CN111295497B - 具有带连杆的致动器的旋转导向系统 - Google Patents

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Abstract

一种设置在钻柱上用于使由钻头推进的井眼偏斜的设备，该设备包括壳体、定向器和致动器。钻柱上的壳体向钻头传递旋转。壳体具有向钻头传输流体的孔。定向器设置在壳体上以随壳体旋转。定向器包括：可在腔室内运动的活塞；可绕枢转点相对于壳体在伸出状态与缩回状态之间枢转的垫块；以及以可枢转的方式连接在活塞与垫块之间的连杆臂。与孔流体连通的致动器至少能够在引导从孔或其他源传输的流体通向定向器的腔室的第一状态与至少允许定向器朝缩回状态缩回的第二状态之间操作。

Description

具有带连杆的致动器的旋转导向系统
技术领域
本公开的主题涉及用于控制井下组件的设备和方法。该主题有望在控制井下组件的导向机构来沿选定方向对钻头进行导向的方面找到其最大的效用，并且以下描述中的大部分将涉及导向应用。然而，将理解的是，所公开的主题可以用于控制井下组件的其他部分。
背景技术
当进行对石油和天然气的钻探时，期望即使在钻探操作可能在地表以下几公里进行的情况下也保持对钻探操作的最大控制。导向钻头可用于定向钻探，并且通常在钻出要求在钻探操作期间精确控制钻头路径的复杂井眼轨迹时使用。
定向钻探是复杂的，因为导向钻头必须在恶劣的井眼条件下操作。例如，导向机构必须在钻探操作期间通常会遇到的超常的热、压力和振动条件下可靠地操作。另外，导向机构通常设置在钻头附近，并且所期望的对导向机构的实时定向控制是从地面远程控制的。无论导向机构在井眼内的深度如何，导向机构都必须保持期望的路径和方向，并且还必须保持切实可行的钻进速度。
工业中使用了许多类型的导向机构。一种普通类型的导向机构具有设置在壳体中的马达，该马达的纵向轴线从井眼的轴线偏移或移位。马达可以具有多种类型，包括电动型和液压型。利用循环的钻井流体操作的液压马达通常被称为“泥浆”马达。
通常称为弯曲壳体或“弯接头”的横向偏移的马达壳体提供了可用于改变井眼轨迹的横向移位。通过使钻头与马达一起旋转并且同时使马达壳体与钻柱一起旋转，壳体偏移的取向连续变化，并且正在推进的井眼的路径保持基本平行于钻柱的轴线。通过仅使钻头与马达一起旋转而不旋转钻柱，井眼的路径沿弯曲壳体的偏移方向偏离非旋转的钻柱的轴线。
另一种导向机构是允许钻头沿任何选定方向运动的旋转导向工具。以这种方式，井眼的曲率的方向(和度数)可以在钻探操作期间被确定，并且可以基于在特定井眼深度处测得的钻探条件来选择。
使旋转导向工具偏转的常见方式是使用活塞来激励垫块。垫块推压地层以便产生钻头侧向力以使井筒偏斜。由于在垫块与活塞之间的交界面处的相对运动而产生问题，并且该相对运动导致两个表面的磨损和擦伤以及活塞上的“翘起”载荷。
尽管各种导向机构是有效的，但是操作员一直在寻找更快、更强力、可靠且成本有效的定向钻探机构和技术。本公开的主题针对这样的努力。
发明内容
根据本公开，一种设备设置在钻柱上，用于使由钻头推进的井眼偏斜。该设备包括壳体、至少一个定向器以及至少一个致动器。壳体设置在钻柱上并向钻头传递旋转。例如，壳体可以具有通过钻柱、通过设置在钻柱上的马达、或者通过钻柱和马达两者施加至壳体的旋转。
所述至少一个定向器设置在壳体上以随壳体旋转，使得随着壳体旋转，所述至少一个定向器绕正在推进的井眼旋转。所述至少一个定向器至少包括活塞、垫块和连杆臂。活塞能够在被限定于壳体、与设备相关联的模块或其他部件中的腔室中运动。垫块能够绕枢转点相对于壳体在伸出状态与缩回状态之间枢转。例如，枢转销可以将垫块的边缘连接至壳体、与设备相关联的模块或其他部件。
最后，连杆臂以可枢转的方式连接在活塞与垫块之间，因此连杆臂可以将活塞在腔室中的运动转换成垫块绕枢转点的枢转。例如，活塞可以包括连接至连杆臂的第一端部的第一连杆销，而垫块可以具有连接至连杆臂的第二端部的第二连杆销。从几何学上讲，第一连杆销和第二连杆销及枢转点可以平行于壳体的旋转中心，而连杆可以位于与旋转中心垂直的平面中。
在运动期间，活塞可以在腔室中的第一位置与第二位置之间相对于壳体的旋转中心沿径向方向运动。然后可随活塞运动的连杆可以相对于枢转点从第一位置处的第一角取向旋转至第二位置处的第二角取向。第二角取向可以比第一角取向更对准径向方向。因此，第一枢转销可以随活塞沿径向方向径向地平移，而第二枢转销可以绕枢转点旋转。
