用于可转向的旋转工具中的旋转矢量传动装置

摘要

本发明公开了一种用于相对于中心纵轴控制纵轴偏移的旋转矢量传动装置。所述设备通过旋转矢量传动装置使用单一旋转运动产生类似于花瓣的长短辐圆内摆线偏移并且能够或准备返回零偏移。所述设备可以用在井下旋转可控石油和天然气钻井工具中和用于提供控制偏移的计算机控制铣床中。

说明书

技术领域

【01】本发明涉及石油和天然气钻井领域。更具体而言，本发明涉及用于从地面选择和控制井眼前进的方向的装置和方法。

背景技术

【02】钻井机操作者常常希望偏转井眼或控制其方向以到达产油层内的指定点。该操作被称为定向钻井。这当中的一个例子用于油田中的注水井，注水井通常位于油田的边缘并且在所述油田(产油层)的低点。

【03】除了控制所要求的钻井方向，井眼所钻穿的产油层总是在钻柱上施加可变力。这连同钻井机的特殊构造一起可以导致钻头向上、向下、向右或向左偏移。该效应的工业术语被称为“钻头游动(bit walk)”并且在工业中已经尝试了许多控制或重定向“钻头游动”的方法。在钻垂直孔时通过改变钻头上的转矩和重量可以控制垂直孔中的钻头游动效应。然而，在高度倾斜或水平井中，钻头游动成为主要问题。

【04】目前，为了向左或向右偏转孔，钻井者可以从诸如被称为“弯接头”的井下马达的一系列专门井下工具和更近来的可转向的旋转工具(rotary steerable tool)进行选择。

【05】弯接头是稍微朝一侧弯曲的短管，其连接到钻柱，之后紧接着测量设备，其中的MWD工具(随钻测量，其将井眼方向信息传递到地面)是通用类型，之后紧接着连接到钻头的井下马达。钻柱下降到井眼中并且被旋转直到MWD工具指示钻头的前缘面对期望的方向。通过钻铤对钻头施加重力。并且，通过钻柱泵送钻井液，井下马达旋转钻头。

【06】美国专利3,561,549涉及一种设备，其给予充分的控制以偏转和开始倾斜孔或控制垂直孔中的钻头游动。钻井工具具有—非旋转套筒，在一侧上的多个翼(或楔)紧靠连接到钻头的井下马达之下被放置。

【07】美国专利4,220,213涉及一种设备，其包括加重心轴。所述工具被设计成利用重力的效应，这是由于所述心轴的重侧将寻找孔的低侧。井眼的低侧被定义成最远离垂线的一侧。

【08】美国专利4,638,873涉及一种工具，其具有弹簧加载套和加重重侧，其可以容纳由保持螺栓保持就位的计量插入件。

【09】美国专利5,220,963公开了一种装置，其具有容置在三个非旋转构件中的内旋转心轴。

【10】因此，业已知道如何校正井眼中的钻头游动。然而，如果钻井时导致钻头游动的力发生变化，为了校正井眼的方向，所有现有技术的工具必须被撤回。对用于撤回工具的绝对要求意味着必须执行往返行程。这导致了要在安全性与花费大量时间和金钱之间作出妥协。

【11】美国专利5,979,570(也为WO96/31679)部分解决了倾斜井眼中钻头游动的问题。在该专利申请和专利中描述的设备包括偏心钻孔的内和外套筒。外套筒可自由移动，从而它可以寻找井眼的低侧，内偏心套筒的加重侧能够被定位在外偏心套筒的加重部分的右侧或左侧上，从而以双重的方式校正钻头游动。

【12】美国专利6,808,027(其中的一个共同申请人是本发明的一个共同申请人)公开了一种改进的井下工具，其可以在高度倾斜的井眼中校正钻头游动并且能够控制井眼的倾斜和方位平面。鉴于美国专利5,979,570公开了钻头偏移(bit offset)，‘027专利公开了被称为钻头点(bit point)的矢量方法(实际改进)。‘027专利使用一系列套筒(或凸轮，这取决于术语的定义)，其可以偏心的或同心的以获得钻头点(改进)或钻头偏移(在早先的专利中所公开的，但是由不同的机械设备获得)。

