定向鑽井系統的製作方法
2023-08-22 18:28:26
定向鑽井系統的製作方法
【專利摘要】一種技術有助於在多種應用中鑽井眼或其他類型的井孔。導向系統或其他井下工具被設計為具有多個被配置為在鑽井作業期間提供受控導向的致動器。每個致動器包括至少一個可滑動地裝配於相應的套筒內的活動元件或球。壓力流體被用於提供所述元件沿所述致動器的相應套筒的受控運動。所述元件的受控運動幫助在鑽井作業期間提供對所述井下工具的轉向或其他控制。
【專利說明】定向鑽井系統
【背景技術】
[0001]通過鑽一個穿透含油地層的井，而從地下地質地層(被稱為儲層)中獲取諸如油及天然氣的烴流體。受控轉向或定向鑽井技術被用於油、水及天然氣行業中，以到達並非位於井口正下方的源頭。在製備一個或一系列具有狗腿彎折或其他類型的斜井區段的井眼時，已經採用多種導向系統來提供對鑽井方向的控制。
【發明內容】
[0002]一般地，本發明提供了一種在多種應用中用於鑽井眼或其他類型的孔的系統及方法。一種導向系統或其他井下工具被設計為具有多個被配置為在鑽井作業(例如鑽井眼作業)期間提供受控導向的致動器。每個致動器包括至少一個可滑動地裝配於相應的球套筒內的球。壓力流體被用於提供所述球沿所述致動器的相應球套筒的受控運動。所述球的受控運動能夠在所述鑽井作業期間提供對所述井下工具的轉向控制和/或其他控制。如在此所使用的，術語「球」並不必然表示球形元件。球可以是大體上球形的活動元件，但其還可以是任意可接受的形狀，包括但不限於，大體上橢圓形或大體上圓柱形。類似地，球套筒並不必然是圓筒形，而可以是任意需要的形狀，以便接收所述活動元件，例如但不限於，具有橢圓形或其他非圓形截面的圓筒。
[0003]然而，在實質上不脫離本發明教導的前提下，可能有多種修改。相應地，權利要求所限定的本發明的範圍意圖包含這樣的修改。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0004]此後將參照附圖描述某些實施例，其中相同的參考標記表示相同的元件。然而應該理解，附圖示出了本文描述的多種實施方式，並且不意圖限制本文描述的多種技術的範圍，其中:
[0005]圖1是根據本發明的一個實施例的可以採用導向系統的實施例的井場系統；
[0006]圖2是根據本發明的一個實施例的用於定向鑽井的導向系統的一個例子的示意圖；
[0007]圖3是根據本發明的一個實施例的由旋轉導向系統內的致動器產生的力的示意圖；
[0008]圖4是根據本發明的一個實施例的示出了相對於距所述導向系統的萬向接頭的距離的球直徑的圖示；
[0009]圖5是根據本發明的一個實施例的示出了相對於距導向系統的萬向接頭的距離的所述球致動器的壓力需求的圖示；
[0010]圖6是根據本發明的一個實施例的具有位於球套筒內的球活塞的球致動器的截面示意圖；
[0011]圖7是根據本發明的一個實施例的圖6中示出的球致動器但所述球活塞位於致動位置的截面示意圖；
[0012]圖8是根據本發明的一個實施例的球致動器的截面示意圖，其中，所述套筒包括用於允許致動流體及顆粒排出的凹槽；
[0013]圖9是根據本發明的一個實施例的球致動器基本上沿圖8中的線9-9所作的截面示意圖。
[0014]圖10是根據本發明的一個實施例的球活塞被配置成於凹槽中抵靠至轉向套筒的內表面上以減小接觸壓力的示意圖；
[0015]圖11是根據本發明的一個實施例的具有多個用於接收球致動器的球活塞的異型凹部的轉向套筒的示意圖；
[0016]圖12是根據本發明的一個實施例的示出了球致動器的球套筒被定向成不垂直於所述轉向套筒的角度的示意圖；
[0017]圖13是根據本發明的一個實施例的旋轉導向系統的截面示意圖，其中，球活塞與轉向套筒滾動接觸；
[0018]圖14是根據本發明的一個實施例的示出了球活塞位於具有變化截面積的球套筒內的不意圖；
[0019]圖15是根據本發明的一個實施例的示出了球活塞位於具有變化截面積的另一類型的球套筒內的示意圖；
[0020]圖16是根據本發明的一個實施例的示出了與導向系統的球致動器相結合的儀器的不意圖；
