CN107109898A - 用于定向钻井的可变刚度固定弯曲壳体 - Google Patents
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Abstract
一种用于控制钻孔方向的示例装置包括外壳体，所述外壳体具有不均匀刚度；和内壳体，其至少部分在所述外壳体内并且旋转地独立于所述外壳体并具有不均匀刚度。驱动轴可至少部分在所述内壳体内。所述外壳体和所述内壳体中的至少一个可包括管状结构，所述管状结构具有以下中的至少一个：不同刚度的多种材料，和结构材料比另一部分少的一部分。
Description
发明背景
本公开一般涉及钻井操作，且更具体地涉及用于定向钻井的可变刚度固定弯曲壳体。
碳氢化合物(诸如油和气)通常从可位于陆上或者海上的地下地层获得。地下操作的开发以及从地下地层中去除碳氢化合物涉及的过程可能是复杂的。通常，地下操作涉及许多不同步骤，诸如，例如在期望的井场处钻井筒，处理所述井筒以便优化碳氢化合物的生产，并进行必要步骤以便生产并处理来自地下地层的碳氢化合物。
钻井筒可包括将钻头引入地层并旋转钻头以延长井筒。在某些操作中，可能需要通过相对于井筒改变钻头的轴线来控制井筒延伸的方向。这通常使用增加与钻井操作相关联的成本的复杂机构来实现。
附图简述
可通过部分地参考以下描述和附图来理解本公开的一些具体示例实施方案。
图1是示出根据本公开的各方面的示例钻井系统的图。
图2A和图2B是示出根据本公开的各方面的示例井下工具的图。
图3A和图3B是示出根据本公开的各方面的另一示例井下工具的图。
图4是示出根据本公开的各方面的具有非均匀刚度的示例壳体的图。
虽然已经通过参考本公开的示例实施方案描绘和描述并且限定了本公开的实施方案，但是这些参考并不暗示对本公开的限制，且不应推断出这样的限制。如相关领域的技术人员以及受益于本公开的人员应想到，所公开的主题能够在形式和功能上存在相当多的修改、变更和等效形式。所公开的实施方案仅作为示例提供，并不是本公开的范围的穷举。
具体实施方式
为了清楚起见，可能并未在本说明书中描述实际实现方式的所有特征。当然应理解，在任何这种实际实施方案的开发中，做出许多实现方式特定的决策以获得特定的实现目标，这些目标因不同的实现方式而不同。此外，应理解，这种开发努力可能是复杂的且耗时的，但是仍将是受益于本公开的本领域普通技术人员的常规任务。
为了便于更好理解本公开，给出某些实施方案的以下示例。以下示例决不应被理解为限制或限定本发明的范围。在任何类型的地下地层中，本公开的实施方案可适用于水平井筒、垂直井筒、偏斜井筒或其它非线性井筒。实施方案可适用于注入井以及生产井，包括碳氢化合物井。各实施方案可使用适于沿地层的部分进行测试、检索和采样的工具来实现。各实施方案可通过例如可通过管状管线中的流动通道或使用电缆、钢丝绳、连续油管、井下机器人等传送的工具来实现。
下面在石油钻井和生产操作(其中获取有关井下参数和条件的信息)的背景下讨论某些系统和方法。存在井下信息采集的一些方法，包括随钻测井(“LWD”)和随钻测量(“MWD”)。在LWD中，通常在钻井过程中收集数据，从而避免拆卸钻井组合件以插入电缆测井工具的任何需要。LWD因此允许钻井人员进行准确的实时修改或更正，以优化性能，同时最小化停机时间。MWD是在钻井继续时测量关于钻井组合件的移动和位置的井下条件的术语。LWD更多地集中在地层参数测量上。虽然在MWD和LWD之间可能存在区别，但是术语MWD和LWD经常交换地使用。为了本公开的目的，术语LWD将在以下理解下使用：该术语涵盖地层参数的收集和与钻井组合件的移动和位置有关的信息的收集。
如本文所使用的术语“耦接”可涉及直接或间接连接。例如，当机械耦接涉及两个装置之间的紧密或直接的物理接触时，两个机械耦接装置可直接机械耦接，或者当两个装置各自耦接至中间组件或结构时的间接机械耦接。如本文所使用的术语“通信耦接”通常是指电子(或在一些情况下是流体)连接，两个元件可经由该电子连接进行电子(或流体地)通信。电子耦接通常使元件之间实现电力和/或数据流动。这样的电子连接可涉及例如，使用Wifi、蓝牙或其它无线协议、LAN、同轴布线、光纤布线、硬连线物理连接、电路板迹线或任何其它电子信号介质或其组合的有线和/或无线连接。与直接和间接物理连接一样，第一装置可诸如通过直接电子连接直接通信地耦接至第二装置，或经由中间装置和/或连接间接地通信地耦接至第二装置。
