用于定向钻井的方法和系统.pdf

一种用于在地层中定向钻井眼的方法，该方法包括以下步骤：使具有中央流体通道(202)的钻柱(16)和连接到所述钻柱(16)端部上的可旋转钻头(10)在井眼(3)中旋转，其中，中央流体通道用于让钻井液通过；所述钻头包括形成钻头端面(26)的机械切削构件、用于从所述钻柱接收钻井液的中间空间(32)、用于喷射钻井液的至少两个喷嘴(35,38)，其中，所述钻头端面(26)用于在所述钻头一旋转时就使井眼(3)延伸，每个喷嘴与所述中间空间(32)保持流体连通；通过钻柱的内部流体通道(202)泵送钻井液；钻井液直接驱动被设置在所述钻柱(16)的中央流体通道(202)内的第一转子部分(210)并使其相对于钻柱在第一方向上以第一旋转速度((0211)旋转，第一转子部分被设置有连接到第一转子部分(214)的井下端上的引流器(45)，用于使钻井液相对于钻柱的轴线转向；钻井液直接驱动第二转子部分(212)并使其相对于第一转子部分在与第一方向相反的第二方向上以第二旋转速度(W3/2)旋转；控制第二转子部分(212)相对于第一转子部分的第二旋转速度(W3/2)，从而控制第一转子部分(210)相对于钻柱的第一旋转速度(W2/1)。

1.  一种用于在地层中定向钻井眼的系统，该系统包括：
-一种可旋转钻柱(16)，其具有用于让钻井液通过的中央流体通道(202)；
-一种可旋转钻头(10)，其连接到所述钻柱(16)的端部上，该钻头包括用于从所述钻柱接收钻井液的中间空间(32)和用于喷射钻井液的至少两个喷嘴(35,38)，所述至少两个喷嘴中的每个喷嘴与所述中间空间(32)保持流体连通；
-一种第一转子部分(210)，其被设置在所述钻柱(16)的所述中央流体通道(202)内，该第一转子部分可被所述钻井液直接驱动并可相对于所述钻柱在第一方向上以第一旋转速度(ω_2/1)旋转；
-一种引流器(45)，其连接到所述第一转子部分(214)的井下端上，用于相对于所述钻柱的轴线(18)使钻井液转向到预定方向上；
-一种第二转子部分(212)，其可被钻井液直接驱动并可相对于所述第一转子部分(210)在与所述第一方向相反的第二方向上以第二旋转速度(ω_3/2)旋转；以及
-一种控制单元(52)，其用于控制所述第二转子部分(212)相对于所述第一转子部分(210)的第二旋转速度(ω_3/2)，从而控制所述第一转子部分(210)相对于所述钻柱的所述第一旋转速度(ω_2/1)。

2.  根据权利要求1所述的系统，所述第一转子部分(210)包括一些第一叶片(216)，它们相对于所述钻柱(16)的轴线(18)以第一角度设置以在所述钻井液一通过时就使所述第一转子部分在所述第一方向上旋转；以及
所述第二转子部分(212)包括一些第二叶片(232)，它们相对于所述钻柱的轴线(18)以第二角度设置以在所述钻井液一通过时就使所述第二转子部分在第二方向上旋转。

3.  根据权利要求2所述的系统，所述第二角度超过所述第一角度

4.  根据权利要求2或3所述的系统，其中，所述第一叶片(216)延伸入所述钻柱的所述中央流体通道(202)中；和
其中，所述第二叶片(232)延伸入所述钻柱的所述中央流体通道(202)中。

5.  根据权利要求1所述的系统，
所述第二转子部分(212)被设置有至少一个磁铁(221)；
所述第一转子部分(210)被设置有至少一个通电线圈(222)，所述至少一个通电线圈被设置成与所述至少一个磁铁(221)磁耦合；
所述控制单元被连接到所述至少一个通电线圈(222)上，用于控制所述至少一个通电线圈的电力负载。

6.  根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制单元(52)适于增加所述至少一个通电线圈(222)的电力负载以降低所述第二旋转速度(ω_3/2)。

7.  根据权利要求1所述的系统，至少包括第一轴承(204)和第二轴承(206)，它们被设置在所述钻柱(16)的所述中央流体通道(202)内，用于使所述第一转子部分(210)的旋转与所述钻柱的旋转分离。

8.  根据权利要求1所述的系统，所述控制单元(52)包括至少一个方位传感器，其用于检测所述控制单元在井眼(3)中的方位。

9.  根据权利要求10所述的系统，所述控制单元(52)适于根据被检测的方位提供控制信号，用于控制所述第二转子部分(212)的所述第二旋转速度(ω_3/2)。

10.  根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制单元(52)被组合在所述第一转子部分(210)中。

11.  根据权利要求1所述的系统，包括一种插入件(240)，其被设置在所述钻头(10)的所述中间空间(32)内，用于接收流体流并将流体流引导到所述钻头(10)的所述至少两个喷嘴(35,38)中。

12.  根据权利要求11所述的系统，其中，所述插入件(240)被连接到所述第一转子部分(210)上并可相对于所述钻头(10)旋转。

13.  根据权利要求11所述的系统，其中，所述引流器(45)被组合 在所述插入件(240)中。

14.  根据权利要求11所述的系统，所述插入件(240)包括圆柱形主体，该圆柱形主体被设置有用于使流体流转向的流体通道，所述流体通道延伸入相对于所述钻柱的轴线(18)偏心的流体孔中。

15.   14.根据权利要求11所述的系统，所述插入件被固定在所述钻头的所述中间空间(32)中。

16.   15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述插入件(240)包括至少两个管(332,334,336)，所述至少两个管中的每个管具有靠近所述引流器的第一端和朝所述钻头(10)的用于流体的所述至少两个喷嘴中的相应一个喷嘴延伸的第二端(342,344,346)。

17.   16.一种用于在地层中定向钻井眼的钻柱部件，该钻柱部件包括：
-第一转子部分(210)，其被设置在所述钻柱(16)的中央流体通道(202)内，该第一转子部分可相对于所述钻柱在第一方向上以第一旋转速度(ω_2/1)旋转，所述第一转子部分可被所述中央流体通道中的钻井液流直接驱动；
-一种引流器(45)，其连接到所述第一转子部分(214)的井下端上，用于使钻井液相对于所述钻柱的轴线(18)转向；
-第二转子部分(212)，其可相对于所述第一转子部分(210)在与所述第一方向相反的第二方向上以第二旋转速度(ω_3/2)旋转，所述第二转子部分可被所述中央流体通道中的钻井液流直接驱动；和
-一种控制单元(52)，其用于控制所述第二转子部分(212)相对于所述第一转子部分(210)的第二旋转速度(ω_3/2)，从而控制所述第一转子部分(210)相对于所述钻柱的第一旋转速度(ω_2/1)。

18.   17.一种用于在地层中定向钻井眼的方法，该方法包括以下步骤：
-使具有中央流体通道(202)的钻柱(16)和连接到所述钻柱(16)的一端上的可旋转钻头(10)在井眼(3)中旋转，其中，所述中央流体通道(202)用于让钻井液通过；所述钻头包括形成钻头端面(26)的机械切削构件、用于从所述钻柱接收钻井液的中间空间(32)、用于喷射钻井液的至少两个喷嘴(35,38)，其中，所述钻头端面(26)用于在所述钻 头一旋转时就使井眼(3)延伸，所述至少两个喷嘴中的每个喷嘴与所述中间空间(32)保持流体连通；
-通过所述钻柱的内部流体通道(202)泵送钻井液；
-所述钻井液直接驱动被设置在所述钻柱(16)的所述中央流体通道(202)内的第一转子部分(210)并使所述第一转子部分相对于所述钻柱在第一方向上以第一旋转速度(ω_2/1)旋转，所述第一转子部分被设置有连接到所述第一转子部分(214)的井下端上的一种引流器(45)，用于使钻井液相对于所述钻柱的轴线转向；
-所述钻井液直接驱动一种第二转子部分(212)并使该第二转子部分相对于所述第一转子部分在与所述第一方向相反的第二方向上以第二旋转速度(ω_3/2)旋转；和
-控制所述第二转子部分(212)相对于所述第一转子部分的第二旋转速度(ω_3/2)，从而控制所述第一转子部分(210)相对于所述钻柱的第一旋转速度(ω_2/1)。

