CN107075911B - 减轻旋转式导向工具中的粘滑效应 - Google Patents

Abstract

本文提供了导向组件，所述导向组件包括壳体，所述壳体具有致动器，所述致动器定位于所述壳体中并且可操作以旋转驱动轴。行星齿轮箱定位于所述壳体中并且包括可操作地耦接到所述壳体的齿圈、耦接到所述驱动轴的太阳齿轮和行星齿轮架。机械耦接件将所述齿圈可操作地耦接到所述壳体，使得所述壳体的旋转使所述齿圈旋转。所述机械耦接件基于所述机械耦接件的一个或多个机械参数用于减轻在所述壳体与所述齿圈之间传输的粘滑扰动的能力来选择。偏置心轴耦接到所述太阳齿轮和所述行星齿轮架中的一个，使得所述太阳齿轮和所述行星齿轮架中的所述一个的旋转导致所述偏置心轴相应地旋转，其中所述偏置心轴可相对于所述壳体独立地旋转。

Description

减轻旋转式导向工具中的粘滑效应

发明背景

随着碳氢化合物储层越来越难以达到，井筒钻探操作在垂直和水平两个方向上越来越复杂，并且将钻探组件精确地定位在期望地下地层内的需求增大。这需要将钻探组件准确地导向以避开特定地层或与感兴趣地层相交。将钻探组件导向包括改变耦接到钻探组件的一端的钻头的工具面方向。

旋转式导向工具通常用于定向钻探操作并且可包括偏置心轴或可耦接到旋转壳体的其他组件。可能期望独立于壳体的旋转而控制偏置心轴的旋转并且另外使偏置心轴相对于正被钻头穿透的地层而保持在对地静止位置。在一些旋转式导向系统中，钻头可经由钻头轴可操作地耦接到偏置心轴。可能期望独立于钻柱和钻头的旋转而控制偏置心轴的旋转以及因此钻头轴和钻头的取向。偏置心轴的旋转的响应控制可通过确保井筒根据期望井方案来钻探而在整个钻井时间减小。

附图简述

下面的附图被包括以示出了本公开的某些方面，并且不应该被看作是排他性的实施方案。所公开的主题能够在不脱离本公开的范围的情况下在形式和功能上进行相当多的修改、改变、组合以及等效化。

图1为可采用本公开的一个或多个原理的示例性钻探系统的示意图。

图2A至图2C为图1的导向组件的示意图。

图3为图2C的行星齿轮箱的等轴视图。

图4为图2C的行星齿轮箱和图2B的涡轮的截面分解图。

图5为与考虑到粘滑的更柔性的机械耦接件相比，模拟刚性机械耦接件的效果的曲线图。

图6为闭环控制系统的框图。

具体实施方式

本公开大体涉及钻井操作，并且更具体地讲，涉及减轻完全旋转旋转式导向工具所经受的粘滑效应。

本文所述的实施方案提供一种导向组件，该导向组件减少在钻井操作期间引发的粘滑扰动的不利影响。粘滑通常是在所需钻探转矩在钻柱中引起扭转能量的积累时大声的一种钻柱现象。扭转能量克服了阻力，阻力导致能量以钻柱加速度的形式快速释放。这种现象可能变成周期性，从而产生持续不利的钻井条件。本公开提供一种机械耦接件，该机械耦接件可包含在导向组件中，以帮助减轻粘滑扰动的不利影响，由此改进定向钻井应用中的传感器和钻井性能。

本文所述的示例性导向组件包括壳体，该壳体具有定位于其中且可操作以旋转驱动轴的涡轮。行星齿轮箱定位于所述壳体中并且包括可操作地耦接到所述壳体的齿圈、耦接到所述驱动轴的太阳齿轮和行星齿轮架。机械耦接件将所述齿圈可操作地耦接到所述壳体，使得所述壳体的旋转使所述齿圈旋转。机械耦接件可基于机械耦接件的一个或多个机械参数的能力来选择，以减轻在壳体与齿圈之间传输的粘滑扰动。通过减少在壳体与齿圈之间传输的粘滑扰动，可通过增强由控制系统提供的工具面控制来改进定向钻探。此外，控制系统使用来减轻粘滑扰动的功率可在粘滑的给定幅值和/或频率下减小，从而能够使用小功率发电机。

图1为根据一个或多个实施方案的可采用本公开的原理的示例性钻探系统100的示意图。如图所示，钻探系统100可包括钻塔102，该钻塔被安装在表面位置104上并且被定位在钻孔106上方，该钻孔延伸到陆地108包括地下地层110a和110b中。钻探组件112可从钻塔102延伸到钻孔106中。钻探组件112可包括钻柱114，该钻柱可包括多个螺纹连接的管状区段，并且钻头116可耦接到钻柱114的一端。井底钻具组件(BHA)117可被布置在钻柱114中并且可包括例如随钻测量(MWD)设备118和导向组件120。

导向组件120可被构造成控制钻孔106正被钻出的方向。可以理解，钻孔106一般沿垂直于钻头116的工具面122方向的方向钻出，该方向对应于钻头116的纵向轴线124。因此，控制钻孔106的方向可包括控制钻头116的纵向轴线124与导向组件120的纵向轴线126之间的角度，由此控制钻头116相对于正钻探的地下地层110a、110b的角取向。

如以下更详细描述，导向组件120可包括偏置心轴(未示出)，该偏置心轴导致钻头116的纵向轴线124偏离导向组件120的纵向轴线126。偏置心轴可以相对于钻柱114的旋转反向旋转，以维持钻头116相对于正钻探的地下地层110a、110b的角取向。导向组件120可从定位在表面104上的控制单元128接收控制信号。尽管控制单元128在图1中示为定位在表面104上，但控制单元128可以替代地定位在井下(例如，定位在BHA 117中)或定位在远程位置，而不脱离本公开的范围。控制单元128可包括信息处理系统和计算机可读介质，并且该控制单元可被配置为经由遥测系统与导向组件120通信。

