CN110671045B - 旋转导向系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种钻井系统，包括穿过岩石钻孔的钻头。轴联接到所述钻头，其中所述轴将旋转动力传递到所述钻头。外壳接收所述轴的至少一部分。旋转导向系统控制所述钻头的钻井方向。所述旋转导向系统包括导向套管，所述导向套管与所述外壳联接和分离以控制所述钻头的钻井方向。

Description

旋转导向系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年7月2日申请的标题为“Rotary Steering Systems andMethods”的美国专利申请第16/025,480号的权益和优先权，所述专利申请以引用的方式全文并入本文中。

背景技术

这部分旨在向读者介绍本领域的各个方面，这些方面可能涉及下文所描述和/或所要求保护的本公开的各个方面。据信，这一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。

本公开大体上涉及用于在地球地层中定向地钻井孔的导向组件。定向钻井是井孔从它将自然地采用的路径的有意偏离，其可以包括对钻头的导向，使得其在预定方向上行进。在许多行业中，可能需要穿过地球地层定向地钻井孔，以便例如避开障碍物和/或到达岩石地层中的预定位置。

在石油和天然气行业中，将井孔钻到地球中以接近地球表面下方的自然资源(例如，石油、天然气、水)。可以在陆地上或在海底环境中钻这些井孔。为了为井钻井孔，将钻机定位成靠近自然资源。钻机悬吊联接到钻柱的钻头并对钻头提供动力，所述钻头穿过沉积物和/或岩石的一个或多个层而钻孔。在接近资源之后，将钻柱和钻头从井中撤出并安装生产设备。自然资源接着可以流动到地面和/或被泵送到地面以供运输和进一步处理。

已经开发了定向钻井技术以使得能够利用单个钻机从同一地面位置钻多个井，和/或使井筒横向地延伸穿过其所要目标地层以获得改进的资源回收。每个井孔可以通过改变钻井方向而在地面与目标储层之间的不同深度处多次改变方向。井可以接近不同位置处的相同的地下储层和/或不同的油气储层。例如，因为竖立和拆卸钻机可以是耗时的并且代价昂贵，所以利用常规的钻井技术来接近多个小的储层可能不太经济。然而，从单个位置钻多个井和/或钻在其目标储层内具有横向区段的井的能力可以减少成本和环境影响。

发明内容

下文阐述了本文中公开的某些实施方案的概述。应理解，这些方面仅被呈现来向读者提供这些某些实施方案的简要概述，并且这些方面并不意图限制本公开的范围。实际上，本公开可以涵盖下文可能未阐述的多个方面。

本公开大体上涉及用于定向地钻井孔的系统和方法。在实施方案中，一种钻井系统包括穿过岩石钻孔的钻头。轴联接到所述钻头，其中所述轴将旋转动力传递到所述钻头。外壳接收所述轴的至少一部分。旋转导向系统包括导向套管，所述导向套管与所述外壳联接和分离以控制所述钻头的钻井方向。在实施方案中，一种用于控制钻头的钻井方向的旋转导向系统包括导向套管，所述导向套管与外壳联接和分离。联接到所述导向套管的导向垫随所述导向套管旋转并与所述钻头形成导向角。

在其他实施方案中，一种控制钻头的钻井方向的方法可以包括将导向套管与外壳分开，其中所述导向套管包括与所述钻头形成导向角的导向垫。在实施方案中，本公开的方法还可以致动活塞以相对于所述导向套管的中心轴线径向地移动以限制所述导向垫的旋转。

下文参考图1-9提供了关于本公开的导向系统和方法的操作的额外细节。

可以关于本公开的各个方面进行上述特征的各种改进。其他特征也可以并入在这些各个方面中。这些改进和额外特征可以单独进行或以任何组合进行。例如，下文关于所示实施方案中的一个或多个讨论的各种特征可以单独或以任何组合并入到本公开的上述方面中的任一者中。上文呈现的简要概述仅旨在使读者熟悉本公开的实施方案的某些方面和上下文，而不是限制所要求保护的主题。

附图说明

当参考附图阅读以下详细描述时，本公开的各种特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，类似的符号表示所有附图中类似的部分，其中：

