井下转向系统和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求序列号为62/525,121；62/525,140；62/525,143；和62/525,148的美国临时专利申请的优先权，其中的每个都于2017年6月26日提交。这些优先权临时申请中的每个的全部内容通过引用合并于此。

背景技术：

从陆地上勘探和开采石油、天然气或地热能沉积物通常涉及在地下钻出孔。为此，通常将钻头固定到从井架悬挂的钻柱的端部。钻头可旋转以接合并破碎其中形成井眼的陆地并允许钻头前进。当钻头前进穿过陆地时，通常可能需要将钻头引向沉积物或使其远离障碍物。为此，钻头的旋转轴线通常必须偏离其相应钻孔的中心线，使得钻头比另一侧更多地接合钻孔的一侧。此外，钻头的旋转轴线自身偏离钻孔的中心线并导致钻孔偏离其预期路径的情况并不少见。因此，将钻头朝向其相应的钻孔的中心线转向回可能是有利的。

因此，已经开发了各种井下转向系统，以为了主动地使钻头轴线从井眼中心线移动或使其返回到井眼中心线的目的。这样的井下转向系统已经利用了各种不同的技术。一种常见的技术是推开井眼的内壁，钻头沿与钻头打算去往的方向相反的方向行进穿过该井眼的内壁。例如，一结构可以从钻柱的侧面径向地延伸，推向井眼的内壁并且沿相反的径向方向推动钻头。当钻头被径向推动时，它可能趋于使井眼不均匀地破碎，从而使井眼向期望的方向转向。

已经发现，可延伸结构越靠近钻头放置，其延伸会对钻头的影响就越大。因此，已经进行了几次尝试以使可延伸结构尽可能地靠近它们各自的钻头。但是，这样的放置通常留给其他设备例如控制系统等的空间很小。在许多情况下，控制系统或其他设备的位置远离可延伸结构，会使电线和/或流体通道复杂化。

技术实现要素：

本公开的实施例可以提供一种井下转向系统，该井下转向系统包括基本为管状的壳体；定位在基本为管状的壳体内的轴；第一轴承和第二轴承，所述第一轴承和第二轴承构造成支撑所述轴相对于所述壳体的旋转。第一轴承、第二轴承、轴和壳体在其之间至少部分地限定室。该系统还包括至少一个结构，该至少一个结构在轴向上位于第一轴承和第二轴承之间，并且被构造成响应于传递至室的压力而从壳体的外部延伸。

本公开的实施例还可以提供一种钻井系统，该钻井系统包括钻头；联接至钻头的轴，其中轴的旋转使钻头旋转；以及围绕轴的至少一部分定位的基本管状的壳体。轴和钻头相对于壳体是可旋转的。该系统还包括第一轴承和第二轴承，第一轴承和第二轴承构造成支撑轴相对于壳体的旋转。第一轴承、第二轴承、轴和壳体在其之间至少部分地限定室。该系统还包括一个或多个径向可延伸的柱塞，该柱塞轴向地定位在第一轴承和第二轴承之间并与室压力传递，该一个或多个柱塞被构造成响应于传递至室的压力而从壳体的外部向外延伸，以及构造成控制室和可径向延伸的柱塞之间的压力传递的阀。

本公开的实施例还可以提供一种用于转向钻头的方法，包括将钻头和井下转向系统部署到井眼中。该系统包括大体上管状的壳体；位于大体上管状的壳体内的轴；第一轴承和第二轴承，第一轴承和第二轴承构造成支撑轴相对于壳体的旋转。第一轴承、第二轴承、轴和壳体在其之间至少部分地限定室。该系统还包括至少一个结构，该至少一个结构在轴向上位于第一轴承和第二轴承之间，并且被构造成响应于传递至室的压力而从壳体的外部延伸。该方法还包括使钻井流体流入井下转向系统中，使得使轴相对于管状壳体旋转，其中，轴的旋转使钻头旋转；以及致动阀，以便允许室与至少一个结构之间的压力传递，使得至少一个可延伸结构径向向外延伸并接合井眼。

本公开的实施例可以提供一种用于转向井下系统的方法，该方法包括将钻柱放置在井中，该钻柱包括钻头和马达，该马达包括连接到钻头的轴和轴位于其中的定子壳体。至少一个结构从定子壳体是径向可延伸的。该方法还包括使钻井流体从井眼的入口沿钻柱并在轴与定子壳体之间通过。使钻井流体在轴和定子壳体之间通过会导致轴使钻头相对于定子壳体旋转。该方法还包括保持定子壳体旋转地固定，并且经由径向延伸穿过定子的端口选择性地将钻井流体的压力传递到该结构，以便使该结构抵靠井眼的壁径向向外延伸，并改变钻头的轨迹。

本公开的实施例可以提供一种井下转向系统，该井下转向系统包括基本管状的壳体，其包括纵向轴线和外部；轴，该轴联接至钻头，延伸穿过壳体，并且相对于壳体是可旋转的；以及第一结构、第二结构和第三结构。第一、第二和第三结构可从壳体的外部向外延伸。第一结构从第二和第三结构周向偏移。当围绕壳体前进时，第一、第二和第三结构沿小于约120度的角度间隔定位。

本公开的实施例还可以提供一种钻井系统，其包括钻头；包括纵向轴线和外部的基本管状的壳体；轴，该轴联接至钻头，延伸穿过壳体并且相对于壳体是可旋转的，其中，轴的旋转使钻头旋转；以及第一结构、第二结构和第三结构。第一、第二和第三结构从壳体的外部向外是可延伸的，第一结构从第二和第三结构沿周向偏移。当围绕壳体前进时，第一、第二和第三结构沿小于约120度的角度间隔定位。

