模块化旋转式可导向致动器、导向工具、及具有模块化致动器的旋转式可导向钻井系统

摘要

本文提供了模块化致动器、导向工具、和旋转式可导向钻井系统。公开了一种用于对钻柱进行定向的模块化致动器，钻柱具有靠近驱动轴的外壳。模块化致动器包括筒部，构造为耦接到外壳的外周。蓄液器容置在筒部中。液压致动的致动器活塞滑动地、至少部分地设置在筒部内，且能够在激活位置与未激活位置之间移动。液压控制系统也容置在筒部中，且将蓄液器流体耦接到致动器活塞。液压控制系统构造为调节致动器活塞在激活位置与未激活位置之间的移动，使得致动器活塞选择性地挤压驱动轴的斜坡面从而改变钻柱的方向。

权利要求

1. 一种模块化致动器，用于对钻柱进行定向，所述钻柱具有外壳和贯穿所述外壳的驱 动轴，所述模块化致动器包括： 筒部，构造为耦接到邻近所述驱动轴的所述外壳的外周； 蓄液器，包含在所述筒部中； 液压致动的致动器活塞，滑动地、至少部分地设置在所述筒部内，所述致动器活塞能够 在第一位置与第二位置之间移动；以及 液压控制系统，包含在所述筒部中且将所述蓄液器流体耦接到所述致动器活塞，所述 液压控制系统构造为调节所述致动器活塞在所述第一位置与第二位置之间的移动，使得所 述活塞移动所述驱动轴从而改变所述钻柱的方向。

2. 如权利要求1所述的模块化致动器，其中，所述蓄液器和所述液压控制系统被流体密 封在所述筒部内。

3. 如权利要求1所述的模块化致动器，其中，所述钻柱还包括导向控制器，且其中，所述 模块化致动器还包括电连接器，所述电连接器从所述筒部突出且构造为电耦接所述液压控 制系统与所述导向控制器。

4. 如权利要求1所述的模块化致动器，其中，所述液压控制系统包括脉冲宽度调制器阀 组件，构造为控制所述致动器活塞上的流体压力。

5. 如权利要求1所述的模块化致动器，其中，所述液压控制系统包括补偿器，构造为减 少所述致动器活塞上的静液压力。

6. 如权利要求1所述的模块化致动器，其中，所述液压控制系统包括减压阀。

7. 如权利要求1所述的模块化致动器，其中，所述液压控制系统包括栗，构造为增加所 述致动器活塞上的流体压力。

8. 如权利要求7所述的模块化致动器，其中，所述钻柱还包括靠近所述外壳的斜板，且 其中，所述栗包括栗活塞，所述栗活塞操作性地接合所述斜板且由所述斜板致动。

9. 如权利要求8所述的模块化致动器，其中，所述筒部包括细长管状体，所述栗活塞从 所述细长管状体的纵向端突出。

10. 如权利要求8所述的模块化致动器，还包括衬套，将所述栗活塞操作性地耦接到所 述斜板，所述衬套构造为分散所述斜板的角度导致的侧面负载。

11. 如权利要求1所述的模块化致动器，还包括复位弹簧，构造为将所述致动器活塞从 所述第二位置偏压向所述第一位置。

12. 如权利要求1所述的模块化致动器，还包括位置传感器，包含在所述筒部中，且构造 为生成指示与所述致动器活塞的位置相关联的位置反馈数据的信号。

13. 如权利要求1所述的模块化致动器，其特征在于，没有到所述钻柱的钻杆段的流体 耦接。

14. 一种导向工具，用于在地层中钻进井孔时对钻柱进行定向，所述钻柱包括驱动轴和 斜板，所述导向工具包括： 管状外壳，具有外表面且限定外壳孔，所述外壳孔构造为通过其中接收所述驱动轴； 多个模块化致动器，围绕所述外壳的外表面周向间隔开，每个所述模块化致动器包括： 筒部，耦接到所述外壳的外表面； 蓄液器，密封在所述筒部中； 液压致动的致动器活塞，滑动地、至少部分地设置在所述筒部内，所述致动器活塞能够 在未激活位置与激活位置之间移动；以及 液压控制系统，密封在所述筒部中且将所述蓄液器流体耦接到所述致动器活塞，所述 液压控制系统构造为调节所述致动器活塞在所述未激活位置与所述激活位置之间的移动， 使得所述活塞选择性地移动所述驱动轴从而改变所述钻柱的方向。

15. 如权利要求14所述的导向工具，其中，所述钻柱还包括导向控制器，且其中，每个所 述模块化致动器还包括电连接器，所述电连接器从所述筒部突出且构造为电连接所述液压 控制系统与所述导向控制器。

16. 如权利要求14所述的导向工具，其中，每个所述模块化致动器的每个所述液压控制 系统包括： 栗，构造为增加所述活塞上的流体压力； 脉冲宽度调制器阀组件，构造为控制所述活塞上的流体压力； 减压阀；以及 补偿器，构造为减少所述活塞上的静液压力。

17. 如权利要求14所述的导向工具，其中，每个所述筒部包括相对于所述管状外壳纵向 延伸的各自的细长管状体，所述细长管状体限定窗口，所述致动器活塞在所述未激活与所 述激活位置之间滑动时越过所述窗口。

