CN108431363B - 旋转导向钻井工具 - Google Patents

Abstract

本文中所描述的旋转导向钻井工具和系统组合指向钻头式技术与推靠钻头式技术两者来主动地改变钻孔轨迹的方向。在此系统中，相对于固定到所述旋转导向钻井工具并随其旋转的坐标系，钻头的偏转限于单个自由度，从而简化了钻头组合件与偏置单元机构的附接。另外，通过在所述工具旋转时动态地控制所述钻头相对于固定地面基准的一致对称双向往复偏转的空间相位和振幅来实现井的转向，同时指向并推动钻头。可在转向操作期间可变地控制钻头偏转的振幅和力，以视需要动态地调整瞬时造斜率。当转向不主动时，所述钻头可以机械方式锁定到中间位置中。

Description

旋转导向钻井工具

技术领域

本发明中所公开的设备和方法涉及钻井和精确地导航并放置井孔轨迹，包含用于生产烃原油或天然气的井。更具体地说，本发明中所公开的设备和方法涉及一种可转向的旋转钻探井底组合件和一种容积式电源部分，所述组合件与所述电源部分可独立地使用或彼此组合地使用。

背景技术

旋转导向钻井系统长期以来用于烃定向钻探中。一般来说，此类系统已使用“推靠钻头式”或“指向钻头式”技术。前一种类型的系统在给定方向上持续使钻头离心，而后一种类型改变钻头相对于工具的其余部分的方向。两种类型的现有旋转导向系统提供显著的优点，但都还具有某些缺点，如在下文进一步详细论述。

旋转导向钻井设备和方法的一个早期公开内容至少追溯到1973年，并由Bradley在第3,743,034号美国专利(在下文中称作“Bradley”)中描述。本公开涵盖一系列话题，例如使用泥浆驱动的井下涡轮机或电马达以驱动正排量液压泵，使用万向接头来连接可相对于彼此任意且持续地铰接的两个轴，和将液压活塞用作致动器来持续维持在工具旋转时相对于地面基准恒定的期望偏移方向。因为Bradley先于井下工具中的微处理器的商务申请，所以其依赖于使用有线钻探管来高速遥测连接到表面，其中绝缘电导体段被嵌入钻探管的每个接头中(如由Fontenot于1970年在第3,518,699号美国专利中描述) 以通过钻探管将电信号传送到表面以便控制工具的转向。Bradley公开了通过调节打开和关闭活塞控制阀的时间长度来控制偏置单元的偏转角度，同样的阀也控制此配置中的钻探方向，以允许更多或更少量的流体进入或离开活塞，从而改变活塞的往复运动的振幅。

旋转导向工具的一些先前设计使用钻井泥浆和跨越钻头的压降来致动偏置单元机构，而不论其是使用指向钻头式技术、推靠钻头式技术还是所述两种技术的组合。其它先前工具设计可使用泥浆涡轮机驱动电气交流发电机以产生电力来使钻头位移并维持角度位移。

作为本公开的主题的旋转导向设备解决了与现有旋转导向系统相关联的许多操作限制。首先，重要的是应注意，本公开涵盖两个相异的发明，所述两个发明在下文更详细地加以描述——动态可变排量轴向活塞泵和将钻头的铰接限制在单个自由度上的铰链接头(而非具有2个或更多个自由度的万向接头)，从而提供钻头的空间相控一致对称双向偏转。两个发明可一起使用，但还可独立于另一者而使用。术语“空间定相”是指在工具旋转时与相对于例如重力或地球磁场等固定地面基准铰接钻头相关的事件或动作的动态时序。根据工具上的参考标记相对于重力(重力工具面)或地球磁场(磁性工具面)的瞬时旋转定向(工具面)来表达空间相位。

首先，动态可变排量轴向活塞泵的优点是，仅在极窄范围的泥浆流速下使用井下固定正排量泵来产生水力。如果涡轮机在流动范围的低端处产生足够多的动力，那么除非可允许的流动范围极其窄，否则涡轮机将很可能在流动范围的上端处产生过多动力，从而限制了工具推动器针对效率和安全而优化钻探参数且不破坏工具的能力。本文中所公开的动态可变排量轴向活塞泵的新颖用途通过执行以下操作来解决此问题：在泥浆流增大时动态地减少泵每转的排量以维持恒定的动力输出，并在泥浆流减小时动态地增加泵每转的排量。其次，不管是静态的还是振荡的，钻头偏转的振幅可受进一步调整动态可变排量泵每转的排量控制，从而允许独立于在工具旋转时控制钻探的方向而控制钻头铰接的振幅，而不管目标是否是维持独立于旋转的恒定钻头偏移角或钻头在与钻铤的旋转相同的频率下往复。

如本文所使用，术语“动态可变排量轴向活塞泵”是指由驱动轴驱动的液压泵，其具有可配置有对称地布置于气缸中的两个或更多个活塞，所述活塞在平行于圆柱形活塞区块的旋转轴线的方向上往复。在本公开的以下章节中进一步详细描述此泵的结构。每个活塞的一端可以接触并在旋转斜板的表面上滑动的“滑块杯”结束。旋转斜板未连接到驱动轴。替代地，旋转斜板安装于单独的轴上，其中心线与传动轴的中心线正交但相交。当旋转斜板垂直于驱动轴的轴线时，这被称作“零度”的旋转斜板角度。在此旋转斜板位置中，当气缸体旋转时，活塞不往复且泵的排量是零。当旋转斜板的倾斜角增大到某一角度θ时，活塞开始往复，从而根据方程式而增加泵的排量Q＝Q_O×sin(θ)，其中Q_O＝[Q_MAX/sin(θ_MAX)]，其中Q_MAX是最大实际旋转斜板角度θ_MAX下的驱动轴的每旋转泵的最大实际排量。活塞的另一端连接到泵的液压流体端口“A”和“B”。取决于旋转斜板角度是正的还是负的，分别情况水：“A”将是出口且“B”将是入口，或“A”将是入口且“B”将是出口。旋转斜板角度可受电气致动器或液压致动器通过连接到旋转斜板的连杆控制。旋转斜板的位置可由线性可变差动变压器(“linear variable differential transformer，LVDT”)或简单电位计测量。在优选实施例中，旋转斜板角度受转向控制模块动态控制。

再次，使用动态可变排量轴向活塞泵允许瞬时且持续可变地控制弯曲区段中的井孔的双向折弯强度，而不必绕过过量的高压流体回到储罐。对于使用钻井泥浆和跨越钻头的压降以致动转向控制表面的工具，致动通常是全部或不存在。在那些状况下，不可能部分地致动钻头偏转。通过允许钻头偏转的部分致动，可在钻探时实现并维持转向调整的更精细粒度。

本文中所公开的第二本发明涉及将关于工具的钻头的铰接限制到单个自由度的铰链接头。如将在随后的论述中解释，相对于工具上的固定点将钻头的铰接限制于单个自由度和使用相对于固定地面基准空间相控的一致对称双向偏转以控制钻探的方向，允许使用单轴铰链而非两自由度万向接头以将钻头附接到旋转导向钻井工具的底部。所需以使井转向并完全受益于新颖旋转导向钻井工具的简化机构的新颖方法被称作钻头的“空间相控一致对称双向偏转”。此将稍后在本公开中更详细地解释。铰链将钻头的运动限制于单个自由度。但是，需要两个自由度以便使井朝向预期目标转向。在本公开的发明中，在向前钻探时通过旋转导向钻井工具的旋转提供第二自由度。

底部钻具组合件或“bottom hole assembly，BHA”描述钻柱的以钻头终止并朝孔向上延伸到仅低于钻探管的下端的点的下部或底部部分。除了钻头以外，BHA还可由用于添加的重量的任何数目个钻铤或专用钻铤组成，可或可不包含专用钻铤，例如但不限于：稳定器、管下扩孔器、正排量泥浆马达、弯接头、用于测量各种地层和环境参数(用于针对和时间而确定地层中的流体的混合和体积或地层岩性、或地层和钻孔机械特性或钻孔倾角和方位角)的仪表化钻铤、或旋转导向工具，例如本公开的对象。选择是给定 BHA的部分的组件以优化钻探效率以及井孔放置和几何形状。

钻头偏转的时序或空间定相受控制，以使得对相对于地球静止的观察者，钻头针对每180°的BHA旋转在同一方向上往复地偏转。相反地，对随工具旋转，即，相对于工具静止的观察者，对于工具的每360度旋转，观察者将看到朝向固定参考标记(“切割道”)的正钻头偏转，继之以远离切割道参考标记的负钻头偏转，所述两个偏转事件由 180°的工具旋转分离。

将在随后的公开中进一步解释相对于钻铤上的固定点使用单个铰接自由度的其它益处。虽然其并非本发明的优选实施例，但是应理解，液压动态可变排量泵也可用以控制除上文所描述的旋转导向工具以外的井下工具，包含但不限于具有多个致动器和具有多个铰接自由度的枢轴的更常规系统，以在相对于地球固定的特定方向上持续维持钻头的铰接角度，到控制地球同步组合件的反向转速以在工具旋转时维持地球同步组合件相对于地球的固定定向。

发明内容

本发明的一个方面的目标是提供一种新颖的动态控制旋转导向钻井工具，其以可螺接方式连接到旋转驱动组件，例如泥浆马达的输出轴或由钻井设备的转台或顶部驱动装置驱动的旋转钻柱，所述旋转导向钻井工具使得能够通过使井孔朝向表面下目标精确地转向来对选定井孔区段进行定向钻探，不管所述井孔区段是弯曲的还是直的。所述旋转导向钻井工具将能够在单次钻头运行中以指定倾角和方位角从套管鞋钻出、将弯道和排水孔钻到目标深度和目标“范围”，从而最小化完成井的钻机时间。

本发明的此方面试图解决的一个问题是最小化动态控制旋转导向钻井工具的机械复杂度。在优选实施例中，这通过使用最简单地将钻头组合件铰接式地附接到旋转导向钻铤的下端，也就是通过简单的铰链来得以实现。钻头组合件包含附接到铰接式钻头轴的底端的钻头。借助于简单的铰链接头将所述钻头轴的上端附接到所述钻铤限制相对于参考坐标系将钻头组合件铰接到单个自由度，所述参考坐标系附接到旋转导向钻铤(“工具坐标系”)并随其旋转。在主动转向操作期间，借助于随旋转导向钻铤旋转的单个双向致动器，钻头组合件的长轴与旋转导向钻铤的旋转按相同频率往复地、双向地且对称地偏转。其它机械简化可从由传感器组成的可选9轴虚拟地球同步导航平台的计算实施方案衍生，所述传感器已封装于固定到旋转导向钻铤并随其旋转的物理腔室中，由此消除相对于旋转导向钻铤逆旋转但以其它方式是旋转导向BHA的部分的任何地球同步和/ 或近地球同步机械组合件或设备。消除对地球同步和/或近地球同步机械组合件的需要会消除对于旋转电气连接件(例如滑环)、压力密封件和轴承的附属需要。

本文中所公开的旋转导向钻井工具设备的上述实施例与其它旋转导向钻井工具之间的一个差异是：双向往复钻头轴以机械方式借助于单轴铰链连接到旋转导向钻铤的底部，所述单轴铰链将来自旋转导向钻铤的扭矩和重量传递到钻头轴和钻头。此设计对比更复杂的附接和致动机构与多个非相依致动器，需要所述机构来针对在旋转导向工具旋转时相对于地面基准在给定方向上持续指向钻头的工具而支持两个或更多个铰接自由度，旋转导向工具例如是花键球接头、CV接头或的通用接头。对于在给定方向上持续使钻头离心的推靠钻头式工具，需要多个致动器和/或控制表面，且在钻探时维持离心钻头位置的能力可受配置的致动器的数目和放置约束。

