钻柱部分旋转速度的独立修改技术领域
本申请大体涉及用于钻入地壳中的钻探系统。本申请还涉及用于
结合到钻柱中的装置，涉及钻柱，涉及钻探设施并且涉及钻探方法。
背景技术
用于碳氢化合物(油和天然气)开采以及用于其他目的的钻孔或
者井眼通常是利用钻柱进行钻探的，所述钻柱包括具有钻探组件的多
个互连的管状构件(分别被称为钻杆段)，所述钻探组件包括附接到其
底端的钻头。钻头旋转以剪切岩石地层的材料或使其破裂来钻探井
眼。钻柱通常包括工具或者其他装置，所述工具或其他装置在操作时
被定位在井下并且因此在钻探操作期间被远程激活和停用。这类工具
和装置包括，例如钻孔器、稳定器、用于使钻头转向的转向工具以及
岩层测试装置。
钻柱通常通过在地面处施加转矩和旋转来驱动地旋转，以使得钻
柱(在本文中也被称为钻杆)的管状壁以通用速度旋转。尽管相对较高
的旋转速度在钻柱的一些部分中往往是适用的(例如，邻近钻头，以
搅拌钻屑以促进其有效排出)，但是钻柱的其他部分中的结构特征往
往可能会限制钻柱可以安全操作所处的速度。
附图简述
一些实施方案在附图的各图中以示例性而非限制性方式示出，在
附图中：
图1描绘根据一个示例实施方案的钻探设施的示意性立视图，所
述钻探设施包括根据一个示例实施方案的具有一对传输修改器装置
的钻柱，所述传输修改器装置具有相反的取向以便以钻柱的中间部分
的降低的速度提供选择性旋转。
图2A-2B描绘沿着图3中的线A-A取得的根据一个示例实施方
案的传输修改器装置的相应轴向截面，所述传输修改器装置在图2A
中以脱离模式设置并且在图2B中以啮合状态设置。
图3描绘沿着图2A中的线B-B取得的示例传输修改器装置的示
意性截面图。
图4描绘沿着图2A中的线C-C取得的示例传输修改器装置的另
一示意性截面图。
图5描绘沿着图4中的线D-D取得的根据图1-4的示例实施方案
的传输修改器装置的轴向截面。
图6描绘根据另一示例实施方案的钻探系统的示意性立视图，所
述钻探系统包括具有沿着钻柱间隔开的多个相同定向的传输修改器
装置的钻柱，以允许钻孔的弯曲部分的沿井孔下行的钻柱部件以低于
弯曲部分中及其沿井孔上行的钻柱部件的速度进行选择性旋转。
图7描绘对应于图6的视图，其中示例钻柱与图6中的情况相比
已进一步向井下迁移。
图8描绘根据又另一示例实施方案的钻探系统的示意性立视图，
所述钻探系统包括结合到包括钻头的井底组件的传输修改器装置恰
好沿井孔上行的钻柱中的一对示例。
具体实施方式
以下具体实施方式参考附图来描述本公开的示例实施方案，所述
示例实施方案描绘示出可以如何实践本公开的实施例的各种细节。本
文的讨论参考这些附图提出新颖方法、系统和设备的各种实施例，并
且对所描绘的实施方案进行足够详细地描述，以使得本领域的技术人
员能够实践本公开的主题。除本文所讨论的说明性实施例之外的许多
实施方案可以用于实践这些技术。在不脱离本公开的范围的情况下，
除本文明确讨论的替代方案之外可以做出结构上和操作上的改变。
在本说明书中，对本说明书中“一个实施方案”或“实施方案”，或
“一个实施例”或“实施例”的参考并不旨在一定是指同一个实施方案
或实施例；然而，这类实施方案并非相互排斥的，除非这样说明或如
受益于本公开的本领域的普通技术人员将显而易见的。因此，本发明
可包括本文所述的实施方案和实施例的多种组合和/或综合，以及如
限定在基于本公开的所有权利要求和此类权利要求的所有法律等效
物的范围内的其他实施方案和实施例。
本公开的一方面涉及一种方法，所述方法包括独立地修改钻柱的
井下部分相对于钻柱的其他井下部分的旋转速度，所述部分各自包括
多个钻杆段。独立旋转速度修改意指对钻柱整体应用速度修改(例如
通过改变钻柱在地面旋转所处的速度)，但是井下部分的速度是在未
对钻柱进行普遍速度修改的情况下修改。
在一些实施方案中，钻柱的速度修改部分包括钻柱中在所述钻柱
的井下端与过渡点之间延伸的井下端部分，所述过渡点与钻柱的两端
间隔开来。井下端部分相对于钻柱中过渡点上方的井上部分可以增加
的速度旋转。在一个实施方案中，过渡点被定位在钻孔的弯曲部分的
井下端处或者其附近，以使得钻柱的井上部分在其长度的至少部分上
是弯曲的，而井下端部分可以是大致直线形的。在这类情况中，井下
端部分的相对较高的旋转速度可以促进钻探效率，并且可以促进钻孔
中钻探泥浆的搅拌以用于钻屑的排出。由于弯曲时在负载旋转中的暴
露减少，钻柱的井上部分的相对较慢的旋转减少了钻柱的磨损。
在其他实例中，速度降低部分可以是钻柱的中间部分，在这种情
况下，中间部分的独立旋转速度修改致使中间部分以不同于钻柱中定
位在所述中间部分的相反端的邻近部分的速度旋转，在这种情况下，
所述邻近部分可以通用旋转速度旋转。在一个实施方案中，中间部分
可以是钻柱的弯曲部分，在这种情况下，中间部分相对于弯曲部分的
沿井孔上行和沿井孔下行的钻柱的部分可以降低的速度旋转。在其他
实施方案中，中间部分相对于中间部分的相反端处的钻柱部分的旋转
速度可以增加的速度旋转。
本公开的另一方面涉及一种修改器装置，所述修改器装置被配置
用于结合到钻柱中以在相邻钻柱段之间传递管状钻柱壁的转矩和旋
转，传输修改器装置可在以下两者之间切换：脱离模式，其中所述传
输修改器装置被配置来在未修改的情况下传递钻柱转矩和旋转；以及
啮合模式，其中传输修改器装置被配置来相对于由所述传输修改器装
置接收的输入速度以修改的输出速度传送钻柱转矩和旋转。
传输修改器装置可以具有传输机构，所述传输机构驱动地耦接输
入构件和输出构件并且提供选择性速度修改。传输机构可以包括行星
齿轮系统。在这类情况中，所述装置可以被配置来通过以下方式切换
成啮合模式：将行星齿轮系的齿圈构件旋转地锚固到钻孔壁，并且同
时允许太阳齿轮构件和行星齿轮架构件相对于齿圈构件旋转。用于将
齿圈构件旋转地锚固到钻孔壁的锚固机构可以被配置来在所述装置
处于啮合模式时允许所述装置沿井孔上行和沿井孔下行的轴向移动。
所述装置因此被配置用于沿着钻孔轴向平移，而齿圈构件被旋转地锚
固到钻孔壁。所述装置还可以被配置来通过以下方式切换成脱离模
式：释放齿圈构件到钻孔壁的旋转锚固，并且将行星齿轮架构件和太
阳齿轮构件中的至少一个旋转地键固到齿圈构件。所述装置还可以包
括切换构件，所述切换构件被配置用于致动移位到啮合位置，其中所
述切换构件使得(a)齿圈构件旋转锚固到钻孔壁，以及(b)太阳齿轮构
件和行星齿轮架构件中的至少一个从齿圈构件旋转释放。
本公开的另一方面包括具有结合到其中的多个传输修改器装置
的钻柱。在一个实施方案中，传输修改器装置中的至少两个沿着钻柱
间隔开以在它们之间限定中间部分，所述中间部分在纵向范围上是至
少多个钻柱段长度。
