專利名稱：馬達鉆頭系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例總體涉及鉆井。更具體地，而不是以限制性的方式，本發(fā)明說明了 用于控制和/或利用鉆頭的各個部分的振動以及用于定向鉆進在地球地層/或通過地球地 層鉆進的孔洞的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
用于在地球地層以及其它介質(zhì)中進行鉆進的鉆頭通常具有在鉆頭的頭部的牙輪 和在鉆頭的側(cè)部上的脊部。在鉆頭的側(cè)部上的脊部通常被稱為量規(guī)伸縮片(gauge pad:或 者為量規(guī)推力塊)，并且可以用于將鉆頭的頭部上的牙輪限制或引導到通過介質(zhì)的與已經(jīng) 由頭部上的牙輪完成的路徑有關的連續(xù)路徑。在一些鉆頭中，牙輪可以放置在量規(guī)伸縮片 的所有部分或所述量規(guī)伸縮片的一部分上。 量規(guī)伸縮片與孔洞的井壁之間的相互作用可以產(chǎn)生反向回轉(zhuǎn)，所述相互作用沒有 鉆頭的頭部上的牙輪與井眼的切削面的相互作用明顯。反向旋轉(zhuǎn)可能導致對靠近鉆頭的中 心以及從中心向外的牙輪的損壞。 在至少兩個方面中由于量規(guī)伸縮片與孔洞的井壁的反作用而損失的能量可能被 浪費掉。首先，由于損壞鉆頭頭部上的牙輪而損失的能量是沒有施加以最大化通過介質(zhì)的 鉆井力(因此最大化速度)的能量。其次，對鉆頭頭部上的牙輪的損壞最終需要替換鉆頭， 從而降低鉆井速度并增加鉆井成本。 因此，現(xiàn)有技術不能提供一種用于避免這些損傷力和/或使所述損傷力僅僅發(fā)生 在當在定向鉆井期間對鉆頭進行導向時期望的側(cè)向方向上。本發(fā)明的實施例提供對這些及 其它問題的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個實施例中，提供了一種用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)。鉆頭系統(tǒng)可以 包括框架、頭部和第一組量規(guī)伸縮片。出于說明的目的，術語多個量規(guī)伸縮片、第一多個量 規(guī)伸縮片、第二多個量規(guī)伸縮片、量規(guī)伸縮片和/或類似術語可以被理解為包括具有單個 量規(guī)伸縮片的實施例、方面、說明、系統(tǒng)和/或方法。頭部可以包括與頭部的端部連接的第 一多個牙輪，并且頭部可以與框架連接。第一多個量規(guī)伸縮片可以與框架可移動地連接。在 一些方面中，量規(guī)伸縮片可以包括第二多個牙輪。
在本發(fā)明的另一個實施例中，提供了另一種用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)。鉆頭系統(tǒng) 可以包括第一裝置、第二裝置、第三裝置和第四裝置。第一裝置可以用于連接鉆頭系統(tǒng)與鉆 具組合。第二裝置可以用于縱向鉆進到介質(zhì)內(nèi)。第三裝置可以用于控制第二裝置在介質(zhì)中 的側(cè)向移動。第四裝置用于可移動地連接第三裝置與第二裝置。 在本發(fā)明的另一個實施例中，提供了一種在介質(zhì)中鉆進井眼的方法。所述方法可 以包括以下步驟提供鉆頭，其中所述鉆頭包括鉆頭頭部、柔性聯(lián)接器、和多個量規(guī)伸縮片。 鉆頭頭部可以具有第一多個牙輪，柔性聯(lián)接器可以與鉆頭頭部連接，并且多個量規(guī)伸縮片 可以與柔性聯(lián)接器連接。所述方法還可以包括抵靠井眼的層面旋轉(zhuǎn)鉆頭頭部的步驟。
在本發(fā)明的另一個實施例中，提供了另一種用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)。鉆頭系統(tǒng) 可以包括框架、頭部和第一多個量規(guī)伸縮片。頭部可以包括與頭部的端部連接的第一多個 牙輪，并且頭部可以與框架可移動連接。第一多個量規(guī)伸縮片可以與框架固定連接。在一 些方面中，第一多個量規(guī)伸縮片可以包括第二多個牙輪。 在本發(fā)明的另一個實施例中，提供了另一種用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)。鉆頭系統(tǒng) 可以包括框架、頭部和第一多個量規(guī)伸縮片。頭部可以包括與頭部的端部連接的第一多個 牙輪，并且頭部可以與框架可移動連接。第一多個量規(guī)伸縮片可以與框架可移動地連接。在 一些方面中，第一多個量規(guī)伸縮片可以包括第二多個牙輪。 在本發(fā)明的另一個實施例中，提供了另一種用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)。鉆頭系統(tǒng) 可以包括第一裝置、第二裝置、第三裝置和第四裝置。第一裝置可以用于連接鉆頭系統(tǒng)與鉆 具組合。第二裝置可以用于縱向鉆進到介質(zhì)內(nèi)。第三裝置可以用于控制第二裝置在介質(zhì)中 的側(cè)向移動。第四裝置用于可移動地連接第二裝置與第一裝置。 在本發(fā)明的另一個實施例中，提供了另一種在介質(zhì)中鉆進井眼的方法。所述方法 可以包括以下步驟提供鉆頭，其中所述鉆頭包括頭部和多個量規(guī)伸縮片。所述方法還可以 包括使鉆頭頭部以第一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)以及使多個量規(guī)伸縮片以第二轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的步驟。
在本發(fā)明的另一個實施例中，公開了另一種用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)。鉆頭系統(tǒng) 可以包括框架、頭部和第一多個量規(guī)伸縮片?？蚣芸梢员粯?gòu)造成與第一轉(zhuǎn)動源可操作地連 接。頭部可以包括與頭部的端部連接的第一多個牙輪，并且頭部可以與框架可旋轉(zhuǎn)地連接。 頭部可以被構(gòu)造成與第二轉(zhuǎn)動源可操作地連接。第一多個量規(guī)伸縮片可以與框架固定連 接。在一些方面中，第一多個量規(guī)伸縮片可以包括第二多個牙輪。 在本發(fā)明的另一個實施例中，公開了另一種用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)。鉆頭系統(tǒng) 可以包括框架、頭部和第一多個量規(guī)伸縮片?？蚣芸梢员粯?gòu)造成與第一轉(zhuǎn)動源可操作地連 接。頭部可以包括與頭部的端部連接的第一多個牙輪，并且頭部可以與框架可旋轉(zhuǎn)地連接。 頭部可以被構(gòu)造成與第二轉(zhuǎn)動源可操作地連接。第一多個量規(guī)伸縮片可以與框架可移動地 連接。在一些方面中，第一多個量規(guī)伸縮片可以包括第二多個牙輪。 在本發(fā)明的另一個實施例中，提供了另一種用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)。鉆頭系統(tǒng) 可以包括第一裝置、第二裝置、第三裝置、第四裝置和第五裝置。第一裝置可以用于連接鉆 頭系統(tǒng)與鉆具組合。第二裝置可以用于以第一轉(zhuǎn)速縱向鉆進到介質(zhì)內(nèi)。第三裝置可以用于 控制第二裝置在介質(zhì)中的側(cè)向移動。第四裝置用于可旋轉(zhuǎn)地連接第二裝置與第一裝置。第 五裝置可以用于使第三裝置以第二轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。


以下參照

