利用水压伺服循环的旋转导向钻井系统.docx

United States Patent(美国专利)专利号：6，109，372专利日期：2000年8月29日利用水压伺服循环的旋转导向钻井系统参考书目概要定向钻井主动控制旋转导向钻井系统包括管状旋转工具束套，在其附近旋转固定着一个非旋转滑动套筒，在钻井过程中非旋转滑动套筒与多个弹性耦合组件相结合以维持滑动套筒与钻孔壁的耦合连接关系。偏移心轴被一肘接头支撑在工具束套内作枢轴运动，并且由工具束套旋转驱动。偏移心轴下端从工具束套伸出且适宜于支撑钻头。为了获得旋转钻头的控制导向，钻具的定向是由导航传感器自动检测的，并且偏移心轴维持与地球的相对位置不变以及通过应答导航传感器确定其在肘接头周围的方向而选择性地相对于工具束套轴向倾斜。定位在工具束套内的交流发电机和水压泵是通过流动钻井液驱动的电源来驱动发电和产生水压的，以便为工具的电子组件及水压系统组件的运转提供电源。通过应答伺服阀的工具位置信号驱使的水压汽缸和活塞组件控制相对于工具束套的偏移心轴的角坐标。水压活塞被伺服控制以应答导航感应器的信号输入和其它的对水压位置控制系统提供实时位置信号的工具位置感应系统。发明背景1发明领域 此发明主要与定向钻井的方法和设备有关，特别是石油生产钻井，并且特别涉及主动控制旋转导向钻井系统。主动控制旋转导向钻井系统可以直接连接到旋转钻井绳/柱上或可以连接在旋转钻柱里与泥浆马达或推进器或弹性潜水器装配在一起，以便能够进行偏离井眼部分和分支井眼的钻井。此发明还涉及到能够对钻进中的井眼的精确定向控制的方法和设备。此发明也涉及到主动控制旋转导向钻井系统结合液压励磁通电定位机械装置以完成偏移心轴的轴线和在偏移心轴旋转过程中钻头的自动的与地球的相对位置不变的定位，并且钻头由旋转钻柱和马达而驱动。此发明进一步涉及到使用与主动控制旋转导向钻井系统相结合的联结方法以便在钻井过程中维持钻具与井眼壁的联结。2相关技术的描述油气井经常含有一个定向钻井的地下油气层，也就是相对于垂直方向按一个角度倾斜，而且伴随倾斜有一特别的航向罗盘方向或方位角。虽然可以在任意预期的位置开钻含有偏离部分的油井，诸如水平井眼方向或偏离主井眼的分支井，例如，相当数量的海洋环境下的偏离井钻井。从某种意义上说，在海洋钻井中，许多偏离井是从单一的海上生产平台开钻以使井眼的底部分布在大片的生产层区，而钻台则典型地定位在此生产油层的中心位置的上方，并且每口井的井口则定位在钻台的结构上。在钻进中的油井遇到复杂的钻井轨道情况下，当钻头通过工具束套旋转过程中，由该发明旋转导向钻具提供的操纵钻头的性能能够使钻井工作人员迅速地将钻进中的井眼从一个地下油层导航到另一个地下油层。此发明工具的旋转导向钻具能够从倾斜的角度和方位角的角度来操纵井眼的导向，以便使两个或更多的地下油藏区可以被钻进的井眼可控性地交叉钻探到。定向钻井典型的步骤是利用传统的旋转钻井技术将钻柱和钻头从初始的垂直的井眼移开，并且运转在泥浆马达中。在驱动钻头的钻柱的下端有一弯曲卡箍以适应钻井液的循环。弯曲卡箍提供一弯曲角度以便使在弯曲点下面的、响应钻头旋转轴的轴线有一“工具面角度”。工具面角度或简单的称“工具面”确定方位角或航向罗盘方向，当泥浆马达运作时，偏离井眼部分将以此方位角钻进。当工具面通过缓慢旋转的钻柱和通过观察各种导向设备的输出信号而确立后，泥浆马达和钻头被降下，并与非旋转钻柱维持所选工具面，而且钻井液泵，“泥浆泵”被供能以促进钻井液流动通过钻柱和泥浆马达，从而对泥浆马达输出转动轴和固定到其上的钻头赋予旋转运动。弯曲角度的存在可使钻头弯曲钻进到确立预期的井筒倾斜度。为了钻出沿预期的倾斜度和方位角的井筒部分，钻柱将会旋转以便其旋转重叠在泥浆马达输出转动轴旋转的上面，这样可以使弯曲部分仅仅绕井筒的轴线轨道旋转，以便钻头可以按所确立的任意倾斜度和方位角一直向前钻进。如果理想的话，当井筒最大深度接近使井筒弯曲到水平位置并可以水平延伸进入或通过生产区时就可以使用同样的定向钻井技术。假如各种井眼参数显示与工程计划不一致的话，随钻测量系统(MWD)通常包含在泥浆马达上方的钻柱内以监控井眼的钻探过程，以便建立正确的测量数据。当井筒部分与非旋转钻柱和由钻井液操纵的泥浆马达一起钻探时可能会引起各种各样的问题。由泥浆马达操纵引起的反作用扭矩可以引起工具面逐渐发生变化以至于使井眼不能按预期的方位角逐步加深。如果方位角不正确的话，井筒可能会延伸至太靠近另一井筒的位置，从而可能会错过理想的“地下目标”，或者由于“漫游”井筒产生超长度钻进。这些不利因素都可能引起井筒钻探费用过分提高，并且可减少从地下生产层的排出效率。而且，非旋转钻柱可以使摩擦力增大以至对“钻头重量”的控制减小，并且钻头的穿透速度降低，这样就导致钻井费用充分地提高。当然，非旋转钻柱比起旋转钻柱更有可能卡在井筒里，特别是在钻柱延伸至有浸透性的生产区的位置，有浸透性的生产区可以引起在井筒壁上形成大量的泥浆块。此发明专利与美国专利No.5,113,953相比有了显著的提高，因为涉及钻铤的钻头转动轴或心轴的角度是可变的而不是固定的。与此发明专利有关的其它专利是英国专利GB2172324B, GB2172325B和GB217738B。738专利命名为“控制井眼钻探中的钻井轨迹”且揭示一个具有四个制动器(44)的控制稳定器(20)。