專利名稱：工具面?zhèn)鞲衅鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及一種確定工具面所指向的方向的方法；更具體地涉及一種確定底 部鉆具組合的可傾斜接頭的方位和/或角位移的方法。
背景技術(shù)：
用于在例如隨后在油或氣的開采中使用的地層中進行鉆井的導(dǎo)向系統(tǒng)是公知 的。 一種導(dǎo)向系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，所述旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)可以涉及鉆柱的大致連 續(xù)旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)可以被分類為"面向鉆頭"系統(tǒng)、"推進鉆頭"系統(tǒng)、或者甚至諸 如題為混合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的美國專利No. 7188685中所述的混合系統(tǒng)。美國專利申請出 版物No. 2002/0011359 ;No. 2001/0052428和美國專利No. 6， 394， 193 ;No. 6， 364， 034 ; No. 6， 244， 361 ;No. 6， 158， 529 ;No. 6， 092， 610和No. 5， 113， 953中說明了面向鉆頭型旋 轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的示例和所述面向鉆頭型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)是如何工作的，所有這些申請通過引 用在此并入。美國專利No. 5， 265， 682 ;No. 5， 553， 678 ;No. 5， 803， 185 ;No. 6， 089， 332 ; No. 5， 695， 015 ;No. 5， 685， 379 ;5， 706， 905 ;No. 5， 553， 679 ;No. 5， 673， 763 ;No. 5， 520， 255 ; No. 5,603， 385 ;No. 5， 582， 259 ;No. 5， 778,992 ;5,971,085中說明了推進鉆頭型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向 系統(tǒng)的示例和所述推進鉆頭型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)是如何工作的，所有這些申請通過引用在此并 入。 不管導(dǎo)向系統(tǒng)的類型，鉆井系統(tǒng)的底部鉆具組合可以包括可傾斜接頭。此接頭可 以例如用于使工具面沿期望的方向指向，所述工具面可以控制井眼擴展的方向。接頭相對 于底部鉆具組合的運動，例如可傾斜接頭指向的方向主要由導(dǎo)向致動器所施加的力來控 制，所述導(dǎo)向致動器可以由鉆井液提供動力。代替以旋轉(zhuǎn)底部鉆具組合作為參考，這些力可 以以地層固定框架作為參考，因此可以以慣性的方式參考致動器施加力以給可傾斜接頭指 向的方向。 諸如井底動態(tài)、彎曲、底部鉆具組合與地層的摩擦接觸、鉆頭反作用力、接頭摩擦 力、鉆壓等未知力作用以干擾可傾斜接頭(例如，工具面)所指向的方向。理想的是確定工 具面所指向的方向，或者更具體地確定底部鉆具組合的可傾斜接頭的方位和/或角位移。
可以通過可傾斜接頭上的求解儀或角度電位計、和/或測量可傾斜接頭與底部鉆 具組合之間的兩個非準(zhǔn)直面的相對運動(電感、電容等)的間隙傳感器直接測量可傾斜接 頭相對于底部鉆具組合的方位和/或角位移。然而，這種裝置所包括的諸如緊密公差可能 是不可能或不期望的。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，一種確定連接到底部鉆具組合的可傾斜接頭的方位的方法可以 包括以下步驟提供多個徑向設(shè)置的致動器，所述多個徑向設(shè)置的致動器由流體驅(qū)動以傾 斜可傾斜接頭；使可傾斜接頭相對于底部鉆具組合的已知方位與多個徑向設(shè)置的致動器的 一組已知的排出壓力相關(guān)；測量來自多個徑向設(shè)置的致動器中的至少一個的流體的排出壓力以生成一組排出壓力；和比較一組排出壓力和相關(guān)的一組已知的排出壓力，以確定可傾 斜接頭相對于底部鉆具組合的方位。所述方法可以包括以下步驟提供底部鉆具組合相對 于地層的傾角和方位角，和通過可傾斜接頭相對于底部鉆具組合的方位和底部鉆具組合相 對于地層的傾角和方位角求解可傾斜接頭相對于地層的傾角和方位角。 所述方法可以包括以下步驟從底部鉆具組合的孔供應(yīng)流體。流體可以是鉆井液。 所述方法可以包括以下步驟測量多個徑向設(shè)置的致動器的局部的流體供應(yīng)壓力和流體回 流壓力中的至少一個；和從排出壓力除去與流體供應(yīng)壓力和流體回流壓力中的至少一個相 關(guān)聯(lián)的任何壓力損失以生成一組排出壓力。所述一組已知的排出壓力是一組已知的最大排 出壓力。 在另一個實施例中，一種確定連接到底部鉆具組合的可傾斜接頭的角位移的方法