本公开的另外的方面包括一种钻探方法，所述方法包括将传输修
改器装置中的两个或更多个结合到钻柱中，并且当传输修改器装置在
钻柱延伸所沿的钻孔中定位在井下时使传输修改器装置中的至少一
个在啮合模式与脱离模式之间切换。
所述方法还可以包括将两个或更多个传输修改器装置设置在相
应的啮合模式中，以使得钻柱的弯曲部分以低于钻柱的大致直线形部
分的速度旋转。在一个实施方案中，所述方法包括：将一系列纵向间
隔开的传输修改器装置结合到钻柱中，每个传输修改器装置被配置来
增加穿过其的钻柱速度，并且当特定的传输修改器装置被定位在钻孔
的速度限制部分的井下时将传输修改器装置中的特定传输修改器装
置从脱离模式切换成啮合模式，以使得特定传输修改器装置的沿井孔
上行的钻柱的部件(包括定位在速度限制部分中的钻柱的部分)比特
定传输修改器装置的沿井孔下行的钻柱的部件旋转得更慢。在一个示
例实施方案中，钻孔的速度限制部分包括钻孔的弯曲的、成角度的或
者弯折的部分，在这种情况下，所述系列传输修改器装置的选择性啮
合和脱离可以被用来以相对较慢的速度一致地旋转弯曲部分中的钻
柱的部分，同时以相对较高的速度旋转弯曲部分的沿井孔下行的钻柱
的部分(例如，包括钻孔的大致直线形的部分)。
传输修改器装置可以是类似的或者相同的模块单元，所述模块单
元被配置用于结合在钻柱的任意位置处，具有与构成钻柱的钻杆段兼
容的连接构造，以使得多个传输修改器装置形成用于沿着钻柱的长度
动态定制所述钻柱在不同部分处的旋转行为的模块套件。
现在将参考图1描述的一个示例实施方案、结合了示例传输修改
器装置的钻柱以及使用传输修改器装置的钻探方法的一个示例实施
方案，其中参考数字100大体指示包括根据一个示例实施方案的钻探
系统102的钻探设施传输修改器装置。钻探设施100包括钻柱108位
于其中的地下钻孔104。钻柱108可以包括连接钻柱段，所述连接钻
柱段从固定在井口处的钻探平台112悬吊下来并且连接在一起以用
于将转矩和旋转从平台112传输到钻头116。钻柱108的主要部分可
以由钻杆段109构成，在此实例中，所述钻杆段109各自包括成整体
结构的钻杆的长度并且具有标准化长度(在本文中还被称为钻柱段长
度)。钻柱108的底端处的井下组件或井底组件(BHA)151可以包括钻
头116以使地层破裂，从而引导钻孔104，并且可以包括一个或多个
钻孔器组件，其处在钻头116的沿井孔上行方向以通过选择性地可展
开的切削元件的操作而使钻孔104变宽。测量和控制组件120可以包
括在BHA151中，所述BHA151还包括用于测量钻孔参数、钻探性
能等的测量仪器。
因此，钻孔104是细长的空腔，其为大致圆柱形，具有沿钻孔
104的长度保持或多或少恒定的大致圆形截面轮廓。钻孔104在一些
情况下可以是直线形的，但通常可以包括沿其长度的一个或多个弯曲
部、弯折、转折或角度。在图1的实例中，钻孔104包括弯曲部分
105。如参考钻孔104和本文中的部件所使用，钻孔104的“轴线”(以
及因此钻柱108或其部分的主轴线)意指圆柱形钻孔104的纵向延伸
的中心线(例如，对应于图2中的纵向轴线248)。
因此，“轴向”和“纵向”意指沿在所讨论的钻孔104的相关点或部
分处与钻孔104的纵向方向大致平行的线的方向；“径向”意指大致沿
与钻孔轴线相交且位于垂直于钻孔轴线的平面中的线的方向；“切向”
意指大致沿不与钻孔轴线相交且不位于垂直于钻孔轴线的平面中的
线的方向；并且“周向”或“旋转的”意指由切向矢量围绕钻孔轴线的旋
转所描绘的大致弧形或圆形路径。“旋转”以及其衍生词不仅意指连续
或者重复旋转360°或者更多，而且还包括小于360°的角度或者轴向
位移。
如本文所使用，移动或位置“向前”或“沿井孔下行”(以及相关术语)
意指朝向钻头116、远离地面的轴向移动或相对轴向位置。相反地，
“向后面”、“向后方”或“沿井孔上行”意指轴向地沿钻孔104、远离钻
头116并且朝向地表的移动或相对位置。应注意，在附图的图2和图
5中，钻柱108的沿井孔下行方向从左向右延伸。
钻探流体(例如，钻探“泥浆”或可以存在于井中的其他流体)从地
表处(并且耦接至井口)的钻探流体贮存器(例如存储坑)通过迫使钻探
流体沿由钻柱108的中空内部提供的内部孔128向下的泵系统132循
环，以使得钻探流体在相对较高的压力下通过钻头116离开。在从钻
柱108离开之后，钻探流体沿着钻孔104向上移动返回，占据限定在
钻柱108与钻孔104的壁之间的钻孔环空134。尽管许多其他环形空
间可以与系统102相关联，但对环空压力、环空间隙等的参考是指钻
孔环空134的特征，除非另有规定或者除非上下文另有明确指示。
应注意，钻探流体是沿着钻柱108的内径(即，孔128)泵送的，
其中从孔128流出的流体被限制在钻头116处。钻探流体随后沿环空
134向上流动，从而将钻屑从钻孔104的底部运送到井口，在所述井
口处钻屑被去除并且钻探流体可以返回至形成泵系统132的部分的
钻探流体贮存器。因此，孔128中的流体压力大于环空134中的流体
压力。除非上下文另外指示，否则术语“压差”意指孔128的总流体压
力与环空134中的压力之差。
在一些实例中，钻头116是通过钻柱108从平台112的旋转而旋
转的。这种钻柱转矩和旋转的传输是借助于由构成钻柱108的钻杆段
109的相应管壁提供的复合管壁，在本文中也被称为钻杆壁217(参见
图2A和图2B)。这种钻柱旋转(其中由钻柱108形成的复合钻杆被旋
转)不同于钻柱部件相对于钻杆壁217的从动旋转，例如，钻头116
或者钻头传动系统通过可以形成钻柱108的部分的井下电机进行的
从动旋转。在这个示例实施方案中，井下电机(例如像，所谓的泥浆
电机或涡轮电机)设置在钻柱108中，并且(在这个实例中形成BHA
151的部分)可以对钻头116的旋转做出贡献。在此实例中，定位在
BHA151中的泥浆电机的井上的钻柱108的那些部分由地面设备供
电，所述地面设备将转矩和旋转施加到钻探平台112处的最顶部钻杆
段109。
系统102可以包括用于从井下传感器和遥测设备接收信号的地
面控制系统140，所述传感器和遥测设备被结合在钻柱108中，例如，
形成测量和控制组件120的部分。地面控制系统140可以在由操作员
用来控制钻探操作的显示器或监视器上显示钻探参数和其他信息。一
些钻探设施可以是部分地或者完全地自动化的，以使得钻探控制操作
可以是手动的、半自动的或者完全自动的。地面控制系统140可以包
括具有一个或多个数据处理器和数据存储器的计算机系统。地面控制
系统140可以处理与钻探操作相关的数据、来自地面处的传感器和装