制动器是弹性软管形状，弹性软管可选择性地膨胀以对钻铤施加一横向的/侧面的力，如图22所示，以便使钻铤偏斜并因此改变钻探中的井眼轨迹。324专利揭示了一个含有稳定器18和20的导向钻具，并且带有一个位于两者之间的控制组合部件(22)，以便有效地控制钻井管道(10)的偏斜并改变钻进中井眼的轨迹。325专利揭示了一具有外壳/套(31)的导向钻具，外套包含感应装置，并且在钻井过程中通过井壁接触组件(33)被维持基本上固定不动。 涉及井壁接触组件的钻井管道(10)的移动是通过对四个制动器(44)中的每一个以控制的方式施加不同的压力而完成的。根据325专利，钻头的导向是通过自动检测旋转工具束套的位置而生成导航信号实现的。相反，本发明专利是通过液压维持连接在钻头上的偏移心轴的纵向轴保持与地球的相对位置不变以及确定在旋转工具束套内的枢轴底座的方向而获得钻头导向的。偏移心轴在旋转过程中通过旋转导向钻具的液压增能导向系统保持按预期的倾斜度和方位角定位以便沿着预期的轨迹操纵井眼。一个基本上非旋转的滑动套筒用来提供导航传感器，电子装置/组件和遥感勘测系统的外壳，并且在钻井过程中维持与地层的连接关系。滑动套筒以旋转关系支撑在旋转工具束套的一个部分的周围，并且通过多个从滑动套筒中径向向外突出的弹性刀片与钻进中的井眼壁维持机械联结和基本上非旋转关系。本发明专利还可以与可控泥浆马达、推进器设备、弹性潜水器及在其中的任何联合装置连接装配在一起。另外，此专利的主动/有效控制旋转导向钻井系统能够使定向可控钻井通过旋转钻柱、泥浆马达或两者兼备而选择性地供以动力，并且在钻井过程中提供精确的钻头重量和钻头方向的精确度的控制。与本专利相关的另一专利是美国专利No.5,265,682。682专利揭示的是一个通过推动器维持井下仪器预装件处于横向稳定方向。横向稳定仪器用于调整对一组持续激活的促进钻头在预期方向的径向活塞的流体压力。682专利的钻头导向系统与本专利的导向系统最显著的不同是利用不同的方法使钻头按预期的方向偏离。682专利描述的机械装置利用反作用于井筒壁的活塞在井筒内以预期的横向方向对钻头施加压力。因为682专利的导向钻井系统的液压组件暴露在钻井液中且旋转工具的旋转缓冲器也暴露地与井壁接触，所以这样的钻具的使用寿命将会受到限制。相反，本发明专利的旋转导向钻具没有液压组件和暴露在钻井液中或井筒壁上的施加压力传输缓冲器。本发明专利的旋转导向钻具结合了一个自动增能传感感应液压系统以维持钻井系统的偏移心轴的与地球的相对位置不变且与旋转工具束套保持角度导向关系，以便使其偏离主井眼方向，从而保持钻头指向预期的井眼方向。本发明专利的水压偏移心轴定位系统在钻铤内的万能接头支撑的周围完成偏移心轴轴线的枢轴定位，以便当偏移心轴通过旋转工具束套旋转时与钻层保持与地球的相对位置不变关系的定位。在本发明专利范围内的旋转导向钻具，各种不同的导航传感器和电子组件均定位在基本上非旋转的、在钻具的旋转工具束套周围作相对旋转的固定滑动套筒内，而非在旋转组件里，如工具束套，以便能够简化导航传感器的电子组件以确保其精确性和延长使用寿命。 概要本发明专利的主要特征是提供了一个全新的主动控制旋转导向钻井系统，该系统由旋转钻柱、泥浆马达或旋转钻柱和泥浆马达的联合体来驱动的，并且允许通过由旋转导向钻具的旋转工具束套而旋转的钻头的精确导向而选择性地钻进弯曲井眼部分。本发明专利的第二个特征是提供了一个具有偏移心轴的全新主动控制旋转导向钻井系统，偏移心轴在钻井作业中通过旋转工具束套被旋转驱动，并且枢轴固定在工具束套内。偏移心轴保持指向与钻层的(与地球的)相对位置不变的位置，并且保持指向理想的倾斜度和方位角，以便使弯曲井眼按预期的目标钻进。本发明专利的第三个特征是提供了一个具有钻井液动力液压泵，液压泵为通过液压定位活塞的伺服阀控制增能的偏移心轴的位置控制而供给增压泥浆的全新主动控制旋转导向钻井系统。为了操纵钻头，液压定位活塞完成相对于旋转工具束套的偏移心轴的与地球的相对位置不变的定位。本发明专利的第三个特征是提供了一个具有电子电源配电板、定位感应和控制系统的全新主动控制旋转导向钻井系统。定位感应和控制系统安装在耦合元件内，耦合元件与工具的旋转工具束套处于旋转关系，并且在钻井过程中通过多个与井筒壁耦合联结一起的弹性刀片而维持与井眼壁的耦合联结和基本上的静止关系。此发明专利的另一个特征是在基本上静止的耦合元件内部而不是在钻具的旋转部件内定位导航传感器和一些电子组件，从而预防工具的电子电源配电板和导航感应器可能发生的旋转而导致干扰，并且允许大大地简化工具的控制电路。本发明专利的又一特征是提供了具有一个与旋转工具束套处于旋转关系的基本上非旋转的滑动套筒和多个延长的弯曲弹性耦合刀片的全新主动控制旋转导向钻井系统。弹性耦合刀片维持相对于钻层的钻具的滑行耦合联结，抑制非旋转滑动套筒的旋转，并且提供钻进中井眼的卡钳/测径器的测量。简言之，本发明专利的各种不同的目标和特征通过所提供的具有由旋转驱动部件（如泥浆马达的输出转动轴或由钻塔的转盘驱动的旋转钻柱）旋转驱动的旋转工具束套的主动控制旋转导向钻具来实现的。偏移心轴（此处有时也指钻头转动轴），是通过万能接头安装在旋转工具束套内部，并且直接通过旋转工具束套旋转。