CN107614825A - 井下振动组件及其使用方法 - Google Patents

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CN107614825A CN201680020948.0A CN201680020948A CN107614825A CN 107614825 A CN107614825 A CN 107614825A CN 201680020948 A CN201680020948 A CN 201680020948A CN 107614825 A CN107614825 A CN 107614825A
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    • E21B4/003—Bearing, sealing, lubricating details

Abstract

在至少一个方面，本公开涉及一种用于可定位在地层中的井下工具的振动组件。该振动组件包括定位在该井下工具中的振动座圈，该振动座圈具有非平面的接合表面。该振动组件还包括在所述井下工具中被定位成与振动座圈相隔一定距离的附加座圈，该附加座圈具有与振动座圈的所述非平面的接合表面面向的另一接合表面。该振动组件还包括定位在所述振动座圈与附加座圈之间的保持架以及可定位在所述保持架中的滚子，所述滚子以可滚动方式与所述非平面的接合表面及所述另一接合表面接合，以改变所述振动座圈与附加座圈之间的距离，由此，在所述井下工具中提供轴向移动。

Description

井下振动组件及其使用方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年4月8日提交的美国临时申请No.62/144,801的优先权，其全部内容通过引用的方式并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及用于执行井场操作的技术。更具体地，本公开涉及井下设备，例如钻井工具。
背景技术
可以执行油田操作来定位和收集有价值的井下流体。石油钻塔被定位于井场，并且，诸如钻井工具的井下设备由钻柱部署到地下而到达地下储层。在地面上，设置有石油钻塔，以将管道的立管部署到井筒中而形成钻柱。可以使用诸如顶部驱动器、方钻杆(Kelly)和旋转台等的各种地面设备向管道的立管施加扭矩并将管道的立管通过螺纹连接到一起。钻头被安装在钻柱的井下端上并且从地面推进到土壤中以形成井筒。
沿着钻柱设有井底钻具组件(BHA)。BHA可以设有各种井下部件，例如随钻测量、随钻测井、遥测、马达和/或其他井下工具，以执行各种井下操作，例如为钻头提供动力以钻出井筒。美国专利/申请No.2005/003438、2009/0223676、2011/0031020、7419018、6431294、6279670和4428443以及PCT申请No.WO2014/089457中提供了BHA或井下部件的示例，它们的全部内容都通过引用的方式并入本文。
发明内容
在至少一个方面，本公开涉及一种用于能够定位在地层中的井下工具的振动组件。该振动组件包括定位在井下工具中的振动座圈，该振动座圈具有非平面的接合表面。该振动组件还包括在井下工具中被定位成与所述振动座圈相隔一定距离的附加座圈。该附加座圈具有与振动座圈的所述非平面的接合表面面向的另一接合表面。该振动组件还包括定位在所述振动座圈与所述附加座圈之间的保持架以及能够定位在该保持架中的滚子。所述滚子以可滚动方式与所述非平面的接合表面及所述另一接合表面接合，以改变所述振动座圈与所述附加座圈之间的距离，由此，在所述井下工具中提供轴向移动。
所述附加座圈可以是轴承座圈，并且所述另一接合表面可以是平面的接合表面。所述附加座圈可以是可以与所述振动座圈相同或不同的、具有另一非平面的表面的另一振动座圈。
所述振动座圈、所述附加座圈和所述保持架可以是具有贯穿延伸的通道的环形构件。所述保持架可以具有滚子孔，以将所述滚子容纳在滚子孔中。所述滚子可以是圆柱形、球形和/或截头圆锥形的。
所述非平面的接合表面可以是围绕所述振动座圈径向延伸的波形表面。所述非平面的接合表面可以是延伸到所述振动座圈的内表面中的圆形通道。所述圆形通道可以具有非平滑的表面。所述非平面的接合表面可以具有处于平滑、弯曲、正弦状、阶状、斜坡式、对称和/或非对称的构造中的波峰和波谷。所述振动座圈和所述附加座圈可具有连接件孔，以容纳穿过该连接件孔的连接件，以便连接到所述井下工具。
