专利名称：用于控制钻井工具的井下转速的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及钻井方法和设备，更具体地涉及用于控制和调整井孔路径的方法 和设备。
背景技术：
比如为了从地下岩层开采碳氢化合物或矿物，在向陆地内钻钻孔(或井孔)时，传 统的实践将钻头连接到“钻柱”的下端上，然后使钻柱旋转以使钻头向下前进到陆地内以产 生希望的钻孔。典型的钻柱由端对端连接的钻管部分的组件加上设置在钻管部分的底部和 钻头之间的“井底组件”(“BHA”)形成。BHA典型地由选择为适合于待被钻井的井的具体 要求的子组件组成，所述子组件比如为钻铤、稳定器、扩孔器和/或其他钻井工具和附件。在传统的竖直钻井操作中，钻柱和钻头借助于与在钻孔上方竖立在地面上的钻 机(或在离岸钻井操作中，在海床上支承的钻井平台或以合适方式适合的漂浮船只上的钻 机)结合的“旋转台”或“顶部驱动装置”旋转。在钻井过程期间，使钻井流体(通常称为 “钻井泥浆”或简称为“泥浆”)在压力下从地面通过钻柱向下泵送，离开钻头进入井孔内， 且然后通过钻柱和井孔之间的环形空间(“井孔环”)向上回到地面。钻井流体将钻孔钻屑 带到地面，冷却钻头，且在钻孔壁上形成保护块(以稳定且密封钻孔壁)，以及具有其他有 益的功能。作为通过旋转台或顶部驱动装置来旋转的替代，钻头也能够使用“井下马达”(替 代地称为“钻井马达”或“泥浆马达”)而旋转，所述井下马达紧靠钻头上方合并到钻柱内。 通过利用泥浆马达旋转钻头而不旋转钻柱的钻井技术通常称为“滑动”钻井。在特定类型 的钻井操作中，通常在不同的操作阶段中使用滑动钻井和钻柱旋转二者。井下马达的主要部件之一是动力部分，所述动力部分通常以前进腔马达(或“PC 马达”)的形式提供，所述PC马达包括细长的且一般为圆柱形的定子和细长的转子，所 述转子能在定子内偏心旋转。如在本领域中所众所周知的，PC马达基本上与容积泵(或 “Moineau泵”)相同，但相反地运行，且因此液可称为容积马达。虽然所有这些术语因此可 相互换使用，但为简单性和一致性起见，在此专利文献的全文中将使用术语“PC马达”。PC马达的转子形成有一个或多个环绕中心轴且沿中心轴的长度延伸的螺旋翼片 或凸耳。定子限定一般与转子凸耳互补的螺旋凸耳构造，但定子凸耳的数量比转子凸耳多 一个。在井下马达的典型操作中，通过钻管组件向下流动的钻井流体通过PC马达转向，引 起转子在定子内旋转，因此使驱动轴旋转且致使钻头旋转(钻头通过BHA和井下马达的其 他部件以能操作的方式连接到驱动轴)。竖直井孔(即希望竖直的井孔)在钻井期间会因为当遇到比如正被钻井所通过的
4地层中的断层或不连续的地下障碍物时钻头偏斜而与希望的竖直路径产生偏差。必须修正 这样的偏差以使井孔到达希望的终点，且已知使用能定向操纵的井下马达结合定向钻井技 术来修正偏差的井口路径。然而，当使用能操纵的井下马达时，由于控制钻柱的定向的难 度以及使用具有此钻柱构造的滑动钻井技术的必要性，井孔可能与希望的修正路径产生偏 差。因此，存在对于更简单、更可靠且更廉价的系统以及用于驱动且操纵旋转井下工具以使 产生偏差的竖直井孔返回到竖直路径的相关控制机构的需求。定向井孔(即希望井孔或井孔的部分具有非竖直路径)要求在钻井过程期间操纵 以得到达到预定目标的结果井孔。使用能定向操纵的井下马达的已知定向钻井技术通常用 于沿希望的三维路径引导井孔，且对由于地下障碍物和不规则性导致的井孔路径偏差进行 修正。然而，如在前述具有偏差的竖直井孔的情况中，由于利用此钻柱构造控制钻柱定向的 难度和使用滑动钻井技术的必要性，将能定向操纵的井下马达用于修正产生偏差的定向井 孔可能是复杂的或失败的。因此，进一步存在对于更简单、更可靠且更廉价的系统以及用于 驱动和操纵旋转井下工具以使产生偏差的竖直井孔返回到希望的路径的相关控制机构的 需求。