專利名稱：具有地層接口構(gòu)件和控制系統(tǒng)的井下旋轉(zhuǎn)式鉆井設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)總體涉及用于定向鉆井孔的系統(tǒng)和設(shè)備，具體是用于石油和天然氣井。
背景技術(shù)：
當(dāng)前在鉆通向地下地層中的石油和天然氣井中使用的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向系統(tǒng)(RSS)普遍使用在鉆井鉆頭上方作為從表面進(jìn)行控制的完全獨(dú)立的鉆具進(jìn)行操作的鉆具。比如通過(guò)對(duì)井孔壁施加橫向力以使鉆井鉆頭相對(duì)于井孔中心線偏轉(zhuǎn)的導(dǎo)向襯墊或反作用構(gòu)件，這些鉆具被用于使鉆柱在離開(kāi)豎直取向或其他期望的井孔取向的期望的方向上導(dǎo)向。大多數(shù)的這些常規(guī)系統(tǒng)復(fù)雜且成本高，并且由于電池和電子限制具有有限的運(yùn)行時(shí)間。它們?cè)阢@具的零件損壞時(shí)還要求將整個(gè)鉆具從井場(chǎng)運(yùn)輸?shù)骄S修和維護(hù)工廠。大多數(shù)的當(dāng)前使用的設(shè)計(jì)需要對(duì)于鉆具的大的壓力下降以使鉆具工作良好。當(dāng)前還沒(méi)有允許在鉆頭處進(jìn)行直接控制的在RSS控制系統(tǒng)和地層接口反作用構(gòu)件之間的易于分離的接口。存在王要兩類用于定向鉆井的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。在“擺動(dòng)鉆頭”鉆井系統(tǒng)中，改變鉆井鉆頭相對(duì)于鉆柱的中心線的取向以獲得期望的井孔偏差。在“推靠鉆頭”系統(tǒng)中，橫向或側(cè)向力(在通常情況下在處于鉆井鉆頭上方幾英尺處的點(diǎn)處)被施加到鉆柱，由此使鉆頭從井孔的局部軸線偏轉(zhuǎn)以獲得期望的偏差。當(dāng)前用于定向鉆井的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向系統(tǒng)(RSS)集中在坐置在鉆井鉆頭上方并且在鉆頭上方幾英尺處以恒定的力推動(dòng)鉆頭或者擺動(dòng)鉆頭以使鉆頭在期望的方向上導(dǎo)向的鉆具上。推靠鉆頭系統(tǒng)更簡(jiǎn)單且更具魯棒性，但由于所施加的側(cè)向力距離鉆頭幾英尺且因而需要施加比較大的力使鉆頭偏轉(zhuǎn)，而有局限性。由于基本的物理學(xué)原因，隨著側(cè)向力和鉆頭之間的距離增加，引起給定的鉆頭偏轉(zhuǎn)所必需的側(cè)向力(因此，在鉆頭方向上的給定變化)會(huì)增加?，F(xiàn)有技術(shù) 的RSS系統(tǒng)的示例可以在以下美國(guó)專利中找到:第4，690，229號(hào)(Raney);第 5，265，682 號(hào)(Russell 等) ’第 5，513，713 號(hào)(Groves);第 5，520，255 號(hào)(Barr等)；第 5，553，678 號(hào)(Barr 等)；第 5，582，260 號(hào)(Murer 等)；第 5，706, 905 號(hào)(Barr)；第 5，778，992 號(hào)(Fuller)；第 5，803，185 號(hào)(Barr 等)；第 5，971，085 號(hào)(Colebrook)；第6，279，670 號(hào)(Eddison 等);第 6，439，318 號(hào)(Eddison 等);第 7，413，413，034 號(hào)(Kirkhope等)；第 7，287, 605 號(hào)(Van Steenwyk 等)；第 7，306, 060 號(hào)(Krueger 等)；第 7，810, 585號(hào)(Downton);和第 7，931，098 號(hào)(Aronstam 等)，以及國(guó)際申請(qǐng)第 PCT/US2008/068100 號(hào)(Downton),以國(guó)際公開(kāi)號(hào)第W02009/002996A1號(hào)公開(kāi)。當(dāng)前使用的RSS設(shè)計(jì)在通常情況下要求對(duì)于鉆頭的大的壓力下降，這樣由于用于使鉆井流體循環(huán)通過(guò)設(shè)備的泵送馬力要求提高，而限制在給定的井中的液壓能力。擺動(dòng)鉆頭系統(tǒng)可以提供優(yōu)于推靠鉆頭系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)，但它們需要復(fù)雜且高成本的鉆井鉆頭設(shè)計(jì)；而且，它們會(huì)容易出現(xiàn)在井孔中的鉆頭穩(wěn)定性問(wèn)題，使它們一致性較小且難以控制，尤其是在鉆井通過(guò)軟地層時(shí)。推靠鉆頭系統(tǒng)在通常情況下需要使用在鉆具的上方運(yùn)行的子過(guò)濾器以將碎片保持在設(shè)備的關(guān)鍵區(qū)域之外。在當(dāng)前的推靠鉆頭鉆具設(shè)計(jì)中，如果允許大的碎片(如巖石)或大量的井漏材料(如鉆井流體)進(jìn)入閥布置，通常導(dǎo)致閥故障。然而，子過(guò)濾器也容易出現(xiàn)問(wèn)題；如果井漏材料或巖石進(jìn)入并堵住子過(guò)濾器，可能必須要從井孔移除(或“松開(kāi)”)鉆柱和鉆頭以對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行徹底清理。由于上述原因，需要一種旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向推靠鉆頭鉆井系統(tǒng)和設(shè)備，所述旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向推靠鉆頭鉆井系統(tǒng)和設(shè)備能夠使鉆井鉆頭偏轉(zhuǎn)至期望的程度，與常規(guī)的推靠鉆頭系統(tǒng)相比對(duì)鉆柱施加更低的側(cè)向力，同時(shí)與使用已知系統(tǒng)所產(chǎn)生的壓力下降相比產(chǎn)生鉆具的更小的壓力下降。還需要一種旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向推靠鉆頭鉆井系統(tǒng)和設(shè)備，所述旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向推靠鉆頭鉆井系統(tǒng)和設(shè)備能夠在無(wú)需結(jié)合子過(guò)濾器使用的情況下可靠地工作。當(dāng)前在使用中的推靠鉆頭RSS設(shè)計(jì)在通常情況下結(jié)合整體的RSS控制系統(tǒng)或用于控制RSS鉆具的操作的設(shè)備。因此，無(wú)論何時(shí)期望改變鉆井鉆頭的尺寸，必須使整個(gè)RSS設(shè)備與鉆柱斷開(kāi)，用新的替換它。這導(dǎo)致與鉆頭更換相關(guān)的費(fèi)用增加和時(shí)間損失。因此，還需要一種推靠鉆頭RSS設(shè)計(jì)，其中RSS控制設(shè)備易于與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)分離，并能夠以多種鉆井鉆頭尺寸被使用。進(jìn)一步需要一種推靠鉆頭RSS系統(tǒng)和設(shè)備，所述推靠鉆頭RSS系統(tǒng)和設(shè)備能夠選擇性地以用于定向鉆井的第一模式或第二模式操作，其中在第二模式中，出于非偏離直鉆井的目的而使導(dǎo)向機(jī)構(gòu)變向。這種操作模式選擇能力會(huì)增加設(shè)備的使用壽命以及在現(xiàn)場(chǎng)更換鉆具之間的時(shí)間。此外，需要這種使用可現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)模塊設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和設(shè)計(jì)，允許推靠系統(tǒng)的控制系統(tǒng)和部件在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行更換，由此提供增強(qiáng)的可靠性和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的靈活性，并且成本較低。

發(fā)明內(nèi)容
總體而言，本公開(kāi)教導(dǎo)推靠鉆頭旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備(或者稱為RSS鉆具)的實(shí)施例，所述推靠鉆頭旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備包括:具有切削結(jié)構(gòu)的鉆井鉆頭；用于通過(guò)向鉆井鉆頭施加橫向力而使切削結(jié)構(gòu)橫向偏轉(zhuǎn)的推靠機(jī)構(gòu)(或“導(dǎo)向部”)；以及用于致動(dòng)鉆頭推靠機(jī)構(gòu)的控制組件。當(dāng)在本專利說(shuō)明書中使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)“鉆井鉆頭”應(yīng)被理解為包括切削結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向部，其中切削結(jié)構(gòu)連接到導(dǎo)向部的下端。切削結(jié)構(gòu)可以永久連接到導(dǎo)向部或與導(dǎo)向部成整體，或者可以是能從導(dǎo)向部拆卸的。鉆井鉆頭的導(dǎo)向部容納一個(gè)或更多個(gè)活塞，每個(gè)活塞具有徑向沖程?；钊谕ǔＧ闆r下(但不一定)圍繞鉆頭的外周均勻間隔開(kāi)，并適于從導(dǎo)向部的主體沿徑向向外延伸。在一些實(shí)施例中，活塞適于與鉆入地下地層的井孔的壁直接接觸。在其他實(shí)施例中，可以為每個(gè)活塞設(shè)置反作用構(gòu)件(或者稱為反作用襯墊)，其中反作用構(gòu)件的外表面以與井孔和鉆井鉆頭的切削結(jié)構(gòu)的直徑(即，規(guī)格)大致對(duì)應(yīng)的圓形圖案擱置。每個(gè)反作用構(gòu)件安裝到導(dǎo)向部以延伸過(guò)相關(guān)聯(lián)的活塞的外表面的至少部分，以便當(dāng)使給定活塞延伸時(shí)，活塞反作用于其反作用構(gòu)件的內(nèi)表面上。反作用構(gòu)件的外表面又反作用于井孔的壁，以使得由活塞的延伸引起的側(cè)向力會(huì)在離開(kāi)延伸活塞的方向上朝向井孔的相反側(cè)推動(dòng)鉆頭的切削結(jié)構(gòu)或使其偏轉(zhuǎn)。反作用構(gòu)件以非剛性或彈性方式安裝到導(dǎo)向部以可相對(duì)于導(dǎo)向部向外偏轉(zhuǎn)，以便在給定活塞被致動(dòng)時(shí)引起切削結(jié)構(gòu)相對(duì)于井孔的橫向移位?；钊梢员热缤ㄟ^(guò)偏壓彈簧朝向在導(dǎo)向部?jī)?nèi)的縮回位置被偏壓。
