CN109312603A - 用于降低定向钻井执行器上的循环扭矩的装置和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于在定向转向组件中使用的执行器，包括超硬插入物，所述超硬插入物安置在工作面上。所述超硬插入物沿着所述工作面的周长的至少一部分安置。所述超硬插入物具有小于所述工作面的剩余部分的材料的摩擦系数。

Description

用于降低定向钻井执行器上的循环扭矩的装置和系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年6月30日提交的美国临时申请第62/357,215号和2016年6月30日提交的美国临时申请第62/357,225号的优先权和权益，所述美国临时申请中的两者的整体以引用方式并入本文。

背景技术

这个部分提供背景信息，以促进更好地理解本公开的各种方面。应当理解，本文献的这个部分中的表述将从这一角度阅读，而不是作为现有技术的承认。

在地下钻井中，钻头用来将钻孔钻探到地下地层中。钻头附接到伸展回到表面的管道部分。所附接的管道部分称为钻柱。钻柱位于钻孔的底部附近的部分称为井底组件(BHA)。BHA通常包括钻头、传感器、电池、遥测装置，和位于钻头附近的其它设备。称为泥浆的钻井流体通过形成钻柱的管道从表面泵送到钻头。泥浆的主要功能用来冷却钻头并且携带钻屑离开钻孔的底部并向上通过钻管与钻孔之间的环形区。

由于设置钻塔和设备的高成本，因此希望能够在无需移动钻塔或设置另一个钻塔的情况下勘探除直接位于钻塔下方的那些以外的地层。在近海钻井应用中，钻井平台的花费使定向钻井甚至更合意。定向钻井是指井眼相对于垂直路径的故意偏离钻机可通过使钻头沿所需要的钻井方向指向来钻探到地下目标。

发明内容

在推进钻头转向装置的一些实施方案中，转向主体可包括一系列执行器，所述一系列执行器径向地安装在主体周围，每个执行器横向于所述主体的轴线而装配。在每个执行器是工作面，所述工作面可包含一个表面，多于三个表面。所述工作面的第一表面可近似平行于所述主体的所述轴线。所述工作面的井下的第二表面可从所述第一表面径向向内倾斜。所述工作面的井上的第三表面可从所述第一表面径向向内倾斜。

所述工作面可包括两种材料：包括标准磨损材料的第一材料和包括超硬插入物的第二表面。所述超硬插入物可具有与所述第一材料不同的摩擦系数。所述超硬插入物可主要位于所述工作面的前边缘和井下边缘上。在一些实施方案中，所述超硬插入物可包括所述工作面的周长的25％和面积的25％。

在一些实施方案中，所述执行器可包括径向向内的轴杆和径向向外的主体。所述执行器的所述轴杆和所述主体可具有不同的横截面积。在轴杆具有相比于主体的较大横截面积的实施方案中，可将止挡放置在执行器的接收器上以防止执行器从转向主体喷出。另外，轴杆和主体可具有非圆形轮廓，包括椭圆形、正方形、六边形、任何数目条边的多边形、凹形多边形、任何非多边形包围形状，或任何其它包围的形状。当结合形状互补的接收器使用时，非圆形轴杆和主体可通过与接收器接触来防止旋转。接收器可包括碳化钨带材，所述碳化钨带材被定大小为具有执行器上的空隙，使得结合充分粘度的液压流体，产生密封表面。标准弹性体密封件并非充分耐用以便经得起活塞所暴露的恶劣的高度重复环境；碳化钨带材可经得起所述条件。

在其他实施方案中，执行器可具有径向向外面上的支架。支架可容置辊子，所述辊子被配置来接触钻孔壁。在致动时，所述辊子可接触钻孔壁，并且辊子可沿着钻孔壁的表面滚动。

附图说明

为了描述可获得本公开的上述的和其他特征的方式，更具体的描述将通过参考在附图中例示的本发明的特定实施方案来给出。为了更好的理解，贯穿各种附图，相似元件由相似附图标号指定。虽然一些附图可以是概念的示意性或夸张表示，但至少一些附图是按比例绘制的。应理解附图描绘一些示例性实施方案，所述实施方案将通过使用附图来另外具体和详细地描述并解释，在附图中：

图1是根据本公开的具有定向钻井执行器组件的定向钻井系统的实施方案的示意图；

图2是根据本公开的描绘于全局坐标参考坐标系中的姿态和转向参数的直观图；

图3是根据本公开的处于井下环境中的执行器组件的示意性表示；

图4-1至4-3是根据本公开的定向钻井系统中的执行器组件的实施方案的横截面图，其示出两个、三个和四个执行器的组件；

图5是根据本公开的多表面执行器的实施方案的横截面图；

图6-1和6-2是根据本公开的使用导销和通道来定向致动的执行器的实施方案的示意图；

图7是根据本公开的图5的执行器的实施方案的工作面的表示，其示出多个表面和材料；

图8-1至8-2例示根据本公开的图7的工作面的进一步实施方案；

图9-1至9-5例示根据本公开的具有各种横截面积的执行器的实施方案；

图10-1和10-2例示根据本公开的具有不同轴杆和主体大小的实例的执行器的实施方案；

图11-1和11-2例示根据本公开的结合液压流体来与执行器一起产生密封表面的接收器中的带材的实施方案；

图12-1和12-2是根据本公开的图11-1和11-2的带材的实施方案的横截面图，其示出带材与执行器之间的空隙；并且

图13-1和13-2例示根据本公开的具有支架中的辊子的执行器的实施方案。

具体实施方式

应理解，以下公开内容提供许多不同的实施方案或用于实现各种实施方案的不同特征的实例。以下描述部件和布置的具体实例以简化本公开。当然，这些仅是实例并且不意图是限制性的。另外，本公开可在各种实例中重复附图标号和/或字母。此重复是为了简单和清晰的目的，并且本身并不决定所论述的各种实施方案和/或配置之间的关系。

