CN113565430A - 改进的扭矩发生器及使用方法 - Google Patents

Abstract

控制工具面的设备及与扭矩发生器联用的方法，扭矩发生器联接至钻柱以钻出线性和非线性地下钻孔部段。在一些实施例中，所用的设备和方法包括工具控制器，该工具控制器具有独立旋转的外壳和穿过其中的延伸导管并在其间形成环空。工具控制器可设置用于第一流体路径以允许流体旁路部分流过扭矩发生器，以及用于经过环空的第二流体路径以允许流体的扭矩发生器部分流过环空。在一些实施例中，随着流体流过环空，至少一个流体流限制部可设置在环空内以可控地造成扭矩发生器流体压力的级联降低，允许在钻柱速度(rpm)设定点的更大(可调)范围内的高分辨率工具面控制。

Description

改进的扭矩发生器及使用方法

本申请是申请号为2020800040873、申请日为2020年7月31日、发明名称为“改进的扭矩发生器及使用方法”、优先权日为2019年7月31日的PCT申请PCT/CA2020/051060进入中国国家阶段申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本发明要求于2019年7月31日提交的、题为“改进的扭矩发生器及使用方法”的美国临时专利申请62/880,717的权益，特别是针对其所公开或教导的全部内容，该专利申请被援引纳入本文。

技术领域

本文实施例总体涉及定向钻井的方法和设备，尤其涉及利用与扭矩装置联接的井下钻具组合的设备，该设备用于控制井眼的线性和非线性钻孔部段。

背景技术

定向钻井在本领域是众所周知的并且是普遍惯用的。定向钻井通常使用与钻柱连接的井下钻具组合(BHA)来实现，钻柱使用本领域已知的转盘或顶部驱动单元在地面旋转。井下钻具组合包括容积式钻井马达、透平马达或泵，它们经由具有至少一个约1至3度的轴向错移的“弯曲”壳体来驱动钻头。连接至钻井马达(有时在本文中也称为“泥浆马达”)的顶部的随钻测井(MWD)工具将“工具面”信息提供给地面上的跟踪器材以动态地确定正在钻的地下钻孔的方向。钻柱刚性联接至井下钻具组合，钻柱的旋转使井下钻具组合旋转。

为了钻出线性钻孔部段，钻柱以预定速度被旋转，同时将钻井泥浆沿钻柱向下泵送并通过钻井马达使钻头旋转。因此，钻头通过钻井马达和钻柱被同时旋转以钻出基本线性的钻孔部段。当需要非线性钻孔部段时，钻柱的旋转停止，转盘或顶部驱动单元的可控旋转和/或由称为“钻压”的向下压力产生的反作用扭矩的可控使用被用于在期望方向定向工具面。然后钻井泥浆泵送通过钻柱以驱动钻头，同时由钻机支撑的钻柱的重量减小，以随着孔进程将钻柱向前滑动到钻孔中。当定向钻井在进程中时，钻柱没有旋转。

但定向钻井的这种方法有某些缺点。例如：在定向钻井期间，滑动钻柱趋向于“粘滞”，尤其在包括多于一个非线性钻孔部段的钻孔中或在带有长的水平钻孔部段的钻孔中；当钻柱粘住时，钻头可能无法以足够的力接合钻面来推进钻孔，并且当克服摩擦且钻柱滑动时，钻头可能被迫以足够的力抵着钻孔的底部，该力足以损坏钻头，安装钻井马达或者极大地改变工具面中的任一项都是非常不期望的；并且钻柱的旋转有助于将钻屑推出钻孔，所以当钻柱旋转停止时，钻屑会累积并且对钻井泥浆的回流产生阻碍，这对钻井操作是必要的。此外，在定向钻井期间，反作用扭矩造成静止钻柱“卷紧”，这也会极大地改变工具面。

在Rosenhauch的美国专利US8,381,839中提到了有关问题的滑动粘滞现象的一个解决方案。在此，允许井下钻具组合独立于钻柱旋转。当泥浆马达顺时针驱动钻头时，井下钻具组合和弯接头的反作用旋转是逆时针的。钻柱和井下钻具组合之间的扭矩发生器抵抗该反作用旋转。钻柱以静态驱动速度的旋转匹配弯接头的反作用旋转，并且井下钻具组合的净旋转是零，使得钻头钻出非线性钻孔部段。钻柱旋转大于静态驱动速度导致用于钻出线性钻孔部段的钻头的净顺时针旋转。扭矩发生器包括通过反压喷嘴排出流体的改进的容积式马达的布置。马达和喷嘴的该布置限制了峰值扭矩可用性。

人们对当前扭矩发生器的关注在于工具性能协调是有限的，这限制了当目的是要控制工具面转速(如设定工具面以一定rpm旋转)时的工具峰值扭矩。如果改变工具性能协调以利用扭矩发生器中的全部扭矩，则工具面控制受到降低的分辨率的限制。换言之，甚至工具转速中的轻微改变对工具面转速有放大的影响，这使得工具面转速微调非常困难。因此，人们需要被构造成提供优化的扭矩性能的扭矩发生器以允许对工具面的微调。

发明内容

根据实施例，提供用于改进的工具面控制的设备和方法，该设备和方法与联接至钻柱以钻出线性和非线性地下钻孔部段的扭矩发生器联用。扭矩发生器可被构造成具有可独立于内泵和延伸穿过其中的钻柱旋转的外壳。在一些实施例中，该设备可包括旋转联接至扭矩发生器壳体的外管状壳体，该外管状壳体形成内壳体孔；容纳并延伸通过内壳体孔并在其间形成环空的延伸导管；位于内壳体孔中以将被泵入扭矩发生器的流体的至少一部分作为扭矩发生器流体流引导入环空中的一个或多个流体流分配器；一个或多个流体流限制部，其造成流过环空的扭矩发生器流体流的流体压降。在一些实施例中，延伸导管在其顶端可旋转联接至泵并与钻柱一起旋转。

在一些实施例中，一个或多个流体流限制部可以包括可操作以提供动态流量限制的多个活塞组件，从而允许在钻柱转速设定点的较大范围内的工具面控制的高分辨率。

在其它实施例中，一个或多个流体流限制部可以包括可操作以提供静态流量限制且同时改善接触面并减轻堆积的多个流体流限制部。

在一些实施例中，一个或多个流体流限制部可以包括多个流体流限制部和至少一个活塞组件，以可操作地结合静态和动态流量限制能力两者。

根据实施例，提供改善工具面控制的设备和方法，该设备和方法与联接至钻柱以钻出线性或非线性地下钻孔部段的扭矩发生器联用。扭矩发生器可被构造成具有可独立于内泵和延伸通过其中的钻柱旋转的外壳体。在一些实施例中，本方法可包括将流体泵入扭矩发生器，使流体的第一部分作为旁路流体流流过扭矩发生器，提供流体流量限制器以将流体的第二部分作为扭矩发生器流体流引导入扭矩发生器内的环空中，提供在环空中的至少一个流体流限制部用于增大在限制部上方的扭矩发生器流体流的流体压力，从而产生扭矩发生器流体流的流体压降。在一些实施例中，该方法包括提供静态流体流限制部，提供动态流体流限制部或其组合。

