NO325312B1

NO325312B1 - Rotary controllable drilling tool

Info

Publication number: NO325312B1
Application number: NO20022203A
Authority: NO
Inventors: Stuart Schaaf; Atilio C Pisoni; Ruben Martinez; Spyro Kontsonis
Original assignee: Schlumberger Technology Bv
Priority date: 2001-05-09
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2008-03-25
Also published as: BR0201491B1; NO20022203D0; BR0201491A; NO20022203L

Description

Denne søknaden krever prioritet fra midlertidig søknad nr. 60/289.771, inn-levert 9. mai 2001, med innhold som ved denne henvisning herved innlemmes i sin helhet. This application claims priority from provisional application no. 60/289,771, submitted on 9 May 2001, with content which is hereby incorporated by this reference in its entirety.

Oppfinnelsen vedrører generelt fremgangsmåter og anordninger for retningsboring av brønner, særlig brønner for produksjon av petroleumsprodukter. Mer bestemt vedrører den roterende styrbare boreverktøy og fremgangsmåter til boring av retningsbrønner. The invention generally relates to methods and devices for directional drilling of wells, in particular wells for the production of petroleum products. More specifically, it relates to rotary controllable drilling tools and methods for drilling directional wells.

Det er kjent at det ved boring av olje- og gassbrønner for leting og produk-sjons av hydrokarboner ofte er nødvendig å la brønnen avvike fra vertikalen i en bestemt retning. Dette kalles retningsboring. Retningsboring benyttes for å øke dreneringen av en bestemt brønn ved eksempelvis å danne awiksgrenboringer fra et hovedborehull. Dette er også nyttig i marine omgivelser, hvor en enkelt off-shoreproduksjonsplattform kan nå flere hydrokarbonreservoarer, takket være flere awiksbrønner som spres ut i enhver retning fra produksjonsplattformen. It is known that when drilling oil and gas wells for the exploration and production of hydrocarbons it is often necessary to allow the well to deviate from the vertical in a certain direction. This is called directional drilling. Directional drilling is used to increase the drainage of a specific well by, for example, forming branch bores from a main borehole. This is also useful in marine environments, where a single offshore production platform can reach multiple hydrocarbon reservoirs, thanks to multiple awik wells spread out in any direction from the production platform.

Systemer for retningsboring faller vanligvis innenfor to kategorier "skyv-borkronen" ("push the bit" og "retting av borkronen" ("Point-the-bit-")) systemer, klassifisert ut fra deres operasjonsmåte "skyv borkronen-" systemer opereres ved at det påføres trykk på sideveggene i formasjonen som inneholder brønnen. Ved "retting av borkronen" -systemer rettes borkronen i den ønskede retning for å for-årsake avvik av brønnen når borkronen borer brønnens bunn. Directional drilling systems generally fall into two categories: "push the bit" and "point-the-bit-" systems, classified according to their mode of operation "push the bit" systems are operated by applying pressure to the side walls of the formation containing the well. In "straightening the drill bit" systems, the drill bit is directed in the desired direction to cause deviation of the well when the drill bit drills the bottom of the well.

"Skyv borkronen" -systemer er velkjent og er beskrevet eksempelvis i US patent nr. 6,206,108 utstedt til MacDonald et al. 27. mars 2001, og internasjonal patentsøknad nr. PCT/GB00/00822 publisert 28. september 2000 av Weather-ford/Lamb, Inc. Disse referansene beskriver styrbare boresystemer som har et flertall av justerbare eller utvidbare ribber eller puter som er lokalisert rundt den korresponderende verktøymansjett. Boreretningen kan styres ved å påføre trykk på brønnens sidevegger gjennom selektiv forlengelse eller tilbaketrekking av de individuelle ribber eller puter. "Push the drill bit" systems are well known and are described, for example, in US Patent No. 6,206,108 issued to MacDonald et al. March 27, 2001, and International Patent Application No. PCT/GB00/00822 published September 28, 2000 by Weather-ford/Lamb, Inc. These references describe steerable drilling systems having a plurality of adjustable or expandable ribs or pads located around the corresponding tool sleeve. The drilling direction can be controlled by applying pressure to the sidewalls of the well through selective extension or retraction of the individual ribs or pads.

"Retting av borkronen" -systemer er vanligvis basert på det prinsipp at to motsatt roterende aksler forbindes med et ledd og danner en vinkel som er forskjellig fra null, vil den annen aksel ikke gå rundt den sentrale rotasjonsakse i den første aksel, forutsatt at de to rotasjonshastigheter til begge akselene er like. "Righting the drill bit" systems are usually based on the principle that two counter-rotating shafts are connected by a joint and form an angle different from zero, the second shaft will not revolve around the central axis of rotation of the first shaft, provided that they two rotational speeds of both shafts are equal.

Forskjellige "retting av borkronen" -teknikker har blitt utviklet, hvilke omfatter en fremgangsmåte til å oppnå retningsstyring ved sideforskyvning eller retting av borkronen i den ønskede retning når verktøyet roterer. En slik "retting av borkronen" -teknikk er US patent nr. 6,092,610 utstedt til Kosmala et al. 25. juli 2000, med innhold som ved denne henvisning herved innlemmes i sin helhet. Dette pa-tentet beskriver et aktivt styrt roterende styrbart boresystem for retningsboring av brønner som har en verktøymansjett som roteres av en borestreng under brønn-boringen. Borkroneakselen støttes av et universalledd som befinner seg i mansjetten og er roterbart drevet av mansjetten. For å oppnå kontrollert styring av den roterende borkronen, blir borkroneakselens orientering i forhold til verktøymansjet-ten avfølt, og borkroneakselen holdes geostasjonært og selektivt aksialt skråstilt i forhold til verktøymansjetten under borestrengens rotasjon ved at den roteres om universalleddet med en sideforskjøvet spindel som roteres i motsatt retning i forhold til mansjettens rotasjon, og med den samme rotasjonsfrekvens. En elektrisk motor tilveiebringer rotasjon av den sideforskjøvede spindel i forhold til verktøy-mansjetten, og den er servostyrt av en signalinngang fra posisjonsavfølende ele-menter. Når det er nødvendig brukes en brems til å holde den sideforskjøvede spindel og borkroneakselens akse geostasjonært. Alternativt kan en turbin være forbundet til den sideforskjøvede spindel for å tilveiebringe rotasjon av den sideforskjøvede spindel i forhold til verktøymansjetten, og det brukes da en brems til servostyring av turbinen ved hjelp av en signalinngang fra posisjonssensorer. Various "bit straightening" techniques have been developed, which include a method of achieving directional control by side shifting or straightening the bit in the desired direction as the tool rotates. One such "bit straightening" technique is US Patent No. 6,092,610 issued to Kosmala et al. 25 July 2000, with content which is hereby incorporated by this reference in its entirety. This patent describes an actively controlled rotary steerable drilling system for directional drilling of wells which has a tool sleeve that is rotated by a drill string during well drilling. The drill bit shaft is supported by a universal joint located in the sleeve and rotatably driven by the sleeve. To achieve controlled control of the rotating drill bit, the orientation of the drill bit shaft relative to the tool sleeve is sensed, and the drill bit shaft is geostationarily and selectively axially tilted relative to the tool sleeve during drill string rotation by rotating it about the universal joint with a laterally offset spindle that rotates in the opposite direction direction in relation to the cuff's rotation, and with the same rotation frequency. An electric motor provides rotation of the laterally displaced spindle in relation to the tool sleeve, and it is servo-controlled by a signal input from position-sensing elements. When necessary, a brake is used to keep the offset spindle and the axis of the bit shaft geostationary. Alternatively, a turbine can be connected to the laterally shifted spindle to provide rotation of the laterally shifted spindle in relation to the tool sleeve, and a brake is then used to servo control the turbine by means of a signal input from position sensors.

Fra US 6,092,610 fremgår det et aktivt styrt roterende system for retningsboring. Borkroneakselen støttes av et universalledd som befinner seg i en verk-tøymansjett og er roterbart drevet av mansjetten. Styringen av borekronen oppnås ved hjelp av en sideforskjøvet spindel som roteres i motsatt retning i forhold til mansjettens rotasjon, og med den samme rotasjonsfrekvens. US 6,092,610 discloses an actively controlled rotary system for directional drilling. The drill bit shaft is supported by a universal joint which is located in a tool sleeve and is rotatably driven by the sleeve. The control of the drill bit is achieved by means of a side-displaced spindle which is rotated in the opposite direction to the sleeve's rotation, and with the same rotation frequency.

