CN114144567B - 用于井眼的定向钻进的控向组件 - Google Patents

Abstract

控向组件包括具有纵向轴线的壳体、具有前部连接端和后部连接端的心轴、偏转器装置以及工具面组件，心轴穿过壳体并布置在与壳体的纵向轴线同轴的第一位置中，偏转器装置被配置为在心轴上施加侧向力以将心轴的前部连接端从纵向轴线偏移，工具面组件被配置为将心轴的前部连接端旋转到期望的方向中。

Description

用于井眼的定向钻进的控向组件

对相关应用的交叉引用

本申请是2019年4月8日提交的专利申请号为US 16/378421的PCT申请并要求其优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及定向钻进系统领域以及一种用于在钻削垂直或水平的井眼时控制方向的方法。更具体地，本发明涉及一种要被包含在钻柱中以用于定向钻进的控向组件。

背景技术

定向钻进系统是钻削油气井眼领域中众所周知的系统。这种系统通常包括钻柱，钻柱具有井底组件(bottom hole assembly，BHA)，该井底组件包括控向组件和附接到钻柱底端的钻头。

在定向钻进中，井底组件通常包括随钻测量组件(MWD)和遥测发射器，随钻测量组件包括传感器，所述传感器用于测量关于井眼方向(倾角和方位角)和其他井下钻进参数的信息，遥测发射器用于将传感器数据向孔上发射到地表控制单元(surface controlunit)。附加地，对于定向控制，传统的井底组件包括井下马达(downhole motor)和耦合到用于旋转钻头的轴的弯接头(bent sub)。可选地，旋转可控向系统(RSS)可以替代井下马达或与井下马达结合使用以提供控向控制。RSS的优点是允许在旋转整个钻柱时进行定向的控向控制，而单独的井下马达只有通过从地表(surface)将钻柱固定在特定的方向(或工具面)才是可控向的。连续旋转钻柱的益处很多，包括大大减少钻柱和钻孔之间的摩擦，这允许钻出长距离的水平井道。

旋转可控向系统通常包括管状壳体，该管状壳体围住一个轴，该轴具有直接或间接地连接到钻头的前端部。所述壳体中可包含各种控向机构，以改变所述轴的前端部的定向，从而改变钻进方向。第一类的旋转可控向系统被配置为在“推顶钻头”模式下工作，而第二类的旋转可控向系统被配置为在“指向钻头”模式下工作。在推顶钻头模式中，控向的主导钻头的要素是施加到钻头的侧向(或横向)力。在指向钻头模式中，用于控向的主导要素是钻头的角度变化或倾斜。每一类的旋转可控向系统都包括进一步的子类。

对于被配置为在推顶钻头模式下工作的旋转可控向系统，所述壳体包括衬垫或一些其他偏移机构，可以将它们选择性地激活以在所述轴上施加反作用侧向力，从而改变钻头的定向。

推顶钻头旋转可控向系统的第一子类包括不旋转的(或缓慢旋转的)壳体，所述壳体被提供以多个衬垫，所述多个衬垫围绕壳体的圆周分布并指向井眼。衬垫被选择性地致动以推抵井眼地层并改变壳体的定向，这使所述轴偏转并在钻头上提供所需的侧向力，进而使钻头侧向地偏转到优选的钻进方向上。

推顶钻头旋转可控向系统的第二子类包括不旋转的(或缓慢旋转的)壳体，所述壳体被提供以固定的主体安装的稳定器和在所述壳体的圆周内部的偏转装置，所述偏转装置指向所述轴。所述内部的偏转装置被选择性地致动以将所述轴推离所述被稳定的壳体的中心并因此推离井眼的中心，从而在钻头上提供侧向力。

推顶钻头旋转可控向系统的另一子类包括旋转的壳体，所述壳体被提供以多个衬垫，所述多个衬垫围绕所述壳体的圆周分布的并指向井眼。衬垫与壳体一起旋转并且可以独立地从缩回位置移动到伸展位置，抵靠井眼地层并将壳体从井眼横向推离中心，从而改变其定向。所述系统还包括控制装置，该控制装置在一个衬垫穿过选定的径向角时致动该衬垫，使得该衬垫朝选定的方向推靠井眼，以改变壳体的定向，这使所述轴偏转并在钻头处提供所需的偏移力。在软地层中钻进时，可能不适合使用推动衬垫抵靠井眼的控向系统，尤其是在旋转所述衬垫时。

对于被配置为在指向钻头模式下操作的旋转可控向系统，用于倾斜钻头的主要方法是使位于被中心化的不旋转的(或缓慢旋转的)壳体内部的所述轴弯曲，从而使所述轴有角度地偏转远离井眼的中心线轴线。在那种情况下，不旋转的壳体包含某种形式的防旋转装置和用于使位于不旋转的壳体内部的所述轴偏转的机构。在这种情况下，旋转所述轴的同时所进行的弯曲会导致所述轴上的疲劳，并且在使用某段时间后所述轴可能会断裂或变形。变通的方法包括使用昂贵的材料，并且可能需要增加所述轴的直径，这限制了偏移机构、动力装置和仪器的可用横截面。

除了“推顶钻头”和“指向钻头”类的旋转可控向系统之外，还存在混合旋转可控向系统，其取决于配置能够像推顶钻头和指向钻头系统两者那样进行控向。在美国专利No7188685中公开了这种混合旋转可控向系统的示例。该旋转可控向系统包括连接至控向部分的上部部分和连接至控向部分的钻头。上部部分连接到轴环，在该轴环上设有上部稳定器。控向部分包括下部稳定器并且通过转环(其为二自由度万向节)连接到上部部分，从而转环位于下部稳定器和钻头之间。活塞们被置于控向部分和上部部分之间，并被致动以推抵在所述万向节上枢转的控向部分。控向部分倾斜，直到下部稳定器接触地层，此时活塞作用以推动钻头穿过地层。随着地层被钻进，地层所施加的约束被移除，控向部分的外围被允许进一步倾斜，然后工具开始作为指向钻头系统进行转向。控向部分相对于衬垫的旋转会引起摩擦，从而导致这些部件的磨损和控向部分的振动，这会影响钻孔的质量。

期望提供一种不存在现有技术装置的缺点的旋转可控向系统，并且其提供：

-在推顶钻头或指向钻头模式下的井眼控向；

-使内部循环弯曲应力最小化的指向钻头模式；

-相对较高的转弯率(或狗腿(dogleg)严重度)；

-能够容易地现场维护的配置；

-能够改变转弯率(或狗腿严重度)，同时提供独立的定向工具面控制；以及

-良好的钻进方向控制，振动较小。

发明内容

根据第一方面，本发明涉及一种控向组件(steering assembly)100，控向组件包括具有纵向轴线101的壳体136和心轴102，心轴102包括前部连接端103和后部连接端104，心轴102穿过所述壳体136并布置在与壳体136的所述纵向轴线101同轴的第一位置中，控向组件的特征在于包括：

-偏转器装置，用于向所述心轴102施加侧向力，从而使所述心轴102的所述前部连接端103从所述纵向轴线101偏移，以及

-工具面组件，用于将所述心轴102的所述前部连接端103朝期望方向旋转；

所述心轴102可相对于所述壳体、所述偏转组件和所述工具面组件旋转。

优选地，心轴102通过轴承组(bearing pack)连接到壳体136，所述轴承组包括围绕一组滚球轴承130布置的球形座105。

优选地，所述工具面组件包括：

-至少部分地包含在所述壳体136中并围绕所述心轴102布置的取向套筒106，所述取向套筒106包括第一套筒部分106a和第二套筒部分106b，第一套筒部分106a具有与壳体136的所述纵向轴线101同轴的孔，第二套筒部分106b具有与第二轴线137同轴的孔，第二轴线137相对于壳体136的所述纵向轴线101倾斜；和

