用于控制在地球地層中鉆井眼用的鉆井系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明總體涉及一種用于控制在地球地層中鉆井眼用的鉆井系統(tǒng)的方法和系統(tǒng)。更具體地，但不是以限制性的方式，本發(fā)明的實施例提供用于控制鉆井眼用的鉆井系統(tǒng)與正在被鉆進的井眼的內(nèi)表面之間的相互作用以對鉆井系統(tǒng)進行導向從而定向鉆井眼的系統(tǒng)和方法。在本發(fā)明的另一個實施例中，可以感測關于鉆井系統(tǒng)鉆井眼時所述鉆井系統(tǒng)的功能的數(shù)據(jù)，并且可以響應于所感測的數(shù)據(jù)控制用于鉆井眼的鉆井系統(tǒng)與井眼的內(nèi)表面之間的相互作用，以在正在鉆井眼時控制鉆井系統(tǒng)。
【專利說明】用于控制在地球地層中鉆井眼用的鉆井系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001]本公開總體涉及一種用于控制在地球地層中鉆井眼用的鉆井系統(tǒng)的方法和系統(tǒng)。更具體地，但不是以限制性的方式，在本發(fā)明的一個實施例中，提供一種用于控制鉆井眼用的鉆井系統(tǒng)與正在被所述鉆井系統(tǒng)鉆進的井眼的內(nèi)表面之間的相互作用以對鉆井系統(tǒng)進行導向從而將井眼定向鉆通地球地層的系統(tǒng)和方法。在本發(fā)明的一些方面中，可以控制鉆井系統(tǒng)以使得井眼到達靶區(qū)目標。
[0002]在本發(fā)明的另一個實施例中，可以感測關于鉆井系統(tǒng)鉆井眼時所述鉆井系統(tǒng)的功能的數(shù)據(jù)，并且可以響應于所感測的數(shù)據(jù)控制用于鉆井眼的鉆井系統(tǒng)與井眼的內(nèi)表面之間的相互作用，以用于控制鉆井系統(tǒng)的操作。在一些方面中，可以控制鉆井系統(tǒng)與內(nèi)表面之間的相互作用以用于控制鉆頭與地球地層的相互作用。
【背景技術】
[0003]在許多行業(yè)中，通常期望的是通過地球地層定向鉆進一口井眼或者在地下地層中的井中取心，以便井眼和/或取心可以包圍和/或通過地層內(nèi)的沉積物和/或儲層，以到達地層和/或類似地層內(nèi)的預定目標。當在地下地層中鉆井或取心時，有時期望能夠改變和控制鉆進方向，以例如朝向期望的靶心引導井眼，或者一旦已經(jīng)到達靶心則水平控制在含有油氣的區(qū)域內(nèi)的方向。還期望的是當鉆直井時可對偏離期望方向的井斜進行校正，或者控制井的方向以避免障礙物。
[0004]例如，在油氣行業(yè)中，可以進行鉆井以截取具體位置處具體的地下地層。在一些鉆井過程中，為了鉆期望的井眼，可以預先設計通過地球地層的鉆井軌跡，并且可以控制鉆井系統(tǒng)以與軌跡一致。在其它過程中，或者在與前述過程的結合中，在鉆井過程期間，可以確定用于井眼的目標并可以監(jiān)測正在地球地層內(nèi)鉆進井眼的進程，并且可以采用用于確保井眼到達靶區(qū)目標的步驟。此外，可以控制鉆井系統(tǒng)的操作以提供經(jīng)濟鉆井，所述經(jīng)濟鉆井可以包括進行鉆進以盡快鉆通地球地層，進行鉆進以減小鉆頭磨損，進行鉆進以獲得通過地球地層的最佳鉆井和最佳鉆頭磨損和/或類似結果。
[0005]鉆井的一個方面被稱作“定向鉆井”。定向鉆井是有意使井眼偏離所述井眼本身所通過的路徑。換句話說，定向鉆井是對鉆柱進行導向，使得所述鉆柱沿期望的方向移動。
[0006]因為定向鉆井能夠從單個平臺鉆多口井，因此定向鉆井的優(yōu)勢在于海上鉆井。定向鉆井還能夠通過儲層進行水平鉆井。水平鉆井能夠使更長的井筒穿過儲層，這增加了井
的生產(chǎn)率。
[0007]定向鉆井系統(tǒng)同樣也可以用于垂直鉆井操作中。通常，鉆頭由于被穿過的地層的不可預測的特性或鉆頭受到的變化力而離開設計好的鉆井軌跡。當這種井斜發(fā)生時，定向鉆井系統(tǒng)可以用于將鉆頭放回在規(guī)定的軌跡上。
[0008]用于井眼的定向鉆進的監(jiān)測過程可以包括確定鉆頭在地球地層內(nèi)的位置、確定鉆頭在地球地層中的方位、確定鉆井系統(tǒng)的鉆壓、確定通過地球地層的鉆井速度、確定正在被鉆進的地球地層的特性、確定包圍鉆頭的地層的特性、期望確定鉆頭前面的地層的特性、對地球地層進行地震分析、確定鄰近鉆頭的儲層等的特性、測量井眼內(nèi)和/或井眼或類似物周圍的地層的壓力、溫度和/或類似參數(shù)。在用于井眼的定向鉆進的任一過程中，不管是否在預先設計的軌跡之后、是否監(jiān)測鉆井過程和/或鉆井條件和/或類似操作，必需能夠對鉆井系統(tǒng)進行導向。
[0009]在鉆井操作期間作用在鉆頭上的力包括重力、由鉆頭產(chǎn)生的扭矩、施加到鉆頭的端部載荷、和來自鉆柱組合的彎矩。這些力與正在被鉆進的地層類型和地層相對于井眼的傾角一起可以在鉆井過程期間產(chǎn)生復雜的相互作用的力系。
[0010]鉆井系統(tǒng)可以包括“旋轉鉆井”系統(tǒng)，在所述旋轉鉆井系統(tǒng)中，包括鉆頭的底部鉆具組合連接到可以從鉆井平臺被驅動/旋轉的鉆柱。在旋轉鉆井系統(tǒng)中，可以通過改變諸如鉆壓、旋轉速度等因素提供井眼的定向鉆井。
[0011]相對于旋轉鉆井，定向鉆井公知的方法包括使用旋轉鉆井系統(tǒng)(RSS)。在RSS中，鉆柱從地面旋轉，并且井下裝置使鉆頭沿期望的方向鉆進。旋轉鉆柱大大減少了鉆井期間鉆柱懸空或卡鉆的發(fā)生。
[0012]用于將斜井鉆進到地球內(nèi)的旋轉導向鉆井系統(tǒng)可以大致分類為“面向鉆頭”系統(tǒng)或“推進鉆頭”系統(tǒng)。在面向鉆頭系統(tǒng)中，鉆頭的旋轉軸線沿新井的大致方向偏離底部鉆具組合(“BHA”)的局部軸線。根據(jù)由上下穩(wěn)定器接觸點和鉆頭限定的常規(guī)三點幾何尺寸擴展井。與鉆頭和下穩(wěn)定器之間的有限距離相關聯(lián)的鉆頭軸線的偏斜角產(chǎn)生要生成的彎曲所需的非共線條件。有許多方法可以實現(xiàn)此，包括在底部鉆具組合中靠近下穩(wěn)定器的點處的固定彎曲或在上穩(wěn)定器與下穩(wěn)定器之間分布的鉆頭驅動軸的撓曲。
[0013]面向鉆頭可以包括使用井下馬達旋轉鉆頭，且馬達和鉆頭安裝在包括具有角度的彎頭的鉆柱上。在這種系統(tǒng)中，鉆頭可以通過懸掛型或傾斜機構/接頭、彎接頭或類似機構連接到馬達，其中，鉆頭可以相對于馬達傾斜。當需要改變鉆井方向時，可以使鉆柱停止旋轉，并且鉆頭可以沿期望的方向位于井下，從而使用井下馬達，并且鉆頭的旋轉可以使沿期望的方向的鉆進開始。在這種布置中，鉆進方向取決于鉆柱的角位移。
[0014]在鉆頭的理想形式中，在面向鉆頭系統(tǒng)中，因為鉆頭軸線沿彎曲井的方向連續(xù)旋轉，因此，鉆頭不需要進行側向鉆切。美國專利申請出版物N0.2002/0011359 ；2001/0052428 和美國專利 N0.6，394，193 ;6，364，034 ;6，244，361 ;6，158，529 ;6，092，610 ；和5，113，953中說明了面向鉆頭型旋轉導向系統(tǒng)的示例和所述面向鉆頭型旋轉導向系統(tǒng)是如何操作的，所有這些申請通過弓I用在此并入。
[0015]推進鉆頭系統(tǒng)和方法將力施加在井壁上以彎曲鉆柱和/或迫使鉆頭在優(yōu)選的方向上進行鉆進。在推進鉆頭旋轉導向系統(tǒng)中，通過使機構在相對于井擴展的方向被優(yōu)選定向的方向上施加力或產(chǎn)生位移來實現(xiàn)所需的非共線條件。有許多方法可以實現(xiàn)此，包括基于不旋轉(相對于井)位移的方法和沿期望的導向方向將力施加到鉆頭的偏心致動器。此外，通過在鉆頭與至少兩個其它接觸點之間產(chǎn)生非共線性來實現(xiàn)導向。在鉆頭的理想形式中，鉆頭需要進行側向鉆切以生成彎曲井。美國專利N0.5，265，682 ;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 ;5，971，085 中說明了推進鉆頭型旋轉導向系統(tǒng)的示例和所述推進鉆頭型旋轉導向系統(tǒng)是如何操作的，這些申請通過引用在此并入。
[0016]RSS的公知形式設置有在與鉆柱旋轉相反的方向上旋轉的“反向旋轉”機構。通常，反向旋轉在與鉆柱旋轉相同的速度下發(fā)生，使得反向旋轉部分相對于井眼的內(nèi)部保持相同的角位置。因為反向旋轉部分相對于井眼不旋轉，因此通常被本領域的技術人員稱作為“對地靜止”。在此公開中，術語“反向旋轉”和“對地靜止”之間沒有區(qū)別。
[0017]推進鉆頭系統(tǒng)通常在反向旋轉穩(wěn)定器的內(nèi)部或外部使用。反向旋轉穩(wěn)定器相對于井壁保持固定角度(或對地靜止)。當要使井眼偏斜時，致動器從期望的井斜在相反方向上將推力塊(pad:或者為伸縮片)壓靠在井壁上。產(chǎn)生的結果是鉆頭在期望的方向上被推動。
[0018]通過用于彎曲底部鉆具組合的力可平衡由致動器/推力塊生成的力，并且所述力通過致動器/推力塊反作用在底部鉆具組合的相對側，并且反作用力作用在鉆頭的牙輪上，從而對井進行導向。在一些情況下，來自推力塊/致動器的力可以足夠大以磨蝕應用系統(tǒng)的地層。
[0019]例如，Schlurnberger Powerdrive系統(tǒng)鉆桿使用三個推力塊,所述三個推力塊繞底部鉆具組合的截面布置以從底部鉆具組合被同步部署，從而沿一方向推動鉆頭并且對正在被鉆進的井眼進行導向。在所述系統(tǒng)中，推力塊在鉆頭后面l_4ft的范圍內(nèi)緊密安裝，并且通過從循環(huán)流體所取的泥漿流給所述推力塊供電或致動所述推力塊。在其它系統(tǒng)中，由鉆井系統(tǒng)或楔形物或類似物提供的鉆壓可以用于將鉆井系統(tǒng)定向在井眼中。
[0020]雖然用于將力施加在井壁上并且使用反作用力沿一方向推動鉆頭或使鉆頭移動以沿期望的方向鉆井的系統(tǒng)和方法可以與包括旋轉鉆井系統(tǒng)的鉆井系統(tǒng)一起使用，但是所述系統(tǒng)和方法可能具有缺陷。例如，這種系統(tǒng)和方法可能需要將較大的力施加在井壁上以彎曲鉆柱或將鉆頭定向在井眼中；這種力可能大約為5kN或更大，5kN或更大的力可能需要較大/復雜的井下發(fā)動機或類似物來生成。另外，許多系統(tǒng)和方法可以重復使用當?shù)撞裤@具組合旋轉時的推力塊/致動器向外推入到井壁中的推力以產(chǎn)生推動鉆頭的反作用力，這可能需要復雜/昂貴/高維護的同步系統(tǒng)、復雜的控制系統(tǒng)和/或類似系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021]本公開總體涉及一種用于控制構造成用于通過地下地層鉆進井眼或對所述井眼取心的鉆井系統(tǒng)的方法和系統(tǒng)。更具體地，但不是以限制性的方式，本發(fā)明的實施例用于使用鉆井噪音(即，在鉆井過程期間鉆井系統(tǒng)在井眼內(nèi)的不穩(wěn)定運動)和鉆井系統(tǒng)與井眼的內(nèi)表面之間由鉆井系統(tǒng)的不穩(wěn)定運動產(chǎn)生的相互作用以控制鉆井系統(tǒng)和/或鉆井過程。
[0022]因此，本發(fā)明的實施例用于控制在鉆井過程期間鉆井系統(tǒng)與井眼的內(nèi)表面之間的重復的相互作用，并且使用對鉆井系統(tǒng)與內(nèi)表面之間的重復相互作用的控制以控制鉆井系統(tǒng)的操作/功能。在一些實施例中，可以控制鉆井系統(tǒng)的一部分或多個部分與井眼的內(nèi)表面之間的重復相互作用，以用于對鉆井系統(tǒng)進行導向，從而定向鉆井眼。在其它實施例中，可以控制鉆井系統(tǒng)的一部分或多個部分與井眼的內(nèi)表面之間的重復相互作用，以用于控制鉆井系統(tǒng)的操作，例如控制鉆頭在鉆井過程期間的操作。
[0023]因此，在本發(fā)明的一個實施例中，提供了一種用于對構造成用于在地球地層內(nèi)鉆井眼的鉆井系統(tǒng)的方法，所述方法包括以下步驟:
[0024]控制鉆井系統(tǒng)的一部分與所述井眼的內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用；以及
