CN105637164B - 多角度旋转导向钻井 - Google Patents

Abstract

旋转导向钻井设备和利用所述设备的方法，所述设备包括：轴、可沿所述轴重新轴向定位的多角度击打环、耦合至所述轴的铰接件、以及由所述铰接件承载的导向件。可操作一致动装置，以通过保持方位角相关接触来保持所述铰接件相对于所述轴的角偏移量。

Description

多角度旋转导向钻井

对相关申请的引用

本专利申请要求于2013年10月25日提交的美国非临时专利申请14/062,963的权益和优先权，该专利申请通过完整引用结合在此。

技术领域

在井下钻井作业中，利用旋转导向系统(RSS)来钻出具有一个或多个水平段和/或斜井段的钻井。例如，在单次钻井过程中，RSS最初时可竖直钻掘，然后以某一角度开始钻掘钻井的侧部。RSS转动或构造角度以形成钻井的拐弯井段的程度可能受限于控制和导向问题，这些问题可能使得钻进速度(ROP)达不到最佳。

发明内容

本公开提出一种设备，所述设备包括轴、可沿所述轴重新轴向定位的多角度击打环，以及耦合至所述轴的铰接件。所述设备还可包括由所述铰接件承载的导向件、以及致动装置，所述致动装置可在操作时通过保持所述多角度击打环与所述导向件之间的方位角相关接触来保持所述铰接件相对于所述轴的角偏移量。

本公开还提出一种方法，所述方法包括：操作致动装置，以通过保持相对于耦合至一铰接件的轴处于第一轴向位置的多角度击打环与由所述铰接件承载的导向件之间的方位角相关接触，来保持所述铰接件相对于耦合至一铰接件的所述轴的第一角偏移量。所述方法还可包括：把所述多角度击打环沿所述轴从第一轴向位置轴向平移至第二轴向位置，以及操作所述致动装置，以通过保持所述导向件与处于所述第二轴向位置的多角度击打环之间的方位角相关接触，来保持所述铰接件相对于所述轴的第二角偏移量。所述第二角偏移量可显著不同于所述第一角偏移量。

本公开还提出一种方法，包括：使用一井下工具通过转动耦合至所述井下工具的一串管状件来钻掘钻孔的第一部分，同时操作所述井下工具的致动装置以保持所述井下工具和由所述井下工具承载的钻头的轴线之间的第一角偏移量。所述方法还可包括：通过改变从所述的一串管状件流过所述井下工具的钻井液的压力或流速把所述第一角偏移量调节为第二角偏移量，以及使用所述井下工具通过转动所述一串管状件来钻掘钻孔的第二部分，同时操作所述致动装置以保持所述第二角偏移量。

本公开的其它特征在下文的说明中阐述，和/或可由本领域普通技术人员通过阅读本文中的材料和/或实施本文中所述的原理来了解。本公开的至少一部分特征可通过所附权利要求中叙述的装置来实现。

附图说明

通过结合附图来阅读以下详细说明，能够更好地理解本发明。需要强调的是，根据业界的常规作法，各个特性在附图中不是按比例描绘绘制的。实际上，为了便于论述，各个特性的尺寸可随意增大或减小。

图1是根据本公开的一个或多个方面的设备的至少一部分的示意图；

图2是根据本公开的一个或多个方面的设备的至少一部分的示意图；

图3是根据本公开的一个或多个方面的设备的至少一部分的示意图；

图4是根据本公开的一个或多个方面的设备的至少一部分的示意图；

图5是根据本公开的一个或多个方面的设备的至少一部分的示意图；

图6是根据本公开的一个或多个方面的设备的至少一部分的示意图；

图7是根据本公开的一个或多个方面的设备的至少一部分的示意图；

图8是根据本公开的一个或多个方面的方法的至少一部分的流程图。

具体实施方式

应理解，以下的公开提供多种不同的实施方式或用于实现各种实施方式的不同特性的实例。

为了简化本公开的说明，下面将说明部件和布置形式的特定实例。当然，这些实例仅是示例性的，而不是限定性的。另外，在各个例子中，本公开可能重复使用指代标号和/或字符。这种重复使用是为了简洁和清晰的目的，其本身不指示所述的各种实施方式和/或构造之间的关系。

图1是根据本公开的一个或多个方面的设备的至少一部分的示意图。描述的部件包括井位10、钻架15、以及在钻孔20中经由钻柱和/或其它的一串管状件25从钻架15悬吊下来的井下工具100。井下工具100或井底钻具组合(“BHA”)包括井下工具100，所述井下工具100在其下端包括钻头30或耦合至钻头30，所述钻头30在操作时可使井下工具100前进至岩层35中，并形成钻孔20。所述的一串管状件25可由转盘40转动，所述转盘40与位于所述的一串管状件25的上端的钻杆接合。所述的一串管状件25从通过所述钻杆和转环50附接至游动滑车(未示出)的钩45悬吊下来，所述转环50允许所述的一串管状件25相对于所述钩45转动。

