CN110366627B - 用于旋转式转向系统的策略挠性部段 - Google Patents

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Abstract

一种旋转式转向系统(RSS)，包括联接在其中或联接到其上的挠性套环，所述挠性套环允许控制所述RSS的刚度并且允许实现期望的回转半径，而不牺牲所述RSS的稳定性特性。所述挠性套环可定位在所述RSS的转向部段与控制器之间。可策略性地选择影响所述挠性套环和所述RSS的几何结构、位置和刚度特性的参数，以匹配正在钻探的特定井筒的要求。通过策略性地选择这些参数，可实现与工具长度、弯曲刚度、弯曲应力、扭转刚度、由于扭转引起的剪切应力以及增大的狗腿严重度容限有关的改进。

Description

用于旋转式转向系统的策略挠性部段
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年5月31日提交的标题为“Strategic Flexible Section for aRotary Steerable System”的美国临时申请号62/513,365的优先权，所述临时申请的公开内容以引用的方式整体并入本文。
背景技术
本公开总体涉及旋转式转向系统(RSS)，例如，用于在石油和天然气勘探与生产中定向钻探井筒的钻井系统。更特别地，本公开的实施方案涉及旋转式转向系统，所述旋转式转向系统在其中具有挠性套环以用于实现期望的转向半径。
定向钻井操作涉及在钻探井筒时控制井筒的方向。通常定向钻井的目标是利用钻柱达到目标地下目的地，并且常常将需要使钻柱转动通过紧凑的半径以到达目标目的地。总体上，RSS通过以下方式改变方向：以转向垫抵靠井筒壁的一侧推压以由此致使钻头在相对侧上推压(在推靠钻头式系统中)，或使延伸穿过非旋转壳体的主轴弯曲以使钻头相对于工具的其余部段指向特定方向(在指向钻头式系统中)。在推靠钻头式系统中，井筒壁通常与钻头、转向垫和稳定器接触。这种系统的转向能力主要受能够通过钻头、转向垫和稳定器中的每一者拟合的曲线限制。
附图说明
在下文中仅以举例的方式、基于在附图中表示的实例详细描述本公开，在附图中：
图1是利用包括RSS的井底总成钻探的定向井筒的局部剖面侧视图；
图2是包括联接到RSS的井上端部的挠性套环的井底总成的示意图；
图3A是具有挠性套环的RSS的示意图，挠性套环联接在RSS的转向部段与控制部段之间；
图3B是图3A的挠性套环的剖视图；
图4是具有挠性套环的RSS的示意图，其中控制部件设置在挠性套环内；
图5A是具有总体上圆柱形配置的示例性挠性套环的示意图示；
图5B是示出被配置为图5A的挠性套环且由不同材料(钢和钛)构造的两个示例性挠性套环的几何结构和刚度特性的表；
图6是示出利用图5B的两个示例性挠性套环可实现的狗腿严重度的图形视图，所述狗腿严重度是多种倾角下的钻压的函数，所述图形视图示出改进的增斜率能力；
图7是示出利用图5B的两个示例性挠性套环可实现的狗腿严重度的图形视图，所述狗腿严重度是多种倾角下的钻压的函数，所述图形视图示出改进的降斜率能力；并且
图8是示出配置并构造旋转式转向系统的过程的流程图。
具体实施方式
现本公开包括一种RSS，所述RSS具有联接在其中的挠性套环，所述挠性套环允许实现期望的回转半径。挠性套环可定位在包括RSS的井底总成的井上端部处，或者可替代地，挠性套环可定位在RSS的转向部段与控制器之间。可策略性地选择影响挠性套环的几何结构和刚度特性的参数，以匹配正在钻探的特定井筒的要求。另外，可选择用于旋转式转向系统的钻头，使得可连同挠性套环的布局和刚度特性……一起策略性地选择钻头的侧向切割效率，以匹配正在钻探的特定井筒的要求。通过策略性地选择这些参数，可获得与工具长度、弯曲刚度、弯曲应力、扭转刚度、由于扭转引起的剪切应力有关的改进以及增大的狗腿严重度容限。
图1是利用包括RSS的井底总成(BHA)钻探的定向井筒的局部剖面侧视图。示出了示例性定向钻井系统10，其包括由井架台12支撑的塔架或“井架”11。井架台12支撑旋转台14，所述旋转台14(例如)通过原动机(未示出)的操作借助链条驱动系统以期望的旋转速度驱动。旋转台14继而向钻柱20提供必要的旋转力。钻柱20(其包括钻管部段24)从旋转台14向下延伸到定向井筒或井眼26中。井眼26可表现出多维路径或“轨迹”。图1的井眼26的底部54的三维方向由箭头52表示。
钻头50附接到钻柱20的远侧井下端部。当例如通过旋转台14旋转时，钻头50操作以破碎并且通常分解地质地层46。钻柱20(例如)通过滑轮系统借助方钻杆接头21、转环28和管线29联接到“绞车”起重设备30。在一些实施方案中，在钻井操作期间，绞车30可被操作以控制钻头50上的重力以及钻柱20进入井眼26中的穿透速率。
在钻井操作期间，合适的钻井液或“泥浆”31可通过液压“泥浆泵”34在压力下从泥浆坑32泵出并且通过钻柱20泵入井眼26中。泥浆31通过流体管道(通常称为“泥浆管线”)38和方钻杆接头21从泥浆泵34进入钻柱20中。钻井液31通过钻头50中的开口或喷嘴在井眼底部54处排出，并且通过钻柱20与井眼26的侧面56之间的环形空间27在“井上”方向上朝向地表循环。当钻井液31接近旋转台14时，钻井液31通过返回管线35排出到泥浆坑32中。适当地部署在井眼26的地表上的多种地表传感器48可单独操作或结合部署在井眼26内的传感器70、72操作，以提供关于各种钻井相关的参数(诸如流体流动速率、钻压、吊钩负载等)的信息。
地表控制单元40可通过可放置在流体管线38上的传感器或换能器43接收来自地表或井下传感器(例如，传感器48、70、72)和装置的信号。地表控制单元40可能够操作以根据提供给地表控制单元40的程序化指令处理这类信号。地表控制单元40可通过一个或多个输出装置42(诸如显示器、计算机监视器、扬声器、灯等)向操作者呈现可由操作者用来控制钻井操作的期望的钻井参数和其他信息。地表控制单元40可包含计算机、用于存储数据的存储器、数据记录器以及其他已知的和以下开发的外围设备。地表控制单元40还可包括模型，并且可根据程序化指令处理数据，并对通过合适的输入装置44输入的用户命令作出响应，所述合适的输入装置44可具有键盘、显示屏、麦克风、鼠标、操纵杆等。
