本发明一般地涉及一种导向钻井系统和方法，更具体地涉及一种融合了“推靠式”(push-the-bit)和“指向式”(point-the-bit)功能的复合旋转导向钻井系统和方法。
背景技术：
油井或气井通常具有需要导向钻探的地下部分。旋转导向钻井系统(rotarysteerablesystem，简称为“rss”)被设计来通过从表面连续旋转而导向钻取，可用来旋转并控制钻柱而沿预定方向和轨迹钻出井眼。因此，旋转导向钻井系统广泛地用于诸如常规导向井、水平井、分支井等。通常，存在两种类型的旋转导向钻井系统：“推靠式”系统和“指向式”系统。
在指向式系统中，相对于底部钻具组合(bottomholeassembly，bha)的其余部分弯曲或倾斜钻头驱动轴来改变钻头的指向。在理想化的形式下，指向式系统中的钻头不需要沿侧向进行切割，因为钻头的轴线始终与被钻取的井孔的方向一致。
在推靠式系统中，通过对钻柱施加一个侧向力(与井孔的延伸方向成一定角度的导向方向上的力)，来推动钻头偏离井孔中心。所述侧向力通常由驱动单元，比如一个或多个驱动块施加到所述钻柱上。在理想化的形式下，推靠式系统中钻头需要沿侧向进行切割以改变钻孔方向。
一般地，推靠式系统具有高的造斜率，但会形成不平滑的钻井轨迹和粗糙的井壁，而指向式系统可形成相对平滑的钻井轨迹和井壁，但具有相对较低的造斜率。如何提高用于油气开采的导向钻井过程的钻井效率、造斜率和井孔质量，始终是一个挑战。
技术实现要素：
一种用来钻孔的旋转导向钻井系统包括钻柱、钻头、将所述钻头连接到所述转柱的钻头驱动轴、以及连接到所述钻头驱动轴的第一偏心轮和第二偏心轮。所述钻头驱动轴通过连接器连接到所述钻柱上，并且可以绕所述连接器相对所述钻柱摆动，其中，所述连接器可从所述钻柱传递转矩到所述钻头。所述第一偏心轮和第二偏心轮可旋转来使所述钻头驱动轴绕所述连接器相对所述钻柱摆动。该旋转导向钻井系统还包括控制器和安装于所述钻头驱动轴上的主动型稳定器，控制器用来控制所述第一和第二偏心轮使其协同旋转来让所述钻头驱动轴相对所述钻柱的摆动与所述钻柱的旋转大致相抵，主动型稳定器可推动所述钻头驱动轴使其发生偏离，以使所述钻头产生侧向位移和倾斜角来改变钻孔方向。
一种旋转导向钻井方法包括：用一个通过钻头驱动轴连接于钻柱上的钻头来钻孔，同时旋转所述钻柱、所述钻头驱动轴和所述钻头；转动连接于所述钻头驱动轴上的第一偏心轮和第二偏心轮，来使所述钻头驱动轴绕一连接器相对于所述钻柱摆动，其中所述连接器用来将所述钻头连接到所述钻柱，并从所述钻柱传递转矩到所述钻头；控制所述第一和第二偏心轮使其协同旋转来让所述钻头驱动轴相对所述钻柱的摆动与所述钻柱的旋转大致相抵；及通过安装于所述钻头驱动轴上的主动型稳定器来推动所述钻头驱动轴使其发生偏离，来使所述钻头产生侧向位移和倾斜角，以在钻孔过程中改变钻孔方向。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的一种复合旋转导向钻井系统的一部分的纵截面示意图，其显示了该复合旋转导向钻井系统的钻头和底部钻具组合。
图2为图1所示的a部分的放大图。
图3为图1所示的底部钻具组合沿b-b的横截面示意图。
图4为图1所示的c部分的放大图。
图5为一示意图，显示了图1所示的复合旋转导向钻井系统的两个偏心轮之间的相互作用。
图6为图1所示的底部钻具组合沿d-d的横截面示意图。
图7为一示意图，显示了当图1所示的复合旋转导向钻井系统用于在钻孔过程中导向以建立或改变曲率时的一个状态。
具体实施方式
一个或多个本公开的实施例将在下文中进行描述。除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。“一个”和“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或”等词语表示包括性的，并且是指所列出的项目中的一个或全部。“具有”、“包括”或“含有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”、“联结”或类似词语包括直接或间接连接，包括但限于物理或机械连接。
