钻具的转向装置的制作方法

专利名称：钻具的转向装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及钻探领域。本发明尤其涉及特别是在石油和煤气工 业、土木工程、地热领域以及通常在所有的非开挖地下作业领域中 需要轨迹控制的钻探。
在上述领域中的一些领域中，所使用的钻^笨系统可以是全机械
式的或者可以包括电子设备。这些系统可粗略分为如下的几类
静态装置转向连接件，也叫做可调节的弯曲壳体，在地面上
对其进行调节以装备涡轮式向下钻进动力部分，PDM ("容积式液压
马达")或电动机；
假拟动力装置自动地致动或从地面致动的转向连接器，仅用
于钻杆的非旋转滑动相(在英文中用术语"sliding"表示)，以装备涡
轮式，或其它致动可变直径的稳定式或其它类型的向下钻进动力部
分；
动态装置从地面实时驱动或自动地驱动的系统，其用于形成 为本领域技术人员公知为"旋转转向系统"(简写为RSS)的旋转 转向钻探系统。
背景技术：
使静态转向连接器布置在钻柱的端部处是最常使用的方法，在 不牺牲用作钻具的支撑件的止推轴承的使用寿命的情况下，无法减 小弯曲壳体的长度。工具上的悬重(称作WOB ("钻压"))的传动 受到影响。因此，需要大的连接角度，以便能够获得偏转或弧度， 通常被称为"造斜率"(BUR),其在很多申请中都涉及。
国际申请WO 90/07625和美国专利Nos. 6244361, 6640909， 6808027和6847304描述了钻杆的轨迹控制装置的结构，所述结构包
6括挠性轴，使用了一种被称为"静态钻头力(旋转横动轴)/摆动钻头" 的方法。
此外，国际申请WO 90/07625和美国专利Nos. 3677354， 5305838, 5307885， 5353884， 5875859， 6808027和6847304描述了
所谓的"内部"联接部件，其用于加强对在这种申请中所使用的传动 轴的转向。
EP专利0744526和美国专利4947944描述了用于钻柱和钻具的 一组部件的所谓的"外部"联接部件。
国际申请WO 03/102353当然也描述了 一种钻探装置，该装置包 括用于实现和控制轴和钻头偏转的部件。但是，在该文献中描述的 装置必须包括两个同心的管状元件，分别是外部管状元件和内部管 状元件，它们可以处在相互不联接的位置，以使内部管状元件可以 旋转，同时防止外部管状元件旋转。
美国专利申请No.2005/0173155的公开文献描述了 一种钻具组 件，其中提供了锁定部件，以将可脱离的外壳或壳体产生的扭转力 矩传递给轴。
根据现有技术，还没有能够在所有需要的结构中用于转向钻具
的装置。
因此，从上述情况看可以理解，目前不存在通用的转向连接器。 现在，需要使用这样的装置，其能够有利地布置在现有设备上， 并且也需要简单地以合理的成本制造和维护这些新的装置，以便降 低每米钻探所需的成本并且提高钻探的精确性和提供所期望的更好 的轨迹灵活性和纵向紧凑，以使钻具/钻头的测量尽可能准确。

发明内容
本发明引入了用于上述预期的解决方案，提供了能够达到这些 目的以及其它目的的装置和操作部件，所述解决方案以及装置和操 作部件将通过后面的说明、附图和所附权利要求书来体现。
因此，本发明旨在提供一种用于钻具(钻头、多晶金刚石合金(PDC)、钻等)的转向装置，根据需要能够以不同的变化方式使 用所述装置，此外，所述装置易于在任何地方工作。另外，考虑到
装置上游和下游之间，即主钻柱或BHA (底部钻具组件)的下端和 钻具/钻头之间的不对称性，所述装置的维护很简单并且其最主要的 受力部件的寿命也提高了。
本发明的一个目的是提出一种转向装置结构，也被称为"转向连 接件"或"可调节的弯曲壳体连接件"，该结构能够克服上述限制。这 种装置长度减少，由此即使在倾斜角(或转向角)小的情况下也可 以提供高的BUR，该装置可靠、制造成本低并且易于安装和维护。
为了能够控制与根据本发明的装置形成一体的钻具/钻头的转
向，所述根据本发明的装置主要包括主体和可转向的壳体，所述主 体和可转向的壳体从上游至下游连续地布置并且分别通过构成第一
