BHA107部件可与控制单元113通讯并接收来自控制单元的指令。

在某些实施例中，钻柱106可转动而钻出钻孔104。钻柱106的转动又可以相同的转动方向和转速转动BHA107和钻头109。该转动可致使操纵组件114围绕其纵向轴线115转动，致使钻头109围绕其纵向轴线116和操纵组件114的纵向轴线115转动。钻头109围绕其纵向轴线116的转动是要致使钻头109切割入地层内，但在某些情形中钻头109围绕操纵组件114的纵向轴线115的转动可以是不需要的，因为它改变钻头109相对于地层103的角度定向。例如，当钻头109的纵向轴线116与钻柱的纵向轴线115成某一角度时，如图1所示，钻头109可围绕操纵组件114的纵向轴线115转动，防止钻探组件以特殊角度和方向进行钻探。

图2A-D是显示根据本发明诸方面的示例操纵组件200的示意图，其在钻探作业过程中可用来部分地将钻头保持在与地球相对位置不变的位置中。图2B-D示出操纵组件200的说明性部分。正如下文中将要描述的，操纵组件200可包括外壳201，其可直接偶联到钻柱或间接地偶联到钻柱，诸如通过MWD装置来偶联。外壳201可包括分离的诸段201a-c，或可包括单一的一体外壳。在某些实施例中，正如下文中将要描述的，每段可对应于操纵组件200的分离的器具部分。例如，段201a可容纳控制机构，并可与地面处的控制单元通讯，和/或接收来自地面和操纵组件内控制机构的控制信号。在某些实施例中，控制机构可包括处理器和存储器件，并可接收来自操纵组件内位置传感器的测量值，诸如可指出钻探方向的重力工具面传感器。段201b可包括驱动元件，其包括可变的流体流动路径和流体受控的驱动机构。段201c可包括操纵元件，其控制偶联到操纵组件200的钻头轴202的钻头的钻探角度和轴向定向。

在某些实施例中，操纵组件200可直接地或间接地偶联到钻柱，在钻探作业过程中，钻探流体可泵送通过钻柱。钻探流体可流过端口204流入围绕流动控制模块206的环腔205内。一旦在环腔205内，钻探流体可流向与流体受控的驱动机构209流体地连通的内部环腔208，或可偏转到旁路环腔207。流动控制阀210可被纳入在流动控制模块206内，并可控制进入内部环腔208以驱动流体受控的驱动机构209的钻探流体量/流动。

在某些实施例中，从端口204到内部环腔208的流体路径可包括可变的流体流动路径203，让流体受控的驱动机构209通过内部环腔208与可变的流体流动路径203流体地连通。流动控制阀210可设置在可变流体流动路径203内，并构造成改变或变化通过可变流体流动路径203的流体流动。根据本发明的诸方面，流体受控的驱动机构209的转速可通过流入内部环腔208内的钻探流体量和流体速率来加以控制。在某些实施例中，因此，通过改变流入内部环腔208内的钻探流体量和流体速率，可利用流动控制阀210来控制流体受控的驱动机构209的转速。正如本技术领域内技术人员根据本披露会认识到，其它可变流体流动路径也是可能的，使用各种阀构造，该阀构造可计量流过流体受控的驱动机构的钻探流体的流动。

如上所述，操纵组件200可包括流体受控的驱动机构209，其通过内部环腔208与可变流体流动路径203流体地连通。在所示的实施例中，流体受控的驱动机构209包括涡轮机，但其它的流体受控的驱动机构也是可能的，包括但不限于泥浆马达。涡轮机209可包括多个转子和定子，它们响应于内部环腔208内的流体流动产生转动运动。涡轮机209可产生输出轴211处的转动，该输出轴211可直接地或间接地偶联到偏移心轴212上。在所示的实施例中，减速器213可放置在涡轮机209和输出轴211之间，以减小由涡轮机209产生的转速。

在某些实施例中，发电机214可偶联到流体受控的驱动机构209。在所示的实施例中，发电机214可磁性地偶联到涡轮机209的转子209a。发电机214可包括绕线的定子214a。该绕线的定子214a可通过偶联到转子209a的磁体215磁性地偶联到转子209的转子209a。当涡轮机209转动时，于是转子209a也转动，这可致使磁体215围绕绕线的定子214a转动。这可在发电机214内产生电流，电流可用来对位于操纵组件200内的各种控制机构和传感器供电，包括分段201a内的控制机构。

