CN105556049B - 井下钻探电机 - Google Patents

Abstract

一种井下钻探电机，其包括位于钻柱的壳体。动力套筒位于所述壳体内，并操作性地联接到钻头。所述动力套筒具有螺旋叶形弹性体覆盖的内表面。所述动力套筒可相对于所述外壳体旋转。叶形轴位于所述动力套筒内。所述叶形轴具有螺旋叶形的外表面。锚定组件接合在所述叶形轴与所述外壳体之间，以限制所述叶形轴相对于所述壳体的旋转，使得通过井下钻探电机的流体流动导致所述动力套筒相对于所述外壳体和所述叶形轴旋转。

Description

井下钻探电机

背景技术

本公开一般涉及钻井领域，且更具体而言，涉及井下钻探电机。

渐进腔钻探电机通常具有位于非旋转定子的轴腔内的螺旋转子，其中定子连接到电机的壳体。当钻探流体向下泵送通过电机时，流体使转子旋转。转子可通过等速(CV)接头，或替代地，通过柔性轴联接到钻头。可用于驱动钻头的扭矩可被输出轴或CV接头的抗扭强度限制。此外，对CV接头或柔性轴的需求倾向于将动力段定位成进一步远离钻头，从而导致较长的井下组件。这种组件可具有由对靠近电机的井下装备造成振动损坏的井下钻探振动环境激励的扭转和/或横向自然频率。这种振动可加速对井下装备的磨损。

附图说明

图1示出钻探系统的示意性框图；

图2示出井下电机的一个实施方案的图示；

图3示出井下电机中的动力套筒弹性体的一个实例；

图4示出井下电机中的动力套筒弹性体的另一个实例；

图5示出相对于现有技术电机中的轴运动的本公开的电机中的叶形轴的预测运动的轴视图；

图6是井下扭矩限制组件的实例的横截面视图；以及

图7A-7C是图6的井下扭矩限制组件600的实例的横截面视图。

具体实施方式

图1示出根据本公开的一个实施方案的具有井下组件的钻探系统110的示意性框图。如示出，系统110包括竖立在钻台112上的传统井架111，其支撑由原动机(未示出)以期望的旋转速度旋转的转台114。包括钻杆段122的钻柱120从钻台114向下延伸到定向钻孔126中。钻孔126可在三维路径中行进。钻头150附接到钻柱120的井下末端，并且当钻头150旋转时使地质构造123分裂。钻柱120经由方钻杆接头121、转环128和线路129通过滑轮(未示出)的系统联接到绞车130。在钻探操作期间，操作绞车130来控制钻柱120进入钻孔126的钻压150和钻进速率。绞车130的操作在本领域中熟知，且因此不在本文进行详细描述。

在钻探操作期间，来自泥坑132的合适钻探流体(在本领域中也称为“泥浆”)131在压力下由泥浆泵134循环通过钻柱120。钻探流体131经由流体线路138和方钻杆接头121从泥浆泵134传递到钻柱120。钻探流体131在钻孔底部151通过钻头150的开口排放。钻探流体131向上循环通过钻柱120与钻孔壁156之间的环腔127，并且经由回流管线135排放到泥坑132。优选地，根据本领域中的已知方法将多种传感器(未示出)适当地部署在地面上，以提供有关各种钻探相关的参数的信息，诸如流体流速、钻压、大钩载荷等。

在本公开的一个示例实施方案中，井底组件(BHA)159可包括随钻测量(MWD)系统158，其包括各种传感器以提供有关地层123和井下钻探参数的信息。BHA 159可在钻头150与钻杆122之间联接。

