本公開大體涉及油田設(shè)備，并且具體地說涉及井下工具、鉆探系統(tǒng)以及用于在地層中鉆探井筒的鉆探技術(shù)。還更具體地說，本公開涉及在使用井下馬達(dá)鉆探時減小鉆柱摩擦力。

背景技術(shù)：

可導(dǎo)向鉆探系統(tǒng)通常使用具有鉆桿、井底總成和鉆頭的鉆柱。井底總成包括由鉆井液供能以旋轉(zhuǎn)鉆頭的井下泥漿馬達(dá)和使鉆頭偏離中心線成角度的彎曲外殼。井底總成由鉆柱攜帶，所述鉆柱延伸到地球表面并且為井底總成提供鉆井液。

通常使用常規(guī)的旋轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)來鉆探井筒的筆直區(qū)段。鉆柱通過表面處的鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)，并且井底總成和其井下泥漿馬達(dá)與彎曲接頭連同鉆柱一起旋轉(zhuǎn)。然而，為了鉆探井筒的彎曲段，使用井下泥漿馬達(dá)來旋轉(zhuǎn)鉆頭，并且偏軸彎曲的外殼引導(dǎo)鉆頭遠(yuǎn)離井筒的軸線以提供略微彎曲的井筒區(qū)段，其中所述彎曲實現(xiàn)期望的偏移或造斜角。在鉆探彎曲段時，鉆柱不旋轉(zhuǎn)，而僅僅沿著井筒滑動。

鉆探的方向或者井筒軌道的變化由鉆頭的工具面角度確定。工具面角度由彎曲外殼所定向的方向確定。可通過轉(zhuǎn)動鉆柱來從地面調(diào)整工具面。操作員試圖通過使用鉆機(jī)上的旋轉(zhuǎn)臺或頂部驅(qū)動來將扭矩或角度校正施加到鉆柱而維持合適的工具面角度。

定向鉆探的特征在于相當(dāng)長的鉆柱可與井筒壁緊密接觸并且由井筒壁支撐，從而形成大量的拖曳力。當(dāng)鉆柱不旋轉(zhuǎn)但處于滑動鉆探模式時，摩擦力劇增。此類鉆柱摩擦力使得難以在鉆頭上施加合適的重量來實現(xiàn)穿透的最優(yōu)速率并且促成了粘滑現(xiàn)象。另外，鉆柱摩擦力可致使使鉆柱滑動所需的軸向力如此之大以至于當(dāng)鉆柱脫離時井下泥漿馬達(dá)可能失速。此外，當(dāng)在表面處施加鉆柱角度校正以試圖校正工具面角度時，大量的角度變化可通過摩擦吸收，而沒有改變工具面角度，并且粘滑運(yùn)動可致使操作員過調(diào)目標(biāo)工具面角度校正。

在一些情況下，可通過在第一角度與第二角度之間或者在反酌扭矩值之間前后旋轉(zhuǎn)地擺動鉆柱來減小鉆柱摩擦。然而，擺動可能不充分地減小摩擦。另外，擺動可能無意地改變鉆探馬達(dá)的工具面角度，從而導(dǎo)致井筒的相當(dāng)大的前后游移、增加的井筒彎曲度和卡住管的增加的風(fēng)險。

在其他情況下，旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)向裝置可用于代替井下泥漿馬達(dá)和彎曲外殼。旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)向裝置在期望方向上對鉆頭施加調(diào)節(jié)的偏軸偏置力，以便在整個鉆柱旋轉(zhuǎn)時對定向井進(jìn)行導(dǎo)向。因此，在最小化鉆柱摩擦?xí)r，可維持期望的工具面和彎曲角度。當(dāng)導(dǎo)向不是期望的時，旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)向裝置被設(shè)置成關(guān)閉偏軸偏置。因為不存在涉及旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)向系統(tǒng)的鉆柱滑移運(yùn)動，所以大大減少了與滑動(諸如粘滑)有關(guān)的傳統(tǒng)問題和拖曳問題。然而，旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)向裝置可能是復(fù)雜且昂貴的。

附圖簡述

以下參照附圖對各實施方案進(jìn)行詳細(xì)描述，在附圖中：

圖1是示出根據(jù)本公開的多個方面的示例性鉆探系統(tǒng)的圖；

圖2是示出根據(jù)本公開的多個方面的圖1的井底總成的圖；

圖3是示出根據(jù)本公開的多個方面的另一示例性鉆探系統(tǒng)的圖；

圖4是示出根據(jù)本公開的多個方面的示例性電動導(dǎo)向馬達(dá)的圖；

圖5是示出根據(jù)本公開的多個方面的示例性偏流器的圖；

圖6是示出根據(jù)本公開的多個方面的示例性偏流器的另一個圖；

圖7是示出根據(jù)本公開的多個方面的示例性電動導(dǎo)向馬達(dá)的元件的圖；

圖8是示出沿圖7的線8-8獲取的放大的截面視圖的另一個圖，示出了電動導(dǎo)向馬達(dá)的示例性定子和轉(zhuǎn)子布置；

圖9是根據(jù)本公開的多個方面的用于控制電動導(dǎo)向馬達(dá)的馬達(dá)控制器的框圖；

圖10是示出馬達(dá)控制器的示例性逆變器電路的示意圖；以及

圖11是示出根據(jù)一個實施方案的通過維持受控工具面同時繼續(xù)旋轉(zhuǎn)鉆桿的鉆探井筒的示例性方法的流程圖。

詳細(xì)描述

本公開內(nèi)容可以重復(fù)各種實例中的參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡單和清楚起見，并且本身不指示所討論的各種實施方案和/或配置之間的關(guān)系。如本文所用，動詞“耦接”和“連接”以及它們的同義詞可包括直接連接和間接連接兩者。

