具有地层接口构件和控制系统的井下旋转式钻井设备.pdf

一种可导向钻井设备，包括在筒状壳体内的连接到具有可沿径向延伸的活塞的钻井钻头的控制系统。活塞致动流体从壳体流动通过流体计量组件，流体计量组件将流体引导到在钻井钻头中的通向相应活塞的流体通道中。控制系统控制流体计量组件，以选择性地允许流体流过流体通道到达活塞和通过在每个流体通道中的孔离开。选择性的流体流动引起在钻井钻头中的活塞暂时在相反的方向上延伸到期望的井孔偏差，由此使钻井钻头偏转离开井孔中心线。通过移动在流体计量组件内的上部构件而使流体计量组件具有使在钻井钻头内的TFA稳定、导向和改变的能力。控制系统和钻井钻头以特定的方式连接以便于移除以同时更换钻井钻头的导向部和切削结构构造或规格。

1.   一种旋转式可导向钻井设备，包括：
（a）控制组件，所述控制组件设置在具有下端的筒状壳体内；
（b）导向部，所述导向部具有中央轴向通道、安装到所述壳体的所述下端的上端以及可连接到切削结构的下端，所述导向部容纳一个或更多个可沿径向延伸的活塞，并且所述导向部具有在数目上与活塞对应的一个或更多个流体通道，其中每个流体通道从所述导向部的所述上端向下延伸，以允许活塞致动流体向相关联的活塞流动；和
（c）流体计量装置，所述流体计量装置与所述导向部的所述上端相关联并与所述控制组件以可操作的方式接合，以用于选择性地计量从所述壳体进入在所述导向部中的所述流体通道中的一个或更多个流体通道中的活塞致动流体。

2.   根据权利要求1所述的旋转式可导向钻井设备，其中，所述流体计量装置包括：
（a）下部套筒，所述下部套筒固定到所述导向部的所述上端或与所述导向部的所述上端成整体，所述下部套筒具有筒状孔和在数目上与在所述导向部中的所述流体通道对应的一个或更多个流体入口；和
（b）上部套筒，所述上部套筒具有带筒状孔的筒状部分，所述筒状部分具有带流体计量开口的侧壁，所述筒状部分以可旋转的方式设置在所述下部套筒的所述孔内，使得随着所述上部套筒的旋转，所述上部套筒的所述孔会经由所述流体计量开口与在所述下部套筒中的每个流体入口顺序地流体连通，从而允许活塞致动流体顺序地流入每个流体通道。

3.   根据权利要求2所述的旋转式可导向钻井设备，其中，所述上部套筒能够相对于所述下部套筒在以下位置之间沿轴向移动：
（a）上部位置，所述上部位置允许流体同时流入所有流体入口；
（b）中间位置，所述中间位置允许流体一次仅流入一个流体入口，如权利要求2所述的那样；和
（c）下部位置，所述下部位置防止流体流入所述流体入口中的任何流体入口。

4.   根据权利要求1所述的旋转式可导向钻井设备，其中，所述流体计量装置包括：
（a）下板，所述下板具有中央开口，所述下板被固定到所述导向部的所述上端或与所述导向部的所述上端成整体，其中所述下板的中央开口与在所述导向部中的所述轴向通道流体连通，所述下部套筒具有在数目上与在所述导向部中的所述流体通道对应的一个或更多个流体入口；和
（b）上板，所述上板具有中央开口和沿径向偏移的流体计量孔，所述上板可相对于所述下板旋转并与所述下板相接触，使得随着所述上板的旋转，所述流体计量孔会与在所述下板中的每个流体入口顺序地流体连通，从而允许活塞致动流体顺序地流入每个流体通道。

5.   根据权利要求4所述的旋转式可导向钻井设备，其中，所述上板能够沿轴向离开所述下板地移动以允许流体流动通过所述上板的所述中央开口并同时流入所有流体入口。

6.   根据权利要求1至5中的任一项所述的旋转式可导向钻井设备，其中，反作用衬垫被与每个活塞相关联地安装到所述导向部，以便当所述活塞响应于活塞致动流体流动通过在所述导向部中的相关联的流体通道而沿径向延伸时，所述活塞会反作用于所述反作用衬垫并使所述反作用衬垫沿径向偏转离开所述导向部。

7.   根据权利要求6所述的旋转式可导向钻井设备，其中，所述反作用衬垫包括以弹性方式安装到所述导向部的柔性构件。

8.   根据权利要求6所述的旋转式可导向钻井设备，其中，所述反作用衬垫包括铰接构件，所述铰接构件能够绕与所述导向部的纵向轴线平行的铰接轴线枢转。

9.   根据权利要求1至8中的任一项所述的旋转式可导向钻井设备，进一步包括偏压装置，所述偏压装置用于在活塞致动流体向所述活塞的流动停止时使所述活塞缩回到所述导向部中。

10.   根据权利要求1至9中的任一项所述的旋转式可导向钻井设备，其中，所述一个或更多个活塞中的至少一个活塞是两件式活塞组件，所述两件式活塞组件包括：
（a）内部构件，所述内部构件被安装到所述导向部以相对于所述导向部处于沿径向固定的位置；和
（b）外部构件，所述外部构件与所述内部构件同轴接合以能够相对于所述内部构件沿轴向且向外延伸，并且能够相对于所述导向部沿径向向外延伸；
并且其中，所述活塞组件结合有行程限制装置，所述行程限制装置限制所述外部构件相对于所述内部构件和所述导向部的冲程。

11.   根据权利要求10所述的旋转式可导向钻井设备，其中，所述行程限制装置包括形成在所述外部构件上的多个第一止动元件和形成在所述内部构件上的多个第二止动元件，所述第一止动元件和所述第二止动元件被构造和布置成使得当所述上部构件的冲程达到预定的极限时每个第一止动元件会反作用于所述第二止动元件中的一个第二止动元件。

12.   根据权利要求10所述的旋转式可导向钻井设备，进一步包括偏压装置，所述偏压装置用于在活塞致动流体向所述活塞组件的流动停止时使所述活塞组件的所述外部构件缩回到所述导向部中。

13.   根据权利要求12所述的旋转式可导向钻井设备，其中，所述偏压装置包括螺旋弹簧构件，所述螺旋弹簧构件设置在所述活塞组件内，其中所述螺旋弹簧构件具有固定到所述活塞组件的所述外部构件的外端，并具有固定到所述活塞组件的所述内部构件的内端。

14.   根据权利要求1至13中的任一项所述的旋转式可导向钻井设备，进一步包括切削结构，所述切削结构被安装到所述导向部的下端以能够与所述导向部一起旋转。

15.   根据权利要求1至14中的任一项所述的旋转式可导向钻井设备，其中，所述控制组件选自由流体致动控制组件、电动马达致动控制组件和涡轮机致动控制组件构成的组。

16.   一种旋转式可导向钻井设备，包括：
（a）导向部，所述导向部具有中央轴向通道、安装到壳体的下端的上端以及可连接到切削结构的下端，所述导向部容纳一个或更多个可沿径向延伸的活塞，并且所述导向部具有在数目上与活塞对应的一个或更多个流体通道，其中每个流体通道从所述导向部的所述上端向下延伸，以允许活塞致动流体向相关联的活塞流动；和
（b）流体计量装置，所述流体计量装置与所述导向部的所述上端相关联并与控制组件以可操作的方式接合，以用于选择性地计量从所述壳体进入在所述导向部中的所述流体通道中的一个或更多个流体通道的活塞致动流体。

17.   根据权利要求16所述的旋转式可导向钻井设备，其中，所述流体计量装置包括：
（a）下部套筒，所述下部套筒固定到所述导向部的所述上端或与所述导向部的所述上端成整体，所述下部套筒具有筒状孔和在数目上与在所述导向部中的所述流体通道对应的一个或更多个流体入口；和
（b）上部套筒，所述上部套筒具有带筒状孔的筒状部分，所述筒状部分具有带流体计量开口的侧壁，所述筒状部分以可旋转的方式设置在所述下部套筒的所述孔内，使得随着所述上部套筒旋转，所述上部套筒的所述孔会经由所述流体计量开口与在所述下部套筒中的每个流体入口顺序地流体连通，从而允许活塞致动流体顺序地流入每个流体通道。

