專利名稱：偏移量隨機控制的制作方法
技術領域：
本發(fā)明基本上涉及一種用于控制鉆孔系統(tǒng)的方法和系統(tǒng)，該鉆孔系統(tǒng)用于在地層中鉆出鉆孔。更具體地，而非限制性地，在本發(fā)明的一個實施例中，提供了一種系統(tǒng)和方法， 用于控制用于鉆出鉆孔的鉆孔系統(tǒng)與被鉆孔系統(tǒng)鉆出的鉆孔的內(nèi)表面之間的相互作用，從而用于鉆孔系統(tǒng)的導向，使其定向地穿過地層鉆出鉆孔。在本發(fā)明的某些方面，鉆孔系統(tǒng)可被控制，從而使得鉆孔達到預定目標。在本發(fā)明的另一個實施例中，當鉆孔系統(tǒng)鉆出鉆孔時與鉆孔系統(tǒng)的功能相關的數(shù)據(jù)可以被檢測到，并且用于鉆出鉆孔的鉆孔系統(tǒng)與鉆孔的內(nèi)表面之間的相互作用可以響應檢測到的數(shù)據(jù)被控制，從而提供用于控制鉆孔系統(tǒng)的操作。在某些方面，鉆孔系統(tǒng)與內(nèi)表面之間的相互作用可以被控制，從而用于控制鉆頭與地層的相互作用。
背景技術：
在許多產(chǎn)業(yè)，通常期望定向地穿過地層鉆出鉆孔或者在地下地層中鉆取巖芯，從而使得鉆孔和/或取芯可以繞過和/或通過地層中的沉積物和/或貯藏物，以達到地層中的預定目標和/或類似物。當在地下地層中鉆孔或取芯時，有時期望能夠改變以及控制鉆孔的方向，例如使鉆孔指向期望的目標，或者一旦達到目標則在包含碳氫化合物的區(qū)域內(nèi)部水平地控制方向。還期望到是當鉆出直的鉆孔時對與期望方向的偏離進行校正，或者控制鉆孔方向以避免障礙物。在碳氫化合物產(chǎn)業(yè)中，鉆孔可被鉆出，從而在特定位置截取到特定的地下地層。在一些鉆孔工藝中，為了鉆出期望的鉆孔，穿過地層的鉆孔軌跡可被預先設計并且鉆孔系統(tǒng)可被控制以與軌跡相符合。在其它工藝中、或者與先前工藝相結合，用于鉆孔的目標可被確定下來并且在地層中鉆出鉆孔的工作可以在鉆孔過程期間被監(jiān)測并且可采取步驟來確保鉆孔達到預定目標。此外，鉆孔系統(tǒng)的操作可被控制，以提供用于經(jīng)濟的鉆孔，其可包括盡可能快速地鉆穿地層的鉆孔、減小鉆頭磨損的鉆孔、獲得穿過地層最優(yōu)鉆孔和最優(yōu)鉆頭磨損的鉆孔、和/或類似的鉆孔。鉆孔的一個方面被稱為“定向鉆孔”。定向鉆孔是有意地使鉆孔/井孔偏離它自然地采用的路徑。換句話說，定向鉆孔是使鉆柱能夠?qū)?，從而使它能在期望方向上行進。定向鉆孔在離岸鉆孔中是有利的，原因是它使得許多鉆孔能夠通過單個平臺鉆出。定向鉆孔還能夠進行穿過貯藏物的水平鉆孔。水平鉆孔使得井孔的更長長度橫穿貯藏物，這會增加鉆井的生產(chǎn)率。定向鉆孔系統(tǒng)還能夠用于在垂直鉆孔操作中。通常鉆頭會偏離預定鉆孔軌跡，原因是被刺穿的地層具有不可預知的特性或者鉆頭經(jīng)受著變化的作用力。當這種偏離發(fā)生時，定向鉆孔系統(tǒng)可用來使鉆頭在規(guī)定的過程中返回。用于鉆孔定向鉆進的監(jiān)測步驟可包括確定出鉆頭在地層中的位置、確定出鉆頭在地層中的方向、確定出鉆孔系統(tǒng)的鉆壓、確定出穿過地層的鉆進速度、確定出被鉆進的地層的特性、確定出圍繞著鉆頭的地下地層的特性、期望查明鉆頭前方地層的特性、地層的地震分析、確定出靠近鉆頭的貯藏物等的特性、測量鉆孔中和/或鉆孔周圍的壓力、溫度和/或類似數(shù)值、和/或類似情況。在用于鉆孔定向鉆進的任意步驟中，無論是否沿循著預先設計的軌跡，監(jiān)測鉆孔工作和/或鉆孔情況和/或類似情形都必須能夠給鉆孔系統(tǒng)導向。在鉆孔操作期間作用在鉆頭上的作用力包括重力、鉆頭產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩、施加到鉆頭的末端載荷、以及來自于鉆孔組件的彎曲力矩。這些與被鉆進地層的類型以及地層與鉆孔的斜度相關的作用力在鉆孔過程期間可形成復雜的、交互的作用力系統(tǒng)。鉆孔系統(tǒng)可包括“旋轉(zhuǎn)鉆進”系統(tǒng)，其中包括鉆頭的井底鉆具連接到鉆柱，該鉆柱可以由鉆井平臺而驅(qū)動/旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)鉆進系統(tǒng)中，鉆孔的定向鉆孔可通過改變例如鉆壓、 旋轉(zhuǎn)速度等因素而提供。對于旋轉(zhuǎn)鉆孔，已知的定向鉆孔方法包括使用旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)(“RSS”)。在RSS中， 鉆柱從表面開始旋轉(zhuǎn)，并且井下裝置導致鉆頭在期望方向上鉆進。旋轉(zhuǎn)鉆柱極大地降低了鉆柱在鉆進期間擱置或卡住的發(fā)生。用于在地層中鉆出偏離鉆孔的旋轉(zhuǎn)導向鉆孔系統(tǒng)可通常被分成“擺動鉆頭”系統(tǒng)或者“推靠鉆頭”系統(tǒng)。在擺動鉆頭系統(tǒng)中，鉆頭的旋轉(zhuǎn)軸線與井底鉆具(“BHA”)在新的鉆孔通常方向上的局部軸線相偏離。鉆孔根據(jù)由上下穩(wěn)定器接觸點及鉆頭限定的常規(guī)的三點幾何形狀而推進。與鉆頭和下穩(wěn)定器之間有限距離相聯(lián)系的鉆頭軸線偏離角度導致了對于產(chǎn)生弧線所需要的非共線情況。這可以通過多種方式實現(xiàn)，包括在井底鉆具靠近下穩(wěn)定器的位置的固定彎曲或者鉆頭驅(qū)動軸在上下穩(wěn)定器之間分布的撓曲。擺動鉆頭可包括使用井底馬達來使鉆頭旋轉(zhuǎn)，馬達和鉆頭被固定到鉆柱上，該鉆柱包括成一定角度的彎曲。在這種系統(tǒng)中，鉆頭可通過鉸鏈型或者傾斜機構/接頭、彎接頭或者類似物而連接到馬達，其中鉆頭可相對于馬達傾斜。當鉆孔方向需要改變時，鉆柱的旋轉(zhuǎn)可以停止并且鉆頭可使用井底馬達而被定位在鉆孔中需要的方向上，并且鉆頭的旋轉(zhuǎn)可開始在期望方向上的鉆進。在這種設置中，鉆孔方向依賴于鉆柱的角度位置。理想地，在擺動鉆頭系統(tǒng)中，鉆頭不需要斜向地切削，原因是鉆頭軸線在彎曲的鉆孔方向上連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。擺動式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的示例以及它們?nèi)绾尾僮髟诿绹鴮＠暾埞_號 No. 2002/0011359 ；2001/0052428 中以及美國專利 No. 6，394，193 ；6，364，034 ； 6，244，361 ；6, 158，529 ；6，092，610 ；以及5，113，953中進行了描述，所述內(nèi)容全部通過參考而被結合在此。推靠鉆頭系統(tǒng)以及使用與鉆孔壁相抵抗的作用力來使鉆柱彎曲和/或使鉆頭在預定方向上鉆進。在推靠鉆頭旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)中，必要的非共線條件是通過使機構施加作用力或者在相對于鉆孔推進方向而優(yōu)先定向的方向上產(chǎn)生位移而獲得。這可以通過多種方式實現(xiàn)，包括非旋轉(zhuǎn)(相對于鉆孔)、基于在期望導向方向上向鉆頭施加作用力的方法以及偏心致動器的位移。此外，導向通過在鉆頭與至少兩個其它接觸點之間形成非共線而獲得。理想地，鉆頭需要側向地切削，從而產(chǎn)生彎曲的孔。推靠鉆頭型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)以及它們?nèi)绾尾僮髟诿绹鴮＠?No. 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中進行了描述，所述內(nèi)容全部通過參考而被結合在此。RSS的已知形式設置有“逆向旋轉(zhuǎn)”機構，其在鉆柱旋轉(zhuǎn)的相反方向上旋轉(zhuǎn)。通常地，逆向旋轉(zhuǎn)的速度與鉆柱旋轉(zhuǎn)速度相同，從而使得逆向旋轉(zhuǎn)部分相對于鉆孔內(nèi)部保持相同的角度位置。由于逆向旋轉(zhuǎn)部分相對于鉆孔不旋轉(zhuǎn)，因此通常被本領域技術人員稱為“對地靜止”。在本公開中，術語“逆向旋轉(zhuǎn)”與“對地靜止”之間不做區(qū)別。推靠鉆頭系統(tǒng)通常使用內(nèi)部或者外部逆向旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定器。逆向旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定器相對于鉆孔壁保持固定角度(或者對地靜止)。當鉆孔偏離時，致動器在與期望偏離相反的方向上靠著鉆孔壁擠壓襯墊。這導致了鉆頭被推靠到期望方向。由致動器/襯墊所產(chǎn)生的作用力通過使井底鉆具彎曲的作用力而平衡，以及所述作用力通過致動器/襯墊作用在井底鉆具的相反側面上，并且反作用力施加到鉆頭的切削器，由此使鉆孔導向。在某些情況下，來自于襯墊/致動器的作用力足夠大，以使得系統(tǒng)作用的地層變化。例如，斯倫貝謝旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)使用圍繞著一段井底鉆具設置的三個襯墊，從而與井底鉆具同步地使用，從而在某個方向上推靠鉆頭以及使被鉆進的鉆孔導向。在該系統(tǒng)中， 襯墊被安裝成靠近鉆頭后方，在1-4英尺的范圍內(nèi)，并且被來自于循環(huán)流體的泥漿流所供給動力/致動。在其它系統(tǒng)中，由鉆孔系統(tǒng)或楔形物或類似物所提供的鉆壓可被用于使鉆孔系統(tǒng)在鉆孔中定向。盡管用于靠著鉆孔壁施加作用力以及利用反作用力在鉆頭的特定方向或位移上推靠鉆頭從而在期望方向上鉆進的系統(tǒng)和方法可與包括旋轉(zhuǎn)鉆孔系統(tǒng)的鉆孔系統(tǒng)共同使用，但是所述系統(tǒng)和方法具有缺點。例如，這種系統(tǒng)和方法需要在鉆孔壁上施加大的作用力，從而使鉆柱彎曲和/或使鉆頭在鉆孔內(nèi)定向；這種作用力可以是5kN或更大的量級， 這需要形成大型/復雜的井下馬達或者類似物。此外，由于井底鉆具旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生反作用力來推靠鉆頭，因此許多系統(tǒng)和方法會反復地使用襯墊/致動器向外的推進力來進入到鉆孔壁中，這會需要復雜/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
本公開基本上涉及一種用于控制鉆孔系統(tǒng)的系統(tǒng)方法和，該鉆孔系統(tǒng)被設置成用于穿過地下地層而鉆出或者挖出鉆孔。更具體地，而非限制性地，本發(fā)明的實施例提供用于通過鉆孔噪音(即鉆孔過程期間鉆孔系統(tǒng)在鉆孔內(nèi)的不穩(wěn)定運動)以及由于鉆孔系統(tǒng)的不穩(wěn)定運動所導致的鉆孔系統(tǒng)與鉆孔內(nèi)表面之間的相互作用，來控制鉆孔系統(tǒng)和/或鉆孔過程。同時，本發(fā)明的實施例提供用于控制鉆孔過程期間鉆孔系統(tǒng)與鉆孔內(nèi)表面之間反復的相互作用，以及通過對鉆孔系統(tǒng)與內(nèi)表面之間的反復相互作用的控制來控制鉆孔系統(tǒng)的操作/功能。在一些實施例中，鉆孔系統(tǒng)的一個或多個區(qū)段與鉆孔內(nèi)表面之間的反復的相互作用可以被控制，以給鉆孔系統(tǒng)導向，從而定向地鉆出鉆孔。在其它實施例中，鉆孔系統(tǒng)的一個或多個區(qū)段與鉆孔內(nèi)表面之間的反復的相互作用可被控制，以控制鉆孔系統(tǒng)的操作，例如控制鉆孔過程期間鉆頭的操作。同時，在本發(fā)明的一個實施例中，提供了一種用于給鉆孔系統(tǒng)導向的方法，所述鉆孔系統(tǒng)被設置成在地層中鉆出鉆孔，該方法包括控制一段鉆孔系統(tǒng)與所述鉆孔內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用；以及利用一段鉆孔系統(tǒng)與所述鉆孔內(nèi)表面之間的受控制的動態(tài)相互作用來控制鉆孔系統(tǒng)。
在某些方面，控制鉆孔系統(tǒng)的區(qū)段與所述鉆孔內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用的步驟包括將鉆孔系統(tǒng)的區(qū)段與內(nèi)部壁之間的動態(tài)相互作用設置成非均勻的。此外，控制鉆孔系統(tǒng)的區(qū)段與所述鉆孔內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用的步驟包括將鉆孔系統(tǒng)的區(qū)段與內(nèi)部壁之間的動態(tài)相互作用設置成圍繞著鉆孔系統(tǒng)的區(qū)段圓周地變化。在旋轉(zhuǎn)的鉆孔系統(tǒng)中，設置用于控制動態(tài)相互作用的鉆孔系統(tǒng)的區(qū)段可在鉆孔系統(tǒng)的操作期間在鉆孔內(nèi)保持成對地靜止。在某些實施例中，動態(tài)的相互作用可被控制，從而用于給鉆孔系統(tǒng)導向。在其它實施例中，動態(tài)的相互作用可被控制，從而用于控制鉆頭。在本發(fā)明的某些實施例中，控制鉆孔系統(tǒng)至少一個區(qū)段與所述鉆孔的內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用可包括使接觸元件與鉆孔系統(tǒng)相連接以及通過接觸元件來控制動態(tài)的相互作用。在旋轉(zhuǎn)鉆孔系統(tǒng)中，接觸元件可在鉆孔系統(tǒng)的操作期間保持成在鉆孔內(nèi)對地靜止。在本發(fā)明的某些方面，接觸元件被設置成與內(nèi)表面產(chǎn)生非均勻的動態(tài)相互作用。在這個方面，接觸元件可以被不對稱地成型，可被設置成具有不均勻的順應性 (compliance)，可包括與井底鉆具偏心連接的圓筒，可包括具有非均勻重量分布的元件和/ 或類似物。在某些實施例中，接觸元件可包括可延伸元件，該元件可以從鉆孔系統(tǒng)向著內(nèi)表面向外延伸和/或延伸到與內(nèi)表面相接觸?？裳由煸杀挥糜谙騼?nèi)表面施加作用力，從而控制動態(tài)的相互作用。施加到內(nèi)表面的作用力可小于lkN。在某些方面，接觸元件可與鉆孔系統(tǒng)相連接，從而使得接觸元件被設置在鉆頭的切削廓形之內(nèi)。在其它方面，接觸元件可以與鉆孔系統(tǒng)相連接，從而使得接觸元件的至少一部分被設置在鉆頭切削廓形之外。在本發(fā)明的某些實施例中，驅(qū)動器可被用于改變/控制鉆孔系統(tǒng)在鉆孔過程期間的動態(tài)運動。在本發(fā)明的某些實施例中，處理器可被用于管理用于控制鉆孔系統(tǒng)與內(nèi)表面之間動態(tài)相互作用的系統(tǒng)。管理用于控制鉆孔系統(tǒng)與內(nèi)表面之間動態(tài)相互作用的系統(tǒng)可包括將該系統(tǒng)定位在鉆孔系統(tǒng)上和/或?qū)⒃撓到y(tǒng)移動到鉆孔系統(tǒng)上。在某些方面，管理處理器可以從傳感器接收到與鉆孔過程、鉆孔系統(tǒng)和/或鉆孔系統(tǒng)部件的操作、鉆孔系統(tǒng)和/或鉆孔系統(tǒng)部件的位置、地層中鉆孔的目標的位置、鉆孔的情況、地層和/或在被鉆孔過程中的地層部分的特性、鉆孔系統(tǒng)和/或鉆孔系統(tǒng)不同區(qū)段的動態(tài)運動的特性、和/或類似情況相關的數(shù)據(jù)。在本發(fā)明的某些實施例中，鉆孔系統(tǒng)與被鉆出的鉆孔內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用的控制可以通過改變被鉆出的鉆孔的內(nèi)壁輪廓而提供。在某些方面，裝置(例如非對稱鉆頭、輔助鉆頭、從鉆孔系統(tǒng)延伸到內(nèi)壁的可延伸元件、電力脈沖鉆頭、噴射裝置和/或類似物)可被控制，從而使得內(nèi)壁具有非均勻輪廓，以控制鉆孔系統(tǒng)與內(nèi)壁之間的動態(tài)相互作用。在本發(fā)明的實施例中，用于控制鉆孔系統(tǒng)與被鉆出的鉆孔內(nèi)表面之間動態(tài)相互作用的系統(tǒng)或方法可被實時控制從而用于鉆孔系統(tǒng)的實時控制。該動態(tài)相互作用控制器的設置可以通過理論方式、試驗方式、動態(tài)相互作用的建模、根據(jù)先前鉆孔過程的經(jīng)驗和/或類似情況而被確定下來。在某些方面，動態(tài)相互作用控制可包括設置成距離鉆頭小于10英尺的接觸元件，可包括設置成在鉆頭鉆孔廓形內(nèi)部距離外表面小于幾毫米的接觸元件，可包括設置成具有至少部分地延伸到鉆頭鉆孔廓形外部毫米級的外表面的接觸元件。


