井下侧孔钻探

摘要

本发明公开了一种从主井开始钻探侧孔的系统。该系统包括马达组件(415)，该组件包括用于产生转矩的马达(412)；用于产生轴向力的轴向推力器(411)；用于将所述马达和轴向推力器固定于井下的固定系统(410)。该马达组件还包括用于传递所述转矩的传动轴(414)。所述系统还包括第一和第二连接器(402、404)，用于将转矩和轴向力从马达组件传递到钻柱组件。所述第一连接器可连接至所述钻柱组件以仅将轴向力传递到所述钻杆(401)而将转矩传递到位于钻杆内的另一传动轴(405)。所述第二连接器(402)可连接至所述钻柱组件以将轴向力和转矩两者传递到所述钻杆(401)。

权利要求

1.一种用于从主井开始钻探侧孔的系统，该系统包括：马达组件(415)，该马达组件包括：用于产生转矩的马达(412)；用于产生轴向力的轴向推力器(411)；用于将所述马达和轴向推力器固定于井下的固定系统(410)；和用于传递所述转矩的传动轴(414、514、614)；和用于将所述转矩和轴向力从所述马达组件传递到钻柱组件的连接器(402、404、504、

602)，所述钻柱组件包括钻杆(401、501、601)和钻头(403)，所述连接器在马达组件和钻杆内侧之间提供流体连通通道(416、516、616)；其中所述连接器是第一连接器(404、504)或第二连接器(402、602)之一，所述第一连接器可连接至所述钻柱组件以仅将轴向力传递到所述钻杆而将转矩传递到位于钻杆内的另一传动轴(405、505)，所述第二连接器可连接至所述钻柱组件以将轴向力和转矩两者传递到所述钻杆。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述马达(412)位于所述主井内。

3.如权利要求2所述的系统，其中，还包括：

所述钻柱组件，该钻柱组件连接至所述第一连接器，该钻柱组件包括：用于传递轴向力的所述钻杆(401、501)；和用于传递转矩的所述另一传动轴(405、505)，所述另一传动轴位于所述钻杆内，以及所述钻头(403)。

4.如权利要求3所述的系统，其中：

所述侧孔的一部分包括具有确定曲率半径的弯曲孔(710)；

所述钻柱组件包括与所钻取的侧孔的壁接触的三个触点(702)，这三个触点限定了钻杆角度以便钻探所述弯曲孔。

5.如权利要求4所述的系统，其中，还包括：

用于将轴向力从所述钻杆(705)传递到所述钻头(707)的推力轴承(708)，所述钻头位于所述另一传动轴(703)的端部；

用于在所述钻杆内支承所述另一传动轴的挠曲的滑动轴承系统(711)。

6.如权利要求5所述的系统，其中，所述马达(704)是电动的。

7.如权利要求2所述的系统，其中，还包括：

所述钻柱组件，该钻柱组件连接至所述第二连接器(402、602)，该钻柱组件包括用于传递轴向力和转矩两者的所述钻杆(401、601)；以及 所述钻头(403)。

8.如权利要求1所述的系统，其中，还包括：

用于在所述侧孔(904)的截面内定位所述钻头(903)的至少一个可变直径稳定器(905、906、1001、1002)；

用于从远距离位置处机械控制一组稳定器参数中的至少一个稳定器参数的控制装置，所述一组稳定器参数包括一确定的可变直径稳定器的直径尺寸、所述侧孔内第一稳定器和标记装置之间的距离、至少两个可变直径稳定器(905、906、1001、1002)的相互协同的回缩、以及所述确定的可变直径稳定器的方位角半径，其中所述标记装置是其它稳定器或者钻头中的任一者。

9.如权利要求8所述的系统，其中，还包括：

用于控制所述一组稳定器参数中的至少一个稳定器参数的单个控制单元。

10.如权利要求9所述的系统，其中，该系统包括：配置槽(1025)；

可以通过所述控制装置被移位的配置标示件(1021)，所述配置标示件可以在一组设定位置(i、j、k、l、m、n)中选择希望的设定位置，其中：

所述一组设定位置包括至少三个设定位置；

每个设定位置对应于所述至少一个稳定器参数的一个确定值。

11.如权利要求10所述的系统，其中，该系统包括两个可变直径稳定器(905、906、

1001、1002)，其中，这两个可变直径稳定器能够以协同工作方式设定。

12.如权利要求11所述的系统，其中，还包括用于测量所述两个可变直径稳定器(905、

906)之一的直径的霍尔效应传感器(907)。

13.如权利要求1-12中任何一项所述的系统，其中，该系统在所述钻头(1201)的附近区域还包括至少一个微传感器(1207、1208)，所述至少一个微传感器测量所述钻头相对于参照方向的定向。

14.如权利要求1、2或7所述的系统，其中，

所述钻杆(1301、1401)是挠性的，以便在传递转矩和轴向力时弯曲；

所述系统还包括：具有用于在弯曲部支承所述钻杆(1301、1401)的旋 转支承件(1306、1406)的弯曲引导件(1305)。

15.如权利要求14所述的系统，其中：

所述旋转支承件是由带轮(1407)支承的带(1406)。

16.如权利要求2所述的系统，其中，还包括：

位于井下用于泵送钻探流体的泵(1804)。

17.如权利要求16所述的系统，其中：

所述钻探流体可以通过所钻取的侧孔(1501)和所述钻柱组件(1503)之间的环形空间(1504)从所述主井(1502)循环到所述钻头(1507)；

所述钻探流体可以通过所述流体连通通道(1506)从所述钻头循环到所述主井。

18.如权利要求17所述的系统，其中：

所述钻头(1607)包括允许所述钻头(1607)处产生的钻屑通过钻头(1607)被排出的钻头孔(1603)；

所述钻头(1607)包括主刮片(1601)以确保切削效果。

19.如权利要求16所述的系统，其中，还包括：位于所述侧孔(1702、1802)的输出口处的通道(1704、1810)，该通道可以将钻探流体的流从所述侧孔引导到所述主井(1703、1803)中。

20.如权利要求19所述的系统，其中，还包括：用于迫使所述钻探流体循环通过所述通道(1810)的密封装置(1811)。

21.如权利要求19或20所述的系统，其中，所述通道(1704)朝向下方。

22.如权利要求16、19或20所述的系统，其中，还包括：用于从所述钻探流体中分离出钻屑的过滤装置(1805、1901)，该过滤装置位于井下。

23.如权利要求22所述的系统，其中，还包括：压实器(1903、1904)，其位于所述过滤装置(1901)中，用于定期地压实过滤出的钻屑(1905、1906)。

24.如权利要求22所述的系统，其中，还包括：自调系统(1902、1909)，其位于所述过滤装置(1901)中，用于根据过滤出的钻屑(1905、1906)的大小将它们分类，以避免所述过滤出的钻屑堵塞所述过滤装置。

25.如权利要求16、19或20所述的系统，其中，还包括：容器(2004)，其位于所述主井(2002)中，用于在所述侧孔(2001)下方收集钻屑。

26.如权利要求16所述的系统，其中，还包括：钻屑收集器单元(2100)，其包括外壳(2102)和用于将钻屑拖入所述外壳内的螺杆(2101)。

27.如权利要求16所述的系统，其中，还包括：用于沿管(2207)产生辅助循环流的地面泵(2204)，所述辅助循环流将所述钻头(2207)处产生并由主循环流从所述钻头带到辅助循环流的钻屑带到地面。

28.如权利要求26所述的系统，其中，还包括：流引导件(2301)，其允许所述主循环流以相对较高的流动速度在所述侧孔(2303)和管(2304)之间循环，以避免钻屑的沉降。

29.如权利要求1所述的系统，其中，所述马达(412)位于所钻取的侧孔中。

30.一种从主井开始钻探侧孔的方法，该方法包括：将马达(412)和轴向推力器(411)固定在井下，所述马达和轴向推力器分别产生转矩和轴向力；

设置连接器(402、404、504、602)，用于将转矩和轴向力从马达组件(415)传递到钻柱组件，所述马达组件包括所述马达、所述轴向推力器和一传动轴(414、514、614)，所述钻柱组件包括钻杆(401、501、601)和钻头(403)；

其中：

所述连接器在所述马达组件和所述钻杆内侧之间提供流体连通通道(416、516、616)；

所述连接器是第一连接器(404、504)或第二连接器(402、602)之一，所述第一连接器可连接至所述钻柱组件以仅将轴向力传递到所述钻杆而将转矩传递到位于所述钻杆内的另一传动轴(405、505)，所述第二连接器可连接至所述钻柱组件以将轴向力和转矩两者传递到所述钻杆。

31.如权利要求30所述的方法，其中，所述马达(412)位于所述主井内。

32.如权利要求31所述的方法，其中，所述钻杆(401、501)传递轴向力，而所述另一传动轴(405、505)将转矩传递到所述钻头(403)。

33.如权利要求32所述的方法，其中，还包括：控制所述侧孔的弯曲孔(710)的有效半径，所述控制通过将弯折模式与直线模式结合来完成，其中：在所述弯折模式下，所述钻柱组件的三个触点(702)接触所钻取的侧孔的壁，以钻探弯曲孔；并且在所述直线模式下，进行以下步骤：

将所述钻杆(705)旋转第一角度；

在第一确定期间，将转矩和轴向力传递到所述钻头(707)；

将所述钻柱组件回拉一确定距离；

将所述钻杆旋转第二角度；

在第二确定期间，将转矩和轴向力传递到所述钻头。

34.如权利要求33所述的方法，其中，所述控制通过将所述弯折模式和直线模式与喷射模式结合来完成，所述喷射模式包括设置一流体喷口(712)以沿确定方向有选择地冲蚀地层(713)。

35.如权利要求31所述的方法，其中，所述钻杆(401、601)将转矩和轴向力两者传递到所述钻头(403)。

36.如权利要求30所述的方法，其中，还包括：从远距离位置机械控制一组稳定器参数中的至少一个稳定器参数，所述一组稳定器参数包括一确定的可变直径稳定器的直径尺寸、第一稳定器和标记装置之间的距离、至少两个可变直径稳定器(905、906、1001、1002)的回缩、以及所述确定的可变直径稳定器的方位角半径，其中所述标记装置是其它稳定器或者钻头中的任一者。

37.如权利要求36所述的方法，其中，还包括：在配置槽(1025)中移动配置标示件(1021)，以在包括至少三个设定位置的一组设定位置(i、j、k、l、m、n)中选择希望的设定位置，每个设定位置对应于所述至少一个稳定器参数的一个确定值。

38.如权利要求30、31或35所述的方法，其中：所述钻杆(1301、1401)是挠性的，以便在传递转矩和轴向力时弯曲；

所述钻杆在弯曲部由包括旋转支承件(1306、1406)的弯曲引导件(1305) 支承。

39.如权利要求30-37中任何一项所述的方法，其中，所述方法还包括利用位于所述钻头附近区域的至少一个微传感器(1207、1208)监测所述钻头(1201)相对于至少一个参照方向的定向。

