装置和用于控制该装置的控制方法

专利名称：装置和用于控制该装置的控制方法
技术领域：
装置和用于控制该装置的控制方法。
背景技术：
钻探地下井眼通常通过转动钻头来执行，所述钻头位于钻柱的远端。可以通过从地面位置旋转整个钻柱和/或通过使用旋转钻探马达来转动钻头，所述钻探马达与钻柱连接并且位于钻头附近。钻柱可以由连接在一起的钻探管道的单独接头构成，从而形成钻柱。作为替代，钻柱可以由存放在大型线盘上的连续长度的盘管构成。
当钻柱由钻探管道的单个接头构成时，整个钻柱可以相对容易地使用旋转台或者钻塔上的顶部驱动器来旋转。当钻柱由连续长度的盘管构成时，它相对难于旋转整个钻柱，因为线盘也必须旋转。仅通过旋转整个钻柱而在旋转转头的同时钻探，通常称为“旋转钻探”。仅利用旋转钻探马达在旋转转头的同时钻探，通常称为“滑动钻探”。通过旋转整个钻柱而且利用旋转钻探马达而在旋转转头的同时钻探，通常称为“性能钻探”。定向钻探涉及将钻头“转向”，以使钻头沿着期望的路径钻探。因此，定向钻探要求用来为钻头取向的机构，以使其沿着期望的路径钻探。在定向钻探过程中，钻头取向通常称为“刀面取向”。定向钻探可以利用钻柱中的弯部执行，或者利用与钻柱关联的转向工具来执行。如果定向钻探利用钻柱中的弯部来执行，则该弯部的取向可以进行控制，从而提供期望的刀面取向。因此，利用钻柱中的弯部转向可能通常仅在滑动钻探过程中实现，因为旋转钻探将导致弯部恒定转动以及刀面取向的恒定变化。如果利用转向工具执行定向钻探，则可以通过控制转向工具的促动或者通过以固定促动保持转向设备并采用类似利用钻柱中的弯部执行定向钻探的方式控制转向工具的取向，来实现期望的刀面取向。一旦选择，刀面取向可能在钻探过程中由于施加在钻头和钻柱上的作用力而以不希望的方式变化。这些作用力可能是从地面位置施加到钻柱的作用力，或者可能是由井眼施加在钻头和/或钻柱上的反作用力。因此，通常希望在定向钻探过程中时不时地调节刀面取向，以应对这些作用力和导致刀面取向的不希望的变化。反扭矩来自井眼对于钻头抵抗井眼远端旋转的反作用。反扭矩趋向于向着与钻柱旋转和/或旋转驱动马达施加在钻头上的方向相反的方向转动钻头。反扭矩可能导致刀面取向发生变化，而且还在钻柱上施加可能导致损坏的应力。已经做出努力来提供控制反扭矩的影响同时有利于定向钻探的钻探装置。美国专利No. 5，485，889 (Gray)描述了与盘管一起使用的钻探系统和方法。该钻探系统包括控制设备。控制设备包括连接到具有弯曲轴线的钻探工具的下游区段，连接到盘管的上游区段，和连接下游区段和上游区段的回转耦合组件。泵和回路与下游区段、上游区段和回转耦合组件关联，以使下游区段和上游区段之间的相对旋转导致泵通过回路泵送流体。在回路中提供限流孔和阀。控制设备可以被促动以形成井眼的直线区段和井眼的弯曲区段。为了形成井眼的直线区段，控制设备被促动以允许下游区段和上游区段以小于钻头旋转速率的速率发生相对旋转。为了形成井眼的弯曲区段，控制设备被促动以阻止下游区段和上游区段相对旋转，从而有利于钻探工具的弯曲轴线的取向。通过将阀促动到关闭位置以阻止流体通过回路循环来实现促动控制设备以阻止下游区段和上游区段的相对旋转。阀被从地面位置通过延伸到地面位置的控制线缆来促动。传感器通过控制线缆与地面位置通信，从而将未指定的信息通知地面位置。美国专利No. 6，059，050 (Gray)描述了一种用于控制钻探工具由于存在反扭矩而相对旋转的装置。所述装置包括相对旋转的第一构件和第二构件以及液压泵，所述液压泵具有安装在第一构件上的第一泵部分和安装在第二构件上的第二泵部分。所述泵布置地让第一和第二构件的相对旋转导致第一和第二泵部分相对旋转，而该相对旋转导致从第一腔向第二腔泵送液压流体，其中液压流体在第二腔内处于压力下。具有位于第一构件上的第一制动器部分和位于第二构件上的第二制动器部分的制动器与第二腔关联，以使该制动器 被第二腔中的液压压力促动。导管和可变开口控制流体从第二腔回流到第一腔，从而控制由制动器施加的制动力以及第一和第二构件的相对旋转。所述装置可以被促动以允许或阻止第一和第二构件相对旋转。促动所述装置以阻止第一和第二构件的相对旋转，可以通过将可变开口促动到关闭位置以阻止流体从第二腔回流到第一腔来实现。可变开口由来自适当的控制系统的电气控制线路来控制。传感器通过控制线缆与地面位置通信，从而将未指定的信息通知地面位置。美国专利No. 6, 571, 888 (Comeau等)描述了一种用于利用盘管进行定向钻探的装置和方法。所述装置包括连接到盘管的井上接头、具有弯曲壳体的井下接头、钻头和用于旋转钻头的第一马达、井上接头和井下钻头之间用于允许它们之间的旋转的旋转连接部，和位于旋转连接部以及井上接头之间的离合器。所述离合器可以利用交替施加的流体循环在接合和脱开位置之间操作，以接合和脱开离合器。在该离合器的接合位置，井下接头相对于井上接头旋转。在离合器的脱开位置，井下接头被锁止而不能相对于井上接头旋转。所述装置可以进一步包括用于在离合器处于接合位置时耗散趋向于旋转井下接头的反扭矩的减速器。美国专利申请公开No. US2003/0056963A1 (Wenzel)描述了一种用于控制井下钻探马达组件的装置，所述装置包括管状壳体、旋转安装在壳体内的心轴、和设置在壳体和心轴之间的液压阻尼器组件。所述液压阻尼器组件限制心轴在壳体内的旋转速率，从而为反扭矩提供预设的阻力。所述液压阻尼器组件包括环形主体，所述环形主体定位在壳体与心轴之间的环形腔中。环形主体利用花键与心轴连接，以使环形主体随着心轴旋转并且可以相对于心轴轴向往复运动。环形主体外表面上的导轨与壳体上的导向构件接合。导轨具有之字形图案，这导致环形主体随着壳体相对于心轴旋转而在环形腔内轴向往复运动。所述环形腔填充有液压流体。所述环形主体设置有液压阀，当环形主体在环形腔内往复运动时，所述液压阀对经过环形主体的液压流体提供限流作用，从而提供预设的阻力，限制心轴在壳体内的旋转速率。所述装置可以被促动以允许或阻止心轴在壳体内旋转。促动所述装置以阻止心轴在壳体内旋转，可以通过促动环形插头以阻挡液压阀，通过促动心轴和壳体之间的离合器以便将心轴和壳体锁止在一起，或者通过促动电子阀以阻碍液压流体在环形腔内的运动来实现。


下面将参照附图描述本发明实施例，在附图中图I是与井眼中的钻柱连接的本发明的装置的一种实施例的示意图；图2是与井眼中的钻柱连接的本发明的装置的第二实施例的示意图；图3是本发明的装置的一种实施例的部件的示意图；图4是本发明的装置的第二实施例的部件的示意图；
图5是涉及用于根据本发明的反扭矩控制设备的一种实施例中的液压回路的液压回路图；图6是涉及用于根据本发明的反扭矩控制设备的第二实施例中的液压回路的液压回路图；图7A-7F是本发明装置的实施例的部件的纵截面装配图，其中图7B是图7A的延续，图7C是图7B的延续，图7D是图7C的延续，图7E是图7D的延续，而图7F是图7E的延续；图8是图7中所示本发明的装置的实施例中的反扭矩控制设备的特征的第一示意图；图9是图7中所示本发明的装置的实施例中的反扭矩控制设备的特征的第二示意图，其与图8具有不同的观察位置；图10是控制设备控制方法的第一示例实施例的流程图，所述控制设备控制方法用于控制以下类型的装置，该装置包括第一组件、第二组件、第一组件和第二组件之间的取向旋转连接部以及与取向旋转连接部关联的控制设备；图11是控制设备控制方法的第二示例实施例的流程图，所述控制设备控制方法用于控制以下类型的装置，该装置包括第一组件、第二组件、第一组件和第二组件之间的取向旋转连接部以及与取向旋转连接部关联的控制设备；图12是针对如图11所示的控制设备控制方法的第二示例实施例，在测试中第二组件相对于第一组件的旋转角度量的曲线；图13是控制设备控制方法的第三示例实施例的流程图，所述控制设备控制方法用于控制以下类型的装置，该装置包括第一组件、第二组件、第一组件和第二组件之间的取向旋转连接部以及与取向旋转连接部关联的控制设备。
具体实施例方式本文中对于尺度、取向、操作参数、范围、范围下限和范围上限的引述，其目的并非限制本发明的范围的边界，而是应该理解为在本文教导的范围内意指“近似”或者“大约”或者“基本上”，除非另有明确表述。本发明涉及一种装置和控制该装置的方法。本发明的装置可以包括第一组件、第二组件、所述第一组件和第二组件之间的取向旋转连接部、和与所述取向旋转连接部关联的控制设备，其中所述控制设备可以促动，以有选择地允许所述第二组件相对于所述第一组件旋转，或者防止所述第二组件相对于所述第一组件旋转。在一些实施例中，所述第一组件可以包括上部组件，而所述第二组件可以包括下部组件。
本发明利用施加在所述第一组件和/或第二组件上的作用力或多个作用力来控制所述控制设备的促动以及因此控制所述第一组件和第二组件的相对取向和/或所述第一组件和第二组件之间的相对转动速率。所述作用力和多个作用力包括或者基本上可以由下述构成施加在所述第一组件和第二组件两者或者其中之一上的直接作用力；施加在所述第一组件和第二组件之间的摩擦力；施加在所述第一组件和第二组件两者或者其中之一上的反作用力；和/或可能倾向于导致所述第一组件和第二组件相对于彼此旋转的任何其他作用力或多个作用力。在一些实施例中，本发明可以利用反扭矩来控制钻探过程中钻柱的一个或多个部件的取向和/或旋转速率。在这些实施例中，所述控制设备可以包括反扭矩控制设备。在一些实施例中，本发明特别用于控制定向钻探中的刀面取向。如文中所用，相对于地面位置，针对钻柱内的位置或者位于井眼内的位置，“上部”指的是相对近端和/或井口，而“下部”指的是相对远端和/或井下。图I提供了一种可以用于从地面位置12钻探井眼10的设备示例结构的基本示意图，包括本发明装置20的适应性描绘。地面位置12可以是陆地表面、钻探平台，或者可以从其控制钻探的井眼10外侧的任何其他位置。参照图1，本发明装置20的实施例包括作为第一组件的上部组件22。上部组件22具有上部端24，所述上部端与钻柱26连接。装置20进一步包括作为第二组件的下部组件28。在图I所示的实施例中，下部组件28与钻探组件连接或者包括钻探组件。如图I所示,下部组件28包括钻探组件。钻探组件可以包括可以与钻柱26连接以钻探井眼10的任何工具或者装置或者工具和/或装置的组合。作为非限制性示例，钻探组件可以包括一个或多个钻铤、稳定塔、钻头、转向工具、钻探马达、测井工具、勘测工具、遥测工具等。