CN105229253A - 井底钻井设备的发电机和电动马达 - Google Patents
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Abstract
一种可定位在井筒中的井底的发电机，所述发电机包括具有第一纵端和第二纵端的管状外壳，所述外壳具有具备多个层的内部通道。所述层包括至少第一保护层、第二保护层和定位在所述第一保护层与所述第二保护层之间的导电层。所述层界定内腔。具有磁垫片的轴件可移动地定位在所述内腔中。当所述轴件移动时产生电流。替代地，所述装置可被供应电功率且用作井底马达。
Description
相关申请的交叉引用
本接续申请要求2013年5月8日提交的名为“InsulatedConductorforDownholeDrillingEquipment”的第PCT/US13/40076号PCT专利申请的权益。
技术领域
本公开涉及用于在附接到钻柱的井底工具中产生电流的系统、组合件和方法。
发明背景
管状钻井工具用于地面钻孔。这些工具可以包括单数个管状外壳或管状外壳组合件，其包括多个内部组件(例如螺杆钻井马达)。钻井液的液压能量和钻井管件或井底钻井工具内部组件的机械能量在钻井过程中固有地存在于井底。此功率可用于提供井底发电源。
附图简述
图1是钻机和定位在井筒中的井底设备的示意说明。
图2A说明包括井底钻井工具的示例性井底钻井组合件的侧视图，所述井底钻井工具具有经切割以说明井底液压钻井马达的内部特征的管状外壳的部分。
图2B是操作地定位在由定位在管状外壳中的定子界定的腔中的井底钻井工具的定子和转子的横截面图。
图3A到图3C是包括绝缘导体的示例性定子的横截面图。
图3D和图3E是定位在管状外壳中的示例性定子的另一实施方式的横截面图。
图4A到图4F说明定子和转子叶片的一些实施方式的示例性构造。
图5是包括实质上直立绝缘导电带的另一示例性定子的横截面图。
图6A到图6B是包括多个绝缘导体的示例性定子的横截面图。
图7说明包括绝缘导体的定子的概念示例性实施方式。
图8和图8A是井底钻井马达的定子和转子的横截面侧视图。
图9A是井底钻井马达的示例性部分定子的横截面图。
图9B是示例性定子区段的端视图。
图10是另一示例性定子区段的端视图。
图11是用于使用包括绝缘导体的定子的示例性过程的流程图。
图12是包括螺旋绝缘导电带的另一示例性定子的横截面图。
图13A和图13B是包括曲折绝缘导电带的集合的另一示例性定子的横截面图。
图14是用于使用包括螺旋绝缘导体的定子的另一示例性过程的流程图。
具体实施方式
诸如井底钻井马达中使用的螺杆动力单元和诸如用于石油生产的井底潜水泵中使用的螺杆泵通常称作莫诺式螺杆型马达(Moineau-typemotor)和泵。在莫诺式螺杆型马达中，定子通常围封在外壳中。定子包括中心通道，其具有定位于所述通道中的螺旋叶片的集合。螺旋转子与螺旋定子相互作用以在通道中径向和纵向界定多个腔。当加压流体被供应到井底莫诺式螺杆型马达的上端时，转子旋转且螺旋转子与螺旋定子的叶片之间的腔的前进将上端的流体传送到马达的下端。转子和定子的相互作用用于以可被传送到井底工具管柱的扭矩和旋转的形式将液压能转换为机械能。莫诺式螺杆型泵充当莫诺式螺杆型马达中使用的技术的逆应用。在莫诺式螺杆型泵中，旋转能量及扭矩被供应到转子且转子转向。转子和定子形成腔的相互作用将流体从泵的一端移动到(例如，泵抽到)泵的另一端。
图2A说明定位在井筒60中的示例性钻井组合件50。在一些实施方式中，钻井组合件50可为钻柱20。钻井组合件50的远端包括由连接到钻头50的井底马达100驱动的工具管柱40。井底马达100通常包括管状外壳102，其通常是由钢铁形成且围封动力单元104。动力单元104包括定子120和转子122。参考图2B，定子120包括多个(例如5个)叶片。转子具有的叶片通常比定子124少一个。如上文先前讨论，定子和转子协作以界定多个腔134。参考图4A到图4F中的转子和定子的示例性构造。
转子122可旋转地定位在腔134中。转子122与螺旋定子124相互作用以在通道中径向和纵向地界定多个腔134。当加压流体被供应给井底莫诺式螺杆型马达的上端时，转子旋转且螺旋转子与螺旋定子的叶片之间的腔的前进将上端的流体传送到马达的下端。转子和定子的相互作用用于以可被传送到井底工具管柱的扭矩和旋转的形式将液压能转换为机械能。例如，参考图2A和图2B，加压钻井液90(例如钻井泥浆)可被引入在动力单元104的上端处且向下推动通过腔134。由于加压钻井液90流过腔134，转子122旋转，这使钻头136旋转并从地层切割材料。来自腔134的钻井液90在下端处被排出且然后随后从马达排放，然后从钻头50排放。