与本发明的技术状态有关的现有技术文献包括如下美国专利3, 260, 318-ffell Drilling Apparatus (Nelson 等)3, 603, 407-ffell Drilling Apparatus(Clark)3,637,032-Directional Dri11ing Apparatus(Jeter)3, 667, 556-Directional Dri11ing Apparatus(Henderson)3,743,034-Steerable Drill String (Bradley)4, 339, 007-Progressive Cavity Motor Governing System (Clark)4, 577, 701-System of Drilling Deviated Wellbores-(Dellinger 等)5, 113, 953-Directional Drilling Apparatus and Method(Noble)5, 265, 682-Steerable Rotary Drilling Systems (Russell 等)5, 513, 754-Stabilization Devices for Drill Motors(Downie ^)5，685，379-Method of Operating a Steerable Rotary Drilling Tool(Barr等)5,706, 905-Steerable Rotary Drilling Systems(Barr)5, 803, 185-Steerable Rotary Drilling Systems and Method ofOperating (Barr 等)5，875，859-Device for Controlling the Drilling Direction of Drill Bit(Ikeda 等)RE 29，526-Directional Drilling Apparatus (Jeter)RE 33，751-System and Method for Controlled Directional Drilling(Geczy 等)
发明内容
根据本发明的第一方面提供一种转速控制设备，所述转速控制设备设置为与合并 在钻柱的BHA内的受控装置(比如但不限制于偏差控制组件，或简称为“偏差组件”)一起 使用。根据本发明的第二方面提供了一种用于在钻井期间控制井孔路径并用于修正与希望的井口路径的偏差的方法。在优选的实施例中，本发明的转速控制设备包括如下以直线布置的部件(从最下 方部件开始)前进腔(PC)马达；驱动轴；泥浆流动控制阀；用于操作泥浆流动控制阀的控制马达；和用于对于控制马达进行控制的马达控制组件(替代地称为电子部分)。用于设备的电力优选通过设置在BHA内的电子部分上的电池组提供。然而，电力 可以替代地通过其他已知的方式提供，比如但不限制于合并到BHA的动力生成涡轮机。如 上所述的转速控制设备的上端能使用已熟知的方式连接到钻管的下端(或更典型地连接 到另外的BHA子部件，而所述BHA子部件又连接到钻管)。转速控制设备的下端能以能操作 的方式连接到受控装置，所述受控装置以比如钻头的钻井工具终结。受控装置不形成本发 明的最广泛的实施例的部分。在其中受控装置包括偏差组件的实施例中，偏差组件可具有 在现有技术中已知的任何合适的类型(作为其三个非限制性例子，包括“摆动钻头”和“推 靠钻头”系统以及可操纵井下马达)。在PC马达壳体的下端内的一个或多个入口允许钻井流体的部分向下泵送通过钻 柱，以进入PC马达的下端且在其内向上移动，因此使PC马达在与其正常旋转方向(例如当 用于使钻头旋转时)相反的方向上旋转。为发生这样的向上的泥浆流动，需要在PC马达的 上端出设置一个或多个出口，因此离开PC马达的上端的钻井泥浆能流入到井孔环内。流动 通过出口的泥浆通过泥浆流动控制阀调节，所述泥浆流动控制阀通过控制马达响应于来自 合并到电子部分内的传感器组件的控制输入致动。控制马达优选但不是必须是电动马达。 传感器组件可包括一个或多个加速度计、倾斜传感器、压力传感器、方位角传感器和/或转 速传感器。根据实现偏差组件的希望的转速改变的需要，电子部分感测转速控制系统的相对 转速并操作控制马达以根据要求致动泥浆流动控制阀组件，以响应于来自传感器组件的信 息控制并调节钻井泥浆通过PC马达的向上流动。