CN110671043A - 钻井系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种定向钻井系统，包括钻出穿过岩石的孔的钻头。钻头包括第一材料的外部部分和联接到外部部分的内部部分。内部部分包括第二材料。

Description

钻井系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年7月2日提交的题为“Drilling Systems and Methods”的美国专利申请No.16/025,441的权益和优先权，该申请通过援引整体并入于此。

背景技术

该部分旨在向读者介绍可能与下面描述和/或要求保护的本公开的各个方面有关的技术的各个方面。相信该讨论有助于向读者提供背景信息以促进更好地理解本公开的各个方面。因此，应该理解，这些陈述应该从这个角度来阅读，而不是作为对现有技术的承认。

本公开总体上涉及一种用于在地层中定向钻出井眼的转向组件。定向钻井是井眼与其自然采取的路径的有意偏差，其可包括钻头的转向以使其沿预定方向行进。在许多工业中，可能希望定向地钻出穿过地层的井眼，以便例如绕过障碍物和/或到达岩层中的预定位置。

在石油和天然气工业中，井眼被钻入地下以接近地球表面下的自然资源(例如，石油、天然气、水)。这些钻孔可以在干陆或海底环境中钻井。为了钻出井的井眼，钻井平台位于自然资源附近。该钻井平台悬挂并为钻头提供动力，该钻头联接到钻柱，该钻柱钻出穿过一层或多层沉积物和/或岩石的孔。在访问资源后，从井中取出钻柱和钻头并安装生产设备。然后，自然资源可以流到地面和/或被泵送到地面以便运输和进一步处理。

已经开发了定向钻井技术以使得能够利用单个钻井平台从相同的地面位置钻探多个井，和/或通过其期望的目标地层横向延伸井筒以改善资源回收。通过改变钻井方向，每个井眼可以在地面和目标储层之间的不同深度处多次改变方向。井可以在不同位置和/或不同的烃储层进入相同的地下储层。例如，使用传统的钻井技术进入多个小型储层可能不经济，因为安装和拆除钻井平台可能是耗时且昂贵的。然而，从单个位置钻多个井和/或在其目标储层内钻出具有横向区段的井的能力可以降低成本和环境影响。

发明内容

以下阐述本文公开的某些实施例的概述。应当理解，提供这些方面仅仅是为了向读者提供这些特定实施例的简要概述，并且这些方面不旨在限制本公开的范围。实际上，本公开可以包含可能未在下面阐述的各种方面。

本公开大体上涉及用于定向钻出井眼的系统和方法，包括但不限于美国专利申请No.15/945158的那些，该专利申请通过引用整体并入本文并用于所有目的。

在实施例中，定向钻井系统包括钻出穿过岩石的孔的钻头。钻头包括第一材料的外部部分和联接到外部部分的内部部分，内部部分包括第二材料。

在实施例中，定向钻井系统包括钻头、联接到钻头并构造成将旋转动力从马达传递到钻头的驱动轴，以及联接到驱动轴的轴承系统，其中轴承系统包括围绕并轴向联接到驱动轴的内轴承和围绕内轴承的外轴承。

在实施例中，定向钻井系统包括控制钻头的钻井方向的转向系统。转向系统包括带通道的套筒。转向垫联接到套筒，并且转向垫相对于钻头的轴向移动通过改变转向角来改变钻井方向。转向垫通过联接特征联接到套筒，该联接特征使转向垫能够在通道内轴向移动。

下面参考图1-17提供关于本公开的钻井系统和方法的操作的附加细节。

可以关于本公开的各个方面对上述特征进行各种改进。其他特征也可以包含在这些不同方面中。这些改进和附加特征可以单独进行或以任何组合进行。例如，以下关于一个或多个所示实施例讨论的各种特征可以单独或以任何组合结合到本公开的任何上述方面中。以上呈现的简要概述仅旨在使读者熟悉本公开的实施例的某些方面和上下文，而不限于所要求保护的主题。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本公开的各种特征/方面和优点，附图中相同的附图标记在所有附图中表示相同的部件，在附图中：

