CN113853473A - 带有反向旋转的下端的弯曲壳体钻探马达 - Google Patents

Abstract

一种钻探组件，包括具有壳体的动力部分，该壳体以钻柱旋转速率在第一方向上旋转。输出部通过传动轴以转子旋转速率相对于壳体在第一方向上旋转所述钻头。动力部分和钻头之间的弯曲壳体相对于动力壳体以可变旋转速率在第二方向上旋转。传动轴延伸穿过弯曲壳体。机械制动系统调节弯曲壳体的可变旋转速率。弯曲壳体在旋转模式下相对于井眼旋转，而不是在滑动模式下。当钻柱旋转时，滑动模式保持钻头的取向和倾斜度。在所有模式下，钻头的旋转速率是相对于动力壳体的转子速率和钻柱速率的总和。

Description

带有反向旋转的下端的弯曲壳体钻探马达

技术领域

本发明涉及孔眼钻探组件。

背景技术

油气井的方向性钻探通常使用带有随钻测量(measurement-while-drilling：MWD)部件的弯曲钻探马达或旋转可转向向系统来完成。这两种工具都有缺点。弯曲的钻探马达降低了滑动模式下的穿透率，因为在调整工具面的同时钻柱可能不旋转。旋转可转向系统的成本要高得多。

发明内容

一种孔眼钻探组件被构造成附接到钻柱(drill string)的下端，用于穿过地下地层钻出井眼。钻探组件被构造成在钻柱旋转的同时利用钻头方向和倾斜度调节进行方向性钻探。钻探组件响应于钻柱旋转速率的调整而自动调整操作模式。钻探组件被构造成允许钻柱在所有操作模式下旋转。钻探组件还响应于钻柱的旋转速率的特定调整而自动调整其钻头的工具面取向。在一个实施例中，钻头的工具面取向按照增量来自动调节。

钻探组件可包括动力部分、钻头、设置在动力部分和钻头之间的弯曲壳体、机械制动系统和电子器件部分。动力部分被构造为相对于动力部分壳体旋转动力部分输出部和钻头。弯曲壳体被构造成在通过钻探组件产生的井眼的路径中提供调节。机械制动系统调节弯曲壳体的旋转速率。电子器件部分被构造成至少感测钻柱的旋转速率，并基于检测到的旋转速率调整操作模式。弯曲壳体被构造成在与钻柱和动力部分壳体的旋转方向相反的方向上旋转。弯曲壳体在旋转模式中相对于周围地层旋转，但在滑动模式中不相对于周围地层旋转。在所有模式中，钻头相对于井眼在第一方向上的旋转速率是动力部分壳体的旋转速率和动力部分输出部相对于动力部分壳体的旋转速率之和。钻探组件可用于井眼的弯曲、相切和水平部分。

附图简述

图1是本文公开的钻探组件的一个实施例的侧视图。

图2是图1所示钻探组件的剖视图。

图3A-3F是图1所示钻探组件的连续剖视图。

图4是图1所示钻探组件的机械制动系统的详细剖视图。

图5是沿图4中的线A-A截取的机械制动系统的剖视图，其中机械制动系统处于默认位置。

图6是沿图4中的线A-A截取的机械制动系统的剖视图，其中机械制动系统处于促动位置。

图7是钻探组件的替代机械制动系统的详细剖视图。

图8是沿图7中的线B-B截取的机械制动系统的剖视图，其中机械制动系统处于默认位置。

图9是沿图7中的线B-B截取的机械制动系统的剖视图，其中机械制动系统处于促动位置。

图10是钻探组件的第二替代机械制动系统的详细剖视图。

图11是钻探组件的第三替代机械制动系统的详细剖视图。

图12是以旋转模式操作的钻探组件的示意图。

图13是以滑动模式操作的钻探组件的示意图。

图14是钻探组件的另一个实施例的剖视图。

图15A-15F是图14所示钻探组件的连续剖视图。

图16A-16C是图14所示钻探组件的取向部分的连续详细剖视图。

具体实施方式

图1示出了孔眼钻探组件的一个实施例。钻探组件10包括设置在钻柱14下方的动力部分12。弯曲壳体16和轴承部分18设置在动力部分12和钻头20之间。取向部分22、旋转部(swivel)24和电子器件部分26可以设置在动力部分12和钻头20之间。旋转部24可以包括旋转壳体28和旋转壳体28下方的旋转心轴30。钻探组件10还可以包括MWD部分32(即，随钻测量接头)和接收器接头(receiver sub)34。接收器接头34被构造成接收来自电子器件部分26的信号，并将该信号发送到MWD部件32。该信号可以是电磁信号或通过机械滑环装置传输。如下文更详细解释的，钻柱14在第一方向上的旋转使得MWD接头32、接收器接头34、动力部分12的壳体、取向部分22的壳体和旋转壳体28以相同的旋转速率在第一方向上旋转。取向部分22使得旋转心轴30、电子器件部分26、弯曲壳体16和轴承部分18在第二方向上旋转。在一个实施例中，第二方向与第一方向相反。

参考图2和3A-3B，动力部分12包括动力部分壳体40，定子42固定到动力部分壳体40的内壁，转子44设置在定子42的中心孔内。如本领域技术人员容易理解的，在形成在转子44的外表面轮廓和定子42的内表面轮廓之间的腔中经过的流体流导致转子44相对于定子42和动力部分壳体40旋转。动力部分12构造成使得转子44沿与定子42的旋转相同的方向旋转。这样，动力部分12将来自钻探流体的液压马力转换成机械(旋转)马力，以通过动力部分输出部(在该实施例中为转子44)来驱动钻头20。卡持部46可以附接到转子44的上端，用于顶部接头48下方的壳体连接的任何潜在分离。卡持部46可包括肩部50，肩部50设计成接合顶部接头48内的肩部52，以将卡持部46保持在顶部接头48内。顶部接头48可以通过MWD部分32和接收器接头34连接到钻柱14。这样，钻柱14以钻柱旋转速率在第一方向上的旋转导致顶部接头48、动力部分壳体40和定子42都以钻柱旋转速率在第一方向上旋转。经过动力部分12的流体流动导致转子44相对于动力部分壳体40以转子旋转速率在第一方向上旋转。

参考图2和3B，跨接接头(crossover Sub)56可以固定在动力部分12的下方。转子44的下端延伸到跨接接头56的内孔中，在那里它通过连接件60附接到传动轴58上。传动轴58可以是连续速度接合部(即，C-V接合部)、挠性轴或被构造成在转子44和钻头20之间传递足够扭矩的任何其他连接轴。跨接接头56是被构造为将动力部分12连接到取向部分22的逐销接头(pin-by-pin sub)。跨接接头56随着动力部分壳体40以钻柱旋转速率在第一方向上旋转。传动轴58相对于跨接接头56以转子旋转速率在第一方向上旋转。

现在参考图2和3B-3C，取向部分22包括取向壳体64，取向定子66固定在取向壳体64的内壁上。取向壳体64固定在跨接接头56的下方。取向转子68设置在取向定子66的中心孔内。取向转子68包括中心孔70，中心孔70的尺寸适于容纳穿过其中的传动轴58的一部分。取向转子68的上端没有连接到另一个部件，并且对流体流动开放。如本领域技术人员容易理解的，流体流过取向转子68的外表面轮廓和取向定子66的内表面轮廓之间形成的腔，导致取向转子68相对于取向定子66和取向壳体64旋转。取向定子66被构造成以与取向部分22的旋转相反的方向旋转该取向转子68。以这种方式，取向部分22将来自钻探流体的液压马力转换成机械(旋转)马力，以在与取向壳体64的旋转相反的方向上旋转取向转子68。多余的流体绕过围绕传动轴58的取向转子68的中心孔70。取向壳体64和取向定子66与跨接接头56和动力部分壳体40一起以钻柱旋转速率在第一方向上旋转。穿过取向转子68的中心孔70设置的传动轴58相对于取向壳体64以转子旋转速率在第一方向上旋转。取向转子68相对于取向壳体64和取向定子66以可变旋转速率在第二方向上旋转。