轴承的至少 一 个连接件和构成第二轴承的至少 一 个枢轴连接件连接 到沿纵向穿过所述主体和壳体的可弯曲的或挠性的传动轴，所述至 少一个连接件有利地是枢轴、滑动枢轴、球窝接头或环形线性连接 件形式，
同时，在所述传动轴和主体之间构成第三轴承的合适的连接件 设置在所述主体朝向可转向的外壳的端部附近，和
由于具有使主体相对于可转向的壳体在它们的交界处附近基本 上径向移动的部件(以下称之为"偏转系统")，转向得以进行。
所述主体在其周边上可选择地装配有轴承垫，所述轴承垫的直
径小于或等于钻具/钻头的直径，和
装配有直径小于或等于钻具/钻头的直径的轴承垫，并且在其朝向主 体的端部上装配有固定的或可膨胀的衬垫或夹子。
所述轴承垫的作用是支承在井壁上，以便使钻具/钻头最佳地偏 转、使在井的轴线方向上的旋转慢下来以及尽可能地阻止或阻碍旋 转装置在有夹子的情况下与钻成的井壁相互作用。
在本文中，"下游"方向标准地解释为朝向钻具/钻头的方向，而
8"上游"方向解释为钻杆的上端方向。
因此，根据本发明的装置依次从上游到下游包括主体和可转向 的壳体，两者与横动轴在功能上关联，所述装置还有至少三个轴承， 优选如上所述的三个轴承，有利地还包括如上所述的轴承垫和/或夹 子，通过适当的偏转系统所施加的偏转作用使可弯曲的或挠性的轴 期望地弯曲，即，实际上，在主体和可转向的外壳的纵向轴线之间 具有期望的倾斜角。
在根据本发明的装置中，轴在邻近所述轴承处明显受力，因此，
通过这样的装置，在偏转系统的作用下，通过使可转向的壳体 的上端相对于主体的下端基本上沿径向移动来使轴弯曲。
在实践中，这种偏转系统是公知的类型，或其设计为本领域技 术人员所知。
在实践中，借助于支承在传动轴或主体(所谓的"内部"联接) 上或者支承在钻成的井壁(所谓的"外部"联接)上的偏转系统，通 过使所述可转向的壳体的上端相对于主体的纵向轴线基本上沿径向 移动而获得所述偏转。
在静态形式中，联接只能是内部联接。
这种装置的独创性关键在于对传动轴的弯曲进行了控制，以连 接装置的主体。装置的这种操作方法使其与现有的转向装置不论在 内部或在外部都能适配。
至于根据本发明的与转向装置形成一体的偏转装置，其在静态 转向装置的情况下可以借助于两个径向偏心环、球窝接头和滑动枢
轴连接件用在示例性而非限制性的优选实施方式中；然后，通过两 个环的差速旋转，可以获得偏转。


通过以下对仅为示例性而非限制性的优选实施方式的详细描
9征将变得更加清楚，所述说明的附图如下
图1是在实施方式中描述为静态或假拟动态的装置处于直的钻
探位置时的纵向局部剖面示意图2是根据图1中的装置处于弯曲的钻探位置时的纵向局部剖 面示意图3是根据本发明的装置的纵向局部剖面示意图，该装置处于 其直的钻探位置并且为其具有所谓的"外部"联接的动态实施方式；
图4是根据图3的装置处于弯曲的钻探位置时的纵向局部剖面 示意图5是根据本发明的装置的纵向部分的局部示意图，该装置处 于其直的钻探位置并且为其带有所谓的"内部"联接的动态实施方
式；
图6是根据图5的装置处于弯曲的钻探位置时的纵向局部剖面 示意图1A, 3A, 5A， 1B， 2B， 3B， 4B， 5B和6B分别是沿A-A或
B-B截取的示意性剖视图，在各附图中，装置的轴承用相同的附图 标记表示；
图7是根据本发明的装置在静态形式且处于直的钻探位置时的 纵向部分的更加详细的示图8是根据图7的装置处于弯曲的钻探位置时的纵向剖面的更 力口详纟田的示图9是在根据本发明的装置中带有箍环连接件的轴承组件的纵 向剖面的更加详细的局部示意图。
具体实施例方式
参考简要描述的附图，特别是图1-8,其是说明性而非限制性的， 根据本发明的具有可转向的连接结构的装置主要包括主体1和可转 向的壳体2，它们通过构成第一轴承4的枢轴、滑动枢轴、球窝接头 或环形线性连接件中的至少 一 个连接到可弯曲的或挠'性的传动轴3,
10所述可转向的壳体2通过构成第二轴承5的至少一个枢轴连接件连 接到可弯曲的或挠性的传动轴3 ，该传动轴沿纵向穿过主体和可转向
的壳体。
在所述传动轴和主体之间构成第三轴承6的合适的连接件设置 在所述主体和所述壳体之间的交界面附近，和
