具有流动控制的钻井系统

申请号 CN201380035882.9 申请日 2013-07-03 公开(公告)号 CN104411916A 公开(公告)日 2015-03-11
申请人 普拉德研究及开发股份有限公司; 发明人 N·新名; O·柏林瑟夫;
摘要 一种有助于钻井筒的技术具有导向系统,该导向系统具有多个伸缩板,该伸缩板可以选择性地在侧向方向上被致动以施加侧向 力 。侧向力的施加用于对 钻头 导向。放置 阀 系统以在压力下以使得钻头能够被导向的方式控制致动 流体 输送到各个伸缩板。通过控制致动流体在压力下流动到在特定 角 度 位置 处的特定的导向伸缩板,阀系统允许沿着希望的曲线钻井。通过阻止将伸缩板暴露到加压的致动流体,阀系统还允许沿着希望的轨迹钻井。
权利要求

1.一种用于钻井的系统,包括:
具有多个伸缩板的旋转导向系统,所述伸缩板能够选择性地被致动以相对于所述旋转导向系统施加侧向来对钻头进行导向;以及
系统,其被定位成能够控制致动流体向所述多个伸缩板中的各个伸缩板的输送,所述阀系统包括定子转子以及挡板,所述定子具有定子开口,以选择性地将流体引导到所述多个伸缩板中的每一个伸缩板,所述转子具有转子开口,所述转子开口能与选定的定子开口对准,以将致动流体输送到选定的定子开口,所述挡板具有挡板开口,所述挡板开口能选择性地与所述转子开口对准或者不对准,以允许或者阻止通过所述转子开口的流动。
2.如权利要求1所述的系统,其中,所述定子、所述转子以及所述挡板是盘状的。
3.如权利要求2所述的系统,其中,所述挡板定位在所述转子与所述定子之间。
4.如权利要求1所述的系统,其中,所述转子包括桩,所述桩延伸到所述挡板开口中,以在所述桩与所述挡板开口的侧部接合时使得所述挡板与所述转子一起旋转。
5.如权利要求1所述的系统,进一步包括钻柱,所述旋转导向系统藕接到所述钻柱中。
6.如权利要求5所述的系统,其中,所述多个伸缩板中的伸缩板从壳体向外延伸用于与周围的井筒壁接合。
7.如权利要求6所述的系统,其中,所述多个伸缩板包括绕着壳体在圆周方向上间隔开的至少三个伸缩板。
8.如权利要求1所述的系统,其中,所述挡板通过轴可旋转地藕接到所述转子。
9.如权利要求1所述的系统,其中,所述多个伸缩板包括数量上与定子开口的数量匹配的伸缩板。
10.一种用于钻井的方法,包括:
将钻头藕接到具有多个致动器的旋转导向系统;
将致动流体输送到所述旋转导向系统,以使得能够致动所述多个致动器;
将阀系统定位在致动流体朝向所述多个致动器移动的流动路径中,所述阀系统具有转子、挡板以及定子;
通过所述转子与所述定子的相对旋转控制在特定的旋转位置处致动流体向特定的致动器的输送;以及
产生所述转子与所述挡板的相对旋转,以选择性地允许或者阻止致动流体向所述定子的流动。
11.如权利要求10所述的方法,其中,所述产生包括:将转子开口与挡板开口对准以允许致动流体流动到所述定子。
12.如权利要求10所述的方法,其中,所述产生包括:将转子开口与挡板开口不对准以阻止致动流体流动到所述定子。
13.如权利要求12所述的方法,其中,所述控制包括:将所述致动流体通过定子开口输送到与所述定子开口流体藕接的特定的致动器。
14.如权利要求12所述的方法,进一步包括:通过将所述转子开口与所述挡板开口不对准而阻止致动流体通过所述定子开口的流动,从而沿着直线路径钻井。
15.如权利要求13所述的方法,进一步包括:通过将致动流体引导流动到特定的致动器,同时那些特定的致动器相对于周围的井筒壁处于希望的旋转位置处,从而沿着弯曲路径钻井。
16.一种用于钻井的系统,包括:
钻头;
藕接到所述钻头的导向系统,所述导向系统包括相对于钻井方向侧向定向的多个致动器;
藕接到所述导向系统的管柱;以及
