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1、10申请公布号CN102066685A43申请公布日20110518CN102066685ACN102066685A21申请号200980122276422申请日2009052861/061,47020080613USE21B1/1420060171申请人普拉德研究及开发股份有限公司地址英属维尔京群岛多多拉岛72发明人杰弗里C当顿伊恩库珀迈克威廉姆斯罗伯特阿特74专利代理机构中科专利商标代理有限责任公司11021代理人汤雄军54发明名称使用磁运动转换器的井眼仪器57摘要本发明公开了一种使用被布置成将旋转运动转换成往复线性运动的多个磁体的定向钻井系统、钻井锤和液体流遥测调节器。各种类型的马达可以。
2、将旋转运动提供给磁体的一部分和各种联动装置,并且其它装置可以对调节阀进行导向或操作。扭矩式钻井锤使用被布置成将往复线性运动转换成往复旋转运动的多个磁体。马达和联动装置驱动磁体的线性移动部分,并且旋转部分提供撞击磁体的线性移动部分的扭矩撞击。30优先权数据85PCT申请进入国家阶段日2010121386PCT申请的申请数据PCT/US2009/0454152009052887PCT申请的公布数据WO2009/151962EN2009121751INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书4页说明书8页附图16页CN102066695A1/4页21一种定向钻井设备,包括壳体。
3、,所述壳体被构造成联接到钻柱;多个磁体,所述多个磁体设置在所述壳体中,并且被构造成将旋转运动转换成往复运动,所述磁体被构造成通过所述往复运动将冲击施加到所述壳体;马达,所述马达联接到所述磁体以使所述磁体的一部分旋转;和控制系统,所述控制系统被构造成操作所述马达,使得当所述壳体位于选定的旋转方位上时所述冲击发生。根据权利要求1所述的设备还包括钻头,所述钻头联接到所述壳体的一端,所述钻头在至少一个圆周部分具有与所述钻头的任意其它圆周部分不同的地层钻进特性。2根据权利要求1所述的设备,其中,所述多个磁体包括环形圆筒,所述环形圆筒包括纵向交替极化磁体。3根据权利要求1所述的设备,其中,所述马达旋转地联。
4、接到所述环形圆筒。4根据权利要求3所述的设备,其中,所述多个磁体包括被交替极化的、沿圆周方向分段的多个磁体,所述被交替极化的、沿圆周方向分段的多个磁体设置在圆筒的每一个纵向端部处,所述圆筒设置在限定在纵向极化磁体的所述环形圆筒内的开口中。5根据权利要求1所述的设备,其中,所述马达包括液动马达。6根据权利要求1所述的设备,其中,所述控制系统包括控制器和与所述控制器进行信号通信的电动阀。7根据权利要求1所述的设备,其中,所述马达包括电动马达。8根据权利要求1所述的设备,其中,所述壳体能够在外部可旋转地支撑到驱动轴,所述驱动轴被构造成旋转地联接到所述钻柱,并且其中,所述马达包括在所述壳体与所述多个磁。
5、体之间的联动装置,藉此,所述壳体与所述驱动轴之间的相对旋转使所述多个磁体的一部分旋转。9根据权利要求1所述的设备,还包括至少一个发电机绕组,所述至少一个发电机绕组紧邻所述磁体设置并被构造成响应所述磁体的运动而产生电流。10根据权利要求1所述的设备,其中,所述控制系统包括用于所述马达的速度控制装置和用于测量所述壳体相对于选定目标的方位的传感器。11根据权利要求10所述的设备,其中,所述速度控制装置包括阀,所述阀能够选择性地操作以允许钻井液流动到所述马达,所述马达能够由通过所述马达的流体流操作。12一种定向钻井设备,包括壳体,所述壳体被构造成联接到钻柱;多个磁体,所述多个磁体设置在所述壳体中,并且。
6、被构造成将旋转运动转换成往复运动,所述磁体被构造成通过所述往复运动使一装置从所述壳体的中心轴线侧向伸出;马达,所述马达联接到所述磁体以使所述磁体的一部分旋转;和控制系统,所述控制系统被构造成操作所述马达,使得当所述壳体位于选定的旋转方位上时所述伸出发生。13根据权利要求12所述的设备,所述装置包括导向推力块,所述导向推力块设置在所述壳体的外部并且能够操作以与所述多个磁体的往复运动部接触。14根据权利要求12所述的设备,其中,所述装置包括设置在所述磁体的往复运动部权利要求书CN102066685ACN102066695A2/4页3上的至少一个凸轮,所述凸轮能够操作以当所述凸轮与导向装置接触时使所。