通过用作偏转系统7的部件进行转向，以便控制主体1相对于 可转向的壳体2在它们的交界面附近基本上径向运动，
所述主体可选择地在其周边上装备有轴承垫9,所述轴承垫的直 径小于或等于钻具/钻头16的直径，和
所述可转向的壳体可选择地在其朝向钻具/钻头16的端部周边 上装备有轴承垫lOa,在朝向主体1的端部装备有固定的或可膨胀的 衬垫或夹子10b,以便支承在钻成的井的壁上(为了钻具/钻头16的 最佳偏转)，和
分别采用摩擦和在待钻探的井的壁上开槽的方法来使主体1和 可转向的壳体2的旋转慢下来，甚至停止旋转。
"构成第三轴承的合适的连接件"在这里有利地理解为枢轴、滑 动枢轴、环形线性或球窝接头形式的连接件。
在这样的装置中，可转向的壳体2定位在主体1相对于与装置 形成一体的系统的运动方向的下游。
利用这样的装置，通过使可转向的壳体2相对于主体1和/或相 对于横动传动轴3在偏转系统7的作用下基本上沿径向移动来实现 轴3的弯曲，也就是说，在主体和可转向的壳体的纵向轴线之间的 角度转向成期望的角度。
换句话说，在主体1和可转向的壳体2之间构成可弯曲或挠性 轴3形式的连接件，该连接件通过枢轴连接件使可弯曲或挠性轴3 连接到主体1和可转向的壳体2中的每一个上并且连接到转向部件， 转向部件设置在主体1和可转向的壳体2之间，能够使可转向的壳 体的相邻端相对于4皮此沿基本上径向移动。
在静态和假拟动态形式中，这种装置实际上也包括前刮刀接头+垫圈组件8、主体1的衬垫9、可转向的壳体2的轴承垫10a、加压 装置11、高连接件12和低连接件13、功能性组件，该功能性组件 包括定子电机、涡轮机14等、转子电机组件、涡轮机15等和钻具/ 钻头(PDC或三锥齿轮钻头)16、以及可选择的一个或多个电子舱 17,该电子舱包含传感器、实时计算器、齿轮，例如驱动至少一个 交流发电机19a和/或至少一个液压泵19b的小齿轮增速型齿轮18。
在仅为示例性的实施方式中，主体1和轴3之间的枢轴连4妄件 通过(A)所谓的枢轴或球窝接头式的上轴承4和(B)所谓的环形 线性式的中间轴承6构成，这两个轴承位于主体1的两个端部附近， 同时中间轴承6朝向可转向的壳体2。
在可转向的壳体2和轴3之间的枢轴连接件通过所谓的下轴承5 构成，该下轴承5位于可转向的壳体2朝向钻具/钻头的端部附近。
在实践中，有利的是， 一方面在保持紧凑和BUR的条件下使所 述下轴承5和中间轴承6之间的距离最大化，另一方面使下轴承5 和钻具/钻头16之间的距离最小化，以便使在轴承垫10a的中间面/ 基本沿径向移动的平面和轴承垫10a的中间面/所述钻具/钻头16的 切割前部之间的杆臂最大化。
在实践中，根据本发明的装置确保弯曲角或倾斜角，被称为近
似0°到r和更大的弯曲角。
在一种优选的实施方式中，根据本发明的装置包括装有轴承垫9 的主体l,该轴承垫9两端的直径与钻具的直径相当，和装有轴承垫 10a的可转向的壳体2，该轴承垫10a的下端("钻头"侧)的直径与 钻具的直径相当，在动态结构中，在其上端(主体一侧)具有夹子 或叶片，以便借助于与钻成的井壁的摩擦和在井壁开槽阻碍主体1 和可转向的壳体2的旋转来允许制动或甚至停止。
在一种变形中，在动态结构中，主体可以包括连接端，其有利 地由鴒制成，以限制主体1和可转向的壳体2相对于井壁的旋转。
因此，系统包括三个轴承(4， 5, 6),其中至少一个横动轴3 安装在所述轴承上，偏转导致在主体和可转向的壳体的纵向轴线之
12间形成期望的转向角或倾斜角。
借助于偏转系统7,通过可转向的壳体2的上端相对于主体1基 本上沿径向的移动，所述偏转,皮执行。
这样的偏转系统的 一 个示例性而非限制性的例子是一种有利地 包括预应力弹簧、球窝接头和两个径向偏心环的系统，此系统例如 可以手动控制和锁定。
偏转系统有利地设置在中间轴承的前面，这样钻具的旋转点可
以尽可能地靠近轴承垫10a的中央，达到减小次应力的效果，所述 轴承垫10a与钻成的井壁形成环形线性连接。
至于前部连接件，在加压的内部过压和弹簧，优选波状螺旋弹 簧的联合作用下，优选平伸抵靠可转向的壳体2的端部。
加压装置优选放置在可转向的壳体2中，但是也可以设想任何 其它的放置方式。