图1示意性地示出了联接到多个井的钻井平台，本公开的钻井系统和方法可以用于定向地钻出井眼；

图2示意性地示出了根据本公开的实施例的联接到钻井平台的示例性定向钻井系统；

图3是根据本公开的实施例的具有转向系统的定向钻井系统的横截面图；

图4是根据本公开的实施例的图3的联接到图4的线4-4内的定向钻井系统的转向垫的横截面图；

图5是根据本公开的实施例的图3的联接到线4-4内的定向钻井系统的转向垫的横截面图；

图6是根据本公开的实施例的联接到定向钻井系统的转向垫的横截面图；

图7是根据本公开的实施例的联接到定向钻井系统的转向垫的横截面图；

图8是根据本公开的实施例的联接到定向钻井系统的转向垫的透视图；

图9是根据本公开的实施例的定向钻井系统的驱动轴的透视图；

图10是根据本公开的实施例的钻头的横截面图；

图11是根据本公开的实施例的定向钻井系统的横截面图；

图12是根据本公开的实施例的螺纹联接到驱动轴的钻头的透视图；

图13是根据本公开的实施例的内轴承的透视图；

图14是根据本公开的实施例的联接到驱动轴的内轴承的透视图；

图15是根据本公开的实施例的定向钻井系统的局部横截面图；

图16是根据本公开的实施例的驱动轴的横截面图；和

图17是根据本公开的实施例的具有润滑凹槽的轴承的侧视图。

具体实施方式

下面将描述本公开的一个或多个具体实施例。这些描述的实施例仅是本公开的示例。另外，为了提供这些示例性实施例的简明描述，可以不描述实际实施方式的所有特征。应当理解，在任何这样的实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多特定实施方式的决策以实现开发者的特定目标，例如遵守与系统相关的和与业务相关的约束，其可能因实施方式而异。此外，应当理解，这种开发努力可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员来说仍然是设计、制作和制造的常规任务。

附图不一定按比例绘制。实施例的某些特征可能以比例夸大或略微示意性的形式示出，并且为了清楚和简明起见，可能未示出传统元件的一些细节。尽管一个或多个实施例可能是优选的，但是所公开的实施例不应被解释为或以其他方式用作限制本公开的范围，包括权利要求。应充分认识到，所讨论的实施例的不同教导可单独使用或以任何合适的组合使用以产生所需结果。另外，本领域技术人员将理解，该描述具有广泛的应用，并且任何实施例的讨论仅意图是该实施例的示例，并且不旨在暗示包括权利要求在内的本公开的范围是限于该实施例。

当介绍本公开的各种实施例的元件时，冠词“a”、“an”和“the”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包括”和“具有”以开放式方式使用，因此应该被解释为“包括但不限于”。任何使用任何形式的术语“联接”、“连接”、“附连”、“安装”或描述元件之间相互作用的任何其他术语旨在表示所描述的元件之间的直接或间接相互作用。此外，任何使用“顶部”、“底部”、“之上”、“之下”、“上部”、“下部”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“左”、“右”，以及“这些术语的变化是为了方便起见，但不要求任何特定的部件取向。

在整个说明书和权利要求中使用某些术语来指代特定特征或部件。如本领域技术人员将理解的，不同的人可以通过不同的名称来指代相同的特征或部件。除非另有说明，否则本文无意区分名称不同但功能不同的部件或特征。

下面的讨论描述了用于在钻出井眼时控制钻头的取向的钻井系统和方法。本公开的组件设置在钻头之上并且可以包括一个或多个超量规(over-gauge)垫，其中“超量规垫”是指垫具有一个或多个扩展点大于标称全量规或由最大切割器刀尖延伸部在径向方向上限定的“尺寸”。因此，例如，特定点处的超量规垫的半径大于该钻头在该径向方向上的全量规半径。在实施例中，超量规垫可包括全量规和/或欠量规区域，其中欠量规指的是使一个或多个延伸点小于在径向方向上由最大切割器刀尖延伸部限定的量规。超量规垫将在下面称为“转向垫”。

图1示意性地示出了示例性钻井现场10，其中可以采用本公开的系统和方法。钻井现场10可位于海上(如图所示)或陆上，靠近一个或多个含烃岩层或储层12(例如，用于生产石油和/或天然气)，或靠近一个或多个其他感兴趣的地下地球区域。使用定向钻井和目前描述的系统和方法，具有其相关设备的钻井钻井平台14可以从用于竖直孔的单个表面位置开始钻出井16的多个地下井眼。一旦完成，这些井16可以在不同位置流体连接到相同的烃储层12和/或到不同储层12，以便提取油和/或天然气。