7、述导向装置从所述中心轴线侧向伸出。15根据权利要求12所述的设备,还包括至少一个发电机绕组,所述至少一个发电机绕组紧邻所述磁体设置并被构造成响应所述磁体的运动而产生电流。16一种液体流动遥测调节器,包括壳体,所述壳体被构造成连接到仪器串;多个磁体,所述多个磁体设置在所述壳体中并被构造成将旋转运动转换成往复运动;马达,所述马达联接到所述磁体以使所述磁体的一部分旋转;阀杆,所述阀杆联接到所述磁体的往复运动部;和控制系统,所述控制系统被构造成操作所述马达,使得所述阀杆在选定时间下朝向阀座伸出以调节通过所述阀座的流体流动。17根据权利要求16所述的调节器,其中,所述仪器串包括随钻测井仪器串,并且所述控。
8、制系统能够操作以使所述阀杆响应于由所述仪器串中的至少一个传感器获得的测量值而进行操作。18一种扭矩钻柱锤,包括壳体,所述壳体被构造成联接在钻柱内;多个磁体,所述多个磁体设置在所述壳体中的环形空间内,所述磁体被构造成将往复线性运动转换成往复旋转运动;和马达和联动装置,所述马达和联动装置能够操作以将往复线性运动施加到所述磁体的第一部分,其中,所述磁体的第二部分被构造成响应于所述磁体的第一部分的运动在所述环形空间中以旋转的方式进行往复运动。19根据权利要求18所述的锤,其中,所述磁体的第一部分和所述磁体的第二部分包括平行于所述壳体的纵向轴线布置的沿圆周方向被交替极化的磁体段。20根据权利要求19所述。
9、的锤,其中,所述磁体的第一部分被限制在所述环形空间中线性移动。21根据权利要求19所述的锤,其中,所述磁体的第二部分被构造成通过在所述磁体的往复旋转运动的终点处撞击所述磁体的第一部分而将扭矩冲击施加给所述壳体。22一种定向钻井设备,包括壳体,所述壳体被构造成联接到钻柱;多个磁体,所述多个磁体设置在所述壳体中,并且被构造成将旋转运动转换成往复运动,所述磁体被构造成响应于所述往复运动来操作钻头上的可纵向伸出的切削元件;马达,所述马达联接到所述磁体以将使所述磁体的一部分旋转;和控制系统,所述控制系统被构造成操作所述马达,使得当所述壳体位于选定的旋转方位上时发生所述切削元件的纵向伸出。23根据权利要求。
10、22所述的设备,其中,所述多个磁体包括环形圆筒,所述环形圆筒包括纵向交替的极化磁体。24根据权利要求22所述的设备,其中,所述马达旋转地联接到所述环形圆筒。25根据权利要求22所述的设备,其中,所述多个磁体包括被交替极化的、沿圆周方向权利要求书CN102066685ACN102066695A3/4页4分段的多个磁体,所述被交替极化的、沿圆周方向分段的多个磁体设置在圆筒的每一个纵向端部处,所述圆筒设置在限定在纵向极化磁体的所述环形圆筒内的开口中。26根据权利要求22所述的设备,其中,所述马达包括液动马达。27根据权利要求22所述的设备,其中,所述控制系统包括控制器和与所述控制器进行信号通信的电动。
11、阀。28根据权利要求22所述的设备,其中,所述马达包括电动马达。29根据权利要求22所述的设备,其中,所述壳体能够旋转地支撑到驱动轴的外部,所述驱动轴被构造成旋转地联接到所述钻柱,并且其中,所述马达包括在所述壳体与所述多个磁体之间的联动装置,藉此,所述壳体与所述驱动轴之间的相对旋转使所述多个磁体的一部分旋转。30根据权利要求22所述的设备,其中,所述可纵向伸出的切削元件每一个都联接到设置在相对应的液压缸内的相应活塞,并且其中,所述多个磁体被构造成操作液压泵,所述液压泵功能性地连接到所述液压缸。31一种用于定向钻井的方法,包括以下步骤使第一磁体组件在所述钻柱内旋转,所述第一磁体组件操作性地与第二。
12、磁体组件相关联,所述第一磁体组件和所述第二磁体组件被构造成将所述第一磁体组件在所述钻柱内的旋转转换成所述第二磁体组件的往复运动;使所述往复运动与至少一个导向元件结合,所述至少一个导向元件与所述钻柱相关联,其中,执行所述使第一磁体组件在所述钻柱内旋转的步骤,使得当所述钻柱位于选定的旋转方位时致动所述至少一个导向元件。32根据权利要求31所述的方法,其中,所述至少一个导向元件包括钻头的圆周段,所述钻头的圆周段具有不同于所述钻头的其它圆周段的切削能力。33根据权利要求31所述的方法,其中,所述至少一个导向元件包括设置在钻头上的可纵向伸出的牙轮。34根据权利要求31所述的方法,其中,所述至少一个导向元。