本發(fā)明，其中 圖1是本發(fā)明的一個實施例的具有鉆頭的示意圖，所述鉆頭包括框架、頭部、和與 具有柔性子部分(compliant subsection)的第一副框架連接的第一多個量規(guī)伸縮片；
圖2是本發(fā)明的另一個鉆頭的實施例的示意圖，除了第一副框架沒有柔性子部分 而是替代地與框架連接之外，所述鉆頭類似于圖1中所示的鉆頭； 圖3顯示了本發(fā)明的另一個鉆頭的實施例的示意圖，除了鉆頭包括與第二副框架 連接的第二多個量規(guī)伸縮片之外，所述鉆頭類似于圖1中所示的鉆頭，所述第二副框架與 框架固定連接，并且第二副框架與框架可分離地連接； 圖4是本發(fā)明的另一個鉆頭的實施例的示意圖，除了已經(jīng)改變了包括柔性子部分 的副框架之外，所述鉆頭類似于圖3中所示的鉆頭； 圖5是本發(fā)明的另一鉆頭實施例的示意圖，除了兩個副框架都包括柔性子部分之 外，所述鉆頭類似于圖3中所示的鉆頭； 圖6是本發(fā)明的具有包括框架、頭部、和與框架可移動連接的第一多個量規(guī)伸縮 片的鉆頭的另一實施例個示意圖； 圖7是本發(fā)明的具有包括框架、頭部、和與第一副框架可移動連接的第一多個量
規(guī)伸縮片的鉆頭的另一實施例個示意圖，所述第一副框架與框架固定連接； 圖8是本發(fā)明的另一個實施例的示意圖，除了鉆頭包括與第二副框架連接的第二
多個量規(guī)伸縮片之外，所述鉆頭類似于圖7中所示的鉆頭，所述第二副框架與框架固定連
接； 圖9是本發(fā)明的另一個實施例的示意圖，除了鉆頭包括與框架固定連接的第二多 個量規(guī)伸縮片之外，所述鉆頭類似于圖7中所示的鉆頭； 圖10是本發(fā)明的具有包括框架、頭部和與框架固定連接的第一多個量規(guī)伸縮片 和偏置機構(gòu)的另一個實施例的示意圖，其中頭部與框架可移動連接，并且通過偏置機構(gòu)的 致動可移動； 圖11是本發(fā)明的另一鉆頭的實施例，除了第一多個量規(guī)伸縮片與框架可移動連 接之外，所述鉆頭類似于圖10中所示的鉆頭； 圖12是本發(fā)明的另一個實施例的示意圖，除了鉆頭包括與框架固定連接的第二 多個量規(guī)伸縮片之外，所述鉆頭類似于圖11中所示的鉆頭； 圖13是本發(fā)明的另一個實施例的示意圖，除了鉆頭包括用于樞轉(zhuǎn)地連接頭部與 框架的接頭之外，所述鉆頭類似于圖10中所示的鉆頭； 圖14是本發(fā)明的另一鉆頭的實施例的示意圖，除了第一多個量規(guī)伸縮片與框架 可移動連接之外，所述鉆頭類似于圖13中所示的鉆頭； 圖15是本發(fā)明的另一個實施例的示意圖，除了鉆頭包括與框架固定連接的第二 多個量規(guī)伸縮片之外，所述鉆頭類似于圖14中所示的鉆頭； 圖16是本發(fā)明的具有包括框架、頭部、軸承、和與框架固定連接的第一多個量規(guī) 伸縮片的鉆頭的另一個實施例的示意圖，其中框架被構(gòu)造成與第一轉(zhuǎn)動源連接，而頭部被 構(gòu)造成與第二轉(zhuǎn)動源連接； 圖17是本發(fā)明的另一個實施例的示意圖，除了鉆頭包括偏置系統(tǒng)之外，所述鉆頭
8類似于圖16中所示的鉆頭；以及 圖18是本發(fā)明的另一個鉆頭的實施例的示意圖，除了軸承包括偏置系統(tǒng)之外，所 述鉆頭類似于圖16中所示的鉆頭；以及 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跟隨在類似部件和/或特征中進行判別的字母來進行區(qū) 別。只要在說明書中使用第一附圖標記，則不管字母后綴，說明適用于具有相同的第一附圖 標記的類似部件和/或特征中的任一個。
具體實施例方式
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(jié)構(gòu)。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?qū)嵤┮粋€ 或多個示例性實施例的說明。要理解的是在不背離如所附權利要求所述的本發(fā)明的精神和 保護范圍的情況下可以對元件的功能和布置做各種改變。 以下說明給出了詳細細節(jié)以提供對實施例的全面理解。然而，本領域的技術人員 要理解的是在沒有這些詳細細節(jié)的情況下可以實施所述實施例。例如，本發(fā)明中的線路、系 統(tǒng)、網(wǎng)絡、過程及其它元件可以被顯示為方框圖中的部件，從而避免由于不必要的細節(jié)而使 實施例不清楚。在其它情況下，可以顯示公知的線路、過程、算法、結(jié)構(gòu)和技術，而無需不必 要的細節(jié)以免使實施例不清楚。 此外，要注意的是單個實施例可以被說明為被描述為流程圖、流程圖解、數(shù)據(jù)流程 圖、結(jié)構(gòu)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。此外，可以重新布置操作的順序。當過程的操作完成時結(jié)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、函數(shù)、程序、子例程、子程 序等相對應。當過程與函數(shù)相對應時，所述過程的終止與函數(shù)到調(diào)用函數(shù)或主函數(shù)的返回 相對應。 術語"機器可讀介質(zhì)"包括但不局限于便攜式或固定存儲器、光學存儲器裝置、無 線信道和能夠存儲、包含或承載指令(一個或多個)和/或數(shù)據(jù)的各種其它介質(zhì)。代碼段 或機器可執(zhí)行指令可以表示過程、函數(shù)、子程序、程序、例程、子例程、模塊、軟件包、類，或指 令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、或程序語句的任意組合。代碼段可以通過傳送和/或接收信息、數(shù)據(jù)、自變 量、參數(shù)、或存儲內(nèi)容而耦合到另一個代碼段或硬件線路?？梢酝ㄟ^包括存儲器共享、信息
傳送、權標傳遞、網(wǎng)絡傳輸?shù)热魏魏线m的方法傳遞、轉(zhuǎn)發(fā)、或傳輸信息、自變量、參數(shù)、數(shù)據(jù)等。 此外，可以至少部分地手動或自動實施本發(fā)明的實施例?？梢酝ㄟ^使用機器、硬 件、軟件、固件、中間件、微碼、硬件描述語言，或所述機器、硬件、軟件、固件、中間件、微碼、 硬件描述語言的任意組合執(zhí)行或至少協(xié)助手動或自動實施。當在軟件、固件、中間件或微 碼中實施時，用于執(zhí)行必要任務的程序代碼或代碼段可以儲存在機器可讀介質(zhì)中。處理器 (一個或多個)可以執(zhí)行必要的任務。 在本發(fā)明的一個實施例中，提供了一種用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)。鉆頭系統(tǒng)可以 包括框架、頭部、和第一多個量規(guī)伸縮片。頭部可以包括與頭部的端部連接的第一多個牙 輪，并且頭部可以與框架連接。第一多個量規(guī)伸縮片可以與框架可移動連接。在本發(fā)明的一些方面中，第一多個量規(guī)伸縮片可以包括第二多個牙輪。 在一些實施例中，框架可以由金屬化合物構(gòu)造而成。在這些及其它實施例中，第一 多個牙輪中的任一個或多個可以是聚晶金剛石復合片("PDC")牙輪。在一些實施例中，第 二多個牙輪中的任一個或多個也可以是PDC牙輪。另外，在這里所述的任一個實施例中，任 意多個量規(guī)伸縮片和/或牙輪還可以被假定為還包括單個量規(guī)伸縮片和/或牙輪，但是當 在多個典型實施例中發(fā)生時才稱為多個。此外，這里所述的任一個實施例可以具有上述特 征中的任一個。 在一些實施例中，鉆頭系統(tǒng)可以包括第一副框架。在這些實施例中，與框架可移動
連接的第一多個量規(guī)伸縮片可以包括與第一副框架固定連接的第一多個量規(guī)伸縮片，且第
一副框架與框架可移動連接。在具有第一副框架的其它實施例中，與框架可移動連接的第
