三维操纵系统

技术领域

本发明涉及用来控制油井中钻孔方向的设备和方法，特别涉及用 来三维地引导钻头钻孔的操纵系统，并且还特别涉及从地面引进电源 并与地面进行双向通信的操纵组件，该操纵组件在钻孔时能改变弯曲 角度和方位。

技术背景

传统的在油井中沿控制方向进行钻孔的实践需要许多机械装置来 控制钻孔时的方向。用来控制钻孔方向的普通现有技术工具为一种底 孔组件，它包括钻头、稳定器、钻环、重型管道和带有弯曲箱的正位 移电机(泥浆电机)。底孔组件与钻柱或钻管连接，伸到地面。通过 弯曲箱内的弯管部分向特定的方向滑动(非转动)该组件，引起钻孔 方向的改变。旋转组件和钻柱进行直的钻孔。

另一种类型的现有技术的工具使用位于钻头上方一定距离的非旋 转稳定器以通常恒定的力量径向地推靠钻孔的侧壁，使得钻头以向前 钻孔时控制的速率反向地进行钻孔，从而改变孔的方向。这种类型的 操纵工具每钻100英尺的孔最大能改变约15度的方向，但必须使用 旋转钻柱或在泥浆电机之下来操作。这种系统使用阀结构和液压流体 来伸延与钻孔壁接合的可调刀片，以改变方向。

还有另一种现有技术的使用位于钻头之上一定距离的桨板操纵的 操作工具。当底孔组件在钻孔内旋转时，桨板朝特定方向离开钻孔的 侧面，以改变钻孔的方向。这种类型的操纵工具每钻100英尺的孔最 大能改变约10度的方向，但必须使用旋转钻柱或在泥浆电机之下来 操作。

还有另一种现有技术的有箱体的操纵工具，箱体带有球窝接头和 与球窝接头和钻孔邻近的可调桨板，桨板的延长引起箱体向下打孔的 部位在球窝接头处关于底孔组件的其余部位弯曲。与钻孔壁接触来改 变弯曲角度或方向的操纵系统，在钻孔时操纵系统对钻孔壁产生不合 需要的拖拽。这要求钻头上有另外的钻力以克服这种拖拽。这种接触 还阻碍钻孔时底孔组件在钻孔内的滑动。

另一种方法包括具有楔形件的操纵组件，楔形件受沿钻柱纵向延 伸的压力差推动挤靠凸轮，以向外驱动凸轮，从而改变钻孔方向。必 须停止钻孔，才能改变钻孔角度。

现有技术还包括电控弯曲基件(sub)。然而，这些附件只能在 工具的一个平面上控制弯曲件。而且，不旋转钻柱，现有技术的电控 弯曲附件不能控制弯曲件的方向。

尽管不同现有技术的操纵系统能向下打孔的弯曲角度，却几乎不 能同时改变弯曲角度和方位。也没有一种现有技术工具能在钻孔时同 时控制弯曲的角度和方位。常常需要把全部底孔组件从孔内拉出来， 以改变弯曲的角度或方向。

已有现有技术的系统能使用母带式元件从地面提供电力和液压， 母带式元件安装在钢制蛇形管外部。然而，这种系统不能通过蛇形管 的壁来从地面直接给向下打孔的工具提供电力。

本发明克服了现有技术中的缺陷。

发明概述

本发明的操纵组件包括以万向接头安装在上部壳体上的下部壳 体，使得下部壳体能在任一方向弯曲约四度。该操纵组件还包括控制 机构，在钻孔负荷下，该控制机构能控制下部壳体相对于上部壳体的 角度和方位。从地面能直接向组件提供电力，并且从地面可以遥控控 制机构。典型地，该操纵组件是底孔组件的一部分，该底孔组件包括 在操纵组件之上的具有电力部件的钻孔电机和在操纵组件之下的具有 驱动轴的轴承单元，驱动轴在电力部件和轴承单元之间伸延穿过操纵 组件。

万向接头为恒定速度接头，带有连接到下部壳体并安装在上部壳 体罩管内的关节头，该关节头为套筒的一部分，该套筒连接到轴承单 元壳体下面并具有通过狭槽和凹槽卡合在罩管与关节头之间的轴承。 万向接头防止电机电力部件和轴承单元之间的相对旋转。

控制机构包括能连接到万向接头或成为万向接头的关节头一部分 的斜角凸轮。斜角凸轮突出到上部壳体内，与轴承单元和钻头相对。 当万向接头旋转使得轴承单元和钻头移到一角度而偏移时，斜角凸轮 反向移动到同样大小的角度和偏移。由绕上部壳体内径圆周均匀分隔 开的三个楔形部件调整斜角凸轮。楔形部件具有锥形表面，使其与斜 角凸轮的圆弧式表面接触，因此当所有楔形部件与斜角凸轮接触时， 每个楔形部件的轴向位置固定斜角凸轮的位置。尽管优选非锁定锥 度，在楔形部件和斜角凸轮之间的接触角度可以大于或小于锁定锥 度，通常是15°或更大。三个楔形部件布置在楔形本体内并布置在上 部壳体的外部和内部的一个或多个套筒之间。

每个楔形部件各附着在一个驱动装置上。一种类型的传动装置包 括一个或多个在液压缸内轴向移动的液压活塞，在楔形本体内形成的 液压缸用来容纳每个活塞。每个楔形部件的液压活塞和液压缸是液压 放大器的一部分，该液压放大器增大液压，提高施加给楔形部件的力， 力从楔形部件再施加到传动装置上端。液压放大器使用一个或多个较 小的液压活塞和液压缸，较小的液压活塞和液压缸的总面积小于附着 在楔形部件的较大活塞和液压缸的面积。较小的活塞附在穿过设于楔 形本体内部螺母的带有螺纹的螺钉上，使得能够通过旋转螺钉来改变 螺杆相对于楔形本体及因而相对于较小活塞的轴向位置。带螺纹的螺 钉的相反一端通过滑动花键连接方式连接到可伸缩部件上。可伸缩部 件的另一端附在电机驱动轴上。滑动花键连接包括允许轴向移动时传 输扭矩的匹配花键。

三个电机固定在上部壳体内的适当位置，从而防止它们在上部壳 体内移动。楔形本体也固定在上部壳体内，使得于其间没有移动。因 而通过接通和关闭每个电机来控制斜角凸轮的位置，使得驱动轴旋转 带螺纹的螺钉，后者转而移动较小活塞。由于施加在液压缸内的液体 压力，较小活塞的移动引起较大活塞进行轴向移动，因此楔形部件或 者向斜角凸轮的圆弧式表面或者离开圆弧式表面而做轴向移动。

整个控制机构在外部的上部壳体与内部的套筒之间被密封在油 中。油装在密封系统内，该密封系统能对从内径到外径高达2000psi (磅/平方英寸)的压差进行密封。在斜角凸轮的端部和上部壳体内的 套筒下端连有由强化弹性体或金属制成的弹性伸缩管，以形成在系统 内容油的空间。浮式补偿活塞设在电机之上，它包括微微增大油室内 部压力的弹簧活塞，以减小可能的钻孔泥浆的进入。小活塞和大活塞 之间液压缸部分是与释压系统相通的独立封闭系统。

优选地，底孔组件连接到延伸至地面的复合蛇形管上，在地面， 复合蛇形管壁内的电力导线和数据传输导线分别连接到电源和地面处 理设备上。电力导线向操纵组件提供电力，数据传输导线在地面和操 纵组件之间提供信息。从操纵组件来的数据传输到地面并在地面利用 地面处理设备进行处理，然后从地面传输到操纵组件，例如，来调整 钻孔的弯曲角度和方位。操纵组件也可以把弯曲角度和方位变化的验 证传输回到地面。