18.   根据权利要求17所述的旋转式可导向钻井设备，其中，所述上部套筒能够相对于所述下部套筒在以下位置之间沿轴向移动：
（a）上部位置，所述上部位置允许流体同时流入所有流体入口；
（b）中间位置，所述中间位置允许流体一次仅流入一个流体入口，如权利要求17所述的那样；和
（c）下部位置，所述下部位置防止流体流入所述流体入口中的任何流体入口。

19.   根据权利要求16所述的旋转式可导向钻井设备，其中，所述流体计量装置包括：
（a）下板，所述下板具有中央开口，所述下板固定到所述导向部的所述上端或与所述导向部的所述上端成整体，其中所述下板的中央开口与在所述导向部中的所述轴向通道流体连通，所述下部套筒具有在数目上与在所述导向部中的所述流体通道对应的一个或更多个流体入口；和
（b）上板，所述上板具有中央开口和沿径向偏移的流体计量孔，所述上板能够相对于所述下板旋转并与所述下板相接触，使得随着所述上板的旋转，所述流体计量孔会与在所述下板中的每个流体入口顺序地流体连通，从而允许活塞致动流体顺序地流入每个流体通道。

20.   根据权利要求19所述的旋转式可导向钻井设备，其中，所述上板能够沿轴向离开所述下板地移动以允许流体流动通过所述上板的所述中央开口并且同时流入所有流体入口。

21.   根据权利要求16至20中的任一项所述的旋转式可导向钻井设备，其中，反作用衬垫被与每个活塞相关联地安装到所述导向部，以便当所述活塞响应于活塞致动流体流动通过在所述导向部中的相关联的流体通道而沿径向延伸时，所述活塞会反作用于所述反作用衬垫并使所述反作用衬垫沿径向偏转离开所述导向部。

22.   根据权利要求21所述的旋转式可导向钻井设备，其中，所述反作用衬垫包括以弹性方式安装到所述导向部的柔性构件。

23.   根据权利要求21所述的旋转式可导向钻井设备，其中，所述反作用衬垫包括铰接构件，所述铰接构件能够绕与所述导向部的纵向轴线平行的铰接轴线枢转。

24.   根据权利要求16至23中的任一项所述的旋转式可导向钻井设备，进一步包括偏压装置，所述偏压装置用于在活塞致动流体向所述活塞的流动停止时使所述活塞缩回到所述导向部中。

25.   一种活塞组件，所述活塞组件用于与旋转式可导向钻井设备的导向部协作使用，所述活塞组件包括：
（a）内部构件，所述内部构件能够安装到所述导向部以相对于所述导向部处于沿径向固定的位置；和
（b）外部构件，所述外部构件与所述内部构件同轴接合以响应于所述外部构件被暴露于来自在所述导向部内流动的活塞致动流体的流体压力而能够相对于所述内部构件沿轴向且向外延伸并且能够相对于所述导向部沿径向向外延伸；
其中，所述活塞组件结合有行程限制装置，所述行程限制装置限制所述外部构件相对于所述内部构件和所述导向部的冲程。

26.   根据权利要求25所述的活塞组件，其中，所述行程限制装置包括形成在所述外部构件上的多个第一止动元件和形成在所述内部构件上的多个第二止动元件，所述第一止动元件和所述第二止动元件被构造和布置成使得当所述上部构件的冲程达到预定的极限时每个第一止动元件会反作用于所述第二止动元件中的一个第二止动元件。

27.   根据权利要求25或26所述的活塞组件，进一步包括偏压装置，所述偏压装置用于在活塞致动流体向所述活塞组件的流动停止时使所述活塞组件的所述外部构件缩回到所述导向部中。

28.   根据权利要求27所述的活塞组件，其中，所述偏压装置包括螺旋弹簧构件，所述螺旋弹簧构件设置在所述活塞组件内，其中所述螺旋弹簧构件具有固定到所述活塞组件的所述外部构件的外端，并具有固定到所述活塞组件的所述内部构件的内端。