【13】本申请公开了不同的机械技术以在井下工具内获得旋转矢量并且可以用于美国专利6,808,027，美国专利5,979,570的装置和其它需要内部定位机构的井下设备(使用稳定器、叶片等)中。

发明内容

【14】被定义为摆线(cycloid)系统，旋转矢量传动装置(rotaryvector gear)或长短辐圆内摆线驱动器的设备提供了一种用于选择性地控制纵轴偏移的装置，包括：同心从动内套筒；连接到所述从动内套筒的第一级偏心套筒；第二级偏心套筒；附加到所述第二级偏心套筒的外部齿式摆线盘；附加到外壳以用于保持所述摆线系统的内部齿式摆线环(固定环或辊组件)；和用于旋转所述从动内套筒的驱动和控制机构，其中取决于所述摆线系统的构造，所述摆线系统提供了渐进纵轴。

【15】所述摆线设备可以在可转向的旋转工具内用作单一单元或双单元(尽管可以预见在组件内包含多个设备的选择)以提供钻头推动的钻头点。如果使用单一单元，则所述摆线系统将在井眼内提供钻头点偏移矢量控制；然而，双摆线系统将在井眼内提供钻头推动偏移矢量控制。在井下控制工具内使用摆线设备允许操作者在钻井操作期间改变狗腿严重度(dog-leg severity)(或井眼曲率的幅度)；然而，本控制工具解决了狗腿严重度，该狗腿严重度仅仅当控制工具被带到地面时才发生变化。所述设备也可以用于计算机控制铣床等之中。

【16】在优选的方式中，当用于可转向的旋转工具中时，所述设备可以控制井眼路径。传感器可以被安装在所述摆线设备中或所述可转向的旋转工具的外壳内以提供路径参考数据(即上/下，北/南，东/西，以及其它所需的地理数据)。该数据然后可以通过控制系统被链接以对摆线齿轮提供实时调整，由此控制井眼路径。通信链接可以用通信协议建立，所述通信协议允许所述可转向的旋转工具和地面之间的实时通信，由此提供进一步的井眼路径控制和井眼路径的狗腿严重度的控制。

附图说明

【17】图1是本设备的等比例的切面图，其显示了贴靠外壳运转的固定摆线辊环，联接到第一级旋转偏心套筒的同心内套筒，第二级偏心套筒，内旋转心轴并且仅仅显示了内摆线盘。

【18】图2是本设备的横截面侧视图。

【19】图3是通过图2的A-A获得的本设备的横截面图，其显示了贴靠外壳运转的固定摆线辊环，摆线盘，第二级偏心套筒和内旋转心轴。

【20】图4是通过图2中的B-B获得的横截面图，其显示了外壳，第一级偏心套筒，第二级偏心套筒和内旋转心轴。

【21】图5显示了安装在井下工具中的本装置(描述了使用两个摆线设备(一边一个)的实施方式)。

【22】图6显示了由摆线盘施加到旋转心轴的中心的长短辐圆内摆线运动，其中所述摆线盘在辊组件内部滚动。

【23】图7A-F是用于带叶片井下可转向的旋转工具中的本设备的各种实施方式的高度简化示图。

【24】图8显示了用于本设备内的密封的进一步细节。

【25】图9显示了用于利用本设备的井下工具的轴承系统的进一步细节。

【26】图10A-10F显示了可以赋予摆线盘的中心(或纵轴)的其它图案。

【27】图11示出了参考轴和本设备的控制轴之间的关系并且显示了用于可控工具中的优选长短辐圆内摆线(hypotrochoidic)运动。

具体实施方式

【28】将要描述的所述系统被假设为其将用于井下旋转转向工具；然而，应当理解的是摆线驱动系统可以用于其它装置以提供纵轴的偏移的渐进控制。摆线或旋转矢量传动装置系统被封闭在外壳中，该外壳大约为12英尺长，由七个带销或带螺纹部分组成。所述工具的总长度大约为16英尺。图5显示了容纳在可转向的旋转工具内的摆线系统，其利用偏移外壳与井眼的壁相互作用，由此提供用于钻头矢量的支点。