在本公开的一些实施方案中，可旋转钻头50附接在包括旋转式转向系统(RSS)58的井底总成(BHA)22的远侧端部处。在所示实施方案中，BHA 22联接在钻头50与钻柱20的钻管部段24之间。BHA 22和或/RSS 58可包括随钻测量(MWD)系统与各种传感器(例如，传感器70、72)，以提供关于地层46和井下钻井参数的信息。BHA 22中的MWD传感器包括但不限于：用于测量钻头附近的地层电阻率的装置、用于测量地层46的天然放射性的伽马射线装置、用于确定钻柱20的倾角和方位角的装置、以及用于测量井下钻井液压力的压力传感器。MWD传感器还可包括用于测量冲击、振动、扭矩、遥测等的另外的/替代的感测装置。上面指出的装置可将数据传输到井下通信器33，所述井下通信器33继而将数据井上传输到地表控制单元40。在一些实施方案中，BHA 22还可包括随钻测井(LWD)系统。
换能器43可放置在泥浆供应管线38中，以响应于由井下通信器33传输的数据而检测泥浆脉冲。换能器43继而(例如)响应于泥浆压力变化而产生电信号，并且将这类信号传输到地表控制单元40。可替代地，可利用诸如电磁和/或声学技术的遥测技术或已知的或下文开发的任何其他合适的技术。以举例的方式，可使用硬连线的钻管来在地表与井下装置之间通信。在另一个实例中，可使用所描述的技术的组合。地表发射器/接收器80使用(例如)所描述的传输技术中的任一种(诸如泥浆脉冲遥测技术)与井下工具通信。这可实现地表控制单元40与井下通信器33和其他井下工具之间的双向通信。
BHA 22和/或RSS 58可提供钻头50突破地层46所必要的力(称为“钻压”)的一部分或全部，并且提供钻探井眼26所必须的定向控制。RSS 58可包括具有转向垫60的转向部段，所述转向垫60可在横向方向上从RSS 58的轴线A0延伸以抵靠地质地层46进行推压。转向垫60可包括铰接垫、臂、散热翅片、杆、增能稳定器刀片或可从RSS 58延伸以接触井眼26的侧面56的任何其他元件。转向垫60可围绕RSS 58周向间隔开，并且可单独延伸以接触井眼26的侧面56，以在钻井时改变RSS 58的纵向轴线相对于井眼26的角度和/或向钻头50施加侧向力。转向垫60可包括一组至少三个外部安装的转向垫60以在受控的取向上施加力，从而使钻头50在期望的方向上偏转以进行转向。在一些实施方案中，转向垫60由通过钻柱20和钻头50泵送的钻井液或泥浆31的一小部分增能，以用于钻屑移除、冷却和井控。因此，RSS58使用钻井液或泥浆31的“免费”的水力能进行定向控制。对于传统的电力伺服马达/电磁阀型驱动系统，功率要求大约是100-300W。转向垫60可提供能够调整的力或延伸度以帮助控制井眼26的方向。RSS 58还包括联接到其控制部段的稳定器62。
图2是包括联接到RSS 104的井上端部的挠性部段或挠性套环102的井底总成100的示意图。挠性套环102总体可被构造成表现出比RSS 104和BHA 100的其他部件更低的弯曲刚度。挠性套环102可在其前端或井下端部处包括结构性连接器106(诸如螺纹、闩锁等)，以用于选择性地联接到RSS 104的尾端或井上端部。RSS 104包括控制部段110、流量控制部段112和转向部段114，它们中的每一者可封装在与挠性套环102相比具有更大弯曲刚度的单个壳体中。可替代地，结构性连接器116可设置在控制部段110、流量控制部段112与转向部段114之间。挠性套环102可在其井上端部处包括钻柱联接器120，以用于将BHA 100联接到钻柱20的钻管部段24(图1)。然后，井底总成100可表现出比单独的RSS 104更大的挠性。
在其他实施方案中，挠性套环102可定位在RSS(见图3)内或在钻柱20内的其他位置处。当挠性套环102定位在RSS内时，挠性套环102可在其前端或井下端部处包括结构性连接器116、螺纹、闩锁等，以用于选择性地联接到RSS 104的转向部段114的尾端或井上端部。在一些实施方案中，转向部段114可包含流量控制部段112(见图3A)，例如，转向部段114和流量控制部段112可容纳在一起而其间没有结构性连接器。挠性套环102还可在其尾端或井上端部处包括结构性连接器116、螺纹、闩锁等，以用于选择性地联接到RSS的控制部段110的前端或井下端部。
挠性套环102可策略性地被设计成利用挠性套环在挠性套环102的其他部件之间的给定布局来实现来自RSS 104的期望的狗腿严重度(DLS)能力。挠性套环102的几何尺寸、材料选择及其复合材料和其他非金属材料的物理构造特性可被选择以使得RSS 104能够满足具体的能力要求。总体上，挠性套环102的大小设定包括选择挠性套环的外径(OD)、内径(ID)和长度。针对材料选择所考虑的一种材料特性是弹性模量(E)。针对材料选择所考虑的另一种材料特性是刚性模量(G)。挠性套环102的策略性大小设定和材料选择可用来在期望时增大或最大化DLS能力，例如，以钻探井筒26(图1)的高DLS的增斜、弯曲、降斜或转弯部段。类似地，策略性大小设定和材料选择可用来在期望时限制或最小化DLS能力，例如，以钻探较低DLS的增斜、降斜或转弯部段，或者在期望较低DLS能力的情况下和/或在高DLS能力可能存在问题的情况下钻探井筒26的竖直、切向、横向或水平部段。挠性套环102的策略性大小设定和材料选择使得RSS 104和挠性套环102的其他属性能够得到最优化，所述属性包括：工具长度、弯矩、弯曲应力、由于扭转引起的剪切应力以及增大的DLS容限。
