管套管bha電驅動馬達的制作方法
【專利摘要】一種管套管電動馬達組件以及相關聯的方法，所述管套管電動馬達組件包括：鉆柱，其包括內管和外管；以及電動馬達；其中為所述電動馬達提供的動力是通過至少充當導體的所述內管和所述外管供應的。
【專利說明】管套管BHA電驅動馬達

【背景技術】
[0001]為了從地層中產生烴(例如，油、氣等)，可以鉆探穿透地層的含烴部分的鉆井孔。在傳統(tǒng)的鉆探系統(tǒng)中，旋轉動力會導致巖石破壞?？梢酝ㄟ^使用轉臺使鉆柱在地面處旋轉而向鉆柱提供旋轉動力。這種動力還可以通過頂部驅動裝置提供或者可以使用泥漿馬達從泥流提供。通過這些模式的動力供應，傳統(tǒng)的鉆頭，例如三牙輪鉆頭、多晶金剛石復合片(“PDC”)鉆頭以及金剛石鉆頭，能在不同的速度和扭矩下作業(yè)。
[0002]在使用泥漿馬達產生扭矩以用于執(zhí)行鉆探作業(yè)時，沿鉆柱的液壓損失可能限制所需的泥漿流速。這反過來可能減小可施加到泥漿馬達以產生扭矩的液壓動力。這對于流速降低到接近常規(guī)流速的30%的水平的例如Reelwell?等鉆探系統(tǒng)是尤其關鍵的。流速的急劇下降，再加上針對此技術的鉆探的較大深度可能導致在循環(huán)期間較高的流體摩擦以及因此對循環(huán)壓力的更高要求。此類系統(tǒng)可能對超擴展進深鉆探(ultra extended reachdrilling)中的底部鉆具組件可用的液壓動力外加嚴格的限制。因此，需要在鉆頭上而不是僅從液壓構件經由沿鉆柱循環(huán)產生井下扭矩的構件。
[0003]此外，通常需要對容積式馬達(PDM)進行特殊修改以準許這些系統(tǒng)在較低流速下操作。這些修改可能涉及通過減少每級泥漿馬達部分的流體的體積來降低用以驅動泥漿馬達轉子的動力部分每次旋轉所需的流體體積。在這些較低的流速下，渦輪馬達要有效地操作將需要具有較緊密的葉片結構與較高槳葉角以及跨越較小葉片的較高流動速度。對于給定的操作輸出扭矩，這可能導致較高的流阻以及被泥流侵蝕的較大風險。因此，需要開發(fā)從不同于PDM、葉片或渦輪馬達(其中將需要液壓來產生用以鉆孔的旋轉力)的裝置產生旋轉動力的鉆探系統(tǒng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0004]通過部分地參考以下描述以及附圖可以理解本發(fā)明的一些具體實例實施例。
[0005]圖1繪示管套管BHA電動馬達的例示性布局。
[0006]圖2繪示電動馬達的轉子和定子的例示性截面。
[0007]圖3繪示定子和轉子的例示性截面切片。
[0008]圖4繪示馬達電子裝置的框圖。
[0009]圖5繪示繞組對的框圖。
[0010]圖6繪示電子裝置示意圖的圖示。
[0011]圖7繪示管套管系統(tǒng)內的分流器的例示性布局。
[0012]圖8繪示管套管BHA電動馬達的例示性布局。
[0013]圖9繪示電子裝置插入件的例示性布局。
[0014]圖10繪示管套管BHA電動馬達的例示性布局。
[0015]圖11繪示軸承組的例示性布局。
[0016]圖12A到12F描繪根據本發(fā)明的某些實施例的各種可旋轉轉向BHA層疊。
[0017]盡管已經參考本發(fā)明的示例性實施例描繪并且描述了本發(fā)明的實施例并且進行了定義，但是此類參考并不意味著對本發(fā)明的限制，也不能推斷此類限制。所屬領域且受益于本發(fā)明的技術人員將明了，所揭示的標的物能夠在形式和功能上進行大量修改、更改并且制得等效物。所描繪以及描述的本發(fā)明的實施例僅為實例，且并不窮盡本發(fā)明的范圍。

【具體實施方式】
[0018]本文詳細描述本發(fā)明的例示性實施例。為清楚起見，在本說明書中不可能描述實際實施方案的所有特征。當然，應了解，在任何此類實際實施例的開發(fā)中，可以進行多種實施方案特定決策以實現特定的實施目標，這些決策可以根據實施方案的不同而變化。此外，應了解，此類開發(fā)工作可能復雜且耗時，但盡管如此也將是受益于本發(fā)明的所屬領域的一般技術人員的常規(guī)任務。
[0019]在一個實施例中，本發(fā)明提供管套管電動馬達組件，所述組件包括包括內管和外管的鉆柱以及電動馬達，其中為電動馬達提供的動力是通過至少充當導體的內管和外管供應的。
[0020]在另一實施例中，本發(fā)明提供向電動馬達提供動力的方法，所述方法包括:提供管套管電動馬達組件，所述組件包括包括內管和外管的鉆柱以及電動馬達，其中為電動馬達提供的動力是通過至少充當導體的內管和外管供應的；以及向電動馬達提供動力。
[0021]在另一實施例中，本發(fā)明提供在地層中鉆探鉆井孔的方法，所述方法包括:提供管套管電動馬達組件，所述組件包括包括內管和外管的鉆柱、電動馬達以及鉆頭，其中為電動馬達提供的動力是通過至少充當導體的內管和外管供應的；向電動馬達提供動力以產生旋轉動力；以及將旋轉動力施加到鉆頭。
[0022]為了便于更好地理解本發(fā)明，給出某些實施例的以下實例。以下實例決不應被理解為限制或限定本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的實施例可以適用于水平的、垂直的、偏斜的或以其它方式非線性的鉆井孔或例如在任何類型地層的跨河應用中的施工鉆孔。諸實施例可以適用于注入井以及生產井，包含烴井。