-用于旋转所述取向套筒106的致动系统。

优选地，所述偏转器装置是偏转组件，包括：

-偏转套筒107，其围绕所述心轴102并与所述第二轴线137同轴地布置；

-致动系统，用于沿所述第二轴线137移动所述偏转套筒107。

优选地，用于旋转所述取向套筒106的所述致动系统包括第一齿轮致动器(firstgeared actuator)108，所述第一齿轮致动器108接合所述取向套筒106的齿轮表面(gearedsurface)109。

优选地，用于沿所述第二轴线137移动所述偏转套筒106的所述致动系统包括：

-第一致动套筒110，其围绕所述心轴102并且至少部分地包含在取向套筒106的所述第一套筒部分106a中，所述第一致动套筒110包括：

ο齿轮表面111，和

ο齿轮端112，其朝向所述取向套筒106的所述第二套筒部分106b的孔指向；

-第二齿轮致动器113，其接合所述第一致动套筒110的所述齿轮表面111；

-围绕所述心轴102的第二致动套筒114，其包含在取向套筒106的所述第二套筒部分106b中，其通过邻接部115被保持在所述第二套筒部分106b中并且围绕所述偏转套筒107设置，第二致动套筒114包括：

ο齿轮端116，其接合所述第一致动套筒110的所述齿轮端112；

ο螺旋引导机构117，其设置在第二致动套筒的内表面上；

ο线性引导机构118，其设置到取向套筒106的所述第二套筒部分106b中。

优选地，所述偏转套筒107包括：

-包括螺旋凸轮从动件119的第一例部，螺旋凸轮从动件接合到第二致动套筒114中的所述螺旋引导机构117中；

-包括第二凸轮从动件120的第二侧部，第二凸轮从动件与所述线性引导机构118接合。

优选地，在所述偏转套筒107和所述心轴102之间布置有球形座121a和滚球轴承121b的组件。

优选地，所述壳体136的外表面还包括井道接触衬垫122。

优选地，所述壳体136还包括一个或多个包围件(enclosure)123，所述包围件包含电池124、控制电子组件125和马达126、127。

优选地，控向组件包括专用于旋转所述取向套筒106的第一马达126和第一齿轮致动器108，以及专用于旋转致动系统(其用于致动偏转套筒107)的第一致动套筒110的第二马达127和第二齿轮致动器113。

在第一种可能的配置中，控向组件还包括连接到心轴102的所述后端104的枢转稳定器接头131。

在第二种可能的配置中，控向组件还包括枢转接头135，枢转接头连接到心轴102的所述前端103并且连接到近钻头稳定器接头133，近钻头稳定器接头具有远离枢转接头135的枢转点139的叶片134，并且近钻头稳定器接头本身连接到钻头200。

优选地，所述壳体被配置为在井眼中不旋转并且用作对钻头进行控向的参考点。

更优选地，控向组件还包括控制电子组件125，控制电子组件被配置用于测量壳体在井眼中的任何不期望的旋转、计算为了将钻头控向到期望的方向上而要施加的校正、并将这些校正施加于所述偏转组件以及工具面组件。

在第二方面，本发明涉及一种用于通过在钻柱(如本公开中所提出的)中设置控向组件100来定向钻进井眼的方法，并且其中通过操作所述偏转器装置来改变方向控制的幅度。

在本发明的方法中，还可以通过操作所述工具面组件来改变控向方向。

在本发明的方法的第一实施例中，所述控向组件100被用在心轴102的所述前端103连接到钻头200的、推顶钻头(push the bit)配置中。

在根据本发明所述的方法的第二实施例中，所述控向组件100被用在指向钻头(point the bit)配置中，其中心轴102的所述前端103连接到第二枢转接头135，第二枢转接头135本身连接到近钻头稳定器接头133，近钻头稳定器接头133本身连接到钻头200。

还可以将本发明描述为控向组件100，其包括具有纵向轴线101的壳体136和心轴102，心轴包括前部连接端103和后部连接端104，心轴102穿过所述壳体136并布置在与所述纵向轴线101同轴的第一位置中，偏转器装置用于向壳体136中的所述心轴102施加侧向力，从而使所述心轴102的所述前部连接端103偏移所述纵向轴线101，其特征在于，控向组件还包括连接到心轴的后端的枢转稳定器接头(pivot stabilizer sub)。

优选地，所述枢转稳定器接头布置在壳体外部。

在本发明的另一实施例中，心轴102的前端103连接到枢转接头135，枢转接头本身连接到近钻头稳定器133，该近钻头稳定器直接连接到钻头200。此外，近钻头稳定器和钻头可以组合为一个单元。

优选地，所述壳体被配置为在井眼内不旋转或缓慢旋转并且用作对钻头进行控向的参考点。

优选地，控向组件包括：

-偏转器装置，用于对所述心轴102产生进入壳体136中的侧向力，从而使所述心轴102的所述前部连接端103偏移所述纵向轴线101，以及

-工具面组件，用于将所述心轴102的所述前部连接端103朝期望的方向旋转；

所述心轴102可相对于所述壳体、所述偏转器装置和所述工具面组件旋转。

优选地，控向组件包括控制装置，该控制装置被配置成用于测量壳体在井眼中的任何不期望的旋转、计算为了将钻头控向到期望的方向上而要施加的校正、并将这些校正施加于所述偏转组件和工具面组件。

在根据本发明所述的用于定向钻进井眼的方法中，在钻柱中设置如本公开中提出的控向组件100，并且通过在所述心轴上设置侧向力来改变钻进方向的幅度。在所述方法中，可以操作工具面组件来改变钻头的工具面。

附图说明

图1a示出了根据本发明实施例的控向组件的截面图，该控向组件连接到钻头。

图1b示出了根据本发明实施例的控向组件的截面图，该控向组件连接到枢转稳定器接头，该枢转稳定器接头本身连接到钻头。

图2a示出了根据图1a和1b中所示的实施例的控向组件的第一部分的横截面放大图。

图2b示出了根据图1a和1b中所示的实施例的控向组件的第二部分的横截面放大图。

图3示出了根据本发明的控向组件的前面部分的横截面放大图。

图4示出了图3中所示的控向组件的前面部分的三维分解图。

图5示出了图2a中所示的控向组件的第一部分的内部的三维视图。

图6示出了根据本文描述的各种技术的实施方式的控向组件的一部分的截面图。

图7示出了根据本文描述的各种技术的实施方式的控向组件的横截面放大图。

图8示出了根据本文描述的各种技术的实施方式的控向组件的横截面放大图。

图9示出了根据本文描述的各种技术的实施方式的控向组件的一部分的截面图。

图10示出了根据本文描述的各种技术的实施方式的控向组件的截面图。

图11示出了根据本文描述的各种技术的实施方式的控向组件的前截面图。

图12示出了根据本文描述的各种技术的实施方式的控向组件的截面图。

图13示出了硬件配置的框图，其中可以结合和实践本文描述的一种或多种技术。

具体实施方式

根据第一方面，本发明涉及一种要被包含在钻柱中用于在定向的井眼中对钻头进行控向的控向组件100。

根据本发明的控向组件包括壳体136和心轴102，壳体136具有纵向轴线101，心轴102包括用于连接到钻头200的前部连接端103和用于连接到钻柱的后部连接端104，心轴102穿过所述壳体136并布置在与所述纵向轴线101同轴的第一位置中。所述控向组件的特征在于包括：

-偏转器装置，所述偏转器装置用于在壳体136中枢转所述心轴102，或者换言之，用于在心轴上施加侧向力，从而使所述心轴102的所述前部连接端103偏移所述纵向轴线101，以及

-工具面组件，所述工具面组件用于将所述心轴102的所述前部连接端103朝所期望的方向旋转；

所述心轴102可相对于所述壳体、所述偏转组件和所述工具面组件旋转。

优选地，偏转器装置是如上文所述的偏转组件。替代地，偏转器装置可以是本领域技术人员已知的任何偏转器装置，例如布置在壳体136中用于推顶心轴102并由致动器致动的活塞或衬垫。

