用于旋转导向系统的减摇系统

申请号 CN201380071301.7 申请日 2013-03-05 公开(公告)号 CN105143591B 公开(公告)日 2017-05-03
申请人 哈里伯顿能源服务公司; 发明人 B·加吉; R·R·盖克维德; P·阿加瓦尔;
摘要 一种减摇系统用于旋转导向系统。钻井系统包括内嵌式地附接在 钻柱 中的管状壳体和被 支撑 以通过减摇系统在所述壳体中旋转的 钻头 驱动轴 。所述减摇系统包括:第一 齿轮 ,其由所述壳体承载以相对于所述壳体旋转,并且耦接成随所述钻头驱动轴旋转;和第二齿轮,其由所述壳体承载以相对于所述壳体旋转,并且耦接到所述第一齿轮,以沿所述第一齿轮的相反方向旋转。
权利要求

1.一种钻井系统,其包括:
管状壳体,其内嵌式地附接在钻柱中;
钻头驱动轴,其被支撑以通过减摇系统在所述壳体中旋转,所述减摇系统包括:
第一齿轮,其由所述壳体承载以相对于所述壳体旋转,并且耦接成随所述钻头驱动轴旋转;和
第二齿轮,其由所述壳体承载以相对于所述壳体旋转,并且耦接到所述第一齿轮以沿所述第一齿轮的相反方向旋转。
2.根据权利要求1所述的系统,其中所述第二齿轮与所述钻头驱动轴分离,以独立于所述钻头驱动轴旋转。
3.根据权利要求1所述的系统,其中所述第一齿轮耦接到相对于所述壳体而被固定的第一轴承,且所述第二齿轮耦接到相对于所述壳体而被固定的第二轴承。
4.根据权利要求3所述的系统,其中所述第一轴承和所述第二轴承具有相同尺寸。
5.根据权利要求1所述的系统,其进一步包括行星齿轮系统,其中所述第一齿轮和所述第二齿轮是所述行星齿轮系统的齿轮。
6.根据权利要求1所述的系统,其中所述钻井系统包括旋转钻探系统,其包括位于所述钻头驱动轴的外表面与所述壳体的内表面之间的偏心凸轮单元。
7.根据权利要求6所述的系统,其中将所述减摇系统固定在所述偏心凸轮单元的向上钻孔或所述偏心凸轮单元上。
8.根据权利要求1所述的系统,其中所述减摇系统包括将所述第二齿轮耦接到所述第一齿轮的多个小锥齿轮,其中将所述多个小锥齿轮中的每个小锥齿轮安装在被固定到所述壳体的相应轴上。
9.根据权利要求8所述的系统,其进一步包括:
另一减摇系统,其支撑所述钻头驱动轴以在另一管状壳体中旋转,其中所述另一减摇系统包括:
第三齿轮,其由所述另一壳体承载以相对于所述另一壳体旋转,并且被耦接成随所述钻头驱动轴旋转;和
第四齿轮,其由所述另一壳体承载以相对于所述另一壳体旋转,并且耦接到所述第三齿轮以沿所述第三齿轮的相反方向旋转。
10.一种用于在钻井系统中使用的反向旋转方法,所述方法包括:
使第一齿轮随钻井系统的钻头驱动轴旋转;
将通过所述钻头驱动轴的旋转产生的矩传输到承载所述第一齿轮的管状壳体;
使第二齿轮沿所述第一齿轮的相反方向随所述第一齿轮旋转;以及
将通过所述第二齿轮的旋转产生的力矩传输到承载所述第二齿轮的所述管状壳体。
11.根据权利要求10所述的方法,其中将所述钻头驱动轴的所述旋转传输到承载所述第一齿轮的所述管状壳体包括:将所述钻头驱动轴的所述旋转传输到被固定到所述第一齿轮和所述管状壳体的第一轴承。
12.根据权利要求10所述的方法,其中将所述第二齿轮的所述旋转传输到承载所述第二齿轮的所述管状壳体包括:将所述第二齿轮的所述旋转传输到被固定到所述第二齿轮和所述管状壳体的第二轴承。
13.根据权利要求10所述的方法,其中使所述第二齿轮随所述第一齿轮旋转包括:使连接所述第一齿轮和所述第二齿轮的多个小锥齿轮随所述第一齿轮旋转。
14.根据权利要求10所述的方法,其中将所述钻头驱动轴的所述旋转传输到所述管状壳体包括:在所述钻头驱动轴的外表面与所述管状壳体的内表面之间传输偏心凸轮单元的旋转。