如本文所使用，术语连接(connect)、连接(connection)、连接的(connected)、与……连接(in connection with)，和连接(connecting)可用来意味与……直接连接或通过一个或多个元件与……连接。类似地，术语耦合(couple)、耦合(coupling)、耦合的(coupled)”、耦合在一起和与……耦合用来意味直接耦合在一起或通过一个或多个元件耦合在一起。术语如向上、向下、顶部和底部以及指示相对于给定点或元件的相对位置的其它类似术语可被利用来更清楚地描述一些元件。通常，这些术语涉及如表面的参考点，钻井操作是从所述表面开始。

定向钻井过程通过使钻井工具沿着计划路径转向来产生几何钻孔。定向钻井系统通常利用转向组件来使钻头转向并且沿着所需要的路径(即，轨迹)产生钻孔。转向组件可通常被分类为例如推进钻头(push-the-bit)或摆动钻头(point-the-bit)装置。推进钻头装置通常将侧力施加在地层上以影响取向的变化。摆动钻头装置通常在井底组件的几何形状上具有固定弯曲。旋转可转向系统(“RSS”)提供在钻探时改变钻柱和钻孔的扩展方向的能力。

根据一个或多个实施方案，控制系统可并入井下系统中以使钻孔的扩展取向稳定并且直接与井下传感器和/或执行器接口。例如，定向钻井装置(例如，RSS和非RSS装置)可并入井底组件中。定向钻井可在钻柱中直接安置在钻头后方。根据一个或多个实施方案，定向钻井装置可包括控制单元和偏置单元。控制单元可包括例如呈用来确定工具和扩展钻孔取向的加速度计和/或磁力计的形式的传感器，以及处理装置和存储器装置。加速度计和磁力计可通常称为随钻测量传感器。偏置单元可称为定向钻井工具的主要致动部分并且偏置单元可被分类为推进钻头或摆动钻头执行器。钻井工具可包括发电装置，例如用以将钻井流体的井下流动转换成电功率的涡轮机。

推进钻头转向装置通过例如稳定器将侧力施加至地层。这通过在钻孔中弯曲来在钻头上提供侧向偏置。推进钻头转向装置可包括例如执行器衬垫。根据一些实施方案，控制单元中的马达使旋转阀旋转，所述旋转阀将钻井流体的流动的一部分定向到执行器腔室中。加压执行器腔室与地层之间的压差跨于衬垫的面积将力施加至地层。旋转阀例如可将流体流动定向到执行器腔室中以操作衬垫并且产生所需要侧力。在这些系统中，工具可连续地转向。

在摆动钻头转向装置中，钻头的轴线与井底组件的轴线成角度偏移。例如，外壳体和钻头可从表面旋转并且马达可在相反方向上从外壳体旋转。发电装置(例如，涡轮机)可设置在钻井流体流动中以生成电功率来驱动马达。控制单元可位于马达后方，具有测量姿态并控制固定弯曲的工具面角度的传感器。

图1是定向钻井系统10的实施方案的示意性图解，转向装置和转向执行器的实施方案可并入所述定向钻井系统10中。定向钻井系统10包括位于表面14上的钻塔12和从钻塔12悬吊的钻柱16。钻头18与井底组件(“BHA”)20一起设置并且部署在钻柱16上以将钻孔22钻探(即，扩展)到地层24中。

所描绘的BHA 20包括一个或多个稳定器26、随钻测量(“MWD”)模块或接头28、随钻测井(“LWD”)模块或接头30、转向系统32(例如，RSS装置、转向执行器、执行器、衬垫)、发电模块或接头34，或其组合。定向钻井系统10包括姿态保持控制器36，所述姿态保持控制器36与BHA 20一起设置并且与转向系统32操作地连接以将钻头18和BHA 20维持在所需要的钻姿态上，以沿着所需要的路径(即，目标姿态)扩展钻孔22。所描绘的姿态保持控制器36包括井下处理器38以及方向和倾角(“D&I”)传感器40，例如，加速度计和磁力计。根据一个实施方案，井下姿态保持控制器36是闭环系统，所述闭环系统直接与BHA 20传感器(例如，D&I传感器40、MWD接头28传感器，和用来控制钻姿态的转向系统32)接口。姿态保持控制器36可为例如配置为稳定卷形物的单元或捷联式控制单元。尽管主要参考旋转可转向系统描述了实施方案，但应认识到，实施方案可与非RSS定向钻井工具一起利用。定向钻井系统10包括钻井流体或泥浆44，所述钻井流体或泥浆44可通过钻柱16的轴向孔从表面14循环并且通过钻柱16与地层24之间的环形区返回到表面14。