[0021]圖17是根據本發明的一個實施例的具有非球異型形狀從而對於相同直徑能夠增加接觸面積而降低接觸應力的球的示意圖；以及
[0022]圖18是根據本發明的一個實施例的球被容納於相應的凹部內的示意圖。
【具體實施方式】
[0023]在以下的描述中，陳述了多個細節以提供對本發明的一些說明性實施例的理解。然而，本領域技術人員應該理解，可以在沒有這些細節的情況下實施所述系統和/或方法，並且基於所述實施例的多個變型或修改是可能的。
[0024]本文的公開總體上涉及關於導向系統的系統及方法，其可以被用於能夠定向鑽出井孔(便如，井眼)。所述系統和方法提供了一種導向系統，其利用致動器來產生用於將導向系統定向至期望鑽井方向的轉向力。舉例來說，所述導向系統可包括通過萬向接頭耦接於輸出軸(例如鑽頭軸)的主軸；並且致動器(例如球致動器)可以被配置成使所述輸出軸相對於所述主軸繞所述萬向接頭樞轉。所述致動器可以包括位於相應套筒內的球，並且鑽井泥漿或其他致動流體可以被用於以通過使所述輸出軸相對於所述主軸樞轉而提供期望轉向的方式沿它們相應的套筒移動所述球。
[0025]在一些鑽井應用中，所述導向系統可以包括旋轉導向系統，例如同時使用推靠鑽頭及指向鑽頭方式的混合旋轉導向系統。所述旋轉導向系統可以在提供高折彎性能的同時減少對磨損和諸如磨削、溫度及壓力的其他參數的敏感。所述旋轉導向系統還兼容在鑽井眼應用中使用的多種類型的鑽井泥漿。在這些類型的鑽井眼操作中，泵被用來在壓力下向井下提供諸如鑽井泥漿的鑽井流體。隨著鑽井流體流入所述旋轉導向系統中，所述鑽井流體具有高壓力差，並且一部分所述鑽井流體被選擇性地導向所述球致動器以沿相應的球套筒移動所述球。當旋轉運動被傳遞到所述旋轉導向系統時，所述致動器以保持所述輸出軸相對於所述主軸處於所需角度的方式被依次移動。所述鑽井流體可以在所述球外側附近被排出並進入周圍井孔中。此外，所述致動器可以位於繞所述旋轉導向系統的間隔的圓周位置，並且在一些應用中，可以有四個球致動器在繞所述旋轉導向系統的圓周方向上彼此間成約90°間隔開。基於所述應用，每個球致動器可以例如包括單個球或多個可滑動地裝配於多個相應球套筒內的球。
[0026]在此所述的導向系統在無論是井還是非井的環境及應用中的多種鑽井應用中可以使用。例如，旋轉導向系統可以幫助鑽出穿過地下地層材料及一些其他地球材料的井孔，以便形成多種類型的通路。在與井相關的應用中，導向鑽井系統可以被用於幫助定向鑽井，以形成多種傾斜井眼。圖1中示出了包含所述導向鑽井系統的井系統的一個例子。
[0027]參考圖1，示出了一個井場系統，其中，可以採用本文所述的導向系統的實施例。所述井場可以是在岸上或離岸的。在此系統中，通過旋轉鑽井，井眼11被形成於地下地層中。然而，所述導向系統的實施例可以被用於多種類型的定向鑽井應用中。
[0028]在所示出的例子中，鑽柱12懸置於所述井眼11中，且具有井下鑽具組合(BHA) 100，所述井下鑽具組合100包括在其底端處的鑽頭105。地面系統包括設於井眼11之上的平臺和井塔組件10，所述組件10包括轉盤16、方鑽杆17、掛鈎18和轉環19。所述鑽柱12由轉盤16驅動旋轉，轉盤通過未示出的方式驅動，轉盤將方鑽杆17接合至鑽柱的頂端。所述鑽柱12通過方鑽杆17和轉環19懸置於掛鈎18，該轉環19允許鑽柱相對於掛鈎旋轉，掛鈎18繫於遊動滑車(未示出)上。可以替代性地使用頂部驅動系統。
[0029]在本實施例的例子中，所述地面系統進一步包括存儲於形成於井場處的池27中的鑽井流體或泥漿26。泵29將所述鑽井流體26通過轉環19中的埠傳送至鑽柱12的內部，使鑽井流體如方向箭頭8所示向下流穿鑽所述鑽柱12。所述鑽井流體通過鑽頭105中的埠離開所述鑽柱12，然後通過鑽柱外部與井眼的壁間的環形區域向上循環，如方向箭頭9所示。在此方式中，所述鑽井流體潤滑所述鑽頭105，在其回到池27用於再循環的同時，將地層切屑向上帶至地面。