本公开的实施例可以进一步提供一种用于转向钻头的方法，该方法包括使钻井流体在壳体和轴之间流动，使得轴相对于壳体旋转，而旋转所述轴则导致钻头旋转。该方法还包括保持壳体相对于岩层旋转地固定，并且在保持壳体旋转地固定的同时，将压力选择性地传递至联接至壳体的至少三个可延伸结构。将压力传递到至少三个可延伸结构导致该结构向外延伸并与岩层接合。至少三个可延伸结构每个都限定中心轴线，该中心轴线彼此成角度地偏移。当围绕壳体前进时，至少三个可延伸结构沿小于约120度的角间隔定位。

提供本发明内容是为了介绍一些构思的选择，这些构思将在下面的详细描述中进一步描述。该发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用作帮助限制所要求保护的主题的范围。

附图说明

图1是陆地钻孔操作的实施例的正交图；

图2是钻头和井下转向系统的实施例的透视图；

图3是钻头、马达和井下转向系统的实施例的纵向截面图；

图4-1是井下转向系统的实施例的横向截面图；

图4-2是井下转向系统的另一实施例的透视图；

图4-3是钻头和井下转向系统的实施例的纵向截面图；

图5-1是钻柱的实施例的纵向截面图，其中，基于钻柱的旋转，质量块可以阻挡和解除阻挡通向加压室的开口；

图5-2是钻柱的实施例的纵向截面图，其中，基于穿过钻柱的钻井流体的流速，质量块可以阻挡和解除阻挡通向加压室的开口；

图5-3是钻柱的实施例的纵向截面图，其中，在穿过钻柱的钻井流体内行进的多个球可能被捕获在可滑动的捕集器中，其可阻挡通向加压室的开口；

图5-4是公扣的实施例的示意图，该公扣可以在凸轮槽中行进以在阻挡位置和非阻挡位置之间转位；

图5-5是钻柱的实施例的纵向截面图，其中，盘可通过增加钻井流体压力而破裂以绕开加压室；

图6-1是包括方向和倾斜传感器的控制机构的实施例的纵向截面图；

图6-2是包括地层性质传感器的控制机构的实施例的纵向截面图；

图6-3是包括声音接收器的控制机构的实施例的纵向截面图；

图6-4是包括压力传感器的控制机构的实施例的纵向截面图；

图6-5是包括通信线路的控制机构的实施例的示意图；

图7-1、7-2和7-3是轴承的不同实施例的透视图；

图8-1和8-2分别是三维打印操作和涂覆操作的实施例的透视图；

图9-1和9-2是轴承的不同实施例的正交图，而图9-3是另一种轴承的实施例的纵向截面图；

图10-1是轴向支撑环的实施例的放大的纵向截面图，而图10-2是流动限制器和过滤器的实施例的纵向截面图；

图11是油润滑轴承的实施例的纵向截面图；

图12是轴的实施例的经度截面图，该轴在其中包括腔，该腔的尺寸设置成接收可延伸垫的近端；

图13是井下转向系统的实施例的正交图，该井下转向系统包括可延伸的垫和弯曲的短节的组合；

图14是井下转向系统的实施例的透视图，该井下转向系统包括可延伸的垫和配合的造斜器的组合；

图15-1示出了棘轮阀装置的实施例的截面图；

图15-2示出了用于棘轮阀装置的阀元件的实施例的透视图；

图15-3示出了包括棘轮阀装置的井下转向系统的实施例的透视图；

图16示出了凸轮-柱塞阀致动器的实施例的概念性端视图；

图17-1和17-2示出了转向系统的另两个实施例的透视图。

具体实施方式

图1示出了陆地钻孔操作110的实施例，当从陆地上勘探或开采石油、天然气或地热能沉积物时可以使用该陆地钻孔操作。陆地钻孔操作110可以包括固定在从井架113悬挂的钻柱112的一端上的钻头111。可以旋转钻头111以使地下地层114破碎，在其中形成井眼115并允许钻头111前进。

钻柱112可由端对端紧固在一起的多个钻杆部分116形成，每个钻杆部分构造成使钻井流体117从中通过。钻井流体117可以从井眼115的入口泵送通过钻柱112，并且从钻头111上的喷嘴排出。钻井流体117可以用于多种目的，包括将土屑带离钻头111，冷却和润滑钻头111并为各种井下工具提供动力。

图2示出了固定在钻柱212的端部上的钻头211的实施例。钻头211可包括多个切割器220，该多个切割器布置在从钻头211延伸并围绕钻头211间隔开的多个刀片221的远端边缘上。随着钻头211的旋转，切割器220可接合并破碎陆地地层。可以将各种已知的钻头样式替换为所示的样式，并且以类似的方式执行。

钻头211可以通过马达旋转。图3示出了可以由钻井流体提供动力的马达的实施例，该马达包括定位在基本管状的壳体331内的轴330。如在渐进腔正排量型马达中典型的那样，轴330可以具有螺旋形的外部几何形状，并且其上设置有两个或多个凸角。壳体331也可以具有螺旋形的内部几何形状，其上还设置有两个或多个凸角。如果壳体331包括比轴330的凸角多的凸角，那么沿钻柱穿过轴330的外部几何形状和壳体331的内部几何形状之间的钻井流体可能会使轴330相对于壳体331偏心地旋转。这样，轴330可以充当转子，并且壳体331可以充当马达的定子。尽管在该实施例中示出了渐进腔正排量马达，但是其他类型的马达，例如涡轮马达，可以产生类似的结果。壳体331可以设置为固定在一起的两个或更多个管状构件，或者作为一个整体件。类似地，轴330可以是一个整体件，也可以是两个或更多个刚性或以其他方式联接在一起的圆柱体。

