CN111819336A - 带有切削齿的旋转导向系统 - Google Patents

Abstract

一种旋转导向工具可包括具有上端和下端的工具主体。另外，工具主体可包括至少一个导向组件，所述至少一个导向组件从所述工具主体延伸并且包括至少一个导向致动器，所述至少一个导向致动器被构造成延伸超过所述导向组件的其他部分。此外，至少一个切削齿可设置在所述旋转导向工具上，与所述至少一个导向致动器相距一定距离。

Description

带有切削齿的旋转导向系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年2月23日提交的美国临时申请62/634,217的优先权和权益，所述临时申请的全部内容以引用的方式并入本文。

背景技术

旋转钻井被限定为一种系统，在该系统中，包括钻头的底部钻具组合连接至钻柱，该钻柱从地面处的钻井平台可旋转地驱动。当在地下地层中钻孔时，有时希望能够改变和控制钻井的方向，例如，将钻孔引向期望的目标，或者一旦达到目标就在产油层中水平地控制方向。还可能希望在钻直孔时校正与所需方向的偏差，或者控制孔的方向以避开障碍。此外，导向或定向钻井技术还可提供到达竖直接达困难或不可能(例如，油田位于城市、水域或难以钻取的地层下)的储层的能力，以及将多个井口聚集在单个平台上(例如，用于海上钻井)的能力。

发明内容

提供本概述是为了介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本概述既不意欲识别所要求保护的主题的关键或必要特征，也不意欲用来帮助限制所要求保护的主题的范围。

在一些实施例中，旋转导向工具包括工具主体和从该工具主体延伸的导向组件，该导向组件包括至少一个导向致动器，该至少一个导向致动器被构造成延伸超过导向组件的其他部分。切削齿可设置在所述旋转导向工具上，与所述至少一个导向致动器相距一定距离。除了切削齿之外，旋转导向工具可具有第一直径，并且切削齿可位于大于第一直径的直径处。

在一些实施例中，底部钻具组合包括在底部钻具组合的一端处的钻头，并且钻头包括具有多个切割元件的钻头体，所述多个切割元件包括限定钻头的保径(gage)的多个保径切削齿。另外，该底部钻具组合可以包括在钻头的近端处或与该钻头的近端间隔开的导向单元；该导向单元包括从导向单元主体延伸的导向组件，该导向组件包括被构造成延伸超过导向组件的其他部分的导向致动器。导向单元上的切削齿与导向致动器相距一定距离，并且被构造成以与多个保径切削齿相同的直径进行切割，或者被构造成以大于多个保径切削齿的直径进行切割。

在一些实施例中，底部钻具组合包括在底部钻具组合的远端处的钻头，并且钻头包括其上具有多个切割元件的钻头体。多个切割元件包括限定钻头的保径的多个保径切削齿。另外，该底部钻具组合可以包括在钻头的近端处或与该钻头的近端间隔开的导向单元，并且该导向单元包括从导向单元主体延伸的导向组件。导向组件包括至少一个导向致动器，所述至少一个导向致动器被构造成延伸超过所述导向组件的其他部分。切削齿在导向单元上，并且被构造成以与多个保径切削齿相同的直径进行切割，或者被构造成以大于多个保径切削齿的直径进行切割。切削齿与所述钻头的最上面的保径切割元件之间的距离等于或大于6英寸(15cm)。

在一些实施例中，一种在井筒内钻出弯曲孔的方法包括：用钻头钻取井筒，以及在井筒内旋转位于钻头上方的其上具有至少一个切削齿的旋转导向工具。另外，该方法可包括选择性地致动所述旋转导向工具以使所述钻头在自所述井筒的方向上偏转，从而在所述井筒内钻出所述弯曲孔，以及用切削齿切割所述弯曲孔。

通过以下说明书和所附权利要求，其它方面以及优势将为显而易见的。

附图说明

图1示出了井筒钻井设施的示意性截面表示。

图2示出了根据现有技术的旋转导向系统的示意图。

图3示出了根据本公开的一个或多个实施例的旋转导向系统的示意图。

图4示出了根据本公开的一个或多个实施例的旋转导向系统的示意图。

图5示出了根据本公开的一个或多个实施例的旋转导向系统的示意图。

图6示出了根据本公开的一个或多个实施例的旋转导向系统。

图7示出了根据本公开的一个或多个实施例的旋转导向系统。

具体实施方式

以下参考附图详细描述本公开的实施例。为了一致性，各个附图中的相似元件可以由相似的附图标记表示。另外，在下文详述中，陈述众多特定详情以更完全地了解所要求保护的主题。然而，对本领域的普通技术人员将是显而易见的是，在没有这些具体细节的情况下可以实行所描述的实施例。在其他情况下，没有详细描述众所周知的特征，以避免不必要地使描述变得复杂。

此外，本文所公开的实施例是用参考竖直井筒的指定取向的术语来描述的，但是任何指定取向的术语均不应视为限制本公开的范围。例如，可以参考水平井筒来做出本公开的实施例。还应当理解，本文中描述的各种实施例可用在各种取向(诸如倾斜、补给、水平、竖直等)中及各种环境(诸如陆地或海底)中，而不脱离本公开的范围。实施例仅被描述为有利应用的示例，其不限于本文实施例的任意具体细节。

参考图1，在一个或多个实施例中，示出了总体上由数字10表示的钻井系统，在该钻井系统中可以结合本公开的实施例。钻井系统10包括位于地面14处的钻机12和从钻机12悬挂的钻柱16。下部钻头18与底部钻具组合(“BHA”)20设置在一起并且部署在钻柱16上，以在BHA 20的远端处钻取(即，扩展)钻孔或井筒22到地层24中。在下部钻头18(即，定向钻头)上方安装有辅助或上部钻井部件19，例如扩孔器。例如，上部钻井部件19的直径可以大于下部钻头18的直径，使得在正常使用中，下部钻头18切出直径小于所需保径直径的孔，并且上部钻井部件19用于将孔的直径增加到所需的保径。