相对于重力或磁北在特定方向上使井转向的方法通过在工具旋转时控制所述钻头轴相对于重力工具面(GTF)或磁性工具面(MTF)的所述一致对称往复偏转的空间定相来得以实现。(零度的瞬时GTF对应于称为“切割道”的工具上的参考标记朝向钻孔的顶部定向的时刻。180°的瞬时GTF对应于切割道朝向钻孔的底部定向的时刻。类似地对于MTF，零度的瞬时MTF对应于切割道朝向磁北定向的时刻；且180°的瞬时MTF 对应于切割道朝向磁南定向的时刻。在极佳地竖直的钻孔的状况下，GTF的值是不可确定的。且类似地对于MTF，在钻孔方位角是正北或正南且钻孔的倾角等于地球磁场的局部倾斜的状况下，接着MTF的值是不可确定的。)这使得钻头能够优选地移除钻孔的特定侧(“前侧”)上的地层，同时移除钻孔的相对侧(“背侧”)上的更少地层，以便出于渐进地朝向预期几何或地质学目标钻探弯曲和/或直井孔的目的或为了主动地钻探竖直井孔而改变井孔朝向目标倾角和/或方位角的方向。此方法允许略微地从零放大到弯曲区段中的标称钻头直径的约5％的钻孔直径，由此在BHA和其它管穿过双向折弯滑动或旋转时降低BHA和其它管上的摩擦力和机械应力集中，从而在钻柱上产生更少拖曳，并因此在钻头在弯道中和弯道下方时在钻头上产生更多重量和扭矩。在钻探时钻孔在转向操作期间的轻微放大是钻头在工具旋转时的转向运动的直接结果。这将在下文的图7C 和7D的论述中详细解释。钻头在转向操作期间的偏转在优选转向方向上使钻头的有效切割直径增大百分之几。当在工具被转向的方向上优选地从孔的“前侧”移除额外材料的同时，从孔的“背侧”移除更少材料，从而产生具有略微地放大的钻孔直径的弯曲井孔轨迹。本文中所公开的新颖方法的另一优点是：在转向操作期间，当在弯道中时，额外机械切割动力在钻头向前钻探时被添加到钻头。这是由于由于转向操作而向钻头赋予的额外运动。在工具旋转时维持钻头的恒定偏心或成角定向的其它方法不会向钻头添加任何额外切割动力。实际上，提供给钻头12的额外机械切割动力产生弯道中的更快钻探和更高的总体钻探效率。

此外，使用定向钻探的钻头的空间相控一致双向对称往复运动的方法与传统指向钻头式系统直接形成对比，传统指向钻头式系统相对于BHA旋转轴线和在钻铤在转向操作期间旋转时独立于旋转导向钻井工具的旋转的固定地面基准而持续维持钻头旋转轴线的给定偏移角，从而需要具有两个或更多个自由度的机械铰接和致动。此外，使用钻头的空间相控一致双向对称往复偏转与传统推靠钻头式系统直接形成对比，传统推靠钻头式系统相对于BHA旋转轴线和在钻铤在转向操作期间旋转时独立于旋转导向钻井工具的旋转的固定地面基准而持续维持钻头旋转轴线的恒定平行侧向偏移，从而需要具有两个或更多个自由度的机械致动以在给定方向上持续产生侧向离心力。

本发明的一些实施例使用由钻井泥浆提供动力的动态可变排量轴向活塞泵，其调节可从钻井泥浆驱动涡轮机得到的可变和/或波动的输入动力，并还响应于偏置单元致动器的动力需求而调节经加压液压流体到负载的输出流速，以瞬时且持续地控制钻头轴和钻头的一致对称双向往复的偏转力和偏转振幅。术语“偏置单元”描述旋转导向工具的在给定方向上使工具“偏置”或转向的那个区段。偏置单元由钻头、用于使钻头离心或铰接钻头的致动和控制构件、钻铤、一个或多个可选定心器以及电源组成。泵的输出以垂直于铰链的轴线和BHA的旋转轴线两者定向的力轴线驱动单个双向液压活塞，所述力轴线出于在所述选定方向上使井孔转向的目的而致动钻头轴和钻头的所述空间相控一致双向对称往复。在主动转向操作期间，动态可变排量轴向活塞泵使得能够持续可变地控制所述钻头组合件的所述一致对称往复偏转的振幅，以便控制井孔的所述方向改变的双向折弯强度(弯曲速率)、并响应于地层的机械特性、钻头的切割动力学和健康、滞滑旋转的检测到的发端而动态地控制施加到钻头的侧向转向力和/或允许滞滑旋转直到某一预设限度。

在工具的实施例中，所述一致钻头往复的振幅和空间定相受机载井下工具微控制器和/或微处理器组合件控制。此组合件可具有变化的配置，所述配置可包含微控制器和/或微处理器、存储器、非易失性存储器、输入/输出通道、各种导航传感器、和/或存储到存储器的所述组合件在处于操作中时执行的编程。井下工具微控制器和/或微处理器组合件响应于表面产生的命令或从获取到的井下导航参数导出的自发算法命令或其组合而产生转向控制信号。因此，本发明的旋转导向钻井工具是动态可调节的，而工具定位在井下，并在钻探期间用于视需要可控地改变井孔轨迹的倾角和方位角。所述一致往复的空间定相独立地受控制，与往复的振幅分离，同时旋转以在给定方向上渐进地钻井。相反地，可独立于所述往复的空间定相而独立地动态调整所述往复的振幅，以持续且渐进地提高或降低井孔的弯曲速率以实现预期井孔轨迹并优化井孔品质和平滑度。在本发明的实施例中，在转向操作期间，操作液压致动器的个别阀中的每一个的工作周期是 50％，即，每个阀的导通时间大致等于断开时间。另外，阀相对于彼此异相。当一个阀接通时，另一个阀关断。当一个阀从关断转变到接通时，另一个阀从接通转变到关断。当工具旋转时，关于GTF或MTF的阀门控制信号的时序控制工具钻探的空间方向而非钻头铰接的振幅。替代地，控制动态可变排量轴向活塞泵的旋转斜板角度控制钻头铰接的振幅。在工具旋转时独立于钻头的铰接的时序而独立地控制铰接的振幅的此方法产生平滑且可重复的所得钻头运动，而不论铰接的振幅。此方法应与由Bradley公开的方法形成对比，所述方法将在工具尝试相对于工具的旋转轴线在恒定方向上维持钻头的恒定偏移角时引起块状且突然的钻头移动。Bradley公开使个别阀的工作周期变化，所述个别阀操作液压致动器中的每一个以控制钻头铰接的振幅，同时控制每个阀接通和关断的时序以控制工具钻探的方向。

旋转导向钻井工具可依赖于加速计、磁力计和陀螺仪以提供导航信息以用于使用于生产油气或喷射水和/或蒸汽的地下井转向。这些导航传感器可封装到旋转导向钻井工具内的次级组合件中，所述次级组合件相对于钻铤反向旋转以使得传感器相对于常常被称作“地球同步平台”的地球维持静止关系。但是，反向旋转地球同步平台的概念就密封件、轴承和滑环来说带有附属机械复杂度，以及控制并维持以可变BHA旋转速率的反向旋转和地球同步平台的显著机械惰性的构件。Bradley US 3,743,034建议使用直接安装到旋转钻铤中的腔室的“惯性参考”——在此状况下，已封装到工具的定位于万向接头连接件下方的铰接区段中的“例如万向(sic)陀螺仪平台的中心等参考”——以确定钻头在哪个方向上指向。“惯性参考”按照定义是非旋转或地球同步参考。因此，通过在旋转外壳中平衡环安装陀螺仪，陀螺仪是按陀螺的角动量维持陀螺仪平台相对于地球的恒定定向的实际地球同步参考。

本发明的实施例中，加速计和磁力计已封装于包括“非惯性旋转导航平台”的工具中并随其旋转。依赖于旋转导航平台而非地球同步惯性导航平台的一个益处是：可最小化或抵消导航传感器，具体地说加速计和磁力计，的物理安装对准误差以提高测量的准确性，其结果是钻孔的放置将是如由客户期望。当使用加速计和磁力计时，存在机械未对准误差的至少两个来源。第一个是其封装内的装置的未对准，且第二个是将封装安装到工具中的PC板或底盘的未对准。机械未对准误差影响传感器的灵敏度轴线中的每一个的相对正交性。加速计会在未精确地安装于工具旋转轴线上时进一步受向心效应影响。对于一些双轴线微机电系统(“micro-electrical-mechanical system，MEMS”)，通过用以制造装置的光刻工艺确定轴线的相对正交性，从而产生接近完美的正交性，在相较于垂直安装的单轴装置时实际上消除误差来源。当主动地使竖直井孔和钻孔的倾角(倾斜)转向按照定义极接近于零度时或当钻孔倾角接近水平时，由未对准引起的误差可以是重要的。当主动地钻竖直井时，倾角典型地指定为介于1竖直度内。举例来说，对于 10,000英尺目标深度，竖直井孔区段的底部不应相对于表面上的钻井设备或海床的海底入口点在任何方向上横向地漂移多于175英尺。对于通过旋转导航平台进行的重力和磁场的横向测量，在DC处发生未对准和电气偏移误差，而所关注的测量与工具的旋转速率具有相同交流频率。另外，可通过标准化一个通道相对于另一个通道的AC测量的振幅以提高测量的准确性来易于动态地校正由安装未对准引起的两个正交横向通道之间的任何增益或灵敏度差异。另外，对于横磁场测量，将需要小的校正以补偿与旋转频率成正比的AC电磁集肤效应。相位校正可多达15°，且振幅校正可多达2.6dB。所述效果是可重复的，并可依据频率和温度而凭经验导出。对于通过旋转导航平台进行的重力和磁场的轴向测量，按等于工具的旋转速率的频率发生未对准误差。AC误差信号的振幅将产生轴向未对准的定量指示，以允许将小的修正系数应用于测量的DC分量。对AC 误差信号的恰当的低通滤波将移除误差。对于轴向磁信号，不需要对电磁集肤效应的补偿，这是因为不管钻铤是否旋转，磁场的轴向分量都处于DC下。但是，使用旋转导航平台不会消除对于DC偏移和轴向装置的增益热特征化以及横向装置的增益热特征化的需要。

举例来说，假设在通过地球同步导航平台钻探的竖直井中，x、y和z加速计各自相对于固定到工具的笛卡尔坐标系在任意方向上按某一任意小角度未对准。接着当进行可耗费若干分钟来获取的静态调查时，加速计相对于工具的轴线的未对准将影响调查的准确性，并除非恰当地校准并考量误差源，否则将所述误差源引入到井孔轨迹中。考虑加速计通常相对于随工具旋转的笛卡尔坐标系而彼此垂直地安装，其中z轴定向成以使得其使井下沿着BHA的旋转轴线指向钻头。两个其它横向轴线被标记为“x”和“y”，并形成具有“z”的右手侧坐标系，以使得i_x叉乘i_y等于i_z，其中i_x、i_y和i_z是对应于附接到工具的其相应笛卡耳轴线的单元向量。当旋转时，对于z轴传感器，未对准误差以不同方式针对x和y横向传感器表现。对于横向传感器，初级灵敏度与旋转轴线正交，这得到具有等于旋转频率的频率和与钻孔倾斜角的值成正比的振幅的AC信号。横向未对准误差沿着工具轴线在z方向上得到小的向量灵敏度。因此，由未对准引起的横向传感器误差响应独立于工具旋转，即，横向传感器误差响应是DC偏移。使用重叠，总横向传感器信号是在上面具有小DC偏移重叠的初级AC信号。对于传感器，对话是真的，未对准误差得到横向于工具轴线的小向量灵敏度。使用重叠，总轴向横向传感器信号是与地球重力乘以倾斜角的余弦加其上面重叠的小AC未对准误差信号成正比的初级DC 信号。但是，仅通过跨积分数目个BHA旋转平均化样本来消除轴向传感器的未对准误差。