一多個量規(guī)伸縮片可以包括與第一副框架固定連接的第一多個量規(guī)伸縮片，且第一副框架
包括柔性子部分。此外，這里所述的任一個實施例可以具有上述特征中的任一個。 在具有第一副框架的其它實施例中，與框架可移動連接的第一多個量規(guī)伸縮片可
以包括與第一副框架可移動連接的第一多個量規(guī)伸縮片，且第一副框架與框架可移動連
接。在這些實施例中的一些中，與第一副框架可移動連接的第一多個量規(guī)伸縮片可以包括
關于框架具有第一側(cè)向柔量率的第一多個量規(guī)伸縮片，并且與框架可移動連接的第一副框
架可以包括關于框架具有第二側(cè)向柔量率的第一副框架。此外，這里所述的實施例中的任
一個可以具有上述特征中的任一個。 在一些實施例中，鉆頭系統(tǒng)可以包括第一副框架和第二副框架。第一多個量規(guī)伸
縮片可以與第一副框架連接，并且包括第三多個牙輪的第二多個量規(guī)伸縮片可以與第二框
架連接。在各種實施例中，第一多個量規(guī)伸縮片和第二多個量規(guī)伸縮片中的每一個都可以
與相對應的副框架固定或可移動連接。另外，第一副框架和第二副框架中的每一個都可以
與框架固定或可移動連接。此外，這里所述的實施例中的任一個可以具有上述特征中的任 一個。 在一些實施例中，這里涉及的任意副框架可以與框架可分離地連接，并且可以包 括多個子部件。依此方式，可能地，當副框架上的量規(guī)伸縮片的性能由于磨損已經(jīng)降低時， 在鉆頭系統(tǒng)上可以替換所述副框架。雖然這種副框架可以與框架可分離地連接，但是一旦 進行這種連接副框架可以與框架"固定地"連接，或者一旦進行這種連接所述副框架與框架 "可移動地"連接，這取決于具體結(jié)構(gòu)。此外，這里所述的實施例中的任一個可以具有上述特 征中的任一個。 在一些實施例中，這里"可移動連接"的任意多個量規(guī)伸縮片或其它元件可以表示
具體的量規(guī)伸縮片或具有利用鉆頭系統(tǒng)的框架或其它部分的側(cè)向柔量測量值的其它元件。
換句話說，當力作用在量規(guī)伸縮片上時，量規(guī)伸縮片可以至少部分地側(cè)向移動，而不是將所
述力剛性地傳遞到鉆頭系統(tǒng)或鉆具組合的另一個連接部分。"側(cè)向"可以表示大致垂直于與
鉆頭系統(tǒng)的軸線大致共線的縱向方向的方向和/或遠離所述縱向方向指向的方向(即，不
與所述縱向方向共線或平行)。此外，這里所述的任一個實施例可以具有上述特征中的任一 個。 在一些實施例中，對于這里所述的任意可移動元件來說，側(cè)向柔量可以在大約1 千牛頓每毫米與大約16千牛頓每毫米之間。在其它實施例中，對于這里所述的任意可移動
10元件來說，側(cè)向柔量可以在大約2千牛頓每毫米與大約8千牛頓每毫米之間。在示例性實 施例中，對于這里所述的任意可移動元件來說，側(cè)向柔量可以在大約4千牛頓每毫米與6千 牛頓每毫米之間。在另一個實施例中，對于這里所述的任意可移動元件來說，側(cè)向柔量可以 為大約4千牛頓每毫米。在一些實施例中，對于這里所述的任意可移動元件來說，側(cè)向柔量 可以小于大約16千牛頓每毫米。在其它實施例中，對于這里所述的任意可移動元件來說， 側(cè)向柔量可以小于大約8千牛頓每毫米。在示例性實施例中，對于這里所述的任意可移動 元件來說，側(cè)向柔量可以小于大約6千牛頓每毫米。在其它實施例中，對于這里所述的任意 可移動元件來說，側(cè)向柔量可以小于大約4千牛頓每毫米。在其它實施例中，對于這里所述 的任意可移動元件來說，側(cè)向柔量可以小于大約2千牛頓每毫米或者甚至1千牛頓每毫米。 僅以示例的方式，4千牛頓每毫米柔量表示施加到可移動元件的大約每4千牛頓的力，表示 元件參照其它元件可以移動大約1毫米。此外，這里所述的任一個實施例可以具有上述特 征中的任一個。 在一些實施例中，當鉆井時定向控制本發(fā)明的各種實施例中的量規(guī)伸縮片的絕對
側(cè)向方向柔量可以允許沿著與所控制的絕對側(cè)向方向相關的絕對側(cè)向方向進行定向鉆井。
在一些實施例中，可以實現(xiàn)在1與10毫米每米鉆進的側(cè)鉆。在示例性實施例中，可以實現(xiàn)
大于IO毫米每米鉆進的側(cè)鉆。此外，這里所述的任一個實施例可以具有上述特征中的任一 個。 在一些實施例中，鉆頭系統(tǒng)可以包括第二多個量規(guī)伸縮片。在這些實施例中，第二 多個量規(guī)伸縮片可以包括第三多個牙輪，并且可以與框架固定連接。此外，這里所述的任一 個實施例可以具有上述特征中的任一個。 在其它實施例中，在鉆頭包括第二多個量規(guī)伸縮片的情況下，第二多個量規(guī)伸縮 片可以與框架可移動連接。在這些實施例中的一些中，第一多個量規(guī)伸縮片可以關于框架 具有第一側(cè)向柔量率，而第二多個量規(guī)伸縮片可以關于框架具有第二側(cè)向柔量率。此外，這 里所述的任一個實施例可以具有上述特征中的任一個。 僅以示例的方式，在一些實施例中，與遠離鉆頭系統(tǒng)的頭部的量規(guī)伸縮片相比，靠 近鉆頭系統(tǒng)的頭部的量規(guī)伸縮片可以關于框架具有更高的側(cè)向柔量率。在其它實施例中， 顛倒后也是正確的，且與遠離鉆頭系統(tǒng)的頭部的量規(guī)伸縮片相比，靠近鉆頭系統(tǒng)的頭部的 量規(guī)伸縮片關于框架具有較低的側(cè)向柔量率。并且如上所述，即使涉及了多個量規(guī)伸縮片， 但是在一些實施例中，任意多個量規(guī)伸縮片中的單獨量規(guī)伸縮片可以可獨立移動連接并且 具有不同的側(cè)向柔量率。此外，這里所述的任一個實施例可以具有上述特征中的任一個。
在本發(fā)明的另一個實施例中，提供了一種用于鉆具組合的另一個鉆頭系統(tǒng)。鉆頭 系統(tǒng)可以包括第一裝置、第二裝置、第三裝置、和第四裝置。 在一些實施例中，第一裝置可以用于連接鉆頭系統(tǒng)與鉆具組合。僅以示例的方式， 第一裝置可以包括框架或這里所述的任何其它部件，或者本領域已經(jīng)公知的、現(xiàn)在公知的 或?qū)硪挠糜谶B接鉆頭系統(tǒng)與鉆具組合的其它部件。 在一些實施例中，第二裝置可以用于縱向鉆進到介質(zhì)中。僅以示例的方式，第二裝 置可以包括頭部或這里所述的任何其它部件，或本領域已經(jīng)公知的、現(xiàn)在或?qū)砉挠?于縱向鉆進到介質(zhì)中的其它裝置。 在一些實施例中，第三裝置可以用于控制第二裝置在介質(zhì)中的側(cè)向移動。僅以示例的方式，第三裝置可以包括多個量規(guī)伸縮片或這里所述的任何其它部件，或本領域已經(jīng)
公知的、現(xiàn)在公知的或?qū)砉挠糜诳刂频诙b置在介質(zhì)中的側(cè)向移動的其它裝置。還
以示例的方式，第三裝置可以包括與第二裝置可移動或固定連接的多個量規(guī)伸縮片。 在一些實施例中，第四裝置用于可移動連接第三裝置與第二裝置。僅以示例的方
式，第四裝置可以包括第三裝置與第二裝置之間的柔性聯(lián)接器或這里所述的其它部件，或