具有地层接口构件和控制系统的井下旋转式钻井设备
技术领域
本公开总体涉及用于定向钻井孔的系统和设备，具体是用于石油和天然气井。
背景技术
当前在钻通向地下地层中的石油和天然气井中使用的旋转式可导向系统（RSS）普遍使用在钻井钻头上方作为从表面进行控制的完全独立的钻具进行操作的钻具。比如通过对井孔壁施加横向力以使钻井钻头相对于井孔中心线偏转的导向衬垫或反作用构件，这些钻具被用于使钻柱在离开竖直取向或其他期望的井孔取向的期望的方向上导向。大多数的这些常规系统复杂且成本高，并且由于电池和电子限制具有有限的运行时间。它们在钻具的零件损坏时还要求将整个钻具从井场运输到维修和维护工厂。大多数的当前使用的设计需要对于钻具的大的压力下降以使钻具工作良好。当前还没有允许在钻头处进行直接控制的在RSS控制系统和地层接口反作用构件之间的易于分离的接口。
存在主要两类用于定向钻井的旋转式可导向钻井系统。在“摆动钻头”钻井系统中，改变钻井钻头相对于钻柱的中心线的取向以获得期望的井孔偏差。在“推靠钻头”系统中，横向或侧向力（在通常情况下在处于钻井钻头上方几英尺处的点处）被施加到钻柱，由此使钻头从井孔的局部轴线偏转以获得期望的偏差。
当前用于定向钻井的旋转式可导向系统（RSS）集中在坐置在钻井钻头上方并且在钻头上方几英尺处以恒定的力推动钻头或者摆动钻头以使钻头在期望的方向上导向的钻具上。推靠钻头系统更简单且更具鲁棒性，但由于所施加的侧向力距离钻头几英尺且因而需要施加比较大的力使钻头偏转，而有局限性。由于基本的物理学原因，随着侧向力和钻头之间的距离增加，引起给定的钻头偏转所必需的侧向力（因此，在钻头方向上的给定变化）会增加。
现有技术的RSS系统的示例可以在以下美国专利中找到：第4,690,229号（Raney）；第5,265,682号（Russell等）；第5,513,713号（Groves）；第5,520,255号（Barr等）；第5,553,678号（Barr等）；第5,582,260号（Murer等）；第5,706,905号（Barr）；第5,778,992号（Fuller）；第5,803,185号（Barr等）；第5,971,085号（Colebrook）；第6,279,670号（Eddison等）；第6,439,318号（Eddison等）；第7,413,413,034号（Kirkhope等）；第7,287,605号（Van Steenwyk等）；第7,306,060号（Krueger等）；第7,810,585号（Downton）；和第7,931,098号（Aronstam等），以及国际申请第PCT/US2008/068100号（Downton），以国际公开号第WO2009/002996A1号公开。
当前使用的RSS设计在通常情况下要求对于钻头的大的压力下降，这样由于用于使钻井流体循环通过设备的泵送马力要求提高，而限制在给定的井中的液压能力。摆动钻头系统可以提供优于推靠钻头系统的性能优势，但它们需要复杂且高成本的钻井钻头设计；而且，它们会容易出现在井孔中的钻头稳定性问题，使它们一致性较小且难以控制，尤其是在钻井通过软地层时。
推靠钻头系统在通常情况下需要使用在钻具的上方运行的子过滤器以将碎片保持在设备的关键区域之外。在当前的推靠钻头钻具设计中，如果允许大的碎片（如岩石）或大量的井漏材料（如钻井流体）进入阀布置，通常导致阀故障。然而，子过滤器也容易出现问题；如果井漏材料或岩石进入并堵住子过滤器，可能必须要从井孔移除（或“松开”）钻柱和钻头以对过滤器进行彻底清理。
由于上述原因，需要一种旋转式可导向推靠钻头钻井系统和设备，所述旋转式可导向推靠钻头钻井系统和设备能够使钻井钻头偏转至期望的程度，与常规的推靠钻头系统相比对钻柱施加更低的侧向力，同时与使用已知系统所产生的压力下降相比产生钻具的更小的压力下降。还需要一种旋转式可导向推靠钻头钻井系统和设备，所述旋转式可导向推靠钻头钻井系统和设备能够在无需结合子过滤器使用的情况下可靠地工作。
当前在使用中的推靠钻头RSS设计在通常情况下结合整体的RSS控制系统或用于控制RSS钻具的操作的设备。因此，无论何时期望改变钻井钻头的尺寸，必须使整个RSS设备与钻柱断开，用新的替换它。这导致与钻头更换相关的费用增加和时间损失。因此，还需要一种推靠钻头RSS设计，其中RSS控制设备易于与导向机构分离，并能够以多种钻井钻头尺寸被使用。
进一步需要一种推靠钻头RSS系统和设备，所述推靠钻头RSS系统和设备能够选择性地以用于定向钻井的第一模式或第二模式操作，其中在第二模式中，出于非偏离直钻井的目的而使导向机构变向。这种操作模式选择能力会增加设备的使用寿命以及在现场更换钻具之间的时间。此外，需要这种使用可现场维护模块设计的系统和设计，允许推靠系统的控制系统和部件在现场进行更换，由此提供增强的可靠性和对现场操作人员的灵活性，并且成本较低。
发明内容
总体而言，本公开教导推靠钻头旋转式可导向钻井设备（或者称为RSS钻具）的实施例，所述推靠钻头旋转式可导向钻井设备包括：具有切削结构的钻井钻头；用于通过向钻井钻头施加横向力而使切削结构横向偏转的推靠机构（或“导向部”）；以及用于致动钻头推靠机构的控制组件。当在本专利说明书中使用时，术语“钻井钻头”应被理解为包括切削结构和导向部，其中切削结构连接到导向部的下端。切削结构可以永久连接到导向部或与导向部成整体，或者可以是能从导向部拆卸的。
钻井钻头的导向部容纳一个或更多个活塞，每个活塞具有径向冲程。活塞在通常情况下（但不一定）围绕钻头的外周均匀间隔开，并适于从导向部的主体沿径向向外延伸。在一些实施例中，活塞适于与钻入地下地层的井孔的壁直接接触。在其他实施例中，可以为每个活塞设置反作用构件（或者称为反作用衬垫），其中反作用构件的外表面以与井孔和钻井钻头的切削结构的直径（即，规格）大致对应的圆形图案搁置。每个反作用构件安装到导向部以延伸过相关联的活塞的外表面的至少部分，以便当使给定活塞延伸时，活塞反作用于其反作用构件的内表面上。反作用构件的外表面又反作用于井孔的壁，以使得由活塞的延伸引起的侧向力会在离开延伸活塞的方向上朝向井孔的相反侧推动钻头的切削结构或使其偏转。反作用构件以非刚性或弹性方式安装到导向部以可相对于导向部向外偏转，以便在给定活塞被致动时引起切削结构相对于井孔的横向移位。活塞可以比如通过偏压弹簧朝向在导向部内的缩回位置被偏压。
导向部形成有一个或更多个流体通道，所述流体通道在数目上对应于活塞的数目，每个流体通道在相应的活塞的径向内端到导向部的上端处的流体入口之间延伸，以使得活塞致动流体（如钻井泥浆）能够进入任何给定的流体通道以致动相应的活塞。流体通道在通常情况下继续向下经过活塞，以允许流体通过终端钻头喷射口离开以进入到井孔中。
RSS钻具的控制组件设置在壳体内，控制组件的下端连接到导向部的上端。活塞致动流体比如钻井泥浆向下流动通过壳体和导向部周围。控制组件的下端接合并致动流体计量组件，以用于经由在导向部中的相应的流体通道将活塞致动流体引导至一个（或更多个）活塞。
在RSS钻具的一个实施例中，流体计量组件包括大致筒状的上部套筒构件，所述上部套筒构件具有上部凸缘和在处于凸缘下面的套筒中的流体计量槽或开口。流体计量组件还包括下部套筒，所述下部套筒具有中央孔并限定所需数目的流体入口，其中每个流体入口经由在下部套筒的上部区域中的相关联的凹进通向中央孔。下部套筒安装到导向部的上端或与导向部的上端成整体。上部套筒可设置在下部套筒的孔内，其中在上部套筒中的槽与在下部套筒中的凹进处于大致相同的高度。控制组件适于接合和旋转在下部套筒内的上部套筒，以使活塞致动流体会从壳体流入上部套筒，然后会经由在上部套筒中的槽被引导进入槽与其对准的凹进中，并从那里进入相应的流体入口并于在导向部中相应的流体通道内被向下引导以致动（即，沿径向延伸）相应的活塞。
