專利名稱：裝置和用于控制該裝置的控制方法
技術領域：
裝置和用于控制該裝置的控制方法。
背景技術：
鉆探地下井眼通常通過轉動鉆頭來執(zhí)行，所述鉆頭位于鉆柱的遠端。可以通過從地面位置旋轉整個鉆柱和/或通過使用旋轉鉆探馬達來轉動鉆頭，所述鉆探馬達與鉆柱連接并且位于鉆頭附近。鉆柱可以由連接在一起的鉆探管道的單獨接頭構成，從而形成鉆柱。作為替代，鉆柱可以由存放在大型線盤上的連續(xù)長度的盤管構成。
當鉆柱由鉆探管道的單個接頭構成時，整個鉆柱可以相對容易地使用旋轉臺或者鉆塔上的頂部驅動器來旋轉。當鉆柱由連續(xù)長度的盤管構成時，它相對難于旋轉整個鉆柱，因為線盤也必須旋轉。僅通過旋轉整個鉆柱而在旋轉轉頭的同時鉆探，通常稱為“旋轉鉆探”。僅利用旋轉鉆探馬達在旋轉轉頭的同時鉆探，通常稱為“滑動鉆探”。通過旋轉整個鉆柱而且利用旋轉鉆探馬達而在旋轉轉頭的同時鉆探，通常稱為“性能鉆探”。定向鉆探涉及將鉆頭“轉向”，以使鉆頭沿著期望的路徑鉆探。因此，定向鉆探要求用來為鉆頭取向的機構，以使其沿著期望的路徑鉆探。在定向鉆探過程中，鉆頭取向通常稱為“刀面取向”。定向鉆探可以利用鉆柱中的彎部執(zhí)行，或者利用與鉆柱關聯(lián)的轉向工具來執(zhí)行。如果定向鉆探利用鉆柱中的彎部來執(zhí)行，則該彎部的取向可以進行控制，從而提供期望的刀面取向。因此，利用鉆柱中的彎部轉向可能通常僅在滑動鉆探過程中實現(xiàn)，因為旋轉鉆探將導致彎部恒定轉動以及刀面取向的恒定變化。如果利用轉向工具執(zhí)行定向鉆探，則可以通過控制轉向工具的促動或者通過以固定促動保持轉向設備并采用類似利用鉆柱中的彎部執(zhí)行定向鉆探的方式控制轉向工具的取向，來實現(xiàn)期望的刀面取向。一旦選擇，刀面取向可能在鉆探過程中由于施加在鉆頭和鉆柱上的作用力而以不希望的方式變化。這些作用力可能是從地面位置施加到鉆柱的作用力，或者可能是由井眼施加在鉆頭和/或鉆柱上的反作用力。因此，通常希望在定向鉆探過程中時不時地調節(jié)刀面取向，以應對這些作用力和導致刀面取向的不希望的變化。反扭矩來自井眼對于鉆頭抵抗井眼遠端旋轉的反作用。反扭矩趨向于向著與鉆柱旋轉和/或旋轉驅動馬達施加在鉆頭上的方向相反的方向轉動鉆頭。反扭矩可能導致刀面取向發(fā)生變化，而且還在鉆柱上施加可能導致?lián)p壞的應力。已經(jīng)做出努力來提供控制反扭矩的影響同時有利于定向鉆探的鉆探裝置。美國專利No. 5，485，889 (Gray)描述了與盤管一起使用的鉆探系統(tǒng)和方法。該鉆探系統(tǒng)包括控制設備?？刂圃O備包括連接到具有彎曲軸線的鉆探工具的下游區(qū)段，連接到盤管的上游區(qū)段，和連接下游區(qū)段和上游區(qū)段的回轉耦合組件。泵和回路與下游區(qū)段、上游區(qū)段和回轉耦合組件關聯(lián)，以使下游區(qū)段和上游區(qū)段之間的相對旋轉導致泵通過回路泵送流體。在回路中提供限流孔和閥?？刂圃O備可以被促動以形成井眼的直線區(qū)段和井眼的彎曲區(qū)段。為了形成井眼的直線區(qū)段，控制設備被促動以允許下游區(qū)段和上游區(qū)段以小于鉆頭旋轉速率的速率發(fā)生相對旋轉。為了形成井眼的彎曲區(qū)段，控制設備被促動以阻止下游區(qū)段和上游區(qū)段相對旋轉，從而有利于鉆探工具的彎曲軸線的取向。通過將閥促動到關閉位置以阻止流體通過回路循環(huán)來實現(xiàn)促動控制設備以阻止下游區(qū)段和上游區(qū)段的相對旋轉。閥被從地面位置通過延伸到地面位置的控制線纜來促動。傳感器通過控制線纜與地面位置通信，從而將未指定的信息通知地面位置。美國專利No. 6，059，050 (Gray)描述了一種用于控制鉆探工具由于存在反扭矩而相對旋轉的裝置。所述裝置包括相對旋轉的第一構件和第二構件以及液壓泵，所述液壓泵具有安裝在第一構件上的第一泵部分和安裝在第二構件上的第二泵部分。所述泵布置地讓第一和第二構件的相對旋轉導致第一和第二泵部分相對旋轉，而該相對旋轉導致從第一腔向第二腔泵送液壓流體，其中液壓流體在第二腔內處于壓力下。具有位于第一構件上的第一制動器部分和位于第二構件上的第二制動器部分的制動器與第二腔關聯(lián)，以使該制動器 被第二腔中的液壓壓力促動。導管和可變開口控制流體從第二腔回流到第一腔，從而控制由制動器施加的制動力以及第一和第二構件的相對旋轉。所述裝置可以被促動以允許或阻止第一和第二構件相對旋轉。促動所述裝置以阻止第一和第二構件的相對旋轉，可以通過將可變開口促動到關閉位置以阻止流體從第二腔回流到第一腔來實現(xiàn)?？勺冮_口由來自適當?shù)目刂葡到y(tǒng)的電氣控制線路來控制。傳感器通過控制線纜與地面位置通信，從而將未指定的信息通知地面位置。美國專利No. 6, 571, 888 (Comeau等)描述了一種用于利用盤管進行定向鉆探的裝置和方法。所述裝置包括連接到盤管的井上接頭、具有彎曲殼體的井下接頭、鉆頭和用于旋轉鉆頭的第一馬達、井上接頭和井下鉆頭之間用于允許它們之間的旋轉的旋轉連接部，和位于旋轉連接部以及井上接頭之間的離合器。所述離合器可以利用交替施加的流體循環(huán)在接合和脫開位置之間操作，以接合和脫開離合器。在該離合器的接合位置，井下接頭相對于井上接頭旋轉。在離合器的脫開位置，井下接頭被鎖止而不能相對于井上接頭旋轉。所述裝置可以進一步包括用于在離合器處于接合位置時耗散趨向于旋轉井下接頭的反扭矩的減速器。美國專利申請公開No. US2003/0056963A1 (Wenzel)描述了一種用于控制井下鉆探馬達組件的裝置，所述裝置包括管狀殼體、旋轉安裝在殼體內的心軸、和設置在殼體和心軸之間的液壓阻尼器組件。所述液壓阻尼器組件限制心軸在殼體內的旋轉速率，從而為反扭矩提供預設的阻力。所述液壓阻尼器組件包括環(huán)形主體，所述環(huán)形主體定位在殼體與心軸之間的環(huán)形腔中。環(huán)形主體利用花鍵與心軸連接，以使環(huán)形主體隨著心軸旋轉并且可以相對于心軸軸向往復運動。環(huán)形主體外表面上的導軌與殼體上的導向構件接合。導軌具有之字形圖案，這導致環(huán)形主體隨著殼體相對于心軸旋轉而在環(huán)形腔內軸向往復運動。所述環(huán)形腔填充有液壓流體。所述環(huán)形主體設置有液壓閥，當環(huán)形主體在環(huán)形腔內往復運動時，所述液壓閥對經(jīng)過環(huán)形主體的液壓流體提供限流作用，從而提供預設的阻力，限制心軸在殼體內的旋轉速率。所述裝置可以被促動以允許或阻止心軸在殼體內旋轉。促動所述裝置以阻止心軸在殼體內旋轉，可以通過促動環(huán)形插頭以阻擋液壓閥，通過促動心軸和殼體之間的離合器以便將心軸和殼體鎖止在一起，或者通過促動電子閥以阻礙液壓流體在環(huán)形腔內的運動來實現(xiàn)。


下面將參照附圖描述本發(fā)明實施例，在附圖中圖I是與井眼中的鉆柱連接的本發(fā)明的裝置的一種實施例的示意圖；圖2是與井眼中的鉆柱連接的本發(fā)明的裝置的第二實施例的示意圖；圖3是本發(fā)明的裝置的一種實施例的部件的示意圖；圖4是本發(fā)明的裝置的第二實施例的部件的示意圖；
圖5是涉及用于根據(jù)本發(fā)明的反扭矩控制設備的一種實施例中的液壓回路的液壓回路圖；圖6是涉及用于根據(jù)本發(fā)明的反扭矩控制設備的第二實施例中的液壓回路的液壓回路圖；圖7A-7F是本發(fā)明裝置的實施例的部件的縱截面裝配圖，其中圖7B是圖7A的延續(xù)，圖7C是圖7B的延續(xù)，圖7D是圖7C的延續(xù)，圖7E是圖7D的延續(xù)，而圖7F是圖7E的延續(xù)；圖8是圖7中所示本發(fā)明的裝置的實施例中的反扭矩控制設備的特征的第一示意圖；圖9是圖7中所示本發(fā)明的裝置的實施例中的反扭矩控制設備的特征的第二示意圖，其與圖8具有不同的觀察位置；圖10是控制設備控制方法的第一示例實施例的流程圖，所述控制設備控制方法用于控制以下類型的裝置，該裝置包括第一組件、第二組件、第一組件和第二組件之間的取向旋轉連接部以及與取向旋轉連接部關聯(lián)的控制設備；圖11是控制設備控制方法的第二示例實施例的流程圖，所述控制設備控制方法用于控制以下類型的裝置，該裝置包括第一組件、第二組件、第一組件和第二組件之間的取向旋轉連接部以及與取向旋轉連接部關聯(lián)的控制設備；圖12是針對如圖11所示的控制設備控制方法的第二示例實施例，在測試中第二組件相對于第一組件的旋轉角度量的曲線；圖13是控制設備控制方法的第三示例實施例的流程圖，所述控制設備控制方法用于控制以下類型的裝置，該裝置包括第一組件、第二組件、第一組件和第二組件之間的取向旋轉連接部以及與取向旋轉連接部關聯(lián)的控制設備。
具體實施例方式本文中對于尺度、取向、操作參數(shù)、范圍、范圍下限和范圍上限的引述，其目的并非限制本發(fā)明的范圍的邊界，而是應該理解為在本文教導的范圍內意指“近似”或者“大約”或者“基本上”，除非另有明確表述。本發(fā)明涉及一種裝置和控制該裝置的方法。本發(fā)明的裝置可以包括第一組件、第二組件、所述第一組件和第二組件之間的取向旋轉連接部、和與所述取向旋轉連接部關聯(lián)的控制設備，其中所述控制設備可以促動，以有選擇地允許所述第二組件相對于所述第一組件旋轉，或者防止所述第二組件相對于所述第一組件旋轉。在一些實施例中，所述第一組件可以包括上部組件，而所述第二組件可以包括下部組件。