所述至少一个致动器设置在壳体上，与可以来自孔、来自液压系统或其他源的所传输的流体流体连通。当设备推进井眼时，所述至少一个致动器能够至少在第一状态(引导所传输的流体通向所述至少一个定向器的腔室)与第二状态(至少允许所述至少一个定向器朝向缩回状态缩回)之间操作。例如，所述至少一个致动器可以包括阀构件和驱动器。阀构件可以相对于入口端口和出口端口运动(例如，可旋转)。可操作成使阀构件运动(例如，旋转)的驱动器能够使阀构件运动(例如，旋转)到呈引导所传输的流体的第一取向或呈关断流体连通的第二取向。(入口端口可以设置成与来自壳体的孔或来自液压源的所传输的流体流体连通。)如有需要，所述至少一个定向器的所传输的流体可以被排出，这可以至少允许所述至少一个定向器朝向缩回状态缩回。例如，腔室可以限定有排放口以与井眼连通。
该设备可以包括操作所述至少一个致动器的控制器。例如，控制器可以被配置成确定所述至少一个定向器相对于用于井眼的期望轨迹的角取向，并且可以被配置成将所确定的取向转换为所述至少一个致动器的致动以使井眼朝向期望轨迹偏斜。例如，控制器可以具有用于确定壳体的所述至少一个定向器相对于基准(比如工具面)的角取向的各种传感器和电子器件，且控制器可以存储和/或传达期望轨迹信息。控制器和/或所述至少一个致动器可以与壳体一起旋转，但是可以使用其他布置。
所述至少一个定向器可以包括能够以可移除的方式定位在壳体的侧部中的模块。以这种方式，模块可以保持活塞、垫块、连杆和枢转点，并且模块可以限定腔室，该腔室具有用于与所述至少一个致动器相邻地连通的通道。该模块可以有利于组装，并且可以允许将活塞、垫块、连杆等的不同布置与不同尺寸、构型等的壳体一起使用。
活塞可以具有围绕活塞设置的密封件，该密封件以可滑动的方式接合腔室的内壁。例如，密封件可以是与腔室壁形成金属-金属密封的金属密封环。为便于组装，活塞可以包括固定在外活塞本体中的中央承窝。中央承窝连接至连杆臂，并且外活塞本体使密封件围绕该外活塞本体设置。
根据本公开的钻探方法包括：利用与钻柱联接的旋转钻探组件上的钻头通过将旋转钻探组件的旋转传递至钻头来推进井眼；通过操作设置在旋转钻探组件上的至少一个致动器来控制旋转钻探组件中的流体；利用来自被操作的所述至少一个致动器的受控的流体使活塞在旋转钻探组件上沿径向方向运动；将活塞的运动通过连杆臂传递至设置在旋转钻探组件上的垫块；通过从连杆臂传递的运动使垫块绕旋转钻探组件上的枢转点枢转；以及通过旋转钻探组件利用枢转的垫块使正在推进的井眼偏斜。
操作所述至少一个致动器并控制流体可以包括：在旋转钻探组件旋转时测量旋转钻探组件的角速度；在旋转钻探组件旋转时测量旋转钻探组件相对于井眼的取向；采取用于井眼的期望轨迹；以及基于旋转钻探组件的角速度和取向将期望轨迹转换成所述至少一个致动器的致动。
为了利用被操作的所述至少一个致动器来控制流体，通过对阀进行操作可将通过旋转钻探组件的流的一部分流引导至活塞。例如，对阀进行操作可以涉及通过可操作成使阀构件运动(例如旋转)的驱动器来使阀构件相对于入口端口和出口端口运动(例如旋转)。处于第一取向的阀构件可以引导受控流体，而处于第二取向的阀构件可以关断受控流体。该阀可以与来自旋转钻探组件的孔或来自液压源的受控流体连通。如果必要的话，所述至少一个定向器的所传输的流体可以被排出，以至少允许所述至少一个定向器向缩回状态缩回。
为了将活塞的运动通过连杆臂传递至设置在旋转钻探组件上的垫块，活塞的运动可以通过在连杆臂的第一端部处连接至活塞的第一连杆销传递至在连杆臂的第二端部处连接至垫块的第二连杆销。活塞可以相对于壳体的旋转中心沿径向方向在第一位置与第二位置之间运动，且连杆可以相对于枢转点从第一位置处的第一角取向旋转至第二位置处的第二角取向。第二角取向可以比第一角取向更对准径向方向。因此，当将活塞的运动通过连杆臂传递至设置在旋转钻探组件上的垫块时，第一连杆销可以随活塞沿径向方向平移，并且第二连杆销可以绕枢转点旋转。
将旋转钻探组件的旋转传递至钻头可以包括：通过钻柱、通过设置在钻柱上的马达、或者通过钻柱和马达两者将旋转施加至壳体。最后，通过操作设置在旋转钻探组件上的所述至少一个致动器来控制通过旋转钻探组件的流中的至少一些流可以涉及：确定所述至少一个定向器相对于用于井眼的期望轨迹的角取向并将所确定的取向转换为所述至少一个致动器的致动以使井眼朝向期望轨迹偏斜。
前述概述并非旨在概述本公开的每个潜在实施方式或每个方面。
附图说明
图1A至图1B示意性地图示了结合有根据本公开的导向设备的钻探系统。
图2A至图2B以立体图和端视图图示了导向设备。
图3A至图3B以横截面图和端截面图图示了导向设备。
图4A至图4B图示了导向设备的处于缩回状态的定向装置的两个正交的横截面。
图5图示了导向设备的处于伸出状态的定向装置的横截面。