阀系统,其定位成能够接收沿着管柱向下输送的加压的钻井泥浆,所述阀系统具有多个相互作用的构件,在弯曲段的钻井期间,所述多个相互作用的构件控制所述加压的钻井泥浆向各个致动器的流动,所述多个相互作用的构件还能够被致动以阻止加压的钻井泥浆向所述多个致动器的流动,以使得进行直线段钻井或者进行弯曲程度减小段的钻井。
17.如权利要求16所述的系统,其中,当加压的钻井泥浆向所述多个致动器的流动被阻止时,允许所述多个致动器移动到径向靠内位置。
18.如权利要求16所述的系统,其中,所述阀系统包括具有转子开口的转子、具有挡板开口的挡板以及具有定子开口的定子。
19.如权利要求18所述的系统,其中,定子开口的数量与致动器的数量匹配。
20.如权利要求19所述的系统,其中,在弯曲段的钻井期间,所述致动器在径向方向上移动且与周围的井筒壁接触

说明书全文

具有流动控制的钻井系统

背景技术

[0001] 油气流体(例如石油和天然气)通过穿透含油气地层的钻井而从地下地质地层(称为:储层)获得。受控的导向或定向钻井技术用在石油、以及气体工业中以到达不是位于井口正下方的资源。当准备井筒或者一系列具有弯折或者其它类型的偏斜井筒段的井筒时,多种导向系统已经用于在钻井方向上提供控制。发明内容
[0002] 总体上,本公开提供了一种在多种应用中用于钻井筒或者其它类型的井眼的系统和方法。导向系统设计有多个伸缩板,其可以选择性地在侧向方向上被致动以相对于该导向系统施加侧向。侧向力的施加用于对钻头导向。放置阀系统以在压力下以使得钻头能够被导向的方式控制致动流体输送到各个伸缩板。通过控制致动流体在压力下流动到在特定位置处的特定的导向伸缩板,阀系统允许沿着希望的曲线钻井。通过阻止将伸缩板暴露到加压的致动流体,阀系统还允许沿着希望的轨迹(例如,直线轨迹)钻井。
[0003] 但是,很多修改是可能的,而不会实质性背离本公开的教导。因此,这样的修改旨在被包括在下文的权利要求书所定义的本公开的范围内。附图说明
[0004] 特定的实施例将在下文参考附图进行描述,其中,相同的附图标记表示相同的元件。但是应该理解,附图说明了本文描述的各种实施例且不意味着限制本文描述的各种技术的范围,附图包括:
[0005] 图1是根据本公开的一个实施例的井场系统,其中,可以使用导向系统的实施例;
[0006] 图2是根据本公开的一个实施例的用于定向钻井的导向系统的一个实例的示意性图;
[0007] 图3是根据本公开的一个实施例的可以与导向系统一起使用的阀系统的一个实例的分解视图;
[0008] 图4是根据本公开的一个实施例的图3中说明的阀系统的组装形式的另一个图;
[0009] 图5是根据本公开的一个实施例的阀系统的图,该阀系统处于开式流动位置以使得导向系统能够沿着希望路径导向;
[0010] 图6是根据本公开的一个实施例的处于开式流动位置的阀系统的另一个图;
[0011] 图7是根据本公开的一个实施例的阀系统的图,该阀系统处于闭式流动位置以有助于该导向系统沿着预定的轨迹(如直线轨迹)导向;以及
[0012] 图8是根据本公开的一个实施例的处于闭式位置的阀系统的另一个图。

具体实施方式

[0013] 在以下描述中,阐述了大量的细节以便理解本公开的一些实施例。但是,本领域的普通技术人员将理解,系统和/或方法可以不需要这些细节实施,并且来自描述的实施例的众多变化或修改是可能的。
[0014] 本文的公开总体涉及一种关于导向系统的系统和方法,所述导向系统可以用于使得能够定向钻井眼(例如,井筒)。系统和方法有助于在多种应用中钻井筒或者其它类型的井眼。定向钻井通过导向系统(例如,旋转导向系统)执行,该导向系统设计有多个伸缩板,所述多个伸缩板可以选择性地在侧向方向上被致动以相对于该导向系统施加侧向力。阀系统用于在压力下以使得能够导向钻头导向的方式控制致动流体(例如,钻井泥浆)输送到各个伸缩板。例如,通过控制致动流体在压力下流动到特定角度位置处的特定导向伸缩板,阀系统可以用于沿着希望的曲线引导钻井。通过控制、例如防止将伸缩板暴露于加压的致动流体,阀系统还可以用于沿着大致直的轨迹引导钻井。换句话说,当导向系统在中性钻井模式时,阀系统可以用于提供高压致动流体的自动关断,否则其将被施加到导向伸缩板。