图1示意性地示出了联接到多个井的钻机，本公开的旋转导向系统和方法可用以为所述多个井钻井孔；

图2示意性地示出了根据本公开的实施方案的联接到钻机的示例性定向钻井系统；

图3是根据本公开的实施方案的具有旋转导向系统的定向钻井系统的横截面视图；

图4是根据本公开的实施方案的具有旋转导向系统的定向钻井系统的横截面视图；

图5是根据本公开的实施方案的具有旋转导向系统的定向钻井系统的横截面视图；

图6是根据本公开的实施方案的具有旋转导向系统的定向钻井系统的横截面视图；

图7是根据本公开的实施方案的具有旋转导向系统的定向钻井系统的横截面视图；

图8是根据本公开的实施方案的具有旋转导向系统的定向钻井系统的横截面视图；以及

图9是根据本公开的实施方案的具有旋转导向系统的定向钻井系统的横截面视图。

具体实施方式

下文将描述本公开的一个或多个具体实施方案。这些描述的实施方案仅仅是本公开的示例。另外，为了提供这些示例性实施方案的简明描述，可能不描述实际实现方式的所有特征。应了解，在任何这类实际实现方式的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多特定于实现方式的决策以实现开发者的特定目标，诸如遵守与系统相关的和与业务相关的约束，这可能因不同实现方式而不同。此外，应了解，这种开发工作可能复杂且耗时，但对于受益于本公开的普通技术人员而言，这将仍然是设计、生产和制造中的常规任务。

附图不一定按比例绘制。为了清楚和简明起见，实施方案的某些特征可依比例或者稍微示意的形式被放大，并且可能不示出常规元件的一些细节。虽然一个或多个实施方案可能是优选的，但是不应将所公开的实施方案解释为或以其他方式用于限制包括权利要求的本公开的范围。应完全认识到，可单独地或以任何合适的组合采用所讨论的实施方案的不同教导来产生所要结果。此外，本领域技术人员应理解，描述具有广泛应用，并且任何实施方案的讨论仅意味着是该实施方案的示例，并且不旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)限于该实施方案。

在介绍本公开的各种实施方案的元件时，冠词“一种”、“一个”和“所述”旨在意味着存在所述元件中的一个或多个。术语“包括”和“具有”以开放方式使用，并且因此应该被解释为意味着“包括但不限于......”。此外，对术语“联接”、“连接”、“附接”、“安装”或描述元件之间相互作用的任何其他术语的任何形式的任何使用旨在意味着所描述元件之间的直接或间接相互作用。此外，对“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”、“上部”、“下部”、“向上”、“向下”、“竖直”、“水平”、“左”、“右”和这些术语的变型的任何使用是为了方便起见，而不要求部件的任何特定定向。

某些术语在整个描述和权利要求中用于指代特定特征或部件。如本领域技术人员将了解，不同人可能用不同名称来指代同一特征或部件。除非具体地陈述，否则本文件并不意图区分名称不同但功能相同的部件或特征。

下文的讨论描述了用于在定向地钻井孔时控制钻头的定向的旋转导向系统和方法。本公开的导向组件设置在钻头上方并且包括一个或多个超尺寸垫，其中“超尺寸”是指具有大于标称全尺寸或如由径向方向上的最大钻头刀具尖端延伸部定义的“尺寸”的一个或多个延伸点的垫。因此，例如，超尺寸垫在特定点处的半径大于钻头在该径向方向上的全尺寸半径。在实施方案中，超尺寸垫可以包括全尺寸和/或尺寸不足的区域，其中尺寸不足是指具有小于如由该径向方向上的最大钻头刀具尖端延伸部定义的尺寸的一个或多个延伸点。超尺寸垫在下文将被称为“导向垫”。

钻头的刀具尖端的最大径向延伸部，以及因此全尺寸半径通常(但无需)是基本上恒定的。导向垫的半径或尺寸在操作中，即，在给定时间、位置处或延伸程度下沿着其长度可能基本上恒定或可能并不基本上恒定，如下文将进一步描述。此外，在给定时间、位置处或延伸长度下，导向垫半径可沿着其长度和/或相对于钻柱的纵向轴线和/或在垂直于纵向轴线的任何平面内变化。

图1示意性地示出了可以采用本公开的系统和方法的示例性钻井现场10。钻井现场10可以位于海上(如所示)或岸上，在一个或多个含油气的岩石地层或储层12附近(例如，用于生产石油和/或天然气)，或在一个或多个感兴趣的其他地下地球带附近。使用目前描述的定向钻井以及旋转导向系统和方法，钻机14及其相关设备可以从竖直孔的单个地面位置开始为井16钻多个地下井孔。在完成后，这些井16可以在不同位置处流体地连接到同一油气储层12和/或连接到不同的储层12以便提取石油和/或天然气。

如所示，每个井16可以限定不同的轨迹，包括例如不同的弯曲程度和/或弯曲长度，以便接近和/或最大化地面区域以在油气储层12内进行生产。井16的轨迹可以取决于多个因素，包括例如：目标储层12与钻机14之间的距离、用于油气捕获的储层的水平延伸，以及地面与地下钻井目标之间的预测和/或遇到的岩石地层学、钻井障碍物等。在钻机14与油气储层12之间可能存在不同的岩石地层18，其中层18中的一些易于且相对快速地被钻穿，而其他层18是耗时的且使钻井部件经受增加的磨损。因此接近油气储层12的最佳轨迹可能并非钻机14与油气储层12之间的最短距离。

