專利名稱：導向鉆井系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于在井眼的形成中使用例如用于隨后開采油氣時使用的導向 鉆井系統(tǒng)。
背景技術：
GB 2399121說明了一種導向鉆井系統(tǒng)，在所述導向鉆井系統(tǒng)中，底部鉆具組合裝 有位于所述底部鉆具組合的上部分與導向部分之間的旋轉接頭或萬向接頭。井下馬達位于 上部分中并且驅動由導向部分支承的鉆頭進行旋轉。一系列活塞設置在上部分上，且活塞 可操作以調節(jié)導向部分的軸線相對于上部分的軸線的角度。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種這種通用類型的并且具有簡便形式的導向鉆井系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種導向鉆井系統(tǒng)，所述導向鉆井系統(tǒng)包括底部鉆具組合， 所述底部鉆具組合包括上部分和導向部分；旋轉接頭，所述旋轉接頭允許對導向部分的軸 線相對于上部分的軸線的方位進行調節(jié)；井下馬達，所述井下馬達可操作以驅動導向部分 相對于上部分進行旋轉；和多個致動器，所述多個致動器可操作以控制導向部分的軸線相 對于上部分的軸線的方位，且致動器安裝在導向部分和上部分中的一個上，并且被布置成 抵靠導向部分和上部分中的另一個而作用。高速滑動接觸可以形成在致動器與導向部分和上部分中的所述另一個之間。高速滑動接觸可以形成液壓動力軸承，從而避免致動器和/或與致動器接觸的表 面的過度磨損。致動器優(yōu)選地包括活塞，所述活塞例如被布置成使用鉆井液或鉆井泥漿驅動。可 以通過活塞供應流體以潤滑活塞與導向部分與上部分中的所述另一個之間的接觸?？蛇x地，滾柱軸承裝置可以設置在致動器與導向部分和上部分中的所述另一個之間。 柔順材料元件可以裝入到軸承裝置中以適應導向部分相對于上部分繞旋轉接頭的角運動。井下馬達可以具有多種形式。例如，井下馬達可以包括鉆井液或鉆井泥漿供給動 力的馬達、渦輪機、或電動馬達。
以下參照附圖以示例的方式進一步說明本發(fā)明，其中圖1顯示裝有根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的導向鉆井系統(tǒng)的鉆機；圖2是顯示圖1的導向鉆井系統(tǒng)的視圖；和圖3-5說明可選的布置。
具體實施例方式圖1中所示的鉆機包括由位于地面的裝置14支撐在井眼12內的鉆柱10。鉆柱10承載一系列扶正器16及其它部件，并且在所述鉆柱的下端處，所述鉆柱連接到底部鉆具 組合18并支撐所述底部鉆具組合。位于地面的裝置14被布置成使鉆柱10和固定到所述 鉆柱的部件旋轉，并且還被布置成沿鉆柱10將鉆井液20供應給位于井下的部件。底部鉆具組合18在圖2中被詳細示出，并且包括上部分22和導向部分24。萬向 接頭26連接導向部分24與上部分22。萬向接頭26允許導向部分24相對于上部分22的 方位調節(jié)至少+/-2°的角度。上部分22容納井下馬達(未示出)。馬達可以具有各種形 式。例如，馬達可以包括鉆井液或泥漿供給動力的馬達、渦輪機、或電動馬達。馬達的轉子 連接到輸出軸28，所述輸出軸延伸通過上部分22并且可相對于所述上部分旋轉，且軸28通 過萬向接頭26將來自井下馬達的旋轉驅動力施加給導向部分24。鉆頭30連接到導向部分 24。將要認識的是井下馬達的操作會驅動鉆頭30相對于上部分22進行旋轉。在使用中，上部分22固定到鉆柱10，以可與所述鉆柱一起移動。鉆井系統(tǒng)的操作 使得通過鉆柱10將鉆壓載荷施加到上部分22，且鉆壓載荷通過萬向接頭26傳遞給導向部 分24并由此傳遞給鉆頭30。鉆壓載荷與由于井下馬達的操作并且由于鉆柱10的旋轉而使 鉆頭30旋轉的結合應用從而使鉆頭30從正在其內形成井眼12的地層32刨削、刮削或以 其它方式清除物質，從而延伸井眼12的長度。多個致動器34安裝在上部分22上，且致動器34被布置成與導向部分24的一部 分接合并且可操作以控制導向部分24的軸線相對于上部分22的軸線的位置或方位。將要 認識的是當致動器34安裝在可與鉆柱10 —起旋轉的上部分22的一部分上，并且致動器34 倚靠在通過井下馬達的操作驅動的導向部分24的一部分上時，在使用中，在致動器34與導 向部分24之間具有高速滑動接觸。高速滑動接觸形成用于最小化致動器34和導向部分24 的相關聯(lián)部分的磨損的流體動力軸承。致動器34具有一系列活塞的形式，所述一系列活塞在使用中沿設置在上部分22 中的供應管線36被供應有加壓流體。例如，使用可以位于井下馬達上方或下方的旋轉閥或 一系列雙穩(wěn)態(tài)致動器閥可有利地控制流體沿供應管線36的供應。雖然沒有示出，但是底部鉆具組合18將裝有流動通道裝置，藉此，鉆井液可以通 過底部鉆具組合18被供應給鉆頭30以從形成在所述流動通道裝置中的流動通道或噴管被 輸送。