在竖直井孔使得工具的z轴精确地与地球的重力向量对准的状况下，即，当倾斜角是零度时，x和y横向加速计将不具有任何AC分量，仅具有小的DC传感器偏移。当横向加速计的AC振幅是零时，此确认井孔是竖直的。当钻孔开始远离竖直方向偏离时，即，当钻孔开始倾斜时，x和y横向加速计的AC振幅开始增大，其中振幅与倾斜的量成正比。轴向定向的z轴加速计测量倾斜角的余弦乘以地球重力，且因为倾斜角的余弦实际上不对小的倾斜角改变灵敏，所以当轴向加速计与地球重力向量对准时，不适合于竖直钻探控制。在实践中，对于旋转的工具轴线相对于地球重力向量按某一角度倾斜的状况，可动态地使用横向加速计，以通过使用横向加速计的AC信号的基频的振幅来将钻孔倾角量化成直到约75°的倾角。在约75°上方，来自“z轴”加速计的DC信号应用于钻孔倾角的动态测量。

当按BHA的旋转速率动态地使用加速计时，高斯噪声减少技术用以减轻由随机冲击和振动引起的加速的影响。对于最佳结果，导航加速计的频率响应受装置的物理学限制带，以使得装置本质上不对于可以是大的高频冲击和振动灵敏，从而饱和所关注频带外部的装置，影响所关注带内的装置的准确性。“所关注频带”通常理解为意味着低于 BHA的最大旋转速率约2倍或3倍的频率。此外，恰当的装置选择将最小化振动校正影响，从而允许针对钻孔倾斜倾角、钻孔倾斜方位角和工具的瞬时GTF和MTF的稳固计算而实现噪声滤波的完全益处。

本发明的实施例依赖于完全自发虚拟地球同步平台，其具有自动校正和自校准测量以产生相对于地面基准或目标在期望方向上动态地转向旋转导向钻井工具所需的信号和时序。三个正交加速计、三个正交磁力计、和三个正交速率陀螺仪安置于工具中以覆盖广泛范围的钻探条件、井孔倾斜角度、和地球磁场邻近井壳体或在以下情况下变形的状况：井孔轨迹北南或南北延行且井孔倾斜倾角在几个度内与地球磁场的局部倾角重合。这9个轴线跨介于零RPM直到数百RPM的广泛范围的BHA旋转速率动态地组合。旋转虚拟地球同步平台的“地球同步”输出是钻孔倾斜倾角和钻孔倾斜方位角。瞬时或动态输出是GTF、MTF、GTF与MTF之间的局部角度(角度X)、以及瞬时旋转频率。这6个输出用以控制使钻头动态地偏转并致使旋转工具在相对于地球固定的特定方向上使井转向的致动器的时序。

在实施例中，虚拟地球同步平台可包含分离的虚拟地球同步平台微控制器和/或微处理器组合件(“virtual geostationary platform microcontroller and/ormicroprocessor assembly，VGPMA”)，或其可使用另一系统的，例如如上文所描述的旋转导向组合件的微控制器和/或微控制器组合件。如果配置，那么VGPMA可具有可包含以下各项的变化配置：微控制器和/或微处理器、存储器、非易失性存储器、输入/输出通道、各种传感器、和/或存储到存储器的所述组合件在处于操作中时执行的编程。此外，如在以上段落中所论述，虚拟地球同步平台可配置有包含以下各项的传感器：三个正交加速计、三个正交磁力计、和三个正交速率陀螺仪，前述各项全部向VGPMA或取代处理系统，例如旋转导向组合件的处理系统提供输入。此传感器输入数据的处理系统接着处理此信息以计算位置并确定任何潜在未对准误差。视情况，传感器数据和/或其它数据可记录到存储器。

在此实施例中引用的速率陀螺仪不用于惯性导航；它们既不是惯性指导所需的寻北陀螺仪也不是万向架支承的。所述速率陀螺仪沿着工具坐标系的每个轴线测量BHA的旋转速率，来确定关于钻探动力学和运动学的参数。z轴陀螺仪测量工具围绕z轴的瞬时旋转速率，以识别并纠正钻头滞滑运动和磁性干扰的区域。x轴和y轴陀螺仪在钻探时响应于冲击和振动而给出工具的运动的指示。也就是说，如果BHA的由于冲击的移动是平移，那么x和y陀螺仪将不读取任何相对旋转。但是，如果x和y陀螺仪感测分别与y轴和x轴加速计相关的BHA移动的旋转分量，那么这意味着工具对冲击和振动的响应包含孔中的偏航和俯仰，且运动包含摆锤类分量。此运动可识别钻孔倾斜的错误指示，以使得其可恰当地被标识为孔中的工具倾斜而非孔的倾斜。

用于工具转向控制的电子仪器和处理并入有多个反馈传感器、导航传感器和微控制器、和/或用于处理来自各种传感器的组合的输入以基于传感器输入而使工具转向的微处理器组合件、任何预编程控制参数、和/或自表面或其它井下系统传达的额外控制输入。在实施例中，信号获取、噪声减少和动态误差校正处理使得能够准确实时地计算瞬时工具面测量和BHA旋转速率以及静地压井孔轨迹参数，而不管工具是旋转的还是静态的，由此消除对于导航传感器的地球同步或近地球同步平台的需要，并实现即刻且瞬时的井孔航向校正而不会中断并对钻探过程透明。另外，众所周知的技术是投入按已知间隔，例如倾角，分离的两个类似测量，以动态地计算并监测瞬时双向折弯强度，以使得可实时地进行对造斜率的抢先式调整，而不中断旋转钻探和转向操作，且不必下行链接来自表面的深度和/或ROP信息且没有表面产生的命令。另外或替代地，应变计可用以基于钻铤在其在井的弯曲部分中或穿过所述弯曲部分旋转时的完全逆转弯曲的振幅而确定双向折弯强度。

此外，在实施例中，旋转导向钻井工具的电子装置和控制仪器可与从表面到井下工具的下行链路信道组合，这允许更新工具和/或对来自表面的工具重新编程，以便适应性地确定或改变井孔方位角和倾角的期望目标值，同时继续旋转和/或转向。在实施例中，除了所需导航仪器以外，工具还可并入有用于各种地层评估测量的仪器，所述测量例如平均和/或象限自然γ射线检测、多深度地层电阻率、密度和中子孔隙度、声波孔隙度、钻孔电阻率成像、向前查找/周围查找感测、井孔直径的超声波测径规测量、以及钻探力学。在工具的机载电子装置的实施例中，电子非易失性存储器能够记录并保持和/或记录并传输，或仅实时或使用缓冲存储器来延迟地将传输井孔调查的完整集合和其它数据，以实现地质学转向能力，以使得可有效地使用旋转导向钻井工具来在给定直径的情况下钻探井的所有区段。当定位于正排量泥浆马达下方时，来自旋转导向工具的实时数据可以无线方式短途遥测到定位于泥浆马达上方的合适远程接收器工具，并接着通过泥浆脉冲、电磁(“electromagnetic，EM”)遥测到表面，或如可变得可用的其它遥测。在实施例中，用于控制和操作电磁阀和仪器、获取、和短途遥测电子装置的电能由井下电池、泥浆涡轮机供电交流发电机或所述两项的组合提供。此外，系统可由其它井下发电系统供电。

附图说明

图1说明具有底部钻具组合件(“BHA”)的已部署旋转钻头管柱的侧透视图。

图2A和2B说明旋转导向钻井工具的实施例，并示出到旋转导向钻井工具的钻头附接的两个正交侧视图。

图2C从观察者从井口看向钻头的角度说明图2A和2B中示出的旋转导向钻井工具的钻头的实施例，并出于参考目的而定义笛卡尔坐标系。

图3A-1、3B-1、3C-1和3D-1说明旋转导向钻井工具的实施例，并示出在工具动态地下降角度时到旋转导向钻井工具的钻头附接的一系列正交侧视图。

图3A-2、3B-2、3C-2和3D-2说明旋转导向钻井工具的实施例，并从观察者从井下看向钻头的角度示出分别在图3A-1、3B-1、3C-1和3D-1中示出的旋转导向钻井工具的钻头，并出于参考目的而定义笛卡尔坐标系。

图4A到4B示出说明旋转导向钻井工具的实施例的内部结构的剖视侧面透视图，并示出钻头和钻头轴的往复运动的两个视图。

图5示出图4A到4B中示出的旋转导向钻井工具的杆臂致动器的放大截面。

图6A到6B示出说明旋转导向钻井工具的实施例的内部结构的侧透视图，并示出用以在转向操作不主动时在居中位置中锁定钻头的杆臂锁定机制的操作的两个视图。图6A是锁定。图6B是解锁。

图7A到7D说明用于致动旋转导向钻井工具的钻头的实施例。

图8A到8D说明用于虚拟地球同步平台的导航模块的实施例。

图9说明具有配置有虚拟地球同步平台的底部钻具组合件(“BHA”)的已部署旋转导向工具管柱的侧透视图。

图10说明用于钻探油气井的另一应用，并示出动态可变排量轴向活塞泵的输出可通过液压管线连接线液压马达由此形成液压传动的实施例。

图11A到11B说明液压马达的输出轴可被配置成驱动旋转泥浆阀来产生泥浆脉冲遥测的又一应用实施例。

图12说明用于切割侧壁芯的闭环可反转液压系统的动态可变排量轴向活塞泵的应用。

图13示出用以针对取样地层流体而驱动狗骨式泵的现有技术。

图14示出使用闭环配置中的动态可变排量轴向活塞泵来控制并驱动狗骨式泵的实施例。

具体实施方式

参考图1，井孔10示出为由在钻柱14的下端处连接的旋转钻头12钻探，钻柱14 朝上延伸到其由转台16或典型钻井设备8的顶部驱动装置6驱动的表面。钻柱14通常由连接到底部钻具组合件(BHA)28组成的钻探管18的区段，BHA 28具有出于向钻头 12施加重量的目的而在其中连接的一个或多个钻铤20。图1的井孔10示出为具有竖直或大体上竖直的上部部分22和偏离的弯曲或水平下部部分24，在根据本发明的一个方面建构的在26处大体上示出的旋转导向钻井工具的主动控制下钻探下部部分24。如将在下文详细描述，旋转导向钻井工具26被建构和布置成致使钻头12沿着由旋转导向钻井工具26的控制设置根据本文中所公开的原理指定的弯曲路径钻探。钻井泥浆沿钻柱 14的内部向下抽汲，流经BHA 28并流出钻头12中的喷口之外，并返回到在环带30中具有钻孔插条的表面。BHA 28包含直接连接到主动受控制的旋转导向钻井工具26的底部的钻头12。BHA还可包含其它钻探工具，例如用于控制旋转速度和扭矩的正排量泥浆马达、和用于控制钻头上的重量的推进器。此外，钻柱内的这些组件的布置可由钻探人员根据广泛多种钻探特性来基于其经验和偏好而选择，广泛多种钻探特性例如正被钻探的弯曲井孔区段的转弯半径、正被钻探的地层的特性、用于钻探的钻井设备的特性、和发生钻探的深度。因为这些其它钻铤的可能组合和排列的数目是大的，所以它们将不在本公开中枚举。可以说，钻柱中的这些额外组件相对于主动受控制的旋转导向钻井工具26的放置和布置于本发明的构造和操作原理有关。

