用于旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的減搖系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及一種用于鉆探偏斜井眼的旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)。.
[0002]發(fā)明背景
[0003]旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)可在定向鉆探中實現(xiàn),以沿期望方向逐步引導附接到鉆柱的鉆頭。在定向和水平鉆探中,對鉆柱的圓周上相對于井眼上的參考點的固定參考點(稱為“工具面”)的角方位的實時了解可能是重要的。例如,在旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)中,可利用對工具面的了解來促使系統(tǒng)位于特定的角位置。例如,參考點可以是垂直井眼中的磁北或傾斜井眼中的井眼高側(cè)。因此,使用旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)引導鉆柱可能需要使工具面固定(即,靜止)。
[0004]可根據(jù)磁性工具面(MTF)或重力工具面(GTF)或二者來測量工具面??墒褂肎TF通過測量三個卡迪爾(Cartesian)坐標方向(X、Y和Z方向)的重力分量來確定工具面,其可被轉(zhuǎn)換成傾斜度。但是,鉆井條件可能造成安裝有加速器的相對于地球靜止參考點變成非靜止,這進而可不利地影響工具面確定。例如,在使用旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)鉆井期間產(chǎn)生的振動可能會使重力加速度失真。失真可能會使由于Χ、Υ和Z方向的重力而引起的加速的瞬時值的測量變得困難。MTF使用地球的磁場獲取以真實磁北為參考點的工具面。當旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)以超過300rpm的速度鉆探時,并且在每毫秒需要進行測量的情況下,測量具有足夠精確度的磁場對于井下計算機和微處理器系統(tǒng)而言是繁冗的。在一些情況下,MTF還可能需要被轉(zhuǎn)換成GTF以獲得傾斜度,這可能需要求解復雜的方程式。這樣做對于井下計算機和微處理器系統(tǒng)而言也可能是繁冗的。
[0005]附圖簡述
[0006]圖1是實例旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的截面視圖。
[0007]圖2是圖示包括實例行星齒輪系統(tǒng)的實例減搖系統(tǒng)的截面視圖。
[0008]圖3是用于在鉆井系統(tǒng)中使用的實例反向旋轉(zhuǎn)過程的流程圖。
[0009]在各個附圖中,相同的參考符號指示相同的元件。
【具體實施方式】
[0010]本公開描述一種用于旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的減搖系統(tǒng),其可包括使用徑向和推力軸承來平衡旋轉(zhuǎn)鉆頭驅(qū)動軸的殼體(例如,靜止殼體)。殼體可用作相對于地球靜止的參考點,其上安裝傳感器(例如,加速計)和電子產(chǎn)品。靜止殼體與鉆頭驅(qū)動軸之間的軸承摩擦可導致摩擦力矩,其可被轉(zhuǎn)移到殼體,從而使殼體滾動。將本文描述的減搖系統(tǒng)固定到殼體,使得鉆頭驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)力矩沿順時針方向和逆時針方向轉(zhuǎn)移到殼體。具體而言,將減搖系統(tǒng)固定到殼體,使得一個軸承將順時針方向的力矩而另一軸承將逆時針方向的力矩同時轉(zhuǎn)移到殼體,從而導致無滾動或?qū)L動減少到可接受的閾值滾動之下。如下文描述,可將減搖系統(tǒng)固定到以相反方向(即,順時針方向和逆時針方向)旋轉(zhuǎn)的相等數(shù)量的軸承,從而將相等和相反的摩擦力矩轉(zhuǎn)移到殼體。如果軸承經(jīng)歷類似的操作條件(諸如相對于鉆頭驅(qū)動軸的相對速度、鉆壓(WOB)和力矩),那么軸承中的摩擦力矩將是相等的。
[0011]本文描述的減搖系統(tǒng)的實施方式可提供以下優(yōu)點中的一個或多個。減搖系統(tǒng)可使旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)從振動(例如底部鉆具組件(BHA)振動)分隔,并且因此將鉆柱上的參考點呈現(xiàn)為基本上相對于地球靜止的。靜止的參考點可便于對傾斜度和方位的實時測量,以確定工具面。被實施來幫助抑制滾動的其它機構(gòu)包括彈簧加載的刀片,其可抓取井眼中的地層。但是,在太軟或太硬的某些地層中或在長的水平側(cè)枝中,這種彈簧加載的機構(gòu)可能不如預期那樣執(zhí)行。與這種彈簧加載的機構(gòu)不同,本文描述的減搖系統(tǒng)不需要抓取井眼中的地層。因此,可能減少減搖系統(tǒng)在艱難的鉆井條件下失敗的可能性。因為可從鉆頭驅(qū)動軸獲取到減搖系統(tǒng)的電力,所以不需要任何額外的電源來減少殼體中的滾動。