例如，這可以通過沿形成在軸28的通道并通過軟管(所述軟管通過萬向接頭26)將 流體供應到導向部分24來實現(xiàn)。如此被供應的鉆井液用于沖洗鉆切地層物質而遠離鉆頭， 鉆井液和鉆切物質往往沿井眼12沿形成在鉆柱10與井眼12的壁之間的環(huán)空而回流到地 面或另一個適當?shù)奈恢?，從而遠離鉆頭30而帶走鉆切物質。導向可以使用諸如GB 2399121中所述的一些不同的技術來實現(xiàn)。在一種技術中， 控制致動器34以將鉆頭30的工具面保持在期望的方位上，或者使所述工具面指向期望的 方向，同時如上所述操作馬達以驅動鉆頭30進行旋轉并施加鉆壓載荷。在此操作期間，鉆 柱10可以連續(xù)或間歇旋轉，將要認識的是致動器34可能需要連續(xù)或周期性調節(jié)以確保將 導向部分24保持在期望的方位上。在需要井眼的相對直線段的情況下，可以操作致動器34 以保持導向部分24和上部分22基本上彼此共軸。然而，即使在這種操作模式下，也有可能 使井眼的形成部分例如由于鉆頭30移動通過不同類型的地層物質的層而將與實際直線偏 罔。如同GB 2399121中所述的裝置一樣，扶正器可以安裝在上部分和/或導向部分上，或與所述上部分和/或所述導向部分相關聯(lián)，且扶正器的位置在某種程度上確定可以 使用的導向技術的類型。在扶正器設置在導向部分上的情況下，所述扶正器可以位于萬向 接頭的中心的位置的上方、位于所述萬向接頭的中心的位置上或位于所述萬向接頭的中心 的位置的下方。角度傳感器(未示出)可以被設置成允許感測導向部分24相對于上部分22的角 度，并從而允許對鉆頭指向的方向進行測量。這種信息可以在反饋回路中使用，從而控制鉆 井系統(tǒng)的操作。角度傳感器可以是電感形式，例如，包括安裝在導向部分24上的線圈和位 于上部分24上的非共面?zhèn)鞲衅?，或者反之亦然。電纜或電線可以沿軸28和轉子的長度延伸以允許與例如位于鉆頭30上的傳感器 進行電連接。集流環(huán)或電感耦合可以被設置成允許對電纜或電線進行連接。電纜或電線可 以用于給傳感器通電和/或從所述傳感器發(fā)射信號。雖然以上所示和所述的裝置使用位于萬向接頭26上方的活塞形式的致動器34， 但是可以將一些或所有致動器34定位在萬向接頭26的位置的下方和/或將所述一些或所 有致動器定位在距離萬向接頭26不同的距離處。通過交錯定位致動器34，在不必要增加底 部鉆具組合18的直徑的情況下可以增加所設置的致動器34的數(shù)量。在另一個實施例中，不是將致動器34安裝在可與鉆柱10 —起旋轉的上部分22的 一部分上，而是致動器34可以安裝在導向部分24上，以可與所述導向部分一起旋轉，且在 使用中致動器34倚靠在上部分22的多個部分上。圖3顯示其中致動器34為活塞形式并提供流動通道40，藉此用于控制致動器34 的操作的大量流體被供應給與導向部分24接觸的點，從而潤滑致動器與導向部分之間的 高速滑動接觸并增加流體動力軸承效應的修改例。圖4顯示其中高速滑動軸承被滾柱軸承42替代的變形例，所述滾柱軸承包括由致 動器34支承的內座圈44、和安裝在導向部分24上的外座圈46。柔順材料元件48還可以 裝入軸承42內以適應導向部分24繞萬向接頭26的角運動。在以上所述的每一個裝置中，不是使用活塞作為致動器34，而是如圖5中所示可 以使用導螺桿裝置50。裝置50每一個都包括螺桿52，所述螺桿可通過馬達54旋轉并且與 螺紋套筒56接合，使得馬達54的操作使螺桿52伸出或縮回。滾柱軸承或滑動軸承可以如 上所述使用。雖然與其中安裝在上套管并且在上套管相當緩慢地旋轉的裝置中使用的液壓驅 動裝置相比導螺桿裝置可能具有更慢的響應速度，但是所述響應速度可能是充分的，并且 用于調節(jié)導向部分方位的動力可以非常低。這種裝置可能在高溫應用中尤其有益。另一種可能性包括使用液壓油以使致動器活塞移動，且例如通過小功率泵供應所 述油。在以上所述的所有裝置中，將要認識的是通過將致動器定位在上套管上，所述致 動器僅需要在正常使用中與上套筒的旋轉時被致動而不是在鉆頭轉速下被致動，從而可以 實現(xiàn)大量動力節(jié)省。將要認識的是在不背離本發(fā)明的保護范圍的情況下可以對以上所述裝置進行大 范圍修改和改變。
權利要求
一種導向鉆井系統(tǒng)，包括底部鉆具組合，所述底部鉆具組合包括上部分和導向部分；旋轉接頭，所述旋轉接頭允許對所述導向部分的軸線相對于所述上部分的軸線的方位進行調節(jié)；井下馬達，所述井下馬達能夠操作以驅動所述導向部分相對于所述上部分進行旋轉；和多個致動器，所述多個致動器能夠操作以控制所述導向部分的軸線相對于所述上部分的軸線的方位，所述致動器安裝在所述導向部分和所述上部分中的一個上，并且被布置成抵靠所述導向部分和所述上部分中的另一個而作用。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，高速滑動接觸形成在所述致動器與所述導向部 分和所述上部分中的所述另一個之間。