图1是根据本公开的各方面的示例地下钻井系统100的图，其中钻头118的轴线可使用可变刚度壳体124在井下改变。钻井系统100包括位于表面104的钻井平台102。在所示的实施方案中，表面104包括包含一个或多个岩层或层106a-d的地层106的顶部，并且钻井平台102可与表面104接触。在其它实施方案中，诸如在海上钻井操作中，表面104可通过一定体积的水与钻井平台102分离。
钻井系统100包括由钻井平台102支撑并具有用于升高和降低钻柱114的游车138的井架108。方钻杆136可在其下降通过旋转台142进入钻孔110时支撑钻柱114。泵130可使钻井液循环通过供给管134到达方钻杆136、在井下通过钻柱114的内部、通过钻头118中的孔、经由钻柱114和钻孔110的壁形成的环形空间140回到表面。一旦处于表面，钻井液即可通过管144离开环形空间140并进入保留坑132。钻井液将钻屑从钻孔110输送至坑132中并有助于保持钻孔110的完整性。
钻井系统100可包括在钻头118附近耦接至钻柱114的井底钻具组合件(BHA)116。BHA 116可包括LWD/MWD工具122和遥测元件120。LWD/MWD工具122可包括接收器和/或发射器(例如，能够接收和/或发送一个或多个电磁信号的天线)。在钻孔110通过钻井延伸通过地层106时，LWD/MWD工具122可收集与各种地层特性以及工具定向和位置以及各种其它钻井条件有关的测量。遥测接头120可耦接至BHA 116内的其它元件，例如LWD/MWD工具122，并且可经由表面收发器146将数据发送至表面并从表面接收数据，数据对应于或指向BHA 116内的一个或多个元件。遥测接头120可通过一个或多个有线或无线通信信道(例如，有线管道或电磁传播)传送测量或数据。或者，遥测接头120可将数据作为以下来传送：钻井液流内的一系列压力脉冲或调制(例如，泥浆脉冲或泥浆警报遥测)，或者通过介质(诸如钻柱114)传播至表面的一系列声脉冲。
在某些实施方案中，系统100还可包括井下电机150和位于井下电机150和钻头118之间的可变刚度壳体124。在所示实施方案中，井下电机150和可变刚度壳体124位于最靠近钻头18的BHA 116内。在其它实施方案中，井下电机150和可变刚度壳体124可位于沿钻柱114的其它区域中，包括在BHA 116中的LWD/MWD工具122和遥测接头120上方，并耦接至BHA116上方的钻柱114。井下电机150可使钻头118旋转，从而使其延伸钻孔116。在某些实施方案中，井下电机150可包括具有流体驱动的涡轮机的井下泥浆电机，所述涡轮机响应于通过钻柱114的钻井液流而旋转。井下电机150的流体驱动涡轮机可包括转子和定子。转子可通过延伸通过可变刚度壳体124的柔性驱动轴(未示出)耦接至钻头118并驱动钻头118。
可变刚度壳体124可相对于可变刚度壳体124上方的系统100的纵向轴线126部分地控制钻头118的纵向轴线128。具体而言，可变刚度壳体124可选择地弯曲以将钻头118的纵向轴线128从可变刚度壳体124上方的系统100的纵向轴线126偏移对应于可变刚度壳体124的弯曲角度的角度150。因为可变刚度壳体124的弯曲被赋予电机150和钻头118之间的柔性驱动轴(未示出)，所以偏移可能发生。通过使纵向轴线128与纵向轴线126偏移，可变刚度壳体124可改变系统100的钻井方向，其对应于钻头118的纵向轴线128。
根据本公开的各方面，可变刚度壳体124可响应于由钻井系统100施加至钻头118的重量而选择地弯曲。这种重量可被称为“钻头重量”(WOB)，并且其特征在于钻头118和游车138之间的元件的重量减少了由钻孔110对于钻柱114的任何摩擦力以及由游车138产生的任何重量。可变刚度壳体124的弯曲角度可部分地基于WOB和可变刚度壳体124的刚度特性。此外，如下面将要详细描述，可变刚度壳体124的刚度特性可在井下改变以响应于WOB、弯曲的幅度和弯曲相对于纵向轴线126的定向来选择可变刚度壳体124在什么时候弯曲。
