專利名稱：用于消除鉆頭凈扭矩和控制鉆頭游動的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及油田鉆井，并且更具體地說，涉及用于鉆井的自 主鉆井設(shè)備和遙控鉆井機(jī)器人。
背景技術(shù)：
在油田操作中，通過經(jīng)鉆柱將扭矩和軸向力應(yīng)用到鉆頭，鉆進(jìn)巖 石需要通常在鉆機(jī)處提供相當(dāng)大的功率水平和力。垂直井中的鉆柱的下 部包括(從下到上)鉆頭、鉆頭接頭、穩(wěn)定器、鉆鋌、厚重鉆桿、震擊裝
置和多種螺紋形式的角控制區(qū)。井底組件在下文中稱作BHA，提供力 以破碎巖石并為鉆機(jī)提供井的定向控制，所述力的量度稱作"鉆壓"。在 傳統(tǒng)鉆井中，使用接合的鉆桿或撓性管(coiled tubing), BHA被降低進(jìn) 入井眼中。通常，BHA包括泥漿電機(jī)、定向鉆井與測量設(shè)備、隨鉆測 量工具、隨鉆記錄工具和其它特定設(shè)備。由鉆頭、各種轉(zhuǎn)換器和鉆鋌組 成的簡單BHA相對廉價(jià)，花費(fèi)幾十萬美元，而復(fù)雜的BHA花費(fèi)該 數(shù)目的十倍以上。
BHA的鉆頭部件用于破碎或切割巖石。鈍鉆頭可能導(dǎo)致進(jìn)展失 敗，而必須被更換。多種鉆頭通過破碎或壓碎巖石或兩者工作，通常在 稱作旋轉(zhuǎn)鉆井的過程中，作為連續(xù)圓運(yùn)動的部分。在旋轉(zhuǎn)鉆井期間，利 用經(jīng)鉆頭循環(huán)的鉆井流體去除巖屑，并從井眼向上到表面。
另一種鉆井形式是使用利用井下泥漿電機(jī)旋轉(zhuǎn)鉆頭以使井眼加深 的撓性管，其與使用接合桿鉆機(jī)相比進(jìn)展快。通過使用撓性管，消除了 采用旋轉(zhuǎn)鉆井所需的連接時(shí)間。蛇形管鉆井在多種應(yīng)用中較經(jīng)濟(jì)，諸如 鉆窄井，在需要小鉆機(jī)印跡的區(qū)域工作，或當(dāng)重新進(jìn)入井中用于油井維 修操作時(shí)。
許多鉆井操作需要定向控制以將沿特定軌道的井定位在地層中。 定向控制，也稱作"定向鉆井"，使用特殊的BHA配置、測量三維空間中的井眼的通路的儀器、將在井下取得的測量值通信到表面的數(shù)據(jù)鏈 路、泥漿電機(jī)和特殊的BHA部件和鉆頭實(shí)現(xiàn)。該定向鉆機(jī)能夠使用諸 如鉆壓和旋轉(zhuǎn)速度的鉆井參數(shù)以使鉆頭偏離離開現(xiàn)有井眼的軸。相反 地，在一些情況中，諸如鉆進(jìn)陡峭的傾斜地層或由于在傳統(tǒng)鉆井操作中 未預(yù)料的偏差，可以使用定向鉆井技術(shù)以確?？妆淮怪便@井。
定向控制通常通過使用井下可操縱泥漿電機(jī)中的鉆頭附近的彎曲
(bend)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)整個(gè)鉆柱不旋轉(zhuǎn)時(shí)，該彎曲沿與井眼的軸不同的方向指 引鉆頭。通過經(jīng)泥漿電機(jī)抽取泥漿，鉆頭旋轉(zhuǎn)，而鉆柱本身不旋轉(zhuǎn)，從 而允許鉆頭單獨(dú)沿它指引的方向鉆進(jìn)。當(dāng)取得特定的井眼方向時(shí)，則通
過旋轉(zhuǎn)包括彎曲部件的整個(gè)鉆柱，可以保持新的方向，以便鉆頭不沿
離開期望的井眼軸的方向鉆井，而代替地在周圍掃過(sweeps amimd)， 使其方向與現(xiàn)有井眼對齊。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員周知的，鉆頭具有從其
期望鉆井方向偏離的趨勢，稱作"鉆頭游動"的現(xiàn)象。鉆頭游動源自鉆頭 的切割動作、重力和旋轉(zhuǎn)，以及被鉆的地層的不規(guī)則性。消除或至少使 鉆頭游動最小以確保鉆井操作沿期望的方向前進(jìn)是有利的。雖然鉆頭游 動通常是不利的，但是受控的鉆頭游動能夠產(chǎn)生從己建立的鉆井方向的 期望和有利的偏差。
多數(shù)井眼接近垂直并且不特別深。在這種井中，標(biāo)準(zhǔn)的線纜能夠 將記錄工具和其它設(shè)備運(yùn)送到期望的深度。然而，石油的缺乏已導(dǎo)致期 望開采更難到達(dá)的地層。因此，在日益增加的頻率的情況下，井眼極深 并且具有高傾斜角度。多年來，鉆桿和撓性管將鉆頭和鉆探設(shè)備運(yùn)送入 井眼。 一旦在所需的井下位置時(shí)，設(shè)備被期望執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，所述的 任務(wù)經(jīng)常需要在遠(yuǎn)離井眼的表面鉆井設(shè)備處實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制。
期望具有可用于開采更深和更困難的井的備選運(yùn)送技術(shù)。 一種這 樣的技術(shù)可能是自主鉆井機(jī)器人，其不使用鉆桿、撓性管或其它裝置連 接到表面設(shè)備。
如果將使用傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)開發(fā)鉆井機(jī)器人，則鉆井機(jī)器人 必須能夠同時(shí)支持反作用扭矩和推進(jìn)力。如果鉆井機(jī)器人無法抵消反作 用扭矩，則鉆井機(jī)器人將開始在井眼中旋轉(zhuǎn)，從而降低了鉆井操作的效 率。設(shè)計(jì)反對反作用扭矩的鉆井機(jī)器人對于具有小井眼的井甚至更加困難。在井眼中鉆井機(jī)器人的穿透速度低將導(dǎo)致鉆井機(jī)器人上扭矩減小。 然而，采用更高的穿透速度，例如使用與傳統(tǒng)鉆井技術(shù)中使用的相同的 旋轉(zhuǎn)速度，可以期望扭矩對機(jī)器人來說存在問題。
在Robert Charles Southard的美國專利第5，845，721號中公開了一 種隨鉆控制扭矩的設(shè)備，該發(fā)明包括帶有產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力的電機(jī)的管狀鉆 柱。該設(shè)備還包括適合電機(jī)裝置的內(nèi)部鉆井設(shè)備和同心地設(shè)置在內(nèi)部鉆 井設(shè)備附近的外部鉆井設(shè)備。Southard的設(shè)備包括行星齒輪系統(tǒng)，該行 星齒輪系統(tǒng)適合用于將從電機(jī)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)傳遞給外部鉆井設(shè)備。從電機(jī) 延伸的軸可操作地連接到內(nèi)部鉆井設(shè)備，并且該軸具有在其上形成的多 個(gè)軸鍵，以與行星齒輪系統(tǒng)配合。由于行星齒輪系統(tǒng)的特殊結(jié)構(gòu)，內(nèi)部 和外部鉆井設(shè)備沿相反的方向旋轉(zhuǎn)。內(nèi)部和外部鉆頭具有固定的齒輪關(guān) 系，導(dǎo)致內(nèi)部和外部鉆頭以恒定的相對速度旋轉(zhuǎn)。
在Sigmund Stokka的美國專利申請公布第2004/0011558 Al號中 公開了一種鉆井設(shè)備，該發(fā)明包括一種利用鉆井設(shè)備將儀器或測量設(shè)備 或工具引入地殼的地層或其它固體材料中的方法，材料通過鉆頭的旋轉(zhuǎn) 釋放，并且隨后釋放的材料流動或被抽取、經(jīng)過或穿過鉆井設(shè)備。 Stokka的方法包括通過交替鉆頭的旋轉(zhuǎn)方向，吸收由鉆頭的慣性旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生的反作用扭矩。
從前述內(nèi)容，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白存在對能夠鉆進(jìn)井眼或