如图I所示，钻探组件包括旋转钻探马达30。钻探马达30包括钻头32，所述钻头定位在下部组件28的下端34处。钻柱26可以包括多个连接在一起的相对较短的管道接头，它们可以包括单一连续管道段，或者可以包括相对较长的接头或者连接在一起的管道段。如图I所示，钻柱26包括称为盘管50的连续管道段。如图2所示，钻柱26包括连接在一起的相对较短的管道接头51。参照图1，盘管50存放在位于地面位置12处的卷盘52上。如果盘管50的单一卷盘52的长度不足以完成钻探操作，则盘管50段可以连接在一起以形成钻柱26。在图I所示实施例中，钻探通常作为滑动钻探来实施，其中钻头32在钻探过程中被钻探马达30转动而盘管50在钻探过程中不转动。如图I所示，上部组件22配置成上部组件22的任何部分都不会相对于钻柱26转动。参照图2，在替代实施例中，上部组件22可以包括上部区段54、靠近取向旋转连接部32的下部区段56、以及上部区段54和下部区段56之间的回转连接部58，以使上部区段54相对于下部区段56转动。在图2所示的替代实施例中，下部区段56可以包括旋转约束设备60，用于约束下部组件28的下部区段56在钻探过程中相对于井眼10转动。图2所示的替代实施例允许钻柱26在钻探过程中从地面位置12转动，而不转动上部组件22的下部区段56或者下部组件28，因此在使用本发明时提供了一些已知的旋转钻探的好处。图3和图4提供了本发明装置20的实施例的更为详细的示意图，其中更为完整地描绘了装置20的部件。 参照图3和图4两者，取向旋转连接部36设置在上部组件22和下部组件28之间。反扭矩控制设备38作为控制设备与取向旋转连接部36关联。反扭矩控制设备38可以促动，以有选择地允许下部组件28相对于上部组件22转动，或者阻止下部组件28相 对于上部组件22转动。取向感知设备40提供感知到的下部组件28的实际取向。反馈控制系统42与反扭矩控制设备38以及取向感知设备40关联。反馈控制系统42能响应感知到的下部组件28的实际取向来促动反扭矩控制设备38，从而实现下部组件28的目标取向。在一些实施例中，下部组件28提供刀面取向44以有利于定向钻探。期望的下部组件28的刀面取向44可以由下部组件28的目标取向来提供。期望的下部组件28的刀面取向44可以与下部组件28的目标取向相同，或者可以参照下部组件28的目标取向。刀面取向44可以以任何方式和/或通过任何允许下部组件28提供刀面取向的装置设置。例如，刀面取向44可以由转向工具提供，其中术语“转向工具”包括通过提供刀面取向44以有利于定向钻探的任何装置。在一些实施例中，刀面取向44可以由与下部组件28关联的弯头46来提供。弯头46可以由弯接头、弯曲的马达壳体来提供，或者可以通过任何其他适当方式提供。反馈控制系统42可以包括任何结构、设备或者装置或者结构、设备和装置的组合，它们能从取向感知设备40接收与感知到的下部组件28的实际取向有关的输入并响应所述输入来促动反扭矩控制设备38，从而实现下部组件28的目标取向。例如，参照图3和图4，在一些实施例中，反馈控制系统42包括反馈处理器70，用于处理感知到的下部组件28的实际取向，从而产生反馈促动指令，用于促动反扭矩控制设备38，从而实现下部组件28的目标取向。反馈控制系统42还可以包括反扭矩控制设备控制器72，用于接收反馈促动指令并用于促动反扭矩控制设备38，从而执行反馈促动指令。反馈控制系统42还可以包括位于取向感知设备40和反馈处理器70之间的反馈通信链路74，用于从取向感知设备40向反馈处理器70发送感知到的下部组件28的实际取向。反馈处理器70和反扭矩控制设备控制器72可以包括单独的部件或者可以组合成一个装置或设备。反馈控制系统42的部件可以与上部组件22或者下部组件28关联。如图3和图4所示，反馈控制系统42的部件与上部组件22关联，以使反馈控制系统42成为上部组件22的部件。取向感知设备40可以包括能感知下部组件28的实际取向的任何结构、设备或装置。取向感知设备40可以包括取向传感器90。取向传感器90可以与上部组件22或者下部组件28关联。如前所述，取向旋转连接部36连接上部组件22和下部组件28，结果是上部组件22和下部组件28可 以相对于彼此转动。因此，将取向传感器90与上部组件22或者下部组件28关联存在固有的优势和劣势。作为一种示例，将取向传感器90与下部组件28关联，有利于直接确定感知到的下部组件28的实际取向，但是要求反馈处理器70与下部组件28关联或者反馈通信链路74跨过取向旋转连接部36进行通信。作为第二种示例，将取向传感器90与上部组件22关联，允许反馈处理器70与上部组件22关联而不要求反馈通信链路74跨过取向旋转连接部36进行通信，但是导致感知到的上部组件22的实际取向必须以某种方式被下部组件28的实际取向参考，从而提供感知到的下部组件28的实际取向。因此，参照图3，取向传感器90可以与下部组件28关联，以使取向传感器90成为下部组件28的部件而反馈处理器70可以与上部组件22关联，以使反馈处理器70成为上部组件22的部件。在这种结构中，感知到的下部组件28的实际取向可以由取向传感器90直接确定，反馈通信链路74可以包括取向传感器90和反馈处理器70之间的线路(即，电线缆)，而旋转信号耦合器94可以设置在取向传感器90和反馈处理器70之间，从而跨过取向旋转连接部36进行通信。旋转信号耦合器94可以包括集电环、感应耦合件，或者能跨过取向旋转连接部36传递信号的任何其他适当的耦合器。如图3所示，旋转信号耦合器94是集电环。参照图4，取向传感器90可以替代地与上部组件22关联，以使取向传感器90成为上部组件22的部件而反馈处理器70可以与上部组件22关联，以使反馈处理器70成为上部组件22的部件。在这种结构中，旋转信号耦合器94不是必须，但是取向传感器90提供感知到的上部组件22的实际取向。因此，取向感知设备40可以包括基准设备96，用于在上部组件22和下部组件28之间提供基准取向，以使感知到的下部组件28的实际取向可以从感知到的上部组件22的实际取向中获取。参照图3和图4，装置20可以包括一个或多个感知设备，用于感知除了下部组件28的实际取向之外的参数。这些参数可能涉及装置20，涉及井眼10和/或周围地层，和/或钻探性能。用于感知除了下部组件28的实际取向之外的参数的感知设备可以包括取向感知设备40，以使取向感知设备40能感知除了下部组件28的实际取向之外的参数。作为替代，这些感知设备可以包括增加到取向感知设备40和/或与取向感知设备40分开的一个或多个参数感知设备98。在一些实施例中，除了下部组件28的实际取向之外的这些参数可以包括上部组件相对于下部组件28的旋转量和/或上部组件22相对于下部组件28的旋转量作为时间的函数(即，上部组件22和下部组件28之间相对旋转速度的量度)。在一些实施例中，涉及上部组件22相对于下部组件28的旋转的参数可以由取向感知设备40感知。在一些实施例中，涉及上部组件22相对于下部组件28的旋转的参数可以由增加到取向感知设备40和/或与取向感知设备40分开的一个或多个参数感知设备98来感知。参数感知设备98可以包括用于感知期望的参数的任何适当的结构、设备或装置。参数感知设备98可以与反馈通信链路74关联或者可以通过其他方式与反馈控制系统42通信，以使来自参数感知设备98的数据可以用于向装置20提供反馈，包括但不限于与保持或改变期望的刀面取向44有关的反馈和/或与反扭矩控制设备38的促动方式有关的反馈。反扭矩控制设备38可以与上部组件22和下部组件28两者或者其中任一关联。在一些实施例中，反扭矩控制设备38与上部组件22关联，以使反扭矩控制设备成为上部组件22的部件。反扭矩控制设备38可以包括能被促动来有选择地允许下部组件28相对于上部组件22转动或者阻止下部组件28相对于上部组件22转动的任何结构、设备或装置或者结构、设备或装置的组合。作为非限制性例子，反扭矩控制设备38可以包括诸如在美国专利No. 5，485，889 (Gray)、美国专利No. 6，059，050 (Gray)或者美国专利申请公开No. US2003/0056963A1 (Wenzel)中所述的设备。 图5提供了用于反扭矩控制设备38的第一实施例的液压回路图。参照图5，反扭矩控制设备38可以包括泵110和包含泵送流体114的环路112，其中泵110将泵送流体114围绕环路112泵送。如图5所示，泵110由下部组件28和上部组件22之间的相对转动来驱动。在另一些实施例中，泵110可以由除了下部组件28和上部组件22之间的相对转动之外的动力源驱动。参照图5，环路112包括泵送阻抗116。泵送阻抗116加载泵110，因此阻碍下部组件28和上部组件22之间的相对转动。泵送阻抗116可以调节。泵送阻抗116可以包括定位于环路112中的一个或多个限流器118。所述一个或多个限流器118可以调节，从而调节泵送阻抗116。所述一个或多个限流器118可以由反扭矩控制设备控制器72调节，或者可以手动调节。参照图5，环路112可以被有选择地阻断，从而阻止泵送流体114被泵110围绕环路112泵送。反扭矩控制设备38因此可以进一步包括定位于环路112中的一个或多个阀120。所述一个或多个阀120可以在打开位置和关闭位置之间促动，其中在所述关闭位置时，环路112被阻断，从而阻止泵送流体114被泵110围绕环路112泵送。所述一个或多个阀120可以被反扭矩控制设备控制器72促动。所述一个或多个阀120可以是电磁阀形式的阀或者任何其他适当类型的阀。泵110可以包括适合围绕环路112泵送泵送流体的任何类型的泵。在泵110被下部组件28和上部组件22之间的相对转动驱动的实施例中，泵110可以是旋转斜盘形式的泵。低压容器140包括在环路112中，以提供用于泵110的泵送流体114的源。图6提供了用于反扭矩控制设备38的第二实施例的液压回路图。参照图6，反扭矩控制设备38可以进一步包括与环路112关联的制动器122。制动器122可以包括能在上部组件22和下部组件28之间提供制动力的任何结构、设备或装置，从而阻碍或防止下部组件28和上部组件22之间的相对转动。作为非限制性的例子，制动力可以是摩擦力、磁力、电磁力或者粘性流体作用力，并且制动器122可以包括适配成与环路112关联的任何适当的制动机构和/或离合器机构。参照图6和图7E，制动器122可以包括与上部组件22关联的第一制动器部分124和与下部组件28关联的第二制动器部分126。制动器122可以由环路112中的流体压力促动。作为环路112中流体压力的结果，制动器部分124、126可以被促动到彼此接合，从而在制动器部分124、126之间提供接合力，这种接合力阻碍下部组件28和上部组件22之间的相对转动。制动器部分124、126之间的接合力可以随着环路112中的流体压力增大而增大。参照图6，环路112中的泵送阻抗116可以包括定位在环路112中、位于制动器122上游侧的第一限流器130和定位在环路112中、位于制动器122下游侧的第二限流器132。参照图6，反扭矩控制设备38可以包括定位在环路112中、位于制动器122上游侧的第一阀134和定位在环路112中、位于制动器122下游侧的第二阀136。阀134、136可以各自在打开位置和关闭位置之间被促动，其中在所述关闭位置时，环路112在第一阀134和第二阀136之间被阻断，从而保持制动器部分124、126之间的接合力。阀134、136可以被反扭矩控制设备控制器72促动。