钻头50联接到转向部段114的井下端部，所述转向部分114包括多个转向垫60或用于使钻头50转向的其他推动装置。转向垫60可被构造为铰接垫推动器、转向活塞或类似活塞，诸如在可调整标准尺寸稳定器(未示出)上发现的那些。流量控制部段112联接在转向部段114上方(或者包括转向部段114的井上部分)，并且可操作以使泵送穿过BHA 100的总钻井液或泥浆31(图1)的一部分改向。通常，流量控制部段112可包括阀组210(图3)，所述阀组210使约1-4％从主泥浆流改向。改向部分穿过过滤元件，之后通过转向部段114中所限定的流动路径被引导到相应的转向垫60或推动装置。流改向通常使用机械驱动/控制的阀组件210实现，但是也设想其他布置，诸如单旋转阀，所述单旋转阀通过转向部段114中所限定的流动路径将流的改向部分分配到相应的转向垫60或推动装置。为了控制并驱动机械阀组件210，传统上采用伺服马达、齿轮箱和/或轴承组件。如果需要注油，则这些齿轮箱和/或轴承组件可能需要体积补偿系统，并且需要密封溶液以防止钻井液或泥浆31进入。
控制部段容纳电子组件212(图3A)，所述电子组件212包括定向和倾角(D&I)传感器包、伽马射线(GR)传感器包和其他类型的MWD或LWD传感器。控制部段110还可包括CPU、功率调节装置和通信装置(例如，井下通信器33(图1))。发电和/或功率源部件总体上也位于控制部段110的内部。发电和/或功率源部件需要充分地设定大小，以为电子组件212供电，驱动机械阀组件210或单旋转阀，并且克服由密封件、轴承、齿轮箱等或阀本身产生的任何摩擦损失。稳定器62联接到控制部段110的外壳体122。
BHA 100的理论转向能力总体上由通过稳定器62、转向垫60和钻头50拟合的曲线限定。这些是在形成井筒26时通常接触地质地层46(图1)的部件。控制部段110、流量控制部段112和转向部段114的挠曲可增强BHA 100在操作中的转向响应，但是这些部段110、112、114的挠曲通常是有限的，以便防止对这些部段110、112、114的内部部件造成损坏或破坏，所述损坏或破坏可导致定向控制精度(例如，工具面控制)的降低。
图3A是具有挠性套环102的RSS 200的示意图，所述挠性套环102在RSS 200的转向部段114与控制部段110之间。这种布置在挠性套环102的策略性大小设定和材料选择被采用来增大或最大化RSS 200的DLS能力时特别有用。转向部段114与流量控制部段112一起容纳在壳体206中。流量控制部段112的阀组件210或单旋转阀设置在壳体206的总体上位于转向垫60井上的部分中。控制部段110包括模块化传感器和控制电子组件212。
在图3的布置中，阀组件210、单旋转阀或流量控制部段112中的其他流量控制装置可需要电连接到模块化传感器和控制电子组件212。在阀组件210包括容纳在转向部段114的壳体206中的电池或其他电源(未示出)的情况下，阀组件210可能仅需要跨挠性套环102传达指令。所述指令可由转向部段114的通信接收单元218接收。在阀组件210不包括电源的情况下，阀组件210可需要通过挠性套环102接收指令和功率。指令和数据可通过延伸穿过挠性套环102的多导体通信缆线222、电线或其他电导体传输。通信传输单元224可操作地联接到模块化电子组件212以从其接收指令，并且可操作地联接到通信缆线222以通过其传输指令。由于仅电通信缆线222需要穿过挠性套环102(例如，可能不需要机械驱动轴)，具有降低的弯曲刚度的挠性套环102可非常靠近钻头50，即，在转向垫60的正上方添加。
导向稳定器230可设置在转向部段114中，并且从壳体206横向延伸。导向稳定器230可防止施加到延伸穿过弯曲的井眼的钻柱20(图1)的弯矩的一部分在转向垫60处反作用。已经发现，在一些情况下，这些弯矩致使转向垫60回缩到壳体206中，从而阻止钻头50的有效转向。导向稳定器230可邻近转向垫60设置或设置在转向垫60上方，并且可与转向垫60从同一壳体206突出。
功率部段232设置在控制部段110上方。功率部段232可包括涡轮叶片(未示出)，所述涡轮叶片从沿钻柱(图1)泵送的钻井泥浆31(图1)提取能量，以便为电子组件212、通信传输单元224、通信接收单元218和阀组件210产生电功率。阀组件210或单旋转阀可依赖于电动马达(未示出)来选择性地向转向垫60提供钻井泥浆。
假如不需要挠曲，则挠性套环102可变成可能的未来升级版。在一些实施方案中，挠性套环102还可用来安装传感器以测量并记录钻井参数(诸如钻压(WOB)、钻头扭矩(TOB)和弯曲负载)；可用于定向控制的重要数据。为了增强RSS 200的转向性和响应，可将一系列方向和倾角传感器放置在挠性套环102下方，例如，放置在转向部段114中，以提供定向输出的早期指示。挠性套环102可被设计、构造和定位在RSS 200内以使RSS 200是高度机敏的并提供高DLS能力。近钻头方向和/或倾角测量数据可由转向部段114或挠性套环102中(见图4)的动态测量包240提供，动态测量包240用于测量钻头50的方向和/或倾角和/或钻井操作的其他特性。勘测坡度传感器包242可设置在控制部段110中以用于提供MWD和/或LWD能力。近钻头测量结果可能具有更低的质量并且将与来自控制部段的更高质量的方向和倾角(D&I)数据结合以做出转向决策。
如以上所指示，控制部段110以模块化电子组件212为特征，其包括D&I传感器包、GR传感器包和其他传感器以及CPU、功率调节装置和通信装置。发电和/或功率源模块部段总体上也位于控制部段110的内部。为了便于诊断和维护，非常需要高度模块性结合每个模块上的模块上诊断和存储器，以允许故障查找、使用寿命追踪以及累积运行历史记录捕获。