13、件包括与所述钻柱相关联的可侧向伸出的推力块。35根据权利要求31所述的方法,其中,所述使所述第一磁体组件旋转的步骤包括操作旋转地联接到所述第一磁体组件的马达,使得所述第一磁体组件的旋转基本上与所述钻柱的旋转同时发生。36根据权利要求31所述的方法,还包括以下步骤将来自所述第二磁体组件的磁通量施加到大致纵向固定定位的发电机线圈以在所述发电机线圈中产生电流。37一种用于将往复扭矩施加到钻柱的方法,包括以下步骤使第一磁体组件进行线性往复运动;使用第二磁体组件将所述第一磁体组件的线性往复运动转换成所述第二磁体组件的往复旋转运动;以及在所述往复旋转运动的终点处使所述第二磁体组件将扭转力施加到所述钻柱。3。
14、8根据权利要求37所述的方法,其中,所述使第一磁体组件进行线性往复运动的步骤包括权利要求书CN102066685ACN102066695A4/4页5操作马达以使一装置旋转,所述装置被构造成将所述装置的旋转运动转换成线性往复运动。39根据权利要求37所述的方法,还包括以下步骤将来自所述第二磁体组件的磁通量施加到大致纵向固定定位的发电机线圈以在所述发电机线圈中产生电流。40一种用于调节钻井液的流动用于进行信号通信的方法,包括以下步骤使第一磁体组件旋转;使用第二磁体组件将所述第一磁体组件的旋转运动转换成线性往复运动;以及使用所述线性往复运动使阀杆相对于阀座移动,执行所述使第一磁体组件旋转的步骤,使得。
15、所述阀杆相对于所述阀座的运动与将通过调节所述钻井液的流动而被通信的信号有关。41根据权利要求40所述的方法,还包括以下步骤将来自所述第二磁体组件的磁通量施加到大致纵向固定定位的发电机线圈以在所述发电机线圈中产生电流。权利要求书CN102066685ACN102066695A1/8页6使用磁运动转换器的井眼仪器技术领域0001本发明总体涉及磁运动转换器。更具体地,本发明涉及对通过磁相互作用将旋转运动转换成轴向运动的装置的使用,和这种装置在井眼仪器中的应用。背景技术0002钻井和维修仪器包括冲击装置。冲击装置包括将钻井液流或旋转运动转换成往复线性运动以使冲击钻头或类似装置冲击井眼的底部的钻井“冲击。
16、锤”。冲击运动至少部分地使井眼延长。例如,参见授予CYPHELLY的美国专利NO4,958,690。CYPHELLY的690专利中公开的装置将钻井液流转换成往复线性运动。0003典型的往复运动装置使用诸如凸轮轴的偏心旋转装置,或者使用湍流的变化以使活塞进行往复运动,然后活塞直接提供往复输出。可以在不使任意固体表面与另一个固体表面接触的情况下产生往复运动。往复运动装置的固有缺陷之一在于来自该装置的振动被传导到与该装置相关联的其它支撑元件,例如,钻具组合工具“串”的多个部分。尤其当灵敏的电子装置位于往复装置附近时,这种振动可能是破坏性的,在诸如定向钻井组合的工具和随钻测井“LWD”仪中通常发生这种。
17、情况。诸如CYPHELLY的690专利中所公开的震击钻具通常还具有与该震击钻具相关联的高流体压力损失,这可能会限制当考虑总系统流体压力损失时可以使用该震击钻具的井眼深度。0004PFAHLERT提出申请的国际专利申请出版物NOWO2006/065155描述了用于由旋转运动生成往复线性运动的另一个装置。0005还需要可以与井眼仪器一起使用的往复运动装置。发明内容0006根据本发明的一方面的定向钻井设备包括壳体,所述壳体被构造成联接到钻柱。多个磁体设置在所述壳体中,并且被构造成将旋转运动转换成往复运动。磁体被构造成通过所述往复运动将冲击施加到所述壳体。马达联接到所述磁体以使所述磁体的一部分旋转。控。
18、制系统被构造成操作所述马达,使得当所述壳体位于选定的旋转方位上时所述冲击发生。0007根据本发明的另一方面的定向钻井设备包括壳体,所述壳体被构造成联接到钻柱。多个磁体设置在所述壳体中,并且被构造成将旋转运动转换成往复运动。磁体被构造成通过所述往复运动使一装置从所述壳体的中心轴线侧向伸出。马达联接到所述磁体以使所述磁体的一部分旋转。控制系统被构造成操作所述马达,使得当所述壳体位于选定的旋转方位上时所述伸出发生。0008根据本发明的另一方面的液体流动遥测调节器包括壳体,所述壳体被构造成连接到仪器串。多个磁体设置在所述壳体中并被构造成将旋转运动转换成往复运动。马达联接到所述磁体以使所述磁体的一部分旋。
19、转。阀杆联接到所述磁体的往复运动部。控制系统被构造成操作所述马达,使得所述阀杆在选定时间下朝向阀座伸出以调节通过所述阀座的流说明书CN102066685ACN102066695A2/8页7体流动。根据本发明的另一方面的用于定向钻井的方法包括以下步骤使第一磁体组件在所述钻柱内旋转。第一磁体组件操作性地与第二磁体组件相关联。第一磁体组件和第二磁体组件被构造成将所述第一磁体组件在所述钻柱内的旋转转换成所述第二磁体组件的往复运动。使所述往复运动与至少一个导向元件结合,所述至少一个导向元件与所述钻柱相关联。执行所述使第一磁体组件在所述钻柱内旋转的步骤,使得当所述钻柱位于选定的旋转方位时致动所述至少一个导。