空間相對術(shù)語如“在...之下”、“在...下方”、“下部”、“在...上方”、“上部”、“井上”、“井下”、“上游”、“下游”等在本文可能為了便于描述而使用以描述如圖中所示的一個元件或特征結(jié)構(gòu)與另一個元件或特征結(jié)構(gòu)的關(guān)系。所述空間相對術(shù)語意圖包含與圖中所描繪的定向不同的在使用中或操作中的設(shè)備的定向。舉例來說，如果圖中的設(shè)備翻轉(zhuǎn)，那么描述為在其他元件或特征“以下”或“下方”的元件接著被定向為在其他元件或特征“上方”。因此，例示性術(shù)語“下面”可以包含上方和下面的定向兩者?？梢云渌绞絹矶ㄏ蛟O(shè)備(旋轉(zhuǎn)90度或在其他定向)，且可以同樣地相應(yīng)解釋本文所使用的空間相對描述符。

圖1是根據(jù)一個實施方案的包括井底總成90的鉆探系統(tǒng)20的部分截面的正視圖。鉆探系統(tǒng)20可包括陸地鉆機(jī)22。然而，本公開的教義可令人滿意地與近海平臺、半潛式、鉆探船和可滿意地形成延伸穿過一個或多個井下地層的井筒的任何其他鉆探系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)地使用。

鉆機(jī)22可位于井口24附近。鉆機(jī)22可包括旋轉(zhuǎn)臺38、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動馬達(dá)40以及與井筒60內(nèi)的鉆柱32的旋轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)的其他設(shè)備。環(huán)狀體66形成于鉆柱32的外部與井筒60的內(nèi)徑之間。對于一些應(yīng)用來說，鉆機(jī)22還可包括頂部驅(qū)動42。還可在井口24處提供防噴器(未明確示出)和與鉆探井筒相關(guān)聯(lián)的其他設(shè)備。

鉆柱32的下端包括井底總成90，其在遠(yuǎn)端處攜帶有旋轉(zhuǎn)鉆頭80。鉆井液46可由一個或多個泵48從貯水槽30泵送通過導(dǎo)管34并且泵送到鉆柱32的延伸在井口24外的上端。鉆井液46隨后流動通過鉆柱32的縱向內(nèi)部33，通過井底總成90，并從形成在旋轉(zhuǎn)鉆頭80中的噴嘴退出。在井筒60的底端62處，鉆井液46可與地層巖屑和其他井下流體和碎屑混合。鉆井液混合物隨后向上流動通過環(huán)狀體66，以使地層巖屑和其他井下碎屑返回到表面。導(dǎo)管36可使流體返回到貯水槽30，但是各種類型的濾網(wǎng)、過濾器和/或離心機(jī)(未明確示出)可提供來在使鉆井液返回至貯水槽30之前去除地層巖屑和其他井下碎片。各種類型的管道、管子和/或軟管可用來形成導(dǎo)管34和36。

根據(jù)一個實施方案，井底總成90包括井下泥漿馬達(dá)82，其包括彎曲的殼體83。井下泥漿馬達(dá)82被耦接到導(dǎo)向馬達(dá)84并且由其驅(qū)動。在一個實施方案中，導(dǎo)向馬達(dá)84是電動馬達(dá)。井底總成90還可包括各種其他工具91，諸如提供測井或測量數(shù)據(jù)和來自井筒60底部的其他信息的那些工具。測量數(shù)據(jù)和其他信息可使用隨鉆測量技術(shù)從井筒60的末端62傳達(dá)，并且在井表面處轉(zhuǎn)換成電信號，以除了其他方面外來監(jiān)測鉆柱32、井底總成90和相關(guān)聯(lián)的旋轉(zhuǎn)鉆頭80的性能。

圖2是井底總成90的正視圖，所述井底總成90包括井下泥漿馬達(dá)82，其可依次包括上部電源區(qū)段86和下部軸承區(qū)段88。電源區(qū)段86可以是Moineau型的容積式馬達(dá)，其使用在彈性定子內(nèi)環(huán)繞和旋轉(zhuǎn)的分葉螺旋轉(zhuǎn)子，所述彈性定子具有多于轉(zhuǎn)子的一個分葉。轉(zhuǎn)子通過跨電源區(qū)段的流體壓差來驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。此類泥漿馬達(dá)能夠產(chǎn)生通常為可導(dǎo)向應(yīng)用所需的高扭矩和低速度?？商娲兀娫磪^(qū)段86可包括在高速度和低扭矩下運(yùn)行的葉片式鉆井液動力渦輪，也稱為渦輪鉆具。下部軸承區(qū)段88包括推力軸承和徑向軸承(未示出)。下部軸承區(qū)段88可包括具有將電源區(qū)段86的轉(zhuǎn)子連接到鉆頭80以用于鉆頭旋轉(zhuǎn)的上部等速萬向節(jié)和下部等速萬向節(jié)的轉(zhuǎn)子(未示出)。等速軸允許泥漿馬達(dá)82的外殼的偏軸彎曲，以及允許Moineau型轉(zhuǎn)子的章動。

井底總成90包括導(dǎo)向馬達(dá)84。導(dǎo)向馬達(dá)84可以是流體動力馬達(dá)，如上文所述，諸如容積式Moineau或渦輪鉆具馬達(dá)，或者電動馬達(dá)。導(dǎo)向馬達(dá)84耦接到井下泥漿馬達(dá)82并且驅(qū)動所述井下泥漿馬達(dá)82。繼而，導(dǎo)向馬達(dá)84耦接到鉆柱32的鉆桿31并且由所述鉆桿31驅(qū)動。在一個實施方案中，導(dǎo)向馬達(dá)84的定子連接到鉆桿31，并且導(dǎo)向馬達(dá)84的轉(zhuǎn)子連接到井下泥漿馬達(dá)82。在另一個實施方案中，導(dǎo)向馬達(dá)84的轉(zhuǎn)子連接到鉆桿31，并且導(dǎo)向馬達(dá)84的定子連接到井下泥漿馬達(dá)82。

