DE60210463T2

DE60210463T2 - Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung

Info

Publication number: DE60210463T2
Application number: DE60210463T
Authority: DE
Inventors: James Edward Sherwood Park CARGILL; L. Evan Spring DAVIES; L. Gary Sherwood Park DONISON; Edward Gerald Spruce Grove KENT; Dean Terrance Leduc MAXWELL; Boguslaw Leduc WIECEK
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2022-06-28
Also published as: US7234544B2; DE60234536D1; EP1479870A3; NO20045485L; BR0210708B1; DE60210463D1; BR0210708A; EP1409835B1; NO327548B1; CA2494237C; EP1479870B1; CA2494237A1; BR0216003B1; US6769499B2; WO2003002841A1; NO329580B1; US20030034178A1; EP1409835A1; CA2351978C; NO20035801L

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei einer Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Richtbohren schließt das Variieren oder Steuern der Richtung eines Bohrlochs ein, während es gebohrt wird. Das Ziel des Richtbohrens ist üblicherweise das Erreichen oder Beibehalten einer Position innerhalb eines unterirdischen Zielbestimmungsorts oder einer Formation mit dem Bohrungsgestänge. Die Bohrrichtung kann zum Beispiel gesteuert werden, um das Bohrloch in Richtung eines gewünschten Zielbestimmungsorts zu richten, um das Bohrloch horizontal zu steuern, um es innerhalb eines gewünschten Förderhorizonts aufrecht zu erhalten oder um ungewollte oder unerwünschte Abweichungen von einem erwünschten oder vorbestimmten Pfad zu korrigieren.
Richtbohren kann folglich als eine Ablenkung eines Bohrlochs entlang einem vorbestimmten oder gewünschten Pfad definiert werden, um eine Position innerhalb einer spezifischen unterirdischen Formation oder eines spezifischen unterirdischen Ziels zu erreichen oder sich mit dieser zu schneiden oder diese beizubehalten. Der vorbestimmte Pfad umfasst typischerweise eine Tiefe, bei der die ursprüngliche Ablenkung auftritt, und einen Plan gewünschter Abweichungswinkel und Richtungen über den Rest des Bohrlochs hinweg. Die Ablenkung ist folglich eine Veränderung der Richtung des Bohrlochs von dem gegenwärtigen Pfad des Bohrlochs. Diese Ablenkung kann zur Abweichung des Pfads des Bohrlochs relativ zur Senkrechten oder zur Veränderung der horizontalen Richtung oder zum Bohrlochrichtungswinkel des Pfads des Bohrlochs gehören.
Es ist oft notwendig, während des Richtbohrens die Richtung des Bohrlochs häufig einzustellen, entweder, um eine geplante Richtungsänderung unterzubringen oder um die unbeabsichtigte oder ungewollte Ablenkung des Bohrlochs zu kompensieren. Ungewollte Ablenkung kann aus einer Vielfalt von Faktoren resultieren, einschließlich der Charakteristiken der gebohrten Formation, des Aufbaus der Bohrgarnitur und der Art und Weise, wie das Bohrloch gebohrt wird.
Die Ablenkung wird als eine Menge an Abweichung des Bohrlochs von dem gegenwärtigen Pfad des Bohrlochs gemessen und als ein Abweichungswinkel oder eine Bohrlochsneigung ausgedrückt. Die Ablenkung kann sich ebenfalls auf eine Veränderung des Bohrlochrichtungswinkels des Pfads des Bohrlochs beziehen. Der ursprüngliche Pfad des Bohrlochs liegt üblicherweise in einer senkrechten Richtung vor. Die ursprüngliche Ablenkung kennzeichnet oft einen Punkt, an dem das Bohrloch in einer bestimmten Bohrlochrichtungswinkelrichtung senkrecht abgeleitet hat. Die Abweichung wird üblicherweise als ein Winkel in Grad von der Senkrechten ausgedrückt. Der Bohrlochrichtungswinkel wird üblicherweise als ein Winkel in Grad relativ zur Nordseite ausgedrückt.
Verschiedene Techniken können für das Richtbohren verwendet werden. Als Erstes kann der Bohrmeißel durch einen Untertageantrieb gedreht werden, der durch die durch eine von der Oberfläche gelieferte Zirkulation von Fluid mit Energie versorgt wird. Diese Technik, die manchmal „Gleitbohren" genannt wird, wird typischerweise beim Richtbohren verwendet, um bei der Richtung des Bohrlochs eine Veränderung zu bewirken, wie etwa das Bauen eines Winkels der Ablenkung. Beim Gleitbohren treten jedoch häufig verschiedene Probleme auf.
Gleitbohren schließt zum Beispiel typischerweise zusätzlich zum Untertagebohrantrieb die Verwendung spezieller Ausrüstung ein, einschließlich gebogener Übergänge oder Motorgehäuse, Steuergeräte und nicht magnetische Bohrgestängekomponenten. Der Untertageantrieb neigt außerdem dazu, in Anbetracht des traditionellen Elastomer-Motorenergieteilabschnitts der Abnutzung zu unterliegen. Da das Bohrungsgestänge des Weiteren während des Gleitbohrens nicht gedreht wird, neigt es dazu, in dem Bohrloch hängen zu bleiben, insbesondere, wenn sich der Winkel der Ablenkung des Bohrlochs von dem Senkrechten erhöht, was zu reduziertem Bohrfortschritt des Bohrmeißels führt. Weitere übliche, mit dem Gleitbohren verwandte Probleme umfassen den Stick-Slip-Effekt, Wirbeln, Festwerden (durch Differenzdruck) und Überlast-Probleme. Aus diesen Gründen und aufgrund der relativ hohen Kosten des Gleitbohrens wird diese Technik typischerweise nicht beim Richtbohren verwendet, außer wenn eine Veränderung der Richtung bewirkt werden soll.
Zweitens kann das Richtbohren durch das Drehen des gesamten Bohrungsgestänges von der Oberfläche erzielt werden, was wiederum einen mit dem Ende des Bohrungsgestänges verbundenen Bohrmeißel dreht. Insbesondere ist beim Drehbohren die Bohrgarnitur einschließlich des Bohrmeißels mit dem Bohrungsgestänge verbunden, das drehbar von der Oberfläche angetrieben wird. Diese Technik ist relativ kostengünstig, da die Verwendung von spezieller Ausrüstung wie etwa Bohrlochbohrmotoren üblicherweise auf ein Minimum beschränkt werden kann. Zusätzlich dazu werden herkömmliche, mit der Gleitbohrung auftretende Probleme wie oben erörtert oft reduziert. Der Bohrfortschritt des Bohrmeißels neigt dazu, größer zu sein, während die Abnutzung des Bohrmeißels und der Verrohrung oft reduziert werden.
Das Drehbohren neigt jedoch dazu, eine relativ begrenzte Steuerung über die Richtung oder die Ausrichtung des resultierenden Bohrlochs im Vergleich zur Gleitbohrung bereitzustellen, insbesondere bei Bohrlöchern mit großem Abweichungswinkel. Drehbohren ist folglich weitgehend beim Nicht-Richtbohren oder beim Richtbohren verwendet worden, wo keine Richtungsänderung erforderlich oder beabsichtigt ist.
Als Drittes kann eine Kombination aus Dreh- und Gleitbohren durchgeführt werden. Drehbohren wird typischerweise solange durchgeführt, bis eine Variation oder Veränderung in der Richtung des Bohrlochs gewünscht ist. Die Drehung des Bohrungsgestänges wird typischerweise gestoppt, und es wird mit dem Gleitbohren durch Verwendung des Untertageantriebs begonnen. Obwohl die Verwendung einer Kombination aus Gleit- und Drehbohren eine zufriedenstellende Steuerung der Richtung des Bohrlochs gewähren kann, treten die dem Gleitbohren zugehörigen Probleme und Nachteile immer noch auf.
Einige Versuche sind auf dem Stand der Technik unternommen worden, um diese Probleme anzugehen. Insbesondere sind Versuche unternommen worden, um eine steuerbare Drehbohreinrichtung oder ein System zur Verwendung beim Richtbohren bereitzustellen. Keiner dieser Versuche hat jedoch eine vollkommen zufriedenstellende Lösung bereitgestellt.
Das Patent Nr. GB 2,172,324 des Vereinigten Königreichs, herausgegeben am 20. Juli 1988 an Cambridge Radiation Technology Limited („Cambridge") benutzt ein Steuermodul, das eine Verrohrung mit einem Lager an jedem Ende davon zum Stützen der Antriebswelle, während sie durch die Verrohrung läuft, aufweist. Ferner beinhaltet das Steuermodul vier biegsame Löschbereiche in der Form von Taschen, die sich in dem ringförmigen Raum zwischen dem Bohrungsgestänge und der Verrohrung befinden, um als ein Auslöser zu dienen. Die Taschen lösen die Richtung des Bohrens aus oder steuern sie durch das Anwenden einer Radialkraft auf die Antriebswelle innerhalb der Verrohrung, so dass die Antriebswelle lateral zwischen den Lagern verschoben wird, um eine gewünschte Krümmung der Antriebswelle bereitzustellen. Insbesondere wird Hydraulikflüssigkeit selektiv durch eine Pumpe zu den Taschen geleitet, um die gewünschte Radialkraft auf das Bohrungsgestänge anzuwenden.
Die Richtung der durch die Taschen angewendeten Radialkraft, um die Antriebswelle abzulenken, wird folglich durch das Steuern der Anwendung des Hydraulikdrucks von der Pumpe auf die Taschen gesteuert. Insbesondere werden eine oder zwei angrenzende Taschen individuell vollständig unter Druck gesetzt, und bei den zwei verbleibenden Taschen wird der Druck herabgesetzt. Die Antriebswelle wird folglich abgelenkt und produziert eine Krümmung zwischen den Lagern an den entgegengesetzten Enden der Verrohrung des Steuermoduls. Diese gesteuerte Krümmung steuert die Bohrrichtung.
Das Patent Nr. GB 2,172,325 des Vereinigten Königreichs, herausgegeben am 20. Juli 1988 an Cambridge, und das Patent Nr. GB 2,177,738 des Vereinigten Königreichs, herausgeben am 3. August 1988 an Cambridge, beschreiben die Verwendung von biegsamen Löschbereichen in der Form von Taschen auf eine ähnliche Weise, um den gleichen Zweck zu erzielen. Insbesondere wird das Bohrungsgestänge zwischen einem nahen Meißelstabilisator und einem fernen Meißelstabilisator gestützt. Ein Steuerstabilisator befindet sich zwischen dem nahen und dem fernen Meißelstabilisator zum Anwenden einer Radialkraft auf das Bohrungsgestänge innerhalb des Steuerstabilisators, so dass eine Biegung oder Krümmung des Bohrungsgestänges zwischen dem nahen Meißelstabilisator und dem fernen Meißelstabilisator produziert wird. Der Steuerstabilisator beinhaltet vier Taschen, die sich in dem ringförmigen Raum zwischen einem Gehäuse des Steuerstabilisators und dem Bohrungsgestänge befinden, um die Radialkraft innerhalb des Steuerstabilisators auf das Bohrungsgestänge anzuwenden.
Die Patentanmeldung Nr. GB 2,307,537 des Vereinigten Königreichs, veröffentlicht am 28. Mai 1997 von Astec Developments Limited, beschreibt ein Wellenorientierungssystem zum Steuern der Richtung des Drehbohrens. Insbesondere verläuft eine Welle, wie etwa ein Bohrungsgestänge, durch ein erstes Wellenstützmittel mit einer ersten Longitudinalachse und ein zweites Wellenstützmittel, das eine zweite Longitudinalachse aufweist. Das erste und das zweite Wellenstützmittel werden drehbar durch ein Lagermittel mit einer Lagerdrehachse gekoppelt, die in einem ersten Nicht-Nullwinkel bezüglich der ersten Longitudinalachse orientiert ist und in einem zweiten Nicht-Nullwinkel bezüglich der zweiten Longitudinalachse orientiert ist. Folglich variiert die relative Drehung des ersten und zweiten Wellenstützmittels um ihre entsprechenden Longitudinalachsen die relative Winkelorientierung der ersten und zweiten Longitudinalachse.
Es wird folglich verursacht, dass sich die durch das Wellenorientierungssystem verlaufende Welle gemäß der relativen Winkelorientierung der ersten und zweiten Longitudinalachse des ersten und zweiten Wellenstützmittels biegt oder krümmt. Die Welle kann als ein einheitlicher Gegenstand mit einem biegsamen zentralen Teilabschnitt gebildet sein, dem es möglich ist, die gewünschte Krümmung unterzubringen, oder sie kann eine Kopplung beinhalten, wie etwa ein Kardangelenk, um die gewünschte Krümmung unterzubringen.
Das Patent Nr. 5,685,379 der Vereinigten Staaten von Amerika, herausgegeben am 11. November 1997 an Barr et al., das Patent Nr. 5,706,905 der Vereinigten Staaten von Amerika, herausgegeben am 13. Januar 1998 an Barr et al., und das Patent Nr. 5,803,185 der Vereinigten Staaten von Amerika, herausgegeben am 8. September 1998 an Barr et al., beschreiben ein steuerbares Drehbohrsystem einschließlich einer dem Bohrmeißel zugehörigen modulierten Vorspanneinheit, um eine laterale Vorspannung auf den Bohrmeißel in eine gewünschte Richtung anzulegen, um die Richtung des Bohrens zu steuern. Die Vorspanneinheit beinhaltet drei gleichmäßig mit Abstand angeordnete hydraulische Auslöser, von denen jeder ein bewegliches Schubelement aufweist, das für den Eingriff in das Bohrloch nach außen verschiebbar ist. Die hydraulischen Auslöser werden nacheinander betrieben, während sich die Vorspanneinheit während des Drehbohrens dreht, jeder in der gleichen Drehposition, um die Vorspanneinheit lateral in eine ausgewählte Richtung zu verschieben.
Die internationale PCT-Anmeldung Nr. PCT/US98/24012 von Teleiet Technologies, Inc., veröffentlicht am 20. Mai 1999 als Nr. WO 99/24688 beschreibt die Verwendung einer Stabilisatoranordnung zum Richtbohren. Insbesondere ist ein Stabilisatorübergang mit dem Drehbohrungsgestänge verbunden, so dass der Stabilisatorübergang relativ zu dem Bohrloch im Wesentlichen ortsfest verbleibt, während sich das Bohrungsgestänge dreht. Der Stabilisatorübergang umfasst einen fixierten oberen Stabilisator und einen einstellbaren unteren Stabilisator. Der untere einstellbare Stabilisator trägt mindestens vier Stabilisatorrippen, die von dem Körper des Stabilisatorübergangs zum Eingriff in das Bohrloch unabhängig radial ausstreckbar sind.
Jede Stabilisatorrippe wird durch einen jeder Rippe zugehörigen Motor ausgelöst, der durch Longitudinalbewegung des Stabilisatorkörpers relativ zu der Stabilisatorrippe die Rippe ausstreckt und zurückzieht. Da jede Stabilisatorrippe mit ihrem eigenen Motor versehen ist, sind die Stabilisatorrippen bezüglich des Körpers des Stabilisatorübergangs unabhängig ausstreckbar und zurückziehbar. Demgemäß kann jede Rippe selektiv ausgestreckt oder zurückgezogen werden, um die gewünschte Bohrrichtung zu gewährleisten.
Das Patent Nr. 5,307,885 der Vereinigten Staaten von Amerika, herausgegeben am 3. Mai 1994 an Kuwana et al., das Patent Nr. 5,353,884 der Vereinigten Staaten von Amerika, herausgegeben am 11. Oktober 1994 an Misawa et al., und das Patent Nr. 5,875,859 der Vereinigten Staaten von Amerika, herausgegeben am 2. März 1999 an Ikeda et al., benutzen alle Wellgetriebemechanismen zum Antrieb von Drehelementen, die das Bohrungsgestänge exzentrisch stützen, um das Bohrungsgestänge abzulenken und die Bohrrichtung zu steuern.
Genauer beschreiben Kuwana et al. ein erstes ringförmiges Drehelement, das mit einem ersten Wellgetriebemechanismus in einer mit Abstand angeordneten Entfernung von einem zweiten ringförmigen Drehelement verbunden ist, das mit einem zweiten Wellgetriebemechanismus verbunden ist. Jedes ringförmige Drehelement weist einen exzentrischen hohlen Abschnitt auf, der sich exzentrisch um die Drehachse des ringförmigen Elements dreht. Das Bohrungsgestänge wird durch die Innenflächen der exzentrischen Abschnitte der ringförmigen Elemente gestützt. Bei Drehung durch die Wellgetriebemechanismen werden die exzentrischen hohlen Abschnitte relativ zueinander gedreht, um das Bohrungsgestänge abzulenken und die Ausrichtung des Bohrungsgestänges in die gewünschte Richtung zu ändern. Insbesondere wird die Ausrichtung des Bohrungsgestänges durch eine gerade Linie definiert, die durch die Zentren der entsprechenden hohlen Abschnitte der ringförmigen Elemente verläuft.
Misawa et al. beschreiben Wellgetriebemechanismen zum Antreiben eines ersten und zweiten drehbaren ringförmigen Elements eines doppelten exzentrischen Mechanismus. Das erste drehbare ringförmige Element definiert eine erste exzentrische Innenumfangsfläche. Das zweite drehbare ringförmige Element, das drehbar durch die erste exzentrische Innenumfangsfläche des ersten ringförmigen Elements gestützt wird, definiert eine zweite exzentrische Innenumfangsfläche. Das Bohrungsgestänge wird durch die zweite exzentrische Innenumfangsfläche des zweiten ringförmigen Elements und nach oben durch einen Wellenrückhaltemechanismus gestützt. Bei Auslösen der Wellgetriebemechanismen werden das erste und das zweite ringförmige Element gedreht, was zu der Bewegung des Zentrums der zweiten exzentrischen Umfangsfläche führt. Das Bohrungsgestänge wird folglich von seinem Drehzentrum abgelenkt, um es in die gewünschte Richtung auszurichten.
Bei Ablenkung des Bohrungsgestänges wird der Drehpunkt der Ablenkung des Bohrungsgestänges tendenziell an dem oberen Stützmechanismus, d.h. dem oberen Wellenhaltemechanismus, gestützt.
Es ist herausgefunden worden, dass das Bohrungsgestänge folglich exzessiver Biegungsbeanspruchung ausgesetzt sein kann.
Ikeda et al. beschreiben auf ähnliche Weise Wellgetriebemechanismen zum Antreiben eines ersten und zweiten drehbaren ringförmigen Elements eines doppelten exzentrischen Mechanismus. Ikeda et al. erfordern jedoch die Verwendung eines flexiblen Gelenks wie etwa eines Kardangelenks, das an der Stelle mit dem Bohrungsgestänge verbunden werden soll, an der die maximale Biegungsbeanspruchung des Bohrungsgestänges auftritt, um die exzessive Biegungsbeanspruchung des Bohrungsgestänges zu verhindern. Das flexible Gelenk befindet sich folglich angrenzend an dem oberen Stützmechanismus. Bei Ablenkung des Bohrungsgestänges durch den doppelten exzentrischen Mechanismus wird die Ablenkung durch das flexible Gelenk absorbiert, und folglich wird auf dem Bohrungsgestänge keine Biegekraft erzeugt. Es wird eher verursacht, dass sich das Bohrungsgestänge in dem doppelten exzentrischen Mechanismus nach unten neigt. Ein Drehpunktlager unterhalb des doppelten exzentrischen Mechanismus funktioniert als ein Drucklager und dient als Drehzentrum für den unteren Abschnitt des Bohrungsgestänges, um die Neigungswirkung unterzubringen.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Verwendung einer Biegewelle oder einer Gelenkwelle, um die Erzeugung von exzessiver Biegekraft auf dem Bohrungsgestänge zu vermeiden, nicht bevorzugt sein kann. Es hat sich insbesondere herausgestellt, dass die Gelenkverbindungen der Biegewelle oder der Gelenkwelle zum Versagen neigen können.
Die kanadische Patentanmeldung Nr. 2,298,375 von Schlumberger Canada Limited, offengelegt am 15. September 2000, beschreibt ein steuerbares Drehbohrsystem, das eine schwenkende versetzende Buchse umfasst, die in einer Muffe des Werkzeugs durch ein Richtgelenk gestützt wird und die wiederum einen Bohrmeißel stützt. Die Winkelposition der versetzenden Buchse wird durch eine Anordnung hydraulischer Kolben gesteuert, die zwischen der versetzenden Buchse und der Muffe des Werkzeugs angeordnet sind und die selektiv ausgestreckt und zurückgezogen werden können, um die versetzende Buchse relativ zu der Muffe des Werkzeugs zu bewegen. Dieses System ist daher etwas kompliziert, da es die Verwendung des Gelenk bildenden Richtgelenks und einer Vielzahl von unabhängig auslösbaren hydraulischen Kolben erfordert.
Das Patent Nr. 6,244,361 B1 der Vereinigten Staaten von Amerika, herausgegeben am 12. Juni 2001 an Halliburton Energy Services Inc., beschreibt eine Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung, die eine drehbare Bohrwelle, ein Gehäuse zum drehbaren Stützen der Bohrwelle und eine Ablenkungsanordnung umfasst. Die Ablenkungsanordnung umfasst einen exzentrischen Außenring und einen exzentrischen Innenring, die selektiv gedreht werden können, um die Bohrwelle in verschiedene Richtungen zu biegen. Die Ablenkungsanordnung wird durch ein Wellgetriebesystem ausgelöst, das in der Konstruktion und Wartung eine relativ komplexe und teure Einrichtung ist.
Folglich besteht in der Industrie Bedarf an einer relativ einfachen und ökonomischen steuerbaren Drehbohrvorrichtung oder Bohrrichtungsteuerungsvorrichtung zur Verwendung mit einem Drehbohrungsgestänge, die eine relativ genaue Steuerung über die Trajektorie oder die Ausrichtung des Bohrmeißels während des Bohrbetriebs bereitstellen kann, wobei außerdem die Erzeugung exzessiver Biegungsbeanspruchung des Bohrungsgestänges vermieden wird.
Es besteht ebenfalls Bedarf an einer derartigen Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung, die zur Verwendung in einer Ausführungsform mit relativ kleinem Durchmesser anpassbar ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung gilt Verbesserungen einer Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung der allgemeinen Art, die in U.S. Patent Nr. 6,244,361 B1 (Halliburton Energy Services, Inc.) beschrieben wird, die Folgendes beinhaltet:

