专利名称：用于使钻柱转向的系统的制作方法
用于使钻柱转向的系统
背景技术：
这个发明涉及钻头，特别是用在石油、天然气、地热和水平钻探的钻 头组件。期望在井下钻探应用中具有精确调整钻探方向的能力，以将钻孔 指向特定目标。已经为这个目的设计了许多转向系统。
一个这样的系统在美国专利第5,803,185号里公开，这里通过引用并
探系统，底部钻具组件除了钻头还包括受调整的偏置单元和控制单元，偏 置单元在该单元的外围周围具有许多液压促动器，每个液压促动器具有活 动的推进构件(thrust member),其可液压地向外移置，以与正在钻的钻 孔的地层接合。每个促动器可通过控制阀连接到压力下的钻液的源，且阀 的操作由控制单元控制，以便随着偏置单元的旋转调整供应给促动器的液 体压力。如果与偏置单元的旋转同步操作控制阀，则推进构件施加横向偏 置到偏置单元，并因此施加到钻头，以控制钻探的方向。
发明内容
在本发明的一方面， 一种钻头组件具有处在钻柄部分(shank portion) 和工作部分之间的主体部分。工作部分具有至少一个切割元件，轴的至少
一部分放置在主体部分里并从工作部分伸出。轴具有旋转地隔离于主体部 分并与地下地层相联系的末端。发动机适合于旋转地控制末端d
发动机可以是电动机、液压发动机、容积式发动机(positive displacement motor)或它们的组合。电动机是步进电动:机、交流电动机、 交直流两用电动机、三相交流异步电动机、三相交流同步电动才几、两相交 流伺服电动机、单相交流异步电动机、单相交流同步电动机、转矩电动机、7JC磁电动纟几、直流电动一几、直流无刷电动才几、无芯直流电动纟几、线性电动 机、双馈电式电动机或单馈电式电动机，或它们的组合。发动机可由来自 地表或井下的涡轮、电池或动力传输系统激励。
发动机可与井下发电机相联系。发电机可具有用钐钴制造的磁体。
齿轮传动装置可处在轴和发动机中间，并与轴和发动机相联系。轴可 通过第二齿轮传动装置与发动机相联系。第二齿轮传动装置可以是行星齿
轮系统。第二齿轮传动装置可具有至少2: l的齿轮齿数比。
轴可从工作部分伸出6到20英寸。布置在钻头组件里的传感器可测 量轴关于钻头组件的方位。末端可以是不对称的。
固定到钻头的传感器可测量并维持钻头组件关于地下地层的方位。传 感器可以是陀螺仪、倾角计、磁力计或它们的组合。钻头组件可与井下遥 感勘测系统相联系。
图1是吊在钻孔里的钻柱的实施方式的剖面图。
图2是钻头组件的实施方式的剖面图。
图3是钻头組件的另一实施方式的剖面图。
图4是工具柱(tool string)的一部分的实施方式的剖面图。
图5是井下工具柱部件里的齿轮传动装置的实施方式的截面图。
图6是与负载相联系的发电机的实施方式的原理图。
图7是与负载相联系的发电机的另一实施方式的原理图。
图8是钻头组件的一部分的另一实施方式的剖面图。
图9是钻头组件里的齿轮传动装置的另一实施方式的截面图。
图IO是吊在钻孔里的钻柱的另一实施方式的剖面图。
图11是钻机的各种实施方式的透视图。
图12是轴的末端的实施方式的透视图。图13是轴的末端的另一实施方式的透视图。 图14是轴的末端的另一实施方式的透视图。 图15是轴的末端的另一实施方式的透视图。
图16是轴的末端的另一实施方式的透视图。 图17是轴的末端的另一实施方式的透视图。 图18是轴的末端的另一实施方式的透视图。 图19是轴的末端的另一实施方式的透视图。 图20是轴的末端的另一实施方式的透视图。 图21是轴的末端的另一实施方式的透视图。
发明和优选实施方式详述
图1是被钻塔101吊起的钻柱100的实施方式。底部钻具组件102 和/或#头组件102位于钻孔103的底部并包括钻头104。随着钻头104 向井下旋转，钻柱100进一步深入地里。钻柱可穿透软或硬的地下地层 105。钻头组件可包括收集数据的数据采集设备。数据经由通到数据转环 (data swivel) 106的传输系统发送到地表。数据转环106可将数据发送 到地表装置。进一步，地表装置可将数据和/动力发送到井下工具和/或钻 头组件102。