PC马达以具体的零转速或非零转速驱动 所述驱动轴和偏差组件(或其他受控装置)。使用泥浆流动控制阀组件和电子控制部分，由 通过PC马达引导的钻井流体的流动的受控计量来改变PC马达的速度。在本发明的设备的第一实施例中，正常顺时针旋转的PC马达(当从上方观察时) 通过使钻井泥浆通过PC马达向上流动而向偏差组件施加逆时针旋转。替代的第二实施例 可具有正常逆时针旋转的PC马达，所述PC马达通过使钻井泥浆通过PC马达向下流动而向 偏差组件提供逆时针旋转。在此实施例中，泥浆入口可在PC马达的上部区域内，且泥浆出 口和泥浆流动控制阀可处于PC马达的下端。另外的替代实施例可具有构造为将顺时针旋 转输出提供到受控装置或偏差组件的PC马达。根据以上所述的第一实施例，PC马达的转子经由驱动轴驱动联接芯轴，且所述联 接芯轴联接到控制装置(例如偏差组件)。通过改变PC马达的转速相比于钻柱转速的关 系，工具面定向(即联接到受控装置的钻井工具的定向)或受控装置的非零转速(在任一 方向)能够以受控的方式改变。电控泥浆流动控制阀组件用于计量通过PC马达的钻井流
6体的流动，这控制了转子的速度。在优选的实施例中，泥浆流动控制阀组件包括互补的渐缩 形滑动套，所述互补的渐缩形滑动套能够相互定位以计量通过PC马达且进入井孔环内的 钻井流体的流动。电子控制部分和控制马达用于控制钻井流体通过阀组件的流速且感测工 具(例如钻头)的定向和方向，因此便于使产生偏差的井孔返回到竖直，或便于定向井口返 回到希望的路径。
现在将参考附图描述本发明的实施例，其中附图标记指示类似的部分，且各图 为图1是通过合并根据本发明的第一实施例的转速控制设备的井底组件的纵截面 图。图2是图1的转速控制设备的泥浆流动控制阀组件的横截面细节，其中泥浆流动 控制阀处于关闭位置。图3是图1的转速控制设备的泥浆流动控制阀组件的横截面细节，其中泥浆流动 控制阀处于打开位置。图4是图1的井底组件的纵截面，图中示意性示出通过组件循环的钻井流体的流 动路径。
具体实施例方式附图示出根据本发明的优选实施例的转速控制系统50，所述转速控制系统50与 偏差组件100协同安装在传统圆柱形工具壳体10内。工具壳体10的上端12适合于连接 到钻柱(未示出)的下端，且是开放的以允许钻井泥浆从钻柱流动到工具壳体10中，如通 过图1中的箭头M概念性地指示。偏差组件100的下端110适合于连接到比如钻头(未示 出)的钻井工具。如在图1中所示，转速控制系统50包括已知类型的前进腔(PC)马达200 ；设置 在具有驱动轴孔244的驱动轴壳体242内的上驱动轴240 ；泥浆流动控制阀组件300以及 马达控制组件(或电子部分)400。在示出的实施例中，转速控制系统50所要求的电力由附 接到电子部分400的上端的电池组500提供。转速控制系统50在工具壳体10内的设置产 生围绕PC马达200、驱动轴壳体242、泥浆流动控制阀组件300、电子部分400和电池组500 的纵向连续内环20，使得钻井泥浆能够通过内环20向下泵送。根据众所周知的技术，PC马达200具有设置在细长的定子220的中心孔201内的 细长的转子210，其中转子210的上端连接到上驱动轴240，且转子210的下端连接到下驱 动轴230。转子210以径向偏心的方式支承在定子220内，且定子220在径向和轴向上支 承在工具壳体10内。转子210经由下驱动轴230连接到偏差组件100的上端120，允许偏 差组件100由转子210以旋转方式驱动。在示出的实施例中，PC马达200构造为使得转子 210将响应于钻井泥浆通过中心孔201向下流动而顺时针(从上方观察时)旋转。具有一个或多个入口 251 (尺寸和位置设定为适合于具体要求)的下部开口的马 达壳体250附接到定子220的下端且允许下驱动轴230通过，以与偏差组件100操作接合。 通过入口 251，定子220的中心孔201与工具壳体10的内环20流体连通，以便可使通过内