转向部段114可包括一组至少三个外部安装的致动器组件或转向垫60，所述致动器组件或转向垫60在受控的取向上抵靠井筒26(图1)施加力，以使钻头50在期望的方向上偏转以进行转向。转向垫60可由通过钻柱20(图1)和钻头50泵送的钻井液或泥浆31(图1)的一小部分增能，以用于钻屑移除、冷却和井控。因此，RSS 200使用钻井液的“免费”的水力能进行定向控制。在各种实施方案中，致动器组件或转向垫60可以是活塞组件、铰接垫或增能稳定器刀片。通过利用泵送穿过钻柱20的钻井液的“免费的”水力能，仅需要提供用于控制流体流量的能量。对于传统的电力伺服马达/电磁阀型驱动系统，功率要求大约是100-300W。基于机电材料的致动器提供显著降低的功率要求、低热产生量、不具有需要气密密封和注油以及相关补偿系统的移动部件的设计、低磨损率、高刚度、成比例响应和非常紧凑的设计。与传统电驱动系统(100-300W)的功率要求相比，基于机电材料的流量控制装置210的功率要求可低至10W或更低。低功率消耗结合紧凑的设计将允许流量控制装置210紧邻转向垫60安装在转向部段114外部。这减少了对在RSS 200中形成流动路径以将钻井液或泥浆转移到转向垫60的昂贵枪钻操作的需要。可替代地，单旋转阀可通过歧管和枪钻端口将流分配到转向垫60。
在另一个实施方案中，流量控制装置210位于转向垫内部，例如，在可操作以驱动转向垫60的活塞组件内部。紧凑的设计所提供的关键优点在于：它允许用于定向控制的控制电子器件和传感器240移动成更靠近钻头50，这允许更好的定向控制。在其他实施方案中，RSS 200可配备有用于传统的流量控制部段112的紧凑且自容式的模块，所述模块在转向部段114内或附接到转向部段114。
图3B是挠性套环102的剖视图。挠性套环102总体上在其前端240和尾端242处限定第一外径OD1。第一外径OD1可与控制部段110和转向部段114的壳体122(图2)和206(图3A)的外径相似。前端240与尾端242之间的颈缩部分246限定第二外径OD2，第二外径OD2小于第一外径OD1。颈缩部分246向挠性套环102提供降低的弯曲刚度。在其他实施方案中，挠性套环102可以除传统颈缩套环以外的形式实现。例如，挠性套环102可以是总体上圆柱形的管状构件，例如，第一外径OD1和第二外径OD2(以及第三外径OD3)可以是相等的。硬面磨损带或稳定器(280)可设置在OD3上，以防止在与井眼26接触的情况下过度磨损，或者限制挠性套环102的尾端242在井眼26内的横向偏转。在其他实施方案中，挠性套环可被配置为完全铰接的万向接头。就完全铰接的万向接头而言，接头可限定在壳体的外部上，使得挠性套环在接头下方的整个外径进行铰接。挠性套环102或挠曲部段的弯曲刚度越低，RSS 200(图3A)表现得越像可能实现非常高的狗腿严重度的指向钻头式旋转式转向系统。
通过挠性套环102的数据和功率传输可以多种方式实现，例如，延伸穿过挠性套环102的有线延长器、附接到挠性套环102或与其集成的电导体、或甚至短距离无线功率/数据传输。如图3B所示，挠性套环102在前端240和尾端242处包括电连接器250、252，以促进将挠性套环102联接到RSS 200的其他部段110、112、114、232。电连接器250、252可包括旋转式连接器，例如，可与其他RSS部段110、112、114、232中的对应连接器通过两者间的相对旋转移动进行接合。在一些实施方案中，结构性连接器254、256(诸如螺纹)可设置用于将挠性套环102联接到其他部段110、112、114、232，使得相对旋转运动建立挠性套环102与其他部段110、112、114、232之间的结构性连接和电连接两者。在一些实施方案中，连接器250、252可包括8脚旋转连接器以适应通过挠性套环102的数据和功率传输。根据流量控制部段的功率要求，可包括小电池或紧凑的发电模块，例如，基于振动的发电模块。在那种情况下，将仅需要数据传输，从而促成无线挠性套环102。
连接器250、252可利用电缆线222(图3A)可操作地联接到彼此。在一些实施方案中，枪钻纵向孔260可穿过挠性套环102的壁262提供。纵向孔260可与延伸穿过挠性套环102的主流动通道264径向偏离。
挠性套环102可被制成是可替换的和/或可重新定位在RSS 200的部段110、112、114、232之间的，以基于所需的转向响应来配置RSS 200。可执行详细的建模，以确定是否需要特定的挠性套环102或挠曲部段来实现特定项目所需的狗腿严重度。例如，所需的狗腿严重度可能是从可用挠性套环102源中选择挠性套环的考虑因素，或者挠性套环102可基于项目所需的狗腿严重度来根据大小设定和材料选择而构造。在一些实施方案中，钻头50(图3A)还可被选择和/或构造来提供必要的侧向切割效率，以适应或补充RSS 200中的挠性套环102的特定配置和布置。钻头的侧向切割效率是指作为钻头轴向钻探的能力的比率的钻头横向钻探的能力。侧向切割效率(SCE)可被限定为：
Figure BDA0002185045770000101
PDC钻头的SCE的典型范围是0.01至0.50。在一些实例中，如果确定具有特定布置的RSS 200能够提供与所必需相比更大的DLS能力，则可选择具有相对低的侧向切割效率的钻头50，以便限制DLS能力，从而改进RSS200的耐久性和可靠性。例如，可选择具有相对低的侧向切割效率的钻头50，以确保挠性套环102仅弯曲到其沿着井筒26(图1)的计划路径的能力的预定百分比。可替代地，如果确定具有特定布置的RSS 200不能够提供期望的DLS能力，则可选择具有相对高的侧向切割效率的钻头50以便实现钻探目的。
图4是具有挠性套环302的RSS 300的示意图，其中控制部件304设置在挠性套环302内。控制部件304可包括上面针对电子组件212(图3A)所描述的任何设备以及用于操作RSS 300的任何其他模块化控制组件。使用以下描述的材料选择和策略性大小设定技术中的一些，对于一些应用，可充分增大挠性套环302的内径ID，以容纳模块化控制组件304并提供从中穿过的足够的流体流量。对于一些应用，这种布置可减小RSS 300的总长度OL。如图4所示，挠性套环302被示意性地示出为包括颈缩部段，但是如上所述，也设想到总体上圆柱形的配置或其他配置。
