用于阻流阀的致动器的制作方法

相关申请信息

本申请要求2015年6月16日提交的美国临时申请62/180,411的权益，所述申请由此以引用的方式并入。

本公开大体涉及地下钻孔。更具体地说，本公开涉及用于控制地下钻孔内的流体的工作压力的系统。

背景技术：

钻井是在地面中钻出钻孔以用于提取例如天然气或石油等自然资源的过程。在钻井过程期间，来自表面的通常被称为“钻泥”的流体被抽汲到井中以在钻孔内维持所期望的压力。所期望的压力应充分地高以阻止非想要的材料浸入到钻孔中，而不是高到致使钻孔的壁破裂。

用于维持所期望压力的一个方法是通过被称作控压钻井(managedpressuredrilling，mpd)的钻井过程。mpd的目标是确定井下压力环境限度并相应地管理年度液压剖面。在mpd期间利用阻流阀以控制压力。

具体地说，当遭遇地下空隙或裂缝时，钻泥将自然地从钻孔漏出以填充裂缝。在一些状况下，漏出到裂缝中的钻泥将致使在裂缝内最初截获的气体被上抬穿过钻孔，由此在钻孔中引起压力尖峰或跳动。未能充分地控制这些跳动可引起井的爆裂。

阻流阀已在传统上由气压致动系统、液压致动系统和由常规有刷电动机驱动的电动阀系统操作。但是，这些系统中的每一个具有缺点，在钻井的苛刻环境中尤其如此。

气压致动系统大体上易于维护，但是它们具有一些局限性。具体地说，气压致动阀在处于静止状态下时比在阀在运动中下时需要更多移位力。这个特点通常被称为“滞滑”。为了克服滞滑，气压致动系统累积余压，一旦阀在运动中，那么余压可产生快速移动。所得过冲可延迟或阻止实现所期望的阀设定点。

空气质量和温度也可不利地影响气压致动系统的性能。糟糕的空气质量可致使气压致动阀低于其最佳性能和效率而操作，这可引起过早的组件故障。此外，在冻结温度下，控制阀、致动器、空气管线和控制器可能卡住，这可使整个系统不能工作。

液压致动的系统可不大可能受糟糕的空气质量影响，但可仍受温度负面地影响。举例来说，零下的温度可提高粘度，从而使制造液压油难以穿过系统。在高温下，液压油的粘度可减小，由此使得液压油流经更小的开口，从而需要更多流动并因此需要更多功率。液压致动系统也已知需要高维护度以确保恰当的性能。

具有有刷电动机的电阀系统相比于传统的流体驱动系统提供一些改善；但是，这些系统也具有其局限性。具体地说，通电和断电以停止并开始运动的频繁循环可致使刷子磨损，这可最终引起系统故障。

此外，气压、液压和常规有刷电动机驱动的致动器共同的缺点是它们大体上全部是由若干组件组成。因此，这些传统系统向钻井系统添加了体积和复杂度。此外，当致动器未能适当地操作时，用户必须识别哪些组件已发生故障，由此在维护期间增大钻井系统停机的时间量。

因此，在行业中需要克服由传统气压、液压和常规有刷电动机驱动的致动器呈现的缺点的用于阻流阀的改善型致动器。此外，在行业中需要不具有周边组件且可易于替换的用于阻流阀的致动器，由此减少给定的钻井系统停机以用于维护的时间量。

技术实现要素：

本公开的实施例满足行业对于用于井系统阻流阀的改善型致动器的需要，所述致动器节约成本，易于维护，且不受糟糕的空气质量或极端温度显著地影响，且不由于通电和断电的循环而经受快速磨损。部分地说，这通过采用无刷伺服电动机来得以实现。

不同于通过电枢传递电流的有刷电动机，无刷伺服电动机使用永久磁体转子和绕线定子。由于没有刷与所述电动机接触，因此机械或电气崩溃是罕见的。此外，无刷伺服电动机的操作并不会受糟糕的空气质量或对于钻井环境常见的极端温度显著影响。