从下面的说明中本发明的其它目的和优点会更明显。

附图说明

为了对本发明的优选实施例进行详细说明，现在将参照附图，其 中：

图1A为举例油井的示意图；

图1B为图1A示意图部分的放大图，示出油井的地面设备；

图1C为图1A所示包括本发明操纵组件的底孔组件的放大图；

图2为图1A的操纵组件的俯视图，示出图3A-E、图11A-C 和图13A-C的横截面；

图3A、B、C、D和E为沿图2中3-3剖开的、从万向接头到 电机的操纵组件的横截面图；

图4为沿图3A的4-4剖开的、斜角凸轮和楔形部件的横截面图；

图5为图3A所示斜角凸轮的立体图；

图6A为图3A所示楔形部件的俯视图；

图6B为沿图6A中6-6剖开的楔形部件横截面图；

图6C为图6A中楔形部件的仰视图；

图7为图3A-E所示用于接合斜角凸轮的楔形部件的机械液压 传动装置的部分截面的示意图；

图8为用于接合斜角凸轮的楔形部件的另一种机械传动装置的部 分截面的示意图；

图9用于接合斜角凸轮的楔形部件的又一种液力传动装置的部分 截面的示意图；

图10为沿图3B 10-10剖开的液压放大器的较大活塞下端横截 面图；

图11A-C为沿图2中11-11剖开的操纵组件横截面图，示出 从电机伸到操纵组件顶端的压力补偿系统的另一部分；

图12为沿图3D的12-12剖开的电机驱动轴定中心器横截面图；

图13A-C为沿图2中13-13剖开的操纵组件横截面图，示出 从斜角凸轮到中间隔板的压力补偿系统的一部分；

图14为图3B-C所示用于液压放大器的释压系统的横截面图；

图15为操纵组件的电子控制原理方框图；

图16为数据处理及地面处理器与操纵组件的电子传感器及控制 器之间的指令传输的示意流程图；

图17为另一种使用液压活塞来致动及控制下部壳体的设备的横 截面图；

图18为沿图17中18-18剖开的启动设备的横截面图；

图19为另一种使用机械杠杆机构来致动及控制下部壳体的设备 的侧视图；

图20为与图17中18-18截面相似平面所取的图19中致动设备 的横截面图；

图21为又一个用于致动及控制下部壳体的可选设备的横截面 图；

图22为沿图2中2-2剖开的设在万向接头上的可选斜角凸轮和 楔形部件的横截面图；

图23为沿在图22中斜角凸轮上的凸轮套筒的横截面图；

图24为沿图23中24-24平面所取的凸轮套筒的横截面图；

图25为图22中所示楔形部件的正视图；

图26为图25中楔形部件的端视图；和

图27为图25中楔形部件的仰视图。

优选实施例描述

本发明涉及一种用来控制钻孔过程中钻头的弯曲和方向的方法与 设备，包括改变钻孔时钻头的钻孔轨迹。本发明容许有不同形式的实 施例。将认为本文中的公开是本发明原理的例证并且不会把本发明局 限为文中的阐述，根据这种理解，下面将详细描述附图中所示的本发 明的特定实施例。

特别地，本发明的不同实施例提供了操纵组件的许多不同的结构 和操作方法，每一种都可以用来对油井进行钻孔，包括新钻孔、延伸 的抵达钻孔、延伸既有孔、旁向钻孔、偏离钻孔、扩大既有孔、修整 既有孔及其它类型的钻孔，以便对产油区进行钻孔和成井。可以充分 认识到，下面讨论的不同的实施例的学说可以独立地或以适当方式结 合地达到需要的结果。称谓“上”或“下”意在易于理解说明，“上” 指远离钻头，“下”指朝向钻头。

首先参照图1A，图中示出使用本发明的操作环境。蛇形管操纵 系统510包括电源512，地面处理器514和蛇形管卷盘516。喷射头 单元518提供并引导蛇形管520从卷盘516进入油井522。尽管这里 描述的蛇形管520优选为复合蛇形管，但应当意识到本发明不局限于 复合蛇形管，也可是其上安装有母带的钢制蛇形管。底孔组件10接 合在复合蛇形管520的下端并且伸入偏孔或水平孔524内。应当意识 到，出于解释的目的来说明这个实施例，且本发明不局限于公开的特 别钻孔，应当意识到，本发明可用在不同的油田钻井。

图1B说明蛇形管单元526，使用卷盘516越过导引件528经过 喷射头518和摘取器532来馈送复合管道520。通过喷射头518迫使 复合蛇形管520经过防喷装置534后进入油井522。电源512通过电 力导管538、540电气连接到复合蛇形管520壁中的电力导管中。而 且，地面处理器522包括同样容纳在复合管道壁内的数据传送导管 542、544。应当意识到，电力导管538、540和容纳在复合管道壁内 的数据传送管道542、544沿复合蛇形管520的全长伸延，并且连到 设在底孔组件10内的管理模块580，管理模块580在下文中参照图15 加以说明。优选电力导管和数据导管包括经济的、低阻导电材料，诸 如标准铜线。参见1998年5月20日提交的题为“钻孔系统”的美国 专利申请09/081,861，这里引用作为参考。

如图1C所示，本发明的操纵系统包括带有安装在驱动轴14上的 钻头12的底孔组件10；轴承组件16；包括电子部件18和优选包括 近钻头方位传感器556的操纵组件20，近钻头方位传感器556带有倾 角计和磁力计；上部恒速(CV)基件616；带有金属丝基件的电力部 部分22；止回阀618，电阻基件620；和电断路器622。底孔组件10 也可包括带有定位部件554的传感器基件624。进一步，底孔组件10 可包括下文所述的另外的传感器552和向下打孔控制装置558。底孔 组件10还优选的包括推进系统670，其包括下部牵引机反压控制模块 660；下部拉紧/压缩基件662；压力测量基件664；上部牵引机反压控 制面孔666；上部拉紧/压缩基件668；管理基件672；和挡板球降674。

底孔组件10与延伸到油井522的地面11的工作绳25连接。操 纵组件20可用于任何类型的工作绳，例如，蛇形管、复合蛇形管520 或钻杆，并也可用于金属丝绳。使用复合管道或钢制管道底的孔组件 10不发生旋转。应当意识到，底孔组件10可包括其它工具。构成底 孔组件10的工具将根据正在使用的钻孔系统和正在钻进的钻孔而改 变。应当意识到，本发明不局限于特定的底孔组件，其它可选的也可 使用。例如，操纵组件20能从电力部分22分开或置于电力部分22 之上。从1997年10月27日提交的题为“钻孔系统”的美国临时申请 60/063,326和1998年5月20日提交的题为“钻孔系统”的美国专 利申请09/081,961中可以找到对底孔组件10的各个部件及其操作的 详细描述，这里参照引用这两篇文件。

操纵组件20包括通过万向接头30与下部壳体或下部鼻形物28 连接的上部壳体26，以及与上部壳体26的上端连接的压力室27。下 部壳体28与轴承部件16连接，轴承部件16与驱动轴14的下端和钻 头12连接并支持驱动轴14的下端和钻头12。优选地，电子部件18 和尽钻头方位传感器556装在压力室27中。在压力室27上部，电力 部分22一般为正位移电机，常指泥浆电机，电机对驱动轴14提供动 力，驱动轴14延伸穿过流动孔120并延伸穿过操纵组件20和轴承部 件16，如图3A所示。

如果底孔组件10在复合蛇形管520上向下钻进地工作，底孔组 件10也可包括推进系统670，例如钻孔牵引机。优选地，底孔组件10 在非旋转工作绳25上运行。

轴承部件16支持驱动轴14的下端，驱动轴14的该端部连接钻 头12。轴承部件16包括支持旋转驱动轴14的径向止推轴承。驱动 轴14的上端悬离在电力部分22下端的止推和径向轴承部件处。轴承 部件16是常规的并且是领域内公知的。应当意识到，在操纵组件20 下可安有不同类型的轴承部件。

下面，参照图2和图3A，图2示出穿过图3A—E所示出的操纵 组件20的不同横截面。如图3A中很清楚地显示的，上部壳体26和 下部壳体28通过万向接头30相连，万向接头30为恒速接头。尽管 上部壳体26和下部壳体28不彼此相对旋转，但万向接头30能相对 上部壳体26改变下部壳体的弯曲角度和方位。下部壳体28用作操纵 组件20下游端上的可动突起部。

万向接头30包括带有向下延伸的管状件或称套筒34的球形头 32，诸如关节球或圆。关节球32设在位于下部壳体28的上连接盒端 38之上的关节室36内。关节室36具有外凹表面40，与凸表面42在 下部壳体28的箱38的终端枢轴的接合。密封件44在表面40、42之 间密封，并且可以是滑动密封。

关节室36包括用来和关节球32的外球形表面48枢轴接合的内 凸表面46。密封件50在表面46、48之间密封。关节套34例如通过 螺纹52与下部壳体28的箱端38连接。在箱端38的底部提供了隔离 件54，以便在表面40与42之间、表面46与48之间提供合适的枢轴 接合。关节室36包括许多单个的狭槽56，每个狭槽都容纳一个轴承 58，该轴承也设在关节球32的表面48内的球形凹口62中。这使得 关节球32在受到推力和载荷下能在关节室36的凸面46内充分旋转。

万向接头30还包括处于上部壳体26下端的罩管60。罩管60具 有面向下的凹表面64，凹表面64与球形表面48接合。罩管60包括 外带螺纹的减小的直径66，关节球室36以螺纹接合的方式纳入有该 直径66的罩管60部分。关节室36和罩管60因而接收关节球32以 形成万向接头30。

因为关节球32可旋转地安装在关节室36内，下部突起或称下部 壳体28可以在上部壳体26的下端枢轴转动。由于下部壳体28相对 于上部壳体26枢轴转动，在上部壳体26和下部壳体28之间形成弯 曲，使得下部壳体28的轴线72不再与上部壳体26的轴线74重合。 约在轴线72和74之间的点100处形成的角度称为弯曲角度。而且， 围绕被称作钻孔方向的轴线74的不同角度方向可以发生弯曲。通过 在上部壳体26和下部壳体28之间绕轴线74的特定角度方向引起弯 曲角度，即可改变工具工作面的方向和角度，从而改变钻头12的钻 孔轴线72，由此改变钻孔的路径。万向接头30防止电机电力部分22 和轴承部件16之间有相对旋转。