作为示例，所述轴承4、 5、 6可以包括滚柱轴承，特别是滚珠 轴承、球面滚柱轴承、锥形滚柱轴承、圆柱滚柱轴承或滚针轴承或 由瑞典公司SKF销售的名为CARBTM的滚柱轴承，还有流体动力轴 承，特别是油或钻井泥浆轴承，或前述两种类型轴承的任意组合。
根据本发明有利的实施方式，轴承4、 5、 6是液压的或包括滚 珠轴承和/或滚柱轴承，有禾'j的对这些轴承预加应力以增加轴承的冈'J 度和它们的抗沖击性。
在一种优选的实施方式中，传动轴3是空心管以便允许具有最 小压力降幅的一种或多种钻探流体通过，也可以允许测量探针通过， 该探针在钻探过程中借助于缆线下行(测量通常被描述为"经过钻头 测量")。
根据本发明的另一个特征，为了增加传动轴在使偏转或BUR最 大化上的灵活性而不减短旋转弯曲寿命，传动轴3有利地由复合材 料或合金材料制作，该材料的反复弯曲疲劳极限和杨氏模量之间的 比率很高，正如下轴承5那样。在这种情况下，整体轴有利地由钬 合金、铍铜、非磁性不锈钢或具有高机械性能的合金钢制成。在与MWD —起使用的情况下，MWD通常位于装置的上方或者甚至与装 置形成一体，优选使用非磁性合金。
根据本发明目的的一个可替代的特征，例如轴承、滚柱轴7 U 环形齿轮等部件通过热或机械环箍固定到轴上，使得轴不包含槽或 肩部或凹部，或者实际上没有任何不平整或是截面的大变化。^f又仅 在轴的端部，这里的应力较小，可以有螺紋和连接槽。
在一种实施方式中，下连4妻件12和上连接件13分别通过与枳j 械环箍结合的螺紋与传动轴3连接，以便确保传递分别传递拉应力 和压应力(简写为WOB)以及传递扭矩到钻具/钻头16(参见图9)。
在一种优选的实施方式中，这些机械环箍与液压控制相结合以 利于安装和维护装置组件。这样的装置由此避免了使用昂贵的张紧 支撑件或装配/拆卸单元，这些在工作地点通常是不可实现的，并且 当下轴承和上轴承邻接连接件(参见图9)时，通过简单的液压测量 进一步使得控制滚柱轴承的预加负荷成为可能。
更优选地，在所述轴与上和下连接件12、 13之间通过螺紋连接， 以便施加轴向应力，并且通过环箍连接以便传递扭矩。通过张紧所 述液压控制的环箍，连接于此的轴承可以被预加应力。
因此，根据如图9所描述的非限制性的实施方式，轴3沿其轴 向对称的轴线Z-Z，从中间穿过可转向的壳体2，轴承套20支撑轴承 5，轴承5装配有内部支撑件21和外部支撑件22以及轴承环箍23。 紧固支撑件25、连接环箍26、锥形环32和锁定螺母29设置在所述 轴承和钻具/钻头16上的连接件24 (手动地在轴上张紧)之间，或 者作为一个变型，设置在所述轴承和钻具/钻头16本身之间。液压塞 /连接件27和用于向所述轴承5施加预应力的锥形环32以及锁定螺 母29可以泵送一定压力，用于将滚柱轴承放置或预压紧在轴3上， 或者将轴承套20可逆地机械地箍紧在轴3上。随后紧固支撑件25 被张紧，泵送通过张紧孔28得以进行，以便使环箍26相对于锥形 环32沿轴向移动，因此确保了连接件24可逆地机械箍紧在轴3上。 锁定螺母29然后被张紧。通过张紧/锁定紧固支撑件25和锁定螺母29以及液压塞/连接件27、 28和30的操作完成张紧。
在根据本发明的装置中，拆卸这样的用于固定轴承座的组件包 括以下步骤解锁/松开锁定螺母29;通过液压连接件27进行泵送； 松开紧固支撑件25;通过液压连接件30泵送，以松开轴承环箍23; 手动松开连接件24。
根据本发明目的的另一个特征，装置的基本上构成可转向连接 件的大部分的所有的或几乎所有的部件优选由非磁性合金、陶瓷、 复合材料和/或塑料制成，其目的是为了不干扰MWD工具的测量， 该工具通常位于装置的正上方，甚至与装置形成一体。
根据本发明的装置的一种实施方式，相对于其周围环境，在油 中的^L械组件保持在大约0.01到lMPa，甚至更高的过压，这一点 有利地归功于增压装置，该增压装置优选由处在周围流体施加的压 力下的环形活塞和容纳在壳体和传动轴之间的弹簧构成。在一种优 选的实施方式中，前刮刀连接件和垫圈组件或金属的、塑性的或层 迭的弹性体波紋管确保主体1和可转向的壳体2之间的紧固。
