专利名称：钻井的方向控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用以控制井孔钻进轨迹的装置。在一个方面，它可以特别有利于诸如煤层和某些其他沉积岩层的松软地层之中，这些地层都容易利用流体喷射予以冲蚀。因此，本系统在煤层或其他当在地层之内钻至很大深度时最为经济地生产石油产物的油层中气体排泄方面具有特殊的好处。在此方面，本发明并不局限于纯粹流体喷射钻井，而是也可应用于采用机械破碎的钻头辅助的流体喷射钻井。本发明的另一方面提供了一种新型轨迹控制方式，可以借助于不同于流体喷射的手段，诸如使用一种井下流体马达，而应用于钻井。本发明的另一用途在于，为装设排污管、管道或电缆而钻孔。
背景技术：
可控定向钻井源自早期的以下实践，即或是在一井孔之中利用一种造斜(楔)装置以迫使一孔眼偏离某一已知轨迹，或者利用一种喷射钻头。这二者均在1991年Adam T.Bourgoyne,Jr.,FeithF.Millheim,Martin E.Chenevert & F.S.Young,Jr.，等人所著的石油工程师教材系列。第二册，“应用钻井工程”的第8章之中(ApplieDrilling Engineering,Society Petroleum Engineers TexbookSeries,Vol.2,Chapfer 8,Adam T.Bourgoyne,Jr.,Keith K.Miltheim,Martin E.Chenevert & F.S.Young,Jr.,1991)之中有所详述。喷射系统一般涉及使用带有一单独的扶正器和一大型喷射钻头的一种双锥牙轮钻头。在需要某种方向调节时，中断钻井并在需要偏斜的方向上保持巨大射流，以致射流优先在该方向上从事冲蚀。在已经实现所需的方向变更之后可以恢复旋转钻进。
较近时期以来，大多数定向钻井是利用井下泥浆马达。涡轮和正排量马达一直也使用，而后者应用更为普遍。井人马达的运作要依靠转换从受迫而顺钻柱向下并穿过马达的钻井液中提取的能量。这种能量转换成为旋转运动，用以使一钻头转动而切割钻具前方的岩层。方向变更是利用一咱井底钻具组合来实现的，此组合包括一或是在马达之后或是在马达之前的，以致钻头不是一直向前钻进，而是朝前偏向一侧。这种并底钻具组合可以由一系列协助组合造斜能力的扶正器支承在井孔之内。
如此所述的井底钻具组合趋向于造斜而不是向前钻进。这样的趋向，在某些钻井系统中，可以通过转动整个钻柱和井底钻具组合以致系统大体上向前钻进而予以中止。更为普遍的作法是通过转动钻柱而对井孔轨迹和因而钻具面角采取不断的方向变更。另外，如同在钻柱不能被转动的螺旋盘管钻井之中那样，钻具面由关联于流体压力脉冲的各个递增动作予以调节，这些动作以变动的钻具面角重新定位钻具。通过复更井底钻具组合依之趋向造斜的方向，可以实现轨迹的多次变更。井孔很少对准于其期待的方向，但遵循接近所规划方向的一条蜿蜒路径。这一钻井系统的后果之一是，由于井孔方向的多次变更，钻柱要承受高得多的摩擦和应力等级。这在1995年3月Ian Gray所著、黑尔本澳大利亚矿业研究协会出版的“深孔钻井设备的优化”(Optimisation of Long Hole Dilling Equipment AustralianMineral Industries Research Association,Ian Gray,March1994)一书中有较为详细的说明。摩擦和应力的影响是，井孔深度受限。
用于变更钻井装置当前钻进方向的依据包括在钻头附近测得与对所钻合部距离的认识相结合的测量信息、以及对地层的认识。测量信息通常提供关于相切于位于井孔内钻杆之中之测量工具的方向的信息。这种信息可以与井孔的直线尺寸集合起来以获得井孔的各个坐标。地层位置或是由先期钻和地球物理方法，或是大地校正设备，予以检测。后者可以包括各种地球物理和钻井传感器以检测被钻的或位于钻柱某一距离处的物质的特性。被钻的物质的特性最为可能利用一种钻柱内的转矩和推力传感器、短聚焦伽玛-伽玛探测器或比电阻探测器。另外，各种地层类型可以用长间距比电阻仪器在一较大距离处予以检测。根据有关地层的信息，钻井方向得以调节以使其保持接近一条优先路径。