在钻井操作期间，钻井液90顺着附接到井底钻井马达100的钻柱20(示为脱离)内部泵送。钻井液90进入具有由泵(例如地面处的泵)强加于钻井液的压力的腔134。如上文讨论，进入腔134的加压钻井液协同定子120和转子122的几何形状使转子122转向以允许钻井液90行进通过马达100。钻井液90随后通过钻头50中的埠(例如喷嘴)退出且向上行进通过钻柱20与井筒60之间的环状物130，且被接收在其中其被捕捉且再次顺着钻柱20泵送的地表处。
一些常规的莫诺式螺杆型泵和马达包括具有由结合到钢铁外壳的橡胶或聚合物材料形成的定子接触表面的定子。然而，在井底钻井应用中通常涉及的动态负载状况中，定子和转子中可产生大量的热量。因为橡胶通常并非良好的热导体，所以热能通常积累在由橡胶制成的组件(例如定子)中。此热能积累可造成热降解且因此可造成损坏橡胶组件和橡胶组件的分离。
此外，在一些情况中，泵送通过马达的钻井液是包括碳氢化合物的材料。例如，可使用基于油或基于柴油的钻井液，其通常被视为使橡胶恶化。此恶化可通过热能的积累而加剧。水和基于水的流体可面临钻井应用中的橡胶组件的问题。
为了使钻井马达达到最佳性能，定子和转子的橡胶部分之间通常存在一定所需的配合(例如，间隙或介入)。当橡胶肿胀时，不但会影响马达的效率，而且橡胶由于转子与定子之间的间隙减小或介入增加而容易损坏。间隙减小通常在橡胶上引发较高负载。
使用期间定子与转子之间的接触使这些组件磨损(即，定子或转子的橡胶部分)，这造成改变定子与转子之间的配合。在一些情况中，转子或定子可吸收钻井液的成分且隆起，这可造成间隙变得更小，从而使转子或定子的部分磨损并折断。这通常称作崩花(chunking)。在一些情况中，材料崩花可造成明显的压力损耗，使得动力单元不再能够产生适当功率电平来继续钻井操作。此外或替代地，在一些情况中，所使用的钻井液中的化学成分可降解转子或定子，且使其之间的配合发生改变。因为动力单元的有效操作通常取决于所需的配合(例如，少量间隙或介入)，所以由于使用期间这些组件的磨损，定子和/或转子可在地表的设备维护操作期间进行调整以维持所需间隔。
在一些实施方式中，工具管柱40包括与位于地表12处的电设备55电连通的电元件，诸如马达、致动器和传感器。先前讨论的井底状况可极为不利于常规的电导体(诸如绝缘线)，因为这些导体可能干扰钻柱20的机械操作或在暴露于钻井操作期间经历的状况时可易受破损、腐蚀或其它损坏影响。为了给这些电元件供电，钻柱20和/或工具管柱40的元件包括将在图3到图11的描述中讨论的导电元件。
图3A到图3C是包括绝缘导电层320的井底钻具的示例性定子300(例如井底马达300)的横截面图。在一些实施方式中，定子300可为图1的钻柱20的部分或图2A到图2B的定子120。
在一些实施方式中，本文公开的绝缘导体可以用于使一个或多个电导体行进通过外壳且行进在外壳周围，或行进通过其它井底钻具(诸如RSS导向工具、涡轮机、防空转工具和井底发电机)的传动轴件的钻孔。在其它实施方式中，绝缘导体可以行进通过井底往复工具，诸如喷嘴和防空转工具。
一般来说，当搭配诸如井底马达定子外壳的钻孔的组件使用时，绝缘导电层320可呈圆周层、半圆周层、薄直带、螺旋带或任何其它适当的导电层的形式，任何其它适当的导电层是绝缘的、几何形状不显著(例如，薄的壁中区段，具有良好的粘附性)且不会负面地影响定子弹性体结合或几何形状完整性。
定子300包括通常由钢铁形成的管状外壳310。绝缘导电层320被包括实质上相邻于管状外壳310的内表面。绝缘导电层320可以被形成为圆周层、半圆周层、薄的直带、螺旋带或任何其它适当的导电层。在一些实施方式中，绝缘导电层320可以保形于管状外壳310的内表面的几何形状。
现在参考图3C，更详细地展示定子300的区段。绝缘导体层320包括导电子层322、绝缘子层324a和绝缘子层324b。导电子层322是由经模制、挤压、喷涂或以其它方式形成以实质上遵循管状外壳310的内表面的几何形状的导电材料形成。导电子层可以由包括金属(例如铜)的各种材料和碳纳米管制成。绝缘子层324a、324b在导电子层322与其它相邻层(例如管状外壳310)和/或如将在图4A到图4B和图5的描述中讨论的其它导电层之间提供电绝缘。在一些实施方式中，绝缘子层324a、324b可以经模制、喷涂或以其它方式形成为实质上相邻于导电子层322的电绝缘套筒。一般来说，导电子层322夹置在绝缘子层324a与绝缘子层324b之间。绝缘子层324a、324b可以施加于管状外壳310的全圆钻孔或全外表面，或可以施加于散立区域，其中导电子层322放置在绝缘区域之间。在一些实施方案中，导电子层322可形成或组装成沿管状外壳310的内表面的一系列绝缘导电环或圆柱形子区段。