在另一方面，本公开涉及一种能够定位在地层中的井下工具。该井下工具包括输送装置和由所述输送装置支撑的井底钻具组件。该井底钻具组件可以包括壳体和振动组件。该振动组件可包括定位在所述井下工具中的振动座圈。该振动座圈具有非平面的接合表面。该振动组件还包括在井下工具中定位成与所述振动座圈相隔一定距离的附加座圈。该附加座圈具有与振动座圈的所述非平面的接合表面面向的另一接合表面。该振动组件还包括定位在所述振动座圈与所述附加座圈之间的保持架以及能够定位在该保持架中的滚子。所述滚子以可滚动方式与所述非平面的接合表面及所述另一接合表面接合，以改变所述振动座圈与所述附加座圈之间的距离，由此，在所述井下工具中提供轴向移动。
所述输送装置可以是钻柱，并且所述井底钻具组件可包括马达组件、轴承组件和钻头。所述振动组件可位于该轴承组件中。该井底钻具组件可包括驱动部分、调节部分和轴承组件。所述振动组件可位于该轴承组件中。该轴承组件可包括跨接壳体、轴承壳体和轴承心轴。
所述井底钻具组件可包括调节部分和轴承组件。该调节部分可包括轴承壳体和轴承心轴。所述振动组件可位于该轴承壳体与轴承心轴之间。该调节部分可以包括锁定壳体和调节环。
在另一方面，本公开涉及一种钻出穿过地层的井筒的方法。该方法包括将具有振动组件的井下工具推进到地层中。所述振动组件可以包括定位在井下工具中的振动座圈。该振动座圈可具有非平面的接合表面以及在井下工具中被定位成与所述振动座圈相隔一定距离的附加座圈。该附加座圈可具有与振动座圈的所述非平面的接合表面面向的另一接合表面。该振动组件还可包括定位在所述振动座圈与所述附加座圈之间的保持架以及能够定位在该保持架中且与所述非平面的接合表面及所述另一接合表面接合的滚子。所述方法还包括：通过使滚子沿着振动座圈的所述非平面的接合表面旋转，在所述井下工具中产生轴向移动。
所述产生还可以包括：通过使滚子沿着振动座圈的所述非平面的接合表面旋转来改变所述振动座圈与所述附加座圈之间的距离。
附图说明
可以参照附图中示出的本发明的实施例对本发明进行更具体的描述，以便能够详细地理解本公开。然而，应当注意，附图示出了示例性实施例，因此不应认为是限制本发明的范围。这些图并非一定按比例绘制，而是，为了清楚和简明起见，这些图的某些特征和某些视图可能按比例或被示意性放大示出。
图1描绘了具有用于钻出井筒的地面系统和地下系统的井场的局部剖面示意图，该地下系统包括具有马达组件、轴承组件和振动组件的井底钻具组件(BHA)。
图2A是图1的BHA的部分2A的透视图。图2B是图2A的BHA的部分2B的剖面图，更详细地描绘了振动组件。
图3A是具有另一振动组件的另一种样式的BHA的透视图。图3B是图3A的BHA的部分3B的剖面图，更详细地描绘了振动组件。
图4A和图4B分别是处于缩回位置和伸展位置的振动组件的侧视图。
图5A和图5B分别是处于缩回位置和伸展位置的另一振动组件的侧视图。
图6A至图6C分别是图4A的振动组件的一部分的正视图、透视图和分解图。
图7A至图7C分别是具有弯曲振动表面的振动座圈的正视图、侧视图和透视图。
图8A是图7B的弯曲振动座圈的部分8A的细节图。图8B是阶状振动座圈的一部分的细节图。
图9A至图9C分别是具有斜坡式振动表面的另一振动座圈的正视图、侧视图和透视图。
图10A是图9B的斜坡式振动座圈的部分10A的细节图。图10B是偏移的斜坡式振动座圈的一部分的细节图。
图11是具有球形滚子的振动组件的一部分的分解图。
图12是具有截头圆锥形滚子的振动组件的一部分的分解图。
图13是具有球锥形滚子的振动组件的一部分的分解图。
图14A和图14B分别是安装的振动座圈的侧视图和透视图。
图15是描绘钻井方法的流程图。
具体实施方式
下面的描述包括体现本主题的技术的示例性装置、方法、技术和/或指令序列。然而，应当理解，在没有这些具体细节的情况下，也可以实践所述实施例。
本公开涉及一种井下钻井工具，该井下钻井工具包括在其端部处具有钻头的井底钻具组件(BHA)。该BHA还包括带有振动组件的井下马达，该振动组件包括座圈(例如，轴承座圈和/或振动座圈)、保持架(或滚子支承件)、以及滚子。该座圈可以具有沿着座圈的各种接合表面(例如，波形面)，滚子可以接合所述接合表面。该振动组件的宽度随着滚子沿着振动座圈的所述波形(或弯曲)接合表面滚动而变化，以选择性地使该BHA伸展和缩回。可以限定沿着所述接合表面的波形，以围绕井下工具产生移动(例如，轴向振动)。例如，这种移动可以用于促进钻井和/或防止潜在的破坏性钻进效应，例如钻头回旋、卡死和/或侧向振动。
