[发明专利]具有带连杆的致动器的旋转导向系统

说明书

一种设置在钻柱上用于使由钻头推进的井眼偏斜的设备，该设备包括壳体、定向器和致动器。钻柱上的壳体向钻头传递旋转。壳体具有向钻头传输流体的孔。定向器设置在壳体上以随壳体旋转。定向器包括：可在腔室内运动的活塞；可绕枢转点相对于壳体在伸出状态与缩回状态之间枢转的垫块；以及以可枢转的方式连接在活塞与垫块之间的连杆臂。与孔流体连通的致动器至少能够在引导从孔或其他源传输的流体通向定向器的腔室的第一状态与至少允许定向器朝缩回状态缩回的第二状态之间操作。

技术领域

本公开的主题涉及用于控制井下组件的设备和方法。该主题有望在控制井下组件的导向机构来沿选定方向对钻头进行导向的方面找到其最大的效用，并且以下描述中的大部分将涉及导向应用。然而，将理解的是，所公开的主题可以用于控制井下组件的其他部分。

背景技术

当进行对石油和天然气的钻探时，期望即使在钻探操作可能在地表以下几公里进行的情况下也保持对钻探操作的最大控制。导向钻头可用于定向钻探，并且通常在钻出要求在钻探操作期间精确控制钻头路径的复杂井眼轨迹时使用。

定向钻探是复杂的，因为导向钻头必须在恶劣的井眼条件下操作。例如，导向机构必须在钻探操作期间通常会遇到的超常的热、压力和振动条件下可靠地操作。另外，导向机构通常设置在钻头附近，并且所期望的对导向机构的实时定向控制是从地面远程控制的。无论导向机构在井眼内的深度如何，导向机构都必须保持期望的路径和方向，并且还必须保持切实可行的钻进速度。

工业中使用了许多类型的导向机构。一种普通类型的导向机构具有设置在壳体中的马达，该马达的纵向轴线从井眼的轴线偏移或移位。马达可以具有多种类型，包括电动型和液压型。利用循环的钻井流体操作的液压马达通常被称为“泥浆”马达。

通常称为弯曲壳体或“弯接头”的横向偏移的马达壳体提供了可用于改变井眼轨迹的横向移位。通过使钻头与马达一起旋转并且同时使马达壳体与钻柱一起旋转，壳体偏移的取向连续变化，并且正在推进的井眼的路径保持基本平行于钻柱的轴线。通过仅使钻头与马达一起旋转而不旋转钻柱，井眼的路径沿弯曲壳体的偏移方向偏离非旋转的钻柱的轴线。

另一种导向机构是允许钻头沿任何选定方向运动的旋转导向工具。以这种方式，井眼的曲率的方向(和度数)可以在钻探操作期间被确定，并且可以基于在特定井眼深度处测得的钻探条件来选择。

使旋转导向工具偏转的常见方式是使用活塞来激励垫块。垫块推压地层以便产生钻头侧向力以使井筒偏斜。由于在垫块与活塞之间的交界面处的相对运动而产生问题，并且该相对运动导致两个表面的磨损和擦伤以及活塞上的“翘起”载荷。

尽管各种导向机构是有效的，但是操作员一直在寻找更快、更强力、可靠且成本有效的定向钻探机构和技术。本公开的主题针对这样的努力。

发明内容

根据本公开，一种设备设置在钻柱上，用于使由钻头推进的井眼偏斜。该设备包括壳体、至少一个定向器以及至少一个致动器。壳体设置在钻柱上并向钻头传递旋转。例如，壳体可以具有通过钻柱、通过设置在钻柱上的马达、或者通过钻柱和马达两者施加至壳体的旋转。

所述至少一个定向器设置在壳体上以随壳体旋转，使得随着壳体旋转，所述至少一个定向器绕正在推进的井眼旋转。所述至少一个定向器至少包括活塞、垫块和连杆臂。活塞能够在被限定于壳体、与设备相关联的模块或其他部件中的腔室中运动。垫块能够绕枢转点相对于壳体在伸出状态与缩回状态之间枢转。例如，枢转销可以将垫块的边缘连接至壳体、与设备相关联的模块或其他部件。

最后，连杆臂以可枢转的方式连接在活塞与垫块之间，因此连杆臂可以将活塞在腔室中的运动转换成垫块绕枢转点的枢转。例如，活塞可以包括连接至连杆臂的第一端部的第一连杆销，而垫块可以具有连接至连杆臂的第二端部的第二连杆销。从几何学上讲，第一连杆销和第二连杆销及枢转点可以平行于壳体的旋转中心，而连杆可以位于与旋转中心垂直的平面中。