旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向系統(tǒng)的增強轉(zhuǎn)矩電動馬達驅(qū)動和控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】套管式電動馬達組件的示例實施方案包括鉆柱，所述鉆柱包括內(nèi)管、外管和電動馬達。所述電動馬達具有由至少充當(dāng)導(dǎo)體的所述內(nèi)管和所述外管所提供的動力。閂鎖機構(gòu)使所述鉆柱與電動馬達輸出軸連接。所述電動馬達輸出軸由所述電動馬達驅(qū)動。所述閂鎖機構(gòu)防止所述電動馬達輸出軸與所述鉆柱和相關(guān)方法相比更慢地旋轉(zhuǎn)。
【專利說明】
旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向系統(tǒng)的増強轉(zhuǎn)矩電動馬達驅(qū)動和控制系統(tǒng)
【背景技術(shù)】
[0001]本公開大體涉及鉆井和完井操作，并且更具體來說涉及使用電動馬達驅(qū)動鉆頭的系統(tǒng)和方法。
[0002]為了從地下巖層生產(chǎn)烴類(例如，石油、天然氣等)，可以鉆出井筒，這些井筒穿透地下巖層的包含烴類的部分。在傳統(tǒng)的鉆井系統(tǒng)中，經(jīng)由旋轉(zhuǎn)動力實現(xiàn)巖石破壞。可以通過使用旋轉(zhuǎn)臺或頂部驅(qū)動器在表面上旋轉(zhuǎn)鉆柱來向鉆頭提供這個旋轉(zhuǎn)動力。替代地，鉆頭可通過井下泥漿馬達獨立旋轉(zhuǎn)，而不考慮鉆柱旋轉(zhuǎn)。通過這些動力供應(yīng)模式，傳統(tǒng)的鉆頭(諸如三牙輪鉆頭、聚晶金剛石復(fù)合片(“PDC”)鉆頭和金剛石鉆頭)以不同的速度和轉(zhuǎn)矩進行操作。
[0003]當(dāng)使用泥漿馬達產(chǎn)生用于執(zhí)行鉆井操作的轉(zhuǎn)矩時，沿著鉆柱的液壓損失可以限制泥漿的所需流速。這進而可以減少可以應(yīng)用于泥漿馬達以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的液壓動力。這與鉆井系統(tǒng)(諸如Reelwell?)尤其相關(guān)，在這些鉆井系統(tǒng)中，流速降低至接近常規(guī)流速的30%。流速的急劇下降加上針對這一技術(shù)的較大的鉆井深度可能導(dǎo)致循環(huán)期間的流體摩擦變高并且因此需要較高的循環(huán)壓力。這樣一種系統(tǒng)可能會對超大位移井鉆井中的底部鉆具組件可用的液壓動力施加嚴格限制。
[0004]另外，通常需要對容積式馬達(PDM)的特殊改進以允許這些系統(tǒng)以較低流速操作。這些改進可以包括通過減少泥漿馬達的每階段部分的流體體積來降低泥漿馬達轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一次用于驅(qū)動動力部分所需的流體體積。在這些較低的流速下，渦輪馬達需要具有較緊密的輪葉結(jié)構(gòu)，其中在較小的輪葉上具有較高的葉片角和較高的流速以有效地操作。這可能導(dǎo)致對于給定的操作輸出轉(zhuǎn)矩來說，泥漿流出現(xiàn)較高的流阻和較大的腐蝕風(fēng)險。
【附圖說明】
[0005]通過部分地參考以下描述和附圖，可以理解本公開的一些特定示例實施方案。
[0006]圖1示出了根據(jù)本公開各方面的套管式電動BHA馬達的示例布局。
[0007]圖2示出了根據(jù)本公開各方面的電動馬達的轉(zhuǎn)子和定子的示例截面視圖。
[0008]圖3示出了根據(jù)本公開各方面的定子和轉(zhuǎn)子的截面切片。
[0009]圖4示出了根據(jù)本公開各方面的馬達電子器件的示例框圖。
[0010]圖5示出了根據(jù)本公開各方面的繞組對的示例框圖。
[0011 ]圖6示出了根據(jù)本公開各方面的示例電子器件示意圖。
[0012]圖7示出了根據(jù)本公開各方面的套管式系統(tǒng)內(nèi)的分流器的示例布局。
[0013]圖8示出了根據(jù)本公開各方面的套管式電動BHA馬達的示例布局。
[0014]圖9示出了根據(jù)本公開各方面的電子器件插件的示例布局。
[0015]圖10示出了根據(jù)本公開各方面的套管式電動BHA馬達的示例布局。
[0016]圖11示出了根據(jù)本公開各方面的示例軸承組布局。
[0017]圖12示出了根據(jù)本公開各方面的包括閂鎖機構(gòu)的套管式電動BHA馬達的示例布局。
[0018]圖13為根據(jù)本公開各方面的設(shè)置在驅(qū)動軸與軸承殼體之間的示例閂鎖機構(gòu)的截面。
[0019]圖14為根據(jù)本公開各方面的示例閂鎖機構(gòu)的展開視圖。
[0020]圖15A至15C為當(dāng)驅(qū)動軸與軸承殼體相比更快地旋轉(zhuǎn)時，連續(xù)階段的示例閂鎖機構(gòu)的展開視圖。
[0021]圖15D至15F為當(dāng)驅(qū)動軸與軸承殼體相比更慢地旋轉(zhuǎn)時，連續(xù)階段的示例閂鎖機構(gòu)的展開視圖。
[0022]圖18A至18F顯示了根據(jù)本公開各方面的各種旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向BHA層疊件。
[0023]盡管已經(jīng)顯示和描述并且通過參考本公開的示例性實施方案定義了本公開的實施方案，但此類參考并不意味著對本公開的限制，并且不應(yīng)推斷此類限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員以及受益于本公開的人員將想到，所公開的主題能夠在形式和功能上存在相當(dāng)多的修改、變更和等效形式。本公開所顯示和所描述的實施方案僅僅是一些示例，而且并未詳盡說明本公開的范圍。
【具體實施方式】
[0024]本公開大體涉及鉆井和完井操作，并且更具體來說涉及使用電動馬達驅(qū)動鉆頭的系統(tǒng)和方法。本公開各方面包括鉆井系統(tǒng)，該鉆井系統(tǒng)可以形成由不同于roM、輪葉或渦輪馬達的裝置所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)動力，其中需要液壓壓力以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力用于鉆出孔。
[0025]本文詳細描述了說明性實施方案。為了清楚起見，在本說明書中可能并未描述實際實現(xiàn)方式的所有特征。當(dāng)然，應(yīng)了解，在開發(fā)任何此類實際實施方案時，做出眾多實現(xiàn)方式特定的決定以實現(xiàn)特定實現(xiàn)方式目標，一個實現(xiàn)方式與另一實現(xiàn)方式的目標將不同。此夕卜，應(yīng)了解，此開發(fā)努力可能是復(fù)雜且耗時的，盡管如此，其對于受益于本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將為常規(guī)任務(wù)。
[0026]在一個實施方案中，本公開提供套管式電動馬達組件，該電動馬達組件包括鉆柱，該鉆柱包括內(nèi)管和外管以及電動馬達，其中電動馬達具有由至少充當(dāng)導(dǎo)體的內(nèi)管和外管所提供的動力。