参考图2和3C-3D，第二跨接接头74可以固定在取向壳体64下方。挠性轴76可以设置在跨接接头74内。挠性轴76的上端固定到取向转子68的下端。挠性轴76包括中心孔78和从外表面延伸到中心孔78的一个或多个流体端口80。传动轴58延伸穿过挠性轴76的中心孔78。从取向定子66和取向转子68之间的腔流出的流体可以流过第二跨接接头74和挠性轴76之间的环形空间。该流体可以流过流体端口80并进入挠性轴76的中心孔78。第二跨接接头74与取向壳体64、跨接接头56和动力部分壳体40一起以钻柱旋转速率在第一方向上旋转。传动轴58相对于第二跨接接头74以转子旋转速率在第一方向上旋转。挠性轴76随着取向转子68在与第一方向相反的第二方向上相对于第二跨接接头74以可变旋转速率旋转。

现在参考图2和图3D，旋转壳体28的上端可以固定到第二跨接接头74的下端，使得旋转壳体28与第二跨接接头74一起旋转。旋转螺母84可以固定到旋转壳体28的下端。旋转心轴30固定到柔性轴76的下端82，使得旋转心轴30与柔性轴76一起旋转。旋转心轴30包括中心孔86，其尺寸允许传动轴58延伸穿过。旋转壳体28和旋转螺母84随着第二跨接接头74、取向壳体64、跨接接头56和动力部分壳体40以钻柱旋转速率在第一方向上旋转。传动轴58相对于旋转壳体28和旋转螺母84以转子旋转速率在第一方向上旋转。旋转心轴30相对于旋转壳体28和旋转螺母84以可变的旋转速率在与第一方向相反的第二方向上与挠性轴76和取向转子68一起旋转。

旋转心轴30的上部构造成容纳用于旋转心轴30和旋转壳体28之间相对旋转的轴承。径向轴承和推力轴承的任何组合可以设置在旋转壳体28和旋转心轴30之间的环形空间中。在所示实施例中，内上径向轴承87和外上径向轴承88设置在旋转壳体28和旋转心轴30之间。内上径向轴承87设置在挠性轴76的下端82下方，并与挠性轴76和旋转心轴30一起在第二方向上相对于旋转壳体28以可变旋转速率旋转。外上径向轴承88设置在第二跨接接头74的下端下方，并与第二跨接接头74和旋转壳体28一起在第一方向上以钻柱旋转速率旋转。内上径向轴承87接合外上径向轴承88，以吸收取向部分22的任何偏心运动。推力轴承设置在旋转心轴30和旋转壳体28之间的环形空间中，以传递钻头上的重量和超拉力(overpull forces)。推力轴承可由内止推座圈90、外止推座圈92和设置在内推力轴承90和外推力轴承92之间的球形构件94形成，如图所示。内止推座圈90与旋转心轴30一起相对于旋转壳体28以可变旋转速率在第二方向上旋转，而外止推座圈92与旋转壳体28一起以钻柱旋转速率在第一方向上旋转。外止推座圈92可以由旋转壳体28的内肩部96支撑在旋转心轴30和旋转壳体28之间的环形空间中，而内止推座圈90可以由旋转心轴30的外肩部98支撑在环形空间中。在一个实施例中，间隔件100设置在旋转心轴30的外肩部98和内推力轴承90之间。下径向轴承102可以设置在旋转螺母84和旋转心轴30之间的环形空间中，以吸收取向部分22和钻探组件10的下端之间的弯曲力矩和侧向载荷。下径向轴承102与旋转心轴30一起相对于旋转壳体28以可变旋转速率在第二方向上旋转。下径向轴承102的外表面可以包括由硬表面材料形成的磨损表面104。旋转螺母84的内表面可以包括一个或多个由硬表面材料形成的磨损表面106。下径向轴承102的磨损表面104接合旋转螺母84的磨损表面106，以提供径向轴承功能。在另一个实施例中，下径向轴承102设置在旋转心轴30和旋转壳体28之间的环形空间中。

旋转心轴30的中间部分构造成提供机械制动系统，用于调节旋转心轴30的可变旋转速率。机械制动系统增加或减少扭矩，以控制旋转心轴30的可变旋转速率。随着取向部分22上的载荷增加，跨取向部分22的压降也增加。压降的增加使更多的钻探流体转向以流过取向转子68的中心孔70，从而降低经过取向定子66和取向转子68的流体流速。经过取向定子66和取向转子68的流速的降低能降低取向转子68的旋转速率。相反，制动扭矩的减小允许取向转子68的旋转速率增加。许多制动器设计适用于钻探组件10。例如，机械制动系统可以包括鼓式制动器、盘式制动器或锥形制动器装置。

现在参考图2、3D-3E和4所示的实施例，旋转心轴30的中间部分110包括扩大的中心孔112和扩大的外表面。旋转心轴30的中间部分110的内表面包括内凹槽114。旋转心轴30的中间部分110的外表面包括外凹槽116。旋转螺母84的下端118包括具有内磨损表面120的扩大内孔。旋转心轴30的外凹槽116通常与旋转螺母84的内部磨损表面120对齐。制动促动器122至少部分地设置在旋转心轴30内，制动促动器122的促动部分123设置在旋转心轴30的中间部分110的扩大的中心孔112内。传动轴58设置为穿过制动促动器122的中心孔124。

制动鼓系统如图3D-3E、4和5所示。制动鼓系统包括一个或多个制动垫。例如，制动鼓系统可以包括设置在旋转心轴30的每个外凹槽116内的制动垫126。每个制动垫126包括设计成接合旋转螺母84的内磨损表面120的外磨损表面128。至少一个制动蹄130固定到每个制动垫126上，使得制动垫126与制动蹄130一起径向移动。在一个实施例中，每个制动蹄130的远端132固定到制动垫126上，制动蹄130从外凹槽116延伸穿过旋转心轴30中的孔到达内凹槽114。每个制动蹄130的近端134可以接合制动促动器122的外表面。每个弹簧136可以接合其中一个内凹槽114，以朝向制动促动器122径向向内偏压所附接的制动蹄130。制动垫126、制动蹄130和弹簧136都随着旋转心轴30相对于旋转螺母84以可变旋转速率在第二方向上旋转。制动促动器122响应于来自电子器件部分26的信号相对于旋转心轴30在指定的旋转方向上移动到指定的程度，以便在制动垫126和旋转螺母84之间施加选定的制动载荷，从而调节制动扭矩，从而调节旋转心轴30相对于旋转螺母84的可变旋转速率。

图5和6示出了制动促动器122的促动部分123的一个实施例。在该实施例中，促动部分123的周向包括两个凸轮表面137。在其他实施例中，促动部分123的周向可以包括三个或更多个凸轮表面。在如图5所示的默认位置，每个制动蹄130的近端134在凸轮表面137的较小直径部分上接合制动促动器122的外表面。在图6所示的促动位置，制动促动器122已经旋转，使得每个制动蹄130的近端134在凸轮表面137的较大直径部分上接合制动促动器122的外表面。在该促动位置，制动促动器122的增大的直径径向向外推动制动蹄130，从而径向向外推动制动垫126，以将制动垫126的磨损表面128抵靠旋转螺母84的磨损表面120压缩。在促动位置，机械制动系统降低旋转心轴30相对于旋转壳体28和旋转螺母84在第二方向上的可变旋转速率。

再次参考图2和3E-3F，旋转心轴30和制动促动器122的下部在旋转螺母84下方延伸。如图所示，在旋转螺母84下方延伸的旋转心轴30的下部可包括扩大的外直径。旋转心轴30的下端可以固定到电子器件部分26的电子器件壳体140的上端。制动促动器122的下端至少部分延伸到电子器件壳体140的中心孔142中。传动轴58也延伸穿过电子器件壳体140的中心孔142。电子器件壳体140还包括位于中心孔142和其外表面之间的一个或多个腔144。