在一些实施方案中，绝缘子层324b可为径向地提供在导电子层322与管状定子300的钻孔之间的保护层。绝缘子层可以由包括聚合物(包括碳纳米管)和陶瓷的各种材料制成。绝缘子层324b可保护导电子层322免受腐蚀和研磨状况，腐蚀和研磨状况可以存在于钻孔内，例如由于与转子或轴件接触而磨损、由于泥浆或其它流体流而磨损和腐蚀、由于钻井泥浆或流体流携带的材料产生的化学降解。在一些实施方案中，绝缘子层324b可经模制、喷涂或以其它方式成保护套筒的形式。在一些实施方案中，绝缘子层324b可以实施纳米粒子技术和/或可以为薄的，例如毫米的部分到几毫米厚。在一些实施方案中，绝缘子层324b可以提供抗腐蚀、抗研磨性质和/或电绝缘性质。
在一些实施方式中，用作导电子层322的宽度、厚度和材料可以基于期望传输通过其的数据或功率的量而选择。在一些实施方式中，导电子层322的导电材料、几何形状和/或位置可以被选择来允许钻井管件经历井底钻井环境时的弯折、压缩和/或拉伸。
图3D和图3E说明用于绝缘子层324b的替代定子几何形状。
图4A到图4F说明定子和转子叶片的额外示例性实施方式的示例性构造。图4A是示例性定子1105a的横截面端视图1100a，所述定子1105a包括示例性管状外壳1110a、示例性弹性体层1115a、示例性导电子层1122a、示例性绝缘层1124a和示例性转子1130a。图4B展示示例性定子1105b的横截面端视图1100b，所述定子1105b包括示例性管状外壳1110b、示例性弹性体层1115b、示例性导电子层1122b、示例性绝缘层1124b和示例性转子1130b。图4C展示示例性定子1105c的横截面端视图1100c，所述定子1105c包括示例性管状外壳1110c、示例性弹性体层1115c、示例性导电子层1122c、示例性绝缘层1124c和示例性转子1130c。图4D展示示例性定子1105d的横截面端视图1100d，所述定子1105d包括示例性管状外壳1110d、示例性弹性体层1115d、示例性导电子层1122d、示例性绝缘层1124d和示例性转子1130d。图4E展示示例性定子1105e的横截面端视图1100e，所述定子1105e包括示例性管状外壳1110e、示例性弹性体层1115e、示例性导电子层1122e、示例性绝缘层1124e和示例性转子1130e。图4F展示示例性定子1105f的横截面端视图1100f，所述定子1105f包括示例性管状外壳1110f、示例性弹性体层1115f、示例性导电子层1122f、示例性绝缘层1124f和示例性转子1130f。
图5是包括实质上直立绝缘导电带的另一示例性定子500的视图。在所说明的实例中，定子500包括管状外壳510和导电带层522。虽然此实例中描述一个导电带层，但是在一些实施方案中也可以使用两个、三个、四个或任何其它适当数量的导电带层。
导电带层522经布置实质上平行于绝缘子层524a的内表面的纵向几何形状。导电带层522通过绝缘子层524a与管状外壳510电绝缘，且通过绝缘子层524b与定子500的钻孔电绝缘。导电带层可以在外壳的钻孔中呈螺旋形式或可以是其它规则或不规则的几何形状。
图6A到图6B是包括多个绝缘导体的示例性定子400的横截面图。在所说明的实例中，定子400包括管状外壳410和两个导电层422a和422b。虽然此实例中描述一个导电层，但是在一些实施方案中也可以使用两个、三个、四个或任何其它适当数量的导电层。
导电层422a到422b是经形成以实质上保形于管状外壳410的内表面的几何形状的同心层。导电层420a通过绝缘子层424a与管状外壳410分离。导电层422a到422b通过图3C的绝缘子层424b分离，且导电层422b通过绝缘子层424c与定子400的钻孔电绝缘。