本領域已經(jīng)公知的、目前公知的和將來公知的用于連接第三裝置與第二裝置連接的其它裝置。 在一些實施例中，鉆頭系統(tǒng)還可以包括用于控制第二裝置在介質(zhì)中的側(cè)向移動的 第五裝置。僅以示例的方式，第五裝置可以包括與第二裝置連接的可導向鉆頭系統(tǒng)或這里 所述的任何其它部件，或本領域已經(jīng)公知的、當前公知的或?qū)砉挠糜诳刂频诙b置 在介質(zhì)中的側(cè)向移動的其它裝置。 在本發(fā)明的另一個實施例中，提供了另一種用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)。鉆頭系統(tǒng) 可以包括框架、頭部、和第一多個量規(guī)伸縮片。頭部可以包括與頭部的端部連接的第一多個 牙輪，并且頭部可以與框架可移動地連接。第一多個量規(guī)伸縮片可以與框架固定連接。在 本發(fā)明的一些方面中，第一多個量規(guī)伸縮片可以包括第二多個牙輪。 在一些實施例中，鉆頭系統(tǒng)還可以包括被構(gòu)造成相對于框架移動頭部的偏移機 構(gòu)。在一些實施例中，偏移機構(gòu)可以被構(gòu)造成在鉆頭系統(tǒng)繞著其軸線旋轉(zhuǎn)的同時，使頭部 在大致恒定的側(cè)向方向上相對于框架移動頭部。在一些實施例中，僅以示例的方式，偏移機 構(gòu)可以包括凸輪系統(tǒng)、液壓致動器系統(tǒng)、鉆井液(泥漿)供給動力的致動器系統(tǒng)、壓電致動 器系統(tǒng)、電流變致動器系統(tǒng)、磁流變致動器系統(tǒng)、和電活性聚合物致動器系統(tǒng)、和/或滾珠 螺旋致動器系統(tǒng)。在一些實施例中，偏移機構(gòu)可以被構(gòu)造成提供達到大約O. l毫米的位移。 在其它實施例中，偏移機構(gòu)可以被構(gòu)造成提供達到大約0.2毫米的位移。此外，這里所述的 任一個實施例可以具有上述特征中的任一個。 在一些實施例中，鉆頭系統(tǒng)還可以包括撓性聯(lián)接器。在這些實施例中的一些中，與 框架可移動連接的頭部可以包括與撓性聯(lián)接器連接的頭部，并且撓性聯(lián)接器與框架連接。 此外，這里所述的任一個實施例可以具有上述特征中的任一個。 在一些實施例中，鉆頭系統(tǒng)還可以包括用于使頭部與框架樞轉(zhuǎn)連接的接頭。僅以 示例的方式，接頭可以是被構(gòu)造成允許頭部運動具有較寬自由度的萬向接頭。此外，這里所 述的任一個實施例可以具有上述特征中的任一個。 在本發(fā)明的另一個實施例中，提供了另一種用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)。鉆頭系統(tǒng) 可以包括框架、頭部、和第一多個量規(guī)伸縮片。頭部可以包括與頭部的端部連接的第一多個 牙輪，并且頭部可以與框架可移動地連接。第一多個量規(guī)伸縮片可以包括第二多個牙輪。第 一多個量規(guī)伸縮片可以與框架可移動地連接。 在這些實施例中，可以整體或部分地包括與可移動和固定連接的副框架、和/或 可移動和/或固定連接的多個量規(guī)伸縮片有關的上述特征。這些實施例還可以包括如上所 述的偏移機構(gòu)、撓性聯(lián)接器、和/或接頭。 在本發(fā)明的另一個實施例，提供了另一種用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)。鉆頭系統(tǒng)可 以包括第一裝置、第二裝置、第三裝置、和第四裝置。 在一些實施例中，第一裝置可以用于連接鉆頭系統(tǒng)與鉆具組合。僅以示例的方式，第一裝置可以包括框架或這里所述的任何其它部件，或者本領域已經(jīng)公知的、現(xiàn)在公知的 或?qū)硪挠糜谶B接鉆頭系統(tǒng)與鉆具組合的其它部件。 在一些實施例中，第二裝置可以用于縱向鉆進到介質(zhì)中。僅以示例的方式，第二裝 置可以包括頭部或這里所述的任何其它部件，或本領域已經(jīng)公知的、現(xiàn)在公知的或?qū)砉?知的用于縱向鉆進到介質(zhì)中的其它裝置。 在一些實施例中，第三裝置可以用于控制第二裝置在介質(zhì)中的側(cè)向移動。僅以示 例的方式，第三裝置可以包括多個量規(guī)伸縮片或這里所述的任何其它部件，或本領域已經(jīng) 公知的、現(xiàn)在公知的或?qū)砉挠糜诳刂频诙b置在介質(zhì)中的側(cè)向移動的其它裝置。還 以示例的方式，第三裝置可以包括與第二裝置可移動或固定連接的多個量規(guī)伸縮片。
在一些實施例中，第四裝置用于可移動連接第二裝置與第一裝置。僅以示例的方 式，第四裝置可以包括第二裝置與第一裝置之間的柔性聯(lián)接器或這里所述的其它部件，或 本領域已經(jīng)公知的、目前公知的和將來公知的用于連接第二裝置與第一裝置的其它裝置。
在一些實施例中，鉆頭系統(tǒng)還可以包括用于控制第二裝置在介質(zhì)中的側(cè)向移動的 第五裝置。僅即示例的方式，第五裝置可以包括被構(gòu)造成相對于第一裝置移動第二裝置的 偏移機構(gòu)或這里所述的任何其它部件，或者本領域已經(jīng)公知的、目前公知的或?qū)砉?用于控制第二裝置在介質(zhì)中的側(cè)向移動的其它裝置。 在本發(fā)明的另一個實施例中，公開了另一種用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)。鉆頭系統(tǒng) 可以包括框架、頭部、和第一多個量規(guī)伸縮片?？蚣芸梢员粯?gòu)造成與第一轉(zhuǎn)動源可操作地連 接。頭部可以包括與頭部的端部連接的第一多個牙輪，并且頭部可以與框架可旋轉(zhuǎn)地連接。 頭部可以被構(gòu)造成與第二轉(zhuǎn)動源可操作地連接。第一多個量規(guī)伸縮片可以與框架固定連 接。在一些方面中，第一多個量規(guī)伸縮片可以包括第二多個牙輪。 在一些實施例中，第一轉(zhuǎn)動源可以包括諸如頂部驅(qū)動系統(tǒng)或轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)的井上轉(zhuǎn)動 源。在這些及其它實施例中，第二轉(zhuǎn)動源可以包括位于底部鉆具組合內(nèi)的泥漿馬達。此外， 這里所述的任一個實施例可以具有上述特征中的任一個。 在一些實施例中，第一轉(zhuǎn)動源可以具有第一轉(zhuǎn)速，而第二轉(zhuǎn)動源可以具有第二轉(zhuǎn) 速。在其它實施例中，第一轉(zhuǎn)動源和第二轉(zhuǎn)動源可以具有相同的速度。在一些實施例中，第 一轉(zhuǎn)速和第二轉(zhuǎn)速中的每一個都可以是固定或可變的、離散可變的、和/或連續(xù)可變的。此 外，這里所述的任一個實施例可以具有上述特征中的任一個。 在一些實施例中，鉆頭系統(tǒng)還可以包括被構(gòu)造成沿大致一個方向?qū)㈩^部的振動傳 遞給框架的偏置系統(tǒng)。在一些實施例中，偏置系統(tǒng)還可以被構(gòu)造成在頭部繞著其軸線旋轉(zhuǎn) 的同時，沿大致恒定的側(cè)向方向傳遞頭部的振動。在一些實施例中，僅以示例的方式，偏置 系統(tǒng)可以包括凸輪系統(tǒng)、液壓致動器系統(tǒng)、鉆井液(泥漿)供給動力的致動器系統(tǒng)、壓電致 動器系統(tǒng)、電流變致動器系統(tǒng)、磁流變致動器系統(tǒng)、和電活性聚合物致動器系統(tǒng)、和/或滾 珠螺旋致動器系統(tǒng)。在一些實施例中，偏置系統(tǒng)可以被構(gòu)造成提供達到大約0. 1毫米的位 移。在其它實施例中，偏置系統(tǒng)可以被構(gòu)造成提供達到大約0.2毫米的位移。在本發(fā)明的 其它實施例中，偏置系統(tǒng)可以被構(gòu)造成提供在大約0. 2毫米與1毫米之間的位移。在其它 實施例中，偏置系統(tǒng)可以被構(gòu)造成提供毫米數(shù)量級的位移。此外，這里所述的任一個實施例 可以具有上述特征中的任一個。 在一些實施例中，鉆頭系統(tǒng)還可以包括軸承。在這些實施例中的一些中，與框架可
13旋轉(zhuǎn)地連接的頭部可以包括與軸承可操作地連接的頭部，且軸承與框架可操作地連接。如
本領域所公知的，軸承被理解為包括袖襯和用于可旋轉(zhuǎn)地連接兩個部件并且允許兩個部件
之間的平滑轉(zhuǎn)動的其它裝置。此外，這里所述的任一個實施例可以具有上述特征中的任一 個。 在包括軸承的一些實施例中，軸承可以包括被構(gòu)造成在大致一個方向上將頭部的 振動傳遞給框架的偏置系統(tǒng)。在這些實施例中，偏置系統(tǒng)可以被構(gòu)造成在頭部繞著其軸線 旋轉(zhuǎn)的同時，沿大致恒定側(cè)向方向傳遞頭部的振動，。此外，這里所述的任一個實施例可以 具有上述特征中的任一個。