[0025]使用鉆井系統(tǒng)的所述一部分與井眼的內(nèi)表面之間被控制的動態(tài)相互作用以控制鉆井系統(tǒng)。
[0026]在一些方面中，所述控制鉆井系統(tǒng)的一部分與所述井眼的內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用的步驟包括:使鉆井系統(tǒng)的所述一部分與內(nèi)表面之間的所述動態(tài)相互作用是非均勻的。此外，所述控制鉆井系統(tǒng)的一部分與所述井眼的內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用的步驟可以包括:使鉆井系統(tǒng)的所述一部分與內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用繞鉆井系統(tǒng)的所述一部分沿圓周方向變化。
[0027]在旋轉鉆井系統(tǒng)中，鉆井系統(tǒng)的用于控制動態(tài)相互作用的所述一部分可以在鉆井系統(tǒng)的操作期間在井眼內(nèi)保持對地靜止。在一些實施例中，可以控制動態(tài)相互作用以用于對鉆井系統(tǒng)進行導向。在其它實施例中，可以控制動態(tài)相互作用以用于控制鉆頭。
[0028]在本發(fā)明的一些實施例中，控制鉆井系統(tǒng)的至少一部分與所述井眼的內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用可以包括以下步驟:連接接觸元件與鉆井系統(tǒng)，并且使用接觸元件以控制動態(tài)相互作用。在旋轉鉆井系統(tǒng)中，在鉆井系統(tǒng)的操作期間可以保持接觸元件在井眼內(nèi)對地靜止。
[0029]在本發(fā)明的一些方面中，接觸元件構造成與內(nèi)表面產(chǎn)生非均勻動態(tài)相互作用。在這些方面中，接觸元件的形狀可以是非對稱的，可以構造成具有非均勻柔度，可以包括與底部鉆具組合偏心連接的圓筒，可以包括具有非均勻重量分布的元件和/或類似元件。
[0030]在一些方面中，接觸元件可以包括可伸出元件，所述可伸出元件可以從鉆井系統(tǒng)朝向內(nèi)表面向外延伸和/或從所述鉆井系統(tǒng)向外延伸以與所述內(nèi)表面接觸?？缮斐鲈梢杂糜趯⒘κ┘拥絻?nèi)表面以控制動態(tài)相互作用。施加到內(nèi)表面的力可以小于lkN。
[0031]在一些方面中，接觸元件可以與鉆井系統(tǒng)連接以使得接觸元件設置在鉆頭的鉆切輪廓內(nèi)。在其它方面中，接觸元件可以與鉆井系統(tǒng)連接以使得接觸元件的至少一部分設置在鉆頭的切割輪廓之外。
[0032]在本發(fā)明的一些方面中，驅動器可以用于改變/控制鉆井系統(tǒng)在鉆井過程期間的動態(tài)相互作用。在本發(fā)明的一些方面中，處理器可以用于操縱用于控制鉆井系統(tǒng)與內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用的系統(tǒng)。操縱用于控制鉆井系統(tǒng)與內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用的系統(tǒng)可以包括以下步驟:將所述系統(tǒng)定位在鉆井系統(tǒng)上和/或使所述系統(tǒng)在鉆井系統(tǒng)上移動。在一些方面中，操縱處理器可以從傳感器接收關于鉆井過程的數(shù)據(jù)、鉆井系統(tǒng)的操作和/或鉆井系統(tǒng)的部件的數(shù)據(jù)、鉆井系統(tǒng)的位置和/或鉆井系統(tǒng)的部件的位置的數(shù)據(jù)、井眼在地球地層內(nèi)的目標的位置的數(shù)據(jù)、井眼內(nèi)的條件的數(shù)據(jù)、在正在鉆井過程中地球地層和/或地球地層的多個部分的特性的數(shù)據(jù)、鉆井系統(tǒng)和/或鉆井系統(tǒng)的不同部分的動態(tài)運動的特性的數(shù)據(jù)和/或類似數(shù)據(jù)。
[0033]在本發(fā)明的一些方面中，可以通過改變正在被鉆井的井眼的內(nèi)壁的輪廓來提供對鉆井系統(tǒng)與正在被鉆進的井眼的內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用的控制。在一些方面中，可以控制諸如非對稱鉆頭、副鉆頭、從鉆井系統(tǒng)延伸到內(nèi)壁的可伸出元件、電脈沖鉆頭、噴射裝置和/或類似裝置的裝置以使得內(nèi)壁具有非均勻輪廓，從而用于控制鉆井系統(tǒng)與內(nèi)壁之間的動態(tài)相互作用。
[0034]在本發(fā)明的實施例中，可以實時控制用于控制鉆井系統(tǒng)與正在被鉆進的井眼的內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用的系統(tǒng)和方法，以提供對鉆井系統(tǒng)的實時控制?？梢酝ㄟ^理論、實驗、通過對動態(tài)相互作用的模擬、從先前鉆井過程的經(jīng)驗和/或類似方法確定動態(tài)相互作用控制器的結構。在一些方面中，動態(tài)相互作用控制器可以包括被定位成使得距離鉆頭小于10英尺的接觸元件，可以包括設置有在鉆頭的鉆進輪廓內(nèi)的小于幾毫米的外表面的接觸元件，可以包括設置有在鉆頭的鉆進輪廓外至少部分地延伸毫米數(shù)量級的外表面的接觸元件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]在附圖中，類似的部件和/或特征可以具有相同的附圖標記。此外，相同類型的各種部件可以通過在附圖標記之后的短劃線和在類似部件中進行區(qū)別的第二標記來區(qū)別。只要在說明書中使用第一附圖標記，則不管第二附圖標記，說明適用于具有相同的第一附圖標記的類似部件中的任一個。
[0036]以下參照附圖根據(jù)以下非限制性說明和示例性實施例更好地理解本發(fā)明，其中:
[0037]圖1是用于鉆井眼的系統(tǒng)的示意圖；
[0038]圖2A是根據(jù)本發(fā)明的實施例的、用于對鉆井眼用的鉆井系統(tǒng)進行導向的系統(tǒng)的示意圖；
[0039]圖2B是根據(jù)本發(fā)明的實施例的、通過在圖2A的用于對鉆井眼用的鉆井系統(tǒng)進行導向的系統(tǒng)中使用的柔性系統(tǒng)截得的橫截面圖；
[0040]圖3A-3C是根據(jù)本發(fā)明的實施例的、用于對鉆井系統(tǒng)進行導向的凸輪控制系統(tǒng)的示意圖；
[0041]圖4A-4C是根據(jù)本發(fā)明的實施例的、用于對被構造成用于鉆井眼的鉆井系統(tǒng)進行導向的有源量規(guī)伸縮片(active gauge pad)的示意圖；
[0042]圖5提供了根據(jù)本發(fā)明的實施例的、用于對定向鉆井的鉆井系統(tǒng)進行導向的振動施加系統(tǒng)的不意圖；
[0043]圖6A和圖6B示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的、用于選擇性地表征井眼的內(nèi)表面以便對鉆具組合進行導向從而定向鉆井的系統(tǒng)；
[0044]圖7A是根據(jù)本發(fā)明的實施例的、用于對鉆井系統(tǒng)進行導向以定向鉆井的方法的示意性流程圖；以及
[0045]圖7B是根據(jù)本發(fā)明的實施例的、用于控制在地球地層中鉆井用的鉆井系統(tǒng)的方法的示意性流程圖。
【具體實施方式】
[0046]隨后的說明僅提供了示例性實施例，并且目的不是限制本公開的保護范圍、適用性或結構。相反，示例性實施例的隨后說明將為本領域的技術人員提供用于能夠實施一個或多個示例性實施例的說明。在不背離如所附權利要求所述的精神和保護范圍的情況下可以對說明書的元件的功能和布置做各種改變。
[0047]以下說明中給出了具體細節(jié)以提供對實施例的充分理解。然而，要理解的是可以在沒有這些具體細節(jié)的情況下實施所述實施例。例如，系統(tǒng)、結構和其它部件可以被示出為方框圖的形式的部件，從而不會以不必要的細節(jié)使實施例不清楚。在其它情況下，可以簡單的方式示出公知的過程、技術、和其它方法，以免使實施例不清楚。
[0048]此外，要注意的是單個實施例可以描述為流程圖、流程圖解、結構圖、或方框圖的過程。雖然流程圖可以說明作為連續(xù)過程的操作，但是可以并行或同時執(zhí)行多個操作。此夕卜，可以重新布置操作的順序。此外，在一些實施例中可以不發(fā)生任一個或多個操作。當過程的操作完成時結束所述過程，但是可以具有沒有包括在附圖中的另外的步驟。過程可以與方法、程序等相對應。
[0049]本公開總體涉及一種用于控制在地球地層中鉆井用的鉆井系統(tǒng)的方法和系統(tǒng)。更具體地，而不是以限制性的方式，本發(fā)明的實施例用于使用迄今沒有被認識并且沒有被研究的鉆井過程的噪音(在鉆井過程期間鉆井系統(tǒng)在井眼內(nèi)的不穩(wěn)定/瞬變運動)和鉆井系統(tǒng)與井眼之間的由鉆井系統(tǒng)的不穩(wěn)定瞬變運動產(chǎn)生的相互作用，以控制鉆井系統(tǒng)和/或鉆井過程。
[0050]在本發(fā)明的一個實施例中，所述系統(tǒng)和方法用于控制鉆井用的鉆井系統(tǒng)與正在被鉆進的井眼的內(nèi)表面之間的、由于在鉆井過程期間鉆井系統(tǒng)的不穩(wěn)定瞬變運動產(chǎn)生的相互作用，以用于對鉆井系統(tǒng)進行導向，從而將井眼定向鉆通地球地層。在本發(fā)明的一些方面中，可以控制鉆井系統(tǒng)使得井眼到達靶區(qū)目標或鉆通所述靶區(qū)目標。在本發(fā)明的另一個實施例中，可以感測關于鉆井系統(tǒng)的功能的數(shù)據(jù)，并且當正在鉆井眼時，可以響應于所感測的數(shù)據(jù)來控制鉆井眼用的鉆井系統(tǒng)與井眼的內(nèi)表面之間的相互作用(即，鉆頭與地球地層等等之間的相互作用)，以控制鉆井系統(tǒng)。
[0051]圖1是用于鉆井眼的系統(tǒng)的示意圖。如圖所示，鉆柱10可以包括連接器系統(tǒng)12和底部鉆具組合17，并且鉆柱10可以設置在井眼27內(nèi)。底部鉆具組合17可以包括鉆頭20和各種其它部件(未示出)，例如，鉆頭短接、泥漿馬達、穩(wěn)定器、鉆鋌、重型鉆桿、震擊裝置(“震擊器”)、用于各種螺紋形狀的變換接頭和/或類似部件。底部鉆具組合17可以為鉆頭20提供力以破碎巖石，其中所述力可以由鉆壓或類似物來提供-并且底部鉆具組合17可以構造成可承受高溫、高壓和/或腐蝕性化學劑的惡劣的機械環(huán)境。底部鉆具組合17可以包括泥漿馬達、定向鉆井和測量設備、隨鉆測量儀、隨鉆測井儀和/或其它專用裝置。
[0052]鉆鋌可以包括鉆柱的可以為鉆井提供鉆壓的部件。因此，鉆鋌可以包括厚壁重型管狀部件，所述厚壁重型管狀部件可以具有中空中心以提供鉆井液通過鉆鋌的通道。鉆鋌的外徑可以為圓形以通過正在被鉆進的井眼27，并且在一些情況下，所述鉆鋌的外徑可以被加工有螺旋槽(“螺旋鉆鋌”)。鉆鋌可以包括一端為公螺紋而另一個端為母螺紋的螺紋連接件，使得多個鉆鋌可以與其它井下工具一起擰到一起，以形成底部鉆具組合17。
[0053]重力作用在大質量鉆鋌(一個或多個)上以提供大的向下力，鉆頭20可以需要所述向下力以有效地破碎巖石并且鉆通地球地層。為了精確地控制施加到鉆頭20的力的大小，當鉆頭20剛剛離開井眼27的底面41時，可以小心地監(jiān)測測量的地面重量。接下來，可以緩慢并且小心地下放鉆柱(和鉆頭)，直到所述鉆柱(和鉆頭)觸及底面41。在所述點之后，當鉆機繼續(xù)下放鉆柱的頂部時，越來越多的重量施加到鉆頭20，并且相應地在地面處懸掛時可測量較少的重量。如果地面測量值顯示20，000磅[9080kg] (20，000磅比鉆頭41離開底面41時的重量小)，則在鉆頭20上(在垂直井中)應該有20，000磅的力。井下傳感器可以用于更加精確地測量鉆壓，并且將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面。
