CN107429543B - 用于井筒的定向钻进的导向组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导向组件，所述导向组件包括：具有纵向轴线的壳体；具有前连接末端和后连接末端的心轴，所述心轴穿过壳体并布置在与壳体的纵向轴线同轴的第一位置；偏转器装置，所述偏转器装置被构造为在心轴上施加侧向力以将心轴的前连接末端从纵向轴线偏移；和工具面组件，所述工件面组件被构造成使心轴的前连接末端沿期望的方向旋转。

Description

用于井筒的定向钻进的导向组件
技术领域
本发明涉及定向钻井系统的领域以及涉及在钻垂直井或水平井时控制方向的方法。更具体地，本发明涉及一种包括在用于定向钻井的钻柱中的导向组件。
背景技术
定向钻井系统是钻油气井技术领域中众所周知的系统。这种系统通常包括具有底部钻具组合(BHA)的钻柱，所述底部钻具组合包括导向组件和连接到钻柱的底端的钻头。
在定向钻井中，底部钻具组合通常包括随钻测量组件(MWD)，其中所述随钻测量组件包括用于测量关于井筒的方向(倾斜度和方位角)以及其他井下钻进参数的信息的传感器，并且所述底部钻具组合还包括用于将传感器数据沿井眼向上传送到地面控制单元的遥测发射器。此外，为了定向控制，常规的底部钻具组合包括井下马达和连结到用于使钻头旋转的轴的弯接头。可选地，旋转导向系统(RSS)可以代替井下马达或者与井下马达组合使用以提供倒向控制。RSS的优点是在整个钻柱旋转的同时允许进行定向导向控制，而井下马达单独地仅通过将钻柱保持在相对于地面特定的方向(或者工具面)上才可操纵。连续旋转钻柱的益处很多，包括钻柱和井眼之间的摩擦大大降低，从而允许钻更长距离的水平井。
旋转导向系统通常包括封装轴的管状壳体，其中所述轴具有直接或间接地连接到钻头的前端。各种导向机构可以被容纳在壳体中以改变轴的前端的方向，以便改变钻井方向。第一种旋转导向系统被构造为以“推进钻头”模式工作，而第二种旋转导向系统被构造为以“面向钻头”模式工作。在推进钻头模式下，导向的钻头主要因素是提供给钻头的侧向(或横向)力。在面向钻头模式下，导向的主要因素是钻头的角度变化或倾斜。每一种旋转导向系统都由更多的子类组成。
对于构造为以推进钻头模式工作的旋转导向系统，壳体包括推力块或一些其他偏置机构，所述推力块或偏置机构可以选择性地启动以用于在轴上施加反作用侧力，因此改变钻头的方向。
推进钻头式旋转导向系统的第一子类包括非旋转(或缓慢旋转)壳体，所述壳体由围绕该壳体的圆周分布并指向井筒的多个推力块提供。这些推力块被选择性地致动以推靠在井筒地层上并改变壳体的方向，从而使轴偏转并在钻头上提供所需的侧向力，因此使钻头在优选的钻井方向上侧向地偏转。
推进钻头式旋转导向系统的第二子类包括由固定的主体安装式扶正器提供的非旋转(或缓慢旋转)的壳体和位于壳体的圆周内侧且指向轴的偏转装置。内部偏转装置被选择性地致动，以将轴推离被扶正的壳体的中心并因此推离井筒的中心，从而在钻头上提供侧向力。
推进钻头式旋转导向系统的另一个子类包括旋转壳体，所述旋转壳体由围绕该壳体的圆周分布并指向井筒的多个推力块提供。推力块与壳体一起旋转且可以独立地从缩回位置移动到伸出位置，从而抵靠在井筒地层上并横向推动壳体偏离井筒中心，从而改变所述壳体的方向。所述系统还包括控制装置，所述控制装置在推力块横跨所选择的径向角度时致动一个推力块，使得推力块朝向所选择的方向推靠在井筒上以改变壳体的方向，从而使轴偏转并在钻头处提供所需的偏置力。当在软地层中进行钻进时，可能不适合使用将推力块推靠在井筒上的导向系统，特别是在旋转所述推力块时不适用。
对于构造为以面向钻头模式操作的旋转导向系统，用于倾斜钻头的主要方法是使轴在居中的非旋转(或缓慢旋转)的壳体内弯曲，因此使轴成角度地远离井筒的中心轴线偏转。在这种情况下，非旋转壳体包括一些形式的防旋转装置和用于使轴在非旋转壳体内偏转的机构。在这种情况下，在轴旋转的同时弯曲会导致轴疲劳，并且轴在使用一定时间后可能会断裂或变形。解决方法包括使用昂贵的材料，并且可能需要增加轴直径，这限制了偏置机构、电源和仪器的可用横截面。