導(dǎo)向部形成有一個(gè)或更多個(gè)流體通道，所述流體通道在數(shù)目上對(duì)應(yīng)于活塞的數(shù)目，每個(gè)流體通道在相應(yīng)的活塞的徑向內(nèi)端到導(dǎo)向部的上端處的流體入口之間延伸，以使得活塞致動(dòng)流體(如鉆井泥漿)能夠進(jìn)入任何給定的流體通道以致動(dòng)相應(yīng)的活塞。流體通道在通常情況下繼續(xù)向下經(jīng)過(guò)活塞，以允許流體通過(guò)終端鉆頭噴射口離開(kāi)以進(jìn)入到井孔中。RSS鉆具的控制組件設(shè)置在殼體內(nèi)，控制組件的下端連接到導(dǎo)向部的上端?；钊聞?dòng)流體比如鉆井泥漿向下流動(dòng)通過(guò)殼體和導(dǎo)向部周圍?？刂平M件的下端接合并致動(dòng)流體計(jì)量組件，以用于經(jīng)由在導(dǎo)向部中的相應(yīng)的流體通道將活塞致動(dòng)流體弓I導(dǎo)至一個(gè)(或更多個(gè))活塞。在RSS鉆具的一個(gè)實(shí)施例中，流體計(jì)量組件包括大致筒狀的上部套筒構(gòu)件,所述上部套筒構(gòu)件具有上部凸緣和在處于凸緣下面的套筒中的流體計(jì)量槽或開(kāi)口。流體計(jì)量組件還包括下部套筒，所述下部套筒具有中央孔并限定所需數(shù)目的流體入口，其中每個(gè)流體入口經(jīng)由在下部套筒的上部區(qū)域中的相關(guān)聯(lián)的凹進(jìn)通向中央孔。下部套筒安裝到導(dǎo)向部的上端或與導(dǎo)向部的上端成整體。上部套筒可設(shè)置在下部套筒的孔內(nèi)，其中在上部套筒中的槽與在下部套筒中的凹進(jìn)處于大致相同的高度?？刂平M件適于接合和旋轉(zhuǎn)在下部套筒內(nèi)的上部套筒，以使活塞致動(dòng)流體會(huì)從殼體流入上部套筒，然后會(huì)經(jīng)由在上部套筒中的槽被引導(dǎo)進(jìn)入槽與其對(duì)準(zhǔn)的凹進(jìn)中，并從那里進(jìn)入相應(yīng)的流體入口并于在導(dǎo)向部中相應(yīng)的流體通道內(nèi)被向下引導(dǎo)以致動(dòng)(即，沿徑向延伸)相應(yīng)的活塞。殼體和鉆井鉆頭會(huì)隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，但控制組件適于控制上部套筒相對(duì)于殼體的旋轉(zhuǎn)。為使用設(shè)備以使井孔在特定方向上偏轉(zhuǎn)或偏離，控制組件控制上部套筒的旋轉(zhuǎn)，以將其保持在相對(duì)于井孔的所期望的角度取向，而與鉆柱的旋轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)。在該操作模式中，在上部套筒中的流體計(jì)量槽會(huì)保持在相對(duì)于地球的選定方向上的取向；即，與期望井孔偏離的方向相反的方向。隨著下部套筒在上部套筒下面且相對(duì)于上部套筒旋轉(zhuǎn)，活塞致動(dòng)流體會(huì)被順序引導(dǎo)到流體入口中的每一個(gè)中，從而致動(dòng)每個(gè)活塞以對(duì)井孔的壁施加力，因此,在相對(duì)于井孔的相反的方向上推動(dòng)鉆頭的切削結(jié)構(gòu)并使其偏轉(zhuǎn)。利用上部套筒的流體計(jì)量槽與流體入口中的一個(gè)對(duì)準(zhǔn)的每個(gè)瞬時(shí)，流體會(huì)流入該流體入口，并致動(dòng)相應(yīng)的活塞以使切削結(jié)構(gòu)在所期望的橫向方向(即，朝向井孔的與被致動(dòng)的活塞相反的一側(cè))上偏轉(zhuǎn)。因此，隨著鉆柱的每次旋轉(zhuǎn)，切削結(jié)構(gòu)會(huì)經(jīng)受與流體入口和活塞的數(shù)目相對(duì)應(yīng)的次數(shù)的瞬時(shí)推動(dòng)。在變型實(shí)施例中，使上部套筒和下部套筒相適應(yīng)且成比例，使得上部套筒可相對(duì)于下部套筒從允許流體同時(shí)流入所有流體入口的上部位置沿軸向移動(dòng)到允許流體一次僅流入一個(gè)流體入口的中間位置，且流動(dòng)到防止流體流入任何流體入口的下部位置(在這種情況下，所有流體僅通過(guò)在導(dǎo)向部中的中央孔或通道連續(xù)向下流動(dòng)到達(dá)切削結(jié)構(gòu))。在RSS鉆具的另一個(gè)實(shí)施例中，流體計(jì)量組件包括上板，上板(通過(guò)控制組件)可在固定下板上方同軸旋轉(zhuǎn)，所述下板結(jié)合于導(dǎo)向部的上端，其中固定下板限定所需數(shù)目的流體入口，所述流體入口以與導(dǎo)向部的縱向軸線(即，中心線)同心的圓形圖案排列，并與在導(dǎo)向部中的相應(yīng)的流體通道對(duì)準(zhǔn)。上板和下板優(yōu)選地由碳化鎢或其他耐磨材料制成。上板具有延伸穿過(guò)其的單個(gè)流體計(jì)量開(kāi)口，所述單個(gè)流體計(jì)量開(kāi)口偏移與在固定下板中的流體入口的半徑大致對(duì)應(yīng)的徑向距離。隨著鉆具殼體和鉆井鉆頭與鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，控制組件控制上板的旋轉(zhuǎn)以將其保持在相對(duì)于井孔的所期望的角度取向，而與鉆柱的旋轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)。旋轉(zhuǎn)上板緊靠固定下板上方并與固定下板平行，使得當(dāng)在上板中的流體計(jì)量開(kāi)口與在固定下板中的流體入口中的給定一個(gè)對(duì)準(zhǔn)時(shí)，活塞致動(dòng)流體能夠流過(guò)在上板中的流體計(jì)量開(kāi)口和在固定下板中的對(duì)準(zhǔn)的流體入口，并進(jìn)入在導(dǎo)向部中的相應(yīng)的流體通道。該流體流動(dòng)會(huì)使相應(yīng)的活塞從導(dǎo)向部沿徑向向外延伸，以使其反作用于其反作用構(gòu)件(或直接反作用于井孔)，從而在相反的方向上推動(dòng)鉆頭的切削結(jié)構(gòu)并使其偏轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，鉆井鉆頭的導(dǎo)向部可(比如通過(guò)常規(guī)的釘盒螺紋連接)從控制組件拆卸，其中旋轉(zhuǎn)上板結(jié)合到控制組件中。這便于現(xiàn)場(chǎng)組裝部件以在鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)完成RSS鉆具，并便于在鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)快速更換鉆井鉆頭，以使用不同的切削結(jié)構(gòu)或維護(hù)導(dǎo)向部，而無(wú)需從鉆柱移除控制組件。為在相對(duì)于井孔的期望的方向上推動(dòng)切削結(jié)構(gòu)，控制組件被設(shè)置為將流體計(jì)量開(kāi)口的取向保持在與所期望的推動(dòng)方向(即偏轉(zhuǎn)方向)相反的方向上。鉆井鉆頭在井孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)，而上板相對(duì)于井孔不旋轉(zhuǎn)。隨著鉆井鉆頭的每次旋轉(zhuǎn)，在上板中的流體計(jì)量開(kāi)口會(huì)經(jīng)過(guò)在固定下板中的流體入口的每一個(gè)并瞬間與在固定下板中的流體入口的每一個(gè)對(duì)準(zhǔn)。因此，當(dāng)致動(dòng)流體被引入在上板上面的鉆具殼體的內(nèi)部時(shí)，在鉆柱的每次旋轉(zhuǎn)過(guò)程中流體會(huì)依次流入每個(gè)流體通道。利用上板的流體計(jì)量開(kāi)口與流體入口中的一個(gè)的每個(gè)瞬時(shí)對(duì)準(zhǔn)，流體會(huì)流入該流體入口并致動(dòng)相應(yīng)的活塞以在所期望的橫向方向上(即，朝向井孔的與致動(dòng)活塞相反的側(cè))推動(dòng)(即，偏轉(zhuǎn))切削結(jié)構(gòu)。因此，隨著鉆柱的每次旋轉(zhuǎn)，切削結(jié)構(gòu)會(huì)經(jīng)受與流體入口和活塞的數(shù)目相對(duì)應(yīng)的次數(shù)的瞬時(shí)推動(dòng)。利用控制組件，切削結(jié)構(gòu)被推動(dòng)的方向可通過(guò)旋轉(zhuǎn)上板來(lái)改變以使切削結(jié)構(gòu)具有相對(duì)于井孔的不同固定取向。但是，如果期望使用鉆具進(jìn)行直(即，非偏離)鉆，鉆具能夠被放入直鉆模式(如下文所進(jìn)一步討論的那樣)。通過(guò)在鉆井鉆頭處靠近切削結(jié)構(gòu)直接施加側(cè)向力，而不是如在常規(guī)推靠鉆頭系統(tǒng)中那樣在鉆頭上方相當(dāng)大距離處施加側(cè)向力，鉆頭可導(dǎo)向性增強(qiáng)，并且推動(dòng)鉆頭所需的力減小。在鉆頭處的較小側(cè)向力，其中鉆頭與后方的穩(wěn)定鉆柱的其余部分保持對(duì)準(zhǔn)，還提高了穩(wěn)定性，并且增強(qiáng)在軟地層中的可重復(fù)性。當(dāng)在本專利說(shuō)明書中使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)“重復(fù)性”在定向鉆井行業(yè)中被理解為表示對(duì)于在給定地下地層中的井孔軌跡獨(dú)立于地層強(qiáng)度重復(fù)實(shí)現(xiàn)一致的曲率半徑(或“建立率”)的能力。由在推罪鉆頭鉆井系統(tǒng)中的活塞對(duì)井孔壁施加的力的幅度越大，(與在較硬地層中類似的力的效果相比)活塞切入較軟地層并降低井孔軌跡曲率的傾向就會(huì)越大。因此，在使用根據(jù)本公開(kāi)的推靠鉆頭系統(tǒng)時(shí)，由于對(duì)于相同效果所需要的較低的活塞力，所以在較軟地層中的該傾向會(huì)減小。根據(jù)本公開(kāi)的推靠鉆頭旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)和設(shè)備可以具有模塊化設(shè)計(jì)，使得各種部件(例如，活塞、反作用構(gòu)件、控制組件和控制組件部件)中的任一個(gè)能夠在更換鉆頭的過(guò)程中在現(xiàn)場(chǎng)更換。如前面所指出的，設(shè)備的另一個(gè)有利的特征是，流體計(jì)量組件的旋轉(zhuǎn)上板(或套筒)能夠被停用以使鉆具在不需要井孔偏差時(shí)會(huì)直鉆，從而促進(jìn)更長(zhǎng)的電池壽命(例如，對(duì)于電池供電的控制組件部件)，從而延長(zhǎng)該鉆具在不更換電池的情況下能夠工作的時(shí)間長(zhǎng)度。根據(jù)本公開(kāi)的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備的控制組件可以具有任何在功能上合適的類型。通過(guò)一個(gè)非限制性示例，控制組件可以類似于或改進(jìn)自根據(jù)在第PCT/US2009/040983號(hào)(以國(guó)際公開(kāi)第W02009/151786號(hào)公開(kāi))國(guó)際申請(qǐng)中公開(kāi)的豎直鉆井系統(tǒng)的類型的流體致動(dòng)控制組件。在其他實(shí)施例中，控制組件可以利用例如電動(dòng)馬達(dá)或?qū)χ脺u輪機(jī)使旋轉(zhuǎn)上板或套筒旋轉(zhuǎn)。