盡管在使用鉆桿方面討論了本文呈現(xiàn)的實施方案，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員認(rèn)識到其他的運(yùn)送方法(諸如連續(xù)管)在本文中也可被替代并且涵蓋在術(shù)語鉆桿的意義內(nèi)。

在操作中，鉆桿31在如由箭頭70所指示的第一方向上旋轉(zhuǎn)，這繼而在第一方向上旋轉(zhuǎn)定子或?qū)蝰R達(dá)84。當(dāng)鉆探筆直的井筒區(qū)段時，不對導(dǎo)向馬達(dá)84提供動力，并且所述導(dǎo)向馬達(dá)84的轉(zhuǎn)子不相對于其定子旋轉(zhuǎn)。類似地，使井下泥漿馬達(dá)82斷電。因此，當(dāng)鉆柱32在第一方向70上旋轉(zhuǎn)時，鉆頭80以常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆探方式在第一方向70上旋轉(zhuǎn)。然而，當(dāng)鉆探彎曲的井筒區(qū)段時，當(dāng)鉆桿31在第一方向70上旋轉(zhuǎn)時，導(dǎo)向馬達(dá)84以與鉆桿31的速度相等的旋轉(zhuǎn)速度在與第一方向相對的方向(如由箭頭72指示)上旋轉(zhuǎn)。因此，井下泥漿馬達(dá)82和鉆頭80的工具面相對于地層保持靜止，即使在鉆桿31旋轉(zhuǎn)時也是如此。由于鉆桿連續(xù)旋轉(zhuǎn)，鉆柱摩擦大大減小。此外，大大改善了孔清潔特征，因為連續(xù)的鉆桿旋轉(zhuǎn)有助于更好地移除巖屑。

在一個實施方案中，可定期調(diào)整導(dǎo)向馬達(dá)84的旋轉(zhuǎn)速度或鉆桿31的速度，以提供相對于其他速度的更高或更低速度的微小失配。以這種方式，可根據(jù)需要緩慢地旋轉(zhuǎn)、定向和重新調(diào)整鉆柱80的工具面。一旦校正工具面角度，再次匹配導(dǎo)向馬達(dá)84和鉆桿31的速度，并且工具面角度保持穩(wěn)定。

下文更詳細(xì)地討論的各種傳感器和馬達(dá)控制系統(tǒng)可用于調(diào)節(jié)導(dǎo)向馬達(dá)84的速度。例如，可測量和平衡鉆桿31的速度和/或扭矩。用于維持工具面的傳統(tǒng)定向儀器系統(tǒng)可容易地適用于控制導(dǎo)向馬達(dá)84。

圖3是根據(jù)一個實施方案的包括井底總成90′的鉆探系統(tǒng)20′的部分截面的正視圖，其中Reelwell鉆井方法的管套管鉆柱32′用于替代圖1的常規(guī)鉆柱32。鉆柱32′包括同軸地設(shè)置在外管120內(nèi)的內(nèi)管110。內(nèi)管110和外管120可以是偏心的或同心的。環(huán)流路徑53限定在內(nèi)管110與外管120之間，并且內(nèi)部流動路徑54限定在內(nèi)管110的內(nèi)部中。此外，環(huán)狀體66限定在鉆柱32′的外部與井筒60的內(nèi)壁之間。位于鉆柱32′的遠(yuǎn)端附近的偏流器210將環(huán)狀體66與內(nèi)部流動路徑54流體連接。

正如圖1的鉆探系統(tǒng)20，圖3的鉆探系統(tǒng)20′可包括位于陸地、海上平臺、半潛式平臺、鉆探船等上的鉆機(jī)22。鉆機(jī)22可位于井口24附近并且可包括旋轉(zhuǎn)臺38、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動馬達(dá)40和與井筒60內(nèi)的鉆柱32′的旋轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)的其他設(shè)備。對于一些應(yīng)用來說，鉆機(jī)22可包括頂部驅(qū)動馬達(dá)或頂部驅(qū)動單元42。在井口24處也可提供防噴器(未明確地示出)和與鉆探井筒相關(guān)聯(lián)的其他設(shè)備。

鉆柱32′的下端包括井底總成90′，所述井底總成90′在遠(yuǎn)端處攜帶有旋轉(zhuǎn)鉆頭80。鉆井液46可由一個或多個泵48從貯水槽30通過導(dǎo)管34泵送到鉆柱32′的延伸在井口24外的上端。鉆井液46隨后流動通過內(nèi)管110與外管120之間的環(huán)流路徑53，通過井底總成90′，并且從形成在旋轉(zhuǎn)鉆頭80中的噴嘴退出。在井筒60的底端62處，鉆井液46可與地層巖屑以及其他井下流體和碎屑混合。鉆井液混合物隨后向上流動通過環(huán)狀體66，通過偏流器210，并且向上通過由內(nèi)管110提供的內(nèi)部流動路徑54，以將地層巖屑和其他井下碎屑返回到表面。導(dǎo)管36可使流體返回到貯水槽30，但是各種類型的濾網(wǎng)、過濾器和/或離心機(jī)(未明確示出)可提供來在使鉆井液返回至坑30之前去除地層巖屑和其他井下碎片。各種類型的管道、管子和/或軟管可用來形成導(dǎo)管34和36。

圖4是根據(jù)一個實施方案的電動導(dǎo)向馬達(dá)84′的軸向截面圖。電動導(dǎo)向馬達(dá)84′具有可變速度和扭矩能力。還可提供任選的行星齒輪(未示出)，以有助于期望的速度和扭矩輸出。

電動導(dǎo)向馬達(dá)84′可連接成管套管鉆柱32′的部分，所述管套管鉆柱32′包括內(nèi)管110、外管120和偏流器210。如下文更詳細(xì)描述的，電動導(dǎo)向馬達(dá)84′可包括馬達(dá)外殼160、具有定子繞組140的定子組件150、具有轉(zhuǎn)子磁體180的轉(zhuǎn)子170、攜帶馬達(dá)控制器370的電子插件340以及限流器230。

