管套管bha电驱动马达的制作方法
【专利摘要】一种管套管电动马达组件以及相关联的方法，所述管套管电动马达组件包括：钻柱，其包括内管和外管；以及电动马达；其中为所述电动马达提供的动力是通过至少充当导体的所述内管和所述外管供应的。
【专利说明】管套管BHA电驱动马达
【背景技术】
[0001]为了从地层中产生烃(例如，油、气等)，可以钻探穿透地层的含烃部分的钻井孔。在传统的钻探系统中，旋转动力会导致岩石破坏。可以通过使用转台使钻柱在地面处旋转而向钻柱提供旋转动力。这种动力还可以通过顶部驱动装置提供或者可以使用泥浆马达从泥流提供。通过这些模式的动力供应，传统的钻头，例如三牙轮钻头、多晶金刚石复合片(“PDC”)钻头以及金刚石钻头，能在不同的速度和扭矩下作业。
[0002]在使用泥浆马达产生扭矩以用于执行钻探作业时，沿钻柱的液压损失可能限制所需的泥浆流速。这反过来可能减小可施加到泥浆马达以产生扭矩的液压动力。这对于流速降低到接近常规流速的30%的水平的例如Reelwell?等钻探系统是尤其关键的。流速的急剧下降，再加上针对此技术的钻探的较大深度可能导致在循环期间较高的流体摩擦以及因此对循环压力的更高要求。此类系统可能对超扩展进深钻探(ultra extended reachdrilling)中的底部钻具组件可用的液压动力外加严格的限制。因此，需要在钻头上而不是仅从液压构件经由沿钻柱循环产生井下扭矩的构件。
[0003]此外，通常需要对容积式马达(PDM)进行特殊修改以准许这些系统在较低流速下操作。这些修改可能涉及通过减少每级泥浆马达部分的流体的体积来降低用以驱动泥浆马达转子的动力部分每次旋转所需的流体体积。在这些较低的流速下，涡轮马达要有效地操作将需要具有较紧密的叶片结构与较高桨叶角以及跨越较小叶片的较高流动速度。对于给定的操作输出扭矩，这可能导致较高的流阻以及被泥流侵蚀的较大风险。因此，需要开发从不同于PDM、叶片或涡轮马达(其中将需要液压来产生用以钻孔的旋转力)的装置产生旋转动力的钻探系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0004]通过部分地参考以下描述以及附图可以理解本发明的一些具体实例实施例。
[0005]图1绘示管套管BHA电动马达的例示性布局。
[0006]图2绘示电动马达的转子和定子的例示性截面。
[0007]图3绘示定子和转子的例示性截面切片。
[0008]图4绘示马达电子装置的框图。
[0009]图5绘示绕组对的框图。
[0010]图6绘示电子装置示意图的图示。
[0011]图7绘示管套管系统内的分流器的例示性布局。
[0012]图8绘示管套管BHA电动马达的例示性布局。
[0013]图9绘示电子装置插入件的例示性布局。
[0014]图10绘示管套管BHA电动马达的例示性布局。
[0015]图11绘示轴承组的例示性布局。
[0016]图12A到12F描绘根据本发明的某些实施例的各种可旋转转向BHA层叠。
[0017]尽管已经参考本发明的示例性实施例描绘并且描述了本发明的实施例并且进行了定义，但是此类参考并不意味着对本发明的限制，也不能推断此类限制。所属领域且受益于本发明的技术人员将明了，所揭示的标的物能够在形式和功能上进行大量修改、更改并且制得等效物。所描绘以及描述的本发明的实施例仅为实例，且并不穷尽本发明的范围。
【具体实施方式】
[0018]本文详细描述本发明的例示性实施例。为清楚起见，在本说明书中不可能描述实际实施方案的所有特征。当然，应了解，在任何此类实际实施例的开发中，可以进行多种实施方案特定决策以实现特定的实施目标，这些决策可以根据实施方案的不同而变化。此外，应了解，此类开发工作可能复杂且耗时，但尽管如此也将是受益于本发明的所属领域的一般技术人员的常规任务。
[0019]在一个实施例中，本发明提供管套管电动马达组件，所述组件包括包括内管和外管的钻柱以及电动马达，其中为电动马达提供的动力是通过至少充当导体的内管和外管供应的。
[0020]在另一实施例中，本发明提供向电动马达提供动力的方法，所述方法包括:提供管套管电动马达组件，所述组件包括包括内管和外管的钻柱以及电动马达，其中为电动马达提供的动力是通过至少充当导体的内管和外管供应的；以及向电动马达提供动力。
[0021]在另一实施例中，本发明提供在地层中钻探钻井孔的方法，所述方法包括:提供管套管电动马达组件，所述组件包括包括内管和外管的钻柱、电动马达以及钻头，其中为电动马达提供的动力是通过至少充当导体的内管和外管供应的；向电动马达提供动力以产生旋转动力；以及将旋转动力施加到钻头。
[0022]为了便于更好地理解本发明，给出某些实施例的以下实例。以下实例决不应被理解为限制或限定本发明的范围。本发明的实施例可以适用于水平的、垂直的、偏斜的或以其它方式非线性的钻井孔或例如在任何类型地层的跨河应用中的施工钻孔。诸实施例可以适用于注入井以及生产井，包含烃井。
[0023]如本文所使用的术语“联接”既定意指间接连接或直接连接。因此，如果第一装置联接到第二装置，那么所述连接可能通过直接连接，或者通过经由其它装置和连接的间接电气连接。如本文所使用的术语“井上”意指沿着钻柱或孔从远端朝向地面，并且如本文所使用的“井下”意指沿着钻柱或孔从地面朝向远端。