40.如权利要求31所述的方法，其中，还包括：利用位于井下的泵(1804)产生向所述钻头(1807)的钻探流体循环。

41.如权利要求40所述的方法，其中：

所述钻探流体通过所钻取的侧孔(1501)和所述钻柱组件(1503)之间的环形空间(1504)循环到所述钻头(1507)；

所述钻探流体从所述钻头通过所述流体连通通道(1506)循环。

42.如权利要求40所述的方法，其中，所述方法还包括引导所述侧孔(1702、1802)的输出口处的钻探流体通过具有预定定向的通道(1704、1810)。

43.如权利要求42所述的方法，其中，所述钻探流体被向下引导。

44.如权利要求40、41、42或43所述的方法，其中，还包括在井下从所述钻探流体中过滤钻屑。

45.如权利要求44所述的方法，其中，还包括在过滤装置(1901)内压实过滤出的钻屑(1905、1906)。

46.如权利要求44所述的方法，其中，还包括根据过滤出的钻屑(1905、1906)的大小对其进行分类，以避免过滤出的钻屑堵塞过滤装置(1901)。

47.如权利要求40、42或43所述的方法，其中，还包括在所述侧孔(2001、2114)下方的位置上收集井下的钻屑。

48.如权利要求40所述的方法，其中，还包括：沿着管(2207)产生辅助循环流，该辅助循环流可以将在所述钻头(2207)处产生并由主循环流从所述钻头带到辅助循环流的钻屑带到地面。

49.如权利要求30所述的方法，其中，所述马达(412)位于所钻取的侧孔中。

说明书

井下侧孔钻探

技术领域

[0001] 本发明一般地涉及由主井钻探侧孔。

背景技术

[0002] 侧孔钻探已经成为构建井道的新钻探方法。利用侧孔钻探可以进入例如油气层或蓄水层等地下储层的更多区域。侧孔钻探方法被证实可以适用于高烃类粘滞性、低渗透性地层、高度分层的储层等情况。侧孔钻取方法还使得可以在例如象海上平台那样的井槽有限的情况下到达储层。

[0003] 通常利用钻探设备由主井开始钻探侧孔。在地面处产生转矩，并且该转矩传递到井下钻柱。在地面处使用泵的情况下，也可以利用液压转换器在井下产生转矩。要施加在钻柱端部处的钻头上的轴向力可以利用沿着主井的垂直或者对角部分的钻柱的重量来产生。

[0004] 为了钻探侧孔也可以使用盘管(coiled tubing)。注入头将盘管推入主井。可以在盘管的端部设置若干工具，一般有钻铤、定向工具、可转向马达以及钻头。转矩和轴向力施加在钻头上。转矩利用可转向马达的液压转换器来产生，同时在地面上使用泵。轴向力可以利用所述工具或者甚至是盘管的重量来产生。轴向力也可以通过注入头在地面处产生。

[0005] 近年来的一些用于钻探小型侧孔的系统利用马达在井下产生转矩。在绝大多数情况下，侧孔的钻探分两个步骤完成。在第一个步骤中，利用第一钻探系统钻探出小半径弯曲的孔。当获得希望的方向时，从侧孔中移出第一钻探系统，并利用第二钻探系统大致沿着所确定的方向钻探侧孔。

[0006] 第一钻探系统可以是可转向马达，所述马达被弯曲以沿着曲线进行钻探。

[0007] 可转向马达

[0008] 图1示出了现有技术中的可转向马达的示意图。可转向马达101包括钻杆105和连接钻头的传动轴103。钻杆105被弯曲以便钻探弯曲孔。在钻探过程中，可转向马达101被压在所钻取的孔的底壁上：利用三个触点102的相对位置确定弯曲孔的要求半径。

[0009] 在地层松软的情况下，可转向马达可能钻探出具有相对较大横截面的钻孔。因此，所得到的弯曲孔具有比要求半径更大的有效半径。为了控制有效半径，触点102可以设置在对应于相对较小的要求半径的位置上。可转向马达101既可以用于弯折模式(angled mode)也可以用于直线模式(straightmode)。

[0010] 在弯折模式下，位于可转向马达内的液压转换器104，例如分级腔马达(progressive cavity motor)，利用钻探流体(未示出)的循环来旋转传动轴103。由此钻头107旋转。钻杆105保持在同一方位角位置并传递轴向力。传动轴103的下部利用轴承106支撑，以将轴向力从钻杆105传递到钻头107。从而所得到的弯曲孔以大于或者等于要求半径的有效半径弯曲。

[0011] 如果有效半径小于所希望的半径，则可以在直线模式下使用可转向马达101，即，钻杆105本身旋转。弯曲角度不能设定在优选的方向上，从而钻探出基本上沿直线方向的较大的孔。当与弯折模式结合时，直线模式可以用于控制弯曲孔的有效半径。

[0012] 钻探的方向控制

[0013] 在钻探过程中，诸如可转向马达之类的井底组件(bottom holeassembly)可以包括稳定器。稳定器可以用于将钻杆定位在孔中。稳定器还可以使得能够沿向上方向或者沿向下方向进行钻探。

[0014] 图2示出了现有技术中的稳定器。稳定器202包括围绕钻柱201并且倚靠在所钻取的孔的内壁204上的叶片。因此，稳定器202将钻柱201的中心基本上保持在所钻取的孔的截面中心处。钻柱的重量可能导致钻柱变型。由此钻柱201可以沿着由稳定器的相对纵向位置和钻柱201的重量确定的方向进行钻探。

[0015] 图3A示出了现有技术中用于钻探侧孔的井底组件的直线配置。钻头303位于井底组件的钻柱301的端部。三个稳定器302a、302b、302c围绕钻柱301处于不同位置。稳定器302a、302b、302c将钻头303的中心保持在所钻取的孔304的截面中心处，以确保相对直线地进行钻探。

[0016] 图3B示出了现有技术中用于钻探侧孔的井底组件的下垂配置。第一稳定器302a和第二稳定器302b围绕钻柱301。由于第一稳定器302a和第二稳定器302b距离钻柱301端部的钻头303相对较远，所以钻柱301在其自身重量作用下挠曲，从而使得钻头303沿着向下方向钻探孔304。

[0017] 图3C示出了现有技术中用于钻探侧孔的井底组件的上升配置。第一稳定器302a和第二稳定器302c围绕钻柱301。第一稳定器302a和第二稳定器302c彼此相距相对较长距离，并且第二稳定器302c相对靠近钻柱301端部的钻头303。稳定器302a、302c之间的一段钻柱301的重量使得钻柱301在稳定器302a、302c之间向下弹性挠曲。因此，钻头303被向上推，并沿向上方向钻探。

[0018] 当需要改变方向时，需要将钻柱拉出井道，以便移动稳定器。为了避免将钻柱拉出，可以设置可变直径的稳定器。可变直径的稳定器的直径可以在不同位置之间改变。位置的改变涉及到以下机械系统：在井底组件中仅可以设置一个不同直径的可变直径稳定器。位置的改变可以由地面来指示。

[0019] 可变直径稳定器的设定一般通过机械以及流事件来控制，例如，轴向力的施加、转矩的移除、流的施加、由于施加流而造成的压降等等。利用机械以及流事件的先后顺序来设定正确的稳定器位置。例如，机械系统一般包括可以在沿着井底组件的周向的内槽中滑动的键。该键可以根据机械以及流事件的先后顺序在上方位置和下方位置之间滑动。当键处在上方位置时，传动系统允许可变直径稳定器的叶片缩回。当键处在下方位置时，传动系统将该叶片推压到所钻取的孔的壁上。传动系统可以是间接连接到该叶片的轴，或者是锥形的内管。

[0020] 因此，可以在地面确定钻探是沿着直线方向还是其它方向进行。所述其它方向可以是向上方向或者向下方向，取决于可变直径稳定器的相对纵向位置。

[0021] 具有可变直径稳定器的井底组件可以包括如图3A中所示的三个稳定器，其中三个稳定器中的一个是可变直径稳定器。该可变直径稳定器可以是最靠近钻头的稳定器。在这种情况下，可变直径稳定器的直径回缩提供了类似于图3B中所示的配置。由此，可以根据可变直径稳定器的直径沿着直线方向或者向下方向钻探。

[0022] 类似地，可变直径稳定器可以位于其它稳定器之间。在这种情况下，可变直径稳定器的直径回缩提供了类似于图3C所示的配置。由此，可以根据可变直径稳定器的直径沿直线方向或者向上方向钻探。

[0023] 钻探方向的监测

[0024] 控制侧孔钻探的方向还需要监测钻头的钻探方向。这样的监测通常通过在井底组件上提供随钻测井(MWD)工具来进行。MWD工具可以包括加速度计系统和磁力计系统。加速度计系统包括至少一个加速度计。加速度计可以测量钻杆相对于地球重力矢量的倾斜度。磁力计系统包括至少一个磁力计，该磁力计可以测量钻杆相对于地球磁场的方位角。

[0025] 加速度计系统可以包括三个加速度计，这三个加速度计可以测量相对地球重力矢量的三个不同倾斜度，从而提供钻杆位置的三维测量结果。

[0026] 磁力计系统可以包括三个磁力计，这三个磁力计可以测量相对于地球磁场的三个不同方位角。MWD工具可以同时包括三个加速度计和三个磁力计。

[0027] MWD工具一般利用声学遥测技术与地面联系。MWD工具一般距离钻头相对较远，例如25米。由于这一距离，MWD提供的测量的准确性相对较低，因为MWD下方的侧孔曲率是未知的。

[0028] 极短半径钻探

[0029] 在极短半径钻探情况下，可以使用被固定在主井中的马达和将转矩和轴向力传递到钻头的挠性轴。挠性轴在主井与所钻取的侧孔之间的肘弯处基本上被垂直弯曲。在主井中设置引导系统，以便在肘弯处传递转矩和轴向力。

[0030] 可以对引导系统进行润滑以减小挠性轴与造斜器之间的接触压力。

[0031] 引导系统一般为造斜器。

[0032] 国际申请WO99/29997公开了一种系统，其中轴套被使用在肘弯处，用于使挠性轴挠曲并转动而同时允许通过挠性轴进行旋转和轴向运动。

[0033] 流和钻屑处理

[0034] 钻孔产生需要被处理掉的钻屑。这例如可以如下来完成。地面的泵通过中空的钻探工具注入钻探流体，例如钻探泥浆。钻探流体到达钻探工具的钻头并通过钻探工具与所钻取的孔之间的环形空间被排出。钻探流体的粘度足以将钻头处产生的钻屑带到地面上。地面的泥浆振动筛可以从钻探流体中分离出钻屑。

发明内容

[0035] 在第一方面中，本发明提供了一种用于从主井开始钻探侧孔的系统。该系统包括马达组件，该马达组件包括：用于产生转矩的马达；用于产生轴向力的轴向推力器；用于将所述马达和轴向推力器固定于井下的固定系统。该马达组件还包括用于将所述转矩的传动轴。所述系统还包括用于将所述转矩和轴向力从所述马达组件传递到钻柱组件的连接器。所述钻柱组件包括钻杆和钻头。所述连接器在马达组件和钻杆内侧之间提供流体连通通道。所述连接器是第一连接器或第二连接器之一。所述第一连接器可连接至所述钻柱组件以仅将轴向力传递到所述钻杆而将转矩传递到位于钻杆内的另一传动轴。所述第二连接器可连接至所述钻柱组件以将轴向力和转矩两者传递到所述钻杆。