20、向元件。0009根据本发明的另一方面的用于将往复扭矩施加到钻柱的方法包括以下步骤使第一磁体组件进行线性往复运动。第二磁体组件用于将所述第一磁体组件的线性往复运动转换成所述第二磁体组件的往复旋转运动。第二磁体组件用于在所述往复旋转运动的终点时将扭转力施加到所述钻柱0010本发明的其它方面和优点将从以下说明和所附权利要求变得清楚可见。附图说明0011图1A显示通过地下岩层钻井眼的钻机和相关联的设备;0012图1显示使用磁运动转换器的定向钻井导向系统的示例;0013图2显示图1中所示的系统的示例性铁砧;0014图3显示用于图1中所示的系统的示例性梭;0015图4显示梭式驱动套筒的示例;0016图5显。
21、示导向系统的另一个示例;0017图6显示在图5的系统中所使用的梭的示例;0018图7显示导向系统的另一个示例;0019图8显示导向系统的另一个示例;0020图9显示用于在图8中的系统的梭的示例;0021图10显示用于通过相对旋转驱动图8的梭的齿轮;0022图11显示导向系统的另一个示例;0023图12显示导向系统的另一个示例;0024图13显示包括使用磁运动转换器的轴向冲击发生器的钻井马达的示例;0025图14显示示例性液体流动调节遥测发射器;0026图15和图16显示磁扭转锤的示例;0027图17显示包括与其相关联的发电机的示例性磁运动转换器;以及0028图18显示使用磁性梭的定向钻井导向系。
22、统的另一个示例。具体实施方式0029图1A显示井眼钻井系统以可以使用例如根据本发明的各个方面的装置。在图1A中,钻机24或类似提升装置将称作“钻柱20”的管道悬挂在正在钻通地下岩层11的井眼18。钻柱20可以通过将多段钻杆22“单根管子”通过螺纹首尾连接在一起而被组装。钻柱20可以包括在其下端处的钻头12。当钻头12通过钻柱20的重量在井眼18的底部处被轴向推进到地层11中时,并且当钻头12通过转动钻柱20的钻机24上的设备例如,顶驱26旋转时,这种推动和旋转使钻头12轴向延长“加深”井眼18。钻柱20的下端说明书CN102066685ACN102066695A3/8页8可以包括在钻头12的上。
23、方或紧邻该钻头12的选定位置处的、根据本发明的各个方面并在以下进一步说明的定向钻井导向系统。紧邻钻柱20的下端还可以包括随钻测井“LWD”仪14。以下参照图110进一步说明定向钻井系统10。遥测单元16可以包括电磁或光学信号遥测单元和液体流动调节遥测单元在图1A中分别未示出以通信来自地面的指令和将由LWD仪器14获得的测量值通信给地面。可以在一些示例中使用来自LWD仪器的指令和信号以操作定向钻井系统10中的控制系统图1中的控制系统120,以下进行说明。0030在钻井眼18期间,泵32从罐28或槽提升钻井液“泥浆”30并通过立管34和柔性管道35或软管在压力下排放泥浆30,所述泥浆通过顶驱26并。
24、进入到钻柱20中的内部通道在图1中分别未示出。泥浆30通过钻头12中的路线或喷管参见图1离开钻柱20,其中,该泥浆然后冷却和润滑钻头12并将由钻头12产生的钻井岩屑提升到地球的表面。在一些示例中,来自LWD仪器14的信号可以输送到遥测单元16中的遥测发射器在图1A中分别未示出,参见图14,所述遥测单元调节通过钻柱20的泥浆30的流动。这种调节可以使泥浆30的压力变化可以通过联接在泵32的出口与顶驱26之间的选定位置处的压力变换器36在地球的表面处被检测到。来自变换器36的例如可以是电信号和/或光信号的信号可以被传导到用于使用本领域所公知的技术进行解码和解释的记录单元38。解码信号通常与由LWD。
25、仪器14中的一个或多个传感器分别未示出获得的测量值相对应。以下参照图14说明泥浆流动调节器的一个示例。0031本领域的技术人员将要认识的是在其它示例中顶驱26可以被用于使钻柱20旋转同时为泥浆30提供通过钻柱20的压力密封通道的水龙头、方钻杆、方钻杆补心和转盘在图1A中未示出所代替。因此,本发明不限于与顶部驱动钻井系统一起使用的范围。还应该清楚理解的是本发明不限于与分段管道输送系统一起使用的范围。使用挠性管将装置输送到井眼中和从井眼中输出在本发明的保护范围内,并且本发明可以在具有这种挠性管的每一个方面中使用。图1的横截面图中示出了使用磁体将旋转运动转换成往复线性运动的定向钻井系统的示例。系统1。