除了“推进钻头”和“面向钻头”式旋转导向系统的类别之外，根据结构还存在能够像推进钻头和面向钻头系统一样导向的混合式旋转导向系统。美国专利7,188,685号中公开了这种混合式旋转导向系统的一个示例。该旋转导向系统包括连接到导向部分的上部和连接到导向部分的钻头。上部连接到接箍，所述接箍上设置有上扶正器。导向部分包括下扶正器，并通过为两个自由度的万向接头的旋转件连接到上部，使得旋转件位于下扶正器和钻头之间。活塞位于导向部分和上部之间，并且被致动以推动在万向接头上枢转的导向部分。导向部分倾斜，直到下扶正器接触地层为止，此时活塞以推进钻头作用而穿过地层。当钻进地层时，由地层施加的约束被去除，导向部分的周边被允许进一步倾斜，并且工具随后作为面向钻头系统开始导向。导向部分相对于推力块的旋转引起摩擦，这可能导致这些部件的磨损和导向部分的振动，所述振动会影响井眼的质量。
期望提供一种不具有现有技术装置的缺点的旋转式可导向系统，并且可以提供：
以推进钻头模式或面向钻头模式提供井眼导向；
最小化内部循环弯曲应力的面向钻头模式；
相对较高的转动速率(或狗腿严重度)；
易于现场维护的结构；
在提供独立的定向工具面控制的同时改变转动速率(或者狗腿严重度)的能力；
以较少的振动良好地控制钻井方向。
发明内容
根据第一方面，本发明涉及一种导向组件，所述导向组件包括具有纵向轴线的壳体和包括前连接末端和后连接末端的心轴，心轴穿过所述壳体并布置在与壳体的所述纵向轴线同轴的第一位置，导向组件的特征在于该导向组件包括：
-偏转器装置，所述偏转器装置用于向所述心轴提供侧向力，以便使所述心轴的所述前连接末端从所述纵向轴线偏移；和
-工具面组件，所述工具面组件用于使所述心轴的所述前连接末端朝向期望的方向旋转；
所述心轴可相对于所述壳体、所述偏转组件和所述工具面组件旋转。
优选地，心轴通过轴承组连接到壳体，所述轴承组包括围绕一组滚珠轴承布置的球形座。
优选地，所述工具面组件包括：
-定向套筒，所述定向套筒被至少部分地容纳在所述壳体中并围绕所述心轴布置，所述定向套筒包括具有与壳体的所述纵向轴线同轴的孔的第一套筒部和具有与第二轴线同轴的孔的第二套筒部，所述第二轴线相对于壳体的所述纵向轴线倾斜；和
-致动系统，所述致动系统用于使所述定向套筒旋转；
优选地，所述偏转器装置为偏转组件，所述偏转组件包括：
-偏转套筒，所述偏转套筒围绕所述心轴布置并与所述第二轴线同轴；和
-致动系统，所述致动系统用于使所述偏转套筒沿着所述第二轴线移动。
优选地，用于旋转所述定向套筒的所述致动系统包括与所述定向套筒的齿轮表面接合的第一齿轮致动器。
优选地，用于使所述偏转套筒沿着所述第二轴线移动的所述致动系统包括：
-第一致动套筒，所述第一致动套筒围绕所述心轴，并且被至少部分地容纳在定向套筒的所述第一套筒部中，所述第一致动套筒包括：
ο齿轮表面；和
ο齿轮末端，所述齿轮末端指向所述定向套筒的第二套筒部的孔；
-第二齿轮致动器，所述第二齿轮致动器与第一致动套筒的所述齿轮表面接合；
-第二致动套筒，所述第二致动套筒围绕所述心轴、被容纳在定向套筒的所述第二套筒部中、通过一邻接部被保持在所述第二套筒部中并围绕所述偏转套筒设置，第二致动套筒包括：
ο齿轮末端，所述齿轮末端与所述第一致动套筒的所述齿轮端部啮合；
ο螺旋导向装置，所述螺旋导向装置设置在所述第二致动套筒的内表面上；
ο线性导向装置，所述线性导向装置设置在定向套筒的所述第二套筒部中；
优选地，所述偏转套筒包括：
-第一侧部，所述第一侧部包括接合到第二致动套筒中的所述螺旋导向装置中的螺旋凸轮从动件；
-第二侧部，所述第二侧部包括与所述线性导向装置接合的第二凸轮从动件。
优选地，球形座a和滚珠轴承的组件布置在所述偏转套筒和所述心轴之间。
优选地，所述壳体的外表面还包括孔接触推力块。
优选地，所述壳体还包括一个或多个外壳，所述外壳容纳电池、控制电子组件和马达。
优选地，导向组件包括专用于旋转所述定向套筒的第一齿轮致动器和第一电动机、以及专用于旋转致动系统的第一致动套筒以用于致动偏转套筒的第二齿轮致动器和第二电动机。