图1a示出以“推顶钻头”模式配置的控向组件的实施例的截面图。术语“推顶钻头”用来指现有技术控向系统的“推顶钻头”配置，其中侧向力施加在心轴上以改变心轴相对于壳体轴线的偏移。在本发明中，通过将心轴102的后端104连接到枢转稳定器接头(pivotstabilizer sub)131来最小化心轴的弯曲，使得当侧向力施加在心轴102上时，心轴相对于枢转点旋转，并且心轴102的前端103从壳体的轴线偏移。心轴的前端连接到钻头200。

有利地，枢转稳定器接头131布置在壳体136外部。这种布置简化了控向组件的构造和制造，并且枢转稳定器接头131可以被容易地移除和更换。枢转稳定器接头131还为控向组件提供了更大的灵活性，并且可以以更高的狗腿度(doglegs)对井眼进行钻进。

图1b示出与图1a中所示的相同的控向组件的截面图，其带有布置在心轴102的前端部103和钻头200之间的附加装置，使得控向组件被配置为“指向钻头”模式。心轴102的后端104连接到第一枢转稳定器接头131，并且心轴102的前端103连接到枢转接头135，枢转接头135连接到近钻头稳定器133，近钻头稳定器133连接到钻头200。近钻头稳定器133具有叶片134，叶片134远离枢转接头135的枢转点139，以便获得更好的“指向钻头效果”，其中叶片用作防止钻头侧部切割地层并在该点保持钻孔居中的衬垫稳定器。在该配置中，当力施加在心轴102的横向侧部上时，心轴围绕枢转稳定器接头131的枢转点131′旋转，心轴的前端103指向第一方向，该第一方向相对于壳体136的纵向轴线101成角度α。枢转接头135允许所述钻柱从中心或井眼脱位。由近钻头稳定器133和井眼壁形成的支点使钻头指向相对于壳体的纵向轴线101成角度β的第二方向，其中，取决于所述支点和钻头之间的距离，角度β直接与α成比例但在相反的方向上。

上述两种配置都具有以下优点：在使钻头的取向发生改变时，心轴102不是弯曲的，从而减少心轴的疲劳，并因此改善控向组件的耐用性和钻头的定向控制。有利地，枢转接头135也在壳体136外部，从而简化控向组件的构造并便于维护。

图2a示出根据本发明的实施例的控向组件的第一部分的放大图。心轴102通过轴承组(bearing pack)连接到壳体136，轴承组包括球形座105，球形座105连接到壳体136的内表面并围绕一组滚球轴承130布置，轴承组允许心轴102相对于壳体136自由旋转。球形座105布置在心轴102和壳体136之间，以便允许心轴102相对于壳体136的枢转移动，并在心轴102和壳体136之间提供径向和/或轴向的负载耦合。优选地，轴承组布置在壳体的后端部和心轴102的后端104附近。

图5中示出壳体136内部的更详细的三维视图。壳体136包括隔室或包围件123，所述隔室或包围件123用于布置一个或多个电池124、控制电子组件125以及马达126和127，以用于与地表通信和操作偏转组件和工具面组件。

图2b示出控向组件的第二部分的放大图，其示出工具面组件和偏转组件。所述工具面组件包括取向套筒106，取向套筒106被包含在所述壳体136中并围绕所述心轴102布置。取向套筒106包括第一套筒部分106a和第二套筒部分106b，第一套筒部分106a具有与壳体的纵向轴线101同轴的孔，第二套筒部分106b具有与第二轴线137(第二轴线137相对于壳体的所述纵向轴线101倾斜)同轴的孔。优选地，第二套筒部分106b的外表面与壳体136的纵向轴线101圆柱形地同轴并且具有适于防止井眼的碎屑进入所述壳体内的外径。例如，第二套筒部分106b的外径大于或等于壳体136的承载该取向套筒106的端部的外径。替代地，第二套筒部分106b的外径可以基本上等于或大于壳体136的承载取向套筒106的端部的内径。由于第二套筒部分106b的孔的沿着第二轴线137的倾斜，因此第二套筒部分106b的外径大于取向套筒的第一套筒部分106a的直径。为了提供更紧凑的控向组件，优选地，取向套筒106被部分地包含在壳体136中，其中第一套筒部分106a布置在壳体136内部并且第二套筒部分106b布置在壳体136外部。优选地，至少一个轴承，优选地推力轴承132，布置在壳体136和取向套筒106之间。工具面组件还包括用于旋转取向套筒106的致动系统，致动系统优选地包括第一齿轮致动器108，该第一齿轮致动器108接合取向套筒的齿轮表面109。第一齿轮致动器108布置在壳体136中并且可以由马达126提供动力。齿轮表面109优选地布置在所述壳体内部的第一套筒部分106a的外表面处。

偏转组件包括偏转套筒107，该偏转套筒107围绕所述心轴102布置并与所述第二轴线137同轴。优选地，偏转套筒布置在取向套筒106的第二套筒部分106b内部。偏转组件还包括致动系统，用于沿着所述第二轴线137移动所述取向套筒107。

以上结合图2b、3和4示出用于移动偏转套筒107的致动系统的实施例。用于移动偏转套筒107的致动系统包括第一致动套筒110，第一致动套筒110围绕心轴102并且被至少部分地包含在取向套筒106的第一套筒部分106a中，从而使得齿轮表面111可以被布置到壳体136中的第二齿轮致动器113接合。第二齿轮致动器113可以由第二马达127提供动力。第一致动套筒110还包括齿轮端112，该齿轮端112朝向所述取向套筒106的第二部分106b的孔指向。第二致动套筒114被包含在取向套筒106的所述第二套筒部分106b内部，与所述第二轴线137同轴，并且通过邻接部115被保持到所述第二套筒部分106b中。第二致动套筒114围绕所述偏转套筒107，所述偏转套筒107围绕所述心轴102设置。第二致动套筒114包括：

-齿轮端116，其接合所述第一致动套筒110的所述齿轮端112；以及

-设置在其内表面上的螺旋引导机构117。

所述偏转套筒107包括：

-第一侧部，该第一例部包括接合到第二致动套筒114中的所述引导机构117中的螺旋凸轮从动件119；

-第二侧部，该第二侧部包括线性凸轮120，该线性凸轮120与设置在取向套筒106的所述第二套筒部分106b中的线性引导机构118接合。

偏转套筒107通过轴承组(包括球形座121a和滚球轴承121b)连接到心轴102。球形座121a布置在所述偏转套筒107和滚球轴承121b之间，滚球轴承121b自身围绕所述心轴102布置。偏转套筒107的内表面和滚球轴承121b的外表面之间的间隙允许滚球轴承121b相对于偏转套筒107进行以球形座121a的轴线138为中心的转动运动。

为了使心轴轴线101′相对于壳体的轴线101偏转，将指令发送到控制电子组件125，从而致动第二齿轮致动器113以旋转第一致动套筒110(第一致动套筒的齿轮端112与相对于第一致动套筒110倾斜的第二致动套筒114的配合齿轮端116接合)。所述指令例如通过遥测发射器发送到控制电子组件。第二致动套筒114的内表面包括与偏转套筒107的螺旋凸轮从动件119接合的螺旋引导机构117。螺旋凸轮从动件119优选地布置在偏转套筒107的朝向第一致动套筒110的后侧上。偏转套筒107的朝向心轴102的前端部103的前侧包括接合在线性引导机构118内的第二凸轮从动件120，该线性引导机构118固定在取向套筒的第二套筒部分106b中。线性引导机构118被防止与第二致动套筒一起旋转，从而第二致动套筒114的旋转使得偏转套筒107沿取向套筒106的第二套筒部分106b的孔的所述第二轴线137平移。该动作使心轴102从平行于壳体136的轴线101的位置偏转到相对于壳体136的轴线101倾斜的第二位置。布置在偏转套筒107和心轴102之间的轴承组允许心轴102相对于偏转套筒107和取向套筒106进行自由转动，并且所述轴承组提供了部件之间的结构耦合。

本领域技术人员可以设想偏转组件的替代实施例，这包括偏转套筒107和用于沿所述第二轴线137推动偏转套筒107的机构的各种实施例，例如由活塞装置致动的偏转套筒或由马达提供动力的剪刀(scissors)。