本發(fā)明利用施加在所述第一組件和/或第二組件上的作用力或多個作用力來控制所述控制設備的促動以及因此控制所述第一組件和第二組件的相對取向和/或所述第一組件和第二組件之間的相對轉動速率。所述作用力和多個作用力包括或者基本上可以由下述構成施加在所述第一組件和第二組件兩者或者其中之一上的直接作用力；施加在所述第一組件和第二組件之間的摩擦力；施加在所述第一組件和第二組件兩者或者其中之一上的反作用力；和/或可能傾向于導致所述第一組件和第二組件相對于彼此旋轉的任何其他作用力或多個作用力。在一些實施例中，本發(fā)明可以利用反扭矩來控制鉆探過程中鉆柱的一個或多個部件的取向和/或旋轉速率。在這些實施例中，所述控制設備可以包括反扭矩控制設備。在一些實施例中，本發(fā)明特別用于控制定向鉆探中的刀面取向。如文中所用，相對于地面位置，針對鉆柱內的位置或者位于井眼內的位置，“上部”指的是相對近端和/或井口，而“下部”指的是相對遠端和/或井下。圖I提供了一種可以用于從地面位置12鉆探井眼10的設備示例結構的基本示意圖，包括本發(fā)明裝置20的適應性描繪。地面位置12可以是陸地表面、鉆探平臺，或者可以從其控制鉆探的井眼10外側的任何其他位置。參照圖1，本發(fā)明裝置20的實施例包括作為第一組件的上部組件22。上部組件22具有上部端24，所述上部端與鉆柱26連接。裝置20進一步包括作為第二組件的下部組件28。在圖I所示的實施例中，下部組件28與鉆探組件連接或者包括鉆探組件。如圖I所示,下部組件28包括鉆探組件。鉆探組件可以包括可以與鉆柱26連接以鉆探井眼10的任何工具或者裝置或者工具和/或裝置的組合。作為非限制性示例，鉆探組件可以包括一個或多個鉆鋌、穩(wěn)定塔、鉆頭、轉向工具、鉆探馬達、測井工具、勘測工具、遙測工具等。如圖I所示，鉆探組件包括旋轉鉆探馬達30。鉆探馬達30包括鉆頭32，所述鉆頭定位在下部組件28的下端34處。鉆柱26可以包括多個連接在一起的相對較短的管道接頭，它們可以包括單一連續(xù)管道段，或者可以包括相對較長的接頭或者連接在一起的管道段。如圖I所示，鉆柱26包括稱為盤管50的連續(xù)管道段。如圖2所示，鉆柱26包括連接在一起的相對較短的管道接頭51。參照圖1，盤管50存放在位于地面位置12處的卷盤52上。如果盤管50的單一卷盤52的長度不足以完成鉆探操作，則盤管50段可以連接在一起以形成鉆柱26。在圖I所示實施例中，鉆探通常作為滑動鉆探來實施，其中鉆頭32在鉆探過程中被鉆探馬達30轉動而盤管50在鉆探過程中不轉動。如圖I所示，上部組件22配置成上部組件22的任何部分都不會相對于鉆柱26轉動。參照圖2，在替代實施例中，上部組件22可以包括上部區(qū)段54、靠近取向旋轉連接部32的下部區(qū)段56、以及上部區(qū)段54和下部區(qū)段56之間的回轉連接部58，以使上部區(qū)段54相對于下部區(qū)段56轉動。在圖2所示的替代實施例中，下部區(qū)段56可以包括旋轉約束設備60，用于約束下部組件28的下部區(qū)段56在鉆探過程中相對于井眼10轉動。圖2所示的替代實施例允許鉆柱26在鉆探過程中從地面位置12轉動，而不轉動上部組件22的下部區(qū)段56或者下部組件28，因此在使用本發(fā)明時提供了一些已知的旋轉鉆探的好處。圖3和圖4提供了本發(fā)明裝置20的實施例的更為詳細的示意圖，其中更為完整地描繪了裝置20的部件。 參照圖3和圖4兩者，取向旋轉連接部36設置在上部組件22和下部組件28之間。反扭矩控制設備38作為控制設備與取向旋轉連接部36關聯(lián)。反扭矩控制設備38可以促動，以有選擇地允許下部組件28相對于上部組件22轉動，或者阻止下部組件28相 對于上部組件22轉動。取向感知設備40提供感知到的下部組件28的實際取向。反饋控制系統(tǒng)42與反扭矩控制設備38以及取向感知設備40關聯(lián)。反饋控制系統(tǒng)42能響應感知到的下部組件28的實際取向來促動反扭矩控制設備38，從而實現(xiàn)下部組件28的目標取向。在一些實施例中，下部組件28提供刀面取向44以有利于定向鉆探。期望的下部組件28的刀面取向44可以由下部組件28的目標取向來提供。期望的下部組件28的刀面取向44可以與下部組件28的目標取向相同，或者可以參照下部組件28的目標取向。刀面取向44可以以任何方式和/或通過任何允許下部組件28提供刀面取向的裝置設置。例如，刀面取向44可以由轉向工具提供，其中術語“轉向工具”包括通過提供刀面取向44以有利于定向鉆探的任何裝置。在一些實施例中，刀面取向44可以由與下部組件28關聯(lián)的彎頭46來提供。彎頭46可以由彎接頭、彎曲的馬達殼體來提供，或者可以通過任何其他適當方式提供。反饋控制系統(tǒng)42可以包括任何結構、設備或者裝置或者結構、設備和裝置的組合，它們能從取向感知設備40接收與感知到的下部組件28的實際取向有關的輸入并響應所述輸入來促動反扭矩控制設備38，從而實現(xiàn)下部組件28的目標取向。例如，參照圖3和圖4，在一些實施例中，反饋控制系統(tǒng)42包括反饋處理器70，用于處理感知到的下部組件28的實際取向，從而產(chǎn)生反饋促動指令，用于促動反扭矩控制設備38，從而實現(xiàn)下部組件28的目標取向。反饋控制系統(tǒng)42還可以包括反扭矩控制設備控制器72，用于接收反饋促動指令并用于促動反扭矩控制設備38，從而執(zhí)行反饋促動指令。反饋控制系統(tǒng)42還可以包括位于取向感知設備40和反饋處理器70之間的反饋通信鏈路74，用于從取向感知設備40向反饋處理器70發(fā)送感知到的下部組件28的實際取向。反饋處理器70和反扭矩控制設備控制器72可以包括單獨的部件或者可以組合成一個裝置或設備。反饋控制系統(tǒng)42的部件可以與上部組件22或者下部組件28關聯(lián)。如圖3和圖4所示，反饋控制系統(tǒng)42的部件與上部組件22關聯(lián)，以使反饋控制系統(tǒng)42成為上部組件22的部件。取向感知設備40可以包括能感知下部組件28的實際取向的任何結構、設備或裝置。取向感知設備40可以包括取向傳感器90。取向傳感器90可以與上部組件22或者下部組件28關聯(lián)。如前所述，取向旋轉連接部36連接上部組件22和下部組件28，結果是上部組件22和下部組件28可 以相對于彼此轉動。因此，將取向傳感器90與上部組件22或者下部組件28關聯(lián)存在固有的優(yōu)勢和劣勢。作為一種示例，將取向傳感器90與下部組件28關聯(lián)，有利于直接確定感知到的下部組件28的實際取向，但是要求反饋處理器70與下部組件28關聯(lián)或者反饋通信鏈路74跨過取向旋轉連接部36進行通信。作為第二種示例，將取向傳感器90與上部組件22關聯(lián)，允許反饋處理器70與上部組件22關聯(lián)而不要求反饋通信鏈路74跨過取向旋轉連接部36進行通信，但是導致感知到的上部組件22的實際取向必須以某種方式被下部組件28的實際取向參考，從而提供感知到的下部組件28的實際取向。因此，參照圖3，取向傳感器90可以與下部組件28關聯(lián)，以使取向傳感器90成為下部組件28的部件而反饋處理器70可以與上部組件22關聯(lián)，以使反饋處理器70成為上部組件22的部件。在這種結構中，感知到的下部組件28的實際取向可以由取向傳感器90直接確定，反饋通信鏈路74可以包括取向傳感器90和反饋處理器70之間的線路(即，電線纜)，而旋轉信號耦合器94可以設置在取向傳感器90和反饋處理器70之間，從而跨過取向旋轉連接部36進行通信。旋轉信號耦合器94可以包括集電環(huán)、感應耦合件，或者能跨過取向旋轉連接部36傳遞信號的任何其他適當?shù)鸟詈掀鳌Ｈ鐖D3所示，旋轉信號耦合器94是集電環(huán)。參照圖4，取向傳感器90可以替代地與上部組件22關聯(lián)，以使取向傳感器90成為上部組件22的部件而反饋處理器70可以與上部組件22關聯(lián)，以使反饋處理器70成為上部組件22的部件。在這種結構中，旋轉信號耦合器94不是必須，但是取向傳感器90提供感知到的上部組件22的實際取向。因此，取向感知設備40可以包括基準設備96，用于在上部組件22和下部組件28之間提供基準取向，以使感知到的下部組件28的實際取向可以從感知到的上部組件22的實際取向中獲取。參照圖3和圖4，裝置20可以包括一個或多個感知設備，用于感知除了下部組件28的實際取向之外的參數(shù)。這些參數(shù)可能涉及裝置20，涉及井眼10和/或周圍地層，和/或鉆探性能。用于感知除了下部組件28的實際取向之外的參數(shù)的感知設備可以包括取向感知設備40，以使取向感知設備40能感知除了下部組件28的實際取向之外的參數(shù)。作為替代，這些感知設備可以包括增加到取向感知設備40和/或與取向感知設備40分開的一個或多個參數(shù)感知設備98。在一些實施例中，除了下部組件28的實際取向之外的這些參數(shù)可以包括上部組件相對于下部組件28的旋轉量和/或上部組件22相對于下部組件28的旋轉量作為時間的函數(shù)(即，上部組件22和下部組件28之間相對旋轉速度的量度)。在一些實施例中，涉及上部組件22相對于下部組件28的旋轉的參數(shù)可以由取向感知設備40感知。在一些實施例中，涉及上部組件22相對于下部組件28的旋轉的參數(shù)可以由增加到取向感知設備40和/或與取向感知設備40分開的一個或多個參數(shù)感知設備98來感知。參數(shù)感知設備98可以包括用于感知期望的參數(shù)的任何適當?shù)慕Y構、設備或裝置。參數(shù)感知設備98可以與反饋通信鏈路74關聯(lián)或者可以通過其他方式與反饋控制系統(tǒng)42通信，以使來自參數(shù)感知設備98的數(shù)據(jù)可以用于向裝置20提供反饋，包括但不限于與保持或改變期望的刀面取向44有關的反饋和/或與反扭矩控制設備38的促動方式有關的反饋。反扭矩控制設備38可以與上部組件22和下部組件28兩者或者其中任一關聯(lián)。在一些實施例中，反扭矩控制設備38與上部組件22關聯(lián)，以使反扭矩控制設備成為上部組件22的部件。反扭矩控制設備38可以包括能被促動來有選擇地允許下部組件28相對于上部組件22轉動或者阻止下部組件28相對于上部組件22轉動的任何結構、設備或裝置或者結構、設備或裝置的組合。作為非限制性例子，反扭矩控制設備38可以包括諸如在美國專利No. 5，485，889 (Gray)、美國專利No. 6，059，050 (Gray)或者美國專利申請公開No. US2003/0056963A1 (Wenzel)中所述的設備。 圖5提供了用于反扭矩控制設備38的第一實施例的液壓回路圖。參照圖5，反扭矩控制設備38可以包括泵110和包含泵送流體114的環(huán)路112，其中泵110將泵送流體114圍繞環(huán)路112泵送。如圖5所示，泵110由下部組件28和上部組件22之間的相對轉動來驅動。在另一些實施例中，泵110可以由除了下部組件28和上部組件22之間的相對轉動之外的動力源驅動。參照圖5，環(huán)路112包括泵送阻抗116。泵送阻抗116加載泵110，因此阻礙下部組件28和上部組件22之間的相對轉動。泵送阻抗116可以調節(jié)。泵送阻抗116可以包括定位于環(huán)路112中的一個或多個限流器118。