说明书全文

用于旋转导向系统的减摇系统

技术领域

[0001] 本公开涉及一种用于钻探偏斜井眼的旋转导向钻井系统。.
[0002] 发明背景
[0003] 旋转导向系统可在定向钻探中实现,以沿期望方向逐步引导附接到钻柱钻头。在定向和平钻探中,对钻柱的圆周上相对于井眼上的参考点的固定参考点(称为“工具面”)的方位的实时了解可能是重要的。例如,在旋转导向系统中,可利用对工具面的了解来促使系统位于特定的角位置。例如,参考点可以是垂直井眼中的磁北或倾斜井眼中的井眼高侧。因此,使用旋转导向系统引导钻柱可能需要使工具面固定(即,静止)。
[0004] 可根据磁性工具面(MTF)或重工具面(GTF)或二者来测量工具面。可使用GTF通过测量三个卡迪尔(Cartesian)坐标方向(X、Y和Z方向)的重力分量来确定工具面,其可被转换成倾斜度。但是,钻井条件可能造成安装有加速器的相对于地球静止参考点变成非静止,这进而可不利地影响工具面确定。例如,在使用旋转导向系统的旋转钻井期间产生的振动可能会使重力加速度失真。失真可能会使由于X、Y和Z方向的重力而引起的加速的瞬时值的测量变得困难。MTF使用地球的磁场获取以真实磁北为参考点的工具面。当旋转系统以超过300rpm的速度钻探时,并且在每毫秒需要进行测量的情况下,测量具有足够精确度的磁场对于井下计算机和微处理器系统而言是繁冗的。在一些情况下,MTF还可能需要被转换成GTF以获得倾斜度,这可能需要求解复杂的方程式。这样做对于井下计算机和微处理器系统而言也可能是繁冗的。
[0005] 附图简述
[0006] 图1是实例旋转导向钻井系统的截面视图。
[0007] 图2是图示包括实例行星齿轮系统的实例减摇系统的截面视图。
[0008] 图3是用于在钻井系统中使用的实例反向旋转过程的流程图
[0009] 在各个附图中,相同的参考符号指示相同的元件。

