利用水压伺服循环的旋转导向钻井系统方案

通过排除万能接头中的钻井液而使摩擦力降到最小且同时允许在钻井过程中相对于旋转工具束套的偏移心轴的重大的导向控制运动。

螺线管阀的控制操作电源和工具的电子组件系统的电源是通过配电板交流发电机产生的，交流发电机是由通过暴露在钻井液中的涡轮机或容积式(油)马达的流动钻井液提供动力（运转）的。交流发电机的电输出也可以用来维持电池组的电能充电。当交流发电机不能由流动钻井液供电时，电池组为配电板电子组件以及其它的不同配电板电子仪器的运转提供电能。

例图说明

例图只是对钻具的典型设备作了描述，其形状范围不仅仅限于此型。 图1显示的是根据此发明专利的钻进中井的示意性图解，并且显示通过主动控制旋转导向钻井系统和方法的井筒下部的偏离。

图2显示的是依照此发明专利原理制造的旋转导向钻井系统的截面图。 图3显示的是该发明专利的主动控制旋转导向钻井系统的一个部分的截面图和产生电能和液压的钻井液增能系统的截面图，而且进一步显示一基本上非旋转的滑动套筒。

图3是液压和电子组件示意图解，显示的是 液压伺服环/圈。 首选具体设备的描述

本发明专利的主动控制旋转导向钻井系统包含四个基础部分：偏移机械装置、滑动套筒、控制系统和发电系统。

偏移机械装置---偏移机械装置将钻头转动轴或偏移心轴和旋转工具束套结合在一起。偏移心轴通过万能接头被耦合联结到工具束套上，万能接头使得旋转工具束套能够将驱动旋转传递给偏移心轴和连接在偏移心轴前

端的钻头。当工具束套将旋转传给偏移心轴时，万能接头允许维持相对于偏移心轴的所选角度的定位。这一特性将扭矩和重力从工具束套传输到偏移心轴同时保持偏移心轴指向一假设的偏离钻井的方向，例如，弯曲井筒。偏移心轴的方向通过由两个伺服阀开动四个液压活塞的运转而保持片刻的固定不变。

滑动套筒---滑动套筒被固定在旋转工具束套的一个部分的周围做相关的旋转，并且被多个(典型的是3个)从滑动套筒向外伸出的、且维持滑动套筒与井筒壁基本上非旋转关系的弹性刀片耦合联结到井筒壁上。滑动套筒为包括一个三轴伺服加速器和一个解析器的导航传感器提供支持，而且为位置信号捕获电子组件提供支持。滑动套筒还支持旋转变压器将加速器测量传输到钻具的部分。钻进中的井眼的测径器测量也可以通过测量涉及滑动套筒的三个弹性耦合刀片中的每一个的轴向位移而被合并在旋转导向钻井系统内。

控制系统---本发明专利的旋转导向钻具的导向控制系统是液压伺服环的形状且与工具的导航传感器和电子装置合并在一起。液压伺服环包括一个解析器以探测相对于滑动套筒的钻铤的方向，并且还包括一个三轴加速器以探测相对于重力场的滑动套筒的方向。液压伺服环还包括两个线性差动变压器(LVDT’s) 以探测相对于旋转工具束套的液压汽缸的液压活塞的径向位置，液压活塞可移动地保持在旋转工具束套内部。两个电子控制伺服阀也被合并在液压伺服环内部以便使相对于旋转工具束套的液压活塞同步。液压伺服环还包括导航传感器和伺服阀的信号探测和控制电子装置。

发电系统---通过使用容积式(油)马达(PAM)或涡轮机将来自流动钻井液的电能转换成机械能。PDM或涡轮机的输出转动轴被耦合联结到一个泵(齿轮泵或活塞泵)上，该泵将液压能提供给伺服阀。交流发电机也可以耦合联结到PAM或涡轮机的输出转动轴上以便为操纵旋转导向钻井系统的电子装置和传感器提供电源。

本发明专利的主动控制旋转导向钻井系统还能够与随钻测量系统(MWD/LWD)连接在一起。使用通过钻层的感应型传输可以获得与MWD/LWD工具的双向交流。本发明专利的旋转导向钻井系统的双向交流系统还允许在MWD/LWD工具和旋转导向钻井系统之间合并上一泥浆马达，以便泥浆马达可以用来为工具束套的旋转提供旋转动力且供给钻具适当的扭矩和有效导向钻井的重力。需要使四个液压活塞同步的以及获得和维持钻头偏移的液压动力是由PDM或涡轮机通过液压泵和两个伺服阀而传递的。