所述一個或多個限流器118可以調節(jié)，從而調節(jié)泵送阻抗116。所述一個或多個限流器118可以由反扭矩控制設備控制器72調節(jié)，或者可以手動調節(jié)。參照圖5，環(huán)路112可以被有選擇地阻斷，從而阻止泵送流體114被泵110圍繞環(huán)路112泵送。反扭矩控制設備38因此可以進一步包括定位于環(huán)路112中的一個或多個閥120。所述一個或多個閥120可以在打開位置和關閉位置之間促動，其中在所述關閉位置時，環(huán)路112被阻斷，從而阻止泵送流體114被泵110圍繞環(huán)路112泵送。所述一個或多個閥120可以被反扭矩控制設備控制器72促動。所述一個或多個閥120可以是電磁閥形式的閥或者任何其他適當類型的閥。泵110可以包括適合圍繞環(huán)路112泵送泵送流體的任何類型的泵。在泵110被下部組件28和上部組件22之間的相對轉動驅動的實施例中，泵110可以是旋轉斜盤形式的泵。低壓容器140包括在環(huán)路112中，以提供用于泵110的泵送流體114的源。圖6提供了用于反扭矩控制設備38的第二實施例的液壓回路圖。參照圖6，反扭矩控制設備38可以進一步包括與環(huán)路112關聯(lián)的制動器122。制動器122可以包括能在上部組件22和下部組件28之間提供制動力的任何結構、設備或裝置，從而阻礙或防止下部組件28和上部組件22之間的相對轉動。作為非限制性的例子，制動力可以是摩擦力、磁力、電磁力或者粘性流體作用力，并且制動器122可以包括適配成與環(huán)路112關聯(lián)的任何適當?shù)闹苿訖C構和/或離合器機構。參照圖6和圖7E，制動器122可以包括與上部組件22關聯(lián)的第一制動器部分124和與下部組件28關聯(lián)的第二制動器部分126。制動器122可以由環(huán)路112中的流體壓力促動。作為環(huán)路112中流體壓力的結果，制動器部分124、126可以被促動到彼此接合，從而在制動器部分124、126之間提供接合力，這種接合力阻礙下部組件28和上部組件22之間的相對轉動。制動器部分124、126之間的接合力可以隨著環(huán)路112中的流體壓力增大而增大。參照圖6，環(huán)路112中的泵送阻抗116可以包括定位在環(huán)路112中、位于制動器122上游側的第一限流器130和定位在環(huán)路112中、位于制動器122下游側的第二限流器132。參照圖6，反扭矩控制設備38可以包括定位在環(huán)路112中、位于制動器122上游側的第一閥134和定位在環(huán)路112中、位于制動器122下游側的第二閥136。閥134、136可以各自在打開位置和關閉位置之間被促動，其中在所述關閉位置時，環(huán)路112在第一閥134和第二閥136之間被阻斷，從而保持制動器部分124、126之間的接合力。閥134、136可以被反扭矩控制設備控制器72促動。
參照圖6，環(huán)路112可以包括定位在環(huán)路112中的壓力釋放旁路138，用于在環(huán)路112中的流體壓力超過由壓力釋放旁路138確定的旁路壓力時，繞開第一閥134和第二閥136。如圖6所示，壓力釋放旁路138導向為泵110提供泵送流體114的低壓容器140。參照圖6，環(huán)路112可以進一步包括放泄閥142，用于在環(huán)路112中的流體壓力超過由放泄閥142確定的釋壓時，從環(huán)路112釋放一定量的泵送流體114。參照圖6，反扭矩控制設備38可以進一步包括與環(huán)路112連通的蓄存器144，用于在環(huán)路112中的流體壓力低于由蓄存器144確定的蓄存器閾值壓力時，向環(huán)路112供應額外的泵送流體114。反扭矩控制設備38可以在第一位置和第二位置之間促動，其中所述第一位置對下部組件28和上部組件22之間的相對轉動提供最小的阻力，從而允許下部組件28和上部組件22之間發(fā)生相對轉動，而所述第二位置向下部組件28和上部組件22之間的相對轉動提供最大的阻力，從而阻止下部組件28和上部組件22之間發(fā)生相對轉動。在一些實施例中，反扭矩控制設備38可以被促動到第一位置和第二位置之間的一個或多個中間位置，其中所述中間位置向下部組件28相對于上部組件22的轉動提供中等阻力。所述中間位置可以允許下部組件28相對于上部組件22以比所述第一位置所允許的速率更慢的速率轉動。根據(jù)本發(fā)明的實施例，通過調節(jié)環(huán)路112中的泵送阻抗116和/或通過促動一個或多個閥120、134、136，反扭矩控制設備38可以在第一位置、第二位置和中間位置之間被促動。參照圖3和圖4，反饋控制系統(tǒng)42可以進一步包括存儲器148。存儲器148可以用于存儲任何期望的數(shù)據(jù)，包括涉及裝置20和/或其操作、井眼10和/或周圍地層和/或鉆探性能的數(shù)據(jù)。例如，存儲器148可以用于存放下部組件28的目標取向或者目標取向序列、用于裝置20的詳細的井眼鉆探計劃、由感知設備40、98在裝置20操作過程中收集的數(shù)據(jù)、或者裝置20操作過程中從地面位置12提供的下行鏈路通信中的指令。數(shù)據(jù)和指令可以存放于存儲器148中，用于以后在裝置20返回到地面位置12時進行讀取，或者用于以后傳達到地面位置12，和/或數(shù)據(jù)和指令可以由反饋控制系統(tǒng)42使用，來控制反扭矩控制設備38的促動。例如，數(shù)據(jù)和指令可以用于改變目標取向或者目標取向序列，從而提供一個或多個更新的目標取向。裝置20可以在若干不同的模式下操作。作為一種示例，裝置20可以在完全自動化的閉環(huán)模式下操作，其中反饋控制系統(tǒng)42利用存儲器148中含有的數(shù)據(jù)，諸如詳細的井眼鉆探計劃，包括下部組件28的目標取向或者目標取向序列、從取向感知設備40接收的數(shù)據(jù)和/或從參數(shù)感知設備98接收的數(shù)據(jù)，從而控制裝置20的操作，而不需要來自地面位置的輸入或干預。例如，來自感知設備40、98的數(shù)據(jù)可以用于改變目標取向或者目標取向序列，從而提供一個或多個更新的目標取向。作為第二種示例，裝置20可以在完全手動模式下操作，其中反扭矩控制設備38被來自地面位置12的命令所促動，并且其中反饋控制系統(tǒng)42被該命令有效地超控。在這種模式下，來自地面位置12的命令可以遵循在地面位置12接收的上行鏈路通信中包含的數(shù)據(jù)的解釋。
作為第三種示例，裝置20可以在各種半自動的閉環(huán)模式下操作，其中反饋控制系統(tǒng)42以類似于完全自動的閉環(huán)模式的方式實現(xiàn)并維持下部組件28的目標取向或者目標取向序列，但是其中下行鏈路通信可以提供給反饋控制系統(tǒng)42并以下行鏈路指令的形式存放于存儲器148中，改變目標取向或者目標取向的序列，從而提供一個或多個更新的目標取向或者更新的鉆探計劃，和/或其中反饋控制系統(tǒng)42可以被從地面位置12超控，和/或其中上行鏈路通信可以提供到地面位置12。如果裝置20在完全自動的閉環(huán)模式下操作，表現(xiàn)為目標取向和/或詳細的井眼鉆探計劃形式的指令可以在裝置20部署到井眼10中之前，在地面位置12存放于存儲器148中，并且來自感知設備40、98的數(shù)據(jù)也可以在裝置20操作過程中存放于存儲器148中。因此，在完全自動的閉環(huán)模式下，裝置20和地面位置12之間可能不需要上行鏈路或者下行鏈路通/[目O但是，如果裝置20在完全手動模式或者半自動閉環(huán)模式下操作，則裝置20和地面位置12之間的通信是必須的。因此，參照圖3和圖4，在一些實施例中，裝置20可以進一步包括地面位置12和反饋控制系統(tǒng)42之間的地面通信鏈路150，用于在地面位置12和反饋控制系統(tǒng)42之間傳達下行鏈路通信和/或上行鏈路通信。下行鏈路通信可以包括送達反饋控制系統(tǒng)42的下行鏈路指令，用于促動反扭矩控制設備38，諸如例如下部組件28的一個或多個目標取向。上行鏈路通信可以包括由取向感知設備40產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和/或由參數(shù)感知設備98產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。地面通信鏈路150可以作為裝置20的專用部件包括在內。作為替代，地面通信鏈路150可以由通常與鉆柱26關聯(lián)的遙測系統(tǒng)來提供。例如，地面通信鏈路150可以由遙測系統(tǒng)提供，諸如壓力脈沖遙測系統(tǒng)、包括渦輪和用于感知渦輪轉速的旋轉傳感器的流體流動速率遙測系統(tǒng)、電磁(EM)遙測系統(tǒng)、聲學遙測系統(tǒng)、有線遙測系統(tǒng)，或者能在地面位置12和反饋控制系統(tǒng)42之間傳達下行鏈路通信和/或上行鏈路通信的任何其他類型的遙測系統(tǒng)。遙測系統(tǒng)可以是通常描述為鉆探同時測量(MWD)的遙測系統(tǒng)、鉆探同時測井(LffD)的遙測系統(tǒng)或者任何其他適當形式的遙測系統(tǒng)。