在附圖中，類似的部件和/或特征可具有相同的附圖標記。此外，同一類型的各種部件可以通過使附圖標記采用下劃線以及在類似部件中有所區(qū)別的第二標記來加以區(qū)分。 如果說明書中僅僅使用第一附圖標記，那么文字描述可適用于具有相同第一附圖標記的類似部件中的任意一個，而與第二附圖標記無關。根據(jù)下面參考附圖給出的非限制性及解釋性實施例的描述，本發(fā)明能夠得到更好的理解，附圖中圖1是用于鉆出鉆孔的系統(tǒng)的示意性示圖；圖2A是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于給鉆出鉆孔的鉆孔系統(tǒng)導向的系統(tǒng)的示意性示圖；圖2B是根據(jù)本發(fā)明實施例的穿過順應系統(tǒng)的橫截面視圖，該順應系統(tǒng)使用在圖 2A中的用于給鉆出鉆孔的鉆孔系統(tǒng)導向的系統(tǒng)中；圖3A-C是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于給鉆孔系統(tǒng)導向的凸輪控制系統(tǒng)的示意性圖示；圖4A-C是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于給設置用于鉆出鉆孔的鉆孔系統(tǒng)導向的主動保徑襯墊系統(tǒng)的示意性圖示；圖5提供了根據(jù)本發(fā)明實施例的用于給鉆孔系統(tǒng)導向從而定向地鉆出鉆孔的振動施加系統(tǒng)的示意性圖示；圖6A和6B顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的用于選擇性地使鉆孔內(nèi)表面特征化的系統(tǒng)，從而給鉆孔組件導向以定向地鉆出鉆孔；圖7A是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于給鉆孔系統(tǒng)導向從而定向地鉆出鉆孔的方法的流程圖；圖7B是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于控制鉆孔系統(tǒng)的方法的流程圖，該鉆孔系統(tǒng)在地層中鉆出鉆孔；圖8是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于給鉆孔系統(tǒng)導向的系統(tǒng)的示意性圖示，該鉆孔系統(tǒng)用于鉆出鉆孔；圖8A-8M顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的鉆孔控制系統(tǒng)的各個方面；圖9A-9C是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于給鉆出鉆孔的鉆孔系統(tǒng)導向的系統(tǒng)的示意性示圖；以及圖10顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的鉆孔控制系統(tǒng)的各個方面。
具體實施例方式接下來的描述僅僅提供了示例性實施例，并且并非為了限制本公開的范圍、適用性或者配置。相反地，示例性實施例的下述描述將會向本領域技術人員提供可行的描述，用于實現(xiàn)一個或多個示例性實施例。本公開中元件的功能和設置可以進行各種改變，而不會脫離附加權利要求中提出的本發(fā)明的精神和范圍。具體細節(jié)在接下來的描述中給出，來提供實施例的透徹理解。然而，本領域技術人員可以理解的是，實施例可以被實現(xiàn)而沒有這些具體的細節(jié)。例如，系統(tǒng)、結構、以及其它部件可以被顯示作為結構框圖中的部件，從而不會使實施例在不必要的細節(jié)上模糊不清。在其它情況下，公知的工序、技術以及其它方法可以被顯示而沒有非必要的細節(jié)，從而避免使實施例模糊不清。此外，可以認識到，單個實施例可以描述成一種工序，其被表示成流程圖、流程框圖、結構框圖、或方塊圖。盡管流程圖可將操作描述成連續(xù)的工序，但是許多操作可以平行地或者同時地進行。此外，操作的順序可以重新設置。此外，任意一個或多個操作可在某些實施例中沒有發(fā)生。當操作完成時工序終止，但是可具有附圖中沒有包括的附加步驟。工序可對應方法、流程等。本公開基本上涉及一種方法和系統(tǒng)，用于控制在地層中鉆出鉆孔的鉆孔系統(tǒng)。更具體地，而非限制性地，本發(fā)明的實施例使用迄今為止未被認識到以及未被研究的鉆孔過程的噪音-鉆孔過程期間鉆孔系統(tǒng)在鉆孔內(nèi)的不穩(wěn)定/瞬時運動以及由于鉆孔系統(tǒng)不穩(wěn)定 /瞬時運動所導致的鉆孔系統(tǒng)與鉆孔之間的相互作用-來控制鉆孔系統(tǒng)和/或鉆孔過程。本發(fā)明的實施例包含用于暫時地、以及與鉆頭旋轉(zhuǎn)同步地防止或者禁止鉆頭的側面切削頭或側面切削運動來切削鉆孔的控制系統(tǒng)和方法。這種技術很好地適用于禁止或者調(diào)整優(yōu)選靜止方向或軌跡上的切削。通常地，給鉆頭導向是通過在一個希望鉆進的方向上向鉆頭施加側向作用力或者通過使鉆頭指向需要方向而實現(xiàn)。這些導向方法可以通過多種機構來實現(xiàn)，從靠著地層向外推動襯墊以及由此在相反方向上推動鉆頭，到在鉆頭上方在井底鉆具內(nèi)定向制造好的彎頭。其它提出的方法包括使鉆頭上方的井底鉆具裝備非旋轉(zhuǎn)偏心穩(wěn)定器，其類似地在鉆進時在選定方向上推動/指引鉆頭。有利地，本發(fā)明的實施例可以通過很小的附加動力需要或者不需要附加動力而獲得鉆頭的有效導向。例如，當鉆頭鉆進時，它要受到隨機的作用力(例如在各個切削頭本質(zhì)上來自于瞬時反作用力的作用力)，這會導致鉆頭在鉆孔中“卡嗒作響”、在鉆孔中沒有優(yōu)選方向地不規(guī)則移動、或者導致鉆頭優(yōu)選地沿著旋轉(zhuǎn)鉆頭構架內(nèi)固定的特定矢量移動(如防回轉(zhuǎn)鉆頭中的情況)。這些隨機的作用力本質(zhì)上隨著鉆頭旋轉(zhuǎn)而發(fā)生，并且不需要將這種作用力施加到鉆頭上。由此，不需要定向的施力機構來產(chǎn)生這種作用力。通常地，在鉆頭上存在隨機作用力的情況下，或者在旋轉(zhuǎn)的作用力矢量的情況下，鉆頭在地球坐標系內(nèi)不會呈現(xiàn)出優(yōu)選的定向傾向。根據(jù)本發(fā)明的實施例，這些作用在旋轉(zhuǎn)鉆頭上的隨機定向的作用力可以得到控制，從而給鉆頭軌跡導向或者得到控制。為此，本發(fā)明的實施例包含有一裝置，借此鉆頭的側面切削刃能夠被暫時地、以及與旋轉(zhuǎn)同步地防止或者避免切削到鉆孔。通過避免在地球坐標系內(nèi)固定的特定方向上禁止切削，受到上述隨機作用力的鉆頭將會通常地趨向于在相反方向上鉆進。這種對于切削的定向禁止能夠通過多種裝置實現(xiàn)，所述裝置暫時地將側面切削刃保持成遠離鉆孔、或者可以減小側面切削頭在鉆孔特定側面上的切削動作。一個示例包括襯墊或相互作用元件，其保持在鉆頭側刃的一個側面上，相對于地面固定，從而不會與鉆頭共同旋轉(zhuǎn)，其可以是足夠厚以禁止側面切削，無論何時作用在鉆頭上的隨機作用力導致鉆頭向著襯墊或者相互作用元件移動。這種配置可以以多種方式擴展。通常地，這種配置禁止或者防止鉆頭在特定方向上的側面切削動作。通過這種裝置，特定方向上的導向能夠通過使裝置定向而實現(xiàn)，從而使得裝置禁止在地球坐標系內(nèi)大致固定的方向上進行切削。如此定向之后，鉆頭能夠逐漸地鉆進到相
10反方向或者向著相反方向鉆進。切削禁止裝置的固定(對地靜止)定向能夠通過多種方式實現(xiàn)，例如通過井底對地靜止機構、或者使切削禁止裝置從表面定向的裝置。用于禁止在鉆頭一個側面上切削的裝置能夠在鉆頭上、在鉆頭側刃上、或者剛好在鉆頭上方進行設置。在很多情況下，禁止裝置或相互作用元件被設置在鉆頭大約一米之內(nèi)。相互作用元件可包括襯墊、或者具有禁止在有限方位角范圍內(nèi)切削的期望輪廓的完全環(huán)，或者它可以包括在鉆頭旋轉(zhuǎn)期間暫時地壓制側向切削的裝置。在本發(fā)明的一個實施例中，提供一種系統(tǒng)和方法，用于控制鉆出鉆孔的鉆孔系統(tǒng)與被鉆進的鉆孔內(nèi)表面之間由于鉆孔系統(tǒng)在鉆孔過程期間不穩(wěn)定/瞬時運動所導致的相互作用，允許給鉆孔系統(tǒng)導向從而定向地穿過地層鉆出鉆孔。在本發(fā)明的某些方面，鉆孔系統(tǒng)可被控制從而使得鉆孔達到對象目標或者鉆穿對象目標。在本發(fā)明的另一個實施例中， 有關鉆孔系統(tǒng)功能的數(shù)據(jù)可被檢測到，并且用于鉆出鉆孔的鉆孔系統(tǒng)與被鉆進的鉆孔的內(nèi)表面之間的相互作用可以根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)被控制，從而當鉆孔被鉆進時控制鉆孔系統(tǒng)， 即，鉆頭與地層之間的相互作用等。圖1是用于鉆出鉆孔的系統(tǒng)的示意性示圖。如圖所示，鉆柱10可包括連接器系統(tǒng) 12和井底鉆具17，并且可設置在鉆孔27內(nèi)。井底鉆具17可包括鉆頭20以及各種其它部件(未示出)，例如鉆頭短接、井下馬達、穩(wěn)定器、鉆鋌、重型鉆管、震擊裝置(震擊器)、用于各種螺紋形式的轉(zhuǎn)接接頭和/或類似部件。井底鉆具17可向鉆頭20提供作用力，用于破碎巖石-該作用力可以通過鉆壓等來提供-并且井底鉆具17可被設置成在高溫、高壓和/ 或腐蝕性化學物的對機械不利的環(huán)境下存在。井底鉆具17可包括井下馬達、定向鉆孔及測量設備、隨鉆測量工具、隨鉆測井工具和/或其它專用裝置。鉆鋌可包括鉆柱的可用于提供用于鉆孔的鉆壓的部件。同樣地，鉆鋌可包括厚壁重型管狀部件，其具有中空中心，以提供鉆孔流體穿過鉆鋌的通路。鉆鋌的外徑可以被制成圓形，從而穿過被鉆出的鉆孔27，并且在某些情況下可以被機加工而具有螺旋凹槽(螺紋環(huán))。鉆鋌可包括螺紋連接器、一端是陽螺紋以及另一端是陰螺紋，從而使得多個鉆鋌可以與其它井底工具螺紋連接在一起，從而形成井底鉆具17。重力作用在大質(zhì)量鉆鋌上，從而提供了鉆頭20所需要的大的向下作用力，用來有效地破碎巖石以及鉆穿地層。為了精確地控制施加到鉆頭20的作用力，鉆井工人會認真地監(jiān)測當鉆頭20剛好脫離鉆孔27的底表面41時所測得的地面重量。接下來，鉆柱(和鉆頭)會緩慢且小心地下降，直到它接觸到底表面41。在這之后，隨著鉆井工人繼續(xù)降低鉆柱頂部，越來越多的重量施加到鉆頭20，并且在懸吊時相應更少重量在地面上被測得。如果地面測量顯示出比當鉆頭20離開底表面41時小的20000磅[9080kg]的重量，那么應當有 20000磅力作用在鉆頭20上(在垂直的孔中)。井底傳感器可被用于更精確地測量鉆壓并且將數(shù)據(jù)傳送到地面。鉆頭20可包括一個或多個切削頭23。在操作中，鉆頭20可被用于粉碎和/或切削底表面41的巖石，從而穿過地層30而鉆出鉆孔27。鉆頭20可被設置在連接器系統(tǒng)12 的底部上并且當鉆頭20變鈍或者不能前進穿過地層30時鉆頭20可被更換。鉆頭20和切削頭23可被設置成不同模式，從而提供用于與地層不同的相互作用以及生成不同切削模式。傳統(tǒng)的鉆頭20通過鉆出稍稍大于鉆頭20最大外徑的孔而操作，鉆孔27的直徑/保徑由于鉆頭20的切削頭的到達以及切削頭與被鉆進巖石的相互作用而產(chǎn)生。鉆孔27被鉆頭20的鉆進是通過旋轉(zhuǎn)鉆頭20的切削動作以及鉆頭上由于鉆柱質(zhì)量而產(chǎn)生的重量的組合而實現(xiàn)。通常地，鉆孔系統(tǒng)可包括保徑襯墊，其可以向外延伸到鉆孔27的保徑。保徑襯墊可包括設置在井底鉆具17上的襯墊或者鉆頭20中部分切削頭的端部上的襯墊和/或類似物。保徑襯墊可被用于使鉆頭20在鉆孔27中穩(wěn)定。連接器系統(tǒng)12可包括管道-例如鉆管、套管或類似物-連續(xù)油管和/或類似物。 連接器系統(tǒng)12的管道、連續(xù)油管或類似物可被用于使地面管匯33與井底鉆具17和鉆頭20 連接。管道、連續(xù)油管或類似物可用于將鉆孔流體泵送到鉆頭20并且使井底鉆具17和/ 或鉆頭20升高、降低和/或旋轉(zhuǎn)。在一些系統(tǒng)中，地面管匯33可包括頂驅(qū)動、旋轉(zhuǎn)臺或類似物(未示出)，其可以將旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)由管道、連續(xù)油管或類似物傳遞到鉆頭20。在某些系統(tǒng)中，頂驅(qū)動可由一個或多個馬達(電力、液壓和/或類似方式)所組成，所述馬達可以通過適當齒輪而連接到管道中被稱為鉆軸(quill)的較短區(qū)段。鉆軸可相應地螺旋連接到保護接頭或者鉆柱本身中。頂驅(qū)動可懸掛在吊鉤上，從而使得它在井架上下地自由行進。管道、連續(xù)油管或類似物可以連接到頂驅(qū)動、旋轉(zhuǎn)臺或者類似物，從而將旋轉(zhuǎn)運動向鉆孔27下部傳遞到鉆頭20。在一些鉆孔系統(tǒng)中，鉆孔馬達(未示出)可設置在鉆孔27下面。鉆孔馬達可包括電力馬達、液壓馬達和/或類似馬達。液壓馬達可通過鉆孔流體或者泵入到鉆孔27中和/ 或在鉆柱下面循環(huán)的其它流體而被驅(qū)動。鉆孔馬達可用于使鉆頭20在底表面41上具有動力/旋轉(zhuǎn)。鉆孔馬達的使用可通過旋轉(zhuǎn)鉆頭20而不需要旋轉(zhuǎn)連接器系統(tǒng)12而鉆出鉆孔 27，所述連接器系統(tǒng)12在鉆孔過程期間可保持靜止。鉆頭20在鉆孔27中的旋轉(zhuǎn)運動-無論是由旋轉(zhuǎn)的鉆管還是由鉆孔馬達所產(chǎn)生-都用于壓碎和/或打碎底表面41的巖石，從而在地層30中鉆出新的一段鉆孔27。鉆孔流體可穿過連接器系統(tǒng)12或類似物而被泵入到鉆孔27下面，從而向鉆頭20提供能量以使鉆頭20或類似物旋轉(zhuǎn)，用于鉆出鉆孔27、將切削物從底表面41上移除、和/或類似操作。在一些鉆孔系統(tǒng)中，震擊鉆頭以與建筑工地空氣錘相同的方式垂直地敲擊巖石。 在其它鉆孔系統(tǒng)中，井底馬達可用于操作鉆頭20或者相關的鉆頭或者向鉆頭20提供除了由頂驅(qū)動、旋轉(zhuǎn)臺、鉆孔流體和/或類似物所提供的能量之外的能量。此外，流體射流、電力脈沖和/或類似物同樣可被用于鉆出鉆孔27或者與鉆頭20共同地鉆出鉆孔27。在某些鉆孔過程中，被稱為彎接頭的彎管(未示出)或者斜坡/鉸鏈型機構可被設置在鉆頭20與鉆孔馬達之間。彎接頭或類似物可被設置在鉆孔中，從而使得鉆頭20以在特定方向、角度、軌跡和/或類似情況下鉆出鉆孔27的方式接觸底表面41的外表。彎接頭的位置可在鉆孔中進行調(diào)節(jié)，而不需要將連接器系統(tǒng)12和/或井底鉆具17從鉆孔27移除。