[发明专利]改进的扭矩发生器及使用方法

说明书

控制工具面的设备及与扭矩发生器联用的方法，扭矩发生器联接至钻柱以钻出线性和非线性地下钻孔部段。在一些实施例中，所用的设备和方法包括工具控制器，该工具控制器具有独立旋转的外壳和穿过其中的延伸导管并在其间形成环空。工具控制器可设置用于第一流体路径以允许流体旁路部分流过扭矩发生器，以及用于经过环空的第二流体路径以允许流体的扭矩发生器部分流过环空。在一些实施例中，随着流体流过环空，至少一个流体流限制部可设置在环空内以可控地造成扭矩发生器流体压力的级联降低，允许在钻柱速度(rpm)设定点的更大(可调)范围内的高分辨率工具面控制。

相关申请的交叉引用

本发明要求于2019年7月31日提交的、题为“改进的扭矩发生器及使用方法”的美国临时专利申请62/880,717的权益，特别是针对其所公开或教导的全部内容，该专利申请被援引纳入本文。

技术领域

本文实施例总体涉及定向钻井的方法和设备，尤其涉及利用与扭矩装置联接的井下钻具组合的设备，该设备用于控制井眼的线性和非线性钻孔部段。

背景技术

定向钻井在本领域是众所周知的并且是普遍惯用的。定向钻井通常使用与钻柱连接的井下钻具组合(BHA)来实现，钻柱使用本领域已知的转盘或顶部驱动单元在地面旋转。井下钻具组合包括容积式钻井马达、透平马达或泵，它们经由具有至少一个约1至3度的轴向错移的“弯曲”壳体来驱动钻头。连接至钻井马达(有时在本文中也称为“泥浆马达”)的顶部的随钻测井(MWD)工具将“工具面”信息提供给地面上的跟踪器材以动态地确定正在钻的地下钻孔的方向。钻柱刚性联接至井下钻具组合，钻柱的旋转使井下钻具组合旋转。

为了钻出线性钻孔部段，钻柱以预定速度被旋转，同时将钻井泥浆沿钻柱向下泵送并通过钻井马达使钻头旋转。因此，钻头通过钻井马达和钻柱被同时旋转以钻出基本线性的钻孔部段。当需要非线性钻孔部段时，钻柱的旋转停止，转盘或顶部驱动单元的可控旋转和/或由称为“钻压”的向下压力产生的反作用扭矩的可控使用被用于在期望方向定向工具面。然后钻井泥浆泵送通过钻柱以驱动钻头，同时由钻机支撑的钻柱的重量减小，以随着孔进程将钻柱向前滑动到钻孔中。当定向钻井在进程中时，钻柱没有旋转。

但定向钻井的这种方法有某些缺点。例如：在定向钻井期间，滑动钻柱趋向于“粘滞”，尤其在包括多于一个非线性钻孔部段的钻孔中或在带有长的水平钻孔部段的钻孔中；当钻柱粘住时，钻头可能无法以足够的力接合钻面来推进钻孔，并且当克服摩擦且钻柱滑动时，钻头可能被迫以足够的力抵着钻孔的底部，该力足以损坏钻头，安装钻井马达或者极大地改变工具面中的任一项都是非常不期望的；并且钻柱的旋转有助于将钻屑推出钻孔，所以当钻柱旋转停止时，钻屑会累积并且对钻井泥浆的回流产生阻碍，这对钻井操作是必要的。此外，在定向钻井期间，反作用扭矩造成静止钻柱“卷紧”，这也会极大地改变工具面。

在Rosenhauch的美国专利US8,381,839中提到了有关问题的滑动粘滞现象的一个解决方案。在此，允许井下钻具组合独立于钻柱旋转。当泥浆马达顺时针驱动钻头时，井下钻具组合和弯接头的反作用旋转是逆时针的。钻柱和井下钻具组合之间的扭矩发生器抵抗该反作用旋转。钻柱以静态驱动速度的旋转匹配弯接头的反作用旋转，并且井下钻具组合的净旋转是零，使得钻头钻出非线性钻孔部段。钻柱旋转大于静态驱动速度导致用于钻出线性钻孔部段的钻头的净顺时针旋转。扭矩发生器包括通过反压喷嘴排出流体的改进的容积式马达的布置。马达和喷嘴的该布置限制了峰值扭矩可用性。

人们对当前扭矩发生器的关注在于工具性能协调是有限的，这限制了当目的是要控制工具面转速(如设定工具面以一定rpm旋转)时的工具峰值扭矩。如果改变工具性能协调以利用扭矩发生器中的全部扭矩，则工具面控制受到降低的分辨率的限制。换言之，甚至工具转速中的轻微改变对工具面转速有放大的影响，这使得工具面转速微调非常困难。因此，人们需要被构造成提供优化的扭矩性能的扭矩发生器以允许对工具面的微调。

发明内容