遙測系統(tǒng)可以包括遙測系統(tǒng)處理器，并且在一些實施例中，反饋處理器70可以包括遙測系統(tǒng)處理器，以使裝置20不包括專用的反饋處理器70。遙測系統(tǒng)可以包括遙測系統(tǒng)取向傳感器，并且在一些實施例中，取向感知設備40可以包括遙測系統(tǒng)取向傳感器，以使裝置20不包括專用的取向傳感器90。在另一些實施例中，遙測系統(tǒng)與作為裝置20的專用部件包括在內的反饋控制系統(tǒng)42和取向感知設備40通信。圖7A-7F是裝置20的實施例的一種示例的縱截面裝配圖，該圖提供了示例裝置20的部件的詳細視圖。圖8是反扭矩控制設備38的部件的示意原理圖，與裝置20的其他部分隔離表示。圖9是反扭矩控制設備38的部件的示意原理圖，與裝置20的其他部分隔離 表示并且相對于圖8轉過大約180度。以上所用的附圖標記將在先前所用附圖標記涉及特定實施例中的等同結構的范圍內，用于后面的說明內容。參照圖7A-7F，上部組件22包括利用螺紋連接部頭對頭連接的若干部件。從上部組件22的上端24開始，上部組件22包括探頭接頭160、取向感知組件162、泵組件164和制動組件166。部件160、162、164、166各自包括殼體，所述殼體限定和/或包含裝置20的部件和特征。每個部件160、162、164、166可以包括單一殼體，或者可以包括連接在一起的多個殼體兀件。如圖7A-7C所示，探頭接頭160包括單一探頭接頭殼體161，取向感知組件162包括單一取向感知組件殼體163，泵組件164包括環(huán)路組件165a和泵殼體165b，而制動組件166包括制動器殼體167a、軸承殼體167b和密封殼體167c。下部組件28包括上部心軸170和下部心軸172，它們利用螺紋連接部連接在一起并且可旋轉地安裝在上部組件22內，以使上部心軸170的上端包含在取向感知組件162內并且使得下部心軸172的下端從制動組件166的下端伸出。下部組件28安裝在上部組件22內，具有包含在取向感知組件162內的上部軸承174和上部旋轉密封件176，以及包含在制動組件166內的多個下部軸承178和下部旋轉密封件180。軸承174、178包括止推軸承和徑向軸承，并且有利于上部組件22和下部組件28之間的定向旋轉連接部36。如圖7C和7F所示，軸承174、178包括由位于德克薩斯州舒格蘭(Sugar Land, Texas)的 Kalsi 工程有限公司(Kalsi Engineering, Inc.)制造的 Kalsi 止推軸承。密封件176、180在裝置20內、在密封件176、180之間提供與井眼10中的流體隔離的流體腔182。流體腔182包含泵送流體114，泵送流體114還用于潤滑裝置20的部件。下部組件28進一步包括旋轉鉆探馬達30，所述馬達30螺紋連接到下部心軸172的下端；和鉆頭32，所述鉆頭32螺紋連接到鉆探馬達30的下端。鉆探馬達30或者鉆頭32都未在圖7A-7F中描繪，但是在圖1-4中進行了描繪。如果裝置20在完全自動的閉環(huán)模式下操縱，并且裝置20和地面位置12之間不需要下行鏈路或上行鏈路通信，則探頭結構160可以直接與鉆柱26連接。但是，如果需要或者希望提供下行鏈路和/或上行鏈路通信，則探頭接頭160可以借助探頭接頭160上的適配器190與地面通信鏈路150連接，諸如傳統(tǒng)的鉆探同時測量(MWD)模塊(在圖7中未示出，但是在圖1-4中示出)，在這種情況下地面通信鏈路150提供上部組件22的上端并且與鉆柱26連接。探頭接頭160可以是傳統(tǒng)的電子接頭，正如測井領域所知。探頭接頭160的作用包括提供反饋控制系統(tǒng)42的部件和在地面通信鏈路150和位于探頭接頭160下面的裝置20的其他部件之間提供通信。具體來說，探頭接頭160包含反饋控制系統(tǒng)42，包括反饋處理器70和反扭矩控制設備控制器72，并且在取向感知設備40和反饋處理器70之間提供一部分反饋通信鏈路74。探頭接頭160還包含存儲器148。存儲器148與反饋處理器70連接。取向感知組件162連接到探頭接頭160的下端。取向感知組件162的主用功能是包含取向感知設備40。取向感知組件162還在反饋控制系統(tǒng)42和反扭矩控制設備38之間提供通信鏈路。取向感知設備40包括取向傳感器90，該傳感器包括鉆探工具領域已知類型的傳統(tǒng)電子取向傳感器套件，所述傳統(tǒng)電子取向傳感器套件包含加速度計和/或磁力計。由于取向傳感器90定位于上部組件22上，所以它感知上部組件22的實際取向。因此，取向感 知設備40進一步包括基準設備96，用于在上部組件22和下部組件28之間提供基準取向?；鶞试O備96包括分解器。所述分解器包括內環(huán)和外環(huán)。所述內環(huán)安裝在上部心軸170上，而外環(huán)安裝在取向感知組件162上。所述環(huán)的相對位置提供提供了上部組件22和下部組件28之間的基準取向。因此，取向感知設備40感知上部組件22的實際取向并感知上部組件22和下部組件28之間的基準取向，從而可以確定下部組件28的實際取向。參照圖7D和7E，泵組件164連接到取向感知組件162的下端。泵組件164的主用功能是包含反扭矩控制設備38的部件。上部壓力補償組件200也設置在取向感知組件162和泵組件164之間。上部壓力平衡組件200包括壓力平衡腔和包含在壓力平衡腔內的壓力平衡活塞。壓力平衡腔的流體腔側與流體腔182流體聯(lián)通，而壓力平衡腔的井眼側與井眼10流體聯(lián)通，以使井眼10內的壓力通過壓力平衡活塞傳遞到流體腔182，從而降低密封件176、180上的壓力差。彈簧202設置在壓力平衡腔的井眼側，從而在流體腔182和井眼10之間的提供正壓力差。用于圖7-9所示實施例的反扭矩控制設備38與圖6所示以及上述反扭矩控制設備38基本上相同。參照圖7-9，反扭矩控制設備38因此包括泵110、環(huán)路112、制動器122、第一限流器130、第二限流器132、第一閥134、第二閥136、壓力釋放旁路138、容器140、放泄閥142和蓄存器144。在圖7-9所示實施例中，泵110是旋轉斜盤泵，其包括圍繞泵短節(jié)164圓周間隔開的6個缸體，以使泵110被下部組件28和上部組件22之間的相對旋轉所驅動。在圖7-9所示實施例中，環(huán)路112主要包括包含在泵短節(jié)164內或者由其形成的一系列口和通道。在圖7-9所示實施例中，限流器130、132都是由美國康列狄格州West Port的TheLee Company制造的Flosert 可調節(jié)限流器。Flosert 可調節(jié)限流器在寬泛的壓力條件范圍內提供恒定流動速率，并且可以調節(jié)以提供不同流動速率。如圖7-9所示，限流器130、132可以調節(jié)以提供相同流動速率，從而與離開制動器122 —樣，提供向著制動器122的相同流動速率的泵送流體114。在圖7-9所示的實施例中，限流器130、132可以手動調節(jié)，以提供希望的流動速率并因此在裝置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設備控制器72調節(jié)。在圖7-9所示實施例中，閥134、136兩者均為電磁閥型的閥，可以被反扭矩控制設備控制器72電力促動。返回參照圖6以及圖8-9，環(huán)路112從泵110開始。泵送流體114從容器140抽取并且隨著下部組件28相對于上部組件22轉動而被泵110經(jīng)由容器供應線路208泵送。泵送流體114經(jīng)過止回閥210到達360° (即圓形)集流管212。兩條線路從集流管212延伸。第一集流管線路214在集流管212和第一閥134之間延伸。第一限流器130定位于第一集流管線路214上，以便控制泵送流體114的流動速率并協(xié)助提供泵送阻抗116。
第二集流管線路216在集流管212和壓力釋放旁路閥218之間延伸，以使第二集流管線路216和壓力釋放旁路閥218 —起提供壓力釋放旁路138。在圖7-9所示實施例中，提供兩條壓力釋放旁路138作為冗余部件。如果第一閥134關閉，則集流管212內的流體壓力將隨著泵110泵送泵送流體114而升高，直到流體壓力超過旁路壓力，在這一點，泵送流體114將通過壓力釋放旁路閥218到達容器140。容器140包括環(huán)形空間，該環(huán)形空間沿著密封件176、180之間的裝置20的長度設置在上部組件22和下部組件28之間。如果第一閥134打開，則泵送流體114從第一集流管線路214到達制動器促動線路220，所述制動器促動線路在第一閥134和第二閥136之間延伸。制動器壓力線路222在制動器促動線路220和制動器活塞224之間延伸，以使制動器壓力線路222內的流體壓力等于制動器促動線路220內的流體壓力。參照圖7E，制動器活塞224和制動器122包含在制動器組件166內。制動器活塞224靠接第一制動器部分124，以使制動器活塞224在制動器促動線路220內的流體壓力的影響下在制動器壓力線路222內的運動將第一制動器部分124向第二制動器部分126促動，從而在制動器部分124、126之間提供接合力。第一制動器部分124鍵連接到上部組件22，以使其可以相對于上部組件22往復運動，但是不可以相對于上部組件22轉動。隨著制動器促動線路220內的流體壓力增大，制動器部分124、126之間的接合力也增大。第二限流器132定位在制動器122和第二閥136之間的制動器壓力線路122內，從而控制制動器122和容器140之間的泵送流體114的流動速率，并且提供泵送阻抗116。如果第二閥136關閉，則泵送流體214將繼續(xù)經(jīng)過壓力釋放旁路閥218到達容器140，結果是制動器促動線路220內的流體壓力將不會超過旁路壓力。如果第二閥136打開，則泵送流體214將從制動器促動線路220和制動器壓力線路222經(jīng)由容器返回線路225返回容器140。第二限流器132限制經(jīng)過制動器促動線路220的泵送流體的流動速率并且協(xié)助提供泵送阻抗116。壓力變送器226定位在制動器壓力線路222內。壓力變送器226感知制動器壓力線路222內的流體壓力，該流體壓力可以關聯(lián)到制動器部分124、126之間的接合力。壓力變送器226還可以與反饋處理器70連接，以使反扭矩控制設備38可以響應制動器壓力線路222內的流體壓力而被促動。在圖7-9所示實施例中，反扭矩控制設備38進一步包括第一環(huán)路壓力補償組件230和第二環(huán)路壓力補償組件232，每個補償組件在設計上類似于上部壓力補償組件200。第一環(huán)路壓力補償組件230將井眼10內的壓力傳遞到泵110和第一閥134之間的環(huán)路112部分。第二環(huán)路壓力補償組件232將井眼10內的壓力傳遞到第二閥136和容器140之間的環(huán)路112部分。下部軸承178包含在制動器組件166的軸承殼體167b內。下部密封件180包含在制動器組件166的密封件殼體167c內。下部組件28的下部心軸172的下端在制動器組件166的密封件殼體167c的下端的下方延伸。鉆探馬達30直接或間接連接到下部心軸172的下端，而鉆頭32直接或間接連接到鉆探馬達30的下端，以使下部組件28包括鉆探馬達30和鉆頭32。為了便于定向鉆探，下部組件28提供刀面取向44，而刀面取向可以由下部心軸172上的彎部46提供、由鉆探馬達30中的彎部提供、由連接在下部組件28內的彎接頭提供，由轉向工具48提供，或者以任何其他適當?shù)姆绞教峁?