工具的姿态(例如，钻姿态)通常被识别为例如图2中的BHA 20的旋转轴线46。姿态命令可从在所例示的实施方案中通常识别为表面控制器42(例如，处理器)的定向钻机或轨迹控制器输入(即，传输)。信号如要求姿态命令可例如通过泥浆脉冲遥测装置、有线管道、声波遥测装置，和无线传输加以传输。因此，在来自表面控制器42的定向输入时，井下姿态保持控制器36通过井下闭环，例如通过操作转向系统32来控制钻孔22的扩展。具体地，转向系统32被致动以将钻驱动到设定点。

在摆动钻头系统中，钻头18的旋转轴线在新钻孔22的总方向上偏离BHA 20的局部旋转轴线46(例如，图2)。钻孔22根据习惯的三点几何学扩展，所述习惯的三点几何学由与地层24的上和下稳定器26接触点以及钻头18接触点限定。与钻头和下稳定器之间的有限距离耦合的钻头轴线的偏离角度导致将要生成的曲线所需要的非共线条件。这可用许多方式来实现，包括井底组件中接近下稳定器的点处的固定弯曲或分布在上稳定器与下稳定器之间的钻头驱动轴杆的屈曲。

在推进钻头旋转可转向系统中，通常不存在特别识别的机构来使钻头轴线从局部井底组件轴线偏离；实情为，必需的非共线条件是通过使上稳定器或下稳定器中的任一者或两者在优先相对于钻孔扩展的方向取向的方向上施加偏心力或位移来实现。这可用许多方式来实现，包括不旋转(相对于孔)偏心稳定器(基于位移的方法)和在所需要的转向方向上将力施加至钻头的偏心执行器。如以上所述，转向是通过产生钻头与至少两个其它接触点之间的非共线性来实现。

图2例示全局或地球参考坐标系坐标系统中的通过旋转轴线46识别的用于井底组件20的姿态和转向参数。地球参考坐标系是惯性坐标系，所述惯性坐标系是固定的且对应于钻孔正被钻探所在的地质情况，并且按照惯例是x轴指下向并且y轴指向磁北的右手坐标系统。姿态是钻头的扩展方向并且通过用于井下控制系统的单位向量表示。BHA 20的瞬间姿态“X”通过倾角θ_inc和方位角θ_azi指示。来自BHA 20(例如，D&I传感器40)的数据可例如通过低带宽(每秒2比特到20比特)泥浆脉冲传达给表面控制器42(例如，方向钻机)，以识别BHA 20的瞬间倾角和方位角以及因此姿态。工具面通过数字48识别，并且工具面角度θ_tf是工具面平面中的“a”的投影与平面中的转向方向(即目标或要求姿态)“x_d”之间的顺时针角度差。定向钻机(例如，表面控制器42)将姿态参考信号传达给井下姿态保持控制器36(例如，处理器38)。参考信号例如是地球参考坐标系中用于所需要的工具取向的要求工具倾角和要求工具方位角设定点。例如，转向系统32(例如，工具面执行器)被操作来沿着所需要的姿态定向钻头。

图3例示根据一个或多个实施方案的转向系统32的执行器组件54。转向系统32(例如，偏置单元)包括多个转向执行器50(例如，执行器、衬垫)，所述多个转向执行器50径向地布置在偏置主体52中并且横向于偏置主体52的旋转轴线46。图4-1至4-3以偏置主体52的横截面图示出执行器50放置的实例。例如，图4-1例示以180°间隔彼此径向相对地安置的执行器50。图4-2例示以120°间隔安置在偏置主体52周围的执行器50。图4-3例示以90°间隔安置在偏置主体52周围的执行器50。应注意，在各种实施方案中，两个、三个、四个或更多个执行器可均匀地分布在偏置主体52周围。在其它实施方案中，执行器50可以不均匀间隔分布在偏置主体52周围。至少一个执行器可独立于剩余执行器而被致动，以朝着钻孔壁56径向延伸出偏置主体52。

在推进钻头旋转可转向系统中，在延伸时，执行器50可接触钻孔壁56，从而施加力。对应相反力将被施加至偏置主体52。力从位于转向系统32中的偏置主体52、通过BHA 20向下传递并且传递到钻头18，从而在力的近似相反方向上推动钻头。

图5详述执行器150的纵向横截面图。工作面158可包括至多三个表面：第一表面160、第二表面162和第三表面164。在一些实施方案中，第一表面160具有在近似平行于局部轴线的纵向方向上的轮廓。例如，当使工具在井下环境中取向时，第一表面160可平行于工具的轴线且/或平行于井眼的表面。第一表面160的井下可为第二表面162，所述第二表面162可以角度α(阿尔法)从第一表面160径向向内倾斜。第一表面160的井上可为第三表面164，所述第三表面164可远离第二表面162以角度β(贝塔)从第一表面160径向向内倾斜。第一表面、第二表面和第三表面中的每一个可与局部轴线平行地曲弯成与钻孔壁近似相同的半径。在一些实施方案中，第一表面160可占工作面158的近似50％。在其它实施方案中，第一表面160可占工作面158的多于50％或少于50％。在一些实施方案中，第一表面160可包括工作面158的周长的多于25％。

图6-1和6-2例示执行器250相对于接收器282的移动。液压流体284可将力施加至执行器250以相对于接收器282移动执行器250。图6-1示出在执行器延伸期间，导销266通过销通道268滑动，直到其碰撞销通道268的径向内末端，在所述点处，导销266接触销通道268的边缘，借此停止进一步延伸。在执行器收回期间，导销266通过销通道268滑动，直到其碰撞销通道268的径向外末端，借此停止进一步收回。另外，在将扭矩引入到执行器250时，导销266可通过与销通道268的壁接触来防止执行器250的旋转。销通道268不需要为直的；销通道268可包括在径向内末端处的90°转弯。然后在一段距离之后，销通道268可包括朝着执行器250的末端回转的额外90°转弯。