在某些实施方案中，如下所述，控制单元128可将控制信号传输到导向组件120以改变钻头116的纵向轴线124并且控制偏置心轴的反向旋转，以维持钻头116相对于正钻探的地下地层110a、110b的角取向。如本文所使用，维持钻头116相对于地下地层110a、110b的角取向在本文可称为将钻头116维持在“对地静止”位置。在某些实施方案中，信息处理系统和计算机可读介质可包含在导向组件120中并且另外与导向组件120相关以执行控制功能中的一些或全部。此外，BHA 117的其他部件，包括MWD设备118，可与控制单元128通信并且从控制单元128接收指令。

在示例性操作中，钻柱114可旋转以钻出钻孔106。旋转钻柱114可导致BHA 117和钻头116沿相同方向并且以大致相同速度旋转。旋转可导致导向组件120围绕纵向轴线126旋转，并且导致钻头116围绕纵向轴线124和126二者旋转。使钻头116围绕其纵向轴线124旋转会导致钻头116切入地下地层110a、110b中。然而，使钻头116围绕导向组件120的纵向轴线126旋转可能是某些情况下不期望的，因为这可能会改变钻头116相对于正钻出的地下地层110a、110b的角取向。例如，当钻头116的纵向轴线124如图1所示偏离导向组件120的纵向轴线126时，钻头116可围绕导向组件的纵向轴线126旋转，并且由此防止钻探组件100以特定角度和方向钻探，并且可能导致形成较大的钻孔。

现在参考图2A至图2C，同时继续参考图1，示出了根据一个或多个实施方案的导向组件120的示意图。更具体地讲，图2A为导向组件120的平面视图，图2B为导向组件120的第一部分的截面侧视图，并且图2C为导向组件120的第二部分的截面侧视图。导向组件120可包括可操作地耦接到钻柱114(图1)的壳体202。在一些实施方案中，壳体202可直接耦接到钻柱114。然而，在其他实施方案中，壳体202可诸如通过MWD设备118(图1)间接地耦接到钻柱114，但也可操作地耦接到钻柱114，使得钻柱114的旋转相应地旋转壳体202。

在一些实施方案中，壳体202可包含单片和其他一体式结构。然而，在其他实施方案中，壳体202可包括多个区段，示为第一区段204a、第二区段204b和第三区段204c。每个区段204a至204c可对应于导向组件120的单独工具部分。例如，第一区段204a可容纳用于导向组件120的控制机构，并且可与控制单元128(图1)通信和/或从表面104(图1)接收信号。在某些实施方案中，控制机构可包括信息处理系统和计算机可读介质并且可从布置在导向组件120内的各个传感器接收测量值。可包含于传感器组件120中的传感器包括但不限于用于测量工具面122(图1)的位置或粒度传感器、速度传感器以及振动传感器。从这些传感器获得的数据可被馈送到闭环反馈系统中，这有助于在钻探期间准确地引导钻头116(图1)，如以下更多地描述。第二区段204b可包括驱动元件，这些驱动元件包括变流通道和流动控制式驱动机构。第三区段204c可包括导向元件，这些导向元件控制耦接到导向组件120的钻头轴206的钻头116的钻探角度和轴向取向。

在钻探操作期间，可将钻探流体或“泥浆”泵送到钻柱114(图1)中，随后穿过导向组件120。钻探流体可流过一个或多个端口208并且进入第一区段204a内所限定的环形空间210中。一旦进入环形空间210中，钻探流体即可环绕流控制模块212流动并且随后流入内部环形空间214中或转移到旁路环形空间216中。流控制模块212可包括流控制阀218，该流控制阀控制进入内部环形空间214的钻井流体的量，以驱动流体控制式驱动机构220。更具体地讲，在端口208与内部环形空间214之间延伸的流体通道可包括变流流体通道222，并且流控制阀218可被配置为计量穿过变流流体通道222的流体的量。流控制阀218可以是任何类型的流量限制阀或装置，包括但不限于剪切阀、提升阀、球阀、球心阀或可控制钻探流体的流量的任何其他类型的机械装置。然而，可以理解，在使用了计量钻探流体的流量的各种阀配置的情况下，其他变流流体通道222也是可能的。

流体控制式驱动机构220可经由内部环形空间214与变流流体通道222流体连通。在所示实施方案中，流体控制式驱动机构220包括涡轮，但也可使用其他流体控制式驱动机构，诸如泥浆马达。此外，可将流体控制式驱动机构220替换为能够旋转驱动轴的任何类型的致动器。因此，可替代地，流体控制式驱动机构220可包括致动器诸如电动马达、泥浆马达等。然而，为了描述导向组件120的目的，流体控制式驱动机构220将在本文称为“涡轮220”，但这样的命名不应当被认为限制本公开。涡轮220可包括多个转子224和多个定子226，该多个转子和该多个定子协同操作以响应于内部环形空间214内的流体流而生成旋转移动。

涡轮220(或任何其他类型的致动器)可在驱动轴228上生成旋转，该驱动轴可经由定位在壳体202内的行星齿轮箱232而可操作地耦接到偏置心轴230。如以下更详细描述，行星齿轮箱232可以可操作地耦接到壳体202，使得壳体202的旋转相应地旋转行星齿轮箱232的一部分。在操作中，行星齿轮箱232可允许驱动轴228由涡轮220向偏置心轴230施加旋转，使得偏置心轴230可相对于壳体202独立地旋转。偏置心轴230可在一端耦接到行星齿轮箱232并且可在它的相对端包括或以其他方式提供偏心接收器234。钻头轴206的上端可被接纳于偏心接收器234中，该偏心接收器可用于改变或维持钻头轴206和耦接到钻头轴206的钻头116(图1)的纵向轴线236。钻头轴206的纵向轴线236可与钻头116的纵向轴线124(图1)相同，并且因此偏心接收器234可用于在操作期间改变或维持钻头116的纵向轴线124。

钻头轴206可在枢转点238处枢转地耦接到壳体202。一系列球轴承240可允许钻头轴206相对于壳体202枢转。可以理解，这种耦接件可包括任何机械耦接件，使得耦接件的上部和下部相对于彼此扭转地锁定，但在偏置心轴230所提供的约束内自由弯曲。当钻头轴206围绕枢转点238枢转时，钻头轴206的纵向轴线236改变，这可使钻头轴206的纵向轴线236相对于导向组件120的纵向轴线126偏离。除了允许钻头轴206相对于壳体202枢转外，枢转点238还可用于由壳体202向钻头轴206施加扭矩。可将从壳体202接收的扭矩传输到耦接到钻头轴206的一端的钻头116(图1)，并且因此钻头轴206的纵向轴线236可对应于导向组件120的钻探角度。