图2A和2B说明旋转导向钻井工具(“RSDT”)26的实施例，并示出到RSDT的钻头12附接的两个正交侧视图。被称作切割道7的RSDT上的固定参考点可或可不可见地标示于RSDT的钻铤上。不管是否可见地标示，切割道相对于旋转导向钻井工具的机械和电子特征固定并随其旋转，并为由转向系统执行的计算充当空间参考点。对于此论述，从观察者朝向钻头井下观察的角度，定义图2C中示出的3维参考笛卡尔坐标系将是有用的，钻头附接到旋转导向钻井工具并随其旋转。参考笛卡尔坐标系的原点203是 RSDT的中心线50与x和y轴的相交点点。x轴204通过原点203并与切割道7垂直相交。y轴205与x轴正交，并平行于铰接3的铰链5轴线。与行业标准命名法一致，图 2A和2B中示出的z轴206与RSDT的中心线50共线，并在具有增大的测量深度的井下方向上是正的，并在具有减小的测量深度的井口方向上是负的。选择y轴205的极性以使得x、y和z轴始终形成右手侧坐标系。单元向量I_x、I_y和I_z满足以下向量乘积关系： I_xΥI_y＝I_z；I_yΥI_z＝I_x；和I_zΥI_x＝I_y。参考图2A，可定义平行于x轴的直线片段，x轴从RSDT的中心线50延伸并垂直于中心线50并在切割道7上终止，从而形成工具定向向量60。当工具在相对于地球重力场非竖直的井孔中旋转时，RSDT的瞬时GTF据称是0°，或在工具定向向量60的竖直分量在与地球重力向量相对的方向上指向时“向上”。相反地，当工具在相对于地球重力场非竖直的井孔中旋转时，RSDT的瞬时GTF据称是 180°，或在工具定向向量60的竖直分量在与地球重力向量相同的方向上指向时“向下”。

再次参考图2C，其适用于定义附接到并随旋转导向钻井工具旋转的工具圆柱形坐标系。z轴206保持与针对3D笛卡尔坐标系定义相同。参见图2A中的AA横截面图， x和y轴被半径r 210和角度θ(theta)212替换。当描述工具上的点时，其半径“r”等于(x²+y²)^1/2。角度θ相对于切割道7定义并在切割道处是零度，并当在井下方向上在+z 方向上观察而查看时在顺时针方向上是正的。

参考图2A和2B两者中所说明的RSDT的实施例，钻头组合件借助于由以下各项组成的单轴铰链组合件5在RSDT的底部端处附接：优选地与旋转导向钻井工具钻铤43 成一体的轭41、在其下端上拧进钻头12中并在其上端处与轭41配合的钻头轴33、和配合到轭41和钻头轴33的上端中的铰链销37。如图2A和2B两者中所示出，铰链销 37的定向平行于工具参考笛卡尔坐标系的y轴205，从而使所述定向垂直于工具定向向量60和RSDT的中心线50两者。工具定向向量60将在工具圆柱形坐标系中处于0°的方向上。铰链5允许钻头轴33围绕铰接3的铰链5轴线相对于旋转导向钻井工具钻铤43以单个自由度铰接。

这与指向钻头式系统形成对比，指向钻头式系统使用多自由度全向枢转或通用接头，以使得可在工具旋转时相对于地球同步坐标系(不随工具旋转但参考地球的坐标系)使钻头的偏转维持恒定。如将在下文更详细地论述，当主动受控的RSDT旋转时，使用本发明的此方面来在特定方向上改变井孔的方向通过钻头轴33和钻头12的空间相控一致对称双向往复来得以实现。

一对稳定器翼片35可在钻头轴上按θ₂₁₂＝0°和180°与钻头轴33成一体或可焊接到钻头轴上，从而在铰链销37上方延伸以提高RSDT的可转向性。此外，可有用的是：在钻头正上方添加一对全轨距稳定器翼片，其中所述翼片按θ₂₁₂＝90°和270°居中以进一步提高RSDT的可转向性。针对BHA稳定性和可转向性，视需要，一个或多个固定的稳定器翼片39可定位且安装于铰链上方的RSDT钻铤43的外径上。稳定器翼片39可以是直轮叶状或弯曲叶片状的、圆柱形或西瓜形的、与预期造斜率和由钻探人员期望的井下钻探特性一致。

图3A-1、3B-1、3C-1、3D-1、3A-2、3B-2、3C-2和3D-2中的工具“快照”示出针对井孔是下降角度，即，弯道的“前侧”向下的情境而被旋转并转向RSDT时的一系列4侧和从下到上端视图。铰链上方的钻铤标记为43并在工具中心线50上旋转。每个图中的工具的瞬时GTF定向由切割道7和工具定向向量60的位置标识。为清楚起见，钻头轴的偏转放大且稳定器翼片未示出。

每个图中的旋转方向在所述表面查看时是顺时针的，且由标记有符号“W”(ω)的弯曲箭头显示。当RSDT旋转时，钻头轴33和钻头12相对于工具中心线50而偏转。为方便起见，工具参考笛卡尔坐标系的轴线在每个图片上叠加。z轴206与工具的中心线50共线。x轴204和y轴205都横向于工具中心线50。对于此论述，在z轴206、x 轴204与铰接铰链轴3的相交点处示出参考坐标系203的原点。铰接铰链轴3与y轴205 共线。钻头相对于RSDT旋转的中心线50的偏转由希腊字母西塔(δ)标记，其是由钻头轴33的长轴85和RSDT的中心线50形成的角度。角度δ的符号规则在钻头轴33远离切割道7偏转时是负的，并在钻头轴33朝向切割道7偏转时是正的。在每个图中的底部端视图上标记GTF角度0°、90°、180°和270°。这些角度相对于地球重力向量固定并不随工具旋转。

在图3A-1、3A-2中，切割道7“向上”且GTF是0°。在图3C-1、3C- 2中，切割道7“向下”且GTF是180°。“右”和“左”的方向从钻机的视角定义，与图3B- 1、3B- 2 和3D- 1、3D- 2中示出的端视图相对。在图3B- 1、3B- 2中，切割道7处于90°下。等于90°的GTF被称作“右”，这是因为那个方向上的钻头偏转将致使钻孔右转。类似地对于图 3D- 1、3D- 2，切割道7处于270°下，这被称作“左”，这是因为那个方向上的钻头偏转将致使钻孔左转。图3A-1、3A-2示出按某一负角δ远离切割道7偏转的钻头轴33的长轴85，但因为切割道GTF是0°，所以钻头12优选地移除孔的低侧上的材料。图3C-1、 3C- 2中的快照在RSDT已从其在图3A-1、3A-2中的快照中的定向旋转180°之后截取，并示出按某一正角δ远离切割道7朝向的钻头轴33的长轴85，但因为切割道GTF是180° (指向下)，所以钻头12再次优选地移除孔的低侧上的材料。

图3B- 1、3B- 2和3D- 1、3D- 2中的快照示出钻头轴33的与RSDT的中心线50对准的长轴85。在此位置中，钻头12与孔的“背侧”直径进行短暂的接触，并因此比其通常将在直行钻探时在转向操作期间从孔的“背侧”直径移除更少材料。当激活转向且RSDT 旋转时，相对于井孔转向的空间方向同步相控的钻头12在与BHA的旋转相同的频率下的此对称往复运动是本发明的方法和设备的唯一方面。

在RSDT的实施例中，钻头12和钻头轴33的往复运动可由图4A和图4B中示出的机制致动。杆臂87由杆臂87的下延伸部121在铰链5处附接到钻头轴33，下延伸部 121通过与铰接3的铰链销轴线正交的钻头轴33的中间与中心线孔啮合。提供此连接处的弹性泥浆密封件91以防止钻探液在延伸部121与铰链5啮合时在杆臂延伸部121周围流出。杆臂延伸部121包含其自有中心线孔，中心线孔对于钻头轴33中的中心线孔打开以准许钻井泥浆通过来到达钻头12和钻头中的喷嘴。在此实施例中，杆臂87由两个平行轨道的和接合到下端延伸部121的多个间隔件和紧固件组成。在图4A中，当杆臂87朝向切割道7成角度地位移时，钻头12和钻头轴33将借助于铰链5的动作远离切割道7在相对方向上成角度地位移。相反地，在图4B中，当杆臂87远离切割道7成角度地位移时，钻头12和钻头轴33将借助于铰链5的动作朝向切割道7在相对方向上成角度地位移。在此实施例中，杆臂87的角度位移由液压伺服活塞组合件95致动，但可使用其它构件，例如具有连杆的轴向液压伺服活塞、具有或不具有连杆的电气致动器、或钻井泥浆活塞。所有此类变化处于本发明的范围内。钻头12的角度位移借助于铰链的动作与杆臂87的角度位移相等且相对。钻头12的最大角度位移受杆臂87的最大角度位移限制，最大角度位移受杆臂致动伺服活塞组合件95的最大位移限制。

图4A和图4B中示出的实施例包含含有动态导航传感器和定位于杆臂87的两个平行轨道之间的获取电子装置的电子装置外壳67。外壳的中心线与钻铤43的中心线50共线，并借助于机械支撑件68固定地安装到钻铤43。借助于导线管130提供电气连接，导线管130从上电子装置腔室(未示出)延行直到电子装置外壳67的下端。外壳随钻铤旋转，并且不对杆臂87的移动而反向旋转或往复。在此实施例中，没有工具、机械或电子装置的部分相对于RSDT的旋转而反向旋转，但是本发明的此方面不会禁止某些组件的此反向旋转。

图5示出致动伺服活塞组合件95的杆臂87的详细视图。此实施例示出为具有并联液压连接的两个活塞106，以最小化通过RSDT呈现给泥浆流的横截面区域、以进一步平衡到杆臂87的枢轴附接114力、以及以便利地将组合件封装到可用体积中。可使用单个伺服活塞，前提条件是：当将伺服活塞配合到可用体积中时，在液压系统的操作限度，即最大流速和输出压力的情况下可实现足够的致动力。存在两个上腔室105和两个下腔室107。上腔室105通过液压旋转接头113和液压管路109液压连接到电源。下腔室107通过液压旋转接头115和液压管路111液压连接到电源。当来自泵(未示出)和控制阀(未示出)的高压液压流体连接到下部活塞腔室107且上部活塞腔室105连接到低压液压箱/储集器75(未示出)时，接着活塞组合件95的外壳将朝下移动，从而致使杆臂的末端远离切割道7朝下移动并致使钻头朝向切割道7朝上偏转。相反地，当来自泵(未示出)和控制阀(未示出)的高压液压流体连接到上部活塞腔室105且下部活塞腔室107连接到低压液压箱/储集器75(未示出)时，接着活塞组合件95的外壳将朝上移动，从而致使杆臂的末端朝向切割道7朝上移动并致使钻头远离切割道7朝下偏转。一旦已按设计确定了钻头组合件的最大角偏转，那么可选择活塞组合件95相对于铰链轴3(图4A和图4B)的放置和活塞组合件的可允许以限制钻头12的对应最大角度位移。

图6A和6B示出杆臂87的可用以在转向操作不主动时在居中位置中锁定钻头的锁定机制125的操作。杆臂87以包括安装托架116和公楔形件117的楔形件组合件终止。闸板组合件包括母闸板103、轴119、活塞101和弹簧99。容纳弹簧99的腔室液压连接到储罐。活塞101的高压侧借助于液压通道123液压连接到高压流体。

图6A示出转向停用且楔形件117通过闸板103以机械方式啮合且由弹簧99固持在适当位置的状况。此对应于以下状况：系统液压是低的，从而允许弹簧99迫使母闸板 103与公楔形件117啮合。此以机械方式将杆臂87锁定于居中位置中并防止其移动。图 6B示出启用转向的状况。当液压操作压力增大时，高压液压流体流经通路123，从而缩回活塞101、压缩弹簧99、并使母闸板103与公楔形件117脱啮，由此允许杆臂87的往复移动。

图6B对应于以下状况：杆臂87任意移动但由RSDT的转向控制系统在制备转向操作的开始的过程中短暂地主动固持于居中位置。图4A和4B示出以下状况：主动转向启用，且在主动转向操作期间在成角度偏转的位置中示出杆臂87。如果杆臂87不由RSDT 的操作主动地转向，那么杆臂87将在如图6A中所示出的锁定位置中。作为故障安全，如果管线123中的液压操作压力出于任何原因而减小到低于由弹簧99设定的阈值，那么锁定闸板103与楔形件117啮合并将钻头12返回到锁定和居中位置。

