CN115698460A

CN115698460A - 定向钻井系统

Info

Publication number: CN115698460A
Application number: CN202080101230.0A
Authority: CN
Inventors: J.科钱恩; R.塞德杰曼; A.迈克利兹; D.李
Original assignee: Schlumberger Technology Corp
Current assignee: Schlumberger Technology Corp
Priority date: 2020-04-06
Filing date: 2020-04-06
Publication date: 2023-02-03
Also published as: US20230175321A1; WO2021206677A1

Abstract

一种定向钻井组件包括井下柱塞和井上柱塞。井下柱塞的井下柱塞直径小于井上柱塞直径的井上柱塞直径。这可以允许井下柱塞和/或井上柱塞更靠近钻头，从而提高系统的最大DLS。

Description

定向钻井系统

相关申请的交叉引用

不适用

背景技术

井下钻井作业可以使用定向钻井来改变井眼的轨迹。定向钻井组件可以延伸柱塞以接触井孔壁。这可能会导致钻头偏离直线路线。通过定时柱塞延伸，可以控制井眼的轨迹。

发明内容

在一些实施例中，定向钻井组件包括具有第一柱塞直径的第一柱塞和位于第一柱塞的井上(uphole)的具有第二柱塞直径的第二柱塞。第一柱塞直径不同于第二柱塞直径。在一些实施例中，柱塞支撑件包括在第一柱塞和第二柱塞之间以侧向角度延伸的外表面。在一些实施例中，第一柱塞的第一柱塞面积不同于第二柱塞的第二柱塞面积。

提供本概述是为了介绍将在详细描述中进一步描述的一些概念。该概述不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。本公开的实施例的附加特征和方面将在本文中阐述，并且部分将从描述中显而易见，或者可以通过这些实施例的实践来了解。

附图说明

为了描述可以获得本公开的上述和其他特征的方式，将参考附图中示出的本公开的具体实施例进行更具体的描述。为了更好地理解，在各个附图中，相同的元件用相同的附图标记表示。虽然一些附图可能是概念的示意性或夸大的表示，但是至少一些附图可以按比例绘制。应当理解，附图描绘了一些示例性实施例，将通过使用附图以附加的特征和细节来描述和解释这些实施例，在附图中:

图1是根据本公开的至少一个实施例的示意性钻井系统的表示；

图2是根据本公开的至少一个实施例的定向钻井组件的透视图的表示；

图3是根据本公开的至少一个实施例的另一个定向钻井组件的侧视图的表示；

图4-1是根据本公开的至少一个实施例的处于缩回位置的井下钻井组件的纵向截面图的表示；

图4-2是处于伸出位置的图4-1的井下钻井组件的纵向截面图的表示；

图5是根据本公开的至少一个实施例的柱塞支撑件的表示；

图6是根据本公开的至少一个实施例的另一柱塞支撑件的表示；和

图7是根据本公开的至少一个实施例的用于制造定向钻井组件的方法的表示。

具体实施方式

本公开总体上涉及用于定向钻井组件的装置、系统和方法。在本公开的一些实施例中，定向钻井组件包括井上柱塞和井下柱塞。井上柱塞可以具有与井下柱塞不同的直径。例如，在至少一个实施例中，井下柱塞可以具有比井上柱塞更小的直径。这可以允许井下柱塞和/或井上柱塞位于更靠近钻头的位置。将井下柱塞和/或井上柱塞移近钻头可以改善定向钻井组件的最大狗腿严重度(DLS)。

图1示出了用于钻地层101以形成井眼102的钻井系统100的一个示例。钻井系统100包括钻机103，钻机103用于转动向下延伸到井眼102中的钻井工具组件104。钻具组件104可包括钻柱105、井底组件(“BHA”)106和附接到钻柱105的井下端的钻头110。

钻柱105可以包括通过工具接头109端对端连接的钻杆108的几个接头。钻柱105通过中心孔传输钻井液，并将旋转动力从钻机103传输到BHA106。在一些实施例中，钻柱105可以进一步包括附加部件，例如短接头、短节等。钻杆108提供液压通道，钻井液通过该液压通道从地面泵出。钻井液通过钻头110中选定尺寸的喷嘴、喷口或其它孔口排出，用于冷却钻头110和其上的切割结构，以及用于在钻井时将钻屑提升出井眼102。