现在参照图3A、图4和图5，在操纵组件20内设有指向机构70 以改变弯曲方向和弯曲角度。指向机构70包括斜角凸轮80及多个凸 轮元件或指向楔形件90，来控制钻头12的钻孔方向和角度。斜角凸 轮80和楔形件90相对于底孔组件10其余部分的轴线74来改变钻头 12的轴线72。

斜角凸轮80为带有管状体82和扩大的头部84的凸轮元件。扩 大的头部84具有三个面朝上的彼此之间相隔120°的凸轮表面86a、86b 和86c。如图5所示，凸轮表面86a、86b和86c没有始终绕斜角凸轮 80延伸，每个凸轮表面具有一般沿斜角凸轮80的轴向延伸的辐射式 表面，如图3A所示。优选地，凸轮表面86的半径为距关节球32的 中线101上一点12英寸，该点位于枢轴点100之下约10.5英寸。斜 角凸轮80的管状体82容纳在关节球32内的扩大的孔92中。壁形成 孔92和管状体82具有配合花键94以防止二者之间的相对旋转。胀 环97把斜角凸轮80与关节球32连接，引起斜角凸轮80成为关节球 32的延伸。密封件98在斜角凸轮和关节球32之间密封。斜角凸轮80 随下部壳体28进行枢轴转动及旋转，从而随轴承部件16和钻孔12 来枢轴转动及旋转。斜角凸轮80在万向接头30的枢轴点100之上突 出预定的距离，以便当斜角凸轮80向一方向进行凸轮带动时，下部 壳体28与轴承部件16和钻头12向相反方向移动。

现在参照图3A、图4和图6A-C，在斜角凸轮80上，有三个具 有楔形表面96a、96b和96c的楔形部件90a、90b和90c，楔形表面96a、 96b和96c分别与凸轮表面86a、86b和86c接合。每个楔形表面96a、 96b和96c在一区域之上与相应的凸轮表面86a、86b和86c接触，从 而在楔形部件90和斜角凸轮80之间提供三个接触区域260、262，图 5和图6C中很好的示出接触区域。当楔形部件90在辐射式表面86上 移动时，接触区域的轨迹形成一条线。在斜角凸轮80上三个接触区 域262形成一平面。下部壳体28的轴线72与该平面正交，使得当平 面被楔形部件90移动时，关节球32在关节室36和罩管60内枢轴转 动以改变钻孔方向。操作中，由于关节球32在关节室36和罩管60 内移动，下部壳体28也沿弓形表面40、44在关节室36和下部壳体28 间的接触面上移动。

通过控制与调整三个楔形部件90中的每一个的轴线范围而利用 与接触区域260、262形成的平面正交的轴线72来改变该平面，即可 改变钻孔的角度和方位，因此借助斜角凸轮80来改变关节球32的方 向。例如，楔形部件90a向下移动时，另一楔形部件90b可能上移， 以引起斜角凸轮80向给定的角方向并以轴线72和74之间的给定弯 曲角度绕轴线74来枢轴转动关节球32。

因而，操纵组件20三维地引导钻头12。楔形部件90允许在任 一360°角方向产生钻孔方向，并以可达4°的倾斜或者说弯曲角度。 在关节球32的枢轴点100周围产生这种方向的改变。

现在参照图22-27，图中示出斜角凸轮和楔形部件的另一个实 施例。特别参照图22-24，可选的指向机构460包括斜角凸轮470、 斜角凸轮套472和多个凸轮元件或指向楔形部件480，以控制钻头12 的钻孔方向和角度。斜角凸轮470被花键474连接到万向接头30的 关节球32。有别于斜角凸轮80，斜角凸轮470包括球形头476，在曲 线图476上设有凸轮套472。凸轮套472包括带有弓形弯曲表面382 的凸轮室478，以便滑动地、旋转地接收斜角凸轮470的球形头476。 凸轮室478包括与斜角凸轮470的头部476内的轴承座圈486反向设 置的轴承座圈484，以便在两个座圈之间容纳滚珠轴承488。凸轮套472 包括具有弓形表面492的挡圈490，以便借助螺纹494接合在凸轮套 472内容留球形头476。轴承座圈478包括横向弓形维度，允许凸轮 套472在斜角凸轮470的球形头476上进行有限的旋转运动。斜角凸 轮套472包括三个面向上及向内的锥形凸轮表面496a、b和c。凸轮 表面496a、b和c没有一直绕斜角凸轮套472伸延，如图24所示，并 且每个凸轮表面具有一般沿斜角凸轮套472轴向地伸延的辐射式表 面。

现在参照图22和图25-27，三个楔形部件480a、b和c分别包 括楔形表面498a、b和c，用来分别与斜角凸轮套472的凸轮表面496a、 b和c接合。每个楔形表面498覆盖有轴承材料500，例如Duralon轴 承材料。每个楔形表面498a、b和c与相应的凸轮表面496a、b和c 在一区域之上接触，以在楔形部件480和斜角凸轮套472之间提供三 个接触区域。轴承座圈478使凸轮套472经一有限角度502旋转，如 图24所示。

现在参照图3A-E，上部壳体26包括下部管状件102和上部电 机室104，管状件102的下部终端与罩管60接合或与罩管60形成一 体。电机室104必须与下部管状件102完全成一直线。因而，利用套 筒螺母106把上部电机室104连接到下部管状件102(图3D)，从而 保持正确对齐。电机室104的下部终端和下部管状件102的上部终端 分别具有带螺纹的盒体108、110，以便分别与松紧螺旋扣106的螺钉 112、114接合。旋转松紧螺旋扣106的外套116把它们相互螺纹连接。 一个螺钉/盒体螺丝为左旋式，另一个螺钉/盒体螺丝为右旋式。与上 部电机室104连接时，只有松紧螺旋扣106旋转，而下部管状件102 保持不动。

中心孔路径120延长操纵组件20的长度。钻孔流体流经孔路径 120到钻头12并用来给泥浆电机22提供动力。如图12所示，驱动轴 14也通过孔路径120延伸。经过上部壳体26的孔路径120由下部内 套122、底部隔离套124、中部隔离套126、上部隔离套128和穿过电 机室104的孔132形成。下部内套122和下部管状件102形成环形区 域130，环形区域130是封闭流体室320的一部分并从万向接头30延 伸到电机室104，下面将详细描述流体室320。

可扩大/可压缩的密封件136从内套元件122的下部终端延伸到 斜角凸轮80的上部终端。密封元件136可以是强化弹性体制的弹性 伸缩管或金属伸缩管或弹性橡胶套。变通地，每端都密封，并且在元 件122和斜角凸轮80之间延伸的液压缸可用作密封件136的替代品。 密封件136可作为油容积补偿器。密封件136包括密封件136的上部 盒端138和下部钉端142，盒端138接收内套122的下端顶端140， 下部钉端142被接收进斜角凸轮80的对孔144内。提供密封件146a 和146b以密封此连接，并且提供卡环148a和148b保持此连接。密 封件136把外部环形区域130内的流体与经中心孔路径120并围绕驱 动轴14流入的流体(图3中未示出)隔开。因而，装在密封流体室320 内的移动零件，下面将描述，不会被流经中心孔路径120的钻孔流体 污染。密封件136仅作为隔离屏障，因为流经中心孔路径120的钻孔 流体压力基本等于密封流体室320内的流体压力。任何跨密封件136 的压力差都是无意的。

再参照图6A-C，每个楔形部件90包括其底部上有凸轮形楔形 表面96且其上部有T形头142的细长弓形体138。T形头142具有一 对透孔144a、144b，以便通过它们与如下文说明的传动装置接合。凸 轮形楔形表面96可大于或小于锁定锥度，尽管优选非锁定锥度，并 且通常在5°和30°之间。更优选地，因为小于15°常被认为是锁定 锥度，凸轮形楔形表面96为15°或更大。还提供例如40°的间隙锥 体146以使斜角凸轮80能够移动。

现在参照图7，8和9，可以使用不同的传动机构和传动装置来 改变各个楔形部件90的轴线范围。图7示出如图3中优选实施例的 驱动装置150，它是机械液压传动装置。图8示出机械传动装置，图 9示出液压传动装置154。每个驱动装置都用电力由电机174提供动 力，该电力优选通过图15中示出的电力导管562、564从地面提供， 导电管道562、564经过复合蛇形管520延伸；或变通地从底孔组件10 内装的电池来提供电力。