[0023]如本文所使用的術語“聯接”既定意指間接連接或直接連接。因此，如果第一裝置聯接到第二裝置，那么所述連接可能通過直接連接，或者通過經由其它裝置和連接的間接電氣連接。如本文所使用的術語“井上”意指沿著鉆柱或孔從遠端朝向地面，并且如本文所使用的“井下”意指沿著鉆柱或孔從地面朝向遠端。
[0024]應理解，術語“油井鉆探設備”或“油井鉆探系統(tǒng)”并不既定限制使用通過那些術語描述的設備和方法來鉆油井。所述術語一般來說還涵蓋鉆天然氣井或者烴井。此外，此類井可以用于與烴或來自地下的其它材料的回收有關的生產、監(jiān)測或者注入。
[0025]本發(fā)明大體上涉及鉆井以及完井作業(yè)，并且更具體地說，涉及使用電動馬達來驅動鉆頭的系統(tǒng)和方法。
[0026]圖1描繪了根據本發(fā)明的一個實施例的管套管BHA(井底鉆具組件)電動馬達組件(100)的整體布局。如圖1所示,管套管BHA電動馬達組件(100)可以包括內管(110)、外管(120)、工作管柱(130)、電動馬達(135)、定子繞組(140)、殼體托架(150)、馬達外罩(160)、驅動軸(170)、驅動軸磁體(180)、電動馬達控制器(190)、電動馬達控制器外罩(200)、分流器(210)、鉆頭(220)以及高壓限流器(230)。在某些實施例中，可以在內管
(110)與外管(120)之間從地面沿著工作管柱(130)的長度傳輸電力，優(yōu)選地，直流電力。在某些實施例中，內管(I1)可以視為電力熱導體，并且外管(120)可以視為接地。從安全的角度來看，將外管(120)用作接地可能是重要的，因為外管(120)可能以傳導方式連接到鉆探設備并且在鉆探環(huán)境中可能難以保持絕緣。
[0027]內管(110)與外管(120)可以偏心或同心。在某些實施例中，內管(110)的外表面可以用絕緣材料涂布，以防止內管(110)通過泥漿或其它接觸點短路到外管(120)。在其它實施例中，外管(120)的內表面可以用絕緣材料涂布。絕緣材料的實例包含介電材料。介電材料的合適實例包含聚酰亞胺、GORE?高強度韌化含氟聚合物、尼龍、TEFLON?,以及陶瓷涂層。在某些實施例中，只在被密封并且被保護不受鉆探流體影響的區(qū)域中才會暴露內管(110)的裸金屬，以沿著工作管柱(130)的長度形成到內管的下一接合點的電氣連接。只要不存在使電流以短路方式從內管流到外管的路徑，那么這些區(qū)域可以充滿空氣或如油等非電傳導性流體或例如水基鉆探流體等傳導性流體。
[0028]在某些實施例中，定子繞組(140)可以扇形楔方式安放在殼體托架(150)內。在某些實施例中，殼體托架(150)可以固定在馬達外罩(160)內以防止托架相對于工作管柱(130)旋轉。
[0029]在某些實施例中，驅動軸磁體(180)可以包括安裝在驅動軸(170)上的固定的永久性磁體，其安裝方式使得促進通過定子繞組(140)形成來自不同磁極的反扭矩(reactive torque)。在某些實施例中，電動馬達(135)可以包括6極馬達。存在極數的若干變化以及將磁體聯接到驅動軸還是外罩的決策以及其它形式的電動馬達(例如具有機械換向器驅動繞組布置的直驅馬達以及不使用永久性磁體的鼠籠式感應馬達)。單相馬達可能在電容器的輔助下產生第二偽相。
[0030]在某些實施例中，電動馬達控制器(190)可以定位在定子繞組(140)上方以控制電動馬達(135)的各個方面。電動馬達控制器(190)可以通過由內管(110)和外管(120)形成的兩個導體路徑以及饋通電動馬達組件到例如LWD和/或MWD以及轉向系統(tǒng)等定位在馬達下方的模塊上的饋通線而在兩個方向上與地面通信。
[0031]在某些實施例中，電動馬達控制器(190)可以容納在壓力受控腔體內部以保護電子裝置。電動馬達控制器(190)電子裝置可以用陶瓷涂層涂布，以允許腔體充滿油并且與環(huán)形空間壓力平衡從而允許較薄的壁來容納電子裝置。使腔體充滿油并且與環(huán)形空間壓力平衡的優(yōu)點是:由于沒必要控制液柱的全部壓力，因此電子裝置腔體的壁厚度將維持為小得多的厚度，從而留下更多空間可用于電子裝置并且對電子裝置產生的熱量提供更佳的熱傳導，從而將電子裝置保持在可操作限度內。
[0032]在某些實施例中，定子繞組(140)可以用陶瓷、橡膠或環(huán)氧樹脂等灌封材料囊封。這為經囊封區(qū)域提供額外的短路保護，所述區(qū)域通常將被驅逐到在磁線上所見的典型的聚醚醚酮涂層，所述涂層隨后可以暴露到泥漿，泥漿的一部分通過此區(qū)域循環(huán)，以為繞組和功率電子裝置提供冷卻，并且使沿驅動軸(170)的泥漿軸承和徑向軸承潤滑。
[0033]在管套管BHA電動馬達組件(100)操作期間，泥漿可以沿著由內管(110)和外管(120)形成的環(huán)形空間流動。泥漿和鉆屑可以返回到內管(110)內部的表面。然而，靠近電動馬達(135)的頂部，此流動狀態(tài)可能略微改變。與外鉆探管電絕緣并且優(yōu)選地由陶瓷或金屬制成、在外表面上具有介電絕緣涂層的分流器(210)允許來自由內管(110)和外管(120)形成的環(huán)形空間的泥漿和鉆屑進入內管，同時使向下流動的泥漿穿過分流器(210)中的腎形槽。在此點下方，向下流動的泥漿可以分流到中心孔中，在中心孔中，向下流動的泥漿穿過電氣連接到電動馬達(135)上的內管(110)進入馬達外罩(160)中。此時，向下流動的泥漿可以采取兩個單獨的路徑。第一路徑沿驅動軸(170)的中心孔并且下降到在工作管柱(130)的底部處的鉆頭(220)，在此處，第一路徑退出鉆頭(220)并且開始沿孔向上返回到分流器入口端。另一路徑通過在驅動軸(170)頂部處的高壓限流器(230)，隨后通過在轉子的外部部分與馬達外罩的內部部分之間的空間，并且向外通過就在連接在馬達外罩底部上的軸鉆頭上方的底部徑向軸承組件。高壓限流器(230)可以經設計以滲漏一定量的鉆探流體流過并流入馬達外罩(160)中，以冷卻定子繞組(140)并且使電動馬達(135)的徑向軸承和軸向軸承潤滑。高壓限流器(230)還可以兼作徑向軸承(240)。在其它實施例中，可以存在單獨的徑向軸承(240)。徑向軸承(240)可以包括船用橡膠軸承、PDC軸承或各種硬化涂層，如熔合碳化鎢。