反扭矩控制設備38可以被反扭矩控制設備控制器72有選擇地促動，以允許下部組件28相對于上部組件22的轉動，或者阻止下部組件28相對于上部組件22的轉動。當反扭矩控制設備38被促動而允許下部組件28和上部組件22的相對轉動時，有利于非定向或“直線”鉆探。當反扭矩控制設備38被促動而阻止下部組件28和上部組件22的相對轉動時，通過建立并保持期望的刀面取向44以及因此下部組件28的目標取向，有利于定向鉆探。下部組件28的目標取向可以包括單一目標取向或者下部組件28的目標取向可以包括作為井眼鉆探計劃的一部分的一系列目標取向。在裝置20部署之前，單一目標取向或者一系列目標取向可以存儲在存儲器148中，或者可以經(jīng)由地面通信鏈路150作為下行鏈路指令傳達到反饋控制系統(tǒng)42并存儲在存儲器148中。目標取向或者一系列目標取向可以在井眼10鉆探過程中，經(jīng)由地面通信鏈路150作為下行鏈路指令的結果而改變，或者作為通過反饋控制系統(tǒng)42從取向感知設備40和/或從與裝置20關聯(lián)的參數(shù)感知設備98接收的數(shù)據(jù)的結果而改變。例如，涉及鉆探過程中穿越的地層的成分和條件的數(shù)據(jù)，或者涉及裝置20的性能或狀態(tài)的數(shù)據(jù)，可能需要或者促使在期望的刀面取向44以及下部組件28的目標取向方面發(fā)生變化。促動反扭矩控制設備38也可以在裝置的使用過程中，經(jīng)由地面通信鏈路150作為下行鏈路指令的結果而被控制和/或改動，或者作為由反饋控制系統(tǒng)42從取向感知設備40和/或與裝置20關聯(lián)的參數(shù)感知設備98接收的數(shù)據(jù)的結果而被控制和/或改動。例如，來自感知設備40、98的數(shù)據(jù)可以建議反扭矩控制設備38的促動定時應該改變，泵送阻抗116應該改變，或者涉及反扭矩控制設備38的促動的其他一些參數(shù)應該改變。裝置20或者其他具有裝置20的特定特征的設備可以用于執(zhí)行定向鉆探的方法。作為一種例子，井眼10定向鉆探的方法可以使用裝置20，該裝置包括與鉆柱26連接的上部組件22 ;包括旋轉鉆探馬達30的下部組件28，以使下部組件28在鉆探過程中作為鉆探馬達30操作的結果而接受反扭矩；位于上部組件22和下部組件28之間的取向旋轉連接部36 ;和與取向旋轉連接部36關聯(lián)的反扭矩控制設備38，其中反扭矩控制設備38可以促動以有選擇地允許下部組件28相對于上部組件22轉動或者阻止下部組件28相對于上部組件22轉動。裝置20還可以包括如上針對本發(fā)明的裝置20所述的其他特征。
在這些實施例中，方法可以包括(a)促動反扭矩控制設備38以阻止下部組件28相對于上部組件22轉動；(b)提供感知到的下部組件28的實際取向；(c)將感知到的下部組件28的實際取向與下部組件28的目標取向相比較；Cd)促動反扭矩控制設備38以允許下部組件28相對于上部組件22轉動；(e)操作鉆探馬達30以提供下部組件28的目標取向；和(f)促動反扭矩控制設備38以阻止下部組件28相對于上部組件22轉動。在定向鉆探進行的同時，上述方法的全部或部分可以重復，以便保持下部組件28 的目標取向和/或獲得和/或保持更新的下部組件28的目標取向。因此，所述方法可以用于在鉆探過程中調節(jié)偏離目標取向的滑動或漂移，和/或適配于可能在鉆探過程中提供或產(chǎn)生的更新的目標取向。在圖7-9所示的裝置20的實施例中，通過在制動器壓力線路222中提供流體壓力，反扭矩控制設備38可以被促動以允許下部組件28相對于上部組件22轉動，其中所述制動器壓力線路222中的流體壓力小于在制動器部分124、126之間提供接合力所需的鎖止壓力，而該接合力小于阻止下部組件28和上部組件22發(fā)生相對轉動所需的壓力。這種流體壓力可以通過有選擇地促動閥134、136來實現(xiàn)。作為一個示例，第一閥134可以被促動到關閉位置，而第二閥136被促動到打開位置。作為第二示例，兩個閥134、136都可以被促動到關閉位置，而制動器壓力線路222中的流體壓力小于鎖止壓力。作為第三示例，兩個閥134、136都可以被促動到打開位置，如果環(huán)路112中的泵送阻抗116在制動器壓力線路222中提供小于鎖止壓力的流體壓力，同時泵送流體114圍繞環(huán)路112被泵送的話。在如圖7-9所示的裝置20的實施例中，通過在制動器壓力線路222中提供流體壓力(其中所述流體壓力大于或等于在制動器部分124、126之間提供接合力所需的鎖止壓力，所述接合力大于阻止下部組件28和上部組件22發(fā)生相對轉動所需的壓力)，反扭矩控制設備38可以被促動以阻止下部組件28相對于上部組件22轉動。這種流體壓力可以通過有選擇地促動閥134、136來實現(xiàn)。作為一種示例，第一閥134可以被促動到打開位置，同時第二閥136被促動到關閉位置，從而導致制動器壓力線路222中的流體壓力增大到鎖止壓力(該鎖止壓力小于或等于由壓力釋放旁路138確定的旁路壓力)。第一閥134則可以關閉，以便在制動器壓力線路222中“捕獲”鎖止壓力。反扭矩控制設備38將保持被促動，以阻止下部組件28相對于上部組件22發(fā)生相對轉動，直到制動器壓力線路222中的流體壓力減小到鎖止壓力以下。這可以通過將第二閥136促動到打開位置以允許泵送流體114從制動器壓力線路222返回到容器140來實現(xiàn)。裝置20或者其他包括第一組件、第二組件、取向旋轉連接部和與取向旋轉連接部關聯(lián)的控制設備的設備可以用于執(zhí)行控制設備控制方法的各種實施例，以便實現(xiàn)和/或保持第一組件或者第二組件的目標取向，或者以便實現(xiàn)和/或保持第二組件相對于第一組件的目標旋轉速率。控制設備控制方法的實施例可能面對的挑戰(zhàn)在于，在控制控制設備促動以使實際取向落入目標取向的可接受的偏差內，或者實際旋轉速率落入目標旋轉速率的可接受的偏差內，可以有效、切實和相對迅速地被實現(xiàn)和/或保持而不需要過多的迭代。
如果施加在第一組件和/或第二組件上、趨向于導致第一組件和第二組件相對于彼此轉動的作用力不保持恒定，則該挑戰(zhàn)將惡化。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)反扭矩以及在裝置20用于定向鉆探的使用過程中施加在裝置20的下部組件28上的作用力可能趨向于在鉆探過程中發(fā)生嚴重波動。參照圖10、圖11和圖13，分別提供了與這種裝置一起使用的控制設備控制方法的第一示例實施例、第二示例實施例和第三示例實施例的流程圖，其中所述這種裝置包括第一組件、第二組件、第一組件和第二組件之間的取向旋轉連接部、和與取向旋轉連接部關聯(lián)的控制設備，其中所述控制設備可以促動以有選擇地允許第二組件相對于第一組件轉動或者阻止第二組件相對于第一組件轉動。與控制設備控制方法一起使用的適當裝置包括但不限于上述裝置20，包括上部組件22作為第一組件，下部組件28作為第二組件，和反扭矩控制設備38作為控制設備。圖10和圖11所示控制設備控制方法的第一示例實施例和第二示例實施例分別涉及控制對控制設備的促動，以便實現(xiàn)和/或保持第二組件的目標取向。在一些實施例中，控 制設備控制方法第一示例實施例和第二示例實施例可以用于在鉆探過程中調節(jié)偏離目標取向的滑移或漂移，和/或適配可以在鉆探過程中提供或產(chǎn)生的更新的目標取向。圖13所示控制設備控制方法實施例涉及控制對控制設備的促動，以便實現(xiàn)和/或保持第二組件相對于第一組件的目標旋轉速率。在一些實施例中，控制設備控制方法第三示例實施例可以用于控制鉆探過程中第一組件和第二組件之間的相對轉動量。參照圖10，控制設備控制方法的第一示例實施例包括(240)提供趨向于導致第一組件和第二組件相對于彼此轉動的作用力；(242)確定第二組件的實際取向，同時促動控制設備以阻止第二組件相對于第一組件轉動；(244)將第二組件的實際取向與第二組件的目標取向相比較，以確定第二組件的實際取向是否可以接受；(246)如果第二組件的實際取向可接受，則保持控制設備被促動，以阻止第二組件相對于第一組件轉動；(248)如果第二組件的實際取向不可接受，第一次促動控制設備以允許第二組件相對于第一組件轉動；(250)獲得第二組件相對于第一組件的旋轉速度指示；(252)利用旋轉速度指示，計算用于促動控制設備以阻止第二組件相對于第一組件轉動的預測促動時間，從而實現(xiàn)第二組件的目標取向。(254)在所述預測促動時間第二次促動控制設備，以阻止第二組件相對于第一組件轉動；(256)確定第二組件的更新的實際取向；(258)比較更新的第二組件的實際取向與第二組件的目標取向，以便確定更新的第二組件的實際取向是否可以接受；(260)如果更新的第二組件的實際取向不可接受，則重復方塊248到258，使用更新的第二組件的實際取向作為第二組件的實際取向；和(262)如果更新的第二組件的實際取向可以接收，則保持控制設備被促動以阻止第二組件相對于第一組件發(fā)生旋轉運動。再參照圖10，控制設備控制方法的第一示例實施例進一步包括如果更新的第二組件的實際取向不可接受并且因此需要重復方塊248到258時計算促動時間校正系數(shù)264。促動時間校正系數(shù)可以用于在方塊252中預測促動時間的后續(xù)計算中。方塊248至258的循環(huán)可以繼續(xù)執(zhí)行，直到實現(xiàn)可接受的第二組件的實際取向。在方塊264中計算促動時間校正系數(shù)可以采用任何適當?shù)姆绞絹韺崿F(xiàn)。在一些實施例中，促動時間校正系數(shù)可以利用控制系統(tǒng)領域已知的技術進行計算。在一些實施例中，促動時間校正系數(shù)可以計算為更新的第二組件的實際取向與第二組件的目標取向之間的差值的百分比。作為用于例述目的的非限制性示例，百分比可以為75%。作為用于例述目的的進一步的非限制性示例，如果更新的第二組件的實際取向表示相對于目標取向“過度旋轉”了30度，則促動時間校正系數(shù)可以計算為30度的75%(即，22. 5度)，并且用于方塊248至258的下一次迭代的預測促動時間可以減少，以使控制設備可以在被促動以阻止第二組件相對于第一組件的轉動之前，允許被預測以允許第二組件和第一組件之間減少22. 5度的相對轉動。作為用于例述目的的進一步非限制性例子，如果第二組件的實際取向表示相對于目標取向“欠旋轉”了 40度，則促動時間校正系數(shù)可以計算為40度的75% (即30度)，并且用于方塊248至258的下一次迭代的預測促動時間可以增大，以使控制設備可以在被促動以阻止第二組件相對于第一組件轉動之前被預測，以允許第二組件和第一組件之間額外相對轉動30度。 如果被采用，則可以針對方塊248至258的每次迭代重新計算促動時間校正系數(shù)，或者促動時間校正系數(shù)對于一次以上的迭代都相同。參照圖11，控制設備控制方法的第二示例實施例包括(280)提供趨向于導致第一組件和第二組件相對于彼此轉動的作用力；(282)確定第二組件的實際取向，同時控制設備被促動以阻止第二組件相對于第一組件轉動；(284)將第二組件的實際取向與第二組件的目標取向進行比較，以便確定第二組件的實際取向是否可以接受；(286)如果第二組件的實際取向可以接受，則保持控制設備被促動，以阻止第二組件相對于第一組件轉動；(288)如果第二組件的實際取向不可以接受，則促動控制設備以執(zhí)行控制設備促動循環(huán)，其中所述控制設備促動循環(huán)包括第一次促動控制設備以允許第二組件相對于第二組件轉動，第二次促動控制設備以阻止第二組件相對于第一組件轉動；(290)確定第二組件的更新的實際取向；(292)比較更新的第二組件的實際取向與第二組件的目標取向，以便確定更新的第二組件的實際取向是否可以接受。(294)如果更新的第二組件的實際取向不可接受，則重復方塊(288)到(292)，使用更新的第二組件的實際取向作為第二組件的實際取向；和(296)如果更新的第二組件的實際取向可以接收，則保持控制設備被促動以阻止第二組件相對于第一組件發(fā)生旋轉運動。