为了将心轴102朝着期望的方向定向或换言之为了改变钻头的工具面，将指令(例如经由遥测发射器)发送到控制电子组件125，从而致动第一齿轮致动器108以旋转取向套筒106。控制电子设备还可以独立于地表命令地经由预编程的计算机算法来运行并提供定向的控制。

在本发明的优选实施例中，控向组件的壳体136包括用于第一马达126和第二马达127的包围件，所述第一马达126连接到第一齿轮致动器108专用于旋转所述取向套筒106，所述第二马达127连接到第二齿轮致动器113专用于旋转用于致动偏转套筒107的致动系统的第一致动套筒110。因此，在这样的实施例中，可以在围绕壳体136的轴线101旋转心轴102的同时发送用于使心轴相对于壳体136的轴线101偏转到期望的偏移位置处的指令，以将心轴朝着期望的方向定向，或者换言之，以朝着期望的角度改变心轴的工具面。这种控向组件提供了对工具面取向的更好的控制并提供了质量更好的钻孔狗腿度。

壳体136有利地被配置为在井眼中不旋转，例如通过在壳体的外表面上提供多个适于接触井眼壁的稳定器衬垫122。衬垫122可以具有凹凸不平的接触面或可由橡胶材料制成以提供与井眼壁的摩擦并防止壳体旋转。优选地，壳体136处于独立于心轴、工具面组件和偏转组件的旋转的位置，从而壳体136用作控向的参考点。本发明的控向组件允许在360°的整个范围内更容易地控制工具面。本发明的控向组件还允许改变心轴前端的偏移以生成从小狗腿度到高狗腿度的狗腿度变化。控向组件的灵活性是由于枢转稳定器以及其为心轴创建了枢转点，心轴围绕该枢转点旋转。这种灵活性允许高狗腿度。

尽管壳体被配置为在井眼中不旋转并且有利地设置有稳定器衬垫122，但是例如由于通过轴承的不期望的摩擦，可能发生壳体在井眼中意外旋转的情况。为了防止不期望的控向偏差，控向组件的壳体136优选地被配备以控制器，控制器包括加速度计或用于测量壳体136相对于其初始工具面和重力矢量的偏差的其他测量设备。控制器优选地包含在控制电子组件125中，并且被配置成用于测量壳体角度位置的偏差、用于计算为了根据期望的方向对钻头进行控向而要应用于偏转组件和工具面组件的校正、以及将这些校正应用于偏转组件和工具面组件。

根据本发明第二实施例的控向组件100包括具有纵向轴线101的壳体136以及心轴102，心轴102包括前部连接端103和后部连接端104，心轴102穿过所述壳体136并布置在与所述纵向轴线101同轴的第一位置中，偏转器装置用于向壳体136中的所述心轴102施加侧向力，从而使所述心轴102的所述前部连接端103从所述纵向轴线101偏移，其特征在于，控向组件还包括连接到心轴的后端104的枢转稳定器131。枢转稳定器接头131为控向组件提供了更大的灵活性。偏转器装置可以是本领域已知的任何偏转器装置，例如用于推动心轴102从壳体136的纵向轴线101偏移的一组活塞或衬垫，或者偏转器装置可以是如上文公开的偏转组件。一旦在心轴102上施加侧向力，心轴102围绕枢转稳定器的枢转点旋转并且防止心轴弯曲。也由于该特征，可以以更高的狗腿度对井眼进行钻进。

优选地，所述枢转稳定器布置在壳体136的外部。控向组件更易于构建，在壳体中包括更少的部件，并且有利于枢转稳定器接头的移除以进行维护。

在本发明的第二实施例的另一配置中，心轴102的前端103连接到枢转接头135，该枢转接头连接到近钻头稳定器接头133，该近钻头稳定器接头连接到钻头200。

优选地，所述壳体136被配置为在井眼内不旋转并且用作对钻头进行控向的参考点。

优选地，控向组件包括：

-偏转组件，用于向所述心轴102施加到壳体136中的侧向力，从而使所述心轴102的所述前部连接端103从所述纵向轴线101偏移，以及

-工具面组件，用于将所述心轴102的所述前部连接端103朝着期望的方向旋转；

所述心轴102可相对于所述壳体、所述偏转组件和所述工具面组件旋转。

优选地，控向组件包括控制装置，该控制装置被配置用于测量壳体在井眼中的任何不期望的旋转、用于计算将钻头控向到期望的方向中而要应用的校正、以及将这些校正应用到所述偏转组件和工具面组件。

优选地，工具面组件和偏转组件可以包括上文针对根据本发明的第一实施例所述的控向组件列出的任何一个特征。

优选地，控向组件的第二实施例包括本发明第一实施例的任何一个特征。

根据第二方面，本发明涉及一种通过在钻柱中提供根据前述实施例中任一个所述的控向组件100来定向地钻进井眼的方法，并且其中，通过操作所述偏转组件来改变钻进的方向。

优选地，还通过操作所述工具面组件来改变钻进的方向。

更优选地，通过同时操作偏转组件和工具面组件来改变钻进的方向。

在本发明的方法的实施例中，控向组件100被用在推顶钻头(push the bit)配置中，其中，心轴102的所述前端103连接到钻头200。

在本发明的替代性实施例中，控向组件100用于指向钻头配置中，其中心轴102的所述前端103连接到枢转接头135，枢转接头135连接到具有远离枢转接头135的枢转点139的叶片134的近钻头稳定器133，近钻头稳定器133连接到钻头200。

此外，可以通过使用推顶钻头配置中的控向组件来钻出井眼的第一部分，并且可以通过使用指向钻头配置中的控向组件来钻出井眼的第二部分，反之亦然。

使用偏转组件和工具面套筒的控向组件

在另一实施方式中，控向组件可以被用在钻柱中以在定向井眼中对钻头进行控向，其中控向组件可以包含偏转组件和工具面套筒。类似于控向组件100的部件，所述偏转组件可以用于将心轴相对于控向组件的轴线的偏转到所期望的偏移位置处，并且工具面套筒可以用于将心轴朝着所期望的方向定向(即，改变心轴的工具面角度)，如下文进一步描述的那样。

例如，图6示出了根据本文描述的各种技术的实施方式的控向组件600的一部分的截面图。如图所示，控向组件600可以包含壳体605和心轴610，其中心轴610可以设置在壳体605内并且被配置为穿过壳体605。心轴610也可以相对于壳体605旋转。此外，壳体605可以具有类似于上述纵向轴线101的纵向轴线(未示出)，并且心轴610可以具有类似于上述心轴轴线101′的心轴轴线611。在一种实施方式中，壳体605可以被配置为在井眼内不旋转，类似于上述壳体136。在一种这样的实施方式中，一个或多个衬垫606(类似于衬垫122)可以用于防止这种旋转并使该壳体605在钻孔中居中。

心轴610可以在如下方面类似于上述心轴102，即其可以具有被配置为耦合到钻头(未示出)的前部连接端，并且其可以具有被配置为耦合到钻柱(未示出)的后部连接端。前部连接端可以相对于后部连接端定位在井下更远处。

还如图所示，控向组件600可以包含偏转组件620和工具面套筒650。如上所述，偏转组件620可以被配置为将心轴610相对于壳体605的纵向轴线偏转到期望的偏移位置处。此外，工具面套筒650可以被配置为将心轴610朝着期望的方向定向(即，改变心轴610的工具面角度)。

图6中所示的控向组件600的部分可以类似于图2b中所示的并如上所述的控向组件100的第二部分。尤其是，虽然未在图6中示出，但心轴610的后部连接端可以类似地耦接到枢转稳定器接头，和/或心轴610的前部连接端可以类似地耦接到枢转接头、近钻头稳定器、叶片和/或钻头。此外，虽然未在图6中示出，但心轴610可以类似地经由球形座和轴承耦合到壳体605。附加地，虽然未在图6中示出，但控向组件600可以类似地包含隔室、包围件、电池和控制电子组件(其被配置为与地表通信并操作下文描述的一个或多个马达)。这些隔室、包围件、电池和控制电子组件可以被设置在壳体605内部的相对于图6所示的控向组件600的部分在井道中更靠上的位置。