【29】现在参考图1-4，摆线设备由六个主要部分组成：同心输入套筒1，或旋转套筒，联接到输入套筒1的第一级偏心套筒2，有时被称为内套筒，外部齿式摆线盘3，第二级偏心套筒4，有时被称为输出或档板(bulkhead)，内部齿式摆线环5，或辊组件，以及用于旋转内套筒的驱动和控制机构6-8。

【30】内部齿式摆线环5被保持在外壳9内。外壳通常是包含一个或多个摆线系统、电池等的实际井下工具并且为钻柱提供必要的支点。如果摆线系统被用在另一设备中，那么所述设备将提供外壳。

【31】驱动器通常是联接到轴和齿轮组件7的无刷DC马达6，轴和齿轮组件7接着驱动齿轮8，齿轮8直接附加到同心输入套筒1。当未形成本设备的一部分时控制组件对于设备的操作来说是关键的。控制组件由遥测系统和电池组成，所述遥测系统和电池响应来自地面的控制输入并且驱动无刷DC电机6，接着定位循环驱动，由此赋予井下钻头所需的钻头矢量。

【32】现在将描述长短辐圆内摆线设备的操作。参考图1-4，当驱动马达6运动时，通过轴/齿轮7将运动传递给同心套筒1上的环形齿轮8，由此围绕纵轴旋转同心(驱动)套筒和第一级偏心套筒2，所述纵轴穿过固定摆线环5的中心，基本上为整个设备的纵轴。当第一级偏心套筒2旋转时，它将运动传递到第二级偏心套筒4，有时类似于旋转摇把。(应当注意，第二级偏心套筒在如将要解释的摆线盘的轴内偏心，并且稍稍从同心套筒和第一级偏心套筒围绕其旋转的纵轴偏移。)这导致了摆线盘3在摆线环5内运动。由于两个相互作用的套筒是偏心的，摆线盘的很小轴向运动导致盘3的外部齿在固定摆线环5的内部齿内运动。该作用赋予了围绕纵轴的反向运动(当与同心套筒/第一级偏心套筒的运动比较时)。(应当注意的是，当所述设备被用于可转向的旋转工具内时，偏移轴实际落在井眼的中心线内：因此其用于钻井操作。)

【33】如上所述的结果作用类似于沿环的内部的轮滚动的作用。因此当轮(摆线盘3)围绕环(摆线环5)作顺时针运动时，所述轮围绕其自身的轴在逆时针方向旋转。摆线盘3的外部齿逐次与固定摆线环5的内部齿(或辊)啮合，因此以减小的速度提供反向旋转。对于第一级偏心套筒2的每个完整旋转，摆线盘3在相反方向上前进一个齿的距离。摆线盘中的齿比辊组件中的销少一个，这导致减速比等于摆线盘上齿的数量(大约为20∶1)。

【34】辊组件(摆线环5)和盘(摆线盘3)的组合被称为旋转矢量传动装置(rotary vector gear)。应当理解的是单销可以用在辊组件中；然而，摩擦力将通过辊销的使用而大为减小。

【35】现在重要的是研究第二级偏心套筒，第二级偏心套筒有效地偏移摆线盘的轴，由此赋予了通过固定辊的中心获得的平行于旋转矢量传动装置的纵轴5的第二纵轴，其可以被称为控制纵轴或控制轴。旋转矢量传动装置的纵轴可以被称为参考纵轴或参考轴。图11显示了这两个轴和优选的长短辐圆内摆线(hypotrochoidic)型式。

【36】在其优选的方式中，第二或控制轴偏移0.150英寸。如图6中所示，当摆线盘旋转时，控制轴产生类似于花瓣(花冠)型式的长短辐圆内摆线运动。产生的花瓣数量由摆线盘和固定环之间的尺寸比(节径)确定。该公式为R/(R-r)，其中：R＝固定环的节径，r＝摆线盘的节径。长短辐圆内摆线运动通过旋转矢量传动装置组件(摆线盘3，与固定环5组合)通过第二级偏心4(或档板)被传递。