图7A到7D示出用于在转向时致动钻头运动的液压实施例和与那个相关联的方法。图7A是RSDT的液压系统的示意图。动力由安装于驱动轴83上的由钻井泥浆提供动力的涡轮机71提供，驱动轴83连接到动态可变排量轴向活塞泵70、小型进料泵72和小型电交流发电机73。借助于轴向活塞泵致动器74动态地控制动态可变排量轴向活塞泵 70的排量，轴向活塞泵致动器74控制内部非旋转旋转斜板相对于驱动轴旋转的轴线的角度。动态可变排量轴向活塞泵70的每驱动轴旋转排量受旋转斜板的角度控制。在零度下，泵的排量基本上是零cc/rev。当旋转斜板处于其最大可允许角度下时，将实现泵的最大排量。进料泵72通过过滤器F1从储集器75抽出液压流体，并通过低压入口管线97向动态可变排量轴向活塞泵70提供最小流量。一旦起动，那么动态可变排量轴向活塞泵70将通过过滤器F2和止回阀78以及低压入口管线97从液压储集器75抽出额外流体。动态可变排量轴向活塞泵70同时实现两个重要功能，即，动态地从泥浆动力涡轮机71调节提供给系统的水力的量、和动态地调节提供给杆臂致动活塞组合件95的动力的量。将调整旋转斜板角度以补偿致动钻头12的转向运动所需的驱动轴83转速或泵70输出流速的改变。由钻井泥浆提供动力的涡轮机71被设计成处置由钻机和工具推动器决定的切实可行的范围的泥浆流速。这需要所述工具以满动力按最小流速和最小泥浆重量起作用，这意味着通过假设定量泵，在最大流速和最大泥浆重量下将存在过量的动力。因为轴向活塞泵70出于输入和输出动力调节的目的而被特别涉及，所以当可用涡轮机71输入动力增大时，可调整轴向活塞泵70的旋转斜板以仅产生由工具需要的动力，且因此，轴向活塞泵70将不会产生过量的动力。过量的动力必须作为热耗散，而不进行任何有用功。当流速和/或泥浆重量增大时，旋转斜板角度动态地减小以仅产生对于任何给定负载所需的动力。在泵的放电或负荷侧上，由负载需要的水力由BHArpm 和转向操作期间的钻头偏转的所需振幅决定。如果由RSDT需要的动力动态地增大，那么旋转斜板的角度将由致动器74响应于来自转向控制处理器的控制信号而动态地增大。

当转向停用时，从泵需要的动力基本上是零瓦特机械等效动力；且泵70的旋转斜板角度将接近零度。在此状态下，阀86关断且通过液压管线81和止回阀80将来自泵70的流动分流到储罐75。阀86还将压力管线123连接到储罐75，以使得杆臂锁定机制 125以机械方式将杆臂87锁定于居中位置中，这是因为活塞101不对弹簧99提供阻力，从而借助于轴119迫使楔形件103与锁定闸板117机械啮合。在转变时间期间，当转向操作首先启用时，电子控制器向阀86的螺线管84发送将其改变成“接通”状态的信号，并向旋转斜板致动器74发送增大旋转斜板的角度的信号，从而致使泵入管线81的输出压力增大，这会通过来激活活塞101并压缩弹簧99从而缩回轴119来缩回杆臂锁定机制125的母闸板103。同时，阀90和94将都分别由到螺线管92和96的“接通”信号激活。这向杆臂致动活塞组合件95的两个腔室105和107施加相同的压力，从而通过防止液压流体在腔室105与107之间转移的止回阀88和89的动作在中心位置中短暂地液压锁定杆臂。一旦到阀螺线管92和96的定时信号交替地打开并关闭阀90和94，如由图7B中的曲线51和52示出，那么钻头的转向运动开始。(将在图7B的论述中解释这些曲线。)提供高压蓄压器93以消除可由阀94和90的短暂开关产生的任何瞬态压力尖峰；且连同止回阀80，高压蓄压器93设置成局部高压储集器以将杆臂锁定机制125 保持在中，直至阀86“关断”为止，从而允许杆臂锁定机制将闸板103与楔形件117啮合。在图7A中，过减压由减压阀76和77提供。如果液压管线81中的压力超出释压阀 77的预设释放压力，那么将通过借助于止回阀79和管线97将流体泄放回到轴向活塞泵 70的入口侧来得以释放。如果轴向活塞泵70的入口侧上的压力过高，那么其将通过借助于释压阀76将流体泄放回到储罐75来得以释放。

对于给定输入轴83旋转速率，钻头偏转的振幅与旋转斜板的角度成正比。这揭示动态可变排量轴向活塞泵70的另一优点，也就是说，可响应于检测到独立于阀90和94 的定时的钻头12的滞滑旋转而动态地减小钻头偏转的振幅。当振幅增大时，如果检测到滞滑旋转的发端，那么可立刻减小旋转斜板的角度以缓解或避免滞滑条件，直至钻探参数已响应于传输到表面的井下钻探机构警报而改变为止。轴向活塞泵70的又一优点彼：可逐渐相入和相出转向操作以避免井壁中的凸耳的形成。通过缓慢增大动态可变排量轴向活塞泵70的旋转斜板角度，RSDT将通过以受控制方式反向羽化钻头12的偏转振幅来顺利地从直孔区段转变到弯曲孔区段。当是时候暂停转向操作时，旋转斜板的角度将逐渐减小到零度，从而致使钻头12的偏转以受控制方式羽化回到零。

图7B示出是本发明的一个方面的实施由RSDT使用的钻头12的相控同步对称双向往复偏转的方法的优选时序和波形的图式。对于图7B中的曲线，对于RSDT的两个连续旋转，每个曲线的x轴是0°到360°的范围内的GTF。图7B中的曲线与先前论述和图 3A-1、3B-1、3C-1、3D-1、3A-2、3B-2、3C-2和3D-2中示出的“下降角度”情境一致。所属领域的普通技术人员应理解，波形相对于彼此的相对时序将保持相同来在其它方向上使井转向，波形的仅与GTF(或MTF)相关的空间定相将不同。但是，对于此实例，目标是在孔的底部的方向上或在GTF等于180°方向上使井孔转向。此外，当有必要将x轴从GTF转换成时间时，隐含地假设420RPM的旋转速率。

当使井转向时，钻头偏转的调制受内建电子装置控制模块(图8A到8D中示出) 控制，所述控制模块借助于其相应螺线管96和92重复地且交替地激活阀94和90。内建电子装置控制模块将提供在任何期望方向上使井转向所需的螺线管控制信号的正确空间定相。在图7B中，曲线51示出将螺线管96驱动到控制阀94的控制信号。曲线 52示出将螺线管92驱动到控制阀90的控制信号。曲线51和52的绘图的y轴针对接通分配1的逻辑值，并针对关断分配0的逻辑值。如先前陈述，图中的所有曲线的绘图的 x轴是RSDT的切割道7的瞬时GTF。绘图的x轴横跨约800°或略微大于RSDT的2个完全旋转的范围。曲线51和52是逻辑补充且其各自具有50％的工作周期。在点“A”和“C”处，阀94在阀90关断的同时接通。相反地，在点“B”和“D”处，阀94在阀90接通的同时关断。当阀90关断且阀94接通时，杆臂致动活塞组合件95的腔室107 经加压，从而致使杆臂87从切割道7移开，由此致使钻头12在朝向切割道7的相对方向上或在RSDT坐标系的正x轴204方向上移动，如在0°与180°GTF之间在曲线56上示出。当阀94关断且阀90接通时，杆臂致动活塞组合件95的腔室105经加压，从而致使杆臂87朝向切割道7移动，由此致使钻头12在远离切割道7的相对方向上或在 RSDT坐标系的负x轴204方向上移动，如在0°与180°GTF之间在曲线56上示出。在在向下方向上使井转向的此特定实例中，曲线56中的正钻头偏转将在GTF等于180°或切割道“向下”时最大，且曲线56中的负钻头偏转将在GTF等于0°或切割道“向上”时最大。

在图7B中，曲线53示出腔室107与105之间的差压，具体地说，ΔP＝P₁₀₇-P₁₀₅。当ΔP是正的时，钻头在朝向切割道7的方向上偏转。当ΔP是负的时，钻头在远离切割道7的方向上偏转。ΔP的振幅由动态可变排量轴向活塞泵70流速和钻头偏转和RSDT 旋转时钻头上的摩擦拖曳力决定。曲线54示出阀94的销1处的液压流体流速。曲线55 示出阀90的销1处的液压流速的负值。阀94和90不会即刻从接通切换到关断和从关断切换到接通。每个阀耗费有限的时间量来从一个状态(接通或关断)转变成另一状态(关断或接通)。由内建电子装置控制模块必须通过使螺线管控制信号的时序提前等于一半转变时间的量来考虑此有限转变时间。在420RPM下，每个阀的转变需要约54°，因此控制信号必须领先钻头偏转的预期时序一半转换时间的量或领先大致27°。为了在 180°的GTF下发生最大正钻头12偏转，必须在153°的GTF下开关阀。且为了在0°的 GTF下发生最大负钻头12偏转，必须在-27°的GTF下开关阀。阀门控制超前角的量将随RPM减小而线性减小。图7B表明使用两个非相依3通2位阀以单独且同时控制杆臂致动活塞组合件95的每个腔室的优点：相较于具有必须行进两倍远并花费两倍长时间来进行开关的核心的单个4通3位阀的转变时间，通过同时开关阀94和90两者来使转变时间减半。

图7C示出依据由图3A-1、3B-1、3C-1、3D-1、3A-2、3B-2、3C-2和3D-2说明的情境的“下降角度”或“向下转向”的GTF而表示钻头的位移的两个曲线。出于此论述的目的，术语“偏转”将特别是指钻头相对于固定到工具并随其旋转的坐标系的运动。图形的x轴示出RSDT的切割道7的瞬时角定向或GTF。图形的y轴示出两个正交方向：在此状况下竖直面(曲线62)和水平面(曲线63)上的钻头的最大位移的百分比。更一般来说，曲线62示出转向方向，在此状况下来回，上的钻头的瞬时位移。曲线63示出垂直于钻头转向的方向，在此状况下，左右方向，的方向上的钻头的瞬时位移。“所得钻头位移”是钻头12的一致往复偏转与工具的旋转的向量和。当致动并下降角度时，工具中的电子装置控制模块将在空间上对往复钻头运动进行定时，以使得在重力向量方向上发生钻头12的最大偏转，以使得钻头12将优选地从孔的低侧比从孔的顶侧移除更多地层。标记“3A”对应于图3A-1、3A-2中的钻头12偏转是“负”的或远离切割道7的状况。因为切割道7以0°的GTF向上，所以钻头12在“向下”方向上位移。标记“3C”对应于图3C-1、3C- 2中的钻头12偏转是“正”的或朝向切割道7的状况。因为切割道7以180°的GTF向下，所以钻头12在“向下”方向上再次位移。因为钻头偏转的重复运动与RSDT的旋转处于相同频率下，所以对相对于地球静止的观察者，钻头位移运动将看起来处于RSDT的旋转速率的频率的两倍下。对于每180°的RSDT旋转，钻头将完成从居中(3B)到在转向(3C)方向上完全位移并回到居中(3D)的完全运动循环。对于RSDT的下半旋转，运动将是从居中(3D)到在转向(3A)方向上完全位移并回到居中(3B)。在实践中，钻头12的最大位移通常是英寸的十分之几，但可按设计更多或更少，这取决于期望造斜率规范。