用于定向钻井的方法和系统
技术领域
本发明涉及用于定向钻井的方法和系统。该系统和方法例如适用于控制地下地层中的井眼的方向。井眼可用于油气开采。
背景技术
由于种种原因，需要控制钻井方向以沿预定轨迹提供井眼。“控制方向”在此表示：使井眼故意偏离其自然所处的路径。因而，井眼可包括弯曲部分，至少局部地水平延伸，而不是大致笔直向下延伸。在一些情况下，如，在陡峭倾斜地层中或不可预知的地下环境中钻井的情况下，可使用定向钻井技术以保证沿合适轨迹钻井眼。
传统地，可通过使用造斜器、定向偏置的井底钻具组合(BHA)配置、测量井眼在三维空间中的路径的仪器、将在井下测得的测量数据传输到地表的数据链路、泥浆马达和特定的BHA部件和钻头(包括旋转式可转向系统和钻头)来实现定向钻井。操作者(通常被称之为定向钻井工程师)也可充分利用钻井参数(如，钻压和旋转速度)来使钻头远离现有井眼的轴线转向。
旋转钻井可使用配置有机械刀具的旋转钻头，如，牙轮钻头或聚晶金刚石复合片钻头(PDC钻头)。钻井期间，例如通常通过使用地表处的驱动系统(如，顶驱的方钻杆(Kellyoftopdrive))或通过钻头附近的井下泥浆马达使整个钻柱旋转，从而使这些钻头旋转。旋转期间，这些钻头由于在井眼底部和侧部进行的压碎和/或刮擦操作而产生钻屑。
许多技术可用来完成定向钻井。普通原理是，使钻头指向想要钻进的方向。最普通的方法结合井下泥浆马达使用靠近钻头的弯接头。弯接头使钻头指向稍微偏离井眼轴线的方向。在钻柱不旋转时通过泥 浆马达来泵送泥浆，钻头将旋转，在被定向的方向上钻井，该方向由弯接头部分的弯曲部而定。另一方面，通过使整个钻柱(包括弯接头部分)旋转，钻头将在周围快速移动，最终的钻井方向与井眼轴线重合，从而产生笔直轨迹。但是，使钻头在周围快速移动将通常会增加钻头磨损。
旋转式可转向系统可允许在旋转时进行转向，通常钻速更高、井眼最终更光滑。旋转可转向式系统(RSS)可在钻柱旋转时使井眼偏离。公知的旋转可转向式系统例如可使用复杂的弯曲机构使机械钻头指向固定方向，或可通过使用可膨胀式推力瓦将钻头推动到特定侧。机械钻头的侧向切削能力从而可让井眼偏离到所需方向上。例如，PDC钻头不仅前端具有刀具，侧部也具有刀具。
定向钻井可让钻孔机朝最多产的储集岩引导井眼，并让钻孔机钻水平部分。定向钻井例如在泥质岩类储集层和其他非传统烃类源中是普通的。
一些定向钻井系统和方法使用钻头，其中多个喷嘴被特别调整以获得定向钻井效果。
美国专利第US-4211292号公开了一种具有喷嘴延伸部的牙轮钻头，喷嘴延伸部位于通常由传统冲洗喷嘴占据的位置处。被延伸的喷嘴可将加压流体喷射到正被钻进的井眼的量测角落(gagecorner)上。在钻头旋转一圈的预定局部间隔期间将加压流体选择性地引导到喷射喷嘴中，以增加对井眼的一定方位角部分中的量测角落(gagecorner)的切削程度，从而使井眼朝该部分偏离。
英国专利文献第GB-2284837号公开了一种牙轮钻头，在该牙轮钻头中，三个喷嘴之一被改变成将流体流引导到钻头和地层之间的分界面的角落中，使得钻井液的流动相对于钻头不对称。使钻井液流产生脉动，使得在一定方位角位置上的流量高，对于旋转的剩余部分而言流量低，以优选在选定方向上钻井。
美国专利文献第US-4637479号公开了一种牙轮钻头，其被改进成使得可与导流装置密封地相互配合，以通过喷嘴连续地将流体流仅 排放到井眼的选定部分中。一种旋转盘被设置有孔以将流体引导到选定部分(包括钻头的一些流体喷嘴中的一个或两个)中。包括钻头的钻柱的旋转期间，阻止了通过井眼选定部分外侧的一个或两个喷嘴形成的流体连通，以这种方式，从而能实现使钻头转向的目的。
美国专利文献第US-5314030号公开了一种用于定向钻井的系统。钻柱上的方位传感器检测钻井方向的偏离。钻柱还包括旋转倾斜仪，该旋转倾斜仪包括机械振荡器(如，摆)。优选通过将冲洗流体引导到钻井端处，从而可使钻头转向。流体调节装置响应于来自于方位传感器的信号控制冲洗。流体调节装置可包括旋转盘或摆动阀板。在转向模式下，马达可使盘以静止管速度(stillpiperpm)旋转，使得盘相对于井眼保持静止。如果转向效果不合适，那么盘在三个流体通道之一上被停止，使得一个射流与钻柱一起旋转。在此，井眼底部的锥形部分与优选的井底冲洗一起控制侧向穿透。井眼底部的锥形部分是钻头的机械刀具的特殊锥形造成的结果。
美国专利文献第US-2007/0221409号公开了一种包括涡轮的系统，涡轮被设置有受钻井液驱动的叶片。随后，钻井液的一部分被引导到旋转阀中，旋转阀包括两个盘，所述两个盘包括相应的流体孔，流体孔可被控制成被对准，从而可让流体流动到流体喷嘴中，或者从而不阻止流体流。通过使用旋转阀，可通过喷嘴产生流体脉冲，从而沿选定方位侵蚀地层。
美国专利第US-7600586号公开了一种井下工具管柱部件，其具有第一转子，第一转子被固定在部件的孔内并连接到齿轮传动装置上。该齿轮传动装置机械连接到第二转子上。第二转子与具有导电线圈的定子保持磁联通，导电线圈与负载相联通。传感器收集用来调节第二转子和定子组件的涡轮的旋转速度的数据，以控制千斤顶元件。千斤顶元件具有不对称的顶端，其用于使钻头转向，从而使钻柱转向。
但是，美国专利文献第US-7600586号中的系统将在粘滑情形期间失去位置控制。在此，“粘滑”表示在钻井期间钻头粘附到地层上，从而在钻柱继续旋转时有效地停止旋转。粘附阶段之后是滑动阶段， 其中，钻头相对于钻柱以增加的旋转速度旋转几次。由于定子联接到钻柱上以及第二转子和定子之间的磁耦合，因此传感器可失去相对于地层的合适定位。另外，第一转子被钻井液驱动，以钻柱的速度旋转，例如速度在40RPM至60RPM的范围内。在这种相对低的速度下，难以准确控制转子的旋转。转子的旋转例如要求第一转子相对于钻柱相对较大。
公知的方法要求对传统钻头进行大量改进，如，喷嘴改进、使用旋转密封件、或使刀具形成特殊形状。但是，对钻头进行的所要求的改进减少了钻头的选择机会，这通常会增加成本，通常是不令人满意的。另外，为了限制钻头在井眼中的下入和起出，改进的钻头也将必须用于钻笔直轨迹部分，即使钻头不如传统钻头有效。旋转密封件或阀通常易损，可严重限制井下设备的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种更稳健和成本效益更大的定向钻井方法和系统。
本发明提供了一种用于在地层中定向钻井眼的系统，该系统包括：
-一种可旋转钻柱，其具有用于让钻井液通过的中央流体通道；
-连接至所述钻柱的一端的可旋转钻头，所述钻头包括：机械切削构件，其形成在钻头旋转时使井眼延伸的钻头端面；用于接收来自于钻柱的钻井液的中间空间；用于将所述钻井液喷出的至少两个喷嘴，每个喷嘴均与所述中间空间流体连通；
-第一转子部分，其被设置在所述钻柱的所述流体通道中，该第一转子部分能够相对于所述钻柱以第一旋转速度在第一方向上旋转；
-与所述第一转子部分的井下端相连的一种引流器，其用于将所述钻井液相对于钻柱的轴线转向；
-第二转子部分，其能够相对于所述第一转子部分以第二旋转速度在与所述第一方向相反的第二方向上旋转；
-一种控制单元，该控制单元用于控制所述第二转子部分相对于所述 第一转子部分的所述第二旋转速度，由此控制所述第一转子部分相对于所述钻柱的所述第一旋转速度。
本发明的系统提供了一种工具，该工具用于引导与钻柱的旋转分离的流体流动。其中的控制线路通过调节提供给第二转子的电负载来控制所述引流器的位置。该系统相对简单且具有有限数目的部件(其使得所述系统更稳健)。本发明的工具由于具有简单的设置而可具有较小的直径，从而在所述钻柱仍保留的井眼中的情况下，能够通过线缆实现该工具的布置和更换。而此种更换则降低了操作成本且节省了时间。该系统可与常规的旋转钻井系统组合使用。在定向钻井完成时可将本发明的工具除去，从而可利用常规的系统以更高的钻速钻进井眼的笔直部分。另外，本申请还避免了钻头的特别复杂的设计，从而进一步降低了成本。
根据本发明的另一方面，本发明还提供了用于上述系统的一种定向钻井工具。
根据本发明的再一方面，本发明提供了一种用于在地层中定向钻制井眼的方法，该方法包括如下步骤：
-使一种钻柱旋转，该钻柱具有允许钻井液流过的内部流体通道和连接至所述钻柱的处于井眼中的那一端的可旋转钻头，所述钻头包括：机械切削构件，其形成在钻头旋转时使井眼延伸的钻头端面；用于接收来自于钻柱的钻井液的中间空间；用于将所述钻井液喷出的至少两个喷嘴，每个喷嘴均与所述中间空间流体连通；
-将钻井液泵送通过所述钻柱的所述内部流体通道；
-所述钻井液使设置在所述钻柱的所述内部流体通道中的第一转子部分相对于所述钻柱在第一方向上以第一旋转速度旋转，所述第一转子部分布置有与该第一转子部分的井下端相连的引流器，以相对于所述钻柱的轴线使钻井液偏转；
-所述钻井液使一第二转子部分(其包围所述第一转子部分的至少一部分)相对于所述第一转子部分在与所述第一方向相反的第二方向上以第二旋转速度旋转；以及
-对所述第二转子部分相对于所述第一转子部分的第二旋转速度进 行控制，由此控制所述第一转子部分相对于所述钻柱的第一旋转速度。
本发明基于申请人得到的下列深刻了解：经过每个喷嘴的流体流影响钻井性能，仅需要正常流动模式相对较小程度地偏离钻头喷嘴，以达到定向钻井效果。因而，在整个旋转期间可保持通过特定喷嘴的流量，改变(如，根据旋转频率的流量调节)是足够的。这消除了对旋转密封件的要求，且消除了选择性地阻止流体流通过喷嘴的要求。这也允许使用传统钻头，而不用改变喷嘴配置，即，喷嘴仍可最优地(如，对称地)被布置，这对于特定钻头配置而言是合适的。