然而，具有彎接頭或類似物的定向鉆孔可能會復雜，原因是鉆孔過程期間鉆孔中的作用力使得彎接頭難于操控和/或難于有效地使用來給鉆孔系統(tǒng)導向。在鉆孔操作期間，作用在鉆頭20上的作用力包括重力、由鉆頭20導致的轉(zhuǎn)矩、施加到鉆頭20的端部載荷、來自于鉆孔系統(tǒng)(包括連接器系統(tǒng)12)的彎矩和/或類似的力。 這些作用力與被鉆進的地層類型以及鉆頭20相對于鉆孔27的底表面41外表的傾斜度共同地形成了施加的作用力以及反作用力的復雜的相互作用系統(tǒng)。各種系統(tǒng)致力于定向鉆孔，通過控制/施加這些大的作用力來使鉆孔系統(tǒng)彎曲/成形/導引/推動、和/或使用這些大的作用力和/或由于向外推動到地層30中而產(chǎn)生的反作用力來使鉆孔系統(tǒng)在鉆孔中定向和/或相對于鉆孔27底部定向和/或推靠鉆頭20，從而給鉆孔系統(tǒng)導向來定向地鉆出鉆孔27。然而，使用鉆孔過程的作用力(例如端部載荷)來給鉆孔系統(tǒng)導向的系統(tǒng)可能是復雜的并且不能提供鉆孔系統(tǒng)的精確導向。此外，通過使鉆孔系統(tǒng)在鉆孔內(nèi)移動/定向和/ 或推動鉆頭20而給鉆孔系統(tǒng)導向的系統(tǒng)會需要產(chǎn)生井底超過IkN的大的作用力和/或元件從鉆柱開始延伸超過鉆頭切削范圍相當一段距離-即遠超過鉆頭的廓形，其中廓形可由鉆頭20的外部切削刃所限定-從而產(chǎn)生反作用力，用于移動/定向鉆孔系統(tǒng)和/或推動鉆頭20。當鉆孔系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時為了在鉆孔中推動或者移動鉆孔系統(tǒng)，還需要通過致動器而靠著鉆孔27的壁的推進力的同步施加。這種動力產(chǎn)生、超過鉆頭20切削廓形的大的延伸量和 /或推進力同步會需要大的和/或昂貴的馬達、和/或復雜的同步系統(tǒng)的操作和控制，并且會使鉆井機械和鉆孔過程的成本復雜和/或增加。當使用傳統(tǒng)鉆孔系統(tǒng)進行直線鉆孔而不需要應用橫向作用力或類似力時，申請人已經(jīng)確定鉆頭20主要在鉆孔中“振動”，其中振動包括鉆頭20在除了鉆孔方向之外的方向上的反復運動。術語振動/擺動在此被用于描述鉆孔系統(tǒng)在鉆孔過程期間的反復運動，該運動可以在鉆孔中沿著除了鉆孔方向之外的方向并且在性質(zhì)上是隨機的。鉆孔系統(tǒng)的這些振動/擺動會由于切削頭沖擊及延伸鉆孔表面的效果以及由于撞擊鉆孔27壁的保徑襯墊或類似物而受到限制。在試驗中發(fā)現(xiàn)，包括鉆頭而不包括保徑襯墊的鉆孔系統(tǒng)形成的鉆孔直徑明顯地大于包括鉆頭和保徑襯墊的相同鉆孔系統(tǒng)。分析這些試驗的結果可以確定，在鉆孔系統(tǒng)的操作期間，井底鉆具17反復地經(jīng)受運動，該運動包括在鉆孔過程期間遠離井底鉆具17和/或鉆頭20的中心軸線的運動，即在徑向方向上向著鉆孔27的內(nèi)壁40的運動。各種鉆孔操作的分析發(fā)現(xiàn)，保徑襯墊限制了井底鉆具17和/或鉆頭20的這種徑向運動，從而形成了具有較小孔的鉆孔。傳統(tǒng)鉆孔系統(tǒng)的保徑襯墊被部署用于將鉆孔系統(tǒng)的振動運動降到最低/消除，從而提供較小的/規(guī)則的孔。通過鉆孔系統(tǒng)的試驗和分析，申請人發(fā)現(xiàn)，當鉆頭20鉆進地層30中時，切削頭23 不會均勻地與地層相互作用，例如碎片會從地層30產(chǎn)生，并且由此會在井底鉆具17和/或鉆頭20中產(chǎn)生不穩(wěn)定的運動，該不穩(wěn)定的運動是在除了井底鉆具17和/或鉆頭20的縱向 /向前運動之外方向上的運動。此外，申請人分析了鉆孔系統(tǒng)的操作并且發(fā)現(xiàn)除了在鉆孔系統(tǒng)的操作期間不穩(wěn)定的/瞬時的運動之外，通過連接器系統(tǒng)12和鉆頭20施加到鉆孔27 的底部地層30上的作用力、鉆頭20的操作/旋轉(zhuǎn)、鉆頭20與地層30在鉆孔27底部的相互作用(其中鉆頭20可能滑動、停轉(zhuǎn)、偏離鉆孔軸線和/或類似的)、連接器系統(tǒng)12的旋轉(zhuǎn)運動、頂驅(qū)動的操作、旋轉(zhuǎn)臺的操作、井底馬達的操作、鉆孔輔助的操作(例如流體射流或電力脈沖系統(tǒng))、鉆孔20的孔徑(其可以是不規(guī)則的)和/或類似物可以產(chǎn)生井底鉆具17 和/或鉆頭20中的運動，并且這個運動可以是反復的、隨機的、瞬時的運動，其中至少一部分運動沒有沿著井底鉆具17和/或鉆頭20的軸線導向并且相反地從井底鉆具17和/或鉆頭20的中心處的縱向軸線向外徑向地導向。由此，在鉆孔操作期間，井底鉆具17的運動學可包括鉆孔方向上的縱向運動37以及瞬時徑向運動36A和36B，其中瞬時徑向運動36A 和36B可包括井底鉆具17從被鉆進的鉆孔27的中心軸線39和/或井底鉆具17和/或鉆頭20的中心軸線遠離的任意運動。
13
通常地，已經(jīng)確定出，井底鉆具17在鉆孔過程期間的徑向運動在性質(zhì)上是隨機的、瞬時的。由此，井底鉆具17在整個鉆孔過程中會經(jīng)受反復的、隨機的徑向/不穩(wěn)定運動。 為此，井底鉆具17在鉆孔過程期間在鉆孔27中的反復徑向/不穩(wěn)定運動可以被稱為井底鉆具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、反復的徑向運動、反復的動態(tài)運動、反復的不穩(wěn)定運動、振動、振動式運動和/或類似運動。井底鉆具17在鉆孔27鉆進期間的動態(tài)和/或不穩(wěn)定運動會在整個鉆孔過程中導致/引起井底鉆具17反復地與鉆孔27的內(nèi)表面接觸和/或沖擊內(nèi)表面。鉆孔27的內(nèi)表面包括鉆孔27的內(nèi)壁40和底表面41，即地層30限定出鉆孔27的整個表面。如前面所討論，井底鉆具17的動態(tài)和/或不穩(wěn)定運動可以在性質(zhì)上是隨機的，并且由此在鉆孔過程期間會導致/引起在井底鉆具17與內(nèi)表面之間隨機的間歇的/反復的接觸和/或沖擊。在鉆孔過程期間由于井底鉆具17的動態(tài)和/或不穩(wěn)定運動所導致的鉆柱10與內(nèi)表面之間的間歇的/反復的接觸和/或沖擊會在鉆柱10的一個或多個區(qū)段/部件與內(nèi)表面之間發(fā)生。例如，區(qū)段/部件可以是鉆柱10靠近鉆頭20、井底鉆具17的區(qū)段，井底鉆具 17的部件(例如鉆鋌、保徑襯墊、穩(wěn)定器、馬達外殼)，連接器系統(tǒng)12的區(qū)段和/或類似物。 為此，鉆柱10與內(nèi)表面之間由于井底鉆具17的動態(tài)和/或不穩(wěn)定運動所導致的相互作用可被稱為動態(tài)的相互作用、不穩(wěn)定的相互作用、徑向運動相互作用、振動相互作用和/或類似的相互作用。圖2A是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于給鉆出鉆孔的鉆孔系統(tǒng)導向的系統(tǒng)的示意性示圖。在圖2A中，用于鉆出鉆孔的鉆孔系統(tǒng)可包括井底鉆具17，其又包括鉆頭20。鉆孔系統(tǒng)可用于鉆出鉆孔50，該鉆孔50具有內(nèi)壁53和鉆孔表面M。在鉆孔過程期間，鉆頭20可接觸鉆孔表面M并且在鉆孔表面M破碎/移動巖石。在本發(fā)明的實施例中，環(huán)組件55可通過順應元件57而與井底鉆具17相連接。環(huán)組件 55可以是管、圓筒、框架或類似物。環(huán)組件55可具有外表面55A。在環(huán)組件55包括管、圓筒和/或類似物的某些方面，外表面55A可包括管/圓筒的外表面和/或與管/圓筒外表面相連接的任意襯墊、突起和/或類似物。環(huán)組件陽的外表面上可具有粗糙部分、涂層、突起，而用于環(huán)組件55的外表面與內(nèi)壁53之間的增大的摩擦接觸。環(huán)組件陽可包括襯墊，其被設置成與內(nèi)壁53相接觸。在某些方面，環(huán)組件55可包括保徑襯墊系統(tǒng)。在環(huán)組件55包括一系列元件(例如襯墊或類似物)的方面，外表面55A可由環(huán)組件55的各個元件(襯墊)的外表面所限定。 在本發(fā)明的實施例中，環(huán)組件55可與井底鉆具17 —起設置以使得外表面55A在鉆孔過程期間由于井底鉆具17的動態(tài)運動而與內(nèi)壁53和/或鉆孔表面M相接合、接觸和/或類似的作用。外表面^A的設計/輪廓/順應性和/或外表面55A相對于鉆頭20切削廓形的布置可用于控制外表面55A與內(nèi)壁53和/或鉆孔表面M之間的動態(tài)相互作用。順應元件57可包括提供環(huán)組件55相對于鉆頭20橫向移動的結構，其中橫向移動是至少部分地向著井底鉆具17的中心軸線61導向的運動。在某些方面，環(huán)組件55自身可被設置成橫向地順從，并且可被連接到井底鉆具17和/或可以是井底鉆具17的一部分，而不需要使用順應元件57。在本發(fā)明的一個實施例中，順應元件57并非圓周均勻地順應。在這個實施例中，順應元件57中設置在順應元件57圓周周圍的一個或多個區(qū)段相比順應元件57的其它區(qū)段會更加橫向地順應。如前面所討論，在鉆孔過程期間，井底鉆具17或者井底鉆具17的一個或多個區(qū)段會經(jīng)受與內(nèi)壁53和/或鉆孔表面M的動態(tài)相互作用。在本發(fā)明的實施例中，環(huán)組件55可被設置成使得井底鉆具17的動態(tài)運動在鉆孔過程期間產(chǎn)生環(huán)組件55與內(nèi)壁53和/或鉆孔表面討之間的動態(tài)相互作用。在本發(fā)明的不同方面，環(huán)組件55與井底鉆具17和/或鉆頭20之間不同的相對外部圓周可允許環(huán)組件55與內(nèi)壁53和/或鉆孔表面M之間不同的動態(tài)相互作用。建模、理論分析、試驗和/或類似操作可被用于選擇環(huán)組件陽與井底鉆具 17和/或鉆頭20之間相對外部圓周中的差異以用于特定的鉆孔過程，從而產(chǎn)生想要的/期望的動態(tài)相互作用。在本發(fā)明的橫向順應性在順應元件57周圍沿圓周改變的實施例中，環(huán)組件55與內(nèi)壁53和/或鉆孔表面M之間的動態(tài)相互作用可以是圍繞著環(huán)組件55在圓周上不均勻的。僅僅通過示例，順應元件57可包括降低順應性區(qū)域59B和增加順應性區(qū)域59A。在某些方面，相比順應元件57中具有降低的橫向順應性的一段(即降低順應性區(qū)域59B)上方的環(huán)組件55與內(nèi)壁53和/或鉆孔表面M之間動態(tài)相互作用，在順應元件57中具有增加的橫向順應性的一段(即增加順應性區(qū)域59A)上方的環(huán)組件55與內(nèi)壁53和/或鉆孔表面M之間動態(tài)相互作用會被減弱。在本發(fā)明的一些實施例中，環(huán)組件55可被設置成使得環(huán)組件55與井底鉆具連接， 從而使得環(huán)組件陽被整體地設置在鉆頭20的切削廓形21之內(nèi)，該切削廓形21包括鉆頭 20的邊到邊切削輪廓。在本發(fā)明的其它實施例中，環(huán)組件55、環(huán)組件55的一段、外表面55A 和/或外表面55A的一段可延伸到切削廓形21之外。僅僅通過示例，環(huán)組件55可與在井底鉆具17相連接從而使得外表面55A在切削廓形21內(nèi)部為1-10毫米的量級。在其它方面，以及再次僅僅通過示例，環(huán)組件陽可以與井底鉆具17相連接，從而使得外表面55A的至少一部分在10毫米或更大的范圍內(nèi)延伸到切削廓形21之外。圖2B是穿過根據(jù)本發(fā)明實施例的順應系統(tǒng)的橫截面視圖，該順應系統(tǒng)用在圖2A 中的用于給鉆出鉆孔的鉆孔系統(tǒng)導向的系統(tǒng)中。橫截面在圖2B中顯示的順應系統(tǒng)57包括增加順應性區(qū)域59A和降低順應性區(qū)域59B。在某些方面，順應元件57中可以只有單個區(qū)域，該區(qū)域相對于順應元件57的剩余和/或其它區(qū)域具有增加的或降低的順應性。在其它方面，順應元件57可包括任意順應設置，其圍繞著順應元件57產(chǎn)生非均勻的順應性。在圖2B中，順應元件57被顯示成固體圓筒結構，然而，在本發(fā)明的不同方面，順應元件可包括其它種類的結構，例如設置在井底鉆具17周圍以及設置成將環(huán)組件55連接到井底鉆具17的多個順應元件、能夠?qū)h(huán)組件55連接到井底鉆具17并且提供環(huán)組件55橫向移動的支承元件組件、和/或類似物。在本發(fā)明的其它方面，環(huán)組件陽自身可以是具有整體順應性的結構，其中整體順應性可被選擇成圍繞著環(huán)組件55不是均勻的并且環(huán)組件55可以與井底鉆具17相連接或者可以是井底鉆具17中沒有順應元件57的區(qū)段。在另外的方面，環(huán)組件55可包括多個順應元件，例如襯墊或類似物，該多個順應元件與井底鉆具17相連接并且至少一個順應元件的順應性與其它順應元件不同。在本發(fā)明的實施例中，增加順應性區(qū)域59A可以設置在順應元件57上，從而與降低順應性區(qū)域59B徑向相對。在這個實施例中，順應元件57可防止環(huán)組件55在降低順應性區(qū)域59B的位置上向內(nèi)(如圖2A中所示向上)移動，但是可允許環(huán)組件55在增加順應性區(qū)域59A的位置上向內(nèi)(如圖2A中所示向下)移動。由此，鉆頭20隨著在鉆孔過程期間經(jīng)受動態(tài)運動，因此會與內(nèi)壁53和/或鉆孔表面M相互作用，并且傾向于在增加順應性區(qū)域59A的方向上和/或向著增加順應性區(qū)域59A(如圖2A中所示向上)移動、定向或者優(yōu)選地破碎/移除巖石。在這個實施例中，由于在鉆孔過程期間順應元件57具有選定的非均勻順應性，因此由于井底鉆具17與鉆頭20的動態(tài)運動，順應元件57可允許鉆孔系統(tǒng)被導向以及可用于鉆孔50的定向鉆進。鉆孔系統(tǒng)與鉆孔27內(nèi)表面的非均勻相互作用同時可用于控制鉆頭20與地層在鉆孔過程期間的相互作用，以及由此控制鉆頭20的功能。在本發(fā)明的實施例中，環(huán)組件55或者順應元件57的任何不均勻圓周順應性都用于給鉆孔系統(tǒng)導向/控制鉆孔系統(tǒng)。環(huán)組件55和/或順應元件57的不同順應性的量和/ 或環(huán)組件55和/或順應元件57的非均勻順應性的輪廓可被選定用于鉆頭20的期望導向響應和/或控制。鉆孔系統(tǒng)對于順應性差異和/或圓周順應性輪廓的導向響應和/或鉆頭響應可被理論地確定、建模、通過試驗推導、通過前面的鉆孔過程分析等。在本發(fā)明中被設置成與鉆孔系統(tǒng)共同使用的實施例中，其中鉆孔系統(tǒng)不包括使用旋轉(zhuǎn)鉆頭或者鉆孔系統(tǒng)的外殼(例如井底鉆具的外殼)是不旋轉(zhuǎn)的，那么環(huán)組件陽和/或順應元件57可以與鉆孔系統(tǒng)或者外殼相連接。在這個實施例中，鉆孔系統(tǒng)可被設置在鉆孔中并且增加順應性區(qū)域59A被設置成相對鉆頭20具有特定定向，從而用于在增加順應性區(qū)域59A的方向上鉆出鉆孔50。為了改變鉆孔系統(tǒng)鉆進的方向，增加順應性區(qū)域59A的位置可以改變。在某些實施例中，定位裝置65-可包括馬達、液壓致動器和/或類似物-可用于使環(huán)組件55和/或順應元件57旋轉(zhuǎn)/對齊，從而用于使鉆孔系統(tǒng)在期望方向上鉆出鉆孔50。 定位裝置65可與處理器70進行通信。處理器70可控制定位裝置65，從而用于期望的定向鉆孔。