[发明专利]减轻旋转式导向工具中的粘滑效应

说明书

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。

发明背景

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。