偏移心轴的下端从旋转束套下端伸出，并且提供与钻头螺纹连接。旋转工具束套的轴线与偏移心轴的轴线之间的角度是由位于旋转工具束套内的多个液压活塞来维持的。液压活塞被激活伺服阀的传感器反应伺服装置环选择性地控制和定位以便偏移心轴的轴线按预定的倾斜度和方位角维持与地球的相对位置不变。另外，这些预定的倾斜度和方位角选择性地控制应答地面生成的控制信号、计算机产生的信号、感应器产生的信号或其联合发出的信号。因而，本专利产品的旋转导向钻具位于井下和钻井过程中时是可以调整的且可控性地改变涉及工具束套的偏移心轴的角度，以便可控性地操纵通过偏移心轴旋转的钻头。扭矩直接通过在工具束套内部的由偏移心轴的铰链接合连接而建立起的铰接驱动连接从旋转工具束套传输到偏移心轴。另外，液压心轴定位活塞是伺服控制的以确保预定工具面被维持在外部干扰中。因为偏移心轴应该保持总是与地球的相对位置不变，所以偏移心轴通过固定在工具束套内部运动的液压增能活塞而在旋转工具束套内部维持其与地球的相对位置不变的定位。这一特征是通过定位活塞的自动伺服控制液压启动来完成的。定位活塞被精确地控制应答来自各种导航传感器的信号，并且应答趋于改变滑动工具束套和偏移心轴的轴线方向的各种不同的力。为了增强主动控制旋转导向钻具的弹性，钻具能够选择性地与许多电子感应、测量、反馈和定位系统相结合。工具的三维定位系统可以使用磁铁感应器以自动检测地球磁场，而且可以使用解析器、三轴加速器和回转仪感应器以便及时准确地判定任意点的工具位置。为了可控，旋转导向钻具将被提供一三轴加速器和一解析器。虽然也可以使用多个回转仪感应器，但是单个的回转仪感应器也可以合并在工具内部以提供旋转速度反馈，并且协助心轴的稳定性。工具的传感器和电子组件处理系统也提供方位角的持续测量和在钻井进程中实际的倾斜角度以便可以采取实时即刻的纠正测量而无需打断钻井过程。旋转钻具使用磁铁感应器、加速器或回转仪感应器结合一个以控制圈为基础的位置来提供控制偏移心轴的轴线方向的定位信号。而且从操作弹性的角度看，钻具可以结合反馈随钻测量系统(MWD)、射线探测器、电阻系数测井、密度和多孔性测井、音素测井和井眼成像系统、预测未来和预测周围仪器、钻头测量倾斜度、钻头旋转速度测量及马达传感器下的振动测量、钻头上重量、钻头上扭矩及钻头侧向力。另外，旋转导向钻具的电子组件和控制仪器提供从地面为工具编程的可能性，以便建立或改变工具方位角和倾斜度，并且建立或改变与工具束套的偏移心轴的弯曲角度关系。工具的电子电源配电板组件的电子存储器能够保留、利用和传输完整的井筒概况并完成地质导向向下钻进，因此从初始造斜到延伸钻井都可以使用钻具。另外，一弹性潜水器可以与工具一起使旋转导向钻具从底孔组件的其余部件和钻柱断开连接，并且允许由旋转导向钻井系统的电子组件导航。本发明专利除了其它的感应和测量特性外，主动控制旋转导向钻具还可以装备遥感勘测系统通过弹性潜水器和其它测量潜水器双向传输到随钻测量系统(MWD)测井和钻井作业中所获得的钻井信息。钻具可以结合位于预定的轴向间隔关系的传输器和接收器从而使信号通过接近井筒的地下钻层穿过预定的距离，以便在钻井过程中测量其电阻系数。钻具的电阻系数系统的电子组件及各种不同的测量控制系统的电子组件被安装在基本上非旋转滑动套筒内部，非旋转滑动套筒被设置在与钻具的旋转束套处于旋转关系。非旋转滑动套筒在钻井过程中通过多个耦合弹性刀片与钻层联结在一起，弹性刀片也用于保持滑动套筒的旋转。这一特征使得滑动套筒沿着井眼滑动，以便使滑动套筒基本上是静止的或每小时只旋转几圈，而不是随同工具的旋转部件一起旋转。因而，当进行钻井作业时可以保护工具的导航感应器和电子组件系统免受潜在的旋转感应干扰或破坏。本发明专利的首选的具体设备是在旋转导向钻具内部配备一液压泵以加强工具的配板上液压系统内的液体压力，以便为相对于旋转工具束套的偏移心轴的可控定位的液压增能活塞的运转提供压力(?)。液压泵是由流动钻井液驱动的。加压的液压流体被可控性地应用于应答引起伺服阀开动的感应器信号以维持钻井过程中偏移心轴的轴线与地球的相对位置不变和按预期的倾斜度和方位角倾斜。通过液压泵产生的液体压力也可以用在工具配电板(on-board)系统上，此系统包括线性差动变压器(LVDTs)以自动检测心轴开动活塞的位移，并且提供处理过程中的和用来控制活塞液压开动的位移信号。LVDTs还可以用来测量弹性耦合部件的径向位移以识别相对于钻进中井眼的中心线的主动控制旋转导向钻具的精确位置。根据首选的具体设备，为了提高机械效率，偏移心轴定位系统使用以任意适宜的万能接头的万能偏移心轴支撑，以便提供偏移心轴支撑在轴心方向和扭矩内，并且同时将万能接头处的摩擦力降到最低。万能接头处的摩擦力也可以通过确保其各部件周围含有润滑油而降到最小，而且还可以通过排除万能接头中的钻井液而使摩擦力降到最小且同时允许在钻井过程中相对于旋转工具束套的偏移心轴的重大的导向控制运动。螺线管阀的控制操作电源和工具的电子组件系统的电源是通过配电板交流发电机产生的，交流发电机是由通过暴露在钻井液中的涡轮机或容积式(油)马达的流动钻井液提供动力（运转）的。交流发电机的电输出也可以用来维持电池组的电能充电。当交流发电机不能由流动钻井液供电时，电池组为配电板电子组件以及其它的不同配电板电子仪器的运转提供电能。