图1描绘了井场100的局部剖面示意图。虽然描绘了具有特定构造的陆基钻塔，但本公开可以涉及各种陆基或海上应用。井场100包括地面设备101和地下设备102。地面设备101包括可在地层104处定位的钻塔103，用于执行各种井筒操作，例如钻出井筒106。
地面设备101可以包括设在钻塔103处的诸如方钻杆、旋转台、顶部驱动器、电梯等的各种钻塔设备108，以操作地下设备102。可以提供泥浆池109作为地面设备101的一部分，以便使泥浆从地面设备101穿过地下设备102。可以使用诸如泵的各种流动装置来操纵泥浆在井场100的流动。
地下设备102可以包括井下钻井工具105，该井下钻井工具105包括钻柱110，其带有井底钻具组件(BHA)112和位于其端部处的钻头114。随着钻头114被推进到地层104中而形成井筒106，来自泥浆池109的流体可以穿过钻柱110、BHA 112并流出钻头114。
钻柱110可以包括在钻井操作中使用的钻管、钻铤、钻具接头、连续油管和/或其他管件。BHA 112位于钻柱110的下端处并包含用于执行井下操作的各种井下部件。如图所示，BHA 112包括马达组件115、轴承组件116和振动组件118。
马达组件115可以是可用于驱动钻头114的任何马达，例如包括转子和定子的流体驱动式钻井马达和/或电动马达。美国专利No.7419018中提供了钻井马达的示例，如前文所述，该美国专利通过引用的方式并入本文。轴承组件116可位于马达组件115与钻头114之间并具有包含在轴承组件116中的振动组件118。轴承组件116可构造成加装任何常规的BHA、马达组件和/或钻头。
BHA 112还可以包括各种其他的井下部件，例如稳定器、扩孔器、测量工具(例如，随钻测量工具、随钻测井工具、计量仪等)、通信装置(例如，遥测单元)、旋转操纵件和/或其他井下部件。例如，BHA112可包括能够产生运动的井下部件，例如脉冲发生器、震击工具和/或其他运动部件。美国专利/申请No.6279670和2015/003438中提供了脉冲发生器的示例，如前文所述，该美国专利/申请通过引用的方式并入本文。可以使用的示例性脉冲发生器是可在www.nov.com购得的AGITATORTM。可以使用的震击工具的示例包括可在www.nov.com购得的BLACK MAX MECHANICAL SHOCK TOOLTM或GRIFFITHTM震击工具(例如，63/4”(17.14cm)，其泵开口面积为17.7in2(114.19cm2))。
振动组件118和/或至少一个其他运动部件可用于提供由双箭头表示的井下工具105的移动，例如轴向移动。由此，可以单独使用振动组件118的各种移动或结合其他运动部件来操纵井下工具105的移动，以实现预期的钻井。这些移动可用于影响钻井，例如通过使钻头114移动来抵消破坏性钻进效应。如弧形箭头所示，BHA 112被旋转驱动。如沿着BHA112的轴线的箭头所示，当钻井工具105推进到井筒106中时，BHA 112可能经受压缩C。
可以提供一个或多个控制器120a、120b来操作井场100。例如，可以在地面上提供地面控制器120a，并且可以在钻井工具105中提供井下控制器120b。控制器120a、120b可以设有用于收集和/或分析钻井数据的测量和/或数据控制装置(例如，处理器、中央处理单元等)。控制器120a、120b可基于该钻井数据来操作地面设备101和/或地下设备102。
图2A和图2B示出了BHA 112的一部分的侧视图和剖面图。图2A是图1的BHA 112的部分2A的透视图。图2B是图2A的BHA 112的部分2B的剖面图，更详细地绘出了马达组件115、轴承组件116和振动组件118。
马达组件115包括驱动部分222和调节部分224。驱动部分222和调节部分224可位于轴环(例如，钻铤)中。该轴环可连接到BHA 112和/或钻柱(例如，图1中的110)的其他部件。驱动部分222可包括各种马达部件，例如定子(例如，单驱动和/或螺旋定子)和由从其经过的流体驱动的转子(例如，螺旋转子)、齿轮和/或电子装置，以产生动力来驱动钻头114。
