CN103415985B - 测量井下马达的转速 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于使钻头旋转的井下马达。该井下马达可以包括定子、涡轮等。钻井马达可以包括钻井设备，该钻井设备包括钻头，该钻头连接到可旋转地安装在定子内部的转子(或者外壳内的涡轮转子)，该转子包括至少一个磁场源或磁场检测器，并且该定子在转子包括磁场检测器的情况下包括至少一个磁场源，或者在转子包括磁场源的情况下包括至少一个磁场检测器，从而使得能够测量转子相对于定子的旋转速度。

Description

测量井下马达的转速

技术领域

本发明的实施例涉及钻井设备，例如容积式马达或涡轮机，该钻井设备包括钻头，该钻头连接到可旋转地安装在定子内部的转子。

背景技术

在石油石化工业中，在油井和/或气井中，使用井下马达在井底位置处向钻头施加动力以用于钻井。井下马达，有时称为“泥浆马达”，被定位在钻柱的底部，并且经由输出轴与钻头耦接。钻井液，有时称为“钻井泥浆”，或者简单地称为“泥浆”，被泵送到钻柱，并且通过井下马达。井下马达使用所泵送的/流动的钻井液的力来产生机械输出，产生输出轴的旋转，并进而产生钻头的旋转。

尽管有不同类型的井底/泥浆马达，当今最常用的类型是容积式马达，其使用位于相应的螺旋形定子内部的细长螺旋形转子。钻井液或泥浆在定子和转子之间的流动使得转子绕定子的纵轴偏心地在定子内部沿轨道运行。转子本身绕其纵轴旋转，并且还绕定子的中央纵轴沿轨道运行。转子的这种偏心轨道运行和旋转被适当的传动总成例如万向接头总成传递，以产生输出轴的同轴旋转。

井下马达是一种井底动力钻具，其将钻井泥浆的动力转变为钻头的旋转；向钻头施加扭矩和速度。使用井下马达的优点在于其提供：提高的机械钻速；更好的井斜控制；降低的钻柱故障率。

井下马达、泥浆马达或钻井马达也可以称为“螺杆容积式泵”，其可以被定位在钻柱上，以在钻井过程中向钻头提供附加的动力。如上所述，井下马达使用钻井液来在马达的动力部分中产生偏心运动，而该偏心运动作为同心动力而被传递给钻头。井下马达使用不同的转子和定子配置来针对所期望的钻井操作提供最佳的性能；通常，可以增加动力总成的叶数量和长度以提供更大的马力。在特定的应用中，可以使用压缩空气或其它压缩气体来向井下马达输入动力。使用井下马达时钻头的旋转速度可以为从大约60rpm至超过100rpm。

井下马达可以包括：上部接头，其将井下马达连接到钻柱；动力部分，其包括转子和定子；传动部分，来自转子的偏心动力在传动部分作为同心动力而被传输给钻头；轴承总成，其保护该工具免受不同压力；以及下部接头，其将井下马达连接到钻头。

井下马达的使用很大程度上取决于财务效率。在直的垂直井中，可以使用泥浆马达来增加机械转速(ROP)，或者由于不需要同样快地转动钻柱而使得对钻柱的侵蚀和磨损最小化。然而，井下马达大多用于定向钻井。尽管可以使用其它方法来引导钻井过程以定向地钻出井眼，但是井下马达可能是成本效率最高的方法。

在一些方面，井下马达可以被配置为包括弯曲部分，以备定向钻井。典型地，井下马达可以在大约零到四度的范围内进行修正，以便于以每弯曲度偏向大约六个增量来进行定向钻井。弯曲的量是由到达目标区域所需要的上升率确定的。通过使用随钻测量(MWD)工具，定向钻井者可以将井下马达所驱动的钻头引导到所期望的目标区域。

井下马达的动力部分由定子和转子构成。在特定的井下马达中，定子包括钢管壁上的橡胶套筒，其中橡胶套筒的内侧以特定的几何参数界定螺旋结构。转子包括轴，例如钢轴，其可以被涂覆耐磨涂层，例如铬，并且可以具有被配置为在定子内部运行/转动/旋转的螺旋轮廓。