處理器70可通過手動干預、對于鉆孔的端點目標、期望的鉆進軌跡、期望的鉆頭響應、期望的鉆頭與地層的相互作用、地震數(shù)據(jù)、來自于傳感器(未示出)的輸入-其能夠提供有關地層的數(shù)據(jù)、鉆孔50內(nèi)的環(huán)境、鉆孔數(shù)據(jù)(例如鉆壓、鉆進速度和/或類似物)、鉆孔系統(tǒng)的振動數(shù)據(jù)、動態(tài)相互作用數(shù)據(jù)和/或類似物-與鉆頭在地層中的位置/定向相關的數(shù)據(jù)、與鉆孔的軌跡/方向相關的數(shù)據(jù)、和/或類似數(shù)據(jù)而確定出環(huán)組件陽和/或順應元件57在鉆孔50中的位置。處理器70可連接有顯示器(未示出)，從而顯示出鉆孔50的定向/方向/位置、 鉆孔系統(tǒng)、鉆頭20、環(huán)組件55、順應元件57、鉆孔速度、鉆孔軌跡和/或類似物。顯示器可以遠離鉆孔位置并且通過連接器(例如因特網(wǎng)連接、網(wǎng)絡連接、電話連接和/或類似方式)而提供數(shù)據(jù)，并且可用于鉆孔過程的遠程操作。來自于處理器70的數(shù)據(jù)可存儲在存儲器中和 /或發(fā)送到與鉆孔過程相關的其它處理器和/或系統(tǒng)。在本發(fā)明的另一個實施例中，導向/鉆頭功能控制系統(tǒng)可被設置成與旋轉(zhuǎn)式鉆孔系統(tǒng)共同使用，其中鉆頭在鉆孔過程期間旋轉(zhuǎn)并且由此鉆頭20和/或井底鉆具17可在鉆孔50內(nèi)旋轉(zhuǎn)。在這個實施例中，環(huán)組件55和/或順應元件57可被設置從而使得環(huán)組件55 和/或順應元件57的運動與鉆頭20和/或井底鉆具17的旋轉(zhuǎn)運動不相關或者至少部分地不相關。由此，環(huán)組件55在鉆井加工期間在鉆孔50中被保持成對地靜止。在某些方面，環(huán)組件55和/或順應元件57可以是被動系統(tǒng)，其包括一個或多個設置在鉆孔系統(tǒng)周圍的圓筒。一個或多個圓筒在某些情況下可設置在鉆孔系統(tǒng)的井底鉆具17 周圍。一個或多個圓筒可被設置成與鉆孔系統(tǒng)不相關地旋轉(zhuǎn)。在這些方面，一個或多個圓筒可被設置成使得一個或多個圓筒與地層之間的摩擦可以使一個或多個圓筒相對于旋轉(zhuǎn)的鉆孔系統(tǒng)固定、防止圓筒的旋轉(zhuǎn)運動。在本發(fā)明的某些方面，當沒有鉆壓以及由此沒有鉆孔鉆進時，一個或多個圓筒可被鎖定到井底鉆具，以及隨后當鉆壓施加以及鉆孔開始時被定向以及與井底鉆具解鎖；一個或多個圓筒與內(nèi)表面之間的摩擦保持了一個或多個圓筒的定向。在本發(fā)明的某些方面中，一個或多個圓筒可以通過軸承或類似物而與井底鉆具17相連接。在本發(fā)明的某些實施例中，當處于非旋轉(zhuǎn)鉆孔系統(tǒng)中時，一個或多個圓筒的定位可以通過定位裝置65來提供，該裝置可以使一個或多個圓筒旋轉(zhuǎn)，從而改變圓筒的起作用區(qū)域在鉆孔50中的位置，繼而改變鉆頭20的鉆孔方向和/或功能。例如，順應元件57可包括圓筒并且可圍繞著井底鉆具17旋轉(zhuǎn)從而改變增加順應性區(qū)域59A和/或降低順應性區(qū)域59B的位置，以改變由于環(huán)組件55與內(nèi)壁53之間動態(tài)的相互作用而導致的鉆孔系統(tǒng)的鉆進方向。作為選擇，主動控制可被用于保持環(huán)組件陽和/或順應元件57相對于井底鉆具17在鉆孔過程期間的期望定向/位置。此外，這類裝置可用在馬達組件中，用來替換彎接頭。這在將組件通過油管而設置在孔中以及完成約束以及當以旋轉(zhuǎn)模式直線鉆進時能帶來好處。圖3A-C是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于給鉆孔系統(tǒng)導向的凸輪控制系統(tǒng)的示意性圖示。圖3A顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的具有凸輪控制系統(tǒng)的定向鉆孔系統(tǒng)。在圖3A中，鉆頭系統(tǒng)穿過地層鉆出鉆孔50。鉆孔系統(tǒng)包括設置在被鉆進的鉆孔50端部的井底鉆具17。 井底鉆具17包括與地層接觸并且鉆出鉆孔50的鉆頭20。在本發(fā)明的實施例中，保徑襯墊組件73可通過順應聯(lián)接器76而與井底鉆具17相連接。保徑襯墊組件73可包括鉆鋌、圓筒、鉆頭20的一個或多個切削頭的非切削端部、和 /或類似物。圖3B顯示了根據(jù)本發(fā)明一個方面的保徑襯墊組件73。如圖所示，保徑襯墊組件73包括圓筒74A，其具有設置在圓筒74A表面上的多個襯墊74B。在某些方面，多個襯墊 74B可具有順應特性，然而在其它方面，多個襯墊74B可以是非順應的并且可包括金屬。在本發(fā)明的某些實施例中，保徑襯墊組件73自身可以是順應的并且順應的保徑襯墊組件可與井底鉆具17的元件相連接而沒有順應聯(lián)接器76。在本發(fā)明的一個實施例中，凸輪79可與井底鉆具17相連接。凸輪79可以在井底鉆具17上移動。在本發(fā)明的實施例中，凸輪79可包括偏心/非對稱圓筒。凸輪79可以移動，從而與保徑襯墊組件73相接觸。保徑襯墊組件73可被設置成在鉆出鉆孔50的加工期間接觸內(nèi)壁53和/或鉆孔表面M。保徑襯墊組件73可直接地與井底鉆具17相連接，通過聯(lián)接器或類似物連接到井底鉆具17。聯(lián)接器76可包括順應/彈性材料，其允許保徑襯墊組件73相對于井底鉆具17移動。凸輪79可被控制器80所致動。控制器80可包括馬達、液壓系統(tǒng)和/或類似物， 并且可用于移動凸輪79和/或?qū)⑼馆?9在鉆孔過程期間保持成在鉆孔50中對地靜止。 在某些方面，凸輪79可包括圓筒，其具有外表面81以及外表面81中的縮進部82。在這些方面，在鉆孔過程期間，控制器80會用于將凸輪79移動到起作用位置，其中外表面81可以靠近保徑襯墊組件73或者與保徑襯墊組件73相接觸。在本發(fā)明的某些實施例中，可沒有控制器80以及凸輪79可以例如在將井底鉆具17設置到鉆孔50中之前被設定到起作用位置。在本發(fā)明的一個實施例中，通過使保徑襯墊組件73的特性圍繞著保徑襯墊組件 73是不均勻的，凸輪79可被用于控制保徑襯墊組件73與內(nèi)壁53和/或鉆孔表面M之間的動態(tài)相互作用。在本發(fā)明的另一個實施例中，除了使用凸輪79來改變保徑襯墊組件73 的特性、定位和/或類似之外，壓電、液壓和/或其它機械致動器可被用于使得保徑襯墊組件73具有非均勻特性，并且非均勻特性可被用于控制保徑襯墊組件73與內(nèi)壁53和/或鉆孔表面M之間的動態(tài)相互作用。在起作用位置、即其中凸輪79與保徑襯墊組件73相接合，保徑襯墊組件73在橫向方向上(即向著井底鉆具17和/或鉆孔50的中心軸線)的運動可被凸輪79所抵抗。在起作用位置，縮進部82可以通過間隔部83而與保徑襯墊組件73分開，其中間隔部83大于保徑襯墊組件73與外表面81之間在系統(tǒng)周圍其它位置上的間隔部。由此，相比保徑襯墊組件73設置在外表面81上方的其它部分，保徑襯墊組件73位于縮進部82上方的部分可具有更多的自由度/能力來橫向地移動。因此，保徑襯墊組件73與內(nèi)壁53和/或鉆孔表面M之間的相互作用在鉆孔過程期間圍繞著保徑襯墊組件73將是不均勻的。在本發(fā)明的某些方面，凸輪79可被用于控制保徑襯墊組件73的偏移，或者是產(chǎn)生保徑襯墊組件73的偏移來給鉆孔系統(tǒng)導向、或者是減小保徑襯墊組件73的偏移以便直線鉆孔。在用于控制鉆頭20操作的實施例中，凸輪79可被用于控制保徑襯墊組件73的偏移， 或者是產(chǎn)生保徑襯墊組件73的偏移來產(chǎn)生鉆頭20的某些行為或者是減小保徑襯墊組件73 的偏移以便獲得鉆頭20的不同行為。凸輪79可包括偏心圓筒。在操作中，凸輪79可與保徑襯墊組件73相接合并且可使得至少一段保徑襯墊組件73相對于鉆頭20是大于保徑的。由此，大于保徑的保徑襯墊組件73可以與鉆孔50的內(nèi)表面以不均勻的方式相互作用。凸輪79可具有外徑穩(wěn)定改變的區(qū)段，從而使至少一段保徑襯墊組件73的保徑/直徑在鉆孔過程期間穩(wěn)定地改變。在鉆孔過程期間，井底鉆具17可在鉆孔50中經(jīng)受動態(tài)的運動，導致了井底鉆具17 與鉆孔50內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用。在本發(fā)明的一個實施例中，由于與保徑襯墊組件73 在保徑襯墊組件73中相對于縮進部82的相對側面上的位置相比，保徑襯墊組件73在縮進部82上方的更大順應性，保徑襯墊組件73與內(nèi)壁53和/或鉆孔表面M之間反復的動態(tài)相互作用將導致鉆孔系統(tǒng)在鉆孔方向85上鉆進，其中鉆孔方向85指向縮進部82的方向。 當接合時，凸輪79將會阻止保徑襯墊組件73向內(nèi)(如圖所示向上)移動，但是允許保徑襯墊組件73在相反方向(如圖所示向下)移動。由此，鉆頭20將會相對于保徑襯墊組件73 向上移動、振動并且由此用于通過鉆孔系統(tǒng)在向上方向上、向著縮進部82鉆進，從而形成鉆孔50的向上指引區(qū)段。在本發(fā)明的實施例中，凸輪79可用于使保徑襯墊組件73的軸線在對地靜止平面內(nèi)相對于鉆頭20軸線發(fā)生偏移。在某些方面，保徑襯墊組件73通過凸輪79的偏移可被提供，同時保徑襯墊組件73與鉆頭20和/或井底鉆具17共同旋轉(zhuǎn)。當使用鉆孔系統(tǒng)來鉆出鉆孔的彎曲部分時，例如具有10度/100英尺斜度的彎曲部分，鉆孔的實際側鉆將會是小的，例如在這種彎曲部分，對于150mm(6英寸)鉆孔的前向鉆進，鉆孔的側鉆為0. 07mm。在本發(fā)明的實施例中，由于用于形成具有10度/100英尺斜度
18的彎曲部分的側鉆是小的，因此在鉆孔過程期間與鉆孔內(nèi)表面形成受控制的、不均勻動態(tài)相互作用的系統(tǒng)可僅僅需要產(chǎn)生鉆孔的小的偏斜。在本發(fā)明實施例的試驗中，使用相對于井底鉆具和/或鉆頭的中心軸線具有偏心圓周輪廓的鉆鋌/保徑襯墊組件對動態(tài)相互作用的控制、包括相對于鉆頭為大于保徑和/或小于保徑的偏心輪廓，形成了鉆孔具有這種期望曲率的彎曲部分的導向。在本發(fā)明的某些方面，為了將動力需要降到最低，保徑襯墊組件73可被固定到順應聯(lián)接器76上，并且保徑襯墊組件73的軸線與鉆頭20和/或可包括鉆頭20的切削系統(tǒng)的軸線重合。在本發(fā)明的實施例中，鉆孔系統(tǒng)的導向可以這樣實現(xiàn)，通過使用凸輪79以約束順應聯(lián)接器76的順應方向，因此保徑襯墊組件73可在一個方向上移動，但是在相對方向上是非常剛性的(抵抗徑向運動)。在某些方面，為了給鉆孔系統(tǒng)導向以直線地鉆進，凸輪79 可被接合，從而使得保徑襯墊組件73的運動在所有方向上都是剛性的(抵抗徑向運動)。在本發(fā)明的實施例中，保徑襯墊組件73可包括支承合乎鉆頭20保徑的保徑襯墊的單個鉆鋌組件。在某些方面，小量的大于保徑和小于保徑是可以容忍的。在可選實施例中，保徑襯墊組件73上的襯墊可以被獨立地固定到環(huán)組件上和/或可以獨立地控制。保徑襯墊組件73可被固定到剛性順應結構上以及可以相對于鉆頭20徑向地移動。凸輪79可以是偏心的以及可以被設置成當鉆孔系統(tǒng)導向時對地靜止，以及當鉆柱被卡住或者不是期望的導向時被停下、移除和/或類似操作。通過將凸輪79保持在對地靜止位置，凸輪79的起作用部位、例如縮進部83或者類似部位可被保持在相對于鉆孔50的對地靜止位置從而用于在期望方向上、例如在對地靜止縮進部83的方向上鉆進鉆孔50。在某些方面，凸輪79 可以是對地靜止的并且保徑襯墊或者類似物可以在鉆孔過程期間自由地旋轉(zhuǎn)。如前面所述，各種方法可用于使保徑襯墊組件73與鉆頭20和/或井底鉆具17相連接。在某些方面，安裝部可以是徑向順應的，但是也可以將轉(zhuǎn)矩和軸向重量傳遞到井底鉆具17。在本發(fā)明的一個實施例中，可以是安裝部或者類似物的順應聯(lián)接器76可包括薄壁圓筒，在圓筒中刻有槽，從而允許徑向柔性但是保持切向及軸向剛性。其它實施例可包括用于傳遞重量的軸承表面和/或用來傳遞轉(zhuǎn)矩的銷和/或樞轉(zhuǎn)臂。通過使用能夠保持縮進部82(或凸輪79的大于保徑、小于保徑部分，或者凸輪79 與保徑襯墊組件73的組合，或者保徑襯墊組件73的徑向剛性或徑向順應部分)在鉆孔50 中對地靜止的保徑襯墊組件73和/或順應聯(lián)接器76的配置，鉆孔系統(tǒng)可被控制從而定向地鉆出鉆孔50。在本發(fā)明的某些實施例中，處理器75可被用于在鉆孔操作期間或者鉆孔操作之間管理控制器80，以便凸輪79的旋轉(zhuǎn)，從而連續(xù)地控制鉆孔過程的方向。在一些實施例中，縮進部82可具有帶斜度的外形82A，從而用于改變縮進部82的深度。在這個實施例中，保徑襯墊組件73在保徑襯墊組件73處于縮進部82上方的部分與保徑襯墊組件73沒有處于縮進部82上方的部分之間的相對順應性可以是改變的。由此，在本發(fā)明的某些實施例中，鉆孔方向85的銳度(θ )86能夠以可變方式控制。在本發(fā)明的某些方面，多個縮進部可設置在凸輪79中，從而用于保徑襯墊組件73 與內(nèi)壁53之間相互作用的控制。多個縮進部可設置在凸輪79圓周周圍的不同位置，從而提供期望的導向效果。此外，多個凸輪可以與井底鉆具17上的一個或多個保徑襯墊組件73 共同使用，從而在鉆孔過程期間提供不同的導向效果。圖4A-C是根據(jù)本發(fā)明實施例的主動保徑襯墊系統(tǒng)的示意性圖示，該系統(tǒng)用于控制設置用于鉆出鉆孔的鉆孔系統(tǒng)。在本發(fā)明的實施例中，主動保徑襯墊100可用于控制鉆孔系統(tǒng)，該鉆孔系統(tǒng)用于鉆出鉆孔并且可包括連接有井底鉆具95的鉆管90。井底鉆具95 可包括鉆頭97，用于鉆出鉆孔。主動保徑襯墊100可包括與被鉆進的鉆孔內(nèi)表面以不均勻方式相互作用的鉆鋌、保徑襯墊、井底鉆具的區(qū)段、管狀組件、鉆頭的區(qū)段和/或類似物。主動保徑襯墊100可包括與鉆孔系統(tǒng)相連接的盤、圓筒、多個單個元件(例如一系列圍繞著井底鉆具95或者鉆管90圓周設置的襯墊)并且可以在鉆孔過程期間與被鉆進的鉆孔的內(nèi)表面相互作用。在某些方面，為了主動保徑襯墊100或類似物與鉆孔內(nèi)表面之間反復的相互作用，主動保徑襯墊100可以與鉆孔系統(tǒng)相連接，從而相距鉆頭97小于20英尺。在其它方面，主動保徑襯墊100可以與鉆孔系統(tǒng)相連接，從而相距鉆頭97小于10英尺。在本發(fā)明的實施例中，主動保徑襯墊100可以在鉆孔中移動。由此，主動保徑襯墊 100可以通過致動器或者類似物而在鉆孔中對齊到鉆孔內(nèi)的定向，從而作為主動保徑襯墊 100在鉆孔中定向時與鉆孔內(nèi)表面的非均勻相互作用的結果，產(chǎn)生鉆孔系統(tǒng)的期望控制。使用處理器或類似物來控制主動保徑襯墊100在鉆孔內(nèi)的定位，鉆孔系統(tǒng)的操作和/或?qū)蚩杀豢刂?管理，并且這種控制/管理在某些方面可以實時發(fā)生。在圖4A中，主動保徑襯墊100與井底鉆具95相連接，用于與被鉆進的鉆孔的內(nèi)表面在靠近鉆頭97的位置上進行相互作用。在鉆管90、井底鉆具95和/或類似物在鉆孔操作期間旋轉(zhuǎn)的鉆孔系統(tǒng)中，主動保徑襯墊100可被設置成在鉆孔操作期間保持成對地靜止。致動器、摩擦作用力和/或類似物可被用于將主動保徑襯墊100保持成對地靜止。僅僅通過示例，在本發(fā)明的一個實施例中，主動保徑襯墊可在鉆頭97后面小于10-20英尺的距離與井底鉆具95連接在一起。圖4B顯示了圖4A中所示的系統(tǒng)的主動保徑襯墊的一個實施例。在附圖4B中，根據(jù)本發(fā)明的實施例，主動保徑襯墊100A可包括不對稱的元件。