在导向组件120的示例性操作中，钻柱114(图1)可旋转并且由此导致壳体202围绕导向组件的纵向轴线126旋转。当扭矩在枢转点238处转移到钻头轴206时，壳体202的旋转可导致钻头轴206旋转。该转矩可导致钻头轴206围绕它的纵向轴线236以及导向组件120的纵向轴线126旋转。当钻头轴206的纵向轴线236相对于导向组件120的纵向轴线126偏离时，这可导致钻头轴206的一端相对于导向组件的纵向轴线126旋转，并且由此改变钻头轴206和相关钻头116(图1)相对于周围地层110a、110b(图1)的角方向。

在某些实施方案中，可以期望由于输入变化或目标输出变化而控制涡轮220的速度。例如，来自端口208的流体流可以是波动的，并且可能期望使涡轮220的速度保持恒定。可替代地，可以期望通过允许更多的流体通过端口208进入而增大涡轮220的速度。在这样的实施方案中，可致动流控制阀218以控制进入内部环形空间214中以驱动涡轮220的钻探流体的量/流动。根据本公开的各方面，可通过流入内部环形空间214中的钻探流体的质量流率来控制涡轮220的旋转速度。因此，流控制阀218可用于通过改变流入内部环形空间214中的钻探流体的质量流率来控制涡轮220的旋转速度。流控制阀218可包括连接到马达的控制电路，马达操作用于打开和关闭流控制阀218。控制电流可定位在井下，诸如流控制阀218的附近，或可替代地定位在表面104(图1)上，诸如形成控制单元128(图1)的一部分。

在一些实施方案中，发电机242可包含于导向组件120中并且耦接到涡轮220以生成可由导向组件120的部件使用的电力。在某些场景下，发电机242可以产生变化的电负荷和/或内部环形空间214中的流体可以变化速率行进。当发电机242上存在较高的电负荷时，涡轮220的速度可减慢。另外，如果发电机242的速度下降过低，则发电机可能不会产生所需电压，因为发电机242的电压输出与发电机242的速度成比例。在至少一个实施方案中，发电机242可布置在涡轮220的定子226之处或附近，该涡轮可经由一个或多个电磁铁244而磁性地耦接到承载转子224的轴。随着涡轮220的旋转，承载转子224的轴也旋转，这可导致电磁铁244环绕定子226旋转。这可在发电机242内生成电流，发电机可用于为定位在导向组件120内的各种控制机构和传感器包括第一区段204a内的控制机构供电。

现在参考图3，同时继续参考图2A至图2C，示出了根据一个或多个实施方案的行星齿轮箱232的等轴视图。行星齿轮箱232可根据本公开的各方面一般表征为速度/位置控制机构。如图所示，行星齿轮箱232可包括齿圈302、行星齿轮架304和太阳齿轮306。行星齿轮架304被显示为包括三个行星齿轮，示为第一行星齿轮308a、第二行星齿轮308b和第三行星齿轮308c。然而，在其他实施方案中，可使用多于或少于三个的行星齿轮308a至308c，而不脱离本公开的范围。

如上所述，行星齿轮箱232可定位在导向组件120(图2A至2C)内并且可操作地耦接到壳体202的内壁，使得壳体202的旋转可在齿圈302上引起较小的旋转。太阳齿轮306可耦接到或以其他方式形成涡轮220(图2B)的驱动轴228的一部分，使得驱动轴228的旋转(如通过涡轮220来供电)可相应地使太阳齿轮306沿相同方向旋转。偏置心轴230可耦接到行星齿轮架304，使得行星齿轮架304环绕太阳齿轮306的旋转可导致偏置心轴230相应地旋转。偏置心轴230的旋转可由行星齿轮架304的旋转速度控制，行星齿轮架的相对速度进而可由太阳齿轮306和齿圈302的相对旋转速度确定。

例如，如果齿圈302相对于太阳齿轮306的逆时针旋转以较高速率的旋转速度顺时针旋转，那么行星齿轮架304会环绕太阳齿轮306沿顺时针方向旋转，这可导致偏置心轴230沿顺时针方向旋转。当太阳齿轮306的逆时针旋转速度相对于齿圈302的旋转速度增大时，诸如在耦接到齿圈302的壳体202(图2A)的旋转速度减小的情况下，或由于由涡轮220驱动的太阳齿轮306的旋转速度的增大，行星齿轮架304环绕太阳齿轮306的旋转速度将减慢，直到在太阳齿轮306的某个旋转速度下，行星齿轮架304是静止的(尽管单独的行星齿轮308a至308c可继续旋转)。此时，偏置心轴230还可保持旋转地静止。如果太阳齿轮306的旋转速度进一步增大，那么行星齿轮架304可开始沿逆时针方向旋转，从而导致偏置心轴230也沿逆时针方向旋转。

如以下更详细描述，闭环控制机构或程序可使用但不限于PID型(比例、积分、微分)控件，该控件从偏置心轴230读取输入传感器值并且向涡轮220输出控制信号。可基于如一个或多个传感器所测量的偏置心轴230的旋转速度和位置与目标旋转速度相比的差来计算误差值。例如，如果偏置心轴230被测量为沿顺时针方向比所期望旋转得更快(或沿逆时针方向旋转得不够快)，诸如当齿圈302增大它的顺时针旋转速度时，可传输输出信号以增大涡轮220的速度，以便增大太阳齿轮306沿逆时针方向的旋转速度。类似地，如果偏置心轴230被测量为沿顺时针方向比所期望旋转得更慢(或沿逆时针方向旋转得不够快)，诸如当齿圈302减小它的顺时针旋转速度时，可传输输出信号以减小涡轮220的速度，以便减小太阳齿轮306沿逆时针方向的旋转速度。

因此，尽管齿圈302(可操作地耦接到图2A的壳体202)的旋转速度发生变化，但偏置心轴230的旋转速度可通过改变涡轮220的旋转速度而独立地受控。因此，涡轮220可有助于将偏置心轴230保持在静止的非旋转位置或取向。另外，如果某个取向是期望的，那么涡轮220可首先被操作为允许旋转，直到偏置心轴230与期望取向对准，随后操作以维持该期望取向。