在第一可能的结构中，导向组件还包括连接到心轴的所述后末端的枢转扶正器接头。
在第二种可能的结构中，导向组件还包括枢转接头，所述枢轴接接头连接到心轴的所述前末端且连接到近钻头扶正器接头，所述近钻头扶正器接头具有远离枢转接头的枢转点，并且所述枢转接头本身连接到钻头。
优选地，所述壳体被构造成在井筒中不旋转，并且用作用于对钻头进行导向的参考点。
更优选地，导向组件还包括控制电子组件，所述控制电子组件被构造为测量壳体在井筒中的任何不期望的旋转、计算用于在期望的方向上对钻头进行导向的校正、以及将这些校正施加到所述偏转组件和工具面组件。
在第二方面，本发明涉及一种用于通过在本公开中呈现的钻柱中设置导向组件来定向钻井的方法，并且其中通过操作所述偏转器装置来改变定向导向的量。
在本发明的方法中，可以通过操作所述工具面组件来进一步改变导向方向。
在本发明的方法的第一实施例中，所述导向组件被用在推进钻头结构中，并且心轴的所述前末端连接到钻头。
在根据本发明的方法的第二实施例中，所述导向组件被用在面向钻头结构使用，其中心轴的所述前末端连接到第二枢转接头，所述第二枢转接头本身连接到近钻头扶正器接头，所述近钻头扶正器接头本身连接到钻头。
本发明还可被描述为一种导向组件，所述导向组件包括：具有纵向轴线的壳体和包括前连接末端和后连接末端的心轴，心轴穿过所述壳体并布置在与所述纵向轴线同轴的第一位置；偏转器装置，所述偏转器装置用于向壳体中的所述心轴提供侧向力，以使所述心轴的所述前连接末端从所述纵向轴线偏移，其特征在于，所述导向组件还包括连接到心轴的后末端的枢转扶正器接头。
优选地，所述枢转扶正器接头布置在壳体的外部。
在本发明的另一个实施例中，心轴的前末端连接到枢转接头，所述枢转接头本身连接到直接连接到钻头的近钻头扶正器。此外，近钻头扶正器和钻头可以组合成一个单元。
优选地，所述壳体被构造成在井筒内不旋转或缓慢旋转，并且用作用于对钻头进行导向的参考点。
优选地，导向组件包括：
-偏转器装置，所述偏转器装置用于产生使所述心轴进入壳体的侧向力，以便使所述心轴的所述前连接末端从所述纵向轴线偏移；和
-工具面组件，所述工具面组件用于使所述心轴的所述前连接末端朝向期望的方向旋转；
所述心轴可相对于所述壳体、所述偏转器装置和所述工具面组件旋转。
优选地，导向组件包括控制装置，所述控制装置被构造成用于测量壳体在井筒中的任何不期望的旋转、计算用于在期望的方向上对钻头进行导向的校正、以及将这些校正施加到所述偏转器装置和工具面组件。
在根据本发明的用于定向钻井的方法中，如本公开中提出的导向组件设置在钻柱中，并且通过在所述钻柱上提供侧向力来改变钻井方向的量。
在所述方法中，可以操作工具面组件来改变钻头的工具面。
附图说明
图1a示出根据本发明的一个实施例的导向组件的横截面图，所述导向组件连接到钻头；
图1b示出根据本发明的一个实施例的导向组件的横截面图，所述导向组件连接到枢转扶正器接头，所述枢转扶正器接头本身连接到钻头。
图2a示出根据图1a和1b中所示的实施例的导向组件的第一部分的放大横截面图；
图2b示出根据图1a和1b中所示的实施例的导向组件的第二部分的放大横截面图；
图3示出根据本发明的导向组件的前部的放大横截面图；
图4示出图3中所示的导向组件的前部的三维分解图；以及
图5示出图2a中所示的导向组件的第一部分的内部的三维视图。
具体实施方式
根据第一方面，本发明涉及一种导向组件100，所述导向组件100被容纳在用于在定向井筒中对钻头进行导向的钻柱中。
根据本发明的导向组件包括心轴102和具有纵向轴线101的壳体136，其中所述心轴包括用于连接到钻头200的前连接末端103和用于连接到钻柱的后连接末端104，心轴102穿过所述壳体136并被布置在与所述纵向轴线101同轴的第一位置处。导向组件的特征在于该导向组件包括：
偏转器装置，所述偏转器装置用于使所述心轴102在壳体136中枢转，或者换句话说，在心轴上产生侧向力，例如以便使所述心轴102的所述前连接末端103偏离所述纵向轴线101；和
工具面组件，所述工具面组件用于使所述心轴102的所述前连接末端103朝向期望的方向旋转；