图7D是转向操作期间的钻头12所得位移的极坐标图。曲线64是理想正弦“简谐”运动对依据切割道7的GTF的RSDT旋转的钻头12瞬时位移的参考曲线。曲线65是钻头12实际瞬时位移对依据切割道7的GTF的RSDT旋转的曲线，其使用图7A和7B 中所公开的“继电器式”控制算法和设备。针对阀94和90的控制而使用互补控制信号得到到梯形的杆臂致动活塞组合件95的液压流速，且因此钻头12位移的速度分布也是梯形的，这是因为钻头位移的速度与进出杆臂87致动活塞组合件95的净流速线性成正比。曲线65中示出的实际钻头位移的曲线极类似于曲线64中示出的理想化钻头位移的曲线。曲线65中示出的钻头12轨迹实际上比曲线64中示出的轨迹优选，这是因为具有梯形运动控件的弯曲部分中的钻孔的实际加宽略小于将随正弦运动控件发生的加宽。如果钻头的最大偏转在工具转向时是约0.25英寸，那么弯曲部分中的孔的直径将在曲线的方向上不对称放大0.25英寸；且钻孔的侧(左、右)将对称地放大大致0.2英寸，从而在BHA和钻柱穿过孔的弯曲部分旋转或哈东时减小BHA和钻柱上的摩擦力。

图8A示出可选动态非惯性导航传感器和处理的方块图。所有导航元件，包含传感器以及获取和处理电子装置，直接安装到钻铤、或安装到固定地安装到钻铤并随钻铤旋转的机械结构。在此实施例中，在工具中不存在相对于RSDT的旋转反向旋转以产生地球同步平台或近地球同步平台的结构。通过不使用反向旋转组合件，通过消除对于滑环和旋转压力补偿泥浆密封件的需要来简化偏置单元机构和布线。从计算视角的另一优点是：对于整个工具和所有传感器，存在共同坐标系、共同旋转速率、共同瞬时GTF和 MTF。另外，物理地球同步组合件的不存在允许传感器定位于钻头面的数英尺内并直接定位于铰链后面。

术语“地球同步平台”或“地球同步组合件”是指旋转工具中的组合件，所述组合件相对于旋转工具反向旋转，以使得所述组合件不会在工具的其余部分旋转时相对于相对于地球固定的坐标系旋转。根据非旋转GTF和/或MTF定义的此物理地球同步组合件的定向受控制以在特定方向上影响工具的转向方向。用以控制预期地球同步组合件的定向的加速计和磁力计可直接安装于地球同步组合件上或安装于旋转钻铤上，如对Brazil 申请的第6,742,604号美国专利(下文称为“Brazil”)中的做法。在Brazil中，通过称为解析器的额外机电组件测量钻铤相对于地球同步组合件的瞬时位置，解析器将瞬时地读取内部地球同步组合件相对于外部旋转钻铤的相对位置。机电解析器角度用以仅将 GTF从旋转钻铤参考系转换成地球同步组合件的非旋转参考系。图8A中所示出的简单得多的方法通过针对3种类型的传感器中的每一个同时获取3个轴线来创建“虚拟地球同步平台”，所述传感器也就是加速计、陀螺仪和磁力计，总计9个轴线，传感器全部共享固定到RSDT并随其旋转的共同坐标系。在框B1中获取测量。测量被发送到框B2，其中图8B和8C中示出的调节算法移除由于DC偏移和安装未对准的误差、以及来自加速计上的冲击和振动的误差。框B2标记“地球坐标系”中的虚拟地球同步处理算法可用以计算RSDT旋转轴线的倾角和方位角。按照定义，RSDT旋转轴线的倾角和方位角与钻孔倾角和方位角相同。由瞬时GTF或瞬时MTF加角度X或来自z轴陀螺的工具的旋转速率驱动的旋转矩阵用以将在RSDT旋转参考系中获取的加速计和磁力计测量转换成虚拟地球同步参考系(即，“地球坐标系”以计算RSDT旋转轴线的倾角和方位角。旋转钻铤43上的切割道7的瞬时GTF和MTF、和定义为“角度X”的瞬时GTF与MTF 之间的角度、连同倾角和方位角的虚拟地球同步输出用以导航RSDT并在由客户请求的方向上使井转向。

地球同步参考系将具有指向井下并与钻孔轴线共线且大体上平行于RSDT的z轴的z轴。地球同步参考系的x轴垂直于钻孔的z轴指向上。x轴和z轴与重力向量共面。地球同步参考系的y轴是水平的并在向井底观察时指向右，其与x轴、z轴和重力向量正交。按照定义，钻孔的倾角表达为等于重力向量与钻孔的z轴之间的角度的正度数，并范围可介于0°到180°。竖直井中的倾角值是零度，且水平井的倾角是90°。按照定义，钻孔的方位角表达为0°与360°之间的正度数，其等于z轴到水平面上的突出与磁北的方向之间的角度。方位角的计算对于所属领域的任何普通技术人员众所周知。为了瞬时地将一对横向测量，由于重力或地球磁场的加速度，从旋转非惯性RSDT参考坐标系转换成局部非旋转惯性参考系，Ax_BOREHOLE＝Ax_RSDT*cos(GTF)+Ay_RSDT*sin(GTF)，且 Ay_BOREHOLE＝Ax_RSDT*-sin(GTF)+Ay_RSDT*cos(GTF)，其中Ax_BOREHOLE和Ay_BOREHOLE是钻孔参考系中的地球重力的横向分量，Ax_RSDT和Ay_RSDT是RSDT参考系中的重力的横向分量，且GTF是RSDT的瞬时重力工具面。作为品质检查，Ay_BOREHOLE的值应恒为零；如果Ay_BOREHOLE不是零，那么钻孔倾角的计算将不会有效。如果有效GTF不可用，那么(MTF+角度X)可用作GTF的值的估计值。如果有效GTF和有效MTF都短暂地不可用，那么可有可能从对来自z轴陀螺传感器Gz的RSDT的旋转速度进行积分来导出GTF 的估计值。钻孔倾角的计算接着是INCL＝-ARCTAN(Ax_BOREHOLE/Az_RSDT)。Mx_RSDT、 My_RSDT、Mz_RSDT、Mx_BOREHOLE和My_BOREHOLE可在用于计算钻孔参考系中的地球磁场和钻孔方位角的标准计算的旋转矩阵中分别以Ax_RSDT、Ay_RSDT、Az_RSDT、Ax_BOREHOLE、 Ay_BOREHOLE替换。

旋转导航平台的一个优点是：装置通过使用系统的旋转以大小可以依据温度的安装和DC装置误差来持续进行自动校准。当钻孔定向N-S或S-N且工具轴线平行于地球磁场线而定向时，这允许在钻孔接近竖直和倾斜方位角时准确地测量倾斜倾角的极小值。与Brazil相反，本公开中的实施例将来自RSDT旋转参考系的测量转换成地球静止参考系中的钻孔倾斜倾角和钻孔倾斜方位角，而不需要暂停钻探或在工具中产生地球同步组合件。RSDT的虚拟地球同步平台能够持续且动态地测量相对于非旋转地球坐标系的钻孔倾角(倾斜倾角)和钻孔方位角(倾斜方位角)。

图8B示出用以抵消横向加速计上的未对准误差的处理算法的实施例的方块图。此论述也适用于磁力计。分别针对Ax、Ay和Az示出三个加速计600、610、620。x轴和 y轴表示横向轴线，z轴是工具的中心线并在井下方向上是正的。加速计的输出是串联数字数据流；在示意图中未表示模拟信号。Az，620的处理是直接的，这是因为除对于轴向冲击和可易于由过滤器624滤除的未对准误差以外，其始终读取重力的DC值，甚至在低旋转速率下也是如此。加速计应优选地尽可能接近RSDT旋转轴线而安装，以最小化向向心加速度的其它DC值添加AC分量的滞滑旋转的影响。Az加速计还有益地尽可能接近旋转中心线而安装，以最小化来自未对准的任何DC向心加速度误差。对于Ax 加速计600和Ay加速计610，未对准误差和离轴向心加速度是DC信号。滤波器604和 614是相同数字第4阶适应性IIR低通滤波器。截止频率是工具旋转频率的函数。如果旋转频率是7Hz(420rpm)，那么低通截止频率是0.5Hz。如果旋转频率是3Hz(180 rpm)，那么低通截止频率是0.214Hz。过滤器增益在工具的旋转速率下以360°的相移降低约90dB，因此每个过滤器604和614的输出分别对于Ax和Ay仅仅是DC误差信号，接着从其相应通道减除误差信号，从而得到无误差信号606和616。这允许Ax和Ay用以在竖直地钻探时检测极小量的倾斜。此相同误差校正处理也用于磁力计。用于Az(和 Mz)的过滤器624与用于横向测量Ax和Ay的滤波器604和614相同。因为无法通过此方法消除例如电气偏移等DC误差，所以必须过温校准用于轴向测量的装置。

图8C示出可用以在工具旋转时使其转向的动态导航处理的流程图。此处理在工具旋转时持续运行。Az和Mz的轴向值不会快速改变，并可在步骤2.b中每数秒更新。在步骤2.a中持续更新横向测量。在步骤3中，当工具在孔中静止时，更新所有三个轴线的陀螺仪偏移。在磁性干扰的情况下，与Mx和My或Ax和Ay相关地在井下校准z轴陀螺仪增益误差。在步骤4中，首先计算GTF和MTF的瞬时值和角度X，这是因为需要这些来动态地驱动旋转矩阵中的系数。接着横向加速计和磁力计测量被转换成地球坐标系，并与Az和Mz组合以计算钻孔倾角和钻孔方位角。角度X实现两个目的。一个是通常针对MTF获取方位敏感的测量。MTF加角度Z将产生虚拟GTF值，因此方位获取的测量可相对于钻孔的顶部正确地定向。在步骤5中，针对处理延迟而校正GTF和 MTF，以使得处理延迟出于转向目的而读取GTF和MTF的空间校正值。接着以低潜时将数据传输到转向控制单元来产生转向命令、存储于工具存储器中、并与其它数据组合来R/T遥测传输到表面。

图8D示出现有技术中可在工具未移动时，通常在钻柱在动中时在每次连接时使用的静态调查处理。此处理耗费若干分钟来获取并处理测量。工具必须停止。在所有3个工具轴线中测量地球重力加速度和地球磁场。如果怀疑磁性干扰或未对准误差，那么可组合来自GTF和/或MTF的两个或更多个额外定向的静态测量以提高钻孔倾角和方位角的准确性。

图9示出RSDT的一个可能实施例的总体工具布局。在工具的底端处，钻头12附接到钻头轴33，钻头轴33借助于铰链5附接到钻铤43。未示出稳定器。包括虚拟地球同步平台的9轴动态导航和转向电子控制器和传感器定位于铰链5正上方(或后方)的外壳中。动态可变排量轴向活塞泵定位于“液压区段和转向致动”块中。工具的上部部分包含辅助测量，包含但不限于：6轴静态调查封装、环境和钻探机构测量、超声波径规、多间隔传播电阻率、邻近电阻率对比度的EM横向距离、短途遥测天线、象限自然 GR、中心数据获取、通信、存储器和在连接期间用于供电的备份电池。

本公开已引入并论述对于是与RSDT的操作和实施相关的动态可变排量轴向活塞泵唯一的若干益处和特征。但是，应注意，对于动态可变排量轴向活塞泵是唯一的那些相同益处和特征适用于其它井下工具的设计和操作，不管是由钻探管、线路还是连续油管传送。

当操作井下MWD或LWD工具多达200小时的动力和/或总能量超出可实际上由适合于油田使用的井下电池提供的动力时，接着借助于泥浆驱动流体涡轮机产生断电孔变得切实可行。在此状况下，惯例到提供钻井泥浆驱动流体涡轮机，例如Bradley US 3,743,034和Jones与Malone US 5,249,161中描述的钻井泥浆驱动流体涡轮机。流体涡轮机可提供动力以驱动电交流发电机或液压泵。流体涡轮机必须跨一系列泥浆流速和泥浆密度操作已成为井下动力的切实可行源。