置的数据、从井下接收的数据，并且可以控制井下工具和/或地面装
置的一个或多个操作。
可以通过各种已知的钻柱数据传输模式或者其组合来实现地面
控制系统140与井下部件(例如，测量和控制组件120、和/或结合在
钻柱108中的相应井下工具中的控制装置)之间的测量和控制通信。
井下工具部署、啮合或者模式切换的远程控制因此可以尤其是通过以
下方式实现：包括声学信号、或者电磁信号、或者通过内部孔128中
的钻探流体传输的流体脉冲信号的控制信号，经由复合钻杆壁217中
的纵向或旋转波传输的声学信号、沿着结合在钻柱中并沿着所述钻柱
延伸的导体传输的电信号，和/或至少部分地经由钻孔104定位所处
的地质岩层传输的电磁信号。应注意，上述的示例数据传输模式是非
穷举性的，并且任意合适的数据传输机构可以被用来控制钻柱部件的
操作，例如以使如本文所公开的传输修改器装置在不同的啮合模式之
间切换。
系统102还包括呈齿轮箱160的示例形式的传输修改器装置，所
述齿轮箱160被结合在钻柱中并且被配置用于选择性激活，以修改传
输跨过它们的钻柱旋转的速度，同时相反地修改传输跨过它们的钻柱
转矩。在图1的实施方案中，齿轮箱160包括呈上部齿轮箱160a和
下部齿轮箱160b的示例形式的一对传输修改器装置。每个齿轮箱160
在钻柱108中成直线连接以将钻柱转矩和旋转从相应紧邻井上钻杆
段109传递到紧邻井下钻杆段109。应注意，齿轮箱160不是必须连
接到钻杆段109，但是特定的齿轮箱160在其他示例实施方案中可以
驱动地连接到被配置用于接收或者传送钻柱转矩和旋转的任意其他
钻柱段。
上部齿轮箱160a和下部齿轮箱160b沿着钻柱108的长度间隔开
来，从而在它们之间限定至少部分地由多个钻柱段组成的中间部分
163。在此实例中，中间部分163包括多个钻杆段109，并且因此在
纵向范围上可以是多个钻杆段长度。应注意，在此实例中，每个齿轮
箱160具有短于标准钻杆长度的长度。在其他实施方案中，类似于或
者相似于齿轮箱160的传输修改器装置可以被设定尺寸以具有等于
相关标准钻杆段长度的长度。还应注意，本文的术语“钻柱段”意指构
成钻柱108的长度的部分并将钻柱转矩和旋转从其一端传递到另一
端的分开单元(无论是具有复合结构还是整体结构)。因此，每个齿轮
箱160自身构成根据本公开的术语的钻柱段。如前文所述，构成中间
部分163的钻柱段因此可以不仅包括整体钻杆段109，而且还可以包
括例如一个或多个钻柱工具、遥测控制子组件和/或其他齿轮箱160。
现在将参考图2-5描述用于提供选择性速度修改功能的齿轮箱
160的构型和操作。每个齿轮箱160可在以下两者之间选择性地切换：
啮合模式，其中所述齿轮箱160修改跨过它的钻柱旋转的速度；以及
脱离模式，其中所述齿轮箱160将未修改的转矩和旋转从其一端传输
到另一端。图2A示出处于脱离模式的示例齿轮箱160a，并且图2B
示出处于啮合模式的示例齿轮箱160a。
齿轮箱160a具有呈以端对端方式布置的一对同轴地对准的中空
传动轴的示例形式的旋转输入构件和旋转输出构件。在此示例实施方
案中，传动轴包括太阳齿轮轴202和行星齿轮架轴205(这样命名的
原因在下文将是显而易见的)。传动轴202、205各自大体是管状的，
限定在其中同轴地延伸的流体通道207。当齿轮箱160a结合在钻柱
108中时，相应的传动轴202、205的各自的流体通道207限定沿着
其长度的钻柱108的内部孔128的一部分。流体通道207具有相同的
内径并且处于端对端流体流连通。流体通道207因此一起形成复合流
体导管，所述复合流体导管连续延伸穿过齿轮箱160a、大致是不封
闭的并且具有沿着其长度的一致的截面轮廓。应注意，在其他实施方
案中，相似的齿轮箱可以限定截面轮廓沿着流体导管的长度变化的连
续延伸的复合流体导管。
传动轴202、205中的每一个在其外端处(即，其距离其他传动轴
205、202最远的末端)具有连接构造209。每个连接构造209在使用
中将传动轴202、205连接到邻近钻杆段109(或者，在其他实施方案
中连接到邻近钻柱段)，以形成钻柱转矩和旋转可以在其中传输的接
头。应注意，图2A和图2B单独地示出齿轮箱160a，并且因此允许
太阳齿轮轴202和行星齿轮架轴205分别连接到沿井孔上行和沿井孔
下行的邻近钻杆段109。
在此实施方案中，连接构造209提供螺纹连接箱体接头，其中一
个连接构造209以承/插的方式螺纹连接地接收在互补连接构造209
中。齿轮箱160a的连接构造209包括一对互补连接构造209(例如，
凸形构造和凹形构造)，以促进齿轮箱160a在钻柱108中的兼容的且
可互换的直线结合。连接构造209的互补性还有助于两个或更多个齿
轮箱160的端对端连接，如果速度修改处于比应用单个齿轮箱160所
提供的比率更大的比率的话。应注意，当向井下看时，传动轴202、
205的旋转方向被维持为顺时针。始终维持这个一致的旋转方向，而
不管齿轮箱160是被布置用于增速修改、还是被布置用于减速修改、
是处于啮合模式还是处于脱离模式。
如从下文描述将显而易见的，传动轴202、205中的一个在操作
中用作输入构件或者输入轴；而另一传动轴202、205用作输出构件
或者输出轴。特定的齿轮箱160是用作增速修改器(以增加旋转速度)
还是用作减速修改器(以减小旋转速度)取决于太阳齿轮轴202和行星
齿轮架轴205中的哪一个用作输入轴。由于钻柱转矩和旋转通常在沿
井孔下行的方向上传输，源自钻探平台112，被定位在特定的齿轮箱
160的井上端的传动轴202、205通常将用作输入轴。在图1的示例
实施方案中，所述对齿轮箱160大致是类似的，但是具有相反的取向。
上部齿轮箱160a被定向为提供减速功能(速度方面)，而下部齿轮箱
160b被定向为提供钻柱旋转速度的增速修改。图2示出处于其操作
的、减速取向的上部齿轮箱160a，其中太阳齿轮轴202被定位在井
上端。在一些实施方案中，齿轮箱160可以是可反向的，以使得特定
的齿轮箱160可以被用作增速修改器或者用作减速修改器，这取决于
所述齿轮箱160在钻柱108中连接的取向的现场选择。
然而，在此实施方案中，每个齿轮箱160被配置用于减速或者增
速操作，这取决于连接构造209的性质。例如，上部齿轮箱160a通
过以下方式被配置用于减速配置：使其太阳齿轮轴202上具有凹形连
接构造209，并且使其行星齿轮架轴205上具有互补的凸形连接构造
209。示例下部齿轮箱160b(未单独示出)在结构上与示例上部齿轮箱
160a相同，除了所述下部齿轮箱160b的行星齿轮架轴205具有凹形
连接构造209(因此被配置用于结合在钻柱108中，以使得其行星齿