[0015] 在一些钻井应用中,导向系统(例如,推靠式旋转导向系统)可通过将伸缩板致动到周围井筒的与目的偏转方向相反的一侧上来控制。通过使用阀系统来控制致动器、例如泥浆动力致动器,伸缩板保持与周围壁接触。举例来说,阀系统可以包括控制流体流动和施加到这些侧向定向的致动器的有关压力的旋转阀。当希望钻井方向偏转时,每一个致动器依次在与目的偏转方向相反的方向上对着周围井筒壁伸展。在沿着井筒的弯曲段导向期间,致动器伸缩板连续伸展且以平滑连续的运动缩回,使得伸缩板作用于周围井筒壁以将钻头沿着目的井路径引导。当沿着直线轨迹钻井时或者当减少轨迹的弯曲时,阀系统可以用于有效地提供关断功能,因此导向伸缩板可以缩回到径向靠内位置,而不是保持在(或者往复移动到)伸展的位置。结果,可以减少伸缩板和有关的构件的磨损。直线段的钻井以及具有希望折弯程度的某些弯曲段的钻井,可以通过调整导向系统的工作循环、全偏模式以及中性模式来控制。
[0016] 在一些应用中,阀系统被形成为具有多个相互作用的构件(例如,相互作用的盘件)的旋转阀。可以控制相互作用的构件以选择性地提供关断功能。例如,当阀的转子速度超过周围钻铤的旋转速度时,可以自动地激活关断功能。一旦流动到伸缩板的加压的致动流体(例如,加压的钻井泥浆)被关断,作用于致动器/伸缩板的压力被释放且伸缩板不再沿侧向向外方向对着例如周围井筒壁被推动。
[0017] 本文描述的导向系统在多种钻井应用中、在井和非井的环境和应用中都有用。例如,导向系统可以有助于钻穿过地质地层以及多种其它地质材料的井眼,以产生多种类型的通道。在井相关的应用中,导向钻井系统可以用于有助于用于形成多种偏斜井筒的定向钻井。包含导向钻井系统的井系统的实例在图1中说明。
[0018] 参考图1,说明了井场系统,其中,可以使用本文描述的导向系统的实例。井场可以在陆上或在海上。在此系统中,井眼11通过旋转钻井在地下地层中形成,且导向系统的实施例可以用在多种类型的定向钻井应用中。
[0019] 在说明的实例中,钻柱12悬挂在井眼11内且包括底部钻具组合(BHA)100,所述底部钻具组合在其下端包括钻头105。地面系统包括放置在井眼11之上的平台和井架组件10,组件10包括转盘16、方钻杆17、钩子18以及转环19。钻柱12通过转盘16旋转,该转盘16通过未示出的装置提供动力,该转盘16将方钻杆17接合在钻柱的上端处。钻柱12通过方钻杆17和转环19悬挂于钩子18,该钩子18附连到游动滑车(也未示出),该转环
19允许钻柱相对于钩子旋转。可选地,还可以使用顶部驱动系统。
[0020] 在这个实施例的实例中,地面系统进一步包括储存在形成于井场处的池27中的钻井流体或泥浆26。29通过转坏19中的端口将钻井流体26输送到钻柱12的内部,从而使钻井流体由方向箭头8所示地向下流动通过钻柱12。钻井流体通过钻头105中的端口离开钻柱12,然后如方向箭头9所示地向上循环通过钻柱的外部与井眼的壁之间的环形区域。在这种方式中,钻井流体润滑钻头105且当其返回到池27用于再循环时将地层钻屑向上携带到地面。
[0021] 说明的实施例的底部钻具组合100包括随钻测井(LWD)模120和随钻测量(MWD)模块130。底部钻具组合100还可以包括导向系统150和钻头105。在一些应用中,底部钻具组合100进一步包括达,其可以用于转动钻头105或者用于以其它方式协助钻井操作。此外,导向系统150可以包括旋转导向系统,以提供定向钻井。