通過使不對稱主動保徑襯墊與鉆柱相連接，從而使得保徑襯墊100A的外表面延伸到鉆柱的外表面之外，不對稱主動保徑襯墊的外表面可與被鉆進的鉆孔的內(nèi)表面相互作用。由于主動保徑襯墊100A具有非對稱外表面，因此作為鉆柱在鉆孔過程期間以非均勻方式的動態(tài)運動的結果，主動保徑襯墊 100A可與鉆孔內(nèi)表面相互作用，非均勻方式取決于主動保徑襯墊100A的非對稱設置。僅僅通過示例，主動保徑襯墊100A可以在設計上是非對稱的并且可被設置成與如圖4A中所示的井底鉆具在鉆頭后面幾個英寸到10-20英尺范圍的距離相連接。在某些實施例中，主動保徑襯墊100A可包括均勻的圓筒以及可偏心地設置在井底鉆具上，用于與內(nèi)表面的非均勻相互作用，作為鉆柱動態(tài)運動的結果。在某些實施例中，主動保徑襯墊100A可包括對地靜止管件以及在一側上稍稍地為小于保徑。在其它實施例中，主動保徑襯墊100A可在一個側面上為小于保徑以及在相對側面上為大于保徑。在某些方面，主動保徑襯墊100A可包括多個對地靜止管件，其在圓周上為小于保徑/大于保徑并且可圍繞著鉆管90和/或井底鉆具95的圓周連接。在本發(fā)明的某些實施例中，主動保徑襯墊100A可被設置成使得主動保徑襯墊100A與鉆柱相連接從而使得主動保徑襯墊100A與鉆頭的切削廓形整體地設置；切削廓形包括鉆頭的邊到邊切削輪廓。在本發(fā)明的其它實施例中，主動保徑襯墊100A的一部分或者全部可延伸到鉆頭的切削廓形之外。僅僅通過示例，主動保徑襯墊100A可與鉆柱相連接，從而使得主動保徑襯墊100A的外表面處于切削廓形之內(nèi)1-10毫米量級。在其它方面，以及再次僅僅通過示例，主動保徑襯墊100A可與鉆柱相連接從而使得主動保徑襯墊100A的外表面的至少一部分在十分之一到10或更多毫米的范圍內(nèi)延伸到切削廓形之外。在本發(fā)明的實施例中，由于鉆孔系統(tǒng)在鉆進加工期間在鉆孔中以非均勻的方式的徑向運動，主動保徑襯墊100A-由于主動保徑襯墊100A與井底鉆具是非同心的、非對稱的和/或類似的-可與被鉆進的鉆孔的內(nèi)表面相互作用。如圖4B中所示，主動保徑襯墊100A 與鉆孔內(nèi)表面之間的反復的動態(tài)相互作用在鉆孔過程期間將會導致鉆孔系統(tǒng)在向下方向 103上鉆進，如圖中所示。通過將主動保徑襯墊100A保持成在鉆孔過程期間對地靜止，主動保徑襯墊100A可被用于給鉆孔系統(tǒng)導向。在本發(fā)明的實施例中，通過使主動保徑襯墊100A在主動保徑襯墊100A的圓周周圍的至少一個圓周位置上為小于保徑，主動保徑襯墊100A與內(nèi)表面之間可以形成小間隙， 其用于給鉆頭97導向。由此，在本發(fā)明的一些實施例中，鉆孔系統(tǒng)可通過井底鉆具95上的接觸表面而被導向，該井底鉆具95可以在被切削頭切削的輪廓之內(nèi)和/或不需要將接觸表面推到切削輪廓之外。圖4C顯示了圖4A中所示的系統(tǒng)的主動保徑襯墊的另一個實施例。在圖4C中，主動保徑襯墊100B可包括與可延伸元件107相連接的環(huán)105。環(huán)105可包括圓筒、盤、鉆鋌、 保徑襯墊、井底鉆具95的一段、鉆柱的一段、鉆管的一段和/或類似物。在本發(fā)明的實施例中，可延伸元件107可以是可被控制從而改變環(huán)105的圓周輪廓的元件。可延伸元件107可通過控制器110而被控制/致動?？刂破?10可包括馬達、 液壓系統(tǒng)和/或類似物。在本發(fā)明的實施例中，控制器110可致動可延伸元件107，從而從井底鉆具95向外延伸，從而改變由于鉆孔系統(tǒng)在鉆孔過程期間在鉆孔中的徑向/動態(tài)運動所導致的主動保徑襯墊100B與被鉆進的鉆孔的內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用。在本發(fā)明的一些實施例中，主動保徑襯墊100B可被設置成使得當延伸時主動保徑襯墊100B被整體地設置在鉆頭切削廓形之內(nèi)。在本發(fā)明的其它實施例中，延伸的/部分延伸的主動保徑襯墊100B中的一段或整體可延伸到鉆頭切削廓形之外。僅僅通過示例，主動保徑襯墊100B可與鉆柱相連接，從而使得主動保徑襯墊100B在延伸位置的外表面處于切削廓形之內(nèi)I-IOmm的量級。在其它方面，以及再次僅僅通過示例，主動保徑襯墊100B可與鉆柱相連接從而使得主動保徑襯墊100B的至少一部分外表面在延伸或者部分延伸時能夠在十分之一到10或更多毫米的范圍內(nèi)延伸到切削廓形之外。在本發(fā)明的實施例中，主動保徑襯墊100B與內(nèi)表面之間的相互作用可通過可延伸元件107的定位/延伸而被控制，從而用于鉆孔系統(tǒng)的導向以及被鉆孔系統(tǒng)鉆進的鉆孔的定向鉆進。在某些方面，處理器70接收到有關期望鉆進方向的數(shù)據(jù)、有關鉆孔過程的數(shù)據(jù)、有關鉆孔的數(shù)據(jù)、有關鉆孔內(nèi)情況的數(shù)據(jù)、地震數(shù)據(jù)、有關鉆孔周圍地層的數(shù)據(jù)和/或類似數(shù)據(jù)，并且可以操作控制器110，從而用于可延伸元件107的定位/延伸，以給鉆孔系統(tǒng)導向。在本發(fā)明的實施例中，可延伸元件107可以延伸從而調(diào)節(jié)主動保徑襯墊100與被鉆進的鉆孔的內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用。這需要可延伸元件107的簡單被動延伸，從而使得主動保徑襯墊100具有圍繞著鉆孔系統(tǒng)和/或鉆孔的中心軸線的非均勻形狀，而不需要在內(nèi)表面上施加驅(qū)動力或者作用力。然而，在某些方面，可延伸元件107可被定位、延伸，從而在內(nèi)表面上施加作用力。僅僅通過示例，在某些實施例中，可延伸元件107可以在內(nèi)表面上施加小于IkN的作用力， 從而使得來自于內(nèi)表面的反作用力施加到鉆孔系統(tǒng)上以及鉆孔系統(tǒng)與內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用的控制。操作可延伸元件107從而施加小于IkN的作用力可以是有利的，原因是作用力不需要大的井底動力消耗/動力源、可減少控制器110的尺寸和復雜度、和/或類似情況。在本發(fā)明的實施例中，井底鉆具95、鉆頭97、主動保徑襯墊100和/或類似物可被設置成具有不規(guī)則分布的質(zhì)量。井底鉆具95、鉆頭97、主動保徑襯墊100和/或類似物的質(zhì)量可以沿著圓周或者類似地發(fā)生改變從而使得鉆孔系統(tǒng)的不穩(wěn)定運動和/或鉆孔系統(tǒng)與鉆孔內(nèi)表面之間的相互作用是不均勻的。由此，鉆孔系統(tǒng)的不均勻加重可用于鉆孔系統(tǒng)的控制和/或?qū)颉H僅通過示例，提供鉆壓的鉆鋌可以是具有非均勻重量分布的圓筒。在某些方面，圓筒形鉆鋌可以旋轉(zhuǎn)以相對于井孔改變非均勻重量/質(zhì)量分布的形式，從而用于鉆孔系統(tǒng)的期望控制和/或鉆孔系統(tǒng)的導向。在本發(fā)明的某些實施例中，除了保徑襯墊、鉆鋌和/或類似物之外或者與保徑襯墊、鉆鋌和/或類似物相結合，鉆柱可被成形以用于控制與內(nèi)表面的不穩(wěn)定相互作用。例如，井底鉆具95可以不對稱地成形、具有不對稱的順應性和/或類似的。此外，根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，鉆頭97可以是不對稱的、具有不對稱的順應性、具有不均勻的切削特性和/ 或類似特性。此外，鉆孔系統(tǒng)可被設置成加強鉆孔系統(tǒng)在鉆孔過程期間的不穩(wěn)定運動。建模、試驗和/或類似情況可被用于設計具有增強的不穩(wěn)定運動的鉆孔系統(tǒng)。切削頭在鉆頭 97上的定位、切削頭操作參數(shù)可被用于增強的不穩(wěn)定運動。在本發(fā)明的某些實施例中，鉆孔系統(tǒng)包括可用于加強不穩(wěn)定相互作用的柔性/順應的聯(lián)接器、彎接頭和/或類似物(未示出)，以加強鉆孔系統(tǒng)對于不穩(wěn)定的相互作用和/或類似物的控制。圖5提供了根據(jù)本發(fā)明實施例的反復徑向運動致動器系統(tǒng)的示意性圖示，該系統(tǒng)用于給鉆孔系統(tǒng)導向從而定向地鉆出鉆孔。在本發(fā)明的實施例中，鉆孔系統(tǒng)可包括鉆柱 140-其可相應地包括井底鉆具95-并且鉆孔系統(tǒng)可被設置成用于穿過地層鉆出鉆孔。在某些實施例中，徑向運動發(fā)生器150可被連接到鉆柱140。徑向運動發(fā)生器150 可被設置成產(chǎn)生井底鉆具95在鉆孔中的徑向運動，其中徑向運動可以是井底鉆具95遠離鉆孔中心軸線而指向鉆孔內(nèi)壁的任意運動。徑向運動發(fā)生器150可包括機械振動器、聲波振動器和/或類似物，可產(chǎn)生井底鉆具95反復的徑向運動，例如振動。徑向運動發(fā)生器150 可以被調(diào)諧以適應鉆柱140和/或井底鉆具95的物理特性，以增強所產(chǎn)生的徑向運動。在本發(fā)明的實施例中，井底鉆具95與鉆孔內(nèi)表面之間的相互作用可以通過徑向運動發(fā)生器150而被產(chǎn)生、加強、改變和/或類似操作。徑向運動發(fā)生器150可通過在井底鉆具與鉆孔內(nèi)表面之間產(chǎn)生、施加、改變和/或類似操作相互作用而給鉆柱140導向。通過給鉆柱140導向，被鉆柱140鉆出的鉆孔可被定向地鉆出。處理器155可被用于控制徑向運動發(fā)生器150，從而在井底鉆具95與內(nèi)表面之間產(chǎn)生相互作用，從而給鉆柱140在期望方向上導向。在本發(fā)明的一些實施例中，徑向運動發(fā)生器150可以與在鉆孔系統(tǒng)與被鉆進的鉆孔的內(nèi)表面之間產(chǎn)生不均勻的不穩(wěn)定相互作用的其它方法(例如在該說明書中所描述的) 共同使用。在這個實施例中，徑向運動發(fā)生器150可用于增強或者抑制鉆柱的不穩(wěn)定運動， 從而增強/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。由此，不穩(wěn)定相互作用控制器可作為不穩(wěn)定相互作用控制器的控制器/管理器，并且自身可被處理器所控制用于控制/導向鉆孔系統(tǒng)和/或增加/抑制不穩(wěn)定相互作用控制器與鉆孔內(nèi)表面之間不均勻的不穩(wěn)定的相互作用。圖6A和6B顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的用于選擇性地使鉆孔系統(tǒng)的內(nèi)表面特征化的系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于給鉆孔系統(tǒng)導向從而定向地鉆出鉆孔。在鉆孔過程中，鉆柱160可被用于穿過地層鉆出鉆孔。鉆柱160可包括井底鉆具165和聯(lián)接器170，該聯(lián)接器170將井底鉆具165與地面位置或者地面位置附近的設備相連接。井底鉆具可包括鉆頭173，該鉆頭包括多個齒174，用于敲碎/壓碎地層中的巖石，從而形成/延伸被鉆進的鉆孔。在鉆孔過程期間，被鉆進的鉆孔的內(nèi)表面可在形狀上稍稍規(guī)則并且可由鉆頭173 的外徑所限定。通常地，內(nèi)表面形狀稍稍為圓形。地層不同部分的特性可導致內(nèi)表面形狀的不規(guī)則。在圖6A中，根據(jù)本發(fā)明的實施例，成形裝置180可與內(nèi)表面相互作用從而改變內(nèi)表面/使內(nèi)表面成形。成形裝置180可包括用于將流體噴射到內(nèi)表面上的流體噴射系統(tǒng)、 被設置成橫向地鉆進內(nèi)表面中的鉆頭、用于使內(nèi)表面破碎的破碎機，和/或類似裝置。在本發(fā)明的實施例中，成形裝置180可被用于改變內(nèi)表面的輪廓，從而控制井底鉆具165與內(nèi)表面之間的相互作用。在某些方面，保徑襯墊185可與井底鉆具165在靠近鉆頭173處相連接并且可被設置成在鉆孔被鉆孔系統(tǒng)鉆進期間與內(nèi)表面相互作用。盡管內(nèi)表面相對均勻，但是保徑襯墊185與內(nèi)表面之間由于井底鉆具165在鉆孔過程期間的徑向運動所導致的隨機相互作用通常地是均勻的并且不會影響鉆進的方向。在本發(fā)明的實施例中，成形裝置180可勾勒/成形內(nèi)表面，從而控制保徑襯墊185與內(nèi)表面之間的相互作用。 在本發(fā)明的某些方面，井底鉆具165可不包括保徑襯墊185并且相互作用可直接地在井底鉆具165與內(nèi)表面之間。在本發(fā)明的實施例中，通過控保徑襯墊185與內(nèi)表面之間的相互作用使鉆孔系統(tǒng)被導向。在某些方面，成形裝置180可以在導向過程中保持對地靜止，以便當鉆柱140和/ 或鉆柱140的部件可在鉆孔內(nèi)移動/旋轉(zhuǎn)時在鉆孔過程期間精確地選擇由成形裝置180成形的內(nèi)表面的區(qū)域。成形裝置180可包括安裝在鉆頭的保徑切削頭與保徑襯墊之間的水噴射。水噴射或類似物可被用于底切保徑襯墊前方的地層，從而在內(nèi)表面與保徑襯墊之間產(chǎn)生間隙，其可以用于使根據(jù)本發(fā)明實施例的鉆孔系統(tǒng)的振動導向。在其它實施例中，電力脈沖系統(tǒng)可安裝到保徑襯墊前方并且可被用于使一段內(nèi)表面軟化從而允許保徑襯墊壓碎這個區(qū)段的材料，從而產(chǎn)生間隙，用于根據(jù)本發(fā)明實施例的鉆孔系統(tǒng)的振動導向。在其它實施例中，電力脈沖系統(tǒng)可被用于直接地產(chǎn)生間隙。在圖6B中，鉆頭173可被設置成鉆出具有選擇性不均勻內(nèi)表面的鉆孔。在某些方面，鉆頭173的齒190可被設置成選擇性地致動，從而提供內(nèi)表面上的輪廓。在其它方面，不同技術可被用于控制鉆頭173以選擇性地成形內(nèi)表面。通過在內(nèi)表面上選擇性地設置槽、 凹進或者類似結構來控制內(nèi)表面的輪廓和形狀，內(nèi)表面與井底鉆具165之間由于井底鉆具 165在鉆孔鉆進期間的徑向運動所導致的相互作用可被控制并且鉆孔方向由此也可被控制。在某些方面，鉆頭173可包括機械切削頭，其可被實施成優(yōu)選地切削內(nèi)表面的一側。圖7A是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于給鉆孔系統(tǒng)導向從而定向地鉆出鉆孔的方法的流程圖示。在步驟200中，鉆孔系統(tǒng)可被用于穿過地層鉆出一段鉆孔。鉆孔系統(tǒng)可包括鉆
