专利名称：使用液压伺服环路的旋转式可转向钻井系统的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及一种钻进井眼尤其是石油产品生产井的方法和设备，具体而言，涉及一种可主动控制的旋转式可转向钻井系统，该旋转式可转向钻井系统可以直接连接到钻具组件上的一个旋转钻柱上或者通过一个泥浆马达和/或一个推进器和/或一个柔性接头连接到该旋转钻柱上，从而实现斜井井段和分支井眼的钻井。本发明还涉及一种对所钻井眼方向进行精确控制的方法和设备。本发明还涉及一种主动控制的旋转式可转向钻井系统，该旋转式可转向钻井系统包括一个液压动力定位装置，在由旋转钻柱、泥浆马达或这两者同时使得一个偏移式工作筒和一个钻头旋转的过程中，用于完成该偏移式工作筒和该钻头的自动对地静止定位。本发明还涉及在主动控制旋转式可转向钻井系统中使用的连接装置，用于在钻井过程中连接钻井工具和井壁。
一个油井或者气井通常具有一个需要按照一定方向进行钻井的地下井段，其中所述方向是指与垂直方向成一定角度，并且其井斜角具有一定的罗盘方向或者方位角。尽管具有斜井井段的井眼可以在任何位置进行钻进，例如一个“水平”井眼或者一个从主井眼偏斜分支出的分支井眼，但是更多数量的斜井还是在海洋环境中进行钻进。在这种情况下，从一个单一的海洋钻井平台钻进多个斜井时，这些斜井的底部分布在一个较大面积的产区内，而钻井平台通常位于产区的中心，每口斜井的井口装置位于钻井平台结构上。
在钻进具有复杂井眼轨迹的井眼时，本发明的旋转式可转向钻井系统能够在工具接箍使钻头旋转的同时使得钻头转向，从而使得钻井人员很容易将所钻的井眼从一个地下储油层导向到另外一个地下储油层。本发明的旋转式可转向钻井系统使得井眼既可以沿着井斜角方向也可以沿着方位角方向进行转向，从而使得所钻的井眼可以按照可控方式穿过两个或者多个地下区域。
钻一个定向井的一个一般步骤是在利用钻柱和钻头采用常规的钻井技术钻进一个初始的垂直并段后再从该井段内取出钻柱和钻头，然后将处于钻柱下端的具有一个弯曲壳体的泥浆马达下入到该井段内，该泥浆马达根据钻井液的循环来驱动钻头进行钻井。该弯曲壳体提供一个弯曲角度，从而使得在从上方观看井眼时，其弯曲点以下的轴线(与钻头的转轴线对应)相对于参照物具有一个“工具面方位”角。该工具面方位角(简称为“工具面方位”)形成了一个方位角或者罗盘方向，在泥浆马达的作用下，斜井井段将按照该方向进行钻井。在通过缓慢旋转钻柱并观测各种定向装置的输出而确定了工具面方位后才下入泥浆马达和钻头，并保持钻柱不旋转从而保持选定的工具面方位，启动钻井液泵(“泥浆泵”)使得钻井液流过钻柱和泥浆马达，从而将旋转运动施加到泥浆马达输出轴，而钻头固定到该泥浆马达输出轴上。由于该弯曲角度的存在导致钻头沿着一个曲线进行钻井，直到获得所需的井斜角位置。为了沿着所需的井斜角和方位角钻进一个井段，钻柱需要旋转，因此钻柱的旋转与泥浆马达输出轴的旋转叠加在一起，从而使得钻柱的弯曲段只是在井眼轴线周围作圆周运动，因此钻头可以按照任何所建立的井斜角和方位角向前钻进。在到达了该井眼的最大深度后，可以按照需要使用同样的定向钻井技术使得井眼弯曲为水平方向，然后沿着水平方向伸入或者穿过产区。随钻测井装置“MWD”通常放置在位于泥浆马达上方的钻柱中，从而检测井眼钻进的过程。因此，如果各个钻进参数显示与钻井计划有任何偏差时可以采取修正措施对井眼方向进行修正。
但是在钻柱不旋转而泥浆马达由钻井液流动驱动来钻井的情况下会产生各种问题。泥浆马达作业所导致的反扭矩可能导致工具面方位逐渐改变，因此井眼不能按照所需的方位角向深处进行钻井。如果不对井眼方位进行修正，井眼可能延伸到与另外一个井眼非常接近的一个位置、井眼可能错过其所希望的“地下靶子”，或者由于“井眼漂移”而使得井眼的长度过长。这些问题可能导致井眼的成本严重增加，并且降低了从地下地层生产流体的排出效率。而且，一个不旋转的钻柱可能增加较大的摩擦阻力，因此不太容易对“钻头钻压”进行控制，降低了钻头的钻穿速度，这也显著增加了钻井的成本。而且，当钻柱穿过一个渗透区时，该渗透区导致泥饼在井壁上大量聚集，因此一个不旋转的钻柱比一个旋转的钻柱更容易卡在井眼内。
一个涉及本发明主题的专利是美国专利US5113953。该US5113953专利提供一种定向钻井设备和方法，其中，钻头通过一个万向节连接到钻柱的下端，而钻头转轴可以绕枢轴以大小等于钻柱速度并且方向与其相反的速度在可转向钻井工具接箍内进行旋转。和该US5113953专利相比，本发明的改进之处在于，钻头转轴或者工作筒相对于本发明钻铤的角度是一个变量而不是一个固定值。另外一些与本发明有关的专利是英国专利GB2177738B、GB2172324B和GB2172325B。GB2177738B专利的题目是“井眼钻井过程中钻井路线的控制”，它公开了一个具有四个激励器44的控制稳定器40。这些激励器为柔性软管或者管线，这些软管或者管线可以选择性地膨胀从而对钻铤施加一个侧向力，如图中22所示，目的是使得钻铤偏移从而改变所钻井眼的路线。GB2172324B与本发明有关之处在于该专利提供了一个具有稳定器18和20的可转向钻井工具。在该可转向钻井工具的稳定器18和22之间定位有一个控制模块22，用于对钻杆10的偏移方向进行控制，从而改变所钻井眼的路线。GB2172325B专利与本发明有关之处在于它提供了一个具有壳体31的可转向钻井工具，该壳体31具有传感装置，在钻井过程中，该壳体31由一个井壁接触装置33基本上保持在静止状态。钻杆10相对于井壁接触装置的运动通过以可控方式分别给四个激励器44提供不同的压力来实现。根据GB2172325B专利，钻头的转向是通过感测可转动工具接箍的位置并产生导向信号来完成。
与其相反，本发明是通过液压方式将一个偏移式工作筒的纵向轴线保持在对地静止位置，并且该偏移式工作筒可以绕一个可旋转工具接箍内的一个接头装置或者铰链装置进行定向。在该偏移式工作筒上安装有一个钻头，而可旋转工具接箍与偏移式工作筒之间为直接驱动关系。偏移式工作筒在旋转式可转向钻井工具的液压动力转向系统的作用下进行旋转的过程中，偏移式工作筒保持在所需的井斜角和方位角，从而实现沿着一个所需的轨迹钻进井眼。一个基本上不旋转的滑动套筒用于提供一个壳体，该壳体用于安装导向传感器、电子装置以及遥测系统，并在钻井过程中保持与地层之间的配合关系。所述滑动套筒以可旋转方式支撑在旋转式工具接箍的一部分上，并利用多个弹性叶片元件通过机械方式与所钻井眼的井壁配合，而且基本上不相对于该井壁旋转。所述弹性叶片从滑动套筒径向向外伸出。
本发明还可以连接在一个具有一个可控泥浆马达、一个推进器设备、一个柔性接头或者其任何组合的钻具组件中。另外，本发明的主动控制旋转式可转向钻井系统能够利用一个旋转钻柱、一个泥浆马达或者这二者同时提供动力而实现定向可控钻井，并在钻井过程中对钻头钻压和钻头方向进行精确控制。