例图说明例图只是对钻具的典型设备作了描述，其形状范围不仅仅限于此型。图1显示的是根据此发明专利的钻进中井的示意性图解，并且显示通过主动控制旋转导向钻井系统和方法的井筒下部的偏离。图2显示的是依照此发明专利原理制造的旋转导向钻井系统的截面图。图3显示的是该发明专利的主动控制旋转导向钻井系统的一个部分的截面图和产生电能和液压的钻井液增能系统的截面图，而且进一步显示一基本上非旋转的滑动套筒。图3是液压和电子组件示意图解，显示的是 液压伺服环/圈。首选具体设备的描述本发明专利的主动控制旋转导向钻井系统包含四个基础部分：偏移机械装置、滑动套筒、控制系统和发电系统。偏移机械装置-偏移机械装置将钻头转动轴或偏移心轴和旋转工具束套结合在一起。偏移心轴通过万能接头被耦合联结到工具束套上，万能接头使得旋转工具束套能够将驱动旋转传递给偏移心轴和连接在偏移心轴前端的钻头。当工具束套将旋转传给偏移心轴时，万能接头允许维持相对于偏移心轴的所选角度的定位。这一特性将扭矩和重力从工具束套传输到偏移心轴同时保持偏移心轴指向一假设的偏离钻井的方向，例如，弯曲井筒。偏移心轴的方向通过由两个伺服阀开动四个液压活塞的运转而保持片刻的固定不变。滑动套筒-滑动套筒被固定在旋转工具束套的一个部分的周围做相关的旋转，并且被多个(典型的是3个)从滑动套筒向外伸出的、且维持滑动套筒与井筒壁基本上非旋转关系的弹性刀片耦合联结到井筒壁上。滑动套筒为包括一个三轴伺服加速器和一个解析器的导航传感器提供支持，而且为位置信号捕获电子组件提供支持。滑动套筒还支持旋转变压器将加速器测量传输到钻具的部分。钻进中的井眼的测径器测量也可以通过测量涉及滑动套筒的三个弹性耦合刀片中的每一个的轴向位移而被合并在旋转导向钻井系统内。控制系统-本发明专利的旋转导向钻具的导向控制系统是液压伺服环的形状且与工具的导航传感器和电子装置合并在一起。液压伺服环包括一个解析器以探测相对于滑动套筒的钻铤的方向，并且还包括一个三轴加速器以探测相对于重力场的滑动套筒的方向。液压伺服环还包括两个线性差动变压器(LVDTs) 以探测相对于旋转工具束套的液压汽缸的液压活塞的径向位置，液压活塞可移动地保持在旋转工具束套内部。两个电子控制伺服阀也被合并在液压伺服环内部以便使相对于旋转工具束套的液压活塞同步。液压伺服环还包括导航传感器和伺服阀的信号探测和控制电子装置。发电系统-通过使用容积式(油)马达(PAM)或涡轮机将来自流动钻井液的电能转换成机械能。PDM或涡轮机的输出转动轴被耦合联结到一个泵(齿轮泵或活塞泵)上，该泵将液压能提供给伺服阀。交流发电机也可以耦合联结到PAM或涡轮机的输出转动轴上以便为操纵旋转导向钻井系统的电子装置和传感器提供电源。本发明专利的主动控制旋转导向钻井系统还能够与随钻测量系统(MWD/LWD)连接在一起。使用通过钻层的感应型传输可以获得与MWD/LWD工具的双向交流。本发明专利的旋转导向钻井系统的双向交流系统还允许在MWD/LWD工具和旋转导向钻井系统之间合并上一泥浆马达，以便泥浆马达可以用来为工具束套的旋转提供旋转动力且供给钻具适当的扭矩和有效导向钻井的重力。需要使四个液压活塞同步的以及获得和维持钻头偏移的液压动力是由PDM或涡轮机通过液压泵和两个伺服阀而传递的。相对于重力场的偏移心轴的方向是从两套测量装置中获取的。相对于重力场(工具面板)的工具束套的旋转是由相对于滑动套筒(解析器)的工具束套的旋转测量值和相对于重力场(加速器)的滑动套筒的旋转测量值相结合而决定的。当相对于井眼的滑动套筒的旋转很慢时(每小时几圈)，来自径向加速器的信号就可以很容易地被过滤出来以抵制震动和颤动引起的噪音以便只保留信号的DC部分。相对于旋转工具束套的偏移心轴的定位是由两套液压活塞的位移的结合测量数据而决定的。这一位移是用两个安置在活塞室内的LVDTs来测量的。从运动学的角度来看，相对于旋转工具束套沿着x和y轴的活塞位移的振幅是正弦曲线，并且x和y位移的相角差是90: Ax=A sinwt Ay=Asin(wt+90) A=钻头偏移(如图2所示L1/L2) w=旋转工具束套的转速。与旋转工具束套的旋转相结合的Ax和Ay位移导致/产生一固定的向量，该向量保持偏移心轴的轴线指向固定的方向。工具面是由相对于重力场的这一固定向量的方向所决定的。图1 井筒1显示的是通过旋转导向钻具正在钻进中的井眼，体现该发明专利原理。旋转导向钻具10连接在钻柱下端2，钻柱向上延伸至由旋转钻台驱动钻柱的地面。应记住旋转钻柱在本发明专利的实际应用中并非必需的。旋转导向钻具也可以通过连接到非旋转钻柱上的泥浆马达的旋转输出转动轴来驱动。换言之，可以使用旋转钻柱且泥浆马达可以被连接在其内部以便旋转钻柱可以按预期的旋转速度操纵，并且由泥浆马达驱动的钻头可以按不同的旋转速度操纵。为了达到对钻头施加重力及稳固钻柱的目的，钻柱2与具有一个或多个钻铤5的钻杆4合并。井筒1显示的是在主动控制旋转导向钻具10控制下的、正在钻进中的、具有一垂直的或基本上垂直的井筒的上部和一偏离的、弯曲的或横向的井筒的下部7。根据专利工具的原理，井筒的下部7将会通过钻具10的导向运动而偏离井筒垂直的上部。如图1所示，直接靠近旋转导向钻具10的钻柱可以与一弹性潜水器8合并，这样可以为旋转导向钻井系统提供增强的钻井精确性。