流体流的能够被改变的参数可以是对钻井性能产生影响的任何参数，例如：流体流速，流体动量，流体粘度，每个喷嘴的喷射冲击力或每个喷嘴的液压作用力。应理解：流体流的这些参数是相关的。在某实施例中，用于对流体流进行引导的一种插入件被布置在钻头的中间空间中。该插入件可与钻头一起旋转。该实施例允许排出构件引导钻井液而与流体引导部的上游端相互作用，该上游端可以接近所述钻头的进入口，这样会比与进入钻头中一定距离的中空空间中的喷嘴入口的区域直接相互作用更便利。此种引流装置并不需要适用于特定类型的钻头，且此种引流装置可通过所述插入件来实现。
在某实施例中，本发明的定向钻井工具可被取出重新回到地表。这样就具有了仅在需要时进行选择性定向钻井操作的能力，不需要重新获得钻柱以来更换钻头或井底钻具组合。
优选的情况为朝着所述中间空间的第一区域引导流体流，由此则导致从相应的多个喷嘴中喷出更高流量的流体，所述相应的多个喷嘴在钻头旋转过程中从该第一区域连续延伸。这样就对穿过所述多个喷嘴的流体流的参数(如流体流速，流体动量，和/或流体粘度)进行了改变。对流体导向构件进行控制而使排出构件保持相对于地层对地静止，从而实现了定向钻井作用。
附图说明
下面将通过实例，参照附图更详细地描述本发明，附图如下：
图1示出了井眼的截面侧视图，该井眼包括本发明的系统的实施例；
图2以平面图的形式示出了用于本发明的系统的电磁制动配置的示意性截面；
图3A和3B示出了图1中的井眼的截面在不同时刻的平面图；
图4示出了井眼的截面侧视图，该井眼包括本发明的系统的另一实施例；
图5示意性示出了图4的系统的导流器的截面平面图；
图6示出了根据差异钻孔效果(DHM)(differentialholemaking(DHM)effect)的钻井半径模型计算结果；
图7A和7B分别在透视图和顶视图中示意性示出了转向装置(其是图1和4中的排出构件的替换件)的实施例；
图8示出了根据本发明的旋转钻井系统的实施例的透视图；
图9A从另一角度示出了根据本发明的旋转钻井系统的实施例的透视图；
图9B示出了图9A中的细节；
图9C示出了根据本发明的旋转钻井系统的另一实施例的透视图；
图9D示出了图9C中的细节；
图10示出了根据本发明的旋转钻井系统的实施例的分解透视图；
图11示出了根据本发明的旋转钻井系统的实施例的剖面侧视图；
图12A至12E示出了图11中的实施例的相应细节的剖面侧视图；
图13示出了传统PDC钻头的剖面侧视图；
图14A示出了图12A的实施例的细节；
图14B示出了用于钻头的插入件的实施例的剖面侧视图；
图14C示出了图14B的插入件的透视图；
图15A示出了钻柱的井下端的剖面侧视图，钻柱包括被设置有插入件的另一实施例的钻头；
图15B示出了图15A的插入件的剖面侧视图；
图16示出了用于与本发明的旋转钻井系统组合使用的插入件的 另一实施例的透视图；
图17示出了钻柱的井下端的剖面侧视图，该钻柱包括引流器和被设置有插入件的另一实施例的钻头；
图18示出了钻柱的井下端的剖面侧视图，钻柱包括另一引流器和被设置有插入件的另一实施例的钻头；
图19示出了用于控制本发明的旋转钻井系统的控制回路的实施例的图表；
图20示出了三个图表，表示相应矢量在参考坐标系中的变化和在此方面所使用的术语；和
图21示出了表示重力矢量和磁矢量B的实例的图表。
在附图中，类似的参照数字标记涉及相同或类似的部件。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的系统1的实施例，该系统用于在地层5中定向钻井眼3。系统1包括连接到接头14上的钻头10，该接头是延伸到地表的钻柱16的一部分。相对重的钻铤部分17可被包括在钻柱的井下端部分中，被示出连接到接头14的上端上。钻柱16以及钻头10的纵向轴线用数字18表示。钻柱通常由相互连接的管段或类似的钻柱元件组成。
该实施例中示出的钻头10是聚晶金刚石复合片(PDC)钻头。也可使用其他钻头类型，如，牙轮钻头。图1中所示的PDC钻头包括钻头体20，该钻头体被设置有为PDC刀具24结构形式的机械切削构件。该PDC刀具形成钻头端面26。操作期间，所述钻头端面面向井眼底部28并靠近该井眼底部定位。钻头10通常被设置有用于从钻柱元件(例如，从接头14)接收钻井液的进入孔30。该进入孔30是通向中间空间32的入口，多个通向用于喷射钻井液的喷嘴的进入通道从该中间空间32延伸。在该实例中，设置有具有第一进入通道36的第一喷嘴35和具有第二进入通道39的第二喷嘴38。第一喷嘴和第二喷嘴相对于钻头端面被设置在不同的方位角位置上，在该实例中，相对于钻柱 16沿其旋转轴线的旋转来计算，它们之间间隔180度。
导流装置42可被设置在接头14中。该导流装置可包括排出构件45，该排出构件通过支撑构件46和轴48连接到旋转装置(其用数字50示意性示出)上。导流装置可受控制单元52控制，用于控制排出构件相对于钻头10的相对旋转。支撑构件46被设置成，使得其可让钻井液沿钻柱的内部朝进入孔30向下流动。排出构件45可以是引流器。该引流器可包括平板，但是其也可具有其他形状结构，如，弯曲凸缘或通道。排出构件45可通过进入孔30延伸到中间空间32中。因而，所述排出构件在朝向中间空间32的第一区域55的方向上输送钻井液。
如图1所示，通向第一喷嘴35的第一进入通道36从第一区域55延伸，通向第二喷嘴38的第二进入通道39从第二区域56延伸，该第二区域位于钻井液被朝其引导的区域的外部。当钻柱16旋转180度，排出构件45保持对地静止时，那么通向第二喷嘴38的第二进入通道39从第一区域55延伸。第一区域55和第二区域56被认为是对地静止的。
控制单元52适于获得方位数据，例如，从被连接的外部测量装置或集成式测量装置(如，MDW装置)、和/或通过与(如，地表处的)外部数据源通讯获得方位数据。通过排出构件的实际和合适的方位数据，确定出需要排出构件相对于钻柱相对旋转的程度。
当钻柱16在一个方向上(如，顺时针)旋转时，将要求排出构件相对于钻柱在相反方向上旋转以保持对地静止。旋转装置50例如可以是主动驱动电机。另一种选择是，将导流装置42的一部分(如，支撑构件46或排出构件45)成形为，使得其被钻井液49的流动驱动而相对于钻柱相反地旋转。在后一情况下，可通过受控的制动器来实现对引流器的方向的控制，该受控制动器放慢左向旋转至一定程度，使得钻柱的右向旋转被补偿，引流器相对于地球指向固定方向。
图2示出了用于旋转构件的示意性电磁制动配置。定子60被设置在接头14内，该定子可旋转地被锁定到接头14上。该定子也可与所 述接头一体形成。转子64可相对于定子60/接头14可旋转地被布置。转子64包括诸如叶片、翼或肋等构件，其在流体流动和转向时施加力矩，以在钻井液沿接头14向下流动时使所述转子相对于定子60旋转。对于这种构件的一种选择是示意性所示的凸缘45a，该凸缘相对于排出构件45延伸。转子64的相对转动用箭头66表示。在钻井期间接头14与定子60一起在井眼3中的旋转用箭头68表示。
定子60和转子64可一起形成电磁式发电机，具体而言，定子和转子之一包括永久磁铁配置，另一个包括电磁线圈配置。例如，定子可包括永久磁铁配置，转子可包括在相对旋转期间与永久磁铁配置相互作用的电磁线圈配置。这将在电磁线圈配置的电极上产生电压，从而产生电能。电能可被消耗在负载中。该负载例如可以是电阻器。不是将能量消耗为热量，而是也可将能量至少部分用于直接给其他电子设备提供电力或通过加载电池而供应给其他电子设备。
通过改变所述负载(如，连接到电极上的电阻器)，可控制对旋转的阻力。因而，可调节电磁制动，使得旋转66和68相互补偿，从而使得转子64(图1的实施例的排出构件45连接到该转子64上)保持对地静止。该排出构件引起钻井液的流动转向到方向70上。
该实施例中的导流装置42可通过钻柱16的内部向上重新取回到地表。为此，例如，旋转构件50和/或控制单元52可被设置有打捞颈。
定向钻孔期间，钻柱16与钻头10一起旋转。钻井液沿该钻柱向下流动，进入并通过第一喷嘴35和第二喷嘴38。引流器(排出构件45)通过控制单元52和旋转构件50的操作而保持对地静止，使得钻井液通过更高的动量被引导到中间空间32的第一区域55中，从而导致离开相应喷嘴的流体流的动量更高。
图3A和3B示出了在两个不同时刻沿图1中的井眼3向下所示的示意图。图3A和3B示出了井眼底部28的四个扇区，包括被第三扇区83和第四扇区84分开的第一扇区81和第二扇区82。
在第一时刻(图3A)，具有第一进入通道36的第一喷嘴35位于井眼底部的靠近地层5中的点A的第一角度扇区81中。为了清楚起 见，示出了导流方向70，而不是引流器45本身。流体流朝区域55转向，第一进入通道36在此时刻从区域55延伸。第二喷嘴38位于与井眼底部的扇区81相对的第二角度扇区82中，从所述中间空间的第二区域56接收流体，该第二区域位于流体流被朝其引导的区域的外部。
图3B示出了后一时刻，此时，钻头已转动，使得具有进入通道39的第二喷嘴38位于靠近点A的第一扇区81中，从中间空间32的区域55接收流体，中间空间32被认为是对地静止的。第一喷嘴35现在位于第二扇区82中，从第二区域56接收流体。调节流向喷嘴的流量，使得第一扇区81中的喷嘴流体流量参数比第二扇区82要相对增加，从而导致在这两部分中进行的钻井进度不同，从而产生不同的定向钻井效果。如实例中所示，例如根据所使用的钻头类型，所述效果具有不同的迹象，使得井眼可朝点A或远离点A偏离。所述效果的迹象可预先确定。