轮架轴205位于所述装置的井上端)，同时其太阳齿轮轴202具有凸
形连接构造209。
每个齿轮箱160包括用于将转矩和旋转从输入轴传递到输出轴
的传输机构。传输机构包括行星齿轮系统，所述行星齿轮系统包括一
组由行星齿轮架轴205携带的行星齿轮211。行星齿轮架轴205因此
用作用于行星齿轮系统的行星齿轮架。行星齿轮211在行星齿轮架轴
205上安装在其井上端处，以恒定半径围绕齿轮箱160的主要纵向轴
线248有规律地周向地间隔开(参见图3)。每个行星齿轮211相对于
行星齿轮架轴205可围绕相应的行星轴线213旋转，所述行星轴线
213平行于主要纵向轴线248纵向延伸。通过所述组行星齿轮211的
行星轴线213描述的圆环与齿轮箱160a的纵向轴线248同轴，并且
因此也与同轴地对准的传动轴202、205同轴。行星轴线213针对行
星齿轮架轴205具有固定的空间关系，并且因此在行星齿轮架轴205
内可围绕主要纵向轴线248旋转。
太阳齿轮轴202的井下端被成型来提供外部太阳齿轮215(具体
参见图3)。太阳齿轮215包括直径减小的插口结构271的径向外表面
上的周向延伸的一组齿轮齿，所述直径减小的插口结构271由太阳齿
轮轴202的井下端限定。中心凸台从插口结构271轴向突出并且被轴
颈连接在滚子轴承219中，所述滚子轴承219被同轴地容纳在行星齿
轮架轴205的井上端中的互补插槽中。行星齿轮211与太阳齿轮215
相啮合。
齿轮箱160a还包括管状外壳221，在其中同轴地容纳了传动轴
202、205(并且尤其是它们的邻接端)的长度的主要部分。在此示例实
施方案中，外壳221用于多种目的，其中一个目的是提供传输机构的
行星齿轮系统的环形齿轮223，所述环形齿轮223将输入轴(202)驱动
地连接到输出轴(205)。在此示例实施方案中，外壳221因此构成上
面提供环形齿轮223的环形齿轮主体。环形齿轮223是形成在外壳
221上的内部齿轮，因此包括管状外壳221的圆柱形内表面上的周向
延伸的一组齿轮齿，所述组齿轮齿与行星齿轮211轴向对准。行星齿
轮211与太阳齿轮215和环形齿轮223同步啮合。作为行星齿轮组的
部分，行星齿轮211、太阳齿轮215和环形齿轮223的齿轮齿被配置
用于啮合、具有共同的齿距并且具有类似的工作深度。
齿轮箱160a还具有切换机构，其用于使行星齿轮传输机构在啮
合模式(图2B)与脱离模式(图2A)之间切换。在啮合模式中，太阳齿
轮轴202和行星齿轮架轴205以相同的速度旋转，以使得齿轮箱160a
以未修改的速度将转矩和旋转从其一端传输到另一端。在脱离模式
中，行星齿轮架轴205比太阳齿轮轴202更慢地旋转，以使得齿轮箱
160a在其传输期间修改钻柱旋转的速度。
在此实施方案中，当外壳221(a)相对于钻孔104在其中延伸的地
质岩层自由地旋转，同时(b)外壳221旋转地键固到行星齿轮架轴205
时，齿轮箱160a处于脱离模式。将理解，啮合的行星齿轮组的三个
主要部件的两个(此处是行星齿轮架轴205和由外壳221提供的环形
齿轮构件)的键固旋转必要地使得剩余主要部件(此处是太阳齿轮轴
202)以相同的通用速度旋转。在其他实施方案中，在脱离模式中将操
作的行星齿轮系统部件旋转的断开键固可以包括将一对不同的主要
行星齿轮组部件锁定在一起。然而，在啮合模式(图2B)中，主要行星
齿轮系统部件相对于彼此可旋转，但是外壳221相对于钻孔104在其
中延伸的岩层被旋转地锚固。
切换机构包括锚固机构，所述锚固机构被配置来允许外壳221的
选择性锚固以防止相对于岩层发生旋转。在此示例实施方案中，锚固
机构包括呈锚固靴227的示例形式的一组锚固构件，所述锚固靴227
安装在外壳221上以用于相对于外壳221径向移位，以选择性地啮合
钻孔壁118(参见图1)以用于旋转地锚固外壳221以及衍生开来环形
齿轮223。短暂地转向图4，可以看到示例齿轮箱160a具有在外壳
221上以规律间隔周向地间隔开的四个锚固靴227。每个锚固靴227
可在以下两者之间径向地移位：(a)回缩状态(图2A和图3)，其中锚
固靴227被径向回缩，平靠着外壳221的径向外表面，以实现钻孔壁
118与锚固靴227的径向外接触表面之间的径向间隙；以及(b)展开状
态(图2B)，其中锚固靴227与回缩状态中的情况相比从外壳221径向
突出更远，所以锚固靴227的径向外接触表面在操作中抵靠在钻孔壁
118上，从而抵抗锚固靴227(以及因此其所键固的外壳221)的旋转，
这是因为切向抵抗力会作用在钻孔壁118与锚固靴227之间。
锚固靴227可以被配置用于允许沿着钻孔104进行纵向移动，同
时抵抗旋转。在这类情况中，每个锚固靴227可以具有例如成型的径
向外表面，所述成型的径向外表面限定许多纵向延伸的刃或脊以切入
到钻孔壁118中并且允许外壳221沿着钻孔104进行纵向滑动，同时
抵抗或者防止外壳221相对于钻孔壁118的旋转。在其他实施方案中，
类似于锚固靴227的锚固构件可以包括安装在外壳221上用于围绕切
向延伸的滚子轴线旋转的滚子。在这类情况中，滚子可以是圆盘形状
的并且可以朝向径向外刃边缘逐渐变细，以使得每个滚子在操作中以
犁头的方式切入到钻孔壁118中。这可以提供滚子与钻孔壁118之间
的正切向锚固界面，同时允许沿着钻孔104进行大致无摩擦的滚动
221。
用于致动和引导锚固靴227的径向移动(并且迫使锚固靴227的
接触表面靠在钻孔壁118上以用于促成足够大的切向摩擦制动力)的
致动机构包括一对纵向间隔开的推杆231。每个推杆231径向延伸穿
过外壳221的管状壁，具有在推杆231的内端处保持系留在外壳221
的内部中的平坦蘑菇形头部235，以用于与形成切换活塞239(下文对
此有更多描述)的部分的凸轮结构进行凸轮随动啮合，以便以提升阀
的形式通过推杆231来径向向外推动锚固靴227。每个锚固靴227可
以具有将锚固靴227偏置到回缩状态的偏置机构。这种偏置机构可以
包括例如在每个推杆231的头部235与外壳221之间起作用的相应的
螺旋压缩弹簧。
切换机构还可以包括相对于外壳221可移位的切换构件。在此示
例实施方案中，切换构件由切换活塞239提供，所述切换构件被径向
定位在行星齿轮架轴205与外壳221之间，并且相对于外壳221和行
星齿轮架轴205两者可在以下两者之间轴向滑动：脱离位置(图2A)，
其中齿轮箱160a被切换成脱离模式；以及啮合位置(图2B)，其中齿
轮箱160a被切换成啮合模式。切换活塞239大体是管状的，并且与
外壳221和行星齿轮架轴205密封地啮合以限定一对液压压力腔240，
所述一对液压压力腔240由形成切换活塞239的部分的环形肋条分