在本發(fā)明的另一個實施例中，公開了另一種用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)。鉆頭系統(tǒng)
可以包括框架、頭部、和第一多個量規(guī)伸縮片?？蚣芸梢员粯?gòu)造成與第一轉(zhuǎn)動源可操作地連
接。頭部可以包括與頭部的端部連接的第一多個牙輪，并且頭部可以與框架可旋轉(zhuǎn)地連接。
頭部可以被構(gòu)造成與第二轉(zhuǎn)動源可操作地連接。第一多個量規(guī)伸縮片可以與框架可移動連
接。在本發(fā)明的一些實施例中，第一多個量規(guī)伸縮片可以包括第二多個牙輪。 在這些實施例中，可以整體或部分地包括與可移動和固定連接的副框架、、和/或
可移動和/或固定連接的多個量規(guī)伸縮片有關的上述特征。這些實施例還可以包括如上所
述的偏置系統(tǒng)、和/或軸承。 在本發(fā)明的另一個實施例中，提供了另一種用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)。鉆頭系統(tǒng) 可以包括第一裝置、第二裝置、第三裝置、第四裝置和第五裝置。 在一些實施例中，第一裝置可以用于連接鉆頭系統(tǒng)與鉆具組合。僅以示例的方式， 第一裝置可以包括框架或這里所述的任何其它部件，或者本領域已經(jīng)公知的、現(xiàn)在公知的 或?qū)硪挠糜谶B接鉆頭系統(tǒng)與鉆具組合的其它部件。 在一些實施例中，第二裝置可以用于以第一轉(zhuǎn)速縱向鉆進到介質(zhì)中。僅以示例的 方式，第二裝置可以包括頭部或這里所述的任何其它部件，或本領域已經(jīng)公知的、現(xiàn)在或?qū)?來公知的用于以第一轉(zhuǎn)速縱向鉆進到介質(zhì)中的其它裝置。 在一些實施例中，第三裝置可以用于控制第二裝置在介質(zhì)中的側(cè)向移動。僅以示
例的方式，第三裝置可以包括多個量規(guī)伸縮片或這里所述的任何其它部件，或本領域已經(jīng)
公知的、現(xiàn)在公知的或?qū)砉挠糜诳刂频诙b置在介質(zhì)中的側(cè)向移動的其它裝置。 在一些實施例中，第四裝置用于可旋轉(zhuǎn)地連接第二裝置與第一裝置。僅以示例的
方式，第四裝置可以包括軸承或這里所述的任何其它部件，或本領域已經(jīng)公知的、目前公知
的和將來公知的用于可旋轉(zhuǎn)地連接第二裝置與第一裝置的其它裝置。 在一些實施例中，第五裝置可以用于使第三裝置在第二轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)。僅即示例的 方式，第五裝置可以包括第一裝置，并且第一裝置可以包括可旋轉(zhuǎn)框架。另外，第五裝置可 以包括這里所述的任何其它部件，或者本領域已經(jīng)公知的、目前公知的或?qū)砉挠糜?使第三裝置在第二轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)的其它裝置。 在一些實施例中，鉆頭系統(tǒng)還可以包括用于將第二裝置的側(cè)向振動傳遞給第三裝
置的第六裝置。僅即示例的方式，第六裝置可以包括偏置系統(tǒng)或這里所述的任何其它部件， 或者本領域已經(jīng)公知的、目前公知的或?qū)砉挠糜趯⒌诙b置的側(cè)向振動傳遞給第三
裝置的其它裝置。
以下參見圖l，示出了具有鉆頭100的本發(fā)明的一個實施例的示意圖，所述鉆頭包
14括框架105、頭部110、和與第一副框架120連接的第一多個量規(guī)伸縮片115，所述第一副框架具有柔性子部分125。 框架105包括用于連接鉆頭100與底部鉆具組合或其它鉆具組合的螺紋銷130?？蚣?05和頭部110還具有鉆井液通道135，所述鉆井液通道限定在所述框架和頭部內(nèi)。頭部110包括第一多個牙輪140。第一多個量規(guī)伸縮片115可以包括第二多個牙輪145。
在圖1中所示的實施例中，第一副框架120具有柔性子部分125，并且與框架105固定連接。柔性子部分125允許第一多個量規(guī)伸縮片115相對于框架105和頭部110具有一定量的柔量。因此，當鉆頭100旋轉(zhuǎn)通過介質(zhì)時，作用在第一多個量規(guī)伸縮片115上的力可以使至少一部分第一多個量規(guī)伸縮片115朝向框架向內(nèi)偏斜。這將使來自鉆頭100與介質(zhì)的相互作用的更多的力施加到頭部110上的第一多個牙輪140上，而不是施加在第一多個量規(guī)伸縮片115上。 在圖1中，多個量規(guī)伸縮片115被描述為半球形形狀，然而，在本發(fā)明的一些實施例中，多個量規(guī)伸縮片115可以包括量規(guī)伸縮片115A。量規(guī)伸縮片115A可以包括任意形狀，包括單個實心脊狀部、繞副框架120設置的多個脊狀部、錐形脊狀部、繞副框架120設置的多個錐形脊狀部、圓盤、圓柱形、突起、與副框架120連接的元件、副框架120的側(cè)向延伸部分和/或類似形狀。量規(guī)伸縮片115A可以從副框架120側(cè)向向外延伸，從而增加副框架120在量規(guī)伸縮片115A的位置處的尺度。 在一些實施例中，第一副框架120可以包括與框架105連接的多個副框架，且多個副框架中的每一個又與一個或多個量規(guī)伸縮片連接。在這種實施例中，可以具有多個柔性元件或與多個副框架連接的類似元件。在本發(fā)明的一些實施例中，多個量規(guī)伸縮片115中的一個或多個可以被構(gòu)造成在鉆井過程期間接合由圖1的鉆井系統(tǒng)正在被鉆進的井眼的側(cè)壁。 在本發(fā)明的一些方面中，多個量規(guī)伸縮片115中的一個或多個可以從副框架120側(cè)向延伸到鉆頭100的尺度。在一些方面中，多個量規(guī)伸縮片115中的一個或多個可以從副框架120延伸以小于鉆頭100的尺度。在本發(fā)明的前述方面中的一些中，多個量規(guī)伸縮片中的一個或多個鉆頭延伸到鉆頭100的小于1-10毫米尺度的范圍。在一些方面中，多個量規(guī)伸縮片115中的一個或多個可以延伸超過鉆頭100的尺度。在本發(fā)明的前述方面中的一些中，多個量規(guī)伸縮片中的一個或多個可以延伸超過鉆頭尺度i-io毫米之間，并且在其它方面中，可以延伸超過鉆頭尺度大于10毫米。 在這里所述的此實施例和所有其它實施例中，用于給定副框架的材料的物理特性(例如，楊氏彈性模量)以及副框架的懸臂結(jié)構(gòu)/連接還可以為多個量規(guī)伸縮片提供一定量的柔量。然而，在其它實施例中，固定連接的副框架還可以是剛性和非柔性的。