涡轮机的无负载旋转速度与流速成正比，且失速扭矩与流速和泥浆重量成正比。因为动力是扭矩乘以旋转速度的乘积，所以可用动力可作为泥浆流速的平方乘以泥浆重量的增大而粗略地增大。另外，通常通过单涡轮机设计涵盖2:1流速范围，这意味着可用动力可易于跨那个范围变为四倍。借助于说明，如果最小泥浆重量被认为是8.3磅/加仑，那么最大泥浆重量可以是16磅/加仑，这是可用扭矩的两的另一因数的增大。良好涉及的涡轮机应提供在最小流速和最小钻井泥浆下操作系统所需的最小量的动力。出于此论述的目的，操作给定系统所需的最小动力可选为2HP。这意味着来自最大流速和泥浆重量下的涡轮机的可用动力可粗略地是最小流速和泥浆重量下可用的动力的8倍，大约16 HP。

如果涡轮机驱动电交流发电机，如“Jones与Malone”US 5,249,161中所描述，那么输出电流可由负载管理，但交流发电机的输出电压将倾向于在涡轮机旋转速度加倍时加倍。处理此情形的一个方法是使用具有场绕组的混合型同极交流发电机以提升或抵消输出电压并跨泥浆流范围的全部或部分将输出电压保持在可管理范围内。将存在各种设计权衡来最小化交流发电机的绕组中的铜I²R损失，以便最小化温度增大同时保持输出电压低于可管理电平。另外，在场绕组中也存在铜I²R损失。场绕组将从不能够实际上消除内部磁场，因此将存在旋转速度，跨所述旋转速度电压将甚至在最大场抵消电流的情况下也不可避免地提高。此外，由于体积和效率限制，对于可由电交流发电机可靠地产生的动力量存在切实可行的上限。对于需要多于约3HP的那些应用，更切实可行的可以是以流体涡轮机而非电交流发电机驱动液压泵。

本公开的实施例使用由泥浆动力流体涡轮机驱动的液压泵。如果涡轮机驱动如“Bradley”(第3,743,034号美国专利)中论述的固定正排量泵，那么在涡轮机速度增大时，泵的输出流速将增大。另外，当流速增大时，压力将增大到受减压阀门限制的点。在产生大约16HP的最大钻井泥浆流速和重量下，涡轮机将过早地从侵蚀效应磨损，且泵的输出上的释压阀将在液压流体穿过孔口以绝热方式泄放回到低压液压储集器时耗散5到10HP，从而致使阀的温度提高远超出指定等级，从而引起阀和系统故障。

这个问题的一个解决方案是以动态可变排量轴向活塞泵替换固定正排量泵，动态可变排量轴向活塞泵还被称作“旋转斜板泵”。动态可变排量轴向活塞泵理想上适合于用于本公开的实施例中。在地下油井井下钻探工具的场外部，动态可变排量轴向活塞泵用于许多地点中且在零转弯半径割草机中极其常见，所述地点例如液压操作的拖拉机机具、例如推土机等建造设备。在这些状况下，一个或多个可反转动态可变排量轴向活塞泵用以控制可变输出流速和流动方向以独立驱动轮和/或轴。在由钻井泥浆提供动力的的井下MWD和LWD工具的领域中，泵为供用于钻探油气井中的泥浆驱动的钻铤安装工具提供有效的动力管理解决方案，但先前尚未实施此实施方案。当流速和泥浆重量增大时，旋转斜板角度可减小，从而减少泵的排量，这允许泵之外的流速保持恒定。对于给定钻井泥浆流速和重量，将选择旋转斜板角度来提供由由动态可变排量轴向活塞泵驱动的负载需要的流动和压力的量。旋转斜板角度可受电力驱动线性致动器或由“电子排量控制器”控制，电子排量控制器使用比例阀和液压活塞以致动旋转斜板。

如先前在上文描述，图7A示出开环液压实施例，其中动态可变排量轴向活塞泵70用以调节可从涡轮机71获得的可变输入动力，并使其与由由阀90和94以及双向活塞致动器95组成的动载所需的可变输出动力匹配。在此实施例中，旋转斜板角度的设定由钻井泥浆和负载所需的液压流体的量决定。如先前详细地论述，调整旋转斜板角度以增大或减小控制钻头的一致对称偏转的杆臂87的运动的振幅。

图10示出用于钻探油气井的另一应用，其中动态可变排量轴向活塞泵300的输出可通过液压管线302连接到液压马达310，从而形成液压传动。在此实施例中，借助于致动器325调整旋转斜板角度，致动器325可以是马达驱动或液压驱动的，以控制液压马达310的输出轴速度。液压马达310可以是定量液压马达或可变排量液压马达以允许更多自由度来进行控制。液压马达310的输出轴312可驱动电交流发电机315。因为由动态可变排量轴向活塞泵300和液压马达310组成的变速箱可跨广泛范围的泥浆流速和重量维持输出轴312的恒定速度，所以发电机可以是极简单且基本的无刷交流发电机。ΦA、ΦB和ΦC的输出电压将通过执行以下操作来保持恒定：通过取决于钻井泥浆流速而调整旋转斜板角度来维持马达310的输入轴312的恒定速度。电源供应器330将测量交流发电机315的输出电压，并产生反馈信号335来借助于致动器325提大或减小旋转斜板的角度。进料泵305确保动态可变排量轴向活塞泵300在启动时起动。液压流体储集器是75。提供各种减压阀PRV3和PRV4来防止任何超压条件。提供各种止回阀CV5、 CV6和CV7以防止任何非想要回流。提供滤波器F2和F3以确保液压流体中的任何粒子杂质保持在储液室中且不穿过系统再循环。动态可变排量轴向活塞泵300的旋转斜板角度调节可从钻井泥浆驱动涡轮机获得的输入动力，以及提供可用于钻探管传送的测量或服务的负载所需的可变功率。

图11A示出液压马达410的输出轴412可用以驱动旋转泥浆阀转子450来在钻探时产生钻探管传送的泥浆脉冲遥测的又另一个实施例。当旋转泥浆阀转子450接近旋转泥浆阀定子452而旋转时，其产生高和低压力的振荡序列，如Jones与Malone中所描述。相移周期性地引入到旋转阀转子450的旋转中，以便将数据数字编码成高和低压力的序列。动态可变排量轴向活塞泵400和液压马达410将替换驱动如Jones与Malone中所描述的旋转阀的电马达。液压马达轴412的输出将连接到轴解析器420和2极1位磁性定位器435。传动箱440可以是对于液压马达410的操作有利的任何齿轮比，但将需要匹配旋转泥浆阀转子450和定子452上的叶片数目。遥测控制处理器430接收输入数据流 432，并使用来自解析器420的轴位置反馈以借助于致动器控制线437和旋转斜板致动器425致动旋转斜板，以将相位位移引入到由旋转阀转子450和定子452产生的泥浆压力波中。

在图11B中示出了液压驱动的泥浆脉冲遥测系统的替代性实施例，其类似于图11A中示出的实施例，但具有2叶片旋转阀转子460和定子462，不具有传动箱，但使用4 极(2位)磁性定位器437和解析器420。在液压轴的输出上需要解析器420以便知晓并依据时间而控制液压马达轴412的旋转。磁性定位器437是可选但优选的机制，这是因为其将在动力关断时或在电子装置未能防止拉动湿管道的情况下被动地将旋转阀转子460返回到打开位置。附接到旋转斜板致动器425控制件的处理器430将通过数字数据总线接受传入的比特流432。处理器430将依据时间而将传入的数字数据流432转换成的序列轴位置412。可使用BPSK或QPSK或Feher QPSK来将比特编码成压力脉冲。解析器420将轴412位置反馈到处理器430，处理器430控制旋转阀460数据流以使得处理器430可借助于控制线437和旋转斜板致动器425动态地调整旋转斜板角度，以在钻探时针对钻探管传送的泥浆脉冲遥测而实现泥浆压力的期望压力波序列。

动态可变排量轴向活塞泵的先前公开的应用和实施例已全部是未完全利用动态可变排量轴向活塞泵的可反转性的开环液压回路。动态可变排量轴向活塞泵还可用于闭环液压应用中，其中泵反转穿过泵的液压流体的流动的能力可引起待控制的阀数目的显著减小、液压过道数目的减小、以及对例如地层流体取样等低压差动应用的更精确控制。图12和14将说明使用闭环完全可反转液压回路中的可变排量轴向活塞动态可变排量轴向活塞泵的益处。这些实施例可并入到在线路、连续油管和/或钻铤上传送的井下工具中。

图12是侧壁取心应用的液压示意性。液压泵已在之前用于此类型的应用中，但泵是定量且单向的。如果芯切割孔锯卡住，那么驱动锯的马达无法反转，且必须剪断轴以使得可安全地从孔提取工具而不破坏钻孔或工具。图12中示出的示意图解决了此问题。电马达540驱动轴512，轴512驱动动态可变排量轴向活塞泵500和进料泵505。动态可变排量轴向活塞泵500的旋转斜板角度由旋转斜板致动器(未示出)增大，以使得高压液压流体流出线502到液压马达510，从而致使轴522在切割方向上使芯切割孔锯550 旋转。可监测跨越液压马达510的压力以确认系统操作并识别可能的反常条件。如果切割机550卡住，那么管线502中的高压将增大，以使得其触发减压阀门PRV11并驱动流体穿过连接到负伺服活塞576的管线507，从而减小泵500中的旋转斜板的角度。如果操作人员确定切割机550卡住，那么可通过将旋转斜板角度设定成负值来反转马达510 轴522的旋转方向，同时拧开切割机，从而致使高压在管线503中流动。过减压由PRV14 提供。在那种状况下，高压将施加到旋转斜板正伺服阀575，从而致使旋转斜板角度减少动态可变排量轴向活塞泵500的流速，同时缓解管线503中的过压条件。此系统的优点是其自动地保护自身，且如果切割机550卡住，那么可反转泵，同时从轴522拧开切割机550，以使得轴522可安全地缩回且可从孔拉出工具。

可变排量轴向活塞泵理想上适合于的另一应用是使用“狗骨式活塞泵”的地层流体取样的应用。在图13中示出了现有技术的实例。使用定量单端泵600需要4个阀V_A、 V_B、V_C和V_D，和4个止回阀CV20、CV21、CV22和CV23以驱动狗骨式活塞泵640。侧壁包装机探测器653通过足够的力抵靠着钻孔壁向上部署以与地层液压密封。为了将狗骨式活塞泵640活塞649驱动到图中的“右”，马达635驱动器非可反转定量泵600。当阀VB和VC关断或“关闭”时，阀VA和VD致动或“打开”。管线623中的高压流体通过阀VA流经止回阀CV21到腔室641中，从而使活塞649向右位移。低压流体通过阀VD流出腔室644到储罐75。流体通过流动管线647从地层提取并被抽吸到腔室 643中。同时，腔室642中的地层流体通过止回阀VC32被推出到流动管线648中，其中流体将排出到钻孔中或转向到样本瓶来在从孔拉出工具时传送到表面。一旦狗骨式活塞泵640活塞649已完全向右移动，那么阀反转。VA和VD在阀VB和VC打开时关闭，从而允许来自泵600的高压流体流入腔室644中，从而使狗骨式活塞649向图中的左位移。刚被拉动到腔室643中的地层流体现通过止回阀CV33被挤出到管线648中，来排放到钻孔中或以进一步填充样本瓶来传送到表面。阀VA、VA、VC和VD全部借助于控制单元611控制。发生的任何过压条件由减压阀门PRV60减轻。通过响应于由压力变换器650测量的压力改变而控制马达635的速度来实现控制地层流体取样的速率。

