專利名稱：用于可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具中的旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
01本發(fā)明涉及石油和天然氣鉆井領(lǐng)域。更具體而言，本發(fā)明涉及用于從地面選擇和控制井眼前進(jìn)的方向的裝置和方法。
背景技術(shù)：
02鉆井機(jī)操作者常常希望偏轉(zhuǎn)井眼或控制其方向以到達(dá)產(chǎn)油層內(nèi)的指定點(diǎn)。該操作被稱為定向鉆井。這當(dāng)中的一個(gè)例子用于油田中的注水井，注水井通常位于油田的邊緣并且在所述油田(產(chǎn)油層)的低點(diǎn)。
03除了控制所要求的鉆井方向，井眼所鉆穿的產(chǎn)油層總是在鉆柱上施加可變力。這連同鉆井機(jī)的特殊構(gòu)造一起可以導(dǎo)致鉆頭向上、向下、向右或向左偏移。該效應(yīng)的工業(yè)術(shù)語(yǔ)被稱為“鉆頭游動(dòng)(bit walk)”并且在工業(yè)中已經(jīng)嘗試了許多控制或重定向“鉆頭游動(dòng)”的方法。在鉆垂直孔時(shí)通過(guò)改變鉆頭上的轉(zhuǎn)矩和重量可以控制垂直孔中的鉆頭游動(dòng)效應(yīng)。然而，在高度傾斜或水平井中，鉆頭游動(dòng)成為主要問(wèn)題。
04目前，為了向左或向右偏轉(zhuǎn)孔，鉆井者可以從諸如被稱為“彎接頭”的井下馬達(dá)的一系列專門井下工具和更近來(lái)的可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具(rotary steerable tool)進(jìn)行選擇。
05彎接頭是稍微朝一側(cè)彎曲的短管，其連接到鉆柱，之后緊接著測(cè)量設(shè)備，其中的MWD工具(隨鉆測(cè)量，其將井眼方向信息傳遞到地面)是通用類型，之后緊接著連接到鉆頭的井下馬達(dá)。鉆柱下降到井眼中并且被旋轉(zhuǎn)直到MWD工具指示鉆頭的前緣面對(duì)期望的方向。通過(guò)鉆鋌對(duì)鉆頭施加重力。并且，通過(guò)鉆柱泵送鉆井液，井下馬達(dá)旋轉(zhuǎn)鉆頭。
06美國(guó)專利3,561,549涉及一種設(shè)備，其給予充分的控制以偏轉(zhuǎn)和開始傾斜孔或控制垂直孔中的鉆頭游動(dòng)。鉆井工具具有—非旋轉(zhuǎn)套筒，在一側(cè)上的多個(gè)翼(或楔)緊靠連接到鉆頭的井下馬達(dá)之下被放置。
07美國(guó)專利4,220,213涉及一種設(shè)備，其包括加重心軸。所述工具被設(shè)計(jì)成利用重力的效應(yīng)，這是由于所述心軸的重側(cè)將尋找孔的低側(cè)。井眼的低側(cè)被定義成最遠(yuǎn)離垂線的一側(cè)。
08美國(guó)專利4,638,873涉及一種工具，其具有彈簧加載套和加重重側(cè)，其可以容納由保持螺栓保持就位的計(jì)量插入件。
09美國(guó)專利5,220,963公開了一種裝置，其具有容置在三個(gè)非旋轉(zhuǎn)構(gòu)件中的內(nèi)旋轉(zhuǎn)心軸。
10因此，業(yè)已知道如何校正井眼中的鉆頭游動(dòng)。然而，如果鉆井時(shí)導(dǎo)致鉆頭游動(dòng)的力發(fā)生變化，為了校正井眼的方向，所有現(xiàn)有技術(shù)的工具必須被撤回。對(duì)用于撤回工具的絕對(duì)要求意味著必須執(zhí)行往返行程。這導(dǎo)致了要在安全性與花費(fèi)大量時(shí)間和金錢之間作出妥協(xié)。
11美國(guó)專利5,979,570(也為WO96/31679)部分解決了傾斜井眼中鉆頭游動(dòng)的問(wèn)題。在該專利申請(qǐng)和專利中描述的設(shè)備包括偏心鉆孔的內(nèi)和外套筒。外套筒可自由移動(dòng)，從而它可以尋找井眼的低側(cè)，內(nèi)偏心套筒的加重側(cè)能夠被定位在外偏心套筒的加重部分的右側(cè)或左側(cè)上，從而以雙重的方式校正鉆頭游動(dòng)。
12美國(guó)專利6,808,027(其中的一個(gè)共同申請(qǐng)人是本發(fā)明的一個(gè)共同申請(qǐng)人)公開了一種改進(jìn)的井下工具，其可以在高度傾斜的井眼中校正鉆頭游動(dòng)并且能夠控制井眼的傾斜和方位平面。鑒于美國(guó)專利5,979,570公開了鉆頭偏移(bit offset)，‘027專利公開了被稱為鉆頭點(diǎn)(bit point)的矢量方法(實(shí)際改進(jìn))。‘027專利使用一系列套筒(或凸輪，這取決于術(shù)語(yǔ)的定義)，其可以偏心的或同心的以獲得鉆頭點(diǎn)(改進(jìn))或鉆頭偏移(在早先的專利中所公開的，但是由不同的機(jī)械設(shè)備獲得)。
13本申請(qǐng)公開了不同的機(jī)械技術(shù)以在井下工具內(nèi)獲得旋轉(zhuǎn)矢量并且可以用于美國(guó)專利6,808,027，美國(guó)專利5,979,570的裝置和其它需要內(nèi)部定位機(jī)構(gòu)的井下設(shè)備(使用穩(wěn)定器、葉片等)中。
發(fā)明內(nèi)容
