本发明涉及并入钻井设备的旋转导向工具(rotary steerable tool)，具体涉 及，但不仅仅涉及用于油井和气井钻井工业的旋转导向工具。

已知并入钻井设备用于调整钻井设备钻井方向的旋转导向工具。这种 旋转导向工具经设计并入钻柱，并且通常包括：接合井筒壁(由结合该导向 工具的钻井设备形成)的管状外壳；从地面向钻井设备的钻头传递动力的中 空套筒。套筒限定向钻头输送钻井液的中空通路。在WO 92/09783中披露 了这种类型的旋转导向工具。

本发明的优选实施方式旨在改进旋转导向工具的设计。

根据本发明的方面，提供适于安装在井下钻井设备中用于调整设备钻 井方向的旋转导向工具，该旋转导向工具包括：

管状外壳；

至少一个导向推动器(steering pusher)，该导向推动器可滑动地安装在外 壳上，以在伸出位置和退回位置之间移动，处于伸出位置时导向推动器与 通过钻井设备形成的井筒壁接合，处于退回位置时导向推动器不与井筒壁 接合；

管状套筒，该管状套筒安装在外壳内，并适于以其第一端和第二端与 钻柱连接，以向钻头传递旋转动力，其中该套筒限定向钻头输送钻井液的 通路；

压力腔，该压力腔限定在套筒和外壳之间，并与至少一个所述导向推 动器连通，以使导向推动器能够从其退回位置移至伸出位置；以及

活塞，该活塞可滑动地安装在管状套筒中，并借助钻井液压力的预定 变化在第一轴向位置和第二轴向位置之间移动，处于第一轴向位置时，套 筒内部与压力腔直接连通，从而使至少一个所述导向推动器移至其伸出位 置而与井筒壁接合并调整钻井设备的钻探方向，处于第二轴向位置时，套 筒内部不与压力腔直接连通，以防止一个或每个所述导向推动器移至其伸 出位置。

该旋转导向工具还可包括导向装置和导向随动装置，所述导向装置位 于所述活塞和所述套筒中的一个之上并限定导轨，所述导向随动装置位于 所述活塞和所述套筒中的另一个之上，其中导轨包括：接合导向随动装置 的至少一个第一导向部分，以使活塞在钻井液压力升高时停留在其第一轴 向位置；接合导向随动装置的至少一个第二导向部分，以使活塞在钻井液 压力升高时停留在其第二轴向位置；以及推动活塞离开所述第一和第二轴 向位置的第一偏移装置。

由此产生以下优势：保证该旋转导向工具在高的钻井液压力下仍可靠 地运行。

导轨可具有至少一个第三导向部分，布置该第三导向部分，以使所述 第一偏移装置在钻井液压力降至第一预定水平以下时将活塞推入其第三轴 向位置。

第一、第二和第三导向部分可相互连接，从而反复施加第二预定水平 以上的钻井液压力致使活塞交替移至第一和第二轴向位置。

由此产生以下优势：使该旋转导向工具在大幅改变钻井液压力的情况 下仍能够较可靠地在直线钻井模式和定向钻井模式之间切换。

在优选实施方式中，导轨包括环绕导向装置周边的至少一个连续槽缝， 所述第一、第二和第三导向部分从所述槽缝伸出，所述导向随动装置包括 接合所述导轨的至少一个导向销，从而所述活塞在所述第一和所述第三轴 向位置之间的轴向移动以及在所述第二和所述第三轴向位置之间的轴向移 动致使一个或每个销沿所述槽缝移动。

该旋转导向工具还可包括离合器，所述离合器将外壳可拆卸地连接在 套筒上以使外壳随套筒旋转。

由此产生以下优势：在直线钻井模式下，通过减小旋转导向工具在井 筒中的滑动摩擦，使该旋转导向工具的效率最大化。

离合器可包括至少一个离合器销，该离合器销与所述压力腔连通，可 滑动地安装在所述外壳上，并且轴向偏离一个或每个所述导向推动器，其 中至少一个所述离合器销可拆卸地接合所述管状套筒。

由此产生以下优势：在该旋转导向工具从直线钻井模式切换为定向钻 井模式时自动起动离合器。通过设置轴向偏离导向推动器的离合器销，产 生以下优势：使导向推动器和离合器销对压力腔中流体压力的升高更加敏 感，同时还通过使弹簧回复相应于直线钻井模式的位置，使偏移导向推动 器和离合器销更加容易。