[0036] 在第一优选实施例中，所述马达位于所述主井内。

[0037] 在第二优选实施例中，所述系统还包括所述钻柱组件。该钻柱组件连接至所述连接器。该钻柱组件包括：用于传递轴向力的所述钻杆和用于传递转矩的所述另一传动轴。所述另一传动轴位于所述钻杆内。所述系统还包括所述钻头。

[0038] 在第三优选实施例中，所述侧孔的一部分包括具有确定曲率半径的弯曲孔。所述钻柱组件包括与所钻取的侧孔的壁接触的三个触点。这三个触点限定了钻杆角度以便钻探所述弯曲孔。

[0039] 在第四优选实施例中，所述系统还包括用于将轴向力从所述钻杆传递到所述钻头(707)的推力轴承。所述钻头位于所述另一传动轴(703)的端部。所述系统还包括用于在所述钻杆内支承所述另一传动轴的挠曲的滑动轴承系统。

[0040] 在第五优选实施例中，所述马达是电动的。

[0041] 在第六优选实施例中，所述系统还包括所述钻柱组件。该钻柱组件连接至所述连接器。该钻柱组件包括用于传递轴向力和转矩两者的所述钻杆。所述系统还包括所述钻头。

[0042] 在第七优选实施例中，所述系统还包括用于在所述侧孔(904)的截面内定位所述钻头的至少一个可变直径稳定器。所述系统还包括用于从远距离位置处机械控制一组稳定器参数中的至少一个稳定器参数的控制装置。所述一组稳定器参数包括一确定的可变直径稳定器的直径尺寸、所述侧孔内第一稳定器和标记装置之间的距离、至少两个可变直径稳定器(905、906、1001、1002)的相互协同的回缩、以及所述确定的可变直径稳定器的方位角半径，其中所述标记装置是其它稳定器或者钻头中的任一一个。

[0043] 在第八优选实施例中，所述系统还包括用于控制所述一组稳定器参数中的至少一个稳定器参数的单个控制单元。

[0044] 在第九优选实施例中，所述包括配置槽和可以通过所述控制装置被移位的配置标示件。所述配置标示件可以在一组设定位置中选择希望的设定位置。所述一组设定位置包括至少三个设定位置。每个设定位置对应于所述至少一个稳定器参数的一个确定值。

[0045] 在第十优选实施例中，所述系统还包括可以以协同工作方式设定的两个可变直径稳定器。

[0046] 在第十一优选实施例中，所述系统还包括用于测量所述两个可变直径稳定器之一的直径的霍尔效应传感器。

[0047] 在第十二优选实施例中，所述系统在所述钻头的附近区域还包括至少一个微传感器。所述至少一个微传感器可以测量所述钻头相对于参照方向的定向。

[0048] 在第十三优选实施例中，所述钻杆是挠性的，以便在传递转矩和轴向力的同时弯曲。所述系统还包括具有用于在弯曲部支承所述钻杆的旋转支承件的弯曲引导件。

[0049] 在第十四优选实施例中，所述旋转支承件是由带轮支承的带。

[0050] 在第十五优选实施例中，所述系统还包括位于井下用于泵送钻探流体的泵。

[0051] 在第十六优选实施例中，所述钻探流体可以通过所钻取的侧孔和所述钻柱组件之间的环形空间从所述主井循环到所述钻头。所述钻探流体可以通过所述流体连通通道从所述钻头循环到所述主井。

[0052] 在第十七优选实施例中，所述钻头包括允许所述钻头处产生的钻屑通过钻头被排出的钻头孔。所述钻头包括主刮片以确保切削效果。

[0053] 在第十八优选实施例中，所述系统还包括位于所述侧孔(1702、1802)的输出口处的通道。该通道可以将钻探流体的流从所述侧孔引导到所述主井中。

[0054] 在第十九优选实施例中，所述系统还包括用于迫使所述钻探流体循环通过所述通道的密封装置。

[0055] 在第二十优选实施例中，所述通道朝向下方。

[0056] 在第二十一优选实施例中，所述系统还包括用于从所述钻探流体中分离出钻屑的过滤装置。该过滤装置位于井下。

[0057] 在第二十二优选实施例中，所述系统还包括压实器，其位于所述过滤装置中，用于定期地压实过滤出的钻屑。

[0058] 在第二十三优选实施例中，所述系统还包括自调系统，其位于所述过滤装置中，用于根据过滤出的钻屑的大小将它们分类，以避免所述过滤出的钻屑堵塞所述过滤装置。

[0059] 在第二十四优选实施例中，所述系统还包括容器，其位于所述主井中，用于在所述侧孔下方收集钻屑。

[0060] 在第二十五优选实施例中，所述系统还包括钻屑收集器单元，其包括外壳和用于将钻屑拖入所述外壳内的螺杆。

[0061] 在第二十六优选实施例中，所述系统还包括用于沿管(2207)产生辅助循环流的地面泵。所述辅助循环流可以将所述钻头处产生并由主循环流从所述钻头带到辅助循环流的钻屑带到地面。

[0062] 在第二十七优选实施例中，所述系统还包括流引导件，其允许所述主循环流以相对较高的流动速度在所述侧孔和所述管之间循环，以避免钻屑的沉降。

[0063] 在第二十八优选实施例中，所述马达位于所钻取的侧孔中。

[0064] 在第二方面，本发明提供一种从主井开始钻探侧孔的方法。该方法包括将马达和轴向推力器固定在井下。所述马达和轴向推力器分别可以产生转矩和轴向力。设置连接器，用于将转矩和轴向力从马达组件传递到钻柱组件。所述马达组件包括所述马达、所述轴向推力器和一传动轴。所述钻柱组件包括钻杆和钻头。所述连接器在所述马达组件和所述钻杆内侧之间提供流体连通通道。所述连接器是第一连接器或第二连接器之一。所述第一连接器可连接至所述钻柱组件以仅将轴向力传递到所述钻杆而将转矩传递到位于所述钻杆内的另一传动轴。所述第二连接器可连接至所述钻柱组件以将轴向力和转矩两者传递到所述钻杆。

[0065] 在第二十九优选实施例中，所述马达位于所述主井内。

[0066] 在第三十优选实施例中，所述方法还包括控制所述侧孔的弯曲孔的有效半径。所述控制通过将弯折模式与直线模式结合来完成。在所述弯折模式下，所述钻柱组件的三个触点接触所钻取的侧孔的壁，以钻探弯曲孔。在所述直线模式下，进行以下步骤：将所述钻杆旋转第一角度；在第一确定期间，将转矩和轴向力传递到所述钻头；将所述钻柱组件回拉一确定距离；将所述钻杆旋转第二角度；在第二确定期间，将转矩和轴向力传递到所述钻头。

[0067] 在第三十一优选实施例中，所述控制通过将所述弯折模式和直线模式与喷射模式结合来完成。所述喷射模式包括设置一流体喷口以沿确定方向有选择地冲蚀地层。

[0068] 在第三十二优选实施例中，所述钻杆将转矩和轴向力两者传递到所述钻头。

[0069] 在第三十三优选实施例中，所述方法还包括从远距离位置机械控制一组稳定器参数中的至少一个稳定器参数。所述一组稳定器参数包括一确定的可变直径稳定器的直径尺寸、第一稳定器和标记装置之间的距离、至少两个可变直径稳定器的回缩、以及所述确定的可变直径稳定器的方位角半径，其中所述标记装置是其它稳定器或者钻头中的任一一个。

[0070] 在第三十四优选实施例中，所述方法还包括在配置槽中移动配置标示件，以在包括至少三个设定位置的一组设定位置中选择希望的设定位置。每个设定位置对应于所述至少一个稳定器参数的一个确定值。

[0071] 在第三十五优选实施例中，所述钻杆是挠性的，以便在传递转矩和轴向力的同时弯曲。所述钻杆在弯曲部由包括旋转支承件的弯曲引导件支承。

[0072] 在第三十六优选实施例中，所述方法还包括利用位于所述钻头附近区域的至少一个微传感器监测所述钻头相对于至少一个参照方向的定向。

[0073] 在第三十七优选实施例中，所述方法还包括利用位于井下的泵产生向所述钻头的钻探流体循环。

[0074] 在第三十八优选实施例中，所述钻探流体通过所钻取的侧孔和所述钻柱组件之间的环形空间循环到所述钻头。所述钻探流体从所述钻头通过所述流体连通通道循环。

[0075] 在第三十九优选实施例中，所述方法还包括引导所述侧孔的输出口处的钻探流体通过具有预定定向的通道。

[0076] 在第四十优选实施例中，所述钻探流体被向下引导。

[0077] 在第四十一优选实施例中，所述方法还包括在井下从所述钻探流体中过滤钻屑。

[0078] 在第四十二优选实施例中，过滤出的钻屑在过滤装置内被压实。

[0079] 在第四十三优选实施例中，过滤出的钻屑被根据其而分类，以避免过滤出的钻屑堵塞所述过滤装置。

[0080] 在第四十四优选实施例中，所述方法还包括在所述侧孔下方的位置上收集井下的钻屑。

[0081] 在第四十五优选实施例中，沿着管(2207)产生辅助循环流。该辅助循环流可以将在所述钻头处产生并由主循环流从所述钻头带到辅助循环流的钻屑带到地面。

[0082] 本发明的其它方面和优点在以下描述和所附权利要求中将显见。

附图说明

[0083] 图1示出现有技术的可转向马达的示意图。

[0084] 图2示出现有技术的稳定器的示图。

[0085] 图3A示出现有技术的井底组件的直线配置的示图。

[0086] 图3B示出现有技术的井底组件的下垂配置的示图。

[0087] 图3C示出现有技术的井底组件的上升配置的示图。

[0088] 图4示出根据本发明第一实施例的侧孔钻探系统的示例的示图。

[0089] 图5示出根据本发明的侧孔钻探系统的双重传动配置的示例的示图。

[0090] 图6示出根据本发明的侧孔钻探系统的旋转传动配置的示例的示图。

[0091] 图7示出根据本发明第二实施例的可转向装置的示例的示图。

[0092] 图8A和8B示出利用根据本发明的可转向装置在直线模式下钻取的孔的截面的示例。

[0093] 图9示出根据本发明第三实施例的第一种示范系统的示例。

[0094] 图10A示出根据本发明第三实施例的第三种示范系统的横截面。

[0095] 图10B示出根据本发明第三实施例的第三种示范系统的棘轮系统的示例。

[0096] 图10C示出根据本发明第三实施例的第三种示范系统的下控制套筒的示例。

[0097] 图10D示出根据本发明第三实施例的第三种示范系统的上控制套筒的示例。

[0098] 图10E示出图10所示第三种示范系统的设定表。

[0099] 图10F示出根据本发明第三实施例的第三种示范系统的J-槽的示例。

[0100] 图11示出根据本发明第三实施例的第五种示范系统的示图。

[0101] 图12示出根据本发明第四实施例的井底组件的示图。

[0102] 图13A示出根据本发明第五实施例的钻探系统的示例。

[0103] 图13B示出根据本发明第五实施例的弯曲系统的第一示例的示图。

[0104] 图14A和14B示出根据本发明第五实施例的弯曲系统的第二示例。

[0105] 图15示出根据本发明第六实施例的钻探系统的示例。

[0106] 图16示出根据本发明第六实施例的钻头的示例。

[0107] 图17示出根据本发明第七实施例的钻探系统的示例。

[0108] 图18示意性地示出根据本发明第八实施例的钻探系统的示例。

[0109] 图19示出根据本发明第九实施例和本发明第十实施例的过滤装置的示例。

[0110] 图20示出根据本发明第十一实施例的钻探系统的示例。

[0111] 图21A示出根据本发明第十二实施例的钻屑收集器单元的示例的示图。

[0112] 图21B示出根据本发明第十二实施例的钻探系统的示例。

[0113] 图22示出根据本发明第十三实施例的流循环系统的示例的示图。

[0114] 图23示出根据本发明第十四实施例的流引导器的示例的示图。

具体实施方式

[0115] 图4示出了根据本发明第一实施例的侧孔钻探系统的示例。该系统包括马达组件415，马达组件415包括产生转矩的马达412、产生轴向力的轴向推力器411、将马达412和轴向推力器411固定在井下的固定系统(blockingsystem)410、以及传递转矩的传动轴414。该系统还包括用于将转矩和轴向力从马达组件415传递到钻柱组件的连接器402、
404。钻柱组件包括转杆401和钻头403。