US 6,190,372 viser et styrbart rotasjonsboresystem som innebefatter en hydraulisk drevet posisjoneringsmekanisme for utførelse av automatisk, geostasjonær posisjonering av akselen til en forskyvningsstamme og dens borekrone ved hjelp av en rotasjonsborestreng, slammotor eller begge. US 6,190,372 discloses a steerable rotary drilling system which includes a hydraulically driven positioning mechanism for performing automatic, geostationary positioning of the shaft of a displacement stem and its drill bit by means of a rotary drill string, mud motor or both.

EP 1,008,717 angår et liknende system som i US 6,092,610, der styringen av den roterende borkronen utføres ved bruk av en vekselstrømsgenerator, en hydraulisk pumpe og hydrauliske sylinder- og stempelsammenstillinger. EP 1,008,717 relates to a similar system as in US 6,092,610, where the control of the rotating drill bit is carried out using an alternating current generator, a hydraulic pump and hydraulic cylinder and piston assemblies.

Til tross for forbedringen ved "retting av borkronen" -systemer, er det fortsatt et behov for å utvikle roterende styrbare boresystemer som maksimerer påliteligheten og responsen til boreanordningene. Det er ønskelig at et slikt system blant annet inkluderer et eller flere av det følgende: forbedrede styremekanismer, redu-sert antall tetninger, dreiemomentoverførende systemer som overfører høyere laster fra verktøymansjetten til boreakselen, og forbedrede tetningsmekanismer. Systemet kan blant annet inkludere ett eller flere av det følgende: en motor med større diameter, fortrinnsvis med en hul rotoraksel som borefluid føres gjennom, en motor med økt dreiemoment og varmespredning, et bøyelig rør for å føre bore-slam gjennom senter av verktøyets styreseksjon, et universalledd som tillater overføring av høyere laster, et belgtetningssystem for borkronen, som tetter styre-seksjonens oljeomgivelse mens det tillater vinkelbevegelse av borkroneakselen i forhold til mansjetten, ved en mekanisme for å variere borkroneakselens vinkel, for å tillate at borkroneakselens vinkel varieres under boring og/eller tillater at verktøyet justeres til å bore en jevn brønnboring med enhver krumning mellom et rett hull og en maksimum krumning som er bestemt av verktøyets utforming, en belgbeskyttelse med en sfærisk grenseflate, slik at det kan opprettholdes en smal spalte mellom borkoneakselen og mansjetten for å forhindre nedbrutt materiale i å komme inn i verktøyet. Den foreliggende oppfinnelse har blitt utviklet for å oppnå et slikt system. Despite the improvement in "bit straightening" systems, there is still a need to develop rotary steerable drilling systems that maximize the reliability and response of the drilling rigs. It is desirable that such a system includes one or more of the following: improved control mechanisms, reduced number of seals, torque transmitting systems that transmit higher loads from the tool sleeve to the drill shaft, and improved sealing mechanisms. The system may include, among other things, one or more of the following: a larger diameter motor, preferably with a hollow rotor shaft through which drilling fluid is passed, a motor with increased torque and heat dissipation, a flexible pipe to pass drilling mud through the center of the tool's control section , a universal joint that allows the transmission of higher loads, a bellows seal system for the bit, which seals the steering section's oil environment while allowing angular movement of the bit shaft relative to the sleeve, by a mechanism for varying the angle of the bit shaft, to allow the bit shaft angle to be varied during drilling and/or allows the tool to be adjusted to drill a smooth wellbore with any curvature between a straight hole and a maximum curvature determined by the design of the tool, a bellows guard with a spherical interface, so that a narrow gap can be maintained between the drill bit shaft and the sleeve to prevent degraded material from entering the tool. The present invention has been developed to achieve such a system.

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører således et roterende styrbart bo-reverktøy. Verktøyet omfatter en verktøymansjett som omfatter et indre, en øvre ende og en nedre ende. En borkroneaksel omfatter en utvendig overflate, en øvre ende og en nedre ende. Borkroneakselen er støttet i verktøymansjetten for dreiebevegelse om en fast posisjon langs borkroneakselen. En dreiemomentoverfø-rende kopling er tilpasset til overføring av dreiemoment fra verktøymansjetten til borkroneakselen ved den faste posisjon langs borkroneakselen. Et tetningssystem er tilpasset til å tette mellom mansjettens nedre ende og borkroneakselen. En mekanisme for variabel vinkling av borkroneakselen, omfatter en motor og en sideforskjøvet spindel som omfatter en øvre ende og en nedre ende. Motoren er festet ved den øvre ende av den sideforskjøvede spindel og er tilpasset til å rotere den sideforskjøvede spindel. En koplingsmekanisme med variable sideforskyvning omfatter en øvre ende og en nedre ende. Den øvre ende av koplingen med variabel sideforskyvning er utkoplbart innfesting til den nedre ende av den sideforskjøvede spindel. The present invention thus relates to a rotating controllable drilling tool. The tool comprises a tool sleeve comprising an inner, an upper end and a lower end. A drill bit shaft comprises an outer surface, an upper end and a lower end. The drill bit shaft is supported in the tool sleeve for rotary movement about a fixed position along the drill bit shaft. A torque-transmitting coupling is adapted to transfer torque from the tool sleeve to the drill bit shaft at the fixed position along the drill bit shaft. A sealing system is adapted to seal between the lower end of the sleeve and the bit shaft. A mechanism for variable angulation of the drill bit shaft comprises a motor and a laterally displaced spindle comprising an upper end and a lower end. The motor is attached to the upper end of the laterally displaced spindle and is adapted to rotate the laterally displaced spindle. A variable lateral displacement coupling mechanism comprises an upper end and a lower end. The upper end of the coupling with variable lateral displacement is detachably attached to the lower end of the laterally displaced spindle.

Et aspekt ved oppfinnelsen kan være et roterende styrbart boreverktøy som har en verktøymansjett og en borkroneaksel. Borkroneakselen er støttet i verk-tøymansjetten for dreibevegelse om en fast posisjon langs borkroneakselen. Videre inkluderer det roterbare styrbare boreverktøy en mekanisme for variabel vinkling av borkroneakselen, lokalisert i det indre av verktøymansjetten. Mekanismen for variabel vinkling av borkroneakselen inkluderer en motor, en sideforskjøvet spindel, og en kopling med variabel sideforskyvning. Motoren er festet til en øvre ende av den sideforskjøvede spindel og tilpasset til å rotere den sideforskjøvede spindel. Den øvre ende av koplingen med variabel sideforskyvning er utkoplbart festet til et sideforskjøvet sted i den nedre ende av den sideforskjøvede spindel, og borkroneakselens øvre ende er roterbart koplet til koplingen med variabel sideforskyvning. Det roterende styrbare boreverktøy inkluderer også en dreiemomen-toverførende kopling som er tilpasset til å overføre dreiemoment fra verktøyman-sjetten til borkroneakselen ved den faste posisjon langs borkroneakselen. Til slutt er et retningssystem tilpasset til å tette mellom den nedre ende av verktøyman-sjetten og borkroneakselen. One aspect of the invention may be a rotary controllable drilling tool having a tool sleeve and a drill bit shaft. The drill bit shaft is supported in the tool sleeve for turning movement about a fixed position along the drill bit shaft. Furthermore, the rotatable steerable drilling tool includes a mechanism for variable angulation of the drill bit shaft, located in the interior of the tool sleeve. The mechanism for variable angle of the drill bit shaft includes a motor, a sideshift spindle, and a variable sideshift clutch. The motor is attached to an upper end of the laterally displaced spindle and adapted to rotate the laterally displaced spindle. The upper end of the variable lateral displacement coupling is detachably attached to a laterally displaced location in the lower end of the laterally displaced spindle, and the upper end of the bit shaft is rotatably coupled to the variable lateral displacement coupling. The rotary controllable drilling tool also includes a torque transmitting coupling adapted to transmit torque from the tool sleeve to the bit shaft at the fixed position along the bit shaft. Finally, a guide system is adapted to seal between the lower end of the tool sleeve and the bit shaft.