可以由钻井流体提供动力的井下工具的另一个示例是转向系统。图3还示出了转向系统的实施例，该转向系统包括轴332，该轴定位在基本管状的壳体333内，类似于马达。第一和第二轴承334，335可以在轴向上彼此间隔开，设置在轴332的外部与壳体333的内部之间。第一和第二轴承334，335可以将轴332支撑在壳体333内，从而允许轴332相对于其旋转，同时减小它们之间的摩擦和磨损。第一轴承334和第二轴承335、轴332和壳体333可以共同限定室336的边界，该室336被构造成将加压的钻井流体保持在其中。室336内的流体可通过阀337和通道338被引导到多个垫339(或其他可径向延伸的结构)，该多个垫被构造为当从内部被充分加压时从壳体333的外部延伸。当延伸时，多个垫339可推动抵靠壳体333定位在其中的井眼的壁，从而使钻头311的旋转轴线远离或朝向井眼中心线移动。这样的推动可以被定时并执行以改变或保持钻头311的前进轨迹。垫339可以旋转地固定到管状壳体333，使得它们可以通过钻柱的旋转而定位在井眼的入口处。在这样的构造中，钻头311可以相对于垫339和管状壳体333旋转。

垫339可以以各种布置定位。例如，在图4-1中所示的一个实施例中，至少三个垫439-1从基本管状的壳体433-1的外部可以是可延伸的，使得每个垫439-1保持在围绕壳体433-1的轴线的全旋转的三分之一的角度范围440-1内(例如，大约120度)，不管垫439-1是延伸还是缩回。虽然示出了三分之一的角度范围，但是其他实施例可以限定四分之一(80度)至二分之一(180度)的范围。垫439-1的这种布置可以允许垫439-1向相邻的井眼施加足够的力，而不会阻挡钻井流体沿壳体433-1向下或沿围绕壳体433-1的环向上流动。

壳体433-1内的并构造成携带钻井流体的圆柱形孔口447-1可纵向延伸穿过壳体433-1，而不受垫439-1的干扰。而且，至少一个流体通道441-1可以沿着壳体433-1的外部纵向延伸，该壳体433-1的外部构造成将钻井流体携带通过井眼。该特定实施例包括两个这样的流体通道，每个流体通道设置在垫439-1和相对于所述轴线在与垫439-1相反的壳体433-1的外部上(例如沿着壳体433-1外部的平坦部分)的点之间。两个流体通道的各自最低点之间的距离450-1可以大于垫439-1的最宽跨度。由于垫439-1的间隔，这样的流体通道的总和的角度范围可能是围绕壳体433-1的全旋转的五分之二以上，并且是壳体433-1的横截面覆盖面积的8％以上，以允许足够的流体流动。在一些实施例中，角度范围可以在十分之三与二分之一之间，并且横截面覆盖面积的百分比超过6％。形成流体通道441-1的表面442-1可以基本垂直于壳体433-1的半径并且平行于其轴线。

还如图4-1的实施例中所示的，垫439-1中的至少两个可限定基本上设置在垂直于壳体433-1的轴线的单个平面(示出的横截面)上的轴线。例如，图2中示出了共享单个垂直平面的三个垫。至少两个垫439-1的轴线可以设置在围绕壳体433-1轴线的全旋转的五分之一(约72度)的角度范围443-1内。在一些实施例中，这样的角度范围可以落在全旋转的十分之一(36度)和十分之三(108度)之间。此外，一个垫444-1限定了垂直于壳体433-1的轴线并基本上位于另两个垫439-1的轴线之间的中间的轴线。

当在垂直于壳体433-1的轴线的平面(所示的横截面)中观察时，这些相应的垫439-1，444-1可包括通常成形为圆弧的远端。此外，垫439-1，444-1中的每个的圆弧可以共享相同的半径和中心。在所示的实施例中，中心垫444-1的圆弧远端几何形状可以关于其轴线大致对称。该远端形状可以不同于其他两个垫439-1的远端，当在同一平面中观察时，其他两个垫439-1的远端可以关于它们各自的轴线不对称。更具体地，另两个垫439-1的远端在彼此面对的一侧445-1上比在相反侧446-1上从壳体433-1的轴线延伸得更远。这可能是因为每个垫439-1，444-1的圆弧的中心都从壳体433-1的轴线偏移。在所示的实施例中，该偏移使垫439-1，444-1从外部的最大延伸长度相等。在一些实施例中，这样的偏移可导致较少的磨损，尤其是在垫439-1，444-1的外围边缘上。

也如在此实施例中所示的，与垫439-1紧邻的壳体433-1的外部可以从所述轴线延伸的距离448-1大于到与该轴线相反的外部上的点的距离449-1，距离448-1小于固定到穿过433-1的轴的钻头的半径长度。在一些实施例中，壳体433-1可以被构造为使得该更大的距离448-1和到相反点的距离449-1之间的差基本上等于垫439-1的最大延伸长度；然而，也可以采用其他设计。而且，在一些实施例中，壳体433-1可以被设计为使得这两个距离448-1，449-1的总和小于固定到穿过壳体433-1的轴的端部的钻头的直径。

图4-2示出了布置在基本管状的壳体433-2的外部上的垫439-2的一个实施例。如图所示，三个垫439-2的组451-2，每个垫从外部是可延伸的，可沿着壳体433-2纵向地间隔开。组451-2中的每个可以包括一个垫，该一个垫以交错的构造等距布置并且在沿壳体433-2纵向间隔开的成对的双垫之间轴向地移位。在其他实施例中，其他构造也是可能的，例如没有中心垫的成行的双垫。尽管所示的实施例包括八个可延伸的垫，但是其他实施例可以具有从一到十二个垫，例如三个、九个(例如图2中所示的)，十一个或任何其他合适数量的垫。另外，尽管在图2和图4-2中示出了两个特定的构造，但可以使用任何合适的构造。例如，垫可以位于任何合适数量(例如一到四个或更多)的轴向行和(一到五个或更多)圆周行上。

图4-3示出了固定至位于壳体433-3内的轴432-3的钻头411-3的实施例。壳体433-3可包括多个可延伸的垫439-3，其与控制机构401-3设置在壳体433-3的同一侧。具体地，控制机构401-3可以定位在与垫439-3相同的角度范围内，即围绕壳体433-3的全旋转的三分之一。如还可以在该实施例中看出的，为了为壳体433-3在位于弯曲的井眼内时留出空间，壳体433-3的外部可以从与钻头411-3相邻的直径459-3到更靠近与钻头411-3相反地固定到壳体433-3上的钻柱的直径458-3纵向地渐缩。