在钻井过程中，钻井液以给定的速率和压力在井下被泵送通过钻杆。井下马达将流过动力部分的钻井液的水力能转变为机械能、旋转和扭矩。这一机械能被从井下马达传递到钻头。

使用容积式马达的一种替代是在经常称作“涡轮钻井”的工艺中使用涡轮机。在涡轮钻井方法中，由泥浆操作的涡轮机在井的底部产生动力。涡轮钻具由四个基本部件构成：上轴承或止推轴承；涡轮；下轴承；以及钻头。在操作时，泥浆被泵送穿过钻杆，流过止推轴承，并进入涡轮机。在涡轮机中，附在该工具的主体部上的定子使泥浆流转向附在轴上的转子。这使得连接到钻头的轴旋转。如在旋转钻井中一样，泥浆流过下轴承中轴的中空部分，穿过钻头，以去除岩屑，冷却钻头，并执行钻井液的其它功能。作为动力源的泥浆的容量是确定旋转速度的参数。

多级高效反动式涡轮机叶片从流动的泥浆流中提取水力能，并将其转变为机械能(扭矩和旋转)，以驱动钻头。每个涡轮机级由固定到该工具的主体部的定子和固定到输出轴的转子构成。这些被设计为一致地工作，在泥浆流过每一级时，对泥浆进行导向和加速。为了获得执行钻井应用时所需要的高动力和扭矩水平，完整的工具是由大约150组相同的转子和定子对构建的。为了确保长的寿命，转子和定子是使用既耐侵蚀又耐腐蚀的高性能合金制造的。

类似于容积式马达，涡轮钻具通过与流体流量相关联的驱动系统两端的压降来产生机械动力。一般而言，工具的压降能力越大，将机械动力递送到钻头的可能性就越大。因为涡轮钻具动力发生系统是完全机械式的，所以其能够支持与泥浆马达相比产生更大机械动力的极高压降。

考虑到它们的优点，容积式马达(PDM)和涡轮机被大量地用于油田钻井操作，以增大在钻井过程中提供给钻头的旋转速度和扭矩。

尽管被如此广泛地使用，然而，通常并不确切地知道在使用PDM和/或涡轮机的钻井操作过程中产生多大的旋转速度。

钻井马达或涡轮机的转速在控制钻井系统的钻井方向、ROP、钻井系统的稳定性、钻井系统的振动、钻井系统的效率等方面可能是极为重要的。同样地，为了基本上实时地有效操作使用井下马达的钻井系统，确定井下马达或涡轮机的旋转属性是重要的。

发明内容

在本说明书中，术语“钻井涡轮机”、“轴”、“驱动轴”和/或“转子”可以可互换地使用，以描述在井下马达中旋转并驱动钻头旋转的元件。

因此，在第一方面，本发明涉及一种钻井设备，包括钻头，该钻头连接到可旋转地安装在定子内部的转子，该转子包括至少一个磁场源或磁场检测器，并且该定子在转子包括磁场检测器的情况下包括至少一个磁场源，或者在转子包括磁场源的情况下包括至少一个磁场检测器。

这样，当转子相对于定子旋转时，定子或转子上的检测器将检测所经受的磁场的波动。通过解释该波动，可以确立转子相对于定子的旋转速度。

因此，在第二方面，本发明涉及一种确定安装在定子内部的转子的旋转速度的方法，该方法包括：测量在这里界定的设备中的至少一个磁场检测器处检测到的磁场；以及根据测量值确定旋转速度。

如上所述，转子和定子可以形成容积或腔式马达，或者涡轮机。然而，其它转子或定子布置也是可能的。

转子的旋转速度可以例如通过测定检测到的磁场的峰值之间的持续时间来确定。另外，可以通过对测得磁场执行频率分析来确定旋转速度。

然而，一般值得期望的是，不但监控旋转速度，而且还监控旋转方向。为了确立旋转方向，磁场源和检测器必须被定位为在检测到的磁场中提供旋转方向的指示。

同样明显的是，如果存在不只一个磁场源，为了使它们在本发明中有用，它们应当都位于转子或定子上。同样地，如果存在不只一个磁场检测器，那么它们都应该位于转子或定子上。任何可能存在但是并没有被定位为使得源或检测器的主要部分位于转子或传感器上的磁场源或磁场检测器对于本发明的目的而言都不能对转子相对于定子的旋转速度和旋转方向的测量做出贡献。

还应当理解，磁场源既有北极又有南极，北极和南极将被物理上分开。

因此，为了确定旋转方向，必须有一个检测器，以及附加的检测器、第一磁场源和与第一磁场源不同的第二磁场源中的任何两个，它们被布置为在转子在定子内部的完整回转期间在任何点处都从不与转子的中心共线。附加的检测器和源可以存在，但是这一最低条件使得可以检测旋转方向。

