一体化磁测距工具的制作方法

专利名称：一体化磁测距工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于承载磁场源并用于实现钻柱中至少一种 其他功能的工具。
背景技术：
磁测距是被用于描述多种技术的通用术语，这些技术采用磁测 量确定正被钻的孔相对于目标例如另一孔或多个孔的相对位置(也 就是相对定向和/或间距)。为了避免孔之间相交、为了实现孔的相交或者为了实现孔之间 所需的相对位置，重要的是确定两个或多个孔的相对位置。当在已经密集了其他孔的区域钻孔时需要避免孔之间相交。当钻减压孔、钻地下通道例如河流交叉时，或者当使新孔与产 生的井筒相连时，需要实现孔之间的相交。当采用蒸汽助推的重力排水(SAGD)技术时需要实现孔之间 的所需相对位置。SAGD技术包括形成基本上相互平行并基本上定 位在共同垂直平面内的上孔和下孔。注入上孔内的蒸汽减小了包含 在与上孔相邻的形成物中的碳氢化合物的粘度并使碳氢化合物能 够因重力作用向下孔流动。随后可以采用常规生产技术从下孔制成 碳氢化合物。为了有效地使用SAGD技术，必须在成对孔的形成过程中保持 对孔的相对定向和孔之间的间距的仔细控制。采用磁测距技术可实 现这种控制。
磁测距技术包括"无源"技术和"有源"技术。在这两种情况 下，正被钻的孔的位置与目标例如目标孔或一些其他基准例如地平面的位置进行比较。可以在Grills、 Tmcy的"用于钻孔蒸汽助推重 力排水井对和特殊的井形状的磁测距技术一技术比较"(2002年 CIM/CHOA 79005的SPE/石油协会)中发现关于对无源磁测距技术 和有源磁测距技术的论述。无源磁测距技术有时被称为静磁技术，通常包括采用放置在正 被钻的孔中的测量装置或多个测量装置测量目标孔中的余磁或剩 磁。无源磁测距技术的优点在于它们通常不需要进入目标孔，因为 可以"按照原样"采取磁测量方式。无源磁测距技术的一个缺陷是 它们需要地球磁场的本地量级和方向的相对准确的信息，因为采取 的磁测量代表目标孔中固有的磁性和本地地球磁场值的组合。无源 磁测距技术的第二个缺陷是它们不能对产生磁测量的磁场进行控 制。有源磁测距技术通常包括在目标孔或正被钻的孔中的一个内 测量在目标孔或正被钻的孔中的另一个内形成的一个或多个磁场。有源磁测距技术的缺陷是它们通常需要进入目标孔内以形成 磁场或多个磁场或者进行磁测量。有源磁测距技术的一个优点是它 们具有对形成的磁场或多个磁场的完全控制。具体地说，磁场或多 个磁场的量级和几何形状得到控制，并且可以形成所需频率的变化 磁场。有源磁测距技术的第二个优点是它们通常不需要地球磁场的 本地量级和方向的准确信息，因为从对所形成的磁场或多个磁场的 测量中可以消除或去除地球磁场的影响。因此，有源磁测距技术通常优选在可以进入目标孔内的情形
下，因为已经发现有源磁测距技术相对可靠、稳定和准确。一种有源磁测距技术包括使用变化磁场源。该变化磁场源可以 由电磁铁例如通过诸如交流电的变化电信号驱动以产生变化磁场 的螺线管组成。备选地，变化磁场源可以由被旋转以产生变化磁场 的永久磁铁组成。在任意情况下，变化磁场的特定特征都能够使该磁场有别于因 孔中的剩磁或者因地球磁场而存在的其他磁影响。另外，采用磁场 极性周期性改变的交变磁场便于消除或去除恒定磁场影响例如孔 中的剩磁或者地球磁场的测量。可以在目标孔中产生变化磁场，在这种情况下在正被钻的孔中 测量变化磁场。备选地，可以在正被钻的孔中产生变化磁场，在这 种情况下在目标孔中测量变化磁场。变化磁场可以被构造成使得磁场的"轴线"处于相对于孔的任 何定向。通常，变化磁场被构造成使得磁场轴线平行于孔或垂直于 孔定向。美国专利No.4,621,698 (Pittard等人)中描述了一种包括安装 在其后端的一对线圈的冲击钻孔工具。线圈中的一个产生平行于工 具轴线的磁场并且线圈中的另一个产生横切工具轴线的磁场。通过 低频发生器间歇地激励线圈。两个相交的传感线圈远离工具定位， 使得垂直于传感线圈轴线的线限定了孔轴线。采用磁测量来确定工 具相对于孔轴线的位置，由通过安装在工具中的线圈产生的磁场的 传感线圈实现所述磁测量。美国专利No.5，002,137 (Dickinson等人)中描述了一种冲击作 用塑孔器(mole)，包括具有斜面的塑孔头，在所述斜面后面安装 横向永久磁铁或电磁铁。塑孔器的旋转导致通过磁铁产生变化磁