在某些實施方案中，提供為直流電或單相交流電的電力可通過內(nèi)管110和外管120沿著鉆柱32′的長度從表面?zhèn)鬏敗?nèi)管110是“熱”電源導(dǎo)體并且外管120接地，因為外管120很可能與接地的鉆機(jī)導(dǎo)電接觸。內(nèi)管110的外表面和/或外管120的內(nèi)表面可涂覆有電絕緣材料(未明確示出)，以防止內(nèi)管110通過鉆井液或其他接觸點(diǎn)到外管120的短路。介電絕緣材料的實例包括聚酰亞胺、聚四氟乙烯或其他含氟聚合物、尼龍和陶瓷涂層。內(nèi)管110的裸金屬僅僅暴露于密封的區(qū)域并且被保護(hù)免受鉆井液?？蓛H僅暴露出內(nèi)管110的裸金屬以沿著鉆柱32′的長度產(chǎn)生到內(nèi)管的下一個接頭的電連接。此類區(qū)域可填充有空氣或非導(dǎo)電流體(諸如介電油)，或?qū)щ娏黧w(諸如水基鉆井液)，只要從內(nèi)管110到外管120沒有電流短路的路徑。

圖5是鉆柱32′的下部和電動導(dǎo)向馬達(dá)84′的上部的詳細(xì)軸向截面圖，示出了圖4的偏流器210。圖6是沿著圖5的線6-6獲取的橫向截面圖，示出了偏流器210的頂部。參考圖4-6，偏流器210設(shè)置在電動導(dǎo)向馬達(dá)84′的頂部附近。偏流器210將外管120與內(nèi)管110電絕緣。偏流器210可由陶瓷或具有介電絕緣涂層的金屬合金制成。陶瓷對流砂、巖屑、廢屑以及從環(huán)狀體66流動到內(nèi)流路徑54的其他固體提供高耐腐蝕性，所述內(nèi)流路徑54由到表面的流動返回路徑上的內(nèi)管110所提供。由如CARBO公司制造的陶瓷的特征在于可適用于形成偏流器210的有用的模制技術(shù)。

密封件320可位于偏流器210的頂部和底部上，以阻止內(nèi)管110與外管120之間的環(huán)流泄漏到內(nèi)管110的中心中。偏流器210可鍵合到內(nèi)管110和外管120，以便維持適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)對準(zhǔn)。

在操作期間，鉆井液46(圖3)沿著內(nèi)管110與外管120之間的環(huán)流路徑53流動，并且流動穿過偏流器210內(nèi)的腎形通道211。同時，來自形成在井筒60與外管120之間的環(huán)狀體66的鉆井液和土巖屑通過交叉端口212進(jìn)入內(nèi)管110。內(nèi)管110在偏流器210處或其正下方被蓋住或堵住，以使得來自環(huán)狀體66的流體僅能夠在內(nèi)管110內(nèi)向上流動。

在偏流器210的下方，向下流動的鉆井液可通過端口117轉(zhuǎn)向到的內(nèi)管110的下部中心通道115中。此時，向下流動的鉆井液46離開內(nèi)管110并且進(jìn)入形成在導(dǎo)向馬達(dá)84′內(nèi)的縱向中心導(dǎo)管118中。

在一個實施方案中，除了位于密封潮濕連接區(qū)域330內(nèi)的觸點(diǎn)116之外，內(nèi)管110具有沿著其內(nèi)部長度的電絕緣涂層。觸點(diǎn)116是非絕緣內(nèi)管110的短區(qū)段，所述觸點(diǎn)116與電子插件340配合，以通過馬達(dá)控制器370對電動導(dǎo)向馬達(dá)84′提供電流。電子插件340也可與除了與觸點(diǎn)116配合的區(qū)域之外的涂層電絕緣。導(dǎo)電線纏繞彈簧350可用于激勵內(nèi)管110與電子插件340之間的電連接。盡管未明確示出，電子插件340可具有定向銷釘、棘爪等，以維持適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)對準(zhǔn)。

由電子插件340攜帶的馬達(dá)控制器370可定位在定子繞組140的上方，以控制速度、扭矩以及如電動導(dǎo)向馬達(dá)84′的其他各個方面。電子組件370可能夠通過與電力疊加的信號來與表面進(jìn)行雙向通信，所述電力通過由內(nèi)管110和外管120形成的雙導(dǎo)體路徑來運(yùn)送。另外，電子組件370可在表面與模塊之間傳遞通信和數(shù)據(jù)，所述模塊定位在馬達(dá)的下方以支持隨鉆測井和/或隨鉆測量、導(dǎo)向和類似系統(tǒng)。饋通導(dǎo)體375可支撐此類通信。

馬達(dá)控制器370可容納在壓力控制的腔體內(nèi)以保護(hù)電子器件。馬達(dá)控制器370可涂覆有陶瓷涂層以允許腔體被油填充，并且與其周圍環(huán)境壓力平衡，由此允許較薄的外殼壁，從而為電子器件留有更多的空間并且提供電子器件的更好的冷卻。

通過密封的蓋罩接口385處的壓蓋填塞的導(dǎo)體375引出至定子繞組140和下文任選的傳感器。電子插件340可包括一個或多個接地線360，所述接地線360通過密封的蓋罩接口380處的壓蓋來填塞。接地線360為外管120提供電回路。接地線360可通過O型環(huán)381和382或者通過其他方法與鉆井液密封，以防止腐蝕性環(huán)境造成的損壞。