图7说明示例性定子300的概念示例性实施方式800。在所说明的实例中，第一电气装置(发电机或数据产生器)810由定子300的导电子层322电连接到第二电气装置(电功率消耗装置或数据接收器)820。第一电气装置810和第二电气装置820可以是例如发电机和电机致动器(例如，井底钻井组件，诸如可变径稳定器、牵引装置或封隔器)，或数字数据传输器和数字数据采集组件。每一电气装置810、820可以包括任选地由用于电控制电气装置810、820的操作的固件或其它计算机可用代码掌控的电组件，诸如逻辑电路、集成电路和存储器。第一电气装置810在定子300的第一端830处连接到导电子层322，且第二电气装置820在定子300的第二端840处连接到导电子层322。导电子层322提供定子300的第一端830与第二端840之间的电路径，以促进第一电气装置810与第二电气装置820之间的电连通。绝缘子层324a、324b提供用于导电子层322的电绝缘。在一些实施方式中，第一电气装置810和/或第二电气装置820可为电能源、电能消耗装置、接收电信号(例如数据信号)的无源或有源组件、电接地或这些和/或其它适当电组件的组合。从电气装置810通过第一电端导体811传导到导电子层322的电流可以包括经传输的电信号和/或经传导的电功率。例如，第一电气装置810可经由第一端导体811将电信号提供到第一端830，且信号可沿导电子层322传输到第二端840，或替代地取代信号的是，电功率可以传导通过导电子层且用于给工具管柱中的装置供电。电流是在第二端840处接收自导电层，且可以经由第二端导体821传输。例如，第二电气装置820经由第二端导体821连接到导电子层322以接收已从第一电气装置810传输的信号或替代地接收传导通过导电层的电功率。将明白，信号或功率可以沿任一方向传输通过导电层。将明白，电端导体811和821可以是任何导电装置(例如，简单的导线或公/母类型的电耦合器)。
实施方式800可通过井底工具和/或钻柱提供有效且可靠的电功率和/或数据传输。功率和/或数据可经传导通过绝缘导电套筒(例如，导电子层322和绝缘子层324a、324b)，其可形成诸如定子300的钻井设备圆柱形管状组件的实心部分。在一些实施方式中，定子300可以提供电连接且不显著影响钻井设备组件的物理操作完整性；例如，定子300的横截面几何形状可以不受包括导电子层322和绝缘子层324a、324b的显著影响。在一些实施方式中，可以减小对导体的不利钻井液腐蚀、侵蚀、振动和/或冲击负荷影响。例如，通过定子300的钻孔的流体流实质上可以不受导电子层322和绝缘子层324a、324b的存在影响，因为定子300的钻孔可经形成具有类似于不具有绝缘导电套筒的定子的内表面几何形状，诸如图2A到图2B的示例性钻柱20。
图8和图8A是示例性井底钻井马达700的示例性定子705和示例性转子730的横截面侧视图。定子705包括管状外壳710(例如，金属外壳)。在一些实施方案中，额外的螺旋叶片金属垫片715被插入到外壳710中或螺旋叶片形式直接产生在外壳710的钻孔上。然后绝缘层720首先施加到垫片720的内表面或替代地施加到外壳710的钻孔，然后施加导体层722且然后施加弹性体子层724。图8A是图8的放大部分且说明这些施加层。
导电子层722沿施加于金属垫片层715(或替代地外壳210的钻孔)的绝缘层720的复杂内表面形成。在一些实施方案中，导电子层722可以是插入或以其它方式施加到弹性体层715的内表面的导电套筒或带。在一些实施方案中，导电子层722可以是喷涂、涂敷或以其它方式沉积在金属垫片层715的内表面上的流体或颗粒化合物。
绝缘子层724沿导电子层722的同心向里表面形成。绝缘子层724可以是聚合物，且因此当转子在定子组合件内侧旋转时可变形。绝缘子层724可保护导电子层722免受腐蚀和研磨状况，腐蚀和研磨状况可以存在于钻孔内，例如由于与转子730接触而磨损、由于泥浆或其它流体流而磨损、由于由泥浆或流体流携带的材料的化学降解。在一些实施方案中，绝缘子层724可经模制、喷涂或以其它方式呈保护套筒形式。在一些实施方案中，绝缘子层724可以实施纳米粒子技术和/或可以是薄的，例如一毫米的部分到几毫米厚。在一些实施方案中，绝缘子层724可以提供抗腐蚀、抗研磨性质和/或电绝缘性质。
在一些实施方案中，施加于金属层715的弹性体层720可提供电绝缘。例如，施加于金属层715上的弹性体层720还可以执行导电子层722与管状外壳710之间的绝缘子层的功能。
图9A是示例性截面定子1500的横截面图。定子1500包括管状外壳1510和定子区段1570的集合。如图9B中所示，定子1500的每一定子区段1570包括金属垫片层1522。在一些实施方案中，垫片层1522可为弹性体层。
导电子区段1526a和导电子区段1526b形成于垫片层1522的部分内。在一些实施方案中，导电子区段1526a、1526b可以是插入或以其它方式施加到垫片层1522的子区段的导电套筒或插塞。
在一些实施方案中，垫片层1522可提供电绝缘。例如，垫片层1522还可执行导电子区段1526a、1526b与管状外壳1510之间的绝缘子层的功能。