18. 如权利要求14所述的导向工具，其中，每个所述模块化致动器的特征在于，没有到 所述钻柱的钻杆段的流体耦接。

19. 如权利要求14所述的导向工具，其中，所述多个模块化致动器包括围绕所述外壳的 外周彼此等距地周向间隔开的至少四个模块化致动器，所述至少四个模块化致动器中的每 个均接触所述斜板的不同部分。

20. -种旋转式可导向钻井系统，包括： 钻柱； 管状外壳，操作性地耦接到所述钻柱的远端，所述管状外壳具有外表面且限定外壳孔； 驱动轴，贯穿所述管状外壳，所述驱动轴包括多个斜坡面； 钻头，经由所述驱动轴旋转地耦接到所述管状外壳； 导向控制器；以及 多个模块化致动器，围绕所述外壳的外表面周向间隔开，每个所述模块化致动器包括： 筒部，耦接到所述外壳的外表面； 电连接器，电连接所述模块化致动器与所述导向控制器； 蓄液器，密封在所述筒部中； 液压致动的致动器活塞，滑动地、至少部分地设置在所述筒部内，所述致动器活塞能够 在未激活位置与激活位置之间移动；以及 液压控制系统，密封在所述筒部中且将所述蓄液器流体耦接到所述致动器活塞，所述 液压控制系统构造为调节所述致动器活塞从所述未激活位置到所述激活位置的移动，使得 所述活塞挤压所述驱动轴的一个斜坡面从而改变所述钻柱的方向。

说明书

模块化旋转式可导向致动器、导向工具、及具有模块化致动器 的旋转式可导向钻井系统

技术领域

[0001] 本公开大体设及例如在控类勘探和开采中的井孔的钻进。具体来说，本公开设及 对钻井组件进行定向的导向设备和导向致动器。

背景技术

[0002] 通常称为"井眼"和"钻孔"的井孔是为了多种目的而产生，包括为多种自然资源的 地下储藏进行定位的钻井勘探，为提取运些储藏的矿业操作，W及为安装地下设施的建筑 项目。通常的误解是所有的井孔都是与钻井架竖直对齐的;然而，许多应用需要具有竖直偏 移和水平几何结构的井孔的钻井。用于钻取水平、竖直偏移、和其它复杂井孔的一种已知技 术是定向钻井。定向钻井通常表现为一种钻井工序，其特征为地下井孔的进程的至少一段 处于并非完全竖直的方向-即其轴线与竖直平面成一定角度(称为"竖直偏移"），且沿方位 角平面定位。

[0003] 常用的定向钻井技术通常由钻井装置操作，钻井装置推动或导向一系列相连的钻 杆且在其远端具有可定向的钻头，从而实现井孔的几何形状。在地下控类储藏(例如石油和 天然气）的勘探和采收中，定向井孔通常是由附接到底部钻具组合(或称BHA)的一端的可旋 转的钻头钻成。可导向BHA可包括，例如正排量马达(PDM)或"泥浆马达"、钻挺、较刀、冲击 器、W及扩大井眼的井底扩孔工具。稳定器可附接到BHAW控制BHA的弯曲W使钻头指向所 需方向（倾角和方位角）dBHA转而附接到管件组件的底部，管件组件通常包括连接管或相对 柔性的"可缠绕"管件，也称为"盘绕管件"。运种定向钻井系统-即操作性互相连接的管件、 钻头、及BHA-可称为"钻柱"。当连接管被应用于钻柱时，可通过从地面旋转连接管，或通过 操作BHA中包含的泥浆马达，或通过二者旋转钻头。与之相反，采用盘绕管件的钻柱大体是 经由BHA中的泥浆马达旋转钻头。

[0004] 定向钻井通常需要随着井眼的钻进而控制和改变井眼的方向。定向钻井的目的通 常是使钻柱到达目标地层终点中的位置。例如，钻井方向可控制为将井眼引导至所需目标 终点，从而将井眼控制为水平W使其保持在所需产油层中，或者将不想要或不需要的偏移 更正为需要的或预定的路径。钻井操作中通常需要频繁调整井眼的方向，或是为了适应计 划中的方向变化，或是为了补偿井眼的非计划或不期望的偏移。不期望的偏斜可由多种因 素导致，一些非限制性示例包括正被钻井的地层的特性、底部钻具组合的组成、及井眼进行 钻井的方式。

[0005] 多种选择可用于为钻井工具提供导向性能，从而控制和改变井眼的方向。例如在 定向钻井应用中，一个选择是将弯壳或弯头井底钻井马达附接到钻柱的一端作为导向工 具。在需要导向时，钻柱的钻杆段可保持不旋转，而钻井马达可指向所需方向并按"滑动钻 进"模式进行钻井和导向操作。在不需要导向时，钻柱和钻井马达可按"旋转钻进"模式一同 旋转。此种选择的一个优点是其相对简单。然而此种选择的一个缺点是，导向通常受到滑动 钻井模式的限制。此外，旋转钻井模式中的井孔的平直度会受到弯曲钻井马达的影响。而 且，由于钻柱在滑动钻井中不旋转，其更易受到井眼中的粘着的影响，特别是当井眼对竖直 方向的偏转角度增加时，导致穿透速率的降低。