26、0可以设置在被构造成联接到钻柱图1A中的钻柱20壳体114中。例如,壳体114可以包括在其纵向端部处的螺纹连接。壳体114可以例如由诸如蒙乃尔合金、不锈钢或INCONEL在HUNTINGTON,WV的HUNTINGTONALLOYS公司的注册商标的高强度非磁性金属合金制造而成。在壳体114的一个纵向端部处由附图标记116显示的螺纹连接中的一个可以被构造成以螺纹的方式接合钻头12。在本示例中的钻头12的钻进性质可以是不对称的。例如,钻头12可以包括诸如由附图标记12A显示的一侧或圆周段,该侧或圆周段在钻通地下岩层时没有由附图标记12B显示的另一侧或圆周段有效率。“效率”可以被限定为对于钻头上选定。
27、的轴向力、选定的钻井液流量和选定的转速来说钻头穿透具体岩层的速度。这种不对称钻井性质例如可以通过具有不同的多个切削元件例如,齿或聚晶金刚石复合片牙轮、切削元件的不同连接角度或切削元件的不同力学性质来获得。为了说明本示例和随后的几个示例,侧部或段12A可以被称作为钻头12的“不易切削侧”,而另一个侧部或段12B可以被称作为“易切削侧”。在钻井操作期间,如以上参照图1A所述,钻头12可以旋转和轴向推进。钻井液图1A的30被同时泵送通过钻柱图1A的20并进入到壳体114中的中心通道124。钻井液可以通过本领域所公知类型的线路或喷嘴12C离开钻头12。说明书CN102066685ACN10206669。
28、5A4/8页90032中心通道124可以由基本上与壳体114同轴设置的管或管道129限定。管道129在被如此设置时还限定管道129与壳体114的外壁之间的环形空间127。环形空间127内可以包括诸如容积式马达的液压马达,该液压马达由固定到管道129的外部的定子126和设置到定子126的外部的转子128构成。诸如以微处理机为基础的控制器的控制系统120自动控制诸如电磁阀的阀122的操作。阀122允许在控制器120的适当操作下钻井液进入到环形空间127中,使得移动通过钻柱图1A的钻柱20的钻井液操作液压马达定子126和转子128。从液压马达排放的钻井液可以通过适当的孔口或端口118离开环形空间12。
29、7。0033转子128可以通过适当的旋转联接器131旋转地联接到驱动套筒130。驱动套筒130在图4的透视图中被示出,并且连接到磁运动转换器以下说明以使该磁运动转换器的一部分随转子128进行相应的旋转。因此,磁运动转换器的旋转部可以通过阀122的适当操作而选择性地旋转。控制系统120可以与LWD仪器图1A的LWD仪器14中的一些传感器进行信号通信以确定定向钻井系统10的测地方位以及井眼图1A的井眼18的测地轨迹。虽然术语“LWD”通常用于表示包括地层评价传感器的钻井系统部件通常在称作为MWD随钻测量系统的钻井系统的一部分中发现方向传感器并且还可以包括将LWD数据和来自MWD系统中的倾斜计和磁力。
30、仪的方向信息向上输送的脉冲遥测系统,但是在本发明中为了简化起见,LWD用简写。如以下进一步所述,定向钻井系统10中的一些部件的操作可以使井眼轨迹进行变化。0034驱动套筒130旋转地联接到磁运动转换器的旋转部。磁运动转换器包括梭134和铁砧132。铁砧132可以设置在管道129的外表面上,使得铁砧132不得不纵向移动。当梭134旋转时,磁体如图3所示布置在所述梭内与铁砧132上的磁体如图2所示被布置协作,使得铁砧132沿管道129沿纵向方向往复移动。如图3所示,梭可以包括形成为当组合时形成环形圆筒的细长弓形段的多个磁体134A。磁体134A可以被纵向交替极化,使得任何一个磁体134A的相反电极。
31、位于其相对纵向端部处。为了进行清楚说明,所述示例仅显示一个运动转换器级在其它实施方案中,可以有多于一个的运动转换器级或多个磁体环。图2的透视图中示出了铁砧132的示例。铁砧132可以包括大致圆筒形中间段132B,所述中间段可以由诸如不锈钢的非磁性材料形成。中间段132B的纵向端部可以包括设置在该纵向端部上的多个沿圆周方向交替布置的永久磁体132A。磁体132A的形状可以为图2所示的圆盘的多个圆周段,并且可以垂直于该段的平面而被极化。0035利用如3和图2所示布置的梭和铁砧中的磁体,当梭134旋转通过图1的马达时,由磁体134A感应的磁场交替地排斥铁砧图2上的磁体的相对侧。这样,梭134的旋转运。