图6A至图6B示意性地图示了导向设备在操作期间的端视图。
具体实施方式
图1A示意性地图示了结合有根据本公开的导向设备100的钻探系统10。如所示出的，井下钻探组件20钻出穿透地层的井眼12。组件20利用合适的连接器21操作性地连接至钻柱22。进而，钻柱22操作性地连接至旋转钻机24或其他已知类型的地面驱动装置。
井下组件20包括控制组件30，该控制组件30具有传感器部分32、动力源部分34、电子器件部分36和井下遥测部分38。传感器部分32具有可用于指示井下组件20在井眼12内的取向、运动和其他参数的方向传感器，诸如加速度计、磁力计和测斜仪。这些信息进而可用于限定井眼的轨迹以用于导向目的。传感器部分32还可以具有在随钻测量(MWD)和随钻测井(LWD)操作中使用的任何其他类型的传感器，包括但不限于响应于伽马辐射、中子辐射和电磁场的传感器。
电子器件部分36具有电子电路，以操作和控制井下组件20内的其他元件。例如，电子器件部分46具有井下处理器(未示出)和井下存储器(未示出)。存储器可以存储定向钻探参数、利用传感器部分32做出的测量值以及定向钻探操作系统。井下处理器可以处理测量数据和遥测数据以用于本文中所公开的各种目的。
井下组件20内的元件利用井下遥测部分28与地面设备28通信。该遥测部分38的部件接收数据并将数据传送至地面设备38内的井上遥测单元(未示出)。可以使用各种类型的井眼遥测系统，包括泥浆脉冲系统、泥浆警报系统、电磁系统、角速度编码和声学系统。
动力源部分34供给对组件20内的其他元件进行操作所必需的电力。动力通常由电池供给，但是电池可以例如由通过动力涡轮从钻井流体提取的动力来补充。
在操作期间，钻头40如由箭头RB概念性地图示的那样旋转。钻头40的旋转是由旋转钻机24处的钻柱22的旋转RD施加的。钻柱旋转RD的速度(RPM)通常是利用地面设备28从地面控制的。还可以由钻探组件20上的钻探马达(未示出)施加钻头40的附加旋转。
在操作期间，钻井流体系统26将钻井流体或“泥浆”从地面向下泵送并穿过钻柱22泵送至井下组件20。泥浆通过钻头40离开，并经由井眼环形空间返回地面。该循环由箭头14概念性地图示出。
为了用井下组件20定向钻进正在推进的井眼12，对控制组件30进行操作以改变流体(循环的钻井泥浆)流的一部分向具有多个定向装置或定向器150a至150c的旋转导向设备100的输送。尽管在本文中公开为利用通过设备100的流体流来引导组件20，但是可以使用其他布置。例如，可以在相对于钻井流体密封的组件20上使用单独的液压系统，并且控制组件30可以引导该液压流体使定向器150a至150c运动。
设备100在钻头40旋转时与钻柱22和/或与钻探马达(未示出)一起旋转。例如，设备100可以与钻柱22以相同的速率旋转。当然，设备100可以与设置在设备100的上方的井下钻探马达(未示出)一起使用。在这种情况下，如果钻柱不旋转，则设备100可以以马达的输出速度旋转；如果马达被卡住或不存在，则设备100可以以钻柱22的输出速度旋转，或者如果钻柱和马达两者都旋转，则设备100可以以钻柱22和马达的合成输出旋转。因此，设备100总体上可以说总是以钻头速度旋转。
通过操作多个定向器150a至150c，导向设备100在该设备100旋转时利用主动偏转来对正在推进的井眼12进行导向。在操作期间，例如，控制组件30控制通过井下组件20的流体流，并将部分流体输送至导向设备100的定向装置150a至150c。由于设备100的旋转，控制组件30可以独立地、循环地、连续地、一起地或以类似的方式改变流体向多个定向器150a至150c中的每个定向器的输送，以随着导向设备100推进井眼12而改变导向设备100的方向。进而，定向装置150a至150c然后利用由输送的流施加的压力来相对于钻头的旋转RB周期性地伸出/缩回，以限定正在推进的井眼12的轨迹。
定向装置150a至150c的伸出/缩回可以与钻探组件20于正在推进的井眼12中的取向相协调，以控制钻探的轨迹、直线向前钻探以及实现比例狗腿控制(dogleg control)。要做到这一点，可以利用通过传感器部分32测量的取向信息与存储在电子器件部分36的井下存储器中的控制信息协作来控制控制组件30，以引导正在推进的井眼12的轨迹。最终，定向装置150a至150c的伸出/缩回使钻头40与正在推进的井眼12中的某一侧不成比例地接合，以进行定向钻探。