如所描述的，垫延伸的定时和执行可以由轴向设置在第一轴承334和第二轴承335之间的控制机构(在本文中也称为“控制装置”)301执行，如图3所示。如将在下面更详细地描述的，控制机构的各个实施例可以结合不同的控制方案。例如，控制机构301可以致动阀337以影响垫339上的压力的定时和持续时间或垫339的行程长度。这可以由控制机构301在没有外部信息的帮助下完成。

在一些实施例中，所有垫可被一起致动，成组的垫可一起被致动，或者单个垫可被致动。为了确定多少压力或行程长度是期望的，各种传感器可以收集信息并将其馈送到这样的控制机构。例如，传感器的一些实施例，例如倾角仪和磁力计，可以确定钻柱或垫的位置或取向。然后，控制机构可以使用该信息来决定何时以及如何致动阀。传感器的其他实施例可以检测围绕钻柱的井眼的地层特性。这样的信息可以提供信息的附加层以辅助控制机制。这样，控制机构可以以比例、非线性或开/关致动来转向阀，以实现所选择的结果。

在各个实施例中，在延伸之前，这样的垫的静止位置可以与在壳体的外部内的我们的凹陷(sunken)大体上齐平。然而，在其他实施例中，静止的垫可以从壳体的外部突出以提供静止的向外偏移，使得垫可以从该位置延伸或缩回以提供附加的转向控制。而且，在各个实施例中，这样的多个垫可以一起延伸，至少一个垫可以与其余的垫分开地延伸，或者至少一个垫可以保持连续地延伸。

在该构造中，加压的钻井流体可以被引导到多个垫339，而无需绕过第一轴承334或第二轴承335中的任一个。具体地，从室336行进到垫339的加压钻井流体可以被连续地轴向地保持在第一轴承334和第二轴承335之间。

即使没有阀337，所示类型的井下转向系统可以这样进行操作：保持壳体333旋转地固定在井眼的入口处，使钻井流体从该入口沿钻柱穿过，直到它到达多个垫339，以及用来自钻井流体的压力向外按压垫339。因为壳体333被保持，所以垫339通常可以以恒定的取向延伸，从而改变钻头311的轨迹。改变速率可以通过调节入口处的钻井流体的压力来控制。

当需要进行直钻时，可以在入口处旋转钻柱。即使在垫339延伸的情况下，旋转通常也可以平衡或抵消其对钻井方向的影响。

一个转向计划可包括大体上竖直地钻出第一距离，然后在曲线中钻出第二距离，然后大体上水平地钻出第三距离。为了实现该转向计划，当期望开始弯曲时，可以增加在井眼的入口处的钻井流体压力以延伸至少一些垫。为了在达到水平时停止弯曲，可以阻挡钻井流体进入垫，或者钻井流体可以绕过所述垫。这可以通过多种装置中的任何一种来实现。

例如，可以通过调节钻柱的旋转来通过在钻柱内径向移动质量块来阻挡钻井流体。图5-1示出了钻柱512-1的实施例，其包括沿纵向穿过其定位的通道547-1，具有通向室536-1的开口551-1。穿过通道547-1行进的钻井流体可以穿过开口551-1进入室536-1中以延伸至少一个可延伸垫539-1。当钻柱512-1以一定速度旋转时，可围绕铰链旋转的质量块552-1可通过离心力克服弹力，以阻挡开口551-1允许钻井流体从中通过。

也可以通过在钻柱内纵向移动质量块来实现阻挡钻井流体到达可延伸的垫。例如，图5-2示出了质量块552-2的实施例，当沿钻柱512-2通过的钻井流体的流量足够时，该质量块552-2可以克服弹力并纵向移动。由于它这样，因此它可能会阻挡开口551-2，从而防止钻井流体进入室536-2并延伸垫539-2。

在其他实施例中，钻井流体可以通过使一个或多个物体与钻井流体一起穿过钻柱而被阻挡。例如，图5-3示出了多个球553-3的实施例，这些球可以掉入钻柱512-3中，并随流经钻柱512-3的钻井流体一起行进，直到到达可滑动捕集器552-3。多个球553-3可以足够小并且耐用以穿过井下泥浆马达(未示出)。球553-3中的每个都可以接收在可滑动捕集器552-3中形成的孔内。当孔被球553-3阻挡时，钻井流体可能会推动可滑动捕集器552-3阻挡通往室536-3的开口551-3。

在其他实施例中，钻井流体可以被棘轮装置阻挡。例如，图5-4示出了凸轮槽554-4的实施例，该凸轮槽可以缠绕在钻柱周围并且接收可以在其中行进的公扣555-4。凸轮槽554-4可以由弹簧偏压，该弹簧在被钻柱的钻压所压缩时可以相对于凸轮槽554-4使公扣555-4转位。公扣555-4相对于凸轮槽554-4到后续位置的转位然后可以如前所述阻挡或解除阻挡通向室的开口。通过这样的设计，开口可以反复地被阻挡和解除阻挡。图15-1，15-2和15-3提供了这样的棘轮装置的另一个示例，如下所述。

在又一个实施例中，钻井流体可以绕过通向室的开口。例如，在图5-5中，可将破裂盘557-5的实施例定位成邻近室536-5的开口551-5。经过破裂盘557-5的钻井流体的压力增加可能导致其破裂，从而导致钻井流体向外绕行而不是进入室536-5。

再次参考图3，虽然示出了可延伸的垫339，但是其他实施例可以包括不同的结构，例如可以延伸以产生相似结果的环或稳定器刀片。垫339可以基于保持在室336内的流体压力的量从壳体333的外部是可延伸的。例如，垫339可以基于室336的压力延伸一定距离或具有一定的力。在所示的实施例中，通过形成柱塞的每个垫339来维持该关系，该柱塞可以基于在其任一端之间经历的压力差沿着筒体轴向滑动。在一些实施例中，其他构造也是可能的，例如由柱塞致动的铰接垫。