[0030]所示出實施例的井下鑽具組合100包括隨鑽測井(LWD)模塊120以及隨鑽測量(MWD)模塊130。所述井下鑽具組合100還可以包括導向系統150以及鑽頭105。在一些應用中，所述井下鑽具組合100進一步包括馬達，其可以被用於轉動所述鑽頭105或以其他方式被用於輔助所述鑽井操作。此外，所述導向系統150可以包括旋轉導向系統以提供定向鑽井。
[0031]所述LWD模塊120被容納於一種特殊類型的鑽鋌中，並且可以含有一個或多個已知類型的測井工具。還應該理解，可採用一個以上的LWD和/或MWD模塊，如120A所示。(在全文中，對120位置處的模塊的引述同樣可替換地表示120A位置處的模塊。)所述LWD模塊可以具有用於測量、處理和儲存信息以及與地面設備通信的能力。在本實施例中，所述LWD模塊包括壓力測量裝置。
[0032]所述MWD模塊130也可以被容納於一種特殊類型的鑽鋌中，且可以含有一個或多個用於測量鑽柱及鑽頭的特性的裝置。所述MWD工具還可包括用於向井底系統產生電能的裝置(未示出)。這可以包括由鑽井流體流驅動的泥漿渦輪發電機(也被稱為「泥漿馬達」)，應該理解，也可採用其他電能和/或電池系統。在本實施例中，所述MWD模塊可以包括多種測量裝置:例如，鑽壓測量裝置、扭矩測量裝置、振動測量裝置、衝擊測量裝置、粘滑測量裝置、方向測量裝置和/或傾斜測量裝置。如下文更詳細地描述，所述導向系統150還可以包括用於測量期望參數(例如鑽壓及鑽頭扭矩參數)的儀器。
[0033]所述導向系統150可以用於直線或定向鑽井，以便例如改進向各種地下含油氣儲層的接近。定向鑽井是指井眼從其本來的路徑上有意偏離。換句話說，定向鑽井是鑽柱的轉向，以便其在期望的方向上行進。
[0034]定向鑽井在許多離岸鑽井應用中是有用的，因為其能使多個井從單個平臺鑽出。定向鑽井還能使水平鑽井穿過儲層。水平鑽井能使所述井眼以更長的長度橫穿所述儲層，這提高了所述井的生產率。定向鑽井系統還可以被用於垂直鑽井操作中。通常，由於所述被穿透的地層的不可預測性或者由於所述鑽頭承受的變力，鑽頭可偏離預定鑽井軌跡。當發生此偏離時，定向鑽井系統可以被用於將所述鑽頭拉回正確線路上。
[0035]在一些定向鑽井應用中，導向系統150包括使用旋轉導向系統(「RSS」)。在RSS中，從地面旋轉所述鑽柱，井下裝置使所述鑽頭沿期望方向鑽井。旋轉所述鑽柱可減少在鑽井過程中鑽柱被掛住或卡住的發生。用於向地下鑽出偏斜井孔的旋轉導向鑽井系統可以總體上分為「指向鑽頭式」系統或「推靠鑽頭式」系統。
[0036]在指向鑽頭式系統中，鑽頭的旋轉軸線從所述井下鑽具組合的局部軸線偏離至新井眼的大致方向。所述井眼依據由上、下扶正器觸點以及鑽頭限定的通常的三點幾何特性延伸。所述鑽頭軸線的偏離角度連同所述鑽頭與下扶正器之間的有限距離，會導致彎道所需的非共線條件的產生。有很多方法可以實現此目的，包括在所述井下鑽具組合中靠近所述下扶正器的一個點處的固定或可調彎曲部，或分布於上、下扶正器之間的鑽頭驅動軸的彎曲。在其理想化形式中，所述鑽頭不需要進行實質的側向切割，因為所述鑽頭軸線朝所述彎曲井眼的方向連續轉動。指向鑽頭類型的旋轉導向系統的例子以及它們如何運行，被描述於美國專利申請公開第2002/0011359號、2011/0052428號以及美國專利第6，394，193、6，364，034,6, 244，361,6, 158，529,6, 092，610 以及 5，113，953 號中。
[0037]在常規的推靠鑽頭式旋轉導向系統中，並沒有特殊明確的機構來使所述鑽頭軸線偏離井下鑽具組合的局部軸線；相反，必要的非共線條件是通過使上、下扶正器中的任一個或兩個在相對於所述井眼的蔓延方向優先定向的方向上施加偏心力或偏移來實現的。再次，有很多方法可以實現此目的，包括非旋轉(相對於井眼)的偏心扶正器(基於偏移的方法)以及向所述鑽頭在期望轉向的方向施加力的偏心致動器。再次，轉向是通過在鑽頭與至少兩個其他觸點之間產生非共線來實現的，且所述鑽頭切向側面以便產生彎曲井眼。推靠鑽頭類型的旋轉導向系統的例子以及它們如何運行被描述於美國專利第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 以及 5，971，085 號中。