钻架15为地面平台和钻塔组合，用于以众所周知的方式通过旋转钻掘形成钻孔20。但是，本领域普通技术人员应理解，本公开的一个或多个方面也可应用在其它的井下实现形式中，而不局限于地面钻架。本领域普通技术人员还能认识到，除了上述的转盘40外，本公开的一个或多个特征适用于或适合于与顶部驱动系统结合使用。

钻井液(或“泥浆”)55储存在形成在井位10处的坑60中。泵65经由转环50中的端口向所述的一串管状件25的内部输送钻井液55，使钻井液向下流过所述的一串管状件25，如图1中的方向箭头70所示。钻井液55经由钻头30中的端口从所述的一串管状件25流出，然后向上环流，流过限定在所述的一串管状件25外部与钻孔20的壁之间的环带，如图1中的方向箭头75所示。通过这种方式，钻井液55对钻头30进行润滑，并且，随着其返回到坑60中进行再循环，钻井液55把岩屑携带至地面。

井下工具100和/或BHA可布置在钻头30附近，其位置可在从钻头30算起的多个钻铤和/或其它管状件25的长度范围之内。除了提供导向功能的部件外，井下工具100还可包括具有不同能力的不同部件，例如测量、处理和存储与井下工具100、BHA和/或地下岩层35相关的信息。还布置有遥测装置(未示出)，用于与地面设备12(例如可包括采集和/或控制设备)的一个或多个部件通信。

井下工具100可包括轴110、可沿轴110重新定位的多角度击打环120、耦合至轴110的铰接件130、由铰接件130承载的导向件140、击打环致动装置150、以及多个导向件致动装置160。铰接件130铰接为通过万向接头170耦合至轴110。铰接件130还提供钻头30与万向接头170和/或轴110之间的机械和流体接口。铰接件130也可以是一个或多个柔性件或包括一个或多个柔性件。

万向接头170允许铰接件130与轴110之间有角偏移量，同时仍允许轴110相对于铰接件130转动，并使钻井液55流过轴110与铰接件130的内部通道。导向件致动装置160彼此协作，通过保持多角度击打环120与导向件140之间的方位角相关接触来保持铰接件130相对于轴110的角偏移量。钻头30可为铰接件130的一个部件，或者可耦合至铰接件130，它可为固定割刀、牙轮钻头和/或其它类型的钻头，并且可包括聚晶金刚石复合片(PDC)镶齿、磨粒热压镶齿(GHI)、碳化钨镶齿(TCI)、铣齿(MT)和/或其它类型的镶齿、和/或割刀。

图2是图1的井下工具100的至少一部分的剖视图。在操作时，导向件致动装置160彼此协作驱动导向件140相对于轴110移动至第一角偏移量201。因此，导向件140的井口端142与多角度击打环120接触，从而多角度击打环120约束导向件140，阻止其弯曲/倾斜超过第一角偏移量201。通过导向件致动装置160的相互协作，以与方位角相关的方式保持导向件140的端部142与多角度击打环120之间形成的接触。

例如，请同时参考图1和图2，当操作井下工具100以钻掘或拓展钻孔20的弯曲轨迹部分22时，保持多角度击打环120与导向件140之间的方位角相关接触包括把接触保持在相对于钻孔20大致恒定的方位角位置。保持的接触(不论是点接触、线接触和/或面接触)的方位角可相对于钻孔20变化，并且其变化可与钻孔20内的轴110的转动量成比例。

与此相反，当操作井下工具100以沿大致和/或有效笔直的轨迹钻掘或拓展钻孔20的另一部分24时，保持多角度击打环120与导向件140之间的方位角相关接触包括保持相对于钻孔20发生方位角变化的接触(不论是点接触、线接触和/或面接触)。“有效笔直的”轨迹可以是通过如下实现方式实现的轨迹，即，导向件致动装置160可彼此协作保持导向件140相对于轴110的角偏移量，但不保持导向件140相对于轴110的笔直或同轴的对位(即，零度角偏移量)。因而，多角度击打环120与导向件140之间的方位角变化的转动接触可导致钻孔20围绕大致笔直的轴线沿一条螺旋轨迹拓展。

如图2所示，井下工具100和/或BHA的其它部分还包括用于使轴110与所述的一串管状件25耦合的接口180。接口180可以是或包括螺纹凹部，所述螺纹凹部构造为接收相邻的一个管状件25的螺纹端，因而轴110与相邻的管状构件25之间的耦合是行业标准的阳螺纹-阴螺纹连接。但是，在本公开的范围内，也可采用其它方式把井下工具100耦合至所述的一串管状件25和/或其它钻孔输送装置，包括在轴110与相邻的输送件之间耦合有一个或多个中间部件的实现形式。