另外，可以在阀337和垫339之间设置压力计305。该压力计305可以向控制机构301提供反馈，该反馈可以控制阀337的致动以允许在垫339处实现期望的流体压力。该流体压力可以用于确定由垫339延伸的距离或施加的力。另一种方法可以是测量室内的流体压力。

在一些实施例中，控制机构301可以被构造成从井眼入口接收通信以调节阀337以在垫339处达到目标流体压力。例如，源自井眼入口的压力波可以经由钻井流体沿着钻柱被传送到控制机构301。压力波可以包括通过控制机构301可辨别的信号，该信号可以通知控制机构301所述垫339的期望压力。然后，控制机构301可以基于来自压力计305的反馈实现希望压力。在一些情况下，压力波可以包括给控制机构301的指令，以根本不致动阀337。垫339保持缩回的这种超驰模式可能在将钻柱从井眼移除或卡在其中的情况下是有用的。在任一情况下，都可能希望保持钻井流体流过钻柱，而又不延伸垫339。

在所示的实施例中，阀337的尺寸设计成允许每分钟5和30加仑之间的钻井流体流过其中。在其他实施例中，该范围可以在0和50加仑或更大之间。

利用阀337操作井下转向系统的方法可以包括以一速度从井眼入口旋转钻头柱(包括垫339)，并经由马达以不同速度旋转钻头311。当钻柱继续转动时，可以通过重复地延伸所述垫339来改变钻头311的轨迹。如果钻头311开始偏离，则可以对这种重复的延伸进行定时以执行设定的井计划或使钻头311返回其预期轨迹。具体地，随着钻柱旋转，垫339可随其旋转。当垫339穿过钻柱圆周的角度范围时，其面向通常与希望转向的横向方向相反的方向，垫339可通过致动阀337以推开井眼壁而延伸。当垫339离开该角度范围时，它们可以缩回以与井眼壁脱离。

在一些实施例中，垫339可以延伸而没有来自入口的任何通信。例如，控制阀337的控制机构301可以包括一个或多个传感器，其被构造为感测钻头311的方向、倾斜度、角位置、旋转和/或横向位移。作为另一示例，控制机构301可以包括一个或多个传感器，其被构造为测量围绕壳体333的地层的性质。阀337的致动可以基于所感测的方向、倾斜度、角位置、旋转和/或横向位移或所测量的地层性质。为了避免可能由重复的周期性垫延伸而引起的不稳定的钻井行为，可能希望这些重复的垫延伸每隔几圈旋转发生短暂的时刻，或者每隔几圈旋转发生一全旋转。

利用该井下旋转传感器操作井下转向系统的一个方法可能是要旋转钻柱或保持其旋转地固定在入口处，在井下感测该旋转或缺乏旋转，然后启动阀337并基于此延伸或缩回垫339。通过这样做，控制机构301可能无法构造为在轴向上超出第一和第二轴承334、335进行传递。来自马达的转子轴330的扭矩可能会通过轴332，从而使钻头311旋转。钻头311经由马达的该“旋转”可允许钻头311继续其前进，而不管其是否从入口旋转。延伸或缩回垫339可包括在钻柱旋转时将阀337保持在打开或关闭的一种状态，而在钻柱旋转地固定时将阀337保持在相反的状态。在某些情况下，可以通过在入口处旋转钻柱与以特定量使其保持旋转地固定之间交替来实现钻头轨迹的指定变化率。更具体地，为了产生一定的轨迹变化率，旋转与保持旋转地固定相比可以花费特定的时间比例。

可以遵循已定义的钻井计划。例如，钻柱可在入口处旋转以在大致竖直方向上基本笔直地钻出第一距离。然后可以将钻柱在入口处保持旋转地固定，以在曲线上钻第二距离。最终，钻柱可以在入口处再次旋转，以再次基本上笔直地钻(这时通常是水平地)第三距离。

在一些实施例中，可延伸的垫越靠近井下钻头放置，它们对钻头的轨迹的影响就越大。例如，在本实施例中，垫339可沿壳体333轴向地定位成与钻头311的远端的距离等于或小于钻头311的直径的两倍。不同于先前尝试将可延伸结构尽可能靠近其各自的钻头放置，但是，所示结构不必绕过第一轴承334或第二轴承335中的任一个。

为了使垫339尽可能地靠近钻头311，可以使用公扣和母扣的组合。在一些构造中，钻柱通常包括螺纹母扣，钻头的螺纹公扣可被紧固到该螺纹母扣中，以构造成在其间传递旋转的方式将钻头固定到钻柱。然而，在本实施例中，轴332包括公扣302，该公扣302可以被接收并固定在钻头311的母扣303内。该构造可以将垫339定位成比其他构造更靠近钻头311。钻头的螺纹公扣固定在钻柱的母扣上。

可具有与将垫339定位成尽可能靠近钻头311类似的效果的另一部件是要将一个或多个切割元件304定位在轴332自身上，与钻头311相邻，如所示的。

在一些实施例中，可能希望将至少一些钻井流体传递到室和垫，而不管阀是否被致动。同样，在某些情况下，这样的阀可以是比例阀或包括比例阀，该比例阀构造成按比例控制室内的流体压力。

各种不同的轴承设计可以与所述类型的井下转向系统结合使用。一种轴承可以允许沿着钻柱流动的钻井流体通过轴承本身以润滑轴承以及控制室内的流体压力。例如，第一轴承334可包括内部轴颈和外部壳体，其中内部轴颈和外部壳体可相对于彼此移动。轴颈和壳体之间的间隙可允许钻井流体通过。在各个实施例中，间隙的尺寸可设置成允许足够的钻井流体通过以对室336加压，同时阻挡较大的颗粒物质进入室336。第二轴承335还可允许一些钻井流体通过其中的间隙，足以使在不过度降低室336内的流体压力的同时润滑第二轴承335。以该方式，第二轴承335可以保持穿过其的压差大于穿过第一轴承334的压差。压差的这样的不一样性可以帮助维持室336内所需的压力。