從油田中的現(xiàn)有井眼側(cè)向偏離的遙控鉆井機(jī)器人的需要，以及對于這樣 的鉆井機(jī)器人，消除或控制施加給所連接的鉆井模塊的鉆井反作用扭矩 和推動力的需要。此外，存在對消除、減小或控制自鉆頭到機(jī)器人的反 作用扭矩的改進(jìn)方法的需要。此外，存在對改進(jìn)方法的需要，所述的改 進(jìn)方法用于控制由來自鉆頭的反作用扭矩引起的鉆頭游動，或者用于使 用機(jī)械對地靜止參照物，確保受控的直著向前鉆進(jìn)的目的，或者操縱沿 新的方向的鉆井操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了在油田鉆井操作領(lǐng)域的改進(jìn)，其中諸如遙控鉆井 機(jī)器人的鉆井設(shè)備被布置以鉆入井眼并控制反作用扭矩，從而防止鉆井設(shè)備的不期望的旋轉(zhuǎn)和產(chǎn)生的穿透損失。鉆井機(jī)器人的成功或失敗可能 取決于消除來自鉆井機(jī)器人的鉆井組件的反作用扭矩的能力。此外，根 據(jù)本發(fā)明的鉆井設(shè)備控制反作用扭矩，用于操縱鉆井操作的目的，以取 得期望的井眼軌跡。此外，在包括撓性管的鉆井應(yīng)用中一例如，使用用 于操縱的彎接頭的應(yīng)用一自鉆頭的反作用扭矩可旋轉(zhuǎn)用于導(dǎo)向的彎接 頭。本發(fā)明可用于如此應(yīng)用中，以消除或控制反作用扭矩以增加定向鉆 井的穩(wěn)定性。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，鉆井設(shè)備控制鉆井操作期間的鉆頭扭 矩。這種設(shè)備包括提供軸向推進(jìn)力的推進(jìn)模塊；連接到推進(jìn)模塊的旋 轉(zhuǎn)聯(lián)接件；和鉆井組件，其中旋轉(zhuǎn)聯(lián)接件將推進(jìn)力從推進(jìn)模塊傳輸?shù)?鉆井組件，并且包括旋轉(zhuǎn)編碼器，其可操作地確定推進(jìn)模塊與鉆井組件 之間的相對旋轉(zhuǎn)角度。該鉆井組件被連接到旋轉(zhuǎn)聯(lián)接件，以從推進(jìn)模塊 接收推進(jìn)，并接收表示推進(jìn)模塊與鉆井組件之間的相對旋轉(zhuǎn)角度的來自 旋轉(zhuǎn)編碼器的信號。該鉆井組件相對于地層或物理表面的相對角度相對 于任何對地靜止的參照物確定，例如使用鉆井與包括加速度計(jì)和磁力儀 的傾斜組件的鉆井單元。該對地靜止的參照物可以是準(zhǔn)靜止的，原因在 于它可以在橫貫井眼的同時(shí)偏移，但局部保持相對靜止。
此外，該鉆井模塊包括同心地分成外部鉆頭和內(nèi)部鉆頭的鉆頭； 內(nèi)部和外部鉆頭被連接到動力單元，所述的動力單元可操作地同時(shí)沿相 反方向驅(qū)動內(nèi)部和外部鉆頭。該內(nèi)部和外部鉆頭利用其各自的驅(qū)動電機(jī) 旋轉(zhuǎn)，所述的驅(qū)動電機(jī)允許獨(dú)立地調(diào)節(jié)內(nèi)部和外部鉆頭的速度。該鉆井 模塊還可包括線性致動器，該線性致動器響應(yīng)自控制模塊接收的信號， 可操作地提供內(nèi)部鉆頭相對于外部鉆頭的軸向運(yùn)動。該控制模塊可提供 與表面鉆井與處理設(shè)備的通信，并使用鉆井模塊相對于推進(jìn)模塊的角度 旋轉(zhuǎn)，以通過調(diào)節(jié)內(nèi)部和外部鉆頭的相對RPM或通過移動線性致動 器，來調(diào)節(jié)與鉆頭相關(guān)的扭矩。
在備選實(shí)施例中，為了操縱鉆井操作的目的，鉆井設(shè)備控制井眼 鉆探期間的鉆頭游動。這種鉆井設(shè)備包括同心地分成外部鉆頭和內(nèi)部 鉆頭的圓柱鉆頭，內(nèi)部鉆頭位于外部鉆頭內(nèi)部，內(nèi)部鉆頭可操作以在外 部鉆頭內(nèi)前后軸向運(yùn)動，并且動力單元可操作以獨(dú)立控制內(nèi)部和外部鉆
9頭。此外，在備選實(shí)施例中，鉆井設(shè)備可包括表面鉆井與處理設(shè)備，監(jiān) 視由外部鉆頭產(chǎn)生的扭矩、由內(nèi)部鉆頭產(chǎn)生的扭矩和外部鉆頭與內(nèi)部鉆 頭的鉆壓。鉆井設(shè)備的控制模塊被連接到動力單元，并可操作地從鉆井 與處理設(shè)備接收從對應(yīng)于內(nèi)部鉆頭與外部鉆頭指示的力的分量矢量計(jì)算 的合成矢量，將合成矢量與對應(yīng)于期望鉆井方向的期望矢量比較，確定 修改合成矢量以取得期望的矢量所需的對至少一個(gè)分量矢量的至少一次 調(diào)節(jié)，和調(diào)節(jié)對應(yīng)于力的鉆井參數(shù)，所述的力對應(yīng)于調(diào)節(jié)的至少一個(gè)分 量矢量的，從而控制設(shè)備的鉆井方向。
通過舉例說明本發(fā)明的原理，并結(jié)合附圖，通過下述的詳細(xì)描 述，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)將會很清楚。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示意圖，所述的實(shí)施例具有帶有用 于鉆井眼的設(shè)備的鉆井機(jī)器人。
圖2是使用旋轉(zhuǎn)聯(lián)接件連接到圖1中所示的鉆井組件的推進(jìn)模 塊的一個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)視圖。
圖3A是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)側(cè)斷面圖，所述的實(shí)施例具 有結(jié)合在圖2中所示的鉆井機(jī)器人的鉆井模塊中的旋轉(zhuǎn)聯(lián)接件，其 中鉆井模塊的軸向推進(jìn)器在內(nèi)縮位置中。
圖3B也是鉆井模塊的詳細(xì)側(cè)斷面視圖，但與圖3A中所示的視 圖不同之處在于鉆井模塊的軸向推進(jìn)器向前推動內(nèi)鉆頭，離開外部鉆 頭。
圖4A是圖3A的鉆井模塊的橫斷面A-A的視圖。
圖4B是圖3A中所示鉆井模塊的橫斷面B-B的視圖。
圖5A是圖2所示的鉆井機(jī)器人的三維視圖，其中推進(jìn)模塊和
鉆井模塊被旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)，指示井眼的直線向前鉆井。
圖5B是圖2所示的鉆井機(jī)器人的透視圖，其中推進(jìn)模塊和鉆
井模塊未被旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)，指示鉆井模塊己相對于推進(jìn)模塊旋轉(zhuǎn)。
圖6A是顯示用于鉆直井眼的矢量力的示例性平衡的矢量圖。
圖6B是顯示產(chǎn)生從直線向前鉆井軌跡偏離的合成矢量的不平衡
10矢量力的矢量圖。
圖7是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例性方法的流程圖，所 述的方法用于使用鉆井模塊角度位置分析工具以控制或消除反作用扭矩。
圖8是說明示例性方法的流程圖，所述的方法用于通過將一個(gè)電
機(jī)的RPM保持在恒定或近恒定RPM，同時(shí)控制另一電機(jī)的RPM以 保持施加在兩個(gè)鉆頭上的扭矩平衡，使用鉆頭方向分析工具以控制兩個(gè) 同軸鉆頭上的相對扭矩。
圖9是說明當(dāng)僅RPM調(diào)節(jié)無法控制相對扭矩時(shí)，例如當(dāng)兩個(gè)鉆 頭遇到硬度相對較大不相稱的材料時(shí)可能出現(xiàn)的，由鉆井模塊進(jìn)入的緊 急模式的流程圖。
圖10是說明根據(jù)本發(fā)明的備選實(shí)施例的示例性方法的流程圖， 所述的方法用于使用鉆頭方向分析工具以操縱鉆井操作。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的鉆井模塊的鉆井模塊處理部分的示意圖。
