【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于井眼的定向钻进的控向组件
[0001]对相关应用的交叉引用
[0002]本申请是2019年4月8日提交的专利申请号为US 16/378421的PCT申请并要求其优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
[0003]本专利技术涉及定向钻进系统领域以及一种用于在钻削垂直或水平的井眼时控制方向的方法。更具体地，本专利技术涉及一种要被包含在钻柱中以用于定向钻进的控向组件。
技术介绍
[0004]定向钻进系统是钻削油气井眼领域中众所周知的系统。这种系统通常包括钻柱，钻柱具有井底组件(bottom hole assembly，BHA)，该井底组件包括控向组件和附接到钻柱底端的钻头。
[0005]在定向钻进中，井底组件通常包括随钻测量组件(MWD)和遥测发射器，随钻测量组件包括传感器，所述传感器用于测量关于井眼方向(倾角和方位角)和其他井下钻进参数的信息，遥测发射器用于将传感器数据向孔上发射到地表控制单元(surface control unit)。附加地，对于定向控制，传统的井底组件包括井下马达(downhole motor)和耦合到用于旋转钻头的轴的弯接头(bent sub)。可选地，旋转可控向系统(RSS)可以替代井下马达或与井下马达结合使用以提供控向控制。RSS的优点是允许在旋转整个钻柱时进行定向的控向控制，而单独的井下马达只有通过从地表(surface)将钻柱固定在特定的方向(或工具面)才是可控向的。连续旋转钻柱的益处很多，包括大大减少钻柱和钻孔之间的摩擦，这允许钻出长距离的水平井道。>[0006]旋转可控向系统通常包括管状壳体，该管状壳体围住一个轴，该轴具有直接或间接地连接到钻头的前端部。所述壳体中可包含各种控向机构，以改变所述轴的前端部的定向，从而改变钻进方向。第一类的旋转可控向系统被配置为在“推顶钻头”模式下工作，而第二类的旋转可控向系统被配置为在“指向钻头”模式下工作。在推顶钻头模式中，控向的主导钻头的要素是施加到钻头的侧向(或横向)力。在指向钻头模式中，用于控向的主导要素是钻头的角度变化或倾斜。每一类的旋转可控向系统都包括进一步的子类。
[0007]对于被配置为在推顶钻头模式下工作的旋转可控向系统，所述壳体包括衬垫或一些其他偏移机构，可以将它们选择性地激活以在所述轴上施加反作用侧向力，从而改变钻头的定向。
[0008]推顶钻头旋转可控向系统的第一子类包括不旋转的(或缓慢旋转的)壳体，所述壳体被提供以多个衬垫，所述多个衬垫围绕壳体的圆周分布并指向井眼。衬垫被选择性地致动以推抵井眼地层并改变壳体的定向，这使所述轴偏转并在钻头上提供所需的侧向力，进而使钻头侧向地偏转到优选的钻进方向上。
[0009]推顶钻头旋转可控向系统的第二子类包括不旋转的(或缓慢旋转的)壳体，所述壳体被提供以固定的主体安装的稳定器和在所述壳体的圆周内部的偏转装置，所述偏转装置
指向所述轴。所述内部的偏转装置被选择性地致动以将所述轴推离所述被稳定的壳体的中心并因此推离井眼的中心，从而在钻头上提供侧向力。
[0010]推顶钻头旋转可控向系统的另一子类包括旋转的壳体，所述壳体被提供以多个衬垫，所述多个衬垫围绕所述壳体的圆周分布的并指向井眼。衬垫与壳体一起旋转并且可以独立地从缩回位置移动到伸展位置，抵靠井眼地层并将壳体从井眼横向推离中心，从而改变其定向。所述系统还包括控制装置，该控制装置在一个衬垫穿过选定的径向角时致动该衬垫，使得该衬垫朝选定的方向推靠井眼，以改变壳体的定向，这使所述轴偏转并在钻头处提供所需的偏移力。在软地层中钻进时，可能不适合使用推动衬垫抵靠井眼的控向系统，尤其是在旋转所述衬垫时。
[0011]对于被配置为在指向钻头模式下操作的旋转可控向系统，用于倾斜钻头的主要方法是使位于被中心化的不旋转的(或缓慢旋转的)壳体内部的所述轴弯曲，从而使所述轴有角度地偏转远离井眼的中心线轴线。在那种情况下，不旋转的壳体包含某种形式的防旋转装置和用于使位于不旋转的壳体内部的所述轴偏转的机构。在这种情况下，旋转所述轴的同时所进行的弯曲会导致所述轴上的疲劳，并且在使用某段时间后所述轴可能会断裂或变形。变通的方法包括使用昂贵的材料，并且可能需要增加所述轴的直径，这限制了偏移机构、动力装置和仪器的可用横截面。