附图说明

图1-9示出US8,381,839(‘839专利)提到的现有技术方法和设备，具体说：

图1是根据‘839专利的一个实施例的井下钻具组合的示意图；

图2是根据‘839专利的井下钻具组合的另一实施例的示意图；

图3是根据‘839专利的一个实施例的反作用扭矩发生器的示意图；

图4是示意性示出当连接至‘839专利的井下钻具组合的钻柱没有随着由井下钻具组合的泥浆马达旋转的钻头而旋转时钻具面移动的矢量图；

图5是示意性示出当连接至‘839专利的井下钻具组合的钻柱随着由井下钻具组合的泥浆马达旋转的钻头以静态驱动速度旋转时钻具面稳定性的矢量图；

图6是示意性示出当钻柱随着由‘839专利的井下钻具组合的泥浆马达旋转的钻头以钻进速度旋转时钻具面移动的矢量图；

图7是示意性示出当钻柱随着由‘839专利的井下钻具组合的泥浆马达旋转的钻头以低转速旋转时钻具面移动的矢量图；

图8是示出控制图1-3所示的井下钻具组合以钻出地下钻孔的第一方法的主要步骤的流程图；

图9是示出控制图1-3所示的井下钻具组合以钻出地下钻孔的第二方法的主要步骤的流程图；

图10A、10B和10C是井下钻具组合处于旋转驱动柱远端的示意图，BHA具有由钻井马达供能的钻柱，BHA独立于钻柱旋转，其旋转受到扭矩发生器控制，具体说：

图10A是BHA的一般布置，BHA具有钻井马达和示出为容积式马达的扭矩转换器；

图10B示出钻柱顺时针CW旋转与BHA的相反的逆时针CCW反作用旋转平衡或相等，弯接头的净旋转对于非线性钻井是中立或零；

图10C示出钻柱顺时针CW旋转大于BHA相反的逆时针CCW反作用旋转，弯接头的净旋转大于进行线性钻井的中立；

图11A和11B是适于‘839专利的BHA以产生正抵抗扭矩的替代扭矩发生器的一个实施例的横截面视图，具体说：

图11A是井下钻具组件在旋转钻柱远端的一个实施例的整体横截面视图；

图11B是图11A的井下钻具组件的放大横截面视图；

图12A和12B是可用在图11A和11B所示的扭矩发生器的替代下部的一个实施例的侧视立体图和横截面视图，具体说：

图12A是替代下部的一个实施例的侧视立体图，部分省略外壳体以提供内部件的全视图；

图12B是图12A的下部的横截面视图，图12A和12B可以统称为图12；

图13是示出在图12A中替代下部的另一侧视立体图，省略附加部件以提供其中活塞组件的全视图；

图14是图12B所示的替代下部的活塞组件之一的横截面细节图；

图15A、15B和15C是图14所示的活塞组件的横截面细节图，并排示出以示出活塞组件的不同位置，图15A、15B和15C可统称为图15；

图16A、16B和16C是图14所示的活塞组件的横截面细节图，示出在图15所示的活塞组件的不同位置，其中旁路流的和扭矩发生器流的流动路径，图16A、16B和16C可统称为图16；

图17A是示出由替代的下部包含和操作而产生的样本压力曲线的图表；

图17B是示出由替代的下部包含和操作而产生的另一样本压力曲线的图表；

图18A和18B是可用于图11A和11B所示的扭矩发生器的替代下部的一个实施例的侧视立体图和侧视截面图，具体说：

图18A是替代下部的另一实施例的侧视立体图，部分省略示出外壳体以提供内部件的全视图；

图18B是图18A的下部的横截面视图，图18A和18B可统称为图18；

图18C是图18A的替代下部的横截面视图；和

图19A、19B和19C是图18A的替代下部的侧视截面图。

具体实施方式

如‘839专利所提到地，独立于钻柱旋转、通过扭矩发生器旋转联接的井下钻具组合(BHA)的原理设置用于地下井眼的定向钻井。如下，首先再现根据‘839专利的设备和操作方法以确立借助反作用扭矩发生器的定向钻井的基本原则，然后介绍当前设备的实施例。

‘839专利

在‘839专利中，BHA包括在其顶端带有驱动轴的扭矩发生器。驱动轴联接至钻柱底端。扭矩发生器壳体联接至轴承组件，轴承组件围绕驱动轴并允许BHA关于钻柱和驱动轴独立旋转。随钻测井(MWD)单元、弯接头和转动钻头的泥浆马达刚性联接至扭转发生器壳体的底端。钻柱的旋转使驱动轴旋转，这引起扭矩发生器产生对抗由泥浆马达在其使钻头抵着井眼底部转动时产生的反作用扭矩。通过控制钻柱转速，井下钻具组合可被控制在期望的钻具面直行钻进，即线性钻孔部段，或者定向钻井，即非线性钻孔部段以改变钻孔路径的方位和/或斜度。钻柱的连续旋转促进井眼清洁，消除滑动粘滞现象并通过在钻头上增加一致的重量来改善钻进速度(ROP)。BHA提供用于定向钻井的简单的全机械系统，其不需要复杂昂贵的机电反馈控制系统。扭矩发生器还用作BHA中流体阻尼器，其提供限制钻井马达的扭矩输出的手段，从而可避免钻井马达熄火的损坏效果。

图1是根据本发明的示出在井眼12的底部的一个实施例的BHA10的示意图。BHA10通过驱动轴联接器16联接至钻柱14(仅示出底端)。在一个实施例中，驱动轴联接器16与本领域众所周知的钻头盒连接件类似。通过本领域众所周知的转盘(未示出)或顶部驱动单元(未示出)以顺时针方向“C”旋转钻柱14。扭矩发生器20的驱动轴18刚性联接至驱动轴联接器16，使得驱动轴18与钻柱14一起旋转。扭矩发生器轴承部分22围绕驱动轴并支撑驱动轴18延伸通过的逆断层和径向轴承。扭矩发生器轴承部段22刚性联接至折曲联接壳体24，继而刚性联接至扭矩发生器20，如以下将参照图3更详细说明的那样。扭矩发生器20可以是在钻柱14转动驱动轴18时将产生扭矩的任何容积式马达。在一个实施例中，扭矩发生器20是改进的螺杆泵，如以下将参照图3更详细说明的那样。泥浆流动组合接头26刚性联接至扭矩发生器20的底端，同样，以下将参照图3来更详加说明。

随钻测井(MWD)单元28被刚性联接至泥浆流动组合接头26的底部，该单元的许多版本在本领域是众所周知的。MWD28仅在其旋转静止时能够提供数据，在这种情况下，其用于提供钻具面定向并进行井眼定向测量。或者，MWD28在旋转时能够提供方位和斜度数据，在这种情况下，其可以用于执行自动钻井控制系统，这将在下文详细说明。MWD28被刚性联接至倾倒接头30，其根据需要以众所周知的方式从钻柱14中倾倒钻井泥浆。常规的容积式马达(泥浆马达)32被刚性联接至倾倒接头30的底部，随着钻井泥浆(未示出)被泵送至钻柱14下方并通过泥浆马达32，该马达驱动钻头42。

弯曲壳体34被刚性联接至泥浆马达32的电源部分的底端，弯曲壳体通过使钻头42相对于钻柱14轴线错移来促进定向钻井。弯曲壳体34中的轴向错移通常约为1.5°至4°，但为了便于说明而放大了图示的弯曲。弯曲壳体34围绕折曲联接件(未示出)，该联接件将泥浆马达32的转子连接至钻头驱动轴38。钻头驱动轴38由轴承部分36以本领域众所周知的方式旋转支撑。钻头盒40连接至钻头驱动轴38下端，钻头盒将钻头42联接至钻头驱动轴38。钻头42可以是任何合适的钻地钻头。

图2是根据本发明的BHA50的另一实施例的示意图。除了在MWD28和倾倒接头30之间包括弯接头52以提供针对钻头42的更多的轴向错移之外，BHA50与上述的BHA10相同。弯接头52用于钻出小半径曲线，例如可用于穿透狭窄的油气地层。

图3是根据本发明的扭矩发生器20的一个实施例的截面示意图。在该实施例中，扭矩发生器20是改进的螺杆泵，如将在下文说明的那样。但应当理解，扭矩发生器20可以是任何改进的容积式马达(如齿轮泵、叶轮泵等)。重要的是，扭矩发生器20的驱动轴可被联接至钻柱14(图1)并被其驱动，当钻柱14以给定速度(即以给定的转/分钟(rpm)，下文称为“静态驱动速度”)旋转扭矩发生器20的驱动轴时，扭矩发生器20输出一致的扭矩。也重要的是，当钻井泥浆以预定流速被泵送通过泥浆马达32以使钻头42在标称钻压(WOB)的情况下抵着井眼12的底部旋转时，扭矩发生器20的扭矩输出足够大以抵消钻头42产生的反作用扭矩。

因此，扭矩发生器20允许定向钻井，同时以静态驱动速度旋转钻柱，因为BHA10由扭矩发生器20保持静态，同时钻头42通过泥浆马达32旋转以钻出具有稳定的钻具面的曲线路径(非线性钻孔部段)。这有几个显著优点。例如因为旋转钻柱14不易粘滞到井眼的侧面，消除滑动粘滞现象；因为消除了滑动粘滞现象，实现一致的钻压；以及因为旋转钻柱促进了钻屑的排出，尤其是在长时间水平钻孔延伸过程中，显著提高井眼清洁度。如果需要直行(线性钻孔部段)钻进，钻柱以转速而非静态驱动速度旋转，其在用于直行钻进时以稍微类似于常规定向钻井BHA的方式旋转整个BHA10、50。

此外，在仅以略低的转速或略高的转速(例如静态驱动速度-/+仅5-10rpm)旋转钻柱14时，可以实现直行钻进，因为钻柱14总是以足够高的转速旋转以消除滑动粘滞现象并且便于井眼清洁。结果，可以减小BHA10由旋转引起的磨损和疲劳。但是，因为BHA10、50顺时针旋转且ROP得到改善，建议通过使钻柱14以比静态驱动速度快至少约+5-10rpm来实现直行钻进。