参照图6，环路112可以包括定位在环路112中的压力释放旁路138，用于在环路112中的流体压力超过由压力释放旁路138确定的旁路压力时，绕开第一阀134和第二阀136。如图6所示，压力释放旁路138导向为泵110提供泵送流体114的低压容器140。参照图6，环路112可以进一步包括放泄阀142，用于在环路112中的流体压力超过由放泄阀142确定的释压时，从环路112释放一定量的泵送流体114。参照图6，反扭矩控制设备38可以进一步包括与环路112连通的蓄存器144，用于在环路112中的流体压力低于由蓄存器144确定的蓄存器阈值压力时，向环路112供应额外的泵送流体114。反扭矩控制设备38可以在第一位置和第二位置之间促动，其中所述第一位置对下部组件28和上部组件22之间的相对转动提供最小的阻力，从而允许下部组件28和上部组件22之间发生相对转动，而所述第二位置向下部组件28和上部组件22之间的相对转动提供最大的阻力，从而阻止下部组件28和上部组件22之间发生相对转动。在一些实施例中，反扭矩控制设备38可以被促动到第一位置和第二位置之间的一个或多个中间位置，其中所述中间位置向下部组件28相对于上部组件22的转动提供中等阻力。所述中间位置可以允许下部组件28相对于上部组件22以比所述第一位置所允许的速率更慢的速率转动。根据本发明的实施例，通过调节环路112中的泵送阻抗116和/或通过促动一个或多个阀120、134、136，反扭矩控制设备38可以在第一位置、第二位置和中间位置之间被促动。参照图3和图4，反馈控制系统42可以进一步包括存储器148。存储器148可以用于存储任何期望的数据，包括涉及装置20和/或其操作、井眼10和/或周围地层和/或钻探性能的数据。例如，存储器148可以用于存放下部组件28的目标取向或者目标取向序列、用于装置20的详细的井眼钻探计划、由感知设备40、98在装置20操作过程中收集的数据、或者装置20操作过程中从地面位置12提供的下行链路通信中的指令。数据和指令可以存放于存储器148中，用于以后在装置20返回到地面位置12时进行读取，或者用于以后传达到地面位置12，和/或数据和指令可以由反馈控制系统42使用，来控制反扭矩控制设备38的促动。例如，数据和指令可以用于改变目标取向或者目标取向序列，从而提供一个或多个更新的目标取向。装置20可以在若干不同的模式下操作。作为一种示例，装置20可以在完全自动化的闭环模式下操作，其中反馈控制系统42利用存储器148中含有的数据，诸如详细的井眼钻探计划，包括下部组件28的目标取向或者目标取向序列、从取向感知设备40接收的数据和/或从参数感知设备98接收的数据，从而控制装置20的操作，而不需要来自地面位置的输入或干预。例如，来自感知设备40、98的数据可以用于改变目标取向或者目标取向序列，从而提供一个或多个更新的目标取向。作为第二种示例，装置20可以在完全手动模式下操作，其中反扭矩控制设备38被来自地面位置12的命令所促动，并且其中反馈控制系统42被该命令有效地超控。在这种模式下，来自地面位置12的命令可以遵循在地面位置12接收的上行链路通信中包含的数据的解释。
作为第三种示例，装置20可以在各种半自动的闭环模式下操作，其中反馈控制系统42以类似于完全自动的闭环模式的方式实现并维持下部组件28的目标取向或者目标取向序列，但是其中下行链路通信可以提供给反馈控制系统42并以下行链路指令的形式存放于存储器148中，改变目标取向或者目标取向的序列，从而提供一个或多个更新的目标取向或者更新的钻探计划，和/或其中反馈控制系统42可以被从地面位置12超控，和/或其中上行链路通信可以提供到地面位置12。如果装置20在完全自动的闭环模式下操作，表现为目标取向和/或详细的井眼钻探计划形式的指令可以在装置20部署到井眼10中之前，在地面位置12存放于存储器148中，并且来自感知设备40、98的数据也可以在装置20操作过程中存放于存储器148中。因此，在完全自动的闭环模式下，装置20和地面位置12之间可能不需要上行链路或者下行链路通/[目O但是，如果装置20在完全手动模式或者半自动闭环模式下操作，则装置20和地面位置12之间的通信是必须的。因此，参照图3和图4，在一些实施例中，装置20可以进一步包括地面位置12和反馈控制系统42之间的地面通信链路150，用于在地面位置12和反馈控制系统42之间传达下行链路通信和/或上行链路通信。下行链路通信可以包括送达反馈控制系统42的下行链路指令，用于促动反扭矩控制设备38，诸如例如下部组件28的一个或多个目标取向。上行链路通信可以包括由取向感知设备40产生的数据和/或由参数感知设备98产生的数据。地面通信链路150可以作为装置20的专用部件包括在内。作为替代，地面通信链路150可以由通常与钻柱26关联的遥测系统来提供。例如，地面通信链路150可以由遥测系统提供，诸如压力脉冲遥测系统、包括涡轮和用于感知涡轮转速的旋转传感器的流体流动速率遥测系统、电磁(EM)遥测系统、声学遥测系统、有线遥测系统，或者能在地面位置12和反馈控制系统42之间传达下行链路通信和/或上行链路通信的任何其他类型的遥测系统。遥测系统可以是通常描述为钻探同时测量(MWD)的遥测系统、钻探同时测井(LffD)的遥测系统或者任何其他适当形式的遥测系统。
遥测系统可以包括遥测系统处理器，并且在一些实施例中，反馈处理器70可以包括遥测系统处理器，以使装置20不包括专用的反馈处理器70。遥测系统可以包括遥测系统取向传感器，并且在一些实施例中，取向感知设备40可以包括遥测系统取向传感器，以使装置20不包括专用的取向传感器90。在另一些实施例中，遥测系统与作为装置20的专用部件包括在内的反馈控制系统42和取向感知设备40通信。图7A-7F是装置20的实施例的一种示例的纵截面装配图，该图提供了示例装置20的部件的详细视图。图8是反扭矩控制设备38的部件的示意原理图，与装置20的其他部分隔离表示。图9是反扭矩控制设备38的部件的示意原理图，与装置20的其他部分隔离 表示并且相对于图8转过大约180度。以上所用的附图标记将在先前所用附图标记涉及特定实施例中的等同结构的范围内，用于后面的说明内容。参照图7A-7F，上部组件22包括利用螺纹连接部头对头连接的若干部件。从上部组件22的上端24开始，上部组件22包括探头接头160、取向感知组件162、泵组件164和制动组件166。部件160、162、164、166各自包括壳体，所述壳体限定和/或包含装置20的部件和特征。每个部件160、162、164、166可以包括单一壳体，或者可以包括连接在一起的多个壳体兀件。如图7A-7C所示，探头接头160包括单一探头接头壳体161，取向感知组件162包括单一取向感知组件壳体163，泵组件164包括环路组件165a和泵壳体165b，而制动组件166包括制动器壳体167a、轴承壳体167b和密封壳体167c。下部组件28包括上部心轴170和下部心轴172，它们利用螺纹连接部连接在一起并且可旋转地安装在上部组件22内，以使上部心轴170的上端包含在取向感知组件162内并且使得下部心轴172的下端从制动组件166的下端伸出。下部组件28安装在上部组件22内，具有包含在取向感知组件162内的上部轴承174和上部旋转密封件176，以及包含在制动组件166内的多个下部轴承178和下部旋转密封件180。轴承174、178包括止推轴承和径向轴承，并且有利于上部组件22和下部组件28之间的定向旋转连接部36。如图7C和7F所示，轴承174、178包括由位于德克萨斯州舒格兰(Sugar Land, Texas)的 Kalsi 工程有限公司(Kalsi Engineering, Inc.)制造的 Kalsi 止推轴承。密封件176、180在装置20内、在密封件176、180之间提供与井眼10中的流体隔离的流体腔182。流体腔182包含泵送流体114，泵送流体114还用于润滑装置20的部件。下部组件28进一步包括旋转钻探马达30，所述马达30螺纹连接到下部心轴172的下端；和钻头32，所述钻头32螺纹连接到钻探马达30的下端。钻探马达30或者钻头32都未在图7A-7F中描绘，但是在图1-4中进行了描绘。如果装置20在完全自动的闭环模式下操纵，并且装置20和地面位置12之间不需要下行链路或上行链路通信，则探头结构160可以直接与钻柱26连接。但是，如果需要或者希望提供下行链路和/或上行链路通信，则探头接头160可以借助探头接头160上的适配器190与地面通信链路150连接，诸如传统的钻探同时测量(MWD)模块(在图7中未示出，但是在图1-4中示出)，在这种情况下地面通信链路150提供上部组件22的上端并且与钻柱26连接。探头接头160可以是传统的电子接头，正如测井领域所知。探头接头160的作用包括提供反馈控制系统42的部件和在地面通信链路150和位于探头接头160下面的装置20的其他部件之间提供通信。具体来说，探头接头160包含反馈控制系统42，包括反馈处理器70和反扭矩控制设备控制器72，并且在取向感知设备40和反馈处理器70之间提供一部分反馈通信链路74。探头接头160还包含存储器148。存储器148与反馈处理器70连接。取向感知组件162连接到探头接头160的下端。取向感知组件162的主用功能是包含取向感知设备40。取向感知组件162还在反馈控制系统42和反扭矩控制设备38之间提供通信链路。