调节部分224可以将马达组件115可操作地连接到轴承组件116，以将驱动力从马达组件115传递到钻头114。调节部分224可以包括各种调节部件，例如锁定壳体226。
轴承组件116包括跨接壳体230、轴承壳体232a、232b和轴承心轴234。跨接壳体230和轴承壳体232a、232b可以是用于连接和/或容纳BHA 112的部分的管状部分和/或允许流体从中穿过。轴承壳体232a、232b可以包括如图所示的多个部分。轴承壳体232a可经由跨接壳体230连接到调节部分224。调节环228被设置在轴承壳体232a与跨接壳体230之间。
轴承心轴234可容纳到轴承壳体232b内并在井下从轴承壳体232b延伸出。轴承心轴234可位于轴承壳体232b与钻头114之间(图1)。轴承心轴234可以包括钻头盒236，带有从钻头盒236延伸的钻头轴238和贯穿轴承心轴234的流体通道240。钻头盒236可连接到钻头114，用于将旋转从马达组件115传送到钻头114。
振动组件118位于轴承组件116内。特别地，振动组件118沿着轴承心轴234的外表面定位在轴承壳体232a内。轴承心轴234可具有带心轴台肩的阶状外表面，并且轴承壳体232a具有在轴承壳体232a和轴承心轴234之间限定一个空间的壳体台肩，以将振动组件118支撑在该空间中。可以在该空间中设置有间隔件(或者环、密封件和/或其他支撑件)241，以支撑振动组件118。
振动组件118包括轴承座圈242、振动座圈244、保持架246、滚子248和连接件250。滚子248位于轴承座圈242与振动座圈244之间。保持架246以旋转方式支撑滚子248。振动座圈244可通过诸如台肩螺栓(shoulder bolt)的连接件250固定到轴承壳体232a。振动组件118可以构造成提供如双箭头所示的BHA 112的附加移动(例如，轴向移动、锤击、振动等)。
轴承座圈242和振动座圈244可各自具有可与滚子248接合的接合表面。这些表面的形状可以限定滚子248沿着这些表面的移动，由此，可以提供如本文所述的移动，例如双箭头所示的轴向移动。可以在所述保持架中设有任意数目的滚子和开口，以实现预期的移动。
图3A和图3B示出了BHA 312的一部分的另一种构造的侧视图和剖面图。图3B示出了图3A的部分3B的细节图。除了具有与前文不同的调节部分324、轴承组件316和振动组件318，BHA 312可类似于前文所述的BHA 112。
在这种样式中，调节部分324具有处于不同构造中的锁定壳体326和调节环328。轴承组件316在井下从调节部分324延伸并包括跨接壳体330和振动组件318。跨接壳体330将轴承壳体332连接到所述调节部分。轴承壳体332是管状构件，轴承心轴234在轴承壳体332内延伸。轴承壳体332从心轴234延伸到跨接壳体330并具有螺纹连接到轴承壳体332的外表面的稳定器套筒333。
振动组件318位于轴承壳体332与心轴234之间。锁定间隔件340和附加间隔件241被设置在轴承壳体332与轴承心轴234之间的空间内，以支撑振动组件318。锁定间隔件340可以旋拧到心轴234的外表面上。
振动组件318包括轴承座圈342、振动座圈344、保持架246和滚子348。振动组件318及其部件与图2A和2B中的类似，区别在于该振动座圈344不具有连接件而是通过摩擦的方式被支撑到位，但是，它也能可选地设有连接件。振动座圈344可具有不同的构造以提供BHA312的不同的移动(例如，轴向移动、锤击、振动等)，如双箭头所示。
图4A至图5B描绘了振动组件418、518的各种构造。图4A和图4B分别示出了处于缩回位置和伸展位置的振动组件418。图5A和图5B分别示出了处于缩回位置和伸展位置的振动组件518。振动组件418、518可用作前文所述的振动组件118、318。
振动组件418包括轴承(平面)座圈442、振动(曲面)座圈444a、保持架446和滚子448，它们与振动组件118、318的轴承座圈、振动座圈、保持架及滚子类似。振动组件518包括一对振动(曲面)座圈444b、保持架446和滚子448。如这些样式中所示，轴承座圈442和振动座圈444上分别具有接合表面450a、450b，用于与滚子448接合。
如图4A和图4B所示，轴承座圈442和振动座圈444分别具有平面的(例如，平坦的)接合表面450a和非平面的(例如，波形的)接合表面450b。如图5A和图5B所示，振动座圈444上分别具有接合(或滚动)表面450b。图4A和图4B的滚子448沿着接合表面450a、450b滚动，并且图5A和图5B的滚子448沿着接合表面450b滚动。