Et annet aspekt ved oppfinnelsen kan være en mekanisme for variabel vinkling av borkroneakselen, hvilken har en motor og en sideforskjøvet spindel. Motoren er festet ved den øvre ende av den sideforskjøvede spindel og er tilpasset til å rotere den sideforskjøvede spindel. Videre inkluderer mekanismen for variabel vinkling av borkroneakselen en koplingsmekanisme med variabel sideforskyvning basert på en låsering, hvilken er tilpasset til utkoplbar innfesting av den øvre ende av koplingen med variabel sideforskyvning på sideforskjøvet sted ved den nedre ende av den sideforskjøvede spindel. Another aspect of the invention may be a mechanism for variable angulation of the drill bit shaft, which has a motor and a laterally displaced spindle. The motor is attached to the upper end of the laterally displaced spindle and is adapted to rotate the laterally displaced spindle. Furthermore, the mechanism for variable angulation of the drill bit shaft includes a coupling mechanism with variable lateral displacement based on a locking ring, which is adapted to detachably attach the upper end of the coupling with variable lateral displacement at the laterally displaced location at the lower end of the laterally displaced spindle.

Enda et annet aspekt ved oppfinnelsen kan være en dreiemomentoverfø-rende kopling som har en første aksel med fremspring som strekker seg fra dens omkrets og en annen aksel som omfatter en innvendig overflate og en ring, hvor ringen har en innvendig overflate og et flertall av perforeringer rundt sin omkrets og omgir den første aksel, idet hvert fremspring er innrettet med én av ringens perforeringer; og et flertall av sylindere som omfatter en nedre ende, idet den nedre ende har et spor; hvor sylinderne er lokalisert i ringens perforeringer og fremspringene går inn i sylinderens spor. Still another aspect of the invention may be a torque transmitting coupling having a first shaft with protrusions extending from its circumference and a second shaft comprising an inner surface and a ring, the ring having an inner surface and a plurality of perforations around its circumference and surrounds the first shaft, each projection being aligned with one of the perforations of the ring; and a plurality of cylinders comprising a lower end, the lower end having a groove; where the cylinders are located in the ring's perforations and the protrusions enter the cylinder's groove.

Andre aspekter og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelse og de ledsagende krav. Other aspects and advantages of the invention will appear from the following description and the accompanying claims.

Kort beskrivelse av tegningene Brief description of the drawings

Fig. 1 er en skjematisk illustrasjon av en brønn som blir boret ved bruk av et roterende styrbart boreverktøy i samsvar med den foreliggende patentsøknad. Fig. 2 viser et lengdesnitt gjennom det roterende styrbare boreverktøy på fig. 1 i samsvar med den foreliggende oppfinnelse. Fig. 3 viser et lengdesnitt gjennom en alternativ utførelse av det roterende styrbare boreverktøy. Fig. 4 viser et lengdesnitt gjennom et parti av det roterende styrbare verktøy på fig. 3. Fig. 5 viser et skjematisk lengdesnitt gjennom et parti av det roterende styrbare boreverktøy på fig. 2, idet det vises en kopling med variabel sideforskyvning. Fig. 6 er et riss i lengderetningen av et parti av det roterende styrbare verk-tøy på fig. 2, idet det vises en koplingsmekanisme. Fig. 7a-7b viser et tverrsnitt lagt langs 7-7' av koplingsmekanismen på fig. 6. Fig. 8 er et perspektivriss av et parti av det roterende boreverktøy på fig. 2, idet det vises et dreiemomentoverførende koplingssystem. Fig. 9 viser et tverrsnitt av det dreiemomentoverførende koplingssystem på fig. 8, lagt langs linjen 9-9'. Fig. 10 viser en del av et langsgående tverrsnitt av det dreiemomentoverfø-rende koplingssystem på fig. 8. Fig. 11 viser et langsgående tverrsnitt av et parti av et roterende styrbart boreverktøy, idet det vises en belg. Fig. 1 viser en brønnboring 1 som blir våret av en roterende borkrone 2 som er forbundet til den nedre ende av en borestreng 3 som strekker seg oppover til overflaten hvor den drives av et rotasjonsbor 4 på en typisk borerigg (ikke vist). Borestrengen 3 omfatter et borerør 5 som av den hensikt å påføre vekt på borkronen omfatter ett eller flere vektrør 6. Brønnboringen er vist med et vertikalt eller Fig. 1 is a schematic illustration of a well being drilled using a rotary controllable drilling tool in accordance with the present patent application. Fig. 2 shows a longitudinal section through the rotary controllable drilling tool of fig. 1 in accordance with the present invention. Fig. 3 shows a longitudinal section through an alternative embodiment of the rotary controllable drilling tool. Fig. 4 shows a longitudinal section through a part of the rotating controllable tool in fig. 3. Fig. 5 shows a schematic longitudinal section through a part of the rotary controllable drilling tool in fig. 2, showing a coupling with variable lateral displacement. Fig. 6 is a view in the longitudinal direction of a part of the rotating controllable tool in fig. 2, showing a coupling mechanism. Fig. 7a-7b shows a cross-section laid along 7-7' of the coupling mechanism in Fig. 6. Fig. 8 is a perspective view of a part of the rotary drilling tool of fig. 2, showing a torque transmitting coupling system. Fig. 9 shows a cross-section of the torque transmitting coupling system in fig. 8, laid along the line 9-9'. Fig. 10 shows part of a longitudinal cross-section of the torque-transmitting coupling system in fig. 8. Fig. 11 shows a longitudinal cross-section of a portion of a rotary steerable drilling tool, showing a bellows. Fig. 1 shows a well bore 1 which is drilled by a rotating drill bit 2 which is connected to the lower end of a drill string 3 which extends upwards to the surface where it is driven by a rotary drill 4 on a typical drilling rig (not shown). The drill string 3 comprises a drill pipe 5 which, for the purpose of applying weight to the drill bit, comprises one or more weight pipes 6. The well drilling is shown with a vertical or

hovedsakelig vertikalt øvre parti 7 og et buet nedre parti 8. Brønnboringens avvik er gjort mulig med det roterende styrbare boreverktøy 9. mainly vertical upper part 7 and a curved lower part 8. The deviation of the well drilling is made possible with the rotating steerable drilling tool 9.

Fig. 2 viser det roterende styrbare boreverktøy 9 på fig. 1 i nærmere detalj. Det roterende styrbare verktøy 9 inkluderer minst tre hovedseksjoner: en kraftgenereringsseksjon 10, en elektronikk- og sensorseksjon 11 og en styreseksjon 13. Fig. 2 shows the rotating controllable drilling tool 9 in fig. 1 in more detail. The rotating controllable tool 9 includes at least three main sections: a power generation section 10, an electronics and sensor section 11 and a control section 13.

Kraftgenereringsseksjonen 10 omfatter en turbin 18 som driver en veksel-strømsgenerator 19 for produksjon av elektrisk energi. Turbinen og vekselstrøms-generatoren trekker fortrinnsvis ut mekanisk kraft fra borefluidet og omformer det til elektrisk kraft. Turbinen drives fortrinnsvis av borefluidet som beveger seg gjennom det indre av verktøymansjetten, ned til borekronen (fig. 1). The power generation section 10 comprises a turbine 18 which drives an alternating current generator 19 for the production of electrical energy. The turbine and the alternating current generator preferably extract mechanical power from the drilling fluid and convert it into electrical power. The turbine is preferably driven by the drilling fluid which moves through the interior of the tool sleeve, down to the drill bit (fig. 1).

Elektronikk- og sensorseksjonen 11 inkluderer retningssensorer (magneto-metere, aksellerometere og/eller gyroskoper, ikke vist separat) for blant annet å tilveiebringe retningsstyring og formasjonsevaluering. Elektronikk- og sensorseksjonen 11 kan også tilveiebringe den elektronikk som er nødvendig for å operere verktøyet. The electronics and sensor section 11 includes directional sensors (magnetometers, accelerometers and/or gyroscopes, not shown separately) to provide, among other things, directional control and formation evaluation. The electronics and sensor section 11 can also provide the electronics necessary to operate the tool.

Styreseksjonen 13 inkluderer en trykkompensasjonsseksjon 12, en seksjon 14 for tetting mot utsiden, en mekanisme 16 for variabel vinkling av borkroneakselen, en motorsammenstilling 15, som brukes til å orientere borkroneakselen 23 i en ønsket retning, og det dreiemomentoverførende koplingssystem 17. Styreseksjonen 13 holder fortrinnsvis borkroneakselen 23 i en geostasjonær orientering når mansjetten roterer. The control section 13 includes a pressure compensation section 12, an outward sealing section 14, a mechanism 16 for variable angle of the bit shaft, a motor assembly 15, which is used to orient the bit shaft 23 in a desired direction, and the torque transmitting coupling system 17. The control section 13 preferably holds the drill bit shaft 23 in a geostationary orientation as the sleeve rotates.