类似于控向组件100，控向组件600可以包含控制器和/或计算系统，所述控制器和/或计算系统被配置为测量壳体角度位置的偏差，计算为了根据期望的方向对钻头进行控向而要应用于偏转组件和工具面套筒的校正、并将这些修正应用于偏转组件和工具面套筒。本领域技术人员已知的任何传感器可用于对钻头进行控向和/或测量这种偏差。

如图6所示，工具面套筒650可以耦接到壳体605的内表面并且被配置为围绕心轴610布置。在一种实施方式中，工具面套筒650可以靠近心轴610的前部连接端(未示出)定位。工具面套筒650的孔可以具有轴线651，该轴线在下文中可以被称为偏转轴线，其相对于壳体605的纵向轴线倾斜。偏转轴线651在功能和位置上可以类似于上文关于图2b-5描述的第二轴线137。如后文进一步描述的，工具面套筒650的内表面可以耦接到偏转套筒632的外表面。

此外，如后文进一步描述的，工具面套筒650可以旋转，这可以将心轴610朝着期望的方向定向(即，改变心轴610的工具面角度)。用于操作工具面套筒650的其他构件可能未在图6中示出，但后文有所讨论。

还如图6所示，偏转组件620可以包含偏转马达622、偏转齿轮626、环形齿轮628、导螺杆630、偏转套筒632和轴承托架640。偏转组件620可以包含其他构件，如后文进一步描述的。偏转套筒632可以被配置为至少部分地设置在壳体605内，并且还可以被配置为围绕心轴610布置。尤其是，偏转套筒632的孔可以与壳体605的纵向轴线同轴。如下文所解释的，偏转组件620的部件可以用于沿着壳体605的纵向轴线平移偏转套筒632。

如图所示，偏转套筒632的在井道中靠下的部分可以耦接到轴承托架640。可以使用本领域技术人员已知的任何实施方式将偏转套筒632耦接到轴承托架640。例如，托架640的外表面可以耦接到偏转套筒632的一个或多个节段，其中这些节段具有比偏转套筒632的其余部分更窄的外径。

轴承托架640可以设置在工具面套筒650的倾斜孔内，并且也可以被配置为围绕心轴610布置。托架640可以与偏转轴线651同轴，使得托架640可以被配置为在工具面套筒650内沿其偏转轴线651移动。

在一些实施方式中，轴承托架640在设计和构造上可以类似于上文讨论的由偏转套筒107、球形座121a和滚球轴承121b代表的组件。尤其是，托架640的球形座641和滚球轴承可以被配置为允许心轴610在托架640内自由旋转。

因此，当轴承托架640沿着工具面套筒650的偏转轴线651平移时，心轴610可以被托架640偏转。如下文进一步描述的，偏转组件620的部件可以用于沿壳体605的纵向轴线平移偏转套筒632，这又会导致托架640的平移和心轴610的偏转。

偏转组件

下文进一步描述将心轴610相对于壳体605的纵向轴线偏转到期望或预定的偏移位置处的实施方式。图7示出了根据本文描述的各种技术的实施方式的控向组件600的横截面放大图。尤其是，图7进一步示出了偏转组件620的部件。

如图所示，偏转马达622可以被包含在壳体605内，例如沿着壳体605的内表面在一个或多个包围件或隔室中。在一种实施方式中，偏转马达622可以靠近控向组件600的控制电子组件定位，以便于马达622和控制电子组件之间的通信。

轴623可以向井下延伸到偏转齿轮626，其中，轴623可以用于操作偏转齿轮626。偏转齿轮626可以是本领域已知的任何齿轮，包括小齿轮(pinion gear)。在一种实施方式中，马达622可以驱动和/或旋转所述轴623，以驱动和/或旋转所述偏转齿轮626。在一种实施方式中，当马达622运行时，轴623和偏转齿轮626都可以围绕平行于壳体605的纵向轴线(未图示)的轴线旋转。

偏转齿轮626的外表面可以被配置为与环形齿轮628的外径接合。环形齿轮628可以使用耦接到壳体605的内表面的一个或多个轴承627保持就位。尤其是，使用轴承627，环形齿轮628可以被配置为在避免沿着壳体605的纵向轴线(未图示)的任何平移移动的同时围绕壳体605的纵向轴线(未图示)旋转。此外，可以以这样的方式啮合环形齿轮628的外径，使得环形齿轮628被配置为随着偏转齿轮626旋转而旋转。在一种实施方式中，环形齿轮628的内径可以带有螺纹，其中可以使用本领域技术人员已知的任何螺纹。在另一实施方式中，环形齿轮628的内径可以在旋转方面耦接到套筒(未示出)，其中，所述套筒可以具有带螺纹的内径。

在一种实施方式中，导螺杆630可以被放置在环形齿轮628的内径上，使得导螺杆630的外径被配置为与环形齿轮628的螺纹内径可螺纹地接合。在另一实施方式中，导螺杆630可以被放置在一个套筒的内径上，该套筒在旋转方面耦接到环形齿轮628的内径，使得导螺杆630的外径被配置为与套筒的带有螺纹的内径可螺纹地接合。此外，导螺杆630可以键合(未示出)到外壳体605，从而防止旋转，但允许线性平移。在一种实施方式中，导螺杆630的外径可以以与环形齿轮628的内径类似的方式带有螺纹。

这样，当环形齿轮628旋转时，与导螺杆630的螺纹接合，与由所述键施加的导螺杆630和外壳体605之间的旋转约束一起，导致导螺杆630沿壳体605的纵向轴线平移。此外，导螺杆630可以基于环形齿轮628的特定旋转方向在壳体605内在特定方向上平移。

附加地，如图7所示，导螺杆630可被配置为围绕偏转套筒632和心轴610布置。在一种实施方式中，当导螺杆630沿着纵向轴线平移时，偏转套筒632可以被配置为在相同方向上平移。如图所示，导螺杆630可以围绕偏转套筒632设置在从偏转套筒632的外表面突出的一对邻接部631之间。另外，一对轴承633可以定位在邻接部631和导螺杆630的各端部之间。邻接部631可以代表卡环、从偏转套筒632的外表面延伸的肩部、或本领域技术人员已知的任何其他实施方式。轴承633可以是本领域技术人员已知的任何轴承。

因此，当导螺杆630由于环形齿轮628的旋转而沿着纵向轴线平移时，导螺杆630的端部可以与偏转套筒632的邻接部和/或轴承633接触。因此，导螺杆630的平移可以导致偏转套筒632与导螺杆630一起移动。在一种实施方式中，偏转套筒632的平移可以被限制为壳体605内的在环形齿轮634的在井道中靠下的端部和工具面套筒650的在井道中靠上的端部之间的横向距离，其中套筒632的邻接部631可以接触环形齿轮634或接触工具面套筒650的在井道中靠上的端部。与工具面套筒650相比，环形齿轮634可以定位在井道中靠上更远处。环形齿轮634在后文部分中进一步详细描述。

在进一步的实施方式中，导螺杆630和偏转套筒632可以彼此独立地旋转。尤其是，由于导螺杆630的内径和偏转套筒632的外径之间的间隙，以及轴承633的存在，导螺杆630可以围绕偏转套筒632自由旋转，并且偏转套筒632可以类似地在导螺杆630内自由旋转。因此，可以说导螺杆630和偏转套筒632可以彼此轴向地耦接，但不是在旋转方面耦接的。

此外，如上所述，偏转套筒632的一部分可以耦合到轴承托架640。因此，导螺杆630的平移移动可导致偏转套筒632在相同的方向上推动轴承托架640。然而，由于工具面套筒650的孔的倾斜特性，轴承托架640可以沿着套筒650的偏转轴线651移动。在一种实施方式中，当轴承托架640沿着偏转轴线651在朝井下的方向上移动时，轴承托架640可以向心轴610施加侧向力，从而使心轴610的轴线611相对于壳体605的纵向轴线偏转。因此，偏转组件620及其部件(例如，环形齿轮628、导螺杆630和偏转套筒632)可用于将心轴610相对于壳体605的纵向轴线偏转到期望的偏移位置处。