输出轴211可直接地或间接地偶联到偏移心轴212。输出轴211可将转动从涡轮机赋予到偏移心轴212，使得偏移心轴212可独立于外壳201转动。偏移心轴212可在第一端处偶联到输出轴211，并在第二端处可包括偏心座217。钻头轴216可至少部分地设置偏心座217内。偏心座217可用来改变或保持钻头轴216和偶联到钻头轴216的钻头(未示出)的纵向轴线219。

钻头轴216在枢轴点218处可枢转地偶联到外壳201。如图中所示，钻头轴216可围绕枢轴点218枢转以改变钻头轴216的纵向轴线219。在某些实施例中，偏心座217可致使钻头轴216围绕枢轴点218枢转，这可相对于操纵组件200的纵向轴线220偏移钻头轴216的纵向轴线219。除了允许钻头轴216相对于外壳201转动，枢轴点218也可用来将转矩从外壳201赋予给钻头轴216。该转矩可赋予给钻头(未示出)，钻头偶联到钻头轴216并可享有钻头轴216的纵向轴线219。钻头轴216的纵向轴线219因此可对应于操纵组件200的钻探角度。

在钻探作业过程中，偶联到外壳201的钻柱可转动，致使外壳201围绕纵向轴线220转动。外壳201的转动可通过使用球290的枢轴点218赋予钻头轴216以转矩。该转矩可致使钻头轴216围绕其纵向轴线219以及操纵组件200的纵向轴线220转动。当钻头轴216的纵向轴线219相对于操纵组件200的纵向轴线220偏移时，这可致使钻头轴216的端部相对于纵向轴线220转动，改变钻头轴216和对应钻头相对于周围地层的角度方向。

在某些实施例中，偏移心轴212可相对于外壳201反转以保持钻头轴216的角度定向。例如，钻柱可以第一速度沿第一方向转动，致使操纵组件200以第一方向和第一速度转动。为了保持钻头轴216相对于周围地层的角度定向，可控制可变流体流动路径203以允许钻探流体流过流体受控的驱动机构209，使得偏移心轴212以与第一速度相同的第二速度沿着与第一方向相反的第二方向转动。显著地，由于偏移心轴212以相同的速度与外壳201相反地转动，偏移心轴212的偏心端217可相对于周围地层保持静止(与地球相对位置不变)，保持钻头轴216相对于地层的角度定向，同时仍允许钻头轴216围绕其纵向轴线219转动。同样地，通过偏移心轴212以不同于外壳201转速的任何其它转速转动，钻头轴216的角度定向可相对于周围地层改变。

图3A-C是示出根据本发明诸方面的另一示例的操纵组件300的示意图。图3B和3C示出操纵组件300的选定部分。正如下文中将要描述的，操纵组件300可允许通过相对于操纵组件的纵向轴线改变钻头轴的纵向轴线来变化钻探角度。这与操纵组件200形成对比，在操纵组件200中，通过构造偏移心轴212的偏心端217，钻头轴216的纵向轴线219可相对于纵向轴线220固定。

操纵组件300可包括外壳301，外壳301可包括分段301a-d。外壳301还可包括单一的一体结构。与操纵组件200相同，操纵组件300可包括含有控制机构的分段301a、含有驱动机构的分段301b，以及含有操纵机构的分段301d。操纵组件301还包括含有钻探角度控制机构的分段301c，这将在下文中描述。

在某些实施例中，操纵组件300可包括类似于操纵组件200中涡轮机209的流体受控的驱动机构(未示出)。同样地，流体受控的驱动机构可驱动可偶联到偏移心轴303的输出轴(未示出)，并允许偏移心轴303相对于外壳301独立地转动。与操纵组件200不同，其中，涡轮机209的输出轴211直接偶联到偏移心轴212，而操纵组件300的偏移心轴303可通过钻探角度控制机构302间接地偶联到涡轮机的输出轴。正如下文中将要描述的，钻探角度控制机构302可将转矩从流体受控的驱动机构赋予到偏移心轴303，同时控制偶联到偏移心轴303的钻头轴304的纵向轴线。

在所示的实施例中，偏移心轴303可至少部分地设置在偏心凸轮305内。偏移心轴303和偏心凸轮305两个可通过钻探角度控制机构302直接偶联到流体受控的驱动机构的输出轴，这样，流体受控的驱动机构可独立于外壳301致使偏移心轴303和偏心凸轮305一起转动。偏移心轴303可具有让钻头轴304的端部设置在其中的偏心座306。如在图2中所示的操纵组件200那样，偏心座306可致使钻头轴304的纵向轴线309相对于操纵组件300的纵向轴线380偏移。偏心凸轮305还可包括偏心部分307，一部分的偏移心轴303可设置在其中，偏移心轴303的纵向轴线308可通过该偏心部分307偏离于操纵组件300的纵向轴线。