參照圖13，控制設備控制方法的第三示例實施例包括(310)提供趨向于導致第一組件和第二組件相對于彼此轉動的作用力；(312)在控制設備的當前促動下，確定第二組件相對于第一組件的實際旋轉速度；(314)將第二組件相對于第一組件的實際旋轉速度與第二組件相對于第一組件的目標旋轉速度相比較，以便確定第二組件相對于第一組件的實際旋轉速度是否可以接受；(316)如果第二組件相對于第一組件的實際旋轉速度可以接受，則保持控制設備的當前促動； (318)如果第二組件相對于第一組件的實際旋轉速度不可接受，則將控制設備促動到更新的控制設備當前促動；(320)在更新的控制設備當前促動下，確定更新的第二組件相對于第一組件的實際旋轉速度；(322)比較更新的第二組件相對于第一組件的實際旋轉速度與第二組件相對于第一組件的目標旋轉速度，以便確定更新的第二組件相對于第一組件的實際旋轉速度是否可以接受;(324)如果更新的第二組件相對于第一組件的實際旋轉速度不可接受，則重復方塊318至322，利用更新的第二組件相對于第一組件的實際旋轉速度作為第二組件相對于第一組件的實際旋轉速度；和(326)如果更新的第二組件相對于第一組件的實際旋轉速度可以接受，則保持更新的控制設備當前促動。在執(zhí)行控制設備控制方法的第一示例實施例時，可以作為一系列迭代過程執(zhí)行如方塊260規(guī)定那樣重復方塊248至258，直到實現(xiàn)可接受的第二組件的實際取向。類似地，在控制設備控制方法的第二示例實施例中，可以作為一系列迭代過程執(zhí)行如方塊294規(guī)定那樣重復方塊288至292，直到實現(xiàn)可接受的第二組件的實際取向。類似地，在控制設備控制方法的第三示例實施例中，可以作為一系列迭代過程重復方塊318至322，直到實現(xiàn)可接受的第二組件相對于第一組件的實際旋轉速度。在執(zhí)行控制設備控制方法時，可以采用任何適當方式實現(xiàn)在方塊240、280和310提供所述作用力。在一些實施例中，所述作用力可以通過與第二組件關聯(lián)的鉆探馬達的操作所導致的反扭矩來提供。在一些實施例中，所述作用力可以通過第一組件和第二組件之間在取向旋轉連接部處的摩擦來提供，諸如如果第一組件是鉆柱而第二組件是與第一組件旋轉連接的套筒的情況下，可以發(fā)生的情況。在一些實施例中，所示作用力可以通過源(諸如流體壓力、馬達、泵等)直接提供給第一組件和/或第二組件。在執(zhí)行控制設備控制方法時，控制設備可以包括能被促動以有選擇地允許第二組件相對于第一組件轉動或者阻止第二組件相對于第一組件轉動的任何結構、設備或者裝置或者這些結構、設備或者裝置的組合。不限制前述內容的一般性，控制設備可以包括機械設備、液壓設備、電氣設備，和/或機械、液壓和/或電氣設備的組合。作為非限制性例子，控制設備可以包括諸如在美國專利No. 5，485，889 (Gray)、美國專利No. 6，059, 050 (Gray)或者美國專利申請公開No. US2003/0056963A1 (Wenzel)中描述的設備，和/或以上針對裝置20描述的那些設備。
如方塊248、254、288和318中所考慮的那樣，促動控制設備可以采用得到所選的控制設備的便利的任何適當?shù)姆绞綄崿F(xiàn)。如果控制設備能被迅速且主動地促動以使控制設備控制方法可以有效、切實且相對迅速地實現(xiàn)下部組件的目標取向或者第二組件相對于第一組件的目標旋轉速度而不需要過多的迭代，則可能具有優(yōu)勢。在一些實施例中，控制設備可以包括圖6中所示那種液壓回路。在這種實施例中，通過保持第一閥134和第二閥136處于關閉位置，直到需要促動控制設備來阻止第二組件相對于第一組件轉動，從而可以改善控制設備 的促動。保持第一閥134和第二閥136處于關閉位置將有利于在第一集流管線路214中利用泵110對泵送流體114加壓。第一閥134然后可以打開以有利于對制動器促動線路220和制動器壓力線路222迅速加壓，以及促動制動器122和控制設備，以阻止第二組件相對于第一組件轉動。一旦制動器促動線路220和制動器壓力線路222被加壓，則第一閥134可以關閉以便在閥134、136之間捕獲泵送流體114，并因此保持制動器促動線路220和制動器壓力線路222內的壓力。在一些實施例中，控制設備可以包括圖5中所示那種液壓回路。在這些實施例中，控制設備可以通過有選擇地打開和關閉閥120而被迅速且主動地促動。圖5中所示液壓回路相對于圖6所示液壓回路的一項可能的優(yōu)勢在于，圖5的液壓回路不包括制動器、離合器或者類似能承受磨損以及對應的碎屑產(chǎn)生的結構。圖5所示液壓回路相對于圖6所示液壓回路的另一項可能優(yōu)勢在于，如果趨向于導致第一組件和第二組件相對于彼此轉動的作用力不穩(wěn)定6的話(作用力由反扭矩提供就是這種情況)，利用圖5所示液壓回路，第二組件和第一組件的相對轉動可以更容易地控制。在一些實施例中，控制設備可以包括類似于圖5所示液壓回路的液壓回路，泵送流體114可以包括或者可以基本上由磁流變流體構成，并且控制設備可以進一步包括變磁場源(未示出)，以使環(huán)路112中泵送流體114的粘性以及泵送阻抗116可以隨著磁場變化，以便促動控制設備。在一些實施例中，變磁場源可以被控制器(諸如裝置20的反扭矩控制設備控制器72)所控制。在控制設備控制方法的第三示例實施例中，控制設備可以促動到允許第二組件相對于第一組件相對轉動的第一位置和阻止第二組件相對于第一組件轉動的第二位置之間的一個或多個中間位置。所述中間位置允許第二組件相對于第一組件以比第一位置允許的速度更慢的速度轉動。在控制設備控制方法的第三示例實施例中，第二組件相對于第一組件的目標旋轉速度可以采用類似于所述方法第一示例實施例和第二示例實施例中的目標取向速度的方式管理。例如，所述裝置可以在若干不同模式下操作，包括完全自動的閉環(huán)模式、完全手動模式、和各種半自動閉環(huán)模式?？梢允褂玫诙M件相對于第一組件的單一目標旋轉速度或者一系列目標旋轉速度，并且可以作為下行鏈路指令或者從與所述裝置關聯(lián)的感知設備接收的數(shù)據(jù)的結果改變所示單一目標旋轉速度或者一系列目標旋轉速度，從而提供一個或多個更新的目標旋轉速度。在控制設備控制方法的第一示例實施例和第二示例實施例中，確定方塊242、256、282和290中的第二組件的實際取向可以采用任何適當方式來實現(xiàn)。不限制前述內容的一般性，可以利用以上針對裝置20所述的任何裝置和方法來確定實際取向。更具體地說，第二組件的實際取向可以利用以上針對裝置20所述的取向感知設備40來確定。在控制設備控制方法的第一示例實施例中，可以采用任何適當方式獲得方塊250中的旋轉速度指示。類似地，在控制設備控制方法的第三示例實施例中，在方塊312和320中確定實際旋轉速度可以采用任何適當方式實現(xiàn)。在一些實施例中，可以利用來自取向感知設備40和/或一個或多個參數(shù)感知設備98 (諸如以上針對裝置20所述的那些設備)的數(shù)據(jù)，獲得旋轉速度指示和/或確定旋轉速度?？梢岳靡粋€或多個運動感知設備(諸如例如加速度計)提供第二組件的運動量度，利用一個或多個感知設備(諸如例如計數(shù)器)提供第二組件相對于第一組件在時間周期的運動量的量度，或者采用任何其他適當方式來獲取運動速度指示和/或確定運動速度?？梢杂筛兄O備直接提供旋轉速度指示和/或旋轉速度，或者可以由處理器(包括但不限于反饋處理器70，諸如以上針對裝置20所述的反饋處理器)，利用來自感知設備的數(shù)據(jù)計算旋轉速度指示和/或旋轉速度。
如上針對裝置20所述，可以利用取向感知設備40確定第二組件的實際取向，該取向感知設備40可以包括傳感器套件和基準設備96，所述基準設備可以包括分解器。在這些實施例中，取向感知設備40可以包括一個或多個傳感器，這些傳感器能直接或間接地提供旋轉速度指示和/或旋轉速度。作為非限制性示例，包括分解器的基準設備96(諸如以上針對裝置20所述的基準設備96)可以包括用于感知第二組件相對于第一組件的運動的感知設備。所述感知設備可以包括運動感知設備、計數(shù)器或者任何其他適當?shù)慕Y構、設備或裝置。在一些實施例中，分解器可以包括多個與第一組件和第二組件其中之一關聯(lián)的磁體，和與第一組件和第二組件其中另一關聯(lián)的計數(shù)器，以使所述計數(shù)器感知經(jīng)過該計數(shù)器的磁體的運動，從而提供第二組件相對于第一組件的運動量的量度。第二組件相對于第一組件的運動量可以與這種運動發(fā)生的時間相關聯(lián)，從而提供旋轉速度指示和/或旋轉速率。因此，在第一示例實施例的一些實施例中，在方塊242和256中確定第二組件的實際取向和在方塊250中實現(xiàn)旋轉速度指示都可以利用取向感知設備40來實現(xiàn)。類似地，在第三不例實施例的一些實施例中，在方塊312和320中確定第二組件相對于第一組件的實際旋轉速率可以利用取向感知設備40來實現(xiàn)。在控制設備控制方法的第一示例實施例中，可以采用任何適當方式執(zhí)行方塊252中的計算預測促動時間。不限制前述內容的一般性，所述預測促動時間可以針對以下來計算方塊250中獲取的旋轉速度指示、在方塊242中確定的第二組件的實際取向、自方塊248中控制設備的第一次促動起發(fā)生的第一組件和第二組件相對于彼此的旋轉量、在方塊254中控制設備的第二次促動所需的時間、在方塊240中提供的作用力的量、和/或在方塊264中計算的促動時間校正系數(shù)。在第一示例實施例的一些實施例中，在方塊252中計算預測促動時間可以包括確定在方塊242中確定的實際取向和目標取向之間的旋轉距離(即，角度)，減去自方塊248中控制設備第一次促動以來第二組件相對于第一組件行經(jīng)的旋轉距離，減去在方塊254中控制設備的第二次促動過程中第二組件相對于第一組件預期行經(jīng)的旋轉距離，并且將剩余旋轉距離除以旋轉速度指示，從而計算預測促動時間。
在第一示例實施例的一些實施例中，從方塊248中控制設備的第一次促動以來第二組件相對于第一組件行經(jīng)的旋轉距離可以通過將方塊242中確定的第二組件的實際取向參照直到控制設備開始第二次促動的時間所發(fā)生的第二組件相對于第一組件的運動量來確定。在方塊254中控制設備的第二次促動過程中第二組件相對于第一組件預期行經(jīng)的旋轉距離可以取決于變量，這些變量包括但不限于在方塊240中提供的作用力的量，在控制設備開始第二次促動時第二組件相對于第一組件的旋轉速度，和取決于控制設備的特征，諸如如上述可能在裝置20的環(huán)路112中提供的泵送阻抗116的量和促動控制設備所需的時間量。在第一示例實施例的一些實施例中，在方塊254中控制設備第二次促動過程中預期第二組件相對于第一組件行經(jīng)的旋轉距離可以通過基于來自感知設備的測量值的計算來確定，或者可以參照存儲在存儲器(諸如可以與反饋控制系統(tǒng)42關聯(lián)的存儲器48)中的經(jīng)驗數(shù)據(jù)來確定。