图2公开了钻头组件102的剖面图。钻头组件可包括来自地表或井下 的用来激励布置在钻头组件102里的电子仪器设备和工具的泥浆涡轮 201、电池201或动力传输系统。涡轮201可与为钻头组件102和钻柱100 产生动力供应的电力发电机203相联系。钻头组件102还可包括功率变换 器204,以将电源201的电输出改变为交流电源。
钻头组件102还可包括适合于旋转地控制轴202的转向发动机205， 而轴202布置在钻头104的主体部分209里并从钻头104的工作部分210 伸出。轴202可从工作部分210伸出6到20英寸。轴202可包括旋转地 隔离于主体部分209并与地下地层105相联系的末端211。轴202和它的末端211可用来引导钻头组件102和钻柱100通过地层105。
发动机205可以是电动机、液压发动机、容积式发动机或它们的组合。 电动才几可以是步进电动机、交流电动机、交直流两用电动机、三相交流异 步电动机、三相交流同步电动机、两相交流伺服电动机、单相交流异步电 动机、单相交流同步电动机、转矩电动机、永/磁电动机、直流电动机、直 流无刷电动^L、无芯直流电动才几、线性电动才几、双々贵电式电动4几或单々贵电 式电动机，或它们的组合。钻头组件102可包括适合于提供对发动机205 的控制的转向发动机控制204。传感器可布置在钻头组件102里，以测量 轴202关于钻头组件102的方位。
钻头组件也可包括齿轮传动装置206,以控制轴202的转速。倾角和 方向传感器207也可布置在钻头组件里，以探测和测量钻头组件102在井 下的位置。方向传感器207还可维持钻头组件关于地下地层105的方位。 传感器207可以是陀螺仪、倾角计、磁力计或它们的组合。遥感勘测网络 链接208也可布置在钻头组件102里。
图3和图4公开了本发明的可替换的实施方式。钻头组件102可包括 布置在钻头组件102的孔301里、靠近钻头104的第一转子300，其与轴 202相联系。第一转子300可以是涡轮201的一部分，尽管第一转子也可 以是发动机的一部分。涡轮201优选包括3到5个固定到第一转子的叶轮 304。邻近每个叶轮304的多个定子叶片305可关于组件102的孔旋转固 定。第二齿轮传动装置210将第二转子307连接到第一转子300。第二齿 轮传动装置可包括至少2: l的齿轮齿数比。第二齿轮传动装置210适合 于使第二转子307比第一转子300转得快。随着钻液经过孔301里的涡轮 201,叶轮304旋转，从而使第二齿轮传动装置210以及第一转子和第二 转子旋转。优选地，第一转子和第二转子将以不同的速度旋转，优选地， 第二转子307将比第一转子旋转得快1.5到8倍。通过阻止钻液顺着钻柱 100的孔301的循环路径流动而使钻液的流动改变方向，涡轮201里的定 子叶片305可帮助增加涡轮201的效率。
第二转子307可以是发电机308的一部分。发电机308可包括围绕第 二转子307的定子。定子可包括具有1到50个绕组的导电线圈。可使用的一种这样的发电机是出自AstroFlight公司的Astro40。发电机308可包 括沿转子307的外面布置的单独的磁条，随着磁条旋转，其磁性地与线圈 相互作用，在导电线圈里产生电流。因为钐钴具有高居里温度和高抗退磁 性，磁条优选用钐钴制造。
线圈与负载相联系。当应用负载时，从发电机308汲取电力，造成第 二转子307旋转变慢，因此使涡轮201和第一转子300旋转变慢。因此可 施加负载来控制井下涡轮201的旋转。因为第二转子307比第一转子300 转得快，因此其产生较少转矩，从而需要较少来自负载的电流来使旋转变 慢。因此，第二齿轮传动装置210能提供减少控制涡轮20旋转的电力要 求的优势。这是非常有益的，因为井下动力在井下的产生和存储是很难的。
为了产生更多电流或有助于第 一发电机308的旋转，也可有连接到第 一发电机308的第二发电机409。负载可以是电阻器、镍铬合金线、螺旋 线、电子设备或它们的组合。可以按至少与第二转子307的旋转速度一样 快的速度施加和断开负载。