电子器件部分26还可以包括机械连接到齿轮148的马达146。马达146和齿轮148可以设置在腔144内。齿轮148接合制动促动器122的下端，以调节制动扭矩，如下面更详细解释的。齿轮148可以是正齿轮、蜗轮或能够接合制动促动器122的下端的任何其他控制机构。腔144还可以容纳磁传感器、霍尔效应传感器或其他传感器技术，以检测旋转心轴30相对于旋转壳体28和旋转螺母84的差动速度和方向。额外的磁体或电子启动机构可以位于旋转螺母84中，以放大这种效果。电子器件部分26还可以包括设置在电子器件壳体140的中心孔142内的控制单元150。控制单元150可以包括电子组件，例如一个或多个处理器、微处理器、CPU、电子存储或记忆设备、电池(例如，市场上可买到的电池，例如尺寸为“D”或“C”的电池)和/或传感器(例如，用于伽马成像、倾斜度、工具面、压力、温度、WOB(weight-on-bit：钻头上重量)、扭矩和相对旋转速率的传感器)。电池可以提供用于控制机械制动系统的独立电源，其独立于例如WOB、压力、流体流速和钻柱旋转速率这样的钻探参数。控制单元150包括中心孔152，其尺寸允许传动轴58延伸穿过。电子器件连接件154从控制单元150延伸到马达146。这样，齿轮148和马达146可以由控制单元150中的部件控制。电子端口155可以从电子器件壳体140的外表面延伸到电子器件连接部154，以允许用户将数据或指令上传到控制单元150内的部件，或者从控制单元150内的部件下载数据、分析结果或测量结果。电子器件部分26还可以包括设置在电子器件壳体140的外凹槽中的天线156。电子器件连接部158从控制单元150延伸到天线156。以这种方式，天线156可以向上方的接收器接头34发送数据。电子端口159可以从电子器件壳体140的外表面延伸到电子器件连接部158，以允许用户将数据或指令上传到控制单元150内的部件，或者从控制单元150内的部件下载数据、分析结果或测量结果。套管160可以设置在电子器件壳体140上，以包住电子器件部分26的所有暴露在外的元件，例如腔144、天线156以及电端口155和159。这样，套管160保护电子器件部分26的元件。在一个实施例中，套管160可以是短跳发射器(short hop transmitter)，其被构造为向邻近上方的MWD部分32的短跳接收器接头34发送电磁信号。电磁信号可以包括关于倾斜度、伽马成像和工具面的信息。电子器件壳体140和控制单元150随着旋转心轴30相对于旋转壳体28以可变的旋转速率在第二方向上旋转。传动轴58在电子器件壳体140的中心孔142内和控制单元150的中心孔152内相对于旋转壳体28以转子旋转速率在第一方向上旋转。

参考图2和3F，电子器件壳体140的下端固定到弯曲壳体16。弯曲壳体16下端的轴线偏离弯曲壳体16上端的轴线，以使钻头20偏离预定角度。磨损表面164在弯曲壳体16的弯曲点165上方固定到弯曲壳体16的外表面。弯曲壳体16的下端固定到轴承部分18。传动轴58的下轴端166通过连结件170连接到轴承心轴168。连结件170可以是连续速度接合部(即，C-V接合部)、挠性轴或构造成在传动轴58和轴承心轴168之间传递足够扭矩的任何其他连接件。弯曲壳体16与旋转心轴30和电子器件壳体140一起在第二方向上相对于上方的旋转壳体28以可变的旋转速率旋转。传动轴58和轴承心轴168相对于上方的旋转壳体28以转子旋转速率在第一方向上旋转。轴承心轴168又使钻头20在第一方向上以转子旋转速率相对于上方的旋转壳体28旋转。轴承部分18可包括径向轴承和推力轴承的任意组合，以将钻头上的重量从钻柱14传递，并将从动力部分12而来的扭矩和旋转传递到钻头20。轴承部分18中的径向轴承吸收来自钻头20的侧向载荷。轴承部分18允许钻头部件(即轴承心轴168和钻头20)和下端部件(即轴承部分18的壳体、弯曲壳体16、电子器件部分26、旋转心轴30)之间的相对旋转。这样，旋转接部24(包括旋转壳体28和旋转心轴30)允许钻探组件10的下端独立于钻杆14和钻探组件10的其余部分旋转，同时传递钻头上的重量和超拉力。

图7-9示出了机械制动系统的另一个实施例，除另有说明外，该机械制动系统包括与前面参照图4-6所述相同的部件。制动促动器174至少部分地设置在旋转心轴30内，制动促动器174的促动部分176设置在旋转心轴30的中间部分110的扩展中心孔112内。传动轴58设置为穿过制动促动器174的中心孔。促动部分176的外表面具有大致正弦的轴向轮廓。在图示的实施例中，促动部分176的轴向轮廓包括由倾斜表面互连的三个最小直径部分和三个最大直径部分。在其他实施例中，促动部分176的轴向轮廓可以包括由倾斜表面互连的任意数量的最小和最大直径部分。在如图7和8所示的默认位置，每个制动蹄130的近端134在最小直径部分上接合制动促动器122的促动部分176的外表面。在图9所示的促动位置，制动促动器122已经轴向移位，使得近端134在倾斜表面或最大直径部分上接合制动促动器174的促动部分176的外表面。在该促动位置，制动促动器174的增大的直径径向向外推动制动蹄130，从而径向向外推动制动垫126，以将制动垫126的磨损表面128压靠在旋转螺母84的磨损表面120上。在该促动位置，机械制动系统减小旋转心轴30相对于旋转壳体28和旋转螺母84在第二方向上的可变旋转速率。

图10示出了机械制动系统的另一个实施例，除另有说明外，该机械制动系统包括与前面参照图4-6所述相同的部件。制动促动器180包括第一制动构件182和第二制动构件184。第一制动构件182的下端包括从其外表面延伸的第一离合器突起186。第二制动构件184的上端包括从其内表面延伸的第二离合器突起188，第二离合器突起188位于第一离合器突起186之间。如本领域技术人员容易理解的，制动促动器180可以多种方式与钻探组件10一起使用。例如，第一制动构件182可设置在旋转心轴30的中心孔内，并可与旋转心轴30一起以可变旋转速率在第二方向上旋转。第二制动构件184可以可操作地连接到齿轮148，并且可以不旋转。当被齿轮148启动时，第二制动构件184可以轴向向上移动，以压缩第一和第二离合器突起186和188，从而降低第一制动构件182和旋转心轴30的可变旋转速率。

图11示出了机械制动系统的又一实施例，除了另外描述的以外，该机械制动系统包括与前面参照图4-6描述的相同的部件。制动促动器190包括第一制动构件192和第二制动构件194。第一制动构件192的下端包括倾斜磨损表面196。第二制动构件194的上端包括倾斜磨损表面198，其具有与倾斜磨损表面196相反的斜度。倾斜磨损表面196和198在默认位置相互接触。如本领域技术人员容易理解的，制动促动器190可以多种方式与钻探组件10一起使用。例如，第一制动构件192可设置在旋转心轴30的中心孔内，并可与旋转心轴30一起以可变旋转速率在第二方向上旋转。第二制动构件194可以可操作地连接到齿轮148，并且可以不旋转。当被齿轮148启动时，第二制动构件194可以轴向向上移动，以压缩倾斜磨损表面196和198，从而降低第一制动构件192和旋转心轴30的可变旋转速率。

参照图12，钻探组件10可以设置在从地面202延伸到地下地层的井眼200内。井眼200可以包括一个或多个弯曲部或曲线部(就方向和倾斜度而言)，例如在取向钻探应用中形成的弯曲部或曲线部。钻探组件10可以固定到钻柱14的下端，用于进一步钻探井眼200。钻探组件10包括上部10a、下部10b和钻头20。上部10a包括MWD部分32、接收接头34、动力部分12、取向部分22和旋转壳体28(如图1所示)，而下部10b包括旋转心轴30、电子器件部分26、弯曲壳体16和轴承部分18(如图1所示)。

图12示出了处于旋转模式的钻探组件10。随着钻柱14的旋转，上部10a相对于地下储层和井眼200以钻柱旋转速率在第一方向上旋转(如箭头A所示)。下部10b相对于上部10a以可变旋转速率在第二方向上(与第一方向相反)旋转。因为可变旋转速率小于第一方向上的钻柱旋转速率，所以下部10b相对于地下储层和井眼200以可变旋转速率有效地在第一方向上旋转(如箭头B所示)。钻头20以钻头旋转速率(如箭头C所示)在第一方向上旋转。钻头旋转速率是钻柱旋转速率和由动力部分12的转子44提供的转子旋转速率之和。在这种旋转模式下，弯曲壳体16的弯曲点165连续旋转(即，围绕井眼200的周向移动)。弯曲壳体16的持续旋转导致钻头20在井眼200内以圆形模式移动(即，围绕井眼200的周向)，从而在相同的方向(即，没有弯曲的直线)上进一步钻出井眼200。下部10b在第二方向上的可变旋转速率的大小应该小于在第一方向上的钻柱旋转速率的大小，以防止下部10b的螺纹连接脱落。