正如本技术领域内技术人员鉴于本披露将会认识到的，偏移心轴303相对于偏心凸轮305独立地转动可允许改变钻头轴304的纵向轴线309，这改变了操纵组件300的钻探角度。例如，偏心座306可构造成致使钻头轴304的纵向轴线309相对于操纵组件300的纵向轴线有10°的固定偏离。同样地，例如，偏心凸轮305可构造成致使偏移心轴303的纵向轴线308相对于操纵组件300的纵向轴线有10°的固定偏离。通过让偏移心轴303相对于偏心凸轮305转动，偏离可建设性地或破坏性地互相作用，在0°(平行于操纵组件300)和20°之间改变钻头轴304的纵向轴线309(和由此的钻探角度)。上述的角度变化和角度量并不意味着受限制，而只是说明本发明的诸方面。

在所示的实施例中，钻探角度控制机构302可包括偶联到偏移心轴303的电动机310。显著地，电动机310的输出可构造成独立于偏心凸轮305转动偏移心轴303，这样，可改变操纵组件300的钻探角度。钻探角度控制机构302还可包括动力储存元件311，其可偶联到发电机(未示出)和从发电机接收电力，发电机偶联到流体受控的驱动机构。此外，钻探角度控制机构302还可接收或产生控制信号，以控制电动机310和操纵组件300的钻探角度。一旦钻探角度已经设定，电动机310可使偏移心轴303保持相对于偏心凸轮305的转动定向，这样，偏移心轴303和偏心凸轮可通过流体受控的驱动机构一起转动，以使钻头轴304保持相对于地球位置不变的位置。

根据本发明诸方面，用来控制钻孔内钻探组件方向的示例方法可包括在钻孔内定位操纵组件。该操纵组件可包括外壳、设置在外壳内的可变流体流动路径、与可变流体流动路径流体地连通的流体受控的驱动机构；以及偶联到流体受控的驱动机构的偏移心轴。该操纵组件可以是与上述的操纵组件200和300相同或相类似。该方法可包括：独立于外壳转动偏移心轴，以及通过改变可变流体流动路径来改变偏移心轴的转速。在某些实施例中，改变可变流体流动路径可包括使用流动控制阀来改变通过可变流体流动路径的流体流动。

在示例方法的某些实施例中，操纵组件还可包括可枢转地偶联到外壳上的钻头轴。该钻头轴可以部分地设置在偏移心轴的偏心座内。此外，外壳可以构造成将转矩赋予到钻头轴上。而且流体受控的驱动机构可包括涡轮机和泥浆马达中的一者，且操纵组件还可包括偶联到流体受控的驱动机构的发电机。

在上述方法的某些实施例中，偏移心轴可以至少部分地设置在偏心凸轮内。而偏心凸轮可偶联到流体受控的驱动机构的输出上。此外，偏移心轴可偶联到电动机上，该电动机构造成独立于偏心凸轮转动偏移心轴。如上所述，电动机可相对于偏心凸轮转动偏移心轴以改变操纵组件的钻探角度。

根据本发明诸方面，用来控制钻孔内钻探组件方向的另一示例方法可包括在钻孔内定位操纵组件，其中，操纵组件包括偶联到钻头轴的偏移心轴。操纵组件、偏移心轴和钻头轴可与以上参照图2A-2D和3A-3C所描述的相同或相类似。该方法还可包括用偶联到偏移心轴的电动机来转动偏移心轴。用电动机来转动偏移心轴可改变钻头轴的纵向轴线。该方法还可包括：通过改变与流体受控的驱动机构流体地连通的可变流体流动路径来改变偏心凸轮的转速。该可变流体流动路径可包括流动控制阀。