在本文所述的一些实施方案中，关于挠性套环102、302描述了推靠钻头式旋转式转向概念，挠性套环102、302位于RSS的转向部段114与控制部段110之间以改进回转半径能力。挠性套环102、302的策略性大小设定和材料选择可进一步改进回转半径能力，或者在期望时限制此能力。由于挠性套环102、302被制成是更挠性的，RSS的狗腿严重度(DLS)能力增大。对于许多油和/或气井筒26(图1)来说，高DLS能力是期望的。例如，增斜部段上的短曲线长度可使随后的横向生产部段的储层暴露量最大化。其他应用可能需要高DLS能力，诸如：避开其他井筒；通过选择以下配置来在有问题的地层中实现期望的DLS能力，所述配置通常提供与所需相比更高的DLS能力，以针对松散的岩石、低岩石强度、大于标准尺寸的井眼、地层趋势、地层断层或其他信息问题进行补偿；避开或离开有问题或不期望的地质地层；或从现有井筒26钻出侧钻部段。
许多油和/或气井并不要求高DLS能力。在这些情况下，挠性套环102、302可被制成是更硬的(并且因此是更稳定的)，并且RSS的DLS能力可降低。可能期望下入具有较低DLS能力的更硬RSS，以避免在尝试钻探低DLS区段(例如，井筒的竖直、切向、横向或水平部段中的笔直区段)时形成通过使用支持高DLS的工具有时会生成的局部高DLS的凸部或短区段或减少其形成。此外，支持高DLS的系统是较不稳定的并且可能产生井筒振荡或螺旋，这可通过使用相对硬的挠性套环102、302来避免。
钻头50的侧向切割效率的策略性选择可结合挠性套环102、302的大小设定和材料选择来使用，以实现期望的结果。在一些情况下，可选择具有相对高的侧向切割效率的钻头50来与特定挠性套环102、302一起使用。例如，当期望最大DLS能力时，可将挠性套环102、302的最大挠性与具有最大SCE的钻头50结合，存在诸如应力、穿透速率等的其他约束。在一些情况下，可选择具有相对低的侧向切割效率的钻头50来与特定的挠性套环102、302布置一起使用，以限制RSS 58、200、300的DLS能力。例如，可选择具有相对低的侧向切割效率的钻头50的选择，以防止挠性套环102、302在操作中挠曲到其承载力。这可改进RSS 58、200、300的稳定性，并且限制井筒的许多不期望的特征。凸部、局部高DLS以及井筒振荡或螺旋产生限制井筒的切向、横向或水平部段的长度的曳力。这些不期望的特征也使得难以在井筒内或井筒外下入衬管、套管和完井设备。在一些情况下，可选择具有相对高的侧向切割效率的钻头50，以提高相对硬的挠性套环102、302的DLS能力。在较高的SCE钻头50的情况下，可能期望相对硬的挠性套环102、302以限制振动或扭转振荡并且仍然实现期望的DLS目标。当策略性地选择挠性套环102、302的OD、ID、长度和材料以及钻头50的SCE以实现期望的DLS和其他井筒目标时，可一起考虑挠性套环102、302的全刚度范围以及钻头50的全SCE范围。
至少出于上面阐述的原因，期望策略性地选择RSS 58、200、300的配置以及钻头50的SCE，以匹配正在钻探的井筒26的需求。通过选择挠性套环的OD、ID、长度、材料、挠性套环102、302在BHA 22内的位置、和/或用于与BHA 22一起使用的钻头50的侧向切割效率的适当的组合，可满足井筒26的需求。这些参数的选择还可提供其他有益效果，包括：提供更期望的长度、弯曲刚度、弯曲应力、扭转刚度、由于扭转引起的剪切应力以及如下面所讨论的增大的DLS容限。
参考图5A，描述了具有总体上圆柱形配置的示例性挠性套环402。挠性套环具有长度(L)、内径(ID)和外径(OD)。虽然挠性套环402表现出简化的几何结构，但下面参考挠性套环402讨论的原理也应用上面描述的挠性套环102、302的更加复杂的几何结构。一般而言，挠性套环402的增大的挠性可通过以下中的一者或多者来实现：(1)减小外径(OD)；(2)增大内径(ID)；(3)增大长度(L)；以及(4)减小挠性套环402的弹性模量(E)。相反地，挠性套环402的增大的刚度可通过以下中的一者或多者来实现：(1)增大外径(OD)；(2)减小内径(ID)；(3)减小长度(L)；以及(4)增大挠性套环402的弹性模量(E)。
形成期望的外径(OD)、内径(ID)和长度(L)可在选择金属材料时通过常规机械加工、铸造或锻造技术来实现。诸如复合物、玻璃纤维、塑料等的非金属材料也可被生产成具有期望的外径(OD)、内径(ID)、长度(L)和弹性模量(E)组合。弹性模量(E)是材料的物理机械特性，并且因此通过挑选材料来选择。就复合物或一些其他非金属材料而言，材料的物理构造本身可被操纵以提供期望的弹性模量(E)。
在井下工具应用中使用的具有弹性模量的代表性值的常规金属材料的非限制性实例包括：钢或不锈钢(28-30×106psi)；铍铜(19.5×106psi)；钛(13.9-19×106psi)；以及铝(10×106psi)、奥氏体镍铬基合金诸如Inconel 718(29.6×106psi)。在一些应用中，可选择镁材料。
图5B是示出由不同材料(钢和钛)构造的两个示例性挠性套环402Ti、402Stl的几何结构和刚度特性的表，其示出可如何通过适当地选择可用的设计参数来提供RSS 58(图1)的特定DLS能力。在图5B所示的实例中，钛挠性套环402Ti和钢挠性套环402Stl具有相同的长度(L)。然而，钛挠性套环402Ti表现出比钢挠套环402Stl大得多的(OD)和(ID)，并且因此提供大得多的面积惯性矩(I)。如果两种材料具有相同的弹性模量(E)，则面积惯性矩(I)指示钛挠性套环402Ti将比钢挠性套环402硬43％。然而，钛套环402Ti的弹性模量(E)仅是钢挠性套环402Stl的48％。由于挠性套环402Ti、402Stl的长度(L)相同，净刚度可由E×I表示。净效应是钛挠性套环402Ti的刚度仅是钢挠性套环402Stl的69％。钢挠性套环402Stl比钛挠性套环402Ti硬得多，即使外径(OD)和内径(ID)小得多也是如此。