BHA 159中的MWD传感器可包括但不限于用于测量靠近钻头的地层电阻率的传感器、用于测量地层伽马射线强度的伽马射线仪器、用于确定钻柱的倾角和方位角的姿态传感器、和用于测量井下钻探流体压力的压力传感器。上述传感器可将数据传输到井下遥测传输器133，其进而将数据向上传输到地面控制单元140。在一个实施方案中，在钻探操作期间，泥浆脉冲遥测技术可用于传达来自井下传感器和装置的数据。放置在泥浆供应管线138中的换能器143响应于井下传输器133传输的数据而检测泥浆脉冲。换能器143响应于泥浆压力振动而产生电子信号，并将此类信号传输到地面控制单元140。地面控制单元140可经由放置在流体管线138中的传感器143从井下传感器和装置接收信号，并且根据存储在与地面控制单元140数据通信的存储器或其它数据存储单元中的程序指令来处理此类信号。地面控制单元140可在可供操作人员使用以控制钻探操作的显示器/监视器142上显示期望的钻探参数和其它信息。地面控制单元140可包含计算机、用于存储数据的存储器、数据记录器和其它外围设备。地面控制单元140还可具有存储于其中的钻探、测井解释和定向模型，并根据程序指令处理数据，以及对通过合适的输入装置，诸如键盘(未示出)输入的用户命令做出响应。

在其它实施方案中，其它遥测技术，诸如电磁和/或声技术或本领域中已知的任何其它合适的技术可用于本发明的目的。在一个实施方案中，硬线钻杆可用于在地面与井下装置之间通信。在一个实例中，可使用所述的技术的组合。在一个实施方案中，地面传输器接收器180使用所述的传输技术中的任何一种(例如泥浆脉冲技术)与井下工具进行通信。这样可实现地面控制单元140与下文描述的井下工具之间的双向通信。

在一个实施方案中，新颖的井下钻探电机190包括在钻柱120中。井下钻探电机190可为流体驱动的渐进腔驱动电机，其使用钻探流体来旋转可操作性地联接到钻头150的输出构件。现有技术的钻探电机通常具有螺旋转子，所述螺旋转子位于连接到电机的壳体的非旋转弹性体或弹性体涂覆的定子的轴腔内。当钻探流体向下泵送通过电机时，流体使转子旋转。转子可通过可包括等速(CV)接头的联接轴，或替代地通过柔性联接轴联接到钻头150。可用于驱动钻头150的扭矩可被输出轴或CV接头的抗扭强度限制。此外，对CV接头或柔性轴的需求倾向于将动力段定位成进一步远离钻头，从而导致较长的井下组件。这种较长组件比较短组件更具柔性。更柔性的组件可能更倾向于被井下钻探振动环境激励，从而对靠近电机的井下装备造成振动损坏。

与上述常用的现有技术电机相比，图2示出了井下电机190，其具有螺旋叶形固定轴和旋转动力套筒214。动力套筒214具有内螺旋叶形形状，其比非旋转轴220多一个叶。在一个实例中，参见图3，动力套筒214的内表面216可包括形成于动力套筒214的内表面上的叶形表面317。弹性体层305可形成于叶形表面317上方。替代地，参见图4，可使用本领域已知的技术将具有叶形内表面的弹性体套筒330模制到动力套筒214的成形柱状内表面337。弹性体材料可为本领域中已知的适用于井下电机的任何天然或合成弹性体。本领域中的技术人员将理解，所使用的特定弹性体可特定于应用程序，以确保电机弹性体与所使用的钻探流体之间的兼容性。示例弹性体包括但不限于腈、氢化腈和乙烯-丙烯二烯单体(EPDM)。

返回参考图2，壳体200可包括螺纹地联接到下壳体段205的上壳体段201。此外，上壳体段螺纹地联接到BHA 159，使得壳体200随BHA 159和钻柱120旋转。动力套筒214可经由径向轴承225相对于壳体200旋转。在一个实例中，径向轴承225可包括泥浆润滑滑动轴承，其具有涂覆有耐磨性涂层材料的配合轴承表面。此类抗磨性涂层可包括但不限于：天然金刚石涂层、合成金刚石涂层、钨涂层、碳化钨涂层及其组合。