这种调节的逻辑过程是，使钻井以一种估计的方向变更速率依照某一初始方向着手进行。在一段钻进之后，测量和/或大地校正信息从井下各传感器获得并随后向上传送到井孔接箍或井口装置。这种传送采用的办法，可以是，用钢丝绳撤出包含信息的测量仪器、沿一条电缆向上传送，或者使用由螺线管或其他阀件-它们的运作可以部分地限制通过大地校正仪器的一泥浆脉冲器部分的钻井液流-在钻井液中生成的压力脉冲。一名操作工随后解释这种信息并相应地调节井孔轨迹。通常，这一点可能通过变更钻具面角并接着继续钻进而予以实现。这一过程是交互作用的，系统在关键方面依赖于从井下钻具到操作工的信息流。它正非常依赖于操作工解释信息和相应地精确调节钻具面角的能力。当存在着组长钻柱在井底钻具组合与地面钻机之间扭曲几转的可能性时，这并不是一项简单的作业。
一种空间钻井中可供代换正排量马达和涡轮的方案是利用流体喷射来冲蚀一潜在的路径。用于使用这种设备的一种非常切实的系统上面已予说明。在使用流体喷射从事一切切割或利用它们来协助经过改进的通常的旋转钻头的另外一些钻井策划方面也存在着相当大的兴趣。这项工作在1997年Peter A.Wood所著、伦敦IEA煤炭研究中心出版的、题为“水流/射流辅助切割和钻凿”(Water Tet/TetAssisted Cutting and Drilling,IEA Coal Research。London,PeterA.Wood,1987)一书中作了很好的综述。采用这种技术可以看出，流体喷射可以通过冲击和在裂缝中的高压流体作用而用以有效地切割煤炭和某些岩层。
1990年一月由Paul Kennerly在部分完成昆士兰大学矿冶工程系工程科学硕士学位时所提交的论文，题为“煤层高压水流钻凿系统的研制”(DeveLopment of a High Pressure Waterjet DrillingSystem for Coalseams)的出版物说明了由对于发出的射流的反作用力驱动的、产生流体喷射的旋转机头的应用。用于这种作业之中的压力曾经具有500-700巴的量级。除了面向前的切割器之外，还有面向后的、称作逆喷嘴的喷嘴。这些面向后的喷嘴原先被用来供应补充流井液给井孔。不过，它们所提供的反作用推力适合于把EW钻杆钻柱(13/8”外径和7/8”内径钢管)引进井孔，而接着钢质钻杆柱被丢弃不用而使用一种挠性组合来完成钻井。此组合包括一旋转喷管、逆喷射射流装置、几十米钢管、后随一液压软管，引入井孔作为部分钻柱。
1994年7月由Paul Keumerly在部分完成昆士兰大学矿冶工程系哲学博士学院时所提交的一篇论文，题为“煤层水流深孔钻凿的研究”的出版物说明了流体喷射钻井系统的进一步发展。在其中报告的最后形式中，钻井是使用一种由对于倾斜的面向前的射流的反作用力使之转动的一旋转喷管来实现的。在这些射流之后和在同一旋转喷管上有一些面向侧面的扩眼射流。这一喷管装放在一护罩之内用于其防护。在护罩和喷管后面，或是依次装设一弯曲钻井短节和逆喷射装置，或是以逆喷射装置在弯曲短节之前。
通过变更弯曲钻井短节的钻具面角以致钻进可能发生在短节所指的方向上而达到了如同井下马达钻井中那样的方向控制。
与纯粹流体喷射钻井相关的问题之一是切割坚硬和松软物质所具有的相对难易程度。Kennerly的论文报导说，在一煤层中与一岩石带的锐角相交招致孔眼变窄，直至钻井设备卡住在孔眼之中为止。
通过引用一种带有扩眼或切割能力的钻头以致可以切割坚硬材料和以致钻孔由于软和硬边界而被偏移的趋势得以减小，克服这一问题的可能性是存在的。
这种钻头辅助流体喷射切割在Wood的书中(第32页和第40页)作了综述。1985年D.A.Clark和T.Sharkey所作、澳大利亚堪培拉资源和能源局第598号拨款目的报告国家能源研究、发展和示范规划中的文章“小直径岩石螺栓孔眼的水流辅助钻凿”Water-JetAssisted Drilling of Small Diameter Rock Bolt Holes说明了流体喷射辅助在减少钻头磨损方面的有效性。
最近，一些出版物，如1996年4月23日John Hanes在布里斯班CMTE矿层钻井研究者会议(In-seam Drilling Researchers’Meeting)上的文章和1996年5月23-24日Paul Dawn在澳大利亚布里斯班采矿设备与技术中心所作的“关于水流辅助旋转钻井的报告”(Presentation on Water Jet Assisted Rotary Drilling)涉及流体喷射辅助钻凿在煤层中的应用。这方面说明了在流体喷射助力为40MPa和20MPa的情况下在一煤层中用于旋转钻井之中的一种80mm钻头的使用。这种流体喷射在较高流体压力下显得降低钻井推力到一种可忽略不计的程度。达到的总距离是250m。