Trykkompensasjonsseksjonen 12 omfatter minst en kanal 20 som danner en åpning i verktøymansjetten 24, slik at omgivelsestrykk på verktøymansjettens utside via et stempel 21 kan overføres til kammeret 16 som inkluderer styreseksjonen 13. Stemplet 21 utligner trykket inne i styreseksjonen 13 med trykket til borefluidet som omgir verktøymansjetten 24. The pressure compensation section 12 comprises at least one channel 20 which forms an opening in the tool sleeve 24, so that ambient pressure on the outside of the tool sleeve via a piston 21 can be transferred to the chamber 16 which includes the control section 13. The piston 21 balances the pressure inside the control section 13 with the pressure of the drilling fluid that surrounds the tool sleeve 24.

Seksjonen 14 for tetting mot utsiden beskytter det indre av verktøymansjet-ten 24 mot boreslammet. Denne seksjonen 14 opprettholder en tetning mellom oljen inne i styreseksjonen 13 og det utvendige borefluid ved at det ved den nedre ende av verktøymansjetten 24 er anordnet en belgtetning 22 mellom borkroneakselen 23 og verktøymansjetten 24. Belgen 22 kan tillate at borkroneakselen 23 fritt gjennomgår vinkelbevegelse, slik at borkronen kan orienteres etter behov. For å kunne lage belgen 22 av mer fleksibelt materiale, er styreseksjonen kompensert i forhold til det utvendige borefluid ved hjelp av den ovenfor beskrevne trykkompensasjonsseksjon. The section 14 for sealing to the outside protects the interior of the tool sleeve 24 from the drilling mud. This section 14 maintains a seal between the oil inside the control section 13 and the external drilling fluid in that a bellows seal 22 is arranged at the lower end of the tool sleeve 24 between the bit shaft 23 and the tool sleeve 24. The bellows 22 can allow the bit shaft 23 to freely undergo angular movement, as that the drill bit can be oriented as required. In order to be able to make the bellows 22 of more flexible material, the control section is compensated in relation to the external drilling fluid by means of the pressure compensation section described above.

En belgbeskyttelsesring 25 kan også være anordnet til å stenge en spalte 46 mellom borkroneakselen 23 og den nedre ende av verktøymansjetten 24. Som det ses av fig. 2, er borkroneakselen 23 fortrinnsvis tilpasset til en konkav sfærisk overflate 26 ved det parti hvor verktøymansjetten 24 er avsluttet. Denne overflaten 26 passer sammen med en motsvarende konveks overflate 27 på belgbeskyttel-sesringen 25. Begge overflater 26, 27 har et senterpunkt som er sammenfallende med senteret i den dreiemomentoverførende kopling 47. Som et resultat av dette dannes en sfærisk grenseflatespalte 46, hvilken opprettholdes når borkroneakselen 23 gjennomgår vinkelbevegelse. Størrelsen av denne spalten er styrt slik at den største partikkel av nedbrutt materiale som kan komme inn i grenseflaten er mindre enn spalten mellom belgen 22 og borkroneakselen 23, hvilket beskytter belgen mot punktering eller skade. A bellows protection ring 25 can also be arranged to close a gap 46 between the drill bit shaft 23 and the lower end of the tool sleeve 24. As can be seen from fig. 2, the drill bit shaft 23 is preferably adapted to a concave spherical surface 26 at the part where the tool sleeve 24 ends. This surface 26 mates with a corresponding convex surface 27 on the bellows protection ring 25. Both surfaces 26, 27 have a center point which coincides with the center of the torque transmitting coupling 47. As a result, a spherical interface gap 46 is formed, which is maintained when the drill bit shaft 23 undergoes angular movement. The size of this gap is controlled so that the largest particle of decomposed material that can enter the interface is smaller than the gap between the bellows 22 and the drill bit shaft 23, which protects the bellows from puncture or damage.

Oljen i styreseksjonen kan være trykkompensert i forhold til det ringformede borefluid. Som et resultat av dette kan differensialtrykket minimaliseres over belgen. Dette gjør det mulig å lage belgen av et tynnere materiale, og lager en mer fleksibel og minimaliserer de alternative spenninger som er et resultat av bøyingen under bruk, hvilket øker belgens levetid. The oil in the control section can be pressure compensated in relation to the annular drilling fluid. As a result, the differential pressure across the bellows can be minimized. This makes it possible to make the bellows from a thinner material, making it more flexible and minimizing the alternative stresses that result from bending during use, increasing the life of the bellows.

Motorsammenstillingen 15 opererer mekanismen 16 for variabel vinkling av akselen, hvilken orienterer borkroneakselen 23. Mekanismen 16 for variabel vinkling av borkroneakselen omfatter vinklingsmotoren, en sideforskjøvet spindel 30, en kopling 31 med variabel sideforskyvning, og en koplingsmekanisme 32. Motorsammenstillingen er en ringformet motor som har en rørformet rotor 28. Dens ringformede utforming tillater at alle styreseksjonskomponentene har større diamete-re, og større lastkapasiteter, enn det som ellers ville ha vært mulig. Bruken av en ringformet motor øker også dreiemomentytelsen og forbedrer kjølingen sammen-lignet med andre typer motorer. Motoren kan videre være forsynt med en planet-girkasse og en resolver (ikke vist), fortrinnsvis av ringformet utforming. The motor assembly 15 operates the mechanism 16 for variable angle of the shaft, which orients the bit shaft 23. The mechanism 16 for variable angle of the bit shaft includes the tilting motor, a laterally displaced spindle 30, a coupling 31 with variable lateral displacement, and a coupling mechanism 32. The motor assembly is an annular motor having a tubular rotor 28. Its annular design allows all steering section components to have larger diameters, and larger load capacities, than would otherwise have been possible. The use of an annular motor also increases torque performance and improves cooling compared to other types of motors. The motor can also be provided with a planetary gearbox and a resolver (not shown), preferably of ring-shaped design.

Den rørformede rotor 28 tilveiebringer et løp for borefluidet, slik at det kan strømme langs verktøyets akse inntil det når mekanismen 16 for variabel vinkling av borkronen. Borefluidet strømmer fortrinnsvis gjennom et rør 29 som starter ved den øvre ende av den ringformede motorsammenstilling 15. Røret 29 går gjennom den ringformede motor 15 og bøyes ved mekanismen 16 for variabel vinkling av borkronen, og når borkroneakselen 23 hvor borefluidet sprutes ut inn i borkronen. Ved tilstedeværelsen av røret 29 unngås bruken av dynamiske tetninger, hvilket forbedrer påliteligheten. The tubular rotor 28 provides a path for the drilling fluid so that it can flow along the axis of the tool until it reaches the mechanism 16 for variable angulation of the drill bit. The drilling fluid preferably flows through a pipe 29 which starts at the upper end of the annular motor assembly 15. The pipe 29 passes through the annular motor 15 and is bent by the mechanism 16 for variable angle of the drill bit, and reaches the drill bit shaft 23 where the drilling fluid is sprayed out into the drill bit. The presence of the pipe 29 avoids the use of dynamic seals, which improves reliability.

Alternative utførelser trenger ikke å inkludere røret. Borefluidet kommer inn i den øvre ende av den ringformede motorsammenstilling, går gjennom den rør-formede rotoraksel, passerer mekanismen 16 for variabel akselvinkel, og når den rørformede borkroneaksel 23, hvor borefluidet sprutes ut inn i borkronen. Denne utførelsen krever to roterende tetninger; en der hvor slammet kommer inn i mekanismen for variabel skiftvinkel ved den rørformede rotoraksel, og en annen der hvor det forlater den. I denne utførelsen tillates fluidet å strømme gjennom verk-tøyet. Alternative designs need not include the tube. The drilling fluid enters the upper end of the annular motor assembly, passes through the tubular rotor shaft, passes the variable shaft angle mechanism 16, and reaches the tubular bit shaft 23, where the drilling fluid is ejected into the bit. This design requires two rotary seals; one where the sludge enters the variable shift angle mechanism at the tubular rotor shaft, and another where it leaves it. In this embodiment, the fluid is allowed to flow through the tool.

Vinkelposisjonering av borkronen i forhold til den rørformede verktøyman-sjett utføres med mekanismen 16 for variabel vinkling av borkroneakselen, som generelt er vist på fig. 2. Variasjonen i borkronens vinkelposisjon oppnås ved endring av lokaliseringen av borkroneakselens øvre ende 44 rundt den korresponderende verktøymansjettens tverrsnitt, mens et punkt på borkroneakselen 45, som befinner seg nær den nedre ende av verktøymansjetten holdes fast. Angular positioning of the drill bit relative to the tubular tool sleeve is carried out with the mechanism 16 for variable angulation of the drill bit shaft, which is generally shown in fig. 2. The variation in the angular position of the drill bit is achieved by changing the location of the drill bit shaft's upper end 44 around the corresponding tool sleeve's cross-section, while a point on the drill bit shaft 45, which is located near the lower end of the tool sleeve, is held fixed.