场，在地平面上通过布置磁力计测量变化磁场以实现磁测量，所述 磁测量被用于确定塑孔器相对磁力计的位置。美国专利No.5,258，755 (Kuckes)中描述了一种用于引导可移 动承载器例如钻孔组件相对于固定目标例如目标孔的磁场导向系 统。该系统包括安装在钻孔组件的钻铤内的两个变化磁场源，使得 变化磁场源可以插入到正被钻的孔中。 一个变化磁场源是与钻铤轴 向对齐的螺线管，其通过由交流电驱动产生变化磁场。另一个变化 磁场源是永久磁铁，所述永久磁铁被安装成垂直于钻铤轴线并与钻 孔组件一起旋转以提供变化磁场。所述系统还包括三元件磁通脉冲 磁力计，其可以插入到目标孔中以对变化磁场源产生的变化磁场进 行磁测量。通过对从两个变化磁场源中得到的磁测量进行处理来确 定正被钻的孔相对于目标的位置。美国专利No.5,589，775 (Kuckes)中描述了一种用于确定从第 一孔到第二孔的距离和方向的方法，包括通过第二孔中第一位置上 的旋转磁场源在第一孔的区域内产生椭圆形极化的磁场。该方法还 包括将传感器定位在第一孔中的观察点上以对通过旋转磁场源产 生的变化磁场进行磁测量。所述磁场源是安装在钻杆非磁性部分的 永久磁铁，所述钻杆位于钻孔组件中钻头的正后方。磁铁安装在钻 杆中，使得磁铁的南北轴线垂直于钻头的旋转轴线。通过对从旋转 磁场源中得到的磁测量进行处理来确定第一孔到第二孔的距离和 方向。在美国专利No.4，621，698 (Pittard等人)中，磁场源位于冲击 钻孔工具的后端或后面。在美国专利No.5，002，137(Dickinson等人) 中，磁场源位于冲击作用塑孔器内。在美国专利No.5,258，755 (Kuckes)中，磁场源位于钻孔组件 后面的常规钻铤内，所述钻孔组件包括钻头和钻孔电机。在美国专
利No.5,589,775 (Kuckes)中，磁场源位于钻头和钻孔电机之间的 钻杆的一部分上。需要提供一种连接在钻柱内的工具，该工具适于除了提供和承 载磁场源之外实现钻柱中至少一种功能。另外，需要提供一种连接 在钻柱内的工具，其中钻柱包括旋转钻头。发明内容本发明涉及一种适于连接在钻柱内的工具，所述工具适于实现 钻柱中的至少两种功能。这些功能包括第一功能和第二功能，其中 第二功能是磁场源承载功能，并且第一功能与磁场源承载功能不直 接相关。所述工具由此是将第一功能和第二功能结合在单个工具内 的一体化磁测距工具。在一些实施方式中，所述工具优选适于连接 在包括旋转钻头的钻柱内。在第一方面，本发明是对适于连接在钻柱内的工具的改进，所 述工具适于实现钻柱中的第一功能，其中改进包括磁场源与工具结 合，使得工具适于实现钻柱中的第二功能，其中第二功能是磁场源 承载功能，并且第一功能与磁场源承载功能不直接相关。在第二方面，所述钻柱包括旋转钻头并且所述工具适于连接在 钻柱内，以用于利用旋转钻头进行钻孔。第一功能可以包括与磁场源承载功能不直接相关的并且不仅 仅是提供承载磁场源的钻杆长度或钻铤长度的任何功能。换句话说，所述工具能够实现与磁场源承载功能分开的与钻孔 有关的功能，使得为了实现磁场源承载功能所述工具不会向钻柱增 加过多的长度。因此，优选地，工具的长度不因其适于实现磁场源 承载功能而增加。
