CN106164406A - 具有减小的钻柱摩擦的井下工具的工具面控制 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于钻探的系统和方法，所述系统包括具有至少一个钻杆的钻柱、井底总成和钻头。所述井底总成包括用于旋转所述钻头的井下泥浆马达，以及耦接在所述泥浆马达与所述钻杆之间的导向马达。所述井下泥浆马达包括弯曲外壳。所述钻杆连续旋转以最小化摩擦，不管所述钻头是否通过使用旋转钻探或者利用所述井下泥浆马达的钻探来转动。可通过在所述钻杆速度下但是在相对的旋转方向上操作所述导向马达来控制工具面定向，从而保持所述泥浆马达和弯曲外壳相对于地层静止。可增加或减小导向马达速度以调整工具面定向。

Description

具有减小的钻柱摩擦的井下工具的工具面控制

技术领域

本公开大体涉及油田设备，并且具体地说涉及井下工具、钻探系统以及用于在地层中钻探井筒的钻探技术。还更具体地说，本公开涉及在使用井下马达钻探时减小钻柱摩擦力。

背景技术

可导向钻探系统通常使用具有钻杆、井底总成和钻头的钻柱。井底总成包括由钻井液供能以旋转钻头的井下泥浆马达和使钻头偏离中心线成角度的弯曲外壳。井底总成由钻柱携带，所述钻柱延伸到地球表面并且为井底总成提供钻井液。

通常使用常规的旋转钻探技术来钻探井筒的笔直区段。钻柱通过表面处的钻机旋转，并且井底总成和其井下泥浆马达与弯曲接头连同钻柱一起旋转。然而，为了钻探井筒的弯曲段，使用井下泥浆马达来旋转钻头，并且偏轴弯曲的外壳引导钻头远离井筒的轴线以提供略微弯曲的井筒区段，其中所述弯曲实现期望的偏移或造斜角。在钻探弯曲段时，钻柱不旋转，而仅仅沿着井筒滑动。

钻探的方向或者井筒轨道的变化由钻头的工具面角度确定。工具面角度由弯曲外壳所定向的方向确定。可通过转动钻柱来从地面调整工具面。操作员试图通过使用钻机上的旋转台或顶部驱动来将扭矩或角度校正施加到钻柱而维持合适的工具面角度。

定向钻探的特征在于相当长的钻柱可与井筒壁紧密接触并且由井筒壁支撑，从而形成大量的拖曳力。当钻柱不旋转但处于滑动钻探模式时，摩擦力剧增。此类钻柱摩擦力使得难以在钻头上施加合适的重量来实现穿透的最优速率并且促成了粘滑现象。另外，钻柱摩擦力可致使使钻柱滑动所需的轴向力如此之大以至于当钻柱脱离时井下泥浆马达可能失速。此外，当在表面处施加钻柱角度校正以试图校正工具面角度时，大量的角度变化可通过摩擦吸收，而没有改变工具面角度，并且粘滑运动可致使操作员过调目标工具面角度校正。

在一些情况下，可通过在第一角度与第二角度之间或者在反酌扭矩值之间前后旋转地摆动钻柱来减小钻柱摩擦。然而，摆动可能不充分地减小摩擦。另外，摆动可能无意地改变钻探马达的工具面角度，从而导致井筒的相当大的前后游移、增加的井筒弯曲度和卡住管的增加的风险。

在其他情况下，旋转可导向装置可用于代替井下泥浆马达和弯曲外壳。旋转可导向装置在期望方向上对钻头施加调节的偏轴偏置力，以便在整个钻柱旋转时对定向井进行导向。因此，在最小化钻柱摩擦时，可维持期望的工具面和弯曲角度。当导向不是期望的时，旋转可导向装置被设置成关闭偏轴偏置。因为不存在涉及旋转可导向系统的钻柱滑移运动，所以大大减少了与滑动(诸如粘滑)有关的传统问题和拖曳问题。然而，旋转可导向装置可能是复杂且昂贵的。

附图简述

以下参照附图对各实施方案进行详细描述，在附图中：

图1是示出根据本公开的多个方面的示例性钻探系统的图；

图2是示出根据本公开的多个方面的图1的井底总成的图；

图3是示出根据本公开的多个方面的另一示例性钻探系统的图；

图4是示出根据本公开的多个方面的示例性电动导向马达的图；

图5是示出根据本公开的多个方面的示例性偏流器的图；

图6是示出根据本公开的多个方面的示例性偏流器的另一个图；

图7是示出根据本公开的多个方面的示例性电动导向马达的元件的图；

图8是示出沿图7的线8-8获取的放大的截面视图的另一个图，示出了电动导向马达的示例性定子和转子布置；

图9是根据本公开的多个方面的用于控制电动导向马达的马达控制器的框图；

图10是示出马达控制器的示例性逆变器电路的示意图；以及

图11是示出根据一个实施方案的通过维持受控工具面同时继续旋转钻杆的钻探井筒的示例性方法的流程图。

详细描述

本公开内容可以重复各种实例中的参考数字和/或字母。这种重复是为了简单和清楚起见，并且本身不指示所讨论的各种实施方案和/或配置之间的关系。如本文所用，动词“耦接”和“连接”以及它们的同义词可包括直接连接和间接连接两者。