图13示出了滑动模式下的钻探组件。随着钻柱14的旋转，上部10a相对于地下储层和井眼200以钻柱旋转速率在第一方向上旋转(由箭头A示出)。下部10b相对于上部10a以可变的旋转速率在第二方向上(与第一方向相反)旋转。在滑动模式中，下部10b的可变旋转速率的大小等于上部10a的钻柱旋转速率，使得下部10b有效地不相对于地下地层和井眼200旋转。钻头20以钻头旋转速率在第一方向上旋转(如箭头C所示)。钻头旋转速率是钻柱旋转速率和由动力部分12的转子44提供的转子旋转速率之和。在这种滑动模式下，弯曲壳体16的下部10b和弯曲点165不旋转，从而保持钻头20沿着井眼200的周向的位置。换句话说，弯曲点165以相同的方向和倾斜度引导钻头20，以在井眼200中提供弯曲部204。当需要在井眼200的方向或倾斜度上进行调节时，用户可以将钻探组件10置于滑动模式。在下部10b相对于上部10a以相同的旋转速率沿相反的方向旋转的情况下，可以在连续旋转钻柱14的同时对井眼200的方向和倾斜度进行这些调整。这种连续旋转减轻了在钻探孔200中必须克服的摩擦力，因为动态摩擦(边旋转边滑动)小于静态摩擦(滑动但不旋转)。

再次参考图3A-3F，钻探组件10可以被编程为仅基于钻柱旋转速率的大小自动调节下部10b的可变旋转速率。腔144或控制单元150中的传感器检测钻柱旋转速率。控制单元150内的其他部件，例如一个或多个CPU、处理器、微处理器和存储设备，从传感器接收旋转速率测量值，并通过电子器件连接部154向马达146和齿轮148发送指令。基于该指令，齿轮148调节制动促动器122，从而调节由制动片126施加到旋转螺母84的制动扭矩，旋转螺母84又调节旋转心轴30相对于旋转螺母84在第二方向上的可变旋转速率。

在一个实施例中，旋转心轴30在图5所示的默认位置中的可变旋转速率的大小等于钻柱旋转速率的大小，使得旋转心轴30(和下部10b)有效地不会相对于地下地层和井眼200旋转。将机械制动系统调节到图6所示的促动位置能将旋转心轴30的可变旋转速率减小到小于钻柱旋转速率的值，使得旋转心轴30(和下部10b)相对于地下地层和井眼200有效地在第一方向上旋转。在该实施例中，机械制动系统的默认位置将钻探组件10置于图13所示的滑动模式，机械制动系统的促动位置将钻探组件10置于在图12所示的旋转模式。

在另一个实施例中，旋转心轴30在图5所示的默认位置的可变旋转速率的大小小于钻柱旋转速率的大小，使得旋转心轴30(和下部10b)相对于地下地层和井眼200有效地在第一方向上旋转。降低钻柱旋转速率可以自动将机械制动系统调节到图6所示的促动位置，以将旋转心轴30的可变旋转速率降低到等于钻柱旋转速率大小的值，使得旋转心轴30(和下部10b)有效地不会相对于地下地层和井眼200旋转。在该实施例中，机械制动系统的默认位置将钻探组件置于图12所示的旋转模式，而机械制动系统的促动位置将钻探组件置于图13所示的滑动模式。

例如，在旋转模式下，相对于钻柱和上部10a，旋转心轴30在第一方向上的钻柱旋转速率可以是120RPM且在第二方向上的可变旋转速率可以是90RPM，其中机械制动系统处于默认位置。因此，在该实施例中，旋转心轴30相对于地下地层和井眼200在第一方向上有效地以30RPM的旋转速率旋转。当需要改变钻头20的方向和倾斜度时，地面202处的使用者可以将钻柱14的钻柱旋转速率从120RPM降低到80RPM。控制单元150可以检测超过阈值的钻柱旋转速率的变化(例如，超过30RPM)。响应于该检测到的变化，控制单元150可以通过启动机械制动系统将钻探组件10自动置于滑动模式，以将旋转心轴30的可变旋转速率从90RPM降低到等于当前检测到的钻柱旋转速率(例如，80RPM)的大小的值，使得旋转心轴30有效地不相对于地下地层和井眼200旋转。这样，响应于检测到的钻柱旋转速率的变化，钻探组件10被自动置于滑动模式，并且允许钻柱继续以滑动模式旋转。当不再需要滑动模式时，地面202处的用户可以将钻柱14的钻柱旋转速率增加超过阈值(例如，再次将钻柱旋转速率增加到120RPM)。当控制单元150检测到钻柱旋转速率的这种变化时，控制单元150停用或释放机械制动系统，以将机械制动系统返回到默认位置。

在一个实施例中，控制单元150中的一个或多个CPU、处理器、微处理器和存储设备被编程为基于钻柱旋转速率在旋转模式和滑动模式之间调节钻探组件10的设置。在一个实施例中，钻柱旋转速率的第一范围可以被指定为滑动模式，使得当钻柱旋转速率在第一范围时，钻探组件10被置于滑动模式，而当钻柱旋转速率在第一范围之外时，钻探组件10被置于旋转模式。例如，但不作为限制，第一范围可以是50-80rpm，或其中的任何子范围。在另一个实施例中，钻柱旋转速率的第一范围可以被指定为旋转模式，使得当钻柱旋转速率在第一范围时，钻探组件10被置于旋转模式，而当钻柱旋转速率在第一范围之外时，钻探组件10被置于滑动模式。

在滑动模式下，钻探组件10保持钻头20的当前工具面。如果钻柱旋转速率瞬间增加或减少，钻探组件10进行补偿以确保保持滑动模式，因此它将相应地调整工具面。电子器件部分26增加或减少制动扭矩以改变下部10b的可变旋转速率，从而调节工具面。当在滑动模式下调节下部10b的工具面时，钻探组件的倾斜度和方向将改变，以允许地面上的钻机在钻杆旋转的同时以滑动模式用钻探组件10钻探。当从旋转模式切换到滑动模式时，钻探组件10也可以自动确定期望的工具面。电子器件部分26可以记录工具面并保持它，直到进一步调整钻柱旋转速率。当需要改变工具面时，用户可以在一段时间内增加钻柱旋转速率。电子器件部分26感测钻柱旋转速率的增加，并且在特定时间段之后，电子器件部分26将调节制动扭矩，以使工具面向任一方向前进特定量，例如但不限于20度。工具面调整可以周期性地继续，直到用户将钻柱旋转速率降低回基线速率。电子器件部分26然后可以保持新的工具面。可以重复该过程来选择钻头20的理想工具面。

在旋转模式下，钻探组件10可以仅确保下部10b在预定的安全操作极限内旋转。需要最小可变旋转速率来实现旋转的动态摩擦优势。可变旋转速率不应超过最大值，以避免或减少因疲劳而过早失效的风险。在旋转模式下，电子器件部分26将仅调节制动扭矩，以确保下端10b的可变旋转速率在这些极限内。

图14示出了钻探组件的另一个实施例。钻探组件220包括设置在钻柱下方的动力部分222。弯曲壳体224和轴承部分226设置在动力部分222和钻头228之间。旋转部230、取向部分232和电子器件部分234可以设置在动力部分222和钻头228之间。动力跨接接头236可以设置在动力部分222和旋转部230之间。取向跨接接头238可以设置在旋转部230和取向部分232之间。制动跨接接头240可以设置在取向部分232和电子器件部分234之间。像钻探组件10一样，钻探组件220也可以包括MWD部分和设置在动力部分222上方的接收器接头(未示出)。如下文更详细解释的，动力部分222上方的钻柱以钻柱旋转速率在第一方向上的旋转使得动力部分222、动力跨接接头236和旋转部230的上部以钻柱旋转速率在第一方向上旋转。取向部分232使旋转部230的下部旋转，取向跨接接头238、取向部分232、制动跨接接头240、电子器件部分234、弯曲壳体224和轴承部分226在第二方向上以可变的旋转速率旋转。第二方向可以与第一方向相反。

参考图14和15A-15B，动力部分222包括动力部分壳体244，动力定子246固定到动力部分壳体244的内壁上，动力转子248设置在动力定子246的中心孔内。如本领域技术人员容易理解的，通过形成在动力转子248的外表面轮廓和动力定子246的内表面轮廓之间的腔的流体流动导致动力转子248相对于动力定子246和动力部分壳体244旋转。动力部分222构造成沿与动力定子246的旋转相同的方向旋转该动力转子248。这样，动力部分222将来自钻探流体的液压马力转换成机械(旋转)马力，以通过动力部分输出部(在该实施例中为动力转子248)来驱动钻头228。卡持部250可附接到动力转子248的上端，用于顶部接头252下方的壳体连接的任何潜在分离。卡持部250可包括肩部254，肩部254设计成接合顶部接头252内的肩部256，以将卡持部250保持在顶部接头252内。顶部接头252可以通过MWD部分和接收器接头连接到上面的钻柱。这样，钻柱以钻柱旋转速率在第一方向上的旋转导致顶部接头252、动力部分壳体244和动力定子246都以钻柱旋转速率在第一方向上旋转。流过动力部分222的流体导致动力转子248相对于动力部分壳体244以转子旋转速率在第一方向上旋转。