通过第一功能限定所述工具。作为第一实例，所述工具可以是 稳定器，在这种情况下第一功能是稳定功能。作为第二实例，所述 工具可以是铰刀，在这种情况下第一功能是铰孔功能。作为第三实 例，所述工具可以是旋转钻头，在这种情况下第一功能是钻孔功能。 作为第四实例，所述工具可以是钻头连接件例如钻头盒，在这种情 况下第一功能是钻头连接功能。作为第五实例，所述工具可以是钻孔电机或者其部件或子部 件，在这种情况下第一功能是钻头驱动功能。适于实现磁场源承载功能的钻孔电机的代表性部件包括装卸接头(dump sub)、动力部 分、变速器、驱动轴、轴承部分、保护接头(saver sub)、钻孔电 机壳体以及弯接头(bend sub)。适于实现磁场源承载功能的钻孔电 机的代表性子部件包括定子、转子、万向接头以及柔性接头。作为第六实例，所述工具可以包括转向装置或者其部件或子部 件，在这种情况下第一功能是转向功能。作为第七实例，所述工具 可以是通信工具例如测量同时钻孔装置，在这种情况下第一功能是 通信功能。磁场源可以由单个磁铁组成或者可以由多个磁铁组成。用于本 发明的磁铁可以由电磁铁(例如螺线管)或永久磁铁组成并且多个 磁铁可以包括仅有电磁铁、仅有永久磁铁，或者可以包括电磁铁和 永久磁铁的组合。在优选实施方式中，磁场源由多个永久磁铁组成。 用于本发明的永久磁铁可以具有任何尺寸并且可以相对较平或者 可以是细长的。磁场源具有通过其磁极限定的磁场源轴线。每个电磁铁和永久 磁铁因此具有通过其磁极限定的磁铁轴线。所述工具限定了当连接 在钻柱内时大体上代表工具旋转轴线的工具轴线。
磁场源轴线和每个磁铁轴线可以根据所需通过磁场源产生的 磁场的几何形状相对于工具轴线定向在任何方向上。不同的磁铁可 以相对于工具轴线定向在不同方向上，或者所有磁铁可以相对于工 具轴线定向在同一方向上。磁铁还可以排列成使得它们处于共同极 性方向或者磁铁可以排列成使得它们的极性方向相反。在优选实施 方式中，所有的磁铁都与工具结合，使得它们相对于工具轴线定向 在同一方向并且它们在共同的极性方向上排列。优选地，磁场源轴线和每个磁铁轴线定向成使得它们基本上平 行于工具轴线或基本上垂直于工具轴线。例如， 一些磁铁可以定向 成使得它们的磁铁轴线基本上平行于工具轴线，而其他磁铁可以定 向成使得它们的磁铁轴线基本上垂直于工具轴线。在优选实施方式中，多个磁铁各自与所述工具结合，使得每个 磁铁轴线基本上垂直于工具轴线，从而工具绕工具轴线的旋转导致 通过磁铁产生交变磁场。磁场源可以任何方式与工具结合，这样促使一体化工具能够实 现第一功能和第二功能。例如，磁铁可以与工具一体形成，或者磁 铁可以安装在工具上或之内以使磁场源与工具结合。磁铁可以任何 适当方式安装在工具上或之内，这样便于在不明显干扰磁铁的磁性 的情况下通过工具保持磁铁。磁场源优选与工具结合，使得其基本上与具有相对高磁导率的 材料隔离。使磁场源与磁性材料隔离便于提高对通过磁场源产生的 磁场或多个磁场的特性的控制。更具体地说，磁场源优选与工具结合，使得其基本上由相对非 磁性的材料围绕。在一些优选实施方式中，整个工具由相对非磁性 的材料构成。可以采用适用于工具的任何相对非磁性的材料。在优
选实施方式中，适当的非磁性材料是非磁性钢。在第一优选实施方式中，所述工具是稳定器，从而第一功能是 稳定功能。稳定器可以由任何适当的稳定器工具组成。优选地，稳 定器是稳定器元件在使用过程中与稳定器本体一起旋转的旋转式 稳定器。作为第一功能的一部分稳定器还可以实现辅助铰孔功能。备选地，作为第一优选实施方式的变形所述工具可以由铰刀组 成，从而第一功能是铰孔功能。作为第一功能的一部分铰刀还可以 实现辅助的稳定功能。铰刀可以由任何适当的铰孔工具组成，包括 叶片式铰刀、牙轮铰刀等等。对本发明来说，由于稳定器和铰刀之间的一般结构相似，因此 术语"稳定器"包括稳定器和铰刀。稳定器限定了稳定器轴线，稳定器包括稳定器主体，并且还包 括绕稳定器主体周向间隔布置的多个稳定器元件例如稳定器叶片。 稳定器元件限定了在稳定器元件之间周向布置的稳定器槽。稳定器 元件可以与稳定器主体一体形成或者还可以以其他方式安装在稳 定器主体上。稳定器主体限定了从中穿过并基本上平行于稳定器轴 线的稳定器孔。稳定器优选完全或基本上由相对非磁性的材料例如非磁性钢 构成。在第一优选实施方式中，磁场源优选由多个永久磁铁组成。