多角度击打环120可沿轴110重新轴向定位。例如，多角度击打环120至少可在轴110上的第一位置(例如图2中所示的示例性位置)与轴120上的第二位置(例如图3中所示的示例性位置)之间重新轴向定位。导向件致动装置160和多角度击打环120可相互协作，从而当多角度击打环120处于第一位置(图2)时，可保持铰接件130相对于轴110的第一角偏移量201，当多角度击打环120处于第二位置(图3)时，可保持铰接件130相对于轴110的第二角偏移量202。多角度击打环120可包括当多角度击打环120处于第一位置(图2)时与导向件的端部142接触的第一部分122和当多角度击打环120处于第二位置(图3)时与导向件的端部142接触的第二部分124。所述第一和第二部分122和124可分别为大致圆锥形，并可具有大致等于相应的角偏移量201/202的锥角，从而可促进导向件140和多角度击打环120之间的线接触，而不只是点接触。

第一角偏移量201可大约为第二角偏移量202的两倍。例如，第一角偏移量201可大约为一度，第二角偏移量202可大约为半度。但是，这些数值仅是示例性的，其它数值也在本公开的范围之内。为了调节铰接件130与轴110之间的角偏移量(例如响应所述的一串管状件25内的流体压力和/或流速的变化)，可沿轴110重新轴向定位多角度击打环120。例如，请参考图1-3，每个管状件25可具有内部通道27，可从井位10处的地面通过所述内部通道27泵送钻井液55，如图1-3中的箭头70所示。轴110可具有与所述的一串管状件25的内部通道27流体相通的内部通道112，从而可从所述的一串管状件25接收钻井液55。

轴110的内部通道112可与井下工具110的腔室210直接或间接地流体相通。如图2-4所示，腔室210可以是或包括由轴110、击打环致动装置150和保持件152的表面限定的环形腔。保持件152把击打环致动装置150固定至轴110，所述固定方式允许击打环致动装置150相对于轴110沿轴向平移。腔室210与轴110的内部通道112之间的流体相通可经由端口、沟道、阀门和/或其它装置220实现。

轴110的内部通道112中的钻井液压力和/或流速的增加可作用在击打环致动装置150的井口表面154上和/或驱动击打环致动装置150朝井下方向运动。击打环致动装置150的这种朝井下方向的运动可被布置在击打环致动装置150周围和/或井下工具100的另外一个腔室240内的偏压件230抵制。腔室240可以是或包括由击打环致动装置150和保持件152的表面限定的环形腔。

保持件152和/或井下工具100的另一个部件可包括形成腔室210与钻孔20之间的流体相通的扼流装置250。所述扼流装置250可以是或包括无源或有源阀门、孔板和/或限制从腔室210至钻孔20的流体相通和/或控制腔室210内的压力和/或流速的其它装置。

在操作时，可利用一地面控制系统(例如可构成图1中所示的地面设备12的一部分)向井下工具100和/或BHA的其它部分中的电子装置(未示出)传达导向命令，所述导向命令的传达可直接进行，也可通过包含在所述的一串管状件25之中或由所述的一串管状件25承载的一个或多个随钻测量(MWD)和/或随钻测井(LWD)工具进行。当所述的一串管状件25之中的所有管状件或一部分管状件、BHA、井下工具100和钻头30以“钻柱”转速(RPM)转动时，导向件致动装置160分别或共同地使导向件140、铰接件130和钻头30围绕万向接头170相对于轴110倾斜，以保持角偏移量201/202。

万向接头170可通过铰接件130和/或其它中间部件从轴110向钻头30传递力矩。但是，力矩也可通过其它布置形式单独传递，所述布置形式例如可包括挠性接头、花键联轴节、齿轮传动装置、球窝接头、和/或循环球传动装置、以及在本公开的范围之内的其它装置。在本文中，万向接头170在本公开的附图中仅示意性地示出，因为与万向接头170的组成和构造相关的细节不受本公开的范围的限制。

因此，角偏移量201/202和钻头30的方向(有时称为工具面或工具面朝向)可决定钻孔20的当前拓展方向。即，钻头30的方向引领钻孔20的方向。这样，在确定了曲线之后，由井下工具100构成或包括井下工具100的旋转导向系统在钻掘时几乎没有任何侧向力，并且能够最大限度地减少用于导向钻孔20的主动控制量。

导向件致动装置160可包括一个或多个活塞、可膨胀件、和/或在导向件140的内周144上施加作用的其它装置。导向件致动装置160可随着导向件140的转动依次作动，从而保持相对于被钻掘的岩层35的角偏移量201/202(例如在图1中所示的钻孔20的曲线段22的拓展过程中)。随后，可操作导向件致动装置160以沿有效笔直的轨迹拓展钻孔20，例如图1中所示的钻孔20的大致笔直的部分24。

在沿有效笔直的轨迹钻掘时，通过调节多角度击打环120的轴向位置，可获得最小角偏移量，以减小钻孔20的螺旋轨迹的半径。例如，在钻掘钻孔20的有效笔直部分时，可利用与较小的角偏移量202(图3)对应的多角度击打环120的第二部分124。但是，在钻掘钻孔20的曲线段时，可利用与较大角偏移量201(图2)对应的多角度击打环120的第一部分122，从而获得较小的转弯半径(或较大的造斜率)。