图6-1示出了构造成致动阀637-1的控制机构601-1的实施例。该控制机构601-1包括传感器660-1，该传感器被构造为经由三轴加速度计来测量控制机构601-1的方向和倾斜度，该三轴加速度计可以分别测量在x、y和z方向上的加速度。尽管示出了三轴加速度计，但是本领域技术人员将认识到，可以附加地或替代地使用各种其他传感器类型。此外，在一些实施例中，可以通过这样的传感器装置来测量基本为管状的壳体的其他特性，例如角位置或旋转。其他实施例可以测量基本上管状的壳体相对于井眼的横向位移。可以通过类似卡尺的传感器或通过确定垫行程长度来进行这样的测量。在各个实施例中，这样的控制机构可以由电池或发马达供电，该发马达被构造为将来自流动的钻井流体的能量转换成电以为阀和/或传感器供电。

图6-2示出了构造成致动阀637-2的控制机构601-2的另一实施例。该控制机构601-2包括一系列传感器660-2，其被构造为测量在传感器660-2附近的地层的性质。在该实施例中，传感器660-2被构造为测量相邻地层的电阻率。这可以通过以下方式来实现：通过经由传感器660-2之一的由绝缘环围绕的第一电极将电流注入地层中，并经由传感器660-2中的另一个的第二电极从地层中接收电流。尽管电阻率传感器的特征示出在所示的实施例中，但是本领域技术人员将认识到，各种其他传感器类型可以可替代地用于测量各种地层性质中的任何一种。

图6-3示出了容纳在基本管状的壳体633-3的一部分的侧壁内的控制机构601-3的实施例。控制机构601-3包括一声音接收器660-3，该声音接收器构造为检测通过壳体633-3传播的声波。具体地，声音接收器660-3可以包括多个压电晶体，该多个压电晶体被定位成使得它们接触壳体633-3。传播通过壳体633-3的声波可能会向压电晶体施加机械应力，从而导致电荷积聚在其中。这些声波可以携带信息或方向到控制机构，以在其对阀637-3的致动时对其进行引导，并且从另一井下工具或从井眼的表面发送。尽管已经在该实施例中示出了压电晶体，但是本领域技术人员将认识到，其他传感器类型的选择可以被替代地使用并产生相似的结果。

图6-4示出了控制机构601-4的另一实施例，该控制机构被容纳在基本管状的壳体633-4的一部分的侧壁内。控制机构601-4包括压力传感器660-4，其被构造为测量通过流经壳体633-4的流体传播的压力波。这样的压力波可以源自井眼入口或井下装置，例如从控制机构沿轴向设置超过第一或第二轴承的测量随钻单元，和/或泥浆马达。如上所述，由随钻测量单元产生并打算用于井眼入口的压力波可以由控制机构接收和理解。在一些实施例中，所示类型的阀的致动可在流体中产生压力波，该压力波可在井眼入口或另一井下装置处辨别，从而允许双向传递。

如所示的，控制机构601-4包括面对壳体633-4中的开口661-4的压电晶体。该开口661-4可使压电晶体暴露于流经壳体633-4的流体。如关于其他实施例所描述的，该流体的压力变化可以向压电晶体施加机械应力，从而导致电荷在其中积累。尽管已经在该实施例中示出了压电晶体，但是本领域技术人员将认识到，其他传感器类型的选择可以被替代地使用并产生相似的结果。

图6-5示出了控制机构601-5的又一个实施例，该控制机构容纳在基本管状的壳体633-5的侧壁内。在该实施例中，诸如随钻测量单元的井下装置662-5可以设置在泥浆马达663-5的与控制机构601-5相反的一侧。井下装置662-5可以包括其自己的检测和测量设备，与形成控制机构601-5的一部分的任何传感器分开。井下装置662-5的这样的检测和测量设备可以更大并且更复杂，这是因为它在轴向上比控制机构601-5更远离钻头定位。因此，井下装置662-5可以收集更详细和复杂的信息。井下装置662-5可以将该数据中的至少一些传送到控制机构601-5。在所示的实施例中，该数据经由通信线664-5传送到控制机构601-5，该通信线可通过泥浆马达663-5的侧壁绕过泥浆马达。控制机构601-5可以基于该传送的信息来致动阀637-2。在其他实施例中，随钻测量单元或其他井下装置可以经由穿过壳体传播的声波或穿过流体传播的压力波将数据通过泥浆马达传送到阀控制机构。

图7-1和7-2分别示出了轴承734-1和734-2的实施例，其包括相对于壳体771-1，771-2可移动的轴颈770-1，770-2。轴承734-1，734-2包括流体通道，例如在轴颈770-1，770-2与壳体771-1，771-2之间形成的间隙772-1，772-2，其可允许钻井流体在它们之间流动同时限制较大的颗粒。为了保持轴颈770-1，770-2和壳体771-1，771-2的同心度而提供的间隙772-1，772-2中的公差可能会妨碍在室内建立和维持足够的流体压力的能力。因此，轴承734-1，734-2可以限定附加的钻井流体可以通过的流动通道几何形状。

图7-1示出了包括多个凹槽773-1的几何形状，所述多个凹槽设置在平行于其旋转轴线774-1安置的轴颈770-1的外部上。可以在壳体771-1的内部上设置另外的多个凹槽775-1。凹槽773-1，775-1的组合可以包括足以允许每分钟高达30加仑或流过钻柱的钻井流体的总流量的5％穿过轴承734-1的总截面面积。在其他实施例中，该面积可以允许每分钟高达60加仑，或总数的10％或更高的通过。

图7-2示出了另一几何形状，其包括设置在轴颈770-2的外部上的多个凹槽773-2和设置在壳体771-2的内部上的另一多个凹槽775-2。这些凹槽773-2，775-2中的每个可以围绕轴承734-2的旋转轴线774-2弯曲以形成螺旋路径。这样的弯曲的凹槽773-2，775-2可以帮助清洁轴颈770-2的外部和壳体771-2的内部。

