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BR112018013835B1 - BOTTOM WELL ASSEMBLY AND DIRECTIONAL DRILLING METHOD OF WELL BORE SECTIONS - Google Patents

BOTTOM WELL ASSEMBLY AND DIRECTIONAL DRILLING METHOD OF WELL BORE SECTIONS Download PDF

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BR112018013835B1
BR112018013835B1 BR112018013835-5A BR112018013835A BR112018013835B1 BR 112018013835 B1 BR112018013835 B1 BR 112018013835B1 BR 112018013835 A BR112018013835 A BR 112018013835A BR 112018013835 B1 BR112018013835 B1 BR 112018013835B1
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BR
Brazil
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drill
tool
fact
assembly
drilling
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BR112018013835-5A
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BR112018013835A2 (en
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Saad Bargach
Stephen D. Bonner
Raymond V. Nold, Iii
James P. Massey
Jon A. Brunetti
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Isodrill, Inc
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Publication date
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Abstract

O sistema e ferramenta de perfuração conduzível giratória descritos no presente documento combinam ambas as técnicas aponte a broca e empurre a broca para mudar ativamente a direção da trajetória de poço inacabado. Nesse sistema, o deflexionamento da broca de perfuração é limitado a um único grau de liberdade em relação a um sistema de coordenação que está fixo à e gira com a ferramenta de perfuração conduzível giratória, que resulta em uma afixação simplificada da montagem de broca e mecânicas de unidade impelidora. Adicionalmente, a condução do poço é realizada controlando-se dinamicamente a fase e amplitude espaciais dos deflexionamentos oscilantes bidirecionais simétricos coerentes da broca de perfuração em relação a informações terrestres fixas à medida que a ferramenta está girando, aponta e empurra simultaneamente a broca. A amplitude e força dos deflexionamentos de broca podem ser controladas de modo variável durante operações de condução para ajustar dinamicamente a taxa de acúmulo instantâneo conforme necessário. Quando a condução não está ativa, a broca pode ser mecanicamente travada na posição neutra.The rotary drill tool and system described herein combine both point the bit and push the bit techniques to actively change the direction of the unfinished hole path. In this system, deflection of the drill bit is limited to a single degree of freedom with respect to a coordination system that is attached to and rotates with the rotatable steerable drill tool, which results in simplified attachment of the drill assembly and mechanics. impeller unit. Additionally, drilling is accomplished by dynamically controlling the spatial phase and amplitude of coherent symmetrical bidirectional oscillating deflections of the drill bit relative to fixed ground information as the tool is simultaneously rotating, aiming and pushing the bit. The amplitude and strength of drill deflections can be variably controlled during driving operations to dynamically adjust the instantaneous build-up rate as needed. When driving is not active, the drill can be mechanically locked in the neutral position.

Description

CAMPO DA TÉCNICAFIELD OF TECHNIQUE

[001] O aparelho e métodos revelados nesta invenção referem-se à perfuração de poços e a navegação de precisão de colocação de trajetórias de furo de poço, o que inclui poços para a produção de petróleo bruto de hidrocarboneto ou gás natural. Mais especificamente, o aparelho e métodos revelados nesta invenção se referem a uma montagem de fundo de poço de perfuração giratória que é conduzível e uma seção de potência de deslocamento positivo, que podem ser usadas independentemente ou em combinação entre si.[001] The apparatus and methods disclosed in this invention relate to drilling wells and precision navigation of placement of wellbore trajectories, which includes wells for the production of crude oil, hydrocarbon or natural gas. More specifically, the apparatus and methods disclosed in this invention relate to a rotary drilling downhole assembly that is driveable and a positive displacement power section, which can be used independently or in combination with each other.

ANTECEDENTESBACKGROUND

[002] Sistemas de perfuração conduzível giratória têm sido usados por muito tempo em perfuração direcional para hidrocarbonetos. Geralmente, tais sistemas usaram tanto a tecnologia “empurre a broca” como “aponte a broca”. O primeiro tipo de sistema descentraliza continuamente a broca em uma dada direção, enquanto o último muda a direção da broca em relação ao resto da ferramenta. Ambos os tipos de sistemas conduzíveis giratórios existentes oferecem vantagens significativas, embora ambos também sofram certas desvantagens, conforme discutido em detalhes adicionais abaixo.[002] Rotary drilling systems have long been used in directional drilling for hydrocarbons. Generally, such systems used both “push the bit” and “point the bit” technology. The first type of system continually off-centers the drill in a given direction, while the latter changes the direction of the drill relative to the rest of the tool. Both types of existing rotary drive systems offer significant advantages, although both also suffer from certain disadvantages, as discussed in further detail below.

[003] Uma revelação prévia para um aparelho e método de perfuração conduzível giratória é, o mais tardar, de 1973, e é descrita por Bradley na Patente no U.S. 3.743.034 (doravante “Bradley”). Essa revelação cobre uma faixa de tópicos, tais como usar uma turbina de interior de poço acionada por lama ou um motor elétrico para acionar uma bomba hidráulica de deslocamento positivo, o uso de uma junção universal para conectar dois eixos que podem ser arbitrária ou continuamente articulados em relação um ao outro e usar pistões hidráulicos como atuadores para manter continuamente uma direção desejada de compensação que é constante em relação a informações terrestres à medida que a ferramenta está girando. Visto que Bradley precede a aplicação comercial de microprocessadores em ferramentas de interior de poço, a mesma depende de um enlace de telemetria de alta velocidade escalar à superfície com a utilização de cano de perfuração com fio no qual segmentos de condutor elétrico isolado são construídos dentro de cada junção de cano de perfuração (conforme descrito por Fontenot em 1970 na Patente no U.S. 3.518.699) para transportar sinais elétricos através do cano de perfuração à superfície a fim de controlar a condução da ferramenta. Bradley revelou controlar o ângulo de deflexionamento da unidade impelidora regulando-se o comprimento de tempo de abertura e fechamento das válvulas de controle de pistão, as mesmas válvulas que também controlam a direção de perfuração nessa configuração, para permitir que quantidades maiores ou menores de fluido entrem ou deixem os pistões, o que, desse modo, muda a amplitude do movimento oscilante dos pistões.[003] A prior disclosure for a rotary drive drilling apparatus and method is no later than 1973 and is described by Bradley in U.S. Patent 1973. 3,743,034 (hereinafter "Bradley"). This disclosure covers a range of topics, such as using a mud-driven downhole turbine or an electric motor to drive a positive displacement hydraulic pump, the use of a universal joint to connect two shafts that can be arbitrarily or continuously articulated. relative to each other and use hydraulic pistons as actuators to continuously maintain a desired offset direction that is constant relative to ground information as the tool is rotating. Since Bradley predates the commercial application of microprocessors in downhole tools, it relies on a high-speed scalar surface telemetry link using wired drill pipe in which segments of insulated electrical conductor are constructed within each drill pipe joint (as described by Fontenot in 1970 in U.S. Patent 3,518,699) to carry electrical signals through the drill pipe to the surface in order to control tool driving. Bradley has been shown to control the angle of deflection of the impeller unit by regulating the length of time the piston control valves, the same valves that also control the drilling direction in this configuration, open and close, to allow greater or lesser amounts of fluid to flow. enter or leave the pistons, thereby changing the amplitude of the oscillating motion of the pistons.

[004] Alguns projetos anteriores de ferramentas conduzíveis giratórias usam a lama de perfuração e a queda de pressão ao longo da broca para atuar o mecanismo de unidade impelidora, independentemente de se usa a técnica aponte a broca, técnica empurre a broca ou uma combinação das duas. Outros projetos de ferramenta anteriores usam uma turbina de lama que aciona um alternador elétrico para gerar a energia elétrica para deslocar a broca e manter deslocamento angular.[004] Some previous designs of rotary driven tools use the drilling mud and the pressure drop along the bit to actuate the drive drive mechanism, regardless of whether you use the point the bit technique, push the bit technique or a combination of the two. two. Other earlier tool designs use a mud turbine that drives an electrical alternator to generate the electrical power to drive the bit and maintain angular displacement.

[005] O aparelho conduzível giratório que é o tópico desta revelação soluciona um número de limitações operacionais associado aos sistemas conduzíveis giratórios existentes. Inicialmente, é importante notar que essa revelação engloba duas invenções distintas, sendo que ambas são descritas e maiores detalhes abaixo - uma bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável e uma junta de dobradiça que limita a articulação da broca a um único grau de liberdade (ao invés de uma junta universal com 2 ou mais graus de liberdade), o que fornece deflexionamento bidirecional simétrico coerente espacialmente faseado da broca de perfuração. Ambas as invenções podem ser usadas juntas, porém qualquer uma também pode ser usada independentemente da outra. O termo “faseamento espacial” se refere à temporização dinâmica de um evento ou ação relacionada à articulação da broca, à medida que a ferramenta está girando, em relação a informações terrestres fixas, tal como gravidade ou o campo magnético da terra. A fase espacial é expressa em termos da orientação rotacional instantânea (uma face de ferramenta) de uma marca de referência na ferramenta em relação à gravidade (face de ferramenta de gravidade) ou ao campo magnético da terra (face de ferramenta magnética).[005] The rotary driveable apparatus that is the topic of this disclosure solves a number of operational limitations associated with existing rotary driveable systems. Initially, it is important to note that this disclosure encompasses two distinct inventions, both of which are described in greater detail below - a dynamically variable displacement axial piston pump and a hinge joint that limits the drill pivot to a single degree of freedom ( instead of a universal joint with 2 or more degrees of freedom), which provides spatially phased coherent symmetrical bidirectional deflection of the drill bit. Both inventions can be used together, but either can also be used independently of the other. The term “spatial phasing” refers to the dynamic timing of an event or action related to the bit's articulation, as the tool is rotating, relative to fixed terrestrial inputs, such as gravity or the earth's magnetic field. Spatial phase is expressed in terms of the instantaneous rotational orientation (a tool face) of a datum mark on the tool with respect to gravity (gravity tool face) or the earth's magnetic field (magnetic tool face).

[006] Em primeiro lugar, em relação às vantagens da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável, usar uma bomba de deslocamento positivo fixo no interior de poço para gerar potência hidráulica funciona apenas sobre uma faixa muito estreita de taxas de fluxo de lama. Se a turbina está gerando potência o suficiente na extremidade inferior da faixa de fluxo, então, a mesma estará gerando, potencialmente, muita potência na extremidade superior da faixa de fluxo a menos que a faixa de fluxo permissível seja extremamente estreita, o que, desse modo, restringe a habilidade do chefe de perfuração de otimizar os parâmetros de perfuração para eficiência e segurança sem danificar a ferramenta. O uso inovador de uma bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável revelado no presente documento soluciona esse problema reduzindo-se, dinamicamente, o deslocamento da bomba por revolução para manter uma potência de saída constante à medida que o fluxo de lama aumenta, e aumentando-se, dinamicamente, seu deslocamento por revolução à medida que o fluxo de lama diminui. Em segundo lugar, a amplitude dos deflexionamentos de broca, seja estática ou oscilatória, pode ser controlada ajustando-se, adicionalmente, o deslocamento por revolução da bomba de deslocamento dinamicamente variável, o que permite controle da amplitude da articulação de broca independente do controle da direção de perfuração à medida que a ferramenta está girando, seja o objetivo manter um ângulo de compensação de broca constante independente da rotação ou se a broca é oscilante na mesma frequência que a rotação do colar de perfuração.[006] First, regarding the advantages of the dynamically variable displacement axial piston pump, using a fixed positive displacement pump in the wellbore to generate hydraulic power works only over a very narrow range of mud flow rates. If the turbine is generating enough power at the low end of the flow range, then it will potentially be generating too much power at the high end of the flow range unless the allowable flow range is extremely narrow, in which case This way, it restricts the drill chief's ability to optimize drilling parameters for efficiency and safety without damaging the tool. The innovative use of a dynamically variable displacement axial piston pump disclosed herein solves this problem by dynamically reducing pump displacement per revolution to maintain constant power output as slurry flow increases, and increasing It dynamically changes its displacement per revolution as the mud flow decreases. Second, the amplitude of drill deflections, whether static or oscillatory, can be controlled by additionally adjusting the displacement per revolution of the dynamically variable displacement pump, which allows control of the drill linkage amplitude independent of the speed control. drilling direction as the tool is rotating, whether the objective is to maintain a constant bit offset angle regardless of rotation or whether the bit is oscillating at the same frequency as the drill collar rotation.

[007] Conforme usado no presente documento, o termo “bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável” se refere a uma bomba hidráulica com um cilindro rotativo, acionado por um eixo de acionamento, que pode ser configurado com dois ou mais pistões, simetricamente dispostos no cilindro, que oscila em uma direção que é paralela ao eixo geométrico de rotação do bloco de pistão cilíndrico. A estrutura dessa bomba é descrita em detalhes adicionais nas seções a seguir dessa revelação. Uma extremidade de cada pistão pode terminar com um “copo deslizador” que entra em contato e desliza na face de uma placa oscilante do tipo swashplate. A placa oscilante do tipo swashplate não está conectada ao eixo de acionamento. Ao invés disso, a placa oscilante do tipo swashplate está montada em um eixo separado, cuja linha de centro é ortogonal à, porém intersecta com a coluna de perfuração de centro do eixo de acionamento. Quando a face da placa oscilante do tipo swashplate é perpendicular ao eixo geométrico do eixo de acionamento, isso é denominado um ângulo de placa oscilante do tipo swashplate de “zero graus”. Nessa posição de placa oscilante do tipo swashplate, à medida que o bloco de cilindro gira, os pistões não oscilam e o deslocamento da bomba é zero. À medida que o ângulo de declive da placa oscilante do tipo swashplate é aumentado a algum ângulo θ, os pistões começam a oscilar, o que aumenta o deslocamento da bomba de acordo com a equação Q=QO * sen(θ), em que Qo=[QMÁx/sen@MÁx)], em que QMÁX é o deslocamento prático máximo da bomba por revolução do eixo de acionamento no ângulo de placa oscilante do tipo swashplate prático máximo ΘMAX. A outra extremidade dos pistões é conectada às portas de fluido hidráulico “A” e “B” da bomba. Dependendo de se o ângulo de placa oscilante do tipo swashplate é positivo ou negativo, “A” será a saída e “B” a entrada, ou “A” será a entrada e “B” será a saída, respectivamente. O ângulo de placa oscilante do tipo swashplate pode ser controlado por um atuador elétrico ou um atuador hidráulico através de uma ligação que é conectada à placa oscilante do tipo swashplate. A posição da placa oscilante do tipo swashplate pode ser medida por um LVDT (“transformador diferencial de variável linear”) ou um potenciômetro simples. Em uma modalidade preferencial, o ângulo de placa oscilante do tipo swashplate é dinamicamente controlado por um módulo de controle de condução.[007] As used in this document, the term "dynamically variable displacement axial piston pump" refers to a hydraulic pump with a rotating cylinder, driven by a drive shaft, which can be configured with two or more pistons, symmetrically arranged in the cylinder, which oscillates in a direction that is parallel to the axis of rotation of the cylindrical piston block. The structure of this bomb is described in further detail in the following sections of this disclosure. One end of each piston may end with a “slider cup” that contacts and slides on the face of a swashplate type swashplate. The swashplate type swash plate is not connected to the drive shaft. Instead, the swashplate-type swashplate is mounted on a separate shaft whose centerline is orthogonal to, but intersects, the centerline drill string of the driveshaft. When the face of the swashplate swashplate is perpendicular to the axis of the drive shaft, this is called a “zero degree” swashplate swashplate angle. In this swashplate swashplate position, as the cylinder block rotates, the pistons do not wobble and pump displacement is zero. As the slope angle of the swashplate type swashplate is increased to some angle θ, the pistons begin to oscillate, which increases the displacement of the pump according to the equation Q=QO * sin(θ), where Qo =[QMAX/sin@MAX)], where QMAX is the maximum practical pump displacement per revolution of the drive shaft at the maximum practical swashplate swashplate angle ΘMAX. The other end of the pistons connects to the pump's “A” and “B” hydraulic fluid ports. Depending on whether the swashplate type swashplate angle is positive or negative, “A” will be the output and “B” the input, or “A” will be the input and “B” will be the output, respectively. The swashplate swashplate angle can be controlled by an electric actuator or a hydraulic actuator through a linkage that is connected to the swashplate swashplate. The position of the swashplate type swashplate can be measured by an LVDT (“Linear Variable Differential Transformer”) or a simple potentiometer. In a preferred embodiment, the swashplate-type swashplate angle is dynamically controlled by a drive control module.

[008] Em terceiro lugar, o uso de uma bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável permite controle continuamente variável instantâneo da severidade da perna dentada do furo de poço nas seções curvadas sem ter que dispensar fluido de alta pressão em excesso de volta ao tanque. Para ferramentas que usam a lama de perfuração e a queda de pressão ao longo da broca para atuar as superfícies de controle de condução, a atuação é tipicamente toda ou nenhuma. Nesses casos, não é possível atuar parcialmente o deflexionamento de broca. Permitindo-se atuação parcial de deflexionamento de broca, uma granularidade mais fina de ajustamento de condução pode ser alcançada e mantida enquanto se perfura.[008] Third, the use of a dynamically variable displacement axial piston pump allows instantaneous continuously variable control of the severity of the wellbore toothed leg in the curved sections without having to dispense excess high pressure fluid back into the tank . For tools that use the drilling mud and pressure drop across the bit to actuate the driving control surfaces, actuation is typically all or none. In these cases, it is not possible to partially actuate the drill deflection. By allowing partial actuation of bit deflection, a finer granularity of driving adjustment can be achieved and maintained while drilling.

[009] A segunda invenção revelada no presente documento se refere a uma junta de dobradiça que limita a articulação da broca de perfuração em relação à ferramenta a um único grau de liberdade. Conforme será explicado na discussão que segue, limitar a articulação da broca a um único grau de liberdade em relação a um ponto fixo na ferramenta e com a utilização do método de deflexionamentos bidirecionais simétricos coerentes espacialmente faseados em relação a informações terrestres fixas, para controlar a direção de perfuração, permite o uso de uma dobradiça de um único eixo geométrico ao invés de uma junta universal de dois graus de liberdade para afixar a broca ao fundo da ferramenta de perfuração conduzível giratória. O método inovador que é exigido para conduzir o poço e se beneficiar completamente das mecânicas simplificadas da ferramenta de perfuração conduzível giratória inovadora é denominado “deflexionamento bidirecional simétrico coerente espacialmente faseado” da broca. Isso será explicado em maiores detalhes posteriormente nesta revelação. A dobradiça limita o movimento da broca a um único grau de liberdade. No entanto, dois graus de liberdade são exigidos a fim de conduzir um poço em direção a um alvo pretendido. Na invenção desta revelação, o segundo grau de liberdade é fornecido pela rotação da ferramenta de perfuração conduzível giratória enquanto se perfura.[009] The second invention disclosed in this document relates to a hinge joint that limits the articulation of the drill bit in relation to the tool to a single degree of freedom. As will be explained in the discussion that follows, limiting the drill pivot to a single degree of freedom with respect to a fixed point on the tool, and using the method of spatially phased coherent symmetrical bidirectional deflections with respect to fixed ground information, to control the drilling direction, allows the use of a single axis hinge instead of a two degrees of freedom universal joint to attach the bit to the bottom of the swivel driven drill tool. The innovative method that is required to drive the well and fully benefit from the simplified mechanics of the innovative rotary steerable drilling tool is called “spatially phased coherent symmetrical bidirectional deflection” of the bit. This will be explained in greater detail later in this reveal. The hinge limits drill movement to a single degree of freedom. However, two degrees of freedom are required in order to drive a well toward an intended target. In the invention of this disclosure, the second degree of freedom is provided by rotating the rotatable driveable drilling tool while drilling.

[010] Uma BHA ou “montagem de fundo de poço” descreve a seção inferior ou de fundo da coluna de perfuração que termina com a broca e se estende no orifício de modo ascendente ao ponto bem abaixo da extremidade inferior de cano de perfuração. Além da broca, a BHA pode ser compreendida de qualquer número de colares de perfuração para peso adicionado ou colares com propósito especial que podem ou não estar incluídos, tais como, porém sem limitação: estabilizadores, escareadores inferiores, motores de lama de deslocamento positivo, instalações em ângulo reto, colares de perfuração instrumentados para a medição de várias formações e parâmetros ambientais (para a determinação, versos profundidade e tempo, da mistura e volume de fluidos na formação ou litologia de formação ou formação e propriedades mecânicas de poço inacabado ou inclinação e azimute de poço inacabado), ou ferramentas conduzíveis giratórias, tal como o tópico desta revelação. Os componentes que são parte de uma dada BHA são selecionados para otimizar eficiência de perfuração e colocação e geometria de furo de poço.[010] A BHA or “downhole assembly” describes the lower or bottom section of the drill string that ends with the bit and extends in the hole upwards to the point just below the lower end of the drill pipe. In addition to the bit, the BHA may be comprised of any number of drill collars for added weight or special purpose collars which may or may not be included, such as, but not limited to: outriggers, down reamers, positive displacement mud motors, right angle installations, instrumented drill collars for the measurement of various formations and environmental parameters (for the determination, versus depth and time, of the mixing and volume of fluids in the formation or formation lithology or formation and mechanical properties of unfinished hole or slope and unfinished pit azimuth), or rotary driven tools, such as the topic of this disclosure. The components that are part of a given BHA are selected to optimize drilling and placement efficiency and borehole geometry.

[011] A temporização ou faseamento espacial dos deflexionamentos de broca é controlado de tal modo que, para um observador que está estacionário em relação à terra, a broca é desviada de modo oscilante na mesma direção para cada 180° de rotação de BHA. Por outro lado, para um observador que gira com a ferramenta, isto é, está estacionário em relação à ferramenta, para cada rotação de 360 graus da ferramenta, será visto um deflexionamento de broca positivo em direção a uma marca de referência fixa (uma “linha-guia”) seguido por um deflexionamento de broca negativo para longe da marca de referência de linha-guia, os dois eventos de deflexionamento separados por 180° de rotação de ferramenta.[011] The timing or spatial phasing of the drill deflections is controlled in such a way that, for an observer who is stationary with respect to the earth, the drill is oscillatingly deflected in the same direction for every 180° of BHA rotation. On the other hand, for an observer who rotates with the tool, i.e., is stationary relative to the tool, for every 360 degree rotation of the tool, a positive drill deflection will be seen towards a fixed reference mark (a “ guideline") followed by a negative drill deflection away from the guideline datum mark, the two deflection events separated by 180° of tool rotation.

[012] Outros benefícios de usar um único grau de liberdade de articulação em relação a um ponto fixo no colar serão explicados adicionalmente na revelação que segue. Embora não seja uma modalidade preferencial da invenção, deve ser compreendido que uma bomba de deslocamento dinamicamente variável hidráulica também poderia ser usada para controlar ferramentas de interior de poço diferente da ferramenta conduzível giratória descrita acima, que inclui, porém sem limitações, a um sistema mais convencional com múltiplos atuadores e um pivô com múltiplos graus de liberdade de articulação para manter continuamente um ângulo de articulação da broca em uma direção particular que está fixa em relação à terra ou para controlar a velocidade escalar de contrarrotação de uma montagem geoestacionária para manter uma orientação fixa da montagem geoestacionária em relação à terra, à medida que a ferramenta gira.[012] Other benefits of using a single degree of freedom of articulation relative to a fixed point on the collar will be explained further in the disclosure that follows. While not a preferred embodiment of the invention, it should be understood that a hydraulic dynamically variable displacement pump could also be used to control downhole tools other than the rotary drive tool described above, which includes, but is not limited to, a more with multiple actuators and a pivot with multiple degrees of freedom of articulation to continuously maintain a bit pivot angle in a particular direction that is fixed relative to the earth or to control the counter-rotating scalar speed of a geostationary assembly to maintain an orientation fixed position of the geostationary mount relative to the earth as the tool rotates.

SUMÁRIO DA INVENÇÃOSUMMARY OF THE INVENTION

[013] Um objetivo de um aspecto da presente invenção é fornecer uma ferramenta de perfuração conduzível giratória dinamicamente controlada inovadora, conectada por fios a um componente de acionamento giratório, tal como o eixo de saída de um motor de lama ou uma coluna de perfuração giratória é acionada por uma mesa giratória ou acionamento de topo de uma sonda de perfuração, que possibilita a perfuração direcional de seções de furo de poço selecionadas, seja curvada ou reta, conduzindo-se com precisão o furo de poço em direção de um alvo subterrâneo. A ferramenta de perfuração conduzível giratória terá a capacidade de perfurar para fora da sapata de revestimento, perfurar a curva e o orifício de drenagem para atingir profundidade e atingir “alcance” com a inclinação e azimute especificados, em uma única execução de broca, o que minimiza o tempo de sonda para completar o poço.[013] An object of one aspect of the present invention is to provide an innovative dynamically controlled rotary driven drilling tool connected by wires to a rotary drive component such as the output shaft of a mud motor or a rotary drill string is driven by a turntable or top drive of a drilling rig, which enables directional drilling of selected borehole sections, either curved or straight, accurately driving the borehole towards an underground target. The rotary driveable drill tool will have the ability to drill out of the casing shoe, drill the bend and drain hole to depth and achieve “range” with the specified inclination and azimuth, in a single drill run, which minimizes rig time to complete the well.

[014] Um problema que esse aspecto da presente invenção busca abordar é minimizar a complexidade mecânica de uma ferramenta de perfuração conduzível giratória dinamicamente controlada. Em uma modalidade preferencial, isso é realizado usando-se a afixação de articulação mais simples da montagem de broca à extremidade inferior do colar de perfuração conduzível giratória, a saber, uma dobradiça simples. A montagem de broca inclui a broca afixada à extremidade de fundo de um eixo de broca de articulação. Afixar a extremidade superior do eixo de broca ao colar de perfuração por meio de uma junta de dobradiça simples limita a articulação da montagem de broca a um único grau de liberdade em relação a um sistema de coordenação de referência afixado ao e que gira com o colar de perfuração conduzível giratória (o “sistema de coordenação de ferramenta”). Durante operações de condução ativas, o eixo geométrico longo da montagem de broca é desviado de modo oscilante, bidirecional e simétrico na mesma frequência que a rotação do colar de perfuração conduzível giratória por meio de um único atuador bidirecional que gira com o colar de perfuração conduzível giratória. Simplificação mecânica adicional pode ser derivada da implantação computacional de uma plataforma navegacional geoestacionária virtual de 9 eixos geométricos compreendida de sensores que são embalados em uma câmara física que está fixa ao e gira com o colar de perfuração conduzível giratória, o que, desse modo, elimina qualquer montagem ou aparelho mecânico estacionário e/ou quase estacionário que gira de modo contrário em relação ao colar de perfuração conduzível giratória, porém é, de outro modo, uma parte da BHA conduzível giratória. Eliminar a necessidade para uma montagem mecânica geoestacionária e/ou quase estacionária elimina a necessidade complementar para conexões elétricas rotativas (por exemplo, anéis deslizantes), vedações de pressão e mancais.[014] One problem that this aspect of the present invention seeks to address is to minimize the mechanical complexity of a dynamically controlled rotary driveable drilling tool. In a preferred embodiment, this is accomplished using the simplest pivotal attachment of the drill assembly to the lower end of the swivel steerable drill collar, namely, a single hinge. The drill assembly includes the drill attached to the bottom end of a pivot drill shaft. Affixing the upper end of the drill shaft to the drill collar via a single hinge joint limits the drill mount pivot to a single degree of freedom with respect to a reference coordinate system attached to and rotating with the collar rotary drive drilling machine (the “tool coordination system”). During active driving operations, the long axis of the drill assembly is oscillating, bidirectional, and symmetrical offset at the same frequency as rotation of the rotatable steerable drill collar via a single bidirectional actuator that rotates with the steerable drill collar swivel. Further mechanical simplification can be derived from the computational deployment of a 9-axis virtual geostationary navigational platform comprised of sensors that are packaged in a physical chamber that is attached to and rotates with the rotatable driveable drill collar, thereby eliminating any stationary and/or quasi-stationary mechanical assembly or apparatus which counter-rotates relative to the rotatable steerable drill collar but is otherwise a part of the rotatable steerable BHA. Eliminating the need for a geostationary and/or quasi-stationary mechanical assembly eliminates the complementary need for rotating electrical connections (eg slip rings), pressure seals and bearings.

[015] Uma diferença entre a modalidade descrita acima do aparelho de ferramenta de perfuração conduzível giratória revelado no presente documento e outras ferramentas de perfuração conduzível giratória é que um eixo de broca bidirecionalmente oscilante está mecanicamente conectado ao fundo do colar de perfuração conduzível giratória por meio de uma dobradiça de um único eixo geométrico que transmite torque e peso a partir do colar de perfu ração conduzível giratória ao eixo de broca e à broca. Esse projeto contrasta com a afixação mais complexa e mecânica de atuação que são exigidas para sustentar dois ou mais graus de liberdade de articulação para ferramentas que apontam a broca continuamente em uma dada direção com relação a informações terrestres à medida que a ferramenta conduzível giratória gira, por exemplo, juntas de esfera estriada, juntas CV ou juntas universais com múltiplos atuadores independentes. Para ferramentas empurre a broca que descentraliza continuamente a broca em uma dada direção, múltiplos atuadores e/ou superfícies de controle são exigidos, e a habilidade de manter a localização de broca descentralizada enquanto se perfura pode ser restringida pelo número e colocação dos atuadores configurados.[015] A difference between the above-described embodiment of the rotary steerable drilling tool apparatus disclosed herein and other rotary steerable drilling tools is that a bidirectionally oscillating drill shaft is mechanically connected to the bottom of the rotary steerable drilling collar by means of of a single-axis hinge that transmits torque and weight from the rotatable driveable drill collar to the drill shaft and drill bit. This design contrasts with the more complex affixation and actuation mechanics that are required to sustain two or more degrees of articulation freedom for tools that continuously point the bit in a given direction with respect to ground information as the rotary driveable tool rotates, for example, splined ball joints, CV joints or universal joints with multiple independent actuators. For push-drill tools that continually off-center the drill in a given direction, multiple actuators and/or control surfaces are required, and the ability to maintain off-center drill location while drilling can be restricted by the number and placement of configured actuators.