在图3A、3B中示出了角度扇区81、82、83、84是井眼底部28的多个四分之一部分。第一和第二扇区形成相对的四分之一部分。可不同地选择第一和第二扇区，它们例如可以是相对的半圆；或者可以是尺寸(角度)不同的相互独立的部分，共同形成整圆。
对于具有圆形横截面的中间空间而言，第一和第二区域可相对于这种圆形横截面而不是井眼底部以类似方式被限定。
图4示出了根据本发明的方法和系统101的另一实施例，该方法和系统101用于在地层5中定向钻井眼3。与图1的实施例中的部件基本相同或类似的部件被给出相同的参照数字标记，可参照上面对它们的描述。与图1不同的是，钻头110是具有三个牙轮的牙轮钻头，用参照数字标记111、112仅示出了其中的两个牙轮。牙轮112和其支腿用虚线示出，以表示该牙轮位于纸张平面之后。第三牙轮(未示出)大致在牙轮112前面。每个牙轮具有相关联的喷嘴。第一牙轮111具有第一喷嘴35、第二牙轮112具有的第二喷嘴38，第三牙轮具有第三喷嘴(未示出)。多个喷嘴通过多个进入通道与钻头110的中间空间32连通。导流器133被设置在中间空间32中。在该实施例中的导流 器133可包括被放置在传统牙轮钻头中的插入件，被设置成使得其可旋转地被锁定，即，其与钻头110一起旋转。导流器133包括第一通道134和第二通道137，第一通道134在下游端135处与通向第一进入通道36的入口相互配合，第二通道137在其下游端138处与第二进入通道39相互配合。
图5示出了导流器133的横截面图，表示了与第三喷嘴连通的第三通道141。
该实施例的导流装置42包括排出构件145，该排出构件与图1中的排出构件45不同，其不延伸到钻头110的中间空间32中。更确切地说，排出构件145被设置成：根据钻头110和排出构件145的相对旋转位置，依次朝流动通道134、137或141之一的上游端142、143输送流体。
定向钻井基本上与图1的实施例中的类似。
图6示出了根据井眼底部相对两侧之间的差异钻孔(DHM)效果的钻井半径模型计算结果。DHM可被定义为相对两侧(在直径方向上相对的位置)的钻进速度之间的差异(用百分比表达)。针对15.2cm(6英寸)钻头执行计算。图6示出，十分小的差异钻孔效果足以达到实际有用的定向钻井效果。例如大致为0.1％的差异钻孔效果可足以获得大约仅为150m的半径。
图7A和7B在透视图和顶视图中示意性示出了替换的导流装置(为偏转装置101的结构形式)。该偏转装置可以替代上述实施例中的排出构件45和凸缘45a。偏转装置101具有用于接收沿钻柱元件流动的流体的上游端103、形成用于流体的非轴向出口106的下游端105、和用于流体的流动路径108，该流动路径位于所述上游端和下游端之间。流体流的方向用箭头109表示。该偏转装置可绕钻柱元件(未示出)的轴线旋转，且该偏转装置被设置在该钻柱元件中。钻柱元件的轴线18与偏转装置101的轴线110重合。该实施例的偏转装置101包括偏转构件112，其形成至少局部为螺旋形的流体流动通道113，该流动通道113与流动路径108一致。流动路径108被设置成使得从上 游端向下游端流动的流体绕轴线110施加力矩。该力矩用不穿过轴线110的力矢量115表示。
图8至10示出了用于定向钻井眼3的旋转钻井系统201，该钻井系统被设置在沿钻柱16的长度延伸的内部流体通道202内。该钻井系统201包括第一轴承或井下轴承204和第二轴承或上部轴承206。第一和/或第二轴承可被可释放地联接到钻柱16的内表面上。所述轴承的可释放联接部例如可包括被设置在内钻柱表面上的坐放短节和所述轴承外表面上的匹配轮廓。可选地，该钻井系统可被可释放地设置在所述多个轴承内。使用中，轴承204、206被连接到钻柱16上，并将与该钻柱一起旋转。
在某优选实施例中，该钻井系统201包括第一可旋转部分210和第二可旋转部分212。第一可旋转部分210能在轴承204、206内旋转，从而能相对于钻柱16旋转。因而，第一可旋转部分210可旋转地与钻柱的旋转分离。第二可旋转部分212能绕第一可旋转部分旋转。第二可旋转部分从而能相对于钻柱和第一可旋转部分210旋转。第一轴承204和第二轴承206分别被设置有流体开口205、207(图9A)，以可让钻井液通过。
第一可旋转部分210可包括第一转子214。该第一转子例如配置有一些第一叶片216(图9B)。第一叶片216相对于钻柱轴线18以第一角度设置，以在钻井液通过时就将第一力矩提供给第一转子214。在本申请中，正在流过的钻井液直接驱动所述第一转子的多个第一叶片。第一力矩可引起第一转子沿钻柱轴线在第一方向(如，逆时针方向)上旋转。
第一可旋转部分210的第一转子214连接到纵向轴218上。所述纵向轴218连接到圆柱形部分220上。圆柱形部分220连接到轴48上，该轴48贯穿轴承204并可旋转地设置在轴承204内。轴48的井下端被设置有引流器45。第一可旋转部分210的所有部件将一起旋转。
第二可旋转部分212可包括第二转子230，该第二转子被可旋转地设置成包围所述纵向轴218。第二转子230可被设置有一些第二叶 片232。第二叶片232相对于钻柱轴线18以平均第二角度设置，以在钻井液49通过时就将第二力矩提供给第二转子230。在本申请中，正在流过的钻井液直接驱动所述第二转子的多个第二叶片。第二力矩可引起第二转子在与第一方向相对的第二方向上(如，顺时针方向)沿钻柱轴线旋转。
钻井液的流动在一个旋转方向上驱动所述第一转子的多个叶片。相同的钻井液的流动在相反的旋转方向上驱动所述第二转子的多个叶片。
第二转子部分212可相对于第一转子部分210以连续变化的速度旋转。该系统包括合适的控制装置以控制所述速度。
如图9A和9B所示，第二转子230可被设置有至少一个磁铁221。磁铁221可以是永久磁铁。尽管未示出，但是所述至少一个磁铁中的每个可被设置在所述多个叶片232之一上。所述纵向轴218可包括至少一个相应的磁铁222，优选为电磁铁，即，通电线圈。
通过所述纵向轴218和第一转子214延伸的电线223可将电磁铁222连接到至少一个电磁铁224上。该电磁铁224被设置在第一转子部分214和控制单元部分225之间的分界面附近。控制单元部分225可被设置有至少一个相应的电磁铁226。电线227将电磁铁226连接到控制单元52的控制电路(参见图1)上。测量信号、控制信号和电能可在电磁铁224和电磁铁226之间被感应地传递。
在某优选实施例中，如图9C和9D所示，控制单元52被整合在第一转子部分210中。控制单元部分225在此可被设置有另外的测量装置或控制装置，如，随钻测量(MWD)装置262。该随钻测量装置可以是传统的测量装置。
被整合在第一转子部分210中的控制装置可最小化信号传输中的延迟，使系统更稳定和稳健。当第一转子部分210的旋转与钻柱16的旋转分离时，本发明的定向钻井系统也可消除掉粘滑现象以及钻井期间的其他旋转振动。
在此，用于本发明的系统的控制单元52可包括至少一个方位传感 器，其用于检测系统相对于地层的方位。该至少一个方位传感器可包括用于检测地磁场的一种磁传感器、一种重力传感器和/或一种陀螺仪。传感器优选是三轴的，即，能在空间中进行三维测量。所述方位传感器可测量井眼分别相对于地球的重力场或磁场的倾斜度。由每个传感器提供的数据可组合使用，以提高数据的准确性。
随钻测量装置262可被设置有多个方位传感器，从而提供冗余度。随钻测量装置将通常被设置成遵守油田要求。但是，该随钻测量装置的方位传感器也可通过线圈224、226的感应耦合将数据提供给控制单元52。
在实际的实施例中，连接到第一转子上的轴218包括大致5至10个通电线圈，例如大致9个通电线圈(即，电磁铁)。第二转子230包括大致2至15个永久磁铁，例如大致3至5个磁铁。可选地，每个叶片232可设置有单独的磁铁221。每个磁铁221定位在相对的方向上，即，具有相对于相邻磁铁颠倒的北极和南极。
图11示出了本发明的钻井系统201的实施例的缩小概图，表示相对尺寸。图11示出了钻柱16的井下端以及钻头10。定向钻井系统201被设置在钻柱内。用A至E标注的方框分别表示对应的多个详细视图12A至12E。
图12A示出了钻头10。钻头可以是可从大量供应商购买到的传统钻头。被设置有流体通道242的导流插入件240被设置在钻头的内部钻井液通道内。钻柱16的井下端部分可被设置有各种不同的壳体部分244、246，它们包围本发明的定向钻井系统201。所述各种不同的壳体部分可通过螺纹连接件248相互连接。壳体部分244可被称之为支承管。壳体部分246可被称之为顶部部分。设置有第一轴承204和第二轴承206。所述轴承将系统201的部件的旋转与钻柱的旋转分离。系统201可包括任意数量的其他轴承以最优化旋转的所述分离。例如显示了第三轴承250。
顶部部分246设置有圆筒形转子壳体252。第一转子216和第二转子232被设置在所述转子壳体内。在转子216、232下游，系统可设 置有涡轮部分254。可包括一个或多个用于减小震动的减震器256、258。减震器可由橡胶制成。
在转子216、232上游，该系统可设置有第一滤波器部件260。该滤波器部件可过滤电信号并在上述转子部件和随钻测量(MWD)装置262之间传递电信号。该随钻测量装置可包括一些扶正器264以将该随钻测量装置在钻柱16内定中心。随钻测量装置是控制单元52的一部分，被包括在定向钻井工具201的控制单元部分225中。