具体实施方式

[0010] 本公开描述一种用于旋转导向钻井系统的减摇系统,其可包括使用径向和推力轴承来平衡旋转钻头驱动轴的壳体(例如,静止壳体)。壳体可用作相对于地球静止的参考点,其上安装传感器(例如,加速计)和电子产品。静止壳体与钻头驱动轴之间的轴承摩擦可导致摩擦力矩,其可被转移到壳体,从而使壳体滚动。将本文描述的减摇系统固定到壳体,使得钻头驱动轴的旋转力矩沿顺时针方向和逆时针方向转移到壳体。具体而言,将减摇系统固定到壳体,使得一个轴承将顺时针方向的力矩而另一轴承将逆时针方向的力矩同时转移到壳体,从而导致无滚动或将滚动减少到可接受的阈值滚动之下。如下文描述,可将减摇系统固定到以相反方向(即,顺时针方向和逆时针方向)旋转的相等数量的轴承,从而将相等和相反的摩擦力矩转移到壳体。如果轴承经历类似的操作条件(诸如相对于钻头驱动轴的相对速度、钻压(WOB)和力矩),那么轴承中的摩擦力矩将是相等的。
[0011] 本文描述的减摇系统的实施方式可提供以下优点中的一个或多个。减摇系统可使旋转导向系统从振动(例如底部钻具组件(BHA)振动)分隔,并且因此将钻柱上的参考点呈现为基本上相对于地球静止的。静止的参考点可便于对倾斜度和方位的实时测量,以确定工具面。被实施来帮助抑制滚动的其它机构包括弹簧加载的刀片,其可抓取井眼中的地层。但是,在太软或太硬的某些地层中或在长的水平侧枝中,这种弹簧加载的机构可能不如预期那样执行。与这种弹簧加载的机构不同,本文描述的减摇系统不需要抓取井眼中的地层。
因此,可能减少减摇系统在艰难的钻井条件下失败的可能性。因为可从钻头驱动轴获取到减摇系统的电力,所以不需要任何额外的电源来减少壳体中的滚动。
[0012] 图1是包括旋转导向系统的钻井系统100的截面视图。旋转导向系统100包括钻头驱动轴102,其被支撑来通过减摇系统(例如,减摇系统104a、减摇系统104b或减摇系统104c中的一个或多个)在管状壳体120中旋转。壳体120可内嵌式地附接在钻柱中。钻头驱动轴102包括位于壳体120中的连续、中空的旋转轴。为此,壳体可螺旋在一端上,该端可螺旋到前面的接头。壳体可具有与钻柱的剩余部分相同的外直径。一般而言,可将减摇系统固定在钻头驱动轴102上的一个或多个位置处
[0013] 在一些实施方式中,钻井系统100仅可包括一个减摇系统,例如,减摇系统104b。可将唯一的减摇系统固定到钻柱的任何部分,例如,固定到悬臂轴承106或其附近,或固定到偏心凸轮单元108或其附近,或球面轴承110或其附近。例如,偏心凸轮单元108可以位于钻头驱动轴102的外表面与壳体120的内表面之间。替代地,可将减摇系统104b固定到偏心凸轮单元108的向上钻孔或偏心凸轮单元108上。在一些实施方式中,可在由多个减摇系统(即,减摇系统104a、减摇系统104b、减摇系统104c)轴向隔开的多个位置处支撑轴102。例如,可将减摇系统104a、104b和104c分别固定到悬臂轴承106、偏心凸轮单元108和球面轴承110或它们的附近。
[0014] 为了改变钻探的方向,可使用偏心凸轮单元108来置换钻头驱动轴102相对于钻井系统的纵轴112的中部。当钻头驱动轴102的中部相对于轴112而横向偏移,并且井眼被旋转轴102钻探时,轴承表面(例如,轴承表面114a、114b、114c和轴承表面116a、116b、116c)经历非常高的接触压力。如下文参考图2进行描述,减摇系统104a、104b和104c中的一个或多个可被实施为反向旋转设备,以将通过旋转钻头驱动轴102产生的顺时针方向的力矩和逆时针方向的力矩同时转移到轴承表面,这进而可将顺时针方向的力矩和逆时针方向的力矩转移到壳体120。
[0015] 图2图示包括行星齿轮系统的减摇系统104的截面视图。减摇系统104a是反向旋转设备,其可被固定到轴102。减摇系统104a可包括第一齿轮204,其由壳体120承载以相对于壳体120旋转,并且耦接成随钻头驱动轴102旋转。减摇系统104a还可包括第二齿轮206,其可由壳体120承载以相对于壳体120旋转,并且耦接到第一齿轮204,以沿第一齿轮204的相反方向旋转。第二齿轮206与钻头驱动轴102分离,以独立于钻头驱动轴102旋转。
[0016] 第一齿轮204和第二齿轮206可以分别是行星齿轮系统210的太阳齿轮和环形齿轮。太阳齿轮被构造来(例如,以紧密配合、键合、花键接合和/或另一方式)与钻头驱动轴102耦接,并随之旋转。环形齿轮被耦接到太阳齿轮,以沿太阳齿轮的相反方向旋转。与太阳齿轮不同,环形齿轮与钻头驱动轴102分离。减摇系统104a可包括多个小锥齿轮(例如,第一小锥齿轮212、第二小锥齿轮214),其将第二齿轮206耦接到第一齿轮204。减摇系统104可包括更少或更多的小锥齿轮,可将每个小锥齿轮安装在被固定到壳体120的相应轴上。每个小锥齿轮可以是行星齿轮系统210的环形齿轮。
[0017] 将第一齿轮204和第二齿轮206分别耦接到第一轴承208和第二轴承210,所述齿轮的每一个相对于壳体120而被固定。在一些实施方式中,可将第一轴承208和第二轴承210分别安装到第一齿轮204(即,太阳齿轮)和第二齿轮206(即,环形齿轮)的外圆周的表面(例如,表面上)。替代地,齿轮轴承组件可以被整体形成单一单元。
[0018] 在一些实施方式中,第一齿轮204可以是底部小锥齿轮,其可直接连接到钻头驱动轴102。被安装到底部小锥齿轮的第一轴承208的外表面可与壳体120的内表面直接接触。第二齿轮206可以是上部小锥齿轮,其可能与钻头驱动轴102有空隙。被安装到上部小锥齿轮的第二轴承210的外表面可与壳体120的内表面直接接触。小锥齿轮可以圆周地位于底部小锥齿轮与上部小锥齿轮之间并等距分离,以使两个齿轮啮合。当小锥齿轮的轴静止时,可保持齿轮比,使得上部小锥齿轮以如底部小锥齿轮相同的速度但是以相反的方向旋转。
[0019] 图3是用于在钻井系统中使用的实例反向旋转过程300的流程图。在操作中,在302,第一齿轮204随钻井系统100的钻头驱动轴102旋转。例如,钻头驱动轴102以顺时针方向旋转。因为第一齿轮204耦接到钻头驱动轴102,所以第一齿轮204也以顺时针方向旋转。
在304,由钻头驱动轴102的旋转产生的力矩通过轴承208传输到承载第一齿轮204的壳体
120。例如,将钻头驱动轴102的旋转传输到被固定到第一齿轮204和壳体120的第一轴承
208。
[0020] 在306,第二齿轮206沿第一齿轮204的相反方向随第一齿轮204旋转。为此,连接第一齿轮204和第二齿轮206的多个小锥齿轮随第一齿轮204旋转。以此方式,第二齿轮206以逆时针方向旋转。在308,由第二齿轮206的旋转产生的力矩通过轴承210传输到承载第二齿轮206的壳体210。例如,将第二齿轮206的旋转传输到被固定到第二齿轮206和壳体120的第二轴承210。第一轴承208和第二轴承210可以具有相同尺寸和类型,使得两个轴承经历类似的操作条件,诸如相对于钻头驱动轴的相对速度、钻压(WOB)和力矩。因此,两个轴承经历基本上相等且相反的力矩,其被同时传输到壳体120。壳体120上的合成力矩将是零或低于可接收的阈值,并且壳体120中的滚动将被最小化或避免。
[0021] 已经描述了大量的实施方案。然而,应理解,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可做出各种修改。例如,在一些实施方式中,钻井系统100可包括另一减摇系统(例如,减摇系统104b),其支撑钻头驱动轴102,以在壳体120的另一部分中旋转。与减摇系统104a类似,减摇系统104b可包括第三齿轮(未示出),其由壳体承载以相对于壳体旋转,并且被耦接成随钻头驱动轴旋转;和第四齿轮,其由壳体承载以相对于另一壳体旋转,并且耦接到第三齿轮以沿第三齿轮的相反方向旋转。
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