[0116] 连接器在马达组件415和钻杆401内侧之间提供流体连通通道416。流体可以在由第二马达(图4中未示出)驱动的泵(图4中未示出)的作用下穿过流体连通通道416。泵和第二马达一般安装在马达412上方。

[0117] 在第一种选择中，连接器可以是可连接至钻柱组件以便仅将轴向力传递到钻杆401的第一连接器404。当使用第一连接器404时，马达412处产生的转矩被传递到位于钻杆内的另一传动轴405。轴向力可以通过轴向轴承406传递到钻头403。第一连接器404可以连接至马达组件415的壳体409。钻探流体可以在钻柱组件内通过所述另一传动轴405和钻杆401之间的环形空间进行循环。这样的双重传动配置使得可以钻探弯曲孔：由于转矩通过所述另一传动轴405来传递，所以钻杆401可以相对容易地支撑弯曲应力。

[0118] 在第二种选择中，连接器可以是可连接至钻柱组件的第二连接器402。第二连接器402可以向钻杆401传递轴向力和转矩两者。向钻杆401的轴向力传递可以利用轴向轴承407和中间杆408来实现。这样的旋转传动配置特别适用于沿直线方向钻探：在弯曲的钻孔中，旋转中的钻杆可能接触所钻取的侧孔或者主井的壁，从而降低钻探的效率。第二连接器402可以连接至马达组件415的壳体409。利用旋转传动配置，钻探流体可以在钻柱组件中通过钻杆401以及通过中间杆408进行循环。

[0119] 根据本发明的系统包括固定在井下的马达412。转矩和轴向力向钻头403的传递可以根据钻探目标(一般是所钻取的孔的希望半径)来改变。根据本发明的系统可以配置成钻探弯曲孔或者直孔。对于弯曲孔，优选使用双重传动配置：第一连接器404可以连接至马达组件415。对于直孔，第二连接器402可以连接至马达组件415。但是，第一连接器可以用于钻探直孔，第二连接器402也可以用于钻探弯曲孔。在后一种情况下或者在第二连接器402用于在弯曲孔之后钻探直孔的情况下，旋转的钻杆401或者旋转的中间杆408可能接触孔壁。旋转的钻杆401或旋转的中间杆408可以由主井弯向侧孔，或者在侧孔中弯曲。在以下段落中将描述可以利用弯曲的旋转钻杆钻探弯曲孔的本发明第五实施例。

[0120] 优选，马达固定在主井中，而钻头钻探侧孔。

[0121] 或者，马达固定在侧孔中。这样可以使用相对较短的钻柱，这可以避免在进一步钻探侧孔的过程中短钻柱在所钻取的孔的弯曲部分中旋转。

[0122] 转矩的传递包括旋转的传递以及扭矩的传递。

[0123] 固定装置可以包括第一组侧臂，用于固定推力器。第一组侧臂位于推力器的端部。第二组侧臂可以设置成靠近钻头。当钻头的相对位移幅度足够大时，第二组侧臂固定钻头。
然后第一组侧臂闭合，从而不固定推力器。推力器可以被操作以减小与钻头的距离，第一组侧臂打开以再次固定推力器，并且第二组侧臂闭合。该操作提供了与钻柱的轴向位移无关的轴向力。

[0124] 图5示出了根据本发明的侧孔钻探系统的双重传动配置的示例。图中仅示出该系统的一部分。第一连接器504将钻杆501连接至壳体509。

[0125] 壳体509传递在推力器(未示出)处产生的轴向力。从而钻杆504将轴向力传递到钻杆501端部的钻头(未示出)。

[0126] 马达(未示出)处产生的转矩通过传动轴514传递到端部安装着钻头的另一传动轴505。因此传动轴514和所述另一传动轴505两者都旋转。传动轴514可以用固定在壳体509中的轴承(图5中未示出)来引导。

[0127] 第一连接器504提供用于循环钻探流体的流体连通通道516。在钻探操作过程中，钻探流体可以被泵送通过系统。钻探流体可以通过流体连通通道516循环以到达钻头并通过系统与钻孔之间的环形空间排出。图5上的大箭头表示钻探流体的可能的循环。

[0128] 图6示出根据本发明的侧孔钻探系统的旋转传动配置的示例。图中仅示出系统的一部分。第二连接器602将钻杆601连接到壳体609。

[0129] 壳体609传递推力器(未示出)处产生的轴向力。第二连接器602经由轴向轴承607将轴向力传递到中间杆608。中间杆608将轴向力传递到端部安装有钻头(未示出)的钻杆601。

[0130] 传动轴614将马达(未示出)处产生的转矩传递到中间杆608，从而传递到钻杆601。由此传动轴614、中间杆608和钻杆旋转。钻杆601将轴向力和转矩两者都传递到钻头。

[0131] 第二连接器602提供用于循环钻探流体的流体连通通道616。在钻探操作过程中，钻探流体可以被泵送通过系统。钻探流体可以通过流体连通通道616循环，到达钻头并通过系统与所钻取的孔之间的环形空间被排出。图6中的大箭头表示钻探流体的可能的循环。

[0132] 这样的旋转传动配置特别适用于沿直线方向钻探。

[0133] 本发明的钻探系统还可以成侧向配置(未示出)来使用，其中，马达固定在从主井开始的侧孔中。在侧向配置中，钻柱可以具有相对较短的长度。双重传动配置和旋转传动配置都可以使用。但是，优选使用旋转传动配置。钻探系统的固定系统可以包括具有衬垫的延伸臂。衬垫可以将钻探机械夹紧在所钻取的侧孔的壁上。衬垫可以具有相对较大的表面积以便减小接触压力。

[0134] 钻探系统还可以包括流动通道，该流动通道允许钻探流体在钻头和主井之间循环。

[0135] 可转向装置

[0136] 如图1所示的可转向马达包括位于钻杆中的液压转换器。液压转换器利用钻探流体的循环产生转矩，从而其相对较长，例如为3米。液压转换器包括刚性相对较大的部分，该部分在不受损情况下不能被弯曲。可转向马达的钻杆也相对较长，这使得不能钻探具有相对较短半径(例如小于10米)的弯曲孔。人们需要一种能够钻探较短半径弯曲的孔的可转向装置。

[0137] 图7示出根据本发明第二实施例的可转向装置的示例。可转向装置701包括弯曲的钻杆705和位于钻杆705端部的钻头707。钻头707可以通过传递转矩而旋转。转矩由位于主井709中的马达704产生。由于转矩产生在主井709中，所以可转向装置701的长度可以比现有技术中的短，从而该可转向装置可以在地层713中钻探具有较短半径的弯曲孔710。

[0138] 转矩可以通过穿过钻杆705的传动轴703传递到钻头707。钻杆705可以用于传递轴向推力器714处产生的轴向力。轴向力可以直接传递到钻头，或者如图7所示经由轴向轴承系统708(例如推力轴承系统)传递到传动轴703。

[0139] 传动轴703必须支承快速旋转并同时发生弯曲。因此，传动轴703在弯曲时具有挠性，而又可以将转矩从马达704传递到钻头707。由于传动轴703在钻杆705中弯曲，所以钻杆705可以包括低摩擦引导系统711，例如滑动轴承系统。一般，轴承711沿钻杆705基本上均匀地间隔开。轴承711可以包括允许钻探流体在传动轴703和钻杆705之间循环的通道(未示出)。传动轴703可以由钛制成，引导系统711可以是青铜的。

[0140] 钻杆705在弯曲的同时传递轴向力。钻杆705具有对应于孔的曲率的形状，并且与所钻取的孔相切：可以在塑性范围(plastic domain)内发生变形。

[0141] 由于马达704位于主井内，所以马达704可以与电线连接：马达704可以是电动的。

[0142] 优选，可转向马达可以包括马达传动轴(未示出)，用于将转矩从马达经由第一连接器(未示出)传递到传动轴。在这种情况下，该传动轴是另一传动轴。第一连接器可以在马达组件和钻杆内侧之间提供流体连通通道，所述马达组件包括所述马达、轴向推力器、固定系统和马达传动轴。第一连接器可以用第二连接器(未示出)替代，该第二连接器也在马达组件与钻杆内侧之间提供流体连通通道。第二连接器可以将转矩和轴向力两者传递到钻杆。

[0143] 但是，图7所示的可转向马达701包括仅用于将转矩从马达704传递到钻头707的单个传动轴703，和用于将轴向力传递到钻头707的单个钻杆705。可转向马达701也可能不能够可拆卸地连接第一连接器或第二连接器，以根据所要钻探的孔的希望半径改变转矩和轴向力向钻头707的传递。

[0144] 可转向装置701可以钻探具有较短半径的弯曲孔710。钻杆705弯曲，并且三个触点702位于包括钻杆和传动轴的钻柱组件上。当钻探弯曲孔710时，触点702接触所钻取的侧孔的壁。三个触点702限定出钻杆角度，以便能够钻探弯曲孔710。触点702的位置决定了弯曲孔710的要求半径。

[0145] 但是，在地层相对较松软的情况下，钻头可能钻探出与钻头相比超出尺寸的侧孔。所钻取的孔因此可能具有相对较大的直径：所钻取的孔的壁由此可能位于期望的壁的下方。由于可转向装置701位于所钻取的孔的底壁上，所以所钻取的弯曲孔的有效曲率半径的值可能大于对应于钻杆角度的要求半径。