取向感知设备40包括取向传感器90，该传感器包括钻探工具领域已知类型的传统电子取向传感器套件，所述传统电子取向传感器套件包含加速度计和/或磁力计。由于取向传感器90定位于上部组件22上，所以它感知上部组件22的实际取向。因此，取向感 知设备40进一步包括基准设备96，用于在上部组件22和下部组件28之间提供基准取向。基准设备96包括分解器。所述分解器包括内环和外环。所述内环安装在上部心轴170上，而外环安装在取向感知组件162上。所述环的相对位置提供提供了上部组件22和下部组件28之间的基准取向。因此，取向感知设备40感知上部组件22的实际取向并感知上部组件22和下部组件28之间的基准取向，从而可以确定下部组件28的实际取向。参照图7D和7E，泵组件164连接到取向感知组件162的下端。泵组件164的主用功能是包含反扭矩控制设备38的部件。上部压力补偿组件200也设置在取向感知组件162和泵组件164之间。上部压力平衡组件200包括压力平衡腔和包含在压力平衡腔内的压力平衡活塞。压力平衡腔的流体腔侧与流体腔182流体联通，而压力平衡腔的井眼侧与井眼10流体联通，以使井眼10内的压力通过压力平衡活塞传递到流体腔182，从而降低密封件176、180上的压力差。弹簧202设置在压力平衡腔的井眼侧，从而在流体腔182和井眼10之间的提供正压力差。用于图7-9所示实施例的反扭矩控制设备38与图6所示以及上述反扭矩控制设备38基本上相同。参照图7-9，反扭矩控制设备38因此包括泵110、环路112、制动器122、第一限流器130、第二限流器132、第一阀134、第二阀136、压力释放旁路138、容器140、放泄阀142和蓄存器144。在图7-9所示实施例中，泵110是旋转斜盘泵，其包括围绕泵短节164圆周间隔开的6个缸体，以使泵110被下部组件28和上部组件22之间的相对旋转所驱动。在图7-9所示实施例中，环路112主要包括包含在泵短节164内或者由其形成的一系列口和通道。在图7-9所示实施例中，限流器130、132都是由美国康列狄格州West Port的TheLee Company制造的Flosert 可调节限流器。Flosert 可调节限流器在宽泛的压力条件范围内提供恒定流动速率，并且可以调节以提供不同流动速率。如图7-9所示，限流器130、132可以调节以提供相同流动速率，从而与离开制动器122 —样，提供向着制动器122的相同流动速率的泵送流体114。在图7-9所示的实施例中，限流器130、132可以手动调节，以提供希望的流动速率并因此在装置20部署到井眼10之前提供希望的泵送阻抗116。但是，限流器130、132可以配置成能由反扭矩控制设备控制器72调节。在图7-9所示实施例中，阀134、136两者均为电磁阀型的阀，可以被反扭矩控制设备控制器72电力促动。返回参照图6以及图8-9，环路112从泵110开始。泵送流体114从容器140抽取并且随着下部组件28相对于上部组件22转动而被泵110经由容器供应线路208泵送。泵送流体114经过止回阀210到达360° (即圆形)集流管212。两条线路从集流管212延伸。第一集流管线路214在集流管212和第一阀134之间延伸。第一限流器130定位于第一集流管线路214上，以便控制泵送流体114的流动速率并协助提供泵送阻抗116。
第二集流管线路216在集流管212和压力释放旁路阀218之间延伸，以使第二集流管线路216和压力释放旁路阀218 —起提供压力释放旁路138。在图7-9所示实施例中，提供两条压力释放旁路138作为冗余部件。如果第一阀134关闭，则集流管212内的流体压力将随着泵110泵送泵送流体114而升高，直到流体压力超过旁路压力，在这一点，泵送流体114将通过压力释放旁路阀218到达容器140。容器140包括环形空间，该环形空间沿着密封件176、180之间的装置20的长度设置在上部组件22和下部组件28之间。如果第一阀134打开，则泵送流体114从第一集流管线路214到达制动器促动线路220，所述制动器促动线路在第一阀134和第二阀136之间延伸。制动器压力线路222在制动器促动线路220和制动器活塞224之间延伸，以使制动器压力线路222内的流体压力等于制动器促动线路220内的流体压力。参照图7E，制动器活塞224和制动器122包含在制动器组件166内。制动器活塞224靠接第一制动器部分124，以使制动器活塞224在制动器促动线路220内的流体压力的影响下在制动器压力线路222内的运动将第一制动器部分124向第二制动器部分126促动，从而在制动器部分124、126之间提供接合力。第一制动器部分124键连接到上部组件22，以使其可以相对于上部组件22往复运动，但是不可以相对于上部组件22转动。随着制动器促动线路220内的流体压力增大，制动器部分124、126之间的接合力也增大。第二限流器132定位在制动器122和第二阀136之间的制动器压力线路122内，从而控制制动器122和容器140之间的泵送流体114的流动速率，并且提供泵送阻抗116。如果第二阀136关闭，则泵送流体214将继续经过压力释放旁路阀218到达容器140，结果是制动器促动线路220内的流体压力将不会超过旁路压力。如果第二阀136打开，则泵送流体214将从制动器促动线路220和制动器压力线路222经由容器返回线路225返回容器140。第二限流器132限制经过制动器促动线路220的泵送流体的流动速率并且协助提供泵送阻抗116。压力变送器226定位在制动器压力线路222内。压力变送器226感知制动器压力线路222内的流体压力，该流体压力可以关联到制动器部分124、126之间的接合力。压力变送器226还可以与反馈处理器70连接，以使反扭矩控制设备38可以响应制动器压力线路222内的流体压力而被促动。在图7-9所示实施例中，反扭矩控制设备38进一步包括第一环路压力补偿组件230和第二环路压力补偿组件232，每个补偿组件在设计上类似于上部压力补偿组件200。第一环路压力补偿组件230将井眼10内的压力传递到泵110和第一阀134之间的环路112部分。第二环路压力补偿组件232将井眼10内的压力传递到第二阀136和容器140之间的环路112部分。下部轴承178包含在制动器组件166的轴承壳体167b内。下部密封件180包含在制动器组件166的密封件壳体167c内。下部组件28的下部心轴172的下端在制动器组件166的密封件壳体167c的下端的下方延伸。钻探马达30直接或间接连接到下部心轴172的下端，而钻头32直接或间接连接到钻探马达30的下端，以使下部组件28包括钻探马达30和钻头32。为了便于定向钻探，下部组件28提供刀面取向44，而刀面取向可以由下部心轴172上的弯部46提供、由钻探马达30中的弯部提供、由连接在下部组件28内的弯接头提供，由转向工具48提供，或者以任何其他适当的方式提供。
反扭矩控制设备38可以被反扭矩控制设备控制器72有选择地促动，以允许下部组件28相对于上部组件22的转动，或者阻止下部组件28相对于上部组件22的转动。当反扭矩控制设备38被促动而允许下部组件28和上部组件22的相对转动时，有利于非定向或“直线”钻探。当反扭矩控制设备38被促动而阻止下部组件28和上部组件22的相对转动时，通过建立并保持期望的刀面取向44以及因此下部组件28的目标取向，有利于定向钻探。下部组件28的目标取向可以包括单一目标取向或者下部组件28的目标取向可以包括作为井眼钻探计划的一部分的一系列目标取向。在装置20部署之前，单一目标取向或者一系列目标取向可以存储在存储器148中，或者可以经由地面通信链路150作为下行链路指令传达到反馈控制系统42并存储在存储器148中。目标取向或者一系列目标取向可以在井眼10钻探过程中，经由地面通信链路150作为下行链路指令的结果而改变，或者作为通过反馈控制系统42从取向感知设备40和/或从与装置20关联的参数感知设备98接收的数据的结果而改变。例如，涉及钻探过程中穿越的地层的成分和条件的数据，或者涉及装置20的性能或状态的数据，可能需要或者促使在期望的刀面取向44以及下部组件28的目标取向方面发生变化。促动反扭矩控制设备38也可以在装置的使用过程中，经由地面通信链路150作为下行链路指令的结果而被控制和/或改动，或者作为由反馈控制系统42从取向感知设备40和/或与装置20关联的参数感知设备98接收的数据的结果而被控制和/或改动。例如，来自感知设备40、98的数据可以建议反扭矩控制设备38的促动定时应该改变，泵送阻抗116应该改变，或者涉及反扭矩控制设备38的促动的其他一些参数应该改变。装置20或者其他具有装置20的特定特征的设备可以用于执行定向钻探的方法。作为一种例子，井眼10定向钻探的方法可以使用装置20，该装置包括与钻柱26连接的上部组件22 ;包括旋转钻探马达30的下部组件28，以使下部组件28在钻探过程中作为钻探马达30操作的结果而接受反扭矩；位于上部组件22和下部组件28之间的取向旋转连接部36 ;和与取向旋转连接部36关联的反扭矩控制设备38，其中反扭矩控制设备38可以促动以有选择地允许下部组件28相对于上部组件22转动或者阻止下部组件28相对于上部组件22转动。装置20还可以包括如上针对本发明的装置20所述的其他特征。