現(xiàn)在將參照附圖描述根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件，并且其中:圖1是根據(jù)本公開(kāi)的旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備的第一實(shí)施例的等距視圖，其中鉆頭偏轉(zhuǎn)活塞適于與井孔壁直接接觸。圖2是通過(guò)在圖1中的旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備的第一變型的縱向截面圖，其中流體計(jì)量組件包括旋轉(zhuǎn)上部套筒和固定下部套筒。圖2A是在圖2中的流體計(jì)量組件的放大細(xì)節(jié)圖。圖3A、圖3B和圖3C分別是在圖2中的設(shè)備的旋轉(zhuǎn)上部套筒的等距視圖、截面圖和側(cè)視圖。圖4A、圖4B和圖4C分別是在圖2中的設(shè)備的固定下部套筒的等距視圖、截面圖和側(cè)視圖。圖5是通過(guò)在圖2中的設(shè)備的橫向截面圖，示出在旋轉(zhuǎn)上部套筒中的流體計(jì)量槽與在固定下部套筒中的流體入口對(duì)準(zhǔn)以允許流體流入在鉆井鉆頭中的相應(yīng)的流體通道，并示出相應(yīng)的活塞延伸。圖6是通過(guò)在圖2中的設(shè)備的中間區(qū)域的等距局部縱向截面圖，示出旋轉(zhuǎn)上部套筒、具有流體入口的固定下部套筒以及在導(dǎo)向部中的流體通道。圖7是圖2的設(shè)備的底視圖，示出鉆井鉆頭和活塞殼體，其中一個(gè)鉆頭偏轉(zhuǎn)活塞延伸。圖8A是通過(guò)在圖2-圖6中所示的套筒組件的變型的截面圖，其中旋轉(zhuǎn)上部套筒處于上部位置，在該位置，活塞致動(dòng)流體流入所有流體通道。圖SB是通過(guò)在圖8A中的套筒組件的橫向截面圖，示出活塞致動(dòng)流體流入所有流體入口。圖9A是通過(guò)在圖8A中的變型套筒組件的截面圖，其中旋轉(zhuǎn)上部套筒處于中間位置，在該位置，活塞致動(dòng)流體僅流入一個(gè)流體入口。圖9B是通過(guò)在圖9A中的套筒組件的橫向截面圖，示出活塞致動(dòng)流體流入與在旋轉(zhuǎn)上部套筒中的槽對(duì)準(zhǔn)的流體入口。圖1OA是通過(guò)在圖8A中的變型套筒組件的截面圖，其中旋轉(zhuǎn)上部套筒處于下部位置，在該位置，致動(dòng)流體不能流入任何流體入口。圖1OB是通過(guò)在圖1OA中的套筒組件的橫向截面圖，示出流入流體入口的流體被阻擋。圖11是類似于圖2的縱向截面圖，示出在井孔內(nèi)操作的旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備，其中一個(gè)活塞沿徑向延伸并對(duì)井孔的一側(cè)施加鉆頭偏轉(zhuǎn)力。圖12是通過(guò)在圖1中的旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備的第二實(shí)施例的縱向截面圖，其中以彈性方式安裝的反作用構(gòu)件與每個(gè)活塞相關(guān)聯(lián)，并且其中流體計(jì)量組件包括旋轉(zhuǎn)上板和固定下板。
圖12A是在圖12中的流體計(jì)量組件的旋轉(zhuǎn)上板的平面圖。圖12B是在圖12中的流體計(jì)量組件的固定下板的平面圖。圖13是通過(guò)在圖12中的設(shè)備的橫向截面圖，示出在旋轉(zhuǎn)上板中的流體計(jì)量開(kāi)口通過(guò)將上板固定到鉆井鉆頭而與流體入口對(duì)準(zhǔn)，并示出相應(yīng)的鉆頭偏轉(zhuǎn)活塞延伸。圖14A是在圖12中的設(shè)備的導(dǎo)向部的等距視圖，其中柔性反作用構(gòu)件安裝到導(dǎo)向部與每個(gè)活塞相關(guān)聯(lián)。圖14B是在圖14A中的設(shè)備的頂端視圖，示出流體計(jì)量組件的上板和下板、活塞殼體和以彈性方式安裝的柔性反作用構(gòu)件。圖14C是在圖14A中的設(shè)備的側(cè)視圖，其中一個(gè)活塞被致動(dòng)并使其相關(guān)聯(lián)的柔性反作用構(gòu)件偏轉(zhuǎn)。圖14D是通過(guò)在圖14A中的設(shè)備的縱向截面圖，其中一個(gè)活塞被致動(dòng)并使其相關(guān)聯(lián)的柔性反作用構(gòu)件偏轉(zhuǎn)。圖15A是在圖12中的設(shè)備的導(dǎo)向部的等距視圖，其中鉸接反作用構(gòu)件安裝到導(dǎo)向部與每個(gè)活塞相關(guān)聯(lián)。圖15B是在圖15A中的設(shè)備的頂端視圖，示出活塞致動(dòng)機(jī)構(gòu)的上板和下板、活塞殼體和鉸接反作用構(gòu)件。圖15C是在圖15A中的設(shè)備的側(cè)視圖，其中一個(gè)活塞被致動(dòng)并使其相關(guān)聯(lián)的鉸接反作用構(gòu)件偏轉(zhuǎn)。圖1 是通過(guò)在圖15A中的設(shè)備的縱向截面圖，其中一個(gè)活塞被致動(dòng)并使其相關(guān)聯(lián)的鉸接反作用構(gòu)件偏轉(zhuǎn)。圖16A是在圖12中的設(shè)備的導(dǎo)向部的變型的等距視圖，其中流體計(jì)量組件結(jié)合在圖2-圖6中的套筒組件。圖16B是在圖16A中的設(shè)備的頂端視圖，示出活塞致動(dòng)機(jī)構(gòu)的上部套筒和下部套筒、活塞殼體和以彈性方式安裝的柔性反作用構(gòu)件。圖16C是在圖16A中的設(shè)備的側(cè)視圖，其中一個(gè)活塞被致動(dòng)并使其相關(guān)聯(lián)的柔性反作用構(gòu)件偏轉(zhuǎn)。圖16D是通過(guò)在圖16A中的設(shè)備的縱向截面圖，其中一個(gè)活塞被致動(dòng)并使其相關(guān)聯(lián)的柔性反作用構(gòu)件偏轉(zhuǎn)。圖17A是通過(guò)根據(jù)本公開(kāi)的活塞組件的一個(gè)實(shí)施例的截面圖，所述活塞組件被示出為處于縮回位置。圖17B是通過(guò)在圖17A中的活塞組件的截面圖，所述活塞組件被示出為處于延伸位置(并且其中為清楚起見(jiàn)未示出偏壓彈簧)。圖18A是在圖17A和圖17B中的活塞組件的側(cè)視圖，所述活塞組件被示出為處于縮回位置。圖18B是在圖17A和圖17B中的活塞組件的側(cè)視圖，所述活塞組件被示出為處于延伸位置。圖19A是在圖17A-圖18B中的活塞組件的等距視圖，所述活塞組件被示出為處于縮回位置。圖19B是在圖17A-圖18B中的活塞組件的等距視圖，所述活塞組件被示出為處于延伸位置。圖20A是在圖17A-圖19B中的活塞組件的外部構(gòu)件的等距視圖。圖20B是在圖17A-圖19B中的活塞組件的內(nèi)部構(gòu)件的等距視圖。圖21是在圖17A-圖19B中的活塞組件的偏壓彈簧的等距視圖。圖22是通過(guò)在圖2中的鉆井設(shè)備的導(dǎo)向部的橫向截面圖，所述導(dǎo)向部結(jié)合根據(jù)圖17A-圖21的活塞組件。
具體實(shí)施例方式圖1和圖2 (分別以等距視圖和截面圖)示出根據(jù)第一實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備(或“RSS鉆具”)100。RSS鉆具100包括:筒狀殼體10，筒狀殼體10包圍控制組件50 ；和鉆井鉆頭20。環(huán)狀空間12在殼體10內(nèi)形成在控制組件50周圍，以使流入到殼體10中的鉆井流體會(huì)通過(guò)環(huán)狀空間12朝向鉆井鉆頭20向下流動(dòng)。鉆井鉆頭20包括:導(dǎo)向部80，導(dǎo)向部80連接到殼體10的下端；和切削結(jié)構(gòu)90，切削結(jié)構(gòu)90連接到導(dǎo)向部80的下端以與導(dǎo)向部80 —起旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)向部80優(yōu)選地形成有或設(shè)有用于便于從殼體10移除的裝置，比如鉆頭裝卸器槽15。切削結(jié)構(gòu)90可以是任何合適的類型(例如，聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭或牙輪型鉆頭)，且切削結(jié)構(gòu)90不形成根據(jù)本公開(kāi)的設(shè)備的最廣泛的實(shí)施例的部分。導(dǎo)向部80具有從導(dǎo)向部80的上端向下延伸的一個(gè)或更多個(gè)流體通道30。如圖2所示，導(dǎo)向部80還具有用于將鉆井流體輸送到切削結(jié)構(gòu)90的中央軸向通道22，在切削結(jié)構(gòu)90處，鉆井流體能夠在壓力下通過(guò)噴射口 24離開(kāi)(以在切削結(jié)構(gòu)90鉆入地下地層材料時(shí)提高其有效性)。每個(gè)流體通道30通向相應(yīng)活塞40的徑向向內(nèi)端，相應(yīng)活塞40可響應(yīng)于來(lái)自于在壓力下流動(dòng)通過(guò)流體通道30的致動(dòng)流體的壓力從導(dǎo)向部80沿徑向向外延伸。在通常情況下，每個(gè)流體通道30延伸過(guò)其相應(yīng)的活塞40到達(dá)終端鉆頭噴射口 34，終端鉆頭噴射口 34允許流體排出并允許消除流體壓力。導(dǎo)向部80限定并結(jié)合多個(gè)從導(dǎo)向部80(其本體通常會(huì)具有與殼體10的直徑匹配或接近的直徑)向外突出的活塞殼體28。每個(gè)活塞40的徑向行程優(yōu)選地由任何合適的裝置(在圖12中通過(guò)示例的方式以橫向銷41的形式表示，該橫向銷41穿過(guò)在活塞40中的槽開(kāi)口 43并在活塞40的每側(cè)上固定在活塞殼體28內(nèi))限制。該具體特征僅是示例性的，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解在不脫離本公開(kāi)的范圍的情況下，可以容易地設(shè)計(jì)出用于限制活塞行程的其他裝置?；钊?0還優(yōu)選地設(shè)有在其相應(yīng)的活塞殼體28內(nèi)朝向縮回位置偏壓活塞40的合適的偏壓裝置(比如，通過(guò)非限制性示例的方式表示，偏壓彈簧)。在通常情況下，活塞致動(dòng)流體會(huì)是從通過(guò)軸向通道22流到切削結(jié)構(gòu)90的流體轉(zhuǎn)移的鉆井流體部分。然而，作為選擇，活塞致動(dòng)流體可能是與流到切削結(jié)構(gòu)90的鉆井流體不同的流體和/或與流到切削結(jié)構(gòu)90的鉆井流體來(lái)自不同源的流體。