开。为了引起切换活塞239沿井孔上行或沿井孔下行的轴向移动，所
述切换活塞239的液压致动可以通过将加压的液压控制流体传送到
压力腔240中的对应的压力腔来实现。
切换活塞239的径向外表面具有成型外形，所述成型外形限定凸
轮表面以将切换活塞239的轴向移动转换成推杆231以及衍生开来的
锚固靴227的径向移动。在此实施方案中，凸轮表面包括一对轴向间
隔开的凹槽245，所述一对轴向间隔开的凹槽245在形状和空间布置
上与推杆231的头部235互补。当切换活塞239处于脱离位置时，在
推杆头部235与凹槽245(图2A)对齐时，推杆231的径向回缩被允许，
从而允许锚固靴227径向向内移位到回缩状态中。然而，当推杆头部
235在轴向上不与凹槽245(图2B)对齐时，推杆头部235邻接抵靠在
径向凸起的表面243上，从而防止推杆231的径向向内移动并且因此
将锚固靴227保持在展开状态。凹槽245与凸起表面243之间的过渡
区域是斜切的或者倾斜的，以在切换活塞239的轴向移动期间啮合相
应的推杆头部235上的外周边缘上的互补斜面。
每个齿轮箱160还包括控制装备167(在图1中示意性示出)以在
此实例中通过控制切换活塞239的轴向定位来控制传输机构在啮合
模式与脱离模式之间的切换。控制装备167包括被配置来接收控制信
号并对其进行解码的信号接收器，所述控制信号例如源自地面控制系
统140和/或源自形成BHA151的部分的测量和控制组件120。如所
提及，控制信号可以是流体脉冲信号、电信号、电磁信号、声学信号
或者任意其他合适的数据载波信号。
控制装备167可以可操作地连接到致动机构以引起切换活塞239
在啮合位置与脱离位置之间的致动轴向位移。在此示例实施方案中，
致动机构包括液压致动装备，所述液压致动装备通过控制外壳221中
整个切换活塞239上的压力差(例如，通过选择性地对所述对压力腔
240中的一个加压，如从图2A和图2B的比较将显而易见的)来控制
切换活塞239的轴向定位。在一些实施方案中，用于致动切换活塞
239的液压流体可以是通过结合在齿轮箱160中的专用液体泵加压的
液压控制流体，诸如油。在其他实施方案中，切换活塞239的轴向位
移可以利用通过内部孔128向井下输送并经由环空134返回井上的钻
探流体进行液压致动。在一些实施方案中，致动机构可以使用孔压力
与环空压力之间的压力差来致动切换活塞239。这种压力差控制可以
通过形成切换机构的部分的一个或多个阀来提供，并且被配置用于选
择性地使齿轮箱160a的相应的压力腔240与环空134或内部孔128
的流体流连通断开或连接起来。在这类情况中，控制装备167可以被
配置来响应于通过控制装备167接收的控制信号而控制阀布置，从而
使得能够通过分别处于啮合模式或者脱离模式的每个齿轮箱160的
处置进行远程控制。本领域技术人员将理解，工具控制和部件致动可
以按多种替代方式实现，所述替代方式可以包括机电控制和激活；电
动液压控制和激活；以及纯机械或者专用液压机械控制和激活。
切换机构还可以包括锁定机构，以在齿轮箱160a处于脱离模式
时，将传动轴202、205中的至少一个旋转地锁定到外壳221，但是
在齿轮箱160处于啮合状态时，将传动轴202、205从外壳221解锁，
从而允许相应的传动轴202、205相对于外壳221以不同的速度旋转。
在此示例实施方案中，切换活塞239不仅形成锚固机构的部分(其中
所述切换活塞239用作引起锚固靴227的径向延伸的凸轮构件)，而
且还形成锁定机构的部分。为此目的，切换活塞239包括一组键247，
所述键247可轴向地接收在与外壳221固定在一起的互补键槽251
中。如在附图的图4中最佳地可见，示例齿轮箱160a具有一组四个
周向间隔开的键/键槽对(247/251)，每一对提供切换活塞239与外壳
221之间的平行键连接。类似的键固机构被提供用于将切换活塞239
旋转地键固到行星齿轮架轴205。在此实例中，键固机构包括花键接
头，所述花键接头包括分别位于切换活塞239和行星齿轮架轴205上
的互补肋条-花键构造254。如图2A和图5中所示，肋条和花键构造
254被定位成使得它们在切换活塞239处于脱离位置时啮合(因此经
由切换活塞239而将行星齿轮架轴205旋转地键固到外壳221)，并且
使得花键构造254在切换活塞239处于啮合位置(参见图2B)时与互补
肋条构造轴向隔开，从而允许行星齿轮架轴205相对于外壳221旋转。
在此示例实施方案中，键槽251被设定尺寸以使得相应的键247
在切换活塞239处于啮合位置时不轴向移动离开对应的键槽251，以
使得切换活塞239永久地键固到外壳221，同时可相对于所述外壳221
滑动。在啮合模式中，切换活塞239因此与外壳221一起旋转，而不
受行星齿轮架轴205的影响。如所提及，当切换活塞239轴向沿井孔
上行滑动到啮合位置(图5)时，切换活塞239与行星齿轮架轴205之
间的旋转脱离通过它们的相应的花键构造254的轴向失准来产生。
一个或多个传输修改器装置，诸如参考图2-5描述的示例齿轮箱
160a，可以装配到BHA151或者钻柱108的任意其他部分中，以根
据操作上的需要允许钻柱108的不同部分中的旋转速度发生变化。当
不存在传输速度修改时，需要特定的齿轮箱160，所述齿轮箱160被
设置在脱离模式中，以使得它以等同的速度将所述齿轮箱160上方的
钻柱旋转速度传递到所述齿轮箱160下方的所有部件。再次短暂地参
考图2A和图3-5，可以看到，当因此被脱离时，未修改的旋转和转
矩传输通过输入构件(例如，太阳齿轮轴202)、外壳221、切换活塞
239以及输出构件(例如，行星齿轮架轴205)的协调一致的旋转来产
生。将理解，在这种互锁旋转期间，行星齿轮211的行星轴线213以
与太阳齿轮轴202相同的旋转速度围绕纵向轴线248旋转。这是因为
切换活塞239通过肋条和花键构造254旋转地键固到行星齿轮架轴
205，并且通过由啮合的键247和键槽251提供的键连接旋转地键固
到外壳221(以及衍生开来的环形齿轮223)。
齿轮箱160a，或者多个齿轮箱160可以通过来自地面控制系统
140的通信来操作，以选择性地切换成啮合模式(图2B)。在啮合模式
中，锚固靴227压靠在钻孔壁118上，从而防止外壳221相对于岩层
旋转。外壳221的这种旋转锁定提供锁定的环形齿轮223，以用于行
星齿轮组修改旋转速度的操作。同时，切换活塞239的花键构造254
从行星齿轮架轴205的互补肋条构造脱离，以使得行星齿轮架轴205
与外壳221之间的旋转相互作用和转矩传递大致上排他性地通过行