现在特别参照图3A-C、图7和10，示出一种用来各别地运行 楔形部件90a、90b和90c中的每个的机械/液压传动装置150。在密封 流体室320内装有一个普通管状楔形体156，它包括许多从其底部突 出的指状件158。支持套160附着在指状件158上，以对楔形部件90 提供滑动支持。三个弓形指状件1-58向下伸过楔形部件90的端部， 它们的终端向上伸，面对罩管60上端上的环形肩部159。三个指状件 158在三个楔形部件90间延伸，以在彼此之间提供狭槽使楔形部件90 能在狭槽中滑动。

三个以方位角隔开的孔162伸过下部内套122外的楔形体156， 伸过底部隔离套124、中部隔离套126、上部隔离套128和电机室104， 来装入三个驱动装置150中的每一个，以推动楔形部件90a、90b和 90c。因为每个驱动装置150都是一样的，所以只详细说明一个驱动 装置。

驱动装置150包括液压放大器170、机械放大器172和电机174 形式的动力源。液压放大器170包括一对关联小活塞178的大活塞 176。这对大活塞176设在大液压缸180内，小活塞178设在小液压 缸194内，液压缸180和194为在楔形体156中以120°方位角隔开 的弓形件。每个楔形部件90附着在这对大活塞176处。有三套大活 塞176和小活塞178，即是说，每套各用于三个楔形部件90中的一个。 每个大活塞176的下端有直径减小的轴182，轴182穿过楔形部件90 的T形头内的孔144a和144b。上碟形弹簧184和下碟形弹簧186设 在楔形部件90的T形头142的两侧。上弹簧184卡合在位于大活塞176 上的面向下的肩部188与T形头142的上部终端之间，下弹簧186卡 合在T形头142的面向下的一侧与拧在轴182的下部螺纹端的螺母190 之间，形成弹簧接触连接。O形密封圈槽和动态密封件192绕大活塞 176设置，以便密封与液压缸180的液压缸壁的接合。碟形弹簧184、 186允许大活塞176和楔形部件90之间的有限的相对轴向移动。

其内装有小活塞178的液压缸194为楔形体156内的上部直径减 小的孔。小活塞178还包括凹槽和动态密封件196，用于密封与直径 减小的液压缸194的液压缸壁之间的接合。在小活塞178和大活塞176 之间，液压缸194内充填有不可压缩的流体，因而形成封闭的液压系 统。在液压缸180、194中的不可压缩流体可以是油。下面说明的释 压系统340与液压缸194、180在小活塞178和大活塞176之间的部 分发生流体相通。

液压放大器170锁定在上部管状件102的楔形体156内。调整螺 钉(未示出)用于匹配并对齐下部隔板124和中部隔板126。中部隔 板126与下部管状件102通过楔和凹槽198对齐。液压放大器170相 对于斜角凸轮80的弓形凸轮表面86排成一特定方位，以便与楔形部 件90的锥式楔形表面96正确接合。

与大活塞176连接的小活塞178提供液压放大。大活塞178的下 端封闭大液压缸180，小活塞的上端封闭小活塞194，从而在其间形 成密闭的液压系统。当大活塞小活塞178在小汽缸194内向下移动时， 小活塞178驱动一对大活塞176。液压缸194、180具有足够的长度， 允许楔形部件90和斜角凸轮80做必要的相对移动来改变角度和方 位。与小汽缸178内的小活塞相比，这对大活塞176使活塞面积最大 化。小活塞178对这两个大活塞176的放大倍数约为5∶1。

应当意识到，本发明不局限于每个楔形部件90对应有一对大活 塞。也可以有一个或多个大活塞。明显地，还可以改变大活塞的活塞 面积。

现在特别参照图3C-E和图7，液压放大器170与机械放大器172 连接。机械放大器172包括其下端与小活塞178连接而其上端与下部 双恒速关节202连接的螺杆，例如驱动轴起重螺杆200。下部双恒速 关节202将螺杆202连接到可伸缩元件204，可伸缩元件204的上端 与上部双恒速关节206连接。下部双恒速关节202连接可伸缩元件 204，从而利用连接径向止推轴承210将螺杆200连接到电机174的 驱动轴208。插销212提供在驱动轴208的周围并且倚靠着上部隔板 128的上部终端。电机174还包括齿轮减速器。电力导管228穿过室 229并且将电机174连到与电子器件18连接的接线盒230上。电机174 要求从地面提供的很少电力。

从电子器件18来控制电机174。电机174可以是有刷式或无刷 式电机。如果是有刷式电机，在电机174上装有设在电机轴上端的运 动传感器(未示出)。运动传感器测定电机在一个方向或另一方向上 产生的旋转量。然而，优选无刷式的电机。

螺杆200带有螺纹，且包括设在楔形本体156上端内的孔162的 扩大的孔216之中的螺母214。在扩大的孔216内狭槽中设有许多球 状物218，以防止螺母214在扩大的孔216中转动。通过面朝上的肩 部220和下部隔板124的下部终端222把螺母214锁在适当位置。因 而，当驱动轴螺杆200在孔162和螺母214中转动时，螺纹引起驱动 轴螺杆200在楔形本体156内轴向移动。因为驱动轴螺杆200的下端 与小活塞178在221处接触，液压缸194内的液体流体压力改变而引 起大活塞176上的液压改变。因而，可以看到驱动轴螺杆200旋转， 螺母214上的螺纹引起驱动轴螺杆200向上或向下移动，从而引起小 活塞178在直径减小的液压缸194中向上或向下移动。螺杆200的大 约放大能力为16∶1。

楔形部件90还防止在液压放大器170看到钻头12处的侧载荷变 化，因此通过液压放大器170的动态密封看不到过多的压力。液压放 大器170减小需要移动螺杆200的轴向载荷量，因而减小移动作为起 重螺旋的螺杆200所需的摩擦损耗。因为较小的载荷，这也减小了可 伸缩元件204轴向移动带来的摩擦损耗。

现在特别参照图3D，可伸缩元件204包括其上端与上双恒速关 节202连接的花键轴224和下端与下双恒速关节206连接的外部元件 226。在外部元件226的花键孔中接收花键轴224，使内部的花键轴224 能够在外部元件226中滑动。轴224和外部元件226之间的花键接合 使得能够在其两者之间传递扭矩，从而当轴224在外部元件226内滑 动时，允许可伸缩元件204轴向地伸长或缩短，引起轴224和外部元 件226一同旋转。花键元件224和226设计得能携带扭矩并且有相对 的轴向移动。螺母214上的螺纹向下轴向地推动驱动轴螺杆200和外 部花键元件226。在钻孔524的钻孔过程中，双恒速关节202和206 允许由操纵组件20的弯曲所引起的可伸缩元件204的角度偏移。

如果操纵组件20在钻孔中被粘住或有能量损耗，例如，操纵组 件20有如3°-4°的倾斜，操纵组件20有设计的挠性，以便从孔中 移开。如果操纵组件20弯曲，恒速关节202和206允许操纵组件20 继续工作。要是没有恒速关节202和206，例如，如果操纵组件20弯 曲时，可伸缩连接元件204就会弯曲。那样驱动轴14会折曲。恒速 关节202和206允许足够的侧移，使得在元件224和226上的滑动花 键不会弯曲。下恒速关节202还防止驱动轴螺杆200的螺杆弯曲。

在运行中，电机174转动内部花键元件224，后者转而旋转外部 花键元件226和驱动轴螺杆200。当驱动轴螺杆200在螺母214中旋 转时，外部花键元件226和驱动轴螺杆200轴向移动引起小活塞178 按电机旋转方向或者向上或者向下地轴向移动。例如，当小活塞178 在减小的液压缸194中向下移动时，大活塞176也向下移动，引起楔 形部件90下移。这改变了相比较90和斜角凸轮80在接触区域260 和262的接合，从而移动由接触区域260和262形成的平面和标准的 轴线72。当然这改变了钻头12进行钻孔的方向。

液压放大器170具有约5∶1的放大能力，机械放大器172具有 约16∶1的放大能力。这些放大从楔形部件90的表面96向斜角凸轮 80的表面86产生约1500psi的轴向力，且由于楔入角度的机械优点， 从楔形部件90的表面96向斜角凸轮80的表面86产生了很高的大约 5000磅法线方向力。

应当意识到，对楔形部件90的轴向移动可采用其它类型的驱动 机构。再参照图8和图9，图8示出机械传动装置152，它包括连接 到球状动力轴承或滚珠轴承234的楔形本体232。动力轴承234的驱 动轴236由止推轴承238支持，并且与电机174的输出轴208连接。 止推轴承可设在动力轴承234的每一侧以便通过分担轴向力来更好地 支持动力轴承。图9示出液力驱动装置154，它包括带有大汽缸242 的楔形本体240，大汽缸242中容纳有一个或多个大活塞244。减小 的液压缸246装有小活塞248。小活塞248与轴250连接，后者依次 连到双向作用液压泵活塞252。泵活塞252装在泵缸254中，且通过 向活塞252的一侧或另一侧提供液态流体压力而在液压泵256的作用 下进行往复运动。电机174可用来向泵活塞256提供动力。