RSS鉆具100結(jié)合流體計(jì)量組件,在圖2所示的示例中,流體計(jì)量組件包括上部套筒110，上部套筒110通過(guò)控制組件50可在下部套筒120內(nèi)且相對(duì)于下部套筒120旋轉(zhuǎn)，下部套筒120又固定到導(dǎo)向部80的上端或與導(dǎo)向部80的上端整體形成。如在圖2A、圖3A、圖3B和圖3C中最佳可見(jiàn)，可旋轉(zhuǎn)的上部套筒110具有孔114，孔114延伸通過(guò)筒狀部分116，筒狀部分116在環(huán)狀上部凸緣112下面向下延伸。筒狀部分116具有以豎直槽118的形式示出的流體計(jì)量開(kāi)口。如在圖2A、圖4A、圖4B和圖4C中所見(jiàn)，固定的下部套筒120具有孔121和多個(gè)流體入口 122，所述多個(gè)流體入口 122幾何排列成與在導(dǎo)向部80中的流體通道30對(duì)應(yīng)。在所示實(shí)施例中，流體入口 122排列成以RSS鉆具100的縱向中心線CLkss為中心的圓形圖案。凹進(jìn)124形成于下部套筒120的上部區(qū)域中以提供在每個(gè)流體入口 122和孔121之間的流體連通。因此，如在圖2A和圖6中最佳可見(jiàn)，當(dāng)上部套筒110的筒狀部分116設(shè)置在下部套筒120的孔121內(nèi)時(shí)，在流體計(jì)量槽118與在下部套筒120中的給定凹進(jìn)124對(duì)準(zhǔn)的情況下，上部套筒110的孔114會(huì)經(jīng)由槽118、凹進(jìn)124和流體入口 122與在導(dǎo)向部80中的相應(yīng)的流體通道30流體連通。如在圖5中可以看到的，在壓力下的致動(dòng)流體在相應(yīng)的流體通道30中產(chǎn)生的流動(dòng)引起相應(yīng)的活塞(在圖5中由附圖標(biāo)記40A指示以表示致動(dòng)活塞)致動(dòng)且沿徑向向外延伸。參照?qǐng)D6能夠進(jìn)一步理解上述流體計(jì)量組件的組裝和操作?？刂平M件50設(shè)有用于使上部套筒110旋轉(zhuǎn)的計(jì)量組件接合裝置，而這可能采取任何在功能上有效的形式。通過(guò)非限制性的示例，計(jì)量組件接合裝置在圖2、圖2A和圖6中示出為包括軸52，軸52在其上端以可操作的方式連接到控制組件50，并在其下端連接到筒狀軛54，筒狀軛54具有上端板53，上端板53具有一個(gè)或更多個(gè)流體開(kāi)口 53A。筒狀軛54在其下端54L同心連接到上部套筒110的凸緣112，以在軸52由控制組件50旋轉(zhuǎn)時(shí)使上部套筒110會(huì)相對(duì)于下部套筒120旋轉(zhuǎn)。在圍繞在殼體10內(nèi)的控制組件50的環(huán)狀空間12內(nèi)向下流動(dòng)的流體70流動(dòng)通過(guò)在軛54的上端板53中的流體開(kāi)口 53A，進(jìn)入在軛54內(nèi)的筒狀腔55中，然后進(jìn)入上部套筒110的孔114中。流體70的一部分通過(guò)在上部套筒110的筒狀部分116中的槽118轉(zhuǎn)移到當(dāng)時(shí)與槽118對(duì)準(zhǔn)的流體入口 122中，然后進(jìn)入相應(yīng)的流體通道30以致動(dòng)相應(yīng)的活塞40。流體70的其余部分流到在導(dǎo)向部80中的主軸向通道22中以被輸送到切削結(jié)構(gòu)90。圖7是鉆井鉆頭20的底視圖，示出具有切削元件或齒92的切削結(jié)構(gòu)90、鉆頭噴射口 24、活塞40和活塞殼體28。在圖13中，標(biāo)記為40A的一個(gè)活塞被示出為處于其被致動(dòng)的位置，從其活塞殼體28沿徑向向外延伸。圖8A示出在圖2和圖6以及相關(guān)的詳細(xì)附圖中所示的套筒組件的變型。在圖8A中的上部套筒210大體上類似于在圖3A-圖3C中的上部套筒110，其中凸緣212和孔214類似于在上部套筒110中的凸緣112和孔114，但其具有比在上部套筒110中的筒狀部分116長(zhǎng)的筒狀部分216。筒狀部分216具有位于筒狀部分216的下部區(qū)域中的流體計(jì)量槽218，流體計(jì)量槽218類似于在筒狀部分116中的流體計(jì)量槽118。在圖8A中的下部套筒220大體上類似于在圖4A-圖4C中的下部套筒120，其中在相應(yīng)的凹進(jìn)224下面的流體入口 222 (類似于在下部套筒120中的凹進(jìn)124和流體入口 122)形成于下部本體225中，下部本體225具有與在下部套筒120中的孔121相似的孔221，另外蓋板226延伸跨過(guò)下部本體225的頂部且具有用于接納上部套筒210的圓狀部分216的中央開(kāi)口。如通過(guò)參照?qǐng)D8A和圖SB可以理解的，當(dāng)上部套筒210相對(duì)于下部套筒220處于上部位置時(shí)，其中筒狀部分216上升為至少部分地脫離在下部套筒220中的凹進(jìn)224，流入在上部套筒210中的孔214和下部套筒220中的孔221的流體70的部分會(huì)直接轉(zhuǎn)移到所有凹進(jìn)224和流體入口 222中以致動(dòng)所有活塞40。在該操作模式中，在鉆井孔的非偏離部分時(shí)，被致動(dòng)的活塞將用于對(duì)鉆井鉆頭20進(jìn)行定中并使鉆井鉆頭20穩(wěn)定。在鉆井孔的直而非豎直的部分的時(shí)，且或在期望使在鉆頭處的總流動(dòng)面積(TFA) (TFA被定義為流體能夠通過(guò)其流出鉆頭的所有噴嘴或噴射口的總面積)最大時(shí)，這可能是特別有益的和有利的。當(dāng)上部套筒210處于其最上端的位置時(shí)TFA將最大，其中流體能夠流入所有流體通道30。這是因?yàn)榱黧w除了流出在切削結(jié)構(gòu)90中的所有鉆頭噴射口 24之外，還將能夠流出連接到流體通道30的所有終端鉆頭噴射口 34。與此相反，當(dāng)上部套筒210處于其最低位置時(shí)(如在圖1OA和圖1OB中所示)TFA將最小，其中阻止流體流入所有的流體通道30，流體僅能夠通過(guò)鉆頭噴射口 24離開(kāi)鉆具。在“直”鉆過(guò)程中，在所有活塞延伸的情況下的鉆井鉆頭穩(wěn)定性也可能是所期望的，以減輕“鉆頭回旋”，其中，所述“鉆頭回旋”在鉆井通過(guò)軟地層時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致井孔質(zhì)量不良。圖9A和圖9B示出當(dāng)上部套筒210相對(duì)于下部套筒220處于中間位置時(shí)的情況，其中筒狀部分216延伸到蓋板226下方，以允許流體從孔214流動(dòng)通過(guò)流體計(jì)量槽218。在該操作模式中，流體70將轉(zhuǎn)移到入與槽218對(duì)準(zhǔn)的凹進(jìn)224中，然后進(jìn)入到相應(yīng)的流體入口 222以致動(dòng)相應(yīng)的活塞40，即，基本上與在圖2A中示出的套筒組件相同。圖1OA和圖1OB示出當(dāng)上部套筒210相對(duì)于下部套筒220處于下部位置時(shí)的情況，其中槽218設(shè)置于凹進(jìn)224的下方以使流體不能進(jìn)入任何凹進(jìn)224和流體入口 222。在該操作模式中，所有流體70將直接流入切削結(jié)構(gòu)90，而不轉(zhuǎn)移。對(duì)于直鉆通過(guò)相對(duì)穩(wěn)定的底土材料，這可能是所期望的，其中在鉆頭處具有較小的TFA。為操作結(jié)合如在圖8A-圖1OB中的上部套筒210和下部套筒220的流體計(jì)量組件，控制組件50將結(jié)合或設(shè)有用于除了使上部套筒210旋轉(zhuǎn)之外還使上部套筒210升高和降低的裝置。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，根據(jù)已知的技術(shù)能夠設(shè)計(jì)出用于相對(duì)于下部套筒220軸向移動(dòng)上部套筒210的各種裝置，且本公開(kāi)并不局限于任何特定的這樣的裝置的使用。圖11示出在井孔WB內(nèi)操作的如在圖2中的RSS鉆具100。在該視圖中，來(lái)自RSS100的環(huán)狀空間12的流體70的一部分70A已通過(guò)在流體計(jì)量組件的旋轉(zhuǎn)上部套筒110中的流體計(jì)量槽118轉(zhuǎn)移到在導(dǎo)向部80中的“有效”流體通道30A。在壓力下的流體流入流體通道30A致動(dòng)相應(yīng)的活塞40A，使被致動(dòng)的活塞40A從導(dǎo)向部80沿徑向向外側(cè)延伸，并在接觸區(qū)域WX與井孔WB的壁形成反作用接觸，從而對(duì)導(dǎo)向部80施加橫向力，使切削結(jié)構(gòu)90在離開(kāi)接觸區(qū)域WX的方向以偏轉(zhuǎn)量D偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)量D是RSS鉆具100的偏轉(zhuǎn)軸向中心線CLkss相對(duì)于井孔WB的中心線CLwb的橫向偏移量。對(duì)于上部套筒110及其流體計(jì)量槽118相對(duì)于井孔WB的給定固定取向，接觸區(qū)域WX不會(huì)是在井孔壁上的特定固定點(diǎn)或區(qū)域，而是隨著鉆井在地下進(jìn)展得更深而移動(dòng)。然而，對(duì)于在給定時(shí)間僅提供一個(gè)活塞40的致動(dòng)的操作模式中，接觸區(qū)域WX將始終對(duì)應(yīng)于流體計(jì)量槽118的角度位置。隨著鉆具100繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，致動(dòng)流體70A向有效流體通道30A的流動(dòng)將被阻斷，從而消除致動(dòng)活塞40A的液壓力，然后活塞40A將縮回到導(dǎo)向部80的本體中。鉆具100的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)將使致動(dòng)流體流入在導(dǎo)向部80中的下一個(gè)流體通道30，從而順序使下一個(gè)活塞40致動(dòng)并延伸，并在井孔WB的接觸區(qū)域WX施加另一個(gè)橫向力。因此，對(duì)于鉆具100的每次旋轉(zhuǎn)，將在接觸區(qū)域WX對(duì)井孔WB施加與在導(dǎo)向部80中的流體通道30的數(shù)目相同的次數(shù)的鉆頭偏轉(zhuǎn)橫向力，從而保持切削結(jié)構(gòu)90在恒定的橫向方向上相對(duì)于井孔WB的有效恒定的偏轉(zhuǎn)量D。作為這種偏轉(zhuǎn)的結(jié)果，井孔WB的角度取向?qū)⒅鸩礁淖?，在井孔WB中產(chǎn)生彎曲部分。