所描绘的BHA 20包括一个或多个稳定器26、随钻测量(“MWD”)模块或接头28、随钻测井(“LWD”)模块或接头30和旋转导向工具32(例如，偏置单元、RSS设备、导向致动器、活塞、垫)，以及发电模块或接头34(例如，泥浆马达)。所示的定向钻井系统10包括井下导向控制系统36，例如姿态保持控制器或控制单元，其与BHA 20设置在一起并与旋转导向工具32可操作地连接，以将钻头18和BHA20保持在期望的钻井姿态下，以沿期望的路径(即目标姿态)扩展井筒22。所描述的井下导向控制系统36包括井下处理器38和传感器40，例如，加速度计和磁力计。井下导向控制系统36可以是直接与BHA20的传感器(即D&I传感器40、MWD接头28传感器)和旋转导向工具32介接以控制钻井姿态的闭环系统。井下导向控制系统36可以是例如构造为倾斜稳定的或捷联控制单元。当前，有各种定向钻井系统可用。最常见的是“旋转导向系统”或“RSS”。RSS系统可以包括推靠式系统、指向式系统和结合了推靠式和指向式系统的混合系统。钻井系统10包括钻井液或泥浆44，其可以从地面14循环通过钻柱16的轴向孔，并通过钻柱16与地层24之间的环空返回到地面14。

通常将工具的姿态(例如，钻井姿态)标识为BHA 20的轴线46。在所示的实施例中，可以从通常被识别为地面控制器42(例如，处理器)的定向钻机或轨迹控制器输入(即，传输)姿态命令。诸如需求姿态命令的信号可以通过任何合适的方法来传输，例如，通过泥浆脉冲遥测、RPM变化、有线管道、声学遥测、电磁遥测或无线传输。因此，在来自地面控制器42的定向输入之后，井下导向控制系统36例如通过操作旋转导向工具32来对钻头进行导向并在钻孔中沿期望的轨迹产生偏差、狗腿或弯曲，从而控制井筒22的扩展。特别地，旋转导向工具32被致动以将钻头驱动至设定点。导向设备或偏置单元可以被称为定向钻具的主要致动部分，并且可以被分类为推靠式、指向式或混合设备。

旋转导向工具32可以是指向式的(例如，PowerDrive Xceed，Schlumberger的商标)、推靠式的(例如，PowerDrive Orbit，Schlumberger的商标)或混合组合的(例如，PowerDrive Archer，Schlumberger的注册商标)。对于推动式致动器，致动器可以安装在马达定子轴承座上、钻头上方的接头上，或甚至像钻头垫一样安装在钻头本身上。同样，导向垫致动器可以在自由旋转的套筒上，安装在钻头上或靠近钻头安装，或安装在泥浆马达主体(例如定子)上。钻头可以从地面或由井下旋转动力(诸如泥浆马达、涡轮、电动马达等)驱动(旋转)。可控钻井马达的非限制性示例是伺服马达，诸如US 2015/0354280、WO 2014/099783A1、US 2015/0354280、US 6,089,332、US 8,469,104和US 8,146,679中所述，其全部教导内容通过引用并入本文。

在指向式设备中，钻头18的旋转轴线在期望路径的总体方向(目标姿态)上偏离底部钻具组合20的局部轴线46。钻孔根据例如由上稳定器和下稳定器以及扩孔切削齿(例如上切削齿19)限定的常规三点几何形状进行扩展。钻头轴线的偏向角与下接触点和中接触点之间的有限距离相结合，导致生成弯曲部的非共线条件。可以通过许多方法来实现，包括在底部钻具组合中靠近下稳定器的点处的固定弯曲或分布在上稳定器和下稳定器之间的钻头驱动轴的挠曲。指向式旋转导向系统的示例及其操作方式在美国专利申请公开号2002/0011359和2001/0052428中以及美国专利号6,394,193、6,364,034、6,244,361、6,158,529、6,092,610和5,113,953中进行了描述，其全部教导内容通过引用并入本文。

在推靠式旋转导向系统中，必要的非共线条件通过使上稳定器或下稳定器中的一个或两个在优选地相对于钻孔扩展的方向取向的方向上施加偏心力或位移来实现。可以通过许多方法来实现，包括不旋转(相对于孔)的偏心稳定器(基于位移的方法)和将力沿所需导向方向施加到钻头的偏心致动器。通过在钻头和至少两个其他接触点之间产生非共线性来实现导向。推靠式旋转导向系统的示例及其操作方式在美国专利号5,265,682、5,553,678、5,803,185、6,089,332、5,695,015、5,685,379、5,706,905、5,553,679、5,673,763、5,520,255、5,603,385、5,582,259、5,778,992和5,971,085中进行了描述，其全部教导内容通过引用并入本文。

钻井系统可以是混合类型的，例如具有可旋转的钻铤、安装在钻铤上以便与钻铤一起旋转的套筒，以及允许套筒相对于钻铤成角度移动以允许套筒的轴线相对于钻铤的轴线倾斜的万向节。致动器控制套筒和钻铤的轴线的相对角度。通过适当地控制致动器，可以在钻铤旋转的同时将套筒保持在基本上期望的取向上。混合系统的非限制性示例例如在美国专利号8,763,725和7,188,685中公开，其全部教导内容通过引用并入本文。