[0054]鉆頭20可以包括一個或多個牙輪23。在操作中，鉆頭20可以用于打碎和/或鉆切底面41處的巖石，以將井眼27鉆通地球地層30。鉆頭20可以設置在連接器系統(tǒng)12的底部上，并且當鉆頭20變鈍或變得不能進一步通過地球地層30時，可以更換鉆頭20。可以以不同的方式構造鉆頭20和牙輪23以提供與地球地層不同的相互作用并且生成不同的鉆切方式。
[0055]傳統(tǒng)的鉆頭20通過鉆比鉆頭20的最大外徑稍大的井而工作，且井眼27的直徑/尺寸由鉆頭20的牙輪的作用范圍和牙輪與正在被鉆進的巖石的相互作用而產(chǎn)生。這種通過鉆頭20對井眼27的鉆進可通過旋轉鉆頭20的鉆切作用和由于大質量鉆柱產(chǎn)生的鉆壓的組合來實現(xiàn)。通常，鉆井系統(tǒng)可以包括量規(guī)伸縮片(一個或多個)，所述量規(guī)伸縮片可以向外延伸到井眼27的尺寸。量規(guī)伸縮片可以包括設置在底部鉆具組合17上的伸縮片或在鉆頭20的一些牙輪的端部和/或類似地方上的伸縮片。量規(guī)伸縮片可以用于將鉆頭20穩(wěn)定在井眼27中。
[0056]連接器系統(tǒng)12可以包括管(一個或多個)_諸如鉆桿、套管或類似管-撓性管和/或類似管。連接器系統(tǒng)12的管、撓性管或類似管可以用于連接地面設備33與底部鉆具組合17和鉆頭20。管、撓性管或類似管可以用于將鉆井液泵送到鉆頭20，并且提升、下放和/或旋轉底部鉆具組合17和/或鉆頭20。
[0057]在一些系統(tǒng)中，地面設備33可以包括頂部驅動裝置、轉盤或可以將旋轉運動通過管、撓性管或類似管傳遞給鉆頭20的類似裝置(未示出)。在一些系統(tǒng)中，頂部驅動裝置可以由一個或多個馬達(電動的、液壓的和/或類似馬達)組成，所述馬達可以通過適當?shù)凝X輪連接到稱作鉆軸的一小段管。鉆軸又可以擰到保護接頭或鉆柱本身。頂部驅動裝置可以從大鉤懸掛，使得所述頂部驅動裝置可自由上下移動井架。管、撓性管或類似管可以連接到頂部驅動裝置、轉盤或類似裝置，以將旋轉運動沿著井眼27傳遞給鉆頭20。
[0058]在一些鉆井系統(tǒng)中，鉆井馬達(未示出)可以沿井眼27設置。鉆井馬達可以包括電動馬達、液壓型馬達和/或類似馬達。液壓型馬達可以由鉆井液或泵送到井眼27內(nèi)的和/或沿著鉆柱循環(huán)的其它流體驅動。鉆井馬達可以用于給底面41上的鉆頭20提供動力/旋轉所述鉆頭。使用鉆井馬達可以用于在不需要旋轉連接器系統(tǒng)12的情況下通過旋轉鉆頭20來鉆井眼27，所述連接器系統(tǒng)在鉆井過程期間可以保持固定。
[0059]鉆頭20在井眼27內(nèi)的不管是通過旋轉鉆桿或鉆井馬達產(chǎn)生的旋轉運動可以用于打碎和/或刮削底面41處的巖石以在地球地層30中鉆一段新井眼27。鉆井液可以通過連接器系統(tǒng)12或類似系統(tǒng)沿著井眼27被泵送，以將能量提供給鉆頭20，從而旋轉鉆頭20或類似裝置，以用于鉆進井眼27、從底面41清除鉆屑和/或進行類似動作。
[0060]在一些鉆井系統(tǒng)中，可以使用震擊鉆頭以與施工現(xiàn)場氣錘幾乎相同的方式垂直重擊巖石。在其它鉆井系統(tǒng)中，井下馬達可以用于操作鉆頭20或相關聯(lián)的鉆頭，或者除了由頂部驅動裝置、轉盤、鉆井液和/或類似裝置提供的能量之外，井下馬達可以將能量提供給鉆頭20。此外，流體噴射器、電脈沖和/或類似裝置還可以用于鉆井眼27或與鉆頭17結合來鉆井眼27。
[0061]在一些鉆井過程中，被公知為彎接頭的彎管(未示出)或傾斜/絞鏈型機構可以設置在鉆頭20與鉆井馬達之間。彎接頭或類似裝置可以位于井眼內(nèi)以使得鉆頭接觸底面41的表面，使得用于沿具體的方向、角度、軌跡和/或類似參數(shù)鉆井眼27。在不需要從井眼27移除連接器系統(tǒng)12和/或底部鉆具組合17的情況下，可以調(diào)節(jié)彎接頭在井眼中的位置。然而，由于在鉆井過程期間井眼中的力可能使彎接頭難以操縱和/或難以有效地用于對鉆井系統(tǒng)進行導向，因此利用彎接頭或類似裝置進行定向鉆井可能變得復雜。[0062]在鉆井操作期間，可以作用在鉆頭20上的力可以包括重力、由鉆頭20產(chǎn)生的扭矩、施加到鉆頭20的端部載荷、來自包括連接器系統(tǒng)12的鉆井系統(tǒng)的彎矩和/或類似力。這些力與正在被鉆進的地層類型和鉆頭20相對于井眼27的底面41的表面的傾角一起可以產(chǎn)生復雜的作用力與反作用力的相互作用系統(tǒng)。各種系統(tǒng)已經(jīng)被認為用于通過以下方式進行定向鉆井:控制/施加這些較大的力以彎曲/成形/引導/推動鉆井系統(tǒng)、和/或使用這些較大的力、和/或從向外推進到地球地層30內(nèi)生成反作用力，從而對鉆井系統(tǒng)在井眼內(nèi)進行定向和/或相對于井眼27的底部對所述鉆井系統(tǒng)進行定向、和/或推動鉆頭20以對鉆井系統(tǒng)進行導向，從而定向鉆井眼27。
[0063]然而，使用鉆井過程的力(例如，端部載荷)以對鉆井系統(tǒng)進行導向的系統(tǒng)可能是復雜的，并且可能不能提供對鉆井系統(tǒng)的精確導向。此外，通過在井眼內(nèi)移動/定向鉆井系統(tǒng)和/或推鉆頭20來對鉆井系統(tǒng)進行導向的系統(tǒng)可能需要在井下生成超過IkN的較大的力和/或需要使元件從鉆柱延伸超過鉆頭的鉆切范圍相當大的距離(即，遠遠超過鉆頭的輪廓，其中所述輪廓可以由鉆頭20的外鉆切邊緣來限定)，以便生成用于移動/定向鉆井系統(tǒng)和/或推鉆頭20的反作用力。當鉆井系統(tǒng)旋轉時，為了在井眼中推或移動鉆井系統(tǒng)，可能還需要同步地由致動器將推力施加在井眼27的壁上。這種動力生成、超過鉆頭20的鉆切輪廓的大延伸和/或推力同步可能需要較大的和/或昂貴的馬達和/或對復雜同步系統(tǒng)的操作和控制，并且可能是復雜的和/或增加鉆井機器和鉆井過程的成本。
[0064]當利用傳統(tǒng)的鉆井系統(tǒng)鉆直井時，在沒有施加側向力或類似力的情況下， 申請人:已經(jīng)確定鉆頭20可能基本上在井眼27中“振動”，且所述振動包括鉆頭20在除了鉆井方向之外的方向上的重復移動。術語振動/振蕩這里用于說明鉆井系統(tǒng)在鉆井過程期間的重復運動，所述重復運動可以在井眼內(nèi)的除了鉆井方向之外的方向上，并且實際上可以是隨機的。
[0065]鉆井系統(tǒng)的這些振動/振湯可能受限于沖擊和延伸井的表面的牙輪和撞擊井眼27的壁的量規(guī)伸縮片或類似裝置的作用。在試驗中，所發(fā)現(xiàn)的是包括鉆頭而沒有量規(guī)伸縮片的鉆井系統(tǒng)產(chǎn)生的井眼的直徑明顯大于包括鉆頭和量規(guī)伸縮片的等效鉆井系統(tǒng)產(chǎn)生的井眼的直徑。分析來自這些試驗的結果，能確定的是在鉆井系統(tǒng)的操作期間，底部鉆具組合17在鉆井過程期間重復受到包括遠離底部鉆具組合17和/或鉆頭20的中心軸線(S卩，在朝向井眼27的內(nèi)壁40的徑向方向上)的運動。對各種鉆井操作的分析得到量規(guī)伸縮片限制底部鉆具組合17和/或鉆頭20的這種徑向運動，從而產(chǎn)生具有較小鉆孔的井眼。傳統(tǒng)的鉆井系統(tǒng)的量規(guī)伸縮片被部署以最小化/消除鉆井系統(tǒng)的振動運動，從而提供較小/規(guī)貝IJ鉆孔。
[0066]從對鉆井系統(tǒng)的實驗和分析， 申請人:發(fā)現(xiàn)當鉆頭20鉆進到地球地層30內(nèi)時，牙輪23可能不能與地球地層均勻相互作用，例如，可能由地球地層30產(chǎn)生巖屑，因此，可能在底部鉆具組合17和/或鉆頭20中產(chǎn)生不穩(wěn)定運動(所述不穩(wěn)定運動是除了底部鉆具組合17和/或鉆頭20的縱向/向前運動之外的沿一定方向上的運動)。此外， 申請人:已經(jīng)分析了鉆井系統(tǒng)的操作，并且發(fā)現(xiàn)除了在鉆井系統(tǒng)的操作期間的不穩(wěn)定/瞬變運動之外，通過連接器系統(tǒng)12和鉆頭20將力施加到井眼27的底部處的地球地層30、鉆頭20的操作/旋轉、鉆頭20與地球地層在井眼27的底部處的相互作用(其中，鉆頭20可能滑脫、失速、離開鉆井軸線和/或產(chǎn)生類似動作)、連接器系統(tǒng)12的旋轉運動、頂部驅動裝置的操作、旋轉臺的操作、井下馬達的操作、諸如流體噴射器或電脈沖系統(tǒng)的鉆井輔助設備的操作、井眼20的鉆孔(所述鉆孔可以是不規(guī)則的)和/或類似動作可以在底部鉆具組合17和/或鉆頭20中產(chǎn)生運動，并且這種運動可以是重復運動、隨機運動、瞬變運動，其中，至少所述運動的分量沒有沿著底部鉆具組合17和/或鉆頭20的軸線指向，相反在底部鉆具組合17和/或鉆頭20的中心處從縱向軸線徑向向外指向。因此，在鉆井操作期間，底部鉆具組合17的動力可以包括沿鉆進方向的縱向運動37以及瞬變徑向運動36A和36B，其中，瞬變徑向運動36A和36B可以包括底部鉆具組合17遠離正在被鉆進的井眼27的中心軸線39和/或底部鉆具組合17和/或鉆頭20的中心軸線指向的任意運動。
[0067]總之，已經(jīng)確定的是底部鉆具組合17在鉆井過程期間的徑向運動實際上可以是隨機的、瞬變的。因此，底部鉆具組合17在整個鉆井過程可能受到重復隨機徑向/不穩(wěn)定運動。為了進行這種說明，底部鉆具組合17在鉆井過程期間在井眼27中的重復徑向/不穩(wěn)定運動可以被稱為底部鉆具組合17和/或鉆柱的動態(tài)運動、徑向運動、不穩(wěn)定運動、徑向動態(tài)運動、徑向不穩(wěn)定運動、動態(tài)或不穩(wěn)定運動、重復徑向運動、重復動態(tài)運動、重復不穩(wěn)定運動、振動、振動型運動和/或類似運動。
[0068]底部鉆具組合17在井眼27的鉆進期間的動態(tài)和/或不穩(wěn)定運動可以產(chǎn)生/導致底部鉆具組合17在整個鉆井過程中與井眼27的內(nèi)表面重復接觸和/或沖擊所述內(nèi)表面。井眼27的內(nèi)表面包括井眼27的內(nèi)壁40和底面41，即，限定井眼27的地球地層30的整個表面。如先前所述，底部鉆具組合17的動態(tài)和/或不穩(wěn)定運動實際上可以是隨機的，因此，可以在鉆井過程期間在底部鉆具組合17與內(nèi)表面之間產(chǎn)生/導致隨機周期性/重復接觸和/或沖擊。
[0069]由底部鉆具組合17在鉆井過程期間的動態(tài)和/或不穩(wěn)定運動產(chǎn)生的鉆柱10與內(nèi)表面之間的間歇/重復接觸和/或沖擊可能發(fā)生在鉆柱10和內(nèi)表面的一個或多個部分/部件。例如，所述部分/部件可以是鉆柱10的靠近鉆頭20的一部分，底部鉆具組合17，底部鉆具組合17的部件(例如，鉆鋌、量規(guī)伸縮片、穩(wěn)定器、馬達)，連接器系統(tǒng)12的一部分和/或類似部分/部件。為了進行說明，鉆柱10與內(nèi)表面之間的由底部鉆具組合17的動態(tài)和/或不穩(wěn)定產(chǎn)生/導致的相互作用可以被稱為動態(tài)相互作用、不穩(wěn)定相互作用、徑向運動相互作用、振動相互作用和/或類似相互作用。
[0070]圖2A是根據(jù)本發(fā)明的實施例的、用于對鉆井眼用的鉆井系統(tǒng)進行導向的系統(tǒng)的示意圖。在圖2A中，鉆井眼用的鉆井系統(tǒng)可以包括底部鉆具組合17，所述底部鉆具組合又可以包括鉆頭20。鉆井系統(tǒng)可以用于鉆進具有內(nèi)壁53和鉆進面54的井眼50。
[0071 ] 在鉆井過程期間，鉆頭20可以接觸鉆進面54并且打碎/移動鉆進表54處的巖石。在本發(fā)明的實施例中，鉆鋌組件55可以通過柔性元件57與底部鉆具組合17連接。鉆鋌組件55可以是管、圓筒、框架或類似組件。鉆鋌組件55可以具有外表面55A。
[0072]在其中鉆鋌組件55包括管、圓筒和/或類似組件的方面中，外表面55A可以包括管/圓筒的外表面和/或與管/圓筒的外表面連接的任何伸縮片、突起部和/或類似部件。鉆鋌組件55的外表面可以具有用于增加鉆鋌組件55的外表面與內(nèi)壁53之間的摩擦接觸的粗糙部分、涂層、突起部。鉆鋌組件55可以包括構造成用于接觸內(nèi)壁53的伸縮片。