可以包括以下步驟提供多個徑向設(shè)置的致動器，所述多個徑向設(shè)置的致動器由流體驅(qū)動 以傾斜可傾斜接頭；使可傾斜接頭相對于底部鉆具組合的已知角位移與多個徑向設(shè)置的致
動器的一組已知的排出壓力相關(guān)；測量來自多個徑向設(shè)置的致動器中的至少一個的流體的 排出壓力以生成一組排出壓力；以及比較一組排出壓力和相關(guān)的一組已知的排出壓力以確 定可傾斜接頭相對于底部鉆具組合的角位移。 所述方法可以包括以下步驟提供底部鉆具組合相對于地層的傾角和方位角；以 及通過可傾斜接頭相對于底部鉆具組合的角位移和底部鉆具組合相對于地層的傾角和方 位角求解可傾斜接頭相對于地層的傾角和方位角。所述方法可以包括以下步驟從底部鉆 具組合的孔供應(yīng)流體。流體可以是鉆井液。所述方法可以包括以下步驟測量多個徑向設(shè) 置的致動器的局部的流體供應(yīng)壓力和流體回流壓力中的至少一個；以及從排出壓力除去與 流體供應(yīng)壓力和流體回流壓力中的至少一個相關(guān)聯(lián)的壓力損失，以生成一組排放壓力。一 組已知的排出壓力是一組已知的最大排出壓力。 在又一個實施例中，一種確定連接到底部鉆具組合的可傾斜接頭的角位移的方法 可以包括以下步驟提供多個徑向設(shè)置的致動器，所述多個徑向設(shè)置的致動器由流體驅(qū)動 以傾斜可傾斜接頭；測量來自多個徑向設(shè)置的致動器中的至少一個的流體的排出壓力以生 成一組排出壓力；從一組排出壓力得出一組排出流量；由一組排出流量對多個徑向設(shè)置的 致動器計算致動數(shù)據(jù)集的狀態(tài)；和從多個徑向設(shè)置的致動器的致動數(shù)據(jù)集的狀態(tài)確定可傾 斜接頭相對于底部鉆具組合的角位移。 所述計算致動數(shù)據(jù)集的狀態(tài)的步驟可以包括對一組排出流量相對于時間間隔進 行積分。所述計算致動數(shù)據(jù)集的狀態(tài)的步驟可以包括對一組排出流量相對于時間間隔進 行積分以生成一組體積數(shù)據(jù)；使排放流體的已知體積與已知致動器位移相關(guān)；以及通過一 組體積數(shù)據(jù)和與已知致動器位移相關(guān)的排放流體的已知體積生成致動數(shù)據(jù)集的狀態(tài)。所述 方法可以包括以下步驟由角位移計算角位移變化的速率。 所述方法可以包括以下步驟提供底部鉆具組合相對于地層的傾角和方位角；和 通過可傾斜接頭相對于底部鉆具組合的角位移和底部鉆具組合相對于地層的傾角和方位 角求解可傾斜接頭相對于地層的傾角和方位角。 所述方法可以包括以下步驟從底部鉆具組合的孔供應(yīng)流體，其中，流體是鉆井 液。所述方法可以包括以下步驟測量多個徑向設(shè)置的致動器的局部的流體供應(yīng)壓力和流 體回流壓力中的至少一個；和從排出壓力除去與流體供應(yīng)壓力和流體回流壓力中的至少一個相關(guān)聯(lián)的任何壓力損失，以生成一組排出壓力。所述一組已知的排出壓力是一組已知的 最大排出壓力。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有帶有可傾斜接頭的底部鉆具組合的旋轉(zhuǎn) 導(dǎo)向系統(tǒng)的示意性橫截面圖； 圖2是圖1的帶有可傾斜接頭的底部鉆具組合的示意性側(cè)視圖；以及
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的致動器的示意性橫截面圖。
具體實施例方式
本發(fā)明總體涉及一種確定工具面所指向的方向的方法；或者更具體地涉及一種確 定底部鉆具組合的可傾斜接頭的方位和/或角位移的方法。如這里所使用的，術(shù)語方位表 示相對于具體位置或物體的位置，例如， 一個物體相對于一個位置或另一個物體的偏斜的 方向。術(shù)語角位移表示相對于具體位置或物體的位置(即，方位)和所述物體與所述具體 位置或物體之間的偏斜度的大小，例如，一個物體相對于另一個物體偏斜的數(shù)值程度。