“微导向”系统需要将导向偏移(steering offset)定位在靠近钻头的切割结构的位置。无论对于传统的RSS还是导向马达，这可能都是具有挑战性的，因为即使装卸器上的槽的较短长度(例如，钳位)、轴承组件或钻头保径也会影响(例如，在某些情况下，显著影响)造斜能力(dogleg capability)。大致来说，刚性三点导向组件的全角变化率(DLS)能力或曲率响应为DLS＝2*ecc/(L1*L2)。在导向偏移或偏心率(ecc)出现的位置上，该位置与在轴向上位于导向单元下方的切割结构(下接触点)的距离为L1，而与有效上稳定器接触点的距离为L2，该上稳定器接触点针对光钻铤组合可能是钻铤本身。DLS与L1和L2成反比。但是，实际上L1通常比L2短很多，因此距离L1远几英寸比L2的类似变化对DLS的影响要大得多。DLS也与偏心率成比例：将致动器的行程加倍会使DLS加倍。如果致动器由于钻孔侵蚀而用完了行程从而偏离了井筒，那么即使有足够的垫力，这也决定了系统的造斜能力，虽然浪费了推力来克服行程停止的限制。本公开的一些实施例旨在减小L1，并因此使DLS增大。可以通过在轴向上将切割结构合并到存在于钻头面上的保径切削齿之上来使L1减小。

图2示出了根据现有技术的常规旋转导向系统60，其包括在井筒65中连接至钻头64的RSS工具61。RSS工具61具有上稳定器62(其可以是用于光钻铤组合的RSS工具61)和设置在RSS工具61上的一个或多个导向垫63。与上稳定器62相比，一个或多个导向垫63在RSS工具61上位于井下更远的位置。另外，上稳定器62为旋转导向系统60产生上接触点。RSS工具61的一个或多个导向垫63为常规的旋转导向系统60提供导向偏移。通过减小L1，常规的旋转导向系统60可以变成“微导向”系统，这需要将导向偏移定位为靠近钻头64的最后一个切割元件66。然而，由于装卸器上的槽的长度(例如，钳位)、轴承组件或保径钻头长度以及需要在切割结构和导向组件之间增加长度的其他因素，造斜能力可能会降低。刚性三点导向组件的全角变化率(DLS)能力或曲率响应的特征在于以下等式1：

DLS＝2*ecc/(L1*L2) (1)

其中：

DLS＝全角变化率(1/m)；

ecc＝导向偏移(m)；

L1＝最后一个切割结构与导向垫的距离(m)；并且

L2＝导向垫与上接触点的距离(m)。

仍然参考图2，在常规的旋转导向系统60中，来自等式1的L1是自最后一个孔限定切割元件的距离，例如，在某些情况下，它可以是自钻头64的切割元件66到一个或多个导向垫63与地层接合的部分的底部。另外，L2是自一个或多个导向垫63与地层接合的部分的顶部到上稳定器62的距离。如等式1所示，DLS与L1和L2成反比。实际上，L1通常比L2短很多，因此距离L1远几英寸/厘米比L2的类似变化对DLS的影响要大得多。另外，DLS也与偏心率成比例，例如，将导向垫的行程加倍会使DLS加倍。在常规的旋转导向系统60中，导向致动和地层不均匀性可引起微螺旋和狗腿。微型狗腿会对常规的旋转导向系统60的可靠性和性能造成不利影响，尤其是由于一个或多个导向垫63与井筒65的地层之间的接触在夹层和磨蚀性地层中。

参考图3至图7，在一些实施例中，旋转导向工具32保持与钻头面25相距合理的距离，并且另外的切割结构被放置成更靠近导向致动器53。在一些实施例中，旋转导向工具32用于具有一个或多个导向组件的推靠式旋转导向系统。一个或多个导向组件可具有一个或多个导向致动器以及在一个或多个导向组件上的一个或多个有源或无源切削齿。另外，旋转导向工具32的导向致动器53保持与钻头面25相距一定距离，并且最终的孔修整切割结构57(例如，切削齿)与钻头18的最上面的孔限定切割元件79相距一定距离。如本文所使用的，最上面的孔限定切割元件是在钻头上的切割元件，并且是定位成使得其延伸到钻头的保径或最外直径的切割元件。在一些实施例中，所描绘的倒划眼切割元件79可以不是孔限定切割元件，因为其可以被放置在尺寸小于保径的位置或小于钻头的保径的直径处。在一些实施例中，最上面的保径切削齿78可以是最上面的孔限定切割元件79。可以通过切割最终井筒直径的切割结构来确定由钻具生成的钻孔的狗腿，从而有效地限定L1。在一些实施例中，旋转导向工具32能够在磨蚀性应用中实现增大的DLS、更好的井筒质量以及导向组件的改善的耐用性。相反，在切削齿57在钻头的保径之下的实施例中，虽然可以改善导向组件的耐用性，但是不太可能实现增大的DLS和井筒质量的改善。

参考图3，在一个或多个实施例中，在井筒22中的旋转导向系统67中示出了旋转导向工具32。在井筒22的底端68处，钻头18进一步切割井筒22。在旋转导向系统67的近端69处，旋转导向工具32可具有稳定器叶片70或光钻铤主体，以形成旋转导向系统67的上接触点。切削齿57可以直接设置到旋转导向工具32或设置在套筒上，其中套筒在旋转导向工具32的外表面上滑过，然后螺纹连接或螺栓连接以可移除地附接在旋转导向工具32上。如上所述，切削齿57被放置在距一个或多个导向致动器53距离L1处，并且更具体地，切削齿57在钻头18的上方距钻头18的最上面的孔限定切割元件79距离D处；因此，切削齿57是旋转导向系统67的最后一个切割结构。在一个或多个实施例中，距离D等于或大于4英寸(10cm)、6英寸(15cm)或9英寸(23cm)。因此，在钻头18和切削齿57之间存在轴向区域86(或间隙)。这样的区域的直径可以小于钻头保径(例如，钻头的最外直径，如由钻头上的最外切割元件所限定)。在一个或多个实施例中，轴向区域不包含处于或大于钻头直径的切割元件并且/或者轴向区域不包含处于或大于钻头直径的无源承载表面。换句话说，该轴向区域不包含处于或超出钻头保径的切割元件或无源承载表面。在一些实施例中，轴向区域86不包括例如在钻弯曲部时始终与地层接合的任何切割元件或无源承载表面。但是，在该轴向区域中，可以可选地具有半径小于钻头保径的切割元件或无源承载表面。此外，在一个或多个实施例中，距离L1(切削齿57与导向致动器53之间的距离)小于距离D。在特定实施例中，当存在多个切削齿57时，切削齿57中最下面的切削齿与最低导向致动器53的下边缘之间的距离小于距离D。