无刷伺服电动机致动系统还具有比传统致动器系统，尤其是传统气压和液压系统实现更精确的控制的益处。本公开的实施例大体上包含来自所述转子的某种形式的连续位置反馈以维持恰当的定相和功能，恰当的定相和功能又实现阻流阀致动的高分辨率、准确性和可重复性。此外，固态电子装置和系统调谐使得本公开的实施例能够在毫秒内作出响应以执行运动命令。

为了在电力损耗的情况下防止失控或续流，本公开的实施例能够包含以机械方式偏置到接合、断裂位置的制动器，所述制动器能够在施加电力时选择性地移位到脱离接合、非断裂位置。在电力损耗期间，所述阻流阀的致动能够通过越控机制实现，越控机制能够使得操作者能够手动地打开、关闭或以其它方式调整所述阻流阀的位置。

本公开的实施例进一步满足行业对于用于井系统阻流阀的不包含周边组件的改善型致动器的需要，使得所述致动器能够相对易于安装和/或移除，由此降低所述钻井系统停机以维护所述致动器的时间量。部分地说，这通过紧密型设计得以实现，在紧密型设计中许多所述组件是中空和/或管状的，以使得所述组件能够沿着共同纵向轴线对准。举例来说，在一个实施例中，所述致动系统的某些组件能够界定大小设定为准许被其它组件的部分通过的中空型芯，以使得所述两个组件能够出于沿着所述纵向轴线降低所述致动单元的总长度的目的而有时嵌套在一起。

不同于传统气压和液压系统，本公开的实施例不需要增压流体供应。因此，能够去除对于这些系统共同的周边组件，例如流体增压动力单元、流动控制阀、过滤器、储能器、液压缸和压力计，由此降低所述致动系统的整体大小和复杂度。此外，使无刷伺服电动机与齿轮减振器和行星辊子开关轴向地对准使得本公开的实施例能够适配于单个紧密型外壳内，由此简化所述致动器总成的安装和移除以减少所述井系统的维护停机时间。

本公开的一个实施例提供一种紧密型轴向对准的无刷伺服电动机致动单元，所述致动单元配置成操控阻流阀以在控压钻井期间控制钻孔内的压力。所述致动单元能够包含管状外壳、无刷伺服电动机、齿轮减速总成和行星辊子开关。所述管状外壳能够具有纵向轴线。无刷伺服电动机能够包含转子轴并能够定位于所述管状外壳内使得所述转子轴的轴线与所述管状外壳的所述纵向轴线大体上对准。所述齿轮减速总成定位于所述管状外壳内且以可操作方式耦接到所述无刷伺服电动机的所述转子轴。所述齿轮减速总成能够配置成减少所述无刷伺服电动机转子轴的旋转输出。所述行星辊子开关能够具有辊子螺帽和辊子螺钉。所述辊子螺帽能够以可操作方式耦接到所述齿轮减速总成，使得所述辊子螺帽的旋转影响所述辊子螺钉相对于所述辊子螺帽的致动。所述行星辊子开关能够定位于所述管状外壳内使得所述辊子螺钉的轴线与所述管状外壳的所述纵向轴线大体上对准。所述齿轮减速总成能够界定大小设定为出于沿着所述纵向轴线降低所述致动单元的总长度的目的而准许被所述辊子螺钉的部分通过的中空型芯。

在一个实施例中，所述致动单元进一步包含在没有电力供应给所述致动单元时以可操作方式耦接到所述无刷伺服电动机转子轴且以机械方式偏置到接合、断裂位置的制动器总成。在一个实施例中，所述致动单元进一步包含在没有电力供应给所述致动单元时以可操作方式耦接到所述转子轴且配置成实现对所述辊子螺钉的操控的手动越控件。

在一个实施例中，所述致动单元进一步包含以可操作方式耦接到所述转子轴且配置成维持对所述转子轴的恰当旋转控制的连续反馈控制系统。在一个实施例中，所述连续反馈控制系统能够出于缓解制造容限并减轻总成的目的而通过卡盘耦接件耦接到所述转子轴。在一个实施例中，所述行星辊子开关能够出于缓解制造容限并减轻总成的目的而通过多个传动销耦接到所述齿轮减速总成。

