CN105829637A - 旋转式可导向系统的增强转矩电动马达驱动和控制系统 - Google Patents

Abstract

套管式电动马达组件的示例实施方案包括钻柱，所述钻柱包括内管、外管和电动马达。所述电动马达具有由至少充当导体的所述内管和所述外管所提供的动力。闩锁机构使所述钻柱与电动马达输出轴连接。所述电动马达输出轴由所述电动马达驱动。所述闩锁机构防止所述电动马达输出轴与所述钻柱和相关方法相比更慢地旋转。

Description

旋转式可导向系统的增强转矩电动马达驱动和控制系统

背景技术

本公开大体涉及钻井和完井操作，并且更具体来说涉及使用电动马达驱动钻头的系统和方法。

为了从地下岩层生产烃类(例如，石油、天然气等)，可以钻出井筒，这些井筒穿透地下岩层的包含烃类的部分。在传统的钻井系统中，经由旋转动力实现岩石破坏。可以通过使用旋转台或顶部驱动器在表面上旋转钻柱来向钻头提供这个旋转动力。替代地，钻头可通过井下泥浆马达独立旋转，而不考虑钻柱旋转。通过这些动力供应模式，传统的钻头(诸如三牙轮钻头、聚晶金刚石复合片(“PDC”)钻头和金刚石钻头)以不同的速度和转矩进行操作。

当使用泥浆马达产生用于执行钻井操作的转矩时，沿着钻柱的液压损失可以限制泥浆的所需流速。这进而可以减少可以应用于泥浆马达以产生转矩的液压动力。这与钻井系统(诸如Reelwell^TM)尤其相关，在这些钻井系统中，流速降低至接近常规流速的30％。流速的急剧下降加上针对这一技术的较大的钻井深度可能导致循环期间的流体摩擦变高并且因此需要较高的循环压力。这样一种系统可能会对超大位移井钻井中的底部钻具组件可用的液压动力施加严格限制。

另外，通常需要对容积式马达(PDM)的特殊改进以允许这些系统以较低流速操作。这些改进可以包括通过减少泥浆马达的每阶段部分的流体体积来降低泥浆马达转子每旋转一次用于驱动动力部分所需的流体体积。在这些较低的流速下，涡轮马达需要具有较紧密的轮叶结构，其中在较小的轮叶上具有较高的叶片角和较高的流速以有效地操作。这可能导致对于给定的操作输出转矩来说，泥浆流出现较高的流阻和较大的腐蚀风险。

附图说明

通过部分地参考以下描述和附图，可以理解本公开的一些特定示例实施方案。

图1示出了根据本公开各方面的套管式电动BHA马达的示例布局。

图2示出了根据本公开各方面的电动马达的转子和定子的示例截面视图。

图3示出了根据本公开各方面的定子和转子的截面切片。

图4示出了根据本公开各方面的马达电子器件的示例框图。

图5示出了根据本公开各方面的绕组对的示例框图。

图6示出了根据本公开各方面的示例电子器件示意图。

图7示出了根据本公开各方面的套管式系统内的分流器的示例布局。

图8示出了根据本公开各方面的套管式电动BHA马达的示例布局。

图9示出了根据本公开各方面的电子器件插件的示例布局。

图10示出了根据本公开各方面的套管式电动BHA马达的示例布局。

图11示出了根据本公开各方面的示例轴承组布局。

图12示出了根据本公开各方面的包括闩锁机构的套管式电动BHA马达的示例布局。

图13为根据本公开各方面的设置在驱动轴与轴承壳体之间的示例闩锁机构的截面。

图14为根据本公开各方面的示例闩锁机构的展开视图。

图15A至15C为当驱动轴与轴承壳体相比更快地旋转时，连续阶段的示例闩锁机构的展开视图。

图15D至15F为当驱动轴与轴承壳体相比更慢地旋转时，连续阶段的示例闩锁机构的展开视图。

图18A至18F显示了根据本公开各方面的各种旋转式可导向BHA层叠件。

尽管已经显示和描述并且通过参考本公开的示例性实施方案定义了本公开的实施方案，但此类参考并不意味着对本公开的限制，并且不应推断此类限制。本领域技术人员以及受益于本公开的人员将想到，所公开的主题能够在形式和功能上存在相当多的修改、变更和等效形式。本公开所显示和所描述的实施方案仅仅是一些示例，而且并未详尽说明本公开的范围。

具体实施方式

本公开大体涉及钻井和完井操作，并且更具体来说涉及使用电动马达驱动钻头的系统和方法。本公开各方面包括钻井系统，该钻井系统可以形成由不同于PDM、轮叶或涡轮马达的装置所产生的旋转动力，其中需要液压压力以产生旋转力用于钻出孔。

本文详细描述了说明性实施方案。为了清楚起见，在本说明书中可能并未描述实际实现方式的所有特征。当然，应了解，在开发任何此类实际实施方案时，做出众多实现方式特定的决定以实现特定实现方式目标，一个实现方式与另一实现方式的目标将不同。此外，应了解，此开发努力可能是复杂且耗时的，尽管如此，其对于受益于本公开的本领域技术人员来说将为常规任务。

在一个实施方案中，本公开提供套管式电动马达组件，该电动马达组件包括钻柱，该钻柱包括内管和外管以及电动马达，其中电动马达具有由至少充当导体的内管和外管所提供的动力。

在另一实施方案中，本公开提供向电动马达提供动力的方法，该电动马达包括套管式电动马达组件，该套管式电动马达组件包括钻柱，该钻柱包括内管和外管以及电动马达，其中电动马达具有由内管和外管所提供的动力，该内管和外管至少充当导体并且向电动马达提供动力。

在另一实施方案中，本公开提供在地下岩层钻出井筒的方法，该方法包括：提供套管式电动马达组件，该套管式电动马达组件包括钻柱，该钻柱包括内管和外管；电动马达；以及钻头，其中电动马达具有由至少充当导体的内管和外管所提供的动力；向电动马达提供动力以产生旋转动力；以及向钻头施加旋转动力。

为了便于更好地理解本公开，给出某些实施方案的以下示例。绝不应将以下示例解读为限制或限定本公开的范围。本公开的实施方案可适用于任何类型的地下地层中(诸如跨河应用中)的水平井筒、垂直井筒、偏斜井筒或另外非线性井筒或施工钻孔。实施方案可适用于注入井以及生产井，包括烃类井。

