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部钻具 组合，它包括钻头、稳定器、钻铤、加重管和带有弯外壳弯外壳的容积式 马达(泥浆马达)。底部钻具组合与钻柱或钻杆连接，伸到地面。通过弯 外壳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。旋转钻具组合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 浆马达之下来操作。这种系统使用阀结构和液压流体来伸延与钻孔壁接合 的可调导向板，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。当底部钻具组合在钻孔内旋转时，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马达之下来操作。
还有另一种现有技术的有壳体的操纵工具，壳体带有球窝接头和与球 窝接头和钻孔邻近的可调桨板，桨板的延长引起壳体向下打孔的部位在球 窝接头处关于底部钻具组合的其余部位弯曲。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需要的阻力。这 要求钻头上有另外的钻力以克服这种阻力。这种接触还阻碍钻孔时底部钻 具组合在钻孔内的滑动。
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接头(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，现有技术的电控弯接头不能控 制弯曲的方向。
尽管多种现有技术的操纵系统能改变下向井孔的弯曲角度，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。常常需要把全部底部钻具组合从孔内拉出来，以改 变弯曲的角度或方向。
已有现有技术的系统能使用控制管缆从地面提供电力和液压，控制管 缆安装在钢制挠性油管外部。然而，这种系统不能通过挠性油管的壁来从 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。

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 操纵组件是底部钻具组合的一部分，该底部钻具组合包括在操纵组件之上 的具有电力部件的钻井马达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，底部钻具组合连接到延伸至地面的复合挠性油管上，在地面， 复合挠性油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部钻具组合的放大图；
图2为图1A的操纵组件的俯视图，示出图3A-E、图11A-11C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3B10-10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联轴节的横截面图；
图24为沿图23中24-24平面所取的凸轮联轴节的横截面图；
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。

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井进行钻孔，包括新钻孔、已延伸的钻孔、 延伸现有的钻孔、侧钻的钻孔、偏离的钻孔、扩大既有钻孔、扩眼既有孔 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。挠性油管操纵系 统510包括电源512，地面处理器514和挠性油管卷盘516。喷射头单元 518提供并引导挠性油管520从卷盘516进入油井522。尽管这里描述的 挠性油管520优选为复合挠性油管，但应当意识到本发明不局限于复合挠 性油管，也可是其上安装有控制管缆的钢制挠性油管。底部钻具组合10 接合在复合挠性油管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说明挠性油管单元526，使用卷盘516越过导引件528经过喷 射头518和摘取器532来馈送组合管520。通过喷射头518迫使复合挠性 油管520经过防喷装置534后进入油井522。电源512通过导线管538、 540电气连接到复合挠性油管520壁中的导线管中。而且，地面处理器522 包括同样容纳在组合管壁内的数据传送导管542、544。应当意识到，导线 管538、540和容纳在组合管壁内的数据传送管道542、544沿复合挠性油 管520的全长伸延，并且连到设在底部钻具组合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。优选导线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的底部钻具组合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带有测斜仪和 磁力计；上部恒速(CV)基件(未图示)；带有金属丝基件的电力部分22； 止回阀(未图示)，电阻基件(未图示)；和电断路器(未图示)。底部钻具组合 10也可包括带有定位部件554的传感器基件(未图示)。进一步，底部钻具 组合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 部钻具组合10还优选的包括推进系统(未图示)，其包括下部牵引机反压控 制模块(未图示)；下部拉紧/压缩基件(未图示)；压力测量基件(未图示)；上 部牵引机反压控制面孔(未图示)；上部拉紧/压缩基件(未图示)；管理基件 (未图示)；和挡板球降(未图示)。
底部钻具组合10与延伸到油井522的地面11的工作管柱工作管柱 25连接。操纵组件20可用于任何类型的工作管柱，例如，挠性油管、复 合挠性油管520或钻杆，并也可用于金属丝绳。使用组合管或钢制管道底 的孔组件10不发生旋转。应当意识到，底部钻具组合10可包括其它工具。 构成底部钻具组合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部钻具组合，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中可以找到对底部钻具组合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和近钻头方位传感器 556装在压力室27中。在压力室27上部，电力部分22一般为容积式马达， 常指泥浆马达，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。
如果底部钻具组合10在复合挠性油管520上向下钻进，底部钻具组 合10也可包括推进系统670，例如钻孔牵引机。优选地，底部钻具组合 10在非旋转工作管柱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相对于底部钻具组合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。钻井液流经孔路径120到 钻头12并用来给泥浆马达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的钻井液污染。密封件136仅作为隔离屏障，因为流经中 心孔路径120的钻井液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中示出的导线管562、564从地面提供，导电管道562、564经过 复合挠性油管520延伸；或变通地从底部钻具组合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158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。导线管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部钻具组合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 部钻具组合，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所示的复合挠性油管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，优选在底部钻具组合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部钻具组合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。底部钻具组合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的钻井液之间高达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“250 TRI”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， 允许钻井液在其中经过。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的钻井液压力，使油倾 向于流出封闭的流体室320，而钻井液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。通过使用底部钻具组合10 内的弯曲作为钻头12的偏移，可用底部钻具组合10把钻头12推抵到钻 孔。并且，因为在钻头12和底部钻具组合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。
本发明的操纵组件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挠性油管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的底部钻 具组合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 穿过复合挠性油管520的壁延伸。配电模块581通过电力总线582将电力 分送给底部钻具组合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穿过复合挠性油管520的壁到达地面上的第二变压器590。在复合 挠性油管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用作底部 钻具组合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， 可在底部钻具组合内安装电透平机，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向底部钻具组合发出指令，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向底部钻具组合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能作为处在挠性油管之下的底部钻具组合10 的一部分，或处在旋转钻孔绳下的底部钻具组合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井液的泵时，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井液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1998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。