该旋转导向工具还可包括第二偏移装置，该第二偏移装置使至少一个 所述离合器销偏离而与所述套筒接合。

离合器可包括：第一中空离合器构件，该构件安装在所述外壳和所述 管状套筒中的一个之上并且环绕其端面布置有多个凸部；第二离合器构件， 该构件安装在所述外壳和所述套筒中的另一个之上并且具有接合所述凸部 的多个凹部；第三偏移装置，该装置将所述第一和第二离合器构件推入接 合位置，在所述接合位置，凸部和凹部相互接合以防止所述外壳和所述套 筒相对旋转，其中在套筒内部与所述压力腔直接连通时使所述第一和第二 离合器构件相互分离。

由此产生使离合器更加牢固的优势。

该旋转导向工具还包括限流装置，所述限流装置布置在所述压力腔各 端，以限制流体流出所述压力腔，从而在所述压力腔的内部和外部之间形 成压力差。

由此产生以下优势：能够以较牢固的限流器(作为压力腔的漏失密封件 (leaking seal))代替牢固性较弱的压力腔密封件(可能突然失效并需要将旋转 导向工具从井筒中取出以更换密封件)。从而还产生在定向钻井模式下作为 润滑轴承的优势。限流装置还造成可在地面检测或借助适宜的随钻测量 (MWD)工具检测的压降，以验证旋转导向工具处于定向钻井模式。

至少一个所述限流装置可包括外部构件和布置在所述外部构件中的内 部构件，以使流体从所述内部构件和外部构件之间的间隙流过。

至少一个所述限流装置可包括迷宫式组件(labyrinth assembly)。

所述第一和第二离合器构件中的至少一个可与所述内部构件成为一 体，所述第一和第二离合器构件中的另一个可与所述外部构件成为一体。

该旋转导向工具还可包括指示外壳取向(相对于管状套筒)的取向指示 装置。

由此产生以下优势：结合安装在钻井设备上的随钻测量(MWD)工具， 提供外壳取向(相对于套筒)的连续指示，使得能够在钻井设备运行的同时确 定导向推动器相对井筒的取向。

取向指示装置可包括：至少一个磁体，该磁体不可旋转地安装在所述 外壳和所述套筒中的一个之上；至少一个磁性传感器，该磁性传感器不可 旋转地安装在所述外壳和所述套筒中的另一个之上。

至少一个所述磁性传感器可以是霍尔效应传感器。

该旋转导向工具还可包括多个所述磁体，其中不是所有的所述磁体均 围绕所述套筒相对所述外壳旋转的轴线等角间隔。

该旋转导向工具还可包括多个所述磁性传感器，其中不是所有的所述 传感器均围绕所述套筒相对所述外壳旋转的轴线等角间隔。

至少一个所述导向推动器适于选择性停用。

由此产生以下优势：能够容易地改变旋转导向工具的定向钻井状态。

至少一个所述导向推动器能够借助固位装置(retention means)可拆卸并 且可滑动地安装在所述外壳的通道中，可通过移开所述固位装置将至少一 个所述导向推动器从所述通道中移出。

