偏移量随机控制的制作方法

专利名称：偏移量随机控制的制作方法
技术领域：
本发明基本上涉及一种用于控制钻孔系统的方法和系统，该钻孔系统用于在地层中钻出钻孔。更具体地，而非限制性地，在本发明的一个实施例中，提供了一种系统和方法， 用于控制用于钻出钻孔的钻孔系统与被钻孔系统钻出的钻孔的内表面之间的相互作用，从而用于钻孔系统的导向，使其定向地穿过地层钻出钻孔。在本发明的某些方面，钻孔系统可被控制，从而使得钻孔达到预定目标。在本发明的另一个实施例中，当钻孔系统钻出钻孔时与钻孔系统的功能相关的数据可以被检测到，并且用于钻出钻孔的钻孔系统与钻孔的内表面之间的相互作用可以响应检测到的数据被控制，从而提供用于控制钻孔系统的操作。在某些方面，钻孔系统与内表面之间的相互作用可以被控制，从而用于控制钻头与地层的相互作用。
背景技术：
在许多产业，通常期望定向地穿过地层钻出钻孔或者在地下地层中钻取岩芯，从而使得钻孔和/或取芯可以绕过和/或通过地层中的沉积物和/或贮藏物，以达到地层中的预定目标和/或类似物。当在地下地层中钻孔或取芯时，有时期望能够改变以及控制钻孔的方向，例如使钻孔指向期望的目标，或者一旦达到目标则在包含碳氢化合物的区域内部水平地控制方向。还期望到是当钻出直的钻孔时对与期望方向的偏离进行校正，或者控制钻孔方向以避免障碍物。在碳氢化合物产业中，钻孔可被钻出，从而在特定位置截取到特定的地下地层。在一些钻孔工艺中，为了钻出期望的钻孔，穿过地层的钻孔轨迹可被预先设计并且钻孔系统可被控制以与轨迹相符合。在其它工艺中、或者与先前工艺相结合，用于钻孔的目标可被确定下来并且在地层中钻出钻孔的工作可以在钻孔过程期间被监测并且可采取步骤来确保钻孔达到预定目标。此外，钻孔系统的操作可被控制，以提供用于经济的钻孔，其可包括尽可能快速地钻穿地层的钻孔、减小钻头磨损的钻孔、获得穿过地层最优钻孔和最优钻头磨损的钻孔、和/或类似的钻孔。钻孔的一个方面被称为“定向钻孔”。定向钻孔是有意地使钻孔/井孔偏离它自然地采用的路径。换句话说，定向钻孔是使钻柱能够导向，从而使它能在期望方向上行进。定向钻孔在离岸钻孔中是有利的，原因是它使得许多钻孔能够通过单个平台钻出。定向钻孔还能够进行穿过贮藏物的水平钻孔。水平钻孔使得井孔的更长长度横穿贮藏物，这会增加钻井的生产率。定向钻孔系统还能够用于在垂直钻孔操作中。通常钻头会偏离预定钻孔轨迹，原因是被刺穿的地层具有不可预知的特性或者钻头经受着变化的作用力。当这种偏离发生时，定向钻孔系统可用来使钻头在规定的过程中返回。用于钻孔定向钻进的监测步骤可包括确定出钻头在地层中的位置、确定出钻头在地层中的方向、确定出钻孔系统的钻压、确定出穿过地层的钻进速度、确定出被钻进的地层的特性、确定出围绕着钻头的地下地层的特性、期望查明钻头前方地层的特性、地层的地震分析、确定出靠近钻头的贮藏物等的特性、测量钻孔中和/或钻孔周围的压力、温度和/或类似数值、和/或类似情况。在用于钻孔定向钻进的任意步骤中，无论是否沿循着预先设计的轨迹，监测钻孔工作和/或钻孔情况和/或类似情形都必须能够给钻孔系统导向。在钻孔操作期间作用在钻头上的作用力包括重力、钻头产生的转矩、施加到钻头的末端载荷、以及来自于钻孔组件的弯曲力矩。这些与被钻进地层的类型以及地层与钻孔的斜度相关的作用力在钻孔过程期间可形成复杂的、交互的作用力系统。钻孔系统可包括“旋转钻进”系统，其中包括钻头的井底钻具连接到钻柱，该钻柱可以由钻井平台而驱动/旋转。在旋转钻进系统中，钻孔的定向钻孔可通过改变例如钻压、 旋转速度等因素而提供。对于旋转钻孔，已知的定向钻孔方法包括使用旋转导向系统(“RSS”)。在RSS中， 钻柱从表面开始旋转，并且井下装置导致钻头在期望方向上钻进。旋转钻柱极大地降低了钻柱在钻进期间搁置或卡住的发生。用于在地层中钻出偏离钻孔的旋转导向钻孔系统可通常被分成“摆动钻头”系统或者“推靠钻头”系统。在摆动钻头系统中，钻头的旋转轴线与井底钻具(“BHA”)在新的钻孔通常方向上的局部轴线相偏离。钻孔根据由上下稳定器接触点及钻头限定的常规的三点几何形状而推进。与钻头和下稳定器之间有限距离相联系的钻头轴线偏离角度导致了对于产生弧线所需要的非共线情况。这可以通过多种方式实现，包括在井底钻具靠近下稳定器的位置的固定弯曲或者钻头驱动轴在上下稳定器之间分布的挠曲。摆动钻头可包括使用井底马达来使钻头旋转，马达和钻头被固定到钻柱上，该钻柱包括成一定角度的弯曲。在这种系统中，钻头可通过铰链型或者倾斜机构/接头、弯接头或者类似物而连接到马达，其中钻头可相对于马达倾斜。当钻孔方向需要改变时，钻柱的旋转可以停止并且钻头可使用井底马达而被定位在钻孔中需要的方向上，并且钻头的旋转可开始在期望方向上的钻进。在这种设置中，钻孔方向依赖于钻柱的角度位置。理想地，在摆动钻头系统中，钻头不需要斜向地切削，原因是钻头轴线在弯曲的钻孔方向上连续地旋转。摆动式旋转导向系统的示例以及它们如何操作在美国专利申请公开号 No. 2002/0011359 ；2001/0052428 中以及美国专利 No. 6，394，193 ；6，364，034 ； 6，244，361 ；6, 158，529 ；6，092，610 ；以及5，113，953中进行了描述，所述内容全部通过参考而被结合在此。推靠钻头系统以及使用与钻孔壁相抵抗的作用力来使钻柱弯曲和/或使钻头在预定方向上钻进。在推靠钻头旋转导向系统中，必要的非共线条件是通过使机构施加作用力或者在相对于钻孔推进方向而优先定向的方向上产生位移而获得。这可以通过多种方式实现，包括非旋转(相对于钻孔)、基于在期望导向方向上向钻头施加作用力的方法以及偏心致动器的位移。此外，导向通过在钻头与至少两个其它接触点之间形成非共线而获得。理想地，钻头需要侧向地切削，从而产生弯曲的孔。推靠钻头型旋转导向系统以及它们如何操作在美国专利 No. 5，265，682 ；5，553，678 ；5，803，185 ；6，089，332 ；5，695，015 ；5，685，379 ； 5，706，905 ；5，553，679 ；5，673，763 ；5，520，255 ；5，603，385 ；5，582，259 ；5，778，992 ； 5，971，085中进行了描述，所述内容全部通过参考而被结合在此。RSS的已知形式设置有“逆向旋转”机构，其在钻柱旋转的相反方向上旋转。通常地，逆向旋转的速度与钻柱旋转速度相同，从而使得逆向旋转部分相对于钻孔内部保持相同的角度位置。由于逆向旋转部分相对于钻孔不旋转，因此通常被本领域技术人员称为“对地静止”。在本公开中，术语“逆向旋转”与“对地静止”之间不做区别。推靠钻头系统通常使用内部或者外部逆向旋转稳定器。逆向旋转稳定器相对于钻孔壁保持固定角度(或者对地静止)。当钻孔偏离时，致动器在与期望偏离相反的方向上靠着钻孔壁挤压衬垫。这导致了钻头被推靠到期望方向。由致动器/衬垫所产生的作用力通过使井底钻具弯曲的作用力而平衡，以及所述作用力通过致动器/衬垫作用在井底钻具的相反侧面上，并且反作用力施加到钻头的切削器，由此使钻孔导向。在某些情况下，来自于衬垫/致动器的作用力足够大，以使得系统作用的地层变化。例如，斯伦贝谢旋转导向系统使用围绕着一段井底钻具设置的三个衬垫，从而与井底钻具同步地使用，从而在某个方向上推靠钻头以及使被钻进的钻孔导向。在该系统中， 衬垫被安装成靠近钻头后方，在1-4英尺的范围内，并且被来自于循环流体的泥浆流所供给动力/致动。在其它系统中，由钻孔系统或楔形物或类似物所提供的钻压可被用于使钻孔系统在钻孔中定向。尽管用于靠着钻孔壁施加作用力以及利用反作用力在钻头的特定方向或位移上推靠钻头从而在期望方向上钻进的系统和方法可与包括旋转钻孔系统的钻孔系统共同使用，但是所述系统和方法具有缺点。例如，这种系统和方法需要在钻孔壁上施加大的作用力，从而使钻柱弯曲和/或使钻头在钻孔内定向；这种作用力可以是5kN或更大的量级， 这需要形成大型/复杂的井下马达或者类似物。此外，由于井底钻具旋转产生反作用力来推靠钻头，因此许多系统和方法会反复地使用衬垫/致动器向外的推进力来进入到钻孔壁中，这会需要复杂/昂贵/高维护的同步系统，复杂的控制系统和/或类似系统。

发明内容
本公开基本上涉及一种用于控制钻孔系统的系统方法和，该钻孔系统被设置成用于穿过地下地层而钻出或者挖出钻孔。更具体地，而非限制性地，本发明的实施例提供用于通过钻孔噪音(即钻孔过程期间钻孔系统在钻孔内的不稳定运动)以及由于钻孔系统的不稳定运动所导致的钻孔系统与钻孔内表面之间的相互作用，来控制钻孔系统和/或钻孔过程。同时，本发明的实施例提供用于控制钻孔过程期间钻孔系统与钻孔内表面之间反复的相互作用，以及通过对钻孔系统与内表面之间的反复相互作用的控制来控制钻孔系统的操作/功能。在一些实施例中，钻孔系统的一个或多个区段与钻孔内表面之间的反复的相互作用可以被控制，以给钻孔系统导向，从而定向地钻出钻孔。在其它实施例中，钻孔系统的一个或多个区段与钻孔内表面之间的反复的相互作用可被控制，以控制钻孔系统的操作，例如控制钻孔过程期间钻头的操作。同时，在本发明的一个实施例中，提供了一种用于给钻孔系统导向的方法，所述钻孔系统被设置成在地层中钻出钻孔，该方法包括控制一段钻孔系统与所述钻孔内表面之间的动态相互作用；以及利用一段钻孔系统与所述钻孔内表面之间的受控制的动态相互作用来控制钻孔系统。
在某些方面，控制钻孔系统的区段与所述钻孔内表面之间的动态相互作用的步骤包括将钻孔系统的区段与内部壁之间的动态相互作用设置成非均勻的。此外，控制钻孔系统的区段与所述钻孔内表面之间的动态相互作用的步骤包括将钻孔系统的区段与内部壁之间的动态相互作用设置成围绕着钻孔系统的区段圆周地变化。在旋转的钻孔系统中，设置用于控制动态相互作用的钻孔系统的区段可在钻孔系统的操作期间在钻孔内保持成对地静止。在某些实施例中，动态的相互作用可被控制，从而用于给钻孔系统导向。在其它实施例中，动态的相互作用可被控制，从而用于控制钻头。在本发明的某些实施例中，控制钻孔系统至少一个区段与所述钻孔的内表面之间的动态相互作用可包括使接触元件与钻孔系统相连接以及通过接触元件来控制动态的相互作用。在旋转钻孔系统中，接触元件可在钻孔系统的操作期间保持成在钻孔内对地静止。在本发明的某些方面，接触元件被设置成与内表面产生非均勻的动态相互作用。在这个方面，接触元件可以被不对称地成型，可被设置成具有不均勻的顺应性 (compliance)，可包括与井底钻具偏心连接的圆筒，可包括具有非均勻重量分布的元件和/ 或类似物。在某些实施例中，接触元件可包括可延伸元件，该元件可以从钻孔系统向着内表面向外延伸和/或延伸到与内表面相接触。可延伸元件可被用于向内表面施加作用力，从而控制动态的相互作用。施加到内表面的作用力可小于lkN。在某些方面，接触元件可与钻孔系统相连接，从而使得接触元件被设置在钻头的切削廓形之内。在其它方面，接触元件可以与钻孔系统相连接，从而使得接触元件的至少一部分被设置在钻头切削廓形之外。在本发明的某些实施例中，驱动器可被用于改变/控制钻孔系统在钻孔过程期间的动态运动。在本发明的某些实施例中，处理器可被用于管理用于控制钻孔系统与内表面之间动态相互作用的系统。管理用于控制钻孔系统与内表面之间动态相互作用的系统可包括将该系统定位在钻孔系统上和/或将该系统移动到钻孔系统上。在某些方面，管理处理器可以从传感器接收到与钻孔过程、钻孔系统和/或钻孔系统部件的操作、钻孔系统和/或钻孔系统部件的位置、地层中钻孔的目标的位置、钻孔的情况、地层和/或在被钻孔过程中的地层部分的特性、钻孔系统和/或钻孔系统不同区段的动态运动的特性、和/或类似情况相关的数据。在本发明的某些实施例中，钻孔系统与被钻出的钻孔内表面之间的动态相互作用的控制可以通过改变被钻出的钻孔的内壁轮廓而提供。在某些方面，装置(例如非对称钻头、辅助钻头、从钻孔系统延伸到内壁的可延伸元件、电力脉冲钻头、喷射装置和/或类似物)可被控制，从而使得内壁具有非均勻轮廓，以控制钻孔系统与内壁之间的动态相互作用。在本发明的实施例中，用于控制钻孔系统与被钻出的钻孔内表面之间动态相互作用的系统或方法可被实时控制从而用于钻孔系统的实时控制。该动态相互作用控制器的设置可以通过理论方式、试验方式、动态相互作用的建模、根据先前钻孔过程的经验和/或类似情况而被确定下来。在某些方面，动态相互作用控制可包括设置成距离钻头小于10英尺的接触元件，可包括设置成在钻头钻孔廓形内部距离外表面小于几毫米的接触元件，可包括设置成具有至少部分地延伸到钻头钻孔廓形外部毫米级的外表面的接触元件。