[0038]總體上參考圖2，井下鑽具組合100的一部分被示為包括與鑽頭105耦接的導向系統150。在此實施例中，所述導向系統150包括通過諸如萬向接頭的接頭204耦接至輸出軸202的主軸200。在鑽井應用中，所述輸出軸202可以包括在鑽井操作中旋轉鑽頭105的鑽頭軸。所述輸出軸202，例如鑽頭軸，可相對於主軸200繞萬向接頭204樞轉，以便允許受控的、定向鑽井。在所述鑽頭105的旋轉期間，可以使用致動系統206來保持輸出軸202與主軸200之間的期望角度來控制鑽井方向。在其他實施例中，所述萬向接頭204可以被配置於所述鑽柱或工具柱的其他部分中。例如，所述萬向接頭204及其相應致動器可以被置於可控撓性接頭或諸如打撈工具的其他井下工具中，其中，所述萬向接頭204及其相應致動器被用作井下工具中的角度致動器。在一些應用中，所述萬向接頭204可以由其他類型的撓性接頭代替。
[0039]在所示出的例子中，致動系統206包括多個可以被獨立控制的致動器208、例如球致動器，以便保持輸出軸202與主軸200之間繞著所述萬向接頭204的期望樞轉角。如圖所示，每個致動器208可以在主軸200與周圍轉向套筒210之間耦接。所述轉向套筒210被耦接於輸出軸202，以便所述致動器208的徑向膨脹及收縮引起輸出軸202相對於主軸200樞轉。然而，致動器208可以被定位於萬向接頭204之上和/或之下。此外，根據所述導向系統150 —般地是指向鑽頭式系統的形式、推靠鑽頭式系統的形式、還是結合了指向鑽頭式特點與推靠鑽頭式特點的混合系統的形式，所述致動器208可以被設計為相對於轉向套筒210或相對於周圍井眼壁起作用，如圖所示。在旋轉導向系統中可以使用任意這些系統來控制輸出軸繞著接頭204相對於主軸的樞轉運動。應該注意，所述致動系統206可以被用於包括撓性管鑽井系統的多種鑽井系統中。
[0040]在示出的實施例中，致動器208包括位於繞著所述主軸200的間隔的圓周位置處的球致動器。例如，至少三個致動器可以位於圓周位置，但是在多個應用中，四個致動器可以位於彼此間隔90°的四個圓周位置。每個致動器208可以包括單個球212或多個球212，其中，每個球212被可滑動地配置於相應的球套筒214中。在圖2中示出的例子中，每個致動器208是具有三個被可滑動地配置於三個相應的球套筒214內的球212以便相對所述轉向套筒210的內表面選擇性移動的球致動器。給定致動器208的球212相對於轉向套筒210的移動引起轉向套筒210及鑽頭軸202相對於主軸200繞著萬向接頭204樞轉。根據應用，球212及其相應球套筒214可以位於所述萬向接頭204之上或之下。進一步地，球套筒214可以定向成使所述球212作用於轉向套筒210或軸200或軸202，以提供所述樞轉運動。在某些泥漿馬達應用中，所述球套筒214可以被配置並被定向成使所述球212作用於導向泥漿馬達的軸。
[0041]可以通過在球212的相對於轉向套筒210的相反側傳輸至相應球套筒214內的壓力流體來控制所述球212的選擇性移動。可以通過各種相應的流動控制系統216來控制所述壓力流體的傳輸，所述控制系統例如是上文所述的指向鑽頭式以及推靠鑽頭式專利中討論的控制系統。舉例來說，所述流動控制系統216可以包括選擇性地控制壓力流體向所述致動器208流動的旋轉閥。在鑽井眼應用中，所述流動控制系統216可以是泥漿閥，其以順序方式控制致動鑽井流體向所述致動器208的流動。在所述鑽頭105旋轉時，所述順序流體傳輸方法激勵致動器208，從而保持所述鑽頭軸202與主軸200間的期望角度，以保持所需鑽井方向。致動器208以及總導向系統150的設計提供了高折彎性能，同時改善了對與磨損、溫度、壓力及泥漿類型相關的不利影響的抵抗力。在一些實施例中，流動控制系統216可以是計算機控制的閥的形式，其能夠控制所述壓力鑽井泥漿的供應。在此例子中，計算機控制的系統216能夠精確控制繞著萬向接頭204的樞轉。所述精確控制可以被用於導向，但是其還可以被用於其他目的，例如角振動控制。