在图1B中更详细地示意性地示出了导向设备100的特征。局部控制器110包括致动器112和阀114，并且局部控制器110连接至控制组件30的传感器和动力源。定向装置150——此处仅示意性地示出了定向装置150中的一者——包括设置在设备100上以随设备100旋转的活塞腔室152、活塞154、连杆156以及垫块158。定向装置150可操作成使其垫块158绕枢转点159相对于设备100在伸出状态与缩回状态之间枢转。
在一种布置中，一个局部控制器110可以连接至设备100上的所有定向装置150。在一种替代性布置中，每个定向装置150可以具有其自己的局部控制器110。在这种替代性布置中，每个局部控制器110可以独立于其他局部控制器110而对该局部控制器110的一个定向装置150进行操作。在图1A至图1B的导向设备100操作成在可以高达300-rpm且峰值更高为约600-rpm的连续旋转期间对钻探进行导向时，则每个局部控制器110可以被操作成与钻柱的旋转同步地在同一目标位置处将该局部控制器110的垫块158伸出。同时，每个局部控制器110的旋转位置由控制系统30的传感器确定。
为了使垫块158伸出，致动器112致动阀114并控制作为活塞流17的流15通向活塞腔室152的流体连通。例如，处于第一状态的阀114引导作为活塞流17的所传输的流15到达活塞腔室152，以推动活塞154并使垫块158绕其枢转点159朝向伸出状态枢转。相比之下，处于第二状态的阀114不将作为活塞流17的流15传输至活塞腔室152，因此活塞154和垫块158可以朝向缩回状态缩回。流15可以是通过设备100的孔16传输的工具流，或者可以是从设备100的液压系统16’传输的专用液压流体流。
在不存在受引导的活塞流17的情况下，可以通过井眼壁推动垫块158而简单地进行垫块158的缩回。活塞腔室152中的排放口(未示出)可以允许流体排出至井眼，以允许活塞154缩回。附加地或替代性地，对于活塞154、垫块158、或定向装置150，可以使用弹簧复位(图1B中未示出)等以在活塞154未由活塞流17激励时使活塞154缩回。事实上，在某些实现方式中，这样的弹簧复位可能是必需的。
通常，阀114可以是用以选择性地传输流15作为活塞流17的线性或旋转型阀。线性型阀可以控制所传输的流体的排出，并且可以构造成使三通、两位置的阀元件迅速运动以向致动器的活塞76供给钻井流体以及从致动器的活塞76排出钻井流体。如图1B中所示，阀114可以是旋转型阀，其中相邻的阀盘能够相对于彼此运动。该旋转盘阀114可以是二位式(开-关)的，但是可以在整个一圈旋转中的任何一点处停止以提供成比例的流量。
如将理解的，导向设备100可以使用多种不同的方式来激励和释放活塞，并且可以使用许多不同的阀和致动器布置。
鉴于对钻探系统10和导向设备100的以上描述，现在转至论述用于实现定向钻探的导向设备100的实施方式。
图2A图示了根据本公开的用于钻探组件(20)的导向设备100的一部分的立体图。如已经指出的，钻探组件(20)的导向设备100设置在钻柱(22)上，用于使由钻头(40)推进的井眼偏斜。在图2B的端视图中提供了导向设备100的更多细节。
设备100具有壳体或钻铤102，该壳体或钻铤具有用于钻井流体的通孔108。钻铤102在井上端部104(具有外螺纹)处联接至组件(20)的井上部件，诸如控制组件(30)、稳定器、其他钻铤、钻柱(22)等。钻铤102在井下端部106(具有内螺纹)处联接至组件(20)的井下部件，诸如稳定器、其他钻铤、钻头(40)等。在壳体102上靠近端部(106)处设置有多个定向装置或定向器150，并且定向装置150与也设置在壳体102上的一个装置控制器110或与该定向装置150自身的装置控制器110相关联。定向装置150可以(对称地或不对称地)布置在壳体102的多个侧面上，并且定向装置150可以设置在壳体102上的稳定器肋105或其他特征处。
优选地，该布置是对称的或均匀的，这简化了设备100的控制和操作，但这不是严格必需的。如此处图2B中所示，例如，导向设备100包括在大约每120度处布置的三个定向器150a至150c。通常，可以使用更多或更少的装置150。
图3A至图3B以横截面图和端截面图更详细地示出了设备100。定向装置150中的每一者包括关于枢转点159旋转的垫块158。对于每个定向装置150，活塞154接合连接至垫块158的杆或连杆156的一个端部。活塞154能够在壳体腔室152中在伸出状态与缩回状态之间交替地移位，并且连杆156在活塞154与垫块158之间的相互作用使得垫块158绕枢转点159枢转并且要么远离壳体102伸出要么朝向壳体102缩回。