再次参考图9A，定子1500包括被布置成横向堆叠或横向于定子1500沿管状外壳1510内部的纵轴的行的定子区段1570的集合。定子区段1570经定向使得导电子区段1526a、1526b实质上对准且彼此电接触以提供沿定子1500的长度的绝缘导电路径。
在一些实施方案中，导电子区段1526a、1526b可以由敞开的(例如未填充的)子区段取代。例如，定子区段1570可经定向使得敞开的子区段实质上对准且形成沿定子1500的长度的钻孔。在一些实施方案中，一个或多个导电线或叠层导电套筒可以行进通过由敞开的子区段形成的钻孔。
图10是示例性定子1600的另一示例性定子区段1670的端视图。在一些实施方式中，可以使用定子区段1670来代替图12A的定子区段1570。定子区段1670包括金属垫片层1622。在一些实施方案中，垫片层1622可为弹性体层。在一些应用中，圆盘或板型堆叠金属垫片1622是钢铁。其具有施加有弹性体1624的薄层的内部叶片几何形状。在其它实施方式中，绝缘层将首先施加于堆叠金属垫片1622的内部叶片轮廓，然后施加导体层或带，然后施加最终弹性体层(最终层类似于定子上的目前施加的薄弹性体层)。
导电子区段1626a和导电子区段1626b形成于弹性体层1622的部分内。在一些实施方案中，导电子区段1626a、1626b可以是插入或以其它方式施加到弹性体层1622的子区段的导电套筒或插塞。
在一些实施方案中，导电子区段1626a、1626b可包括一个或多个电绝缘和/或导电子层。例如，导电子区段1626a、1626b可以各自包括导电子层，其由电绝缘子层包围以例如防止导电子层短接到管状外壳1610。在一些实施方案中，导电子区段1626a、1626b可以由敞开的(例如未填充的)子区段取代。例如，一个或多个电导体可以行进通过敞开的子区段以提供沿定子1600的长度的电信号路径。
在一些实施方式中，可以结合现有螺纹式连接导体耦合件(例如配合在销连接鼻部与管状组件组合件上的盒连接钻孔之间的环型耦接件)使用定子300、400、500、600、705、905、1005和/或1105a到1105f，以允许电信号和数据在沿钻柱定位的组件之间行进。
图11是用于使用包括绝缘导体的钻井马达定子的示例性过程1200的流程图。在一些实施方式中，过程1200可以描述定子300、400、500、600、705、905、1005和/或1105a到1105f中的任何一个和/或由其执行。在一些实施方式中，过程1200还可以描述图12的示例性管状组合件600和/或图13a到图13b的示例性管状组合件1400和/或由其执行。
在1205处，提供外壳。例如，在图3A到图3F的实例中，提供管状外壳310。
在1210处，提供第一保护层。例如，绝缘子层324a形成为管状外壳310上的向里同心层。
在1215处，提供导电层。例如，导电子层322沿绝缘子层324a的内表面形成。
在1220处，提供第二保护层。例如，绝缘子层324b形成为导电子层322上的向里同心层。
在1225处，在第一端处向导电层施加电流。例如，在第一端830处施加来自第一电气装置810的电功率到导电子层322。
在1230处，电流沿导电层流动。电流可以包括经传输的电信号和/或经传导的电功率。例如，第一电气装置810可提供电信号到第一端830，且信号可沿导电子层322传输到第二端840，或替代地取代信号的是，电功率可以传导通过导电子层且用于给工具管柱中的装置供电(参见图7和描述图7的文字)。
在1235处，在第二端处从导电层接收电流。例如，第二电气装置820连接到导电子层322以接收已从第一电气装置810传输的信号，或替代地接收传导通过导电层的电功率。将明白，信号可以沿任一方向传输通过导电层，且电功率可以沿任一方向传输通过导电层(参见图7和描述图7的文字)。
图12是包括螺旋形(例如螺旋盘绕)的绝缘导电带的管状组合件600的横截面图。在所说明的实例中，管状组合件600包括管状外壳610和螺旋导电带层622。导电子层可以由包括金属(例如铜)的各种材料且由碳纳米管制成。管状外壳1410的钻孔的几何形状可以被构造来最大化或优化外壳钻孔的总表面面积，且因此优化任何施加的导电带的有效表面面积。导电带的表面面积是关于导电带的电流携带能力或磁场产生能力的重要因素。虽然此实例中描述了一个螺旋导电带层，但是在一些实施方案中也可以使用两个、三个、四个或任何其它适当数量的螺旋导电带层。
导电带层622绕绝缘子层624a的内表面的纵向几何形状螺旋布置。绝缘子层可以由包括聚合物(包括碳纳米管)和陶瓷的各种材料制成。螺旋导电带层622通过绝缘子层624a与管状外壳610电绝缘，且通过绝缘子层624b与管状外壳610的钻孔电隔离。