这样的布置提供了磁场源和检测器的非对称取向，使得能够确立旋转方向。

提供不同磁场的一种方便方式是将第一磁场源布置为北极，而将第二磁场源布置为南极。另一种选项是，例如通过将源和检测器之间的距离布置为不同或者将一个源布置得比另一个源强，确保一个磁场源的检测强度与另一个磁场源的检测强度具有可测量的不同。

例如，在一个实施例中，转子包括单个磁场源，而定子包括两个磁场检测器，其中检测器与转子的中心不共线。在这种情况下，可以通过对两个磁场检测器检测到的磁场进行互相关来确立旋转方向。通过比较两个检测器经受磁场的时间，可以确立旋转方向。

在另一个实施例中，转子包括单个磁场源，而其北极和南极被定位为不与转子的中心共线。另外，定子包括单个磁场检测器。在这种情况下，在转子的单次回转期间，该单个磁场检测器既经受北极又经受南极，可以通过比较经受北极和南极的次数来确定旋转方向。

因此，在一个实施例中，通过对至少两个磁场检测器所经受的测得磁场进行互相关来测量运动方向。在另一个实施例中，通过比较至少两个不同的检测到的磁场的峰值和/或谷值之间的时间来测量运动方向。

在一个实施例中，提供附加的磁场源和检测器，以便提供对速度和方向的附加测量，改进精确度，并在仪器故障的情况下向该布置引入冗余度。因此，在某些实施例中，该钻井设备包括至少两个磁场源和至少两个磁场检测器。

磁场源可以由磁体适当地提供，磁体可以是任何类型的磁体，例如永久磁体或暂时磁体。

磁场检测器可以包括磁强仪，在某些方面，可以使用总场磁强仪来提供对地球磁场中的旋转不敏感的检测器，并且提供对轴的运动的精确解释。

在本发明的实施例中，可以通过例如电磁传输将相对运动的测量结果传输到地面，以便于控制井下钻井马达的操作。传输可以经由泥浆脉冲遥测技术、有线导管、声波传输、无线传输、电磁传输等方式进行。在其它实施例中，可以使用井下处理器来使用相对运动数据控制井下马达。在另一个实施例中，井下马达可以处理相对运动数据，并且将从相对运动数据处理的数据传输到地面。

在本发明的实施例中，相对运动数据可以通过下述各种技术从钻柱的一个元件递送和/或向地面递送：短跳电磁传输、滑动环和线缆、压力脉冲、声波等。

附图说明

现在将参考附图，仅作为示例，图解本发明，其中：

图1是根据本发明在井下泥浆马达中使用的转子的横截面的示意表示。

图2是根据本发明在井下泥浆马达中使用的另一种转子的横截面的示意表示。

图3是根据本发明在井下泥浆马达中使用的另一种转子的横截面的示意表示。

图4是根据本发明在井下泥浆马达中使用的另一种转子的横截面连同侧视图的示意表示。

图5是示出针对图1所示的布置的磁强仪读数随时间的变化的图表。

图6是作为根据本发明井下泥浆马达使用的转子和定子布置的截面形式的侧视图的示意表示。

图7是来自根据本发明的布置的磁强仪读数的轨迹。

图8是在根据本发明的布置中定子的外主体的图像，其中外壳的部分被去除以示出其中的DMM磁强仪板。

图9是基于从根据本发明一个实施例进行的测量而计算的转子相对于定子的速度的图。

图10是示出在使用根据本发明的设备进行的一次钻井过程期间，所测量到的磁场频率的分布的图表。

图11是示出在根据本发明的布置中所计算出的转子相对于定子的旋转速度的图表。

具体实施方式

接下来的描述仅提供了优选示例性实施例，并不意图限制本发明的范围、适用范围或配置。相反，接下来对优选示例性实施例的描述将向本领域技术人员提供使得能够实现本发明的优选示例性实施例的描述。应当理解，可以对元件的功能和布置进行各种改变，而不脱离这里所阐述的本发明的范围。

在下面的描述中给出具体的细节来提供对实施例深入的理解。然而，本领域技术人员应当明白，实施例可以在没有这些具体细节的情况下实现。例如，以框图形式示出了电路，以便不会以不必要的细节遮蔽实施例。在其它情况下，可能以没有不必要的细节示出公知的电路、处理、算法、结构和技术，以避免遮蔽实施例。