7环20的钻井泥浆流部分转向到中心孔201内且向上，因此使转子210逆时针(从上方观察 时)旋转。上驱动轴240将转子210在PC马达200内的偏心旋转变换为泥浆流动控制阀组 件300的偏心旋转。泥浆流动控制阀组件300包括下套筒310、上套筒320、至少一个一般 径向延伸通过工具壳体10的壁的出口套筒330、内阀壳体340和外阀壳体350，其中外阀壳 体350连接到驱动轴壳体242的上端或形成在所述上端内。上套筒320密封附接到内阀壳 体340，而下套筒310以非移动方式固定到外阀壳体350。上套筒320能借助于形成泥浆流 动控制阀组件300的部分且通过电子部分400控制的控制马达360相对于下套筒310轴向 移动。如根据图2和图3所最好地理解的，下套筒310和上套筒320具有互补构造，以使 上套筒320能在关闭位置和打开位置之间移动，在所述关闭位置中上套筒320的外表面322 的至少部分与下套筒310的内表面312的至少部分密封周界接触，所述打开位置在下套筒 310的内表面312和上套筒320的外表面322之间产生间隙370，又产生流动通道375，钻井 泥浆在驱动轴孔244内通过流动通道375向上流动，且通过出口套筒330离开。钻井泥浆 通过流动通道375的流速将由间隙370的宽度控制，所述间隙370的宽度又通过上套筒320 相对于下套筒310的位置控制。在优选的实施例中，上套筒320相对于下套筒310的位置 能增量调整，因此改变间隙370的宽度和钻井泥浆的流速。因此，此处对阀组件处于打开位 置的参考不应理解或解释为参考任何具体设定或与上套筒320相对于下套筒310的任何具 体位置相关。在优选的实施例中，下套筒310的内表面312和上套筒320的外表面322具有匹 配的渐缩形(tapered)表面的形式(具体在示出的实施例中为截头锥形表面)。然而，本领 域的普通技术人员会易于认识到下套筒310和上套筒320可设置为其他几何构造(包括但 不限制于非圆柱形和非渐缩形套筒)而不偏离本发明的范围和基本功能性。在具体适合于进行定向井孔钻井的实施例中，电子部分400包括计算机电子控制 组件420和设置在电子器件壳体410内的传感器组件430。计算机电子控制组件420包括 微处理器和相关存储器，用于接收和处理由传感器组件430获得的数据，如将在下文中所 描述的。传感器组件430包括一个或多个倾斜传感器和/或一个或多个方位角传感器(在 现有技术中已知此装置的合适类型)。当可能要求使偏差组件100的转速产生所希望的改 变以维持或修正定向井孔的路径时，电子部分400利用由传感器组件430收集的信息操作 控制马达360以调节或停止钻井流体通过PC马达200且因此通过驱动轴孔244和流动通 道375的流动。除了传感器组件430可以但不是必须的包括一个或多个倾斜传感器和/或一个或 多个方位角传感器之外，具体适合于竖直井孔钻井的替代实施例很大程度上类似于以上对 于定向井孔钻井所描述的实施例。系统另外以大体上类似的方式工作以使偏差组件100的 转速产生希望的改变，以维持井孔路径竖直或使路径竖直返回到竖直。参考前述描述且参考附图(具体参考图4，其中箭头M指示钻井泥浆流动)可以容 易理解本发明的设备的实际操作。在钻井操作期间，钻井泥浆通过钻管组件从地面泵送，且 通过工具壳体10的内环20向井下流动。当钻井泥浆到达PC马达200 (且如可参考图4特 别好地理解)时，钻井泥浆的一些将通过马达壳体250内的入口 251转向到定子220的中心孔201内(假定泥浆流动控制阀组件300内的流动通道375打开以允许泥浆离开中心孔 201)，其中钻井泥浆的未转向部分通过内环20继续向偏差组件100向井下流动且流入偏差 组件100内。更具体地，在偏差组件100处或下方产生的压降再引导钻井泥浆流，且致使将 由工具使用的大致至10%之间的钻井泥浆转向到PC马达200的中心孔201内且通过 中心孔201向上。向上通过PC马达200循环的钻井泥浆继续向上通过驱动轴孔244，经过 泥浆流动控制阀组件300的流动通道375，且通过出口套筒330离开进入到工具壳体10和 正被钻井的井孔WB之间的井孔环620内。PC马达200的转子210通过在中心孔201内向井上流动的钻井泥浆提供动力，由 于由例如钻头喷嘴和泥浆流动控制阀组件300的井下限制产生的压降，所述向上流动的钻 井泥浆以比井孔环内的钻井泥浆高的压力流动。在向井上方向上流动通过PC马达200的 钻井泥浆的效果是产生转子210的逆时针旋转(当从上方观察时)。