14被定義為擺線(cycloid)系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置(rotaryvector gear)或長(zhǎng)短輻圓內(nèi)擺線驅(qū)動(dòng)器的設(shè)備提供了一種用于選擇性地控制縱軸偏移的裝置，包括同心從動(dòng)內(nèi)套筒；連接到所述從動(dòng)內(nèi)套筒的第一級(jí)偏心套筒；第二級(jí)偏心套筒；附加到所述第二級(jí)偏心套筒的外部齒式擺線盤；附加到外殼以用于保持所述擺線系統(tǒng)的內(nèi)部齒式擺線環(huán)(固定環(huán)或輥組件)；和用于旋轉(zhuǎn)所述從動(dòng)內(nèi)套筒的驅(qū)動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)，其中取決于所述擺線系統(tǒng)的構(gòu)造，所述擺線系統(tǒng)提供了漸進(jìn)縱軸。
15所述擺線設(shè)備可以在可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具內(nèi)用作單一單元或雙單元(盡管可以預(yù)見在組件內(nèi)包含多個(gè)設(shè)備的選擇)以提供鉆頭推動(dòng)的鉆頭點(diǎn)。如果使用單一單元，則所述擺線系統(tǒng)將在井眼內(nèi)提供鉆頭點(diǎn)偏移矢量控制；然而，雙擺線系統(tǒng)將在井眼內(nèi)提供鉆頭推動(dòng)偏移矢量控制。在井下控制工具內(nèi)使用擺線設(shè)備允許操作者在鉆井操作期間改變狗腿嚴(yán)重度(dog-leg severity)(或井眼曲率的幅度)；然而，本控制工具解決了狗腿嚴(yán)重度，該狗腿嚴(yán)重度僅僅當(dāng)控制工具被帶到地面時(shí)才發(fā)生變化。所述設(shè)備也可以用于計(jì)算機(jī)控制銑床等之中。
16在優(yōu)選的方式中，當(dāng)用于可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具中時(shí)，所述設(shè)備可以控制井眼路徑。傳感器可以被安裝在所述擺線設(shè)備中或所述可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具的外殼內(nèi)以提供路徑參考數(shù)據(jù)(即上/下，北/南，東/西，以及其它所需的地理數(shù)據(jù))。該數(shù)據(jù)然后可以通過(guò)控制系統(tǒng)被鏈接以對(duì)擺線齒輪提供實(shí)時(shí)調(diào)整，由此控制井眼路徑。通信鏈接可以用通信協(xié)議建立，所述通信協(xié)議允許所述可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具和地面之間的實(shí)時(shí)通信，由此提供進(jìn)一步的井眼路徑控制和井眼路徑的狗腿嚴(yán)重度的控制。
17圖1是本設(shè)備的等比例的切面圖，其顯示了貼靠外殼運(yùn)轉(zhuǎn)的固定擺線輥環(huán)，聯(lián)接到第一級(jí)旋轉(zhuǎn)偏心套筒的同心內(nèi)套筒，第二級(jí)偏心套筒，內(nèi)旋轉(zhuǎn)心軸并且僅僅顯示了內(nèi)擺線盤。
18圖2是本設(shè)備的橫截面?zhèn)纫晥D。
19圖3是通過(guò)圖2的A-A獲得的本設(shè)備的橫截面圖，其顯示了貼靠外殼運(yùn)轉(zhuǎn)的固定擺線輥環(huán)，擺線盤，第二級(jí)偏心套筒和內(nèi)旋轉(zhuǎn)心軸。
20圖4是通過(guò)圖2中的B-B獲得的橫截面圖，其顯示了外殼，第一級(jí)偏心套筒，第二級(jí)偏心套筒和內(nèi)旋轉(zhuǎn)心軸。
21圖5顯示了安裝在井下工具中的本裝置(描述了使用兩個(gè)擺線設(shè)備(一邊一個(gè))的實(shí)施方式)。
22圖6顯示了由擺線盤施加到旋轉(zhuǎn)心軸的中心的長(zhǎng)短輻圓內(nèi)擺線運(yùn)動(dòng)，其中所述擺線盤在輥組件內(nèi)部滾動(dòng)。
23圖7A-F是用于帶葉片井下可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具中的本設(shè)備的各種實(shí)施方式的高度簡(jiǎn)化示圖。
24圖8顯示了用于本設(shè)備內(nèi)的密封的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。
25圖9顯示了用于利用本設(shè)備的井下工具的軸承系統(tǒng)的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。
26圖10A-10F顯示了可以賦予擺線盤的中心(或縱軸)的其它圖案。
27圖11示出了參考軸和本設(shè)備的控制軸之間的關(guān)系并且顯示了用于可控工具中的優(yōu)選長(zhǎng)短輻圓內(nèi)擺線(hypotrochoidic)運(yùn)動(dòng)。
具體實(shí)施例方式
28將要描述的所述系統(tǒng)被假設(shè)為其將用于井下旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向工具；然而，應(yīng)當(dāng)理解的是擺線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以用于其它裝置以提供縱軸的偏移的漸進(jìn)控制。擺線或旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置系統(tǒng)被封閉在外殼中，該外殼大約為12英尺長(zhǎng)，由七個(gè)帶銷或帶螺紋部分組成。所述工具的總長(zhǎng)度大約為16英尺。圖5顯示了容納在可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具內(nèi)的擺線系統(tǒng)，其利用偏移外殼與井眼的壁相互作用，由此提供用于鉆頭矢量的支點(diǎn)。