可以制定钻井计划以包括每个提议的井16的轨迹，所述轨迹要考虑层18的属性(例如，厚度、组成)。遵循钻井计划，可以使用定向钻井来为井16钻井孔以避免某些层18和/或钻穿困难层18的较薄部分和/或以使基本上水平的区段延伸穿过储层12。因此，定向钻井除了其他因素外可以减少钻井时间，减少对钻井部件的磨损，并在储层12中的所要位置处或沿着所要位置流体地连接井16。

在图1中，钻机14是使用定向钻井来在水体下方钻井16的海上钻机。应理解，也可以利用岸上钻机进行定向钻井。此外，虽然井16可以是用于从含油气的储层生产石油和天然气的井，但定向钻井用于并且可以被执行用于石油和天然气行业内和行业外的多种目的和多种目标，包括而不限于水、地热、矿物和探勘应用中。另外，虽然图1示出了从一个钻机14地面位置延伸的多个井16轨迹，但是从相同或类似的地面位置延伸的井的数目可以是一个或另外地可以多于或少于所示。

图2示意性地示出了联接到钻机14的示例性定向钻井系统30。定向钻井系统30在底部包括被设计用来将岩石和沉积物粉碎为岩屑的钻头32。钻头32使用钻柱34联接到钻机14。钻柱34形成有在钻机14与钻头32之间联接在一起的一系列导管、管道或管子。为了在钻井操作期间将岩屑从钻头32带走，钻井液，也称作钻井泥浆或泥浆从地面被泵送通过钻柱34并且离开钻头32。钻井泥浆接着将岩屑从钻头32带走并且通过由钻头32形成的井孔37的内壁与钻柱34的外壁之间的环空35带向地面。通过将岩屑从井16的井孔37移除，钻头32能够逐渐更深地钻到地球中。

除了将岩屑带走之外，钻井泥浆还可以对液压马达36(也称为泥浆马达)提供动力。钻井泥浆在高压下被泵送到井孔37中以便将岩屑从钻头32带走，钻头32可以在距钻机14相当大的横向距离和/或垂直深度处。当泥浆流动通过钻柱34时，其进入液压马达36。泥浆流动通过液压马达36驱动液压马达36的旋转，液压马达36的旋转又使联接到钻头32的轴旋转。当轴旋转时，钻头32旋转，从而使钻头32能够切穿岩石和沉积物。在一些实施方案中，液压马达36可以用提供动力以使钻头32旋转的电动马达取代。在又其他实施方案中，定向钻井系统30在钻柱34上可以不包括液压马达或电动马达。替代地，钻头32可以响应于钻柱34例如通过钻机14上的顶部驱动机38，或方钻杆驱动机和旋转台，或通过向钻柱34提供扭矩并使钻柱34旋转的任何其他装置或方法从钻机14处或附近旋转而旋转。

为了控制钻头32的钻井方向39，定向钻井系统30可以包括本公开的旋转导向系统40。如下文将详细讨论的，旋转导向系统40包括具有一个或多个导向垫的导向套管，所述导向垫被定向成改变和控制钻头32的钻井方向39。旋转导向系统40可以由操作者控制和/或使用来自随钻测量系统42的反馈自主地控制。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孔钻探轨迹。随钻测量系统42中的传感器可以实时地提供测量和/或可以包括加速度计、陀螺仪、磁力计、位置传感器、流率传感器、温度传感器、压力传感器、振动传感器、扭矩传感器等，或其任何组合。

图3是具有本公开的旋转导向系统40的定向钻井系统30的实施方案的横截面视图。如上文参考图2所解释，定向钻井系统30在底部包括能够切穿岩石和/或沉积物以为井16钻井孔的钻头32。钻头32可以由马达(例如，液压或泥浆马达、电动马达)提供动力，操作中的马达经由驱动轴60将扭矩传递到钻头32。钻头32可以利用一个或多个螺栓62联接到驱动轴60从而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，从而使得刀具或齿64(例如，多晶金刚石齿)能够研磨到岩石面66中。当齿64抵着岩石面66研磨时，岩石面66粉碎成碎片，称为岩屑。接着利用钻井泥浆68将岩屑从岩石面66带走。钻井泥浆68流动通过驱动轴60中的导管或通路70并且接着通过钻头32中的开口、喷嘴或孔隙72，从而携带钻头32周围的岩屑并经由最近钻的孔带回。

为了对定向钻井系统30导向并且更具体地说控制钻头32的定向，本公开的定向钻井系统30包括旋转导向系统40。图3中的旋转导向系统40包括联接到导向套管76的一个或多个导向垫74(例如，一个、两个、三个、四个、五个、六个或更多个导向垫)。导向套管76联接到接收轴60的外壳78。在一些实施方案中，外壳78可以称为马达轴环。在一些实施方案中，钻井马达被配置为产生扭矩和第一旋转速度(转数每分钟(RPM))来对作为马达的一部分的驱动轴60提供动力，并且驱动轴60致使钻柱34以第二旋转速度或RPM旋转。在一些实施方案中，不存在驱动轴60且钻头32是外壳78的一部分或集成到外壳78，在这种情况下扭矩和RPM完全由钻柱34提供。