所述心轴102可相对于所述壳体、所述偏转组件和所述工具面组件旋转。
优选地，偏转器装置是如上面在此所述的偏转组件。可选地，偏转器装置可以是本领域技术人员已知的任何偏转器装置，例如布置在壳体136中以推动心轴102并由致动器致动的活塞或推力块。
图1a示出构造为“推进钻头”模式的导向组件的一个实施例的横截面图。术语“推进钻头”用于参照现有技术的导向系统的“推进钻头”结构，其中侧向力施加在心轴上以改变心轴相对于壳体的轴线的偏移。在本发明中，通过将心轴102的后末端104连接到枢转扶正器接头131使心轴的弯曲被最小化，以使得当侧向力施加在心轴102上时，心轴相对于枢转点旋转，并且心轴102的前末端103与壳体的轴线偏移。心轴的前末端连接到钻头200。
有利地，枢转扶正器接头131布置在壳体136的外部。这种布置简化了导向组件的构造和制造，并且枢转扶正器接头131可以被容易地移除和更换。枢转扶正器接头131还为导向组件提供更多的灵活性，并且可以以更高的狗腿钻出井筒。
图1b示出与图1a中所呈现的相同的导向组件的横截面图，其中附加装置布置在心轴102的前端103和钻头200之间，使得导向组件被构造为“面向钻头”模式。心轴102的后末端104连接到第一枢转扶正器接头131，并且心轴102的前末端103连接到枢转接头135，所述枢转接头135连接到近钻头扶正器133，所述钻头扶正器连接到钻头200。近钻头扶正器133具有远离枢转接头135的枢转点139定位的翼片134，以便获得更好的“指向钻头效果”，其中所述翼片用作可防止钻头侧面切开地层并在该点处保持井眼在中心的推力块扶正器。在这种结构中，当将力施加在心轴102的横向侧部时，心轴围绕枢转扶正器接头131的枢转点131’旋转，心轴的前末端103相对于壳体136的纵向轴线101以α角度指向第一方向。枢转接头135允许钻柱从中心或井筒脱位。由近钻头扶正器133和井筒壁形成的支点使得钻头相对于壳体的纵向轴线101以β角度指向第二方向，其中角度β与α成正比但沿着相反方向，这取决于支点和钻头之间的距离。
这两种上述结构表现出的优点为心轴102在对钻头的方向施加变化时不会弯曲，使得心轴上的疲劳减小，因此导向组件的耐久性和钻头的定向控制得到改进。有利地，枢转接头135也在壳体136的外部，以简化导向组件的结构并便于维护。
图2a示出根据本发明的一个实施例的导向组件的第一部分的放大视图。心轴102通过轴承组连接到壳体136，所述轴承组包括连接到壳体136的内表面且围绕一组滚珠轴承130布置的球形座105，所述一组滚珠轴承允许心轴102相对于壳体136自由旋转。球形座105布置在心轴102和壳体136之间，以便允许心轴102相对于壳体136枢转运动，并提供心轴102和壳体136之间的径向和/或轴向的负载耦合。优选地，轴承组布置在壳体的后端附近以及心轴102的后末端104附近。
在图5中示出壳体136的内部更详细的三维视图。壳体136包括隔室或外壳123，所述隔室或外壳用于布置用于与地面通信并操作偏转组件和工具面组件的一个或多个电池124、控制电子组件125以及马达126和127。
图2b呈现导向组件的第二部分的放大视图，示出了工具面组件和偏转组件。所述工具面组件包括定向套筒106，所述定向套筒被容纳在所述壳体136中且围绕所述心轴102布置。定向套筒106包括具有与壳体的纵向轴线101同轴的孔的第一套筒部106a和具有与第二轴线137同轴的孔的第二套筒部106b，所述第二轴线137相对于壳体的所述纵向轴线101倾斜。优选地，第二套筒部106b的外表面与壳体136的纵向轴线101以圆柱形同轴，并且具有适于防止井筒的碎屑穿过进入到壳体内的外径。例如，第二套管部106b的外径大于或等于壳体136的承载定向套筒106的端部的外径。可选地，第二套筒部106b的外径可以基本上等于或大于壳体136的承载定向套筒106的端部的内径。由于第二套筒部106b的孔沿着第二轴线137倾斜，因此第二套筒部106b的外径大于定向套筒的第一套筒部106a的直径。为了提供更加紧凑的导向组件，优选地是定向套筒106被部分地容纳在壳体136中，且第一套筒部106a布置在壳体136的内部，而第二套筒部106b布置在壳体136的外部。优选地，至少一个轴承，优选地止推轴承132布置在壳体136和定向套筒106之间。工具面组件还包括用于使定向套筒106旋转的致动系统，所述致动系统优选地包括接合定向套筒的齿轮表面109的第一齿轮致动器108。第一齿轮致动器108布置在壳体136中并可以由马达126提供动力。齿轮表面109优选地在壳体内布置在第一套筒部106a的外表面处。