29現(xiàn)在參考圖1-4，擺線設(shè)備由六個(gè)主要部分組成同心輸入套筒1，或旋轉(zhuǎn)套筒，聯(lián)接到輸入套筒1的第一級(jí)偏心套筒2，有時(shí)被稱為內(nèi)套筒，外部齒式擺線盤3，第二級(jí)偏心套筒4，有時(shí)被稱為輸出或檔板(bulkhead)，內(nèi)部齒式擺線環(huán)5，或輥組件，以及用于旋轉(zhuǎn)內(nèi)套筒的驅(qū)動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)6-8。
30內(nèi)部齒式擺線環(huán)5被保持在外殼9內(nèi)。外殼通常是包含一個(gè)或多個(gè)擺線系統(tǒng)、電池等的實(shí)際井下工具并且為鉆柱提供必要的支點(diǎn)。如果擺線系統(tǒng)被用在另一設(shè)備中，那么所述設(shè)備將提供外殼。
31驅(qū)動(dòng)器通常是聯(lián)接到軸和齒輪組件7的無(wú)刷DC馬達(dá)6，軸和齒輪組件7接著驅(qū)動(dòng)齒輪8，齒輪8直接附加到同心輸入套筒1。當(dāng)未形成本設(shè)備的一部分時(shí)控制組件對(duì)于設(shè)備的操作來(lái)說(shuō)是關(guān)鍵的。控制組件由遙測(cè)系統(tǒng)和電池組成，所述遙測(cè)系統(tǒng)和電池響應(yīng)來(lái)自地面的控制輸入并且驅(qū)動(dòng)無(wú)刷DC電機(jī)6，接著定位循環(huán)驅(qū)動(dòng)，由此賦予井下鉆頭所需的鉆頭矢量。
32現(xiàn)在將描述長(zhǎng)短輻圓內(nèi)擺線設(shè)備的操作。參考圖1-4，當(dāng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)6運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)軸/齒輪7將運(yùn)動(dòng)傳遞給同心套筒1上的環(huán)形齒輪8，由此圍繞縱軸旋轉(zhuǎn)同心(驅(qū)動(dòng))套筒和第一級(jí)偏心套筒2，所述縱軸穿過(guò)固定擺線環(huán)5的中心，基本上為整個(gè)設(shè)備的縱軸。當(dāng)?shù)谝患?jí)偏心套筒2旋轉(zhuǎn)時(shí)，它將運(yùn)動(dòng)傳遞到第二級(jí)偏心套筒4，有時(shí)類似于旋轉(zhuǎn)搖把。(應(yīng)當(dāng)注意，第二級(jí)偏心套筒在如將要解釋的擺線盤的軸內(nèi)偏心，并且稍稍從同心套筒和第一級(jí)偏心套筒圍繞其旋轉(zhuǎn)的縱軸偏移。)這導(dǎo)致了擺線盤3在擺線環(huán)5內(nèi)運(yùn)動(dòng)。由于兩個(gè)相互作用的套筒是偏心的，擺線盤的很小軸向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致盤3的外部齒在固定擺線環(huán)5的內(nèi)部齒內(nèi)運(yùn)動(dòng)。該作用賦予了圍繞縱軸的反向運(yùn)動(dòng)(當(dāng)與同心套筒/第一級(jí)偏心套筒的運(yùn)動(dòng)比較時(shí))。(應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)所述設(shè)備被用于可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具內(nèi)時(shí)，偏移軸實(shí)際落在井眼的中心線內(nèi)因此其用于鉆井操作。)33如上所述的結(jié)果作用類似于沿環(huán)的內(nèi)部的輪滾動(dòng)的作用。因此當(dāng)輪(擺線盤3)圍繞環(huán)(擺線環(huán)5)作順時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)，所述輪圍繞其自身的軸在逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。擺線盤3的外部齒逐次與固定擺線環(huán)5的內(nèi)部齒(或輥)嚙合，因此以減小的速度提供反向旋轉(zhuǎn)。對(duì)于第一級(jí)偏心套筒2的每個(gè)完整旋轉(zhuǎn)，擺線盤3在相反方向上前進(jìn)一個(gè)齒的距離。擺線盤中的齒比輥組件中的銷少一個(gè)，這導(dǎo)致減速比等于擺線盤上齒的數(shù)量(大約為20∶1)。
34輥組件(擺線環(huán)5)和盤(擺線盤3)的組合被稱為旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置(rotary vector gear)。應(yīng)當(dāng)理解的是單銷可以用在輥組件中；然而，摩擦力將通過(guò)輥銷的使用而大為減小。
35現(xiàn)在重要的是研究第二級(jí)偏心套筒，第二級(jí)偏心套筒有效地偏移擺線盤的軸，由此賦予了通過(guò)固定輥的中心獲得的平行于旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置的縱軸5的第二縱軸，其可以被稱為控制縱軸或控制軸。旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置的縱軸可以被稱為參考縱軸或參考軸。圖11顯示了這兩個(gè)軸和優(yōu)選的長(zhǎng)短輻圓內(nèi)擺線(hypotrochoidic)型式。