同样，应当注意到，实施例可能是作为工艺来描述的，而该工艺是以流程图、作业图、数据流图、结构图或框图的形式示出的。尽管流程图可能描述作为随后工艺的操作，但是许多操作可以并行或同时执行。另外，操作的顺序可以重新安排。一个工艺在其操作结束时终止，但是可以具有图中未包括的附加步骤。工艺可以对应于方法、函数、过程、子例程、子程序等。当工艺对应于函数时，其终止对应于该函数返回到主调函数或主函数。

此外，实施例可以由硬件、软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言、或其任何组合实现。当以软件、固件、中间件或微码实现时，可以在机器可读介质如存储介质中存储执行必要的任务所需的程序代码或代码段。处理器可以执行必要的任务。代码段可以代表过程、函数、子程序、程序、例程、子例程、模块、软件包、类、或者指令、数据结构或程序语句的任何组合。代码段可以通过传递和/或接收信息、数据、命令行参数、参数、或存储器内容来与另一个代码段或硬件电路耦接。信息、命令行参数、参数、数据等可以经由任何适当的手段来传递、转发或传输，包括存储器共享、消息传递、令牌传递、网络传输等。

转到附图，图1示出了根据本发明的实施例的转子10的截面图，转子10包括第一磁场源12和第二磁场源14。第一磁场源12被定向为其两极与转子的中心共线，并且其北极在最外侧。第二磁场源14被定向为其两极与转子10的中心共线，并且其南极在最外侧。在本发明的实施例中，转子10被定位在转子10可以在其中旋转的外壳20内。在某些方面，外壳20可以包括定子。

因此，在某些实施例中，利用设置在适当定子上任何位置的一个检测器，转子的旋转速度和旋转方向都可以确定。在这样一个实施例中，检测器检测到正的，然后是负的信号改变，两者相位不同，可以由处理器(未示出)对其进行处理以确定轴相对于马达或涡轮机的主体部的旋转速度和/或旋转方向。

在本发明的一些实施例中，图1的转子10可以包括中央涡轮元件。这样，转子10的实施例可以包括一个或多个叶片，并且转子10可以设置在外壳20中。转子10的叶片用于将通过外壳20的流体的运动转变为转子10的旋转运动。在这样的实施例中，系统包括可以用于驱动钻井系统中的钻头的涡轮机。

图2示出了根据本发明的实施例的转子20的截面图，转子20包括具有北极和南极的一个磁场源22。然而，在这个实施例中，考虑到两极与转子的中心不共线的事实，设置在适当定子上任何位置的单个检测器可以测量转子相对于定子的旋转速度和旋转方向两者。

图3示出了根据本发明的实施例的转子30的截面图，转子30包括一个磁场源32，其两极与转子的中心共线。在这个实施例中，使用两个检测器34、36来测量转子30的旋转速度以及旋转方向两者。

在本发明的实施例中，可以通过由两个检测器34、36测量的响应的互相关来确定旋转方向。

图4示出了根据本发明的实施例的转子40的截面图，转子40包括第一磁场源42和第二磁场源44。在这个实施例中，第一磁场源42和第二磁场源44都被定向为其两极与转子的中心共线，并且其北极在最外侧。

图5图解了根据本发明的实施例来自如图1所示位于围绕转子的定子之中的三个磁强仪的实际测量磁强仪读数。

图6示出了根据本发明的实施例的转子50和定子52的组合的截面形式的侧视图示意性表示。转子包含磁场源54，而定子包含磁场检测器56和58。

在图6的实施例中，因为磁场源54和检测器56、58在定子的单次回转中在两个点处与定子的中心共线，所以该布置仅能够确定转子的旋转速度，而不能确定旋转方向。

图7示出了根据本发明的实施例在图6所示的布置中的测得磁场的图表。前四个峰值之间的测得时间是0.6412、0.6522、0.6492和0.6532秒。根据本发明的实施例，这给出了旋转速度的测量值分别为93.57、91.99、92.42和91.85rpm。在一些实施例中，这些测量值可以被平均，例如使用移动平均，以在任何时候给出测得旋转速度的读出值。

在本发明的实施例中，可以由位于井下和/或地面的处理器来处理转子/涡轮机速度，并且可以使用处理后的速度来控制井下马达的操作和/或钻井处理。

图8示出了根据本发明的实施例的图6中图解的实际设备的图像，该设备产生图7所示的数据。

图9示出了在较长时间段内根据本发明的实施例测量的测得旋转速度随着时间变化的图。在本发明的实施例中，测得数据可以被处理以示出井下马达的操作速度在两分钟的测得数据期间从120rpm改变到90rpm。