在一个实施例中，所述管状外壳能够包含配置成有助于所述致动单元的所述定位的钩。在一个实施例中，所述管状外壳能够包含配置成以可操作方式耦接到所述阻流阀的凸缘部分。在一个实施例中，所述管状外壳能够包含大小和形状被设定成适配于所述阻流阀的部分内的鼻形物。在一个实施例中，所述辊子螺钉能够包含抗旋转链轨支重轮，所述链轨支重轮配置成出于阻止所述辊子螺钉的旋转的目的而沿着界定于所述管状外壳的所述鼻形物内的凹槽滑动。

本公开的另一实施例提供一种具有紧密型设计的自含无刷伺服电动机致动系统，所述紧密型设计配置成出于在耦接期间减少控压钻井系统的维护停机时间的目的而易于运输并定位以易于耦接到所述钻井系统的阻流阀。所述致动系统能够包含无刷伺服电动机、齿轮减速总成和行星辊子开关。所述无刷伺服电动机能够具有配置成维持对输出转子轴的恰当旋转控制的连续反馈控制系统。所述齿轮减速总成能够以可操作方式耦接到所述无刷伺服电动机并能够配置成减少所述输出转子轴的旋转输出。所述行星辊子开关能够以可操作方式耦接到所述齿轮减速总成并能够配置成通过辊子螺帽的旋转来将所述齿轮减速总成的旋转输出转变为辊子螺钉的线性致动。所述无刷伺服电动机、齿轮减速总成与行星辊子开关能够沿着纵向轴线大体上对准并能够容纳于管状外壳单元内。所述齿轮减速总成能够界定大小设定为出于沿着所述纵向轴线降低所述致动单元的总长度的目的而准许被所述辊子螺钉的部分通过的中空型芯。

在一个实施例中，所述致动系统包含在没有电力供应给所述致动系统时以可操作方式耦接到所述输出转子轴且以机械方式偏置到接合、断裂位置的制动器总成。在一个实施例中，所述致动系统包含在没有电力供应给所述致动系统时以可操作方式耦接到所述输出转子轴且配置成实现对所述辊子螺钉的操控的手动越控件。

在一个实施例中，所述连续反馈控制系统能够出于缓解制造容限并减轻总成的目的而通过卡盘耦接件耦接到所述输出转子轴。在一个实施例中，所述行星辊子开关能够出于缓解制造容限并减轻总成的目的而通过多个传动销耦接到所述齿轮减速总成。

在一个实施例中，所述管状外壳单元能够包含配置成有助于所述致动系统的所述定位的钩。在一个实施例中，所述管状外壳单元能够包含配置成以可操作方式耦接到所述阻流阀的凸缘部分。在一个实施例中，所述管状外壳单元能够包含大小和形状被设定成适配于所述阻流阀的部分内的鼻形物。在一个实施例中，致动推杆能够以可操作方式耦接到所述辊子螺钉且配置成与所述阻流阀接合。在一个实施例中，所述致动推杆能够包含抗旋转链轨支重轮，所述链轨支重轮配置成出于阻止所述致动推杆的旋转的目的而沿着界定于所述所述管状外壳单元内的凹槽滑动。

以上发明内容并不打算描述本公开的每个所说明实施例或每个实施方案。附图和之后的具体实施方式更具体地说例示了这些实施例。

附图说明

结合附图来考虑本公开的各种实施例的以下详细说明能够更充分地理解本公开，在附图中：

图1a是描绘根据本公开的实施例的无刷伺服电动机致动单元的透视图。

图1b是描绘图1a的无刷伺服电动机致动单元的平面视图。

图1c是描绘图1a的无刷伺服电动机致动单元的俯视图。

图1d是描绘图1a的无刷伺服电动机致动单元的远端视图。

图1e是描绘图1a的无刷伺服电动机致动单元的近端视图。

图2a是描绘根据本公开的实施例的以可操作方式耦接到阻流阀的无刷电动机致动单元的平面视图。

图2b是描绘图2a的无刷电动机激活单元和阻流阀的横截面图。

图3是描绘根据本公开的实施例的无刷伺服电动机致动单元的透视部分截面视图。

图4是描绘根据本公开的实施例的无刷伺服电动机致动单元的分解透视部分截面视图，其中电动机外壳、连续反馈控制系统与制动器总成外壳与齿轮减速总成与行星辊子开关外壳的纵向轴线大体上对准。