流体喷射钻井的另一种应用在以下出版物中有所说明，即1990年6月10-13加拿大卡尔加里CIM石油学会国际技术会议论文No.CIM/SPE 90-127,Wade Dickinson等人的“采用水平水流钻井系统钻井时的信息采集和控制”(Data Acquisiton,and Control whileDrilling With Horizontal Water-Jet Drilling Systems)，以及1989 Wade Dickinson等人所著、1989年9月SPE钻井工程SPE论文No 14804-“超短半径辐射系统”(Ultra short Rakius RadialSystem)。在这些文章中，涉及了流体喷射用于钻凿定向控制井孔。超短半径系统采取了使用侧向推进流体喷射来变更用以钻孔的主流体喷射的方向。较大的系统采取了使用一种4、5英寸直径钻井系统，此钻井系统采取一套模件，座放在钻柱的内端里面。此模件装在一条钢丝绳上，并包含几只设计得在各优先路径中从事冲蚀的倾斜喷管。在这两种系统中，方向控制喷射由一条起自地面的钢丝绳通过使用各螺线圈阀门予以操纵。两种系统都涉及690巴的液体压力。
不从地面从事控制，在钻井中历来也可以达到方向控制。国际技术刊物“德国技术”中“自动定向钻井系统ZBE 3000”(AutomaticDerictioral Drilling System)一文说明，生产了一种系统DMT(Dectsche Montan Technologie)，可以利用旋转钻井以推进井底。在钻头后面装设一种电子组件，可检测是否井孔脱出铅直线向。这样可控制压紧在井孔环形空隙上的各活塞，迫使钻柱返回直线状态。
一种原则上类似于DMT装置但使用一井下泥浆马达的装置是一种铅直钻井导引系统，说明于1996年3月P.E.Foster和A.Aitken所作的SPE论文No.28724,SPE Drilling & Completions，“直眼钻井新技术的海上应用”(Offshore Application of a NovalFechnology for Driling Vertical Boreholes)。
在井孔中作出控制决断的、定向钻井的另一种应用概略地说明于Andrew Tugwell发表在1994年10月18-19日阿伯丁第一届欧洲螺旋盘管圆桌会议上“定向钻井和螺旋盘管钻井的自动导引系统”(Automatic Guidance System for Coiled Tubing Drilling)。这种由剑桥辐射技术中心研制的系统利用某种方向传感器/大地校正传感器技术来判明对规划的油井路径的偏离。方向的校正是通过使用一液压伺服系统来转动马达上方的一接头而作出的。此文的稍有模糊之处在于，它也涉及在地面进行控制的情况下的一种伸向地面的多电缆系统。
在泥浆压力超过地层压力的场合和特别是在钻柱不转动或不振动的情况下，压差卡钻是影响一切钻进的一项因素。
发明概述按照本发明，在一方面，本发明涉及一般适用于钻井的井下感测、计算和控制技术。
在另一方面，本发明涉及使用一种控制技术以利用井下泥浆马达在方向上控制钻井。
在又一方面，本发明涉及使用流体喷射钻井设备(此处本术语用以包含流体喷射钻井设备以及流体喷射辅助旋转钻井设备)，此设备配置一种装置，借助于此装置通过流体射流切换在钻井过程中可以在方向上予以控制。这种射流切换由一井下感测、计算和控制设备予以控制。此感测、计算和控制设备最好包括一系列包含在一井底组件中的模件。
第一个这种模件是一大地校正传感系统，可检测井孔的方位和倾斜。实现这一点靠的是磁通脉冲磁力仪、加速度计、舵螺仪或者其他一些一般用于井孔勘测的装置。若于井孔的测定深度(长度，或另外缩写为MD)积成这种信息可使井孔位置通过积成而予以确定。这种信息可以直接对比于设计轨迹，而校正量可以计算出来以使真实轨迹符合于所需的设计轨迹。另外，其他一些地球物理检测指示器可以装进大地校正传感器，而这些仪器的真实输出可以对比于各种期望的输出。对于轨迹的校正可以基于综合的地球物理和几何信息。这样一种模件指望包含这种传感器，类似于一些数字转换器和一部微处理器。
