调整钻压和平衡相位的系统和方法.pdf

本发明公开了使井下切削工具之间的压重分布平衡的系统和方法。一种系统包括：钻头(102)，所述钻头(102)被布置在所述井底钻具组件(100)的远端处；第一传感器接头(112a)，所述第一传感器接头(112a)被布置成靠近所述钻头并且被配置来监测对应于所述钻头的一个或多个操作参数；扩孔钻(104)，所述扩孔钻(104)在所述井底钻具组件上与所述钻头轴向偏离；第二传感器接头(112b)，所述第二传感器接头(112b)被布置成靠近所述扩孔钻并且被配置来监测所述扩孔钻的一个或多个操作参数；以及通信模块(114)，所述通信模块(114)可通信地联接至所述第一传感器接头和所述第二传感器接头，并且被配置来当所述钻头和所述扩孔钻的所述一个或多个操作参数超过预先确定的操作阈值时，传达一个或多个校正动作信号。

1.  一种井底钻具组件，其包括：
第一传感器接头，所述第一传感器接头被配置来监测对应于钻头 的一个或多个操作参数；
第二传感器接头，所述第二传感器接头与所述第一传感器接头轴 向偏离并且被配置来监测扩孔钻的一个或多个操作参数；以及
通信模块，所述通信模块可通信地联接至所述第一传感器接头和 所述第二传感器接头，并且被配置来当所述钻头与所述扩孔钻的所述 一个或多个操作参数超过预先确定的操作阈值时，传达一个或多个校 正动作信号。

2.  如权利要求1所述的井底钻具组件，其中所述钻头的所述一 个或多个操作参数包括钻压，并且所述扩孔钻的所述一个或多个操作 参数包括扩孔钻压。

3.  如权利要求2所述的井底钻具组件，其还包括液压接头，所 述液压接头被布置在所述钻头与所述扩孔钻之间并且可通信地联接 至所述通信模块，所述液压接头被配置来接收所述一个或多个校正信 号并且使所述钻压与所述扩孔钻压之间的压重分布平衡。

4.  如权利要求3所述的井底钻具组件，其中所述液压接头操纵 所述扩孔钻与所述钻头的分隔距离，以便使所述钻压与所述扩孔钻压 之间的所述压重分布平衡。

5.  如权利要求2所述的井底钻具组件，其还包括井下推进系统， 所述井下推进系统可通信地联接至所述通信模块，并且被配置来接收 所述一个或多个校正信号并且使所述钻压与所述扩孔钻压之间的压 重分布平衡。

6.  如权利要求5所述的井底钻具组件，其中所述井下推进系统 被布置在所述钻头与所述扩孔钻之间。

7.  如权利要求5所述的井底钻具组件，其中所述井下推进系统 轴向地伸展或收缩，以便使所述钻压与所述扩孔钻压之间的所述压重 分布平衡。

8.  如权利要求1所述的井底钻具组件，其中所述钻头的所述一 个或多个操作参数包括钻扭矩，并且所述扩孔钻的所述一个或多个操 作参数包括扩孔钻扭矩。

9.  如权利要求8所述的井底钻具组件，其还包括移相接头，所 述移相接头可通信地联接至所述通信模块，并且被配置来接收所述一 个或多个校正动作信号并且改变所述钻头与所述扩孔钻之间的相位 角。

10.  如权利要求9所述的井底钻具组件，其中所述移相接头可操 作地联接在所述扩孔钻与所述钻头之间。

11.  一种钻探井眼的方法，其包括：
利用被布置成靠近钻头的第一传感器接头来监测钻头操作参数， 所述钻头被布置在井底钻具组件的远端处；
利用被布置成靠近扩孔钻的第二传感器接头来监测扩孔钻操作 参数，所述扩孔钻沿所述井底钻具组件与所述钻头轴向偏离一定分隔 距离并且与所述钻头成角度地偏移一定相位角；
利用可通信地联接至所述第一传感器接头和所述第二传感器接 头两者的通信模块来接收所述钻头操作参数和所述扩孔钻操作参数； 以及
当所述钻头操作参数和所述扩孔钻操作参数超过预先确定的操 作阈值时，调整所述分隔距离和所述相位角中的至少一个。

12.  如权利要求11所述的方法，其中所述钻头操作参数包括钻 压，并且所述扩孔钻操作参数包括扩孔钻压，所述方法还包括：
利用液压接头来接收所述一个或多个校正动作信号，所述液压接 头可操作地联接至所述扩孔钻并且可通信地联接至所述通信模块；以 及
利用所述液压接头来增加或减少所述分隔距离，以使所述钻压与 所述扩孔钻压之间的压重分布平衡。

13.  如权利要求11所述的方法，其中所述钻头操作参数包括钻 压，并且所述扩孔钻操作参数包括扩孔钻压，所述方法还包括：
利用井下推进系统来接收所述一个或多个校正动作信号，所述井 下推进系统被布置在所述钻头与所述扩孔钻之间并且可通信地联接 至所述通信模块；以及
利用所述井下推进系统使所述钻压与所述扩孔钻压之间的压重 分布平衡。

14.  如权利要求13所述的方法，其中使所述压重分布平衡还包 括：使所述井下推进系统轴向地伸展或轴向地收缩。

15.  如权利要求11所述的方法，其中所述钻头操作参数包括钻 扭矩，并且所述扩孔钻操作参数包括扩孔钻扭矩，所述方法还包括：
利用移相接头来接收所述一个或多个校正动作信号，所述移相接 头可操作地联接至所述扩孔钻并且可通信地联接至所述通信模块；以 及
利用所述移相接头来改变所述钻头与所述扩孔钻之间的相位角。