[0024]应理解，术语“油井钻探设备”或“油井钻探系统”并不既定限制使用通过那些术语描述的设备和方法来钻油井。所述术语一般来说还涵盖钻天然气井或者烃井。此外，此类井可以用于与烃或来自地下的其它材料的回收有关的生产、监测或者注入。
[0025]本发明大体上涉及钻井以及完井作业，并且更具体地说，涉及使用电动马达来驱动钻头的系统和方法。
[0026]图1描绘了根据本发明的一个实施例的管套管BHA(井底钻具组件)电动马达组件(100)的整体布局。如图1所示,管套管BHA电动马达组件(100)可以包括内管(110)、外管(120)、工作管柱(130)、电动马达(135)、定子绕组(140)、壳体托架(150)、马达外罩(160)、驱动轴(170)、驱动轴磁体(180)、电动马达控制器(190)、电动马达控制器外罩(200)、分流器(210)、钻头(220)以及高压限流器(230)。在某些实施例中，可以在内管
(110)与外管(120)之间从地面沿着工作管柱(130)的长度传输电力，优选地，直流电力。在某些实施例中，内管(I1)可以视为电力热导体，并且外管(120)可以视为接地。从安全的角度来看，将外管(120)用作接地可能是重要的，因为外管(120)可能以传导方式连接到钻探设备并且在钻探环境中可能难以保持绝缘。
[0027]内管(110)与外管(120)可以偏心或同心。在某些实施例中，内管(110)的外表面可以用绝缘材料涂布，以防止内管(110)通过泥浆或其它接触点短路到外管(120)。在其它实施例中，外管(120)的内表面可以用绝缘材料涂布。绝缘材料的实例包含介电材料。介电材料的合适实例包含聚酰亚胺、GORE?高强度韧化含氟聚合物、尼龙、TEFLON?,以及陶瓷涂层。在某些实施例中，只在被密封并且被保护不受钻探流体影响的区域中才会暴露内管(110)的裸金属，以沿着工作管柱(130)的长度形成到内管的下一接合点的电气连接。只要不存在使电流以短路方式从内管流到外管的路径，那么这些区域可以充满空气或如油等非电传导性流体或例如水基钻探流体等传导性流体。
[0028]在某些实施例中，定子绕组(140)可以扇形楔方式安放在壳体托架(150)内。在某些实施例中，壳体托架(150)可以固定在马达外罩(160)内以防止托架相对于工作管柱(130)旋转。
[0029]在某些实施例中，驱动轴磁体(180)可以包括安装在驱动轴(170)上的固定的永久性磁体，其安装方式使得促进通过定子绕组(140)形成来自不同磁极的反扭矩(reactive torque)。在某些实施例中，电动马达(135)可以包括6极马达。存在极数的若干变化以及将磁体联接到驱动轴还是外罩的决策以及其它形式的电动马达(例如具有机械换向器驱动绕组布置的直驱马达以及不使用永久性磁体的鼠笼式感应马达)。单相马达可能在电容器的辅助下产生第二伪相。
[0030]在某些实施例中，电动马达控制器(190)可以定位在定子绕组(140)上方以控制电动马达(135)的各个方面。电动马达控制器(190)可以通过由内管(110)和外管(120)形成的两个导体路径以及馈通电动马达组件到例如LWD和/或MWD以及转向系统等定位在马达下方的模块上的馈通线而在两个方向上与地面通信。
[0031]在某些实施例中，电动马达控制器(190)可以容纳在压力受控腔体内部以保护电子装置。电动马达控制器(190)电子装置可以用陶瓷涂层涂布，以允许腔体充满油并且与环形空间压力平衡从而允许较薄的壁来容纳电子装置。使腔体充满油并且与环形空间压力平衡的优点是:由于没必要控制液柱的全部压力，因此电子装置腔体的壁厚度将维持为小得多的厚度，从而留下更多空间可用于电子装置并且对电子装置产生的热量提供更佳的热传导，从而将电子装置保持在可操作限度内。
[0032]在某些实施例中，定子绕组(140)可以用陶瓷、橡胶或环氧树脂等灌封材料囊封。这为经囊封区域提供额外的短路保护，所述区域通常将被驱逐到在磁线上所见的典型的聚醚醚酮涂层，所述涂层随后可以暴露到泥浆，泥浆的一部分通过此区域循环，以为绕组和功率电子装置提供冷却，并且使沿驱动轴(170)的泥浆轴承和径向轴承润滑。
[0033]在管套管BHA电动马达组件(100)操作期间，泥浆可以沿着由内管(110)和外管(120)形成的环形空间流动。泥浆和钻屑可以返回到内管(110)内部的表面。然而，靠近电动马达(135)的顶部，此流动状态可能略微改变。与外钻探管电绝缘并且优选地由陶瓷或金属制成、在外表面上具有介电绝缘涂层的分流器(210)允许来自由内管(110)和外管(120)形成的环形空间的泥浆和钻屑进入内管，同时使向下流动的泥浆穿过分流器(210)中的肾形槽。在此点下方，向下流动的泥浆可以分流到中心孔中，在中心孔中，向下流动的泥浆穿过电气连接到电动马达(135)上的内管(110)进入马达外罩(160)中。此时，向下流动的泥浆可以采取两个单独的路径。第一路径沿驱动轴(170)的中心孔并且下降到在工作管柱(130)的底部处的钻头(220)，在此处，第一路径退出钻头(220)并且开始沿孔向上返回到分流器入口端。另一路径通过在驱动轴(170)顶部处的高压限流器(230)，随后通过在转子的外部部分与马达外罩的内部部分之间的空间，并且向外通过就在连接在马达外罩底部上的轴钻头上方的底部径向轴承组件。高压限流器(230)可以经设计以渗漏一定量的钻探流体流过并流入马达外罩(160)中，以冷却定子绕组(140)并且使电动马达(135)的径向轴承和轴向轴承润滑。高压限流器(230)还可以兼作径向轴承(240)。在其它实施例中，可以存在单独的径向轴承(240)。径向轴承(240)可以包括船用橡胶轴承、PDC轴承或各种硬化涂层，如熔合碳化钨。