垫块158可以进行表面处理，诸如碳化钨表面硬化或用以抵抗磨损的其他特征。如所示出的，可能不存在偏置元件来使垫块158缩回。替代地，垫块158可以在井筒中的壳体102的旋转作用下自然地缩回。另外，活塞腔室152中的排放口(未示出)可以将钻井流体从腔室152排出至井眼，以允许活塞154缩回。
壳体102具有用于容纳针对垫块158中的每个垫块158的局部控制器110的外部凹穴。如前所述，局部控制器110包括用于致动阀114以控制工具流向活塞腔室152的输送的致动器112。如所示出的，壳体102具有轴向孔108，该轴向孔108沿着壳体的纵向轴线使钻柱(22)与钻头(40)连通。过滤端口109可以将轴向孔108中的内部流传输至阀114的用于针对每个定向装置150的局部控制器110的一侧。根据阀114的状态，来自孔108的工具流的一部分可以经由通道传输至用于活塞154的活塞腔室152。再次，尽管在本文中公开为使用通过设备100的孔108的流来引导定向装置150，但是可以使用其他布置。例如，可以使用相对于钻井流体密封的独立液压系统(16’：图1B)，并且阀114可以经由通道将液压流体传输至用于活塞154的活塞腔室152。
现在转向定向装置150的更多细节，论述转至图4A至图4B以及图5。图4A至图4B图示了导向设备的处于缩回状态的定向装置150的两个正交的横截面，而图5图示了处于伸出状态的定向装置150的横截面。
如所示出的，定向装置150可以包括模块151，该模块151可以以可移除的方式定位在工具壳体(102)的侧向凹穴中。模块151可以限定具有通道155的活塞腔室152，该通道155用于与工具的壳体(102)中的阀(114)相邻地连通。模块151保持活塞154、垫块158、连杆156以及枢转点159。
模块151为定向装置150提供了多功能性。例如，设备(100)的给定壳体(102)可以构造为用于钻出多于一个的井眼尺寸，比如8-3/8、8-1/2和8-3/4英寸的井眼尺寸。然而，具有不同长度和尺寸的垫块158等的不同模块151可以与同一壳体(102)一起使用，以适应要钻的不同井眼尺寸。这为组件提供了一些通用性和模块化。
活塞154包括活塞本体160，围绕活塞本体160设置有密封件162。密封件162以可滑动的方式接合腔室152的内壁，并且可以形成金属-金属密封，但是也可以使用其他类型的密封件。相应地，密封件162可以使用任何合适的密封元件。腔室152中的一个或多个排放口(未示出)可以允许流体从腔室152排出至井眼环形空间，这可以允许活塞154缩回到腔室152中并且可以清除腔室152中的碎屑。排出可以利用腔室152中的始终向井眼环形空间敞开的一个或更多个端口(未示出)进行。排出也可以通过许多其他方式来实现。例如，可以使用单独的阀(未示出)从腔室152排出流体，或者可以将用于入口108的相同阀用于排出。
除了密封件162外，活塞154还可以具有固定在外活塞本体160中的中央承窝164。中央承窝164连接至连杆臂156，并有助于部件的组装和对准。
活塞154具有连接至连杆臂156的第一端部的第一连杆销157a，而垫块158具有连接至连杆臂156的第二端部的第二连杆销157b。连杆销157a至157b和垫块的枢转销159平行于壳体(102)的旋转中心C，且连杆156位于垂直于旋转中心C的平面中。为了便于旋转，可以将衬套(未示出)与连杆销157a至157b和主枢转销159一起使用。
如在图4A和图5中最佳示出的，活塞154能够相对于壳体(102)的旋转中心C沿径向方向R在第一位置与第二位置之间径向地运动。连杆156能够与活塞154一起运动，并朝向枢转点159从活塞的第一位置处的第一角取向(图4A)旋转至活塞的第二位置处的第二角取向(图5)。与第一角取向(图4A)相比，第二角取向(图5)更对准径向方向R。因此，如图4A和图5中所示，连杆156的轴线L在垫块158通过活塞154伸出时从图4A中的较宽的偏移量δ1旋转至图5中的较窄的偏移量δ2。换言之，第一枢转销157a随活塞154沿径向方向R径向地平移，同时第二枢转销157b绕枢转点159旋转。
具有连杆156的布置在活塞154与垫块158之间提供了两个转动关节。这减小了在垫块158与活塞154之间的交界面处的磨损。连杆156还允许活塞154在腔室152的直的(非弯曲的)活塞孔中沿直线、径向方向行进，该孔从壳体(102)的侧部沿径向方向R布置。以这种方式，连杆156提供了载荷方面的灵活性，使得侧载荷、倾斜等不太可能影响关于活塞154的运动。
此外，复杂性降低，并且活塞的运动更高效。活塞154也可以相当薄，并且可以更好地配装在围绕壳体(102)可用的固定径向包封中。最后，活塞154可以在距离上运动更远，这改善了定向性能。活塞154的实际位移和绕枢转件159的实际旋转量将取决于工具的期望偏转、工具的总直径以及其他因素。