圖7是電動導(dǎo)向馬達(dá)84′的中部和下部的軸向截面圖。參考圖4和圖7，鉆井液46(圖3)通過中心通道118向下流過電子插件340的中心。此時，向下流動的鉆井液分成兩個流動路徑。第一流動路徑繼續(xù)沿轉(zhuǎn)子170內(nèi)的中心通道118向下，并且最終下降到井下泥漿馬達(dá)82和鉆柱32′的底部處的鉆頭80，在此處所述第一流動路徑退出鉆柱80并且開始其通過井筒環(huán)狀體66(圖3)向上返回到偏流器交叉端口212的路。第二流動路徑被限定為通過位于轉(zhuǎn)子170的頂部處或附近的限流器230、通過轉(zhuǎn)子170的外圓周與定子組件150的內(nèi)圓周之間的間隙、以及通過軸承組件390，最終退出馬達(dá)外殼160的底部處的電動導(dǎo)向馬達(dá)84′。

限流器230被設(shè)計成經(jīng)過少量的鉆井液以冷卻定子繞組140，并且潤滑電動導(dǎo)向馬達(dá)84′的下部徑向軸承和推力軸承組件390。例如，限流器230可具有穿過其形成以允許鉆井液流動的小間隙流動路徑。限流器230可由諸如碳化鎢或鈷基合金(如同鈷鉻鎢鉬合金)的耐腐蝕性材料制成。在一個實施方案中，限流器230也可兼作上部徑向軸承240。在其他實施方案中，可提供單獨(dú)的上部徑向軸承。徑向軸承240可包括船用橡膠、多晶金剛石復(fù)合片、熔融碳化鎢或其他合適的涂層或軸承材料。

盡管示出為位于轉(zhuǎn)子170的頂部，但是限流器230可定位在沿著任一流動路徑的任何地方，只要適當(dāng)比例的鉆井液在兩個流動路徑之間流動來提供充分的定子冷卻和軸承潤滑，同時維持充足的鉆井液流動到井下泥漿馬達(dá)82和鉆頭80(圖3)。

可提供任選的中間徑向軸承380，所述中間徑向軸承可通過如上文所述的鉆井液流動來潤滑。彈性體船用軸承、輥、滾珠、軸頸或其他類型的軸承可用于中間徑向軸承380?？商峁┫虏枯S承組件390以用于對轉(zhuǎn)子170的徑向和軸向支撐。

轉(zhuǎn)子170延伸超過馬達(dá)外殼160的底部并且終止于連接器300，以驅(qū)動井下馬達(dá)82(圖3)。盡管連接器300被示出為銷連接器，但是可適當(dāng)?shù)厥褂煤惺竭B接器、花鍵或其他合適的耦接件。

圖8是沿著圖7的線8-8獲取的橫向截面圖。現(xiàn)在參考圖4、圖7和圖8，可以扇形楔的方式將定子繞組140纏繞在定子組件150內(nèi)。定子組件150可包括由單個圓管機(jī)加工而成的定子頭290，但是為了易于制造，可提供許多離散的楔形定子頭290，其中定子繞組140圍繞單個定子頭290卷繞。隨后將可焊接在一起的單個定子頭290組裝在馬達(dá)外殼160內(nèi)。定子組件150固定在馬達(dá)外殼160內(nèi)以防止相對旋轉(zhuǎn)。例如，定子頭290可在外徑上帶溝槽，并且可與馬達(dá)外殼160鍵合以防止它們之間的旋轉(zhuǎn)。

定子頭290由具有高滲透性的軟鐵制成?？墒褂么啪€形成定子繞組140，所述磁線可由銀、銅、鋁或涂覆有清漆、聚醚醚酮(PEEK)或其他介電材料的任何導(dǎo)電元件制成。定子繞組140可形成圍繞定子頭290的許多卷繞。任選地，可在定子繞組140的頂部的上方設(shè)置灌封材料(諸如陶瓷、橡膠或高溫環(huán)氧樹脂)并且/或者將所述灌封材料嵌入定子繞組140中。這種灌封材料可用來保護(hù)定子繞組140免受由于與鉆井液的接觸而導(dǎo)致的腐蝕與侵蝕。此外，灌封在由磁線提供的基礎(chǔ)涂層上方提供另外的短路保護(hù)。

導(dǎo)向馬達(dá)84′可包括以最大化反扭矩的這種方式安裝到轉(zhuǎn)子170上的固定轉(zhuǎn)子永磁體180。轉(zhuǎn)子永磁體180的優(yōu)點(diǎn)是在沒有滑動或者需要滑環(huán)或換向的情況下的高扭矩傳遞和轉(zhuǎn)子速度的精確控制。然而，轉(zhuǎn)子170可適當(dāng)?shù)厥褂幂d流繞組來代替永磁體180。例如，可使用通過滑環(huán)或換向器接收電流的短路感應(yīng)鼠籠式轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)子繞組。

電動導(dǎo)向馬達(dá)84′被示出為具有六個極，其中四個轉(zhuǎn)子永磁體180安裝在轉(zhuǎn)子170上。然而，可適當(dāng)?shù)厥褂民R達(dá)類型、極的數(shù)目、換向方法、控制手段以及繞組和/或磁體布置的變型。例如，可按比例調(diào)整繞組和磁體的數(shù)目，諸如十二個定子極和八個轉(zhuǎn)子磁體或者三個定子極和兩個轉(zhuǎn)子磁體。適當(dāng)?shù)慕M合取決于若干因素，包括可靠性、平滑度和峰值扭矩要求。

轉(zhuǎn)子磁體180的特征在于高磁場強(qiáng)度。轉(zhuǎn)子磁體180的合適類型可包括釤鈷磁體。在某些實施方案中，轉(zhuǎn)子磁體180可被制造成楔形，以匹配形成在轉(zhuǎn)子170內(nèi)的凹坑，盡管可適當(dāng)?shù)厥褂闷渌螤睢＾D(zhuǎn)子磁體180也可通過將細(xì)小磁性顆粒的疏松粉末灌注到模具中而制成，所述細(xì)小磁性顆粒的疏松粉末隨后在模具中進(jìn)行壓制和燒結(jié)。在這個制造過程期間可應(yīng)用磁場來將單個顆粒的磁域?qū)?zhǔn)到最佳定向。轉(zhuǎn)子磁體180的極性可與北極和面朝外的南極交替。一旦設(shè)定轉(zhuǎn)子磁體180，如果沒有被燒結(jié)在適當(dāng)?shù)奈恢茫赏ㄟ^各種手段(諸如保持器帶、套筒、螺釘、狹槽或其他緊固件)將它們緊固到轉(zhuǎn)子170。