在一个示例操作中，控向组件600的构件最初可以定位为如图6-7所示。尤其是，导螺杆630可以处于第一位置，使得偏转套筒632的在井道中最靠上的邻接部631可以靠近环形齿轮634定位。因此，偏转套筒632可能没有将轴承托架640推远进入工具面套筒650的倾斜孔中。在这种情况下，轴承托架640可能对心轴610施加很少的侧向力或没有施加侧向力，导致心轴610的轴线611相对于壳体605的纵向轴线偏转很少或没有偏转。对于这种情况，心轴610可以相对于纵向轴线处于零偏移位置。

然而，马达622可随后驱动轴623以旋转偏转齿轮626，从而引起环形齿轮628的旋转。当环形齿轮628旋转时，与导螺杆630的螺纹接合可导致导螺杆630的围绕壳体605的纵向轴线(未图示)的旋转。导螺杆630可以旋转，直到其到达如图8和9所示的位置为止。图8示出了根据本文描述的各种技术的实施方式的控向组件600的横截面放大图，并且图9示出了根据本文描述的各种技术的实施方式的控向组件600的一部分的截面图。

如图所示，导螺杆630与其初始位置相比可以已经在更向井下的方向上进行了平移。因此，偏转套筒632也可以类似地与导螺杆630一起朝井下更远地平移到了新的位置。此外，，偏转套筒632随着套筒632移动到该新位置可以已经推动了轴承托架640。如图所示，轴承托架640可以已经沿套筒650的偏转轴线651进一步朝井下移动，从而轴承托架640可以已经向心轴610施加了侧向力。由于所施加的侧向力，心轴610的轴线611已经偏转到相对于壳体605的纵向轴线的偏移位置，如图9所示。通过使用偏转组件620来偏转所述心轴610，控向组件600可以用于在钻进井眼期间实现更高的狗腿度。在一些实施方式中，控制器或计算系统可以用于以特定方式操作偏转马达622，使得将心轴610偏转至相对于壳体605的纵向轴线的指定或预定的偏移位置。

在一种实施方式中，可以从比参考点690更靠井上的位置开始沿所述工具将控向组件600密封。这种密封可以允许偏转组件620的一部分(包括偏转马达622、偏转齿轮626、环形齿轮628、导螺杆630、偏转套筒632的至少一部分以及它们相关联的部件)在密封的、充满液压油的容积中运行。

工具面套筒

下文进一步描述关于使用工具面套筒650将心轴610朝着期望的方向定向(即，改变心轴610的工具面角度)的实施方式。例如，图10示出了根据本文描述的各种技术的实施方式的控向组件600的截面图。尤其是，图10示出了工具面套筒650和其它相关联的部件。此外，图10示出了工具面马达682、轴683、工具面齿轮686、环形齿轮634、导螺杆630、偏转套筒632、轴承托架640、工具面套筒650和轴承691。

应该注意的是，图10示出了与图6-9中所示不同的工具横截面。尤其是，如图11所示，线1101可以将组件600分成两部分，使得示出组件600穿过马达622的横截面。这在图6-9中表示。进一步地，线1102可以将组件600分成两部分，使得示出组件600穿过马达682的横截面。这在图10和12中表示。图11示出了根据本文描述的各种技术的实施方式的控向组件600的前截面图。

如图10所示，工具面马达682可以被包含在壳体605内，例如沿着壳体605的内表面的一个或多个包围件或隔室中。在一种实施方式中，工具面马达682可以靠近控向组件600的控制电子组件定位，以便于马达682和控制电子组件之间的通信。

轴683可以向井下延伸到工具面齿轮686，其中轴683可以用于操作工具面齿轮686。工具面齿轮686可以是本领域已知的任何齿轮，包括小齿轮。在一种实施方式中，马达682可以驱动和/或旋转所述轴683，以驱动和/或旋转所述工具面齿轮686。在一种实施方式中，当马达682运行时，轴683和工具面齿轮686可以围绕平行于壳体605的纵向轴线(未图示)的轴线旋转。

工具面齿轮686的外表面可被配置为与环形齿轮634的外径接合。环形齿轮634可以使用一个或多个轴承保持就位。尤其是，使用轴承，环形齿轮634可以被配置为在避免沿纵向轴线的任何平移移动的同时围绕壳体605的纵向轴线(未图示)旋转。此外，环形齿轮634的外径可以以如下方式被啮合，即外径被配置为随着工具面齿轮686旋转而旋转。此外，环形齿轮634的内径可以键合(未示出)到偏转套筒632。因此，当环形齿轮634旋转时，偏转套筒632也可以被配置为在避免沿纵向轴线的任何平移移动的同时进行旋转。

此外，偏转套筒632可以被配置为使用本领域技术人员已知的任何实施方式在旋转方面耦接到工具面套筒650。因此，当偏转套筒632围绕纵向轴线在特定方向上旋转时，工具面套筒650可以被配置为在相同方向上旋转。如图10所示，工具面套筒650的内表面可以在壳体605内在旋转方面耦接到偏转套筒632的外表面。在一种实施方式中，工具面套筒650的内表面可以键合到偏转套筒632的外表面，使得工具面套筒650与偏转套筒632一起旋转。另外，本领域技术人员已知的一个或多个轴承691，例如推力轴承，可以布置在壳体605的内表面和工具面套筒650之间。

在一种实施方式中，工具面套筒650可以类似于取向套筒106的第二套筒部分106b，如上文关于图2a-4所述的。尤其是，工具面套筒650的外表面可以与壳体605的纵向轴线圆柱形地同轴。工具面套筒650还可以具有被配置为防止井眼的碎屑进入壳体605内的外径。例如，工具面套筒650的外径可以大于或等于壳体605的端部的外径。在另一个示例中，工具面套筒650的外径可以基本上等于或大于壳体605的端部的内径。此外，由于工具面套筒650的孔的倾斜，工具面套筒650的外径可以大于偏转套筒632的外径。

在另一实施方式中，工具面套筒650可以被部分地包含在壳体605中，并且偏转套筒632布置在壳体605的内部并且工具面套筒650布置在壳体605的外部。在进一步的实施方式中，工具面套筒650可以是相对于壳体605可旋转的。

为了改变心轴610的期望方向(即，改变心轴610的工具面角度)，可以使用工具面马达682、轴683、工具面齿轮686、环形齿轮634、偏转套筒632、轴承托架640以及工具面套筒650。尤其是，如上所述，工具面马达682可用于旋转偏转套筒632。此外，当偏转套筒632围绕纵向轴线在特定方向上旋转时，则工具面套筒650可被配置为在相同方向上旋转。当工具面套筒650旋转时，工具面套筒650的偏转轴线651可以相对于壳体650的纵向轴线旋转。轴承托架640(其可以与偏转轴线651同轴)也可以随着工具面套筒650的旋转而旋转。因此，轴承托架640和偏转轴线651相对于纵向轴线的角度也可以改变，这可以改变心轴610相对于纵向轴线可能被偏转的方向。

因此，心轴610的方向可以随着工具面套筒650旋转而改变。因此，工具面马达682、偏转套筒632、工具面套筒650和它们相关联的部件可用于改变心轴610的方向(即，改变心轴610的工具面角度)。在一种实施方式中，当改变心轴610的工具面角度时，偏转套筒632可以承受相对于控向组件600的其他构件的大部分扭转负载。

在一个示例操作中，控向组件600的部件最初可能如图10所示的定位。马达682可以驱动轴683以旋转工具面齿轮686，从而导致环形齿轮634的旋转。当环形齿轮634旋转时，偏转套筒632可以以类似的方式旋转。同样，偏转套筒632的旋转可导致所耦接的工具面套筒650的旋转，从而使套筒650的偏转轴线651相对于纵向轴线旋转。例如，工具面套筒650及其偏转轴线651可以旋转180度，如图12所示。图12示出了根据本文描述的各种技术的实施方式的控向组件600的截面图。在这样的示例中，在偏转的心轴610已经旋转了180度的情况下，心轴的工具面角度也可以已经改变了180度。