[0034]高壓限流器(230)可以定位在沿著任一流動路徑的任何地方，只要沿著驅動軸的頂部和馬達外罩的底部的路徑的某處限制流量即可。在某些實施例中，高壓限流器(230)可以直接定位在上部徑向軸承(240)下方，因為使用此類裝置工作非常簡便，而且高壓限流器(230)還充當過濾器，使意外進入泥漿中的較大固體遠離定子繞組(140)和徑向軸承(240)。
[0035]圖2描繪了不具有繞組托架套筒(250)或馬達外罩(160)的轉子和定子的截面。在此實例中，示出了 6極定子繞組組件(280)。定子繞組(140)可以沿著一個或多個定子頭(290)纏繞。在某些實施例中，一個或多個定子頭(290)可以包括長矩形的扇形楔狀物。一個或多個定子頭(290)可以由具有高磁導率的軟鐵制成。理想的是，一個或多個定子頭(290)可以彼此接觸或者可以焊接在一起。
[0036]在其它實施例中，定子頭組件可以通過使用如電化學機械加工、電火花線切割加工(wire EDM)或電極靜電吐出型機械加工或者甚至擠壓形狀等機械加工方法而由一個圓鋼條制造，使得定子頭組件的外徑是一個整體的直徑而不是6個個別件。由于用一個鋼條制造定子頭可能較昂貴，理想的是，定子繞組組件(280)由6個件組成，以降低制造成本。在定子頭由一個鋼條制成的情況下，定子繞組將必須被引導穿過各個通道。而這可能是困難的，因為經囊封的涂層可能經射出模制到內部區(qū)域和端部中。將仍然需要涂布定子以減少腐蝕并且提高定子的使用壽命，但在這種情況下，灌封材料可以滿足這個作用。在某些實施例中，灌封材料可以由各種化合物制成，例如環(huán)氧樹脂、陶瓷基化合物、尼龍或聚醚醚酮，如聚四氟乙烯,例如來自格林克雷德(Greentweed)的阿爾隆100 (Arlon 100)。
[0037]在圖2中圖示的扇形楔概念中，如果外徑附近的扇形楔接觸區(qū)域不用保護材料涂布，那么定子頭可能會在接觸到許多類型的泥漿系統(tǒng)時腐蝕。然而，為了使功率效率的損失非常輕微，可以在定子頭的外徑接觸點處涂覆非常薄的耐腐蝕涂層，以限制磁通鏈的損失，同時向定子頭的暴露到流動的泥漿的部分涂覆較厚的涂層。
[0038]定子繞組(140)可以是清漆、聚醚醚酮或其它介電類型的經涂布磁線，理想的是由銀、銅、鋁或任何傳導性元件制成，包含高溫超傳導性材料。定子繞組(140)可以圍繞定子頭(290)纏繞若干圈。任選地，在定子繞組(140)頂部且嵌入到定子繞組(140)中的可以是灌封材料，優(yōu)選地是陶瓷或柔性較大的高溫環(huán)氧樹脂。這種材料可以用來保護定子繞組(140)以免被泥漿腐蝕并用于防止被(尤其是)可能進入所述區(qū)域的細砂侵蝕。
[0039]一個或多個定子頭(290)可以于外徑上開槽并且可以使用殼體托架(150)進行鍵連，從而保持一個或多個定子頭(290)靜止而不受所產生的扭矩影響。此扭矩隨后可以通過托架外罩(260)中的額外花鍵槽以及馬達外罩(160)上的花鍵被載送到馬達外罩(160)上。完成此工作的其它方法易于被所屬領域的技術人員所理解。
[0040]任選地，托架外罩(260)的外徑和馬達外罩(160)的內徑可以略呈錐形，朝向頂部變窄，以允許緊密貼合，并且防止泥漿細粉在馬達外罩(160)與托架外罩(260)之間積累。以此方式，繞組托架套筒(250)可以被拉出或壓出。繞組托架套筒(250)的頂部可以具有嚙合電子裝置插入件的額外防旋轉鍵和/或嚙合位于馬達外罩(160)中的花鍵的額外花鍵槽。
[0041]在某些實施例中，一個或多個定子頭(290)可以由具有圖3示出的截面的薄片制成。如圖3中所示，一個或多個定子頭(290)的形狀可以由薄鐵板沖壓而成，用薄的絕緣層涂布并且在托架中一個在另一個之上彼此堆疊，然后與繞組螺接。這是因為沿著電動馬達(135)長度的一個或多個定子頭(290)的長實心鋼條會造成大量渦電流，這將大大妨礙馬達效率并且產生熱量。沿著定子頭片的長度延伸的線不間斷地卷繞定子頭片組。
[0042]通過使用薄的沖壓板，可以解決上述有關制造成本的問題和裝配問題，同時仍能提供有效定子設計。每一個定子片的厚度將需要一些建模來優(yōu)化，但是厚度的典型范圍為1/16"-1/4"。替代地，每一個別定子頭可以被沖壓出，從而需要6個沖壓件來制備I層，并且6個沖壓件的布置如圖2所示。
[0043]現返回參照圖1，驅動軸(170)可以伸出電動馬達(135)的底部，以螺接到鉆頭(220)或其它BHA組件中的任一者。盡管圖1中示出了在驅動軸上的銷端連接(300)，但是可以用箱體連接來替換銷端連接(300)。在驅動軸(170)上可以安放一個或多個驅動軸磁體(180)。圖1描繪了安放在驅動軸(170)上的四個驅動軸磁體(180)。盡管存在其它方法來制作用于電動馬達(例如鼠籠式感應馬達)的轉子，但是這種永久性磁體的方法提供了大量的扭矩傳送以及機械穩(wěn)定性。驅動軸磁體(180)可以經布置以針對3相馬達加以優(yōu)化。3相馬達所屬領域的技術人員通過改變穿過6個繞組的電流的相位，通過使用定子的電動勢推動以及拉動軸磁體將易于識別此馬達如何操作。在較高操作溫度下，在驅動軸上將必須使用繞組代替磁鐵，以便于傳遞扭矩，這很像鼠籠式馬達。磁體的主要限制是居里溫度(curie temperature),其中磁體的磁化消失或至少發(fā)生磁體的磁極強度的顯著降低。