通过设置用于从事在井下系统之内的钻井轨迹校正的大多数或所有的逻辑线路，可以避免过度的井上和井下连系。
为这种逻辑运算所需的补充信息，诸如关于井孔测定深度(MD)的信息，可以很容易地比可通过泥浆脉冲测距术从地面传递至大地校正仪器。从地面所作的泥浆脉冲测距也可以用以沿井孔向下传送其他的诸如“下查”(search down)或“上查”(search up)信息以查明具有各种特定地球物理反应的某一地层。井下钻具组合也可以利用泥浆脉冲测距来沿着井孔向上传送诸如从各个地球物理传感器获得的信息。沿着钻柱的连系手段并不限于泥浆脉冲测距技术，而可以包括电子电缆、纤维光学接合或电磁波。
第二模件的用途是接收关于所需井孔轨迹各项校正的信息并实施这些校正。
在一种井下泥浆马达的情况下，所需的方向改变可以通过沿着井孔向下自动改变钻具面角而予以实施。这一点最好可以利用置放在井底组件中的一离合器组件予以实现，此组件可完全或部分地解脱井下马达与主钻杆柱的连接，以使井底组件的钻具面角由于通过钻头作用的马达反作用转矩而发生改变。钻具面角改变的时间周期和频率通过井下逻辑和切换线路予以控制。作为选择，层管不大适合，这一点可以通过调整稳定器衬垫的高度以使井底组件偏移而予以实现。
在流体喷射钻井的情况下，方向控制可以通过或是改变流体喷射冲蚀的有效方向，或是通过可选择地向后或侧向操作定向推进射流而由整个井下组件，来予以实现。后者在概念上类似于通过点燃围绕主喷嘴设置的各个专用火箭喷嘴来改变一枚火箭的轨迹。
在非转动的井下组件的情况下，射流可以比较缓慢地予以改变，而诸如电磁阀这样的一种装置可以用以切换射流。井下取向和钻具面角可以得自一种装放在大地校正模件之中的通常的勘查系统。在需要较快切换的场合，诸如在旋转钻井情况下，必需在钻井旋转期间研究射流的角度位置并切换一股通过它们的液流，快到足以在需要予以优先冲蚀的井孔部位处导引流体以改变井孔轨迹。
为实现这一点，井下组件在旋转期间的取向(钻具面角)需要在钻杆转动的所有阶段期间迅速地予以确定。在一种最佳方式中，取向是以电子方式由一种诸如测定置放在井下组件之内并垂直对准于它的一线圈的输出的技术来予以确定。当此线圈切割地球磁场时所产生的正弦脉冲将确定钻具面角，从而确定钻具端面的取向，并且还提供关于转动速度的信息。
采用这种射流取向信息，有可能把流体切换到喷嘴并在井孔的适当表面处引导切换过的液流，以便冲蚀一条在方向上得到控制的通路。由于旋转钻井一般是以150至800RPM下进行的，而且切换速度需要两倍于比速度以冲蚀只是井孔的一侧，这将对应于至少5至27Hz的切换速度。为了在高达70MPa压力下以高达每个射流0.0025cu.m/sec的流率切换射流，需要相当大的能量。这一能量会难以取得，并且还会肯定地耗用大量电力，该电力比如果使用通常的电磁阀时在井下可以方便地得到的电力要多得多。为此原因，射流切换优先采用的是一种电一射流切换系统。如果压差过高而不能由射流单独予以切换，这还可控制一种机械切换。在此情况下的最佳控制线路是一种双稳电磁控制的流体切换，可围绕一串附壁紊流射流放大器变换液流方向，这些放大器本身又启动一径向均衡式滑阀以控制高压流动。本技术领域中的熟练人员应当理解，电一射流控制系统的几种组合可以用来达到同样的目的。
附图的简要描述其他各种特点和优点从示于附图中的、本发明的最佳和其他实施例的以下和更为具体的说明中将变得明显可见，附图中同样的参照字符通常指的是遍及各视图的同样部件、另件或功能。
图1是应用于流体喷射辅助旋转钻井的本发明的原理简图。
图2表示应用于刚性钻杆推进到井孔中去的纯粹流体喷射钻井的本发明的原理。
图3表示应用于钻柱是一挠性软管或者一挠性接头存在于钻柱与井下组件之间的纯粹流体喷射钻井的原理。在此情况下，此模件被指引和冲蚀一条通道的方向由推进喷射予以控制。
图4表示一种可以用以切换射流的电一射流控制线路的核心。
图5表示一种适合于射流控制的滑阈，比起单独的射流系统可以切换特高的压差。
图6表示一对方向控制流体喷射喷嘴，可以或是直接连接于示于图4的射流控制线路，或是另外连接于示于图5的滑阈。
图7是可以用在控制模件之中的电子硬件和软件的一方框图。
图8表明装放在一旋转式井底组件之内的电磁线圈，以及它由地球磁场激励时该线圈随着转动的输出。
图9描述应用于一离合式泥浆马达的本发明的原理，其中钻具面角由反作用转矩予以控制。