具體實(shí)施例方式
在如下詳細(xì)說明中，對通過說明顯示其中可實(shí)踐本發(fā)明的具體實(shí) 施例的附圖進(jìn)行參考。這些實(shí)施例的描述充分詳細(xì)以使本領(lǐng)域的專業(yè)人
員能夠?qū)嵺`本發(fā)明。應(yīng)該理解本發(fā)明的多種實(shí)施例雖然不同，但不一 定彼此排斥。例如，在這里描述的關(guān)于一個(gè)實(shí)施例的特定特性、結(jié)構(gòu)或 特征可在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)，并不背離本發(fā)明的精神與范圍。此外，應(yīng) 該理解在不背離本發(fā)明的精神與范圍的情況下，可以修改每個(gè)公開實(shí) 施例中的單個(gè)元件的位置或布置。另外，這里的術(shù)語"油井"、"井"、 "井眼"、"井筒"和變化將可以互換使用以描述本發(fā)明。
因此，下述詳細(xì)描述不是限制意義的，而，本發(fā)明的范圍僅由適 當(dāng)解釋的所附權(quán)利要求連同權(quán)利要求賦予的整個(gè)等價(jià)物的范圍限制。在 附圖中，遍及幾個(gè)視圖中，類似標(biāo)號指相同或類似的功能性。
I.介紹圖1是本發(fā)明的井筒鉆井系統(tǒng)100的示意圖，所述的系統(tǒng)具有 遙控鉆井機(jī)器人119。在一個(gè)實(shí)施例中，該鉆井機(jī)器人119包括推進(jìn)
模塊107，用于在井筒117中的鉆井操作期間，經(jīng)鉆臺103運(yùn)送鉆井 機(jī)器人119，并且提供推進(jìn)給連接到鉆井模塊111上的鉆頭。該推進(jìn) 模塊107被連接到旋轉(zhuǎn)聯(lián)接單元109。該旋轉(zhuǎn)聯(lián)接單元109被連接到 鉆井模塊111。根據(jù)本發(fā)明，該鉆井模塊111支撐著同心地分成內(nèi)部 鉆頭115和外部鉆頭113的鉆頭，所述的內(nèi)部鉆頭115和外部鉆頭 113采用這里描述的方式操作以消除鉆井操作期間的鉆頭凈扭矩。該推 進(jìn)模塊107產(chǎn)生軸向力并通過旋轉(zhuǎn)聯(lián)接單元109將該軸向力施加于鉆 井模塊111。該推進(jìn)模塊107、旋轉(zhuǎn)聯(lián)接單元109和鉆井模塊111本 地通信以共享鉆井?dāng)?shù)據(jù)和鉆井參數(shù)。
在一個(gè)備選實(shí)施例中，BHA的部件，例如推進(jìn)模塊107，與例如 位于服務(wù)車123內(nèi)部的表面鉆井與處理單元105通信，從而根據(jù)需要 將鉆井?dāng)?shù)據(jù)發(fā)送到該表面設(shè)備和從那里接收鉆井參數(shù)。該表面鉆井與處 理單元105或操作表面處理單元105的人員分析接收的信息，并將鉆 井參數(shù)的任何變化通信到鉆井模塊。
在一個(gè)備選實(shí)施例中，鉆井機(jī)器人119經(jīng)由電力電纜121被連接 到可安裝在鉆井車123中的表面鉆井與處理單元105。該鉆井機(jī)器人 119的推進(jìn)模塊107和鉆井模塊111經(jīng)電力電纜121接受電力。此 外，經(jīng)電力電纜121，傳送在鉆井機(jī)器人和在鉆井車123中的表面鉆 井與處理設(shè)備之間的通信。在一個(gè)備選實(shí)施例中，鉆井機(jī)器人119帶 有電池組或其它電源。在這種實(shí)施例中，表面鉆井與處理單元105可 無線通信，例如通過泥漿脈沖遙測技術(shù)。
II.鉆井機(jī)器人
圖2是圖1中所示鉆井機(jī)器人119的一個(gè)實(shí)施例的部分切除視 圖。推進(jìn)模塊107的軸向推進(jìn)器205使用旋轉(zhuǎn)聯(lián)接單元109連接到 鉆井模塊111。該推進(jìn)模塊107的運(yùn)送裝置203實(shí)現(xiàn)鉆井機(jī)器人119 在井眼117中的軸向運(yùn)動。該軸向推進(jìn)器205在旋轉(zhuǎn)聯(lián)接單元109 上施加力，以僅將推進(jìn)力從推進(jìn)模塊107傳送到鉆井模塊111。利用旋轉(zhuǎn)聯(lián)接單元109，沒有反作用扭矩從鉆井模塊111傳送回推進(jìn)模塊 107。相反地，如果鉆井模塊111由于反作用扭矩而開始旋轉(zhuǎn)，則鉆井
模塊111相對于推進(jìn)模塊107旋轉(zhuǎn)。該旋轉(zhuǎn)聯(lián)接單元109的旋轉(zhuǎn)編 碼器201提供指示推進(jìn)模塊107與鉆井模塊111之間的旋轉(zhuǎn)關(guān)系的 信號。
該推進(jìn)模塊107與鉆井模塊111能夠相對于彼此自由旋轉(zhuǎn)。內(nèi) 部鉆頭115與外部鉆頭113之間的扭矩失衡可導(dǎo)致鉆井模塊111的 扭矩為非零，從而導(dǎo)致鉆井模塊111旋轉(zhuǎn)。因?yàn)樾D(zhuǎn)聯(lián)接件109沒有 將鉆井模塊經(jīng)受的扭矩傳送到推進(jìn)模塊107，所以推進(jìn)模塊111獨(dú)立 于推進(jìn)模塊107旋轉(zhuǎn)。允許這種旋轉(zhuǎn)不受限制地進(jìn)行將導(dǎo)致穿進(jìn)速度 的損失。當(dāng)鉆井模塊111相對于推進(jìn)模塊107旋轉(zhuǎn)時(shí)，該推進(jìn)模塊 107不受到圍繞其軸的任何扭矩，從而使推進(jìn)模塊107在鉆井操作期 間總在井眼117中保持旋轉(zhuǎn)靜止。
如圖2所示使用旋轉(zhuǎn)編碼器210的旋轉(zhuǎn)聯(lián)接單元109提供鉆井 模塊111相對于推進(jìn)模塊107的角度位置。旋轉(zhuǎn)編碼器也稱作軸編碼 器，是可操作以將軸或軸線的角度位置轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號或模擬電壓的數(shù) 字電子設(shè)備。該旋轉(zhuǎn)編碼器210可以例如是光學(xué)編碼器、磁編碼器、 機(jī)械編碼器或簡單電位計(jì)。該旋轉(zhuǎn)編碼器201輸出對應(yīng)于推進(jìn)模塊 107與鉆井模塊111之間的相對角度的信號。
圖3A是根據(jù)本發(fā)明的鉆井模塊111的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)斷面示 圖，該鉆井模塊111具有沿鉆井模塊111的軸、并入圖2中所示的 鉆井機(jī)器人119的鉆井模塊111中的旋轉(zhuǎn)聯(lián)接件。在這個(gè)實(shí)施例中， 內(nèi)部鉆頭115連接到內(nèi)部鉆軸303，其使用行星齒輪系統(tǒng)320，被操 作以從包括轉(zhuǎn)子315和定子317的第一電機(jī)沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。具有 中空電機(jī)軸的轉(zhuǎn)子315驅(qū)動行星齒輪系統(tǒng)320的輸入恒星齒輪325。 該行星齒輪系統(tǒng)320由以下組成多個(gè)(例如4個(gè))行星齒輪319A-319D (其中319B和319D在橫斷面圖中不可見)，每個(gè)分別被連接到 齒輪軸323A-323D并由恒星齒輪325驅(qū)動。該齒輪軸323A-323D被 安裝在活動行星齒輪架327A-327D上。該行星齒輪架被附于內(nèi)部鉆軸 303。行星齒輪系統(tǒng)的齒圈321被連接到鉆井模塊111的外殼301，并且不旋轉(zhuǎn)。加虛線的標(biāo)記A-A表示在下述圖4A中的橫斷面視圖的 位置。