图5是描绘根据本公开的实施例的无刷伺服电动机致动单元的各种组件的互连的分解透视图。

图6是描绘根据本公开的实施例的无刷伺服电动机致动单元的辊子螺钉、致动推杆、鼻形物、支撑轴承和刮擦的分解透视图。

图7是描绘根据本公开的实施例的无刷伺服电动机致动单元的转子、编码器轴和卡盘耦接件的分解透视图。

虽然本公开的实施例容许各种修改和替代形式，但其细节通过举例的方式在附图中展示并且将进行详细描述。但是，应理解，并不打算将本公开限制于所描述特定实施例。相反地，希望涵盖属于如由所附权利要求书所界定的本公开的精神和范围内的所有修改、等效物和替代方案。

具体实施方式

参考图1a到e，描绘根据本公开的实施例的无刷伺服电动机致动系统或单元100的各种视图。在一个实施例中，致动单元100包含外壳102。外壳102可在形状上是大体上管状的，其具有沿着纵向轴线105定位的远端104和近端106。在一个实施例中，外壳102可由多个组件组成。举例来说，在一个实施例中，外壳102可包含后盖116、外壳147、外壳139、外壳168和前盖114。在一个实施例中，外壳102可包含配置成有助于输送和定位致动单元100的钩109。

如图2a到2b中所描绘，在一个实施例中，远端104可包含配置成以可操作方式耦接到控压钻井系统的阻流阀110的凸缘部分108。举例来说，凸缘部分108可通过多个紧固件耦接到阻流阀110，所述紧固件例如螺钉，至少部分地通过凸缘部分108中界定的多个孔径112紧固在适当的位置。

前盖114和后盖116可以可操作方式耦接到外壳102或包含为外壳102部分，由此罩盖外壳的末端以保护并含有含于其中的组件。在一个实施例中，后盖116中的前盖114可通过例如螺钉等多个紧固件耦接到外壳102。

在一个实施例中，前盖114可包含界定配置成支撑并准许致动推杆120的致动的孔径119的鼻部分118。在一些实施例中，鼻部分118可大小和形状经设定以与阻流阀110的部分适配或配合。

在一个实施例中，手动越控件出入顶盖122可选择性地耦接到后盖116。举例来说，在一个实施例中，手动越控件出入顶盖122可以可螺接方式耦接到后盖116，由此将手动越控件出入顶盖122紧固到后盖116。当手动越控件出入顶盖122未从盖板116紧固时，系栓124可以可操作方式将手动越控件出入顶盖122耦接到后盖116。

在一个实施例中，以可操作方式耦接到含于外壳102内的电气组件的电气耦接件126可从外壳102延伸。

如图2a到7中所描绘，描绘根据本公开的实施例的无刷伺服电动机致动器单元100的各种横截面图和/或分解视图。在一个实施例中，致动器单元包含无刷伺服电动机128、齿轮减速总成130和行星辊子开关132。

无刷伺服电动机128可包含由多个永久磁体136至少部分地包围的转子134。转子134可配置成在定子138内且相对于定子138围绕旋转轴线旋转。定子138可包含多个电气绕组，电气绕组可配置成在电力(例如电流)通过电气绕组时产生磁场。在一个实施例中，引线141可与电气绕组电通信并可延伸到外壳102的外部。永久磁体136与定子138的磁场之间的磁力的交互可致使转子134相对于定子138旋转。轴140可以可操作方式耦接到转子134，并可配置成作为无刷伺服电动机128的机械输出耦接到其它组件。