空间相对术语如“在...之下”、“在...下方”、“下部”、“在...上方”、“上部”、“井上”、“井下”、“上游”、“下游”等在本文可能为了便于描述而使用以描述如图中所示的一个元件或特征结构与另一个元件或特征结构的关系。所述空间相对术语意图包含与图中所描绘的定向不同的在使用中或操作中的设备的定向。举例来说，如果图中的设备翻转，那么描述为在其他元件或特征“以下”或“下方”的元件接着被定向为在其他元件或特征“上方”。因此，例示性术语“下面”可以包含上方和下面的定向两者。可以其他方式来定向设备(旋转90度或在其他定向)，且可以同样地相应解释本文所使用的空间相对描述符。

图1是根据一个实施方案的包括井底总成90的钻探系统20的部分截面的正视图。钻探系统20可包括陆地钻机22。然而，本公开的教义可令人满意地与近海平台、半潜式、钻探船和可满意地形成延伸穿过一个或多个井下地层的井筒的任何其他钻探系统相关联地使用。

钻机22可位于井口24附近。钻机22可包括旋转台38、旋转驱动马达40以及与井筒60内的钻柱32的旋转相关联的其他设备。环状体66形成于钻柱32的外部与井筒60的内径之间。对于一些应用来说，钻机22还可包括顶部驱动42。还可在井口24处提供防喷器(未明确示出)和与钻探井筒相关联的其他设备。

钻柱32的下端包括井底总成90，其在远端处携带有旋转钻头80。钻井液46可由一个或多个泵48从贮水槽30泵送通过导管34并且泵送到钻柱32的延伸在井口24外的上端。钻井液46随后流动通过钻柱32的纵向内部33，通过井底总成90，并从形成在旋转钻头80中的喷嘴退出。在井筒60的底端62处，钻井液46可与地层岩屑和其他井下流体和碎屑混合。钻井液混合物随后向上流动通过环状体66，以使地层岩屑和其他井下碎屑返回到表面。导管36可使流体返回到贮水槽30，但是各种类型的滤网、过滤器和/或离心机(未明确示出)可提供来在使钻井液返回至贮水槽30之前去除地层岩屑和其他井下碎片。各种类型的管道、管子和/或软管可用来形成导管34和36。

根据一个实施方案，井底总成90包括井下泥浆马达82，其包括弯曲的壳体83。井下泥浆马达82被耦接到导向马达84并且由其驱动。在一个实施方案中，导向马达84是电动马达。井底总成90还可包括各种其他工具91，诸如提供测井或测量数据和来自井筒60底部的其他信息的那些工具。测量数据和其他信息可使用随钻测量技术从井筒60的末端62传达，并且在井表面处转换成电信号，以除了其他方面外来监测钻柱32、井底总成90和相关联的旋转钻头80的性能。

图2是井底总成90的正视图，所述井底总成90包括井下泥浆马达82，其可依次包括上部电源区段86和下部轴承区段88。电源区段86可以是Moineau型的容积式马达，其使用在弹性定子内环绕和旋转的分叶螺旋转子，所述弹性定子具有多于转子的一个分叶。转子通过跨电源区段的流体压差来驱动旋转。此类泥浆马达能够产生通常为可导向应用所需的高扭矩和低速度。可替代地，电源区段86可包括在高速度和低扭矩下运行的叶片式钻井液动力涡轮，也称为涡轮钻具。下部轴承区段88包括推力轴承和径向轴承(未示出)。下部轴承区段88可包括具有将电源区段86的转子连接到钻头80以用于钻头旋转的上部等速万向节和下部等速万向节的转子(未示出)。等速轴允许泥浆马达82的外壳的偏轴弯曲，以及允许Moineau型转子的章动。

井底总成90包括导向马达84。导向马达84可以是流体动力马达，如上文所述，诸如容积式Moineau或涡轮钻具马达，或者电动马达。导向马达84耦接到井下泥浆马达82并且驱动所述井下泥浆马达82。继而，导向马达84耦接到钻柱32的钻杆31并且由所述钻杆31驱动。在一个实施方案中，导向马达84的定子连接到钻杆31，并且导向马达84的转子连接到井下泥浆马达82。在另一个实施方案中，导向马达84的转子连接到钻杆31，并且导向马达84的定子连接到井下泥浆马达82。