图2A和图2B是示出根据本公开的各方面的示例井下工具200的图。工具200包括定位在轴环204和轴承部分206之间的可变刚度壳体202，和至少部分在可变刚度壳体202内的驱动轴208。轴环204可包括一个或多个接合表面210，工具200可通过该接合表面耦接至钻井组合件内的其它元件，诸如井下电机或钻杆。驱动轴208可通过接合器212耦接至井下电机，该接合器耦接至驱动轴208的端部并且将扭矩从井下电机施加至驱动轴208。驱动轴208的另一端可包括在操作期间钻头(未示出)可耦接至其上的钻头柄214。钻头柄214可与驱动轴208成一体或耦接至其上。轴承部分206可包括一个或多个轴承216或有助于驱动轴208相对于可变刚度壳体202、轴环204、和轴承部分206旋转的其它元件。
在所示的实施方案中，可变刚度壳体202包括外壳体218，和至少部分在外壳体218内并且旋转地独立于其的内壳体220。外壳体218和内壳体220可包括由金属或足够坚固以承受井下条件的另一种材料形成的细长管状结构。在所示的实施方案中，外壳体218可相对于轴环204和内壳体218旋转，所述内壳体本身可独立地可旋转或旋转地固定至轴环204。定位装置250可使外壳体218相对于轴环204和内壳体218旋转。在所示的实施方案中，定位装置250包括调节环，该调节环可用于从轴环204选择地旋转脱开，使得可改变相对于轴环204的旋转定向。
在某些实施方案中，外壳体218和内壳体220两者都可具有不均匀的刚度特性，其特征在于每个外壳体218和内壳体220的至少一部分具有比相应壳体218和220的另一部分低的刚度值。这些部分可相对于外壳体218和内壳体220的纵向轴线位于任何轴向、径向或角度位置。在所示的实施方案中，内壳体220的较低刚度值部分包括内壳体220的内表面上的凹口区域220a。类似地，外壳体218的较低刚度值部分包括外壳体218的外表面上的凹口区域218a。凹口区域220a和220b对应于其中结构材料比其它角度部分处少的相应壳体的角度部分，因此降低壳体在凹口区域220a和220b处的刚度或刚性。凹口区域220a和220b可在外壳体218和内壳体220例如被模制或以其它形式形成时形成，或者在外壳体218和内壳体220形成(诸如，通过从壳体的结构移除材料)之后提供。
可变刚度壳体124的刚度特性可部分地取决于凹口区域220a和220b的相对定向，使得可变刚度壳体124的刚度特性可通过使外壳体218相对于内壳体220旋转来改变。在所示的实施方案中，凹口区域220a和220b可相对于彼此定位，以防止或允许可变刚度壳体124弯曲，并且控制可变刚度壳体124处的弯曲角度的幅度。具体而言，当凹口区域220a和220b没有在角度上重叠时，可变刚度壳体124可在所有角度定向处具有接近均匀的刚度值，使得可变刚度壳体124不会响应于已知WOB而弯曲。相反，当凹口区域220a和220b全部或部分重叠时，可变刚度壳体124可具有比可变刚度壳体124的其余部分低的刚度值的角度部分，使得可变刚度壳体124可响应于已知WOB而弯曲。应注意，当凹口区域220a和220b之间存在完全重叠时，可变刚度壳体124响应于特定WOB的弯曲角度可以是最大的。
通常，壳体124的弯曲角度的幅度取决于壳体124的刚度和所施加的WOB。对于特定刚度值，弯曲角度的幅度与施加的WOB正相关，其中当施加的WOB增加时，弯曲角度的幅度增加，反之亦然。对于特定施加的WOB，弯曲角度的幅度与刚度负相关，其中当刚度增加时，弯曲角度的幅度减小，反之亦然。在某些实施方案中，壳体124的弯曲角度的幅度可在壳体124处可用的刚度值范围内以及在一定范围的WOB值上是已知的。然后可选择刚度和施加的WOB的相应组合以实现期望的弯曲角度。