根据通常的实际作业，钻井液或“泥浆”是由地面泵向下通过钻柱2而循环的，在此处钻井液通过钻头20上的喷射口喷出来，并且通过钻柱2和井筒壁之间的环面21而返回到地面。图2所示，支撑钻头20的与相对于钻具10的旋转管状工具箍/束套12处于控制角度关系的偏移心轴14的角度始终被维持，即使钻具和钻头由钻柱、泥浆马达或其它的旋转驱动机械装置带动旋转，从而使钻头被导向钻出一弯曲井眼部分。钻具的导向是从倾斜和方位角（如：左和右）的角度而被选择性完成的。另外，旋转导向钻具的偏移心轴定位装置可以按预期改变，例如，通过泥浆脉冲遥测术使钻头选择性地改变钻进中的井眼轨迹，从而根据x,y和z轴指引偏离井眼的方向，以便精确地导向钻头和控制钻进中的井眼。参见图2，主动控制旋转导向钻具10与可以通过任何适当方法(如泥浆马达的旋转输出或旋转钻柱)旋转的旋转工具箍/束套12合并在一起。在旋转工具箍/束套12内部，偏移心轴14由万能接头16支撑，万能接头16使偏移心轴14在钻井过程中与旋转工具箍/束套12一起旋转，并且允许偏移心轴14在相对于工具箍的枢轴点P周围做枢轴转动。在钻井作业中，相对于工具箍/束套12的偏移心轴14的与地球的相对位置不变的定位是由偏移机械装置18可控制性地建立的。为了达到偏移心轴14在通过旋转工具箍/束套12旋转期间的与地球的相对位置不变的定位，偏移心轴14被持续地定位在涉及通过偏移机械装置18旋转的转速的位置，以便当偏移心轴14旋转时，始终保持指向预定的方位角和倾斜度的方向。这一特性可以使钻进中的井眼能够按预定的方式被导向，例如，可能需要的从主井眼分开的分支井眼钻井或将钻进中的井眼导向地下不规则的生产层区。在钻井过程中，偏移心轴14是由旋转工具箍/束套12以直接施加到偏移心轴上的工具箍的旋转力的方式而旋转驱动的，以便当旋转工具箍/束套12旋转时偏移心轴和其钻头被直接驱动。另外，将偏移心轴14与旋转工具箍连接在一起的万能接头16允许钻头20向上指向的推力通过万能接头16从偏移心轴14传递到旋转工具箍/束套12。因此，所显示的偏移心轴14是管状的形状，从而确定了当钻井液前进到钻头20的流动通道系统24时被允许通过的一个流道22。在旋转工具箍/束套12和偏移心轴14之间，旋转导向钻具10确定了一环形空间26，环形空间包含防护流动介质(如润滑油)，此处指储油器。偏移机械装置和万能接头的各种不同的部件因此而受到防护液介质的保护，从而达到将这些部件与具有腐蚀性的钻井液隔离开来的目的并因此延长了旋转导向钻井机械装置的使用寿命。在储油器26内部的润滑油或其它的防护液介质是由伸缩软管密封组件根据井下钻井液环境而密封的。因此，储油器26内部的油不仅是一种润滑介质而且是一种与伸缩软管密封相呼应的功能元件，以便使旋转导向钻具的偏置机械装置与钻井液的污染隔离开。为了允许将推力从偏移心轴传递到工具箍/束套12，偏移心轴14确定了一循环/圆形凹槽(28), 循环/圆形凹槽(28)接收至少两个推力传递模块(30)。推力传递模块(30)通过推力传递元件(34)的循环固定器法兰(32)被保持在循环/圆形凹槽(28)内部。推力传递元件(34)确定了一弯曲轴的末端面36，该轴的末端面被有效地定位传输与推力传输环(40)的凹锥面(38)接触。推力传输环(40)被支撑在推力传递套内(42)，推力传递套(42)依次支撑在工具箍/束套12的内部侧翼(44)上。推力传递套(42 )通过固定器元件(46)被确保与相对于工具箍/束套12的轴向运动相反。推力传递套(42 )还确定了一个有足够尺寸的内部通路48以允许偏移心轴14相对于工具箍/束套12的枢轴运动范围。内部通路48被锥形表面50部分地限定以确保推力传递套(42 )不会干扰在工具箍/束套12内部的偏移心轴14的定位。固定器环52定位与推力传递元件34的圆形推力传递接触/啮合，并且协助固定器法兰(32)捕获在偏移心轴14的圆形凹槽28内部的推力传递模块30。固定器环52确定了一球形凹面模块54有效传输与枢轴控制环58的凸球面模块56的啮合。环状元件40、34、52和58被有效地传输彼此之间的接合/啮合以及通过盘形贝氏弹簧60、62与推力传输模块啮合。盘形贝氏弹簧60、62还有效地允许在枢轴点P周围的偏移心轴14的枢轴运动，并且当相应的推力传输环40和枢轴控制环58在推力传递套42内部保持基本静止状态时允许推力传递元件34和固定器环52与偏移心轴14一起作横向运动。因此，在钻井作业过程中，向上的推力通过推力传递模块30、推力传递元件(34)、推力传输环40和推力传递套42的上端部分从偏移心轴14传输到工具箍/束套12。在工具箍/束套12和偏移心轴14之间传输的向下的推力将会通过推力传递模块30、固定器环52和枢轴控制环58传递。这些向下的推力也可以通过万能接头16和下盘形贝氏弹簧62来调节。为了通过工具箍/束套12提供偏移心轴14的旋转，万能驱动元件64与其内部的圆形外围66一起定位，圆形外围66被设置与偏移心轴14的驱动部分68处于非旋转关系。万能驱动元件64确保与来自偏移心轴14上的固定定位的轴向运动相反。如果按所期望的话，万能驱动元件64可以与偏移心轴14花键联接或可以锁定在偏移心轴14上以便建立非旋转关系。从外形上看，万能驱动元件64确定了一外部环状部分72，该外部环状部分拥有多个齿轮或花键形式的驱动齿。