[0006] 定向钻井也可由"旋转式可导向"钻井系统实现，其中整个钻柱从地面进行旋转， 钻柱转而旋转连接到钻柱端部的底部钻具组合(包括钻头）。在旋转式可导向钻井系统中， 在钻柱可旋转的同时，钻井工具被指向或被导向装置推向所需方向（直接或间接)而进行导 向。一些旋转式可导向钻井系统包括相对于钻柱不旋转的部件，从而为导向装置的所需方 向和安装位置提供参照点。可选地，旋转式可导向钻井系统可为"完全旋转"。旋转式可导向 钻井系统的一些优点是它们可提供较高的导向精确度，且它们不需要按滑动钻井模式操作 W提供导向性能。此外，穿透的速率趋于更大，而钻头和套管的磨损通常会减少。然而，旋转 式可导向钻井系统是比较复杂的设备，且趋于比它们的常规同等设备更加昂贵。

[0007] 作为第Ξ种选择，定向钻井可通过使用旋转式可导向钻井和滑动钻井的组合来实 现。旋转式可导向钻井会W通常方式执行，直到需要井眼的方向改变时为止。此时，钻柱的 旋转停止，而通过使用井底马达的滑动钻井开始。虽然使用滑动和旋转钻井的结合能够对 井眼的方向进行令人满意的控制，还是会遇到与滑动钻井相关的许多问题和缺点。

[0008] 已进行多种尝试，W提供针对运些问题的旋转式可导向钻井系统。现有技术的旋 转式可导向钻井设备的数个示例公开在美国专利No.6,769,499化dward J.Cargill等人） 和美国专利No. 7，413，034化ennedy Kir化ope)中，二者作为援引分别W其整体合并于本文 用于各种目的。然而在公开的运些多种构造中，对单个致动器的维护通常需要打开导向工 具，运通常是非常复杂而耗时的工序。由于环境侵蚀和其它有害效果，导向系统的内部液压 的暴露通常也是不期望有的。此外，每个致动器在被替换后必须在井场进行测试W确保功 能正常，运增加了停机时间和维修成本。对于改进和简化旋转式可导向钻井构造，减少维护 成本和停机时间，简化安装和测试，并使工具对环境的暴露最小化仍然存在需求。

发明内容

[0009] 本公开的多个方案设及模块化旋转式可导向致动器，其将提供导向致动器的功能 所需的所有部件封装在安装到导向工具外部的单个筒部中。在一些构造中，模块化致动器 是自包含设备，其具有累、蓄液器、压力补偿器活塞、电磁控制阀、和致动器活塞，所有运些 都封装在共同的外壳中。通过限制到电控制逻辑的外部连接，模块化致动器可减少泄漏点 并允许"闲置时"的筒部的充油和检验。前述构造还允许仅用电控制和位置反馈连接从导向 工具外部简易替换独立致动器。模块化致动器还提供液压致动器的益处和性能，因其没有 现有技术的定向导向系统通常有关的"井场处"的维护复杂性。另一个优点是能够储存完整 的替换致动器筒部，用于快捷而轻易地替换在用的筒部，W使导向工具迅速返回到井底就 绪。液压回路的隔离还有助于简化对系统压力的区分。另一个优点是能够使用更多共同筒 部W扩展为更大的工具。

[0010] 本公开的一些实施例设及用于钻进井孔的导向工具。导向工具可用于例如钻井竖 直和/或非竖直井孔。导向工具为液压机械工具，具有多个自包含的、单独致动的、周向间隔 开的模块化致动器。导向工具设计为整合在钻柱中。导向工具可按多种不同构造整合在钻 柱中，运些构造取决于例如计划的钻井应用。在一些构造中，导向工具构造为钻井马达的一 部分。导向工具也可适用为旋转式可导向钻井系统的部件。在一些构造中，导向工具适用为 完全旋转的旋转式可导向钻井系统的部件。

[0011] 本发明的多个方案设及用于对钻柱进行定向的模块化致动器，钻柱具有外壳和驱 动轴。模块化致动器包括筒部，构造为禪接到钻柱外壳的外周。蓄液器容置在筒部中。液压 致动的致动器活塞，滑动地、至少部分地设置在筒部内，且能够在第一位置与第二位置之间 移动。液压控制系统也容置在筒部中且将蓄液器流体禪接到致动器活塞。液压控制系统构 造为调节致动器活塞在第一位置与第二位置之间的移动，使得活塞移动驱动轴从而改变钻 柱的方向。

[0012] 根据本公开的其它多个方案提供了一种导向工具，用于在地层中钻进井孔时对钻 柱进行定向。钻柱包括驱动轴和斜板。导向工具包括管状外壳，具有外表面且限定外壳孔， 外壳孔构造为通过其中接收驱动轴。导向工具还包括多个模块化致动器，围绕外壳的外表 面周向间隔开。每个模块化致动器包括:筒部，禪接到外壳的外表面；蓄液器，密封在筒部 中；液压致动的致动器活塞，滑动地、至少部分地设置在筒部内，致动器活塞能够在未激活 位置与激活位置之间移动；W及液压控制系统，密封在筒部中且将蓄液器流体禪接到致动 器活塞。液压控制系统构造为调节致动器活塞在未激活位置与激活位置之间的移动，使得 活塞选择性地移动驱动轴从而改变钻柱的方向。