[0022] LWD模块120容纳在特殊类型的钻铤中且可以包括一个或多个已知类型的测井工具。还将理解的是,可以使用多于一个的LWD和/或MWD模块,例如,120A表示的。(始终地,对120位置处的模块的引述还可以可替换地表示120A的位置处的模块。)LWD模块包括用于测量、处理、以及存储信息,以及用于与地面设备通信的能力。在本实施例中,LWD模块包括压力测量装置。
[0023] MWD模块130还容纳在特殊类型的钻铤中且可以包括用于测量钻柱和钻头的特征的一个或多个装置。MWD工具进一步包括用于为井下系统产生电能的器械(未示出)。这可以包括由钻井流体的流动激励的泥浆涡轮电机(还称为“泥浆马达”),可以理解的是,也可以使用其它的电能和/或电池系统。在本实施例中,MWD模块可包括多种测量装置:例如:钻压测量装置、扭矩测量装置、振动测量装置、冲击测量装置、粘滑测量装置、方向测量装置以及倾角测量装置。如下文中更详细描述的,导向系统150还包括用于测量需要的参数的仪器,例如钻压和钻头扭矩参数。
[0024] 导向系统150可以用于直线或定向钻井,例如,以改善进入多种地下含油气的储层。定向钻井是井筒从其原本自然前行的路径的有意偏离。换句话说,定向钻井是导向钻柱而使它在一个希望的方向上行进。
[0025] 定向钻井在离岸钻井中是有用的,例如,因为它使得从单个平台能够钻许多井。定向钻井也使得能够穿过储层水平钻井。水平钻井使得井筒能够以更长的长度横穿储层,这增加自井的生产率。定向钻井系统还可以用于垂直钻井操作中。由于正被穿透的地层的不可预知特性或钻头经历的变化的力,钻头经常从计划的钻井轨迹转向。当这样的偏斜发生时,可以使用定向钻井系统用以将钻头拉回到航向上。
[0026] 在一些定向钻井应用中,导向系统150包括使用旋转导向系统(RSS)。在RSS中,钻柱从地面旋转,且井下装置使钻头在希望的方向上钻井。旋转钻柱大大地减少在钻井期间钻柱被挂住或者被卡住的发生。用于钻偏斜井眼到地层中的旋转导向钻井系统可以通常归类为“指向式”系统或者“推靠式”系统。
[0027] 在指向式系统中,钻头的旋转轴线从底部钻具组合的局部轴线偏转到新孔洞的大致方向上。孔洞根据由上部和下部稳定器接触点和钻头限定的通常的三点几何形状传播。与钻头和下部稳定器之间的有限距离相关的钻头轴线的偏离角度导致产生待产生的曲线所需的非同线条件。存在实现上述功能的很多方法,包括在底部钻具组合接近下部稳定器的一个点处的固定弯曲部或者分布在上部与下部稳定器之间的钻头致动轴的弯曲部分。在其理想形式中,钻头不需要旁侧切割,因为钻头轴线在弯曲孔洞的方向上连续旋转。指向式旋转导向系统以及它们如何操作的实例在美国专利申请公开号:2002/0011359、2001/0052428以及美国专利号:6,394,193、6,364,034、6,244,361、6,158,529、6,092,610以及5,113,953中描述。
[0028] 在推靠式旋转导向系统中,不存在特殊标识的机构以将钻头轴线偏离局部底部钻具组合轴线;相反,必需的非同线条件通过下述方式实现:使上部稳定器或者下部稳定器之一或者两者将偏心力或者位移施加在相对于孔洞传播方向优选定位的方向上。再一次地,存在实现上述功能的很多方法,包括非-旋转(关于井孔)偏心稳定器(基于位移的方法)和偏心致动器,其将力在希望的导向方向上施加到钻头。再一次地,导向通过在钻头与至少两个其它接触点之间产生非同线性来实现。在其理想的形式中,钻头需要旁侧切割以产生弯曲孔洞。推靠式旋转导向系统以及它们如何操作的实例在美国专利 号:5,265,682、5,553,678、5,803,185、6,089,332、5,695,015、5,685,379、5,706,905、5,553,679、5,673,763、5,520,255、5,603,385、5,582,259、5,778,992以及5,971,085中描述。