在使用中，结合工具200的钻井系统可设置在钻孔内，并且可通过将WOB施加至附接至工具200的钻头并且在井下泵送钻井液以使井下电机和钻头旋转来进行钻井。在某些情况下，工具200可从不对准的凹口区域220a和220b开始，使得可变刚度壳体124不会响应所施加的WOB而弯曲。这可被称为“一直向前”模式，因为在可变刚度壳体124中没有弯曲，钻柱、BHA和钻头基本上对准并且钻头将以大致直线钻进。有时，可能需要以与正在钻孔的当前方向成一定角度进行钻孔。此时，工具200可经由钻柱提升至表面，并且用于使外壳体218相对于内壳体220旋转的调节环250完全或部分旋转地对准凹口区域220a和220b，使得可变刚度壳体124响应于WOB而弯曲。这可被称为“定向钻井”模式，其中可变刚度壳体124处的弯曲使钻头以与钻柱的其余部分成偏移角度来钻孔。偏移角度的幅度部分地取决于凹口区域220a和220b之间的对准量。
图3A和图3B是示出根据本公开的各方面的另一示例井下工具300的图。类似于上述工具，工具300包括定位在轴环304和轴承部分306之间的可变刚度壳体302，和至少部分在可变刚度壳体302内的驱动轴308。还类似于上述工具，可变刚度壳体302包括外壳体318和内壳体320(其至少部分在外壳体320内并旋转地独立于外壳体320)。然而，在所示的实施方案中，外壳体318可在可相对于外壳体318旋转的内壳体320内旋转地固定至轴环304。在该实施方案中，电动机形式的定位装置322包括在轴环304中，以使内壳体320相对于外壳体318旋转并定位。电动机可例如从位于井下电机中的轴环304内或轴环304外部的相应电源和控制单元接收电力和命令。在其它实施方案中，定位装置322可包括流体驱动涡轮机、将内壳体320选择地附接至驱动轴308的离合器机构，或者可鉴于本公开由本领域普通技术人员理解的其它装置。
在所示的实施方案中，外壳体318和内壳体320可具有不均匀刚度特性，其特征在于相应角度部分318a和320a具有由已经钻穿外壳体和内壳体318/320的结构材料的纵向孔引起的较低刚度值。类似于上述凹口区域，纵向孔取代结构材料，使得存在较少结构材料来承受压缩力，诸如WOB，从而引起壳体在经受这种力时弯曲。纵向孔可在外壳体318和内壳体320例如被模制或以其它形式形成时形成，或者在外壳体318和内壳体320形成(诸如，通过从壳体的结构移除材料)之后提供。
在某些实施方案中，工具300可包括位于轴环304内的控制单元350，该控制单元通过控制电机322来部分地管理和控制内壳体320相对于外壳体318的相对旋转定向。具体而言，控制单元350可向电动机322发信号，以使内壳体320旋转，以例如使部分318a和320a移入或移出旋转对准，或者改变部分318a和320a之间的旋转对准程度。在某些实施方案中，传感器(未示出)可结合至内壳体320和外壳体318中的一个或两者中，并且控制单元350可从传感器接收测量，该测量可用于识别内壳体320和外壳体318的相对旋转定向。控制单元350可响应于来自位于钻井系统内的其它位置的控制单元的命令来向电动机322发信号，或者它可在没有外部命令的情况下向电机322发信号。在其它实施方案中，控制单元350可位于钻井系统内的其它位置，诸如在工具300外部的井下，或者表面处。
如本文所使用，控制单元可包括处理器，其示例包括微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)或被配置为解释和/或执行程序指令和/或过程数据的任何其它数字或模拟电路。控制单元还可包括通信地耦接至处理器的存储器元件。处理器可被配置为解释和/或执行存储在存储器中的程序指令和/或数据。示例存储器元件包括非暂时性计算机可读介质，该介质可包括被配置为保持和/或容纳一个或多个存储器模块的任何系统、设备或装置；例如，存储器可包括只读存储器、随机存取存储器、固态存储器或基于磁盘的存储器。每个存储器模块都可包括被配置为在一段时间内保留程序指令和/或数据的任何系统、设备或装置(例如，计算机可读非暂时性介质)。