美国专利US5265682中提供了一个系统，该系统通过一个叶轮将一个井下仪器包保持在一个滚动稳定方向。该滚动稳定装置用于调节流体压力而施加到一组径向活塞上，这些活塞按照顺序进行驱动从而沿所需方向推动钻头。美国专利US5265682的钻头转向系统与本发明思路的不同之处在于使得钻头沿所需方向偏斜的装置不同。这就是说，US5265682专利所描述的装置是利用活塞作用到井壁上从而将钻头沿所需的侧向方向压入井眼内。由于’682专利的可转向钻进系统的液压部件暴露在钻进液的环境下，并且转动工具的转动垫与井壁接触，这种钻井工具的使用寿命将受到限制。
与此相反，本发明的旋转式可转向钻井工具不具有暴露在钻井液或者井壁下的液压构件或者力传递垫。本发明的旋转式可转向钻井工具包括一个自动启动的传感器反应液压系统，以将钻井系统的偏移式工作筒保持在对地静止状态，并使之与旋转式工具接箍成一定角度以偏离于主井眼方向，从而将钻头指向所需的井眼方向。本发明的液压偏移式工作筒定位系统实现偏移式工作筒轴线绕旋转式工具接箍内的铰接连接件或者万向连接件支撑件枢轴式定位，因此当偏移式工作筒在旋转式工具接箍的作用下旋转时，该偏移式工作筒相对于所钻地层保持在对地静止状态。在本发明的范围内，工具的各种导向传感器和电子装置位于基本上不旋转的滑动套筒内，该滑动套筒相对于钻井工具的旋转式工具接箍作相对旋转运动，而不是位于一个旋转构件例如工具接箍上，从而简化了导向传感器的电子装置，并保证了本发明的精度且延长了本发明的寿命。
本发明的主要特点就是提供一种新型的主动控制的旋转式可转向钻井系统，该旋转式可转向钻井系统由一个旋转钻柱、一个泥浆马达或者这两者的组合来进行驱动，该旋转式可转向钻井系统通过由旋转式可转向钻井工具的旋转工具接箍来旋转钻头而使得钻头精确转向，从而能够选择性地钻出弯曲的井段。
本发明的另外一个特点是提供一种新型的主动控制的旋转式可转向钻井系统，该系统具有一个偏移式工作筒，该偏移式工作筒在钻井操作中由一个旋转式工具接箍驱动，并且该偏移式工作筒枢轴式安装在所述旋转式工具接箍内以便在旋转式工具接箍内作枢轴式旋转运动，而且该偏移式工作筒相对于所钻地层保持对地静止状态且指向所需的井斜角和方位角，以便将一个弯曲井眼钻进到预定目标。
本发明的又一个特点是提供一种新型的主动控制的旋转式可转向钻井系统，该系统具有一个钻井液动力液压泵，该液压泵提供液压流体用于通过液压定位活塞的伺服阀可控激励来控制偏移式工作筒的位置，而液压活塞则使得偏移式工作筒相对于旋转式可转向钻井系统的旋转工具接箍对地静止定位，以实现钻头转向。
本发明的再一个特点是提供新型的主动控制的旋转式可转向钻井系统，该系统具有一个机载的电力位置感测和控制系统，该系统安装在一个连接元件内，该连接元件相对于旋转式工具接箍可以旋转，并通过多个弹性叶片与所钻井眼的井壁接触且基本上保持相对静止关系，其中的弹性叶片在钻井过程中与井眼壁接合。本发明的又一个特点是将导向传感器和某些电子装置定位在基本上静止的连接元件内，而不是定位在钻井工具的旋转部件中，因此保护钻井工具的机载电子装置和导向传感器不会受到旋转所导致的干扰的影响，从而显著简化了钻井工具的控制电路。
本发明的又一个特点是提供新型的主动控制的旋转式可转向钻井系统，该系统具有一个基本上不旋转的滑动套筒，该不旋转的滑动套筒可以相对于旋转式工具接箍进行旋转，并具有弯曲的细长连接弹性叶片，这些叶片保持钻井工具与所钻地层滑动接触，限制该基本上不旋转的滑动套筒的旋转，并且实现对所钻井眼的井径测量。
简而言之，本发明的各个目的和特点通过本发明提供的一种主动控制的旋转式可转向钻井工具来实现。该钻井工具具有一个旋转式工具接箍，该旋转式工具接箍由一个可旋转驱动构件例如泥浆马达或者旋转钻柱的输出轴驱动，该旋转钻柱由一个钻机的转盘驱动。一个偏移式工作筒(这里也称为钻头轴)通过一个万向节或者铰接连接件安装在旋转式工具接箍内，并且直接由旋转式工具接箍进行驱动旋转以进行钻井。偏移式工作筒的下端从旋转式工具接箍的下端伸出，从而提供一个连接部分，钻头可以通过螺纹连接到该连接部分上。根据本发明的原理，在偏移式工作筒由可旋转驱动部件驱动的旋转过程中，偏移式工作筒的轴线保持并指向给定的方向，从而使得钻头沿着由选定角度确定的曲线进行钻进，其中上述给定的方向与该钻井工具的旋转传动部件的轴线倾斜成一个可变角度。通过将偏移式工作筒轴线与钻井工具轴线之间的角度设置为零可以钻出一个直的井眼。
旋转式工具接箍的轴线与偏移式工作筒轴线之间的角度由多个液压活塞来保持，这些液压活塞定位在旋转式工具接箍内，由根据对传感器作出响应的由伺服环路激励的伺服阀进行选择性地控制和定位，以保持偏移式工作筒的轴线对地静止定位并使之处在预定的井斜角和方位角。另外，这些预定的井斜角和方位角可以根据地面产生的控制信号、计算机产生的信号、传感器产生的信号或者这些信号的组合来进行选择性控制。因此，本发明的旋转式可转向钻井工具在其定位于井眼内和在钻井过程中可以进行调节，用于根据需要以可控方式改变偏移式工作筒相对于旋转式工具接箍的角度，从而以可控方式使得由钻井工具的偏移式工作筒旋转的钻头转向。
通过一个铰接式驱动连接件使得扭矩从旋转式工具接箍直接传递到偏移式工作筒，而该驱动连接件由旋转式工具接箍内的偏移式工作筒的铰接连接件来建立。另外，偏移式工作筒的定位液压活塞可以进行伺服控制，从而保证在受到外界干扰的情况下仍然保持预定的工具面角。既然应该一直保持偏移式工作筒的轴线对地静止，所以偏移式工作筒通过液压激励活塞而在旋转式工具接箍内保持对地静止。所述液压激励活塞安装成在旋转式工具接箍内移动。这个特点通过定位活塞的自动伺服控制的液压激励来实现。这些定位活塞可以根据来自各个导向传感器的信号并响应于拟改变滑动式工具接箍和偏移式工作筒的轴的各个力进行精确控制。
为了提高主动控制的旋转式可转向钻井工具的灵活性，该钻井工具能够选择性地包括许多电子感应、测量、反馈和定位系统。钻井工具的一个三维定位系统可以使用用于感应地磁的磁性传感器且使用一个解算器、三轴加速度计和陀螺传感器，用于实时精确确定钻井工具的位置。为了对旋转式可转向钻井工具进行控制，该钻井工具通常具有一个三轴加速度计和一个解算器。单个的陀螺传感器也可以包括在该钻井工具中，以提供转速反馈，并协助偏移式工作筒的稳定，尽管如此，使用多个陀螺传感器也不偏离本发明的精神和范围。钻井工具上机载的电子装置的信号处理系统在钻井工具的偏移式工作筒旋转时进行实时位置测量。钻井工具的传感器和电子装置处理系统也用于在钻井过程中连续测量方位角和实际的倾角，从而及时采用修正措施，而不用中断钻井过程。钻井工具包括一个基于位置的控制环路，该控制环路使用磁性传感器、加速度计或者陀螺传感器来提供位置信号，用于控制偏移式工作筒的轴向方向。从便于灵活操作的角度考虑，该钻井工具可以包括一个用于反馈的随钻测量系统(MWD)、伽玛射线探测器、电阻率测井、密度和孔隙度测井、声波测井、用于井身成象的系统、向前观测和向周围观测、钻头倾角的测量、钻头转速的测量、马达传感器下方的振动的测量、钻头钻压测量、钻头扭矩测量和钻头侧向力测量。