Borkroneakselens øvre ende 44 er festet til den nedre ende av koplingen 31 med variabel sideforskyvning. Enhver sideforskyvning av koplingen 31 med variabel sideforskyvning vil derfor overføres til borkronen. Innfestingen er fortrinnsvis utført med et lagersystem 43 som tillater at den roterer i motsatt retning i forhold til rotasjonen av koplingen 31 med variabel sideforskyvning. Den sideforskjøvede spindel 30 drives av styremotoren for å opprettholde verktøyets avbøy-ningsretning under boring, og den har en sideforskjøvet boring 33 i sin høyre ende. The upper end 44 of the drill bit shaft is attached to the lower end of the coupling 31 with variable lateral displacement. Any lateral displacement of the coupling 31 with variable lateral displacement will therefore be transferred to the drill bit. The attachment is preferably made with a bearing system 43 which allows it to rotate in the opposite direction to the rotation of the coupling 31 with variable lateral displacement. The offset spindle 30 is driven by the steering motor to maintain the tool deflection direction during drilling, and it has an offset bore 33 at its right end.

Fig. 3 viser en alternativ utførelse av det roterende styrbare boreverktøy 9a uten en mekanisme for variabel vinkling av borkroneakselen. Verktøyet 9a på fig. 3 omfatter en kraftgenereringsseksjon 10a, en elektronikk- og sensorseksjon 11a, en styreseksjon 13a, en borkroneaksel 23a, en sideforskjøvet spindel 30a, et bøy-elig rør 29a, en telemetriseksjon 48, en belg 22a og en stabilisator 49. Styreseksjonen 13a inkluderer en motor og en tannhjulsoverføring 51, en geostasjonær aksel 52 og et universalledd 50. Fig. 3 shows an alternative embodiment of the rotating controllable drilling tool 9a without a mechanism for variable angle of the drill bit shaft. The tool 9a in fig. 3 comprises a power generation section 10a, an electronics and sensor section 11a, a control section 13a, a drill bit shaft 23a, a laterally offset spindle 30a, a flexible pipe 29a, a telemetry section 48, a bellows 22a and a stabilizer 49. The control section 13a includes a motor and a gear transmission 51, a geostationary shaft 52 and a universal joint 50.

Det dreiemomentoverførende koplingssystem 17 overfører dreiemoment fra verktøymansjetten 24 til borkroneakselen 23 og gjør det mulig å rette borkroneakselen 23 i enhver ønsket retning. Med andre ord overfører det dreiemomentover-førende koplingssystem 17 laster, rotasjon og/eller dreiemoment fra eksempelvis verktøymansjetten 24 til borkroneakselen 23. The torque transmitting coupling system 17 transfers torque from the tool sleeve 24 to the drill bit shaft 23 and makes it possible to direct the drill bit shaft 23 in any desired direction. In other words, the torque-transmitting coupling system 17 transfers loads, rotation and/or torque from, for example, the tool sleeve 24 to the drill bit shaft 23.

I denne utførelse er belgen 22a fortrinnsvis laget av et fleksibelt metall, og den tillater relativ bevegelse mellom borkroneakselen og mansjetten når borkroneakselen 23a gjennomgår vinkelbevegelse gjennom et universalledd 50. Røret 29 er fortrinnsvis bøyelig og fører slam gjennom motorsammenstillingen 15, og bøyes der hvor det passerer gjennom de andre komponentene, og til slutt er det innfestet ved innsiden av borkroneakselen 23a. Den foretrukne utførelse omfatter et bøyelig rør 29a i den ringformede utforming. Alternativt kan det brukes en stiv konstruksjon sammen med ytterligere roterende tetninger, typisk en der hvor slammet ville komme inn i komponenten ved motorens rotor, og en annen der hvor det ville forlate dem, mellom den sideforskjøvede spindel 30a og borkroneakselen 23a. Røret 29a er fortrinnsvis festet til opphullsende av styreseksjonen 13a, og ved den nedre enden til innsiden av borkroneakselen 23a. Røret 29a kan være ustøttet, eller det kan benyttes et støttelager for å styre bøyningen av røret. Røret kan være laget av et høyfast materiale og/eller et materiale med lav elastisitets-modul, så som en høyfast titaniumlegering. In this embodiment, the bellows 22a is preferably made of a flexible metal, and it allows relative movement between the bit shaft and the sleeve as the bit shaft 23a undergoes angular movement through a universal joint 50. The pipe 29 is preferably flexible and carries mud through the motor assembly 15, bending where it passes through the other components, and finally it is attached to the inside of the drill bit shaft 23a. The preferred embodiment comprises a flexible tube 29a in the annular design. Alternatively, a rigid structure can be used along with additional rotating seals, typically one where the mud would enter the component at the motor's rotor, and another where it would leave them, between the offset spindle 30a and the bit shaft 23a. The pipe 29a is preferably attached to the bore end of the guide section 13a, and at the lower end to the inside of the bit shaft 23a. The pipe 29a can be unsupported, or a support bearing can be used to control the bending of the pipe. The tube can be made of a high-strength material and/or a material with a low modulus of elasticity, such as a high-strength titanium alloy.

Fig. 4 viser et parti av det roterende styrbare verktøy 9a på fig. 3, og viser styreseksjonen 13a i nærmere detalj. Styreseksjonen 13a inkluderer en motor 52, en ringformet planetgiroverføring 53 og en resolver 54. Verktøyet inkluderer videre en borkroneaksel 23a, en sideforskjøvet spindel 30a og en eksentrisk balanse-ringsvekt 55. Fig. 4 shows a part of the rotating controllable tool 9a in fig. 3, and shows the steering section 13a in more detail. The control section 13a includes a motor 52, an annular planetary gear transmission 53 and a resolver 54. The tool further includes a drill bit shaft 23a, a laterally offset spindle 30a and an eccentric balance weight 55.

Det skal nå vises til fig. 5, som viser en detalj av mekanismen 16 for variable vinkling av akselen i det roterende styrbare boreverktøy 9 på fig. 2. Mekanismen 16 for variabel vinkling av akselen som er vist på fig. 5 inkluderer en sideforskjøvet spindel 30, en motor/kuleskruesammenstilling 34, en låsering 35 og koplingen 31 Reference should now be made to fig. 5, which shows a detail of the mechanism 16 for variable angulation of the shaft in the rotary steerable drilling tool 9 of fig. 2. The mechanism 16 for variable angle of the shaft which is shown in fig. 5 includes an offset spindle 30, a motor/ball screw assembly 34, a lock ring 35 and the coupling 31

med variabel sideforskyvning, hvilken er koplet til borkroneakselen 23. with variable lateral displacement, which is connected to the drill bit shaft 23.

Koplingen 31 med variabel sideforskyvning holdes i den sideforskjøvede boring i den sideforskjøvede spindel 30, og i sin tur holder den lagerne som støtter enden av borkroneakselen 23 i en sideforskjøvet boring i en ende. Sideforskyvningen ved enden av borkroneakselen resulterer i en proporsjonal sideforskyvning av borkronen. Den sideforskjøvede spindel 30 og koplingen 31 med variabel sideforskyvning kan roteres i forhold til hverandre, slik at sideforskyvningene opphever hverandre hvilket resulterer i ingen sideforskyvning av borkronen. Alternativt kan den sideforskjøvede spindel 30 og koplingen 31 med variabel sideforskyvning roteres i forhold til hverandre, slik at sideforskyvningene kombineres for frembringel-se av den maksimale sideforskyvning av borkronen, eller i en mellomliggende posisjon som vil resultere i en mellomliggende sideforskyvning. The variable offset coupling 31 is held in the offset bore in the offset spindle 30, and in turn holds the bearings supporting the end of the bit shaft 23 in an offset bore at one end. The lateral displacement at the end of the drill bit shaft results in a proportional lateral displacement of the drill bit. The laterally displaced spindle 30 and the coupling 31 with variable lateral displacement can be rotated in relation to each other, so that the lateral displacements cancel each other out, resulting in no lateral displacement of the drill bit. Alternatively, the laterally displaced spindle 30 and the coupling 31 with variable lateral displacement can be rotated in relation to each other, so that the lateral displacements are combined to produce the maximum lateral displacement of the bit, or in an intermediate position which will result in an intermediate lateral displacement.