尽管在使用钻杆方面讨论了本文呈现的实施方案，但是本领域的技术人员认识到其他的运送方法(诸如连续管)在本文中也可被替代并且涵盖在术语钻杆的意义内。

在操作中，钻杆31在如由箭头70所指示的第一方向上旋转，这继而在第一方向上旋转定子或导向马达84。当钻探笔直的井筒区段时，不对导向马达84提供动力，并且所述导向马达84的转子不相对于其定子旋转。类似地，使井下泥浆马达82断电。因此，当钻柱32在第一方向70上旋转时，钻头80以常规旋转钻探方式在第一方向70上旋转。然而，当钻探弯曲的井筒区段时，当钻杆31在第一方向70上旋转时，导向马达84以与钻杆31的速度相等的旋转速度在与第一方向相对的方向(如由箭头72指示)上旋转。因此，井下泥浆马达82和钻头80的工具面相对于地层保持静止，即使在钻杆31旋转时也是如此。由于钻杆连续旋转，钻柱摩擦大大减小。此外，大大改善了孔清洁特征，因为连续的钻杆旋转有助于更好地移除岩屑。

在一个实施方案中，可定期调整导向马达84的旋转速度或钻杆31的速度，以提供相对于其他速度的更高或更低速度的微小失配。以这种方式，可根据需要缓慢地旋转、定向和重新调整钻柱80的工具面。一旦校正工具面角度，再次匹配导向马达84和钻杆31的速度，并且工具面角度保持稳定。

下文更详细地讨论的各种传感器和马达控制系统可用于调节导向马达84的速度。例如，可测量和平衡钻杆31的速度和/或扭矩。用于维持工具面的传统定向仪器系统可容易地适用于控制导向马达84。

图3是根据一个实施方案的包括井底总成90′的钻探系统20′的部分截面的正视图，其中Reelwell钻井方法的管套管钻柱32′用于替代图1的常规钻柱32。钻柱32′包括同轴地设置在外管120内的内管110。内管110和外管120可以是偏心的或同心的。环流路径53限定在内管110与外管120之间，并且内部流动路径54限定在内管110的内部中。此外，环状体66限定在钻柱32′的外部与井筒60的内壁之间。位于钻柱32′的远端附近的偏流器210将环状体66与内部流动路径54流体连接。

正如图1的钻探系统20，图3的钻探系统20′可包括位于陆地、海上平台、半潜式平台、钻探船等上的钻机22。钻机22可位于井口24附近并且可包括旋转台38、旋转驱动马达40和与井筒60内的钻柱32′的旋转相关联的其他设备。对于一些应用来说，钻机22可包括顶部驱动马达或顶部驱动单元42。在井口24处也可提供防喷器(未明确地示出)和与钻探井筒相关联的其他设备。

钻柱32′的下端包括井底总成90′，所述井底总成90′在远端处携带有旋转钻头80。钻井液46可由一个或多个泵48从贮水槽30通过导管34泵送到钻柱32′的延伸在井口24外的上端。钻井液46随后流动通过内管110与外管120之间的环流路径53，通过井底总成90′，并且从形成在旋转钻头80中的喷嘴退出。在井筒60的底端62处，钻井液46可与地层岩屑以及其他井下流体和碎屑混合。钻井液混合物随后向上流动通过环状体66，通过偏流器210，并且向上通过由内管110提供的内部流动路径54，以将地层岩屑和其他井下碎屑返回到表面。导管36可使流体返回到贮水槽30，但是各种类型的滤网、过滤器和/或离心机(未明确示出)可提供来在使钻井液返回至坑30之前去除地层岩屑和其他井下碎片。各种类型的管道、管子和/或软管可用来形成导管34和36。

图4是根据一个实施方案的电动导向马达84′的轴向截面图。电动导向马达84′具有可变速度和扭矩能力。还可提供任选的行星齿轮(未示出)，以有助于期望的速度和扭矩输出。

电动导向马达84′可连接成管套管钻柱32′的部分，所述管套管钻柱32′包括内管110、外管120和偏流器210。如下文更详细描述的，电动导向马达84′可包括马达外壳160、具有定子绕组140的定子组件150、具有转子磁体180的转子170、携带马达控制器370的电子插件340以及限流器230。

在某些实施方案中，提供为直流电或单相交流电的电力可通过内管110和外管120沿着钻柱32′的长度从表面传输。内管110是“热”电源导体并且外管120接地，因为外管120很可能与接地的钻机导电接触。内管110的外表面和/或外管120的内表面可涂覆有电绝缘材料(未明确示出)，以防止内管110通过钻井液或其他接触点到外管120的短路。介电绝缘材料的实例包括聚酰亚胺、聚四氟乙烯或其他含氟聚合物、尼龙和陶瓷涂层。内管110的裸金属仅仅暴露于密封的区域并且被保护免受钻井液。可仅仅暴露出内管110的裸金属以沿着钻柱32′的长度产生到内管的下一个接头的电连接。此类区域可填充有空气或非导电流体(诸如介电油)，或导电流体(诸如水基钻井液)，只要从内管110到外管120没有电流短路的路径。