當(dāng)所期望程度的井孔曲率或偏差已被實(shí)現(xiàn)且期望鉆井孔的非偏離部分時(shí)，調(diào)節(jié)控制組件50的操作以使上部套筒110旋轉(zhuǎn)，以使流體計(jì)量槽118處于在下部套筒120中的相鄰的一對(duì)凹進(jìn)124之間的中立位置，使得流體70不能轉(zhuǎn)移到在下部套筒120中的任何流體入口 122。然后，控制組件50 (或相關(guān)聯(lián)的計(jì)量組件接合裝置)與上部套筒110脫離，使上部套筒110自由以與下部套筒120和導(dǎo)向部80—起旋轉(zhuǎn)，或者可選地控制組件50被致動(dòng)以與鉆具100相同的速率旋轉(zhuǎn)，從而在任何一種情況下，保持槽118相對(duì)于下部套筒120的中立位置，使得流體不能流入任何活塞40。然后鉆井操作可以在沒(méi)有任何橫向力作用以使切削結(jié)構(gòu)90偏轉(zhuǎn)的情況下繼續(xù)進(jìn)行。在流體計(jì)量組件包括如在圖8A-圖1OB中所示可軸向移動(dòng)的的上部套筒210和下部套筒220的變型實(shí)施例中，由于進(jìn)行了操作考慮而可能是所期望或適當(dāng)?shù)氖?，向非偏離鉆井操作的過(guò)渡通過(guò)(利用控制組件50)將上部套筒210移動(dòng)到其相對(duì)于下部套筒220的上部或下部位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。然后則無(wú)論上部套筒210是否繼續(xù)相對(duì)于下部套筒220旋轉(zhuǎn)，都將能夠防止流體向流體通道30的流動(dòng)。圖12示出根據(jù)可選擇實(shí)施例的RSS鉆具200,在該實(shí)施例中，流體計(jì)量組件包括旋轉(zhuǎn)上板60和固定到或整體形成到改進(jìn)導(dǎo)向部280的上端的下板35。下板35具有一個(gè)或更多個(gè)流體入口 32，流體入口 32類似于在圖2和圖6中(以及本文其他位置)所示的在下部套筒120中的流體入口 122。在所示的實(shí)施例中，且如在圖12B中所示，流體入口 32以繞RSS鉆具200的中心線CLkss的圓形圖案排列。上板60可相對(duì)于殼體10繞與中心線CLkss —致的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。如在圖12A中所示，上板60具有流體計(jì)量孔62，流體計(jì)量孔62從中心線CLess偏移與形成在固定下板35中的流體入口 32的圓半徑對(duì)應(yīng)的半徑。上板60還具有中央開(kāi)口 63以允許流體向下流入導(dǎo)向部280的軸向通道22，并且，下板35具有中央開(kāi)口 33，中央開(kāi)口 33用于同樣的目的。在圖12、圖12A和圖12B中所示的流體計(jì)量組件通過(guò)基本上與上文關(guān)于RSS鉆具實(shí)施例所描述的方式相同的方式實(shí)現(xiàn)功能，所述RSS鉆具具有結(jié)合上部套筒110 (或210)和下部套筒120 (或220)的流體計(jì)量組件。上板60通過(guò)控制組件50 (比如利用如上文所描述的軛54)旋轉(zhuǎn)，以便使流體計(jì)量孔62相對(duì)于井孔WB保持固定取向，而與殼體10和導(dǎo)向部280的旋轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)。由于殼體10和導(dǎo)向部280相對(duì)于井孔WB旋轉(zhuǎn)，在上板60中的流體計(jì)量孔62將依次與在下板35中的流體入口 32中的每個(gè)對(duì)準(zhǔn)，從而允許從環(huán)狀空間12流動(dòng)通過(guò)在軛54的上端板53中的流體開(kāi)口 53A的流體的一部分順序轉(zhuǎn)移到每個(gè)流體通道30中，并且使相應(yīng)的活塞40順序沿徑向延伸，從而引起如上文所描述的井孔WB的取向的偏離。圖13是恰在旋轉(zhuǎn)上板60上方通過(guò)殼體10的截面圖，示出在上板60中的偏移孔62以及以虛線輪廓示出的在設(shè)置在上板60下方的固定下板35中的流體入口 32 (在示出的實(shí)施例中總共四個(gè))。同時(shí)，圖13示出活塞40和其相應(yīng)的活塞殼體28 (總共四個(gè)，對(duì)應(yīng)于流體入口 32的數(shù)目)，以及在其下方的具有鉆井鉆頭齒92的切削結(jié)構(gòu)90。圖13示出上板60的流體計(jì)量孔62與在下板35中的流體入口 32中的一個(gè)對(duì)準(zhǔn)，使得相應(yīng)的致動(dòng)活塞40A沿徑向向外延伸。為使RSS鉆具200過(guò)渡到非偏離鉆井操作，控制組件50被致動(dòng)以使上板60旋轉(zhuǎn)到相對(duì)于下板的中立位置，以使流體計(jì)量孔62不與在下板35中的任何流體入口 32對(duì)準(zhǔn)，上板60然后以與導(dǎo)向部280相同的速率旋轉(zhuǎn)，以將流體計(jì)量孔62保持在相對(duì)于下板35的中立位置。在設(shè)備的可選實(shí)施例(未示出)中，上板60能夠以選擇方式沿軸向且向上離開(kāi)下板35移動(dòng)，從而允許流體流入所有流體通道30并引起所有活塞40向外延伸。這使得相等的橫向力被施加到導(dǎo)向部280的周邊周圍并有效引起切削結(jié)構(gòu)90直鉆而無(wú)偏離，同時(shí)也將切削結(jié)構(gòu)90穩(wěn)定在井孔WB內(nèi)，類似于前面描述的結(jié)合上部套筒210和下部套筒220的實(shí)施例當(dāng)上部套筒210相對(duì)于下部套筒220處于其上部位置時(shí)的情況。當(dāng)上板60和下板35不接觸時(shí)，控制系統(tǒng)50能夠被停用或處于休眠模式，從而節(jié)省電池壽命和控制系統(tǒng)部件的磨損。在一個(gè)實(shí)施例中，控制組件50包括使上板60 (或上部套筒110或210)旋轉(zhuǎn)的以電子方式控制的容積式(PD)馬達(dá)，但控制組件50并不局限于這種或任何其他具體類型的機(jī)構(gòu)。根據(jù)本公開(kāi)的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)能夠被容易調(diào)節(jié)以在鉆頭更換過(guò)程中便于更換高度循環(huán)的活塞。在提供現(xiàn)場(chǎng)可更換接口的設(shè)計(jì)中，這種獨(dú)立于控制系統(tǒng)更換活塞的能力使系統(tǒng)與常規(guī)可導(dǎo)向系統(tǒng)相比更緊湊、更容易維護(hù)、更靈活并且更可靠。根據(jù)本公開(kāi)的RSS鉆具還將允許多個(gè)不同尺寸和類型的鉆井鉆頭和/或活塞與同一控制系統(tǒng)結(jié)合使用，除了導(dǎo)向系統(tǒng)和/或切削結(jié)構(gòu)之外無(wú)需更換任何部件。這意味著，例如，該系統(tǒng)能夠在不改變控制系統(tǒng)殼體尺寸的情況下，用于鉆12-1/4” (311mm)的井孔，隨后用于鉆8-3/4”(222mm)的井孔，從而節(jié)省時(shí)間且需要更少的設(shè)備。該系統(tǒng)還能夠被調(diào)整以允許與控制系統(tǒng)分離地使用鉆井鉆頭。作為選擇，控制組件能夠是模塊化設(shè)計(jì)以不僅控制鉆井鉆頭，還控制能夠有益利用鉆具的旋轉(zhuǎn)上板(或套筒)以執(zhí)行有用的任務(wù)的其它鉆井鉆具。圖14A、圖14B、圖14C和圖14D示出根據(jù)在圖12中所示的實(shí)施例的RSS鉆具的導(dǎo)向部280。導(dǎo)向部280與參照?qǐng)D12描述的導(dǎo)向部280基本上類似，并且相同的附圖標(biāo)記用于兩個(gè)實(shí)施例的共同部件。導(dǎo)向部280通過(guò)具有上部銷端16和下部盒體端17的非限制性示例示出，其中上部銷端16用于螺紋連接到殼體10的下端，下部盒體端17用于螺紋連接到切削結(jié)構(gòu)90的上端。導(dǎo)向部280通過(guò)提供柔性反作用襯墊240來(lái)與在圖2中所示的導(dǎo)向部80相區(qū)別，柔性反作用襯墊240中的每個(gè)具有以彈性方式安裝到導(dǎo)向部280的主體的上端和延伸過(guò)相應(yīng)的活塞殼體28的自由下端241。在圖示的實(shí)施例中，將柔性反作用襯墊240彈性安裝到導(dǎo)向部280的主體通過(guò)使反作用襯墊240的上端與圓形帶242整體形成來(lái)實(shí)現(xiàn)，該圓形帶242設(shè)置于在銷端16下方的一點(diǎn)處繞導(dǎo)向部280的外周延伸的環(huán)狀凹槽243內(nèi)。然而，這僅是示例性的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，可以容易設(shè)計(jì)將反作用襯墊240的上端以彈性方式安裝到導(dǎo)向部280的其他方式，并且本公開(kāi)不對(duì)安裝反作用襯墊240所使用的任何具體裝置或方法進(jìn)行限制。如參照?qǐng)D14D的上部所最佳理解的，當(dāng)給定的活塞40處于其縮回位置時(shí)，其相關(guān)聯(lián)的柔性反作用襯墊240的自由下端241將優(yōu)選地?cái)R置成與相關(guān)聯(lián)的活塞殼體28的外表面處于齊平或幾乎齊平。然而，當(dāng)活塞被致動(dòng)時(shí)(如由在圖14D的下部中的被致動(dòng)的活塞40A示出)，其使相關(guān)聯(lián)的反作用襯墊的自由下端241 (在圖14D中由附圖標(biāo)記240A表示)徑向向外偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)的柔性反作用襯墊240A將因此被推向且推壓井孔壁，以使導(dǎo)向部280和切削結(jié)構(gòu)90在沿徑向的相反的方向上被推壓。當(dāng)被致動(dòng)的活塞40A縮回到其活塞殼體28中時(shí)，反作用襯墊240A的自由下端會(huì)彈性回彈至其無(wú)應(yīng)力狀態(tài)和位置。圖15A、圖15B、圖15C和圖MD示出根據(jù)可選實(shí)施例的RSS鉆具的導(dǎo)向部380。導(dǎo)向部380與參照?qǐng)D12描述的導(dǎo)向部280基本上類似，并且相同的附圖標(biāo)記用于兩個(gè)實(shí)施例的共同部件。導(dǎo)向部380通過(guò)提供鉸接反作用襯墊340與導(dǎo)向部80相區(qū)別，鉸接反作用襯墊340中的每個(gè)延伸過(guò)相應(yīng)的活塞殼體28，其中反作用襯墊340在一個(gè)或更多個(gè)鉸接點(diǎn)342處安裝到所述相應(yīng)的活塞殼體28以能夠繞與導(dǎo)向部380的縱向軸線基本上平行的鉸接軸線樞轉(zhuǎn)。鉸接點(diǎn)342優(yōu)選地位于鉸接反作用襯墊340的前邊緣上(術(shù)語(yǔ)“前邊緣”是相對(duì)于鉆具的旋轉(zhuǎn)方向而言)。如參照?qǐng)D15D的上部所最佳理解的，當(dāng)給定的活塞40處于其縮回位置時(shí)，其關(guān)聯(lián)的鉸接反作用襯墊340將優(yōu)選地?cái)R置成與相關(guān)聯(lián)的活塞殼體28的表面處于齊平或幾乎齊平。然而，當(dāng)活塞被致動(dòng)時(shí)(如由在圖15D的下部中的被致動(dòng)的活塞40A所示出的)，它會(huì)向外推壓其相應(yīng)的鉸接反作用襯墊340A，使襯墊340A繞其鉸鏈點(diǎn)342樞轉(zhuǎn)并且向外朝向且抵靠井孔壁偏轉(zhuǎn)，如在圖15C和圖15D中所看到的。這使得導(dǎo)向部380和切削結(jié)構(gòu)90在沿徑向的相反的方向上被推壓。