图6和图7示出这两个挠性套环402Ti、402Stl以及相异的相关联刚度对RSS 58的DLS能力的影响。在图6中，针对两个不同刚度的挠性套环示出增斜率或狗腿严重度(DLS)，其是多种倾角(0度、30度、60度和90度)下的钻压(WOB)的函数。在图7中，示出作为WOB的函数的降斜率。增斜率总体涉及倾角随着深度增大时的竖直平面中的DLS，并且降斜率总体涉及倾角随深度减小时的竖直平面中的DLS。
在如图6所示的实例中，钛挠性套环402Ti在整个WOB和倾角范围内提供比钢挠性套环402Stl大了约5到11度/100英尺的增斜率能力，因为它更挠性(其刚度是钢挠性套环402Stl的69％)。如图7所示，针对这个特定实例，钛挠性套环402Ti在整个WOB和倾角范围内具有比钢挠性套环402Stl大7至18度/100英尺的降斜率，因为它更挠性，其硬度仅是(钢挠性套环402Stl的)69％。
根据图5A至图7所示的实例，可证明：为挠性套环选择具有比钢更低的弹性模量(E)的材料可提供更大的挠性以实现更高的DLS能力。具有比钢更低的弹性模量(E)的材料包括但不限于钛、铍铜和铝。相比钢挠性套环的另外的改进也可通过选择钛材料来实现，如图5至图7所示。
例如，可实现工具的减小的总长度“OL”(见图4)，或者可向短RSS 58提供钛挠性套环402Ti或由相对于RSS 58的转向部段相异的材料构造的挠性套环。在图5至图7的实例中，钛挠性套环402Ti实现比钢挠性套环402Stl更大的内径(ID)。在钢挠性套环402Stl的较小内径(ID)的情况下，由于模块所要求的大小、模块与套环402Stl的内径(ID)之间的支撑件/扶正器所需要的空间、以及模块与套环402Stl的内径(ID)之间所需要的流动面积(并且特别是穿过支撑件/扶正器的流动面积)，使电子/控制模块(例如，控制部件304(见图4))在挠性套环402Stl中延伸可能不切实际。因此，利用钢挠性套环402Stl，电线或缆线222可延伸穿过挠性套环的长度，以电连接控制模块部段和转向部段(见例如图3A，未按比例绘制)。在钛挠性套环402Ti所实现的较大内径(ID)的情况下，使电子/控制部件304在挠性套环402Ti内延伸(见例如图4，未按比例绘制)可以是实际的。电线或缆线222将会消耗的长度可由控制模块304或期望的任何其他电子模块使用。RSS 300的总长度“OL”可显著地减小。
通过选择钛来构造挠性套环402Ti，还可实现减小的弯曲刚度和弯曲应力。弯矩与(E×I)/曲率半径成比例，例如，曲率半径越小，弯矩越大。曲率半径与DLS成反比例，例如，DLS越大，曲率半径越小。因此，弯矩与(E×I)×DLS成比例。对于给定DLS，通过钛挠性套环402Ti来实现(E×I)的减小，由此实现弯矩的减小。
弯曲应力与弯矩×(OD/2)/I成比例。因此，弯曲应力与(E×I)×DLS×(OD/2)/I成比例。因为“I”在分子和分母中都有出现，所以被约去，并且因此，弯曲应力与E×DLS×(OD/2)成比例。在所述实例中，钛挠性套环402Ti降低弹性模量(E)，但是增大外径(OD)。只要弹性模量(E)的减小相称地大于外径(OD)的增大，弯曲应力就减小，如由钛挠性套环402Ti所实现的。较低的弯曲应力在RSS应用中是非常期望的。
通过选择钛挠性套环402Ti，还可实现减小的扭转刚度和减小的由于扭转引起的剪切应力。扭转刚度与(J×G)/挠性套环402Ti的长度成比例，其中J表示极惯性矩，并且G表示刚性模量。对于给定长度(L)，在这个具体实例中，钛挠性套环402Ti减小扭转刚度(例如，钛挠性套环402Ti的J×G较低)，这不一定是所有情况下都期望的。通过减小钛挠性套环402Ti的长度(L)以增大与弯曲刚度和弯曲应力的增大保持平衡的扭转刚度，关于长度(L)可发生一些优化。
然而，由于扭转引起的剪切应力与扭矩×(OD/2)/J成比例。钛挠性套环402Ti实现较大的J值，由此实现较低的由于扭转引起的剪切应力，即使当OD增大时也是如此，因为J是OD4的函数。减小的由于扭转引起的剪切应力在RSS应用中是非常期望的。
增大的DLS容限也可通过选择钛挠性套环402Ti来实现。如图5至图7的实例所示，使用钛挠性套环402Ti来减小刚度增大了DLS能力。但是因为给定DLS下的较低的弯曲应力，钛挠性壳体402Ti使得能够容忍较高的DLS。
参考图8，描述了用于配置并构造旋转式转向系统的程序500。虽然下面描述的步骤可以图8所示的顺序执行，但是在不脱离本公开的范围的情况下，所述步骤中的至少一些可以不同顺序执行。在步骤502处，确定钻探井筒所需的最大DLS。所需或最大DLS可包括，例如，计划井筒路径或井筒的轨迹中的最大增斜率或降斜率。
在步骤504处，基于所需DLS选择挠性套环的参数组合。例如，可选择参数组合以向旋转式转向系统提供足够的挠性以实现最大狗腿严重度。参数包括挠性套环的几何参数，例如，外径(OD)、内径(ID)、长度(L)。参数还包括材料参数，例如弹性模量(E)。至少部分地基于所选择的弹性模量(E)来为挠性套环选择材料(步骤506)。在一些实施方案中，为挠性套环选择的材料可与RSS中的其他部段的材料相异。例如，控制部段110、流量控制部段112和转向部段114的壳体可由钢构造，而可选择钛或Inconel 718用于挠性套环。
在步骤508处，选择挠性套环在旋转式转向系统内的布局。在所需DLS相对高的情况下，可补充挠性套环在转向部段与控制部段之间的布局。在所需DLS相对低的情况下，或在稳定性是重要关注点的情况下，可设想挠性套环在控制部段110的井上端部处的布局。接下来，可选择用于与RSS一起使用的钻头(步骤510)。钻头的侧向切割效率可以是选择时的考虑因素。在所需DLS相对高的情况下，可选择相对高的侧向切割效率，这可允许挠性套环在操作中达到其抗弯承载力。在所需DLS相对低的情况下，可选择具有相对低的侧向切割效率的钻头，这可限制挠性套环在操作中的挠曲。在相对硬的挠性套环的情况下，DLS能力可通过相对高SCE钻头来增强。在相对软的挠性套环的情况下，DLS能力可通过相对低SCE钻头来调和。