在理解了导向设备100之后，现在转而论述设备100的操作。图6A至图6B图示了导向设备100处于两种操作状态下的示意性端视图。如本文所述，导向设备100具有围绕壳体102设置的多个定向装置或定向器150a至150c，诸如此处所描绘的三个定向器150a至150c。
如本文所表达的，定向装置150a至150c与壳体102一起旋转，并且壳体102与钻柱(22)一起旋转。当钻头(40)与壳体102和钻柱(22)一起旋转时，定向装置150a至150c的横向位移然后可以使壳体102的纵向轴线相对于正在推进的井眼移位。这进而倾向于改变正在推进的井眼的轨迹。为此，定向装置150a至150c的独立伸出/缩回相对于期望方向D被时控，以在钻探期间使设备100偏斜。以这种方式，设备100操作成推动钻头(40)以改变钻探轨迹。
图6A至图6B示出了在第一旋转取向(图6A)期间以及在壳体102已经旋转之后于是在随后的旋转取向(图6B)期间定向装置中的一个从其伸出的定向装置150a。因为导向设备100与钻柱(22)和/或与设置在设备100上方的泥浆马达(未示出)一起旋转，所以导向设备100的操作是周期性的，以基本匹配钻柱(22)和/或泥浆马达的旋转周期。
在导向设备100旋转时，定向装置150a至150c的取向由控制组件(30)、位置传感器、工具面(TF)等确定。当期望使钻头(40)沿朝向由箭头D给出的方向的方向偏斜时，则有必要使定向装置150a至150c中的一者或更多者在定向装置面向相反方向O时伸出。控制组件(30)计算沿直径方向相反的位置O的取向并指示用于定向装置150a至150c的致动器相应地操作。具体地，控制组件(30)可以产生致动，使得一个定向装置150a在导向设备100的旋转R中在相对于期望方向D的第一角取向(在图7A中的α)处伸出，并且然后在相对于期望方向D的第二角取向(在图7B中的β)处缩回。
因为定向装置150a与壳体102一起沿方向R旋转，所以定向装置150a相对于参照点的取向利用壳体102的工具面(TF)来确定。因此，这对应于定向装置150a被致动以在相对于工具面(TF)的第一角取向θA处开始伸出且在相对于工具面(TF)的第二角取向θA处缩回。如将理解的，壳体102的工具面(TF)可以由控制组件(30)利用前面论述的技术和传感器来确定。
因为定向装置150a不会立即运动到其伸出状态，所以可能有必要的是：在定向装置150a到达相反位置O之前运行主动偏转，并且主动偏转对于每圈旋转R的一定比例保持有效。因此，该定向装置150a可以在旋转R的最适合使定向装置150a相对于壳体102伸出和缩回的区段S期间伸出，并接合井眼以使壳体102偏转。
可以使用壳体的旋转R的RPM、相对于工具面(TF)的钻探方向D、定向装置150a的操作指标以及所涉及的其他因素来限定区段S。如果需要，区段S可以布置成角度α和角度β在位置O的两侧等距，但是由于定向装置150a可能将会逐渐伸出(并且特别是比其将缩回更慢地伸出)，因此可能优选的是角度β比角度α更靠近位置O。
当然，本文公开的导向设备100具有围绕壳体的周缘以不同的角取向布置的另外的定向装置150b至150c，这些另外的定向装置150b至150c的伸出和缩回可以结合已参照图6A至图6B论述的内容类比地控制，使得控制组件(30)可以在旋转R中的每一圈(或者一圈或更多圈)期间协调若干个定向器150a至150c的多重缩回和伸出。因此，壳体102和定向装置150a至150c的移位可以与钻柱(22)和设备50的旋转R一起基于导向设备100在正在推进的井眼中的取向来时控。移位可以最终被时控为将钻头(40)沿期望的钻探方向D引导，并且可以在每圈旋转或所述旋转的任何子集下进行。
直线向前钻探可以连同比例控制一起实现。直线向前钻探可以涉及在每圈旋转中改变目标方向D或可以涉及关闭系统(即，使定向装置150a至150c中的每个定向装置缩回)。可以通过每圈旋转中推动1次、2次或3次或通过改变每个定向装置150a至150c伸出所跨的弧度来实现比例控制。此外，所公开的系统可以同时使所有定向装置150a至150c缩回(或全部伸出)。所有装置150a至150c的缩回可用于沿直线轨迹推进井眼至少一段时间。所有定向装置150a至150c的伸出可以在钻探期间提供扩孔或稳定的益处。
对优选实施方式和其他实施方式的前述描述无意于限定或限制申请人所构想的发明构思的范围或适用性。通过本公开的益处将理解的是，以上根据所公开主题的任何实施方式或方面所描述的特征可以单独地使用或与所公开主题的任何其他实施方式或方面中任何其他所描述的特征组合使用。