[0029] 如所说明的,导向系统150可包括多个致动器150,它们可以选择性地通过致动流体致动(参见致动流体如钻井泥浆的流动,由箭头8表示)来控制钻头105的导向。举例来说,该系统可以利用三个周向间隔的致动器152,但也可以依据给定钻井应用的参数采用其他数量的致动器152。致动流体的流动被引导至致动器152,以在井筒弯曲段的钻井期间提供钻头105希望的导向。在所示的示例中,致动流体沿着(如穿过)管柱154被向下引导(参见箭头8),导向系统150可连接在管柱154中。此外,阀系统156用于在井筒弯曲段的钻井期间(或在中性或中立模式下直线段的钻井期间),控制致动流体至特定致动器152的输送。应当注意,一些导向系统150可以被设计为,在阀系统156处于开启流动位置时,通过使用中立模式使得能够直线钻井。通过调整工作循环(全偏和中立),可以控制轨迹(如折弯程度)。当阀系统156关断或关闭时,阀系统156可以有效地布置在中立模式,并在直线轨迹钻井期间使用或通过工作循环用于产生用于弯曲轨迹的偏置模式。因此,阀系统156可以用于阻止加压的流体向致动器152流动,从而允许致动器152在沿着希望的轨迹(例如直线轨迹)钻井期间缩回。致动器152的缩回保护致动器以及相关构件以免受到多种冲击以及其他应力,否则可能在大致直线井筒段的钻井期间遭遇到这些。
[0030] 总体上参考图2,提供了一种成旋转导向系统的形式的导向系统150的一个实施例的图示。在该实施例中,钻头105安装至钻铤或壳体158,所述钻铤或壳体158具有与钻头105相反的连接器端部160。连接器端部160被设计为用于将旋转导向系统150连接至管柱154的下一个相邻的井口构件。此外,钻铤/壳体158包括中空内部162,其被设计为保持各种旋转导向系统构件。例如,多个致动器152可以安装在壳体/钻铤158中的周向间隔位置,用于相对于钻井方向侧向运动。在一些应用中,致动流体流动至致动器152可以通过传感器164监测。此外,该致动器(如3个致动器)可以包括或连接至安装到钻铤158上的导向伸缩板166,以用于相对于钻铤158和旋转导向系统150横向(如径向)运动。在一个示例中,多个导向伸缩板166中的每个导向伸缩板可以通过对应的活塞168来移动,该活塞通过钻井/激活流体26(钻井泥浆)被液压致动,所述钻井/激活流体26由阀系统156适当地计量。
[0031] 在所示的示例中,阀系统156包括旋转阀170(如蜘蛛阀)。旋转阀170包括多个相互作用的构件172,如彼此可旋转安装的盘构件。相互作用的构件172被致动,以选择性地控制致动流体26至致动器152(其中一个在图2中示出)的流动,同时也能阻止流动,以从而释放致动流体作用于活塞168的压力。压力的释放允许多个伸缩板166径向向内缩回。旋转阀170可以选择性地被旋转,以使得相对于选定的各个和/或多个导向伸缩板166致动流体能够流动和/或以阻止致动流体26的流动。通过示例的方式,致动流体26可以通过液压管线174输送,以作用于活塞168。在钻铤/壳体158和钻头105旋转以进行井筒
11钻井期间,阀系统156的相互作用的构件172经历受控的相对旋转,以保证致动流体26经过希望的液压管线174并在希望的可移动致动器152上的输送,或保证对致动流体的阻止。