在一个实施方案中，非旋转轴220通过锚定组件260联接到上壳体201。在图2的实施方案中，锚定组件260可包括联接轴组件230和锚定销235。在示出的实施方案中，联接轴组件230包括至少一个等速接头231。当钻探流体131流动通过电机组件，非旋转轴220链接在动力套筒214内。联接轴组件230调节该运动，同时通过锚定销235将任何产生的反作用扭矩传送到上壳体201。图5示出非旋转轴220的预测路径501相对于传统电机的预测路径505的轴投影，其中传统轴相对于非旋转定子旋转。与传统电机中的弹性体的弹性体磨损率相比，减少的运动501可降低动力套筒弹性体的磨损率。此外，当与具有可比输出的传统电机相比时，非旋转轴220的减少总运动501可降低所公开电机中的振动级。

仍参考图2，轴向力轴承210在动力套筒214的输出联接段215与下壳体205之间提供旋转运动。输出联接段215可联接到钻头150。当钻探流体131流动通过所公开的电机190时，箭头240示出从动力套筒214到钻头150的扭矩路径。类似地，箭头245示出从非旋转轴220到上壳体段201的反作用扭矩路径。如上讨论，对于具有相同大小和材料强度的电机，动力套筒相对于现有技术电机的转子和CV接头的较大横截面惯性矩将更大动力提供到具有本公开的电机的钻头。

在另一实施方案中，参见图6，锚定组件660包括在联接轴组件230与外壳体652之间联接的扭矩限制组件600，以限制在失速期间传输的扭矩。图6是扭矩限制组件600的实例的横截面视图。驱动轴617联接到联接轴组件230的上等速接头。在操作中，当跨井下扭矩限制组件600产生的扭矩力实质上为零时，径向棘轮构件204将处于基本上压缩配置中。在操作中，当跨井下力矩组件600产生的扭矩的量增加时，促使径向棘轮构件204径向向外。在图7A-7C的描述中进一步讨论径向向外扩展的该过程。

弹簧段624轴向地压缩弹簧支撑构件623。此类压缩柔顺地促使径向棘轮构件204径向向内。在使用中，沿井下力矩限制组件600产生的扭矩力用于促使径向棘轮构件204径向向外。该向外扩展导致角状面230对角状面613施加轴向力，从而促使弹簧支撑构件623轴向远离径向棘轮组件621，这进而压缩弹簧段624。

在一些实施方案中，弹簧段624可各自包括一个或多个截头圆锥形弹簧(例如，锥状碟形弹簧、锥形弹簧垫圈、碟形弹簧、杯形弹簧垫圈和贝氏弹簧、贝氏弹簧垫圈)的集合。在一些实施方式中，弹簧可以是螺旋压缩弹簧，诸如模具弹簧。在一些实施方式中，多个弹簧可被堆叠，以修改由弹簧段624提供的弹簧常数。在一些实施方式中，多个弹簧可被堆叠以修改弹簧段624提供的偏转量。例如，朝相同方向的堆叠弹簧可并联增加弹簧常数，从而创建具有实质上相同偏转的更硬接头。在另一实例中，朝交替方向的堆叠弹簧可执行与串联增加弹簧实质上相同的功能，从而导致更低弹簧常数和更大偏转。在一些实施方式中，混合和/或匹配的弹簧方向可提供预定的弹簧常数和偏转容量。在一些实施方式中，通过更改弹簧段624的偏转和/或弹簧常数，可类似地更改导致井下扭矩限制组件600进入扭矩限制模式所需的扭矩量。

图7A-7C是图6的井下扭矩限制组件600的实例的横截面视图。参考图7A，井下扭矩限制组件600包括外壳体652(与图2的上壳体201对应)。外壳体652包括内腔604。内腔604包括内表面606，其包括插座608的集合。

径向棘轮构件204包括一个或多个突出物(“楔块”)610，其从径向向外表面613径向向外延伸。在使用中，楔块610至少部分保持在插座608(下文称为“楔块插座”)内。将理解，楔块610被图示为三角形。然而，将理解，可使用突出物和配合插座的其它几何配置，且“楔块”和楔块形状不受限于三角形配置。

如先前讨论，径向棘轮构件204还包括径向内表面614。径向内表面614包括至少一个半导体凹槽616。每个半导体凹槽616被形成以部分保持滚子轴承202的集合中的对应一个。将滚子轴承202的集合实质上保持为与驱动轴617滚动接触。