发电机308、409可与作为电路401的一部分的负载相联系。电路401 可布置在钻头组件102的孔壁402里。发电机309可通过同轴电缆403 连接到电路401 。电路401是闭环系统的一部分。电路401还可包括传感 器，用于监测钻探的各种方面，例如旋转速度或钻头组件102关于地层 105的方位。传感器也可测量发电机308关于钻头组件102的方位。
为了控制轴202和它的末端211,从这些传感器收集的数据可用来调 整涡轮201的旋转速度。末端211可包括用来使钻头104转向并因此使钻 柱101转向的不对称的顶部。控制涡轮201就控制了末端211的速度和方 位，且由此就控制了钻探轨道(drilling trajectory )。轴202可通过齿轮传 动装置206连接到第一转子300,随着涡轮201的旋转，其使轴202在反 方向旋转。因此，在控制涡轮201的旋转速度的帮助下，可使轴202关于 钻柱100旋转，而同时关于正在钻的地层105实质上静止，并允许末端 211使钻柱100转向。
负载可与井下遥感勘测系统404相联系。一个这样的系统是美国专利 第6,670,880号公开的IntelliServ系统，在这里通过引用并入其公开的所有内容。从传感器或其它井下电子部件收集的数据可通过遥感勘测系统
404发送到地表。为了监测井下条件，在地表分析数据。如果钻头组件102 遇到不同硬度的地层105，则地表的操作员可使用数据来调整钻探速度。 其它类型的遥感勘测系统404可包括泥浆脉冲系统、电《兹波系统、感应系 统、光纤系统、直接连接系统、有线管道系统或它们的任何组合。在一些 实施方式中，传感器可以是对控制负载的逻辑进行控制的反馈环路的一部 分。在这些实施方式中，可使钻探自动化，且电子装置可包括足够的智能 来避免可能的粗糙钻探地层105,同时将钻柱100保持在正确的轨道上。 在一些实施方式中，钻探被完全自动化，其中所期望的轨道和有效载荷 (pay load)的位置可编程到电子装置中，并允许其自己运行而不需要手 动控制。
稳定器312可在钻头104或钻头组件102的孔301里布置在轴202 周围，其可以防止轴202的弯曲或分散。
涡轮201、齿轮传动装置206、 210和/或发电机308、 409可放置在 钻头组件102的孔301里的保护罩壳315里。罩壳315固定到孔壁402, 这样，任何放置在内的部件可关于孔301的中心轴向固定。罩壳315在其 连接到孔壁402的位置包括通路，这样，可允许钻液经过。
图5的实施方式里的第二齿轮传动装置210是行星齿轮系统，其可用 来将轴202连接到第一转子300。行星齿轮系统包括由连接到涡轮201的 第一转子300转动的中心齿轮500。随着中心齿轮500旋转，围绕并联锁 中心齿轮500的多个外围齿轮501旋转，这又引起外部齿圈502旋转。中 心齿轮500与外部齿圈502的旋转速度比依赖于中心齿轮500和多个外围 齿轮501的大小。第二齿轮传动装置210还包括为了维持外围齿轮501 轴向固定的支撑构件503。
行星齿轮系统布置在罩壳315里，这样，外部齿圏502和罩壳315 之间就有间隙504，使得齿圈502可旋转。罩壳315也可包括内部轴承面 505,这样，第二齿轮传动装置210和罩壳3]5可与齿圈502齐平，并仍 可旋转。罩壳315也可包括多个通路506，其中钻液可经过钻头组件102 的孔301。现在参考图6，负载600是电路401里的电阻器，其电连接到发电机 308。发电机308的旋转在两个发电机端子601、 602之间产生交流电压。 电路包括桥式整流器603，其使交流电压转变到直流电压。电路还包括直 流开关604，例如场效应晶体管(FET)，其由逻辑指令605驱动导通或 断开。当直流开关604导通时，电路闭合，使得直流电压在负载600上产 生压降，而发电机308输出动力，因此造成发电机308的旋转速度减慢。 然而，当直流开关604断开时，电路为开路，没有动力从308输出。虽然 需要直流电流来操作，但是FET开关是用来闭合电路的低成本的选择。