當(dāng)被致動(dòng)的活塞40A縮回到其活塞殼體28中時(shí)，偏轉(zhuǎn)的鉸接反作用襯墊340A能夠由合適的偏壓裝置適當(dāng)輔助返回到其原始位置。圖16A、圖16B、圖16C和圖16D示出在圖14A、圖14B、圖14C和圖14D中所示的導(dǎo)向部280的變型280-1，其中唯 一的區(qū)別在于在導(dǎo)向部280-1中的流體計(jì)量組件結(jié)合如在圖3A-圖3C和圖4A-圖4C中的上部套筒110和下部套筒120，而不是如在導(dǎo)向部280中的上板60和下板35。在圖16A、圖16B、圖16C和圖16D中不具有附圖標(biāo)記的部件和特征對(duì)應(yīng)于在圖14A、圖14B、圖14C和圖14D中所示出和引用的相同部件和特征。本領(lǐng)域技術(shù)人員還會(huì)理解，在圖15A、圖15B、圖15C和圖15D中所示的導(dǎo)向部380可以類似地修改。根據(jù)本公開(kāi)的RSS鉆具可以使用在功能上合適的任何類型和構(gòu)造的活塞，并且本公開(kāi)不局限于使用本文所描述或示出的任何具體類型的活塞。例如，圖12、圖14D、圖15D和圖16D示出整體或單件式活塞40。圖17A至圖21示出可選活塞組件140的實(shí)施例,所述活塞組件140包括外部(或上部)構(gòu)件150、內(nèi)部(或下部)構(gòu)件160以及在優(yōu)選實(shí)施例中的偏壓彈簧170。在對(duì)活塞組件140及其構(gòu)成元件的該說(shuō)明中，形容詞“內(nèi)”和“外”相對(duì)于與安裝活塞140協(xié)作的導(dǎo)向部80的中心線使用；S卩，內(nèi)部構(gòu)件160將沿徑向設(shè)置在外部構(gòu)件150的內(nèi)側(cè)，而外部構(gòu)件150可從導(dǎo)向部80沿徑向向外(且離開(kāi)內(nèi)部構(gòu)件160)延伸。然而，在描述這些部件時(shí)為方便起見(jiàn)，與在圖17A至圖21中的這些元件的圖形表示相應(yīng)，形容詞“上”和“下”可以分別與“外”和“內(nèi)”互換使用。如具體在圖17A和圖17B中詳細(xì)所示的，活塞組件140的外部構(gòu)件150具有筒狀側(cè)壁152，筒狀側(cè)壁152具有由蓋構(gòu)件151封閉的上端152U和敞開(kāi)的下端152L。在用于使活塞直接與井孔壁接觸的實(shí)施例中，蓋構(gòu)件151的上部(或外部)表面151A可以可選地如在圖17A、圖17B、圖18A和圖18B中所示的形成輪廓以符合安裝到導(dǎo)向部80的切削結(jié)構(gòu)90的有效直徑，而無(wú)中間反作用構(gòu)件。在圖17A和圖17B中所示的外部構(gòu)件150的實(shí)施例適于(以下文將要描述的方式)接納偏壓彈簧170的上端，并為此目的而形成有筒狀凸起153，筒狀凸起153從蓋構(gòu)件151向下同軸突出且具有底部敞開(kāi)且內(nèi)部帶有螺紋的腔154。因此在凸起153和外部構(gòu)件150的側(cè)壁152之間形成底部敞開(kāi)的環(huán)狀空間155。從筒狀側(cè)壁152向下延伸的是一對(duì)間隔開(kāi)的、成曲線的且在直徑上對(duì)置的側(cè)壁延伸部156，每個(gè)側(cè)壁延伸部156都具有下部部分157，下部部分157在下部部分157的每個(gè)外周端形成有沿外周方向突出的凸耳或止動(dòng)元件157A。因此，每個(gè)側(cè)壁延伸部156能夠被描述為采取倒“T”形的一般形狀，在兩個(gè)側(cè)壁延伸156之間形成一對(duì)在直徑上對(duì)置的側(cè)壁開(kāi)口 156A。活塞組件140的內(nèi)部構(gòu)件160具有筒狀側(cè)壁161，筒狀側(cè)壁161具有上端160U和下端160L并包圍圓狀腔165，筒狀腔165在其各端是敞開(kāi)的。一對(duì)在直徑上對(duì)置的保持銷開(kāi)口 162穿過(guò)側(cè)壁161形成，以用于接納保持銷145，保持銷145用于將內(nèi)部構(gòu)件160固定到導(dǎo)向部80并將內(nèi)部構(gòu)件160保持在導(dǎo)向部80內(nèi)，以使內(nèi)部構(gòu)件160相對(duì)于導(dǎo)向部80的位置將在徑向上固定。一對(duì)在直徑上對(duì)置的(在圖示的實(shí)施例中半圓形或半橢圓形)流體開(kāi)口 168形成于內(nèi)部構(gòu)件160的側(cè)壁161中，截?cái)鄡?nèi)部構(gòu)件160的下端160L，且與保持銷開(kāi)口 162成直角，以便在活塞40安裝到導(dǎo)向部80中時(shí)與相應(yīng)的流體通道30大致對(duì)準(zhǔn)，以允許鉆井流體向下流動(dòng)超出內(nèi)部構(gòu)件160并進(jìn)入在導(dǎo)向部80中的對(duì)應(yīng)鉆頭噴射口 34。如在圖17B圖中最佳所見(jiàn)，為下文將要描述的目的，環(huán)狀凹槽169在內(nèi)部構(gòu)件160的下端160U繞腔165形成。在圖示的實(shí)施例中，環(huán)狀凹槽169是不連續(xù)的，被流體開(kāi)口 168截?cái)唷耐矤顐?cè)壁161向上延伸的是一對(duì)間隔開(kāi)的、成曲線的且在直徑上對(duì)置的側(cè)壁延伸部163，每個(gè)側(cè)壁延伸部163都具有上部部分164，上部部分164被形成為限定在上部部分164的每個(gè)外周端處的沿外周方向突出的凸耳或止動(dòng)元件164A。因此，每個(gè)側(cè)壁延伸部163能夠被描述為是大致T形，在兩個(gè)側(cè)壁延伸部163之間形成一對(duì)在直徑上對(duì)置的側(cè)壁開(kāi)口 163A。在相結(jié)合的情況下，凸耳157A和凸耳164A因此用作行程限制裝置，所述行程限制裝置限定活塞組件140的外部構(gòu)件150的最大徑向沖程。如參照?qǐng)D18A、圖18B、圖19A和圖19B可以最佳理解的，可以通過(guò)將內(nèi)部構(gòu)件160的上部側(cè)壁延伸部163橫向插入到外部構(gòu)件150的側(cè)壁開(kāi)口 156A中以使外部構(gòu)件150和內(nèi)部構(gòu)件160同軸對(duì)準(zhǔn)來(lái)組裝外部構(gòu)件150和內(nèi)部構(gòu)件160。外部構(gòu)件150可相對(duì)于內(nèi)部構(gòu)件160沿軸向(即，相對(duì)于導(dǎo)向部80沿徑向)移動(dòng)，其中通過(guò)在外部構(gòu)件150上的凸耳157A鄰接在內(nèi)部構(gòu)件160上的凸耳164A來(lái)限制外部構(gòu)件150的向外軸向運(yùn)動(dòng)，如在圖17B、圖18B和圖19B中所看到的。在圖21中以等距視圖示出的偏壓彈簧170包括筒狀側(cè)壁173，筒狀側(cè)壁173具有上端173U和下端173L并限定筒狀內(nèi)室174。側(cè)壁173的上端173U形成有或設(shè)有向內(nèi)突出的環(huán)狀凸緣171，側(cè)壁173的下端173L形成有或設(shè)有向外突出的環(huán)狀唇緣179。螺旋槽175形成通過(guò)側(cè)壁173以使側(cè)壁173采取螺旋彈簧的形式，其中螺旋槽175具有與環(huán)狀凸緣171相鄰的上部末端和與環(huán)狀唇緣179相鄰的下部末端。一對(duì)在直徑上對(duì)置的保持銷開(kāi)口 172穿過(guò)側(cè)壁173形成，用于在偏壓彈簧170與活塞組件140的內(nèi)部構(gòu)件160組裝在一起且安裝在導(dǎo)向部80中時(shí)(如將在下文中描述的)接納保持銷145。在彈簧170的所示實(shí)施例中，螺旋槽175的下部末端與保持銷開(kāi)口 172中的一個(gè)重合，但是，這是為了方便起見(jiàn)，而不是由于任何在功能上的根本原因。一對(duì)在直徑上對(duì)置的(在圖示的實(shí)施例中半圓形或半橢圓形)流體開(kāi)口 168形成于側(cè)壁173中，截?cái)鄠?cè)壁173的下端173L且與保持銷開(kāi)口 172成直角，以在偏壓彈簧170與內(nèi)部構(gòu)件160組裝時(shí)與在內(nèi)部構(gòu)件160的側(cè)壁161中的流體開(kāi)口168大致對(duì)準(zhǔn)。通過(guò)參照?qǐng)D17A、圖17B和圖22可以最佳理解活塞組件140的組裝。第一個(gè)組裝步驟是將偏壓彈簧170向上插入內(nèi)部構(gòu)件160的腔165中，使得在偏壓彈簧170上的環(huán)狀唇緣179保持接合于在內(nèi)部構(gòu)件160的下端160L處的環(huán)狀凹槽169內(nèi)。接下來(lái)的步驟是通過(guò)將偏壓彈簧170的上端插入到外部構(gòu)件150的下端以使偏壓彈簧170的凸緣171設(shè)置于在外部構(gòu)件150中的環(huán)狀空間155內(nèi)，來(lái)將內(nèi)部構(gòu)件160和偏壓彈簧170的子組件與外部構(gòu)件150進(jìn)行組裝。然后使在其下端處具有向內(nèi)突出的環(huán)狀凸緣180A的大致筒狀的間隔件180定位在筒狀凸起153上方并圍繞筒狀凸起153，將帶帽螺釘182向上插入通過(guò)在間隔件180中的開(kāi)口并擰入在凸起153中的螺紋腔154，從而將間隔件180和偏壓彈簧170的上端固定到外部構(gòu)件150。經(jīng)過(guò)這樣的組裝，活塞140結(jié)合偏壓彈簧170，其中偏壓彈簧170的上(外)端牢固地保持在外部構(gòu)件150中且偏壓彈簧170的下(內(nèi))端由內(nèi)部構(gòu)件160牢固地保持。因此，當(dāng)活塞致動(dòng)流體流入在導(dǎo)向部80中的相關(guān)聯(lián)的流體通道30時(shí)，流體將流入活塞140并對(duì)外部構(gòu)件150的蓋構(gòu)件151施加壓力，以克服偏壓彈簧170的偏壓力并使外部構(gòu)件150從導(dǎo)向部80沿徑向向外延伸。當(dāng)流體壓力解除時(shí)，偏壓彈簧170將使外部構(gòu)件150返回到其縮回位置，如在圖17A和圖18A中所示。由偏壓彈簧170提供的偏壓力的大小能夠通過(guò)調(diào)節(jié)帶帽螺釘182的軸向位置且/或通過(guò)使用不同軸向長(zhǎng)度的間隔件180來(lái)調(diào)節(jié)。然后經(jīng)組裝的活塞140能夠安裝到導(dǎo)向部80中，如在圖22中所示。保持銷145被插入通過(guò)在導(dǎo)向部80中的橫向開(kāi)口并分別通過(guò)在內(nèi)部構(gòu)件160和偏壓彈簧170中的保持銷開(kāi)口 162和172，從而將內(nèi)部構(gòu)件160和偏壓彈簧170的下端固定以免相對(duì)于導(dǎo)向部80沿徑向運(yùn)動(dòng)。僅通過(guò)示例方式表示圖中所示的偏壓彈簧170的具體構(gòu)造以及用于將偏壓彈簧170與外部構(gòu)件150和內(nèi)部構(gòu)件160組裝的具體裝置。