永 久磁铁可以是相对较平或者可以是细长的。优选地，磁铁与稳定器 结合，使得所有磁铁的磁铁轴线都基本上相互平行并且基本上垂直 于稳定器轴线，并且优选地每个磁铁在共同极性方向上排列。所述多个磁铁可以在稳定器上或之内的任何位置与稳定器结 合。例如，磁铁可以安装或保持在稳定器主体、稳定器元件或稳定 器槽上或之内。如果磁铁是细长的，则磁铁优选安装或保持在稳定 器主体上或之内，使得它们在两个稳定器槽之间横向延伸穿过稳定 器主体并且使得它们在稳定器孔和至少一个稳定器元件之间径向 穿过。这样能够在不增加稳定器长度的情况下使磁铁与稳定器结合 并可以使磁铁受到稳定器元件的保护。最优选地是多个磁铁包括在第一对稳定器槽之间横向延伸穿 过稳定器主体的细长永久磁铁的第一磁铁阵列，并且最优选地是多 个磁铁还包括在第二对稳定器槽之间横向延伸穿过稳定器主体的 细长永久磁铁的第二磁铁阵列。在第二优选实施方式中，钻柱包括旋转钻头并且所述工具是旋 转钻头，从而第一功能是钻孔功能。钻头可以由任何适当的旋转钻 头组成，包括辊子牙轮钻头、固定刀片钻头例如天然金刚石钻头或 多晶金刚石(PDC)钻头、以及取心钻头。钻头优选包括靠近钻头远端定位的多个固定或可移动的旋转 切割元件、靠近钻头近端定位的螺纹连接件、以及位于钻头远端和 钻头近端之间的柄部。钻头还包括在钻头外表面上的一个或多个 "排屑槽"或纵向槽或纵向凹槽，这样使循环流体和碎屑移动穿过 钻头。钻头限定了钻头轴线并限定了基本上平行于钻头轴线延伸穿 过钻头的钻头孔。钻头优选完全或基本上由相对非磁性的材料例如非磁性钢构成。在第二优选实施方式中，磁场源优选与钻头结合，使得磁场源 轴线基本上垂直于钻头轴线。优选地，磁场源由多个永久磁铁组成。 永久磁铁可以相对较平或者可以是细长的。优选地，磁铁与钻头结 合使得所有磁铁的磁铁轴线都基本上相互平行并基本上垂直于钻
头轴线，并且优选每个磁铁在共同极性方向上排列。所述多个磁铁可以在钻头上或之内的任何位置与钻头结合。例 如，磁铁可以在切割元件中间、沿柄部、或者甚至是沿螺纹连接件 安装或保持在钻头上或之内。磁铁可以安装在钻头外表面上的凹槽 内，使得磁铁在钻头使用过程中得到保护。如果磁铁是细长的，则 磁铁优选被安装成使得它们在两个排屑槽之间横向延伸穿过钻头 并使得它们在钻头孔和钻头大直径部分之间径向穿过。这样能够在 不增加钻头长度的情况下使磁铁与钻头结合并且使磁铁可以受到 钻头大直径部分的保护。在第三优选实施方式中，所述工具是钻孔电机，从而第一功能 是钻头驱动功能。钻孔电机可以由适用于钻柱的任何类型的钻孔电 机组成，但优选是旋转钻孔电机例如正位移电机(PDM)或涡轮电 机。钻孔电机最优选是包括动力部分的正位移电机(PDM)，所述 动力部分具有螺旋叶形转子和螺旋叶形定子和与转子相连的驱动 轴。钻孔电机还可以包括其他部件和子部分例如装卸接头、变速器、 柔性接头、轴承部分、保护接头、弯曲接头、钻头连接件以及钻孔 电机壳体。钻孔电机限定了钻孔电机轴线。在第三优选实施方式中，磁场源优选由多个永久磁铁组成。永 久磁铁可以相对较平或者可以是细长的。优选地，磁铁与钻孔电机 结合，使得所有磁铁的磁铁轴线都相互平行并基本上垂直于钻孔电 机轴线，并且优选每个磁铁在共同极性方向上排列。所述多个磁铁可以在钻孔电机上或之内包括在钻孔电机的任 何部件或子部件的上或之内的任何位置与钻孔电机结合。例如，磁 铁可以安装或保持在转子、定子、驱动轴、装卸接头、变速器、柔 性接头、轴承部分、保护接头、弯曲接头、钻头连接件以及钴孔电 机壳体上或之内。优选地，磁铁与钻孔电机结合，使得它们基本上由相对非磁性 的材料围绕。备选地或另外，磁铁可以安装在基本上由相对非磁性 的材料例如非磁性钢构成的钻孔电机的部件或子部件上或之内。可应用于以上描述的优选实施方式的思想可以被用于适于连 接在钻柱内的其他工具上，以产生一种实现磁场源承载功能以及钻 柱中至少一种其他功能的工具。