[0042]在一些實施例中，每個致動器208包括單個球及套筒，並且在其他實施例中，每個致動器208包括多於一個的球212及多於一個的相應的球套筒214，以在所述主軸200與轉向套筒210的內表面之間的有限空間內產生所需力。此外，球212的直徑可以被選擇為與鑽頭105的期望指向所需的位移要求相一致。球212的直徑的選擇還由球212與萬向接頭204之間的距離決定，如圖3中的圖所示。有效地，每個球212的位移由所述球212相對於萬向接頭204的位置以及萬向接頭的傾角決定。所述球212的直徑以及球212與萬向接頭204間的距離與鑽頭105指向期望鑽井方向時鑽頭軸202相對於主軸200的期望移動量相關。在諸如圖2中示出的混合推靠鑽頭及指向鑽頭式導向系統中，球直徑及球距萬向接頭的距離類似地根據所述導向系統105的期望導向特性來選擇。在圖4的圖中，作為一例子提供了最大球直徑與距離萬向接頭204的距離之間的關係的圖形化表示。圖4還對於同一個例子示出了最大球直徑與期望位移之比與距離萬向接頭204的距離之間的關係。
[0043]當在每個球致動器208中使用多於一個的球212時，在保持作用於所述轉向套筒210上的相同的力的情況下，所述導向系統150的內部與所述導向系統150周圍的井眼環空之間的壓降可以被減小。通過使用一組較小的球212，可以獲得較大的組合表面積，從而相比具有較小表面積的單個較大球來說，能夠使用較低壓降而產生相同大小的力。所述單個較大球212需要較大的壓降來產生作用於轉向套筒210的所需力。在圖5中，提供了圖形表示來說明與單個致動器208中的不同數量的球212相關的壓力。一般地，在每個致動器208中使用額外的球212時，所需壓降會減小。圖5示出了相對於距萬向接頭204的距離的作用於所述球212上的壓力以便提供足夠力來轉向鑽頭的一個例子。此圖還示出了在距離萬向接頭204的給定距離下的所需球直徑。
[0044]當被用於致動給定致動器208中的球212的壓力流體供應中斷時，所述壓力流體可以通過所述球與套筒間的空隙，或通過位於套筒或球中的排出凹槽或口，從所述球套筒214中排出。例如，諸如鑽井泥漿的壓力流體可以通過所述球212與球套筒214的組件外部的合適的排出口排出。隨著所述壓力流體排出，作用於所述球212上的壓力減小，並且所述球可以沿相應的球套筒214以相反的方向移動。換句話說，此特定的致動器208的球212不再作用於所述轉向套筒210的內表面上。向多個圓周間隔布置的致動器208的壓力流體的順序傳輸，以及此壓力流體的失效或中斷，允許所述導向系統150保持其導向方向。
[0045]一般地參考圖6-9，示出了示例性球212位於其相應的套筒214中。在此例子中，圖6示出了示例性球活塞導向裝置218的截面示意圖，其可以單獨使用或與每個致動器208中的附加球導向裝置218 —起組合使用。所述球活塞導向裝置218包括設置在其相應套筒214內的球212。在此例子中，套筒214包括與諸如由泵29供應的壓力鑽井流體源的流體源連通的孔220。如圖7中所示，諸如鑽井泥漿的流體222進入孔220中推動球212至伸出位置，在此位置所述球通過產生作用於套筒210的內表面上的力移動轉向套筒210。唇部224可以被用於將球212保持於球套筒214內。
[0046]—般地參考圖9及10，提供了球活塞導向裝置218的一個例子，其中，所述套筒214包括凹槽226以允許流體從所述套筒214中排出，如上文所述。所述凹槽226還可以被用於提供對球212以及井下鑽具組合100的其他部分的潤滑。此外，所述凹槽226可以提供流體通路，其便於除去所述球212與球座214的接合區域中的諸如顆粒的碎屑。
[0047]在一些實施例中，球212可以被塗覆，或其可以由諸如金屬、樹脂或聚合物的耐磨材料組成。例如，球212可以由鋼、「高速鋼」、碳鋼、黃銅、銅、鐵、多晶金剛石複合材料(PDC)、硬面材料(hardface)、陶瓷、碳化物、陶瓷碳化物、金屬陶瓷或其他適合的材料製成。應該注意，沿凹槽226繞流過球212的鑽井泥漿或其他流體在致動期間以及致動後排出時能夠高速流動。在一些應用中，所述高速流體通過諸如轉向套筒210內的流出口被導入井眼中。將所述高速流體導入井眼中，能夠減少對導向系統150的潛在損害，例如由對所述轉向套筒210的內徑侵蝕所產生的損害。