Den sideforskjøvede spindel posisjonerer fortrinnsvis den opphullsende av borkroneakselen 23. Den sideforskjøvede spindel 30 har en boring 33 på sin ned-hullsside, hvilken er sideforskjøvet i forhold til verktøyets akse. Boringen virker som huset for et lager som er montert på enden av borkroneakselen. Ved sammenstilling plasserer den sideforskjøvede boring fortrinnsvis borkroneakselen i en vinkel i forhold til verktøyets akse. The side-displaced spindle preferably positions the up-hole end of the drill bit shaft 23. The side-displaced spindle 30 has a bore 33 on its downhole side, which is side-displaced in relation to the axis of the tool. The bore acts as the housing for a bearing mounted on the end of the bit shaft. When assembled, the offset drilling preferably places the bit shaft at an angle to the tool axis.

Motorsammenstillingen (fig. 2) roterer den sideforskjøvede spindel 30 for posisjonering av borkronens sideforskyvning etter ønske. Verktøyet kan bruke et lukket sløyfestyresystem for å oppnå styring av borkronens sideforskyvning etter ønske. Posisjonen av den sideforskjøvede spindel i forhold til gravitasjonsretning-en måles kontinuerlig ved hjelp av en resolver som måler rotasjon av den sideforskjøvede spindel i forhold til mansjetten, og aksellerometerne, magnetometerne og/eller gyroskopene som måler rotasjonshastighet og vinkelorientering for mansjetten. Alternativt kunne målingen utføres med sensorer som var montert direkte på selve den sideforskjøvede spindel 30. The motor assembly (Fig. 2) rotates the offset spindle 30 to position the bit offset as desired. The tool can use a closed-loop control system to achieve control of the bit's lateral displacement as desired. The position of the side-shifted spindle in relation to the direction of gravity is continuously measured using a resolver that measures rotation of the side-shifted spindle in relation to the cuff, and the accelerometers, magnetometers and/or gyroscopes that measure rotation speed and angular orientation of the cuff. Alternatively, the measurement could be carried out with sensors that were mounted directly on the laterally displaced spindle 30 itself.

Metallbelgen (fig. 2) tilveiebringer en tetning mellom borkroneakselen 23 og mansjetten, og bøyes fortrinnsvis for å føye seg etter den relative bevegelse mellom dem når borkroneakselen gjennomgår en vekslende bevegelse. Belgen opprettholder tetningen mellom oljen på innsiden av sammenstillingen og slammet på utsiden av verktøyet, og motstår differensialtrykk så vel som full vekslende bøy-ning når verktøyet roterer. Endelig er belgen beskyttet mot skade fra store stykker av nedbrutt materiale av en sfærisk grenseflate som opprettholder en liten spalte som det nedbrutte materiale kan komme inn i. The metal bellows (Fig. 2) provides a seal between the bit shaft 23 and the sleeve, and is preferably bent to accommodate the relative movement between them as the bit shaft undergoes reciprocating motion. The bellows maintains the seal between the oil on the inside of the assembly and the mud on the outside of the tool, and resists differential pressure as well as full alternating bending as the tool rotates. Finally, the bellows is protected from damage by large pieces of decomposed material by a spherical interface which maintains a small gap into which the decomposed material can enter.

Låseringen 35 kan også brukes til å låse den sideforskjøvede spindel 30 og koplingen 31 med variabel sideforskyvning sammen rotasjonsmessig som vist på fig. 5. Låseringen 35 roterer fortrinnsvis sammen med koplingen 31 med variabel sideforskyvning. Ved endring av vinkel, skyver motor-kuleskruesammenstillingen The locking ring 35 can also be used to lock the laterally displaced spindle 30 and the coupling 31 with variable lateral displacement together rotationally as shown in fig. 5. The locking ring 35 preferably rotates together with the coupling 31 with variable lateral displacement. When changing the angle, the motor-ball screw assembly pushes

34, eller en annen type lineær aktuator, låseringen forover, slik at den løsner den sideforskjøvede spindel og går i inngrep med borkronen 23. På dette punkt vil rotasjon av den sideforskjøvede spindel ved hjelp av styremotoren (ikke vist) rotere den sideforskjøvede spindel i forhold til sylinderen med variabel sideforskyvning, hvilket resulterer i en endring i sideforskyvningen. Når den ønskede effekt ter oppnådd, kan låseringen trekkes tilbake, hvilket løsner sylinderen med variabel sideforskyvning fra borkroneakselen og en gang til låser den til den sideforskjøve-de spindel. 34, or another type of linear actuator, the snap ring forwards, so that it disengages the sideshift spindle and engages the drill bit 23. At this point, rotation of the sideshift spindle by the steering motor (not shown) will rotate the sideshift spindle relative to the variable lateral displacement cylinder, resulting in a change in lateral displacement. When the desired effect is achieved, the locking ring can be retracted, which disengages the variable offset cylinder from the drill bit shaft and once again locks it to the offset spindle.

Fig. 6 og 7 viser den sideforskjøvede spindel 30 og koplingen 31 ved variabel sideforskyvning. Fig. 7a og 7b viser et tverrsnitt av den sideforskjøvede spindel, lagt langs linjen 7-7' på fig. 6. Den sideforskjøvede spindel 30 og koplingen 31 med sideforskyvning er festet på en slik måte at avstanden d mellom deres leng-deakser a-a' kan varieres ved rotasjonen av den sideforskjøvede spindel 30 i forhold til koplingen 31 med variabel sideforskyvning. Tilfellet når begge akser er ko-lineære svarer til null borkroneforskyvning (fig. 7a). Borkroneforskyvning vil skje når avstanden mellom aksene er forskjellig fra null (fig. 7b). Fig. 6 and 7 show the laterally displaced spindle 30 and the coupling 31 with variable lateral displacement. Fig. 7a and 7b show a cross-section of the laterally displaced spindle, laid along the line 7-7' in Fig. 6. The laterally displaced spindle 30 and the coupling 31 with lateral displacement are attached in such a way that the distance d between their longitudinal axes a-a' can be varied by the rotation of the laterally displaced spindle 30 in relation to the coupling 31 with variable lateral displacement. The case when both axes are co-linear corresponds to zero bit displacement (Fig. 7a). Bit displacement will occur when the distance between the axes is different from zero (Fig. 7b).

Koplingen 31 med variabel sideforskyvning er gjennom en koplingsmekanisme utkoplbart festet til den sideforskjøvede spindel 30. Når det er sammenkop-let roterer kopling 31 ved variabel sideforskyvning sammen med den sideforskjø-vede spindel 30. The coupling 31 with variable lateral displacement is releasably attached to the laterally displaced spindle 30 through a coupling mechanism. When connected, coupling 31 rotates with variable lateral displacement together with the laterally displaced spindle 30.

For å endre borkronens vinkel, løsner koplingsmekanismen koplingen 31 med variabel sideforskyvning fra den sideforskjøvede spindel. Når den er utkoplet, er den sideforskjøvede spindel 30 fri til å rotere i forhold til koplingen 31 med variabel sideforskyvning, for å endre avstanden mellom aksene a-a' for den sideforskjøvede spindel 30 og koplingen 31 med variabel sideforskyvning, hvilket resulterer i en endring i borkronens sideforskyvning. To change the angle of the drill bit, the coupling mechanism disengages the variable offset coupling 31 from the offset spindle. When disengaged, the offset spindle 30 is free to rotate relative to the variable offset coupling 31, to change the distance between the axes a-a' of the offset spindle 30 and the variable offset coupling 31, resulting in a change in the drill bit side shift.

Mekanismen 16 for variabel vinkling av borkroneakselen omfatter en sideforskjøvet spindel 30 som har en ikke-konsentrisk boring 33, som er anordnet i dens nedre endetverrsnitt. Den øvre ende av koplingen med variabel sideforskyvning holdes i denne boringen. The mechanism 16 for variable angulation of the drill bit shaft comprises a laterally offset spindle 30 having a non-concentric bore 33, which is arranged in its lower end cross-section. The upper end of the variable lateral displacement coupling is held in this bore.