图10详细表明用于控制一泥浆马达的一离合器的操作。
发明的详细描述图1表明应用于流体喷射辅助旋转钻井时本发明的原理和概念。在此情况下，钻杆/连接于一钻头6以构成一配备各个方向控制流体射流7的井底组件以钻出一口井孔8。其他各冲洗射流(未画出)也可以结合钻头6予以使用。图示钻头6是一典型的碳化钨刮刀钻头，可以另外是一多晶钻石切割钻头、一牙轮钻头或者包括一流动驱动式锤钻在内的基池旋转切割钻头。各个方向控制流体射流7脉冲式地发出，以便在希望作出方向沿线校正的一侧上冲蚀井孔。这些流体脉冲因而予以是对以吻合于钻头6的转动。脉冲动作由一切换模件3予以控制，此模件可以优先采取示于图4的电一射流线路的形式，带有或不带有示于图5的控制阀。切换模件3具有入口4和5以便接收来自钻柱1之内的加压钻井液并把流体切换到方向控制流体射流7。这种切换动作可以是在每一射流7之间，或者是喷嘴之一与其他各个非定向射流(未画出)用于控制方向控制流体射流7的定时的各个信号生成在一大地校正模件2。
图2表明通过一装接于一通常钻柱或螺旋盘管1，前部的井底组件应用于纯粹流体喷射钻井的系统之一项实施例。在此，主要的钻井是由一旋转喷管嘴10实现的。方向控制是由一些被切换得最佳地为井孔8’冲蚀一条所需通道的定向喷嘴9提供的。这种操作的控制来自大地校正模件2’，它控制切换模件3’，而此模件本身又控制多股射流。切换模件3’最好是采取许多示于图4的电一射流控制的形式，带有或不带有示于图5的机械阀和示于图6的各射流喷嘴。
图3描述一种系统的实施例，其中井底组件13固定于一挠性软管或钻柱的端部，或者由一挠性联接器14’连接于一通常的钻柱。此时，主要的切割是由切割地层以形成井孔8″的旋转喷嘴10’实现的。此系统切割所循的方向由倾斜整个钻井模件13和接通和开断面向后的射流11和12来予以控制。这些射流一般在两个平面内运作以调节钻具被指引的方向。这些射流也可以安置在沿着井底组件的其他位置13上以改变其方向。对于这种运作的控制来自大地校正模件2”，它控制切换模件3”，此模件本身又控制射流。切换模件3”优先地采取两套示于图4的电一射流控制装置的形式，带有或不带有示于图5的机械阀和示于图6的各射流喷嘴。
图4表示电一射流切换系统的最佳实施例。这一流体切换系统由一种以电磁方式控制的双稳流动转向器15、16和17构成。通过使一电磁铁15产生脉冲，磁敏赛片17被吸向电磁铁15，因而塞住下部流体控制通路并导致在图纸左边进入的控制液流转向而进入上部控制流体通路。使另一电磁铁16产生脉冲可导致赛片17被吸向上而液流被切换到下部控制流体通路。这一控制信号可以借助于在此所示的一连串射流放大器21，比如但不局限于壁装紊流放大器，予以放大。每一阶段都具有相应的入口19和20以夹带更多的钻井液流。这样一种放大系统可以导致经过切换的输出功率增大几个大小量级。输出可以直接切换到如图6所示的各喷管，或者通过如图5所示的一种阀件，以及随后出去到如图6所示的喷嘴。
图5表明一机械阀件，可以用以变换射流线路的能量以转换一种高压后质为流体射流。此机械阀件组件由输入通路22和23构成，从中经过切换的流体可以顶靠作为部分阀体的圆筒形腔室27之中的滑柱28。控制出口24和25允许控制流体被送回而进入钻井模件13或钻柱1的一低压段。流体随后从钻柱1或钻井模件13里面取出而送入一导管26并重新引入输出通路29或30。经过输出通路29或30的液流然后可以流过示于图6的输出喷嘴31或32，以便或是优先冲蚀钻头前面的地层物质，或是为钻井模件13取向。在示于图5的阀件状态下，通过通路22流入而通过控制出口25流出。滑柱在图中是抬起的，关断通向出口30的液流而允许从钻柱/或钻井模件13里面的导管26取得液流并随后送至出口29。滑柱28不需要完全封闭从输入通路23到控制出口24的流体连通。在相反的模态中，滑柱48不需要完全封闭从孔口22到25的流体连通。为清晰起见，滑阀画得以各入口和各出口居于不同两侧。事实上，滑阀可以以一完全轴对称的方式予以设计，以在滑柱28与圆筒形腔室27之间在存在任何侧向作用力。这一特点能使滑柱28自由移动比起不是这种情况来并更为迅速。
图6表明两个喷嘴31和32，或是从示于图4的切换线路或是经由示于图5的滑阀来传送流体。从一个喷嘴切换流体到另一个，将或是导致在一最佳方向上冲蚀井孔8，或是倾斜钻井模件13，以致它在一最佳方向上钻进。