[016] O método de conduzir um poço em uma direção particular em relação à gravidade ou ao norte magnético é realizado controlando-se o faseamento espacial dos ditos deflexionamentos oscilantes simétricos coerentes do dito eixo de broca em relação tanto à face de ferramenta de gravidade (GTF) como face de ferramenta magnética (MTF), à medida que a ferramenta gira. (Uma GTF instantânea de zero graus corresponde ao ponto quando uma marca de referência na ferramenta, conhecida como uma “linha-guia,” é orientada em direção ao topo do poço inacabado. Uma GTF instantânea de 180° corresponde ao ponto quando a linha-guia é orientada em direção ao fundo do poço inacabado. De modo similar para MTF, uma MTF instantânea de zero graus corresponde ao ponto quando a linha-guia é orientada em direção ao norte magnético; e uma MTF instantânea de 180° corresponde ao ponto quando a linha-guia é orientada em direção ao sul magnético. No caso de um poço inacabado perfeitamente vertical, o valor de GTF é indeterminado. E de modo similar para a MTF, no caso em que o azimute de poço inacabado é devido ao norte ou sul e a inclinação do poço inacabado é igual ao ângulo de inclinação em graus local do campo magnético da terra, então, o valor de MTF é indeterminado.) Isso possibilita que a broca remova de modo preferencial a formação em um lado particular do poço inacabado (“a parte frontal”) enquanto remove menos formação no lado oposto do poço inacabado (“a parte posterior”) a fim de mudar a direção do furo de poço em direção a uma inclinação-alvo e/ou azimute com o propósito de perfurar um furo de poço curvado e/ou reto progressivamente em direção a um alvo geométrico ou geológico pretendido ou para a perfuração ativa de furos de poço verticais. Esse método permite um diâmetro de poço inacabado que é ligeiramente ampliado a partir de zero a cerca de 5 por centro do diâmetro de broca nominal nas seções curvadas, o que, desse modo, reduz as forças de atrito e concentrações de tensão mecânica na BHA e outros tubulares à medida que os mesmos deslizam ou giram através da perna dentada, o que resulta em menos resistência na coluna de perfuração e, logo, mais peso e torque na broca enquanto na curva e abaixo da curva. A ampliação ligeira do poço inacabado durante operações de condução enquanto se perfura uma seção curvada é um resultado direto do movimento de condução da broca enquanto a ferramenta está girando. Isso será explicado em detalhes na discussão das Figuras 7C e 7D, abaixo. O deflexionamento da broca durante operações de condução aumenta o diâmetro de corte eficaz da broca por alguns por centos na direção preferencial de condução. Ao mesmo tempo que o material adicional está sendo preferencialmente removido da “parte frontal” do orifício na direção na qual a ferramenta está sendo conduzida, menos material está sendo removido da “parte posterior” do orifício, que resulta em uma trajetória de furo de poço curvado com um diâmetro de poço inacabado ligeiramente ampliado. Outra vantagem do método inovado revelado no presente documento é que durante as operações de condução, enquanto na curva, potência de corte mecânico adicional está sendo adicionada à broca à medida que a mesma perfura. Isso é devido ao movimento adicional transmitido à broca como um resultado de operações de condução. Os outros métodos que mantêm uma orientação descentralizada ou angular constante da broca de perfuração, à medida que a ferramenta gira, não adicionam qualquer potência de corte adicional à broca. Em termos práticos, a potência de corte mecânico adicional fornecida à broca 12 resulta em perfuração mais rápida na curva e eficiência de perfuração geral mais elevada.[016] The method of conducting a well in a particular direction with respect to gravity or magnetic north is performed by controlling the spatial phasing of said coherent symmetric oscillating deflections of said drill axis with respect to both the gravity tool face ( GTF) as a magnetic tool face (MTF) as the tool rotates. (An instantaneous GTF of zero degrees corresponds to the point when a reference mark on the tool, known as a “guideline,” is oriented toward the top of the unfinished hole. An instantaneous GTF of 180° corresponds to the point when the line- guide is oriented toward the bottom of the unfinished hole. Similar to MTF, an instantaneous MTF of zero degrees corresponds to the point when the guideline is oriented toward magnetic north; and an instantaneous 180° MTF corresponds to the point when the guideline is oriented towards magnetic south. In the case of a perfectly vertical unfinished well, the value of GTF is undetermined. And similarly for the MTF, in the case where the unfinished well azimuth is due to north or south and the slope of the unfinished hole is equal to the local inclination angle in degrees of the earth's magnetic field, so the MTF value is undetermined.) This allows the drill to preferentially remove formation on a particular side of the unfinished hole (“the front end”) while removing less formation on the opposite side of the unfinished well (“the back end”) in order to change the borehole direction towards a target slope and/or azimuth for the purpose of drilling a curved and/or straight borehole progressively towards an intended geometric or geological target or for the active drilling of vertical boreholes. This method allows for an unfinished hole diameter that is slightly enlarged from zero to about 5 percent of the nominal drill diameter in the curved sections, thereby reducing frictional forces and mechanical stress concentrations in the BHA and other tubulars as they slide or rotate through the tine leg, which results in less resistance on the drill string and therefore more weight and torque on the bit while in and under the curve. The slight enlargement of the unfinished hole during driving operations while drilling a curved section is a direct result of the driving movement of the bit while the tool is rotating. This will be explained in detail in the discussion of Figures 7C and 7D, below. Drill deflection during driving operations increases the effective cutting diameter of the drill by a few percent in the preferred driving direction. While additional material is preferentially being removed from the “front end” of the hole in the direction the tool is being driven, less material is being removed from the “back end” of the hole, which results in a hole path curved with a slightly enlarged unfinished pit diameter. Another advantage of the innovative method disclosed herein is that during driving operations, while in the turn, additional mechanical cutting power is being added to the bit as it drills. This is due to the additional motion imparted to the bit as a result of driving operations. Other methods that maintain a constant off-center or angular orientation of the drill bit as the tool rotates do not add any additional cutting power to the bit. In practical terms, the additional mechanical cutting power provided to the bit 12 results in faster drilling on the curve and higher overall drilling efficiency.

[017] Usar o método de movimentos oscilantes simétricos coerentes espacialmente faseados da broca para perfurar de modo direcional está em contraste direto com sistemas aponte a broca tradicionais que mantêm continuamente um dado ângulo de compensação do eixo geométrico de broca de rotação em relação ao eixo geométrico de rotação de BHA e informações terrestres fixas que são independentes da rotação da ferramenta de perfuração conduzível giratória à medida que o colar está girando durante as operações de condução, exigindo a articulação e atuação mecânicas com dois ou mais graus de liberdade. Adicionalmente, com a utilização de deflexionamentos oscilantes simétricos bidirecionais coerentes espacialmente faseados da broca está em contraste direto com sistemas empurre a broca tradicionais que mantêm continuamente uma compensação lateral paralela constante do eixo geométrico de broca de rotação em relação ao eixo geométrico de rotação de BHA e informações terrestres fixas que são independentes da rotação da ferramenta de perfuração conduzível giratória à medida que o colar está girando durante operações de condução, exigindo a atuação mecânica com dois ou mais graus de liberdade para gerar continuamente forças de descentralização laterais em uma dada direção.[017] Using the method of spatially phased coherent symmetrical oscillating movements of the drill to drill in a directional manner is in direct contrast to traditional point drill systems that continuously maintain a given offset angle of the drill axis of rotation relative to the axis of BHA rotation and fixed ground information that is independent of rotation of the rotary steerable drill tool as the collar is rotating during driving operations, requiring mechanical articulation and actuation with two or more degrees of freedom. Additionally, the use of spatially phased spatially coherent bidirectional symmetrical oscillating deflections of the drill is in direct contrast to traditional push drill systems that continuously maintain a constant parallel lateral offset of the drill axis of rotation relative to the axis of rotation of the BHA and fixed ground information that is independent of rotation of the rotary driveable drill tool as the collar is rotating during drive operations, requiring mechanical actuation with two or more degrees of freedom to continuously generate lateral offset forces in a given direction.

[018] Algumas modalidades da invenção usam uma bomba de pistão de eixo geométrico de deslocamento dinamicamente variável alimentada por lama de perfuração que regula a potência de entrada variável e/ou de flutuação disponível a partir de uma turbina acionada por lama de perfuração e também regula a taxa de fluxo de saída de fluido hidráulico pressurizado à carga em resposta às demandas de potência dos atuadores de unidade impelidora para controlar instantânea e continuamente a força de deflexionamento e amplitude de deflexionamento das oscilações bidirecionais simétricas coerentes do eixo de broca e broca de perfuração. O termo “unidade impelidora” descreve que a seção da ferramenta conduzível giratória que “impele” ou conduz a ferramenta em uma dada direção. A unidade impelidora é compreendida da broca, atuação e meios de controle para descentralizar ou articular a broca, um colar, opcionalmente um ou mais centralizadores e uma fonte de energia. A saída da bomba aciona um único pistão hidráulico bidirecional com um eixo geométrico de força que é orientado de modo ortogonal a tanto o eixo geométrico da dobradiça quanto o eixo geométrico de rotação da BHA, que atua as ditas oscilações simétricas coerentes espacialmente faseadas do eixo de broca e broca com o propósito de conduzir o furo de poço na dita direção selecionada. Durante operações de condução ativas, a bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável possibilita que o controle continuamente variável da amplitude dos ditos deflexionamentos oscilantes simétricos coerentes da dita montagem de broca a fim de controlar a severidade de perna dentada (taxa de curvatura) da dita mudança de direção do furo de poço e para controlar dinamicamente as forças de condução lateral aplicadas à broca responsivo às propriedades mecânicas da formação, a dinâmica de corte e saúde da broca, a insipiência detectada de rotação de deslizamento descontínuo (do tipo stick slip) e/ou para permitir a rotação de deslizamento descontínuo (do tipo stick slip) até algum limite predefinido.[018] Some embodiments of the invention use a drilling mud-fed dynamically variable displacement axis piston pump that regulates the variable input power and/or float available from a turbine driven by drilling mud and also regulates the output flow rate of pressurized hydraulic fluid to the load in response to the power demands of the drive drive actuators to instantaneously and continuously control the deflection force and deflection amplitude of coherent symmetrical bidirectional oscillations of the drill shaft and drill bit. The term "pusher unit" describes that section of the rotatable drive tool that "pushes" or drives the tool in a given direction. The driving unit is comprised of the drill, actuation and control means for offsetting or pivoting the drill, a collar, optionally one or more centralizers and a power source. The pump output drives a single bidirectional hydraulic piston with a force axis that is oriented orthogonally to both the hinge axis and the BHA axis of rotation, which actuates so-called spatially phased coherent symmetrical oscillations of the axis of rotation. auger and auger for the purpose of driving the borehole in said selected direction. During active driving operations, the dynamically variable displacement axial piston pump enables continuously variable control of the amplitude of said coherent symmetrical oscillating deflections of said drill assembly in order to control the tine leg severity (bending rate) of said drill assembly. changing direction of the borehole and to dynamically control the lateral driving forces applied to the bit responsive to the mechanical properties of the formation, the cutting dynamics and bit health, the perceived ineptitude of discontinuous slip rotation (stick slip) and /or to allow discontinuous slip (stick slip) rotation up to some predefined limit.

[019] Em uma modalidade da ferramenta, a amplitude e faseamento espacial das ditas oscilações de broca coerentes são controlados por um microcontrolador de ferramenta de interior de poço de bordo e/ou montagem de microprocessador. Essa montagem pode ter configurações variantes que podem incluir um microcontrolador e/ou microprocessador, memória, memória não volátil, canais de entrada/saída, vários sensores navegacionais e/ou programação armazenada à memória que a montagem executa quando em operação. O microcontrolador de ferramenta de interior de poço e/ou a montagem de microprocessador geram os sinais de controle de condução em resposta tanto aos comandos gerados de superfície ou comandos algorítmicos autônomos derivados a partir de parâmetros navegacionais de interior de poço adquiridos, ou uma combinação dos mesmos. Dessa forma, a ferramenta de perfuração conduzível giratória dessa invenção é dinamicamente ajustável enquanto a ferramenta está localizada no interior de poço e durante perfuração para mudar de modo controlável a inclinação e azimute da trajetória de furo de poço conforme desejado. O faseamento espacial das ditas oscilações coerentes é dependentemente controlado, separado da amplitude das oscilações, enquanto gira para progressivamente perfurar o poço em uma dada direção. Por outro lado, a amplitude das ditas oscilações pode ser dinamicamente ajustada independentemente doo faseamento espacial das ditas oscilações, para aumentar ou diminuir contínua e progressivamente a taxa de curvatura do furo de poço para alcançar a trajetória de fundo de poço pretendida e para otimizar a qualidade e suavidade de furo de poço. Em uma modalidade da presente invenção, durante as operações de condução, o ciclo de trabalho de cada uma dentre as válvulas individuais que operam o atuador hidráulico é 50%, isto é, o prazo de cada válvula é aproximadamente igual ao tempo de pausa. Além disso, as válvulas estão fora de fase em relação a cada uma. Enquanto uma válvula está LIGADA, a outra válvula está DESLIGADA. Enquanto uma válvula está migrando de DESLIGA para LIGA, a outra válvula está migrando de LIGA para DESLIGA. À medida que a ferramenta gira, a temporização dos sinais de controle válvula em relação à GTF ou MTF controla a direção espacial em que a ferramenta está perfurando, porém não a amplitude das articulações de broca. Ao invés disso, controlar o ângulo de placa oscilante do tipo swashplate da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável controla a amplitude das articulações de broca. Esse método de controlar independentemente a amplitude das articulações separadamente da temporização das articulações da broca, à medida que a ferramenta está girando, resulta em um movimento de broca resultante suave e repetível, independentemente da amplitude das articulações. Esse método deve ser contrastado com o método revelado por Bradley que resultará em movimentações de broca compactas e repentinas à medida que a ferramenta tenta manter um ângulo de compensação constante da broca em uma direção constante em relação ao eixo geométrico de rotação da ferramenta. Bradley revela variar o ciclo de trabalho das válvulas individuais que opera cada um dentre os atuadores hidráulicos para controlar a amplitude das articulações de broca simultaneamente com controlar a temporização de cada válvula que liga e desliga para controlar a direção em que a ferramenta está perfurando.[019] In one embodiment of the tool, the amplitude and spatial phasing of said coherent drill oscillations are controlled by an onboard borehole tool microcontroller and/or microprocessor assembly. This assembly may have variant configurations that may include a microcontroller and/or microprocessor, memory, non-volatile memory, input/output channels, various navigational sensors, and/or stored-to-memory programming that the assembly executes when in operation. The downhole tool microcontroller and/or microprocessor assembly generates the driving control signals in response to either surface generated commands or autonomous algorithmic commands derived from acquired downhole navigational parameters, or a combination of the same. In this way, the rotatable drivable drilling tool of this invention is dynamically adjustable while the tool is located in the borehole and during drilling to controllably change the inclination and azimuth of the borehole path as desired. The spatial phasing of said coherent oscillations is dependently controlled, separate from the amplitude of the oscillations, as it rotates to progressively drill the wellbore in a given direction. On the other hand, the amplitude of said oscillations can be dynamically adjusted independently of the spatial phasing of said oscillations, to continuously and progressively increase or decrease the rate of curvature of the wellbore to achieve the intended downhole trajectory and to optimize quality. and smoothness of borehole. In one embodiment of the present invention, during driving operations, the duty cycle of each of the individual valves that operate the hydraulic actuator is 50%, that is, the time of each valve is approximately equal to the pause time. Also, the valves are out of phase with each other. While one valve is ON, the other valve is OFF. While one valve is transitioning from OFF to ON, the other valve is transitioning from ON to OFF. As the tool rotates, the timing of the valve control signals relative to the GTF or MTF controls the spatial direction the tool is drilling, but not the amplitude of the bit pivots. Instead, controlling the swashplate-type swashplate angle of the dynamically variable displacement axial piston pump controls the amplitude of the drill joints. This method of independently controlling the range of the joints separately from the timing of the drill joints as the tool is rotating results in a smooth, repeatable resultant drill movement regardless of the range of the joints. This method should be contrasted with the method disclosed by Bradley which will result in sudden and compact drill movements as the tool attempts to maintain a constant drill offset angle in a constant direction relative to the axis of rotation of the tool. Bradley reveals varying the duty cycle of the individual valves that operate each of the hydraulic actuators to control the amplitude of the drill linkages simultaneously with controlling the timing of each valve turning on and off to control the direction the tool is drilling.

[020] Ferramentas de perfuração conduzível giratória pode depender de acelerômetros, magnetômetros e giroscópios para fornecerem informações navegacionais para a condução de poços subterrâneos para a produção de óleo e gás ou a injeção de água e/ou vapor. Esses sensores navegacionais podem ser embalados dentro de uma montagem secundária dentro da ferramenta de perfuração conduzível giratória que gira no sentido contrário em relação ao colar de perfuração de modo que os sensores mantêm uma relação estacionária em relação à terra, normalmente denominada uma “plataforma geoestacionária”. No entanto, o conceito de uma plataforma geoestacionária rotativa no sentido contrário traz consigo complexidade mecânica complementar em termos de vedações, mancais e anéis deslizantes, bem como um meio de controlar e manter a rotação em sentido contrário com taxas de rotação de BHA variável e a inércia mecânica significativa da plataforma geoestacionária. Bradley no US 3.743.034 sugere o uso de uma “referência inercial” montada diretamente a uma câmara no colar de perfuração rotativa - nesse caso, “uma referência, tal como o centro de uma plataforma giroscópica com suspensão cardan (sic)”, embalada dentro da seção de articulação da ferramenta localizada abaixo da conexão de junção universal - para determinar em que direção a broca está apontando. Uma “referência inerte” é, por definição, uma referência não rotativa ou geoestacionária. Logo, por montagem de suspensão cardan, o giroscópio em um alojamento rotativo, o giroscópio é de fato uma referência geoestacionária que mantém uma orientação constante da plataforma giroscópica em relação à terra pelo impulso angular do giroscópio.[020] Rotary drilling tools can rely on accelerometers, magnetometers and gyroscopes to provide navigational information for driving underground wells for oil and gas production or water and/or steam injection. These navigational sensors can be packaged within a secondary mount within the rotatable driveable drill tool that rotates counter to the drill collar so that the sensors maintain a stationary relationship to the earth, commonly referred to as a “geostationary platform”. . However, the concept of a counter-rotating geostationary platform brings with it additional mechanical complexity in terms of seals, bearings and slip rings, as well as a means of controlling and maintaining counter-rotation with variable BHA rotation rates and the significant mechanical inertia of the geostationary platform. Bradley in US 3,743,034 suggests using an "inertial reference" mounted directly to a camera on the rotary drill collar - in this case, "a reference, such as the center of a gimbal (sic) gyroscopic platform", packaged inside the tool pivot section located below the universal joint connection - to determine which direction the bit is pointing. An “inert reference” is, by definition, a non-rotating or geostationary reference. Thus, by gimbal mounting the gyroscope in a rotating housing, the gyroscope is in fact a geostationary reference that maintains a constant orientation of the gyroscope platform relative to the earth by the angular momentum of the gyroscope.

[021] Em uma modalidade da presente invenção, acelerômetros e magnetômetros são embalados em e giram com a ferramenta que compreende uma “plataforma navegacional rotativa não inercial.” Um benefício de depender de uma plataforma navegacional rotativa ao invés de uma plataforma navegacional inercial geoestacionária é que os erros de alinhamento de montagem física dos sensores navegacionais, especificamente os acelerômetros e magnetômetros, podem ser minimizados ou cancelados para melhorar a precisão das medições, com o resultado de que a colocação do poço inacabado será conforme pretendido pelo cliente. Existem pelo menos duas fontes de erros de desalinhamento mecânico quando se usa acelerômetros e magnetômetros. O primeiro é o desalinhamento do dispositivo dentro de sua embalagem, e o segundo é o desalinhamento da montagem da embalagem a uma placa de PC ou um chassis na ferramenta. Erros de desalinhamento mecânico afetam a ortogonalidade relativa de cada um dentre os eixos geométricos dos sensores de sensibilidade. Os acelerômetros podem ser adicionalmente afetados por efeitos centrípetos quando não montados exatamente no eixo geométrico da ferramenta de rotação. Para alguns sistemas microelétricos e micromecânicos de eixo geométrico duplo (“MEMS”), a ortogonalidade relativa dos eixos geométricos é determinada pelo processo litográfico usado para fabricar o dispositivo, o que resulta em ortogonalidade quase perfeita, o que, desse modo, elimina virtualmente uma fonte de erro quando comparado aos dispositivos de eixo geométrico único ortogonalmente montados. Os erros causados por desalinhamento podem ser importantes tanto quando se conduz ativamente um furo de poço vertical e a inclinação (declive) do poço inacabado é por definição muito próxima a zero graus como quando a inclinação de poço inacabado é próxima à horizontal. Quando se perfura ativamente um poço vertical, a inclinação é típica especificada como dentro de cerca de 1 grau de vertical. Por exemplo, para uma profundidade-alvo de 3.048 m (10.000 pés), o fundo da seção de fundo de poço vertical não deveria ter desviado lateralmente por mais que 53,34 m (175 pés) em qualquer direção em relação à sonda de perfuração na superfície ou no ponto de entrada submarina no leito marinho. Para medições transversas de gravidade de campo magnético feitas com uma plataforma navegacional rotacional, o desalinhamento e os erros de compensação elétrica ocorrem em DC enquanto as medições de interesse têm a mesma frequência de AC que a taxa de rotação da ferramenta. Adicionalmente, quaisquer diferenças de ganho e sensibilidade entre os dois canais transversos ortogonais causadas por desalinhamento de montagem podem ser facilmente corrigidas de modo dinâmico normalizando-se a amplitude das medições de AC de um canal em relação ao outro para melhorar a precisão das medições. Além disso, para a medição de campo magnético transverso, existirá uma pequena correção necessária para compensar o efeito de película eletromagnética de AC que é proporcional à frequência de rotação. A correção de fase poderia ser tanto quanto 15° e a correção de amplitude poderia ser tanto quanto 2,6 dB. O efeito é repetível e pode ser empiricamente derivado como uma função de frequência e temperatura. Para as medições axiais de gravidade e campo magnético feitas com uma plataforma navegacional rotacional, os erros de desalinhamento ocorrem em uma frequência igual à taxa de rotação da ferramenta. A amplitude do sinal de erro de AC proporcionará uma indicação quantitativa do desalinhamento axial para permitir que um pequeno fator de correção seja aplicado ao componente de DC da medição. Filtração passa-baixa apropriada dos sinais de erro de AC removerá o erro. Para o sinal magnético axial, nenhuma compensação para o efeito de película eletromagnética é necessária visto que o componente axial de campo magnético está em DC esteja o colar girando ou não. No entanto, usar uma plataforma navegacional rotacional não elimina a necessidade de compensação de DC e caracterização térmica de ganho para os dispositivos axiais e caracterização térmica de ganho para os dispositivos transversos.[021] In one embodiment of the present invention, accelerometers and magnetometers are packaged in and rotate with the tool comprising a "non-inertial rotating navigational platform." A benefit of relying on a rotating navigational platform rather than a geostationary inertial navigational platform is that physical mounting alignment errors of navigational sensors, specifically accelerometers and magnetometers, can be minimized or canceled out to improve measurement accuracy, with the result that result that the placement of the unfinished pit will be as intended by the customer. There are at least two sources of mechanical misalignment errors when using accelerometers and magnetometers. The first is the misalignment of the device within its package, and the second is the misalignment of the package mounting to a PC board or chassis in the tool. Mechanical misalignment errors affect the relative orthogonality of each of the sensitivity sensors' geometric axes. Accelerometers can be additionally affected by centripetal effects when not mounted exactly on the axis of the rotation tool. For some dual axis microelectric and micromechanical (“MEMS”) systems, the relative orthogonality of the geometric axes is determined by the lithographic process used to manufacture the device, which results in near perfect orthogonality, thereby virtually eliminating a source of error when compared to orthogonally mounted single axis devices. Errors caused by misalignment can be important both when you are actively drilling a vertical hole and the slope (slope) of the unfinished well is by definition very close to zero degrees, and when the slope of the unfinished well is close to horizontal. When actively drilling a vertical well, the slope is typically specified as within about 1 degree of vertical. For example, for a target depth of 3048 m (10,000 ft), the bottom of the vertical downhole section should not have laterally deviated more than 53.34 m (175 ft) in any direction relative to the drill rig on the surface or at the point of underwater entry to the seabed. For transverse magnetic field gravity measurements made with a rotational navigational platform, the misalignment and electrical compensation errors occur in DC while the measurements of interest have the same AC frequency as the rate of rotation of the tool. Additionally, any differences in gain and sensitivity between the two orthogonal transverse channels caused by setup misalignment can be easily dynamically corrected by normalizing the amplitude of the AC measurements from one channel to the other to improve measurement accuracy. In addition, for transverse magnetic field measurement, there will be a small correction needed to compensate for the AC electromagnetic film effect which is proportional to the rotational frequency. The phase correction could be as much as 15° and the amplitude correction could be as much as 2.6 dB. The effect is repeatable and can be empirically derived as a function of frequency and temperature. For axial gravity and magnetic field measurements made with a rotational navigation platform, misalignment errors occur at a frequency equal to the rate of rotation of the tool. The amplitude of the AC error signal will provide a quantitative indication of axial misalignment to allow a small correction factor to be applied to the DC component of the measurement. Proper low-pass filtering of the AC error signals will remove the error. For the axial magnetic signal, no compensation for the electromagnetic film effect is needed since the axial magnetic field component is at DC whether the collar is rotating or not. However, using a rotational navigation platform does not eliminate the need for DC compensation and thermal gain characterization for axial devices and thermal gain characterization for transverse devices.

[022] Presuma, por exemplo, em um poço vertical que é perfurado com uma plataforma navegacional geoestacionária, que os acelerômetros x, y e z estão, cada um, desalinhados por algum ângulo arbitrário pequeno em uma direção arbitrária em relação a um sistema de coordenadas cartesianas fixo à ferramenta. Então, quando se faz um levantamento estático, que pode levar diversos minutos para adquirir, o desalinhamento dos acelerômetros em relação ao eixo geométrico da ferramenta irá afetar a precisão da levantamento e introduzirá uma fonte de erro dentro da trajetória de furo de poço a menos que a mesma esteja calibrada e contabilizada. Considere que os acelerômetros são tipicamente montados ortogonalmente entre si em relação a um sistema de coordenadas cartesianas que gira com a ferramenta, com o eixo geométrico z orientado de modo que o mesmo aponte para o interior do poço em direção à broca ao longo do eixo geométrico de rotação da BHA. Dois outros eixos geométricos transversos são identificados como “x” e “y” e formam u sistema de coordenação direita com “z” de tal modo que ix cruzado com iy é igual a iz, em que ix, iy e iz, são os vetores de unidade que correspondem a seus eixos geométricos cartesianos respectivos afixados à ferramenta. Enquanto se gira, o erro de desalinhamento se comporta diferentemente para os sensores transversos x & y que o mesmo faz para os sensores de eixo geométrico z. Para os sensores transversos, a sensibilidade primária é ortogonal ao eixo geométrico de rotação que rende um sinal de AC com uma frequência igual à frequência de rotação e uma amplitude proporcional ao valor do ângulo de declive de poço inacabado. O erro de desalinhamento transverso rende uma pequena sensibilidade de vetor na direção z a longo do eixo geométrico de ferramenta. Logo, a resposta de erro de sensor transverso causada pelo desalinhamento é independente de rotação de ferramenta, isto é, é uma compensação de DC. Ao usar sobreposição, o sinal de sensor transverso é o sinal de AC primário com uma pequena compensação de DC sobreposta no mesmo. Para sensores axiais, o converso é verdadeiro, o erro de desalinhamento rende uma pequena sensibilidade de vetor transversa ao eixo geométrico de ferramenta. Ao usar sobreposto, o sinal de sensor axial total é o sinal de DC primário que é proporcional à gravidade da terra vezes o cosseno do ângulo de declive mais um pequeno sinal de erro de desalinhamento de AC sobreposto no mesmo. No entanto, o erro de desalinhamento de um sensor axial é simplesmente cancelado calculando-se a média das amostras sobre um número integral de rotações de BHA.[022] Assume, for example, in a vertical well that is drilled with a geostationary navigational rig, that the x, y, and z accelerometers are each misaligned by some arbitrary small angle in an arbitrary direction with respect to a Cartesian coordinate system fixed to the tool. So when doing a static survey, which can take several minutes to acquire, the misalignment of the accelerometers to the tool axis will affect the accuracy of the survey and will introduce a source of error within the borehole path unless it is calibrated and accounted for. Consider that accelerometers are typically mounted orthogonally to each other relative to a Cartesian coordinate system that rotates with the tool, with the z axis oriented so that it points into the borehole toward the bit along the axis. BHA rotation. Two other transverse geometric axes are identified as “x” and “y” and form a right coordination system with “z” in such a way that ix crossed with iy is equal to iz, where ix, iy and iz are the vectors of units that correspond to their respective Cartesian geometric axes attached to the tool. While rotating, misalignment error behaves differently for x & y transverse sensors than it does for z axis sensors. For transverse sensors, the primary sensitivity is orthogonal to the axis of rotation which yields an AC signal with a frequency equal to the rotation frequency and an amplitude proportional to the value of the unfinished well slope angle. The transverse misalignment error yields a small vector sensitivity in the z direction along the tool geometry axis. Therefore, the transverse sensor error response caused by misalignment is independent of tool rotation, i.e. it is DC compensation. When using superimposition, the transverse sensor signal is the primary AC signal with a small DC offset superimposed on it. For axial sensors, the conversion is true, the misalignment error yields a small transverse vector sensitivity to the tool axis. When using superimposed, the total axial sensor signal is the primary DC signal which is proportional to the earth's gravity times the cosine of the slope angle plus a small AC misalignment error signal superimposed on it. However, the misalignment error of an axial sensor is simply canceled out by averaging the samples over an integral number of BHA rotations.