如上所述，通过使流过/流入腔室210并作用在击打环致动装置150上的钻井液的压力和/或流速发生变化，可沿轴110重新轴向定位多角度击打环120。这种改变可以是相对于预定门限值(例如正常或当前的工作压力和/或流速)增大或减小，和/或一系列的增大和/或减小，例如在利用不止两个角偏移量的实现形式中。

而且，在每次重新定位后，通过嵌装在轴110的大致为圆柱形的表面116中的分度轨114内的一个或多个分度件190的啮合，可保持多角度击打环120的轴向位置。在图5中，轴110的表面116的一部分的“展开”图示出了分度轨114的一种示例性实现形式，其中，在多角度击打环120的重新定位过程中，分度件190之一可移动。在操作击打环致动装置150把多角度击打环120置于如图2中所示的第一位置时，索引件190可就位于分度轨114的第一静止位置510。随后，随着击打环致动装置150由于轴110的中央通道112中的钻井液的压力和/或流速的变化而作动，分度件190可沿分度轨114的路径520朝中间位置530移动，所述中间位置530与图4中所示的多角度击打环120的位置对应。

然后，钻井液的压力和/或流速变化的逆转和/或偏压件230的偏置力可导致分度件190沿分度轨114的路径540移动至第二静止位置550，所述第二静止位置550与如图3所示的多角度击打环120的位置对应(保持第二角偏移量202)。

然后，击打环致动装置150可由于轴110的中央通道112中的钻井液的压力和/或流速的另一次变化而作动，导致分度件190沿分度轨114的路径560朝另一个中间位置570移动。然后，钻井液的压力和/或流速变化的逆转和/或偏压件230的偏置力可导致分度件190沿分度轨114的路径580移动至另一个静止位置510，所述静止位置510再次与如图2所示的多角度击打环120的位置对应，以保持第一角偏移量201。

对于每种情况(例如，钻掘轨迹在弯曲轨迹和笔直(或有效笔直)轨迹之间切换)，可重复上述过程。即，在上文所述和图2-5中所示的示例性实现形式中，多角度击打环120有两个静止位置，它们与铰接件130和钻头30相对于轴110的两个角偏移量201和202对应。多角度击打环120可交替地在第一和第二静止位置之间重新定位，所述第一和第二静止位置可与如图5所示的一个或多个分度件190的第一和第二静止位置510和550对应。但是，本公开的范围还包括更复杂/精致的分度轨，例如，在此类分度轨中，可使用半流分度来选择多角度击打环的位置，和/或多角度击打环120具有不止两个静止位置，以及其它可能的情况。

图6是一个此类的例子的局部剖视图，其中，包括活塞头652和活塞杆654的击打环致动装置650代替了图2-5中所示的实现形式的击打环致动装置150。活塞头652包括彼此相对的表面656和658，这些表面与轴110和保持件152的相应表面共同限定第一腔室610和第二腔室640的边界。腔室610和640分别通过第一和第二阀门612和642的操作交替地与轴110的内部通道112中的钻井液流体相通。

例如，第一阀门612可以是或包括止回阀和/或其它类型的阀门。当内部通道112中的钻井液的压力低于预定压力时，第一阀门612可以是常开的，但是当钻井液的压力超过所述预定压力时，第一阀门612可关闭。相比之下，第二阀门642也可以是或包括止回阀和/或其它类型的阀门，当钻井液的压力低于所述预定压力时，第二阀门642可以是常闭的，当钻井液的压力超过所述预定压力时，第二阀门642可打开。活塞杆654通过保持件152中的开口158耦合至活塞头652的井下表面658，和/或从活塞头652的井下表面658延伸，并耦合和/或延伸至多角度击打环620。因此，通过调节轴110的内部通道112中的钻井液压力，可相对于轴110重新定位击打环致动装置650，从而重新定位多角度击打环620。

图6中所示的井下工具600还可包括弹簧或其它偏压件630，所述弹簧或其它偏压件630可包含在第一腔室610中。可利用所述偏压件630代替阀门612和642之中的一个或两个或把所述偏压件630与阀门612和642之中的一个或两个结合使用，以朝井下方向驱动所述击打环致动装置650。在一种类似的实现形式中，第二腔室640可包括偏压件(未示出)，可利用所述偏压件代替阀门612和642之中的一个或两个或把所述偏压件与阀门612和642之中的一个或两个结合使用，以朝井口方向驱动所述击打环致动装置650。

保持件152和/或井下工具100的另一个部件可包括形成第一腔室610与钻孔20之间的流体相通的扼流装置690，和/或形成第二腔室640与钻孔20之间的流体相通的扼流装置695。所述扼流装置690和695可以是或包括无源或有源阀门、孔板和/或允许从相应的腔室至钻孔20的受限流体相通和/或控制相应腔室内的压力和/或流速的其它装置。