BHA 106可以包括钻头110或其他部件。示例性BHA 106可以包括附加的或其他的部件(例如，联接在钻柱105和钻头110之间)。附加的BHA部件的示例包括钻铤、稳定器、随钻测量(MWD)工具、随钻测井(LWD)工具、井下马达、扩孔器、断面铣刀、液压分离装置、震击器、振动或阻尼工具、其他部件或前述部件的组合。BHA 106还可以包括旋转转向系统(RSS)。RSS可包括定向钻井工具，其改变钻头110方向，从而改变井眼轨迹。RSS的至少一部分可维持相对于绝对参考系(例如重力、磁北和/或真北)的地球静止位置。使用利用对地静止位置获得的测量值，RSS可以定位钻头110，改变钻头110的路线，并且在计划的轨迹上引导定向钻井工具。

通常，钻井系统100可包括其他钻井部件和附件，例如特殊阀门(例如，方钻杆旋塞、防喷器和安全阀)。包括在钻井系统100中的附加部件可以被认为是钻井工具组件104、钻柱105的一部分，或者BHA 106的一部分，这取决于它们在钻井系统100中的位置。

BHA 106中的钻头110可以是适于降解井下材料的任何类型的钻头。例如，钻头110可以是适于钻地层101的钻头。用于钻探地层的钻头的示例类型是固定切割器或刮刀钻头。在其它实施例中，钻头110可以是用于移除金属、复合材料、弹性体、其它井下材料或其组合的磨机。例如，钻头110可以与造斜器一起使用，以钻入为井眼102加衬的套管107中。钻头110也可以是用于磨掉井眼102内的工具、堵塞物、水泥、其他材料或其组合的废料磨。使用磨机形成的碎屑或其他切屑可能会被提升到地面，或者可能会落到井下。

图2是定向钻井组件213的透视图，包括钻头210和连接的RSS 211的实施例的井下端。钻头210可以包括钻头体212，多个刀片214可以从钻头体212伸出。至少一个刀片214可以具有连接到其上的多个切割元件216。在一些实施例中，至少一个切割元件可以是平面切割元件，例如剪切切割元件。在其他实施例中，至少一个切割元件可以是非平面切割元件，例如圆锥形切割元件(例如，STINGER^TM切割元件)或脊形切割元件(例如，AXE^TM切割元件)。

RSS 211可以包括一个或多个转向装置220。例如，在所示的实施例中，RSS 211包括甚至围绕RSS 211的圆周间隔开的三个转向装置220。在一些实施例中，转向装置220可包括一个或多个柱塞222、223，柱塞222、223可被致动以从钻头210和RSS 211的纵向轴线224沿径向方向移动。在其他实施例中，转向装置220可以是或包括从纵轴224沿径向方向移动的可致动表面或斜面。钻头210和RSS 211可以围绕纵向轴线224旋转，并且一个或多个转向装置220可以随着旋转以定时方式致动，以在垂直于纵向轴线224的方向上推动钻头210。

在所示的实施例中，转向装置220包括井下柱塞222和井上柱塞223。井下柱塞222可能比井上柱塞223更靠近钻头210。传统上，井下柱塞222可以与井上柱塞223具有相同的尺寸(例如，面积、直径)。在一些实施例中，井下柱塞222可以与井上柱塞223具有不同的尺寸。在至少一个实施例中，不同尺寸的柱塞222、223可以允许井下柱塞222和井上柱塞223位于更靠近钻头210的位置。更靠近钻头210的柱塞可以增加RSS 211的最大狗腿严重度(DLS)或转向能力。

在所示的实施例中，井下柱塞222小于井上柱塞223。例如，井下柱塞222具有的井下柱塞直径小于井上柱塞223的井上柱塞直径。在一些示例中，井下柱塞222具有比井上柱塞223的井上柱塞面积更小的井下柱塞面积。较小的井下柱塞222可以允许井下柱塞222移动得更靠近钻头210，从而提高RSS 211的转向能力。

在一些实施例中，转向装置220的柱塞支撑件(例如，刀片)228可以从RSS 211的壳体226突出。在一些实施例中，钻井液(例如，从钻头中的端口流出)可以经过和/或冲击柱塞支撑件228。通过改变井下柱塞222和井上柱塞223的相对尺寸，可以改变柱塞支撑件228的形状。这可以允许井下柱塞222和井上柱塞之间沿着刀片的刀片角度。刀片角度在液压上可能更有利，并且可以有助于围绕柱塞支撑件228引导流体。在一些实施例中，柱塞支撑件228可以是RSS 211的壳体226的一部分。在一些实施例中，柱塞支撑件228可以与壳体226分离并附接至壳体226(例如，焊接、用机械紧固件附接)。