此外，旋转式可转向钻井工具的电子装置和控制设备提供了从地面对钻井工具进行编程的可能性，以建立或者改变钻井工具的方位角和倾斜角，建立或者改变偏移式工作筒相对于旋转式工具接箍的弯曲角度。钻井工具的机载电子装置的电子内存能够保持、使用和传递完整的井身结构数据，并完成井下对地转向，因此钻井工具可以进行钻井。另外，在钻井工具用一个柔性接头来将旋转式可转向钻井工具从井底钻具组件的其它部分以及钻柱上拆卸下来，并采用旋转式可转向钻井系统的电子装置进行导向。
除了本发明的其它感应和测量特点外，主动控制的旋转式可转向钻井工具还具有一个遥测系统，该遥测系统用于通过柔性接头和其它的测量接头沿着双向将钻井过程中获得的测井和钻井信息发送到MWD系统。钻井工具可以包括轴向分开一定距离的发射器和接收器，因此可以使信号穿过井眼附近的地下地层而横穿过一定距离，因此在钻井过程中能测量地层的电阻率。
钻井工具的电阻率系统的电子装置以及其他的各种测量和控制系统的电子装置安装在基本上不旋转的滑动套筒内。该滑动套筒可以相对于钻井工具的旋转式工具接箍进行旋转。基本上不旋转的滑动套筒在钻井过程中通过多个弹性连接叶片而与地层连接，这些弹性叶片也用来限制滑动套筒的旋转。这个特点导致套筒沿着井壁滑动，因此该滑动套筒基本上是静止的或者每小时仅转几转而不是与钻井工具的旋转部件一起进行旋转。因此，钻井工具的导向传感器和电子装置受到保护而不会在钻井过程中受到旋转所导致的干扰或者破坏。
在本发明的优选实施例中，为旋转式可转向钻井工具的旋转式工具接箍提供一个液压泵以便在钻井工具机载的液压系统上提供液压压力来实现液压激励活塞的操作，从而控制偏移式工作筒相对于旋转式工具接箍的定位。液压泵由流动的钻井液驱动。加压的液压流体对由传感器引发的伺服阀的激励作出响应而以可控方式施加到活塞室内，以在钻井过程中保持偏移式工作筒的轴线对地静止，并且将其保持在所述井斜角和方位角。由液压泵产生的液压也可以用于包括线性差动变换器(LVDT)的机载系统，以测量偏移式工作筒的激励活塞的位移，并提供位移信号，这些信号经过处理后用于控制活塞的液压激励。LVDT还用于测量弹性连接元件的径向位移，用于确定主动控制的旋转式可转向钻井工具相对于所钻井眼中心线的精确位置。
为了提高机械效率，根据本发明的优选实施例，偏移式工作筒定位系统使用一个偏移式工作筒万向支撑件(例如，可以为任何形式的万向节或者铰接连接件)以在轴向和扭矩方向上为偏移式工作筒提供足够的支撑，同时减少在万向节的摩擦。通过在万向节部件的周围充有润滑油并将万向节与钻井液隔离开来，同时又使得偏移式工作筒在钻井过程中相对于旋转式工具接箍进行显著的转向控制移动，也可以减少在万向节的摩擦。万向节也可以选择一个花键形式的连接件、一个包括花键和环的万向节或者包括多个球体的万向节，这些装置允许偏移式工作筒的轴线相对于旋转驱动件的轴线进行角度定位，该旋转驱动件伸入到旋转式工具接箍内并与该旋转式工具接箍同心。
用于控制和操作电磁阀和钻井工具电子装置的电能由一个机载的交流发电机产生。该机载的交流发电机还借助于一个涡轮机或者一个容积式马达由流动的钻井液提供动力。所述涡轮机或者容积式马达暴露在流动的钻井液中。交流发电机的电能输出还用于保持一个蓄电池组的电能，使其在交流发电机无法由流动的钻井液提供动力时，该蓄电池能提供电能用于机载电子装置操作和各种其他机载电子设备的操作。
为了详细理解获得本发明上述特征、优点和目的，对上述简要描述的本发明将参照本发明的优选实施方案进行详细描述。所述实施方案将参照附图进行描述，附图则作为本发明的一部分。
应该指出的是，附图只是用于说明本发明一个一般的实施例，因此不能认为是对本发明范围的限制，因为本发明可以包括其它各种等效的实施方案。
这些附图包括
图1表示根据本发明所钻的井眼的示意图，图中所示为利用主动控制的旋转式可转向钻井系统以及本发明方法所钻进井眼的下部的偏移；图2是根据本发明的原理构造的旋转式可转向钻井系统的剖面图；图3是表示本发明的主动控制的旋转式可转向钻井系统的一部分的剖面图，表示用于产生电能和液压的钻井液动力系统，并表示了一个相对于旋转式工具接箍可转动设置的一个基本上不旋转的滑动套筒，利用多个弹性连接叶片该滑动套筒相对于所钻地层保持在基本上静止状态；以及图4是一个液压和电子示意图，表示一个液压伺服环路，该伺服环路用于旋转式可转向钻井工具的液压活塞激励系统的传感器信号反应控制。
本发明的主动控制的旋转式可转向钻井系统由四个基本的部分组成一个偏移机构、一个滑动套筒、一个控制系统和一个动力产生系统。
偏移机构-该偏移机构包括一个钻头轴或者偏移式工作筒以及旋转式工具接箍。偏移式工作筒通过一个万向节连接到旋转式工具接箍上，所述万向节使得旋转式工具接箍将驱动旋转运动传递给偏移式工作筒和连接在该偏移式工作筒前端上的钻头。万向节使得在旋转式工具接箍将旋转运动施加给偏移式工作筒时能保持偏移式工作筒相对于旋转式工具接箍按照选定角度进行定位。这个特点允许在保持偏移式工作筒指向一个给定方向以便钻进一个倾斜的即弯曲的井眼时，能将扭矩和钻压从旋转式工具接箍传递到偏移式工作筒。偏移式工作筒的方向在四个由两个伺服阀激励的液压活塞的作用下在空间中保持固定。
滑动套筒-该滑动套筒安装成绕旋转式工具接箍的一部分进行相对旋转，该滑动套筒通过多个(通常三个)弹性叶片连接到井眼的井壁上。弹性叶片从滑动套筒上向外伸出，并使得滑动套筒相对于井壁基本上不旋转。滑动套筒提供了对导向传感器的支撑和对位置信号采集电子装置的支撑。该导向传感器包括一个三轴伺服加速度计和一个解算器。滑动套筒还支撑一个旋转换能器，以将加速度测量结果发送到钻井工具的旋转部分。一个所钻井眼的井径测量装置安装在旋转式可转向钻井系统内，用于测量每一个弹性连接叶片相对于滑动套筒的轴向位移。
控制系统-本发明的旋转式可转向钻井工具的转向控制系统的形式为一个液压伺服环路，也称为控制环路，该控制环路与钻井工具的导向传感器和电子装置结合。液压伺服环路包括一个用于探测钻铤相对于滑动套筒的方位的解算器，还包括一个用于探测滑动套筒相对于重力场的方位的三轴加速度计。液压伺服环路还包括两个LVDT，用于探测液压活塞相对于旋转式工具接箍的液压缸体的径向位置，其中活塞被可移动地保持在旋转式工具接箍内。在液压伺服环路内还包括两个电子控制的伺服阀，用于使得液压活塞与旋转式工具接箍的运动同步。液压伺服环路还包括用于导向传感器和伺服阀的信号采集和控制电子装置。
动力产生系统-利用一个容积式马达(PDM)或者涡轮机将流动的钻井液的能量转化为机械能。PDM或者涡轮机的输出轴连接到一个泵(齿轮或者活塞泵)，这个泵将液压动力提供给伺服阀。一个交流发电机连接到PDM或者涡轮机的输出轴，以提供电能用于操作旋转式可转向钻井系统的电子装置和传感器。