在内部，工具箍/束套12确定了相应的多个内部驱动齿或花键，从而建立起与外部环状部分72的齿或花键的旋转驱动联接。当在偏移心轴14和工具箍/束套12之间维持直接的旋转驱动关系时，工具箍/束套12和偏移心轴14之间的花键或齿轮牙驱动关系被设计允许偏移心轴14在枢轴点P周围作枢轴运动。如上所述，允许相对于工具箍/束套12的偏移心轴14在枢轴点P周围的有效角度定位是适当的，并且还维持偏移心轴14和将在储油箱内部包含润滑油的工具箍/束套12的密封关系以及保护万能接头16和偏移机械装置18免受钻井液的污染。根据图2所示的本发明专利的首选具体设备，钻具下端的密封组装部件76与具有上部伸缩软管支撑环80的密封伸缩软管78合并，支撑环80以密封关系固定在偏移心轴14的外部密封面82周围。上部伸缩软管支撑环80向下支撑在偏移心轴14的圆形侧翼84上。密封伸缩软管78的下端被固定在伸缩软管底托和密封环86上，密封环86通过开口环形固定器元件90保持与管状密封底座88保持密封关系，开口环形固定器元件90被安装在管状密封底座内部的内凹槽内。管状密封底座88被螺纹接线92固定在工具箍/束套12的下或前端内，并且进一步被管状端帽/盖96的下固定器法兰94固定。管状端帽/盖96被螺纹接线98螺纹连接到工具箍/束套12上。偏移心轴14在其上端或曳尾端由上伸缩软管密封100根据管状工具箍/束套12而密封。虽然不要求，但是管状端帽/盖96可以被提供一外部螺旋或有凹槽的几何结构，该几何结构的作用是协助钻井液向上通过在旋转导向钻具和钻进中的井眼壁之间的环状空间。如上所述，本旋转导向钻具将被提供一能够维持偏移心轴14相对于正在钻进的地层(与地球的)相对位置不变的偏移机械装置，并且从钻具位置上方的主井眼偏移。根据本专利的首选具体设备，旋转导向钻具被供以液压增能系统以定位相对于旋转工具箍/束套的偏移心轴，并且在工具箍/束套旋转期间和通过旋转工具箍/束套的偏移心轴的旋转期间维持偏移心轴的与地球的相对位置不变的定位。为实现这一特征，旋转工具箍/束套12清楚地规定了两对互相对应的液压汽缸。如图2所示，102和104是一对完全相对应的液压汽缸。如图4中所示，106和108也是一对完全相对应的液压汽缸。液压活塞110、112、114和116在它们各自的液压汽缸内运动以达到对偏移心轴14传递定位控制的目的。图2和图4所示，设置外部轴承轨道118以便与四个活塞中的每一个进行力传输连接。如图4所示，这一外部轴承轨道118可以清楚地规定出平滑的表面，如图中的120，以便在液压活塞和外部轴承轨道之间建立有效的力传输面的接合。如图2所示，内部轴承轨道122被花键接线124固定与偏移心轴14处于非旋转关系。在钻井过程中持续调整偏移心轴14在枢轴点P周围的定位是适当的。根据本发明专利，偏移心轴14的与地球的相对位置不变的轴线的定位是在伺服阀控制下液压建立起来的，伺服阀选择性地被驱动应答适当的定位感应信号。从图3明显看出，诱导能量以控制偏移心轴14定位的液压是通过液压泵126产生的，液压泵位于旋转工具箍/束套12内部的泵贮藏器128内部。液压泵126是由可以提供给旋转导向钻具10的任何相配的旋转驱动装置来驱动的。如图3所示，容积式(油)马达(PDM)或涡轮机130是由来自工具流道132的钻井液流动通过液压泵而被旋转驱动，从而提供PDM或涡轮机输出转动轴134的驱动旋转。PDM或涡轮机输出转动轴134是根据一内部护罩136密封的，钻井液通道138被清楚规定在内部护罩136的周围。如果按所期望的，钻井液通道138可以被一环形空间规定在工具箍/束套12的内壁140和内部护罩136之间。这一特性能够使在内部护罩136周围的钻井液流动以便提供位于内部护罩之内的机械和电子部件的冷却。PDM或涡轮机130的输出传动轴134根据旋转工具箍/束套12被密封元件142密封，从而阻止钻井液污染位于内部护罩136内部的电子和机械部件。旋转传动轴密封元件142是暴露在钻井液中的旋转导向钻井系统的唯一的旋转密封部件。输出传动轴134以驱动关系与交流发电机144联接在一起，交流发电机144提供电子输出以便为应答通过工具的钻井液流动的钻具的电子和电动机械部件供以动力。交流发电机同样也被提供一个与液压泵126以驱动关系联接的输出转动轴146，以便液压泵被驱动应答通过主动控制旋转导向钻具的钻井液的流动。液压泵126按使用者的意图可以是齿轮或活塞泵。液压泵126提供了一个增压的水压流体输出端148，该输出端被传导到伺服阀150和152（如图4）。为应答PDM或涡轮机130，液压泵126给液压补给线/管道154提供在压力下的液压流体，液压补给线/管道154将加压的液压流体供给通过液压线/管道158的液体压力控制，并且通过液压补给线/管道160和162将加压的液压流体引导到伺服阀150和152。如图4在阀门状态下，对液压缸108的加压液压流体的供应是通过伺服阀152和其液压线/管道166而发生的，因而使活塞116将力传递给沿X轴的偏移心轴14。同时，液压缸106内的液压流体通过液压线/管道170、伺服阀152和液压返回线/管道172返回到液压贮液器174。