一旦选择了RSS的参数和布置，在步骤512处，就可基于所选择的挠性套环的布局、材料和参数组合来确定RSS的初始狗腿严重度能力。在一些实施方案中，例如使用有限元分析模型与技术来在算术上确定初始DLS能力。在其他实施方案中，通过根据所选择的参数构造DLS能力并且观察在测试中或实际作业井筒中实现的能力来根据经验确定RSS能力。
接下来，程序500前进至决策514，在514处，将初始DLS能力与DLS能力的预定容限进行比较。如果确定初始DLS能力与所需DLS严重度足够接近，则程序500前进至步骤516，在516处，基于挠性套环的初始选择的布局和参数和/或钻头SCE来构造RSS和/或钻头，然后将RSS与所选择的钻头一起部署到井筒中(步骤518)。
如果在决策514处，确定初始DLS能力不在预定容限内，则程序500可返回到步骤504(或步骤506、508、510中的任一者)，在此处可做出调整的选择。可做出产生调整的狗腿严重度能力的调整的布局、材料和参数组合，所述调整的狗腿严重度能力比初始狗腿严重度能力更接近所需的狗腿严重度。在一些实施方案中，当在步骤512中确定的DLS能力不足的情况下，可选择比所选择的初始弹性模量(E)低的调整的弹性模量(E)，以产生更挠性的DSS。相反地，当在步骤512中确定的DLS能力大于适应所需的DLS严重度所必需的情况下，可选择具有较低的侧向切割效率的钻头，以提高RSS的稳定性和/或耐久性。可迭代地重复程序500，直到所确定的DLS能力在容限内为止。
此后，可基于调整的布局、材料和参数组合来构造RSS和/或钻头(步骤516)，并且可将RSS与调整的钻头一起部署到井筒中以实现所需狗腿严重度。
下面描述的本公开的各方面提供用于以简化形式描述上面更详细描述的一系列概念。本部分既不意图识别要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意图用来帮助确定要求保护的主题的范围。
在一个方面，本公开涉及一种配置旋转式转向系统的方法。所述方法包括：(a)确定用于沿着计划井筒路径钻探井筒所需的最大狗腿严重度；(b)确定挠性套环的参数组合以向所述旋转式转向系统提供足够的挠性以实现所述最大狗腿严重度，所述参数包括外径、内径、长度和弹性模量；(c)基于所确定的弹性模量来为所述挠性套环选择材料；以及(d)将所述旋转式转向系统与具有所述参数组合和所选择的材料的所述挠性套环组装在一起。
在一些实施方案中，所述方法还包括：选择具有一定侧向切割效率的钻头，并且将所述旋转式转向系统与所述钻头组装在一起，所述侧向切割效率被确定以致使所述挠性套环弯曲所述挠性套环在沿着所述计划井筒路径的所述最大狗腿严重度下的弯曲能力或承载力的预定百分比。所选择的侧向切割效率可被确定以限制所述旋转式转向系统的DLS能力。
在一个或多个示例性实施方案中，所述方法还可包括：选择所述挠性套环相对于所述旋转式转向系统的转向部段和控制部段的布局。在一些实施方案中，所述挠性套环的所述布局被选择为在所述旋转式转向系统的转向部段与控制部段之间。为所述挠性套环选择的所述材料可与所述转向部段和所述控制部段的材料相异。在一些实施方案中，所选择的材料包括由以下组成的组中的至少一者：钛、奥氏体镍铬基合金和铍铜。
在一些实施方案中，所述参数组合被确定以提供所述RSS的期望的工具长度。所述参数组合还可被确定以提供所述RSS的期望的工具长度、所述挠性套环所期望的弯曲刚度或弯曲应力、所述挠性套环所期望的扭转刚度或由于扭转引起的剪切应力、或将要实现的DLS容限。
在另一个方面，本公开涉及一种配置并部署旋转式转向系统的方法。所述方法包括：(a)确定用于沿着计划井筒路径钻探井筒所需的最大狗腿严重度；(b)选择挠性套环的参数组合，所述参数包括外径、内径、长度和弹性模量；(c)基于所选择的弹性模量来未所述挠性套环选择材料；(d)选择所述挠性套环在所述旋转式转向系统内的布局；(e)确定具有所述挠性套环的所选择的布局、材料和参数组合的所述旋转式转向系统的初始狗腿严重度能力；(f)选择被确定以产生调整的狗腿严重度能力的调整的布局、材料和参数组合，所述调整的狗腿严重度能力比所述初始狗腿严重度能力更接近所需的所述最大狗腿严重度；(g)基于所述调整的布局、材料和参数组合来构造所述旋转式转向系统；以及(h)将所述旋转式转向系统部署到井筒中以实现沿着所述计划井筒路径所需的所述最大狗腿严重度。
在一个或多个示例性实施方案中，所述方法还包括：选择具有一定侧向切割效率的钻头，所述侧向切割效率被确定以致使所述挠性套环弯曲在沿着所述计划井筒路径所需的所述最大狗腿严重度下的所述调整的狗腿严重度能力的预定百分比。在一些实施方案中，选择钻头包括：选择表现出一定侧向切割效率的钻头，所述侧向切割效率被确定以减小或限制所述旋RSS的所述调整的狗腿严重度能力。所述方法还包括：选择所述挠性套环在所述旋转式转向系统的转向部段与控制部段之间的布局，或者选择所述挠性套环在所述旋转式转向系统的井上端部处的布局。
在一些实施方案中，选择调整的弹性模量并且选择调整的外径，其中所述调整的弹性模量低于初始弹性模量并且所述外径大于初始外径，使得所述调整的狗腿严重度能力大于所述初始狗腿严重度能力。在一些实施方案中，选择所述挠性套环的所述内径以在其中容纳模块化控制和传感器单元。在一些实施方案中，选择所述挠性套环的所述初始外径，使得所述挠性套环在其中表现出颈缩部分。所述调整的布局、材料和参数组合可被确定以提供所述RSS的期望的工具长度、所述挠性套环所期望的弯曲刚度或弯曲应力、所述挠性套环所期望的扭转刚度或由于扭转引起的剪切应力。
在另一个方面，本公开涉及一种旋转式转向系统。所述旋转式转向系统包括钻头和联接到所述钻头的上端的转向部段。所述转向部段包括能够在横向方向上延伸以在操作中抵靠井筒壁进行推压的至少一个转向垫。控制部段在其中包括电子器件，所述电子器件用于感测钻井操作的参数和将指令传输到所述转向部段中的至少一项。挠性套环联接在所述转向部段与所述控制部段之间，挠性套环具有比所述转向部段低的弯曲刚度，并且由被选择成相对于为所述转向部段选择的材料相异的材料构造。