本发明的主动控制的旋转式可转向钻井系统还能够连接到一个随钻测量(MWD)系统或者随钻测井(LWD)系统。与MWD/LWD工具的双向通讯可以通过使用穿过所钻地层的感应式发射来实现。本发明的旋转式可转向钻井系统的双向通讯系统还允许将一个泥浆马达装在MWD/LWD工具和旋转式可转向钻井系统之间，因此泥浆马达可以用于提供旋转能量以用于转动旋转式工具接箍，并且为钻井工具提供足够的扭矩和用于进行有效转向钻井的钻压。使得四个液压活塞同步并实现且保持钻头偏移的液压动力由PDM或者涡轮机通过液压泵和两个伺服阀进行输送。
偏移式工作筒相对于重力场的方向由两组测量获得。旋转式工具接箍相对于重力场(工具面)的旋转用旋转式工具接箍相对于滑动套筒(解算器)的旋转和滑动套筒相对于重力场的旋转(加速度计)的组合测量来确定。滑动套筒相对于井眼的旋转很慢(每小时几转)，来自径向加速度计的信号很容易进行过滤，以排除冲击和振动所导致的噪音，从而仅保持信号的DC直流分量。偏移式工作筒相对于旋转式工具接箍的位置由两组液压活塞的位移组合测量来进行确定。这个位移由定位在活塞室内的两个LVDT来进行测量。
从动力学角度来看，活塞沿着X轴和Y轴相对于旋转式工具接箍的位移幅值为正弦曲线的，X轴以及Y轴方向位移的相位差为90度Ax＝A sin(wt)Ay＝A sin(wt+90°)
其中，A为钻头偏移(如图2所示的L1/L2)而w为旋转式工具接箍的转速。
相对于旋转式工具接箍转动的位移Ax和Ay的结合形成一个静止向量，该向量将偏移式工作筒的轴线保持在一个固定的方向。工具面则由该静止向量相对于重力场的方向来确定。
现在参考附图并首先参考图1，表示采用根据本发明原理的一个旋转式可转向钻井工具(用附图标记10表示)钻进的一个井眼1。该旋转式可转向钻井工具10连接在图中由2所示的一个钻柱的下端，该钻柱2向上伸出到地面，在地面处该钻柱由一个常规钻机(未示出)的转盘驱动。应该记住的是一个旋转的钻柱对于实现本发明并非是必要的。该旋转式可转向钻井工具也可以由一个泥浆马达的旋转输出轴驱动，而该泥浆马达连接到一个不旋转钻柱上。或者，可以采用一个旋转钻柱，而泥浆马达则连接在该钻柱内，因此该旋转的钻柱可以在所需转速下运行，而由泥浆马达驱动的钻头则在一个不同的转速下运行。钻柱2通常包括一个钻杆4，该钻杆4具有一个或者多个连接在钻杆4内的钻铤5，钻铤5用于给钻头施加钻压并稳定整个钻柱。图中所示的井眼1具有一个垂直或者基本上垂直的上部和一个倾斜、弯曲或者水平的下部井段7，该下部井段7在主动控制的旋转式可转向钻井工具10的控制下进行钻进。在根据本发明原理的钻井工具10的转向作用下，井眼的下部井段7将偏离于垂直上部井段。如图1所示，紧靠旋转式可转向钻井工具10的钻柱可以包括一个柔性接头8，该柔性接头可以提高旋转式可转向钻井系统的钻井精确性。根据通常的做法，钻井液或者“泥浆”在地面泵(未示出)的作用下向下穿过钻柱2，然后穿过钻头20中的喷嘴排出，并穿过钻柱2和井眼之井壁1之间的环形空间21返回到地面。如下详细所述，旋转式可转向钻井工具10的结构和设置可以使得钻头20沿着一个由该钻井工具10控制设置确定的弯曲路线进行钻井。参考图2，即使钻井工具10和钻头20由钻柱、泥浆马达或者其它旋转驱动装置驱动旋转的情况下，支撑钻头20的偏移式工作筒14以可控角度关系相对于钻井工具10的旋转式管状工具接箍12的角度被保持，因此使得钻头转向以钻进一个弯曲的井眼井段。钻井工具既可以根据一定的井斜角进行转向也可以根据一定的方位角进行转向，即向左和向右方向进行转向。此外，旋转式可转向钻井工具的偏移式工作筒的位置参数可以根据需要进行改变，例如可以通过泥浆脉冲遥测装置来改变，从而使得钻头选择性地改变所钻井眼的轨迹，因而沿着X、Y和Z轴方向引导斜井眼，用于实现钻头精确转向亦即对所钻井眼精确控制。
参考图2，主动控制的旋转式可转向钻井工具10包括一个旋转式工具接箍12，该旋转式工具接箍12可以在任何合适装置例如泥浆马达的旋转输出轴或者旋转钻柱的作用下进行旋转。在旋转式工具接箍12内部，由图中所示的万向节16支撑一个偏移式工作筒14。在钻井过程中所述万向节可以使得偏移式工作筒14与旋转式工具接箍12一起旋转，同时使得偏移式工作筒相对于旋转式工具接箍12进行绕枢轴点P的旋转运动，因此当偏移式工作筒14由旋转式工具接箍12旋转时也能够以可控方式实现偏移式工作筒14的对地静止定位，从而使得所钻井眼以可控方式偏离主井眼的轴线。在钻井操作中，偏移式工作筒14相对于旋转式工具接箍12的对地静止定位是由如图中所示的偏移机构18以可控方式建立的。为了在旋转工具接箍12旋转偏移式工作筒14的过程中实现该偏移式工作筒14的对地静止定位，在所述偏移机构18的作用下偏移式工作筒14根据偏移式工作筒的旋转速度连续定位，因此当偏移式工作筒14旋转时，保持该偏移式工作筒14指向预定的方位角和井斜角方向。这个特点促使所钻井眼以预定方式进行转向，而这种方式对于从主井眼钻出分支井眼或者使得所钻井眼转向以与感兴趣的一个地下异常区域相交是所需的。
在钻井过程中，偏移式工作筒14由旋转式工具接箍12驱动旋转，从而使得旋转式工具接箍12的旋转力直接施加给偏移式工作筒14，因此在旋转式工具接箍12旋转时可以直接驱动偏移式工作筒14和钻头20。此外，将偏移式工作筒14和旋转式工具接箍12连接在一起的万向节16使得由于与所钻地层作用而在钻头20上产生的向上推力通过万向节16从偏移式工作筒14传递给旋转式工具接箍12。因此，如图所示偏移式工作筒14为管状形式，因此可以形成一个流动通道22，钻井液可以通过该流动通道22进行流动，然后钻井液继续流动到钻头20的流动通道系统24。在旋转式可转向钻井工具10的旋转式工具接箍12和偏移式工作筒14之间形成一个环形空间26，该环形空间26充有保护性流体介质例如润滑油，因此该环形空间在此也称为储油腔。偏移机构18的各种构件和万向节16因此受到保护性流体介质的保护，以将这些构件与腐蚀性的钻井液隔离开来，因此提高了旋转式可转向钻井工具的使用寿命。利用波纹管密封装置将储油腔26内的油或者保护性流体介质与井下的钻井液环境之间实现密封，这在下面还要进行详细描述。因此在储油腔26内的油不仅作为润滑油介质而且还能与波纹管密封件一起将旋转式可转向钻井工具的偏移机构与钻井液造成的污染隔离开来。
为了将推力从偏移式工作筒传递到旋转式工具接箍12，偏移式工作筒14形成有一个环形沟槽28，该环形沟槽28至少容纳两个推力传递块30。推力传递块30利用一个推力传递元件34的一个环形保持器凸缘32保持在环形沟槽28内。推力传递元件34形成一个弯曲的轴向端面36，该轴向端面36的定位适合于与一个推力传递环40的凹锥形表面38构成力传递接触。所述推力传递环40定位在一个推力传递套筒42的一个肩部内，而该推力传递套筒42又抵靠定位在旋转式工具接箍12的内侧肩部44上。推力传递套筒42通过一个保持器元件46防止其相对于旋转式工具接箍12作轴向移动。推力传递套筒42还形成一个内侧开口48，该内侧开口48具有足够大的尺寸以允许偏移式工作筒14在一定范围内相对于旋转式工具接箍12作绕枢轴的旋转移动。内部开口48的一部分由扩口的或者锥形表面50限定，而该锥形表面50可以保证推力传递套筒42不会干扰偏移式工作筒14在旋转式工具接箍12内的定位。