在操作中，导向套管76随着钻柱34旋转而旋转。如下文将详细解释，通过导向套管76与外壳78的联接和分离，旋转导向系统40使用外壳78的旋转或非旋转来控制钻头32的导向。

导向垫74可以如所示与导向套管76形成为一件，或可以分开地形成并且接着例如通过螺栓连接、钎焊、焊接或紧固(例如，通过带螺纹的紧固件)等联接到导向套管76。在一些实施方案中，导向垫74可以包括由第一材料，诸如碳化物(例如，钨或其他过渡金属碳化物)制成的主体。主体可以限定被配置为接合上文描述的岩石面66的曲线表面79。主体还可以在曲线表面79中包括多个沉孔81。这些沉孔81使得导向垫74能够接收多个插入件83。插入件83可以包括金刚石插入件、氮化硼插入件、碳化钨插入件，或其组合。插入件83可以是常规多晶金刚石刀具(PDC或PCD刀具)。这些插入件83在导向垫74接触岩石面66时提供耐磨性。

如所示，导向垫74的径向距离80延伸超出如由最外侧刀具延伸部限定的钻头32的最外侧径向表面82，这将导向垫74放置成与孔周围的岩石面66接触。换句话说，导向垫74是超尺寸的，并且径向距离80是超尺寸径向距离。例如，超尺寸径向距离80可以在约0.1到20mm、0.1到10mm，和/或0.1到5mm的范围内。在实施方案中，导向套管还可以包括如在美国专利申请第15/945158号中描述的与超尺寸区段相对的尺寸不足的区段，该专利申请出于所有目的以引用的方式全文并入本文中。

通过接触岩石面66，导向垫74能够(被动地)在特定方向上对钻头32施加力(即，对钻头32导向)。更具体地说，导向垫74在钻头32(例如，钻头32的刀具的最外侧表面)与导向垫74的边缘85之间形成导向角84。该导向角84使得导向垫74能够改变钻头32的钻井方向39。然而，如果导向套管76随外壳78旋转，则导向垫74的影响可忽略或甚至不存在，这是因为在钻头32的圆周周围同等地感觉到导向垫74的影响。换句话说，当导向垫74快速旋转到距第一位置一百八十度的第二位置或以类似于或低于钻头32的速度连续旋转时，导向垫74在第一位置的影响被抵消或消除。

因此，为了使导向垫74改变钻头32的钻井方向，导向垫74在相对于孔/地球的特定圆周位置固持在适当位置。而且为了阻挡或减少导向垫74的旋转，导向套管76与外壳78分离。

导向套管76利用锁定系统86与外壳78联接和分离。在一些实施方案中，锁定系统86可以包括一个或多个销88(例如，一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或更多个销)，所述销在方向90和92上轴向地移动以使导向套管76与外壳78联接和分离。更具体地说，销88接合导向套管76的端面96上的孔隙94以将外壳78联接到导向套管76。在一些实施方案中，销88可以径向地接合导向套管76的与外壳78重叠的一部分。在一些实施方案中，替代于销88，外壳78和导向套管76可以利用掣子的齿轮齿，或本领域已知的选择性地锁定和解锁扭转联接的任何其他构件联接在一起或接合，所述构件包括而不限于可能足够有力以消除对销88等的需要的套管制动系统(见，例如下文参考图4的讨论(项142))。在一些实施方案中，可能存在具有类似于离合器的摩擦垫的机械摩擦制动件(见，例如下文参考图5的讨论(项160))。

销88是利用致动器98来控制。致动器98可以是能够使销88在径向方向92上伸展以接合导向套管76并使销88在径向方向90上缩回以使其分离并且因此使导向套管76脱离的机械致动器和/或液压致动器。在图3中，致动器98联接到外壳78，但在一些实施方案中，致动器98可以联接到导向套管76。导向套管76上的致动器98将因此使销88伸展到外壳78的端面100中的孔隙中并使销88从所述孔隙缩回。在一些实施方案中，可能在导向套管76和外壳78两者上存在致动器98的组合，所述致动器使销88轴向地移动以将导向套管76与外壳78联接和分离。

为了控制锁定系统86，旋转导向系统40可以包括控制器102、处理器104和存储器106。例如，处理器104可以是执行软件以控制致动器98的操作的微处理器。处理器104可以包括多个微处理器、一个或多个“通用”微处理器、一个或多个专用微处理器，和/或一个或多个专用集成电路(ASIC)，或其某一组合。例如，处理器104可以包括一个或多个精简指令集计算机(RISC)处理器。