图14中的实施例是以图14中示出的动态可变排量轴向活塞泵700替换图13中的“现有技术”定量泵600的结果。可移除图13中的阀VA、VB、VC和VD以及止回阀CV20、CV21、CV22和CV23，且减小液压过道的数目，从而极大地简化液压歧管。另一简化是：驱动可变排量轴向活塞泵700和进料泵705穿过驱动轴712的马达735可以是固定速度异频/感应马达。当侧壁包装机探测器753抵靠着钻孔壁向上部署以使得其与地层液压密封时，动态可变排量轴向活塞泵700的旋转斜板角度由旋转斜板致动器725 在正方向上增大，以使得液压流体流经管线702到腔室741中，并通过管线703流出狗骨式活塞泵740的腔室744，从而致使狗骨式活塞749向右位移。这通过止回阀CV42 迫使地层流体流出腔室742到管线748中，来排放到钻孔中或分流到样本瓶中来在从孔拉出工具时传送到表面。同时，来自探测器753的地层流体通过流动管线747和止回阀 CV41被拉动到腔室743中。旋转斜板角度的设定可响应于来自流动管线压力变换器750 的读数而增大或减小，以确保流动管线747中的压降不会过低，这将致使管线747中的地层流体中的任何经溶解气体解出来。一旦狗骨式活塞749已向右到达其最大行进，那么在控制模块711和控制管线716的控制下借助于旋转斜板致动器725反转动态可变排量轴向活塞泵700的旋转斜板角度。当旋转斜板角度是负的时，穿过动态可变排量轴向活塞泵700的流动反转。高压液压流体在管线703中流动到腔室744中，并通过管线702 流出腔室741回到泵。这致使狗骨式活塞749向图中的左位移，从而迫使腔室743中的地层流体流经止回阀CV43到流动管线748中，来排放到钻孔中或继续分流到样本瓶(未示出)中来在从孔拉出工具时时传送到表面。同时，地层流体通过止回阀CV40、流动管线747和探测器753被拉动到腔室742中。泵700的过减压由减压阀PRV31和PRV32 提供。使用可反转闭环可变排量轴向活塞泵引起与狗骨式泵介接所需的液压歧管的显著简化，并产生更大程度的地层液压控制。

Claims (28)

1.一种底部钻具组合件，具有旋转轴线并包括：

钻头组合件，配置成围绕纵向轴线旋转；

钻铤；

旋转导向钻井工具，其以操作方式连接到所述钻头组合件，所述旋转导向钻井工具包括：

铰接连接件，其处于所述钻铤与所述钻头组合件之间，所述铰接连接件在相对于所述底部钻具组合件上的参考点固定的单个平面中铰接；

其中，铰接连接件配置成在钻头组合件围绕其纵向轴线旋转的同时使铰接连接件枢转。

2.根据权利要求1所述的底部钻具组合件，其中：

所述旋转导向钻井工具进一步包括：

杠杆，其被配置成铰接所述铰接连接件与所述钻头组合件；以及

液压活塞，其以操作方式连接到所述杠杆。

3.根据权利要求2所述的底部钻具组合件，其中：

所述旋转导向钻井工具进一步包括：

电子致动阀；

微控制器组合件，其包括：

处理器；

非易失性存储器元件；

存储于所述非易失性存储器元件中的程序，所述程序被配置成通过致动所述电子致动阀来控制杠杆移动的时序。

4.根据权利要求1所述的底部钻具组合件，其中：

所述旋转导向钻井工具进一步包括电源，所述电源包括：

动态可变排量轴向活塞泵；

由钻井泥浆提供动力的流体涡轮机，其驱动所述动态可变排量轴向活塞泵的输入轴。

5.根据权利要求2所述的底部钻具组合件，其中：

所述旋转导向钻井工具进一步包括电源，所述电源包括：

动态可变排量轴向活塞泵；

由钻井泥浆提供动力的流体涡轮机，其驱动所述动态可变排量轴向活塞泵的输入轴。

6.根据权利要求5所述的底部钻具组合件，其中：

所述旋转导向钻井工具进一步包括：

电子致动阀；

微控制器组合件，其包括：

处理器；

非易失性存储器元件；

存储于所述非易失性存储器元件中的程序，所述程序被配置成执行以下步骤：

通过改变所述动态可变排量轴向活塞泵的角度来控制杠杆移动的振幅。

7.根据权利要求6所述的底部钻具组合件，其中存储于所述非易失性存储器元件中的所述程序进一步执行以下步骤：

通过致动所述电子致动阀来控制所述杠杆移动的时序。

8.根据权利要求3所述的底部钻具组合件，其中：

所述旋转导向钻井工具进一步包括电源，所述电源包括：

动态可变排量轴向活塞泵；

由钻井泥浆提供动力的流体涡轮机，其驱动所述动态可变排量轴向活塞泵的输入轴。

9.根据权利要求5所述的底部钻具组合件，其中：

所述旋转导向钻井工具进一步包括：

液压流体通路，其将所述动态可变排量轴向活塞泵的输出连接到所述液压活塞。

10.根据权利要求1所述的底部钻具组合件，其中：

所述旋转导向钻井工具的铰接连接件被配置成与所述钻铤的中心线轴线大体上正交。

11.根据权利要求1所述的底部钻具组合件，其中：

所述旋转导向钻井工具进一步包括导航模块，所述导航模块包括：

三个或更多个加速计传感器；

一个或多个陀螺仪传感器，其包括具有与所述底部钻具组合件的所述旋转轴线大体上对准的轴线的至少一个陀螺仪传感器；

一个或多个磁力计传感器；以及

导航模块微控制器组合件，其包括：

处理器；

非易失性存储器元件；

存储于所述非易失性存储器元件中的程序，所述程序被配置成执行以下步骤：

从所述三个或更多个加速计传感器、所述一个或多个陀螺仪传感器和所述一个或多个磁力计传感器接收数据；

处理从所述三个或更多个加速计传感器接收到的数据以校正所述数据中的未对准误差；

产生未对准校正的加速计传感器数据；

处理从所述一个或多个陀螺仪传感器、所述一个或多个磁力计传感器接收到的所述数据以及未对准校正的加速计传感器数据；

使用经处理数据以产生与以下各项中的一个或多个相关的输出：重力工具面、磁性工具面、重力工具面与磁性工具面之间的角度x和旋转频率。

12.根据权利要求11所述的底部钻具组合件，其中存储于所述非易失性存储器元件中的所述程序被进一步配置成执行以下步骤：

使用与重力工具面相关的输出以产生与以下各项中的一个或多个相关的输出：所述底部钻具组合件的所述旋转轴线的倾斜倾角或所述底部钻具组合件的所述旋转轴线的倾斜方位角。

13.根据权利要求11所述的底部钻具组合件，其中存储于所述非易失性存储器元件中的所述程序被进一步配置成执行以下步骤：

使用与磁性工具面和角度x相关的输出以产生与以下各项中的一个或多个相关的输出：所述底部钻具组合件的所述旋转轴线的倾斜倾角或所述底部钻具组合件的所述旋转轴线的倾斜方位角。

14.根据权利要求11所述的底部钻具组合件，其中存储于所述非易失性存储器元件中的所述程序被进一步配置成执行以下步骤：

对与所述旋转频率相关的输出进行积分以估计所述重力工具面。

15.一种对井孔区段进行定向钻探的方法，包括以下步骤：

部署底部钻具组合件，其具有旋转轴线并包括：

钻头组合件，包括钻头并且配置成围绕纵向轴线旋转；

钻铤；

旋转导向钻井工具，其以操作方式连接到所述钻头组合件，所述旋转导向钻井工具包括：

铰接连接件，其处于所述钻铤与所述钻头组合件之间，所述铰接连接件在相对于所述底部钻具组合件上的参考点固定的单个平面中铰接；以及

在钻头组合件围绕其纵向轴线旋转的同时使用空间相控一致对称双向偏转来使铰接连接件枢转，使得所述钻头沿着期望的方向转向。

16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括以下步骤：

使用杠杆来铰接所述铰接连接件与所述钻头组合件；以及

通过液压活塞移动所述杠杆。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述旋转导向钻井工具进一步包括：

电子致动阀；

微控制器组合件，其包括：

处理器；

非易失性存储器元件；

存储于所述非易失性存储器元件中的程序，所述程序被配置成通过致动所述电子致动阀来控制杠杆移动的时序。

18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括以下步骤：

使用动态可变排量轴向活塞泵以向所述旋转导向钻井工具提供动力；以及

通过由钻井泥浆提供动力的流体涡轮机驱动所述动态可变排量轴向活塞泵的输入轴。

19.根据权利要求16所述的方法，进一步包括以下步骤：

使用动态可变排量轴向活塞泵以向所述旋转导向钻井工具提供动力；以及

通过由钻井泥浆提供动力的流体涡轮机驱动所述动态可变排量轴向活塞泵的输入轴。

20.根据权利要求19所述的方法，其中：

所述旋转导向钻井工具进一步包括：

电子致动阀；

微控制器组合件，其包括：

处理器；

非易失性存储器元件；

存储于所述非易失性存储器元件中的程序，所述程序被配置成通过改变所述动态可变排量轴向活塞泵的角度来控制杠杆移动的振幅。

21.根据权利要求20所述的方法，其中存储于所述非易失性存储器元件中的所述程序进一步执行以下步骤：

通过致动所述电子致动阀来控制所述杠杆移动的时序。

22.根据权利要求17所述的方法，进一步包括以下步骤：

使用动态可变排量轴向活塞泵以向所述旋转导向钻井工具提供动力；以及

通过由钻井泥浆提供动力的流体涡轮机驱动所述动态可变排量轴向活塞泵的输入轴。

23.根据权利要求19所述的方法，其中：

所述旋转导向钻井工具进一步包括：

液压流体通路，其将所述动态可变排量轴向活塞泵的输出连接到所述液压活塞。

24.根据权利要求15所述的方法，其中：

所述旋转导向钻井工具的所述铰接连接件被配置成与所述钻铤的中心线轴线大体上正交。

25.根据权利要求19所述的方法，其中：

所述旋转导向钻井工具进一步包括导航模块，所述导航模块包括：

三个或更多个加速计传感器；

一个或多个陀螺仪传感器；

一个或多个磁力计传感器；以及

导航模块微控制器组合件，其包括：

处理器；

非易失性存储器元件；

存储于所述非易失性存储器元件中的程序，所述程序被配置成执行以下步骤：

从所述三个或更多个加速计传感器、所述一个或多个陀螺仪传感器和所述一个或多个磁力计传感器接收输出数据；

处理从所述三个或更多个加速计传感器接收到的输出数据以校正所述数据中的未对准误差；

产生未对准校正的加速计传感器数据；

处理从所述一个或多个陀螺仪传感器、所述一个或多个磁力计传感器接收到的所述输出数据以及未对准校正的加速计传感器数据；

使用经处理数据以产生与以下各项中的一个或多个相关的输出：重力工具面、磁性工具面、重力工具面与磁性工具面之间的角度x和旋转频率。

26.根据权利要求25所述的方法，进一步包括以下步骤：

使用与重力工具面相关的输出以产生与以下各项中的一个或多个相关的输出：所述底部钻具组合件的所述旋转轴线的倾斜倾角或所述底部钻具组合件的所述旋转轴线的倾斜方位角。

27.根据权利要求25所述的方法，进一步包括以下步骤：

使用与磁性工具面和角度x相关的输出以产生与以下各项中的一个或多个相关的输出：所述底部钻具组合件的所述旋转轴线的倾斜倾角或所述底部钻具组合件的所述旋转轴线的倾斜方位角。

28.根据权利要求25所述的方法，进一步包括以下步骤：

对与所述旋转频率相关的输出进行积分以估计所述重力工具面。

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