图6还表明，图2-4中所示的两位置多角度击打环150可由多角度击打环620替代。多角度击打环620可具有与导向件140接触的大致为锥形的单个接触面622，而不是图2-4中所示的多角度击打环120的多接触面。多角度击打环620的单接触面622可允许在轴110与铰接件130(以及钻头30)的轴线之间的角偏移量的最小值和最大值之间连续调节。

例如，当击打环致动装置650响应偏压件630的偏置力和/或在活塞头652两端产生的压差完全伸展时，多角度击打环620处于其最远的井下轴向位置，如图6中所示。但是，如图7中的井下工具600的剖视图所示，当击打环致动装置650响应偏压件630的偏置力和/或活塞头652两端之间产生的压差朝井口方向重新轴向定位时，多角度击打环620也朝井口方向重新轴向定位。由于导向件致动装置160继续倾斜导向件140，使其与多角度击打环620接触，因此轴110和铰接件130(以及钻头30)的轴线之间的角偏移量会增大，因为导向件140的端部142现在与多角度击打环620的较小半径部分接触。

而且，击打环致动装置650的完全伸展量可能大于图6的例子中所示的量。例如，击打环致动装置650和多角度击打环620可共同构造为使得当击打环致动装置650完全伸展时可保持大致为零的角偏移量(例如图2中的角偏移量201和/或图3和图4中的角偏移量202)。在一个或多个这种实现形式中，击打环致动装置650的最大外径OD可大致等于(或稍大于)多角度击打环620的内周144的内径ID。因此，击打环致动装置650与多角度击打环620之间的接触可以是沿环绕击打环致动装置650的圆的线接触。在这样的构造中，可利用所述设备沿(大致)严格笔直的轨迹钻掘，而不是上述的有效笔直的轨迹。

在上述的示例性实现形式中，利用钻井液(“泥浆”)使击打环致动装置650移动。但是，也可利用内部液压液(例如齿轮油)来代替钻井液(或与钻井液结合使用)。

图8是根据本公开的一个或多个方面的方法(800)的至少一部分的流程图。可利用具有与图1-7中所示的设备相同的一个或多个方面的旋转导向钻井设备和/或在本公开的范围之内的旋转导向钻井设备执行所述方法(800)。

所述方法(800)包括：使用一井下工具通过转动耦合至所述井下工具的一串管状件来钻掘(810)钻孔的第一部分，同时操作所述井下工具的致动装置以保持所述井下工具和由所述井下工具承载的钻头的轴线之间的第一角偏移量。例如，在图1-7中所示的示例性实现方式的情况中，操作所述致动装置以保持第一角偏移量可包括保持所述多角度击打环和所述导向件之间的方位角相关接触，其中，所述多角度击打环可相对于所述井下工具的轴处于第一轴向位置，所述导向件可由所述井下工具的铰接件承载，所述钻头可从所述铰接件延伸。

所述第一钻孔部分可以是大致笔直的和/或有效笔直的，从而所述第一钻孔部分遵循一条大致为螺旋形的轨迹，所述轨迹具有大致笔直的轴线。例如，钻掘所述第一钻孔部分(810)可包括把所述多角度击打环与所述导向件之间的方位角相关接触保持为相对于所述钻孔发生方位角变化的接触。保持的接触相对于所述钻孔的方位角变化可与所述钻孔内的轴的转动量成比例，是时间的函数，和/或其它变化形式。

在预定时间后，或在所述第一钻孔部分已拓展至预定长度/深度后，可把所述第一角偏移量调节(820)为第二角偏移量，例如通过改变从所述的一串管状件流过所述井下工具的钻井液的压力或流速来调节。在图1-7中所示的示例性实现形式中，钻井液的这种压力和/或流速的改变可使所述多角度击打环沿所述轴从所述第一轴向位置轴向地平移至第二轴向位置。

然后，可使用所述井下工具通过转动所述的一串管状件来钻掘(830)所述钻孔的第二部分，同时操作所述致动装置以保持所述第二角偏移量。在图1-7中所示的示例性实现形式中，操作所述致动装置以保持所述铰接件相对于所述轴的第二角偏移量可包括保持所述导向件与位于第二轴向位置的所述多角度击打环之间的方位角相关接触。

所述第二钻孔部分可大致为曲线。例如，在所述多角度击打环与所述导向件之间保持的方位角相关接触可以是相对于所述钻孔大致保持方位角恒定的接触。

所述第二角偏移量可显著大于所述第一角偏移量。例如，所述第二角偏移量可以是所述第一角偏移量的两倍，例如，在一些实现形式中，所述第二角偏移量大约为一度，而所述第一角偏移量大约为半度。当然，第一和第二角偏移量的其它数值也在本公开的范围之内。

在预定时间后，或在所述第二钻孔部分已拓展至所需长度/深度后，可把所述第二角偏移量回调(840)为第一角偏移量，例如通过再次改变从所述的一串管状件流过所述井下工具的钻井液的压力或流速来调节。例如，钻井液的这种压力和/或流速的改变可使所述多角度击打环沿所述轴从所述第二轴向位置轴向地平移至所述第一轴向位置。