返回参考图5，在与钻孔壁接触时，第一表面160和第二表面162可通过钻孔壁经历不同的摩擦力。工作面158的第一表面160与第二表面162之间的不同力可导致执行器150上的循环顺时针(CW)/逆时针(CCW)扭矩。再次参考图6-1，循环CW/CCW扭矩将应力置于导销266上。现在参考图7，当工作面158接触钻孔壁时，第一表面160的工作面158的表面积的百分比从50％到少于50％的减少可提供更单向的扭矩。降低导销上的应力可节约材料和操作成本两者。

在本公开的一些实施方案中，执行器150的工作面158可包括两种或更多种材料。材料中的至少一种可包括超硬材料。如本文所用，术语“超硬”应理解为是指本领域已知的具有约1,500HV(以kg/mm²为单位的维氏硬度)或更大的晶粒硬度的那些材料。此类超硬材料可包括由固结材料形成的在高于约750℃、并且对于某些应用是高于约1,000℃的温度下能够展示物理稳定性的那些。此类超硬材料可包括但不限于金刚石、多晶金刚石(PCD)、浸析PCD、非金属催化剂PCD、六方金刚石(六方碳)、立方氮化硼(cBN)、多晶cBN(PcBN)、无粘合剂PCD或纳米多晶金刚石(NPD)、Q-碳、无粘合剂PcBN、类金刚石碳、低氧化硼、铝锰硼化物、金属硼化物、硼碳氮，或硼-氮-碳-氧系统中的示出高于1,500HV的硬度值的其它材料以及以上材料的组合。在一些实施方案中，超硬材料可具有高于3,000HV的硬度值。在其它实施方案中，超硬材料可具有高于4000HV的硬度值。在又其它实施方案中，超硬材料可具有大于80HRa(洛氏硬度A)的硬度值。

每种超硬材料在与另一种材料接触并沿着另一种材料移动时具有特定的摩擦系数。当超硬材料被放置在工作面158上并且与钻孔壁接触时，摩擦力可对钻孔钻探有影响。例如，降低的摩擦系数可降低执行器组件的旋转阻力。另外，降低的摩擦系数可降低工作面158和/或执行器150的其它部分上的执行器磨损。降低的摩擦系数也可降低对钻孔壁的刨削。这些中的每一项可导致用于执行器替换的降低的材料成本、来自使执行器组件起下钻到表面的降低的操作成本，和改进的钻孔壁。

图7提供图5的工作面158的端视图。例如，第一材料170可包括碳化钨床(例如，浸润碳化钨)上的热稳定多晶金刚石(TSP)插入物，并且第二材料172可包括PCD插入物。在一些实施方案中，PCD可具有相比于碳化钨床上的金刚石插入物的较低摩擦系数，并且碳化钨床上的TSP插入物与PCD之间的摩擦系数比率为约4.0:1。可使用碳化钨衬底在高压高温(HPHT)压机中烧结PCD。然后可使用铜焊、环氧树脂、机械连接如鸠尾接合或螺纹连接，或一些其它安全连接将碳化钨衬底连接至执行器。在一些实施方案中，工作面158可包括多于二平方英寸的总表面积，并且第二材料172可包括多于一平方英寸的总表面积(例如，超硬材料可覆盖工作面的表面积的大于50％)。在一些实施方案中，超硬材料可覆盖工作面的表面积的30％到90％，并且在仍然其它实施方案中，超硬材料可覆盖工作面的表面的40％到80％。然而，超硬材料可覆盖工作面的任何合适的百分比。

结合不同的第一材料170将第二材料172放置在工作面158上可导致作用于工作面158上的差别摩擦力。工作面158上的差别摩擦力将产生施加至执行器150的扭矩。这个摩擦扭矩可与循环CW/CCW扭矩组合以产生执行器150上的净扭矩。将第二材料172改变成具有不同摩擦系数的材料可导致不同的净扭矩。以这种方式，可针对来自第一材料170和第二材料172的组合的钻井条件开发执行器150。例如，可修改第一材料和第二材料的材料和/或相对大小以实现所需要的净扭矩。在至少一个实施方案中，摩擦扭矩将完全抵消相对循环CW/CCW扭矩中的一个，从而导致执行器150上的单向扭矩。

工作面158包括前边缘174和井下边缘176。前边缘174是在转向系统32旋转时首先与钻孔壁56接触的工作面158的边缘。前边缘174可包括工作面158的周长的至多一半。井下边缘176是在转向系统32在井下行进时首先与钻孔壁56接触的工作面158的边缘。井下边缘176可包括工作面158的周长的至多一半。第二材料172可位于前边缘174或井下边缘176的至少一部分上。在一些实施方案中，第二材料172至少包括工作面158的周长的25％和工作面158的表面积的25％，主要位于包括前边缘174和井下边缘176两者的工作面158的象限中。在一些实施方案中，第二材料覆盖工作面的周长的20％到60％，并且在一些实施方案中，第二材料覆盖工作面的周长的25％到40％。