[0073]在一些方面中，鉆鋌組件55可以包括量規(guī)伸縮片系統(tǒng)。在其中鉆鋌組件55可以包括一系列元件(例如，伸縮片或類似元件)的方面中，外表面55A可以由鉆鋌組件55的元件(伸縮片)中的每一個的外表面限定。在本發(fā)明的實施例中，鉆鋌組件55可以與底部鉆具組合17 —起構造而成，以使得在鉆井過程期間外表面55A與內(nèi)壁53和/或鉆進面54由于底部鉆具組合17的動態(tài)運動而接合、接觸、相互作用和/或進行類似動作。外表面55A的結構/輪廓/柔度和/或外表面55A相對于鉆頭20的鉆切輪廓的布置可以用于控制外表面55A與內(nèi)壁53和/或鉆進面54之間的動態(tài)相互作用。
[0074]柔性元件57可以包括提供鉆鋌組件55相對于鉆頭20的側向運動的結構，其中所述側向運動是至少部分地朝向底部鉆具組合17的中心軸線61指向的移動。在一些方面中，鉆鋌組件55本身可以被構造成在側向方向上是柔性的，并且在不需要使用柔性元件57的情況下可以連接到底部鉆具組合17和/或可以是底部鉆具組合17的一部分。
[0075]在本發(fā)明的一個實施例中，柔性元件57的柔度可以沿圓周方向是非均勻的。在這樣一個實施例中，柔性元件57的繞柔性元件57的圓周設置的一個或多個部分在側向方向上的柔度可以比柔性元件57的其它部分的柔度大。
[0076]如先前所觀察的，在鉆井過程期間，底部鉆具組合17或底部鉆具組合17的一個或多個部分可能受到與內(nèi)壁53和/或鉆進面54的動態(tài)相互作用。在本發(fā)明的實施例中，鉆鋌組件55可以構造成使得在鉆井過程期間底部鉆具組合17的動態(tài)運動在鉆鋌組件55與內(nèi)壁53和/或鉆進面54之間產(chǎn)生動態(tài)相互作用。在本發(fā)明的不同方面中，鉆鋌組件55與底部鉆具組合17和/或鉆頭20之間的相對外圓周差可以提供鉆鋌組件55與內(nèi)壁53和/或鉆進面54之間不同的動態(tài)相互作用。對于具體的鉆井過程來說，模擬、理論分析、實驗和/或類似研究可以用于選擇鉆鋌組件55與底部鉆具組合17和/或鉆頭20之間的相對外圓周差，以產(chǎn)生想要的/期望的動態(tài)相互作用。
[0077]在本發(fā)明的其中側向柔度繞柔性元件57沿圓周方向變化的實施例中，鉆鋌組件55與內(nèi)壁53和/或鉆進面54之間的動態(tài)相互作用繞鉆鋌組件55沿圓周方向可以是不均勻的。僅以示例的方式，柔性元件57可以包括減小柔度區(qū)59B和增加柔度區(qū)59A。在一些方面中，與在柔性元件57的具有減小側向柔度的部分(B卩，減小柔度區(qū)59B)的上方在鉆鋌組件55與內(nèi)壁53和/或鉆進面54之間的動態(tài)相互作用相比較，在柔性元件57的具有增加側向柔度的部分(即，增加柔度區(qū)59A)上方在鉆鋌組件55與內(nèi)壁53和/或鉆進面54之間動態(tài)相互作用可以被減弱。
[0078]在本發(fā)明的一些實施例中，鉆鋌組件55可以構造成使得鉆鋌組件55與底部鉆具組合連接，以使得鉆鋌組件55整個設置在鉆頭20的鉆切輪廓21內(nèi)，且鉆切輪廓21包括鉆頭20的邊到邊鉆切輪廓。在本發(fā)明的其它實施例中，鉆鋌組件55、鉆鋌組件55的一部分、外表面55A和/或外表面55A的一部分可以延伸超過鉆切輪廓21。僅以不例的方式,鉆鋌組件55可以與底部鉆具組合17連接，以使得外表面55A在鉆切輪廓21內(nèi)大約1_幾十毫米。在其它方面中，并且再次僅以示例的方式，鉆鋌組件55可以與底部鉆具組合17連接，以使得外表面55A的至少一部分在延伸超過鉆切輪廓21達到幾十毫米的范圍或更大范圍內(nèi)。
[0079]圖2B是根據(jù)本發(fā)明的實施例的、通過在圖2A的用于對鉆井眼用的鉆井系統(tǒng)進行導向的系統(tǒng)中使用的柔性系統(tǒng)截得的橫截面圖。在圖2B中的橫截面所示的柔性元件包括增加柔度區(qū)59A和減小柔度區(qū)59B。在一些方面中，在柔性元件57中可以僅僅具有相對于柔性元件57剩下的區(qū)域和/或其它區(qū)域增加或減小柔度的單個區(qū)域。在其它方面中，柔性元件57可以包括繞柔性元件57產(chǎn)生非均勻柔度的任何結構。
[0080]在圖2B中，柔性元件57被示出為實心圓柱形結構，然而，在本發(fā)明的不同方面中，柔性元件57可以包括其它類型的結構，例如，繞底部鉆具組合17布置并且構造成將鉆鋌組件55連接到底部鉆具組合17的多個柔性元件、能夠將鉆鋌組件55連接到底部鉆具組合17并且提供鉆鋌組件55的側向運動的支撐元件的組件和/或類似結構。在本發(fā)明的其它方面中，鉆鋌組件55本身可以是具有一體式柔性部的結構，其中一體式柔性部可以被選擇為繞鉆鋌組件55是不均勻的，并且在沒有柔性元件57的情況下，鉆鋌組件55可以與底部鉆具組合17連接，或者可以是底部鉆具組合17的一部分。在又一方面中，鉆鋌組件55可以包括諸如伸縮片或類似元件的多個柔性元件，且多個柔性元件與底部鉆具組合17連接，并且柔性元件中的至少一個具有不同于其它柔性元件的柔度。
[0081]在本發(fā)明的實施例中，增加柔度區(qū)59A可以設置在柔性元件57上以與減小柔度區(qū)59B沿直徑方向相對。在這樣一個實施例中，柔性元件57可以防止鉆鋌組件在減小柔度區(qū)59B的位置處向內(nèi)(如圖2A中所示向上)移動，但是可以允許鉆鋌組件55在增加柔度區(qū)59A處向內(nèi)(如圖2A中所示向下)移動。因此，當鉆頭20在鉆井過程期間受到動態(tài)運動時，所述鉆頭20可以與內(nèi)壁53和/或鉆進面54相互作用，并且可以往往沿增加柔度區(qū)59A的方向和/或朝向所述增加柔度區(qū)(如圖2A中所示向上)移動、被定向或優(yōu)先打碎/移除巖石。在這樣一個實施例中，由于柔性元件57具有被選擇的非均勻柔度，因此在鉆井過程期間，由于17和鉆頭20的動態(tài)運動，柔性元件57可以使鉆井系統(tǒng)被導向，并且可以提供對井眼50的定向鉆井。在鉆井過程期間，鉆井系統(tǒng)和井眼27的內(nèi)表面的非均勻相互作用還可以用于控制鉆頭20與地球地層的相互作用，并因此還可以用于控制鉆頭20的功能。
[0082]在本發(fā)明的實施例中，鉆鋌組件55或柔性元件57的任何非均勻周向柔度可以用于對鉆井系統(tǒng)進行導向/控制?？梢赃x擇鉆鋌組件55和/或柔性元件57的不同柔度的大小和/或鉆鋌組件55和/或柔性元件57的非均勻柔度剖面圖以提供對鉆頭20期望的導向響應和/或控制。對于柔度差和/或周向柔度剖面圖來說，可以理論上、通過模擬、由實驗推導、由先前的鉆井過程和/或類似方法確定鉆井系統(tǒng)的導向響應和/或鉆頭響應。
[0083]在本發(fā)明的構造成用于與不涉及使用旋轉鉆頭的鉆井系統(tǒng)一起使用或在鉆井系統(tǒng)的外殼(例如，底部鉆具組合的外殼)是不旋轉的情況下的實施例中，鉆鋌組件55和/或柔性元件57可以與鉆井系統(tǒng)或外殼連接。在這樣一個實施例中，鉆井系統(tǒng)可以設置在井眼內(nèi)，且增加柔度區(qū)59A在具體的方位處設置到鉆頭20，以用于沿增加柔度區(qū)59A的方向鉆井眼50。為了通過鉆井系統(tǒng)改變鉆進方向，可以改變增加柔度區(qū)59A的位置。
[0084]在一些實施例中，可以包括馬達、液壓致動器和/或類似裝置的定位裝置65可以用于旋轉/定位鉆鋌組件55和/或柔性元件57，以用于通過鉆井系統(tǒng)沿期望的方向鉆井眼50。定位裝置65可以與處理器70通信。處理器70可以控制定位裝置65以提供期望的定向鉆井。處理器70可以由人工干預確定鉆鋌組件55和/或柔性元件57在井眼50內(nèi)的位置，還可以確定井眼的端點目標、期望的鉆井軌跡、期望的鉆頭響應、鉆頭與地球地層期望的相互作用、地震數(shù)據(jù)、可以提供關于地球地層的數(shù)據(jù)的來自傳感器(未示出)的輸入、井眼50內(nèi)的條件、鉆井數(shù)據(jù)(例如，鉆壓、鉆井速度和/或類似數(shù)據(jù))、鉆井系統(tǒng)的振動數(shù)據(jù)、動態(tài)相互作用數(shù)據(jù)和/或關于鉆頭在地球地層內(nèi)的位置/方位的類似數(shù)據(jù)、關于井眼的軌跡/方向的數(shù)據(jù)和/或類似數(shù)據(jù)。[0085]處理器70可以與顯示器(未示出)連接以顯示井眼50的方位/方向/位置、鉆井系統(tǒng)、鉆頭20、鉆鋌組件55、柔性元件57、鉆井速度、鉆井軌跡和/或類似參數(shù)。顯示器可以遠離鉆井位置并且通過例如Internet聯(lián)接、網(wǎng)絡連接、無線電通訊連接和/或類似連接被供給有數(shù)據(jù)，并且可以用于遠距離操作鉆井過程。來自處理器70的數(shù)據(jù)可以存儲在存儲器和/或通信給與鉆井過程相關聯(lián)的其它處理器和/或系統(tǒng)。
[0086]在本發(fā)明的另一個實施例中，導向/鉆頭功能控制系統(tǒng)可以構造成與旋轉型鉆井系統(tǒng)一起使用，在所述旋轉型鉆井系統(tǒng)中，鉆頭20可以在鉆井過程期間旋轉，因此，鉆頭20和/或底部鉆具組合17可以在井眼50中旋轉。在這樣一個實施例中，鉆鋌組件55和/或柔性元件57可以構造成使得鉆鋌組件55和/或柔性元件57的運動獨立或至少部分獨立于鉆頭20和/或底部鉆具組合17的旋轉運動。因此，在鉆井過程期間，鉆鋌組件55在井眼50內(nèi)可以保持對地靜止。
[0087]在一些方面中，鉆鋌組件55和/或柔性元件57可以是無源系統(tǒng)，所述無源系統(tǒng)包括繞鉆井系統(tǒng)設置的一個或多個圓筒。在一些情況下，一個或多個圓筒可以繞鉆井系統(tǒng)的底部鉆具組合17設置。一個或多個圓筒可以構造成獨立于鉆井系統(tǒng)旋轉。在這些方面中，一個或多個圓筒可以構造成使得一個或多個圓筒與地層之間的磨擦可以固定，并且一個或多個圓筒與地層之間的磨擦防止一個或多個圓筒相對于旋轉鉆井系統(tǒng)進行旋轉運動。在本發(fā)明的一些方面中，當沒有鉆壓并因此沒有鉆井眼時，一個或多個圓筒可以鎖定到底部鉆具組合，然后當施加鉆壓并且開始鉆井時，所述一個或多個圓筒被定向并且從底部鉆具組合被釋放；一個或多個圓筒與內(nèi)表面之間的磨擦保持一個或多個圓筒的方位。在本發(fā)明的一些方面中，一個或多個圓筒可以通過軸承或類似元件與底部鉆具組合17連接。
[0088]在本發(fā)明的一些實施例中，當在非旋轉鉆井系統(tǒng)中，可以通過定位裝置65提供一個或多個圓筒的位置，所述定位裝置可以使一個或多個圓筒旋轉以改變圓筒在井眼50內(nèi)的有效面積的位置，從而改變鉆井方向和/或鉆頭20的功能。例如，柔性元件57可以包括圓筒并且可以繞底部鉆具組合17旋轉，以改變增加柔度區(qū)59A和/或減小柔度區(qū)59B的位置，從而由于鉆鋌組件55與內(nèi)壁53之間的動態(tài)相互作用而改變鉆井系統(tǒng)的鉆井方向?？蛇x地，有源控制器可以用于在鉆井過程期間保持鉆鋌組件55和/或柔性元件57相對于底部鉆具組合17的期望的方位/位置。此外，這類裝置可以在馬達組件中使用以替換彎接頭。這帶來的益處在于當以旋轉方式鉆直井時通過管道和完井限制將組件下放到井內(nèi)。
[0089]圖3A-3C是根據(jù)本發(fā)明的實施例的、對于對鉆井系統(tǒng)進行導向的凸輪控制系統(tǒng)的示意圖。圖3A顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有凸輪控制系統(tǒng)的定向鉆井系統(tǒng)。在圖3A中，鉆井系統(tǒng)正在將井眼50鉆通地球地層。鉆井系統(tǒng)包括設置在將要被鉆/或正在被鉆進的井眼50的端部處的底部鉆具組合17。底部鉆具組合17包括鉆頭20，所述鉆頭接觸地球地層并且鉆井眼50。
[0090]在本發(fā)明的實施例中，量規(guī)伸縮片組件73可以通過柔性聯(lián)接器76與底部鉆具組合17連接。量規(guī)伸縮片組件73可以包括鉆鋌、圓筒、鉆頭20的一個或多個牙輪的非鉆切邊和/或類似裝置。圖3B示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的量規(guī)伸縮片組件73。如圖所示，量規(guī)伸縮片組件73包括具有多個伸縮片74B的圓筒74A，所述多個伸縮片設置在圓筒74A的表面上。在一些方面中，多個伸縮片74B可以具有柔性特性，而在其它方面中，多個伸縮片74B可以是非柔性的，并且可以包括金屬。在本發(fā)明的一些實施例中，量規(guī)伸縮片組件73本身可以是柔性的，并且在沒有柔性聯(lián)接器76的情況下柔性量規(guī)伸縮片組件可以與底部鉆具組合17的元件連接。