[0027]在另一實施方案中，本公開提供向電動馬達提供動力的方法，該電動馬達包括套管式電動馬達組件，該套管式電動馬達組件包括鉆柱，該鉆柱包括內(nèi)管和外管以及電動馬達，其中電動馬達具有由內(nèi)管和外管所提供的動力，該內(nèi)管和外管至少充當(dāng)導(dǎo)體并且向電動馬達提供動力。
[0028]在另一實施方案中，本公開提供在地下巖層鉆出井筒的方法，該方法包括:提供套管式電動馬達組件，該套管式電動馬達組件包括鉆柱，該鉆柱包括內(nèi)管和外管；電動馬達；以及鉆頭，其中電動馬達具有由至少充當(dāng)導(dǎo)體的內(nèi)管和外管所提供的動力；向電動馬達提供動力以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動力；以及向鉆頭施加旋轉(zhuǎn)動力。
[0029]為了便于更好地理解本公開，給出某些實施方案的以下示例。絕不應(yīng)將以下示例解讀為限制或限定本公開的范圍。本公開的實施方案可適用于任何類型的地下地層中(諸如跨河應(yīng)用中)的水平井筒、垂直井筒、偏斜井筒或另外非線性井筒或施工鉆孔。實施方案可適用于注入井以及生產(chǎn)井，包括烴類井。
[°03°]如本文中使用的術(shù)語“親接(coup I e/coup I e s)”意圖指直接或間接連接。因此，如果第一裝置耦接到第二裝置，那么該連接可通過直接連接進行，或者通過經(jīng)由其它裝置和連接件的間接電連接進行。如本文所使用的術(shù)語“井上”意指沿著鉆柱或井孔從遠端朝向表面，并且如本文所使用的“井下”意指沿著鉆柱或井孔從表面朝向遠端。
[0031 ]應(yīng)理解，術(shù)語“石油鉆井設(shè)備”或“石油鉆井系統(tǒng)”并不意在將利用這些術(shù)語所描述的設(shè)備和過程限于用于鉆出石油井。這些術(shù)語大體還包括鉆出天然氣井或烴類井。另外，這樣的井可以用于針對從地下回收烴類或其它材料進行生產(chǎn)、監(jiān)視或注入。
[0032]圖1顯示了根據(jù)本公開的一個實施方案的套管式電動BHA馬達組件(100)的所有布局。如圖1所示，套管式電動BHA馬達組件(100)可以包括內(nèi)管(110)、外管(120)、工作管柱
(130)、電動馬達(135)、定子繞組(140)、外殼托架(150)、馬達殼體(160)、驅(qū)動軸(170)、驅(qū)動軸磁鐵(180)、電動馬達控制器(190)、電動馬達控制器殼體(200)、分流器(210)、鉆頭(220)和高壓限流器(230)。在某些實施方案中，可以在內(nèi)管(110)與外管(120)之間從表面沿著工作管柱(130)的長度傳輸電力，優(yōu)選直流電力。在某些實施方案中，可以將內(nèi)管(110)視為電力熱導(dǎo)體并且可以將外管(120)視為接地。從安全角度來說，使外管(120)保持接地可能非常重要，因為外管可以導(dǎo)電地連接到鉆機并且可能很難在鉆井環(huán)境中保持絕緣。
[0033]內(nèi)管(110)和外管(120)可以偏心也可以同心。在某些實施方案中，內(nèi)管(110)的外表面可以涂覆有絕緣材料以防止內(nèi)管(110)通過泥漿或與外管(120)的其它接觸點而短路。在其它實施方案中，外管(120)的內(nèi)表面可以涂覆有絕緣材料。絕緣材料的示例包括介電材料。介電材料的合適示例包括聚酰亞胺、GORE?高強度鋼化氟聚合物、尼龍、TEFLON?和陶瓷涂層。在某些實施方案中，僅在密封且被保護免于鉆井流體的區(qū)域中存在內(nèi)管(I 10)的裸金屬，該裸金屬是暴露的以沿著工作管柱(130)的長度電連接到內(nèi)管的下一個接合部。這些區(qū)域可以填充有空氣或非導(dǎo)電流體(像石油)或?qū)щ娏黧w(諸如水基鉆井流體)，只要不存在電流以短路方式從內(nèi)管連接到外管的通路。
[0034]在某些實施方案中，可以將定子繞組(140)以扇形楔方式安裝在外殼托架(150)內(nèi)。在某些實施方案中，可以將外殼托架(150)固定在馬達殼體(160)內(nèi)以防止托架相對于工作管柱(I 30)旋轉(zhuǎn)。
[0035]在某些實施方案中，驅(qū)動軸磁鐵(180)可以包括固定的永久磁鐵，這些永久磁鐵被安裝在驅(qū)動軸(170)上，其方式為支持從由定子繞組(140)所形成的不同磁極產(chǎn)生反轉(zhuǎn)矩。在某些實施方案中，電動馬達(135)可以包括六極馬達。存在極數(shù)的若干變化以及是否將磁鐵針對殼體耦接到驅(qū)動軸的決定以及其它形式的電動馬達(諸如具有機械換向器驅(qū)動繞組布置的直接驅(qū)動馬達和并不使用永磁鐵的籠型感應(yīng)馬達)。單相馬達借助于電容器可能形成偽第二相。
[0036]在某些實施方案中，可以將電動馬達控制器(190)定位在定子繞組(140)上方以控制電動馬達(135)各方面。電動馬達控制器(190)可以在這兩個方向上與表面通過由內(nèi)管(110)和外管(120)形成的兩個導(dǎo)體通路并且通過經(jīng)由電動馬達組件供應(yīng)到定位在馬達下方的至少一個模塊的一條或多條導(dǎo)線通信。該至少一個模塊可為井下工具，諸如LWD導(dǎo)向系統(tǒng)、MffD導(dǎo)向系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)式導(dǎo)向工具、液壓馬達、管下擴孔器、遙測接頭或鉆頭。
[0037]在某些實施方案中，可以將電動馬達控制器(190)封裝在壓力受控空腔內(nèi)以保護電子器件。電動馬達控制器(190)電子器件可以涂覆有陶瓷涂層以允許空腔填充有石油并且與環(huán)形區(qū)壓力平衡，從而實現(xiàn)以較薄的壁封裝電子器件。使空腔填充有石油并且與環(huán)形區(qū)壓力平衡的優(yōu)點在于電子器件空腔的壁厚保持為小得多的厚度，因為沒有必要遏制流體柱的整個壓力，從而使得存在更多的空間可供電子器件使用并且對由電子器件所產(chǎn)生的熱量更好地導(dǎo)熱以使其保持在可操作限制內(nèi)。
[0038]在某些實施方案中，可以將定子繞組(140)包封在陶瓷、橡膠或環(huán)氧樹脂類灌封件中。這允許對通常被歸入磁鐵導(dǎo)線上所發(fā)現(xiàn)的典型聚醚醚銅涂層的灌封區(qū)域進行額外的短路保護，該涂層隨后可以暴露于泥漿，泥漿的一部分通過該區(qū)域循環(huán)以使繞組和動力電子器件冷卻并且使泥漿軸承和徑向軸承沿驅(qū)動軸(170)潤滑。
[0039]在套管式電動BHA馬達組件(100)的操作中，泥漿可以沿著由內(nèi)管(110)和外管(120)形成的環(huán)形空間向下流動。可以使泥漿和鉆肩在內(nèi)管(110)內(nèi)返回到表面。然而，在電動馬達(135)的頂部附近，這流動狀態(tài)可能略有變化。分流器(210)(其與外鉆桿電絕緣并且優(yōu)選由陶瓷或金屬與涂覆在外表面上的介電絕緣涂層制成)允許泥漿和鉆肩從由內(nèi)管(110)和外管(120)形成的環(huán)形區(qū)進入內(nèi)管，同時使流動的泥漿向下通過分流器(210)中的腎形槽。在低于這一點處，可以使向下流動的泥漿分流進入中心鉆孔，在該中心鉆孔中，該向下流動的泥漿通過內(nèi)管(110)與電動馬達(135)的電連接件進入馬達殼體(160)。在這一點處，向下流動的泥漿可能需要兩個單獨的通路。第一通路沿驅(qū)動軸(170)的中心鉆孔向下并且向下到達工作管柱(130)底部的鉆頭(220)，其中該第一通路離開鉆頭(220)并且沿著井孔開始向上回歸到分流器入口端口。其它通路通過驅(qū)動軸(170)頂部的高壓限流器(230)，然后通過轉(zhuǎn)子的外部部分與馬達殼體的內(nèi)部部分之間的空間，并且穿出馬達殼體底部的軸鉆頭連接件正上方的底部徑向軸承組件。高壓限流器(230)可以被設(shè)計成泄漏一定量的鉆井流體流過進入馬達殼體(160)以冷卻定子繞組(140)并且潤滑電動馬達(135)的徑向軸承和軸向軸承。高壓限流器(230)也可兼作徑向軸承(240)。在其它實施方案中，可能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(像熔融碳化鎢)。
