减轻旋转式导向工具中的粘滑效应制造技术

本文提供了导向组件，所述导向组件包括壳体，所述壳体具有致动器，所述致动器定位于所述壳体中并且可操作以旋转驱动轴。行星齿轮箱定位于所述壳体中并且包括可操作地耦接到所述壳体的齿圈、耦接到所述驱动轴的太阳齿轮和行星齿轮架。机械耦接件将所述齿圈可操作地耦接到所述壳体，使得所述壳体的旋转使所述齿圈旋转。所述机械耦接件基于所述机械耦接件的一个或多个机械参数用于减轻在所述壳体与所述齿圈之间传输的粘滑扰动的能力来选择。偏置心轴耦接到所述太阳齿轮和所述行星齿轮架中的一个，使得所述太阳齿轮和所述行星齿轮架中的所述一个的旋转导致所述偏置心轴相应地旋转，其中所述偏置心轴可相对于所述壳体独立地旋转。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】减轻旋转式导向工具中的粘滑效应专利技术背景随着碳氢化合物储层越来越难以达到，井筒钻探操作在垂直和水平两个方向上越来越复杂，并且将钻探组件精确地定位在期望地下地层内的需求增大。这需要将钻探组件准确地导向以避开特定地层或与感兴趣地层相交。将钻探组件导向包括改变耦接到钻探组件的一端的钻头的工具面方向。旋转式导向工具通常用于定向钻探操作并且可包括偏置心轴或可耦接到旋转壳体的其他组件。可能期望独立于壳体的旋转而控制偏置心轴的旋转并且另外使偏置心轴相对于正被钻头穿透的地层而保持在对地静止位置。在一些旋转式导向系统中，钻头可经由钻头轴可操作地耦接到偏置心轴。可能期望独立于钻柱和钻头的旋转而控制偏置心轴的旋转以及因此钻头轴和钻头的取向。偏置心轴的旋转的响应控制可通过确保井筒根据期望井方案来钻探而在整个钻井时间减小。附图简述下面的附图被包括以示出了本公开的某些方面，并且不应该被看作是排他性的实施方案。所公开的主题能够在不脱离本公开的范围的情况下在形式和功能上进行相当多的修改、改变、组合以及等效化。图1为可采用本公开的一个或多个原理的示例性钻探系统的示意图。图2A至图2C为图1的导向组件的示意图。图3为图2C的行星齿轮箱的等轴视图。图4为图2C的行星齿轮箱和图2B的涡轮的截面分解图。图5为与考虑到粘滑的更柔性的机械耦接件相比，模拟刚性机械耦接件的效果的曲线图。图6为闭环控制系统的框图。具体实施方式本公开大体涉及钻井操作，并且更具体地讲，涉及减轻完全旋转旋转式导向工具所经受的粘滑效应。本文所述的实施方案提供一种导向组件，该导向组件减少在钻井操作期间引发的粘滑扰动的不利影响。粘滑通常是在所需钻探转矩在钻柱中引起扭转能量的积累时大声的一种钻柱现象。扭转能量克服了阻力，阻力导致能量以钻柱加速度的形式快速释放。这种现象可能变成周期性，从而产生持续不利的钻井条件。本公开提供一种机械耦接件，该机械耦接件可包含在导向组件中，以帮助减轻粘滑扰动的不利影响，由此改进定向钻井应用中的传感器和钻井性能。本文所述的示例性导向组件包括壳体，该壳体具有定位于其中且可操作以旋转驱动轴的涡轮。行星齿轮箱定位于所述壳体中并且包括可操作地耦接到所述壳体的齿圈、耦接到所述驱动轴的太阳齿轮和行星齿轮架。机械耦接件将所述齿圈可操作地耦接到所述壳体，使得所述壳体的旋转使所述齿圈旋转。机械耦接件可基于机械耦接件的一个或多个机械参数的能力来选择，以减轻在壳体与齿圈之间传输的粘滑扰动。通过减少在壳体与齿圈之间传输的粘滑扰动，可通过增强由控制系统提供的工具面控制来改进定向钻探。此外，控制系统使用来减轻粘滑扰动的功率可在粘滑的给定幅值和/或频率下减小，从而能够使用小功率发电机。图1为根据一个或多个实施方案的可采用本公开的原理的示例性钻探系统100的示意图。如图所示，钻探系统100可包括钻塔102，该钻塔被安装在表面位置104上并且被定位在钻孔106上方，该钻孔延伸到陆地108包括地下地层110a和110b中。钻探组件112可从钻塔102延伸到钻孔106中。钻探组件112可包括钻柱114，该钻柱可包括多个螺纹连接的管状区段，并且钻头116可耦接到钻柱114的一端。井底钻具组件(BHA)117可被布置在钻柱114中并且可包括例如随钻测量(MWD)设备118和导向组件120。