在一些实施方案中，第二材料172不同于第一材料170，并且第一材料170和第二材料172具有不同的摩擦系数。如以上所论述，工作面158上具有不同摩擦系数的材料可导致执行器150上的净扭矩。改变第二材料172的位置和范围可导致不同的净扭矩。以这种方式，可针对来自使用不同的第一材料和/或第二材料的钻井条件开发执行器。在一些实施方案中，第一材料与第二材料之间的摩擦系数比率可包括比率的范围，所述范围具有上限值、下限值，或上限值和下限值包括1:1、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1、10:1，或介于上述值之间的任何值。例如，摩擦系数比率可为1:1，意味摩擦系数是相同的。在其它实例中，摩擦系数比率可为10:1。在又其它实例中，摩擦系数比率可为1:1到10:1的范围。

在图5和7中所示的实施方案中，第二材料172为烧结在碳化钨衬底上的PCD。第一材料170可为设定在浸润碳化钨中的热稳定多晶金刚石(TSP)插入物。在一个实施方案中，第二材料172可位于多于一个表面上，第一表面160和第二表面162、第一表面160和第三表面164，或第一表面160、第二表面162和第三表面164。第二材料172也可仅位于一个表面上，第一表面160、第二表面162，或第三表面164。在其他实施方案中，第二材料172可包括第二表面162的多于60％。在仍然其它实施方案中，第二材料172可跨于第二表面162在具有上限值、下限值，或上限值和下限值包括0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％，或介于上述值之间的任何值中的任一个的范围内的一部分安置。例如，第二材料172可为第二表面162的大于0％。在其它实例中，第二材料172可为第二表面162的小于100％。在又其它实例中，第二材料172可在第二表面162的0％到100％的范围内。

图8-1和8-2示出图7的第一材料170与第二材料172之间的配置的其它实施方案。在图8-1的实施方案中，第二材料372包括从前边缘374的中心向下到井下边缘376的中心的工作面358的面积和周长的近似25％。第一材料370占工作面358的面积和周长的剩余部分。在其他实施方案中，第二材料372可跨于工作面358在具有上限值、下限值，或上限值和下限值包括10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％，或介于上述值之间的任何值中的任一个的范围内的一部分安置。例如，第二材料372可为工作面358的大于10％。在其它实例中，第二材料372可为工作面358的小于70％。在又其它实例中，第二材料372可在工作面358的10％到70％的范围内。

在图8-2的实施方案中，第二材料472包括位于从前边缘474向下到井下边缘476的工作面458的周长上的条带。在其他实施方案中，第二材料472可跨于工作面458的周长在具有上限值、下限值，或上限值和下限值包括10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％，或介于上述值之间的任何值中的任一个的范围内的一部分安置。例如，第二材料472可安置在工作面458周长的大于10％上。在其它实例中，第二材料472可安置在工作面458周长的小于70％上。在又其它实例中，第二材料472可安置在工作面458周长的10％到70％的范围上。

工作面458的额外实施方案可包括第二材料472，所述第二材料472覆盖工作面458的整个前边缘474半球。仍然其它实施方案可包括第二材料472，所述第二材料472包括工作面458的整个井下边缘476半球。在仍然其它实施方案中，整个工作面458可由第二材料472覆盖。图8-1和8-2单独为可能的配置的表示；本申请设想第一材料470和第二材料472的任何组合或几何形状。

图9-1至9-5是指执行器的一系列进一步实施方案，其中执行器的至少部分的形状可为非圆形的。当将非圆形执行器的一部分插入互补形状的接收器中时，非圆形执行器的部分在由扭矩作用时将接触接收器，借此防止自由旋转。在没有自由旋转的情况下，图6的导销266和通道268可不再需要防止旋转。执行器的一个实施方案的至少一部分可具有非圆形横向横截面形状。例如，横向横截面形状可为各种形状中的一种。例如，执行器550的实施方案可具有为椭圆形(图9-1)、正方形执行器650(图9-2)、六边形执行器750(图9-3)、任何数目条边的多边形执行器(图9-2到9-4)、凹多边形执行器850(图9-4)，或非多边形包围形状的执行器950(图9-5)的横向横截面形状。例如，图9-1的椭圆形执行器550仅需要具有长轴与短轴之间的充分量值差异，以便在执行器延伸或收回时防止粘结。在一些实施方案中，椭圆形执行器550的长轴可在具有上限值、下限值，或上限值和下限值包括10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％，或介于上述值之间的任何值中的任一个的范围内大于短轴。例如，椭圆形执行器550可具有比短轴大大于10％的长轴。在其他实施方案中，长轴可比短轴大少于100％。在又其它实例中，长轴可在10％到100％的范围内大于短轴。

图10-1和10-2示出其中执行器包括轴杆1078和执行器主体1080的本公开的实施方案，所述执行器主体1080包括工作面1058并且位于轴杆1078的径向外侧。轴杆1078可插入接收器1082中。接收器1082可具有相对于执行器1050的至少一部分(例如，执行器轴杆1078和/或执行器主体1080)的互补横向横截面形状。可通过将液压、气动或机械力施加于轴杆1078的末端上延伸且/或收回执行器。油基、水基或钻井泥浆基液压流体1084可将力施加至轴杆1078，从而使轴杆1078相对于带材1086移动并且从接收器1082朝着井眼壁1056延伸。在一些实施方案中，带材1086可提供流体密封件(如将关于图11-1至图12-2更详细地描述)。在一些实施方案中，轴杆1078和执行器主体1080可具有相同横向横截面形状。在其他实施方案中，轴杆1078和/或执行器主体1080可具有不同横向横截面形状。例如，每个横向横截面形状可为圆形的、图9-1至9-5中设想的轮廓中的任一个，或任何其它横向横截面形状。在其它实例中，轴杆1078可具有圆形横向横截面形状并且执行器主体1080可具有正方形横向横截面形状。在又其它实例中，轴杆1078可具有正方形横向横截面形状并且执行器主体1080可具有圆形横向横截面形状。