如图3所示，扭矩发生器20的驱动轴18通过折曲联接件52联接至螺杆泵转子54，螺杆泵转子以本领域已知的方式被螺杆泵定子56围绕。定子56周围的套管57通过支柱或辐条(未示出)从扭矩发生器20的壳体58向内间隔开以形成扭矩发生器旁路环空59(此后称为旁路环空59)。在钻井操作期间，向下泵送通过钻柱14和BHA10以驱动泥浆马达32的钻井泥浆60在折曲联接壳体24中被分成两个单独的流；即扭矩发生器流62由转子54吸入，而旁路流64流过旁路环空59。扭矩发生器流62被泵入压缩腔65中，其中该流变成被迫通过一个或多个喷嘴68的压缩泥浆流66。(多个)喷嘴68可以是专门设计的或者一个或多个标准钻头射流喷嘴串联或并联布置，以控制压缩泥浆流66的流体压力。

在BHA10下井之前，可以在地面选择(多个)喷嘴68。(多个)喷嘴68的选择基于：在平均地层密度下的标称钻压下，由泥浆马达32产生的预期的反作用扭矩；在定向钻井期间针对钻柱14的计划的静态驱动速度以及在计划的静态驱动速度下得到的反扭矩产生；以及预期标称泥浆密度。钻柱14的静态驱动速度使扭矩发生器20在与由泥浆马达32产生的反作用扭矩相反的方向上产生扭矩，因为它使钻头42抵着井眼的底部转动。结果，BHA10以静态驱动速度旋转静止并且钻具面是稳定的，这允许定向钻井。当然，钻具面的稳定受到地层硬度、钻井泥浆密度和钻头设计的影响。但钻柱14的钻压和/或转速可以根据需要调整以补偿钻井条件下的任何动态变化，从而在定向钻井期间控制钻具面的稳定性。

在离开扭矩发生器20之后，钻井泥浆流64和66在泥浆流组合接头26的混合腔70中合并，合并的钻井泥浆流72被迫向下通过BHA10以将动力以以本领域众所周知的方式提供给泥浆马达32。

图4是示意性示出钻具面84的移动的矢量示意图，如果在泥浆马达32旋转钻头42时，连接至BHA10的钻柱14没有旋转，这是在利用常规BHA进行定向钻井期间实践的操作模式。泥浆马达32抵着井眼12的底部使钻头42沿顺时针方向80旋转。钻头42的移动产生反作用扭矩82。反作用扭矩82促使BHA10和钻具面8沿逆时针方向旋转。当钻柱14静止时，反作用扭矩82基本上没有阻力，因为扭矩发生器20没有旋转且扭矩发生器20没有产生任何反扭矩，结果，BHA10和钻具面84如86所示的逆时针旋转。这不是利用BHA10进行钻井的标准操作模式，这是简化示出以说明如果钻柱14的旋转停止则BHA10如何表现。

图5是示意性示出在钻柱14以静态驱动速度旋转同时钻头42被泥浆马达32驱动时钻具面84如何稳定的矢量图。由扭矩发生器20以静态驱动速度产生的反扭矩88抗衡由钻头42的旋转产生的反作用扭矩82。结果，钻具面84是稳定的且执行定向钻井。如果地层硬度改变或者影响反作用扭矩的任何其它因素改变，则静态驱动速度可通过控制钻柱14的旋转而易于在地面进行调节，以在需要定向钻井的情况下保持钻具面84稳定。如上所述，静态驱动速度主要取决于图3所示的(多个)喷嘴68的选择。静态驱动速度可以是转盘或顶部驱动单元的转速范围内的任何适当的转速。优选地，静态驱动速度足够快(例如约60rpm)以消除滑动粘滞现象并提高有效的井眼清洁度。

图6是示意性示出在钻柱14以“钻进”速度(例如静态驱动速度加上至少几个rpm)旋转时钻具面84移动的矢量图。在钻进速度下，由扭矩发生器20产生的反扭矩90大于由钻头42产生的反作用扭矩82。由于反扭矩大于反作用扭矩，BHA10和钻具面84顺时针旋转。在短时间的应用中，钻进速度可用于调节钻具面84以进行定向钻井或在定向钻井期间重新对准钻具面84。但是，钻进速度也用于钻出线性钻孔部段。连续施加钻进速度不断地使钻具面沿顺时针方向旋转，这造成BHA10从任何起始方位和斜度钻出线性钻孔部段。如上所述，对钻进速度的限制是：转盘或部驱动单元的最大驱动速度；和/或制造商建议的BHA10的最大转速。结果，如果静态驱动速度设定为约60rpm且BHA10的额定转速最大约60rpm，则钻进速度可以高至120rpm，前提是转盘或顶部驱动单元能够以那样的转速旋转钻柱14。已经观察到，至少约90rpm的钻柱转速显著改善了井眼清洁度。

图7是示意性示出在钻柱14以“低转速”(例如静态速度减去至少几个rpm)旋转时钻具面84的移动的矢量图。低转速可以可选地用于直行钻进。通常，低转速仅短时间使用以调整钻具面84以进行定向钻井或在定向钻井期间重新对准工具面。当钻柱14以低转速旋转时，反扭矩94小于反作用扭矩82。结果，BHA10和钻具面84通过反作用扭矩82以与钻柱14和钻头42的旋转方向相反的逆时针方向旋转。

图8是示出使用根据本发明的BHA10钻出井眼的一个方法的流程图。图8示出的方法发生在传统的定向钻井方法之后，其中钻压由钻机操作者操纵来定向钻具面84以进行定向钻井。按照大多数MWD单元28的标准做法，停止钻柱以执行井眼测量(100)。井眼测量提供井眼的方位和斜度，它们一起提供实际钻孔路径的最新更新。然后比较实际钻孔路径与井计划，并且决定(102)井眼是否应当“直行”钻进，即当前方位和斜度的线性连续。如果是，则控制转盘或顶部驱动单元以钻进速度来驱动(104)钻柱转速，例如静态驱动速度加上至少几个rpm。

在以钻进速度驱动钻柱14后，BHA10将随着钻井继续从当前的方位和斜度线性地延长井眼(106)。但是，要进行周期性测量以确保井眼根据井计划行进。因此，确定是否要进行测量(108)。如果是，则进行测量(100)。如果不是，确定是否该停止钻井(110)。如果不是，则钻井继续(106)，直到要进行另一次测量或者要停止钻井。

如果确定(102)井钻孔不应直行钻进，即需要定向钻井，那么控制转盘或顶部驱动单元以设定(112)钻柱转速为静态驱动速度来进行定向钻井，如前所述。然后通过比较测量数据和井计划来确定(114)当前的钻具面84是否对应定向钻井所需的工具面目标。如果不是，则操作者以本领域已知的方式控制钻压(116)来调整钻具面84以符合工具面目标。这是从经验中学习的手动过程。由于钻具面84在标称钻压下在静态驱动速度下稳定，操作者可以操纵钻压以调整钻具面84。例如增大钻压将引起更大的反作用扭矩并且造成钻具面84逆时针旋转，而降低钻压将减小反作用扭矩，并且扭矩发生器将使钻具面84顺时针旋转。当钻具面84与目标工具面对应时，操作者恢复标称钻压和钻井行进(106)直到确定(108)是否要进行另一次测量或者确定(110)要停止钻井。

图9是示出在使用根据本发明的BHA10完全自动钻出井眼的方法中的主要步骤的流程图。该方法使用计算机控制单元(未示出)来实现，该计算机控制单元适于存储整个井计划并且在使用由MWD单元28动态提供的钻具面信息的情况下适于自主地控制钻柱14的转速。

如图9所示，在启动时，控制单元检索(150)由操作者提前输入的井计划。然后控制单元取得(152)当前钻具面信息并相对于检索(150)的井计划分析(154)当前钻具面。然后控制单元确定(156)是否要停止钻井。如果是，则过程结束。如果不是，则控制单元确定(158)井计划是否需要向前钻井(即从当前的方位和斜度钻出线性钻孔部段)。如果是，则控制单元设定(160)钻柱14的转速为驱动向前速度，过程从(154)起重复。如果确定(158)需要定向钻井，则控制单元设定(166)钻柱14的转速为当前(最后使用)静态驱动速度。如果钻井刚开始或刚恢复，使用由操作者输入的默认静态驱动速度。然后控制单元使用MWD反馈以确定(168)钻具面84是否稳定。如果不是，则必须稳定钻具面84。