本发明的实施例涉及一种用于导向钻孔或井的旋转导向钻井系统和方法，特别是一种复合旋转导向钻井系统和方法。所述复合旋转导向钻井系统和方法将“推靠式”导向模式和“指向式”导向模式合并在同一方案中，可大大地提高造斜率。
图1为一种复合旋转导向钻井系统100的一部分的纵截面示意图，显示了该复合旋转导向钻井系统100的底部钻具组合(bottomholeassembly，bha)101和钻头103。所述钻头103通过钻头驱动轴107与钻柱105相连接。所述钻头驱动轴107通过连接器108与所述钻柱105相连接，钻头驱动轴107可绕该连接器108相对所述钻柱105摆动。所述连接器可以为柔性连接器，比如万向连接器。通过柔性连接器，所述钻头驱动轴107可以相对所述钻柱105摆动而不能相对所述钻柱105旋转，转矩可以从所述钻柱105传递到所述钻头驱动轴107。在一些实施例中，所述钻头驱动轴107为纵长管状，其包括位于连接器108上方的上部111和位于连接器108下方的下部113。位于所述上部111和下部113之间的所述连接器108在靠近所述钻柱105的前端115之处连接于所述钻柱105，使得所述上部111位于所述钻柱105之内，而下部113位于所述钻柱105之外。所述钻头驱动轴107相对于所述钻柱105的摆动可使得所述钻头103如同在指向式系统中一样沿一定需要的方向倾斜。
另外，所述复合旋转导向钻井系统100进一步包括主动型稳定器141，用来推动所述所述钻头驱动轴107和所述钻住105发生偏离，来让钻头103产生一定的侧向位移，如同在推靠式系统中一样。与单纯的指向式或推靠式系统相比，所述钻头103的倾斜和侧向位移的结合增加了所述钻头103的偏移，以提高造斜率。
图2是图1所示的a部分的放大图，如图1和图2所示，至少有两个电机121和123安装于所述底部钻具组合101。所述电机121和123各具有一编码器(未图示)，来将机械运动转化为电子信号，用于电机速度和/或位置的测量与控制。所述两个电机121和123分别转动所述偏心轮125和127。在一些实施例中，所述偏心轮125和127的旋转轴心线大致平行。具体地，第一电机121通过第一齿轮传动链160驱动第一偏心轮125转动，第二电机123通过第二齿轮传动链170驱动第二偏心轮127转动，其中，所述第一齿轮传动链160包括一个或多个齿轮，如齿轮161和163，所述第二齿轮传动链170包括一个或多个齿轮，如齿轮171、173、175和177。在一些实施例中，所述第一齿轮传动链160包括至少一个与所述第一偏心轮125固定在一起的齿轮，所述第二齿轮传动链170包括至少一个与所述第二偏心轮127固定在一起的齿轮。此处所述的“与第一或第二偏心轮固定在一起”是指与第一或第二偏心轮一体成型，或者通过一个或多个紧固件如螺栓等固定到第一或第二偏心轮。如图1和2所示，所述第一齿轮传动链160中的齿轮163与所述第一偏心轮125一体成型，所述第二齿轮传动链170中的齿轮177与所述第二偏心轮127一体成型。所述第一电机121驱动齿轮161来驱动与第一偏心轮125固定在一起的齿轮163，从而驱动第一偏心轮125转动。所述第二电机123驱动齿轮171来驱动齿轮173，从而驱动与齿轮173固定在一起的齿轮175，齿轮175再驱动与第二偏心轮127固定在一起的齿轮177，从而驱动第二偏心轮127转动。在一个如图1和图2所示的具体实施例中，齿轮173与齿轮175一体成型，并通过轴承131支撑于支持架180上。所述支持架180与所述钻柱105固定在一起。
在一些实施例中，所述偏心轮125和127连接于所述钻头驱动轴107的上部111，特别地，连接于所述钻头驱动轴107的轴向上端118，而钻头103连接于所述钻头驱动轴107的下部113，特别地，连接于所述钻头驱动轴107的轴向下端119。在一些具体的实施例中，所述钻头103固定于所述钻头驱动轴107的轴向下端119。