这样，当将等式1应用于图3的旋转导向系统67时，L1是从切削齿57到一个或多个导向致动器53的距离，并且L2是从一个或多个导向致动器53到稳定器叶片70的距离。因此，如应用到等式1，由于L1的减小，与常规的旋转导向系统60相比，旋转导向系统67具有改进的造斜能力。在一些实施例中，在钻头18和一个或多个导向致动器53之间可能存在中间无源表面71，以提供横向稳定性并对获得的DLS提供最大约束(即，防止过度的DLS响应)。另外，联接到旋转导向系统67的BHA的其余部分也可以具有多个中间无源表面。中间无源表面(71)可以不阻碍钻孔22朝着期望的终端狗腿的横向前进，并因此，中间无源表面(71)的轮廓可以被设计为适合终端钻孔曲率。另外，切削齿57可以具有相对于工具的轴线的直径，该直径与钻头相对于钻头的轴线的保径的直径相同(例如，相同或基本上相同，例如，在制造公差诸如+/-0.025英寸(0.64毫米)、+/-0.050英寸(1.3毫米)或+/-0.100英寸(2.54毫米)之内)，或大于钻头相对于钻头的轴线的保径的直径。换句话说，切削齿可以位于与保径切削齿相同的径向位置，或者可以位于延伸超过保径切削齿的径向位置的径向位置。当钻头正在钻过弯曲部分时，钻头可能不会将孔钻到预期保径。在一些实施例中，通过将切削齿57放置在钻头保径处或超出钻头保径，切削齿57可以通过弯曲部分有效地将钻孔切割或扩孔到井筒的预期保径。切削齿57可以对任何地层磨蚀部进行有效地扩孔，并防止地层磨蚀部与旋转导向工具32的敏感零件(即，未设计用于地层接触的组件)接触。在一些实施例中，放置在工具主体47上且径向靠近井筒的公称直径的切削齿57实现了增加的造斜能力，改善了钻孔质量并增强了旋转导向系统67的耐用性和可靠性。

当导向致动器未被致动时，包括致动器53和在其他实施例中描述的任何其他部件的旋转导向工具32具有第一直径。切削齿57以大于第一直径的直径放置在旋转导向工具32上。换句话说，包括除了切削齿57之外的所有部件的旋转导向工具32具有第一直径，并且切削齿57被放置成使得它们延伸(即，切削面延伸)超过第一直径。

如图4所示，在井筒22中的旋转导向系统67中示出了旋转导向工具80。在井筒22的底端68处，钻头18切割井筒22。稳定器70在旋转导向系统67的在旋转导向工具80上方的近端69处，以形成旋转导向系统67的上接触点，在它们之间具有中间无源(尺寸小于保径)表面81。在旋转导向工具80上，切削齿57被放置成与一个或多个导向致动器53相邻，诸如在下方。切削齿可直接安装到旋转导向工具80的主体，或设置在一个或多个辅助垫(55A,55B)上，并将一个或多个辅助垫(55A,55B)螺栓连接到旋转导向工具80。例如，切削齿57可以被安装在下辅助垫55A上，并且下辅助垫55A被放置在旋转导向工具80的一个或多个导向致动器53下方。在切削齿57位于下辅助垫55A上时，切削齿57可以用作全保径扩孔器。代替或除了使用辅助垫之外，切削齿57可以设置在套筒上，其中套筒在旋转导向工具80的外表面上滑动或螺纹连接在其上。

仍然参考图4，在钻头18和一个或多个导向致动器53之间可能存在中间无源表面71，以提供横向稳定性并对获得的DLS提供最大约束(即，防止过度的DLS响应)。另外，联接到旋转导向系统67的BHA的其余部分也可以具有多个中间无源表面。本领域技术人员将理解到中间无源表面71可以不阻碍钻孔22朝着期望的终端狗腿的横向前进，并因此，中间无源表面71的轮廓可以被设计为适合终端钻孔曲率。此外，中间无源表面71的直径可以小于钻头18的保径直径。另外，切削齿57可以以大于或等于钻头18的切割结构的外径的直径放置。如上所述，在一些实施例中，这可以确保实现期望的钻孔直径(例如，这些切削齿可以对井筒22的弯曲部分进行公称保径扩孔，以达到井筒22的期望直径)。切削齿57也可以对任何地层磨蚀部进行有效地扩孔，并防止地层磨蚀部与旋转导向工具32的敏感零件(即，未设计用于地层接触的组件)接触。当将等式1应用于图4的旋转导向系统67时，L1是从切削齿57到一个或多个导向致动器53的距离，并且L2是从一个或多个导向致动器53到稳定器70的距离；因此，如应用到等式1，与常规的旋转导向系统60相比，旋转导向系统67具有改进的造斜能力。