示例性管状组合件600包括轴件650，其包括磁区段652的集合。轴件650经形成行进通过管状外壳610的钻孔，且通过绝缘子层624b与导电带层622电绝缘。轴件650可沿通常由箭头660指示的方向沿管状外壳610的纵轴纵向地移动(例如振荡)。在一些实施方式中，轴件650可沿管状外壳610移动以产生电流。替代地，用于通过利用固有可用的液压和机械能在井底产生电功率的设备还可被供应电功率，使得其能够用作井底机械能产生源(例如马达)。
在一些实施方式中，如随着钻井液撞击在提升阀或短管阀上而施加于提升阀或短管阀的流体能量可用于纵向地移动轴件650。在一些实施方式中，机械返回装置(例如，弹簧或筒形凸轮装置)可提供机械阻力或可以被构造来将轴件650的纵向位置复位或再循环。在一些实施方式中，可利用通过钻管、套环和/或井底组合件(BHA)组件中的纵轴压缩施加重量于井底工具(诸如钻头)产生的动能。在一些实施方式中，可利用通过钻管、套环和/或井底组合件(BHA组件)中的纵轴拉伸负载施加超拉力负载于井底组合件或工具(诸如扩孔钻)上产生的动能。在一些实施方式中，起因于钻头或地层相互作用的冲击负荷或振动可用于线性或旋转地移动轴件650。
例如，随着轴件650在螺旋导电带层622的蜗壳内移动，磁区段652中的一个或多个的磁场可引发沿螺旋导电带层622的电流流动。在一些实施方式中，电流可以行进通过螺旋导电带层622以移动轴件650。例如，通过可控制地以电形式给螺旋导电带层622供能和断电，可以产生电磁场且可使轴件650沿管状外壳610线性地移动或在管状外壳610内往复，以充当线性马达的形式。
图13A和图13B是包括由如本文先前讨论的材料制成的曲折(例如折叠)的绝缘导电带的集合的另一示例性管状组合件1400的横截面图。在所说明的实例中，管状组合件1400包括管状外壳1410、曲折的导电带层1460a和曲折的导电带层1460b。虽然此实例中描述了两个曲折的导电带层，但是在一些实施方案中也可以使用两个、三个、四个或任何其它适当数量的曲折导电带层。
曲折的导电带层1460a和1460b被布置成周期转向的电路径，使得曲折的导电带层1460a和1460b的大多数长度主要沿绝缘子层1424a的内表面的纵向区段铺置。曲折的导电带层1460a和1460b通过绝缘子层1424a与管状外壳1410电绝缘，且通过绝缘子层1424b与管状外壳1410的钻孔电绝缘。绝缘子层可以由如本文先前讨论的材料制成。
示例性管状组合件1400包括轴件1450，其包括磁区段1452的集合。轴件1450经形成行进通过管状外壳1410的钻孔，且通过绝缘子层1424b与曲折的导电带层1460a和1460b电绝缘。轴件1450可沿通常由箭头1490指示的方向在管状外壳1410内旋转。
在一些实施方式中，轴件1450可在定子管状外壳1410内旋转以产生电流。在一些实施方式中，如通过钻井液撞击在叶轮或涡轮机叶片上施加的流体能量可用于旋转轴件。例如，可利用通过钻管、套环和/或BHA组件中的纵轴压缩施加重量于井底工具(诸如钻头)上或在回扩钻进操作期间施加拉伸负载于井底工具上产生的动能。在一些实施方式中，起因于钻头或地层相互作用的冲击负荷或振动可用于移动轴件1450。在一些实施方式中，钻柱和/或BHA旋转、加速和/或降速可用于移动轴件1450。
例如，随着轴件1450旋转，磁区段1452中的一个或多个的磁场可引发沿曲折的导电带层1460a和1460b的电流流动。在一些实施方式中，电流可以行进通过曲折的导电带层1460a和1460b以移动轴件1450。
在一些实施方式中，通过可控制地以电形式给曲折的导电带层1460a和1460b供能和断电，可以产生电磁场且可使轴件1450沿两个方向中的任一个旋转或在定子管状外壳610内往复，以充当旋转式马达的形式。
图14是用于使用包括螺旋绝缘导体的钻井马达定子的示例性过程1300的流程图。在一些实施方式中，过程1300可以描述图12的示例性管状组合件600和/或图13a到图13b的示例性管状组合件1400和/或由其执行。
在1305处，提供外壳。例如，在图12的实例中，提供管状外壳610。
在1310处，提供第一保护层。例如，绝缘子层624a形成为管状外壳610上的向里同心层。
在1315处，提供导电层。例如，螺旋导电带层622沿绝缘子层624a的内表面形成。
在1320处，提供第二保护层。例如，绝缘子层624b形成为螺旋导电带层622上的面向里层。