[0040]可以將高壓限流器(230)沿流動通路定位在任何地方，只要流沿驅(qū)動軸的頂部和馬達殼體的頂部的通路限制在某個地方。在某些實施方案中，可以將高壓限流器(230)定位在上部徑向軸承(240)正下方，因為高壓限流器較容易與這種裝置一起工作并且高壓限流器還充當(dāng)過濾器，該過濾器保持碰巧遠離定子繞組(140)和徑向軸承(240)進入泥漿的較大固體。
[0041]圖2顯示了轉(zhuǎn)子和定子在無托架套筒(250)和馬達殼體(160)時的截面。在該示例中，示出了六極定子繞組組件(280)。定子繞組(140)可以沿著一個或多個定子頭(290)纏繞。在某些實施方案中，一個或多個定子頭(290)可以包括長矩形扇形楔。一個或多個定子頭(290)可由高滲透率的軟鐵制成。一個或多個定子頭(290)可彼此接觸或可焊接在一起。
[0042]在某些實施方案中，定子頭組件可通過使用機械加工方法(諸如電化學(xué)機械加工、導(dǎo)線EDM或電極靜電吞吐機器機械加工或擠壓形狀)由一個圓棒制成，以使得定子頭組件的外徑為一個固體直徑而不是六個單獨塊。在某些實施方案中，定子繞組組件(280)可由六個塊制成以降低制造成本。在其中定子頭由一個棒制成的情況下，可使定子繞組螺紋穿過各通道。在某些實施方案中，可使包封涂層注塑形成內(nèi)部區(qū)域和端部?？梢酝扛捕ㄗ右詼p少腐蝕并且增加其使用壽命，但在這種情況下，灌封材料能滿足這個作用。在某些實施方案中，灌封材料可由各種化合物(諸如環(huán)氧樹脂)、陶瓷基化合物、尼龍或聚醚醚銅類聚四氟乙烯(諸如來自Greentweed的Ar 1n 100)制成。
[0043]在圖2所示的扇形楔概念中，如果外徑附近的扇形楔接觸區(qū)域沒有涂覆有保護材料，那么定子頭可能會在暴露于許多類型的泥漿系統(tǒng)時腐蝕。然而，可以將非常薄的耐腐蝕涂層涂敷到定子頭位于外徑接觸點處以便在向定子頭暴露于流動泥漿的部分涂敷較重涂層時限制磁通鏈損失。
[0044]定子繞組(140)可為清漆、聚醚醚銅或其它在理想情況下由銀、銅、鋁或任何導(dǎo)電元素(包括高溫超導(dǎo)體材料)制成的介電型涂磁導(dǎo)線。定子繞組(140)可以圍繞定子頭(290)纏繞幾圈。任選地，灌封材料可位于頂部并且嵌入定子繞組(140)中。在某些實施方案中，灌封材料可為陶瓷或更柔性的高溫環(huán)氧樹脂。這種材料可以用于通過泥漿和腐蝕保護(包括通過可以進入這一區(qū)域的細砂)來保護定子繞組(140)免于腐蝕。
[0045]—個或多個定子頭(290)可以在外徑上開槽并且可以與外殼托架(150)鍵固以保持一個或多個定子頭(290)仍然免受所生成轉(zhuǎn)矩的影響。隨后可以將這一轉(zhuǎn)矩通過托架殼體(260)中的其它花鍵槽和馬達殼體(160)上的花鍵攜載到馬達殼體(160)。受益于本公開的本領(lǐng)域技術(shù)熱源易于理解這樣做的其它方式。
[0046]任選地，托架殼體(260)的外徑和馬達殼體(160)的內(nèi)徑可略呈錐形、朝向頂部變窄，以實現(xiàn)緊密配合并且防止泥漿細粒堆積在馬達殼體(160)與托架殼體(260)之間?？梢园凑者@種方式拉出或壓出繞組托架套筒(250)。繞組托架套筒(250)的頂部可能具有其它的防旋轉(zhuǎn)鍵，這些防旋轉(zhuǎn)鍵嚙合電子器件插件和/或其它花鍵槽，這些花鍵槽嚙合定位在馬達殼體(160)中的花鍵。
[0047]在某些實施方案中，可以利用截面的薄切片來制造一個或多個定子頭(290)。如圖3所示，可以由薄鐵片沖壓成一個或多個定子頭(290)的形狀，這些薄鐵片涂覆有薄的絕緣材料并且上下堆疊在托架中，隨后與繞組螺紋連接。這是因為沿電動馬達(135)長度的一個或多個定子頭(290)的長實心棒可以形成大的渦流，這些渦流可能會妨礙馬達效率并且形成熱量。導(dǎo)線圍繞定子頭切片組沿著定子頭切片不間斷繞組的長度延伸。
[0048]通過使用薄沖壓片材，可以解決以上提及關(guān)于制造成本和裝配問題的問題，同時仍舊提供動力定子設(shè)計。在某些實施方案中，每個定子切片均可為約1/16〃至1/4〃厚。替代地，每個單獨的定子頭均可沖壓而成，因而需要六個沖壓塊以形成一個層，如圖2所示來布置。
[0049]再次參照圖1，驅(qū)動軸(170)可以延展到電動馬達(135)的底部外部，以旋入鉆頭(220)或其它BHA組件中。雖然在圖1中示出驅(qū)動軸(170)上的銷端連接件(300)，但在某些實施方案中，箱連接件可以取代銷端連接件(300)。可以將一個或多個驅(qū)動軸磁鐵(I80)安裝在驅(qū)動軸(170)上。圖1顯示了安裝在驅(qū)動軸(170)上的四個驅(qū)動軸磁鐵(180)。雖然存在其它方式形成電動馬達(諸如像籠型感應(yīng)馬達)的轉(zhuǎn)子，但永磁鐵的這種方法提供大量的轉(zhuǎn)矩傳遞和機械穩(wěn)定性。驅(qū)動軸磁鐵(180)可以被布置成根據(jù)三相馬達進行優(yōu)化。受益于本公開，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，該馬達通過改變穿過六個繞組的電流相位利用定子的電動勢推動和拉動軸磁鐵來操作。在較高的操作溫度下，可以在驅(qū)動軸上使用繞組而不是磁鐵以促進和籠型馬達非常相似的轉(zhuǎn)矩傳遞。磁鐵的主要限制可為居里溫度，其中磁鐵的磁化丟失或磁鐵的極強度可能至少顯著地降。
[0050]可以利用固態(tài)開關(guān)而不是換向器來控制馬達。雖然換向器可起作用，但它并不是理想的，因為換向器在電絕緣環(huán)境中必須使用刷子，這意味著需要具有旋轉(zhuǎn)密封件的充油空腔用于阻擋泥漿，出于可靠性和維護原因，在旋轉(zhuǎn)密封件不得不在較長時間范圍內(nèi)以較高RPM操作的情況下，這可能會有問題，正如這里的情況那樣。
[0051]再次參照圖1，套管式電動BHA馬達組件(100)可以進一步包括電子器件組件(310)。電子器件組件(310)可以具有處理器，該處理器具有存儲器，用于監(jiān)視和控制電動馬達(135)。該處理器可以提供若干功能，包括但不限于:馬達啟動控制；幫助啟動和操作的電容器;功耗監(jiān)視;馬達速度控制(這可以通過施加到繞組的頻率和得到允許在這些繞組中流動的電流進行管理)；馬達轉(zhuǎn)矩輸出控制(恒定或可變的轉(zhuǎn)矩傳遞)；動力控制；馬達溫度控制(定子繞組可以嵌入有溫度傳感器)；馬達和BHA傳感器數(shù)據(jù)通過套管式導(dǎo)體傳輸?shù)奖砻?；接收馬達參數(shù)命令，諸如速度、轉(zhuǎn)矩和動力輸出限制;數(shù)據(jù)查詢和通過套管式導(dǎo)體來自表面的其它形式的請求;失速檢測和恢復(fù);滑動粘附檢測；以及對管理粘附滑動作出響應(yīng)的閉合環(huán)路，以使馬達鉆井條件保持在更有利的范圍內(nèi)。該系統(tǒng)自動檢測并且遠離壞的鉆井參數(shù)并且得知哪些鉆井參數(shù)在鉆井進行時是不利的。如果施加在馬達上的力增加到超過閾值水平并且軸RPM下降到低于閾值水平，這可能會通過循環(huán)穿過馬達繞組的電流的增加而對馬達繞組造成損壞，那么該系統(tǒng)可以檢測失速條件并將動力傳遞限于繞組，從而基本關(guān)閉馬達。