如图1和图2所示，在靠近所述钻头驱动轴107的上端118处，所述偏心轮125和127通过多个轴承连接到所述钻头驱动轴107。在一些实施例中，所述两个偏心轮125和127连接于所述钻柱105和所述钻头驱动轴107之间，其中，偏心轮125连接于偏心轮127和钻柱105之间，偏心轮127连接于钻头驱动轴107和偏心轮125之间。在偏心轮125和钻柱105之间有第一轴承135，在偏心轮125和127之间有第二轴承137，在偏心轮127和钻头驱动轴107之间有第三轴承139。通过旋转所述两个偏心轮125和127，可推动所述钻头驱动轴107绕所述连接器108摆动来改变钻头103的指向，使得所述复合旋转导向钻井系统100发挥指向式系统的作用。所述管状钻头驱动轴107的摆动可将所述钻头驱动轴107从与所述钻柱105同轴的状态变成与所述钻柱105不同轴的状态。
在一些实施例中，如图3所示，所述连接器108为球形万向连接器，其包括复述个小球(滚珠)117。这些小球117将转矩从钻柱105传递到钻头驱动轴107，从而使得所述钻柱105可以在钻井过程中转动所述钻头驱动轴107和钻头103来切割岩石。如图1所示，所述小球117各收容于一个形成于所述钻柱105和所述钻头驱动轴107之间的空间内。在一些实施例中，如图4所示，对应于每一个所述小球117，在所述钻柱105上形成有一个槽道109，在所述钻头驱动轴107上形成有一个空腔110，该槽道109和空腔110一起形成一个闭合空间用来收容一个所述小球117。在所述钻柱105的轴向上，所述闭合空间对于所述小球117是富余的，以使得所述钻头驱动轴107可绕所述连接器108相对所述钻柱105摆动。在一些具体的实施例中，所述形成于钻头驱动轴107的空腔110的形状和尺寸与所述小球117的形状和尺寸大致吻合，而所述形成于钻柱105的槽道109在所述钻柱105的轴向上对所述小球117是富余的。
再参照图1和图2，在导向钻井过程中，所述两个电机121和123驱动所述偏心轮125和127来让所述钻头驱动轴107绕所述连接器108相对所述钻柱105倾斜，从而在连接器108附近处于钻柱105和钻头驱动轴107之间形成夹角。在所述复合旋转导向钻井系统100中还有至少一个测量模块，如随钻测量模块(未图示)，以及至少一个控制器(未图示)。所述测量模块可用于实时测量所述钻柱105和钻头驱动轴107的转动和姿势参数。基于所测得的参数，所述控制器可以控制所述两个电机121和123协同地转动所述两个偏心轮来推动所述钻头驱动轴107摆动，该摆动可大致抵消所述钻柱105的旋转来让所述钻头103保持稳定地指向一个需要的方向，类似于在指向式系统中的情况。具体地，类似于在指向式系统中，所述钻头驱动轴107摆动以确保所述钻头103相对于被钻地层的倾斜保持在所需的方向上。
在一些实施例中，所述钻头驱动轴107的摆动是通过所述第一和第二偏心轮125和127的运动来控制的。如图5和图1所示，o1为所述钻柱105或所述轴承135的中心(也是第一偏心轮125的旋转轴心)，o2是轴承137的中心(也是第二偏心轮127的旋转轴心)，o3是轴承139的中心(也是钻头驱动轴107的上端118的中心)。o1xy是一个通过o1连接在钻柱上的坐标系，但其不会随钻柱一起旋转。θ1是线o1o2和x轴之间的夹角，θ2是线o1o2和线o2o3之间的夹角。
在钻孔过程中，所述钻柱105以角速度ω转动，所述第一偏心轮125相对所述钻柱105以角速度ω转动。如果ω与ω大小相等方向相反，所述第一偏心轮125可相对所述固定的坐标系o1xy保持不动。因而所述第一偏心轮125相对井孔不发生旋转。进一步地，可控制所述第二电机123来让θ2基本保持恒定，比如，通过使得所述第二电机123相对钻柱105以控制的速度转动，来让θ2基本保持恒定，从而能将基于主动型稳定器产生的钻头103的偏离位移和指向保持不变。因此，所述系统能稳定地钻取井孔。