36在其優(yōu)選的方式中，第二或控制軸偏移0.150英寸。如圖6中所示，當(dāng)擺線盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，控制軸產(chǎn)生類似于花瓣(花冠)型式的長(zhǎng)短輻圓內(nèi)擺線運(yùn)動(dòng)。產(chǎn)生的花瓣數(shù)量由擺線盤和固定環(huán)之間的尺寸比(節(jié)徑)確定。該公式為R/(R-r)，其中R＝固定環(huán)的節(jié)徑，r＝擺線盤的節(jié)徑。長(zhǎng)短輻圓內(nèi)擺線運(yùn)動(dòng)通過(guò)旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置組件(擺線盤3，與固定環(huán)5組合)通過(guò)第二級(jí)偏心4(或檔板)被傳遞。
37參見圖2-4，讀者應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到圖2并沒(méi)有示出第一級(jí)偏心內(nèi)的偏心，僅僅因?yàn)樵撈谋恍D(zhuǎn)到附圖的平面之外。該偏心在圖3和4的橫截面中被顯示。
38在優(yōu)選的方式中，如圖5中所示的井下可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具中使用的第二級(jí)組件包含支承心軸10的徑向軸承。心軸接著聯(lián)接到鉆柱，因此長(zhǎng)短輻圓內(nèi)擺線運(yùn)動(dòng)被傳遞到鉆柱。
39在擺線盤/固定環(huán)的尺寸比和擺線盤的偏移之間存在內(nèi)在關(guān)系。對(duì)于第一偏心級(jí)的每次旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)“花瓣”，由于在其旋轉(zhuǎn)期間希望鉆柱通過(guò)“0”偏移(同心)，擺線盤中偏心偏移的大小可以僅僅是擺線盤和固定環(huán)的節(jié)徑之差的一半。
40具體而言，利用旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置的旋轉(zhuǎn)可控設(shè)計(jì)目前具有直徑為5.7英寸(14.478cm)的擺線盤節(jié)徑，和在擺線盤中具有0.150(3.81mm)偏移的6.0英寸(15.24cm)的固定環(huán)節(jié)徑。隨著如圖6中所示的后續(xù)處理旋轉(zhuǎn)，這產(chǎn)生了0至0.3英寸(7.62mm)的偏移范圍，在一個(gè)或多個(gè)最大偏移具有20個(gè)進(jìn)向(headings)。后續(xù)處理對(duì)于有效和快速地校正慢外殼滾動(dòng)是重要的。
41第一進(jìn)向被顯示成使用粗線并且代表從動(dòng)內(nèi)套筒的一次完整旋轉(zhuǎn)。第一進(jìn)向上的每個(gè)點(diǎn)可以被視為與旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置內(nèi)的內(nèi)部齒和外部齒之間的相互作用對(duì)應(yīng)。因此，在0，0.3(標(biāo)準(zhǔn)xy軸表示法)開始并且遵循其環(huán)繞半徑有可能在正平面中的不同點(diǎn)具有偏移，所述正平面在0，0.3開始，大略通過(guò)0.13，0.20，通過(guò)0，0，大略通過(guò)-0.08，0.20，回到0.0，0.28。下一個(gè)進(jìn)向偏移向右并且提供變化點(diǎn)。控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)然后必須跟蹤內(nèi)從動(dòng)套筒的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，這(為控制系統(tǒng))提供實(shí)際偏移的信息。作為另一選擇，傳感器可以用于提供第一級(jí)偏心和第二級(jí)偏心的位置的信息，由此允許確定的偏心的準(zhǔn)確位置。
42要求在設(shè)備外部的設(shè)定點(diǎn)與控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間進(jìn)行通信。在可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具的情況下，外部設(shè)定點(diǎn)可以是地面控制單元。所述單元或擺線控制系統(tǒng)必須知道已經(jīng)命令內(nèi)套筒轉(zhuǎn)動(dòng)多少圈，然后必須知道將需要旋轉(zhuǎn)多少圈將偏移定位在所需的位置?，F(xiàn)代基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)將毫無(wú)困難地跟蹤旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置偏移的當(dāng)前位置并且能夠?qū)⑺璧男畔l(fā)送到擺線設(shè)備的相關(guān)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
43在所述設(shè)備在可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具內(nèi)的優(yōu)選使用中，如果已知偏移參照重力傳感器或慣性控制系統(tǒng)，則關(guān)于井眼中心線的控制軸的準(zhǔn)確位置可以被確定和控制。使用重力傳感器或慣性控制系統(tǒng)將允許驅(qū)動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)可控設(shè)備的慢滾動(dòng)。