[0032] 根据特定的应用,导向系统150和阀系统156可以包括多种构件。图2中示出了这些构件的一些示例。例如,相互作用的阀构件172中的至少一个可以安装至驱动轴174,所述驱动轴174通过马达176、例如电力马达旋转。一个或多个传感器178(如编码器)也可以操作性地与驱动轴174接合,以监测阀系统156的相互作用的构件172中的至少一个相对于钻铤158的角度方位。导向系统150进一步包括控制电子设备180,其可以包括微控制器182(如微处理器)。微控制器182从传感器/编码器178接收数据,并使用这些数据来控制马达176,该马达176又控制旋转阀170的角度定位。该控制器182还可以设计为与地面控制系统通信,以接收指令和/或以传达数据。进一步,控制电子设备180可以包括额外的构件,例如包含磁力计和加速度计的方向和倾角组。对阀位置的控制使得能够对通过一个或多个导向伸缩板166施加的侧向力的持续时间进行独特的控制。如下将更详细描述的,旋转阀170的一部分(例如定子)可以设计为与钻铤/壳体158同步移动。此外,旋转阀170可以控制为将流动端口/开口与定子的相应的开口对准,以控制在特定角度方向上通过伸缩板166施加的侧向力的持续时间。
[0033] 可通过合适的电源184提供电力至控制器182、马达176及导向系统150的其他构件。举例来说,电源184可包括电池和/或涡轮186。涡轮186可包括由涡轮叶片190旋转驱动的交流发电机188,该涡轮叶片通过向下通过导向系统150和钻头105的钻井/致动流体26的加压的流动来旋转。在一些应用中,导向系统150的几个结构特征可安装在耐压壳体192内,以保护它们免于钻井/激活流体的相对较高的压力。例如,马达176、编码器178、控制器182和交流发电机188可以布置在耐压壳体192之内。在该实施例中,耐压壳体192以合适的安装结构194刚性地附连到钻铤158。但是,描述的各种构件和构件构造作为示例提供,并且许多其他类型的构件、构件的布置和额外的构件可以用于多种导向系统构造中。
[0034] 导向系统150包括至少一个可移动导向伸缩板166(如1个、2个、3个或4个可移动导向伸缩板),它们通过钻铤/壳体158的内部和外部之间的压差来致动。当特定的导向伸缩板166被致动并例如推到周围地层上时,该导向系统150在相反方向偏斜并提供导向能力。当钻铤/壳体158旋转时,阀系统156通过允许致动流体进入选定的液压管线174能够选择性地打开或关断伸缩板166,所述液压管线174输送致动流体至相应的导向伸缩板166之后的活塞168。阀系统156还可以在沿着直线轨迹钻井时和/或当在中立模式时用于阻止到活塞168中的任何一个的流动,以使得允许伸缩板166缩回。根据一个示例,阀系统156可以用于当直线钻井或当钻井期间弯曲程度降低时,阻止到活塞168的流动。轴编码器178或其他合适的传感器可以用于提供数据至控制器182或其他处理器,以追踪一个或多个相互作用的阀构件172的角度方位。
[0035] 在图2中,致动器152示为正对着周围井筒壁移动伸缩板166。但是,旋转导向系统150可以具有多种其他设计,包括同时具有指向式和推靠式系统的特征的混合设计。在这种混合系统中,液压管线174可以输送致动流体至相应的活塞/伸缩板,以使稳定器套管偏斜。稳定器套管的偏斜或枢转运动控制(例如改变)钻井的方向。
[0036] 总体参考图3和图4,示出了阀系统156的一个实施例。在该实施例中,阀系统156成具有相互作用的阀构件172的旋转或回转阀170的形式。举例来说,该相互作用的阀构件172可以通常是盘状的。在该实施例中,相互作用的阀构件172包括转子200、挡板202以及定子204。
[0037] 转子200机械地连接至控制装置(如驱动轴174),所述控制装置设定转子在钻井操作期间的旋转速度。转子200包括转子开口206,其暴露于致动流体26(参见图1的箭头8),以激励致动器152。相似地,挡板202包括挡板开口208。在一些实施例中,转子开口206和挡板开口208具有类似的尺寸,并相应地轴向延伸贯穿转子200和挡板202。挡板202通过连接轴210旋转地或枢转地附接至转子200,该连接轴210允许挡板202相对于转子200旋转或枢转。附加地,桩212布置为限制挡板202相对于转子200的相对旋转。举例来说,如图4所示,当相互作用的阀构件172接合时,桩212可以安装至转子200,以延伸进入挡板202的挡板开口208。当转子200在一个方向或另一个方向旋转时,桩212作为机械停止部,且通过接合一个或另一个端壁214限制转子200相对于挡板202的相对旋转。