图7-3示出了轴承734-3的实施例，该轴承包括可在壳体771-3内旋转的轴颈770-3。壳体771-3包括多个沿其长度延伸并允许钻井流体从中流过的导管776-3。在其他实施例中，导管也可以设置在轴颈内或形成螺旋路径。

可以使用各种制造方法来形成包括这样的复杂几何形状的轴承。具体地，可能无法使用钻形成非线性导管。因此，例如，已使用的一种制造技术是对具有所需几何形状的基底结构进行三维印刷，如图8-1所示。由于通常可用的三维可打印材料通常不适合承受磨蚀条件，因此可以将三维打印的基底涂上选择承受磨蚀材料，如图8-2所示。

图9-1示出了轴承934-1的一实施例，该轴承包括多个凹槽975-1，这些凹槽设置在壳体971-1的内部并平行于其旋转轴线974-1安置。如可以看出的，每个凹槽975-1可以仅沿着轴承934-1的轴向长度部分地延伸。另外，每个凹槽975-1可从相反端交替地延伸。这种和类似几何形状的凹槽可能会增加轴颈和壳体之间的流体流动面积。这样的凹槽还可以在清洁和润滑的同时阻挡大颗粒。

图9-2示出了轴承934-2的另一实施例，该轴承包括设置在壳体971-2的内部上的多个凹槽975-2。在该实施例中，凹槽975-2在第一端990-2上的横截面大于在相对的第二端991-2上的横截面。将第二端991-2面向室和第二轴承定位可以允许轴承934-2像压缩机一样工作，因为大量的钻井流体可能会在第一端990-2进入凹槽975-2，然后随着壳体971-2相对于轴颈旋转时，被迫进入第二端991-2处的较小空间。通过这样的做，室内的流体压力可以大于通过轴承934-2进入之前的压力。另外，室内的流体压力可以取决于壳体971-2相对于轴颈的旋转速度，并且至少在某种程度上由壳体971-2相对于轴颈的旋转速度调节。

图9-3示出了轴承935-3的另一实施例，该轴承包括固定在其内表面992-3上的室内的离散的超硬元件993-3(例如，多晶金刚石、立方氮化硼、氮化碳或硼氮碳结构)。内表面992-1可以包括硬焊到其上的硬包层(例如，钨和碳化钨)。这样的特征可以延长这些类型的轴承的寿命。

图10-1示出了环1094-1的实施例，该环可以设置在轴1032-1与基本管状的壳体1033-1之间。环1094-1轴向地位于第二轴承1035-1和形成在壳体1033-1中的内部壁架之间，尽管其他构造也是可能的。该环1094-1可以允许第二轴承1035-1和轴向间隔开的第一轴承(未示出)相对于壳体1033-1轴向地以及径向地支撑轴1032-1。

图10-2示出了另一种类型的环的实施例，这时形成流动限制器1094-2。形成该流动限制器1094-2的环可以轴向地保持，但可以在轴1032-2和壳体1033-2之间以其他方式自由浮动。在此构造下，流动限制器1094-2可能会阻挡在轴1032-2和壳体1033-2之间通过的流体流动。限制或阻挡该流体流动可以减少也与该流动相互作用的第二个轴承1035-2的磨损。

图10-2还示出了过滤器1010-2的实施例，该过滤器可以屏蔽与流体流动一起行进的给定尺寸的颗粒物抵达阀1037-2或超出其的可延伸垫1039-2。因此，该过滤器1010-2可以减少阀1037-2、垫1039-2和内部流体通道的磨损。

迄今所描述的轴承设计通常已经通过穿过轴承的钻井流体进行了润滑。但是，其他润滑方法也是可能的。例如，图11示出了由轴1132、基本为管状的壳体1133以及第一和第二轴承1134，1135所限定的室1136的实施例。室1136可以通过至少一个端口1195填充并加压，该至少一个端口从钻井流体可流过的轴1132的中空内部1196穿过到室1136。第一轴承1134和第二轴承1135分别由从第一和第二储存器1197，1198释放的油润滑。尽管未具体示出，但是端口的各个实施例可以包括筛网或过滤器，以防止较大颗粒物质沿着轴的中空内部行进进入压力室。此外，类似于前面所述的轴承设计，加压的钻井流体可从室1136引导到多个可延伸的垫1139，而无需绕开第一或第二轴承1134，1135中的任何一个。

图12示出了定位在基本管状的壳体1233内的轴1232的实施例。轴1232可包括设置在其外表面上的腔1210。腔1210可以围绕轴1232并且其尺寸足以允许多个可延伸垫1239的近端装配在其中。通常，允许垫1239缩回到腔1210中可以提供更长的垫行程，因此增加了它们可以从壳体1233的外部延伸多远。

此外，所示实施例包括多个弹性构件1211，例如弹簧，每个弹性构件分别推动垫1239之一以缩回到腔1210中。这些弹性构件1211可允许垫1239主动缩回而不是完全依靠来自壳体1233外部的压力。

垫1239的缩回需要从腔1210内去除一些流体。没有去除流体，不是缩回，则当通向腔1210的阀1237关闭时，垫1239通常将液压锁定。在一些实施例中，可以通过允许一些流体泄漏通过垫而从腔中排出来避免垫的液压锁定。然而，在该实施例中，排空可以通过从腔1210到壳体1233的外部的至少一个端口1212被放大。该端口1212的尺寸可以相对于阀1237设定为例如当阀1237打开时对腔1210内的流体压力具有较小的影响，但是允许当阀1237关闭时腔1210中的压力减小。腔1210内的压力可以减小到由壳体1233外部的压力克服的程度，这可以导致垫1239缩回。

到目前为止，已经主要讨论了由钻井流体加压的垫的实施例。然而，井下转向系统的另外的实施例可以包括通过各种替代手段可延伸的垫。例如，在一些实施例中，诸如油的加压液压流体可在闭合回路内从储存器引导至多个可延伸垫。这样的液压流体可通过阀到达位于垫附近的室，以将它们从基本管状的壳体向外推动。在一些实施例中，电螺钉可以用于从这样的壳体延伸垫。例如，在一些实施例中，控制机构可以旋转与螺钉接合的螺母，使得螺钉相对于螺母轴向平移。当螺钉平移时，它可能将至少一个垫从壳体向外推动。本领域技术人员将认识到，各种附加装置可以与本文描述的那些装置互换并且以相似的方式起作用。