一个保持器环52定位成与推力传递元件34的环形保持器凸缘32接触，并协助环形保持器凸缘将推力传递块30卡合保持在偏移式工作筒14的环形沟槽28内。保持器环52形成一个球形凹表面54。该球形凹表面54与一个铰链控制环58的球形凸表面56形成力传递接触。这些环形的元件40、34、52、58互相形成力传递啮合并且在盘形弹簧(贝氏弹簧)60和62的作用下与推力传递块30之间形成力传递啮合。所述盘形弹簧60、62可以变形到足够程度，从而允许偏移式工作筒14绕枢轴点P作旋转运动，并允许推力传递元件34和保持器环52沿着偏移式工作筒14侧向移动，而对应的推力传递环40和铰链控制环58基本上在推力传递套筒42内保持静止。因此，在钻井过程中，向上的推力通过推力传递块30、推力传递元件34、推力传递环40和推力传递套筒42的上端部从偏移式工作筒14传递到旋转式工具接箍12。向下的力将也通过推力传递块30、保持器环52和铰链控制环58而在旋转式工具接箍12和偏移式工作筒14之间传递。这些向下的推力也将由所示的万向节16和下部盘形弹簧62所承担。
为了使旋转式工具接箍12旋转偏移式工作筒14，一个万向从动元件64的内侧环形周边66与偏移式工作筒14的从动部分68之间为不旋转关系。所述万向从动元件64利用一个环形保持器环70而防止该万向从动元件64从其位于偏移式工作筒14上的座落位置产生轴向移动。而环形保持器环70定位在偏移式工作筒14内形成的一个外侧保持器沟槽内。根据需要，该万向从动元件64可以与偏移式工作筒14之间形成花键连接或者通过键槽与偏移式工作筒连接，从而在万向从动元件64和偏移式工作筒14之间建立不旋转关系。在万向从动元件64的外侧，万向从动元件限定了一个外侧环形部分72，该外侧环形部分72具有多个以齿轮齿或者花键形式的从动齿。在旋转式工具接箍的内侧，旋转工具接箍12形成对应的多个内侧主动齿或者花键74，从而与外侧环形部分72的从动齿或者花键之间建立了驱动关系。旋转式工具接箍12和偏移式工作筒14之间的花键或者齿轮齿驱动关系使得偏移式工作筒14在绕枢轴点P旋转的同时保持偏移式工作筒14和旋转式工具接箍12之间的直接驱动关系。
如上所述，应该使偏移式工作筒14相对于旋转式工具接箍12绕枢轴点P旋转进行显著的角度定位，同时在偏移式工作筒14和其内部储油腔26充有油的旋转式工具接箍之间保持密封关系，并保护万向节16和偏移机构18不会受到钻井液的污染。根据本发明如图2所示的一个优选的实施例，用于旋转式可转向钻井工具10的下端或者前端的一个密封装置如图中76所示，该密封装置76包括一个密封波纹管78，该密封波纹管78具有一个上部波纹管支撑环80，该上部波纹管支撑环80座落在偏移式工作筒14的一个外部密封表面82上并与该外部密封表面82之间形成密封关系。上部波纹管支撑环80向下靠在偏移式工作筒14的一个环形肩部84上。密封波纹管78的另外一端或者下端固定到一个波纹管安装和密封环86上，该波纹管安装和密封环86通过卡环式保持器元件90与一个管状密封装置88之间保持密封关系，而卡环式保持器元件90则容纳在管状密封装置88的一个内部沟槽内。管状密封装置88由一个螺纹连接件92以及一个管状端盖96的下部保持器凸缘94固定在旋转式工具接箍12的下端或者前端。管状端盖96通过其螺纹连接件98而螺纹连接到旋转式工具接箍12上。在偏移式工作筒14的上端或者尾端，该偏移式工作筒14通过一个上部密封波纹管100而与旋转式管状工具接箍12之间形成密封。尽管并不是必须的，但管状端盖96可以设有外部螺旋或者槽形几何形状，这些几何形状可以有助于钻井液向上流动穿过旋转式可转向钻井工具与所钻井眼的井壁之间的环形空间。
如上所述，本发明的旋转式可转向钻井工具10具有的偏移式机构能够保持该偏移式工作筒14相对于所钻地层的对地静止关系并且在旋转式可转向钻井工具10的位置上方偏离于主井眼。根据本发明的一个优选的实施例，旋转式可转向钻井工具10具有一个液压激励系统，用于相对于旋转式工具接箍12对偏移式工作筒14进行定位以及在旋转式工具接箍12的旋转和由该旋转式工具接箍12旋转偏移式工作筒14的过程中保持偏移式工作筒14对地静止定位。为了实现上述特点，旋转式工具接箍12形成两对液压缸体，每对液压缸体沿着直径方向相对。如图2所示，一对沿着直径方向相对的液压缸体如图中102和104所示。沿着直径方向相对的液压缸体还如图4所示，表示两个沿着直径方向相对的液压缸体106和108。液压活塞110、112、114和116在各自的液压缸体内可以移动，以便相对于旋转式工具接箍12对偏移式工作筒14实施定位控制。如图2和4所示，一个外侧轴承座圈118定位成分别与四个液压活塞形成力传递接触。如图4所示，该外侧轴承座圈118可以形成平面(如图中120所示)以便在液压活塞和外侧轴承座圈之间形成能够传递足够力的表面配合。一个内侧轴承座圈122通过一个花键连接件124而与偏移式工作筒14之间形成不旋转关系，如图2所示。
在钻井过程中，应该在偏移式工作筒14由旋转式工具接箍12转动驱动的过程中同步连续调整偏移式工作筒相对于枢轴点P的位置，以旋转钻头20并保持偏移式工作筒的轴线对地静止定位，并使得钻头相对于所钻地层选择性地定向。该特点使得能钻进一个弯曲井眼，该井眼具有一定的井斜角和方位。这种井斜角和方位是通过在旋转式工具接箍12旋转偏移式工作筒14的过程中保持偏移式工作筒14的轴线对地静止定位来建立的。根据本发明，如下详细所述，偏移式工作筒的轴向对地静止定位是在伺服阀控制下以液压方式建立的，这些伺服阀根据合适的定位传感信号而进行启动。如图3所示，用于控制偏移式工作筒14位置的由液压引发的能量由一个液压泵126产生，该液压泵126定位在旋转式工具接箍12上形成的一个泵凹腔128内。液压泵126由旋转式可转向钻井工具10所设置的一个合适的旋转传动机构驱动。如图3所示，一个容积式马达(PDM)或者涡轮机130由来自于钻井工具的流动通道132并穿过液压泵126的钻井液驱动，因此用于驱动PDM或者涡轮机输出轴的旋转。PDM或者涡轮机输出轴134相对于一个内部腔室136密封，而该内部腔室136周围形成钻井液通道138。根据需要，钻井液通道138可以由旋转式工具接箍12的内壁140和内部腔室136之间的一个环形空间形成。这个特点使得钻井液能从内部腔室136周围流过以便对内部腔室136内的机械和电子部件进行冷却。