图7表明大地校正模件2的方框图。此模件2内装方向测定装置，一般可由一三轴磁通脉冲磁力仪33、三轴加速度计或测斜仪34和各种可以包括伽玛和密度测量装置的地球物理检测器35组成。在模件2中还包括一传感器36以在钻柱旋转时感测钻具面角并记录井孔的总的测定深度。在非转动系统中，钻具面角可以容易地确定自磁力仪和加速度计，而在转动情况下，一种最佳方式的钻具面角测量方法是依靠测定安放在其中并垂直对准井下组件的一线圈的输出。当线圈切割地球磁场时产生的正弦形脉冲包含可确定钻具面角的信息。用于提供从地面到大地校正模件2的井孔测定深度的最佳手段是依靠在某些MD值处造成钻井液压力的某一短暂降落(或升高)。这一点可以使用一种构成大地校正系统一部分的压力变换器37予以检测。大地校正模件2也可以包括一转矩、推力或弯矩传感器38，能够使岩层类型确定出来并另外将允许检测是否钻井发生在软硬岩层的某一交界处。在后一情况下，钻杆将趋于从坚硬岩层处偏移开去，因而显示其存在。这些模拟输入将承受适当的信号调节并由直接类比于一(各)数字转换器40或径由一由微处理器41控制的一多路调制器39予以处理。微处理器41由储存在存储器42之中的软件予以控制。存储器42储存用于确定所需井孔路径的各种软件程序和数据43a、根据地球物理传感器输入和接数到的关于已钻深度的信息以确定其实井孔路径的各种软件程序43b、用于确定钻头角度位置的各种软件程序43c，以及用于控制把真实的井孔路径校正到对应于所需井孔路径的流体切换。微处理器41控制引出的测距装置45和切换器46，用于经由一适当的界面44对方向作流体控制。装置45可由一适当的能源47予以供电，可以是电池、一种交流发电机、发电机、或其他各种装置。
图8表明一装有一电磁线圈49的井底组件48的转动部分，该线圈调准得致使线圈49的轴线50不对准于井底组件48的转动轴线51。线圈49的轴线50最好是成直角地指向转动轴线51。在转动期间，当地球磁场52的方向不对准于转动轴线51时，从各终端54发出的、线圈49的电力输出53将遵循一种正弦曲线，其相位直接相关于对准在线圈49轴线50的方向上的、地球磁场52的分量。电力输出53的相位可以用以在井底组件正在转动时确定其钻具面角，如果井孔相对于地球磁场52的方向为已知的话。后者一般往往可以从旨在测定方向而装放在井底组件之内的磁通脉冲器33和重力传感器取得。
图9是一泥浆马达55的简图，此马达通过一联接器传送一围绕弯头57的转矩而驱动一钻头56。这种装置将定向钻井特性赋予井底组件(即那些具体地包含在参照编号56至59之间的各部件)。泥浆马达55装接于一离合器和轴承组件58，其沿井身上行一测是直接联接于钻柱60的井底组件的一部分。装放在此组件之内的有切换模件61和大地校正模件62。离合器组件58设计得由切换模件61通过受控的滑移或脉冲或滑移予以控制，以便弯头短节由反作用转短使之重新取向。离合器组件58可以代之以一种设计成由钻井液供能的液压马达。在此情况下，此马达可以用作一部离合器，通过允许液流在来自切换模件61的可切换控制之下流经它而受到控制。另外，此马达可以直接由流体供能，以便变更弯头57的取向或角度。
图10表明图9中所述离合器组件的一种最佳配置。在此，离合装置58是一多盘离合器组，可取地利用从切换单元61(图9)切换出来的钻井液用于其控制。参照编号63表明前部轴承/密封装置，可吸收来自一对于井下马达59的连接装置的推力。这一连接装置伸展为一轴件64，在65一段上制有花键键槽并本身装带离合器组的一些内部带键的圆盘66。离合器组的交替的一些外面带键的圆盘67装在部分地制有花键键槽的外壳68之内，外壳装接于图9中所述的井底组件59一段。轴件64的接近端部一段支承着一个环形的活塞70，浮动在轴件与外壳68之间。轴件64的端部装在外壳之内的轴承71之中并由一垫圈72和螺母73固定于它。离合器组中的流体压力由各孔眼74和由通过离合器组本身的适当的流体连通通路来保持接近于井孔环形空间的压力。活塞70后面的流体区域借助于或是一些小孔75或是一泄漏式活塞密封件而连通于井孔环形空间压力。活塞70后面的流体区域也通过各孔口76可切换地连通于在通向井下目的地的途中穿过轴件64内部的钻井液。各孔口76是否开通于轴件64内部的钻井液，是由一套筒77的位置来控制的。当离合器被锁定时，套筒77由来自切换模件(图9)的控制使之撤回(到图10中的右面)，而钻井液压力，由于各孔口75小于各孔口76，只以一微小的压降被传递给活塞70。活塞70前行而压挤交错的圆盘离合片66和67在一起，从而经由带花键键槽的外壳68连接于井下马达59的内部轴件64，此外壳连接于井底组件59(图9)的上部。