[0012]圖1是包括旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的鉆井系統(tǒng)100的截面視圖。旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)100包括鉆頭驅(qū)動軸102,其被支撐來通過減搖系統(tǒng)(例如,減搖系統(tǒng)104a、減搖系統(tǒng)104b或減搖系統(tǒng)104c中的一個或多個)在管狀殼體120中旋轉(zhuǎn)。殼體120可內(nèi)嵌式地附接在鉆柱中。鉆頭驅(qū)動軸102包括位于殼體120中的連續(xù)、中空的旋轉(zhuǎn)軸。為此,殼體可螺旋在一端上,該端可螺旋到前面的接頭。殼體可具有與鉆柱的剩余部分相同的外直徑。一般而言,可將減搖系統(tǒng)固定在鉆頭驅(qū)動軸102上的一個或多個位置處
[0013]在一些實施方式中,鉆井系統(tǒng)100僅可包括一個減搖系統(tǒng),例如,減搖系統(tǒng)104b??蓪⑽ㄒ坏臏p搖系統(tǒng)固定到鉆柱的任何部分,例如,固定到懸臂軸承106或其附近,或固定到偏心凸輪單元108或其附近,或球面軸承110或其附近。例如,偏心凸輪單元108可以位于鉆頭驅(qū)動軸102的外表面與殼體120的內(nèi)表面之間。替代地,可將減搖系統(tǒng)104b固定到偏心凸輪單元108的向上鉆孔或偏心凸輪單元108上。在一些實施方式中,可在由多個減搖系統(tǒng)(即,減搖系統(tǒng)104a、減搖系統(tǒng)104b、減搖系統(tǒng)104c)軸向隔開的多個位置處支撐軸102。例如,可將減搖系統(tǒng)104a、104b和104c分別固定到懸臂軸承106、偏心凸輪單元108和球面軸承110或它們的附近。
[0014]為了改變鉆探的方向,可使用偏心凸輪單元108來置換鉆頭驅(qū)動軸102相對于鉆井系統(tǒng)的縱軸112的中部。當鉆頭驅(qū)動軸102的中部相對于軸112而橫向偏移,并且井眼被旋轉(zhuǎn)軸102鉆探時,軸承表面(例如,軸承表面114a、114b、114c和軸承表面116a、116b、116c)經(jīng)歷非常高的接觸壓力。如下文參考圖2進行描述,減搖系統(tǒng)104a、104b和104c中的一個或多個可被實施為反向旋轉(zhuǎn)設(shè)備,以將通過旋轉(zhuǎn)鉆頭驅(qū)動軸102產(chǎn)生的順時針方向的力矩和逆時針方向的力矩同時轉(zhuǎn)移到軸承表面,這進而可將順時針方向的力矩和逆時針方向的力矩轉(zhuǎn)移到殼體120。
[0015]圖2圖示包括行星齒輪系統(tǒng)的減搖系統(tǒng)104的截面視圖。減搖系統(tǒng)104a是反向旋轉(zhuǎn)設(shè)備,其可被固定到軸102。減搖系統(tǒng)104a可包括第一齒輪204,其由殼體120承載以相對于殼體120旋轉(zhuǎn),并且耦接成隨鉆頭驅(qū)動軸102旋轉(zhuǎn)。減搖系統(tǒng)104a還可包括第二齒輪206,其可由殼體120承載以相對于殼體120旋轉(zhuǎn),并且耦接到第一齒輪204,以沿第一齒輪204的相反方向旋轉(zhuǎn)。第二齒輪206與鉆頭驅(qū)動軸102分離,以獨立于鉆頭驅(qū)動軸102旋轉(zhuǎn)。
[0016]第一齒輪204和第二齒輪206可以分別是行星齒輪系統(tǒng)210的太陽齒輪和環(huán)形齒輪。太陽齒輪被構(gòu)造來(例如,以緊密配合、鍵合、花鍵接合和/或另一方式)與鉆頭驅(qū)動軸102耦接,并隨之旋轉(zhuǎn)。環(huán)形齒輪被耦接到太陽齒輪,以沿太陽齒輪的相反方向旋轉(zhuǎn)。與太陽齒輪不同,環(huán)形齒輪與鉆頭驅(qū)動軸102分離。減搖系統(tǒng)104a可包括多個小錐齒輪(例如,第一小錐齒輪212、第二小錐齒輪214),其將第二齒輪206耦接到第一齒輪204。減搖系統(tǒng)104可包括更少或更多的小錐齒輪,可將每個小錐齒輪安裝在被固定到殼體120的相應軸上。每個小錐齒輪可以是行星齒輪系統(tǒng)210的環(huán)形齒輪。
[0017]將第一齒輪204和第二齒輪206分別耦接到第一軸承208和第二軸承210,所述齒輪的每一個相對于殼體120而被固定。在一些實施方式中,可將第一軸承208和第二軸承210分別安裝到第一齒輪204(即,太陽齒輪)和第二齒輪206 (即,環(huán)形齒輪)的外圓周的表面(例如,表面上)。替代地,齒輪軸承組件可以被整體形成單一單元。
[0018]在一些實施方式中,第一齒輪204可以是底部小錐齒