圖4A是用于為內(nèi)部鉆頭軸303提供旋轉(zhuǎn)的行星齒輪系統(tǒng)320 的橫斷面視圖。該恒星齒輪325被連接到電機(jī)轉(zhuǎn)子315，沿順時(shí)針方 向旋轉(zhuǎn)并將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)傳遞給主軸323。如所示，每個(gè)主軸323被安 裝在行星齒輪架327上，并被連接到內(nèi)部鉆軸303。因?yàn)辇X圈321不 旋轉(zhuǎn)，所以向恒星齒輪325傳遞順時(shí)針旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致行星齒輪架327順時(shí) 針旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，因?yàn)閮?nèi)部鉆軸303被附于行星齒輪架327，所以內(nèi)部 鉆軸沿與恒星齒輪325相同的方向旋轉(zhuǎn)。因?yàn)樾行驱X輪在小設(shè)計(jì)空間 中提供高的傳動比，所以該行星齒輪系統(tǒng)320用于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施 例。在一個(gè)備選實(shí)施例中，可以使用諸如諧振驅(qū)動器、擺線驅(qū)動器和正 齒輪的其它傳動驅(qū)動器。
再次參照圖3A，外部鉆頭113被連接到外部鉆軸(drill shaft) 305，其利用由定子331和轉(zhuǎn)子339組成的第二電機(jī)沿逆時(shí)針方向旋 轉(zhuǎn)，以驅(qū)動第二行星齒輪系統(tǒng)332。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易認(rèn)識到: 這僅是與本發(fā)明所使用的實(shí)例實(shí)施例，并不期望限制其范圍。專業(yè)技師 將容易理解本發(fā)明的許多備選實(shí)施例可用于實(shí)踐本文所要求保護(hù)的內(nèi) 容。具有中空電機(jī)軸的轉(zhuǎn)子329驅(qū)動第二行星齒輪系統(tǒng)332的外部恒 星齒輪333。第二行星齒輪系統(tǒng)332由多個(gè)(例如4個(gè))行星齒輪 335A-335D組成，每個(gè)行星齒輪分別被連接到齒輪軸339A-339D并由 恒星齒輪333驅(qū)動。每個(gè)齒輪軸339A-339D被安裝在活動的行星齒 輪架341A-341D上。該行星齒輪架341A-341D被附于外部鉆軸305。 第二行星齒輪系統(tǒng)332的第二齒圈337被連接到鉆井模塊111的外 殼301，并且不旋轉(zhuǎn)。加虛線的標(biāo)記B-B表示在下述圖4B中的橫斷 面視圖的位置。
圖4B是沿圖3A的橫斷面B-B的外部驅(qū)動軸用驅(qū)動機(jī)構(gòu)的橫 斷面視圖。每個(gè)主軸339被安裝在第二行星齒輪架341上。該外部鉆 軸305也被連接到行星齒輪架341。因?yàn)榈诙X圈337靜止，所以利 用連接到第二行星齒輪架341，外部恒星齒輪333的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致 外部鉆軸305以沿與外部恒星齒輪333相同的逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。此外，在這個(gè)實(shí)施例中，鉆井模塊111的線性致動器部件310 由以下組成附于內(nèi)部鉆頭軸303的活動部件311;和附于鉆井模塊
的外殼301的靜止部件313，例如電磁線圈線性致動器。電磁線圈線 性致動器將受控磁場轉(zhuǎn)換為活動部件311的線性運(yùn)動。該線性致動器 部件310實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部鉆頭115的軸向運(yùn)動。圖3A顯示了在內(nèi)縮位 置的內(nèi)部鉆頭115，其中內(nèi)部鉆頭115已被軸向推進(jìn)器311推入鉆 井模塊，從而使內(nèi)部鉆頭115更接近井眼中的外部鉆頭113。圖3B 是在舒展位置中的內(nèi)部鉆頭115的橫斷面視圖，其中利用井眼中的 線性致動器的活動部件311，內(nèi)部鉆頭115相對于外部鉆頭113向前 推動。
如圖3A所示，在一組徑向軸承345上，該內(nèi)部鉆頭軸303被 定位并允許在外部鉆頭軸305內(nèi)部旋轉(zhuǎn)。當(dāng)將內(nèi)部鉆頭115縮回鉆頭 組件外殼301內(nèi)部或由線性致動器的活動部件311推出時(shí)，該徑向軸 承345被連接到外部鉆頭軸305以允許內(nèi)部鉆頭軸303在旋轉(zhuǎn)期間 軸向運(yùn)動。此外，該徑向軸承345用作內(nèi)部鉆頭軸303相對于外部鉆 頭軸305的旋轉(zhuǎn)軸承。
在一組徑向軸承343上，該外部鉆頭軸305被定位并允許在鉆 井模塊外殼301內(nèi)部旋轉(zhuǎn)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)聯(lián)接件109被加入鉆井模塊111 中，并由推進(jìn)軸承347和具有推進(jìn)模塊的機(jī)械連接359支持。該旋轉(zhuǎn) 聯(lián)接件109的編碼器201被連接到鉆井模塊外殼301。此外，來自推 進(jìn)模塊107的在井眼中的軸向推力經(jīng)機(jī)械連接359被施加到鉆井模塊 111。在這個(gè)實(shí)施例中，自來推進(jìn)模塊107的泥漿流363經(jīng)過流體聯(lián) 接351，到內(nèi)部鉆頭軸303的內(nèi)部，用于在井眼中的鉆井操作。 一組 密封件355防止泥漿流363進(jìn)入鉆井模塊外殼301，并在鉆頭旋轉(zhuǎn)的 同時(shí)，允許到鉆井模塊111的軸向運(yùn)動。從推進(jìn)模塊107的電連接 353被引導(dǎo)到連接到鉆井模塊外殼301的滑動環(huán)組件的靜止部件 365，其提供對鉆井模塊111的所有部件的電連接349。
連接到推進(jìn)模塊107的滑動環(huán)組合件的靜止部件357實(shí)現(xiàn)了旋 轉(zhuǎn)聯(lián)接件109的旋轉(zhuǎn)編碼器201與鉆井模塊111的控制模塊367之
15間的通信，并且此外，在一個(gè)備選實(shí)施例中，例如使用泥漿脈沖遙測系
統(tǒng)，控制模塊367實(shí)現(xiàn)了表面鉆井與處理單元105和鉆井模塊111
之間的通信。
圖5A和5B是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的推進(jìn)模塊107、旋轉(zhuǎn)聯(lián)接 件109和鉆井模塊111透視圖。在圖5A中，鉆井模塊111和推進(jìn) 模塊107相對于彼此在旋轉(zhuǎn)上是中立的(rotationally neutral),如十字線 501和503所示。如在下面更詳細(xì)地描述，鉆井模塊111上的凈扭矩 得到控制。通過消除鉆井模塊111上的凈扭矩，推進(jìn)模塊107和鉆井 模塊111在井眼中在旋轉(zhuǎn)上是靜止的，并且此外，將相對于推進(jìn)模塊 107的旋轉(zhuǎn)軸的位置(由十字線501指示)與相對于鉆井模塊111的旋 轉(zhuǎn)軸(由十字線503指示)的位置對準(zhǔn)。例如如圖2所示，該旋轉(zhuǎn)編碼 器201可被容納在旋轉(zhuǎn)聯(lián)接件109中，并提供指示推進(jìn)模塊107與 鉆井模塊111之間的角度關(guān)系的信號。因此，因?yàn)橥七M(jìn)模塊107和鉆 井模塊111如圖5A所示被對準(zhǔn)，所以旋轉(zhuǎn)編碼器201為鉆井模塊 提供推進(jìn)模塊107與鉆井模塊111之間的中間對準(zhǔn)(neutral alignment) 的信號。