静态驱动速度下不稳定的钻具面84会因为许多影响反作用扭矩82的原因之一出现，比如：操作者增加钻压；地层硬度的改变；钻井泥浆密度的改变等。为了稳定钻具面84，控制单元确定(170)钻具面84是否顺时针旋转。如果是，由扭矩发生器20产生的反扭矩大于反作用扭矩82。结果，控制单元渐进地减小静态驱动速度并再次确定(168)钻具面84是否稳定。如果确定(170)钻具面84不是顺时针旋转，则控制单元渐进地增加(174)静态驱动速度并且再次确定(168)工具面是否稳定。一旦钻具面84稳定，则控制单元确定(176)钻具面84是否对应工具面目标。如果确定钻具面84没有对应工具面目标，则控制单元调整(178)钻具面。控制单元通过在短时间内略微增加(顺时针旋转钻具面84)或降低(逆时针旋转钻具面84)当前静态驱动速度来调整钻具面。结果，控制单元监测钻具面84直到钻具面84对应工具面目标。然后控制单元恢复(180)当前静态驱动速度设定或在(166)确认并从(154)重复行进，如上所述。

为了保持控制单元尽量简单可靠，钻井操作者保留控制钻压。如果钻井操作者在定向钻井期间改变钻压，则钻具面84将因泥浆马达32产生的反作用扭矩82的改变而改变和/或变得不稳定。如果是，则控制单元将确定(168)钻具面84已改变或不再稳定。结果，控制单元将调整(170)-(174)静态驱动速度以补偿钻压改变和/或校正(176-178)钻具面84以对应工具面目标，如上所述。

当前实施例

取决于特定钻井作业，‘839专利的扭矩发生器20可能会动力不足。如以上关于‘839专利所述，同样重要的是，当钻井泥浆以预定流速被泵送通过钻井马达32以使钻头42在标称钻压(WOB)下抵靠井眼12底部旋转时，扭矩发生器的输出扭矩要足以抵消钻头42产生的反作用扭矩。如果不，那么静态驱动速度将不一致。

扭矩发生器抵消反作用扭矩并产生保持静态驱动速度所需的扭矩。在包括大的WOB的艰难钻井条件下，反作用扭矩会压垮扭矩发生器并且BHA关于土地的相对旋转是无法预期的。如果反作用旋转没有受到足够的抵抗，则过渡至线性钻井可能是不确定的或者受到影响。

在此，提供一种高扭矩型的扭矩发生器220，其扭矩产生能力仅受到BHA直径的限制，这将随后详细说明。本文中的部件的附图标记与分配给‘839专利的相同部件的附图标记相同，并提供新的附图标记用于不同的部件。

一方面，扭矩发生器具有泵，泵连接至在井下钻具组合壳体中的配合组件。泵使壳体横截面积最大化以产生最大扭矩。在该实施例中，配合组件接纳来自钻柱的钻井液并将钻井液流分开以避开来自泵的一些钻井液。剩余的钻井液经过泵并通过喷嘴以加入旁路的钻井液，重新汇合的钻井液被供应至井下钻具组合的钻井马达。

另一方面，泵是改型容积式马达或螺杆泵，其具有与井下钻具组合壳体支撑的定子相适配的转子。为了产生最大扭矩而最大化转子直径，转子与用于使钻井液绕过泵的通孔相适应。剩余钻井液经过泵并排入喷嘴环空中。提供一个或多个在喷嘴环空中并联或串联的喷嘴以在泵上提供背压来设定计划的静态驱动速度。

在图11A和11B的实施例中，扭矩发生器220通常包括上部220a、中部220b和下部220c。扭矩发生器220包括具有转子254和定子256的容积式马达或螺杆泵。在扭矩发生器壳体258内将定子256的直径最大化。换言之，定子256的直径与扭矩发生器壳体258的内径相同或近似相同。相比于‘839专利的定子54，由于定子256直径被最大化，故定子256内的转子254的平均直径会增大。泵室280沿定子256和转子254的内表面形成。

不同于‘839专利的扭矩发生器20，扭矩发生器220中的定子与扭矩发生器壳体之间没有环空用于旁路流59的流动。或者，转子254具有贯穿其延伸的中心孔282以提供用于旁路流59的通路。由于定子256与扭矩发生器壳体258之间没有环空，为了产生最大扭矩，扭矩发生器220中的转子和/或定子的直径因此可被最大化。

在图10、11A和11B的实施例中，扭矩发生器220通常包括两个组件：第一组件，用于与钻柱联接并沿第一方向旋转(例如顺时针旋转)和第二组件，具有扭矩发生器壳体以沿与第一方向相反的第二方向(例如逆时针旋转)旋转。当钻井液从钻柱14被分配至扭矩发生器220时，扭矩发生器220向钻井马达32供应钻井液以沿顺时针方向驱动钻头。

从与驱动轴联接器16相邻的井口端起，第一组件包括具有轴承接头222和中心孔219的轴承组218，轴承接头222用于旋转联接扭矩发生器壳体258，中心孔贯穿其延伸以接收来自钻柱14的经由联接器16的钻井液。配合单元242联接至轴承组218的井下端。配合件242与一个或多个径向通路244相适应以将一些钻井液从孔243导向至配合件242和壳体258之间限定的壳体环空259。配合件242因此可将流经其的钻井液分成两条流：通过通路244的扭矩发生器流62和通过孔243的旁路流59。

在一些实施例中，配合件在其井口部包括分离器238用于减小从轴承组孔219进入配合孔243的流体速度。配合件还可包括驱动轴240用于将分离器238连接至配合件的井下部，例如通路244所在位置。驱动轴240将来自分离器的扭矩传递至配合单元242的井下部。

配合单元242连接至转子254的井口端用于将来自轴承组218的扭矩传递至转子254。配合孔243与转子孔282连通用于向其供应钻井液(即旁路流59)。壳体环空259与泵室280流体相连用于向其供应扭矩发生器流62。钻柱旋转使轴承组、配合件和转子旋转。转子254在定子256内的旋转在泵室280内产生负压，这有助于经由通路244从配合孔将扭矩发生器流62抽出或泵出并使其进入泵室280。

转子254的井下端与延伸管状导管284相适应用于将来自转子孔282的旁路流59导向至排出端286。如图所示，管状导管284具有能与转子254和钻柱14一起旋转的井口部和可与扭矩发生器壳体258一起旋转的井下部。旋转密封260在导管284的井口部和井下部之间以保持导管284外侧的扭矩发生器流32和导管284内侧的旁路流59之间的压差。

第二组件包括扭矩发生器壳体258，其从邻近驱动轴联接器16的井口端延伸。扭矩发生器壳体258的井下端能连接至BHA壳体的井口端。因此，可认为扭矩发生器壳体是BHA壳体(即BHA壳体的井口部)的一部分。

从井口端至井下端，扭矩发生器壳体258包括：与轴承组218可旋转联接的辅助轴承壳体257a；用于容置配合件242的第一管状壳体257b；支撑定子256的定子壳体257c；以及其中限定喷嘴环空290的第二管状壳体257d。第二管状壳体257d的井下端被构造成如‘839专利公开的那样在井下联接至弯接头和钻井马达。第二组件允许其下方的BHA壳体独立于轴承组218以及钻柱14旋转。

喷嘴环空290形成在扭矩发生器壳体258和管状导管284之间。一个或多个环壁292设置在喷嘴环空290中，环壁彼此轴向间隔，每个环壁292在其中具有一个或多个喷嘴268用于控制经过其中的扭矩发生器流62的流体压力。喷嘴环空内侧的管状导管和一个或多个喷嘴的组合在此称为“压力接头”。

在BHA10、50下到井中之前，在地面选择(多个)喷嘴268。(多个)喷嘴268的选择例如基于：在平均地层密度下的标称钻压下由泥浆马达32产生的预期的反作用扭矩；在定向钻井期间用于钻柱14的计划静态驱动速度和在计划静态驱动速度下产生的反扭矩；以及预期的标称泥浆密度。(多个)喷嘴268可被专门设计或包括一个或多个标准的钻头喷射喷嘴。(多个)喷嘴268可以在间隔的环壁292中串联布置或在环壁内并联布置，或两者都有。在另一实施例中，(多个)喷嘴268可以分阶以调整发生器220的阻力扭矩，这样的分阶通常减小或防止一个喷嘴的流动和压降影响或干扰其它喷嘴。例如在图11B所示的实施例中，所示的分阶具有并联布置的三个喷嘴268以产生计算压降。扭矩发生器可具有附加的分阶用于在不同的钻柱转速下产生规定压降。每个分阶中的喷嘴的构造以及扭矩发生器中的分阶数量有助于限定井下钻具组合的性能曲线。