在附图中，类似的部件和/或特征可具有相同的附图标记。此外，同一类型的各种部件可以通过使附图标记采用下划线以及在类似部件中有所区别的第二标记来加以区分。 如果说明书中仅仅使用第一附图标记，那么文字描述可适用于具有相同第一附图标记的类似部件中的任意一个，而与第二附图标记无关。根据下面参考附图给出的非限制性及解释性实施例的描述，本发明能够得到更好的理解，附图中图1是用于钻出钻孔的系统的示意性示图；图2A是根据本发明实施例的用于给钻出钻孔的钻孔系统导向的系统的示意性示图；图2B是根据本发明实施例的穿过顺应系统的横截面视图，该顺应系统使用在图 2A中的用于给钻出钻孔的钻孔系统导向的系统中；图3A-C是根据本发明实施例的用于给钻孔系统导向的凸轮控制系统的示意性图示；图4A-C是根据本发明实施例的用于给设置用于钻出钻孔的钻孔系统导向的主动保径衬垫系统的示意性图示；图5提供了根据本发明实施例的用于给钻孔系统导向从而定向地钻出钻孔的振动施加系统的示意性图示；图6A和6B显示了根据本发明实施例的用于选择性地使钻孔内表面特征化的系统，从而给钻孔组件导向以定向地钻出钻孔；图7A是根据本发明实施例的用于给钻孔系统导向从而定向地钻出钻孔的方法的流程图；图7B是根据本发明实施例的用于控制钻孔系统的方法的流程图，该钻孔系统在地层中钻出钻孔；图8是根据本发明实施例的用于给钻孔系统导向的系统的示意性图示，该钻孔系统用于钻出钻孔；图8A-8M显示了根据本发明实施例的钻孔控制系统的各个方面；图9A-9C是根据本发明实施例的用于给钻出钻孔的钻孔系统导向的系统的示意性示图；以及图10显示了根据本发明实施例的钻孔控制系统的各个方面。
具体实施例方式接下来的描述仅仅提供了示例性实施例，并且并非为了限制本公开的范围、适用性或者配置。相反地，示例性实施例的下述描述将会向本领域技术人员提供可行的描述，用于实现一个或多个示例性实施例。本公开中元件的功能和设置可以进行各种改变，而不会脱离附加权利要求中提出的本发明的精神和范围。具体细节在接下来的描述中给出，来提供实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员可以理解的是，实施例可以被实现而没有这些具体的细节。例如，系统、结构、以及其它部件可以被显示作为结构框图中的部件，从而不会使实施例在不必要的细节上模糊不清。在其它情况下，公知的工序、技术以及其它方法可以被显示而没有非必要的细节，从而避免使实施例模糊不清。此外，可以认识到，单个实施例可以描述成一种工序，其被表示成流程图、流程框图、结构框图、或方块图。尽管流程图可将操作描述成连续的工序，但是许多操作可以平行地或者同时地进行。此外，操作的顺序可以重新设置。此外，任意一个或多个操作可在某些实施例中没有发生。当操作完成时工序终止，但是可具有附图中没有包括的附加步骤。工序可对应方法、流程等。本公开基本上涉及一种方法和系统，用于控制在地层中钻出钻孔的钻孔系统。更具体地，而非限制性地，本发明的实施例使用迄今为止未被认识到以及未被研究的钻孔过程的噪音-钻孔过程期间钻孔系统在钻孔内的不稳定/瞬时运动以及由于钻孔系统不稳定 /瞬时运动所导致的钻孔系统与钻孔之间的相互作用-来控制钻孔系统和/或钻孔过程。本发明的实施例包含用于暂时地、以及与钻头旋转同步地防止或者禁止钻头的侧面切削头或侧面切削运动来切削钻孔的控制系统和方法。这种技术很好地适用于禁止或者调整优选静止方向或轨迹上的切削。通常地，给钻头导向是通过在一个希望钻进的方向上向钻头施加侧向作用力或者通过使钻头指向需要方向而实现。这些导向方法可以通过多种机构来实现，从靠着地层向外推动衬垫以及由此在相反方向上推动钻头，到在钻头上方在井底钻具内定向制造好的弯头。其它提出的方法包括使钻头上方的井底钻具装备非旋转偏心稳定器，其类似地在钻进时在选定方向上推动/指引钻头。有利地，本发明的实施例可以通过很小的附加动力需要或者不需要附加动力而获得钻头的有效导向。例如，当钻头钻进时，它要受到随机的作用力(例如在各个切削头本质上来自于瞬时反作用力的作用力)，这会导致钻头在钻孔中“卡嗒作响”、在钻孔中没有优选方向地不规则移动、或者导致钻头优选地沿着旋转钻头构架内固定的特定矢量移动(如防回转钻头中的情况)。这些随机的作用力本质上随着钻头旋转而发生，并且不需要将这种作用力施加到钻头上。由此，不需要定向的施力机构来产生这种作用力。通常地，在钻头上存在随机作用力的情况下，或者在旋转的作用力矢量的情况下，钻头在地球坐标系内不会呈现出优选的定向倾向。根据本发明的实施例，这些作用在旋转钻头上的随机定向的作用力可以得到控制，从而给钻头轨迹导向或者得到控制。为此，本发明的实施例包含有一装置，借此钻头的侧面切削刃能够被暂时地、以及与旋转同步地防止或者避免切削到钻孔。通过避免在地球坐标系内固定的特定方向上禁止切削，受到上述随机作用力的钻头将会通常地趋向于在相反方向上钻进。这种对于切削的定向禁止能够通过多种装置实现，所述装置暂时地将侧面切削刃保持成远离钻孔、或者可以减小侧面切削头在钻孔特定侧面上的切削动作。一个示例包括衬垫或相互作用元件，其保持在钻头侧刃的一个侧面上，相对于地面固定，从而不会与钻头共同旋转，其可以是足够厚以禁止侧面切削，无论何时作用在钻头上的随机作用力导致钻头向着衬垫或者相互作用元件移动。这种配置可以以多种方式扩展。通常地，这种配置禁止或者防止钻头在特定方向上的侧面切削动作。通过这种装置，特定方向上的导向能够通过使装置定向而实现，从而使得装置禁止在地球坐标系内大致固定的方向上进行切削。如此定向之后，钻头能够逐渐地钻进到相
10反方向或者向着相反方向钻进。切削禁止装置的固定(对地静止)定向能够通过多种方式实现，例如通过井底对地静止机构、或者使切削禁止装置从表面定向的装置。用于禁止在钻头一个侧面上切削的装置能够在钻头上、在钻头侧刃上、或者刚好在钻头上方进行设置。在很多情况下，禁止装置或相互作用元件被设置在钻头大约一米之内。相互作用元件可包括衬垫、或者具有禁止在有限方位角范围内切削的期望轮廓的完全环，或者它可以包括在钻头旋转期间暂时地压制侧向切削的装置。在本发明的一个实施例中，提供一种系统和方法，用于控制钻出钻孔的钻孔系统与被钻进的钻孔内表面之间由于钻孔系统在钻孔过程期间不稳定/瞬时运动所导致的相互作用，允许给钻孔系统导向从而定向地穿过地层钻出钻孔。在本发明的某些方面，钻孔系统可被控制从而使得钻孔达到对象目标或者钻穿对象目标。在本发明的另一个实施例中， 有关钻孔系统功能的数据可被检测到，并且用于钻出钻孔的钻孔系统与被钻进的钻孔的内表面之间的相互作用可以根据检测到的数据被控制，从而当钻孔被钻进时控制钻孔系统， 即，钻头与地层之间的相互作用等。图1是用于钻出钻孔的系统的示意性示图。如图所示，钻柱10可包括连接器系统 12和井底钻具17，并且可设置在钻孔27内。井底钻具17可包括钻头20以及各种其它部件(未示出)，例如钻头短接、井下马达、稳定器、钻铤、重型钻管、震击装置(震击器)、用于各种螺纹形式的转接接头和/或类似部件。井底钻具17可向钻头20提供作用力，用于破碎岩石-该作用力可以通过钻压等来提供-并且井底钻具17可被设置成在高温、高压和/ 或腐蚀性化学物的对机械不利的环境下存在。井底钻具17可包括井下马达、定向钻孔及测量设备、随钻测量工具、随钻测井工具和/或其它专用装置。钻铤可包括钻柱的可用于提供用于钻孔的钻压的部件。同样地，钻铤可包括厚壁重型管状部件，其具有中空中心，以提供钻孔流体穿过钻铤的通路。钻铤的外径可以被制成圆形，从而穿过被钻出的钻孔27，并且在某些情况下可以被机加工而具有螺旋凹槽(螺纹环)。钻铤可包括螺纹连接器、一端是阳螺纹以及另一端是阴螺纹，从而使得多个钻铤可以与其它井底工具螺纹连接在一起，从而形成井底钻具17。重力作用在大质量钻铤上，从而提供了钻头20所需要的大的向下作用力，用来有效地破碎岩石以及钻穿地层。为了精确地控制施加到钻头20的作用力，钻井工人会认真地监测当钻头20刚好脱离钻孔27的底表面41时所测得的地面重量。接下来，钻柱(和钻头)会缓慢且小心地下降，直到它接触到底表面41。在这之后，随着钻井工人继续降低钻柱顶部，越来越多的重量施加到钻头20，并且在悬吊时相应更少重量在地面上被测得。如果地面测量显示出比当钻头20离开底表面41时小的20000磅[9080kg]的重量，那么应当有 20000磅力作用在钻头20上(在垂直的孔中)。井底传感器可被用于更精确地测量钻压并且将数据传送到地面。钻头20可包括一个或多个切削头23。在操作中，钻头20可被用于粉碎和/或切削底表面41的岩石，从而穿过地层30而钻出钻孔27。钻头20可被设置在连接器系统12 的底部上并且当钻头20变钝或者不能前进穿过地层30时钻头20可被更换。钻头20和切削头23可被设置成不同模式，从而提供用于与地层不同的相互作用以及生成不同切削模式。传统的钻头20通过钻出稍稍大于钻头20最大外径的孔而操作，钻孔27的直径/保径由于钻头20的切削头的到达以及切削头与被钻进岩石的相互作用而产生。钻孔27被钻头20的钻进是通过旋转钻头20的切削动作以及钻头上由于钻柱质量而产生的重量的组合而实现。通常地，钻孔系统可包括保径衬垫，其可以向外延伸到钻孔27的保径。保径衬垫可包括设置在井底钻具17上的衬垫或者钻头20中部分切削头的端部上的衬垫和/或类似物。保径衬垫可被用于使钻头20在钻孔27中稳定。连接器系统12可包括管道-例如钻管、套管或类似物-连续油管和/或类似物。 连接器系统12的管道、连续油管或类似物可被用于使地面管汇33与井底钻具17和钻头20 连接。管道、连续油管或类似物可用于将钻孔流体泵送到钻头20并且使井底钻具17和/ 或钻头20升高、降低和/或旋转。在一些系统中，地面管汇33可包括顶驱动、旋转台或类似物(未示出)，其可以将旋转运动经由管道、连续油管或类似物传递到钻头20。在某些系统中，顶驱动可由一个或多个马达(电力、液压和/或类似方式)所组成，所述马达可以通过适当齿轮而连接到管道中被称为钻轴(quill)的较短区段。钻轴可相应地螺旋连接到保护接头或者钻柱本身中。顶驱动可悬挂在吊钩上，从而使得它在井架上下地自由行进。管道、连续油管或类似物可以连接到顶驱动、旋转台或者类似物，从而将旋转运动向钻孔27下部传递到钻头20。在一些钻孔系统中，钻孔马达(未示出)可设置在钻孔27下面。钻孔马达可包括电力马达、液压马达和/或类似马达。液压马达可通过钻孔流体或者泵入到钻孔27中和/ 或在钻柱下面循环的其它流体而被驱动。钻孔马达可用于使钻头20在底表面41上具有动力/旋转。钻孔马达的使用可通过旋转钻头20而不需要旋转连接器系统12而钻出钻孔 27，所述连接器系统12在钻孔过程期间可保持静止。钻头20在钻孔27中的旋转运动-无论是由旋转的钻管还是由钻孔马达所产生-都用于压碎和/或打碎底表面41的岩石，从而在地层30中钻出新的一段钻孔27。钻孔流体可穿过连接器系统12或类似物而被泵入到钻孔27下面，从而向钻头20提供能量以使钻头20或类似物旋转，用于钻出钻孔27、将切削物从底表面41上移除、和/或类似操作。在一些钻孔系统中，震击钻头以与建筑工地空气锤相同的方式垂直地敲击岩石。 在其它钻孔系统中，井底马达可用于操作钻头20或者相关的钻头或者向钻头20提供除了由顶驱动、旋转台、钻孔流体和/或类似物所提供的能量之外的能量。此外，流体射流、电力脉冲和/或类似物同样可被用于钻出钻孔27或者与钻头20共同地钻出钻孔27。在某些钻孔过程中，被称为弯接头的弯管(未示出)或者斜坡/铰链型机构可被设置在钻头20与钻孔马达之间。弯接头或类似物可被设置在钻孔中，从而使得钻头20以在特定方向、角度、轨迹和/或类似情况下钻出钻孔27的方式接触底表面41的外表。弯接头的位置可在钻孔中进行调节，而不需要将连接器系统12和/或井底钻具17从钻孔27移除。然而，具有弯接头或类似物的定向钻孔可能会复杂，原因是钻孔过程期间钻孔中的作用力使得弯接头难于操控和/或难于有效地使用来给钻孔系统导向。在钻孔操作期间，作用在钻头20上的作用力包括重力、由钻头20导致的转矩、施加到钻头20的端部载荷、来自于钻孔系统(包括连接器系统12)的弯矩和/或类似的力。 这些作用力与被钻进的地层类型以及钻头20相对于钻孔27的底表面41外表的倾斜度共同地形成了施加的作用力以及反作用力的复杂的相互作用系统。各种系统致力于定向钻孔，通过控制/施加这些大的作用力来使钻孔系统弯曲/成形/导引/推动、和/或使用这些大的作用力和/或由于向外推动到地层30中而产生的反作用力来使钻孔系统在钻孔中定向和/或相对于钻孔27底部定向和/或推靠钻头20，从而给钻孔系统导向来定向地钻出钻孔27。然而，使用钻孔过程的作用力(例如端部载荷)来给钻孔系统导向的系统可能是复杂的并且不能提供钻孔系统的精确导向。此外，通过使钻孔系统在钻孔内移动/定向和/ 或推动钻头20而给钻孔系统导向的系统会需要产生井底超过IkN的大的作用力和/或元件从钻柱开始延伸超过钻头切削范围相当一段距离-即远超过钻头的廓形，其中廓形可由钻头20的外部切削刃所限定-从而产生反作用力，用于移动/定向钻孔系统和/或推动钻头20。当钻孔系统旋转时为了在钻孔中推动或者移动钻孔系统，还需要通过致动器而靠着钻孔27的壁的推进力的同步施加。这种动力产生、超过钻头20切削廓形的大的延伸量和 /或推进力同步会需要大的和/或昂贵的马达、和/或复杂的同步系统的操作和控制，并且会使钻井机械和钻孔过程的成本复杂和/或增加。当使用传统钻孔系统进行直线钻孔而不需要应用横向作用力或类似力时，申请人已经确定钻头20主要在钻孔中“振动”，其中振动包括钻头20在除了钻孔方向之外的方向上的反复运动。