如图所示，每个井16可以限定不同的轨迹，包括例如不同的曲率度数和/或曲率长度，以便进入和/或最大化表面积，用于在烃储层12内生产。井16的轨迹可以取决于各种因素，包括例如目标储层12和钻井平台14之间的距离、用于烃捕获的储层的水平延伸，以及预测和/或遇到的岩石地层学、地面和地下钻探目标之间的钻井障碍物等。在钻井平台14和烃储层12之间可以有不同的岩层18，其中一些层18容易且相对快速地钻过，并且其他层18耗时并且经受钻井部件上的增加的磨损。因此，进入烃储层12的最佳轨迹可能不是钻井平台14和烃储层12之间的最短距离。

可以开发钻井计划以包括用于每个建议的井16的轨迹，其考虑层18的性质(例如，厚度，成分)。在钻井计划之后，井16的井眼可以被钻出以避开某些层18和/或使用定向钻井钻穿难度层18的较薄部分和/或使基本上水平的部分延伸穿过储层12。定向钻井因此可以减少钻井时间，减少钻井部件的磨损，以及由其地，还可以在储层12中的希望位置或沿着储层12中的期望位置流体连接井16。

在图1中，钻井平台14是海上钻井平台，其使用定向钻井来钻出水体下方的井16。应该理解，定向钻井也可以用陆上钻井平台完成。此外，虽然井16可以是用于从含烃储层生产石油和天然气的井，但是定向钻井是并且可以用于各种目的并且具有石油和天然气工业内外的各种目标，包括没有水、地热、矿物和勘探应用的限制。另外，尽管图1示出了从一个钻井平台14表面位置延伸的多个井16轨迹，但是从相同或相似地面位置延伸的井的数量可以是一个或者可以比所示更多或更少。

图2示意性地示出了联接到钻井平台14的示例性定向钻井系统30。定向钻井系统30在底部包括钻头32，钻头32设计成将岩石和沉积物分解成切屑。钻头32使用钻柱34联接到钻井平台14。钻柱34形成有一系列导管、管路或管道，它们在钻井平台14和钻头32之间联接在一起。为了在钻井操作期间从钻头32将切屑带走，钻井液(也称为钻井泥浆或泥浆)从地面泵送通过钻柱34并离开钻头32。然后钻井泥浆将切屑带离钻头32并且朝向地面通过由钻头32形成的井眼37的内壁和钻柱34的外壁之间的环形空间35。通过从井16的井眼37中移除切屑，钻头32能够逐步钻进地球。

除了带走切屑之外，钻井泥浆还可以为也称为泥浆马达的液压马达36提供动力。钻井泥浆在高压下被泵入井眼37中，以便将切屑从钻头32带走，钻头32可以与钻井平台14处于显著的横向距离和/或竖直深度。当泥浆流过钻柱34时，它进入液压马达36。通过液压马达36的泥浆流驱动液压马达36的旋转，液压马达36又旋转联接到钻头32的轴。当轴旋转时，钻头32旋转，使钻头32能够切穿岩石和沉积物。在一些实施例中，液压马达36可以用提供动力以旋转钻头32的电动马达代替。在其他实施例中，定向钻井系统30可以不包括钻柱34上的液压马达或电动马达。相反，钻头32可以响应于来自于钻井平台14处或附近的钻柱34的旋转而旋转，例如通过钻井平台14上的顶部驱动器38，或方钻杆驱动器和旋转台，或通过任何其他向钻柱34提供扭矩并使其旋转的装置或者方法。

为了控制钻头32的钻井方向39，定向钻井系统30可包括本公开的转向系统40。如下面将详细讨论的，转向系统40包括具有一个或多个转向垫的转向套筒，该转向垫可以改变和控制钻头32的钻井方向39。转向系统40可以由操作员控制和/或自动地使用来自随钻测量系统42的反馈。随钻测量系统42使用一个或多个传感器来确定三维空间中的井路径或井眼轨迹。随钻测量系统42中的传感器可以实时提供测量和/或可以包括加速计、陀螺仪、磁力计、位置传感器、流速传感器、温度传感器、压力传感器、振动传感器、扭矩传感器和/或等等，或它们的任何组合。