工作中，钻井液经由驱动轴联接器16从钻柱14分配至轴承组孔219。钻井液然后从轴承组孔219流至配合孔243。由钻柱旋转造成的转子254旋转在泵室280中产生抽吸，这将一些从配合孔243中流出的钻井液经由通路244并通过泵室280泵入壳体环空259，同时配合孔243中剩余流体流过转子孔282以绕过泵。配合件242因此随转子254旋转将钻井液分成扭矩发生器流62和旁路流59。在扭矩产生流62被泵送通过泵室280后，其作为加压泥浆流进入喷嘴环空290。在喷嘴环空290中，扭矩发生器流62被迫经过一个或多个喷嘴268。在排出端286，从(多个)喷嘴排出的扭矩发生器流62和从导管284排出的旁路流59重新汇合以向从扭矩发生器220向井下的钻井马达32供能。

随着壳体258和管状导管284反向旋转，环壁292或者构成一个或多个不同的旋转界面或使导管284的井下部随着壳体258一起旋转。

扭矩发生器220产生的扭矩通过控制钻柱14的转速来调节。在静态驱动速度下，钻柱14引起扭矩发生器220产生扭矩，该扭矩抵消由井下钻具组合的钻头42随着它抵着井眼转动的旋转而产生的反作用扭矩，井下钻具组合稳定旋转以钻出非线性钻孔部段，然而以不同于静态驱动速度旋转的钻柱造成井下钻具组合的旋转以钻出线性钻孔部段。

应当理解，本扭矩发生器220有效地提供用于获得改善的对定向钻井控制的手段。图10A示出具有扭矩发生器220和用于驱动钻头42的钻井马达32的BHA10的一般布置。钻柱14可顺时针旋转，而BHA可逆时针旋转。如图10B所示，当钻柱顺时针转速(R_D)与反向的、BHA(R_RT)的逆时针反作用转速平衡或相等时，对于非线性钻井，弯接头相对于地层(R_BS)的净转速是中性或零。换句话说，当R_RT处于静态驱动速度时，R_BS为零。当R_D大于R_RT时，如图10C所示，R_BS大于零以进行线性钻井。当R_D小于R_RT时，R_BS小于零。

例如如果扭矩发生器220动力不足，则整个BHA将(相对于钻柱)沿一个方向旋转，不管扭矩发生器在相反方向提供任何扭矩。例如可以想到，通过给扭矩发生器提供过高功率，BHA可以逆时针旋转，并且可以通过给钻井马达提供过高功率，BHA可以顺时针旋转。例如扭矩发生器的约5000ft-lbs扭矩和钻井马达的约8000ft-lbs扭矩可导致BHA逆时针以一定速度旋转或沿与钻井马达相同的方向旋转，因为扭矩发生器被供应过高功率。在相反情境下，扭矩发生器的8000ft-lbs扭矩和钻井马达的5000ft-lbs扭矩可导致BHA顺时针以一定速度旋转或者沿与钻井马达相反的方向旋转，因为扭矩发生器为钻井马达提供过高功率。

根据本文的实施例，扭矩发生器220的替代构造是可能的。例如扭矩发生器220可具有在配合件242和容积式马达之间的压力接头，使得扭矩发生器流62在到达容积式马达之前经过(多个)喷嘴。配合孔243经由管状导管流体连接至转子孔282，使得旁路流59可以经由管状导管从配合孔243流入转子孔282，从而绕过(多个)喷嘴。在这样的示例构造中，压力接头在容积式马达上产生压差以产生扭矩。在一些实施例中，扭矩发生器220包括一个压力接头，该压力接头可自泵向井口或向井下定位。在其它实施例中，扭矩发生器220具有两个以上压力接头，该压力接头可以定位在泵的井口和/或井下。可以理解，本文可以预料和涵盖其它替代的构造。

在一些实施例中，例如在钻柱包括安全接头的情况下，轴承组218可以可选地旋转锁定(换言之旋转联接)至壳体258或泵。将轴承组218旋转锁定至壳体或泵允许将扭矩传递至安全接头，从而在工具在钻井期间卡在钻井孔的事件中解开安全接头。

例如，轴承组的可选的旋转锁定可以通过将楔块离合器用作轴承接头222或除轴承接头222之外的其它方式来实现，该楔块离合器是单向飞轮离合器。楔块离合器允许扭矩发生器沿一个方向即顺时针旋转，但当施加相反旋转(即逆时针)时，楔块离合器锁定轴承组218，因此它不会相对于壳体258或定子256旋转。一旦轴承组被旋转锁定，机械(逆时针)扭矩可被传递至安全接头。如本领域技术人员可理解地，可能有其它可选的旋转锁定轴承组的方式。

因此，提供改进的扭矩发生器用于增强的扭矩产生。

一方面，扭矩发生器设置用在井下钻具组合中，包括：具有壳体内径的壳体；可旋转联接至壳体的轴承组，轴承组可联接至钻柱并具有延伸穿过它以与钻柱流体连通的轴承组孔；在壳体内侧并由壳体支撑的并具有泵室的泵，泵的横截面积在壳体内径中被最大化；自泵向井下、由壳体支撑且在壳体内侧的并与泵室流体连通的一个或多个喷嘴；旁路导管，其延伸通过泵的内侧并绕过泵和一个或多个喷嘴且具有从一个或多个喷嘴向井下的排出端；具有一个入口和两个以上出口的配合件，入口与轴承组孔流体连通以容纳来自其的流体，并且两个以上出口中的至少一个与泵室流体连通以向其提供一些流体，剩余出口与旁路导管流体连通以向其提供剩余流体。

另一方面，提供用于井下钻具组合的扭矩发生器，井下钻具组合能够联接至钻柱以钻出线性和非线性地下钻孔部段，扭矩发生器包括第一组件和第二组件。第一组件被构造成联接至钻柱以沿第一方向如顺时针方向旋转；第二组件被构造成沿与第一方向相反的第二方向如逆时针方向旋转。第二组件允许其下方的BHA(即BHA壳体)沿第二方向旋转。

在一些实施例中，第一组件包括：轴承组，其具有贯穿其中以与钻柱流体连通的轴承组孔，轴承组能够联接至钻柱；联接至轴承组的轴承接头；联接至轴承组的井下端并与轴承组孔连通的配合件，配合件具有一个或多个通路以将流经其的流体分成扭矩发生器流和旁路流；联接至配合件的转子，转子具有延伸通过其以便旁路流经过的转子孔；联接至转子的井下端且与转子孔流体连通的管状导管。

第二组件包括：扭矩发生器壳体，其经由轴承接头可旋转联接至轴承组；定子，其支撑在扭矩发生器壳体的内表面且具有与扭矩发生器壳体的内径基本相同的直径；位于定子中以随其运行的转子，其中，扭矩发生器壳体组件容纳配合件、定子、转子和管状导管，其中泵室限定在转子和定子之间以使扭矩发生器流通过，其中在扭矩发生器壳体和管状导管之间限定喷嘴环空。

在一些实施例中，第一组件和第二组件可选地彼此相对可旋转地锁定和解锁。例如第一和第二组件可被构造成当顺时针旋转被施加至第一组件时允许第一组件相对于第二组件旋转。但当逆时针旋转被施加至第一组件时，第一组件被锁定至第二组件，使得第一组件无法相对于第二组件旋转。相对于第二组件的旋转锁定第一组件允许将来自第一组件的扭矩传递至第二组件。

扭矩发生器还包括喷嘴环空中的一个或多个环壁和在每个环壁中的一个或多个喷嘴用于控制经过其的扭矩发生器流的流体压力。

扭矩发生器允许井下钻具组合独立于轴承组和钻柱旋转。

图12A和12B示出可用于扭矩发生器220的替代下部320c，代替下部220c。下部320c(也称为“工具面控制器”)被构造成允许选择性微调钻头面(工具面)转速。换言之，在扭矩发生器中包括下部320c允许在钻柱转速设定点的大(且可调)范围内的高分辨率工具面控制。这有助于在保持工具面控制的最佳分辨率的同时将工具性能最大化。

在一个实施例中，参照图12A、12B和13，扭矩发生器壳体的第二管状壳体257d形成工具面控制器320c的外管。第二管状壳体257d的井下端被构造成井下联接至‘839专利所公开的弯接头和钻井马达。类似于如上所述的下部220c，工具面控制器320c包括具有轴向延伸内孔382的延伸管状导管384；与转子254的井下端联接的上端；以及下排出端386。当导管384联接至转子254时，内孔382与转子的中心孔282流体连通，至少一部分导管384可随转子254和钻柱14旋转。导管384基本轴向延伸通过第二管状壳体257d的内孔，从而在其间限定出环空390。

在一些实施例中，导管384包括上导管部388a和下导管部388b，上导管部可随转子254和钻柱14旋转，下导管部可随扭矩发生器壳体258旋转。在所示实施例中，工具面控制器320c还包括其中有多个轴承360的轴承壳体358。轴承壳体358定位在环空390中并被固定附接至壳体257d。上导管部388a的一部分延伸入轴承壳体中，从而接合多个轴承360并因此允许上导管部388a在轴承壳体358内旋转而不会将任何扭矩赋予第二管状壳体257d。