术语振动/摆动在此被用于描述钻孔系统在钻孔过程期间的反复运动，该运动可以在钻孔中沿着除了钻孔方向之外的方向并且在性质上是随机的。钻孔系统的这些振动/摆动会由于切削头冲击及延伸钻孔表面的效果以及由于撞击钻孔27壁的保径衬垫或类似物而受到限制。在试验中发现，包括钻头而不包括保径衬垫的钻孔系统形成的钻孔直径明显地大于包括钻头和保径衬垫的相同钻孔系统。分析这些试验的结果可以确定，在钻孔系统的操作期间，井底钻具17反复地经受运动，该运动包括在钻孔过程期间远离井底钻具17和/或钻头20的中心轴线的运动，即在径向方向上向着钻孔27的内壁40的运动。各种钻孔操作的分析发现，保径衬垫限制了井底钻具17和/或钻头20的这种径向运动，从而形成了具有较小孔的钻孔。传统钻孔系统的保径衬垫被部署用于将钻孔系统的振动运动降到最低/消除，从而提供较小的/规则的孔。通过钻孔系统的试验和分析，申请人发现，当钻头20钻进地层30中时，切削头23 不会均勻地与地层相互作用，例如碎片会从地层30产生，并且由此会在井底钻具17和/或钻头20中产生不稳定的运动，该不稳定的运动是在除了井底钻具17和/或钻头20的纵向 /向前运动之外方向上的运动。此外，申请人分析了钻孔系统的操作并且发现除了在钻孔系统的操作期间不稳定的/瞬时的运动之外，通过连接器系统12和钻头20施加到钻孔27 的底部地层30上的作用力、钻头20的操作/旋转、钻头20与地层30在钻孔27底部的相互作用(其中钻头20可能滑动、停转、偏离钻孔轴线和/或类似的)、连接器系统12的旋转运动、顶驱动的操作、旋转台的操作、井底马达的操作、钻孔辅助的操作(例如流体射流或电力脉冲系统)、钻孔20的孔径(其可以是不规则的)和/或类似物可以产生井底钻具17 和/或钻头20中的运动，并且这个运动可以是反复的、随机的、瞬时的运动，其中至少一部分运动没有沿着井底钻具17和/或钻头20的轴线导向并且相反地从井底钻具17和/或钻头20的中心处的纵向轴线向外径向地导向。由此，在钻孔操作期间，井底钻具17的运动学可包括钻孔方向上的纵向运动37以及瞬时径向运动36A和36B，其中瞬时径向运动36A 和36B可包括井底钻具17从被钻进的钻孔27的中心轴线39和/或井底钻具17和/或钻头20的中心轴线远离的任意运动。
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通常地，已经确定出，井底钻具17在钻孔过程期间的径向运动在性质上是随机的、瞬时的。由此，井底钻具17在整个钻孔过程中会经受反复的、随机的径向/不稳定运动。 为此，井底钻具17在钻孔过程期间在钻孔27中的反复径向/不稳定运动可以被称为井底钻具17和/或钻柱的动态运动、径向运动、不稳定运动、径向动态运动、径向不稳定运动、动态或不稳定运动、反复的径向运动、反复的动态运动、反复的不稳定运动、振动、振动式运动和/或类似运动。井底钻具17在钻孔27钻进期间的动态和/或不稳定运动会在整个钻孔过程中导致/引起井底钻具17反复地与钻孔27的内表面接触和/或冲击内表面。钻孔27的内表面包括钻孔27的内壁40和底表面41，即地层30限定出钻孔27的整个表面。如前面所讨论，井底钻具17的动态和/或不稳定运动可以在性质上是随机的，并且由此在钻孔过程期间会导致/引起在井底钻具17与内表面之间随机的间歇的/反复的接触和/或冲击。在钻孔过程期间由于井底钻具17的动态和/或不稳定运动所导致的钻柱10与内表面之间的间歇的/反复的接触和/或冲击会在钻柱10的一个或多个区段/部件与内表面之间发生。例如，区段/部件可以是钻柱10靠近钻头20、井底钻具17的区段，井底钻具 17的部件(例如钻铤、保径衬垫、稳定器、马达外壳)，连接器系统12的区段和/或类似物。 为此，钻柱10与内表面之间由于井底钻具17的动态和/或不稳定运动所导致的相互作用可被称为动态的相互作用、不稳定的相互作用、径向运动相互作用、振动相互作用和/或类似的相互作用。图2A是根据本发明实施例的用于给钻出钻孔的钻孔系统导向的系统的示意性示图。在图2A中，用于钻出钻孔的钻孔系统可包括井底钻具17，其又包括钻头20。钻孔系统可用于钻出钻孔50，该钻孔50具有内壁53和钻孔表面M。在钻孔过程期间，钻头20可接触钻孔表面M并且在钻孔表面M破碎/移动岩石。在本发明的实施例中，环组件55可通过顺应元件57而与井底钻具17相连接。环组件 55可以是管、圆筒、框架或类似物。环组件55可具有外表面55A。在环组件55包括管、圆筒和/或类似物的某些方面，外表面55A可包括管/圆筒的外表面和/或与管/圆筒外表面相连接的任意衬垫、突起和/或类似物。环组件阳的外表面上可具有粗糙部分、涂层、突起，而用于环组件55的外表面与内壁53之间的增大的摩擦接触。环组件阳可包括衬垫，其被设置成与内壁53相接触。在某些方面，环组件55可包括保径衬垫系统。在环组件55包括一系列元件(例如衬垫或类似物)的方面，外表面55A可由环组件55的各个元件(衬垫)的外表面所限定。 在本发明的实施例中，环组件55可与井底钻具17 —起设置以使得外表面55A在钻孔过程期间由于井底钻具17的动态运动而与内壁53和/或钻孔表面M相接合、接触和/或类似的作用。外表面^A的设计/轮廓/顺应性和/或外表面55A相对于钻头20切削廓形的布置可用于控制外表面55A与内壁53和/或钻孔表面M之间的动态相互作用。顺应元件57可包括提供环组件55相对于钻头20横向移动的结构，其中横向移动是至少部分地向着井底钻具17的中心轴线61导向的运动。在某些方面，环组件55自身可被设置成横向地顺从，并且可被连接到井底钻具17和/或可以是井底钻具17的一部分，而不需要使用顺应元件57。在本发明的一个实施例中，顺应元件57并非圆周均勻地顺应。在这个实施例中，顺应元件57中设置在顺应元件57圆周周围的一个或多个区段相比顺应元件57的其它区段会更加横向地顺应。如前面所讨论，在钻孔过程期间，井底钻具17或者井底钻具17的一个或多个区段会经受与内壁53和/或钻孔表面M的动态相互作用。在本发明的实施例中，环组件55可被设置成使得井底钻具17的动态运动在钻孔过程期间产生环组件55与内壁53和/或钻孔表面讨之间的动态相互作用。在本发明的不同方面，环组件55与井底钻具17和/或钻头20之间不同的相对外部圆周可允许环组件55与内壁53和/或钻孔表面M之间不同的动态相互作用。建模、理论分析、试验和/或类似操作可被用于选择环组件阳与井底钻具 17和/或钻头20之间相对外部圆周中的差异以用于特定的钻孔过程，从而产生想要的/期望的动态相互作用。在本发明的横向顺应性在顺应元件57周围沿圆周改变的实施例中，环组件55与内壁53和/或钻孔表面M之间的动态相互作用可以是围绕着环组件55在圆周上不均勻的。仅仅通过示例，顺应元件57可包括降低顺应性区域59B和增加顺应性区域59A。在某些方面，相比顺应元件57中具有降低的横向顺应性的一段(即降低顺应性区域59B)上方的环组件55与内壁53和/或钻孔表面M之间动态相互作用，在顺应元件57中具有增加的横向顺应性的一段(即增加顺应性区域59A)上方的环组件55与内壁53和/或钻孔表面M之间动态相互作用会被减弱。在本发明的一些实施例中，环组件55可被设置成使得环组件55与井底钻具连接， 从而使得环组件阳被整体地设置在钻头20的切削廓形21之内，该切削廓形21包括钻头 20的边到边切削轮廓。在本发明的其它实施例中，环组件55、环组件55的一段、外表面55A 和/或外表面55A的一段可延伸到切削廓形21之外。仅仅通过示例，环组件55可与在井底钻具17相连接从而使得外表面55A在切削廓形21内部为1-10毫米的量级。在其它方面，以及再次仅仅通过示例，环组件阳可以与井底钻具17相连接，从而使得外表面55A的至少一部分在10毫米或更大的范围内延伸到切削廓形21之外。图2B是穿过根据本发明实施例的顺应系统的横截面视图，该顺应系统用在图2A 中的用于给钻出钻孔的钻孔系统导向的系统中。横截面在图2B中显示的顺应系统57包括增加顺应性区域59A和降低顺应性区域59B。在某些方面，顺应元件57中可以只有单个区域，该区域相对于顺应元件57的剩余和/或其它区域具有增加的或降低的顺应性。在其它方面，顺应元件57可包括任意顺应设置，其围绕着顺应元件57产生非均勻的顺应性。在图2B中，顺应元件57被显示成固体圆筒结构，然而，在本发明的不同方面，顺应元件可包括其它种类的结构，例如设置在井底钻具17周围以及设置成将环组件55连接到井底钻具17的多个顺应元件、能够将环组件55连接到井底钻具17并且提供环组件55横向移动的支承元件组件、和/或类似物。在本发明的其它方面，环组件阳自身可以是具有整体顺应性的结构，其中整体顺应性可被选择成围绕着环组件55不是均勻的并且环组件55可以与井底钻具17相连接或者可以是井底钻具17中没有顺应元件57的区段。在另外的方面，环组件55可包括多个顺应元件，例如衬垫或类似物，该多个顺应元件与井底钻具17相连接并且至少一个顺应元件的顺应性与其它顺应元件不同。在本发明的实施例中，增加顺应性区域59A可以设置在顺应元件57上，从而与降低顺应性区域59B径向相对。在这个实施例中，顺应元件57可防止环组件55在降低顺应性区域59B的位置上向内(如图2A中所示向上)移动，但是可允许环组件55在增加顺应性区域59A的位置上向内(如图2A中所示向下)移动。由此，钻头20随着在钻孔过程期间经受动态运动，因此会与内壁53和/或钻孔表面M相互作用，并且倾向于在增加顺应性区域59A的方向上和/或向着增加顺应性区域59A(如图2A中所示向上)移动、定向或者优选地破碎/移除岩石。在这个实施例中，由于在钻孔过程期间顺应元件57具有选定的非均勻顺应性，因此由于井底钻具17与钻头20的动态运动，顺应元件57可允许钻孔系统被导向以及可用于钻孔50的定向钻进。钻孔系统与钻孔27内表面的非均勻相互作用同时可用于控制钻头20与地层在钻孔过程期间的相互作用，以及由此控制钻头20的功能。在本发明的实施例中，环组件55或者顺应元件57的任何不均勻圆周顺应性都用于给钻孔系统导向/控制钻孔系统。环组件55和/或顺应元件57的不同顺应性的量和/ 或环组件55和/或顺应元件57的非均勻顺应性的轮廓可被选定用于钻头20的期望导向响应和/或控制。钻孔系统对于顺应性差异和/或圆周顺应性轮廓的导向响应和/或钻头响应可被理论地确定、建模、通过试验推导、通过前面的钻孔过程分析等。在本发明中被设置成与钻孔系统共同使用的实施例中，其中钻孔系统不包括使用旋转钻头或者钻孔系统的外壳(例如井底钻具的外壳)是不旋转的，那么环组件阳和/或顺应元件57可以与钻孔系统或者外壳相连接。在这个实施例中，钻孔系统可被设置在钻孔中并且增加顺应性区域59A被设置成相对钻头20具有特定定向，从而用于在增加顺应性区域59A的方向上钻出钻孔50。为了改变钻孔系统钻进的方向，增加顺应性区域59A的位置可以改变。在某些实施例中，定位装置65-可包括马达、液压致动器和/或类似物-可用于使环组件55和/或顺应元件57旋转/对齐，从而用于使钻孔系统在期望方向上钻出钻孔50。 定位装置65可与处理器70进行通信。处理器70可控制定位装置65，从而用于期望的定向钻孔。处理器70可通过手动干预、对于钻孔的端点目标、期望的钻进轨迹、期望的钻头响应、期望的钻头与地层的相互作用、地震数据、来自于传感器(未示出)的输入-其能够提供有关地层的数据、钻孔50内的环境、钻孔数据(例如钻压、钻进速度和/或类似物)、钻孔系统的振动数据、动态相互作用数据和/或类似物-与钻头在地层中的位置/定向相关的数据、与钻孔的轨迹/方向相关的数据、和/或类似数据而确定出环组件阳和/或顺应元件57在钻孔50中的位置。处理器70可连接有显示器(未示出)，从而显示出钻孔50的定向/方向/位置、 钻孔系统、钻头20、环组件55、顺应元件57、钻孔速度、钻孔轨迹和/或类似物。显示器可以远离钻孔位置并且通过连接器(例如因特网连接、网络连接、电话连接和/或类似方式)而提供数据，并且可用于钻孔过程的远程操作。来自于处理器70的数据可存储在存储器中和 /或发送到与钻孔过程相关的其它处理器和/或系统。在本发明的另一个实施例中，导向/钻头功能控制系统可被设置成与旋转式钻孔系统共同使用，其中钻头在钻孔过程期间旋转并且由此钻头20和/或井底钻具17可在钻孔50内旋转。在这个实施例中，环组件55和/或顺应元件57可被设置从而使得环组件55 和/或顺应元件57的运动与钻头20和/或井底钻具17的旋转运动不相关或者至少部分地不相关。由此，环组件55在钻井加工期间在钻孔50中被保持成对地静止。在某些方面，环组件55和/或顺应元件57可以是被动系统，其包括一个或多个设置在钻孔系统周围的圆筒。一个或多个圆筒在某些情况下可设置在钻孔系统的井底钻具17 周围。一个或多个圆筒可被设置成与钻孔系统不相关地旋转。在这些方面，一个或多个圆筒可被设置成使得一个或多个圆筒与地层之间的摩擦可以使一个或多个圆筒相对于旋转的钻孔系统固定、防止圆筒的旋转运动。