[0052]處理器可以從表面或從定位在馬達中或嵌入在鉆柱中任何地方的井下傳感器接收重量和轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)。處理器可以使用該數(shù)據(jù)以確定在馬達經(jīng)歷破壞性的失速旋轉(zhuǎn)速率之前何時關(guān)掉馬達。處理器隨后可以在短的測試持續(xù)時間內(nèi)重新啟動馬達以所施加的載荷和/或來自重量和轉(zhuǎn)矩傳感器的表明馬達操作安全的傳感器信息是否已被解除。另外，電子器件還可以包含限流電路以限制可以施加到馬達繞組線圈的電流量。處理器可以記錄和監(jiān)視鉆頭的RPM、鉆頭上的所施加動力以及重量和轉(zhuǎn)矩以確定馬達或鉆頭性能是否發(fā)生退化。處理器還可以告知表面上的計算機條件發(fā)生變化。例如，如果施加到馬達的動力保持恒定但施加到巖層的轉(zhuǎn)矩減小，那么可能表明鉆頭或馬達性能發(fā)生退化。在某些實施方案中，可以使用遙測系統(tǒng)來將數(shù)據(jù)實時轉(zhuǎn)發(fā)到表面。例如，可以使用這樣的數(shù)據(jù)以計算鉆頭的機械效率并且監(jiān)視鉆頭的磨損跡象。另外，可以將機械效率和/或轉(zhuǎn)矩和重量數(shù)據(jù)與來自區(qū)域中的偏移井的地球模型進行比較以確定施加到鉆頭的最優(yōu)重量和來自電動馬達的所需轉(zhuǎn)矩，從而獲得鉆井巖層的增強的鉆井性能。
[0053]可以使用任何形式的電力以驅(qū)動馬達。在某些實施方案中，直流電力可以實現(xiàn)對井下電子器件的較大的電力控制。在某些實施方案中，可以將三相電力從表面?zhèn)鬏數(shù)骄埋R達。
[0054]在圖4中示出廣義框圖，圖4詳細描述了該系統(tǒng)的通信裝置、傳感器和馬達控制元件。雖然圖4中未示出，但還可能包括通過馬達底部或鉆柱中的向上方向和向下方向兩者所形成的通信。這樣的裝置可以通過使用滑環(huán)或感應(yīng)耦接件而形成并且是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的?；h(huán)或感應(yīng)耦接件可以允許通信和/或電力在馬達殼體與旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動軸之間在任意方向上躍迀。與電導(dǎo)體的端點連接器殼體提供通往馬達的信號途徑，其中通信可以繼續(xù)到下一個模塊。馬達頂部的連接可以通過通信接口形成，該通信接口耦接進入雙管導(dǎo)體的電力傳遞。
[0055]在某些實施方案中，通信信道可以與套管式通信網(wǎng)絡(luò)直接通信或與本地網(wǎng)絡(luò)(諸如用于MWD/LWD系統(tǒng)的本地網(wǎng)絡(luò))、近鉆頭或鉆頭內(nèi)通信節(jié)點或多個網(wǎng)絡(luò)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)域中的命令，該存儲器存儲區(qū)域可以嵌入在處理器本身中或嵌入在單獨的存儲器元件中。存儲器還可以用于記錄關(guān)于馬達的性能信息(諸如繞組溫度、工具溫度、泥漿溫度、軸RPM、動力輸出、轉(zhuǎn)矩輸出、系統(tǒng)電流、電壓和電力、繞組電流、電壓和電力輸入以及高壓限流器任一側(cè)上的壓力)以觀察洗掉跡象并且確保泥漿穩(wěn)定流過繞組。電源可以從套管式導(dǎo)體供應(yīng)電力。由于套管式導(dǎo)體可以用于為鉆井系統(tǒng)的每個元件供以電力，因此在圖4中并未示出任何連接線。壓力傳感器還可以用于檢測流體流的缺失以保護馬達使其免于過熱。
[0056]另外，在馬達出現(xiàn)電源故障的情況下，可以使用一個或多個電池、可在充電電池或電容器以向通信裝置、傳感器、處理器、存儲器模塊和/或工具中的任何其它電子裝置提供電力。即使在供應(yīng)到系統(tǒng)的電力量不足以對馬達的電繞組供以動力以鉆出孔的情況下，與馬達的低電力通信也可能繼續(xù)。這樣，當(dāng)電力被重新連接時，該系統(tǒng)用于響應(yīng)于通信和其它電子功能(諸如來自傳感器的測井?dāng)?shù)據(jù))而停留。
[0057]電池的使用也可能允許通信裝置和傳感器保持活躍，以在表面上形成連接或發(fā)生另一鉆機操作時交換數(shù)據(jù)和命令。另外，可以維持工作管柱中的各工作節(jié)點之間的通信以在表面通信不活躍的情況下監(jiān)視井下傳感器。
[0058]可以將直流電力通過馬達控制器轉(zhuǎn)化為三相電流。在某些實施方案中，馬達控制器可以使用固態(tài)電子器件以接通繞組的電流并且反轉(zhuǎn)繞組的極性以復(fù)制來自表面的三相電力?？梢詫⒘鶄€繞組的電流以三對的形式進行管理，其中任一對中的電流在除去輕微滯后影響的情況下在任何給定時刻可能幾乎相同。繞組對在馬達中可能如圖2所示彼此相對，其中圖5所示的每個繞組對的相位關(guān)系可為與任何鄰近繞組對120°異相。
[0059]三個相位之間的相位關(guān)系可由主控制器控制以確保所有三個相位同步地保持為120°相分離。為使通往轉(zhuǎn)子的電力傳遞最大化，可以生成三相控制器的正弦或其它波形以對三對繞組供以電力。在某些實施方案中，繞組可以并行連接以減少繞組對的串聯(lián)電阻。繞組和電流可以被定時以使得每個定子極均與一對繞組中的另一繞組的定向匹配。這意味著每個定子極對的內(nèi)尖端可以具有相同的磁場極性，諸如北極、南極或中性。在其中每個線圈對于每個繞組來說均相同纏繞的實施方案中，每個相位對均可如圖5所示并行連接。
[0060]馬達控制器的功能可以包括:與所需旋轉(zhuǎn)方向同步來切換極性方向；維持每個繞組對的相位分離;基于所需馬達速度的變化來維持所施加的頻率并使頻率以馬達可接受的速率斜升和/或斜降；以及維持繞組的電力水平以針對所需速度來優(yōu)化轉(zhuǎn)矩傳遞?？梢酝ㄟ^改變供應(yīng)到繞組對的電流、電壓或兩者和/或改變每個波的工作周期來實現(xiàn)馬達控制器功能中的每一者。另外，可以使用啟動電容器以幫助使馬達加速。當(dāng)馬達到達其額定速度的約75%時，可以由馬達控制器斷開這些電容器。
[0061]在某些實施方案中，應(yīng)當(dāng)指出的是，控制器可以變更任意兩個信道(A和B、B和C或者C和A)的相位，以改變轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向，同時仍然能夠向鉆頭輸出相同量的轉(zhuǎn)矩和電力。這可以提供優(yōu)于僅在一個方向上旋轉(zhuǎn)的傳統(tǒng)PDM馬達的改進之處。使旋轉(zhuǎn)反向的能力可以有助于松開被卡鉆頭、斷開旋轉(zhuǎn)連接以使被卡落物留在孔中并且釋放BHA、使用指向相反方向的鉆頭切削齒在相反方向上鉆孔、通過在相反方向上對牙輪鉆頭加壓來延長牙輪鉆頭的生命和/或啟動另一機械機構(gòu)。
[0062]馬達控制器可以改變方波、正弦波、另一周期性波形方法中的每個繞組對的電力。在某些實施方案中，電子器件可以被設(shè)計成具有固態(tài)開關(guān)(諸如自耦變壓器或繼電器)以改變從直流電源穿過繞組的電流方向。