16.  如权利要求11所述的方法，其还包括实时地向地表位置发 送数据以及从所述地表位置接收数据，所述通信模块可通信地联接至 所述地表位置。

17.  一种钻探井眼的方法，其包括：
利用被布置成靠近钻头的第一传感器接头来监测钻压，所述钻头 被布置在井底钻具组件的远端处；
利用被布置成靠近扩孔钻的第二传感器接头来监测扩孔钻压，所 述扩孔钻沿所述井底钻具组件与所述钻头轴向偏离；
利用可通信地联接至所述第一传感器接头和所述第二传感器接 头两者的通信模块来接收表示所述钻压和所述扩孔钻压的信号；
当所述钻压和所述扩孔钻压超过预先确定的操作阈值时，传达一 个或多个校正动作信号；以及
使所述钻压与所述扩孔钻压之间的压重分布平衡。

18.  如权利要求17所述的方法，其中使所述钻压与所述扩孔钻 压之间的所述压重分布平衡包括：
利用液压接头来接收所述一个或多个校正动作信号，所述液压接 头可操作地联接在所述扩孔钻与所述钻头之间并且可通信地联接至 所述通信模块；以及
利用所述液压接头来操纵所述扩孔钻相对于所述钻头的轴向位 置，以使所述钻压与所述扩孔钻压之间的压重分布平衡。

19.  如权利要求17所述的方法，其中使所述钻压与所述扩孔钻 压之间的所述压重分布平衡包括：
利用井下推进系统来接收所述一个或多个校正动作信号，所述井 下推进系统被布置在所述钻头与所述扩孔钻之间并且可通信地联接 至所述通信模块；以及
致动所述井下推进系统，以使得所述钻头与所述扩孔钻之间的轴 向距离得以调整。

20.  如权利要求17所述的方法，其还包括：
利用所述第一传感器接头来监测钻扭矩并且利用所述第二传感 器接头来监测扩孔钻扭矩；
利用可通信地联接至所述第一传感器接头和所述第二传感器接 头两者的通信模块来接收表示所述钻扭矩和所述扩孔钻扭矩的信号；
当所述钻扭矩和所述扩孔钻扭矩超过预先确定的操作阈值时，传 达一个或多个另外的校正动作信号；
利用移相接头来接收所述一个或多个另外的校正动作信号，所述 移相接头可操作地联接在所述扩孔钻与所述钻头之间并且可通信地 联接至所述通信模块；以及
利用所述移相接头来改变所述钻头与所述扩孔钻之间的相位角。