现在将参照附图对本发明的实施方式进行描述，其中 图1是根据本发明优选实施方式的稳定器的侧视图。 图2是图1所示稳定器的纵向剖视图。 图3是图1所示稳定器的横向剖视图。图4是根据本发明优选实施方式的牙轮式旋转钻头的侧视图。图5是根据本发明优选实施方式的固定刀片式旋转钻头的侧 视图。图6是根据本发明优选实施方式的正位移钻孔电机的侧向示 意图。
具体实施方式
本发明总体涉及一种适用于连接在钻柱内并适于实现钻柱中 至少两种功能的工具。第一功能总体涉及钻柱的钻孔功能。第二功 能特别地是磁场源承载功能。第一功能与第二功能不直接相关。换句话说，第一功能不仅仅
是封装磁场源或者以其他方式支持磁场源承载功能。本发明使用于钻柱中的特别用途的工具能够还用于实现磁测 距技术，因此为了实现磁测距技术无需将单独的磁测距工具结合在 钻柱内。参照图l-3，示出了第一优选实施方式，其中工具是稳定器20 并且第一功能是稳定功能。稳定器20还可以实现辅助铰孔功能，或者稳定器20可以主要作为铰刀并实现辅助稳定功能。最后，稳 定器20可以专门作为铰刀，并由此几乎不或不实现辅助稳定功能。参照图1，稳定器20包括上端22和下端24。上螺纹连接件 26设置在上端22并且下螺纹连接件28设置在下端24。螺纹连接 件26， 28便于将稳定器20连接在钻柱(未示出)内。图1-3中所示的稳定器20被用作钻柱内靠近钻头的稳定器， 所述钻柱包括可旋转转向的钻孔组件(未示出)，所述钻孔组件包 括销式连接件，用于使旋转钻头(未示出)与钻孔组件相连。图 1-3中所示的稳定器20还被用于旋转钻头，其具有销式连接件以使 钻头与钻孔组件相连。因此，上螺纹连接件26和下螺纹连接件28都是盒式连接件， 使得稳定器20起到/使钻头与钻孔组件相连的适配器的作用。备 选地，上连接件26和下连接件28中的一个或两个可以由销式连接 件组成以便于使稳定器20与盒式连接件在钻柱上相连。稳定器20包括稳定器主体30并且还包括绕稳定器主体30周 向间隔布置的多个稳定器元件32。稳定器20可以包括任意数量的 稳定器元件32。在优选实施方式中，稳定器20由四个稳定器元件 32组成。稳定器元件32由稳定器刀片34组成。稳定器刀片34包括其
中容纳安装表面硬化材料38例如碳化钨以使稳定器元件使用寿命
和耐磨性提高的凹部36。如图l-3所示，稳定器元件32与稳定器 主体30—体形成，但备选地稳定器元件32可以通过焊接、螺栓连 接或以其他方式安装在稳定器主体30上。
稳定器元件32和稳定器主体30 —起限定了在稳定器元件32 之间绕稳定器主体3 0周向间隔布置的稳定器槽4 0 。
参照图2-3，稳定器20限定了稳定器轴线42并且稳定器主体 30限定了稳定器孔44。稳定器孔44从上端22到下端24延伸穿过 稳定器20并大体上与稳定器轴线42平行。
在优选实施方式中，稳定器20基本上由相对非磁性材料例如 非磁性钢构成。
稳定器20除了实现作为第一功能的稳定功能之外还适于实现 作为第二功能的磁场源承载功能。因此，磁场源与稳定器20结合 以提供一种适于实现稳定功能和磁场源承载功能的一体化工具。
磁场源与稳定器20结合的方式、位置和程度将取决于磁场源 的属性。
如果磁场源由一个或多个电磁铁组成，则必须容纳用于使电磁 铁通电的电源，因此可以在稳定器主体30内设置磁场源腔(未示 出)以使电磁铁的部件与稳定器20结合。
如果磁场源由一个或多个永久磁铁组成，则永久磁铁与稳定器 20结合的方式在一定程度上将取决于永久磁铁的尺寸和形状。如 果永久磁铁相对较平，则它们可以通过被安装在稳定器主体30或 稳定器元件32的表面上而与稳定器20结合。如果永久磁铁是细长 的，则它们可以通过被完全或部分地安装或保持在稳定器主体30 或稳定器元件32内而与稳定器20结合。
在优选实施方式种，磁场源由多个细长永久磁铁46组成。每
个磁铁46具有通过磁铁46的磁极限定的磁铁轴线48。