[0146] 有效半径的控制可以通过将这种弯折模式与直线模式相结合来实现。在直线模式下，可转向装置701自身按第一角度定向。在第一确定期间内，马达704处产生的转矩和轴向力通过双重传动配置被传递给钻头707，这可以在具有第一方向的第一部分上钻探出第一孔。可转向装置701被拉回一确定距离，例如从第一部分被拉回。所述确定距离也可以大于或者小于第一部分的长度。可转向装置701然后按第二角度定向。在第二确定期间内，转矩和轴向力被传递给钻头，这可以对第一孔进行扩孔。

[0147] 这样的步骤可以按照任何顺序来进行，例如可以在拉回之前按第二角度旋转。可转向装置按第一角度旋转可以对于具有零值的第一角度来进行，即，可转向装置在进行上述步骤过程中可以仅按第二角度旋转一次。

[0148] 图8A和8B示出直线模式下所钻取的孔的截面的示例。图8A所示截面可以是执行上述步骤而钻取的。一般，第二角度大致等于180°，第二确定期间大致等于第一确定期间，这产生一个椭圆形孔81。如果重复上述步骤，则可转向装置在确定长度上钻探出椭圆形孔81。椭圆形孔具有比钻头直径更大的截面，并且具有相对恒定的方向。

[0149] 图8B示出直线模式下所钻取的孔的截面的第二示例。在这个示例中，转矩以及轴向力向钻头的传递是分四次进行的。例如，第二角度可以大致等于180°，第二确定期间可以大致等于第一确定期间，这产生一个椭圆形孔。然后，可转向装置被拉回并按第三角度旋转，该第三角度大致等于90°。在第三次钻探之后，可转向装置被拉回并按第四角度旋转。该第四角度大致等于180°。转矩和轴向力可以传递到钻头，并进行第四次钻探。这样的操作可以被重复。所得到的截面82大于钻头的直径。

[0150] 直线模式可以用于沿相对恒定的方向钻探，这使得所钻取的孔在确定的距离上相对较直。当与弯折模式结合时，在要求半径小于所希望的半径的情况下，直线模式可以控制弯曲孔的有效半径。

[0151] 或者，钻杆可以连续地从一个方向向相反方向振动。该振动导致钻杆整图地旋转，从而可以钻探直径大于钻头截面的圆柱形孔。

[0152] 如果地层松软，则可以在弯折模式上结合喷射模式，或者在已经与直线模式相结合的弯折模式上结合喷射模式。图7示出了这种喷射操作的一个示例。流体喷口712被设置用于沿确定方向冲蚀地层713。在图7所示示例中，钻头装备有不对称喷口配置。钻头不旋转，但是马达704可以定向传动轴703，从而将流体喷口712定向在希望的方向上。流体喷口712的方位角方向与马达704的参照方向之间的偏斜角可以测量得到。即使在松软地层中，喷射也可以钻探出沿预定轨迹的弯曲孔，其方向准确性高于利用钻头707的旋转进行的钻探。

[0153] 钻探方向的控制

[0154] 为了控制钻探的有效方向，可以设置稳定器以在侧孔的截面中定位钻头。具体而言，位于钻探系统的井底组件处的可变直径稳定器使得可以从远距离决定钻探是将沿着直线方向还是要改变方向。方向的改变使得可以根据井底组件的稳定器中可变直径稳定器的配置来沿向上方向或向下方向进行钻探。

[0155] 当操作者决定改变钻探方向时，机械处理可以将该决定传递给可变直径稳定器并实现该决定，从而可以选择两种可能方向中的一个。但是，如果要求改变到第三种不同的方向，例如在垂直方向是向下方向时要求改变到向上方向，则需要从井中取出井底组件。因此，需要一种更为灵活的方向控制系统。

[0156] 图9示出根据本发明第三实施例的第一种示范系统。

[0157] 井底组件的钻柱901端部处的钻头903可以钻探侧孔904。钻柱901被多个稳定器902、905、906围绕，其中，至少一个稳定器是可变直径稳定器905、906。所述至少一个可变直径稳定器905、906可以在侧孔904的截面内定位钻头903。根据本发明第三实施例的系统还包括用于从远距离位置机械控制一组稳定器参数中的至少一个稳定器参数的控制装置。所述一组稳定器参数包括确定的可变直径稳定器(图9中未示出)的直径尺寸、第一稳定器(图9中未示出)与标记装置(图9中未示出)之间的距离。标记装置可以是另一个稳定器或者钻头。所述的一组稳定器参数还包括至少两个可变直径稳定器905、906的回缩情况和确定的可变直径稳定器(图9中未示出)的方位半径(azimuthal radius)。

[0158] 图9所示的第一种示范系统可以从远距离位置，例如地面，控制两个可变直径稳定器905、906的回缩。

[0159] 两个可变直径稳定器905、906可以按协同工作的方式来设置。图9所示的第一种示范系统可以沿两个以上方向进行钻探。

[0160] 第一种示范系统可以仅包括两个具有可变直径的稳定器。或者，如图9所示，第一种示范系统可以包括三个稳定器，其中具有两个可变直径稳定器。一般，第一可变直径稳定器906靠近钻头903，第二可变直径稳定器905位于其它两个稳定器902、906之间。

[0161] 第一种示范系统包括具有多于两种设定位置的控制装置(图9中未示出)。每个设定位置对应于一个相关联的稳定器参数值。在如图9所示的使用三个稳定器902、905、906的配置中，稳定器参数可以描述所述至少两个可变直径稳定器905、906的回缩或伸展情况。因此，对应的控制装置包括至少三个设定位置：

[0162] -与第一可变直径稳定器906和第二可变直径稳定器905的标准尺寸位置相关联的第一设定位置；

[0163] -与第一可变直径稳定器906的不足尺寸位置以及第二可变直径稳定器905的标准尺寸位置相关联的第二设定位置；

[0164] -与第一可变直径稳定器906的标准尺寸位置以及第二可变直径稳定器905的不足尺寸位置相关联的第三设定位置。

[0165] 控制装置内还可以包括与第一可变直径稳定器906和第二可变直径稳定器905两者的回缩相关联的第四设定位置。

[0166] 如果选择第一设定位置，则第一可变直径稳定器906和第二可变直径稳定器905处于标准尺寸位置。由此，第一可变直径稳定器906和第二可变直径稳定体905向侧孔904的壁上施加接触压力，并沿相对较直的方向进行钻探。

[0167] 如果选择第二设定位置，则仅第一可变直径稳定器906回缩，这提供了类似于图3B所示的配置。由于钻柱901的重量作用，钻头903的中心朝向向下方向。钻探沿向下方向进行。

[0168] 仅将第二可变直径稳定器905设定在不足尺寸位置，即，仅第二可变直径稳定器905回缩，则所得到配置类似于图3C所示的配置。由于钻柱901的重量的作用，钻头903的中心朝向向上方向。钻探沿向上方向进行。

[0169] 霍尔效应传感器907可以被设置用来测量两个可变直径稳定器中的一个的直径。霍尔效应传感器907可以监测可变直径稳定器的活塞的回缩情况。或者，可以测量两个可变直径稳定器的直径。

[0170] 两个可变直径稳定器905、906的设定相互协调以便获得希望的配置。如果所要钻取的孔相对较小，则两个可变直径稳定器905、906可以包括在单个钻铤部分(图9中未示出)中，这使得可以提供单个控制单元来控制所述一组稳定器参数中的至少一个稳定器参数。

[0171] 根据本发明第三实施例的第二种示范系统(未示出)可以调节至少一个确定的可变直径稳定器的直径尺寸。该确定的可变直径稳定器因此可以具有不止两个位置。例如，该确定的可变直径稳定器可以伸展、回缩或者处于中间位置。

[0172] 第二种示范系统包括有着至少三个设定位置的控制装置。每个设定位置例如可以通过位于配置槽(例如J-槽)中的配置标示件(plot)(例如键)来选择。每个设定位置对应于确定的可变直径稳定器的一个位置。

[0173] 第二种示范系统可以比现有技术中的系统更好的准确性来调节钻探方向。

[0174] 图10A示出了根据本发明第三实施例的第三种示范系统的横截面。图中仅示出第三种示范系统的一半。第三种示范系统可以以协同工作的方式设定两个可变直径稳定器1001、1002。每个可变直径稳定器1001、1002可以处于回缩位置、中间位置或伸展位置。由此，第三种示范系统可以沿向上方向或向下方向钻探，其中钻探方向可以以相对较高的准确性来调节。

[0175] 第三种示范系统包括具有六个设定位置i、j、k、l、m、n的控制装置。每个设定位置对应于相关联的稳定器参数值，例如上可变直径稳定器1001伸展而下可变直径稳定器1002回缩，如图10A所示。控制装置可以根据多个事件的相对先后顺序，例如在轴向力之前施加一个流，来从一个设定位置改变到另一个设定位置。

[0176] 每个可变直径稳定器1001、1002的伸展或回缩取决于相关活塞1003、1004的伸展或回缩。控制装置可以分别利用上控制套筒1010和下控制套筒1007，将上活塞1003和下活塞1004推向套管1000的外侧。当在一确定的活塞上没有施加推压时，该确定的活塞回缩。

[0177] 安装在每个活塞1003、1004上的环1005可以防止活塞1003、1004丢失在井筒中。

[0178] 下活塞1004可以通过在下控制套筒1007的斜面上滑动而被推向套管1000的外侧。下控制套筒可以在套管1000中轴向滑动。销1008防止下控制套筒1007旋转。下弹簧1040向上推压下控制套筒1007。下控制套筒1007向上伸展到上可变直径稳定器1001附近。因此，下控制套筒1007可以具有相对较大的长度，例如若干米。

[0179] 下控制套筒1007的滑动由上控制套筒1010的指状件1009控制，上控制套筒1010可以在套管1000中轴向滑动，并且可以沿单个方向旋转：棘轮系统1011禁止上控制套筒1010的反向旋转。

[0180] 图10B示出根据本发明第三实施例的第三种示范系统的棘轮系统的示例。棘轮系统1011包括斜齿1042，棘爪1041落入该斜齿中，从而仅允许沿单个方向的有效运动。

[0181] 返回参照图10A，棘轮系统1011允许上控制套筒1010在套管1000中滑动。

[0182] 指状件1009根据上控制套筒1010的方位角位置通过不同的接触区域1012、1013、1014、1043、1044、1045来推压下控制套筒1007。

[0183] 图10C示出根据本发明第三实施例的第三种示范系统的下控制套筒1007的示例。下控制套筒包括多个接触区域1012、1013、1014、1043、1044、1045。

[0184] 如果指状件1009对准标准尺寸接触区域1012、1044、1045，则下控制套筒1007在套管1000内受推压。结果，下活塞1004处于伸展位置。

[0185] 如果指状件1009对准中间尺寸接触区域1013、1043，下活塞1004处于中间位置。

[0186] 如果指状件1009对准不足尺寸接触区域1014，下活塞1004处于回缩位置。

[0187] 因此，下稳定器1002的直径取决于指状件1009所对准的接触区域。

[0188] 现参照图10A，上控制套筒1010包括下活塞1003可以倚靠于其上的三个斜面1015、1016、1017。这些斜面具有不同的方位角位置。

[0189] 图10D示出根据本发明第三实施例的第三种示范系统的上控制套筒1010的示例。上控制套筒1010包括三个具有相同倾斜角度的斜面1015、1016、1017。斜面1015、1016、
1017从上控制套筒1010的不同轴向位置开始。