图7显示包括交流开关700的电路的另一实施方式。交流开关700 可以是用于交流电的三极管(三端可控硅器件)，其允许负载接通交流电 流或断开交流电流。交流电压一过零，三端可控硅器件就可进行开关动作， 依赖于驱动开关的逻辑指令605，交流电压过零可发生在发电机308的输 出的半循环。可替代三端可控硅器件的交流开关700是绝缘栅双极晶体管 (IGBT)。使用IGBT的优点是，尽管IGBT比三端可控硅器件更昂贵且 复杂，但IGBT进行开关的速度能够独立于发电机308的交流电压的循环 周期以及过零点。
参考图8，末端211被调整为其可用作钻柱100的转向系统。末端211 可包括不对称的顶部，这样，一侧801具有更多暴露于地层105的表面积。 齿轮传动装置206被调整成使得涡轮201的旋转速度比末端211的旋转速 度快10到25倍。随着钻柱的旋转，涡轮201可旋转而使得末端211旋转 地相对于地层105保持固定。当末端靠着地层105接合并旋转地相对于地 层105固定时，il为末端211的不对称将4吏钻柱100的方向偏离。末端 211的方位可由与负载相联系的逻辑调整。传感器可指示末端211的位置， 并且通过反馈环路，逻辑可调整负载，以重新确定末端211的方向。用这 样一种方法，复杂的钻探轨道是可能的。由于造成轴202的末端211随钻 头104旋转，而认为造成钻柱100在大体直的方向钻探。
参考图9，第二齿轮传动装置210可包括直齿圓柱齿轮。第一直齿圓 柱齿轮900可连接到第一转子300，并与第二直齿圓柱齿轮901相联系。 第二直齿圓柱齿轮901可连接到由罩壳315支撑的中间轴902 。第二轴902也可包括第三齿轮903,其与连接到第二转子307的第四齿轮904相联系。 齿轮的大小被调整成使得第二转子307比第一转子300转得快。罩壳315 和/或中间轴902可包括轴承面905，来减少罩壳315支撑中间轴905处 的摩擦。
现在参考图10,钻塔IOI吊着钻柱100。钻头组件102位于钻孔103 的底部并包括钻头104。随着钻头104在井下旋转，钻柱IOO进一步前进 到地里。钻柱100可转向到优选的方向。在一些实施方式中，传感器207 可布置在钻柱组件102上，并适合于接收由钻头104产生的声信号1001。 钻头104产生的声信号1001可从地层105返回。这在确定不同地层105 的特性上是有用的。
图11示出了用在各种转向应用中的钻机的实施方式。在一种实施方 式中，假设有紧急情况例如井喷，为了以可控制的方式减小地下压力，安 置钻机1100，以使得可钻出一定向救援钻孔1155,以与另一口井1150 相交。钻机1110可用在其中例如石油或天然气储层的多个储层J140近似 沿着垂直轨道定位的钻探应用中。在这种环境中，在邻近储层1140的地 方钻出实质上直的轨道1151，并从实质上直的轨道1151向储层1140钻 出从主轨道1151分叉的多个轨道1152是有益的。同样，在钻探操作期间， 可能有必要绕着例如大石头、硬地层、盐岩或低压区域等障碍物1103形 成钻孔1115。当使用可转向的钻柱时，可用一个钻机1120到达多个储层 1160。钻孔1125可朝着第一储层钻探。如果其它钻孔位于第一钻孔附近， 则钻柱的转向能力可允许钻探到每个储层，而不用移出钻柱和为每次钻探 操作重新对钻机1120进行定位。在一些情况中，储层U70可位于一结构 1101下面，这样，钻机1130就不能直接位于储层的上面并钻探一条直的 轨道。因此，需要邻近结构1101形成钻孔1135，并使用钻柱的转向能力 朝着储层形成弯曲的轨道。这种工具柱可被装备来在离岸应用中以及陆上 应用中进行钻探。
图12直到15示出各种末端211的实施方式。图12显示具有微微凸 起几何形状l冗0的主要歪斜表面(primary deflecting surface ) 1206。在 图13的实施方式中，主要表面1206可包括平坦几何形状1300。在图14，末端211也可具有微微凸起的几何形状]400，但是可包括比图12中显示