磁铁46保持在形成于稳定器主体30上的磁铁承窝50内。在 优选实施方式中，磁铁承窝50都基本上相互平行并且基本上垂直 于稳定器轴线42。当磁铁46定位在磁铁承窝50内时，它们还优 选定向成使得它们磁铁轴线48都基本上相互平行并基本上垂直于 稳定器轴线42。当磁铁46定位在磁铁承窝50内时，它们还在共 同磁极方向上排列，使得通过磁铁46产生的磁场附加并共同地限 定平行于磁铁轴线48的磁场源轴线。
可以有任何数量的磁铁46与稳定器20结合。在优选实施方式 中，磁铁承窝50被构造成提供在稳定器槽40的第一对54之间延 伸的第一磁铁阵列52以及在稳定器槽40的第二对58之间延伸的 第二磁铁阵列56。因此每个磁铁承窝50在稳定器元件32和稳定 器孔44之间径向穿过，从而通过稳定器元件32保护磁铁46。
备选地，磁铁承窝50可以与稳定器元件32结合，使得磁铁承 窝50位于稳定器20的最厚且最坚固的部分内。
如图1-3所示，第一磁铁阵列52和第二磁铁阵列56中的每个 被构造成容纳最大数量的六个磁铁46，使得作为磁场源的最大数 量的十二个磁铁46可以与稳定器20结合。不需要磁铁46定位在 每个磁铁承窝50内，因此少于十二的磁铁46与稳定器20结合。
在优选实施方式中，上述数量和位置的磁铁承窝50被用于在 不增加稳定器20的长度的情况下容纳磁铁46与稳定器20的结合。 本发明这一特征在稳定器20被用于定位在钻孔组件(例如钻孔电 机或可旋转转向装置)和钻头之间时特别重要，因为在钻孔组件和 钻头之间任何附加的长度都将对造斜速度并对钻孔组件的使用寿
命 具有不利的影响。
每个磁铁阵列52， 56中的磁铁承窝50优选通过在稳定器主体 30上钻孔形成。在优选实施方式中，从相对两侧交替钻磁铁承窝 50以使磁铁46能够从相对两侧插入到磁铁承窝50内和从中取出， 从而简化了磁铁46和稳定器20的维修。
磁铁46可以任意适当的方式保持在磁铁承窝50内。例如，磁 铁46可以利用粘结剂或通过焊接固定在磁铁承窝50内。备选地， 磁铁46可以通过压配合、收縮配合或膨胀配合固定在磁铁承窝50 内。优选地，磁铁46利用可释放磁铁保持器60例如保持螺钉、插 销、锁环或卡环保持在磁铁承窝50内。在优选实施方式中，磁铁 46采用优选是螺旋锁环或卡环的可释放磁铁保持器60保持在磁铁 承窝50内。
参照图4和5，示出了第二优选实施方式，其中所述工具是旋 转钻头并且第一功能是钻孔功能。在图4中，旋转钻头是牙轮式旋 转钻头。在图5中，旋转钻头是固定刀片式旋转钻头。
参照图4和5，旋转钻头80包括近端82和远端84。在近端 82设置螺纹连接件86以便于使钻头80连接在钻柱内。如图4和5 所示，嫘纹连接件S6是销式连接件。备选地，螺纹连接件86可以 是盒式连接件。
钻头80还包括靠近钻头80的远端84定位的多个切割元件88、 定位在近端82和远端84之间的柄部90、以及沿柄部90的多个纵 向凹槽92以使流体和碎屑循环移动穿过钻头80。
在图4所示的钻头80中，切割元件88由滚子牙轮组成。在图 5所示的钻头80中，切割元件88由金刚石插入件例如多晶金刚石 (PDC)插入件组成。
钻头80限定钻头轴线94以及穿过钻头82从近端82到远端 84延伸并大体上平行于钻头轴线94的钻头孔96。
在图4和5所示的优选实施方式中，钻头80基本上由相对非 磁性的材料例如非磁性钢构成。
钻头80除了作为第一功能的钻孔功能之外还适于实现作为第 二功能的磁场源承载功能。因此，磁场源与钻头80结合以提供一 种适于实现钻孔功能和磁场源承载功能的一体化工具。
与稳定器20—样，磁场源与钻头80结合的方式、位置和程度 将取决于磁场源的属性。用在使磁场源与稳定器20结合上的考虑 将同样用在使磁场源与钻头80结合上。
在钻头80的优选实施方式中，磁场源由多个永久磁铁98组成。 每个永久磁铁98具有由磁铁98的极性限定的磁铁轴线100。
磁铁98可以相对较平或者可以是细长的。如果磁铁98是细长 的，则它们可以例如以与磁铁46保持在稳定器20的磁铁承窝50 内的相同方式保持在磁铁承窝(未示出)中。