(a) eine drehbare Bohrwelle;
(b) ein Gehäuse zum drehbaren Stützen einer Länge der Bohrwelle zur Drehung darin; und
(c) eine in dem Gehäuse enthaltene Bohrwellen-
Ablenkungsanordnung, die sich axial zwischen einer ersten Stützstelle und einer zweiten Stützstelle zum Biegen der Bohrwelle zwischen der ersten Stützstelle und der zweiten Stützstelle befindet.

Die Inhalte des U.S. Patents Nr. 6,244,361 B1 werden hier unter Bezugnahme in diese Beschreibung inkorporiert.
Die Erfindung beinhaltet insbesondere eine Bohrwellen-Ablenkungsanordnung zur Verwendung bei einer Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung der oben beschriebenen Art. Die Erfindung kann ebenfalls eine Indexierungsanordnung, eine Gehäuseverriegelungsanordnung und eine Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung beinhalten.
Die Funktion der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung ist es, eine Biegung in der Bohrwelle zu schaffen. Die Funktion der Indexierungsanordnung ist es, die Biegung in der Bohrwelle auszurichten, um eine gewünschte Ausrichtung der Richtung des Vorortantriebs bereitzustellen. Die Funktion der Gehäuseverriegelungsanordnung ist es, selektiv in das Gehäuse mit der Bohrwelle einzugreifen, so dass sich das Gehäuse und die Bohrwelle miteinander drehen. Die Funktion der Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung ist es, eine relativ einfache Einrichtung zum Fühlen der Ausrichtung des Gehäuses relativ zu irgendeiner Referenzausrichtung bereitzustellen.
In einem Aspekt der Einrichtung der Erfindung beinhaltet die Erfindung eine Bohrwellen-Ablenkungsanordnung für eine Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung der Art, die eine drehbare Bohrwelle und ein Gehäuse zum drehbaren Stützen einer Länge der Bohrwelle zur Drehung darin beinhaltet, wobei die Bohrwellen-Ablenkungsanordnung in dem Gehäuse enthalten ist und sich axial zwischen einer ersten Stützstelle und einer zweiten Stützstelle zum Biegen der Bohrwelle zwischen der ersten Stützstelle und der zweiten Stützstelle befindet, wobei die Ablenkungsanordnung Folgendes beinhaltet:

(a) einen Ablenkungsmechanismus zum Übermitteln von Lateralbewegung an die Bohrwelle, um die Bohrwelle zu biegen;
(b) einen Ablenkungsauslöser zum Auslösen des Ablenkungsmechanismus als Reaktion auf Longitudinalbewegung des Ablenkungsauslösers; und
(c) einen Ablenkungsverknüpfungsmechanismus zwischen dem Ablenkungsmechanismus und dem Ablenkungsauslöser zum Umwandeln von Longitudinalbewegung des Ablenkungsauslösers in Lateralbewegung der Bohrwelle.