相对于重力场的偏移心轴的方向是从两套测量装置中获取的。相对于重力场(工具面板)的工具束套的旋转是由相对于滑动套筒(解析器)的工具束套的旋转测量值和相对于重力场(加速器)的滑动套筒的旋转测量值相结合而决定的。当相对于井眼的滑动套筒的旋转很慢时(每小时几圈)，来自径向加速器的信号就可以很容易地被过滤出来以抵制震动和颤动引起的噪音以便只保留信号的DC部分。相对于旋转工具束套的偏移心轴的定位是由两套液压活塞的位移的结合测量数据而决定的。这一位移是用两个安置在活塞室内的LVDT’s来测量的。

从运动学的角度来看，相对于旋转工具束套沿着x和y轴的活塞位移的振幅是正弦曲线，并且x和y位移的相角差是90°: ??x=

?? ??????(????) ????=??sin(????+90°) A=钻头偏移(如图2所示

L1/L2) w=旋转工具束套的转速。

与旋转工具束套的旋转相结合的Ax和Ay位移导致/产生一固定的向量，该向量保持偏移心轴的轴线指向固定的方向。工具面是由相对于重力场的这一固定向量的方向所决定的。

图1 井筒1显示的是通过旋转导向钻具正在钻进中的井眼，体现该发明专利原理。旋转导向钻具10连接在钻柱下端2，钻柱向上延伸至由旋转钻台驱动钻柱的地面。应记住旋转钻柱在本发明专利的实际应用中并非必需的。旋转导向钻具也可以通过连接到非旋转钻柱上的泥浆马达的旋转输出转动轴来驱动。换言之，可以使用旋转钻柱且泥浆马达可以被连接在其内部以便旋转钻柱可以按预期的旋转速度操纵，并且由泥浆马达驱动的钻头可以按不同的旋转速度操纵。为了达到对钻头施加重力及稳固钻柱的目的，钻柱2与具有一个或多个钻铤5的钻杆4合并。井筒1显示的是在主动控制旋转导向钻具10控制下的、正在钻进中的、具有一垂直的或基本上垂直的井筒的上部和一偏离的、弯曲的或横向的井筒的下部7。根据专利工具的原理，井筒的下部7将会通过钻具10的导向运动而偏离井筒垂直的上部。如图1所示，直接靠近旋转导向钻具10的钻柱可以与一弹性潜水器8合并，这样可以为旋转导向钻井系统提供增强的钻井精确性。根据通常的实际作业，钻井液或“泥浆”是由地面泵向下通过钻柱2而循环

的，在此处钻井液通过钻头20上的喷射口喷出来，并且通过钻柱2和井筒壁之间的环面21而返回到地面。图2所示，支撑钻头20的与相对于钻具10的旋转管状工具箍/束套12处于控制角度关系的偏移心轴14的角度始终被维持，即使钻具和钻头由钻柱、泥浆马达或其它的旋转驱动机械装置带动旋转，从而使钻头被导向钻出一弯曲井眼部分。钻具的导向是从倾斜和方位角（如：左和右）的角度而被选择性完成的。另外，旋转导向钻具的偏移心轴定位装置可以按预期改变，例如，通过泥浆脉冲遥测术使钻头选择性地改变钻进中的井眼轨迹，从而根据x,y和z轴指引偏离井眼的方向，以便精确地导向钻头和控制钻进中的井眼。

参见图2，主动控制旋转导向钻具10与可以通过任何适当方法(如泥浆马达的旋转输出或旋转钻柱)旋转的旋转工具箍/束套12合并在一起。在旋转工具箍/束套12内部，偏移心轴14由万能接头16支撑，万能接头16使偏移心轴14在钻井过程中与旋转工具箍/束套12一起旋转，并且允许偏移心轴14在相对于工具箍的枢轴点P周围做枢轴转动。在钻井作业中，相对于工具箍/束套12的偏移心轴14的与地球的相对位置不变的定位是由偏移机械装置18可控制性地建立的。为了达到偏移心轴14在通过旋转工具箍/束套12旋转期间的与地球的相对位置不变的定位，偏移心轴14被持续地定位在涉及通过偏移机械装置18旋转的转速的位置，以便当偏移心轴14旋转时，始终保持指向预定的方位角和倾斜度的方向。这一特性可以使钻进中的井眼能够按预定的方式被导向，例如，可能需要的从主井眼分开的分支井眼钻井或将钻进中的井眼导向地下不规则的生产层区。