[0013] 根据本公开的多个方案还提供了一种旋转式可导向钻井系统。旋转式可导向钻井 系统包括钻柱和管状外壳，管状外壳操作性地禪接到钻柱的远端。管状外壳具有外表面和 外壳孔。驱动轴，贯穿管状外壳，且包括多个斜坡面。钻头经由驱动轴旋转地禪接到管状外 壳。旋转式可导向钻井系统还包括导向控制器和多个模块化致动器，模块化致动器围绕外 壳的外表面周向间隔开，每个模块化致动器包括:筒部，禪接到外壳的外表面;电连接器，电 连接模块化致动器与导向控制器;蓄液器，密封在筒部中；液压致动的致动器活塞，滑动地、 至少部分地设置在筒部内，致动器活塞能够在未激活位置与激活位置之间移动；W及液压 控制系统，密封在筒部中且将蓄液器流体禪接到致动器活塞，液压控制系统构造为调节致 动器活塞从未激活位置到激活位置的移动，使得活塞挤压驱动轴的斜坡面从而改变钻柱的 方向。

[0014] 上述发明内容并非旨在呈现本公开的每个实施例或每个方案。与之相反，上述发 明内容仅提供本文陈述的一些新颖方案和特征的示例。根据下文的用于实施本发明的示例 性实施例和模式的详细描述，结合附图和所附权利要求，上述特征和优点及本公开的其它 特征和优点会是显而易见的。

附图说明

[0015] 图1是根据本公开的多个方案的示例性钻井系统的原理图。

[0016] 图2是根据本公开的多个方案的示例性底部钻具组合(BHA)的原理图。

[0017] 图3是示例性旋转导向工具组件的立体图，其中封盖部被移除W示出外部安装的 根据本公开多个方案的模块化旋转式可导向致动器。

[0018] 图4是图3的示例性旋转导向工具组件的另一幅立体图，其中外壳的多个部分被移 除W示出四个周向隔开的模块化致动器。

[0019] 图5是根据本公开的多个方案的模块化旋转式可导向致动器的一个示例的立体 图。

[0020] 图6是图5的模块化旋转式可导向致动器沿5-5线的剖面立体图。

[0021] 图7是根据本公开的多个方案的四轴线模块化旋转式可导向致动器系统的原理图 表。

[0022] 虽然本公开受到多种改型和可选形式的影响，附图中的多个特定实施例是作为示 例示出且在本文中详细描述。然而应理解的是，本公开并非旨在限制于公开的特定形式。与 之相反，本公开包含所附权利要求限定的发明的精神和范围内的所有改型、等效、及替代。

具体实施方式

[0023] 虽然本发明受到多个不同形式的实施例的影响，本发明在附图中示出的且将在本 文中详细描述的多个实施例应理解为，本公开应被视为本发明的原理的范例，而非旨在将 本发明的广泛方案限制于所示的实施例。在此意义上，在例如摘要、发明内容、具体实施方 式等段落公开的但在权利要求中并未明确陈述的多个元件和限制，其单体或全体不应作为 暗示、援引等合并入权利要求中。对于本具体描述，除非特定否定，单数形式包括复数形式， 反之亦然；词汇"和"及"或"既是连词也是反义连词；词语"全部"意指"任何且全部"；词语 "任何"意指"任何且全部"；W及词语"包括"意指"非限定性地包括"。而且，本文中使用的近 似性的词语，例如"大约"、"几乎"、"大致"、"近似"等，可表示例如"在，接近，或近似在"或 巧其3-5%之内"或巧可允许的制造公差之内"或其任何逻辑结合。

[0024] 现在参照附图，其中多幅附图通篇的相似附图标记指的是相似的部件，图1示出了 根据本公开的多个方案的示例性定向钻井系统，由附图标记10总体指出。许多公开的构思 的论述设及用于地下控类储藏(如石油或天然气）的勘探和/或开采的钻井操作。然而，公开 的构思不限于此，而可应用于其它钻井操作。为此目的，本公开的多个方面不必限制于图1 和图2中呈现的装置和部件。例如，本文呈现的多个特征和方案可应用于水平钻井应用和竖 直钻井应用而不偏离本公开的预定范围和精神。此外应理解的是，附图不一定按比例且纯 粹提供为描述性目的；因此，附图中呈现的独立和相关尺寸和取向不应被视为限制。关于多 种定向钻井系统的额外信息可在例如公开号为2010/0259415Al(Michael Strachan等人）、 名为"具有多个切削结构的钻井系统的性能预测的方法和系统"（Method and System for Predicting Performance of a Drilling System Having Multiple Cutting S化uctures)的美国专利申请中找到，该申请作为援引W整体方式合并于本文用于各种目 的。

[0025] 图1中示出的定向钻井系统10包括塔或如本领域中通常所称的"塔架"11，塔架11 由塔架底板12支撑。塔架底板12支持旋转台14,旋转台14W所需转速被驱动，例如通过原动 机(未示出）的操作经由链式驱动系统驱动。旋转台14转而将必须的旋转力提供到钻柱20。 钻柱20包括钻杆段24,且从旋转台14向下延伸到定向井孔26中。如附图中所示，井孔26可沿 多维路径或"轨迹"行进。图1的井孔26的底部54的Ξ维方向由指向矢量52表示。

[0026] 钻头50附接到钻柱20的远端，即井底端。当钻头50(例如经由旋转台14)旋转时，其 操作为打碎并大体瓦解地质地层46。钻柱20禪接到"绞车"起重设备30,例如通过滑轮系统 (未示出）由转换接头21、转环28、及线缆29进行禪接。绞车30可包括多种多个部件，包括转 鼓、一个或多个马达、减速器、主制动器、及辅制动器。在钻井操作中，绞车30在一些实施例 中可操作为控制钻头50的钻压和钻柱20穿入井孔26的速率。绞车30的操作大体是已知的， 因此在本文中不再详述。