[0034]高压限流器(230)可以定位在沿着任一流动路径的任何地方，只要沿着驱动轴的顶部和马达外罩的底部的路径的某处限制流量即可。在某些实施例中，高压限流器(230)可以直接定位在上部径向轴承(240)下方，因为使用此类装置工作非常简便，而且高压限流器(230)还充当过滤器，使意外进入泥浆中的较大固体远离定子绕组(140)和径向轴承(240)。
[0035]图2描绘了不具有绕组托架套筒(250)或马达外罩(160)的转子和定子的截面。在此实例中，示出了 6极定子绕组组件(280)。定子绕组(140)可以沿着一个或多个定子头(290)缠绕。在某些实施例中，一个或多个定子头(290)可以包括长矩形的扇形楔状物。一个或多个定子头(290)可以由具有高磁导率的软铁制成。理想的是，一个或多个定子头(290)可以彼此接触或者可以焊接在一起。
[0036]在其它实施例中，定子头组件可以通过使用如电化学机械加工、电火花线切割加工(wire EDM)或电极静电吐出型机械加工或者甚至挤压形状等机械加工方法而由一个圆钢条制造，使得定子头组件的外径是一个整体的直径而不是6个个别件。由于用一个钢条制造定子头可能较昂贵，理想的是，定子绕组组件(280)由6个件组成，以降低制造成本。在定子头由一个钢条制成的情况下，定子绕组将必须被引导穿过各个通道。而这可能是困难的，因为经囊封的涂层可能经射出模制到内部区域和端部中。将仍然需要涂布定子以减少腐蚀并且提高定子的使用寿命，但在这种情况下，灌封材料可以满足这个作用。在某些实施例中，灌封材料可以由各种化合物制成，例如环氧树脂、陶瓷基化合物、尼龙或聚醚醚酮，如聚四氟乙烯,例如来自格林克雷德(Greentweed)的阿尔隆100 (Arlon 100)。
[0037]在图2中图示的扇形楔概念中，如果外径附近的扇形楔接触区域不用保护材料涂布，那么定子头可能会在接触到许多类型的泥浆系统时腐蚀。然而，为了使功率效率的损失非常轻微，可以在定子头的外径接触点处涂覆非常薄的耐腐蚀涂层，以限制磁通链的损失，同时向定子头的暴露到流动的泥浆的部分涂覆较厚的涂层。
[0038]定子绕组(140)可以是清漆、聚醚醚酮或其它介电类型的经涂布磁线，理想的是由银、铜、铝或任何传导性元件制成，包含高温超传导性材料。定子绕组(140)可以围绕定子头(290)缠绕若干圈。任选地，在定子绕组(140)顶部且嵌入到定子绕组(140)中的可以是灌封材料，优选地是陶瓷或柔性较大的高温环氧树脂。这种材料可以用来保护定子绕组(140)以免被泥浆腐蚀并用于防止被(尤其是)可能进入所述区域的细砂侵蚀。
[0039]一个或多个定子头(290)可以于外径上开槽并且可以使用壳体托架(150)进行键连，从而保持一个或多个定子头(290)静止而不受所产生的扭矩影响。此扭矩随后可以通过托架外罩(260)中的额外花键槽以及马达外罩(160)上的花键被载送到马达外罩(160)上。完成此工作的其它方法易于被所属领域的技术人员所理解。
[0040]任选地，托架外罩(260)的外径和马达外罩(160)的内径可以略呈锥形，朝向顶部变窄，以允许紧密贴合，并且防止泥浆细粉在马达外罩(160)与托架外罩(260)之间积累。以此方式，绕组托架套筒(250)可以被拉出或压出。绕组托架套筒(250)的顶部可以具有啮合电子装置插入件的额外防旋转键和/或啮合位于马达外罩(160)中的花键的额外花键槽。
[0041]在某些实施例中，一个或多个定子头(290)可以由具有图3示出的截面的薄片制成。如图3中所示，一个或多个定子头(290)的形状可以由薄铁板冲压而成，用薄的绝缘层涂布并且在托架中一个在另一个之上彼此堆叠，然后与绕组螺接。这是因为沿着电动马达(135)长度的一个或多个定子头(290)的长实心钢条会造成大量涡电流，这将大大妨碍马达效率并且产生热量。沿着定子头片的长度延伸的线不间断地卷绕定子头片组。
[0042]通过使用薄的冲压板，可以解决上述有关制造成本的问题和装配问题，同时仍能提供有效定子设计。每一个定子片的厚度将需要一些建模来优化，但是厚度的典型范围为1/16"-1/4"。替代地，每一个别定子头可以被冲压出，从而需要6个冲压件来制备I层，并且6个冲压件的布置如图2所示。
[0043]现返回参照图1，驱动轴(170)可以伸出电动马达(135)的底部，以螺接到钻头(220)或其它BHA组件中的任一者。尽管图1中示出了在驱动轴上的销端连接(300)，但是可以用箱体连接来替换销端连接(300)。在驱动轴(170)上可以安放一个或多个驱动轴磁体(180)。图1描绘了安放在驱动轴(170)上的四个驱动轴磁体(180)。尽管存在其它方法来制作用于电动马达(例如鼠笼式感应马达)的转子，但是这种永久性磁体的方法提供了大量的扭矩传送以及机械稳定性。驱动轴磁体(180)可以经布置以针对3相马达加以优化。3相马达所属领域的技术人员通过改变穿过6个绕组的电流的相位，通过使用定子的电动势推动以及拉动轴磁体将易于识别此马达如何操作。在较高操作温度下，在驱动轴上将必须使用绕组代替磁铁，以便于传递扭矩，这很像鼠笼式马达。磁体的主要限制是居里温度(curie temperature),其中磁体的磁化消失或至少发生磁体的磁极强度的显著降低。