[0048]在一些應用中，球212與轉向套筒210的內表面之間的接觸可以產生高接觸力/壓力。然而，有很多技術可以被用來通過增加接觸面積減小接觸點處的應力。例如，如圖10中所示，球凹槽228可以被機加工或以其他方式形成於轉向套筒210的內表面230中。在每個致動器208中使用多個球212同樣可以被用於減輕所述球212與轉向套筒210間的接觸應力。在一些應用中，多個球凹槽228可以與多個相應的球212被共同使用來進一步減小接觸應力，並且從而允許流體致動球212上的壓力與周圍井眼內的壓力之間具有較低的壓降。
[0049]附加的方法可以被單獨或組合使用來限制接觸應力和/或幫助控制轉向套筒210的移動，並且從而幫助控制鑽井方向。如圖11中的例子示出的，轉向套筒210可以沿內表面230設計有接觸輪廓232，來改善對所述轉向套筒210的工具面控制。例如，所述接觸輪廓232可以包括凹部234，其比所述轉向套筒210的正常內徑具有更大的曲率。
[0050]在一些實施例中，只要產生能夠驅動球212頂靠轉向套筒210的機械力，所述球212就可以具有除球形外的任何形狀以傳遞由致動流體222所做的功。如在此所使用的，術語球212並不限於球形的球，而相反包括更廣泛的形狀，並且可以包括具有不同曲率的部件。例如，球212可以具有被設計為限制接觸應力的圓柱或橢圓形，具有或不具有獨特設計的接觸輪廓232。在一些應用中，不同於改變轉向套筒210的內表面230，可以改變球212的表面形狀。其他的方法可以包括形成彼此具有不同直徑的球212，或增加致動器208的數量和/或增加每個致動器208中的球212的數量。球212可以具有對應於所述轉向套筒210的內表面的輪廓形狀的輪廓形狀，以提高諸如導向系統150的井下工具的穩定性。在一些例子中，每個球212可以被接納於所述轉向套筒210的相應凹陷部或凹部中以提高穩定性。
[0051]此外，球212可以根據各種程序或技術被激活。例如，根據用於控制致動流體222向致動器208的流動的泥漿閥216 (或其他流動控制系統)的類型，給定致動器208中的球212可以全部被立即激勵/致動；可以沒有球212被致動；或球212的不同組合可以被致動。例如，在給定致動器208中的一排球212中，可以致動全部數量球212的一部分以在某些導向作業期間減少導向力。進一步舉例來說，一個實施例可以被設計為致動三球式致動器208的單個球212或兩個球212，而剩餘球212保持不被致動。
[0052]在另一個例子中，每個相應的球套筒214的中心軸線236可以被配置成相對於與套筒210相交的徑向線240成非垂直角238，如圖12所示。通過將球212以角度238傳遞至套筒210，可以增加致動力，同時減少移動套筒210的有效行程。如圖12中進一步示出的，轉向套筒210的一些實施例可以包含被設計為作用於周圍井眼壁的扶正器242。
[0053]根據給定的鑽井應用的參數，球212還可以用作綜合旋轉導向系統及馬達系統中的「旋轉」接觸部，如圖13中所示。在這些類型的應用中，所述轉向套筒210被旋轉，而馬達定子/本體244相對於所述旋轉的轉向套筒210保持靜止。馬達驅動軸246直接被耦接於轉向套筒210及鑽頭105以提供旋轉。在此類型的應用中，球212被用於推靠所述轉向套筒210的內表面以便導向所述鑽頭105，同時還被用於當通過驅動軸246旋轉所述鑽頭105時促進轉向套筒210的轉動動作。
[0054]一般地參考圖14及15，示出了另一個實施例，其中，球套筒214的截面面積沿其長度變化，以便改變球212與球套筒214的內表面之間的間隙。舉例來說，此方式可以被單獨使用或與凹槽226共同使用。如圖14中所示，球套筒214的內表面248可以逐漸減少以產生錐形球套筒，從而間隙隨著球212的行程的變化而改變。例如，所述錐形並且從而所述截面積可以改變，以便當所述球212施加最大力時提供緊密的空隙，而在全行程時允許較大的間隙，以限制所述力並清潔所述球套筒214的內部。圖15示出了另一個實施例，其中，橫截面積沿所述球套筒的長度改變，但所述改變是通過使用沿著所述球套筒214的內部的一個或多個臺階250來實現的。