作为公开本文所包含的发明性构思的交换，申请人期望获得由所公开的主题提供的所有专利权。因此，意图使所公开的主题最大限度地包括落入所公开的实施方式或其等同方案的范围内的所有改型和变型。

Claims (30)

1.一种设置在钻柱上的用于使由钻头推进的井眼偏斜的设备，所述设备包括：
壳体，所述壳体设置在所述钻柱上并且向所述钻头传递旋转，所述壳体具有从所述钻柱向所述钻头传输流体的孔，所述壳体具有腔室；以及
至少一个定向器，所述至少一个定向器设置在所述壳体上以与所述壳体一起旋转，所述至少一个定向器至少包括能够在所述壳体的所述腔室中运动的活塞、能够绕枢转点相对于所述壳体在伸出状态与缩回状态之间枢转的垫块以及以可枢转的方式连接在所述活塞与所述垫块之间的连杆臂；以及
至少一个致动器，所述至少一个致动器设置在所述壳体上并设置成与具有所传输的流体的所述孔流体连通，所述至少一个致动器至少能够在引导所传输的流体通向所述腔室的第一状态与至少允许所述至少一个定向器的所述垫块朝向所述缩回状态缩回的第二状态之间操作。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个定向器包括能够以可移除的方式定位在所述壳体的侧部中的模块，所述模块限定所述腔室，所述腔室具有用于与所述至少一个致动器相邻地连通的通道，所述模块保持所述活塞、所述垫块、所述连杆臂以及所述枢转点。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述活塞包括密封件，所述密封件围绕所述活塞设置且以可滑动的方式接合所述腔室的内壁。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述密封件包括金属密封元件，所述金属密封元件以可滑动的方式接合所述腔室的所述内壁上的金属。
5.根据权利要求3所述的设备，其中，所述活塞包括固定在活塞本体中的中央承窝，所述中央承窝连接至所述连杆臂，所述活塞本体使所述密封件围绕所述活塞本体设置。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述活塞包括连接至所述连杆臂的第一端部的第一连杆销；并且其中，所述垫块包括连接至所述连杆臂的第二端部的第二连杆销。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述活塞能够相对于所述壳体的旋转中心沿径向方向在第一位置与第二位置之间运动；并且其中，能够随所述活塞运动的所述连杆臂相对于所述枢转点从所述第一位置处的第一角取向旋转至所述第二位置处的第二角取向，所述第二角取向比所述第一角取向更对准所述径向方向。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述第一连杆销随所述活塞沿所述径向方向径向地平移；并且其中，所述第二连杆销绕所述枢转点旋转。
9.根据权利要求6所述的设备，其中，所述第一连杆销和所述第二连杆销以及所述枢转点平行于所述壳体的旋转中心；并且其中，所述连杆臂位于垂直于所述旋转中心的平面中。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述壳体具有通过所述钻柱施加至所述壳体的旋转。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述壳体具有通过设置在所述钻柱上的马达施加至所述壳体的旋转。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述壳体具有通过所述钻柱和设置在所述钻柱上的马达两者施加至所述壳体的旋转。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的设备，还包括操作所述至少一个致动器的控制器。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述控制器被配置成确定所述至少一个定向器相对于用于所述井眼的期望轨迹的角取向，并且被配置成将所确定的角取向转换为所述至少一个致动器的致动以使所述井眼朝向所述期望轨迹偏斜。
15.根据权利要求1至12中的任一项所述的设备，其中，所述腔室限定有排放口以与所述井眼连通，所述排放口排出所述至少一个定向器的所传输的流体并且至少允许所述至少一个定向器的所述垫块朝向所述缩回状态缩回。