星齿轮211与由外壳221提供的环形齿轮223的啮合来实现。行星齿
轮211在与太阳齿轮轴202和所述组行星轴线213两者的旋转方向相
反的方向上围绕它们相应的行星轴线213旋转。由于每个行星齿轮
211与环形齿轮223和太阳齿轮215两者啮合，并且由于环形齿轮223
是稳定的，对应的行星轴线213的瞬间切向速度等于太阳齿轮215的
瞬间切向速度的大致一半。然而，由于行星轴线213和太阳齿轮215
的齿位于距旋转轴线248的不同半径处，行星轴线213(以及衍生开来
的行星齿轮架轴205)相对于太阳齿轮轴202以固定的、降低的速率旋
转。在此示例实施方案中，太阳齿轮轴202的旋转速度与行星齿轮架
轴205的旋转速度之比为2.5∶1。转矩修改比是速度修改比的倒数。
对于不同定向的齿轮箱160(例如，其中行星齿轮架轴205被定位在
装置的井上端)来说，类似的但相反的结构导致相同比率的速度增加
(以及成比例的转矩减少)。尽管由齿轮箱160提供的示例传输修改器
装置可以按固定比率速度修改传送，但其他实施方案可以包括更复杂
的齿轮系统，其中许多不同的速度修改比率主要可供用于经由远程控
制的换档功能来选择。
诸如示例齿轮箱160a的传输修改器装置的各种操作用途可能在
钻柱108的不同部分中为钻柱108的管状壁实现不同的旋转速度。在
图1的示例实施方案中，所述对齿轮箱160当它们至少部分地处于钻
孔104的弯曲部分105中时可以啮合到钻柱108的中间部分163中以
减小旋转速度，同时在钻柱108中的弯曲部分105之外的部分中实现
相对较高的旋转速度。
钻孔104或者井眼中的高弯折部(也被称为狗腿部)在旋转期间可
能会在钻柱108中弯曲或者弯折的部分上引起附加疲劳或者磨损。例
如，狗腿部可能会使钻柱部件将显著更高的侧面负载施加在这些点
上，这进而可能会引起机械磨损。进行旋转的同时处于非直线形设置
中的钻柱部件因此经受更大的磨损，这可能会增加钻柱108的冲蚀或
者其他毁灭性故障的风险。被定位在弯曲部分(诸如图1的示例弯曲
部分105)中的套管钻孔段经受套管和钻杆的更高的磨损率。这会负面
地影响套管的长期结构或压力完整性，这可能会要求进行补救挤水泥
或者装上套管以修补磨损段。然而，钻柱速度的普遍减小是不可行的，
因为较低的旋转速度会在钻柱108的某些部分中引起其他问题。相对
较高的旋转速度在钻柱108的一些部分中是期望的，例如，以协助钻
屑搅拌和运输，尤其是在高角度的钻孔104中。
如果需要，可以通过所述对齿轮箱160的受控制的啮合和/或脱
离以便以较低速度旋转中间部分163来有效地改善这些问题。当中间
部分163被完全定位在弯曲部分105上方时，上部齿轮箱160a和下
部齿轮箱160b可以被设置成脱离模式，以使得转矩和旋转沿着中间
部分163以与钻柱108中紧邻其上方和下方的部分相同的速度传输。
然而，当中间部分163进入钻孔104的弯曲部分105时，两个齿
轮箱160可以切换成啮合模式，以使得上部齿轮箱160a减小钻柱速
度，同时相反定向的下部齿轮箱160b相反地增加钻柱速度。这具有
如下结果：BHA151(以及在下部齿轮箱160b与BHA151间隔开的情
况中下部齿轮箱160b的沿井孔下行的任意其他部件)以与通过钻探平
台112处的地面设备施加到钻柱108的速度相同的速度旋转。一旦钻
柱108已经朝向井下充分地迁移以使得上部齿轮箱160a被定位在弯
曲部分105的底端的井下，所述对齿轮箱160就都可以再次切换成脱
离模式，以使得中间部分163再次与钻柱108的剩余部分协调一致地
旋转。
将理解，多个齿轮箱160可以相应的对结合在钻柱108中，所述
相应的对以比弯曲部分105的长度更大的距离间隔开来。在这种情况
中，各种齿轮箱160可以随着相应的中间部分163穿过钻柱108的弯
曲部分105而啮合和/或脱离，以使得弯曲部分105中的钻柱108的
旋转速度持续地维持在比钻柱108中弯曲部分105上方和下方的剩余
部分更低的旋转速度。
图6和图7示出使用根据本公开的一方面的示例传输修改器装置
的方法的另一示例实施方案，还示出根据本公开的钻柱设施602的另
一示例实施方案。在图6的实施方案中，钻柱108包括恰好定位在
BHA151后方的下部齿轮箱160.1，以及与下部齿轮箱160.1间隔开
多个钻柱段长度以限定它们之间的中间部分663的上部齿轮箱160.2。
在图6的实施方案中，齿轮箱160.1和160.2具有相同的取向，在此
示例实施方案中被定向用于增速速度修改。再次短暂地参考图2A，
图6中的齿轮箱160中的每一个齿轮箱可以具有其被定位在相应的装
置的井上端的行星齿轮架轴205。
最初，两个齿轮箱160可以被脱离，其中钻柱108以普遍速度旋
转。在钻柱108的这种初始的统一旋转期间，可以相对较高的速度将
地面旋转施加到钻柱108。然而，当钻柱108处于图6中示出的位置
时，BHA151已经钻探穿过弯曲部分105并且现在被放置在钻孔104
的水平井段中。减小的地面旋转速度现在可能是合适的，以防止弯曲
部分105中的钻柱108以及套管的磨损。然而，这种减小的旋转速度
可以比适合用于钻孔104的完全水平的井段中的孔清洁的速度更小。
比从地面供应的速度更大的旋转速度因此适合用于水平井段。在此阶
段，下部齿轮箱160.1可以切换成啮合模式。通过钻柱108从地面接
收的用于保护套管的较低的旋转速度现在通过下部齿轮箱160.1来增
加。这实现BHA151处于较高旋转速度的旋转，以使得BHA151以
高得足以将岩屑搅拌到环空134的流体流动路径中以用于从钻孔104
中运输出来的速度旋转。在此操作阶段，上部齿轮箱160.2处于脱离
模式，并且不会修改钻柱108的钻杆的旋转速度。
当钻柱108处于图7中示出的状态时，钻孔104的延伸的水平井
段已经被钻探，并且上部齿轮箱160.2被定位在钻孔104的弯曲部分
105的下方。在此阶段，操作员可以将上部齿轮箱160.2切换成啮合
模式，以增加上部齿轮箱160.2下方的旋转速度。下部齿轮箱160.1
现在可以被脱离，因为上部齿轮箱160.2下方的所有钻柱部件(包括
BHA151和下部齿轮箱160.1)均以由上部齿轮箱160.2驱动的较高的
旋转速度旋转。尽管图6和图7的示例实施方案中示出仅两个齿轮箱
160，但是所描述的操作原理可以衍生为与任意数目的齿轮箱160一
起使用。钻柱108因此可以具有沿着钻柱108(例如，以规律间隔)间
隔开的多个齿轮箱160。齿轮箱160160中的每一个齿轮箱接着将在
它到达弯曲部分105的底端时啮合，并且将在它处于弯曲部分105上
方时处于脱离模式，并且在另一井上齿轮箱160更接近弯曲部分105