图3是具有本公开的转向系统40的定向钻井系统30的实施例的横截面图。如上面参考图2所解释的，定向钻井系统30在底部包括钻头32，钻头32能够切穿岩石和/或沉积物以钻出井16的井眼。钻头32可由马达(例如，液压或泥浆马达，电动马达)提供动力，在操作中，其通过驱动轴60将扭矩传递到钻头32。钻头32可以通过一个或多个螺栓62连接到驱动轴60，使得能够从马达传递动力。当驱动轴60旋转时，扭矩驱动钻头32的旋转，使得切割器或齿64(例如，多晶金刚石齿)能够磨削到岩面66中。当齿64磨削岩面66时，岩面66破碎成称为碎片的切屑。然后用钻井泥浆68将切屑从岩石面66带走。钻井泥浆68流过驱动轴60中的导管或通道70并穿过钻头32中的开口、喷嘴或孔口72，在钻头周围带有切屑。钻头32并穿过最近钻出的钻孔。

为了操纵定向钻井系统30并且更具体地控制钻头32的取向，本公开的定向钻井系统30包括转向系统40。图3中的转向系统40包括一个或多个转向垫74(例如，一个、两个、三个、四个、五个、六个或更多个转向垫)。转向垫74在钻头32(例如，钻头32的切割器64的最外表面)和转向垫74的边缘82之间形成转向角80。例如，角度80可以形成在最外面的切割器64和转向垫74的边缘82之间。

如图所示，转向垫74延伸超过最外侧径向表面一径向距离84，该最外侧径向表面由钻头32的径向方向上的最外侧切割器延伸部限定，这使得转向垫74与围绕孔的岩面66接触。换句话说，转向垫74是超量规的，并且径向距离84是超量规的径向距离。例如，超量规的径向距离84可以在约0.1至20mm、0.1至10mm和/或0.1至5mm的范围内。在实施例中，转向套筒还可包括与超量规部分相对的欠量规部分，如美国专利申请No.15/945158中所述的，出于所有目的通过引用将其整体并入本文。

如图所示，转向垫74可以联接到轴承系统108，轴承系统108使得驱动轴60能够旋转，同时阻止转向垫74的旋转。轴承系统108包括内轴承110和外轴承112(例如，套筒)。内轴承110联接到驱动轴60并与驱动轴60一起旋转，而外轴承112联接到壳体114(例如，泥浆马达壳体或马达轴环)并且还联接到转向垫74。

在图3中所示的圆周位置中，转向垫74从轴向39朝向横向方向116驱动钻头32的钻井方向。然而，在钻到特定深度之后，和/或根据钻井计划或遇到的障碍物等，可能需要将钻头32的钻井方向调整到不同的方向，例如，从横向方向116朝向轴向方向39。为了将钻井方向从116调节到39(例如，从大致横向方向相对于驱动轴60的轴向方向)，转向垫74围绕驱动轴60从第一圆周位置到第二圆周位置。当外轴承112联接到马达壳体114和转向垫74时，马达壳体114可以旋转，以便使外轴承112旋转，从而旋转转向垫74。马达壳体114可以通过使用钻井平台14上的顶部驱动器38(如图2中示意性地示出)、通过方钻和旋转台来旋转钻柱34或通过向钻柱34提供扭矩并旋转钻柱34的任何其他装置或方法，而旋转。一旦转向垫74重新定位到第二圆周位置，转向垫74将钻头32驱动到调整的钻井方向39。

图4是在图3的线4-4'内联接到定向钻井系统30的外轴承112或套筒的转向垫74的实施例的横截面图。转向垫74包括由第一材料(例如，碳化物，包括但不限于钨或其他过渡金属碳化物)制成的主体140。主体140限定曲线表面142，曲线表面142构造成接合上述岩石面66。主体140还可以在曲线表面142中包括多个沉孔144。虽然它们被示出为平行的，但沉孔144可以处于其他取向，包括但不限于垂直于表面转向垫74，从工具的中心径向对准和/或在径向和/或轴向方向上相对于驱动轴60均匀地或不均匀地间隔开。

沉孔144使得转向垫74能够接收多个插入件146。插入件146可包括金刚石插入件、氮化硼插入件、碳化物插入件(例如，钨或其他过渡金属碳化物插入件)或其组合。插入件可以是传统的多晶金刚石切割器(PDC或PCD切割器)。当转向垫74接合岩面66时，这些插入件146提供耐磨性。

联接特征148使得转向垫74能够联接到围绕驱动轴60的外轴承112或套筒(如上所述)。在一些实施例中，联接特征148还可使得转向垫74能够相对于钻头32轴向或周向移动。一旦与转向垫74联接，外轴承112阻止转向垫74从定向钻井系统30相对于定向钻井系统30的纵向轴线在径向方向156上的移除。