[0027]在钻井操作中，适当的钻井流体(本领域中通常称为"泥浆"）31可在压力下由液压 "泥浆累"34从泥浆坑32循环出，通过钻柱20进入井孔26中。钻井流体31可包括例如通常包 括水-粘±基础组分的水基泥浆(WBM)、基础流体为石油产品（如柴油）的油基泥浆(0BM)、基 础流体为合成油的合成基泥浆(SBM)，W及气态钻井流体。钻井流体31从泥浆累34经由流体 导管(通常称为"泥浆管线"）38和转换接头21流入钻柱20。钻井流体31在井孔底部54通过钻 头50中的开口或喷嘴进行排放，通过钻柱20与井孔26的侧面之间的环形空间27朝向地面沿 "井上"方向循环。钻井流体31在接近旋转台14时经由回流管线35被排放到泥浆坑32中。适 当部署于井孔26的地面上的多种地面传感器48单独操作或与部署在井孔26中的井底传感 器70、72协作，W提供与钻井相关参数有关的信息，例如流体流速、钻压、起吊负荷等，运将 在下文中详细描述。[00%]地面控制单元40可从地面和井底传感器和装置经由传感器或变换器43 (可置于流 体导管38上)接收信号。地面控制单元40可操作为根据提供给地面控制单元40的程序化指 令处理运些信号。地面控制单元40可经由一个或多个输出装置42(例如显示器、计算机监视 器、扬声器、灯等)为操作员提供所需的钻井参数和其它信息，运可被操作员用于控制钻井 操作。地面控制单元40可包含计算机、用于储存数据的存储器、数据记录器、及其它已知的 和W下展开的外部设备。地面控制单元40还可包括多个模块且可根据程序化指令处理数 据，并响应通过适当的输入装置44输入的用户命令，输入装置44的性质可为键盘、触屏、话 筒、鼠标、操纵杆等。

[0029] 在本公开的在一些实施例中，可旋转的钻头50附接在可导向钻井底部钻具组合 (BHA)22的远端。在所示的实施例中，BHA 22禪接在钻头50与钻柱20的钻杆段24之间。BHA 22可包括具有各种传感器的随钻测量(MWD)系统(如图1中的附图标记58概括性标记），从而 提供关于地层46和井底钻井参数的信息。BHA 22中的MWD传感器可包括但不限于，用于测量 接近钻头处的地层电阻率的装置、用于测量地层伽马射线强度的伽马射线装置、用于确定 钻柱的倾角和方位角的装置、W及用于测量井底钻井流体压力的压力传感器。MWD还可包括 用于测量震动、振动、扭矩、遥感等的附加/可选感测装置。上述装置可将数据传输到井底传 输器33,井底传输器33转而将数据向井上传输到地面控制单元40。在一些实施例中，BHA 22 还可包括随钻测井(LWD)系统。

[0030] 在一些实施例中，泥浆脉冲遥感技术可在钻井操作中用于与井底传感器和装置进 行数据通信。泥浆脉冲遥感技术的示例性方法和设备在美国专利No. 7, 106,210B2 (化ristopher A.Golla等人）中描述，其作为援引W整体形式合并于本文。可使用其它已知 遥感方法而不偏离本公开的预期范围，包括电磁遥感、声学遥感、及有线钻杆遥感等。

[0031] 变换器43可置于流体导管38中，W响应于井底传输器33传输的数据而探测泥浆脉 冲。变换器43转而生成电信号(例如响应于泥浆压力变化)并将运些信号传输到地面控制单 元40。可选地，可使用其它遥感技术，例如电磁和/或声学技术或任何其它已知或W下展开 的适当技术。作为示例，硬线缆钻杆可用于地面与井底装置之间的通信。在另一个示例中， 可使用上述技术的结合。如图1在所示，地面传输器接收器80使用例如上述传输技术(如泥 浆脉冲遥感技术)与多个井底工具通信。运可实现地面控制单元40与下文描述的多个井底 工具之间的双向通信。

[0032] 根据本公开的多个方案，BHA 22可部分地或全部地提供钻头50打穿地层46所需的 力(称为"钻压"），并为井孔26的钻进提供必须的定向控制。在图1和图2中示出的实施例中， BHA 22可包括钻井马达90W及纵向间隔开的第一和第二稳定器60和62。稳定器60、62中的 至少一个可为可调整稳定器，可操作为协助控制井孔26的方向。可选的径向式可调整稳定 器可用于可导向定向钻井系统10的BHA 22中，W调整BHA 22相对于井孔26的轴线的角度。 与常规的固定直径稳定器可用的范围相比，径向式可调整稳定器提供更大范围的定向调整 性能。由于能够在井底调整BHA 22,不用起钻进行更换，运样的调整可显著节省井架时间。 然而，即使是径向式可调整稳定器也仅提供有限范围的定向调整。关于可调整稳定器和它 们在定向钻井系统中的使用的更多相关信息可见于公开号为2011/0031023A1 (Clive D .Menezes等人）、题为"井孔钻进设备、系统、和方法"（Borehole Drilling Apparatus , Systems，and Methods)的美国专利申请，其作为援引W整体形式合并于本文。