因此，本发明很好地适合于达到以上提及的目标和优点以及其固有的优点。以上披露的特殊的实施例只是说明性的，因为本披露可以不同的但等价的方式进行修改和实践，这种方式为从本文内容中获益的本技术领域内技术人员所明白。此外，对于本文所示的构造或设计的细节并不意图加以限制，附后的权利要求书中描述了其它的构造或设计细节。因此，很显然以上披露的特殊的说明性实施例可以改变或修改，所有如此的变化都被认为纳入到本发明范围和精神之内。还有，权利要求书中的权项具有其朴素的通常的含义，除非由专利权所有人用其它方式明确地和清楚地加以定义。如权利要求书中所使用的不定冠词“一”或“一个”在文中定义为意指所引入的一个或多于一个的元件。此外，如在详细描述中所用到的术语“偶联”或“被偶联”或任何普遍的变化并不意图局限于直接的偶联。相反，两个元件可间接地偶联，并在详细描述和权利要求书的范围之内仍然被认为是偶联的。

Claims (16)

1.一种用来控制钻孔内钻探组件方向的系统，所述系统包括：

端口，所述端口与环腔流体地连通，其中一个或多个端口使流体围绕流动控制模块；

内部环腔，所述内部环腔与所述环腔流体地连通；

所述流动控制模块的流动控制阀，所述流动控制阀与所述内部环腔流体地连通；

外壳；

位于所述外壳内的从所述端口至所述内部环腔的可变的流体流动路径，所述流动控制阀构造成改变通过所述可变流体流动路径的流体的流动；

流体受控的驱动机构，其与所述可变的流体流动路径流体地连通，其中所述流体受控的驱动机构通过所述流体至所述内部环腔的流动而被驱动；以及

钻头轴，所述钻头轴枢转地耦 联 到所述外壳，其中：

所述钻头轴部分地设置在偏移心轴的偏心座内；以及

所述外壳构造成对所述钻头轴赋予转矩。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流体受控的驱动机构包括涡轮机和泥浆马达中的一者。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，还包括耦 联 到所述流体受控的驱动机构的发电机。

4.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，还包括耦 联 到所述流体受控的驱动机构的输出的偏移心轴，其中：

所述偏移心轴相对于所述外壳独立地转动，

所述偏移心轴至少部分地设置在偏心凸轮内，

所述偏心凸轮耦 联 到所述流体受控的驱动机构的所述输出。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，

所述偏移心轴耦 联 到电动机；以及

所述电动机构造成独立于所述偏心凸轮转动所述偏移心轴。

6.一种用来控制钻孔内钻探组件方向的方法，包括：

将操纵组件定位在钻孔内，其中，所述操纵组件包括：

外壳；

设置在所述外壳内的从端口至内部环腔的可变流体流动路径；

与所述可变流体流动路径流体地连通的流体受控的驱动机构；

耦 联 到所述流体受控的驱动机构的偏移心轴；以及

可枢转地耦 联 到所述外壳的钻头轴，其中所述钻头轴部分地设置在所述偏移心轴的偏心座内，并且所述外壳构造成将转矩赋予到所述钻头轴上；

独立于所述外壳转动所述偏移心轴；以及

通过改变所述可变流体流动路径来改变所述偏移心轴的转速；

其中，改变所述可变流体流动路径包括使用流动控制阀来改变通过所述可变流体流动路径的流体流动。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述流体受控的驱动机构包括涡轮机和泥浆马达中的一者。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述操纵组件还包括耦 联 到所述流体受控的驱动机构的发电机。

9.如权利要求6-8中任一项所述的方法，其特征在于，

所述偏移心轴至少部分地设置在偏心凸轮内，

所述偏心凸轮耦 联 到所述流体受控的驱动机构的输出上。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，

所述偏移心轴耦 联 到电动机；以及

所述电动机构造成独立于所述偏心凸轮转动所述偏移心轴。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括通过相对于所述偏心凸轮转动所述偏移心轴以改变所述操纵组件的钻探角度。

12.一种用来控制钻孔内钻探组件方向的方法，包括：

将操纵组件定位在钻孔内，其中所述操纵组件包括耦 联 到钻头轴的偏移心轴；

用耦 联 到所述偏移心轴的电动机来转动所述偏移心轴；

使用耦 联 到所述偏移心轴的流体受控的驱动机构来转动所述偏移心轴；

通过改变与所述流体受控的驱动机构流体地连通的从端口至内部环腔的可变流体流动路径以改变所述偏移心轴的转速，其中，改变所述可变流体流动路径包括使用流动控制阀来改变通过所述可变流体流动路径的流体流动。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，用所述电动机转动所述偏移心轴以改变所述钻头轴的纵向轴线。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述钻头轴的所述纵向轴线对应于钻探装置的钻探角度。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述可变流体流动路径包括流动控制阀。

16.如权利要求12-15中任一项所述的方法，其特征在于，所述流体受控的驱动机构包括涡轮机和泥浆马达中的一者。