Det skal nå vises til fig. 6, som viser en del av det roterende styreverktøy på fig. 2, idet det vises en koplingsmekanisme. Koplingsmekanismen omfatter en lineær aktuator 34 og en låsering 35. Låseringen 35 kopler sammen den sideforskjøvede spindel 30 og koplingen 31 med variabel sideforskyvning, slik at rotasjonen av den sideforskjøvede spindel 30 overføres til koplingen med variabel sideforskyvning. Koplingen oppnås ved å anordne låseringens 35 innside 37 i en ut-sparing 38 som er anordnet i den nedre ende av den sideforskjøvede spindel 30. For å frakople koplingen 31 med variabel sideforskyvning fra den sideforskjøvede spindel 30, skyver aktuatoren 34 låseringen 35 forover. Sammenkoplingen av den sideforskjøvede spindel 30 og koplingen 31 med variabel sideforskyvning oppnås ved å føre låseringen 35 tilbake. Aktuatoren 34 virker fortrinnsvis på en ytterring 36 som strekker seg fra låseringens 35 kant. Aktuatoren 34 kan også være lokalisert innenfor den sideforskjøvede spindel 30, og virke på den innvendige overflate av låseringen 35.1 dette tilfelle ville aktuatoren 34 være innebygget i den sideforskjøvede spindel 30. Reference should now be made to fig. 6, which shows part of the rotary control tool in fig. 2, showing a coupling mechanism. The coupling mechanism comprises a linear actuator 34 and a locking ring 35. The locking ring 35 connects the laterally displaced spindle 30 and the coupling 31 with variable lateral displacement, so that the rotation of the laterally displaced spindle 30 is transferred to the coupling with variable lateral displacement. The coupling is achieved by arranging the inside 37 of the locking ring 35 in a recess 38 which is arranged at the lower end of the laterally displaced spindle 30. To disconnect the coupling 31 with variable lateral displacement from the laterally displaced spindle 30, the actuator 34 pushes the locking ring 35 forward. The coupling of the laterally displaced spindle 30 and the coupling 31 with variable lateral displacement is achieved by moving the locking ring 35 back. The actuator 34 preferably acts on an outer ring 36 which extends from the edge of the locking ring 35. The actuator 34 can also be located within the side-shifted spindle 30, and act on the inner surface of the locking ring 35. In this case, the actuator 34 would be built into the side-shifted spindle 30.

Aktuatoren 34 er fortrinnsvis en lineær aktuator, så som eksempelvis en motor/kuleskruesammenstilling. For å endre borkronens vinkel, virker aktuatoren 34 på låseringen 35, slik at den sideforskjøvede spindel 30 er fri til å rotere i forhold til den øvre ende av koplingen 31 med variabel sideforskyvning. Koplingen 37 med variabel sideforskyvning er fortrinnsvis koplet til borkroneakselen 23. Vink-lingsmotorsammenstillingen 15 roterer den sideforskjøvede spindel 30 inntil den ønskede borkroneorientering er oppnådd, og deretter kan koplingen 31 med variabel sideforskyvning igjen koples til den sideforskjøvede spindel 30. Under rotasjonen av den sideforskjøvede spindel 30 holdes den øvre ende av koplingen 31 med variabel sideforskyvning fortrinnsvis innenfor spindelens ikke-konsentriske boring. The actuator 34 is preferably a linear actuator, such as, for example, a motor/ball screw assembly. In order to change the angle of the drill bit, the actuator 34 acts on the locking ring 35, so that the laterally displaced spindle 30 is free to rotate relative to the upper end of the coupling 31 with variable lateral displacement. The variable lateral shift coupling 37 is preferably coupled to the drill bit shaft 23. The tilting motor assembly 15 rotates the laterally shifted spindle 30 until the desired drill bit orientation is achieved, and then the variable lateral shift coupling 31 can again be coupled to the laterally shifted spindle 30. During the rotation of the laterally shifted spindle 30, the upper end of the coupling 31 with variable lateral displacement is preferably held within the spindle's non-concentric bore.

Den ønskede orientering av borkronen oppnås ved å endre posisjonen til borkroneakselens øvre ende 44, som vist på fig. 2 ovenfor, og ved å holde et punkt 45 på borkroneakselen fast ved hjelp av det dreiemomentoverførende koplingssystem 17. Det dreiemomentoverførende koplingssystem 17 er lokalisert ved det faste punkt 45 av borkroneakselen, motsatt mekanismen for variabel vinkling av borkroneakselen. Det dreiemomentoverførende koplingssystem kan inkludere enhver type dreiemomentoverførende kopling som overfører dreiemoment fra verktøymansjetten 24 til borkroneakselen 23, selv om de begge ikke er koaksiale. The desired orientation of the drill bit is achieved by changing the position of the drill bit shaft's upper end 44, as shown in fig. 2 above, and by holding a point 45 on the bit shaft fixed by means of the torque transmitting coupling system 17. The torque transmitting coupling system 17 is located at the fixed point 45 of the bit shaft, opposite the mechanism for variable angle of the bit shaft. The torque transmitting coupling system may include any type of torque transmitting coupling that transmits torque from the tool sleeve 24 to the bit shaft 23, even if both are not coaxial.

Fig. 8 viser et forstørret riss av den dreiemomentoverførende kopling 47 på fig. 2. Den omfatter fremspring 39 som er lokalisert på borkroneakselen 23; idet hvert fremspring er dekket av sylindere 40 med spor. En ytterring 41 har langs sin omkrets hull 42, og for å låse fremspringene, passer sylinderne 40 med spor inn i hullene 42. De korresponderende sylindere med spor er fri til å rotere i hvert korresponderende hull 42, og det tillates også at fremspringene 39 dreier seg frem og tilbake. Fig. 8 shows an enlarged view of the torque transmitting coupling 47 in Fig. 2. It comprises projections 39 which are located on the drill bit shaft 23; each projection being covered by cylinders 40 with grooves. An outer ring 41 has along its circumference holes 42, and to lock the projections, the slotted cylinders 40 fit into the holes 42. The corresponding slotted cylinders are free to rotate in each corresponding hole 42, and the projections 39 are also allowed to rotate back and forth.

Den dreiemomentoverførende kopling 47 vist på fig. 8 har samlet ti fremspring som omgir borkroneakselen. Andre utførelser av oppfinnelsen kan imidler-tid inkludere et større eller mindre antall fremspring. Fremspringene 39 opprettholder fortrinnsvis flatekontakt gjennom universalleddet når leddet gjennomgår en vinkelbevegelse. Selv om det kan benyttes kuler, som i standard universalledd, omfatter de dreiemomentoverførende komponenter i den foretrukne utførelse sylindere med spor, som er i inngrep med de rektangulære fremspring på borkroneakselen 23. Sylinderne 40 tillater fortrinnsvis at fremspringene dreier seg frem og tilbake i sporene 63. The torque transmitting coupling 47 shown in fig. 8 has collected ten protrusions that surround the drill bit shaft. Other embodiments of the invention may, however, include a larger or smaller number of protrusions. The projections 39 preferably maintain surface contact through the universal joint when the joint undergoes an angular movement. Although balls can be used, as in standard universal joints, the torque transmitting components in the preferred embodiment comprise cylinders with grooves, which engage with the rectangular protrusions on the drill bit shaft 23. The cylinders 40 preferably allow the protrusions to rotate back and forth in the grooves 63 .

Ytter-ringen 41 på den dreiemomentoverførende kopling 47 er koplet til den innvendige overflate av verktøymansjetten 224, slik at den roterer sammen med verktøymansjetten 24 og overfører det korresponderende dreiemoment til borkroneakselen 23. Med denne konfigurasjon overføres dreiemoment fra fremspringene 39 på borkroneakselen 23 til sylinderne 40, deretter til dreiemomentringen 41 og til mansjetten. Som vist på fig. 8 og 9, skjer dreiemomentoverføringen fra ringen til mansjetten fortrinnsvis gjennom et tidsidet polygon. Alternativt kan andre geometrier og/eller anordninger for dreiemomentoverføring som er kjent blant fagpersoner på området brukes i stedet. The outer ring 41 of the torque transmitting coupling 47 is connected to the inner surface of the tool sleeve 224, so that it rotates together with the tool sleeve 24 and transmits the corresponding torque to the drill bit shaft 23. With this configuration, torque is transmitted from the projections 39 of the drill bit shaft 23 to the cylinders 40 , then to the torque ring 41 and to the cuff. As shown in fig. 8 and 9, the torque transfer from the ring to the sleeve preferably takes place through a time sided polygon. Alternatively, other geometries and/or torque transmission devices known to those skilled in the art may be used instead.