当实现此组合下部的转动，套筒77沿轴向被推动，以致关闭孔口76，从而导致活塞70后面的压力与存在于活塞的离合器组一侧的压力的平衡。在此情况下，离合器的滑移可能发生，而钻具端面的重新取向将会发生。套筒77的工作位置由一响应于切换模式61(图9)的两种流体压力输出状态的活塞(未画出)予以控制。
以上阐述了形成井孔的方向控制方法与设备。一口井孔在钻井作业期间由流体射流的切换作用使之保持在某一所需的路径之中，这些射流只在钻头的一部分旋转运动期间予以启用，借以以最佳方式在所需方向冲蚀钻头的路径。钻头的角度位置由一电磁传感器予以测定并相应地决定流体喷射的启用。钻头的角度位置本身可避免使用在另外情况下往往需要的一些校正因子，那时很长的钻柱经受扭曲，以及时钻头角度位置在钻井井位的地面处予以确定。作为作用流体喷射沿着一条最佳路径冲蚀地下岩层的替代方案，可以采用一种泥浆马达。一离合器组件，以及一联接器用于在一条弯曲或曲线路径中驱动钻头。
以上同样阐述了位于井下场所处而沿着一条所需的路径控制钻井的一些编程控制线路。这些编程控制线路包括确定有待由钻头形成的所需路径的、各种参数的一个数据库。众多的井下传感器用以确定钻头的真实空间位置。编程的控制线路将真实钻井路径与理想钻井路径作对比，而如果发现差别，则在钻头转动期间启动流体射流以使其在朝向理想路径的方向上冲蚀地层。最好是，流体射流在钻头的每一转但小于360°而最好是小于180°的期间予以启动。
虽然本发明的最佳和其他各项实施例已经参照一具体钻井装置及其操作方法予以阐明，但应当理解，可以作出细节上的许多变更作为工程和设计抉择而不偏离由所附各项权利要求所规定的本发明的精神和范畴。
权利要求
1．一种井底组件，用于在形成井孔期间控制井孔的路径方向，包括一所述组件上的孔口，用于接收一种加压流体；一流体操作机构，用于变更钻井路径的方向；一流体切换器，用于可选择地控制所述加压流体与所述机构的联接，以变更井孔的路径；以及一经过编程的处理器，用于控制所述流体切换器，使加压流体可以被切换到所述机构以控制钻井路径的方向。
2．一种按照权利要求1所述的组件，还包括传感装置，用于确定在形成井孔时所用钻头的方位，倾角和角度位置。
3．一种按照权利要求/或2所述的组件，还包括各种地球物理传感器，用于参照周围岩层类型提供限定一个钻头的空间位置的各种参数。
4．一种按照前面任何一项权利要求所述的组件，其中一处理器用一理想路径的轮廓的编程，该路径的轮廓待用来形成所述井孔，并且所述处理器被编程以使一实际位置的参数与理想路径的轮廓作对比，并还被编程来根据所述对比中的所发现的差来启动一流体切换器。
5．一种按照权利要求/所述的组件，其中所述流体操作机构包括至少一个喷嘴，用于提供一股所述加压流体的射流。
6．一种按照前面任何一项权利要求的组件，其中所述流体切换器可选择地控制至少一个喷嘴，它依靠反作用力控制路径方向。
7．一种按照权利要求1至10中任何一项所述的组件，其中所述流体切换器可选择地控制一个喷嘴以通过择优冲蚀来控制路径方向。
8．一种按照前面任何一项权利要求所述的组件，还包括一射流放大装置，连接于所述流体操作机构，用于增大流经它的流体量。
9．一种按照权利要求8所述的组件，包括至少一对喷嘴，以及一双稳射流切换系统，后者具有由一对输入流体槽道控制的主流体导管，每一流体槽道用于控制流体向一相应的所述喷嘴的流动。
10．一种按照权利要求9所述的组件，其中所述双稳射流切换系统包括一滑阀，具有由射流放大器的相应槽道控制的两个位置。
11．一种按照权利要求9或10所述的组件，其中所述双稳射流切换系统具有多级，用于持续地增大切换线路中的流体能量。
12．一种按照权利要求2至11中任何一项所述的组件，其中每一所述喷嘴被构造成纯粹通过流体喷射冲蚀的作用来完成钻井。
13．一种按照权利要求2至11之中任何一项所述的组合，其中每一所述喷嘴被构造成通过与一旋转钻头的作用相结合的流体喷射冲蚀来完成钻井。
14．一种液流变换装置，采用一电磁流体切换器以便在两个槽道之间通过以电磁方式位移一塞堵装置而一次关闭一条槽道来变换液流方向。