在示出的示例中,端壁214限定挡板开口208的周向端部。
[0038] 定子204以允许转子200和挡板202相对于定子204旋转的方式安装。定子204包括多个定子开口216,所述定子开口216与相应的致动器152通过例如液压管线174耦接。在至少一些实施例中,定子开口216的数量与致动器152的数量一致,并且每个定子开口216与对应的致动器152关联。根据导向系统150的设计,定子204可以与钻铤/壳体158或与用于随导向系统150旋转的与其他合适的系统构件连接。通过控制转子200的旋转,致动流体26可以在钻铤/壳体158处于希望的角度方位时通过希望的一个或多个定子开口216输送,以通过使希望的伸缩板166在希望的角度位置伸出获得导向系统150的受控导向。
[0039] 总体参见图5和6,提供了一个操作示例,其中,转子开口206和挡板开口208已经对准,以通过定子204的希望的定子开口216输送致动流体。在该示例中,轴174和转子200在箭头218的方向上旋转,这使得转子200相对于挡板202发生相对旋转。相对旋转继续,直到桩212移动至端壁214上,这保持转子开口206和挡板开口208处于对准的开式流动布置,如图6中最佳示出。该开式流动布置允许致动流体26(如钻井泥浆)流动通过转子200以及通过挡板202至定子204。转子200和挡板202在箭头218的方向上的相对旋转控制为:当定子204处于希望的角度位置时,通过希望的定子开口216输送致动流体。
[0040] 总体参见图7和8,提供了另一操作示例,其中,转子开口206和挡板开口208未对准,以阻止或阻挡致动流体输送至定子204。在该示例中,轴174和转子200在箭头220的方向上旋转,这再次使得转子200相对于挡板202发生相对旋转。相对旋转继续,直到桩212移动至相对的端壁214上,这保持转子开口206和挡板开口208处于不对准或者闭式流动布置,如图8中最佳示出。该闭式布置阻止致动流体(如钻井泥浆)通过转子200以及挡板202流动至定子204。转子200和挡板202在箭头220的方向上的相对旋转相似地控制为:继续阻止致动流体向定子204的流动。此外,挡板202和致动器152之间的任何加压的致动流体26可以逸出,以使得致动器152/伸缩板166能够缩回至径向靠内位置。致动流体可以通过经过活塞的开口或缝隙逸出,或通过其他合适的逸出通道逸出。
[0041] 如图5和6所示,当转子200和挡板202定位于开式流动位置时,可以通过定子开口216提供致动流体的受控输送,以致动致动器152于希望的模式,从而提供沿着希望的弯曲轨迹钻井。有效地,挡板202由转子200在箭头218的方向上驱动,并且通过对准开口206、208形成的窗口保持致动流体的开式进给通道。例如,当转子200以小于钻铤/壳体
158的旋转速度而旋转时,这种开式流动构造会出现。
[0042] 但是,将转子200和挡板202移动到图7和8中示出的流动阻止位置有效地阻止致动流体流动到致动器152且允许致动器152缩回以沿着通常直线的轨迹提供受控的钻井,没有在伸缩板166、致动器152以及其它有关的构件上放置不希望的应力。有效地,挡板202由转子200在箭头220的方向上驱动,且致动流体窗口保持关闭,从而不为致动流体26提供通道。例如,当转子200以钻铤/壳体158的旋转速度旋转或者高于上述旋转速度旋转时,产生这个闭式配置。因此,如果导向系统150和钻头105要沿着通常的直线轨迹以中性模式钻井,转子200的旋转被加速以将转子开口206与挡板开口208不对准,因此关闭致动流体窗口。