下导管部388b的上端附接至轴承壳体358，使得其相对于第二管状壳体257d静止，同时其可相对于上导管部388a旋转。换言之，上导管部388a和下导管部388b可在彼此相反的方向上绕共同中心纵轴彼此相对旋转。

在实施例中，工具面控制器320c包括流分配器312。流分配器312位于环空390内且可支撑在轴承壳体358上，如图所示，或者支撑在延伸导管384上。流分配器312包括一个或多个开孔或喷嘴368用于将至少一部分进入扭矩发生器流体流62中的流体流引导入环空390中。即，流分配器312包括多个流体流分配器368，其允许环空390中的流体从流分配器上方流向流分配器312下方的环空390。随着流体经过分配器或喷嘴368，流分配器312前后的流体压力降低。换言之，流分配器312下方的流体压力小于其上方的流体压力，因为流体流路径受到喷嘴368的限制。

在一些实施例中，工具面控制器320c还可以包括在流分配器312上方的筛网314用于在流体到达流分配器之前滤除环空390内流体中的微粒。

在流分配器312下方，工具面控制器320c包括一个或多个活塞组件。在所示实施例中，下部320c包括串联的第一活塞组件322a和第二活塞组件322b。每个活塞组件322a、322b位于环空390中并支撑在下导管部388b上。虽然所示实施例示出两个活塞组件，但下部320c可以具有更多或更少的活塞组件。

第一和第二活塞组件322a、322b具有基本相同的组成部件，故仅详细描述第一活塞组件322a，但该说明适用于两个活塞组件。第一活塞组件322a包括活塞324和弹簧组件326。如图14最佳所示，活塞324布置在活塞壳体330中并在活塞壳体上、下端之间可轴向滑动移动。活塞壳体330通过本领域技术人员已知的方法被固定附接至第二管状壳体257d的内表面。活塞324具有内轴向孔，下导管部388b延伸穿过其中。活塞324相对于第二管状壳体257d和延伸导管384两者可轴向滑动移动。

在所示实施例中，在活塞324的内表面和下导管部388b的外表面之间限定出活塞环空332。活塞环空332与环空390流体连通以允许流体从活塞上方流到下方。环空332的横截面积大小可沿活塞长度并取决于活塞324在活塞壳体330内的位置而改变。在实施例中，活塞环空332的至少一部分具有比余部更小的横截面积，其将称为第一限制部336。第一限制部336的横截面积小于剩余活塞环空332的横截面积和环空390的横截面积，从而在流体到达第一限制部336且在限制部336上方产生高流体压力区域时流动受限。

活塞组件322a、322b的第一限制部336可以由以下部分形成：延伸导管384的外表面上的径向向外凸起(或凸出表面)；活塞324的内表面上的径向向内凸起；或其组合。在所示实施例中，如图14最佳所示，在活塞324的内表面上的凸起342和下导管部388b的外表面上的凸起344之间限定出第一限制部336。在图14所示的实施例中，凸起342是安装在活塞324的内孔中的环，凸起344是绕下导管388b的周面固定的环。凸起342固定附接至活塞324或与其一体形成，使得其相对于活塞静止。凸起344被固定附接至下导管活塞388b或与其一体形成，使得其相对于下导管部静止。虽然示出连续的环，但凸起342、344可以是或不是径向或轴向连续的。当然可能有形成限制部的其它方式。例如活塞324可具有限定在其主体内的一个或多个轴向流动通道。

如图15A-15C所示，第一限制部336的长度可取决于活塞324在活塞壳体330内相对于延伸导管384的位置而改变。例如限制部336的长度在活塞324处于或接近活塞壳体330的上端时比活塞324处于或接近活塞壳体330的下端时更长。进一步，凸起342、344的长度可以是相同或不同的并且可被选择以形成期望长度的第一限制部336。还有，可以选择凸起342、344的厚度(即分别是内径和外径)以限定具有期望横截面积的第一限制部336。

在活塞324及其相应的活塞壳体330之间的界面可通过一个或多个密封(如O形环或本领域已知的其它密封或方法)被流体密封以帮助确保离开喷嘴368的大多数流体或所有流体流经第一限制部336。

在一些实施例中，如图15C最佳所示，当活塞324处于活塞壳体330内的其向下冲程末端时(即当活塞处于或接近活塞壳体的下端时)，在下导管部388b的外表面和活塞324的内表面之间限定第二限制部356。第二限制部356的横截面积小于其上方的环空332和其下方的环空390的横截面积，从而当流体到达第二限制部356且在限制部356上方产生更高流体压力时流动受限。

在实施例中，第二限制部356是限定在下部388b和活塞324之间的环空并且可由以下部分形成：延伸导管384的外表面上的径向向外凸起(或凸出的表面)；活塞324的内表面上的径向向内凸起；或其组合。

在所示实施例中，如图15C最佳所示，在活塞324的内表面上的凸起352和下导管部388b的外表面上的凸起354之间限定出第二限制部356。在图15C所示的实施例中，凸起352是安装在活塞324的内孔中的环，凸起354是绕下导管388b的周面固定的环。凸起352被固定附接至活塞324或与其一体形成，使得其相对于活塞静止。凸起354被固定附接至下导管部388b或与其一体形成，使得其相对于下导管部静止。虽然示出连续的环，但是凸起352、354可以是或不是径向或轴向连续的。

凸起354的轴向位置基本处于或接近活塞壳体330的下端。在所示实施例中，当活塞324处于其向下冲程的底部时，凸起354的至少一部分与凸起352长度重叠。该重叠限定出两个凸起之间的环空，从而形成第二限制部356。换言之，第二限制部356仅在凸起352、354之间存在重叠时存在。因此如图15B最佳所示，当凸起352远离凸起354移动时(即当活塞324向上朝向活塞壳330的上端移动时)，第二限制部356被移除。

限制部356的长度可取决于凸起352、354相对彼此的位置而改变。凸起352、354之间的重叠越长，第二限制部356的长度越大。进一步，凸起352、354的长度可以是相同或不同的并且在活塞324处于其向下冲程的底部时可被选择成形成期望长度的限制部356。进一步，凸起352、354的厚度(即分别是内径和外径)可被选择成限定出具有期望横截面积的第二限制部356。

弹簧组件326位于活塞324下方。在所示实施例中，每个弹簧组件326包括上弹簧327、下弹簧328和弹簧套334。弹簧套334位于环空390中并相对于扭矩发生器壳体258和延伸导管384在高位和低位之间可轴向滑动移动。弹簧套334的至少一部分与第二管状壳体257d的内表面密封接合，这可通过使用密封件如O形环等实现。例如弹簧套334可包括径向延伸的分隔物338，其周面密封接合壳体257d的内表面。在一些实施例中，弹簧套334的上轴向部可以延伸入活塞壳体330的内孔中。弹簧套环空340限定在套334的内表面和延伸导管384的外表面之间。弹簧套环空340与活塞332流体连通。

在所示实施例中，上弹簧327支撑在弹簧套344的在分隔物338上方的上部上并绕其卷绕，下弹簧338支撑在弹簧套334的在分隔物338下方的下部上并绕其卷绕。在一些实施例中，上弹簧327是较软的弹簧或具有比下弹簧328更低的弹簧常数。上弹簧327的弹簧常数可被选择成易于控制活塞324的移动，包括在第一限制部336上方使活塞324下移所需要的最小流体压力以及将活塞324置于其最低位置所需要的最小流体压力。下弹簧328的弹簧常数可被选择成大于上弹簧327的弹簧常数以促成活塞324后退，这将在下文详加说明。在其它实施例中，弹簧327、328二者可具有相同的弹簧常数，或者下弹簧328可具有比上弹簧更小的弹簧常数。

凸起354在轴向上位于在或接近弹簧套334上端的下导管部分388b上，并且由于凸起354固定至下导管部388b，所以套334相对于凸起354可滑动移动。取决于套334的轴向位置，套334的在或接近其上端的一部分可与凸起354重叠以限定出环空或在套334的内表面与凸起354之间的第三限制部350。在所示实施例中，如图15A最佳所示，当套334处于高位时，其上端与凸起354重叠而限定出第三限制部350。第三限制部350的横截面积小于其上方的环空390和其下方的环空340的横截面积，使得在流体到达第三限制部350时流动受限并且在限制部350的上方产生较高流体压力区。在一些实施例中，套334可包括在或接近其上端的径向向内凸起，或套334的在或接近其上端的厚度可改变以产生具有期望横截面积的第三限制部350。