圖l-2說明了可以使用本發(fā)明的方法的一個具體實施例，然而，本方法不限于此。 圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有帶有可傾斜接頭6的底部鉆具組合4的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系 統(tǒng)2的示意性橫截面圖。圖2是圖1的底部鉆具組合4的可傾斜接頭6的示意性側(cè)視圖。 總體由4表示的圖1中的底部鉆具組合(BHA)連接到管狀鉆柱8的端部，所述管狀鉆柱可 以通過地面上的鉆機10以可旋轉(zhuǎn)的方式驅(qū)動以在地層14中鉆井眼12。除了提供用于旋轉(zhuǎn) 鉆柱8的原動力之外，鉆機10可以例如在壓力下通過管狀鉆柱8將鉆井液16供應(yīng)到底部 鉆具組合4。為了實現(xiàn)定向控制隨鉆，底部鉆具組合4的部件可以包括例如旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)2 的可傾斜接頭6和/或一個或多個鉆鋌穩(wěn)定器18、20。底部鉆具組合4的上部分22可以容 納電子設(shè)備和/或用于控制旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)2的其它裝置。 圖1-2中所示的底部鉆具組合4的可傾斜接頭6包括末端上的鉆頭24。鉆頭24 可以是本領(lǐng)域公知的任意類型。圖2示出了工具面28在致動的當(dāng)前狀態(tài)下的大致方向26， 且工具面28的大致方向26(例如，中心軸線)與底部鉆具組合4的中心軸線30之間偏斜 度大小為A。在使用中，底部鉆具組合的可傾斜接頭6可以允許工具面28與底部鉆具組合 4的中心軸線30偏斜，例如，使得鉆頭24的鉆頭軸線方向26限定井眼12生成的方向。
圖1-2中的本實施例的底部鉆具組合4的可傾斜接頭6包括旋轉(zhuǎn)接頭32，所述旋 轉(zhuǎn)接頭可以是萬向接頭。旋轉(zhuǎn)接頭32本身可以將來自泥漿馬達(dá)或鉆柱8的扭矩傳遞給鉆 頭24，或者可以通過其它裝置單獨傳遞所述扭矩。適當(dāng)?shù)呐ぞ貍鬟f裝置可以包括諸如花鍵 聯(lián)軸節(jié)、齒輪裝置、萬向接頭、和循環(huán)球裝置的許多公知的裝置。在一個實施例中，旋轉(zhuǎn)接頭 32可以為可傾斜接頭6提供360度樞轉(zhuǎn)點。旋轉(zhuǎn)接頭32可以是兩度自由度接頭。如這里 所述，可傾斜接頭表示用于使一端相對于另一端以可變化的方式偏斜的任何設(shè)備。傾斜接 頭的非限制示例包括諸如美國專利申請No. 10/248,053中所述的自傾斜頭鉆頭和傾斜套 管，該申請通過引用在此并入。 可以通過如本領(lǐng)域公知的一個或多個致動器34、 36提供使可傾斜接頭6相對于底 部鉆具組合4傾斜的力。致動器34、36可以通過諸如鉆井液16的流體被原動驅(qū)動。液壓致動器可以包括放諸如雙穩(wěn)態(tài)致動器的卸閥致動器和鉆井系統(tǒng)，所述鉆井系統(tǒng)包括如通過 引用在此并入的美國專利申請No. 11/609996中所述的致動器一樣的致動器。致動器34、36 可以包括氣缸和由原動流體驅(qū)動的活塞。 在圖2中的實施例的視圖中，示出了兩個致動器34、36 ;然而，可以使用任意數(shù)量 的致動器以例如實現(xiàn)對傾斜控制的期望的水平。本實施例包括通過旋轉(zhuǎn)接頭32設(shè)置在底 部鉆具組合4的心軸40上的套管38。套管38可以相對于底部鉆具組合4繞著旋轉(zhuǎn)接頭32 通過一個或多個致動器34、36間歇移動，以例如主動地保持工具面28沿具體方向所指向的 大致方向26，同時整個組合可以以鉆鋌8的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)。術(shù)語被主動傾斜表示當(dāng)與公知 的固定位移單位相比時旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)2如何以動力學(xué)的方式被定向的不同。被主動傾斜表 示沒有一組固定方位(例如，工具面所指向的方向)和/或角位移(工具面在一方向上指 向的量)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)2。當(dāng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)2操作時，可以以動力學(xué)的方式改變方位和/ 或角位移。 期望的是確定工具面28相對于底部鉆具組合4和/或地層14的方位和/或角位 移。例如，可以期望的是主動將工具面28保持在對地靜止的方位。