[0044]這種類型的馬達的一個優(yōu)點是，它可以用固態(tài)開關來控制，而不使用換向器來控制。盡管換向器將起作用，但其并不理想，因為它必須在電絕緣環(huán)境中使用刷子，這將意味著需要具有旋轉密封件用于阻擋泥漿的充滿油的腔體，如果所述旋轉密封件必須在高轉速下長時間操作(此處通常就是這樣)，那么出于可靠性和維修的原因這可能是有問題的。
[0045]再次返回參照圖1，管套管BHA電動馬達組件(100)可以進一步包括電子裝置組件(310)。電子裝置組件(310)理想的是具有用于監(jiān)測并且控制電動馬達(135)的處理器，所述處理器具有存儲器。處理器提供了若干功能，包含但不限于:馬達啟動控制；輔助啟動和操作的電容器；功率消耗監(jiān)測；馬達轉速控制(這在很大程度上是通過施加到繞組上的頻率以及允許在那些繞組中流動的電流來管理)；馬達扭矩輸出控制(恒定的或可變的扭矩傳送)；功率控制；馬達溫度控制(定子繞組可以嵌入有溫度傳感器)；通過管套管導體將馬達和BHA傳感器數據傳輸到地面；接收馬達參數命令(例如速度、扭矩、功率輸出限制等數據)；經由管套管導體查詢數據以及來自地面的其它形式的請求；失速檢測和恢復；管理粘附滑動的滑動粘附檢測以及閉環(huán)響應以將馬達鉆探條件維持在更有利的范圍中。系統(tǒng)自動地檢測并且避開不良的鉆探參數，并且在進行鉆探時了解這些參數。自習得式特征特定地解決了失速條件的檢測，并且限制到繞組的電力傳送，尤其是在馬達上的施加力以及后續(xù)軸轉速的下降導致閾值而使馬達失速或使馬達在過低的速度下操作(這可能會由于過多電流循環(huán)通過繞阻而潛在地導致馬達繞組損壞)時關停馬達。處理器將從地面或在馬達中的或嵌入在鉆柱中其它地方(例如在底部鉆具組件MWD系統(tǒng))的井下傳感器或在鉆柱中進一步向上定位的傳感器獲得重量和扭矩數據。這實質上將允許處理器在達到破壞性失速旋轉速率之前或在達到破壞性失速旋轉速率時切斷馬達電源，然后用任一短測試時間重新啟動馬達，以確定所施加的負載是否已經被解除，和/或來自重量和扭矩傳感器的其它傳感器信息是否指示可安全操作。進一步說，電子裝置可以含有電流限制電路，以便限制可以施加到馬達繞組線圈上的電流的量，從而避免破壞性電流在繞組中循環(huán)。處理器可以記錄并且監(jiān)測轉速對比所施加的功率以及鉆頭的重量和扭矩來檢測馬達或鉆頭性能是否隨時間發(fā)生劣化，并向地面的計算機和操作員通知此情況。例如，如果向馬達施加的功率保持恒定，但是施加到地層的扭矩經檢測為小于在之前的時間點所觀察到的扭矩，這可能表明馬達或鉆頭性能劣化。這還可能取決于所鉆探的地層特性。由于此類數據通過遙測系統(tǒng)被轉發(fā)到地面上，因此可以在必要時實時研究并采取行動。這些數據可以用于(例如)計算鉆頭的機械效率以監(jiān)測其磨損跡象。機械效率和或扭矩以及重量數據可以與來自所述區(qū)域中的排水井的地球模型進行比較，以確定為獲得針對所鉆探的地層的優(yōu)選鉆探性能而施加到鉆頭上的最佳重量以及來自電動馬達的所需扭矩。
[0046]有許多方法能從直流電(DC)電源產生3相電力。若必須在很遠的距離上傳輸電力，則來自地面或另一井下發(fā)電源的DC電源是理想的，因為在內管與外管之間的傳導泥漿在交流電(AC)輸電情況下會產生損失。通常，輸電線會穿過水，尤其是鹽水，利用直流電以便將輸電線纜周圍的水中的電磁輻射損失降至最低。同樣，在地層中不時地存在具有高傳導能力的間隙，這可能增加沿著管套管輸電電路的功率損失，從而改變沿著管套管系統(tǒng)流過的電流。因此，有益的是，通過利用直流電而不是交流電來為電動馬達供電，從而盡可能地將電流波動降至最低。也就是說，人們可以使用任何形式的電力來驅動馬達。在某些實施例中，可能需要DC電，因為DC電可以允許對井下的某些電路的更簡單的功率控制。理想上，人們會期望從地面向井下馬達傳輸3相電力，但是這將意味著將在管套管系統(tǒng)中需要更多的導體，并且這將降低可靠性并且提高管套管系統(tǒng)的復雜性，使管套管系統(tǒng)包括至少一個以上導體，并且實際上將需要(但非必需)第四個作為接地回路。
[0047]圖4中示出了廣義的框圖，其中詳細示出了系統(tǒng)的通信、傳感器以及馬達控制元件。雖然在圖4中未示出，但還可以存在通過馬達底部或在鉆柱中向上以及向下方向上的通信。這些構件將通過滑環(huán)或電感耦合的使用并且為所屬領域的技術人員所已知?；h(huán)或電感耦合允許通信和/或功率在馬達外罩與旋轉驅動軸之間的任一方向上跳轉。具有電導體的端點連接器提供到馬達頂部或底部的信號路徑，其中通信可以繼續(xù)到下一個模塊上。理想的是，在馬達頂部上的連接是通過聯接到雙管導體的功率傳送中的通信接口。