再次参考图2A和图2B，同时继续参考图3，现在描述涡轮220和行星齿轮箱232的协作操作以控制钻头轴206的角取向以及因此耦接到钻头轴206的钻头116(图1)。行星齿轮箱232的齿圈302可以可操作地耦接到壳体202，使得壳体202的旋转可以相应地引发齿圈302的旋转。涡轮220的驱动轴228可耦接到太阳齿轮306，并且太阳齿轮306的旋转可通过控制流控制阀218而增大或减小以调节钻探流体穿过涡轮220的流量并且因此增大或减小驱动轴228的旋转速度(RPM)。偏置心轴230可耦接到行星齿轮架304，使得行星齿轮架304的位置和旋转可控制偏置心轴230以及因此钻头轴206的角取向和旋转速度。通过行星齿轮箱232的操作，行星齿轮架304的旋转可被确定并且通过齿圈302和太阳齿轮306的相对旋转速度来另外指定。

在钻探期间，钻柱114(图1)可以第一速度沿第一方向旋转，从而导致行星齿轮箱232的壳体202和齿圈302以第一速度沿第一方向旋转。为了控制钻头轴206相对于周围地层110a、110b(图1)的角取向，流控制阀218可被操纵为允许钻探流体流过涡轮220，使得驱动轴228沿第二方向旋转。驱动轴228的旋转可导致行星齿轮箱232的太阳齿轮306以第二速度沿与第一方向相反的方向旋转，这取决于流控制阀218通过涡轮220所允许的流体流动的量。在行星齿轮箱232内，齿圈302的第一速度与太阳齿轮306的第二速度之间的相对差确定行星齿轮架304的旋转以及因此偏置心轴230的旋转。如果太阳齿轮306的旋转抵消齿圈302的旋转，那么行星齿轮架304(以及因此偏置心轴230的偏心接收器234)可相对于周围地层保持对地静止，并且由此维持钻头轴206相对于地层的角取向，同时仍允许钻头轴206围绕它的纵向轴线236旋转。可通过操作流控制阀218以增大或减小涡轮220的旋转速度而改变钻头轴206相对于周围地层110a、110b的角取向。

在某些实施方案中，偏置心轴230、钻头轴206或耦接到钻头轴206的钻头116(图1)可包括或可靠近传感器(未示出)诸如RPM传感器、位置传感器、加速度计、磁力计或本领域技术人员已知的其他传感器。各种传感器可被配置为连续地监测偏置心轴230和钻头轴206或钻头116的速度、位置、取向或其他物理特征。可将期望旋转速度、位置、磁对准或用于钻井操作的其他期望设置点与由传感器测量的值连续地比较。传感器可耦接到定位在井下、定位在表面104(图1)上、或定位在远程位置处的电子器件(未示出)。与传感器相关的电子器件可发出误差信号，这些误差信号可被处理成使测量值与流控制阀218的位置变化相关，以实现期望设置点。基于误差信号，流控制阀218随后可改变位置，因而改变通过涡轮220的流体流，并且由此导致涡轮220的速度发生变化并且经由行星齿轮箱232，导致偏置心轴230的旋转速度发生变化。该过程可重复进行，直到已实现期望设置点(或直到该系统在容许误差范围内)。

现在参考图4，同时继续参考图3，示出了根据一个或多个实施方案的可操作地耦接到涡轮220和壳体202的行星齿轮232的截面分解图。如图所示，涡轮220的驱动轴228朝向行星齿轮箱232延伸并且耦接到太阳齿轮306，使得驱动轴228(如通过穿过涡轮220的流体流供电)的旋转相应地使太阳齿轮306沿相同方向旋转。两个行星齿轮(示为第一行星齿轮308a和第二行星齿轮308b)被显示为由行星齿轮架304承载并且可相对于齿圈302旋转。偏置心轴230可耦接到行星齿轮架304，使得行星齿轮架304环绕太阳齿轮306的旋转导致偏置心轴230相应地旋转。

行星齿轮箱232可以可操作地耦接到壳体202，使得壳体202的旋转(经由图1的钻柱114的旋转)相应地旋转齿圈302。在一些实施方案中，齿圈302可直接耦接到壳体202。然而，在其他实施方案中，齿轮箱护罩或轮架402可置于壳体202与齿圈302之间并且可以其他方式耦接到壳体202以将齿圈302可操作地耦接到壳体202。在任一种情况下，齿圈302与壳体202的直接或间接耦接将导致齿圈302响应于壳体202的旋转而旋转。

如图所示，行星齿轮箱232可以经由通过一个或多个机械参数以图形方式表示的机械耦接件404而可操作地耦接到壳体202。机械耦接件404可包含并以其他方式包括能够将行星齿轮箱232通过齿圈302或经由齿轮箱架402直接机械地耦接到壳体202的任何耦接设计、装置、机构、系统或组件。合适的机械耦接件404包括但不限于螺纹耦接、磁耦接、焊接耦接、钎焊耦接、机械紧固耦接(即，使用机械紧固件，诸如螺钉、螺栓、销、扣环等)、耦接件耦接、波纹管、星形耦接和它们的任意组合。

在将行星齿轮箱232耦接到壳体202的过程中，机械耦接件404可展现出各种机械参数。如图所示，将机械耦接件404表征的机械参数包括但不限于扭转弹簧常数(k)、阻尼系数(c)和惯性(J)。取决于每个机械参数的值，机械耦接件404可在行星齿轮箱232与壳体202之间提供更刚性的或更柔性的耦接啮合。

根据本公开，机械耦接件404可基于它的已知机械参数来选择并且另外可针对井下操作来优化机械耦接件404的机械参数。这可在钻柱114(图1)经受例如粘滑时证明是有利的，因为齿圈302到壳体202的操作性耦接导致将直接转移到齿圈302的壳体202的RPM发生任何变化，并且由此直接影响偏置心轴230的控制。更具体地讲，当钻柱114经受粘滑时，钻柱114的振荡速度(RPM)可经由与壳体202的机械耦接件404而传输到齿圈302。这种振荡速度(本文中称为“粘滑扰动”)可被传输到偏置心轴230，并且由此需要控制系统迅速地减轻粘滑扰动，以试图维持偏置心轴230的对地静止。然而，如果粘滑扰动以充分高的频率振荡，那么如上所述涡轮220和流控制阀218的操作可能不足以克服不利影响，随后可以阻挠用于抵消齿圈302的旋转的行星齿轮箱232的操作。更具体地讲，在高频粘滑下(在系统的带宽内)控制工具面122(图1)可能需要高功率并且甚至可能由于控制器性能不足而不稳定。