图3是根据本公开的至少一个实施例的定向钻井组件313的一部分的侧视图。定向钻井组件313包括带有一个或多个转向装置320的RSS 311。所示的转向装置320包括井上转向垫323和井下转向垫322。井下转向垫322可沿着井下延伸轴线330延伸远离RSS 311的主体326(例如，进入页面)。井上转向垫323可沿着井上延伸轴线332延伸远离RSS 311的主体326(例如，进入页面)。

在一些实施例中，钻头310从井下钻头端331延伸到壳体326的井下壳体端333。钻头310可以带有螺纹或以其他方式附接到井下壳体端333。井下延伸轴线330位于远离钻头310(例如，远离钻头310到井下壳体端333的连接处)的井下柱塞距离334处，并且井上延伸轴线332位于远离钻头310(例如，远离钻头310到井下壳体端333的连接处)的井上柱塞距离336处。钻头310具有钻头长度347，该长度是从井下钻头端331到井下壳体端333的距离。

钻头310具有多个主动切割元件316。主动切割元件316可以是主动切割地层的切割元件。在一些实施例中，主动切割元件316可以至少部分地面向钻头310的旋转方向。主动切割元件316可以位于钻头310的冠部335上。冠部335具有冠部长度337，其是从井下钻头端331到最后一个主动切割元件316(例如冠部335上最井上的切割元件316)的长度。井下柱塞322位于距最后一个主动切割元件316的井下柱塞冠部长度339处，而井上柱塞位于距最后一个主动切割元件316的井上柱塞冠部长度341处。井下柱塞322还位于距井下钻头端331的井下钻头距离343处，并且井上柱塞323位于距井下钻头端331的井上钻头距离345处。

减小井下柱塞距离334和/或井上柱塞距离336可以提高RSS 311的最大DLS和/或转向功效。当井下柱塞330和/或井上柱塞332施加的力靠近钻头310时，可以提高转向功效。在至少一个实施例中，增加的DLS可导致钻到目标地层或储层的井眼更短，这可降低井眼的成本。

井下柱塞330具有井下柱塞直径338，井上柱塞332具有井上柱塞直径340。通常，井下柱塞直径338和井上柱塞直径340是相同的。根据本公开的实施例，井下柱塞直径338小于井上柱塞直径340。这可以允许井下柱塞322进一步向井下移动(例如，更靠近钻头310)。在一些实施例中，当井下柱塞322向井下移动时，井上柱塞323可以向井下移动。因此，井下柱塞距离334和井上柱塞距离336可以减小，这可以增加RSS 311的最大DLS和/或转向功效。在一些实施例中，井上柱塞直径340可以大于井下柱塞直径。

在一些实施例中，井下柱塞距离334可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括2厘米、3厘米、4厘米、5厘米、7.5厘米、10厘米、15厘米、20厘米、25厘米、30厘米、35厘米、40厘米中的任何一个，或其间的任何值。例如，井下柱塞距离334可以大于2厘米。在另一个示例中，井下柱塞距离334可以小于40厘米。在其他示例中，井下柱塞距离334可以是2厘米至40厘米范围内的任何值。在一些实施例中，井下柱塞距离334小于7.5厘米以增加最大DLS可能是关键的。

在一些实施例中，井下柱塞距离334可以是井下柱塞直径338的井下距离百分比(例如，井下柱塞距离334除以井下柱塞直径338)。在一些实施例中，井下距离百分比可以在具有上限值、下限值或上下限值的范围内，包括80％、90％、100％、105％、110％、120％、130％、140％、150％、160％中的任一个，或其间的任何值。例如，井下距离百分比可以大于80％。在另一个示例中，井下距离百分比可以小于160％。在其他示例中，井下距离百分比可以是80％和160％之间范围内的任何值。在一些实施例中，井下距离百分比小于120％以增加最大DLS可能是关键的。

在一些实施例中，井下冠部长度339可在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括2厘米、3厘米、4厘米、5厘米、7.5厘米、10厘米、15厘米、20厘米、25厘米、30厘米、35厘米、40厘米中的任一个，或其间的任何值。例如，井下冠部长度339可以大于2厘米。在另一个示例中，井下冠部长度339可以小于40厘米。在其他示例中，井下柱塞距离334可以是2厘米至40厘米范围内的任何值。在一些实施例中，井下冠部长度339小于20厘米以增加最大DLS可能是关键的。