在圖5B中，由于外部擾動，該鉆井模塊111己相對于推進(jìn)模塊 107沿它們的公共軸旋轉(zhuǎn)角度a。因此，在那種旋轉(zhuǎn)后，鉆井模塊 111與推進(jìn)模塊107之間沿它們公共軸的角度關(guān)系是角度a，由相對 于十字線503的新十字線503'指示。該旋轉(zhuǎn)a可能是由于外部鉆頭 113和內(nèi)部鉆頭115之間的扭矩失衡導(dǎo)致的。結(jié)果，通過發(fā)送代表推 進(jìn)模塊107與鉆井模塊111之間的角度a的信號，該旋轉(zhuǎn)編碼器201 通信到鉆井模塊111。響應(yīng)于指示已出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器201的信 號輸入，該鉆井模塊111調(diào)節(jié)外部鉆頭113和內(nèi)部鉆頭115之間的鉆 壓分布，即由鉆井模塊111的線性致動部件310表明的軸向推進(jìn)得到 調(diào)節(jié)；或者分別調(diào)節(jié)驅(qū)動外部鉆頭113和內(nèi)部鉆頭115的電機(jī)的相對 RPM，以內(nèi)部恢復(fù)對所有鉆井扭矩的平衡，并消除鉆井模塊111的旋 轉(zhuǎn)。
鉆頭上的扭矩不僅是鉆壓的函數(shù)，而且也是外部鉆頭113和內(nèi)部 鉆頭115的旋轉(zhuǎn)速度的函數(shù)。因此，通過改變或者外部鉆頭113或者內(nèi)部鉆頭115的旋轉(zhuǎn)速度，或改變兩者的旋轉(zhuǎn)速度，能夠控制凈扭 矩。
在一個(gè)備選實(shí)施例中，定向鉆井工具包括反旋轉(zhuǎn)鉆頭以控制反作 用鉆井扭矩，并期望增大或減小反作用鉆井扭矩，目的是控制鉆頭游 動，以改變井眼中的鉆井的期望方向。在那種實(shí)施例中，鉆井模塊111
的控制模塊367與表面鉆井與處理單元105通信，以接收關(guān)于鉆井機(jī)
器人在井眼中的方向的信息。使用例如加入檢測傾斜的加速度表和檢測 方向的磁力表的方向和傾斜組件，感應(yīng)鉆井操作期間的方向在本領(lǐng)域中
是周知的。
圖6A是表示為矢量的鉆力的示意說明。該控制模塊367的方向 處理部件組合和操縱這些矢量以控制鉆頭游動，從而實(shí)現(xiàn)期望的鉆井方 向。由內(nèi)部鉆頭115的旋轉(zhuǎn)引起的力由矢量601表示；由外部鉆頭 113的旋轉(zhuǎn)引起的力由矢量603表示；并且由鉆壓引起的力由矢量 605表示(總體來說，"鉆力")。在圖6A中，鉆力是平衡的；因此，井 眼的鉆井的方向是直向前的。為繼續(xù)直向前鉆進(jìn)，力矢量的平衡保持均 衡。如果期望直著向前鉆進(jìn)，并且未保持均衡，則通過操縱外部鉆頭 113和內(nèi)部鉆頭115的相對旋轉(zhuǎn)速度或內(nèi)部鉆頭115上的鉆壓調(diào)節(jié)力
圖6B是當(dāng)鉆力失衡時(shí)出現(xiàn)的力矢量的示意說明。由內(nèi)部鉆頭 115的旋轉(zhuǎn)引起的力由607表示；由外部鉆頭113的旋轉(zhuǎn)引起的力由 609表示；并且由鉆壓引起的力由611表示。合成矢量613 (來自矢 量609'和607'到矢量611的相加)表示其中考慮這種特定的力平 衡，應(yīng)期望的鉆頭游動的方向。
因此，在這個(gè)備選實(shí)施例中，通過操縱外部鉆頭113和內(nèi)部鉆頭 115的相對旋轉(zhuǎn)速度以及內(nèi)部鉆頭115上的鉆壓，實(shí)現(xiàn)期望的鉆井方 向。此外，沿從內(nèi)部鉆頭的相反方向的外部鉆頭旋轉(zhuǎn)加上其幅度能夠通 過控制鉆壓和一個(gè)或兩個(gè)鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)另外的游動趨勢矢量。在 一個(gè)備選實(shí)施例中，操作人員可以指示鉆井設(shè)備應(yīng)操縱到的位置615。 然后，該位置615被通信到鉆井模塊111。在鉆井模塊111中的軟件 確定所需矢量以到達(dá)該位置615。例如，如果如圖6A中直向前鉆井
17并期望改變方向到點(diǎn)615，矢量601可減小以對應(yīng)于矢量607，即因 為矢量601和607對應(yīng)于內(nèi)部鉆頭615的力，所以將內(nèi)部鉆頭615 的旋轉(zhuǎn)速度減小。
III.工作流程
單個(gè)鉆頭的特征能夠通過如在扭矩(T)、鉆壓(WOB)、切割深度 (dc)、鉆井速度(ROP)和旋轉(zhuǎn)速度(RPM)之間的等式(1)， (2)和(3) 所示的數(shù)學(xué)關(guān)系描述。
T = CT*dc + To (等式l) WOB = Cw * dc + WOBq (等式2) dc = ROP/RPM (等式3)
常數(shù)CT， Cw取決于巖石類型和諸如破裂強(qiáng)度的巖石屬性。TQ表示由 純摩擦引起的扭矩分量。WOB。表示鉆頭從簡單摩擦井眼中的巖石地 層到實(shí)際切割巖石所需的最小重量。通過從上面列出的等式(1)和(2) 消除的切割深度的相關(guān)性，扭矩表示為T = ( CT/Cw ) * (WOB - WOB0) + To。只同質(zhì)狀態(tài)中，CT， Cw， T。禾B WOBo不改變?？紤]其中WOB 保持恒定的鉆井設(shè)備。在這種環(huán)境中，即同質(zhì)地層和常數(shù)WOB，在單 個(gè)鉆頭處的扭矩獨(dú)立于旋轉(zhuǎn)速度。因此，扭矩?zé)o法通過改變旋轉(zhuǎn)速度控 制。在其中常數(shù)ROP能夠應(yīng)用于這種單一鉆頭系統(tǒng)的場合中，例如使 用推進(jìn)模塊107，導(dǎo)致單個(gè)鉆頭上的扭矩與旋轉(zhuǎn)速度成反比，T = CT * (ROP/RPM) + T0。
上述數(shù)學(xué)表達(dá)式能夠延伸到如下描述的同軸設(shè)置的內(nèi)部和外部鉆頭。
T, = CT1 * (ROP / RPM,) + T。, (等式4)
WOB, = CW1 * (ROP / RPM,) + WOBcn (等式5) T2 = CT2 * (ROP / RPM2) + T。2 (等式6)
WOB2 = CW2 * (ROP / RPM2) + WOBq2 (等式7) 推力總二WOB,+WOB2 (等式8)
同軸布置的鉆頭的每個(gè)鉆頭具有其巖石切割屬性常數(shù)，g卩，CT1， CT2， CW1， CW2， T01， T。2， WOB01和WOBQ2。鉆井模塊111的控制模塊367平衡扭矩T,和T2。該扭矩T,和T2被平衡，以便它們不 必采用恒定的值。然而，它們相同并且相反。該鉆井模塊111受到的 扭矩由TDM = T, - T2表示。因此，當(dāng)扭矩T,禾卩T2相同時(shí)，該鉆井 模塊lll在井眼中不旋轉(zhuǎn)。
圖7是鉆井模塊111的可能工作流程的示意說明，其中鉆井 扭矩，因而鉆井模塊111與推進(jìn)模塊107之間的相對旋轉(zhuǎn)得到控制。 該旋轉(zhuǎn)聯(lián)接單元109的旋轉(zhuǎn)編碼器201確定了鉆井模塊111相對于 推進(jìn)模塊107的角度旋轉(zhuǎn)(也稱作相對旋轉(zhuǎn))，并將指示角度關(guān)系的數(shù) 字信號發(fā)送到控制模塊367。在一個(gè)備選實(shí)施例中，表示相對旋轉(zhuǎn)的信 號也能夠來自任何其它對地靜止或準(zhǔn)對地靜止參考，即不一定來自旋轉(zhuǎn) 編碼器201。該鉆井模塊111的控制模塊367接收表示推進(jìn)模塊107 與鉆井模塊111之間的角度關(guān)系的來自旋轉(zhuǎn)編碼器201 (或備選源)的 信號，并使用該信息以確定鉆井模塊111是否己開始相對于推進(jìn)模塊 107旋轉(zhuǎn)。此外，控制模塊367接收有關(guān)內(nèi)部鉆頭電機(jī)和外部鉆頭電 機(jī)的當(dāng)前RPM的信息。