如图5所示，在一个或多个实施例中，示出了旋转导向系统67，其利用缩顶或套筒83将切削齿57定位在钻头18上方，邻近导向致动器53。如图所示，钻头18连接到钻头盒84，该钻头盒可以部署在BHA上，例如在工具的底部，并且在一些实施例中，可以连接到泥浆马达82的马达驱动轴85的一端。另外，套筒83可以螺纹连接到工具的底部或泥浆马达82的主体，或者其可以与钻头盒84可操作地连接。例如，套筒83可以被键接到马达驱动轴85，以使得能够在不旋转泥浆马达82的转子的情况下将钻头18螺纹连接到钻头盒84。套筒83和钻头盒84可以具有互锁键合特征件，以允许钻头装卸器(例如，大钳)在钻头18受到扭矩以将其连接到钻柱时限制旋转。在该示例中，一个或多个导向致动器53可以是偏心偏移垫，以用作导向偏移。例如，偏心偏移垫可以是简单的固定造斜垫装置、按需造斜垫(从造斜切换为笔直的)，或完全的旋转导向系统，其中垫随着马达定子旋转以与导向方向一致的相位角同步扩展和收缩。有关另外的非限制性示例，请参见US 2015/0060140，其通过引用将其全文并入。切削齿57(即，最终扩孔切割元件)被定位在一个或多个导向致动器53(例如，偏心偏移垫)的下方并与之相邻。

如上所述，切削齿57被放置成与一个或多个导向致动器53相距一定距离，并且更具体地，切削齿57在钻头18上方与钻头18的最上面的孔限定切割元件79相距距离D。因此，切削齿57是旋转导向系统67的最后一个切割结构。在一些实施例中，距离D等于或大于4英寸(10cm)、6英寸(15cm)或9英寸(23cm)。如本文所使用的，当限定孔尺寸的最终孔修整元件(例如，切削齿57)与主切割元件(例如，钻头18)分离时，扩孔元件(例如，切削齿57)可以与导向机构(例如，一个或多个导向致动器53)间隔开小于距离D的距离。这样，当将等式1应用于图5的旋转导向系统67时，L1是从切削齿57到一个或多个导向致动器53的距离，并且L2是从一个或多个导向致动器53到泥浆马达82的稳定器叶片70的距离。因此，如应用到等式1，与常规的旋转导向系统60相比，旋转导向系统67具有改进的造斜能力。在一些实施例中，通过将一个或多个导向致动器53放置在泥浆马达82的主体上，旋转导向系统67可通过将表面RPM限制为零(在某些情况下)来减小钻孔的垫磨损。另外，这还允许选择钻头速度而不必担心磨损一个或多个导向致动器53或地层。与前述实施例一样，放置在泥浆马达82上且径向靠近井筒的公称直径的切削齿57实现了增加的造斜能力，改善了钻孔质量并增强了旋转导向系统67的耐用性和可靠性。

另外，在不脱离本公开的范围的情况下，本领域技术人员将理解旋转导向系统67可如何将BHA 20中图3至图5的任何组合与本领域中已知的其他井下工具结合在一起。图3至图5中示出的示意图示出了随钻头18旋转的一个或多个导向致动器53，然而，本公开的范围不限于随钻头18旋转的一个或多个导向致动器53。在一些实施例中，一个或多个导向致动器53可以安装在BHA 20中的非旋转稳定器上。

图6示出了井筒22内的旋转导向工具32或导向单元。旋转导向工具32包括工具主体47，其具有下连接端48和上连接端49。下连接端48和上连接端49可以是公(外螺纹)接头、母(内螺纹)接头或其任意组合。例如，在一些实施例中，下连接端48是联接至与钻头面25相对的钻头18的近端50(即，外螺纹接头)的内螺纹接头。在该实施例中，钻头18可具有切削面(即，钻头面25)和保径表面72。钻头18可包括从钻头体径向延伸的多个叶片58，这些叶片配备有构造成剥蚀地层24的切割元件73。保径切削齿78限定由钻头18钻出的孔直径。来自钻头喷嘴的流体可以从井筒的底部移除地层碎片并将其带到井筒22上面。钻头18可以是本领域中任何已知的钻头，而不脱离本公开的范围(例如，固定切削齿多晶金刚石钻头、牙轮钻头等)。钻头18可以是细长的，使得其覆盖到旋转导向工具32的连接(例如，在图5所示的缩顶设计中，切割结构可以围绕钻头盒84并且在钻头盒84上方延伸)。另外，上连接端49可以是外螺纹或内螺纹接头，其被构造成联接至BHA的井下工具51，诸如钻铤、稳定器接头或任何上述工具。尽管没有具体示出连接本身，但外螺纹和内螺纹接头将上紧螺纹以与相应接头的肩面形成齐平密封。此外，连接可以是任何标准API或专用连接，并且可以是例如螺纹的或非螺纹的。

在一些实施例中，旋转导向工具32可具有从工具主体47延伸的一个或多个导向组件52。一个或多个导向组件52可包括一个或多个导向致动器53，以延伸超过一个或多个导向组件52。一个或多个导向致动器53可以设置在工具主体47上。另外，一个或多个导向致动器53可具有可致动的偏置垫54，以在推靠式旋转导向系统中提供钻孔偏移。例如，导向致动器53可以在一个或多个导向组件52的腔室内包括活塞，该活塞被构造成将铰接的可致动偏置垫54垫从缩回位置移动到扩展位置以提供导向偏移。替代地，铰接垫54可以构造有球形活塞致动以移动铰接垫。球形活塞导向设备的非限制性示例例如在美国专利号8,157,024中公开，其全部教导内容通过引用并入本文。可以使用用于偏置垫54的任何合适的致动方法。此外，旋转导向工具32可包括控制垫54的致动的控制器。一个或多个导向组件52可具有邻近可致动偏置垫54设置的一个或多个辅助垫(55A,55B)。辅助垫可以是导向组件的一部分，并且可以是垫54围绕其旋转的铰链的一部分。另外，辅助垫可帮助保护可致动偏置垫54和导向组件52的其他部分。在一些实施例中，下辅助垫55A设置在可致动偏置垫54下方(朝向钻头18)，并且上辅助垫55B设置在可致动偏置垫54上方朝向井下工具51。一个或多个辅助垫(55A,55B)可以是有源的或无源的。无源辅助垫可以以固定的外径永久地或可移除地附接到工具主体47。与无源辅助垫不同，有源辅助垫不具有固定的外径，并且可以在下井时被致动为各种外径。然而，辅助垫(55A,55B)不限于与可致动偏置垫54相邻，并且可以以其他方式与工具主体47成一体或在任何地方附接(即，焊接、硬化、铸造或模制)到工具主体47。另外，辅助垫(55A,55B)也可以从可致动偏置垫54旋转地移位，并且辅助垫的数量可以与偏置垫的数量不同。