[0048]在某些實施例中，通信通道可以與管套管通信網絡直接通信，或者可以與本地網絡(例如用于MWD/LWD系統(tǒng)的本地網絡)或靠近鉆頭或在鉆頭中的通信節(jié)點或多個網絡和通信節(jié)點通信。處理器可以執(zhí)行存儲在存儲器存儲區(qū)中的命令，存儲器存儲區(qū)可以嵌入在處理器自身中，或在單獨的存儲元件中，例如像RAM或閃存RAM或固態(tài)硬盤驅動器或其它形式的存儲器存儲裝置/保持裝置的存儲器芯片。存儲器還可以用于記錄馬達相關的性能信息，例如繞組溫度、工具溫度、泥漿溫度、軸轉速、功率輸出、扭矩輸出、系統(tǒng)電流、電壓和功率、繞組電流、電壓和功率輸入以及在高壓限流器任一側上的壓力，以留意沖掉跡象并確保泥漿流過繞組，從而保持繞阻冷卻而不受主要由繞組中的電阻以及軸承摩擦產生的熱量影響。電源從管套管導體供電。由于管套管導體可以用來為所有裝置供電，因此圖4中未示出連接線。壓力傳感器還可以用以在沒有流量檢測的情況下抑制馬達的操作以便保護馬達免受熱量影響。
[0049]此外，電池組、可充電電池組或電容器可以用來向通信裝置、傳感器、處理器和存儲器模塊提供最小功率，并且工具中的任何其它所需電子裝置應供電以驅動被關停的馬達。以此方式，即使沒有足夠的電力以充分為馬達的電繞組供電從而執(zhí)行鉆孔也可以繼續(xù)與馬達進行低功率通信。這將允許系統(tǒng)保持響應于通信裝置和其他電子功能，例如記錄來自傳感器的數據，同時形成連接，(例如)其中在為鉆柱增加新的管子時易于以安全的方式進行維持對井下馬達的供電。
[0050]電池組的使用還可以允許通信裝置和傳感器保持活躍，以便可以執(zhí)行數據交換和命令，同時在地面上形成連接或者只要建立并且維持用于通信裝置的地面連接即可進行另一鉆探設備操作。此外，在工作管柱中的各個網絡節(jié)點之間的通信仍可以維持，使得即使地面通信停斷也可以監(jiān)視傳感器從而記錄重要數據。這在起鉆孔并且想要記錄出口上的區(qū)域時尤其有用。
[0051]DC電力可以通過馬達控制器轉化為3相電流。馬達控制器優(yōu)選地使用固態(tài)電子裝置用于接通到繞組的電流，并且以從地面復制3相電力的方式翻轉那些繞組的極性。到6個繞組的電流以3對來管理，其中在任一對中的電流在節(jié)省用于輕微的滯后效應的任何給定時刻處幾乎相同。在如圖2所示的馬達中繞組對可以彼此相對，具有圖5中示出的相位關系，其中每一對與任何相鄰的繞組對有120°的相位差。
[0052]在3個相位之間的相位關系可以通過用以確保所有3個相位保持在同步頻率中但在相位上120°分離的主控制器來控制。為了使傳遞至轉子的電力最大化，可以產生用于3相控制器的正弦或其它波形從而為3對繞組供電。每一個繞組可以優(yōu)選地并聯連接，而不是串聯連接，以減少繞組對的串聯電阻。繞組和電流可以被定時，使得每個定子極具有與其另一個對相同的定向。這意味著，每一個定子極對的內尖端可以具有相同的磁場極性，例如北、南或中性。在其中針對每一個繞組相同地纏繞各線圈的實施例中，每一個相位對可以如圖5所示并聯連接。
[0053]馬達控制器的關鍵功能可以包含:(I)根據所需的旋轉方向同步切換極性方向；
(2)保持每一個繞組對的相位分離；(3)保持所施加的頻率并且基于所需馬達轉速中的變化以可接受的速率提升或降低用于馬達的頻率；以及⑷保持到繞組的電力電平以優(yōu)化用于所需轉速的扭矩傳送。這些功能中的每一個可以通過改變供應到繞組對上的電流或電壓或電流和電壓二者，和/或改變每一個波形的占空比來實現。替代地或此外，可以采用啟動電容器以輔助馬達進行轉速提升。這些電容器通常在馬達速度達到其額定速度的約75%時通過馬達控制器斷開。
[0054]應注意，在一些實施例中，控制器可以簡單地改變任意兩個信道(A和B、B和C、或C和A)的相位以改變轉子的旋轉方向，同時仍能夠向鉆頭輸出相同量的扭矩和功率。這可以是顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的PDM馬達的改良之處，傳統(tǒng)的PDM馬達只能在一個方向上旋轉。向后旋轉的能力可以具有很多的優(yōu)點，例如，有助于不被卡住，解開旋轉連接以將卡住的夾板留在孔中并釋放BHA，激活一些其它的機械機構，使用指向相反方向的鉆頭割刀在相反的方向上鉆探，或通過在相反的方向上使鉆頭加壓來延長的牙輪鉆頭的使用壽命。
[0055]馬達控制器可以通過方波或正弦的方式或其它循環(huán)波形的方法(例如，三角形或鋸齒波形)來改變向每一個繞組對提供的功率。在某些實施例中，正弦波可以是優(yōu)選的，因此它的功率最有效。此外，本領域的普通技術人員可以理解，使用每一個波形的變化的占空比以調整所傳送的總平均功率。在某些實施例中，電子裝置可以設計成具有固態(tài)開關，如調壓器或中繼器，從而改變電流從DC電源流過繞組的方向。
[0056]在一個實施例中，隨時間變化的信號可以被模擬成使用相反極性的方波電脈沖哨合繞組。通過調整每一個方波的相位和占空比，可以分別改變由馬達的每次旋轉所消耗的平均功率。此類方法可以使用基于半導體的開關來實現，例如硅控整流器(SCR)、閘流晶體管或其它形式的切換裝置。其它方法可以包含用于改變施加到馬達繞組上的功率的變壓器。此類變壓器可以包括調壓器、升壓或降壓或多抽頭變壓器。圖6繪示了其中通過控制器觸發(fā)和閉合開關以改變施加到每一個繞組對上的功率的極性以及占空比的布置。在馬達控制器的微處理器中的計時器可以保持所有3個信道的脈沖寬度和相位，并且按需要提升或降低整體頻率。在圖6中描繪的布置還可以復制用于另外2個繞組對。馬達控制器可以從地面接收命令，或者理想的是，從管理馬達的所有其它功能的具有存儲器的本地處理器接收命令。在存儲器中的指令和或控制參數還可以通過下行鏈路通信信道編程，而必要時馬達仍在井下。