然而，如图4和5所示，磁铁98相对较平并安装在钻头80的 外表面102上。
优选地，磁铁98安装在一个或多个纵向凹槽92的面104上， 使得它们在钻头80的使用过程中相对受到保护。备选地，磁铁98 可以安装在钻头80相对更厚和更坚固的部分上或之内。
磁铁98可以任何适当的方式(包括通过粘结剂或通过焊接) 安装在钻头80的外表面102上。
当磁铁98与钻头80结合时，它们优选被定向成使得它们的磁 铁轴线100相互平行并基本上垂直于钻孔轴线94。磁铁98还优选
在共同磁极方向上排列，使得通过磁铁98产生的磁场附加并共同 地限定平行于磁铁轴线100的磁场源轴线。
与钻头80结合的磁铁98的数量和位置优选被选定为在不增加 钻头80的长度的情况下容纳磁体98与钻头80的结合，从而避免 对造斜速度和钻孔组件的使用寿命的不利影响。
参照图6，示出了第三优选实施方式，其中所述工具是钻孔电 机120并且第一功能是钻头驱动功能。
参照图6，钻孔电机120是包括动力部分122的正位移电机 (PDM)，所述动力部分122包括螺旋叶形转子124、螺旋叶形定 子126、以及与转子124相连的驱动轴128。如图6所示，钻孔电 机120还包括装卸接头130、变速器132、轴承部分134、钻头连 接件136以及钻孔电机壳体138。钻孔电机120限定了钻孔电机轴 线140。
钻孔电机120除了作为第一功能的钻头驱动功能之外还适于 实现作为第二功能的磁场源承载功能。因此，磁场源与钻孔电机 120结合以提供一种适于实现钻头驱动功能和磁场源承载功能的一 体化工具。
与稳定器20和钻头80 —样，磁场源与钻孔电机i20结合的方 式、位置和程度将取决于磁场源的属性，并且用在使磁场源与稳定 器20以及钻头80结合上的考虑将同样用在使磁场源与钻孔电机 120的结合上。
在钻孔电机120的优选实施方式中，磁场源由多个永久磁铁 142组成。每个磁铁142具有通过磁铁142的极性限定的磁铁轴线 144。
磁铁142可以相对较平或者可以是细长的。如果磁铁是细长
的，则它们可以例如以与磁铁46被保持在稳定器20的磁铁承窝50内相同的方式保持在磁铁承窝(未示出)内。如果磁铁相对较 平，则它们可以例如以与磁铁98被安装在钻头80上的相同方式安 装或保持在钻孔电机上或之内。磁铁142在图6中示意性示出以指明磁铁与钻孔电机结合的可 行位置，但并不是要表示磁铁142的特定优选构造。在图6中可以看到，磁铁142可以与钻孔电机120的任何部分 或者与钻孔电机120的任何部件或子部件结合。另外，磁铁可以相 对较平或者可以是细长的。优选地，磁铁142与钻孔电机120结合，使得它们基本上通过 相对非磁性的材料例如非磁性钢围绕。当磁铁142与钻孔电机120结合时，它们优选被定向成使得它 们的磁铁轴线144基本上相互平行并基本上垂直于钻孔电机轴线 140。磁铁142还优选在共同极性方向上排列，使得通过磁铁142 产生的磁场附加并共同地限定了平行于磁铁轴线144的磁场源轴 线。与钻孔电机120结合的磁铁142的数量和位置优选被选定为在 不增加钻孔电机120长度的情况下容纳磁铁i42与钻孔电机i20的 结合，从而避免了对造斜速度和钻孔组件的使用寿命的不利影响。本发明的原理可以简单地应用于其他工具以提供适于实现钻 孔功能和磁场源承载功能的一体化工具。本发明的工具有效地用于实现钻孔功能并用于实现有源磁测 距技术。当磁场源由一个或多个电磁铁组成时，可以通过交流电源使磁 铁通电以产生变化磁场，这样可以消除地球磁场的影响并提供在远
程感测地点可识别的"标志"磁场。在感测地点做出的磁测量可以 得到处理以确定磁场源和目标地点的相对位置。当磁场源由基本上垂直于工具轴线定向的一个或多个永久磁 铁组成时，工具的旋转将产生变化磁场，这样可以消除地球磁场的 影响并提供在远程感测地点可识别的"标志"磁场。在感测地点做 出的磁测量可以得到处理以确定磁场源和目标地点的相对位置。
权利要求