驱动轴617包括径向突出物620和径向凹槽622的集合。在弹簧段624(图6)提供的压缩下，促使径向棘轮构件204径向向内。如此，在其中井下扭矩限制组件600经历实质上为零的扭矩的条件下，滚子轴承202将被滚动到实质上径向凹槽622的基座(例如，允许弹簧段624搁置在相对低势能的点处)。

图7B图示具有在驱动轴617与外壳体652之间产生的一些扭矩(例如，小于预定扭矩阈值的扭矩量)的径向棘轮组件621的实例。在使用中，由井下电机产生的扭矩通过轴617传送、传送到滚子轴承202、传送到径向棘轮构件204、并传送到外壳体652。

当外壳体652与驱动轴617之间的扭矩力增加时，滚子轴承202部分地伸出径向凹槽622朝向邻近径向突出物620。当促使滚子轴承202朝向径向突出物620时，径向棘轮构件204通过相对于弹簧段624(未示出)提供的压缩力而向外延伸来实现。当径向构件204向外延伸时将，楔块610与楔块插座608之间的接触实质上维持为进一步穿入楔块插座608内的楔块610。

在其中驱动轴617与外壳体652之间产生的扭矩小于预定扭矩阈值的实施方式中，旋转力可继续从外壳体652施加到驱动轴617。在一些实施方式中，预定的扭矩阈值可通过弹簧段624的选择性配置来设置。

图7C图示了径向棘轮组件621的实例，其中过剩扭矩(例如，大于预定扭矩阈值的扭矩量)在驱动轴617与外壳体652之间产生。当扭矩水平超过预定扭矩阈值时，径向棘轮组件621的操作实质上解耦旋转能量从外壳体652到驱动轴617的转移。

在操作中，过剩扭矩水平导致滚子轴承202进一步滚向径向突出物620。最终，如在图7C中描绘，在本实例中，径向棘轮构件204足够柔顺以允许滚子轴承202到达径向突出物620的顶峰。在这种配置中，施加到径向棘轮构件204的外壳体652的旋转力实质上无法作为旋转能量转移到滚子轴承202，且如此，驱动轴617实质上旋转地从外壳体652脱离。

在图6-7C的描述中讨论的实例中，径向棘轮组件621可双向地操作，例如，井下扭矩限制组件600的扭矩限制功能可在顺时针方向和逆时针方向扭矩下以实质上相同的方式进行操作。在一些实施方式中，可形成径向棘轮组件621、外壳体652和/或驱动轴617以提供单向的扭矩限制组件。

在一些实施方式中，滚子轴承202可通过滑动轴承来替换。例如，径向棘轮构件204可包括从棘轮构件604的径向内表面向内径向延伸的半圆突出物。这些半圆突出物在低扭矩条件期间可搁置在径向凹槽622内，并当扭矩水平增加时，可滑动地使其朝向径向突出物620。

在一些实施方式中，多组径向棘轮组件可一起使用。例如，扭矩限制组件600可包括并联的径向棘轮组件620中的两个或更多个，以增加可用于钻机10与钻头50之间的扭矩能力。

虽然已经详细描述了本公开及其优点，但是应理解，在不脱离如以下权利要求定义的本公开的范围的情况下，可在本文中做出各种改变、替换和更改。

Claims (12)

1.一种井下钻探电机，其包括：

壳体，其位于钻柱中；

动力套筒，其位于所述壳体内，并操作性地联接到钻头，所述动力套筒具有螺旋叶形弹性体覆盖的内表面，所述动力套筒可相对于所述壳体旋转；

叶形轴，其位于所述动力套筒内，所述叶形轴包括螺旋叶形的外表面；和

锚定组件，其接合在所述叶形轴与所述壳体之间，以限制所述叶形轴相对于所述壳体的旋转，使得通过所述井下钻探电机的流体流动导致所述动力套筒相对于所述壳体和所述叶形轴旋转；