[0190] 返回参照图10A，如果上控制套筒1010的轴向位置使得上活塞1003倚靠在第一斜面1017上，则上活塞可以被向外推到伸展位置。第二斜面1016可以将上活塞1003定位到中间位置，而第三斜面1015可以使上活塞1003回缩。

[0191] 上控制套筒1010包括控制下活塞1004尺寸的指状件1009。每个接触区域与上控制套筒1010的给定高度相组合。每个设定位置i、j、k、l、m、n与确定的接触区域1012、1013、1014、1043、1044、1045和确定的斜面1015、1016、1017的组合相关联。

[0192] 图10E示出图10A所示第三种示范系统的设定表。例如，标准尺寸接触区域1012与第一斜面1017组合。该组合与对应于伸展两个活塞1003、1004的第一设定位置i相关联，这使得可以沿直线方向钻探。

[0193] 第三设定位置k与不足尺寸接触区域1014(即下活塞1004回缩)和第一斜面1017(即上活塞1003伸展)的组合相关联。第三设定位置k使得可以沿向下方向钻探。

[0194] 第二设定位置j与中间尺寸接触区域1013(即下活塞1004回缩)和第一斜面1017(即上活塞1003伸展)的组合相关联。第二设定位置j使得可以沿向下居中方向钻探。

[0195] 三个其它设定位置l、m、n在图10E的设定表种示出。

[0196] 返回参照图10A，上控制套筒1010的方位角位置由位于配置槽(例如J-槽1025)中的配置标示件(例如键1021)控制。J-槽1025位于J-槽套筒1018上。键1021设置在上心轴延伸部1022上。

[0197] 图10F示出图10A所示第三种示范系统的J-槽的示例。J-槽1025使得可以从一个设定位置i、j、k、l、m、n移动到另一位置。

[0198] 如果在施加轴向力之前出现来自远处的泵(未示出)的流，则J-槽套筒1018被流所产生的压降向下压。在向下行程的过程中，键1021在J-槽1025中移动，从而使J-槽套筒1018旋转。

[0199] 现参照图10A，齿1019允许随J-槽套筒1018的旋转而旋转上控制套筒1010。但是，也可以根据齿1019的啮合情况允许J-槽套筒1018相对于上控制套筒1010自由旋转。

[0200] 如果上控制套筒1010向下移动，则上活塞1003可以根据上活塞1003所倚靠的斜面1015、1016、1017而被推动。

[0201] 上控制套筒1010的旋转使得可以将指状件1009与确定的接触区域1012、1013、1014、1043、1044、1045对准，从而控制下可变直径稳定器1002的直径。

[0202] 如果在流之前施加轴向力，则上心轴1023向下移动，直到上心轴1023的端部1046接触下心轴1026的末端1047。上心轴延伸部1022推动J-槽套筒1018，使得在J-槽套筒1018和上心轴延伸部1023之间不发生相对运动。因此，J-槽套筒1018不旋转。

[0203] 当齿1019被啮合使得上控制套筒1010随着J-槽套筒1018的旋转而旋转时，通过在轴向力之前施加流来实现从一个设定位置i、j、k、l、m、n移动到另一个设定位置。如果不希望发生这种位置移动时，在流之前施加轴向力。在正确条件下，键1021的移位可以在一组设定位置i、j、k、l、m、n中选择希望的设定位置。

[0204] 根据本发明第三实施例的第三种示范系统还可以包括位置指示器1028。当上心轴1023被向下推入下心轴1026中时，位置指示器1028向下移动。弹簧1030可以确保位置指示器1028的移位受到J-槽套筒1018的机械限位件1029的限制。机械限位件1029的长度取决于J-槽套筒1018的方位角位置。因此，位置指示器1028的移位取决于J-槽套筒1018的方位角位置。由于位置指示器1028的喷嘴处的压降取决于位置指示器的移位，所以通过监测该压降可以检测出J-槽套筒1018的方位角位置。

[0205] J-槽套筒1018相对于上控制套筒1010的可能的自由旋转也可以考虑进来。由此，可以估测可变直径稳定器1001、1002的直径。

[0206] 花键和凹槽(图10A中未示出)可以防止上心轴1023相对于下心轴1026旋转。相反，通过使上心轴1023的端部1046与下心轴1026的末端1047接触，轴向力由上心轴
1023传递到下心轴1026。当系统从所钻取的孔中被提出时，反向接触部1033可以将拉伸力从上心轴1023传递到下心轴1026。

[0207] 根据本发明第三实施例的第四种示范系统(未示出)可以从远距离位置控制确定的可变直径稳定器的方位角半径。确定的可变直径稳定器实际上可以是方位可调的稳定器，其包括多个活塞，例如三个活塞，如图2所示。每个活塞具有确定的方位角方向。

[0208] 在第四种示范系统中，每个活塞可以独立于其它活塞来设定。第四种示范系统包括有着至少三个设定位置的控制装置，每个设定位置对应于确定的稳定器参数值，例如仅第一活塞伸展。

[0209] 当方位可调稳定器的靠近钻头的确定活塞被推压在所钻取的孔的壁上时，钻头沿与该确定活塞的确定方位角方向相反的方向钻探。需要注意的是要同步对所述确定活塞的推压和井底组件的钻柱的可能的旋转。

[0210] 由于方位可调稳定器的每个活塞可以独立设定，所以可以要求沿任何方向，例如水平方向进行钻探。

[0211] 根据本发明第三实施例的第五种示范系统可以从远距离位置，例如从地面，控制第一稳定器相对于标记装置的纵向位置。标记装置可以安装在井底组件中：例如，标记装置可以是另一个稳定器或钻头。第一稳定器可以是可变直径稳定器或者可以将钻柱的中心定位在所钻取的孔的截面中心的任何其它装置，例如稳定器。

[0212] 稳定器相对于钻头的纵向位置的调节可以通过调节滑动部分的尺寸或者通过沿钻柱移动稳定器来实现。两个稳定器之间的距离的调节使得可以调节两个稳定器之间钻柱的变形，从而调节钻探方向。

[0213] 图11示出根据本发明第三实施例的第五种示范系统。第五种示范系统可以调节稳定器1102和钻头1101之间的距离，从而可以调节钻探方向。系统包括钻柱1105，一滑动心轴1104位于该钻柱1105内。钻头1101位于滑动心轴1104的端部。

[0214] 钻探方向取决于滑动心轴1104在稳定器1102和钻头1101之间的距离上的弹性变形。

[0215] 密封固定系统1103包括锁定装置，例如内部卡件卡件(slips)，以便将滑动心轴1104保持在确定位置上。密封固定系统1103还可以包括密封件，例如橡胶元件，用于确保密封，使得钻探流体的循环能够经由滑动心轴1104的内部到达钻头1101。

[0216] 内部卡件可以利用控制轴1106的物理参数，例如压力来控制。传动系统1107使得控制轴1106可以与滑动心轴1104和密封固定系统1103连通。传动系统1107一般可以设定内部卡件并传递控制轴1106的位移。传动系统1107包括至少一个孔，以便使得钻探流体的循环能够通过滑动心轴1104。

[0217] 当内部卡件未固定时，滑动心轴可以移动。对控制轴1106的牵引可以减小稳定器1102和钻头1101之间的距离。同样，可以通过例如对控制轴1106推压来增大稳定器1102和钻头1101之间的距离。

[0218] 密封固定系统1103还可以将转矩和轴向力从钻柱105传递到滑动心轴1104。或者，转矩可以从另一轴(未示出)传递到钻头1101。

[0219] 根据本发明第三实施例的方向控制系统嵌入在钻探系统的钻柱组件中。优选，钻柱组件利用连接器可拆卸地连接至马达组件。马达组件可以包括用于产生转矩的马达、用于产生轴向力的轴向推力器、用于在井下固定马达和轴向推力器的固定系统和用于将转矩传递到钻柱组件的传动轴。

[0220] 连接器可以将转矩和轴向力从马达组件传递到钻柱组件。钻柱组件包括钻头和钻杆。连接器在马达组件和钻杆内侧之间提供了流体连通通道。

[0221] 连接器包括第一连接器或第二连接器。第一连接器可以连接至钻柱组件，从而仅将轴向力传递到钻杆，而将转矩传递到位于钻杆内的另一传动轴。钻头位于钻杆内侧旋转着的所述另一传动轴的端部，钻杆传递轴向力。多个稳定器围绕传动轴。特别地，本发明第三实施例的第四种示范系统可以采用非旋转的钻杆。

[0222] 这样的双重传动配置特别适用于沿曲线钻探。

[0223] 第二连接器也可以连接至钻柱组件。第二连接器可以将轴向力和转矩两者传递给钻杆。钻杆将转矩和轴向力两者传递给钻头。这样的旋转传动配置特别适用于大致沿直线方向钻探。多个稳定器围绕钻杆以确保可靠地引导钻柱。

[0224] 或者，钻探系统也可以包括用于将转矩从马达传递到钻头的单个传动轴和用于将轴向力传递给钻头的单个钻杆。所述单个钻杆可以与所述单个传动轴相同。钻探系统可以不能可拆卸地连接第一连接器或第二连接器，以根据所钻取的孔的希望半径改变转矩和轴向力向钻头的传递情况。

[0225] 钻探方向的监测

[0226] 控制钻探轨迹需要监测钻头的定向。该监测通常利用包括至少一个加速度计的加速度计系统来进行，加速度计可以测量钻柱相对于地球重力矢量的倾斜度。包括至少一个磁力计的磁力计系统可以测量钻柱相对于地球磁场的方位角。加速度计系统可以与磁力计系统相结合。但是，在现有技术的系统中，磁力计系统和加速度计系统距离钻头相对较远距离处，例如25米。人们需要一种能够提供更为准确的钻头定向测量的系统。

[0227] 图12示出根据本发明第五实施例的井底组件。井底组件包括用于钻孔的钻头1201。井底组件在钻头1201的附近区域还包括至少一个微传感器1207、1208。该至少一个微传感器1207、1208可以测量钻头1201相对于参考方向的定向。

[0228] 所述至少一个微传感器可以是微磁力计1207，其可以测量钻头1201相对于地球磁场的定向。这种微磁力计可以是微光机电系统(MOEMS)系列的。

[0229] 优选，在钻头的附近区域设置三个微磁力计，以测量钻头相对于地球磁场的定向。由此可以提供钻头定向的三维测量结果。

[0230] 微磁力计1207也可以是微加速度计1207。微加速度计1207可以测量钻头1201相对于地球重力矢量的定向。微加速度计可以是微机电系统(MEMS)系列的。

[0231] 优选，在钻头的附近区域设置三个微加速度计，以测量钻头相对于地球重力矢量的三个定向。由此可以提供钻头定向的三维测量结果。

[0232] 系统也可以既包括三个微加速度计又包括三个微磁力计。

[0233] 微加速度计和微磁力计本身可以分别提供比传统加速度计和传统磁力计准确性差的测量结果。但是，由于微传感器设置在钻头的附近区域，所以系统可以提供比现有技术的系统更加准确的钻头定向测量结果。