[0063]在一個實施方案中，可以模擬時變信號以使繞組與呈相反極性的方波電脈沖嗤合。可以通過調(diào)整每個方波的相位和工作周期來改變馬達每旋轉(zhuǎn)一次所消耗的平均電力?？梢允褂没诎雽?dǎo)體的開關(guān)諸如硅可控整流器(SCR)、晶閘管或其它形式的開關(guān)裝置來實現(xiàn)這種方法。其它方法可以包括使用變壓器以改變施加到馬達繞組的電力。這種變壓器可以包括自耦變壓器、升高裝置、下降裝置和/或多接頭變壓器。圖6示出了由控制器打開和關(guān)閉以改變施加到每個繞組對的電力的極性和工作周期兩者的開關(guān)的示例安排。馬達控制器微處理器中的定時器可以維持所有三個信道的脈沖寬度和相位并使整體頻率根據(jù)需要斜升或斜降。對于繞組對中的每一者來說，可以重復(fù)圖6所述的安排。馬達控制器可以從表面或從本地處理器接收管理馬達的其它功能的命令。當(dāng)馬達位于井下時，還可以通過下行鏈路通信信道來將存儲器中的指令和/或控制參數(shù)編程。
[0064]在某些實施方案中，馬達驅(qū)動器可為用于尋求接通和斷開半導(dǎo)體開關(guān)的足夠電力的來源的小功率放大器開關(guān)并且可以基于來自處理器的邏輯輸出來接通或斷開。在其中處理器具有用于接通和斷開開關(guān)的電力的某些實施方案中，可以將該過程的數(shù)字輸出或模擬輸出直接附接到開關(guān)控制線。該過程可以在開關(guān)對之間交替進行以使通過繞組對的電流反向或當(dāng)相位和工作周期時間要求時，斷開這兩個開關(guān)對。
[0065]再次返回到圖1，驅(qū)動軸磁鐵(180)可以具有高磁場強度。合適類型的驅(qū)動軸磁鐵(180)可以包括釤鈷磁鐵。在某些實施方案中，可以將驅(qū)動軸磁鐵(180)以楔形模具的形式制成以使其與驅(qū)動軸(170)上的囊袋匹配。在某些實施方案中，可以通過將微粒散粉倒入模具中來制造驅(qū)動軸磁鐵(180)，隨后可以按壓該模具并使其燒結(jié)在模具中?？梢栽谠撨^程期間施加弱磁場以使長棒厚度上的磁極與用于應(yīng)用的最優(yōu)磁場定向?qū)R。磁鐵形狀可為半楔形、矩形、三角形或任何所需幾何形狀。一旦驅(qū)動軸磁鐵(180)被設(shè)置，即可在沒有燒結(jié)就位的情況下，通過各種裝置(諸如保持帶/套筒、螺絲槽或其它緊固件)使它們緊固到驅(qū)動軸(170)中。
[0066]對于四極轉(zhuǎn)子示例來說，驅(qū)動軸磁(180)的極性可以以面向外的北極(N)且隨后下一個磁鐵以面向外的南極(S)極化或定向的方式來交替進行，隨后再次北極并且最后南極。可以諸如使用十二個定子極和八個轉(zhuǎn)子磁鐵或者三個定子極和兩個轉(zhuǎn)子磁鐵來將繞組數(shù)和磁鐵數(shù)相乘。
[0067]現(xiàn)在參照圖7a和7b，示出了圖1的上部部分的視圖。在某些實施方案中，分流器(210)可由電絕緣材料(諸如陶瓷)制成。陶瓷提供了針對以下各項的高耐腐蝕性:流砂、鉆肩、廢物和在通往表面的流動返回通路上從環(huán)形區(qū)流道內(nèi)管內(nèi)孔的其它固體。在某些實施方案中，分流器(210)可為分流環(huán)。在某些實施方案中，該分流環(huán)可能并不是陶瓷，只要內(nèi)管與用于分流器的任何導(dǎo)電材料絕緣即可?？梢詫⒚芊饧?320)定位在分流器(210)的頂部和底部，以防止內(nèi)管(110)與外管(120)之間的環(huán)狀流泄漏到內(nèi)管(110)中心。如上所述，環(huán)狀流可以從表面下來，穿過分流器(210)中的槽，并且向前向下傳遞到馬達區(qū)域并且最終到達鉆柱端部。在某些實施方案中，分流器(210)可以鍵固到內(nèi)管(110)和外管(120)，以利用內(nèi)管(110)和外管(120)中的孔維持其定向。
[0068]圖8顯示了可以如何將內(nèi)管(110)與外管(120)之間的流分流到通往管(115)的中心段的內(nèi)管(110)的內(nèi)部，該管并不與內(nèi)管(110)的其它段流體連通。這允許流向下分流穿過管(115)的中心段到達BHA并且到達鉆頭(220)。在一些實施方案中，內(nèi)管(110)可以在除導(dǎo)電區(qū)域(116)之外的任何地方都具有電絕緣涂層。在導(dǎo)電區(qū)域(116)中，內(nèi)管(110)的短期暴露的金屬段可以與電子器件插件(340)配合以有助于將電力傳遞到電動馬達控制器(190)。電子器件插件(340)可以具有并非電絕緣的暴露段。導(dǎo)電線繞式彈簧(350)可以用于維持密封濕連接區(qū)域(330)中的連接。電子器件插件(340)可以具有兩條接地線(360)，這兩條接地線使得一旦電流穿過各種電子組件和馬達組件，電通路即返回到外管(120)。雖然未示出，但電子器件插件(340)的法蘭端可以具有定向銷釘和額外的銷釘以抵抗該法蘭端可能經(jīng)歷的任何扭轉(zhuǎn)力或其它用于保護旋轉(zhuǎn)的機械保持裝置來支撐該法蘭端。接電線(360)的接地連接件可由泥漿密封以確保連接器不會由于腐蝕泥漿條件而受損。泥漿可以沿著電子器件插件(340)的中心向下流動并且可以沿著馬達殼體的外部向上流動。
[0069]圖9顯示了根據(jù)本公開各方面的電子器件插件(340)。如上所述，電子器件插件(340)可以封裝一個或多個處理器和電力控制電子器件(370)以控制電動馬達。導(dǎo)線(375)可以通過密封艙壁接口(380)引出到定子繞組和傳感器(385)。
[0070]圖10示出了主要馬達繞組和驅(qū)動軸區(qū)域。可以將高壓限流器(230)定位在馬達繞組和驅(qū)動軸區(qū)域的頂部。高壓限流器(230)也可作為徑向軸承并且利用小間隙流動通路來操作以實現(xiàn)泥漿流動。高壓限流器(230)可由高耐腐蝕材料(諸如碳化鎢或鈷基合金像Stellite)制成。高壓限流器(230)可以允許某些泥漿泄漏到驅(qū)動軸(170)中以使繞組區(qū)域(175)與穿過繞組的流動泥漿壓力平衡從而使它們保持冷卻。如圖10所示，可能存在定子繞組(140)的兩個段，但也可以使用單個繞組段或多個繞組段來優(yōu)化所需轉(zhuǎn)矩。
[0071]在某些實施方案中，可以將霍爾效應(yīng)開關(guān)(990)嵌入繞組載體中以通過觀察小磁鐵(I 91)或轉(zhuǎn)子磁鐵在軸上的相對位置來監(jiān)視軸位置和RPM?？梢詫⒒魻栃?yīng)開關(guān)(990)或其它RPM傳感器的信號輸出路由回到馬達電子器件高壓限流器(230)，其中處理器可以基于傳感器反饋來自動測量和調(diào)整馬達的速度。在繞組載體中也可能包括其它類型的位置傳感器，諸如鄰近度傳感器。通過在軸旋轉(zhuǎn)時監(jiān)視軸的位置，可以更好地優(yōu)化通往馬達的轉(zhuǎn)矩傳遞并且等待極滑動，可能在來自鉆頭鉆孔反應(yīng)的轉(zhuǎn)矩超過馬達失速點或震顫時發(fā)生極滑動，這可能意味著繞組正在以非均勻的方式施加轉(zhuǎn)矩，并且因此允許調(diào)整繞組的所施加轉(zhuǎn)矩輸出以獲得極可能均勻的轉(zhuǎn)矩輸出。在某些實施方案中，也可將溫度傳感器嵌入托架中或繞組鄰近。在某些實施方案中，用于每個繞組的至少一個溫度傳感器可以用于監(jiān)視溫度。此外，在某些實施方案中，可以將壓力傳感器安裝在托架中位于高壓分流器(230)上方(192A)和下方(192B)，以監(jiān)視限流器的性能，從而確保沖洗干凈或者不會發(fā)生堵塞并且證實泥漿栗正在操作以冷卻馬達。
[0072]在某些實施方案中，可以將徑向軸承支撐件(380)定位在兩個繞組和驅(qū)動軸繞組段之間，它們可以使用泥漿來潤滑。在某些實施方案中，可以使用彈性體船用軸承、輥、球、軸頸或其它軸承樣式。定子繞組載體具有與馬達殼體花鍵配合的花鍵槽(194)以保持繞組載體免于旋轉(zhuǎn)。