如上所述，在第一示例實施例的一些實施例中，產(chǎn)生的預測促動時間可以通過在方塊264中計算的促動時間校正系數(shù)來調節(jié)?？刂圃O備控制方法的第一示例實施例可能最適合用于在方塊240中提供的作用力保持相對恒定的場景下。一個原因是因為旋轉速度指示假設第二組件的旋轉速度在控制設備第一次促動和控制設備第二次觸動之間保持恒定。另一個原因是因為在方塊254中促動控制設備所需的時間可以取決于在方塊240中提供的作用力的量。在方塊240中提供的作用力并非相對恒定的場景下，可以對方塊250中獲得的旋轉速度指示進行調節(jié)或校正，從而反映變化的旋轉速度，和/或可以對在方塊254中控制設備促動過程中預期第二組件相對于第一組件行經(jīng)的距離(利用計算和/或經(jīng)驗數(shù)據(jù))進行調節(jié)或校正，從而反映在方塊240中提供的變化的作用力。在方塊244、258、284和292中將第二組件的實際取向與目標取向相比較可以采用任何適當?shù)姆绞綄崿F(xiàn)。在一些實施例中，所述比較可以利用處理器來進行，處理器包括但不限于反饋處理器70，諸如以上針對裝置20所述。在方塊244、258、284和292中確定第二組件的實際取向是否可以接受，取決于相對于第二組件的取向而言所需的精度。在第一示例實施例和第二示例實施例的一些實施例中，在第二組件的實際取向和第二組件的目標取向之間沒有可以接受的差異量。在第一示例實施例和第二示例實施例的一些實施例中，如果第二組件的實際取向落入相對于目標取向的可接受的取向范圍內，則其可以接受，這樣第二組件的實際取向表示偏離目標取向的可接受的變化或者可接受的偏差。在控制設備控制方法的第一示例實施例中，圖10中的方塊248至方塊254提供了控制設備促動循環(huán)。在控制設備控制方法的第二示例實施例中，圖11中的方塊288提供了控制設備促動循環(huán)。在第一示例實施例和第二示例實施例中第一次促動控制設備和第二次促動控制設備以執(zhí)行控制設備促動循環(huán)，可以采用由控制設備提供便利的任何適合適當方式來實現(xiàn)。在第一示例實施例中，控制設備促動循環(huán)的目標是在每次執(zhí)行控制設備促動循環(huán)時，實現(xiàn)可接受的第二組件的實際取向。
在第二示例實施例中，控制設備促動循環(huán)的目標是在第二組件和第一組件之間提供相對少量的相對旋轉，以使隨著每次執(zhí)行控制設備促動循環(huán)，第二組件遞增地向著目標取向前進。在這方面，控制設備控制方法第一示例實施例和控制設備控制方法第二實施例之間的區(qū)別在于，第一示例實施例尋求在圖10中的方塊248至方塊254表示的單次控制設備促動循環(huán)中實現(xiàn)第二組件的目標取向，而第二示例實施例尋求在圖11中的方塊288表示的單次控制設備促動循環(huán)中僅向著第二組件的目標取向移動。因此，第一示例實施例可以認為表示“目標方案”，以實現(xiàn)可接受的第二組件的實際取向，而第二示例實施例可以認為表示“漸增方案”，以實現(xiàn)可接受的第二組件的實際取向。在方塊240或方塊280中提供的作用力并非相對恒定的一些應用場景中，第二示例實施例能較之第一示例實施例更迅速地和/或更少迭代地實現(xiàn)可接受的第二組件的實際取向。這種情況的原因在于，第二示例實施例中每次控制設備促動循環(huán)可以較之第一示 例實施例中的控制設備促動循環(huán)相對更迅速地執(zhí)行。參照圖12，針對如圖11所示的控制設備控制方法的第二示例實施例，提供了測試中第二組件相對于第一組件的旋轉角度量的曲線。在符合圖12的測試中，在方塊280中提供的作用力等同于2500尺磅的扭矩，并且由鉆探馬達30提供，鉆探馬達30與以140轉每分運行的第二組件關聯(lián)。如圖12所示，對于控制設備促動循環(huán)的特定區(qū)間或長度，第二組件相對于第一組件的旋轉量從大約O度變化到大約115度，最頻繁的旋轉量介于大約40度和大約80度之間。圖12示出了對于控制設備促動循環(huán)的特定長度來說，在控制設備促動循環(huán)過程中，第二組件的旋轉量可以寬泛地波動，即便在該方法的方塊240或方塊280中提供的作用力看起來相對恒定。在第二示例實施例的一些實施例中，每次控制設備促動循環(huán)可以執(zhí)行，以使在單次控制設備促動循環(huán)中提供的第二組件相對于第一組件的旋轉量小于或等于相對于目標取向的可接受的促動范圍，在所述可接受的促動范圍內，實際取向將認為可以接受。這種方案將保證可接受的取向范圍不會被單次控制設備促動循環(huán)所“超調"(overshot)，但是如果如圖12所示，在個別控制設備促動循環(huán)中第二組件相對于第一組件的旋轉量難于控制的話，則可能難于實現(xiàn)。因此在第二示例實施例的一些實施例中，可能更切合實際的是嘗試限制控制設備促動循環(huán)的長度，從而控制單次控制設備促動循環(huán)中發(fā)生的第二組件相對于第一組件的最大旋轉量。作為針對圖12的非限制性例子，在第二示例實施例的一些實施例中，可以執(zhí)行由圖11中的方塊288表示的每次控制設備促動循環(huán)，以使每次控制設備促動循環(huán)的長度都足夠小，因此在單次控制設備促動循環(huán)中提供的第二組件相對于第一組件的最大旋轉量不大于大約120度(B卩，大約單圈的1/3)。由于在控制設備促動循環(huán)樣本中許多控制設備促動循環(huán)將可能導致第二組件相對于第一組件的旋轉量顯著小于最大旋轉量，如圖12所示，所以控制最大旋轉量可以有效地允許在相對較少數(shù)量的控制設備促動循環(huán)和第二組件相對于第一組件的相對較少轉數(shù)中實現(xiàn)可接受的第二組件的實際取向。
在控制設備促動循環(huán)中實現(xiàn)第二組件相對于第一組件的期望旋轉量所需的控制設備促動循環(huán)的長度可能取決于一些變量，這些變量包括但不限于在方塊280中提供的作用力的量，在控制設備開始第二次促動時第二組件相對于第一組件的旋轉速度，和取決于控制設備的特征，諸如可以在如上所述的裝置20的環(huán)路112中提供的泵送阻抗116的量以及促動控制設備所需的時間量。一般來說，第二示例實施例的效果可能取決于控制設備促動循環(huán)的長度和在每次控制設備促動循環(huán)中第二組件相對于第一組件產(chǎn)生的旋轉，而且第二示例實施例的效果隨著控制設備促動循環(huán)的長度和產(chǎn)生的第二組件的旋轉減小而增大。在一些實施例中，在第二示例實施例中促動控制設備來執(zhí)行控制設備促動循環(huán)可以包括第一次促動控制設備以允許第二組件相對于第一組件轉動，以及此后立即或者至少延遲最小地迅速第二次促動控制設備以阻止第二組件相對于第一組件轉動，從而使得控制設備促動循環(huán)的長度最小并且使得在控制設備促動循環(huán)中發(fā)生的第二組件的旋轉量最少。當控制設備控制方法的任意實施例結合上述裝置20使用時，控制設備控制方法可以用于裝置20不同操作模式中任意模式，用來獲取和/或保持第二組件(即下部組件28)的目標取向，包括完全自動的閉環(huán)模式、完全手動模式和任意可能的半自動閉環(huán)模式。在一些實施例中，控制設備控制方法可以在“目標模式”中實施，其中尋求獲得并保持第二組件的單個目標取向，直到從地面位置12或者從反饋控制系統(tǒng)42接收到進一步的指令。在該目標模式下，可接受的第二組件實際取向可以由控制設備實現(xiàn)，并且如果第二組件的實際取向滑出或漂移出可接受的取向范圍的話可以保持或者再次被獲取。在一些實施例中，控制設備控制方法可以在“階躍模式”中實施，其中尋求在特定時間內或者鉆探距離間隔內獲取并保持第二組件的一系列目標取向。在該階躍模式下，可接受的一系列第二組件實際取向可以由控制設備實現(xiàn)，并且如果第二組件的實際取向滑出或漂移出可接受的取向范圍的話可以保持或再次獲取。階躍模式允許控制設備保持被促動以阻止第二組件相對于第一組件轉動，除了在獲取和再次獲取可接受的實際取向之外，同時有利于第二組件相對于第一組件的一些周期性轉動。在一些應用場景中，相對于保持控制設備被促動以允許第二組件相對于第一組件轉動的替代模式，控制設備控制方法的階躍模式可以被優(yōu)選，因為恒定的轉動可以導致取向旋轉連接部和/或控制設備的部件過度磨損，并且因為在圖10中的方塊240或者圖11中的方塊280中提供的作用力的波動也可能導致這些部件不受控制的轉動和損壞。當控制設備控制方法在階躍模式下實施時，所述一系列目標取向可以提供取向序列或者可以“偏置”以有利于定向鉆探的的模式。作為非限制性示例，45度、90度、180度、270度、315度和360度這一系列目標取向(相對于井眼的“高側”)將提供三個“高側”目標取向(45度、315度和360度)、一個“低側”目標取向(180度)、和兩個“中性”目標取向(90度、270度)，它們趨向于在井眼中提供造斜。在控制設備控制方法的第三示例實施例中，在方塊314和320中將第二組件相對于第一組件的實際旋轉速率與第二組件相對于第一組件的目標旋轉速率相比較，可以采用任何適當方式來實現(xiàn)。在一些實施例中，所述比較可以利用處理器來進行，處理器包括但不限于反饋處理器70，諸如以上針對裝置20所述。在方塊314和322中確定第二組件的實際旋轉速率是否可以接受，取決于針對第二組件相對于第一組件的旋轉速率而言所需的精度。在第三示例實施例的一些實施例中，在實際旋轉速率和目標旋轉速率之間沒有可以接受的差異量。在第三示例實施例的一些實施例中，如果實際旋轉速率落入相對于目標旋轉速率的可接受的旋轉速率范圍內，則其可以接受，因此第二組件相對于第一組件的實際旋轉速率表示偏離目標旋轉速率的可接受的 變化或者可接受的偏差。在本文件中，詞語“包括”采用其非限制性的意思來指代跟在該詞后的項目包括在內，但是未明確提出的項目并未排除。不定冠詞“一”對元件的指代并不排除存在一個以上該元件的可能性，除非上下文明確要求有且僅有一個該元件。
權利要求
1.在一種包括第一組件、第二組件、所述第一組件和第二組件之間的取向旋轉連接部以及與所述取向旋轉連接部關聯(lián)的控制設備的裝置中，用于控制所述控制設備的促動的方法，所述方法包括 Ca)提供趨向于導致所述第一組件和所述第二組件相對于彼此轉動的作用力； (b)確定所述第二組件的實際取向，同時促動所述控制設備以阻止所述第二組件相對于所述第一組件轉動； (c)將所述第二組件的實際取向與所述第二組件的目標取向相比較，以確定所述第二組件的實際取向是否可以接受； (d)如果所述第二組件的實際取向不可以接受，則促動所述控制設備以執(zhí)行控制設備促動循環(huán)，其中所述控制設備促動循環(huán)包括第一次促動控制設備以允許所述第二組件相對于所述第一組件轉動，和第二次促動所述控制設備以阻止所述第二組件相對于所述第一組件轉動； (e)確定所述第二組件的更新的實際取向； (f)將所述更新的第二組件的實際取向與所述第二組件的目標取向進行比較，以便確定所述更新的第二組件的實際取向是否可以接受； (g)如果所述更新的第二組件的實際取向不可接受，則重復步驟(d)至(f)，使用所述更新的第二組件的實際取向作為所述第二組件的實際取向；和 (h)如果所述更新的第二組件的實際取向可以接收，則保持所述控制設備被促動以阻止所述第二組件相對于所述第一組件發(fā)生旋轉運動。
2.如權利要求I所述的方法，其特征在于，促動所述控制設備以執(zhí)行所述控制設備促動循環(huán)，包括 (i)第一次促動所述控制設備以允許所述第二組件相對于所述第一組件旋轉； (ii)獲得所述第二組件相對于所述第一組件的旋轉速度指示； (iii)利用所述旋轉速度指示，計算用于促動所述控制設備以阻止所述第二組件相對于所述第一組件旋轉的預測促動時間，從而實現(xiàn)所述第二組件的目標取向；和 (iv)在所述預測促動時間第二次促動所述控制設備，以阻止所述第二組件相對于所述第一組件轉動。