图5是钻柱32′的下部和电动导向马达84′的上部的详细轴向截面图，示出了图4的偏流器210。图6是沿着图5的线6-6获取的横向截面图，示出了偏流器210的顶部。参考图4-6，偏流器210设置在电动导向马达84′的顶部附近。偏流器210将外管120与内管110电绝缘。偏流器210可由陶瓷或具有介电绝缘涂层的金属合金制成。陶瓷对流砂、岩屑、废屑以及从环状体66流动到内流路径54的其他固体提供高耐腐蚀性，所述内流路径54由到表面的流动返回路径上的内管110所提供。由如CARBO公司制造的陶瓷的特征在于可适用于形成偏流器210的有用的模制技术。

密封件320可位于偏流器210的顶部和底部上，以阻止内管110与外管120之间的环流泄漏到内管110的中心中。偏流器210可键合到内管110和外管120，以便维持适当的旋转对准。

在操作期间，钻井液46(图3)沿着内管110与外管120之间的环流路径53流动，并且流动穿过偏流器210内的肾形通道211。同时，来自形成在井筒60与外管120之间的环状体66的钻井液和土岩屑通过交叉端口212进入内管110。内管110在偏流器210处或其正下方被盖住或堵住，以使得来自环状体66的流体仅能够在内管110内向上流动。

在偏流器210的下方，向下流动的钻井液可通过端口117转向到的内管110的下部中心通道115中。此时，向下流动的钻井液46离开内管110并且进入形成在导向马达84′内的纵向中心导管118中。

在一个实施方案中，除了位于密封潮湿连接区域330内的触点116之外，内管110具有沿着其内部长度的电绝缘涂层。触点116是非绝缘内管110的短区段，所述触点116与电子插件340配合，以通过马达控制器370对电动导向马达84′提供电流。电子插件340也可与除了与触点116配合的区域之外的涂层电绝缘。导电线缠绕弹簧350可用于激励内管110与电子插件340之间的电连接。尽管未明确示出，电子插件340可具有定向销钉、棘爪等，以维持适当的旋转对准。

由电子插件340携带的马达控制器370可定位在定子绕组140的上方，以控制速度、扭矩以及如电动导向马达84′的其他各个方面。电子组件370可能够通过与电力叠加的信号来与表面进行双向通信，所述电力通过由内管110和外管120形成的双导体路径来运送。另外，电子组件370可在表面与模块之间传递通信和数据，所述模块定位在马达的下方以支持随钻测井和/或随钻测量、导向和类似系统。馈通导体375可支撑此类通信。

马达控制器370可容纳在压力控制的腔体内以保护电子器件。马达控制器370可涂覆有陶瓷涂层以允许腔体被油填充，并且与其周围环境压力平衡，由此允许较薄的外壳壁，从而为电子器件留有更多的空间并且提供电子器件的更好的冷却。

通过密封的盖罩接口385处的压盖填塞的导体375引出至定子绕组140和下文任选的传感器。电子插件340可包括一个或多个接地线360，所述接地线360通过密封的盖罩接口380处的压盖来填塞。接地线360为外管120提供电回路。接地线360可通过O型环381和382或者通过其他方法与钻井液密封，以防止腐蚀性环境造成的损坏。

图7是电动导向马达84′的中部和下部的轴向截面图。参考图4和图7，钻井液46(图3)通过中心通道118向下流过电子插件340的中心。此时，向下流动的钻井液分成两个流动路径。第一流动路径继续沿转子170内的中心通道118向下，并且最终下降到井下泥浆马达82和钻柱32′的底部处的钻头80，在此处所述第一流动路径退出钻柱80并且开始其通过井筒环状体66(图3)向上返回到偏流器交叉端口212的路。第二流动路径被限定为通过位于转子170的顶部处或附近的限流器230、通过转子170的外圆周与定子组件150的内圆周之间的间隙、以及通过轴承组件390，最终退出马达外壳160的底部处的电动导向马达84′。

限流器230被设计成经过少量的钻井液以冷却定子绕组140，并且润滑电动导向马达84′的下部径向轴承和推力轴承组件390。例如，限流器230可具有穿过其形成以允许钻井液流动的小间隙流动路径。限流器230可由诸如碳化钨或钴基合金(如同钴铬钨钼合金)的耐腐蚀性材料制成。在一个实施方案中，限流器230也可兼作上部径向轴承240。在其他实施方案中，可提供单独的上部径向轴承。径向轴承240可包括船用橡胶、多晶金刚石复合片、熔融碳化钨或其他合适的涂层或轴承材料。

尽管示出为位于转子170的顶部，但是限流器230可定位在沿着任一流动路径的任何地方，只要适当比例的钻井液在两个流动路径之间流动来提供充分的定子冷却和轴承润滑，同时维持充足的钻井液流动到井下泥浆马达82和钻头80(图3)。

可提供任选的中间径向轴承380，所述中间径向轴承可通过如上文所述的钻井液流动来润滑。弹性体船用轴承、辊、滚珠、轴颈或其他类型的轴承可用于中间径向轴承380。可提供下部轴承组件390以用于对转子170的径向和轴向支撑。