PDM或者涡轮机130的输出轴134通过一个密封件142与旋转式工具接箍12之间实现密封，以防止钻井液污染位于内部腔室136中的电子和机械部件。旋转轴密封件142是该旋转式可转向钻井系统的唯一暴露于钻井液中的旋转密封构件。输出轴134驱动连接一个交流发电机144，该交流发电机144对穿过旋转式可转向钻井工具10流动的钻井液作出响应而输出电流以便为旋转式可转向钻井工具的电子和机电部件提供电能。该交流发电机具有一个输出轴146，该输出轴驱动连接到一个液压泵126，因此可以根据穿过主动控制的旋转式可转向钻井工具10流动的钻井液而驱动该液压泵126。该液压泵126可以是一个齿轮或者活塞泵，根据使用者的需要和目的进行选择。液压泵126提供加压的液压流体输出148，而该液压流体148引导到伺服阀150和152，参见图4中的电子液压系统流程图。
根据PDM或者涡轮机130，液压泵126给液压供给管线154提供具有一定压力的液压流体，该液压供给管线154通过液压管线158将加压的液压流体提供给液压控制器156，并通过液压供给管线160和162将液压流体提供给伺服阀150和152。在如图4所示的阀位置，加压的液压流体通过伺服阀152和其液压管线166提供给液压缸体108，由此导致活塞116沿着X-轴方向给偏移式工作筒14施加一个力。同时，液压缸体106内的液压流体通过液压管线170、伺服阀152和液压返回管线172返回到液压储腔174。伺服阀150也可以定位成通过液压管线164将加压的液压流体提供到液压缸体104，因此导致活塞112移动，从而通过轴承装置给偏移式工作筒14施加了一个力，使得偏移式工作筒14沿着Y-轴方向移动。因此通过相互间隔90度相位而交替操作活塞112和116来完成偏移式工作筒14的定位。这种阀定位通过一个电子回路176来完成，该电子回路可以为一个90度相位回路。该回路176通过信号传导装置178接收来自控制器180的信号，然后通过信号传导装置182和184将信号发射给两个伺服阀150和152。因此，这两个伺服阀同时进行操作，从而使得两个伺服阀的移动可以保持力传递活塞之间相差90度的相位。
尽管旋转式工具接箍12在钻井过程中旋转并且直接驱动钻头20，但是这种旋转可能伤害或者干扰来自主动控制的旋转式可转向钻井工具10的导向传感器的信号。为了克服这种旋转干扰，旋转式工具接箍12形成一个直径减少的中间部分186，如图3所示。一个以不旋转滑动套筒188形式的连接元件定位在该直径减少的中间部分186的周围，并由轴承元件190和192支撑成与该中间部分形成可相对转动的关系。在钻井过程中，不旋转滑动套筒通过多个(最好3个)如附图中所示的弹性叶片194而以机械方式连接到所钻井眼的井壁“W”上。所述弹性叶片194为弯曲形状，其中间部分196从滑动套筒188径向向外伸出以便与井眼的井壁“W”形成有力的接触。每一个弹性叶片194的端部200和201可以以任何方式连接到不旋转滑动套筒188。因此，当旋转式工具接箍12在钻井过程中旋转时，滑动套筒188在弹性叶片194的阻挡作用下与所钻地层的井眼井壁“W”之间基本上保持不旋转的关系。不旋转滑动套筒188最好具有3个弹性叶片，以形成一个与井壁连接的三点接触构型，当然具有更多数量的弹性叶片也不偏离本发明的范围。在实际操作中，不旋转滑动套筒188可能会缓慢旋转，例如每小时仅几转。来自导向传感器、一个解算器202(该导向传感器安装到旋转式工具接箍12上)和三轴加速度计204(该三轴加速度计204安装到滑动套筒188上)的电子定位信号将不需要过滤和其它用以减少传感器信号干扰的电子处理。由于加速度计安装在滑动套筒188上并且通过弹性叶片194直接与井壁连接，因此不需要高带宽传感器。
除了三轴加速度计和解算器外，不旋转滑动套筒188还可以使用一个旋转换能器以将三轴加速度计测量结果发送到钻井工具的旋转部分。通过测量三个弹性叶片194中的每一个相对于钻井工具10之不旋转滑动套筒188的径向位移也可以结合一个井径测量。如果每一个弹性叶片的一端相对于不旋转滑动套筒188轴向移动，那么井眼的井径仪测量可以通过测量弹性叶片194相对于不旋转滑动套筒188的轴向位移来进行测量。
如图4所示，液压伺服控制环路系统中的控制器180通过信号传导装置206和208接收来自解算器202和三轴加速度计204的电子信号输入。控制器180还接收代表液压活塞110和114相对于旋转式工具接箍12的径向位置的信号。液压缸体102和104包括活塞位置测量装置例如LVDT 210和212，这些装置可以测量两个活塞110和112的径向位移并通过信号传导装置214和216将位置信号发送给控制器180。这些活塞位置信号与来自的解算器202和加速度计204的位置信号一起进行处理以产生控制器输出信号，该输出信号通过信号传导装置178提供给90度相位回路176。
本发明的旋转式可转向钻井系统采用由伺服阀进行控制的液压动力。不需要高功率电子装置。本发明提供了一个有效的解决方案来解决妨碍现有技术旋转式可转向钻井系统的许多问题。本发明当采用PWM(脉冲宽带调制)动力激励时不需要高温散热。本发明实现了利用较低程度的信号例如电阻率、侧向测井和感应测井测量结果对地层进行综合评价。本发明的控制系统使用低压、低功率，只产生非常低的电磁干扰。本发明基本上不使用与钻井液接触的旋转密封件。本发明的最佳实施例使用波纹管密封件，以补偿偏移式工作筒14相对于旋转式工具接箍12的摆动。本发明的旋转式可转向钻井系统的旋转密封件位于动力产生模块内，位于由流动的钻井液驱动的容积式马达(PDM)和交流发电机之间。根据本发明，没有必要提供一个地面液压动力源。本发明的液压动力系统包括在旋转式可转向钻井工具内，该系统可以通过一个PDM将流动钻井液的机械能直接转化为液压泵的液压能。旋转式可转向钻井工具的液压控制环路根据导向传感器和控制电路的信号自动进行操作，以保持偏移式工作筒14的方向或者使得该偏移式工作筒的轴线指向一个预定的对地静止方向，因此支撑在偏移式工作筒14上的钻头20将钻出一个具有预定井斜角和方位角的弯曲井眼。所采用的用于探测偏移式工作筒方向的稳定传感器是解算器和至少一个加速度计。由于加速度计定位在直接通过弹性连接元件与井壁连接的不旋转滑动套筒18上，因此不需要高带宽传感器。钻头的偏移直接由两个伺服阀控制，而所述两个伺服阀则由来自导向传感器的信号进行电子控制。这些信号已由旋转式可转向钻井系统上机载的电子包进行了处理。不需要其它的转向系统。
如上所述，某些可转向钻井系统中的转向部件与腐蚀性的钻井液接触，由于钻井液的存在使其使用寿命大打折扣。本发明的旋转式可转向钻井系统的转向部件则不会受到钻井液的影响。液压活塞定位在钻井工具的内部并与钻井液分隔开来。实际上所有的用于偏移式工作筒14的定位和旋转驱动的可移动机械部件例如液压活塞、伺服阀和万向节均定位在钻井工具的一个内部腔室内，该内部腔室充满油或者其它保护性流体介质，因此这些部件不会暴露在钻井液中。因此本发明的旋转式可转向钻井系统的这些部件的使用寿命不会因为钻井液而受到影响。