壳体和钻井钻头会随钻柱旋转，但控制组件适于控制上部套筒相对于壳体的旋转。为使用设备以使井孔在特定方向上偏转或偏离，控制组件控制上部套筒的旋转，以将其保持在相对于井孔的所期望的角度取向，而与钻柱的旋转无关。在该操作模式中，在上部套筒中的流体计量槽会保持在相对于地球的选定方向上的取向；即，与期望井孔偏离的方向相反的方向。随着下部套筒在上部套筒下面且相对于上部套筒旋转，活塞致动流体会被顺序引导到流体入口中的每一个中，从而致动每个活塞以对井孔的壁施加力，因此，在相对于井孔的相反的方向上推动钻头的切削结构并使其偏转。利用上部套筒的流体计量槽与流体入口中的一个对准的每个瞬时，流体会流入该流体入口，并致动相应的活塞以使切削结构在所期望的横向方向（即，朝向井孔的与被致动的活塞相反的一侧）上偏转。因此，随着钻柱的每次旋转，切削结构会经受与流体入口和活塞的数目相对应的次数的瞬时推动。
在变型实施例中，使上部套筒和下部套筒相适应且成比例，使得上部套筒可相对于下部套筒从允许流体同时流入所有流体入口的上部位置沿轴向移动到允许流体一次仅流入一个流体入口的中间位置，且流动到防止流体流入任何流体入口的下部位置（在这种情况下，所有流体仅通过在导向部中的中央孔或通道连续向下流动到达切削结构）。
在RSS钻具的另一个实施例中，流体计量组件包括上板，上板（通过控制组件）可在固定下板上方同轴旋转，所述下板结合于导向部的上端，其中固定下板限定所需数目的流体入口，所述流体入口以与导向部的纵向轴线（即，中心线）同心的圆形图案排列，并与在导向部中的相应的流体通道对准。上板和下板优选地由碳化钨或其他耐磨材料制成。上板具有延伸穿过其的单个流体计量开口，所述单个流体计量开口偏移与在固定下板中的流体入口的半径大致对应的径向距离。随着钻具壳体和钻井钻头与钻柱一起旋转，控制组件控制上板的旋转以将其保持在相对于井孔的所期望的角度取向，而与钻柱的旋转无关。
旋转上板紧靠固定下板上方并与固定下板平行，使得当在上板中的流体计量开口与在固定下板中的流体入口中的给定一个对准时，活塞致动流体能够流过在上板中的流体计量开口和在固定下板中的对准的流体入口，并进入在导向部中的相应的流体通道。该流体流动会使相应的活塞从导向部沿径向向外延伸，以使其反作用于其反作用构件（或直接反作用于井孔），从而在相反的方向上推动钻头的切削结构并使其偏转。
优选地，钻井钻头的导向部可（比如通过常规的钉盒螺纹连接）从控制组件拆卸，其中旋转上板结合到控制组件中。这便于现场组装部件以在钻机现场完成RSS钻具，并便于在钻机现场快速更换钻井钻头，以使用不同的切削结构或维护导向部，而无需从钻柱移除控制组件。
为在相对于井孔的期望的方向上推动切削结构，控制组件被设置为将流体计量开口的取向保持在与所期望的推动方向（即偏转方向）相反的方向上。钻井钻头在井孔内旋转，而上板相对于井孔不旋转。随着钻井钻头的每次旋转，在上板中的流体计量开口会经过在固定下板中的流体入口的每一个并瞬间与在固定下板中的流体入口的每一个对准。因此，当致动流体被引入在上板上面的钻具壳体的内部时，在钻柱的每次旋转过程中流体会依次流入每个流体通道。
利用上板的流体计量开口与流体入口中的一个的每个瞬时对准，流体会流入该流体入口并致动相应的活塞以在所期望的横向方向上（即，朝向井孔的与致动活塞相反的侧）推动（即，偏转）切削结构。因此，随着钻柱的每次旋转，切削结构会经受与流体入口和活塞的数目相对应的次数的瞬时推动。
利用控制组件，切削结构被推动的方向可通过旋转上板来改变以使切削结构具有相对于井孔的不同固定取向。但是，如果期望使用钻具进行直（即，非偏离）钻，钻具能够被放入直钻模式（如下文所进一步讨论的那样）。
通过在钻井钻头处靠近切削结构直接施加侧向力，而不是如在常规推靠钻头系统中那样在钻头上方相当大距离处施加侧向力，钻头可导向性增强，并且推动钻头所需的力减小。在钻头处的较小侧向力，其中钻头与后方的稳定钻柱的其余部分保持对准，还提高了稳定性，并且增强在软地层中的可重复性。当在本专利说明书中使用时，术语“重复性”在定向钻井行业中被理解为表示对于在给定地下地层中的井孔轨迹独立于地层强度重复实现一致的曲率半径（或“建立率”）的能力。由在推靠钻头钻井系统中的活塞对井孔壁施加的力的幅度越大，（与在较硬地层中类似的力的效果相比）活塞切入较软地层并降低井孔轨迹曲率的倾向就会越大。因此，在使用根据本公开的推靠钻头系统时，由于对于相同效果所需要的较低的活塞力，所以在较软地层中的该倾向会减小。
根据本公开的推靠钻头旋转式可导向钻井系统和设备可以具有模块化设计，使得各种部件（例如，活塞、反作用构件、控制组件和控制组件部件）中的任一个能够在更换钻头的过程中在现场更换。如前面所指出的，设备的另一个有利的特征是，流体计量组件的旋转上板（或套筒）能够被停用以使钻具在不需要井孔偏差时会直钻，从而促进更长的电池寿命（例如，对于电池供电的控制组件部件），从而延长该钻具在不更换电池的情况下能够工作的时间长度。
根据本公开的旋转式可导向钻井设备的控制组件可以具有任何在功能上合适的类型。通过一个非限制性示例，控制组件可以类似于或改进自根据在第PCT/US2009/040983号（以国际公开第WO2009/151786号公开）国际申请中公开的竖直钻井系统的类型的流体致动控制组件。在其他实施例中，控制组件可以利用例如电动马达或对置涡轮机使旋转上板或套筒旋转。
附图说明
现在将参照附图描述根据本公开的实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，并且其中：
图1是根据本公开的旋转钻井设备的第一实施例的等距视图，其中钻头偏转活塞适于与井孔壁直接接触。
图2是通过在图1中的旋转钻井设备的第一变型的纵向截面图，其中流体计量组件包括旋转上部套筒和固定下部套筒。
图2A是在图2中的流体计量组件的放大细节图。
图3A、图3B和图3C分别是在图2中的设备的旋转上部套筒的等距视图、截面图和侧视图。
图4A、图4B和图4C分别是在图2中的设备的固定下部套筒的等距视图、截面图和侧视图。
图5是通过在图2中的设备的横向截面图，示出在旋转上部套筒中的流体计量槽与在固定下部套筒中的流体入口对准以允许流体流入在钻井钻头中的相应的流体通道，并示出相应的活塞延伸。
图6是通过在图2中的设备的中间区域的等距局部纵向截面图，示出旋转上部套筒、具有流体入口的固定下部套筒以及在导向部中的流体通道。
图7是图2的设备的底视图，示出钻井钻头和活塞壳体，其中一个钻头偏转活塞延伸。
图8A是通过在图2‑图6中所示的套筒组件的变型的截面图，其中旋转上部套筒处于上部位置，在该位置，活塞致动流体流入所有流体通道。
图8B是通过在图8A中的套筒组件的横向截面图，示出活塞致动流体流入所有流体入口。
图9A是通过在图8A中的变型套筒组件的截面图，其中旋转上部套筒处于中间位置，在该位置，活塞致动流体仅流入一个流体入口。
图9B是通过在图9A中的套筒组件的横向截面图，示出活塞致动流体流入与在旋转上部套筒中的槽对准的流体入口。
图10A是通过在图8A中的变型套筒组件的截面图，其中旋转上部套筒处于下部位置，在该位置，致动流体不能流入任何流体入口。
图10B是通过在图10A中的套筒组件的横向截面图，示出流入流体入口的流体被阻挡。
图11是类似于图2的纵向截面图，示出在井孔内操作的旋转钻井设备，其中一个活塞沿径向延伸并对井孔的一侧施加钻头偏转力。
图12是通过在图1中的旋转钻井设备的第二实施例的纵向截面图，其中以弹性方式安装的反作用构件与每个活塞相关联，并且其中流体计量组件包括旋转上板和固定下板。
图12A是在图12中的流体计量组件的旋转上板的平面图。
图12B是在图12中的流体计量组件的固定下板的平面图。
图13是通过在图12中的设备的横向截面图，示出在旋转上板中的流体计量开口通过将上板固定到钻井钻头而与流体入口对准，并示出相应的钻头偏转活塞延伸。
图14A是在图12中的设备的导向部的等距视图，其中柔性反作用构件安装到导向部与每个活塞相关联。
图14B是在图14A中的设备的顶端视图，示出流体计量组件的上板和下板、活塞壳体和以弹性方式安装的柔性反作用构件。