时处于啮合模式。在一个实施方案中，连续的齿轮箱160之间的间隔
可以对应于或者略微大于待协商的弯曲部分105的长度。
如图7中示意性所示，齿轮箱160可以包括呈旋转传感器的示例
形式的一个或多个遥测装置，所述一个或多个遥测装置用于测量相关
齿轮箱160的输入速度和输出速度，并且将所测量的输入速度和输出
速度传达至控制装备167(例如，测量和控制组件120)。图6和图7
的实施方案中的每个示例传输修改器装置因此包括输入每分钟转数
(rpm)传感器606和输出rpm传感器609。这些传感器606、609可以
通信地耦接到控制装备167(为使图示清晰，在图7中未示出)，所述
传感器606、609可以包括用于与例如BHA151或者地面控制系统140
通信的信号发送器。应注意，上文讨论的遥测装置(以及如下文参考
图8所描述的模式传感器808)还被提供在参考图1-5描述的示例齿轮
箱160中。
在其他实施方案中，传输修改器装置可以被用来使钻柱旋转的速
度减速，如果旋转速度受限于另一钻柱部件的功能需要的话。这种方
法的实例将参考图8来描述，图8示出根据另一示例实施方案的钻探
系统802。在由图8的钻探系统802执行的钻探操作中，贯穿钻柱108
的上段(在此实例中“上段”是钻柱108中定位在呈齿轮箱160A和
160B的示例形式的一对传输修改器装置的井上的部分)需要以更高的
速度执行旋转。然而，BHA151的部分具有它们可以安全地操作所处
的操作速度上限。在此实例中，上段以相对较高的旋转速度旋转，所
述旋转速度高于形成BHA151的部分的一些下部部件的速度限制。
在图8的示例实施方案中的所示对齿轮箱160恰好在BHA151的井
上端对端连接在一起。齿轮箱160A、160B中的至少一个可以由操作
员选择性地啮合以将从钻柱108的上段接收的旋转速度减小为处在
下部部件的操作范围内的速度。
如通过参考数字808示意性地所指示，图8中的每个齿轮箱160
包括呈模式传感器808的形式的另外的遥测装置(除了或者在一些实
施方案中替代控制装备167和/或旋转传感器606、609)，所述模式传
感器808用于感测相应的齿轮箱160的当前啮合模式并且将所述当前
啮合模式传达到场外接收器(例如，形成BHA151的部分)。
如图8的示例实施方案中所示，一些示例实施方案包括将许多传
输修改器装置例如齿轮箱160连接在一起，如果将使用处于比由传输
修改器装置160中的单个传输修改器装置提供的比率更大的比率的
速度修改的话。在此实例中，一对装置以减速取向连接在一起。如果
2.5∶1速度减小是所需的，那么所述对装置160中的仅一对被啮合，
同时两个装置116可以组合的方式啮合以提供5∶1的减速率。将理解，
任意数目的装置116可以组合的方式连接在一起以提供所需的速度
变换率。这种复合传输修改器组件可以被定向来提供增速变换，或者
提供减速变换(如同在图8的示例实施方案中的情况一样)。示例齿轮
箱160因此提供模块化速度修改单元，所述模块化速度修改单元可以
在钻柱108中任意位置连接并且与其他类似的齿轮箱160任意组合，
以修改它的沿井孔向下的钻杆壁的操作旋转速度和转矩。因为齿轮箱
16的连接构造209(参见图2)与钻杆段109的连接构造209、工具子
部件、控制子部件、BHA151等等兼容，并且与其他类似的齿轮箱
160兼容，所以钻柱108的不同部分的旋转速度行为可以通过在钻探
平台112处将齿轮箱160插入在钻柱108中的所需位置来动态地并在
运作中修改。
通过上文描述的示例实施方案实现的所公开的主题的一些方面
因此包括用于独立修改钻柱部分的旋转速度的方法。速度修改的钻柱
部分因此以不同于钻柱的其他部分的速度旋转。在一方面，所述方法
包括：沿着钻柱选择性地传输转矩和旋转，所述钻柱在钻孔内延伸并
且包括端对端连接的多个钻柱段；将一对传输修改器装置结合在钻柱
中的纵向间隔开的位置处，以使得限定在所述对传输修改器装置之间
的中间部分包括多个钻柱段；使用每个传输修改器装置以在相应的传
输修改器装置的相反端处的邻近钻柱段之间传输钻柱转矩和旋转；以
及使每个传输修改器装置在以下两者之间选择性地切换：(a)脱离模
式，其中所述传输修改器装置传输大致未改变的钻柱转矩和旋转，以
及(b)啮合模式，其中所述传输修改器装置在传输期间修改钻柱转矩
和旋转以便以修改的输出速度传送输出旋转。
所述方法还可以包括将所述对传输修改器装置设置在相应的啮
合模式中，以使得钻柱的弯曲部分以低于钻柱的大致直线形部分的速
度旋转。钻柱中弯曲部分下方的至少一部分因此可以高于中间部分的
速度旋转。在一些实施方案中，钻柱中弯曲部分上方的部分和钻柱中
弯曲部分下方的部分相对于所述弯曲部分可以升高的旋转速度旋转。
所述方法可以包括在所述对传输修改器装置中的第一传输修改
器装置被定位在钻孔中的特定点处或者邻近所述特定点定位时，将所
述第一传输修改器装置切换成啮合模式，使所述对传输修改器装置中
的第二传输修改器装置处于脱离模式，从而使得钻柱中定位在第一传
输修改器装置的井下的部分相对于钻柱中定位在第一传输修改器装
置的井上的部分以修改的速度旋转；以及在第一传输修改器装置的后
续井下迁移之后，当第二传输修改器装置被定位在钻孔中的特定点处
或者邻近所述特定点定位时将第二传输修改器装置切换成啮合模式，
从而使得钻柱中定位在第二传输修改器装置的井下的部分相对于钻
柱中定位在第二传输修改器装置的井上的部分的旋转速度以修改的
速度旋转。在这类情况中，修改的速度可能高于钻柱通过地面设备驱
动地旋转所处的地面速度。
在一些示例实施方案中，钻柱可以包括沿着钻柱的长度交错排列
的多个传输修改器装置，在这种情况中，所述方法可以包括当每个传
输修改器装置到达钻柱中的特定点时将所述每个传输修改器装置切
换成啮合模式，同时当后续的传输修改器装置被切换成啮合模式时将
每个传输修改器装置切换回脱离模式。以此方式，钻柱中特定点的沿
井孔向下的部分相对于钻柱中特定点的沿井孔向上的部分被一致地
维持在修改的旋转速度。在一些实施方案中，一系列传输修改器装置
被连续地切换成啮合模式所处的特定点可以处在或者邻近钻孔的弯
曲部分的井下端，在这种情况中，钻柱中弯曲部分下方的大致直线形
部分相对于弯曲部分中钻柱的旋转速度可以被一致地维持在升高的
旋转速度。应注意，在这类情况中，构成相应的钻柱部分的特定钻柱
段将随着钻柱向井下(或者向井上，视情况而定)迁移而改变，但是以
不同速度旋转的不同部分相对于钻孔的位置被保持大致恒定，因为当
相应的传输修改器装置向井下迁移得足够远以变成弯曲部分的沿井
孔下行的钻柱部分的部分时，会将所述相应的传输修改器装置连续切
换成啮合模式。