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，根據(jù)已知技術(shù)可以設(shè)計(jì)替代構(gòu)造和組裝裝置，這樣的替代構(gòu)造和組裝裝置意在落入本公開(kāi)的范圍內(nèi)?；钊M件140提供優(yōu)于現(xiàn)有的活塞設(shè)計(jì)的顯著益處和優(yōu)勢(shì)?；钊M件140的設(shè)計(jì)通過(guò)利用整體偏壓彈簧170提供高機(jī)械回復(fù)力而便于在比較短的活塞組件中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)活塞沖程。當(dāng)在臟污流體環(huán)境中運(yùn)行時(shí)該活塞組件還不太容易產(chǎn)生導(dǎo)致活塞束縛在導(dǎo)向部中或限制活塞沖程的碎片。還允許使用簡(jiǎn)單的銷將彈簧預(yù)加載的活塞組件組裝和固定于在導(dǎo)向部?jī)?nèi)的適當(dāng)位置，而不需要在插入導(dǎo)向部的過(guò)程中使彈簧預(yù)加載，使活塞組件更易于維修或更換。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將易于理解的是，在不脫離本公開(kāi)的教導(dǎo)和范圍的情況下，可以設(shè)想由本公開(kāi)教導(dǎo)的實(shí)施例的各種變型，包括使用以后構(gòu)思或開(kāi)發(fā)的等同結(jié)構(gòu)或材料的變型。特別要理解的是，本公開(kāi)不意在局限于任何所描述或所示出的實(shí)施例，并且，在沒(méi)有產(chǎn)生任何實(shí)質(zhì)的操作變化的情況下，權(quán)利要求所述的元件或特征的變體的替代不會(huì)構(gòu)成脫離本公開(kāi)的范圍的內(nèi)容。還可以理解的是，本文所描述和討論的實(shí)施例的不同教導(dǎo)可以分開(kāi)應(yīng)用或者以任何合適的組合應(yīng)用，以產(chǎn)生提供所期望的結(jié)果的不同實(shí)施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還會(huì)理解，在對(duì)功能或操作沒(méi)有重大影響的情況下，本文作為整體部件描述或說(shuō)明的公開(kāi)實(shí)施例的部件也可以由多個(gè)子部件構(gòu)成，但上下文明確要求這樣的部件是整體構(gòu)造的情況除外。類似地，除非上下文另有要求，被描述或示出為由多個(gè)子部件組裝的部件可以作為整體部件被提供。
在本專利文件中，詞語(yǔ)“包括”的任何形式應(yīng)以其非限制性意義被理解以表示包括在這種詞語(yǔ)后面的任何術(shù)語(yǔ)，但不排除未特別提及的項(xiàng)目。通過(guò)不定冠詞“一個(gè)”引用的元件不排除存在多于一個(gè)這種元件的可能性，但上下文明確要求有一個(gè)且只有一個(gè)這種元件的情況除外。任何形式的術(shù)語(yǔ)“連接”、“接合”、“聯(lián)接”、“附接”以及描述元件之間的相互作用的其它術(shù)語(yǔ)的任何使用的目的不是將這種相互作用限制成所述元件之間的直接相互作用，而是還可以包括元件之間的比如通過(guò)二級(jí)或中間結(jié)構(gòu)的間接相互作用。關(guān)系術(shù)語(yǔ)如“平行”、“垂直”、“重合”、“交叉”、“等于”、“同軸”和“等距”并非意在表示或要求絕對(duì)的數(shù)學(xué)或幾何精度。因此，這些術(shù)語(yǔ)應(yīng)被理解為僅表示或要求基本精度(例如“大致平行”)，但上下文明確另有要求的情況除外。無(wú)論在本文件中何處使用，術(shù)語(yǔ)“通常的”和“在通常情況下”應(yīng)以代表或通常使用或?qū)嵺`意義被加以解釋，而不應(yīng)被理解為暗示實(shí)質(zhì)性或不變性。在本專利文件中，所披露的RSS鉆具實(shí)施例的特定部件使用形容詞比如“上”和“下”來(lái)進(jìn)行描述。這樣的術(shù)語(yǔ)被用來(lái)建立方便的參考系，以便于說(shuō)明并增強(qiáng)讀者對(duì)所討論的各種元件和部件的特征的空間關(guān)系和相對(duì)位置的理解。這樣的術(shù)語(yǔ)的使用不應(yīng)被解釋為暗示其將在技術(shù)上適用于根據(jù)本公開(kāi)的RSS鉆具的所有實(shí)際應(yīng)用和用途，或暗示必須以與上面提到的形容詞嚴(yán)格一致的空間取向使用這樣的子鉆具。例如，根據(jù)本公開(kāi)的RSS鉆具可以在鉆水平或具有方位角的井孔中使用。因此，出于更大的確定性起見(jiàn)，當(dāng)參照RSS鉆具使用時(shí)，無(wú)論在給定的實(shí)際用途中RSS鉆具以及鉆柱采取何種實(shí)際空間取向，形容詞“上”和“下”均應(yīng)以“朝向鉆柱的上(或下)端”的意義被理解。用于所示的活塞組件和其部件的特定用途的形容詞“內(nèi)”、“外”、“上”和“下”的適當(dāng)和預(yù)定的解釋根據(jù)具體說(shuō)明的相應(yīng)部分將是顯而易見(jiàn)的。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，包括: (a)控制組件，所述控制組件設(shè)置在具有下端的筒狀殼體內(nèi)； (b)導(dǎo)向部，所述導(dǎo)向部具有中央軸向通道、安裝到所述殼體的所述下端的上端以及可連接到切削結(jié)構(gòu)的下端，所述導(dǎo)向部容納一個(gè)或更多個(gè)可沿徑向延伸的活塞，并且所述導(dǎo)向部具有在數(shù)目上與活塞對(duì)應(yīng)的一個(gè)或更多個(gè)流體通道，其中每個(gè)流體通道從所述導(dǎo)向部的所述上端向下延伸，以允許活塞致動(dòng)流體向相關(guān)聯(lián)的活塞流動(dòng)；和 (C)流體計(jì)量裝置，所述流體計(jì)量裝置與所述導(dǎo)向部的所述上端相關(guān)聯(lián)并與所述控制組件以可操作的方式接合，以用于選擇性地計(jì)量從所述殼體進(jìn)入在所述導(dǎo)向部中的所述流體通道中的一個(gè)或更多個(gè)流體通道中的活塞致動(dòng)流體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，其中，所述流體計(jì)量裝置包括: (a)下部套筒，所述下部套筒固定到所述導(dǎo)向部的所述上端或與所述導(dǎo)向部的所述上端成整體，所述下部套筒具有筒狀孔和在數(shù)目上與在所述導(dǎo)向部中的所述流體通道對(duì)應(yīng)的一個(gè)或更多個(gè)流體入口 ；和 (b)上部套筒，所述上部套筒具有帶筒狀孔的筒狀部分，所述筒狀部分具有帶流體計(jì)量開(kāi)口的側(cè)壁，所述筒狀部分以可旋轉(zhuǎn)的方式設(shè)置在所述下部套筒的所述孔內(nèi)，使得隨著所述上部套筒的旋轉(zhuǎn)，所述上部套筒的所述孔會(huì)經(jīng)由所述流體計(jì)量開(kāi)口與在所述下部套筒中的每個(gè)流體入口順序地流體連通，從而允許活塞致動(dòng)流體順序地流入每個(gè)流體通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，其中，所述上部套筒能夠相對(duì)于所述下部套筒在以下位置之間沿軸向移動(dòng): Ca)上部位置，所述上部位置允許流體同時(shí)流入所有流體入口 ； (b)中間位置，所述中 間位置允許流體一次僅流入一個(gè)流體入口，如權(quán)利要求2所述的那樣；和 (c)下部位置，所述下部位置防止流體流入所述流體入口中的任何流體入口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，其中，所述流體計(jì)量裝置包括: (a)下板，所述下板具有中央開(kāi)口，所述下板被固定到所述導(dǎo)向部的所述上端或與所述導(dǎo)向部的所述上端成整體，其中所述下板的中央開(kāi)口與在所述導(dǎo)向部中的所述軸向通道流體連通，所述下部套筒具有在數(shù)目上與在所述導(dǎo)向部中的所述流體通道對(duì)應(yīng)的一個(gè)或更多個(gè)流體入口 ；和 (b)上板，所述上板具有中央開(kāi)口和沿徑向偏移的流體計(jì)量孔，所述上板可相對(duì)于所述下板旋轉(zhuǎn)并與所述下板相接觸，使得隨著所述上板的旋轉(zhuǎn)，所述流體計(jì)量孔會(huì)與在所述下板中的每個(gè)流體入口順序地流體連通，從而允許活塞致動(dòng)流體順序地流入每個(gè)流體通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，其中，所述上板能夠沿軸向離開(kāi)所述下板地移動(dòng)以允許流體流動(dòng)通過(guò)所述上板的所述中央開(kāi)口并同時(shí)流入所有流體入口。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，其中，反作用襯墊被與每個(gè)活塞相關(guān)聯(lián)地安裝到所述導(dǎo)向部，以便當(dāng)所述活塞響應(yīng)于活塞致動(dòng)流體流動(dòng)通過(guò)在所述導(dǎo)向部中的相關(guān)聯(lián)的流體通道而沿徑向延伸時(shí)，所述活塞會(huì)反作用于所述反作用襯墊并使所述反作用襯墊沿徑向偏轉(zhuǎn)離開(kāi)所述導(dǎo)向部。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，其中，所述反作用襯墊包括以彈性方式安裝到所述導(dǎo)向部的柔性構(gòu)件。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，其中，所述反作用襯墊包括鉸接構(gòu)件，所述鉸接構(gòu)件能夠繞與所述導(dǎo)向部的縱向軸線平行的鉸接軸線樞轉(zhuǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，進(jìn)一步包括偏壓裝置，所述偏壓裝置用于在活塞致動(dòng)流體向所述活塞的流動(dòng)停止時(shí)使所述活塞縮回到所述導(dǎo)向部中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，其中，所述一個(gè)或更多個(gè)活塞中的至少一個(gè)活塞是兩件式活塞組件，所述兩件式活塞組件包括: Ca)內(nèi)部構(gòu)件，所述內(nèi)部構(gòu)件被安裝到所述導(dǎo)向部以相對(duì)于所述導(dǎo)向部處于沿徑向固定的位置；和 (b)外部構(gòu)件，所述外部構(gòu)件與所述內(nèi)部構(gòu)件同軸接合以能夠相對(duì)于所述內(nèi)部構(gòu)件沿軸向且向外延伸，并且能夠相對(duì)于所述導(dǎo)向部沿徑向向外延伸； 并且其中，所述活塞組件結(jié) 合有行程限制裝置，所述行程限制裝置限制所述外部構(gòu)件相對(duì)于所述內(nèi)部構(gòu)件和所述導(dǎo)向部的沖程。