23柱，該鉆柱連接到地面設備或類似物。鉆柱自身可包括井底鉆具，其包括鉆頭用于接觸地層以及穿過地層鉆出一段鉆孔。井底鉆具可通過鉆管、套管、連續(xù)油管或類似物而被連接到地面設備。鉆頭可由頂驅(qū)動、旋轉(zhuǎn)臺、馬達、鉆孔流體和/或類似物來供給動力。在鉆孔過程期間，鉆柱可經(jīng)受鉆孔中的隨機運動，該隨機運動可包括徑向振動，該振動導致鉆柱在鉆孔過程期間反復地接觸鉆孔的內(nèi)表面。鉆柱與內(nèi)表面之間由于徑向振動所導致的相互作用可在鉆孔底部最為明顯，此處相互作用會在井底鉆具與內(nèi)表面之間發(fā)生。在步驟210中，鉆柱與內(nèi)表面之間的振動式相互作用可被控制。在本發(fā)明的某些實施例中，動態(tài)相互作用的控制會發(fā)生在鉆孔底部。在本發(fā)明的一些實施例中，裝置可被用于鉆孔底部使得井底鉆具與內(nèi)表面之間的振動式相互作用不是均勻的。在這個實施例中， 控制鉆柱與內(nèi)表面之間振動式相互作用的步驟可包括在內(nèi)表面圓周周圍的位置上對井底鉆具與內(nèi)表面之間的振動式相互作用進行抑制和/或增強。內(nèi)表面圓周周圍的抑制和/或增強位置會隨著鉆孔被鉆進而被保持或者改變。在某些方面，多個裝置可被用于在井底鉆具與內(nèi)表面之間產(chǎn)生不均勻的相互作用。在本發(fā)明的實施例中，相互作用元件可被用在步驟212中用于控制動態(tài)的相互作用。相互作用元件可以是獨立的元件，例如鉆鋌、保徑襯墊組件、圓筒或類似物，其可與鉆柱連接，并且在某些方面與井底鉆具連接，可以是鉆柱的一段、例如井底鉆具的一段，或者類似情形。相互作用元件可被設置成提供相互作用元件與被鉆進的鉆孔內(nèi)表面之間均勻的相互作用。通常地，被鉆進的鉆孔是地層中具有基本上圓筒形內(nèi)表面的鉆孔。由此，在部分方面，相互作用元件可包括具有相對于鉆柱和/或鉆孔中心軸線不均勻的輪廓的元件。僅僅通過示例，相互作用遠見可包括與井底鉆具相連接的偏心圓筒，其中當與井底鉆具連接時，偏心圓筒的中心軸線不與井底鉆具的中心軸線重合。在另一個示例中，相互作用元件可包括設置在井底鉆具周圍的一系列襯墊，所述襯墊被設置成在鉆孔過程期間接觸鉆孔的圓筒形內(nèi)表面，其中至少一個襯墊被設置成相比其它襯墊從井底鉆具向外延伸更少或更大程度。在其它實施例中，相互作用遠見可包括具有不均勻順應性的元件。僅僅通過示例， 順應元件可包括具有特定順應性的元件，以及元件的一段與元件剩余部分的特定順應性相比具有增加的或者降低的順應性，并且被設置成使得增加或者降低順應性的區(qū)域的至少一部分以及具有特定順應性元件的至少一部分在鉆孔過程期間由于井底鉆具的動態(tài)運動而各自接觸圓筒形內(nèi)表面。在本發(fā)明的某些實施例，致動器可被用于改變相互作用元件的特性，從而致動相互作用元件從均勻地與鉆孔內(nèi)表面相互作用的元件到以不均勻的方式與內(nèi)表面相互作用的元件。在本發(fā)明的某些實施例中，相互作用元件，無論是具有不均勻輪廓、不均勻順應性和/或類似的元件，都可以被設置成不在內(nèi)表面上施加壓力或者推靠該內(nèi)表面，而是本質(zhì)上是被動的并且在鉆孔過程期間由于鉆柱的動態(tài)運動而與內(nèi)表面相互作用。例如，相互作用元件可包括可延伸元件，其從鉆柱開始向外延伸。在部分方面，作用力可通過可延伸元件施加到內(nèi)表面上，但是出于簡化及經(jīng)濟的原因，作用力可在性質(zhì)上是小的，即作用力小于 IkN左右。在本發(fā)明的一些實施例中，相互作用元件可被設置成不延伸到鉆頭切削頭的廓形之外和/或被整體地設置在廓形之內(nèi)。在其它實施例中，相互作用元件可具有至少一部分可延伸到鉆頭廓形之外。在本發(fā)明的某些方面，相互作用元件可延伸到鉆頭和/或切削頭的廓形外部之外的Imm到10幾毫米范圍內(nèi)，這種延伸范圍用于導向/控制鉆孔系統(tǒng)。在本發(fā)明中相互作用元件包括一個或多個可延伸元件的某些方面，該一個或多個可延伸元件可被延伸從而不會延伸到切削頭和/或鉆頭廓形之外和/或整體地設置在廓形之內(nèi)。在其它方面，該一個或多個可延伸元件可被延伸從而使得一個或多個可延伸元件的至少一部分延伸到切削頭和/或鉆頭的廓形之外。通過一個或多個可延伸元件延伸到切削頭和/或鉆頭的廓形之外的I-IOmm范圍內(nèi)，在本發(fā)明的某些實施例中鉆孔系統(tǒng)的導向可被提供。在這些實施例中，與使用反作用力、靠著鉆孔壁的驅(qū)動力來進行導向的定向鉆孔系統(tǒng)不同，僅僅使用/需要少量動力和/或最少的井底設備來致動和/或保持可延伸元件以期望的延伸量延伸到切削頭和/或鉆頭的廓形之外。在使用多個裝置的一些方面，裝置的組合可被設置用于鉆柱與鉆柱圓周周圍的內(nèi)表面之間不均勻的相互作用，并且在這種設置中，多個裝置以一個裝置對動態(tài)相互作用的效果取消了另一個裝置的效果的方式而與鉆柱的連接得以避免。用于控制動態(tài)相互作用的裝置除了其它裝置之外還可包括不同心地設置在井底鉆具上的保徑襯墊、鉆鋌、穩(wěn)定器和/ 或類似物；可被設置成具有不均勻圓周壓縮性的保徑襯墊、鉆鋌、穩(wěn)定器和/或類似物；用于改變內(nèi)表面的輪廓/形狀/廓形的裝置；被設置成鉆出具有規(guī)則內(nèi)表面鉆孔的鉆頭；和/ 或類似物。在步驟220中，鉆孔系統(tǒng)可通過控制鉆柱與鉆孔內(nèi)表面之間的振動式相互作用而被導向。在本發(fā)明的實施例中，用于控制鉆柱與鉆孔內(nèi)表面之間動態(tài)相互作用的裝置可選擇性地定位在鉆孔中，從而使得動態(tài)的相互作用給鉆孔系統(tǒng)導向。在至少一部分鉆柱在鉆孔過程期間旋轉(zhuǎn)的鉆孔系統(tǒng)中，裝置可被對地靜止地保持在鉆孔中從而用于導向。在本發(fā)明的某些實施例中，用于控制鉆柱與鉆孔內(nèi)表面動態(tài)相互作用的裝置可在鉆出一段鉆孔之前而被選擇性地定位在鉆柱上，從而用于鉆孔系統(tǒng)的期望導向。在某些方面，用于控制鉆柱與鉆孔內(nèi)表面動態(tài)相互作用的裝置可在鉆出鉆孔的另一個區(qū)段之前而被重新定位。在致動器(例如凸輪或類似物)被用于改變控制鉆柱與鉆孔內(nèi)表面動態(tài)相互作用的裝置特性的實施例中，凸輪而不是用于控制動態(tài)相互作用的裝置可在鉆孔過程期間選擇性地定位和/或重新定位。在本發(fā)明的一些實施例中，用于控制鉆孔中的位置、鉆孔中的定向、控制鉆柱與鉆孔內(nèi)表面之間動態(tài)相互作用的裝置在鉆柱上的位置和/或定向的機構，和/或用于致動控制鉆柱與鉆孔內(nèi)表面之間動態(tài)相互作用的裝置的機構(例如凸輪或類似物)，可被用于使控制鉆柱與鉆孔內(nèi)表面之間動態(tài)相互作用的裝置在鉆孔過程期間進行移動。在步驟230中，鉆孔系統(tǒng)被導向，從而在期望方向上鉆出鉆孔。在本發(fā)明的實施例中，被鉆進的一段鉆孔的期望方向可被確定以及用于控制動態(tài)相互作用的裝置可被定位在鉆孔中和/或鉆柱上，從而給鉆孔系統(tǒng)導向從而在期望方向上鉆出一段鉆孔。在某些方面， 處理器可控制用于控制鉆孔中和/或鉆柱上動態(tài)相互作用的裝置的位置、定向和/或類似， 使被鉆進的一段鉆孔在期望方向上鉆出。在某些實施例中，來自于設置在鉆柱上的傳感器的數(shù)據(jù)、來自于設置在鉆孔中的傳感器的數(shù)據(jù)、來自于設置在靠近鉆孔的地層中的傳感器的數(shù)據(jù)、地震數(shù)據(jù)和/或類似數(shù)據(jù)可被處理器處理，從而確定出控制動態(tài)相互作用的裝置的位置定向以用于期望鉆孔方向。圖7B是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于控制鉆孔系統(tǒng)的方法的流程圖示，該鉆孔系統(tǒng)用于在地層中鉆出鉆孔。在步驟MO中，包括被設置成在地層中鉆出鉆孔的鉆柱以及鉆頭的鉆孔系統(tǒng)可被用于鉆出一段鉆孔。在步驟250中，關于鉆柱和/或鉆頭在鉆孔過程期間操作的數(shù)據(jù)可被檢測到。數(shù)據(jù)可包括鉆壓、鉆孔系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速度、懸重、轉(zhuǎn)矩和/或類似數(shù)據(jù)。此外，數(shù)據(jù)可從鉆孔、地面設備、圍繞著鉆孔的地層和/或類似物進行收集并且數(shù)據(jù)可被輸入相關的干預/鉆孔工藝，其在鉆孔過程中實施或者將要實施。例如，鉆孔以及地層中的壓力和/或溫度可被確定，地震數(shù)據(jù)可從鉆孔和/或地層獲得，鉆孔流體特性可被識別出來，和/或類似情況。在步驟260中，關于鉆孔系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)、和/或關于地層和/或被鉆進的鉆孔中狀況的數(shù)據(jù)、和/或類似數(shù)據(jù)被處理。處理結果在性質(zhì)上是確定的/蓋然的，并且可識別出鉆孔系統(tǒng)的當前的和/或潛在的未來情況。例如，環(huán)境和/或潛在的鉆孔系統(tǒng)情況(例如鉆頭的低效性能、鉆頭的堵轉(zhuǎn)和/或類似情況)可被識別出來。在本發(fā)明的一些實施例中，接收檢測數(shù)據(jù)的處理器可被用于管理鉆孔系統(tǒng)與鉆孔內(nèi)表面之間不穩(wěn)定運動相互作用的控制。例如，磁力計、重力計、加速度計、回轉(zhuǎn)儀系統(tǒng)和/ 或類似裝置可確定出鉆孔系統(tǒng)的幅度、頻率、速度、加速度和/或類似情況，用于鉆孔系統(tǒng)任意不穩(wěn)定運動的了解。來自于傳感器的數(shù)據(jù)可被發(fā)送到處理器用于處理，以及用于鉆孔系統(tǒng)不穩(wěn)定運動的數(shù)值可被顯示出來、用在控制系統(tǒng)中控制鉆柱不穩(wěn)定相互作用、處理來自于地層、鉆井和/或類似物的其它數(shù)據(jù)，用于控制系統(tǒng)的管理，該控制系統(tǒng)用于控制鉆柱和/或類似物的不穩(wěn)定相互作用。僅僅通過示例，檢測數(shù)據(jù)可通過遙測系統(tǒng)、光纖、有線鉆管、有線連續(xù)油管、無線通訊和/或類似方式而發(fā)送到處理器。在步驟270中，鉆柱與被鉆進的鉆孔內(nèi)表面之間的振動式相互作用可被控制。鉆柱與鉆孔內(nèi)表面之間相互作用的控制可通過對一段井底鉆具、一段鉆柱、鉆頭切削頭、鉆孔內(nèi)表面的輪廓和/或類似物的接觸特性進行改變/操縱/更改而被提供。接觸特性可以是與在鉆孔過程期間與鉆孔內(nèi)表面相接觸的一段井底鉆具、一段鉆柱、鉆頭切削頭和/或類似物的外表面相關的特征。接觸特性可包括外表面的輪廓/形狀(即可包括圍繞著鉆孔系統(tǒng)、井底鉆具、鉆頭/或類似物的中心軸線的外表面的偏心形狀，可包括可以是大于保徑和 /或小于保徑的一段外表面)可包括外表面周圍的不均勻順應性和/或類似情形。在步驟觀0中，鉆柱與鉆孔內(nèi)表面之間受控制的振動式相互作用可被用于控制鉆孔系統(tǒng)的操作/功能。例如，當鉆孔系統(tǒng)的鉆頭回轉(zhuǎn)可被檢測或預測時，鉆柱與鉆孔內(nèi)表面之間的振動式相互作用可被控制從而消除、減小和/或防止回轉(zhuǎn)。在本發(fā)明的實施例中，鉆孔系統(tǒng)的功能性可通過處理的數(shù)據(jù)而被確定，以及可通過控制鉆柱與鉆孔內(nèi)表面之間的相互作用而被改變。以這種方式，本發(fā)明的實施例可提供新的系統(tǒng)和方法，用于控制鉆孔系統(tǒng)的操作。本發(fā)明的實施例提供了一種方法和系統(tǒng)，用于控制或接收與鉆孔系統(tǒng)相聯(lián)系的隨機相互作用或者運動。例如，這些相互作用可發(fā)生在鉆頭或井底鉆具與鉆孔壁之間。出于導向或者影響鉆孔系統(tǒng)軌跡的目的，在此公開的實施例可良好地適合于利用這種振動或隨機相互作用。例如，隨機控制元件或相互作用元件可操作以接收鉆頭自身的振動從而影響鉆孔系統(tǒng)軌跡的變化。圖8是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于給鉆出鉆孔的鉆孔系統(tǒng)導向的系統(tǒng)。在圖8中，用于鉆出鉆孔的鉆孔系統(tǒng)可包括井底鉆具817，其相應地包括鉆頭820。鉆孔系統(tǒng)可用于鉆出具有內(nèi)壁853和鉆孔表面854的鉆孔850。在鉆孔過程期間，鉆頭820可接觸鉆孔表面邪4并且在鉆孔表面邪4破碎/移動巖石。在本發(fā)明的實施例中，用于控制瞬時接觸的機構(例如相互作用元件880)可被連接到鉆孔系統(tǒng)，例如通過井底鉆具817。相互作用元件880可以是管、圓筒、框架或者類似物。 相互作用元件880可具有外表面855。由此，用于控制鉆孔系統(tǒng)的系統(tǒng)可包括與相互作用元件880結合的鉆孔系統(tǒng)800。 鉆孔系統(tǒng)可具有與井底鉆具817相連接的鉆柱，以及井底鉆具可包括鉆頭820。相互作用元件880可與鉆孔系統(tǒng)800相連接，并且能夠被設置成在鉆孔期間間歇地接觸鉆孔850的表面以及相對于鉆孔850保持旋轉(zhuǎn)地靜止。如在此所示，相互作用元件可設置成接近鉆頭 820距離D處。在部分情況下，距離D為大約3米或者更小。可選地，相互作用元件880能夠被設置成接近鉆頭820的距離在從大約0. 5米到大約2. 5米范圍內(nèi)。在部分情況下，距離D落入從大約1米到大約2米的范圍內(nèi)。在部分情況下，距離D落入從大約0. 1米到大約1米的范圍內(nèi)。在部分情況下，距離D落入從大約0.05米到大約0.5米的范圍內(nèi)。相關地，距離D落入從大約0. 7米到大約1. 3米的范圍內(nèi)。類似地，距離D落入從大約0. 9米到大約1. 1米的范圍內(nèi)。在部分情況下，相互作用元件880可被設置成接近鉆頭820小于大約2米的距離。在部分情況下，相互作用元件880可被設置成接近鉆頭820小于大約1米的距離?？蛇x地，相互作用元件880可被設置成接近鉆頭820小于大約0. 5米的距離。如圖8中所示，鉆孔系統(tǒng)800可連接保徑襯墊組件890。保徑襯墊組件890可被設置成在鉆孔期間相對于鉆孔旋轉(zhuǎn)。如在此進一步所討論，相互作用元件880在圓周上不均勻的順應。在某些方面，相互作用元件880包括管、圓筒和/或類似物，外表面855可包括管 /圓筒的外表面，和/或與管/圓筒的外表面相連接的任意襯墊、凸起和/或類似物得外表面。相互作用元件880的外表面上可具有表面粗糙區(qū)段、涂層、凸起，從而用于相互作用元件880的外表面與內(nèi)壁853之間的增大的摩擦接觸。相互作用元件880可包括襯墊，其被設置用于接觸內(nèi)壁853。在某些方面，除了相互作用元件880之外，鉆孔系統(tǒng)還包括保徑襯墊系統(tǒng)或者組件890。在相互作用元件880可包括多個元件(例如襯墊或類似物)的方面，外表面855可通過相互作用元件880每個元件(襯墊)的外表面而被限定。在本發(fā)明的實施例中，相互作用元件880可與井底鉆具817設置，用于使得外表面855在鉆孔過程期間與內(nèi)壁853和 /或鉆孔表面邪4接合、接觸、相互作用和/或類似操作，作為井底鉆具817、或者鉆頭820、 或者兩者的動態(tài)運動的結果。外表面855的設計/輪廓/順應性和/或外表面855相對于鉆頭820切削廓形的設置可被用于控制外表面855與內(nèi)壁853和/或鉆孔表面邪4之間動態(tài)的相互作用，或者用于控制鉆頭820與內(nèi)壁853和/或鉆孔表面邪4之間的動態(tài)相互作用。鉆孔系統(tǒng)或相互作用元件可包括提供了相互作用元件880相對于鉆頭820橫向移動的結構，其中橫向移動是至少部分地指向井底鉆具817的中心軸線861的運動。在某些方面，相互作用元件880自身可被設置成橫向地順應并且可連接到井底鉆具817和/或可以是井底鉆具817的一段。
27