然后，可使用所述井下工具通过转动所述的一串管状件来钻掘(850)所述钻孔的第三部分，同时操作所述致动装置以保持所述第一角偏移量。例如，操作所述致动装置以保持所述铰接件相对于所述轴的第一角偏移量可包括保持所述导向件与位于第一轴向位置的所述多角度击打环之间的方位角相关接触。像所述第一钻孔部分的情况一样，所述第三钻孔部分可以是大致笔直和/或有效笔直的，虽然第一和第三钻孔部分的有效轴线可能不沿相同的方向延伸。

所述方法(800)可包括：在钻掘(810)所述第一钻孔部分、钻掘(830)所述第二钻孔部分、钻掘(850)所述第三钻孔部分以及所述方法(800)的其它部分的同时，在所述钻孔内输送包括所述井下工具的BHA。在图1-7中所示的示例性实现形式的情况中，所述BHA可耦合至所述的一串管状件，并可包括所述轴、所述多角度击打环、所述铰接件、所述导向件、以及所述井下工具的致动装置，还可包括用于与所述的一串管状件耦合的接口。钻掘所述第一钻孔部分(810)、钻掘所述第二钻孔部分(830)和/或钻掘所述第三钻孔部分(850)和所述方法(800)的其它部分可包括转动所述BHA，例如通过转动所述的一串管状件来转动所述BHA。

上文所述和/或附图中所示的一个或多个方面可在具有整体转动、慢速转动或不转动外壳的可导向工具平台的情况中呈现。但是，本领域普通技术人员应理解，这些方面可适用于或适合于此类可导向工具平台之中的每一种。例如，此类平台可包括在于2013年1月29日提交的标题为“HIGH DOGLEG STEERABLE TOOL(大转角导向钻井工具)”、发明人为Junichi Sugiura和Geoffrey Downton的美国专利申请13/753,483中所述的平台，该专利申请的完整公开内容通过引用结合在此。

上述的实现形式也可在周向连续的击打环的情况中呈现。但是，其它实现形式也属于本公开的范围。例如，所述击打环可以是周向不连续的，具有多个周向间隔的部分。在包括多个彼此紧密间隔或相邻的部分的实现形式中，获得的击打环可以是沿周向大致连续的，即使该击打环不是完全连续的。这些实现形式和相似的实现形式也属于本公开的范围。

根据上述的所有内容，本领域普通技术人员能够立即认识到：本公开提出一种设备，所述设备包括：轴；可沿所述轴重新轴向定位的多角度击打环；耦合至所述轴的铰接件；由所述铰接件承载的导向件；以及致动装置，可操作所述致动装置，以通过保持所述多角度击打环与所述导向件之间的方位角相关接触来保持所述铰接件相对于所述轴的角偏移量。

这种设备还可包括井底钻具组合(BHA)，所述BHA包括所述轴、所述多角度击打环、所述铰接件、所述导向件、所述致动装置、以及用于与一串管状件耦合的接口，所述的一串管状件彼此协作，以在延伸至地下岩层中的钻孔内输送所述BHA。所述铰接件可包括可通过所述轴的转动而转动的钻头。所述多角度击打环可响应所述的一串管状件内的流体压力变化沿所述轴重新轴向定位。所述多角度击打环可在所述轴上的第一位置与所述轴上的第二位置之间重新轴向定位，所述致动装置和所述多角度击打环可彼此协作，从而当所述多角度击打环处于所述第一位置时，保持所述铰接件相对于所述轴的第一角偏移量；当所述多角度击打环处于第二位置时，保持所述铰接件相对于所述轴的第二角偏移量，其中，所述第二角偏移量显著不同于所述第一角偏移量。所述第一角偏移量可大约为一度，所述第二角偏移量可大约为半度。所述多角度击打环可在所述第一和第二位置之间大致连续地重新轴向定位。

所述设备布置在沿一条有效笔直的轨迹拓展的钻孔中，并且，保持所述多角度击打环与所述导向件之间的方位角相关接触可包括保持相对于所述钻孔发生方位角变化的接触。保持的接触相对于所述钻孔的方位角变化可与所述钻孔内的轴的转动量成比例。

所述设备可布置在沿一条曲线轨迹拓展的钻孔中，并且，保持所述多角度击打环与所述导向件之间的方位角相关接触可包括把接触保持在相对于所述钻孔大致恒定的方位角位置。

本公开还提出一种方法，所述方法包括：操作一致动装置，以通过保持下列部件之间的方位角相关接触来保持一铰接件相对于耦合至所述铰接件的轴的第一角偏移量：相对于所述轴处于第一轴向位置的多角度击打环；以及由所述铰接件承载的导向件；把所述多角度击打环沿所述轴从所述第一轴向位置轴向平移至第二轴向位置；以及操作所述致动装置，以通过保持所述导向件与处于所述第二轴向位置的多角度击打环之间的方位角相关接触，来保持所述铰接件相对于所述轴的第二角偏移量，其中，所述第二角偏移量显著不同于所述第一角偏移量。