至于其目的在于构建主体1和可转向的壳体2在钻孔壁上的支 撑的元件，它们有利地是直的或螺旋叶片，优选为可拆除的，以便 减小堵塞的风险，它们用作非旋转稳定器，其直径小于或等于钻具/ 钻头的直径。这些非旋转稳定器优选分别安装有对齐的或螺旋"按 钮"，有利地由碳化鴒或多晶金刚石(简写为PDC)构成或提供有耐 磨镀层。
当其设计为构成具有内部联接的动态连接件时，根据本发明的 装置有利地在可转向的壳体2的沿偏转系统7方向上的端部装备有 纵向叶片或夹子10b，其目的是通过在钻出的井壁上开槽从而制止可 转向的连接件的旋转。在实践中，那些夹子或叶片有利的由碳化钨 或多晶金刚石(简写为PDC)制成，从而不论钻井的形式都可以延 长它们的寿命。
至于根据本发明的一体地形成在连接装置中的偏转装置，在静 态连接装置的情况下，偏转装置优选由两个沿径向偏心的环、球窝
15接头和由弹簧控制的滑动枢轴连接件构成；通过两个环的差速旋转，
偏转得以实现。
在似动态或动态装置中，该偏转装置可根据本领域技术人员已 知的标准来制造。
根据一个有利的特征，为了形成本发明必需的液压动力， 一个 或多个传动装置优选由泵供给，这些泵的活塞围绕轴呈筒形布置并 且由与所述轴成一体的凸轮驱动。作为一种变型，可以提供或使用
一个或多个桶泵19b，它们由小齿轮增速型齿轮组件驱动。
每个传动装置的动力供应有利地由一个常开电磁阀驱动。如果 转向系统设计为可逆的，系统自动返回到其空挡位置，其目的是为 了在出现问题的情况下保证根据本发明的装置返回到直的钻探位 置，这样减小了在钻探组件上升的过程中发生楔入的危险。
根据另一种有利的实施方式，尤其是，在一种需要电力的实施 方式中，根据本发明的转向装置不具有任何电池，其动力由环形发 电机，特别带有设置在轴3周围的永磁铁(未示出)的环形发电机 供应并通过行星齿轮系(未示出)由轴驱动。作为一种变型，可以 围绕轴3以筒形布置提供和使用一个或多个发电机，所述发电机借 助于小齿轮增速型齿轮组件由轴驱动。所述发电机有利地联接到一 个或多个整流器以及多个高容量的电容器，所述整流器能够串联或 并联，以获得宽的速度范围，电容器在轴自由旋转操作过程中起电 池的作用。
所述泵或泵组和所述发电才几或发电机组沿同一轴线布置并有利 地共用同一个驱动小齿轮。
根据本发明的装置有利地包括重排的泵、发电机、电磁阀、传 动装置和过压释放器组件，设置所述组件以致动相对移动的部件。
根据本发明转向装置的另一个特征，主体1结合了 "钻头"测 量传感器，例如测量倾斜度、方位角、压力、温度、自然伽马辐射、 电阻率、"WOB"钻头扭矩、"蹩钻"和/或"涡流"、旋转速度、"粘滑运 动"或振颤等。经设计，考虑到所述晶体的偏心和主体1相对于钻出的井的旋 转(变慢)，自然伽马辐射测量是定向的。在这样的考虑下，均匀 分布在轴周围呈筒形布置的多个晶体可以按照公知的方式使用。
主体1相对于钻出的井的(緩慢)旋转是随机的，为了控制主 体1相对于通过钻杆钻出的井的旋转，发电机或发电机组可以被短 路和/或一个或多个泵可以被停止。
根据本发明的假拟动态形式的转向装置的 一 种特别的实施方 式，主体1包括钻柱旋转检测器(未示出)，当不旋转时，其处于
弯曲轴3"滑动"模式，当旋转时，其处于直轴"旋转"模式，这样可转 向的壳体2自动致动而不需要地面/底部传动装置。
根据本发明的假拟动态形式的转向装置的一种变型实施方式， 钻柱旋转检测器是完全机械式的(例如围绕主体1自由旋转的不平 衡的配重，径向平移的配重等)，以便可以应用于高温情况，特别 是在大约20(TC和更高的温度下。
根据本发明的转向装置的实施方式提供有动态功能，所述装置 有利地在其主体1内或在主体1上结合了倾斜度和方位角传感器或 与角度编码器和倾斜计相关联的惯性中心或自由旋转的不平衡配 重，它们与实时计算器相耦合，目的是为了在给定方向或轨迹上驱 动偏转装置。
根据本发明的另 一个特征，在假拟动态以及动态实施方式中， 可以从地面远程控制转向装置，这需要使用泥浆压力和/或钻柱旋转 作为参数的编码，或者甚至通过带有或不带有继电器的电磁波传输。