[0044]这种类型的马达的一个优点是，它可以用固态开关来控制，而不使用换向器来控制。尽管换向器将起作用，但其并不理想，因为它必须在电绝缘环境中使用刷子，这将意味着需要具有旋转密封件用于阻挡泥浆的充满油的腔体，如果所述旋转密封件必须在高转速下长时间操作(此处通常就是这样)，那么出于可靠性和维修的原因这可能是有问题的。
[0045]再次返回参照图1，管套管BHA电动马达组件(100)可以进一步包括电子装置组件(310)。电子装置组件(310)理想的是具有用于监测并且控制电动马达(135)的处理器，所述处理器具有存储器。处理器提供了若干功能，包含但不限于:马达启动控制；辅助启动和操作的电容器；功率消耗监测；马达转速控制(这在很大程度上是通过施加到绕组上的频率以及允许在那些绕组中流动的电流来管理)；马达扭矩输出控制(恒定的或可变的扭矩传送)；功率控制；马达温度控制(定子绕组可以嵌入有温度传感器)；通过管套管导体将马达和BHA传感器数据传输到地面；接收马达参数命令(例如速度、扭矩、功率输出限制等数据)；经由管套管导体查询数据以及来自地面的其它形式的请求；失速检测和恢复；管理粘附滑动的滑动粘附检测以及闭环响应以将马达钻探条件维持在更有利的范围中。系统自动地检测并且避开不良的钻探参数，并且在进行钻探时了解这些参数。自习得式特征特定地解决了失速条件的检测，并且限制到绕组的电力传送，尤其是在马达上的施加力以及后续轴转速的下降导致阈值而使马达失速或使马达在过低的速度下操作(这可能会由于过多电流循环通过绕阻而潜在地导致马达绕组损坏)时关停马达。处理器将从地面或在马达中的或嵌入在钻柱中其它地方(例如在底部钻具组件MWD系统)的井下传感器或在钻柱中进一步向上定位的传感器获得重量和扭矩数据。这实质上将允许处理器在达到破坏性失速旋转速率之前或在达到破坏性失速旋转速率时切断马达电源，然后用任一短测试时间重新启动马达，以确定所施加的负载是否已经被解除，和/或来自重量和扭矩传感器的其它传感器信息是否指示可安全操作。进一步说，电子装置可以含有电流限制电路，以便限制可以施加到马达绕组线圈上的电流的量，从而避免破坏性电流在绕组中循环。处理器可以记录并且监测转速对比所施加的功率以及钻头的重量和扭矩来检测马达或钻头性能是否随时间发生劣化，并向地面的计算机和操作员通知此情况。例如，如果向马达施加的功率保持恒定，但是施加到地层的扭矩经检测为小于在之前的时间点所观察到的扭矩，这可能表明马达或钻头性能劣化。这还可能取决于所钻探的地层特性。由于此类数据通过遥测系统被转发到地面上，因此可以在必要时实时研究并采取行动。这些数据可以用于(例如)计算钻头的机械效率以监测其磨损迹象。机械效率和或扭矩以及重量数据可以与来自所述区域中的排水井的地球模型进行比较，以确定为获得针对所钻探的地层的优选钻探性能而施加到钻头上的最佳重量以及来自电动马达的所需扭矩。
[0046]有许多方法能从直流电(DC)电源产生3相电力。若必须在很远的距离上传输电力，则来自地面或另一井下发电源的DC电源是理想的，因为在内管与外管之间的传导泥浆在交流电(AC)输电情况下会产生损失。通常，输电线会穿过水，尤其是盐水，利用直流电以便将输电线缆周围的水中的电磁辐射损失降至最低。同样，在地层中不时地存在具有高传导能力的间隙，这可能增加沿着管套管输电电路的功率损失，从而改变沿着管套管系统流过的电流。因此，有益的是，通过利用直流电而不是交流电来为电动马达供电，从而尽可能地将电流波动降至最低。也就是说，人们可以使用任何形式的电力来驱动马达。在某些实施例中，可能需要DC电，因为DC电可以允许对井下的某些电路的更简单的功率控制。理想上，人们会期望从地面向井下马达传输3相电力，但是这将意味着将在管套管系统中需要更多的导体，并且这将降低可靠性并且提高管套管系统的复杂性，使管套管系统包括至少一个以上导体，并且实际上将需要(但非必需)第四个作为接地回路。
[0047]图4中示出了广义的框图，其中详细示出了系统的通信、传感器以及马达控制元件。虽然在图4中未示出，但还可以存在通过马达底部或在钻柱中向上以及向下方向上的通信。这些构件将通过滑环或电感耦合的使用并且为所属领域的技术人员所已知。滑环或电感耦合允许通信和/或功率在马达外罩与旋转驱动轴之间的任一方向上跳转。具有电导体的端点连接器提供到马达顶部或底部的信号路径，其中通信可以继续到下一个模块上。理想的是，在马达顶部上的连接是通过联接到双管导体的功率传送中的通信接口。
[0048]在某些实施例中，通信通道可以与管套管通信网络直接通信，或者可以与本地网络(例如用于MWD/LWD系统的本地网络)或靠近钻头或在钻头中的通信节点或多个网络和通信节点通信。处理器可以执行存储在存储器存储区中的命令，存储器存储区可以嵌入在处理器自身中，或在单独的存储元件中，例如像RAM或闪存RAM或固态硬盘驱动器或其它形式的存储器存储装置/保持装置的存储器芯片。存储器还可以用于记录马达相关的性能信息，例如绕组温度、工具温度、泥浆温度、轴转速、功率输出、扭矩输出、系统电流、电压和功率、绕组电流、电压和功率输入以及在高压限流器任一侧上的压力，以留意冲掉迹象并确保泥浆流过绕组，从而保持绕阻冷却而不受主要由绕组中的电阻以及轴承摩擦产生的热量影响。电源从管套管导体供电。由于管套管导体可以用来为所有装置供电，因此图4中未示出连接线。压力传感器还可以用以在没有流量检测的情况下抑制马达的操作以便保护马达免受热量影响。