3.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，滾柱軸承裝置設置在所述致動器與所述導向部 分和所述上部分中的所述另一個之間。
4.根據(jù)權利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述滾柱軸承裝置裝有柔順材料元件。
5.根據(jù)權利要求1-4中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述致動器包括活塞。
6.根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述活塞限定流動通道。
7.根據(jù)權利要求1-4中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述致動器包括導螺桿裝置。
8.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述致動器在距離所述旋轉接頭的 共同距離處彼此對齊。
9.根據(jù)權利要求1-7中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述致動器定位于距離所述旋轉接 頭的兩個或更多個距離處。
10.根據(jù)權利要求1-7中任一項所述的系統(tǒng)，其中，至少一個致動器定位于所述旋轉接 頭的一側，而至少一個致動器定位于所述致動器的另一側。
11.根據(jù)前述根據(jù)權利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述旋轉接頭適于允許將鉆壓 載荷傳遞給所述導向部分。
12.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的系統(tǒng)，還包括軟管，所述軟管被布置成允許流體 通過所述萬向接頭被供應到所述導向部分。
13.根據(jù)權利要求5或6所述的系統(tǒng)，還包括閥裝置，所述閥裝置被布置成控制流體到 所述致動器的供應。
14.根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述閥裝置定位于所述馬達上方。
15.根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述閥裝置定位于所述馬達下方。
16.根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述閥裝置包括旋轉閥。
17.根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述閥裝置包括至少一個雙穩(wěn)態(tài)閥。
18.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述馬達包括泥漿馬達、渦輪機和 電動馬達中的一種。
19.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的系統(tǒng)，還包括角度傳感器，所述角度傳感器能夠 操作以感測所述導向部分相對于所述上部分的角度。
20.根據(jù)權利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述角度傳感器是電感形式。
21.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的系統(tǒng)，還包括扶正器，所述扶正器安裝在所述導向部分上。
22.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的系統(tǒng)，還包括電導體，所述電導體延伸通過所述 系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種導向鉆井系統(tǒng)，所述導向鉆井系統(tǒng)包括底部鉆具組合(18)，所述底部鉆具組合包括上部分(22)和導向部分(24)；旋轉接頭(26)，所述旋轉接頭允許對導向部分(24)的軸線相對于上部分(22)的軸線的方位進行調節(jié)；井下馬達，所述井下馬達可操作以驅動導向部分(24)用于相對于上部分(22)進行旋轉；和多個致動器(34)，所述多個致動器可操作以控制導向部分(24)的軸線相對于上部分(22)的軸線的方位，且致動器(34)安裝在導向部分(24)和上部分(22)中的一個上，高速滑動接觸形成在致動器(34)與導向部分(24)和上部分(22)中的另一個之間。
文檔編號E21B7/06GK101946057SQ200880127109
公開日2011年1月12日 申請日期2008年12月16日 優(yōu)先權日2007年12月21日
發(fā)明者杰弗里·C·當頓 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司