Fig. 9 viser et tverrsnitt gjennom den dreiemomentoverførende kopling 47. Tverrsnittene gjennom den utvendige overflate av ytterringen 41 og verktøyman-sjettens innvendige overflate, i det minste det parti som korresponderer med tverr-snittet gjennom den dreiemomentoverførende kopling 17, er polygoner slik at de passer inn i hverandre. Følgelig passer hver side av verktøymansjettens polygon sammen med sin motstående side av ytterringens polygon, og overfører verktøy-mansjettens bevegelse til borkronens aksel. Fig. 9 shows a cross-section through the torque-transmitting coupling 47. The cross-sections through the outer surface of the outer ring 41 and the inner surface of the tool sleeve, at least the part corresponding to the cross-section through the torque-transmitting coupling 17, are polygons so that they fit into each other. Accordingly, each side of the tool sleeve polygon mates with its opposite side of the outer ring polygon, transmitting the tool sleeve motion to the bit shaft.

Fremspringene 39 er fri til å dreie seg frem og tilbake, og sylinderne 40 med spor er fri til å rotere, hvilket muliggjør vinkelbevegelse av borkroneakselen. Som det ses av fig. 10, vil fremspring som er lokalisert hovedsakelig i det samme plan som borkroneakselens vinklingsplan, avhengig av deres posisjon på borkroneakselen, bevege seg frem og tilbake, inne i de korresponderende sylindere med spor. Fremspring som ligger hovedsakelig i planet vinkelrett på vinklingsplanet vil ikke ha noen relevant bevegelse, men deres korresponderende sylindere med spor vil typisk rotere i vinklingens retning. The projections 39 are free to pivot back and forth, and the slotted cylinders 40 are free to rotate, allowing angular movement of the bit shaft. As can be seen from fig. 10, protrusions located substantially in the same plane as the angular plane of the drill bit shaft, depending on their position on the drill bit shaft, will move back and forth, inside the corresponding cylinders with grooves. Projections that lie mainly in the plane perpendicular to the plane of angulation will have no relevant motion, but their corresponding slotted cylinders will typically rotate in the direction of angulation.

Det skal nå vises til fig. 11, hvor det er vist et detaljert riss av et parti av et roterende styrbart boreverktøy 9b, hvor belgen 22b er vist. Belgen 22b er posisjonert på den utvendige låsemutter 61 som via gjenger er forbundet til mansjetten (ikke vist). En belgbeskyttelsesring 25 er posisjonert mellom borkroneakselen 23b og den utvendige låsemutter 61. Belgen 22b er festet langs borkroneakselen 23b ved hjelp av øvre belgring 65, og langs låsemutteren 61 ved hjelp av nedre belgring 64. Reference should now be made to fig. 11, where a detailed view of a part of a rotary steerable drilling tool 9b is shown, where the bellows 22b is shown. The bellows 22b is positioned on the external locking nut 61 which is connected via threads to the cuff (not shown). A bellows protection ring 25 is positioned between the bit shaft 23b and the external locking nut 61. The bellows 22b is fixed along the bit shaft 23b by means of the upper bellows ring 65, and along the locking nut 61 by means of the lower bellows ring 64.

Fig. 11 viser også en annen utførelse av en dreiemomentoverførende kopling 47b som inkluderer en dreiemomentoverførende kule 66 som er bevegelig posisjonerbar mellom borkroneakselen 23b og dreiemomentringen 61b. Det bøye-lige rør 29b er vist inne i borkroneakselen 23b, og det er forbundet til denne med en innvendig låsemutter 67. Fig. 11 also shows another embodiment of a torque transmitting coupling 47b which includes a torque transmitting ball 66 which is movably positionable between the drill bit shaft 23b and the torque ring 61b. The flexible pipe 29b is shown inside the drill bit shaft 23b, and it is connected to this with an internal locking nut 67.

Selv om oppfinnelsen har blitt beskrevet med hensyn til et begrenset antall utførelser, vil fagpersoner på området med støtte i denne beskrivelse forstå at det kan tenkes at andre utførelser som ikke avviker fra oppfinnelsens ramme slik oppfinnelsen her er beskrevet. Oppfinnelsens ramme skal følgelig begrenses kun av de ledsagende krav. Although the invention has been described with regard to a limited number of embodiments, experts in the field will understand with the support of this description that other embodiments which do not deviate from the scope of the invention as the invention is described here are conceivable. The scope of the invention shall therefore be limited only by the accompanying claims.

Claims

1. Rotating steerable drilling tool, comprising: a tool sleeve (24) comprising an inner, an upper end and a lower end; a drill bit shaft (23) comprising an outer surface, an upper end and a lower end, the drill bit shaft being supported in the tool sleeve for rotational movement about a fixed position along the drill bit shaft; a torque transmitting coupling (47) adapted to transmit torque from the tool sleeve (24) to the drill bit shaft (23) at the fixed position along the drill bit shaft; a sealing system (14) adapted to seal between the lower end of the sleeve and the drill bit shaft; and a mechanism (16) for variable angle of the drill bit shaft (23), comprising: a motor (15); a side-shifted spindle (30) comprising an upper end and a lower end, the motor (15) being fixed at the upper end of the side-shifted spindle and adapted to rotate the side-shifted spindle; and wherein a variable lateral displacement coupling mechanism (31) comprises an upper end and a lower end; characterized in that: the upper end of the coupling (31) with variable lateral displacement is a detachable attachment to the lower end of the laterally displaced spindle (30).

2. Rotating steerable drilling tool according to claim 1, wherein the upper end of the coupling (31) with variable lateral displacement is detachably attached to the laterally displaced location of the lower end of the laterally displaced spindle (30) by a locking ring (35).

3. Rotating steerable drilling tool according to claim 2, further comprising an actuator (34) adapted to disengage the laterally displaced spindle (30) from the coupling (31) with variable lateral displacement.

4. Rotating steerable drilling tool according to claim 3, in which the locking ring (35) comprises an outer ring (36) on which the actuator (34) acts.

5. Rotating steerable drilling tool according to claim 4, wherein the actuator (34) comprises a linear actuator.

6. Rotating steerable drilling tool according to claim 5, wherein the linear actuator (34) comprises a motor/ball screw type assembly.

7. Rotating steerable drilling tool according to claim 6, wherein the motor (15) is an annular motor (28).

8. Rotating steerable drilling tool according to claim 1, wherein the drill bit shaft (23) at the fixed point comprises a plurality of projections (39) extending radially from the outer surface of the drill bit shaft, the torque transmitting coupling (47) comprising: a ring (41) having an inner surface and a circumference and a plurality of perforations (42) around the circumference, wherein the ring (41) surrounds the drill bit shaft (23) and each projection (39) is aligned with a perforation in the ring; a plurality of cylinders (40) comprising lower ends, each lower end having a groove; where the cylinders are located in the perforations of the ring (25) and the protrusions enter the cylinder's groove.

9. Rotating steerable drilling tool according to claim 8, wherein the inner surface of the ring (41) comprises a plurality of grooves (63), each groove crossing one of the perforations (42) of the ring (41).

10. Rotating steerable drilling tool according to claim 9, wherein the ring (41) is secured to the inner surface of the tool sleeve (24).

11. Rotating steerable drilling tool according to claim 10, in which the ring (41) and the inner surface of the tool sleeve (24) have cross-sections, where the cross-sections are polygons.

12. Rotating steerable drilling tool according to claim 1, wherein the sealing system (14) comprises: a bellows seal (22) located between the tool sleeve (24) and the bit shaft (23); a ring (25) which is located between the tool sleeve (24) and the drill bit shaft and is located at the lower end of the tool sleeve (24), the ring (25) having an upper end and a lower end.

13. Rotating steerable drilling tool according to claim 12, in which a pressure between the inside of the tool sleeve (24) and fluid pressure in a well is equalized by a pressure compensation system (12) which comprises a channel (20) which is passed through the tool sleeve (24) and a sliding piston (21) which is located inside in the tool sleeve (24), and which has an upper and a lower side, where the piston's upper side is exposed to the fluid pressure in the well.

14. Rotating steerable drilling tool according to claim 13, wherein the ring (25) is adapted to substantially close a gap between the bit shaft (23) and the lower end of the tool sleeve (24).

15. Rotating steerable drilling tool according to claim 14, wherein the outer surface of the drill bit shaft (23), at a location where the drill bit leaves the tool sleeve (24), has a concave spherical surface (26).

16. Rotating steerable drilling tool according to claim 15, wherein the upper end of the ring (25) has a convex spherical surface (27) adapted to mate with the concave spherical surface (26) of the drill bit shaft (23).

17. Rotating steerable drilling tool according to claim 1, wherein the motor (15) is an annular motor (28).

18. Rotating steerable drilling tool according to claim 17, further comprising a pipe (29) adapted to carry drilling fluid from an upper end of the motor (28) to the upper end of the bit shaft (23).

19. Rotating steerable drilling tool according to claim 18, wherein the tube (29) comprises a titanium alloy.