螺旋导电层在第一端处耦合位于外壳的第一纵端附近的第一电输入/输出且在第二端处耦合到位于外壳的第二纵端附近的第二电输入/输出。例如，第一电气装置810在示例性定子300(其可由示例性管状组合件600替代)的第一端830处连接到导电子层324。第二电气装置820在第二端840处连接到导电子层324。
在1325处，在导电层内提供具有磁区段的轴件。例如，磁轴件650放置在管状组合件600的钻孔中，且通过绝缘子层624b与螺旋导电带层622电绝缘。
在1325处，磁化轴件在螺旋导电层内移动。例如，轴件650可沿通常由箭头660指示的方向沿管状组合件600纵向地移动。
在1335处，从螺旋导电层接收电流。例如，随着磁轴件650在螺旋导电带层622内移动，磁区段652的磁场可引发电流沿螺旋导电带层622流动。在一些实施方式中，此电流流动可用于给图8的第一电气装置810和/或第二电气装置820供电。
在一些实施方式中，过程1300可以被修改来从电流流动的供应提供机械能。例如，在1330处，可以给导电层提供电流。此电流将产生将与磁轴件区段相互作用的电磁场，从而迫使轴件线性或旋转地移动，有效地在1335处从电功率产生机械能。
虽然上文已详细描述了几个实施方式，但是其它修改也是可能的。例如，图中描绘的逻辑流程无需所示的特定次序或循序次序来实现所需结果。此外，可以提供其它步骤，或可以从所描述的流程消除步骤，且可以添加其它组件给所描述的系统或从所描述的系统移除其它组件。因此，其它实施方式是在以下权利要求书的范围内。
Claims (36)
1.一种可定位在井筒中的发电机，所述发电机包括：
具有第一纵端和第二纵端的管状外壳，所述外壳具有内部通道，所述通道具有定位于其中的多个层，所述层包括至少第一保护层、第二保护层和定位在所述第一保护层与所述第二保护层之间的导电层，所述层界定内腔，所述导电层在第一端处电耦合到位于所述管状外壳的所述第一纵端附近的第一电端导体，且在第二端处电耦合到位于所述管状外壳的所述第二纵端附近的第二电端导体；和
具有磁垫片的轴件，所述轴件可移动地定位在所述外壳的所述内腔中。
2.根据权利要求1所述的发电机，其中所述第一保护层沿所述管状外壳的内表面定位，所述导电层沿所述第一保护层的内表面，且所述第二保护层沿所述导电层的内表面定位。
3.根据权利要求1或2所述的发电机，其中所述第一保护层和所述第二保护层中的至少一个是不导电的。
4.根据权利要求1、2或3中任一项所述的发电机，其中所述导电层包括第一导电层且所述发电机还包括与所述第一导电层电绝缘的第二导电层。
5.根据权利要求4所述的发电机，其中所述第二导电层沿所述第二保护层的内表面定位，且第三保护层沿所述第二导电层的内表面定位。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的发电机，其中所述导电层沿所述第一保护层的所述内表面定位。
7.根据权利要求4到6中任一项所述的发电机，其中所述第二导电层平行于所述第一导电层定位。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的发电机，其中所述第一端导体经由定位在所述管状外壳中的至少一个导电层与所述第二端导体电子连通。
9.根据权利要求8所述的发电机，其中产生于所述导电层中的电流经由定位在所述管状外壳中的至少一个导电层接收于所述第一端或所述第二端导体处。
10.根据权利要求1所述的发电机，其中所述导电层包括被构造为绕所述管状外壳的内表面形成的一个或多个蜗壳的一个或多个导电带。
11.根据权利要求1所述的发电机，其中所述导电层包括被构造为沿所述管状外壳的内表面形成的一个或多个曲折路径的一个或多个导电带。
12.一种在钻井操作中发电的方法，所述方法包括：
将发电机定位在井筒中，所述发电机包括：
具有第一纵端、第二纵端的管状外壳，所述管状外壳具有内部通道，所述通道具有定位于其中的多个层，所述层包括至少第一保护层、第二保护层和定位在所述第一保护层与所述第二保护层之间的导电层，所述层界定内腔，所述导电层在第一端处电耦合到位于所述管状外壳的所述第一纵端附近的第一电端导体，且在第二端处电耦合到所述管状外壳的所述第二纵端附近的第二电端导体；和，
包括一个或多个磁垫片的轴件，所述轴件可移动地定位在所述外壳的所述内腔中；
在所述导电层内线性或旋转地移动所述轴件；
在所述导电层中引发电流流动；和
在所述第一电端导体或所述第二电端导体处从所述导电层接收电流。
13.根据权利要求12所述的方法，其中将发电机定位在井筒中包括定位具有沿所述管状外壳的内表面定位的所述第一保护层、沿所述第一保护层的内表面定位的所述导电层和沿所述导电层的内表面定位的所述第二保护层的发电机。