[023] No caso de um furo de poço vertical de tal como que o eixo geométrico z da ferramenta seja precisamente alinhado com o vetor de gravidade da terra, isto é, quando o ângulo de declive é zero graus, os acelerômetros transversos de x e y não terão nenhum componente de AC, apenas uma pequena compensação de sensor de DC. Quando a amplitude de AC dos acelerômetros transversos é zero, isso confirma que o furo de poço é vertical. Quando o poço inacabado começa a desviar para longe da direção vertical, isto é, quando o poço inacabado começa a pender, a amplitude de AC dos acelerômetros transversos de x e y começa a aumentar, com a amplitude proporcional à quantidade do declive. O acelerômetro de eixo geométrico z axialmente orientado mede o cosseno do ângulo de declive vezes a gravidade da terra e visto que o cosseno do ângulo de declive é um tanto insensível a pequenas mudanças em ângulo de declive quando o acelerômetro axial está alinhado ao vetor de gravidade da terra, o mesmo não é adequado para controle de perfuração vertical. Na prática, para o caso em que o eixo geométrico de ferramenta de rotação está em declive em algum ângulo em relação ao vetor de gravidade da terra, os acelerômetros transversos podem ser usados dinamicamente para quantificar a inclinação de poço inacabado até cerca de 75° de ângulo de inclinação usando-se a amplitude da frequência fundamental do sinal de AC dos acelerômetros transversos. Acima de cerca de 75°, o sinal de DC a partir do acelerômetro de “eixo geométrico z” deveria ser usado para uma medição dinâmica de inclinação de poço inacabado.[023] In the case of a vertical wellbore such that the z axis of the tool is precisely aligned with the earth's gravity vector, that is, when the slope angle is zero degrees, the transverse accelerometers of x and y do not will have no AC component, just a small DC sensor offset. When the AC amplitude of the transverse accelerometers is zero, this confirms that the borehole is vertical. When the unfinished well begins to deviate away from the vertical direction, that is, when the unfinished well begins to slope, the AC amplitude of the x and y transverse accelerometers begins to increase, with the amplitude proportional to the amount of slope. The axially oriented z-axis accelerometer measures the cosine of the slope angle times the earth's gravity, and since the cosine of the slope angle is somewhat insensitive to small changes in slope angle when the axial accelerometer is aligned with the gravity vector earth, it is not suitable for vertical drilling control. In practice, for the case where the rotational tool axis is downhill at some angle with respect to the earth's gravity vector, transverse accelerometers can be used dynamically to quantify the unfinished borehole slope up to about 75° of tilt angle using the fundamental frequency amplitude of the AC signal from the transverse accelerometers. Above about 75°, the DC signal from the “z axis” accelerometer should be used for a dynamic unfinished hole slope measurement.

[024] Quando se usa acelerômetros dinamicamente na taxa de rotação da BHA, técnicas de redução de ruído gaussianas são usadas para diminuir os efeitos de aceleração causados por choques e vibrações aleatórias. Para melhores resultados, a resposta de frequência dos acelerômetros navegacionais deve ser limitada à banda pela física do dispositivo de modo que o dispositivo seja inerentemente insensível a choques e vibrações de alta frequência que podem ser grandes, o que satura o dispositivo fora da banda de frequência de interesse, o que afeta a precisão do dispositivo na banda de interesse. A “banda de frequência de interesse” é tipicamente entendida como significando frequências médias abaixo de cerca de 2 a 3 vezes à taxa de rotação máxima da BHA. Adicionalmente, seleção de dispositivo apropriada minimizará os efeitos de retificação de vibração, o que permite benefícios totais de filtração de ruído a ser efetuada para a computação robusta de inclinação em declive de poço inacabado, azimute em declive de poço inacabado e a GTF e MTF instantâneas da ferramenta.[024] When using accelerometers dynamically at the BHA rotation rate, Gaussian noise reduction techniques are used to lessen the acceleration effects caused by shocks and random vibrations. For best results, the frequency response of navigational accelerometers should be band-limited by device physics so that the device is inherently insensitive to high-frequency shocks and vibrations which can be large, which saturate the device outside of the frequency band. of interest, which affects the accuracy of the device in the band of interest. The "frequency band of interest" is typically understood to mean average frequencies below about 2 to 3 times the maximum rotation rate of the BHA. Additionally, proper device selection will minimize the effects of vibration rectification, which allows full noise filtering benefits to be realized for robust computation of unfinished hole downhill inclination, unfinished hole downhill azimuth, and the instantaneous GTF and MTF of the tool.

[025] Uma modalidade da presente invenção depende de uma plataforma geoestacionária virtual completamente autônoma com medições de autocorreção e autocalibração para gerar os sinais e a temporização exigidos para conduzir dinamicamente a ferramenta de perfuração conduzível giratória em uma direção desejada em relação a informações terrestres ou a um alvo. Três acelerômetros ortogonais, três magnetômetros ortogonais e três giroscópios de taxa ortogonais são dispostos na ferramenta para cobrir uma faixa ampla de condições de perfuração, ângulos inclinados de furo de poço e casos em que o campo magnético da terra é ou distorcido por revestimentos de poço próximos ou se a trajetória de furo de poço percorre norte-sul ou sul-norte e a inclinação em declive de furo de poço está dentro de alguns graus de coincidir com o ângulo de inclinação em graus local do campo magnético da terra. Esses 9 eixos geométricos são dinamicamente combinados sobre uma faixa ampla de taxas de rotação de BHA a partir de zero RPM até diversas centenas de RPM. As emissões “geoestacionárias” da plataforma geoestacionária virtual rotativa são inclinação em declive de poço inacabado e azimute em declive de poço inacabado. As emissões instantâneas ou dinâmicas são GTF, MTF, o ângulo local entre GTF e MTF (Ângulo X), e a frequência de rotação instantânea. Essas 6 emissões são usadas para controlar a temporização dos atuadores que desviam dinamicamente a broca e fazem com que a ferramenta rotativa conduza o poço em uma direção particular que é fixa em relação à terra.[025] One embodiment of the present invention relies on a completely autonomous virtual geostationary platform with self-correction and self-calibration measurements to generate the signals and timing required to dynamically drive the rotary steerable drilling tool in a desired direction relative to ground information or a a target. Three orthogonal accelerometers, three orthogonal magnetometers, and three orthogonal rate gyroscopes are arranged in the tool to cover a wide range of drilling conditions, inclined borehole angles, and cases where the earth's magnetic field is distorted by nearby well casings. or if the borehole path runs north-south or south-north and the downhill slope of the borehole is within a few degrees of matching the local degree slope angle of the earth's magnetic field. These 9 geometry axes are dynamically blended over a wide range of BHA rotation rates from zero RPM to several hundred RPM. The “geostationary” emissions from the rotating virtual geostationary platform are unfinished well downhill slope and unfinished well downhill azimuth. The instantaneous or dynamic emissions are GTF, MTF, the local angle between GTF and MTF (Angle X), and the instantaneous rotation frequency. These 6 emissions are used to control the timing of the actuators that dynamically deflect the bit and cause the rotating tool to drive the well in a particular direction that is fixed relative to the earth.

[026] Em uma modalidade, a plataforma geoestacionária virtual pode incluir uma montagem de microcontrolador e/ou microprocessador de plataforma geoestacionária virtual separada (“VGPMA”) ou a mesma pode usar a montagem de microcontrolador e/ou microprocessador de outro sistema, tal como aquela da montagem conduzível giratória conforme descrito acima. A VGPMA, se configurada, pode ter configurações variantes que podem incluir um microcontrolador e/ou microprocessador, memória, memória não volátil, canais de entrada/saída, vários sensores e/ou programação armazenada à memória que a montagem executa quando em operação. Adicionalmente, conforme discutido no parágrafo acima, a plataforma geoestacionária virtual pode ser configurada com sensores que incluem: três acelerômetros ortogonais, três magnetômetros ortogonais e três giroscópios de taxa ortogonais, sendo que todos fornecem entrada (ou entradas) à VGPMA ou sistema de processamento substituto, tal como aquele da montagem conduzível giratória. O sistema de processamento desses dados de entrada de sensor, então, processa essa informação para calcular localização e determinar quaisquer erros de desalinhamento em potencial. Opcionalmente, os dados de sensor e/ou outros dados podem ser registrados à memória.[026] In one embodiment, the virtual geostationary platform may include a separate virtual geostationary platform (“VGPMA”) microcontroller and/or microprocessor assembly, or it may use the microcontroller and/or microprocessor assembly of another system, such as that of the rotatable drive mount as described above. The VGPMA, if configured, can have varying configurations that can include a microcontroller and/or microprocessor, memory, non-volatile memory, input/output channels, various sensors, and/or programming stored in memory that the assembly executes when in operation. Additionally, as discussed in the paragraph above, the virtual geostationary platform can be configured with sensors that include: three orthogonal accelerometers, three orthogonal magnetometers, and three orthogonal rate gyroscopes, all of which provide input (or inputs) to the VGPMA or surrogate processing system , such as that of the rotatable drive mount. The system processing this sensor input data then processes this information to calculate location and determine any potential misalignment errors. Optionally, sensor data and/or other data can be logged to memory.

[027] Os giroscópios de taxa referenciados nessa modalidade não são usados para navegação inercial; os mesmos não são os giroscópios que buscam o norte que seriam necessários para orientação inercial ou os mesmos são montados em suspensão cardan. Os mesmos medem taxas de rotação da BHA ao longo de cada eixo geométrico do sistema de coordenação de ferramenta para a determinação de parâmetros que pertencem à dinâmica e cinemática de perfuração. O giroscópio de eixo geométrico z mede a taxa de rotação instantânea da ferramenta sobre o eixo geométrico z par identificar e corrigir movimento de deslizamento descontínuo (do tipo stick slip) e zonas de interferência magnética. Os giroscópios de eixo geométrico x e eixo geométrico y proporcionam uma indicação do movimento da ferramenta em resposta ao choque e vibração enquanto se perfura. A saber, se a movimentação da BHA deflexionamento ao choque é translacional, então, os giroscópios x e y não lerão qualquer rotação relativa. No entanto, se os giroscópios x e y detectam um componente rotacional de movimentação de BHA que se correlaciona com os acelerômetros de eixo geométrico y e eixo geométrico x respectivamente, então, isso significa que a resposta da ferramenta ao choque e vibração inclui obliquidade e guinada no orifício e que a movimentação inclui um componente do tipo pêndulo. Essa movimentação poderia identificar uma indicação falsa de declive de poço inacabado de modo que a mesma poderia ser apropriadamente identificada como a ferramenta basculante no orifício e não basculante do orifício.[027] Rate-referenced gyroscopes in this modality are not used for inertial navigation; they are not the north seeking gyroscopes that would be needed for inertial guidance or they are gimbal mounted. They measure BHA rotation rates along each geometric axis of the tool coordination system for the determination of parameters pertaining to drilling dynamics and kinematics. The z-axis gyroscope measures the instantaneous rate of rotation of the tool about the z-axis to identify and correct for stick slip movement and magnetic interference zones. The x-axis and y-axis gyroscopes provide an indication of tool movement in response to shock and vibration while drilling. Namely, if the movement of the BHA deflection to shock is translational, then the x and y gyroscopes will not read any relative rotation. However, if the x and y gyroscopes detect a rotational component of BHA motion that correlates to the y-axis and x-axis accelerometers respectively, then this means that the tool's response to shock and vibration includes obliquity and yaw in the bore and that the drive includes a pendulum-type component. This movement could identify a false indication of unfinished hole grade so that it could be properly identified as the tilting tool in the hole and not tilting the hole.

[028] A instrumentação e o processamento eletrônicos para controle de condução de ferramenta incorporam múltiplos sensores de retroalimentação, sensores de navegação e uma montagem de microcontrolador e/ou microprocessador para processar as entradas combinadas a partir de vários sensores para conduzir a ferramenta com base nas entradas de sensor, quaisquer parâmetros de controle pré-programados e/ou entradas de controle adicionais comunicados a partir da superfície ou outros sistemas de interior de poço. Em uma modalidade, a aquisição de sinal, redução de ruído e erro dinâmico que corrige processamento possibilitam a computação em tempo real precisa das medições de face de ferramenta instantânea e taxas de rotação de BHA e parâmetros de trajetória de furo de poço geostática independentemente de a ferramenta estar girando ou estática, o que, desse modo, elimina a necessidade de uma plataforma geoestacionária ou quase geoestacionária para os sensores navegacionais, e possibilita as correções de curso de furo de poço imediatas ou instantâneas sem interrupção e transparente ao processo de perfuração. Adicionalmente, é uma técnica bem conhecida colocar duas medições similares separadas por um espaçamento conhecido, por exemplo, inclinação, para computar e monitorar de modo dinâmico a severidade de perna dentada instantânea de modo que ajustamentos preventivos à taxa de acúmulo possam ser feitos rapidamente sem interromper perfuração giratória e operações de condução, e sem ter que ligar descendentemente a profundidade e/ou informações de ROP a partir da superfície e sem um comando gerado de superfície. Adicional ou alternativamente, medidores de tensão podem ser usados para determinar a severidade de perna dentada com base na amplitude da flexão completamente inversa do colar de perfuração à medida que o mesmo gira na ou através da seção curvada do poço.[028] Electronic instrumentation and processing for tool driving control incorporates multiple feedback sensors, navigation sensors, and a microcontroller and/or microprocessor assembly to process the combined inputs from multiple sensors to drive the tool based on the sensor inputs, any pre-programmed control parameters and/or additional control inputs communicated from surface or other downhole systems. In one embodiment, signal acquisition, noise reduction, and dynamic error correcting processing enable accurate real-time computation of instantaneous tool face measurements and BHA rotation rates and geostatic borehole path parameters regardless of the tool is either rotating or static, thereby eliminating the need for a geostationary or quasi-geostationary platform for the navigational sensors, and enabling immediate or instantaneous borehole course corrections without interruption and transparent to the drilling process. Additionally, it is a well-known technique to place two similar measurements separated by a known spacing, e.g., slope, to dynamically compute and monitor instantaneous sprocket severity so that preventive adjustments to the accumulation rate can be made quickly without interrupting rotary drilling and driving operations, and without having to downlink depth and/or ROP information from the surface and without a surface generated command. Additionally or alternatively, strain gauges can be used to determine the severity of tine leg based on the full reverse bending amplitude of the drill collar as it rotates in or through the curved section of the wellbore.

[029] Adicionalmente, em uma modalidade, a instrumentação de controle e eletrônica da ferramenta de perfuração conduzível giratória pode ser combinada com um canal de enlace descendente a partir da superfície à ferramenta de interior de poço que permite atualizar a ferramenta e/ou reprogramar a ferramenta a partir da superfície de modo a estabelecer ou mudar de modo adaptativo os valores-alvo desejados de azimute e inclinação de furo de poço enquanto continua a girar e/ou conduzir. Além da instrumentação navegacional exigida, em uma modalidade, a ferramenta pode incorporar instrumentação para várias medições de avaliação de formação, tais como detecção de raio gama natural médio e/ou de quadrante, resistividade de formação de múltiplas profundidades, densidade e porosidade de neurônio, porosidade sônica, imageamento de resistividade de poço inacabado, detecção olhe para frente e olhe em volta, uma medição de calibrador ultrassônico de diâmetro de furo de poço e mecânica de perfuração. A memória não volátil eletrônica, em uma modalidade da eletrônica de bordo da ferramenta, tem a capacidade de registrar e reter e/ou registras e transmitir, ou simplesmente transmitir em tempo real ou em um atraso com a utilização de memória de armazenamento temporário, um conjunto completo de levantamentos de furo de poço e outros dados para possibilitar capacidade de condução geológica de modo que a ferramenta de perfuração conduzível giratória possa ser implementada de modo eficaz para perfurar todas as seções do poço com um dado diâmetro. Quando localizados abaixo de um motor de lama de deslocamento positivo, os dados em tempo real a partir da ferramenta conduzível giratória podem ser monitorados por telemetria de curta distância sem fio a uma ferramenta receptora remota adequada localizada acima do motor de lama e, então, monitorados por telemetria à superfície por meio de pulso de lama, eletromagnético (“EM”) ou outra telemetria conforme pode se tornar disponível. Em uma modalidade, a energia elétrica para controle e operação das válvulas solenoides e instrumentação, aquisição e eletrônica de telemetria de curta distância é fornecida por baterias de interior de poço, ou um alternador alimentador por lama de turbina ou uma combinação dos dois. Adicionalmente, o sistema pode ser alimentado por outros sistemas de geração de potência de interior de poço.[029] Additionally, in one embodiment, the control instrumentation and electronics of the rotary drilling tool can be combined with a downlink channel from the surface to the downhole tool that allows updating the tool and/or reprogramming the tool from the surface in order to adaptively set or change the desired borehole azimuth and inclination target values while continuing to rotate and/or drive. In addition to the required navigational instrumentation, in one embodiment, the tool may incorporate instrumentation for various formation assessment measurements, such as mean natural gamma ray and/or quadrant detection, multi-depth formation resistivity, neuron density and porosity, sonic porosity, unfinished borehole resistivity imaging, look-ahead and look-around detection, an ultrasonic caliper measurement of borehole diameter, and drilling mechanics. Electronic non-volatile memory, in one embodiment of the tool's on-board electronics, has the ability to record and hold and/or record and transmit, or simply transmit in real time or on a delay using temporary storage memory, a complete set of borehole surveys and other data to enable geological guidance capability so the rotary steerable drilling tool can be effectively deployed to drill all sections of the well within a given diameter. When located below a positive displacement mud motor, real-time data from the rotary drive tool can be monitored by wireless short range telemetry to a suitable remote receiver tool located above the mud motor and then monitored. by surface telemetry via mud pulse, electromagnetic (“EM”) or other telemetry as may become available. In one embodiment, the electrical power for control and operation of the solenoid valves and instrumentation, acquisition, and short range telemetry electronics is provided by wellbore batteries, or a turbine slurry feed alternator, or a combination of the two. Additionally, the system can be powered by other downhole power generation systems.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[030] A Figura 1 ilustra uma vista em perspectiva lateral de uma coluna de broca giratória implementada que tem uma montagem de fundo de poço (“BHA”).[030] Figure 1 illustrates a perspective side view of an implemented rotary drill string that has a downhole assembly (“BHA”).

[031] As Figuras 2A e 2B ilustram uma modalidade de uma ferramenta de perfuração conduzível giratória e mostram duas vistas laterais ortogonais da afixação de broca à ferramenta de perfuração conduzível giratória.[031] Figures 2A and 2B illustrate an embodiment of a rotatable driven drilling tool and show two orthogonal side views of the drill attachment to the rotary driven drilling tool.

[032] A Figura 2C ilustra uma modalidade da broca de perfuração da ferramenta de perfuração conduzível giratória mostrada nas Figuras 2A e 2B a partir da perspectiva de um observador que olha em direção à broca poço inacabado acima e define um sistema de coordenadas cartesianas para referência.[032] Figure 2C illustrates an embodiment of the drill bit of the rotary driven drilling tool shown in Figures 2A and 2B from the perspective of an observer looking towards the unfinished hole drill above and defines a Cartesian coordinate system for reference .

[033] As Figuras 3A-1, 3B-1, 3C-1 e 3D-1 ilustram uma modalidade de uma ferramenta de perfuração conduzível giratória e mostram uma sequência de vistas laterais ortogonais da afixação de broca à ferramenta de perfuração conduzível giratória à medida que a ferramenta está reduzindo dinamicamente o ângulo.[033] Figures 3A-1, 3B-1, 3C-1 and 3D-1 illustrate an embodiment of a swivel driven drilling tool and show a sequence of orthogonal side views of the drill attachment to the custom swivel steerable drilling tool that the tool is dynamically reducing the angle.

[034] As Figuras 3A-2, 3B-2, 3C-2, e 3D-2 ilustram uma modalidade de uma ferramenta de perfuração conduzível giratória e mostram a broca de perfuração da ferramenta de perfuração conduzível giratória mostrada nas Figuras 3A-1, 3B-1, 3C1 e 3D-1 respectivamente a partir da perspectiva de um observador que olha em direção à broca a partir do interior do poço e define um sistema de coordenadas cartesianas para referência[034] Figures 3A-2, 3B-2, 3C-2, and 3D-2 illustrate an embodiment of a rotary driven drilling tool and show the drill bit of the rotary driven drilling tool shown in Figures 3A-1, 3B-1, 3C1 and 3D-1 respectively from the perspective of an observer looking towards the bit from the inside of the well and defining a Cartesian coordinate system for reference

[035] As Figuras 4A a 4B mostram uma vista em perspectiva lateral em recorte que ilustra a estrutura interna de uma modalidade da ferramenta de perfuração conduzível giratória e mostram duas vistas do movimento oscilante da broca e eixo de broca.[035] Figures 4A to 4B show a cutaway side perspective view illustrating the internal structure of an embodiment of the rotary driveable drilling tool and show two views of the oscillating movement of the drill and drill axis.

[036] A Figura 5 mostra uma seção ampliada do atuador de braço de alavanca da ferramenta de perfuração conduzível giratória mostrada nas Figuras 4A a 4B.[036] Figure 5 shows an enlarged section of the lever arm actuator of the rotary driveable drilling tool shown in Figures 4A to 4B.

[037] As Figuras 6A a 6B mostram uma vista em perspectiva lateral que ilustra a estrutura interna de uma modalidade da ferramenta de perfuração conduzível giratória e mostram duas vistas da operação do mecanismo de travamento de braço de alavanca que é usado para travar a broca na posição centralizada quando as operações de condução não estão ativas. A Figura 6A está travada. A Figura 6B está destravada.[037] Figures 6A to 6B show a side perspective view illustrating the internal structure of an embodiment of the rotary driving drilling tool and show two views of the operation of the lever arm locking mechanism that is used to lock the drill in the centered position when driving operations are not active. Figure 6A is locked. Figure 6B is unlocked.

[038] As Figuras 7A a 7D ilustram uma modalidade para atuar a broca de uma ferramenta de perfuração conduzível giratória.[038] Figures 7A to 7D illustrate an embodiment to actuate the bit of a rotating drilling tool.

[039] As Figuras 8A a 8D ilustram uma modalidade do módulo de navegação para a plataforma geoestacionária virtual.[039] Figures 8A to 8D illustrate an embodiment of the navigation module for the virtual geostationary platform.

[040] A Figura 9 ilustra uma vista em perspectiva lateral de uma coluna de ferramenta conduzível giratória implementada que tem uma montagem de fundo de poço (“BHA”) configurada com uma plataforma geoestacionária virtual.[040] Figure 9 illustrates a perspective side view of a rotary driven tool string implemented that has a downhole assembly (“BHA”) configured with a virtual geostationary platform.

[041] A Figura 10 ilustra outra aplicação para a perfuração de poços de óleo e gás e mostra uma modalidade em que uma saída de uma bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável pode ser conectada por u ma linha hidráulica a um motor hidráulico, o que, desse modo, forma uma transmissão hidráulica.[041] Figure 10 illustrates another application for drilling oil and gas wells and shows an embodiment in which an output of a dynamically variable displacement axial piston pump can be connected by a hydraulic line to a hydraulic motor, the which thereby forms a hydraulic transmission.

[042] As Figuras 11A a 11B ilustram ainda outra modalidade de aplicação em que um eixo de saída de um motor hidráulico pode ser configurado para acionar uma válvula de lama giratória para a geração de telemetria de pulso de lama.[042] Figures 11A to 11B illustrate yet another application mode in which an output shaft of a hydraulic motor can be configured to drive a rotary mud valve for generating mud pulse telemetry.

[043] A Figura 12 ilustra uma aplicação da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável em um sistema hidráulico reversível de laço fechado pata o corte de núcleos de parede lateral.[043] Figure 12 illustrates an application of the dynamically variable displacement axial piston pump in a closed-loop reversible hydraulic system for cutting sidewall cores.

[044] A Figura 13 mostra a técnica anterior usada para acionar uma bomba de acoplamento do tipo garra para o fluido de formação de amostragem.[044] Figure 13 shows the prior technique used to drive a claw-type coupling pump for sampling formation fluid.

[045] A Figura 14 mostra uma modalidade que usa uma bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável em uma configuração de laço fechado para controlar e acionar uma bomba de acoplamento do tipo garra.[045] Figure 14 shows an embodiment that uses a dynamically variable displacement axial piston pump in a closed-loop configuration to control and drive a claw-type coupling pump.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERENCIAISDETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED MODALITIES

[046] Referindo-se à Figura 1, um furo de poço 10 é mostrado sendo perfurado por uma broca de perfuração giratória 12 que é conectada na extremidade inferior de uma coluna de perfuração 14 que se estende para cima à superfície em que a mesma é acionada pela mesa giratória 16 ou um acionamento de topo 6 de uma sonda de perfuração típico 8. A coluna de perfuração 14 tipicamente é compreendida de seções do cano de perfuração 18 conectado a uma montagem de fundo de poço (BHA) 28 que tem um ou mais colares de perfuração 20 conectados à mesma com o propósito de aplicar peso à broca de perfuração 12. O furo de poço 10 da Figura 1 é mostrado como tendo uma seção superior vertical ou substancialmente vertical 22 e uma seção inferior desviada, curvada ou horizontal 24 que está sendo perfurada sob o controle ativo da ferramenta de perfuração conduzível giratória mostrada, em geral, em 26 que é construída de acordo com um aspecto da presente invenção. Conforme será descrito em detalhes abaixo, a ferramenta de perfuração conduzível giratória 26 é construída e disposta para fazer com que a broca de perfuração 12 perfure ao longo de um trajeto curvado que é designado pelas definições de controle da ferramenta de perfuração conduzível giratória 26 de acordo com os princípios revelados no presente documento. Lama de perfuração é bombeada para dentro da coluna de perfuração 14, flui através da BHA 28 e para fora de jatos na broca 12, e retorna à superfície com os cortes de perfuração no ânulo 30. A BHA 28 inclui uma broca de perfuração 12 conectada diretamente ao fundo da ferramenta de perfuração conduzível giratória ativamente controlada 26. A BHA também pode incluir outras ferramentas de perfuração, tal como motores de lama de deslocamento positivo para controlar velocidade escalar e torque rotacionais, e propulsores para controlar peso na broca. Ademais, a disposição desses componentes dentro de uma coluna de perfuração pode ser selecionada por pessoal de perfuração com base em sua experiência e preferências de acordo com uma ampla variedade de características de perfuração, tal como o raio de viragem da seção de furo de poço curvado que é perfurada, as características da formação que é perfurada, as características do equipamento de perfuração que é empregado para perfuração e a profundidade na qual a perfuração está acontecendo. Visto que o número de possíveis combinações e permutações desses outros colares é grande, o mesmo não será enumerado nesta revelação. É suficiente dizer que a colocação e a disposição desses componentes adicionais na coluna de perfuração em relação à ferramenta de perfuração conduzível giratória ativamente controlada 26 não têm suporte na construção e nos princípios de operação da presente invenção.[046] Referring to Figure 1, a well hole 10 is shown being drilled by a rotary drill bit 12 that is connected to the lower end of a drill string 14 that extends upwards to the surface on which it is driven by the turntable 16 or a top drive 6 of a typical drill rig 8. The drill string 14 typically is comprised of sections of drill pipe 18 connected to a downhole assembly (BHA) 28 having one or plus drill collars 20 connected thereto for the purpose of applying weight to the drill bit 12. The borehole 10 of Figure 1 is shown as having a vertical or substantially vertical upper section 22 and an offset, curved or horizontal lower section 24 being drilled under the active control of the rotatable driveable drilling tool shown generally at 26 which is constructed in accordance with one aspect of the present invention. As will be described in detail below, the rotatable steerable drilling tool 26 is constructed and arranged to cause the drill bit 12 to drill along a curved path that is designated by the control settings of the rotary steerable drilling tool 26 in accordance with with the principles set out in this document. Drilling mud is pumped into the drill string 14, flows through the BHA 28 and out of jets in the bit 12, and returns to the surface with the drill cuttings at the annulus 30. The BHA 28 includes an attached drill bit 12 directly to the bottom of the actively controlled rotary driveable drilling tool 26. The BHA may also include other drilling tools, such as positive displacement mud motors to control rotational speed and torque, and thrusters to control weight on the bit. Furthermore, the arrangement of these components within a drill string can be selected by drilling personnel based on their experience and preferences according to a wide variety of drilling characteristics, such as the turning radius of the curved borehole section. that is drilled, the characteristics of the formation that is drilled, the characteristics of the drilling equipment that is employed for drilling, and the depth to which drilling is taking place. Since the number of possible combinations and permutations of these other necklaces is large, they will not be enumerated in this disclosure. Suffice it to say that the placement and arrangement of these additional components on the drill string in relation to the actively controlled rotary steerable drill tool 26 is unsupported by the construction and operating principles of the present invention.