[0073]圖11說明了可以允許驅(qū)動軸(170)在井底旋轉(zhuǎn)和離井底旋轉(zhuǎn)并且可以在井底具有徑向軸承支撐件(380)的軸向載荷軸承組配置。驅(qū)動軸(170)可以具有銷端連接件(300)或箱連接件。該井下電動馬達的其它變體也是可能的。例如，驅(qū)動軸(170)可以滑入兩個段中，其中扭桿或萬向聯(lián)接件可以將兩個尾軸段通過可調(diào)整的或固定的彎曲殼體連接起來。軸承組可以駐留在彎曲部上方或下方，或位于馬達段上方?？烧{(diào)彎曲殼體可以是表面或井下可調(diào)的，這意味著殼體可以將驅(qū)動軸的遠離工具周年的下端的傾斜角度調(diào)整到至少一個角度位置。在某些實施方案中，推力軸承(390)可以駐留在任何彎曲接頭組件上方。
[0074]在某些實施方案中，電動馬達(135)可以具有接口模塊，該接口模塊促進利用鉆桿通往表面的聯(lián)接、通信和/或電力傳輸連續(xù)性。電動馬達(135)可以根據(jù)表面通信信號進行控制。電動馬達(135)還可以向表面發(fā)送監(jiān)視信號。電動馬達(135)可以具有可變的速度和/或轉(zhuǎn)矩容量。齒輪減速或行星齒輪結(jié)合可變速度電動馬達可以用于便于所需速度和轉(zhuǎn)矩的輸出。
[0075]電動馬達可為井底鉆具組件的模塊化組件，也可以單獨使用。電動馬達可以用于在存在或不存在由表面設(shè)備所供應(yīng)的鉆柱旋轉(zhuǎn)的情況下放大井筒或?qū)矓U孔。電動馬達可以具有多種配置以便于適應(yīng)所需巖石切削和/或破壞機制。這些配置可以包括激光鉆孔和/或激光鉆頭輔助裝置、固定切削齒鉆頭上的聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)切削結(jié)構(gòu)、牙輪鉆頭、脈沖電動巖石鉆孔設(shè)備和/或其它巖石破壞裝置。
[0076]可以通過鉆柱由表面設(shè)備的旋轉(zhuǎn)來提供和/或補充切削組件的旋轉(zhuǎn)。切削組件上的切削結(jié)構(gòu)可以具有由控制坡道或活塞的獨立電動馬達供以電力的切削深度(最終直徑)。當(dāng)不需要切削旋轉(zhuǎn)時，切削齒組件的切削結(jié)構(gòu)可以縮回，可以命令模塊化馬達組件關(guān)機，并且如果必要的話，可以鎖定切削齒組件。在某些實施方案中，可以通過允許單獨的圓柱形擴孔切削組件在它們自身的柄軸上旋轉(zhuǎn)來優(yōu)化擴孔。
[0077]現(xiàn)在參照圖12，示出了根據(jù)本公開的一個實施方案的套管式電動BHA馬達組件
(100)，包括閂鎖機構(gòu)500。
[0078]現(xiàn)在參照圖13，示出了根據(jù)本公開各方面的設(shè)置在驅(qū)動軸170與馬達的軸承殼體550之間的示例閂鎖機構(gòu)500的特寫截面視圖。閂鎖機構(gòu)500可為與軸承殼體550相比，允許在一個方向上選擇性地旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸170的任何機構(gòu)。閂鎖機構(gòu)500示為在鉆柱中鄰近軸承組放置;然而，可以將閂鎖機構(gòu)500放置在驅(qū)動鏈上的任一點。另外，雖然在電動馬達組件的上下文中描述了閂鎖機構(gòu)，但受益于本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認識到，可以將該閂鎖機構(gòu)集成到其它類型的井下鉆井馬達組件(諸如容積式馬達)中。在某些實施方案中，閂鎖機構(gòu)500可以包括閂鎖凸輪510、至少一個心軸鍵512、花鍵心軸514和閂鎖彈簧516。閂鎖凸輪510可以嚙合軸承殼體550的內(nèi)圓周。在某些實施方案中，閂鎖凸輪510可以使用至少一個凸輪保持銷520附接至軸承殼體550。在某些實施方案中，閂鎖凸輪510可以以與殼體旋轉(zhuǎn)速度基本相同的速度旋轉(zhuǎn)。至少一個凸輪保持銷可以利用凸輪保持帽521固定并且利用至少一個凸輪保持密封件522密封。花鍵心軸514可以位于驅(qū)動軸170與閂鎖凸輪510之間的環(huán)形區(qū)內(nèi)，其中花鍵心軸514可以嚙合閂鎖凸輪510。在某些實施方案中，花鍵心軸514可以包括穿過花鍵心軸514的流體流動通路526，以允許流體在驅(qū)動軸170與軸承殼體550之間的環(huán)形區(qū)中穿過花鍵心軸514。
[0079 ] 閂鎖凸輪510可以包括設(shè)置在閂鎖凸輪510內(nèi)的凸輪通路518。至少一個心軸鍵512可以附接至花鍵心軸514并且設(shè)置在凸輪通路518內(nèi)。在某些實施方案中，可以將潤滑脂放置在凸輪通路518中以減少凸輪通路518與至少一個心軸鍵512之間的摩擦。至少一個凸輪通路密封件524可以使凸輪通路518與鉆井泥漿和/或生產(chǎn)流體分離。閂鎖彈簧516可以嚙合閂鎖凸輪510以使閂鎖凸輪510偏向至少一個心軸鍵512，以保持閂鎖凸輪510與至少一個心軸鍵512之間的接觸。
[0080]設(shè)置在花鍵心軸514上的至少一個花鍵心軸花鍵540可以嚙合設(shè)置在驅(qū)動軸170上的至少一個驅(qū)動軸花鍵542。這樣，驅(qū)動軸170的旋轉(zhuǎn)可以通過使至少一個花鍵心軸花鍵540與至少一個驅(qū)動軸花鍵532嚙合來使花鍵心軸514旋轉(zhuǎn)。另外，花鍵心軸514的旋轉(zhuǎn)可以通過使少一個驅(qū)動軸花鍵532與至少一個驅(qū)動軸花鍵532嚙合來導(dǎo)致驅(qū)動軸170旋轉(zhuǎn)。因此，在某些實施方案中，心軸花鍵514和驅(qū)動軸170可能具有基本相同的旋轉(zhuǎn)速度。
[0081]現(xiàn)在參照圖14A和14B，分別以截面A和B的形式示出了圖12所示的閂鎖機構(gòu)的截面視圖。閂鎖凸輪510和花鍵心軸514可以位于軸承殼體550與驅(qū)動軸170之間的環(huán)形區(qū)中，如圖14A所示。至少一個心軸鍵512可以從花鍵心軸514延伸進入在閂鎖凸輪510內(nèi)所形成的凸輪通路518。在某些實施方案中，流動通路526可為花鍵心軸514上允許流體通過花鍵心軸514的多個開口?，F(xiàn)在參照圖14B，設(shè)置在花鍵心軸514上的至少一個花鍵心軸花鍵540可以嚙合設(shè)置在驅(qū)動軸170的外圓周上的至少一個驅(qū)動軸花鍵542。至少一個花鍵心軸花鍵540可以將機械能經(jīng)由至少一個驅(qū)動軸花鍵540轉(zhuǎn)移到驅(qū)動軸170。另外，至少一個驅(qū)動軸花鍵540可以將機械能經(jīng)由至少一個花鍵心軸花鍵540轉(zhuǎn)移到花鍵心軸514。
[0082]現(xiàn)在參照圖15，示出了根據(jù)本公開各方面的圖13的閂鎖機構(gòu)500的展開視圖。指示器A對應(yīng)于圖13所示的截面右側(cè)的閂鎖機構(gòu)視圖并且指示器B對應(yīng)于圖13所示截面左側(cè)的閂鎖機構(gòu)視圖。因此，圖14說明了在平面上展開的閂鎖機構(gòu)的圓周?；ㄦI心軸514可以包括至少一個花鍵530，該至少一個花鍵被設(shè)置在花鍵心軸514的與閂鎖凸輪510相對的表面上。閂鎖機構(gòu)可以具有打開位置，其中至少一個花鍵530并不嚙合至少一個殼體鍵532 (如圖15A至15C并且參照圖15A至15C所示)；以及鎖定位置，其中至少一個花鍵530可以嚙合至少一個殼體鍵532(如圖15F并且參照圖15F所示)。在鎖定位置中，至少一個花鍵530可以被配置成嚙合設(shè)置在殼體200上的至少一個殼體鍵532。