圖9是根據(jù)一個實施方案的馬達(dá)控制器370的框圖。馬達(dá)控制器370理想地包括具有存儲器372的處理器371，以用于監(jiān)測和控制電動導(dǎo)向馬達(dá)84′。處理器371可控制若干功能，包括但不限于：馬達(dá)起動、軸速度、輸出扭矩以及繞組溫度和/或鉆井液流動監(jiān)測。另外，處理器371可通過通信接口373控制馬達(dá)數(shù)據(jù)的傳輸以及鉆桿扭矩和速度數(shù)據(jù)的接收。通信接口373可通過使用滑環(huán)或電感耦接件而通過內(nèi)管110和外管120進(jìn)行通信。通信接口373還可延遲例如在位于BHA 90′內(nèi)的電動導(dǎo)向馬達(dá)84′下方的表面與裝置之間的控制信號和測量數(shù)據(jù)。

處理器371可執(zhí)行存儲在存儲器372中的命令。存儲器372可并置排列在具有處理器371的整體半導(dǎo)體上并且/或者作為一個或多個單獨(dú)的存儲裝置存在，所述存儲裝置包括隨機(jī)存取存儲器、閃存、磁或光存儲器或者其他形式。存儲器372還可用于記錄關(guān)于電動導(dǎo)向馬達(dá)84′的性能信息，諸如繞組溫度、鉆井液溫度、軸速度、功率輸出、扭矩輸出、電壓、繞組電流以及限流器230(圖6)的任一側(cè)上的壓力。

在某些實施方案中，可提供轉(zhuǎn)子速度傳感器193以監(jiān)測軸位置和/或速度。例如，可提供霍爾效應(yīng)裝置以通過感應(yīng)轉(zhuǎn)子磁體180來監(jiān)測軸位置和RPM。轉(zhuǎn)子速度傳感器193的信號輸出可被路由到馬達(dá)控制器370，其中處理器371能夠自動地評估和調(diào)整轉(zhuǎn)子速度。此外，當(dāng)轉(zhuǎn)子170旋轉(zhuǎn)時通過監(jiān)測所述轉(zhuǎn)子170的位置，可最優(yōu)化扭矩傳遞并檢測磁極滑移。

在一個實施方案中，可在電動導(dǎo)向馬達(dá)84′或井底總成90′內(nèi)的其他地方提供鉆柱速度傳感器194(諸如慣性傳感器等)，以確定鉆柱32′的旋轉(zhuǎn)速度。以這種方式，電動導(dǎo)向馬達(dá)84′的速度可由馬達(dá)控制器370控制，以使得轉(zhuǎn)子170的速度與鉆柱32′的速度大小相等并且方向相對。電動導(dǎo)向馬達(dá)84′的速度可被這樣控制以便例如維持恒定的工具面定向?？商娲?，也可以是慣性傳感器的工具面定向傳感器(未示出)可直接檢測工具面定向并且將反饋提供給馬達(dá)控制器370以用于控制轉(zhuǎn)子170的速度。在又一個實施方案中，通過其他手段提供鉆柱32′的速度和或扭矩，并且通過通信接口373通信至馬達(dá)控制器370，所述馬達(dá)控制器370繼而控制電動導(dǎo)向馬達(dá)84′的扭矩和/或速度輸出。

在一個實施方案中，可定期調(diào)整導(dǎo)向馬達(dá)84的旋轉(zhuǎn)速度或鉆柱32′的速度，以提供相對于其他速度的更高或更低速度的微小失配。以這種方式，可根據(jù)需要緩慢地旋轉(zhuǎn)、定向和重新調(diào)整鉆柱80的工具面。一旦校正工具面角度，再次匹配導(dǎo)向馬達(dá)84和鉆柱32′的速度，并且工具面角度保持穩(wěn)定。

在某些實施方案中，還可提供鄰近于繞組140或者嵌入繞組140的溫度傳感器195?？墒褂糜糜诿總€繞組140的至少一個溫度傳感器195以監(jiān)測馬達(dá)溫度。此外，在某些實施方案中，可在限流器230(圖7)的上方和下方提供壓力傳感器196以監(jiān)測鉆井液流動。

根據(jù)一個實施方案，處理器371通過逆變器電路190控制電動導(dǎo)向馬達(dá)84′。圖10是一種可行的逆變器電路190的上層示意圖。參考圖9和圖10，逆變器電路190可將由內(nèi)管110和外管120(圖3和圖4)提供的DC電源轉(zhuǎn)變成三相電源。如果單相AC電源由管110、120而不是由DC電源提供，那么逆變器電路190可大體上與圖10中示出的電路相同，除了它可包括整流器來首先將交流電轉(zhuǎn)變成直流電。

逆變器電路190使用固態(tài)電子器件以用于使到繞組對140的電流的極性切換和交替。合適的固態(tài)電子器件可包括基于半導(dǎo)體的開關(guān)230，諸如可控硅整流器(SCR)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、半導(dǎo)體閘流管等。繞組對可在如圖8中示出的馬達(dá)中彼此物理地對置，其中每對繞組的相位關(guān)系是與任何相鄰繞組對120°異相。每個繞組對可適當(dāng)?shù)夭⒙?lián)或串聯(lián)連接，并且可以Δ形或Y形配置來連接三個相位。