在这些实施例中，方法可以包括(a)促动反扭矩控制设备38以阻止下部组件28相对于上部组件22转动；(b)提供感知到的下部组件28的实际取向；(c)将感知到的下部组件28的实际取向与下部组件28的目标取向相比较；Cd)促动反扭矩控制设备38以允许下部组件28相对于上部组件22转动；(e)操作钻探马达30以提供下部组件28的目标取向；和(f)促动反扭矩控制设备38以阻止下部组件28相对于上部组件22转动。在定向钻探进行的同时，上述方法的全部或部分可以重复，以便保持下部组件28 的目标取向和/或获得和/或保持更新的下部组件28的目标取向。因此，所述方法可以用于在钻探过程中调节偏离目标取向的滑动或漂移，和/或适配于可能在钻探过程中提供或产生的更新的目标取向。在图7-9所示的装置20的实施例中，通过在制动器压力线路222中提供流体压力，反扭矩控制设备38可以被促动以允许下部组件28相对于上部组件22转动，其中所述制动器压力线路222中的流体压力小于在制动器部分124、126之间提供接合力所需的锁止压力，而该接合力小于阻止下部组件28和上部组件22发生相对转动所需的压力。这种流体压力可以通过有选择地促动阀134、136来实现。作为一个示例，第一阀134可以被促动到关闭位置，而第二阀136被促动到打开位置。作为第二示例，两个阀134、136都可以被促动到关闭位置，而制动器压力线路222中的流体压力小于锁止压力。作为第三示例，两个阀134、136都可以被促动到打开位置，如果环路112中的泵送阻抗116在制动器压力线路222中提供小于锁止压力的流体压力，同时泵送流体114围绕环路112被泵送的话。在如图7-9所示的装置20的实施例中，通过在制动器压力线路222中提供流体压力(其中所述流体压力大于或等于在制动器部分124、126之间提供接合力所需的锁止压力，所述接合力大于阻止下部组件28和上部组件22发生相对转动所需的压力)，反扭矩控制设备38可以被促动以阻止下部组件28相对于上部组件22转动。这种流体压力可以通过有选择地促动阀134、136来实现。作为一种示例，第一阀134可以被促动到打开位置，同时第二阀136被促动到关闭位置，从而导致制动器压力线路222中的流体压力增大到锁止压力(该锁止压力小于或等于由压力释放旁路138确定的旁路压力)。第一阀134则可以关闭，以便在制动器压力线路222中“捕获”锁止压力。反扭矩控制设备38将保持被促动，以阻止下部组件28相对于上部组件22发生相对转动，直到制动器压力线路222中的流体压力减小到锁止压力以下。这可以通过将第二阀136促动到打开位置以允许泵送流体114从制动器压力线路222返回到容器140来实现。装置20或者其他包括第一组件、第二组件、取向旋转连接部和与取向旋转连接部关联的控制设备的设备可以用于执行控制设备控制方法的各种实施例，以便实现和/或保持第一组件或者第二组件的目标取向，或者以便实现和/或保持第二组件相对于第一组件的目标旋转速率。控制设备控制方法的实施例可能面对的挑战在于，在控制控制设备促动以使实际取向落入目标取向的可接受的偏差内，或者实际旋转速率落入目标旋转速率的可接受的偏差内，可以有效、切实和相对迅速地被实现和/或保持而不需要过多的迭代。
如果施加在第一组件和/或第二组件上、趋向于导致第一组件和第二组件相对于彼此转动的作用力不保持恒定，则该挑战将恶化。例如，已经发现反扭矩以及在装置20用于定向钻探的使用过程中施加在装置20的下部组件28上的作用力可能趋向于在钻探过程中发生严重波动。参照图10、图11和图13，分别提供了与这种装置一起使用的控制设备控制方法的第一示例实施例、第二示例实施例和第三示例实施例的流程图，其中所述这种装置包括第一组件、第二组件、第一组件和第二组件之间的取向旋转连接部、和与取向旋转连接部关联的控制设备，其中所述控制设备可以促动以有选择地允许第二组件相对于第一组件转动或者阻止第二组件相对于第一组件转动。与控制设备控制方法一起使用的适当装置包括但不限于上述装置20，包括上部组件22作为第一组件，下部组件28作为第二组件，和反扭矩控制设备38作为控制设备。图10和图11所示控制设备控制方法的第一示例实施例和第二示例实施例分别涉及控制对控制设备的促动，以便实现和/或保持第二组件的目标取向。在一些实施例中，控 制设备控制方法第一示例实施例和第二示例实施例可以用于在钻探过程中调节偏离目标取向的滑移或漂移，和/或适配可以在钻探过程中提供或产生的更新的目标取向。图13所示控制设备控制方法实施例涉及控制对控制设备的促动，以便实现和/或保持第二组件相对于第一组件的目标旋转速率。在一些实施例中，控制设备控制方法第三示例实施例可以用于控制钻探过程中第一组件和第二组件之间的相对转动量。参照图10，控制设备控制方法的第一示例实施例包括(240)提供趋向于导致第一组件和第二组件相对于彼此转动的作用力；(242)确定第二组件的实际取向，同时促动控制设备以阻止第二组件相对于第一组件转动；(244)将第二组件的实际取向与第二组件的目标取向相比较，以确定第二组件的实际取向是否可以接受；(246)如果第二组件的实际取向可接受，则保持控制设备被促动，以阻止第二组件相对于第一组件转动；(248)如果第二组件的实际取向不可接受，第一次促动控制设备以允许第二组件相对于第一组件转动；(250)获得第二组件相对于第一组件的旋转速度指示；(252)利用旋转速度指示，计算用于促动控制设备以阻止第二组件相对于第一组件转动的预测促动时间，从而实现第二组件的目标取向。(254)在所述预测促动时间第二次促动控制设备，以阻止第二组件相对于第一组件转动；(256)确定第二组件的更新的实际取向；(258)比较更新的第二组件的实际取向与第二组件的目标取向，以便确定更新的第二组件的实际取向是否可以接受；(260)如果更新的第二组件的实际取向不可接受，则重复方块248到258，使用更新的第二组件的实际取向作为第二组件的实际取向；和(262)如果更新的第二组件的实际取向可以接收，则保持控制设备被促动以阻止第二组件相对于第一组件发生旋转运动。再参照图10，控制设备控制方法的第一示例实施例进一步包括如果更新的第二组件的实际取向不可接受并且因此需要重复方块248到258时计算促动时间校正系数264。促动时间校正系数可以用于在方块252中预测促动时间的后续计算中。方块248至258的循环可以继续执行，直到实现可接受的第二组件的实际取向。在方块264中计算促动时间校正系数可以采用任何适当的方式来实现。在一些实施例中，促动时间校正系数可以利用控制系统领域已知的技术进行计算。在一些实施例中，促动时间校正系数可以计算为更新的第二组件的实际取向与第二组件的目标取向之间的差值的百分比。作为用于例述目的的非限制性示例，百分比可以为75%。作为用于例述目的的进一步的非限制性示例，如果更新的第二组件的实际取向表示相对于目标取向“过度旋转”了30度，则促动时间校正系数可以计算为30度的75%(即，22. 5度)，并且用于方块248至258的下一次迭代的预测促动时间可以减少，以使控制设备可以在被促动以阻止第二组件相对于第一组件的转动之前，允许被预测以允许第二组件和第一组件之间减少22. 5度的相对转动。作为用于例述目的的进一步非限制性例子，如果第二组件的实际取向表示相对于目标取向“欠旋转”了 40度，则促动时间校正系数可以计算为40度的75% (即30度)，并且用于方块248至258的下一次迭代的预测促动时间可以增大，以使控制设备可以在被促动以阻止第二组件相对于第一组件转动之前被预测，以允许第二组件和第一组件之间额外相对转动30度。 如果被采用，则可以针对方块248至258的每次迭代重新计算促动时间校正系数，或者促动时间校正系数对于一次以上的迭代都相同。参照图11，控制设备控制方法的第二示例实施例包括(280)提供趋向于导致第一组件和第二组件相对于彼此转动的作用力；(282)确定第二组件的实际取向，同时控制设备被促动以阻止第二组件相对于第一组件转动；(284)将第二组件的实际取向与第二组件的目标取向进行比较，以便确定第二组件的实际取向是否可以接受；(286)如果第二组件的实际取向可以接受，则保持控制设备被促动，以阻止第二组件相对于第一组件转动；(288)如果第二组件的实际取向不可以接受，则促动控制设备以执行控制设备促动循环，其中所述控制设备促动循环包括第一次促动控制设备以允许第二组件相对于第二组件转动，第二次促动控制设备以阻止第二组件相对于第一组件转动；(290)确定第二组件的更新的实际取向；(292)比较更新的第二组件的实际取向与第二组件的目标取向，以便确定更新的第二组件的实际取向是否可以接受。(294)如果更新的第二组件的实际取向不可接受，则重复方块(288)到(292)，使用更新的第二组件的实际取向作为第二组件的实际取向；和(296)如果更新的第二组件的实际取向可以接收，则保持控制设备被促动以阻止第二组件相对于第一组件发生旋转运动。
参照图13，控制设备控制方法的第三示例实施例包括(310)提供趋向于导致第一组件和第二组件相对于彼此转动的作用力；(312)在控制设备的当前促动下，确定第二组件相对于第一组件的实际旋转速度；(314)将第二组件相对于第一组件的实际旋转速度与第二组件相对于第一组件的目标旋转速度相比较，以便确定第二组件相对于第一组件的实际旋转速度是否可以接受；(316)如果第二组件相对于第一组件的实际旋转速度可以接受，则保持控制设备的当前促动； (318)如果第二组件相对于第一组件的实际旋转速度不可接受，则将控制设备促动到更新的控制设备当前促动；(320)在更新的控制设备当前促动下，确定更新的第二组件相对于第一组件的实际旋转速度；(322)比较更新的第二组件相对于第一组件的实际旋转速度与第二组件相对于第一组件的目标旋转速度，以便确定更新的第二组件相对于第一组件的实际旋转速度是否可以接受;(324)如果更新的第二组件相对于第一组件的实际旋转速度不可接受，则重复方块318至322，利用更新的第二组件相对于第一组件的实际旋转速度作为第二组件相对于第一组件的实际旋转速度；和(326)如果更新的第二组件相对于第一组件的实际旋转速度可以接受，则保持更新的控制设备当前促动。在执行控制设备控制方法的第一示例实施例时，可以作为一系列迭代过程执行如方块260规定那样重复方块248至258，直到实现可接受的第二组件的实际取向。类似地，在控制设备控制方法的第二示例实施例中，可以作为一系列迭代过程执行如方块294规定那样重复方块288至292，直到实现可接受的第二组件的实际取向。类似地，在控制设备控制方法的第三示例实施例中，可以作为一系列迭代过程重复方块318至322，直到实现可接受的第二组件相对于第一组件的实际旋转速度。在执行控制设备控制方法时，可以采用任何适当方式实现在方块240、280和310提供所述作用力。在一些实施例中，所述作用力可以通过与第二组件关联的钻探马达的操作所导致的反扭矩来提供。在一些实施例中，所述作用力可以通过第一组件和第二组件之间在取向旋转连接部处的摩擦来提供，诸如如果第一组件是钻柱而第二组件是与第一组件旋转连接的套筒的情况下，可以发生的情况。在一些实施例中，所示作用力可以通过源(诸如流体压力、马达、泵等)直接提供给第一组件和/或第二组件。在执行控制设备控制方法时，控制设备可以包括能被促动以有选择地允许第二组件相对于第一组件转动或者阻止第二组件相对于第一组件转动的任何结构、设备或者装置或者这些结构、设备或者装置的组合。不限制前述内容的一般性，控制设备可以包括机械设备、液压设备、电气设备，和/或机械、液压和/或电气设备的组合。作为非限制性例子，控制设备可以包括诸如在美国专利No. 5，485，889 (Gray)、美国专利No. 6，059, 050 (Gray)或者美国专利申请公开No. US2003/0056963A1 (Wenzel)中描述的设备，和/或以上针对装置20描述的那些设备。