在本发明的某些方面，当没有钻压以及由此没有钻孔钻进时，一个或多个圆筒可被锁定到井底钻具，以及随后当钻压施加以及钻孔开始时被定向以及与井底钻具解锁；一个或多个圆筒与内表面之间的摩擦保持了一个或多个圆筒的定向。在本发明的某些方面中，一个或多个圆筒可以通过轴承或类似物而与井底钻具17相连接。在本发明的某些实施例中，当处于非旋转钻孔系统中时，一个或多个圆筒的定位可以通过定位装置65来提供，该装置可以使一个或多个圆筒旋转，从而改变圆筒的起作用区域在钻孔50中的位置，继而改变钻头20的钻孔方向和/或功能。例如，顺应元件57可包括圆筒并且可围绕着井底钻具17旋转从而改变增加顺应性区域59A和/或降低顺应性区域59B的位置，以改变由于环组件55与内壁53之间动态的相互作用而导致的钻孔系统的钻进方向。作为选择，主动控制可被用于保持环组件阳和/或顺应元件57相对于井底钻具17在钻孔过程期间的期望定向/位置。此外，这类装置可用在马达组件中，用来替换弯接头。这在将组件通过油管而设置在孔中以及完成约束以及当以旋转模式直线钻进时能带来好处。图3A-C是根据本发明实施例的用于给钻孔系统导向的凸轮控制系统的示意性图示。图3A显示了根据本发明实施例的具有凸轮控制系统的定向钻孔系统。在图3A中，钻头系统穿过地层钻出钻孔50。钻孔系统包括设置在被钻进的钻孔50端部的井底钻具17。 井底钻具17包括与地层接触并且钻出钻孔50的钻头20。在本发明的实施例中，保径衬垫组件73可通过顺应联接器76而与井底钻具17相连接。保径衬垫组件73可包括钻铤、圆筒、钻头20的一个或多个切削头的非切削端部、和 /或类似物。图3B显示了根据本发明一个方面的保径衬垫组件73。如图所示，保径衬垫组件73包括圆筒74A，其具有设置在圆筒74A表面上的多个衬垫74B。在某些方面，多个衬垫 74B可具有顺应特性，然而在其它方面，多个衬垫74B可以是非顺应的并且可包括金属。在本发明的某些实施例中，保径衬垫组件73自身可以是顺应的并且顺应的保径衬垫组件可与井底钻具17的元件相连接而没有顺应联接器76。在本发明的一个实施例中，凸轮79可与井底钻具17相连接。凸轮79可以在井底钻具17上移动。在本发明的实施例中，凸轮79可包括偏心/非对称圆筒。凸轮79可以移动，从而与保径衬垫组件73相接触。保径衬垫组件73可被设置成在钻出钻孔50的加工期间接触内壁53和/或钻孔表面M。保径衬垫组件73可直接地与井底钻具17相连接，通过联接器或类似物连接到井底钻具17。联接器76可包括顺应/弹性材料，其允许保径衬垫组件73相对于井底钻具17移动。凸轮79可被控制器80所致动。控制器80可包括马达、液压系统和/或类似物， 并且可用于移动凸轮79和/或将凸轮79在钻孔过程期间保持成在钻孔50中对地静止。 在某些方面，凸轮79可包括圆筒，其具有外表面81以及外表面81中的缩进部82。在这些方面，在钻孔过程期间，控制器80会用于将凸轮79移动到起作用位置，其中外表面81可以靠近保径衬垫组件73或者与保径衬垫组件73相接触。在本发明的某些实施例中，可没有控制器80以及凸轮79可以例如在将井底钻具17设置到钻孔50中之前被设定到起作用位置。在本发明的一个实施例中，通过使保径衬垫组件73的特性围绕着保径衬垫组件 73是不均勻的，凸轮79可被用于控制保径衬垫组件73与内壁53和/或钻孔表面M之间的动态相互作用。在本发明的另一个实施例中，除了使用凸轮79来改变保径衬垫组件73 的特性、定位和/或类似之外，压电、液压和/或其它机械致动器可被用于使得保径衬垫组件73具有非均勻特性，并且非均勻特性可被用于控制保径衬垫组件73与内壁53和/或钻孔表面M之间的动态相互作用。在起作用位置、即其中凸轮79与保径衬垫组件73相接合，保径衬垫组件73在横向方向上(即向着井底钻具17和/或钻孔50的中心轴线)的运动可被凸轮79所抵抗。在起作用位置，缩进部82可以通过间隔部83而与保径衬垫组件73分开，其中间隔部83大于保径衬垫组件73与外表面81之间在系统周围其它位置上的间隔部。由此，相比保径衬垫组件73设置在外表面81上方的其它部分，保径衬垫组件73位于缩进部82上方的部分可具有更多的自由度/能力来横向地移动。因此，保径衬垫组件73与内壁53和/或钻孔表面M之间的相互作用在钻孔过程期间围绕着保径衬垫组件73将是不均勻的。在本发明的某些方面，凸轮79可被用于控制保径衬垫组件73的偏移，或者是产生保径衬垫组件73的偏移来给钻孔系统导向、或者是减小保径衬垫组件73的偏移以便直线钻孔。在用于控制钻头20操作的实施例中，凸轮79可被用于控制保径衬垫组件73的偏移， 或者是产生保径衬垫组件73的偏移来产生钻头20的某些行为或者是减小保径衬垫组件73 的偏移以便获得钻头20的不同行为。凸轮79可包括偏心圆筒。在操作中，凸轮79可与保径衬垫组件73相接合并且可使得至少一段保径衬垫组件73相对于钻头20是大于保径的。由此，大于保径的保径衬垫组件73可以与钻孔50的内表面以不均勻的方式相互作用。凸轮79可具有外径稳定改变的区段，从而使至少一段保径衬垫组件73的保径/直径在钻孔过程期间稳定地改变。在钻孔过程期间，井底钻具17可在钻孔50中经受动态的运动，导致了井底钻具17 与钻孔50内表面之间的动态相互作用。在本发明的一个实施例中，由于与保径衬垫组件73 在保径衬垫组件73中相对于缩进部82的相对侧面上的位置相比，保径衬垫组件73在缩进部82上方的更大顺应性，保径衬垫组件73与内壁53和/或钻孔表面M之间反复的动态相互作用将导致钻孔系统在钻孔方向85上钻进，其中钻孔方向85指向缩进部82的方向。 当接合时，凸轮79将会阻止保径衬垫组件73向内(如图所示向上)移动，但是允许保径衬垫组件73在相反方向(如图所示向下)移动。由此，钻头20将会相对于保径衬垫组件73 向上移动、振动并且由此用于通过钻孔系统在向上方向上、向着缩进部82钻进，从而形成钻孔50的向上指引区段。在本发明的实施例中，凸轮79可用于使保径衬垫组件73的轴线在对地静止平面内相对于钻头20轴线发生偏移。在某些方面，保径衬垫组件73通过凸轮79的偏移可被提供，同时保径衬垫组件73与钻头20和/或井底钻具17共同旋转。当使用钻孔系统来钻出钻孔的弯曲部分时，例如具有10度/100英尺斜度的弯曲部分，钻孔的实际侧钻将会是小的，例如在这种弯曲部分，对于150mm(6英寸)钻孔的前向钻进，钻孔的侧钻为0. 07mm。在本发明的实施例中，由于用于形成具有10度/100英尺斜度
18的弯曲部分的侧钻是小的，因此在钻孔过程期间与钻孔内表面形成受控制的、不均勻动态相互作用的系统可仅仅需要产生钻孔的小的偏斜。在本发明实施例的试验中，使用相对于井底钻具和/或钻头的中心轴线具有偏心圆周轮廓的钻铤/保径衬垫组件对动态相互作用的控制、包括相对于钻头为大于保径和/或小于保径的偏心轮廓，形成了钻孔具有这种期望曲率的弯曲部分的导向。在本发明的某些方面，为了将动力需要降到最低，保径衬垫组件73可被固定到顺应联接器76上，并且保径衬垫组件73的轴线与钻头20和/或可包括钻头20的切削系统的轴线重合。在本发明的实施例中，钻孔系统的导向可以这样实现，通过使用凸轮79以约束顺应联接器76的顺应方向，因此保径衬垫组件73可在一个方向上移动，但是在相对方向上是非常刚性的(抵抗径向运动)。在某些方面，为了给钻孔系统导向以直线地钻进，凸轮79 可被接合，从而使得保径衬垫组件73的运动在所有方向上都是刚性的(抵抗径向运动)。在本发明的实施例中，保径衬垫组件73可包括支承合乎钻头20保径的保径衬垫的单个钻铤组件。在某些方面，小量的大于保径和小于保径是可以容忍的。在可选实施例中，保径衬垫组件73上的衬垫可以被独立地固定到环组件上和/或可以独立地控制。保径衬垫组件73可被固定到刚性顺应结构上以及可以相对于钻头20径向地移动。凸轮79可以是偏心的以及可以被设置成当钻孔系统导向时对地静止，以及当钻柱被卡住或者不是期望的导向时被停下、移除和/或类似操作。通过将凸轮79保持在对地静止位置，凸轮79的起作用部位、例如缩进部83或者类似部位可被保持在相对于钻孔50的对地静止位置从而用于在期望方向上、例如在对地静止缩进部83的方向上钻进钻孔50。在某些方面，凸轮79 可以是对地静止的并且保径衬垫或者类似物可以在钻孔过程期间自由地旋转。如前面所述，各种方法可用于使保径衬垫组件73与钻头20和/或井底钻具17相连接。在某些方面，安装部可以是径向顺应的，但是也可以将转矩和轴向重量传递到井底钻具17。在本发明的一个实施例中，可以是安装部或者类似物的顺应联接器76可包括薄壁圆筒，在圆筒中刻有槽，从而允许径向柔性但是保持切向及轴向刚性。其它实施例可包括用于传递重量的轴承表面和/或用来传递转矩的销和/或枢转臂。通过使用能够保持缩进部82(或凸轮79的大于保径、小于保径部分，或者凸轮79 与保径衬垫组件73的组合，或者保径衬垫组件73的径向刚性或径向顺应部分)在钻孔50 中对地静止的保径衬垫组件73和/或顺应联接器76的配置，钻孔系统可被控制从而定向地钻出钻孔50。在本发明的某些实施例中，处理器75可被用于在钻孔操作期间或者钻孔操作之间管理控制器80，以便凸轮79的旋转，从而连续地控制钻孔过程的方向。在一些实施例中，缩进部82可具有带斜度的外形82A，从而用于改变缩进部82的深度。在这个实施例中，保径衬垫组件73在保径衬垫组件73处于缩进部82上方的部分与保径衬垫组件73没有处于缩进部82上方的部分之间的相对顺应性可以是改变的。由此，在本发明的某些实施例中，钻孔方向85的锐度(θ )86能够以可变方式控制。在本发明的某些方面，多个缩进部可设置在凸轮79中，从而用于保径衬垫组件73 与内壁53之间相互作用的控制。多个缩进部可设置在凸轮79圆周周围的不同位置，从而提供期望的导向效果。此外，多个凸轮可以与井底钻具17上的一个或多个保径衬垫组件73 共同使用，从而在钻孔过程期间提供不同的导向效果。图4A-C是根据本发明实施例的主动保径衬垫系统的示意性图示，该系统用于控制设置用于钻出钻孔的钻孔系统。在本发明的实施例中，主动保径衬垫100可用于控制钻孔系统，该钻孔系统用于钻出钻孔并且可包括连接有井底钻具95的钻管90。井底钻具95 可包括钻头97，用于钻出钻孔。主动保径衬垫100可包括与被钻进的钻孔内表面以不均勻方式相互作用的钻铤、保径衬垫、井底钻具的区段、管状组件、钻头的区段和/或类似物。主动保径衬垫100可包括与钻孔系统相连接的盘、圆筒、多个单个元件(例如一系列围绕着井底钻具95或者钻管90圆周设置的衬垫)并且可以在钻孔过程期间与被钻进的钻孔的内表面相互作用。在某些方面，为了主动保径衬垫100或类似物与钻孔内表面之间反复的相互作用，主动保径衬垫100可以与钻孔系统相连接，从而相距钻头97小于20英尺。在其它方面，主动保径衬垫100可以与钻孔系统相连接，从而相距钻头97小于10英尺。在本发明的实施例中，主动保径衬垫100可以在钻孔中移动。由此，主动保径衬垫 100可以通过致动器或者类似物而在钻孔中对齐到钻孔内的定向，从而作为主动保径衬垫 100在钻孔中定向时与钻孔内表面的非均勻相互作用的结果，产生钻孔系统的期望控制。使用处理器或类似物来控制主动保径衬垫100在钻孔内的定位，钻孔系统的操作和/或导向可被控制/管理，并且这种控制/管理在某些方面可以实时发生。在图4A中，主动保径衬垫100与井底钻具95相连接，用于与被钻进的钻孔的内表面在靠近钻头97的位置上进行相互作用。在钻管90、井底钻具95和/或类似物在钻孔操作期间旋转的钻孔系统中，主动保径衬垫100可被设置成在钻孔操作期间保持成对地静止。致动器、摩擦作用力和/或类似物可被用于将主动保径衬垫100保持成对地静止。仅仅通过示例，在本发明的一个实施例中，主动保径衬垫可在钻头97后面小于10-20英尺的距离与井底钻具95连接在一起。图4B显示了图4A中所示的系统的主动保径衬垫的一个实施例。在附图4B中，根据本发明的实施例，主动保径衬垫100A可包括不对称的元件。通过使不对称主动保径衬垫与钻柱相连接，从而使得保径衬垫100A的外表面延伸到钻柱的外表面之外，不对称主动保径衬垫的外表面可与被钻进的钻孔的内表面相互作用。由于主动保径衬垫100A具有非对称外表面，因此作为钻柱在钻孔过程期间以非均勻方式的动态运动的结果，主动保径衬垫 100A可与钻孔内表面相互作用，非均勻方式取决于主动保径衬垫100A的非对称设置。仅仅通过示例，主动保径衬垫100A可以在设计上是非对称的并且可被设置成与如图4A中所示的井底钻具在钻头后面几个英寸到10-20英尺范围的距离相连接。在某些实施例中，主动保径衬垫100A可包括均勻的圆筒以及可偏心地设置在井底钻具上，用于与内表面的非均勻相互作用，作为钻柱动态运动的结果。在某些实施例中，主动保径衬垫100A可包括对地静止管件以及在一侧上稍稍地为小于保径。在其它实施例中，主动保径衬垫100A可在一个侧面上为小于保径以及在相对侧面上为大于保径。在某些方面，主动保径衬垫100A可包括多个对地静止管件，其在圆周上为小于保径/大于保径并且可围绕着钻管90和/或井底钻具95的圆周连接。