本发明的操纵组件20允许在钻孔时改变钻头12的方向。碟形弹 簧184和186提供对楔形部件90加以预载的弹簧加载连接。当一个 楔形部件90轴向向上地从斜角凸轮80移开和/或另一楔形部件90轴 向向下地移动以便向斜角凸轮80施以向下的力量时，所述的碟形弹 簧力使凸轮表面86能够与96保持接触。如果在大活塞176上释放了 压力，下组碟形弹簧186扩张该弹簧加载连接的一侧。如果在大活塞 176上增加了压力，下组碟形弹簧186扩张该弹簧加载连接的另一侧。

在改变钻孔方向的过程中，碟形弹簧184和186通过楔形部件90 的楔形表面96在斜角凸轮80的凸轮表面86上保持预定量的载荷， 因此钻头12引起的振动不会撕裂底孔组件10。在钻孔过程中，通过 钻头12的钻孔动作在楔形部件90上加载了强大的动力振动载荷。例 如，钻头12钻孔时，它趋向于抓放形成钻孔。调节斜角凸轮80的方 向和角度时，碟形弹簧184和186在楔形部件90的表面96和斜角凸 轮80的表面86之间保持一个载荷。如果表面86和96不保持接触， 钻头12的钻孔作用将损坏凸轮表面86和96。

如果利用楔形部件90施加太大的载荷给斜角凸轮80碟形弹簧184 和186也允许楔形部件90从斜角凸轮80撤回，因此组件被卡住或锁 住。如果钻头12被挂起来，那么楔形部件90能从斜角凸轮80撤回。 因为楔角为10°或更多，可以有一点，在此点楔形部件90将被锁在 斜角凸轮80上。如果操纵系统开始停止或锁上，能向楔形部件90施 加旋转载荷以移动楔形部件90。碟形弹簧184和186使楔形部件90 能进行约0.025英寸的移动，以便引起解开对系统的卡合。从钻头12 发出的振动载荷趋于向后移动楔形部件90以解开系统锁合。当楔形 部件自由分开时，电机174能向上移动楔形部件90并使其脱离接触。

当不使用碟形弹簧184和186时，它们被加载到处在完全收缩的 位置。碟形弹簧184和186在其压缩位置的弹簧载荷约为600磅。例 如，当操纵组件20已移到新的方向和弯曲角度时，碟形弹簧184和186 被压到最低点，因为一旦楔形部件90位于其设定位置，则不再需要 碟形弹簧184和186来进行小量振动。这时碟形弹簧184和186起不 到帮助作用。而且，如果钻孔时方向上的改变已停止，将不再需要碟 形弹簧184和186。

而且，故障防护系统也可是操纵组件20的一部分，这样如果移 动楔形部件90来控制斜角凸轮80时出现问题，楔形部件90能完全 的与斜角凸轮80脱开接合且从斜角凸轮80移开。这使得能去除由于 钻头侧载荷引起的加在斜角凸轮80上的任何过多载荷，因此可以使 用更小的力量或电机扭矩来再次调节楔形部件90。故障防护系统可以 是位于电机174上的液压活塞，它具有大的外径对泥浆活塞室的内径 密封，并在大直径之下，该液压活塞具有较小的外径，也相对于泥浆 活塞室的内径密封，泥浆活塞室在两个密封表面之间具有向外的开口 或钻孔压力。螺旋弹簧使活塞在两个表面之间偏向钻孔电机动力部 分。活塞通过至少三个螺杆连接到楔形本体156之下，使得当有预定 的压力降时(对于其下部具有含喷嘴的钻头的底孔组件，通常有一个 泥浆流量经过此钻头)，活塞被向下推到一个挡件上，从而一起移动 楔形本体及三个楔形部件一个预定距离，该距离在2英寸和1/32英寸 之间。故障防护系统也可是位于上部的活塞，它通过一个或多个在电 机174之间从活塞到楔形部件156的导管以液力连接到楔形本体156。 楔形本体156将密封到上部壳体26和内径套筒，使得从上面活塞的 发出液体压力向下推楔形本体156，直至挡件阻止进一步的轴向移动。

另一种故障防护系统包括在楔形部件90和液压放大器170的大 活塞176之间的弹簧和/或制动器。定位弹簧和/或制动器加载，使得 大活塞176向楔形部件90沿两个方向之一施力，使大活塞176和楔 形部件90之间能够进行一个预定量的移动。电机在希望的方向向楔 形部件90施以能够移动楔形部件90少许的力量，因此当从向下打孔 的振动发生与成型相对的钻头侧面载荷的瞬时减少时，楔形部件90 能移动少量。电机174能周期性地开动，以把轴向载荷放到楔形部件 90上，来继续楔形部件90的移动直至钻头侧面载荷变得足够小，因 此电机174能按需要来移动楔形部件90。

改变钻孔方向时，例如围绕轴线72的弯曲角度和/或角度方向， 在楔形部件90的轴向位置进行间歇地调节。例如，一个楔形部件90 没有完全从斜角凸轮80脱开连接，而另一个楔形部件90向下移动来 增大施加给斜角凸轮80的力量。用小的增量分阶地改变接合。

进行组装时，楔形部件90的所有三个楔形表面96a、96b和96c 分别相对斜角凸轮80的锥形表面86a、86b和86c充分加载，而表面 86和96分别在接触区域260和262彼此接触。当楔形部件90相对表 面86沿下向位置充分加载时，碟形弹簧184和186的压缩使轴向移 动能达到0.025英寸。例如，当一个楔形部件90离开斜角凸轮80， 接触区域260和262转移，然而由于碟形弹簧184和186仍保持预 定的载荷。然后可以通过驱动装置150轴向地分别调节一个或多个楔 形部件90，以达到钻头12的要求方向和角度。例如，钻孔时，一个 楔形部件90可向上移动0.020英寸，另一个楔形部件90向下移动0.020 英寸，碟形弹簧184和186维持施加在楔形部件90上相对斜角凸轮80 加在接触区域260和262的持续力。

由地面处理器514决定三个楔形部件90的相对位置，以达到钻 头12的要求角度和方位。例如，地面处理器514可包括具有三百到 四百个方向位置的检索表，每个方向位置对应一个关于钻头12轴线74 具有的特定弯曲角度和取向角的特定方向。每个钻孔方向依次对应三 个楔形部件90的每个各自的特定一组轴向位置。地面处理器514还 提供了三个楔形部件90的相对轴向调节，以获得钻孔的新方向和新 角度。因而，对于特定的钻孔方向和角度，检索表指出楔形部件90 的一组位置。

尽管操纵组件20的变化多端，检索表只有用于钻头12的数目有 限的方向位置。由于指向钻孔本身并不是精确的技术，有限数目的钻 头12的位置已足够。并且，可对操纵组件20产生多个调节，来确保 钻头12在希望的方向进行钻孔。

现在再参照图3A-E在上部壳体26中接近每个楔形部件90处 装有电位器270，以便确定并证实每个楔形部件90的准确位置。图3B 中很好的示出，在楔形本体156中，直线式电位器270设在轴向孔272 中。电位器杆274从电位器本体270向下伸到一个楔形部件90，扣件 276依附于杆274的下端。电位器270的上端在楔形本体156内被另 一个扣件278附着。孔280穿过下部隔板124、中部隔板126和上部 隔板128，并穿过一个或多个电力导线(未示出)。电力导线在电机 室104内围绕电机174延伸到接线盒230，接线盒230在电机174之 上，然后伸到电子部件18。当楔形部件90轴向移动时，附着的电位 器杆274也移动，从而改变电位器270内的电阻。每个电位器270向 地面提供每个楔形部件90的纵向位置的信号，从而提供相对于上部 壳体26楔形部件90的行程测量。因而，三个电位器270示出楔形部 件90的相对位置，该位置决定在楔形部件90和斜角凸轮80之间由 接触区域260和262形成的平面。

然后，从特定的电位器270发出的信号通过电子部件18传送到 地面11。优选通过图5所示的复合蛇形管520内的数据传送管584和 586把信号传送到地面11。变通地，信号也可沿着湿路径向传送到地 面。可使用各种传送器进行传送。如图11C中很好的示出，在组件10 的上部湿式锥形连接器282处有四个金属环284。一旦发生接合，由 于各个金属环284发生接触，允许以本领域熟知的湿路径向传送的方 式将信号传送到地面。然后，在地面利用地面处理器514对信号进行 处理，以测定每个楔形部件90的位置，从而确定由接触区域260和262 形成的平面的三角方位。这个平面相对于真垂线和方位角的位置设定 钻孔的实际角度和方位，如斜角计24所测定的。变通地，应当意识 到利用固定到上部壳体26的直线式电位器能够监控楔形部件90相对 于斜角凸轮80的位置，并且测量活塞176和178的移动或者驱动轴 螺杆200的移动。