偏转组件包括围绕所述心轴102布置并与所述第二轴线137同轴的偏转套筒107。优选地，偏转套筒布置在定向套筒106的第二套筒部106b的内部。偏转组件还包括用于沿着所述第二轴线137移动所述定向套筒107的致动系统。
用于移动偏转套筒107的致动系统的一个实施例在此结合图2b、图3和图4呈现。用于移动偏转套筒107的致动系统包括第一致动套筒110，所述第一致动套筒围绕心轴102且被至少部分地容纳在定向套筒106的第一套筒部106a中，使得齿轮表面111可以被布置在壳体136中的第二齿轮致动器113接合。第二齿轮致动器113可以由第二马达27提供动力。第一致动套筒110还包括指向所述定向套筒106的第二部分106b的孔的齿轮末端112。第二致动套筒114被容纳在定向套筒106的与第二轴线137同轴的所述第二套筒部106b的内部，并通过支座115保持在所述第二套筒部106b中。第二致动套筒114围绕绕着所述心轴102设置的所述偏转套筒107。第二致动套筒114包括：
齿轮末端116，所述齿轮末端与所述第一致动套筒110的所述齿轮末端112接合；
螺旋导向装置117，所述螺旋导向装置设置在所述第二致动套筒的内表面上。
所述偏转套筒107包括：
第一侧部，所述第一侧部包括接合到第二致动套筒114中的所述导向装置117中的螺旋凸轮从动件119；
第二侧部，所述第二侧部包括与设置在定向套筒106的所述第二套筒部106b中的线性导向装置118接合的线性凸轮120。
偏转套筒107通过包括球形座121a和滚珠轴承121b的轴承组连接到心轴102。球形座121a布置在所述偏转套筒107和本身围绕所述心轴102布置的滚珠轴承121b之间。偏转套筒107的内表面与滚珠轴承121b的外表面之间的间隙允许滚珠轴承121b相对于偏转套筒107的旋转运动，所述旋转运动以球形座121a的轴线138为中心。
为了使心轴轴线101’相对于壳体的轴线101偏转，指令被发送到控制电子组件125，以用于致动第二齿轮致动器113以使第一致动套筒110旋转，所述第一致动套筒110的齿轮末端112与相对于第一致动套筒110倾斜的第二致动套筒114的配合齿轮末端116接合。所述指令例如通过遥测发射器发送到控制电子组件。第二致动套筒114的内表面包括与偏转套筒107的螺旋凸轮从动件119接合的螺旋导向装置117。螺旋凸轮从动件119优选地布置在偏转套筒107的朝向第一致动套筒110定向的后侧部上。偏转套筒107的朝向心轴102的前端103定向的前侧部包括第二凸轮从动件120，所述第二凸轮从动件接合在固定在定向套筒的第二套筒部106b中的线性导向装置118内。线性导向装置118被阻止与第二致动套筒一起旋转，使得第二致动套筒114的旋转导致偏转套筒107沿着定向套筒106的第二套筒部106b的孔的所述第二轴线137移动。该动作将心轴102从平行于壳体136的轴线101的位置偏转到相对于壳体136的轴线101倾斜的第二位置。布置在偏转套筒107和心轴102之间的轴承组允许心轴102相对于偏转套筒107和定向套筒106的自由旋转并提供所述部件之间的结构连接。
本领域技术人员可以想到包括偏转套筒107的各种实施例和用于沿着所述第二轴线137推动偏转套筒107的装置的偏转组件的可选实施例，例如由活塞装置致动的偏转套筒或者由马达驱动的剪形装置。
为了将心轴102朝向期望的方向定向，或者换句话说，为了改变钻头的工具面，指令例如经由遥测发射器被发送到控制电子组件125，以用于致动第一齿轮致动器108以使定向套筒106旋转。控制电子器件还可以通过预编程的计算机算法来操作和提供独立于表面命令的方向控制。