[0091]在本發(fā)明的一個實施例中，凸輪79可以與底部鉆具組合17連接。凸輪79可以在底部鉆具組合17上移動。在本發(fā)明的實施例中，凸輪79可以包括偏心/非對稱圓筒。凸輪79可以移動以接觸量規(guī)伸縮片組件73。量規(guī)伸縮片組件73可以構造成在鉆井眼50的過程期間接觸內(nèi)壁53和/或鉆進面54。量規(guī)伸縮片組件73可以與底部鉆具組合17直接連接、通過聯(lián)接器76或類似部件連接到底部鉆具組合17。聯(lián)接器76可以包括柔性/彈性型材料，所述柔性/彈性型材料可以允許量規(guī)伸縮片組件73相對于底部鉆具組合17移動。
[0092]凸輪79可以由控制器80致動?？刂破?0可以包括馬達、液壓系統(tǒng)和/或類似系統(tǒng)，并且可以用于在鉆井過程期間移動凸輪79和/或保持凸輪79在井眼50內(nèi)對地靜止。在一些方面中，凸輪79可以包括具有外表面81和在外表面81內(nèi)的凹槽82。在這些方面中，在鉆井過程期間，控制器80可以用于將凸輪79移動到外表面81可以靠近量規(guī)伸縮片組件73或與所述量規(guī)伸縮片組件接觸的作用位置。在本發(fā)明的一些實施例中，可以沒有控制器80，并且可以在將底部鉆具組合17定位在井眼50內(nèi)之前，可以例如將凸輪79設置到作用位置。
[0093]在本發(fā)明的一個實施例中，凸輪79可以用于通過使得量規(guī)伸縮片組件73的特性繞量規(guī)伸縮片組件73是非均勻的來控制量規(guī)伸縮片組件73與內(nèi)壁53和/或鉆進面54之間的動態(tài)相互作用。在本發(fā)明的又一個實施例中，代替使用凸輪79改變量規(guī)伸縮片組件73的特性、位置和/或類似特性，壓電致動器、液壓致動器和/或其它機械致動器可以用于使得量規(guī)伸縮片組件73具有非均勻特性，使得非均勻特性可以用于控制量規(guī)伸縮片組件73與內(nèi)壁53和/或鉆進面54之間的動態(tài)相互作用。
[0094]在作用位置，即，在凸輪79與量規(guī)伸縮片組件73接合的位置中，可以通過凸輪79抑制量規(guī)伸縮片組件73沿側向方向(即，朝向底部鉆具組合17和/或井眼50的中心軸線)的移動。在作用位置處，凹槽82可以與量規(guī)伸縮片組件分開間距83，其中間距83大于在繞系統(tǒng)的其它位置處量規(guī)伸縮片組件73與外表面81之間的間距。因此，與量規(guī)伸縮片組件73的設置在外表面81上方的其它部分相比，量規(guī)伸縮片組件73在凹槽82上方的一部分可以具有更多的自由度/能夠側向移動。因此，在鉆井過程期間量規(guī)伸縮片組件73與內(nèi)壁和/或鉆進面54之間的相互作用將繞量規(guī)伸縮片組件73是不均勻的。
[0095]在本發(fā)明的一些方面中，凸輪79可以用于控制量規(guī)伸縮片組件73的偏移，以使量規(guī)伸縮片組件73產(chǎn)生偏移從而對鉆井系統(tǒng)進行導向，或者減小量規(guī)伸縮片組件73中的偏移從而用于鉆直井。在用于控制鉆頭20的操作的實施例中，凸輪79可以用于控制量規(guī)伸縮片組件73的偏移，以使量規(guī)伸縮片組件73產(chǎn)生偏移從而產(chǎn)生鉆頭20的某一特性，或減小量規(guī)伸縮片組件73中的偏移從而提供鉆頭20的不同特性。
[0096]凸輪79可以包括偏心圓筒。在操作中，凸輪79可以與量規(guī)伸縮片組件73接合，并且可以使得量規(guī)伸縮片組件73的至少一部分可以相對于鉆頭20尺寸較大(over gauge)。因此，尺寸較大的量規(guī)伸縮片組件73可以與井眼50的內(nèi)表面以非均勻的方式接觸。凸輪79可以具有帶有穩(wěn)定變化的外徑以用于在鉆井過程期間穩(wěn)定改變量規(guī)伸縮片組件73的至少一部分的尺寸/直徑。
[0097]在鉆井過程期間，底部鉆具組合17在井眼50內(nèi)可以受到動態(tài)運動，從而在底部鉆具組合17與井眼50的內(nèi)表面之間產(chǎn)生動態(tài)相互作用。在本發(fā)明的實施例中，由于與在量規(guī)伸縮片組件73相對于凹槽的相對側的位置處的量規(guī)伸縮片組件73的柔度相比，在凹槽82上方的量規(guī)伸縮片組件73具有更大的柔度，因此量規(guī)伸縮片組件73與內(nèi)壁53和/或鉆進面54之間重復的動態(tài)相互作用將使鉆井系統(tǒng)沿鉆進方向85鉆進，其中鉆進方向85沿著凹槽82的方向指向。當接合時，凸輪79可以防止量規(guī)伸縮片組件73向內(nèi)(如圖所示向上)移動，但是可以允許量規(guī)伸縮片組件73在相反的方向上(如圖所示向下)移動。因此，鉆頭20將相對于量規(guī)伸縮片組件73向上移動、振動，由此用于通過鉆井系統(tǒng)沿向上方向朝向凹槽82鉆進，以產(chǎn)生井眼50的向上指向段。
[0098]在本發(fā)明的實施例中，凸輪79可以用于使量規(guī)伸縮片組件73的軸線在對地靜止的平面內(nèi)與鉆頭20的軸線偏移。在一些方面中，當量規(guī)伸縮片組件73與鉆頭20和/或底部鉆具組合17 —起旋轉時，可以通過凸輪79提供量規(guī)伸縮片組件73的偏移。
[0099]當使用鉆井系統(tǒng)鉆井眼的彎曲段(例如，具有10度/100英尺井斜的彎曲段)時，井眼的實際側鉆可以較?。焕?，在這種彎曲段中，對于向前鉆進150mm(6英寸)的井眼來說，井眼的側鉆為0.07mm。在本發(fā)明的實施例中，因為用于產(chǎn)生具有每100英尺大約10度井斜的彎曲段的側鉆較小，因此用于在鉆井過程期間產(chǎn)生與井眼的內(nèi)表面的受控制的非均勻動態(tài)相互作用的系統(tǒng)可以只須生成井眼的小偏斜。在對本發(fā)明的實施例的實驗中，使用相對于底部鉆具組合和/或鉆頭的中心軸線具有偏心周向輪廓(包括相對于鉆頭尺寸較大和/或尺寸較小的偏心輪廓)的鉆鋌/量規(guī)伸縮片組件對動態(tài)相互作用的控制產(chǎn)生對井眼的具有這種期望曲率的彎曲段的導向。
[0100]在本發(fā)明的一些方面中，為了最小化動力需求，量規(guī)伸縮片組件73可以安裝在柔性聯(lián)接器76上，且量規(guī)伸縮片組件73的軸線與鉆頭20和/或鉆切系統(tǒng)的軸線重合，所述鉆切系統(tǒng)可以包括鉆頭20。在本發(fā)明的實施例中，可以通過使用凸輪79以限制柔性聯(lián)接器76的柔度的方向來實現(xiàn)對鉆井系統(tǒng)的導向，因此量規(guī)伸縮片組件73可以在一個方向上移動，但是在相反方向上卻是非常剛性的(對徑向運動具有抵抗性)。在一些方面中，為了對鉆井系統(tǒng)進行導向以鉆直井，所述凸輪79可以被接合以使量規(guī)伸縮片組件73系統(tǒng)的移動在所有方向上是剛性的(不會進行徑向運動)。
[0101]在本發(fā)明的實施例中，量規(guī)伸縮片組件73可以包括單個環(huán)形組件，所述環(huán)形組件攜帶量規(guī)伸縮片，所述環(huán)形組件與鉆頭20尺寸配合。在一些方面中，尺寸較大或尺寸較小的小范圍是可以容許的。在可選的實施例中，量規(guī)伸縮片組件73上的伸縮片可以獨立地安裝在環(huán)形組件和/或可以被獨立控制。量規(guī)伸縮片組件73可以安裝在剛性柔性結構上，并且可以相對于鉆頭20徑向移動。凸輪79可以是偏心的，并且可以構造成當對鉆井系統(tǒng)進行導向時對地靜止，和當鉆柱正在起下鉆或不期望進行導向時被引入、除去和/或類似動作。通過將凸輪79保持在對地靜止的位置，凸輪79的有源部分(例如，凹槽83或類似部分)可以相對于井眼50保持在對地靜止位置以用于沿期望的方向(例如，沿對地靜止的凹槽83的方向)鉆井眼50。在一些方面中，凸輪79可以是對地靜止的，并且量規(guī)伸縮片或類似部件可以在鉆井過程期間自由旋轉。
[0102]如先前所述，各種方法可以用于連接量規(guī)伸縮片組件73與鉆頭20和/或底部鉆具組合17。在一些方面中，支架可以是徑向柔性的，但是還可以能夠將扭矩和軸向重量傳遞給底部鉆具組合17。在本發(fā)明的一個實施例中，可以是支架或類似部件的柔性聯(lián)接器76可以包括薄壁圓筒，所述薄壁圓筒具有在圓筒內(nèi)的槽切口以允許徑向靈活度但是保持切向和軸向剛性。其它實施例可以包括用于將重量傳遞給可以用于傳遞扭矩的公接頭和/或樞轉臂的支承面。
[0103]使用可以保持凹槽82 (或凸輪79的尺寸較大的部分、在尺寸較小的部分，或凸輪79和量規(guī)伸縮片組件73或量規(guī)伸縮片組件73的徑向剛性或徑向柔性部分的組合)在井眼50內(nèi)對地靜止的量規(guī)伸縮片組件73和/或柔性聯(lián)接器76的結構，鉆井系統(tǒng)可以被控制以定向鉆井眼50。在本發(fā)明的一些實施例中，處理器75可以用于操縱控制器80以用于在鉆井操作期間或在所述鉆井操作之間使凸輪79旋轉，從而連續(xù)控制鉆井過程的方向。在一些實施例中，凹槽82可以具有用于改變凹槽82的深度的分級輪廓82A。在這種實施例中，可以改變在量規(guī)伸縮片組件73的在凹槽82上方的一部分相對于量規(guī)伸縮片組件73的不在凹槽82上方的一部分之間的量規(guī)伸縮片組件73的相對柔度。這樣，在本發(fā)明的一些實施例中，可以以變化的方式控制鉆進方向85的銳角(Θ )86。
[0104]在本發(fā)明的一些方面中，多個凹槽可以設置在凸輪79內(nèi)以用于控制量規(guī)伸縮片組件73與內(nèi)壁53之間的相互作用。多個凹槽可以繞凸輪79的圓周設置在不同的位置處，以提供期望的導向效果。此外，多個凸輪可以與底部鉆具組合17上的一個或多個量規(guī)伸縮片組件一起使用以在鉆井過程期間提供不同的導向效果。
[0105]圖4A-4C是根據(jù)本發(fā)明的實施例的、用于控制構造成鉆井眼的鉆井系統(tǒng)的有源(active)量規(guī)伸縮片系統(tǒng)的示意圖。在本發(fā)明的實施例中，有源量規(guī)伸縮片100可以用于控制鉆井眼用的鉆井系統(tǒng)，所述鉆井系統(tǒng)可以包括與底部鉆具組合95連接的鉆桿90。底部鉆具組合95可以包括用于鉆井眼的鉆頭97。有源量規(guī)伸縮片100可以包括鉆鋌、量規(guī)伸縮片、底部鉆具組合的一部分、管狀組件、鉆頭的一部分和/或可以以非均勻方式與正在被鉆進的井眼的內(nèi)表面相互作用的類似部件。
[0106]有源量規(guī)伸縮片100可以包括圓盤、圓筒、多個獨立元件-例如，繞底部鉆具組合95或鉆桿90的圓周設置的一系列伸縮片，所述圓盤、圓筒、多個獨立元件可以與鉆井系統(tǒng)連接，并且在鉆井過程期間與正在被鉆進的井眼的內(nèi)表面相互作用。在一些方面中，為了提供有源量規(guī)伸縮片100或類似部件與井眼的內(nèi)表面之間重復的相互作用，有源量規(guī)伸縮片100可以與鉆井系統(tǒng)連接以與鉆頭97的距離小于20英尺。在其它方面中，有源量規(guī)伸縮片100可以與鉆井系統(tǒng)連接以與鉆頭97的距離小于10英尺。
[0107]在本發(fā)明的實施例中，有源量規(guī)伸縮片100可以在井眼內(nèi)移動。因此，有源量規(guī)伸縮片100可以使用致動器或類似裝置在井眼中定位到井眼內(nèi)的方位，以由于有源量規(guī)伸縮片100(當定向在井眼內(nèi)時)與井眼的內(nèi)表面的非均勻相互作用而產(chǎn)生對鉆井系統(tǒng)期望的控制。使用處理器或類似裝置以控制有源量規(guī)伸縮片100在井眼內(nèi)的位置，可以控制/操縱對鉆井系統(tǒng)的操作和/或導向，并且這種控制/操縱可以在一些方面中實時發(fā)生。