如方块248、254、288和318中所考虑的那样，促动控制设备可以采用得到所选的控制设备的便利的任何适当的方式实现。如果控制设备能被迅速且主动地促动以使控制设备控制方法可以有效、切实且相对迅速地实现下部组件的目标取向或者第二组件相对于第一组件的目标旋转速度而不需要过多的迭代，则可能具有优势。在一些实施例中，控制设备可以包括图6中所示那种液压回路。在这种实施例中，通过保持第一阀134和第二阀136处于关闭位置，直到需要促动控制设备来阻止第二组件相对于第一组件转动，从而可以改善控制设备 的促动。保持第一阀134和第二阀136处于关闭位置将有利于在第一集流管线路214中利用泵110对泵送流体114加压。第一阀134然后可以打开以有利于对制动器促动线路220和制动器压力线路222迅速加压，以及促动制动器122和控制设备，以阻止第二组件相对于第一组件转动。一旦制动器促动线路220和制动器压力线路222被加压，则第一阀134可以关闭以便在阀134、136之间捕获泵送流体114，并因此保持制动器促动线路220和制动器压力线路222内的压力。在一些实施例中，控制设备可以包括图5中所示那种液压回路。在这些实施例中，控制设备可以通过有选择地打开和关闭阀120而被迅速且主动地促动。图5中所示液压回路相对于图6所示液压回路的一项可能的优势在于，图5的液压回路不包括制动器、离合器或者类似能承受磨损以及对应的碎屑产生的结构。图5所示液压回路相对于图6所示液压回路的另一项可能优势在于，如果趋向于导致第一组件和第二组件相对于彼此转动的作用力不稳定6的话(作用力由反扭矩提供就是这种情况)，利用图5所示液压回路，第二组件和第一组件的相对转动可以更容易地控制。在一些实施例中，控制设备可以包括类似于图5所示液压回路的液压回路，泵送流体114可以包括或者可以基本上由磁流变流体构成，并且控制设备可以进一步包括变磁场源(未示出)，以使环路112中泵送流体114的粘性以及泵送阻抗116可以随着磁场变化，以便促动控制设备。在一些实施例中，变磁场源可以被控制器(诸如装置20的反扭矩控制设备控制器72)所控制。在控制设备控制方法的第三示例实施例中，控制设备可以促动到允许第二组件相对于第一组件相对转动的第一位置和阻止第二组件相对于第一组件转动的第二位置之间的一个或多个中间位置。所述中间位置允许第二组件相对于第一组件以比第一位置允许的速度更慢的速度转动。在控制设备控制方法的第三示例实施例中，第二组件相对于第一组件的目标旋转速度可以采用类似于所述方法第一示例实施例和第二示例实施例中的目标取向速度的方式管理。例如，所述装置可以在若干不同模式下操作，包括完全自动的闭环模式、完全手动模式、和各种半自动闭环模式。可以使用第二组件相对于第一组件的单一目标旋转速度或者一系列目标旋转速度，并且可以作为下行链路指令或者从与所述装置关联的感知设备接收的数据的结果改变所示单一目标旋转速度或者一系列目标旋转速度，从而提供一个或多个更新的目标旋转速度。在控制设备控制方法的第一示例实施例和第二示例实施例中，确定方块242、256、282和290中的第二组件的实际取向可以采用任何适当方式来实现。不限制前述内容的一般性，可以利用以上针对装置20所述的任何装置和方法来确定实际取向。更具体地说，第二组件的实际取向可以利用以上针对装置20所述的取向感知设备40来确定。在控制设备控制方法的第一示例实施例中，可以采用任何适当方式获得方块250中的旋转速度指示。类似地，在控制设备控制方法的第三示例实施例中，在方块312和320中确定实际旋转速度可以采用任何适当方式实现。在一些实施例中，可以利用来自取向感知设备40和/或一个或多个参数感知设备98 (诸如以上针对装置20所述的那些设备)的数据，获得旋转速度指示和/或确定旋转速度。可以利用一个或多个运动感知设备(诸如例如加速度计)提供第二组件的运动量度，利用一个或多个感知设备(诸如例如计数器)提供第二组件相对于第一组件在时间周期的运动量的量度，或者采用任何其他适当方式来获取运动速度指示和/或确定运动速度。可以由感知设备直接提供旋转速度指示和/或旋转速度，或者可以由处理器(包括但不限于反馈处理器70，诸如以上针对装置20所述的反馈处理器)，利用来自感知设备的数据计算旋转速度指示和/或旋转速度。
如上针对装置20所述，可以利用取向感知设备40确定第二组件的实际取向，该取向感知设备40可以包括传感器套件和基准设备96，所述基准设备可以包括分解器。在这些实施例中，取向感知设备40可以包括一个或多个传感器，这些传感器能直接或间接地提供旋转速度指示和/或旋转速度。作为非限制性示例，包括分解器的基准设备96(诸如以上针对装置20所述的基准设备96)可以包括用于感知第二组件相对于第一组件的运动的感知设备。所述感知设备可以包括运动感知设备、计数器或者任何其他适当的结构、设备或装置。在一些实施例中，分解器可以包括多个与第一组件和第二组件其中之一关联的磁体，和与第一组件和第二组件其中另一关联的计数器，以使所述计数器感知经过该计数器的磁体的运动，从而提供第二组件相对于第一组件的运动量的量度。第二组件相对于第一组件的运动量可以与这种运动发生的时间相关联，从而提供旋转速度指示和/或旋转速率。因此，在第一示例实施例的一些实施例中，在方块242和256中确定第二组件的实际取向和在方块250中实现旋转速度指示都可以利用取向感知设备40来实现。类似地，在第三不例实施例的一些实施例中，在方块312和320中确定第二组件相对于第一组件的实际旋转速率可以利用取向感知设备40来实现。在控制设备控制方法的第一示例实施例中，可以采用任何适当方式执行方块252中的计算预测促动时间。不限制前述内容的一般性，所述预测促动时间可以针对以下来计算方块250中获取的旋转速度指示、在方块242中确定的第二组件的实际取向、自方块248中控制设备的第一次促动起发生的第一组件和第二组件相对于彼此的旋转量、在方块254中控制设备的第二次促动所需的时间、在方块240中提供的作用力的量、和/或在方块264中计算的促动时间校正系数。在第一示例实施例的一些实施例中，在方块252中计算预测促动时间可以包括确定在方块242中确定的实际取向和目标取向之间的旋转距离(即，角度)，减去自方块248中控制设备第一次促动以来第二组件相对于第一组件行经的旋转距离，减去在方块254中控制设备的第二次促动过程中第二组件相对于第一组件预期行经的旋转距离，并且将剩余旋转距离除以旋转速度指示，从而计算预测促动时间。
在第一示例实施例的一些实施例中，从方块248中控制设备的第一次促动以来第二组件相对于第一组件行经的旋转距离可以通过将方块242中确定的第二组件的实际取向参照直到控制设备开始第二次促动的时间所发生的第二组件相对于第一组件的运动量来确定。在方块254中控制设备的第二次促动过程中第二组件相对于第一组件预期行经的旋转距离可以取决于变量，这些变量包括但不限于在方块240中提供的作用力的量，在控制设备开始第二次促动时第二组件相对于第一组件的旋转速度，和取决于控制设备的特征，诸如如上述可能在装置20的环路112中提供的泵送阻抗116的量和促动控制设备所需的时间量。在第一示例实施例的一些实施例中，在方块254中控制设备第二次促动过程中预期第二组件相对于第一组件行经的旋转距离可以通过基于来自感知设备的测量值的计算来确定，或者可以参照存储在存储器(诸如可以与反馈控制系统42关联的存储器48)中的经验数据来确定。
如上所述，在第一示例实施例的一些实施例中，产生的预测促动时间可以通过在方块264中计算的促动时间校正系数来调节。控制设备控制方法的第一示例实施例可能最适合用于在方块240中提供的作用力保持相对恒定的场景下。一个原因是因为旋转速度指示假设第二组件的旋转速度在控制设备第一次促动和控制设备第二次触动之间保持恒定。另一个原因是因为在方块254中促动控制设备所需的时间可以取决于在方块240中提供的作用力的量。在方块240中提供的作用力并非相对恒定的场景下，可以对方块250中获得的旋转速度指示进行调节或校正，从而反映变化的旋转速度，和/或可以对在方块254中控制设备促动过程中预期第二组件相对于第一组件行经的距离(利用计算和/或经验数据)进行调节或校正，从而反映在方块240中提供的变化的作用力。在方块244、258、284和292中将第二组件的实际取向与目标取向相比较可以采用任何适当的方式实现。在一些实施例中，所述比较可以利用处理器来进行，处理器包括但不限于反馈处理器70，诸如以上针对装置20所述。在方块244、258、284和292中确定第二组件的实际取向是否可以接受，取决于相对于第二组件的取向而言所需的精度。在第一示例实施例和第二示例实施例的一些实施例中，在第二组件的实际取向和第二组件的目标取向之间没有可以接受的差异量。在第一示例实施例和第二示例实施例的一些实施例中，如果第二组件的实际取向落入相对于目标取向的可接受的取向范围内，则其可以接受，这样第二组件的实际取向表示偏离目标取向的可接受的变化或者可接受的偏差。在控制设备控制方法的第一示例实施例中，图10中的方块248至方块254提供了控制设备促动循环。在控制设备控制方法的第二示例实施例中，图11中的方块288提供了控制设备促动循环。在第一示例实施例和第二示例实施例中第一次促动控制设备和第二次促动控制设备以执行控制设备促动循环，可以采用由控制设备提供便利的任何适合适当方式来实现。在第一示例实施例中，控制设备促动循环的目标是在每次执行控制设备促动循环时，实现可接受的第二组件的实际取向。