在本发明的某些实施例中，主动保径衬垫100A可被设置成使得主动保径衬垫100A与钻柱相连接从而使得主动保径衬垫100A与钻头的切削廓形整体地设置；切削廓形包括钻头的边到边切削轮廓。在本发明的其它实施例中，主动保径衬垫100A的一部分或者全部可延伸到钻头的切削廓形之外。仅仅通过示例，主动保径衬垫100A可与钻柱相连接，从而使得主动保径衬垫100A的外表面处于切削廓形之内1-10毫米量级。在其它方面，以及再次仅仅通过示例，主动保径衬垫100A可与钻柱相连接从而使得主动保径衬垫100A的外表面的至少一部分在十分之一到10或更多毫米的范围内延伸到切削廓形之外。在本发明的实施例中，由于钻孔系统在钻进加工期间在钻孔中以非均勻的方式的径向运动，主动保径衬垫100A-由于主动保径衬垫100A与井底钻具是非同心的、非对称的和/或类似的-可与被钻进的钻孔的内表面相互作用。如图4B中所示，主动保径衬垫100A 与钻孔内表面之间的反复的动态相互作用在钻孔过程期间将会导致钻孔系统在向下方向 103上钻进，如图中所示。通过将主动保径衬垫100A保持成在钻孔过程期间对地静止，主动保径衬垫100A可被用于给钻孔系统导向。在本发明的实施例中，通过使主动保径衬垫100A在主动保径衬垫100A的圆周周围的至少一个圆周位置上为小于保径，主动保径衬垫100A与内表面之间可以形成小间隙， 其用于给钻头97导向。由此，在本发明的一些实施例中，钻孔系统可通过井底钻具95上的接触表面而被导向，该井底钻具95可以在被切削头切削的轮廓之内和/或不需要将接触表面推到切削轮廓之外。图4C显示了图4A中所示的系统的主动保径衬垫的另一个实施例。在图4C中，主动保径衬垫100B可包括与可延伸元件107相连接的环105。环105可包括圆筒、盘、钻铤、 保径衬垫、井底钻具95的一段、钻柱的一段、钻管的一段和/或类似物。在本发明的实施例中，可延伸元件107可以是可被控制从而改变环105的圆周轮廓的元件。可延伸元件107可通过控制器110而被控制/致动。控制器110可包括马达、 液压系统和/或类似物。在本发明的实施例中，控制器110可致动可延伸元件107，从而从井底钻具95向外延伸，从而改变由于钻孔系统在钻孔过程期间在钻孔中的径向/动态运动所导致的主动保径衬垫100B与被钻进的钻孔的内表面之间的动态相互作用。在本发明的一些实施例中，主动保径衬垫100B可被设置成使得当延伸时主动保径衬垫100B被整体地设置在钻头切削廓形之内。在本发明的其它实施例中，延伸的/部分延伸的主动保径衬垫100B中的一段或整体可延伸到钻头切削廓形之外。仅仅通过示例，主动保径衬垫100B可与钻柱相连接，从而使得主动保径衬垫100B在延伸位置的外表面处于切削廓形之内I-IOmm的量级。在其它方面，以及再次仅仅通过示例，主动保径衬垫100B可与钻柱相连接从而使得主动保径衬垫100B的至少一部分外表面在延伸或者部分延伸时能够在十分之一到10或更多毫米的范围内延伸到切削廓形之外。在本发明的实施例中，主动保径衬垫100B与内表面之间的相互作用可通过可延伸元件107的定位/延伸而被控制，从而用于钻孔系统的导向以及被钻孔系统钻进的钻孔的定向钻进。在某些方面，处理器70接收到有关期望钻进方向的数据、有关钻孔过程的数据、有关钻孔的数据、有关钻孔内情况的数据、地震数据、有关钻孔周围地层的数据和/或类似数据，并且可以操作控制器110，从而用于可延伸元件107的定位/延伸，以给钻孔系统导向。在本发明的实施例中，可延伸元件107可以延伸从而调节主动保径衬垫100与被钻进的钻孔的内表面之间的动态相互作用。这需要可延伸元件107的简单被动延伸，从而使得主动保径衬垫100具有围绕着钻孔系统和/或钻孔的中心轴线的非均勻形状，而不需要在内表面上施加驱动力或者作用力。然而，在某些方面，可延伸元件107可被定位、延伸，从而在内表面上施加作用力。仅仅通过示例，在某些实施例中，可延伸元件107可以在内表面上施加小于IkN的作用力， 从而使得来自于内表面的反作用力施加到钻孔系统上以及钻孔系统与内表面之间的动态相互作用的控制。操作可延伸元件107从而施加小于IkN的作用力可以是有利的，原因是作用力不需要大的井底动力消耗/动力源、可减少控制器110的尺寸和复杂度、和/或类似情况。在本发明的实施例中，井底钻具95、钻头97、主动保径衬垫100和/或类似物可被设置成具有不规则分布的质量。井底钻具95、钻头97、主动保径衬垫100和/或类似物的质量可以沿着圆周或者类似地发生改变从而使得钻孔系统的不稳定运动和/或钻孔系统与钻孔内表面之间的相互作用是不均勻的。由此，钻孔系统的不均勻加重可用于钻孔系统的控制和/或导向。仅仅通过示例，提供钻压的钻铤可以是具有非均勻重量分布的圆筒。在某些方面，圆筒形钻铤可以旋转以相对于井孔改变非均勻重量/质量分布的形式，从而用于钻孔系统的期望控制和/或钻孔系统的导向。在本发明的某些实施例中，除了保径衬垫、钻铤和/或类似物之外或者与保径衬垫、钻铤和/或类似物相结合，钻柱可被成形以用于控制与内表面的不稳定相互作用。例如，井底钻具95可以不对称地成形、具有不对称的顺应性和/或类似的。此外，根据本发明的一些实施例，钻头97可以是不对称的、具有不对称的顺应性、具有不均勻的切削特性和/ 或类似特性。此外，钻孔系统可被设置成加强钻孔系统在钻孔过程期间的不稳定运动。建模、试验和/或类似情况可被用于设计具有增强的不稳定运动的钻孔系统。切削头在钻头 97上的定位、切削头操作参数可被用于增强的不稳定运动。在本发明的某些实施例中，钻孔系统包括可用于加强不稳定相互作用的柔性/顺应的联接器、弯接头和/或类似物(未示出)，以加强钻孔系统对于不稳定的相互作用和/或类似物的控制。图5提供了根据本发明实施例的反复径向运动致动器系统的示意性图示，该系统用于给钻孔系统导向从而定向地钻出钻孔。在本发明的实施例中，钻孔系统可包括钻柱 140-其可相应地包括井底钻具95-并且钻孔系统可被设置成用于穿过地层钻出钻孔。在某些实施例中，径向运动发生器150可被连接到钻柱140。径向运动发生器150 可被设置成产生井底钻具95在钻孔中的径向运动，其中径向运动可以是井底钻具95远离钻孔中心轴线而指向钻孔内壁的任意运动。径向运动发生器150可包括机械振动器、声波振动器和/或类似物，可产生井底钻具95反复的径向运动，例如振动。径向运动发生器150 可以被调谐以适应钻柱140和/或井底钻具95的物理特性，以增强所产生的径向运动。在本发明的实施例中，井底钻具95与钻孔内表面之间的相互作用可以通过径向运动发生器150而被产生、加强、改变和/或类似操作。径向运动发生器150可通过在井底钻具与钻孔内表面之间产生、施加、改变和/或类似操作相互作用而给钻柱140导向。通过给钻柱140导向，被钻柱140钻出的钻孔可被定向地钻出。处理器155可被用于控制径向运动发生器150，从而在井底钻具95与内表面之间产生相互作用，从而给钻柱140在期望方向上导向。在本发明的一些实施例中，径向运动发生器150可以与在钻孔系统与被钻进的钻孔的内表面之间产生不均勻的不稳定相互作用的其它方法(例如在该说明书中所描述的) 共同使用。在这个实施例中，径向运动发生器150可用于增强或者抑制钻柱的不稳定运动， 从而增强/抑制不稳定相互作用控制器的作用和/或控制不稳定相互作用控制器。由此，不稳定相互作用控制器可作为不稳定相互作用控制器的控制器/管理器，并且自身可被处理器所控制用于控制/导向钻孔系统和/或增加/抑制不稳定相互作用控制器与钻孔内表面之间不均勻的不稳定的相互作用。图6A和6B显示了根据本发明实施例的用于选择性地使钻孔系统的内表面特征化的系统，该系统用于给钻孔系统导向从而定向地钻出钻孔。在钻孔过程中，钻柱160可被用于穿过地层钻出钻孔。钻柱160可包括井底钻具165和联接器170，该联接器170将井底钻具165与地面位置或者地面位置附近的设备相连接。井底钻具可包括钻头173，该钻头包括多个齿174，用于敲碎/压碎地层中的岩石，从而形成/延伸被钻进的钻孔。在钻孔过程期间，被钻进的钻孔的内表面可在形状上稍稍规则并且可由钻头173 的外径所限定。通常地，内表面形状稍稍为圆形。地层不同部分的特性可导致内表面形状的不规则。在图6A中，根据本发明的实施例，成形装置180可与内表面相互作用从而改变内表面/使内表面成形。成形装置180可包括用于将流体喷射到内表面上的流体喷射系统、 被设置成横向地钻进内表面中的钻头、用于使内表面破碎的破碎机，和/或类似装置。在本发明的实施例中，成形装置180可被用于改变内表面的轮廓，从而控制井底钻具165与内表面之间的相互作用。在某些方面，保径衬垫185可与井底钻具165在靠近钻头173处相连接并且可被设置成在钻孔被钻孔系统钻进期间与内表面相互作用。尽管内表面相对均勻，但是保径衬垫185与内表面之间由于井底钻具165在钻孔过程期间的径向运动所导致的随机相互作用通常地是均勻的并且不会影响钻进的方向。在本发明的实施例中，成形装置180可勾勒/成形内表面，从而控制保径衬垫185与内表面之间的相互作用。 在本发明的某些方面，井底钻具165可不包括保径衬垫185并且相互作用可直接地在井底钻具165与内表面之间。在本发明的实施例中，通过控保径衬垫185与内表面之间的相互作用使钻孔系统被导向。在某些方面，成形装置180可以在导向过程中保持对地静止，以便当钻柱140和/ 或钻柱140的部件可在钻孔内移动/旋转时在钻孔过程期间精确地选择由成形装置180成形的内表面的区域。成形装置180可包括安装在钻头的保径切削头与保径衬垫之间的水喷射。水喷射或类似物可被用于底切保径衬垫前方的地层，从而在内表面与保径衬垫之间产生间隙，其可以用于使根据本发明实施例的钻孔系统的振动导向。在其它实施例中，电力脉冲系统可安装到保径衬垫前方并且可被用于使一段内表面软化从而允许保径衬垫压碎这个区段的材料，从而产生间隙，用于根据本发明实施例的钻孔系统的振动导向。在其它实施例中，电力脉冲系统可被用于直接地产生间隙。在图6B中，钻头173可被设置成钻出具有选择性不均勻内表面的钻孔。在某些方面，钻头173的齿190可被设置成选择性地致动，从而提供内表面上的轮廓。在其它方面，不同技术可被用于控制钻头173以选择性地成形内表面。通过在内表面上选择性地设置槽、 凹进或者类似结构来控制内表面的轮廓和形状，内表面与井底钻具165之间由于井底钻具 165在钻孔钻进期间的径向运动所导致的相互作用可被控制并且钻孔方向由此也可被控制。在某些方面，钻头173可包括机械切削头，其可被实施成优选地切削内表面的一侧。图7A是根据本发明实施例的用于给钻孔系统导向从而定向地钻出钻孔的方法的流程图示。在步骤200中，钻孔系统可被用于穿过地层钻出一段钻孔。钻孔系统可包括钻
23柱，该钻柱连接到地面设备或类似物。钻柱自身可包括井底钻具，其包括钻头用于接触地层以及穿过地层钻出一段钻孔。井底钻具可通过钻管、套管、连续油管或类似物而被连接到地面设备。钻头可由顶驱动、旋转台、马达、钻孔流体和/或类似物来供给动力。在钻孔过程期间，钻柱可经受钻孔中的随机运动，该随机运动可包括径向振动，该振动导致钻柱在钻孔过程期间反复地接触钻孔的内表面。钻柱与内表面之间由于径向振动所导致的相互作用可在钻孔底部最为明显，此处相互作用会在井底钻具与内表面之间发生。在步骤210中，钻柱与内表面之间的振动式相互作用可被控制。在本发明的某些实施例中，动态相互作用的控制会发生在钻孔底部。在本发明的一些实施例中，装置可被用于钻孔底部使得井底钻具与内表面之间的振动式相互作用不是均勻的。在这个实施例中， 控制钻柱与内表面之间振动式相互作用的步骤可包括在内表面圆周周围的位置上对井底钻具与内表面之间的振动式相互作用进行抑制和/或增强。内表面圆周周围的抑制和/或增强位置会随着钻孔被钻进而被保持或者改变。在某些方面，多个装置可被用于在井底钻具与内表面之间产生不均勻的相互作用。在本发明的实施例中，相互作用元件可被用在步骤212中用于控制动态的相互作用。相互作用元件可以是独立的元件，例如钻铤、保径衬垫组件、圆筒或类似物，其可与钻柱连接，并且在某些方面与井底钻具连接，可以是钻柱的一段、例如井底钻具的一段，或者类似情形。相互作用元件可被设置成提供相互作用元件与被钻进的钻孔内表面之间均勻的相互作用。通常地，被钻进的钻孔是地层中具有基本上圆筒形内表面的钻孔。由此，在部分方面，相互作用元件可包括具有相对于钻柱和/或钻孔中心轴线不均勻的轮廓的元件。仅仅通过示例，相互作用远见可包括与井底钻具相连接的偏心圆筒，其中当与井底钻具连接时，偏心圆筒的中心轴线不与井底钻具的中心轴线重合。在另一个示例中，相互作用元件可包括设置在井底钻具周围的一系列衬垫，所述衬垫被设置成在钻孔过程期间接触钻孔的圆筒形内表面，其中至少一个衬垫被设置成相比其它衬垫从井底钻具向外延伸更少或更大程度。在其它实施例中，相互作用远见可包括具有不均勻顺应性的元件。仅仅通过示例， 顺应元件可包括具有特定顺应性的元件，以及元件的一段与元件剩余部分的特定顺应性相比具有增加的或者降低的顺应性，并且被设置成使得增加或者降低顺应性的区域的至少一部分以及具有特定顺应性元件的至少一部分在钻孔过程期间由于井底钻具的动态运动而各自接触圆筒形内表面。