在本發(fā)明的一個實施例中，相互作用元件880在圓周上是不均勻的順應。在這個實施例中，相互作用元件880設置在相互作用元件880圓周周圍的一個或多個區(qū)段與相互作用元件880的其它區(qū)段相比更大地橫向地順應。如前面所分析，在鉆孔過程期間，井底鉆具817或者井底鉆具187的一個或多個區(qū)段可經(jīng)受與內(nèi)壁853和/或鉆孔表面854的動態(tài)相互作用。在本發(fā)明的實施例中，相互作用元件880可被設置成使得井底鉆具817的動態(tài)運動在鉆孔過程期間在相互作用元件880 與內(nèi)壁853和/或鉆孔表面邪4之間產(chǎn)生動態(tài)的相互作用。在本發(fā)明的不同方面，相互作用元件880與井底鉆具817和/或鉆頭820之間的不同相對外部圓周可用于相互作用元件 880與內(nèi)壁853和/或鉆孔表面邪4之間的不同的動態(tài)相互作用。建模、理論分析、試驗和 /或類似方式可被用于選擇相互作用元件880與井底鉆具817和/或鉆頭820之間相對外部圓周的差異，用于特定的鉆孔過程，從而產(chǎn)生想要的/期望的動態(tài)相互作用。在本發(fā)明橫向順應性在相互作用元件880周圍沿圓周改變的實施例中，相互作用元件880與內(nèi)壁853和/或鉆孔表面邪4之間的動態(tài)相互作用在相互作用元件880周圍沿圓周是不均勻的。僅僅通過示例，相互作用元件880可包括降低順應性區(qū)域以及增加順應性區(qū)域。在某些方面，與相互作用元件880與內(nèi)壁853和/或鉆孔表面邪4之間在相互作用元件880上具有降低的橫向順應性區(qū)段(即降低的順應性區(qū)域)上方的動態(tài)相互作用相比，相互作用元件880與內(nèi)壁853和/或鉆孔表面邪4之間在相互作用元件880上具有增加的橫向順應性區(qū)段(即增加的順應性區(qū)域)上方的動態(tài)相互作用可能被減弱。在本發(fā)明的一些實施例中，相互作用元件880可被設置成使得相互作用元件880 與井底鉆具相連接從而使得相互作用元件880整體地設置在鉆頭20的切削廓形821之內(nèi)， 切削廓形821包括鉆頭820的邊到邊切削輪廓(例如由側切削頭的周界所限定)。在本發(fā)明的其它實施例中，相互作用元件880、相互作用元件880的一段、外表面855和/或外表面 855的一段可延伸到切削廓形821之外。僅僅通過示例，相互作用元件880可與井底鉆具 817相連接，從而使得外表面855處于切削廓形821之內(nèi)1_10毫米的量級。在其它方面，以及再次僅僅通過示例，相互作用元件880可與井底鉆具817相連接，從而使得至少一部分外表面855延伸到切削廓形821之外的10毫米或更多范圍內(nèi)。在本發(fā)明的實施例中，相互作用元件880的任意不均勻圓周順應性可用于給鉆孔系統(tǒng)導向/控制鉆孔系統(tǒng)。相互作用元件880不同順應性的量和/或相互作用元件880不均勻順應性的輪廓可被選擇出來用于提供鉆頭820的期望的導向響應和/或控制。鉆孔系統(tǒng)對于順應性差異和/或圓周順應性輪廓的導向響應和/或鉆頭響應可理論地確定、建模、 通過試驗推導、通過先前鉆孔過程分析、和/或類似方式。在本發(fā)明中設置成與不包括使用旋轉(zhuǎn)鉆頭或者鉆孔系統(tǒng)外殼(例如井底鉆具的外殼)是不旋轉(zhuǎn)的鉆孔系統(tǒng)共同使用的實施例中，相互作用元件880可與鉆孔系統(tǒng)或外殼相連接。在這個實施例中，鉆孔系統(tǒng)可被設置在鉆孔內(nèi)并且增加順應性區(qū)域設置成相對鉆頭820具有特定定向，從而在增加順應性區(qū)域的方向上鉆出鉆孔850。為了改變鉆孔系統(tǒng)的鉆進方向，可以改變增加順應性區(qū)域的位置。在一些實施例中，定位裝置865-其可包括馬達、液壓致動器和/或類似物-可被用于使相互作用元件880旋轉(zhuǎn)/對齊，從而用于通過鉆孔系統(tǒng)在期望方向上鉆出鉆孔850。 定位裝置865可與處理器870相互通信。處理器870可控制定位裝置865，從而用于期望的定向鉆孔。處理器870可通過手動干預、對于鉆孔的端點目標、期望的鉆進軌跡、期望的鉆頭響應、期望的鉆頭與地層的相互作用、地震數(shù)據(jù)、來自于傳感器(未示出)的輸入-其能夠提供有關地層的數(shù)據(jù)、鉆孔850內(nèi)的情況、鉆孔數(shù)據(jù)(例如鉆壓、鉆進速度和/或類似情況)、鉆孔系統(tǒng)的振動數(shù)據(jù)、動態(tài)相互作用數(shù)據(jù)和/或類似物-與鉆頭在地層中的位置/ 定向相關的數(shù)據(jù)、與鉆孔的軌跡/方向相關的數(shù)據(jù)、和/或類似數(shù)據(jù)而確定出相互作用元件 880在鉆孔850中的位置。處理器870可連接有顯示器(未示出)，從而顯示出鉆孔850、鉆孔系統(tǒng)、鉆頭820、 相互作用元件880的定向/方向/位置，鉆孔速度，鉆孔軌跡和/或類似物。顯示器可以遠離鉆孔位置并且通過連接器(例如因特網(wǎng)連接、網(wǎng)絡連接、電話連接和/或類似方式)而提供數(shù)據(jù)，并且可用于鉆孔過程的遠程操作。來自于處理器870的數(shù)據(jù)可存儲在存儲器中和 /或發(fā)送到與鉆孔過程相關的其它處理器和/或系統(tǒng)。在本發(fā)明的另一個實施例中，導向/鉆頭功能控制系統(tǒng)可被設置成與旋轉(zhuǎn)式鉆孔系統(tǒng)共同使用，其中鉆頭820在鉆孔過程期間旋轉(zhuǎn)并且由此鉆頭820和/或井底鉆具817 可在鉆孔850內(nèi)旋轉(zhuǎn)。在這個實施例中，相互作用元件880可被設置從而使得相互作用元件880的運動與鉆頭820和/或井底鉆具817的旋轉(zhuǎn)運動不相關或者至少部分地不相關。 由此，相互作用元件880在鉆孔過程期間在鉆孔850中被保持成對地靜止。在某些方面，相互作用元件880可以是被動系統(tǒng)，其包括一個或多個設置在鉆孔系統(tǒng)周圍的圓筒。一個或多個圓筒在某些情況下可設置在鉆孔系統(tǒng)的井底鉆具817周圍。 一個或多個圓筒可被設置成與鉆孔系統(tǒng)不相關地旋轉(zhuǎn)。在這些方面，一個或多個圓筒可被設置成使得一個或多個圓筒與地層之間的摩擦可以使一個或多個圓筒相對于旋轉(zhuǎn)的鉆孔系統(tǒng)固定、防止圓筒的旋轉(zhuǎn)運動。在本發(fā)明的某些方面，當沒有鉆壓以及由此沒有鉆孔鉆進時，一個或多個圓筒可被鎖定到井底鉆具，以及隨后當鉆壓施加以及鉆孔開始時被定向以及與井底鉆具解鎖。一個或多個圓筒與內(nèi)表面之間的摩擦保持了一個或多個圓筒的定向。在本發(fā)明的某些方面中，一個或多個圓筒可以通過軸承或類似物而與井底鉆具817相連接。在本發(fā)明的某些實施例中，當處于非旋轉(zhuǎn)鉆孔系統(tǒng)中時，一個或多個圓筒的定位可以通過定位裝置865來實現(xiàn)，該裝置可以使一個或多個圓筒旋轉(zhuǎn)，從而改變圓筒在鉆孔 850中的起作用區(qū)域的位置，繼而改變鉆頭820的鉆孔方向和/或功能。例如，相互作用元件880可包括圓筒并且可圍繞著井底鉆具817旋轉(zhuǎn)從而改變增加順應性區(qū)域和/或降低順應性區(qū)域的位置，以改變由于相互作用元件880與內(nèi)壁853之間動態(tài)的相互作用而導致的鉆孔系統(tǒng)的鉆進方向。作為選擇，主動控制可被用于保持相互作用元件880相對于井底鉆具17在鉆孔過程期間的期望定向/位置。此外，這類裝置可用在馬達組件中，用來替換彎接頭。這在將組件通過油管而設置在孔中以及完成約束以及當以旋轉(zhuǎn)模式直線鉆進時能帶來好處。圖8A顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的鉆孔軌跡控制系統(tǒng)800a的方面。控制系統(tǒng)800a 包括包括與顯示器8%a相連接或者操作性地與顯示器8%a相聯(lián)系的處理器870a、致動器或定位裝置86fe、以及傳感器890a (例如軌跡傳感器)。如在此所示，致動器86 與用于控制瞬時接觸的裝置(例如相互作用元件880a)相連接，其又與傳感器890a連接。圖8B顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的鉆孔軌跡控制方法800b的方面。控制方法800b包括將鉆孔系統(tǒng)定位在鉆孔中，如步驟810b中所示。鉆孔系統(tǒng)可包括與井底鉆具相連接的鉆柱，以及井底鉆具可包括鉆頭。該方法進一步包括通過與鉆孔系統(tǒng)相連接的相互作用元件來控制在鉆孔系統(tǒng)與鉆孔表面之間發(fā)生的瞬時接觸，如步驟820b中所示。此外，該方法包括使用鉆孔系統(tǒng)與鉆孔表面之間的受控制的相互瞬時接觸來控制鉆孔系統(tǒng)在鉆孔中的軌跡，如步驟830b中所示。在某些實施例中，相互作用元件被設置成在鉆孔期間瞬時地接觸鉆孔表面以及相對于鉆孔保持旋轉(zhuǎn)地靜止，并且被設置成接近鉆頭在大約3米或更小的距離處。在一些實施例中，相互作用元件被設置成在鉆孔期間瞬時地接觸鉆孔表面以及相對于鉆孔保持旋轉(zhuǎn)地靜止，并且相互作用元件限定了設置在切削廓形之內(nèi)的第一外圍邊緣以及與第一外圍邊緣相反的第二外圍邊緣，并且切削廓形中心點與第一外圍邊緣之間的第一距離不等于切削廓形中心點與第二外圍邊緣之間的第二距離。在一些實施例中，第一距離與第二距離之間的差值越大對應于鉆孔系統(tǒng)軌跡變化的幅度越大。附圖8C顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例鉆孔軌跡控制系統(tǒng)的方面。鉆孔軌跡控制系統(tǒng)可包括相互作用元件，其限定了具有中心點810c的相互作用廓形800c。如圖所示，相互作用廓形800c具有圓形形狀。中心點810c相距井底鉆具中心軸線820c橫向地偏移距離1。 根據(jù)圖8D，相互作用元件可具有相互作用廓形800d，其具有橢圓或非圓形狀。如圖8E中所示，相互作用元件可限定出具有第一區(qū)域Al的相互作用廓形800e以及鉆頭能夠限定出具有第二區(qū)域A2的切削廓形830e。在部分情況下，區(qū)域Al不等于區(qū)域 A2。在部分情況下，區(qū)域A 1等同于區(qū)域A2。如圖8F中所示，相互作用元件可以在呈現(xiàn)出第一相互作用廓形800f的第一配置與呈現(xiàn)出第二相互作用廓形810f的第二配置之間調(diào)節(jié)。例如，如圖8G中所示，相互作用元件800g可包括第一和第二重疊葉片810、820，其圍繞著共同樞軸830旋轉(zhuǎn)，由此在第一配置下相互作用元件呈現(xiàn)出更大的相互作用廓形，以及在第二配置下相互作用元件呈現(xiàn)出更小的相互作用廓形。在部分情況下，第一相互作用廓形能夠使鉆頭軌跡發(fā)生最小改變或者不改變，然而第二相互作用廓形能夠使鉆頭軌跡發(fā)生明顯改變或者期望的改變。相互作用元件可包括多種結構元件的任意一種，包括圓筒、盤和類似物。在部分情況下，相互作用元件包括保徑環(huán)。例如，鉆孔系統(tǒng)可包括與井底鉆具連接的保徑環(huán)。在部分情況下，相互作用元件包括凸輪，該凸輪將相互作用元件從呈現(xiàn)出第一相互作用廓形的第一配置調(diào)節(jié)到呈現(xiàn)出第二相互作用廓形的第二配置。圖8H顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例軌跡控制系統(tǒng)的方面。相互作用元件可限定出相互作用廓形800h并且鉆頭能夠限定出切削廓形810h。如圖所示，相互作用廓形具有中心點 802h,以及可以圍繞著相互作用元件樞軸或軸線804h樞轉(zhuǎn)。相互作用軸線804h可以與井底鉆具的中心軸線重合。相互作用元件圍繞著軸線804h的徑向調(diào)節(jié)或旋轉(zhuǎn)，由箭頭A所表示，能夠?qū)е裸@孔系統(tǒng)對應的鉆孔軌跡調(diào)節(jié)。如圖81中所示，相互作用廓形800i能夠是非圓形的以及切削廓形810i能夠是圓形的。圖8J顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的軌跡控制系統(tǒng)的方面。鉆頭可限定切削廓形 800j，以及相互作用元件可被調(diào)節(jié)，從而使得在第一配置中相互作用元件限定出第一相互作用廓形810j，以及在第二配置中相互作用遠見限定出第二相互作用廓形820j。如圖所示，軌跡控制系統(tǒng)可包括凸輪830j，其便于相互作用元件在第一配置與第二配置之間調(diào)節(jié)。返回參考圖8，根據(jù)一些實施例，相互作用元件880能夠限定出設置在切削廓形之內(nèi)的第一外圍邊緣881以及與第一外圍邊緣相反的第二外圍邊緣882。切削廓形中心點883 或軸線861與第一外圍邊緣881之間的第一距離dl不等于切削廓形中心點883或者軸線 861與第二外圍邊緣882之間的第二距離d2。如圖8K中所示，相互作用元件810k的第一邊緣811k能夠被設置在切削廓形820k之內(nèi)，以及相互作用元件810k的第二邊緣81 能夠被設置在切削廓形820之外。如圖8L中所示，相互作用元件8101的第一邊緣8111能夠被設置在切削廓形8201之內(nèi)，以及相互作用元件8101的第二邊緣8121能夠被設置在切削廓形8201上。如圖8M中所示，相互作用元件810m的第一邊緣811m能夠被設置在切削廓形820m之內(nèi)，以及相互作用元件810的第二邊緣81 !能夠被設置在切削廓形820m之內(nèi)。再次返回參考圖8，第一距離dl和第二距離d2之間的差值落入從大約Imm到大約 IOmm的范圍內(nèi)。在部分情況下，第一距離dl和第二距離d2之間的差值落入從大約0. 5mm 到大約20mm的范圍內(nèi)?？蛇x地，第一距離dl和第二距離d2之間的差值能夠落入從大約 Ocm到大約IOcm的范圍內(nèi)。相關地，第一距離dl和第二距離d2之間的差值能夠落入從大約Icm到大約2cm的范圍內(nèi)。在部分情況下，第一距離dl和第二距離d2之間的差值小于大約lcm。在部分情況下，第一距離dl和第二距離d2之間的差值等于大約lcm。根據(jù)一些實施例，相互作用元件的第一和第二邊緣可被設置在切削廓形之內(nèi)，以及第一和第二距離之間的差值可以大約1mm。根據(jù)一些實施例，相互作用元件被調(diào)節(jié)到第二配置，其中第一距離dl和第二距離d2是相等的。保徑襯墊可被用作相互作用元件。保徑襯墊可以是井底鉆具的一部分，例如在鉆頭上或者與鉆頭連接，其接觸鉆孔并且禁止或者防止鉆頭到處擺動。在部分情況下，保徑襯墊可與被鉆進的鉆孔的直徑大致相同。根據(jù)本發(fā)明一些實施例，能夠在鉆孔程序期間保持保徑襯墊靜止從而使得它輪廓(例如重量、形狀和類似物)的差值能夠使鉆頭在給定方向的隨機運動受到影響/偏壓。在部分情況下，鉆頭側面具有三個或四個被稱為保徑襯墊的元件。用于禁止鉆頭一側上切削的裝置(例如保徑襯墊或相互作用元件)能夠布置在鉆頭上、在鉆頭的側刃上或者在鉆頭正上方。如圖9A中所示，鉆孔系統(tǒng)900a可包括鉆頭 910a，并且可與保徑襯墊920a或相互作用元件相連接。如圖所示，保徑襯墊920a以“鉆頭內(nèi)襯墊”的配置設于鉆頭910a內(nèi)、鉆頭910a上、或者與鉆頭910a相連接。如圖9B中所示， 鉆孔系統(tǒng)900b可包括鉆頭910b，并且可與保徑襯墊920b或相互作用元件相連接。如圖所示，保徑襯墊920b以“鉆頭側刃內(nèi)襯墊”的配置設于鉆頭910b側刃內(nèi)、鉆頭910b側刃上或與鉆頭910b側刃相連接。如圖9C中所示，鉆孔系統(tǒng)900c可包括鉆頭910c，并且可與保徑襯墊920c或相互作用元件相連接。如圖所示，保徑襯墊920c以“鉆頭后襯墊”的配置處于鉆頭上方或后方。如前面所提到，作用在旋轉(zhuǎn)鉆頭上的隨機指向的作用力可被利用，給鉆頭軌跡導向或者控制鉆頭軌跡。鉆頭的側切削頭可暫時地以及與旋轉(zhuǎn)同步地防止或者禁止切削鉆孔。通過對地球坐標內(nèi)固定的特定方向上施加切削禁止，受到隨機作用力的鉆頭將會通常地傾向于優(yōu)選地在相反方向上鉆進。對于切削的定向禁止能夠通過設置成“鉆頭內(nèi)襯墊”、 “鉆頭側刃內(nèi)襯墊”、“鉆頭后襯墊”配置的保徑襯墊或者相互作用元件而實現(xiàn)。保徑襯墊或相互作用元件能夠相對于地球旋轉(zhuǎn)地固定，從而不與鉆頭共同旋轉(zhuǎn)，并且可足夠厚以禁止側切削，無論何時隨機作用力作用在鉆頭上導致鉆頭向著襯墊或相互作用元件移動。