仍然参考图6，在一个或多个实施例中，一个或多个切削齿57被布置在旋转导向工具32上。例如，切削齿57可以位于一个或多个导向组件52上。在一些实施例中，切削齿57可以附接至下辅助垫55A，即，靠近工具的下连接端48或BHA的远端。尽管图6示出了在下辅助垫55A上的切削齿57，但是切削齿57不限于放置在下辅助垫55A上。而是，切削齿57可以在一个或多个导向组件52上与工具主体47的下连接端48和/或上连接端49(诸如上辅助垫55B)相邻。切削齿57在导向组件52上的放置可允许切削齿57相对于导向致动器53相对紧密地定位，从而提供减小的L1距离和增大的DLS。此外，尽管图6示出了在导向组件52上的切削齿57，具体地在导向组件52的下辅助垫55A上，但是本公开不限于此。而是，本公开的一个或多个实施例可允许将切削齿57放置在距导向致动器53的距离D'处或导向致动器53上的任何位置(即，距离D'为零)，使得从切削齿57到钻头18的最上面的孔限定切割元件79的距离D等于或大于4英寸(10cm)、6英寸(15cm)或9英寸(23cm)。在一些实施例中，切削齿57可以直接附接到可致动偏置垫54。另外，本领域技术人员将理解，切削齿57可如何相对于工具主体47横向移动或静止。例如，尽管辅助垫例如在一个或多个实施例中可以是静止的，但是辅助垫或附接有切削齿57的其他结构也可以被致动以横向或径向向外移动。

在一些实施例中，切削齿57可以以基本上等于或大于钻头18的保径切削齿78的保径直径(GD)的直径来切割井筒22。然而，切削齿57也可以被放置成尺寸小于保径，然后被致动以横向移动至GD或超过GD。切削齿57可以固定在辅助垫(55A,55B)上，并且仍然保持小于GD的保径。当切削齿57的外径大于钻头18的保径切削齿78的GD时，切削齿57可用作扩眼器。切削齿57可以横向/径向移动至进一步切割井筒22所需的任何保径直径。另外，当切削齿57或附接有切削齿57的结构可移动时，用于致动导向致动器53的控制器也可用于移动切削齿57。替代地，可以使用附加的控制器或位于BHA的另一个工具中的控制器来移动切削齿。

在一个或多个实施例中，在该实施例或任何其他实施例中使用的切削齿57可以是多晶金刚石复合片(PDC)切削齿，即，可以钎焊或以其他方式附接到RSS工具(例如到辅助垫)的位于衬底上的多晶金刚石层的圆柱形复合片。此外，虽然切削齿57被示出为PDC剪切切削齿，但是在任何公开的实施例中，可以使用其他类型的切割元件和切割元件的其他几何形状，包括例如具有基本上尖端或者其他非平面切割端(诸如具有从切割元件的外围边缘(在切割元件的直径处或基本上在切割元件的直径处)径向向内朝向切削齿的中心延伸的细长的尖端)的切割元件。

图7示出了旋转导向工具32，一个或多个导向组件52。在一些实施例中，一个或多个导向组件52可具有多个活塞组件56A,56B和导向致动器，例如，如图所示的活塞1、2。在一些实施例中，活塞1、2由从通过BHA的主流改道的泥浆致动，并扩展以压在钻孔上以对钻头18进行导向。例如，第一活塞组件56A定位在一个或多个导向组件52内，以与钻头18的钻头面25相距第一长度。另外，第二活塞组件56B定位在一个或多个导向组件52内，以与钻头18的钻头面25相距第二长度，其中第二长度大于第一活塞组件56A的第一长度。第一活塞1设置在第一活塞组件56A内，并且第二活塞2设置在第二活塞组件56B内。每个活塞1、2可以被选择性地(或一致地)致动以向钻头18提供导向偏移以在井筒中钻出弯曲部。每个活塞1、2的与井筒接触的端面可以具有包括诸如碳化钨或金刚石的硬质材料的表面，以延长活塞1、2的寿命。在图7中进一步示出，切削齿57可以放置在翻转特征件59上，该翻转特征围绕并界定导向组件52。翻转特征件59还可以限定相邻导向组件之间的排屑槽区域，以使泥浆将钻屑输送到地面。

如图7所示，在一个或多个实施例中，切削齿57可以放置在活塞1下方、在活塞1、2之间或在活塞2上方。此外，切削齿57可以以基本上等于或大于保径切削齿78的保径直径(GD)的直径放置。例如，上活塞2可以具有较大的公称直径，使得其可以使用在活塞1、2中间的切削齿57作为其L1基准(参见等式1)。在这种情况下，上活塞2推出新切的孔，而没有一个被下活塞1磨损。在这种情况下，两个活塞(1,2)都可以通过自己的L1实现DLS。此外，虽然切削齿57可以设置在导向组件52上，但是切削齿可以放置在旋转导向工具32的工具主体47上的其他位置，使得切削齿57和导向组件52的导向致动器(即，活塞1,2)之间存在距离。在一些实施例中，切削齿57在钻头18上方与钻头18的最上面的孔限定切割元件79相距等于或大于4英寸(10cm)、6英寸(15cm)或9英寸(23cm)的距离D处。例如，切削齿57可以在导向组件52的下端上(即，与旋转导向工具32的下连接端48相邻，该下连接端48连接到与钻头面25相对的钻头18的近端50。尽管图7示出了与下连接端48相邻的切削齿57，但切削齿57不限于与下连接端48相邻。在一些实施例中，切削齿57可以设置在导向组件52的上端上(即，与旋转导向工具32的上连接端49相邻，该上连接端49联接到BHA的井下工具51)。另外，切削齿57可以位于工具主体47上介于上连接端49和下连接端48之间的其他地方。