[0057]馬達驅動裝置可以是小功率放大器開關，用以引起足夠的功率以接通和閉合半導體開關，并且還可以根據來自處理器的邏輯輸出來接通或閉合。在處理器具有接通和閉合半導體開關的功率的某些實施例中，過程的數字輸出或模擬輸出可以直接連接到開關控制線上。實質上，過程在任一開關對之間切換以反轉通過繞組對的電流，或者在相位獲取和占空比時間合適時閉合兩個開關對。
[0058]返回圖1，理想的是，驅動軸磁體(180)可以具有非常高的磁場強度。合適類型的驅動軸磁體(180)可以包含釤鈷磁體。在某些實施例中，可以在楔形的模具中制造驅動軸磁體(180)以匹配驅動軸(170)上的凹穴。在某些實施例中，可以通過將細顆粒散粉澆注到模具中，然后在模具中壓制和燒結來制成驅動軸磁體(180)。在此過程期間可以施加弱磁場以在長鋼條的整個厚度上將磁極對齊用于應用的最佳磁場定向。盡管磁體的形狀可以是半楔形的，但可以使用替代的形狀，例如矩形、三角形等，或只是幾何形狀的任何變化形式。但理想的是，優(yōu)選方法是在軸中產生固位底切以在軸上保留磁體并且燒結粉末，從而在產生磁體期間實質上將磁體聯接到軸上。一旦設置了驅動軸磁體(180)，如果燒結不到位，那么可以通過各種構件，例如固定帶/套、螺釘槽或其它緊固件將驅動軸磁體(180)緊固到驅動軸(170)中。
[0059]對于四極轉子的實例，驅動軸磁體(180)的極性可以交替為北極(N)朝外，然后下一磁體經極化或定向為南極(S)朝外，然后再次北極并且最后南極。本領域的普通技術人員將認識到，繞組和磁鐵的數量可以倍增，例如12個定子極和8個轉子磁體或者三個定子極和兩個轉子磁體。這些變化將取決于許多因素，但是此布置對于目前面臨的工作有益，能權衡對于更平穩(wěn)的扭矩傳送的可靠性同時確保為馬達設計維持所需的峰值扭矩。
[0060]現參照圖7a和7b，圖7a和7b示出了圖1的上部部分的放大圖。在某些實施例中，分流器(210)可以優(yōu)選地由電絕緣材料(例如，陶瓷)制成。陶瓷在返回地面的流動路徑上提供了對從環(huán)形空間流向內管的內孔的流沙、鉆屑、廢物和其它固體的良好抗侵蝕性能。由如卡博陶粒(Carboceramics)等公司制造的陶瓷具有若干適用的材料以及模制技術,從而能用陶瓷材料很好地制作此類型的分流器產品。在某些實施例中，分流器(210)可以是分流環(huán)。在某些實施例中，只要內管與用于分流器的任何傳導性材料絕緣，分流環(huán)并不必須是陶瓷。替代地，分流環(huán)還可以由其它非傳導性材料制成。密封件(320)可以定位在分流器(210)的頂部和底部上以防止在內管(110)與外管(120)之間的環(huán)狀流滲漏到內管(110)的中心中。如上所述，環(huán)狀流可以從地面落下且穿過分流器(210)中的腎形槽，并且向前向下穿過到馬達區(qū)域且最終到達鉆柱的端部。在某些實施例中，分流器(210)可用鍵固定到內管(110)和外管(120)上，因此它可以根據內管(110)和外管(120)中的孔保持定向并且防止意外旋轉。
[0061]圖8描繪了在內管(110)與外管(120)之間的流量如何分流到內管(110)內管的內部中到管子(115)中的并不與內管(110)的另一部分連通的部分上。這使流量沿管子(115)部分的中心向下分流到BHA上并且流出鉆頭。在一些實施例中，內管(110)可以在除了現在的區(qū)域(116)之外的所有位置具有電絕緣涂層。在此區(qū)域(116)中，存在具有內管(110)的暴露金屬部分并且配合使用電子裝置插入件(340)以便于向電動馬達控制器(190)傳遞電力的較短的一部分。電子裝置插入件(340)在除暴露部分以外可以使用涂層電絕緣。纏繞傳導線的彈簧(350)可以用來促成在密封的濕接區(qū)域(330)中的連接。電子裝置插入件(340)可以具有兩個接地線(360)，一旦電流已經穿過各種電子裝置和馬達組件即使電氣路徑返回到外管(120)上。雖然未示出，但是在電子裝置插入件(340)的凸緣端可以具有取向銷釘和額外的銷釘以針對所述插入件可能經受的任何扭轉力支撐所述插入件，或者具有其它機械保持裝置以防止旋轉。存在將功率從內管(110)引導到電動馬達控制器(190)上的若干其它裝置，然而，本文中的此方法視為示例性的，示例可以如何進行分流的方式。接地線(360)的接地連接可以與泥漿隔離以確保連接器不會被腐蝕性的泥漿條件損壞?，F在泥漿可以在電子裝置插入件(340)的中心下方以及在馬達外罩的外部上方流動。
[0062]圖9描繪了電子裝置插入件(340)。如上所述，電子裝置插入件(340)可以容納處理器和功率控制電子裝置(370)以控制電動馬達。通過密封的擋墻接口(380)的線(375)向外導向至定子繞組以及傳感器(385)下方。
[0063]圖10繪示了許多元件，但是基本上是初級馬達繞組和驅動軸區(qū)域。在頂部處，可以優(yōu)選地定位可以兼作徑向軸承并且在其中具有小間隔流動路徑以允許泥流通過的高壓限流器(230)。所述高壓限流器通常由具有良好的抗侵蝕性能的材料制成，例如碳化鎢或鈷基材料，如鎢鉻鈷合金。此組合的其它變型是可能的，但是本文中的主要目的是允許一些泥漿滲漏到驅動軸(170)的外側中以平衡繞組區(qū)域(175)的壓力，并且允許流漿通過繞組以保持繞阻冷卻。如圖10中所描繪，可以存在兩部分的定子繞組(140)，但是單個繞組部分或多個繞組部分可以用以優(yōu)化所需的扭矩。