由此产生以下优势：能够在钻井位置容易地改变或更换、或停用(即停 止)、或起动(在之前停用的情况下)导向推动器。

该旋转导向工具还可包括第三偏移装置，该第三偏移装置用于将至少 一个所述导向推动器推向退回位置。

该旋转导向工具还可包括至少一个制动推动器(drag pusher)，该制动推 动器适于从所述外壳伸出而与井筒壁接合。

该旋转导向工具还可包括第四偏移装置，该第四偏移装置用于将至少 一个所述制动推动器推出所述外壳。

根据本发明的另一方面，提供操作上述旋转导向工具的方法，该方法 包括向结合旋转导向工具的钻井设备的驱动轴施加动力，以驱动钻井设备 的钻头。

该方法还可包括以下步骤：通过将所述活塞从所述第二轴向位置移至 所述第一轴向位置，来调整钻井设备的钻井方向。

至少一个所述推进活塞可用于向钻头施加正侧向力(direct side force)。

至少一个所述推进活塞可用于使旋转导向工具弯曲，并且在旋转导向 工具和钻头之间布置有稳定器。

现参考附图，仅仅出于示例性目的而非任何限制性目的，对本发明的 优选实施方式进行说明，其中：

图1A是本发明第一实施方式的旋转导向工具的第一部分的侧截面图；

图1B是图1A所示旋转导向工具的第二部分的侧截面图；

图1C是图1A所示旋转导向工具的第三部分的侧截面图；

图1D是图1A所示旋转导向工具的第四部分的侧截面图；

图1E是图1A所示旋转导向工具的磁性取向传感器的详细截面图；

图1F是图1C所示旋转导向工具部分的离合器的详细截面图；

图1G是沿图1C中的线X-X的详细截面图；

图2是图1A至1G的旋转导向工具的导向装置的展开图；

图3是图1A至1G的旋转导向工具的取向传感器的轴向截面图；

图4A和4B是显示从图3所示取向传感器获取的信号的脉冲图；

图5是图1A至1G的旋转导向工具的离合器销和套筒的详细截面图；

图6是本发明第二实施方式的旋转导向工具的一部分的截面图；

图7是本发明第三实施方式的旋转导向工具的一部分的截面图；

图8是图7的旋转导向工具的端面图。

图1A至1G示出了本发明第一实施方式的旋转导向工具2。旋转导向 工具2在接近钻柱底部的钻井组件中运行。旋转导向工具2可在a)具有随 钻测量(MWD)工具的钻头和稳定器的正后方运行，该稳定器位于旋转导向 工具2的上方并介于MWD和旋转导向工具2之间，或者旋转导向工具2 可在b)第一钻柱稳定器(优选西瓜型(water-melon type))上方的井筒组件内运 行，并且在该稳定器的任一侧具有一段柔性管，从而旋转导向工具2在起 动时以倾斜钻头而不是推动钻头的方式工作。另外，如果旋转导向工具2 具有良好的柔性，则旋转导向工具2以上述模式(a)运行时还可用于直接倾 斜钻头，在旋转导向工具2和钻头之间可能需要稳定器(优选西瓜型)并且在 稳定器和钻头之间可能还需要一小段钻铤。如果在MWD位于旋转导向工 具正上方的情况下运行，则钻柱稳定器应在MWD正上方运行或者更优选 地在MWD和旋转导向工具之间运行，以使旋转导向工具组件在井中很好 地处于居中位置。

旋转导向工具2具有并入钻柱形成驱动轴的中空套筒4，中空套筒4 用于从井筒表面向连接在驱动轴4下端6的钻头(未示出)传递扭矩。驱动轴 4限定向钻头输送钻井液的中空通路8。驱动轴4通过上轴承10、12和下 轴承14、16可旋转地安装在外壳18中。

外壳20具有压力腔22，一排导向推动器24可滑动地安装在压力腔22 中。各导向推动器24可滑动地安装在外壳20壁上的孔中，从而加压钻井 液进入压力腔22在导向推动器24的内面26上施加向外的力，迫使导向推 动器24克服弹簧28的作用向外与通过旋转导向工具形成的井筒壁(未示出) 接触。布置导向推动器24，使得能够借助标准工具将导向推动器24从外壳 20壁上的孔中向外移出，从而能够容易地更换导向推动器24或在钻井位置 调整导向推动器24，而无需将旋转导向工具2移至专业车间。

一对离合器销30可滑动地安装在外壳壁中并在图1F中更详细地示出。 借助弹簧34迫使离合器销30与中空套筒4上的槽缝32接合，以防止外壳 20相对套筒4转动。加压流体进入压力腔22致使加压钻井液作用于离合器 销30，由此使得离合器销30与槽缝32分离，从而在旋转导向工具2处于 其定向钻井模式时允许套筒4和外壳20相对转动。离合器销30与导向推 动器24轴向隔开，因而在加压钻井液接触导向推动器24时，导向推动器 24几乎立即向外壳外移动，这是因为与先前的设计(导向推动器24和离合 器销30结为一体)相比，导向推动器24需要移动较短的距离。

图5是显示与套筒4中的驱动槽缝32完全接合的两个离合器销30之 一的截面图。对槽缝32的一侧进行打磨，以使离合器销30易于进入槽缝 32中，并且在旋转导向工具未接触井底的情况下，随着在地面上顺时针缓 慢旋转套筒4，使销30能够具有额外的时间向下移动进入槽缝32中。

分别在压力腔22的上端和下端设置限流器36、38。限流器36、38通 常具有同样的构造，因而将仅对上限流器36进行详述。上限流器36由安 装在套筒4上的内柱状构件40和安装在外壳20上的外柱状构件42构成。 内柱状构件40居中布置在外柱状构件42内，从而在构件40和42之间形 成狭缝44，压力腔22中少量流体(通常少于5％)可通过该狭缝44漏出。因 而限流器36、38形成压力腔22的漏失密封件并可代替牢固性较弱的密封 件，在定向钻井模式下外壳20相对套筒4旋转时还可作为润滑轴承。限流 器36、38还造成压降，可在地面上检测所述压降，以验证旋转导向工具处 于其定向钻井模式。将轴承10、12、14、16置于限流器36、38的任一侧， 以使限流器36、38承受的侧向推力最小，从而在旋转导向工具2处于定向 模式时减小外部组件上的扭矩阻力(torque drag)。