在井眼3的延伸过程中，随钻测量装置262可评估物理属性，所述物理属性通常包括压力、温度和三维空间中的井眼轨迹。在井下进行的测量在某时刻可被存储在固态存储器(未示出)中，之后被传输到地表或传输到本发明的定向钻井工具的其他部分。可使用各种数据传输方法。数据传输通常可涉及，当压力在泥浆系统中产生脉动时，对数据进行数字编码处理并将其传输到地表。这些压力可以是正波、负波或连续的正弦波。随钻测量工具可具有储存测量值的能力，用于在数据传输线路出现故障的情况下，之后通过测井电缆重新获得测量值或在工具从井眼起出时可重新获得测量值。但是，将数据传输给定向钻井工具的转子部分252优选涉及电信号。这些电信号可通过感应耦合被传输经过旋转屏障。例如，可利用感应磁耦合，分别通过电线圈226和224在控制单元部分225和第一转子部分214之间传输信号。
如图12B所示，随钻测量装置262可包括至少一个管状体。例如，第一管状体270、第二管状体272、第三管状体274和第四管状体276。第三管状体274和第四管状体276可构成电子管。
控制单元部分252可包括第二随钻测量装置280。该第二随钻测量装置可包括第五管状体282和第六管状体284。第二随钻测量装置相对于第一随钻测量装置262提供冗余。另外，由第一随钻测量装置262和第二随钻测量装置280提供的数据可被控制单元52(图1)比较，并通过控制单元52求出平均值，以提供多个准确测量值。
该系统可包括涡轮286。涡轮286可由通过的钻井液驱动。涡轮可产生电能给第一随钻测量装置262和第二随钻测量装置280中的一 个或两者。
随钻测量装置的顶部部分290可接合钻柱内表面上的台肩292。所述顶部部分的上端可被设置有打捞钩294。打捞钩例如通过线缆能布置、移走和置换本发明的定向钻井工具201。本发明的工具201可避免起出整个钻柱，可仅在钻柱内置换工具，这样就要快得多。置换工具201在此意为置换整个工具，包括第一转子214、第二转子230和相应的第一叶轮216和第二叶轮232。插入件240也可通过线缆而被引入钻柱中、被置换掉或从钻柱中移走。
本发明的工具201可包括用于将钻井液49的流动引导到预定方向上的引流器45。但是，传统钻头不能提供足够的空间来容纳所述引流器。但是设计新的钻头(其被特别构造成用于定向钻井工具)将是相对昂贵的。
图13示出了可从各种供应商购买到的传统PDC钻头的实例。由于所述供应商之间的竞争以及市场大小，这些钻头的成本相对适中。钻头10可通过销型螺纹联接器300被连接到钻柱16上，该螺纹联接器具有端部部分302。钻头10通常被设置有内部流体通道32，其对应于图1中所示的中间空间。钻头可被设置有任意数量的流体喷嘴。但是，通常钻头可包括三个流体喷嘴以及相应的第一进入通道36、第二进入通道39和第三进入通道(未示出)。当钻头10连接到钻柱16上时，所述内部流体通道32被连接至钻柱的流体通道202。
插入件240被插入钻头10的流体通道32中(图14A)。可构想出插入件的各种不同实施例。例如，插入件可包括设置有内部流体通道242的圆柱形主体310。插入件240的井下端312被设置有流体偏心孔314。流体通道242使流体流朝所述偏心孔转向。插入件的上端316被设置有凸出的凸缘318。凸缘318提供用于接合钻头的顶端302的台肩320。插入件例如可由陶瓷或类似材料制造。
插入件240连接到第一转子部分214上，与第一转子部分214一起旋转。在钻头中，偏心孔314将使远离钻柱轴线的钻井液流的流动例如朝钻头的三个流体喷嘴中的一个流体喷嘴转向。插入件起到引流 器的作用，可消除插入件上方的单独的引流器。
对于定向钻井而言，第一转子214和连接到其上的所有部件(如，纵向轴218，圆柱形部分220，以及插入件240)将保持对地静止。偏心孔314将钻井液的流动连续引导到井眼的一个方向上，从而产生低压力，使井眼轨迹出现弯曲。对于在笔直方向上进行钻井而言，第一转子214和插入件240与钻柱一起旋转，其中，从偏心孔314流出的流体流冲洗井眼的每侧。
在另一实施例(如图15A和15B所示)中，插入件240包括圆柱形主体310、凸缘318和用于接合钻头的顶端302的台肩320。在凸缘318上方，圆柱形主体310被设置有用于将该圆柱形主体连接到第一转子部分214的井下端上的连接器部分322。偏心流体通道324沿圆柱形主体310的整个长度延伸，在其顶端处设置有偏心流体入口326，且在其井下端处设置有偏心流体出口328。图15B中的插入件适于与第一转子部分214一起旋转。
图15中的插入件可以以相对低的成本用陶瓷制造而成。由于插入件中心连接(即，与轴线18对准地)到转子部分214上，因此，插入件要求更少的部件，可设置有牢固和相对简单的支承件。所述支承件能更好地控制插入件的位置，从而更好地控制被包括在该插入件中的引流器的位置。插入件由于中心连接还可简化插入件的重新获取过程。
图16示出了一种插入件240，该插入件包括圆柱形主体330(如，盘形凸缘)，圆柱形主体330被设置有一些管232、234、236。管的数量可对应于钻柱的流体喷嘴的数量，例如为3。管的偏心布置端242、244、246朝向钻柱的相应喷嘴的流体进入通道36、39(图1)，这些管可由钢或类似材料制成。
图16中所示的插入件240适于被固定在钻柱中。在此，端部242、244、246优选与钻头的相应进入通道36、39对准。该插入件仅要求钻头的微小改变，因此可在钻井场处被插入钻头中。该插入件例如可通过用合适材料填充钻头的流体通道32中的剩余空间而被固定。所述合适材料可包括硬化聚合物成分，固化后可让该材料能在钻井期间承 受高温和震动。所述聚合物成分例如可以以聚氨酯或环氧树脂为基础。图16中的插入件将与连接到第一转子部分214上的单独的引流器组合。引流器45将朝插入件的管之一引导流体流，从而提供了通过上面针对其他插入件所述的被转向的流体流来使钻头转向的能力。
图17示出了一种插入件240，该插入件240仅局部延伸到钻头10的流体通道32中。该插入件具有中央流体通道350，其引导流体远离轴线18，在偏心流体孔352处终止。由于惯性，朝与所述偏心流体孔对准的流体入口而被引导的钻井液比朝其他流体入口被引导的钻井液要相对更多。在此，钻头可具有三个流体入口36、39和354。图17的插入件适于与第一转子部分214一起旋转。
图18示出了具有圆柱形主体358的一种插入件240，该圆柱形主体仅局部延伸到钻头10的流体通道32中。该圆柱形主体具有偏心流体通道360，该偏心流体通道引导流体远离轴线18，在偏心流体孔362处停止。由于惯性的原因，朝与偏心流体孔362对准的流体入口被引导的钻井液比朝钻头的其他流体入口被引导的钻井液要相对更多。在此，钻头可具有三个流体入口36、39和354。图18中的插入件适于与第一转子部分214一起旋转。图18示出了连接到第一转子部分的轴48上的连接器322。
图19示出了用于使用在控制单元52中的闭环控制图的实施例。使用图19中所示的闭环电子控制系统400的控制单元可控制本发明的定向钻井系统。
钻孔机可提供具有设定值402的控制电路。所述设定值可包括方向和/或用于井眼的弯曲部分的半径，或钻笔直部分的命令。可选地，所述设定值可包括相对于轴线18的所需方向、和控制因素(包括为了在设定方向上钻井，本发明的装置应该施加的力的读数)。为了钻弯曲部分，该设定值包括引流器45相对于钻柱轴线的滚转角θ_set。该设定值也可包括弯曲部分的设定半径。
在此，弯曲部分的半径可在一定范围内调节。结合持续处于相同滚转角的对地静止的引流器，由钻井液的流动确定所述范围的上限(即， 最小半径R_min)。可通过实时交替引流器的滚转角来限制弯曲部分的半径。这意味着，引流器在第一时段t1期间交替选定的对地静止位置，在第二时段t2期间交替绕轴线18的旋转。通过设定用于t1和t2的合适值，可在0(其中，tl＝0)和R_min(其中t2＝0)之间改变弯曲部分的半径。为了获得半径为2*R_min的井眼弯曲部分，例如，t1可以大致等于t2。实际上，t1和t2可在大致0至10秒的范围内变化，在大致5分钟至10分钟的范围内变化，或在更大范围内变化。
将所述设定值给求和元件404。所测的滚转角通过反馈回路405提供给求和元件404的另一输入部，从设定值402中减去该滚转角。差异或误差值ε被提供给PID控制器406。PID控制器提供t/T值给PWM模块408。在此，t表示时间，T表示第一转子部分210上的力矩。也请参照上面的描述。校正电流I被提供给第一转子部分的电磁线圈222。在一出现电流I时，电磁线圈222就与第二转子部分212的磁铁221磁耦合，用磁力矩Tmag表示。
磁力矩Tmag的计算值被提供给第二求和元件410的第一输入口。第二输入口配置有流体力矩Thydro的计算值，即，由于流体流49作用在第一和/或第二转子部分上的力矩。
另外，控制回路可包括积分元件412，其提供旋转速度ω作为输出。旋转速度ω在此表示第一转子部分相对于地层的旋转速度，即，旋转速度ω_2/0。反馈回路416的反馈增益414可被设置成自动校正该值。元件418使用旋转速度ω来计算第一转子元件210的滚转角，从而计算引流器的滚转角。通过使用反馈回路405，所述滚转角在与设定值402偏离时就被自动校正。
在图9C和9D所示的实施例中，包括至少一个方位传感器的控制单元52可被设置在第一转子部分210上。这能改进控制回路。在此，由多个方位传感器提供的方位数据可被控制回路直接使用。即，控制回路400可使用用于ω和/或θ的测量值，该测量值可受反馈回路控制，使其朝设定值402移动。
下面将提供本发明的定向钻井工具的一些操作理论。
目的是提供一种能控制引流器相对于工具轴线的滚转角的工具。局部地来说，所述工具轴线与钻柱(图1)的轴线18对准，其也被称之为z-轴。该工具将不允许任何平移。工具将也不允许绕x-轴和y-轴(它们相互垂直，并垂直于z-轴)旋转。