在本发明的某些实施例，致动器可被用于改变相互作用元件的特性，从而致动相互作用元件从均勻地与钻孔内表面相互作用的元件到以不均勻的方式与内表面相互作用的元件。在本发明的某些实施例中，相互作用元件，无论是具有不均勻轮廓、不均勻顺应性和/或类似的元件，都可以被设置成不在内表面上施加压力或者推靠该内表面，而是本质上是被动的并且在钻孔过程期间由于钻柱的动态运动而与内表面相互作用。例如，相互作用元件可包括可延伸元件，其从钻柱开始向外延伸。在部分方面，作用力可通过可延伸元件施加到内表面上，但是出于简化及经济的原因，作用力可在性质上是小的，即作用力小于 IkN左右。在本发明的一些实施例中，相互作用元件可被设置成不延伸到钻头切削头的廓形之外和/或被整体地设置在廓形之内。在其它实施例中，相互作用元件可具有至少一部分可延伸到钻头廓形之外。在本发明的某些方面，相互作用元件可延伸到钻头和/或切削头的廓形外部之外的Imm到10几毫米范围内，这种延伸范围用于导向/控制钻孔系统。在本发明中相互作用元件包括一个或多个可延伸元件的某些方面，该一个或多个可延伸元件可被延伸从而不会延伸到切削头和/或钻头廓形之外和/或整体地设置在廓形之内。在其它方面，该一个或多个可延伸元件可被延伸从而使得一个或多个可延伸元件的至少一部分延伸到切削头和/或钻头的廓形之外。通过一个或多个可延伸元件延伸到切削头和/或钻头的廓形之外的I-IOmm范围内，在本发明的某些实施例中钻孔系统的导向可被提供。在这些实施例中，与使用反作用力、靠着钻孔壁的驱动力来进行导向的定向钻孔系统不同，仅仅使用/需要少量动力和/或最少的井底设备来致动和/或保持可延伸元件以期望的延伸量延伸到切削头和/或钻头的廓形之外。在使用多个装置的一些方面，装置的组合可被设置用于钻柱与钻柱圆周周围的内表面之间不均勻的相互作用，并且在这种设置中，多个装置以一个装置对动态相互作用的效果取消了另一个装置的效果的方式而与钻柱的连接得以避免。用于控制动态相互作用的装置除了其它装置之外还可包括不同心地设置在井底钻具上的保径衬垫、钻铤、稳定器和/ 或类似物；可被设置成具有不均勻圆周压缩性的保径衬垫、钻铤、稳定器和/或类似物；用于改变内表面的轮廓/形状/廓形的装置；被设置成钻出具有规则内表面钻孔的钻头；和/ 或类似物。在步骤220中，钻孔系统可通过控制钻柱与钻孔内表面之间的振动式相互作用而被导向。在本发明的实施例中，用于控制钻柱与钻孔内表面之间动态相互作用的装置可选择性地定位在钻孔中，从而使得动态的相互作用给钻孔系统导向。在至少一部分钻柱在钻孔过程期间旋转的钻孔系统中，装置可被对地静止地保持在钻孔中从而用于导向。在本发明的某些实施例中，用于控制钻柱与钻孔内表面动态相互作用的装置可在钻出一段钻孔之前而被选择性地定位在钻柱上，从而用于钻孔系统的期望导向。在某些方面，用于控制钻柱与钻孔内表面动态相互作用的装置可在钻出钻孔的另一个区段之前而被重新定位。在致动器(例如凸轮或类似物)被用于改变控制钻柱与钻孔内表面动态相互作用的装置特性的实施例中，凸轮而不是用于控制动态相互作用的装置可在钻孔过程期间选择性地定位和/或重新定位。在本发明的一些实施例中，用于控制钻孔中的位置、钻孔中的定向、控制钻柱与钻孔内表面之间动态相互作用的装置在钻柱上的位置和/或定向的机构，和/或用于致动控制钻柱与钻孔内表面之间动态相互作用的装置的机构(例如凸轮或类似物)，可被用于使控制钻柱与钻孔内表面之间动态相互作用的装置在钻孔过程期间进行移动。在步骤230中，钻孔系统被导向，从而在期望方向上钻出钻孔。在本发明的实施例中，被钻进的一段钻孔的期望方向可被确定以及用于控制动态相互作用的装置可被定位在钻孔中和/或钻柱上，从而给钻孔系统导向从而在期望方向上钻出一段钻孔。在某些方面， 处理器可控制用于控制钻孔中和/或钻柱上动态相互作用的装置的位置、定向和/或类似， 使被钻进的一段钻孔在期望方向上钻出。在某些实施例中，来自于设置在钻柱上的传感器的数据、来自于设置在钻孔中的传感器的数据、来自于设置在靠近钻孔的地层中的传感器的数据、地震数据和/或类似数据可被处理器处理，从而确定出控制动态相互作用的装置的位置定向以用于期望钻孔方向。图7B是根据本发明实施例的用于控制钻孔系统的方法的流程图示，该钻孔系统用于在地层中钻出钻孔。在步骤MO中，包括被设置成在地层中钻出钻孔的钻柱以及钻头的钻孔系统可被用于钻出一段钻孔。在步骤250中，关于钻柱和/或钻头在钻孔过程期间操作的数据可被检测到。数据可包括钻压、钻孔系统的旋转速度、悬重、转矩和/或类似数据。此外，数据可从钻孔、地面设备、围绕着钻孔的地层和/或类似物进行收集并且数据可被输入相关的干预/钻孔工艺，其在钻孔过程中实施或者将要实施。例如，钻孔以及地层中的压力和/或温度可被确定，地震数据可从钻孔和/或地层获得，钻孔流体特性可被识别出来，和/或类似情况。在步骤260中，关于钻孔系统的检测数据、和/或关于地层和/或被钻进的钻孔中状况的数据、和/或类似数据被处理。处理结果在性质上是确定的/盖然的，并且可识别出钻孔系统的当前的和/或潜在的未来情况。例如，环境和/或潜在的钻孔系统情况(例如钻头的低效性能、钻头的堵转和/或类似情况)可被识别出来。在本发明的一些实施例中，接收检测数据的处理器可被用于管理钻孔系统与钻孔内表面之间不稳定运动相互作用的控制。例如，磁力计、重力计、加速度计、回转仪系统和/ 或类似装置可确定出钻孔系统的幅度、频率、速度、加速度和/或类似情况，用于钻孔系统任意不稳定运动的了解。来自于传感器的数据可被发送到处理器用于处理，以及用于钻孔系统不稳定运动的数值可被显示出来、用在控制系统中控制钻柱不稳定相互作用、处理来自于地层、钻井和/或类似物的其它数据，用于控制系统的管理，该控制系统用于控制钻柱和/或类似物的不稳定相互作用。仅仅通过示例，检测数据可通过遥测系统、光纤、有线钻管、有线连续油管、无线通讯和/或类似方式而发送到处理器。在步骤270中，钻柱与被钻进的钻孔内表面之间的振动式相互作用可被控制。钻柱与钻孔内表面之间相互作用的控制可通过对一段井底钻具、一段钻柱、钻头切削头、钻孔内表面的轮廓和/或类似物的接触特性进行改变/操纵/更改而被提供。接触特性可以是与在钻孔过程期间与钻孔内表面相接触的一段井底钻具、一段钻柱、钻头切削头和/或类似物的外表面相关的特征。接触特性可包括外表面的轮廓/形状(即可包括围绕着钻孔系统、井底钻具、钻头/或类似物的中心轴线的外表面的偏心形状，可包括可以是大于保径和 /或小于保径的一段外表面)可包括外表面周围的不均勻顺应性和/或类似情形。在步骤观0中，钻柱与钻孔内表面之间受控制的振动式相互作用可被用于控制钻孔系统的操作/功能。例如，当钻孔系统的钻头回转可被检测或预测时，钻柱与钻孔内表面之间的振动式相互作用可被控制从而消除、减小和/或防止回转。在本发明的实施例中，钻孔系统的功能性可通过处理的数据而被确定，以及可通过控制钻柱与钻孔内表面之间的相互作用而被改变。以这种方式，本发明的实施例可提供新的系统和方法，用于控制钻孔系统的操作。本发明的实施例提供了一种方法和系统，用于控制或接收与钻孔系统相联系的随机相互作用或者运动。例如，这些相互作用可发生在钻头或井底钻具与钻孔壁之间。出于导向或者影响钻孔系统轨迹的目的，在此公开的实施例可良好地适合于利用这种振动或随机相互作用。例如，随机控制元件或相互作用元件可操作以接收钻头自身的振动从而影响钻孔系统轨迹的变化。图8是根据本发明的实施例的用于给钻出钻孔的钻孔系统导向的系统。在图8中，用于钻出钻孔的钻孔系统可包括井底钻具817，其相应地包括钻头820。钻孔系统可用于钻出具有内壁853和钻孔表面854的钻孔850。在钻孔过程期间，钻头820可接触钻孔表面邪4并且在钻孔表面邪4破碎/移动岩石。在本发明的实施例中，用于控制瞬时接触的机构(例如相互作用元件880)可被连接到钻孔系统，例如通过井底钻具817。相互作用元件880可以是管、圆筒、框架或者类似物。 相互作用元件880可具有外表面855。由此，用于控制钻孔系统的系统可包括与相互作用元件880结合的钻孔系统800。 钻孔系统可具有与井底钻具817相连接的钻柱，以及井底钻具可包括钻头820。相互作用元件880可与钻孔系统800相连接，并且能够被设置成在钻孔期间间歇地接触钻孔850的表面以及相对于钻孔850保持旋转地静止。如在此所示，相互作用元件可设置成接近钻头 820距离D处。在部分情况下，距离D为大约3米或者更小。可选地，相互作用元件880能够被设置成接近钻头820的距离在从大约0. 5米到大约2. 5米范围内。在部分情况下，距离D落入从大约1米到大约2米的范围内。在部分情况下，距离D落入从大约0. 1米到大约1米的范围内。在部分情况下，距离D落入从大约0.05米到大约0.5米的范围内。相关地，距离D落入从大约0. 7米到大约1. 3米的范围内。类似地，距离D落入从大约0. 9米到大约1. 1米的范围内。在部分情况下，相互作用元件880可被设置成接近钻头820小于大约2米的距离。在部分情况下，相互作用元件880可被设置成接近钻头820小于大约1米的距离。可选地，相互作用元件880可被设置成接近钻头820小于大约0. 5米的距离。如图8中所示，钻孔系统800可连接保径衬垫组件890。保径衬垫组件890可被设置成在钻孔期间相对于钻孔旋转。如在此进一步所讨论，相互作用元件880在圆周上不均勻的顺应。在某些方面，相互作用元件880包括管、圆筒和/或类似物，外表面855可包括管 /圆筒的外表面，和/或与管/圆筒的外表面相连接的任意衬垫、凸起和/或类似物得外表面。相互作用元件880的外表面上可具有表面粗糙区段、涂层、凸起，从而用于相互作用元件880的外表面与内壁853之间的增大的摩擦接触。相互作用元件880可包括衬垫，其被设置用于接触内壁853。在某些方面，除了相互作用元件880之外，钻孔系统还包括保径衬垫系统或者组件890。在相互作用元件880可包括多个元件(例如衬垫或类似物)的方面，外表面855可通过相互作用元件880每个元件(衬垫)的外表面而被限定。在本发明的实施例中，相互作用元件880可与井底钻具817设置，用于使得外表面855在钻孔过程期间与内壁853和 /或钻孔表面邪4接合、接触、相互作用和/或类似操作，作为井底钻具817、或者钻头820、 或者两者的动态运动的结果。外表面855的设计/轮廓/顺应性和/或外表面855相对于钻头820切削廓形的设置可被用于控制外表面855与内壁853和/或钻孔表面邪4之间动态的相互作用，或者用于控制钻头820与内壁853和/或钻孔表面邪4之间的动态相互作用。钻孔系统或相互作用元件可包括提供了相互作用元件880相对于钻头820横向移动的结构，其中横向移动是至少部分地指向井底钻具817的中心轴线861的运动。在某些方面，相互作用元件880自身可被设置成横向地顺应并且可连接到井底钻具817和/或可以是井底钻具817的一段。
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在本发明的一个实施例中，相互作用元件880在圆周上是不均勻的顺应。在这个实施例中，相互作用元件880设置在相互作用元件880圆周周围的一个或多个区段与相互作用元件880的其它区段相比更大地横向地顺应。如前面所分析，在钻孔过程期间，井底钻具817或者井底钻具187的一个或多个区段可经受与内壁853和/或钻孔表面854的动态相互作用。在本发明的实施例中，相互作用元件880可被设置成使得井底钻具817的动态运动在钻孔过程期间在相互作用元件880 与内壁853和/或钻孔表面邪4之间产生动态的相互作用。在本发明的不同方面，相互作用元件880与井底钻具817和/或钻头820之间的不同相对外部圆周可用于相互作用元件 880与内壁853和/或钻孔表面邪4之间的不同的动态相互作用。建模、理论分析、试验和 /或类似方式可被用于选择相互作用元件880与井底钻具817和/或钻头820之间相对外部圆周的差异，用于特定的钻孔过程，从而产生想要的/期望的动态相互作用。在本发明横向顺应性在相互作用元件880周围沿圆周改变的实施例中，相互作用元件880与内壁853和/或钻孔表面邪4之间的动态相互作用在相互作用元件880周围沿圆周是不均勻的。仅仅通过示例，相互作用元件880可包括降低顺应性区域以及增加顺应性区域。在某些方面，与相互作用元件880与内壁853和/或钻孔表面邪4之间在相互作用元件880上具有降低的横向顺应性区段(即降低的顺应性区域)上方的动态相互作用相比，相互作用元件880与内壁853和/或钻孔表面邪4之间在相互作用元件880上具有增加的横向顺应性区段(即增加的顺应性区域)上方的动态相互作用可能被减弱。在本发明的一些实施例中，相互作用元件880可被设置成使得相互作用元件880 与井底钻具相连接从而使得相互作用元件880整体地设置在钻头20的切削廓形821之内， 切削廓形821包括钻头820的边到边切削轮廓(例如由侧切削头的周界所限定)。在本发明的其它实施例中，相互作用元件880、相互作用元件880的一段、外表面855和/或外表面 855的一段可延伸到切削廓形821之外。