调整钻压和平衡相位的系统和方法
技术背景
本公开涉及在地下地层中钻探井眼，并且更具体地，涉及使各个 井下切削工具之间的压重和液压能量分布平衡的系统和方法。
出于各种目的，包括例如石油和天然气开采以及地热开采，在地 下地层中形成井眼。此类井眼通常使用一个或多个钻头形成，钻头如 固定切刀钻头(即“刮刀”钻头)、滚动切刀钻头(即“凿岩”钻头)、孕镶金 刚石钻头、以及可包括例如固定切刀和滚动切刀两者的混合型钻头。 钻头直接或间接地联接至钻柱或工作管柱的一端，钻柱或工作管柱包 围从地表延伸到井眼中的端对端连接的一系列细长管状节段。各种工 具和部件(包括钻头)常常被布置或以其它方式联接在钻柱位于井眼 底部处的远端处。工具和部件的这种组件通常被称为“井底钻具组 件”(BHA)。
为了形成井眼，使钻头旋转并且其相关联的切刀或研磨结构将地 层材料切削、粉碎、剪切和/或研磨掉，从而促进钻头向地下地层中 前进。在一些情况下，通过从地表使钻柱旋转来使钻头在井眼内旋转， 同时将流体如钻井液从地表泵送到钻头。钻井液在钻头处通过布置在 其中的一个或多个喷嘴离开钻柱，并且可用于冷却钻头并且通过限定 在钻柱与井眼的暴露表面之间的环空将钻探微粒冲回到地表。然而， 在其它情况下，可通过使钻头联接至井下马达(例如，泥浆马达)来使 钻头旋转，井下马达还联接至钻柱并且被设置成相对靠近钻头。从地 表泵送的钻井液可为井下马达提供动力以使钻头旋转，并且随后从钻 头的喷嘴离开并且通过环空循环回到地表。
为了扩大井眼的直径，“扩孔钻”装置(也被称为“扩眼装置”或“扩 眼器”)可作为BHA的一部分与钻头结合使用。扩孔钻通常沿BHA的 长度与钻头轴向偏离并且在钻头的井孔上行。在操作中，钻头用作导 向钻头以在地下地层中形成导向孔，并且当BHA向地层中前进时， 扩孔钻跟随钻头穿过导向孔以扩大井眼的直径。
在钻探井眼时，轴向力或压重通过钻柱从地表施加到钻头和扩孔 钻上，从而使得切削工具向地层中前进。这种力通常被称为“钻 压”(WOB)和“扩孔钻压”(WOR)。利用钻头和扩孔钻的有效钻探可显 著地影响性能和向地层中的钻速(ROP)。然而，在同时使用WOB和 WOR时，管理它们可能是非常困难的。可能存在若干以下情境：可 能妨碍钻探效率，从而不仅造成低ROP而且还造成井下工具的过早 磨损。例如，井眼可能延伸穿过不同的地层或地质材料层，并且每种 地层可能表现出不同的物理性质。一些地层可能相对松软且易于钻 通，而其它地层相对坚硬且难以钻通。当井眼前进穿过相对坚硬的地 层并且进入下面的较松软地层中时，钻头将快速地将材料从较松软地 层移除，同时扩孔钻继续在较坚硬地层中更缓慢地铰大井眼。因此， WOB与WOR之间的比率可能变得不合期望且在扩孔钻与钻头之间 不均衡地分布。
压重分布的不平衡还可能导致在钻柱中产生振动。例如，如果扩 孔钻压高于钻压，那么在扩孔钻下方靠近钻头处可能存在自由悬管质 量块，从而可能在钻柱中引起剧烈振动。钻头和扩孔钻上的不平衡力 还可能导致激振力反相和过度振动。例如，虽然钻柱可能正在以特定 频率振荡，但钻头与扩孔钻之间的不平衡压重可能导致每个切削结构 以不同相位进行旋转。而且，当钻头和扩孔钻的相位显著不同步时， 每个切削结构处的激振力增强并且所产生的振动可能不利地影响 ROP并且可能损坏BHA的重要部件。
发明概述
本公开涉及在地下地层中钻探井眼，并且更具体地，涉及使各个 井下切削工具之间的压重和液压能量分布平衡的系统和方法。
在一些实施方案中，公开了一种井底钻具组件并且所述井底钻具 组件可包括：第一传感器接头，所述第一传感器接头被配置来监测对 应于钻头的一个或多个操作参数；第二传感器接头，所述第二传感器 接头与第一传感器接头轴向偏离并且被配置来监测扩孔钻的一个或 多个操作参数；以及通信模块，所述通信模块可通信地联接至第一传 感器接头和第二传感器接头，并且被配置来当钻头和扩孔钻的一个或 多个操作参数超过预先确定的操作阈值时，传达一个或多个校正动作 信号。
在其它实施方案中，公开了一种钻探井眼的方法。所述方法可包 括：利用被布置成靠近钻头的第一传感器接头来监测钻头操作参数， 钻头被布置在井底钻具组件的远端处；利用被布置成靠近扩孔钻的第 二传感器接头来监测扩孔钻操作参数，扩孔钻沿井底钻具组件与钻头 轴向偏离一定分隔距离并且与钻头成角度地偏移一定相位角；利用可 通信地联接至第一传感器接头和第二传感器接头两者的通信模块来 接收钻头操作参数和扩孔钻操作参数；以及当钻头操作参数和扩孔钻 操作参数超过预先确定的操作阈值时，调整分隔距离和相位角中的至 少一个。
在又一个实施方案中，公开了另一种钻探井眼的方法。所述方法 可包括：利用被布置成靠近钻头的第一传感器接头来监测钻压，钻头 被布置在井底钻具组件的远端处；利用被布置成靠近扩孔钻的第二传 感器接头来监测扩孔钻压，扩孔钻沿井底钻具组件与钻头轴向偏离； 利用可通信地联接至第一传感器接头和第二传感器接头两者的通信 模块来接收表示钻压和扩孔钻压的信号；当钻压和扩孔钻压超过预先 确定的操作阈值时，传达一个或多个校正动作信号；以及使钻压与扩 孔钻压之间的压重分布平衡。
在阅读以下对优选实施方案的描述之后，本公开的特征对本领域 中的技术人员而言将是显而易见的。
附图简述
以下附图用于说明本发明的特定方面，并且不应视作排它性实施 方案。如本领域中的技术人员以及受益于本公开的人员将了解，所公 开的主题能够在形式和功能上存在许多修改、变更、组合和等效形式。
图1是根据一个或多个实施方案的下降到代表性井眼中的示例 性井底钻具组件的正视图。
图2是根据一个或多个实施方案的示例性液压接头的局部截面 图。
图3A和图3B是根据一个或多个实施方案的示出以下情境的示 意图：其中在检测到比率超过预先确定的操作限值之后，使钻压和扩 孔钻压均衡。
图4A和图4B是根据一个或多个实施方案的示出以下另一种情 境的示意图：其中在检测到比率超过预先确定的操作限值之后，使钻 压和扩孔钻压均衡。
图5是根据一个或多个实施方案的示例性相移操纵器的局部截 面图。
具体实施方式
本公开涉及在地下地层中钻探井眼，并且更具体地，涉及使各个 井下切削工具之间的压重和液压能量分布平衡的系统和方法。