参考图14和15B，动力跨接接头236可以固定在动力部分222下方。动力转子248的下端延伸到动力跨接接头236的内孔中，在那里它通过连接件260连接到传动轴258上。传动轴258可以是连续速度接合部(即，C-V接合部)、挠性轴或被构造成在动力转子248和钻头228之间传递足够扭矩的任何其他连接轴。动力跨接接头236是被构造为将动力部分222连接到取向部分232的逐销接头。动力跨接接头236与动力部分壳体244一起以钻柱旋转速率在第一方向上旋转。传动轴258相对于动力跨接接头236以转子旋转速率在第一方向上旋转。

参考图14和15B-15C，旋转部230可以包括连接到动力跨接接头236下端的旋转基座264，使得旋转基座264随着动力跨接接头236和动力部分壳体244在第一方向上旋转。旋转基座264可包括中心孔265，其尺寸允许传动轴258延伸穿过其中。旋转基座264还可以包括肩部266，肩部266将上部与具有减小直径的下部268分开。旋转部230还可以包括旋转螺母270和固定到旋转螺母270下端的旋转心轴272。旋转螺母270和旋转心轴272可以围绕旋转基座264的下部268设置。旋转螺母270和旋转心轴272在与第一方向相反的第二方向上相对于旋转基座264以可变的旋转速率旋转，如下面更详细描述的。

旋转部230包括轴承，以提供旋转基座264和旋转螺母270以及旋转心轴272之间的相对旋转。径向轴承和推力轴承的任何组合可以设置在旋转基座264和旋转螺母270以及旋转心轴272之间的环形空间中。在图示的实施例中，上部径向轴承274可以设置在旋转螺母270和旋转基座264之间的环形空间中，以吸收旋转基座264和钻探组件220的下部之间的弯矩。上部径向轴承274随着旋转基座264在第一方向上以钻柱旋转速率旋转。上径向轴承274的外表面可以包括由硬表面材料形成的磨损表面276。旋转螺母270的内表面可以包括一个或多个由硬表面材料形成的磨损表面278。上部径向轴承274的磨损表面276接合旋转螺母270的磨损表面278，以提供径向轴承功能。在另一个实施例中，上部径向轴承274设置在旋转心轴272和旋转基座264之间的环形空间中。推力轴承设置在旋转心轴272和旋转基座264之间的环形空间中，以传递钻头上的重量和超拉力。推力轴承可由内止推座圈280、外止推座圈282和设置在内止推座圈280和外止推座圈282之间的球形构件284形成，如图所示。内止推座圈280与旋转基座264一起在第一方向上以钻柱旋转速率旋转，而外止推座圈282与旋转心轴272一起在第二方向上相对于旋转基座264以可变的旋转速率旋转。外止推座圈282可以通过旋转心轴272的内肩部286固定在旋转心轴272和旋转基座264之间的环形空间中，而内止推座圈280可以通过旋转基座264的外肩部288固定在环形空间中。在一个实施例中，间隔件290设置在旋转基座264的外肩部288和内推力轴承280之间。内下径向轴承292和外下径向轴承294设置在旋转心轴272和旋转基座264之间。内下径向轴承292设置在内止推座圈280的下方，并且与旋转基座264一起以钻柱旋转速率在第一方向上旋转。外下径向轴承294设置在外止推座圈282下方，并与旋转心轴272一起相对于旋转基座264以可变的旋转速率在第二方向上旋转。内下径向轴承292接合外下径向轴承294，以吸收旋转心轴272的任何侧向载荷。

参考图14和15C-15D，取向跨接接头238包括固定到旋转心轴272下端的壳体296，使得壳体296随着旋转心轴272以可变的旋转速率在第二方向上旋转。基座298设置在壳体296内，并固定在旋转基座264的下端。基座298以钻柱旋转速率在第一方向上旋转。传动轴258穿过基座298的中心孔。基座298的下端包括环形齿轮300。取向马达(在取向部分232中)的上取向轴306的上齿轮可以装配到环形齿轮300中。

参考图15D-15E和图16A-16C，取向部分232可以包括固定到取向跨接接头238的壳体296下端的取向壳体310。取向壳体310随着取向跨接接头238的壳体296以可变的旋转速率在第二方向上旋转。传动轴258穿过取向壳体310设置，并相对于旋转基座264以转子旋转速率旋转。上导向件312设置在取向壳体310内且靠近其上端。上导向件312被构造成将传动轴258与取向马达分开，并保持取向马达和传动轴258在取向壳体310内的位置。传动轴258可以设置成穿过上导向件312的偏置孔。上导向件312还可以包括顶部凹槽314(如图16A所示)，其被构造成接收取向跨接接头238的壳体296的下端。上导向件312还可包括马达孔316，马达孔316构造成接收取向马达的上取向轴306。取向马达也可以设置在取向壳体310内。取向马达包括取向框架，该取向框架包括如图所示顺序彼此固定的上取向框架318、中间取向框架320和下取向框架322。上部取向框架318邻接马达孔316附近的上部导向件312的下表面。上导向件312可以通过上取向框架318和取向跨接接头238的壳体296的下端固定在其轴向位置。取向框架固定到取向壳体310的内表面，使得取向框架在取向壳体310旋转时沿圆形路径行进。取向马达还包括设置在下取向框架322的中心孔内的取向定子324。取向马达还包括上取向轴306和下取向轴326，上取向轴306的齿轮设置在环形齿轮300中，下取向轴326固定到上取向轴306的下端，取向转子328固定到下取向轴326的下端。取向转子328至少部分地穿过取向定子324的中心孔。如本领域技术人员容易理解的，经过取向转子328的外表面轮廓和取向定子324的内表面轮廓之间形成的腔的流体流导致取向转子328和取向定子324之间的相对旋转。

在一个实施例中，取向定子324旋转锁定到取向壳体310，使得取向定子324不相对于取向壳体310旋转。经过取向马达的流体流动可导致取向转子328、下取向轴326和上取向轴306相对于取向定子324和取向壳体310旋转。上取向轴306上端处的齿轮与基座298中的环形齿轮300(其在第一方向上以钻柱旋转速率旋转)的相互作用可导致取向定子324、取向壳体310和钻探组件220下端的其余部分相对于旋转基座264和上方的钻柱在第二方向(与第一方向相反)上以可变旋转速率旋转。

现在参考图16A-16C，上取向轴306可以包括从外表面延伸到中心孔332的一个或多个流体端口330。流体端口330可以设置在导向件312上方。中心孔332与延伸穿过下取向轴326的中心孔334对齐并流体连通，该中心孔334与从中心孔334延伸到下取向轴326的外表面的一个或多个流体端口336流体连通。流体端口336可以设置在取向马达的轴承部分下方。

取向马达的轴承部分可以包括设置在上取向框架318和上取向轴306之间的径向轴承和/或推力轴承的任意组合。例如，取向马达可以包括设置在上取向框架318和上取向轴306之间的上径向轴承340、推力轴承342和下径向轴承344。该轴承部分可以允许上下取向轴306和326与取向框架318、320和322之间的相对旋转。

钻探流体可以流过上取向轴306的中心孔332和流体端口330，然后流过下取向轴326的流体端口336和中心孔334，以绕过取向马达的轴承部分。然后，钻探流体可以在中间取向框架320和下取向轴326之间流动，然后在下取向框架322和取向转子328之间流动。如本领域技术人员容易理解的，钻探流体随后可以流过取向定子324和取向转子328之间形成的腔，以取向壳体310、取向跨接接头238的壳体296、旋转心轴272和旋转螺母270(如图15C和15D所示)提供在第二方向上按可变旋转速率的旋转。