在圖l-2中的實施例中， 鉆頭24的工具面28相對于底部鉆具組合4的位置主要經(jīng)由致動器34、36通過使套管38傾 斜來控制，所述套管具有連接到其末端的鉆頭24。當(dāng)?shù)撞裤@具組合4旋轉(zhuǎn)時，致動器34、36 可以連續(xù)致動，使得相對于正在被鉆井的地層14將鉆頭24的傾斜主動地保持在期望方向 上。可選地或者另外地，當(dāng)?shù)撞裤@具組合4旋轉(zhuǎn)時，致動器34、36可以以隨機方式間歇致動， 或者以方向加權(quán)(directionallyieighted)的半隨機方式間歇致動以提供較少的主動導(dǎo) 向。還有一種情況是在鉆井期間理想的是同時起動致動器34、36的組合或所有致動器，或 者不同時起動所述致動器。 在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)2中，鉆柱8可以恒定旋轉(zhuǎn)，因此，與以底部鉆具組合4固定框架 做參考相反，對在地層14內(nèi)生成井眼12的導(dǎo)向可以產(chǎn)生對工具面28或連接到可傾斜接頭 6的其它裝置的方位和/或角位移相對于地層14固定框架做參考的需要。在圖示的實施例 中，地層固定框架可以允許以慣性的方式參考推動套管38的方向，因此參考所述套管所指 向的方向。方位可以參考底部鉆具組合4(例如，底部鉆具組合4上的固定點)。底部鉆具 組合4的末端可以限定坐標(biāo)系，且0-360度表示相對于底部鉆具組合4的固定點的偏斜方 位。角位移可以包括方位(例如，徑向位移)以及在所述方向上的軸向偏斜度的大小，例如 由附圖標(biāo)記A表示的如圖2中所示的可傾斜接頭6軸線26與底部鉆具組合4的中心軸線 30之間的軸向偏斜度的大小。方位說明了可傾斜接頭相對于一些固定點(例如，底部鉆具 組合4)偏斜的方向，而角位移包括在所述方向上的軸向偏斜度的大小(例如，附圖標(biāo)記A)。
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井可以包括在底部鉆具組合4的旋轉(zhuǎn)期間選擇性地起動適當(dāng)?shù)闹聞?器(一個或多個)以實現(xiàn)鉆頭24相對于地層14的期望運動，例如，以在井眼12內(nèi)形成曲 線或狗腿或者到達(dá)地層14內(nèi)的預(yù)定位置。這里公開了一種確定可傾斜接頭6相對于與所 述可傾斜接頭6連接的底部鉆具組合4和/或相對于地層14的方位和/或角位移的傳感 器方法。 致動器34、36可以包括但不局限于提供使可傾斜接頭6傾斜的力的流體壓力系 統(tǒng)、波紋管、或具有可移動活塞的氣缸。致動器可以包括用于將流水剪切力轉(zhuǎn)化成機械運動 的任意裝置。諸如鉆井液的流體可以提供驅(qū)動諸如波紋管、活塞等的流體壓力系統(tǒng)的力，所
7述驅(qū)動力使可傾斜接頭6傾斜。 在圖1-2中的實施例中，多個致動器34、36徑向設(shè)置以允許相對于底部鉆具組合 4進行徑向偏斜，S卩，鉆頭24的導(dǎo)向。所包括的致動器的數(shù)量與設(shè)計有關(guān)，并且可以包括l、 2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、50個等以提供對可傾斜接頭6的傾斜期望的控制水平。致動器 34、36可以包括例如如圖3中所示的放卸閥42。放卸閥42可以允許通過從所述放卸閥釋 放流體而使致動器收回。在一個實施例中，利用套管38在致動器的驅(qū)動狀態(tài)下將所述致動 器推到完全伸出，并且在傾卸狀態(tài)期間套管38的隨后運動將推入致動器，因此流體的體積 排量將反映致動器運動。 圖3中的實施例的放卸閥42包括入口 44，例如，通過底部鉆具組合4內(nèi)的與鉆柱 8的孔連通的孔供應(yīng)的鉆井液16的流體供應(yīng)到所述入口。圖3中的放卸閥42包括與致動 器(例如，流體壓力系統(tǒng)、波紋管、或具有可移動活塞的氣缸)連通的第一出口 46，放卸閥 42與所述第一出口相關(guān)聯(lián)。放卸閥42的第二出口 48可以通過流動通道與諸如底部鉆具組 合4的孔和/或井眼12的環(huán)狀空間的低壓區(qū)連通。入口 44以及第一和第二出口 46、48都 可以與形成在放卸閥42內(nèi)的室50連通。閥構(gòu)件52位于室50內(nèi)，且閥構(gòu)件52被引導(dǎo)成用 于在第一位置與第二位置之間往復(fù)運動，在所述第一位置，閥構(gòu)件52的一個端部56接合與 第一出口 46相關(guān)聯(lián)的底座，從而閉合第一出口 46，且在閥構(gòu)件52位于此位置的情況下，流 體能夠從入口 44流動到室50并且通過第二出口 48 ;在所述第二位置，閥構(gòu)件52的相對端 部54接合與第二出口 48相關(guān)聯(lián)的底座，從而閉合第二出口 48，同時允許流體從入口 44通 過室50流動到第一出口 46。