Die Bohrwellen-Ablenkungsanordnung, wie oben beschrieben, kann eine Vielfalt von Ausführungsformen umgreifen. Die Essenz der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung in allen Ausführungsformen der Erfindung ist die Verwendung des longitudinal beweglichen Ablenkungsauslösers, um die Lateralbewegung der Bohrwelle über den Ablenkungsverknüpfungsmechanismus zu bewirken.
Die Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung wie oben beschrieben kann ferner eine Indexierungsanordnung zum Ausrichten der Biegung in der Bohrwelle beinhalten. Wo eine Indexierungsanordnung bereitgestellt ist, kann sie mit der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung integriert sein, oder sie kann eine separate Einrichtung beinhalten.
Die Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung, wie oben beschrieben, kann ferner eine Gehäuseverriegelungsanordnung zum selektiven In-Eingriff-Bringen des Gehäuses mit der Bohrwelle beinhalten, so dass sie sich zusammen drehen.
Die Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung, wie oben beschrieben, kann ferner eine Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung zum Fühlen der Ausrichtung des Gehäuses beinhalten.
Die Bohrwellen-Ablenkungsanordnung kann eine beliebige Struktur oder Einrichtung beinhalten, die einen Ablenkungsmechanismus zum Übermitteln der Lateralbewegung an die Bohrwelle, einen longitudinal beweglichen Ablenkungsauslöser zum Auslösen des Ablenkungsmechanismus und einen Ablenkungsverknüpfungsmechanismus zum Umwandeln von Longitudinalbewegung des Ablenkungsauslösers in Lateralbewegung der Bohrwelle umfasst.
Der Ablenkungsmechanismus kann eine beliebige Struktur oder Einrichtung beinhalten, die innerhalb des Gehäuses beweglich ist, um Lateralbewegung auf die Bohrwelle zu übermitteln, um die Bohrwelle zu biegen. Der Ablenkungsmechanismus kann durch Translation oder durch Drehung beweglich sein, und er kann in einer Ebene beweglich sein, die entweder parallel oder senkrecht zu der Longitudinalachse der Bohrwelle ist.
Der Ablenkungsauslöser kann eine beliebige Struktur oder Einrichtung beinhalten, die longitudinal innerhalb des Gehäuses beweglich ist, um den Ablenkungsmechanismus auszulösen, und die mit dem Ablenkungsmechanismus kompatibel ist.
Der Ablenkungsauslöser beinhaltet vorzugsweise ferner eine Energiequelle zum Bewirken der Longitudinalbewegung des Ablenkungsauslösers. Die Energiequelle kann jede beliebige Struktur oder Einrichtung beinhalten, die die Longitudinalbewegung des Ablenkungsauslösers bewirken kann.
Die Energiequelle kann zum Beispiel hydraulischen Druck beinhalten, der direkt durch durch die Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung geführtes Bohrfluid auf den Ablenkungsauslöser ausgeübt wird. Die Energiequelle beinhaltet vorzugsweise ein in dem Gehäuse enthaltenes hydraulisches System. Das hydraulische System beinhaltet vorzugsweise eine ringförmige Pumpe, die durch die Drehung der Bohrwelle angetrieben wird. Das hydraulische Fluid beinhaltet vorzugsweise ein Öl. Das hydraulische System beinhaltet vorzugsweise ebenfalls einen sich hin- und herbewegenden hydraulischen Kolben in einem Zylinder. Das hydraulische System ist vorzugsweise zweifachwirkend, so dass die Energiequelle betrieben wird, um eine Longitudinalbewegung des Ablenkungsauslösers in zwei Richtungen zu bewirken. Die ringförmige Pumpe ist vorzugsweise eine Zahnradpumpe, die durch die Drehung der Bohrwelle angetrieben wird.
Der Ablenkungsverknüpfungsmechanismus kann jede beliebige Struktur oder Einrichtung beinhalten, die dazu fähig ist, die Longitudinalbewegung des Ablenkungsauslösers in Lateralbewegung der Bohrwelle umzuwandeln. Der Ablenkungsverknüpfungsmechanismus muss folglich sowohl mit dem Ablenkungsmechanismus als auch mit dem Ablenkungsauslöser kompatibel sein.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung kann der Ablenkungsmechanismus einen Außenring, der auf einer kreisförmigen Innenperipheriefläche innerhalb des Gehäuses drehbar gestützt ist und der eine kreisförmige Innenperipheriefläche aufweist, die bezüglich des Gehäuses exzentrisch ist, und einen Innenring, der drehbar auf der kreisförmigen Innenperipheriefläche des Außenrings gestützt wird und der eine kreisförmige Innenperipheriefläche aufweist, die in die Bohrwelle eingreift und die mit Bezug auf die kreisförmige Innenperipheriefläche des Außenrings exzentrisch ist, beinhalten. Der Außenring und der Innenring sind zur Drehung relativ zueinander in einer Ebene fähig, die zu der Longitudinalachse der Bohrwelle senkrecht ist, um Lateralbewegung auf die Bohrwelle zu übermitteln. Der Außenring und der Innenring sind vorzugsweise beide relativ zu dem Gehäuse drehbar, aber sie sind longitudinal in keinem materiellen Ausmaß beweglich.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung beinhaltet der Ablenkungsauslöser eine länglich bewegliche Nockenvorrichtung.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung beinhaltet der Ablenkungsverknüpfungsmechanismus eine der Nockenvorrichtung zugehörige erste Spur zum Eingreifen in ein erstes Ablenkungsverknüpfungselement und eine zweite der Nockenvorrichtung zugehörige Spur zum Eingreifen in ein zweites Ablenkungsverknüpfungselement, beide durch komplementäre Eingriffsflächen. Mindestes eine der ersten Spur und der zweiten Spur ist eine spiralförmige Spur, so dass sich die Ablenkungsverknüpfungselemente relativ zueinander bei Longitudinalbewegung der Nockenvorrichtung drehen. Die erste Spur und die zweite Spur sind vorzugsweise gegenüberliegende spiralförmige Spuren, so dass sich die Ablenkungsverknüpfungselemente bei Longitudinalbewegung der Nockenvorrichtung in entgegengesetzte Richtungen drehen.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung beinhaltet die Nockenvorrichtung eine röhrenförmige Hülsennocke, die sich in dem Gehäuse hin- und herbewegt, und das erste Ablenkungsverknüpfungselement und das zweite Ablenkungsverknüpfungselement werden beide teleskopartig und drehbar innerhalb der Hülsennocke aufgenommen.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung beinhaltet der Ablenkungsverknüpfungsmechanismus ferner das erste Ablenkungsverknüpfungselement und das zweite Ablenkungsverknüpfungselement. Das erste Ablenkungsverknüpfungselement ist mit dem Außenring verbunden und das zweite Ablenkungsverknüpfungselement ist mit dem Innenring verbunden, so dass die Drehung des ersten und des zweiten Ablenkungsverknüpfungselements zu der Drehung des Außenrings bzw. des Innenrings führt.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung beinhaltet der Ablenkungsmechanismus eine einer Innenfläche des Gehäuses zugehörige Nockenfläche und ein Stößelelement, das lateral zwischen dem Gehäuse und der Bohrwelle beweglich ist. Die Nockenfläche und das Stößelelement treten an die Stelle des Außenrings und des Innenrings der ersten bevorzugten Ausführungsform. Die Nockenfläche und das Stößelelement sind zur Drehung relativ zueinander in einer Ebene fähig, die senkrecht zu der Longitudinalachse der Bohrwelle ist, so dass die Lateralbewegung des Stößelelements, die durch die Nockenfläche verursacht wird, zu einer Lateralbewegung der Bohrwelle führt. Vorzugsweise ist weder die Nockenfläche noch das Stößelelement longitudinal in einem materiellen Ausmaß beweglich.
In der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung beinhaltet der Ablenkungsauslöser wie in der ersten bevorzugten Ausführungsform eine longitudinal bewegliche drehende Nockenvorrichtung.
In der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung beinhaltet der Ablenkungsverknüpfungsmechanismus eine der Nockenvorrichtung zugehörige erste Spur zum Eingreifen in ein erstes Ablenkungsverknüpfungselement und kann eine der Nockenvorrichtung zugehörige zweite Spur zum Eingreifen in ein zweites Ablenkungsverknüpfungselement beinhalten, beide durch komplementäre Eingriffsflächen. Mindestens eine der ersten Spur und der zweiten Spur ist eine spiralförmige Spur, so dass sich die Verknüpfungselemente bei Longitudinalbewegung der Nockenvorrichtung relativ zueinander drehen.
In der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung beinhaltet die Nockenvorrichtung eine röhrenförmige Hülsennocke, die sich in dem Gehäuse hin- und herbewegt, und das Ablenkungsverknüpfungselement oder die Ablenkungsverknüpfungselemente werden beide teleskopartig und drehbar innerhalb der Hülsennocke aufgenommen.
In der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung beinhaltet der Ablenkungsverknüpfungsmechanismus ferner das Ablenkungsverknüpfungselement oder die Ablenkungsverknüpfungselemente. Das erste Ablenkungsverknüpfungselement kann mit einem der Nockenfläche oder des Stößelelements verbunden sein, und das zweite Ablenkungsverknüpfungselement kann mit dem anderen der Nockenfläche oder des Stößelelements verbunden sein, so dass die Drehung des ersten und zweiten Ablenkungsverknüpfungselements zu der relativen Drehung der Nockenfläche und des Stößelelements führt.
In der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung bestimmt die Position der Nockenfläche die Ausrichtung der Biegung der Bohrwelle, während die relativen Positionen der Nockenfläche und des Stößelelements die Größenordnung der Bohrwellen-Ablenkung bestimmen. Der Ablenkungsmechanismus kann daher durch die Drehung der Nockenfläche und des Stößelelements relativ zueinander ausgelöst werden, während das Indexieren des Ablenkungsmechanismus, um eine gewünschte Ausrichtung der Richtung des Vorortantriebs zu erzielen, durch das koordinierte Miteinanderdrehen der Nockenfläche und des Stößelelements erreicht werden kann. Die zweite Spur und das zweite Ablenkungsverknüpfungselement können folglich ausgelassen werden, wenn die einzige Funktion der Ablenkungsanordnung das Ablenken der Bohrwelle ohne Bereitstellen einer Indexierungsfunktion ist.
In einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung beinhaltet der Ablenkungsmechanismus mindestens ein lateral bewegliches Stößelelement, das zwischen dem Gehäuse und der Bohrwelle angeordnet ist. Der Ablenkungsmechanismus beinhaltet vorzugsweise entweder eine Vielzahl von Stößelelementen oder ein einzelnes Stößelelement mit einer Vielzahl von Stößelelementflächen zum Eingreifen in eine Vielzahl von Nockenflächen. Das Stößelelement und die Stößelelementflächen können jede beliebige Gestalt und Konfiguration aufweisen, die mit dem Ablenkungsauslöser kompatibel ist. Das Stößelelement greift entweder direkt oder indirekt in die Bohrwelle ein, so dass die Lateralbewegung des Stößelelements zu der Lateralbewegung der Bohrwelle führt.
In der dritten bevorzugten Ausführungsform der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung beinhaltet der Ablenkungsverknüpfungsmechanismus mindestens eine dem Ablenkungsauslöser zugehörige Nockenfläche, die in das Stößelelement eingreift, um die Longitudinalbewegung des Ablenkungsauslösers in Lateralbewegung des Stößelelements zwischen dem Gehäuse und der Bohrwelle umzuwandeln. Die Nockenfläche ist vorzugsweise longitudinal durch den Ablenkungsauslöser beweglich, und das Stößelelement ist vorzugsweise nicht zur Longitudinalbewegung in einem materiellen Ausmaß fähig. Das Stößelelement oder die Stößelemente und ihre zugehörigen Nockenflächen beinhalten vorzugsweise komplementäre Schrägflächen.
Der Ablenkungsauslöser beinhaltet vorzugsweise ein Ablenkungsauslöserelement und eine Energiequelle für den Ablenkungsauslöser. Das Ablenkungsauslöserelement kann jedes beliebige longitudinal bewegliche Element beinhalten. Der Ablenkungsauslöser beinhaltet zum Beispiel vorzugsweise ein hydraulisches System, und das Ablenkungsauslöserelement beinhaltet vorzugsweise eine sich hin- und herbewegende Stange, die sowohl mit der Nockenfläche als auch mit einem hydraulischen Kolben, der eine Komponente des hydraulischen Systems ist, verbunden ist, so dass die Hin- und Herbewegung des Kolbens innerhalb eines hydraulischen Zylinders zu der Hin- und Herbewegung des Ablenkungsauslöserelements und der Nockenfläche führt.
In der dritten bevorzugten Ausführungsform der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung kann die Ablenkungsanordnung Lateralbewegung entlang einer einzelnen Achse oder entlang einer Vielzahl von Achsen auf die Bohrwelle übermitteln.
Zur einachsigen Biegung der Bohrwelle kann die Ablenkungsanordnung ein einzelnes Stößelelement und eine zugehörige Nockenfläche beinhalten, oder sie kann ein oder mehrere Stößelelemente und zugehörige Nockenflächen beinhalten, die um 180 Grad um die Bohrwelle getrennt sind, wodurch eine zusätzliche Stütze für die Bohrwelle während ihrer Biegung bereitgestellt wird. Wenn ein einzelnes Stößelelement mit einer Vielzahl von Nockenflächen verwendet wird, umfasst das Stößelelement vorzugsweise eine Vielzahl von Stößelelementflächen.
Zur mehrachsigen Biegung der Bohrwelle kann die Ablenkungsanordnung mehrere Ablenkungsanordnungen, wie oben beschrieben, zur einachsigen Biegung beinhalten, bei der die mehreren Ablenkungsanordnungen radial mit Abstand um die Bohrwelle angeordnet sind. Die Ablenkungsanordnungen sind vorzugsweise mit gleichmäßigem Abstand um die Bohrwelle angeordnet, so dass im Fall der zweiachsigen Biegung die Ablenkungsanordnungen um ungefähr 90 Grad getrennt sind.
Die mehreren Ablenkungsanordnungen können ein einzelnes Stößelelement mit einer Vielzahl von Stößelelementflächen umfassen oder sie können eine Vielzahl von Stößelelementen umfassen. Am besten beinhaltet die Ablenkungsanordnung ein einzelnes Stößelelement mit einer Vielzahl von Stößelelementflächen im Fall von sowohl einachsiger als auch mehrachsiger Biegung der Bohrwelle.
Im Fall von mehrachsiger Biegung der Bohrwelle bringen das Stößelelement, die Stößelelementflächen und die Nockenflächen vorzugsweise die gezwungene Lateralbewegung des Stößelelements unter, die aus der Bewegung des Stößelelements in mehr als einer Ebene resultiert. Diese gezwungene Lateralbewegung wird vorzugsweise durch das Ermöglichen der Bewegung der Nockenflächen relativ zu den Stößelelementflächen, die nicht parallel zu der erforderlichen Bewegungsrichtung ist, um den Ablenkungsmechanismus auszulösen, untergebracht.
Die Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung umfasst vorzugsweise eine Indexierungsanordnung zum Ausrichten der Biegung in der Bohrwelle, so dass die Vorrichtung verwendet werden kann, um während der Bohrvorgänge Neigungskontrolle bereitzustellen. Die Indexierungsanordnung kann mit der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung integriert sein, oder sie kann eine separate Einrichtung beinhalten.
Die Indexierungsanordnung kann zum Beispiel das Versehen des Ablenkungsmechanismus mit der Fähigkeit, die Bohrwelle auf eine gesteuerte Weise in eine Vielzahl von Richtungen zu biegen (d. h. zweiachsige oder mehrachsige Biegung der Bohrwelle wie etwa die, die zum Beispiel durch die in U.S. Patent Nr. 6,244,361 B1 (Halliburton Energy Services, Inc.) beschriebene Bohrwellen-Ablenkungsanordnung bereitgestellt wird), beinhalten.
Die Indexierungsanordnung kann alternativ eine Einrichtung zum Ausrichten einer Biegung der Bohrwelle (d. h. die Richtung des Vorortantriebs) durch das Drehen von einem oder beiden des Ablenkungsmechanismus und des Gehäuses beinhalten. Wenn der Ablenkungsmechanismus relativ zu dem Gehäuse eine fixierte Ausrichtung aufweist, dann kann die Biegung durch das Drehen von sowohl dem Ablenkungsmechanismus als auch dem Gehäuse ausgerichtet werden, da sie sich zusammen drehen. Wenn der Ablenkungsmechanismus und das Gehäuse zueinander keine fixierte Ausrichtung aufweisen, dann muss die Biegung durch das Drehen des Ablenkungsmechanismus ausgerichtet werden. In jedem Fall kann die Indexierungsanordnung Komponenten der Ablenkungsanordnung nutzen, oder sie kann unabhängig von der Ablenkungsanordnung sein.
Die Indexierungsanordnung beinhaltet vorzugsweise einen Indexierungsmechanismus zum Übermitteln von Drehbewegung auf den Ablenkungsmechanismus, einen Indexierungsauslöser zum Auslösen des Indexierungsmechanismus als Reaktion auf Longitudinalbewegung des Indexierungsauslösers und einen Indexierungsverknüpfungsmechanismus zwischen dem Indexierungsmechanismus und dem Indexierungsauslöser zum Umwandeln von Longitudinalbewegung des Indexierungsauslösers in Drehbewegung des Ablenkungsmechanismus.
Der Indexierungsmechanismus kann jede beliebige Struktur oder Einrichtung beinhalten, die Drehung auf den Ablenkungsmechanismus übermitteln kann. Der Indexierungsauslöser kann jede beliebige longitudinal bewegliche Struktur oder Einrichtung beinhalten, die den Indexierungsmechanismus durch den Indexierungsverknüpfungsmechanismus auslösen kann. Der Indexierungsverknüpfungsmechanismus kann jede beliebige Struktur oder Einrichtung beinhalten, die die Longitudinalbewegung des Indexierungsauslösers in Drehbewegung des Ablenkungsmechanismus umwandeln kann.
Der Indexierungsauslöser beinhaltet vorzugsweise ferner eine Energiequelle. Die Energiequelle kann den Fluss von Bohrfluid durch die Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung beinhalten. Der Indexierungsauslöser beinhaltet jedoch vorzugsweise eine unabhängige Energiequelle, wie etwa eine Pumpe, einen Motor oder eine Kombination aus Pumpe/Motor. Die Energiequelle beinhaltet vorzugsweise ein hydraulisches System. Das hydraulische System umfasst vorzugsweise einen sich hin und her bewegenden hydraulischen Kolben in einem Zylinder. Das hydraulische System beinhaltet vorzugsweise ferner eine hydraulische Pumpe zum Liefern von hydraulischem Fluid an den Zylinder. Das hydraulische System ist vorzugsweise zweifachwirkend, so dass der Indexierungsauslöser in zwei Richtungen getrieben werden kann. Die hydraulische Pumpe kann durch jeden beliebigen geeigneten Motor oder jede beliebige geeignete Vorrichtung mit Energie versorgt werden. Die hydraulische Pumpe wird vorzugsweise durch die Drehung der Bohrwelle mit Energie versorgt. Die hydraulische Pumpe ist vorzugsweise eine ringförmige Pumpe wie etwa eine Zahnradpumpe. Die Energiequelle für die Indexierungsanordnung kann die gleiche Energiequelle sein, die die Ablenkungsanordnung mit Energie versorgt, oder sie kann eine separate Energiequelle sein.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Indexierungsanordnung beinhaltet die Indexierungsanordnung eine Einrichtung, die der in dem Wickelrohr-BHA-Ausrichter (Coiled Tubing BHA Orienter) von Sperry Sun Drilling Services benutzten ähnlich ist. Der Wickelrohr-BHA-Ausrichter (Coiled Tubing BHA Orienter) von Sperry Sun Drilling Services wird in einem Technology Update beschrieben, das von Sperry-Sun Drilling Services im Winter 1995 veröffentlicht wurde, wobei dieses Technology Update hier unter Bezugnahme in diese Beschreibung inkorporiert wird.
Insbesondere beinhaltet der Indexierungsmechanismus in der ersten bevorzugten Ausführungsform der Indexierungsanordnung einen Klinkenmechanismus, der den Ablenkungsmechanismus und den Indexierungsverknüpfungsmechanismus zur Drehung des Ablenkungsmechanismus in eine einzelne Richtung verzahnt, wobei der Indexierungsauslöser einen longitudinal beweglichen Kolben beinhaltet und der Indexierungsverknüpfungsmechanismus eine Trommelkurvenvorrichtung beinhaltet, die Longitudinalbewegung des Kolbens in Drehung des Ablenkungsmechanismus umwandelt.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform der Indexierungsanordnung beinhaltet der Indexierungsverknüpfungsmechanismus ferner eine schraubenförmige Rille in der Trommelkurve und einen Stift auf dem Gehäuse, der in die schraubenförmige Rille eingreift, so dass sich die Trommelkurve relativ zu dem Gehäuse dreht, während sich der Stift die Länge der schraubenförmigen Rille entlang fortbewegt.
Bei der ersten bevorzugten Ausführungsform der Indexierungsanordnung beinhaltet der Indexierungsauslöser ferner ein hydraulisches System als Energiequelle. Das hydraulische System umfasst vorzugsweise einen sich hin- und herbewegenden Kolben in einem Zylinder. Das hydraulische System beinhaltet vorzugsweise ferner eine hydraulische Pumpe zum Liefern von hydraulischem Fluid an den Zylinder. Die hydraulische Pumpe wird vorzugsweise durch die Drehung der Bohrwelle mit Energie versorgt. Das hydraulische System ist vorzugsweise zweifachwirkend. Die Energiequelle für die Indexierungsanordnung kann die gleiche Energiequelle sein, die die Ablenkungsanordnung mit Energie versorgt, oder sie kann eine separate Energiequelle sein.
Die erste bevorzugte Ausführungsform der Indexierungsanordnung kann leicht zur Verwendung mit einer beliebigen der Ausführungsformen der Ablenkungsanordnung angepasst werden. Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Indexierungsanordnung ist spezifisch zur Verwendung mit der ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung vorgesehen, da sie mit der ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung integriert ist.
In der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Indexierungsanordnung beinhaltet der Indexierungsmechanismus Komponenten des Ablenkungsmechanismus von entweder der ersten oder der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung, wobei der Indexierungsauslöser Komponenten des Ablenkungsauslösers von entweder der ersten oder der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung beinhaltet, und der Indexierungsverknüpfungsmechanismus beinhaltet Komponenten des Ablenkungsverknüpfungsmechanismus von entweder der ersten oder der zweiten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung.
In der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Indexierungsanordnung dient die simultane Drehung der Ablenkungsanordnung als eine Einheit dazu, die Richtung der Biegung in der Bohrwelle auszurichten, sobald die Bohrwelle durch die Ablenkungsanordnung gebogen worden ist. Dieses Ergebnis wird durch das Entwerfen der Spuren in der Nockenvorrichtung, die den Indexierungsverknüpfungsmechanismus beinhalten, erreicht, so dass der Indexierungsverknüpfungsmechanismus den gesamten Ablenkungsmechanismus mit der gleichen Geschwindigkeit als Reaktion auf die Longitudinalbewegung des Ablenkungsauslösers dreht.
Dieses Ergebnis kann wiederum durch das Entwerfen der Spuren in der Nockenvorrichtung in zwei benachbarten Segmenten erreicht werden. Ein Ablenkungssegment der Spuren wird für die Biegung der Bohrwelle benutzt, während ein Indexierungssegment der Spuren zur Ausrichtung der Biegung in der Bohrwelle benutzt wird. In dem Ablenkungssegment verursacht der Ablenkungsverknüpfungsmechanismus, dass sich die Komponenten des Ablenkungsmechanismus mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und/oder in unterschiedliche Richtungen drehen, während der Indexierungsverknüpfungsmechanismus in dem Indexierungssegment verursacht, dass sich die Komponenten des Ablenkungsmechanismus zusammen mit der gleichen Geschwindigkeit und in der gleichen Richtung drehen.
In einer dritten Ausführungsform der Indexierungsanordnung erleichtert die Ablenkungsanordnung die mehrachsige Ablenkung der Bohrwelle, und die Indexierungsanordnung ist eine Komponente der Ablenkungsanordnung. Die Indexierungsanordnung benutzt die mehrachsige Ablenkung der Bohrwelle, um die Ausrichtung der Biegung in der Bohrwelle zu steuern.
Die Indexierungsanordnung könnte zum Beispiel die Ablenkungsanordnung von entweder der ersten oder der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung beinhalten, in welchem Fall die Komponenten des Ablenkungsmechanismus unabhängig gedreht werden könnten, um sowohl eine gewünschte Ablenkung als auch eine gewünschte Ausrichtung der Biegung in der Bohrwelle zu erreichen.
Eine Beschreibung der Art und Weise, wie der Außenring und der Innenring der ersten bevorzugten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung gedreht werden könnten, um dieses Ergebnis zu erreichen, findet sich in U.S. Patent Nr. 6,244,361 B1. Dieses System könnte leicht zur Verwendung mit der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung modifiziert werden.
Als ein weiteres Beispiel könnte die Indexierungsanordnung die Ablenkungsanordnung der dritten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung, in der die mehrachsige Ablenkung erleichtert wird, beinhalten. In diesem Fall kann die selektive Ablenkung der Bohrwelle entlang mehr als einer Achse verwendet werden, um eine gewünschte Ablenkung und eine gewünschte Ausrichtung der Biegung in der Bohrwelle zu erreichen.
Die dritte Ausführungsform der Indexierungsanordnung ist relativ komplex, da sie die simultane Ablenkung und Indexierung über die gleiche Einrichtung erfordert. Die dritte Ausführungsform der Indexierungsanordnung wird folglich nicht in Situationen bevorzugt, in denen ein relativ einfacher Entwurf der Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung erwünscht ist.
Die Indexierungsanordnung wird vorzugsweise unter Bezugnahme auf die Ausrichtung des Gehäuses ausgelöst. Die Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung beinhaltet folglich vorzugsweise ferner eine dem Gehäuse zugehörige Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung zum Fühlen der Ausrichtung des Gehäuses.
Die Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung kann die Ausrichtung des Gehäuses in drei Dimensionen im Raum fühlen und kann jede beliebige Einrichtung beinhalten, die diese Fühlfunktion und die gewünschte Genauigkeit beim Fühlen bereitstellen kann. Die Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung kann daher ein oder mehrere Magnetometer, Beschleunigungsmesser oder eine Kombination aus beiden Typen Fühleinrichtung beinhalten.
Alternativ kann die Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung einfacher entworfen sein, um die Ausrichtung des Gehäuses nur relativ zu Schwerkraft zu fühlen. Mit anderen Worten kann die Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung entworfen sein, um nur die Ausrichtung des Gehäuses relativ zu der „hohen Seite" oder der „niedrigen Seite" des Bohrlochs, das gebohrt wird, zu fühlen. In diesem Fall kann die Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung jeden beliebigen Schwerkraftsensor oder jede beliebige Kombination aus Schwerkraftsensoren wie etwa einem Beschleunigungsmesser, einem Senkblei oder einer Rollkugel in einer Spur beinhalten.
Alternativ kann die Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung entworfen sein, um die Ausrichtung des Gehäuses nur relativ zum Magnetfeld der Erde zu fühlen. Mit anderen Worten kann die Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung entworfen sein, um nur die Ausrichtung des Gehäuses relativ zum magnetischen Nordpol zu fühlen. In diesem Fall kann die Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung jeden beliebigen magnetischen Sensor oder jede beliebige Kombination magnetischer Sensoren wie etwa ein Magnetometer beinhalten.
Die Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung befindet sich vorzugsweise so nah wie möglich an dem distalen Ende des Gehäuses, so dass die gefühlte Ausrichtung des Gehäuses während des Betriebs der Vorrichtung so nah wie möglich an dem distalen Ende des Bohrlochs sein wird. Die Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung ist vorzugsweise in einer An-dem Mei0el-Neigung (ABI)-Einfügung, die sich in dem Gehäuse befindet, enthalten oder zu dieser zugehörig.
Die Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung kann ferner ebenfalls eine der Ablenkungsanordnung zugehörige Ablenkungsanordnungsausrichtungssensoreinrichtung beinhalten, um die Ausrichtung des Ablenkungsmechanismus (und folglich die Ausrichtung der Biegung in der Bohrwelle) zu fühlen. Eine derartige Ablenkungsanordnungsausrichtungssensoreinrichtung kann das direkte Fühlen der Ausrichtung des Ablenkungsmechanismus in einer, zwei oder drei Dimensionen relativ zur Schwerkraft und/oder zum Magnetfeld der Erde gewährleisten, in welchem Fall die Ablenkungsanordnungsausrichtungssensoreinrichtung möglicherweise die Notwendigkeit der Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung eliminieren kann.
Die Ablenkungsanordnungsausrichtungssensoreinrichtung fühlt jedoch vorzugsweise die Ausrichtung des Ablenkungsmechanismus relativ zu dem Gehäuse und kann jede beliebige Einrichtung beinhalten, die diese Fühlfunktion und die gewünschte Genauigkeit beim Fühlen bereitstellen kann.
Die Ablenkungsanordnung kann alternativ entworfen sein, um relativ zu dem Gehäuse fixiert zu sein, so dass sich die Biegung in der Bohrwelle immer an einer bekannten Ausrichtung relativ zu dem Gehäuse befindet (d. h. an einer „theoretischen hohen Seite"). In diesem Fall ist die Ausrichtung der Biegung in der Bohrwelle aus der Ausrichtung des Gehäuses bestimmbar, und nur eines von einer Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung und einer Ablenkungsanordnungsausrichtungssensoreinrichtung ist erforderlich.
Ausführungsformen geeigneter Gehäuseausrichtungssensoreinrichtungen und Ablenkungsanordnungsausrichtungssensoreinrichtungen werden in U.S. Patent Nr. 6,244,361 B1 beschrieben.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung, die ebenfalls zur Verwendung als eine Ablenkungsanordnungsausrichtungssensoreinrichtung angepasst sein könnte und die nicht im U.S. Patent Nr. 6,244,361 B1 beschrieben ist, fühlt die Ausrichtung der Einrichtung relativ zur Schwerkraft.
In der bevorzugten Ausführungsform der Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung beinhaltet die Einrichtung Folgendes:

(a) einen Gehäusereferenzindikator, der unbeweglich mit dem Gehäuse an einer Gehäusereferenzposition verbunden ist;
(b) eine kreisförmige Spur, die die Bohrwelle umgibt, wobei die kreisförmige Spur einen metallischen Schwerkraftreferenzindikator aufweist, der als Reaktion auf Schwerkraft frei um die kreisförmige Spur beweglich ist, um eine Schwerkraftreferenzposition bereitzustellen; und
(c) eine Näherungsanordnung, die zu der Bohrwelle zugehörig ist und mit dieser drehbar ist, wobei die Näherungsanordnung einen Gehäusereferenzsensor und einen Schwerkraftreferenzsensor beinhaltet, wobei der Gehäusereferenzsensor und der Schwerkraftreferenzsensor eine fixierte Nähe zueinander aufweisen.