44圖8顯示了當(dāng)旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置用在井下可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具中時(shí)用于密封的建議布局。可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具具有6個(gè)旋轉(zhuǎn)密封和大約13個(gè)靜密封。其它實(shí)施方式可以使用更多或更少的旋轉(zhuǎn)密封或靜密封，并且圖8中所示的密封的數(shù)量不應(yīng)當(dāng)被看作限制。未示出的單獨(dú)壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)將被要求用來(lái)平衡環(huán)境和內(nèi)部工具壓力。
45圖9顯示了用于在井下可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具中使用的旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置設(shè)備的優(yōu)選軸承系統(tǒng)。推力和徑向負(fù)荷首先通過(guò)外殼，其次通過(guò)與心軸同心的泥漿壓井軸承，通過(guò)與旋轉(zhuǎn)套筒同心的密封軸承，最后通過(guò)與外殼同心的密封推力軸承被傳遞。所述工具的遠(yuǎn)端和近端都具有該軸承配置。
46給定尺寸參數(shù)，可以用以下參量笛卡兒方程產(chǎn)生長(zhǎng)短輻圓內(nèi)擺線形狀x＝(a-b)cos(t)+c cos((a/b-1)t)，y＝(a-b)sin(t)-c sin((a/b-1)t)。其中a＝固定環(huán)的半徑，b＝擺線盤的半徑，c＝離擺線盤的中心的距離，以產(chǎn)生第二偏移軸。設(shè)備計(jì)算機(jī)將利用該方程將翻譯內(nèi)套筒的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)以驅(qū)動(dòng)擺線盤，從而得到的長(zhǎng)短輻圓內(nèi)擺線運(yùn)動(dòng)將旋轉(zhuǎn)矢量置于需要的位置中。也就是說(shuō)，鉆頭在鉆井操作所要求的方向上被引導(dǎo)。
47鉆頭偏移和鉆頭點(diǎn)的概念(所謂的旋轉(zhuǎn)矢量)在McLoughlin等人的美國(guó)專利申請(qǐng)6,808,027中被描述。然而，該旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置可以用在可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具中以實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)果。這樣一種旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置的使用是極大的改進(jìn)，原因在于可以從地面在工具內(nèi)調(diào)整狗腿嚴(yán)重度。圖7A-7C顯示了利用該公開的旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置的可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具的簡(jiǎn)化圖；而圖7D和7E準(zhǔn)確顯示了如何通過(guò)可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具內(nèi)的支點(diǎn)作用獲得鉆頭點(diǎn)(鉆頭傾斜)和鉆頭推動(dòng)。圖7E提供了用于圖7A-7C中的符號(hào)的關(guān)鍵即軸承的類型(球面軸承，帶有軸承的偏心，等等)擺線盤的位置，第一級(jí)偏心，等等。圖9顯示了進(jìn)一步的軸承細(xì)節(jié)。
48圖7A顯示了安裝在井下可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具中的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置或擺線設(shè)備(在圖1-4中示出的系統(tǒng))。該特殊布置導(dǎo)致了鉆頭推動(dòng)。也就是說(shuō)，兩個(gè)擺線盤一起工作(即，它們共同聯(lián)接到相同的驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng))以從井眼的中心線偏移心軸。
49圖7B顯示了安裝在可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具的相對(duì)端的單一旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置或擺線設(shè)備和輥軸承座。該特殊布置導(dǎo)致了鉆頭點(diǎn)。也就是說(shuō)，擺線盤和單一軸承一起操作以遠(yuǎn)離井眼的中心線指向心軸。
50圖7C顯示了安裝在可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具的中心的單一設(shè)備，其中心軸被軸承支撐在任一側(cè)。所述單一設(shè)備用于在中間推動(dòng)心軸偏心。這也導(dǎo)致鉆頭點(diǎn)。