钻探超大位移延伸井并使位移延伸到更大深度既需要改进的模 型又需要对钻探操作进行综合分析。钻探效率对于超长井而言是重要 问题，并且优化和监测各种切削工具的工作效率对于井的成功完成是 重要的。本文所公开的实施方案可证明有利于实时地监测井下钻探操 作、以及有效地管理布置在钻柱上的轴向邻近切削工具之间的压重分 布。通过管理压重分布，钻探系统将获得增大的钻速和效率。本文所 公开的实施方案还可证明有利于弥补轴向邻近切削工具之间的相位 不平衡的不利影响。通过操纵切削工具以使得它们大致彼此同相地进 行切削，将最小化振动的不良影响。
图1是根据一个或多个实施方案的示例性井底钻具组件(BHA) 100在下降到代表性井眼108中时的正视图。如图所示，BHA 100可 包括沿从地表(未示出)延伸的钻柱106轴向间隔的钻头102和扩孔钻 104。钻头102和扩孔钻104可被配置来将井眼108钻探到或以其它 方式切削到地下地层110中，以便从其中抽取碳氢化合物。当钻柱 106使BHA 100前进到地下地层110中时，钻头102可形成具有第一 直径的井眼108，并且扩孔钻104可跟随钻头102将井眼的尺寸扩展 到第二直径，其中第二直径大于第一直径。BHA 100可通过例如从地 表使钻柱106旋转来在井眼内旋转。然而，在其它实施方案中，在不 脱离本公开的范围的情况下，井下马达或泥浆泵(未示出)同样可用于 使BHA 100旋转。
虽然未明确示出，但本领域的技术人员将容易理解，BHA 100 还可包括各种其它类型的钻探工具或部件，如但不限于转向单元、一 个或多个稳定器、一个或多个力学和动力学工具、一个或多个钻铤、 一个或多个加速器、一个或多个震击器以及一个或多个加重钻杆节 段。
BHA 100还可包括联接至钻柱106或以其它方式形成钻柱106 的一部分的第一传感器接头112a和第二传感器接头112b。第一传感 器接头112a可被布置成邻近或以其它方式靠近钻头102，并且第二传 感器接头112b可被布置成邻近或以其它方式靠近扩孔钻104。第一 传感器接头112a和第二传感器接头112b可被配置来监测井下环境中 关于BHA 100的各种操作参数。例如，第一传感器接头112a可被配 置来监测对应于钻头102的操作参数，如但不限于钻压(WOB)、钻头 扭矩(TOB)、钻头102的每分钟转数(RPM)、钻柱106邻近钻头102 的弯矩、钻头102处或附近的振动等。类似地，第二传感器接头112b 可被配置来监测扩孔钻104的操作参数，如但不限于扩孔钻压 (WOR)、扩孔钻扭矩(TOR)、扩孔钻104的每分钟转数(RPM)、钻柱 邻近扩孔钻104的弯矩、扩孔钻104处或附近的振动等。
在一些实施方案中，第一传感器接头112a和第二传感器接头 112b中的一个或两个可以是可从美国德克萨斯州休斯顿市的Sperry  Drilling公司商购得的工具。工具或这种 类型的传感器接头112a、112b可被配置来提供邻近切削工具(即，钻 头102和扩孔钻104)上的压重、扭矩和弯曲的实时测量值，以表征从 地表到切削工具的能量传递。如应当理解，这些测量值有助于优化钻 探参数以使性能最大化并且使浪费的能量传递和振动最小化。
BHA 100还可包括联接至钻柱106或以其它方式形成钻柱106 的一部分的双向通信模块114。通信模块114可通过一个或多个通信 线路116可通信地联接至第一传感器接头112a和第二传感器接头 112b中的每一个，以使得通信模块114可被配置来实时地向第一传 感器接头112a和第二传感器接头112b发送数据和从第一传感器接头 112a和第二传感器接头112b接收数据。因此，可在钻探操作期间向 通信模块114提供钻头102和扩孔钻104两者的实时操作参数。
在一些实施方案中，通信模块114可包括一个或多个微处理器 118，如闭合反馈使能微处理器等。微处理器118可被配置来使得第 一传感器接头112a和第二传感器接头112b能够彼此通信。因此，第 一传感器接头112a可通过与第二传感器接头112b通信来实时获悉扩 孔钻104的总体操作情况，并且第二传感器接头112b同样可通过与 第一传感器接头112a通信来实时获悉钻头102的总体操作情况。
通信模块114可通过一个或多个通信线路120进一步可通信地联 接至地表(未示出)，以使得通信模块114可在操作期间能够实时地向 地表发送数据和从地表接收数据。例如，通信模块114可被配置来向 地表传达如通过第一传感器接头112a和第二传感器接头112b所获取 的各种井下操作参数数据。一旦在地表处被接收，操作员就可研究所 监测的操作参数数据，并且如果必要，作为响应而采取一个或多个校 正动作等。在一些实施方案中，如在以下更详细描述，一个或多个校 正动作可包括往回沿井孔下行向通信模块114发送一个或多个命令 信号或校正动作信号，这在钻头102或扩孔钻104的一部分上发起动 作。
然而，在其它实施方案中，通信模块114可与计算机化系统(未 示出)等进行通信，计算机化系统等被配置来接收如通过第一传感器 接头112a和第二传感器接头112b所获取的各种井下操作参数数据。 如应当理解，这种计算机化系统可被布置在井下或地表处。在一些实 施方案中，例如，通信模块114本身可用作如本文所述的计算机化系 统。当井下操作参数数据超过或以其它方式突破一个或多个预先确定 的操作限值时，计算机化系统可被配置来警告操作员或使用者操作异 常，并且作为响应，可向BHA 100发送一个或多个校正命令信号， 以便改变井下操作情况以使操作参数返回到安全或有效的操作范围 内。在其它实施方案中，在认识到或以其它方式确定突破或超过预先 确定的操作限值时，在不脱离本公开的范围的情况下，计算机化系统 可被配置来自动地向BHA 100发送一个或多个校正动作信号。因此， 在至少一个实施方案中，一个或多个校正动作可以是完全自动化的。
然而，在又其它实施方案中，替代地，由通信模块114接收到的 如通过第一传感器接头112a和第二传感器接头112b所获取的井下操 作参数数据可存储在布置在通信模块114中的机载存储器(未示出) 中。当存储在机载存储器中时，所收集的井下操作参数数据可被转换 成基于深度的日志，以使得所述数据可在BHA 100返回至地表时用 于事后分析，并且技术员能够访问机载存储器并且下载其内容。