如进一步解释，图5显示了根据本公开的原理的与考虑到粘滑扰动的更柔性的机械耦接件404相比，模拟刚性机械耦接件404的效果的曲线图500。在曲线图500中，壳体202的粘滑由第一曲线502模拟。如图所示，在模拟粘滑期间，壳体202的速度在约100RPM与约300RPM之间振荡。如上所述，该振荡速度可生成粘滑扰动，该粘滑扰动可经由行星齿轮箱232与壳体202之间的机械耦接件404而传输到偏置心轴230，并且由此影响偏置心轴230的速度和角取向。这可在设置于曲线图500中的第二曲线504中看到，第二曲线表示在假设穿过刚性机械耦接件传输粘滑扰动时，偏置心轴230的速度。例如，该刚性机械耦接件可展现出机械参数，这些机械参数导致与更柔性的机械耦接件相比，更多的粘滑扰动在壳体202与行星齿轮箱232之间传输。如所指出，当使用考虑到粘滑扰动的刚性机械耦接件时，偏置心轴230的速度在约45RPM与-45RPM之间振荡。

为了减轻偏置心轴230上的粘滑扰动的影响，可操作或控制涡轮220和流控制阀218以抵消可变速度并使该速度更接近0RPM，其中偏置心轴230被保持对地静止。然而，在一些情况下，尝试减轻粘滑扰动可能会引起更高的功率需求，这使得控制系统超载，由此引起负载更高、部件磨损增大、可靠性降低并且钻探性能最终较差。在某些情况下，涡轮220由于由电气部件诸如发电机施加在组件上的约束而低于一定RPM操作，因而防止涡轮200使工具RPM下降到0RPM。

根据本公开，可通过操纵机械耦接件404的机械参数来减轻或完全消除粘滑扰动，这可产生更柔性的机械耦接件，该机械耦接件减少经由机械耦接件404而从壳体202传输到齿圈302的粘滑反应力。这可在定位在曲线图500中的第三曲线506中看到，第三曲线表示使用了与第一曲线504的机械耦接件404相比更柔性的机械耦接件404的偏置心轴230的速度。可以看出，偏置心轴230的速度当使用了更柔性的机械耦接件时，密切围绕0RPM振荡，由此表明当与第二曲线504相比时，粘滑扰动减轻。

再次参考图4，操作员(或自动化计算机系统)可能能够针对特定应用考虑机械耦接件404的机械参数，以减轻或去除从壳体202传输到齿圈302的粘滑的不利影响。在一些实施方案中，机械参数(例如，扭转弹簧常数(k)、阻尼系数(c)、惯性(J)等)可被操纵并且另外通过改变导向组件120中所用的机械耦接件404的类型来优化。例如，可将螺纹耦接变为机械紧固啮合来提供更柔性且因此装配更好的机械耦接件404以减轻粘滑扰动。在其他实施方案中，这些机械参数可被操纵并且另外通过改变壳体202和齿圈302之一或二者的材料来优化。在其他实施方案中，这些机械参数可被操纵并且另外通过向可置于壳体202与齿圈302的刚性部件之间的机械耦接件404添加阻尼材料来优化。合适的阻尼材料包括但不限于软金属、弹性体、泡沫和它们的任意组合等。在另外的实施方案中，机械耦接件404的机械参数可被操纵并且另外在钻探操作期间实时优化，诸如通过使用一个或多个致动器。

在一些实施方案中，可通过引入一个或多个折曲部件诸如波纹管、星形耦接或各种类型的柔性耦接来修改扭转弹簧常数(k)。扭转刚度(k)也可被操纵并且通过改变壳体202与齿圈302之间的连接长度来修改。然而，应当理解，具有变化黏度的任何类型的流体耦接件可实现本质上相同的目的。

现在参考图6，同时继续参考之前的附图，示出了根据本公开的一个或多个实施方案的闭环控制系统600的框图。在610处，可将目标设置点经由电路输入到控制器620。目标设置点可指定目标旋转速度、位置、磁对准或其他可测量特征。在至少一个实施方案中，目标设置点可对应于期望工具面122(图1)方向以及因此钻头116(图1)的期望纵向轴线124(图1)。在620处，控制器可经由电路接收传感器测量值680并且计算设置点与测量值之间的误差。基于计算的误差，控制器620可如在630处向电动马达和控件输出信号。控制器620可以例如是PID型控制器，该PID型控制器可基于误差的比例、积分和导数计算的组合而确定输出信号。

在630处，电动马达和控件(例如，任何类型的致动器或马达)可从控制器620接收输出信号。电动马达可机械地耦接到流控制阀，诸如图2B的流控制阀218。基于从控制器620接收的信号，630处的电动马达和控件可操作为打开或关闭流控制阀。在640处，流控制阀可经受随时间的总工具流体流量692，表示为函数Q(t)。随时间的总工具流体流量Q(t)的一部分可转移到旁路环形空间诸如图2B的旁路环形空间216，并且可以表示为随时间的旁路流量q₂(t)。剩余流体可被引导到流体控制式驱动机构诸如图2B的涡轮220，并且可表示为涡轮流量q₁(t)。因此，在封闭系统中，Q(t)将等于q₁(t)和q₂(t)的和。q₁(t)和q₂(t)的相对幅值可基于流控制阀由630处的马达和控件的打开和关闭而变化。

在650处，流体控制式驱动机构(例如，涡轮200)可在它的驱动轴228(图2B)上生成旋转力，以使如在666处的太阳齿轮306(图3)相应地旋转。如在660处，太阳齿轮306形成行星齿轮箱232的一部分(图2C和图3)。旋转力的幅值可基于涡轮流量q₁(t)的幅值而变化。