图13示出了井下转向系统的实施例，该井下转向系统包括从其外部延伸的多个垫1339，该垫可推离井眼的壁以帮助转向钻头1311。与可延伸垫1339组合，该转向系统也可以包括钻柱1312的弯曲的短节1310部分。在该构造中，由垫1339施加在井眼壁上的力可以增加到钻柱1312的已经弯曲的部分或从钻柱1312的已经弯曲的部分上取走，虑及在当改变钻头1311的前进轨迹时的更大的强度。

图14示出了造斜器1410的实施例，该造斜器是通常通常被构造为斜坡的装置，其可以被设置在井眼1415中以在钻头1411钻井时改变其轨迹。在使用中，当由钻头1411接合时，造斜器1410可以将钻头1411侧向推开，偏离其当前轨迹。在本实施例中，可从固定至钻头1411的钻柱1412的外部延伸的垫1439可包括构造成可滑动地接收在造斜器1410的配合几何形状1431内的几何形状1430。在该构造中，当改变钻头的前进轨迹时，垫1439的几何形状1430可以在接近造斜器1410的几何形状1431时与之对准，以将由垫1439的延伸施加的力与造斜器1410的推动相结合，从而获得更大的强度。

图15-1，15-2和15-3示出了棘轮装置1500的另一实施例，类似于以上参照图5-4描述的实施例。如所示的，棘轮装置1500可以包括阀元件1502和阀壳体1504。阀元件1502可以定位在阀壳体1504中并且可以限定转位槽1506。转位槽1506的形状可以与槽554-5(图5-4)的形状相似，并且可以部分地或全部地围绕阀元件562的圆周延伸。阀元件1502可以进一步包括一个或多个指状件1507。端口1509可以限定在指状件1507之间。

棘轮装置1500还可包括偏压构件1508，例如盘绕或在阀元件1502之内(或两者，如所示)的弹簧。偏压构件1508可被构造成直接地或经由与另一构件的连接或而支承抵靠阀壳体1504，以及阀元件1502，从而沿轴向方向(例如，向右，如所示的)相对于阀壳体1504推动阀元件1502。

棘轮装置1500可以进一步包括转位公扣1510，其可以从阀壳体1504向内延伸，并且可以被接收到转位槽1506中。当阀元件1502相对于阀壳体1504运动时，转位公扣1510在转位槽1506中前进，并且将阀元件1502的一些轴向运动转换成其旋转运动。

壳体1504可在其中限定开口1520和入口开口1521。钻井流体压力通过入口开口1521作用在阀元件1502上。当棘轮装置(阀)1500处于打开位置时，阀元件1502的端口1509可以与开口1520对准，从而允许通过棘轮装置1500的流体连通。当棘轮装置1500处于关闭位置时，无论是通过指状件1507与开口1520旋转对准并由此阻挡开口1520，还是阀元件1502被轴向向右轴向推动而引起，使得端口1509从开口1520轴向未对准，都防止流体通过开口1520前进。

现在具体参考图15-3，但继续参考图15-1和15-2，示出了定位在壳体1550中的棘轮装置1500的实施例。类似于上述实施例，可径向延伸的结构(例如，柱塞)1552可以定位在壳体1550的外部上或中。结构1552可响应于从壳体1550的内部选择性地传递至该结构1552的压力而延伸并被该压力向外推动。

为了控制这样的压力的传递，提供了棘轮装置1500。钻井流体压力经由入口开口1521作用在阀元件1502上，将阀元件1502(例如，向图15-2的左侧)推入壳体1504中。由于其克服了偏压构件1508，阀元件1502的轴向运动通过槽1506和公扣1510之间的相互作用而部分地转换成旋转运动，从而使端口1509与开口1520对准。因此，流体压力传递到向外延伸的结构1552。当释放压力时，阀元件1502被轴向推回右侧，并且通过与槽1506和公扣1510之间的相互作用而再次旋转回关闭，从而允许结构1552缩回。

图16示出了根据一实施例的转向系统1600，其采用了用于径向可延伸结构1604(例如，柱塞或垫)的机械致动。该结构可以相对于钻头的工具面角度取向。在滑动时，所述结构可以使用钻井泥浆压力被致动以偏压钻柱，从而使该系统钻出所需的方向和折线(曲线)。当钻柱旋转时，可以在一段时间内停用该结构。

阀可以被采用，并且可以在打开和关闭之间机械地改变。阀的状态变化可以经由轴向或旋转运动来实现。阀状态的变化可以通过将泥浆压力暂时增加到一定值以上以触发切换来实现。可以实现此的一种机构是凸轮-柱塞系统，如所示的，该系统包括可旋转的凸轮1602和多个内部柱塞1604。当循环时，压力可能作用在内部柱塞1604和凸轮系统上，该系统在预定位置停止。取决于凸轮1602的位置，端口要么与柱塞室的端口对准以启动工具，或者不与那些端口对准，并且不发生启动。通过一系列压力对工具进行转位，这些压力会改变引导凸轮-柱塞的轨道。

图17示出了根据一实施例的井下转向系统1700。在该实施例中，系统1700的连接器块1702(可以是全环)附接到转向系统1700的壳体1704的下端。连接器块1702可以以任何合适的方式连接，例如通过螺栓，以主环体无需旋转的方式螺纹连接，因此它可以与裸露的部件或其他保持特征对准。连接器块1702包含连接器和布线以及可径向延伸的结构1706。该结构1706可以是柱塞(图17-1)或垫(图17-2)。

尽管已经具体地参照所附附图描述了某些实施例，但是应当理解，在本公开的范围和精神内，可以做出除本文中示出或建议的那些以外的其他和进一步的修改。