在本发明的一个优选实施例中，导向组件的壳体136包括用于第一马达26和第二马达27的外壳，其中所述第一马达26连接到专用于使所述定向套筒106旋转的第一齿轮致动器108，所述第二马达27连接到专用于使致动系统的第一致动套筒110旋转的第二齿轮致动器113以用于致动偏转套筒107。在这样的实施例中，因此可以发送指令，以用于将心轴相对于壳体136的轴线101偏转到期望的偏移位置处，同时使心轴102绕着壳体136的轴线旋转以使心轴朝向期望的方向定向，或者换句话说，以将心轴的工具面朝向期望的角度改变。这样的导向组件提供了对工具面方向的更好控制，并且提供了更好质量的井眼狗腿。
壳体136例如通过在壳体的外表面上设置适于接触井筒的壁的多个扶正器推力块122被有利地构造成在井筒中不旋转。推力块122可以具有粗糙的接触表面或者可以由橡胶材料制成，以提供与井筒的壁的摩擦并可防止壳体的旋转。优选地，壳体136处于与心轴、工具面组件和偏转组件的旋转无关的位置，使得壳体136用作导向的参考点。本发明的导向组件允许在360°的整个范围内更容易地控制工具面。本发明的导向组件还允许改变心轴的前末端的偏移，以产生从小狗腿到高狗腿的狗腿变化。导向组件的灵活性是由于枢转扶正器，并且产生心轴旋转所围绕的心轴的枢转点。这种灵活性允许高管沟走向偏移量。
尽管壳体被构造为在井筒中不旋转且有利地设置有扶正器推力块122，但是可能会发生壳体由于例如通过轴承的不期望摩擦而在井筒中意外旋转。为了防止不期望的导向偏差，导向组件的壳体136优选地装配有控制器，所述控制器包括用于测量壳体136相对于其初始工具面和重力矢量的偏差的加速度计或其他测量装置。控制器优选地包括在控制电子器件组件125中，并且被构造用于测量壳体角位置的偏差、用于计算以用于偏转组件和工具面组件以便根据期望的方向导向钻头的校正、以及用于将这些校正应用于偏转组件和工具面组件。
根据本发明的第二实施例的导向组件100包括具有纵向轴线101的壳体136、包括前连接末端103和后连接末端104的心轴102、和偏转器装置，心轴102穿过所述壳体136并布置在与所述纵向轴线101同轴的第一位置处，所述偏转器装置用于在壳体136中向所述心轴102提供侧向力，以使所述心轴102的所述前连接末端103与所述纵向轴线101偏移，其特征在于，所述导向组件还包括连接到心轴的后末端104的枢转扶正器131。枢转扶正器接头131给导向组件提供更大的灵活性。偏转器装置可以是本领域已知的任何偏转器装置，例如推动心轴102从壳体136的纵向轴线101偏移的一组活塞或推力块，或者偏转器装置可以是如上所述公开的偏转组件。在心轴102上的侧向力下，心轴102绕着枢转扶正器的枢转点旋转，并且可防止心轴弯曲。由于这个特点，井筒可以以更高的狗腿被钻进。
优选地，所述枢转扶正器布置在壳体136的外部。导向组件更容易构造，在壳体中包括较少的部件，并且便于维护枢转扶正器接头的移除。
在本发明的第二实施例的另一个结构中，心轴102的前末端103连接到枢转接头135，枢转接头135连接到近钻头扶正器接头133，所述近钻头扶正器接头连接到钻头200。
优选地，所述壳体136被构造成在井筒内不旋转且用作用于使钻头导向的参考点。
优选地，导向组件包括：
偏转组件，所述偏转组件用于向所述心轴102施加侧向力以进入壳体136，以使所述心轴102的所述前连接末端103从所述纵向轴线101偏移；和
工具面组件，所述工具面组件用于使所述心轴102的所述前连接末端103朝向期望的方向旋转；
所述心轴102可相对于所述壳体、所述偏转组件和所述工具面组件旋转。
优选地，导向组件包括控制装置，所述控制装置被构造用于测量壳体在井筒中的任何不期望的旋转的、计算用于使钻头沿期望的方向导向的校正以及将这些校正应用于所述偏转组件和工具面组件。
优选地，工具面组件和偏转组件可以包括根据本发明的第一实施例的用于导向组件的上述特征中的任何一个。
优选地，第二实施例的导向组件包括本发明第一实施例的特征中的任一个。