在一些实施例中，井下柱塞322可以是来自最后一个主动切割元件316的井下冠部百分比(例如，冠部长度337除以井下柱塞冠部距离339)。在一些实施例中，井下冠部百分比可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、110％、120％、130％、140％、150％、160％、170％、180％、190％、200％、250％、300％、400％、500％中的任一个，或其间的任何值。例如，井下冠部百分比可以大于10％。在另一个示例中，井下冠部百分比可以小于500％。在其他示例中，井下冠部百分比可以是10％和500％之间范围内的任何值。在一些实施例中，井下冠部百分比大于100％以增加最大DLS可能是关键的。

在一些实施例中，井下柱塞322可以是距井下钻头端331的井下钻头长度百分比(例如，钻头长度347除以井下钻头距离343)。在一些实施例中，井下钻头长度百分比可以在具有上限值、下限值或上下限值的范围内，包括10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、75％、80％、85％、90％、95％中的任一个，或其间的任何值。例如，井下钻头长度百分比可以大于10％。在另一个示例中，井下钻头长度百分比可以小于90％。在其他示例中，井下钻头长度百分比可以是10％至95％范围内的任何值。在一些实施例中，井下钻头长度百分比大于75％以增加最大DLS可能是关键的。

在一些实施例中，井上柱塞距离336可以在具有上限值、下限值或上下限值的范围内，包括5厘米、10厘米、15厘米、20厘米、25厘米、30厘米、35厘米、40厘米、50厘米中的任何一个，或其间的任何值。例如，井上柱塞距离336可以大于5厘米。在另一个示例中，井上柱塞距离336可以小于50厘米。在其他示例中，井上柱塞距离336可以是5厘米至50厘米范围内的任何值。在一些实施例中，井上柱塞距离336小于30厘米以增加最大DLS可能是关键的。

在一些实施例中，井上柱塞距离336可以是井上柱塞直径340的井上距离百分比(例如，井上柱塞距离336除以井上柱塞直径340)。在一些实施例中，井上距离百分比可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括50％、100％、105％、110％、120％、130％、140％、150％、160％、170％、180％、190％、200％、250％、500％中的任一个或其间的任何值。例如，井上距离百分比可以大于50％。在另一个示例中，井上距离百分比可以小于500％。在其他示例中，井上距离百分比可以是50％和500％之间范围内的任何值。在一些实施例中，井上距离百分比小于200％以增加最大DLS可能是关键的。

在一些实施例中，井上冠部长度341可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括10厘米、15厘米、20厘米、25厘米、30厘米、50厘米中的任何一个，或其间的任何值。例如，井上冠部长度341可以大于10厘米。在另一个示例中，井上冠部长度341可以小于50厘米。在其他示例中，井上冠部长度341可以是10厘米至50厘米范围内的任何值。在一些实施例中，井上冠部长度341小于20厘米以增加最大DLS可能是关键的。

在一些实施例中，井上柱塞323可以是距最后一个主动切割元件316的井上冠部百分比(例如，冠部长度337除以井上柱塞冠部距离341)。在一些实施例中，井上冠部百分比可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、110％、120％、130％、140％、150％、160％、170％、180％、190％、200％、250％、300％、400％、500％中的任一个或其间的任何值。例如，井上冠部百分比可以大于10％。在另一个示例中，井上冠部百分比可以小于500％。在其他示例中，井上冠部百分比可以是10％至500％范围内的任何值。在一些实施例中，井上冠部百分比大于150％以增加最大DLS可能是关键的。

在一些实施例中，井上柱塞323可以是距井下钻头端331的井上钻头长度百分比(例如，钻头长度347除以井上钻头距离345)。在一些实施例中，井上钻头长度百分比可以在具有上限值、下限值或上下限值的范围内，包括10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、75％、80％、85％、90％、95％中的任一个或其间的任何值。例如，井上钻头长度百分比可以大于10％。在另一个示例中，井上钻头长度百分比可以小于90％。在其他示例中，井上钻头长度百分比可以是10％至95％范围内的任何值。在一些实施例中，井上钻头长度百分比大于75％以增加最大DLS可能是关键的。

在一些实施例中，井下柱塞直径338可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括1厘米、2厘米、2.5厘米、3厘米、3.5厘米、4厘米、4.5厘米、5厘米、6厘米、8厘米、10厘米、12厘米中的任何一个，或其间的任何值。例如，井下柱塞直径338可以大于1厘米。在另一个示例中，井下柱塞直径338可以小于10厘米。在其他示例中，井下柱塞直径338可以是在1厘米和10厘米之间范围内的任何值。在一些实施例中，井下柱塞直径338小于4厘米以移动井下柱塞322更靠近钻头310并改善DLS可能是关键的。