伺服阀150也可以通过管道164将加压的液压流体供给液压缸104，从而引起活塞112的运动以便通过轴承组装部件将力传递到偏移心轴14因而使偏移心轴14沿Y轴移转。偏移心轴14的定位是通过操作彼此间成90度相角的活塞112和116而完成的。阀门定位这一特性是通过电子电路176实现的。电子电路176通过来自控制器180的信号导体178而接收到信号，然后再通过信号导体182和184将信号传输到各自的伺服阀150和152。虽然在钻井作业期间工具箍/束套12旋转且将直接驱动旋转传递到钻头20，但是这一旋转可能会折衷或干扰来自主动控制旋转导向钻具的导航感应器的信号。为了确保抵制这样的旋转干扰，旋转工具箍/束套12清楚规定了图3所描述的缩小了直径的中间部分186。以非旋转滑动套筒188形式呈现的耦合元件位于缩小了直径的中间部分的周围，并且被与之存在相关旋转关系的轴承构件190和192支撑。在钻井期间，非旋转滑动套筒被多个(最好是3个)弹性刀片(如194)与钻进中的井筒壁机械耦合在一起。弹性刀片194是弯曲的结构且与中间部分196一起被固定，并在此从滑动套筒188内放射状地/径向地向外伸出以便强行与井筒壁“W”接触。弹性刀片194的每一个刀片的末端部分200和201都以任意适当的方式被联接到非旋转滑动套筒188上。因此，当旋转工具箍/束套12在钻井过程中旋转时，非旋转滑动套筒188由弹性刀片194的阻力被维持与钻进中的井筒壁“W”基本上非旋转的关系。滑动套筒188最好拥有3个弹性刀片确定与井眼壁联接的3个触点几何形状，尽管可能需要更多数量的弹性刀片。在实际操作中，非旋转滑动套筒188旋转得很慢，也许每小时只旋转几圈。来自导航传感器、被固定到旋转工具箍/束套12上的解析器202 和安装到滑动套筒188上的三轴加速器204的电子定位信号将不需要过滤或需要其它的电子处理而将感应信号干扰减少到最低。由于加速器固定在滑动套筒188上且通过弹性刀片194直接与井眼壁联接，因此不需要高频带宽传感器。除了三轴加速器和解析器之外，非旋转滑动套筒188还将使用一个旋转变压器将加速器测量数据传输到工具的旋转部分。通过测量相对于钻具10的非旋转滑动套筒188的3个弹性刀片194的每一个刀片的径向位移还可以将测径器测量结合在一起。如果每个弹性刀片的一端相对于非旋转滑动套筒188而轴向移动，那么井眼的测径器测量可以通过测量相对于非旋转滑动套筒188的弹性刀片的轴向位移而完成。图4中所示的液压伺服环系统的控制器180接收来自解析器202和三轴加速器204经由信号传导体206和208的电子信号输入。控制器180也接收代表相对于工具箍/束套12的液压活塞110和114的径向定位的信号输入。液压汽缸102和104将活塞定位测量装置合并在一起，例如，测量各自活塞110和112径向位移的LVATs(线性差动变换器)210和212，并且将经由信号传导体214和216的定位信号传输到控制器180。这些活塞定位信号与来自解析器202和加速器204的定位信号被一同处理而产生经由信号传导体178至90度相角电路176传播的控制器输出信号。本旋转导向钻井系统是以由伺服阀控制的液压动力为基础的，不需要高级电子装置。本发明专利对损害之前产品的导向钻井系统的许多问题都提供了有效的解决方法。本发明专利在高温下使用PWM(脉宽调制)动力驱动时不需要散热。本发明实现了带有低柱信号的地层评价测量的结合，例如，电阻系数、侧向测井和感应测量。本发明专利的控制系统是低电压、低功率，并且引起的电磁干扰非常低。本发明专利基本上排除使用与钻井液接触的旋转密封装置。此处规定的首选具体设备利用伸缩鼓式密封以弥补相对于旋转工具箍/束套的偏移心轴的振荡运动。本发明专利的旋转导向钻井系统的唯一的旋转密封位于发电组合部件内，发电组合部件在钻井液驱动的容积式(油)马达(PDM)和交流发电机之间。根据本发明专利，没有必要从地面提供液压动力源。本发明专利的液压动力系统包含在旋转导向钻具内部，并且把来自流动钻井液的机械能直接经由PDM转换成液压泵的水能。旋转导向钻具的液压控制环自动操作应答导航感应器和控制电子组件的信号以维持偏移心轴与其与地球的相对位置不变的轴线指向预定的方向，以便使支撑在此的钻头钻出一具有预定的倾斜度和方位角的弯曲井筒。用于探测偏移心轴方向的稳定器是一个解析器和至少一个加速计。由于加速计固定在被弹性耦合元件直接联接到井眼的非旋转滑动套筒上，因此不需要高频带宽传感器。牙轮钻头偏移被两个伺服阀直接控制，伺服阀被电子控制应答导航传感器的信号，该信号被装在旋转导向钻井系统上的电子组件(综合)设备处理。不需要额外的导向系统。如上所述，某些导向钻井系统含有与腐蚀性钻井液直接接触的旋转部件，因此其使用寿命受到钻井液限制。本发明专利的旋转导向钻井系统的导向部件被保护而不会受到钻井液的侵蚀。液压活塞位于钻具内部且与钻井液隔离开来。实际上，偏移心轴的定位和旋转驱动的所有移动机械部件，例如，液压活塞、伺服阀和万能接头，都安装在钻具的盛有润滑油或其它保护液介质的内部室内以便使这些部件不会暴露在钻井液中，从而延长了它们的使用寿命。很显然，本发明专利对于那些在此技术领域的专业人员来说可以在未背离专利的基本特性的情况下而很容易地以其它独特外形制造出来。因此，本发明专利的首选具体设备可以仅作图示例证说明而不限于前述的范围。