在图4中，联接特征148包括突起150，突起150从转向垫74的表面152延伸并与外轴承112的表面155中的凹部154接合。如图所示，突起150限定与燕尾形凹部154接合的燕尾形状，然而，联接特征148的突起150和凹部154可以是或包括任何相应的形状或形式。在一些实施例中，转向垫74可以限定凹部，该凹部构造成接收外轴承112上的突起。尽管图4示出了单个突起150和单个凹部154，但是在一些实施例中，联接特征148可包括构造成接合多个相应的凹部154的多个突起150。在实施例中，在转向垫74二者上和在外轴承112上可存在至少一个突起150，其接合外轴承112上和转向垫74上的相应凹部154。

图5是在图3的线4-4'内联接到定向钻井系统30的外轴承112或套筒的转向垫74的实施例的横截面图。在一些实施例中，转向垫74的主体140可以形成联接特征170。如图所示，转向垫74的主体140的区段172限定燕尾形状，其接合外轴承112上的对应凹部174。(例如，套筒)。一旦与转向垫74联接，外轴承112就阻止转向垫74从定向钻井系统30相对于定向钻井系统30的纵向轴线在径向方向176上的移除。在一些实施例中，转向垫74的实施例可限定凹部(例如，类似凹部174)，其接收外轴承112上的突起(例如，类似区段172)。图6是联接到定向钻井系统30的外轴承112或套筒的转向垫74的实施例的横截面图。如图所示，转向垫74的一部分190位于腔192内。为了便于插入并且保持，转向垫74限定弯曲的端部194(例如，保持特征)。在安装期间，弯曲端部194插入腔192的相应弯曲区段196中。然后，转向垫74可以沿方向198旋转，直到转向垫74的其余部分搁置在腔192内。为了阻止转向垫74从腔192移除，转向垫74可以围绕转向垫74的暴露部分200焊接或钎焊。在一些实施例中，一个或多个紧固件(例如，螺纹紧固件)可以固定转向垫在腔192内。

图7是联接到定向钻井系统30的外轴承112或套筒的转向垫74的实施例的横截面图。如图所示，转向垫74(例如，圆形转向垫)可以螺纹联接到定向钻井系统30。例如，转向垫74可以包括螺纹210，该螺纹210围绕腔214接合螺纹212。为了阻止转向垫74从腔214中移除，转向垫74可以围绕转向垫74的暴露部分218被焊接或钎焊216。在一些实施例中，一个或多个紧固件(例如，螺纹紧固件)也可用于将转向垫74固定在腔214内。

图8是联接到定向钻井系统30的外轴承112或套筒的转向垫74的实施例的透视图。转向垫74包括由第一材料(例如，碳化物，包括但不限于钨或其他过渡金属碳化物)制成的主体220。主体220限定曲线表面222，该曲线表面222构造成接合上述岩石面66。主体220还可以包括曲线表面222中的多个沉孔224。沉孔224使得转向垫74能够接收多个插入件226。插入件226可以包括金刚石插入件、氮化硼插入件、硬质合金插入件(例如，钨或其他过渡金属碳化物插入件)，或其组合。插入件可以是传统的多晶金刚石切割器(PDC或PCD切割器)。当转向垫74接合岩面66时，这些插入件226提供耐磨性。

如图所示，转向垫74包括一个或多个凸缘228。凸缘228构造成在转向垫74沿方向232轴向滑动时在外轴承112或套筒上的凹部229中的突起230下方滑动。一旦联接，突起230阻止转向垫74相对于定向钻井系统30的纵向轴线在径向方向234上的移除。在一些实施例中，转向垫74可以限定凹部而不是构造为接合突起230的凸缘以阻止转向垫74在径向方向234上的移动。在一些实施例中，转向垫可以保持对地静止(相对于井眼/地球不旋转)和/或基本上对地静止。

为了阻止转向垫74在轴向方向236上从腔229移除，转向垫74可包括一个或多个孔口238。孔口238可接收螺纹紧固件240(例如，螺栓等)，其接合外轴承112或套筒以阻止转向垫74在轴向方向236上的轴向运动。在一些实施例中，另外的紧固件242可穿过限定凹部229的外轴承112或套筒的壁244。这些紧固件242可以接合孔口和/或可以搁置在转向垫74上的凹口246内，以阻止转向垫74在轴向方向236上的轴向移动。