如应当理解，通信线路116、120可为本领域的技术人员已知的 任何类型的有线或无线电信装置或手段，如但不限于电线或电线路、 光纤线路、井下遥测技术(泥浆脉冲、声学、电磁频率等)、其组合等。 在一些实施方案中，通信线路116、120可形成有线钻杆系统的一部 分，有线钻杆系统使用电线来传输去往和来自地表的电信号。
可由第一传感器接头112a和第二传感器接头112b监测到的操作 参数中的将对钻探系统的钻速(ROP)和总体效率具有直接影响的操作 参数是WOB和WOR。可证明以下是有利的：当钻头102和扩孔钻 104前进穿过地下地表110时，特定是在经过具有不同地质材料的地 层110时，将WOR与WOB的比率维持在预先确定或所期望的范围 内。在一些实施方案中，BHA 100可被配置来将WOR与WOB之间 的比率维持成至少大致恒定，或以其它方式维持在预先确定的合适操 作限值或范围内。因此，可最大化ROP，可减少钻柱106中的不利 振动，并且可最小化钻头102、扩孔钻104和其它相关的井下工具和 部件出现过早磨损的可能性。
根据本公开的一个或多个实施方案，第一传感器接头112a和第 二传感器接头112b可被配置来分别监测并且向通信模块114报告 WOB和WOR，以便确定两个参数之间的比率。当WOR/WOB之间 的比率超过预先确定的值或操作阈值时，这可指示：钻头102或扩孔 钻104中的一个正承受过量的钻柱106中的压重，从而对钻探效率和 ROP具有不利影响。在检测到这种情况时，通信模块114可被配置来 向地表发送指示这种情况的信号。在地表处，如上所述，操作员或计 算系统可接收并研究信号，并且如果适当，作为响应而采取一个或多 个校正动作，以便使WOR/WOB之间的比率返回至安全或合适的操 作范围。
在一些实施方案中，适当的校正动作可包括调整从地表施加到钻 柱106的下放压重。调整下放压重或起钻压重可被配置来减小负担过 重的切削工具(即，钻头102或扩孔钻104)面所承载的压重。
根据本公开的其它实施方案，可通过操纵扩孔钻104沿钻柱106 的长度相对于钻头102的轴向位置来调整或以其它方式修改 WOR/WOB之间的比率。例如，如图所示，BHA 100还可包括可操 作地联接至或以其它方式附接至扩孔钻104的液压接头122。在一些 实施方案中，液压接头122可联接至扩孔钻104的井孔下行末端(即， 在扩孔钻104下方)，如图所示。然而，在其它实施方案中，在不脱 离本公开的范围的情况下，液压接头122可联接至扩孔钻104的井孔 上行末端(即，在扩孔钻104上方)。在任何情况下，液压接头122在 可操作地联接至扩孔钻104时可形成钻柱106和井底钻具组件100的 组成部分。
液压接头122可通过通信线路116可通信地联接至通信模块114。 通信模块114可被配置来向液压接头122发送一个或多个校正动作信 号，以便致动液压接头122，并且从而操纵扩孔钻104沿钻柱106的 长度相对于钻头102的轴向位置。
参照图2，所示的是根据一个或多个实施方案的示例性液压接头 122的局部截面图。应注意，液压接头122仅出于说明性目的而被描 绘，并且因此不应被视为限制本公开的范围。例如，本领域的技术人 员将容易理解，存在可类似于如本文所述的液压接头122进行操作并 且在不脱离本公开的范围的情况下同样可使用的若干其它类型的装 置或机器。液压接头122可包括具有母扣204a和公扣204b的大体细 长主体202。主体202的形状可为大致圆柱形的，但在其它实施方案 中，在不脱离本公开的范围的情况下，主体202可以任何其它合适的 几何形状形成。在一些实施方案中，主体202的母扣204a可如通过 螺纹接合(未示出)可操作地联接至扩孔钻104(图1)。公扣204b可以 可操作地联接至钻柱106，并且如以下更多地讨论，套筒205可在公 扣204b处螺纹接合或以其它方式附接至主体202，并且大体布置在 钻柱106内。
在所示的示例性实施方案中，液压接头122可包括活塞206、压 力腔208、偏置装置210和流体入口212。活塞206可以可移动地布 置在主体202内并且被配置来轴向地往复运动进入和离开主体202和 套筒205。当活塞206往复运动时，液压接头122和钻柱106的轴向 长度可相应地增加或减少，从而操纵扩孔钻104(图1)相对于布置在 钻柱106末端处的钻头102(图1)的轴向位置。在一些实施方案中， 例如，套筒205可以是以下滑动套筒组件：允许活塞206使内部钻柱 106部件或装置(未示出)偏置，并且从而获得用于使扩孔钻104上升 或下降所必需的作用力。例如，当主体202与活塞206接触时，轴向 负载可被传递至扩孔钻104。这种力的大小与地表处下放的量成比例。
活塞206可通过对压力腔208增压来致动或以其它方式启动。压 力腔208可限定在主体202内并且通过例如一个或多个管道214与流 体入口212流体连通。流体入口212可被配置来将流体如液压流体注 入到压力腔208中，以便对压力腔208加压。对压力腔208加压可在 方向A上推动活塞206，从而增加液压接头122的轴向长度。当减小 或以其它方式消除压力腔208中的流体压力时，偏置装置210可被配 置来使活塞206在方向B上缩回到主体202中，从而使液压接头122 的轴向长度收缩。
在一些实施方案中，偏置装置210可以是弹簧如螺旋弹簧，并且 使活塞206在方向A上移动可同时使弹簧伸展，并且从而累积可用 于使活塞206缩回到主体202中的弹簧能量。然而，在其它实施方案 中，偏置装置210可以是任何其它合适的机械或电气装置，如但不限 于机电致动器、活塞和气缸组件、螺线管组件、马达、其组合等。
因此，液压接头122可操作来供应液压力，所述液压力作用于扩 孔钻104，以沿井孔上行推动扩孔钻104或通过移除WOB有效地沿 井孔下行拉动扩孔钻104，并且从而调整如由第二传感器接头112b 检测到的WOR。取决于如由第一传感器接头112a和第二传感器接头 112b监测和报告的WOB与WOR之间的力分布的大小，液压接头122 可向上或向下被致动，以使得由扩孔钻104对地层110施加的WOR 与钻头102同步并且另外不超过预先确定的最佳钻探操作阈值。