在钻探操作期间，钻柱114(图1)可旋转，并且由此在壳体202(图2A)中引发旋转。该旋转力，如在694处，可表示为随时间的壳体RPMω(t)和壳体扭矩T(t)并且可以机械地传输到机械地耦接到壳体202的任何部件。旋转力，如在694处，示为正施加在马达630、流控制阀640、流体控制式驱动机构650和行星齿轮箱660的齿圈302(图3)(如在662处)上。行星齿轮架304(图3)(如在664处)机械地耦接到齿圈662并且将具有由齿圈662和太阳齿轮666的相对旋转速度确定的旋转速度。

在670处，行星齿轮架664的旋转速度被机械地传输到偏置心轴，诸如偏置心轴230(图2C和图4)。偏置心轴670可例如耦接到钻头轴206(图2A和图2C)和/或钻头116(图1)。在钻探操作期间，钻头116可遭遇呈粘滑形式(如在696处示为阻力扭矩)并且随时间表示为G(t)的旋转阻力。阻力扭矩G(t)可包括以上描述的粘滑扰动。

在680处，涡轮流量q₁(t)、壳体RPMω(t)、壳体扭矩T(t)、阻力扭矩G(t)的随时间净输入以及任何其他相关输入可产生传感器测量值680，表明偏置心轴、钻头轴和/或钻头的旋转速度、位置、磁对准或其他可测量特征。在一些实施方案中，机械耦接件404的机械参数(即，弹簧系数(k)、阻尼系数(c)和惯性(J))也可影响传感器测量值680。这些测量值可以电气方式传递到控制器620，控制器可进而计算更新的误差值并且调整针对电动马达和控件630的电气输出信号。这样，期望设置点可通过闭环控制机构而自动实现。本领域技术人员根据本公开可以理解，该机构也可在抗破坏方面具有鲁棒性，诸如钻柱RPM的变化，由于钻探期间轴承上的变化负载而引起的偏置心轴上的阻力扭矩G(t)的变化、由于压力变化或脉冲星操作而引起的工具流量的变化等。

在替代实施方案中，控制器620可被配置为使用例如输入诸如工具流量Q(t)、壳体RPMω(t)、壳体扭矩T(t)和阻力扭矩G(t)的传感器测量值而至少部分基于预期未来误差来确定它的输出信号。因此，例如，如果传感器测量到工具流量Q(t)的中断，那么控制器620可适当其调整它的输出信号以抵消观察到的中断。这样，控制器620还可预测误差并且发出积极的控制信号以防止误差(例如，自适应或前馈型控件)。

本文所公开的实施方案包括：

A.一种导向组件，所述导向组件包括：壳体，所述壳体具有致动器，所述致动器定位于其中并且可操作以旋转驱动轴；行星齿轮箱，所述行星齿轮箱定位于所述壳体内并且包括可操作地耦接到所述壳体的齿圈、耦接到所述驱动轴的太阳齿轮和行星齿轮架中的一个和围绕所述太阳齿轮旋转的一个或多个行星齿轮；机械耦接件，所述机械耦接件将所述齿圈可操作地耦接到所述壳体，使得所述壳体的旋转使所述齿圈旋转，其中所述机械耦接件基于所述机械耦接件的一个或多个机械参数用于减轻在所述壳体与所述齿圈之间传输的所述粘滑扰动的能力来选择；以及偏置心轴，所述偏置心轴耦接到所述太阳齿轮和所述行星齿轮架中的一个，使得所述太阳齿轮和所述行星齿轮架中的所述一个的旋转导致所述偏置心轴相应地旋转，其中所述偏置心轴可相对于所述壳体独立地旋转。

B.一种方法，所述方法包括：将导向组件在钻柱上引入井筒中，所述导向组件包括壳体，所述壳体具有定位在所述壳体内的致动器和行星齿轮箱，所述行星齿轮箱包括可操作地耦接到所述壳体的齿圈以及耦接到所述致动器的驱动轴的太阳齿轮和行星齿轮架中的一个；使所述钻柱沿第一方向旋转并且由此使所述壳体和所述齿圈沿所述第一方向旋转；操作所述致动器以使所述驱动轴和耦接到所述太阳齿轮和所述行星齿轮架中的一个的偏置心轴沿与所述第一方向相反的第二方向旋转；以及减轻在所述壳体与所述齿圈之间传输并且利用将所述齿圈可操作地耦接到所述壳体的机械耦接件传输到所述偏置心轴的粘滑扰动，其中所述机械耦接件基于所述机械耦接件的一个或多个机械参数用于减轻所述粘滑扰动的能力来选择。

C.一种井系统，所述井系统包括：钻柱，所述钻柱可延伸到井筒中并且具有耦接到所述钻柱的一端的钻头；导向组件，所述导向组件布置在所述钻柱中并且包括可随所述钻柱一起旋转的壳体，所述壳体具有定位在所述壳体内的致动器和行星齿轮箱，并且所述行星齿轮箱包括可操作地耦接到所述壳体的齿圈，以及耦接到所述致动器的驱动轴的太阳齿轮和行星齿轮架中的一个；机械耦接件，所述机械耦接件将所述齿圈可操作地耦接到所述壳体，使得所述壳体的旋转使所述齿圈旋转，其中所述机械耦接件基于所述机械耦接件的一个或多个机械参数以及所述一个或多个机械参数用于减轻在所述壳体与所述齿圈之间传输的粘滑扰动的能力来选择；以及偏置心轴，所述偏置心轴耦接到所述太阳齿轮和所述行星齿轮架中的一个，使得所述太阳齿轮和所述行星齿轮架中的所述一个的旋转导致所述偏置心轴相应地旋转，其中所述偏置心轴可相对于所述壳体独立地旋转。