圖2顯示本發(fā)明的另一個鉆頭200的實施例的示意圖，除了第一副框架205沒有柔性子部分而是相反地通過柔性聯(lián)接器210與框架105可移動連接之外，所述鉆頭200類似于圖1中所示的鉆頭。柔性聯(lián)接器210可以為第一多個量規(guī)伸縮片115提供相對于框架105和頭部110與圖1中至少類似大小的柔量。 圖3顯示了本發(fā)明的另一個鉆頭300的實施例的示意圖，除了鉆頭300包括與第二副框架310連接的第二多個量規(guī)伸縮片305之外，所述鉆頭300類似于圖1中所示的鉆頭，所述第二副框架310與框架105固定 接，并且第二副框架310與框架105可分離地連接。 第一多個量規(guī)伸縮片315仍然可以包括第二多個牙輪320。同時，第二多個量規(guī)伸縮片305可以包括第三多個牙輪325。第一多個量規(guī)伸縮片315仍然與第一副框架330連接，所述第一副框架包括柔性子部分125。 第二副框架310通過這里被示例性地示出為埋頭螺釘聯(lián)接器的可分離聯(lián)接機構(gòu)335與框架105連接。圖3中所示的實施例是副框架如何可以與框架105固定連接，但是還可以"可分離地連接"的示例。第二副框架310可以包括允許第二副框架與框架105可分離地連接的多個子部件。 圖4顯示本發(fā)明的另一個鉆頭400的實施例的示意圖，除了包括柔性子部分125的副框架已經(jīng)改變之外，鉆頭400類似于圖3中所示的鉆頭。在此實施例中，第一副框架405與框架105固定并且不可分離地連接，而第二副框架410通過可分離聯(lián)接機構(gòu)335與框架105固定但可分離地連接。 圖5顯示本發(fā)明的另一個鉆頭500的實施例的示意圖，除了兩個副框架包括柔性子部分125之外，鉆頭500類似于圖3中所示的鉆頭。第一副框架330和第二副框架505包括柔性子部分125。同樣地，第二副框架通過可分離聯(lián)接機構(gòu)335保持與框架105可分離地連接。 圖6顯示本發(fā)明的具有鉆頭600的另一個實施例的示意圖，鉆頭600包括框架105、頭部110、和與框架105可移動連接的第一多個量規(guī)伸縮片115。在此實施例中，柔性介質(zhì)605為第一多個量規(guī)伸縮片115提供側(cè)向柔量。 圖7顯示本發(fā)明的具有鉆頭700的另一個實施例的示意圖，鉆頭700包括框架105、頭部110、和與第一副框架705可移動連接的第一多個量規(guī)伸縮片，所述第一副框架與框架105固定連接。在此實施例中，柔性介質(zhì)605以及可能地第一副框架705的物理特性和懸臂特性可以為第一多個量規(guī)伸縮片115提供側(cè)向柔量。 圖8示出了本發(fā)明的另一個實施例的示意圖，除了鉆頭800包括與第二副框架810連接的第二多個量規(guī)伸縮片805之外，鉆頭800類似于圖7中所示的鉆頭，所述第二副框架與框架105固定連接。第二多個量規(guī)伸縮片805可以包括第三多個牙輪815，而第一多個量規(guī)伸縮片820可以包括第二多個牙輪825。 第一多個量規(guī)伸縮片820通過固定連接的第一副框架830和柔性介質(zhì)835與框架105連接。在此實施例中，柔性介質(zhì)835、以及可能地第一副框架830的物理特性和懸臂特性可以為第一多個量規(guī)伸縮片820提供側(cè)向柔量。 圖9顯示了本發(fā)明的另一個實施例的示意圖，除了鉆頭900具有與框架105固定連接的第二多個量規(guī)伸縮片805之外，鉆頭900類似于圖7中所示的鉆頭。在此實施例中，可以減小和/或消除由在圖8中所示的實施例中的第二副框架810提供的側(cè)向柔量。
圖10顯示本發(fā)明的具有鉆頭IOOO和偏置機構(gòu)1005的另一個實施例的示意圖，所述鉆頭包括框架105、頭部110、和與框架105固定連接的第一多個量規(guī)伸縮片115，其中頭部IIO通過撓性聯(lián)接器1010與框架可移動連接，并且通過偏置機構(gòu)1005的致動可移動。在鉆頭1000的旋轉(zhuǎn)的具體離散點或旋轉(zhuǎn)范圍期間通過偏移機構(gòu)1005的選擇和/或累進起動可以允許鉆頭1000被導向通過介質(zhì)并且產(chǎn)生彎曲方向孔洞。 圖11顯示了本發(fā)明的另一個鉆頭1100的實施例的示意圖，除了第一多個量規(guī)伸縮片115通過柔性介質(zhì)605與框架105可移動連接之外，鉆頭1100類似于圖10中所示的鉆頭。 圖12顯示本發(fā)明的另一個實施例的示意圖，除了鉆頭1200包括與框架105固定連接的第二多個量規(guī)伸縮片805之外，鉆頭1200類似于圖11中所示的鉆頭。
圖13顯示了本發(fā)明的另一個實施例的示意圖，除了鉆頭1300包括用于使頭部110與框架105樞轉(zhuǎn)連接以說明偏移機構(gòu)1305的致動的接頭1305之外，鉆頭1300類似于圖10中所示的鉆頭。諸如圖13中所示的實施例允許頭部IIO進行角位移，而不是與圖10中所示的實施例所發(fā)生的一樣平行偏移頭部110的軸線。 圖14顯示了本發(fā)明的另一個鉆頭1400的實施例的示意圖，除了第一多個量規(guī)伸縮片115通過柔性介質(zhì)605與框架105可移動連接之外，鉆頭1100類似于圖13中所示的鉆頭。 圖15顯示了本發(fā)明的另一個實施例的示意圖，除了鉆頭1500包括與框架105固定連接的第二多個量規(guī)伸縮片805之外，鉆頭1500類似于圖14中所示的鉆頭。
圖16顯示本發(fā)明的具有鉆頭1600的另一個實施例的示意圖，所述鉆頭包括框架105、頭部110、軸承1605、和與框架105固定連接的第一多個量規(guī)伸縮片115，其中框架105被構(gòu)造成與第一轉(zhuǎn)動源連接，而頭部IIO被構(gòu)造成通過連接點1610與第二轉(zhuǎn)動源連接。連接點1610允許將流體連接保持到鉆井液通道135。具有圖16中所示的特征的實施例可以允許選擇性地將不同和/或類似轉(zhuǎn)速施加到第一多個量規(guī)伸縮片115和頭部110。具有圖16中所示的特征的實施例可以允許選擇性地將不同和/或類似轉(zhuǎn)速施加到第一多個量規(guī)伸縮片115和頭部110。 圖17顯示了本發(fā)明的另一個實施例的示意圖，除了鉆頭1700包括偏置系統(tǒng)1705之外，鉆頭1700類似于圖16中所示的鉆頭。在一些方面中，偏置系統(tǒng)1705可以允許將振動和/或其它力選擇性地從頭部110傳遞給框架105，由此傳遞給第一多個量規(guī)伸縮片115。在一些方面中，量規(guī)伸縮片115可以包括第二多個牙輪145。偏置系統(tǒng)1705在頭部110和框架105的旋轉(zhuǎn)的具體離散點或旋轉(zhuǎn)范圍期間的選擇和/或累進起動可以允許鉆頭1700被導向通過介質(zhì)并且產(chǎn)生彎曲方向孔洞。 在本發(fā)明的實施例中，偏置系統(tǒng)1705可以被構(gòu)造成偏置頭部110的側(cè)向移動。例如，如圖17中所述，偏置系統(tǒng)1705可以沿朝向附圖的頂部的方向進行側(cè)向運動，但是偏置系統(tǒng)1705可以防止頭部110沿向下方向進行側(cè)向運動。因此，可以在向上方向上偏置頭部110的任何側(cè)向運動。因此，鉆頭1700可以沿向上方向進行鉆進，并且可以允許鉆頭1700被導向通過介質(zhì)并產(chǎn)生彎曲方向孔洞。此外，在本發(fā)明的量規(guī)伸縮片114包括第二牙輪145的方面中，可以通過偏置系統(tǒng)將頭部110的運動傳遞給第二牙輪145并且提供井眼的側(cè)向鉆切。在本發(fā)明的不同實施例中，頭部110的側(cè)向運動可能由于頭部110和/或牙輪140與正在被鉆進的井眼之間的相互作用、諸如通過旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)、推進鉆頭系統(tǒng)、引導鉆頭系統(tǒng)和/或類似鉆頭系統(tǒng)施加到鉆頭1700的側(cè)向力和/或類似力產(chǎn)生而成。僅以示例的方式，在本發(fā)明的一些方面中，可以比較偏置系統(tǒng)1705在頭部IIO上的影響(并因此通過鉆頭1700對井眼的鉆進的影響)與壁對歪扭部件(drunken person)的運動的影響，其中，歪扭部件的運動由壁的形狀控制。 在本發(fā)明的一些實施例中，量規(guī)伸縮片115可以與框架105偏心連接。在這種實施例中，偏心聯(lián)接件和/或偏置系統(tǒng)1705可以通過鉆頭1700提供定向鉆井。在一些方面中，偏心率的大小可以大約為IO毫米。在其它方面中，量規(guī)伸縮片的偏心率的大小可以在5毫米與IO毫米之間的范圍內(nèi)。在其它方面中，量規(guī)伸縮片的偏心率的大小可以為l毫米、2毫米、3毫米、4毫米或5毫米。