导向组件120可被构造成控制钻孔106正被钻出的方向。可以理解，钻孔106一般沿垂直于钻头116的工具面122方向的方向钻出，该方向对应于钻头116的纵向轴线124。因此，控制钻孔106的方向可包括控制钻头116的纵向轴线124与导向组件120的纵向轴线126之间的角度，由此控制钻头116相对于正钻探的地下地层110a、110b的角取向。如以下更详细描述，导向组件120可包括偏置心轴(未示出)，该偏置心轴导致钻头116的纵向轴线124偏离导向组件120的纵向轴线126。偏置心轴可以相对于钻柱114的旋转反向旋转，以维持钻头116相对于正钻探的地下地层110a、110b的角取向。导向组件120可从定位在表面104上的控制单元128接收控制信号。尽管控制单元128在图1中示为定位在表面104上，但控制单元128可以替代地定位在井下(例如，定位在BHA117中)或定位在远程位置，而不脱离本公开的范围。控制单元128可包括信息处理系统和计算机可读介质，并且该控制单元可被配置为经由遥测系统与导向组件120通信。在某些实施方案中，如下所述，控制单元128可将控制信号传输到导向组件120以改变钻头116的纵向轴线124并且控制偏置心轴的反向旋转，以维持钻头116相对于正钻探的地下地层110a、110b的角取向。如本文所使用，维持钻头116相对于地下地层110a、110b的角取向在本文可称为将钻头116维持在“对地静止”位置。在某些实施方案中，信息处理系统和计算机可读介质可包含在导向组件120中并且另外与导向组件120相关以执行控制功能中的一些或全部。此外，BHA117的其他部件，包括MWD设备118，可与控制单元128通信并且从控制单元128接收指令。在示例性操作中，钻柱114可旋转以钻出钻孔106。旋转钻柱114可导致BHA117和钻头116沿相同方向并且以大致相同速度旋转。旋转可导致导向组件120围绕纵向轴线126旋转，并且导致钻头116围绕纵向轴线124和126二者旋转。使钻头116围绕其纵向轴线124旋转会导致钻头116切入地下地层110a、110b中。然而，使钻头116围绕导向组件120的纵向轴线126旋转可能是某些情况下不期望的，因为这可能会改变钻头116相对于正钻出的地下地层110a、110b的角取向。例如，当钻头116的纵向轴线124如图1所示偏离导向组件120的纵向轴线126时，钻头116可围绕导向组件的纵向轴线126旋转，并且由此防止钻探组件100以特定角度和方向钻探，并且可能导致形成较大的钻孔。现在参考图2A至图2C，同时继续参考图1，示出了根据一个或多个实施方案的导向组件120的示意图。更具体地讲，图2A为导向组件120的平面视图，图2B为导向组件120的第一部分的截面侧视图，并且图2C为导向组件120的第二部分的截面侧视图。导向组件120可包括可操作地耦接到钻柱114(图1)的壳体202。在一些实施方案中，壳体202可直接耦接到钻柱114。然而，在其他实施方案中，壳体202可诸如通过MWD设备118(图1)间接地耦接到钻柱114，但也可操作地耦接到钻柱114，使得钻柱114的旋转相应地旋转壳体202。在一些实施方案中，壳体202可包含单片和其他一体式结构。然而，在其他实施方案中，壳体202可包括多个区段，示为第一区段204a、第二区段204b和第三区段204c。每个区段204a至204c可对应于导向组件120的单独工具部分。例如，第一区段204a可容纳用于导向组件120的控制机构，并且可与控制单元128(图1)通信和/或从表面104(图1)接收信号。在某些实施方案中，控制机构可包括信息处理系统和计算机可读介质并且可从布置在导向组件120内的各个传感器接收测量值。可包含于传感器组件120中的传感器包括但不限于用于测量工具面122(图1)的位置或粒度传感器、速度传感器以及振动传感器。