如上所述，内壳体和外壳体320/318可相对于彼此旋转地定向以控制工具的弯曲角度。图3B示出三个示例定向。定向(a)示出当部分318a/320a或相应的外壳体和内壳体318/320已经完全旋转对准时的可变刚度壳体302。该定向可对应于可变刚度壳体302在箭头306所示的方向上的最大弯曲角度。弯曲的方向306位于部分318a/320a的重叠区域的角度中心。定向(b)示出当部分318a/320a或相应的外壳体和内壳体318/320已经部分旋转对准时的可变刚度壳体302。因为每个部分318a/320a的一部分与壳体318/320的较高刚度部分旋转地重叠，所以可变刚度壳体302的有效刚度值较高，这意味着当施加相同WOB时，弯曲角度小于方向(a)的弯曲角度。此外，弯曲的方向306已经改变为跟踪部分318a/320a的重叠区域的角度中心。定向(c)示出当部分318a/320a或相应的外壳体和内壳体318/320未对准时的可变刚度壳体302。因为所有部分318a/320a都与壳体318/320的较高刚度部分旋转地重叠，所以整个可变刚度壳体300可在不弯曲的情况下承受WOB。
应注意，可确定并选择壳体318/320的刚度值以对应于在钻井操作中可能遇到的特定WOB值。具体而言，壳体318/320的较低刚度值部分318a/320a可被设计为使得当它们彼此旋转地重叠时，组合的刚度值足够低，使得整个可变刚度壳体302将响应于给定WOB而弯曲。类似地，壳体318/320的较低刚度值部分318a/320a和其它部分可被设计或选择为使得当较低刚度值部分318a/320a未对准时，可变刚度壳体302的有效刚度值足够高以在不弯曲的情况下承受WOB。相对于壳体318/320，部分318a/320a的刚度值可部分地取决于通过壳体318a/320a的纵向孔的数量、尺寸和定向，而壳体318/320的其它部分的刚度值可取决于用于形成壳体318/320的结构材料的特性。
除了上述那些之外，还可能具有结合可变刚度壳体的工具的其它实施方案。例如，在某些实施方案中，内壳体和外壳体都可旋转，以允许对弯曲角度和方向的最大控制。此外，除了上述那些之外，可变刚度壳体的其它实施方案也是可能的。例如，在某些实施方案中，内壳体和外壳体中的至少一个可由多种材料制成，其中一些可具有与其它材料不同的刚度。图4是这种示例壳体400的图。在所示的实施方案中，壳体400的特征在于由于其具有多种材料的结构而具有不均匀刚度，每种材料都限于壳体400的角度范围402/404/406。每种材料都可包括不同刚度，使得壳体400可相对于另一壳体旋转定向，如上所述，以允许弯曲发生并提供对应于相同WOB的多个不同弯曲角度。虽然在壳体400中示出三个等角度范围402/404/406，但是也可使用其它数量的材料和角度定向。此外，不同材料可包括具有用以改变刚度的不同复合添加剂的相同基础材料，或者具有不同百分比的基础成分的合金。
在又其它实施方案中，可变刚度壳体可包括单个管状结构，而不是上述内壳体和外壳体构造。在这些实施方案中，壳体可由其刚度可由于与外部刺激的相互作用而改变的材料制成。例如，壳体可由其刚度响应于热或化学变化而变化的材料(诸如当壳体降低至钻孔中一定深度并且定位在钻孔中的钻井液内时发生的变化的那些材料)制成。壳体也可由其刚度与电磁刺激反应的材料制成。在这些情况下，可在壳体处产生电信号、磁场和/或电场以改变壳体的刚度并允许壳体弯曲。
根据本公开的各方面，用于控制钻孔方向的示例装置包括外壳体，其具有不均匀刚度；和内壳体，其至少部分在外壳体内并且旋转地独立于外壳体并具有不均匀刚度。驱动轴可至少部分在内壳体内。在某些实施方案中，外壳体和内壳体中的至少一个可包括管状结构，所述管状结构具有以下中的至少一个：不同刚度的多种材料，和结构材料比另一部分少的一部分。
在某些实施方案中，结构材料比另一部分少的管状结构的该部分包括管状结构的至少一个轴向、径向或角度部分，其中该部分具有其表面上的凹口区域和穿过其中的一系列纵向孔中的至少一个。在某些实施方案中，不同刚度特性的多种材料包括定位在管状结构的轴向、径向或角度部分处的至少一种复合材料。在某些实施方案中，不同刚度特性的多种材料包括管状结构的不同轴向、径向或角度部分处的至少两个材料位置。
在前述两段中描述的任何实施方案中，装置还可包括定位装置，该定位装置用于使内壳体和外壳体中的一个相对于内壳体和外壳体中的另一个旋转。在某些实施方案中，定位装置包括耦接至内壳体的电动机。在某些实施方案中，定位装置包括耦接至外壳体的调节环。