在一些实施例中，井上柱塞直径340可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括3厘米、4厘米、5厘米、6厘米、6.5厘米、7厘米、7.5厘米、8厘米、10厘米、12厘米或16厘米中的任一个或其间的任何值。例如，井上柱塞直径340可以大于4厘米。在另一个示例中，井上柱塞直径340可以小于16厘米。在其他示例中，井上柱塞直径340可以是4厘米至12厘米范围内的任何值。在一些实施例中，井上柱塞直径340大于5厘米以为定向钻井提供足够的力可能是关键的。

井下柱塞322和井上柱塞323具有直径百分比，其可以是井下柱塞直径338除以井上柱塞直径340。在一些实施例中，直径百分比可以在具有上限值、下限值或上下限值的范围内，包括20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、100％中的任一个或其间的任何值。例如，直径百分比可以大于20％。在另一个示例中，直径百分比可以小于100％。在又一些示例中，直径百分比可以是20％和100％之间范围内的任何值。在一些实施例中，直径百分比小于50％以移动井下柱塞322靠近钻头310并改善DLS可能是至关重要的。在一些实施例中，直径百分比小于75％以移动井下柱塞322靠近钻头310并改善DLS可能是关键的。

井下柱塞322具有井下柱塞面积。在一些实施例中，井下柱塞面积可以在具有上限值、下限值或上下限值的范围内，包括3.1平方厘米、13平方厘米、20平方厘米、28平方厘米、38平方厘米、50平方厘米、64平方厘米、79平方厘米、154平方厘米中的任一个或其间的任何值。例如，井下柱塞面积可以大于3.1平方厘米。在另一个示例中，井下柱塞面积可以小于79平方厘米。在其他示例中，井下柱塞面积可以是3.1平方厘米和79平方厘米之间范围内的任何值。在一些实施例中，井下柱塞面积小于28平方厘米以移动井下柱塞322更靠近钻头310并提高DLS可能是关键的。

井上柱塞323具有井上柱塞面积。在一些实施例中，井上柱塞面积可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括20平方厘米、28平方厘米、50平方厘米、79平方厘米、95平方厘米、113平方厘米、133平方厘米、154平方厘米、201平方厘米、314平方厘米中的任何一个，或其间的任何值。例如，井上柱塞面积可以大于28平方厘米。在另一个示例中，井下柱塞面积可以小于201平方厘米。在其他示例中，井上柱塞面积可以是50平方厘米至314平方厘米范围内的任何值。在一些实施例中，井上柱塞面积大于50平方厘米以为定向钻井提供足够的力可能是关键的。

井下柱塞322和井上柱塞323具有面积百分比，其可以是井下柱塞面积除以井上柱塞面积。在一些实施例中，面积百分比可以在具有上限值、下限值或上下限值的范围内，包括5％、10％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、60％、70％、75％、80％、90％、100％中的任一个或其间的任何值。例如，面积百分比可以大于5％。在另一个示例中，直径百分比可以小于100％。在其他示例中，直径百分比可以是5％和100％之间范围内的任何值。在一些实施例中，直径百分比小于50％以移动井上柱塞322和井下柱塞323靠近钻头310并改善DLS可能是至关重要的。

在所示的实施例中，井下延伸轴线330与井上延伸轴线332纵向对准。在一些实施例中，井下延伸轴线330可以不与井上延伸轴线332纵向对准。例如，井下延伸轴线330可旋转地位于井上延伸轴线332的前面(例如，前部)。在一些示例中，井下延伸轴线330可旋转地位于井上延伸轴线332的后面(例如，尾部)。

图4-1是根据本公开的至少一个实施例的定向钻井组件413的截面图。在所示视图中，RSS 411包括处于缩回位置的井下柱塞422和井上柱塞423。井下柱塞422沿着井下延伸轴线430朝向地层401向外延伸，而井上柱塞423沿着井上延伸轴线432朝向地层401向外延伸。

图4-2是图4-1的定向钻井组件413的示意图，其中井下柱塞422和井上柱塞423处于伸出位置。流体通过流体通道442并接触井下柱塞422和井上柱塞423。来自流体的流体压力导致井下柱塞422以井下延伸压力向外延伸，并且井上柱塞423以井上延伸压力向外延伸，直到它们接触地层401的井孔壁444。在一些实施例中，井下延伸压力与井上延伸压力相同，因为作用在井下柱塞422上的流体压力与作用在井上柱塞423上的流体压力相同。柱塞抵靠井眼壁444的力可将钻头410推离井眼壁444，从而导致井眼402改变轨迹(例如，导致井眼中的狗腿)。井眼402轨迹的变化量是狗腿严重度(DLS)。增加由井下柱塞422和/或井上柱塞423施加到井眼壁444的力可以增加DLS。此外，减小钻头410和井下延伸轴线430之间的井下柱塞距离434和/或钻头410和井上延伸轴线432之间的井上柱塞距离436可以增加DLS。