1.一种适于连接在钻柱内的工具，其中，所述工具适于实现钻柱中的第一功能，改进之处在于包括与工具结合的磁场源，使得工具适于实现钻柱中的第二功能，其中第二功能是磁场源承载功能，并且第一功能与磁场源承载功能不相关。
2. 根据权利要求1所述的改进，其特征在于，所述钻柱包括旋转钻头并且所述工具适于连接在钻柱内，以用于利用旋转钻头 进行钻孔。
3. 根据权利要求2所述的改进，其特征在于，所述工具限定 了工具轴线，其中磁场源具有磁场源轴线，并且磁场源与工具结 合，使得磁场源轴线基本上垂直于工具轴线。
4. 根据权利要求3所述的改进，其特征在于，所述磁场源由 永久磁铁组成。
5. 根据权利要求2所述的改进，其特征在于，所述工具基本 上由相对非磁性的材料构成。
6. 根据权利要求1所述的改进，其特征在于，所述工具是稳 定器，从而第一功能是稳定功能。
7. 根据权利要求6所述的改进，其特征在于，所述稳定器限 定了稳定器轴线，其中磁场源具有磁场源轴线，并且磁场源与稳 定器结合，使得磁场源轴线基本上垂直于稳定器轴线。
8. 根据权利要求7所述的改进，其特征在于，所述稳定器包 括稳定器主体并且稳定器还包括绕稳定器主体周向间隔布置的多 个稳定器元件。
9. 根据权利要求8所述的改进，其特征在于，所述磁场源由 多个磁铁组成，其中每个磁铁具有磁铁轴线，所有磁铁的磁铁轴 线基本上相互平行并且基本上垂直于稳定器轴线，并且每个磁铁 在共同极性方向上排列。
10. 根据权利要求9所述的改进，其特征在于，所述多个磁铁 每个都由永久磁铁组成。
11. 根据权利要求IO所述的改进，其特征在于，所述稳定器 限定了在稳定器元件之间周向间隔布置的稳定器槽，并且每个磁 铁基本上在两个稳定器槽之间横向延伸穿过稳定器主体。
12. 根据权利要求11所述的改进，其特征在于，所述多个磁铁包括基本上在第一对稳定器槽之间横向延伸穿过稳定器主体的 第一磁铁阵列，并且所述多个磁铁还包括基本上在第二对稳定器 槽之间横向延伸穿过稳定器主体的第二磁铁阵列。
13. 根据权利要求12所述的改进，其特征在于，所述稳定器 基本上由相对非磁性的材料构成。
14. 根据权利要求2所述的改进，其特征在于，所述工具是旋 转钻头，从而第一功能是钻孔功能。
15. 根据权利要求14所述的改进，其特征在于，所述钻头包括(a)靠近钻头远端定位的多个旋转切割元件； (b)靠近钻头近端定位的螺纹连接件，用于使钻头与钻柱相 连；以及(C)定位在钻头远端和钻头近端之间的柄部。
16. 根据权利要求15所述的改进，其特征在于，所述钻头限定钻头轴线，其中磁场源具有磁场源轴线，并且磁场源与钻头结 合，使得磁场源轴线基本上垂直于钻头轴线。
17. 根据权利要求16所述的改进，其特征在于，所述钻头基 本上由相对非磁性的材料构成。
18. 根据权利要求1所述的改进，其特征在于，所述工具是钻 孔电机，从而第一功能是钻头驱动功能。
19. 根据权利要求18所述的改进，其特征在于，所述钻孔电 机适于驱动旋转钻头。
20. 根据权利要求19所述的改进，其特征在于，所述钻孔电 机是正位移电机，其包括(a) 包括螺旋叶形转子和螺旋叶形定子的动力部分，用于从 穿过动力部分的循环流体向转子传递旋转能；以及(b) 与转子相连的驱动轴，用于驱动旋转钻头。
21. 根据权利要求20所述的改进，其特征在于，所述钻孔电 机限定钻孔电机轴线，其中磁场源具有磁场源轴线，并且磁场源 与钻孔电机结合，使得磁场源轴线基本上垂直于钻孔电机轴线。
全文摘要
本发明涉及对适于连接在钻柱内这一类型的工具的改进，所述工具适于实现作为第一功能的钻柱中的一种功能。所述改进在于磁场源与工具结合，使得工具适于实现作为第二功能的磁场源承载功能。第一功能与第二功能不直接相关。
文档编号E21B47/00GK101120155SQ200580026594
公开日2008年2月6日 申请日期2005年7月27日 优先权日2004年8月6日
发明者布赖恩·阿曼德·旺达尔, 罗德尼·艾伦·施内尔, 蒂莫西·韦恩·肯尼迪 申请人:哈利伯顿能源服务公司