在图1E中更为详细地示出了指示外壳20取向(相对于套筒4)的取向传 感器46，该取向传感器46包括布置在外壳20周围的一组等角排列的永磁 体48，和邻近导向推动器24布置在外壳20上的一对不均匀间隔的永磁体 50。一对霍尔效应传感器52(图1E中仅示出其中之一)面向磁体48、50安 装在套筒4上，以提供指示外壳20取向的信号，并从而提供指示导向推动 器24(相对于套筒4)取向的信号。该信号可结合驱动轴4上的MWD工具(未 示出)使用，在旋转导向工具2在钻井设备中使用的同时，仍可提供外壳20 取向(相对于井筒高侧)的连续指示。

在图4A和4B中更为详细地示出了由霍尔效应传感器52获得的信号。 由于永磁体50不均匀间隔，由各霍尔效应传感器52获得的上脉冲图形包 含相应于导向推动器24位置的不规则脉冲54。图4A和4B示出了套筒4 相对外壳20分别顺时针旋转和逆时针旋转时获得的多对信号。由此可以看 出，由各霍尔效应传感器52获得的不规则脉冲54的相对位置也可指示套 筒4的旋转方向。

活塞可滑动地安装在活塞壳5中，活塞壳5构成中空套筒4的一部分 并且在其壁上具有一组孔58，从而在活塞56在外壳20中处于其最低位置 时孔58与流体端口60对准的情况下，允许钻井液离开中空通路8经由活 塞56进入压力腔22。活塞56通过其外表面上形成的导向部分62连接在活 塞壳5上。在图2中更详细地示出了导向部分62，该导向部分62具有环绕 其周边的连续槽64，该连续槽64接合活塞外壳5上的一组导向销66，一 系列的第一68、第二70和第三72槽缝从所述连续槽64延伸。借助压缩弹 簧74沿图1C中箭头A的方向推动活塞，从而在没有施加钻井液压力的情 况下，借助压缩弹簧74迫使导向销66与第一槽缝69接合。

为了以直线钻井模式起动旋转导向工具2，如图1C所示，将加压钻井 液向下送入活塞壳5的内腔8。在施加流体压力之前，导向销66在压缩弹 簧74的作用下接合导向部分62交替的第一槽缝68。在施加流体压力时， 流体压力使活塞56克服压缩弹簧74的作用沿着与图1C中箭头A相反的方 向移动，从而使导向销66从第一槽缝68沿槽移动而与第二槽缝70接合。 从而使活塞56能够沿活塞壳5短距离移动，并使活塞56的端部63邻接活 塞壳5下端67上的开槽台肩65(slotted shoulder)，以使导向销66免受剪切 损害。活塞56将向下移动并使其下端的凸台(nose)到达底部凸缘，所述凸 缘通过打磨活塞壳5的下端部形成。在此位置，活塞中的孔58没有与通向 压力腔22的流体端口60连通，因而加压流体没有进入压力腔22。因此， 导向推动器24借助弹簧28缩回到外壳20中，同时，如图1G具体所示， 借助弹簧78将制动推动器76推出外壳20而与井筒壁接合。同时，通过弹 簧34推动离合器销30并使离合器销30保持与槽缝32接合，从而使外壳 20随套筒4旋转。

为了将旋转导向工具2切换为定向钻井模式，切断流体压力，从而活 塞56在压缩弹簧74的作用下沿图1C中箭头A的方向移动，使导向销66 接合交替的第一槽缝68，该第一槽缝68位于第二槽缝70之后而不是位于 第二槽缝70之前。当再次施加流体压力时，克服压缩弹簧74的作用，沿 着与图1C中箭头A相反的方向推动活塞56，从而使销66沿槽64移动而 与第三槽缝72接合。因此，活塞56可沿活塞壳5继续行进，直至活塞56 下端上磨制槽缝(milled slot)的台肩69接合活塞壳5下部67上的开槽台肩 (slotted shoulder)65，从而使活塞壁上的孔58与流体端口60连通。活塞向 下移动，移动的距离是活塞以直线钻孔模式起动旋转导向工具2所移动的 距离的两倍，这是因为现通过活塞壳5内腔中的凸缘传递活塞56凸台上的 磨制轮廓。从而允许加压钻井液进入压力腔22并克服弹簧28的作用向外 壳20外推动导向推动器24。同时，迫使离合器销30脱离与活塞壳5中槽 缝32的接合，从而套筒4可相对外壳20旋转。向外推动导向推动器24而 与井筒壁接合，从而造成钻井设备的路径偏离。同时，钻井液可经由限流 器36、38从压力腔22漏出，从而造成可在地面上或通过MWD工具检测 的压降。由此提供旋转导向工具2处于定向钻井模式的指示。