根据本公开的各方面，用于控制钻孔方向的示例方法可包括：在地下地层中的第一方向上钻孔；和改变钻孔内的壳体的刚度特性。可在地下地层中的第二方向上钻孔，第二方向至少部分基于壳体的改变的刚度特性。在某些实施方案中，改变钻孔内的壳体的刚度特性包括使具有不均匀刚度的内壳体和具有不均匀刚度的外壳体中的一个相对于具有不均匀刚度的内壳体和具有不均匀刚度的外壳体中的另一个旋转。
在某些实施方案中，外壳体和内壳体中的至少一个包括管状结构，所述管状结构具有以下中的至少一个：不同刚度的多种材料，和结构材料比另一部分少的一部分。在某些实施方案中，外壳体和内壳体中的至少一个包括管状结构，所述管状结构具有以下中的至少一个：不同刚度的多种材料，和结构材料比另一部分少的一部分。在某些实施方案中，改变钻孔内的壳体的刚度特性包括以下中的至少一种：改变壳体的热条件；改变壳体的化学条件；和将电信号、磁场和电场中的至少一个施加至壳体。
在前两段描述的任何实施方案中，在地下地层中的第一方向上钻孔可包括将重量施加至钻孔内的钻头上，和使用至少部分设置在壳体内的驱动轴使钻头旋转；和在地下地层中的第二方向上钻孔可包括将相同重量施加至钻孔内的钻头上，和使用驱动轴使钻头旋转。在某些实施方案中，使用驱动轴使钻头旋转包括使用通过驱动轴耦接至钻头的井下电机使钻头旋转。
根据本公开的各方面，用于控制钻孔方向的示例系统包括可变刚度壳体；和驱动轴，其至少部分地在可变刚度壳体内。井下电机可耦接至驱动轴和可变刚度壳体。钻头可耦接至驱动轴。在某些实施方案中，可变刚度壳体包括外壳体，其具有不均匀刚度；和内壳体，其至少部分在外壳体内并且旋转地独立于外壳体并具有不均匀刚度。
在某些实施方案中，系统还包括耦接至外壳体的调节环和耦接至内壳体的电动机中的至少一个。在某些实施方案中。在某些实施方案中，外壳体和内壳体中的至少一个包括管状结构，所述管状结构具有以下中的至少一个：不同刚度的多种材料，和结构材料比另一部分少的一部分。在某些实施方案中，结构材料比另一部分少的管状结构的该部分包括管状结构的至少一个轴向、径向或角度部分，其中该部分具有其表面上的凹口区域和穿过其中的一系列纵向孔中的至少一个。在某些实施方案中，不同刚度特性的多种材料包括以下中的至少一种：定位在管状结构的轴向、径向或角度部分处的复合材料；不同刚度特性的多种材料包括管状结构的不同轴向、径向或角度部分处的至少两个材料位置。在某些实施方案中，可变刚度壳体包括形状记忆合金、压电材料和压阻材料中的至少一种。
以上所公开的具体实施方案仅是说明性的，因为本公开可以受益于本文教义的本领域技术人员显而易见的不同但等效的方式来修改和实践。此外，不旨在限制本文所示的构造或设计的细节，如下文权利要求描述的除外。因此，明显的是，可改变或修改以上所公开的具体说明性实施方案，并且所有此类变化都被视为在本公开的范围和精神内。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。权利要求中使用的不定冠词“一个”或“一种”在本文被定义为意指其引入的一个(种)或多于一个(种)要素。此外，术语“耦接”或“耦接的”或在具体实施方式或权利要求中使用的任何通用变体不旨在限于直接耦接。相反，两个元件可间接耦接，并且在具体实施方式和权利要求的范围内仍然被认为是耦接的。
Claims (22)
1.一种用于控制钻孔方向的装置，其包括：
外壳体，其具有不均匀刚度；
内壳体，其至少部分在所述外壳体内并且旋转地独立于所述外壳体并具有不均匀刚度；和
驱动轴，其至少部分在所述内壳体内。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述外壳体和所述内壳体中的至少一个包括管状结构，所述管状结构具有以下中的至少一个
不同刚度的多种材料，和
结构材料比另一部分少的一部分。
3.根据权利要求2所述的装置，其中结构材料比另一部分少的所述管状结构的所述部分包括所述管状结构的至少一个轴向、径向或角度部分，其中所述部分具有其表面上的凹口区域和穿过其中的一系列纵向孔中的至少一个。