根据本发明的假拟动态和动态类型的装置，安装在转向连接器 上的合适的双向通讯装置有利地使得在工具水平处(称为钻头测量) 的测量传输到地面，根据优选和环境限制带有或不带继电器，这使 得钻探过程能够交互。
此外，根据本发明的转向装置有利地装配有传感器，如上文所 述的传感器，和带有连接器(包括至少一根地面导线)的电子接口， 有利地带有附加在地面上的四个触头(2条动力线和2条通讯线)，这使得与计算机甚至直接与网络建立对话(程序编制、参数设定、 重读存储器等)成为可能。
本领域技术人员当然能理解根据本发明的转向装置在实践中被
包含在那些标准的上游元件(MWD, LWD，马达等，和钻杆)和下 游的钻具(钻头/PDC/钻机)中，或者能够最终结合这些元件中的一 个或与这些元件之一结合。
本发明也涉及形成可控的钻孔的方法，即，需要精确的轨迹控 制。在根据本发明的这种方法中，至少提供根据本发明的一个转向/ 重转向装置，并且在合适的偏转装置的动作下进行操作。
当钻孔具有不期望的曲率或者当优选对钻出的井的轨迹需要重 转向时，应用重转向装置被证明是特别有利的。
在 一 种优选的实施方式中，根据本发明的方法具有有利的特征， 上述实施方式和/或变形用于可转向的连接装置本身或其部件。
本发明因此提供了一种用于钻具的转向结构，该结构克服了现 有技术的限制并具有显著的优点，如减小的长度、在窄的倾斜角下 提供高的BUR、高可靠性和极易制造及维护。
单向的从地面到底部的传动可选择地结合在本发明的装置中， 其操作例如通过压力变化或，例如通过钻柱旋转和对发电机进行编 码/解码，本领域技术人员因此能够从地面驱动系统。从地面到底部 或局部单向或双向电磁传动可以结合在此装置中，也使得系统可以
实时交互驱动。
化，目的是为了检测例如超速或振颤("粘滑")等故障。
本发明也可以包括通过不旋转钻柱("滑动")并通过自动操作
的旋转钻柱("旋转")的过程使用有利的机械检测钻探模式的方法。 作为一种变形，该方法可以包括使用转向可转向的壳体2的部
件，特别是有利地使主体1包括联接到角度编码器和倾斜计上的不
平衡的配重，还有一个实时计算器。
根据本发明的方法也可以包括使用在任何方向上驱动可转向的
18壳体2的部件，特别是有利地使主体包括偏转探测器(包括优选3 个磁力计和3个加速计)和实时计算器。作为一种变型，其功能性
可以通过在主体l内包括一个惯性中心，有利的是MEMS型的惯性 中心，和一个实时计算器来保证。
为了测量钻具/钻头16处的扭矩，这具有实际意义，可以使用本 领域技术人员公知的方法。利用根据本发明的装置，本领域技术人 员可以测量轴承4和6之间的轴3的扭转角度。为了这一目的，推 荐使用仪器专用的滚柱轴承作为编码器、与至少 一个霍尔效应传感 器相关的发电机或发电机组19a或磁铁或这些元件的组合，并利用 这些部件直接测量在两个测量值间的相移和测量发电机速度。
根据本发明的装置除了能够减小每米钻孔的总成本外，还使得 装置小型化，使得钻探阶段小于或等于57/8"。此外，该装置与设置 在所述装置上游的"钻孔器/扩孔器"兼容。因此可以使用同一装置钻 出不同的直径。
在任意情况下， 一种或多种钻探流体和wob ("钻压")直接通 过管状传动轴，这使得压力降幅减小且在静态和假拟动态系统的情 况下将推力轴承放置到主体1中。可转向的壳体2的长度因此可在 不牺牲推力轴承的寿命的前提下被减小到极限，因此可以在窄的倾 斜/弯曲角度下具有高的bur。
在假拟动态连接的情况下，上述优点可进一步由下述来补充， 特别是
自动地或从地面致动转向壳体，对于直的钻孔采用直轴"旋转"
钻探模式，在需要精确控制轨迹时采用弯曲轴"滑动"模式；因此避 免了在"旋转"模式中旋转弯曲壳体，并且钻孔的质量与由rss获得 的钻孔相似，但是系统更简单，因此，是更可靠和不昂贵的系统；
在马达上装备有设置在主体中的压力、温度、偏转、自然伽马 辐射、中子传感器等，这使得能够进行钻头测量；和
安装底部/地面通讯装置，以便将钻头测量值实时传输给地面。
在动态连接的情况下，因此可以
19显著减小RSS的长度，目的是为了
通过减小不同测量点和钻头(例如PDC或三锥齿轮钻头) 之间的距离来提高在钻探过程(MWD/LW)中测量的质量；