根据第二方面，本发明涉及一种用于通过在钻柱中设置根据前述实施例中任一个的导向组件100来定向钻井的方法，并且其中通过操作所述偏转组件来改变钻井方向。
优选地，通过操作所述工具面组件进一步改变钻井方向。
更优选地，通过同时操作偏转组件和工具面组件来改变钻井方向。
在本发明的方法的一个实施例中，导向组件100以推进钻头结构使用，并且心轴102的所述前末端103连接到钻头200。
在本发明的一个可选实施例中，导向组件100以面向钻头结构使用，其中心轴102的所述前末端103连接到枢转接头135，所述枢转接头135连接到具有远离枢转接头135的枢转点139的翼片134的近钻头扶正器133，近钻头扶正器133连接到钻头200。
此外，可以通过使用为推进钻头结构的导向组件来钻井筒的第一部分，并且可以通过使用为面向钻头结构的导向组件来钻井筒的第二部分，反之亦然。

Claims (22)

1.一种导向组件，包括：
壳体，所述壳体具有纵向轴线；
心轴，所述心轴包括前连接末端和后连接末端，所述心轴穿过所述壳体并布置在与所述壳体的纵向轴线同轴的第一位置；
偏转器装置，所述偏转器装置被构造为将侧向力施加在所述心轴上，以使所述心轴的所述前连接末端从所述纵向轴线偏移，所述偏转器装置是偏转组件，所述偏转组件包括围绕所述心轴布置且与第二轴线同轴布置的偏转套筒，所述第二轴线相对于所述纵向轴线倾斜；和
工具面组件，所述工具面组件被构造成使所述心轴的所述前连接末端在期望的方向上旋转，
其中，所述心轴能够相对于所述壳体、所述偏转器装置和所述工具面组件旋转。
2.根据权利要求1所述的导向组件，还包括：
球形座，所述球形座围绕多个滚珠轴承布置，所述多个滚珠轴承被构造成将所述心轴连接到所述壳体。
3.根据权利要求1所述的导向组件，所述工具面组件还包括：
定向套筒，所述定向套筒被至少部分地包括在所述壳体中并围绕所述心轴布置，所述定向套筒包括具有与所述壳体的所述纵向轴线同轴的孔的第一套筒部和具有与所述第二轴线同轴的孔的第二套筒部；和
致动系统，所述致动系统用于使所述定向套筒旋转。
4.根据权利要求3所述的导向组件，用于使所述定向套筒旋转的所述致动系统还包括接合所述定向套筒的齿轮表面的第一齿轮致动器。
5.根据权利要求3所述的导向组件，所述偏转组件包括用于使所述偏转套筒沿着所述第二轴线移动的致动系统。
6.根据权利要求5所述的导向组件，用于使所述偏转套筒沿着所述第二轴线移动的致动系统还包括：
第一致动套筒，所述第一致动套筒围绕所述心轴且被至少部分地容纳在所述定向套筒的所述第一套筒部中，所述第一致动套筒包括：
齿轮表面；和
齿轮末端，所述齿轮末端指向所述定向套筒的所述第二套筒部；
第二齿轮致动器，所述第二齿轮致动器接合所述第一致动套筒的所述齿轮表面；
第二致动套筒，所述第二致动套筒被容纳在所述定向套筒的所述第二套筒部中，由一邻接部被保持在所述第二套筒部中并围绕所述偏转套筒设置，所述第二致动套筒包括：
齿轮末端，所述齿轮末端接合所述第一致动套筒的齿轮末端；和
螺旋导向件，所述螺旋导向件设置在内表面上；
线性导向件，所述线性导向件设置在所述定向套筒的所述第二套筒部中；以及
所述偏转套筒还包括：
第一侧部，所述第一侧部包括与所述第二致动套筒中的所述螺旋导向件接合的螺旋凸轮从动件；
第二侧部，所述第二侧部包括与所述线性导向件接合的第二凸轮从动件；和
球形座和滚珠轴承的组件，所述组件布置在所述偏转套筒和所述心轴之间。
7.根据权利要求1所述的导向组件，其中，所述壳体的外表面还包括孔接触推力块。
8.根据权利要求1所述的导向组件，其中，所述壳体还包括一个或多个外壳，所述外壳容纳电池、控制电子组件和马达。
9.根据权利要求6所述的导向组件，还包括：
第一电动机，所述第一电动机连接到专用于使所述定向套筒旋转的第一齿轮致动器；和
第二电动机，所述第二电动机连接到专用于使所述致动系统的所述第一致动套筒旋转并用于致动所述偏转套筒的所述第二齿轮致动器。
10.根据权利要求1所述的导向组件，还包括：
枢转扶正器接头，所述枢转扶正器接头连接到所述心轴的所述后连接末端。