如上所述，显然本发明适合获得所述所有目的和特点以及本发明所公开的设备所固有的其它目的和特点。
对本领域的普通技术人员显而易见，本发明很容易用其它具体的形式来实现而并不偏离本发明的精神和实质。本发明的实施例只是说明性的，而不是对本发明范围的限制，这些范围由权利要求书而不是说明书来确定，所有的落入本发明权利要求书的等同范围内的变化均在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种用一个主动控制的旋转式可转向钻井系统进行钻井和同时使钻头转向的方法，包括下列步骤(a)在所钻井眼内使一个旋转式管状工具接箍和安装在所述旋转式管状工具接箍内并相对于其可以移动的一个偏移式工作筒旋转，所述偏移式工作筒适合于支撑一个钻头并且由所述旋转式管状工具接箍旋转驱动，所述主动控制的旋转式可转向钻井系统具有信号响应转向装置；(b)产生转向信号，用于调节所述偏移式工作筒相对于所述旋转式管状工具接箍和所述偏移式工作筒的位置；以及(c)在偏移式工作筒由所述旋转式管状工具接箍旋转的过程中，根据所述转向信号将所述偏移式工作筒保持在预定的井斜角和方位上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，安装一个连接元件用于相对于所述旋转式管状工具接箍旋转，该连接元件具有多个弹性连接叶片，所述弹性叶片径向向外伸出从而与所钻井眼的井壁接触，所述的方法还包括(d)在所述旋转式管状工具接箍的旋转过程中以机械方式保持所述多个弹性连接叶片与所钻地层之间的基本上静止关系。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一个连接元件设置成可以相对于所述旋转式管状工具接箍进行旋转，而导向传感器安装到所述连接元件上，所述的方法还包括(d)在所述旋转式管状工具接箍的旋转过程中在所述连接元件和所述导向传感器与所钻井眼之间保持基本上静止的关系。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，主动控制的旋转式可转向钻井系统具有液压和电子装置、液压活塞装置和至少一个伺服阀；所述液压和电子装置用于产生液压且对流动的钻井液作出响应而产生电能；所述液压活塞装置用于实现所述偏移式工作筒相对于所述旋转式管状工具接箍的位置控制移动；所述伺服阀用于根据所述转向信号控制所述液压活塞装置的由液压产生的移动；所述的方法还包括(d)对钻井液的流动作出响应来产生液压和电能；以及(d)根据所述转向信号以电子方式激励至少一个所述伺服阀，并且以液压方式相对于所述旋转式管状工具接箍移动所述偏移式工作筒；所述转向信号用于控制液压向所述液压活塞装置的传递。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，所述液压活塞装置包括至少两个活塞，每一个活塞定位在所述旋转式管状工具接箍内并设置在所述旋转式管状工具接箍和所述偏移式工作筒之间，而且在所述旋转式管状工具接箍和所述偏移式工作筒之间形成力传递关系，所述的方法还包括(f)选择性并且独立地控制液压向每一个所述液压活塞的传递，用于在所述旋转式管状工具接箍的旋转过程中使偏移式工作筒在所述旋转式管状工具接箍内实现由活塞驱动的枢轴旋转式定位。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述旋转式管状工具接箍具有液压缸体装置和伺服阀，所述液压缸体装置可移动地定位在所述液压缸体装置内并且设置成与所述偏移式工作筒之间形成力传递关系；所述伺服阀用于控制液压向所述液压缸体装置的传递，所述的方法还包括(d)探测各个液压活塞装置在各个液压缸体装置内的位置，并产生电子活塞位置信号；(e)确定所述液压活塞装置在所述液压缸体装置内的所需位置变化，以根据需要相对于所述旋转式管状工具接箍改变所述偏移式工作筒的定位；以及(f)以可控方式激励所述伺服阀，用于独立地控制连通到所述液压缸体装置的液压，从而完成所述液压活塞装置的所述所需的位置变化。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述液压缸体装置具有液压流体，用于根据液压来移动液压活塞，所述的方法还包括(g)探测在所述液压缸体装置内的液压流体的容积，以识别在所述液压缸体装置内的活塞的位置；(h)改变所述液压缸体装置内的液压流体的容积，以改变所述液压活塞的位置，因此改变所述偏移式工作筒在所述旋转式管状工具接箍内的位置；以及(i)顺序地改变所述旋转式管状工具接箍内的所述偏移式工作筒的位置，以便在由所述旋转式管状工具接箍旋转所述偏移式工作筒的过程中保持所述偏移式工作筒基本上对地静止的状态，并使其按照预定的方位角和井斜角的方向进行定位。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述产生转向信号的步骤包括(a)感测所述旋转式管状工具接箍的位置和方向以及所述偏移式工作筒相对于所述旋转式管状工具接箍的角度位置，并产生实时位置信号；(b)处理所述实时位置信号，根据实时位置信号产生所述转向信号；以及(c)根据所述转向信号可控制地将由液压引发的力施加到所述偏移式工作筒上，以将所述偏移式工作筒相对于所述旋转式管状工具接箍选择性地进行定位。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋转式可转向钻井系统具有机载的电子装置，所述机载电子装置用于接收遥测传递的转向控制信号，所述的方法还包括(d)通过信号遥测装置从地面位置发送转向控制信号至所述旋转式可转向钻井系统的所述机载电子装置；以及(e)利用所述转向信号控制所述偏移式工作筒相对于所述旋转式管状工具接箍的对地静止定位。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋转式管状工具接箍具有至少两个液压缸体、一个加压的液压流体供给源和一个控制器；每一个液压缸体具有一个液压活塞，所述液压活塞与所述偏移式工作筒形成力传递关系；所述液压流体供给源通向所述液压缸体和液压伺服阀，而所述液压伺服阀用于选择性地将加压的液压流体从所述液压流体供给源连通到所述液压缸体；所述控制器用于接收位置信号，并且选择性地激励液压伺服阀装置用于以液压方式控制偏移式工作筒相对于所述旋转式管状工具接箍的定位，所述的方法还包括(d)产生表示所述液压缸体内的所述液压活塞位置的信号；(e)提供表示所述旋转式管状工具接箍位置的工具接箍位置信号；以及(f)用所述控制器处理所述活塞位置信号和所述工具接箍位置信号，并从所述控制器提供阀位置输出信号，以根据需要改变所述液压伺服阀的位置以便相对于所述旋转式管状工具接箍将所述偏移式工作筒保持在预定的角度位置。