[0083]現(xiàn)在參照圖16A至16C，示出了根據(jù)本公開各方面的當(dāng)驅(qū)動軸170具有與軸承殼體550相比更大的旋轉(zhuǎn)速度時，閂鎖機構(gòu)500的一系列展開視圖。如前所述，當(dāng)花鍵心軸514和至少一個心軸鍵512以與驅(qū)動軸基本相同的速度旋轉(zhuǎn)時，軸承殼體550和閂鎖凸輪510以基本相同的速度旋轉(zhuǎn)。這樣，當(dāng)驅(qū)動軸與殼體相比更快地旋轉(zhuǎn)時，至少一個心軸鍵512可以在打開方向上通過凸輪通路518如圖16A至16F所示移動到右側(cè)。閂鎖彈簧516可以使花鍵心軸514偏向鎖定位置并且使至少一個心軸鍵512與凸輪通路嚙合表面545保持嚙合。
[0084]凸輪通路518可以包括鎖定槽548。當(dāng)至少一個心軸鍵512被定位在鎖定槽548中時，至少一個心軸鍵530可以嚙合至少一個殼體鍵532。當(dāng)至少一個心軸鍵512未定位在鎖定槽548中時，至少一個心軸鍵530可能不會嚙合至少一個殼體鍵532。換言之，至少一個心軸鍵530可能僅在至少一個心軸鍵位于鎖定槽548中時嚙合至少一個殼體鍵532。當(dāng)至少一個心軸鍵512在打開方向上移動穿過凸輪通路518時，凸輪通路構(gòu)件549可能會防止至少一個心軸鍵512移動到鎖定槽548。這樣，當(dāng)至少一個心軸鍵512在打開方向上移動穿過凸輪通路518時(當(dāng)驅(qū)動軸與軸承殼體550相比更快地旋轉(zhuǎn)時)，閂鎖機構(gòu)保留處于打開位置。在處于打開位置時，閂鎖機構(gòu)可能基本不會像驅(qū)動軸傳遞任何機械力。
[0085]現(xiàn)在參照圖16D至16F，示出了根據(jù)本公開各方面的當(dāng)軸承殼體550具有與驅(qū)動軸170相比更大的旋轉(zhuǎn)速度時，閂鎖機構(gòu)500的一系列展開視圖。當(dāng)閂鎖凸輪510與至少一個心軸鍵512相比更快地旋轉(zhuǎn)時，至少一個心軸鍵512將在鎖定方向上移動穿過凸輪通路518。圖16D示出了鎖定槽548附近的至少一個心軸鍵。當(dāng)至少一個心軸鍵512在鎖定方向上移動時，凸輪通路心軸549并不會阻止至少一個心軸鍵512進入鎖定槽548，如圖15E所示。當(dāng)至少一個心軸鍵512最終如圖15F所示移動進入鎖定槽548時，閂鎖機構(gòu)可以處于鎖定位置并且至少一個花鍵530可以嚙合至少一個殼體鍵532。這樣，至少一個殼體鍵532可以將來自軸承殼體550的機械力經(jīng)由花鍵心軸514傳遞到驅(qū)動軸(因為花鍵心軸514可以將機械力通過至少一個花鍵心軸花鍵傳遞到驅(qū)動軸)。
[0086]在某些實施方案中，在閂鎖機構(gòu)進入鎖定位置時，驅(qū)動軸可以開始與軸承殼體550相比更快地旋轉(zhuǎn)，其中至少一個心軸鍵512可以通過凸輪通路518在打開方向上開始。至少一個心軸鍵512可以在打開方向上移動以離開鎖定槽548。一旦至少一個心軸鍵512位于鎖定槽548外部，RJ鎖凸輪510即可在至少一個心軸鍵512上施加力，從而導(dǎo)致花鍵心軸514從鎖定位置移動到打開位置，如參照圖16A再次示出。
[0087]在某些實施方案中，至少一個心軸鍵512可為多個心軸鍵。該多個心軸鍵可以圍繞花鍵心軸514的圓周基本均勻地間隔開放置。
[0088]在某些實施方案中，閂鎖機構(gòu)可以不限于參考圖13所描述的精確配置。例如，現(xiàn)在參照圖17，示出了根據(jù)本公開各方面的設(shè)置在驅(qū)動軸170與馬達的軸承殼體550之間的閂鎖機構(gòu)500的截面。在某些實施方案中，閂鎖機構(gòu)500可以包括花鍵心軸514、閂鎖彈簧516和至少一個凸輪保持銷520。至少一個凸輪保持銷520可以利用凸輪保持帽521固定并且利用至少一個凸輪保持密封件522密封?；ㄦI心軸514可以嚙合軸承殼體550的內(nèi)圓周。在某些實施方案中，花鍵心軸514可以包括穿過花鍵心軸514的流體流動通路526，以允許流體在驅(qū)動軸170與軸承殼體550之間的環(huán)形區(qū)中穿過花鍵心軸514。
[0089]花鍵心軸514可以包括設(shè)置在花鍵心軸514內(nèi)的凸輪通路518。至少一個凸輪保持銷520可以從軸承殼體550延伸進入凸輪通路518。在某些實施方案中，可以將潤滑脂放置在凸輪通路518中以減少凸輪通路518與至少一個凸輪保持銷520之間的摩擦。至少一個凸輪通路密封件524可以使凸輪通路518與鉆井泥漿和/或生產(chǎn)流體分離。閂鎖彈簧516可以嚙合花鍵心軸514以使花鍵心軸514偏向至少一個凸輪保持銷520，以保持花鍵心軸514與至少一個凸輪保持銷520之間的接觸。凸輪通路518可以如圖15和圖16A至16F所述進行配置。
[0090]在多種情況下，驅(qū)動軸可能與殼體相比更慢地旋轉(zhuǎn)。例如，電動馬達可能會滑動或以其它方式失效。在電動馬達失效的情況下，閂鎖機構(gòu)可以防止當(dāng)殼體旋轉(zhuǎn)時，電動馬達出現(xiàn)滑動。相反，閂鎖機構(gòu)可能允許將從表面供應(yīng)到殼體的轉(zhuǎn)矩傳遞到驅(qū)動軸。因此，在電動馬達失效期間，在表面上供應(yīng)到殼體的轉(zhuǎn)矩可以用于使鉆頭分開和/或在電動馬達不活躍時驅(qū)動鉆井操作。
[0091]現(xiàn)在參照圖18A至18F，說明了根據(jù)本公開的某些實施方案的各種可導(dǎo)向BHA層疊件。在某些實施方案中，如圖18A所示，BHA可由驅(qū)動旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向工具的軸的電動馬達旋轉(zhuǎn)。在其它實施方案中，電動馬達可以裝配有馬達遙測系統(tǒng)，該馬達遙測系統(tǒng)通過使用滑環(huán)或感應(yīng)耦接器來使通信從非旋轉(zhuǎn)定子躍迀到驅(qū)動軸。其它短程遙測技術(shù)也存在并且是授予本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。
[0092]在某些實施方案中，旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向BHA層疊件可以根據(jù)圖18B進行配置。在該實施方案中，可以使MWD/LWD移動到電動馬達上方。傳感器可以被安裝在開端而不是插件中，從工具的一側(cè)附接而不是插入工具的一端中并且可以滑入位置中并在需要時由保護性艙口或套筒覆蓋。鉆柱的中心孔可以保持用于管理回流的中心管。MWD可以使這兩條通路(向上和向下)以這種方式支撐在其界限內(nèi)。MWD/LWD傳感器可以被安排成諸如通過將兩條內(nèi)部流動通路保持為兩個同心管并且將MWD/LWD組件安裝在這些流動通路的外部徑向位置中來允許流體通過各種裝置，如圖18F所示。替代地，可以將分流器接頭放置在MWD上方，從而允許使用常規(guī)MWD。然而，需要將電力連接到下部馬達的裝置，這可能需要電纜或其它絕緣導(dǎo)體從上部分流器組件開始延展，通過MWD/LWD段，并且到達電動馬達頂部的電力輸入部分。