仅仅通过示例，相互作用元件880可与井底钻具 817相连接，从而使得外表面855处于切削廓形821之内1_10毫米的量级。在其它方面，以及再次仅仅通过示例，相互作用元件880可与井底钻具817相连接，从而使得至少一部分外表面855延伸到切削廓形821之外的10毫米或更多范围内。在本发明的实施例中，相互作用元件880的任意不均勻圆周顺应性可用于给钻孔系统导向/控制钻孔系统。相互作用元件880不同顺应性的量和/或相互作用元件880不均勻顺应性的轮廓可被选择出来用于提供钻头820的期望的导向响应和/或控制。钻孔系统对于顺应性差异和/或圆周顺应性轮廓的导向响应和/或钻头响应可理论地确定、建模、 通过试验推导、通过先前钻孔过程分析、和/或类似方式。在本发明中设置成与不包括使用旋转钻头或者钻孔系统外壳(例如井底钻具的外壳)是不旋转的钻孔系统共同使用的实施例中，相互作用元件880可与钻孔系统或外壳相连接。在这个实施例中，钻孔系统可被设置在钻孔内并且增加顺应性区域设置成相对钻头820具有特定定向，从而在增加顺应性区域的方向上钻出钻孔850。为了改变钻孔系统的钻进方向，可以改变增加顺应性区域的位置。在一些实施例中，定位装置865-其可包括马达、液压致动器和/或类似物-可被用于使相互作用元件880旋转/对齐，从而用于通过钻孔系统在期望方向上钻出钻孔850。 定位装置865可与处理器870相互通信。处理器870可控制定位装置865，从而用于期望的定向钻孔。处理器870可通过手动干预、对于钻孔的端点目标、期望的钻进轨迹、期望的钻头响应、期望的钻头与地层的相互作用、地震数据、来自于传感器(未示出)的输入-其能够提供有关地层的数据、钻孔850内的情况、钻孔数据(例如钻压、钻进速度和/或类似情况)、钻孔系统的振动数据、动态相互作用数据和/或类似物-与钻头在地层中的位置/ 定向相关的数据、与钻孔的轨迹/方向相关的数据、和/或类似数据而确定出相互作用元件 880在钻孔850中的位置。处理器870可连接有显示器(未示出)，从而显示出钻孔850、钻孔系统、钻头820、 相互作用元件880的定向/方向/位置，钻孔速度，钻孔轨迹和/或类似物。显示器可以远离钻孔位置并且通过连接器(例如因特网连接、网络连接、电话连接和/或类似方式)而提供数据，并且可用于钻孔过程的远程操作。来自于处理器870的数据可存储在存储器中和 /或发送到与钻孔过程相关的其它处理器和/或系统。在本发明的另一个实施例中，导向/钻头功能控制系统可被设置成与旋转式钻孔系统共同使用，其中钻头820在钻孔过程期间旋转并且由此钻头820和/或井底钻具817 可在钻孔850内旋转。在这个实施例中，相互作用元件880可被设置从而使得相互作用元件880的运动与钻头820和/或井底钻具817的旋转运动不相关或者至少部分地不相关。 由此，相互作用元件880在钻孔过程期间在钻孔850中被保持成对地静止。在某些方面，相互作用元件880可以是被动系统，其包括一个或多个设置在钻孔系统周围的圆筒。一个或多个圆筒在某些情况下可设置在钻孔系统的井底钻具817周围。 一个或多个圆筒可被设置成与钻孔系统不相关地旋转。在这些方面，一个或多个圆筒可被设置成使得一个或多个圆筒与地层之间的摩擦可以使一个或多个圆筒相对于旋转的钻孔系统固定、防止圆筒的旋转运动。在本发明的某些方面，当没有钻压以及由此没有钻孔钻进时，一个或多个圆筒可被锁定到井底钻具，以及随后当钻压施加以及钻孔开始时被定向以及与井底钻具解锁。一个或多个圆筒与内表面之间的摩擦保持了一个或多个圆筒的定向。在本发明的某些方面中，一个或多个圆筒可以通过轴承或类似物而与井底钻具817相连接。在本发明的某些实施例中，当处于非旋转钻孔系统中时，一个或多个圆筒的定位可以通过定位装置865来实现，该装置可以使一个或多个圆筒旋转，从而改变圆筒在钻孔 850中的起作用区域的位置，继而改变钻头820的钻孔方向和/或功能。例如，相互作用元件880可包括圆筒并且可围绕着井底钻具817旋转从而改变增加顺应性区域和/或降低顺应性区域的位置，以改变由于相互作用元件880与内壁853之间动态的相互作用而导致的钻孔系统的钻进方向。作为选择，主动控制可被用于保持相互作用元件880相对于井底钻具17在钻孔过程期间的期望定向/位置。此外，这类装置可用在马达组件中，用来替换弯接头。这在将组件通过油管而设置在孔中以及完成约束以及当以旋转模式直线钻进时能带来好处。图8A显示了根据本发明实施例的钻孔轨迹控制系统800a的方面。控制系统800a 包括包括与显示器8%a相连接或者操作性地与显示器8%a相联系的处理器870a、致动器或定位装置86fe、以及传感器890a (例如轨迹传感器)。如在此所示，致动器86 与用于控制瞬时接触的装置(例如相互作用元件880a)相连接，其又与传感器890a连接。图8B显示了根据本发明实施例的钻孔轨迹控制方法800b的方面。控制方法800b包括将钻孔系统定位在钻孔中，如步骤810b中所示。钻孔系统可包括与井底钻具相连接的钻柱，以及井底钻具可包括钻头。该方法进一步包括通过与钻孔系统相连接的相互作用元件来控制在钻孔系统与钻孔表面之间发生的瞬时接触，如步骤820b中所示。此外，该方法包括使用钻孔系统与钻孔表面之间的受控制的相互瞬时接触来控制钻孔系统在钻孔中的轨迹，如步骤830b中所示。在某些实施例中，相互作用元件被设置成在钻孔期间瞬时地接触钻孔表面以及相对于钻孔保持旋转地静止，并且被设置成接近钻头在大约3米或更小的距离处。在一些实施例中，相互作用元件被设置成在钻孔期间瞬时地接触钻孔表面以及相对于钻孔保持旋转地静止，并且相互作用元件限定了设置在切削廓形之内的第一外围边缘以及与第一外围边缘相反的第二外围边缘，并且切削廓形中心点与第一外围边缘之间的第一距离不等于切削廓形中心点与第二外围边缘之间的第二距离。在一些实施例中，第一距离与第二距离之间的差值越大对应于钻孔系统轨迹变化的幅度越大。附图8C显示了根据本发明实施例钻孔轨迹控制系统的方面。钻孔轨迹控制系统可包括相互作用元件，其限定了具有中心点810c的相互作用廓形800c。如图所示，相互作用廓形800c具有圆形形状。中心点810c相距井底钻具中心轴线820c横向地偏移距离1。 根据图8D，相互作用元件可具有相互作用廓形800d，其具有椭圆或非圆形状。如图8E中所示，相互作用元件可限定出具有第一区域Al的相互作用廓形800e以及钻头能够限定出具有第二区域A2的切削廓形830e。在部分情况下，区域Al不等于区域 A2。在部分情况下，区域A 1等同于区域A2。如图8F中所示，相互作用元件可以在呈现出第一相互作用廓形800f的第一配置与呈现出第二相互作用廓形810f的第二配置之间调节。例如，如图8G中所示，相互作用元件800g可包括第一和第二重叠叶片810、820，其围绕着共同枢轴830旋转，由此在第一配置下相互作用元件呈现出更大的相互作用廓形，以及在第二配置下相互作用元件呈现出更小的相互作用廓形。在部分情况下，第一相互作用廓形能够使钻头轨迹发生最小改变或者不改变，然而第二相互作用廓形能够使钻头轨迹发生明显改变或者期望的改变。相互作用元件可包括多种结构元件的任意一种，包括圆筒、盘和类似物。在部分情况下，相互作用元件包括保径环。例如，钻孔系统可包括与井底钻具连接的保径环。在部分情况下，相互作用元件包括凸轮，该凸轮将相互作用元件从呈现出第一相互作用廓形的第一配置调节到呈现出第二相互作用廓形的第二配置。图8H显示了根据本发明实施例轨迹控制系统的方面。相互作用元件可限定出相互作用廓形800h并且钻头能够限定出切削廓形810h。如图所示，相互作用廓形具有中心点 802h,以及可以围绕着相互作用元件枢轴或轴线804h枢转。相互作用轴线804h可以与井底钻具的中心轴线重合。相互作用元件围绕着轴线804h的径向调节或旋转，由箭头A所表示，能够导致钻孔系统对应的钻孔轨迹调节。如图81中所示，相互作用廓形800i能够是非圆形的以及切削廓形810i能够是圆形的。图8J显示了根据本发明实施例的轨迹控制系统的方面。钻头可限定切削廓形 800j，以及相互作用元件可被调节，从而使得在第一配置中相互作用元件限定出第一相互作用廓形810j，以及在第二配置中相互作用远见限定出第二相互作用廓形820j。如图所示，轨迹控制系统可包括凸轮830j，其便于相互作用元件在第一配置与第二配置之间调节。返回参考图8，根据一些实施例，相互作用元件880能够限定出设置在切削廓形之内的第一外围边缘881以及与第一外围边缘相反的第二外围边缘882。切削廓形中心点883 或轴线861与第一外围边缘881之间的第一距离dl不等于切削廓形中心点883或者轴线 861与第二外围边缘882之间的第二距离d2。如图8K中所示，相互作用元件810k的第一边缘811k能够被设置在切削廓形820k之内，以及相互作用元件810k的第二边缘81 能够被设置在切削廓形820之外。如图8L中所示，相互作用元件8101的第一边缘8111能够被设置在切削廓形8201之内，以及相互作用元件8101的第二边缘8121能够被设置在切削廓形8201上。如图8M中所示，相互作用元件810m的第一边缘811m能够被设置在切削廓形820m之内，以及相互作用元件810的第二边缘81 !能够被设置在切削廓形820m之内。再次返回参考图8，第一距离dl和第二距离d2之间的差值落入从大约Imm到大约 IOmm的范围内。在部分情况下，第一距离dl和第二距离d2之间的差值落入从大约0. 5mm 到大约20mm的范围内。可选地，第一距离dl和第二距离d2之间的差值能够落入从大约 Ocm到大约IOcm的范围内。相关地，第一距离dl和第二距离d2之间的差值能够落入从大约Icm到大约2cm的范围内。在部分情况下，第一距离dl和第二距离d2之间的差值小于大约lcm。在部分情况下，第一距离dl和第二距离d2之间的差值等于大约lcm。根据一些实施例，相互作用元件的第一和第二边缘可被设置在切削廓形之内，以及第一和第二距离之间的差值可以大约1mm。根据一些实施例，相互作用元件被调节到第二配置，其中第一距离dl和第二距离d2是相等的。保径衬垫可被用作相互作用元件。保径衬垫可以是井底钻具的一部分，例如在钻头上或者与钻头连接，其接触钻孔并且禁止或者防止钻头到处摆动。在部分情况下，保径衬垫可与被钻进的钻孔的直径大致相同。根据本发明一些实施例，能够在钻孔程序期间保持保径衬垫静止从而使得它轮廓(例如重量、形状和类似物)的差值能够使钻头在给定方向的随机运动受到影响/偏压。在部分情况下，钻头侧面具有三个或四个被称为保径衬垫的元件。用于禁止钻头一侧上切削的装置(例如保径衬垫或相互作用元件)能够布置在钻头上、在钻头的侧刃上或者在钻头正上方。如图9A中所示，钻孔系统900a可包括钻头 910a，并且可与保径衬垫920a或相互作用元件相连接。如图所示，保径衬垫920a以“钻头内衬垫”的配置设于钻头910a内、钻头910a上、或者与钻头910a相连接。如图9B中所示， 钻孔系统900b可包括钻头910b，并且可与保径衬垫920b或相互作用元件相连接。如图所示，保径衬垫920b以“钻头侧刃内衬垫”的配置设于钻头910b侧刃内、钻头910b侧刃上或与钻头910b侧刃相连接。如图9C中所示，钻孔系统900c可包括钻头910c，并且可与保径衬垫920c或相互作用元件相连接。如图所示，保径衬垫920c以“钻头后衬垫”的配置处于钻头上方或后方。如前面所提到，作用在旋转钻头上的随机指向的作用力可被利用，给钻头轨迹导向或者控制钻头轨迹。钻头的侧切削头可暂时地以及与旋转同步地防止或者禁止切削钻孔。通过对地球坐标内固定的特定方向上施加切削禁止，受到随机作用力的钻头将会通常地倾向于优选地在相反方向上钻进。对于切削的定向禁止能够通过设置成“钻头内衬垫”、 “钻头侧刃内衬垫”、“钻头后衬垫”配置的保径衬垫或者相互作用元件而实现。保径衬垫或相互作用元件能够相对于地球旋转地固定，从而不与钻头共同旋转，并且可足够厚以禁止侧切削，无论何时随机作用力作用在钻头上导致钻头向着衬垫或相互作用元件移动。