[047] As Figuras 2A e 2B ilustram uma modalidade da ferramenta de perfuração conduzível giratória 26 (“RSDT”) e mostram duas vistas laterais ortogonais da afixação de broca 12 à RSDT. Um ponto fixo de referência na RSDT, chamado de uma linha-guia 7 pode ou não ser visivelmente marcado no colar de perfuração da RSDT. Visivelmente marcada ou não, a linha-guia é fixa em relação aos e gira com os recursos mecânicos e eletrônicos da ferramenta de perfuração conduzível giratória e serve como um ponto de referência espacial para cálculos realizados pelo sistema de condução. Para essa discussão, será útil definir um sistema de coordenadas cartesianas de referência tridimensional, mostrado na Figura 2C, a partir da perspectiva de um observador que olha poço abaixo em direção à broca, que está afixada à e gira com a ferramenta de perfuração conduzível giratória. A origem 203 do sistema de coordenadas cartesianas de referência é o ponto de interseção da linha de centro 50 da RSDT e dos eixos geométricos x e y. O eixo geométrico x 204 passa através da origem 203 e intersecta ortogonalmente a linha-guia 7. O eixo geométrico y 205 é ortogonal ao eixo geométrico x e paralelo ao eixo geométrico da dobradiça 5 da articulação 3. Consistente com a nomenclatura padrão de indústria, o eixo geométrico z 206 mostrado nas Figuras 2A e 2B, é colinear com a linha de centro 50 da RSDT e é positivo na direção de interior de poço com profundidade medida crescente e negativo na direção poço acima com profundidade medida decrescente. A polaridade do eixo geométrico y 205 é escolhida de tal modo que os eixos geométricos x, y, & z sempre formem um sistema de coordenação direita. Os vetores de unidade Ix, Iy e Iz satisfazem as seguintes relações de produto de vetor: Ix (x) Iy = Iz; Iy (x) Iz = Ix; e Iz (x) Ix = Iy. Referindo-se à Figura 2A, pode-se definir um segmento de linha reta paralelo ao eixo geométrico x que se estende a partir de e é perpendicular à linha de centro 50 da RSDT e termina na linha-guia 7, que forma um vetor de orientação de ferramenta 60. Quando a ferramenta está girando em um furo de poço que não é vertical em relação ao campo gravitacional da terra, a GTF instantânea da RSDT é dita ser “0°” ou “para cima” quando o componente vertical do vetor de orientação de ferramenta 60 está apontando em uma direção oposta ao vetor de gravidade da terra. Por outro lado, quando a ferramenta está girando em um furo de poço que não é vertical em relação ao campo gravitacional da terra, a GTF instantânea da RSDT é dita ser “180°” ou “pra baixo” quando o componente vertical do vetor de orientação de ferramenta 60 está apontando na mesma direção que o vetor de gravidade da terra.[047] Figures 2A and 2B illustrate an embodiment of the rotatable drilling tool 26 (“RSDT”) and show two orthogonal side views of the drill attachment 12 to the RSDT. A fixed reference point on the RSDT, called a guideline 7, may or may not be visibly marked on the RSDT drill collar. Visibly marked or not, the guideline is fixed relative to and rotates with the mechanical and electronic features of the rotary steerable drilling tool and serves as a spatial reference point for calculations performed by the guidance system. For this discussion, it will be helpful to define a three-dimensional reference Cartesian coordinate system, shown in Figure 2C, from the perspective of an observer looking downhole toward the drill bit, which is attached to and rotates with the rotary steerable drill tool. . The origin 203 of the reference Cartesian coordinate system is the intersection point of the centerline 50 of the RSDT and the geometric x and y axes. The x axis 204 passes through the origin 203 and orthogonally intersects the guideline 7. The y axis 205 is orthogonal to the x axis and parallel to the axis of hinge 5 of hinge 3. Consistent with industry standard nomenclature, the z-axis 206 shown in Figures 2A and 2B, is collinear with RSDT centerline 50 and is positive in the downhole direction with increasing measured depth and negative in the uphole direction with decreasing measured depth. The polarity of the y axis 205 is chosen such that the x, y, & z axis always form a right coordinate system. The unit vectors Ix, Iy, and Iz satisfy the following vector product relations: Ix (x) Iy = Iz; Iy (x) Iz = Ix; and Iz(x) Ix = Iy. Referring to Figure 2A, one can define a straight line segment parallel to the x axis that extends from and is perpendicular to RSDT centerline 50 and terminates at guideline 7, which forms a vector of tool orientation 60. When the tool is rotating in a borehole that is not vertical to the earth's gravitational field, the instantaneous GTF of the RSDT is said to be "0°" or "up" when the vertical component of the vector tool orientation 60 is pointing in a direction opposite to the earth's gravity vector. On the other hand, when the tool is rotating in a borehole that is not vertical to the earth's gravitational field, the instantaneous GTF of the RSDT is said to be "180°" or "down" when the vertical component of the Tool orientation 60 is pointing in the same direction as the earth's gravity vector.

[048] Referindo-se novamente à Figura 2C, é útil definir um sistema de coordenação cilíndrica de ferramenta que está afixado à e gira com a ferramenta de perfuração conduzível giratória. O eixo geométrico z 206 permanece o mesmo conforme definido para o sistema de coordenadas cartesianas em 3D. Visualizando a vista em corte transversal AA na Figura 2A, os eixos geométricos x e y são substituídos por raio r 210 e ângulo θ (teta) 212. Quando se descreve um ponto na ferramenta, seu raio “r” é igual a (x2 + y2)1/2. O ângulo θ é definido em relação à linha-guia 7 e é zero graus na linha-guia e positivo na direção do sentido horário quando visto olhando na direção de +z na direção de interior de poço.[048] Referring again to Figure 2C, it is useful to define a cylindrical tool coordination system that is attached to and rotates with the rotatable driving drilling tool. The z axis 206 remains the same as defined for the 3D Cartesian coordinate system. Viewing the AA cross-sectional view in Figure 2A, the x and y geometric axes are replaced by radius r 210 and angle θ (theta) 212. When describing a point on the tool, its radius “r” is equal to (x2 + y2) 1/2. The angle θ is defined relative to guideline 7 and is zero degrees on the guideline and positive in the clockwise direction when viewed looking in the +z direction in the downhole direction.

[049] Referindo-se à modalidade da RSDT ilustrada em ambas Figuras 2A e 2B, a montagem de broca é afixada na extremidade de fundo da RSDT por meio de uma dobradiça de uma montagem de dobradiça de um único eixo geométrico 5, compreendida de uma culatra 41 que está preferencialmente integral com o colar de ferramenta de perfuração conduzível giratória 43, o eixo de broca 33 que se aparafusa à broca 12 em sua extremidade inferior e se junta à culatra 41 na sua extremidade superior, e uma pino de dobradiça 37 que se encaixa na culatra 41 e na extremidade superior do eixo de broca 33. Conforme mostrado em ambas as Figuras 2A e 2B, a orientação do pino de dobradiça 37 é paralela ao eixo geométrico y 205 do sistema de coordenadas cartesianas de referência de ferramenta, o que a faz perpendicular tanto ao vetor de orientação de ferramenta 60 quanto à linha de centro 50 da RSDT. O vetor de orientação de ferramenta 60 estaria na direção de 0° no sistema de coordenação cilíndrica de ferramenta. A dobradiça 5 permite que o eixo de broca 33 articule com um único grau de liberdade em relação ao colar de ferramenta de perfuração conduzível giratória 43 sobre o eixo geométrico da dobradiça 5 da articulação 3.[049] Referring to the embodiment of the RSDT illustrated in both Figures 2A and 2B, the drill assembly is attached to the bottom end of the RSDT by means of a hinge of a single axis hinge assembly 5, comprised of a yoke 41 which is preferably integral with the collar of the rotatable drilling tool 43, the drill shaft 33 which screws into the drill 12 at its lower end and joins the yoke 41 at its upper end, and a hinge pin 37 which fits into the yoke 41 and the upper end of the drill shaft 33. As shown in both Figures 2A and 2B, the orientation of the hinge pin 37 is parallel to the y axis 205 of the Cartesian tool reference coordinate system, the which makes it perpendicular to both tool orientation vector 60 and centerline 50 of the RSDT. The tool orientation vector 60 would be in the 0° direction in the cylindrical tool coordination system. The hinge 5 allows the drill shaft 33 to pivot with a single degree of freedom with respect to the swivel steerable drilling tool collar 43 about the axis of the hinge 5 of the hinge 3.

[050] Isso acontece em contraste aos sistemas aponte a broca que empregam pivôs omnidirecionais de múltiplos graus de liberdade ou juntas universais de tal modo que o deflexionamento da broca pode ser mantido constante em relação a um sistema de coordenação geoestacionária (um sistema de coordenação que não gira com a ferramenta, porém é referenciado à terra) à medida que a ferramenta gira. Conforme será discutido abaixo em maiores detalhes, mudar a direção do furo de poço em uma direção particular com a utilização desse aspecto da presente invenção é realizado pelas oscilações bidirecionais simétricas coerentes espacialmente faseadas do eixo de broca 33 e broca de perfuração 12 à medida que a RSDT ativamente controlada gira.[050] This is in contrast to point-drill systems that employ multi-degree-of-freedom omnidirectional pivots or universal joints such that the deflection of the drill can be held constant relative to a geostationary coordination system (a coordination system that does not rotate with the tool, but is referenced to earth) as the tool rotates. As will be discussed in more detail below, changing the direction of the borehole in a particular direction using this aspect of the present invention is accomplished by the spatially phased coherent symmetrical bi-directional oscillations of the drill shaft 33 and drill bit 12 as the Actively controlled RSDT rotates.

[051] Um par de lâminas estabilizadoras 35 pode ser tanto integral com como pode ser soldado no eixo de broca 33 em θ212 = 0° e 180° no eixo de broca, que se estende acima do pino de dobradiça 37 para melhorar a capacidade de condução da RSDT. Adicionalmente, pode ser útil adicionar um par de lâminas estabilizadoras de medida completa logo acima da broca com as lâminas centralizadas em θ212 = 90° e 270° para melhorar, adicionalmente, a capacidade de condução da RSDT. Uma ou mais lâminas estabilizadoras mais fixas 39 podem ser posicionadas e montadas no diâmetro externo do colar de RSDT 43 acima da dobradiça conforme necessário para a estabilidade e capacidade de condução de BHA. As lâminas estabilizadoras 39 podem ser de lâmina reta ou de lâmina curvada, em formato cilíndrico ou de melancia, consistentes com as taxas de acúmulo pretendidas e características de perfuração de interior de poço desejadas pelo pessoal de perfuração.[051] A pair of stabilizing blades 35 can be either integral with or welded to the drill shaft 33 at θ212 = 0° and 180° to the drill shaft, which extends above the hinge pin 37 to improve the ability to conducting the RSDT. Additionally, it may be helpful to add a pair of full gauge stabilizing blades just above the drill with the blades centered at θ212 = 90° and 270° to further improve the driving ability of the RSDT. One or more fixed stabilizing blades 39 can be positioned and mounted on the outer diameter of the RSDT collar 43 above the hinge as needed for stability and BHA driveability. The stabilizing blades 39 may be straight bladed or curved bladed, cylindrical or watermelon shaped, consistent with the intended buildup rates and downhole drilling characteristics desired by the drilling personnel.

[052] As “fotografias” da ferramenta nas Figuras 3A até 3D mostram uma sequência de vistas de 4 lados e de extremidade ascendente à medida que a RSDT está sendo girada e conduzida para o cenário em que o furo de poço está reduzindo o ângulo, isto é, a “parte frontal” da curva está para baixo. O colar de perfuração acima da dobradiça é identificado 43 e gira na linha de centro da ferramenta 50. A orientação de GTF instantânea da ferramenta em cada Figura é identificada pela localização da linha-guia 7 e do vetor de orientação de ferramenta 60. Por questão de clareza, o deflexionamento do eixo de broca é exagerado e as lâminas estabilizadoras não são mostradas.[052] The “photographs” of the tool in Figures 3A through 3D show a sequence of views from 4 sides and from the rising end as the RSDT is being rotated and driven into the scenario where the wellbore is reducing the angle, that is, the “front end” of the curve is down. The drill collar above the hinge is identified 43 and rotates on the tool centerline 50. The instantaneous GTF orientation of the tool in each Figure is identified by the location of the guideline 7 and the tool orientation vector 60. For clarity, drill shaft deflection is exaggerated and stabilizing blades are not shown.

[053] A direção de rotação em cada figura é no sentido horário quando visto a partir da superfície e é mostrada pelas setas curvadas que são identificadas com o símbolo “W” (ômega). À medida que a RSDT gira, o eixo de broca 33 e a broca 12 desviam em relação à linha de centro 50 de ferramenta. Por conveniência, os eixos geométricos do sistema de coordenadas cartesianas de referência de ferramenta são sobrepostos em cada foto. O eixo geométrico z 206 é colinear com a linha de centro da ferramenta 50. Ambos o eixo geométrico x 204 e o eixo geométrico y 205 são transversos à linha de centro 50 de ferramenta. Para essa discussão, a origem do sistema de coordenação de referência 203 é mostrada na interseção do eixo geométrico z 206, do eixo geométrico x 204 e do eixo geométrico de dobradiça da articulação 3. O eixo geométrico de dobradiça da articulação 3 é colinear com o eixo geométrico y 205. O deflexionamento da broca em relação à linha de centro 50 da rotação RSDT é identificado pela letra grega delta (δ), que é o ângulo formado pelo eixo geométrico longo 85 do eixo de broca 33 e da linha de centro 50 da RSDT. A dita convenção do ângulo δ é negativa quando o eixo de broca 33 desvia para longe da linha-guia 7 e é positivo quando o eixo de broca 33 desvia em direção à linha- guia 7. Os ângulos de GTF 0°, 90°, 180° e 270° são identificados na vista de extremidade de fundo em cada Figura. Esses ângulos são fixos em relação ao vetor de gravidade da terra e não giram com a ferramenta.[053] The direction of rotation in each figure is clockwise when viewed from the surface and is shown by the curved arrows that are identified with the symbol “W” (omega). As the RSDT rotates, the drill spindle 33 and the drill 12 offset relative to the tool centerline 50. For convenience, the geometry axes of the tool reference Cartesian coordinate system are superimposed on each photo. The z axis 206 is collinear with the tool centerline 50. Both the x axis 204 and the y axis 205 are transverse to the tool centerline 50. For this discussion, the origin of the reference coordinate system 203 is shown at the intersection of the z axis 206, the x axis 204, and the hinge axis of hinge 3. The hinge axis of hinge 3 is collinear with the hinge axis 203. y-axis 205. The deflection of the drill relative to the centerline 50 of the RSDT rotation is identified by the Greek letter delta (δ), which is the angle formed by the long axis 85 of the drill axis 33 and the centerline 50 from RSDT. Said angle convention δ is negative when the drill axis 33 deviates away from the guideline 7 and is positive when the drill axis 33 deviates towards the guideline 7. The GTF angles 0°, 90°, 180° and 270° are identified in the bottom end view in each Figure. These angles are fixed with respect to the earth's gravity vector and do not rotate with the tool.

[054] Na Figura 3A, a linha-guia 7 está “para cima” e a GTF é 0°. Na Figura 3C, a linha-guia 7 está “para baixo” e a GTF é 180°. As direções de “direita” e “esquerda” são definidas a partir da perspectiva do perfurador, oposto às vistas de extremidade mostradas nas Figuras 3B e 3D. Na Figura 3B, a linha-guia 7 está em 90°. Uma GTF igual a 90° é denominada “direita” visto que os deflexionamentos de broca naquela direção faram com que o poço inacabado faça uma volta à direita. De modo similar, para a Figura 3D, a linha-guia 7 está em 270°, que é denominada “esquerda” visto que os deflexionamentos de broca naquela direção faram com que o poço inacabado faça uma volta à esquerda. A Figura 3A mostra o eixo geométrico longo 85 do eixo de broca 33 desviado para longe da linha-guia 7 por algum ângulo negativo δ, porém visto que a GTF de linha-guia é 0°, a broca de perfuração 12 remove, preferencialmente, o material no lado baixo do orifício. A fotografia na Figura 3C é tirada depois da RSDT ter girado 180° a partir de sua orientação na fotografia na Figura 3A e mostra o eixo geométrico longo 85 do eixo de broca 33 desviado em direção da linha-guia 7 por algum ângulo positivo δ, porém visto que a GTF de linha-guia é 180° (que aponta para baixo), a broca de perfuração 12 remove, novamente, de preferência o material no lado baixo do orifício.[054] In Figure 3A, the guideline 7 is “up” and the GTF is 0°. In Figure 3C, guideline 7 is “down” and the GTF is 180°. The "right" and "left" directions are defined from the driller's perspective, as opposed to the end views shown in Figures 3B and 3D. In Figure 3B, guideline 7 is at 90°. A GTF equal to 90° is termed “right” as drill deflections in that direction will cause the unfinished hole to make a right turn. Similarly, for Figure 3D, guideline 7 is at 270°, which is termed “left” as drill deflections in that direction will cause the unfinished hole to make a left turn. Figure 3A shows the long axis 85 of the drill axis 33 offset away from the guideline 7 by some negative angle δ, but since the guideline GTF is 0°, the drill bit 12 preferentially removes the material on the underside of the hole. The photograph in Figure 3C is taken after the RSDT has rotated 180° from its orientation in the photograph in Figure 3A and shows the long axis 85 of the drill shaft 33 offset towards the guideline 7 by some positive angle δ, however since the guideline GTF is 180° (which points downwards), the drill bit 12 again preferably removes material on the low side of the hole.

[055] As fotografias nas Figuras 3B e 3D mostram o eixo geométrico longo 85 do eixo de broca 33 alinhado à linha de centro 50 da RSDT. Nessa posição, a broca 12 faz contato momentâneo com o diâmetro da “parte posterior” do orifício e, logo, remove menos material a partir do diâmetro da “parte posterior” do orifício durante as operações de condução do que normalmente faria quando se perfura. Quando a condução é ativada e a RSDT está girando, esse movimento oscilante simétrico da broca 12 na mesma frequência que a rotação da BHA, faseado sincronamente em relação à direção espacial em que o furo de poço está sendo conduzido é um aspecto único do método e aparelho da presente invenção.[055] The photographs in Figures 3B and 3D show the long axis 85 of the drill shaft 33 aligned to the centerline 50 of the RSDT. In this position, the drill 12 makes momentary contact with the “back” diameter of the hole and therefore removes less material from the “back” diameter of the hole during driving operations than it normally would when drilling. When driving is activated and the RSDT is rotating, this symmetric oscillating movement of the bit 12 at the same frequency as the rotation of the BHA, phased synchronously with respect to the spatial direction in which the borehole is being driven is a unique aspect of the method and apparatus of the present invention.

[056] Em uma modalidade da RSDT, os movimentos oscilantes da broca 12 e eixo de broca 33 podem ser atuados pelo mecanismo mostrado nas Figuras 4A e 4B. Um braço de alavanca 87 é afixado ao eixo de broca 33 na dobradiça 5 por uma extensão inferior 121 do braço de alavanca 87 que se engata a um orifício de linha de centro através do meio do eixo de broca 33 que é ortogonal ao eixo geométrico de pino de dobradiça da articulação 3. Uma vedação de lama elastomérica 91 nessa conexão é fornecida para evitar que fluido de perfuração escape ao redor da extensão de braço de alavanca 121 à medida que a mesma se engata à dobradiça 5. A extensão de braço de alavanca 121 inclui seu próprio orifício de linha de centro que é aberto ao orifício de linha de centro no eixo de broca 33 para permitir que a passagem de lama de perfuração para alcançar a broca 12 e os bocais na broca. Nessa modalidade, o braço de alavanca 87 é compreendido de dois trilhos paralelos e inúmeros espaçadores e fixadores que estão unidos à extensão de extremidade inferior 121. Na Figura 4A, visto que o braço de alavanca 87 é deslocado de modo angular em direção à linha-guia 7, a broca 12 e o eixo de broca 33 se deslocarão de modo angular na direção oposta para longe da linha-guia 7 por meio da ação da dobradiça 5. Por outro lado, na Figura 4B, visto que o braço de alavanca 87 é deslocado de modo angular para longe da linha-guia 7, a broca 12 e o eixo de broca 33 se deslocarão de modo angular na direção oposta em direção à linha-guia 7 por meio da ação da dobradiça 5. Nessa modalidade, o deslocamento angular do braço de alavanca 87 é atuado por uma montagem de pistão servo hidráulico 95, embora outros meios podem ser usados, tal como um pistão servo hidráulico axial com uma ligação, um atuador elétrico com ou sem uma ligação ou um pistão de lama de perfuração. Tais variações estão dentro do escopo dessa invenção. O deslocamento angular da broca 12 é igual e oposto ao deslocamento angular do braço de alavanca 87 por meio da ação da dobradiça. O deslocamento angular máximo da broca 12 é limitado pelo deslocamento angular máximo do braço de alavanca 87 que é limitado pelo deslocamento máximo do braço de alavanca que atua a montagem de pistão servo 95.[056] In one embodiment of the RSDT, the oscillating movements of the drill 12 and drill shaft 33 can be actuated by the mechanism shown in Figures 4A and 4B. A lever arm 87 is affixed to the drill shaft 33 at the hinge 5 by a lower extension 121 of the lever arm 87 which engages a centerline hole through the middle of the drill shaft 33 that is orthogonal to the axis of pivot hinge pin 3. An elastomeric mud seal 91 on this connection is provided to prevent drilling fluid from escaping around lever arm extension 121 as it engages hinge 5. Lever arm extension 121 includes its own centerline hole which is tapped to the centerline hole in the drill spindle 33 to allow the passage of drilling mud to reach the bit 12 and the nozzles in the bit. In this embodiment, the lever arm 87 is comprised of two parallel rails and numerous spacers and fasteners that are attached to the lower end extension 121. In Figure 4A, as the lever arm 87 is angularly displaced towards the line- guide 7, drill 12 and drill shaft 33 will angularly move in the opposite direction away from guide line 7 through the action of hinge 5. On the other hand, in Figure 4B, as lever arm 87 is angularly displaced away from the guideline 7, the drill 12 and the drill shaft 33 will angularly displace in the opposite direction towards the guideline 7 through the action of the hinge 5. In this embodiment, the displacement lever arm angle 87 is actuated by a servo hydraulic piston assembly 95, although other means may be used, such as an axial servo hydraulic piston with a linkage, an electric actuator with or without a linkage, or a drilling mud piston . Such variations are within the scope of this invention. The angular displacement of drill 12 is equal and opposite to the angular displacement of lever arm 87 through hinge action. The maximum angular displacement of drill 12 is limited by the maximum angular displacement of lever arm 87 which is limited by the maximum displacement of lever arm actuating servo piston assembly 95.

[057] A modalidade mostrada nas Figuras 4A e 4B inclui um alojamento de eletrônica 67 que contém os sensores navegacionais dinâmicos e eletrônica de aquisição localizados entre os dois trilhos paralelos do braço de alavanca 87. A linha de centro do alojamento é colinear com a linha de centro 50 do colar 43 e fixamente montada ao colar 43 por meio de suportes mecânicos 68. As conexões elétricas são fornecidas por meio de um tubo de fio 130 que percorre a partir de uma câmara de eletrônica superior (não mostrada) à extremidade inferior do alojamento de eletrônica 67. O alojamento gira com o colar e não gira no sentido contrário ou oscila com as movimentações do braço de alavanca 87. Nessa modalidade, nenhuma parte da ferramenta, mecânica ou eletrônica, gira no sentido contrário em relação à rotação da RSDT, embora tal rotação em sentido contrário de certos componentes não é proibida por esse aspecto da presente invenção.[057] The embodiment shown in Figures 4A and 4B includes an electronics housing 67 that contains dynamic navigational sensors and acquisition electronics located between the two parallel rails of the lever arm 87. The centerline of the housing is collinear with the line center 50 of collar 43 and fixedly mounted to collar 43 via mechanical brackets 68. Electrical connections are provided via a wire tube 130 running from an upper electronics chamber (not shown) to the lower end of the collar 43. electronics housing 67. The housing rotates with the collar and does not rotate in the opposite direction or oscillate with movements of the lever arm 87. In this mode, no part of the tool, mechanical or electronic, rotates in the opposite direction in relation to the rotation of the RSDT , although such counter-rotation of certain components is not prohibited by this aspect of the present invention.

[058] A Figura 5 mostra uma vista detalhada do braço de alavanca 87 que atua a montagem de pistão servo 95. Essa modalidade é mostrada com dois pistões 106 conectados hidraulicamente em paralelo para minimizar a área em corte transversal apresentada ao fluxo de lama através da RSDT, para equilibrar, adicionalmente, as forças na afixação de pivô 114 ao braço de alavanca 87, e para embalar, convenientemente, a montagem dentro do volume disponível. Um único pistão servo pode ser usado, desde que força de atuação suficiente possa ser alcançada dados os limites de operação do sistema hidráulico, a saber, a taxa de fluxo máxima e pressão de saída enquanto se encaixa o pistão servo dentro do volume disponível. Existem duas câmaras superiores 105 e duas câmaras inferiores 107. As câmaras superiores 105 são conectadas hidraulicamente à fonte de energia por meio do tornel hidráulico 113 e tubagem hidráulica 109. As câmaras inferiores 107 são conectadas hidraulicamente à fonte de energia por meio do tornel hidráulico 115 e tubagem hidráulica 111. Quando o fluido hidráulico de alta pressão a partir da bomba (não mostrada) e válvulas de controle (não mostradas) é conectado às câmaras de pistão inferiores 107, e as câmaras de pistão superiores 105 são conectadas ao tanque/reservatório hidráulico de baixa pressão 75 (não mostrado), então, o alojamento da montagem de pistão 95 se moverá para baixo para longe da linha-guia 7 e fará com que a broca desvie para cima em direção à linha-guia 7. Por outro lado, quando o fluido hidráulico de alta pressão a partir da bomba (não mostrada) e válvulas de controle (não mostradas) é conectado às câmaras de pistão superiores 105 e as câmaras de pistão inferiores 107 são conectadas ao tanque/reservatório hidráulico de baixa pressão 75 (não mostrado), então, o alojamento da montagem de pistão 95 se moverá para cima na direção da linha-guia 7 e fará com que a broca desvie para baixo para longe da linha-guia 7. Uma vez que o deflexionamento angular máximo da montagem de broca tenha sido determinado na concepção, então, a colocação da montagem de pistão 95 em relação ao eixo geométrico de dobradiça 3 (Figuras 4A e 4B) e o percurso permissível da montagem de pistão pode ser selecionado para limitar o deslocamento angular máximo correspondente da broca 12.[058] Figure 5 shows a detailed view of the lever arm 87 that actuates the servo piston assembly 95. This embodiment is shown with two pistons 106 hydraulically connected in parallel to minimize the cross-sectional area presented to the mud flow through the RSDT, to further balance the forces on the pivot attachment 114 to the lever arm 87, and to conveniently pack the assembly within the available volume. A single servo piston may be used provided sufficient actuation force can be achieved given the operating limits of the hydraulic system, namely the maximum flow rate and output pressure while fitting the servo piston within the available volume. There are two upper chambers 105 and two lower chambers 107. The upper chambers 105 are hydraulically connected to the power source via hydraulic swivel 113 and hydraulic piping 109. The lower chambers 107 are hydraulically connected to the power source via hydraulic swivel 115 and hydraulic piping 111. When high pressure hydraulic fluid from pump (not shown) and control valves (not shown) is connected to lower piston chambers 107, and upper piston chambers 105 are connected to tank/reservoir low-pressure hydraulic pump 75 (not shown), then piston assembly housing 95 will move down away from guideline 7 and cause the drill to deflect upward toward guideline 7. On the other hand , when high pressure hydraulic fluid from the pump (not shown) and control valves (not shown) is connected to the upper piston chambers 105 and the lower piston chambers 1 07 are connected to low pressure hydraulic tank/reservoir 75 (not shown), then piston assembly housing 95 will move upwards towards guide line 7 and cause the bit to deflect downward away from the line -guide 7. Once the maximum angular deflection of the drill assembly has been determined in the design, then the placement of the piston assembly 95 relative to hinge axis 3 (Figures 4A and 4B) and the permissible travel of the assembly piston can be selected to limit the corresponding maximum angular displacement of the drill 12.

[059] As Figuras 6A e 6B, mostram a operação do mecanismo de travamento 125 de braço de alavanca 87 que pode ser usado para travar a broca na posição centralizada quando as operações de condução não estão ativas. O braço de alavanca 87 termina com uma montagem de cunha que compreende um bráquete de montagem 116 e uma cunha macho 117. Uma montagem de gaveta compreende uma gaveta fêmea 103, um eixo 119, um pistão 101 e uma mola 99. A câmara que aloja a mola 99 é hidraulicamente conectada ao tanque. O lado de alta pressão do pistão 101 é hidraulicamente conectado ao fluido de alta pressão por meio de um canal hidráulico 123.[059] Figures 6A and 6B, show the operation of the locking mechanism 125 lever arm 87 that can be used to lock the drill in the centered position when driving operations are not active. The lever arm 87 ends with a wedge assembly comprising a mounting bracket 116 and a male wedge 117. A drawer assembly comprises a female drawer 103, a shaft 119, a piston 101 and a spring 99. spring 99 is hydraulically connected to the tank. The high pressure side of the piston 101 is hydraulically connected to the high pressure fluid through a hydraulic channel 123.

[060] A Figura 6A mostra o caso quando a condução está desativada e a cunha 117 está mecanicamente engatada pela gaveta 103 e retida em posição pela mola 99. Isso corresponde ao caso em que a pressão hidráulica de sistema está baixa o que permite que a mola 99 force que a gaveta fêmea 103 se engate à cunha macho 117. Isso trava mecanicamente o braço de alavanca 87 na posição centralizada e evita que o mesmo se mova. A Figura 6B mostra o caso em que condução está ativada. À medida que a pressão de operação hidráulica aumenta, o fluido hidráulico de alta pressão flui através da passagem 123 retraindo o pistão 101 , comprimindo a mola 99, e desengatando a gaveta fêmea 103 da cunha macho 117, o que, desse modo, permite a movimentação oscilante do braço de alavanca 87.[060] Figure 6A shows the case when the conduction is disabled and the wedge 117 is mechanically engaged by the drawer 103 and held in position by the spring 99. This corresponds to the case where the hydraulic system pressure is low, which allows the spring 99 forces female drawer 103 to engage male wedge 117. This mechanically locks lever arm 87 in the centered position and prevents it from moving. Figure 6B shows the case where conduction is enabled. As the hydraulic operating pressure increases, high pressure hydraulic fluid flows through passage 123 retracting piston 101, compressing spring 99, and disengaging female slide 103 from male wedge 117, thereby allowing oscillating movement of lever arm 87.