为了将旋转导向工具2重新切换为直线钻井模式，切断流体压力，从 而通过压缩弹簧74沿活塞壳5的内腔推动活塞56，以使导向销66接合交 替的第一槽缝68，该第一槽缝68位于第三槽缝72之后以及第二槽缝70之 前。因此，活塞56壁上的孔58不再与流体端口60连通，从而分别通过弹 簧28、34向内推动导向推动器24和离合器销30。当再次施加流体压力时， 活塞56克服弹簧74的作用移动，从而使销66接合第二槽缝70。

在至少一部分轴向行程过程中，活塞56每上下运动一次，沿相同的方 向旋转30度。活塞56的旋转是最终造成活塞56止于55或110mm行程所 需要的手段。55mm行程不会使得活塞56中的孔58对准活塞壳5中的流 体端口60，而110mm使得两组孔58、60对准，从而使一部分流体分流到 压力腔22中。每次先后通入和切断流体可明显导致流体不被分流或者被分 流。这意味着随着钻井用泥浆泵每次交替开启和关闭，旋转导向工具2处 于直线或定向状态。在阀门处于第一关闭位置时可根据需要使流体往复变 化，当没有流体时阀门仍对环状空间保持关闭。如果切断流体，然后再次 通入，阀门活塞56行进110mm，阀门向内外组件之间的压力腔22开放。 开放时，要求极小的液流以避免重新关闭侧端口，在该状态下，活塞56需 要在其中安装小的内腔喷嘴。已计算出在大多数情况下约1-1/4”应当足矣， 但尺寸可随流速和泥浆密度的大幅改变而变化。

图6示出了本发明第二实施方式的旋转导向工具的一部分，其中与图 1A至1G所示实施方式相同的部分以相同的标记表示，但增加100。图6 的旋转导向工具102具有简单的升降活塞156，其中没有相对套筒104的螺 旋行进，因而在活塞156顶部外侧上没有轴向滚珠轴承组件和螺旋开槽。 在活塞156的顶部具有车制槽164，当活塞156构成的阀门处于关闭位置时， 弹簧定位销166落入所述车制槽164。销166结合盘簧发挥作用并密封摩擦 以阻止泥浆流向下驱动活塞156。可改变槽侧面的角度或销166凸台的设计， 以改变使活塞156向下移动所需的力。使活塞156保持在向上的位置，从 而通过盘簧174使阀门对压力腔122封闭，但还具有弹簧销定位机构。

图7示出了本发明的再一实施方式，与图1A至1G的实施方式相同的 部分由相同的标记表示，但增加200。旋转导向工具202具有与上限流器 236组合的离合器230。离合器230由分别形成在内柱状构件240和外柱状 构件242的端面上的接合齿290、292构成，所述内柱状构件240和外柱状 构件242形成具有间隙244的上限流器236。在直线钻井模式下，通过压缩 弹簧234使外离合器构件242偏移而与内离合器构件240接合，以使齿290、 292相互接合并使外壳220随套筒204旋转。然而，在定向钻井模式下，克 服压缩弹簧274的作用，通过压力腔222中的钻井液，迫使外离合器构件 242脱离与内离合器构件240的接合，使套筒204可相对外壳220旋转。图 8示出了环绕驱动轴204接合的两个离合器驱动环240、242的端视图。

本领域技术人员应当理解的是，仅仅作为实例，对上述实施方式进行 了描述，没有任何限制意义，在不脱离所附权利要求限定的本发明范围的 情况下，可作出各种改变和改进。例如，图2所示具有槽64和槽缝68、70、 72的导向部分62可设置在导向环上，来代替直接在活塞56中磨制。此外， 导向推动器24可设有滚轮，在旋转导向工具2处于定向钻井模式时使井筒 组件的轴向阻力降低。另外，限流器36、38可由迷宫密封组件代替。