[0033] 如图2的实施例中所示，钻头50与第一稳定器60之间的距离（如^表示）可为确定 BHA 22的弯曲特性的因素。类似地，第一稳定器60与第二稳定器62之间的距离（如L2表示） 可为确定BHA 22的弯曲特性的另一个因素 。BHA 22的钻头50处的偏斜是距离^的非线性函 数，从而^的较小变化可明显改变BHA 22的弯曲特性。通过多个可径向移动的稳定刃，钻头 50处的下落角或造斜角(例如A或B)可由位置P处的稳定器造成。如果将稳定器60从P轴向移 动到P/，则钻头50的偏斜可从A增加到y或从B增加到B/。具有轴向和径向调节性的稳定器 可显著扩大定向调整的范围，从而节省将BHA 22改变为不同构造所需的时间。在一些实施 例中，稳定器可轴向移动。第二稳定器62的位置和调整性为BHA 22的调整增加了额外的灵 活性W实现BHA 22的所需弯曲，从而实现所需井孔曲率和方向。在运样的情况下，第二稳定 器62可具有与第一稳定器60相同的功能。虽然是W二维示出，稳定刃的适当调整性也可提 供BHA 22的Ξ维转动。

[0034] 图3示出了用于地层中的井孔钻进的类型的钻柱系统100的一部分。图3的钻柱系 统100由底部钻具组合(BHA)llO和W附图标记112整体表示的旋转导向工具组件呈现。图3 的钻柱系统100可具有多种形式、选择性构造、及可选功能，包括上文参照图1和2中示例的 定向钻井系统10描述的那些，且因此可包括任何对应的选择和特征。而且，仅示出钻柱系统 100经选择的部件并在下文中另外详细描述。然而，本文论述的钻柱系统，包括对应的BHA和 导向工具构造，可包括数种附加的、可选的、及其它已知外围部件而不偏离本公开的预期范 围和精神。鉴于运些部件是本领域已知的，将不会在下文中进一步详细描述。

[0035] 在图3所示的实施例中，导向工具112被构造为钻井马达114的一部分，钻井马达 114具有马达外壳116和马达驱动轴118(见图4,本文中也称为"驱动轴"）。在运样的示例中， 导向工具112底座Chassis)是驱动链的一部分，致动器导向机构和电子器件包(例如图7的 导向控制器160)可安装到该驱动链中。可W想到，导向机构和电子器件可制作为可从导向 工具112外侧完全用提供必须的机械支持的工具底座替换。可选地，导向工具112可构造为 旋转式可导向钻井系统的部件，该旋转式可导向钻井系统是导向工具112与钻柱可旋转地 连接的类型。在运样的构造中，外壳116将是导向工具112的一部分，导向工具112将配备可 选的井孔接合装置，从而在钻柱旋转时禁止导向工具112旋转。可选地，导向工具112可构造 为完全旋转的旋转可导向钻井系统的部件，运可为导向工具112固定连接在钻柱中的类型。

[0036] 可旋转的钻头(例如图1的钻头50)位于钻柱系统100的远端，从图3的细长的管状 外壳116突出。管状外壳116可操作地附接或禪接(例如通过顶部接头(未示出））到钻杆或钻 柱（例如可为图1的钻杆段24的一部分）的远端。底部（或"钻头"）接头120将泥浆马达组件 114的驱动轴118禪接到钻头。通过使用随钻测量(MWD)工具(例如图1的MWD 58)，定向钻井 机可将钻头导向到所需目标层。如图4所示，斜板122W-定角度安装到驱动轴118上，接近 外壳116。如下文将详细描述的，斜板122可操作为从驱动轴118获取机械动力W协助产生模 块化致动器124A-124D的液压动力。

[0037] 图3的马达组件114可为正排量马达(PDM)组件，其性质可为出自德克萨斯州的休 斯敦的哈利伯顿化alliburton)的Sp引TyDrill饭或Sp引TyDrill®)(L/XLS系列的正排量马 达组件。在运样的示例中，PDM马达组件114包括具有内部通道的多叶定子(未示出），该内部 通道中设有多叶转子(未示出）dPDM组件114根据莫诺(Moineau)原理操作-基本上，当加压 流体被迫使进入PDM组件并通过定子与转子之间形成的一系列螺旋形通道时，作用于转子 的加压流体导致转子在定子中的章动和旋转。如下文将进一步展开的，转子的旋转产生对 钻头的旋转驱动力。

[0038] 转子的远端经由驱动轴118和钻头接头120禪接到可旋转的钻头，从而来自转子的 偏屯、动力作为同屯、动力被传输到钻头。W运样的方式，PDM马达组件114可为钻头提供驱动 机构，运在一些实例中至少部分地独立于钻柱产生的任何旋转运动(例如经由塔架杆中和/ 或图1的塔架底板12上的旋转台14的顶部驱动的旋转)而完成。定向钻井也可由钻柱100的 旋转在谓PDM组件114提供动力的同时执行，由此增加可用的扭矩和钻头速度。钻头可为多 种形式，包括镶金刚石钻头和特化的聚晶金刚石复合片(PDC)钻头设计，例如从德克萨斯州 的休斯敦的哈利伯顿可获得的FX和FS系列™钻头。