可以看出，井下柱塞422具有的井下柱塞直径438小于井上柱塞的井上柱塞直径440。减小井下柱塞422的直径可以允许井下柱塞422移动得更靠近钻头410，从而增加最大DLS。此外，减小井下柱塞422的直径可以允许井上柱塞423移动得更靠近钻头410，从而增加最大DLS。

传统的RSS具有组合面积，即井上柱塞和井下柱塞的组合表面积。基于致动流体的流体力，组合面积提供了抵靠井眼壁的组合转向力。通过减小井下柱塞422的直径(和面积)，可以减小井下柱塞和井上转向柱塞的组合转向力。然而，通过减小井下柱塞422的直径，井下柱塞和/或井上柱塞423可以移动得更靠近钻头410。这可以增加井下柱塞422和/或井上柱塞423的转向效率。在一些实施例中，通过将井下柱塞和/或井上柱塞423移动得更靠近钻头410，转向力的减小可以被转向效率的增加所抵消。

在一些实施例中，井上柱塞423可以小于井下柱塞422。在一些实施例中，井下柱塞422可以小于井上柱塞423。在一些实施例中，为了保持组合转向力，井上柱塞423的直径可以增加。这可以增加井上柱塞面积，从而增加总转向力。在一些实施例中，当井下柱塞直径438减小而井上柱塞直径440增大时，井下柱塞422和井上柱塞423的组合面积可以不变。此外，随着井下柱塞直径438减小，为了保持相同的组合面积，井上柱塞面积增加。然而，因为面积随着半径的平方而增加，所以井上柱塞直径440的增加量可以比井下柱塞直径438的减小量小。以这种方式，即使井上柱塞直径440增加，井上柱塞423也可以移动得更靠近钻头410。

在一些实施例中，组合面积可以增加。在一些实施例中，组合面积可以减小。

图5是根据本公开的至少一个实施例的支撑井下柱塞522和井上柱塞523的柱塞支撑件528(例如，刀片)的表示。柱塞支撑件528包括支撑体546，支撑体546具有围绕柱塞支撑件528的周边延伸的外表面548。外表面548偏离井下柱塞522的井下外边缘550一井下边缘偏移552。外表面548从井上外边缘554偏移一井上边缘偏移556。井下边缘偏移552和井上边缘偏移556有助于保护柱塞和柱塞开口免受井下钻井过程中造成的损坏。

在一些实施例中，井下边缘偏移552与井上边缘偏移556相同。在一些实施例中，井下边缘偏移552小于井上边缘偏移556，因为井下柱塞直径(例如，图3的井下柱塞直径338)小于井上柱塞直径(例如，图3的井上柱塞直径340)。在一些实施例中，外表面548的轮廓可以基于井下柱塞522和/或井上柱塞523的尺寸而改变。如果井下柱塞522和井上柱塞523尺寸相同，则柱塞支撑件528的纵向边缘558可以平行于纵向轴线(例如，图2的纵向轴线224)。

在一些实施例中，纵向边缘558可以形成不平行于(例如，横向于)纵向轴线的侧向角度560。侧向角度560可以基于井下柱塞直径与井上柱塞直径的直径差。因此，较大的直径差可以导致较大的侧向角度560，而较小的直径差可以导致较小的侧向角度560。在一些实施例中，侧向边缘可以向井上延伸并且周向远离井下柱塞522(例如，朝向井上柱塞523)。在一些实施例中，侧向角度560可以使柱塞支撑件528更具流体动力性。换句话说，当流体从钻头流出并流过支撑体546时，流体可以被引导远离支撑体546。这可以减少流动中的涡流，并减少井下柱塞522和/或井上柱塞523处的钻屑堆积。

在一些实施例中，侧向角度560可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，包括0.5°、1°、1.5°、2.0°、3°、4°、5°、7.5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°中的任一个或其间的任何值。例如，侧向角度560可以大于0.5°。在另一个示例中，侧向角度560可以小于45°。在其他示例中，侧向角度560可以是0.5°和45°之间范围内的任何值。在一些实施例中，侧向角度560大于5°以引导流体远离井下垫522可能是关键的。