[0049]此外，电池组、可充电电池组或电容器可以用来向通信装置、传感器、处理器和存储器模块提供最小功率，并且工具中的任何其它所需电子装置应供电以驱动被关停的马达。以此方式，即使没有足够的电力以充分为马达的电绕组供电从而执行钻孔也可以继续与马达进行低功率通信。这将允许系统保持响应于通信装置和其他电子功能，例如记录来自传感器的数据，同时形成连接，(例如)其中在为钻柱增加新的管子时易于以安全的方式进行维持对井下马达的供电。
[0050]电池组的使用还可以允许通信装置和传感器保持活跃，以便可以执行数据交换和命令，同时在地面上形成连接或者只要建立并且维持用于通信装置的地面连接即可进行另一钻探设备操作。此外，在工作管柱中的各个网络节点之间的通信仍可以维持，使得即使地面通信停断也可以监视传感器从而记录重要数据。这在起钻孔并且想要记录出口上的区域时尤其有用。
[0051]DC电力可以通过马达控制器转化为3相电流。马达控制器优选地使用固态电子装置用于接通到绕组的电流，并且以从地面复制3相电力的方式翻转那些绕组的极性。到6个绕组的电流以3对来管理，其中在任一对中的电流在节省用于轻微的滞后效应的任何给定时刻处几乎相同。在如图2所示的马达中绕组对可以彼此相对，具有图5中示出的相位关系，其中每一对与任何相邻的绕组对有120°的相位差。
[0052]在3个相位之间的相位关系可以通过用以确保所有3个相位保持在同步频率中但在相位上120°分离的主控制器来控制。为了使传递至转子的电力最大化，可以产生用于3相控制器的正弦或其它波形从而为3对绕组供电。每一个绕组可以优选地并联连接，而不是串联连接，以减少绕组对的串联电阻。绕组和电流可以被定时，使得每个定子极具有与其另一个对相同的定向。这意味着，每一个定子极对的内尖端可以具有相同的磁场极性，例如北、南或中性。在其中针对每一个绕组相同地缠绕各线圈的实施例中，每一个相位对可以如图5所示并联连接。
[0053]马达控制器的关键功能可以包含:(I)根据所需的旋转方向同步切换极性方向；
(2)保持每一个绕组对的相位分离；(3)保持所施加的频率并且基于所需马达转速中的变化以可接受的速率提升或降低用于马达的频率；以及⑷保持到绕组的电力电平以优化用于所需转速的扭矩传送。这些功能中的每一个可以通过改变供应到绕组对上的电流或电压或电流和电压二者，和/或改变每一个波形的占空比来实现。替代地或此外，可以采用启动电容器以辅助马达进行转速提升。这些电容器通常在马达速度达到其额定速度的约75%时通过马达控制器断开。
[0054]应注意，在一些实施例中，控制器可以简单地改变任意两个信道(A和B、B和C、或C和A)的相位以改变转子的旋转方向，同时仍能够向钻头输出相同量的扭矩和功率。这可以是显著优于传统的PDM马达的改良之处，传统的PDM马达只能在一个方向上旋转。向后旋转的能力可以具有很多的优点，例如，有助于不被卡住，解开旋转连接以将卡住的夹板留在孔中并释放BHA，激活一些其它的机械机构，使用指向相反方向的钻头割刀在相反的方向上钻探，或通过在相反的方向上使钻头加压来延长的牙轮钻头的使用寿命。
[0055]马达控制器可以通过方波或正弦的方式或其它循环波形的方法(例如，三角形或锯齿波形)来改变向每一个绕组对提供的功率。在某些实施例中，正弦波可以是优选的，因此它的功率最有效。此外，本领域的普通技术人员可以理解，使用每一个波形的变化的占空比以调整所传送的总平均功率。在某些实施例中，电子装置可以设计成具有固态开关，如调压器或中继器，从而改变电流从DC电源流过绕组的方向。
[0056]在一个实施例中，随时间变化的信号可以被模拟成使用相反极性的方波电脉冲哨合绕组。通过调整每一个方波的相位和占空比，可以分别改变由马达的每次旋转所消耗的平均功率。此类方法可以使用基于半导体的开关来实现，例如硅控整流器(SCR)、闸流晶体管或其它形式的切换装置。其它方法可以包含用于改变施加到马达绕组上的功率的变压器。此类变压器可以包括调压器、升压或降压或多抽头变压器。图6绘示了其中通过控制器触发和闭合开关以改变施加到每一个绕组对上的功率的极性以及占空比的布置。在马达控制器的微处理器中的计时器可以保持所有3个信道的脉冲宽度和相位，并且按需要提升或降低整体频率。在图6中描绘的布置还可以复制用于另外2个绕组对。马达控制器可以从地面接收命令，或者理想的是，从管理马达的所有其它功能的具有存储器的本地处理器接收命令。在存储器中的指令和或控制参数还可以通过下行链路通信信道编程，而必要时马达仍在井下。
[0057]马达驱动装置可以是小功率放大器开关，用以引起足够的功率以接通和闭合半导体开关，并且还可以根据来自处理器的逻辑输出来接通或闭合。在处理器具有接通和闭合半导体开关的功率的某些实施例中，过程的数字输出或模拟输出可以直接连接到开关控制线上。实质上，过程在任一开关对之间切换以反转通过绕组对的电流，或者在相位获取和占空比时间合适时闭合两个开关对。