在典型的井下马达应 用中，为钻井的目标的钻柱旋转是顺时针的。类似地，在使用根据本发明的设备的钻井操作 中，工具壳体10与钻柱在顺时针方向旋转，这与转子210的旋转相反。使转子210的逆时 针旋转传递到下驱动轴230和偏差组件100，致使被提供到偏差控制装置100的上端的相对 于钻柱的逆时针旋转。泥浆流动控制阀组件300位于PC马达200的井上方向，以使离开PC马达200的 钻井泥浆进入到泥浆流动控制阀组件300内。泥浆流动控制阀组件300通过控制马达360 响应于来自电子部分400的控制输入而致动，以根据要求控制钻井泥浆通过PC马达200的 流速以使转子210以操作上合适的速度旋转。由于转子210和电子器件壳体410经由上驱动轴240和泥浆流动控制阀组件300 连接，所以电子器件壳体410以与转子210相同的速度在PC马达200内旋转。因为工具壳 体10的顺时针旋转和电子器件壳体410的逆时针可旋转性，能使传感器组件430保持接近 几何静止，使得所述传感器组件430不以明显的速度旋转或被保持为处于相对于工具壳体 10的非零受控转速。维持传感器组件430接近几何静止或处于非零受控转速的能力通过泥 浆流动控制阀组件300的操作来控制。在工具壳体10与钻柱的剩余部分一起旋转时，上套 筒320响应于来自传感器组件430的输入而被调整，以计量向上通过PC马达200的钻井泥 浆的流动，因此控制转子210和电子器件壳体410相对于工具壳体10的转速，以保持传感 器组件430尽可能接近几何静止，或以希望的非零受控转速旋转。430的转速通过电子部分 400内的传感器测量，且电子器件壳体410相对于工具壳体10的转速通过控制转子210的 转速控制，直至传感器组件430处于几何静止或以希望的非零受控转速旋转。传感器组件430可以包括惯性级三轴加速度计，其为通常用于“钻井同时测 量”(或“MWD”)操作中的类型，且所述加速度计用于确定控制偏差组件100的方向、角度定 向和速度。在替代实施例中，传感器组件430可包括两个或三个单轴加速度计。传感器组 件430也可以包括如下传感器的任一个或多个中的一个或多个传感器惯性级方位角传感 器、转速传感器、温度传感器、压力传感器、伽马辐射传感器和本领域的普通技术人员所熟 悉的其他传感器。传感器组件430与电子部分400的其他部件协作有助于控制偏差组件100的定向 和/或转速，这通过感测并确定联接到偏差组件100的传感器组件430相对于陆地的位置 和转速进行。当流动控制阀组件300的上套筒320处于打开位置因此允许流体流动通过PC
9马达200时，电子部分400、上套筒320、内阀340、控制马达360和PC马达200的转子210 都相对于工具壳体10逆时针旋转。传感器组件430读取读数以确定传感器组件430相对 于瞬时井孔轴线的转速。将由传感器组件430感测到的转速传送到控制马达360，所述控制 马达360相应地调整上套筒320的轴向位置以合适地改变PC马达200的速度(例如使钻 井工具静止且定向在希望的方向，或使工具以希望的非零受控转速旋转)。在一个实施例中，希望的转速为零或几何静止，且传感器组件430和电子组件400 内的加速度计和/或磁力计对控制马达360进行控制，以将传感器组件430 (传感器组件 430联接到偏差组件100)定向到相对于地球引力场和/或地磁场的希望定向。传感器组 件430定期感测工具相对于地球的定向，以保证工具指向希望的方向和/或以希望的转速 旋转且修正任何偏差。当传感器组件430感测到需要进行调整时，通过移动上套筒320改 变PC马达200的转子210的转速，因此合适地控制PC马达200的转子210和电子器件壳 体410的相对转速，以实现工具的希望定向。一旦工具如希望的那样定位，则控制PC马达 200的转子210的转速以使电子部分400和传感器组件430维持几何静止。虽然在此已示出且描述了优选实施例，但本领域的普通技术人员能够作出其变型 而不偏离本发明的范围和教导，包括可使用随后构思或开发的等价结构或材料的变型。描 述且示出的实施例仅是示例性的而非限制性的。