轴承座圈442可以具有平面的表面450a，用于与滚子448平滑地接合，并且，振动座圈444可以具有非平面的(例如，波形的)表面450b，用于沿着该表面450b驱动滚子448。在一些情况下，轴承座圈442可以被替换为与振动座圈444相同或不同的、设有非平面的表面450b的另一振动座圈。
保持架446可位于振动座圈444与轴承座圈442之间或者位于成对的振动座圈444之间。保持架446可用于将滚子448围绕(例如，等距地沿着)接合表面450a、450b保持在预期位置。保持架446是环形构件，其被构造成将滚子448旋转地支撑在保持架446中和/或防止卡死和/或堵塞。随着滚子448在保持架446中就位，滚子448从保持架446中延伸出一定距离，以便与轴承座圈442和/或振动座圈442的接合表面450a、450b接合。
在一些情况下，保持架446可以省去，并且滚子448可以被支撑在所述座圈之间，使得滚子448围绕所述座圈的圆周彼此接触并且围绕圆周彼此保持等距。这种无保持架的样式例如可以与泥浆润滑轴承组(bearing stacks)一起使用。
在保持架446与接合表面450a之间限定有恒定间隙，并且，在保持架446与接合表面450b之间限定有可变间隙。当BHA 112处于压缩中时(例如，参见图1中的C)，保持架446中的滚子448沿着轴承座圈442和振动座圈444的接合表面450a、450b滚动。这种滚动可以提供凸轮效应，以在滚子448与接合表面450a、450b之间进行滚动接触。轴承座圈442和/或振动座圈444可以设有接合表面450a、450b，该接合表面450a、450b被限定为选择性地使所述振动组件伸展和缩回，以改变振动组件418、518的宽度。
当滚子448接合平滑的接合表面450a时，振动组件418的宽度没有变化。当滚子448接合波形的接合表面450b时，振动组件418改变宽度。如图4A和图4B所示，波形的接合表面450b使振动组件418在图4A的缩回位置(具有宽度X1)与图4B的伸展位置(具有宽度X2)的之间移动。移动量由沿着波形的接合表面450b的波形尺寸决定。如图所示，波形的接合表面450b的波形具有总长度dX，从而，振动组件418的移动范围和宽度变化被限定如下：
X2＝X1+dX 方程式(1)
如图5A和图5B所示，波形的接合表面450b使振动组件518在图5A的缩回位置(具有宽度X3)与图5B的伸展位置(具有宽度X4)之间移动。移动量由沿着这两个波形的接合表面450b的波形尺寸决定。如图所示，每个波形的接合表面450b的波形具有波峰和波谷，这定义了2*dX的总长度(每个表面450b具有1dX的长度)，从而，振动组件518的移动范围和宽度变化被限定如下：
X4＝X3+2*dX 方程式(2)
参照图2A至图5B，振动座圈444的接合表面450a、450b的变化导致轴承壳体和BHA112的所有附接部件以沿着接合表面450b的波形的长度dX轴向地移动。振动座圈444中的波谷的数目可对应于所述保持架中的滚子的数目并且可以围绕所述保持架均匀地间隔开。
就轴承心轴234与轴承壳体232a相比的旋转速度而言，滚子448的数目可以决定振动频率。例如，可以使用15个滚子在60RPM下提供7.5hz(及其谐波)。对于120RPM的马达，可以产生15hz的轴向振动。当滚子448与接合表面450b处于滚动接触时，保持架446能够以所述旋转速度的大约一半来旋转。
振动的振幅可以受接合表面450b中的波形的长度(例如，dX)影响。轴承座圈442和/或振动座圈444可以被相互正时(timed)，以提供预期的接合。如果这两个座圈未完全对准，则保持架446可能在所述座圈之间往复运动，而不会引起轴向移动。
该振动座圈可以包括非平面的表面(例如，可变的斜坡式表面)，以引起BHA 112的马达壳体的上部相对于心轴234和钻头114的轴向移动(例如，参见图2)。这种轻微的移动可用于对BHA 112产生良性振动，它可用于提高钻井性能。在一个示例中，可沿着BHA提供小振动以使心轴234移动，而不会对BHA的诸如密封件(例如，Kalsi型密封件)的部件造成损坏。能够以BHA的每圈旋转约8次的频率来产生振动，并且以从约0.03英寸(0.76mm)至约0.045英寸(1.143mm)的范围振动。