图14C是在图14A中的设备的侧视图，其中一个活塞被致动并使其相关联的柔性反作用构件偏转。
图14D是通过在图14A中的设备的纵向截面图，其中一个活塞被致动并使其相关联的柔性反作用构件偏转。
图15A是在图12中的设备的导向部的等距视图，其中铰接反作用构件安装到导向部与每个活塞相关联。
图15B是在图15A中的设备的顶端视图，示出活塞致动机构的上板和下板、活塞壳体和铰接反作用构件。
图15C是在图15A中的设备的侧视图，其中一个活塞被致动并使其相关联的铰接反作用构件偏转。
图15D是通过在图15A中的设备的纵向截面图，其中一个活塞被致动并使其相关联的铰接反作用构件偏转。
图16A是在图12中的设备的导向部的变型的等距视图，其中流体计量组件结合在图2‑图6中的套筒组件。
图16B是在图16A中的设备的顶端视图，示出活塞致动机构的上部套筒和下部套筒、活塞壳体和以弹性方式安装的柔性反作用构件。
图16C是在图16A中的设备的侧视图，其中一个活塞被致动并使其相关联的柔性反作用构件偏转。
图16D是通过在图16A中的设备的纵向截面图，其中一个活塞被致动并使其相关联的柔性反作用构件偏转。
图17A是通过根据本公开的活塞组件的一个实施例的截面图，所述活塞组件被示出为处于缩回位置。
图17B是通过在图17A中的活塞组件的截面图，所述活塞组件被示出为处于延伸位置（并且其中为清楚起见未示出偏压弹簧）。
图18A是在图17A和图17B中的活塞组件的侧视图，所述活塞组件被示出为处于缩回位置。
图18B是在图17A和图17B中的活塞组件的侧视图，所述活塞组件被示出为处于延伸位置。
图19A是在图17A‑图18B中的活塞组件的等距视图，所述活塞组件被示出为处于缩回位置。
图19B是在图17A‑图18B中的活塞组件的等距视图，所述活塞组件被示出为处于延伸位置。
图20A是在图17A‑图19B中的活塞组件的外部构件的等距视图。
图20B是在图17A‑图19B中的活塞组件的内部构件的等距视图。
图21是在图17A‑图19B中的活塞组件的偏压弹簧的等距视图。
图22是通过在图2中的钻井设备的导向部的横向截面图，所述导向部结合根据图17A‑图21的活塞组件。
具体实施方式
图1和图2（分别以等距视图和截面图）示出根据第一实施例的旋转式可导向钻井设备（或“RSS钻具”）100。RSS钻具100包括：筒状壳体10，筒状壳体10包围控制组件50；和钻井钻头20。环状空间12在壳体10内形成在控制组件50周围，以使流入到壳体10中的钻井流体会通过环状空间12朝向钻井钻头20向下流动。钻井钻头20包括：导向部80，导向部80连接到壳体10的下端；和切削结构90，切削结构90连接到导向部80的下端以与导向部80一起旋转。导向部80优选地形成有或设有用于便于从壳体10移除的装置，比如钻头装卸器槽15。切削结构90可以是任何合适的类型（例如，聚晶金刚石复合片钻头或牙轮型钻头），且切削结构90不形成根据本公开的设备的最广泛的实施例的部分。
导向部80具有从导向部80的上端向下延伸的一个或更多个流体通道30。如图2所示，导向部80还具有用于将钻井流体输送到切削结构90的中央轴向通道22，在切削结构90处，钻井流体能够在压力下通过喷射口24离开（以在切削结构90钻入地下地层材料时提高其有效性）。每个流体通道30通向相应活塞40的径向向内端，相应活塞40可响应于来自于在压力下流动通过流体通道30的致动流体的压力从导向部80沿径向向外延伸。在通常情况下，每个流体通道30延伸过其相应的活塞40到达终端钻头喷射口34，终端钻头喷射口34允许流体排出并允许消除流体压力。
导向部80限定并结合多个从导向部80（其本体通常会具有与壳体10的直径匹配或接近的直径）向外突出的活塞壳体28。每个活塞40的径向行程优选地由任何合适的装置（在图12中通过示例的方式以横向销41的形式表示，该横向销41穿过在活塞40中的槽开口43并在活塞40的每侧上固定在活塞壳体28内）限制。该具体特征仅是示例性的，并且本领域的技术人员将会理解在不脱离本公开的范围的情况下，可以容易地设计出用于限制活塞行程的其他装置。活塞40还优选地设有在其相应的活塞壳体28内朝向缩回位置偏压活塞40的合适的偏压装置（比如，通过非限制性示例的方式表示，偏压弹簧）。
在通常情况下，活塞致动流体会是从通过轴向通道22流到切削结构90的流体转移的钻井流体部分。然而，作为选择，活塞致动流体可能是与流到切削结构90的钻井流体不同的流体和/或与流到切削结构90的钻井流体来自不同源的流体。
RSS钻具100结合流体计量组件，在图2所示的示例中，流体计量组件包括上部套筒110，上部套筒110通过控制组件50可在下部套筒120内且相对于下部套筒120旋转，下部套筒120又固定到导向部80的上端或与导向部80的上端整体形成。如在图2A、图3A、图3B和图3C中最佳可见，可旋转的上部套筒110具有孔114，孔114延伸通过筒状部分116，筒状部分116在环状上部凸缘112下面向下延伸。筒状部分116具有以竖直槽118的形式示出的流体计量开口。如在图2A、图4A、图4B和图4C中所见，固定的下部套筒120具有孔121和多个流体入口122，所述多个流体入口122几何排列成与在导向部80中的流体通道30对应。在所示实施例中，流体入口122排列成以RSS钻具100的纵向中心线CL_RSS为中心的圆形图案。
凹进124形成于下部套筒120的上部区域中以提供在每个流体入口122和孔121之间的流体连通。因此，如在图2A和图6中最佳可见，当上部套筒110的筒状部分116设置在下部套筒120的孔121内时，在流体计量槽118与在下部套筒120中的给定凹进124对准的情况下，上部套筒110的孔114会经由槽118、凹进124和流体入口122与在导向部80中的相应的流体通道30流体连通。如在图5中可以看到的，在压力下的致动流体在相应的流体通道30中产生的流动引起相应的活塞（在图5中由附图标记40A指示以表示致动活塞）致动且沿径向向外延伸。
参照图6能够进一步理解上述流体计量组件的组装和操作。控制组件50设有用于使上部套筒110旋转的计量组件接合装置，而这可能采取任何在功能上有效的形式。通过非限制性的示例，计量组件接合装置在图2、图2A和图6中示出为包括轴52，轴52在其上端以可操作的方式连接到控制组件50，并在其下端连接到筒状轭54，筒状轭54具有上端板53，上端板53具有一个或更多个流体开口53A。筒状轭54在其下端54L同心连接到上部套筒110的凸缘112，以在轴52由控制组件50旋转时使上部套筒110会相对于下部套筒120旋转。在围绕在壳体10内的控制组件50的环状空间12内向下流动的流体70流动通过在轭54的上端板53中的流体开口53A，进入在轭54内的筒状腔55中，然后进入上部套筒110的孔114中。流体70的一部分通过在上部套筒110的筒状部分116中的槽118转移到当时与槽118对准的流体入口122中，然后进入相应的流体通道30以致动相应的活塞40。流体70的其余部分流到在导向部80中的主轴向通道22中以被输送到切削结构90。
图7是钻井钻头20的底视图，示出具有切削元件或齿92的切削结构90、钻头喷射口24、活塞40和活塞壳体28。在图13中，标记为40A的一个活塞被示出为处于其被致动的位置，从其活塞壳体28沿径向向外延伸。
图8A示出在图2和图6以及相关的详细附图中所示的套筒组件的变型。在图8A中的上部套筒210大体上类似于在图3A‑图3C中的上部套筒110，其中凸缘212和孔214类似于在上部套筒110中的凸缘112和孔114，但其具有比在上部套筒110中的筒状部分116长的筒状部分216。筒状部分216具有位于筒状部分216的下部区域中的流体计量槽218，流体计量槽218类似于在筒状部分116中的流体计量槽118。在图8A中的下部套筒220大体上类似于在图4A‑图4C中的下部套筒120，其中在相应的凹进224下面的流体入口222（类似于在下部套筒120中的凹进124和流体入口122）形成于下部本体225中，下部本体225具有与在下部套筒120中的孔121相似的孔221，另外盖板226延伸跨过下部本体225的顶部且具有用于接纳上部套筒210的圆状部分216的中央开口。