在一些实施例中，一个或多个垫片248可以插入凹部229中以在径向方向234上提升转向垫74。例如，垫片248可以用于确保曲线表面222从外轴承112或套筒的外表面延伸所需的距离。在一些实施例中，垫片248还可包括孔口250，孔口250可构造成接收螺纹紧固件240以阻止在钻井操作期间轴向移除或移动垫片248。

在一些实施例中，内轴承110可包括从外表面254径向向外延伸的一个或多个(例如，一个、两个、三个或更多个)突起252。突起252构造成接合外轴承或套筒112的内表面258上的相应的凹部或凹口。在定向钻井系统30的操作期间，突起252构造成阻止或减小内轴承110和外轴承112之间的相对运动。

图9是定向钻井系统30的驱动轴60的实施例的透视图。驱动轴60限定第一端270和与第一端270相反的第二端272。第一端270构造成联接到钻井马达(例如，液压马达或泥浆马达、电动马达)，而第二端272构造成联接到钻头32。为了联接到钻头32，第二端272包括外表面273，其限定了由凹部276分开的多个突起274。在一些实施例中，该图案可以是苜蓿叶形(cloverleaf)图案。一旦联接到钻头32，多个突起274可以接合钻头32中的凹部，使得扭矩能够从驱动轴60传递到钻头32。在一些实施例中，端面278可以限定一个或多个孔口280，其使钻头32能够联接到(例如，螺栓连接到)驱动轴60上。在一些实施例中，在突起之间的表面过渡中存在最小限定的半径(例如，1mm、5mm、10mm、15mm或20mm)，以使表面的应力集中最小化。在其他实施例中，表面可以是连续弯曲的，最小化距离轴的中心(例如，小于30度、20度或10度)的恒定半径的任何区段。

图10是钻头32的实施例的透视后视图。如图所示，钻头32包括外部部分或主体300和内部部分或主体302。外部部分300和内部部分302可由相同或不同的材料。因为内部部分302在钻井时不接触岩面66，所以内部部分302可以由不同的材料制成。例如，外部部分300可以由碳化物(例如，钨或其他过渡金属碳化物)形成，并且可以包括嵌入碳化物中的齿或切割器304(例如，金刚石)，而内部部分302可以由钢(例如，钢合金)形成。此外，因为内部部分302将钻头32联接到驱动轴60，所以内部部分302可以由能够以更严格的公差制造的材料(例如，钢、钢合金)制成。

如所示的，内部部分302可以是环306，其内表面308限定由凹部312分开的多个突起310。内部部分302搁置在钻头32的腔314内并且可以联接到钻头32的腔314中，例如通过压配合、钎焊，焊接、胶合和/或紧固件。内部部分302的形状暴露出外部部分300中的多个孔口315。如下所述，这些孔口315使钻井泥浆能够流过钻头32或使钻头32能够使用紧固件联接到驱动轴60。在一些实施例中，外部部分300和内部部分302可以由相同的材料形成。在一些实施例中，外部部分300和内部部分302可以是单件和/或整体形成的。

如图示的，钻头32包括具有多个齿或切割器304的多个刀片316。当钻头32旋转时，齿或切割器304便于将岩石和/或沉积物破碎成切屑。在一些实施例中，每个刀片316可以包括在与靠近钻头32的端部的其他刀片316的端齿或切割器318相同的轴向位置处的端齿或切割器318。端齿或切割器318可以形成转向垫74和钻头32之间的角度80，使得转向垫74能够将钻井方向39，116改变到任何其他方向。通过为每个刀片316包括端齿或切割器318，钻头32还可以在操作期间其他端齿或切割器318中的一个与钻头32分离的情况下提供冗余。

图11是定向钻井系统30的一个实施例的横截面侧视图，其中驱动轴60联接到钻头32上。如上面参照图9所解释的，驱动轴60的第二端272包括外表面273，该外表面273具有由凹部276分开的多个突起274。如上面参照图10所述的，驱动轴60的该外表面273与钻头32的内部部分302(环306)的内表面308上的突起310和凹部312匹配。因此，驱动轴60可以滑入并联接到钻头32，通过将驱动轴60上的突起274与环306上的凹部312对准，并且将环306上的突起310与驱动轴60上的凹部276对准。一旦联接，驱动轴60构造成将扭矩从驱动轴60传递到钻头32。

现在回到图11，为了减少或阻止驱动轴60相对于钻头32的轴向移动，一个或多个紧固件330将钻头32联接到驱动轴60。例如，紧固件330可以延伸穿过孔口332并进入驱动轴60的端面278中的孔口280中。在一些实施例中，驱动轴60可在端面278中限定环形凹槽334，该环形凹槽334接收环形密封件336。在操作中，环形密封件336与钻头32形成密封以使钻井泥浆的集中流动通过孔口338。

