[发明专利]旋转导向钻井工具

说明书

本文中所描述的旋转导向钻井工具和系统组合指向钻头式技术与推靠钻头式技术两者来主动地改变钻孔轨迹的方向。在此系统中，相对于固定到所述旋转导向钻井工具并随其旋转的坐标系，钻头的偏转限于单个自由度，从而简化了钻头组合件与偏置单元机构的附接。另外，通过在所述工具旋转时动态地控制所述钻头相对于固定地面基准的一致对称双向往复偏转的空间相位和振幅来实现井的转向，同时指向并推动钻头。可在转向操作期间可变地控制钻头偏转的振幅和力，以视需要动态地调整瞬时造斜率。当转向不主动时，所述钻头可以机械方式锁定到中间位置中。

技术领域

本发明中所公开的设备和方法涉及钻井和精确地导航并放置井孔轨迹，包含用于生产烃原油或天然气的井。更具体地说，本发明中所公开的设备和方法涉及一种可转向的旋转钻探井底组合件和一种容积式电源部分，所述组合件与所述电源部分可独立地使用或彼此组合地使用。

背景技术

旋转导向钻井系统长期以来用于烃定向钻探中。一般来说，此类系统已使用“推靠钻头式”或“指向钻头式”技术。前一种类型的系统在给定方向上持续使钻头离心，而后一种类型改变钻头相对于工具的其余部分的方向。两种类型的现有旋转导向系统提供显著的优点，但都还具有某些缺点，如在下文进一步详细论述。

旋转导向钻井设备和方法的一个早期公开内容至少追溯到1973年，并由Bradley在第3,743,034号美国专利(在下文中称作“Bradley”)中描述。本公开涵盖一系列话题，例如使用泥浆驱动的井下涡轮机或电马达以驱动正排量液压泵，使用万向接头来连接可相对于彼此任意且持续地铰接的两个轴，和将液压活塞用作致动器来持续维持在工具旋转时相对于地面基准恒定的期望偏移方向。因为Bradley先于井下工具中的微处理器的商务申请，所以其依赖于使用有线钻探管来高速遥测连接到表面，其中绝缘电导体段被嵌入钻探管的每个接头中(如由Fontenot于1970年在第3,518,699号美国专利中描述) 以通过钻探管将电信号传送到表面以便控制工具的转向。Bradley公开了通过调节打开和关闭活塞控制阀的时间长度来控制偏置单元的偏转角度，同样的阀也控制此配置中的钻探方向，以允许更多或更少量的流体进入或离开活塞，从而改变活塞的往复运动的振幅。

旋转导向工具的一些先前设计使用钻井泥浆和跨越钻头的压降来致动偏置单元机构，而不论其是使用指向钻头式技术、推靠钻头式技术还是所述两种技术的组合。其它先前工具设计可使用泥浆涡轮机驱动电气交流发电机以产生电力来使钻头位移并维持角度位移。

作为本公开的主题的旋转导向设备解决了与现有旋转导向系统相关联的许多操作限制。首先，重要的是应注意，本公开涵盖两个相异的发明，所述两个发明在下文更详细地加以描述——动态可变排量轴向活塞泵和将钻头的铰接限制在单个自由度上的铰链接头(而非具有2个或更多个自由度的万向接头)，从而提供钻头的空间相控一致对称双向偏转。两个发明可一起使用，但还可独立于另一者而使用。术语“空间定相”是指在工具旋转时与相对于例如重力或地球磁场等固定地面基准铰接钻头相关的事件或动作的动态时序。根据工具上的参考标记相对于重力(重力工具面)或地球磁场(磁性工具面)的瞬时旋转定向(工具面)来表达空间相位。

首先，动态可变排量轴向活塞泵的优点是，仅在极窄范围的泥浆流速下使用井下固定正排量泵来产生水力。如果涡轮机在流动范围的低端处产生足够多的动力，那么除非可允许的流动范围极其窄，否则涡轮机将很可能在流动范围的上端处产生过多动力，从而限制了工具推动器针对效率和安全而优化钻探参数且不破坏工具的能力。本文中所公开的动态可变排量轴向活塞泵的新颖用途通过执行以下操作来解决此问题：在泥浆流增大时动态地减少泵每转的排量以维持恒定的动力输出，并在泥浆流减小时动态地增加泵每转的排量。其次，不管是静态的还是振荡的，钻头偏转的振幅可受进一步调整动态可变排量泵每转的排量控制，从而允许独立于在工具旋转时控制钻探的方向而控制钻头铰接的振幅，而不管目标是否是维持独立于旋转的恒定钻头偏移角或钻头在与钻铤的旋转相同的频率下往复。