32、动被转换成铁砧132的往复线性运动。0036返回到图1,当铁砧132到达行程的纵向端部时,可以将冲击施加到壳体114,并从而施加到钻头12。理想的是将铁砧中的磁体封装在诸如不锈钢、蒙乃尔合金或先前所述的INCONEL合金的强非磁性材料中,以使铁砧132能够在不破坏磁体的情况下冲击壳体114。0037理想的是对于梭134和铁砧132中的磁体的磁性材料来说使用诸如钐钴或钕铁硼的磁性材料以提供热稳定高磁通量。然而,用于磁体的具体材料不限于本发明的保护范围。0038通过在钻头的旋转期间在具体的时间施加冲击,可以使钻头12沿优选的方向进说明书CN102066685ACN102066695A5/8页10行。
33、钻进,从而沿期望的方向改变井眼的轨迹。为了实现期望的井身轨迹方向,可以由操作阀122的控制系统120控制冲击时间,使得马达在相对于壳体114的旋转方位的正确相位关系下转动。马达的上述运转和随后的冲击可以确保当钻头12位于期望的旋转方位上时冲击发生。当钻头12位于具体的旋转方位上,并且将冲击提供给壳体114时,钻头12将使井身轨迹沿更易切削面12B转动。0039总之,通过阀122的适当控制和马达的相应运转,当钻头的易切削面12B被定向在期望的导向方向上时钻头12将被冲击。控制系统120使用来自工具面传感器例如,磁力仪和倾斜计例如,图1A的LWD仪器14中的信息确定现有井轨迹、系统导向方向和将对井。
34、眼轨迹进行的任何校正动作。本发明的保护范围还包括为了沿相同的轨迹继续钻井眼,可以简单地确保冲击沿圆周方向均匀分布。冲击的这种分布可以具有结合震击钻井和直线旋转钻井的优点。如果震击钻井不是期望的,则可以关掉运动转换器。0040图5显示图1的定向钻井系统的另一个示例,其中马达定子126和转子128同轴设置在壳体114中,并且支撑在轴承141中的驱动轴140使梭134进行旋转。在本示例中,与图1所示的布置相反,梭134设置在铁砧132的圆周内部。可以使用结构类似于参照图1所示和所述的阀和控制系统的阀122和控制系统120执行马达的运转。0041图6的透视图示出了图5的示例的梭134。梭包括将驱动轴图。
35、5的驱动轴140的旋转传递给梭134的花键134A。可以使用基本上如以上参照图1所述够造而成的钻头12执行导向改变井身轨迹。0042在图7所示的另一个示例性定向钻井导向系统中,壳体114A通过轴承114B可旋转地支撑在中心管道或管子129A的外部上。管道129A可以旋转地联接到钻柱图1A的钻柱20。因此,管道129A旋转以直接驱动钻头12。管道129A可以通过钻柱图1A的钻柱20和/或通过液压马达未示出如果该液压马达容纳在钻柱中直接旋转。在图7的示例中,梭可以通过液压马达旋转,所述液压马达由联接到管道129A的外部的定子126和设置到定子126的外部的转子128构成,所述液压马达可以通过钻井液。
36、的选择性施加来操作。可以通过由类似于参照图1所述的控制系统的控制系统120操作的阀122来提供钻井液。转子128可以联接到驱动套筒130,所述驱动套筒旋转地联接梭134,如图1的示例。梭134与铁砧132协作以将选择性的冲击施加到壳体114A。梭134和铁砧132可以包括磁体,所述磁体例如参照图2和图3所述被构造成将梭134的旋转转换成铁砧132的往复线性运动。钻头12可以包括易钻切削侧12B和不易切削侧12A,以能够通过铁砧冲击的选择性施加而进行导向,这类似于参照图1所述的技术。在图8所示的另一个示例性定向钻井导向系统中,如图7所示,壳体114A被轴承114B可旋转地支撑在管道129A上。然。
37、而,图8中的壳体114A可以包括稳定器翼片114C,所述稳定器翼片可以保持壳体114A旋转地固定在井眼中或者对于控制系统120来说至少充分缓慢地旋转以能够成功运转。因此,当管道129A旋转以使钻头12转动时,壳体114A相对于所述钻头旋转即,概念上相对于井壁不旋转。齿轮150也在图10的透视图中被示出可以将相对旋转转换成驱动联接器130的旋转。驱动联接器130以类似于图1所示的接合的方式接合梭132,或者可以包括在梭132的外表面上的接合槽图9中的接合槽134C。驱动套筒130可以相对于壳体114A旋转以调节铁砧134的冲击相位,从而与钻头12的以切削面12A重合,从而沿选定的方向指向。可以通。