通过这种装置，在特定方向上导向能够通过在地球坐标内大致固定的方向上使保径衬垫、相互作用元件或切削禁止装置定向而被实现。如此定向之后，钻头能够逐步地在相反方向钻进或者向着相反方向钻进。切削禁止装置的固定(例如旋转地静止)定向能够以任意多种方式实现，例如通过井底对地静止机构，或者从地面使切削禁止装置定向的装置。 切削禁止装置或相互作用元件能够布置在钻头上、钻头侧刃上、或者在钻头正上方。在部分情况下，禁止装置或相互作用元件被设置在钻头大约1米之内。相互作用元件可包括衬垫或者其具有期望轮廓的完整环，其禁止在有限方位角范围上的切削，或者它可包括在钻头旋转期间暂时地抑制侧切削的装置。如图10中所示，钻孔系统1000可包括钻头1010，其具有或者限定出中心纵向轴线 1012。钻孔系统1000可连接具有或者限定出中心纵向轴线1022的保径衬垫组件或者相互作用元件1020。如图所示，保径衬垫组件1020的中心纵向轴线1022与钻头1010的中心轴线轴线1012横向地偏移。根据一些实施例，相互作用元件1020可限定出设置在切削廓形 1013之内的第一外围边缘1023以及与第一边缘外围相反的第二外围边缘10M。切削廓形中心点1015或轴线1012与第一外围边缘1023之间的第一距离dl不等于切削廓形中心点 1023或轴线1012与第二外围边缘IOM之间的第二距离d2。相互作用元件1020可被设置成接近钻头1010的距离D处。在部分情况下，距离D大约3米或更小。通过本发明实施例的想法的理解，钻柱/井底钻具的许多因素/特征/特性可被设计成增强/导致随机运动的偏压和/或对于钻头侧向切削的禁止。仅仅通过示例，在本发明的部分方面，切削结构与保径衬垫结构之间的横向刚度可被设计成增强/导致随机运动的偏压和/或对于钻头侧向切削的禁止。例如，在一些实施例中，切削结构与保径衬垫结构之间的横向刚度应当小于16kN/mm。在其它方面，切削结构与保径衬垫结构之间的横向刚度应当在12到16kN/mm之间。在另一方面，切削结构与保径衬垫结构之间的横向刚度应当在8到12kN/mm之间。仍然在另一方面，切削结构与保径衬垫结构之间的横向刚度应当在4到8kN/mm之间。在另一个方面，切削结构与保径衬垫结构之间的横向刚度应当在4到 6kN/mm之间。在其它方面，切削结构与保径衬垫结构之间的横向刚度应当小于4kN/mm。通过钻柱/井底钻具设计的另一个示例，保径衬垫组件和切削结构可具有不同的相对刚性。在本发明的部分方面，保径衬垫组件被设置成相比切削结构更加刚性。在其它方面，切削结构应当比保径衬垫组件更加刚性。相对刚性上的差异用来产生两个部件之间的相互作用，该相互作用可以导致/增强钻孔系统的随机运动的控制。在根据本发明方面的钻孔系统设计的另一个示例中，保护侧上的保径衬垫与非保护侧上相比更宽，从而容许侧向作用力。在一些实施例中，相互作用元件可包括保径衬垫组件，其组件中的保径衬垫被设计成使得至少一个保径衬垫与保径衬垫组件中其它保径衬垫的至少一个相比具有不同的衬垫面积、衬垫长度或衬垫宽度。在某些方面，保径衬垫组件相对侧上的保径衬垫可在相对侧上具有不同面积、长度或宽度。考虑本发明原理，保径衬垫组件中一个或多个保径衬垫设计上的这些差值提供了保径衬垫系统的偏心性，其可被用于偏压钻头的随机运动和/或禁止钻头的侧切削。在本发明的方面，弯曲接头可被定位成靠近相互作用元件/保径衬垫系统，其可用于提高相互作用元件/保径衬垫组件的偏压效果。在一些方面，稳定器可被与弯曲接头组合使用，从而用于相互作用元件/保径衬垫系统的效果与弯曲接头之间增强的相互作用。在本发明的一些方面，弯曲接头可被定位在相互作用元件/保径衬垫系统的大约20英寸(7米)之内。在其它方面，弯曲接头可被定位在相互作用元件/保径衬垫系统的大约 5-10英尺米)范围内。在其它方面，弯曲接头可被定位在相距相互作用元件/保径衬垫系统小于5英寸0米)处。当相互作用元件/保径衬垫系统的偏心性是小的(例如偏心性由保径衬垫系统中保径衬垫形状设计所产生)，那么弯曲接头会是有用的。在本发明的一些实施例中，弯曲接头可具有不均勻的横向刚度，其可被用于使导向最大和/或使漂移最小。在本发明的实施例中，整个相互作用元件可被设置在钻头切削廓形之内。在这个实施例中，即便相互作用元件在切削廓形之内，相互作用元件也可以与钻孔壁相互作用并且用于控制钻孔系统/井底钻具的随机运动。通过将控制元件保持在切削廓形之内，相互作用元件较少可能产生与钻孔壁的有害相互作用以及导致钻孔粘连和/或类似情况。在其它实施例中，相互作用元件的一部分可被设置在钻头切削廓形之内。本发明的实施例中，其中相互作用元件被保持在切削廓形之内或者延伸到切削廓形之外小于一个或两个厘米或者设置仅仅几厘米可用于有效地控制随机运动、以及还可相对于使用稳定器或类似物来推靠钻头以及定向钻头系统具有优点，其中稳定器被设置成突出到切削廓形之外，从而使得大的作用力被产生用于推靠或者导向钻头，以及大的通常是有害的相互作用发生在稳定器与钻孔壁之间。为了清楚及理解的目的，本发明目前已经被详细描述。然而，应当理解的是，可以预见到在附加权利要求范围内进行某些改变和改进。此外，在前面的描述中，出于解释性目的，各种方法和/或步骤以特定顺序描述。应当理解的是，在替换性实施例中，方法和/或步骤可以按照与描述有所不同的顺序来完成。
权利要求
1.一种用于控制钻孔系统的系统，所述钻孔系统被设置成在地层中钻出钻孔，所述用于控制钻孔系统的系统包括钻孔系统，其中所述钻孔系统包括连接有井底钻具的钻柱，以及所述井底钻具包括钻头，所述钻头限定出具有中心点的切削廓形；以及与所述钻孔系统相连接的相互作用元件；其中，所述相互作用元件被设置成在钻孔期间间歇地接触所述钻孔的表面并且相对于所述钻孔保持旋转地静止；所述相互作用元件限定出设置在所述切削廓形之内的第一外围边缘以及与所述第一外围边缘相反的第二外围边缘；以及所述切削廓形的中心点与所述第一外围边缘之间的第一距离不等于所述切削廓形的中心点与所述第二外围边缘之间的第二距离。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相互作用元件的所述第一外围边缘设置在所述切削廓形之内，以及所述相互作用元件的所述第二外围边缘设置在所述切削廓形之外。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相互作用元件的所述第一外围边缘设置在所述切削廓形之内，以及所述相互作用元件的所述第二外围边缘设置在所述切削廓形处。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相互作用元件的所述第一外围边缘和第二外围边缘设置在所述切削廓形之内。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一距离与所述第二距离之间的差值在大约Imm到大约IOmm的范围内。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一距离与所述第二距离之间的差值在大约0. 5mm到大约20mm的范围内。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一距离与所述第二距离之间的差值在大约Ocm到大约IOcm的范围内。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一距离与所述第二距离之间的差值在大约Icm到大约2cm的范围内。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一距离与所述第二距离之间的差值小于大约1cm。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一距离与所述第二距离之间的差值为大约1mm。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相互作用元件的所述第一外围边缘和所述第二外围边缘设置在所述切削廓形之内，以及所述第一距离和所述第二距离之间的差值为大约1mm。
12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相互作用元件可调节到所述第一距离和所述第二距离相等的第二配置。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相互作用元件包括保径衬垫组件。
14.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相互作用元件限定出具有圆形形状和中间点的相互作用廓形，以及所述中间点与所述井底钻具的中心轴线横向地偏移。
15.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相互作用元件限定出具有椭圆形状的相互作用廓形。
16.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相互作用元件限定出具有非圆形状的相互作用廓形。
17.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相互作用元件包括圆筒。
18.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相互作用元件包括盘。
19.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相互作用元件包括保径环。
20.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相互作用元件包括凸轮机构，所述凸轮机构将所述相互作用元件从呈现出第一相互作用廓形的第一配置调节到呈现出第二相互作用廓形的第二配置。
21.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相互作用元件的径向调节导致所述钻孔系统的对应钻孔轨迹调节。
22.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一距离与第二距离之间的更大差值对应于钻孔期间所述钻孔系统轨迹的更大变化幅度。
23.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相互作用元件整体地设置在所述切削廓形之内。
24.一种控制钻孔系统在地层中的钻孔内的轨迹的方法，包括将所述钻孔系统定位在所述钻孔内，所述钻孔系统包括连接有井底钻具的钻柱，所述井底钻具包括钻头，所述钻头限定出具有中心点的切削廓形；通过与所述钻孔系统连接的相互作用元件控制发生在所述钻孔系统与所述钻孔的表面之间的间歇接触；以及利用所述钻孔系统与所述钻孔的所述表面之间受控制的间隙接触控制所述钻孔系统在所述钻孔内的轨迹；其中，所述相互作用元件被设置成在钻孔期间间歇地接触所述钻孔的表面并且相对于所述钻孔保持旋转地静止；所述相互作用元件限定出设置在所述切削廓形之内的第一外围边缘以及与第一外围边缘相反的第二外围边缘；以及所述切削廓形的中心点与所述第一外围边缘之间的第一距离不等于所述切削廓形的中心点与所述第二外围边缘之间的第二距离。
25.如权利要求M所述的方法，其特征在于，所述第一距离与所述第二距离之间的更大差值对应于所述钻孔系统轨迹的更大变化幅度。
26.如权利要求M所述的方法，其特征在于，所述第一距离和所述第二距离之间的差值在大约Ocm到大约IOcm的范围内。
27.如权利要求M所述的方法，其特征在于，所述第一距离和所述第二距离之间的差值小于大约1cm。
28.如权利要求M所述的方法，其特征在于，所述第一距离和所述第二距离之间的差值为大约1mm。
29.一种用于控制钻孔系统在地层中的钻孔内的轨迹的系统，包括钻孔系统，其中所述钻孔系统包括连接有井底钻具的钻柱，以及所述井底钻具包括钻头，所述钻头限定出具有中心点的切削廓形；以及用于控制所述钻孔系统与所述钻孔的表面之间间歇接触的装置； 其中，所述用于控制间歇接触的装置与所述钻孔系统连接并且被设置成在钻孔期间相对于所述钻孔保持旋转地静止；用于控制动态相互作用的装置限定出设置在所述切削廓形之内的第一外围边缘以及与第一外围边缘相反的第二外围边缘，以及所述切削廓形的中心点与所述第一外围边缘之间的第一距离不等于所述切削廓形的中心点与所述第二外围边缘之间的第二距离；以及所述用于控制间歇接触的装置操作以控制所述钻孔系统在所述钻孔中的轨迹。
30.如权利要求四所述的系统，其特征在于，所述第一距离与第二距离之间的更大差值对应于钻孔期间所述钻孔系统的轨迹的更大变化幅度。
31.如权利要求四所述的系统，其特征在于，所述第一和第二距离之间的差值在大约 Ocm到大约IOcm的范围内。
32.如权利要求四所述的系统，其特征在于，所述第一和第二距离之间的差值在大约 Icm到大约2cm的范围内。
33.如权利要求四所述的系统，其特征在于，所述第一距离与所述第二距离之间的差值为大约1mm。
全文摘要
本发明基本上涉及一种用于控制钻孔系统的方法和系统，该钻孔系统用于在地层中钻出钻孔。更具体地，而非限制性地，本发明的实施例提供了系统和方法，用于控制钻出钻孔的钻孔系统与被钻进的钻孔内表面之间的动态相互作用，从而给钻孔系统导向，以定向地钻出钻孔。在本发明的另一个实施例中，当钻孔系统钻出钻孔时关于钻孔系统功能的数据可被检测到，并且钻出钻孔的钻孔系统与被钻进的钻孔内表面之间的相互作用可以根据检测到的数据被控制，从而当钻孔被钻进时控制钻孔系统。
文档编号E21B7/06GK102308057SQ200980156389
公开日2012年1月4日 申请日期2009年2月13日 优先权日2009年2月13日
发明者A·约翰逊, G·唐顿, K·豪格瓦尔德斯泰德, M·谢泼德, R·布阿莱格, W·奥尔德雷德 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司