在一些实施例中，o1和o2之间的距离与o2和o3之间的距离大致相等。当θ2等于180度时，o3与o1重合，所述钻头驱动轴107相对于所述钻柱105没有倾斜，且所述钻头驱动轴107没有产生偏离位移，因而所述钻头沿着直线钻进。当o3不与o1重合时，所述主动型稳定器141可保持一定偏离位移，该偏离位移与o1和o3之间的距离(o1o3)成比例，特别地，其非常接近o1o3。因此，当o3不与o1重合且θ1和θ2基本保持恒定时，钻头沿着弧形轨迹钻进且造斜率保持稳定。
在一些具体的实施例中，在钻井过程中ω与ω大小相等方向相反。通过控制θ1和θ2，可持续改变钻孔方向，钻头可沿着预定的轨迹前进。
图6显示了所述主动型稳定器141的沿图1中的c-c线的横截面示意图。在一些实施例中，如图1和图6所示，所述主动型稳定器141固定于所述钻头驱动轴107的上部111，其位置靠近所述上部111的上端118(也是所述钻头驱动轴107的上端)。该主动型稳定器141具有一外表面143，该外表面143用来接触所述钻头所钻的井孔(未在图1和图6中显示)的内表面。在所述上部111的外表面和所述主动型稳定器141的外表面143之间延伸有肋部145。特别地，所述外表面143是由所述多个肋部145支撑的环状表面，该环状表面上可设有让泥浆通过的槽道。当转动所述偏心轮125和127时，所述主动型稳定器141受到所述井孔的限制，其外表面143抵靠在所述井孔的内表面，并对所述井孔的内表面施加一侧向力。所述侧向力的反作用力施加到所述主动型稳定器141以及与该主动型稳定器141固定在一起的钻头驱动轴107上，并通过连接器108推动钻柱107发生偏离，来产生一个侧向位移，使得所述复合旋转导向钻井系统100发挥推靠式系统的作用。同时，所述钻柱105在连接器108处的侧向位移也导致钻柱105和钻头驱动轴107之间产生一个倾斜角，使得所述复合旋转导向钻井系统100发挥指向式系统的作用。
图7显示了所述复合旋转导向钻井系统100用于在钻取井孔200过程中改变钻孔方向时的一个状态。如图7所示，所述复合旋转导向钻井系统100进一步包括固定于所述钻柱105上的一个或多个固定型稳定器(图中只显示了最靠近主动型稳定器141的固定型稳定器151)。当所述复合旋转导向钻井系统100导向以改变钻井方向时，所述电机121和123(在图1中显示)和所述主动型稳定器141合作驱动所述钻头驱动轴107、所述固定于钻头驱动轴107上的钻头103、以及所述钻柱105位于连接器108和固定型稳定器151之间的一段153逐渐发生偏离，来使得所述钻柱段153的转轴和在固定型稳定器151附近的所述井孔200的轴线之间产生一个偏离角度β。所述电机121和123和所述主动型稳定器141还合作驱动所述钻头驱动轴107绕着所述连接器108相对于所述钻柱段153发生倾斜，使得所述钻头驱动轴107的转轴(也是钻头103的转轴)和所述钻柱段153的转轴之间产生一个倾斜角度α。
所述双重作用使得钻头103的转轴和在固定型稳定器151附近处的井孔200的轴线之间的夹角γ大致等于α和β之和，即γ≈α+β。可以看出，与现有的单纯指向式系统或推靠式系统相比，钻头103的转轴和在固定型稳定器151附近处的井孔200的轴线之间的夹角明显增大，这表明造斜率得到显著提高。另外，所述主动型稳定器和所述稳定的控制有助于使钻井轨迹变得更光滑，也可以提高钻井质量。
如前所述的复合旋转导向钻井系统通过一种融合了指向式模式和推靠式模式的复合模式来进行导向。主动型稳定器141和偏心轮125、127推动钻头驱动轴107来使钻头103产生朝向相同方向的侧向位移和倾斜角度，所述融合的指向式和推靠式功能可以提高钻井过程中的造斜率。
虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以做出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。