存储器106可以包括易失性存储器，诸如随机存取存储器(RAM)，和/或非易失性存储器，诸如只读存储器(ROM)。存储器106可以存储多种信息并且可用于各种目的。例如，存储器106可以存储处理器可执行指令，诸如固件或软件以供处理器104执行。存储器可以包括ROM、快闪存储器、硬盘驱动器，或任何其他合适的光学、磁性或固态存储介质，或其组合。存储器可以存储数据、指令，和任何其他合适的数据。控制器102可以例如位于钻机14上和/或可以是钻柱34上的随钻测量系统42的一部分。

在操作中，控制器102可以从一个或多个传感器108(例如，位置传感器)接收反馈，所述传感器检测导向套管76的位置并且通过延伸部检测导向垫74相对于钻头32的位置。使用来自传感器108的反馈，控制器102能够控制致动器98以将导向套管76与外壳78分离以便将导向垫74相对于孔/地球定位在所要位置。在图3所示的位置，导向垫74通过与岩石面66的接触形成位移，该位移朝向横向方向110驱动钻头32。

为了将导向垫74相对于孔/地球维持在所要位置，旋转导向系统40可以包括导向制动系统112。导向制动系统112可以包括能够径向地向外和向内移动以分别接合和脱离岩石面66的制动垫114。在操作中，制动垫114与岩石面66形成摩擦以将导向垫74相对于孔/地球维持在特定位置。换句话说，制动垫114被配置为防止导向垫74相对于孔/地球滑动/旋转。在一些实施方案中，制动垫114关于导向套管76的中心纵向轴线与导向垫74轴向地对准或基本上轴向地对准。在一些实施方案中，制动垫114和导向垫74可以围绕导向套管76的圆周与彼此偏移。例如，制动垫114和导向垫74可以围绕导向套管76的圆周与彼此偏移在约1到30度、1到90度、1到180度，和/或1到360度的范围内。应理解，尽管示出了单个制动垫114，但是导向制动系统112可以包括围绕导向套管76的圆周间隔开的多个制动垫114，例如两个、三个、四个、五个或更多个制动垫114。这些制动垫114可以围绕导向套管76的圆周均匀地或不均匀地间隔开。在一些实施方案中，导向制动垫114可以与彼此轴向地以及径向地偏移。在一些实施方案中，制动垫114可以是被动的(例如，不是主动控制的)和/或与地层基本上连续地接触。在实施方案中，可能完全不存在制动垫。

制动垫114可以由与导向垫74相同的材料(例如，具有多晶金刚石插入件的碳化物)构成。在其他实施方案中，制动垫114的材料(例如，钢)可以不同于导向垫74的材料(例如，碳化物)。在图3中，示出的制动垫114利用液压活塞116来致动。在一些实施方案中，液压活塞116可以使用流动通过定向钻井系统30的加压的钻井泥浆68来加压和驱动。例如，导向套管76和外壳78可以包括相应孔隙118和120，所述孔隙使得加压的钻井泥浆68能够从空腔121流动到液压活塞116。加压的钻井泥浆68到液压活塞116的流动是利用联接到控制器102的阀122来控制的。阀122可以位于外壳78上以控制钻井泥浆68流动通过孔隙120。在另一实施方案中，阀122可以位于导向套管76上以控制钻井泥浆68流动通过孔隙118。在其他实施方案中，外壳78和导向套管76两者都可以包括相应阀来控制通过相应孔隙120和118的流体流动。当阀122打开时，加压的钻井泥浆68能够流动通过孔隙120和118以致动液压活塞116。液压活塞116的致动将制动垫114相对于导向套管76径向地向外驱动并驱动制动垫114与岩石面66接触。制动垫114与岩石面66之间的摩擦减少或阻挡导向套管76的旋转并且因此将导向垫74维持在所要位置以控制钻头32的钻井方向39。在一些实施方案中，旋转导向系统40可以在外壳78与导向套管76之间包括密封件和/或轴承124(例如，圆周密封件)，所述密封件和/或轴承将流动通过孔隙120的钻井泥浆68引导到孔隙118。在一些实施方案中，导向系统40可以不包括阀122，从而使得当钻井泥浆流动通过定向钻井系统30时液压活塞116能够始终被致动。

图4是具有本公开的旋转导向系统40的定向钻井系统30的实施方案的横截面视图。如上文所解释，定向钻井使得钻头32能够在钻机14与储层12之间重复地改变定向。因此，在利用钻头32在第一方向上钻井之后，可能需要改变钻井方向39。为了改变导向垫74的位置，控制器102关闭阀122，从而使得液压活塞116能够径向地缩回并减小制动垫114与岩石面66之间的接触力。控制器102还用信号通知致动器98将销88驱动到孔隙94中以将外壳78联接到导向套管76。在联接后，将来自外壳78的扭矩传递到导向套管76，从而使导向套管76和导向垫74旋转。当导向套管76旋转时，控制器102从传感器108接收反馈，从而使得控制器102能够确定导向垫74何时处于所要位置。在导向垫74处于所要位置后，控制器102可以控制致动器98将销88缩回，从而使得外壳78能够相对于导向套管76旋转。阀122可以再次打开，从而使得加压的钻井泥浆68能够致动液压活塞116。当液压活塞116相对于导向套管76径向地向外移动时，制动垫114再次接触岩石面66，从而减少和/或阻挡导向套管76的旋转。如图4所示，导向套管76和导向垫74已经从其在图3中的位置旋转一百八十度。在该旋转后的位置，导向垫74通过与岩石面66的接触形成(被动/反应)力，该力将钻头32朝向横向方向140驱动。