当液压接头122可证明有利于使WOR相对于WOB平衡时，可 存在若干不同情境。例如，现参照图3A和图3B，所示的是根据一个 或多个实施方案的以下情境的示意图：其中在检测到WOB/WOR的 比率超过预先确定的操作限值时，使WOB和WOR均衡。如图3A 所示，如在地表处测量的钻柱106压(即“SWOB”)可等于或大致等于 如由第一传感器接头112a测量的WOB，例如SWOB＝WOB＝20千 磅。因此，WOR为零或接近于零。在这种情况下，极少或没有负载 传递到扩孔钻104，并且因此在扩孔钻104处存在极少或没有切削力， 这可导致减小的ROP以及不希望的钻柱106中的振动。
为了使WOB相对于WOR平衡，可使用液压接头122，如以上 所讨论。如图3B所示，致动液压接头122或者使活塞206缩回，以 使得朝向地层110(图1)对扩孔钻104施加约10千磅的轴向力(如由 第二传感器接头112b所测量)，并且从而使WOB减小约10千磅(如 由第一传感器接头112a所测量)。当第一传感器接头112a和第二传感 器接头112b向通信模块114(图1)报告：扩孔钻104与钻头102之间 的负载被平衡以使得SWOB大致等于(或以其它方式在预先确定的合 适操作范围内)WOB加WOR、例如WOB 10千磅+WOR 10千磅＝ SWOB 20千磅时，液压接头122的致动可停止。
参照图4A和图4B，所示的是根据一个或多个实施方案的以下另 一种情境的示意图：其中在检测到WOB/WOR的比率超过预先确定 的操作限值时，使WOB和WOR均衡。如图4A所示，在地表处测 量的压重SWOB可等于或大致等于如由第二传感器接头112b测量的 WOR，例如SWOB＝WOR＝20千磅。因此，WOB为零或接近于零。 在这种情况下，极少或没有负载传递到钻头102，并且因此全部切削 动作从钻头102转移至扩孔钻104。
如图4B所示，利用第一传感器接头112a和第二传感器接头112b 感测这种情况，并且作为校正响应，致动液压接头122或者使活塞 206伸展(例如，延伸)，以使得有效地将扩孔钻104压从扩孔钻104 移除并且沿井孔下行传递至钻头102，从而使WOB相对于WOR平 衡。一旦第一传感器接头112a和第二传感器接头112b向通信模块114 (图1)报告：扩孔钻104与钻头102之间的负载被平衡以使得SWOB 大致等于WOB加WOR、例如WOB 10千磅+WOR 10千磅＝SWOB  20千磅，液压接头122的致动就可停止。
如应当理解，在SWOB等于WOB加WOR的情境中，钻柱106 两端处的压重被平衡，并且因此不要求或不需要液压接头122做出动 作。在钻探操作中，第一传感器接头112a和第二传感器接头112b可 通过一个或多个微处理器118(图1)彼此连续地通信。因此，可实时 地，或可在第一传感器接头112a和第二传感器接头112b一检测到 WOB与WOR之间的比率超过预先确定的操作阈值限值时，可使用 液压接头122对WOR进行调整。当检测到两者之间的不平衡时，可 致动液压接头122(即，使其收缩或伸展)以便使这两个操作参数回到 平衡。当第一传感器接头112a和第二传感器接头112b感测到WOB 和WOR已平衡，或者它们的比率是在预先确定的操作阈值限值内或 低于预先确定的操作阈值限值时，钻探可重新开始或以其它方式更有 效地进行。
再次参照图1，根据一个或多个实施方案，BHA 100还可包括至 少一个井下推进系统124。在一些实施方案中，井下推进系统124可 表征为井下牵引器等，如本领域的技术人员通常所已知的。例如，在 至少一个实施方案中，井下推进系统124可以是如共同拥有的美国专 利号6,863,137中描述并且示出的牵引器，所述专利的内容据此以全 文引用方式并入本文。在一些实施方案中，如图所示，推进系统124 可在钻头102与扩孔钻104之间布置在钻柱106中或以其它方式形成 钻柱106的组成部分。在其它实施方案中，推进系统124可布置在扩 孔钻104上方或井孔上行。在又其它实施方案中，在不脱离本公开的 范围的情况下，第二井下推进系统(未示出)可被布置在扩孔钻104上 方并且被配置来与所示推进系统124协同操作。
井下推进系统124可用于若干目的，包括但不限于在井眼108内 在任一方向上推挤或推进BHA 100、获取并报告周围地层110的阻力 测量值、使BHA 100朝向产油层转向、以及大体生成钻孔轨迹。在 一些实施方案中，推进系统124可进一步用于或以其它方式被配置来 使钻头102与扩孔钻104之间的压重分布平衡，这类似于上述的液压 接头122的目的。
为了实现适当的压重分布和/或平衡，推进系统124可包括一个 或多个牵引模块126(示出为126a、126b和126c的三个牵引模块)， 一个或多个牵引模块126可径向地伸展和/或收缩以便策略性地接合 和脱离井眼108的壁。虽然图1中示出三个牵引模块126，但应当理 解，在不脱离本公开的范围的情况下，推进系统124可包括多于或少 于三个牵引模块126。此外，牵引模块126可为本领域的技术人员已 知的任何类型，包括但不限于带轮型、履带型、机械型(例如可伸缩 衬垫)、其组合等。
虽然未示出，但推进系统124还可包括各种内部部件，如液压组 件、轴、螺线管、活塞等，这些内部部件被设计来不仅使牵引模块 126伸展和收缩而且策略性地使推进系统124本身的轴向长度伸展和 收缩。示例性推进系统124的内部部件和工作方式的完整描述超出了 本公开的范围，因此将不做详细描述。此外，虽然大体参照图1来描 绘和描述推进系统124的具体设计，但应当理解，在不脱离本公开的 范围的情况下，若干其它类型和/或设计的推进系统124(即，井下牵 引器)同样可适用于或以其它方式适合用于BHA 100。因此，本文描 绘和描述的推进系统124仅出于说明性目的并且不应被视为限制本 公开。
推进系统124可通过通信线路116可通信地联接至通信模块114。 当第一传感器接头112a和第二传感器接头112b检测到钻头102与扩 孔钻104之间的压重不平衡时，通信模块114可被配置来向推进系统 124发送一个或多个校正动作信号，以便弥补过度不平衡。具体地， 可致动推进系统124以便使WOR/WOB之间的比率回到预先确定的 合适操作范围内。通过凭借牵引模块126而在井眼108壁上具有两个 或更多个接触点，推进系统124可能够操纵每个切削工具(即，钻头 102和扩孔钻104)相对于彼此的轴向位置。如应当理解，这可具有使 每个切削工具所承担或以其它方式所承载的压重增大或减小的作用。