在進一步的方面中，偏心率的大小可以小于1毫米，但是在這種方面中，可以限制偏心率的影響。 在本發(fā)明的一個實施例中，至少一部分量規(guī)伸縮片的尺寸可以相對于鉆頭的鉆切直徑比標準小，其中，鉆切直徑可以包括頭部的最遠牙輪140之間的直徑。在本發(fā)明的一些方面中，量規(guī)伸縮片115和/或量規(guī)伸縮片中的一部分尺寸可以比標準小IO毫米或更多、在i-io毫米之間或大約為幾十毫米。 在本發(fā)明的一個實施例中，量規(guī)伸縮片可以繞框架非對稱地分布。例如，更多量規(guī)伸縮片可以被分組在框架的一側(cè)。量規(guī)伸縮片的偏心連接、極板的標準以下尺度的結(jié)構(gòu)、量規(guī)伸縮片繞框架的非對稱分布和/或類似物可以用于控制頭部和/或框架在井眼內(nèi)的側(cè)向移動，并且可以提供與偏置系統(tǒng)1705的相互作用。 圖18顯示本發(fā)明的另一個鉆頭1800的實施例的示意圖，除了軸承1805包括在其操作內(nèi)部的偏置系統(tǒng)1810之外，鉆頭1800類似于圖16中所示的鉆頭。偏置系統(tǒng)1810仍然可以如圖17中所示可控制。 為了清楚和理解的目的已經(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)可以進行一些改變和修改。
權利要求
一種用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述鉆頭系統(tǒng)包括框架，其中所述框架被構(gòu)造成與第一轉(zhuǎn)動源能夠操作地連接；頭部，其中所述頭部包括與所述頭部的端部連接的第一多個牙輪；所述頭部與所述框架能夠旋轉(zhuǎn)地連接；以及所述頭部被構(gòu)造成與第二轉(zhuǎn)動源能夠操作地連接；和第一組量規(guī)伸縮片，其中所述第一組量規(guī)伸縮片包括與所述框架固定連接的一個或多個量規(guī)伸縮片。
2. 根據(jù)權利要求1所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述第一組量規(guī)伸縮片包 括第二多個牙輪。
3. 根據(jù)權利要求1所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中 所述第一轉(zhuǎn)動源具有第一轉(zhuǎn)速；以及 所述第二轉(zhuǎn)動源具有第二轉(zhuǎn)速。
4. 根據(jù)權利要求1所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述鉆頭系統(tǒng)還包括偏置 系統(tǒng)，所述偏置系統(tǒng)被構(gòu)造成沿大致一個方向?qū)⑺鲱^部的振動傳遞給所述框架。
5. 根據(jù)權利要求4所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述偏置系統(tǒng)還被構(gòu)造成 在所述頭部繞著所述頭部的軸線旋轉(zhuǎn)的同時，沿大致恒定側(cè)向方向傳遞所述頭部的振動。
6. 根據(jù)權利要求1所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，還包括偏置系統(tǒng)，所述偏置系統(tǒng) 被構(gòu)造成將所述頭部的側(cè)向運動偏置到方位角的范圍。
7. 根據(jù)權利要求1所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，方位角范圍被構(gòu)造成用于 在期望的方向上通過所述鉆頭系統(tǒng)進行定向鉆井。
8. 根據(jù)權利要求1所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中 所述第一轉(zhuǎn)動源包括井上轉(zhuǎn)動源；以及 所述第二轉(zhuǎn)動源包括位于底部鉆具組合中的泥漿馬達。
9. 根據(jù)權利要求1所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述鉆頭系統(tǒng)還包括軸承， 并且其中，與所述框架能夠旋轉(zhuǎn)地連接的所述頭部包括能夠與所述軸承操作地連接的頭部；以及 能夠與所述框架操作地連接的所述軸承。
10. 根據(jù)權利要求9所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述軸承包括偏置系統(tǒng)， 所述偏置系統(tǒng)被構(gòu)造成沿大致一個方向?qū)⑺鲱^部的振動傳遞給所述框架。
11. 根據(jù)權利要求io所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述偏置系統(tǒng)還被構(gòu)造成在所述頭部繞著所述頭部的軸線旋轉(zhuǎn)的同時，沿大致恒定的側(cè)向方向傳遞所述頭部的 振動。
12. 根據(jù)權利要求1所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述量規(guī)伸縮片偏心地連 接到所述框架。
13. 根據(jù)權利要求12所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述量規(guī)伸縮片的偏心 率在5毫米與IO毫米之間。
14. 根據(jù)權利要求12所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述量規(guī)伸縮片的偏心 率是1毫米、2毫米、3毫米、4毫米和5毫米中的一個。
15. 根據(jù)權利要求1所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述量規(guī)伸縮片的至少一 部分的尺寸相對于鉆頭的鉆切直徑小于標準。
16. 根據(jù)權利要求15所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述量規(guī)伸縮片的尺寸 比標準小1-10毫米的范圍中的一個。
17. 根據(jù)權利要求1所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述量規(guī)伸縮片繞所述框 架非對稱分布。
18. 根據(jù)權利要求17所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述框架的外表面被分 成兩個半圓筒，并且更多個量規(guī)伸縮片與所述半圓筒中的一個連接。
19. 一種用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述鉆頭系統(tǒng)包括 框架，其中所述框架被構(gòu)造成與第一轉(zhuǎn)動源能夠操作地連接； 頭部，其中所述頭部包括與所述頭部的端部連接的第一多個牙輪； 所述頭部與所述框架能夠旋轉(zhuǎn)地連接；以及所述頭部被構(gòu)造成與第二轉(zhuǎn)動源能夠操作地連接；和第一組量規(guī)伸縮片，其中 所述第一組量規(guī)伸縮片包括一個或多個量規(guī)伸縮片和第二多個牙輪；以及 所述第一組量規(guī)伸縮片與所述框架固定連接。
20. 根據(jù)權利要求19所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中 所述第一轉(zhuǎn)動源具有第一轉(zhuǎn)速；以及 所述第二轉(zhuǎn)動源具有第二轉(zhuǎn)速。