如本领域技术人员容易理解的，取向马达可以是由电池或另一电能源驱动的电动马达。

参考图15E和16C，取向部分232还可以包括设置在取向壳体310内且靠近其下端的下导向件350。下导向件350被构造成将传动轴258与取向马达分开，并保持取向马达和传动轴258在取向壳体310内的位置。传动轴258可设置成穿过下导向件350的偏置孔。下导向件350还可以包括下凹槽352，该下凹槽352构造成接收制动跨接接头240的上端。下导向件350还可包括垂直延伸部354，马达孔356穿过垂直延伸部354延伸至下导向件350的下端。垂直延伸部354的上端可以设置在下取向框架322的中心孔内。这样，离开取向转子328和取向定子324之间的腔室的流体通过下导向件350的马达孔356被引导至制动跨接接头240的中心孔。

仍然参考图15E和16C，制动促动器360可以固定到取向转子328的下端。制动促动器360可延伸穿过下导向件350的马达孔356并穿过制动跨接接头240。制动跨接接头240的上端可以固定到取向壳体310的下端，制动跨接接头240的下端可以固定到电子器件部分234的电子器件壳体362的上端。制动促动器360的下端至少部分延伸到电子器件壳体362的中心孔364中。传动轴258也延伸穿过电子器件壳体362的中心孔364。电子器件壳体362包括位于中心孔364和其外表面之间的一个或多个腔366。

电子器件部分234还可以包括电连接到控制器370的马达368。马达368和控制器370可以设置在腔366内。控制器370接合制动促动器360的下端，以调节制动扭矩，如下面更详细解释的。控制器370可以是齿轮或能够接合制动促动器360下端的任何其他控制机构。电子器件部分234还可以包括设置在电子器件壳体362的中心孔364内的控制单元372。控制单元372可以包括电子部件，例如一个或多个处理器、微处理器、CPU、电子存储或记忆设备、电池(例如，市场上可买到的电池，例如尺寸为“D”或“C”的电池)和/或传感器(例如，用于伽马成像、倾斜度、工具面、压力、温度、WOB、扭矩和相对旋转速率的传感器)。控制单元372包括中心孔374，其尺寸允许传动轴258延伸穿过其中。电子器件连接部376从控制单元372延伸到马达368。这样，控制器370和马达368可以由控制单元372中的部件控制。电子端口378可以从电子器件壳体362的外表面延伸到电子器件连接部376，以允许用户将数据或指令上传到控制单元372内的组件，或者从控制单元372内的组件下载数据、分析结果或测量结果。电子器件部分234还可以包括设置在电子器件壳体362的外凹槽中的天线380。电子器件连接部382从电子器件连接部376延伸到天线380。以这种方式，天线380可以向所示接收器接头和MWD部分发送数据。电子端口384可以从电子器件壳体362的外表面延伸到电子器件连接部386，以允许用户将数据或指令上传到控制单元150内的部件，或者从控制单元150内的部件下载数据、分析结果或测量结果。套管388可以设置在电子器件壳体362上方，以包住电子器件部分234的所有暴露在外的元件，例如腔366、天线380以及电端口378和384。这样，套管388保护电子器件部分234的元件。在一个实施例中，套管388可以是被构造为向上方的MWD部分中的短跳接收器接头发送电磁信号的短跳发射器。电磁信号可以包括关于倾斜度、伽马成像和工具面的信息。电子器件壳体362和控制单元372随着制动跨接接头240、取向壳体310、取向跨接接头238的壳体296、旋转心轴272和旋转螺母270相对于旋转基座264在第二方向上以可变旋转速率旋转。传动轴258在电子器件壳体362的中心孔364内和控制单元372的中心孔374内以转子旋转速率加上钻柱旋转速率在第一方向上旋转。

参考图14和15F，电子器件壳体362的下端固定到弯曲壳体224。弯曲壳体224下端的轴线偏离弯曲壳体224上端的轴线，以使钻头228偏离预定角度。磨损表面392在弯曲壳体224的弯曲点394上方固定到弯曲壳体224的外表面。弯曲壳体224的下端固定在轴承部分226上。传动轴258的下轴端396通过连结件398连接到轴承心轴。连结件398可以是连续速度接合部(即，C-V接合部)、挠性轴或被构造成在传动轴258和轴承心轴之间传递足够扭矩的任何其他连接。弯曲壳体224随着旋转心轴372和电子器件壳体362以可变的旋转速率在第二方向上旋转。传动轴258和轴承心轴以转子旋转速率加上钻柱旋转速率在第一方向上旋转。轴承心轴又使钻头228以转子旋转速率加上钻柱旋转速率在第一方向上旋转。轴承部分226可以包括径向轴承和推力轴承的任何组合，以将钻头上的重量从上方的钻柱传递，并将扭矩和旋转从动力部分222传递到钻头228。轴承部分226中的径向轴承吸收来自钻头228的侧向载荷。轴承部分226允许钻头部件(即轴承心轴和钻头228)和下端部件(即轴承部分226的壳体、弯曲壳体224、电子器件部分234、制动跨接接头240、取向壳体310、取向跨接接头238的壳体296、旋转心轴272和旋转螺母270)之间的相对旋转。这样，旋转部230允许钻探组件220的下端独立于钻探组件220的其余部分和上方的钻杆旋转，同时传递钻头上的重量和超拉力。

钻探组件220可以以与上述钻探组件10相同的方式使用。具体而言，钻探组件220的上部可随着上方的钻柱以钻柱旋转速率在第一方向上旋转，取向部分可导致钻探组件220的下部以可变旋转速率在第二方向上旋转，并且来自钻探组件220的上部中的动力部分的转子被固定到传动轴，该传动轴从动力部分延伸穿过取向部分和所有其它部件到达钻头。除非另外描述或示出，钻探组件220及其部件具有与钻探组件10相同的特征并以相同的方式操作(例如，在旋转模式和滑动模式中上部、下部和钻头之间的相对旋转)。

除非另有说明或图示，该组件中的每个部件具有大致圆柱形的形状，并且可以由钢、另一种金属或任何其他耐用材料形成。本公开中描述的每个组件可以包括每个单独组件实施例的所述部件、特征和/或功能的任意组合。本公开中描述的每个方法可以包括以任何顺序描述的步骤的任何组合，包括缺少某些描述的步骤和在单独的实施例中使用的步骤的组合。这里公开的数值的任何范围包括其中的任何子范围。多个意味着两个或更多。

虽然已经描述了优选实施例，但是应当理解，这些实施例仅仅是说明性的，并且本发明的范围仅由所附权利要求书限定，当符合本发明的全部范围时，本领域技术人员通过阅读本发明可以自然地想到许多等同物、变化和修改。

Claims (39)

1.一种孔眼钻探组件，包括:

动力部分，包括动力部分壳体和动力部分输出部，其中所述动力部分壳体被构造用于连接到钻柱下方，其中所述动力部分壳体响应于所述钻柱的旋转而相对于井眼以第一旋转速率在第一方向上旋转，并且其中所述动力部分输出部响应于经过所述动力部分的流体流动而相对于所述动力部分壳体以第二旋转速率在第一方向上旋转；

钻头，通过传动轴可操作地连接到所述动力部分输出部，用于使所述钻头在所述第一方向上旋转；

弯曲壳体，设置在所述动力部分和所述钻头之间，其中所述传动轴延伸穿过所述弯曲壳体，其中所述弯曲壳体构造成相对于所述动力部分壳体以可变的旋转速率在第二方向上旋转，其中所述第二方向与所述第一方向相反；

机械制动系统，被构造为调节所述弯曲壳体的可变旋转速率；

电子器件部分，被构造为响应于所述第一旋转速率的值自动调节所述机械制动系统以选择所述钻探组件的模式，其中在旋转模式中，所述弯曲壳体相对于所述井眼旋转，其中在滑动模式中，速率速率在所述动力部分壳体在所述第一方向上旋转的同时所述弯曲壳体不相对于所述井眼旋转，以保持所述钻头的方向和倾斜度；

其中在所有模式中，所述钻头相对于所述井眼在所述第一方向上的旋转速率是所述动力部分壳体的所述第一旋转速率和所述动力部分输出部相对于所述动力部分壳体的所述第二旋转速率之和。

2.根据权利要求1所述的钻探组件，还包括用于控制所述机械制动系统的独立能量源，其中所述独立能量源不依赖于任何钻探参数。

3.根据权利要求1所述的孔眼钻探组件，其中，所述动力部分包括固定在所述动力部分壳体内的定子，用于与所述动力部分壳体一起旋转，其中，所述动力部分输出部是设置在所述定子内并与所述定子接合的转子，用于响应于经过所述动力部分的所述流体流动，让所述转子相对于所述定子以所述第二旋转速率在所述第一方向上旋转，其中所述转子连接到所述传动轴，用于所述钻头相对于所述动力部分壳体的旋转，其中在所有模式中，所述钻头相对于所述井眼在所述第一方向上的旋转速率是所述动力部分壳体的所述第一旋转速率和所述动力部分的所述转子相对于所述动力部分壳体的所述第二旋转速率之和。