[0234] 所述至少一个微传感器可以监测钻头1201的定向。微磁力计1207和微加速度计1207可以位于靠近钻头1201的子组件1206内。

[0235] 电动马达(未示出)可以产生使得钻头1201旋转的转矩。电动马达具有比液压马达相对要小的长度。

[0236] 根据本发明的井底组件在钻柱1202的中心可以包括一小管1204。小管1204使得主部件(main sub)(未示出)和微传感器1207、1208之间可以通信。主部件可以位于利用井底组件从其处开始钻探侧孔的主井内。主部件也可以是沿井底组件的纵轴设置的距离钻头1201相对较远距离处的随钻测井工具。

[0237] 通信可以通过电线1205来进行。

[0238] 通信也可以通过穿过小管1204发送给微传感器1207、1208并从微传感器1207、1208穿过钻柱1202返回的电信号来进行。小管1204需要与钻柱1202电绝缘。

[0239] 优选，根据本发明的井底组件是根据本发明第一实施例的钻探系统的一部分。

[0240] 或者，微传感器位于另一可选钻探系统的钻头附近区域，其中，所述另一可选钻探系统不能可拆卸地连接第一连接器或第二连接器以根据所钻取的孔的希望半径来改变转矩和轴向力向钻头的传递。

[0241] 所述另一可选钻探系统可以是可转向马达、可转向装置、钻机系统、盘管系统或任何其它钻探系统。

[0242] 在可转向装置的情况下(未示出)，微传感器可以位于传动轴内。

[0243] 在具有方向控制系统的井底组件的情况下(未示出)，微传感器可以例如位于控制单元(未示出)内。

[0244] 极短半径钻探

[0245] 用于从主井开始钻探以极短半径弯曲的侧孔的钻探系统可以包括挠性钻杆，该挠性钻杆在主井与所钻取的侧孔之间的肘弯处大致垂直弯曲。马达和轴向推力器可以固定在主井内，挠性钻杆将转矩和轴向力传递到钻头。现有技术中的钻探系统包括造斜器或轴套，以便在肘弯处传递转矩和轴向力。

[0246] 但是，在侧孔相对较长的情况下，由于沿挠性钻杆的轴向力的强度，转矩和轴向力的传递易受影响。

[0247] 造斜器必须支承来自轴向推力器的轴向力和来自钻头的压缩力。作用到造斜器上的反作用力可以作为轴向力和压缩力的矢量和而计算得到。

[0248] 此外，在钻探过程中，随着钻取的侧壁的延伸，钻杆在造斜器上滑动。但是，当钻探时，钻杆的切向速度大于滑动速度。一般，切向速度和滑动速度的比例在100范围内。因此，由切向速度和滑动速度的矢量和得到的合成速度基本上等于切向速度。

[0249] 反作用力和合成速度可以产生显著的摩擦损耗和磨损。因此存在造斜器或者造斜器后面的岩层由于挠性轴传递的应力而发生爆炸的危险。

[0250] 人们需要一种能够在挠性轴的弯曲部传递转矩和沿挠性轴的较大的轴向力的系统。

[0251] 图13A示出了根据本发明第五实施例的钻探系统的示例。钻杆1301端部处的钻头1307从主井1303开始钻探侧孔1302。钻杆1301将转矩和轴向力两者传递到钻头1307。钻杆1301是挠性的，以便在传递转矩和轴向力的同时弯曲。该钻探系统还包括具有用于在弯曲部支承钻杆的旋转支承件1306的弯曲引导件1305。

[0252] 侧孔可以基本上垂直地从主井延伸出。

[0253] 转矩和轴向力可以分别通过马达1312和轴向推力器1311来产生。固定系统1310可以将马达1312和轴向推力器1311固定在主井1303内。马达1312可以是电动的。

[0254] 可以设置引导心轴1304，以便将弯曲引导件1305固定在主井内。引导心轴可以包括定向部件(未示出)，用于测量弯曲引导件的方位角方向，以便沿正确方位角方向钻探。引导心轴1304可以与靠近马达1312的控制部件(未示出)利用电线系统(未示出)通信。在这种情况下，需要注意保护电线系统免受旋转着的钻杆1301的损坏。或者，引导心轴1304可以利用诸如电磁或者声学遥测装置之类的无线通信系统(未示出)与控制部件通信。

[0255] 泵(未示出)可以确保钻探流体在钻柱1301以及所钻取的侧孔和钻柱1301之间的环形空间中的循环。

[0256] 弯曲引导件1305可以确保钻杆1301大致垂直地弯曲并同时传递转矩和轴向力。

[0257] 图13B示出根据第五实施例的弯曲系统的第一示例的横截面。钻杆1301传递转矩和轴向力两者。旋转支承件1306，例如辊，可以使钻杆1301较易于旋转。

[0258] 但是，对于弯曲系统的第一示例，钻杆1301由辊1306的相对较小的接触面积来支承。在轴向力非常大的情况下，存在钻柱局部变形的危险。

[0259] 图14A和14B示出了根据本发明第五实施例的弯曲系统的第二示例。图14A示出弯曲系统的横截面，而图14B示出该弯曲系统的侧视图。钻杆1401弯曲在两个弯曲引导件(未示出)之间。钻杆接触旋转支承件(例如带1406)构成的网。带1406绕过钻杆1401和挠性支承件，例如带轮1407。这样的带轮系统可以确保正确地定向每条带1406。带1406随着钻杆1401的旋转而运动。

[0260] 带1406将来自钻杆1401的反作用力传递到带轮1407。可以在挠性支承件1407的两端设置轴承(未示出)。轴承使得挠性支承件可以随着钻杆的旋转而旋转。轴承可以固定在主井中，从而抵抗来自钻杆1401的反作用力。

[0261] 带1406需要相对较柔。带1406可以是附接到带轮1407上的绳索或者编织结构。

[0262] 弯曲系统的第二示例可以在相对较大的表面积上支承钻杆1401。

[0263] 优选，根据本发明的钻探系统包括马达组件。马达组件包括用于产生转矩的马达、用于产生轴向力的轴向推力器、用于将马达和轴向推力器固定在主井中的固定系统和用于传递转矩的传动轴。

[0264] 钻探系统可以是能够可拆卸地连接第一连接器或第二连接器的，以便根据要钻取的孔的希望半径改变转矩和轴向力向钻头的传递。第一连接器可以仅将轴向力传递给钻杆，而转矩被传递到位于钻杆中的另一传动轴。相反，第二连接器可以将轴向力和转矩两者都传递到钻杆。

[0265] 第一连接器和第二连接器两者都可以提供用于在马达组件和钻杆内侧之间循环钻探流体的流体连通通道。

[0266] 第二连接器可以位于主井内，钻杆可以具有足够的挠性，以便在传递转矩和轴向力的同时大致垂直地弯曲。侧孔钻探可以从主井开始沿大致直线的方向进行。

[0267] 或者，如图13A所示，根据本发明第五实施例的钻探系统包括将转矩和轴向力从马达和轴向推力器传递给钻头的单个钻杆1301。马达和轴向推力器可以不能可拆卸地连接第一连接器或第二连接器以根据所要钻取的侧孔的希望半径而改变转矩和轴向力向钻头的传递。

[0268] 流和钻屑处理

[0269] 钻孔产生的钻屑需要被处理掉。现有技术的系统利用地面上的泵将流体，例如钻探泥浆注入通过钻探工具。钻探流体到达钻探工具的钻头并通过钻探工具和所钻取的孔之间的环形空间被排出。钻探流体的粘性足以将钻头处产生的钻屑带到地面上。地面上的泥浆振动筛可以从钻探流体中移除钻屑。

[0270] 在泵被置于井下以泵送钻探流体情况下的缆式(wireline)系统中，钻屑可能不到达地面。因此在泵位于井下的系统情况下，需要处理钻探流体和钻屑的流。

[0271] 图15示出根据本发明第六实施例的钻探系统的示例。钻探系统包括钻柱组件1503。钻头1507从主井1502开始钻取侧孔1501。钻探流体通过所钻取的侧孔1501和钻柱组件1503之间的环形空间1504循环到钻头1507。钻探流体从钻头1507通过流体连通通道1506循环到主井，从而将钻头1507处产生的钻屑带走。

[0272] 由于钻柱组件1503的截面比主井1502的壳体(未示出)小，所以钻探流体可以相对快速地循环通过流体连通通道1506，这样可以避免钻屑由于重力而沉降。

[0273] 通过流体连通通道1506带走钻屑所需要的泵送功率小于通过环形空间1504带走钻屑的传统循环中需要的泵送功率。

[0274] 此外，流体连通通道1506可以正确地引导钻屑以便进行下一步分离。

[0275] 钻探侧孔1501产生的钻屑通过流体连通通道1506带走。因此，钻头1507必须具有允许钻屑通过的大的孔。

[0276] 图16示出根据本发明第六实施例的钻头的示例。钻头1607可以是鱼尾形的。钻头1607可以包括主刮片1601以保证切削效果。钻探过程中由钻头1607产生的钻屑可以通过钻探流体的循环穿过钻头孔1603被排出。钻头孔1603具有相对较大的截面以便通过使钻屑穿过钻头1607被排出。钻头还可以包括引导刮片1602，以确保在所钻取的孔中的侧向引导和稳定钻探方向。主刮片1601和引导刮片1602可以包括切刀1604。

[0277] 主刮片1601可以如图16所示沿着钻头1607的直径呈直线形的。或者，主刮片具有经过钻头1607截面中心的弯曲形状。

[0278] 或者，钻头可以包括多个刮片，其中至少一个刮片横穿钻头的截面。

[0279] 钻头可以包括一居中的尖头，以稳定钻探方向。

[0280] 优选，根据本发明的钻探系统包括马达组件。马达组件包括用于产生转矩的马达、用于产生轴向力的轴向推力器、用于将马达和轴向推力器固定在主井中的固定系统和用于传递转矩的传动轴。

[0281] 该钻探系统可以是能够可拆卸地连接第一连接器或第二连接器的，以便根据所钻取的孔的希望半径改变转矩和轴向力向钻头的传递。第一连接器可以仅将轴向力传递给钻杆，而转矩被传递到位于钻杆中的另一传动轴。相反，第二连接器可以将轴向力和转矩两者都传递到钻杆。

[0282] 第一连接器和第二连接器两者都可以提供用于在马达组件和钻杆内侧之间循环钻探流体的流体连通通道。

[0283] 图17示出根据本发明第七实施例的钻探系统的示例。钻探系统包括钻柱组件1701。钻头1707可以从主井1703开始钻探侧孔1702。钻探流体可以通过钻柱组件1701内的流体连通通道1708循环到钻头1707。钻探流体通过钻柱组件1701与所钻取的侧孔
1702的内壁之间的环形空间1709从侧孔1702排出。钻探流体在侧孔1702的输出口处由具有预定定向的通道1704引导。

[0284] 可以在侧孔1702的输出口处设置包括隔封器1705和密封罩1706的密封装置，以迫使钻探流体循环通过通道1704。

[0285] 所述通道可以在钻探流体被排出侧孔1702时控制钻探流体的循环。一般，通道1704可以向下以便在井下进一步处理钻探流体。钻探流体可以实际上含有钻头1707处产生的钻屑。