特别地应理解的是权利要求所述的元件或 特征的变型的替代而无本发明的工作中的任何基本的作为结果的改变将不偏离本发明的 范围。还应充分认识到的是在此描述且论述的实施例的不同的教导可分开使用或以任何合 适的组合使用以产生希望的结果。具体应注意的是，附图描绘了在转速控制系统50内构造的正常顺时针旋转的PC 马达200，以使向偏差组件100的旋转输出是逆时针的，其中泥浆流动控制阀组件300定位 在驱动轴240和PC马达200上方。然而，本领域的普通技术人员根据本发明的教导中会认 识到转速控制系统50的多种部件能容易地适合于且布置在替代构造中，以提供不同的操 作特征(例如泥浆向下流动通过PC马达200，以产生转子210的顺时针旋转)，而不偏离本 发明的原理和范围。本领域的普通技术人员也会认识到，本发明的设备的替代实施例可合并已知类型 的合适地适合的阀，作为附图中示出类型的双套筒泥浆流动控制阀组件的替代。为提供具 体的非限制性示例，已知类型的球阀、间阀、球心阀、塞阀、针阀、隔膜阀和/或蝶阀可适合 于作为双套筒阀组件的替代来使用，而不偏离本发明的范围。在本专利文献中，词语“包括”在非限制性含义中使用，以意味着其后的项可被包 括，但不排除未特别提及的项。对于元件的参考中不定冠词“一”不排除存在超过一个元 件的可能性，除非上下文明确要求存在一个且仅一个此元件。任何形式的术语“连接”、“接 合”、“联接”、“附接”或任何其他描述元件之间相互作用的术语的任何使用不意味着将相互 作用限制为元件之间的直接相互作用，且也可以包括所述元件之间的间接相互作用。
权利要求
1.一种钻井设备，包括(a)前进腔马达，所述前进腔马达能以旋转方式连接到受控装置；(b)流动控制阀组件，所述流动控制阀组件以旋转方式联接到所述前进腔马达，且适合 于计量钻井流体通过所述前进腔马达的流动；(c)控制马达，所述控制马达适合于控制所述流动控制阀组件；和(d)电子部分，所述电子部分适合于控制所述控制马达。
2.根据权利要求1所述的钻井设备，其中所述前进腔马达借助于驱动轴联接到所述流 动控制阀组件。
3.根据权利要求1所述的钻井设备，其中所述流动控制阀组件包括上套筒和下套筒， 所述上套筒和下套筒能以滑动方式接合，其中所述上套筒和下套筒的相对位置能在打开位 置和关闭位置之间调整，在所述打开位置中，离开所述前进腔马达的流体能在所述上套筒 和下套筒之间流动，而所述关闭位置防止流体在所述上套筒和下套筒之间流动。
4.根据权利要求3所述的钻井设备，其中所述上套筒和下套筒具有互补的渐缩形构造。
5.根据权利要求4所述的钻井设备，其中所述上套筒和下套筒具有截头锥形构造。
6.根据权利要求1所述的钻井设备，其中所述流动控制阀组件包括从包含如下内容的 组中选择的阀球阀、间阀、球心阀、塞阀、针阀、隔膜阀和蝶阀。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的钻井设备，进一步包括一个或多个出口，进入 所述流动控制阀组件的流体能通过所述一个或多个出口离开所述流动控制阀组件。
8.根据权利要求7所述的钻井设备，进一步包括细长的圆柱形工具壳体，所述工具壳 体包围所述前进腔马达、所述流动控制阀组件、所述控制马达和所述电子部分，且其中所述 一个或多个出口中的至少一个出口从所述流动控制阀组件延伸通过所述工具壳体的壁。
9.根据权利要求1至6中的任一项所述的钻井设备，其中所述电子部分包括从包含如 下内容的组中选择的一个或多个传感器加速度计、倾斜传感器、方位角传感器、转速传感 器和压力传感器。
10.一种用于控制钻井工具的转速的设备，所述设备包括(a)细长的圆柱形工具壳体；(b)前进腔马达，所述前进腔马达包括前进腔马达壳体、限定中心孔的定子和设置在所 述定子内的转子，所述转子具有上端和下端；(c)驱动轴，所述驱动轴具有上端和下端，所述驱动轴的所述下端以能操作的方式连接 到所述转子的上端，所述驱动轴设置在限定驱动轴孔的驱动轴壳体内；(d)流动控制阀组件，所述流动控制阀组件具有上端和下端，所述流动控制阀组件的所 述下端以能操作的方式连接到所述驱动轴的上端；(e)控制马达，所述控制马达适合于致动所述流动控制阀组件；和(f)电子部分，所述电子部分包括电子控制部分和传感器组件，所述电子部分以能操作 