[0039] 图3中示出的外壳116的外表面117限定多个细长的空腔119,空腔119彼此平行地 相对于钻柱100纵向延伸。在所示的实施例中，外壳116中存在四个空腔119,其中只有两个 在附图中可见，还有两个空腔位于外壳116的与所示空腔相对的侧面上。模块化致动器124 嵌套在每个空腔119中，且如下文将详细展开地，可操作为在钻井操作中对钻柱100进行定 向。如图4中所示，有四个模块化致动器124A、124B、124C和124D围绕外壳116的外周彼此周 向等距间隔开。在至少一些实施例中，所有模块化致动器124A-124D是结构相同的。可选的 致动器防护罩126可用于覆盖并保护每个模块化致动器124A-124D。虽然示出了四个模块化 致动器124A-124D，旋转导向工具组件112可包含比所示数量更多或更少的模块化致动器。

[0040] 每个模块化致动器124A-124D分别包括被构造为禪接到外壳116的外周的各个筒 部128A、128B、128C和128D。如图5和图6所示，例如筒部128包括:细长管状体，通过其中形成 有窗口 130; W及一对活塞132和134,可滑动地至少部分设置在筒部128中。第一活塞132(本 文中也称为"累活塞"）从细长管状体128的井上纵向端突出，而第二活塞134(本文中也称为 "致动器活塞"）滑过并至少部分地阻塞窗口 130(例如在从未激活位置移动到激活位置）。如 图4最佳所示，窗口 130设计为配合在互补的、从驱动轴118向外径向突出的轴坡140上，且窗 口 130中接收轴坡140。轴坡140可由轴承142安装在驱动轴118上。附加的附接装置可用于将 每个筒部128A-128时几械禪接到外壳116和/或驱动轴118。有利地，在至少一些实施例中，筒 部128A-128D可移除地禪接到外壳116,例如为了安装和维护的便利。

[0041] 在所示的示例中，第一活塞132面向"井上"并沿着与第二活塞134的共同轴线大体 直线平动，第二活塞134面向"井底"并大体向井底直线平动。活塞132、134分别能够从第一 "未激活"位置（例如图帥的132'和134'）移动到第二"激活"位置（例如图帥的132"和 134")，并返回。每个模块化致动器124A-124D接触斜板122的一部分。例如，图4中所示的第 一致动器124A的累活塞132A最初接合斜板122的最上部中屯、部分;第二致动器124B的累活 塞132B最初接合斜板122的最右部分，最右部分是从第一致动器124A接触斜板122处顺时针 大致90度的部分；图4中所示的第Ξ致动器124C的累活塞132C最初接合斜板122的最左部 分，最左部分是从第一致动器124A接触斜板122处逆时针大致90度的部分；W及，图4中所示 的第四致动器124D的累活塞132D最初接合斜板122的最底部中屯、部分，最底部中屯、部分是 从第一致动器124A接触斜板122处顺时针大致180度的部分。可选的衬套148在一个示例中 示出为柱形聚合物帽部，禪接到接近斜板122的活塞132的远端，且可操作为分配斜板的角 度导致的负载。

[0042] 图3和图4示出的可认为是通常的X-Y导向系统。根据一些实施例，每个平面需要至 少两个模块化致动器124。作为非限制性示例，第一模块化致动器124A的激活向井底推动或 移动致动器活塞134A，使得活塞134A的斜坡面分别向下挤压轴坡140中的相应的一个，从而 使驱动轴118重定向。相同平面的相对致动器的致动器活塞，即此例中的第四模块化致动器 124D，会同时通过对应的复位弹黃缩回。运样做时，第一模块化致动器124A操作为对驱动轴 118进行导向或定向，而钻柱系统100因此沿图4的巧由竖直向下。为了将钻柱系统100导向或 定向为沿图4的Y轴竖直向上，第四模块化致动器124D被激活同时第一模块化致动器124A的 致动器活塞被允许缩回。将钻柱系统100导向或转动为右转向（例如朝向图4的左下角)包括 激活第二模块化致动器124B同时使第Ξ模块化致动器124C致动器活塞能够缩回。相对地， 将钻柱系统100转动为左转向（例如朝向图4的右上角），包括激活第Ξ模块化致动器124C同 时使第Ξ模块化致动器124B致动器活塞能够缩回。

[0043] 在需要更大力度的应用中（例如对于更大的工具），钻柱系统100可使用附加的和/ 或更大的模块化致动器124。例如，可通过使用与初始模块化致动器124(例如图4中示出的 四个)的略微不同面的多个附加的模块化致动器124作用于多个附加的轴坡140, W实现更 大的力度。还可想到的是，提供旋转导向工具组件112,其使用少于四个模块化致动器124用 于定向导向性能。如上所述，导向的方向可通过将轴推动或移动到导向所需的方向来确定， 或通过弯曲球型支持件之间的轴来确定(在运种情况下，致动器被操作为与推动相反的方 向上导向）。

[0044] 第一复位弹黃136将第一活塞132偏压向未激活位置132'，而第二复位弹黃138将 第二活塞134偏压向未激活位置134'。旋转导向工具组件112可为"常开"设计。作为非限制 性示例，第二复位弹黃138将致动器活塞134偏压向未激活位置134"。在运样的可选构造中， 当模块化致动器124之一为未激活或被置为不可操作时，对应的致动器活塞134经由复位弹 黃138被偏压离开轴坡140且朝向未激活位置134'，而致动器活塞134的斜坡面不会通过轴 坡140将导向力施加到驱动轴118。在所有未激活模块化致动器128被偏压为没有与驱动轴 118进行导向接合的情况下，旋转导向工具组件112处于常开的"失效安全"构造，运有助于 确保导向系统默认为笔直向前的状态(例如在导向电子器件失效时）。所示的第一复位弹黃 136被装载到筒部128的侧窗144中，而筒部128安装在内部油性环境146之外W使筒部128内 的可用油性空间最大化。