如通过参照图8A和图8B可以理解的，当上部套筒210相对于下部套筒220处于上部位置时，其中筒状部分216上升为至少部分地脱离在下部套筒220中的凹进224，流入在上部套筒210中的孔214和下部套筒220中的孔221的流体70的部分会直接转移到所有凹进224和流体入口222中以致动所有活塞40。在该操作模式中，在钻井孔的非偏离部分时，被致动的活塞将用于对钻井钻头20进行定中并使钻井钻头20稳定。在钻井孔的直而非竖直的部分的时，且或在期望使在钻头处的总流动面积（TFA）（TFA被定义为流体能够通过其流出钻头的所有喷嘴或喷射口的总面积）最大时，这可能是特别有益的和有利的。当上部套筒210处于其最上端的位置时TFA将最大，其中流体能够流入所有流体通道30。这是因为流体除了流出在切削结构90中的所有钻头喷射口24之外，还将能够流出连接到流体通道30的所有终端钻头喷射口34。与此相反，当上部套筒210处于其最低位置时（如在图10A和图10B中所示）TFA将最小，其中阻止流体流入所有的流体通道30，流体仅能够通过钻头喷射口24离开钻具。
在“直”钻过程中，在所有活塞延伸的情况下的钻井钻头稳定性也可能是所期望的，以减轻“钻头回旋”，其中，所述“钻头回旋”在钻井通过软地层时可能会导致井孔质量不良。
图9A和图9B示出当上部套筒210相对于下部套筒220处于中间位置时的情况，其中筒状部分216延伸到盖板226下方，以允许流体从孔214流动通过流体计量槽218。在该操作模式中，流体70将转移到入与槽218对准的凹进224中，然后进入到相应的流体入口222以致动相应的活塞40，即，基本上与在图2A中示出的套筒组件相同。
图10A和图10B示出当上部套筒210相对于下部套筒220处于下部位置时的情况，其中槽218设置于凹进224的下方以使流体不能进入任何凹进224和流体入口222。在该操作模式中，所有流体70将直接流入切削结构90，而不转移。对于直钻通过相对稳定的底土材料，这可能是所期望的，其中在钻头处具有较小的TFA。
为操作结合如在图8A‑图10B中的上部套筒210和下部套筒220的流体计量组件，控制组件50将结合或设有用于除了使上部套筒210旋转之外还使上部套筒210升高和降低的装置。本领域技术人员将会理解，根据已知的技术能够设计出用于相对于下部套筒220轴向移动上部套筒210的各种装置，且本公开并不局限于任何特定的这样的装置的使用。
图11示出在井孔WB内操作的如在图2中的RSS钻具100。在该视图中，来自RSS100的环状空间12的流体70的一部分70A已通过在流体计量组件的旋转上部套筒110中的流体计量槽118转移到在导向部80中的“有效”流体通道30A。在压力下的流体流入流体通道30A致动相应的活塞40A，使被致动的活塞40A从导向部80沿径向向外侧延伸，并在接触区域WX与井孔WB的壁形成反作用接触，从而对导向部80施加横向力，使切削结构90在离开接触区域WX的方向以偏转量D偏转，偏转量D是RSS钻具100的偏转轴向中心线CL_RSS相对于井孔WB的中心线CL_WB的横向偏移量。对于上部套筒110及其流体计量槽118相对于井孔WB的给定固定取向，接触区域WX不会是在井孔壁上的特定固定点或区域，而是随着钻井在地下进展得更深而移动。然而，对于在给定时间仅提供一个活塞40的致动的操作模式中，接触区域WX将始终对应于流体计量槽118的角度位置。
随着钻具100继续旋转，致动流体70A向有效流体通道30A的流动将被阻断，从而消除致动活塞40A的液压力，然后活塞40A将缩回到导向部80的本体中。钻具100的进一步旋转将使致动流体流入在导向部80中的下一个流体通道30，从而顺序使下一个活塞40致动并延伸，并在井孔WB的接触区域WX施加另一个横向力。
因此，对于钻具100的每次旋转，将在接触区域WX对井孔WB施加与在导向部80中的流体通道30的数目相同的次数的钻头偏转横向力，从而保持切削结构90在恒定的横向方向上相对于井孔WB的有效恒定的偏转量D。作为这种偏转的结果，井孔WB的角度取向将逐步改变，在井孔WB中产生弯曲部分。
当所期望程度的井孔曲率或偏差已被实现且期望钻井孔的非偏离部分时，调节控制组件50的操作以使上部套筒110旋转，以使流体计量槽118处于在下部套筒120中的相邻的一对凹进124之间的中立位置，使得流体70不能转移到在下部套筒120中的任何流体入口122。然后，控制组件50（或相关联的计量组件接合装置）与上部套筒110脱离，使上部套筒110自由以与下部套筒120和导向部80一起旋转，或者可选地控制组件50被致动以与钻具100相同的速率旋转，从而在任何一种情况下，保持槽118相对于下部套筒120的中立位置，使得流体不能流入任何活塞40。然后钻井操作可以在没有任何横向力作用以使切削结构90偏转的情况下继续进行。
在流体计量组件包括如在图8A‑图10B中所示可轴向移动的的上部套筒210和下部套筒220的变型实施例中，由于进行了操作考虑而可能是所期望或适当的是，向非偏离钻井操作的过渡通过（利用控制组件50）将上部套筒210移动到其相对于下部套筒220的上部或下部位置来实现。然后则无论上部套筒210是否继续相对于下部套筒220旋转，都将能够防止流体向流体通道30的流动。
图12示出根据可选择实施例的RSS钻具200，在该实施例中，流体计量组件包括旋转上板60和固定到或整体形成到改进导向部280的上端的下板35。下板35具有一个或更多个流体入口32，流体入口32类似于在图2和图6中（以及本文其他位置）所示的在下部套筒120中的流体入口122。在所示的实施例中，且如在图12B中所示，流体入口32以绕RSS钻具200的中心线CL_RSS的圆形图案排列。上板60可相对于壳体10绕与中心线CL_RSS一致的旋转轴线旋转。如在图12A中所示，上板60具有流体计量孔62，流体计量孔62从中心线CL_RSS偏移与形成在固定下板35中的流体入口32的圆半径对应的半径。上板60还具有中央开口63以允许流体向下流入导向部280的轴向通道22，并且，下板35具有中央开口33，中央开口33用于同样的目的。
在图12、图12A和图12B中所示的流体计量组件通过基本上与上文关于RSS钻具实施例所描述的方式相同的方式实现功能，所述RSS钻具具有结合上部套筒110（或210）和下部套筒120（或220）的流体计量组件。上板60通过控制组件50（比如利用如上文所描述的轭54）旋转，以便使流体计量孔62相对于井孔WB保持固定取向，而与壳体10和导向部280的旋转无关。由于壳体10和导向部280相对于井孔WB旋转，在上板60中的流体计量孔62将依次与在下板35中的流体入口32中的每个对准，从而允许从环状空间12流动通过在轭54的上端板53中的流体开口53A的流体的一部分顺序转移到每个流体通道30中，并且使相应的活塞40顺序沿径向延伸，从而引起如上文所描述的井孔WB的取向的偏离。
图13是恰在旋转上板60上方通过壳体10的截面图，示出在上板60中的偏移孔62以及以虚线轮廓示出的在设置在上板60下方的固定下板35中的流体入口32（在示出的实施例中总共四个）。同时，图13示出活塞40和其相应的活塞壳体28（总共四个，对应于流体入口32的数目），以及在其下方的具有钻井钻头齿92的切削结构90。图13示出上板60的流体计量孔62与在下板35中的流体入口32中的一个对准，使得相应的致动活塞40A沿径向向外延伸。
为使RSS钻具200过渡到非偏离钻井操作，控制组件50被致动以使上板60旋转到相对于下板的中立位置，以使流体计量孔62不与在下板35中的任何流体入口32对准，上板60然后以与导向部280相同的速率旋转，以将流体计量孔62保持在相对于下板35的中立位置。