[0058]返回图1，理想的是，驱动轴磁体(180)可以具有非常高的磁场强度。合适类型的驱动轴磁体(180)可以包含钐钴磁体。在某些实施例中，可以在楔形的模具中制造驱动轴磁体(180)以匹配驱动轴(170)上的凹穴。在某些实施例中，可以通过将细颗粒散粉浇注到模具中，然后在模具中压制和烧结来制成驱动轴磁体(180)。在此过程期间可以施加弱磁场以在长钢条的整个厚度上将磁极对齐用于应用的最佳磁场定向。尽管磁体的形状可以是半楔形的，但可以使用替代的形状，例如矩形、三角形等，或只是几何形状的任何变化形式。但理想的是，优选方法是在轴中产生固位底切以在轴上保留磁体并且烧结粉末，从而在产生磁体期间实质上将磁体联接到轴上。一旦设置了驱动轴磁体(180)，如果烧结不到位，那么可以通过各种构件，例如固定带/套、螺钉槽或其它紧固件将驱动轴磁体(180)紧固到驱动轴(170)中。
[0059]对于四极转子的实例，驱动轴磁体(180)的极性可以交替为北极(N)朝外，然后下一磁体经极化或定向为南极(S)朝外，然后再次北极并且最后南极。本领域的普通技术人员将认识到，绕组和磁铁的数量可以倍增，例如12个定子极和8个转子磁体或者三个定子极和两个转子磁体。这些变化将取决于许多因素，但是此布置对于目前面临的工作有益，能权衡对于更平稳的扭矩传送的可靠性同时确保为马达设计维持所需的峰值扭矩。
[0060]现参照图7a和7b，图7a和7b示出了图1的上部部分的放大图。在某些实施例中，分流器(210)可以优选地由电绝缘材料(例如，陶瓷)制成。陶瓷在返回地面的流动路径上提供了对从环形空间流向内管的内孔的流沙、钻屑、废物和其它固体的良好抗侵蚀性能。由如卡博陶粒(Carboceramics)等公司制造的陶瓷具有若干适用的材料以及模制技术,从而能用陶瓷材料很好地制作此类型的分流器产品。在某些实施例中，分流器(210)可以是分流环。在某些实施例中，只要内管与用于分流器的任何传导性材料绝缘，分流环并不必须是陶瓷。替代地，分流环还可以由其它非传导性材料制成。密封件(320)可以定位在分流器(210)的顶部和底部上以防止在内管(110)与外管(120)之间的环状流渗漏到内管(110)的中心中。如上所述，环状流可以从地面落下且穿过分流器(210)中的肾形槽，并且向前向下穿过到马达区域且最终到达钻柱的端部。在某些实施例中，分流器(210)可用键固定到内管(110)和外管(120)上，因此它可以根据内管(110)和外管(120)中的孔保持定向并且防止意外旋转。
[0061]图8描绘了在内管(110)与外管(120)之间的流量如何分流到内管(110)内管的内部中到管子(115)中的并不与内管(110)的另一部分连通的部分上。这使流量沿管子(115)部分的中心向下分流到BHA上并且流出钻头。在一些实施例中，内管(110)可以在除了现在的区域(116)之外的所有位置具有电绝缘涂层。在此区域(116)中，存在具有内管(110)的暴露金属部分并且配合使用电子装置插入件(340)以便于向电动马达控制器(190)传递电力的较短的一部分。电子装置插入件(340)在除暴露部分以外可以使用涂层电绝缘。缠绕传导线的弹簧(350)可以用来促成在密封的湿接区域(330)中的连接。电子装置插入件(340)可以具有两个接地线(360)，一旦电流已经穿过各种电子装置和马达组件即使电气路径返回到外管(120)上。虽然未示出，但是在电子装置插入件(340)的凸缘端可以具有取向销钉和额外的销钉以针对所述插入件可能经受的任何扭转力支撑所述插入件，或者具有其它机械保持装置以防止旋转。存在将功率从内管(110)引导到电动马达控制器(190)上的若干其它装置，然而，本文中的此方法视为示例性的，示例可以如何进行分流的方式。接地线(360)的接地连接可以与泥浆隔离以确保连接器不会被腐蚀性的泥浆条件损坏。现在泥浆可以在电子装置插入件(340)的中心下方以及在马达外罩的外部上方流动。
[0062]图9描绘了电子装置插入件(340)。如上所述，电子装置插入件(340)可以容纳处理器和功率控制电子装置(370)以控制电动马达。通过密封的挡墙接口(380)的线(375)向外导向至定子绕组以及传感器(385)下方。
[0063]图10绘示了许多元件，但是基本上是初级马达绕组和驱动轴区域。在顶部处，可以优选地定位可以兼作径向轴承并且在其中具有小间隔流动路径以允许泥流通过的高压限流器(230)。所述高压限流器通常由具有良好的抗侵蚀性能的材料制成，例如碳化钨或钴基材料，如钨铬钴合金。此组合的其它变型是可能的，但是本文中的主要目的是允许一些泥浆渗漏到驱动轴(170)的外侧中以平衡绕组区域(175)的压力，并且允许流浆通过绕组以保持绕阻冷却。如图10中所描绘，可以存在两部分的定子绕组(140)，但是单个绕组部分或多个绕组部分可以用以优化所需的扭矩。