在一些实施方案中，旋转导向系统40可以包括套管制动系统142，套管制动系统142通过减慢的摩擦力而促进外壳78与导向套管76之间的对准，以便将销88(或具有齿的掣子，或本领域已知的选择性地锁定和解锁扭转联接的其他机构)与孔隙94对准。例如，套管制动系统142可以减慢外壳78和/或导向套管76的旋转，以便在锁定系统86的致动之前将外壳78与导向套管76对准。套管制动系统142还可以提供可调联接扭矩以促进定位钻头工具面和设置方向。套管制动系统142可以是机械系统、机电系统(例如，磁体)，或液压机械系统(例如，由钻井泥浆提供动力)。为了致动套管制动系统142，控制器102可以响应于来自传感器108的指示导向套管76相对于外壳78的位置的反馈而控制致动器144。在一些实施方案中，套管制动系统142可以取代或补充锁定机构86(例如，作为主要或辅助锁定系统操作)。例如，套管制动系统142可以产生足够的力来将外壳78与导向套管76联接在一起以在没有锁定系统86的情况下阻挡和/或减少外壳78与导向套管76之间的相对运动。

在一些实施方案中，旋转导向系统40可以包括轴承系统146，轴承系统146使得导向套管76能够相对于轴60旋转和/或促进导向套管76相对于轴60旋转。轴承系统146包括内轴承148和外轴承150。内轴承148联接到轴60并随轴60旋转，而外轴承150联接到导向套管76。

图5是具有本公开的旋转导向系统40的定向钻井系统30的实施方案的横截面视图。旋转导向系统40类似于上文参考图3和4描述的旋转导向系统。然而，图5示出了旋转导向系统40可以将阀122和传感器108放置在不同位置。例如，替代于将阀122联接到外壳78，图5中的实施方案将阀122联接到导向套管76来控制通过孔隙118的流体流动。类似地，替代于将传感器108(例如，位置传感器)联接到外壳78，传感器108可以联接到导向套管76。在一些实施方案中，旋转导向系统40可以包括离合器160(例如，环形离合器)，所述离合器在联接到导向套管76时阻挡和/或减少从外壳78传递到销88的扭矩水平。在一些实施方案中，离合器160可以由控制器102响应于来自传感器(例如，传感器108)的反馈而控制，所述传感器检测定向钻井系统30(例如，外壳78、导向套管76)的扭矩和/或旋转速度。

图6是具有本公开的旋转导向系统40的定向钻井系统30的实施方案的横截面视图。旋转导向系统40类似于上文参考图3-5描述的旋转导向系统。然而，在图6中，外壳78与驱动轴60可以是一件。在操作中，钻柱34(例如，通过顶部驱动机38)的旋转使外壳76和驱动轴60旋转，外壳76和驱动轴60旋转又使钻头32旋转。因此，可以通过孔隙168而不是通过上文描述的空腔121来向轴承系统146馈送钻井泥浆68。

图6还示出了旋转导向系统40可以包括用于致动活塞116的不同的致动器，以及控制套管制动系统142的致动器的不同的放置。如上文所解释，制动垫114的位置可以由液压活塞116控制，所述液压活塞响应于加压的钻井液而相对于导向套管76径向地移动。然而，在图6中，旋转导向系统40可以包括非液压致动器170。例如，致动器170可以是联接到导向套管76的机械致动器(例如，螺旋起重机)。在操作中，机械致动器170使活塞116相对于导向套管76的纵向轴线径向地伸展和缩回。此外，图6示出了套管制动系统142的致动器144可以联接到导向套管76而不是外壳78。

图7是具有本公开的旋转导向系统40的定向钻井系统30的实施方案的横截面视图。类似于上文的讨论，图7中的旋转导向系统40包括将外壳78与导向套管76联接和分离的锁定系统200。锁定系统200可以包括一个或多个销88(例如，一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或更多个销)，所述销在方向90和92上轴向地移动以使导向套管76与外壳78联接和分离。更具体地说，销88接合导向套管76的端面96上的孔隙94以将外壳78联接到导向套管76。在一些实施方案中，销88可以定向成径向地移动以便使外壳78与导向套管76联接和分离。例如，销88可以径向地接合导向套管76的与外壳78重叠的一部分。