15．一种按照权利要求/所述的组件，其中所述流体操作机构包括一机械组件，用于通过流体控制来改变一包括井下流体操作马达的井底组件的角度设置特性。
16．一种按照权利要求1或15之中任何一项所述的组件，其中所述流体操作机构包括一离合器，该离合器可选择地在转动上使包括一井下马达和一弯曲短节在内的井底组件的下部与上部脱离啮合并允许及作用转矩改变井底组件所述下部的钻具面角，以及实现钻具面角的可控变更，以及因而一种最佳的钻井方向。
17．一种按照权利要求1至4和权利要求15所述的机构，借此实现方向控制以沿着一条可控轨迹钻出一井孔。
18．一种按照权利要求1至4和权利要求15-16所述的装置，借此实现方向控制以沿着一条可控轨迹钻出一井孔。
19．一种检测一旋转的井底组件的角度位置的装置，利用一电磁一线圈的电力输出，此线圈装于井底组件上并随之转动，以及由地球磁场予以激励。
20．一种在一地下井孔的钻成期间控制其路径的方法，包括以下各步骤推进一加压流体输送器，连同一井底组件，其上装有至少一个流体喷射喷嘴、一流体切换器和一用于控制所述流体切换器的经过编程的处理器；以及利用所述在所述处理器控制之下可切换地把加压流体连接于所述流体喷射喷嘴的流体切换器来控制流体切换到流体喷射喷嘴，以便控制井孔路径的方向。
21．一种按照权利要求20所述的方法，包括在形成井孔时使用一可转动的钻头并只在所述钻头每一整转的一部分期间启动流体射流用于方向控制。
22．一种按照权利要求20所述的方法，其中流体喷射喷嘴用于通过冲蚀钻井并可选择地及可切换地被控制以便用于方向控制。
23．一种按照权利要求20所述的方法，其中至少一个流体喷射喷嘴用以通过定向冲蚀而钻成井孔，而一不同的流体喷射喷嘴被可选择地切换以便用于方向控制。
24．一种在一地下井孔的形成期间控制其路径的方法，包括以下各步骤推进一加压流体输送器，连同一井底组件，它装有一用于调节井底组件的角度设置率装置；采用一流体切换系统和一经过编程的切换控制处理器；以及采用所述流体切换系统以便使用所述机构可切换地调节井底组件的角度设置特性。
25．一种按照权利要求20至24之中任何一项所述的方法，包括用限定一理想井孔轮廓的路径的数据为处理器编程，并用限定形成井孔的实际井孔路径的处理信号为处理器编程和使理想井孔轮廓与真实路径作比较，以及如果在所述对比期间发现其间有差异，启动控制机构，后者启动一喷嘴或对井底组件作出机械调整，以致井孔以最佳方式被导引朝向所需的井孔轮廓。
26．一种按照权利要求20至25之中任何一项所述的方法，包括通过使用一井下射流放大器来增大钻井流体射流的能量。
27．一种按照权利要求19至25之中任何一项所述的方法，包括通过使用一井下射流放大器来增大可供井底组件调节机构使用的流体能量。
28．一种按照权利要求27所述的方法，还包括使用一由流体放大器驱动的滑阀来变换液流以启动在井底组件选特性方面的或对于一相应喷嘴的各种调节。
29．一种按照权利要求27或28所述的方法，包括使用一具有多级的射流放大器切换系统。
30．一种在地面设置的设备与一井底组件之间传送信息的方法，其中利用负或正流体脉冲将信息从前者传送到后者。
31．一种方法，通过这种方法，从装在一井底组件之内的角度位置传感器处获得的信息与从一井孔套环传送到井底组件的信息结合起来以计算井底组件的实际位置。
32．一种按照权利要求30所述的方法，其中来自井孔套环或井口装置的信息借助于脉冲向井下传送。
33．一种基本上如前参照附图所述的、用于控制一井孔的路径的组件。
34．一种如前参照附图所述的井孔导向方法。
全文摘要
一钻头(6)配备一或多个流体射流(7),在钻头(6)的一部分旋转运动期间被启动。一与其他井下传感器(33—38)一起设置的处理器(41)用确定井孔(8)理想路径的各种参数予以编程。各传感器(33—38)确定钻头(6)的实际空间位置井向处理器(41)提供相应的信息。处理器(41)对比实际钻井路径和理想路径,而且如果需要某种校正,一切换模件(3)允许一种加压钻井流体依次在钻头(6)转动期间被切换到所选定的各个喷嘴(7)以便以此在一朝向所需路径的方向上冲蚀地层。采用这种配置,用地面设置设备的各种方向控制问题得以克服。
文档编号E21B47/02GK1228824SQ97197467
公开日1999年9月15日 申请日期1997年6月25日 优先权日1996年6月25日
发明者伊安·格雷 申请人:伊安·格雷