[0064]在某些实施例中，霍尔效应开关(190)可以嵌入在绕组托架中，以通过观察小磁体(191)或者转子磁体在轴上的相对位置来监测轴位置和转速。霍尔效应开关或其它类型的转速传感器的信号输出被回送到马达控制电子装置上，在那里处理器可以根据传感器反馈自动地测量并且调整马达的速度。在绕组托架中还可以包含其它类型的位置传感器，例如近接传感器。通过在轴旋转时监测轴的位置，人们可以更好地优化向马达的扭矩传送，并且留意如果因钻探形成的钻头反作用力的扭矩超出失速点使马达停止或震颤而可能出现的极滑动(这可能意味着一个绕组以不均匀的方式施加了比另一绕组多的扭矩)，并且因此调整绕组施加的扭矩输出以获得尽可能均匀的扭矩输出。在某些实施例中，温度传感器还可以嵌入在托架中或者邻接于绕组。优选地，用于每一个绕组的至少一个温度传感器可以用来监测马达温度。此外，在某些实施例中，可以在高压限流器(230)的上方(192A)和下方(192B)在托架中安装压力传感器，以监测限流器的性能并确保不存在洗掉或堵塞，并且确认泥浆泵的确接通从而确保马达的冷却。
[0065]在两个绕组部分与驱动轴绕组部分之间，定位可以通过泥浆润滑的任选径向轴承支架(380)。还可以使用弹性的船用轴承、滚柱轴承、滚珠轴承、轴颈轴承或其它轴承样式。定子绕组托架具有花键槽(194)以匹配马达外罩花键从而防止绕组托架旋转。
[0066]现参照图11，图11图示了用以允许驱动轴(170)的在井底旋转和离井底旋转并且在底部处具有径向轴承支架(380)的轴向负载轴承组配置。驱动轴(170)可以具有销端连接(300)或箱体连接。可能有此井下电动马达的其它变化形式。例如，驱动轴(170)可以被分成两部分，其中扭力杆或通用联接件通过可调整的或固定的弯曲外罩连接两个轴。轴承组可以存在于弯曲外罩的上方或下方，或甚至在马达部分上方。可调整的弯曲外罩可以在地面或井下可调整，意指它可以在从工具的轴线到至少一个角位，并且通常到多个不同的角位的方向上调整驱动轴的下端部的倾斜角。优选地，推力轴承(390)可以存在于任何弯曲子组件上方。
[0067]在某些实施例中，电动马达可以具有便于通过钻探管与地面联接、通信和连续输电的接口模块。可以从地面通信装置来控制电动马达并且响应于地面通信装置来控制电动马达。电动马达可以具有可变转速和扭矩能力。可以利用齿轮减速或行星齿轮结合可变转速的电动马达以便于所需的速度和扭矩输出。
[0068]电动马达可以是底部钻具组件的模块化组件或单独地使用。电动马达可以用以在存在或不存在如通常由地面设备所提供的钻柱旋转的情况下放大或铰大钻井孔。电动马达可以具有多个配置以便于适应所需的岩石切削/破坏机构。这些配置可以包含激光钻孔或激光钻头辅助装置(例如由辛哈(Sinha)等人在SPE/IADC 102017中所描述的)、在固定的刀头上的多晶金刚石复合片(roc)切削结构、牙轮钻头、脉冲式电动凿岩设备(如由泰特拉(Tetra)在US 2010/000790中描述的一种)或其它岩石破坏装置。事实上，用以供电的功率的存在以及电动马达自身自然地适合于能够供应必要的功率以驱动用于钻探或钻头辅助装置的激光器。
[0069]用于切削组件的旋转可以由从地面设备所提供的钻柱的旋转或者以下中的任一者来提供:装配到单独的旋转切削组件或一体式组件上的模块化马达组件，其中用于切削组件的旋转可以通过装配在单一组件中的一个马达组件或多个马达组件来提供。切削组件上的切削结构可以具有由独立的电动马达控制斜道或活塞驱动的切削深度(最终直径)。当不需要切削旋转时，切削组件的切削结构可以缩回并且模块化马达组件可以被命令停止并且必要时旋转的能力可以被锁定。铰孔可以通过允许个别圆柱形的铰孔切削组件具有功率以绕其自身的心轴旋转来进行优化。
[0070]现参照图12A到12F，图12A到12F描绘了根据本发明的某些实施例的叠放的各种可转向BHA。
[0071]在一个实施例中，叠放的可转向BHA可以根据图12A进行配置。在此情形中，常规BHA通过电动马达旋转，最终驱动可旋转转向工具的轴。在其它实施例中，电动马达可以装有直达马达遥测系统，所述系统通过滑环或例如两个线圈或两个金属圈(torr1d)的电感耦合器的使用将通信从非旋转定子跳转到驱动轴上。此类技术在第2010/0224356号美国专利申请公开案和第6，392，561号美国专利中进行了描述。存在其它的短跳遥测技术并且为所属领域的技术人员所已知。
[0072]在一个实施例中，叠放的可旋转转向BHA可以根据图12B进行配置。在此实施例中，MWD/LWD可以在电动马达上方向上移动。传感器可以安放在外盖中而非插入其中，这意指从工具的侧面附接传感器而不是将传感器插入到工具的端部中，并且将传感器滑动到位并且按需要通过保护盖或保护套遮盖。钻柱的中心孔维持中心管用于管理回流。以此方式，MWD支撑在其界限内的两个流动路径(向上和向下)。MWD/LWD传感器经布置以准许通过各种方式的流动，例如维持两个内部流动路径作为两个同心管，并且将MWD/LWD组件安放在至这些流动路径的外部径向位置中，如图12f中所示出。替代地，分流器子件可以放置在MWD上方，随后电动马达允许使用常规MWD，然而，需要用于将电力连接到下部马达上的装置，并且将需要电缆或其它绝缘导体从上部分流器组件开始，通过MWD/LWD部分到达在电动马达顶部的功率输入部分。
[0073]在一个实施例中，叠放的可旋转转向BHA可以根据图12C进行配置。在此实施例中，电动马达可以具有附接到其上的弯曲外罩组件，使用内部联接或扭力杆以促成从上轴到下轴的传递或扭矩。由于可自马达获得大量扭矩，因此此类型的设置提供了优于PDM设计的许多优点。如前面所讨论的，轴向轴承可以定位在弯曲子件的上方或下方。然而，为了缩短弯曲部分到钻头的距离，优选的是将轴向轴承安放在弯曲子件的上方。弯曲子件可以是固定的、可调整的或者井下可调整的。