利用主体和壳体的直径与钻具/钻头的直径相当，增大BUR 并使RSS的方向性能不受所述RSS倾斜的影响； 减小重量、生产和运输等所用的投资和成本； 在不需完全拆卸所述RSS的情况下使用RSS的所有的机械和电 子部件，使得组装和维护的成本明显降低；
将构成RSS的所有的机械装置和不同部件的连接件上的应力降 低超过30%，并减少机械部件的数量，因此增加了所述RSS的可靠 性；
减小RSS的钻孔小于或等于57/8,，;
有助于引入在市场上现存的RSS装置，利用已经获得的向下钻 进电机的弯曲壳体，自1962年就已装备有弯曲壳体；和 得到比现有的大多数系统更高的转速。
另外需要指出，上述优点应当能使每米钻探的总成本明显降低， 这在目前已知的钻探装置中不可能获得，这将更多地利用向下钻进 电才几以及RSS。
权利要求
1. 一种钻具转向装置，其特征在于，其从上游至下游依次包括主体(1)和可转向的壳体(2)，所述主体(1)通过构成第一轴承(4)的枢轴、滑动枢轴、球窝接头或环形线性式连接件中的至少一个连接到可弯曲的或挠性的传动轴(3)，所述可转向的壳体(2)通过构成第二轴承(5)的至少一个枢轴连接件连接到可弯曲的或挠性的传动轴(3)，该传动轴(3)沿纵向穿过所述主体和可转向的壳体，在所述传动轴和所述主体(1)之间的构成第三轴承(6)的枢轴、滑动枢轴、环形线性或球窝接头式连接件设置在所述主体朝向所述可转向的壳体的端部附近，和通过用作偏转系统(7)的部件执行转向，所述偏转系统(7)使所述主体(1)相对于所述可转向的壳体(2)在它们交界面处附近基本上沿径向运动，所述主体可选择地在其周边上装配有轴承垫(9)，所述轴承垫(9)的直径小于或等于钻具/钻头(16)的直径，和所述可转向的壳体可选择地在其朝向所述钻具/钻头的端部的周边上装配有轴承垫(10a)，并且在其朝向所述主体(1)的端部装配有固定的或可膨胀的衬垫或夹子，所述轴承垫(10a)的直径小于或等于所述钻具/钻头(16)的直径。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述主体(1 ) 和轴(3)之间的枢轴连接件通过(A)所谓的枢轴、滑动枢轴、球 窝接头或环形线性式上轴承(4)和(B)所谓的枢轴、滑动枢轴、 环行线性或球窝接头式中间轴承(6)构成，这两个轴承位于所述主 体(1 )的两个端部附近，其中，所述中间轴承(6)朝向所述可转向的壳体(2)， 并且在所述可转向的壳体(2)和所述轴(3)之间的枢轴连接 件通过所谓的下轴承(5)构成，所述下轴承(5)位于所述可转向的壳体(2)朝向所述钻具/钻头(16)的端部附近。
3. 根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，其包括偏转 系统(7)，所述偏转系统(7)通过支承在所述传动轴(3)或主体(1 )上或者支承在钻出的井壁上并能通过使所述可转向的壳体(2) 的上端相对于所述主体(1)的下端沿基本上径向运动而产生弯曲。
4. 根据权利要求l或2所述的装置，其特征在于，所述轴承(4， 5， 6)包括有利地被预加应力的滚柱轴承，特别是滚珠轴承、锥形 滚柱轴承、圆柱滚柱轴承或滚针轴承、或者包括液压轴承，特别是 油或钻探泥浆轴承，或者包括它们的任意组合。
5. 根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置能 够构成动态连接件，并且在所述可转向的壳体(2)朝向所述偏转系 统(7 )的端部装配有夹子或叶片，所述夹子或叶片允许在所述轴(3 ) 偏转的情况下通过在钻孔壁上开槽来锁定或制动所述装置不旋转。
6. 根据权利要求1至5中任意一项所述的装置，其特征在于， 所述轴(3)是整体式管状传动轴，其由复合材料或合金制成，所述 复合材料或合金的反复弯曲疲劳极限和杨氏模量之间的比率很高， 所述轴不包含截面突变，所述轴仅端部能够选择性地具有螺紋和能 够形成连接槽，而诸如滚柱轴承、环形齿轮等部件通过热环箍或机 械环箍固定到轴上。
7. 根据权利要求1至5中任意一项所述的装置，其特征在于， 上连接件和下连接件分别通过与液压控制的环箍相结合的螺紋连接 到轴(3)上，这确保将轴向拉压应力和扭矩分别传递到钻具。