如本文中使用的术语“耦接(couple/couples)”意图指直接或间接连接。因此，如果第一装置耦接到第二装置，那么该连接可通过直接连接进行，或者通过经由其它装置和连接件的间接电连接进行。如本文所使用的术语“井上”意指沿着钻柱或井孔从远端朝向表面，并且如本文所使用的“井下”意指沿着钻柱或井孔从表面朝向远端。

应理解，术语“石油钻井设备”或“石油钻井系统”并不意在将利用这些术语所描述的设备和过程限于用于钻出石油井。这些术语大体还包括钻出天然气井或烃类井。另外，这样的井可以用于针对从地下回收烃类或其它材料进行生产、监视或注入。

图1显示了根据本公开的一个实施方案的套管式电动BHA马达组件(100)的所有布局。如图1所示，套管式电动BHA马达组件(100)可以包括内管(110)、外管(120)、工作管柱(130)、电动马达(135)、定子绕组(140)、外壳托架(150)、马达壳体(160)、驱动轴(170)、驱动轴磁铁(180)、电动马达控制器(190)、电动马达控制器壳体(200)、分流器(210)、钻头(220)和高压限流器(230)。在某些实施方案中，可以在内管(110)与外管(120)之间从表面沿着工作管柱(130)的长度传输电力，优选直流电力。在某些实施方案中，可以将内管(110)视为电力热导体并且可以将外管(120)视为接地。从安全角度来说，使外管(120)保持接地可能非常重要，因为外管可以导电地连接到钻机并且可能很难在钻井环境中保持绝缘。

内管(110)和外管(120)可以偏心也可以同心。在某些实施方案中，内管(110)的外表面可以涂覆有绝缘材料以防止内管(110)通过泥浆或与外管(120)的其它接触点而短路。在其它实施方案中，外管(120)的内表面可以涂覆有绝缘材料。绝缘材料的示例包括介电材料。介电材料的合适示例包括聚酰亚胺、GORE^TM高强度钢化氟聚合物、尼龙、TEFLON^TM和陶瓷涂层。在某些实施方案中，仅在密封且被保护免于钻井流体的区域中存在内管(110)的裸金属，该裸金属是暴露的以沿着工作管柱(130)的长度电连接到内管的下一个接合部。这些区域可以填充有空气或非导电流体(像石油)或导电流体(诸如水基钻井流体)，只要不存在电流以短路方式从内管连接到外管的通路。

在某些实施方案中，可以将定子绕组(140)以扇形楔方式安装在外壳托架(150)内。在某些实施方案中，可以将外壳托架(150)固定在马达壳体(160)内以防止托架相对于工作管柱(130)旋转。

在某些实施方案中，驱动轴磁铁(180)可以包括固定的永久磁铁，这些永久磁铁被安装在驱动轴(170)上，其方式为支持从由定子绕组(140)所形成的不同磁极产生反转矩。在某些实施方案中，电动马达(135)可以包括六极马达。存在极数的若干变化以及是否将磁铁针对壳体耦接到驱动轴的决定以及其它形式的电动马达(诸如具有机械换向器驱动绕组布置的直接驱动马达和并不使用永磁铁的笼型感应马达)。单相马达借助于电容器可能形成伪第二相。

在某些实施方案中，可以将电动马达控制器(190)定位在定子绕组(140)上方以控制电动马达(135)各方面。电动马达控制器(190)可以在这两个方向上与表面通过由内管(110)和外管(120)形成的两个导体通路并且通过经由电动马达组件供应到定位在马达下方的至少一个模块的一条或多条导线通信。该至少一个模块可为井下工具，诸如LWD导向系统、MWD导向系统、旋转式导向工具、液压马达、管下扩孔器、遥测接头或钻头。

在某些实施方案中，可以将电动马达控制器(190)封装在压力受控空腔内以保护电子器件。电动马达控制器(190)电子器件可以涂覆有陶瓷涂层以允许空腔填充有石油并且与环形区压力平衡，从而实现以较薄的壁封装电子器件。使空腔填充有石油并且与环形区压力平衡的优点在于电子器件空腔的壁厚保持为小得多的厚度，因为没有必要遏制流体柱的整个压力，从而使得存在更多的空间可供电子器件使用并且对由电子器件所产生的热量更好地导热以使其保持在可操作限制内。

在某些实施方案中，可以将定子绕组(140)包封在陶瓷、橡胶或环氧树脂类灌封件中。这允许对通常被归入磁铁导线上所发现的典型聚醚醚铜涂层的灌封区域进行额外的短路保护，该涂层随后可以暴露于泥浆，泥浆的一部分通过该区域循环以使绕组和动力电子器件冷却并且使泥浆轴承和径向轴承沿驱动轴(170)润滑。

在套管式电动BHA马达组件(100)的操作中，泥浆可以沿着由内管(110)和外管(120)形成的环形空间向下流动。可以使泥浆和钻屑在内管(110)内返回到表面。然而，在电动马达(135)的顶部附近，这流动状态可能略有变化。分流器(210)(其与外钻杆电绝缘并且优选由陶瓷或金属与涂覆在外表面上的介电绝缘涂层制成)允许泥浆和钻屑从由内管(110)和外管(120)形成的环形区进入内管，同时使流动的泥浆向下通过分流器(210)中的肾形槽。在低于这一点处，可以使向下流动的泥浆分流进入中心钻孔，在该中心钻孔中，该向下流动的泥浆通过内管(110)与电动马达(135)的电连接件进入马达壳体(160)。在这一点处，向下流动的泥浆可能需要两个单独的通路。第一通路沿驱动轴(170)的中心钻孔向下并且向下到达工作管柱(130)底部的钻头(220)，其中该第一通路离开钻头(220)并且沿着井孔开始向上回归到分流器入口端口。其它通路通过驱动轴(170)顶部的高压限流器(230)，然后通过转子的外部部分与马达壳体的内部部分之间的空间，并且穿出马达壳体底部的轴钻头连接件正上方的底部径向轴承组件。高压限流器(230)可以被设计成泄漏一定量的钻井流体流过进入马达壳体(160)以冷却定子绕组(140)并且润滑电动马达(135)的径向轴承和轴向轴承。高压限流器(230)也可兼作径向轴承(240)。在其它实施方案中，可能存在单独的径向轴承(240)。径向轴承(240)可以包括船用橡胶轴承、PDC轴承或各种硬化涂层(像熔融碳化钨)。