閥構(gòu)件52還可以位于其中兩個出口 46、48都沒有閉合的中心 位置。圖3示出了放卸閥42，其中閥構(gòu)件52位于第二位置，S卩，允許流體進入到致動器(例 如，活塞/波紋管等內(nèi))。電磁致動器裝置或機械致動器裝置58可以被設(shè)置成驅(qū)動閥構(gòu)件 52。要認(rèn)識的是一旦閥構(gòu)件52移動到其第一位置，閥構(gòu)件52關(guān)閉第一出口 46，并且相反 地，在室50與第二出口 48之間建立連通。當(dāng)破壞室50與第一出口 46之間的連通時，要認(rèn) 識的相關(guān)聯(lián)的致動器(例如，氣缸、波紋管等)內(nèi)的流體壓力可以下降，從而流體通過排出 端口 (例如，第二出口48或單獨的排出端口)流出，從而使致動器波紋管、活塞等返回到收 回狀態(tài)。 放卸閥42可以在高壓流體源(例如，在"驅(qū)動 〃 狀態(tài)下)與低壓槽(例如，在"傾 卸"狀態(tài))之間切換機械致動器裝置(例如，活塞、波紋管等)。放卸閥42可以在諸如用鉆 井液16作為驅(qū)動致動器的原動流體的閉環(huán)系統(tǒng)或開環(huán)系統(tǒng)中使用。在傾卸狀態(tài)下，根據(jù)活 塞、波紋管等的運動(例如，收回)，可以迫使流體移動出致動器34、36的活塞、波紋管等。
可以選擇性地起動致動器34、36以通常以地層14為參考在期望的方向上對工具 進行導(dǎo)向。在本實施例中，當(dāng)工具面28的方向26大致確定井眼12擴展的方向時，理想的 是確定工具面28或通過可傾斜接頭6連接的其它裝置的方向26。例如，控制致動器34、36 的起動的監(jiān)測或控制系統(tǒng)可以使用工具面28相對于底部鉆具組合4和/或地層14的方向 26。 具體地，理想的是可以確定方位和/或角位移。例如，可以確定可傾斜接頭6相對 于底部鉆具組合4的方位。另外地或者可選地，可以確定包括偏斜的方位和大小的角位移。 例如，可以確定可傾斜接頭6相對于底部鉆具組合4的角位移。 與機械測量可傾斜接頭6指向的方向26相反，可以使用致動器34、36的部件以用
8作方向傳感器。例如，在放卸狀態(tài)期間的致動流體的壓力(即，排出壓力)在確定可傾斜接 頭6所指向的方向26時可以是有用的。例如，如圖3中所示的壓力傳感器60可以與致動 器34、36的排出壓力連通。壓力傳感器60的并入可以涉及最小變化的一種方法將為來自 壓力傳感器60的動力和信號使用與放卸閥42相同的布線。 可以在多個實施例中使用傾卸致動流體的排出壓力以確定可傾斜接頭6所指向 的方向。可以確定排出壓力與致動器34、36的運動之間的關(guān)系。更具體地，在一個實施例 中，來自致動器(一個或多個)34、36的排出壓力可以用于推導(dǎo)來自致動器34、36的流體的 流量。如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所公知的，用于可壓緊和/或不可壓縮流體的伯努利方程 可以用于由排出壓力得出流量。即，在本實施例中，可以測量壓力，從而已經(jīng)知道密度是多 少以確定體積流量。由于壓力變化表現(xiàn)在入口流量以及出口流上，因此，測量入口壓力，壓 力會成為此的另一種變形。對于與推動塊(pad)打開順序相關(guān)以確定哪一個活塞正在被打 開的所有推動塊來說，入口流可以是單個傳感器。例如，可以由壓差(例如，井眼12的環(huán)狀 空間與致動器34、36之間的壓差)產(chǎn)生進入致動器內(nèi)的流體的流動?？梢砸阎獕翰睢⒘黧w 密度、和/或排量系數(shù)，因此可以得出流量。流量可以等于面積乘以流體的速度?？梢允沽?量對時間間隔進行積分以提供致動器(例如，在氣缸中移動的活塞)的運動隨時間的變化。 流量的積分是在所述時間間隔內(nèi)從致動器34、36排出的流體的體積。當(dāng)可以已知與致動水 平相對應(yīng)的排出的流體的體積(例如，致動器的總體積)時，可以由這組體積數(shù)據(jù)計算致動 器的運動。例如，可以使從致動器排放的已知流體的體積與已知的致動器位移相關(guān)。相關(guān) 可以包括將可傾斜接頭6或更具體地將所述可傾斜接頭的致動器設(shè)置到期望的方位和/或 角位移，并且測量由所述設(shè)置步驟產(chǎn)生的排放流體的相應(yīng)的排出壓力或體積?？梢院喜⒅?動器的運動以形成致動數(shù)據(jù)集的狀態(tài)。 