該推進(jìn)模塊107應(yīng)用軸向推進(jìn)，步驟107，即常數(shù)WOB或常數(shù) ROP到鉆井模塊111以在井眼中繼續(xù)鉆井過程。使用適合取得角度位 置的任何方法，例如使用旋轉(zhuǎn)編碼器201，取得該鉆井模塊111相對 于推進(jìn)模塊107沿它們的公共軸的相對旋轉(zhuǎn)。該鉆井模塊111的控制 模塊367估計(jì)從旋轉(zhuǎn)編碼器201接收的角度位置信息，以確定鉆井模 塊111是否已開始相對于推進(jìn)模塊107旋轉(zhuǎn)。為抵消旋轉(zhuǎn)，例如通過 導(dǎo)致內(nèi)部鉆頭115由線性致動器310軸向運(yùn)動或通過調(diào)節(jié)鉆頭的相對 RPM，調(diào)節(jié)內(nèi)部鉆頭的鉆壓703。
根據(jù)許多不同的策略的任一個(gè)，可進(jìn)行調(diào)節(jié)參數(shù)的選擇。在本發(fā) 明的一個(gè)實(shí)施例中，內(nèi)部鉆頭與外部鉆頭的ROP相對于彼此固定，即 ROP,等于ROP2。換言之，不涉及線性致動器310(除如以下描述的以 外)。在這個(gè)實(shí)施例中，分別地，通過操作驅(qū)動這些鉆頭的兩個(gè)電機(jī)的 相對RPM，調(diào)節(jié)內(nèi)部和外部鉆頭的相對扭矩。(因?yàn)榛蛘邇?nèi)部鉆頭115 或外部鉆頭113的RPM可保持恒定，并另一個(gè)可被調(diào)節(jié)，分別地， 圖7顯示通常作為第一和第二鉆頭711和713的這些鉆頭。類似地，第一電機(jī)707和第二電機(jī)709可對應(yīng)于驅(qū)動內(nèi)部鉆頭115或外 部鉆頭113的電機(jī)。)
反饋控制回路用于將一個(gè)電機(jī)例如第一電機(jī)707保持在近恒定 RPM。例如考慮第一電機(jī)707被指定以相對于第二電機(jī)709以恒定 RPM操作，第二電機(jī)709的RPM被調(diào)節(jié)以控制由兩個(gè)鉆頭711和 713施加的相對扭矩。然后，將第一電機(jī)707的RPM反饋到控制模 塊367。該控制模塊367調(diào)節(jié)應(yīng)用于第一電機(jī)707的電力以保持該電 機(jī)以近恒定的RPM操作?？刂频谝浑姍C(jī)707的速度的反饋控制回路 例如可以是PID (比例-積分-微分)控制器。
圖8是說明控制模塊367軟件的一個(gè)實(shí)施例的流程圖，其中 兩個(gè)電機(jī)707和709之一的RPM用于控制自兩個(gè)同軸鉆頭的相對 扭矩。該控制模塊367自旋轉(zhuǎn)編碼器201連續(xù)接收相對旋轉(zhuǎn)，步驟 851。如果相對旋轉(zhuǎn)指示扭矩平衡，即不存在旋轉(zhuǎn)，步驟853，控制簡 單地再次返回從旋轉(zhuǎn)編碼器讀新的相對旋轉(zhuǎn)，步驟851。該循環(huán)繼續(xù)， 直到扭矩不平衡，步驟853，此時(shí)調(diào)節(jié)相對RPM。如果相對旋轉(zhuǎn)指示 第二鉆頭709上的扭矩大于第一鉆頭711上的扭矩，步驟853，應(yīng)增 加第二鉆頭709的RPM，步驟855。如果第二鉆頭709上的RPM 增加，除了兩個(gè)鉆頭的ROP保持相同的條件外，第二鉆頭713的 ROP也將增加。然而，因?yàn)榈谝汇@頭711上的RPM保持近恒定， 增加ROP的第一鉆頭711的ROP增加了 WOB，以及第一鉆頭711 上的扭矩。另一方面，因?yàn)榈诙@頭713的RPM的增加未實(shí)現(xiàn)總 ROP的增加，其可能已由隔離的第二鉆頭實(shí)現(xiàn)，第二鉆頭713的 WOB減小，并且結(jié)果，同樣第二鉆頭713上的扭矩減小。相應(yīng)地， 當(dāng)?shù)诙@頭的扭矩大于第一鉆頭上的扭矩時(shí)，第二電機(jī)的RPM可增 加以減小第二鉆頭上的扭矩，同時(shí)增加第一鉆頭上的扭矩。
相反地，如果相對旋轉(zhuǎn)指示第二鉆頭709上的扭矩未大于第一鉆 頭711上的扭矩，步驟853，第二鉆頭709的RPM應(yīng)減小，步驟 857。
然而，自然地，如果RPM或者最大，步驟859，或者已為零， 步驟861，，必須采取一些其它校正動作。在那種情況中，進(jìn)入緊急模
20式863。由于特定的外部擾動，控制鉆井模塊的操作可能失敗。例如， 一個(gè)鉆頭可能遇到極硬的材料，例如花崗巖，同時(shí)另一鉆頭鉆進(jìn)軟的材
料，例如沙子。在這種情況中，更改RPM可能不足以控制由鉆頭施
加的相對扭矩。因此，響應(yīng)于這種狀況，由控制模塊啟動緊急模式。在
緊急模式中，線性致動器310被用于產(chǎn)生尺蠖(inchworm)類型運(yùn)動， 以恢復(fù)鉆井模塊的正常操作。內(nèi)部鉆頭115和外部鉆頭113的電機(jī)與 線性致動器310 —起間歇地接通和關(guān)閉，從而在井筒中前進(jìn)，導(dǎo)致鉆 壓交替地施加到內(nèi)部電機(jī)和外部電機(jī)。鉆頭和線性致動器的這種重復(fù)連 續(xù)運(yùn)動被稱作尺蠖類型運(yùn)動，并且還恢復(fù)鉆井模塊的正常模式。
圖9是說明圖8的緊急模式863的流程圖。當(dāng)外部擾動導(dǎo)致上 面描述的鉆井控制系統(tǒng)失敗時(shí)，可進(jìn)行緊急模式。在緊急模式中，線性 致動器310被用于使驅(qū)動機(jī)器人沿鉆井方向尺蠖向前。在緊急模式 863的一個(gè)實(shí)施例中，鉆井控制模塊367首先關(guān)閉第一電機(jī)707，步 驟901。這個(gè)步驟(步驟901)導(dǎo)致整個(gè)推進(jìn)負(fù)載停留在第一鉆頭711 上。第二電機(jī)709然后被接通，步驟903，并且使用線性致動器 310，第二鉆頭713前進(jìn)進(jìn)入地層，步驟905。在一個(gè)實(shí)施例中，在緊 急模式中第二鉆頭前進(jìn)的速度被設(shè)置為操作參數(shù)。使用PID控制回路 可以保持第二鉆頭旋轉(zhuǎn)的RPM。在緊急模式中，可由旋轉(zhuǎn)鉆頭施加的 最大扭矩，所述的旋轉(zhuǎn)鉆頭在這里是第二鉆頭713，為靜止鉆頭的保持 扭矩的函數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，旋轉(zhuǎn)鉆頭的扭矩可以小于保持 扭矩。否則靜止鉆頭開始滑動。從上述等式，從而
<formula>formula see original document page 21</formula> 其中"drill"是旋轉(zhuǎn)鉆井的下標(biāo)，例如在步驟903和905，它是 2。 RPMdrill被調(diào)節(jié)以便Tdrill < Thold。作為一種實(shí)際情況，如果探測 到靜止鉆頭上的滑動(通過控制鉆井模塊111的旋轉(zhuǎn)可指示滑動)，這 可以通過調(diào)節(jié)RPMdrill實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)線性致動器310己使第二鉆頭713前進(jìn)線性致動器310的全 范圍運(yùn)動(或接近全范圍運(yùn)動)，第二電機(jī)709關(guān)閉，步驟907。第一電 機(jī)然后被接通，并且例如使用PID控制回路，保持其旋轉(zhuǎn)，步驟909。 使用線性致動器310，第一鉆頭711現(xiàn)在前進(jìn)入地層，步驟911。在線性致動器310的行程結(jié)束(或接近結(jié)束)時(shí)，將第一電機(jī)711關(guān)閉，
步驟913。