图10示出了根据本发明的实施例由磁强仪测量的数据的频率分析。在本发明的实施例中，可以处理频率数据以确定峰值在大约1.0、1.5和2.0Hz处出现。在1.5和2.0处的峰值与转子在定子中的旋转有关。1.0处的峰值与定子在地球磁场中的旋转有关。

图11示出了图9所示的旋转速度的图，只是还叠加了定子旋转速度。处理该数据示出定子以大约60rpm在地球磁场中旋转。

根据本发明的实施例从来自转子系统的信号处理得到的数据用于确定转子在钻井过程期间的旋转属性。因此，在本发明的实施例中，可以监控和/或控制转子/井下马达的操作。

为了清楚和理解的目的，现在已详细描述了本发明。然而，应当理解，可以在所附权利要求书的范围内实施某些改变和变更。此外，在前面的描述中，为了说明的目的，以特定的顺序描述了各种方法和/或过程。应当理解，在可替换实施例中，这些方法和/或过程可以以与所描述的顺序不同的顺序执行。

Claims (16)

1.一种钻井设备，包括钻头，该钻头连接到可旋转地安装在定子内部的转子，该转子包括至少一个磁场源或磁场检测器，并且该定子在转子包括磁场检测器的情况下包括至少一个磁场源，或者在转子包括磁场源的情况下包括至少一个磁场检测器，其中，所述钻井设备包括一个第一磁场源和一个第一磁场检测器，所述钻井设备还包括第二磁场检测器和与所述第一磁场源不同的第二磁场源中的至少一个，它们被布置为在转子在定子内部的完整回转期间在任何点处都从不与转子的中心共线。

2.根据权利要求1的钻井设备，其中第一磁场源是北极，而第二磁场源是南极。

3.根据权利要求1的钻井设备，其中第一磁场源的检测强度与第二磁场源的检测强度是可测量的不同。

4.根据权利要求1的钻井设备，包括第二磁场源和第二磁场检测器。

5.根据权利要求1的钻井设备，还包括处理器，该处理器被配置为处理由磁场检测器所产生的信号。

6.根据权利要求5的钻井设备，其中该处理器被配置为从来自磁场检测器的信号处理转子的速度。

7.一种钻井设备，包括连接到涡轮机的钻头，该涡轮机包括可旋转地安装在外壳内部的中央涡轮元件，该中央涡轮元件包括至少一个磁场源或磁场检测器，并且该外壳在中央涡轮元件包括磁场检测器的情况下包括至少一个磁场源，或者在中央涡轮元件包括磁场源的情况下包括至少一个磁场检测器，其中，所述钻井设备包括一个第一磁场源和一个第一磁场检测器，所述钻井设备还包括第二磁场检测器和与所述第一磁场源不同的第二磁场源中的至少一个，它们被布置为在该中央涡轮元件在该外壳内部的完整回转期间在任何点处都从不与该中央涡轮元件的中心共线。

8.一种确定位于井下马达中的外壳中的转子的旋转速度的方法，该方法包括：

使用磁场检测器测量因磁场源的相对旋转而产生的磁场，其中当磁场源耦接到转子时磁场检测器耦接到外壳，而当磁场源耦接到外壳时磁场检测器耦接到转子；以及

使用处理器处理测得的磁场以处理转子的旋转速度。

9.根据权利要求8的方法，其中所述井下马达包括定子。

10.根据权利要求8的方法，其中所述井下马达包括涡轮。

11.根据权利要求8的方法，其中所述旋转速度是通过测量所述测得磁场的峰值和/或谷值之间的时间来确定的。

12.根据权利要求8的方法，其中所述旋转速度是通过对所述测得磁场执行频率分析来确定的。

13.根据权利要求8至12中任何一项的方法，还包括：

通过对至少两个磁场检测器所经受的测得磁场进行互相关来确定转子的运动方向。

14.根据权利要求13的方法，其中所述运动方向是通过比较至少两个不同的检测到的磁场的峰值和/或谷值之间的时间来确定的。

15.根据权利要求8的方法，还包括：

向地面位置传输所述测得磁场或所述旋转速度。

16.根据权利要求15的方法，其中所述测得磁场或所述旋转速度是使用有线导管传输的。