图6A至图6C分别示出了除去轴承座圈442的振动组件418的一部分的正视图、透视图和分解图。如这些图中所示，滚子448是围绕保持架446以夹角θ定位的圆柱滚子。圆柱滚子448被描绘为围绕保持架446等距地间隔开。保持架446能够以围绕该保持架的各种角度与保持架446的半径对准，并且可以处于各种位置、间隔、角度和/或布置。可以提供相等的间隔和角度以限定在围绕保持架446的所有角度处保持相同的间隙。可选地，可以提供偏置滚子以围绕保持架446限定各种厚度的间隙。
保持架446被描绘为具有矩形孔447的环形构件，以将滚子448容纳于矩形孔447中。振动座圈444是其上具有接合表面450b的环形构件。保持架446可定位成邻近振动座圈444的接合表面450b。接合表面450b被描绘为其上具有波形的波形表面，以滚动地接合滚子448。在本示例中，滚子448可以沿振动座圈444、以预定的速度沿着接合表面450b的波形滚动。
图7A至图8A示出了处于弯曲(或浮动)构造中的振动座圈444的各种视图。图7A至图7C分别示出了振动座圈444的正视图、侧视图和透视图。图8A示出了图7B的振动座圈444的部分8A的细节图。振动座圈444沿着该振动座圈444的接合表面450b具有波峰760和波谷762(或凹部)，在波峰760和波谷762之间具有对称的倾斜表面741。波峰760具有夹角θ，其对应于图6A的滚子的夹角θ。
如这些图中所示，接合表面450b可具有沿着接合表面450b在波峰760与波谷762之间带有平滑过渡的正弦形状。该正弦形状可以在波峰760之间具有长度S。波峰760与波谷762之间的竖直长度被示出为dX。可以改变由该正弦波形提供的形状和尺寸，以更改BHA112的轴向加速度，从而提供移动，例如振动。
图8B示出了带有阶状接合表面850b的可选变动的振动座圈844的替代样式。在该样式中，接合表面850b在波峰860、861之间具有波谷862。接合表面850b具有倾斜表面841和垂直表面843，从而沿着接合表面850b在波峰860、861之间限定台阶。该台阶提供了沿着处于角度θ1的倾斜表面841的平滑滚动以及沿着台阶843的急剧下降。
图9A至图10A示出了处于斜坡式构造中的振动座圈944的另一种样式。图9A至图9C分别示出了振动座圈944的正视图、侧视图和透视图。图10A示出了图9B的振动座圈944的部分10A的细节图。振动座圈944沿着该振动座圈944的接合表面950具有处于角度θ2的波峰960和波谷962。
在该样式中，接合表面950具有带波峰960的轮廓，包括在平坦的波峰960与弯曲的波谷962之间的对称斜坡(或斜面)964。波谷962具有半径R1，并且斜坡964具有半径R2。斜坡964从平坦的波峰960以角度θ2倾斜。
图10B示出了图10B的振动座圈1044的替代样式。振动座圈1044沿着该振动座圈1044的接合表面1050具有波峰1060和波谷1062。在该样式中，接合表面1050具有带波峰1060的轮廓，包括在平坦的波峰1060与弯曲的波谷1062之间的非对称斜坡(或斜面)1064a、1064b。波谷1062具有半径R3，第一斜坡1064a具有半径R4，并且第二斜坡1064b具有半径R5。半径R4和R5不同，从而限定了非对称的构造。斜坡1064a以角度θ3向平坦的波峰1060倾斜，并且斜坡1064b以角度θ4向平坦的波峰1060倾斜。
如图9A至图10B所示，接合表面950、1050可以具有对称或非对称的形状，沿着接合表面950、1050在平坦的波峰960、1060与波谷962、1062之间带有斜坡式过渡。该斜坡式形状可以在波峰960、1060之间具有长度S2、S3。波峰960、1060与波谷962、1062之间的竖直长度被示出为dX。可以改变由该斜坡式波形提供的形状和尺寸，以更改BHA 112的轴向加速度，由此提供移动，例如振动。可以改变由波形表面950、1050提供的形状和尺寸，以更改BHA112的轴向加速度，由此提供移动，例如振动。在一个示例中，可以选择斜坡构造，以便以预期的速度(例如轴承座圈的旋转速度的1/2)提供滚动。
图11至图13示出了振动组件1118、1218、1318的各种其他构造。如这些样式中所示，可以提供各种形状的轴承座圈1142、振动座圈1144、1244、1344、保持架1146、1246、1346和/或滚子1148、1248、1348。