在一个实施例中，电动机128可含于外壳139内，使得定子138相对于外壳139固定在适当位置。外壳139可在形状上是大体上圆柱形的，其具有沿着纵向轴线137定位的远端141和近端143。

电动机128可进一步包含配置成维持电动机128的恰当定相和函数的连续反馈控制系统142，由此使得能够精确地控制并连续地监测电动机128的位置、速度和扭矩。在一个实施例中，连续反馈控制系统142包含配置成提供转子134相对于定子138的位置反馈的编码器144。在一个实施例中，编码器144可至少部分地包围编码器轴145，编码器轴145可以可操作方式耦接到转子134且由一个或多个滚珠轴承支撑件支撑。源自连续反馈控制系统142和/或编码器144的一个或多个电气连接件126可延伸到外壳102的外部。

在一个实施例中，连续反馈控制系统142使得电动机128能够自动地补偿对转子134施加的变化性条件。举例来说，连续反馈控制系统142可通过由编码器144提供的位置反馈实现对速度和扭矩的监测，这可又用以调整到电动机128的功率输入以补偿可在阻流阀中的压力波动、堵塞或污染期间经历的增大的力要求。

在一个实施例中，电动机128可以介于2,000与6,000rpm之间的旋转速度操作。在一个实施例中，电动机128以大约4,000rpm的旋转速度操作。

在一个实施例中，制动器总成146可以可操作方式耦接到转子134或编码器轴145。制动器总成146可以机械方式偏置到接合、断裂位置，由此在到致动单元100的电能断开或中断时阻止转子134或编码器轴145的旋转。举例来说，在一个实施例中，制动器总成146通过弹簧偏置到接合、断裂位置。可在电能提供给制动器总成146时克服制动器总成146的机械偏置，由此使制动器总成146移位到脱离接合、非断裂位置，由此制动器总成146对转子134和编码器轴145的旋转提供最小阻力。因此，制动器总成146是添加的安全预防措施以在电能损耗或不正常的情况下阻止致动单元100和附接的阻流阀110的无意或非想要移动。

在一个实施例中，反馈控制系统142和制动器总成146可含于外壳147中。外壳147可在形状上是大体上圆柱形的，其具有沿着纵向轴线154定位的远端150和近端152。在一个实施例中，外壳147的远端150可以可操作方式耦接到电动机128的外壳139的近端143，使得两个纵向轴线154、137大体上对准。

如图7中所描绘，在一个实施例中，编码器轴145可通过兼容卡盘耦接件156耦接到转子134。兼容卡盘耦接件156可配置成补偿由于制造容限的共轴组件的未对准，以及打通致动单元100的总成。

在一个实施例中，编码器轴145或转子134的部分可延伸到外壳102的近端106之外，由此使得用户能够在电能不正常或中断的情况下手动地越控致动单元100的操作。编码器轴145或转子134的从外壳102延伸的部分可被称作手动越控件148。手动越控件148可由手动越控件出入顶盖122选择性地覆盖。

电能的此不正常或中断可在钻井操作期间发生，且控制致动单元100的能力可以是所必要的，以防止井、钻井设备损坏和/或工人受伤。因此，用户可使手动越控件出入顶盖122从后盖116解耦以暴露手动越控件148。例如扳手等工具可耦接到手动越控件148，使得使手动越控件148的旋转可引起对致动单元100的操控。

齿轮减速总成130大体上包括耦接于电动机128与行星辊子开关132之间的多个齿轮。在一个实施例中，齿轮减速总成130配置成行星齿轮总成。齿轮可大小设定为且被选择以提供电动机128的输出的旋转速度的所期望减小。电动机128与行星辊子开关132之间的大的齿轮减速在钻井操作期间阻止由于由阻流阀110经历的高压的电动机128的后向驱动。举例来说，用于本公开的实施例的合适的齿轮比可范围介于30:1与60:1之间。在一个实施例中，齿轮比是大约50:1。在一个实施例中，齿轮减速总成130的输出是配置成驱动行星辊子开关132的驱动环158。