[0108]在圖4A中，有源量規(guī)伸縮片100與底部鉆具組合95連接以在靠近鉆頭97的位置處提供與正在被鉆進的井眼的內(nèi)表面的相互作用。在其中鉆桿90、底部鉆具組合95和/或類似部件在鉆井操作期間旋轉的鉆井系統(tǒng)中，有源量規(guī)伸縮片100可以被構造成在鉆井操作期間保持對地靜止。致動器、摩擦力和/或類似裝置可以用于保持有源量規(guī)伸縮片100對地靜止。僅以示例的方式，在本發(fā)明的一個實施例中，有源量規(guī)伸縮片可以在鉆頭97后面小于10-20英尺的距離處與底部鉆具組合95連接。[0109]圖4B不出了圖4A中所不的系統(tǒng)的有源量規(guī)伸縮片的個實施例。在圖4B中，根據(jù)本發(fā)明的實施例，有源量規(guī)伸縮片100A可以包括非對稱元件。通過將非對稱有源量規(guī)伸縮片與鉆柱連接使得量規(guī)伸縮片100A的外表面延伸超過鉆柱的外表面，非對稱有源量規(guī)伸縮片的外表面可以與正在被鉆進的井眼的內(nèi)表面相互作用。因為有源量規(guī)伸縮片100A具有非對稱外表面，因此有源量規(guī)伸縮片100A可以由于鉆柱在鉆井過程期間以非均勻的方式進行動態(tài)運動而與井眼的內(nèi)表面相互作用，所述非均勻方式取決于有源量規(guī)伸縮片100A的非對稱結構。
[0110]僅以示例的方式，有源量規(guī)伸縮片100A的結構可以是非對稱的，并且可以構造成如圖4A中所提供的在鉆頭后面幾英寸到10-20英尺的范圍內(nèi)的距離處與底部鉆具組合連接。在一些實施例中，有源量規(guī)伸縮片100A可以包括均勻圓筒并且可以偏心地布置在底部鉆具組合上，以提供由于鉆柱的動態(tài)運動而與內(nèi)表面非均勻的相互作用。
[0111]在一些實施例中，有源量規(guī)伸縮片100A可以包括對地靜止管，并且在一側可以稍微尺寸較小。在其它實施例中，有源量規(guī)伸縮片100A可以在一側尺寸較小，而在相對側可以尺寸較大。在一些方面中，有源量規(guī)伸縮片100A可以包括多個對地靜止管，所述對地靜止管在圓周方向上尺寸較小或尺寸較大，并且可以繞鉆桿90和/或底部鉆具組合95的圓周連接。在本發(fā)明的實施例中，有源量規(guī)伸縮片100A可以構造成使有源量規(guī)伸縮片100A與鉆柱連接，使得有源量規(guī)伸縮片100A整個設置在鉆頭的鉆切輪廓內(nèi)；鉆切輪廓包括鉆頭的邊對邊鉆切輪廓。在本發(fā)明的其它實施例中，有源量規(guī)伸縮片100A的一部分或所有有源量規(guī)伸縮片100A可以延伸超過鉆頭的鉆切輪廓。
[0112]僅以示例的方式，有源量規(guī)伸縮片100A可以與鉆柱連接以使得有源量規(guī)伸縮片100A的外表面在鉆切輪廓內(nèi)大約1-幾十毫米。在其它方面中，并且再次僅以示例的方式，有源量規(guī)伸縮片100A可以與鉆柱連接以使得有源量規(guī)伸縮片100A的外表面的至少一部分在十分之幾毫米到幾十毫米的范圍內(nèi)延伸超過鉆切輪廓。
[0113]在本發(fā)明的實施例中，因為有源量規(guī)伸縮片100A與底部鉆具組合是不同心的，而是不對稱的和/或類似結構，因此有源量規(guī)伸縮片100A由于鉆井系統(tǒng)在井眼內(nèi)的徑向運動可以而在鉆井過程期間以非均勻的方式與正在被鉆進的井眼的內(nèi)表面相互作用。在鉆井過程期間有源量規(guī)伸縮片100A(如圖4B中所示)與井眼的內(nèi)表面之間重復的動態(tài)相互作用可以使鉆井系統(tǒng)往往沿向下方向103鉆進，如圖中所示。通過在鉆井過程期間保持有源量規(guī)伸縮片100A對地靜止，有源量規(guī)伸縮片100A可以用于對鉆井系統(tǒng)進行導向。
[0114]在本發(fā)明的實施例中，通過使有源量規(guī)伸縮片100A小于在繞有源量規(guī)伸縮片100A的圓周的至少一個周向位置的尺寸，可以在有源量規(guī)伸縮片100A與內(nèi)表面之間產(chǎn)生可以用于對鉆頭97進行導向的小間隙。因此，在本發(fā)明的一些實施例中，可以通過利用底部鉆具組合95上的接觸面來對鉆井系統(tǒng)進行導向，所述接觸面可以在被牙輪鉆切的輪廓內(nèi)和/或沒有將接觸面推到鉆切輪廓之外。
[0115]圖4C示出了圖4A中所示的系統(tǒng)的有源量規(guī)伸縮片的又一個實施例。在圖4C中，有源量規(guī)伸縮片100B可以包括與可延伸元件107連接的鉆鋌105。鉆鋌105可以包括圓筒、圓盤、鉆鋌量規(guī)伸縮片、底部鉆具組合95的一部分、鉆柱的一部分、鉆桿的一部分和/或類似部件。
[0116]在本發(fā)明的實施例中，可伸出元件107可以是可以被控制以改變鉆鋌105的周向輪廓的元件?？缮斐鲈?07可以被控制器110控制/致動?？刂破?10可以包括馬達、液壓系統(tǒng)和/或類似裝置。在本發(fā)明的實施例中，控制器Iio可以致動可伸出元件107以從底部鉆具組合95向外延伸，從而改變由鉆井系統(tǒng)在鉆井過程期間在井眼內(nèi)的徑向/動態(tài)運動而產(chǎn)生的有源量規(guī)伸縮片100B與正在被鉆進的井眼的內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用。
[0117]在本發(fā)明的一些實施例中，有源量規(guī)伸縮片100B可以構造成使得當延伸時有源量規(guī)伸縮片100B整體設置在鉆頭的鉆切輪廓內(nèi)。在本發(fā)明的其它實施例中，一段或整個延伸/部分延伸的有源量規(guī)伸縮片100B可以延伸超過鉆頭的鉆切輪廓。僅以示例的方式，有源量規(guī)100B可以與鉆柱連接以使得延伸位置中的有源量規(guī)100B的外表面在鉆切輪廓內(nèi)大約l-10mm。在其它方面中，并且再次僅以示例的方式，有源量規(guī)伸縮片100B可以與鉆柱連接，以使得有源量規(guī)伸縮片100B的外表面的至少一部分當延伸或部分延伸時在十分之幾毫米到幾十毫米的范圍內(nèi)延伸超過鉆切輪廓。
[0118]在本發(fā)明的實施例中，可以由可伸出元件107的定位/延伸來控制有源量規(guī)伸縮片100B與內(nèi)表面之間的相互作用，以用于對鉆井系統(tǒng)進行導向和由鉆井系統(tǒng)對正在被鉆進的井眼進行定向鉆井。在一些方面中，處理器70可以接收關于期望的鉆井方向的數(shù)據(jù)、關于鉆井過程的數(shù)據(jù)、關于井眼的數(shù)據(jù)、關于井眼內(nèi)的條件的數(shù)據(jù)、地震數(shù)據(jù)、關于包圍井眼的地層的數(shù)據(jù)和/或類似數(shù)據(jù)，并且可以操作控制器110以提供可伸出元件107的定位/延伸，從而對鉆井系統(tǒng)進行導向。在本發(fā)明的實施例中，可伸出元件107可以延伸以調(diào)節(jié)有源量規(guī)伸縮片100與正在被鉆進的井眼的內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用。這可能需要可伸出元件107簡單的無源延伸，使得有源量規(guī)伸縮片100具有繞鉆井系統(tǒng)和/或井眼的中心軸線的非均勻形狀，而無需必需將推力或力施加在內(nèi)表面上。
[0119]然而，在一些方面中，可伸出元件107可以被定位、延伸以將力施加在內(nèi)表面上。僅以不例的方式，在一些實施例中，可伸出兀件107可以將小于IkN的力施加在內(nèi)表面上，以用于將來自內(nèi)表面的反作用力施加在鉆井系統(tǒng)上并且控制鉆井系統(tǒng)與內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用。因為IkN的力可以不需要很大的井下功率消耗/電源，可以減小控制器110和/或類似部件的尺寸和復雜性。操作可伸出元件107以用于施加小于這種力的力是有利的。
[0120]在本發(fā)明的實施例中，底部鉆具組合95、鉆頭97、有源量規(guī)伸縮片100和/或類似部件可以構造成具有不均勻的分布質量。底部鉆具組合95、鉆頭97、有源量規(guī)伸縮片100和/或類似部件的質量可以沿圓周方向或以類似方式變化，以使得鉆井系統(tǒng)的不穩(wěn)定運動和/或鉆井系統(tǒng)與井眼的內(nèi)表面之間的相互作用是不均勻的。因此，鉆井系統(tǒng)的非均勻重量可以用于對鉆井系統(tǒng)進行控制和/或導向。僅以示例的方式，提供鉆壓的鉆鋌可以是具有非均勻重量分布的圓筒。在一些方面中，圓柱形鉆鋌可以旋轉以改變非均勻重量/質量分布相對于井眼的輪廓，以提供對鉆井系統(tǒng)的期望控制和/或對鉆井系統(tǒng)的導向。
[0121]在本發(fā)明的一些實施例中，代替量規(guī)伸縮片、鉆鋌和/或類似部件或與所述量規(guī)伸縮片、鉆鋌和/或類似部件一起，鉆柱可以被形成為用于控制與內(nèi)表面不穩(wěn)定的相互作用。例如，底部鉆具組合95可以被形成為非對稱的、具有非對稱的柔度和/或類似結構。此夕卜，根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，鉆頭97可以是非對稱的、具有非對稱柔度、具有非均勻鉆切特性和/或類似特性。此外，鉆井系統(tǒng)可以構造成鉆井系統(tǒng)在鉆井過程期間增加不穩(wěn)定運動。模擬、實驗和/或類似方法可以用于設計具有增加的不穩(wěn)定運動的鉆井系統(tǒng)。鉆頭97上的牙輪的位置、牙輪操作參數(shù)可以用于提供增加的不穩(wěn)定運動。在本發(fā)明的一些實施例中，鉆井系統(tǒng)可以裝有撓性/柔性聯(lián)接器、彎接頭和/或可以用于增加不穩(wěn)定相互作用、由不穩(wěn)定相互作用和/或類似物提高對鉆井系統(tǒng)的控制的類似部件(未示出)。
[0122]圖5提供了根據(jù)本發(fā)明的實施例的、用于對鉆井系統(tǒng)進行導向以定向鉆井眼的重復徑向運動致動器的示意圖。在本發(fā)明的實施例中，鉆井系統(tǒng)可以包括鉆柱140，所述鉆柱又可以包括底部鉆具組合95，并且鉆井系統(tǒng)可以構造成用于將井眼鉆通地球地層。
[0123]在一些實施例中，徑向運動發(fā)生器150可以連接到鉆柱140。徑向運動發(fā)生器150可以構造成使底部鉆具組合95在井眼中生成徑向運動；其中徑向運動可以是底部鉆具組合95遠離井眼的中心軸線朝向井眼的內(nèi)壁指向的任何運動。徑向運動發(fā)生器150可以包括機械振動器、聲波振動器和/或可以使底部鉆具組合95產(chǎn)生重復徑向運動(例如，振動)的類似裝置。徑向運動發(fā)生器150可以根據(jù)鉆柱140和/或底部鉆具組合95的物理特性調(diào)整以用于增加所產(chǎn)生的徑向運動。
[0124]在本發(fā)明的實施例中，底部鉆具組合95與井眼的內(nèi)表面之間的相互作用可以由徑向運動發(fā)生器150產(chǎn)生、提高、改變和/或進行類似動作。徑向運動發(fā)生器150可以用于通過產(chǎn)生、施加、改變底部鉆具組合與井眼的內(nèi)表面之間的相互作用和/或進行類似動作來對鉆柱140進行導向。通過對鉆柱140進行導向，正在通過鉆柱140鉆進的井眼可以被定向鉆進。處理器155可以用于控制徑向運動發(fā)生器150以在底部鉆具組合95與內(nèi)表面之間產(chǎn)生相互作用，從而用于沿期望的方向對鉆柱140進行導向。
[0125]在本發(fā)明的一些實施例中，徑向運動發(fā)生器150可以與在鉆井系統(tǒng)與正在被鉆進的井眼的內(nèi)表面之間產(chǎn)生不均勻不穩(wěn)定相互作用的其它方法結合使用，例如本說明書中所述。在這種實施例中，徑向運動發(fā)生器150可以用于增加或抑制鉆柱的不穩(wěn)定運動，以增加/抑制不穩(wěn)定相互作用控制器的作用和/或控制不穩(wěn)定相互作用控制器。這樣，不穩(wěn)定相互作用控制器可以用作不穩(wěn)定相互作用控制器的控制器/管理器，并且本身可以由處理器控制以用于對鉆井系統(tǒng)進行控制/導向和/或增加/抑制不穩(wěn)定相互作用控制器與井眼的內(nèi)表面之間的非均勻不穩(wěn)定運動相互作用。
[0126]圖6A和圖6B顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的、用于選擇性地表征井眼的內(nèi)表面以便對鉆具組合進行導向以定向鉆井眼的系統(tǒng)。在鉆井過程中，鉆柱160可以用于將井眼鉆通地球地層。鉆柱160可以包括底部鉆具組合165和聯(lián)接器170，所述聯(lián)接器可以連接底部鉆具組合165與地面位置或靠近所述地面位置處的設備。底部鉆具組合可以包括鉆頭173，所述鉆頭可以包括用于刮削/打碎地球地層中的巖石以產(chǎn)生/延伸正在被鉆進的井眼的多個齒 174。