转子170延伸超过马达外壳160的底部并且终止于连接器300，以驱动井下马达82(图3)。尽管连接器300被示出为销连接器，但是可适当地使用盒式连接器、花键或其他合适的耦接件。

图8是沿着图7的线8-8获取的横向截面图。现在参考图4、图7和图8，可以扇形楔的方式将定子绕组140缠绕在定子组件150内。定子组件150可包括由单个圆管机加工而成的定子头290，但是为了易于制造，可提供许多离散的楔形定子头290，其中定子绕组140围绕单个定子头290卷绕。随后将可焊接在一起的单个定子头290组装在马达外壳160内。定子组件150固定在马达外壳160内以防止相对旋转。例如，定子头290可在外径上带沟槽，并且可与马达外壳160键合以防止它们之间的旋转。

定子头290由具有高渗透性的软铁制成。可使用磁线形成定子绕组140，所述磁线可由银、铜、铝或涂覆有清漆、聚醚醚酮(PEEK)或其他介电材料的任何导电元件制成。定子绕组140可形成围绕定子头290的许多卷绕。任选地，可在定子绕组140的顶部的上方设置灌封材料(诸如陶瓷、橡胶或高温环氧树脂)并且/或者将所述灌封材料嵌入定子绕组140中。这种灌封材料可用来保护定子绕组140免受由于与钻井液的接触而导致的腐蚀与侵蚀。此外，灌封在由磁线提供的基础涂层上方提供另外的短路保护。

导向马达84′可包括以最大化反扭矩的这种方式安装到转子170上的固定转子永磁体180。转子永磁体180的优点是在没有滑动或者需要滑环或换向的情况下的高扭矩传递和转子速度的精确控制。然而，转子170可适当地使用载流绕组来代替永磁体180。例如，可使用通过滑环或换向器接收电流的短路感应鼠笼式转子或转子绕组。

电动导向马达84′被示出为具有六个极，其中四个转子永磁体180安装在转子170上。然而，可适当地使用马达类型、极的数目、换向方法、控制手段以及绕组和/或磁体布置的变型。例如，可按比例调整绕组和磁体的数目，诸如十二个定子极和八个转子磁体或者三个定子极和两个转子磁体。适当的组合取决于若干因素，包括可靠性、平滑度和峰值扭矩要求。

转子磁体180的特征在于高磁场强度。转子磁体180的合适类型可包括钐钴磁体。在某些实施方案中，转子磁体180可被制造成楔形，以匹配形成在转子170内的凹坑，尽管可适当地使用其他形状。转子磁体180也可通过将细小磁性颗粒的疏松粉末灌注到模具中而制成，所述细小磁性颗粒的疏松粉末随后在模具中进行压制和烧结。在这个制造过程期间可应用磁场来将单个颗粒的磁域对准到最佳定向。转子磁体180的极性可与北极和面朝外的南极交替。一旦设定转子磁体180，如果没有被烧结在适当的位置，可通过各种手段(诸如保持器带、套筒、螺钉、狭槽或其他紧固件)将它们紧固到转子170。

图9是根据一个实施方案的马达控制器370的框图。马达控制器370理想地包括具有存储器372的处理器371，以用于监测和控制电动导向马达84′。处理器371可控制若干功能，包括但不限于：马达起动、轴速度、输出扭矩以及绕组温度和/或钻井液流动监测。另外，处理器371可通过通信接口373控制马达数据的传输以及钻杆扭矩和速度数据的接收。通信接口373可通过使用滑环或电感耦接件而通过内管110和外管120进行通信。通信接口373还可延迟例如在位于BHA 90′内的电动导向马达84′下方的表面与装置之间的控制信号和测量数据。

处理器371可执行存储在存储器372中的命令。存储器372可并置排列在具有处理器371的整体半导体上并且/或者作为一个或多个单独的存储装置存在，所述存储装置包括随机存取存储器、闪存、磁或光存储器或者其他形式。存储器372还可用于记录关于电动导向马达84′的性能信息，诸如绕组温度、钻井液温度、轴速度、功率输出、扭矩输出、电压、绕组电流以及限流器230(图6)的任一侧上的压力。

在某些实施方案中，可提供转子速度传感器193以监测轴位置和/或速度。例如，可提供霍尔效应装置以通过感应转子磁体180来监测轴位置和RPM。转子速度传感器193的信号输出可被路由到马达控制器370，其中处理器371能够自动地评估和调整转子速度。此外，当转子170旋转时通过监测所述转子170的位置，可最优化扭矩传递并检测磁极滑移。

在一个实施方案中，可在电动导向马达84′或井底总成90′内的其他地方提供钻柱速度传感器194(诸如惯性传感器等)，以确定钻柱32′的旋转速度。以这种方式，电动导向马达84′的速度可由马达控制器370控制，以使得转子170的速度与钻柱32′的速度大小相等并且方向相对。电动导向马达84′的速度可被这样控制以便例如维持恒定的工具面定向。可替代地，也可以是惯性传感器的工具面定向传感器(未示出)可直接检测工具面定向并且将反馈提供给马达控制器370以用于控制转子170的速度。在又一个实施方案中，通过其他手段提供钻柱32′的速度和或扭矩，并且通过通信接口373通信至马达控制器370，所述马达控制器370继而控制电动导向马达84′的扭矩和/或速度输出。