这种方法还可包括：在延伸至地下岩层中的钻孔内输送耦合至一串管状件的井底钻具组合(BHA)，其中，所述BHA包括所述轴、所述多角度击打环、所述铰接件、所述导向件、所述致动装置、以及与所述的一串管状件耦合的接口。所述方法还可包括：通过转动所述的一串管状件来转动所述BHA。转动所述BHA可包括转动所述铰接件的钻头。所述方法还可包括：通过把所述多角度击打环与所述导向件之间的方位角相关接触保持为相对于所述钻孔发生方位角变化的接触，来沿一条有效笔直的轨迹拓展所述钻孔。保持的接触相对于所述钻孔的方位角变化可与所述钻孔内的轴的转动量成比例。所述方法还可包括：通过把所述多角度击打环与所述导向件之间的方位角相关接触保持为相对于所述钻孔保持大致恒定的方位角的接触，来沿一条曲线轨迹拓展所述钻孔。

沿所述轴轴向平移所述多角度击打环可包括改变所述的一串管状件内的流体压力。

所述第一角偏移量可大约为一度，所述第二角偏移量可大约为半度。

所述多角度击打环可在所述第一和第二轴向位置之间大致连续地重新轴向定位。

本公开还提出一种方法，所述方法包括：使用一井下工具通过转动耦合至所述井下工具的一串管状件来钻掘钻孔的第一部分，同时操作所述井下工具的致动装置以保持所述井下工具和由所述井下工具承载的钻头的轴线之间的第一角偏移量；通过改变从所述的一串管状件流过所述井下工具的钻井液的压力或流速把所述第一角偏移量调节为第二角偏移量；以及使用所述井下工具通过转动所述的一串管状件来钻掘所述钻孔的第二部分，同时操作所述致动装置以保持所述第二角偏移量。

操作所述致动装置以保持所述第一角偏移量可包括操作所述致动装置以保持下列部件之间的方位角相关接触：相对于所述井下工具的轴处于第一轴向位置的多角度击打环，其中，所述多角度击打环可在所述第一轴向位置和第二轴向位置之间重新定位；和由可枢转地耦合至所述轴的铰接件承载的导向件。所述第一钻孔部分可以是大致有效笔直的，并且，操作所述致动装置以保持所述导向件与处于所述第一轴向位置的多角度击打环之间的方位角相关接触可包括保持相对于所述钻孔发生方位角变化的接触，所述方位角变化与所述钻孔内的轴的转动量成比例。

把所述第一角偏移量调节为第二角偏移量可包括沿所述轴把所述多角度击打环从所述第一轴向位置轴向平移至所述第二轴向位置。操作所述致动装置以保持所述第二角偏移量可包括操作所述致动装置以保持所述导向件与处于所述第二轴向位置的多角度击打环之间的方位角相关接触。所述第二钻孔部分可遵循一条大致为曲线的轨迹，并且，操作所述致动装置以保持所述导向件与处于所述第二轴向位置的多角度击打环之间的方位角相关接触可包括把接触保持在相对于所述钻孔大致恒定的方位角位置。

所述钻孔可延伸至地下岩层中。

所述第一钻孔部分可遵循一条曲线轨迹，所述第二部分可遵循一条有效笔直的轨迹。所述有效笔直的轨迹可包括沿一条大致的直线的大致为螺旋形的轨迹。

所述第一角偏移量可显著大于所述第二角偏移量。

所述第一角偏移量可大约为半度，所述第二角偏移量可大约为一度。

所述井下工具可构成一旋转导向系统的至少一部分。

把所述第一角偏移量调节为所述第二角偏移量可包括改变所述的一串管状件内的流体压力。

上文列出了多种实施方式的特性，以便本领域普通技术人员更好地理解本公开的特征。本领域普通技术人员应理解，本公开很容易作为设计或修改其它过程和结构的基础，以达到相同的目的和/或获得在本文中介绍的实施方式的相同优点。本领域普通技术人员还应理解，这种等效构造未脱离本公开的精神和范围，并且在不脱离本公开的精神和范围的前提下，能够做出各种变化、替代和更改。

本公开所附的摘要是为了符合37C.F.R.§1.72(b)的规定而提供的，以便读者迅速确定本技术公开的性质。应理解，提供摘要的目的不是用于解释或限制权利要求的范围或含义。

Claims (15)

1.一种设备，包括：

轴(110)；

可沿所述轴重新轴向定位的多角度击打环(120)，所述多角度击打环包括径向内表面和径向外表面；

耦合至所述轴的铰接件(130)；

由所述铰接件承载的导向件(140)，所述导向件与多角度击打环(120)的径向外表面的至少一部分周向地重叠；和

致动装置(160)，所述致动装置在导向件的内周上施加作用，倾斜导向件使其与多角度击打环接触，能够操作所述致动装置(160)，以通过保持所述多角度击打环与所述导向件之间的方位角相关接触来保持所述铰接件相对于所述轴的第一角偏移量(201)和第二角偏移量(202)。