[061] A Figura 6B corresponde ao caso em que o braço de alavanca 87 está livre para se mover, porém está sendo retido de modo ativo momentaneamente na posição centralizada pelo sistema de controle de condução da RSDT em preparação para o início de operações de condução. As Figuras 4A e 4B mostram o caso em que a condução ativa está ativada e o braço de alavanca 87 é mostrado em uma posição desviada de modo angular durante operações de condução ativas. Se o braço de alavanca 87 não está sendo ativamente conduzido pela operação da RSDT, então, o braço de alavanca 87 estará na posição travada conforme mostrado na Figura 6A. Como uma precaução, se a pressão de operação hidráulica na linha 123 diminuir abaixo do limiar definido pela mola 99 por qualquer razão, então, a gaveta de travamento 103 se engata à cunha 117 e retorna a broca 12 à posição travada e centralizada.[061] Figure 6B corresponds to the case where the lever arm 87 is free to move, but is being actively held momentarily in the centered position by the RSDT driving control system in preparation for the start of driving operations . Figures 4A and 4B show the case where active driving is enabled and lever arm 87 is shown in an angularly offset position during active driving operations. If lever arm 87 is not being actively driven by RSDT operation, then lever arm 87 will be in the locked position as shown in Figure 6A. As a precaution, if the hydraulic operating pressure in line 123 drops below the threshold set by spring 99 for any reason, then locking slide 103 engages wedge 117 and returns drill 12 to the locked, centered position.

[062] As Figuras 7A a 7D mostram uma modalidade hidráulica para atuar a movimentações de broca enquanto se conduz e o método associado àquela modalidade. A Figura 7A é um esquema do sistema hidráulico da RSDT. A potência é fornecida por uma turbina alimentada por lama de perfuração 71 montada em um eixo de acionamento 83, que está conectada a uma bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável 70, uma pequena bomba de carga 72 e um pequeno alternador elétrico 73. O deslocamento da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável 70 é dinamicamente controlado por meio de um atuador de bomba de pistão axial 74 que controla o ângulo de uma placa oscilante do tipo swashplate não rotativa interna em relação ao eixo geométrico da rotação de eixo de acionamento. O deslocamento por revolução de eixo de acionamento da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável 70 é controlado pelo ângulo da placa oscilante do tipo swashplate. Em zero graus, o deslocamento da bomba é essencialmente zero cc/rev. O deslocamento máximo da bomba será alcançado quando a placa oscilante do tipo swashplate está em seu ângulo permissível máximo. Uma bomba de carga 72 extrai fluido hidráulico a partir do reservatório 75 por meio de um filtro F1 e fornecer um fluxo mínimo à bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável 70 por meio da linha de entrada de pressão baixa 97. Uma vez preparada, a bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável 70 extrairá fluido adicional a partir do reservatório hidráulico 75 através de um filtro F2 e da válvula de retenção 78 e da linha de entrada de baixa pressão 97. A bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável 70 realiza simultaneamente duas funções importantes, a saber, regular dinamicamente a quantidade de potência hidráulica que é fornecida ao sistema a partir da turbina alimentada por lama 71, e regular dinamicamente a quantidade de potência que é fornecida ao braço de alavanca que atua a montagem de pistão 95. O ângulo de placa oscilante do tipo swashplate será ajustado para compensar mudanças tanto na velocidade escalar de rotação do eixo de acionamento 83 como na taxa de fluxo de saída de bomba 70 exigidas para atuar o movimento de condução da broca 12. A turbina alimentada por lama de perfuração 71 é projetada para lidar com uma faixa prática de taxas de fluxo de lama determinada pelo perfurador e chefe de perfuração. Isso exige que a ferramenta funcione em uma taxa de fluxo mínima e peso de lama mínimo com potência total, o que significa que com uma bomba de deslocamento fixo hipotética, existiria um excesso de potência na faixa de fluxo máxima e peso de lama máximo. Visto que a bomba de pistão axial 70 é especificamente projetada com o propósito de regulação de potência de entrada e de saída, à medida que a potência de entrada de turbina disponível 71 aumenta, a placa oscilante do tipo swashplate da bomba de pistão axial 70 pode ser demandada a gerar apenas a potência que é demandada pela ferramenta e, logo, nenhuma potência em excesso será gerada pela bomba de pistão axial 70. Potência em excesso deve ser dissipada como calor sem fazer qualquer trabalho útil. À medida que a taxa de fluxo e/ou peso de lama aumenta, o ângulo de placa oscilante do tipo swashplate dinamicamente diminui para gerar apenas a potência exigida para qualquer dada carga. Na descarga ou no lado de carga da bomba, a potência hidráulica exigida pela carga é determinada pelo rpm de BHA e a amplitude exigida dos deflexionamentos de broca durante as operações de condução. Se a energia demandada pela RSDT aumenta dinamicamente, o ângulo da placa oscilante do tipo swashplate será dinamicamente aumentado pelo atuador 74 em resposta a sinais de controle a partir do processador de controle de condução.[062] Figures 7A to 7D show a hydraulic modality to act on drill movements while driving and the method associated with that modality. Figure 7A is a schematic of the RSDT hydraulic system. Power is supplied by a drilling mud-fed turbine 71 mounted on a drive shaft 83, which is connected to a dynamically variable displacement axial piston pump 70, a small charge pump 72 and a small electrical alternator 73. displacement of the dynamically variable displacement axial piston pump 70 is dynamically controlled by means of an axial piston pump actuator 74 which controls the angle of an internal non-rotating swashplate type swashplate with respect to the axis of rotation of the drive shaft . The displacement per revolution of the drive shaft of the dynamically variable displacement axial piston pump 70 is controlled by the angle of the swashplate type swashplate. At zero degrees, pump displacement is essentially zero dc/rev. Maximum pump displacement will be achieved when the swashplate type swash plate is at its maximum allowable angle. A charge pump 72 draws hydraulic fluid from reservoir 75 through an F1 filter and supplies a minimal flow to the dynamically variable displacement axial piston pump 70 through the low pressure inlet line 97. Once primed, the dynamically variable displacement axial piston pump 70 will draw additional fluid from hydraulic reservoir 75 through filter F2 and check valve 78 and low pressure inlet line 97. dynamically variable displacement axial piston pump 70 performs two important functions simultaneously, namely, dynamically regulating the amount of hydraulic power that is supplied to the system from the mud-fed turbine 71, and dynamically regulating the amount of power that is supplied to the lever arm actuating the piston assembly 95 The swashplate-type swashplate angle will be adjusted to compensate for changes in both the scalar speed of rotation of the aci axis and 83 as well as the pump output flow rate 70 required to actuate the driving motion of the bit 12. The drilling mud-fed turbine 71 is designed to handle a practical range of mud flow rates determined by the driller and driller. of drilling. This requires the tool to run at a minimum flow rate and minimum mud weight at full power, which means that with a hypothetical fixed displacement pump, there would be excess power in the maximum flow range and maximum mud weight. Since the axial piston pump 70 is specifically designed for the purpose of regulating input and output power, as the available turbine input power 71 increases, the swashplate type swashplate of the axial piston pump 70 can be required to generate only the power that is demanded by the tool and therefore no excess power will be generated by the axial piston pump 70. Excess power must be dissipated as heat without doing any useful work. As flow rate and/or slurry weight increases, the swashplate swash plate angle dynamically decreases to generate only the power required for any given load. On the discharge or load side of the pump, the hydraulic power required by the load is determined by the BHA rpm and the required amount of auger deflections during driving operations. If the energy demanded by the RSDT dynamically increases, the angle of the swashplate type swashplate will be dynamically increased by the actuator 74 in response to control signals from the drive control processor.

[063] Quando a condução é desativada, a potência exigida a partir da bomba é potência equivalente mecânica essencialmente de zero watts; e o ângulo de placa oscilante do tipo swashplate da bomba 70 estará perto de zero graus. Nesse estado, a válvula 86 está DESLIGADA e desvia o fluxo a partir da bomba 70 por meio da linha hidráulica 81 e válvula de retenção 80 ao tanque 75. A válvula 86 também conecta a linha de pressão 123 ao tanque 75, de modo que o mecanismo de travamento de braço de alavanca 125 trave mecanicamente o braço de alavanca 87 na posição centralizada, visto que o pistão 101 não fornece resistência à mola 99, o que força a cunha 103, por meio do eixo 119, ao engate mecânico com a gaveta de travamento 117. Durante o tempo de transição quando as operações de condução estão sendo ativadas pela primeira vez, a eletrônica de controle envia um sinal ao solenoide 84 da válvula 86 que muda o mesmo para o estado “LIGADO” e envia um sinal ao atuador de placa oscilante do tipo swashplate 74 para aumentar o ângulo da placa oscilante do tipo swashplate, o que causa com que a pressão de saída da bomba na linha 81 aumente o que retrai a gaveta fêmea 103 do mecanismo de travamento de braço de alavanca 125 ativando-se o pistão 101 e comprimindo-se a mola 99 que retrai o eixo 119. Ao mesmo tempo, ambas as válvulas 90 e 94 serão ativadas por sinais de “LIGADO” a solenoides 92 e 96, respectivamente. Isso se aplica a mesma pressão a ambas as câmaras 105 e 107 da montagem de pistão de atuação de braço de alavanca 95, travando de modo hidráulico momentaneamente o braço de alavanca na posição central pela ação de válvulas de retenção 88 e 89 que evita o fluido hidráulico de se transferir entre as câmaras 105 e 107. O movimento de condução da broca inicia uma vez que os sinais temporizados aos solenoides de válvula 92 e 96 abrem e fecham, alternativamente, as válvulas 90 e 94 conforme mostrado pelas curvas 51 e 52 na Figura 7B. (Essas curvas serão explicadas na discussão da Figura 7B). Um acumulador de alta pressão 93 é fornecido para suavizar quaisquer picos de pressão transiente que possam ser gerados pela comutação momentânea das válvulas 94 e 90; e conjuntamente com a válvula de retenção 80, a ser um reservatório local de alta pressão para manter o mecanismo de travamento de braço de alavanca 125 na posição não travada até que a válvula 86 seja “DESLIGADA” o que permite que o mecanismo de travamento de braço de alavanca engate a gaveta 103 com a cunha 117. Na Figura 7A, alívio de sobrepressão é fornecido por válvulas de alívio 76 e 77. Se a pressão na linha hidráulica 81 excede a pressão de alívio predeterminada da válvula de alívio 77, a pressão será aliviada liberando-se fluido de volta ao lado de entrada da bomba de pistão axial 70 por meio da válvula de retenção 79 e linha hidráulica 97. Se a pressão no lado de entrada da bomba de pistão axial 70 é muito alta, a mesma será aliviada liberando-se fluido ao tanque 75 por meio da válvula de alívio 76.[063] When conduction is disabled, the power required from the pump is mechanical equivalent power of essentially zero watts; and the swashplate swashplate angle of the pump 70 will be close to zero degrees. In this state, valve 86 is OFF and diverts flow from pump 70 through hydraulic line 81 and check valve 80 to tank 75. Valve 86 also connects pressure line 123 to tank 75, so that the lever arm locking mechanism 125 mechanically lock lever arm 87 in the centered position, as piston 101 provides no resistance to spring 99, which forces wedge 103, via shaft 119, into mechanical engagement with drawer lock 117. During the transition time when driving operations are being activated for the first time, the control electronics sends a signal to solenoid 84 of valve 86 which changes it to the “ON” state and sends a signal to the actuator swashplate swashplate swashplate angle 74 to increase swashplate swashplate angle, which causes pump outlet pressure in line 81 to increase which retracts female gate 103 of lever arm locking mechanism 125 into action by pulling piston 101 and compressing spring 99 which retracts shaft 119. At the same time, both valves 90 and 94 will be activated by "ON" signals from solenoids 92 and 96, respectively. This applies the same pressure to both chambers 105 and 107 of lever arm actuating piston assembly 95, hydraulically momentarily locking the lever arm in the center position by the action of check valves 88 and 89 which prevents fluid from hydraulic power to transfer between chambers 105 and 107. Drive movement of the drill begins once timed signals to valve solenoids 92 and 96 alternately open and close valves 90 and 94 as shown by curves 51 and 52 in Figure 7B. (These curves will be explained in the discussion of Figure 7B). A high pressure accumulator 93 is provided to smooth out any transient pressure spikes that may be generated by momentary switching of valves 94 and 90; and together with the check valve 80, to be a local high pressure reservoir to keep the lever arm locking mechanism 125 in the non-latched position until the valve 86 is turned "OFF" which allows the lever arm locking mechanism 125 to lever arm engages gate 103 with wedge 117. In Figure 7A, overpressure relief is provided by relief valves 76 and 77. If the pressure in hydraulic line 81 exceeds the predetermined relief pressure of relief valve 77, the pressure will be relieved by releasing fluid back to the inlet side of the axial piston pump 70 through the check valve 79 and hydraulic line 97. If the pressure in the inlet side of the axial piston pump 70 is too high, it will be relieved. relieved by releasing fluid to tank 75 through relief valve 76.

[064] Para uma dada taxa de rotação de eixo de entrada 83, a amplitude dos deflexionamentos de broca é proporcional ao ângulo da placa oscilante do tipo swashplate. Isso revela outra vantagem da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável 70, a saber, que a amplitude dos deflexionamentos de broca pode ser dinamicamente reduzida em resposta à detecção de rotações de deslizamento descontínuo (do tipo stick slip) da broca 12 independente da marcação das válvulas 90 e 94. À medida que a amplitude está sendo aumentada, se a insipiência de rotação de deslizamento descontínuo (do tipo stick slip) é detectada, o ângulo da placa oscilante do tipo swashplate pode ser imediatamente reduzido para aliviar ou evitar a condição de deslizamento descontínuo (do tipo stick slip), até que os parâmetros de perfuração tenham sido mudados em resposta a um alarme de mecânica de perfuração de interior de poço que é transmitido à superfície. Ainda outra vantagem da bomba de pistão axial 70 é que as operações de condução podem ser gradualmente faseadas para dentro e para fora para evitar a formação de saliências na parede de poço inacabado. Aumentando-se vagarosamente o ângulo de placa oscilante do tipo swashplate da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável 70, a RSDT migrará suavemente a partir de uma seção de orifício reto a uma seção de orifício curvado embandeirando-se de modo inverso a amplitude dos deflexionamentos da broca 12 de uma maneira controlada. Quando estiver na hora de suspender as operações de condução, o ângulo da placa oscilante do tipo swashplate será gradualmente reduzido a zero graus fazendo com que os deflexionamentos da broca 12 para embandeirar novamente a zero de uma maneira controlada.[064] For a given rate of rotation of input shaft 83, the amplitude of drill deflections is proportional to the angle of the swashplate-type swashplate. This reveals another advantage of the dynamically variable displacement axial piston pump 70, namely, that the amplitude of drill deflections can be dynamically reduced in response to detection of discontinuous (stick slip) rotations of the drill 12 independent of the marking. of valves 90 and 94. As the amplitude is being increased, if the incipience of discontinuous slip (stick slip) rotation is detected, the angle of the swashplate type swashplate can be immediately reduced to alleviate or prevent the condition. discontinuous slide (stick slip type), until the drilling parameters have been changed in response to an uphole drilling mechanics alarm that is transmitted to the surface. Yet another advantage of the axial piston pump 70 is that the driving operations can be gradually phased in and out to avoid ridges forming in the unfinished pit wall. By slowly increasing the swashplate-type swashplate angle of the dynamically variable displacement axial piston pump 70, the RSDT will smoothly migrate from a straight orifice section to a curved orifice section by inversely feathering the amplitude of the drill 12 deflects in a controlled manner. When it is time to suspend driving operations, the angle of the swashplate type swash plate will be gradually reduced to zero degrees causing the drill deflections 12 to feather back to zero in a controlled manner.

[065] A Figura 7B mostra um diagrama da temporização e formas de onda preferenciais que implantam o método de deflexionamentos oscilantes bidirecionais simétricos síncronos faseados da broca 12 que são usados pela RSDT, que é um aspecto da presente invenção. Para as curvas na Figura 7B, o eixo geométrico x de cada plotagem é GTF sobre a faixa de 0° a 360° para duas rotações consecutivas da RSDT. As curvas na Figura 7B são consistentes com o cenário de “diminuição de ângulo” previamente discutido e mostrado nas Figuras 3A a 3D. Uma pessoa de habilidade comum na técnica deveria entender que a temporização relativa das formas de onda em relação uma à outra permanecerá igual para conduzir o poço em outras direções, apenas o faseamento espacial das formas de onda em relação à GTF (ou MTF) será diferente. No entanto, para esse exemplo, o objetivo é conduzir o furo de poço na direção do fundo do orifício ou na direção de uma GTF igual a 180°. Adicionalmente, uma taxa de rotação de 420 RPM é implicitamente presumido quando é necessário converter o eixo geométrico x a partir da GTF ao tempo.[065] Figure 7B shows a diagram of the timing and preferred waveforms that implement the method of phased synchronous bidirectional oscillating deflections of the drill 12 that are used by the RSDT, which is an aspect of the present invention. For the curves in Figure 7B, the x axis of each plot is GTF over the range 0° to 360° for two consecutive rotations of the RSDT. The curves in Figure 7B are consistent with the previously discussed “decreasing angle” scenario shown in Figures 3A to 3D. A person of ordinary skill in the art should understand that the relative timing of the waveforms with respect to one another will remain the same for driving the well in other directions, only the spatial phasing of the waveforms with respect to the GTF (or MTF) will be different. . However, for this example, the objective is to drive the borehole towards the bottom of the hole or towards a GTF equal to 180°. Additionally, a rotation rate of 420 RPM is implicitly assumed when it is necessary to convert the x-axis from GTF to time.

[066] Quando se conduz o poço, a modulação dos deflexionamentos de broca é controlada por um módulo de controle de eletrônica de bordo (mostrado na Figura 8) que repetida e alternativamente ativa as válvulas 94 e 90, por meio de seus solenoides respectivos 96 e 92. O módulo de controle de eletrônica de bordo fornecerá o faseamento espacial dos sinais de controle de solenoide necessário para conduzir o poço em qualquer direção desejada. Na Figura 7B, a curva 51 mostra o sinal de controle que aciona o solenoide 96 para controlar a válvula 94. A curva 52 mostra o sinal de controle que aciona o solenoide 92 para controlar a válvula 90. O eixo geométrico y das plotagens das curvas 51 e 52 designam um valor lógico de 1 para LIGADO e 0 para DESLIGADO. Conforme declarado anteriormente, o eixo geométrico x das plotagens de todas as curvas na Figura é a GTF instantânea da linha-guia 7 da RSDT. O eixo geométrico x das plotagens abrange uma faixa de cerca de 800° ou ligeiramente mais que 2 rotações completas da RSDT. As curvas 51 e 52 são complementos lógicos e cada uma das mesmas tem um ciclo de trabalho de 50%. Nos pontos “A” e “C” a válvula 94 está sendo comutada para LIGADA ao mesmo momento que a válvula 90 está sendo comutada para DESLIGADA. Por outro lado, nos pontos “B” e “D”, a válvula 94 está sendo comutada para DESLIGADA ao mesmo momento que a válvula 90 está sendo comutada para LIGADA. Quando a válvula 90 está DESLIGADA e a válvula 94 está LIGADA, a câmara 107 do braço de alavanca que atua a montagem de pistão 95 é pressurizada fazendo com que o braço de alavanca 87 se mova para longe da linha- guia 7, o que, desse modo, faz com que a broca 12 se mova na direção oposta em direção à linha-guia 7 ou na direção do eixo geométrico x positivo 204 do sistema de coordenação de RSDT, mostrado na curva 56 entre 0° e 180° de GTF. Por outro lado, quando a válvula 94 está DESLIGADA e a válvula 90 está LIGADA, a câmara 105 do braço de alavanca que atua a montagem de pistão 95 é pressurizada fazendo com que o braço de alavanca 87 se mova em direção à linha-guia 7, o que, desse modo, faz com que a broca 12 se mova na direção oposta para longe da linha-guia 7 ou na direção do eixo geométrico x negativo 204 do sistema de coordenação de RSDT, mostrado na curva 56 entre 180° e 0° de GTF. Nesse exemplo particular de conduzir o poço na direção para baixo, os deflexionamentos de broca positivos na curva 56 serão um máximo quando a GTF é igual a 180° ou a linha-guia está “PARA BAIXO, e os deflexionamentos de broca negativos na curva 56 serão um máximo quando a GTF é igual a 0° ou quando a linha-guia está “PARA CIMA”.[066] When conducting the well, the modulation of drill deflections is controlled by an on-board electronics control module (shown in Figure 8) that repeatedly and alternately activates valves 94 and 90, through their respective solenoids 96 and 92. The onboard electronics control module will provide the spatial phasing of solenoid control signals necessary to drive the well in any desired direction. In Figure 7B, curve 51 shows the control signal that drives solenoid 96 to control valve 94. Curve 52 shows the control signal that drives solenoid 92 to control valve 90. The y-axis curve plots 51 and 52 designate a logical value of 1 for ON and 0 for OFF. As stated earlier, the x-axis of the plots of all curves in the Figure is the instantaneous GTF of the RSDT guideline 7. The x-axis of the plots covers a range of about 800° or slightly more than 2 full RSDT rotations. Curves 51 and 52 are logical complements and each has a duty cycle of 50%. At points "A" and "C" valve 94 is being switched ON at the same time as valve 90 is being switched OFF. On the other hand, at points "B" and "D", valve 94 is being switched OFF at the same time that valve 90 is being switched ON. When valve 90 is OFF and valve 94 is ON, chamber 107 of lever arm actuating piston assembly 95 is pressurized causing lever arm 87 to move away from guide line 7, which, thereby causing the drill 12 to move in the opposite direction towards the guideline 7 or towards the positive x axis 204 of the RSDT coordination system shown in curve 56 between 0° and 180° of GTF. Conversely, when valve 94 is OFF and valve 90 is ON, chamber 105 of lever arm actuating piston assembly 95 is pressurized causing lever arm 87 to move toward guide line 7 , which thereby causes the drill 12 to move in the opposite direction away from the guideline 7 or towards the negative x axis 204 of the RSDT coordination system shown in curve 56 between 180° and 0 ° of GTF. In this particular example of driving the well in the down direction, the positive bit deflections on turn 56 will be a maximum when the GTF equals 180° or the guideline is “DOWN, and the negative bit deflections on turn 56 will be a maximum when the GTF equals 0° or when the guideline is “UP”.

[067] Na Figura 7B, a curva 53 mostra a pressão diferencial entre as câmaras 107 e 105, especificamente, ΔP = P107 - P105. Quando ΔP é positivo, a broca está sendo desviada na direção em direção da linha-guia 7. Quando ΔP é negativo, a broca está sendo desviada na direção para longe da linha-guia 7. A amplitude de ΔP é determinada pela taxa de fluxo de bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável 70 e pelas forças de arrastamento de atrito na broca à medida que a mesma se desvia e a RSDT gira. A curva 54 mostra a taxa de fluxo hidráulico no pino 1 da válvula 94. A curva 55 mostra o negativo da taxa de fluxo hidráulico no pino 1 da válvula 90. A válvulas 94 e 90 não comutam instantaneamente de LIGADO para DESLIGADO e de DESLIGADO para LIGADO. Cada válvula leva uma quantidade finita de tempo para migrar a partir de um estado (LIGADO ou DESLIGADO) para outro estado (DESLIGADO OU LIGADO). Esse tempo de transição finito de ser levado em conta pelo módulo de controle de eletrônica de bordo avançando-se a temporização dos sinais de controle solenoide por uma quantidade igual à metade do tempo de transição. Em 420 RPM, a transição para cada válvula exige cerca de 54°, logo, os sinais de controle devem levar a temporização pretendida dos deflexionamentos de broca por metade daquela quantidade ou por aproximadamente 27°. Para o deflexionamento de broca positivo máximo 12 ocorrer em uma GTF de 180°, a válvulas devem ser comutadas em uma GTF de 153°. E para o deflexionamento de broca negativo máximo 12 ocorrer em uma GTF de 0°, as válvulas devem ser comutadas em uma GTF de -27°. A quantidade de ângulo principal de controle de válvula diminuirá de modo linear à medida que o RPM diminui. A Figura 7B demonstra uma vantagem de usar duas válvulas de 2 posições de três vias independentes para controlar, separada e simultaneamente, cada câmara do braço de alavanca que atua a montagem de pistão 95: o tempo de transição é cortado pela metade comutando-se ambas as válvulas 94 e 90 ao mesmo tempo, em comparação com o tempo de transição de comutação de uma única válvula de 3 posições de 4 vias com um núcleo que deve percorrer duas vezes a mais e levar duas vezes mais tempo para comutar.[067] In Figure 7B, curve 53 shows the differential pressure between chambers 107 and 105, specifically, ΔP = P107 - P105. When ΔP is positive, the drill is being deflected in the direction towards guideline 7. When ΔP is negative, the drill is being deflected in the direction away from guideline 7. The amplitude of ΔP is determined by the flow rate dynamically variable displacement axial piston pump 70 and by frictional drag forces on the bit as it deflects and the RSDT rotates. Curve 54 shows the hydraulic flow rate at pin 1 of valve 94. Curve 55 shows the negative hydraulic flow rate at pin 1 of valve 90. Valves 94 and 90 do not instantly switch from ON to OFF and from OFF to CONNECTED. Each valve takes a finite amount of time to migrate from one state (ON or OFF) to another state (OFF or ON). This finite transition time must be accounted for by the onboard electronics control module by advancing the timing of the solenoid control signals by an amount equal to half the transition time. At 420 RPM, the transition for each valve requires about 54°, so the control signals should drive the intended timing of the drill deflections by half that amount, or by approximately 27°. For the maximum positive drill deflection 12 to occur at a GTF of 180°, the valves must be switched at a GTF of 153°. And for the maximum negative 12 drill deflection to occur at a 0° GTF, the valves must be switched at a -27° GTF. The amount of main valve control angle will decrease linearly as the RPM decreases. Figure 7B demonstrates an advantage of using two independent three-way 2-position valves to separately and simultaneously control each chamber of the lever arm actuating piston assembly 95: the transition time is cut in half by switching both valves 94 and 90 at the same time, compared to the switching transition time of a single 3-position 4-way valve with a core that must travel twice as long and take twice as long to switch.

[068] A Figura 7C mostra duas curvas que representam o deslocamento da broca como função de GTF para o cenário de “diminuição de ângulo” ou de “condução descendente” ilustrado pelas Figuras 3A a 3D. Para o propósito dessa discussão, o termo “deflexionamento” irá se referir, especificamente, ao movimento da broca em relação ao sistema de coordenação que está fixo à e gira com a ferramenta. O eixo geométrico x do gráfico mostra a orientação angular instantânea ou GTF da linha-guia 7 da RSDT. O eixo geométrico y do gráfico mostra o por cento de deslocamento máximo da broca em duas direções ortogonais: nesse caso, o plano vertical (curva 62) e o plano horizontal (curva 63). De modo mais geral, a curva 62 mostra o deslocamento instantâneo da broca na direção de condução, nesse caso, para cima e para baixo. A curva 63 mostra o deslocamento instantâneo da broca na direção perpendicular à direção de condução da broca, nesse caso, para esquerda e para a direita. O “deslocamento de broca resultante” é a soma de vetor dos deflexionamentos oscilantes coerentes da broca 12 e da rotação da ferramenta. Quando atuado e diminuindo o ângulo, o módulo de controle de eletrônica na ferramenta marcará o tempo de modo espacial do movimento de broca oscilante de modo que o deflexionamento máximo da broca 12 ocorra na direção do vetor de gravidade de modo que a broca 12 removerá de modo preferencial mais formação a partir do lado baixo do orifício do que a partir do lado de topo do orifício. A identificação “3A” corresponde ao caso na Figura 3A em que o deflexionamento de broca 12 é “negativo” ou está longe da linha-guia 7. Visto que a linha-guia 7 está PARA CIMA com uma GTF de 0°, a broca 12 é deslocada na direção “PARA BAIXO”. A identificação “3C” corresponde ao caso na Figura 3C em que o deflexionamento de broca 12 é “positivo” ou vai em direção da linha-guia 7. Visto que a linha-guia 7 está PARA BAIXO com uma GTF de 180°, a broca 12 está novamente deslocada na direção “PARA BAIXO”. Visto que o movimento repetitivo do deflexionamento de broca está na mesma frequência que a rotação da RSDT, para um observados fixo em relação à terra, o movimento de deslocamento de broca parecerá ser o dobro da frequência da taxa de rotação da RSDT. Para cada 180° de rotação de RSDT, a broca completará um ciclo completo de movimento a partir de centralizado (3B) para completamente deslocado na direção de condução (3C) e de volta ao centralizado (3D). Para a próxima meia rotação da RSDT, o movimento será a partir de centralizado (3D) para completamente deslocado na direção da condução (3A) e de volta para centralizado (3B). Na prática, o deslocamento máximo da broca 12 é tipicamente algumas dezenas de uma polegada, mas poderia ser mais ou menos na concepção dependendo da especificação de taxa de acúmulo desejada.[068] Figure 7C shows two curves that represent the drill displacement as a function of GTF for the “decreasing angle” or “downward driving” scenario illustrated by Figures 3A to 3D. For the purpose of this discussion, the term “deflection” will specifically refer to the movement of the drill relative to the coordination system that is attached to and rotates with the tool. The graph's x axis shows the instantaneous angular orientation or GTF of the RSDT guideline 7. The y-axis of the graph shows the percent maximum drill travel in two orthogonal directions: in this case, the vertical plane (curve 62) and the horizontal plane (curve 63). More generally, curve 62 shows the instantaneous displacement of the bit in the driving direction, in this case up and down. Curve 63 shows the instantaneous displacement of the drill in the direction perpendicular to the drill's driving direction, in this case, to the left and to the right. The "resultant drill offset" is the vector sum of the coherent oscillating deflections of the drill 12 and the tool rotation. When actuated and decreasing the angle, the electronics control module in the tool will spatially time the oscillating drill movement so that the maximum deflection of the drill 12 occurs in the direction of the vector of gravity so that the drill 12 will remove from preferably more formation from the bottom side of the hole than from the top side of the hole. Labeling “3A” corresponds to the case in Figure 3A where the deflection of drill 12 is “negative” or far from guideline 7. Since guideline 7 is UP with a GTF of 0°, the drill 12 is shifted in the “DOWN” direction. Labeling “3C” corresponds to the case in Figure 3C where drill deflection 12 is “positive” or goes towards guideline 7. Since guideline 7 is DOWN with a GTF of 180°, the drill 12 is shifted in the “DOWN” direction again. Since the repetitive movement of the bit deflection is at the same frequency as the rotation of the RSDT, for an observer fixed relative to the earth, the displacement movement of the bit will appear to be twice the frequency of the rate of rotation of the RSDT. For every 180° of RSDT rotation, the drill will complete one full cycle of motion from centered (3B) to fully displaced in the driving direction (3C) and back to centered (3D). For the next half rotation of the RSDT, the movement will be from centered (3D) to fully shifted in the driving direction (3A) and back to centered (3B). In practice, the maximum displacement of drill 12 is typically a few tens of an inch, but could be more or less in design depending on the desired buildup rate specification.