在设备的可选实施例（未示出）中，上板60能够以选择方式沿轴向且向上离开下板35移动，从而允许流体流入所有流体通道30并引起所有活塞40向外延伸。这使得相等的横向力被施加到导向部280的周边周围并有效引起切削结构90直钻而无偏离，同时也将切削结构90稳定在井孔WB内，类似于前面描述的结合上部套筒210和下部套筒220的实施例当上部套筒210相对于下部套筒220处于其上部位置时的情况。当上板60和下板35不接触时，控制系统50能够被停用或处于休眠模式，从而节省电池寿命和控制系统部件的磨损。
在一个实施例中，控制组件50包括使上板60（或上部套筒110或210）旋转的以电子方式控制的容积式（PD）马达，但控制组件50并不局限于这种或任何其他具体类型的机构。
根据本公开的旋转式可导向钻井系统能够被容易调节以在钻头更换过程中便于更换高度循环的活塞。在提供现场可更换接口的设计中，这种独立于控制系统更换活塞的能力使系统与常规可导向系统相比更紧凑、更容易维护、更灵活并且更可靠。根据本公开的RSS钻具还将允许多个不同尺寸和类型的钻井钻头和/或活塞与同一控制系统结合使用，除了导向系统和/或切削结构之外无需更换任何部件。这意味着，例如，该系统能够在不改变控制系统壳体尺寸的情况下，用于钻12‑1/4”（311mm）的井孔，随后用于钻8‑3/4”（222mm）的井孔，从而节省时间且需要更少的设备。
该系统还能够被调整以允许与控制系统分离地使用钻井钻头。作为选择，控制组件能够是模块化设计以不仅控制钻井钻头，还控制能够有益利用钻具的旋转上板（或套筒）以执行有用的任务的其它钻井钻具。
图14A、图14B、图14C和图14D示出根据在图12中所示的实施例的RSS钻具的导向部280。导向部280与参照图12描述的导向部280基本上类似，并且相同的附图标记用于两个实施例的共同部件。导向部280通过具有上部销端16和下部盒体端17的非限制性示例示出，其中上部销端16用于螺纹连接到壳体10的下端，下部盒体端17用于螺纹连接到切削结构90的上端。导向部280通过提供柔性反作用衬垫240来与在图2中所示的导向部80相区别，柔性反作用衬垫240中的每个具有以弹性方式安装到导向部280的主体的上端和延伸过相应的活塞壳体28的自由下端241。在图示的实施例中，将柔性反作用衬垫240弹性安装到导向部280的主体通过使反作用衬垫240的上端与圆形带242整体形成来实现，该圆形带242设置于在销端16下方的一点处绕导向部280的外周延伸的环状凹槽243内。然而，这仅是示例性的。本领域技术人员将会理解，可以容易设计将反作用衬垫240的上端以弹性方式安装到导向部280的其他方式，并且本公开不对安装反作用衬垫240所使用的任何具体装置或方法进行限制。
如参照图14D的上部所最佳理解的，当给定的活塞40处于其缩回位置时，其相关联的柔性反作用衬垫240的自由下端241将优选地搁置成与相关联的活塞壳体28的外表面处于齐平或几乎齐平。然而，当活塞被致动时（如由在图14D的下部中的被致动的活塞40A示出），其使相关联的反作用衬垫的自由下端241（在图14D中由附图标记240A表示）径向向外偏转。偏转的柔性反作用衬垫240A将因此被推向且推压井孔壁，以使导向部280和切削结构90在沿径向的相反的方向上被推压。当被致动的活塞40A缩回到其活塞壳体28中时，反作用衬垫240A的自由下端会弹性回弹至其无应力状态和位置。
图15A、图15B、图15C和图15D示出根据可选实施例的RSS钻具的导向部380。导向部380与参照图12描述的导向部280基本上类似，并且相同的附图标记用于两个实施例的共同部件。导向部380通过提供铰接反作用衬垫340与导向部80相区别，铰接反作用衬垫340中的每个延伸过相应的活塞壳体28，其中反作用衬垫340在一个或更多个铰接点342处安装到所述相应的活塞壳体28以能够绕与导向部380的纵向轴线基本上平行的铰接轴线枢转。铰接点342优选地位于铰接反作用衬垫340的前边缘上（术语“前边缘”是相对于钻具的旋转方向而言）。
如参照图15D的上部所最佳理解的，当给定的活塞40处于其缩回位置时，其关联的铰接反作用衬垫340将优选地搁置成与相关联的活塞壳体28的表面处于齐平或几乎齐平。然而，当活塞被致动时（如由在图15D的下部中的被致动的活塞40A所示出的），它会向外推压其相应的铰接反作用衬垫340A，使衬垫340A绕其铰链点342枢转并且向外朝向且抵靠井孔壁偏转，如在图15C和图15D中所看到的。这使得导向部380和切削结构90在沿径向的相反的方向上被推压。当被致动的活塞40A缩回到其活塞壳体28中时，偏转的铰接反作用衬垫340A能够由合适的偏压装置适当辅助返回到其原始位置。
图16A、图16B、图16C和图16D示出在图14A、图14B、图14C和图14D中所示的导向部280的变型280‑1，其中唯一的区别在于在导向部280‑1中的流体计量组件结合如在图3A‑图3C和图4A‑图4C中的上部套筒110和下部套筒120，而不是如在导向部280中的上板60和下板35。在图16A、图16B、图16C和图16D中不具有附图标记的部件和特征对应于在图14A、图14B、图14C和图14D中所示出和引用的相同部件和特征。本领域技术人员还会理解，在图15A、图15B、图15C和图15D中所示的导向部380可以类似地修改。
根据本公开的RSS钻具可以使用在功能上合适的任何类型和构造的活塞，并且本公开不局限于使用本文所描述或示出的任何具体类型的活塞。例如，图12、图14D、图15D和图16D示出整体或单件式活塞40。图17A至图21示出可选活塞组件140的实施例，所述活塞组件140包括外部（或上部）构件150、内部（或下部）构件160以及在优选实施例中的偏压弹簧170。在对活塞组件140及其构成元件的该说明中，形容词“内”和“外”相对于与安装活塞140协作的导向部80的中心线使用；即，内部构件160将沿径向设置在外部构件150的内侧，而外部构件150可从导向部80沿径向向外（且离开内部构件160）延伸。然而，在描述这些部件时为方便起见，与在图17A至图21中的这些元件的图形表示相应，形容词“上”和“下”可以分别与“外”和“内”互换使用。
如具体在图17A和图17B中详细所示的，活塞组件140的外部构件150具有筒状侧壁152，筒状侧壁152具有由盖构件151封闭的上端152U和敞开的下端152L。在用于使活塞直接与井孔壁接触的实施例中，盖构件151的上部（或外部）表面151A可以可选地如在图17A、图17B、图18A和图18B中所示的形成轮廓以符合安装到导向部80的切削结构90的有效直径，而无中间反作用构件。在图17A和图17B中所示的外部构件150的实施例适于（以下文将要描述的方式）接纳偏压弹簧170的上端，并为此目的而形成有筒状凸起153，筒状凸起153从盖构件151向下同轴突出且具有底部敞开且内部带有螺纹的腔154。因此在凸起153和外部构件150的侧壁152之间形成底部敞开的环状空间155。
从筒状侧壁152向下延伸的是一对间隔开的、成曲线的且在直径上对置的侧壁延伸部156，每个侧壁延伸部156都具有下部部分157，下部部分157在下部部分157的每个外周端形成有沿外周方向突出的凸耳或止动元件157A。因此，每个侧壁延伸部156能够被描述为采取倒“T”形的一般形状，在两个侧壁延伸156之间形成一对在直径上对置的侧壁开口156A。
活塞组件140的内部构件160具有筒状侧壁161，筒状侧壁161具有上端160U和下端160L并包围圆状腔165，筒状腔165在其各端是敞开的。一对在直径上对置的保持销开口162穿过侧壁161形成，以用于接纳保持销145，保持销145用于将内部构件160固定到导向部80并将内部构件160保持在导向部80内，以使内部构件160相对于导向部80的位置将在径向上固定。一对在直径上对置的（在图示的实施例中半圆形或半椭圆形）流体开口168形成于内部构件160的侧壁161中，截断内部构件160的下端160L，且与保持销开口162成直角，以便在活塞40安装到导向部80中时与相应的流体通道30大致对准，以允许钻井流体向下流动超出内部构件160并进入在导向部80中的对应钻头喷射口34。如在图17B图中最佳所见，为下文将要描述的目的，环状凹槽169在内部构件160的下端160U绕腔165形成。在图示的实施例中，环状凹槽169是不连续的，被流体开口168截断。