可以将高压限流器(230)沿流动通路定位在任何地方，只要流沿驱动轴的顶部和马达壳体的顶部的通路限制在某个地方。在某些实施方案中，可以将高压限流器(230)定位在上部径向轴承(240)正下方，因为高压限流器较容易与这种装置一起工作并且高压限流器还充当过滤器，该过滤器保持碰巧远离定子绕组(140)和径向轴承(240)进入泥浆的较大固体。

图2显示了转子和定子在无托架套筒(250)和马达壳体(160)时的截面。在该示例中，示出了六极定子绕组组件(280)。定子绕组(140)可以沿着一个或多个定子头(290)缠绕。在某些实施方案中，一个或多个定子头(290)可以包括长矩形扇形楔。一个或多个定子头(290)可由高渗透率的软铁制成。一个或多个定子头(290)可彼此接触或可焊接在一起。

在某些实施方案中，定子头组件可通过使用机械加工方法(诸如电化学机械加工、导线EDM或电极静电吞吐机器机械加工或挤压形状)由一个圆棒制成，以使得定子头组件的外径为一个固体直径而不是六个单独块。在某些实施方案中，定子绕组组件(280)可由六个块制成以降低制造成本。在其中定子头由一个棒制成的情况下，可使定子绕组螺纹穿过各通道。在某些实施方案中，可使包封涂层注塑形成内部区域和端部。可以涂覆定子以减少腐蚀并且增加其使用寿命，但在这种情况下，灌封材料能满足这个作用。在某些实施方案中，灌封材料可由各种化合物(诸如环氧树脂)、陶瓷基化合物、尼龙或聚醚醚铜类聚四氟乙烯(诸如来自Greentweed的Arlon100)制成。

在图2所示的扇形楔概念中，如果外径附近的扇形楔接触区域没有涂覆有保护材料，那么定子头可能会在暴露于许多类型的泥浆系统时腐蚀。然而，可以将非常薄的耐腐蚀涂层涂敷到定子头位于外径接触点处以便在向定子头暴露于流动泥浆的部分涂敷较重涂层时限制磁通链损失。

定子绕组(140)可为清漆、聚醚醚铜或其它在理想情况下由银、铜、铝或任何导电元素(包括高温超导体材料)制成的介电型涂磁导线。定子绕组(140)可以围绕定子头(290)缠绕几圈。任选地，灌封材料可位于顶部并且嵌入定子绕组(140)中。在某些实施方案中，灌封材料可为陶瓷或更柔性的高温环氧树脂。这种材料可以用于通过泥浆和腐蚀保护(包括通过可以进入这一区域的细砂)来保护定子绕组(140)免于腐蚀。

一个或多个定子头(290)可以在外径上开槽并且可以与外壳托架(150)键固以保持一个或多个定子头(290)仍然免受所生成转矩的影响。随后可以将这一转矩通过托架壳体(260)中的其它花键槽和马达壳体(160)上的花键携载到马达壳体(160)。受益于本公开的本领域技术热源易于理解这样做的其它方式。

任选地，托架壳体(260)的外径和马达壳体(160)的内径可略呈锥形、朝向顶部变窄，以实现紧密配合并且防止泥浆细粒堆积在马达壳体(160)与托架壳体(260)之间。可以按照这种方式拉出或压出绕组托架套筒(250)。绕组托架套筒(250)的顶部可能具有其它的防旋转键，这些防旋转键啮合电子器件插件和/或其它花键槽，这些花键槽啮合定位在马达壳体(160)中的花键。

在某些实施方案中，可以利用截面的薄切片来制造一个或多个定子头(290)。如图3所示，可以由薄铁片冲压成一个或多个定子头(290)的形状，这些薄铁片涂覆有薄的绝缘材料并且上下堆叠在托架中，随后与绕组螺纹连接。这是因为沿电动马达(135)长度的一个或多个定子头(290)的长实心棒可以形成大的涡流，这些涡流可能会妨碍马达效率并且形成热量。导线围绕定子头切片组沿着定子头切片不间断绕组的长度延伸。

通过使用薄冲压片材，可以解决以上提及关于制造成本和装配问题的问题，同时仍旧提供动力定子设计。在某些实施方案中，每个定子切片均可为约1/16"至1/4"厚。替代地，每个单独的定子头均可冲压而成，因而需要六个冲压块以形成一个层，如图2所示来布置。

再次参照图1，驱动轴(170)可以延展到电动马达(135)的底部外部，以旋入钻头(220)或其它BHA组件中。虽然在图1中示出驱动轴(170)上的销端连接件(300)，但在某些实施方案中，箱连接件可以取代销端连接件(300)。可以将一个或多个驱动轴磁铁(180)安装在驱动轴(170)上。图1显示了安装在驱动轴(170)上的四个驱动轴磁铁(180)。虽然存在其它方式形成电动马达(诸如像笼型感应马达)的转子，但永磁铁的这种方法提供大量的转矩传递和机械稳定性。驱动轴磁铁(180)可以被布置成根据三相马达进行优化。受益于本公开，本领域技术人员将认识到，该马达通过改变穿过六个绕组的电流相位利用定子的电动势推动和拉动轴磁铁来操作。在较高的操作温度下，可以在驱动轴上使用绕组而不是磁铁以促进和笼型马达非常相似的转矩传递。磁铁的主要限制可为居里温度，其中磁铁的磁化丢失或磁铁的极强度可能至少显著地降。

可以利用固态开关而不是换向器来控制马达。虽然换向器可起作用，但它并不是理想的，因为换向器在电绝缘环境中必须使用刷子，这意味着需要具有旋转密封件的充油空腔用于阻挡泥浆，出于可靠性和维护原因，在旋转密封件不得不在较长时间范围内以较高RPM操作的情况下，这可能会有问题，正如这里的情况那样。

再次参照图1，套管式电动BHA马达组件(100)可以进一步包括电子器件组件(310)。电子器件组件(310)可以具有处理器，该处理器具有存储器，用于监视和控制电动马达(135)。该处理器可以提供若干功能，包括但不限于：马达启动控制；帮助启动和操作的电容器；功耗监视；马达速度控制(这可以通过施加到绕组的频率和得到允许在这些绕组中流动的电流进行管理)；马达转矩输出控制(恒定或可变的转矩传递)；动力控制；马达温度控制(定子绕组可以嵌入有温度传感器)；马达和BHA传感器数据通过套管式导体传输到表面；接收马达参数命令，诸如速度、转矩和动力输出限制；数据查询和通过套管式导体来自表面的其它形式的请求；失速检测和恢复；滑动粘附检测；以及对管理粘附滑动作出响应的闭合环路，以使马达钻井条件保持在更有利的范围内。该系统自动检测并且远离坏的钻井参数并且得知哪些钻井参数在钻井进行时是不利的。如果施加在马达上的力增加到超过阈值水平并且轴RPM下降到低于阈值水平，这可能会通过循环穿过马达绕组的电流的增加而对马达绕组造成损坏，那么该系统可以检测失速条件并将动力传递限于绕组，从而基本关闭马达。