在已知致動狀態(tài)(例如，致動器的運動)的情況下，例如，當(dāng)可以已知致動器(一 個或多個)與可傾斜接頭6的機械關(guān)系時，可以計算可傾斜接頭6的相應(yīng)的運動?？蓛A斜 接頭6的運動或更具體地所述可傾斜接頭6的可偏斜部分的方位和/或角位移可以以底部 鉆具組合4和/或地層14為參考。例如，當(dāng)致動器不能變化時，方位可能是理想的，例如從 而僅實現(xiàn)可傾斜接頭6的最大或最小偏斜。在一個實施例中，方位可以是徑向方向的形式， 可傾斜接頭6沿所述徑向方向相對于底部鉆具組合4偏斜。當(dāng)不期望確定偏斜的大小時， 方位的使用可能是理想的。例如，當(dāng)可傾斜接頭6能夠總是迫使接頭進入所述可傾斜接頭 偏斜的最大水平時，已知偏斜角A，且方位可以求解工具面28相對于地層14所指向的方向 (例如，傾角和方位角)。 壓力傳感器(一個或多個)60還可以用于確定可傾斜接頭6的方位和/或角位移， 而無需對一組排出流量進行積分。在一個實施例中，可以使已知的可傾斜接頭6的方位和 /或角位移可以與一組已知的排出壓力相關(guān)。已知的排出壓力可以是從例如傾卸狀態(tài)下的 致動器排放的流體的最大排出壓力。在地層14內(nèi)使用可傾斜接頭之前可以確定與已知的 方位和/或角位移相對應(yīng)的一組已知的排出壓力。測量的排出壓力(一個或多個)則可以 與所述一組已知的排出壓力(一個或多個)進行比較，以為所述測量的排出壓力提供相對 應(yīng)的方位。在這樣一個實施例中，相對應(yīng)的方位是在測量的排出壓力處的方位。
當(dāng)致動器可以徑向設(shè)置，例如繞著底部鉆具組合4的軸線30沿圓周方向設(shè)置時， 來自致動器的排出壓力可以用于確定可傾斜接頭6相對于底部鉆具組合4的方位和/或角位移。在一個實施例中，最大排出壓力由克服當(dāng)流體由于諸如氣缸中的活塞、波紋管等的致 動器收回而被排出時的流動限制所需的壓力產(chǎn)生。通過測量這種最大排出壓力并且將所述 最大排出壓力與與可傾斜接頭6的已知方位和/或角位移相對應(yīng)的已知最大排出壓力相比 較，可以確定與測量的最大排出壓力相對應(yīng)的可傾斜接頭6的方位和/或角位移。
在一個實施例中，最大排出壓力可以作為放卸閥42的致動信號的參考以確定可 傾斜接頭6的位置(例如，方位和/或角位移)。如果可傾斜接頭6精確地位于所要求的射 角(firing angle)處，則在此實施例中，可傾斜接頭6和傾卸狀態(tài)期間的排出壓力的最大 值相位錯開180度。如果可傾斜接頭6在不同的位置處，最大排出壓力將相對于射角處于 不同的位置處。角位移還可以用于確定角位移對時間間隔的比。 不管方法，排出壓力測量值還可以用于操縱精度。再次參照圖3中的實施例，原始 排出壓力通過壓力傳感器60返回。排出壓力可以取決于排出端口前后的壓力(例如，流體 供應(yīng)壓力和流體回流壓力)?？梢詼y量流體供應(yīng)壓力(例如，在端口 44處)和/或流體回 流壓力(例如，第二出口 48的下游)，并且從由壓力傳感器60測量的排出壓力除去所述流 體供應(yīng)壓力和/或所述流體回流壓力。流體回流壓力可以是底部鉆具組合4與井眼12之 間的環(huán)狀空間內(nèi)的壓力。如果對可傾斜接頭6的沖擊使甚至在放卸閥42處于驅(qū)動狀態(tài)下 的情況下也可測量的致動器排出壓力(例如，氣缸中的活塞、波紋管等)產(chǎn)生尖值，則還可 以使用這種方法。 在確定可傾斜接頭6相對于底部鉆具組合4所指向的方向(例如，方位和/或角 位移)之后，可以確定相對于地層14的方向，或者更具體地可以確定可傾斜接頭6相對于 地層的傾角和方位角。當(dāng)?shù)撞裤@具組合4例如在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井中旋轉(zhuǎn)時，這可以是理想的。 當(dāng)?shù)撞裤@具組合2還旋轉(zhuǎn)時，在使用期間，可傾斜接頭6可以相對于底部鉆具組合4的軸線 30下垂。 可以通過提供底部鉆具組合4的傾角和方位角來確定例如工具面28的可傾斜接 頭6的傾角和方位角。如本領(lǐng)域所公知的，提供傾角和方位角數(shù)據(jù)的一個非限制方法是將 適當(dāng)?shù)臏y量裝置放置在底部鉆具組合4中?？蓛A斜接頭6相對于底部鉆具組合4的方位和 /或角位移可以用于求解可傾斜接頭6相對于地層14的傾角和方位角。在一個實施例中， 套管可以在零度偏斜度(例如，與底部鉆具組合4的軸線30同軸)與如圖2中所示的最大 偏斜度A之間延伸。確定的方位(例如，可傾斜接頭6的徑向方向所指向的方向)可以用 于求解可傾斜接頭6相對于地層14的傾角和方位角。如本領(lǐng)域所公知的，求解可以包括幾 何計算?？