3.如權利要求2所述的方法，進一步包括如果所述更新的第二組件的實際取向不可接受，則計算促動時間校正系數(shù)，并且進一步包括如果重復計算所述預測促動時間，則利用所述促動時間校正系數(shù)計算所述預測促動時間。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，計算所述促動時間校正系數(shù)包括計算所述更新的第二組件的實際取向與所述第二組件的目標取向之間的差值的百分比。
5.如權利要求2所述的方法，其特征在于，獲取所述旋轉速度指示包括利用運動感知設備來提供所述第二組件的運動的測量值。
6.如權利要求2所述的方法，其特征在于，獲取所述旋轉速度指示包括利用基準設備來提供所述第二組件相對于所述第一組件的運動量的測量值。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述基準設備包括多個與所述第一組件和所述第二組件其中之一關聯(lián)的磁體，其中所述基準設備進一步包括與所述第一組件和所述第二組件其中另一關聯(lián)的計數(shù)器，并且所述計數(shù)器感知經(jīng)過該傳感器的所述磁體的運動，從而提供所述第二組件相對于所述第一組件的運動量的測量值。
8.如權利要求2所述的方法，其特征在于，計算所述預測促動時間包括 Ca)確定所述第二組件的實際取向與所述目標取向之間的旋轉距離； (b)減去從第一次促動所述控制設備以來所述第二組件相對于所述第一組件行經(jīng)的旋轉距離； (C)減去第二次促動所述控制設備過程中所述第二組件相對于所述第一組件預期行經(jīng)的旋轉距離； Cd)將剩余旋轉距離除以所述旋轉速度指示，以計算所述預測促動時間。
9.如權利要求8所述的方法，進一步包括如果所述更新的第二組件的實際取向不可接受，則計算促動時間校正系數(shù)，并且進一步包括如果重復計算所述預測促動時間，則利用所述促動時間校正系數(shù)計算所述預測促動時間。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，計算所述促動時間校正系數(shù)包括計算所述更新的第二組件的實際取向與所述第二組件的目標取向之間的差值的百分比。
11.如權利要求2所述的方法，其特征在于，如果所述第二組件的實際取向落入相對于所述目標取向的可接受的取向范圍內，則所述第二組件的實際取向可以接受。
12.如權利要求2所述的方法，其特征在于，如果所述更新的第二組件的實際取向落入相對于所述目標取向的可接受的取向范圍內，則所述更新的第二組件的實際取向可以接受。
13.如權利要求I所述的方法，其特征在于，促動所述控制設備以執(zhí)行所述控制設備促動循環(huán)，包括 Ca)第一次促動所述控制設備以允許所述第二組件相對于所述第一組件旋轉；和 (b)第二次促動所述控制設備以阻止所述第二組件相對于所述第一組件旋轉； 其中所述控制設備促動循環(huán)的長度經(jīng)過選擇，以使在所述控制設備促動循環(huán)過程中，所述第二組件相對于所述第一組件的最大旋轉量為120度。
14.如權利要求I所述的方法，其特征在于，促動所述控制設備以執(zhí)行所述控制設備促動循環(huán)，包括 Ca)第一次促動所述控制設備以允許所述第二組件相對于所述第一組件旋轉；和 (b)第二次促動所述控制設備以阻止所述第二組件相對于所述第一組件旋轉； 其中所述第二次促動所述控制設備緊接著第一次促動所述控制設備而執(zhí)行，從而使得在所述第二次促動所述控制設備的過程中，所述第二組件相對于所述第一組件的旋轉最小。
15.如權利要求2所述的方法，其特征在于，重復(d)至(f)，直到實現(xiàn)可接受的所述第二組件的實際取向。
16.如權利要求13所述的方法，其特征在于，重復(d)至(f)，直到實現(xiàn)可接受的所述第二組件的實際取向。
17.如權利要求14所述的方法，其特征在于，重復(d)至(f)，直到實現(xiàn)可接受的所述第二組件的實際取向。
18.如權利要求I所述的方法，其特征在于，所述控制設備包括液壓回路。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，所述液壓回路包括泵，并且所述泵被所述第一組件和所述第二組件之間的相對旋轉驅動。
20.如權利要求19所述的方法，其特征在于，所述液壓回路進一步包括環(huán)路，所述環(huán)路包含泵送流體，并且其中所述第一組件和所述第二組件之間的所述相對旋轉導致所述泵圍繞所述環(huán)路泵送所述泵送流體。
21.如權利要求20所述的方法，其特征在于，所述環(huán)路可以有選擇地被阻擋，以阻止所述泵送流體被所述泵圍繞所述環(huán)路泵送。
22.如權利要求21所述的方法，其特征在于，所述液壓回路進一步包括定位在所述環(huán)路中的閥，并且其中所述閥可以在打開位置和關閉位置之間促動，其中在所述關閉位置，所述環(huán)路被阻擋，從而阻止所述泵送流體被所述泵圍繞所述環(huán)路泵送。
23.如權利要求20所述的方法，其特征在于，所述液壓回路進一步包括與所述環(huán)路關聯(lián)的制動器，其中所述制動器包括與所述第一組件關聯(lián)的第一制動器部分和與所述第二組件關聯(lián)的第二制動器部分，并且其中所述制動器被所述環(huán)路中的流體壓力所促動。
24.如權利要求23所述的方法，其特征在于，作為所述環(huán)路中的流體壓力的結果，所述第一制動器部分和所述第二制動器部分被促動成彼此接合，從而在所述第一制動器部分和所述第二制動器部分之間提供接合力，所述接合力阻礙所述第一組件和所述第二組件之間的相對旋轉，并且其中所述第一制動器部分和所述第二制動器部分之間的所述接合力隨著所述環(huán)路中的流體壓力增大而增大。
25.如權利要求24所述的方法，其特征在于，所述液壓回路進一步包括定位在所述環(huán)路中、位于所述制動器上游的第一閥和定位于所述環(huán)路中、位于所述制動器下游的第二閥，并且其中所述第一閥和所述第二閥可以分別在打開位置和關閉位置之間被促動，在所述關閉位置，所述環(huán)路在所述第一閥和所述第二閥之間被阻擋，從而保持所述第一制動器部分和所述第二制動器部分之間的所述接合力。
26.如權利要求25所述的方法，其特征在于，所述液壓回路進一步包括定位在所述環(huán)路中的壓力釋放旁路，用于在所述環(huán)路中的流體壓力超過由所述壓力釋放旁路確定的旁路壓力時，繞開所述第一閥和所述第二閥。
27.如權利要求26所述的方法，其特征在于，第二次促動所述控制設備以阻止所述第二組件相對于所述第一組件旋轉，包括 Ca)將所述第一閥和所述第二閥促動到所述關閉位置； (b)允許所述環(huán)路中的流體壓力增大； (c)將所述第一閥促動到所述打開位置，以使來自所述環(huán)路中的流體壓力的所述接合力提供到所述第一制動器部分和第二制動器部分之間；和 (d)將所述第一閥促動到所述關閉位置，從而保持所述第一制動器部分和所述第二制動器部分之間的所述接合力。
28.如權利要求20所述的方法，其特征在于，所述泵送流體是磁流變流體，并且所述液壓回路進一步包括改變磁場的源，用于改變所述環(huán)路中的泵送阻抗。
29.如權利要求I所述的方法，進一步包括感知涉及所述裝置的參數(shù)，從而產(chǎn)生涉及所述參數(shù)的數(shù)據(jù)；并將所述數(shù)據(jù)通過上行鏈路通信傳達到地面位置。
30.如權利要求I所述的方法，進一步包括感知涉及所述裝置的參數(shù)，從而產(chǎn)生涉及所述參數(shù)的數(shù)據(jù)，并利用所述數(shù)據(jù)改變所述第二組件的所述目標取向，從而提供更新的所述第二組件的目標取向。
31.如權利要求I所述的方法，其特征在于，所述第二組件的所述目標取向包括一系列所述第二組件的目標取向。
32.如權利要求31所述的方法，其特征在于，所述裝置進一步包括存儲器，并且所述一系列第二組件的目標取向存儲在所述存儲器中。
33.如權利要求32所述的方法，進一步包括在所述裝置位于地面位置時，將所述一系列目標取向存儲在所述存儲器中。
34.如權利要求32所述的方法，進一步包括在所述裝置位于井眼中時，將所述一系列目標取向存儲在所述存儲器中。
35.如權利要求32所述的方法，進一步包括感知涉及所述裝置的參數(shù)，從而產(chǎn)生涉及所述參數(shù)的數(shù)據(jù)，并且利用所述數(shù)據(jù)改變所述一系列目標取向中的至少一個目標取向，從而提供至少一個更新的目標取向。
36.如權利要求I所述的方法，其特征在于，所述第二組件與鉆探組件連接。
37.如權利要求34所述的方法，其特征在于，所述第二組件的所述目標取向參照所述鉆探組件的刀面取向，從而有利于定向鉆探。
38.在一種包括第一組件、第二組件、所述第一組件和第二組件之間的取向旋轉連接部以及與所述取向旋轉連接部關聯(lián)的控制設備的裝置中，用于控制所述控制設備的促動的方法，所述方法包括 Ca)提供趨向于導致所述第一組件和所述第二組件相對于彼此轉動的作用力； (b)在控制設備的當前促動下，確定所述第二組件相對于所述第一組件的實際旋轉速度； (C)將所述第二組件相對于所述第一組件的實際旋轉速度與所述第二組件相對于所述第一組件的目標旋轉速度相比較，以便確定所述第二組件相對于所述第一組件的實際旋轉速度是否可以接受； (d)如果所述第二組件相對于所述第一組件的實際旋轉速度可以接受，則保持所述控制設備的當前促動； (e)如果所述第二組件相對于所述第一組件的實際旋轉速度不可接受，則將所述控制設備促動到更新的控制設備當前促動； (f)在所述更新的控制設備當前促動下，確定更新的第二組件相對于第一組件的實際旋轉速度； (g)將所述更新的第二組件相對于第一組件的實際旋轉速度與所述第二組件相對于第一組件的目標旋轉速度進行比較，以便確定所述更新的第二組件相對于所述第一組件的實際旋轉速度是否可以接受； (h)如果所述更新的第二組件相對于第一組件的實際旋轉速度不可接受，則重復(e)至(g)，利用所述更新的第二組件相對于第一組件的實際旋轉速度作為所述第二組件相對于第一組件的實際旋轉速度；和 (i)如果所述更新的第二組件相對于所述第一組件的實際旋轉速度可以接受，則保持所述更新的控制設備的當前促動。
39.如權利要求38所述的方法，其特征在于，所述第二組件與鉆探組件連接。
40.如權利要求38所述的方法，其特征在于，重復(e)至(g)，直到實現(xiàn)可接受的所述第二組件相對于第一組件的實際旋轉速率。
全文摘要
在一種包括第一組件、第二組件、所述第一組件和第二組件之間的取向旋轉連接部以及與所述取向旋轉連接部關聯(lián)的控制設備的裝置中，用于控制所述控制設備的促動的方法。所述方法的特定實施例包括比較第二組件的實際取向與目標取向；如果實際取向不可接受，則促動控制設備以執(zhí)行控制設備促動循環(huán)；確定更新的第二組件實際取向；將更新的實際取向與目標取向比較；和如果更新的目標取向不可接受，則重復控制設備促動循環(huán)。所述方法的第一示例實施例表示實現(xiàn)目標取向的目標方法。所述方法的第二示例實施例表示實現(xiàn)目標取向的漸增方法。
文檔編號E21B44/00GK102884487SQ201080066673
公開日2013年1月16日 申請日期2010年5月10日 優(yōu)先權日2010年5月10日
發(fā)明者特倫斯·艾倫·施羅特, 阿爾本·德席爾瓦, 斯蒂芬·丹尼爾·勞埃德, 蒂姆·約翰·考克斯, 謝爾登·克里格 申請人:哈利伯頓能源服務公司