為了最大化馬達(dá)功率，可由處理器371和逆變器電路190生成近似正弦的電源波形。然而，可適當(dāng)?shù)厥褂弥T如方形或鋸齒形的其他波形形狀。處理器371與逆變器電路190配合以提供期望的旋轉(zhuǎn)方向，維持每個繞組對的相位分離，設(shè)置頻率(包括當(dāng)改變馬達(dá)速度時使頻率以可接受的速度逐漸上升和逐漸下降)，并且控制到繞組的功率水平以優(yōu)化給定速度下的扭矩傳遞。可通過改變施加到繞組對的電流、電壓或兩者和/或改變每個波周期的工作周期來實現(xiàn)這些功能中的每個功能。

微處理器371可維持用于電源的所有三個相位的脈沖寬度和相位角，并且將定時信號發(fā)送到逆變器電路190以生成施加到繞組140的功率信號。在一個實施方案中，驅(qū)動電路197被作為逆變器電路190的一部分提供到接口處理器371，提供到大功率開關(guān)裝置203。驅(qū)動電路197可以是小功率放大器開關(guān)，所述小功率放大器開關(guān)用于提供足夠的電力，以基于來自處理器371的邏輯輸出打開和關(guān)閉半導(dǎo)體開關(guān)203。

圖11是示出根據(jù)一個實施方案的鉆探方法的流程圖。流程圖中的每個步驟被示出為水平框，所述水平框指明鉆柱32、32′的各個部分的狀態(tài)或情況。具體地說，每個步驟限定了以下各項相對于地質(zhì)地層的旋轉(zhuǎn)：鉆桿31、110、120；工具面，其由井下泥漿馬達(dá)82的彎曲外殼83的定向所限定；以及鉆頭80。每個部件的旋轉(zhuǎn)由矩形來描述，并且非旋轉(zhuǎn)由橢圓形來描述。每個步驟還限定了導(dǎo)向馬達(dá)84、84′和/或井下泥漿馬達(dá)82是否在運(yùn)行，即每個馬達(dá)的轉(zhuǎn)子是否在相對于馬達(dá)的外殼旋轉(zhuǎn)，這與馬達(dá)的外殼是否可相對于地質(zhì)地層旋轉(zhuǎn)無關(guān)?！按蜷_”或運(yùn)行狀態(tài)由矩形來描述，并且“關(guān)閉”狀態(tài)由橢圓形來描述，在所述關(guān)閉狀態(tài)中轉(zhuǎn)子不相對于外殼旋轉(zhuǎn)。

步驟401示出在主動鉆探之前鉆柱32、32′的初始狀態(tài)，其中鉆桿31、110、120不旋轉(zhuǎn)并且導(dǎo)向馬達(dá)84、84′和井下泥漿馬達(dá)82兩者都處于關(guān)閉狀態(tài)。因此，馬達(dá)外殼不旋轉(zhuǎn)，工具面定向也不旋轉(zhuǎn)，并且鉆頭80不旋轉(zhuǎn)。

在步驟405處，以常規(guī)的旋轉(zhuǎn)方式鉆出井筒的筆直區(qū)段。導(dǎo)向馬達(dá)84、84′保持在關(guān)閉狀態(tài)。鉆桿31、110、120以給定的速度N順時針旋轉(zhuǎn)，并且井下泥漿馬達(dá)82以給定的速度P順時針旋轉(zhuǎn)。因此，導(dǎo)向馬達(dá)84、84′和井下泥漿馬達(dá)82兩者的馬達(dá)外殼，以及工具面定向全部都通過鉆桿31、110、120以速度N順時針旋轉(zhuǎn)。鉆頭80以N+P的組合速度順時針旋轉(zhuǎn)。由于旋轉(zhuǎn)工具面定向，井筒保持筆直并且以稍微放大的直徑來進(jìn)行鉆探。

當(dāng)期望鉆探傾斜的過渡支路時，在步驟409處，首先將工具面轉(zhuǎn)到預(yù)定的定向。對導(dǎo)向馬達(dá)供能并且使其轉(zhuǎn)子速度逆時針逐漸上升到速度M，在一個實施方案中所述速度M可稍慢于鉆桿31、110、120的速度N，但是在相對的方向上旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)向馬達(dá)84、84′的外殼相對于地層以速度N順時針旋轉(zhuǎn)，但是由導(dǎo)向馬達(dá)84、84′的轉(zhuǎn)子驅(qū)動的井下泥漿馬達(dá)82的外殼相對于地層以非常慢的速度N-M順時針旋轉(zhuǎn)。因此，可緩慢地旋轉(zhuǎn)工具面定向，直到其達(dá)到預(yù)定的定向。在示例性實施方案中，工具面定向傳感器可用于確定工具面定向已達(dá)到預(yù)定定向。

當(dāng)工具面定向達(dá)到其預(yù)定定向時，在步驟413處，通過運(yùn)行導(dǎo)向馬達(dá)84、84′來維持預(yù)定定向，以使得所述導(dǎo)向馬達(dá)84、84′的轉(zhuǎn)子以速度N逆時針旋轉(zhuǎn)，所述速度N與鉆桿31、110、120的速度相同。在一個實施方案中，閉環(huán)控制系統(tǒng)可設(shè)置有作為馬達(dá)控制器370的一部分的工具面定向傳感器，可將所述工具面定向傳感器布置成必要時不斷向上或向下調(diào)整導(dǎo)向馬達(dá)84、84′的轉(zhuǎn)子速度，以維持預(yù)定工具面定向。

在建立預(yù)定工具面定向并且對井下泥漿馬達(dá)82供電以使鉆頭80以速度P順時針轉(zhuǎn)動的情況下，在步驟417處，將鉆頭80放置在井筒的底部上以鉆探井筒的彎曲段。當(dāng)將鉆頭80放置在底部時，來自泥漿馬達(dá)82的反扭矩當(dāng)鉆柱32、32′卷緊時引起工具面逆時針偏移。因此改變導(dǎo)向馬達(dá)84、84′的速度來控制工具面的位置。當(dāng)工具面逆時針移動時，導(dǎo)向馬達(dá)84、84′比鉆桿速度更慢地運(yùn)行。當(dāng)工具面順時針移動時，導(dǎo)向馬達(dá)84、84′必須匹配鉆桿或者比鉆桿更快地運(yùn)行，以使工具面維持在目標(biāo)范圍內(nèi)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員認(rèn)識到可根據(jù)需要重新布置和重新排序這些步驟，以根據(jù)期望的計劃來鉆探井筒。