轴杆1078和执行器主体1080可成为整体(例如，起源于一个内聚块)，轴杆1078与执行器主体1080之间的差异是从所述整体雕刻、机械加工、浇铸，或以其它方式改变的。在其他实施方案中，轴杆1078和执行器主体1080可包括两个单独件，轴杆1078和执行器主体1080通过环氧树脂、铜焊、焊接、机械连接等连接。

在图10-1中所示的实施方案中，轴杆1078可具有相比于执行器主体1080的较小横截面积。在图10-2中所示的另一个实施方案中，轴杆1178可具有相比于执行器主体1180的较大横截面积。如果轴杆1178具有相比于执行器主体1180的较大横截面积，则接收器1182可包括止挡1190。在致动期间，如果钻孔壁1156不通过与工作面1158接触防止进一步致动，则将通过轴杆1178与止挡1190的接触停止致动。在至少一个实施方案中，如图10-2中所示的轴杆1178和执行器主体1180可放大井眼壁1156上由液压流体1184施加来相对于接收器1182和带材1186移动轴杆1178和执行器主体1180的力。

图11-1示出本公开的仍然另一个实施方案，其中执行器1250插入接收器1282中。液压流体1284将力施加至执行器1250以朝着井眼壁1256移动执行器1250。带材1286至少部分地径向安置在执行器1250与接收器1282之间。例如，执行器1250径向安置在接收器1282内并且至少部分地纵向安置在接收器1282内。在执行器1250与接收器1282之间可存在一些空间量，并且带材1286可至少部分地位于那个径向空间中。在一些实施方案中，带材1286沿着其长度的一部分充分地封闭执行器1250的周长。在图11-1中所描绘的实施方案中，带材1286固定在接收器1282外侧上，从而充分地包围执行器1250的周长。

图11-2示出其中带材1386位于执行器1350内的沟槽中以保持液压流体1384的另一个实施方案。额外的实施方案包括位于接收器1386内的沟槽上的带材1386。在这个实施方案中，带材1386在执行器1350朝着井眼壁1356移动时可仍然是相对于接收器1382纵向静态的，但是绕执行器1350自由地旋转。在其他实施方案中，带材1386可为相对于执行器1350纵向固定的，并且可相对于接收器1382移动。

在一些实施方案中，带材可为非弹性体带材1386。例如，带材1386可包括超硬材料或由超硬材料制成。在其它实例中，带材1386可包括金属合金或由金属合金制成。在至少一个实施方案中，带材1386可包括碳化物或由碳化物制成，所述碳化物如碳化钨、碳化硅、碳化铝、碳化硼，或其它碳化物化合物。

图12-1示出接收执行器的带材的横截面图。图12-2示出带材1486与执行器1450之间的接触的详细部分。带材1486具有在执行器1450上的空隙1488。在一些实施方案中，空隙1488被定大小，使得当液压流体具有充分的粘度、内聚力、粘附力，或其组合时，带材1486和液压流体1484在执行器1450周围产生密封表面。例如，空隙1488可在具有上限值、下限值，或上限值和下限值包括20微米、30微米、40微米、50微米、60微米、70微米、80微米、90微米、100微米，或介于上述值之间的任何值中的任一个的范围内。例如，空隙1488可大于20微米。在其它实例中，空隙1488可小于100微米。在又其它实例中，空隙1488可在20微米到100微米的范围内。在进一步实例中，空隙1488可在30微米到60微米的范围内。空隙1488结合液压流体1484的粘度、内聚力、粘附力，或其组合可在执行器1450周围产生密封表面以限制且/或防止液压流体1484在工作温度下流过带材1486。虽然已参考带材描述了这些空隙，但可关于执行器接口的任何表面使用这些空隙。例如，如果不使用带材，并且执行器与接收器接口，则执行器与接收器之间、至少在接收器的最外点处的空隙可在具有上限值、下限值，或上限值和下限值包括20微米、30微米、40微米、50微米、60微米、70微米、80微米、90微米、100微米，或介于上述值之间的任何值中的任一个的范围内。

通常，液压流体1484是油基的，以产生密封表面，但是可使用水基或钻井泥浆基流体。标准弹性体密封件可没有被定大小来产生密封表面的非弹性体带材耐用，因为弹性体密封件可在执行器1450经受的高度重复环境中分解。

在图13-1和13-2例示的本公开的另一个实施方案中，执行器1550可包括径向向外朝向的支架1592。嵌入支架内的是辊子1594，所述辊子1594被设计成沿近似平行于RSS工具的局部轴线的轴线自由地旋转。当执行器1550延伸得足够远以致辊子1594接触钻孔壁时，辊子1594将沿着钻孔壁1556滚动，直到执行器1550收回或压力不再施加至执行器的后侧。