如上所述，导螺杆630和偏转套筒632可以彼此独立地旋转。尤其是，由于导螺杆630的内径和偏转套筒632的外径之间的间隙，并由于轴承633，导螺杆630可以围绕偏转套筒632自由旋转，并且偏转套筒632类似地可以在导螺杆630内自由旋转。因此，为了改变心轴610的工具面角度而旋转工具面套筒650和偏转套筒632可以对导螺杆630的旋转没有影响，这是因为导螺杆630可以独立于工具面套筒650和偏转套筒632旋转。因此，改变心轴610的工具面角度可以对导螺杆630、偏转套筒632或轴承托架640的平移没有影响，这意味着心轴610的偏转不受影响。

在一些实施方式中，控制器或计算系统可用于以特定方式操作工具面套筒650和相关联的部件(例如，马达682、偏转套筒632等)，使得心轴610被定向到指定或预定的方向(即，指定或预定的工具面角度)。此外，如上所述，可以从参考点690在井道中靠上的位置开始密封控向组件600。这种密封可以允许偏转套筒632和工具面套筒650的耦接被定位在密封的、充满液压油的容积内。

本文公开了关于在钻柱中使用的用于在定向的井眼中对钻头进行控向的控向组件的实施方式。尤其是，控向组件可以包含用于将心轴相对于控向组件的轴线偏转在期望的偏移位置处的偏转组件，并且可以包含用于将心轴朝着期望的方向定向(即，改变心轴的工具面角度)的工具面套筒。

在一种实施方式中，导螺杆和偏转套筒可以彼此独立地旋转。尤其是，导螺杆可以围绕偏转套筒自由旋转，并且偏转套筒可以类似地在导螺杆内自由旋转。因此，可以说导螺杆和偏转套筒可以轴向地彼此耦接，但不能在旋转方面耦接。

因此，为了改变心轴的工具面角度而旋转工具面套筒和偏转套筒可以对导螺杆的旋转没有影响，这是因为导螺杆可以独立于工具面套筒和偏转套筒旋转。因此，改变心轴的工具面角度可以对导螺杆、偏转套筒或轴承托架的平移没有影响，这意味着心轴的偏转不受影响。由此得出，与其他组件(其中改变工具面角度可能影响心轴的偏转)相比，本文描述的控向组件的实施方式会消耗更少的功率。对于那些其他组件，工具面和偏转机构都将需要操作，以避免心轴偏转的改变。这对于那些工具面角度经常改变、而偏转可能保持较长时间的其他组件来说尤其是个问题。

此外，如上所述，本文所述的控向组件的许多构件可以设置在密封的、充满液压油的容积内。其他组件可能会将此类构件定位在可能不如液压油干净的泥(mud)中。通过使用液压油而非泥，本文所述的实施方式可以允许改善的可靠性、改善的使用寿命、更精细的螺距导螺杆、更精细的心轴偏转定位、电动马达上的更小应力以及对反向驱动马达和齿轮装置来说更好的阻力。

计算系统

图13示出了硬件配置1300的框图，其中可以并入和实施本文描述的一种或多种技术。硬件配置1300可以用于实现上文讨论的计算系统和/或控制器。硬件配置1300可以包含处理器1310、存储器1320、存储装置1330和输入/输出装置1340。每个部件1310、1320、1330和1340可以例如使用系统总线1350互连。处理器1310能够处理用于在硬件配置1300内执行的指令。在一种实施方式中，处理器1310可以是单线程处理器。在另一实施方式中，处理器1310可以是多线程处理器。处理器1310能够处理存储在存储器1320中或存储在存储装置1330上的指令。

存储器1320可以在硬件配置1300内存储信息。在一种实施方式中，存储器1320可以是计算机可读介质。在一种实施方式中，存储器1320可以是易失性存储器单元。在另一实施方式中，存储器1320可以是非易失性存储器单元。

在一些实施方式中，存储装置1330能够为硬件配置1300提供大容量存储。在一种实施方式中，存储装置1330可以是计算机可读介质。在各种不同的实施方式中，存储装置1330可以例如包含硬盘装置/驱动器、光盘装置、闪存器或一些其他的大容量存储装置。在其他的实施方式中，存储装置1330可以是硬件配置1300外部的装置。下文进一步讨论存储器1320和/或存储装置1330的各种实施方式。

输入/输出装置1340可以为硬件配置1300提供输入/输出操作。在一种实施方式中，输入/输出装置1340可以包含一个或多个显示系统接口、传感器和/或数据传输端口。

本公开的主题、和/或其部件，可以通过指令来实现，所述指令在执行时使一个或多个处理装置实行上述的过程和功能。例如，这样的指令可以包括解释性指令(例如脚本指令，例如JavaScript或ECMAScript指令)或可执行代码或存储在计算机可读介质中的其他指令。

本说明书中描述的主题和功能操作的实施方式可以在数字电子电路或计算机软件、固件或硬件(包含本说明书中公开的结构及他们的结构等同物)或其中一个或多个的组合中提供。本说明书中描述的主题的实施例可以被实施为一个或多个计算机程序产品，即，编码在有形程序载体上的一个或多个计算机程序指令模块，用于由数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作。

计算机程序(也称为程序、软件、软件应用程序、脚本或代码)可以用任何形式的编程语言(包含编译或解释语言，或声明性或过程性语言)编写，并且可以以任何形式(包含作为独立程序或作为模块、构件、子程序或其他适合在计算环境中使用的单元)部署。计算机程序不一定对应于文件系统中的文件。程序可以存储在包含其他程序或数据(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)的文件的一部分中、专用于相关程序的单个文件中或多个协调文件(例如、存储一个或多个模块、子程序或部分代码的文件)中。计算机程序可以部署为在一台计算机上或在位于一个站点或分布的多个站点并通过通信网络互连的多台计算机上执行。

本说明书中描述的过程和逻辑流程可由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器实行，以通过对输入数据进行操作并生成输出来实行功能，从而将该过程与特定机器(例如，被编程为实行本文描述的过程的机器)相关联。过程和逻辑流程也可以由专用逻辑电路(例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路))来实行，并且设备也可以被实施为专用逻辑电路(例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路))。

适用于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质(例如，存储器1320和/或存储装置1330)可以包含所有形式的非易失性存储器、介质和存储装置，例如包含任何半导体存储装置(例如，EPROM、EEPROM、固态存储装置和闪存装置)；任何磁盘(例如，内部硬盘或可移动磁盘)；任何磁光盘；以及任何CD-ROM和DVD-ROM磁盘。处理器和存储器可由专用逻辑电路补充或合并到专用逻辑电路中。

上文的讨论针对某些特定的实施方式。应当理解，以上讨论仅是为了使本领域普通技术人员能够制作和使用现在或以后由本文任何已发布专利中的专利“权利要求”定义的任何主题。

具体而言，要求保护的发明不限于本文包含的实施方式和图示，而是包含那些实施方式(包含实施方式的部分和不同实施方式的元件的组合)的修改形式，只要落入所附权利要求的范围即可。应当理解，在任何此类实际的开发中，如在任何工程或设计项目中，可能会做出许多实施方式特定的决定来实现开发人员的特定目标，例如遵守系统相关和业务相关的约束，这可以因实施方式而异。此外，应当理解，这样的开发工作可能是复杂和耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员而言，其仍将是设计、生产和制造的例行事务。除非明确指出是“关键的”或“必不可少的”，否则本申请中的任何内容均不被视为对要求保护的发明是关键的或必不可少的。

在以上详细描述中，阐述了许多具体细节以提供对本公开的透彻理解。然而，对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开。在其他情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程、构件、电路和网络，以免不必要地混淆实施例的各方面。

还应当理解的是，尽管本文可以使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件进行区分。例如，在不背离本发明的范围的情况下，第一主题或步骤可以被称为第二主题或步骤，并且类似地，第二主题或步骤可以被称为第一主题或步骤。第一主题或步骤以及第二主题或步骤分别都是主题或步骤，但不应将它们视为同一主题或步骤。