51圖7D和7E顯示了以上任一構(gòu)造可以怎樣與外部穩(wěn)定器組合使用以實(shí)際獲得鉆頭推動(dòng)或鉆頭傾斜(點(diǎn))。圖7D-鉆頭推動(dòng)-顯示了放置在利用本設(shè)備的旋轉(zhuǎn)工具上方或后面的穩(wěn)定器將如何在鉆頭上促進(jìn)側(cè)向(或橫向)力。圖7E-鉆頭點(diǎn)-顯示了放置在利用本設(shè)備的旋轉(zhuǎn)工具之間的(或與鉆頭-體化的)穩(wěn)定器如何促進(jìn)鉆頭上的角變化(或鉆頭點(diǎn))。
52重要的是認(rèn)識(shí)到本設(shè)備可以用于可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具中，所述可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具利用如先前美國(guó)專利(參見先前的論述)中所描述的含物(pregnant)(加重)外殼代替產(chǎn)生鉆頭推動(dòng)和鉆頭點(diǎn)構(gòu)造的套筒(同心的和偏心的)或凸輪。(在這里詞語(yǔ)“凸輪”可與詞語(yǔ)“套筒”互換使用)。加重-含物-外殼傾向于朝著井眼的“低側(cè)”。也就是說(shuō)在重力作用下外殼的重力沿循低側(cè)，由此提供低側(cè)穩(wěn)定。如現(xiàn)有技術(shù)所描述的，可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具需要一種方法來(lái)定向或偏移鉆頭，同時(shí)使所述方向或偏移參照井眼內(nèi)的穩(wěn)定基準(zhǔn)。
53有可能使用一種可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具，其由內(nèi)部重力或慣性參照反饋控制系統(tǒng)(例如加速計(jì))穩(wěn)定或者通過(guò)使用接合井眼的防旋轉(zhuǎn)設(shè)備穩(wěn)定。因此，本設(shè)備可以作為引用的美國(guó)專利的工具和新型可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具內(nèi)的改進(jìn)凸輪用于發(fā)明人所預(yù)見的設(shè)備中。
54應(yīng)當(dāng)理解的是，在所述方式中“花瓣”的型式和數(shù)量由以上方程中的a，b和c的關(guān)系設(shè)定。因此，使用者可以關(guān)于型式的選擇竭盡想象。這在計(jì)算機(jī)控制銑床和類似設(shè)備中證明是有用的。因此，旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置(擺線)系統(tǒng)可以在石油和天然氣工業(yè)之外找到其應(yīng)用。圖10A-10F顯示了連同所需的參數(shù)值一起的若干示例型式。這些圖也示出了圖4的型式為何優(yōu)選地用于旋轉(zhuǎn)鉆井中，因?yàn)樵撔褪?或參數(shù)的選擇)導(dǎo)致了軸運(yùn)動(dòng)的連續(xù)(或順序)前進(jìn)并且多次返回到零。
55盡管所述設(shè)備被描述成優(yōu)選用于在鉆井工業(yè)中使用的可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具中，所述設(shè)備也能夠用于需要控制位置的任何設(shè)備中。所以以上描述不應(yīng)當(dāng)被看作限制，而是應(yīng)當(dāng)被看作所述設(shè)備的最佳實(shí)施方式和描述。
權(quán)利要求
1.一種用于繞參考軸排序(sequencing)控制軸的旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置，包括適于圍繞所述參考軸旋轉(zhuǎn)的同心驅(qū)動(dòng)套筒；連接到所述從動(dòng)內(nèi)套筒的第一級(jí)偏心套筒；適于圍繞所述控制軸旋轉(zhuǎn)的第二級(jí)偏心套筒；附加到所述第二級(jí)偏心套筒的外部齒式擺線盤；內(nèi)部齒式固定擺線環(huán)，適于被附加到用于保持?jǐn)[線系統(tǒng)的外殼；和用于旋轉(zhuǎn)所述同心驅(qū)動(dòng)套筒的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，進(jìn)一步包括控制機(jī)構(gòu)，該控制機(jī)構(gòu)用于操作所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由此以可預(yù)測(cè)的方式排序所述控制軸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中當(dāng)所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)所述同心驅(qū)動(dòng)套筒的任何時(shí)候，所述控制軸相對(duì)于所述參考軸以長(zhǎng)短輻圓內(nèi)擺線圖案的方式運(yùn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述控制機(jī)構(gòu)進(jìn)一步適于保持所述控制軸相對(duì)于所述參照軸的相對(duì)位置并且響應(yīng)外部信號(hào)，由此所述控制軸可以進(jìn)一步被置于相對(duì)于所述參考軸的已知位置中。