处理器可以从表面或从定位在马达中或嵌入在钻柱中任何地方的井下传感器接收重量和转矩数据。处理器可以使用该数据以确定在马达经历破坏性的失速旋转速率之前何时关掉马达。处理器随后可以在短的测试持续时间内重新启动马达以所施加的载荷和/或来自重量和转矩传感器的表明马达操作安全的传感器信息是否已被解除。另外，电子器件还可以包含限流电路以限制可以施加到马达绕组线圈的电流量。处理器可以记录和监视钻头的RPM、钻头上的所施加动力以及重量和转矩以确定马达或钻头性能是否发生退化。处理器还可以告知表面上的计算机条件发生变化。例如，如果施加到马达的动力保持恒定但施加到岩层的转矩减小，那么可能表明钻头或马达性能发生退化。在某些实施方案中，可以使用遥测系统来将数据实时转发到表面。例如，可以使用这样的数据以计算钻头的机械效率并且监视钻头的磨损迹象。另外，可以将机械效率和/或转矩和重量数据与来自区域中的偏移井的地球模型进行比较以确定施加到钻头的最优重量和来自电动马达的所需转矩，从而获得钻井岩层的增强的钻井性能。

可以使用任何形式的电力以驱动马达。在某些实施方案中，直流电力可以实现对井下电子器件的较大的电力控制。在某些实施方案中，可以将三相电力从表面传输到井下马达。

在图4中示出广义框图，图4详细描述了该系统的通信装置、传感器和马达控制元件。虽然图4中未示出，但还可能包括通过马达底部或钻柱中的向上方向和向下方向两者所形成的通信。这样的装置可以通过使用滑环或感应耦接件而形成并且是本领域技术人员已知的。滑环或感应耦接件可以允许通信和/或电力在马达壳体与旋转的驱动轴之间在任意方向上跃迁。与电导体的端点连接器壳体提供通往马达的信号途径，其中通信可以继续到下一个模块。马达顶部的连接可以通过通信接口形成，该通信接口耦接进入双管导体的电力传递。

在某些实施方案中，通信信道可以与套管式通信网络直接通信或与本地网络(诸如用于MWD/LWD系统的本地网络)、近钻头或钻头内通信节点或多个网络和通信节点通信。处理器可以执行存储在存储器存储区域中的命令，该存储器存储区域可以嵌入在处理器本身中或嵌入在单独的存储器元件中。存储器还可以用于记录关于马达的性能信息(诸如绕组温度、工具温度、泥浆温度、轴RPM、动力输出、转矩输出、系统电流、电压和电力、绕组电流、电压和电力输入以及高压限流器任一侧上的压力)以观察洗掉迹象并且确保泥浆稳定流过绕组。电源可以从套管式导体供应电力。由于套管式导体可以用于为钻井系统的每个元件供以电力，因此在图4中并未示出任何连接线。压力传感器还可以用于检测流体流的缺失以保护马达使其免于过热。

另外，在马达出现电源故障的情况下，可以使用一个或多个电池、可在充电电池或电容器以向通信装置、传感器、处理器、存储器模块和/或工具中的任何其它电子装置提供电力。即使在供应到系统的电力量不足以对马达的电绕组供以动力以钻出孔的情况下，与马达的低电力通信也可能继续。这样，当电力被重新连接时，该系统用于响应于通信和其它电子功能(诸如来自传感器的测井数据)而停留。

电池的使用也可能允许通信装置和传感器保持活跃，以在表面上形成连接或发生另一钻机操作时交换数据和命令。另外，可以维持工作管柱中的各工作节点之间的通信以在表面通信不活跃的情况下监视井下传感器。

可以将直流电力通过马达控制器转化为三相电流。在某些实施方案中，马达控制器可以使用固态电子器件以接通绕组的电流并且反转绕组的极性以复制来自表面的三相电力。可以将六个绕组的电流以三对的形式进行管理，其中任一对中的电流在除去轻微滞后影响的情况下在任何给定时刻可能几乎相同。绕组对在马达中可能如图2所示彼此相对，其中图5所示的每个绕组对的相位关系可为与任何邻近绕组对120°异相。

三个相位之间的相位关系可由主控制器控制以确保所有三个相位同步地保持为120°相分离。为使通往转子的电力传递最大化，可以生成三相控制器的正弦或其它波形以对三对绕组供以电力。在某些实施方案中，绕组可以并行连接以减少绕组对的串联电阻。绕组和电流可以被定时以使得每个定子极均与一对绕组中的另一绕组的定向匹配。这意味着每个定子极对的内尖端可以具有相同的磁场极性，诸如北极、南极或中性。在其中每个线圈对于每个绕组来说均相同缠绕的实施方案中，每个相位对均可如图5所示并行连接。

马达控制器的功能可以包括：与所需旋转方向同步来切换极性方向；维持每个绕组对的相位分离；基于所需马达速度的变化来维持所施加的频率并使频率以马达可接受的速率斜升和/或斜降；以及维持绕组的电力水平以针对所需速度来优化转矩传递。可以通过改变供应到绕组对的电流、电压或两者和/或改变每个波的工作周期来实现马达控制器功能中的每一者。另外，可以使用启动电容器以帮助使马达加速。当马达到达其额定速度的约75％时，可以由马达控制器断开这些电容器。

在某些实施方案中，应当指出的是，控制器可以变更任意两个信道(A和B、B和C或者C和A)的相位，以改变转子的旋转方向，同时仍然能够向钻头输出相同量的转矩和电力。这可以提供优于仅在一个方向上旋转的传统PDM马达的改进之处。使旋转反向的能力可以有助于松开被卡钻头、断开旋转连接以使被卡落物留在孔中并且释放BHA、使用指向相反方向的钻头切削齿在相反方向上钻孔、通过在相反方向上对牙轮钻头加压来延长牙轮钻头的生命和/或启动另一机械机构。

马达控制器可以改变方波、正弦波、另一周期性波形方法中的每个绕组对的电力。在某些实施方案中，电子器件可以被设计成具有固态开关(诸如自耦变压器或继电器)以改变从直流电源穿过绕组的电流方向。