肩部370位于弹簧组件326下方以限制弹簧套334轴向移动。当弹簧套334在高位时，如图15A最佳所示，套334不接触肩部370。当套334在最低位置时，如图15B和15C最佳所示，套334的下端抵接肩部370，从而防止套334在第二管状壳体257d内进一步轴向下移。在实施例中，肩部370被固定紧固至第二管状壳体257d。还有，在下导管部388b的外表面和肩部370之间限定出环空或间隙372以允许流体从第一活塞组件经肩部370流到第二活塞组件和/或其下方的其它部件。同样，当套334在低位时，套334的上端和凸起354之间没有重叠，因而第三限制部350被移除。还有，当套334在低位时，上弹簧327抵接活塞324的下端，且上弹簧327和下弹簧328被压缩。

在工作中，参照图15和16，工具面控制器320c连接至扭矩发生器的中部220b，使得延伸管384的上端附接至转子254以接收来自转子孔282的旁路流59，环空390准备接收来自泵的扭矩发生器流62。在任何流体被引入扭矩发生器之前，如图15A和16A最佳所示，工具面控制器320c处于初始中立位置。在中立位置，活塞324处于高位(即处于其向上冲程的顶部)，在此，它处于或接近活塞壳体330的上端。上弹簧327抵接活塞324的下端以帮助当工具面控制器320c处于中立位置时保持活塞324处于其高位。进一步，当工具面控制器320处于中立位置时，上、下弹簧327、328可以处于中立位置或略微压缩位置，弹簧套334处于高位而使其下端与肩部370之间有一段距离。

当流体如上所述进入扭矩发生器时，旁路流59流过内孔382并经由排出端386排出延伸管384(参见图16A)。进一步，随着转子254旋转，扭矩发生器流62从泵室280被泵入工具面控制器320c的环空390。

从工具面控制器320c的上端起，扭矩发生器流62流过过滤器314、围绕轴承壳体358、流过流分配器312的喷嘴368。当流体62流过由喷嘴368产生的限制流动路径时，流分配器312上存在流体压降。在离开流分配器312后，流62流入第一活塞组件322a的活塞壳体330的内孔中。当扭矩发生器流62遇到由凸起342、344之间的轴向重叠所限定的第一限制部336时，随着扭矩发生器流62流过其中，在第一限制部336的上方面上产生一个增大流压区域，因为流动路径受到第一限制部336的限制。在第一限制部336上方的流力增大对活塞324施加向下的力而将活塞迫压下向活塞壳体330的下端。

在离开第一限制部336时，扭矩发生器流62继续向下通过活塞环空332，然后遇到由凸起354和弹簧套334内表面限定的第三限制部350。由于第三限制部350限制流动路径，在限制部350上方直接产生增大流压区域，从而迫使弹簧套334向下滑移向肩部370。当在第一限制部336上方的流压足以使活塞324向下移动时，活塞324压缩上弹簧327，这又可以对分隔物338施加向下力并帮助弹簧套334下移向肩部370。

当钻柱转速恒定时，活塞324和弹簧套334最终到达平衡位置，在此，活塞324和弹簧套334二者下移一段距离并且弹簧套334可以或不会抵靠肩部370。进一步，弹簧327、328二者被压缩。图15B和16B示出这样的平衡位置例子。在图15B和16B中，第一活塞组件322a处于“中压”位置，其中，活塞324在活塞壳体330的上端和下端之间的某个地方；弹簧327被活塞324压缩；弹簧套334下移并抵靠肩部370；弹簧328在分隔物338和肩部370之间被压缩；活塞324的下端和弹簧套334的上端之间有一段距离；凸起352、354之间没有重叠；弹簧套334和凸起354之间没有重叠。

活塞324的位置可以通过改变钻柱转速而变化。例如为了使活塞324上移向活塞壳体330的上端，减小钻柱转速以减小第一限制部336上方的流体压力并允许弹簧327和/或弹簧328向上推动活塞324。为了使活塞下移向活塞壳体330的下端，增大钻柱转速以增大第一限制部336上方的流体压力以向下推动活塞324且进而压缩弹簧327、328。

可以增大钻柱转速以将第一活塞组件322a置于“高压”位置，其中，活塞324和弹簧套334移向其各自最低位置。在高压位置，如图15C和16C最佳所示，活塞324处于其向下冲程末端，使得其处于或接近活塞壳体330的最下端；活塞324压缩弹簧327；弹簧套334下移并抵靠肩部370；弹簧328在分隔物338和肩部370之间被压缩；活塞324的下端邻接或非常靠近弹簧套334的上端；随着扭矩发生器流62离开第一限制部336并向下流，除了第一限制部336，第二限制部356还进一步限制流体流路径，以在第二限制部356上方直接产生具有高流体压力的第二区域。可以想到，第二限制部356的产生进一步减小其下方环空390中的流体压力。为了从高压位置释放第一活塞组件322a，降低钻柱转速，从而降低第一限制部335上方的流体压力并允许上和/或下弹簧327、328向上回推活塞324。

如上所述，上弹簧327可被选择为比下弹簧328更软的弹簧。上弹簧327的弹簧常数可被选择成易于控制活塞324的移动，即，用于确定在第一限制部336上方所需的最小压力以使活塞324下移和将活塞324置于最低位置所需的压力。换言之，上弹簧327的柔性有助于确定将第一活塞组件322a置于中压位置和将其置于高压位置的钻柱转速范围。弹簧328的弹簧常数可被选择成当钻柱转速降低时且尤其从此时活塞324处于其最低位置的高压位置起促使活塞324后退。

在实施例中，第一活塞组件322a可以或不会同时与第二活塞组件322b处于相同位置。例如第一活塞组件322a可以处于中压位置，而第二活塞组件322b处于高压位置。

虽然工具面控制器320c被描述为与扭矩发生器220的转子-定子式泵一起运行，但本领域技术人员可以认识到工具面控制器320c可以与其它类型的泵或马达联用。

在实施例中，工具面控制器320c在控制器320c的每个阶段中产生级联压降。例如控制器320c可在流分配器312、第一活塞组件322a和第二活塞组件322b中每一个上产生一定量的流体压降(如约200psi)。当然，一个或多个附加阶段如附加的流分配器和/或活塞组件可被包含在控制器320c中以随着扭矩发生器流62向下流过控制器320c进一步减小流体压力。进一步，每个活塞组件322a、322b中的活动活塞324动态地反作用于其上方的流体压力变化，其轴向移动能力为其下方的BHA部件提供对这种压力变化的缓冲。

这种工具面控制器320c的流压级联降低和活塞组件322a、322b的动态反应有助于降低响应于钻柱转速改变的工具面灵敏度。在现有技术的扭矩发生器中，甚至钻柱转速的轻微改变都可转化成工具面移动。本文的工具面控制器320c旨在保持扭矩发生器性能，同时最小化在整个钻柱转速范围内的转速改变对工具面的影响。当期望在井下地层基本直行钻进时，钻柱转速会增大以将第一和/或第二活塞组件置于高压位置，使得以工具面的最小定向移动在扭矩发生器中实现最大扭矩。

图17A和17B是表示具有工具面控制器320c的扭矩发生器220的取样压力曲线的图示。如图17A所示，扭矩发生器220的压力(因此扭矩)可以在约85rpm钻柱转速范围内渐增。类似地，如图17B所示，扭矩发生器220的压力可以在约85rpm钻柱转速范围内逐渐减小。

图18A和18B示出另一替代的工具面控制器或下部420c，其可以代替如前所述的下部220c和320c地被用在扭矩发生器220中。下部420c被构造成允许可选地微调钻柱面(即工具面)的转速，同时取消前述实施例中的轴承和/或旋转密封。换言之，扭矩发生器所包括的替代下部420c也允许在钻柱转速设定点的更大(可调)范围内的高分辨率工具面控制，以帮助最大化工具性能，同时保持工具面的最佳分辨率。

在一个实施例中，参照图18A、18B和18C，扭矩发生器壳体的第二管状壳体257d形成下部420c的外管。类似于其它下部220c和320c，第二管状壳体257d的井下端被构造成在井下端被联接至‘839专利所公开的弯接头和钻井马达。下部420c包括具有轴向延伸内孔482的延伸管状导管484；连接转子254的井下段的上端；下排出端486。当导管484联接至转子254时，内孔482与转子的中心孔282流体连通，导管484的至少一部分与转子254和钻柱14一起旋转。导管484基本轴向延伸通过第二管状壳体257d的内孔，从而在它们之间限定出环空490。在一些实施例中，导管484包括上导管部488a和下导管部488b，上导管部可与转子254和钻柱14一起旋转，下导管部可随着扭矩发生器壳体258一起旋转。

在一些实施例中，下部420c可包括轴430用于支撑一个或多个将描述的流体流限制部。应当理解，轴可以是容纳在环空490内且具有可操作连接导管484的上端430a的单独管件，因此直接随转子254旋转，或轴430可以与延伸导管484一体形成或形成其一部分。