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中所述外殼是具有兩端的可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具的外殼，所述可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具適于用在井眼中并且進(jìn)一步適于接納鉆柱，其中所述擺線系統(tǒng)為鉆柱提供從井眼中心的偏移，由此導(dǎo)致由包含在所述可轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)工具內(nèi)的擺線系統(tǒng)構(gòu)造而設(shè)定的鉆頭點(diǎn)或鉆頭推動(dòng)方向的轉(zhuǎn)向(directional steering)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中所述構(gòu)造包括位于所述可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具末端的兩個(gè)球面軸承之間并靠近中點(diǎn)布置的單一擺線系統(tǒng)，由此為所述鉆柱提供角變化，從而導(dǎo)致鉆頭點(diǎn)方向的轉(zhuǎn)向。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中所述構(gòu)造包括兩個(gè)共同聯(lián)接的擺線系統(tǒng)，它們分別定位在所述可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具末端附近，由此為所述鉆柱提供軸向偏移，從而導(dǎo)致鉆頭推動(dòng)方向的轉(zhuǎn)向。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中所述構(gòu)造包括靠近所述可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具一端定位的單一擺線系統(tǒng)，并且進(jìn)一步包括定位在所述可轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)工具另一端的球面軸承，由此為所述鉆柱提供角變化，從而導(dǎo)致鉆頭點(diǎn)方向的轉(zhuǎn)向。
9.根據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中所述可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具包含適于提供井眼位置參照的慣性引導(dǎo)系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)適于與所述可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具通信。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的設(shè)備，其中所述可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具進(jìn)一步適于與地面通信，由此在提出要求時(shí)提供方向轉(zhuǎn)向，同時(shí)控制所述方向轉(zhuǎn)向的狗腿嚴(yán)重度。
11.一種用于繞井眼內(nèi)的參考軸排序控制軸的旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置，包括適于圍繞所述參考軸旋轉(zhuǎn)的同心驅(qū)動(dòng)套筒；連接到所述從動(dòng)內(nèi)套筒的第一級(jí)偏心套筒；適于圍繞所述控制軸旋轉(zhuǎn)的第二級(jí)偏心套筒；附加到所述第二級(jí)偏心套筒的外部齒式擺線盤；內(nèi)部齒式固定擺線環(huán)，適于被附加到具有中心縱軸的可轉(zhuǎn)向井下旋轉(zhuǎn)工具的外殼內(nèi)部；用于旋轉(zhuǎn)所述同心驅(qū)動(dòng)套筒的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；和控制機(jī)構(gòu)，其用于操作所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由此以可預(yù)測(cè)的方式排序所述控制軸，其中所述可轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)外殼包含所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和所述控制機(jī)構(gòu)，并且所述控制軸和井眼的中心軸彼此重疊。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的設(shè)備，其中所述擺線系統(tǒng)提供由包含在所述可轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)工具內(nèi)的擺線系統(tǒng)的構(gòu)造而設(shè)定的鉆頭點(diǎn)或鉆頭推動(dòng)方向的轉(zhuǎn)向。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的設(shè)備，其中所述可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具適于接納鉆柱，其中所述可轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)工具的所述外殼具有兩端，并且所述構(gòu)造包括定位于所述可轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)工具末端的兩個(gè)球面軸承之間并靠近中點(diǎn)布置的單一擺線系統(tǒng)，由此為所述鉆柱提供角變化，從而導(dǎo)致鉆頭點(diǎn)方向的轉(zhuǎn)向。