的方式连接到所述流动控制阀组件；其中(g)所述前进腔马达、驱动轴、流动控制阀组件、控制马达和电子部分设置在所述工具 壳体内，在所述组件和所述工具壳体壁之间形成工具壳体环；(h)一个或多个入口设置在所述PC马达壳体的下部区域内，以使所述定子的中心孔与所述工具壳体环流体连通；(i)所述流动控制阀组件包括延伸通过所述工具壳体的壁的一个或多个出口 ；以及(j)所述流动控制阀组件能在打开位置和关闭位置之间操作，在所述打开位置中，所述 一个或多个出口与所述定子的中心孔经由所述驱动轴孔流体连通，在所述关闭位置中，防 止流体从所述定子的中心孔向所述出口流动。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述流动控制阀组件包括上套筒和下套筒，所 述上套筒和下套筒能以滑动方式接合，以便当所述流动控制阀组件处于打开位置时，离开 所述前进腔马达的流体能在所述上套筒和下套筒之间流动。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述上套筒和下套筒具有互补的渐缩形构造。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述上套筒和下套筒具有截头锥形构造。
14.根据权利要求10至13中的任一项所述的钻井设备，其中所述电子部分包括从包含 如下内容的组中选择的一个或多个传感装置加速度计、倾斜传感器、方位角传感器、转速 传感器和压力传感器。
15.一种钻井方法，包括如下步骤(a)操作前进腔马达，所述前进腔马达具有以旋转方式联接到受控装置的转子；(b)利用流动控制阀计量钻井流体通过所述前进腔马达的流动，以控制所述前进腔马 达的所述转子的转速，所述流动控制阀通过联接到所述流动控制阀的控制马达致动；和(c)使用马达控制系统控制所述控制马达。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述马达控制系统包括传感器组件，且响应于 来自所述传感器组件的控制输入而致动所述控制马达。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述传感器组件包括从包含如下内容的组中选 择的一个或多个传感装置加速度计、倾斜传感器、方位角传感器、转速传感器和压力传感器。
18.根据权利要求15至17中的任一项所述的方法，其中所述流动控制阀包括上套筒和 下套筒，所述上套筒和下套筒能以滑动方式接合，其中所述上套筒和下套筒的相对位置能 在打开位置和关闭位置之间调整，在所述打开位置中，离开所述前进腔马达的流体能在所 述上套筒和下套筒之间流动，而所述关闭位置防止流体在所述上套筒和下套筒之间流动。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述上套筒和下套筒具有互补的渐缩形构造。
20.根据权利要求19所述的钻井设备，其中所述上套筒和下套筒具有截头锥形构造。
21.根据权利要求15至17中的任一项所述的方法，其中所述流动控制阀包括从包含如 下内容的组中选择的阀球阀、间阀、球心阀、塞阀、针阀、隔膜阀和蝶阀。
全文摘要
一种适合于联接到钻柱的下端的井下转速控制设备，包括前进腔(PC)马达、驱动轴、泥浆流动控制阀和电子部分。使向下流动通过钻柱的钻井泥浆部分转向以向上流动通过PC马达且流出到井孔环内，其中通过泥浆流动控制阀控制泥浆流速且还控制PC马达的速度。控制阀通过控制马达响应于来自电子部分内的传感器组件的输入而致动。PC马达以具体的零转速或非零转速驱动所述驱动轴和受控井下设备。通过改变PC马达相对于钻柱转速的转速，工具面定向或受控装置在任一方向上的非零转速能够以受控方式改变。
文档编号E21B44/02GK102007269SQ200980113617
公开日2011年4月6日 申请日期2009年4月17日 优先权日2008年4月18日
发明者乔纳森·瑞安·普里尔, 尼古拉斯·瑞安·马昌德, 拉尔夫·威廉·格拉梅·约翰斯 申请人:德莱科能量服务有限公司