【37】参见图2-4，读者应当认识到图2并没有示出第一级偏心内的偏心，仅仅因为该偏心被旋转到附图的平面之外。该偏心在图3和4的横截面中被显示。

【38】在优选的方式中，如图5中所示的井下可转向的旋转工具中使用的第二级组件包含支承心轴10的径向轴承。心轴接着联接到钻柱，因此长短辐圆内摆线运动被传递到钻柱。

【39】在摆线盘/固定环的尺寸比和摆线盘的偏移之间存在内在关系。对于第一偏心级的每次旋转产生一个“花瓣”，由于在其旋转期间希望钻柱通过“0”偏移(同心)，摆线盘中偏心偏移的大小可以仅仅是摆线盘和固定环的节径之差的一半。

【40】具体而言，利用旋转矢量传动装置的旋转可控设计目前具有直径为5.7英寸(14.478cm)的摆线盘节径，和在摆线盘中具有0.150(3.81mm)偏移的6.0英寸(15.24cm)的固定环节径。随着如图6中所示的后续处理旋转，这产生了0至0.3英寸(7.62mm)的偏移范围，在一个或多个最大偏移具有20个进向(headings)。后续处理对于有效和快速地校正慢外壳滚动是重要的。

【41】第一进向被显示成使用粗线并且代表从动内套筒的一次完整旋转。第一进向上的每个点可以被视为与旋转矢量传动装置内的内部齿和外部齿之间的相互作用对应。因此，在0，0.3(标准xy轴表示法)开始并且遵循其环绕半径有可能在正平面中的不同点具有偏移，所述正平面在0，0.3开始，大略通过0.13，0.20，通过0，0，大略通过-0.08，0.20，回到0.0，0.28。下一个进向偏移向右并且提供变化点。控制和驱动系统然后必须跟踪内从动套筒的转动圈数，这(为控制系统)提供实际偏移的信息。作为另一选择，传感器可以用于提供第一级偏心和第二级偏心的位置的信息，由此允许确定的偏心的准确位置。

【42】要求在设备外部的设定点与控制和驱动系统之间进行通信。在可转向的旋转工具的情况下，外部设定点可以是地面控制单元。所述单元或摆线控制系统必须知道已经命令内套筒转动多少圈，然后必须知道将需要旋转多少圈将偏移定位在所需的位置。现代基于计算机的系统将毫无困难地跟踪旋转矢量传动装置偏移的当前位置并且能够将所需的信息发送到摆线设备的相关控制驱动系统。

【43】在所述设备在可转向的旋转工具内的优选使用中，如果已知偏移参照重力传感器或惯性控制系统，则关于井眼中心线的控制轴的准确位置可以被确定和控制。使用重力传感器或惯性控制系统将允许驱动和控制机构补偿旋转可控设备的慢滚动。

【44】图8显示了当旋转矢量传动装置用在井下可转向的旋转工具中时用于密封的建议布局。可转向的旋转工具具有6个旋转密封和大约13个静密封。其它实施方式可以使用更多或更少的旋转密封或静密封，并且图8中所示的密封的数量不应当被看作限制。未示出的单独压力补偿机构将被要求用来平衡环境和内部工具压力。

【45】图9显示了用于在井下可转向的旋转工具中使用的旋转矢量传动装置设备的优选轴承系统。推力和径向负荷首先通过外壳，其次通过与心轴同心的泥浆压井轴承，通过与旋转套筒同心的密封轴承，最后通过与外壳同心的密封推力轴承被传递。所述工具的远端和近端都具有该轴承配置。

【46】给定尺寸参数，可以用以下参量笛卡儿方程产生长短辐圆内摆线形状：x＝(a-b)cos(t)+c cos((a/b-1)t)，y＝(a-b)sin(t)-c sin((a/b-1)t)。其中：a＝固定环的半径，b＝摆线盘的半径，c＝离摆线盘的中心的距离，以产生第二偏移轴。设备计算机将利用该方程将翻译内套筒的转动圈数以驱动摆线盘，从而得到的长短辐圆内摆线运动将旋转矢量置于需要的位置中。也就是说，钻头在钻井操作所要求的方向上被引导。