所述方法还可以包括在所述对传输修改器装置中没有传输修改
器装置处于啮合模式时使钻柱以基线地面速度驱动地旋转；以及在所
述对传输修改器装置中的任一个处于啮合模式时使钻柱以不同于基
线地面速度的改变的地面速度驱动地旋转。
所述方法还可以包括将所述对传输修改器装置中的两者设置在
啮合模式中。在一些实施方案中，传输修改器装置的一个在被设置在
啮合模式中时减小跨过它的钻柱旋转速度，而所述对的另一传输修改
器装置在被设置在啮合模式中时增加跨过它的钻柱旋转速度。在这类
情况中，所述对传输修改器装置之间的中间部分选择性地以不同于钻
柱的剩余部分的钻柱速度旋转，这被提供用于所述中间部分的独立旋
转速度控制。在其他实施方案中，所述对传输修改器装置可以被定向
或者被配置来分别增加跨过它们的钻柱旋转速度，或者可以替代地被
定向或者被配置来分别减小跨过它们的钻柱旋转速度。
所述方法还可以包括从所述对传输修改器装置接收相应的模式
信号，每个模式信号指示对应的传输修改器装置的当前啮合模式。所
述方法还可以包括从所述对传输修改器装置中的每一个传输修改器
装置接收至少一个速度信号，每个速度信号指示以下至少一项的感测
的旋转速度：对应的传输修改器装置的输入构件，以及对应的传输修
改器装置的输出构件。
在一些实施方案中，传输机构包括行星齿轮系统，所述行星齿轮
系统驱动地将相应的传输修改器装置的输入构件和输出构件互连。在
这类情况中，所述方法还可以包括(a)通过将行星齿轮系统的环形齿轮
构件旋转地锚固到钻孔在其中延伸的岩层来将传输机构设置为啮合
模式，以及(b)通过释放环形齿轮构件到岩层的旋转锚固，同时将至
少太阳齿轮构件或者行星齿轮架构件旋转地键固到所述环形齿轮构
件来将传输机构设置为脱离模式。
本公开中通过上文描述的示例实施方案实现的移动的另一方面
包括用于结合在钻柱中的装置，所述装置将包括同轴地端对端连接在
一起以沿着钻柱传输钻柱转矩和旋转的多个管状钻柱段，所述装置包
括，至少：(a)管状输入构件，其被配置用于耦接到第一钻柱段以便以
输入速度从所述第一钻柱段的管状钻杆壁接收钻柱转矩和旋转；(b)
管状输出构件，其被配置用于耦接到第二钻柱段以将钻柱转矩和旋转
传输到所述第二钻柱段的管状钻杆壁，所述输入构件和所述输出构件
被同轴地对准；以及(c)被动传输机构，其被耦接到输入构件和输出构
件以将转矩和旋转从所述输入构件传输到所述输出构件，所述传输机
构可在以下两者之间切换：脱离模式，其中所述传输机构被配置来以
大致等于输入速度的输出速度将转矩和旋转传送到输出构件；以及啮
合模式，其中所述传输机构被配置来相对于输入速度以修改的输出速
度将转矩和旋转传送到输出构件。
输入构件和输出构件可以限定相应的流体通道，所述流体通道被
同轴地对准并且处于流体流连通以限定连续延伸穿过所述装置的复
合流体导管。复合流体导管可以与所述装置的纵向轴线同轴地设置，
所述复合流体导管具有沿着其长度的大致恒定的截面轮廓。在这类情
况中，传输机构可以与复合流体导管大致隔开。在一些实施方案中，
输入构件和输出构件可以具有大致相似的内径并且可以具有大致相
似的外径，所述输入构件和所述输出构件被布置为端对端对准。
所述装置可以包括遥测装置，所述遥测装置用于将传输机构的当
前啮合模式传达到地面接收器。替代地或者此外，所述装置可以包括
一个或多个旋转传感器，所述一个或多个旋转传感器被配置来测量输
入构件和输出构件的相应速度，并且将所测量的速度传达到遥测装置
和/或地面接收器(例如，定位在地面处的计算机系统)。
传输机构可以包括输入构件和输出构件形成其一部分的齿轮机
构。在一些实施方案中，齿轮机构是行星齿轮系统。行星齿轮系统可
以包括，至少：(a)行星齿轮架轴，其由输入构件和输出构件中的一个
提供；(b)一组行星齿轮，其被安装在行星齿轮架轴上以围绕相应的
行星齿轮轴线旋转，所述行星齿轮轴线围绕行星齿轮架轴的旋转轴线
周向地间隔开；(c)太阳齿轮轴，其由输入构件和输出构件中的另一个
提供，所述太阳齿轮轴提供外部太阳齿轮；以及(d)大体管状的环形
齿轮主体，其与行星齿轮架轴和太阳齿轮轴同轴地设置，所述环形齿
轮主体提供内部环形齿轮，其中所述组行星齿轮与太阳齿轮和环形齿
轮啮合，从而通过所述组行星齿轮将转矩和旋转从行星齿轮架轴传输
到太阳齿轮轴，或者反之亦然。
所述装置还可以包括切换机构，所述切换机构用于使传输机构在
啮合模式与脱离模式之间切换，所述切换机构包括锁定机构，所述锁
定机构被配置来将环形齿轮主体旋转地锁定到行星齿轮架轴和太阳
齿轮中的特定一个，从而引起行星齿轮架轴、太阳齿轮轴和环形齿轮
主体的统一旋转。所述装置还可以包括旋转锚固机构，所述旋转锚固
机构被耦接到环形齿轮主体并且被配置用于当传输机构处于啮合模
式时与钻孔在其中延伸的岩层啮合，以阻止环形齿轮主体相对于岩层
旋转，所述切换机构被配置来同步地释放锁定机构以允许太阳齿轮轴
和行星齿轮架轴相对于环形齿轮主体进行齿轮传动式旋转。
旋转锚固机构可以包括锚固构件，所述锚固构件旋转地键固到环
形齿轮主体并且被配置用于在以下两者之间移位：展开状态，其中所
述锚固构件径向突出越过环形齿轮主体并且被设置为啮合所述岩层；
以及回缩状态，其中所述锚固构件相对于所述展开状态径向回缩，以
允许环形齿轮主体相对于所述岩层旋转。在这类情况中，切换机构可
以包括切换构件，所述切换构件被配置用于相对于环形齿轮主体在啮
合位置与脱离位置之间移位，以引起所述锚固构件在展开状态与回缩
状态之间移位，所述切换构件还被配置来使锁定机构响应于切换构件
在啮合位置与脱离位置之间的移动而进行锁定和解除锁定。
所述装置还可以包括用于使传输机构在啮合模式与脱离模式之
间切换的切换机构。在这类情况中，所述装置另外还可以包括控制装
置，所述控制装备被耦接到切换机构并且被配置来在所述装置被结合
在钻柱中且所述装置被定位在井下时接收控制信号。
通过上文描述的示例实施方案实现的本公开的另一方面包括钻
柱，所述钻柱包括传输修改器装置中的两个或更多个。本公开的又另
一方面包括钻探系统，所述钻探系统包括钻柱和控制系统，所述控制
系统通信地耦接到相应的传输修改器装置以使传输修改器装置在啮
合模式与脱离模式之间选择性地切换。
在以上具体实施方式中，可以看出，出于使本公开合理化的目的，
各种特征共同组合在单个实施方案中。本公开的这种方法不应解释为
反映以下意图：所要求保护的实施方案必须具有比每项权利要求中明
确叙述的特征更多的特征。相反，如随附权利要求书所反映，发明主
题在于比单个公开实施方案的所有特征更少的特征中。因此，随附权
利要求书在此并入具体实施方式中，其中每项权利要求自身可作为单
独的实施方案。