尽管电位器270测定由三个楔形部件90所形成的平面位置，实 际上，钻头12可能没在钻真正的孔，即不在希望的方向上钻孔，因 为钻头12在地层内的钻孔中滑动，例如因为钻头12在较软的地层内 进行钻孔。因而，即使正确地定位了三个楔形部件90，其方向位置也 不能反映钻头12的实际钻孔方向。因而，优选在底孔组件10内使用 近钻头方向传感器556，以控制从真垂线偏离的倾斜度并控制底孔组 件10的方位角，因此钻孔时能够调整靠近钻头12的钻孔通道，以保 持钻孔路程靠近希望的方向或油井通道。

近钻头方向传感器556内的斜角计根据地球重力来测量方向，而 电位器270只测量楔形部件90的轴向范围。底孔组件10可以由非磁 性金属材料制成，从而能够容易准确地感应倾斜度和方位角。定位部 件554包括测量坡度的仪器，以正确地记录钻孔的方向，且作为对相 对于近钻头方向传感器556和电位器270测量的方向的，钻孔实际方 向的另一种核查。定位部件554正确指出钻头12的定位位置。换言 之，电位器270理论上指出进行钻孔的方向，近钻头方向传感器556 大致指出进行钻孔的方向，而定位部件554指出进行钻孔的实际方向。

为了监控楔形部件90的位置，可使用其它的传感器或传感系统 552。例如，使用多个传感设备中的一个来计算电机174的驱动轴208 的方向和旋转次数，以确定楔形部件90的轴向位置。且通过液压放 大器170可间接地监控楔形部件90相对于上部壳体26的位置。而且， 通过将楔形部件90带到靠着楔形本体156上的挡件然后将电机174 的转动次数归零，可以周期性直接地测定楔形部件90的位置。

现在参照图3D和图12，定中心器290设置在上部隔板128的下 部终端内的沉孔292中，且被中部隔板126的上部终端固定在位。定 中心器290设在上部壳体26中，靠近驱动轴14的中心。驱动轴14 具有设在轴14上的墩锻15，如图12所示，从而其中心定在定中心器 290上并与定中心器290接合。这使定中心器290能够靠近其中支承 驱动轴14。示出孔291用于电力导线的通道。

现在参照图11A-C，操纵组件20包括安装在电机室104上端的 流体压力补偿系统300。用来补偿在操纵组件20的密封流体室320中 的任何压力变化。补偿系统300包括压力室302，压力室302在304 处有螺纹且在306处密封到电机室104的上端。压力室套310设在压 力室302中，以形成空腔308来容纳近钻头方位传感器556，近钻头 方位传感器556包括斜角计24、电子部件18和不同的电力导线。

现在参照图11A-C和图13A-C，密封流体室320包括油通道 312，它从压力室套310的上端伸出，穿过电机室104、上部隔板108 和中部隔板126，伸到下部隔板124，如图13C所示。油通道312继 续穿过在下部隔板124和楔形本体156的接触面上的密封塞314，进 入楔形本体156的壁内。密封件318在楔形本体156和上部壳体26 之间进行密封。油从油通道312的下端316向下连通到围绕楔形部件 和斜角凸轮80的下端的环形区域130。

封闭的流体室320还通过楔形本体156内的油流道322与环形区 域130相通，穿过下部隔板124与楔形本体156的接触面上的密封塞 324，进入油室326。隔油活塞330设在油室326中，并包括密封件328 以与室326的壁密封。活塞330上的油室326的部位327分别与孔162 和容纳驱动装置150及电位器270的电机室104相通。隔油活塞330 振荡以补偿驱动轴螺杆200的移动。密封流体室320能够封住密封流 体室320和流经流道120的钻孔流体之间高达2000psi的压差。

现在参照图14，在楔形本体156的孔342中装有释压系统340， 以便解除封闭的液压系统内的过量压力，这种过量压力是由在液压放 大系统170的小活塞178和大活塞176之间的液压缸194和180所形 成的。释压系统340包括其下端与楔形本体156内的室345流体相通 的安全阀340。室345与封闭的液压液压缸180和194流体相通，例 如通过交通孔346。

释压系统340还包括其下端密封地安装在阀344上端352内的心 轴350。心轴350包括带有流体端口356的液压缸354，流体端口354 从心轴350下端伸到阀344。补偿活塞360密封地安置在液压缸356 内的358处，形成上室366和下室368。下室368与交通孔356(346) 并进而与释压阀344流体相通。通过放气口355液压缸354的上端与 室326(在隔离活塞之上)流体相通，放气口355穿过设置在液压缸 354之内的带有弹簧364的插栓362，且弹簧364压挤插栓362和活 塞360的一侧。

释压阀344包括诸如“187 Zero Leak Chek”阀之类的止回阀370 和诸如“250TRI”阀之类的高压阀372。通过端口374和356，止回 阀370的上(下)端与下室368相通，止回阀370的下(上)端与端 口346相通，从而与装有小活塞178和大活塞176的液压缸180和194 相通。止回阀370使流体压力能够从下室368释放到楔形室345。高 压阀372使较高的流体压力能够从楔形室345释放到下室368为可能。

例如，运行中，当液压放大器系统170和楔形室345内的压力超 过预定限度时，诸如由向下打孔的温度引起，高压安全阀372打开， 使流体流入下室368。这引起补偿活塞360向上移动到上室366内， 从而压挤弹簧364并把过量压力释放到楔形室345，进而释放到液压 缸180和194。上室366内的流体压力上升泄放进活塞330之上的油 室326的部分。当楔形部件90后退到斜角凸轮80时，楔形室345与 液压缸180和194内的压力下降，这时止回阀370允许流体压力从下 室368进入楔形室345与液压缸180和194。释压系统340使在楔形 室345和小活塞178及大活塞176之间的液压缸180与194所组成的 封闭的液压系统内能够保持容量不变。

应当认识到，可以使用另一种释压系统。例如，可在上室366内 安装隔板元件和底面元件，例如碟形弹簧，使隔板元件偏置到弹簧 364，因此如果楔形室345和液压缸180和198泄压，则使补偿活塞360 与隔板元件接合，将要求增大的压力排出多余的流体。

再参照图11C，补偿系统300包括补偿液压缸382和往复地安装 在液压缸382内的补偿活塞386，补偿液压缸382密封地安装在压力 室套310上端内的384处。液压缸382上端内接收密封套388，且密 封套388密封地与压力室套310在392处接合。密封套388和活塞386 为圆柱形元件，允许钻孔流体在其中经过。活塞386还包括环形凸缘 390，该环形凸缘390装有密封件392并与液压缸382的壁密封接合。 活塞386的下端设置在液压缸382的沉孔394内，液压缸382带有密 封件396与活塞386密封接合。密封套388和液压缸382形成容纳弹 簧400的环形区域398，弹簧400压挤活塞386的环形凸缘390。液 压缸382形成面朝上的环形肩部402，凸缘390形成面向下的环形肩 部404，环形肩部404和402与液压缸382和活塞386一起形成补偿 流体储存箱410。公共的相通流体连路406从补偿流体储存箱410向 下伸到油路312而形成封闭的流体室320的一部分。弹簧400使活塞 386向下偏，引起活塞386对油储存箱410内的油施加小的预定压力， 油储存箱410转而与封闭的流体室320流体相通，操纵组件20内的 所有移动零件装在封闭的流体室320中。

弹簧400在活塞386上施加了少量的向下压力，以确保环形区域 130和环形油室326内的压力大于流经中心流动孔120的钻孔流体压 力，使油倾向于流出封闭的流体室320，而钻孔流体或油井流体倾向 于流入密封式320内。因而，在封闭的流体室320内保持了小的正压 力。

能够理解，在装配操纵组件20时对齐非常重要。一旦斜角凸轮 80位于合适位置，其上的所有部件必须关于斜角凸轮80上的凸轮表 面86恰当对齐。这要求主要用轴向插入方式而不是利用旋转连接的 方式进行装配。斜角凸轮80的凸轮表面80最初与关节球32内的配 合花键94对齐，关节球32与下部壳体28连接。然后，楔形本体156 与楔形部件90的凸轮表面96必须与斜角凸轮80的凸轮表面86对齐。 然后，所有的楔形本体156、液压放大器176、隔板124、126及128 和可扩大/可收缩连接部件204都被装配成一个组件。一旦这个组件装 配完毕，通过将这些成分轴向地插入上部壳体26内，把这些成分作 为一个组件安装在上部壳体26内。然后利用松紧螺旋扣116把上部 壳体26连接到下部壳体28。

钻头12在钻孔时，本发明的操纵组件20通过从钻头12向上地 控制下部壳体28关于轴线74的弯曲角度和角方向。通过使用底孔组 件10内的弯曲作为钻头12的偏移，可用底孔组件10把钻头12推抵 到钻孔。并且，因为在钻头12和底孔组件10之间产生角度，钻头12 指出将被钻的钻孔的方向。通过增加角度来提高与弯曲处的偏离，因 此利用加大角度来补偿超过规定尺寸的钻孔(大于钻头12)，因而对 钻孔有侧载荷。