如上所述，本公开的切削齿57可以放置在旋转导向工具32上，诸如在图3至图7中。基于BHA中的工具的外径，BHA具有各种直径。在一个方面，第一直径是钻头的保径直径，并且第二直径是旋转导向工具上的切削齿的直径。另外，在第一直径(即钻头)和第二直径(即切削齿)之间存在距离D，并且该距离内的区域可以是连接界面、无源保径区域或用于其他目的(例如，感测)。在一些实施例中，第一直径(即，钻头)和第二直径(即，切削齿)之间的距离D等于或大于4英寸(10cm)、6英寸(15cm)或9英寸(23cm)。另外，第二直径与导向垫或致动器之间存在距离D'。在第一直径(即钻头)与导向垫或致动器之间也存在距离D”。D'小于D”。

然而，在一些实施例中，随着第一直径(即，钻头)和第二直径(即，切削齿)之间的距离增大，需要向内拉动无源保径区域上的避让以允许目标DLS。第一直径(即，钻头)和第二直径(即，切削齿)之间的区域可为可向外致动的，以改变钻头的侧向切削和DLS能力。一方面，第二直径(即，切削齿)在旋转导向工具的一个或多个导向致动器与钻头之间，因此，如应用于等式1的，所描述的系统具有改善的DLS能力。在一些实施例中，距离D包括直径小于第一直径(即，钻头)的部分。

在一些实施例中，第二直径(即，切削齿)在旋转导向工具的一个或多个导向致动器的上方。在这种情况下，将第二直径(即，切削齿)放置在一个或多个导向致动器上方不会帮助增加DLS，因为在这种情况下，L1距离(参见等式1)将为从钻头到一个或多个导向致动器。在切削齿在一个或多个导向致动器上方的情况下，切削齿可用作旋转导向工具的特征件的保护元件，如果该特征件被损坏，则该损坏将导致导向DLS丢失。另外，当在一个或多个导向致动器上方时，切削齿可以用于非导向功能，诸如打开井筒(例如，在扩孔时)或改善井筒质量。此外，在一些实施例中，切削齿可以是可致动的或放置在一个或多个导向致动器上。

此外，本公开的方法可包括使用旋转导向工具32和其他结构(诸如在图1和图3至图7中)。最初，钻机将钻头降低到地表，从而用钻头钻取井筒。随着钻头继续将井筒钻到更深的深度，连接到钻头的钻柱和BHA可旋转。另外，BHA的旋转导向工具在井筒内旋转。基于何时钻机的司钻需要导向以到达目标区域，司钻可以选择性地致动旋转导向工具以使钻头在自井筒的方向上偏转。然后，使钻头以不同于当前轨迹(例如，井筒的初始竖直轴线)的偏差偏转以在井筒中具有弯曲或水平轴线，从而在井筒内钻出弯曲孔。可以通过从钻机向旋转导向工具或控制单元发送信号来完成选择性地致动旋转导向工具，例如通过经由有线钻杆的电信号，通过遥测或通过其他已知方式来发送信号。一旦旋转导向工具穿过井筒的弯曲部分，旋转导向工具的切削齿就可以进一步切割和/或清洁井筒的弯曲部分。切削齿可以被选择性地致动以缩回或扩展到期望的直径以用于切割或不切割弯曲孔。此外，在弯曲孔中可形成突出部。通常在钻孔时，在钻孔中会形成突出部(即，钻孔壁不光滑)。突出部在弯曲孔中形成硬角，使井筒的均匀度降低，并且更容易发生卡管等问题。如果形成突出部，则切割弯曲孔的切削齿也可以切割形成在弯曲孔中的突出部。切削齿也可用作管下扩眼器或扩眼器，以改变来自钻头的井筒的直径。例如，钻头可被构造成钻出小于预期孔直径的孔直径。然后，与导向致动器相邻的切削齿可将钻头扩孔至所需的孔尺寸。可以基于目标角度或深度来预先确定井筒中与导向致动器相邻的切削齿的使用量；但是，井的参数和目标可发生变化，因此，切削齿的使用情况可实时变化(在使用可致动切削齿时)，以增大或减小与导向致动器相邻的切割结构的密度和直径。

本文描述了本公开的一个或多个具体实施例。这些描述的实施例是当前公开的技术的示例。另外，为了提供对这些实施例的简要描述，说明书中可能不会描述实际实施例的所有特征。应当理解，如同在任何工程或设计项目中一样，在开发任何此类实际实现方式时，都将作出与实施例特定相关的众多决定，以实现开发人员的特定目标，诸如遵守与系统相关以及与业务相关的约束，这些约束可能会随实施例而变化。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但是对受益于本公开的普通技术人员而言，这仍将是设计、制作和生产中的常规任务。

应当理解，对本公开的“一个实施例”或“实施例”的提及并不意图被解释为排除也结合了所述特征的附加实施例的存在。例如，关于本文的实施例描述的任何元件可以与本文描述的任何其他实施例的任何元件组合。如本公开的实施例所涵盖的本领域的普通技术人员将理解到的，本文中陈述的数字、百分比、比率或其他值旨在包括该值，以及“约为”或“近似”所述值的其他值。因此，应将所述值解释得足够宽泛以涵盖至少足够接近所述值的值，以执行期望的功能或实现期望的结果。所述值至少包括合适的制造或生产过程中预期的变化，并且可以包括在所述值的5％内、1％内、0.1％内或0.01％内的值。