概括地說，已描述了鉆探系統(tǒng)、井底總成和鉆探井筒的方法。鉆探系統(tǒng)的實施方案可大體上具有包括至少一個鉆桿的鉆柱、井底總成和鉆頭，所述井底總成包括彎曲外殼、耦接到鉆頭以用于在第一方向上選擇性地旋轉(zhuǎn)鉆頭的第一馬達(dá)、以及耦接在第一馬達(dá)與至少一個鉆桿之間以用于在與第一方向相對的第二方向上旋轉(zhuǎn)第一馬達(dá)的導(dǎo)向馬達(dá)。井底總成的實施方案可大體上具有：鉆頭；耦接到鉆頭以用于在第一方向上選擇性地旋轉(zhuǎn)鉆頭的第一馬達(dá)，所述第一馬達(dá)具有彎曲外殼；以及耦接到第一馬達(dá)的導(dǎo)向馬達(dá)，其中所述導(dǎo)向馬達(dá)可操作來通過鉆桿在第一方向上旋轉(zhuǎn)并且在與第一方向相對的第二方向上同時旋轉(zhuǎn)第一馬達(dá)，以便控制彎曲外殼的定向。最后，鉆探井筒的方法的實施方案可大體上包括提供包括至少一個鉆桿的鉆柱、井底總成和鉆頭，在井底總成內(nèi)提供彎曲外殼、耦接到鉆頭的第一馬達(dá)、以及耦接在第一馬達(dá)與至少一個鉆桿之間的導(dǎo)向馬達(dá)，所述彎曲外殼的位置限定了工具面定向，以及使至少一個鉆桿以第一速度在第一方向上旋轉(zhuǎn)同時使導(dǎo)向馬達(dá)的轉(zhuǎn)子在與第一方向相對的第二方向上同時旋轉(zhuǎn)以便控制工具面定向。

任何前述實施方案可以單獨(dú)地或彼此組合地包括以下元件或特征中的任一個：鉆柱可操作來將鉆井液流動提供到第一馬達(dá)；所述第一馬達(dá)是由鉆井液流動供電的井下泥漿馬達(dá)；導(dǎo)向馬達(dá)是電動馬達(dá)；鉆柱可操作來將鉆井液流動提供到導(dǎo)向馬達(dá)；鉆井液流動的至少一部分去除由導(dǎo)向馬達(dá)產(chǎn)生的熱量；鉆柱包括內(nèi)管和外管，所述內(nèi)管設(shè)置在外管內(nèi)并且限定了其間的環(huán)流路徑；鉆柱包括設(shè)置在井底總成附近的偏流器，所述偏流器將內(nèi)管的內(nèi)部流體耦接到外管的外部；內(nèi)管形成第一電導(dǎo)體，所述第一電導(dǎo)體耦接到導(dǎo)向馬達(dá)以用于對導(dǎo)向馬達(dá)提供電力；外管形成第二電導(dǎo)體，所述第二電導(dǎo)體耦接到導(dǎo)向馬達(dá)以用于對導(dǎo)向馬達(dá)提供電力；布置用于測量鉆柱的旋轉(zhuǎn)速度的傳感器；可操作地耦接到傳感器和導(dǎo)向馬達(dá)并且布置用于基于鉆柱的旋轉(zhuǎn)速度來控制導(dǎo)向馬達(dá)的轉(zhuǎn)子速度的馬達(dá)控制器；布置用于測量鉆柱的扭矩的傳感器；可操作地耦接到傳感器和導(dǎo)向馬達(dá)并且布置用于基于鉆柱的扭矩來控制導(dǎo)向馬達(dá)的轉(zhuǎn)子扭矩的馬達(dá)控制器；布置用于測量工具面定向的傳感器；可操作地耦接到傳感器和導(dǎo)向馬達(dá)并且布置用于基于傳感器來控制導(dǎo)向馬達(dá)的馬達(dá)控制器；導(dǎo)向馬達(dá)包括穿過其形成的至少一個流體流動路徑，所述流體流動路徑被布置成在鉆桿與第一馬達(dá)之間流體耦接；第一馬達(dá)是井下泥漿馬達(dá)；導(dǎo)向馬達(dá)是被布置來從鉆桿接收電力的電動馬達(dá)；由第一馬達(dá)旋轉(zhuǎn)鉆頭；以第一速度旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向馬達(dá)的轉(zhuǎn)子以使得工具面定向保持恒定；以大于第一速度的第二速度旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向馬達(dá)的轉(zhuǎn)子以使得工具面定向在第二方向上旋轉(zhuǎn)；以小于第一速度的第二速度旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向馬達(dá)的轉(zhuǎn)子以使得工具面定向在第一方向上旋轉(zhuǎn)；通過鉆柱將鉆井液流動提供到第一馬達(dá)；通過鉆井液流動對第一馬達(dá)供電；導(dǎo)向馬達(dá)是電動馬達(dá)；由通過至少一個鉆桿提供電流來對導(dǎo)向馬達(dá)供電；以及通過鉆柱對導(dǎo)向馬達(dá)提供鉆井液流動并通過鉆井液流動的至少一部分來使導(dǎo)向馬達(dá)冷卻。

本公開的摘要僅僅用于為美國專利商標(biāo)局和大部分公眾提供從粗略地閱讀技術(shù)公開的性質(zhì)和要點(diǎn)來快速做出決定的方法，并且其單獨(dú)代表一個或多個實施方案。

雖然已詳細(xì)示出各種實施方案，但是本公開不限于示出的實施方案。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到上述實施方案的修改和適配。這種修改和適配在本公開的精神和范圍中。