梢詫崟r地計算可傾斜接頭6所指向的方向(例如，方位、角位移、和/或傾角和 方位角)。 壓力信號的振幅可以取決于流體、特性(即，鉆井液)；然而，在當(dāng)所有致動器34、 36接收相同流體的實施例中，即使傾角的大小是未知的，也可以通過適當(dāng)?shù)谋戎禍y量方法 確定方位。 角位移包括方位和偏斜度，并且可以與底部鉆具組合4相對于地層14的傾角和方 位角一起使用以求解可傾斜接頭6相對于地層14的傾角和方位角。因此在不需要直接測 量可傾斜接頭6與底部鉆具組合4之間的角位移的情況下可以確定可傾斜接頭6 (例如，鉆 頭24的工具面28的軸線方向26)的傾角和方位角。 以上步驟中的任意組合或所有步驟都可以通過計算機完成。通過以上概述的任何方法獲得的關(guān)于致動器狀態(tài)的數(shù)據(jù)(例如，壓力)可以證明是有噪聲的。要認(rèn)識的是可以隨意地使用過濾或其它信號調(diào)節(jié)方法?？刂评缗懦鰤毫?shù)據(jù)的信號品質(zhì)的另一個方法是進行信號質(zhì)量測量。這種方案可以使用諸如信噪比的測量值，或者比較測量的信號的大小與信號的移動平均值以確定是否一些快速的瞬變值已經(jīng)使當(dāng)前樣品無效?？梢缘玫礁鶕?jù)信號的質(zhì)量將加權(quán)值施加給信號的邏輯(例如，使用模糊邏輯)，使得可以忽略不準(zhǔn)確的信號數(shù)據(jù)并且系使統(tǒng)回復(fù)到外環(huán)控制。 已經(jīng)公開了多個實施例和所述實施例的可選形式。雖然以上公開包括了如由發(fā)明人所構(gòu)思的實施本發(fā)明的最佳方式，但是不是所有可能的可選形式已經(jīng)被公開。為此，本發(fā)明的保護范圍和局限性不限于以上公開，而是相反由所附權(quán)利要求限定和解釋。
1權(quán)利要求
一種確定連接到底部鉆具組合的可傾斜接頭的方位的方法，包括以下步驟提供多個徑向設(shè)置的致動器，所述多個徑向設(shè)置的致動器由流體驅(qū)動以傾斜所述可傾斜接頭；使所述可傾斜接頭相對于所述底部鉆具組合的已知方位與所述多個徑向設(shè)置的致動器的一組已知的排出壓力相關(guān)；測量來自所述多個徑向設(shè)置的致動器中的至少一個的所述流體的排出壓力以生成一組排出壓力；和比較所述一組排出壓力和相關(guān)的所述一組已知的排出壓力，以確定所述可傾斜接頭相對于所述底部鉆具組合的方位。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟 提供所述底部鉆具組合相對于地層的傾角和方位角；禾口通過所述可傾斜接頭相對于所述底部鉆具組合的方位和所述底部鉆具組合相對于所 述地層的傾角和方位角求解所述可傾斜接頭相對于所述地層的傾角和方位角。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟 從所述底部鉆具組合的孔供應(yīng)所述流體，其中，所述流體是鉆井液。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，還包括以下步驟測量所述多個徑向設(shè)置的致動器的局部的流體供應(yīng)壓力和流體回流壓力中的至少一 個；和從所述排出壓力除去與所述流體供應(yīng)壓力和所述流體回流壓力中的至少一個相關(guān)聯(lián) 的任何壓力損失以生成所述一組排出壓力。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述一組已知的排出壓力是一組已知的最大排 出壓力。
6. —種確定連接到底部鉆具組合的可傾斜接頭的角位移的方法，包括以下步驟 提供多個徑向設(shè)置的致動器，所述致動器由流體驅(qū)動以傾斜所述可傾斜接頭； 使所述可傾斜接頭相對于所述底部鉆具組合的已知角位移與所述多個徑向設(shè)置的致動器的一組已知的排出壓力相關(guān)；測量來自所述多個徑向設(shè)置的致動器中的至少一個的所述流體的排出壓力以生成一 組排出壓力；禾口比較所述一組排出壓力和相關(guān)的所述一組已知的排出壓力以確定所述可傾斜接頭相 對于所述底部鉆具組合的角位移。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括以下步驟 提供所述底部鉆具組合相對于地層的傾角和方位角；禾口通過所述可傾斜接頭相對于所述底部鉆具組合的所述角位移和所述底部鉆具組合相 對于所述地層的所述傾角和方位角求解所述可傾斜接頭相對于所述地層的傾角和方位角。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括以下步驟 從所述底部鉆具組合的孔供應(yīng)所述流體，其中，所述流體是鉆井液。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括以下步驟測量所述多個徑向設(shè)置的致動器的局部的流體供應(yīng)壓力和流體回流壓力中的至少一 個；和從所述排出壓力除去與所述流體供應(yīng)壓力和所述流體回流壓力的至少一個相關(guān)聯(lián)的 壓力損失，以生成所述一組排出壓力。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述一組已知的排出壓力是一組已知的最大排 出壓力。