图12是螺纹联接到驱动轴358的钻头32的实施例的透视图。如所示的，钻头32可以限定具有表面362的沉孔360。为了联接到驱动轴358，钻头32的表面362可以包括螺纹364，螺纹364接合驱动轴358上的螺纹366。在一些实施例中，驱动轴358可以包括一个或多个(例如，一个、两个、三个、四个、五个或更多个)突起368。例如，突起368可以是围绕驱动轴358的圆周延伸的环形突起。在操作中，突起368在将钻头32联接到驱动轴358时能够增加扭矩。驱动轴358还可以包括螺纹370，该螺纹370使得驱动轴358能够螺纹地联接到内轴承110上的螺纹372。当将内轴承110联接到驱动轴358时，突起368还可以使扭矩增加。

图13是内轴承390的实施例的透视图。内轴承390可以包括或不包括用于联接到上述驱动轴60的螺纹。然而，为了阻止内轴承390和驱动轴60之间的相对运动，内轴承390可包括一个或多个突起或突片392，它们均匀地(如所示的)或不均匀地围绕内轴承390的端面394间隔开。在操作中，这些突起392构造成轴向地接合驱动轴60，以阻止内轴承390相对于驱动轴60的旋转。

图14是联接到图9的驱动轴60的内轴承390的实施例的透视图。如上所述，驱动轴60的第二端272构造成联接到钻头32。为了联接到钻头32，第二端272包括限定多个由凹部276分开的突起的外表面273。这些突起274和凹部276使得驱动轴60能够联接到钻头32并将扭矩传递到钻头32.突起274和凹部276也可以轴向地接收内轴承390上的突起392以阻止内轴承390相对于驱动轴60的相对运动。

图15是定向钻井系统30的一实施例的局部横截面图。在定向钻井系统30的操作期间，轴向力通过钻柱传递到钻头32。该轴向力使钻头32压靠岩面。因此，当钻头32旋转时，钻头32能够磨削并破碎岩石。该轴向力可以至少部分地通过内轴承110传递到驱动轴60。通过包括宽度412等于内轴承110的宽度416或为内轴承110的宽度416的至少50％的肩部410(例如，环形肩部)，内轴承110的端面414与肩部410之间的接触面积增加。接触面积的增加使得能够增加通过驱动轴60施加到钻头32的力。

图16是驱动轴428的实施例的横截面图。在图1中，驱动轴428包括多个肩部430(例如，环形肩部)和多个凹部432(例如，环形凹部)。肩部430提供多个加载点，用于联接并吸收通过内轴承(例如，内轴承110)传递的轴向力。更具体地，多个肩部430和多个凹部432增加了内轴承和驱动轴428之间的可用接触面积，使得驱动轴428能够吸收更多的轴向力。在一些实施例中，肩部430可以沿着轴线434朝向驱动轴428的端部436逐渐增加厚度和高度。肩部430之间的凹部432也可以沿着轴线434朝向端部436增加两个宽度以及增加径向方向438的深度。

图17是用于定向钻井系统30的轴承系统450的实施例的侧视图。如所示的，轴承系统450包括在外轴承454和内轴承456中的润滑凹槽或通道452。在操作中，轴承系统450可以用泵送通过钻柱的钻井液(例如，钻井泥浆68)润滑。为了便于润滑，轴承系统450的内轴承456和/或外轴承454可包括润滑凹槽452，其增加钻井液在它们之间的流动和/或分布。润滑凹槽452可以以螺旋图案环绕内轴承456和外轴承454。例如，如果润滑凹槽452在内轴承456上，则润滑凹槽452可以环绕在内轴承456的外表面上。同样，如果润滑凹槽452在外轴承454上，则润滑凹槽452可以沿着外轴承454的内表面延伸。在一些实施例中，外轴承454和外轴承456都可包括一个或多个润滑凹槽452(例如，螺旋凹槽)，其有助于钻井液在轴承系统450中的流动和分配。此外，润滑凹槽452的尺寸可以设计成使钻井液(例如钻井泥浆68)中携带的任何固体颗粒能够通过轴承系统450。考虑到颗粒必须通过钻井马达中的其他流动限制以达到该点，润滑凹槽452的最小尺寸应该比进一步沿马达向上(例如马达的上部径向轴承)的最小流量限制(例如，大1.2倍、1.5倍、2倍、3倍或更多倍)更大。