38、过诸如参照图1所述的控制系统执行对旋转和铁砧冲击的时间的控制。说明书CN102066685ACN102066695A6/8页110043图11中示出了可以使用传统的旋转对称钻头的定向钻井导向系统的另一个示例。系统110包括可以在一端联接到钻柱图1A的钻柱20的壳体或钻铤114。壳体114的另一端可以联接到钻柱的另一个部件或联接到钻头12,该钻头可以是传统的旋转对称钻头或本领域所公知的其它类型的钻头。壳体114可以包括通过铰接或枢轴124联接到该壳体114的外表面的导向推力块118。铰接124可以设置在导向推力块118的一侧,所述导向推力块在钻井期间朝向由箭头所示的旋转方向。导向推力块118可以。
39、通过操作杆122被致动,所述操作杆通过壳体114内的适当尺寸的开口。致动杆122可以与设置在壳体114内的磁体120接触。磁体120的形状可以是弓形段,并且磁体120可以在由箭头所示的方向上在其边缘处被极化。磁体梭116可以设置在壳体114内,所述磁体梭的形状可以为环形圆筒。梭116可以由多个弓形段磁体116A、116B、116C、116D组合而成,所述多个弓形段磁体在其边缘处在沿由箭头所述的交替方向上被径向极化。梭116可以通过马达124旋转。马达124可以是由钻井液流操作控制,例如,如图1所示的液压马达,或者可以是电动马达。0044当梭116旋转时,该梭116的被朝向推力块操作磁体120引。
40、导的磁通量极性改变,使得推力块118以交替的方式远离壳体114被伸出或推进和朝向壳体114被缩回或拉进。通过使马达124的旋转与壳体114的旋转相对应例如,通过钻柱的旋转,可以使推力块118的伸出在选定的旋转方位上重复发生。通过使推力块在这种旋转方位上重复伸出,可以改变井眼轨迹。图11所示的示例性梭116包括四个致动段磁体,然而可以在其它示例中使用更多或更少的弓形磁体段。其它示例可以包括绕壳体114沿圆周方向设置的多于一个的导向推力块、操作杆和相关联的磁体。因此,导向推力块和相关操作部件的数量不旨在限制本发明的保护范围。0045图12示出了另一个示例性定向钻井导向系统。图12所示的系统可以设置。
41、在被构造成联接到钻柱中的壳体214内。钻头12可以联接到壳体214的一端。壳体214可以包括一体式或固定翼式稳定器216。壳体可以通过钻柱未示出来旋转以使钻头12的相应旋转钻井眼。壳体214可以包括一个或多个铰链式铰接导向推力块236、238,所述推力块沿壳体214的外部设置在沿圆周方向间隔开的位置处。推力块236、238可以通过相应的操作杆238、240从壳体214选择性地伸出。操作杆在磁性铁砧228上的相应凸轮230、232的作用下被致动侧向伸出。铁砧可以包括类似于图1所示的铁砧被够造而成的磁体。磁性梭226可以类似于图1所示的梭被构造而成,使得当梭226旋转时,使铁砧228在壳体214内。
42、纵向移动。这种纵向运动交替地使凸轮230、232致动相应的操作杆238、240,这导致导向推力块236、238的相应伸出和缩回。梭226可以通过诸如液压马达或电动马达的马达224来旋转。可以选择梭226的旋转以使推力块236、238在选定的旋转方位上运转,从而在钻井期间改变井眼的轨迹。0046图13中示出了使用磁运动转换器以产生用于钻井的冲击的示例性钻井马达。马达310可以设置在被构造成联接在钻柱图1A的钻柱20内的壳体314中。壳体314可以包括传统的容积式发电部分324,所述容积式发电部分包括定子324B和转子324A。发电部分可以可选地包括涡轮机未示出。转子324A联接到传统地用在流体操。
43、作的钻井马达中的这种类型的柔性联接器316以能够在转子和钻头之间进行相对移动,即,马达的定子绕定子表面滚动,从而当其绕偏心半径滚动时引起轴旋转即,轴使钻头转动和转子的中说明书CN102066685ACN102066695A7/8页12心线旋进。转子与钻头之间的联接器通常是柔性轴或两个肘形接头。驱动轴327包括在一端处的钻头盒325,所述钻头盒连接到钻头12以使钻头旋转。驱动轴327被轴承330可旋转地支撑在壳体中,所述轴承可以是传统的钻井液润滑轴承或油润滑轴承。驱动轴327也使磁性梭332旋转,所述磁性梭332的结构可以类似于图1所示的梭。梭332在磁性铁砧334内旋转,所述磁性铁砧可以类似于。
44、图1所述的铁砧被构造而成。因此,梭332的旋转使铁砧334沿纵向方向进行往复运动。铁砧334设置在壳体314内以冲击该壳体的较低纵向端部,从而将冲击施加到钻头12。冲击可以增加通过钻头12钻地下岩层的速度。如在用于定向导向井的传统的弯壳体泥浆马达中,钻头的轴线可以倾斜以提供建立井身轨迹的方向的装置。在本示例中,马达通常用于使钻头旋转以提高钻井效率,但是可以利用驱动相同马达的震击作用提高钻进速度。0047图14显示可以使用如图1所示的旋转梭/铁砧装置的液体流动调节遥测发射器的示例。合并的旋转磁场梭和铁砧组件由附图标记406被总体示出,并且被设置在被构造成联接在钻柱内的壳体14中。梭和铁砧组件可以。