在一个实施方案中，可定期调整导向马达84的旋转速度或钻柱32′的速度，以提供相对于其他速度的更高或更低速度的微小失配。以这种方式，可根据需要缓慢地旋转、定向和重新调整钻柱80的工具面。一旦校正工具面角度，再次匹配导向马达84和钻柱32′的速度，并且工具面角度保持稳定。

在某些实施方案中，还可提供邻近于绕组140或者嵌入绕组140的温度传感器195。可使用用于每个绕组140的至少一个温度传感器195以监测马达温度。此外，在某些实施方案中，可在限流器230(图7)的上方和下方提供压力传感器196以监测钻井液流动。

根据一个实施方案，处理器371通过逆变器电路190控制电动导向马达84′。图10是一种可行的逆变器电路190的上层示意图。参考图9和图10，逆变器电路190可将由内管110和外管120(图3和图4)提供的DC电源转变成三相电源。如果单相AC电源由管110、120而不是由DC电源提供，那么逆变器电路190可大体上与图10中示出的电路相同，除了它可包括整流器来首先将交流电转变成直流电。

逆变器电路190使用固态电子器件以用于使到绕组对140的电流的极性切换和交替。合适的固态电子器件可包括基于半导体的开关230，诸如可控硅整流器(SCR)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、半导体闸流管等。绕组对可在如图8中示出的马达中彼此物理地对置，其中每对绕组的相位关系是与任何相邻绕组对120°异相。每个绕组对可适当地并联或串联连接，并且可以Δ形或Y形配置来连接三个相位。

为了最大化马达功率，可由处理器371和逆变器电路190生成近似正弦的电源波形。然而，可适当地使用诸如方形或锯齿形的其他波形形状。处理器371与逆变器电路190配合以提供期望的旋转方向，维持每个绕组对的相位分离，设置频率(包括当改变马达速度时使频率以可接受的速度逐渐上升和逐渐下降)，并且控制到绕组的功率水平以优化给定速度下的扭矩传递。可通过改变施加到绕组对的电流、电压或两者和/或改变每个波周期的工作周期来实现这些功能中的每个功能。

微处理器371可维持用于电源的所有三个相位的脉冲宽度和相位角，并且将定时信号发送到逆变器电路190以生成施加到绕组140的功率信号。在一个实施方案中，驱动电路197被作为逆变器电路190的一部分提供到接口处理器371，提供到大功率开关装置203。驱动电路197可以是小功率放大器开关，所述小功率放大器开关用于提供足够的电力，以基于来自处理器371的逻辑输出打开和关闭半导体开关203。

图11是示出根据一个实施方案的钻探方法的流程图。流程图中的每个步骤被示出为水平框，所述水平框指明钻柱32、32′的各个部分的状态或情况。具体地说，每个步骤限定了以下各项相对于地质地层的旋转：钻杆31、110、120；工具面，其由井下泥浆马达82的弯曲外壳83的定向所限定；以及钻头80。每个部件的旋转由矩形来描述，并且非旋转由椭圆形来描述。每个步骤还限定了导向马达84、84′和/或井下泥浆马达82是否在运行，即每个马达的转子是否在相对于马达的外壳旋转，这与马达的外壳是否可相对于地质地层旋转无关。“打开”或运行状态由矩形来描述，并且“关闭”状态由椭圆形来描述，在所述关闭状态中转子不相对于外壳旋转。

步骤401示出在主动钻探之前钻柱32、32′的初始状态，其中钻杆31、110、120不旋转并且导向马达84、84′和井下泥浆马达82两者都处于关闭状态。因此，马达外壳不旋转，工具面定向也不旋转，并且钻头80不旋转。

在步骤405处，以常规的旋转方式钻出井筒的笔直区段。导向马达84、84′保持在关闭状态。钻杆31、110、120以给定的速度N顺时针旋转，并且井下泥浆马达82以给定的速度P顺时针旋转。因此，导向马达84、84′和井下泥浆马达82两者的马达外壳，以及工具面定向全部都通过钻杆31、110、120以速度N顺时针旋转。钻头80以N+P的组合速度顺时针旋转。由于旋转工具面定向，井筒保持笔直并且以稍微放大的直径来进行钻探。

当期望钻探倾斜的过渡支路时，在步骤409处，首先将工具面转到预定的定向。对导向马达供能并且使其转子速度逆时针逐渐上升到速度M，在一个实施方案中所述速度M可稍慢于钻杆31、110、120的速度N，但是在相对的方向上旋转。导向马达84、84′的外壳相对于地层以速度N顺时针旋转，但是由导向马达84、84′的转子驱动的井下泥浆马达82的外壳相对于地层以非常慢的速度N-M顺时针旋转。因此，可缓慢地旋转工具面定向，直到其达到预定的定向。在示例性实施方案中，工具面定向传感器可用于确定工具面定向已达到预定定向。