实施方案A、B和C可各自具有以下附加元素的一个或多个的任意组合：元素1：其中所述齿圈经由所述机械耦接件直接耦接到所述壳体。元素2：其中所述行星齿轮箱进一步包括齿轮箱架，所述齿轮箱架置于所述壳体与所述齿圈之间，并且其中所述齿圈经由所述机械耦接件和所述齿轮箱架间接地耦接至所述壳体。元素3：其中所述机械耦接件包括选自包括以下各项的组的耦接啮合：螺纹耦接；磁耦接；焊接耦接；钎焊耦接；机械紧固耦接；粘合剂耦接；波纹管；星形耦接；以及它们的任意组合。元素4：其中所述一个或多个机械参数为选自由扭转弹簧常数(k)、阻尼系数(c)和惯性(J)组成的组的参数。元素5：其中所述一个或多个机械参数针对井下使用来优化，以减轻所述粘滑扰动。元素6：进一步包括邻近所述偏置心轴的一个或多个传感器和可通信地耦接到所述一个或多个传感器的控制器，其中所述控制器接收由所述一个或多个传感器获得的测量值并且输出导致所述驱动轴的旋转速度发生变化的控制信号。元素7：其中所述控制器为PID控制器。元素8：其中所述致动器选自由以下各项组合的组：流体控制式驱动机构；涡轮；泥浆马达；电动马达；以及它们的任意组合。

元素9：其中操作所述致动器包括维持所述偏置心轴相对于周围地层对地静止。元素10：进一步包括操纵所述机械耦接件的所述一个或多个机械参数以减轻所述粘滑扰动，所述一个或多个机械参数为选自由扭矩弹簧常数(k)、阻尼系数(c)和惯性(J)组成的组的参数。元素11：其中操纵所述机械耦接件的所述一个或多个机械参数包括改变耦接到更柔性机械耦接件的机械耦接件的类型。元素12：其中操纵所述机械耦接件的所述一个或多个机械参数包括改变所述壳体和所述齿圈的至少一者的材料。元素13：其中操纵所述机械耦接件的所述一个或多个机械参数包括向所述机械耦接件添加阻尼材料。元素14：其中操纵所述机械耦接件的所述一个或多个机械参数包括优化所述一个或多个机械参数以减轻粘滑扰动。元素15：进一步包括：在控制器上设置目标测量值；利用布置在所述偏置心轴附近且可通信地耦接到所述控制器的一个或多个传感器来获得至少一个测量值；利用所述控制器接收所述至少一个测量值；基于所述至少一个测量值和所述目标测量值来计算误差；以及从所述控制器输出控制信号以导致所述驱动轴的旋转速度发生变化，其中所述控制信号是基于所述误差的。

元素16：其中所述机械耦接件包括选自包括以下各项的组的耦接啮合：螺纹耦接；磁耦接；焊接耦接；钎焊耦接；机械紧固耦接；粘合剂耦接；波纹管；星形耦接；以及它们的任意组合。元素17：其中所述一个或多个机械参数为选自由扭转弹簧常数(k)、阻尼系数(c)和惯性(J)组成的组的参数。元素18：进一步包括邻近所述偏置心轴的一个或多个传感器和可通信地耦接到所述一个或多个传感器的控制器，其中所述控制器接收由所述一个或多个传感器获得的测量值并且输出导致所述驱动轴的旋转速度发生变化的控制信号。

通过非限制性的实例，适用于A、B和C的示例性组合包括：元素10与元素11；元素10与元素12；元素10与元素13；以及元素10与元素14。

因此，所公开的系统和方法良好适合于获得所提到的目标和优势以及本发明固有的那些目标和优势。以上公开的特定实施方案仅是说明性的，因为本公开的教导内容可以对受益于本文中教导内容的本领域技术人员明显的不同但等效的方式来修改和实践。另外，除非所附权利要求书中另有描述，否则无意限制本文所示的构造或设计的细节。因此明显的是以上公开的特定例示性实施方案可被改变、组合或修改，并且所有此类变化被认为在本公开的范围内。本文中说明性公开的系统和方法可在缺少本文中未特定公开的任何要素和/或本文中所公开的任何任选要素的情况下得以适当实践。虽然组合物和方法在“包括”、“含有”或“包括”各种组分或步骤方面来描述，但是组合物和方法还可“基本上由各种组分和步骤组成”或“由各种组分和步骤组成”。上文所公开的所有数字和范围可变化某一量。每当公开具有下限和上限的数字范围时，都明确公开落在范围内的任何数字和任何包括的范围。具体地说，本文中所公开的值的每个范围(形式为“约a至约b”，或等效地“大致a至b”，或等效地“大致a-b”)应理解为阐述涵盖在值的较宽范围内的每个数字和范围。另外，除非专利权所有人另外明确地和清楚地定义，否则权利要求书中的术语具有其一般的普通含义。此外，如权利要求中使用的不定冠词“一(a或an)”在本文中被定义来意指它所介绍的一个或多个元件。如果本说明书和可能以引用的方式并入本文中的一个或多个专利或其它文件中词或术语的使用存在任何冲突，应采用与本说明书一致的定义。

如本文所使用的，在一系列项之前的短语“至少一个”，以及用于分开所述项中的任何一个的术语“和”或“或”作为整体修改列表，而不是所述列表中的每一个成员(即，每个项)。短语“至少一个”允许意指包括项目中的任一个的至少一个，和/或项目的任何组合的至少一个，和/或项目中的每一个的至少一个。以举例的方式，短语“A、B和C中的至少一个”或“A、B或C中的至少一个”各自指代仅A、仅B、或仅C；A、B和C的任何组合；和/或A、B和C中的每一个的至少一个。

如方向性术语(诸如在……之上、在……之下、上部、下部、向上、向下、左侧、右侧、井上、井下等等)描绘于图中，关于说明性实施方案使用方向性术语的用法，向上方向是朝着对应图的顶部且向下方向是朝着对应图的底部，井上方向是朝着井的表面且井下方向是朝着井的底部。

Claims (21)

1.一种导向组件，包括：

壳体，所述壳体具有致动器，所述致动器定位于其中并且可操作以旋转驱动轴；

行星齿轮箱，所述行星齿轮箱定位于所述壳体内并且包括可操作地耦接到所述壳体的齿圈、耦接到所述驱动轴的太阳齿轮和行星齿轮架中的一个和围绕所述太阳齿轮旋转的一个或多个行星齿轮；

机械耦接件，所述机械耦接件将所述齿圈可操作地耦接到所述壳体，使得所述壳体的旋转使所述齿圈旋转；

偏置心轴，所述偏置心轴耦接到所述太阳齿轮和所述行星齿轮架中的一个，使得所述太阳齿轮和所述行星齿轮架中的所述一个的旋转导致所述偏置心轴相应地旋转，其中所述偏置心轴可相对于所述壳体独立地旋转；以及