柱塞支撑件528的外表面548包括前边缘562，该前边缘562以前边缘偏移564偏离井下柱塞522。前边缘偏移564可以帮助确定井下柱塞距离(例如，图3的井下柱塞距离334)。在一些实施例中，前边缘偏移564可以与井下边缘偏移552相同。在一些实施例中，前边缘偏移564可以随着井下柱塞直径的减小而减小。这可以允许井下柱塞522移动靠近钻头，从而增加最大DLS。

在所示的实施例中，前边缘562可以终止于点566。前边缘562在点566处终止可能是流体动力学有利的，并且可能有助于围绕柱塞支撑件528的支撑体546转向流体和切割。在一些实施例中，该点可以邻接或邻近钻头。这可以将井下柱塞522放置得尽可能靠近钻头。在一些实施例中，点566可以与钻头的纵向轴线、第一延伸轴线(例如，图3的第一延伸轴线330)和第二延伸轴线(例如，图3的第二延伸轴线332)对准。

在所示的实施例中，后边缘568向井上柱塞523的井上延伸，并终止于井上点570。后边缘568的长度可以被设定尺寸以减少钻井液经过井上柱塞523时的湍流。

图6是根据本公开的至少一个实施例的具有圆形前边缘662的柱塞支撑件628的实施例的表示。圆形前边缘662可以具有恒定的前边缘偏移664。这可以允许井下柱塞622移动得更靠近钻头，从而提高最大DLS。此外，圆形前边缘662可能是流体动力学有利的，允许钻井液围绕柱塞支撑件628和井下柱塞622流动。在一些实施例中，后边缘668可以是圆形的。

图7是根据本公开的至少一个实施例的用于组装定向钻井组件的方法770的表示。方法770包括在772处提供柱塞支撑件。柱塞支撑件可以包括柱塞支撑体，该柱塞支撑体具有用于井下柱塞的井下开口和用于井上柱塞的井上开口。方法770还包括在774处将第一(例如，井下)柱塞插入柱塞支撑件。井下柱塞具有井下柱塞直径。在776处，具有井上柱塞直径的第二(例如，井上)柱塞可被插入柱塞支撑件中。井下柱塞直径可以小于井上柱塞直径。在一些实施例中，井下柱塞可以小于井上柱塞直径，以将井下柱塞放置得更靠近钻头。

定向钻井系统的实施例已经主要参照井眼钻井作业进行了描述；本文所述的定向钻井系统可用于除钻井眼以外的应用中。在其他实施例中，根据本公开的定向钻井系统可以在用于自然资源勘探或生产的井眼或其他井下环境之外使用。例如，本公开的定向钻井系统可以用于放置公用事业管线的井孔中。因此，术语“井眼”、“井孔”等不应被解释为将本公开的工具、系统、组件或方法限制于任何特定的行业、领域或环境。

本文描述了本公开的一个或多个具体实施例。这些描述的实施例是当前公开的技术的示例。另外，为了提供这些实施例的简明描述，在说明书中可能没有描述实际实施例的所有特征。应当理解，在任何这种实际实施方式的开发中，如同在任何工程或设计项目中一样，将做出许多特定于实施例的决定，以实现开发者的特定目标，例如符合系统相关和商业相关的约束，这些约束可能因实施例而异。此外，应当理解，这种开发努力可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员来说，这仍然是设计、制作和制造的常规任务。

此外，应当理解，对本公开的“一个实施例”或“一实施例”的引用不旨在被解释为排除也结合了所述特征的附加实施例的存在。例如，关于这里的实施例描述的任何元件可以与这里描述的任何其他实施例的任何元件组合。本文所述的数字、百分比、比率或其他值旨在包括该值，以及“大约”或“近似”所述值的其他值，如本公开的实施例所涵盖的本领域普通技术人员所理解的。因此，所述值应该被解释为足够宽泛，以包含至少足够接近所述值的值，以执行期望的功能或实现期望的结果。所述值至少包括在合适的制造或生产过程中预期的变化，并且可以包括在所述值的5％以内、1％以内、0.1％以内或0.01％以内的值。

鉴于本公开，本领域普通技术人员应该认识到，等同的构造不脱离本公开的精神和范围，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对本文公开的实施例进行各种改变、替换和变更。包括功能性“装置加功能”条款在内的等同结构旨在涵盖在此描述的执行所述功能的结构，包括以相同方式操作的结构等同物和提供相同功能的等同结构。申请人的明确意图是不为任何权利要求调用装置加功能或其他功能性权利要求，除了那些词语“用于…装置”与相关功能一起出现的权利要求。落入权利要求的含义和范围内的对实施例的每个添加、删除和修改都将被权利要求所包含。