在一个实施方案中，可以模拟时变信号以使绕组与呈相反极性的方波电脉冲啮合。可以通过调整每个方波的相位和工作周期来改变马达每旋转一次所消耗的平均电力。可以使用基于半导体的开关诸如硅可控整流器(SCR)、晶闸管或其它形式的开关装置来实现这种方法。其它方法可以包括使用变压器以改变施加到马达绕组的电力。这种变压器可以包括自耦变压器、升高装置、下降装置和/或多接头变压器。图6示出了由控制器打开和关闭以改变施加到每个绕组对的电力的极性和工作周期两者的开关的示例安排。马达控制器微处理器中的定时器可以维持所有三个信道的脉冲宽度和相位并使整体频率根据需要斜升或斜降。对于绕组对中的每一者来说，可以重复图6所述的安排。马达控制器可以从表面或从本地处理器接收管理马达的其它功能的命令。当马达位于井下时，还可以通过下行链路通信信道来将存储器中的指令和/或控制参数编程。

在某些实施方案中，马达驱动器可为用于寻求接通和断开半导体开关的足够电力的来源的小功率放大器开关并且可以基于来自处理器的逻辑输出来接通或断开。在其中处理器具有用于接通和断开开关的电力的某些实施方案中，可以将该过程的数字输出或模拟输出直接附接到开关控制线。该过程可以在开关对之间交替进行以使通过绕组对的电流反向或当相位和工作周期时间要求时，断开这两个开关对。

再次返回到图1，驱动轴磁铁(180)可以具有高磁场强度。合适类型的驱动轴磁铁(180)可以包括钐钴磁铁。在某些实施方案中，可以将驱动轴磁铁(180)以楔形模具的形式制成以使其与驱动轴(170)上的囊袋匹配。在某些实施方案中，可以通过将微粒散粉倒入模具中来制造驱动轴磁铁(180)，随后可以按压该模具并使其烧结在模具中。可以在该过程期间施加弱磁场以使长棒厚度上的磁极与用于应用的最优磁场定向对齐。磁铁形状可为半楔形、矩形、三角形或任何所需几何形状。一旦驱动轴磁铁(180)被设置，即可在没有烧结就位的情况下，通过各种装置(诸如保持带/套筒、螺丝槽或其它紧固件)使它们紧固到驱动轴(170)中。

对于四极转子示例来说，驱动轴磁(180)的极性可以以面向外的北极(N)且随后下一个磁铁以面向外的南极(S)极化或定向的方式来交替进行，随后再次北极并且最后南极。可以诸如使用十二个定子极和八个转子磁铁或者三个定子极和两个转子磁铁来将绕组数和磁铁数相乘。

现在参照图7a和7b，示出了图1的上部部分的视图。在某些实施方案中，分流器(210)可由电绝缘材料(诸如陶瓷)制成。陶瓷提供了针对以下各项的高耐腐蚀性：流砂、钻屑、废物和在通往表面的流动返回通路上从环形区流道内管内孔的其它固体。在某些实施方案中，分流器(210)可为分流环。在某些实施方案中，该分流环可能并不是陶瓷，只要内管与用于分流器的任何导电材料绝缘即可。可以将密封件(320)定位在分流器(210)的顶部和底部，以防止内管(110)与外管(120)之间的环状流泄漏到内管(110)中心。如上所述，环状流可以从表面下来，穿过分流器(210)中的槽，并且向前向下传递到马达区域并且最终到达钻柱端部。在某些实施方案中，分流器(210)可以键固到内管(110)和外管(120)，以利用内管(110)和外管(120)中的孔维持其定向。

图8显示了可以如何将内管(110)与外管(120)之间的流分流到通往管(115)的中心段的内管(110)的内部，该管并不与内管(110)的其它段流体连通。这允许流向下分流穿过管(115)的中心段到达BHA并且到达钻头(220)。在一些实施方案中，内管(110)可以在除导电区域(116)之外的任何地方都具有电绝缘涂层。在导电区域(116)中，内管(110)的短期暴露的金属段可以与电子器件插件(340)配合以有助于将电力传递到电动马达控制器(190)。电子器件插件(340)可以具有并非电绝缘的暴露段。导电线绕式弹簧(350)可以用于维持密封湿连接区域(330)中的连接。电子器件插件(340)可以具有两条接地线(360)，这两条接地线使得一旦电流穿过各种电子组件和马达组件，电通路即返回到外管(120)。虽然未示出，但电子器件插件(340)的法兰端可以具有定向销钉和额外的销钉以抵抗该法兰端可能经历的任何扭转力或其它用于保护旋转的机械保持装置来支撑该法兰端。接电线(360)的接地连接件可由泥浆密封以确保连接器不会由于腐蚀泥浆条件而受损。泥浆可以沿着电子器件插件(340)的中心向下流动并且可以沿着马达壳体的外部向上流动。

图9显示了根据本公开各方面的电子器件插件(340)。如上所述，电子器件插件(340)可以封装一个或多个处理器和电力控制电子器件(370)以控制电动马达。导线(375)可以通过密封舱壁接口(380)引出到定子绕组和传感器(385)。

图10示出了主要马达绕组和驱动轴区域。可以将高压限流器(230)定位在马达绕组和驱动轴区域的顶部。高压限流器(230)也可作为径向轴承并且利用小间隙流动通路来操作以实现泥浆流动。高压限流器(230)可由高耐腐蚀材料(诸如碳化钨或钴基合金像Stellite)制成。高压限流器(230)可以允许某些泥浆泄漏到驱动轴(170)中以使绕组区域(175)与穿过绕组的流动泥浆压力平衡从而使它们保持冷却。如图10所示，可能存在定子绕组(140)的两个段，但也可以使用单个绕组段或多个绕组段来优化所需转矩。

在某些实施方案中，可以将霍尔效应开关(990)嵌入绕组载体中以通过观察小磁铁(191)或转子磁铁在轴上的相对位置来监视轴位置和RPM。可以将霍尔效应开关(990)或其它RPM传感器的信号输出路由回到马达电子器件高压限流器(230)，其中处理器可以基于传感器反馈来自动测量和调整马达的速度。在绕组载体中也可能包括其它类型的位置传感器，诸如邻近度传感器。通过在轴旋转时监视轴的位置，可以更好地优化通往马达的转矩传递并且等待极滑动，可能在来自钻头钻孔反应的转矩超过马达失速点或震颤时发生极滑动，这可能意味着绕组正在以非均匀的方式施加转矩，并且因此允许调整绕组的所施加转矩输出以获得极可能均匀的转矩输出。在某些实施方案中，也可将温度传感器嵌入托架中或绕组邻近。在某些实施方案中，用于每个绕组的至少一个温度传感器可以用于监视温度。此外，在某些实施方案中，可以将压力传感器安装在托架中位于高压分流器(230)上方(192A)和下方(192B)，以监视限流器的性能，从而确保冲洗干净或者不会发生堵塞并且证实泥浆泵正在操作以冷却马达。