当工具面定向达到其预定定向时，在步骤413处，通过运行导向马达84、84′来维持预定定向，以使得所述导向马达84、84′的转子以速度N逆时针旋转，所述速度N与钻杆31、110、120的速度相同。在一个实施方案中，闭环控制系统可设置有作为马达控制器370的一部分的工具面定向传感器，可将所述工具面定向传感器布置成必要时不断向上或向下调整导向马达84、84′的转子速度，以维持预定工具面定向。

在建立预定工具面定向并且对井下泥浆马达82供电以使钻头80以速度P顺时针转动的情况下，在步骤417处，将钻头80放置在井筒的底部上以钻探井筒的弯曲段。当将钻头80放置在底部时，来自泥浆马达82的反扭矩当钻柱32、32′卷紧时引起工具面逆时针偏移。因此改变导向马达84、84′的速度来控制工具面的位置。当工具面逆时针移动时，导向马达84、84′比钻杆速度更慢地运行。当工具面顺时针移动时，导向马达84、84′必须匹配钻杆或者比钻杆更快地运行，以使工具面维持在目标范围内。本领域的技术人员认识到可根据需要重新布置和重新排序这些步骤，以根据期望的计划来钻探井筒。

概括地说，已描述了钻探系统、井底总成和钻探井筒的方法。钻探系统的实施方案可大体上具有包括至少一个钻杆的钻柱、井底总成和钻头，所述井底总成包括弯曲外壳、耦接到钻头以用于在第一方向上选择性地旋转钻头的第一马达、以及耦接在第一马达与至少一个钻杆之间以用于在与第一方向相对的第二方向上旋转第一马达的导向马达。井底总成的实施方案可大体上具有：钻头；耦接到钻头以用于在第一方向上选择性地旋转钻头的第一马达，所述第一马达具有弯曲外壳；以及耦接到第一马达的导向马达，其中所述导向马达可操作来通过钻杆在第一方向上旋转并且在与第一方向相对的第二方向上同时旋转第一马达，以便控制弯曲外壳的定向。最后，钻探井筒的方法的实施方案可大体上包括提供包括至少一个钻杆的钻柱、井底总成和钻头，在井底总成内提供弯曲外壳、耦接到钻头的第一马达、以及耦接在第一马达与至少一个钻杆之间的导向马达，所述弯曲外壳的位置限定了工具面定向，以及使至少一个钻杆以第一速度在第一方向上旋转同时使导向马达的转子在与第一方向相对的第二方向上同时旋转以便控制工具面定向。

任何前述实施方案可以单独地或彼此组合地包括以下元件或特征中的任一个：钻柱可操作来将钻井液流动提供到第一马达；所述第一马达是由钻井液流动供电的井下泥浆马达；导向马达是电动马达；钻柱可操作来将钻井液流动提供到导向马达；钻井液流动的至少一部分去除由导向马达产生的热量；钻柱包括内管和外管，所述内管设置在外管内并且限定了其间的环流路径；钻柱包括设置在井底总成附近的偏流器，所述偏流器将内管的内部流体耦接到外管的外部；内管形成第一电导体，所述第一电导体耦接到导向马达以用于对导向马达提供电力；外管形成第二电导体，所述第二电导体耦接到导向马达以用于对导向马达提供电力；布置用于测量钻柱的旋转速度的传感器；可操作地耦接到传感器和导向马达并且布置用于基于钻柱的旋转速度来控制导向马达的转子速度的马达控制器；布置用于测量钻柱的扭矩的传感器；可操作地耦接到传感器和导向马达并且布置用于基于钻柱的扭矩来控制导向马达的转子扭矩的马达控制器；布置用于测量工具面定向的传感器；可操作地耦接到传感器和导向马达并且布置用于基于传感器来控制导向马达的马达控制器；导向马达包括穿过其形成的至少一个流体流动路径，所述流体流动路径被布置成在钻杆与第一马达之间流体耦接；第一马达是井下泥浆马达；导向马达是被布置来从钻杆接收电力的电动马达；由第一马达旋转钻头；以第一速度旋转导向马达的转子以使得工具面定向保持恒定；以大于第一速度的第二速度旋转导向马达的转子以使得工具面定向在第二方向上旋转；以小于第一速度的第二速度旋转导向马达的转子以使得工具面定向在第一方向上旋转；通过钻柱将钻井液流动提供到第一马达；通过钻井液流动对第一马达供电；导向马达是电动马达；由通过至少一个钻杆提供电流来对导向马达供电；以及通过钻柱对导向马达提供钻井液流动并通过钻井液流动的至少一部分来使导向马达冷却。