在此对本公开的说明书中使用的术语仅用于描述特定实施方式，并不旨在限制本公开。如在本公开的说明书和所附权利要求中使用的单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包含复数形式，除非上下文另有明确指示。还应理解的是，本文所用的术语“和/或”是指并涵盖一个或多个相关联所列项目的任何和所有可能的组合。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包含”、“其包含”、“包括”和/或“其包括”指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或构件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、构件和/或其组合。

如本文所用，根据上下文，术语“如果”可被解释为意指“当”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，根据上下文，短语“如果确定”或“如果检测到[陈述的条件或事件]”可以解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[陈述的条件或事件]”或“响应于检测到[所述的条件或事件]”。如本文所用，术语“上”和“下”、“上部”和“下部”、“向上地”和“向下地”、“下方/之下”和“上方/之上”，以及指示给定点或元件上方或下方的相对位置的其他类似术语可以与本文描述的各种技术的一些实施方式结合使用。

虽然前面针对本文描述的各种技术的实施方式，但是在不脱离其基本范围的情况下可以设计其他和进一步的实施方式。尽管已经以特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了主题，但是应当理解，所附权利要求中定义的主题不限于上述特定特征或动作。相反，上述特定特征和动作被公开作为实施权利要求的示例形式。

Claims (19)

1.一种控向组件，包括：

具有纵向轴线的壳体，其中，所述壳体被包括在用于井眼的钻柱中；

心轴，所述心轴被配置为穿过所述壳体；

偏转组件，所述偏转组件被配置为相对于所述纵向轴线偏转所述心轴，其中，所述偏转组件包括：

偏转套筒，所述偏转套筒被配置为基于所述偏转套筒在所述壳体内沿所述纵向轴线的位置偏转所述心轴；以及

环形齿轮，所述环形齿轮被配置为将所述偏转套筒沿所述纵向轴线平移到所述位置；和

工具面套筒，所述工具面套筒耦接到所述偏转套筒并被配置为围绕所述心轴布置，其中，所述工具面套筒包括倾斜孔，所述倾斜孔具有设置在其中的轴承托架，并且其中，所述轴承托架被配置为在所述工具面套筒内轴向地移动并且基于所述轴承托架在所述倾斜孔内的轴向位置而使所述心轴相对于纵向轴线偏转。

2.根据权利要求1所述的控向组件，其中，所述偏转组件还包括：

偏转马达，所述偏转马达被配置为驱动偏转齿轮，其中，所述偏转齿轮被配置为与所述环形齿轮的外表面接合，并且其中，所述外表面被啮合。

3.根据权利要求1所述的控向组件，其中，所述环形齿轮被配置为围绕所述偏转套筒和所述心轴旋转，以平移所述偏转套筒。

4.根据权利要求1所述的控向组件，其中，所述偏转组件还包括：

导螺杆，所述导螺杆具有能螺纹地耦接到所述环形齿轮的内径的外径，其中，所述环形齿轮被配置为随着所述环形齿轮围绕所述偏转套筒旋转而沿所述纵向轴线平移所述导螺杆。

5.根据权利要求4所述的控向组件，其中，所述导螺杆和所述环形齿轮设置在所述壳体的密封部分内的液压油的体积内。

6.根据权利要求4所述的控向组件，其中，所述导螺杆被配置为当所述导螺杆沿所述纵向轴线平移时围绕所述偏转套筒旋转。

7.根据权利要求6所述的控向组件，其中，所述导螺杆被配置为随着所述导螺杆沿所述纵向轴线平移而沿所述纵向轴线移动所述偏转套筒。

8.根据权利要求1所述的控向组件，其中，所述偏转套筒耦接到所述轴承托架，并且其中，所述偏转套筒被配置为当所述偏转套筒沿所述纵向轴线平移时使所述轴承托架在所述倾斜孔内的位置改变。

9.根据权利要求1所述的控向组件，其中，所述工具面套筒和所述偏转套筒被配置为，当所述工具面套筒和所述偏转套筒围绕所述纵向轴线旋转时改变所述心轴的工具面角度。

10.根据权利要求6所述的控向组件，其中，所述偏转套筒被配置为独立于围绕所述偏转套筒旋转的所述导螺杆地围绕所述纵向轴线旋转。

11.一种控向组件，包括：

具有纵向轴线的壳体，其中，所述壳体被包括在用于井眼的钻柱中；

心轴，所述心轴被配置为穿过所述壳体；

偏转组件，所述偏转组件被配置为相对于所述纵向轴线偏转所述心轴，其中，所述偏转组件包括：

偏转套筒，所述偏转套筒被配置为基于所述偏转套筒在所述壳体内沿所述纵向轴线的位置偏转所述心轴；以及

导螺杆，所述导螺杆被配置为将所述偏转套筒沿所述纵向轴线平移到所述位置；以及

工具面套筒，所述工具面套筒耦接到所述偏转套筒并被配置为围绕所述心轴布置，其中，所述工具面套筒包括倾斜孔，所述倾斜孔具有设置在其中的轴承托架，并且其中，所述轴承托架被配置为在所述工具面套筒内轴向地移动并且基于所述轴承托架在所述倾斜孔内的轴向位置而使所述心轴相对于纵向轴线偏转。

12.根据权利要求11所述的控向组件，其中，所述偏转组件还包括：

由偏转马达驱动的环形齿轮，其中，所述环形齿轮被配置为围绕所述偏转套筒和所述心轴旋转，以平移所述偏转套筒。

13.根据权利要求12所述的控向组件，其中，所述导螺杆和所述环形齿轮设置在所述壳体的密封部分内的液压油的体积内。

14.根据权利要求12所述的控向组件，其中，所述导螺杆具有能螺纹地耦接到所述环形齿轮的内径的外径，其中，所述环形齿轮被配置为随着所述环形齿轮围绕所述偏转套筒旋转而沿所述纵向轴线平移所述导螺杆。

15.根据权利要求12所述的控向组件，其中，所述导螺杆被配置为当所述导螺杆沿所述纵向轴线平移时围绕所述偏转套筒旋转。

16.根据权利要求12所述的控向组件，其中，所述偏转套筒被配置为独立于围绕所述偏转套筒旋转的所述导螺杆地围绕所述纵向轴线旋转。

17.一种用于钻柱的控向方法，包括：

在所述钻柱中提供控向组件，其中，所述控向组件包括：

具有纵向轴线的壳体，其中，所述壳体被包括在用于井眼的钻柱中；

心轴，所述心轴被配置为穿过所述壳体；

偏转组件，所述偏转组件被配置为相对于纵向轴线偏转所述心轴，其中，所述偏转组件包括：

偏转套筒，所述偏转套筒被配置为基于所述偏转套筒在所述壳体内沿所述纵向轴线的位置偏转所述心轴；以及

环形齿轮，所述环形齿轮被配置为将所述偏转套筒沿所述纵向轴线平移到所述位置；以及

工具面套筒，所述工具面套筒耦接到所述偏转套筒并被配置为围绕所述心轴布置，其中，所述工具面套筒包括倾斜孔，所述倾斜孔具有设置在其中的轴承托架，并且其中，所述轴承托架被配置为在所述工具面套筒内轴向地移动并且基于所述轴承托架在所述倾斜孔内的轴向位置而使所述心轴相对于纵向轴线偏转；

操作所述偏转组件，以相对于所述纵向轴线偏转所述心轴。

18.根据权利要求17所述的控向方法，其中，所述偏转组件还包括：

导螺杆，所述导螺杆具有能螺纹地耦接到所述环形齿轮的内径的外径，其中，所述环形齿轮被配置为随着所述环形齿轮围绕所述偏转套筒旋转而沿所述纵向轴线平移所述导螺杆。

19.根据权利要求18所述的控向方法，其中，所述偏转套筒被配置为独立于围绕所述偏转套筒旋转的所述导螺杆地围绕所述纵向轴线旋转。