8. 根据权利要求1至7中任意一项所述的装置，其特征在于， 前刮刀接头和垫圈组件或金属的、塑性的和/或层迭的弹性体波紋管 确保在主体(1)和可转向的壳体(2)之间的分界面处紧密连接。
9. 根据权利要求1至8中任意一项所述的装置，其特征在于， 在静态连接装置的情况下，通过两个沿径向偏心的环、球窝接头和 滑动枢轴连接件以及通过预加应力的弹簧构成偏转系统(7),然后 通过两个环的差动旋转获得偏转。
10. 根据权利要求1至9中任意一项所述的装置，其特征在于， 所述主体(1 )结合有钻杆旋转检测器，所述钻杆有利地是完全机械 式的或者处于使壳体不需要借助于地面/底部传动装置而自动致动的 "直轴旋转模式"。
11. 根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置包 括围绕所述轴(3 )呈筒形布置并且通过小齿轮增速型齿轮组件(18 ) 由所述轴(3)驱动的一个或多个发电机(19a)，所述发电机优选 联接到一个或多个整流器和多个高容量的电容器，所述整流器能够 串联或并联联接以得到宽的速度范围，所述电容器在所述轴(3)的 自由旋转操作期间用作电池。
12. 根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置包 括一个或多个液压泵(19b),所述液压泵(19b)围绕所述轴(3) 呈筒形布置并且通过小齿轮增速型齿轮组件(18)由所述轴(3)驱 动。
13. 根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述装置 包括重排列的泵、发电机、电磁阀、传动装置和过压阀的组件，其 用于致动所述偏转系统(7),所述泵和所述发电机同轴并共用同一 个驱动小齿轮。
14. 根据权利要求1至13中任意一项所述的装置，其特征在于， 所述装置包括在测量所述钻具/钻头(16)的扭矩时用于实时测量所 述轴(3)在所述第一轴承(4)和第三轴承(6)之间的扭转角的部件。
15. —种通过轨迹的精确控制来加工钻孔的方法，其特征在于， 提供至少一个根据权利要求1至14中任意一项所述的装置并将所述 装置投入使用。
16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，借助于偏转系 统(7)通过使可转向的壳体(2)相对于主体(1 )和/或相对于横动 传动轴(3)沿基本上径向运动而使轴(3)弯曲。
17. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括分析来自发电机或发电机组的信号的变化，以便检测如超速或振颤等故障。
全文摘要
本发明涉及一种钻具转向装置，其特征在于，其从上游至下游依次包括主体(1)和可转向的壳体(2)，主体(1)通过构成第一轴承(4)的枢轴、滑动枢轴、球窝接头或环形线性式连接件中的至少一个连接到可弯曲的或挠性的传动轴(3)，所述可转向的壳体(2)通过构成第二轴承(5)的至少一个枢轴连接件分别连接到可弯曲的或挠性的传动轴(3)，传动轴(3)沿纵向穿过主体和可转向的壳体，在传动轴和主体(1)之间的构成第三轴承(6)的枢轴、滑动枢轴、环形线性或球窝接头式连接件设置在主体朝向可转向的壳体的端部附近，通过用作偏转系统(7)的部件执行转向，偏转系统(7)使主体(1)相对于可转向的壳体(2)在它们交界面处附近基本上沿径向相对运动，主体可选择地在其周边上装配有轴承垫(9)，轴承垫(9)的直径小于或等于钻具/钻头(16)的直径，可转向的壳体可选择地在其朝向钻具/钻头的端部周边上装配有轴承垫(10a)，并且在其朝向主体(1)的端部装配有固定的或可膨胀的衬垫或夹子，轴承垫(10a)的直径小于或等于所述钻具/钻头(16)的直径。所述装置还能够应用于需要轨迹控制的钻探操作中。
文档编号E21B7/06GK101473102SQ200780010934
公开日2009年7月1日 申请日期2007年3月26日 优先权日2006年3月27日
发明者弗朗索瓦·米勒 申请人:弗朗索瓦·米勒