在第二示例实施例中，控制设备促动循环的目标是在第二组件和第一组件之间提供相对少量的相对旋转，以使随着每次执行控制设备促动循环，第二组件递增地向着目标取向前进。在这方面，控制设备控制方法第一示例实施例和控制设备控制方法第二实施例之间的区别在于，第一示例实施例寻求在图10中的方块248至方块254表示的单次控制设备促动循环中实现第二组件的目标取向，而第二示例实施例寻求在图11中的方块288表示的单次控制设备促动循环中仅向着第二组件的目标取向移动。因此，第一示例实施例可以认为表示“目标方案”，以实现可接受的第二组件的实际取向，而第二示例实施例可以认为表示“渐增方案”，以实现可接受的第二组件的实际取向。在方块240或方块280中提供的作用力并非相对恒定的一些应用场景中，第二示例实施例能较之第一示例实施例更迅速地和/或更少迭代地实现可接受的第二组件的实际取向。这种情况的原因在于，第二示例实施例中每次控制设备促动循环可以较之第一示 例实施例中的控制设备促动循环相对更迅速地执行。参照图12，针对如图11所示的控制设备控制方法的第二示例实施例，提供了测试中第二组件相对于第一组件的旋转角度量的曲线。在符合图12的测试中，在方块280中提供的作用力等同于2500尺磅的扭矩，并且由钻探马达30提供，钻探马达30与以140转每分运行的第二组件关联。如图12所示，对于控制设备促动循环的特定区间或长度，第二组件相对于第一组件的旋转量从大约O度变化到大约115度，最频繁的旋转量介于大约40度和大约80度之间。图12示出了对于控制设备促动循环的特定长度来说，在控制设备促动循环过程中，第二组件的旋转量可以宽泛地波动，即便在该方法的方块240或方块280中提供的作用力看起来相对恒定。在第二示例实施例的一些实施例中，每次控制设备促动循环可以执行，以使在单次控制设备促动循环中提供的第二组件相对于第一组件的旋转量小于或等于相对于目标取向的可接受的促动范围，在所述可接受的促动范围内，实际取向将认为可以接受。这种方案将保证可接受的取向范围不会被单次控制设备促动循环所“超调"(overshot)，但是如果如图12所示，在个别控制设备促动循环中第二组件相对于第一组件的旋转量难于控制的话，则可能难于实现。因此在第二示例实施例的一些实施例中，可能更切合实际的是尝试限制控制设备促动循环的长度，从而控制单次控制设备促动循环中发生的第二组件相对于第一组件的最大旋转量。作为针对图12的非限制性例子，在第二示例实施例的一些实施例中，可以执行由图11中的方块288表示的每次控制设备促动循环，以使每次控制设备促动循环的长度都足够小，因此在单次控制设备促动循环中提供的第二组件相对于第一组件的最大旋转量不大于大约120度(B卩，大约单圈的1/3)。由于在控制设备促动循环样本中许多控制设备促动循环将可能导致第二组件相对于第一组件的旋转量显著小于最大旋转量，如图12所示，所以控制最大旋转量可以有效地允许在相对较少数量的控制设备促动循环和第二组件相对于第一组件的相对较少转数中实现可接受的第二组件的实际取向。
在控制设备促动循环中实现第二组件相对于第一组件的期望旋转量所需的控制设备促动循环的长度可能取决于一些变量，这些变量包括但不限于在方块280中提供的作用力的量，在控制设备开始第二次促动时第二组件相对于第一组件的旋转速度，和取决于控制设备的特征，诸如可以在如上所述的装置20的环路112中提供的泵送阻抗116的量以及促动控制设备所需的时间量。一般来说，第二示例实施例的效果可能取决于控制设备促动循环的长度和在每次控制设备促动循环中第二组件相对于第一组件产生的旋转，而且第二示例实施例的效果随着控制设备促动循环的长度和产生的第二组件的旋转减小而增大。在一些实施例中，在第二示例实施例中促动控制设备来执行控制设备促动循环可以包括第一次促动控制设备以允许第二组件相对于第一组件转动，以及此后立即或者至少延迟最小地迅速第二次促动控制设备以阻止第二组件相对于第一组件转动，从而使得控制设备促动循环的长度最小并且使得在控制设备促动循环中发生的第二组件的旋转量最少。当控制设备控制方法的任意实施例结合上述装置20使用时，控制设备控制方法可以用于装置20不同操作模式中任意模式，用来获取和/或保持第二组件(即下部组件28)的目标取向，包括完全自动的闭环模式、完全手动模式和任意可能的半自动闭环模式。在一些实施例中，控制设备控制方法可以在“目标模式”中实施，其中寻求获得并保持第二组件的单个目标取向，直到从地面位置12或者从反馈控制系统42接收到进一步的指令。在该目标模式下，可接受的第二组件实际取向可以由控制设备实现，并且如果第二组件的实际取向滑出或漂移出可接受的取向范围的话可以保持或者再次被获取。在一些实施例中，控制设备控制方法可以在“阶跃模式”中实施，其中寻求在特定时间内或者钻探距离间隔内获取并保持第二组件的一系列目标取向。在该阶跃模式下，可接受的一系列第二组件实际取向可以由控制设备实现，并且如果第二组件的实际取向滑出或漂移出可接受的取向范围的话可以保持或再次获取。阶跃模式允许控制设备保持被促动以阻止第二组件相对于第一组件转动，除了在获取和再次获取可接受的实际取向之外，同时有利于第二组件相对于第一组件的一些周期性转动。在一些应用场景中，相对于保持控制设备被促动以允许第二组件相对于第一组件转动的替代模式，控制设备控制方法的阶跃模式可以被优选，因为恒定的转动可以导致取向旋转连接部和/或控制设备的部件过度磨损，并且因为在图10中的方块240或者图11中的方块280中提供的作用力的波动也可能导致这些部件不受控制的转动和损坏。当控制设备控制方法在阶跃模式下实施时，所述一系列目标取向可以提供取向序列或者可以“偏置”以有利于定向钻探的的模式。作为非限制性示例，45度、90度、180度、270度、315度和360度这一系列目标取向(相对于井眼的“高侧”)将提供三个“高侧”目标取向(45度、315度和360度)、一个“低侧”目标取向(180度)、和两个“中性”目标取向(90度、270度)，它们趋向于在井眼中提供造斜。在控制设备控制方法的第三示例实施例中，在方块314和320中将第二组件相对于第一组件的实际旋转速率与第二组件相对于第一组件的目标旋转速率相比较，可以采用任何适当方式来实现。在一些实施例中，所述比较可以利用处理器来进行，处理器包括但不限于反馈处理器70，诸如以上针对装置20所述。在方块314和322中确定第二组件的实际旋转速率是否可以接受，取决于针对第二组件相对于第一组件的旋转速率而言所需的精度。在第三示例实施例的一些实施例中，在实际旋转速率和目标旋转速率之间没有可以接受的差异量。在第三示例实施例的一些实施例中，如果实际旋转速率落入相对于目标旋转速率的可接受的旋转速率范围内，则其可以接受，因此第二组件相对于第一组件的实际旋转速率表示偏离目标旋转速率的可接受的 变化或者可接受的偏差。在本文件中，词语“包括”采用其非限制性的意思来指代跟在该词后的项目包括在内，但是未明确提出的项目并未排除。不定冠词“一”对元件的指代并不排除存在一个以上该元件的可能性，除非上下文明确要求有且仅有一个该元件。
权利要求
1.在一种包括第一组件、第二组件、所述第一组件和第二组件之间的取向旋转连接部以及与所述取向旋转连接部关联的控制设备的装置中，用于控制所述控制设备的促动的方法，所述方法包括 Ca)提供趋向于导致所述第一组件和所述第二组件相对于彼此转动的作用力； (b)确定所述第二组件的实际取向，同时促动所述控制设备以阻止所述第二组件相对于所述第一组件转动； (c)将所述第二组件的实际取向与所述第二组件的目标取向相比较，以确定所述第二组件的实际取向是否可以接受； (d)如果所述第二组件的实际取向不可以接受，则促动所述控制设备以执行控制设备促动循环，其中所述控制设备促动循环包括第一次促动控制设备以允许所述第二组件相对于所述第一组件转动，和第二次促动所述控制设备以阻止所述第二组件相对于所述第一组件转动； (e)确定所述第二组件的更新的实际取向； (f)将所述更新的第二组件的实际取向与所述第二组件的目标取向进行比较，以便确定所述更新的第二组件的实际取向是否可以接受； (g)如果所述更新的第二组件的实际取向不可接受，则重复步骤(d)至(f)，使用所述更新的第二组件的实际取向作为所述第二组件的实际取向；和 (h)如果所述更新的第二组件的实际取向可以接收，则保持所述控制设备被促动以阻止所述第二组件相对于所述第一组件发生旋转运动。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，促动所述控制设备以执行所述控制设备促动循环，包括 (i)第一次促动所述控制设备以允许所述第二组件相对于所述第一组件旋转； (ii)获得所述第二组件相对于所述第一组件的旋转速度指示； (iii)利用所述旋转速度指示，计算用于促动所述控制设备以阻止所述第二组件相对于所述第一组件旋转的预测促动时间，从而实现所述第二组件的目标取向；和 (iv)在所述预测促动时间第二次促动所述控制设备，以阻止所述第二组件相对于所述第一组件转动。
3.如权利要求2所述的方法，进一步包括如果所述更新的第二组件的实际取向不可接受，则计算促动时间校正系数，并且进一步包括如果重复计算所述预测促动时间，则利用所述促动时间校正系数计算所述预测促动时间。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，计算所述促动时间校正系数包括计算所述更新的第二组件的实际取向与所述第二组件的目标取向之间的差值的百分比。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，获取所述旋转速度指示包括利用运动感知设备来提供所述第二组件的运动的测量值。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，获取所述旋转速度指示包括利用基准设备来提供所述第二组件相对于所述第一组件的运动量的测量值。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基准设备包括多个与所述第一组件和所述第二组件其中之一关联的磁体，其中所述基准设备进一步包括与所述第一组件和所述第二组件其中另一关联的计数器，并且所述计数器感知经过该传感器的所述磁体的运动，从而提供所述第二组件相对于所述第一组件的运动量的测量值。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，计算所述预测促动时间包括 Ca)确定所述第二组件的实际取向与所述目标取向之间的旋转距离； (b)减去从第一次促动所述控制设备以来所述第二组件相对于所述第一组件行经的旋转距离； (C)减去第二次促动所述控制设备过程中所述第二组件相对于所述第一组件预期行经的旋转距离； Cd)将剩余旋转距离除以所述旋转速度指示，以计算所述预测促动时间。