[0064]在某些實施例中，霍爾效應開關(190)可以嵌入在繞組托架中，以通過觀察小磁體(191)或者轉子磁體在軸上的相對位置來監(jiān)測軸位置和轉速?；魻栃_關或其它類型的轉速傳感器的信號輸出被回送到馬達控制電子裝置上，在那里處理器可以根據傳感器反饋自動地測量并且調整馬達的速度。在繞組托架中還可以包含其它類型的位置傳感器，例如近接傳感器。通過在軸旋轉時監(jiān)測軸的位置，人們可以更好地優(yōu)化向馬達的扭矩傳送，并且留意如果因鉆探形成的鉆頭反作用力的扭矩超出失速點使馬達停止或震顫而可能出現的極滑動(這可能意味著一個繞組以不均勻的方式施加了比另一繞組多的扭矩)，并且因此調整繞組施加的扭矩輸出以獲得盡可能均勻的扭矩輸出。在某些實施例中，溫度傳感器還可以嵌入在托架中或者鄰接于繞組。優(yōu)選地，用于每一個繞組的至少一個溫度傳感器可以用來監(jiān)測馬達溫度。此外，在某些實施例中，可以在高壓限流器(230)的上方(192A)和下方(192B)在托架中安裝壓力傳感器，以監(jiān)測限流器的性能并確保不存在洗掉或堵塞，并且確認泥漿泵的確接通從而確保馬達的冷卻。
[0065]在兩個繞組部分與驅動軸繞組部分之間，定位可以通過泥漿潤滑的任選徑向軸承支架(380)。還可以使用彈性的船用軸承、滾柱軸承、滾珠軸承、軸頸軸承或其它軸承樣式。定子繞組托架具有花鍵槽(194)以匹配馬達外罩花鍵從而防止繞組托架旋轉。
[0066]現參照圖11，圖11圖示了用以允許驅動軸(170)的在井底旋轉和離井底旋轉并且在底部處具有徑向軸承支架(380)的軸向負載軸承組配置。驅動軸(170)可以具有銷端連接(300)或箱體連接?？赡苡写司码妱玉R達的其它變化形式。例如，驅動軸(170)可以被分成兩部分，其中扭力桿或通用聯接件通過可調整的或固定的彎曲外罩連接兩個軸。軸承組可以存在于彎曲外罩的上方或下方，或甚至在馬達部分上方?？烧{整的彎曲外罩可以在地面或井下可調整，意指它可以在從工具的軸線到至少一個角位，并且通常到多個不同的角位的方向上調整驅動軸的下端部的傾斜角。優(yōu)選地，推力軸承(390)可以存在于任何彎曲子組件上方。
[0067]在某些實施例中，電動馬達可以具有便于通過鉆探管與地面聯接、通信和連續(xù)輸電的接口模塊?？梢詮牡孛嫱ㄐ叛b置來控制電動馬達并且響應于地面通信裝置來控制電動馬達。電動馬達可以具有可變轉速和扭矩能力?？梢岳谬X輪減速或行星齒輪結合可變轉速的電動馬達以便于所需的速度和扭矩輸出。
[0068]電動馬達可以是底部鉆具組件的模塊化組件或單獨地使用。電動馬達可以用以在存在或不存在如通常由地面設備所提供的鉆柱旋轉的情況下放大或鉸大鉆井孔。電動馬達可以具有多個配置以便于適應所需的巖石切削/破壞機構。這些配置可以包含激光鉆孔或激光鉆頭輔助裝置(例如由辛哈(Sinha)等人在SPE/IADC 102017中所描述的)、在固定的刀頭上的多晶金剛石復合片(roc)切削結構、牙輪鉆頭、脈沖式電動鑿巖設備(如由泰特拉(Tetra)在US 2010/000790中描述的一種)或其它巖石破壞裝置。事實上，用以供電的功率的存在以及電動馬達自身自然地適合于能夠供應必要的功率以驅動用于鉆探或鉆頭輔助裝置的激光器。
[0069]用于切削組件的旋轉可以由從地面設備所提供的鉆柱的旋轉或者以下中的任一者來提供:裝配到單獨的旋轉切削組件或一體式組件上的模塊化馬達組件，其中用于切削組件的旋轉可以通過裝配在單一組件中的一個馬達組件或多個馬達組件來提供。切削組件上的切削結構可以具有由獨立的電動馬達控制斜道或活塞驅動的切削深度(最終直徑)。當不需要切削旋轉時，切削組件的切削結構可以縮回并且模塊化馬達組件可以被命令停止并且必要時旋轉的能力可以被鎖定。鉸孔可以通過允許個別圓柱形的鉸孔切削組件具有功率以繞其自身的心軸旋轉來進行優(yōu)化。
[0070]現參照圖12A到12F，圖12A到12F描繪了根據本發(fā)明的某些實施例的疊放的各種可轉向BHA。
[0071]在一個實施例中，疊放的可轉向BHA可以根據圖12A進行配置。在此情形中，常規(guī)BHA通過電動馬達旋轉，最終驅動可旋轉轉向工具的軸。在其它實施例中，電動馬達可以裝有直達馬達遙測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)通過滑環(huán)或例如兩個線圈或兩個金屬圈(torr1d)的電感耦合器的使用將通信從非旋轉定子跳轉到驅動軸上。此類技術在第2010/0224356號美國專利申請公開案和第6，392，561號美國專利中進行了描述。存在其它的短跳遙測技術并且為所屬領域的技術人員所已知。
[0072]在一個實施例中，疊放的可旋轉轉向BHA可以根據圖12B進行配置。在此實施例中，MWD/LWD可以在電動馬達上方向上移動。傳感器可以安放在外蓋中而非插入其中，這意指從工具的側面附接傳感器而不是將傳感器插入到工具的端部中，并且將傳感器滑動到位并且按需要通過保護蓋或保護套遮蓋。鉆柱的中心孔維持中心管用于管理回流。以此方式，MWD支撐在其界限內的兩個流動路徑(向上和向下)。MWD/LWD傳感器經布置以準許通過各種方式的流動，例如維持兩個內部流動路徑作為兩個同心管，并且將MWD/LWD組件安放在至這些流動路徑的外部徑向位置中，如圖12f中所示出。替代地，分流器子件可以放置在MWD上方，隨后電動馬達允許使用常規(guī)MWD，然而，需要用于將電力連接到下部馬達上的裝置，并且將需要電纜或其它絕緣導體從上部分流器組件開始，通過MWD/LWD部分到達在電動馬達頂部的功率輸入部分。