在某些实施方案中，可以将径向轴承支撑件(380)定位在两个绕组和驱动轴绕组段之间，它们可以使用泥浆来润滑。在某些实施方案中，可以使用弹性体船用轴承、辊、球、轴颈或其它轴承样式。定子绕组载体具有与马达壳体花键配合的花键槽(194)以保持绕组载体免于旋转。

图11说明了可以允许驱动轴(170)在井底旋转和离井底旋转并且可以在井底具有径向轴承支撑件(380)的轴向载荷轴承组配置。驱动轴(170)可以具有销端连接件(300)或箱连接件。该井下电动马达的其它变体也是可能的。例如，驱动轴(170)可以滑入两个段中，其中扭杆或万向联接件可以将两个尾轴段通过可调整的或固定的弯曲壳体连接起来。轴承组可以驻留在弯曲部上方或下方，或位于马达段上方。可调弯曲壳体可以是表面或井下可调的，这意味着壳体可以将驱动轴的远离工具周年的下端的倾斜角度调整到至少一个角度位置。在某些实施方案中，推力轴承(390)可以驻留在任何弯曲接头组件上方。

在某些实施方案中，电动马达(135)可以具有接口模块，该接口模块促进利用钻杆通往表面的联接、通信和/或电力传输连续性。电动马达(135)可以根据表面通信信号进行控制。电动马达(135)还可以向表面发送监视信号。电动马达(135)可以具有可变的速度和/或转矩容量。齿轮减速或行星齿轮结合可变速度电动马达可以用于便于所需速度和转矩的输出。

电动马达可为井底钻具组件的模块化组件，也可以单独使用。电动马达可以用于在存在或不存在由表面设备所供应的钻柱旋转的情况下放大井筒或对井筒扩孔。电动马达可以具有多种配置以便于适应所需岩石切削和/或破坏机制。这些配置可以包括激光钻孔和/或激光钻头辅助装置、固定切削齿钻头上的聚晶金刚石复合片(PDC)切削结构、牙轮钻头、脉冲电动岩石钻孔设备和/或其它岩石破坏装置。

可以通过钻柱由表面设备的旋转来提供和/或补充切削组件的旋转。切削组件上的切削结构可以具有由控制坡道或活塞的独立电动马达供以电力的切削深度(最终直径)。当不需要切削旋转时，切削齿组件的切削结构可以缩回，可以命令模块化马达组件关机，并且如果必要的话，可以锁定切削齿组件。在某些实施方案中，可以通过允许单独的圆柱形扩孔切削组件在它们自身的柄轴上旋转来优化扩孔。

现在参照图12，示出了根据本公开的一个实施方案的套管式电动BHA马达组件(100)，包括闩锁机构500。

现在参照图13，示出了根据本公开各方面的设置在驱动轴170与马达的轴承壳体550之间的示例闩锁机构500的特写截面视图。闩锁机构500可为与轴承壳体550相比，允许在一个方向上选择性地旋转驱动轴170的任何机构。闩锁机构500示为在钻柱中邻近轴承组放置；然而，可以将闩锁机构500放置在驱动链上的任一点。另外，虽然在电动马达组件的上下文中描述了闩锁机构，但受益于本公开的本领域技术人员可以认识到，可以将该闩锁机构集成到其它类型的井下钻井马达组件(诸如容积式马达)中。在某些实施方案中，闩锁机构500可以包括闩锁凸轮510、至少一个心轴键512、花键心轴514和闩锁弹簧516。闩锁凸轮510可以啮合轴承壳体550的内圆周。在某些实施方案中，闩锁凸轮510可以使用至少一个凸轮保持销520附接至轴承壳体550。在某些实施方案中，闩锁凸轮510可以以与壳体旋转速度基本相同的速度旋转。至少一个凸轮保持销可以利用凸轮保持帽521固定并且利用至少一个凸轮保持密封件522密封。花键心轴514可以位于驱动轴170与闩锁凸轮510之间的环形区内，其中花键心轴514可以啮合闩锁凸轮510。在某些实施方案中，花键心轴514可以包括穿过花键心轴514的流体流动通路526，以允许流体在驱动轴170与轴承壳体550之间的环形区中穿过花键心轴514。

闩锁凸轮510可以包括设置在闩锁凸轮510内的凸轮通路518。至少一个心轴键512可以附接至花键心轴514并且设置在凸轮通路518内。在某些实施方案中，可以将润滑脂放置在凸轮通路518中以减少凸轮通路518与至少一个心轴键512之间的摩擦。至少一个凸轮通路密封件524可以使凸轮通路518与钻井泥浆和/或生产流体分离。闩锁弹簧516可以啮合闩锁凸轮510以使闩锁凸轮510偏向至少一个心轴键512，以保持闩锁凸轮510与至少一个心轴键512之间的接触。

设置在花键心轴514上的至少一个花键心轴花键540可以啮合设置在驱动轴170上的至少一个驱动轴花键542。这样，驱动轴170的旋转可以通过使至少一个花键心轴花键540与至少一个驱动轴花键532啮合来使花键心轴514旋转。另外，花键心轴514的旋转可以通过使少一个驱动轴花键532与至少一个驱动轴花键532啮合来导致驱动轴170旋转。因此，在某些实施方案中，心轴花键514和驱动轴170可能具有基本相同的旋转速度。

现在参照图14A和14B，分别以截面A和B的形式示出了图12所示的闩锁机构的截面视图。闩锁凸轮510和花键心轴514可以位于轴承壳体550与驱动轴170之间的环形区中，如图14A所示。至少一个心轴键512可以从花键心轴514延伸进入在闩锁凸轮510内所形成的凸轮通路518。在某些实施方案中，流动通路526可为花键心轴514上允许流体通过花键心轴514的多个开口。现在参照图14B，设置在花键心轴514上的至少一个花键心轴花键540可以啮合设置在驱动轴170的外圆周上的至少一个驱动轴花键542。至少一个花键心轴花键540可以将机械能经由至少一个驱动轴花键540转移到驱动轴170。另外，至少一个驱动轴花键540可以将机械能经由至少一个花键心轴花键540转移到花键心轴514。