[0055]在一些實施例中，通過將球套筒214的軸線236設置為不同的方向，可以調整載荷分布及作用力方向。例如，含有沿導向系統150的一側的一列球212的球套筒214的軸線可能與沿所述導向系統150的不同側的球套筒214的軸線方向不同。所述球212及相應的球套筒214還可以在所述導向系統150的每一側被沿螺旋線設置。例如，每個致動器08可以具有大體上沿螺旋線設置的多個球212及相應的球套筒214。如上所述，球套筒可以每個都具有單個或多個槽或凹槽226以在增加或不增加間隙的情況下控制諸如鑽井泥漿的致動流體的洩漏。
[0056]一般地參考圖16，示出了另一個例子，其中，至少一些致動器208被儀器化。可以安裝一個或多個傳感器252以監測球212在其相應球套筒214中的位置。舉例來說，可以沿每個球套筒214配置傳感器252來監測所述球212在球套筒214中的位置。監測所述球212的位置可以使轉向套筒210的傾角能夠被確定，以幫助監測鑽井方向。根據給定應用的參數，可以使用各種傳感器252。傳感器252的例子包括感應式傳感器、磁式傳感器、聲傳感器及其他合適的傳感器。
[0057]一般地參考圖17，示出了另一個實施例，其中，所述球212是非球形式。例如，所述球212可以是圓柱形或具有被設計為作用於所述轉向套筒210或另一可致動件的相應輪廓表面256上的輪廓表面254的桶形。所述輪廓表面254及相應的輪廓表面256可以被成形為提供某種功能。例如，所述輪廓表面可以被設計為增加接觸面積而同時保持球212的相同的一般直徑，以便減小接觸應力。
[0058]圖18中示出了另一個例子，其中，球212也包括輪廓表面254。在此例中，球212可以是球形或具有另外合適的形狀，以提供所需的輪廓表面254。相應的輪廓表面256被形成於容納所述球212的凹陷部或凹部258中。在一些例子中，所述凹陷部或凹部258可以被設計為在所述井下工具操作期間牢固地保持所述輪廓表面254。
[0059]根據鑽井應用，井下鑽具組合及總鑽井系統可以包括各種部件及部件配置。此外，根據給定的鑽井操作的具體參數，所述致動系統可以包括許多不同類型的致動器配置。所述致動系統可以與各種控制系統、例如能夠評估傳感器數據及輸出信息的基於處理器的控制系統f禹接。在一些實施例中，所述控制系統可被編程以基於程序指令自動調整鑽井方向。此外，各種旋轉導向系統及其他導向系統可以被用於幫助所述定向鑽井。而且，萬向接頭及其他類型的接頭可以被用來在所述主軸及輸出軸之間提供彎曲點。
[0060]儘管上文已經詳細描述了所述系統及方法的一些實施例，但是本領域技術人員易於理解，在實質不脫離本發明的教導的前提下，多種修改是可能的。相應地，權利要求所限定的本發明的範圍意圖包含這樣的修改。
【權利要求】
1.一種系統，包括: 定向鑽井系統，其具有通過樞轉點耦接至第二軸的主軸，所述第二軸被耦接至轉向套筒；以及被安裝於不同的圓周位置處的用於與所述轉向套筒接合以相對於所述主軸選擇性地樞轉所述轉向套筒和所述第二軸的多個致動器，每個致動器包括可滑動地安裝於活塞套筒內的活動元件，所述活塞套筒被定向成當在所述活塞套筒內有足夠的壓力被施加於所述活動元件時允許所述活動元件作用於所述轉向套筒。
2.如權利要求1所述的系統，其中，每個致動器包括均可滑動地安裝於相應的活塞套筒內的多個球。
3.如權利要求2所述的系統，其中，所述多個致動器包括在所述轉向套筒內繞著所述主軸在圓周方向上間隔開的至少三個致動器。
4.如權利要求3所述的系統，進一步包括定位成能控制壓力鑽井泥漿向所述多個致動器的流動的閥。
5.如權利要求1所述的系統，其中，所述轉向套筒包括至少一個表面，所述至少一個表面被成型為能以在樞轉所述轉向套筒期間減小接觸應力的方式接收所述活動元件。