4.根据权利要求1所述的钻探组件，其中，在所述滑动模式中，所述电子器件部分调节所述机械制动系统，以将所述弯曲壳体在所述第二方向上的所述可变旋转速率设定为等于所述动力部件在所述第一方向上的所述第一旋转速率的值，使得所述弯曲壳体不相对于所述井眼旋转。

5.根据权利要求1所述的孔眼钻探组件，其中所述电子器件部分还被构造成自动调节所述机械制动系统，以调节所述钻头的工具面取向。

6.根据权利要求5所述的孔眼钻探组件，其中，所述电子器件部分调节所述机械制动系统，以按增量的方式调节所述钻头的工具面取向。

7.一种孔眼钻探组件，包括：

动力部分，其包括动力部分壳体和动力部分输出部，其中所述动力部分壳体被构造用于连接到钻柱下方，其中所述动力部分壳体响应于所述钻柱的旋转而相对于井眼以第一旋转速率在第一方向上旋转，并且其中所述动力部分输出部响应于经过所述动力部分的流体流动而相对于所述动力部分壳体以第二旋转速率在所述第一方向上旋转；

钻头，其通过传动轴可操作地连接到所述动力部分输出部，用于使钻头在所述第一方向上旋转；

取向部分，可操作地连接在所述动力部分和所述钻头之间，其中所述取向部分包括固定在取向壳体内的取向定子和设置在所述取向定子内并与所述取向定子接合的取向转子，其中旁路中心孔延伸穿过所述取向转子，其中所述传动轴延伸穿过所述取向转子的所述旁路中心孔，其中所述取向壳体与所述动力部分壳体一起在所述第一方向上以所述第一旋转速率旋转，并且其中所述取向转子相对于所述取向壳体以可变旋转速率在第二方向上旋转，其中所述第二方向与所述第一方向相反；

弯曲壳体，其可操作地连接在所述取向部分和所述钻头之间，所述传动轴延伸穿过所述弯曲壳体，其中所述弯曲壳体可操作地连接到所述取向转子，使得所述弯曲壳体相对于所述取向壳体以所述可变旋转速率在所述第二方向上旋转；

机械制动系统，被构造为调节所述取向转子和所述弯曲壳体的所述可变旋转速率；

电子器件部分，被构造为响应于所述第一旋转速率的值自动调节所述机械制动系统以选择所述钻探组件的模式，其中在旋转模式中，所述弯曲壳体相对于所述井眼旋转，其中在滑动模式中，在所述动力部分壳体和所述取向壳体在所述第一方向上旋转的同时所述弯曲壳体不相对于所述井眼旋转，以保持所述钻头的方向和倾斜度；

其中在所有模式中，所述钻头相对于所述井眼在所述第一方向上的旋转速率是所述动力部分壳体的所述第一旋转速率和所述动力部分输出部相对于所述动力部分壳体的所述第二旋转速率之和。

8.根据权利要求7所述的孔眼钻探组件，还包括旋转部分，所述旋转部分包括一个或多个轴承，其中所述机械制动系统设置在所述旋转部分中。

9.根据权利要求8所述的孔眼钻探组件，其中所述旋转部分还包括旋转壳体和旋转心轴，其中所述旋转壳体可操作地连接到所述取向壳体，使得所述旋转壳体与所述取向壳体一起以所述第一旋转速率在所述第一方向上旋转，并且其中所述旋转心轴可操作地连接在所述取向转子和所述弯曲壳体之间，使得所述旋转心轴相对于所述取向壳体以所述可变旋转速率在所述第二方向上旋转。

10.根据权利要求9所述的孔眼钻探组件，其中，所述一个或多个轴承被构造成支撑所述旋转壳体和所述旋转心轴之间的相对旋转，并且其中，所述一个或多个轴承包括至少一个径向轴承和至少一个推力轴承。

11.根据权利要求9所述的孔眼钻探组件，其中，所述机械制动系统包括鼓式制动组件、锥形制动组件或离合器组件。

12.根据权利要求9所述的孔眼钻探组件，其中所述机械制动系统包括鼓式制动组件，所述鼓式制动组件具有设置在所述旋转心轴内并围绕所述传动轴的制动促动器，其中所述鼓式制动组件还包括制动垫和弹簧加载的制动蹄，其中所述弹簧加载的制动蹄径向延伸穿过所述旋转心轴中的开口，使得所述弹簧加载的制动蹄的近端接合所述制动促动器的外表面，并且所述弹簧加载的制动蹄的远端固定到所述制动垫。

13.根据权利要求12所述的孔眼钻探组件，其中，所述鼓式制动器组件通过旋转所述制动器促动器被启动，以径向向外移动所述弹簧加载的制动蹄，以便增加所述旋转心轴和所述旋转壳体之间的制动扭矩。

14.根据权利要求12所述的孔眼钻探组件，其中，所述鼓式制动器组件通过所述制动器促动器的轴向运动而被启动，以径向向外移动所述弹簧加载的制动蹄，以便增加所述旋转心轴和所述旋转壳体之间的制动扭矩。

15.根据权利要求9所述的孔眼钻探组件，其中所述旋转壳体包括旋转轴承壳体和旋转螺母，其中所述一个或多个轴承设置在所述旋转轴承壳体内，并且其中所述制动系统接合所述旋转螺母。

16.根据权利要求8所述的孔眼钻探组件，还包括设置在所述动力部分和所述取向部分之间的跨接接头，其中所述跨接接头连接到所述动力部分壳体和所述取向壳体，用于所述跨接接头与所述动力部分壳体和所述取向壳体一起在所述第一方向上以所述第一旋转速率旋转，其中所述传动轴穿过动力跨接接头设置。

17.根据权利要求16所述的孔眼钻探组件，还包括设置在所述取向部分和所述旋转部分之间的第二跨接接头，所述第二跨接接头包括第二跨接壳体和柔性轴，其中所述第二跨接壳体连接到所述取向壳体和所述旋转壳体，使得所述第二跨接壳体与所述取向壳体和所述旋转壳体一起以所述第一旋转速率在所述第一方向上旋转，其中所述柔性轴连接在所述取向转子和所述旋转心轴之间，使得所述柔性轴与所述取向转子和所述旋转心轴一起以所述可变旋转速率在所述第二方向上旋转，其中所述柔性轴包括一个或多个旁路开口，该一个或多个旁路开口构造成允许流体从所述柔性轴的外部流入中心孔，并且其中所述传动轴穿过所述柔性轴的中心孔设置。

18.根据权利要求8所述的孔眼钻探组件，其中所述电子器件部分包括电子器件壳体、一个或多个传感器、短跳发射器、电源、存储装置和处理器，其中所述电子器件壳体连接到所述旋转心轴和所述弯曲壳体，使得所述电子器件壳体与所述旋转心轴和所述弯曲壳体一起以所述可变旋转速率在所述第二方向旋转，并且其中所述传动轴穿过所述电子器件壳体设置。

19.根据权利要求18所述的孔眼钻探组件，其中所述电源包括电池。

20.根据权利要求18所述的钻探组件，其中所述一个或多个传感器包括差动旋转传感器，所述差动旋转传感器被构造为检测所述旋转心轴和所述动力部分壳体之间的差动旋转速率，并且其中所述一个或多个传感器还包括伽马传感器、倾斜传感器、工具面传感器、压力传感器、温度传感器、钻头上重力传感器或扭矩传感器。

21.根据权利要求18所述的孔眼钻探组件，其中，所述短跳发送器被构造为将电磁信号发送到所述动力部分上方的随钻测量接头中的接收器。

22.根据权利要求18所述的孔眼钻探组件，其中，所述电子器件部分还包括用于启动所述制动促动器的齿轮，其中，所述齿轮由连接到所述电子器件部分中的处理器的马达提供动力。

23.一种孔眼钻探组件，包括：

动力部分，其包括动力部分壳体和动力部分输出部，其中所述动力部分壳体被构造用于连接到钻柱下方，其中所述动力部分壳体响应于所述钻柱的旋转而相对于井眼以第一旋转速率在第一方向上旋转，并且其中所述动力部分输出部响应于经过所述动力部分的流体流动而相对于所述动力部分壳体以第二旋转速率在所述第一方向上旋转；