的实施方式更大的曲率半径。主要歪斜表面可包括0.750到1.250英寸的 半径。认为凸起的几何形状1400将允许末端211通过点荷载压碎地层 105，而不同于在具有平面几何形状的实施方式中通过表面负荷所发生的。 点荷载被认为是优选用于转向应用。图15显示具有微微凹入的几何形状 1500的主要表面1206。末端211沿其长度可具有多边形形状。
图16显示有实质上平坦表面1600的不对称的末端211，表面1600 以在1度到89度之间的角1602与轴202的中心轴线1601相交。理想地， 角1602在30度到60度。图17显示包括切口 1701的末端211的不对称 几何形状。切口 1701可以是凹入的、凸起的或平坦的。图18显示有偏移 的凸起1801的平面1800的几何形状。图19的实施方式显示有平面1900 的偏移凸起1801。图20的不对称几何形状大体是三角形的。在其它实施 方式中，不对称的几何形状大体是锥形的。图21显示有凹入的侧面2101 的大体三角形2100的末端211的不对称几何形状。
尽管已经关于附图具体描述了本发明，但应理解，除了这些显示或建 议之外的其它的和进一 步的更改可在本发明的范围和精神内进行。
权利要求
1.一种钻头组件，其包括主体部分，其处在钻柄部分和工作部分之间；所述工作部分包括至少一个切割元件；轴的至少一部分布置在所述主体部分里并从所述工作部分伸出；所述轴包括旋转地隔离于所述主体部分并与地下地层相联系的末端；以及发动机，其适合于旋转地控制所述末端。
2. 如权利要求1所述的钻头组件，其中所述发动机是电动机、液压 发动才几、容积式发动机或它们的组合。
3. 如权利要求1所述的钻头组件，其中所述末端是不对称的。
4. 如权利要求1所述的钻头组件，其中所述发动机与井下发电机相 联系。
5. 如权利要求4所述的钻头组件，其中所述发电机包括用钐钴制造 的磁体。
6. 如权利要求1所述的钻头组件，其中齿轮传动装置处在所述轴和 所述发动机之间并与所述轴和所述发动才几相联系。
7. 如权利要求1所述的钻头组件，其中所述轴通过第二齿轮传动装 置与所述发动机相联系。
8. 如权利要求7所述的钻头组件，其中所述第二齿轮传动装置是行 星齿轮系统。
9. 如权利要求7所述的钻头组件，其中所述第二齿轮传动装置包括 至少2: 1的齿轮齿数比。
10. 如权利要求1所述的钻头组件，其中布置在所迷钻头组件里的传 感器测量所述轴关于所述钻头组件的方位。
11. 如权利要求1所述的钻头组件，其中固定到所述钻头组件的传感 器测量并维持所述钻头组件关于地下地层的方位。
12. 如权利要求11所述的钻头组件，其中所述传感器是陀螺仪、倾 角计、磁力计或它们的组合。
13. 如权利要求2所述的钻头组件，其中所述电动机是步进电动机、交流电动机、交直流两用电动机、三相交流异步电动机、三相交流同步电 动机、两相交流伺服电动机、单相交流异步电动机、单相交流同步电动机、转矩电动才几、永」磁电动才几、直流电动冲/L、直流无刷电动才几、无芯直流电动 机、线性电动机、双々贵电式电动机或单馈电式电动机，或它们的组合。
14. 如权利要求1所述的钻头组件，其中所述钻头组件与井下遥感勘测系统相; 关系。
15. 如权利要求1所述的钻头组件，其中所述发动机由来自地表或井 下的涡轮、电池或动力传输系统激励。
16. 如权利要求1所述的钻头组件，其中所述轴从所述工作部分伸出 6到20英寸。
全文摘要
在本发明的一方面，钻头组件具有处在钻柄部分和工作部分中间的主体部分。工作部分具有至少一个切割元件，轴的至少一部分放置在主体部分里并从工作部分伸出。轴具有旋转地隔离于主体部分并与地下地层相联系的末端。发动机适合于旋转地控制末端。
文档编号E21B10/26GK101563520SQ200780046096
公开日2009年10月21日 申请日期2007年12月4日 优先权日2006年12月15日
发明者保拉·特纳, 吉姆·沙姆韦, 大卫·R·霍尔, 大卫·朗格林 申请人:大卫·R·霍尔