9.如权利要求8所述的方法，进一步包括如果所述更新的第二组件的实际取向不可接受，则计算促动时间校正系数，并且进一步包括如果重复计算所述预测促动时间，则利用所述促动时间校正系数计算所述预测促动时间。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，计算所述促动时间校正系数包括计算所述更新的第二组件的实际取向与所述第二组件的目标取向之间的差值的百分比。
11.如权利要求2所述的方法，其特征在于，如果所述第二组件的实际取向落入相对于所述目标取向的可接受的取向范围内，则所述第二组件的实际取向可以接受。
12.如权利要求2所述的方法，其特征在于，如果所述更新的第二组件的实际取向落入相对于所述目标取向的可接受的取向范围内，则所述更新的第二组件的实际取向可以接受。
13.如权利要求I所述的方法，其特征在于，促动所述控制设备以执行所述控制设备促动循环，包括 Ca)第一次促动所述控制设备以允许所述第二组件相对于所述第一组件旋转；和 (b)第二次促动所述控制设备以阻止所述第二组件相对于所述第一组件旋转； 其中所述控制设备促动循环的长度经过选择，以使在所述控制设备促动循环过程中，所述第二组件相对于所述第一组件的最大旋转量为120度。
14.如权利要求I所述的方法，其特征在于，促动所述控制设备以执行所述控制设备促动循环，包括 Ca)第一次促动所述控制设备以允许所述第二组件相对于所述第一组件旋转；和 (b)第二次促动所述控制设备以阻止所述第二组件相对于所述第一组件旋转； 其中所述第二次促动所述控制设备紧接着第一次促动所述控制设备而执行，从而使得在所述第二次促动所述控制设备的过程中，所述第二组件相对于所述第一组件的旋转最小。
15.如权利要求2所述的方法，其特征在于，重复(d)至(f)，直到实现可接受的所述第二组件的实际取向。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，重复(d)至(f)，直到实现可接受的所述第二组件的实际取向。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，重复(d)至(f)，直到实现可接受的所述第二组件的实际取向。
18.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述控制设备包括液压回路。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述液压回路包括泵，并且所述泵被所述第一组件和所述第二组件之间的相对旋转驱动。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述液压回路进一步包括环路，所述环路包含泵送流体，并且其中所述第一组件和所述第二组件之间的所述相对旋转导致所述泵围绕所述环路泵送所述泵送流体。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述环路可以有选择地被阻挡，以阻止所述泵送流体被所述泵围绕所述环路泵送。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述液压回路进一步包括定位在所述环路中的阀，并且其中所述阀可以在打开位置和关闭位置之间促动，其中在所述关闭位置，所述环路被阻挡，从而阻止所述泵送流体被所述泵围绕所述环路泵送。
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述液压回路进一步包括与所述环路关联的制动器，其中所述制动器包括与所述第一组件关联的第一制动器部分和与所述第二组件关联的第二制动器部分，并且其中所述制动器被所述环路中的流体压力所促动。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，作为所述环路中的流体压力的结果，所述第一制动器部分和所述第二制动器部分被促动成彼此接合，从而在所述第一制动器部分和所述第二制动器部分之间提供接合力，所述接合力阻碍所述第一组件和所述第二组件之间的相对旋转，并且其中所述第一制动器部分和所述第二制动器部分之间的所述接合力随着所述环路中的流体压力增大而增大。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述液压回路进一步包括定位在所述环路中、位于所述制动器上游的第一阀和定位于所述环路中、位于所述制动器下游的第二阀，并且其中所述第一阀和所述第二阀可以分别在打开位置和关闭位置之间被促动，在所述关闭位置，所述环路在所述第一阀和所述第二阀之间被阻挡，从而保持所述第一制动器部分和所述第二制动器部分之间的所述接合力。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述液压回路进一步包括定位在所述环路中的压力释放旁路，用于在所述环路中的流体压力超过由所述压力释放旁路确定的旁路压力时，绕开所述第一阀和所述第二阀。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，第二次促动所述控制设备以阻止所述第二组件相对于所述第一组件旋转，包括 Ca)将所述第一阀和所述第二阀促动到所述关闭位置； (b)允许所述环路中的流体压力增大； (c)将所述第一阀促动到所述打开位置，以使来自所述环路中的流体压力的所述接合力提供到所述第一制动器部分和第二制动器部分之间；和 (d)将所述第一阀促动到所述关闭位置，从而保持所述第一制动器部分和所述第二制动器部分之间的所述接合力。
28.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述泵送流体是磁流变流体，并且所述液压回路进一步包括改变磁场的源，用于改变所述环路中的泵送阻抗。
29.如权利要求I所述的方法，进一步包括感知涉及所述装置的参数，从而产生涉及所述参数的数据；并将所述数据通过上行链路通信传达到地面位置。
30.如权利要求I所述的方法，进一步包括感知涉及所述装置的参数，从而产生涉及所述参数的数据，并利用所述数据改变所述第二组件的所述目标取向，从而提供更新的所述第二组件的目标取向。
31.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述第二组件的所述目标取向包括一系列所述第二组件的目标取向。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述装置进一步包括存储器，并且所述一系列第二组件的目标取向存储在所述存储器中。
33.如权利要求32所述的方法，进一步包括在所述装置位于地面位置时，将所述一系列目标取向存储在所述存储器中。
34.如权利要求32所述的方法，进一步包括在所述装置位于井眼中时，将所述一系列目标取向存储在所述存储器中。
35.如权利要求32所述的方法，进一步包括感知涉及所述装置的参数，从而产生涉及所述参数的数据，并且利用所述数据改变所述一系列目标取向中的至少一个目标取向，从而提供至少一个更新的目标取向。
36.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述第二组件与钻探组件连接。
37.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述第二组件的所述目标取向参照所述钻探组件的刀面取向，从而有利于定向钻探。
38.在一种包括第一组件、第二组件、所述第一组件和第二组件之间的取向旋转连接部以及与所述取向旋转连接部关联的控制设备的装置中，用于控制所述控制设备的促动的方法，所述方法包括 Ca)提供趋向于导致所述第一组件和所述第二组件相对于彼此转动的作用力； (b)在控制设备的当前促动下，确定所述第二组件相对于所述第一组件的实际旋转速度； (C)将所述第二组件相对于所述第一组件的实际旋转速度与所述第二组件相对于所述第一组件的目标旋转速度相比较，以便确定所述第二组件相对于所述第一组件的实际旋转速度是否可以接受； (d)如果所述第二组件相对于所述第一组件的实际旋转速度可以接受，则保持所述控制设备的当前促动； (e)如果所述第二组件相对于所述第一组件的实际旋转速度不可接受，则将所述控制设备促动到更新的控制设备当前促动； (f)在所述更新的控制设备当前促动下，确定更新的第二组件相对于第一组件的实际旋转速度； (g)将所述更新的第二组件相对于第一组件的实际旋转速度与所述第二组件相对于第一组件的目标旋转速度进行比较，以便确定所述更新的第二组件相对于所述第一组件的实际旋转速度是否可以接受； (h)如果所述更新的第二组件相对于第一组件的实际旋转速度不可接受，则重复(e)至(g)，利用所述更新的第二组件相对于第一组件的实际旋转速度作为所述第二组件相对于第一组件的实际旋转速度；和 (i)如果所述更新的第二组件相对于所述第一组件的实际旋转速度可以接受，则保持所述更新的控制设备的当前促动。
39.如权利要求38所述的方法，其特征在于，所述第二组件与钻探组件连接。
40.如权利要求38所述的方法，其特征在于，重复(e)至(g)，直到实现可接受的所述第二组件相对于第一组件的实际旋转速率。
全文摘要
在一种包括第一组件、第二组件、所述第一组件和第二组件之间的取向旋转连接部以及与所述取向旋转连接部关联的控制设备的装置中，用于控制所述控制设备的促动的方法。所述方法的特定实施例包括比较第二组件的实际取向与目标取向；如果实际取向不可接受，则促动控制设备以执行控制设备促动循环；确定更新的第二组件实际取向；将更新的实际取向与目标取向比较；和如果更新的目标取向不可接受，则重复控制设备促动循环。所述方法的第一示例实施例表示实现目标取向的目标方法。所述方法的第二示例实施例表示实现目标取向的渐增方法。
文档编号E21B44/00GK102884487SQ201080066673
公开日2013年1月16日 申请日期2010年5月10日 优先权日2010年5月10日
发明者特伦斯·艾伦·施罗特, 阿尔本·德席尔瓦, 斯蒂芬·丹尼尔·劳埃德, 蒂姆·约翰·考克斯, 谢尔登·克里格 申请人:哈利伯顿能源服务公司