钻头，其通过传动轴可操作地连接到所述动力部分输出部，用于使所述钻头在所述第一方向上的旋转；

取向部分，可操作地连接在所述动力部分和所述钻头之间，其中所述取向部分包括具有中心孔的取向壳体和设置在所述中心孔中的取向马达，其中所述传动轴延伸穿过所述取向壳体的所述中心孔，其中所述取向马达使所述取向壳体相对于所述动力部分壳体以可变旋转速率在第二方向上旋转，其中所述第二方向与所述第一方向相反；

弯曲壳体，其可操作地连接在所述取向部分和所述钻头之间，所述传动轴延伸穿过所述弯曲壳体，其中所述弯曲壳体可操作地连接到所述取向壳体，使得所述弯曲壳体相对于所述动力部分壳体以所述可变旋转速率在所述第二方向上旋转；

机械制动系统，被构造为调节所述取向壳体和所述弯曲壳体的所述可变旋转速率；

电子器件部分，其被构造为响应于所述第一旋转速率的值自动调节所述机械制动系统以选择钻探组件的模式，其中在旋转模式中，所述弯曲壳体相对于所述井眼旋转，其中在滑动模式中，在所述动力部分壳体在所述第一方向上旋转的同时所述弯曲壳体不相对于所述井眼旋转，以保持所述钻头的方向和倾斜度；和

其中在所有模式中，所述钻头相对于所述井眼在所述第一方向上的旋转速率是所述动力部分壳体的所述第一旋转速率和所述动力部分输出部相对于所述动力部分壳体的所述第二旋转速率之和。

24.根据权利要求23所述的孔眼钻探组件，还包括可操作地连接在所述动力部分和所述取向部分之间的旋转部分，其中所述旋转部分包括一个或多个轴承。

25.根据权利要求24所述的孔眼钻探组件，其中所述旋转部分还包括旋转基座和围绕所述旋转基座的下部设置的旋转心轴，其中所述旋转基座可操作地连接到所述动力部分壳体，使得所述旋转基座与所述动力部分壳体一起以所述第一旋转速率在所述第一方向上旋转，并且其中所述旋转心轴可操作地连接在所述取向壳体上方，使得所述旋转心轴相对于所述动力部分壳体以所述可变旋转速率在所述第二方向上旋转。

26.根据权利要求25所述的孔眼钻探组件，其中所述一个或多个轴承设置在所述旋转心轴和所述旋转基座之间，以支撑所述旋转心轴和所述旋转基座之间的相对旋转，其中所述一个或多个轴承包括至少一个径向轴承和至少一个推力轴承，并且其中所述旋转心轴包括旋转轴承心轴和旋转螺母。

27.根据权利要求23所述的孔眼钻探组件，其中，所述机械制动系统包括连接到所述取向马达的下端的制动促动器。

28.一种使用权利要求1所述的设备钻探井眼的方法。

29.一种钻探井眼的方法，包括：

响应于钻柱的旋转，相对于井眼在第一方向上以第一旋转速率旋转第一动力部分壳体；

相对于壳体在所述第一方向上以第二旋转速率旋转第一动力部分的输出部，所述输出部可操作地连接到钻头；

提供弯曲壳体；

提供放置在所述弯曲壳体上方的第二动力部分；

响应于所述第一旋转速率的值的变化，选择钻探操作的旋转模式或转向模式；

当处于所述旋转模式时，由所述第二动力部分在第二方向上相对于所述第一动力部分壳体以可变旋转速率来旋转所述弯曲壳体；和

当处于所述转向模式时，控制所述弯曲壳体的取向。

30.根据权利要求29所述的方法，其中在所有模式中，所述钻头相对于所述井眼在所述第一方向上的旋转速率是所述第一动力部分壳体的所述第一旋转速率和第一动力部分输出部相对于所述第一动力部分壳体的所述第二旋转速率之和。

31.根据权利要求29所述的方法，其中，在所述转向模式中，施加制动器以将所述弯曲壳体在所述第二方向上的所述可变旋转速率设定为等于所述第一动力部分在所述第一方向上的所述第一旋转速率的值，使得所述弯曲壳体相对于所述井眼不旋转。

32.根据权利要求29所述的方法，还包括在所述第一动力部分和所述弯曲壳体之间提供旋转接头。

33.根据权利要求29所述的方法，其中，在所述转向模式中，使用控制器来调节制动器的施加，所述制动器将所述弯曲壳体在所述第二方向上的所述可变旋转速率设定为等于所述第一动力部分在所述第一方向上的所述第一旋转速率的值，使得能够控制所述弯曲壳体的取向。

34.根据权利要求29所述的方法，其中，在所述转向模式中，使用控制器来调节制动器的施加，所述制动器将所述弯曲壳体在所述第二方向上的所述可变旋转速率设定为与所述第一动力部分在所述第一方向上的旋转速率不相等的值，使得能够控制所述弯曲壳体的取向。

35.根据权利要求34所述的方法，其中在所述转向模式中，传感器和控制程序用于驱动对所述制动器进行调节的所述控制器。

36.根据权利要求35所述的方法，其中在所述旋转模式中，所述控制器确保所述弯曲壳体的所述第一旋转速率和所述可变旋转速率不相等。

37.根据权利要求31所述的方法，包括自动调节所述制动器以控制所述弯曲壳体的取向。

38.一种钻探的方法，包括：

提供第一动力部分，所述第一动力部分包括动力部分壳体和第一动力部分输出部，所述第一动力部分输出部可操作地连接到钻头，并且其中所述第一动力部分壳体构造成用于连接到钻柱下方；

响应于所述钻柱的旋转，相对于所述井眼以第一旋转速率在第一方向上旋转所述第一动力部分壳体；

相对于所述动力部分壳体以第二旋转速率在所述第一方向上旋转所述第一动力部分输出部；

提供可操作地连接在所述第一动力部分和所述钻头之间的取向部分，其中所述取向部分包括第二动力部分和取向壳体；

响应于所述第二动力部分的输出轴而相对于所述第一动力部分壳体以一旋转速率在第二方向上旋转所述取向壳体，其中所述第二方向与所述第一动力部分的所述第一方向相反；

提供可操作地连接在所述第一动力部分和所述钻头之间的弯曲壳体；

响应于所述第一旋转速率的值，选择钻探的旋转模式或转向模式；

其中在所述旋转模式中，所述弯曲壳体相对于所述第一动力部分壳体和相对于所述井眼以一旋转速率在所述第二方向上旋转；

其中在所述转向模式中，在所述第一动力部分壳体在所述第一方向上旋转的同时，所述弯曲壳体相对于所述井眼不旋转，以保持所述弯曲壳体和所述钻头的取向；和

其中在所有模式中，所述钻头相对于所述井眼在所述第一方向上的旋转速率是所述第一动力部分壳体的所述第一旋转速率和所述第一动力部分输出部相对于所述第一动力部分壳体的所述第二旋转速率之和。

39.一种钻探孔眼的方法，包括:

提供第一动力部分，所述第一动力部分包括动力部分壳体和第一动力部分输出部，所述第一动力部分输出部可操作地连接到钻头，并且其中所述第一动力部分壳体构造成用于连接到钻柱下方；

响应于所述钻柱的旋转，相对于所述井眼以第一旋转速率在第一方向上旋转所述第一动力部分壳体；

相对于所述动力部分壳体以第二旋转速率在所述第一方向上旋转所述第一动力部分输出部；

提供可操作地连接在所述第一动力部分和所述钻头之间的取向部分，其中所述取向部分包括第二动力部分、第二动力部分壳体和取向壳体；

响应于所述第二动力部分壳体而相对于所述第一动力部分壳体在第二方向上以一旋转速率旋转所述取向壳体，其中所述第二方向与所述第一动力部分的方向相反；

提供可操作地连接在所述第一动力部分和所述钻头之间的弯曲壳体；

响应于所述第一旋转速率的值，选择钻探的旋转模式或转向模式；

其中在旋转模式中，所述弯曲壳体相对于所述第一动力部分壳体和相对于所述井眼以一旋转速率在所述第二方向上旋转；

其中在转向模式中，在所述第一动力部分壳体在所述第一方向上旋转的同时，所述弯曲壳体相对于所述井眼不旋转，以保持所述弯曲壳体和钻头的取向；和

其中在所有模式中，所述钻头相对于所述井眼在所述第一方向上的旋转速率是所述第一动力部分壳体的所述第一旋转速率和所述第一动力部分输出部相对于所述第一动力部分壳体的所述第二旋转速率之和。

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