對返回RPM模式的可能性周期地進(jìn)行檢測，步驟915，例如在 運(yùn)動第二電機(jī)的每個(gè)完整循環(huán)結(jié)束時(shí)，步驟905和907，并且將第一電 機(jī)運(yùn)動進(jìn)入地層，步驟911和913。在一個(gè)實(shí)施例中，通過相繼地增 加經(jīng)回路的每次重復(fù)的PRM，直到靜止鉆頭滑動，執(zhí)行確定是否可能 離開緊急模式的檢測。對于具有更小阻力的鉆頭，RPM能夠比對于具 有更高阻力的鉆頭高得多。因此，當(dāng)在不滑動靜止鉆頭的情況下可以保 持的各個(gè)RPM之間的差很大時(shí)，將需要緊急模式。然而，隨著兩個(gè) 可能的RPM彼此更接近，即該差小于設(shè)置的閾值，可以離開緊急模 式，并且可以重新進(jìn)入RPM調(diào)節(jié)模式。
在本發(fā)明的備選實(shí)施例中，鉆井模塊Ul被用于控制鉆頭操作的 操縱方向。圖10是說明一個(gè)備選實(shí)施例的可能流程圖，其中這里描 述的鉆井模塊111被用于操縱鉆井方向。作為第一步驟，鉆井模塊 111例如控制模塊367，接收鉆井方向參數(shù)，例如鉆井軌跡的期望的新 方向，步驟801。使用泥漿脈沖遙測術(shù)或在連接表面處理設(shè)備105和 鉆井機(jī)器人119的電纜121上，這些鉆井參數(shù)可以從能夠例如位于油 田服務(wù)車123內(nèi)部的表面設(shè)備105發(fā)送到鉆井模塊111。在本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施例中，鉆井模塊111被連接到傳統(tǒng)鉆桿，并接收自鉆桿的推 進(jìn)。通過引導(dǎo)鉆頭游動，對內(nèi)部和外部鉆頭的相對扭矩的調(diào)節(jié)被用于取 得特定的期望軌跡。
該鉆井模塊111讀取扭矩和鉆壓傳感器以確定內(nèi)部鉆頭115上 的扭矩、外部鉆頭113上的扭矩和內(nèi)部鉆頭115的鉆壓，步驟803。 在一個(gè)備選實(shí)施例中，泥漿流速和內(nèi)部鉆頭115與外部鉆頭113的鉆 壓被表面鉆井與處理單元105記錄。此外，利用表面泥漿泵的速度和 泥漿的轉(zhuǎn)移可以測量流速，并通信到表面鉆井與處理單元105。在這個(gè) 實(shí)施例中，鉆桿為外部鉆頭提供順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而提供來自軸的力矢 量，在鉆井中的大多數(shù)巖石地層中，與鉆壓一起將導(dǎo)致鉆頭游動的趨 勢。泥漿電機(jī)為內(nèi)部鉆頭提供逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并且內(nèi)部鉆頭的旋轉(zhuǎn)受到泥 漿電機(jī)的流速的控制。通過平衡內(nèi)部鉆頭上的鉆壓、外部鉆頭上的鉆壓，自內(nèi)部鉆頭與外部鉆頭的相對扭矩的不平衡(相對于彼此沿相反方 向旋轉(zhuǎn))提供了非中間力矢量。結(jié)合兩種鉆頭的設(shè)計(jì)，不同的鉆壓提供 了第三力矢量。在示例性實(shí)施例中，通過如圖6所示分析力矢量和合 成矢量，表面鉆井與處理單元105確定是否需要對方向參數(shù)的校正，
步驟805。接下來，確定期望的合成矢量，步驟807。如果期望的合成 矢量與從當(dāng)前鉆力的合成矢量之間匹配，步驟809，過程可返回到等待 新的方向參數(shù)的步驟，步驟801。否則，調(diào)節(jié)鉆井力，步驟811，并且 重復(fù)讀取力傳感器，計(jì)算目前的合成力矢量和與期望的合成矢量比較的 步驟。通過測量鉆井力和根據(jù)需要調(diào)節(jié)以匹配期望的結(jié)果力矢量，鉆井 與處理單元105控制鉆頭游動，從而使用鉆頭游動以在鉆井中沿期望 的軌跡操縱鉆井操作。該鉆井與處理單元跟蹤對方向參數(shù)的調(diào)節(jié)和對鉆 井機(jī)器人遵循的軌跡的效果。這種學(xué)習(xí)過程允許對方向參數(shù)的未來調(diào) 節(jié)，從而鉆井機(jī)器人保持預(yù)先確定的軌跡。學(xué)習(xí)過程也允許有關(guān)調(diào)節(jié)和 軌跡成功的數(shù)據(jù)用于相類似地層與鉆井條件中的未來鉆井操作。
IV.原理圖
圖11是鉆井模塊111的控制模塊367的示意說明。-一個(gè)或多 個(gè)傳感器901被連接到處理器903。該處理器根據(jù)在存儲器907中存 儲的軟件程序909的程序指令操作。該軟件程序909是圖7到圖10 中所示的流程圖和結(jié)合其它圖在上面描述的控制扭矩的方法的至少一部 分的實(shí)施。換言之，軟件程序909可包括組件913，以實(shí)現(xiàn)上面論述 的算法，從而處理鉆井模塊111和推進(jìn)模塊107的相對角度位置，并 使用該信息以控制扭矩，以使旋轉(zhuǎn)最小化，或理想地消除旋轉(zhuǎn)。備選 地，軟件程序909提供上面論述的算法的實(shí)施915，以處理方向參 數(shù)，從而控制鉆頭游動以實(shí)現(xiàn)期望的鉆井方向。該存儲器907也可包 含用于存儲數(shù)據(jù)的區(qū)域911，所述的數(shù)據(jù)例如控制控制模塊367的參 數(shù)，如具有常數(shù).RPM的電機(jī)的RPM的設(shè)置點(diǎn)，線性電機(jī)在緊急模 式期間的前進(jìn)速度，定向控制的期望方向。在本發(fā)明的一個(gè)備選實(shí)施例 中，控制模塊357位于表面設(shè)備中或甚至不在現(xiàn)場。鉆井模塊111的 控制模塊367也可包含通信邏輯部分905，用于與推進(jìn)模塊107、旋
23轉(zhuǎn)聯(lián)接單元109通信，并執(zhí)行從表面鉆井與處理單元105的數(shù)據(jù)的發(fā) 送與接收。
從前述內(nèi)容，將認(rèn)識到本發(fā)明提供的消除鉆頭凈扭矩的設(shè)備表 示在本技術(shù)領(lǐng)域中明顯的進(jìn)步。在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的鉆井設(shè) 備期望平衡由鉆進(jìn)井眼引起的鉆井扭矩，從而增加自主鉆井機(jī)器人的穩(wěn) 定性和效率。在另一個(gè)實(shí)施例中，對影響同心鉆頭的鉆井力的鉆井參數(shù) 的改變被應(yīng)用于控制鉆頭游動，目的在于沿鉆井中的期望方向操縱鉆井 操作。
雖然已描述和顯示了本發(fā)明的特定實(shí)施例，本發(fā)明并不局限于如 此描述和說明的部件的特定形式或布置。
權(quán)利要求
1.一種鉆井設(shè)備，所述的鉆井設(shè)備用于控制鉆井操作期間的鉆頭扭矩，并且包括提供軸向推進(jìn)力的推進(jìn)模塊；連接到推進(jìn)模塊和鉆井模塊的旋轉(zhuǎn)聯(lián)接件；其中旋轉(zhuǎn)聯(lián)接件包括旋轉(zhuǎn)編碼器，所述的旋轉(zhuǎn)編碼器是可操作地確定推進(jìn)模塊與鉆井模塊之間的相對旋轉(zhuǎn)角度；鉆井模塊，其被連接到旋轉(zhuǎn)聯(lián)接件，以從推進(jìn)模塊接收推進(jìn)，并接收表示推進(jìn)模塊與鉆井模塊之間的相對旋轉(zhuǎn)角度的來自旋轉(zhuǎn)編碼器的信號，其中鉆井模塊包括分成外部鉆頭和內(nèi)部鉆頭的鉆頭；內(nèi)部和外部鉆頭被連接到動力單元，所述的動力單元是可操作地沿相反方向同時(shí)驅(qū)動內(nèi)部和外部鉆頭；和驅(qū)動模塊；和控制模塊，其被連接到動力單元并可操作地控制內(nèi)部與外部鉆頭的相對旋轉(zhuǎn)速度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括線性致動器，其響應(yīng)從旋轉(zhuǎn)編碼器接收的信號，可操作地提供內(nèi) 部鉆頭相對于外部鉆頭的軸向運(yùn)動。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中內(nèi)部鉆頭相對于外部鉆頭 的軸向運(yùn)動產(chǎn)生內(nèi)部鉆頭與外部鉆頭之間的鉆壓分布的變化，以調(diào)節(jié)鉆 頭凈扭矩。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中鉆井模塊相對于推進(jìn)模塊 的角度旋轉(zhuǎn)位置被用于調(diào)節(jié)內(nèi)部鉆頭與外部鉆頭之間的鉆壓分布。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中鉆井模塊相對于推進(jìn)模塊 的角度旋轉(zhuǎn)位置被用于調(diào)節(jié)內(nèi)部鉆頭和/或外部鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中控制模塊包括用于以下的 裝置與表面鉆井與處理設(shè)備通信；處理鉆井模塊相對于推進(jìn)模塊的角度旋轉(zhuǎn)，以調(diào)節(jié)與鉆頭相關(guān)聯(lián) 的扭矩。