45、基本上如图1所示被构造而成,使得梭的旋转使铁砧进行纵向往复运动。铁砧可以在一个纵向端部处联接到阀杆402。磁体408可以绕阀杆402沿圆周方向设置并且在平行于阀杆402的轴线的方向上被极化。阀杆402可以选择性地延伸到设置在壳体14中的阀座404内,使得其内的杆的伸出限制或中断诸如钻井液的流体400的流动。相应地,相反的永久磁体410可以绕阀座404设置,使得当铁砧沿这种方向移动时阀杆402可以容易地从阀座404缩回。梭可以由使铁砧在选定的时间下运转的马达操作,以对来自与钻柱相关联的任意装置的信号进行编码。即使没有钻井液流或没有对该钻井液流进行控制的情况下,要认识的是冲击仅仅可以用于通过在钻井。
46、结构和钻井液中产生应力波而传递信息。0048图15和图16显示可以用于通过在径向方向上震摇钻头以通过在钻头处获得更高的瞬时转矩来移除岩石而减轻钻柱的旋转“粘滑”运动并提高ROP的扭转锤的示例。首先参照图15,锤510可以设置在被构造成联接在钻柱图1A的钻柱20内的壳体514中。壳体514内可以限定环形空间。环形空间515可以包括两组弓形交替永久磁体516、518。如图15所示,每一组中的磁体具有交替磁极性。一个磁体组518在环形空间515中沿圆周方向位于固定的位置中,并且在空间515中自由地纵向移动。另一个磁体组516被纵向固定,但是可以在环形空间内沿圆周方向移动。参照图16,可纵向移动的磁体。
47、组518可以联接到由马达520操作的诸如旋转斜盘522的往复机构。马达和旋转斜盘的操作可以被构造成使磁体组518移动在该磁体组中的一个磁体的距离。因此,磁体组518相对于纵向固定磁体组516的极性被改变。通过使沿圆周方向固定的磁体组518的磁体极性相对于可沿圆周方向移动的磁体组516的磁体极性改变,可以使可沿圆周方向移动的磁体组516在环形空间中沿圆周方向往复移动,从而在壳体514中产生扭矩脉冲。扭矩脉冲可以减少在钻井眼期间的扭转粘滑。为了进行清楚地说明,在图中放大了空气间隙。0049在一些示例中,发电机或交流发电机可以与磁运动转换器相关联以从转换器的运动提取电力。电力可以用于例如操作钻柱图1。
48、A的钻柱20中的诸如LWD和/或仪器的电子装置。与图1所示的装置类似,图17显示联接到驱动套筒130的梭134。梭可以包括如图1所示布置的磁体。驱动套筒130可以联接到诸如图1所示的流体操作马达。铁砧34也如参照图1所述绕中心管道129设置,并且可以包括如参照图1所述布置的磁体。铁砧说明书CN102066685ACN102066695A8/8页13134可以具有紧邻该铁砧设置的交流发电机绕组600,使得铁砧134的运动将在绕组600中产生电流。绕组600可以电连接到相应的诸如电池或电容器的储能装置602。在绕组600中感应并储存在储存装置602中的电力可以用于操作一个或多个电子装置未示出。在其。
49、它示例中,交流发电机绕组可以紧邻梭设置,使得梭的旋转将在绕组中产生电流。还可以使用接近于绕组的磁体的速度的急剧变化以产生用于高压应用的类似电脉冲钻井的专用电压脉冲形状。这种钻井技术也可以与运动转换器的基本震击动作结合。0050图18中示出了定向钻井导向系统的另一个示例。图18中的系统的与参照图1所述的系统的部件类似的部件使用与参照图1所述的附图标记相同的附图标记表示。图18中所示的系统可以包括液压马达由转子128和定子126构成,所述液压马达设置在由中心管道129限定的环形空间127中。如参照图1所述的示例,可以选择性地使钻井液输入环形空间并从而操作液压马达。可以由与阀122进行信号通信的控制系统120控制钻井液的这种选择性的进入。磁运动转换器旋转地联接到转子128并且包括梭134和铁砧132。铁砧132可以设置在管道129的外表面上,使得铁砧132不得不纵向移动。当梭134旋转时,磁体如图3所示布置在所述梭内与铁砧132如图2所示被布置协作,使得铁砧132沿管道129往复纵向移动。0051在本示例中,梭132的往复线性运动可以操作双向液压泵700,所述双向液压泵包括设置该双向液压泵内的活塞702。活塞700的每一侧的输出通过相关的液压管线704联接到在钻头12的下端处的相应的液压缸710。每一个液压缸710内包括活塞708。每一个活塞708支撑诸如PDC牙轮的切削元件。在钻井。