与钻孔壁1556的滚动接触可降低转向机构上的旋转摩擦，并且降低来自滑动工作面的对钻孔壁的刨削。各种材料可用于辊子1594，包括坚硬材料如钢或碳化钨(WC)，以及弹性体材料。在一些实施方案中，辊子可由弹性体材料制成，这可导致辊子1594在与钻孔壁1556接触时变形。辊子1594在与钻孔壁1556接触时的变形增加接触表面，这可降低钻孔壁1556上的压力。

在一些实施方案中，辊子1594可包括井下末端上的锥形，所述锥形是辊子1594的总轴向长度的百分比。在一些实施方案中，锥形可包括辊子1594的总轴向长度的百分比的范围，所述范围具有上限值、下限值，或上限值和下限值包括10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％，或介于上述值之间的任何值中的任一个。例如，锥形可为辊子1594的轴向长度的10％。在其它实例中，锥形可为辊子1594的轴向长度的100％。在又其它实例中，锥形可为辊子1594的轴向长度的10％到100％的范围。在一些实施方案中，锥形包括辊子1594的轴向长度的100％，从而有效地由辊子1594产生圆锥。辊子1594与执行器1550之间的连接可在执行器1550的井上和/或井下末端上枢转。执行器1550与辊子1594之间的可枢转连接可允许辊子1594符合钻孔壁1556相对于执行器1550的各种接触角度。

在一些实施方案中，执行器组件包括主体、主体中的接收器，和至少部分地安置在接收器中的执行器，所述执行器横向于主体的旋转轴线而装配。执行器可具有执行器主体和执行器轴杆，所述执行器轴杆连接至执行器主体，所述执行器主体位于所述执行器轴杆径向外侧，并且所述执行器的至少部分可具有非圆形横向横截面形状。非圆形横向横截面形状可为椭圆形的、正方形的、六边形的、多边形的，或非多边形的。执行器轴杆可具有不同于执行器主体的横向横截面形状的横向横截面形状。接收器可具有互补横向横截面形状以接收执行器的至少部分。接收器可通过接收器与执行器的接触限制执行器的旋转。执行器轴杆可具有相比于执行器主体的较大横截面积。接收器可具有与执行器主体形状互补的止挡，并且止挡可被配置来通过与延伸超过执行器主体的横向横截面形状的执行器轴杆的至少一部分接触来使执行器的延伸停止。

在一些实施方案中，执行器组件可包括主体、主体中的接收器，和至少部分地安置在接收器中的执行器，所述执行器横向于主体的旋转轴线而装配。组件可包括非弹性体带材，并且非弹性体带材可被安置在接收器中，使得非弹性体带材的至少部分安置在执行器与接收器之间。非弹性体带材可包括碳化钨。组件可还包括流体，所述流体安置在接收器中并且与至少部分地安置在接收器中的执行器的一部分接触。流体可安置在非弹性体带材的至少一部分与接收器和执行器中的至少一个之间。非弹性体带材可相对于接收器至少部分固定。组件可还包括介于非弹性体带材与执行器和接收器中的至少一个之间的空隙。非弹性体带材可至少部分地位于沟槽中。

在一些实施方案中，用于使旋转工具相对于钻孔壁转向的组件包括具有旋转轴线的主体，以及多个执行器，所述多个执行器中的至少一个至少部分地安置在主体中并且被配置来横向于主体的旋转轴线而移动。至少一个执行器可具有支架，以及辊子，所述辊子至少部分地在支架内并且被配置来相对于支架旋转，所述辊子相对于支架安置在主体的径向外侧并且具有井下末端。辊子可包括弹性体材料以增加与钻孔壁的接触面积。辊子的井下边缘可在辊子的轴向长度的10％与100％之间成锥形。辊子可在辊子的井上末端处枢轴地装配到支架。辊子可在辊子的井下末端处枢轴地装配到支架。辊子可包括碳化钨。

尽管已参考井眼钻井操作主要描述了钻井系统和相关联方法的实施方案，但本文所描述的钻井系统和相关联方法可使用在除井眼的钻井之外的应用中。在其它实施方案中，根据本公开的钻井系统和相关联方法可在井眼或用于天然资源的勘探或生产的其它井下环境外使用。例如，本公开的钻井系统和相关联方法可在用于公用事业管线的放置的钻孔中，或在用于机械加工或制造过程的钻头中使用。因此，术语“井眼”、“钻孔”等不应被解释为将本公开的工具、系统、组件或方法限制于任何具体工业、场地或环境。

对本公开的“一个实施方案”或“一实施方案”的引用并不旨在解释为排除也结合所述特征的额外的实施方案的存在。例如，关于本文的实施方案所描述的任何元件能与本文所描述的任何其它实施方案的任何元件组合，除非此类特征被描述为，或者根据它们的性质为互相排斥的。本文所述的数字、百分比、比率或其他值意图包括那个值并且还包括“约”或“近似”所述值的其它值，如本公开的实施方案所涵盖的领域中的普通技术人员将理解的。所述值因此应广泛地解释为足以涵盖至少足够接近所述值以执行所需要的功能或实现所需要的结果的值。所述值包括至少合适的制造或生产过程中所预期的变化，并且可包括在所述值的5％内、1％内、0.1％内或0.01％内的值。在范围是结合一组可能的下限值或上限值描述的情况下，每个值可在开放式范围中(例如，至少50％、至多50％)用作单个值，或两个值可组合来限定范围(例如，介于50％与75％之间)。