[0074]在一个实施例中，叠放的可转向BHA可以根据图12D进行配置。在此实施例中，电动马达可以向下方的铰刀或扩孔器提供动力并且驱动转子可转向组件。在此情况下，两个切削结构均通过电动马达来旋转。
[0075]在一个实施例中，叠放的可旋转转向BHA可以根据图12E进行配置。此配置允许采用常规MWD/LWD，并且任选的液压马达视情况可插入在MWD/LWD下方以利用额外的功率来驱动钻头。可以在此类配置中采用此类双重使用来自地面的电力以及液力以产生扭矩，从而针对给定的可用功率最大限度地提高到钻头的扭矩。
[0076]在一个实施例中，叠放的可旋转转向BHA可以根据图12F进行配置。图12e可以通过作为又一实例将MWD/LWD定位在分流器上方来进行改良。
[0077]通过简单地来回移动这些模块并且根据对液力、电力和通信要求的需求使这些模块互连，根据本发明可显而易见其它配置。
[0078]本发明因此特别适于实现目的并且达到所提及的目标，以及那些其中固有的目标。尽管已经参考本发明的实例描绘并且描述了本发明并且进行了定义，但是此类参考并不意指对本发明的限制，也不能推断此类限制。受益于本发明的所属领域的一般技术人员将明了，本发明能够在形式和功能上进行大量修改、更改以及制得等效物。所描绘以及描述的实例并不穷尽本发明。因此，本发明既定仅通过所附权利要求书的精神和范围来限定，提供所有方面中的等效物的全面认识。
【权利要求】
1.一种管套管电动马达组件，包括:钻柱，所述钻柱包括内管和外管；以及电动马达，其中为所述电动马达提供的动力是通过至少充当导体的所述内管和所述外管供应的。
2.根据权利要求1所述的管套管电动马达组件，其中所述内管或所述外管中的至少一者用绝缘材料涂布。
3.根据权利要求2所述的管套管电动马达组件，其中所述绝缘材料包括介电材料。
4.根据权利要求3所述的管套管电动马达组件，其中所述介电材料包括从由以下各者组成的群组中选出的至少一种材料:聚酰亚胺、高强度韧化含氟聚合物、尼龙、特氟隆，以及陶瓷涂层。
5.根据权利要求1所述的管套管电动马达组件，其进一步包括驱动轴。
6.根据权利要求5所述的管套管电动马达组件，其中所述驱动轴包括驱动轴磁体。
7.根据权利要求1所述的管套管电动马达组件，其中所述电动马达联接到钻头。
8.一种向电动马达提供动力的方法，包括: 提供管套管电动马达组件，所述组件包括:钻柱，所述钻柱包括内管和外管；以及电动马达，其中为所述电动马达提供的动力是通过至少充当导体的所述内管和所述外管供应的，以及 向所述电动马达提供动力。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述内管或所述外管中的至少一者用绝缘材料涂布。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述绝缘材料包括介电材料。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述介电材料包括从由以下各者组成的群组中选出的至少一种材料:聚酰亚胺、高强度韧化含氟聚合物、尼龙、特氟隆，以及陶瓷涂层。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述管套管电动马达组件进一步包括驱动轴。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述驱动轴包括驱动轴磁体。
14.根据权利要求8所述的方法，其中所述电动马达联接到钻头。
15.—种在地层中钻探钻井孔的方法，包括: 提供管套管电动马达组件，所述组件包括:钻柱，所述钻柱包括内管和外管；电动马达；以及钻头，其中为所述电动马达提供的动力是通过至少充当导体的所述内管和所述外管供应的； 向所述电动马达提供动力以产生旋转动力；以及 将所述旋转动力施加到所述钻头。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述内管或所述外管中的至少一者用绝缘材料涂布。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述绝缘材料包括介电材料。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述介电材料包括从由以下各者组成的群组中选出的至少一种材料:聚酰亚胺、高强度韧化含氟聚合物、尼龙、特氟隆，以及陶瓷涂层。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述管套管电动马达组件进一步包括驱动轴。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述驱动轴包括驱动轴磁体。
【文档编号】E21B17/02GK104160107SQ201280071300
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2012年1月11日 优先权日:2012年1月11日
【发明者】R·T·海, K·E·霍尔茨曼 申请人:哈里伯顿能源服务公司