7. —種為了操縱鉆井操作的目的而用于控制鉆井期間的鉆頭游動 的鉆井設(shè)備，包括分成外部鉆頭和內(nèi)部鉆頭的圓柱鉆頭，內(nèi)部鉆頭位于外部鉆頭內(nèi)部，動力單元，可操作以獨(dú)立控制內(nèi)部和外部鉆頭；監(jiān)視泥漿流速和外部鉆頭與內(nèi)部鉆頭的鉆壓；和控制模塊，其連接到動力單元并可操作以從表面鉆井與處理設(shè)備接收從分量矢量計(jì)算的合成矢量；將合成矢量與對應(yīng)于期望鉆井方向的期望矢量比較，確定對于修改合成矢量以取得期望的矢量所需的至少一個(gè)分量矢量的至少一次調(diào)節(jié)，和調(diào)節(jié)對應(yīng)于這樣的力的鉆井參數(shù)，所述力對應(yīng)于經(jīng)調(diào)節(jié)的至少一個(gè)分量矢量。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中控制模塊將外部鉆頭與內(nèi) 部鉆頭的方向參數(shù)傳送到表面鉆井與處理設(shè)備。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中控制模塊接收對來自表面 鉆井與處理設(shè)備的鉆井參數(shù)的校正。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中控制模塊處理從表面鉆 井與處理設(shè)備接收的鉆井參數(shù)的校正包括用于以下的裝置用于調(diào)節(jié)與內(nèi)部鉆頭與外部鉆頭的旋轉(zhuǎn)相關(guān)的力；和 響應(yīng)來控制鉆頭游動。
11. 一種操作鉆井設(shè)備的方法，所述鉆井設(shè)備具有推進(jìn)模塊和帶有 多個(gè)鉆頭的鉆井模塊，包括以第一旋轉(zhuǎn)速度沿第一方向旋轉(zhuǎn)第一鉆頭； 以第二旋轉(zhuǎn)速度沿與第一方向相反的第二方向旋轉(zhuǎn)第二鉆頭； 從推進(jìn)模塊對鉆井模塊提供推進(jìn)； 確定推進(jìn)模塊和鉆井模塊之間的相對旋轉(zhuǎn)；和 響應(yīng)探測鉆井模塊與推進(jìn)模塊之間的相對旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)第一旋轉(zhuǎn)速度與第二旋轉(zhuǎn)速度的至少一個(gè)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的操作鉆井設(shè)備的方法，其中確定相 對旋轉(zhuǎn)包括從旋轉(zhuǎn)編碼器取得相對旋轉(zhuǎn)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的操作鉆井裝置的方法，其中 如果相對旋轉(zhuǎn)指示第二鉆頭上的扭矩大于第一鉆頭上的扭矩，則減小第二鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的操作鉆井設(shè)備的方法，其中 如果相對旋轉(zhuǎn)指示在第二鉆頭上的扭矩小于第一鉆頭上的扭矩，則增大第二鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的操作鉆井設(shè)備的方法，其中 如果第二鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度小于最小值，則進(jìn)入緊急模式，其中一個(gè)鉆頭保持靜止，并且另一個(gè)鉆頭相對于靜止鉆頭旋轉(zhuǎn)和軸向運(yùn)動。
16. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的操作鉆井裝置的方法，其中第一和 第二鉆頭交替保持靜止，同時(shí)另一個(gè)鉆頭軸向運(yùn)動。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的操作鉆井裝置的方法，其中 如果第二鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度小于最小值，則進(jìn)入緊急模式，其中一個(gè)鉆頭保持靜止，并且另一個(gè)鉆頭相對于靜止鉆頭旋轉(zhuǎn)和軸向運(yùn)動。
18. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的操作鉆井裝置的方法，包括 確定第一和第二鉆頭上的相對扭矩；確定鉆井模塊的軌跡； 確定期望軌跡與確定軌跡之間的差；從確定軌跡與相對扭矩，確定對于取得期望軌跡所需的相對扭矩；調(diào)節(jié)第一或第二鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度以取得對于實(shí)現(xiàn)期望軌跡所需的 相對扭矩。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的操作鉆井裝置的方法，還包括 確定在第一和第二鉆頭上由扭矩產(chǎn)生的力矢量； 從力矢量確定實(shí)際的合成矢量； 確定期望的合成矢量；將期望的合成矢量與實(shí)際合成矢量比較；如果期望的合成矢量不匹配實(shí)際的合成矢量，調(diào)節(jié)鉆井力以取得 期望的合成矢量。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的操作鉆井裝置的方法，其中調(diào)節(jié)鉆 井力包括從下面選擇的操作調(diào)節(jié)第一鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度；調(diào)節(jié)第二鉆頭 的旋轉(zhuǎn)速度；調(diào)節(jié)第一和第二鉆頭之間的軸向關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于消除鉆頭凈扭矩和控制鉆頭游動的設(shè)備。鉆井設(shè)備控制或消除來自鉆頭的反作用扭矩，從而防止由于鉆井設(shè)備的不期望旋轉(zhuǎn)，穿透的損失；或通過期望地控制反作用扭矩，控制鉆井方向，從而導(dǎo)致期望的鉆頭游動。該鉆井設(shè)備具有同心地分開的鉆頭，其中內(nèi)部鉆頭沿與外部鉆頭相反的方向同時(shí)旋轉(zhuǎn)。該內(nèi)部鉆頭能夠從外部鉆頭軸向向前運(yùn)動或向后沖著外部鉆頭運(yùn)動。由內(nèi)部和外部鉆頭產(chǎn)生的力被控制以消除或調(diào)節(jié)反作用扭矩。
文檔編號E21B4/00GK101525979SQ20081008344
公開日2009年9月9日 申請日期2008年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月5日
發(fā)明者約阿西姆·西勒爾 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司