本领域普通技术人员应鉴于本公开认识到，等效构造不偏离本公开的精神和范围，并且可对本文所公开的实施方案进行各种变化、取代和更改而不背离本公开的精神和范围。包括功能的“手段加功能”条款的等效构造意图覆盖本文所述的执行所述功能的结构，包括以相同方式操作的结构等效物和提供相同功能的等效结构。申请人的表达意图是对于除了词语“用于……的装置”与相关联功能一起出现的权利要求外的任何权利要求不调用手段加功能或其他功能权利要求。对实施方案的落入权利要求的含义和范围内的每个添加、删除和修改应由权利要求涵盖。

如本文所用，术语“近似”、“约”以及“基本上”表示仍然执行所需要的功能或实现所需要的结果的接近所述量的量。例如，术语“大约”、“约”以及“基本上”可以是指在所述量的少于5％内、少于1％内、少于0.1％内以及少于0.01％内的量。此外，应理解，先前描述中的任何方向或参考坐标系仅仅是相对方向或移动。例如，对“上”和“下”或“以上”或“以下”的任何参考仅仅是相关元件的相对位置或移动的描述。

本公开可在不背离其精神或特征的情况下以其他特定形式体现。所描述的实施方案应被认为是说明性的而不是限制性的。在权利要求的等效物的含义和范围内的变化都将涵盖在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种执行器，其包括：

工作面，其径向远离旋转轴线而取向，所述工作面具有带有井下边缘和前边缘的周长，所述工作面包括第一表面和第二表面，其中所述工作面具有超硬插入物，所述超硬插入物在所述工作面的至少一部分和所述周长的至少一部分上。

2.如权利要求1所述的执行器，其中所述超硬插入物覆盖所述工作面的所述周长的大于25％。

3.如权利要求1所述的执行器，其中所述超硬插入物是多晶金刚石。

4.如权利要求1所述的执行器，其中所述超硬插入物是通过与执行器主体的机械连接固定在所述工作面上。

5.如权利要求1所述的执行器，其中所述超硬插入物至少部分地位于所述工作面的井下边缘上。

6.如权利要求1所述的执行器，其中所述超硬插入物至少部分地位于所述工作面的前边缘上。

7.如权利要求1所述的执行器，其中所述超硬插入物位于所述工作面的井下边缘和前边缘上。

8.一种执行器，其包括：

执行器主体；以及

工作面，其中所述工作面径向远离旋转轴线而位于所述执行器主体上，所述工作面具有：

井下边缘和前边缘，

第一表面和第二表面，以及

第一材料和第二材料。

9.如权利要求8所述的执行器，其中所述第一表面具有在平行于所述旋转轴线的纵向方向上的轮廓并且相对于所述第二表面距离所述井下边缘更远，并且所述第二表面从所述第一表面径向向内并朝着所述井下边缘成锥形。

10.如权利要求9所述的执行器，其中所述第一表面的面积在所述工作面的40％与50％之间。

11.如权利要求9所述的执行器，其中所述第一表面的所述面积是所述工作面的大于50％。

12.如权利要求9所述的执行器，其中所述第一表面在横向方向上曲弯。

13.如权利要求8所述的执行器，其中所述第一材料具有第一摩擦系数并且所述第二材料具有第二摩擦系数，其中所述第二摩擦系数低于所述第一摩擦系数。

14.如权利要求13所述的执行器，其中所述第一摩擦系数和所述第二摩擦系数的比率为约4。

15.如权利要求8所述的执行器，其中所述第二材料至少部分地位于所述第一表面上。

16.如权利要求15所述的执行器，其中所述第二材料至少部分地位于所述第二表面上。

17.一种用于使旋转工具相对于钻孔壁转向的方法，所述方法包括：

使多个执行器从所述旋转工具上的主体径向向外延伸，所述多个执行器横向于所述主体的旋转轴线而装配，所述多个执行器中的至少一个执行器包括：

轴杆，

执行器主体，以及

工作面，其径向远离所述旋转轴线而取向，所述工作面具有带有井下边缘和前边缘的周长，所述工作面包括第一表面和第二表面，所述第二表面比所述第一表面更接近所述井下边缘，其中所述工作面具有第一材料和第二材料，所述第二材料在所述第二表面的至少一部分和所述周长的至少一部分上；

在接触点处将所述多个执行器中的所述至少一个执行器接触到所述钻孔壁，使得在所述接触点的相反方向上偏转所述旋转工具；

通过所述工作面的前边缘上的所述第一材料与所述钻孔壁的所述接触将第一扭矩施加至所述多个执行器中的所述至少一个执行器；以及

通过所述第二材料与所述钻孔壁的所述接触将第二扭矩施加至所述多个执行器中的所述至少一个执行器。

18.如权利要求17所述的方法，所述第一扭矩至少部分地取决于所述第一表面与所述井眼壁之间的第一摩擦系数，并且所述第二扭矩至少部分地取决于所述第二表面与所述井眼壁之间的第二摩擦系数，所述第一摩擦系数和第二摩擦系数是不同的。

19.如权利要求17所述的方法，其中所述第一扭矩和所述第二扭矩的和产生单向净扭矩。

20.如权利要求17所述的方法，其中所述轴杆具有不是圆形的横向横截面形状，并且所述轴杆与接收器的接触将与所述轴杆上至少部分地归因于所述第一扭矩和所述第二扭矩的和的净扭矩相反的扭矩施加至所述轴杆。