【47】钻头偏移和钻头点的概念(所谓的旋转矢量)在McLoughlin等人的美国专利申请6,808,027中被描述。然而，该旋转矢量传动装置可以用在可转向的旋转工具中以实现相同的结果。这样一种旋转矢量传动装置的使用是极大的改进，原因在于可以从地面在工具内调整狗腿严重度。图7A-7C显示了利用该公开的旋转矢量传动装置的可转向的旋转工具的简化图；而图7D和7E准确显示了如何通过可转向的旋转工具内的支点作用获得钻头点(钻头倾斜)和钻头推动。图7E提供了用于图7A-7C中的符号的关键：即轴承的类型(球面轴承，带有轴承的偏心，等等)摆线盘的位置，第一级偏心，等等。图9显示了进一步的轴承细节。

【48】图7A显示了安装在井下可转向的旋转工具中的两个旋转矢量传动装置或摆线设备(在图1-4中示出的系统)。该特殊布置导致了钻头推动。也就是说，两个摆线盘一起工作(即，它们共同联接到相同的驱动和控制系统)以从井眼的中心线偏移心轴。

【49】图7B显示了安装在可转向的旋转工具的相对端的单一旋转矢量传动装置或摆线设备和辊轴承座。该特殊布置导致了钻头点。也就是说，摆线盘和单一轴承一起操作以远离井眼的中心线指向心轴。

【50】图7C显示了安装在可转向的旋转工具的中心的单一设备，其中心轴被轴承支撑在任一侧。所述单一设备用于在中间推动心轴偏心。这也导致钻头点。

【51】图7D和7E显示了以上任一构造可以怎样与外部稳定器组合使用以实际获得钻头推动或钻头倾斜(点)。图7D-钻头推动-显示了放置在利用本设备的旋转工具上方或后面的稳定器将如何在钻头上促进侧向(或横向)力。图7E-钻头点-显示了放置在利用本设备的旋转工具之间的(或与钻头-体化的)稳定器如何促进钻头上的角变化(或钻头点)。

【52】重要的是认识到本设备可以用于可转向的旋转工具中，所述可转向的旋转工具利用如先前美国专利(参见先前的论述)中所描述的含物(pregnant)(加重)外壳代替产生钻头推动和钻头点构造的套筒(同心的和偏心的)或凸轮。(在这里词语“凸轮”可与词语“套筒”互换使用)。加重-含物-外壳倾向于朝着井眼的“低侧”。也就是说在重力作用下外壳的重力沿循低侧，由此提供低侧稳定。如现有技术所描述的，可转向的旋转工具需要一种方法来定向或偏移钻头，同时使所述方向或偏移参照井眼内的稳定基准。

【53】有可能使用一种可转向的旋转工具，其由内部重力或惯性参照反馈控制系统(例如加速计)稳定或者通过使用接合井眼的防旋转设备稳定。因此，本设备可以作为引用的美国专利的工具和新型可转向的旋转工具内的改进凸轮用于发明人所预见的设备中。

【54】应当理解的是，在所述方式中“花瓣”的型式和数量由以上方程中的a，b和c的关系设定。因此，使用者可以关于型式的选择竭尽想象。这在计算机控制铣床和类似设备中证明是有用的。因此，旋转矢量传动装置(摆线)系统可以在石油和天然气工业之外找到其应用。图10A-10F显示了连同所需的参数值一起的若干示例型式。这些图也示出了图4的型式为何优选地用于旋转钻井中，因为该型式(或参数的选择)导致了轴运动的连续(或顺序)前进并且多次返回到零。

【55】尽管所述设备被描述成优选用于在钻井工业中使用的可转向的旋转工具中，所述设备也能够用于需要控制位置的任何设备中。所以以上描述不应当被看作限制，而是应当被看作所述设备的最佳实施方式和描述。