本发明的操纵系统20包括通信系统，它监测从向下打孔传感器 发出的方向数据，并向操纵组件20提供指令以改变钻孔的角度和方 位。通信系统使数据能够传送到地面以供地面处理器514分析，而且 地面处理器514向操纵组件20发出指令来再次按需要调节楔形部件 90，以便操纵钻头12在希望的钻孔方向进行钻孔。通过把实际的楔 形部件位置、钻孔的角度和方位及钻头12的真实方向与预定的钻孔 通道或其它的参数进行比较，或者利用从地面传送的指令，可以进行 这种调节。并且，通过比较先前的设置与特定孔和/或正被钻孔的地层 的结果，本操纵系统可具有学习为获得希望的方向所需的设置的能 力。因而，通信系统使在地面和操纵组件20之间能够进行通信，优 选通过本发明的复合蛇形管520壁内的电力导线584和586进行通信， 从而使通信系统成为电控弯曲子系统。

例如，现在参照图15，图中示出用于特别包括操纵组件20的底 孔组件10的电控系统530的示意图。系统530包括多个向下打孔数 据获得装置，例如传感器520、定位部件554和近钻头定位传感器556， 还包括多个控制装置，例如装置558和操纵组件20。应当认识到，传 感器552和控制装置558可以不仅包括这里描述的传感器和控制装 置，还包括其它本领域已知的数据收集测量传感器和控制装置。电源 512通过电源线562和电源回路564向配电模块581提供电力，电源 回路564的相当部分长度穿过复合蛇形管520的壁延伸。配电模块581 通过电力总线582将电力分送给底孔组件10内从552到560和580 的不同部件。

在不同部件552-560、581与管理模块580之间，“慢”数据总 线576提供指令及数据通道，优选在管理子系统672中装有管理模块 580。每个部件内的微控器能通过慢总线576而彼此相通。在管理模 块580和数据获得装置如定位部件554和传感器552之间，也可以提 供有“高速”数据总线。如，合适的高速数据总线可以是通常用于有 线线路的1553有线线路数据总线。

慢数据总线576和高速数据总线578连接到管理模块580，管理 模块580是用作为所有向下打孔数据的获得装置和控制装置的向下打 孔控制器。管理模块580通过变压器588与数据导管584和586耦连， 数据584和586穿过复合蛇形管520的壁到达地面上的第二变压器 590。在复合蛇形管520的上端，变压器590把耦连数据导管584和586 到装在地面处理器514中的数字信号处理器592。变压器588和590 提供直流电隔离，以保护向上打孔电子信号和向下打孔电子信号免受 数据导管584和586内的电路故障影响。

数字信号处理器592为地面处理器514中的可编程装置，地面处 理器514用作地面的调制解调器(调制器/解调器)。数字信号处理器 592优选地包括模拟数字转换电路，用来把收到的信号转换成数字形 式供后续程序使用。

每个向下打孔数据获得装置和控制装置带有从数据总线576和 578给出的唯一地址的调制解调器。每个调制解调器可以通过其独特 地址单独且直接地与地面处理器514通信。地面处理器514能通过向 特定地址发出信息而开始与该特定装置的调制解调器通信。调制解调 器向地面发出一个收到信号以作出响应。这使得地面与每个向下打孔 控制装置和数据获得装置进行通信。优选地，向下打孔-地面的通信 经过数据导管584和586而连续发生。向下传到电力配电模块581的 指令信号把动力引导到适当指定的向下打孔装置。

通常，不向下孔中发送要求将从数据获得装置发出的信号上转到 地面的信号。有代表性地，从数据获得装置发出的信号常以地面所希 望的能读或能忽略的密码流形式传达到地面。高速数据总线578通常 保留用作数据通信。所有的数据均是数字形式。

优选将从地面发送到向下打孔控制装置的指令沿数据导管584和 586上的时分-或频分-多路传输通道向下传输。应当认识到，变通 地把这些信号沿电源线562和564向下传输。在这些信号的最简形式 中，指令信号可以只是开关信号。这些信号也可在电源线上被频分多 路传输，使得信号不会干扰电力导线562和564上的电力输送。

优选以直流电的形式提供电源线562和564上的电力。优选地， 电源线562和564只用于供电，而通过数据导管584和586发送所有 的数据和指令。

尽管在某些装置中，可能在孔下进行一定量的数据处理，优选在 地面进行大量的数据处理。一些数据在转到地面之前，先在孔下处理。 每个向下打孔控制装置包括作为控制器的微处理器。一般这些微处理 器不会用于处理数据。由于提供了足够的带宽来向地面发送所有数据 以进行处理，这种孔下处理是不必要的。

所有向下打孔装置从地面提供电力，且都是受电力致动。尽管一 些向下打孔控制装置可能具有液压部件，优选这些部件是电控的。

地面处理器514引导操纵组件20的三个电机174来开动液压放 大器170并对液压放大器170供电。这些液压放大器170推动并往复 运动与斜角凸轮80接合的三个单独楔形部件90，以便调节操纵组件 20的臂形部28的弯曲角度和方位，因而调节钻头10的弯曲角度和方 位。每个楔形部件90具有使其与斜角凸轮80接合成三角形的不同位 置，以便指示钻头12的工作面的特定弯曲角度和方位。

优选近钻头定位传感器556位于操纵组件20的罩管内。优选近 钻头定位传感器556包括斜角计和磁力计，它们用来提供钻头12的 钻孔方向的早期指示。已经向下发送指令来改变钻头12的工作面的 角度和/或方向后，近钻头定位传感器556还确认钻孔方向的改变。大 约每隔十秒，通过较慢连续总线576、管理模块580和数据导管584 和586，近钻头定位传感器556的数据被发送到地面。利用近钻头定 位传感器556的数据作为钻孔方向的进度查核。

在近钻头定位传感器556上安置了坡度检查定位部件554，一般 是30或40英尺以上。坡度检查定位部件554可包括HDAS(Develco) 定位传感器。定位部件554一般包括三个磁力计和三个斜角计，它们 与确定温度和其它向下打孔特征的其它传感器一起工作。通常，定位 部件556的数据包括三个磁力计测量数据、三个斜角计测量数据和温 度数据。大约每隔一秒就通过高速数据总线578向地面发送这些数据。 管理模块580用作底孔组件10的控制器。管理模块580基本用作总 线主控并可被认为是向下打孔活动的中心，它从地面取得指令信号并 将指令信号再次传送到各个向下打孔装置。管理模块580也接收从各 个向下打孔装置发出的确收信号及数据，并且将确收信号及数据发送 到地面上的地面处理器514。优选以帧的形式提供指令信号及数据， 该形式使管理模块将帧有效地多路传送并将帧发送到希望的目的地。 尽管也可以考虑其它调制方案，但优选管理模块580利用正交幅度调 制(QAM)把信息发送到地面。QAM调制一般提供每秒65K(千位) 的传送速率，但希望达到每秒160K或更大的传送速率。优选地，使 用频移键控(FSK)调制方案从地面处理器580到管理模块580传送 指令，频移键控(FSK)调制方案支持约2400波特的传送速率。

地面处理器580包括具有一个或多个运算法则的计算机，用来计 算向下钻孔的钻头12工作面的弯曲角度和角定向。地面处理器514 的运算法则用来指令各个电机174和操纵组件20调节突起28的弯曲 角度和方位。用于地面处理器580的运算法则比向下打孔微处理器的 运算法则更易于记录及修改。应当认识到，地面处理器514可包括检 索表，以便确定操纵组件20内的楔形部件的各个位置，以获得特定 的弯曲角度和方位。

地面处理器514在数据获得装置和向下打孔控制装置之间提供了 “闭环”的方法。地面处理器514能引导向下打孔装置去执行一个动 作并观察结果。如果不是希望的结果，或如果数据获得装置指出需要 不同的动作，那么相应地地面处理器514能引导控制装置去调节向下 打孔装置的动作。这种反馈形式能对改变钻孔情况予以精确的控制及 快速反应。

应当认识到，变通地，可在孔下产生电力而不用从地面供电。例 如，可在底孔组件内安装电透平机，当泥浆流经透平机时可产生电力。

现在参照图16，其中示出由地面处理器514执行的处理过程的 流程图。在框602中，地面处理器514向底孔组件发出指令，以证实 不同部件的设置和可操作性并把这些部件置于所要求的起始设置。传 感器552、定位部件554和近钻头定位传感器556向地面处理器514 发送数据。地面处理器514对框604内的传送信息进行解调和解码， 且在框606中地面处理器514根据已知算法和制表处理并分析数据， 从而确定不同的向下打孔情况。该分析确定了一组说明钻头12向下 打孔位置和方位的“实际”参数。