16.根据权利要求1至12中的任一项所述的设备，其中，所述至少一个致动器包括：
阀构件，所述阀构件能够相对于入口端口和出口端口旋转；以及
驱动器，所述驱动器能够操作成旋转所述阀构件，所述阀构件被旋转到呈引导所传输的流体的第一取向，所述阀构件被旋转到呈关断所述流体连通的第二取向。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述入口端口设置成与来自所述壳体的所述孔或来自液压源的所传输的流体流体连通。
18.一种钻探方法，包括：
利用与钻柱联接的钻头通过将旋转传递至所述钻头来推进井眼，其中所述钻柱上设置有根据权利要求1至17中的任一项所述的用于使由所述钻头推进的所述井眼偏斜的设备；
通过操作设置在所述设备上的所述至少一个致动器来控制所述设备中的流体；
利用来自被操作的所述至少一个致动器的受控的所述流体使所述活塞在所述设备上沿径向方向运动；
将所述活塞的运动通过所述连杆臂传递至设置在所述设备上的所述垫块；
通过从所述连杆臂传递的运动使所述垫块绕所述设备上的所述枢转点枢转；以及
通过所述设备利用枢转的所述垫块使正在推进的所述井眼偏斜。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，操作所述至少一个致动器并控制所述流体包括：
在所述设备旋转时测量所述设备的角速度；
在所述设备旋转时测量所述设备相对于所述井眼的取向；
采取用于所述井眼的期望轨迹；以及
基于所述设备的所述角速度和所述取向将所述期望轨迹转换成所述至少一个致动器的致动。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，利用被操作的所述至少一个致动器控制所述流体包括：通过操作阀来引导受控的所述流体通过所述设备到达所述活塞。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，通过操作所述阀引导受控的所述流体通过所述设备到达所述活塞包括：将所述阀与来自所述设备的孔或来自液压源的所传输的流体连通。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，操作所述阀包括：
通过驱动器使阀构件相对于入口端口和出口端口旋转，所述驱动器能够操作成旋转所述阀构件，所述阀构件被旋转到呈引导受控的所述流体的第一取向，所述阀构件被旋转到呈关断受控的所述流体的连通的第二取向。
23.根据权利要求18所述的方法，其中，将所述活塞的运动通过所述连杆臂传递至设置在所述设备上的所述垫块包括：将所述活塞的运动通过在所述连杆臂的第一端部处连接至所述活塞的第一连杆销传递至在所述连杆臂的第二端部处连接至所述垫块的第二连杆销。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，将所述活塞的运动通过所述连杆臂传递至设置在所述设备上的所述垫块包括：使所述活塞相对于所述壳体的旋转中心沿所述径向方向在第一位置与第二位置之间运动；以及将所述连杆臂相对于所述枢转点从所述第一位置处的第一角取向旋转至所述第二位置处的第二角取向，所述第二角取向比所述第一角取向更对准所述径向方向。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，将所述活塞的运动通过所述连杆臂传递至设置在所述设备上的所述垫块包括：使所述第一连杆销随所述活塞沿所述径向方向平移，并且使所述第二连杆销绕所述枢转点旋转。
26.根据权利要求18所述的方法，其中，将所述设备的旋转传递至所述钻头包括：通过所述钻柱将所述旋转施加至所述壳体。
27.根据权利要求18所述的方法，其中，将所述设备的旋转传递至所述钻头包括：通过设置在所述钻柱上的马达将所述旋转施加至所述壳体。
28.根据权利要求18所述的方法，其中，将所述设备的旋转传递至所述钻头包括：通过所述钻柱和设置在所述钻柱上的马达两者将所述旋转施加至所述壳体。
29.根据权利要求18至28中的任一项所述的方法，其中，通过操作设置在所述设备上的所述至少一个致动器控制通过所述设备的所述流体包括：确定所述至少一个定向器相对于用于所述井眼的期望轨迹的角取向，并将所确定的角取向转换成所述至少一个致动器的致动以使所述井眼朝向所述期望轨迹偏斜。
30.根据权利要求18至28中的任一项所述的方法，包括：将所述至少一个定向器的所传输的流体排出，并且至少允许所述至少一个定向器的所述垫块朝向缩回状态缩回。
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