[0127]在鉆井過程期間，正在被鉆進的井眼的內(nèi)表面的形狀可以稍微是規(guī)則的，并且可以由鉆頭173的外徑限定。通常，內(nèi)表面的形狀稍微為圓形。地球地層的不同部分的特性可以產(chǎn)生形狀不規(guī)則的內(nèi)表面。在圖6A中，根據(jù)本發(fā)明的實施例，成形裝置180與內(nèi)表面相互作用以改變/形成內(nèi)表面。成形裝置180可以包括用于將流體噴射到內(nèi)表面上的流體噴射系統(tǒng)、構造成用于側向鉆進到內(nèi)表面內(nèi)的鉆頭、用于刮削內(nèi)表面的刮刀和/或類似裝置。
[0128]在本發(fā)明的實施例中，成形裝置180可以用于改變內(nèi)表面的輪廓以用于控制底部鉆具組合165與內(nèi)表面之間的相互作用。在一些方面中，量規(guī)伸縮片185可以靠近鉆頭173與底部鉆具組合165連接，并且可以構造成在通過鉆井系統(tǒng)鉆井眼期間與內(nèi)表面相互作用。在內(nèi)表面相對均勻的情況下，量規(guī)伸縮片185與內(nèi)表面之間的由底部鉆具組合165在鉆井過程期間的徑向運動產(chǎn)生的隨機相互作用可以平均起來是均勻的，并且可以不影響鉆進方向。在本發(fā)明的實施例中，成形裝置180可以形成內(nèi)表面的輪廓/形成所述內(nèi)表面以控制量規(guī)伸縮片185與內(nèi)表面之間的相互作用。在本發(fā)明的一些方面中，底部鉆具組合165可以不包括量規(guī)伸縮片185，并且相互作用可以直接在底部鉆具組合165與內(nèi)表面之間。
[0129]在本發(fā)明的實施例中，通過控制量規(guī)伸縮片185與內(nèi)表面之間的相互作用，可以對鉆井系統(tǒng)進行導向。在一些方面中，成形裝置180可以在導向過程期間保持對地靜止，以用于當鉆柱140和/或鉆柱140的部件可以在井眼內(nèi)移動/旋轉時在鉆井過程期間精確地選擇將要通過成形裝置180形成的內(nèi)表面的區(qū)域。
[0130]成形裝置180可以包括安裝在鉆頭的保徑齒排與量規(guī)伸縮片之間的噴水器。噴水器或類似物可以用于挖掘量規(guī)伸縮片前面的地球地層，以在內(nèi)表面與量規(guī)伸縮片之間生成用于根據(jù)本發(fā)明的實施例對鉆井系統(tǒng)進行振動導向的間隙。在其它實施例中，電脈沖系統(tǒng)可以安裝在量規(guī)伸縮片前面，并且可以用于軟化內(nèi)表面的一部分，以允許量規(guī)伸縮片打碎這部分的材料，從而生成用于根據(jù)本發(fā)明的實施例的對鉆井系統(tǒng)進行振動導向的間隙。在其它實施例中，電脈沖系統(tǒng)可以用于直接生成間隙。
[0131]在圖6B中，鉆頭173可以構造成鉆具有選擇性非均勻內(nèi)表面的井眼。在一些方面中，鉆頭173的齒190可以構造成被選擇性地致動，以提供內(nèi)表面上的輪廓。在其它方面中，不同的技術可以用于控制鉆頭173以選擇性地形成內(nèi)表面?？梢酝ㄟ^控制選擇性地放置在內(nèi)表面內(nèi)的溝槽、凹槽或類似部分的內(nèi)表面的輪廓、形狀，可以控制內(nèi)表面與底部鉆具組合165之間的由底部鉆具組合165在井眼的鉆進期間產(chǎn)生的徑向運動而產(chǎn)生的相互作用，并因此還可以控制鉆進方向。
[0132]圖7A是根據(jù)本發(fā)明的實施例的、用于對鉆井系統(tǒng)進行導向以定向鉆井眼的方法的示意性流程圖。在步驟200中，鉆井系統(tǒng)可以用于鉆通過地球地層的一段井眼。鉆井系統(tǒng)可以包括連接到地面設備或類似設備的鉆柱。鉆柱本身可以包括底部鉆具組合，所述底部鉆具組合包括用于接觸地球地層并且鉆通過地球地層的井眼段的鉆頭。底部鉆具組合可以通過鉆桿、套管、撓性管或類似管與地面設備連接。鉆頭可以由頂部驅動裝置、轉盤、馬達、鉆井液和/或類似裝置供給動力。在鉆井過程期間，鉆柱可以在井眼中受到隨機運動，其中隨機運動可以包括使鉆柱在鉆井過程期間重復接觸井眼的內(nèi)表面的徑向振動。鉆柱與內(nèi)表面之間的由徑向振動產(chǎn)生的相互作用可以大部分產(chǎn)生于井眼的底部處，在所述底部處，在底部鉆具組合與內(nèi)表面之間可以發(fā)生相互作用。
[0133]在步驟210中，鉆柱和內(nèi)表面之間的振動型相互作用可以被控制。在本發(fā)明的一些實施例中，可以在井眼的底部控制動態(tài)相互作用。在本發(fā)明的一些實施例中，可以在井眼的底部使用一些裝置以使得底部鉆具組合與內(nèi)表面之間的振動型相互作用是不均勻的。在這種實施例中，控制鉆柱與內(nèi)表面之間的振動型相互作用的步驟可以包括:在圍繞內(nèi)表面的圓周方向的多個位置處抑制和/或增強底部鉆具組合與內(nèi)表面之間的振動型相互作用。隨著井眼被鉆進，可以維持或改變圍繞內(nèi)表面的圓周方向的多個位置處對底部鉆具組合與內(nèi)表面之間的振動型相互作用的抑制和/或增強。在一些方面中，多個裝置可以用于在底部鉆具組合與內(nèi)表面之間產(chǎn)生非均勻相互作用。
[0134]在本發(fā)明的實施例中，可以在步驟212中使用相互作用元件以用于控制動態(tài)相互作用。相互作用元件可以是諸如鉆鋌、量規(guī)伸縮片組件、圓筒或可以與鉆柱連接的其它元件的獨立元件，并且在一些方面中，底部鉆具組合可以是鉆柱的一部分，例如，底部鉆具組合的一部分或類似物。相互作用元件可以構造成提供相互作用元件與正在被鉆進的井眼的內(nèi)表面之間均勻的相互作用。
[0135]通常，正在被鉆進的井眼是地球地層內(nèi)的具有大致圓柱形內(nèi)表面的井眼。因此，在一些方面中，相互作用元件可以包括具有相對于鉆柱和/或井眼的中心為非均勻輪廓的元件。僅以示例的方式，相互作用元件可以包括與底部鉆具組合連接的偏心圓筒；其中，當與底部鉆具組合連接時，偏心圓筒的中心軸線不與底部鉆具組合的中心軸線重合。在另一個示例中，相互作用元件可以包括一系列伸縮片，所述伸縮片繞底部鉆具組合設置，并且構造成在鉆井過程期間接觸井眼的圓柱形內(nèi)表面，其中，伸縮片中的至少一個構造成與其它伸縮片相比從底部鉆具組合向外延伸更少或更多的長度。
[0136]在其它實施例中，相互作用元件可以包括具有非均勻柔度的元件。僅以示例的方式，柔性元件可以包括具有一定柔度的元件，且所述元件的一部分相對于該元件剩余部分的一定柔度具有增加或減小柔度，并且構造成使得增加柔度區(qū)或減小柔度區(qū)的至少一部分和具有一定柔度的元件的至少一部分每一個都可以由于底部鉆具組合的動態(tài)運動而在鉆井過程期間接觸圓柱形內(nèi)表面。在本發(fā)明的一些實施例中，致動器可以用于改變相互作用元件的特征，以從與井眼的內(nèi)表面以均勻方式相互作用的元件到以非均勻方式與內(nèi)表面相互作用的元件來致動相互作用元件。
[0137]在本發(fā)明的一些實施例中，相互作用元件，無論是具有非均勻剖面、非均勻柔度的元件和/或元件都可以不必構造成將壓力施加在內(nèi)表面或推靠在內(nèi)表面上，而事實上所述相互作用元件可以是無源的并且由于在鉆井過程期間鉆柱的動態(tài)運動而與內(nèi)表面相互作用。例如，相互作用元件可以包括從鉆柱向外延伸的可伸長元件。在一些方面中，可以通過可伸長元件將力施加到內(nèi)表面上，但是出于簡單和經(jīng)濟原因，力事實上可以僅僅是小的，即，力小于大約lkN。
[0138]在本發(fā)明的一些實施例中，相互作用元件可以構造成沒有延伸超過鉆頭的牙輪的輪廓和/或被整體設置在所述輪廓內(nèi)。在其它實施例中，相互作用元件可以至少具有延伸超過鉆頭的輪廓的一部分。在本發(fā)明的一些方面中，相互作用元件可以在鉆頭的輪廓之外I毫米到幾十毫米的范圍內(nèi)延伸，且這種延伸范圍用于對鉆井系統(tǒng)進行導向/控制。
[0139]在本發(fā)明的其中相互作用元件包括一個或多個可伸出元件的一些方面中，一個或多個可伸出元件可以延伸以延伸不超過牙輪和/或鉆頭的輪廓和/或整體設置在所述牙輪和/或鉆頭的輪廓內(nèi)。在其它方面中，一個或多個可伸出元件可以延伸使得一個或多個可伸出元件的至少一部分延伸超過牙輪和/或鉆頭的輪廓。在本發(fā)明的一些實施例中，可以通過使一個或多個可伸出元件在1-1Omm范圍內(nèi)延伸超過牙輪和/或鉆頭的輪廓來提供對鉆井系統(tǒng)的導向。在這種實施例中，與使用反作用力、用力推靠在井壁上用于進行導向的定向鉆井系統(tǒng)不同，可以僅使用/需要少量的動力和/或最小的井下設備以致動和/或保持可伸出元件在超過牙輪和/或鉆頭的輪廓的期望的延伸范圍內(nèi)。
[0140]在使用多個裝置的一些方面中，裝置的組合可以構造成提供鉆柱與沿圓周方向繞鉆柱的內(nèi)表面之間的非均勻的相互作用，并且在這種結構中，可以避免多個裝置與鉆柱以一個裝置對動態(tài)相互作用的影響取消另一個裝置的影響的方式連接?？梢杂糜诳刂苿討B(tài)相互作用的裝置可以連同其它裝置一起包括:量規(guī)伸縮片、鉆鋌、穩(wěn)定器、和/或以不同心的方式布置在底部鉆具組合上的其它裝置；量規(guī)伸縮片、鉆鋌、穩(wěn)定器和/或可以構造成沿圓周方向具有非均勻壓縮系數(shù)的類似裝置；用于改變內(nèi)表面的輪廓/形狀/外形的裝置；構造成鉆出具有不規(guī)則內(nèi)表面的井眼的鉆頭；和/或類似裝置。
[0141]在步驟220中，可以通過控制鉆柱與井眼的內(nèi)表面之間的振動型相互作用來對鉆井系統(tǒng)進行導向。在本發(fā)明的實施例中，用于控制鉆柱與井眼的內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用的裝置可以選擇性地定位在井眼內(nèi)，以使得動態(tài)相互作用對鉆井系統(tǒng)進行導向。在其中鉆柱的至少一部分在鉆井過程期間旋轉的鉆井系統(tǒng)中，裝置在井眼內(nèi)可以保持對地靜止以用于進行導向。在本發(fā)明的一些實施例中，在鉆一段井眼之前，可以將用于控制鉆柱與井眼的內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用的裝置選擇性地定位在鉆柱上，以提供對鉆井系統(tǒng)期望的導向。在一些方面中，在鉆另一段井眼之前，可以重新定位用于控制鉆柱與井眼的內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用的裝置。在其中例如凸輪或類似裝置的致動器用于改變用于控制鉆柱與井眼的內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用的裝置的特性的實施例中，在鉆井過程期間可以選擇性地定位和/或重新定位凸輪，而不是選擇性地定位和/或重新定位用于控制動態(tài)相互作用的
裝直。
[0142]在本發(fā)明的一些實施例中，控制用于控制鉆柱與井眼的內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用的裝置在井眼內(nèi)的位置、在井眼內(nèi)的方位、在鉆柱上的位置和/或方位的裝置，和/或用于致動控制鉆柱與井眼的內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用的裝置的裝置(例如，凸輪或類似裝置)，可以用于移動在鉆井過程期間控制鉆柱與井眼的內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用的裝置。
[0143]在步驟230中，對鉆井系統(tǒng)進行導向以沿期望的方向鉆井眼。在本發(fā)明的實施例中，可以確定用于將被鉆的一段井眼期望的方向，并且可以將用于控制動態(tài)相互作用的裝置定位在井眼內(nèi)和/或鉆柱上以對鉆井系統(tǒng)進行導向，從而沿期望的方向鉆一段井眼。在一些方面中，處理器可以控制用于控制井眼內(nèi)和/或鉆柱上的動態(tài)相互作用的裝置的位置、方位和/或類似參數(shù)，使得可沿期望的方向鉆將被鉆的一段井眼。在一些實施例中，可以由處理器處理來自設置在鉆柱上的傳感器數(shù)據(jù)、來自設置在井眼內(nèi)的傳感器的數(shù)據(jù)、地震數(shù)據(jù)和/或類似數(shù)據(jù)，以為期望的鉆進方向確定用于控制動態(tài)相互作用的裝置的位置/方位。