工具201的设计满足下面的标准。
该工具是坚固的，能在井下条件下操作。井下条件可包括高温、高压、震动、腐蚀以及接触腐蚀材料、沙和其他颗粒物质这些条件中的一个或多个条件。移动部件的数量因而可减小到最小。
所述工具可通过钻柱而重新获得。所有部件(包括第一和第二转子的叶轮)可重新获得，可在钻柱16的流体通道202(图8)中移动。
控制模块和控制电路相对简单。这使得控制单元尤其在井下条件下稳健且使用寿命延长。
第二转子部分230是基于发电机的设计。用于产生电能的井下发电机可用于将电能供应给嵌入式电子器件和工具以及电机。发电机将钻井液的一部分液压能转变为电能。从而，产生电能也将涉及经过发电机的压降。
传统的情况为：发电机的定子(对应于本发明的工具中的轴218)固定在钻柱中，以与钻柱(如，通常为钻柱的钻铤部分)相同的速度旋转。根据本发明，发电机在稳定器中转换能量。在此，通过增加至少两个轴承(一个位于发电机上方，一个位于发电机下方)而使发电机的定子(本工具的第一转子部分214)与钻柱的旋转分离。因而，发电机的定子和转子(即，第二转子部分230)可绕z-轴自由旋转。
主要地，该设计包括两个运动(旋转)部件，发电机主体(第一转子部分210)和涡轮(第二转子部分212)。这两个部件绕它们共同的旋转轴线(即，z-轴或钻柱轴线)自由旋转。
这带来了一种维数问题。绕x-轴和y轴的平移和旋转是不可能的。该工具具有两个自由度，即，第一转子214(也是涡轮的定子)的第一滚转角和第二转子230(涡轮)的第二滚转角。
控制单元52的控制电路控制电负载。因而，电子设备改变快速旋 转涡轮230和第一转子部分214之间的磁耦合。定向钻井期间，第一转子部分241保持对地静止。当钻井眼的笔直部分时，第一转子部分以与钻柱的旋转相当的速度旋转。
主要地，本发明的定向钻井工具包括可相对于彼此旋转的三个部分：
1)部分1：钻柱；
2)部分2：第一转子部分214。该第一转子部分连接到引流器45上。另外，第一转子连接到轴218上，轴218构成发电机的定子。第一转子部分装配有叶轮或叶片以在第一方向上产生旋转力矩，例如逆时针力矩。在某实施例中，轴218被设置有一组(9个)电磁线圈；和，
3)部分3：涡轮或第二转子230。第二转子装配有叶轮或叶片，以在与第一转子的旋转相反的方向上产生力矩，例如顺时针力矩。第二转子被设置有永久磁铁(参见图9)。永久磁铁将在相对于彼此旋转时就在轴218的线圈中感应出电流。
系统相对于作为参考坐标系的地层的运动由滚转角θ_2/1和θ_3/2而定。其中，θ_2/1是部分1相对于部分2的滚转角。θ_3/2是部分3相对于部分2的滚转角。滚转角表示例如在朝向钻头的方向上的平面图中观察，绕z轴的旋转角。在地球参考框架(即，地层5)中部分1(即，钻柱)绕x-轴和z-轴的平移速度和旋转速度的短期平均值大致为零，因而可忽略不计。
另外，部分1(钻柱16)相对于地层5(也称之为部分0)的旋转速度ω_1/0(单位为rad/s、RPM或Hz)被强加到系统中。钻井期间，旋转速度ω_1/0基本上恒定。钻井液经过钻柱的流量Q(单位为m³/s)也被限定。
根据上述内容，为了预测定向钻井系统的性能，对力矩在z轴上的投影的分析是足够的。
施加在部分2上的各种力矩可被描述为：
(1)T_1→2＝f₁(ω_2/1,Q)
(2)T_Fluid→2＝f₂(ω_2/0,Q)
(3)T_3→2＝T_{3→2(friction)}+T_{3→2(magnetic)}
(4)T_{3→2(friction)}＝f₃(ω_2/3,Q,倾斜度)
(5)T_{3→2(magnetic)}＝Μ(ω_2/3,α)
在此，T_1→2是由部分1施加给部分2的力矩，f₁表示相关于变量ω_2/1和Q的第一函数。T_流体→2(T_Fluid→2)是由流体流施加给部分2的力矩，f₂表示用于部分2的摩擦耦合，其相关于变量ω_2/0(部分2相对于部分0(即，地层)的旋转速度)和Q。T_3→2是由部分3施加给部分2的力矩，其是T_{3→2(friction)}(T_{3→2(摩擦)})和T_{3→2(magnetic)}(T_3→2(磁))的组合。α表示控制单元52的定位传感器的加速器的准确度。
在此，T_{3→2(friction)}(T_{3→2(摩擦)})是由于摩擦而由部分3施加给部分2的力矩，T_{3→2(magnetic)}(T_3→2(磁))是由于磁耦合而由部分3施加给部分2的力矩。T_{3→2(friction)}(T_{3→2(摩擦)})相关于f₃，f₃是所述部分3的摩擦耦合。摩擦耦合f₃相关于变量ω_2/3，Q和倾斜度(Inc)。T_{3→2(magnetic)}(T_3→2(磁))相关于部分2和部分3之间的磁耦合。所述磁耦合M相关于变量ω_2/3和θ_3/2(其是部分3相对于部分2的滚转角)。
施加在部分3上的各种力矩可被描述为：
(6)T_2→3＝-T_3→2
(7)T_Fluid→3＝f₃(ω_3/0,Q)。
在此，T_2→3是通过部分2施加给部分3的力矩。所述力矩T_2→3与通过部分3施加给部分2的力矩T_3→2成负比例关系。T_Fluid→3(T_流体→3)是通过钻井液的流动施加给部分3的力矩。力矩T_Fluid→3(T_流体→3)相关于f₃，f₃是变量ω_3/0(部分3相对于地层的旋转速度)和Q的函数。
另外，J₂被定义为部分2的惯性矩。J₃被定义为部分3的惯性矩。 J₂和J₃与绕它们共同的旋转轴的惯性有关，该旋转轴是z轴，且局部与钻柱的轴线18重合。下面给出运动的物理规律：
(8)---dω1/0dt≈0]]>
(9)---J2dω2/0dt=T1→2+TFluid→2+T3→2]]>
(10)---J3dω3/0dt=T2→3+TFluid→3]]>
(11)---θ(t)=∫0tω2/0dt+θ(0)]]>
根据上面的公式，通过确定下面的参数，将能预测本发明的定向钻井系统的部件的旋转并控制该旋转：
-惯性矩J₂,J₃；
-摩擦耦合f₁,f₂,f₃；
-涡轮力矩T₂,T₃；
-磁耦合M。
发电机(即，部分2和部分3的组件)的磁耦合性能由涡轮(即，部分3，其是第二转子230)的旋转速度、由于磁耦合而产生在部分2和部分3之间的力矩、产生的电流和经过整流器的输出的电压之间的关系控制。当相对于第一转子旋转时，第二转子230的磁铁221在第一转子的线圈222中感应出交流电流(AC)。第一转子部分230可被设置有整流器以将交流电流传输到直流电流(DC)中。
对本发明的钻井系统的测试已经表明，部分2和部分3之间的磁矩随产生在通电线圈222中的电流线性变化。在一定范围内，所述电流可受控制单元52控制。例如，控制单元52可画出可调节的电能量，从而控制电流，以将电力供应给电子设备。可选地，所述控制单元可被设置有连接到线圈222上的可调节电阻器以调节电流。
不要求进一步分析第二转子230绕第一转子214的轴218的运动。仅要求旋转速度ω_2/3用来确定最大电流，该最大电流可通过第二转子230相对于轴218的相对旋转产生。
在实际的实施例中，力矩和电流之间的比例系数可以大约为0.05至0.3Nm/A，例如大致为0.14Nm/A。
部分2和部分3之间的力矩范围(其可通过本发明的设计得到)可以大约为0.3Nm至0.8Nm。
旋转速度ω_1/0可以在40RPM至80RPM的范围内，例如大致为60RPM。在钻曲线部分期间旋转速度ω_2/1大致等于但方向相反于旋转速度ω_1/0，在钻笔直部分期间所述旋转速度ω_2/1可以大致为0。旋转速度ω_3/2可以在500RPM至4000RPM的范围内，例如大致为1000RPM。
控制单元52可装配有一个或多个方位传感器。该传感器可选自于三轴加速度计和三轴磁强计。控制单元另外可配置有陀螺仪，陀螺仪可进一步提高系统的性能和准确性。在此，下面对提供滚转角θ的合适值的方法进行了示例性描述。原则上，在此的滚转角表示第一转子部分210的滚转角θ₂。但是也可计算其他滚转角。“合适”在此意为，该值在预定公差内是准确的，可被快速获得。“快速”在此意为，该值可在时段t_θ内获得，该时段t_θ相对于钻柱的旋转速度而言较小。钻柱通常以大致60RPM(每秒大致旋转一圈)的速度旋转，t_θ优选小于0.1秒，更确切地说小于0.01秒。
反馈变量可用向量记法表达为：
(12)---y=AxAyAzHxHyHzω]]>
θ必须被确定为y的函数。确定θ的两种不同方法是：积分法和线性代数表示法。
提供了ω的积分：
(13)---θ=θ0+∫0tiω(t)dt]]>
可定义下面的坐标系。可对地层进行仔细考虑。可在地球坐标系B₁中表达地层，例如其被定义为：
1)朝下，从地表指向井眼。“朝下”可被定义为铅垂线给出的方向或重力场的局部方向。例如由于地球的旋转和重力场中的重力异常，该方向可不同于连接相应钻井位置与地球中心的线。重力矢量应该在整个空间中基本一致，其中该系统将在该整个空间(即，井眼)中运行。
2)指向磁北。罗盘可提供方向。这是地球磁场在水平面上的投影。磁场与水平面之间的角度定义为磁倾角(DIP)。在欧洲，DIP可以大致为70°，表示水平分量大致为总磁场强度的三分之一。人们也认为磁场在整个感兴趣空间(即，井眼)中基本上一致。
3)可被定义成产生右手正交基。即，指向东。
对连接到钻头上的工具坐标系B₄进行定义。B₄被定义为：
i)是钻头的旋转轴；
ii)选择和使得B₄右手正交。
和是从地面坐标系B₁变换到工具坐标系B₄的连续基。图20中所示的图表描述了这些基础相对于彼此的相对位置。在此，Inc.表示倾斜度，Az表示旋转。
转换矩阵可表达为如下：