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，其中，所述行程限制裝置包括形成在所述外部構(gòu)件上的多個(gè)第一止動(dòng)元件和形成在所述內(nèi)部構(gòu)件上的多個(gè)第二止動(dòng)元件，所述第一止動(dòng)元件和所述第二止動(dòng)元件被構(gòu)造和布置成使得當(dāng)所述上部構(gòu)件的沖程達(dá)到預(yù)定的極限時(shí)每個(gè)第一止動(dòng)元件會(huì)反作用于所述第二止動(dòng)元件中的一個(gè)第二止動(dòng)元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，進(jìn)一步包括偏壓裝置，所述偏壓裝置用于在活塞致動(dòng)流體向所述活塞組件的流動(dòng)停止時(shí)使所述活塞組件的所述外部構(gòu)件縮回到所述導(dǎo)向部中。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，其中，所述偏壓裝置包括螺旋彈簧構(gòu)件，所述螺旋彈簧構(gòu)件設(shè)置在所述活塞組件內(nèi)，其中所述螺旋彈簧構(gòu)件具有固定到所述活塞組件的所述外部構(gòu)件的外端，并具有固定到所述活塞組件的所述內(nèi)部構(gòu)件的內(nèi)端。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中的任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，進(jìn)一步包括切削結(jié)構(gòu)，所述切削結(jié)構(gòu)被安裝到所述導(dǎo)向部的下端以能夠與所述導(dǎo)向部一起旋轉(zhuǎn)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中的任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，其中，所述控制組件選自由流體致動(dòng)控制組件、電動(dòng)馬達(dá)致動(dòng)控制組件和渦輪機(jī)致動(dòng)控制組件構(gòu)成的組。
16.一種旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，包括: (a)導(dǎo)向部，所述導(dǎo)向部具有中央軸向通道、安裝到殼體的下端的上端以及可連接到切削結(jié)構(gòu)的下端，所述導(dǎo)向部容納一個(gè)或更多個(gè)可沿徑向延伸的活塞，并且所述導(dǎo)向部具有在數(shù)目上與活塞對(duì)應(yīng)的一個(gè)或更多個(gè)流體通道，其中每個(gè)流體通道從所述導(dǎo)向部的所述上端向下延伸，以允許活塞致動(dòng)流體向相關(guān)聯(lián)的活塞流動(dòng)；和 (b)流體計(jì)量裝置，所述流體計(jì)量裝置與所述導(dǎo)向部的所述上端相關(guān)聯(lián)并與控制組件以可操作的方式接合，以用于選擇性地計(jì)量從所述殼體進(jìn)入在所述導(dǎo)向部中的所述流體通道中的一個(gè)或更多個(gè)流體通道的活塞致動(dòng)流體。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，其中，所述流體計(jì)量裝置包括: (a)下部套筒，所述下部套筒固定到所述導(dǎo)向部的所述上端或與所述導(dǎo)向部的所述上端成整體，所述下部套筒具有筒狀孔和在數(shù)目上與在所述導(dǎo)向部中的所述流體通道對(duì)應(yīng)的一個(gè)或更多個(gè)流體入口 ；和(b)上部套筒，所述上部套筒具有帶筒狀孔的筒狀部分，所述筒狀部分具有帶流體計(jì)量開(kāi)口的側(cè)壁，所述筒狀部分以可旋轉(zhuǎn)的方式設(shè)置在所述下部套筒的所述孔內(nèi)，使得隨著所述上部套筒旋轉(zhuǎn)，所述上部套筒的所述孔會(huì)經(jīng)由所述流體計(jì)量開(kāi)口與在所述下部套筒中的每個(gè)流體入口順序地流體連通，從而允許活塞致動(dòng)流體順序地流入每個(gè)流體通道。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，其中，所述上部套筒能夠相對(duì)于所述下部套筒在以下位置之間沿軸向移動(dòng): Ca)上部位置，所述上部位置允許流體同時(shí)流入所有流體入口 ； (b)中間位置，所述中間位置允許流體一次僅流入一個(gè)流體入口，如權(quán)利要求17所述的那樣；和 (c)下部位置，所述下部位置防止流體流入所述流體入口中的任何流體入口。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，其中，所述流體計(jì)量裝置包括: (a)下板，所述下板具有中央開(kāi)口，所述下板固定到所述導(dǎo)向部的所述上端或與所述導(dǎo)向部的所述上端成整體，其中所述下板的中央開(kāi)口與在所述導(dǎo)向部中的所述軸向通道流體連通，所述下部套筒具有在數(shù)目上與在所述導(dǎo)向部中的所述流體通道對(duì)應(yīng)的一個(gè)或更多個(gè)流體入口 ；和 (b)上板，所述上板具有中央開(kāi)口和沿徑向偏移的流體計(jì)量孔，所述上板能夠相對(duì)于所述下板旋轉(zhuǎn)并與所述下板相接觸，使得隨著所述上板的旋轉(zhuǎn)，所述流體計(jì)量孔會(huì)與在所述下板中的每個(gè)流體入口順序地流體連通，從而允許活塞致動(dòng)流體順序地流入每個(gè)流體通道。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，其中，所述上板能夠沿軸向離開(kāi)所述下板地移動(dòng)以允許流體流動(dòng)通過(guò)所述上板的所述中央開(kāi)口并且同時(shí)流入所有流體入□。
21.根據(jù)權(quán)利要求16至20中的任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，其中，反作用襯墊被與每個(gè)活塞相關(guān)聯(lián)地安裝到所述導(dǎo)向部，以便當(dāng)所述活塞響應(yīng)于活塞致動(dòng)流體流動(dòng)通過(guò)在所述導(dǎo)向部中的相關(guān)聯(lián)的流體通道而沿徑向延伸時(shí)，所述活塞會(huì)反作用于所述反作用襯墊并使所述反作用襯墊沿徑向偏轉(zhuǎn)離開(kāi)所述導(dǎo)向部。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，其中，所述反作用襯墊包括以彈性方式安裝到所述導(dǎo)向部的柔性構(gòu)件。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，其中，所述反作用襯墊包括鉸接構(gòu)件，所述鉸接構(gòu)件能夠繞與所述導(dǎo)向部的縱向軸線平行的鉸接軸線樞轉(zhuǎn)。
24.根據(jù)權(quán)利要求16至23中的任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，進(jìn)一步包括偏壓裝置，所述偏壓裝置用于在活塞致動(dòng)流體向所述活塞的流動(dòng)停止時(shí)使所述活塞縮回到所述導(dǎo)向部中。
25.一種活塞組件，所述活塞組件用于與旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向鉆井設(shè)備的導(dǎo)向部協(xié)作使用，所述活塞組件包括: Ca)內(nèi)部構(gòu)件，所述內(nèi)部構(gòu)件能夠安裝到所述導(dǎo)向部以相對(duì)于所述導(dǎo)向部處于沿徑向固定的位置；和 (b)外部構(gòu)件，所述外部構(gòu)件與所述內(nèi)部構(gòu)件同軸接合以響應(yīng)于所述外部構(gòu)件被暴露于來(lái)自在所述導(dǎo)向部?jī)?nèi)流動(dòng)的活塞致動(dòng)流體的流體壓力而能夠相對(duì)于所述內(nèi)部構(gòu)件沿軸向且向外延伸并且能夠相對(duì)于所述導(dǎo)向部沿徑向向外延伸； 其中，所述活塞組件結(jié)合有行程限制裝置，所述行程限制裝置限制所述外部構(gòu)件相對(duì)于所述內(nèi)部構(gòu)件和所述導(dǎo)向部的沖程。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的活塞組件，其中，所述行程限制裝置包括形成在所述外部構(gòu)件上的多個(gè)第一止動(dòng)元件和形成在所述內(nèi)部構(gòu)件上的多個(gè)第二止動(dòng)元件，所述第一止動(dòng)元件和所述第二止動(dòng)元件被構(gòu)造和布置成使得當(dāng)所述上部構(gòu)件的沖程達(dá)到預(yù)定的極限時(shí)每個(gè)第一止動(dòng)元件會(huì)反作用于所述第二止動(dòng)元件中的一個(gè)第二止動(dòng)元件。
27.根據(jù)權(quán)利要求25或26所述的活塞組件，進(jìn)一步包括偏壓裝置，所述偏壓裝置用于在活塞致動(dòng)流體向所述活塞組件的流動(dòng)停止時(shí)使所述活塞組件的所述外部構(gòu)件縮回到所述導(dǎo)向部中。
28.根據(jù)權(quán)利要求 27所述的活塞組件，其中，所述偏壓裝置包括螺旋彈簧構(gòu)件，所述螺旋彈簧構(gòu)件設(shè)置在所述活塞組件內(nèi)，其中所述螺旋彈簧構(gòu)件具有固定到所述活塞組件的所述外部構(gòu)件的外端，并具有固定到所述活塞組件的所述內(nèi)部構(gòu)件的內(nèi)端。
全文摘要
一種可導(dǎo)向鉆井設(shè)備，包括在筒狀殼體內(nèi)的連接到具有可沿徑向延伸的活塞的鉆井鉆頭的控制系統(tǒng)?；钊聞?dòng)流體從殼體流動(dòng)通過(guò)流體計(jì)量組件，流體計(jì)量組件將流體引導(dǎo)到在鉆井鉆頭中的通向相應(yīng)活塞的流體通道中?？刂葡到y(tǒng)控制流體計(jì)量組件，以選擇性地允許流體流過(guò)流體通道到達(dá)活塞和通過(guò)在每個(gè)流體通道中的孔離開(kāi)。選擇性的流體流動(dòng)引起在鉆井鉆頭中的活塞暫時(shí)在相反的方向上延伸到期望的井孔偏差，由此使鉆井鉆頭偏轉(zhuǎn)離開(kāi)井孔中心線。通過(guò)移動(dòng)在流體計(jì)量組件內(nèi)的上部構(gòu)件而使流體計(jì)量組件具有使在鉆井鉆頭內(nèi)的TFA穩(wěn)定、導(dǎo)向和改變的能力?？刂葡到y(tǒng)和鉆井鉆頭以特定的方式連接以便于移除以同時(shí)更換鉆井鉆頭的導(dǎo)向部和切削結(jié)構(gòu)構(gòu)造或規(guī)格。
文檔編號(hào)E21B7/08GK103221626SQ201180051342
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月9日
發(fā)明者杰弗里·克勞森, 喬納森·瑞恩·普里爾 申請(qǐng)人:國(guó)民油井華高有限公司