[0073]在一個實施例中，疊放的可旋轉轉向BHA可以根據圖12C進行配置。在此實施例中，電動馬達可以具有附接到其上的彎曲外罩組件，使用內部聯接或扭力桿以促成從上軸到下軸的傳遞或扭矩。由于可自馬達獲得大量扭矩，因此此類型的設置提供了優(yōu)于PDM設計的許多優(yōu)點。如前面所討論的，軸向軸承可以定位在彎曲子件的上方或下方。然而，為了縮短彎曲部分到鉆頭的距離，優(yōu)選的是將軸向軸承安放在彎曲子件的上方。彎曲子件可以是固定的、可調整的或者井下可調整的。
[0074]在一個實施例中，疊放的可轉向BHA可以根據圖12D進行配置。在此實施例中，電動馬達可以向下方的鉸刀或擴孔器提供動力并且驅動轉子可轉向組件。在此情況下，兩個切削結構均通過電動馬達來旋轉。
[0075]在一個實施例中，疊放的可旋轉轉向BHA可以根據圖12E進行配置。此配置允許采用常規(guī)MWD/LWD，并且任選的液壓馬達視情況可插入在MWD/LWD下方以利用額外的功率來驅動鉆頭。可以在此類配置中采用此類雙重使用來自地面的電力以及液力以產生扭矩，從而針對給定的可用功率最大限度地提高到鉆頭的扭矩。
[0076]在一個實施例中，疊放的可旋轉轉向BHA可以根據圖12F進行配置。圖12e可以通過作為又一實例將MWD/LWD定位在分流器上方來進行改良。
[0077]通過簡單地來回移動這些模塊并且根據對液力、電力和通信要求的需求使這些模塊互連，根據本發(fā)明可顯而易見其它配置。
[0078]本發(fā)明因此特別適于實現目的并且達到所提及的目標，以及那些其中固有的目標。盡管已經參考本發(fā)明的實例描繪并且描述了本發(fā)明并且進行了定義，但是此類參考并不意指對本發(fā)明的限制，也不能推斷此類限制。受益于本發(fā)明的所屬領域的一般技術人員將明了，本發(fā)明能夠在形式和功能上進行大量修改、更改以及制得等效物。所描繪以及描述的實例并不窮盡本發(fā)明。因此，本發(fā)明既定僅通過所附權利要求書的精神和范圍來限定，提供所有方面中的等效物的全面認識。
【權利要求】
1.一種管套管電動馬達組件，包括:鉆柱，所述鉆柱包括內管和外管；以及電動馬達，其中為所述電動馬達提供的動力是通過至少充當導體的所述內管和所述外管供應的。
2.根據權利要求1所述的管套管電動馬達組件，其中所述內管或所述外管中的至少一者用絕緣材料涂布。
3.根據權利要求2所述的管套管電動馬達組件，其中所述絕緣材料包括介電材料。
4.根據權利要求3所述的管套管電動馬達組件，其中所述介電材料包括從由以下各者組成的群組中選出的至少一種材料:聚酰亞胺、高強度韌化含氟聚合物、尼龍、特氟隆，以及陶瓷涂層。
5.根據權利要求1所述的管套管電動馬達組件，其進一步包括驅動軸。
6.根據權利要求5所述的管套管電動馬達組件，其中所述驅動軸包括驅動軸磁體。
7.根據權利要求1所述的管套管電動馬達組件，其中所述電動馬達聯接到鉆頭。
8.一種向電動馬達提供動力的方法，包括: 提供管套管電動馬達組件，所述組件包括:鉆柱，所述鉆柱包括內管和外管；以及電動馬達，其中為所述電動馬達提供的動力是通過至少充當導體的所述內管和所述外管供應的，以及 向所述電動馬達提供動力。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述內管或所述外管中的至少一者用絕緣材料涂布。
10.根據權利要求9所述的方法，其中所述絕緣材料包括介電材料。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述介電材料包括從由以下各者組成的群組中選出的至少一種材料:聚酰亞胺、高強度韌化含氟聚合物、尼龍、特氟隆，以及陶瓷涂層。
12.根據權利要求8所述的方法，其中所述管套管電動馬達組件進一步包括驅動軸。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述驅動軸包括驅動軸磁體。
14.根據權利要求8所述的方法，其中所述電動馬達聯接到鉆頭。
15.—種在地層中鉆探鉆井孔的方法，包括: 提供管套管電動馬達組件，所述組件包括:鉆柱，所述鉆柱包括內管和外管；電動馬達；以及鉆頭，其中為所述電動馬達提供的動力是通過至少充當導體的所述內管和所述外管供應的； 向所述電動馬達提供動力以產生旋轉動力；以及 將所述旋轉動力施加到所述鉆頭。
16.根據權利要求15所述的方法，其中所述內管或所述外管中的至少一者用絕緣材料涂布。
17.根據權利要求16所述的方法，其中所述絕緣材料包括介電材料。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述介電材料包括從由以下各者組成的群組中選出的至少一種材料:聚酰亞胺、高強度韌化含氟聚合物、尼龍、特氟隆，以及陶瓷涂層。
19.根據權利要求15所述的方法，其中所述管套管電動馬達組件進一步包括驅動軸。
20.根據權利要求19所述的方法，其中所述驅動軸包括驅動軸磁體。
【文檔編號】E21B17/02GK104160107SQ201280071300
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2012年1月11日 優(yōu)先權日:2012年1月11日
【發(fā)明者】R·T·海, K·E·霍爾茨曼 申請人:哈里伯頓能源服務公司