11. 一種確定連接到底部鉆具組合的可傾斜接頭的角位移的方法，包括以下步驟 提供多個徑向設(shè)置的致動器，所述致動器由流體驅(qū)動以傾斜所述可傾斜接頭； 測量來自所述多個徑向設(shè)置的致動器中的至少一個的所述流體的排出壓力以生成一組排出壓力；從所述一組排出壓力得出一組排出流量；由所述一組排出流量對所述多個徑向設(shè)置的致動器計算致動數(shù)據(jù)集的狀態(tài)；禾口 從所述多個徑向設(shè)置的致動器的致動數(shù)據(jù)集的所述狀態(tài)確定所述可傾斜接頭相對于 所述底部鉆具組合的角位移。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其中，計算所述致動數(shù)據(jù)集的狀態(tài)的步驟包括對所 述一組排出流量相對于時間間隔進行積分。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述計算致動數(shù)據(jù)集的狀態(tài)的步驟包括 對所述一組排出流量相對于時間間隔進行積分以生成一組體積數(shù)據(jù)； 使排放流體的已知體積與已知致動器位移相關(guān)；禾口通過所述一組體積數(shù)據(jù)和與所述已知致動器位移相關(guān)的所述排放流體的已知體積生 成所述致動數(shù)據(jù)集的狀態(tài)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，還包括以下步驟 由所述角位移計算角位移變化的速率。
15. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，還包括以下步驟 提供所述底部鉆具組合相對于地層的傾角和方位角；禾口通過所述可傾斜接頭相對于所述底部鉆具組合的所述角位移和所述底部鉆具組合相 對于所述地層的傾角和方位角求解所述可傾斜接頭相對于所述地層的傾角和方位角。
16. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，還包括以下步驟 從所述底部鉆具組合的孔供應(yīng)所述流體，其中，所述流體是鉆井液。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括以下步驟測量所述多個徑向設(shè)置的致動器的局部的流體供應(yīng)壓力和流體回流壓力中的至少一 個；和從所述排出壓力除去與所述流體供應(yīng)壓力和所述流體回流壓力中的至少一個相關(guān)聯(lián) 的任何壓力損失，以生成所述一組排出壓力。
18. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述一組已知的排出壓力是一組已知的最大 排出壓力。
全文摘要
本發(fā)明公開一種工具面?zhèn)鞲衅鞣椒?。來自可以使底部鉆具組合(4)的接頭(6)傾斜的至少一個致動器(34，36)排出壓力可以用于確定可傾斜接頭(6)所指向的方向(26)(例如，方位、角位移、和/或傾角和方位角)。在一個實施例中，已知的排出壓力可以與已知的方位和/或角位移相關(guān)，并且可以將測量的排出壓力與已知的排出壓力進行比較以確定方位和/或角位移。在另一個實施例中，從致動器(34，36)排放的流體的流量可以由排出壓力得出。排放流量則可以用于計算致動的狀態(tài)，所述致動的狀態(tài)可以允許確定可傾斜接頭(6)的角位移。相對于底部鉆具組合(4)的方位和/或角位移可以被求解成為相對于地層(14)的傾角和方位角。
文檔編號E21B47/024GK101765697SQ200880101011
公開日2010年6月30日 申請日期2008年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月30日
發(fā)明者喬夫·當(dāng)頓, 彼得·霍恩布勞爾, 愛德華·理查德, 馬丁·貝力斯 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司