[0144]圖7Β是根據(jù)本發(fā)明的實施例的、用于控制用于在地球地層中鉆井眼的鉆井系統(tǒng)的方法的示意性流程圖。在步驟240中，包括構造成在地球地層內(nèi)鉆井眼的鉆柱和鉆頭的鉆井系統(tǒng)可以用于鉆一段井眼。在步驟250中，可以感測關于鉆柱和/或鉆頭在鉆井過程期間的操作的數(shù)據(jù)。所述數(shù)據(jù)可以包括諸如鉆壓、鉆井系統(tǒng)的轉速、大鉤載荷、扭矩和/或類似參數(shù)的參數(shù)。另外，可以從井眼、地面設備、包圍井眼的地層和/或類似地方采集數(shù)據(jù)，并且所述數(shù)據(jù)可以是關于在鉆井過程中正在實施或將要實施的干預/鉆井過程的輸入。例如，可以確定井眼和地層內(nèi)的壓力和/或溫度，可以由井眼和/或地層獲得地震數(shù)據(jù)，可以識別鉆井液性能和/或類似性能。
[0145]在步驟260中，可以處理關于鉆井系統(tǒng)的感測數(shù)據(jù)和/或關于地球地層和/或正在被鉆進的井眼內(nèi)的條件的數(shù)據(jù)和/或類似數(shù)據(jù)。事實上處理可以是決定性的/隨機的，并且所述處理可以識別鉆井系統(tǒng)的當前和/或將來潛在的狀態(tài)。例如，可以識別條件和/或諸如鉆頭的無效性能、鉆頭的停止和/或類似性能的條件和/或潛在的鉆井系統(tǒng)條件。[0146]在本發(fā)明的一些實施例中，接收感測數(shù)據(jù)的處理器可以用于操縱對鉆井系統(tǒng)與井眼的內(nèi)表面之間的不穩(wěn)定運動相互作用的控制。例如，磁力儀、比重計、加速儀、回轉儀系統(tǒng)和/或類似裝置可以確定鉆井系統(tǒng)的振幅、頻率、速度、加速度和/或類似參數(shù)，以提供對鉆井系統(tǒng)的不穩(wěn)定運動的了解?？梢詫碜詡鞲衅鞯臄?shù)據(jù)發(fā)送到處理器，以便進行處理，并且用于鉆井系統(tǒng)的不穩(wěn)定運動的值可以被顯示、在控制鉆柱的不穩(wěn)定相互作用的控制系統(tǒng)中使用、與來自地球地層、井眼和/或類似地方的其它數(shù)據(jù)一起被處理，以操縱用于控制鉆柱和/或類似裝置的不穩(wěn)定相互作用的控制系統(tǒng)。僅以示例的方式，可以通過遙測系統(tǒng)、光纖、有線鉆桿、鋼絲撓性管、無線通信和/或類似方式來實現(xiàn)感測數(shù)據(jù)到處理器的通信。
[0147]在步驟270中，可以控制鉆柱與正在被鉆進的井眼的內(nèi)表面之間的振動型相互作用?？梢酝ㄟ^改變/操縱/更改底部鉆具組合的一部分、鉆柱的一部分、鉆頭的牙輪、井眼的內(nèi)表面的輪廓或類似物的接觸特征來提供對鉆柱與井眼的內(nèi)表面之間的相互作用的控制。接觸特征可以是與底部鉆具組合的一部分的外表面、鉆柱的一部分、鉆頭的牙輪和/或在鉆井過程期間可以接觸井眼的內(nèi)表面的類似物相關聯(lián)的特征。接觸特征可以包括外表面的輪廓/形狀(即，可以包括繞鉆井系統(tǒng)、底部鉆具組合、鉆頭和/或類似部件的中心軸線的外表面的偏心形狀，可以包括外表面的尺寸較大和/或尺寸較小的部分)，可以包括繞外表面的非均勻柔度和/或類似物。
[0148]在步驟280中，鉆柱與井眼的內(nèi)表面之間的被控制的振動型相互作用可以用于控制鉆井系統(tǒng)的操作/功能。例如，當可以檢測或預測鉆井系統(tǒng)的鉆頭的旋轉嗡嗡聲時，可以控制鉆柱與井眼的內(nèi)表面之間的振動型相互作用以消除、減小和/或防止旋轉嗡嗡聲。在本發(fā)明的實施例中，可以由處理的數(shù)據(jù)確定鉆井系統(tǒng)的功能，并且可以通過控制鉆柱與井眼的內(nèi)表面之間的相互作用來改變所述鉆井系統(tǒng)的功能。這樣，本發(fā)明的實施例可以提供用于控制鉆井系統(tǒng)的操作的新系統(tǒng)和方法。
[0149]為了清楚和理解，已經(jīng)詳細說明了本發(fā)明。然而，要認識的是在所附權利要求的保護范圍內(nèi)可以實施一些改變和修改。此外，在上述說明中，出于說明的目的，以具體的順序說明了各種方法和/或過程。應該認識的在可選的實施例中，可以以不同于所述順序的順序執(zhí)行所述方法和/或過程。
【權利要求】
1.一種利用鉆井系統(tǒng)在正在通過所述鉆井系統(tǒng)在地球地層內(nèi)被鉆進的井眼中的動態(tài)運動來對鉆井系統(tǒng)進行導向的方法，所述鉆井系統(tǒng)包括鉆柱和底部鉆具組合，所述底部鉆具組合包括鉆頭，所述方法包括以下步驟: 利用與所述底部鉆具組合連接的接觸元件控制所述井眼的內(nèi)表面和底部鉆具組合之間的動態(tài)相互作用，其中所述接觸元件相對于所述底部鉆具組合是非對稱的并且被構造成使所述接觸元件與所述內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用繞所述接觸元件沿圓周方向變化； 在所述鉆井系統(tǒng)的操作期間保持所述接觸元件在所述井眼內(nèi)對地靜止，以偏置所述動態(tài)相互作用從而在具體方向上對所述鉆井系統(tǒng)進行導向；和 根據(jù)需要將所述接觸元件重新定位在所述底部鉆具組合上以保持在具體方向上對所述鉆井系統(tǒng)的導向或者在新的方向上對所述鉆井系統(tǒng)進行導向。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述接觸元件包括圓筒，所述圓筒以偏心的方式與所述底部鉆具組合連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述接觸元件包括鉆鋌或量規(guī)伸縮片，所述鉆鋌或量規(guī)伸縮片以偏心的方式與所述底部鉆具組合連接。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述接觸元件包括非對稱鉆鋌或非對稱量規(guī)伸縮片。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述接觸元件與所述底部鉆具組合連接，以使得所述接觸元件設置在所述鉆頭的鉆切輪廓內(nèi)。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述接觸元件與所述底部鉆具組合連接，以使得所述接觸元件的至少一部分設置在所述鉆頭的鉆切輪廓之外。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括以下步驟: 使用處理器以控制所述接觸元件。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中，所述處理器實時操縱對所述接觸元件的控制。
9.根據(jù)權利要求7所述的方法，還包括以下步驟: 使用所述處理器以對所述接觸元件在所述底部鉆具組合上的作用位置進行處理，以提供對所述鉆井系統(tǒng)的期望的導向；和 將所述接觸元件定位在所述作用位置處。
10.根據(jù)權利要求7所述的方法，還包括以下步驟: 感測數(shù)據(jù)；以及 將所述感測數(shù)據(jù)通信給所述處理器。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，所述感測數(shù)據(jù)包括功能數(shù)據(jù)，并且其中所述功能數(shù)據(jù)包括關于所述鉆井系統(tǒng)的至少一個功能元件的功能的數(shù)據(jù)。
12.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，所述感測數(shù)據(jù)包括關于所述鉆井系統(tǒng)在所述井眼內(nèi)的動態(tài)運動的數(shù)據(jù)。
13.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，所述感測數(shù)據(jù)包括關于包圍所述井眼的地球地層的地震數(shù)據(jù)。
14.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，所述感測數(shù)據(jù)包括井眼數(shù)據(jù)，并且其中所述井眼數(shù)據(jù)包括關于所述井眼內(nèi)的條件的數(shù)據(jù)。
15.一種用于對在地球地層中鉆進井眼的鉆井系統(tǒng)進行導向的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:所述鉆井系統(tǒng)，其中所述鉆井系統(tǒng)包括鉆柱和底部鉆具組合，所述底部鉆具組合包括鉆頭，并且由所述鉆井系統(tǒng)鉆的所述井眼由包括所述井眼的內(nèi)壁和所述井眼的底部的內(nèi)表面限定； 相互作用元件，所述相互作用元件與所述底部鉆具組合連接并且被構造成在使用時控制所述底部鉆具組合與所述內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用，其中所述相互作用元件被構造成使得所述相互作用元件和所述底部鉆具組合的外輪廓是非對稱的，以在鉆井過程期間當作為所述底部鉆具組合在所述井眼中的隨機運動的結果所述相互作用元件與所述內(nèi)表面重復地相互作用時在所述相互作用元件與所述內(nèi)表面之間提供在圓周方向上變化的相互作用，并且其中所述相互作用元件被構造成在鉆井過程期間當所述底部鉆具組合在所述井眼中旋轉時在所述底部鉆具組合上保持靜止；和 致動器，所述致動器構造成使所述相互作用元件在所述底部鉆具組合上移動。
16.根據(jù)權利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述相互作用元件在距離所述鉆頭小于20英尺的位置處與所述底部鉆具組合連接。
17.根據(jù)權利要求15所述的系統(tǒng)，還包括: 處理器，所述處理器與所述致動器連接，并且被構造成控制所述致動器以將所述相互作用元件定位在所述底部鉆具組合上。
18.根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，還包括: 傳感器，所述傳感器被構造成將數(shù)據(jù)通信給所述處理器。
19.根據(jù)權利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器包括地球物理傳感器、加速儀、陀螺傳感器、溫度傳感器、位置傳感器、壓力傳感器、徑向運動傳感器和磨損傳感器中的至少一種。
20.根據(jù)權利要求15所述的系統(tǒng)，還包括: 驅動器，所述驅動器被構造成驅動所述鉆井系統(tǒng)以在所述井眼內(nèi)進行徑向運動。
21.根據(jù)權利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述相互作用元件包括圓筒，所述圓筒以偏心的方式與所述底部鉆具組合連接。
22.根據(jù)權利要求 15所述的系統(tǒng)，其中，所述相互作用元件包括鉆鋌，所述鉆鋌以偏心的方式與所述底部鉆具組合連接。
23.根據(jù)權利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述相互作用元件包括非對稱量規(guī)伸縮片系統(tǒng)。
24.根據(jù)權利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述相互作用元件包括量規(guī)伸縮片，所述量規(guī)伸縮片以偏心的方式與所述底部鉆具組合連接。
【文檔編號】E21B17/10GK103774990SQ201410032693
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2008年8月12日 優(yōu)先權日:2007年8月15日
【發(fā)明者】阿什利·約翰遜, 沃特·阿爾德雷德, 杰弗里·唐頓, 賴得·布阿勒格, 科扎爾·豪格沃爾德斯泰德, 邁克爾·謝帕德 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司