根据实施例，轴430可用于支撑或提供位于环空490内的一个或多个流体限制部，以降低流过其中的扭矩发生器流体流62的静态流体压力。这样的流体限制部在所示实施例中被示出为绕其外表面形成螺旋流体流路径425的多个螺旋轴组件，但应当理解这样的流量限制部可以具有任何大小、形状和/或构造(例如流动通道不必设计成螺旋形)。在一些实施例中，流体流路径425可包括错移流体流路径，其中，在一个或多个流体流限制部之间的路径在一个限制部与相邻的限制部之间轴向错移(如将描述的那样)。如上，可以想到一个或多个流体流限制部用于产生工具面控制器420c的流体压力级联降低并且有助于降低响应于钻柱速度(rpm)改变的工具面灵敏度，如上所述。应当理解，如果需要，轴430可以偏心地或同心地容纳在环空490中。

如图18A、18B、18C所示，下部420c可包括具有在其附近布置的第一流体流路径轴组件的第一延伸导管轴部422a、具有在其附近布置的第二流体流路径轴组件的第二轴部422b和具有在其附近布置的第三流体流路径轴组件的第三轴部422c，第一、第二和第三轴部422a、422b、422c沿轴430串联地轴向定位(间隔)。每个轴部422a、422b、422c可位于环空490中并与下导管部488b一体形成和/或支撑在其上。虽然所示实施例示出三个错移的螺旋轴组件，但下部420c可以具有更少或更多的流体流轴组件。此外，虽然所示实施例示出一个或多个流体流量限制器，其由错移的螺旋通道构造形成、用于改进接触面和减轻堆积，但可以想到其它流体流量限制构造(例如一个或多个环隙或流量限制开孔、非螺旋流体流路径等)。

每个错移螺旋轴组件422a、422b、422c可以包括基本相同的部件，故仅详细描述第一螺旋组件422a，该说明适用于形成该组件的多个类似部分。第一螺旋组件422a可包括具有中心孔的管状件以容纳延伸通过其中的轴430和/或延伸管状导管484，其它侧壁423面向环空490。外侧壁423可形成至少一个螺旋流体流动通道425以限制流过环空490的扭矩发生器流体流62并且将从轴部422a的上方(井口部)流出的限制流体引导至更大环形空间或其下方(即螺旋组件422a和422b之间的环形空隙)。

在一些实施例中，随着扭矩发生器流体62流过替代下部420c，流体62遇到由第一螺旋组件422a的螺旋流体流动通道产生的第一限制流动路径425，直接在螺旋组件422a上方产生一个增大流压区域。在离开第一螺旋组件422a时，扭矩发生器流62持续向下进入在螺旋组件422a下方和螺旋组件422b上方产生的空间中。

每个轴部422a、422b、422c的螺旋流体流动通道425可以彼此径向错移(当向井下看时)，从而没有两个通道425直接彼此流通。如前所述，当扭矩发生器流62遇到第一螺旋组件422a(即第一限流部)时，随着扭矩发生器流62流过其中，直接在螺旋组件422a上方产生一个增大流压区域，因为流动路径受到螺旋流体流动通道425限制。如本领域技术人员将理解地，流体流限制可通过螺旋组件422的数量、每个组件422的长度、流体流动通道425的深度和构造或其组合被预先确定且可控地优化。

在工作中，参照图19A、19B和19C，下部420c连接至扭矩发生器的中部220b，使得延伸管484的上端附接至转子254以接纳来自转子孔282的旁路流59，并使得环空490接纳来自泵的扭矩发生器流62。当流体如前所述进入扭矩发生器时，旁路流59流过内孔482并经由排出端486流出延伸管484。进一步，随着转子254旋转，扭矩发生器流62从泵室280被泵入下部420c的环空490中。

将会理解，扭矩发生器的替代下部420c可进一步包括活塞和弹簧构造，使得前述动态扭矩曲线可以随着压力激活活塞继续产生。高的端扭矩的类似效果因此可以实现。将进一步理解的是，偏心轴部422a、422b、422c可以不需要旋转密封件和/或轴承，如在替代的下部320c中描述的那样。

本文中，如本领域技术人员理解地，可以在不脱离本发明范围的情况下改进、修改或配置本实施例。例如，尽管本文描述了组件如正排量钻井马达、透平马达或泵，但本领域技术人员将知道和理解，可想到比如经由电驱动来指使流体流动的替代组件和/或手段。

提供公开实施例的前述说明以使本领域任何技术人员能够实现或使用本发明。对本领域技术人员而言，对那些实施例的各种修改将是显而易见的，并且本文限定的一般原理可适用于不脱离本发明的精神或范围的其它实施例。因此，本发明并非想要局限于本文所示的实施例，而是要根据与权利要求一致的全部范围，其中比如因使用冠词“一”或“一个”而提到单数的元件并非想要表示“一个且仅为一个”，而是表示“一个或多个”，除非特别说明。权利要求的组成元件旨在涵盖本领域普通技术人员知道或后来知道的整个公开内容所描述的各实施例的元件的全部结构性和功能性等同。而且，本文公开内容不打算奉献给公众，不管这样的公开是否明确记载在权利要求中。

Claims (13)

1.一种能与联接至钻柱以钻出地下钻孔部段的扭矩发生器联用的设备，所述扭矩发生器具有独立于内泵和所述钻柱旋转的壳体，所述转子形成延伸通过其中的转子孔以使旁路流体流通过，所述设备包括：

外管状壳体，其旋转联接至所述扭矩发生器壳体，所述外管状壳体形成内壳体孔，

延伸导管，其延伸通过所述内壳体孔并在其间形成第一环空，在此是在其上端，

一个或多个活塞组件，其定位在所述内孔中并且每个对应活塞组件具有：

固定附接至所述外管状壳体的活塞壳体，

活塞，其同心容纳在所述活塞壳体内、延伸通过所述活塞壳体并在其间形成活塞环空，所述活塞环空与所述第一环空流体连通以容纳扭矩发生器流体流，所述活塞相对于所述外管状壳体和所述延伸导管在所述活塞壳体内可轴向滑动移动，

弹簧组件，其具有：

弹簧套，其定位在所述环空中并相对于所述外管状壳体和所述延伸导管可轴向移动，

绕所述弹簧套布置的至少一个弹簧，所述至少一个弹簧抵接所述活塞的一端，和

肩部，其限制所述弹簧套的所述轴向移动。

2.根据权利要求1的设备，其中所述延伸导管的至少一部分延伸经过位于所述壳体的所述内孔内的轴承壳体，所述轴承壳体包含多个轴承以允许所述外管状壳体独立于所述延伸导管旋转。

3.根据权利要求1的设备，其中所述活塞环空的至少一部分具有比剩余活塞环空小的横截面积，所述较小的横截面积形成至少一个第一流体限制部。

4.根据权利要求1的设备，其中所述活塞环空的横截面积取决于所述活塞壳体内的所述活塞的轴向位置而变化。

5.根据权利要求1的设备，其中所述弹簧组件包括至少两个弹簧。

6.根据权利要求5的设备，其中所述至少两个弹簧通过分隔物被密封分开。

7.根据权利要求1的设备，其中所述设备能进一步包括位于所述内壳体孔中的流体流分配器，所述流体流分配器形成多个开孔以限制流过所述环空的所述旁路流体流。

8.根据权利要求7的设备，其中所述流体流分配器能定位在所述一个或多个活塞组件的上方。

9.根据权利要求1的设备，其中所述设备在其井下端可操作联接至弯接头和钻井马达。

10.一种使用可操作联接至钻柱以钻出地下钻孔部段的扭矩发生器来控制工具面的方法，所述扭矩发生器具有独立于内泵和所述钻柱旋转的壳体并具有容纳在所述壳体内的管状延伸导管并在其间形成环空，所述方法包括：

将流体泵入所述扭矩发生器，所述流体的第一部分作为旁路流体流经过所述扭矩发生器，

提供至少一个流体流分配器以将所述流体的第二部分作为扭矩发生器流体流引导入所述环空中，

提供在所述环空中的至少一个流体流限制部以增大在所述限制部上方的扭矩发生器流体流的流体压力，产生所述扭矩发生器流体流的流体压降。

11.根据权利要求10所述的方法，其中位于所述环空中的所述至少一个流体流限制部包括形成限制流体流路径的至少一个活塞组件。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述至少一个活塞组件形成至少两个流体流限制部。

13.根据权利要求10所述的方法，其中所述至少活塞组件产生所述扭矩发生器流体流的级联压降，以动态降低响应于所述钻柱速度(rpm)改变的工具面灵敏度。

Images