[0045] 根据本公开构思的多个方案，每个独立的模块化致动器124均包含所有必须的机 械和液压部件W操作为液压旋转式可导向致动器(例如在单个平面中）。转到图7,例如每个 模块化致动器124A-124D分别包括各自的筒部128A-128D，从筒部128A-128D分别突出各自 相对的活塞132A-132D和134A-134D。第一活塞Γ累活塞"H32A-132D分别从筒部128A-128D 的"井上"端纵向突出W选择性地接合斜板122,而第二活塞134A-134D至少部分地设置在筒 部128A-128D中并可滑动来选择性地挤压抵靠在驱动轴118上（例如通过多个互补的轴坡 140) W使轴118位移(例如直接地或弯曲地)并促使钻井方向改变。第一复位弹黃136A-136D 将第一活塞132A-132D偏压向未激活位置，且第二复位弹黃138A-138D将第二活塞134A- 134D偏压向未激活位置。总体来说，图5的模块化致动器124A-124D可彼此结构相同，而在至 少一些实施例中可具有上文参照图3和图4中所例示的定向钻井系统100描述的多种形式、 可选构造和功能性替代物(并且反之亦然）。

[0046] 图7中各W附图标记150A、150B、150C和150D表示的多个液压控制系统被包含在每 个筒部128A-128D中，且在一些实施例中被流体密封在筒部128A-128D中。蓄液器152A-152D (或"补偿油容量也包含在筒部128A-128D中，且在一些实施例中流体密封在筒部128A- 128D中。液压控制系统150A-150D将蓄液器152A-152D流体禪接到活塞132A-132DU34A- U4D，并调节其间的流体流动。在一些非限制性实施例中，图7的每个液压控制系统150A- 150D包括液压导管154A-154D，其用于流体禪接液压控制系统150A-150D的多个独立部件并 分配其间的液压流体。累156A-15抓包括累活塞132A-132C，且构造为移动流体并因而增加 致动器活塞134A-134C上的流体压力。单向入口和排气阀166A-166D(例如提升阀）设置在累 活塞132A-D与蓄液器152A-152D之间。

[0047] 液压控制系统150A-150D构造为调节或控制致动器活塞134A-134D在各自的未激 活位置与激活位置之间的移动，从而改变钻柱100的方向，例如参照图3和图4描述的。根据 所示的实施例，每个液压控制系统150A-150D包括减压阀158A-158D (例如调节为系统最大 压力），W及构造为减少或移除静液压力的蓄能器/补偿器162A-162D。脉冲宽度调制器 (PWM)阀组件164A-164D可为具有高-底压力释放(pressure bleed)计量构造的nm提升阀 的性质，可用于控制对致动器活塞134A-134D的流体压力。PWM技术可用于操作控制为释放 到储槽的单动式电磁阀，并随后操作系统压力和致动器活塞134A-134D的行进。在可选的构 造中，多通路定向控制阀或其它已知装置可用于控制流体压力。在至少一些实施例中，模块 化致动器124A-124D的特征为没有至钻柱100的钻杆段W从那里接收钻井流体的流体禪接。 在运方面，虽然所有致动器124A-124D接合驱动轴118W实现对钻柱100的定向变化，液压控 制系统150A-150D可彼此独立地进行操作。

[0048] 钻柱系统100还包括致动器导向机构和电子器件包，本文中W图7的导向控制器 Γ脑部"）160示意性表示。每个模块化致动器124A-124D分别包括从筒部128A-128D接收和/ 或传输信号的电连接器(或"电簇"）168A-168D。电连接器168A-168D可包括多插槽电引线连 接器、带式接触器、无线通信器、和/或其它已知连接器，且操作为电禪接模块化致动器 124A-124D(即液压控制系统150A-150D)与导向控制器160。作为非限制性示例，每个电连接 器168A-168D将PWM电源和PWM接地提供到P歷阀组件164A-164D，并将POT信号通信W及POT 电源和POT接地提供到位置传感器170A-170C。位置传感器可为线性电位计的性质，整合在 筒部128A-128D中且构造为中继或发射表示与钻柱100的位置相关联的反馈数据的信号。

[0049] 对于将完整的致动器实现为单个筒部并使用外部的"脑部"W对致动器的状态进 行电控制所必需的多个部件，将每一个运些部件进行封装与现有技术的旋转式可导向系统 相比提供了数个好处。例如，本文公开的至少一些构造允许在井场对液压导向系统进行维 护，而不用将致动器液压暴露到环境中。新的/替代的筒部的引入可便捷且轻松地使导向工 具的功能回到"如同新的一样"的状态。此外，筒部的标准化可提供减少存货种类的机会，优 化筒部设计，W及由供货方提供的已充油、已测试、并准备好进行安装的完整密封封装的可 能性。

[0050]虽然示出和描述了本公开的多个特定实施例和应用，应理解本公开并非限制于本 文公开的严格构造和组成，而且在不偏离所附权利要求限定的精神和范围的前提下，对于 前述描述的多种改型、变化、和改变是显而易见的。