其中，所述锚定组件包括扭矩限制组件，所述扭矩限制组件包括：

所述壳体，其具有内腔，所述内腔具有包括多个楔块插座的表面；

轴，其被放置在所述壳体的所述内腔内，所述轴具有多个径向突出物和径向凹槽；

多个径向棘轮构件，其径向地放置在所述壳体与所述轴之间，每个径向棘轮构件具有径向内表面，和包括至少一个径向突出楔块的径向外表面；

多个轴承，其径向地放置在所述多个径向棘轮构件与所述轴之间；

和

保持组件，其包括柔顺构件以提供柔顺力，所述柔顺力足以将所述

多个径向棘轮构件、所述多个轴承和所述轴维持在第一位置中，以当所述扭矩低于所述壳体与所述轴之间的预定限制时，在所述壳体与所述轴之间传输扭矩，并且当所述扭矩超过所述预定限制时，允许所述径向棘轮构件、所述多个轴承和所述轴达到第二位置，使得在所述壳体与所述

轴之间发生滑移。

2.根据权利要求1所述的井下钻探电机，其进一步包括位于所述壳体与所述动力套筒之间的径向轴承。

3.根据权利要求2所述的井下钻探电机，其中所述径向轴承包括金属材料。

4.根据权利要求3所述的井下钻探电机，其中包括金属材料的所述径向轴承至少部分涂覆有选自由下列项构成的组的材料：天然金刚石材料；合成金刚石材料；碳化钨材料；碳化硅材料；及其组合。

5.根据权利要求1所述的井下钻探电机，其中所述柔顺构件包括选自由下列项构成的组的至少一个弹簧：螺旋弹簧、锥状碟形弹簧、锥形弹簧垫圈、碟形弹簧、杯形弹簧垫圈和贝氏弹簧。

6.一种增强由井下钻探电机传递到钻头的动力的方法，其包括：

将壳体定位在钻柱中；

将动力套筒定位在所述壳体内，并将所述动力套筒操作性地联接到钻头，所述动力套筒具有螺旋叶形弹性体覆盖的内表面，所述动力套筒可相对于所述壳体旋转；

将叶形轴定位在中空动力套筒内，所述叶形轴包括螺旋叶形的外表面；以及

在所述叶形轴与所述壳体之间接合锚定组件，以阻止所述叶形轴相对于所述壳体的旋转，使得通过所述井下钻探电机的流体流动导致所述动力套筒相对于所述壳体和所述叶形轴旋转，

其中，所述锚定组件包括扭矩限制组件，所述扭矩限制组件包括：

所述壳体，其具有内腔，所述内腔具有包括多个楔块插座的表面；

轴，其被放置在所述壳体的所述内腔内，所述轴具有多个径向突出物和径向凹槽；

多个径向棘轮构件，其径向地放置在所述壳体与所述轴之间，每个径向棘轮构件具有径向内表面，和包括至少一个径向突出楔块的径向外表面；

多个轴承，其径向地放置在所述多个径向棘轮构件与所述轴之间；

和

保持组件，其包括柔顺构件以提供柔顺力，所述柔顺力足以将所述多个径向棘轮构件、所述多个轴承和所述轴维持在第一位置中，以当所述扭矩低于所述壳体与所述轴之间的预定限制时，在所述壳体与所述轴之间传输扭矩，并且当所述扭矩超过所述预定限制时，允许所述径向棘轮构件、所述多个轴承和所述轴达到第二位置，使得在所述壳体与所述

轴之间发生滑移。

7.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括将径向轴承定位在所述壳体与所述动力套筒之间。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述径向轴承包括金属材料。

9.根据权利要求8所述的方法，其中包括金属材料的所述径向轴承至少部分涂覆有选自由下列项构成的组的材料：天然金刚石材料；合成金刚石材料；碳化钨材料；碳化硅材料；及其组合。

10.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括在所述叶形轴与锚定组件之间接合联接轴组件。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述联接轴组件包括至少一个等速接头。

12.根据权利要求6所述的方法，其中所述柔顺构件包括选自由下列项构成的组的至少一个弹簧：螺旋弹簧、锥状碟形弹簧、锥形弹簧垫圈、碟形弹簧、杯形弹簧垫圈和贝氏弹簧。