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的設(shè)備，其中所述構(gòu)造包括兩個(gè)共同聯(lián)接的擺線系統(tǒng)，它們分別定位在所述可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具末端附近，由此提供鉆頭推動(dòng)方向的轉(zhuǎn)向。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的設(shè)備，其中所述構(gòu)造包括靠近所述可轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)工具一端定位的單一擺線系統(tǒng)，并且進(jìn)一步包括定位在所述可轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)工具另一端的球面軸承，由此提供鉆頭點(diǎn)方向的轉(zhuǎn)向。
16.根據(jù)權(quán)利要求11的設(shè)備，其中所述控制系統(tǒng)包含適于提供井眼參考數(shù)據(jù)的傳感器，并且所述控制系統(tǒng)可以對(duì)所述控制軸進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而影響井眼路徑。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的設(shè)備，其中所述控制系統(tǒng)包含命令協(xié)議，從而可以從地面命令井眼路徑的調(diào)整。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的設(shè)備，其中井眼路徑的狗腿嚴(yán)重度是受控的。
19.一種用于繞參考軸排序控制軸的旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置，其適用于可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具內(nèi)，其中所述可轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)工具適用于井眼中并且提供井眼路徑的控制，所述旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置包括適于圍繞所述參考軸旋轉(zhuǎn)的同心驅(qū)動(dòng)套筒；連接到所述從動(dòng)內(nèi)套筒的第一級(jí)偏心套筒；適于圍繞所述控制軸旋轉(zhuǎn)的第二級(jí)偏心套筒；附加到所述第二級(jí)偏心套筒的外部齒式擺線盤；內(nèi)部齒式固定擺線環(huán)，適于被附加到具有中心縱軸的可轉(zhuǎn)向井下旋轉(zhuǎn)工具的外殼內(nèi)部；用于旋轉(zhuǎn)所述同心驅(qū)動(dòng)套筒的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；控制機(jī)構(gòu)，其用于操作所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由此以可預(yù)測(cè)的方式排序所述控制軸，從而控制井眼路徑的狗腿嚴(yán)重度；其中所述控制軸和井眼的中心軸彼此重疊，其中所述可轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)外殼包含所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和所述控制機(jī)構(gòu)，并且其中所述控制系統(tǒng)包含適于提供井眼參考數(shù)據(jù)的傳感器，并且所述控制系統(tǒng)可以對(duì)所述控制軸進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，由此控制井眼路徑。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的設(shè)備，其中所述控制系統(tǒng)包含命令協(xié)議，從而可以從地面命令井眼路徑的調(diào)整。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的設(shè)備，其中可以從地面調(diào)整狗腿嚴(yán)重度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于相對(duì)于中心縱軸控制縱軸偏移的旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置。所述設(shè)備通過(guò)旋轉(zhuǎn)矢量傳動(dòng)裝置使用單一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生類似于花瓣的長(zhǎng)短輻圓內(nèi)擺線偏移并且能夠或準(zhǔn)備返回零偏移。所述設(shè)備可以用在井下旋轉(zhuǎn)可控石油和天然氣鉆井工具中和用于提供控制偏移的計(jì)算機(jī)控制銑床中。
文檔編號(hào)E21B7/06GK1965143SQ200580003192
公開日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2005年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月28日
發(fā)明者R·G·厄爾斯, J·B·拉薩特 申請(qǐng)人:哈利伯頓能源服務(wù)公司