[0012]除了“推顶钻头”和“指向钻头”类的旋转可控向系统之外，还存在混合旋转可控向系统，其取决于配置能够像推顶钻头和指向钻头系统两者那样进行控向。在美国专利No 7188685中公开了这种混合旋转可控向系统的示例。该旋转可控向系统包括连接至控向部分的上部部分和连接至控向部分的钻头。上部部分连接到轴环，在该轴环上设有上部稳定器。控向部分包括下部稳定器并且通过转环(其为二自由度万向节)连接到上部部分，从而转环位于下部稳定器和钻头之间。活塞们被置于控向部分和上部部分之间，并被致动以推抵在所述万向节上枢转的控向部分。控向部分倾斜，直到下部稳定器接触地层，此时活塞作用以推动钻头穿过地层。随着地层被钻进，地层所施加的约束被移除，控向部分的外围被允许进一步倾斜，然后工具开始作为指向钻头系统进行转向。控向部分相对于衬垫的旋转会引起摩擦，从而导致这些部件的磨损和控向部分的振动，这会影响钻孔的质量。
[0013]期望提供一种不存在现有技术装置的缺点的旋转可控向系统，并且其提供：
[0014]‑
在推顶钻头或指向钻头模式下的井眼控向；
[0015]‑
使内部循环弯曲应力最小化的指向钻头模式；
[0016]‑
相对较高的转弯率(或狗腿(dogleg)严重度)；
[0017]‑
能够容易地现场维护的配置；
[0018]‑
能够改变转弯率(或狗腿严重度)，同时提供独立的定向工具面控制；以及
[0019]‑
良好的钻进方向控制，振动较小。
技术实现思路
[0020]根据第一方面，本专利技术涉及一种控向组件(steering assembly)100，控向组件包括具有纵向轴线101的壳体136和心轴102，心轴102包括前部连接端103和后部连接端104，心轴102穿过所述壳体136并布置在与壳体136的所述纵向轴线101同轴的第一位置中，控向组件的特征在于包括：
[0021]‑
偏转器装置，用于向所述心轴102施加侧向力，从而使所述心轴102的所述前部连接端103从所述纵向轴线101偏移，以及
[0022]‑
工具面组件，用于将所述心轴102的所述前部连接端103朝期望方向旋转；
[0023]所述心轴102可相对于所述壳体、所述偏转组件和所述工具面组件旋转。
[0024]优选地，心轴102通过轴承组(bearing pack)连接到壳体136，所述轴承组包括围绕一组滚球轴承130布置的球形座105。
[0025]优选地，所述工具面组件包括：
[0026]‑
至少部分地包含在所述壳体136中并围绕所述心轴102布置的取向套筒106，所述取向套筒106包本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种控向组件，包括：具有纵向轴线的壳体；心轴，所述心轴被配置为穿过所述壳体；以及偏转组件，所述偏转组件被配置为相对于所述纵向轴线偏转所述心轴，其中，所述偏转组件包括：偏转套筒，所述偏转套筒被配置为基于所述偏转套筒在所述壳体内沿所述纵向轴线的位置偏转所述心轴；以及环形齿轮，所述环形齿轮被配置为将所述偏转套筒沿所述纵向轴线平移到所述位置。2.根据权利要求1所述的控向组件，其中，所述偏转组件还包括：偏转马达，所述偏转马达被配置为驱动偏转齿轮，其中，所述偏转齿轮被配置为与所述环形齿轮的外表面接合，并且其中，所述外表面被啮合。3.根据权利要求1所述的控向组件，其中，所述环形齿轮被配置为围绕所述偏转套筒和所述心轴旋转，以平移所述偏转套筒。4.根据权利要求1所述的控向组件，其中，所述偏转组件还包括：导螺杆，所述导螺杆具有能螺纹地耦接到所述环形齿轮的内径的外径，其中，所述环形齿轮被配置为随着所述环形齿轮围绕所述偏转套筒旋转而沿所述纵向轴线平移所述导螺杆。5.根据权利要求4所述的控向组件，其中，所述导螺杆和所述环形齿轮设置在所述壳体的密封部分内的液压油的体积内。6.根据权利要求4所述的控向组件，其中，所述导螺杆被配置为当所述导螺杆沿所述纵向轴线平移时围绕所述偏转套筒旋转。7.根据权利要求6所述的控向组件，其中，所述导螺杆被配置为随着所述导螺杆沿所述纵向轴线平移而沿所述纵向轴线移动所述偏转套筒。8.根据权利要求7所述的控向组件，还包括：工具面套筒，所述工具面套筒耦接到所述偏转套筒并被配置为围绕所述心轴布置，其中，所述工具面套筒包括倾斜孔，所述倾斜孔具有设置在其中的轴承托架，并且其中，所述轴承托架被配置为基于所述轴承托架在所述倾斜孔内的位置而使所述心轴相对于纵向轴线偏转。9.根据权利要求8所述的控向组件，其中，所述偏转套筒耦接到所述轴承托架，并且其中，所述偏转套筒被配置为当所述偏转套筒沿所述纵向轴线平移时使所述轴承托架在所述倾斜孔内的位置改变。10.根据权利要求8所述的控向组件，其中，所述工具面套筒和所述偏转套筒被配置为，当所述工具面套筒和所述偏转套筒围绕所述纵向轴线旋转时改变所述心轴的工具面角度。11.根据权利要求10所述的控向组件，其中，所述偏转套筒被配置为独立于围绕所述偏转套...
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