In Betrieb dreht sich die Näherungsanordnung, während sich die Bohrwelle dreht. Wenn der Gehäusereferenzsensor an dem Gehäusereferenzindikator vorbeigeht, fühlt er den Gehäusereferenzindikator. Wenn der Schwerkraftreferenzsensor an dem Schwerkraftreferenzindikator vorbeigeht, fühlt er auf ähnliche Weise den Schwerkraftreferenzindikator. Aufgrund der bekannten Nähe zwischen dem Gehäusereferenzsensor und dem Schwerkraftreferenzsensor kann die Ausrichtung des Gehäuses relativ zur Schwerkraft aus den gefühlten Daten bestimmt werden.
Der Gehäusereferenzindikator kann jede beliebige Struktur oder Einrichtung beinhalten, die mit dem Gehäusereferenzsensor kompatibel ist. In der bevorzugten Ausführungsform beinhaltet der Gehäusereferenzindikator einen oder mehrere Magnete und der Gehäusereferenzsensor beinhaltet einen oder mehrere Hall-Effekt-Sensoren.
Der Schwerkraftreferenzindikator kann jede beliebige Struktur oder Einrichtung beinhalten, die sich als Reaktion auf Schwerkraft um die kreisförmige Spur bewegt und die von dem Schwerkraftreferenzsensor gefühlt werden kann. In der bevorzugten Ausführungsform beinhaltet der Schwerkraftreferenzindikator ein bewegliches metallisches Gewicht, und der Schwerkraftreferenzsensor beinhaltet einen magnetischen Näherungssensor, der Metall fühlen kann. Am besten beinhaltet der Schwerkraftreferenzindikator einen metallischen Ball, der frei um die kreisförmige Spur rollen kann.
Die Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung kann ferner eine Gehäuseverriegelungsanordnung zum selektiven Eingreifen in das Gehäuse mit der Bohrwelle beinhalten, so dass sie sich zusammen drehen. Dieses Merkmal ist vorteilhaft, um Drehkraft auf das Gehäuse anzuwenden, um es aus einem Bohrloch, in dem es feststeckt, wegzunehmen.
Die Gehäuseverriegelungsanordnung kann jede beliebige Struktur oder Einrichtung beinhalten, die dazu fähig ist, in die Bohrwelle mit dem Gehäuse einzugreifen, so dass sie sich zusammen drehen. Die Gehäuseverriegelungsanordnung kann vorzugsweise selektiv ausgelöst werden, um in die Bohrwelle und das Gehäuse sowohl einzugreifen als auch sich von diesen zu lösen. Die Gehäuseverriegelungsanordnung kann alternativ nur auslösbar sein, um in die Bohrwelle und das Gehäuse einzugreifen, so dass die Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung aus dem Bohrloch entfernt werden muss, um sich von der Bohrwelle und dem Gehäuse zu lösen.
Die Gehäuseverriegelungsanordnung beinhaltet vorzugsweise einen Gehäuseverriegelungsmechanismus zum Eingreifen der Bohrwelle in das Gehäuse, und einen Gehäuseverriegelungsauslöser zum Auslösen des Gehäuseverriegelungsmechanismus.
Der Gehäuseverriegelungsmechanismus kann jede beliebige Struktur oder Einrichtung beinhalten, die dazu fähig ist, in die Bohrwelle und das Gehäuse einzugreifen, so dass sie sich zusammen drehen. Der Gehäuseverriegelungsmechanismus beinhaltet vorzugsweise ein Verriegelungselement, das ausgelöst wird, um sowohl in die Bohrwelle als auch in das Gehäuse einzugreifen. Der Gehäuseverriegelungsmechanismus ist vorzugsweise longitudinal zwischen Positionen beweglich, in denen die Bohrwelle und das Gehäuse in Eingriff gebracht und gelöst sind.
Der Gehäuseverriegelungsauslöser kann jede beliebige Struktur oder Einrichtung beinhalten, die den Gehäuseverriegelungsmechanismus auslösen kann. Der Gehäuseverriegelungsauslöser bewegt sich vorzugsweise longitudinal, um den Gehäuseverriegelungsmechanismus auszulösen. Die Longitudinalbewegung des Gehäuseverriegelungsauslösers führt vorzugsweise zur Longitudinalbewegung des Gehäuseverriegelungsmechanismus und folglich der Auslösung der Gehäuseverriegelungsanordnung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Gehäuseverriegelungsanordnung beinhaltet der Gehäuseverriegelungsmechanismus eine longitudinal bewegliche Verriegelungshülse, und der Gehäuseverriegelungsauslöser beinhaltet ein longitudinal bewegliches Verriegelungsauslöserelement.
In der bevorzugten Ausführungsform der Gehäuseverriegelungsanordnung beinhaltet der Gehäuseverriegelungsmechanismus ferner komplementäre Eingriffsflächen auf jeder der Bohrwelle, des Gehäuses und der Verriegelungshülse, so dass die Eingriffsflächen auf jedem der Bohrwelle, des Gehäuses und der Verriegelungshülse in Eingriff gebracht werden, wenn die Verriegelungshülse ausgelöst wird, um in die Bohrwelle und das Gehäuse einzugreifen.
Die komplementären Eingriffsflächen können jede beliebige geeignete Fläche beinhalten, die die notwendige Eingriffsfunktion bereitstellt. Die komplementären Eingriffsflächen beinhalten vorzugsweise Splints, können aber ebenfalls eine nicht kreisförmige Querschnittsform der Bohrwelle, des Gehäuses und der Verriegelungshülse wie etwa eine quadratische oder achteckige Querschnittsform beinhalten.
In der bevorzugten Ausführungsform des Gehäuseverriegelungsmechanismus beinhaltet der Gehäuseverriegelungsauslöser vorzugsweise ferner eine Energiequelle. Die Energiequelle kann den Fluss des Bohrfluids durch die Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung beinhalten. Der Gehäuseverriegelungsauslöser beinhaltet jedoch vorzugsweise eine unabhängige Energiequelle, wie etwa eine Pumpe, einen Motor oder eine Kombination aus Pumpe/Motor. Die Energiequelle beinhaltet vorzugsweise ein hydraulisches System. Das hydraulische System umfasst vorzugsweise einen sich hin und her bewegenden hydraulischen Kolben in einem Zylinder. Das hydraulische System beinhaltet vorzugsweise ferner eine hydraulische Pumpe zum Liefern von hydraulischem Fluid an den Zylinder. Die hydraulische Pumpe kann von jedem beliebigen geeigneten Motor oder jeder beliebigen geeigneten Vorrichtung mit Energie versorgt werden. Die hydraulische Pumpe wird vorzugsweise durch die Drehung der Bohrwelle mit Energie versorgt. Die hydraulische Pumpe beinhaltet vorzugsweise eine ringförmige Pumpe wie etwa eine Zahnradpumpe.
Das hydraulische System ist vorzugsweise zweifachwirkend, so dass die Gehäuseverriegelungsanordnung ausgelöst werden kann, um die Bohrwelle und das Gehäuse sowohl einzugreifen als auch zu lösen.
Eine einzelne Energiequelle kann als Energiequelle für jede der Ablenkungsanordnung, der Indexierungsanordnung und der Gehäuseverriegelungsanordnung bereitgestellt werden. Alternativ kann eine oder jede der Anordnungen mit ihrer eigenen zugehörigen Energiequelle versehen werden.
Des Weiteren kann ein einzelner Auslöser als ein Ablenkungsauslöser, ein Indexierungsauslöser und ein Gehäuseverriegelungsauslöser bereitgestellt werden. Alternativ kann eine oder jede der Anordnungen mit ihrem eigenen zugehörigen Auslöser versehen werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
1(a) eine schematische Seitenansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung ist, die ein Drehbohrungssystem einschließlich eines nahen Meißelstabilisators beinhaltet.
1(b) ist eine schematische teilweise Schnittansicht von der Seite einer alternativen bevorzugten Ausführungsform einer Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung ohne einen nahen Meißelstabilisator.
2 ist eine transversale Querschnittsansicht eines Ablenkungsmechanismus für eine erste bevorzugte Ausführungsform der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung einschließlich eines drehbaren Außenrings und eines drehbaren Innenrings.
3 ist eine Bildansicht einer ersten Ausführungsform eines Ablenkungsauslösers zur Verwendung in der ersten bevorzugten Ausführungsform der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung.
4 ist eine Bildansicht einer zweiten Ausführungsform eines Ablenkungsauslösers zur Verwendung in der ersten bevorzugten Ausführungsform der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung.
5 ist eine Bildansicht des Ablenkungsauslösers aus 3 und eines Ablenkungsverknüpfungsmechanismus zur Verwendung in der ersten bevorzugten Ausführungsform der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung.
6(a) bis 6(d) sind transversale Querschnittsansichten eines Ablenkungsmechanismus für eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung einschließlich einer Nockenfläche und eines Stößelelements, die vier mögliche Ablenkungspositionen darstellen.
7(a) bis 7(m) sind longitudinale Querschnittsanordnungsansichten einer Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung, die eine erste Version einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung inkorporiert, wobei 7(b) eine Fortführung von 7(a) ist, und so weiter.
8 ist eine schematische longitudinale Querschnittsanordnungsansicht der in 7 dargestellten Bohrwellen-Ablenkungsanordnung und einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Indexierungsanordnung.
9(a) und 9(b) sind transversale Querschnittansichten des Ablenkungsmechanismus für die in 7 dargestellte Bohrwellen-Ablenkungsanordnung, die unterschiedliche Ablenkungspositionen darstellt.
10 ist eine Schnitt-Bildansicht der in 7 dargestellten Bohrwellen-Ablenkungsanordnung.
11 ist eine schematische longitudinale Querschnittsansicht einer zweiten Version der dritten bevorzugten Ausführungsform der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung.
12 ist eine Schnitt-Bildansicht der in 11 dargestellten Bohrwellen-Ablenkungsanordnung.
13 ist eine in 11 dargestellte Bildansicht eines Stößelelements von der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung.
14 ist eine schematische Bildansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung.
15(a) und 15(b) sind schematische longitudinale Querschnittansichten einer bevorzugten Ausführungsform eines Gehäuseverriegelungsmechanismus, wobei 15(a) die Bohrwelle und das Gehäuse in einer gelösten Konfiguration darstellt und 15(b) die Bohrwelle und das Gehäuse in einer Konfiguration in Eingriff darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Erfindung beinhaltet Verbesserungen in einer Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung (20). Die Vorrichtung (20) erlaubt die Neigungskontrolle über einen Bohrmeißel (22), der während des Drehbohrungsbetriebs durch das Steuern der Ablenkung des Bohrmeißels (22) mit der Vorrichtung (20) verbunden ist. Die Richtung des resultierenden Bohrlochs kann folglich gesteuert werden.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Verbesserungen bei einer Bohrwellen-Ablenkungsanordnung zum Biegen einer Bohrwelle und bei einer Indexierungsanordnung zum Ausrichten der Richtung der Biegung in einer Bohrwelle, um eine gewünschte Richtung des Vorortantriebs bereitzustellen.
1. Allgemeine Beschreibung der Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung (20) (1, 2, 7)
Die Erfindung ist insbesondere zur Verwendung mit einer Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung der Art geeignet, die in U.S. Patent Nr. 6,244,361 B1 (Halliburton Energy Services, Inc.) beschrieben wird, mit dem Ergebnis, dass zahlreiche der in U.S. Patent Nr. 6,244-361 B1 beschriebenen Komponenten der Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Die Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung (20) beinhaltet eine drehbare Bohrwelle (24), die mit einem Drehbohrmeißel (22) und einem Drehbohrungsgestänge (25) während des Bohrbetriebs verbunden oder befestigt werden kann. Genauer weist die Bohrwelle (24) ein proximales Ende (26) und ein distales Ende (28) auf. Das proximale Ende (26) kann antreibend mit dem Drehbohrungsgestänge (25) verbunden oder an diesem befestigt werden, so dass die Drehung des Bohrungsgestänges (25) von der Oberfläche zu einer entsprechenden Drehung der Bohrwelle (24) führt. Das proximale Ende (26) der Bohrwelle (24) kann auf jede beliebige Weise und durch jede beliebige Struktur, jeden beliebigen Mechanismus, jede beliebige Vorrichtung oder jedes beliebige Verfahren, das die Drehung der Bohrwelle (24) bei Drehung des Bohrungsgestänges (25) erlaubt, permanent oder entfernbar an dem Bohrungsgestänge (25) befestigt, mit diesem verbunden oder anderweitig an diesem angebracht werden.
Die Vorrichtung (20) beinhaltet vorzugsweise ferner eine Antriebsverbindung (29) zum Verbinden der Bohrwelle (24) mit dem Bohrungsgestänge (25). Die Antriebsverbindung (29) kann jede beliebige Struktur, jeden beliebigen Mechanismus oder jede beliebige Vorrichtung zum antreibenden Verbinden der Bohrwelle (24) und des Bohrungsgestänges (25) beinhalten, so dass die Drehung des Bohrungsgestänges (25) zu einer entsprechenden Drehung der Bohrwelle (24) führt.
Auf ähnliche Weise kann das distale Ende (28) der Bohrwelle (24) antreibend mit dem Drehbohrmeißel (22) verbunden oder an diesem befestigt werden, so dass die Drehung der Bohrwelle (24) durch das Bohrungsgestänge (25) zu einer entsprechenden Drehung des Bohrmeißels (22) führt. Das distale Ende (28) der Bohrwelle (24) kann auf jede beliebige Weise und durch jede beliebige Struktur, jeden beliebigen Mechanismus, jede beliebige Vorrichtung oder jedes beliebige Verfahren, das die Drehung des Bohrmeißels (22) bei Drehung der Bohrwelle (24) erlaubt, permanent oder entfernbar an dem Bohrmeißel (22) befestigt, mit diesem verbunden oder anderweitig an diesem angebracht werden. In der bevorzugten Ausführungsform wird eine Gewindeverbindung dazwischen bereitgestellt.
Die Bohrwelle (24) kann ein oder mehrere Elemente oder Abschnitte, die auf jede beliebige geeignete Weise miteinander verbunden, befestigt oder anderweitig angebracht sein können, beinhalten, was eine einheitliche Bohrwelle (24) zwischen dem proximalen und dem distalen Ende (26, 28) bereitstellt. Beliebige zwischen den Elementen oder Abschnitten der Bohrwelle (24) bereitgestellte Verbindungen sind vorzugsweise relativ steif, so dass die Bohrwelle (24) keine flexiblen Gelenke oder Gelenkverbindungen darin umfasst. In der bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die Bohrwelle (24) ein einzelnes, einheitliches oder integrales Element, das sich zwischen dem proximalen und dem distalen Ende (26, 28) ausstreckt. Die Bohrwelle (24) ist ferner röhrenförmig oder hohl, um das Fließen von Bohrfluid dort hindurch auf eine relativ ungehinderte und unbeeinträchtigte Weise zu erlauben.
Die Bohrwelle (24) kann schließlich jedes beliebige Material beinhalten, das für das Drehbohren geeignet und mit diesem kompatibel ist. In der bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die Bohrwelle (24) hochfesten Edelstahl.
Die Vorrichtung (20) beinhaltet ferner ein Gehäuse (46) zum drehbaren Stützen einer Länge der Bohrwelle (24) zur Drehung darin bei Drehung des befestigten Bohrungsgestänges (25). Das Gehäuse (46) kann jede beliebige Länge der Bohrwelle (24) stützen und sich entlang dieser ausstrecken. Das Gehäuse (46) stützt jedoch vorzugsweise im Wesentlichen die gesamte Länge der Bohrwelle (24) und streckt sich im Wesentlichen zwischen dem proximalen und dem distalen Ende (26, 28) der Bohrwelle (24) aus.
In der bevorzugten Ausführungsform weist das Gehäuse (46) ein proximales Ende (48) angrenzend an oder in der Nähe des proximalen Endes (26) der Bohrwelle (24) auf. Insbesondere streckt sich das proximale Ende (26) der Bohrwelle (24) von dem proximalen Ende (48) des Gehäuses (46) zur Verbindung mit dem Bohrungsgestänge (25) aus. Zusätzlich dazu kann sich jedoch ein Abschnitt des angrenzenden Bohrungsgestänges (25) innerhalb des proximalen Endes (48) des Gehäuses (46) ausstrecken. In der bevorzugten Ausführungsform weist auf ähnliche Weise das Gehäuse (46) ein distales Ende (50) angrenzend an oder in der Nähe des distalen Endes (28) der Bohrwelle (24) auf. Insbesondere streckt sich das distale Ende (28) der Bohrwelle (24) von dem distalen Ende (50) des Gehäuses (46) zur Verbindung mit dem Bohrmeißel (22) aus.
Das Gehäuse (46) kann ein oder mehrere röhrenförmige oder hohle Elemente, Teilabschnitte oder Komponenten beinhalten, die permanent oder entfernbar miteinander verbunden, befestigt oder anderweitig angebracht sind, um ein einheitliches oder integrales Gehäuse (46) bereitzustellen, das der Bohrwelle (24) das Ausstrecken dort hindurch erlaubt.
Die Vorrichtung (20) beinhaltet ferner mindestens ein distales radiales Lager (82), das innerhalb des Gehäuses (46) zum drehbaren Stützen der Bohrwelle (24) radial an einer hierdurch definierten distalen radialen Lagerstelle (86) enthalten ist.
Das distale radiale Lager (82) beinhaltet ein Drehpunktlager (88), das ebenfalls als fokales Lager bezeichnet wird, oder ein anderes Lager, das das Schwenken der Bohrwelle (24) an dem distalen radialen Lagerstandort (86) bei der gesteuerten Ablenkung der Bohrwelle (24) durch die Vorrichtung (20) erleichtert, um eine Biegung oder eine Krümmung der Bohrwelle (24) zu produzieren, um den Bohrmeißel (22) auszurichten oder zu lenken.
Die Vorrichtung (20) kann wahlweise ferner einen nahen Meißelstabilisator (89) beinhalten, der sich vorzugsweise angrenzend an dem distalen Ende (50) des Gehäuses (46) befindet und vorzugsweise mit dem distalen radialen Lagerstandort (86) zusammentrifft. Der nahe Meißelstabilisator (89) kann jede beliebige Art von Stabilisator beinhalten und kann entweder einstellbar oder nicht einstellbar sein.
Die Vorrichtung (20) beinhaltet ferner mindestens ein proximales radiales Lager (84), das innerhalb des Gehäuses (46) zum drehbaren Stützen der Bohrwelle (24) radial an einer hierdurch definierten proximalen radialen Lagerstandort (90) enthalten ist.
Das proximate radiale Lager (84) kann jedes beliebige radiale Lager beinhalten, das die Bohrwelle (24) innerhalb des Gehäuses (46) an dem proximalen radialen Lagerstandort (90) drehbar radial stützen kann, das proximale radiale Lager (84) beinhaltet aber vorzugsweise ein Kragträger-Lager.
Bei Ablenkung der Bohrwelle (24) durch die Vorrichtung (20), wie weiter unten beschrieben, wird die Krümmung oder Biegung der Bohrwelle (24) unterhalb des proximalen radialen Kragträger-Lagers (84) produziert. Mit anderen Worten tritt die Ablenkung der Bohrwelle (24) und folglich die Krümmung der Bohrwelle (24) zwischen dem proximalen radialen Lagerstandort (90) und dem distalen radialen Lagerstandort (86) auf. Die Kragträger-Beschaffenheit des proximalen radialen Lagers (84) hemmt die Biegung der Bohrwelle (24) nach oben oder über dem proximalen radialen Lager (84). Das Drehpunktlager, das das distale radiale Lager (82) beinhaltet, erleichtert das Schwenken der Bohrwelle (24) und erlaubt dem Bohrmeißel (22) das Neigen in jede beliebige gewünschte Richtung. Dem Bohrmeißel (22) wird insbesondere die Neigung in die der Biegungsrichtung entgegengesetzte Richtung erlaubt.
Die Vorrichtung (20) beinhaltet ferner eine Bohrwellen-Ablenkungsanordnung (92), die innerhalb des Gehäuses (46) zum Biegen der Bohrwelle (24) darin enthalten ist. Die Bohrwellen-Ablenkungsanordnung (92) befindet sich axial an einem Standort zwischen dem distalen radialen Lagerstandort (86) und dem proximalen radialen Lagerstandort (90), so dass die Ablenkungsanordnung (92) die Bohrwelle (24) zwischen dem distalen radialen Lagerstandort (86) und dem proximalen radialen Lagerstandort (90) biegt. Verschiedene Ausführungsformen der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung (92) werden unten detailliert beschrieben.
Die Vorrichtung (20) kann ebenfalls eine in dem Gehäuse (46) enthaltene Indexierungsanordnung (93) zum Ausrichten des Ablenkungsmechanismus beinhalten, um eine gewünschte Richtung des Vorortantriebs bereitzustellen. Die Indexierungsanordnung (93) kann mit der Ablenkungsanordnung (92) integriert werden, oder sie kann eine separate Einrichtung beinhalten. Verschiedene Ausführungsformen der Indexierungsanordnung (93) werden unten detailliert beschrieben.
Zusätzlich zu den radialen Lagern (82, 84) zum drehbaren radialen Stützen der Bohrwelle (24) umfasst die Vorrichtung (20) ferner vorzugsweise ein oder mehrere Drucklager zum drehbaren axialen Stützen der Bohrwelle (24).
Die Vorrichtung (20) beinhaltet vorzugsweise mindestens ein distales Drucklager (94) und mindestens ein proximales Drucklager (96). Die Drucklager (94, 96) können an jedem beliebigen Standort entlang der Länge der Bohrwelle (24) positioniert sein, was es den Lagern (94, 96) erlaubt, die Bohrwelle (24) axial innerhalb des Gehäuses (46) drehbar zu stützen.
Vorzugsweise befindet sich mindestens ein distales Drucklager (94) axial an einem distalen Drucklagerstandort (98), der sich vorzugsweise axial zwischen dem distalen Ende (50) des Gehäuses (46) und der Ablenkungsanordnung (92) befindet. Das distale Drucklager (94) kann jedes beliebige geeignete Drucklager beinhalten, beinhaltet aber vorzugsweise das oben beschriebene Drehpunktlager (88), so dass sich der distale Drucklagerstandort (98) an dem distalen radialen Lagerstandort (86) befindet.
Vorzugsweise befindet sich mindestens ein proximales Drucklager (96) axial an einem proximalen Drucklagerstandort (100), der sich vorzugsweise axial zwischen dem proximalen Ende (48) des Gehäuses (46) und der Ablenkungsanordnung (92) befindet. Der proximate Drucklagerstandort (100) befindet sich am besten axial zwischen dem proximalen Ende (48) des Gehäuses (46) und dem proximalen radialen Lagerstandort (90). Das proximale Drucklager (96) kann jedes beliebige geeignete Drucklager beinhalten.
Den Drucklagern (94, 96) zufolge kann der Großteil des Gewichts auf dem Bohrmeißel (22) in und durch das Gehäuse (46) anstatt durch die Bohrwelle (24) der Vorrichtung (20) transferiert werden. Der Bohrwelle (24) kann es folglich erlaubt sein, dünner und steuerbarer zu sein. Außerdem geht der Großteil der Meißelbelastung im Wesentlichen zwischen ihrem proximalen und distalen Ende (48, 50) an der Bohrwelle (24) vorbei und geht folglich an den anderen Komponenten der Vorrichtung (20) einschließlich der Ablenkungsanordnung (92) vorbei. Genauer wird die durch das Bohrgestänge (25) auf den Bohrmeißel (22) angewendete Belastung zumindest teilweise von dem Bohrungsgestänge (25) durch das proximate Drucklager (96) an dem proximalen Drucklagerstandort (100) auf das proximale Ende (48) des Gehäuses (46) übertragen. Das Gewicht wird ferner zumindest teilweise durch das Drehpunktlager (88) an dem distalen Drucklagerstandort (100) von dem distalen Ende (50) des Gehäuses (46) auf die Bohrwelle (24) und folglich den befestigten Bohrmeißel (22) transferiert.