例如，在一些实施方案中，钻头102处可能承担过量的钻柱106 压重，使得极少或没有负载传递到扩孔钻104，并且因此扩孔钻104 处存在极少或没有切削力。这种情境在图3A中示出。在此类情况下， 可致动推进系统124以弥补这种过度不平衡。例如，可致动井孔下行 牵引模块126b以紧紧接合井眼108的壁，而井孔上行牵引模块126a 可径向收缩。在井孔下行牵引模块126b伸展并且井孔上行牵引模块 126a收缩的情况下，推进系统124可轴向收缩，从而将另外的压重 施加在上方的扩孔钻104上并且同时使钻头102与扩孔钻104之间的 压重分布平衡。或者，井孔上行牵引模块126a可紧紧接合井眼108 的壁，井孔下行牵引模块126b可缩回，并且推进系统124可轴向收 缩以减小施加在钻头102上的钻柱126压重的量，从而也使钻头102 与扩孔钻104之间的压重分布平衡。
在其它实施方案中，过量的钻柱106压重可能被施加在扩孔钻 104处，使得极少或没有负载传递到钻头102，并且因此钻头102处 存在极少或没有切削力。这种情境在图4A中示出。在这种情况下， 可致动井孔下行牵引模块126b以紧紧接合井眼108的壁，井孔上行 牵引模块126a可收缩，并且推进系统124可轴向伸展，从而减小上 方的扩孔钻104上的钻柱126压重，并且从而使钻头102与扩孔钻 104之间的压重分布平衡。或者，井孔上行牵引模块126a可紧紧接 合井眼108的壁，井孔下行牵引模块126b可缩回，并且推进系统124 可轴向伸展以增大施加在钻头102上的钻柱126压重的量，从而也使 钻头102与扩孔钻104之间的压重分布平衡。
在第一传感器接头112a和第二传感器接头112b正分别提供 WOB和WOR的实时测量值的情况下，推进系统124可被配置来伸 展或收缩以便不断地起作用或操作来维持WOB与WOR之间的合适 操作平衡。在需要时，尤其是在井眼的壁发生波动并且井孔上行牵引 模块126a并且井孔下行牵引模块126b以其它方式无法充分地接合井 眼108的情况下，可结合井孔上行牵引模块126a和井孔下行牵引模 块126b使用第三或中间牵引模块126c。在此类情况下，中间牵引模 块126c可被致动并且与井孔上行牵引模块126a或井孔下行牵引模块 126b协同使用或以其它方式替代井孔上行牵引模块126a或井孔下行 牵引模块126b。
本领域的技术人员将容易理解牵引模块126可采取以便使每个 切削工具(即，钻头102和扩孔钻104)上的负载平衡的若干不同配置。 通过与通信模块114进行通信，地表处的操作员可能够控制此类配置 (即，发送一个或多个校正动作信号或命令)，并且第一传感器接头 112a和第二传感器接头112b可提供对此类动作的实时监测。在其它 实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，如上所述的计算机化 系统可被配置来接收如通过第一传感器接头112a和第二传感器接头 112b获取的各种井下操作参数数据，并且在识别到突破预先确定的 合适操作限值时，计算机化系统可被配置来自动地向BHA 100和推 进系统124发送一个或多个校正动作信号。
仍然参照图1，在钻探操作中，分别由钻头102和扩孔钻104生 成的激振能(例如振动)可能相同或可能不相同。施加到钻头102和扩 孔钻104的不平衡力或压重可导致这两个切削工具之间的相移或反 相。例如，当钻柱106在井眼108内旋转时，钻头102和扩孔钻104 随钻柱106以基本相同的速度(即，每分钟转数)旋转。然而，钻头102 可能以第一频率在井眼108内振荡而扩孔钻104可能以第二频率振 荡。在一些情况下，第一频率和第二频率可能相同，但钻头102和扩 孔钻104可能正彼此异相地振荡。钻头102与扩孔钻104之间的此类 相位不平衡可能在钻柱106中产生伴随振动，这可能影响钻探效率或 以其它方式损坏井下工具和部件。
钻头102和扩孔钻104中的每一个的相位或相位角提供其相对于 井眼108在钻柱106中的对应角度位置。例如，如果切屑工具的两个 激振力或位移的相位相差90°，那么一个激振力处于最大水平并且另 一个激振力将为零或接近零。如果两个激振力的相位相差180°，那么 一个激振力为正最大值并且另一个激振力将为其负最大值。在一些钻 探应用中，钻头102处的激振响应可与扩孔钻104处的激振响应同相。 然而，在其它钻探应用中，扩孔钻104处的激振响应可晚于或先于钻 头102处的激振响应，从而造成不希望的钻柱106中的振动。
为了使相位回到对齐状态或以其它方式使钻头102和扩孔钻104 返回到角度一致性，BHA 100可被配置来调整钻头102与扩孔钻104 之间的相位角。为了实现这个目的，BHA 100还可包括联接至钻柱 106或以其它方式形成钻柱106的组成部分的移相接头128，如图1 所示。虽然液压接头122被示出为插入在移相接头128与扩孔钻104 之间，但在至少一个实施方案中，液压接头122可从BHA 100中被 删除，并且移相接头128可替代地可操作地联接至或以其它方式附接 至扩孔钻104。然而，在所示实施方案中，移相接头128可被配置来 结合液压接头122操作。在又其它实施方案中，液压接头122和移相 接头128可结合到BHA 100的单个接头部件中。在甚至另外实施方 案中，液压接头122和移相接头128的轴向位置可颠倒，以使得移相 接头128可操作地联接至扩孔钻104并且液压接头122可操作地联接 至移相接头128的井孔下行末端。
移相接头128可通过通信线路116可通信地联接至通信模块114。 在感测到或以其它方式检测到钻头102与扩孔钻104之间的扭矩不平 衡时，通信模块114可被配置来向移相接头128发送一个或多个校正 动作信号，以便改变钻头102与扩孔钻104之间的相位角。在其它实 施方案中，可指示钻头102与扩孔钻104之间的相移的井眼操作参数 可包括每个切削工具的振动和在以钻柱106中的公共参考点为中心 时的方位角。在利用第一传感器接头112a和第二传感器接头112b感 测此类井眼操作参数时，通信模块114可再次被配置来向移相接头 128发送一个或多个校正动作信号，以便改变这两个切削工具之间的 相位角。