[069] A Figura 7D é uma plotagem polar do deslocamento resultante de broca 12 durante as operações de condução. A curva 64 é uma plotagem de referência do deslocamento instantâneo de broca 12 para um movimento “simples harmônico” sinusoidal real versus as rotações de RSDT como uma função da GTF da linha-guia 7. A curva 65 é uma plotagem do deslocamento instantâneo ideal de broca 12 versos as rotações de RSDT como uma função da GTF da linha-guia 7, que usa o algoritmo de controle “bang-bang” e aparelho revelados nas Figuras 7A e 7B. Usar sinais de controle complementares para o controle das válvulas 94 e 90, rende taxas de fluxo hidráulico ao braço de alavanca que atua a montagem de pistão 95 que são trapezoidais e, logo, o perfil de velocidade vetorial do deslocamento de broca 12 também é trapezoidal, pelo fato de que a velocidade vetorial do deslocamento de broca é proporcional de modo linear à taxa de fluxo de rede dentro e fora do braço de alavanca 87 que atua a montagem de pistão 95. A plotagem de deslocamentos de broca reais mostrada na curva 65 é muito similar à plotagem de deslocamentos de broca idealizados mostrada na curva 64. A trajetória de broca 12 mostrada na curva 65 é na verdade preferível à trajetória mostrada na curva 64 visto que o alargamento real do poço inacabado na seção curvada com o controle de movimento trapezoidal é de alguma forma menor que o alargamento que ocorreria com o controle de movimento sinusoidal. Se os deflexionamentos máximos da broca estão na ordem de 0,64 cm (0,25 polegadas) enquanto a ferramenta está conduzindo, então, o diâmetro do orifício na seção curvada será assimetricamente ampliado por 0,64 cm (0,25 polegadas) na direção da curva; e os lados do poço inacabado (esquerdo e direito) serão simetricamente ampliados por aproximadamente 0,51 cm (0,2 polegadas), o que reduz as forças de atrito na BHA e coluna de perfuração à medida que a mesma gira e desliza através da seção curvada do orifício.[069] Figure 7D is a polar plot of the resulting displacement of drill 12 during driving operations. Curve 64 is a reference plot of the instantaneous displacement of drill 12 for true sinusoidal “simple harmonic” motion versus RSDT rotations as a function of the GTF of guideline 7. Curve 65 is a plot of the ideal instantaneous displacement of drill 12 verses the RSDT rotations as a function of the GTF of guideline 7, which uses the “bang-bang” control algorithm and apparatus disclosed in Figures 7A and 7B. Using complementary control signals to control the valves 94 and 90 yields hydraulic flow rates to the lever arm actuating the piston assembly 95 that are trapezoidal and hence the vector velocity profile of the drill displacement 12 is also trapezoidal , by the fact that the vector velocity of the bit displacement is linearly proportional to the rate of net flow into and out of the lever arm 87 actuating the piston assembly 95. The plot of actual bit displacements shown in curve 65 is very similar to the plot of idealized drill offsets shown on curve 64. The drill path 12 shown on curve 65 is actually preferable to the path shown on curve 64 as the actual widening of the unfinished hole in the curved section with motion control trapezoid is somewhat less than the flare that would occur with sinusoidal motion control. If the maximum drill deflections are on the order of 0.64 cm (0.25 inches) while the tool is driving, then the hole diameter in the curved section will be asymmetrically enlarged by 0.64 cm (0.25 inches) in the turn direction; and the sides of the unfinished well (left and right) will be symmetrically widened by approximately 0.51 cm (0.2 inches), which reduces frictional forces on the BHA and drill string as it rotates and slides through the hole. curved section of the hole.

[070] A Figura 8A mostra um diagrama de blocos dos sensores navegacionais não inerciais opcionalmente dinâmicos e processamento. Todos os elementos navegacionais, incluindo sensores e eletrônica de aquisição e processamento, são montados diretamente ao colar ou a uma estrutura mecânica que é fixamente montada ao colar e gira com o colar. Nessa modalidade, não existe estrutura na ferramenta que gira em sentido contrário em relação à rotação da RSDT para criar uma plataforma geoestacionária ou plataforma quase geoestacionária. Não usando-se uma montagem que gira em sentido contrário, a mecânica de unidade impelidora e cabeamento são simplificadas eliminando-se a necessidade de anéis deslizantes e vedações de lama compensadas de pressão rotativa. Outra vantagem a partir de um ponto de vista computacional é que existe um sistema de coordenação comum, uma taxa de rotação comum e uma GTF e MTF instantâneas comuns para a ferramenta inteira e todos os sensores. Adicionalmente, a ausência de uma montagem geoestacionária física permite que os sensores estejam localizados dentro de alguns pés da face de broca e diretamente atrás da dobradiça.[070] Figure 8A shows a block diagram of optionally dynamic non-inertial navigational sensors and processing. All navigational elements, including sensors and acquisition and processing electronics, are mounted directly to the collar or to a mechanical structure that is fixedly mounted to the collar and rotates with the collar. In this modality, there is no structure in the tool that rotates against the rotation of the RSDT to create a geostationary platform or quasi-geostationary platform. By not using a counter-rotating assembly, impeller unit mechanics and cabling are simplified by eliminating the need for slip rings and rotary pressure compensated mud seals. Another advantage from a computational point of view is that there is a common coordination system, a common rotation rate, and a common instantaneous GTF and MTF for the entire tool and all sensors. Additionally, the absence of a physical geostationary mount allows the sensors to be located within a few feet of the drill face and directly behind the hinge.

[071] O termo “plataforma geoestacionária” ou montagem geoestacionária” se refere a uma montagem em uma ferramenta rotativa que gira em sentido contrário em relação à ferramenta rotativa de modo que a montagem não gire em relação a um sistema de coordenação que está fixo em relação à terra à medida que o resto da ferramenta gira. A orientação de tal montagem geoestacionária física, definida em termos de uma GTF e/ou MTF não rotativa, é controlada para realizar a direção de condução da ferramenta em uma direção particular. Os acelerômetros e magnetômetros usados para controlar a orientação da montagem geoestacionária pretendida podem ser montados diretamente na montagem geoestacionária ou no colar rotativo conforme foi feito na Patente no US 6.742.604 para Brasil (doravante denominado “Brasil”). Em Brasil, a posição instantânea do colar em relação à montagem geoestacionária é medida com um componente eletromecânico adicional conhecido como um resolvedor que leria instantaneamente a posição relativa da montagem geoestacionária interna em relação ao colar rotativo externo. O ângulo de resolvedor eletromecânico é usado para transladar apenas a GTF a partir do quadro de colar rotativo de referência dentro do quadro não rotativa de referência da montagem geoestacionária. Uma abordagem muito mais simples mostrada na Figura 8A cria uma “plataforma geoestacionária virtual” adquirindo-se simultaneamente 3 eixos geométricos para cada um dentre 3 tipos de sensores, a saber, acelerômetros, giroscópios e magnetômetros, 9 eixos geométricos no total, todos compartilhando um sistema de coordenação em comum fixo à e que gira com a RSDT. As medições são adquiridas no bloco B1. As mesmas são enviadas ao bloco B2 em que o algoritmo de condicionamento mostrado nas Figuras 8B e 8C remove erros devido às compensações de DC e desalinhamento de montagem, bem como erros a partir de choque e vibração nos acelerômetros. O algoritmo de processamento geoestacionário virtual na identificação de bloco B2 “SISTEMA DE COORDENAÇÃO DE TERRA” pode ser usado para calcular a inclinação e azimute do eixo geométrico de RSDT de rotação. Por definição, a inclinação e azimute do eixo de RSDT de rotação são os mesmos que a inclinação e azimute de poço inacabado. Uma matriz de rotação acionada tanto por GTF instantânea como MTF instantânea mais o ângulo x ou a taxa de rotação da ferramenta a partir do giroscópio de eixo geométrico z é usada para converter as medições de acelerômetro e magnetômetro adquiridas no quadro rotativo de RSDT de referência a um quadro geoestacionário virtual de referência (isto é, o “SISTEMA DE COORDENAÇÃO DE TERRA”) para calcular a inclinação e azimute do eixo geométrico de RSDT de rotação. A GTF e MTF instantâneas da linha-guia 7 no colar rotativo 43, e o ângulo entre as mesmas, definido como “ângulo X”, conjuntamente com as emissões geoestacionárias virtuais de inclinação e azimute são usadas para navegar a RSDT e conduzir o poço na direção exigida pelo cliente.[071] The term “geostationary platform” or geostationary assembly” refers to an assembly on a rotating tool that rotates in the opposite direction relative to the rotating tool so that the assembly does not rotate relative to a coordination system that is fixed in ground as the rest of the tool rotates. The orientation of such a physical geostationary assembly, defined in terms of a non-rotating GTF and/or MTF, is controlled to realize the driving direction of the tool in a particular direction. The accelerometers and magnetometers used to control the orientation of the intended geostationary mount can be mounted directly to the geostationary mount or to the rotating collar as done in US Patent 6,742,604 for Brazil (hereinafter referred to as “Brazil”). In Brazil, the instantaneous position of the collar relative to the geostationary mount is measured with an additional electromechanical component known as a resolver that would instantly read the relative position of the inner geostationary mount relative to the outer rotating collar. The electromechanical resolver angle is used to translate only the GTF from the rotating collar reference frame into the non-rotating reference frame of the geostationary mount. A much simpler approach shown in Figure 8A creates a “virtual geostationary platform” by simultaneously acquiring 3 geometry axes for each of 3 types of sensors, namely accelerometers, gyroscopes and magnetometers, 9 geometry axes in total, all sharing a common coordination system fixed to and rotating with the RSDT. Measurements are acquired in block B1. They are sent to block B2 where the conditioning algorithm shown in Figures 8B and 8C removes errors due to DC offsets and mounting misalignment, as well as errors from shock and vibration in the accelerometers. The virtual geostationary processing algorithm in block identification B2 “EARTH COORDINATION SYSTEM” can be used to calculate the inclination and azimuth of the RSDT axis of rotation. By definition, the inclination and azimuth of the RSDT axis of rotation are the same as the inclination and azimuth of unfinished well. A rotation matrix driven by either instantaneous GTF or instantaneous MTF plus the x angle or rate of rotation of the tool from the z-axis gyro is used to convert the accelerometer and magnetometer measurements acquired on the rotating reference RSDT frame to a virtual geostationary frame of reference (ie, the “EARTH COORDINATION SYSTEM”) to calculate the inclination and azimuth of the RSDT axis of rotation. The instantaneous GTF and MTF of the guideline 7 on the rotating collar 43, and the angle between them, defined as “angle X”, together with the virtual geostationary emissions of inclination and azimuth are used to navigate the RSDT and drive the well in the direction required by the customer.

[072] O quadro geoestacionário de referência terá um eixo geométrico z que aponta para o interior de poço e colinear com o eixo geométrico de poço inacabado e substancialmente paralelo ao eixo geométrico z da RSDT. O eixo geométrico x do quadro geoestacionário de referência aponta para cima em perpendicular ao eixo geométrico z do poço inacabado. O eixo geométrico x e eixo geométrico z e o vetor de gravidade são coplanares. O eixo geométrico y do quadro geoestacionário de referência é horizontal e aponta para a direita quando se olha poço abaixo, o mesmo é ortogonal ao eixo geométrico x, ao eixo geométrico z e ao vetor de gravidade. Por definição, a inclinação poço inacabado é expressa como um número positivo de graus igual ao ângulo entre o vetor de gravidade e o eixo geométrico z do poço inacabado e pode variar a partir de 0° a 180°. O valor de inclinação em um poço vertical é zero graus e a inclinação de um poço horizontal é 90°. Por definição, o azimute do poço inacabado é expresso como um número positivo de graus entre 0° a 360° igual ao ângulo entre a projeção do eixo geométrico z no plano horizontal e a direção de Norte magnético. A computação de azimute é bem conhecida por qualquer pessoa de habilidade comum na técnica. Para converter instantaneamente um par de medições transversas, tanto aceleração devido à gravidade como o campo magnético da terra, a partir do quadro de coordenação de RSDT não inercial rotativa de referência ao quadro inercial não rotativa local de referência, AxPOÇOINACABADO = AxRSDT*cos(GTF) + AyRSDT*sen(GTF), e AyPOÇOINACABADO = AxRSDT*-sen(GTF) + AyRSDT*cos(GTF), em que AxPOÇOINACABADO e AyPOÇOINACABADO são os componentes transversos da gravidade da terra no quadro de poço inacabado de referência, AxRSDT e AyRSDT são os componentes de gravidade no quadro de RSDT de referência, e GTF é a face de ferramenta de gravidade instantânea da RSDT. Como uma verificação de qualidade, o valor de AyPOÇOINACABADO deveria ser, de modo idêntico, zero; se AyPOÇOINACABADO não é zero, então, a computação de inclinação de poço inacabado não será válida. Se uma GTF válida não está disponível, então, (MTF+Ângulo X) pode ser usada como uma estimativa do valor de GTF. Se tanto uma GTF válida quanto uma MTF válida estão momentaneamente indisponíveis, então, pode ser possível derivar um valor estimado de GTF a partir da integração da velocidade vetorial rotacional da RSDT a partir do sensor de giroscópio de eixo geométrico z, Gz. O cálculo da inclinação de poço inacabado é, então, INCL = -ARCTAN(AxPOÇOINACABADO/AzRSDT). MxRSDT, MyRSDT, MzRSDT, MxPOÇOINACABADO e MyPOÇOINACABADO, podem ser substituídos por AxRSDT, AyRSDT, AzRSDT, AxPOÇOINACABADO, AyPOÇOINACABADO respectivamente na matriz de rotação para o cálculo do campo magnético da terra no quadro de poço inacabado de referência e no cálculo padrão de azimute de poço inacabado.[072] The geostationary reference frame will have a geometric axis z that points to the interior of the well and collinear with the geometric axis of unfinished well and substantially parallel to the geometric axis z of the RSDT. The x axis of the geostationary reference frame points up perpendicular to the z axis of the unfinished well. The x-axis and z-axis and the gravity vector are coplanar. The y axis of the geostationary frame of reference is horizontal and points to the right when looking downhole, it is orthogonal to the x axis, the z axis and the gravity vector. By definition, the unfinished pit slope is expressed as a positive number of degrees equal to the angle between the gravity vector and the z axis of the unfinished pit and can range from 0° to 180°. The slope value for a vertical well is zero degrees and the slope for a horizontal well is 90°. By definition, the azimuth of the unfinished well is expressed as a positive number of degrees between 0° and 360° equal to the angle between the z-axis projection on the horizontal plane and the direction of magnetic north. Azimuth computation is well known to anyone of ordinary skill in the art. To instantly convert a pair of transverse measurements, both acceleration due to gravity and the earth's magnetic field, from the rotating non-inertial RSDT coordination frame of reference to the local non-rotating inertial reference frame, AxUNFINISHEDPOT = AxRSDT*cos(GTF ) + AyRSDT*sen(GTF), and AyPOÇOINACABADO = AxRSDT*-sen(GTF) + AyRSDT*cos(GTF), where AxPOÇOINACABADO and AyPOÇOINACABADO are the transverse components of earth gravity in the reference unfinished well frame, AxRSDT and AyRSDT is the gravity components in the RSDT frame of reference, and GTF is the instantaneous gravity tool face of the RSDT. As a quality check, the value of AyPOÇOINAFADO should likewise be zero; if AyUNFINISHEDPOT is not zero, then the unfinished well slope computation will not be valid. If a valid GTF is not available, then (MTF+Angle X) can be used as an estimate of the GTF value. If both a valid GTF and a valid MTF are momentarily unavailable, then it may be possible to derive an estimated GTF value from the RSDT rotational vector velocity integration from the z-axis gyro sensor, Gz. The unfinished pit slope calculation is then INCL = -ARCTAN(AxUNFINISHEDPOT/AzRSDT). MxRSDT, MyRSDT, MzRSDT, MxPOÇOINACABADO and MyPOÇOINACABADO, can be replaced by AxRSDT, AyRSDT, AzRSDT, AxPOÇOINACABADO, AyPOÇOINACABADO respectively in the rotation matrix for calculating the earth's magnetic field in the reference unfinished well frame and in the standard azimuth calculation of unfinished pit.

[073] Uma vantagem de uma plataforma navegacional rotativa é que os dispositivos estão se autocalibrando continuamente com a utilização da rotação do sistema para cancelar montagem e erros de dispositivo de DC que podem ser uma função de temperatura. Isso permite a medição precisa de valores muito pequenos de inclinação em declive quando o poço inacabado é quase vertical e azimute em declive quando o poço inacabado é orientado N-S ou S-N e o eixo geométrico de ferramenta é orientado paralelo às linhas de campo magnético da terra. Diferente de Brasil, uma modalidade nesta revelação traduz as medições a partir do quadro rotativo de RSDT de referência para a inclinação em declive de poço inacabado e azimute em declive de poço inacabado no quadro estacionária da terra de referência, sem a necessidade de interromper a perfuração ou criar uma montagem geoestacionária na ferramenta. A plataforma geoestacionária virtual da RSDT tem a capacidade de contínua e dinamicamente medir a inclinação de poço inacabado (inclinação em declive) e azimute de poço inacabado (azimute em declive) em relação ao sistema de coordenação da terra não rotativa.[073] An advantage of a rotating navigational platform is that the devices are continually self-calibrating using system rotation to cancel mount and DC device errors that may be a function of temperature. This allows accurate measurement of very small values of downhill slope when the unfinished well is nearly vertical and downhill azimuth when the unfinished well is oriented N-S or S-N and the tool axis is oriented parallel to the earth's magnetic field lines. Unlike Brazil, one embodiment in this disclosure translates the measurements from the rotating frame of reference RSDT to the downhill slope of unfinished well and downhill azimuth of unfinished well into the stationary frame of reference earth, without the need to stop drilling. or create a geostationary mount in the tool. RSDT's virtual geostationary platform has the capability to continuously and dynamically measure unfinished pit inclination (downhill inclination) and unfinished pit azimuth (downhill azimuth) relative to the non-rotating earth coordination system.

[074] A Figura 8B mostra um diagrama de blocos de uma modalidade do algoritmo de processamento que é usado para cancelar os erros de desalinhamento nos acelerômetros transversos. Essas discussões também são aplicáveis a magnetômetros. Três acelerômetros, 600, 610, 620, são mostrados para Ax, Ay e Az, respectivamente. Os eixos geométricos x e z representam os eixos geométricos transversos, o eixo geométrico z é a linha de centro da ferramenta e é positivo da direção poço abaixo. A saída dos acelerômetros é uma corrente de dados digital em série; não existem sinais analógicos representados no esquemático. O processamento para Az, 620, é direto visto que o mesmo sempre lê um valor de DC de gravidade, diferente de para choques axiais e erros de desalinhamento que podem ser facilmente filtrados para fora pelo filtro 624, mesmo em taxas baixas de rotação. Os acelerômetros deveriam ser preferencialmente montados tão próximo do eixo geométrico de RSDT de rotação quanto possível para minimizar os efeitos de rotação de deslizamento descontínuo (do tipo stick slip) que aciona um componente de AC ao outro valor de DC de aceleração centrípeta. Também é benéfico para o acelerômetro de Az ser montado tão próximo da linha de centro de rotação quanto possível para minimizar quaisquer erros de aceleração centrípeta a partir do desalinhamento; para os acelerômetros de Ax e Ay, 600 e 610, os erros de desalinhamento e as acelerações centrípetas fora de eixo geométrico são sinais de DC. Os filtros 604 e 614 são filtros passa-baixa de IIR adaptativo de 4a ordem digitais idênticos. A frequência de corte é uma função da frequência rotacional de ferramenta. Se a frequência de rotação é 7Hz (420 rpm), então, a frequência de corte de passa-baixa é 0,5 Hz. Se a frequência de rotação é 3 Hz (180 rpm), então, a frequência de corte de passa-baixa é 0,214 Hz. O ganho de filtro está reduzido por aproximadamente 90 dB com 360° de alteração de fase na taxa de rotação da ferramenta, portanto, a saída de cada filtro 604 e 614 é apenas os sinais de erro de DC para Ax e Ay respectivamente, que são, então, subtraídos a partir de seus canais respectivos, o que rende sinais isentos de erro 606 e 616. Isso permite que Ax e Ay sejam usados para detectar todas as quantidades pequenas de declive quando se perfura verticalmente. Esse mesmo processamento de correção de erro também é usado para os magnetômetros. O filtro 624 para Az (e Mz) é idêntico aos filtros 604 e 614 para as medições transversas Ax e Ay. Pelo fato dos erros de DC, tais como compensações elétricas não poderem ser cancelados por esse método, os dispositivos para as medições axiais devem ser calibrados sobre temperatura.[074] Figure 8B shows a block diagram of a processing algorithm modality that is used to cancel misalignment errors in transverse accelerometers. These discussions are also applicable to magnetometers. Three accelerometers, 600, 610, 620, are shown for Ax, Ay, and Az, respectively. The x and z geometry axes represent the transverse geometry axes, the z axis is the tool centerline and is positive of the downhole direction. The output of the accelerometers is a serial digital data stream; there are no analog signals represented in the schematic. Processing for Az, 620, is straightforward as it always reads a gravity DC value, unlike axial shocks and misalignment errors which can easily be filtered out by filter 624, even at low rotation rates. Accelerometers should preferably be mounted as close to the RSDT axis of rotation as possible to minimize the effects of stick slip rotation that drives one AC component to the other DC value of centripetal acceleration. It is also beneficial for Az's accelerometer to be mounted as close to the centerline of rotation as possible to minimize any centripetal acceleration errors from misalignment; for the Ax and Ay accelerometers, 600 and 610, misalignment errors and off-axis centripetal accelerations are signs of DC. Filters 604 and 614 are identical digital 4th order adaptive IIR low pass filters. The cutting frequency is a function of the tool rotational frequency. If the rotation frequency is 7Hz (420 rpm), then the low-pass cutoff frequency is 0.5 Hz. If the rotation frequency is 3 Hz (180 rpm), then the low-pass cutoff frequency is 0.214 Hz. The filter gain is reduced by approximately 90 dB with 360° phase shift in tool rotation rate, so the output of each filter 604 and 614 is just the error signals from DC to Ax and Ay respectively, which are , then subtracted from their respective channels, which yields error-free signals 606 and 616. This allows Ax and Ay to be used to detect all small amounts of slope when drilling vertically. This same error correction processing is also used for magnetometers. Filter 624 for Az (and Mz) is identical to filters 604 and 614 for transverse measurements Ax and Ay. Because DC errors such as electrical offsets cannot be canceled by this method, devices for axial measurements must be calibrated under temperature.

[075] A Figura 8C mostra um fluxograma do processamento navegacional dinâmico que pode ser usado para conduzir a ferramenta enquanto a mesma está girando. Esse processamento está funcionando continuamente à medida que a ferramenta está rodando. Os valores axiais de Az e Mz não mudam rapidamente e podem ser atualizados a cada poucos segundos na etapa 2.b. As medições transversas estão sendo atualizadas continuamente na etapa 2.a. Na etapa 3, as compensações de giroscópio para todos os três eixos geométricos são atualizadas quando a ferramenta está estacionária no orifício. O erro de giroscópio de eixo geométrico z é calibrado no interior de poço por correlação tanto com Mx como My ou Ax como Ay no caso de interferência magnética. Na etapa 4, os valores instantâneos de GTF e MTF e ângulo X são calculados primeiro visto que essas são necessárias para acionar dinamicamente os coeficientes na matriz de rotação. Então, as medições de acelerômetro e magnetômetro transversas são traduzidas ao sistema de coordenação da terra e combinadas com Az e Mz para computar a inclinação de poço inacabado e azimute de poço inacabado. O Ângulo X têm dois propósitos. Um é que medições sensíveis à azimute são tipicamente exigidas versus MTF. A MTF mais o ângulo X proporcionará um pseudovalor de GTF de modo que as medições adquiridas por azimute possam ser orientadas corretamente em relação ao tipo do poço inacabado. Na etapa 5, a GTF e MTF são corrigidas para atrasos de processamento de modo que as mesmas leiam os valores espacialmente corrigidos de GTF e MTF para propósitos de condução. Os dados são, então, transmitidos com latência baixa à unidade de controle de condução para a geração de comandos de condução, armazenamento na memória de ferramenta e combinação com outros dados para transmissão de telemetria de R/T à superfície.[075] Figure 8C shows a flowchart of dynamic navigational processing that can be used to drive the tool while it is rotating. This processing is running continuously as the tool is running. The axial values of Az and Mz do not change quickly and may be updated every few seconds in step 2.b. The transverse measurements are continually being updated in step 2.a. In step 3, the gyro offsets for all three geometry axes are updated when the tool is stationary in the hole. The z-axis gyro error is calibrated inside the well by correlating with either Mx as My or Ax as Ay in the case of magnetic interference. In step 4, the instantaneous values of GTF and MTF and X angle are calculated first as these are needed to dynamically drive the coefficients in the rotation matrix. Then, the transverse accelerometer and magnetometer measurements are translated to the ground coordination system and combined with Az and Mz to compute the unfinished well inclination and unfinished well azimuth. Angle X has two purposes. One is that sensitive azimuth measurements are typically required versus MTF. The MTF plus the X angle will provide a pseudo GTF value so that measurements acquired by azimuth can be oriented correctly relative to the unfinished well type. In step 5, the GTF and MTF are corrected for processing delays so that they read the spatially corrected GTF and MTF values for driving purposes. The data is then transmitted at low latency to the conduction control unit for generation of conduction commands, storage in tool memory and combination with other data for transmitting R/T telemetry to the surface.

[076] A Figura 8D mostra o processamento de levantamento estático que pode ser usado quando a ferramenta não está se movendo, tipicamente em toda conexão enquanto a coluna de perfuração está nos deslizamentos. Esse processamento leva diversos minutos para adquirir e processa as medições. A ferramenta deve ser interrompida. As acelerações de gravidade da terra e o campo magnético da terra são medidos em todos os 3 eixos geométricos de ferramenta. Se a interferência magnética ou erros de desalinhamento são suspeitos, as medições estáticas a partir das duas ou mais orientações adicionais de GTF e/ou MTF podem ser combinadas para melhorar a precisão da inclinação e azimute de poço inacabado.[076] Figure 8D shows the static lift processing that can be used when the tool is not moving, typically in every connection while the drill string is in the slips. This processing takes several minutes to acquire and process the measurements. The tool must be stopped. Earth's gravity accelerations and Earth's magnetic field are measured in all 3 tool axes. If magnetic interference or misalignment errors are suspected, static measurements from the two or more additional GTF and/or MTF orientations can be combined to improve accuracy of unfinished well inclination and azimuth.

[077] A Figura 9 mostra um modelo de ferramenta geral de uma modalidade possível da RSDT. Na extremidade de fundo da ferramenta, a broca 12 é afixada ao eixo de broca 33 que é afixado ao colar de perfuração 43 por meio da dobradiça 5. Os estabilizadores não são mostrados. A navegação dinâmica de 9 eixos geométricos e eletrônica e sensores de controle de condução que compreende a plataforma geoestacionária virtual estão localizadas em um alojamento bem acima (ou atrás) da dobradiça 5. A bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável está localizada no bloco de “Seção de Potência Hidráulica e Atuação de Condução”. A seção superior da ferramenta inclui medições auxiliares que incluem, porém sem limitação, uma embalagem de levantamento estático de 6 eixos geométricos, medições de mecânica ambiental e de perfuração, calibrador ultrassônico, resistividade de propagação de múltiplos espaçamentos, EM transverso para distância para contrastes de resistibilidade adjacentes, antena de telemetria de curta distância, GR natural de quadrante, aquisição de dados centrais, comunicações, memória e baterias substitutas para energia durante as conexões.[077] Figure 9 shows a general tool model of a possible RSDT modality. At the bottom end of the tool, the bit 12 is attached to the bit shaft 33 which is attached to the drill collar 43 via hinge 5. The stabilizers are not shown. The 9-axis dynamic navigation and drive control electronics and sensors comprising the virtual geostationary platform are located in a housing well above (or behind) hinge 5. The dynamically variable displacement axial piston pump is located in the drive block. “Hydraulic Power and Drive Actuation Section”. The top section of the tool includes ancillary measurements that include, but are not limited to, a 6-axis static survey package, drilling and environmental mechanics measurements, ultrasonic gauge, propagation resistivity of multiple spacings, transverse EM for distance for contrasts of adjacent resistivity, short-range telemetry antenna, natural quadrant GR, central data acquisition, communications, memory, and backup batteries for power during connections.

[078] Esta revelação introduziu e discutiu diversos benefícios e recursos únicos à bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável em relação à operação e implantação da RSDT. No entanto, deve-se notar que esses mesmos benefícios e recursos únicos à bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável são aplicáveis ao projeto e à operação de outras ferramentas de interior de poço, sejam transmitidos por cano de perfuração, linha de fio ou tubagem espiralada.[078] This disclosure introduced and discussed several benefits and features unique to the dynamically variable displacement axial piston pump in relation to RSDT operation and deployment. However, it should be noted that these same benefits and features unique to the dynamically variable displacement axial piston pump are applicable to the design and operation of other downhole tools, whether conveyed by drill pipe, wireline or tubing. spiral.