6.如權利要求1所述的系統，其中，所述活塞套筒被定向成與所述轉向套筒成非垂直的角度。
7.如權利要求3所述的系統，其中，所述活動元件是大致球形的球，且多個大致球形的球提供與所述轉向套筒的內表面的滾動接觸。
8.如權利要求2所述的系統，其中，所述多個球中的某些球具有彼此不同的直徑。
9.如權利要求1所述的系統，其中，所述活塞套筒的橫截面面積沿活塞套筒的長度變化，從而改變所述活動元件與活塞套筒之間的間隙。
10.如權利要求1所述的系統，進一步包括配置成能監測所述球在球套筒中的位置的球傳感器。
11.一種用於鑽井的方法，包括: 準備具有通過樞轉點樞接於第二軸的主軸的定向鑽井系統； 將多個致動器耦接到所述定向鑽井系統中，其中，每個致動器包括可滑動地安裝於套筒中的球；並且 定向每個套筒，使得所述球沿所述套筒的受控移動使第二軸相對於主軸繞著所述樞轉點樞轉。
12.如權利要求11所述的方法，進一步包括:將轉向套筒連接至第二軸，其中，耦接包括將所述多個致動器繞著所述主軸在圓周方向上間隔開的位置處安裝到所述主軸與所述轉向套筒之間。
13.如權利要求12所述的方法，進一步包括:使每個致動器形成有可滑動地配置於多個相應的球套筒內的多個球。
14.如權利要求13所述的方法，進一步包括:通過以順序方式向每個致動器選擇性地施加壓力鑽井泥漿來控制所述球相對於所述轉向套筒的內表面的移動，以便在鑽頭軸旋轉期間保持所需的鑽井角度。
15.如權利要求11所述的方法，進一步包括:為每個致動器提供傳感器以監測球的位置。
16.如權利要求14所述的方法，進一步包括:將鑽頭耦接至鑽頭軸並且旋轉所述鑽頭以鑽井眼。
17.如權利要求13所述的方法，進一步包括:沿所述轉向套筒的內表面形成至少一個凹部以便以減小接觸應力的方式接收至少一個球。
18.如權利要求11所述的方法，其中，耦接包括:將所述多個致動器配置於所述萬向接頭上方。
19.如權利要求11所述的方法，其中，耦接包括:將所述多個致動器配置於所述萬向接頭下方。
20.如權利要求11所述的方法，其中，定向包括定向每個球套筒，以便使每個球沿相應的球套筒的移動能使每個球作用於所述主軸和鑽頭軸中的至少一個。
21.如權利要求11所述的方法，進一步包括:使用壓力鑽井泥漿移動每個球並且使用流動控制系統的計算機控制的閥控制鑽井泥漿的流動。
22.如權利要求12所述的方法，進一步包括:使每個球具有與沿所述轉向套筒的內部的輪廓對應的形狀，以提高旋轉導向系統的穩定性。
23.一種用於鑽井眼的方法，包括: 將定向鑽井系統耦接至鑽柱，其中，所述定向鑽井系統包括樞接於鑽頭軸的主軸；通過選擇性地將鑽井泥漿引導到配置於被耦接至所述定向鑽井系統的鑽頭軸的轉向套筒內的多個球致動器，導向所述定向鑽井系統；並且操作所述定向鑽井系統以鑽傾斜井眼。
24.如權利要求23所述的方法，其中，導向包括使用泥漿閥來選擇性地將加壓的鑽井泥漿引導到並作用於每個致動器內的多個球上，以便所述球的移動使所述轉向套筒和所述鑽頭軸樞轉至所需鑽井方向。
25.如權利要求23所述的方法，進一步包括:通過萬向接頭將所述鑽頭軸樞接至所述主軸。
26.一種用於幫助井眼作業的方法，包括: 準備具有可樞轉裝置的井下工具； 將多個致動器耦接至所述井下工具中，其中，每個致動器包括可滑動地安裝於球套筒內的球；以及 定向每個球套筒，以便所述球沿所述球套筒的受控移動使所述井下工具繞著所述樞轉裝置彎曲。
27.如權利要求26所述的方法，其中，準備包括為所述井下工具準備成萬向接頭形式的可樞轉裝置。
28.如權利要求26所述的方法，進一步包括:在撓性管鑽井作業中使用所述井下工具。
29.如權利要求26所述的方法，共中，準備包括為所述可樞轉裝置準備泥漿馬達。
【文檔編號】E21B21/10GK104428481SQ201380032373
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年5月20日 優先權日:2012年6月21日
【發明者】C·佩林, G·C·唐頓, C·C·博加特, B·拉庫爾, P·克裡勒 申請人:普拉德研究及開發股份有限公司