参照图5，所示的是根据一个或多个实施方案的示例性移相接头 128的局部截面图。应注意，移相接头128仅出于说明性目的而被描 绘，并且因此不应被视为限制本公开的范围。本领域的技术人员将容 易理解，存在可类似于如本文所述的移相接头128进行操作并且在不 脱离本公开的范围的情况下同样可使用的若干其它类型的装置或机 器。
如图所示，移相接头128可具有公扣502a和母扣502b。公扣502a 可联接至钻柱106，如钻柱106的从液压接头122向下延伸的部分， 如图2所描绘。母扣502b也可联接至钻柱106，并且在一些实施方 案中，可以是可旋转地联接至钻柱106，如以下所描述。公扣502a 可进一步可操作地联接至在图2中示出为从液压接头122向下延伸的 套筒205。此外，在一些实施方案中，活塞206可在公扣502a处可 操作地联接至移相接头128。如所描绘，活塞206可通过螺纹附接至 公扣502a，以使得如上所述的活塞206的轴向移动也可用于使移相 接头128轴向移动。然而，在其它实施方案中，活塞206可使用任何 其它附接机制联接至或以其它方式附接至公扣502a，其它附接机制 如但不限于焊接或钎焊技术、工业粘合剂、机械紧固件、其组合等。
移相接头128还可包括马达504、移相模块506、扭矩组件508 和可旋转联接器510。马达504可以可操作地联接至移相模块506， 并且当被致动时，可被配置来递增地使扭矩组件508旋转。取决于所 需的钻头102与扩孔钻104之间的相移，马达504可被配置用于在任 一角度方向上旋转。
在一些实施方案中，移相模块506可包括被配置来匹配地接合扭 矩组件508的上部部分的花键接合机构512。因此，当移相模块506 旋转时，旋转力可通过花键接合机构512被传递至扭矩组件508。扭 矩组件508可包括扭矩杆514，所述扭矩杆514使用一个或多个径向 轴承516可旋转地安装在移相接头128内并且在其中居中。扭矩杆 514可在移相接头128内延伸，并且可在其远端处联接或以其它方式 附接至可旋转联接器510。在操作中，当移相模块506旋转时，旋转 力可被传递至扭矩组件508，扭矩组件508将旋转力传递至可旋转联 接器510。可旋转联接器510可能够相对于移相模块506旋转，并且 在联接至或以其它方式附接至其下方的钻柱106时，可被配置来将旋 转力传递至钻柱106。如应当理解，使其下方的钻柱106旋转可引起 对钻头102与扩孔钻104之间的相移或相位角进行调整。
再次参照图1，并且继续参照图5，在示例性操作中，第一传感 器接头112a可被配置来监测或以其它方式检测钻头扭矩(TOB)，并且 第二传感器接头112b可被配置来监测或以其它方式检测扩孔钻扭矩 (TOR)，并且每一个可被配置来向通信模块114传输此类操作参数数 据。当TOB和TOR不同或以其它方式被测量为在预先确定的安全操 作范围之外时，这可指示钻头102与扩孔钻104之间的相位角差值。 通过检测如由第一传感器接头112a和第二传感器接头112b分别报告 的钻头102和扩孔钻104中的一个或两个处的过度振动同样可猜测或 以其它方式补充这种确定。
在确定TOB或TOR中的一个或两个已超过预先确定的合适操作 限值时，通信模块114可被配置来向移相接头128发送校正动作信号。 移相接头128可致动马达504，并且从而可旋转地驱动移相模块506、 扭矩组件508、可旋转联接器510以及其下方的钻柱106，如以上大 体所描述。马达504可被配置来在任一角度方向上增量地旋转，如由 箭头B所指示，从而能够调整钻头102与扩孔钻104之间的相位角， 不管扩孔钻104处的相位晚于还是先于钻头102处的相位。例如，如 果扩孔钻104较晚，那么可施加正向旋转以使得扩孔钻104返回到与 钻头102同相的角度旋转，并且反之亦然。一旦第一传感器接头112a 和第二传感器接头112b向通信模块114报告：TOB和TOR已大致平 衡或由异相操作导致的振动已减少，马达504就可停止操作并且钻探 可继续进行。
此外，应注意，移相接头128及其如本文所述的各种部件仅出于 说明性目的被示出，并且因此不应被视为限制本公开。替代地，本领 域的技术人员将容易理解，在不脱离本公开的范围的情况下，其它设 计同样可用于调整这两个切削工具之间的相移或相位角。此外，还应 注意，移相接头128及其如本文所述的各种部件不必按比例绘制。
因此，所公开系统及方法良好适合于获得所提到的目标和优势以 及本发明固有的那些目标和优势。以上公开的特定实施方案只是说明 性的，因为本公开的教导内容可以对受益于本文教导内容的本领域技 术人员显而易知的不同但等效的方式来修改和实践。此外，不意图限 制本文所示的构造或设计的细节，除如随附权利要求书中描述的以 外。因此，明显的是，以上所公开的特定说明性实施方案可改变、组 合或修改，并且所有这些变化形式被视为在本公开的范围和精神内。 本文说明性公开的公开内容适当地可在缺少本文未特定公开的任何 要素和/或本文所公开的任何任选要素的情况下得以实践。虽然组合 物和方法在“包括“、“含有”或“包括”各种组分或步骤方面来描述，但 是组合物和方法还可“基本上由各种组分和步骤组成”或“由各种组分 和步骤组成”。以上所公开的所有数字和范围可以一定量来变化。每 当公开具有下限和上限的数值范围时，就具体公开了落入所述范围内 的任何数字和任何所包括的范围。具体地说，本文所公开的值的每一 个范围(形式为“从约a至约b”或等效地“从大致a至b”或等效地“从大 致a-b”)应理解为阐明了包涵于值的更广泛范围内的每一个数字和范 围。另外，除非专利权人另外明确和清楚地定义，否则权利要求书中 的术语具有其普通、平常的含义。此外，如权利要求书中所使用的不 定冠词“一个/种”在本文中定义为意指其引入的一个或多于一个的要 素。如果本说明书中与可以引用方式并入本文的一个或多个专利或其 它文件中对用词或术语的使用存在任何冲突，那么应采用与本说明书 一致的定义。