如所示，销88利用弹簧202(例如，致动器)进行控制，弹簧202响应于流动通过定向钻井系统30的加压的钻井液(例如，钻井泥浆)的流动。在图7中，销88由于加压的钻井液在轴向方向90上驱动活塞204而处于缩回位置。当活塞204在轴向方向90上移动时，活塞204压缩弹簧202，从而使得销88能够缩回。销88的缩回使导向套管76与外壳78分离，从而使得导向套管76和外壳78能够独立地移动。也就是说，当导向套管76保持静止或基本上静止(例如，不相对于井孔/地球旋转)时，外壳78能够旋转。然而，当钻井液降低压力时，弹簧202在轴向方向92上驱动活塞204和销88，从而使外壳78联接到导向套管76。外壳78接着可以与导向套管76一起从第一位置旋转到第二位置，以便重新定位导向垫74。在重新定位后，钻井液可以再次被加压以使销88与导向套管76分离。

当加压的钻井液驱动锁定系统200的操作时，其也致动导向制动系统206。导向制动系统206包括再一个制动垫114，制动垫114径向地向外和向内移动以与岩石面66接合和脱离从而将导向垫74相对于孔/地球维持在特定位置。制动垫114是利用液压活塞116来致动的。当钻井液被加压时，钻井液可以流动通过孔隙118以致动液压活塞116。液压活塞116的致动将制动垫114相对于导向套管76径向地向外驱动并且驱动制动垫114与岩石面66接触。制动垫114与岩石面66之间的摩擦减少或阻挡导向套管76的旋转并且因此将导向垫74维持在所要位置以控制钻头32的钻井方向39。然而，当钻井液降低压力时，制动垫114与岩石面66之间的摩擦减小，从而使得导向套管76能够随外壳78旋转。以这种方式，导向系统40使用钻井液的压力来使导向套管76与外壳78联接和分离，同时还控制导向制动系统206的致动。

图8是具有旋转导向系统40的定向钻井系统30的实施方案的横截面视图。旋转导向系统40类似于上文描述的旋转导向系统。然而，图8示出了具有凹槽230的外壳78，凹槽230将导向套管76接收在相对的第一肩部与第二肩部232与234之间。将导向套管76放置在该凹槽230中使得肩部232和234能够减少导向套管76相对于钻头32的轴向移动(即，阻挡导向套管76与钻头32之间的接触)。为了促进导向套管76相对于外壳78移动，导向系统40包括轴承236。在一些实施方案中，轴承236可以是使得导向套管76能够相对于外壳78旋转的径向和轴向轴承。如上文所解释，导向套管76相对于外壳78旋转以使得能够将一个或多个导向垫74相对于孔/地球从第一周向位置重新定位到第二周向位置以改变钻井方向39。

图9是具有旋转导向系统40的定向钻井系统30的实施方案的横截面视图。旋转导向系统40类似于上文描述的旋转导向系统。然而，图9示出了具有凹槽250的单元61，凹槽250将导向套管76接收在相对的第一肩部与第二肩部252与254之间。将导向套管76放置在该凹槽250中使得肩部252和254能够减少导向套管76相对于钻头32的轴向移动(即，阻挡导向套管76与钻头32之间的接触)。为了促进导向套管76相对于单元61移动，导向系统40包括轴承256。在一些实施方案中，轴承256可以是使得导向套管76能够相对于单元61旋转的径向和轴向轴承。如上文所解释，导向套管76旋转以使得能够将一个或多个导向垫74相对于孔/地球从第一周向位置重新定位到第二周向位置以改变钻井方向39。如所示，单元61可以联接到马达258。马达258可以是向单元61提供扭矩来使钻头32旋转的泥浆马达或电动马达。在一些实施方案中，单元61可以直接联接到钻柱34，从而使得单元61能够从顶部驱动机38、方钻杆驱动机和/或旋转台接收扭矩。

本公开的导向组件可以是泥浆马达、涡轮机、电动马达或沿着钻柱的任何其他合适部件的一部分或固定地联接或可调整地联接到泥浆马达、涡轮机、电动马达或沿着钻柱的任何其他合适部件。本公开的导向组件可以与这些其他钻柱部件中的任何一个或多个分开地制造、形成或组装，或作为其集成部分(以单个件)制造、形成或组装。

上文讨论的实施方案容许各种修改和替代形式，已经在附图中通过示例示出并且已经在本文中详细描述了具体实施方案。然而，应理解，实施方案无意限于公开的特定形式。

Claims (18)

1.一种钻井系统，所述钻井系统包括：

钻头，所述钻头被配置为穿过岩石钻孔；

轴，所述轴联接到所述钻头，其中所述轴被配置为将旋转动力传递到所述钻头；

外壳，所述外壳被配置为接收所述轴的至少一部分；

旋转导向系统，所述旋转导向系统被配置为控制所述钻头的钻井方向，所述旋转导向系统包括：

导向套管，所述导向套管被配置为与所述外壳联接和分离以控制所述钻头的钻井方向；和

导向垫，所述导向垫联接到所述导向套管，其中，当所述导向套管与所述外壳联接时以及当所述导向套管与所述外壳分离时，所述导向垫相对于所述钻头是超尺寸的，具有超尺寸径向距离；以及