优选地面处理器514包括一组基于预定的“油井计划”的目标参 数，“油井计划”详细说明了油井钻孔的希望通道。在框608中，地 面处理器514把实际的向下打孔参数与目标参数进行比较。如果实际 参数在目标参数的范围内，则意味着钻头12沿着希望的油井通道进 行钻孔，然后地面处理器514不采取任何措施并返回到步骤604。当 从下孔中接收实际数据时，例如抵抗力、热容比及岩性测量，可以不 断更新油井计划。

例如，如果比较结果显示钻头12不再在希望的方向上进行钻孔 并证实钻孔方向改变了，地面处理器514向下孔发出指令以改变在步 骤614的钻孔方向。地面处理器514向底孔组件10的控制模块发出 指令，补偿实际参数与目标参数之间的差值。例如，如果实际参数指 出钻孔发生在油井计划的目标之外，地面处理器514确定钻头12的 新的钻孔角度和/或方向。然后向下孔发送指令到操纵组件20，以执 行正确动作。然后移动一个或多个电机174，来再次引导钻头12到新 的角度和/或方向。在任何情况下，地面处理器514都重复在方框604 开始的过程。

一旦到达新的角度和方位，钻头12进一步钻较短距离的钻孔， 使近钻头定位传感器556确定是否已经到达新位置并向地面发出信号 告知结果。当变化发生后，地面处理器514又对实际参数和框612的 目标参数进行比较，以确认这种变化。如果没有到达新位置，则再一 次向下孔发送另外的指令，以进一步对钻头12的工作面的角度和方 位进行重新定位。

应当认识到，当沿特定方向进行钻孔时，例如当遇到特别硬的地 层时，任何时候在地面上都会使用人工操作来使由于下孔中出现问题 的情况所引起的钻孔方向复位。由于地层状况可能使钻头实际上不可 能继续留在油井通道内。而有可能确定，即使钻头12沿油井通道进 行钻孔，钻头12也不是以优选形式进行钻孔，因而宁愿改变钻孔方 向。

本发明的操纵组件20能作为处在蛇形管之下的底孔组件10的一 部分，或处在旋转钻孔绳下的底孔组件10的一部分，旋转钻孔绳具 有回转接头并能在钻孔电机22处没有转动或进行周期性转动。运行 的能量消耗较小，因此如果必要，当使用旋转钻孔系统时，向下打孔 透平机或电池可向操纵组件20供电。

应当认识到，使用旋转钻孔系统时，可以采用其它方法例如泥浆 脉冲遥测。这种系统也可是闭环系统，因为不需要从地面对操纵组件 20发出指令来控制并维持希望的钻孔通道。

对比现有技术，本发明具有多方面的优点。本发明能控制弯曲方 向和角度的数量，从而控制倾斜度和方位角，而不干扰钻孔。由于本 发明能平衡钻头12并朝着正在钻孔的方向来改变钻头12的方向，所 以本发明能操纵在尺寸过大的孔中的钻孔方向。能够钻小到3-3/4英 尺以及较大的孔的组件中都具有所有的上述能力。因为能够使用要求 得到方向改变所需的正确弯曲量和补偿量，在要求操纵钻孔的任一方 向改变上，钻孔都具有光滑的过渡，且因为进行钻孔时能够控制钻孔， 所以钻孔中没有额外的侧载荷。

尽管已经示出并描述了方向机构的优选实施例，该方向机构用来 推动并控制操纵组件20的下部壳体28相对于上部壳体26的弯曲角 度和方位改变，应当认识到，还可采用其它的设备和方法来引起下部 壳体28在万向接头30上弯曲并旋转，从而改变钻头12的钻孔方向。

现在参照图17和18，图中示出可选的方向机构400，它包括多 个与延伸元件404接合的活塞402a、402b和402c，延伸元件404在 部位406有螺纹而与关节球32接合。一个或多个液压端口408与活 塞402a、402b和402c相通，引起活塞402a、402b和402c在液压缸 410内往复运动。利用如图7或图9中所示的驱动机构，电机174可 能产生液压驱动。例如，对于图7，大活塞176可作用于液压端口408， 或对于图9，例如泵252的液压泵可把液压流体经液压端口408抽到 致动活塞402a、402b和402c。变通地，如图19和20所示，可以用 致动器420a-c替代活塞402a、402b和402c，并且如图19所示，利 用与如图1、8或9所描述的一个驱动机构连接的联结件422来机械 推动致动器420a-c。致动器420与螺纹连接到关节球32的延伸元件 424接合。当活塞402或致动器420往复运动分别与延伸元件404或 424接合时，延伸元件404或424引起下部壳体28相对于上部壳体26 的轴线74改变下部壳体28的轴线72，从而改变钻头12的弯曲和/或 方向。

现在参照图21，图中示出本发明的方向机构的另一可选实施例。 方向机构430包括在部位434处可旋转地安在关节球32上的延伸元 件432。在关节室36和安装在上壳438上的罩管元件436之间支撑了 关节球32。延伸元件432安装在关节球32中，使得延伸元件432能 在关节球32内旋转。利用轴承442和密封保护件444，将定位液压缸 440可旋转地且可往复运动地安装在上壳438内。在罩管元件436和 密封保护件444之间设置有弹簧446，以便把定位液压缸440从延伸 元件432偏置开。定位液压缸440容纳延伸元件432的上部锥形端448。 延伸元件432包括多个凸轮槽450，每个凸轮槽用来接收安装在定位 液压缸440上的凸轮销452。凸轮槽450包括平行的凸轮表面454a和 454b，凸轮销452借凸轮表面454a和454b在凸轮槽450内移动，延 伸元件440枢轴转动以改变弯曲角度。定位液压缸440附在电机例如 电机174上，使定位液压缸440转动。当定位液压缸440转动时，在 凸轮槽450内的凸轮销452引起延伸元件432转动，从而改变方向。 运行过程中，当关闭从地面抽取钻孔流体的泵时，由于如图21中所 示的弹簧446的运动，引起定位液压缸440向上轴向移动。当开动泵 时，定位液压缸440向下移动至罩管元件436的肩部456。

另一可选方向机构包括一个优选具有多个凸轮表面的偏心轮，该 偏心轮与下部壳体28的延伸元件接合并在上部壳体26内旋转，使延 伸元件相对于上部壳体26的轴线改变其弯曲角度和角取向。能够看 到，这种偏心轮能受电机驱动进行转动，该电机非常像如优选实施例 中描述的电机174。当偏心轮旋转时，下部壳体28的轴线72相对于 上部壳体26的轴线74而改变。能够看到，下部壳体28在万向接头30 上相对于上部壳体26移位。

另一可选方向机构包括在操纵组件内的两个独立的装置，用来改 变弯曲角度和角取向，一个用来改变弯曲角度，另一个用来改变角取 向。一组液压阀和活塞与延伸元件接合以改变弯曲角度，同时轴承组 件和电机的旋转元件相对于上部壳体26旋转下部壳体28，从而改变 取向。弯曲角度的变化和角取向的变化彼此独立。

应当认识到，本发明的许多特点都可适用于接合钻孔壁的操纵组 件，以便相对于上部壳体26来改变下部壳体28的弯曲角度和角取向。 如前所述，因为需要在钻孔壁上进行拖曳，所以这种实施例较不合意。 这样的设备和方法包括使用阀和钻孔流体来延伸操纵组件壳体内的可 调叶片，使得下部壳体28相对于上部壳体26的轴线74来改变下部 壳体28的轴线72的弯曲角度和方位。

另一方向机构包括在操纵组件的上部壳体26内装有一偏心凸 轮。偏心轮在上部壳体26内与驱动轴14接合，当偏心轮上的凸轮在 上部壳体26内旋转时，偏心轮使驱动轴14偏心旋转。当驱动轴14 在上部壳体26内偏心旋转时，驱动轴14的下游端与下部壳体28接 合，引起下部壳体28相对于上部壳体26偏转。当下部壳体28受驱 动轴14作用偏转时，改变弯曲角度和角取向，而得到新的钻孔角度 和方位。这种方法不太合意，因为由于偏心元件上的凸轮引起向驱动 轴施加侧载荷。

在1997年10月27日提交的名为“钻孔系统”的美国临时申请 60/063，326和1 998年5月20日提交的名为“钻孔系统”的美国专 利申请09/081，961中公开了另一种实施例，在此引入本文中作为参 考。且本文引入1994年7月14日提交的名为“易操纵旋转钻孔装置 和定向钻孔方法”的美国专利申请09/353,599作为参考。

本发明的优选实施例具有下列优点，它不包括在钻孔时会产生拖 曳的与钻孔壁接合的外部可调元件，也不会对驱动轴施以侧力而引起 驱动轴传送侧载荷与扭矩。

尽管已经示出并说明了本发明的优选实施例，而本领域的技术人 员仍可在不偏离本发明精神的条件下，对本发明的优选实施例做出修 正。