14.根据权利要求12所述的方法，其中将发电机定位在井筒中包括定位具有不导电的所述第一保护层和所述第二保护层中的至少一个的发电机。
15.根据权利要求14所述的方法，其中将发电机定位在井筒中包括定位具有所述导电层的发电机，所述导电层包括第一导电层和与所述第一导电层电绝缘的第二导电层。
16.根据权利要求15所述的方法，其中将发电机定位在井筒中包括定位具有沿所述第二保护层的内表面定位的所述第二导电层和沿所述第二导电层的内表面定位的第三保护层的发电机。
17.根据权利要求12所述的方法，其中将发电机定位在井筒中包括定位具有沿所述第一保护层的所述内表面定位的所述导电层的发电机。
18.根据权利要求12所述的方法，其中将发电机定位在井筒中包括定位具有平行于所述第一导电层定位的所述第二导电层的发电机。
19.根据权利要求12所述的方法，其中所述导电层包括被构造为绕所述管状外壳的内表面形成的一个或多个蜗壳的一个或多个导电带。
20.根据权利要求12所述的方法，其中所述导电层包括被构造为沿所述管状外壳的内表面形成的一个或多个曲折路径的一个或多个导电带。
21.根据权利要求12所述的方法，其中在所述导电层内线性地移动所述轴件包括所述轴件线性地振动移动，其起因于钻头与正在钻孔的地层相互作用时从所述钻头传输的振动。
22.根据权利要求12所述的方法，其中在所述导电层内线性地移动所述轴件包括在耦合到所述轴件的钻柱上施加拉伸负载，其起因于所述钻井操作中的向上回扩钻进操作。
23.根据权利要求12所述的方法，其中在所述导电层内线性地移动所述轴件包括在耦合到所述轴件的钻柱上施加拉伸负载，其起因于在井底工具上施加超拉力负载。
24.根据权利要求12所述的方法，其中在所述导电层内线性地移动所述轴件包括将提升阀与钻井液接触和在所述提升阀中线性地移动阀杆，其中所述阀杆耦合到所述发电机的所述轴件。
25.根据权利要求12所述的方法，其中在所述导电层内线性地移动所述轴件包括所述轴件通过复位弹簧在所述发电机中移动。
26.根据权利要求12所述的方法，其中在所述导电层内线性地移动所述轴件包括将重量施加到耦合到所述轴件的钻柱。
27.根据权利要求12所述的方法，其中在所述导电层内旋转地移动所述轴件包括所述轴件通过筒形凸轮装置在所述发电机中旋转地移动。
28.根据权利要求12所述的方法，其中在所述导电层内旋转地移动所述轴件包括将所述井中的钻井液撞击到耦合到所述轴件的涡轮机叶片上。
29.根据权利要求12所述的方法，其中在所述导电层内旋转地移动所述轴件包括所述轴件通过筒形凸轮装置和复位弹簧在所述发电机中往复旋转移动。
30.根据权利要求12或29所述的方法，其中在所述导电层内旋转地移动所述轴件包括所述轴件旋转地振动移动，其起因于所述钻头与正在钻孔的地层相互作用时从所述钻头传输的振动。
31.一种可定位在井筒中的电机马达，所述马达包括：
具有第一纵端和第二纵端的管状外壳，所述管状外壳具有内部通道，所述通道具有定位于其中的多个层，所述层包括至少第一保护层、第二保护层和定位在所述第一保护层与所述第二保护层之间的导电层，所述层界定内腔，所述导电层可操作以在被供应电功率时产生电磁场；和
定位在所述内腔中的轴件，所述轴件具有至少一个磁垫片，所述轴件可操作以响应于所述导电层的所述电磁场而在所述外壳的所述内腔中线性或旋转地移动。
32.根据权利要求31所述的电机马达，其中所述导电层包括被构造为绕所述管状外壳的内表面形成的一个或多个蜗壳的一个或多个导电带。
33.根据权利要求31所述的电机马达，其中所述导电层包括被构造为沿所述管状外壳的内表面形成的一个或多个曲折路径的一个或多个导电带。
34.一种将钻井操作的电流转换为机械能的方法，所述方法包括：
将电机马达定位在井筒中，所述马达包括：
具有第一纵端、第二纵端的管状外壳，所述管状外壳具有内部通道，所述通道具有定位于其中的多个层，所述层包括至少第一保护层、第二保护层和定位在所述第一保护层与所述第二保护层之间的导电层，所述层界定内腔，和
可移动地定位在所述内腔中的轴件，所述轴件具有至少一个磁垫片；
在所述导电层中提供电流流动且引发第一磁场；
用所述一个或多个磁垫片产生第二磁场；和
通过所述第一磁场与所述第二磁场的相互作用引发所述轴件的移动。
35.根据权利要求34所述的方法，其还包括致动选自由可变径稳定器、钻井牵引和括程装置和打捞工具组成的组的井底钻井工具的机械组件。
36.根据权利要求34所述的方法，其还包括致动选自由封隔器和井底泵组成的组的井底生产工具的机械组件。
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