锁定机构，所述锁定机构被配置为使所述导向套管与所述外壳联接和分离，其中，所述锁定机构包括一个或多个销，所述一个或多个销被配置为相对于所述导向套管的纵向轴线轴向地移动以在所述导向套管与所述外壳联接时与一个或多个孔隙接合。

2.如权利要求1所述的钻井系统，其中所述导向垫被配置为随所述导向套管旋转并与所述钻头形成导向角。

3.如权利要求1所述的钻井系统，其中所述旋转导向系统包括：

活塞，所述活塞联接到所述导向套管，其中所述活塞被配置为相对于所述导向套管的纵向轴线径向地移动以使制动垫与外部岩石面接合以及使所述制动垫从所述外部岩石面脱离。

4.如权利要求3所述的钻井系统，其中所述外壳包括阀，所述阀被配置为控制流体的流动以致动所述活塞。

5.如权利要求3所述的钻井系统，其中所述导向套管包括阀，所述阀被配置为控制流体的流动以致动所述活塞。

6.如权利要求1所述的钻井系统，

其中，所述锁定机构包括一个或多个致动器，所述致动器被配置为使所述一个或多个销从所述外壳伸展和缩回以使所述导向套管与所述外壳联接和分离。

7.如权利要求1所述的钻井系统，所述钻井系统包括：

介于所述导向套管与所述外壳之间的离合器，其中所述离合器被配置为减少所述锁定机构上的扭矩。

8.如权利要求1所述的钻井系统，其中所述旋转导向系统包括：

套管制动器，所述套管制动器被配置为改变所述导向套管相对于所述外壳的旋转速度。

9.如权利要求1所述的钻井系统，所述钻井系统包括：

介于所述导向套管与所述轴之间的轴承，其中所述轴承使得所述轴能够相对于所述导向套管旋转。

10.一种用于控制钻头的钻井方向的系统，所述系统包括：

外壳；以及

旋转导向系统，所述旋转导向系统包括：

导向套管，所述导向套管被配置为与所述外壳联接和分离；以及

导向垫，所述导向垫联接到所述导向套管，其中所述导向垫被配置为随所述导向套管旋转并与所述钻头形成导向角，其中当所述导向套管与所述外壳联接时以及当所述导向套管与所述外壳分离时，所述导向垫相对于所述钻头是超尺寸的，具有超尺寸径向距离；以及

活塞，所述活塞联接到所述导向套管，其中所述活塞被配置为相对于所述导向套管的纵向轴线径向地移动以使制动垫与外部岩石面接合以及使所述制动垫从所述外部岩石面脱离，其中，所述外壳包括致动器，所述致动器被配置为使所述活塞伸展和缩回。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述致动器包括阀，所述阀被配置为控制流体的流动以致动所述活塞。

12.如权利要求10所述的系统，所述系统包括：

锁定机构，所述锁定机构被配置为使所述导向套管与所述外壳联接和分离。

13.如权利要求12所述的系统，所述系统包括：

介于所述导向套管与所述外壳之间的离合器，其中所述离合器被配置为减少所述锁定机构上的扭矩。

14.如权利要求10所述的系统，所述系统包括：

套管制动器，所述套管制动器被配置为改变所述导向套管相对于所述外壳的旋转速度。

15.如权利要求10所述的系统，所述系统包括：

介于所述导向套管与对所述钻头提供动力的轴之间的轴承，其中所述轴承使得所述轴能够相对于所述导向套管旋转。

16.一种控制钻头的钻井方向的方法，所述方法包括：

将导向套管与外壳分开，其中所述导向套管包括被配置为与所述钻头形成导向角的导向垫，其中当所述导向套管与所述外壳分开时以及当所述导向套管与所述外壳连接时，所述导向垫相对于所述钻头是超尺寸的，具有超尺寸径向距离；

致动活塞以相对于所述导向套管的中心轴线径向地移动以限制所述导向垫的旋转，其中，致动所述活塞包括控制阀，所述阀被配置为控制流体向致动器的流动，所述致动器被配置为使所述活塞伸展和缩回；以及

致动所述外壳和所述导向套管之间的一个或多个销以使所述导向套管和所述外壳连接，其中所述一个或多个销被配置为相对于所述导向套管的纵向轴线轴向地移动。

17.如权利要求16所述的方法，所述方法包括：

使所述活塞缩回并使所述导向套管从第一位置旋转到第二位置。

18.如权利要求17所述的方法，所述方法包括：

致动所述活塞以限制所述导向套管从所述第二位置旋转。