[0286] 图18示意性地示出了根据本发明第八实施例的钻探系统的示例。钻探系统包括钻柱组件1801。钻头1807可以从主井1803开始钻探侧孔1802。钻探流体可以通过钻柱组件1801内的流体连通通道1808循环到钻头1807。钻探流体通过钻柱组件1801和所钻取的侧孔1802的内壁之间的环形空间1809从侧孔1802排出。该系统还包括用于从钻探流体中分离出钻屑的过滤装置1805。

[0287] 优选，该钻探系统可以包括在侧孔1802的输出口处具有预定定向的通道1810，以便将钻探流体引导到过滤装置1805。可以设置密封装置1811，以迫使钻探流体通过通道1810。

[0288] 或者，该钻探系统不包括任何密封装置。

[0289] 过滤装置1805可以从钻探流体中分离出钻屑。分离出的钻屑1806可以存放在过滤装置1805中，钻探流体可以通过位于井下的泵1804来泵送。

[0290] 过滤装置1805可以位于主井中，如图18所示处在侧孔的下方，或者可以处于任何其它井下位置。过滤装置还可以位于钻床(drilling machine)内：在图18中，一可选的过滤器1812位于钻床1813中，该钻床还包括泵1804。

[0291] 图19示出根据本发明第九实施例的过滤装置的示例。过滤装置1901可以从钻探流体中分离出钻屑。过滤装置1901中的压实器1903、1904可以定期地将过滤出的钻屑1906、1905压实。

[0292] 压实器1903、1904使得可以实现过滤装置1901的有效装填。由此，过滤装置1901的更换次数少于传统的过滤装置，这对于过滤装置1901位于井下的情况特别有用。更换井下的过滤装置确实很费时。此外，在使用井下过滤装置的情况下，过滤装置可以具有很好地适应井的形状的长形形状。因此，由于自然地将钻屑装填到长形过滤装置中可能不理想，所以压实器会特别有用。

[0293] 钻探流体可以通过过滤装置输入口1907进入过滤装置1901。从钻探流体中分离出钻屑可以通过离心作用来实现：过滤装置可以绕纵轴旋转。

[0294] 根据本发明第十实施例的过滤装置可以从钻探流体中分离出钻屑。图19示出这样的过滤装置。过滤装置1901中的自调系统(adaptive system)1902、1909可以根据钻屑的大小将过滤出的钻屑1905、1906分类，从而避免过滤出的钻屑1905、1906堵塞过滤装置1901。

[0295] 事实上众所周知，经规则的大小区分的颗粒可以尽可能有效地装填到确定的容器中。根据本发明的自调系统1902、1909可以避免对过滤出的钻屑1905、1906的这种规则的大小区分，从而避免过滤装置1901堵塞。从而，在过滤出的钻屑1905、1906被分类成小钻屑1905和大钻屑1906的同时，钻探流体可以循环通过过滤出的钻屑1905、1906。

[0296] 自调系统1902、1909可以包括至少一个第一静态过滤装置1902。该至少一个第一静态过滤装置1902可以对过滤出的钻屑1905、1906进行分类：大的钻屑1906被留在所述至少一个第一静态过滤装置1902的中心。第二静态过滤装置1909可以防止小的钻屑从过滤装置1901中漏出。

[0297] 图19所示过滤装置包括压实器1903、1904和静态过滤装置1902、1909两者。因此，压实器可以包括大钻屑压实器1904和小钻屑压实器1903。大钻屑压实器1904和小钻屑压实器1903可以沿过滤装置1901的纵轴滑动。

[0298] 过滤装置1901可以位于主井中，而钻屑由从主井开始钻探侧孔而产生。本发明的过滤装置1901可以是钻探系统(图19中未示出)的一部分。

[0299] 钻探系统在侧孔的输出口处可以包括一通道。该通道具有预定的定向，以迫使钻探流体通过过滤装置1901。

[0300] 优选，根据本发明第七实施例、第八实施例、第九实施例以及第十实施例的系统用于根据本发明第一实施例的钻探系统或者用作该钻探系统的一部分。

[0301] 图20示出根据本发明第十一实施例的钻探系统的示例。该钻探系统包括钻柱2003和钻头2007，用于从主井开始钻探侧孔2001。钻探在钻头2007处产生钻屑。钻屑被排出侧孔2001。位于主井中的容器2005可以在侧孔下方收集钻屑。

[0302] 在钻探侧孔过程中，钻屑在从侧孔排出时可以丢弃在主井中。由于其重量作用，钻屑可以沉降在主井中。容器2004可以收集被丢弃的钻屑。图中的黑色箭头表示钻屑的循环。

[0303] 容器2005可以具有长柱体形状，以便适应于主井的形状，或者适应于主井构件(例如壳体)的形状。

[0304] 容器可以是根据本发明第九实施例的过滤装置。钻屑从侧孔落入过滤装置中。

[0305] 容器也可以是静态过滤装置，用于从通过该静态过滤装置的钻探流体的流中分出钻屑。

[0306] 容器可以包括钻屑收集器单元(图20中未示出)，以确保有效地将钻屑装填到容器中。

[0307] 图21A示出根据本发明第十二实施例的钻屑收集器单元的示例。钻屑收集器单元2100包括具有长螺杆形状的压实单元2101，其旋转以将钻屑拖入外壳2102中。钻屑收集器单元2100一般用于在钻屑沉降之后通过从井中挖出钻屑而进行清洁。在一般的操作中，螺杆缓慢旋转以缓慢拖动钻屑，避免稀释钻屑。

[0308] 钻屑收集器单元2100可以在钻探工作之后使用。钻屑收集器单元2100一般附接到钻床上。外壳2102可以固定到钻探系统的不旋转的连接体上，例如第一连接器的外侧部分，使得钻床可以推进钻屑收集器单元。螺杆可以附接到钻床的可旋转部分上，例如第一连接器的内部部分。

[0309] 钻屑收集器单元2100具有长形形状，以便穿过井中的管。钻屑收集器单元2100可以收集如图20所示的沉降在容器中的钻屑。或者，钻屑可以直接位于井底。

[0310] 靠近外壳2102顶部，螺杆可以具有圆锥形状，以便确保在外壳2102的顶部充满钻屑时正确地进行压实而不阻碍螺杆的旋转。

[0311] 图21B示出根据本发明第十二实施例的钻探系统的示例。该钻探系统包括钻床2115、钻柱2103和钻头2107，用于从主井2111开始钻探侧孔2114。钻探在钻头2107处产生钻屑。钻屑通过钻探流体被从侧孔2114中带出。侧孔2114的输出口处的密封装置2114迫使钻探流体向下循环通过通道2110。钻屑沉降在主井2111中，并形成钻屑层2112。如果主井2111是倾斜，如图21B所示，则钻屑层2112可以位于主井2111的一侧。

[0312] 钻床2115、钻柱2103、钻头2107、密封装置2113以及通道2110可以在钻探之后从主井中移出。钻屑收集单元(图21B中未示出)随后可以附接到钻床2115上。钻床2115和所附接的钻屑收集单元可以在主井2111中被降低。

[0313] 钻屑收集单元包括具有螺杆形状的压实单元，如图21A所示。压实单元缓慢旋转以将钻屑层2112的钻屑挖出主井2111。

[0314] 优选，根据第十二实施例的钻探系统包括本发明第一实施例的特征或者本发明任何其它实施例的特征。

[0315] 图22示出根据本发明第十三实施例的流循环系统的示例。钻柱2203端部处的钻头2207可以从主井2202开始钻探侧孔2201。位于井下的钻床2212包括泵2205。泵2205产生主循环流(用箭头2208表示)。主循环流可以将钻头2207处产生的钻屑带到钻床2212。地面泵2204可以在管2207和主井2201之间的井环形空间中产生辅助循环流(用箭头2209表示)。辅助循环流可以将主循环流所带的钻屑带到地面。

[0316] 根据本发明的流循环系统可以将含有钻屑的钻探流体带到地面。地面上对钻探流体的处理是现有技术中公知的。

[0317] 地面泵2204将地面流体输送到井环形空间2210。隔封器2206可以在管2207的底端阻隔该环形空间。因此，输送来的地面流体通过滑门阀2211漏出井环形空间2210。来自辅助循环流的地面流体可以在管2207中向上流动。

[0318] 主循环流所带的大部分钻屑通过辅助循环流向地面提升，以进行进一步的处理。

[0319] 泵2205和诸如马达之类的其它钻探工具(未示出)可以位于管2207中，靠近滑门阀2211。优选，泵2205位于滑门阀的上方，以确保主循环流与辅助循环流很好地混合。或者，中空元件(图22中未示出)可以将主循环流延伸到滑门阀处。

[0320] 滑门阀需要在开始产生辅助循环流之前被打开，这一般通过钢丝(slick-line)操作来完成。

[0321] 地面流体可以是钻探泥浆、完井液(completion fluid)、清洁流体或者具有其它成份的流体。地面流体可以具有与钻探流体相同的成份。

[0322] 主循环流确保将钻屑从钻头2207运送到滑门阀，以保证通过辅助循环流进一步提升钻屑。但是，主井2202通常具有比侧孔2201截面更大的截面。通过主井2202的主循环流的速度因此大大小于通过侧孔2201的主循环流的速度。因此，存在所运送的钻屑由于重力作用落在主井2202中的危险。

[0323] 图23示出了根据本发明第十四实施例的流引导件的示例。流引导件2301允许主循环流在侧孔2303和管2304之间以相对较高的速度循环，从而避免钻屑沉降。钻屑是在钻探系统(未示出)的钻头处产生的。

[0324] 流引导件2301可以延伸到侧孔2303中，以确保迫使钻探流体循环通过该流引导件。流引导件可以由造斜器(未示出)或者任何其它支承系统支承。钻探系统的钻柱可以穿过流引导件2301。流引导件2301可以被推入主井2302的壳体中，以限制由于钻柱的纵向挠曲作用而造成的侧变形。

[0325] 流引导件也可以利用隔封器装置密封在端部，例如侧孔的输出口。

[0326] 钻屑可以通过主循环流被带到滑门阀，以由辅助循环流进一步提升到地面。如上所述，辅助循环流可以由地面上的地面泵产生。

[0327] 流引导件可以用在根据本发明的流循环系统中。流引导件和流循环系统可以与钻探系统结合使用，用于从主井开始钻探侧孔。

[0328] 优选，根据本发明第十四实施例的钻探系统包括本发明第一实施例的特征或者本发明任何其它实施例的特征。

[0329] 我们用“钻探流体”表示在井下循环并可以运送钻屑的任何流体。钻探流体可以含有钻屑。钻探流体也可以是清洁的。

[0330] 尽管已经参照有限数量的实施例对本发明进行了说明，但是本领域技术人员通过了解这里公开的内容可以理解，在不背离这里所公开的本发明的范围的情况下可以作出其它实施例。本领域技术人员同时可以理解所描述的实施例可以彼此结合。

[0331] 因此，本发明的范围应该仅由所附权利要求来限定。