从筒状侧壁161向上延伸的是一对间隔开的、成曲线的且在直径上对置的侧壁延伸部163，每个侧壁延伸部163都具有上部部分164，上部部分164被形成为限定在上部部分164的每个外周端处的沿外周方向突出的凸耳或止动元件164A。因此，每个侧壁延伸部163能够被描述为是大致T形，在两个侧壁延伸部163之间形成一对在直径上对置的侧壁开口163A。在相结合的情况下，凸耳157A和凸耳164A因此用作行程限制装置，所述行程限制装置限定活塞组件140的外部构件150的最大径向冲程。
如参照图18A、图18B、图19A和图19B可以最佳理解的，可以通过将内部构件160的上部侧壁延伸部163横向插入到外部构件150的侧壁开口156A中以使外部构件150和内部构件160同轴对准来组装外部构件150和内部构件160。外部构件150可相对于内部构件160沿轴向（即，相对于导向部80沿径向）移动，其中通过在外部构件150上的凸耳157A邻接在内部构件160上的凸耳164A来限制外部构件150的向外轴向运动，如在图17B、图18B和图19B中所看到的。
在图21中以等距视图示出的偏压弹簧170包括筒状侧壁173，筒状侧壁173具有上端173U和下端173L并限定筒状内室174。侧壁173的上端173U形成有或设有向内突出的环状凸缘171，侧壁173的下端173L形成有或设有向外突出的环状唇缘179。螺旋槽175形成通过侧壁173以使侧壁173采取螺旋弹簧的形式，其中螺旋槽175具有与环状凸缘171相邻的上部末端和与环状唇缘179相邻的下部末端。一对在直径上对置的保持销开口172穿过侧壁173形成，用于在偏压弹簧170与活塞组件140的内部构件160组装在一起且安装在导向部80中时（如将在下文中描述的）接纳保持销145。在弹簧170的所示实施例中，螺旋槽175的下部末端与保持销开口172中的一个重合，但是，这是为了方便起见，而不是由于任何在功能上的根本原因。一对在直径上对置的（在图示的实施例中半圆形或半椭圆形）流体开口168形成于侧壁173中，截断侧壁173的下端173L且与保持销开口172成直角，以在偏压弹簧170与内部构件160组装时与在内部构件160的侧壁161中的流体开口168大致对准。
通过参照图17A、图17B和图22可以最佳理解活塞组件140的组装。第一个组装步骤是将偏压弹簧170向上插入内部构件160的腔165中，使得在偏压弹簧170上的环状唇缘179保持接合于在内部构件160的下端160L处的环状凹槽169内。接下来的步骤是通过将偏压弹簧170的上端插入到外部构件150的下端以使偏压弹簧170的凸缘171设置于在外部构件150中的环状空间155内，来将内部构件160和偏压弹簧170的子组件与外部构件150进行组装。然后使在其下端处具有向内突出的环状凸缘180A的大致筒状的间隔件180定位在筒状凸起153上方并围绕筒状凸起153，将带帽螺钉182向上插入通过在间隔件180中的开口并拧入在凸起153中的螺纹腔154，从而将间隔件180和偏压弹簧170的上端固定到外部构件150。
经过这样的组装，活塞140结合偏压弹簧170，其中偏压弹簧170的上（外）端牢固地保持在外部构件150中且偏压弹簧170的下（内）端由内部构件160牢固地保持。因此，当活塞致动流体流入在导向部80中的相关联的流体通道30时，流体将流入活塞140并对外部构件150的盖构件151施加压力，以克服偏压弹簧170的偏压力并使外部构件150从导向部80沿径向向外延伸。当流体压力解除时，偏压弹簧170将使外部构件150返回到其缩回位置，如在图17A和图18A中所示。由偏压弹簧170提供的偏压力的大小能够通过调节带帽螺钉182的轴向位置且/或通过使用不同轴向长度的间隔件180来调节。
然后经组装的活塞140能够安装到导向部80中，如在图22中所示。保持销145被插入通过在导向部80中的横向开口并分别通过在内部构件160和偏压弹簧170中的保持销开口162和172，从而将内部构件160和偏压弹簧170的下端固定以免相对于导向部80沿径向运动。
仅通过示例方式表示图中所示的偏压弹簧170的具体构造以及用于将偏压弹簧170与外部构件150和内部构件160组装的具体装置。本领域技术人员将会理解，根据已知技术可以设计替代构造和组装装置，这样的替代构造和组装装置意在落入本公开的范围内。
活塞组件140提供优于现有的活塞设计的显著益处和优势。活塞组件140的设计通过利用整体偏压弹簧170提供高机械回复力而便于在比较短的活塞组件中实现长活塞冲程。当在脏污流体环境中运行时该活塞组件还不太容易产生导致活塞束缚在导向部中或限制活塞冲程的碎片。还允许使用简单的销将弹簧预加载的活塞组件组装和固定于在导向部内的适当位置，而不需要在插入导向部的过程中使弹簧预加载，使活塞组件更易于维修或更换。
本领域的技术人员将易于理解的是，在不脱离本公开的教导和范围的情况下，可以设想由本公开教导的实施例的各种变型，包括使用以后构思或开发的等同结构或材料的变型。特别要理解的是，本公开不意在局限于任何所描述或所示出的实施例，并且，在没有产生任何实质的操作变化的情况下，权利要求所述的元件或特征的变体的替代不会构成脱离本公开的范围的内容。还可以理解的是，本文所描述和讨论的实施例的不同教导可以分开应用或者以任何合适的组合应用，以产生提供所期望的结果的不同实施例。
本领域的技术人员还会理解，在对功能或操作没有重大影响的情况下，本文作为整体部件描述或说明的公开实施例的部件也可以由多个子部件构成，但上下文明确要求这样的部件是整体构造的情况除外。类似地，除非上下文另有要求，被描述或示出为由多个子部件组装的部件可以作为整体部件被提供。
在本专利文件中，词语“包括”的任何形式应以其非限制性意义被理解以表示包括在这种词语后面的任何术语，但不排除未特别提及的项目。通过不定冠词“一个”引用的元件不排除存在多于一个这种元件的可能性，但上下文明确要求有一个且只有一个这种元件的情况除外。
任何形式的术语“连接”、“接合”、“联接”、“附接”以及描述元件之间的相互作用的其它术语的任何使用的目的不是将这种相互作用限制成所述元件之间的直接相互作用，而是还可以包括元件之间的比如通过二级或中间结构的间接相互作用。
关系术语如“平行”、“垂直”、“重合”、“交叉”、“等于”、“同轴”和“等距”并非意在表示或要求绝对的数学或几何精度。因此，这些术语应被理解为仅表示或要求基本精度（例如“大致平行”），但上下文明确另有要求的情况除外。
无论在本文件中何处使用，术语“通常的”和“在通常情况下”应以代表或通常使用或实践意义被加以解释，而不应被理解为暗示实质性或不变性。
在本专利文件中，所披露的RSS钻具实施例的特定部件使用形容词比如“上”和“下”来进行描述。这样的术语被用来建立方便的参考系，以便于说明并增强读者对所讨论的各种元件和部件的特征的空间关系和相对位置的理解。这样的术语的使用不应被解释为暗示其将在技术上适用于根据本公开的RSS钻具的所有实际应用和用途，或暗示必须以与上面提到的形容词严格一致的空间取向使用这样的子钻具。例如，根据本公开的RSS钻具可以在钻水平或具有方位角的井孔中使用。因此，出于更大的确定性起见，当参照RSS钻具使用时，无论在给定的实际用途中RSS钻具以及钻柱采取何种实际空间取向，形容词“上”和“下”均应以“朝向钻柱的上（或下）端”的意义被理解。用于所示的活塞组件和其部件的特定用途的形容词“内”、“外”、“上”和“下”的适当和预定的解释根据具体说明的相应部分将是显而易见的。