在图11的样式中，轴承组件1118设有甜甜圈形状的轴承座圈1142以及其上具有凹陷接合表面1150的振动座圈1144。凹陷接合表面1150凹进到振动座圈1144的表面中。保持架1146类似于前文所述的保持架，区别在于该保持架1146具有孔1147，这些孔1147被成形为用于容纳球形滚子1148。接合表面1150也被成形为在球形滚子1148沿着接合表面1150滚动时以容纳方式接合球形滚子1148。
在图12的样式中，轴承组件1218的一部分被描绘为包括其上具有接合表面1250的振动座圈1244。保持架1246类似于前文所述的保持架，区别在于该保持架1246具有开口1247，这些开口1247被构造成用于容纳截头圆锥形滚子1248。接合表面1250可以是与前文所述的类似的接合表面，区别在于该接合表面1250也被成形为在截头圆锥形滚子1248沿着接合表面1250滚动时以容纳方式接合截头圆锥形滚子1248。
在图13的样式中，轴承组件1318的一部分被描绘为包括其上具有接合表面1350的振动座圈1344。保持架1346类似于前文所述的保持架，区别在于该保持架1346具有开口1347，这些开口1347被构造成用于容纳球锥形滚子1348。“球锥形”是指滚子1348在第一端与第二端之间具有圆的且锥形的表面，该第一端的直径小于其第二端的直径。接合表面1350可以是与前文所述的类似的接合表面，区别在于该接合表面1350也被成形为在球锥形滚子1348沿着接合表面1350滚动时以容纳方式接合球锥形滚子1348。
图14A和图14B示出了处于安装构造中的振动座圈1444的另一种变型。该样式可类似于前文所述的振动座圈，区别在于：用于使连接件(例如图2B的连接件250)穿过的孔1466用于将该振动组件安装到位。如图所示，振动座圈1444具有围绕其布置的3个孔1466，但也可以提供任何其他构造。
尽管提供了本文的振动组件的具体构造，但应理解，可以提供形状和/或尺寸的变化。例如，虽然描绘了所述保持架的开口中的滚子的具体示例，但可选地，这些滚子可以具有任何形状，例如锥形、圆锥形、球形或其他形状。在另一示例中，可以提供沿着所述接合表面的波形形状的变化，以实现预期的运动范围、速度和/或运动类型。
图15是描绘了钻井方法1500的流程图。该方法1500包括将具有振动组件的井下工具推进1570到地层中，以形成井筒。该振动组件包括本文所述的座圈(例如，轴承座圈和/或振动座圈)、保持架和滚子。方法1500还包括步骤1572：通过使滚子沿着振动座圈的接合表面滚动而在井下工具中产生轴向移动。所述方法能够以任何顺序执行并在必要时重复。
本领域技术人员将会理解，本文所公开的技术能够通过被配置有用于执行预期功能的算法的软件而实施于自动/自主应用。这些方面能够通过对具有适当硬件的一个或多个合适的通用计算机进行编程来实现。该编程可以通过使用可由处理器读取的一个或多个程序存储设备并且对可由计算机执行以进行本文所述操作的一个或多个指令程序进行编码来完成。该程序存储设备可以采取例如一个或多个软盘、CD ROM或其他光盘、只读存储器芯片(ROM)的形式，以及本领域中已公知的或后续开发的类型的其他形式。指令程序可以是“目标代码”，即：或多或少地可由计算机直接执行的二进制形式；在执行前需要编译或解释的“源代码”；或者诸如部分编译代码的一些中间形式。该程序存储设备和编码指令的精确形式在此无关紧要。本发明的方面还可构造成仅在现场和/或经由扩展通信(例如，无线、因特网、卫星等)网络的远程控制来执行所述的功能(通过适当的硬件/软件)。
虽然已参照各种实施方式和使用方式描述了实施例，但应理解，这些实施例仅是说明性的，并且，本发明的主题的范围不限于此。许多变化、修改、添加和改进都是可能的。例如，可以使用各种形状和/或构造的振动组件和/或其部件。可以提供本文所述的特征的各种组合。
对于在本文中被描述为单个实例的部件、操作或结构，可以提供多个实例。一般而言，在示例性构造中被呈现为单独部件的结构和功能可以被实现为组合的结构或部件。类似地，被呈现为单个部件的结构和功能可以被实现为分开的部件。这些和其他变型、修改、添加及改进都可落入本发明的主题的范围内。

Claims (20)

1.一种振动组件，所述振动组件用于能够定位在地层中的井下工具，所述振动组件包括：
振动座圈，所述振动座圈被定位在所述井下工具中，所述振动座圈具有非平面的接合表面；