由于矩阵(14),(15)和(16)是正交的，可表达为：
(17)---(PB1B2)-1=(PB1B2)0t]]>
R可被计算为：

随后，定义了三个角度Az,Inc和DIP。在下面提供了典型方法来获得这三个角度。的定义得出
因而：
(19)---00g=PB1B2·PB2B3·PB3B4·AxAyAz]]>
由于正交矩阵属性：
(20)---AxAyAz=PB1B2t·PB2B3t·PB3B4t00g]]>
因而：
(21)---AxAyAz=gsin Incsinθsin Inccosθcos Inc]]>
和
(22)---Inc=atan2(Ax2+Ay2Az)]]>
DIP是水平面和磁场之间的角度。因而，是磁场和重力场(参见图21)之间的角度。因为标量积与矢量在其中被表达的基无关：
(23)---cos(π2-DIP)=sin DIP=A→·H→||A→||||H→||]]>
因此，
(24)---DIP=arcsin(AxHx+AyHy+AzHzAx2+Ay2+Az2Hx2+Hy2+Hz2)]]>
尽管要求Az来确定θ，但是Az的计算优选不涉及θ。在此，线性代数可提供帮助。我们想得到磁场在水平面上的投影和钻井方向在同一平面上的投影之间的角度。磁场B是：
(25)---B→=HxHyHz]]>
钻井方向d是：
(26)---d→=001]]>
AxAyAz]]>是水平面P的法向矢量。
我们作出如下定义：
和