本公开的摘要仅仅用于为美国专利商标局和大部分公众提供从粗略地阅读技术公开的性质和要点来快速做出决定的方法，并且其单独代表一个或多个实施方案。

虽然已详细示出各种实施方案，但是本公开不限于示出的实施方案。本领域技术人员可以想到上述实施方案的修改和适配。这种修改和适配在本公开的精神和范围中。

Claims (20)

1.一种钻探系统，其包括：

钻柱，其包括至少一个钻杆和钻头；

第一马达，其沿所述钻柱运送并且在所述至少一个钻杆与所述钻头之间耦接，以便相对于所述至少一个钻杆在第一方向上选择性地旋转所述钻头，所述第一马达包括弯曲外壳，以及

导向马达，其耦接在所述第一马达与所述至少一个钻杆之间，以便在与所述第一方向相对的第二方向上选择性地旋转所述第一马达。

2.如权利要求1所述的钻探系统，其中：

所述至少一个钻杆与所述第一马达流体连通；并且

所述第一马达是井下泥浆马达。

3.如权利要求1所述的钻探系统，其中：

所述导向马达是电动马达。

4.如权利要求3所述的钻探系统，其中：

所述至少一个钻杆与所述导向马达流体连通。

5.如权利要求1所述的钻探系统，其中：

所述钻柱包括内管和外管，所述内管设置在所述外管内并且限定在其之间的环流路径；并且

所述钻探系统还包括偏流器，其将所述内管的内部流体耦接到所述外管的外部。

6.如权利要求5所述的钻探系统，其中：

所述导向马达是电动马达；

所述内管形成耦接到所述导向马达的第一电导体；并且

所述外管形成耦接到所述导向马达的第二电导体。

7.如权利要求1所述的钻探系统，其还包括：

旋转速度传感器，其耦接到所述钻柱；以及

马达控制器，其耦接到所述旋转速度传感器和所述导向马达，并且被布置以便基于所述旋转速度传感器来控制所述导向马达的转子速度。

8.如权利要求1所述的钻探系统，其还包括：

扭矩传感器，其耦接到所述钻柱；以及

马达控制器，其耦接到所述扭矩传感器和所述导向马达，并且被布置以便基于所述扭矩传感器来控制所述导向马达的转子扭矩。

9.如权利要求1所述的钻探系统，其还包括：

工具面定向传感器，其耦接到所述钻柱；以及

马达控制器，其耦接到所述工具面定向传感器和所述导向马达，并且被布置以便基于所述工具面定向传感器来控制所述导向马达。

10.一种用于在地质地层中钻探井筒的方法，其包括：

提供包括至少一个钻杆和钻头的钻柱；

提供沿所述钻柱运送并且耦接在所述至少一个钻杆与所述钻头之间的第一马达；

提供耦接在所述第一马达与所述至少一个钻杆之间的导向马达，所述第一马达包括弯曲外壳，所述弯曲外壳的位置限定工具面定向；

以第一速度在第一方向上旋转所述至少一个钻杆；以及

通过在以第一速度在第一方向上旋转所述至少一个钻杆的同时，旋转在与所述第一方向相对的第二方向上的所述导向马达的转子来控制所述工具面定向。

11.如权利要求10所述的方法，其还包括：

由所述第一马达旋转所述钻头。

12.如权利要求10所述的方法，其还包括：

以所述第一速度旋转所述导向马达的所述转子，以使得所述工具面定向保持恒定。

13.如权利要求10所述的方法，其中：

所述第二速度大于所述第一速度，以使得所述工具面定向在所述第二方向上旋转。

14.如权利要求10所述的方法，其中：

所述第二速度小于所述第一速度，以使得所述工具面定向在所述第一方向上旋转。

15.如权利要求10所述的方法，其还包括：

经由所述钻柱将钻井液流动提供到所述第一马达；以及

通过所述钻井液流动对所述第一马达供电。

16.如权利要求10所述的方法，其中：

所述导向马达是电动马达；并且

所述方法还包括通过经由所述至少一个钻杆提供电流来对所述导向马达供电。

17.如权利要求10所述的方法，其中：

所述导向马达是电动马达；并且

所述方法还包括经由所述钻柱将钻井液流动提供到所述导向马达，并且通过所述钻井液流动的至少一部分来将所述导向马达冷却。

18.一种用于在地质地层中钻探井筒的井底总成，其包括：

钻头；

第一马达，其耦接到所述钻头，以便在第一方向上选择性地旋转所述钻头，所述第一马达具有弯曲外壳；以及

导向马达，其耦接到所述第一马达，以便在与所述第一方向相对的第二方向上选择性地旋转所述第一马达。

19.如权利要求18所述的井底总成，其中：

所述导向马达包括穿过其形成的至少一个流体流动路径，其被布置用于在所述钻杆与所述第一马达之间流体耦接；并且

所述第一马达是井下泥浆马达。

20.如权利要求18所述的井底总成，其中：

所述导向马达是电动马达，其被布置来从所述钻杆接收电力。