[0093]在某些實施方案中，旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向BHA層疊件可以根據(jù)圖18C進行配置。在該實施方案中，電動馬達可以具有彎曲殼體組件，該彎曲殼體組件使用內(nèi)部聯(lián)接件或扭桿來附接，以便于將轉(zhuǎn)矩從上部軸傳遞到下部軸。如先前所述，可以將軸向軸承定位在彎曲接頭上方或下方。彎曲接頭可以是固定的、可調(diào)整的或可在井下調(diào)整的。
[0094]在某些實施方案中，可導(dǎo)向BHA層疊件可以根據(jù)圖18D進行配置。在該實施方案中，電動馬達可以向管下擴孔器或開孔器提供電力并且可以驅(qū)動轉(zhuǎn)子可導(dǎo)向組件。在這種情況下，這兩種切削結(jié)構(gòu)均可通過電動馬達旋轉(zhuǎn)。
[0095]在某些實施方案中，旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向BHA層疊件可以根據(jù)圖18E進行配置。這種配置可以允許使用常規(guī)的MWD/LWD。在某些實施方案中，可以將液壓馬達插入在MWD/LWD下方以利用額外的電力來驅(qū)動鉆頭。對于給定的可用電力來說，可以在這樣一種配置中進行來自表面、用于形成轉(zhuǎn)矩的電力和液壓電力的雙重使用以使鉆頭的轉(zhuǎn)矩最大化。圖18F說明了根據(jù)本公開的某些實施方案的另一個配置。作為另一個示例實施方案，可以通過將分流器定位在MWD/LWD下方來修改圖18E。
[0096]鑒于本公開，通過出于液壓、電力和通信需求而在需要時所描述的模塊的重新配置和互連可以清楚其它配置。
[0097]因此，本公開非常適于實現(xiàn)所提及的目的和優(yōu)點以及其中固有的目的和優(yōu)點。上文公開的特定實施方案僅為說明性的，因為本公開可用對于受益于本文中的教導(dǎo)的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的不同但等效的方式修改和實踐。另外，本文所示出的構(gòu)造或設(shè)計的細節(jié)不應(yīng)受到限制，而是以所附權(quán)利要求的描述為準。因此，很明顯，上文公開的特定說明性實施方案可更改或修改，且所有這些變化視為在本公開的范圍和精神內(nèi)。而且，權(quán)利要求中的術(shù)語具有其簡單、普通含義，除非專利權(quán)所有人另外明確且清除地進行定義。如權(quán)利要求中使用的不定冠詞“一個(a/an)”在本文中被定義來意指它所引介紹的一個或多個元件。
【主權(quán)項】
1.一種電動馬達組件，其包括: 鉆柱，所述鉆柱包括內(nèi)管和外管，所述內(nèi)管和所述外管分別包括第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體； 電動馬達，所述電動馬達電耦接到所述內(nèi)管和所述外管以接收通過所述第一導(dǎo)體和所述第二導(dǎo)體的電流；以及 閂鎖機構(gòu)，所述閂鎖機構(gòu)使所述鉆柱與驅(qū)動軸連接，其中所述驅(qū)動軸由所述電動馬達驅(qū)動，并且其中所述閂鎖機構(gòu)被配置成選擇性地嚙合所述鉆柱以防止所述驅(qū)動軸與所述鉆柱相比更慢地旋轉(zhuǎn)。2.如權(quán)利要求1所述的電動馬達組件，其中所述閂鎖機構(gòu)包括閂鎖凸輪和嚙合所述閂鎖凸輪的至少一個鍵，其中所述閂鎖凸輪嚙合所述鉆柱并且所述驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)所述至少一個鍵，并且其中當(dāng)所述驅(qū)動軸與所述鉆柱相比更慢地旋轉(zhuǎn)時，所述至少一個鍵移動到鎖定槽中。3.如權(quán)利要求1所述的電動馬達組件，其中所述內(nèi)管或所述外管中的至少一者涂覆有絕緣材料。4.如權(quán)利要求1所述的電動馬達組件，其中所述驅(qū)動軸包括驅(qū)動軸磁鐵。5.如權(quán)利要求1所述的電動馬達組件，其中所述電動馬達耦接到鉆頭。6.如權(quán)利要求1所述的電動馬達組件，其中所述電動馬達耦接到下部鉆柱段，所述下部鉆柱段包括至少一個模塊。7.如權(quán)利要求1所述的電動馬達組件，其中所述電動馬達耦接到上部鉆柱段，所述上部鉆柱段包括至少一個模塊。8.如權(quán)利要求7所述的電動馬達組件，其中所述至少一個模塊包括內(nèi)孔，以允許流體從所述內(nèi)管流向分流器。9.一種向電動馬達提供動力的方法，所述方法包括: 提供鉆柱，所述鉆柱包括內(nèi)管和外管，所述內(nèi)管和所述外管分別包括第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體， 使電動馬達電耦接到所述內(nèi)管和所述外管； 使所述鉆柱和驅(qū)動軸與閂鎖機構(gòu)連接，其中所述驅(qū)動軸由所述電動馬達驅(qū)動，并且其中所述閂鎖機構(gòu)防止所述驅(qū)動軸與所述鉆柱相比更慢地旋轉(zhuǎn)；以及 產(chǎn)生穿過所述內(nèi)管、所述電動馬達和所述外管的電流。10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中提供包括內(nèi)管和外管的鉆柱包括將所述內(nèi)管或所述外管中的至少一者用絕緣材料涂覆。11.如權(quán)利要求1O所述的方法，其中所述絕緣料包括介電材料。12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述介電材料包括選自由以下各項組成的組的至少一種材料:聚酰亞胺、高強度鋼化氟聚合物、尼龍、特氟隆和陶瓷涂層。13.如權(quán)利要求9所述的方法，其中使所述鉆柱和驅(qū)動軸與閂鎖機構(gòu)連接包括使所述驅(qū)動軸耦接到所述電動馬達，其中所述電動馬達被配置成向所述驅(qū)動軸施加轉(zhuǎn)矩。14.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述驅(qū)動軸包括驅(qū)動軸磁鐵。15.如權(quán)利要求9所述的方法，其中使所述電動馬達耦接到鉆頭。16.一種在地下巖層中鉆出井筒的方法，所述方法包括: 提供鉆柱，所述鉆柱包括內(nèi)管和外管， 使電動馬達電耦接到所述內(nèi)管和所述外管； 使所述鉆柱和驅(qū)動軸與閂鎖機構(gòu)連接，其中所述驅(qū)動軸由所述電動馬達驅(qū)動，并且其中所述閂鎖機構(gòu)防止所述驅(qū)動軸與所述鉆柱相比更慢地旋轉(zhuǎn)； 產(chǎn)生穿過所述內(nèi)管、所述電動馬達和所述外管的電流；以及 向親接到所述驅(qū)動軸的鉆頭施加旋轉(zhuǎn)動力。17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中提供包括內(nèi)管和外管的鉆柱包括將所述內(nèi)管或所述外管中的至少一者用絕緣材料涂覆。18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述絕緣材料包括介電材料。19.如權(quán)利要求16所述的方法，其中向耦接到所述驅(qū)動軸的所述鉆頭施加旋轉(zhuǎn)動力包括旋轉(zhuǎn)所述鉆柱。20.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述驅(qū)動軸包括驅(qū)動軸磁鐵。
【文檔編號】E21B23/08GK105829637SQ201380081036
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2013年12月20日
【發(fā)明人】R·T·海
【申請人】哈利伯頓能源服務(wù)公司