现在参照图15，示出了根据本公开各方面的图13的闩锁机构500的展开视图。指示器A对应于图13所示的截面右侧的闩锁机构视图并且指示器B对应于图13所示截面左侧的闩锁机构视图。因此，图14说明了在平面上展开的闩锁机构的圆周。花键心轴514可以包括至少一个花键530，该至少一个花键被设置在花键心轴514的与闩锁凸轮510相对的表面上。闩锁机构可以具有打开位置，其中至少一个花键530并不啮合至少一个壳体键532(如图15A至15C并且参照图15A至15C所示)；以及锁定位置，其中至少一个花键530可以啮合至少一个壳体键532(如图15F并且参照图15F所示)。在锁定位置中，至少一个花键530可以被配置成啮合设置在壳体200上的至少一个壳体键532。

现在参照图16A至16C，示出了根据本公开各方面的当驱动轴170具有与轴承壳体550相比更大的旋转速度时，闩锁机构500的一系列展开视图。如前所述，当花键心轴514和至少一个心轴键512以与驱动轴基本相同的速度旋转时，轴承壳体550和闩锁凸轮510以基本相同的速度旋转。这样，当驱动轴与壳体相比更快地旋转时，至少一个心轴键512可以在打开方向上通过凸轮通路518如图16A至16F所示移动到右侧。闩锁弹簧516可以使花键心轴514偏向锁定位置并且使至少一个心轴键512与凸轮通路啮合表面545保持啮合。

凸轮通路518可以包括锁定槽548。当至少一个心轴键512被定位在锁定槽548中时，至少一个心轴键530可以啮合至少一个壳体键532。当至少一个心轴键512未定位在锁定槽548中时，至少一个心轴键530可能不会啮合至少一个壳体键532。换言之，至少一个心轴键530可能仅在至少一个心轴键位于锁定槽548中时啮合至少一个壳体键532。当至少一个心轴键512在打开方向上移动穿过凸轮通路518时，凸轮通路构件549可能会防止至少一个心轴键512移动到锁定槽548。这样，当至少一个心轴键512在打开方向上移动穿过凸轮通路518时(当驱动轴与轴承壳体550相比更快地旋转时)，闩锁机构保留处于打开位置。在处于打开位置时，闩锁机构可能基本不会像驱动轴传递任何机械力。

现在参照图16D至16F，示出了根据本公开各方面的当轴承壳体550具有与驱动轴170相比更大的旋转速度时，闩锁机构500的一系列展开视图。当闩锁凸轮510与至少一个心轴键512相比更快地旋转时，至少一个心轴键512将在锁定方向上移动穿过凸轮通路518。图16D示出了锁定槽548附近的至少一个心轴键。当至少一个心轴键512在锁定方向上移动时，凸轮通路心轴549并不会阻止至少一个心轴键512进入锁定槽548，如图15E所示。当至少一个心轴键512最终如图15F所示移动进入锁定槽548时，闩锁机构可以处于锁定位置并且至少一个花键530可以啮合至少一个壳体键532。这样，至少一个壳体键532可以将来自轴承壳体550的机械力经由花键心轴514传递到驱动轴(因为花键心轴514可以将机械力通过至少一个花键心轴花键传递到驱动轴)。

在某些实施方案中，在闩锁机构进入锁定位置时，驱动轴可以开始与轴承壳体550相比更快地旋转，其中至少一个心轴键512可以通过凸轮通路518在打开方向上开始。至少一个心轴键512可以在打开方向上移动以离开锁定槽548。一旦至少一个心轴键512位于锁定槽548外部，闩锁凸轮510即可在至少一个心轴键512上施加力，从而导致花键心轴514从锁定位置移动到打开位置，如参照图16A再次示出。

在某些实施方案中，至少一个心轴键512可为多个心轴键。该多个心轴键可以围绕花键心轴514的圆周基本均匀地间隔开放置。

在某些实施方案中，闩锁机构可以不限于参考图13所描述的精确配置。例如，现在参照图17，示出了根据本公开各方面的设置在驱动轴170与马达的轴承壳体550之间的闩锁机构500的截面。在某些实施方案中，闩锁机构500可以包括花键心轴514、闩锁弹簧516和至少一个凸轮保持销520。至少一个凸轮保持销520可以利用凸轮保持帽521固定并且利用至少一个凸轮保持密封件522密封。花键心轴514可以啮合轴承壳体550的内圆周。在某些实施方案中，花键心轴514可以包括穿过花键心轴514的流体流动通路526，以允许流体在驱动轴170与轴承壳体550之间的环形区中穿过花键心轴514。

花键心轴514可以包括设置在花键心轴514内的凸轮通路518。至少一个凸轮保持销520可以从轴承壳体550延伸进入凸轮通路518。在某些实施方案中，可以将润滑脂放置在凸轮通路518中以减少凸轮通路518与至少一个凸轮保持销520之间的摩擦。至少一个凸轮通路密封件524可以使凸轮通路518与钻井泥浆和/或生产流体分离。闩锁弹簧516可以啮合花键心轴514以使花键心轴514偏向至少一个凸轮保持销520，以保持花键心轴514与至少一个凸轮保持销520之间的接触。凸轮通路518可以如图15和图16A至16F所述进行配置。

在多种情况下，驱动轴可能与壳体相比更慢地旋转。例如，电动马达可能会滑动或以其它方式失效。在电动马达失效的情况下，闩锁机构可以防止当壳体旋转时，电动马达出现滑动。相反，闩锁机构可能允许将从表面供应到壳体的转矩传递到驱动轴。因此，在电动马达失效期间，在表面上供应到壳体的转矩可以用于使钻头分开和/或在电动马达不活跃时驱动钻井操作。

现在参照图18A至18F，说明了根据本公开的某些实施方案的各种可导向BHA层叠件。在某些实施方案中，如图18A所示，BHA可由驱动旋转式可导向工具的轴的电动马达旋转。在其它实施方案中，电动马达可以装配有马达遥测系统，该马达遥测系统通过使用滑环或感应耦接器来使通信从非旋转定子跃迁到驱动轴。其它短程遥测技术也存在并且是授予本公开的本领域技术人员已知的。