Die Drucklager (94, 96) werden vorzugsweise vorbelastet. Jeder beliebige Mechanismus, jede beliebige Struktur, jede beliebige Vorrichtung oder jedes beliebige Verfahren zum Vorbelasten der Drucklager (94, 96) kann benutzt werden.
Aufgrund der Drehung der Bohrwelle (24) während der Drehbohrung besteht eine Tendenz, dass sich das Gehäuse (46) während des Bohrbetriebs dreht. Die Vorrichtung (20) beinhaltet folglich vorzugsweise eine dem Gehäuse (46) zugehörige Anti-Drehvorrichtung (252) zum Einschränken der Drehung des Gehäuses (46) innerhalb des Bohrlochs. Jede Art Anti-Drehvorrichtung (252) oder jeder beliebige Mechanismus, jede beliebige Struktur, jede beliebige Vorrichtung oder jedes beliebige Verfahren, das die Tendenz des Gehäuses (46), sich beim Drehbohren zu drehen, einschränkt oder hemmt, kann verwendet werden. Ferner können eine oder mehrere derartige Vorrichtungen (252) nach Bedarf verwendet werden, um das gewünschte Ergebnis bereitzustellen.
Die Vorrichtung (252) kann außerdem zu jedem beliebigen Abschnitt des Gehäuses (46) gehören. Mit anderen Worten kann sich die Anti-Drehvorrichtung (252) an jedem beliebigen Standort oder an jeder beliebigen Position entlang der Länge des Gehäuses (46) zwischen dessen proximalem und distalem Ende (48, 50) befinden. Die dem Gehäuse (46) möglicherweise auf jede beliebige Art und Weise zugehörige Anti-Drehvorrichtung (252) erlaubt das Funktionieren der Vorrichtung (252), um die Drehung des Gehäuses (46) zu hemmen oder einzuschränken.
Zusätzlich dazu beinhaltet die Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung (20) vorzugsweise ferner eine oder mehrere Abdichtungen oder Abdichtungsanordnungen zum Abdichten des distalen und proximalen Endes (50, 48) des Gehäuses (46), so dass die sich dazwischen befindlichen Komponenten der Vorrichtung (20) nicht verschiedenen Bohrfluiden wie etwa Bohrschlamm ausgesetzt werden. Zusätzlich zu dem Hemmen des Eintritts von Bohrfluiden in die Vorrichtung (20) von außen erleichtern die Abdichtungen oder Abdichtungsanordnungen außerdem die Erhaltung oder Rückhaltung von wünschenswerten Schmierfluiden innerhalb der Vorrichtung (20).
Die Vorrichtung (20) beinhaltet vorzugsweise eine distale Abdichtung oder Abdichtungsanordnung (280) und eine proximale Abdichtung oder Abdichtungsanordnung (282). Die distale Abdichtung (280) ist radial positioniert und stellt eine Gleitringdichtung zwischen dem Gehäuse (46) und der Bohrwelle (24) an, angrenzend an oder in der Nähe des distalen Endes (50) des Gehäuses (46) bereit.
Die proximale Abdichtung (282) ist radial positioniert und stellt eine Gleitringdichtung zwischen dem Gehäuse (46) und der Bohrwelle (24) an, angrenzend an oder in der Nähe des proximalen Endes (48) des Gehäuses (46) bereit. Wo sich jedoch das Bohrungsgestänge (25) innerhalb des proximalen Endes (48) des Gehäuses (46) ausstreckt, ist die proximate Abdichtung (282) genauer zwischen dem Gehäuse (46) und dem Bohrungsgestänge (25) positioniert. Die proximale Abdichtung (282) ist folglich radial positioniert und stellt eine Abdichtung zwischen der Bohrwelle (24) oder dem Bohrungsgestänge (25) und dem Gehäuse (46) an, angrenzend an oder in der Nähe des proximalen Endes (48) des Gehäuses bereit.
Das Innere des Gehäuses (46) definiert außerdem vorzugsweise eine Fluidkammer (284) zwischen dem distalen und dem proximalen Ende (50, 48) des Gehäuses (46). Die Fluidkammer (284) wird folglich zwischen der dem distalen bzw. dem proximalen Ende (50, 48) des Gehäuses (46) zugehörigen distalen und proximalen Abdichtung (280, 282) positioniert oder definiert. Wie oben angezeigt, wird die Fluidkammer (284) vorzugsweise mit einem Schmierfluid zum Schmieren der Komponenten der Vorrichtung (20) innerhalb des Gehäuses (46) gefüllt.
Die distale und die proximate Abdichtung (280, 282) werden vorzugsweise um die Bohrwelle (24) bzw. das Bohrungsgestänge (25) montiert, so dass der Bohrwelle (24) und dem zugehörigen Bohrungsgestänge (25) erlaubt wird, sich darin zu drehen, während die Abdichtung aufrechterhalten wird. Die distale und die proximale Abdichtung (280, 282) stellen des Weiteren vorzugsweise eine biegsame Abdichtungsanordnung oder eine biegsame Verbindung zwischen dem Gehäuse (46) und der Bohrwelle (24) oder dem Bohrungsgestänge (25) bereit, um die dadurch bereitgestellte Abdichtung aufrechtzuerhalten, während jegliche Bewegung oder Ablenkung der Bohrwelle (24) oder des Bohrungsgestänges (25) innerhalb des Gehäuses (46) untergebracht wird. Diese biegsame Verbindung ist besonders wichtig für die distale Abdichtung (280), die von der Ablenkungsanordnung (92) dem Schwenken der Bohrwelle (24) ausgesetzt wird. Eine geeignete Abdichtungsanordnung wird detailliert in U.S. Patent Nr. 6,244,361 B1 (Halliburton Energy Services, Inc.) beschrieben.
Das innerhalb der Fluidkammer (284) des Gehäuses (46) zwischen der proximalen und der distalen Abdichtung (282, 280) enthaltene Schmierfluid weist einen Druck auf. Die Vorrichtung (20) beinhaltet vorzugsweise ferner ein Druckausgleichsystem (326) zum Ausgleichen des Drucks des in der Fluidkammer (284) innerhalb des Gehäuses (46) enthaltenen Schmierfluids mit dem Umgebungsdruck außerhalb des Gehäuses (46). Das Druckausgleichsystem (326) kann sich an jeder beliebigen Position oder an jedem beliebigen Standort entlang der Länge des Gehäuses (46) zwischen der distalen und der proximalen Abdichtung (280, 282) befinden.
Das Druckausgleichsystem (326) kann jeden beliebigen Mechanismus, jede beliebige Vorrichtung oder jede beliebige Struktur beinhalten, die dazu fähig ist, das Ausgleichen des Drucks des in der Fluidkammer (284) enthaltenen Schmierfluids mit dem Umgebungsdruck außerhalb des Gehäuses (46) zu gewährleisten oder zu erlauben. Das Druckausgeichsystem (326) beinhaltet vorzugsweise mindestens eine Drucköffnung (328) in dem Gehäuse (46), so dass der Umgebungsdruck außerhalb des Gehäuses (46) an die Fluidkammer (284) übermittelt werden kann.
Der Druck des in der Fluidkammer (284) des Gehäuses (46) enthaltenen Schmierfluids wird vorzugsweise höher aufrechterhalten als der Umgebungsdruck außerhalb des Gehäuses (46) oder der Ringraumdruck in dem Bohrloch. Das Druckausgleichsystem (326) erhält insbesondere vorzugsweise intern über die distale und proximale Abdichtung (280, 282) einen Überdruck aufrecht. In dem Fall, dass es eine Tendenz gibt, dass die distalen und proximalen Abdichtungen (280, 282) auslaufen und das Passieren des Fluids über die Abdichtungen (280, 282) erlauben, wird das Passieren eines beliebigen derartigen Fluids folglich tendenziell Schmierfluid von innerhalb der Fluidkammer (284) zur Außenseite der Vorrichtung (20) sein.
Um einen Druck innerhalb der Fluidkammer (284) des Gehäuses (46) bereitzustellen, der höher als der äußere Ringraumdruck ist, beinhaltet das Druckausgleichsystem (326) vorzugsweise ferner eine supplementäre Druckquelle (330). Die suplementäre Druckquelle (330) übt Druck auf das in der Fluidkammer (284) enthaltene Schmierfluid aus, so dass der Druck des in der Fluidkammer (284) enthaltenen Schmierfluids höher aufrechterhalten wird als der Umgebungsdruck außerhalb des Gehäuses (46). Das Druckdifferential zwischen der Fluidkammer (284) und außerhalb des Gehäuses (46) kann gemäß den erwarteten Bohrbedingungen ausgewählt werden. In der Fluidkammer (284) wird jedoch vorzugsweise nur ein leichter Überdruck durch die supplementäre Druckquelle (330) bereitgestellt.
Der supplementäre Druck kann auf jede beliebige Weise oder durch jedes beliebige Verfahren bereitgestellt werden, und die supplementäre Druckquelle (330) kann jede beliebige Struktur, jede beliebige Vorrichtung oder jeden beliebigen Mechanismus beinhalten, die/der dazu fähig ist, den gewünschten supplementären Druck in der Fluidkammer (284) bereitzustellen, um das gewünschte Druckdifferential zwischen der Fluidkammer (284) und außerhalb des Gehäuses (46) bereitzustellen.
Das Druckausgleichsystem (326) beinhaltet vorzugsweise ferner eine Ausgleichskolbenanordnung (336), die einen in einer Kolbenkammer (338) enthaltenen beweglichen Kolben (340) umfasst. Der Kolben (340) trennt die Kolbenkammer (338) in eine Fluidkammerseite (342) und eine Ausgleichsseite (344). Die Fluidkammerseite (342) ist mit der Fluidkammer (284) verbunden und befindet sich vorzugsweise distal oder unterhalb des Kolbens (340). Die Drucköffnung (328) kommuniziert mit der Ausgleichsseite (344) der Kolbenkammer (338), die sich vorzugsweise proximal oder oberhalb des Kolbens (340) befindet. Die supplementäre Druckquelle (330) wirkt ferner auf die Ausgleichsseite (344) der Kolbenkammer (338). Die supplementäre Druckquelle (330) wirkt insbesondere durch das Ausüben von supplementärem Druck auf den Kolben (340) auf die Ausgleichsseite (344).
Die supplementäre Druckquelle (330) beinhaltet vorzugsweise eine Vorspannvorrichtung, die sich innerhalb der Ausgleichsseite (344) der Kolbenkammer (338) befindet und die den supplementären Druck auf den Kolben (340) ausübt. Die Vorspannvorrichtung kann jede beliebige Vorrichtung, jede beliebige Struktur oder jeden beliebigen Mechanismus beinhalten, die/der den Kolben (340) auf die oben beschriebene Weise vorspannen kann. Die Vorspannvorrichtung beinhaltet vorzugsweise eine Feder (346).
Die Vorrichtung (20) weist vorzugsweise die Fähigkeit auf, elektrische Signale zwischen zwei Elementen zu kommunizieren, die sich ohne jeden Kontakt dazwischen relativ zueinander drehen. Diese Kommunikation ist zum Beispiel erforderlich, wenn Betriebsparameter für die Vorrichtung (20) heruntergeladen oder Untertageinformationen von der Vorrichtung (20) entweder entlang dem Bohrungsgestänge (25) weiter nach oben oder zu der Oberfläche kommuniziert werden. Die elektrischen Signale müssen insbesondere zwischen der Bohrwelle (24) und dem Gehäuse (46), die sich während des Drehbohrbetriebs relativ zueinander drehen, kommuniziert werden.
Die Kommunikationsverbindung zwischen der Bohrwelle (24) und dem Gehäuse (46) kann durch jedes beliebige direkte oder indirekte Kopplungs- oder Kommunikationsverfahren oder durch jeden beliebigen Mechanismus, jede beliebige Struktur oder jede beliebige Vorrichtung zum direkten oder indirekten Koppeln der Bohrwelle (24) mit dem Gehäuse (46) bereitgestellt werden. Die Kommunikation zwischen dem Gehäuse (46) und der Bohrwelle (24) kann zum Beispiel durch einen Schleifring oder einen Gamma-Bit-Kommunikationsstoroidkoppler bereitgestellt werden. In der bevorzugten Ausführungsform wird jedoch die Kommunikation zwischen der Bohrwelle (24) und dem Gehäuse (46) durch eine elektromagnetische Kopplungsvorrichtung (350) zwischen dem Gehäuse (46) und der Bohrwelle bereitgestellt.
Die Ablenkungsanordnung (92) und die Indexierungsanordnung (93) können manuell ausgelöst werden. Die Vorrichtung (20) beinhaltet jedoch ferner vorzugsweise eine Steuereinheit (360) zum Steuern der Auslösung der Bohrwellen-Ablenkungsanordnung (92) und der Indexierungsanordnung (93), um Richtbohrsteuerung bereitzustellen. Die vorzugsweise dem Gehäuse (46) zugehörige Steuereinheit (360) der Vorrichtung (20) beinhaltet vorzugsweise eine in dem Gehäuse (46) positionierte Elektronikeinfügung. Durch die verschiedenen Untertagesensoren der Vorrichtung (20) bereitgestellte Informationen oder Daten werden an die Steuereinheit (360) kommuniziert, damit die Ablenkungsanordnung (92) und die Indexierungsanordnung (93) unter Bezugnahme auf und gemäß den durch die Sensoren bereitgestellten Informationen oder Daten ausgelöst werden können.
Die Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung (20) beinhaltet vorzugsweise eine dem Gehäuse (46) zugehörige Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung (362) zum Fühlen der Ausrichtung des Gehäuses (46) innerhalb des Bohrlochs. Da das Gehäuse (46) im Wesentlichen während des Bohrens vom Drehen zurückgehalten wird, stellt die Ausrichtung des Gehäuses (46), die durch die Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung (362) gefühlt wird, die Referenzausrichtung für die Vorrichtung (20) bereit.
Die Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung (362) kann einen beliebigen Sensor oder beliebige Sensoren beinhalten, wie etwa einen oder eine Kombination aus Magnetometern und Beschleunigungsmessern, die die Ausrichtung des Gehäuses (46) fühlen können. Die Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung (362) befindet sich vorzugsweise so nah wie möglich an dem distalen Ende (50) des Gehäuses (46). Die Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung (362) fühlt vorzugsweise die Ausrichtung des Gehäuses (46) in drei Dimensionen im Raum. Alternativ kann die Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung (362) entworfen sein, um die Ausrichtung des Gehäuses (46) in weniger als drei Dimensionen zu fühlen. Die Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung (362) kann zum Beispiel entworfen sein, um die Ausrichtung des Gehäuses (46) relativ zur Schwerkraft und zum Magnetfeld der Erde zu fühlen. Eine bevorzugte Ausführungsform der Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung (362) wird unten detailliert beschrieben.
Die Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung (362) ist vorzugsweise in einer zu dem Gehäuse (46) gehörigen ABI oder Am-Meißel-Neigungs-Einfügung enthalten oder ist ein Teil von dieser. Die ABI-Einfügung (364) ist vorzugsweise mit dem Gehäuse (46) an, angrenzend an oder in nächster Nähe zu dessen distalem Ende (68) verbunden oder daran montiert. Unter Bezugnahme auf 1(a) und 1(b) wird die ABI-Einfügung (364) als distal von der Ablenkungsanordnung (92) befindlich dargestellt. Unter Bezugnahme auf 7(d) wird die ABI-Einfügung (364) als proximal zu der Ablenkungsanordnung (92) befindlich dargestellt. Beide Konfigurationen sind möglich, wobei die bevorzugte Konfiguration von dem Entwurf der Ablenkungsanordnung (92), der Indexierungsanordnung (93) und den anderen Komponenten der Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung (20) abhängt.
Die Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung (20) kann ebenfalls eine der Ablenkungsanordnung (92) zugehörige Ablenkungsanordnungsausrichtungssensoreinrichtung (366) zum Fühlen der Ausrichtung des Ablenkungsmechanismus beinhalten. Alternativ kann der Ablenkungsmechanismus entworfen sein, um eine konstante Ausrichtung relativ zu dem Gehäuse (46) aufrechtzuerhalten, so dass die Ausrichtung des Ablenkungsmechanismus von der Ausrichtung des Gehäuses (46) bestimmt werden kann, so dass die Notwendigkeit einer separaten Ablenkungsanordnungsausrichtungssensoreinrichtung (366) eliminiert wird.
Wenn sie bereitgestellt ist, fühlt die Ablenkungsanordnungsausrichtungssensoreinrichtung (366) vorzugsweise die Ausrichtung des Ablenkungsmechanismus relativ zu dem Gehäuse (46). Die Ablenkungsanordnungsausrichtungssensoreinrichtung (366) kann jedoch ebenfalls die Ausrichtung des Ablenkungsmechanismus ohne Bezugnahme auf die Ausrichtung des Gehäuses (46) fühlen, in welchem Fall es möglich sein kann, die Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung (362) zu eliminieren.
Die Ablenkungsanordnungsausrichtungssensoreinrichtung (366) kann einen beliebigen Sensor oder beliebige Sensoren beinhalten, wie etwa einen oder eine Kombination aus Magnetometern und Beschleunigungsmessern, die die Position der Ablenkungsanordnung (92) im Raum oder relativ zu dem Gehäuse (46) fühlen können.
Die Steuereinheit (360) kann ebenfalls betriebsfähig mit einer Bohrungsgestängeausrichtungssensoreinrichtung (376) verbunden sein, so dass die Ablenkungsanordnung (92) und die Indexierungsanordnung (93) ferner unter Bezugnahme auf die Ausrichtung des Bohrungsgestänges (25) ausgelöst werden können. Die Bohrungsgestängeausrichtungssensoreinrichtung (376) ist mit dem Bohrungsgestänge (25) verbunden, an diesem montiert oder anderweitig zu diesem zugehörig. Die Steuereinheit (360) kann betriebsfähig mit der Bohrungsgestängeausrichtungssensoreinrichtung (376) auf jede beliebige Weise und durch jeden beliebigen Mechanismus, jede beliebige Struktur, jede beliebige Vorrichtung oder jedes beliebige Verfahren, das die Kommunikation von Informationen oder Daten dazwischen erlaubt oder bereitstellt, verbunden sein. Die Betriebsverbindung zwischen der Steuereinheit (360) und der Bohrungsgestängeausrichtungssensoreinrichtung (376) wird jedoch vorzugsweise durch die elektromagetische Kopplungsvorrichtung (350) bereitgestellt.
Die Bohrungsgestängeausrichtungssensoreinrichtung (376) kann einen beliebigen Sensor oder beliebige Sensoren beinhalten, wie etwa einen oder eine Kombination aus Magnetometern und Beschleunigungsmessern, die die Ausrichtung des Bohrungsgestänges (25) fühlen können. Zusätzlich dazu fühlt die Bohrungsgestängeausrichtungssensoreinrichtung (376) vorzugsweise die Ausrichtung des Bohrungsgestänges (25) in drei Dimensionen im Raum.
Die Ablenkungsanordnung (92) und die Indexierungsanordnung (93) werden daher vorzugsweise ausgelöst, um eine gewünschte Ausrichtung des Bohrungsgestänges (25) zu reflektieren, indem die Ausrichtung des Bohrungsgestänges (25), die Ausrichtung des Gehäuses (46) und die Ausrichtung der Ablenkungsanordnung (92) relativ zu dem Gehäuse (46) in Erwägung gezogen werden.
Während des Bohrens kann das Gehäuse (46) ebenso dazu neigen, sich aufgrund der kleinen Menge an Drehkraft, die von der Bohrwelle (24) auf das Gehäuse (46) übertragen wird, langsam in die gleiche Richtung wie die Drehung der Bohrwelle (24) zu drehen. Diese Bewegung verursacht, dass sich die Richtung des Vorortantriebs des Bohrmeißels (22) aus der gewünschten Position bewegt. Die verschiedenen Sensoreinrichtungen (362, 366, 376) können diese Veränderung fühlen und die Informationen an die Steuereinheit (360) kommunizieren. Die Steuereinheit (360) behält vorzugsweise durch das automatische Einstellen der Ausrichtung des Ablenkungsmechanismus zum Ausgleich der Drehung des Gehäuses (46) die Richtung des Vorortantriebs des Bohrmeißels (22) auf Kurs.
Damit Informationen oder Daten entlang dem Bohrungsgestänge (25) von oder zu Untertagestandorten wie etwa von oder zu der Steuereinheit (360) der Vorrichtung (20) kommuniziert werden können, kann die Vorrichtung (20) ein Bohrungsgestängekommunikationssystem (378) beinhalten.
Genauer ist die Bohrungsgestängeausrichtungssensoreinrichtung (376) außerdem vorzugsweise beriebsfähig mit dem Bohrungsgestängekommunikationssystem (378) verbunden, so dass die Ausrichtung des Bohrungsgestänges (25) an einen Betreiber der Vorrichtung (20) kommuniziert werden kann. Der Betreiber der Vorrichtung (20) kann entweder eine Person an der Oberfläche sein, die für die Steuerung des Bohrbetriebs zuständig oder in Kontrolle ist, oder es kann ein Computer oder ein anderes Betriebssystem für die Vorrichtung (20) sein.
Das Bohrungsgestängekommunikationssystem (378) kann jedes beliebige System beinhalten, das Daten oder Informationen von Untertagestandorten oder an diese kommunizieren oder übertragen kann. Das Bohrungsgestängekommunikationssystem (378) beinhaltet jedoch vorzugsweise ein MWD oder ein System oder eine Vorrichtung zur Messwerterfassung während des Bohrbetriebs.
Die Vorrichtung (20) kann eine beliebige weitere Anzahl von Sensoren wie erforderlich oder gewünscht für jeden beliebigen Bohrberieb beinhalten, wie etwa Sensoren zum Überwachen anderer interner Parameter der Vorrichtung (20).
Die Vorrichtung (20) kann ferner einen Vorrichtungsspeicher (380) zum Speichern von Daten, die von einer oder mehreren der Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung (362) der Ablenkungsanordnungsausrichtungssensoreinrichtung (366), der Bohrungsgestängeausrichtungssensoreinrichtung (376) erzeugt wurden oder Daten, die von einer anderen Quelle wie etwa zum Beispiel einem Betreiber der Vorrichtung (20) erhalten wurden, beinhalten. Der Vorrichtungsspeicher (380) gehört vorzugsweise zu der Steuereinheit (20), kann aber überall zwischen dem proximalen und dem distalen Ende (48, 50) des Gehäuses (46) entlang dem Bohrungsgestänge (25) positioniert sein oder sich sogar außerhalb des Bohrlochs befinden. Während des Betriebs der Vorrichtung (20) können Daten aus dem Vorrichtungsspeicher (380) nach Bedarf abgerufen werden, um den Betrieb der Vorrichtung (20) einschließlich der Auslösung der Ablenkungsanordnung (92) und der Indexierungsanordnung (93) zu steuern.
Schließlich kann die Vorrichtung (20) ferner eine Gehäuseverriegelungsanordnung (382) zum selektiven In-Eingriff-Bringen des Gehäuses (46) mit der Bohrwelle (24) beinhalten, so dass sich die Bohrwelle (24) und das Gehäuse (46) miteinander drehen. Die Gehäuseverriegelungsanordnung (382) ist insbesondere in Fällen vorteilhaft, in denen das Gehäuse (46) in einem Bohrloch feststeckt, da die Anwendung von Drehkraft auf das Gehäuse (46) über das Bohrungsgestänge (25) und die Bohrwelle (24) ausreichend sein kann, um das Gehäuse (46) wegzunehmen. Eine bevorzugte Ausführungsform der Gehäuseverriegelungsanordnung (382) wird unten detailliert beschrieben.
2. Detaillierte Beschreibung der Ablenkungsanordnung (92)
Wie oben angezeigt, umfasst die Vorrichtung (20) eine Bohrwellen-Ablenkungsanordnung (92), die innerhalb des Gehäuses (46) zum Biegen der Bohrwelle (24) enthalten ist. Die Ablenkungsanordnung (92) kann jede beliebige Struktur oder Einrichtung beinhalten, die die Bohrwelle (24) biegen kann oder die die Bohrwelle (24) lateral oder radial innerhalb des Gehäuses (46) ablenken kann, und die die folgenden grundlegenden Komponenten aufweist:

(a) einen Ablenkungsmechanismus (384) zum Übermitteln von Lateralbewegung an die Bohrwelle (24), um die Bohrwelle (24) zu biegen;
(b) einen Ablenkungsauslöser (386) zum Auslösen des Ablenkungsmechanismus (384) als Reaktion auf Longitudinalbewegung des Ablenkungsauslösers (386); und
(c) einen Ablenkungsverknüpfungsmechanismus (388) zwischen dem Ablenkungsmechanismus (384) und dem Ablenkungsauslöser (386) zum Umwandeln von Longitudinalbewegung des Ablenkungsauslösers (386) in Lateralbewegung der Bohrwelle (24).

7 stellt detailliert eine Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung (20) innerhalb des Bereichs der Erfindung dar, die eine dritte bevorzugte Ausführungsform der Ablenkungsanordnung (92) umfasst. Ungeachtet des ausgewählten Entwurfs der Ablenkungsanordnung (92) können sich die Komponenten, die die Ablenkungsanordnung (92) beinhalten, im Allgemeinen an dem Standort der Ablenkungsanordnung (92) befinden, wie in 7(e) dargestellt, mit einer geringfügigen Abweichung zu der Vorrichtung (20), wie in 7 dargestellt.
(a) Erste bevorzugte Ausführungsform der Ablenkungsanordnung (92) (2-5)
In der ersten bevorzugten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung (92) beinhaltet der Ablenkungsmechanismus (384) einen exzentrischen Doppelringmechanismus. Obwohl sich diese exzentrischen Ringe in einem regelmäßigen Abstand entlang der Länge der Bohrwelle (24) befinden können, beinhaltet der Ablenkungsmechanismus (384) vorzugsweise einen exzentrischen Außenring (156) und einen exzentrischen Innenring (158), die an einem einzelnen Standort oder in einer einzelnen Position entlang der Bohrwelle (24) bereitgestellt sind. Die Drehung der zwei exzentrischen Ringe (156, 158) übermittelt eine gesteuerte Ablenkung der Bohrwelle (24) an dem Standort des Ablenkungsmechanismus (384).
Der Außenring (156) weist insbesondere eine kreisförmige Außenperipheriefläche (160) auf und definiert darin eine kreisförmige Innenperipheriefläche (162). Der Außenring (156) und vorzugsweise die kreisförmige Außenperipheriefläche (160) des Außenrings (156) werden drehbar von der kreisförmigen Innenperipheriefläche (78) des Gehäuses (46) drehbar gestützt oder drehbar direkt oder indirekt auf dieser montiert. Die kreisförmige Außenperipheriefläche (160) kann auf der kreisförmigen Innenperipheriefläche (78) durch eine beliebige stützende Struktur, einen beliebigen stützenden Mechanismus oder eine beliebige stützende Vorrichtung gestützt oder montiert werden, die/der die Drehung des Außenrings (156) relativ zu dem Gehäuse (46) erlaubt, wie etwa von einem Rollenlagermechanismus oder einer Rollenlageranordnung.
Die kreisförmige Innenperipheriefläche (162) des Außenrings (156) ist innerhalb des Außenrings (156) gebildet und positioniert, so dass sie bezüglich des Gehäuses (46) exzentrisch ist. Mit anderen Worten weicht die kreisförmige Innenperipheriefläche (162) von dem Gehäuse (46) ab, um einen gewünschten Grad oder eine gewünschte Menge an Abweichung bereitzustellen.
Insbesondere ist die kreisförmige Innenperipheriefläche (78) des Gehäuses (46) auf dem Zentrum der Bohrwelle (24) oder der Drehachse „A" der Bohrwelle (24) zentriert, wenn sich die Bohrwelle (24) in einem nicht abgelenkten Zustand befindet oder die Ablenkungsanordnung (92) unbrauchbar ist. Die kreisförmige Innenperipheriefläche (162) des Außenrings (156) wird auf Punkt „B" zentriert, der von der Drehachse der Bohrwelle (24) durch einen Abtand „e" abweicht.
Der Innenring (158) weist auf ähnliche Weise eine kreisförmige Außenperipheriefläche (166) auf und definiert darin eine kreisförmige Innenperipheriefläche (168). Der Innenring (158) und vorzugsweise die kreisförmige Außenperipheriefläche (166) des Innenrings (158) werden von der kreisförmigen Innenperipheriefläche (162) des Außenrings (156) drehbar gestützt oder drehbar direkt oder indirekt auf dieser montiert. Die kreisförmige Außenperipheriefläche (166) kann auf der kreisförmigen Innenperipheriefläche (162) von einer beliebigen stützenden Struktur, einem beliebigen stützenden Mechanismus oder einer beliebigen stützenden Vorrichtung gestützt oder montiert werden, die/der die Drehung des Innenrings (158) relativ zu dem Außenring (156) erlaubt, wie etwa von einem Rollenlagermechanismus oder einer Rollenlageranordnung.
Die kreisförmige Innenperipheriefläche (168) des Innenrings (158) ist innerhalb des Innenrings (158) gebildet und positioniert, so dass sie bezüglich der kreisförmigen Innenperipheriefläche (162) des Außenrings (156) exzentrisch ist. Mit anderen Worten weicht die kreisförmige Innenperipheriefläche (168) des Innenrings (158) von der kreisförmigen Innenperipheriefläche (162) des Außenrings (156) ab, um einen gewünschten Grad oder eine gewünschte Menge an Abweichung bereitzustellen.
Genauer ist die kreisförmige Innenperipheriefläche (168) des Innenrings (158) bei Punkt „C" zentriert, der von dem Zentrum „B" der kreisförmigen Innenperipheriefläche (162) des Außenrings (156) um den gleichen Abstand „e" abweicht. Wie beschrieben, ist vorzugsweise der Grad an Abweichung der kreisförmigen Innenperipheriefläche (162) des Außenrings (156) von dem Gehäuse (46), definiert durch Abstand „e", im Wesentlichen gleich dem Grad an Abweichung der kreisförmigen Innenperipheriefläche (168) des Innenrings (158) von der kreisförmigen Innenperipheriefläche (162) des Außenrings (156), ebenfalls definiert durch Abstand „e".
Die Bohrwelle (24) streckt sich durch die kreisförmige Innenperipheriefläche (168) des Innenrings (158) aus und wird drehbar dadurch gestützt. Die Bohrwelle (24) kann durch die kreisförmige Innenperipheriefläche (168) durch eine beliebige stützende Struktur, einen beliebigen stützenden Mechanismus oder eine beliebige stützende Vorrichtung gestützt werden, die/der die Drehung der Bohrwelle (24) relativ zu dem Innenring (158) erlaubt, wie etwa durch einen Rollenlagermechanismus oder eine Rollenlageranordnung.
Als ein Resultat der oben beschriebenen Konfiguration kann die Bohrwelle (24) bewegt werden, und insbesondere kann sie lateral oder radial in dem Gehäuse (46) bei Bewegung des Zentrums der kreisförmigen Innenperipheriefläche (168) des Innenrings (158) abweichen. Insbesondere kann bei Drehung des Innen- und des Außenrings (158, 156), entweder unabhängig oder zusammen, das Zentrum der Bohrwelle (24) mit dem Zentrum der kreisförmigen Innenperipheriefläche (168) des Innenrings (158) bewegt und an jedem beliebigen Punkt innerhalb eines Kreises mit einem Radius, der der Summe der Beträge an Abweichung der kreisförmigen Innenperipheriefläche (168) des Innenrings (158) und der kreisförmigen Innenperipheriefläche (162) des Außenrings (156) entspricht, positioniert werden.
Mit anderen Worten kann durch das Drehen des Innen- und des Außenrings (158, 156) relativ zueinander das Zentrum der kreisförmigen Innenperipheriefläche (168) des Innenrings (158) in jede beliebige Position innerhalb eines Kreises mit dem vorbestimmten oder vordefinierten Radius wie oben beschrieben bewegt werden. Folglich kann der Abschnitt oder Teilabschnitt der Bohrwelle (24), der sich durch die kreisförmige Innenperipheriefläche (168) des Innenrings (158) ausstreckt und durch diese gestützt wird, um einen Betrag in jede beliebige Richtung senkrecht zu der Drehachse der Bohrwelle (24) abweichen.
Es ist folglich bei der doppelten exzentrischen Ringkonfiguration (156, 158) möglich, sowohl die Ausrichtung der Richtung des Vorortantriebs als auch den Betrag an Ablenkung des Bohrmeißels (22), der mit der Bohrwelle (24) verbunden ist, zu steuern.
Da die kreisförmige Innenperipheriefläche (162) des Außenrings (156) insbesondere das Zentrum B aufweist, das von dem Drehzentrum A der Bohrwelle (24) um den Abstand „e" abweicht, wird die Lage des Zentrums B durch einen Kreis mit einem Radius „e" um das Zentrum A dargestellt. Da die kreisförmige Innenperipheriefläche (168) des Innenrings (158) ferner das Zentrum C aufweist, das von dem Zentrum B um einen Abstand „e" abweicht, wird der Platz des Zentrums „C" durch einen Kreis mit einem Radius „e" um das Zentrum B dargestellt. Folglich kann das Zentrum C in jede beliebige gewünschte Position innerhalb eines Kreises mit einem Radius von „ 2e" um das Zentrum A bewegt werden. Dementsprechend kann der durch die kreisförmige Innenperipheriefläche (168) des Innenrings (158) gestützte Abschnitt der Bohrwelle (24) auf einer zu der Drehachse der Bohrwelle (24) senkrechten Ebene um einen Abstand von bis zu „ 2e" (d. h. „e" plus „e") in jede beliebige Richtung abgelenkt werden, wodurch in einer „Ablenkung EIN"-Einstellung unbegrenzte Variationen bereitgestellt werden.
Zusätzlich dazu sind sich, wie festgestellt, die Abweichungsabstände „e" im Wesentlichen vorzugsweise ähnlich, um den Betrieb der Vorrichtung (20) zu erlauben, so dass die Bohrwelle (24) innerhalb des Gehäuses (24) nicht abgelenkt wird, wenn Richtbohren nicht erforderlich ist. Noch genauer kann, da der Grad an Abweichung von jedem der Zentren B und C der kreisförmigen Innenperipheriefläche (162) des Außenrings (156) bzw. der kreisförmigen Innenperipheriefläche (168) des Innenrings (158) vorzugsweise durch denselben oder den gleichen Abstand „e" definiert wird, das Zentrum C des Abschnitts der Bohrwelle (24), der sich durch die Ablenkungsanordnung (92) ausstreckt, auf der Drehachse A der Bohrwelle (24) positioniert werden (d. h. „e" minus „e"), in welchem Fall die Vorrichtung (20) sich in einem Null Ablenkungsmodus befindet oder in einer „Ablenkung AUS"-Einstellung festgesetzt ist.
Das Gewährleisten von unbegrenzter Variation bei der Ablenkung der Bohrwelle (24) wie oben beschrieben führt dazu, dass die Ablenkungsanordnung (92) ebenfalls die Funktion der Indexierungsanordnung (93) bereitstellt. Obwohl eine solche Ablenkungsanordnung (92) mit dualer Funktion wünschenswert sein kann, können deren Konstruktion, Betrieb und Wartung ebenfalls relativ komplex sein.
Folglich ist in der ersten bevorzugten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung (92) die Ablenkungsanordnung (92) konfiguriert, um nur in einer „Ablenkung AUS"-Einstellung und einer „Ablenkung EIN"-Einstellung zu arbeiten. Die Ablenkung-AUS-Einstellung wird durch das derartige Ausrichten der exzentrischen Ringe (156, 158) bereitgestellt, so dass die Exzentritäten der Innenflächen der Ringe (162, 168) einander auslöschen (d. h. „e" minus „e"). Die Ablenkung EIN-Einstellung wird durch das derartige Ausrichten der exzentrischen Ringe (156, 158) bereitgestellt, so dass die Exzentritäten der Innenflächen der Ringe (162, 168) sich einander addieren (d. h. „e" plus „e").
Diese vereinfachte Konfiguration vereinfacht die Auslösung der Ablenkungsanordnung (92), erfordert aber die Durchführung eines separaten Indexierungsschritts, um die Biegung in der Bohrwelle (24) auszurichten, um eine gewünschte Ausrichtung der Richtung des Vorortantriebs zu erreichen.
Der den Innen- und Außenring (158, 156) beinhaltende Ablenkungsmechanismus kann durch jede beliebige geeignete Kombination von longitudinal beweglichen Ablenkungsauslöser (386) und Ablenkungsverknüpfungsmechanismus (388) ausgelöst werden. Der Innen- und der Außenring (158, 156) werden vorzugsweise entweder direkt oder indirekt unter Verwendung der Drehung der Bohrwelle (24) ausgelöst.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung (92) beinhaltet der Ablenkungsauslöser (384) eine longitudinal bewegliche Hülsennocke (390).
In der ersten bevorzugten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung (92) wird der Ablenkungsverknüpfungsmechanismus (388) durch eine erste Spur (392) und eine zweite Spur (394) in der Hülsennocke (390), die in ein drehbares erstes Ablenkungsverknüpfungselement (396) und ein drehbares zweites Ablenkungsverknüpfungselement (398) eingreifen, bereitgestellt.
Es sei beachtet, dass die Hülsennocke (390) zur Longitudinalbewegung, nicht aber zur Drehung fähig ist, während die Ablenkungsverknüpfungselemente (396, 398) zur Drehung, aber nicht zur Longitudinalbewegung fähig sind. Auf diese Weise wird die Longitudinalbewegung der Hülsennocke (390) in Drehung der Ablenkungsverknüpfungselemente (396, 398) umgewandelt.
Das erste Ablenkungsverknüpfungselement (396) ist wiederum mit einem von dem Außenring (156) und dem Innenring (158) verbunden, und das zweite Ablenkungsverknüpfungselement (398) ist mit dem anderen von dem Außenring (156) und dem Innenring (158) verbunden.
Zumindest eine der Spuren (392, 394) ist eine spiralförmige Spur. Wenn beide der Spuren (392, 394) spiralförmige Spuren sind, bewegen sie sich entweder spiralförmig in entgegengesetzte Richtungen oder mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, so dass die Longitudinalbewegung der Hülsennocke (390) verursachen wird, dass sich die Ablenkungsverknüpfungselemente (396, 398) in den Spuren (392, 398) bewegen, und verursachen wird, dass die Ringe (156, 158) sich in unterschiedliche Richtungen oder mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen.
Unter Bezugnahme auf 5 beinhaltet die Hülsennocke (390) ein hohles Rohr, wobei das erste Ablenkungsverknüpfungselement (396) ein hohles Rohr beinhaltet, das teleskopartig in der Hülsennocke (390) aufgenommen wird, und das zweite Ablenkungsverknüpfungselement (398) ein hohles Rohr ist, das teleskopartig in dem ersten Ablenkungsverknüpfungselement (396) aufgenommen wird.
Unter Bezugnahme auf 5 beinhaltet die erste Spur (392) einen kontinuierlichen Kanal in der Hülsennocke, der in einen ersten Stift (400) auf dem ersten Ablenkungsverknüpfungselement (396) eingreift. Auf ähnliche Weise beinhaltet die zweite Spur (394) einen kontinuierlichen Kanal in der Hülsennocke (390), der in einen zweiten Stift (402) auf dem zweiten Ablenkungsverknüpfungselement (398) eingreift. Ein Tormechanismus (nicht gezeigt) wird vorzugsweise für jede der Spur-/Stiftanordnungen bereitgestellt, um die Bewegung der Stifte in den Spuren auf eine Richtung zu beschränken.
Unter Bezugnahme auf 3 ist die erste Spur (392) eine spiralförmige Spur, und die zweite Spur (394) ist eine gerade Spur, so dass das erste Ablenkungsverknüpfungselement (396) bei Longitudinalbewegung der Hülsennocke (390) Drehung auf einen der Ringe (156, 158) übermittelt, wobei das zweite Ablenkungsverknüpfungselement (398) bei Longitudinalbewegung der Hülsennocke (390) keine Drehung auf den anderen der Ringe (156, 158) übermittelt.
Unter Bezugnahme auf 4 ist die erste Spur (392) eine spiralförmige Spur, und die zweite Spur (394) ist ebenfalls eine spiralförmige Spur in der entgegengesetzten Richtung, so dass das erste Ablenkungsverknüpfungselement (396) bei Longitudinalbewegung der Hülsennocke (390) Drehung auf einen der Ringe (156, 158) in eine Richtung übermittelt, während das zweite Ablenkungsverknüpfungselement (398) bei Longitudinalbewegung der Hülsennocke (390) Drehung auf den anderen der Ringe (156, 158) in die entgegengesetzte Richtung übermittelt. Die in 4 dargestellte Ausführungsform der Hülsennocke (390) erleichtert eine kürzere Hülsennocke (390) als die in 3 dargestellte Ausführungsform der Hülsennocke (390).
Die Ablenkungsverknüpfungselemente (396, 398) umfassen jedes ein Antriebsende (404), mit dem die Ringe (156, 158) direkt oder indirekt verbunden werden können, um die Auslösung des Ablenkungsmechanismus (384) bereitzustellen.
Das Hin- und Herbewegen der Hülsennocke (390) wird durch eine Energiequelle (406) mit Energie versorgt. Unter Bezugnahme auf 7(e) beinhaltet die bevorzugte Energiequelle (406) für die Ablenkungsanordnung (92) eine hydraulische Pumpe, einen Zylinder und einen Kolben, der direkt oder indirekt mit der Hülsennocke (390) verbunden ist. Die Energiequelle (406) ist vorzugsweise zweifachwirkend, so dass sie Energie bereitstellt, um die Hülsennocke in entgegengesetzte Richtungen hin- und herzubewegen, um den Ablenkungsmechanismus (384) zwischen einer Ablenkung-AUS-Position und einer Ablenkung-EIN-Position zu bewegen.
Die Ablenkungsanordnung (92), wie oben beschrieben, kann folglich verwendet werden, um die Ablenkung der Bohrwelle (24) bereitzustellen. Die Indexierung des Ablenkungsmechanismus (384), um eine gewünschte Ausrichtung der Richtung des Vorortantriebs bereitzustellen, kann dann durch eine separate Indexierungsanordnung (93) wie etwa die Ausführungsformen der unten beschriebenen Indexierungsanordnung (93) bereitgestellt werden.
Alternativ kann die Indexierungsanordnung (93) in der ersten bevorzugten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung (92) eine „Erweiterung" der Ablenkungsanordnung (92) beinhalten. Insbesondere und unter Bezugnahme auf 3-5 kann jede der ersten Spur (392) und der zweiten Spur (394) ein Ablenkungssegment (407) und ein Indexierungssegment (409) beinhalten.
Die Ablenkungssegmente (407) der Spuren (392, 394) dienen dazu, die Bohrwelle (24) abzulenken und zu begradigen, während die Indexierungssegmente (409) der Spuren (392, 394) dazu dienen, beide Ringe (156, 158) mit der gleichen Geschwindigkeit und in die gleiche Richtung zu drehen, um die Richtung der Biegung in der Bohrwelle (24) auszurichten. Jeder Zyklus der Auslösung der Hülsennocke durch die Indexierungssegmente (409) wird eine vorbestimmte Drehung des Ablenkungsmechanismus (384) bereitstellen, die von der Gestalt und Neigung der Spirale der Indexierungssegmente (409) abhängt.
Wenn nicht beabsichtigt ist, dass die Ablenkungsanordnung (92) eine Indexierungsfunktion durchführt, ist es letztendlich möglich, den zweiten Ablenkungsverknüpfungsmechanismus einschließlich der zweiten Spur (394), des zweiten Stifts (402) und des zweiten Ablenkungsverknüpfungselements (398) wegzulassen, da die Bohrwelle (24) einfach durch die Drehung von einem der Ringe (156, 158) relativ zu dem anderen Ring gebogen werden kann, ohne dass der andere Ring gedreht werden muss. Die Indexierung des Ablenkungsmechanismus (384) kann dann durch eine separate Indexierungsanordnung (93) durchgeführt werden.
(b) Zweite bevorzugte Ausführungsform der Ablenkungsanordnung (92) (6)
Die zweite bevorzugte Ausführungsform der Ablenkungsanordnung (92) ist im Wesentlichen eine Variation der ersten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung (92). Der Unterschied zwischen den zwei Ausführungsformen bezieht sich hauptsächlich auf den Entwurf des Ablenkungsmechanismus (384).
Insbesondere wird der Außenring (156) der ersten bevorzugten Ausführungsform durch eine Drehnockenfläche (408) ersetzt, und der Innenring (158) wird durch ein Stößelelement (410) ersetzt. Die Drehung der Nockenfläche (408) relativ zu dem Stößelelement (410) dient zur Ablenkung der Bohrwelle (24). Die koordinierte Drehung von sowohl der Nockenfläche (408) als auch dem Stößelelement (410) kann der Indexierung des Ablenkungsmechanismus (384) dienen, um eine gewünsche Ausrichtung für die Biegung in der Bohrwelle (24) bereitzustellen.
Die Longitudinalbewegung des Ablenkungsauslösers (386) wird daher durch den Ablenkungsverknüpfungsmechanismus (388) und den Ablenkungsmechanismus (384) in Ablenkung der Bohrwelle (24) umgewandelt. Auf ähnliche Weise kann die Longitudinalbewegung des Ablenkungsauslösers (386) verwendet werden, um eine Indexierungsfunktion, wie oben beschrieben, bezüglich der ersten bevorzugten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung (92) bereitzustellen.
(c) Dritte bevorzugte Ausführungsform der Ablenkungsanordnung (92) (7-13)
Die dritte Ausführungsform der Ablenkungsanordnung (92) kann bei vielen Entwürfen implementiert werden, die in den Bereich der Erfindung fallen. Zwei derartige Entwürfe sind in den 7-13 dargestellt.
In der dritten Ausführungsform beinhaltet der Ablenkungsmechanismus (384) mindestens ein Stößelelement (410), und der Ablenkungsverknüpfungsmechanismus (388) beinhaltet mindestens eine longitudinal bewegliche Nockenfläche (412). Der Ablenkungsauslöser (386) beinhaltet ein longitudinal bewegliches Ablenkungsauslöserelement (414).
Das Stößelelement (410) ist zur Lateralbewegung zwischen dem Gehäuse (46) und der Bohrwelle (24), aber nicht zur Longitudinalbewegung fähig. Das Stößelelement (410) greift direkt oder indirekt in die Bohrwelle (24) ein, so dass die Lateralbewegung des Stößelelements (410) zu der Lateralbewegung der Bohrwelle (24) führt.
Das Auslösen der Ablenkungsanordnung (92) wird durch die Energiequelle (406) mit Energie versorgt. Eine beispielhafte Energiequelle ist in 7(c) und schematisch in 8 dargestellt. Die Energiequelle (406) ist vorzugsweise zweifachwirkend, um Energie bereitzustellen, um die Nockenfläche oder -flächen (412) in entgegengesetzte Richtungen zu bewegen.
Die Nockenfläche (412) kann mit dem Ablenkungsauslöserelement (414) integriert sein, oder sie kann eine separate Komponente sein, die mit dem Ablenkungsauslöserelement (414) verbunden ist.
Das Stößelelement (410) und die Nockenfläche (412) stellen komplementäre Schrägflächen bereit, die ineinander eingreifen, um das Stößelelement (410) als Reaktion auf die Longitudinalbewegung der Nockenfläche lateral zu bewegen. Die Lateralbewegung des Stößelelements führt zu der Ablenkung der Bohrwelle (24).
Das Stößelelement (410) kann eine Vielzahl von Stößelelementflächen (416) zum Eingreifen in eine Vielzahl von Nockenflächen (412) umfassen. Diese Konfiguration von Stößelelement ist entweder zum Bereitstellen von Stütze für die gegenüberliegenden Seiten der Bohrwelle (24) im Fall von einachsiger Ablenkung, oder zum Erleichtern von mehrachsiger Ablenkung der Bohrwelle (24) mit einem einzelnen Stößelelement (410) nützlich. Alternativ können die gleichen Ergebnisse mit einer Vielzahl von Stößelelementen (410) erreicht werden.
7(c) und 8-10 stellen eine Ablenkungsanordnung (92) dar, die für die einachsige Ablenkung der Bohrwelle (24) sorgt.
7(c), 9 und 10 stellen einen einachsigen Ablenkungsmechanismus (384) dar, der eine einzelne Nockenfläche (412), ein einzelnes Stößelelement (410) und eine einzelne Stößelelementfläche (416) umfasst. Der Nachteil dieser Konfiguration ist, dass die Bohrwelle (24) nicht in zwei Positionen an dem Standort der Biegung gestützt wird, mit dem Ergebnis, dass die Bohrwelle (24) an dem Standort der Biegung zum Schwingen oder Knicken neigen kann.
8 stellt einen einachsigen Ablenkungsmechanismus (384) schematisch dar, der zwei Nockenflächen (412), ein einzelnes Stößelelement (410) und zwei Stößelelementflächen (416) umfasst. Es ist zu beachten, dass die komplementären Schrägflächen für die zwei Sätze Nockenfläche (412)/Stößelelementfläche (416) in entgegengesetzte Richtungen geleitet werden, um sowohl die Biegung als auch die Stütze der Bohrwelle (24) unterzubringen. Diese Konfiguration zur einachsigen Biegung der Bohrwelle erleichtert die Stütze für die Bohrwelle (24) sowohl oberhalb als auch unterhalb der Biegung.
11-13 stellen eine Ablenkungsanordnung (92) dar, die für die zweiachsige Ablenkung der Bohrwelle (24) sorgt.
Diese zweiachsige Ablenkung kann durch das Bereitstellen von zwei unabhängigen Ablenkungsanordnungen (92), die die Ablenkung um unterschiedliche Achsen bereitstellen, erreicht werden. Alternativ und wie in 11-13 dargestellt, kann die zweiachsige Ablenkung durch das Duplizieren einiger Komponenten der Ablenkungsanordnung (92) erreicht werden, während andere Komponenten der Ablenkungsanordnung (92) geteilt werden.
Insbesondere stellt 13 ein einzelnes Stößelelement (410) dar, das vier Stößelelementflächen (416) umfasst. Zwei Stößelelementflächen (416) werden zum Biegen der Bohrwelle (24) um eine Achse benutzt, um der Bohrwelle (24) zwei Stützpositionen bereitzustellen (d. h. oberhalb und unterhalb der Biegung).
Die Ablenkung in einer einzelnen Achse erfordert daher die Bewegung von zwei separaten Nockenfächen (412) relativ zu zwei Stößelelementflächen (416). Unter Bezugnahme auf 12 kann dies durch das Bereitstellen eines Ablenkungsverknüpfungselements (418) erzielt werden, das zwei entgegengesetzte Nockenflächen (412) umfasst. Das Ablenkungsverknüpfungselement (418) ist mit dem Ablenkungsauslöserelement (414) verbunden oder ist ein Teil von diesem. Die Longitudinalbewegung des Ablenkungsauslöserelements (414) führt zu der Longitudinalbewegung des Ablenkungsverknüpfungselements (418) und folglich der Longitudinalbewegung der zwei Nockenflächen (412).
Die Ablenkung in zwei Achsen wird durch das Bereitstellen von zwei separaten Ablenkungsauslösern (386) und zwei separaten Ablenkungsverknüpfungsmechanismen (388) erzielt, während ein einzelner Ablenkungsmechanismus (384) aufrecht erhalten wird. Jeder Ablenkungsauslöser (386) beinhaltet ein Ablenkungsauslöserelement (414), und jeder Ablenkungsverknüpfungsmechanismus (388) beinhaltet ein Ablenkungsverknüpfungselement (418). Die Ablenkungsauslöser können durch eine gemeinsame Energiequelle (406) oder durch getrennte Energiequellen (406) mit Energie versorgt werden.
In der Ausführungsform der Ablenkungsanordnung (92), die die zweiachsige Ablenkung der Bohrwelle (24) mit einem einzelnen Stößelelement (410) als ein Ablenkungsmechanismus (384) erleichtert, muss die erzwungene Lateralbewegung des Stößelelements (410) behandelt werden. Mit anderen Worten wird die Lateralbewegung des Stößelelements (410) entlang einer Achse zu der relativen Transversalbewegung zwischen den Nockenflächen (412) und den Stößelelementflächen (416), die zu der Ebene der Lateralbewegung parallel sind, führen. In der bevorzugten Ausführungsform, wie in 13 dargestellt, wird die gezwungene Lateralbewegung durch das Bereitstellen relativ großer planarer Stößelelementflächen (416) und durch das Sicherstellen, dass die Nockenflächen (412) und die Stößelelementflächen (416) die gezwungene Lateralbewegung unterbringen, entweder durch die Auswahl von Materialien oder durch die Auswahl von beliebigen Lagern, die zwischen den Nockenflächen (412) und den Stößelelementflächen (416) bereitgestellt werden können, behandelt.
3. Detaillierte Beschreibung der Indexierungsanordnung (93)
Die Indexierungsanordnung (93) kann jede beliebige Struktur oder Einrichtung, die den Ablenkungsmechanismus (384) ausrichten kann, um eine gewünschte Ausrichtung der Richtung des Vorortantriebs zu erreichen, beinhalten.
Die Erfindung umgreift jede beliebige Indexierungsanordnung (93), die die folgenden grundlegenden Komponenten umfasst:

(a) einen Indexierungsmechanismus (420) zum Übermitteln von Drehbewegung auf den Ablenkungsmechanismus (384);
(b) einen Indexierungsauslöser (422) zum Auslösen des Indexierungsmechanismus (420) als Reaktion auf Longitudinalbewegung des Indexierungsauslösers (422); und
(c) einen Indexierungsverknüpfungsmechanismus (424) zwischen dem Indexierungsmechanismus (420) und dem Indexierungsauslöser (422) zum Umwandeln von Longitudinalbewegung des Indexierungsauslösers (422) in Drehbewegung des Ablenkungsmechanismus (384).

7 stellt detalliert eine Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung (20) innerhalb des Bereichs der Erfindung dar, die eine dritte bevorzugte Ausführungsform der Indexierungsanordnung (93) umfasst. Ungeachtet des ausgewählten Entwurfs der Indexierungsanordnung (93) können sich die Komponenten, die die Indexierungsanordnung (93) beinhalten, im Allgemeinen an dem Standort der Indexierungsanordnung (93) befinden, wie in 7(c) dargestellt, mit geringfügiger Abweichung von der Vorrichtung (20), wie in 7 dargestellt.
(a) Erste bevorzugte Ausführungsform der Indexierungsanordnung (93) (7, 8, 10)
Die 7, 8 und 10 stellen eine erste bevorzugte Ausführungsform der Indexierungsanordnung (93) dar. Die erste bevorzugte Ausführungsform der Indexierungsanordnung (93) ist im Prinzip dem Wickelrohr-BHA-Ausrichter (Coiled Tubing BHA Orienter) von Sperry Sun Drilling Services sehr ähnlich, der zur Verwendung beim Ausrichten des Ablenkungsmechanismus (384) angepasst worden ist.
Unter Bezugnahme auf 8 beinhaltet der Indexierungsmechanismus (420) in der ersten bevorzugten Ausführungsform der Indexierungsanordnung (93) einen drehbaren Klinkenmechanismus (426), der Indexierungsauslöser (422) beinhaltet einen longitudinal beweglichen Kolben (428) und der Indexierungsverknüpfungsmechanismus (424) beinhaltet eine longitudinal bewegliche Trommelkurve (430).
In der ersten bevorzugten Ausführungsform der Indexierungsanordnung (93) beinhaltet der Indexierungsverknüpfungsmechanismus (424) ferner eine schraubenförmige Rille (432) in der Außenfläche der Trommelkurve (430), die in einen Stift (434) auf der Innenfläche des Gehäuses (46) eingreift, so dass die Longitudinalbewegung des Kolbens (428) und der Trommelkurve (430) verursacht, dass sich die Trommelkurve (430) relativ zu dem Gehäuse (46) dreht, während sich der Stift (434) entlang der Länge der schraubenförmigen Rille (432) fortbewegt.
Die Indexierungsanordnung (93) beinhaltet ferner die Energiequelle (406). Eine einzelne Energiequelle (406) kann zwischen der Ablenkungsanordnung (92) und der Indexierungsanordnung (93) geteilt werden. Separate Energiequellen (406) können alternativ für die Ablenkungsanordnung (92) und die Indexierungsanordnung (93) bereitgestellt werden. Die verschiedenen Energiequellen (406) können identisch sein, oder sie können sich voneinander unterscheiden. Die Energiequelle (406) für die Indexierungsanordnung (93) kann zum Beispiel eine ähnliche Energiequelle (406) wie die beinhalten, die in dem Wickelrohr-BHA-Ausrichter (Coiled Tubing BHA Orienter) von Sperry Sun Drilling Services verwendet wird, in dem der Kolben (428) durch Bohrfluid, das durch die Vorrichtung (20) anstelle durch ein separates hydraulisches System verläuft, angetrieben wird.
Die erste Ausführungsform der Indexierungsanordnung (93) kann mit einer beliebigen der Ausführungsformen der oben beschriebenen Ablenkungsanordnung (92) verwendet werden, dies wird aber unnötig sein, wenn die Ablenkungsanordnung (92) ebenfalls eine Indexierungsfunktion bereitstellt, wie unten beschrieben.
(b) Zweite bevorzugte Ausführungsform der Indexierungsanordnung (93) (3-5)
Die zweite bevorzugte Ausführungsform der Indexierungsanordnung (93) ist speziell zur Verwendung mit der ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung (92) entworfen, könnte aber ebenso zur Verwendung mit anderen Entwürfen der Ablenkungsanordnung (92) angepasst werden.
In der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Indexierungsanordnung (93) beinhaltet der Indexierungsmechanismus (420) den Ablenkungsmechanismus (384) der ersten bevorzugten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung (92), der Indexierungsauslöser (422) beinhaltet den Ablenkungsauslöser (386) der ersten bevorzugten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung (92) und der Indexierungsverknüpfungsmechanismus (424) beinhaltet den Ablenkungsverknüpfungsmechanismus (388) der ersten bevorzugten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung.
Der Betrieb der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Indexierungsanordnung (93) ist oben in Verbindung mit der Beschreibung der ersten bevorzugten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung (92), bei der die Indexierungsfunktion durch Indexierungssegmente (409) in den Spuren der Hülsennocke (390) bereitgestellt wird, beschrieben worden.
(c) Dritte bevorzugte Ausführungsform der Indexierungsanordnung (2-6. 11-13)
Die dritte bevorzugte Ausführungsform der Indexierungsanordnung (93) verlässt sich auf die mehrachsige Ablenkung der Bohrwelle (24), um die Biegung in der Bohrwelle (24) auszurichten, und kann verwendet werden, wo immer der Ablenkungsmechanismus (384) die mehrachsige Ablenkung der Bohrwelle (24) erleichtert.
Eine detaillierte Beschreibung des Betriebs der dritten bevorzugten Ausführungsform der Indexierungsanordnung (93) kann in U. S. Patent Nr. 6,244,361 B1 in Verbindung mit einem Ablenkungsmechanismus (384), der dem ähnlich ist, der in der ersten bevorzugten Ausführungsform der Ablenkungsanordnung (92) eingeschlossen ist, gefunden werden.
4. Detaillierte Beschreibung der Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung (362) (14)
Die in 14 dargestellte Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung (362) ist im Vergleich zu herkömmlichen Sensoreinrichtungen wie etwa dreidimensionalen Magnetometern und Beschleunigungsmessern relativ einfach. Die in 14 dargestellte Einrichtung (362) ist dort zur Verwendung beabsichtigt, wo es notwendig ist, die Ausrichtung des Gehäuses (46) nur relativ zur Schwerkraft zu bestimmen.
Unter Bezugnahme auf 14 beinhaltet die Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung (362) Folgendes:

(a) einen Gehäusereferenzindikator (436), der unbeweglich mit dem Gehäuse (46) an einer Gehäusereferenzposition (438) verbunden ist;
(b) eine kreisförmige Spur (440), die die Bohrwelle (24) umgibt, wobei die kreisförmige Spur (440) einen metallischen Schwerkraftreferenzindikator (442) aufweist, der als Reaktion auf Schwerkraft frei um die kreisförmige Spur (440) beweglich ist, um eine Schwerkraftreferenzposition (444) bereitzustellen; und
(c) eine Näherungsanordnung (446), die zu der Bohrwelle (24) zugehörig ist und mit dieser drehbar ist, wobei die Näherungsanordnung (446) einen Gehäusereferenzsensor (448) und einen Schwerkraftreferenzsensor (450) beinhaltet, wobei der Gehäusereferenzsensor (448) und der Schwerkraftreferenzsensor (450) eine fixierte Annäherung zueinander aufweisen.

In der bevorzugten Ausführungsform beinhaltet der Gehäusereferenzindikator (436) einen oder mehrere Magnete, der Gehäusereferenzsensor (448) beinhaltet einen oder mehrere Hall-Effekt-Sensoren, der Schwerkraftreferenzindikator (442) beinhaltet ein bewegliches metallisches Gewicht, und der Schwerkraftreferenzsensor (450) beinhaltet einen magnetischen Näherungssensor. Das metallische Gewicht ist am besten ein Metallball, der frei um die kreisförmige Spur (440) rollen kann.
Die kreisförmige Spur (440) beinhaltet vorzugsweise ein nicht metallisches Material, so dass sie das Fühlen des Schwerkraftreferenzindikators (442) nicht stört. Die kreisförmige Spur (440) ist vorzugsweise in Beziehung zu dem Gehäuse (46) fixiert.
Die Näherungsanordnung (446) ist an der Bohrwelle (24) fixiert, so dass sie sich mit der Bohrwelle (24) dreht. Die Näherungsanordnung (446) kann mit der Bohrwelle (24) integriert sein oder kann unbeweglich mit der Bohrwelle (24) verbunden sein.
Die Position des Gehäusereferenzindikators (436) ist in Beziehung zu dem Gehäuse (46) in einer bekannten Ausrichtung relativ zu einer Referenzposition (wie etwa einer theoretischen „hohen Seite") fixiert. Die relativen Positionen des Gehäusereferenzsensors (448) und des Schwerkraftreferenzsensors (450) sind in Beziehung zueinander fixiert. Durch das Fühlen der relativen Positionen des Gehäusereferenzindikators (436) und des Schwerkraftreferenzindikators (442) ist es folglich möglich, die Ausrichtung des Gehäuses (46) relativ zur Schwerkraft (d. h. der eigentlichen unteren Seite) zu bestimmen.
Die oben beschriebene Konfiguration kann abgeändert werden, so dass sich der Gehäusereferenzindikator (436) auf der Näherungsanordnung (446) und der Gehäusereferenzsensor auf dem Gehäuse (46) befindet. Es kann auf ähnliche Weise möglich sein, dass sich der Schwerkraftreferenzindikator (442) auf der Näherungsanordnung (446) befindet und folglich der Schwerkraftreferenzsensor (450) in der kreisförmigen Spur (440) befindet, obwohl diese Konfiguration unpraktisch sein kann.
5. Detaillierte Beschreibung der Gehäuseverriegelungsanordnung (382) (15)
Die Gehäuseverriegelungsanordnung (382) kann jede beliebige Struktur oder jede beliebige Einrichtung beinhalten, die dazu fähig ist, die Bohrwelle (24) mit dem Gehäuse (46) einzugreifen, so dass sie sich zusammen drehen.
Die Gehäuseverriegelungsanordnung (382) beinhaltet einen Gehäuseverriegelungsmechanismus (452) zum In-Eingriff-Bringen der Bohrwelle (24) mit dem Gehäuse (46) und beinhaltet ferner einen Gehäuseverriegelungsauslöser (454) zum Auslösen des Gehäuseverriegelungsmechanismus (452).
In der bevorzugten Ausführungsform der Gehäuseverriegelungsanordnung (382) beinhaltet der Gehäuseverriegelungsmechanismus (452) eine Verriegelungshülse (456), die longitudinal zwischen Positionen beweglich ist, in denen die Bohrwelle (24) und das Gehäuse (46) In Eingriff und gelöst sind, und der Gehäuseverriegelungsauslöser (454) beinhaltet ein longitudinal bewegliches Verriegelungsauslöserelement (458), das mit der Verriegelungshülse (456) verbunden ist. Das Verriegelungsauslöserelement (458) kann mit der Verriegelungshülse (456) als Teil der Verriegelungshülse (456) integriert sein oder kann anderweitig mit der Verriegelungshülse (456) verbunden sein.
In der bevorzugten Ausführungsform beinhaltet der Gehäuseverriegelungsmechanismus (452) ferner komplementäre Eingriffsflächen (460) auf jeder der Bohrwelle (24), des Gehäuses (46) und der Verriegelungshülse (456), so dass die Eingriffsflächen (460) auf jedem der Bohrwelle (24), des Gehäuses (46) und der Verriegelungshülse (456) in Eingriff gebracht werden, wenn die Verriegelungshülse (456) ausgelöst wird, um in die Bohrwelle (24) und das Gehäuse (46) einzugreifen.
Die komplementären Eingriffsflächen (460) auf dem Gehäuse (46) können mit dem Gehäuse (46) integral sein oder können durch eine Struktur bereitgestellt werden, die mit dem Gehäuse (46) verbunden ist, wie etwa einen Verriegelungsring (462).
In der bevorzugten Ausführungsform beinhalten die komplementären Eingriffsflächen (460) Keile.
Der Gehäuseverriegelungsauslöser (454) umfasst die Energiequelle (406). Die Energiequelle (406) kann den Fluss des Bohrfluids durch die Vorrichtung (20) beinhalten. Die Energiequelle (406) beinhaltet jedoch vorzugsweise ein hydraulisches System, das durch die Drehung der Bohrwelle (24) mit Energie versorgt wird. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Energiequelle (406) für die Gehäuseverriegelungsanordnung (382) zweifachwirkend, so dass die Energiequelle (406) wirksam ist, um in die Bohrwelle (24) und das Gehäuse (46) sowohl einzugreifen als auch diese zu lösen.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die Energiequelle (406) für die Gehäuseverriegelungsanordnung (382) von den Energiequellen (406) für die Ablenkungsanordnung (92) und die Indexierungsanordnung (93) getrennt. Eine einzelne Energiequelle (406) kann jedoch verwendet werden, um jede der Ablenkungsanordnung (92), der Indexierungsanordnung (93) und der Gehäuseverriegelungsanordnung (382) mit Energie zu versorgen.

Claims

Eine Bohrwellen-Ablenkungsanordnung (92) zur Verwendung bei einer Bohrrichtungssteuerungsvorrichtung (20), die eine drehbare Bohrwelle (24) und ein Gehäuse (46) zum drehbaren Stützen einer Länge der Bohrwelle (24) zur Drehung darin beinhaltet, wobei die Bohrwellen-Ablenkungsanordnung (92) in dem Gehäuse (46) enthalten ist und sich axial zwischen einer ersten Stützstelle und einer zweiten Stützstelle zum Biegen der Bohrwelle (24) zwischen der ersten Stützstelle und der zweiten Stützstelle befindet, wobei die Ablenkungsanordnung (92) Folgendes beinhaltet: (a) einen Ablenkungsmechanismus (384) zum Übermitteln von Lateralbewegung an die Bohrwelle (24), um die Bohrwelle (24) zu biegen; (b) einen Ablenkungsauslöser (386) zum Auslösen des Ablenkungsmechanismus (384) als Reaktion auf Longitudinalbewegung des Ablenkungsauslösers (386) relativ zu dem Gehäuse (46) und der Bohrwelle (24); und (c) einen Ablenkungsverknüpfungsmechanismus (388) zwischen dem Ablenkungsmechanismus (384) und dem Ablenkungsauslöser (386) zum Umwandeln von Longitudinalbewegung des Ablenkungsauslösers (386) in Lateralbewegung der Bohrwelle (24).
Ablenkungsanordnung (92) gemäß Anspruch 1, wobei der Ablenkungsverknüpfungsmechanismus (388) eine mechanische Verknüpfung zwischen dem Ablenkungsmechanismus (384) und dem Ablenkungsauslöser (386) beinhaltet.
Ablenkungsanordnung (92) gemäß Anspruch 1, wobei der Ablenkungsauslöser (386) ein hydraulisches System beinhaltet, um dem Ablenkungsauslöser (386) eine Energiequelle (406) bereitzustellen.
Ablenkungsanordnung (92) gemäß Anspruch 1, wobei der Ablenkungsverknüpfungsmechanismus (388) eine mechanische Verknüpfung zwischen dem Ablenkungsmechanismus (384) und dem Ablenkungsauslöser (386) beinhaltet, und wobei der Ablenkungsauslöser (386) ein hydraulisches System beinhaltet, um dem Ablenkungsauslöser (386) eine Energiequelle (406) bereitzustellen.
Ablenkungsanordnung (92) gemäß Anspruch 4, die ferner eine Indexierungsanordnung (93) zum Ausrichten einer Biegung in der Bohrwelle (24) beinhaltet.
Ablenkungsanordnung (92) gemäß Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, wobei der Ablenkungsmechanismus (384) Folgendes beinhaltet: (a) einen Außenring (156), der drehbar auf einer kreisförmigen Innenperipheriefläche (78) innerhalb des Gehäuses (46) gestützt wird und der eine kreisförmige Innenfläche (162) aufweist, die bezüglich des Gehäuses (46) exzentrisch ist; und (b) einen Innenring (158), der auf der kreisförmigen Innenperipheriefläche (162) des Außenrings (156) drehbar gestützt wird und der eine kreisförmige Innenperipheriefläche (168) aufweist, die in die Bohrwelle (24) eingreift und die bezüglich der kreisförmigen Innenperipheriefläche (162) des Außenrings (156) exzentrisch ist.
Ablenkungsanordnung (92) gemäß Anspruch 6, wobei der Ablenkungsverknüpfungsmechanismus (388) Folgendes beinhaltet: (a) eine dem Ablenkungsauslöser (386) zugehörige Hülsennocke (390), so dass Longitudinalbewegung des Ablenkungsauslösers (386) zu einer Longitudinalbewegung der Hülsennocke (390) führt; (b) ein erstes Verknüpfungselement (396), das unbeweglich entweder mit dem Innenring (158) oder dem Außenring (156) verbunden ist und drehbar mit der Hülsennocke (390) in Eingriff ist, so dass Longitudinalbewegung der Hülsennocke (390) zur Drehung des ersten Verknüpfungselements (396) führt.
Ablenkungsanordnung (92) gemäß Anspruch 7, wobei die Hülsennocke (390) und das erste Verknüpfungselement (396) komplementäre Eingriffsflächen zum Umwandeln von Longitudinalbewegung der Hülsennocke (390) in Drehung des ersten Verknüpfungselements (396) beinhalten.
Ablenkungsanordnung (92) gemäß Anspruch 8, wobei der Ablenkungsverknüpfungsmechanismus (388) ferner ein zweites Verknüpfungselement (398) beinhaltet, das unbeweglich mit dem anderen, dem Innenring (158) oder dem Außenring (156), verbunden ist und drehbar in die Hülsennocke (390) eingreift, so dass Longitudinalbewegung der Hülsennocke (390) zur Drehung des zweiten Verknüpfungselements (398) führt.
Ablenkungsanordnung (92) gemäß Anspruch 9, wobei die Hülsennocke (390) und das zweite Verknüpfungselement (398) komplementäre Eingriffsflächen zum Umwandeln von Longitudinalbewegung der Hülsennocke (390) in Drehung des zweiten Verknüpfungselements (398) beinhalten.
Ablenkungsanordnung (92) gemäß Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, wobei der Ablenkungsmechanismus (384) mindestens ein Stößelelement (410) beinhaltet, das zwischen dem Gehäuse (46) und der Bohrwelle (24) angeordnet ist.
Ablenkungsanordnung (92) gemäß Anspruch 11, wobei der Ablenkungsverknüpfungsmechanismus (388) mindestens eine dem Ablenkungsauslöser (386) zugehörige Nockenfläche beinhaltet, die in das Stößelelement (410) eingreift, um Longitudinalbewegung des Ablenkungsauslösers (386) in Lateralbewegung des Stößelelements (410) zwischen dem Gehäuse (46) und der Bohrwelle (24) umzuwandeln.
Ablenkungsanordnung (92) gemäß Anspruch 12, wobei das Stößelelement (410) eine Vielzahl von Stößelelementflächen (416) beinhaltet, die um den Umfang der Bohrwelle (24) mit Abstand angeordnet sind.
Ablenkungsanordnung (92) gemäß Anspruch 13, wobei der Ablenkungsverknüpfungsmechanismus (388) eine Vielzahl von dem Ablenkungsauslöser (386) zugehörigen Nockenflächen beinhaltet, die in die Stößelelementflächen (416) eingreifen, um Longitudinalbewegung des Ablenkungsauslösers (386) in Lateralbewegung des Stößelelements (410) zwischen dem Gehäuse (46) und der Bohrwelle (24) umzuwandeln.
Ablenkungsanordnung (92) gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, die ferner eine Indexierungsanordnung (93) zum Ausrichten einer Biegung in der Bohrwelle (24) beinhaltet, wobei die Indexierungsanordnung (93) Folgendes beinhaltet: (a) einen Indexierungsmechanismus (420) zum Übermitteln von Drehbewegung auf den Ablenkungsmechanismus (384); (b) einen Indexierungsauslöser (422) zum Auslösen des Indexierungsmechanismus (420) als Reaktion auf Longitudinalbewegung des Indexierungsauslösers (422); und (c) einen Indexierungsverknüpfungsmechanismus (424) zwischen dem Indexierungsmechanismus (420) und dem Indexierungsauslöser (422) zum Umwandeln von Longitudinalbewegung des Indexierungsauslösers (422) in Drehbewegung des Ablenkungsmechanismus (384).
Ablenkungsanordnung (92) gemäß Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, die ferner eine dem Gehäuse (46) zugehörige Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung (362) zum Fühlen der Ausrichtung des Gehäuses (46) beinhaltet.
Ablenkungsanordnung (92) gemäß Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, die ferner eine der Ablenkungsanordnung (92) zugehörige Ablenkungsanordnungsausrichtungssensoreinrichtung (366) zum Fühlen der Ausrichtung der Ablenkungsanordnung (92) beinhaltet.
Ablenkungsanordnung (92) gemäß Anspruch 16, wobei die Gehäuseausrichtungssensoreinrichtung (362) Folgendes beinhaltet: (a) einen Gehäusereferenzindikator (436), der unbeweglich mit dem Gehäuse (46) an einer Gehäusereferenzposition (438) verbunden ist; (b) eine kreisförmige Spur (440), die die Bohrwelle (24) umgibt, wobei die kreisförmige Spur (440) einen metallischen Schwerkraftreferenzindikator (442) aufweist, der als Reaktion auf Schwerkraft frei um die kreisförmige Spur (440) beweglich ist, um eine Schwerkraftreferenzposition (444) bereitzustellen; und (c) eine Näherungsanordnung (446), die zu der Bohrwelle (24) zugehörig ist und mit dieser drehbar ist, wobei die Näherungsanordnung (446) einen Gehäusereferenzsensor (448) zum Fühlen des Gehäusereferenzindikators (436) und einen Schwerkraftreferenzsensor (450) zum Fühlen des Schwerkraftreferenzindikators (442) beinhaltet, und wobei der Gehäusereferenzsensor (448) und der Schwerkraftreferenzsensor (450) eine unbewegliche Nähe zueinander aufweisen.
Ablenkungsanordnung (92) gemäß Anspruch 16, die ferner eine der Ablenkungsanordnung (92) zugehörige Ablenkungsanordnungsausrichtungssensoreinrichtung (366) zum Fühlen der Ausrichtung der Ablenkungsanordnung (92) beinhaltet.
Ablenkungsanordnung (92) gemäß Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, die ferner eine Gehäuseverriegelungsanordnung (382) zum selektiven Eingreifen in das Gehäuse (46) mit der Bohrwelle (24) beinhaltet, so dass das Gehäuse (46) und die Bohrwelle (24) zusammen drehbar sind.
Ablenkungsanordnung (92) gemäß Anspruch 20, wobei die Gehäuseverriegelungsanordnung (382) einen Gehäuseverriegelungsmechanismus (452) zum In-Eingriff-Bringen der Bohrwelle (24) mit dem Gehäuse (46) und einen Gehäuseverriegelungsauslöser (454) zum Auslösen des Gehäuseverriegelungsmechanismus (452) beinhaltet.