2.如权利要求1所述的设备，还包括井底钻具组合，所述井底钻具组合包括所述轴、所述多角度击打环、所述铰接件、所述导向件、所述致动装置、以及用于与一串管状件(25)耦合的接口(180)，所述的一串管状件(25)可彼此协作，以在延伸至地下岩层(35)中的钻孔(20)内输送所述井底钻具组合，其中，所述铰接件包括可通过所述轴的转动而转动的钻头(30)。

3.如权利要求2所述的设备，其中，所述多角度击打环可响应所述的一串管状件内的流体压力变化沿所述轴重新轴向定位。

4.如权利要求1所述的设备，其中，所述多角度击打环可在所述轴上的第一位置与所述轴上的第二位置之间重新轴向定位，其中，当所述多角度击打环处于所述第一位置时，所述致动装置和所述多角度击打环可彼此协作，以保持所述铰接件相对于所述轴的第一角偏移量(201)，其中，当所述多角度击打环处于第二位置时，所述致动装置和所述多角度击打环可彼此协作，以保持所述铰接件相对于所述轴的第二角偏移量(202)，其中，所述第二角偏移量显著不同于所述第一角偏移量。

5.如权利要求4所述的设备，其中，所述多角度击打环可在所述第一位置和第二位置之间大致连续地重新轴向定位。

6.如权利要求1所述的设备，其中，所述设备布置在沿一条有效笔直的轨迹(24)拓展的钻孔(20)中，其中，保持所述多角度击打环与所述导向件之间的方位角相关接触包括保持相对于所述钻孔发生方位角变化的接触。

7.如权利要求1所述的设备，其中，所述设备布置在沿一条弯曲轨迹(22)拓展的钻孔(20)中，其中，保持所述多角度击打环与所述导向件之间的方位角相关接触包括：将接触保持在相对于所述钻孔大致恒定的方位角位置。

8.一种方法，包括：

使用一井下工具(100)通过转动耦合至所述井下工具的一串管状件(25)来钻掘钻孔(20)的第一部分(22)，同时操作所述井下工具的致动装置(160)以保持所述井下工具和由所述井下工具承载的钻头(30)的轴线之间的第一角偏移量(201)；

通过改变从所述的一串管状件流过所述井下工具的钻井液(55、70)的压力或流速把所述第一角偏移量调节为第二角偏移量(202)，以致动可沿井下工具(100)的轴(110)重新轴向定位的多角度击打环(120)；和

使用所述井下工具通过转动所述的一串管状件来钻掘所述钻孔的第二部分(24)，同时操作所述致动装置以保持所述第二角偏移量，

其中，多角度击打环(120)的径向外表面的至少一部分与导向件(140)周向地重叠，其中所述致动装置在所述导向件的内周上施加作用，倾斜所述导向件使其与多角度击打环接触。

9.如权利要求8所述的方法，其中，操作所述致动装置以保持所述第一角偏移量包括操作所述致动装置以保持下列部件之间的方位角相关接触：

相对于所述井下工具的轴(110)处于第一轴向位置的所述多角度击打环(120)，其中，所述多角度击打环可在所述第一轴向位置和第二轴向位置之间重新定位；和

由可枢转地耦合至所述轴的铰接件(130)承载的所述导向件(140)。

10.如权利要求9所述的方法，其中，操作所述致动装置以保持所述第一角偏移量包括操作所述致动装置以保持所述导向件与处于所述第一轴向位置的多角度击打环之间的方位角相关接触。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述第一部分遵循一条大致为曲线的轨迹，其中，操作所述致动装置以保持所述导向件与处于所述第一轴向位置的多角度击打环之间的方位角相关接触包括：将接触保持在相对于所述钻孔大致恒定的方位角位置。

12.如权利要求9所述的方法，其中，所述第二部分大致是有效笔直的，其中，操作所述致动装置以保持所述导向件与处于所述第二轴向位置的多角度击打环之间的方位角相关接触包括保持相对于所述钻孔发生方位角变化的接触，所述方位角变化与所述钻孔内的轴的转动量成比例。

13.如权利要求9所述的方法，其中，把所述第一角偏移量调节为第二角偏移量包括：沿所述轴把所述多角度击打环从所述第一轴向位置轴向平移至所述第二轴向位置。

14.如权利要求8所述的方法，其中，所述第一部分遵循一条曲线轨迹，所述第二部分遵循一条有效笔直的轨迹，其中，所述有效笔直的轨迹包括围绕一条大致笔直的轴线的大致为螺旋形的轨迹。

15.如权利要求8所述的方法，还包括：在所述钻孔内输送耦合至所述的一串管状件的井底钻具组合，其中：

所述井底钻具组合包括所述井下工具、所述钻头、以及用于与所述的一串管状件耦合的接口(180)；和

转动所述的一串管状件会使所述井底钻具组合转动，从而使所述井下工具和所述钻头转动。