以上讨论的实施例易于进行各种修改和替换形式，已经通过附图中的示例示出了特定实施例，并且已经在本文中对其进行了详细描述。然而，应该理解的是，本公开不旨在限于所公开的特定形式。

Claims (20)

1.一种定向钻井系统，包括：

钻头，该钻头被构造为钻出穿过岩石的孔，其中钻头包括：

包括第一材料的外部部分；和

联接到外部部分的内部部分，其中内部部分包括第二材料，并且其中第一材料和第二材料是不同的。

2.如权利要求1所述的定向钻井系统，其中所述第一材料包括碳化物。

3.如权利要求1所述的定向钻井系统，其中所述第二材料包括钢。

4.如权利要求1所述的定向钻井系统，其中所述内部部分是环，并且其中所述环的内表面包括围绕所述内表面周向延伸的多个第一突起。

5.如权利要求4所述的定向钻井系统，包括：

驱动轴，该驱动轴被构造成将扭矩从马达传递到钻头，其中驱动轴包括围绕该驱动轴周向延伸的多个第二突起，并且其中多个第一突起被构造成与多个第二突起互锁。

6.如权利要求5所述的定向钻井系统，其中所述钻头的外部部分通过至少一个紧固件联接到所述驱动轴。

7.如权利要求4所述的定向钻井系统，其中所述多个第一突起限定苜蓿叶形图案。

8.如权利要求5所述的定向钻井系统，包括：

环形密封件，该环形密封件构造成搁置在驱动轴的端面中的环形凹槽内，其中环形密封件被构造成密封抵靠钻头的外部部分。

9.如权利要求1所述的定向钻井系统，其中所述外部部分包括多个齿。

10.如权利要求5所述的定向钻井系统，包括：

转向系统，该转向系统被构造成控制钻头的钻井方向，其中转向系统包括：

套筒，该套筒被联接到驱动轴；和

转向垫，该转向垫被联接到套筒，其中转向垫被构造成与钻头形成转向角。

11.一种定向钻井系统，包括：

钻头，该钻头被构造为钻出穿过岩石的孔；

联接到钻头的驱动轴，其中驱动轴被构造成将旋转动力从马达传递到钻头；

轴承系统，该轴承系统被联接到驱动轴，其中轴承系统包括：

内轴承，该内轴承被构造成围绕并轴向联接到驱动轴；和

围绕所述内轴承的外轴承。

12.如权利要求11所述的定向钻井系统，其中所述驱动轴包括多个第一突起，该多个第一突起从所述驱动轴径向地并且围绕所述驱动轴周向地延伸。

13.如权利要求12所述的定向钻井系统，其中所述内轴承包括从所述内轴承的端面延伸的多个第二突起，并且其中所述多个第二突起被构造成与所述多个第一突起互锁以将内轴承轴向地联接到驱动轴。

14.如权利要求11所述的定向钻井系统，其中所述内轴承包括在所述内轴承的外表面上的润滑凹槽，并且其中所述润滑凹槽被构造成在所述内轴承和所述外轴承之间承载钻井液。

15.如权利要求14所述的定向钻井系统，其中所述润滑凹槽围绕所述内轴承从所述内轴承的第一端螺旋到所述内轴承的第二端。

16.如权利要求11所述的定向钻井系统，其中所述外轴承包括在所述外轴承的内表面上的润滑凹槽，并且其中所述润滑凹槽被构造成在所述内轴承和所述外轴承之间承载钻井液。

17.如权利要求16所述的定向钻井系统，其中所述润滑凹槽从所述外轴承的第一端螺旋到所述外轴承的第二端。

18.如权利要求11所述的定向钻井系统，包括：

转向系统，该转向系统被构造为控制钻头的钻井方向，其中转向系统包括：

转向套筒，该转向套筒联接到驱动轴；和

转向垫，该转向垫联接到转向套筒，其中转向垫被构造成与钻头形成转向角。

19.一种定向钻井系统，包括：

转向系统，该转向系统被构造为控制钻头的钻井方向，其中转向系统包括：

包括凹槽的套筒；和

联接到套筒的转向垫，其中转向垫相对于钻头的旋转被构造成改变钻井方向，并且其中转向垫被构造成通过联接特征联接到套筒。

20.如权利要求19所述的定向钻井系统，其中所述联接特征包括燕尾突起。

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