[079] Quando a energia e/ou energia total exigida para operar uma ferramenta de MWD ou LWD de interior de poço por até 200 horas excede a energia que pode ser praticamente fornecida por baterias de interior de poço adequadas para uso em campo de óleo, então, a mesma se torna prática para gerar energia no interior de poço por meio de uma turbina de fluido acionada por lama. Nesse caso, a prática comum é fornecer uma turbina de fluido acionada por lama, tal como aquela descrita em Bradley no US 3.743.034, e Jones e Malone no US 5.249.161. A turbina de fluido pode fornecer energia para acionar um alternador elétrico ou uma bomba hidráulica. A turbina de fluido deve operar sobre uma faixa de taxas de fluxo de lama e densidades de lama a serem uma fonte prática de energia de interior de poço.[079] When the energy and/or total energy required to operate an MWD or LWD downhole tool for up to 200 hours exceeds the energy that can be practically provided by downhole batteries suitable for use in an oil field, then, it becomes practical to generate energy inside the well through a mud-driven fluid turbine. In that case, the common practice is to supply a mud-driven fluid turbine, such as that described in Bradley in US 3,743,034, and Jones and Malone in US 5,249,161. The fluid turbine can provide energy to drive an electrical alternator or a hydraulic pump. The fluid turbine must operate over a range of mud flow rates and mud densities to be a practical source of downhole power.

[080] A velocidade vetorial rotacional sem carga da turbina é proporcional à taxa de fluxo e o torque estagnado é proporcional à taxa de fluxo e peso de lama. Visto que a potência é o produto de torque vezes a velocidade vetorial rotacional, a potência disponível pode aumentar aproximadamente como a segunda potência da taxa de fluxo de lama vezes o aumento no peso de lama. Adicionalmente, é comum cobrir uma faixa de taxa de fluxo 2:1 com um único projeto de turbina, o que significa que a potência disponível pode facilmente quadruplicar sobre aquela faixa. À título de ilustração, se o peso de lama mínimo é tomado como 994,559 gramas por litro (8,3 libras por galão), o peso de lama máximo pode ser 1917,22 (16 libras por galão), outro fator de dois acréscimos no torque disponível. Uma turbina bem projetada deve fornecer uma quantidade mínima de potência exigida para operar o sistema na taxa de fluxo mínima e peso de lama de perfuração mínimo. Para os propósitos dessa discussão, a potência mínima exigida para operar um dado sistema pode ser escolhida como 2 HP. Isso significa que a potência a partir da turbina na taxa de fluxo máxima e peso de lama pode ser aproximadamente 8 vezes a potência disponível na taxa de fluxo mínima e peso de lama, aproximadamente 16 HP.[080] The no-load rotational velocity of the turbine is proportional to the flow rate and the stagnant torque is proportional to the flow rate and mud weight. Since power is the product of torque times rotational velocity, available power can increase approximately as the second power of mud flow rate times the increase in mud weight. Additionally, it is common to cover a 2:1 flow rate range with a single turbine design, meaning that available power can easily quadruple over that range. By way of illustration, if the minimum mud weight is taken as 994.559 grams per liter (8.3 pounds per gallon), the maximum mud weight may be 1917.22 (16 pounds per gallon), another factor of two increments in torque available. A well-designed turbine must provide the minimum amount of power required to operate the system at the minimum flow rate and minimum drilling mud weight. For the purposes of this discussion, the minimum power required to operate a given system can be chosen as 2 HP. This means that the power from the turbine at maximum flow rate and mud weight can be approximately 8 times the power available at minimum flow rate and mud weight, approximately 16 HP.

[081] Se a turbina está acionando um alternador elétrico, conforme descrito em “Jones e Malone” n o US 5.249.161, a corrente de saída pode ser gerenciada pela carga, porém a tensão de saída do alternador tenderá a duplicar à medida que a velocidade escalar rotacional de turbina duplica. Um método para lidar com essa situação é usar um alternador homopolar híbrido com enrolamentos de campo para impulsionar ou reduzir a tensão de saída e reter a mesma dentro de uma faixa gerenciável sobre toda ou uma parte da faixa de fluxo de lama. Haverá várias implicações de projeto para minimizar as perdas de I2R de cobre nos enrolamentos do alternador a fim de minimizar o aumento de temperatura enquanto se mantém a tensão de saída abaixo de um nível gerenciável. Além disso, existem perdas de I2R de cobre nos enrolamentos de campo também. Os enrolamentos de campo nunca terão a capacidade de praticamente cancelar o campo magnético interno, portanto, existirá uma velocidade vetorial rotacional acima da qual a tensão irá inevitavelmente aumentar mesmo com a corrente de redução de campo máxima. Adicionalmente, devido às limitações volumétricas e de eficiência, existe um limite superior prático à quantidade de potência que pode ser gerada de modo confiável por um alternador elétrico. Para essas aplicações que exigem mais que cerca de 3 HP, pode ser mais prático acionar uma bomba hidráulica com uma turbina de fluido ao invés de um alternador elétrico.[081] If the turbine is driving an electrical alternator, as described in “Jones and Malone” in US 5,249,161, the output current can be managed by the load, but the alternator output voltage will tend to double as the turbine rotational speed doubles. One method of dealing with this situation is to use a hybrid homopolar alternator with field windings to boost or step down the output voltage and retain it within a manageable range over all or part of the mud flow range. There will be several design implications for minimizing copper I2R losses in the alternator windings in order to minimize temperature rise while keeping the output voltage below a manageable level. Also, there are copper I2R losses in the field windings as well. The field windings will never have the ability to practically cancel the internal magnetic field, so there will be a rotational vector speed above which the voltage will inevitably increase even at maximum field decay current. Additionally, due to efficiency and volumetric limitations, there is a practical upper limit to the amount of power that can be reliably generated by an electrical alternator. For those applications that require more than about 3 HP, it may be more practical to drive a hydraulic pump with a fluid turbine rather than an electrical alternator.

[082] Uma modalidade da presente revelação usa uma bomba hidráulica acionada pela turbina de fluido alimentada por lama. Se a turbina está acionando uma bomba de deslocamento positivo fixo conforme descrito em “Bradley” (Patente no U.S. 3.743.034), à medida que a velocidade escalar de turbina aumenta, a taxa de fluxo de saída da bomba crescerá. Adicionalmente, à medida que a taxa de fluxo aumenta, a pressão aumentará ao ponto limitado por uma válvula de alívio de pressão. Na taxa de fluxo e peso de lama de perfuração máxima, que gera aproximadamente 16 HP, a turbina se desgastará, prematuramente, por efeitos de erosão e a válvula de alívio na saída da bomba dissipará 5 a 10 HP à medida que o fluido hidráulico é ventilado de modo adiabático através de um orifício de volta ao reservatório hidráulico de baixa pressão, o que faz com que a temperatura da válvula aumente bem além dos níveis especificados, o que resulta em falha de válvula e sistema.[082] One embodiment of the present disclosure uses a hydraulic pump driven by the mud-fed fluid turbine. If the turbine is driving a fixed positive displacement pump as described in "Bradley" (U.S. Patent 3,743,034), as the turbine speed increases, the pump output flow rate will increase. Additionally, as the flow rate increases, the pressure will increase to the point limited by a pressure relief valve. At maximum flow rate and drilling mud weight, which generates approximately 16 HP, the turbine will wear out prematurely from erosion effects and the relief valve at the pump outlet will dissipate 5 to 10 HP as the hydraulic fluid is drained. vented adiabatically through an orifice back to the low pressure hydraulic reservoir, which causes the valve temperature to rise well beyond specified levels, resulting in valve and system failure.

[083] Uma solução para esse problema é substituir uma bomba de deslocamento positivo fixo por uma bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável, também denominada “bomba de placa oscilante do tipo swashplate”. A bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável é idealmente adequada para ser usada em uma modalidade da presente revelação. Fora do campo de ferramentas de perfuração de interior de poço de óleo subterrâneo, bombas de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável são usadas em muitos lugares, tais como implantações de trator hidraulicamente operado, equipamento de construção, tal como escavadores e muito comumente em máquinas de corte de grama de manobra de zero raio. Nesses casos, uma ou mais bombas de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável são usadas para controlar a taxa de fluxo de saída variável e direção de fluxo para independentemente acionar rodas e/ou eixos. No campo de ferramentas de MWD e LWD de interior de poço alimentadas por lama de perfuração, a bomba fornece uma solução de gerenciamento de potência eficaz para ferramentas montadas em colar de perfuração acionadas por lama para uso em poços de gás e óleo de perfuração, embora tal implantação não tenha sido previamente implantada. à medida que a taxa de fluxo e peso de lama aumentam, o ângulo de placa oscilante do tipo swashplate pode ser diminuído, o que reduz o deslocamento da bomba, que permite que taxa de fluxo para fora da bomba permaneça constante. Para uma dada taxa de fluxo e peso de lama de perfuração, o ângulo de placa oscilante do tipo swashplate será selecionado para fornecer a quantidade de fluxo e pressão exigida pela carga que é acionada pela bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável. O ângulo de placa oscilante do tipo swashplate pode ser controlado tanto por um atuador linear eletricamente alimentado quanto por um “controlador de deslocamento eletrônico”, que usa uma válvula proporcional e pistões hidráulicos para atuar a placa oscilante do tipo swashplate.[083] A solution to this problem is to replace a fixed positive displacement pump with a dynamically variable displacement axial piston pump, also called “swashplate type swashplate pump”. The dynamically variable displacement axial piston pump is ideally suited for use in an embodiment of the present disclosure. Outside the field of underground oil well interior drilling tools, dynamically variable displacement axial piston pumps are used in many places such as hydraulically operated tractor deployments, construction equipment such as excavators and very commonly in Zero Radius Maneuver Grass Cutting. In such cases, one or more dynamically variable displacement axial piston pumps are used to control variable output flow rate and flow direction to independently drive wheels and/or axles. In the field of mud-fed MWD and LWD downhole tools, the pump provides an effective power management solution for mud driven drill collar mounted tools for use in oil and gas wells, although such deployment has not been previously deployed. As flow rate and slurry weight increase, the swashplate type swash plate angle can be decreased, which reduces pump displacement, which allows the flow rate out of the pump to remain constant. For a given flow rate and weight of drilling mud, the swashplate type swashplate angle will be selected to provide the amount of flow and pressure required by the load that is driven by the dynamically variable displacement axial piston pump. The swashplate swashplate angle can be controlled either by an electrically powered linear actuator or an “electronic displacement controller,” which uses a proportional valve and hydraulic pistons to actuate the swashplate swashplate.

[084] A Figura 7A, conforme previamente descrito acima, mostra uma modalidade hidráulica de laço aberto em que a bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável 70 é usada para regular a potência de saída variável a partir da turbina 71 e corresponder as mesmas à potência de saída variável demandada pela carga dinâmica, compreendida de válvulas 90 e 94 e atuador de pistão bidirecional 95. Nessa modalidade, a definição do ângulo de placa oscilante do tipo swashplate é determinada pela taxa de fluxo de lama de perfuração e a quantidade de fluido hidráulico demandado pela carga. Conforme previamente discutido em detalhes, o ângulo de placa oscilante do tipo swashplate é ajustado para aumentar ou diminuir a amplitude do movimento do braço de alavanca 87 que controla os deflexionamentos simétricos coerentes da broca.[084] Figure 7A, as previously described above, shows an open loop hydraulic embodiment in which the dynamically variable displacement axial piston pump 70 is used to regulate the variable output power from the turbine 71 and match the same to the variable output power demanded by the dynamic load, comprised of valves 90 and 94 and bidirectional piston actuator 95. In this mode, the definition of the swashplate type swashplate angle is determined by the drilling mud flow rate and the amount of fluid hydraulic required by the load. As previously discussed in detail, the swashplate type swash plate angle is adjusted to increase or decrease the range of motion of lever arm 87 which controls coherent symmetric deflections of the drill.

[085] A Figura 10 mostra outra aplicação para a perfuração de poços de óleo e gás, em que a saída da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável 300 pode ser conectada por uma linha hidráulica 302 a um motor hidráulico 310, que forma uma transmissão hidráulica. Nessa modalidade, o ângulo de placa oscilante do tipo swashplate é ajustado por meio de um atuador 325, que pode ser um motor acionado ou hidraulicamente acionado, para controlar a velocidade escalar de eixo de saída do motor hidráulico 310. O motor hidráulico 310 pode ser um motor hidráulico de deslocamento fixo ou um motor hidráulico de deslocamento variável para permitir mais graus de liberdade para controle. O eixo de saída 312 do motor hidráulico 310 pode acionar um alternador elétrico 315. Visto que a transmissão compreendida da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável 300 e motor hidráulico 310 pode manter uma velocidade escalar constante do eixo de saída 312 sobre uma faixa ampla de taxas de fluxos e pesos de lama, o gerador pode ser um alternador sem escovas muito simples e básico. A tensão de saída de ΦA, ΦB e ΦC, seria mantida constante mantendo-se uma velocidade escalar constante do eixo de entrada 312 do motor 310 pelo ajustamento do ângulo de placa oscilante do tipo swashplate que depende da taxa de fluxo de lama de perfuração. A fonte de alimentação 330 mediria a tensão de saída do alternador 315 e geraria um sinal de retroalimentação 335 para aumentar ou diminuir o ângulo da placa oscilante do tipo swashplate por meio do atuador 325. Uma bomba de carga 305 assegura que a bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável 300 seja preparada na partida. O reservatório de fluido hidráulico é 75. Várias válvulas de alívio, PRV3 e PRV4 são fornecidas para evitar quaisquer condições de sobrepressão. Várias válvulas de retenção, CV5, CV6, e CV7 são fornecidas para evitar qualquer refluxo indesejado. Os filtros F2 e F3 são fornecidos para assegurar que quaisquer impurezas particuladas no fluido hidráulico permaneçam no reservatório de fluido e não sejam recirculadas através do sistema. O ângulo de placa oscilante do tipo swashplate da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável 300 regula a potência de entrada disponível a partir da turbina acionada por lama de perfuração bem como fornece a energia variável que pode ser demandada pela carga para medições e serviços transmitidos por cano de perfuração.[085] Figure 10 shows another application for drilling oil and gas wells, in which the output of the dynamically variable displacement axial piston pump 300 can be connected by a hydraulic line 302 to a hydraulic motor 310, which forms a hydraulic transmission. In this embodiment, the swashplate swashplate angle is adjusted by means of an actuator 325, which may be motor driven or hydraulically driven, to control the output shaft speed of hydraulic motor 310. Hydraulic motor 310 may be a fixed displacement hydraulic motor or a variable displacement hydraulic motor to allow more degrees of freedom for control. The output shaft 312 of the hydraulic motor 310 can drive an electric alternator 315. Whereas the transmission comprised of the dynamically variable displacement axial piston pump 300 and hydraulic motor 310 can maintain a constant speed of the output shaft 312 over a wide range of flow rates and mud weights, the generator can be a very simple and basic brushless alternator. The output voltage of ΦA, ΦB and ΦC would be kept constant by maintaining a constant speed of the input shaft 312 of the motor 310 by adjusting the swashplate angle which depends on the drilling mud flow rate. Power supply 330 would measure the output voltage of alternator 315 and generate a feedback signal 335 to increase or decrease the angle of the swashplate swashplate via actuator 325. A charge pump 305 ensures that the axial piston pump of dynamically variable displacement 300 is prepared at startup. Hydraulic fluid reservoir is 75. Various relief valves, PRV3 and PRV4 are provided to prevent any over pressure conditions. Several check valves, CV5, CV6, and CV7 are provided to prevent any unwanted backflow. Filters F2 and F3 are provided to ensure that any particulate matter in the hydraulic fluid remains in the fluid reservoir and is not recirculated through the system. The swashplate type swashplate angle of the 300 dynamically variable displacement axial piston pump regulates the input power available from the drilling mud driven turbine as well as providing the variable power that can be demanded by the load for measurements and transmitted services. per drill pipe.

[086] A Figura 11A mostra ainda outra modalidade em que o eixo de saída 412 do motor hidráulico 410 pode ser usado para acionar um rotor de válvula de lama giratória 450 para a geração de uma telemetria de pulso de lama transmitida por cano de perfuração enquanto se perfura. Enquanto o rotor de válvula de lama giratório 450 é girado próximo ao estator de válvula de lama giratória 452, o mesmo gera uma sequência de oscilação de pressões altas e baixas, conforme descrito em Jones e Malone. As alterações de fases são periodicamente introduzidas na rotação do rotor de válvula giratória 450 de modo a codificar digitalmente dados dentro de uma sequência de pressões altas e baixas. A bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável 400 e o motor hidráulico 410 substituiriam o motor elétrico que está acionando uma válvula giratória conforme descrito em Jones e Malone. A saída do eixo de motor hidráulico 412 seria conectado a um resolvedor de eixo 420 e um posicionador magnético de 1 posição com 2 polos 435. A caixa de engrenagem 440 pode ser qualquer razão de engrenagem que seja vantajosa para a operação do motor hidráulico 410, porém precisaria corresponder ao número de lóbulos em um rotor de válvula de lama giratória 450 e estator 452. O processador de controle de telemetria 430 recebe uma corrente de dados de entrada 432, e usa a retroalimentação de posição de eixo a partir de um resolvedor 420 para atuar a placa oscilante do tipo swashplate por meio de uma linha de controle de atuador 437 e atuador de placa oscilante do tipo swashplate 425 para introduzir alterações de fases na onda de pressão de lama gerada pelo rotor de válvula giratória 450 e estator 452.[086] Figure 11A shows yet another embodiment in which the output shaft 412 of the hydraulic motor 410 can be used to drive a rotary mud valve rotor 450 for generating a mud pulse telemetry transmitted by drill pipe while it pierces. As the rotary mud valve rotor 450 is rotated close to the rotary mud valve stator 452, it generates an oscillating sequence of high and low pressures as described in Jones and Malone. Phase changes are periodically introduced into the rotation of the rotary valve rotor 450 in order to digitally encode data into a sequence of high and low pressures. The dynamically variable displacement axial piston pump 400 and hydraulic motor 410 would replace the electric motor which is driving a rotary valve as described in Jones and Malone. The output of the hydraulic motor shaft 412 would be connected to a shaft resolver 420 and a 2 pole 1 position magnetic positioner 435. The gearbox 440 can be any gear ratio that is advantageous for the operation of the hydraulic motor 410, however it would need to match the number of lobes on a rotary mud valve rotor 450 and stator 452. The telemetry control processor 430 receives an input data stream 432, and uses shaft position feedback from a resolver 420 to actuate the swashplate swashplate through an actuator control line 437 and swashplate swashplate actuator 425 to introduce phase shifts in the slurry pressure wave generated by the rotary valve rotor 450 and stator 452.

[087] Uma modalidade alternativa de um sistema de telemetria de pulso de lama hidraulicamente acionada é mostrada na Figura 11B, que é similar à modalidade mostrada na Figura 11A, mas com um rotor de válvula giratória de 2 lóbulos 460 e estator 462, sem uma caixa de engrenagens, porém usando um posicionador magnético de 4 polos (2 posições) 437 e um resolvedor 420. O resolvedor 420 é necessário na saída do eixo hidráulico a fim de conhecer e controlar a rotação do eixo de motor hidráulico 412 como uma função de tempo. O posicionador magnético 437 é um mecanismo opcional, porém preferencial, pelo fato de que o mesmo retornará passivamente o rotor de válvula giratória 460 a uma posição aberta quando a energia estiver DESLIGADA ou no caso de uma falha de eletrônica para prevenir o puxamento de cano de extinção. Um processador 430 afixado ao controle de atuador de placa oscilante do tipo swashplate 425 aceitará uma corrente de broca recebida 432 por meio de um barramento de dados digital. O mesmo converterá a corrente de dados digital recebida 432 em uma sequência de posições de eixo 412 como uma função de tempo. As brocas podem ser codificadas em pulsos de pressão com a utilização de BPSK ou Feher QPSK. O resolvedor 420 retroalimenta a posição do eixo 412 ao processador 430 que controla a corrente de dados de válvula giratória 460 de modo que o processador 430 possa fazer ajustamentos dinâmicos ao ângulo da placa oscilante do tipo swashplate por meio da linha de controle 437 e do atuador de placa oscilante do tipo swashplate 425, para alcançar a sequência de ondas de pressão desejada de pressões de lama para uma telemetria de pulso de lama transmitida por cano de perfuração enquanto se perfura.[087] An alternative embodiment of a hydraulically driven mud pulse telemetry system is shown in Figure 11B, which is similar to the embodiment shown in Figure 11A, but with a 2-lobe rotary valve rotor 460 and stator 462, without a gearbox, however using a 4-pole (2-position) magnetic positioner 437 and a resolver 420. The resolver 420 is required at the output of the hydraulic shaft in order to know and control the rotation of the hydraulic motor shaft 412 as a function of time. Magnetic positioner 437 is an optional but preferred mechanism in that it will passively return rotary valve rotor 460 to an open position when power is OFF or in the event of an electronics failure to prevent pipe pulling from extinction. A processor 430 attached to the swashplate type swashplate actuator control 425 will accept a drill current received 432 via a digital data bus. It will convert the received digital data stream 432 into a sequence of axis positions 412 as a function of time. Drills can be encoded in pressure pulses using BPSK or Feher QPSK. Resolver 420 feeds back the position of shaft 412 to processor 430 which controls the data stream from rotary valve 460 so that processor 430 can make dynamic adjustments to the swashplate angle via control line 437 and the actuator. of swashplate type swashplate 425, to achieve the desired pressure wave sequence of mud pressures for a mud pulse telemetry transmitted by drill pipe while drilling.

[088] As aplicações e modalidades previamente reveladas para a bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável foram todas circuitos hidráulicos de laço aberto que não aproveitam completamente a reversibilidade da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável. A bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável também pode ser usada em aplicações hidráulicas de laço fechado em que a habilidade da bomba de reverter o fluxo de fluido hidráulico através da bomba pode resultar em redução significativa do número de válvulas a serem controladas, uma redução do número de passagens hidráulicas, bem como controle mais preciso de aplicações diferenciais de baixa pressão, tal como amostragem de fluido de formação. As Figuras 12 e 14 ilustrarão os benefícios de usar a bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável em circuitos hidráulicos completamente reversíveis de laço fechado. Essas modalidades podem ser incorporadas dentro de ferramentas de interior de poço que são transmitidas em linha de fios, tubagem bobinada e /ou colar de perfuração.[088] The applications and modalities previously revealed for the dynamically variable displacement axial piston pump were all open loop hydraulic circuits that do not fully take advantage of the reversibility of the dynamically variable displacement axial piston pump. The dynamically variable displacement axial piston pump can also be used in closed loop hydraulic applications where the pump's ability to reverse the flow of hydraulic fluid through the pump can result in a significant reduction in the number of valves to be controlled, a reduction the number of hydraulic passes, as well as more precise control of low pressure differential applications, such as formation fluid sampling. Figures 12 and 14 will illustrate the benefits of using the dynamically variable displacement axial piston pump in closed loop fully reversible hydraulic circuits. These embodiments can be incorporated within downhole tools that are conveyed in wireline, coiled tubing and/or drill collar.

[089] A Figura 12 é o esquemático hidráulico para uma aplicação de sondagem de parede lateral Bombas hidráulicas têm sido usadas nesse tipo de aplicação antes, porém as bombas são de deslocamento fixo e unidirecionais. Se a serra copo de corte de núcleo ficar presa, o motor que aciona a serra não pode ser revertido e o eixo deve ser cisalhado de modo que a ferramenta possa ser extraída com segurança do orifício sem danificar tanto o poço inacabado como a ferramenta. O esquemático mostrado na Figura 12 soluciona esse problema. Um motor elétrico 540 aciona um eixo 512 que aciona uma bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável 500 e uma bomba de carga 505. O ângulo de placa oscilante do tipo swashplate da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável 500 é aumentado por um atuador de placa oscilante do tipo swashplate (não mostrado) de modo que o fluido hidráulico de alta pressão flua para fora da linha 502 ao motor hidráulico 510, fazendo com que o eixo 522 gire a serra copo de corte de núcleo 550 na direção de corte. A pressão ao longo do motor hidráulico 510 pode ser monitorada para confirmar a operação do sistema e identificar possíveis condições anômalas. Se o cortador 550 fica preso, a alta pressão na linha 502 aumentará de modo que desencadeie a válvula de alívio de pressão PRV11 e guie o fluido através da linha 507 conectada ao pistão servo negativo 576, o que reduz o ângulo da placa oscilante do tipo swashplate na bomba 500. Se for determinado pelo operador que o cortador 550 está preso, a direção de rotação do eixo 522 de motor 510 pode ser revertida, o que desaparafusa o cortador, definindo-se o ângulo de placa oscilante do tipo swashplate a um valor negativo, fazendo com que alta pressão flua na linha 503. Alívio de sobrepressão é fornecido por PRV14. Nesse caso, a alta pressão seria aplicada à válvula servo positiva de placa oscilante do tipo swashplate 575 fazendo com que o ângulo de placa oscilante do tipo swashplate reduza a taxa de fluxo da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável 500 que alivia a condição de sobrepressão na linha 503. A vantagem desse sistema é que o mesmo protege a si mesmo automaticamente, e se o cortador 550 fica preso, a bomba pode ser revertida, o que desaparafusa o cortador 550 a partir do eixo 522, de modo que o eixo 522 possa ser recolhido de modo seguro e a ferramenta possa ser puxada para fora do orifício.[089] Figure 12 is the hydraulic schematic for a sidewall drilling application Hydraulic pumps have been used in this type of application before, however the pumps are fixed displacement and unidirectional. If the core cutting hole saw becomes stuck, the motor that drives the saw cannot be reversed and the shaft must be sheared so that the tool can be safely extracted from the hole without damaging either the unfinished pit or the tool. The schematic shown in Figure 12 solves this problem. An electric motor 540 drives a shaft 512 which drives a dynamically variable displacement axial piston pump 500 and a charge pump 505. The swashplate type swashplate angle of the dynamically variable displacement axial piston pump 500 is increased by an actuator swashplate type swash plate assembly (not shown) so that high pressure hydraulic fluid flows out of line 502 to hydraulic motor 510, causing shaft 522 to rotate core cutting hole saw 550 in the cutting direction. Pressure across the 510 hydraulic motor can be monitored to confirm system operation and identify possible anomalous conditions. If cutter 550 becomes stuck, the high pressure in line 502 will increase so that it triggers pressure relief valve PRV11 and guides fluid through line 507 connected to negative servo piston 576, which reduces angle of type swashplate. swashplate on pump 500. If it is determined by the operator that cutter 550 is stuck, the direction of rotation of shaft 522 of motor 510 can be reversed, which unscrews the cutter, setting the swashplate-style swashplate angle to one negative value, causing high pressure to flow in line 503. Overpressure relief is provided by PRV14. In this case, the high pressure would be applied to the positive swashplate swashplate servo valve 575 causing the swashplate swashplate angle to reduce the flow rate of the dynamically variable displacement axial piston pump 500 which alleviates the low condition. overpressure in line 503. The advantage of this system is that it automatically protects itself, and if cutter 550 becomes stuck, the pump can be reversed, which unscrews cutter 550 from shaft 522 so that shaft 522 can be safely retracted and the tool can be pulled out of the hole.