11.一种主动控制的旋转式可转向钻井设备，包括(a)一个旋转式管状工具接箍，该管状工具接箍适合于被旋转驱动以进行钻井；(b)一个偏移式工作筒，所述偏移式工作筒安装在所述旋转式管状工具接箍内，用于相对于所述旋转式管状工具接箍进行定位移动，所述偏移式工作筒可以由所述旋转式管状工具接箍旋转并支撑一个钻头；(c)致动器装置，所述致动器装置用于保持所述偏移式工作筒相对于所述旋转式管状工具接箍选择性地定位，以使得所述偏移式工作筒和所述钻头指向一个选定的方向，从而能沿着一个预想的路径进行钻井；以及(d)用于选择性控制所述致动器装置的装置。
12.根据权利要求11所述的主动控制的旋转式可转向钻井设备，还包括(e)一个连接元件，该连接元件可旋转地安装到所述旋转式管状工具接箍上，该连接元件与所钻井眼的井壁基本上静态接触；以及(f)导向传感器，该导向传感器安装到所述连接元件上，并用于产生导向信号。
13.根据权利要求12所述的主动控制的旋转式可转向钻井设备，还包括(g)弹性连接装置，该弹性连接装置从所述连接元件上伸出，并且保持与所钻井眼的井壁基本上静态接触。
14.根据权利要求11所述的主动控制的旋转式可转向钻井设备，其特征在于，所述致动器装置包括(a)液压缸体装置，该液压缸体装置位于所述旋转式管状工具接箍内；(b)液压活塞装置，该液压活塞装置位于所述液压缸体装置内，该液压活塞装置与所述偏移式工作筒形成力传递关系；(c)液压供给装置，所述液压供给装置用于将加压的液压流体提供给所述液压缸体装置，用于保持所述旋转式管状工具接箍内的所述偏移式工作筒基本上对地静止定位；以及(d)伺服阀装置，该伺服阀装置用于以可控方式激励所述液压供给装置，并且在所述旋转式管状工具接箍的旋转过程中相对于所述旋转式管状工具接箍选择性地保持所述偏移式工作筒的方位。
15.根据权利要求13所述的主动控制的旋转式可转向钻井设备，其特征在于所述弹性连接装置是多个弹性连接件，所述弹性连接件在所述连接元件周围均匀间隔开地设置；该主动控制的旋转式可转向钻井设备还包括(h)用于探测所述弹性连接件相对于所述连接元件的相对位置并因此产生表示所钻井眼的井径仪测量结果的信号的装置。
16.根据权利要求11所述的主动控制的旋转式可转向钻井设备，还包括(e)一个万向节，该万向节位于所述旋转式管状工具接箍内；并且其中所述偏移式工作筒以可绕枢轴旋转的方式由所述万向节支撑，并且相对于所述旋转式管状工具接箍绕枢轴旋转，用于实现所述偏移式工作筒相对于所钻地层的定位。
17.根据权利要求16所述的主动控制的旋转式可转向钻井设备，其特征在于所述万向节建立了所述旋转式管状工具接箍与所述偏移式工作筒之间的直接旋转驱动关系。
18.根据权利要求11所述的主动控制的旋转式可转向钻井设备，其特征在于所述偏移式工作筒形成一个贯穿的钻井液流通道；该旋转式可转向钻井设备还包括(e)接箍密封装置，该接箍密封装置在所述旋转式管状工具接箍和所述偏移式工作筒之间建立密封，并形成一个保护性流体腔室，用于盛装保护性流体介质，所述接箍密封装置可以防止钻井液侵入所述保护性流体腔室。
19.根据权利要求11所述的主动控制的旋转式可转向钻井设备，还包括(e)一个液压流体供给系统，该液压流体供给系统定位在所述旋转式管状工具接箍内且在钻井过程中由流动的钻井液提供动力，所述液压流体供给系统将加压的液压流体提供给所述液压致动器装置；(f)一个电能供给系统，该电能供给系统定位在所述旋转式管状工具接箍内且在钻井过程中由流动的钻井液提供动力；以及(g)位于所述液压流体供给系统内的伺服阀装置，用于控制液压流体向所述液压致动器装置的供给。
20.根据权利要求19所述的主动控制的旋转式可转向钻井设备，还包括(h)一个连接元件，该连接元件可安装成相对于所述旋转式管状工具接箍进行旋转；(i)导向传感器，所述导向传感器安装到所述连接元件上并提供导向信号；以及(j)控制器装置，所述控制器装置定位在所述连接元件上，用于接收导向信号，所述控制器装置提供阀控制输出信号，用以选择性地控制所述伺服阀装置的操作。
21.根据权利要求12所述的主动控制的旋转式可转向钻井设备，其特征在于所述致动器装置是液压致动器装置；该旋转式可转向钻井设备还包括(g)液压流体供给装置，其定位在所述旋转式管状工具接箍内；(h)电力供给装置，其定位在所述旋转式管状工具接箍内；(i)伺服阀装置，其定位在所述液压流体供给装置内，用于控制加压液压流体向所述液压致动器装置的供给；(j)位置感测装置，用于感测所述液压致动器装置的位置并提供一个位置输出信号；以及(k)控制器装置，用以接收和处理所述导向信号和所述位置输出信号，并且提供定位控制信号，用于选择性地控制所述伺服阀装置的激励。
22.根据权利要求12所述的主动控制的旋转式可转向钻井设备，还包括(g)遥测装置，其位于所述连接元件内，用于接收从地面发送来的定位控制信号，并提供一个遥测输出信号；(h)控制器装置，用于接收和处理所述遥测输出信号并提供所述定位控制信号；并且其中所述致动器装置根据所述定位控制信号控制所述偏移式工作筒的定位。
23.根据权利要求12所述的主动控制的旋转式可转向钻井设备，还包括(g)至少一个加速度计，该加速度计由所述连接元件支撑，用于探测所述旋转式管状工具接箍相对于所述连接元件的旋转，并根据探测结果提供位置信号；(h)至少一个解算器，该解算器由所述旋转式管状工具接箍支撑，用于探测所述旋转式管状工具接箍相对于所述连接元件的旋转，并且根据探测结果提供位置信号；以及(i)控制器装置，用于接收和处理所述位置信号，并且提供定位控制信号；并且其中所述致动器装置根据所述定位控制信号将所述偏移式工作筒相对于所述旋转式管状工具接箍定位。
24.根据权利要求11所述的主动控制的旋转式可转向钻井设备，其特征在于所述致动器装置包括至少两个以液压方式移动的活塞元件，每一个活塞元件均与所述偏移式工作筒形成力传递关系；并且其中在激励所述活塞元件后，所述以液压方式移动的活塞元件相对于所述管状工具接箍移动所述偏移式工作筒，以便相对于所述旋转式管状工具接箍将所述偏移式工作筒选择性地定位，以及保持所述偏移式工作筒相对于所钻地层的选择性定位。
全文摘要
一种主动控制的用于定向钻井的旋转式可转向钻井系统,包括一个旋转式工具接箍,其具有一个基本上不旋转的具有多个弹性连接件的滑动套筒。一个偏移式工作筒由一万向节枢轴式支撑在工具接箍内且保持在对地静止方向。用导向传感器测量钻井工具的方位,且围绕万向节对偏移式工作筒进行定位从而选择性地相对于旋转式工具接箍轴向倾斜。定位在旋转式工具接箍内的交流发电机和液压泵由流动的钻井液所驱动的一个动力源驱动而产生电能和液压。
文档编号E21B7/08GK1266940SQ0010416
公开日2000年9月20日 申请日期2000年3月15日 优先权日1999年3月15日
发明者A·P·多雷, 张世恭 申请人:施卢默格控股有限公司