行星辊子开关132大体上包含辊子螺帽160和辊子螺钉162。辊子螺帽160可固定地耦接到辊子螺帽外壳164，辊子螺帽外壳164又可以可操作方式耦接到齿轮减速总成130的输出。举例来说，在一个实施例中，辊子螺帽外壳164可通过多个传动销166耦接到齿轮减速总成130的输出。在此实施例中，传动销166实现辊子螺帽外壳164与齿轮减速总成130之间的轴向一致，同时实现扭矩的传递。

在一个实施例中，齿轮减速总成130和辊子螺帽外壳164(以及行星辊子开关132的其它部分)可含于外壳168中。外壳168可在形状上是大体上圆柱形的，其具有沿着纵向轴线178定位的远端174和近端176。在一个实施例中，外壳168的近端176可以可操作方式耦接到电动机128的外壳139的近端143，使得两个纵向轴线137、178大体上对准。

辊子螺帽外壳164可以是可相对于外壳168旋转的，以实现对行星辊子开关132的致动。在一个实施例中，滚珠轴承支撑件170定位于外壳168与辊子螺帽外壳164之间，以容易使辊子螺帽外壳164相对于外壳168旋转。辊子螺帽外壳保持器螺帽172可经定位以阻止辊子螺帽外壳164相对于外壳168的轴向移动。

辊子螺帽160的旋转可致使辊子螺钉162在其之间的所有位置中在完全延伸位置、完全缩回位置之间的相对于辊子螺帽160轴向地移位。用于辊子螺钉162的额外支撑件可由轴承支撑件180提供。

在一个实施例中，致动推杆120以可操作方式耦接到辊子螺钉162。在其它实施例中，辊子螺钉162包括致动推杆120。致动推杆120可包含配置成用于附接到阻流阀110的远端182。如图6中所描绘，且一个实施例，致动推杆120可包含抗旋转链轨支重轮184。抗旋转链轨支重轮184可配置成沿着孔径119内界定的凹槽186滑动，由此阻止致动推杆120相对于前盖114和外壳102旋转。用于致动推杆120的支撑件可部分地由轴承支撑件180提供。此外，配置成阻止润滑剂泄漏出外壳102的刮擦190可定位成邻近于轴承支撑件188以及软管118的远端。

为了促进组件沿着共同纵向轴线对准的更紧密型的设计，齿轮减速总成130可界定大小设定为准许被辊子螺钉162的部分通过的中空型芯192。因此，中空型芯192使得致动单元100的总长度能够沿着纵向轴线按大小减小若干英寸，由此提供可更简单地处置的更紧密的致动单元100。

相关领域中的普通技术人员将认识到，实施例可包括比上述任何个别实施例中所说明的特征少的特征。本文中所描述的实施例不打算作为各种特征的组合方式的穷尽性呈现。因此，实施例并非特征的相互排斥的组合；相反地，实施例可以包括选自不同个别实施例的不同个别特征的组合，如所属领域的一般技术人员所了解。此外，除非另外指出，否则关于一个实施例所述的元件可以在其它实施例中实施，即使在此类实施例中未描述。虽然权利要求书中的从属权利要求可以是指与一项或多项其它权利要求的特定组合，但是其它实施例还可以包含从属权利要求与每一项其它从属权利要求的主题的组合，或者一个或多个特征与其它从属或独立权利要求的组合。除非声明了不希望特定组合，否则本文中建议这类组合。另外，还希望包含任何其它独立权利要求中的权利要求的特征，即使这项权利要求不直接从属于独立权利要求。

此外，在说明书中对“一个实施例”、“实施例”或“一些实施例”的参考意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性包含于教示的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在说明书中的各处的出现不一定都指相同实施例。

上述文献的任何以引用方式的并入受到限制，使得与本文中的明确公开内容相反的主题不会被并入到本文中。上述文献的任何以引用方式的并入进一步受到限制，使得文献中所包含的权利要求不会以引用方式被并入本文中。上述文献的任何以引用方式的并入更进一步受到限制，使得文献中所提供的任何定义不会被以引用方式并入本文中，除非明确包含于本文中。

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