我们声明：1上述的钻井和带有主动控制旋转导向钻井系统的同时导向钻头的方法包括：(a) 在钻进中的井筒内部旋转的管状旋转工具箍/束套和固定在上述的管状旋转工具箍/束套内部的作相对运动的偏移心轴；偏移心轴适应于支撑钻头且被上述的管状旋转工具箍/束套旋转驱动；上述的主动控制旋转导向钻井系统拥有信号应答导向装置；(b) 产生调整相对于上述管状旋转工具箍/束套的上述偏移心轴定位的导向信号；(c) 应答上述的维持偏移心轴在通过上述管状旋转工具箍/束套旋转期间按预定的倾斜角和方位角导向的转向信号；2在声明1的方法中，一耦合联接元件被固定与上述管状旋转工具箍/束套一起相对旋转，并且具有多个径向向外伸出的与钻进中的井眼壁接触的弹性耦合刀片。上述的方法进一步包括：(d) 维持上述的多个弹性耦合刀片在上述管状旋转工具箍/束套旋转期间与钻进中的地层处于机械连接基本上静止的关系；3在声明1的方法中，耦合元件与上述管状旋转工具箍/束套处于旋转关系，并且导航传感器被固定到上述耦合元件上。上述的方法进一步包括：(d) 维持上述耦合元件和导航传感器在上述管状旋转工具箍/束套旋转期间与钻进中的井眼处于基本上静止的关系；4在声明1的方法中，主动控制旋转导向钻井系统拥有液压和电子系统以产生液压流体压力和产生应答流动钻井液的电能。液压活塞装置将定位控制运动传递给相对于上述管状旋转工具箍/束套的上述偏移心轴。至少拥有一个伺服阀以控制液压压力，液压压力导致了应答上述转向信号的上述液压活塞装置的运动。上述方法进一步包括：(d) 产生液压压力和应答钻井液流动的电能；(e) 电力驱使上述的至少一个伺服阀以应答控制液压压力传输到上述液压活塞装置的转向信号，并且液压移动相对于上述管状旋转工具箍/束套的上述偏移心轴。5在声明4的方法中，液压活塞装置包括至少两个活塞，每个活塞都位于上述的管状旋转工具箍/束套内。上述方法进一步包括：(f) 有选择地、独立地控制对每一个上述液压活塞的液压压力的应用以使在上述管状旋转工具箍/束套内部的上述偏移心轴的活塞驱动枢轴定位。6在声明1的方法中，上述管状旋转工具箍/束套拥有带液压活塞装置的液压汽缸，液压活塞装置可移动地固定在液压汽缸装置内，并且与偏移心轴处于有效地传输关系；拥有控制对上述液压汽缸装置的液压压力的伺服阀。上述方法进一步包括：(d) 探测位于液压汽缸装置内部的上述液压活塞的装置的各自的定位/位置，并且产生电子活塞定位信号； (e) 识别液压汽缸装置内部的上述液压活塞装置的预期的位置变化以达到相对于上述管状旋转工具箍/束套的偏移心轴的预期的定位变化的目的；(f) 控制性地驱使上述伺服阀以便独立控制对上述液压汽缸装置的液压压力的传递，从而实现上述的液压活塞装置的预期定位变化。7在声明6的方法中，上述液压汽缸装置拥有液压流体以使液压活塞移动应答液压压力。上述方法进一步包括：(g) 探测位于液压汽缸装置内部的液压流体的容积以识别上述液压汽缸装置内部的活塞位置/定位；(h) 改变液压汽缸装置内部的液压流体的容积，从而改变液压活塞的位置/定位，并且改变上述管状旋转工具箍/束套内部的上述偏移心轴的位置/定位；(i) 继续地改变上述管状旋转工具箍/束套内部的上述偏移心轴的位置/定位以维持上述偏移心轴在通过上述管状旋转工具箍/束套旋转期间按预定的方位角和倾斜度基本上处于与地球的相对位置不变的关系和定向。8在声明1的方法中，上述的产生导向信号包括：(a) 检测上述管状旋转工具箍/束套的位置和方向和相对于上述管状旋转工具箍/束套的上述偏移心轴的成/有角度的位置，并且实时定位信号；(b) 处理上述的实时定位信号并从那里产生上述的转向/导向信号；(c) 控制液压引起的对上述偏移心轴的力的应用以应答上述的转向/导向信号从而维持相对于上述管状旋转工具箍/束套的上述偏移心轴的选择性地定位。9在声明1的方法中，上述的旋转导向钻井系统包括仪表板(电路板/配电板?)电子组件以接收遥感勘测传输导向控制信号。上述方法进一步包括：(d) 通过来自地面位置的信号遥感勘测将导向控制信号传输到上述的旋转导向钻井系统的仪表板(电路板/配电板?)电子组件；(e) 控制相对于上述管状旋转工具箍/束套的上述偏移心轴的与地球的相对位置不变的定位。10在声明1的方法中，上述管状旋转工具箍/束套至少拥有两个液压汽缸，每个汽缸带有一个与上述偏移心轴处于定位(压)力传输关系；拥有对上述液压汽缸和液压伺服阀装置的加压液压流体供给以便有选择地将加压液压流体从上述液压流体供给传递到上述液压汽缸；拥有一个接收定位信号的控制器和选择性地驱使上述液压伺服阀装置为相对于上述管状旋转工具箍/束套的上述偏移心轴的液压控制定位。上述方法进一步包括：(d) 产生代表上述液压汽缸内部的上述液压活塞位置的活塞定位信号；(e) 提供代表上述管状旋转工具箍/束套位置的工具箍/束套定位信号；(f) 通过上述控制器处理上述的活塞定位信号和上述的工具箍/束套定位信号，提供来自上述控制器的伺服阀位置输出信号以必要地改变上述的液压伺服阀的定位，从而维持相对于上述管状旋转工具箍/束套的上述偏移心轴的预定的成/有角度定位。11上述的钻井和带有主动控制旋转导向钻井系统的同时导向钻头的方法进一步包括：(a) 在正在钻进的井眼内部旋转的管状旋转工具箍/束套，偏移心轴固定在上述管状旋转工