从这些传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种导向组件，包括：壳体，所述壳体具有致动器，所述致动器定位于其中并且可操作以旋转驱动轴；行星齿轮箱，所述行星齿轮箱定位于所述壳体内并且包括可操作地耦接到所述壳体的齿圈、耦接到所述驱动轴的太阳齿轮和行星齿轮架中的一个和围绕所述太阳齿轮旋转的一个或多个行星齿轮；机械耦接件，所述机械耦接件将所述齿圈可操作地耦接到所述壳体，使得所述壳体的旋转使所述齿圈旋转，其中所述机械耦接件基于所述机械耦接件的一个或多个机械参数用于减轻在所述壳体与所述齿圈之间传输的所述粘滑扰动的能力来选择；以及偏置心轴，所述偏置心轴耦接到所述太阳齿轮和所述行星齿轮架中的一个，使得所述太阳齿轮和所述行星齿轮架中的所述一个的旋转导致所述偏置心轴相应地旋转，其中所述偏置心轴可相对于所述壳体独立地旋转。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种导向组件，包括：壳体，所述壳体具有致动器，所述致动器定位于其中并且可操作以旋转驱动轴；行星齿轮箱，所述行星齿轮箱定位于所述壳体内并且包括可操作地耦接到所述壳体的齿圈、耦接到所述驱动轴的太阳齿轮和行星齿轮架中的一个和围绕所述太阳齿轮旋转的一个或多个行星齿轮；机械耦接件，所述机械耦接件将所述齿圈可操作地耦接到所述壳体，使得所述壳体的旋转使所述齿圈旋转，其中所述机械耦接件基于所述机械耦接件的一个或多个机械参数用于减轻在所述壳体与所述齿圈之间传输的所述粘滑扰动的能力来选择；以及偏置心轴，所述偏置心轴耦接到所述太阳齿轮和所述行星齿轮架中的一个，使得所述太阳齿轮和所述行星齿轮架中的所述一个的旋转导致所述偏置心轴相应地旋转，其中所述偏置心轴可相对于所述壳体独立地旋转。2.如权利要求1所述的导向组件，其中所述齿圈经由所述机械耦接件直接耦接到所述壳体。3.如权利要求1所述的导向组件，其中所述行星齿轮箱进一步包括齿轮箱架，所述齿轮箱架置于所述壳体与所述齿圈之间，并且其中所述齿圈经由所述机械耦接件和所述齿轮箱架间接地耦接至所述壳体。4.如权利要求1所述的导向组件，其中所述机械耦接件包括选自包括以下各项的组的耦接啮合：螺纹耦接；磁耦接；焊接耦接；钎焊耦接；机械紧固耦接；粘合剂耦接；波纹管；星形耦接；以及它们的任意组合。5.如权利要求1所述的导向组件，其中所述一个或多个机械参数为选自由扭转弹簧常数(k)、阻尼系数(c)和惯性(J)组成的组的参数。6.如权利要求1所述的导向组件，其中所述一个或多个机械参数针对井下使用来优化，以减轻所述粘滑扰动。7.如权利要求1所述的导向组件，进一步包括：一个或多个传感器，所述一个或多个传感器邻近所述偏置心轴布置；以及控制器，所述控制器可通信地耦接到所述一个或多个传感器，其中所述控制器接收由所述一个或多个传感器获得的测量值并且输出导致所述驱动轴的旋转速度发生变化的控制信号。8.如权利要求1所述的导向组件，其中所述控制器为PID控制器。9.如权利要求1所述的导向组件，其中所述致动器选自由以下各项组合的组：流体控制式驱动机构；涡轮；泥浆马达；电动马达；以及它们的任意组合。10.一种方法，包括：将导向组件在钻柱上引入井筒中，所述导向组件包括壳体，所述壳体具有定位在所述壳体内的致动器和行星齿轮箱，所述行星齿轮箱包括可操作地耦接到所述壳体的齿圈以及耦接到所述致动器的驱动轴的太阳齿轮和行星齿轮架中的一个；使所述钻柱沿第一方向旋转并且由此使所述壳体和所述齿圈沿所述第一方向旋转；操作所述致动器以使所述驱动轴和耦接到所述太阳齿轮和所述行星齿轮架中的一个的偏置心轴沿与所述第一方向相反的第二方向旋转；以及减轻在所述壳体与所述齿圈之间传输并且利用将所述齿圈可操作地耦接到所述壳体的机械耦接件传输到所述偏置心轴的粘滑扰动，其中所述机械耦接件基于所述机械耦接件的一个或多个机械参数用于减轻所述粘滑扰动的能力来选择。11.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·P·纳纳亚卡拉，N·德拉里卡，D·M·温斯洛，
申请(专利权)人：哈里伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国,US