21. 根據(jù)權利要求19所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述鉆頭系統(tǒng)還包括偏 置系統(tǒng)，所述偏置系統(tǒng)被構(gòu)造成沿大致一個方向?qū)⑺鲱^部的振動傳遞給所述框架。
22. 根據(jù)權利要求21所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述偏置系統(tǒng)還被構(gòu)造 成在所述頭部繞著所述頭部的軸線旋轉(zhuǎn)的同時，沿大致恒定的側(cè)向方向傳遞所述頭部的 振動。
23. 根據(jù)權利要求19所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中 所述第一轉(zhuǎn)動源包括井上轉(zhuǎn)動源；以及 所述第二轉(zhuǎn)動源包括位于底部鉆具組合中的泥漿馬達。
24. 根據(jù)權利要求19所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述鉆頭系統(tǒng)還包括軸 承，并且其中，與所述框架能夠旋轉(zhuǎn)地連接的所述頭部包括與所述軸承能夠操作地連接的所述頭部；禾口 與所述框架能夠操作地連接的所述軸承。
25. 根據(jù)權利要求24所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述軸承包括偏置系統(tǒng)， 所述偏置系統(tǒng)被構(gòu)造成沿大致一個方向?qū)⑺鲱^部的振動傳遞給所述框 架。
26. 根據(jù)權利要求25所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述偏置系統(tǒng)還被構(gòu)造 成在所述頭部繞著所述頭部的軸線旋轉(zhuǎn)的同時，沿大致恒定的側(cè)向方向傳遞所述頭部的 振動。
27. —種用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述鉆頭系統(tǒng)包括 框架，其中所述框架被構(gòu)造成與第一轉(zhuǎn)動源能夠操作地連接； 頭部，其中所述頭部包括與所述頭部的端部連接的第一多個牙輪； 所述頭部與所述框架能夠旋轉(zhuǎn)地連接；以及 所述頭部被構(gòu)造成與第二轉(zhuǎn)動源能夠操作地連接；禾口第一多個量規(guī)伸縮片，其中所述第一多個量規(guī)伸縮片與所述框架能夠移動地連接。
28. 根據(jù)權利要求27所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述第一多個量規(guī)伸縮 片包括第二多個牙輪。
29. 根據(jù)權利要求27所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述鉆頭系統(tǒng)還包括第 一副框架，并且其中與所述框架能夠移動地連接的所述第一多個量規(guī)伸縮片包括與所述第一副框架固定連接的第一多個量規(guī)伸縮片；且 所述第一副框架與所述框架能夠移動地連接。
30. 根據(jù)權利要求27所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述鉆頭系統(tǒng)還包括第 一副框架，并且其中與所述框架能夠移動地連接的所述第一多個量規(guī)伸縮片包括與所述第 一副框架固定連接的第一多個量規(guī)伸縮片，并且所述第一副框架包括柔性子部分。
31. 根據(jù)權利要求27所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，與所述框架能夠移動地 連接的所述第一多個量規(guī)伸縮片包括與所述框架能夠獨立地移動連接的所述第一多個量規(guī)伸縮片中的每一個。
32. —種用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述鉆頭系統(tǒng)包括 用于連接所述鉆頭系統(tǒng)與所述鉆具組合的第一裝置； 用于以第一轉(zhuǎn)速縱向鉆進到介質(zhì)內(nèi)的第二裝置； 用于控制所述第二裝置在所述介質(zhì)中的側(cè)向移動的第三裝置； 用于能夠旋轉(zhuǎn)地連接所述第二裝置與所述第一裝置的第四裝置；禾口 用于使所述第三裝置以第二轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的第五裝置。
33. 據(jù)權利要求32所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述第一裝置包括框架。
34. 根據(jù)權利要求32所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述第二裝置包括頭部。
35. 根據(jù)權利要求32所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述第三裝置包括多個 量規(guī)伸縮片。
36. 根據(jù)權利要求32所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述第四裝置包括軸承。
37. 根據(jù)權利要求32所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述第五裝置包括所述 第一裝置，并且所述第一裝置包括能夠旋轉(zhuǎn)的框架。
38. 根據(jù)權利要求32所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述鉆頭系統(tǒng)還包括第 六裝置，所述第六裝置用于將所述第二裝置的側(cè)向振動傳遞給所述第三裝置。
39. 根據(jù)權利要求38所述的用于鉆具組合的鉆頭系統(tǒng)，其中，所述第六裝置包括偏置 系統(tǒng)。
40. —種在介質(zhì)中鉆進井眼的方法，其中，所述方法包括以下步驟 提供鉆頭，其中所述鉆頭包括鉆頭頭部；禾口 一個或多個量規(guī)伸縮片； 使所述鉆頭以第一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；以及 使所述多個量規(guī)伸縮片以第二轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。
41. 根據(jù)權利要求40所述的在介質(zhì)中鉆進井眼的方法，其中，所述一個或多個量規(guī)伸縮片通過柔性聯(lián)接器與所述鉆頭連接，并且所述方法還包括以下步驟改變所述柔性聯(lián)接器的柔量特征以改變所述鉆頭在所述介質(zhì)中的方向。
42. 根據(jù)權利要求41所述的在介質(zhì)中鉆進井眼的方法，其中，所述柔量特征包括在對 地靜止的方向上的柔量的水平。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鉆頭系統(tǒng)。鉆頭系統(tǒng)可以包括框架、頭部和第一多個量規(guī)伸縮片?？蚣芸梢员粯?gòu)造成與第一轉(zhuǎn)動源可操作地連接。頭部可以包括與頭部的端部連接的第一多個牙輪，并且頭部可以與框架可旋轉(zhuǎn)地連接。頭部可以被構(gòu)造成與第二轉(zhuǎn)動源可操作地連接。第一多個量規(guī)伸縮片可以包括第二多個牙輪，并且第一多個量規(guī)伸縮片可以與框架固定連接。
文檔編號E21B10/62GK101784745SQ200880103121
公開日2010年7月21日 申請日期2008年8月15日 優(yōu)先權日2007年8月15日
發(fā)明者杰弗里·當頓, 約翰·庫克, 阿什利·約翰遜 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司