在一些实施方案中，所述转向部段可由钢材料构造，并且所述挠性套环可由奥氏体镍铬基合金、钛、铍铜或铝材料构造。所述控制部段可在其中包括模块化控制和传感器单元，并且其中所述模块化控制和传感器单元可至少部分地延伸到所述挠性套环中。
本公开的摘要仅用于向美国专利商标局和广大公众提供用于根据粗略阅读快速确定技术公开的本质和要点的方式，并且它仅表示一个或多个实例。
虽然已经详细说明各种实例，但是本公开不限于所示的实例。本领域技术人员可想到上述实例的修改和改动。这些修改和改动都在本公开的范围之内。

Claims (19)

1.一种配置旋转式转向系统的方法，所述方法包括：
确定用于沿着计划井筒路径钻探井筒所需的最大狗腿严重度；
确定挠性套环的参数组合以向所述旋转式转向系统提供足够的挠性以实现所述最大狗腿严重度，所述参数包括外径、内径、长度和弹性模量；
基于所确定的弹性模量来为所述挠性套环选择材料；以及
将所述旋转式转向系统与具有所述参数组合和所选择的材料的所述挠性套环组装在一起。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括：选择具有一定侧向切割效率的钻头，并且将所述旋转式转向系统与所述钻头组装在一起，所述侧向切割效率被确定以致使所述挠性套环弯曲所述挠性套环在沿着所述计划井筒路径的所述最大狗腿严重度下的弯曲能力的预定百分比。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述侧向切割效率被确定以限制所述旋转式转向系统的狗腿严重度能力。
4.根据权利要求1所述的方法，其还包括：选择所述挠性套环相对于所述旋转式转向系统的转向部段和控制部段的布局。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述挠性套环的所述布局被选择为在所述旋转式转向系统的转向部段与控制部段之间。
6.根据权利要求5所述的方法，其中为所述挠性套环选择的所述材料与所述转向部段和所述控制部段的材料相异。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所选择的材料包括由以下组成的组中的至少一者：钛、奥氏体镍铬基合金和铍铜。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述参数组合被确定以提供所述旋转式转向系统的期望的工具长度、所述挠性套环所期望的弯曲刚度或弯曲应力、所述挠性套环所期望的扭转刚度或由于扭转引起的剪切应力、或将要实现的狗腿严重度容限。
9.一种配置并部署旋转式转向系统的方法，所述方法包括：
确定用于沿着计划井筒路径钻探井筒所需的最大狗腿严重度；
选择挠性套环的参数组合，所述参数包括外径、内径、长度和弹性模量；
基于所选择的弹性模量来为所述挠性套环选择材料；
选择所述挠性套环在所述旋转式转向系统内的布局；
确定具有所述挠性套环的所选择的布局、材料和参数组合的所述旋转式转向系统的初始狗腿严重度能力；
选择被确定以产生调整的狗腿严重度能力的调整的布局、材料和参数组合，所述调整的狗腿严重度能力比所述初始狗腿严重度能力更接近所需的所述最大狗腿严重度；
基于所述调整的布局、材料和参数组合来构造所述旋转式转向系统；以及
将所述旋转式转向系统部署到井筒中以实现沿着所述计划井筒路径所需的所述最大狗腿严重度。
10.根据权利要求9所述的方法，其还包括：选择具有一定侧向切割效率的钻头，所述侧向切割效率被确定以致使所述挠性套环弯曲所述挠性套环在沿着所述计划井筒路径的所述最大狗腿严重度下的弯曲能力的预定百分比。
11.根据权利要求10所述的方法，其中选择钻头包括：选择表现出一定侧向切割效率的钻头，所述侧向切割效率被确定以减小或限制所述旋转式转向系统的所述调整的狗腿严重度能力。
12.根据权利要求11所述的方法，其还包括：选择所述挠性套环在所述旋转式转向系统的转向部段与控制部段之间的布局。
13.根据权利要求9所述的方法，其还包括：选择所述挠性套环在所述旋转式转向系统的控制部段的井上端部处的布局。
14.根据权利要求9所述的方法，其中选择调整的弹性模量并且选择调整的外径，其中所述调整的弹性模量低于初始弹性模量并且所述外径大于初始外径，使得所述调整的狗腿严重度能力大于所述初始狗腿严重度能力。
15.根据权利要求9所述的方法，其中选择所述挠性套环的所述内径以在其中容纳模块化控制和传感器单元。
16.根据权利要求9所述的方法，其中选择所述挠性套环的所述初始外径，使得所述挠性套环在其中表现出颈缩部分。
17.根据权利要求9所述的方法，其中所述调整的布局、材料和参数组合被确定以提供所述旋转式转向系统的期望的工具长度、所述挠性套环所期望的弯曲刚度或弯曲应力、所述挠性套环所期望的扭转刚度或由于扭转引起的剪切应力。
18.一种旋转式转向系统，其包括：
钻头；
转向部段，所述转向部段联接到所述钻头的上端，所述转向部段包括能够在横向方向上延伸以在操作中抵靠井筒壁进行推压的至少一个转向垫；
控制部段，所述控制部段在其中包括电子器件，所述电子器件用于感测钻井操作的参数和将指令传输到所述转向部段中的至少一项，以及
挠性套环，所述挠性套环联接在所述转向部段与所述控制部段之间，挠性套环具有比所述转向部段低的弯曲刚度，并且由被选择成相对于为所述转向部段选择的材料相异的材料构造；
其中所述控制部段在其中包括模块化控制和传感器单元，并且其中所述模块化控制和传感器单元至少部分地延伸到所述挠性套环中。
19.根据权利要求18所述的旋转式转向系统，其中所述转向部段由钢材料构造，并且其中所述挠性套环由奥氏体镍铬基合金、钛、铍铜或铝材料构造。
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