4.根据权利要求2所述的装置，其中不同刚度特性的所述多种材料包括定位在所述管状结构的轴向、径向或角度部分处的至少一种复合材料。
5.根据权利要求2所述的装置，其中不同刚度特性的所述多种材料包括所述管状结构的不同轴向、径向或角度部分处的至少两个材料位置。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其还包括定位装置，所述定位装置用于使所述内壳体和所述外壳体中的一个相对于所述内壳体和所述外壳体中的另一个旋转。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述定位装置包括耦接至所述内壳体的电动机。
8.根据权利要求6所述的装置，其中所述定位装置包括耦接至所述外壳体的调节环。
9.一种用于控制钻孔方向的方法，其包括：
在地下地层中的第一方向上钻孔；
改变所述钻孔内的壳体的刚度特性；
在所述地下地层中的第二方向上钻孔，所述第二方向至少部分基于所述壳体的所述改变的刚度特性。
10.根据权利要求8所述的方法，其中改变所述钻孔内的所述壳体的所述刚度特性包括使具有不均匀刚度的内壳体和具有不均匀刚度的外壳体中的一个相对于具有不均匀刚度的所述内壳体和具有不均匀刚度的所述外壳体中的另一个旋转。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述外壳体和所述内壳体中的至少一个包括管状结构，所述管状结构具有以下中的至少一个
不同刚度的多种材料，和
结构材料比另一部分少的一部分。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述外壳体和所述内壳体中的至少一个包括管状结构，所述管状结构具有以下中的至少一个
不同刚度的多种材料，和
结构材料比另一部分少的一部分。
13.根据权利要求9所述的方法，其中改变所述钻孔内的壳体的所述刚度特性包括以下中的至少一个
改变所述壳体的热条件；
改变所述壳体的化学条件；和
将电信号、磁场和电场中的至少一个施加至所述壳体。
14.根据权利要求9-13中任一项所述的方法，其中
在所述地下地层中的所述第一方向上钻孔包括将重量施加至所述钻孔内的钻头上，和使用至少部分设置在所述壳体内的驱动轴使所述钻头旋转；和
在所述地下地层中的所述第二方向上钻孔包括将相同重量施加至所述钻孔内的所述钻头上，和使用所述驱动轴使所述钻头旋转。
15.根据权利要求14所述的方法，其中使用所述驱动轴使所述钻头旋转包括使用通过所述驱动轴耦接至所述钻头的井下电机使所述钻头旋转。
16.一种用于控制钻孔方向的系统，其包括：
可变刚度壳体；
驱动轴，其至少部分地在所述可变刚度壳体内；
井下电机，其耦接至所述驱动轴和所述可变刚度壳体；和
钻头，其耦接至所述驱动轴。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述可变刚度壳体包括
外壳体，其具有不均匀刚度；和
内壳体，其至少部分在所述外壳体内并且旋转地独立于所述外壳体并具有不均匀刚度。
18.根据权利要求16所述的系统，其还包括耦接至所述外壳体的调节环和耦接至所述内壳体的电动机中的至少一个。
19.根据权利要求17所述的系统，其中所述外壳体和所述内壳体中的至少一个包括管状结构，所述管状结构具有以下中的至少一个
不同刚度的多种材料，和
结构材料比另一部分少的一部分。
20.根据权利要求19所述的系统，其中结构材料比另一部分少的所述管状结构的所述部分包括所述管状结构的至少一个轴向、径向或角度部分，其中所述部分具有其表面上的凹口区域和穿过其中的一系列纵向孔中的至少一个。
21.根据权利要求19所述的系统，其中不同刚度特性的所述多种材料包括以下中的至少一种
定位在所述管状结构的轴向、径向或角度部分处的复合材料；
不同刚度特性的多种材料包括所述管状结构的不同轴向、径向或角度部分处的至少两个材料位置。
22.根据权利要求16所述的系统，其中所述可变刚度壳体包括形状记忆合金、压电材料和压阻材料中的至少一种。
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