附加座圈，所述附加座圈在所述井下工具中被定位成与所述振动座圈相隔一定距离，所述附加座圈具有与所述振动座圈的所述非平面的接合表面面向的另一接合表面；
保持架，所述保持架被定位在所述振动座圈与所述附加座圈之间；以及
滚子，所述滚子能够定位在所述保持架中，所述滚子以可滚动方式与所述非平面的接合表面及所述另一接合表面接合，以改变所述振动座圈与所述附加座圈之间的距离，由此，在所述井下工具中提供轴向移动。
2.根据权利要求1所述的振动组件，其中，所述附加座圈是轴承座圈，并且其中，所述另一接合表面是平面的接合表面。
3.根据权利要求1所述的振动组件，其中，所述附加座圈是具有另一非平面的表面的另一振动座圈。
4.根据权利要求3所述的振动组件，其中，所述附加座圈与所述振动座圈相同或不同。
5.根据权利要求1所述的振动组件，其中，所述振动座圈、所述附加座圈和所述保持架是具有贯穿延伸的通道的环形构件。
6.根据权利要求1所述的振动组件，其中，所述保持架具有滚子孔，以将所述滚子容纳在所述滚子孔中。
7.根据权利要求1所述的振动组件，其中，所述滚子具有如下形状之一：圆柱形、球形和截头圆锥形。
8.根据权利要求1所述的振动组件，其中，所述非平面的接合表面是围绕所述振动座圈径向延伸的波形表面。
9.根据权利要求1所述的振动组件，其中，所述非平面的接合表面是延伸到所述振动座圈的内表面中的圆形通道，所述圆形通道具有非平滑的表面。
10.根据权利要求1所述的振动组件，其中，所述非平面的接合表面具有处于如下构造之一中的波峰和波谷：平滑的弯曲构造、正弦状构造、阶状构造、斜坡式构造、对称构造、非对称构造及其组合。
11.根据权利要求1所述的振动组件，其中，所述振动座圈和所述附加座圈具有连接件孔以容纳穿过所述连接件孔的连接件，以便连接到所述井下工具。
12.一种能够定位在地层中的井下工具，所述井下工具包括：
输送装置；和
由所述输送装置支撑的井底钻具组件，所述井底钻具组件包括壳体和振动组件，所述振动组件包括：
振动座圈，所述振动座圈被定位在所述井下工具中，所述振动座圈具有非平面的接合表面；
附加座圈，所述附加座圈在所述井下工具中被定位成与所述振动座圈相隔一定距离，所述附加座圈具有与所述振动座圈的所述非平面的接合表面面向的另一接合表面；
保持架，所述保持架被定位在所述振动座圈与所述附加座圈之间；以及
滚子，所述滚子能够定位在所述保持架中，所述滚子以可滚动方式与所述非平面的接合表面及所述另一接合表面接合，以改变所述振动座圈与所述附加座圈之间的距离，由此，在所述井下工具中提供轴向移动。
13.根据权利要求12所述的井下工具，其中，所述输送装置是钻柱，并且所述井底钻具组件包括马达组件、轴承组件和钻头，所述振动组件位于所述轴承组件中。
14.根据权利要求12所述的井下工具，其中，所述井底钻具组件包括驱动部分、调节部分和轴承组件，所述振动组件位于所述轴承组件中。
15.根据权利要求14所述的井下工具，其中，所述轴承组件包括跨接壳体、轴承壳体和轴承心轴。
16.根据权利要求12所述的井下工具，其中，所述井底钻具组件包括调节部分和轴承组件。
17.根据权利要求16所述的井下工具，其中，所述调节部分包括轴承壳体和轴承心轴，所述振动组件位于所述轴承壳体与所述轴承心轴之间。
18.根据权利要求16所述的井下工具，其中，所述调节部分包括锁定壳体和调节环。
19.一种钻出穿过地层的井筒的方法，所述方法包括：
将具有振动组件的井下工具推进到地层中，所述振动组件包括：
振动座圈，所述振动座圈被定位在所述井下工具中，所述振动座圈具有非平面的接合表面；
附加座圈，所述附加座圈在所述井下工具中被定位成与所述振动座圈相隔一定距离，所述附加座圈具有与所述振动座圈的所述非平面的接合表面面向的另一接合表面；
保持架，所述保持架被定位在所述振动座圈与所述附加座圈之间；以及
滚子，所述滚子能够定位在所述保持架中且与所述非平面的接合表面及所述另一接合表面接合；
通过使所述滚子沿着所述振动座圈的所述非平面的接合表面旋转，在所述井下工具中产生轴向移动。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述产生包括：通过使所述滚子沿着所述振动座圈的所述非平面的接合表面旋转来改变所述振动座圈与所述附加座圈之间的距离。
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