在某些实施方案中，旋转式可导向BHA层叠件可以根据图18B进行配置。在该实施方案中，可以使MWD/LWD移动到电动马达上方。传感器可以被安装在开端而不是插件中，从工具的一侧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时由保护性舱口或套筒覆盖。钻柱的中心孔可以保持用于管理回流的中心管。MWD可以使这两条通路(向上和向下)以这种方式支撑在其界限内。MWD/LWD传感器可以被安排成诸如通过将两条内部流动通路保持为两个同心管并且将MWD/LWD组件安装在这些流动通路的外部径向位置中来允许流体通过各种装置，如图18F所示。替代地，可以将分流器接头放置在MWD上方，从而允许使用常规MWD。然而，需要将电力连接到下部马达的装置，这可能需要电缆或其它绝缘导体从上部分流器组件开始延展，通过MWD/LWD段，并且到达电动马达顶部的电力输入部分。

在某些实施方案中，旋转式可导向BHA层叠件可以根据图18C进行配置。在该实施方案中，电动马达可以具有弯曲壳体组件，该弯曲壳体组件使用内部联接件或扭杆来附接，以便于将转矩从上部轴传递到下部轴。如先前所述，可以将轴向轴承定位在弯曲接头上方或下方。弯曲接头可以是固定的、可调整的或可在井下调整的。

在某些实施方案中，可导向BHA层叠件可以根据图18D进行配置。在该实施方案中，电动马达可以向管下扩孔器或开孔器提供电力并且可以驱动转子可导向组件。在这种情况下，这两种切削结构均可通过电动马达旋转。

在某些实施方案中，旋转式可导向BHA层叠件可以根据图18E进行配置。这种配置可以允许使用常规的MWD/LWD。在某些实施方案中，可以将液压马达插入在MWD/LWD下方以利用额外的电力来驱动钻头。对于给定的可用电力来说，可以在这样一种配置中进行来自表面、用于形成转矩的电力和液压电力的双重使用以使钻头的转矩最大化。图18F说明了根据本公开的某些实施方案的另一个配置。作为另一个示例实施方案，可以通过将分流器定位在MWD/LWD下方来修改图18E。

鉴于本公开，通过出于液压、电力和通信需求而在需要时所描述的模块的重新配置和互连可以清楚其它配置。

因此，本公开非常适于实现所提及的目的和优点以及其中固有的目的和优点。上文公开的特定实施方案仅为说明性的，因为本公开可用对于受益于本文中的教导的本领域技术人员来说是显而易见的不同但等效的方式修改和实践。另外，本文所示出的构造或设计的细节不应受到限制，而是以所附权利要求的描述为准。因此，很明显，上文公开的特定说明性实施方案可更改或修改，且所有这些变化视为在本公开的范围和精神内。而且，权利要求中的术语具有其简单、普通含义，除非专利权所有人另外明确且清除地进行定义。如权利要求中使用的不定冠词“一个(a/an)”在本文中被定义来意指它所引介绍的一个或多个元件。

Claims (20)

1.一种电动马达组件，其包括：

钻柱，所述钻柱包括内管和外管，所述内管和所述外管分别包括第一导体和第二导体；

电动马达，所述电动马达电耦接到所述内管和所述外管以接收通过所述第一导体和所述第二导体的电流；以及

闩锁机构，所述闩锁机构使所述钻柱与驱动轴连接，其中所述驱动轴由所述电动马达驱动，并且其中所述闩锁机构被配置成选择性地啮合所述钻柱以防止所述驱动轴与所述钻柱相比更慢地旋转。

2.如权利要求1所述的电动马达组件，其中所述闩锁机构包括闩锁凸轮和啮合所述闩锁凸轮的至少一个键，其中所述闩锁凸轮啮合所述钻柱并且所述驱动轴旋转所述至少一个键，并且其中当所述驱动轴与所述钻柱相比更慢地旋转时，所述至少一个键移动到锁定槽中。

3.如权利要求1所述的电动马达组件，其中所述内管或所述外管中的至少一者涂覆有绝缘材料。

4.如权利要求1所述的电动马达组件，其中所述驱动轴包括驱动轴磁铁。

5.如权利要求1所述的电动马达组件，其中所述电动马达耦接到钻头。

6.如权利要求1所述的电动马达组件，其中所述电动马达耦接到下部钻柱段，所述下部钻柱段包括至少一个模块。

7.如权利要求1所述的电动马达组件，其中所述电动马达耦接到上部钻柱段，所述上部钻柱段包括至少一个模块。

8.如权利要求7所述的电动马达组件，其中所述至少一个模块包括内孔，以允许流体从所述内管流向分流器。

9.一种向电动马达提供动力的方法，所述方法包括：

提供钻柱，所述钻柱包括内管和外管，所述内管和所述外管分别包括第一导体和第二导体，

使电动马达电耦接到所述内管和所述外管；

使所述钻柱和驱动轴与闩锁机构连接，其中所述驱动轴由所述电动马达驱动，并且其中所述闩锁机构防止所述驱动轴与所述钻柱相比更慢地旋转；以及

产生穿过所述内管、所述电动马达和所述外管的电流。

10.如权利要求9所述的方法，其中提供包括内管和外管的钻柱包括将所述内管或所述外管中的至少一者用绝缘材料涂覆。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述绝缘料包括介电材料。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述介电材料包括选自由以下各项组成的组的至少一种材料：聚酰亚胺、高强度钢化氟聚合物、尼龙、特氟隆和陶瓷涂层。

13.如权利要求9所述的方法，其中使所述钻柱和驱动轴与闩锁机构连接包括使所述驱动轴耦接到所述电动马达，其中所述电动马达被配置成向所述驱动轴施加转矩。

14.如权利要求9所述的方法，其中所述驱动轴包括驱动轴磁铁。

15.如权利要求9所述的方法，其中使所述电动马达耦接到钻头。

16.一种在地下岩层中钻出井筒的方法，所述方法包括：

提供钻柱，所述钻柱包括内管和外管，

使电动马达电耦接到所述内管和所述外管；

使所述钻柱和驱动轴与闩锁机构连接，其中所述驱动轴由所述电动马达驱动，并且其中所述闩锁机构防止所述驱动轴与所述钻柱相比更慢地旋转；

产生穿过所述内管、所述电动马达和所述外管的电流；以及

向耦接到所述驱动轴的钻头施加旋转动力。

17.如权利要求16所述的方法，其中提供包括内管和外管的钻柱包括将所述内管或所述外管中的至少一者用绝缘材料涂覆。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述绝缘材料包括介电材料。

19.如权利要求16所述的方法，其中向耦接到所述驱动轴的所述钻头施加旋转动力包括旋转所述钻柱。

20.如权利要求16所述的方法，其中所述驱动轴包括驱动轴磁铁。