通過這種裝置，在特定方向上導向能夠通過在地球坐標內(nèi)大致固定的方向上使保徑襯墊、相互作用元件或切削禁止裝置定向而被實現(xiàn)。如此定向之后，鉆頭能夠逐步地在相反方向鉆進或者向著相反方向鉆進。切削禁止裝置的固定(例如旋轉(zhuǎn)地靜止)定向能夠以任意多種方式實現(xiàn)，例如通過井底對地靜止機構，或者從地面使切削禁止裝置定向的裝置。 切削禁止裝置或相互作用元件能夠布置在鉆頭上、鉆頭側刃上、或者在鉆頭正上方。在部分情況下，禁止裝置或相互作用元件被設置在鉆頭大約1米之內(nèi)。相互作用元件可包括襯墊或者其具有期望輪廓的完整環(huán)，其禁止在有限方位角范圍上的切削，或者它可包括在鉆頭旋轉(zhuǎn)期間暫時地抑制側切削的裝置。如圖10中所示，鉆孔系統(tǒng)1000可包括鉆頭1010，其具有或者限定出中心縱向軸線 1012。鉆孔系統(tǒng)1000可連接具有或者限定出中心縱向軸線1022的保徑襯墊組件或者相互作用元件1020。如圖所示，保徑襯墊組件1020的中心縱向軸線1022與鉆頭1010的中心軸線軸線1012橫向地偏移。根據(jù)一些實施例，相互作用元件1020可限定出設置在切削廓形 1013之內(nèi)的第一外圍邊緣1023以及與第一邊緣外圍相反的第二外圍邊緣10M。切削廓形中心點1015或軸線1012與第一外圍邊緣1023之間的第一距離dl不等于切削廓形中心點 1023或軸線1012與第二外圍邊緣IOM之間的第二距離d2。相互作用元件1020可被設置成接近鉆頭1010的距離D處。在部分情況下，距離D大約3米或更小。通過本發(fā)明實施例的想法的理解，鉆柱/井底鉆具的許多因素/特征/特性可被設計成增強/導致隨機運動的偏壓和/或?qū)τ阢@頭側向切削的禁止。僅僅通過示例，在本發(fā)明的部分方面，切削結構與保徑襯墊結構之間的橫向剛度可被設計成增強/導致隨機運動的偏壓和/或?qū)τ阢@頭側向切削的禁止。例如，在一些實施例中，切削結構與保徑襯墊結構之間的橫向剛度應當小于16kN/mm。在其它方面，切削結構與保徑襯墊結構之間的橫向剛度應當在12到16kN/mm之間。在另一方面，切削結構與保徑襯墊結構之間的橫向剛度應當在8到12kN/mm之間。仍然在另一方面，切削結構與保徑襯墊結構之間的橫向剛度應當在4到8kN/mm之間。在另一個方面，切削結構與保徑襯墊結構之間的橫向剛度應當在4到 6kN/mm之間。在其它方面，切削結構與保徑襯墊結構之間的橫向剛度應當小于4kN/mm。通過鉆柱/井底鉆具設計的另一個示例，保徑襯墊組件和切削結構可具有不同的相對剛性。在本發(fā)明的部分方面，保徑襯墊組件被設置成相比切削結構更加剛性。在其它方面，切削結構應當比保徑襯墊組件更加剛性。相對剛性上的差異用來產(chǎn)生兩個部件之間的相互作用，該相互作用可以導致/增強鉆孔系統(tǒng)的隨機運動的控制。在根據(jù)本發(fā)明方面的鉆孔系統(tǒng)設計的另一個示例中，保護側上的保徑襯墊與非保護側上相比更寬，從而容許側向作用力。在一些實施例中，相互作用元件可包括保徑襯墊組件，其組件中的保徑襯墊被設計成使得至少一個保徑襯墊與保徑襯墊組件中其它保徑襯墊的至少一個相比具有不同的襯墊面積、襯墊長度或襯墊寬度。在某些方面，保徑襯墊組件相對側上的保徑襯墊可在相對側上具有不同面積、長度或?qū)挾??？紤]本發(fā)明原理，保徑襯墊組件中一個或多個保徑襯墊設計上的這些差值提供了保徑襯墊系統(tǒng)的偏心性，其可被用于偏壓鉆頭的隨機運動和/或禁止鉆頭的側切削。在本發(fā)明的方面，彎曲接頭可被定位成靠近相互作用元件/保徑襯墊系統(tǒng)，其可用于提高相互作用元件/保徑襯墊組件的偏壓效果。在一些方面，穩(wěn)定器可被與彎曲接頭組合使用，從而用于相互作用元件/保徑襯墊系統(tǒng)的效果與彎曲接頭之間增強的相互作用。在本發(fā)明的一些方面，彎曲接頭可被定位在相互作用元件/保徑襯墊系統(tǒng)的大約20英寸(7米)之內(nèi)。在其它方面，彎曲接頭可被定位在相互作用元件/保徑襯墊系統(tǒng)的大約 5-10英尺米)范圍內(nèi)。在其它方面，彎曲接頭可被定位在相距相互作用元件/保徑襯墊系統(tǒng)小于5英寸0米)處。當相互作用元件/保徑襯墊系統(tǒng)的偏心性是小的(例如偏心性由保徑襯墊系統(tǒng)中保徑襯墊形狀設計所產(chǎn)生)，那么彎曲接頭會是有用的。在本發(fā)明的一些實施例中，彎曲接頭可具有不均勻的橫向剛度，其可被用于使導向最大和/或使漂移最小。在本發(fā)明的實施例中，整個相互作用元件可被設置在鉆頭切削廓形之內(nèi)。在這個實施例中，即便相互作用元件在切削廓形之內(nèi)，相互作用元件也可以與鉆孔壁相互作用并且用于控制鉆孔系統(tǒng)/井底鉆具的隨機運動。通過將控制元件保持在切削廓形之內(nèi)，相互作用元件較少可能產(chǎn)生與鉆孔壁的有害相互作用以及導致鉆孔粘連和/或類似情況。在其它實施例中，相互作用元件的一部分可被設置在鉆頭切削廓形之內(nèi)。本發(fā)明的實施例中，其中相互作用元件被保持在切削廓形之內(nèi)或者延伸到切削廓形之外小于一個或兩個厘米或者設置僅僅幾厘米可用于有效地控制隨機運動、以及還可相對于使用穩(wěn)定器或類似物來推靠鉆頭以及定向鉆頭系統(tǒng)具有優(yōu)點，其中穩(wěn)定器被設置成突出到切削廓形之外，從而使得大的作用力被產(chǎn)生用于推靠或者導向鉆頭，以及大的通常是有害的相互作用發(fā)生在穩(wěn)定器與鉆孔壁之間。為了清楚及理解的目的，本發(fā)明目前已經(jīng)被詳細描述。然而，應當理解的是，可以預見到在附加權利要求范圍內(nèi)進行某些改變和改進。此外，在前面的描述中，出于解釋性目的，各種方法和/或步驟以特定順序描述。應當理解的是，在替換性實施例中，方法和/或步驟可以按照與描述有所不同的順序來完成。
權利要求
1.一種用于控制鉆孔系統(tǒng)的系統(tǒng)，所述鉆孔系統(tǒng)被設置成在地層中鉆出鉆孔，所述用于控制鉆孔系統(tǒng)的系統(tǒng)包括鉆孔系統(tǒng)，其中所述鉆孔系統(tǒng)包括連接有井底鉆具的鉆柱，以及所述井底鉆具包括鉆頭，所述鉆頭限定出具有中心點的切削廓形；以及與所述鉆孔系統(tǒng)相連接的相互作用元件；其中，所述相互作用元件被設置成在鉆孔期間間歇地接觸所述鉆孔的表面并且相對于所述鉆孔保持旋轉(zhuǎn)地靜止；所述相互作用元件限定出設置在所述切削廓形之內(nèi)的第一外圍邊緣以及與所述第一外圍邊緣相反的第二外圍邊緣；以及所述切削廓形的中心點與所述第一外圍邊緣之間的第一距離不等于所述切削廓形的中心點與所述第二外圍邊緣之間的第二距離。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述相互作用元件的所述第一外圍邊緣設置在所述切削廓形之內(nèi)，以及所述相互作用元件的所述第二外圍邊緣設置在所述切削廓形之外。
3.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述相互作用元件的所述第一外圍邊緣設置在所述切削廓形之內(nèi)，以及所述相互作用元件的所述第二外圍邊緣設置在所述切削廓形處。
4.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述相互作用元件的所述第一外圍邊緣和第二外圍邊緣設置在所述切削廓形之內(nèi)。
5.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一距離與所述第二距離之間的差值在大約Imm到大約IOmm的范圍內(nèi)。
6.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一距離與所述第二距離之間的差值在大約0. 5mm到大約20mm的范圍內(nèi)。
7.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一距離與所述第二距離之間的差值在大約Ocm到大約IOcm的范圍內(nèi)。
8.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一距離與所述第二距離之間的差值在大約Icm到大約2cm的范圍內(nèi)。
9.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一距離與所述第二距離之間的差值小于大約1cm。
10.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一距離與所述第二距離之間的差值為大約1mm。
11.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述相互作用元件的所述第一外圍邊緣和所述第二外圍邊緣設置在所述切削廓形之內(nèi)，以及所述第一距離和所述第二距離之間的差值為大約1mm。
12.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述相互作用元件可調(diào)節(jié)到所述第一距離和所述第二距離相等的第二配置。
13.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述相互作用元件包括保徑襯墊組件。
14.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述相互作用元件限定出具有圓形形狀和中間點的相互作用廓形，以及所述中間點與所述井底鉆具的中心軸線橫向地偏移。
15.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述相互作用元件限定出具有橢圓形狀的相互作用廓形。
16.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述相互作用元件限定出具有非圓形狀的相互作用廓形。
17.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述相互作用元件包括圓筒。
18.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述相互作用元件包括盤。
19.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述相互作用元件包括保徑環(huán)。
20.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述相互作用元件包括凸輪機構，所述凸輪機構將所述相互作用元件從呈現(xiàn)出第一相互作用廓形的第一配置調(diào)節(jié)到呈現(xiàn)出第二相互作用廓形的第二配置。
21.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述相互作用元件的徑向調(diào)節(jié)導致所述鉆孔系統(tǒng)的對應鉆孔軌跡調(diào)節(jié)。
22.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一距離與第二距離之間的更大差值對應于鉆孔期間所述鉆孔系統(tǒng)軌跡的更大變化幅度。
23.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述相互作用元件整體地設置在所述切削廓形之內(nèi)。
24.一種控制鉆孔系統(tǒng)在地層中的鉆孔內(nèi)的軌跡的方法，包括將所述鉆孔系統(tǒng)定位在所述鉆孔內(nèi)，所述鉆孔系統(tǒng)包括連接有井底鉆具的鉆柱，所述井底鉆具包括鉆頭，所述鉆頭限定出具有中心點的切削廓形；通過與所述鉆孔系統(tǒng)連接的相互作用元件控制發(fā)生在所述鉆孔系統(tǒng)與所述鉆孔的表面之間的間歇接觸；以及利用所述鉆孔系統(tǒng)與所述鉆孔的所述表面之間受控制的間隙接觸控制所述鉆孔系統(tǒng)在所述鉆孔內(nèi)的軌跡；其中，所述相互作用元件被設置成在鉆孔期間間歇地接觸所述鉆孔的表面并且相對于所述鉆孔保持旋轉(zhuǎn)地靜止；所述相互作用元件限定出設置在所述切削廓形之內(nèi)的第一外圍邊緣以及與第一外圍邊緣相反的第二外圍邊緣；以及所述切削廓形的中心點與所述第一外圍邊緣之間的第一距離不等于所述切削廓形的中心點與所述第二外圍邊緣之間的第二距離。
25.如權利要求M所述的方法，其特征在于，所述第一距離與所述第二距離之間的更大差值對應于所述鉆孔系統(tǒng)軌跡的更大變化幅度。
26.如權利要求M所述的方法，其特征在于，所述第一距離和所述第二距離之間的差值在大約Ocm到大約IOcm的范圍內(nèi)。
27.如權利要求M所述的方法，其特征在于，所述第一距離和所述第二距離之間的差值小于大約1cm。
28.如權利要求M所述的方法，其特征在于，所述第一距離和所述第二距離之間的差值為大約1mm。
29.一種用于控制鉆孔系統(tǒng)在地層中的鉆孔內(nèi)的軌跡的系統(tǒng)，包括鉆孔系統(tǒng)，其中所述鉆孔系統(tǒng)包括連接有井底鉆具的鉆柱，以及所述井底鉆具包括鉆頭，所述鉆頭限定出具有中心點的切削廓形；以及用于控制所述鉆孔系統(tǒng)與所述鉆孔的表面之間間歇接觸的裝置； 其中，所述用于控制間歇接觸的裝置與所述鉆孔系統(tǒng)連接并且被設置成在鉆孔期間相對于所述鉆孔保持旋轉(zhuǎn)地靜止；用于控制動態(tài)相互作用的裝置限定出設置在所述切削廓形之內(nèi)的第一外圍邊緣以及與第一外圍邊緣相反的第二外圍邊緣，以及所述切削廓形的中心點與所述第一外圍邊緣之間的第一距離不等于所述切削廓形的中心點與所述第二外圍邊緣之間的第二距離；以及所述用于控制間歇接觸的裝置操作以控制所述鉆孔系統(tǒng)在所述鉆孔中的軌跡。
30.如權利要求四所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一距離與第二距離之間的更大差值對應于鉆孔期間所述鉆孔系統(tǒng)的軌跡的更大變化幅度。
31.如權利要求四所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二距離之間的差值在大約 Ocm到大約IOcm的范圍內(nèi)。
32.如權利要求四所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二距離之間的差值在大約 Icm到大約2cm的范圍內(nèi)。
33.如權利要求四所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一距離與所述第二距離之間的差值為大約1mm。
全文摘要
本發(fā)明基本上涉及一種用于控制鉆孔系統(tǒng)的方法和系統(tǒng)，該鉆孔系統(tǒng)用于在地層中鉆出鉆孔。更具體地，而非限制性地，本發(fā)明的實施例提供了系統(tǒng)和方法，用于控制鉆出鉆孔的鉆孔系統(tǒng)與被鉆進的鉆孔內(nèi)表面之間的動態(tài)相互作用，從而給鉆孔系統(tǒng)導向，以定向地鉆出鉆孔。在本發(fā)明的另一個實施例中，當鉆孔系統(tǒng)鉆出鉆孔時關于鉆孔系統(tǒng)功能的數(shù)據(jù)可被檢測到，并且鉆出鉆孔的鉆孔系統(tǒng)與被鉆進的鉆孔內(nèi)表面之間的相互作用可以根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)被控制，從而當鉆孔被鉆進時控制鉆孔系統(tǒng)。
文檔編號E21B7/06GK102308057SQ200980156389
公開日2012年1月4日 申請日期2009年2月13日 優(yōu)先權日2009年2月13日
發(fā)明者A·約翰遜, G·唐頓, K·豪格瓦爾德斯泰德, M·謝潑德, R·布阿萊格, W·奧爾德雷德 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司