[090] Outra aplicação cuja bomba de pistão de deslocamento variável é idealmente adequada é a amostragem de fluido de formação que usa uma “bomba de pistão de acoplamento do tipo garra”. Um exemplo da técnica anterior é mostrado na Figura 13. Usar uma bomba de terminação simples de deslocamento fixo 600 exige 4 válvulas VA, VB, VC e VD, e 4 válvulas de retenção CV20, CV21,CV22 e CV23 para acionar a bomba de pistão de acoplamento do tipo garra 640. A sonda embaladora de parede lateral 653 é implementada contra a parede de poço inacabado com força suficiente para fazer uma vedação hidráulica com a formação. Para acionar o pistão 649 de bomba de pistão de acoplamento tipo garra 640 à “direita”, na Figura, o motor elétrico 635 aciona a bomba de deslocamento fixo não reversível 600. As válvulas VA e VD são atuadas ou “abertas” enquanto as válvulas VB e VC estão desligadas ou “fechadas”. O fluido de alta pressão na linha 623 flui através da válvula de retenção CV21 através da válvula VA para dentro da câmara 641, o que desloca o pistão 649 para direita. Fluido de baixa pressão flui para fora da câmara 644 através da válvula VD ao tanque 75. Fluido é extraído a partir da formação através da linha de fluxo 647, e é sugado para dentro da câmara 643. Ao mesmo tempo, fluido de formação na câmara 642 é empurrado para fora através da válvula de retenção VC32 para dentro da linha de fluxo 648, em que o fluido será ou descarregado para dentro do poço inacabado ou redirecionado à garrafa de amostra para transporte à superfície quando a ferramenta for puxada para fora do orifício. Uma vez que o pistão 649 de bomba de pistão de acoplamento do tipo garra 640 tenham se movido completamente para direita, as válvulas são revertidas. VA e VD estão fechadas enquanto as válvulas VB e VC estão abertas, o que permite que fluido de alta pressão a partir da bomba 600 flua para dentro da câmara 644, o que desloca o pistão de acoplamento do tipo garra 649 para esquerda na Figura. O fluido de formação que acabou de ser empurrado para dentro da câmara 643 é agora pressionado através da válvula de retenção CV33 para dentro da linha 648 para descarga dentro do poço inacabado ou para preencher, adicionalmente, uma garrafa de amostra para transporte à superfície. As válvulas VA, VA, VC e VD são todas controladas por meio de uma unidade de controle 611. Qualquer outra condição de pressão que ocorre é aliviada pela válvula de alívio de pressão PRV60. Controlar a taxa de amostragem de fluido de formação é realizado controlando-se a velocidade escalar do motor elétrico 635 em resposta a mudanças na pressão medida pelo transdutor de pressão 650. A modalidade na Figura 14 é o resultado de substituição da bomba de deslocamento fixo da “técnica anterior” 600 na Figura 13 com uma bomba de pistão axialde deslocamento dinamicamente variável 700 mostrada na Figura 14. As válvulas VA, VB, VC e VD e as válvulas de retenção CV20, CV21, CV22 e CV23 na Figura 13 podem ser removidas, e o número de passagens hidráulicas é reduzido, o que simplifica consideravelmente a tubulação hidráulica. Uma simplificação adicional é que o motor elétrico 735 que aciona a bomba de pistão axial de deslocamento variável 700 e a bomba de carga 705 através do eixo de acionamento 712 pode ser um motor de indução de velocidade escalar fixa. Com a sonda embaladora de parede lateral 753 implementada contra a parede de poço inacabado de modo que a mesma faça uma vedação hidráulica com a formação, o ângulo de placa oscilante do tipo swashplate da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável 700 é aumentada na direção positiva pelo atuador de placa oscilante do tipo swashplate 725 de modo que o fluido hidráulico flua através da linha 702 para dentro da câmara 741 e para fora da câmara 744 da bomba de pistão de acoplamento do tipo garra 740 através da linha 703, fazendo com que o pistão de acoplamento tipo garra 749 se desloque para direita. Isso força o fluido de formação para fora da câmara 742 através da válvula de retenção CV42 para dentro da linha 748 para descarga dentro do poço inacabado ou dispersão para dentro de uma garrafa de amostra para transporte à superfície quando a ferramenta é puxada para fora do orifício. Ao mesmo tempo, o fluido de formação a partir da sonda 753 é puxado para dentro da câmara 743 através da linha de fluxo 747 e válvula de retenção CV41. A configuração do ângulo da placa oscilante do tipo swashplate pode ser aumentada ou diminuída em resposta a leituras a partir do transdutor de pressão de linha de fluxo 750 para assegurar que a queda de pressão na linha de fluxo 747 não seja muito baixa, o que faria com que qualquer gás dissolvido no fluido de formação na linha 747 saísse da solução. Uma vez que o pistão de acoplamento do tipo garra 749 tenha alcançado o seu percurso máximo à direita, o ângulo da placa oscilante do tipo swashplate da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável 700 é revertido por meio do atuador de placa oscilante do tipo swashplate 725 sob o controle do módulo de controle 711 e linhas de controle 716. Quando o ângulo da placa oscilante do tipo swashplate é negativo, o fluxo através da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável 700 é revertido. Fluido hidráulico de alta pressão flui da linha 703 para dentro da câmara 744 e para fora da câmara 741 através da linha 702 de volta à bomba. Isso faz com que o pistão de acoplamento do tipo garra 749 se desloque para esquerda na Figura, o que força o fluido de formação na câmara 743 fluir através da válvula de retenção CV43 para dentro da linha de fluxo 748 para descarga dentro do poço inacabado ou dispersão contínua dentro de uma garrafa de amostra (não mostrada) para transporte à superfície quando a ferramenta é puxada para fora do orifício. Ao mesmo tempo o fluido de formação é puxado para dentro da câmara 742 através da válvula de retenção CV40, linha de fluxo 747 e sonda 753. Alívio de sobrepressão para a bomba 700 é fornecido pelas válvulas de alívio de pressão PRV31 e PRV32. Usar uma bomba de pistão axial de deslocamento variável de circuito fechado reversível resulta em uma simplificação significativa da tubulação hidráulica exigida para interação com a bomba de acoplamento do tipo garra e resulta em um grau maior de controle de pressão de fluido de formação.[090] Another application where a variable displacement piston pump is ideally suited is formation fluid sampling using a “claw-type coupling piston pump”. An example of the prior art is shown in Figure 13. Using a 600 fixed displacement single ended pump requires 4 valves VA, VB, VC and VD, and 4 check valves CV20, CV21, CV22 and CV23 to drive the piston pump 640 Grapple Type Coupling Hose. The 653 Sidewall Packing Probe is deployed against the unfinished well wall with sufficient force to make a hydraulic seal with the formation. To drive the "right" clutch coupling piston pump piston 649 649 in the Figure, the electric motor 635 drives the non-reversing fixed displacement pump 600. Valves VA and VD are actuated or "opened" while valves VB and VC are off or “closed”. High pressure fluid in line 623 flows through check valve CV21 through valve VA into chamber 641, which moves piston 649 to the right. Low pressure fluid flows out of chamber 644 through valve VD to tank 75. Fluid is drawn from the formation through flow line 647, and is sucked into chamber 643. At the same time, formation fluid in the chamber 642 is pushed out through check valve VC32 into flow line 648, where the fluid will either be discharged into the unfinished well or redirected to the sample bottle for transport to the surface when the tool is pulled out of the hole . Once the piston 649 of claw type coupling piston pump 640 has moved all the way to the right, the valves are reversed. VA and VD are closed while valves VB and VC are open, which allows high pressure fluid from pump 600 to flow into chamber 644, which displaces claw-type coupling piston 649 to the left in the Figure. Formation fluid that has just been pushed into chamber 643 is now pressed through check valve CV33 into line 648 for discharge into the unfinished well or to further fill a sample bottle for transport to the surface. The VA, VA, VC and VD valves are all controlled via a 611 control unit. Any other pressure condition that occurs is relieved by the PRV60 pressure relief valve. Controlling the formation fluid sampling rate is accomplished by controlling the speed of the electric motor 635 in response to changes in pressure measured by the pressure transducer 650. The embodiment in Figure 14 is the result of replacing the fixed displacement pump of the “prior art” 600 in Figure 13 with a dynamically variable displacement axial piston pump 700 shown in Figure 14. Valves VA, VB, VC, and VD and check valves CV20, CV21, CV22, and CV23 in Figure 13 can be removed , and the number of hydraulic passages is reduced, which greatly simplifies hydraulic piping. A further simplification is that the electric motor 735 which drives the variable displacement axial piston pump 700 and the charge pump 705 through the drive shaft 712 may be a fixed speed induction motor. With the sidewall packing probe 753 deployed against the unfinished well wall so that it makes a hydraulic seal with the formation, the swashplate-type swashplate angle of the dynamically variable displacement axial piston pump 700 is increased in the direction positive by the swashplate-type swashplate actuator 725 so that hydraulic fluid flows through line 702 into chamber 741 and out of chamber 744 of claw-type coupling piston pump 740 through line 703, causing Claw coupling piston 749 travels to the right. This forces formation fluid out of chamber 742 through check valve CV42 into line 748 for discharge into the unfinished well or dispersion into a sample bottle for transport to the surface when the tool is pulled out of the hole. . At the same time, formation fluid from probe 753 is drawn into chamber 743 through flow line 747 and check valve CV41. The swashplate-type swashplate angle setting can be increased or decreased in response to readings from the 750 flowline pressure transducer to ensure that the pressure drop across the 747 flowline is not too low, which would any gas dissolved in the formation fluid in line 747 to come out of solution. Once the 749 claw type coupling piston has reached its full right travel, the swashplate swashplate angle of dynamically variable displacement axial piston pump 700 is reversed via the swashplate swashplate actuator. 725 under the control of control module 711 and control lines 716. When the angle of the swashplate type swashplate is negative, the flow through the dynamically variable displacement axial piston pump 700 is reversed. High pressure hydraulic fluid flows from line 703 into chamber 744 and out of chamber 741 through line 702 back to the pump. This causes the claw-type coupling piston 749 to shift to the left in the Figure, which forces the formation fluid in chamber 743 to flow through check valve CV43 into flow line 748 for discharge into the unfinished well or continuous dispersion into a sample bottle (not shown) for transport to the surface when the tool is pulled out of the hole. At the same time formation fluid is drawn into chamber 742 through check valve CV40, flow line 747 and probe 753. Overpressure relief for pump 700 is provided by pressure relief valves PRV31 and PRV32. Using a reversible closed-loop variable displacement axial piston pump results in a significant simplification of the hydraulic piping required to interact with the claw type coupling pump and results in a greater degree of formation fluid pressure control.

Claims (28)

1. Montagem de fundo de poço (28) CARACT ERIZADA pelo fato de que tem um eixo geométrico de rotação e que compreende: uma montagem de broca de perfuração (12), um colar de perfuração (43) tendo um eixo geométrico longitudinal central, uma ferramenta de perfuração conduzível giratória (26) operativamente conectada à montagem de broca de perfuração (12), compreendendo: uma conexão articulada (5) entre o colar de perfuração (43) e montagem de broca de perfuração (12), que é capaz de se articular em um único plano que está fixo em relação a um ponto de referência na montagem de fundo de poço (28); a dita conexão articulada (5) configurada de modo que seja capaz de se articular usando deflexões que são bidirecionais e geometricamente simétricas em torno de dito eixo geométrico longitudinal central do colar de perfuração (43) a partir de um ponto de referência fixo em relação ao colar de perfuração (43); e a dita conexão articulada (5) configurada adicionalmente de modo que seja capaz de se articular usando deflexões que são espacialmente faseadas de modo que deflexões consecutivas ocorram na mesma direção geoestacionária no mesmo ponto no espaço, enquanto a partir de um ponto de referência fixo em relação ao colar de perfuração (43), ditas deflexões consecutivas ocorrem em direções opostas.1. Downhole assembly (28) CHARACTERIZED by the fact that it has an axis of rotation and comprising: a drill bit assembly (12), a drill collar (43) having a central longitudinal axis, a rotatable driveable drilling tool (26) operatively connected to the drill bit assembly (12), comprising: a pivotal connection (5) between the drill collar (43) and the drill bit assembly (12), which is capable of to articulate in a single plane that is fixed with respect to a reference point in the downhole assembly (28); said articulated connection (5) configured so that it is able to articulate using deflections that are bidirectional and geometrically symmetrical around said central longitudinal geometric axis of the drilling collar (43) from a fixed reference point relative to the piercing collar (43); and said articulated connection (5) further configured such that it is capable of articulating using deflections that are spatially phased such that consecutive deflections occur in the same geostationary direction at the same point in space, while starting from a fixed reference point at with respect to the drilling collar (43), said consecutive deflections occur in opposite directions. 2. Montagem de fundo de poço (28), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que: a ferramenta de perfuração conduzível giratória (26) compreende adicionalmente: uma alavanca (87) configurada para articular a conexão articulada (5) e a montagem de broca de perfuração (12), e um pistão hidráulico operativamente conectado à alavanca (87).2. Bottomhole assembly (28), according to claim 1, characterized by the fact that: the rotatable driveable drilling tool (26) additionally comprises: a lever (87) configured to articulate the articulated connection (5) and the drill bit assembly (12), and a hydraulic piston operatively connected to the lever (87). 3. Montagem de fundo de poço (28), de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADA pelo fato de que: a ferramenta de perfuração conduzível giratória (26) compreende adicionalmente: uma válvula eletronicamente atuada, uma montagem de microcontrolador que compreende: um processador, um elemento de memória não volátil, um algoritmo armazenado na memória não volátil configurado para controlar a temporização da movimentação de alavanca (87) atuando a válvula eletronicamente atuada.3. Downhole assembly (28), according to claim 2, characterized by the fact that: the rotatable driveable drilling tool (26) additionally comprises: an electronically actuated valve, a microcontroller assembly comprising: a processor , a non-volatile memory element, an algorithm stored in non-volatile memory configured to control the timing of the lever movement (87) actuating the electronically actuated valve. 4. Montagem de fundo de poço (28), de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADA pelo fato de que: a ferramenta de perfuração conduzível giratória (26) compreende adicionalmente uma fonte de energia que compreende: uma bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável (70), uma turbina de fluido alimentada por lama de perfuração (71) que aciona um eixo de entrada da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável (70).4. Downhole assembly (28), according to claim 3, characterized by the fact that: the rotary driveable drilling tool (26) additionally comprises a power source comprising: a dynamically displaced axial piston pump (70), a drilling mud-fed fluid turbine (71) driving a dynamically variable displacement axial piston pump input shaft (70). 5. Montagem de fundo de poço (28), de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADA pelo fato de que: a ferramenta de perfuração conduzível giratória (26) compreende, adicionalmente, uma fonte de energia que compreende: uma bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável (70), uma turbina de fluido alimentada por lama de perfuração (71) que aciona um eixo de entrada da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável (70).5. Bottomhole assembly (28), according to claim 2, characterized by the fact that: the rotary driveable drilling tool (26) additionally comprises a power source comprising: an axial piston pump of dynamically variable displacement (70), a drilling mud-fed fluid turbine (71) driving a dynamically variable displacement axial piston pump input shaft (70). 6. Montagem de fundo de poço (28), de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADA pelo fato de que: a ferramenta de perfuração conduzível giratória (26) compreende, adicionalmente: uma passagem de fluido hidráulico que conecta a saída da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável (70) ao pistão hidráulico.6. Bottom-hole assembly (28), according to claim 5, characterized by the fact that: the rotating driving drilling tool (26) additionally comprises: a hydraulic fluid passage that connects the output of the piston pump dynamically variable displacement axis (70) to the hydraulic piston. 7. Montagem de fundo de poço (28), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que: a ferramenta de perfuração conduzível giratória (26) compreende, adicionalmente, uma fonte de energia que compreende: uma bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável (70), uma turbina de fluido alimentada por lama de perfuração (71) que aciona um eixo de entrada da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável (70).7. Downhole assembly (28), according to claim 1, characterized by the fact that: the rotary driveable drilling tool (26) additionally comprises a power source comprising: an axial piston pump of dynamically variable displacement (70), a drilling mud-fed fluid turbine (71) driving a dynamically variable displacement axial piston pump input shaft (70). 8. Montagem de fundo de poço (28), de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADA pelo fato de que: a ferramenta de perfuração conduzível giratória (26) compreende, adicionalmente: uma válvula eletronicamente atuada, uma montagem de microcontrolador que compreende: um processador, um elemento de memória não volátil, um algoritmo armazenado na memória não volátil configurado para realizar as etapas de: controlar a amplitude das deflexões alterando o deslocamento da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável (70).8. Downhole assembly (28), according to claim 7, characterized by the fact that: the rotatable driveable drilling tool (26) additionally comprises: an electronically actuated valve, a microcontroller assembly comprising: a processor, a non-volatile memory element, an algorithm stored in non-volatile memory configured to perform the steps of: controlling the amplitude of the deflections by changing the displacement of the dynamically variable displacement axial piston pump (70). 9. Montagem de fundo de poço (28), de acordo com a reivindicação 8, CARACT ERIZADA pelo fato de que o algoritmo armazenado na memória não volátil realiza, adicionalmente, as etapas de: controlar a temporização da movimentação de alavanca (87) atuando a válvula eletronicamente atuada.9. Downhole assembly (28), according to claim 8, FEATURED by the fact that the algorithm stored in the non-volatile memory additionally performs the steps of: controlling the timing of the lever movement (87) acting the electronically actuated valve. 10. Montagem de fundo de poço (28), de acordo com a reivindicação 1, CARACT ERIZADA pelo fato de que: a dobradiça (5) da ferramenta de perfuração conduzível giratória (26) é configurada para ser ortogonal ao eixo geométrico de linha de centro do colar de perfuração (43).10. Bottomhole assembly (28), according to claim 1, FEATURED by the fact that: the hinge (5) of the swiveling driving drilling tool (26) is configured to be orthogonal to the geometric axis of the line of center of the piercing collar (43). 11. Montagem de fundo de poço (28), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que: a ferramenta de perfuração conduzível giratória (26) compreende, adicionalmente, um módulo navegacional não inercial que é montado fixamente em uma câmara que está conectada e gira com o colar de perfuração (43), que compreende: uma pluralidade de sensores de acelerômetro orientados ortogonalmente configurados para gerar dados de saída, um ou mais sensores giroscópicos configurados para gerar dados de saída, que compreendem pelo menos um sensor giroscópico com um eixo geométrico alinhado com o eixo geométrico de rotação da montagem de fundo de poço (28), um ou mais sensores de magnetômetro configurados para gerar dados de saída, e uma montagem de microcontrolador de módulo navegacional que compreende: um processador, um elemento de memória não volátil, um algoritmo armazenado na memória não volátil configurado para realizar as etapas de: receber dados de saída a partir da pluralidade de sensores de acelerômetro, um ou mais sensores giroscópicos e um ou mais sensores de magnetômetro, processar dados de saída recebidos a partir da pluralidade de sensores de acelerômetro para corrigir erros de desalinhamento mecânico e de dispositivo nos dados, gerar dados de sensor de acelerômetro com desalinhamento mecânico e de dispositivo corrigido, processar os dados de saída recebidos a partir do um ou mais sensores giroscópicos, os dados de saída recebidos a partir de um ou mais sensores de magnetômetro e os dados de sensor de acelerômetro com desalinhamento mecânico e de dispositivo corrigido, usar os dados processados para gerar saída em relação a um ou mais dentre: face de ferramenta de gravidade, face de ferramenta magnética, ângulo x e frequência de rotação.11. Downhole assembly (28), according to claim 1, CHARACTERIZED by the fact that: the rotatable driveable drilling tool (26) additionally comprises a non-inertial navigational module that is fixedly mounted in a chamber that is connected to and rotates with the drill collar (43), comprising: a plurality of orthogonally oriented accelerometer sensors configured to generate output data, one or more gyro sensors configured to generate output data, comprising at least one gyro sensor having an axis aligned with the axis of rotation of the downhole assembly (28), one or more magnetometer sensors configured to generate output data, and a navigational module microcontroller assembly comprising: a processor, an element non-volatile memory, an algorithm stored in non-volatile memory configured to perform the steps of: receiving output data from the plurality of accelerometer sensors, one or more gyro sensors and one or more magnetometer sensors, processing output data received from the plurality of accelerometer sensors to correct device and mechanical misalignment errors in the data, generating misaligned accelerometer sensor data mechanical and device corrected, process the output data received from the one or more gyro sensors, the output data received from one or more magnetometer sensors, and the accelerometer sensor data with mechanical and device misalignment corrected, use the processed data to generate output with respect to one or more of: gravity tool face, magnetic tool face, x-angle, and rotation frequency. 12. Montagem de fundo de poço (28), de acordo com a reivindicação 11, CARACT ERIZADA pelo fato de que o algoritmo armazenado na memória não volátil é adicionalmente configurado para realizar a etapa de: usar dados de saída da pluralidade de sensores de acelerômetro ortogonalmente orientados para gerar a saída relativa à inclinação em declive do eixo geométrico de rotação da montagem de fundo de poço (28).12. Downhole assembly (28), according to claim 11, FEATURED by the fact that the algorithm stored in non-volatile memory is additionally configured to perform the step of: using output data from the plurality of accelerometer sensors orthogonally oriented to generate the output relative to the downhill slope of the axis of rotation of the downhole assembly (28). 13. Montagem de fundo de poço (28), de acordo com a reivindicação 11, CARACT ERIZADA pelo fato de que o algoritmo armazenado na memória não volátil é adicionalmente configurado para realizar a etapa de: usar dados de saída de um ou mais sensores de magnetômetro para gerar a saída relacionada ao azimute em declive do eixo geométrico de rotação da montagem de fundo de poço (28).13. Downhole assembly (28), according to claim 11, FEATURED by the fact that the algorithm stored in non-volatile memory is additionally configured to perform the step of: using output data from one or more sensors of magnetometer to generate the output related to the downhill azimuth of the axis of rotation of the downhole assembly (28). 14. Montagem de fundo de poço (28), de acordo com a reivindicação 11, CARACT ERIZADA pelo fato de que o algoritmo armazenado na memória não volátil é adicionalmente configurado para realizar a etapa de: integrar a saída em relação à frequência de rotação para estimar a face de ferramenta de gravidade.14. Downhole assembly (28), according to claim 11, FEATURED by the fact that the algorithm stored in the non-volatile memory is additionally configured to perform the step of: integrating the output in relation to the rotation frequency to estimate face of gravity tool. 15. Método de perfuração direcional de seções de furo de poço CARACT ERIZADO pelo fato de que compreende as etapas de: implementar uma montagem de fundo de poço (28) que tem um eixo geométrico de rotação e que compreende: uma montagem de broca de perfuração (12), um colar de perfuração (43) tendo um eixo geométrico longitudinal central, uma ferramenta de perfuração conduzível giratória (26) operativamente conectada à montagem de broca de perfuração (12), que compreende: uma conexão articulada (5) entre o colar de perfuração (43) e a montagem de broca de perfuração (12), que é capaz de se articular em um único plano que está fixo em relação a um ponto de referência na montagem de fundo de poço (28); e articular a dobradiça (5) de modo que a broca de perfuração seja conduzida em uma direção desejada usando deflexões que são: bidirecionais e geometricamente simétricas em torno de dito eixo geométrico longitudinal central do colar de perfuração (43) a partir de um ponto de referência fixo em relação ao colar de perfuração (43), e espacialmente faseada de modo que deflexões consecutivas ocorram na mesma direção geoestacionária no mesmo ponto no espaço, enquanto a partir de um ponto de referência fixo em relação ao colar de perfuração (43), ditas deflexões consecutivas ocorrem em direções opostas.15. Method of directional drilling of wellbore sections FEATURED in that it comprises the steps of: implementing a downhole assembly (28) having an axis of rotation and comprising: a drill bit assembly (12), a drill collar (43) having a central longitudinal axis, a rotatable drivable drill tool (26) operatively connected to the drill bit assembly (12), comprising: a pivotal connection (5) between the drill collar (43) and the drill bit assembly (12), which is capable of pivoting in a single plane that is fixed with respect to a reference point on the downhole assembly (28); and pivoting the hinge (5) so that the drill bit is driven in a desired direction using deflections that are: bidirectional and geometrically symmetrical around said central longitudinal geometric axis of the drill collar (43) from a point of fixed reference with respect to the drill collar (43), and spatially phased so that consecutive deflections occur in the same geostationary direction at the same point in space, while from a fixed reference point with respect to the drill collar (43), said consecutive deflections occur in opposite directions. 16. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende, adicionalmente, as etapas de: usar uma alavanca (87) para articular a conexão articulada (5) e a montagem de broca de perfuração (12), e mover a alavanca (87) com um pistão hidráulico.16. Method, according to claim 15, characterized by the fact that it additionally comprises the steps of: using a lever (87) to articulate the articulated connection (5) and the drill bit assembly (12), and move the lever (87) with a hydraulic piston. 17. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que a ferramenta de perfuração conduzível giratória (26) compreende, adicionalmente: uma válvula eletronicamente atuada, uma montagem de microcontrolador que compreende: um processador, um elemento de memória não volátil, um algoritmo armazenado na memória não volátil configurado para controlar as deflexões através da atuação da válvula acionada eletronicamente.17. Method according to claim 15, CHARACTERIZED by the fact that the rotatable driveable drilling tool (26) additionally comprises: an electronically actuated valve, a microcontroller assembly comprising: a processor, a non-volatile memory element , an algorithm stored in non-volatile memory configured to control deflections through actuation of the electronically actuated valve. 18. Método, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende, adicionalmente, as etapas de: utilizar uma bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável (70) para fornecer potência à ferramenta de perfuração conduzível giratória (26), e direcionar um eixo de entrada da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável (70) com uma turbina de fluido alimentada por lama de perfuração (71).18. Method, according to claim 17, characterized by the fact that it additionally comprises the steps of: using a dynamically variable displacement axial piston pump (70) to supply power to the rotary driveable drilling tool (26), and driving a dynamically variable displacement axial piston pump input shaft (70) with a drilling mud-fed fluid turbine (71). 19. Método, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende, adicionalmente, as etapas de: utilizar uma bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável (70) para fornecer potência à ferramenta de perfuração conduzível giratória (26), e direcionar um eixo de entrada da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável (70) com uma turbina de fluido alimentada por lama de perfuração (71).19. Method, according to claim 16, characterized by the fact that it additionally comprises the steps of: using a dynamically variable displacement axial piston pump (70) to supply power to the rotating drilling tool (26), and driving a dynamically variable displacement axial piston pump input shaft (70) with a drilling mud-fed fluid turbine (71). 20. Método, de acordo com a reivindicação 19, CARACTERIZADO pelo fato de que: a ferramenta de perfuração conduzível giratória (26) compreende, adicionalmente: uma válvula eletronicamente atuada, uma montagem de microcontrolador que compreende: um processador, um elemento de memória não volátil, um algoritmo armazenado na memória não volátil configurado para controlar a amplitude da movimentação de alavanca (87) através da alteração do deslocamento da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável (70).20. Method according to claim 19, CHARACTERIZED by the fact that: the rotatable drilling tool (26) additionally comprises: an electronically actuated valve, a microcontroller assembly comprising: a processor, a memory element not volatile, an algorithm stored in non-volatile memory configured to control the amplitude of lever movement (87) by changing the displacement of the dynamically variable displacement axial piston pump (70). 21. Método, de acordo com a reivindicação 20, CARACTERIZADO pelo fato de que o algoritmo armazenado na memória não volátil realiza, adicionalmente, as etapas de: controlar a temporização da movimentação de alavanca (87) atuando a válvula eletronicamente atuada.21. Method, according to claim 20, CHARACTERIZED by the fact that the algorithm stored in the non-volatile memory additionally performs the steps of: controlling the timing of the lever movement (87) actuating the electronically actuated valve. 22. Método, de acordo com a reivindicação 19, CARACTERIZADO pelo fato de que: a ferramenta de perfuração conduzível giratória (26) compreende, adicionalmente: uma passagem de fluido hidráulico que conecta a saída da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável (70) ao pistão hidráulico.22. Method, according to claim 19, CHARACTERIZED by the fact that: the rotating driving drilling tool (26) additionally comprises: a hydraulic fluid passage that connects the output of the dynamically variable displacement axial piston pump (70 ) to the hydraulic piston. 23. Método, de acordo com a reivindicação 19, CARACTERIZADO pelo fato de que: a ferramenta de perfuração conduzível giratória (26) compreende, adicionalmente, um módulo navegacional não inercial, que é montado fixamente em uma câmara que está conectada a e gira com o colar de perfuração (43), que compreende: uma pluralidade de sensores de acelerômetro orientados ortogonalmente configurados para gerar dados de saída, um ou mais sensores giroscópicos configurados para gerar dados de saída, compreendendo pelo menos um sensor giroscópico com um eixo geométrico alinhado com o eixo geométrico de rotação da montagem de fundo de poço (28), um ou mais sensores de magnetômetro configurados para gerar dados de saída, e uma montagem de microcontrolador de módulo navegacional que compreende: um processador, um elemento de memória não volátil, um algoritmo armazenado na memória não volátil configurado para realizar as etapas de: receber dados de saída a partir da pluralidade de sensores de acelerômetro, um ou mais sensores giroscópicos e um ou mais sensores de magnetômetro, processar dados de saída recebidos a partir da pluralidade de sensores de acelerômetro para corrigir erros de desalinhamento mecânico e de dispositivo nos dados, gerar dados de sensor de acelerômetro com desalinhamento mecânico e de dispositivo corrigido, processar os dados de saída recebidos a partir do um ou mais sensores giroscópicos, os dados de saída recebidos a partir do um ou mais sensores de magnetômetro e dos dados de sensor de acelerômetro com desalinhamento mecânico e de dispositivo corrigido, usar os dados processados para gerar a saída em relação a um ou mais dentre: face de ferramenta de gravidade, face de ferramenta magnética, ângulo x e frequência de rotação.23. Method, according to claim 19, CHARACTERIZED by the fact that: the rotatable driving drilling tool (26) additionally comprises a non-inertial navigational module, which is fixedly mounted in a chamber that is connected to and rotates with the drill collar (43), comprising: a plurality of orthogonally oriented accelerometer sensors configured to generate output data, one or more gyro sensors configured to generate output data, comprising at least one gyro sensor having an axis aligned with the axis of rotation of the downhole assembly (28), one or more magnetometer sensors configured to generate output data, and a navigational module microcontroller assembly comprising: a processor, a non-volatile memory element, an algorithm stored in non-volatile memory configured to perform the steps of: receiving output data from the plurality of accelerometer sensors one or more gyro sensors and one or more magnetometer sensors, processing output data received from the plurality of accelerometer sensors to correct device and mechanical misalignment errors in the data, generating accelerometer sensor data with mechanical misalignment, and corrected device sensor, process the output data received from the one or more gyro sensors, the output data received from the one or more magnetometer sensors, and the accelerometer sensor data with mechanical and device misalignment corrected, use the data processed to generate output with respect to one or more of: gravity tool face, magnetic tool face, x-angle, and rotation frequency. 24. Método, de acordo com a reivindicação 23, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende, adicionalmente, a etapa de: usar dados de saída da pluralidade de sensores de acelerômetro ortogonalmente orientados para gerar saída relativa à inclinação em declive do eixo geométrico de rotação da montagem de fundo de poço (28).24. Method, according to claim 23, characterized by the fact that it further comprises the step of: using output data from the plurality of orthogonally oriented accelerometer sensors to generate output relative to the downhill slope of the geometric axis of rotation of the downhole assembly (28). 25. Método, de acordo com a reivindicação 23, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende, adicionalmente, a etapa de: usar dados de saída de um ou mais sensores de magnetômetro para gerar a saída relacionada ao azimute em declive do eixo geométrico de rotação da montagem de fundo de poço (28).25. Method, according to claim 23, CHARACTERIZED by the fact that it additionally comprises the step of: using output data from one or more magnetometer sensors to generate the output related to the downhill azimuth of the geometric axis of rotation of the downhole assembly (28). 26. Método, de acordo com a reivindicação 23, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende, adicionalmente, a etapa de: integrar a saída em relação à frequência de rotação para estimar a face de ferramenta de gravidade.26. Method, according to claim 23, CHARACTERIZED by the fact that it additionally comprises the step of: integrating the output in relation to the rotation frequency to estimate the gravity tool face. 27. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende, adicionalmente, as etapas de: usar uma bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável (70) para fornecer potência para a ferramenta de perfuração conduzível giratória (26), e acionar um eixo de entrada da bomba de pistão axial de deslocamento dinamicamente variável (70) com uma turbina de fluido alimentada por lama de perfuração (71).27. Method, according to claim 15, characterized by the fact that it further comprises the steps of: using a dynamically variable displacement axial piston pump (70) to supply power to the rotary driveable drilling tool (26) , and driving a dynamically variable displacement axial piston pump input shaft (70) with a drilling mud-fed fluid turbine (71). 28. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que: a dobradiça (5) da ferramenta de perfuração conduzível giratória (26) é configurada para ser ortogonal ao eixo geométrico de linha de centro do colar de perfuração (43).28. Method, according to claim 15, characterized by the fact that: the hinge (5) of the rotary driven drilling tool (26) is configured to be orthogonal to the geometric axis of the center line of the drilling collar (43) .
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