这里使用的术语“近似”、“大约”和“基本上”表示接近所述量的量，该量在标准制造或工艺公差内，或者仍然执行期望的功能或实现期望的结果。例如，术语“大约”、“约”和“基本上”可以指所述量的小于5％、小于1％、小于0.1％和小于0.01％的量。此外，应该理解，前面描述中的任何方向或参考系仅仅是相对方向或运动。例如，对“上”和“下”或“上方”或“下方”的任何引用仅仅是对相关元件的相对位置或运动的描述。

在不脱离本公开的精神或特征的情况下，本公开可以以其他特定形式实施。所描述的实施例被认为是说明性的而非限制性的。因此，本公开的范围由所附权利要求书而不是前面的描述来指示。在权利要求的等同物的含义和范围内的变化将包含在它们的范围内。

Claims

1.一种帮助钻头转向的定向钻井组件，包括:

包括纵向轴线的壳体；

第一柱塞，该第一柱塞远离壳体延伸并包括第一柱塞面积，该第一柱塞被构造成横向于纵向轴线延伸以使所述钻头转向；和

第二柱塞，该第二柱塞位于所述第一柱塞的井上，第二柱塞远离所述壳体延伸并包括第二柱塞面积，第二柱塞被构造成横向于所述纵向轴线延伸以使所述钻头转向，其中第一柱塞面积小于第二柱塞面积。

2.根据权利要求1所述的定向钻井组件，其中第一柱塞面积是第二柱塞面积的75％或更小。

3.根据权利要求1所述的定向钻井组件，其中第一柱塞面积是第二柱塞面积的50％或更小。

4.一种定向钻井组件，包括:

包括外表面的柱塞支撑件；

延伸穿过柱塞支撑件的第一柱塞；和

第二柱塞，该第二柱塞位于第一柱塞的井上并延伸穿过所述柱塞支撑件，其中柱塞支撑的外表面在第一柱塞和第二柱塞之间以侧向角度延伸。

5.根据权利要求4所述的定向钻井组件，其中所述外表面的纵向边缘沿井上并远离第一柱塞延伸轴线延伸。

6.根据权利要求4所述的定向钻井组件，第一柱塞包括第一柱塞直径，第二柱塞包括第二柱塞直径，其中第一柱塞直径小于第二柱塞直径。

7.根据权利要求6所述的定向钻井组件，第一柱塞和第二柱塞之间的直径百分比小于50％。

8.根据权利要求4所述的定向钻井组件，所述柱塞支撑件包括:

在第一柱塞的第一周边和所述外表面之间的第一边缘偏移；和

在第二柱塞的第二周边和所述外表面之间的第二边缘偏移，其中第一边缘偏移与第二边缘偏移相同。

9.根据权利要求4所述的定向钻井组件，所述柱塞支撑件包括:

在第二柱塞的第二周边和所述外表面之间的第二边缘偏移，其中第一边缘偏移小于第二边缘偏移。

10.根据权利要求9所述的定向钻井组件，所述柱塞支撑件包括第一柱塞井下的前边缘，第一周边和所述前边缘之间的前边缘偏移与第一边缘偏移相同。

11.根据权利要求4所述的定向钻井组件，柱塞支撑件包括第一柱塞井下的前边缘，前边缘终止于一点。

12.根据权利要求11所述的定向钻井组件，该点与第一柱塞的第一延伸轴线纵向对准。

13.一种定向钻井组件，包括:

具有纵向轴线的钻头，该钻头包括多个切割元件，多个切割元件中的最后一个主动切割元件是最井上的主动切割元件；

第一柱塞，该第一柱塞被配置为相对于纵向轴线横向地延伸，第一柱塞具有第一柱塞直径；和

第二柱塞，该第二柱塞位于第一柱塞的井上，第二柱塞被配置成相对于纵向轴线横向地延伸，第二柱塞具有第二柱塞直径。

14.根据权利要求13所述的定向钻井组件，其中第一柱塞直径为第二柱塞直径的75％或更小。

15.根据权利要求14所述的定向钻井组件，其中第一柱塞直径为第二柱塞直径的60％或更小。

16.根据权利要求13所述的定向钻井组件，其中第一柱塞面积是第二柱塞面积的50％或更小。

17.根据权利要求13所述的定向钻井组件，其中第一柱塞面积是第二柱塞面积的75％或更小。

18.根据权利要求13所述的定向钻井组件，其中第一柱塞以第一延伸压力延伸，第二柱塞以第二延伸压力延伸，第一延伸压力与第二延伸压力相同。