11.根据权利要求1所述的导向组件，还包括：
枢转接头，所述枢转接头连接到所述心轴的所述前连接末端，并且连接到具有一个或多个翼片的扶正器，所述一个或多个翼片远离所述枢转接头的枢转点延伸，所述扶正器连接到钻头。
12.根据权利要求11所述的导向组件，其中，所述壳体被构造成在井筒中不旋转并用作用于对所述钻头进行导向的参考点。
13.根据权利要求11所述的导向组件，还包括：
控制器，所述控制器被构造成用于测量所述壳体在井筒中的角位置的偏差，计算用于在期望的方向上对所述钻头进行导向的校正，以及将校正施加到所述偏转器装置和所述工具面组件。
14.一种用于定向钻井的方法，包括以下步骤：
将导向组件设置在钻柱中，所述导向组件包括：
壳体，所述壳体具有纵向轴线；
心轴，所述心轴包括前连接末端和后连接末端，所述心轴穿过所述壳体且布置在与所述壳体的纵向轴线同轴的第一位置；
偏转器装置，所述偏转器装置用于向所述心轴提供侧向力，以使所述心轴的所述前连接末端从所述纵向轴线偏移，所述偏转器装置是偏转组件，所述偏转组件包括围绕所述心轴布置且与第二轴线同轴布置的偏转套筒，所述第二轴线相对于所述纵向轴线倾斜；和
工具面组件，所述工具面组件用于使所述心轴的所述前连接末端朝向期望的方向旋转，
其中，所述心轴能够相对于所述壳体、所述偏转器装置和所述工具面组件旋转；和
操作所述偏转器装置以改变钻进方向的量，或者操作所述工具面组件以改变所述钻进方向，或者操作所述偏转器装置和所述工具面组件两者以改变所述钻进方向的量和所述钻进方向。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述导向组件被用在推进钻头结构中，由此所述心轴的所述前连接末端连接到钻头。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述导向组件被用在面向钻头结构中，由此所述心轴的所述前连接末端连接到枢转接头，所述枢转接头连接到扶正器，所述扶正器连接到钻头。
17.一种导向组件，包括：
壳体，所述壳体具有纵向轴线；
心轴，所述心轴包括前连接末端和后连接末端，其中所述心轴延伸穿过所述壳体并布置在与所述纵向轴线同轴的第一位置；
偏转器装置，所述偏转器装置被构造成向所述壳体内的所述心轴提供侧向力，以使所述心轴的所述前连接末端从所述纵向轴线偏移，所述偏转器装置是偏转组件，所述偏转组件包括围绕所述心轴布置且与第二轴线同轴布置的偏转套筒，所述第二轴线相对于所述纵向轴线倾斜；和
枢转扶正器接头，所述枢转扶正器接头连接到所述心轴的所述后连接末端。
18.根据权利要求17所述的导向组件，其中，所述枢转扶正器接头设置在所述壳体的外部。
19.根据权利要求17所述的导向组件，其中，所述心轴的所述前连接末端连接到枢转接头，所述枢转接头连接到近钻头扶正器，所述近钻头扶正器连接到钻头。
20.根据权利要求17所述的导向组件，其中，所述壳体被构造成在井筒内不旋转，并且用作用于对钻头进行导向的参考点。
21.根据权利要求20所述的导向组件，还包括：
控制器，所述控制器被构造为测量所述壳体在所述井筒中的角位置的偏差，计算用于在期望的方向上对所述钻头进行导向的校正，以及将校正施加到所述偏转器装置和工具面组件。
22.一种用于定向钻井的方法，包括以下步骤：
将导向组件设置在钻柱中，所述导向组件包括：
壳体，所述壳体具有纵向轴线；
心轴，所述心轴包括前连接末端和后连接末端，其中所述心轴延伸穿过所述壳体并布置在与所述纵向轴线同轴的第一位置；
偏转器装置，所述偏转器装置被构造成向所述壳体内的所述心轴提供侧向力，以使所述心轴的所述前连接末端从所述纵向轴线偏移，所述偏转器装置是偏转组件，所述偏转组件包括围绕所述心轴布置且与第二轴线同轴布置的偏转套筒，所述第二轴线相对于所述纵向轴线倾斜；和
枢转扶正器接头，所述枢转扶正器接头连接到所述心轴的所述后连接末端；和
操作所述偏转器装置，以改变钻进方向的量。
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