在此，S与磁场在P上的投影之间的角度为+π/2。T与钻井方向在P上的投影之间的角度为+π/2。因而：
(27)---Az=angle(S→,T→)]]>
在此，如果磁场和重力场共线，那么为零。如果钻井是竖直的，那么为零。在两种情况下，Az必须通过其他方法被定义。
Az=sign(Az)arccos(-Ay(HyAz-HzAy)+Ax(HzAx-HxAz)Ax2+Ay2(HyAz-HzAy)2+(HzAx-HxAz)2+(HxAy-HyAx)2)]]>
角度Az被定义为在逆时针方向上为正，以与前面的表示法一致。如果Inc＝0，就不这样定义；Inc越接近零，可要求其他传感器提供数据。
与绕工具轴线的旋转相比，钻井方向的改变十分缓慢。如果磁场和重力场被认为是一致的，那么DIP角度可被认为在时间和空间上是 恒定的。
至少一个，例如截止频率相对低的三个低通滤波器可被增加到输出端上以获得Az,Inc和DIP。被定义为估计的方位角，其可表达为：
(28)---Az‾+KdAz‾dt=Azdet]]>
下面提供了求出θ的两个典型方法。这些方法可被单独或组合使用。
1)使用来自于加速计的信号。的定义得出因而：
(29)---00g=PB1B2·PB2B3·PB3B4AxAyAz]]>
由于正交矩阵属性：
(30)---AxAyAz=PB1B2t·PB2B3t·PB3B4t00g]]>
因而：
(31)---AxAyAz=gsin Incsinθsin Inccosθcos Inc]]>
(32)---θacc=atan2(AxAy)]]>
该公式最适合于Inc≠0的情况。Inc越接近0，其他可利用的传 感器提供的信号将越被用来提高准确度。
2)使用来自于磁强计的信号。通过无量纲符号，磁场表达为：
(33)---cos DIPx1→+sin DIPz1→]]>
(34)---cos DIP0sin DIP=PB1B2·PB2B3·PB3B4HxHyHz]]>
因而，
HxHyHz=cos DIPcos Az cosθ-sin Az sinθcos Inc-cos Az cosθ-sin Az sinθcos Incsin Az sin Inc+sinDIPsinθsin Inccosθsin Inccos Inc]]>
首先的两个线得出：Acosθsinθ=HxHy.]]>可通过下列公式定义detA＝0的位置：
(35)detA＝-cos²DIPcos²Az-(cosDIPsinAzcosInc-sinDIPsinInc)²
(36)---det A=0⇒cos DIP cos Az=0cos DIP sin Az cos Inc-sin DIP sin Inc=0]]>
假定DIP≠0，那么，cos(DIP±Inc)＝0，即，事实上，这些位置中的一些位置是相同的。仅有两个不同的位置，它们为：
(37)---(Az,Inc)=(π2,±π2-DIP)]]>
该结果意为，奇异位置是：在该位置上，具有与磁场相同的方 向(从而，两个相对方向)。
(38)---θmag=atan2((cos DIP sin Az cos Inc-sin DIP sin Inc)Hx+(cos DIP cos Az)Hy(-cos DIP cos Az)Hx+(cos DIP sin Az cos Inc-sin DIP sin Inc)Hy)]]>
如果那么该公式适用。对于(Az,Inc)接近或等于这些奇异位置时，优选采用用于确定θ的另一方法来提高准确性。
如果Inc＝0，那么仅存在两个绕同一轴的旋转，那么因而能在Inc<3°的区域中限定θ′=θ+AzAz′=0.]]>
加速计通常比磁强计更准确，因而，第一方法将比第二方法优选。但是，对于上面提到的一些奇异位置而言，另一种类型的方位传感器将被用来提供控制信号。
如图21所示，能定义两个不确定圆锥，其包括方向对于该方向而言，θ_mag和θ_acc准确性更差一些。两个圆锥的顶角由操作者设定的误差范围限定。
如果位于具有旋转轴线的圆锥中，那么操作者可优选使用磁强计来确定θ。
如果位于具有旋转轴线的圆锥中，那么操作者可优选使用加速计来确定θ。
为了总是具有至少一个可利用的检测器，优选避免两个圆锥交叉。如果DIP<60°，那么将能选择更大的顶角和相关的较小误差范围。相反地，如果DIP>80°，那么需要找到一种折中方案。
可通过使用权重函数来合并来自于磁强计和加速计的信息，来达到折中目的。在地球上的下述位置上这是不可能的：在所述位置上，和之间的角度小于预定阈值。在这些位置处，可要求其他传感器来提供数据。
所测的滚转角θ_mes被定义为：
(39)θ_mes＝t(Inc,Az)θ_acc+(1-t(Inc,Az))θ_mag,t∈[0,1]。
我们可使用这种用于t的简单表达式。更复杂的解决方案也是合适的：

在此，α由加速计的准确度限定。实际上，该值可被设置成大致为α＝3°。
只要磁场和重力场之间的角度不是太小，该表达式就可使用。在这种情况下，当钻井倾斜角小于3°时，算法将自动切换到磁强计的输出端。但是，钻井方向将也位于磁强计的不确定圆锥中。
请注意，不确定圆锥的3°顶角将能通过使用本发明的系统准确地定向钻井。如果钻机位于地球的某区域中(在该区域中重力场和磁场的不确定圆锥重叠)，将仍能使用下述表达式：

如果系统被稳定，加速计将给出滚转角的准确值。通常，该系统由于旋转与钻柱的旋转分离而被稳定，所述分离由于轴承204、206引起。
但是，对于另外的测量而言，如果包括加速计的第一转子部分210开始绕其滚动轴线转动，将能校正由方位传感器提供的数据。在这种情况下，例如将能使用陀螺仪。
为了进一步提高准确性，将能实施卡尔曼滤波器，其合并由加速计、磁强计和陀螺仪提供的信号。例如：
(42)---dθdt=ωgyro]]>和θ＝θ_det
该估计值可被定义为：
(43)---ddtθ^=ωgyro+K(θ^-θdet)]]>
在此，朝θ_det收敛。对于被表述为的误差而言：
(44)---dθ~dt=Kθ~]]>
如果K<0，那么值|K|越大，估计滚转角将越接近所测滚转角。值|K|越小，在估计值相对于所测滚转角到达预设范围内之前将花费更长的时间。对于K而言，最优值由实验确定。
本发明的目的是提供一种装置，该装置在钻柱正在旋转时控制流体在钻头中的流动方向。
通过将引流装置附接到悬撑在一组轴承中的平台上，使得该平台绕钻柱轴线自由旋转，从而可实现上述目的。引流器被连接到其上的平台具有多个位置传感器，所述位置传感器固定到引流器上，使得所述位置传感器可测量引流器的旋转位置。
该组件使用两个转子214、230，每个转子分别被设置有叶片216、232(图9)。该组件控制所述平台和引流器的旋转位置。
钻井期间，钻柱16以设定的旋转速度旋转。在地表处设置所述旋转速度，例如用作给一种驱动系统(通常为顶驱或转盘)的输入。为了控制井眼，该系统将控制通过钻头的流体流的方向。
钻井液流经钻柱16的中央流体通道202。该液流将撞击直接连接到所述平台和引流器上的第一叶轮216。第一叶轮216的多个叶片可被设计成例如使平台逆时针旋转。没有任何控制回路的情况下，第一叶轮216的叶片将引起平台和引流器45在逆时针方向上连续旋转。
流体流然后接合第二涡轮叶片232。第二涡轮叶片232在与平台叶片的方向相反的方向上(如，顺时针方向)旋转。在没有任何控制回路的情况下，第二叶轮232将以显著高于第一叶轮216的速度顺时 针旋转。
第二叶轮232的叶片可被设置有磁铁221，例如其被嵌入叶片中。由于磁耦合的作用，磁铁可将力矩传递给被设置在第一叶轮216的叶片中的线圈，从而传递给平台。可通过控制磁耦合的卷绕侧上的电负载，来控制被耦合在相应的第一叶轮和第二叶轮之间的力矩量。
由于两个叶轮的叶片之间的力矩可被控制，因此，当相应叶轮216、232在相对方向上旋转时，连接到平台上(从而连接到引流器上)的涡轮叶片的速度和位置可被控制。从而，引流器45的方位可被控制。旋转式位置传感器(其连接到平台上，即连接到第一转子部分214上)的输出被使用在反馈回路中以调节提供给线圈222的电负载。反馈回路从而控制磁耦合力矩T_3→2(磁)(T_{3→2(magnetic)})，其将平台驱动到合适位置上。
实验已经证明，上述实施例可提供对地静止平台以固定引流器。来自于轴承(其固定第一转子部分210)和/或液压扰动的摩擦力矩的范围可以在0.1Nm至0.36Nm的范围内。可选择第一叶片的角度和第二叶片的角度使得引流器在钻井液的流量超过选定阈值(如，450公升/分)时保持对地静止。对于选定的流体流而言，经过本发明的定向钻井工具的压降可大致为10至25psi(69至172kPa)。
第一叶片的角度可以在10至35度的范围内。第二叶片的角度可以在15至45度的范围内。在优选实施例中，超过以保证第二转子部分212比第一转子部分210旋转得更快。
实例
在实验钻井测试中执行实验。15.2cm的PDC或三牙轮钻头被用来钻入各种岩石中。测量钻速(ROP)用于改变通过所有喷嘴的流体流的“液压功率/每平方英寸”(HSI)。该参数使用在现有技术中，对应于喷嘴上的压降：(Δρ*流量Q)/(喷嘴横截面面积A)。SI单位的换算是1HSI＝0.1140kW/cm²，水用作为钻井液。
实例1
6"的PDC钻头用来在井下压力为10Mpa下，以60转/每分 (RPM)的速度和2吨(2000kg)的钻压下在砂岩中钻井。在表1中给出了根据HSI所测的ROP。
表1