鉴于本公开，本领域的普通技术人员应该认识到，等同的构造不脱离本公开的精神和范围，并且可以对本文公开的实施例进行各种改变、替换和变更而不脱离本公开的精神和范围。包括功能性“装置加功能”条款的等效构造旨在覆盖本文被描述成执行所述功能的结构，包括以相同方式操作的结构等效物以及提供相同功能的等效结构。本申请人的表达意图不是援引装置加功能或其他功能要求以用于任何权利要求，除了其中词语“用于......的装置”与相关功能一起出现的那些之外。落入权利要求的含义和范围内的对实施例的每个添加、删除和修改将被权利要求所涵盖。

应当理解，在前面的描述中任何方向或参考系仅是相对方向或移动。例如，对“上”和“下”或“上方”或“下方”的任何引用仅描述相关元件的相对位置或移动。

本公开可以在不脱离其精神或特性的情况下以其特定形式来体现。所描述的实施例应被认为仅是说明性的而不是限制性的。在所述权利要求的等效物的含义和范围内的变化都将包含在所述权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种旋转导向工具，其包括：

工具主体，其中所述工具主体具有上端和下端；

至少一个导向组件，所述至少一个导向组件从所述工具主体径向延伸并且包括至少一个导向致动器，所述至少一个导向致动器被构造成径向延伸超过所述导向组件的其他部分；和

至少一个切削齿，所述至少一个切削齿位于所述旋转导向工具上，与所述至少一个导向致动器相距一定距离，

其中当所述导向致动器未扩展时，除了所述至少一个切削齿之外，所述旋转导向工具具有第一直径，并且所述至少一个切削齿的直径大于所述第一直径。

2.根据权利要求1所述的旋转导向工具，其中所述至少一个导向组件包括被构造成容纳至少一个导向致动器的至少一个活塞组件。

3.根据权利要求2所述的旋转导向工具，其中所述导向致动器包括活塞，所述活塞在所述活塞组件内以扩展或缩回以提供导向偏移。

4.根据权利要求1所述的旋转导向工具，其中所述导向致动器包括可致动偏置垫。

5.根据权利要求1所述的旋转导向工具，其中所述至少一个切削齿可径向移动。

6.根据权利要求1所述的旋转导向工具，其中所述至少一个切削齿在所述至少一个导向组件上位于所述导向致动器下方。

7.根据权利要求1所述的旋转导向工具，其中所述至少一个切削齿在所述工具主体上与所述至少一个导向组件相对。

8.根据权利要求1所述的旋转导向工具，其还包括套筒，所述套筒可移除地附接到所述工具主体，其中所述至少一个切削齿在所述套筒上。

9.根据权利要求8所述的旋转导向工具，其中所述套筒与所述下端可操作地连接。

10.一种底部钻具组合，其包括：

在所述底部钻具组合的远端处的钻头，所述钻头具有：

钻头体；和

在其上的多个切割元件，所述多个切割元件包括限定所述钻头的保径的多个保径切削齿；以及

在所述钻头的近端处或与所述钻头的近端间隔开的导向单元，所述导向单元包括：

从导向单元主体延伸的至少一个导向组件，所述至少一个导向组件包括至少一个导向致动器，所述至少一个导向致动器被构造成延伸超过所述导向组件的其他部分，和

在所述导向单元上与所述至少一个导向致动器相距一定距离的至少一个切削齿，所述至少一个切削齿被构造成以与所述多个保径切削齿相同的直径进行切割，或者被构造成以大于所述多个保径切削齿的直径进行切割。

11.根据权利要求10所述的底部钻具组合，其中所述至少一个切削齿在所述至少一个导向组件上位于所述导向致动器下方。

12.根据权利要求10所述的底部钻具组合，其中所述导向单元主体包括被构造成容纳至少一个导向致动器的至少一个活塞组件。

13.根据权利要求10所述的底部钻具组合，其中所述导向致动器包括可致动偏置垫。

14.根据权利要求10所述的底部钻具组合，其还包括在所述钻头与所述至少一个切削齿之间的中间无源表面，所述中间无源表面是轴向区域，所述轴向区域的直径小于所述多个保径切削齿的所述直径。

15.根据权利要求10所述的底部钻具组合，其中所述至少一个切削齿与所述钻头的最上面的保径切割元件之间的距离等于或大于6英寸(15cm)。

16.根据权利要求15所述的底部钻具组合，其中所述至少一个切削齿与所述至少一个导向致动器之间的所述距离小于所述至少一个切削齿与所述钻头的最上面的保径切割元件之间的所述距离。

17.根据权利要求10所述的底部钻具组合，其还包括套筒，所述套筒可移除地附接到所述导向单元，其中所述至少一个切削齿设置在所述套筒上。

18.根据权利要求17所述的底部钻具组合，其中所述套筒与所述导向单元的下端可操作地连接。

19.一种底部钻具组合，其包括：

在所述底部钻具组合的一端处的钻头，所述钻头具有：

钻头体；和

在其上的多个切割元件，所述多个切割元件包括限定所述钻头的保径的多个保径切削齿；以及

在所述钻头的近端处或与所述钻头的近端间隔开的导向单元，所述导向单元包括：

从导向单元主体延伸的至少一个导向组件，所述至少一个导向组件包括至少一个导向致动器，所述至少一个导向致动器被构造成延伸超过所述导向组件的其他部分，和

在所述导向单元上的至少一个切削齿，所述至少一个切削齿被构造成以与所述多个保径切削齿相同的直径进行切割，或者被构造成以大于所述多个保径切削齿的直径进行切割，并且所述至少一个切削齿与所述钻头的最上面的保径切割元件之间的距离等于或大于6英寸(15cm)。

20.一种在井筒内钻出弯曲孔的方法，其包括：

用钻头钻取所述井筒；

在所述井筒内旋转在所述钻头上方的其上具有至少一个切削齿的旋转导向工具；

选择性地致动所述旋转导向工具以使所述钻头在自所述井筒的方向上偏转，从而在所述井筒内钻出所述弯曲孔；以及

用所述至少一个切削齿切割所述弯曲孔。

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