控制器，所述控制器构造成响应于所感测到的所述壳体与所述齿圈之间传输的粘滑扰动，来改变所述机械耦接件的一个或多个机械参数。

2.如权利要求1所述的导向组件，其中所述齿圈经由所述机械耦接件直接耦接到所述壳体。

3.如权利要求1所述的导向组件，其中所述行星齿轮箱进一步包括齿轮箱架，所述齿轮箱架置于所述壳体与所述齿圈之间，并且其中所述齿圈经由所述机械耦接件和所述齿轮箱架间接地耦接至所述壳体。

4.如权利要求1所述的导向组件，其中所述机械耦接件包括选自包括以下各项的组的耦接啮合：螺纹耦接；磁耦接；焊接耦接；钎焊耦接；机械紧固耦接；粘合剂耦接；波纹管；星形耦接；以及它们的任意组合。

5.如权利要求1所述的导向组件，其中所述一个或多个机械参数为选自由扭转弹簧常数(k)、阻尼系数(c)和惯性(J)组成的组的参数。

6.如权利要求1所述的导向组件，其中所述一个或多个机械参数针对井下使用来优化，以减轻所述粘滑扰动。

7.如权利要求1所述的导向组件，进一步包括：

一个或多个传感器，所述一个或多个传感器邻近所述偏置心轴布置；以及

控制器，所述控制器可通信地耦接到所述一个或多个传感器，其中所述控制器接收由所述一个或多个传感器获得的测量值并且输出导致所述驱动轴的旋转速度发生变化的控制信号。

8.如权利要求1所述的导向组件，其中所述控制器为PID控制器。

9.如权利要求1所述的导向组件，其中所述致动器选自由以下各项组合的组：流体控制式驱动机构；涡轮；泥浆马达；电动马达；以及它们的任意组合。

10.一种钻井方法，包括：

将导向组件在钻柱上引入井筒中，所述导向组件包括壳体，所述壳体具有定位在所述壳体内的致动器和行星齿轮箱，所述行星齿轮箱包括可操作地耦接到所述壳体的齿圈以及耦接到所述致动器的驱动轴的太阳齿轮和行星齿轮架中的一个；

使所述钻柱沿第一方向旋转并且由此使所述壳体和所述齿圈沿所述第一方向旋转；

操作所述致动器以使所述驱动轴和耦接到所述太阳齿轮和所述行星齿轮架中的一个的偏置心轴沿与所述第一方向相反的第二方向旋转；以及

通过响应于所感测到的所述壳体与所述齿圈之间传输的粘滑扰动，来改变将所述齿圈可操作地耦接到所述壳体的机械耦接件的一个或多个机械参数，减轻在所述壳体与所述齿圈之间传输并且利用所述机械耦接件传输到所述偏置心轴的粘滑扰动。

11.如权利要求10所述的钻井方法，其中操作所述致动器包括维持所述偏置心轴相对于周围地层对地静止。

12.如权利要求10所述的钻井方法，进一步包括操纵所述机械耦接件的所述一个或多个机械参数以减轻所述粘滑扰动，所述一个或多个机械参数为选自由扭矩弹簧常数(k)、阻尼系数(c)和惯性(J)组成的组的参数。

13.如权利要求12所述的钻井方法，其中操纵所述机械耦接件的所述一个或多个机械参数包括改变耦接到更柔性机械耦接件的机械耦接件的类型。

14.如权利要求12所述的钻井方法，其中操纵所述机械耦接件的所述一个或多个机械参数包括改变所述壳体和所述齿圈的至少一个的材料。

15.如权利要求12所述的钻井方法，其中操纵所述机械耦接件的所述一个或多个机械参数包括向所述机械耦接件添加阻尼材料。

16.如权利要求12所述的钻井方法，其中操纵所述机械耦接件的所述一个或多个机械参数包括优化所述一个或多个机械参数以减轻粘滑扰动。

17.如权利要求10所述的钻井方法，进一步包括：

在控制器上设置目标测量值；

利用布置在所述偏置心轴附近且可通信地耦接到所述控制器的一个或多个传感器来获得至少一个测量值；

利用所述控制器接收所述至少一个测量值；

基于所述至少一个测量值和所述目标测量值的比较来计算误差；以及

从所述控制器输出控制信号以导致所述驱动轴的旋转速度发生变化，其中所述控制信号是基于所述误差的。

18.一种井系统，包括：

钻柱，所述钻柱可延伸到井筒中并且具有耦接到所述钻柱的一端的钻头；

导向组件，所述导向组件布置在所述钻柱中并且包括可随所述钻柱一起旋转的壳体，所述壳体具有定位在所述壳体内的致动器和行星齿轮箱，并且所述行星齿轮箱包括可操作地耦接到所述壳体的齿圈，以及耦接到所述致动器的驱动轴的太阳齿轮和行星齿轮架中的一个；

机械耦接件，所述机械耦接件将所述齿圈可操作地耦接到所述壳体，使得所述壳体的旋转使所述齿圈旋转；

偏置心轴，所述偏置心轴耦接到所述太阳齿轮和所述行星齿轮架中的一个，使得所述太阳齿轮和所述行星齿轮架中的所述一个的旋转导致所述偏置心轴相应地旋转，其中所述偏置心轴可相对于所述壳体独立地旋转；以及

控制器，所述控制器构造成响应于所感测到的所述壳体与所述齿圈之间传输的粘滑扰动，来改变所述机械耦接件的一个或多个机械参数。

19.如权利要求18所述的井系统，其中所述机械耦接件包括选自包括以下各项的组的耦接啮合：螺纹耦接；磁耦接；焊接耦接；钎焊耦接；机械紧固耦接；粘合剂耦接；波纹管；星形耦接；以及它们的任意组合。

20.如权利要求18所述的井系统，其中所述一个或多个机械参数为选自由扭矩弹簧常数(k)、阻尼系数(c)和惯性(J)组成的组。

21.如权利要求18所述的井系统，进一步包括：

一个或多个传感器，所述一个或多个传感器邻近所述偏置心轴布置；以及

控制器，所述控制器可通信地耦接到所述一个或多个传感器，其中所述控制器接收由所述一个或多个传感器获得的测量值并且输出导致所述驱动轴的旋转速度发生变化的控制信号。