[0043] 所说明的导向系统150和阀系统156作为实例提供,当然,也可以利用多种其它构件和配置。例如,挡板202可以可枢转地安装到定子204。此外,挡板202可以包括闩系统或者与闩锁系统合作使用。例如,挡板202或者另一合适的第三构件可以采用闩锁系统而在一个方向上的旋转被锁定,同时采用桩或者键而连接到转子200,该桩或者键滑动或者指示合适的角度以选择性地关闭致动流体的流动。当转子速度超过钻铤/壳体158的旋转速度时,闩锁系统在希望的流动位置上锁定挡板或者其它中间构件。
[0044] 在另一个实例中,阀系统156可被设计为使得能够选择性地以允许致动流体同时且连续地流动到所有的致动器152的方式将转子200远离定子204缩回。这允许多个伸缩板166移动和锁定在稳定的、同等致动位置,使得导向系统150能够将钻井沿着通常直线的轨迹导向。例如,在致动器152和伸缩板166布置在导向套管内且对着导向套管作用以产生导向输入时,可以使用这种设计。
[0045] 在一些应用中,可以形成通过挡板202的小通道以允许连续的、小的致动流体流到致动器152。选择流率,使得致动流体的流动不会超过与每一个致动器活塞168相关的节流能力。致动流体的低水平流动可以用于帮助清洁包含活塞168的腔室且通过减少阀系统156上的压力差有助于挡板202在开式流动与闭式流动位置之间转变。
[0046] 可以不采用用于确定操作模式的传感器或者开关操作阀系统156和挡板202。但是,在一些应用中,传感器164可以是以下的形式:简单的流动开关、压力传感器、或者被定位成探测致动流体的流动何时通过挡板202被关断的其它合适的传感器。阀状态可以通过用在钻井应用中的多种遥测系统传送给地面,例如,通过随钻测量(MWD)遥测系统。
[0047] 还可以使用其它技术以去除或者减少作用在伸缩板166上的加压的致动流体的影响。例如,转子200可以以足够快的速度旋转,以防止致动器152中的活塞168被激励。当转子200以足够高速旋转时,包含活塞168的腔室没有时间跨过相应的节流部足够地填充。结果,没有充足的时间使得在活塞168上能够积聚压力且致动器152不会被致动到周围壁上。
[0048] 在很多这些实施例中,钻头105的振动和涡旋被减小,因为当在中性模式中时,例如,当沿着通常直线轨迹钻井时,伸缩板166没有被致动。结果,在多种钻井应用中可以实现提高的穿透速率,同时减小否则将由钻头105遭受的侧向力。但是,钻井方法可以在一个钻井应用和/或环境与另一个钻井应用和/或环境之间明显改变。
[0049] 应该注意的是,阀系统156还可以用于在闭式位置便于漏失循环材料(LCM)的散开,而不会损坏或者污染旋转阀170与导向伸缩板166之间的流动管线。当阀系统156转变到闭式位置时,包括LCM材料的钻井流体被阻止流入延伸到导向伸缩板166的流动管线。代替地,LCM材料被改向,例如,改向到环形空间用于流动通过钻头。
[0050] 根据钻井应用,底部钻具组合、导向系统以及总钻井系统可以包括多种构件和构件的布置。此外,根据给定钻井应用的特殊参数,阀系统可以包括很多不同类型和布置方式的相互作用的构件、传感器以及系统或者与它们合作。阀系统可以包括具有盘状相互作用的构件的旋转型阀,但是其它类型和数量的相互作用的构件也可以用于选择性地控制且用于选择性地阻止致动流体流动到导向致动器。在一些实施例中,简单的传感器或者开关可以用于监测通过阀系统的流动的关闭和打开,而其它实施例可以不用传感器操作或者采用不同的技术用于监测阀系统的操作位置。
[0051] 虽然上文中详细描述了系统和方法的几个实施例,但对于本领域普通技术人员来说将很容易理解,在实例性实施例中很多修改是可能的而不实质上背离本公开的教导。因此,这样的修改旨在被包括在下文的权利要求书所定义的本公开的范围内。
QQ群二维码
意见反馈