CN107075937A - 电动机的状态监测 - Google Patents

Abstract

一种用于监测马达的操作的方法和系统可包括初始确定所述马达在某一操作温度范围内的无载荷扭矩对比温度特性。在一段时间的操作之后，可确定所述马达的无载荷扭矩值和温度。可通过局部热敏电阻器等测量马达温度。可根据所测量的马达电流确定马达扭矩。然后可将所述马达扭矩和温度与所述初始扭矩对比温度特性进行比较，以确定由于机油的故障、磨损的轴承或类似状况而导致的所述马达的载荷变化。在一些实施方案中，所述方法和系统可与诸如旋转导向系统的用于钻井的井下工具一起使用。

Description

电动机的状态监测

技术领域

本公开总体涉及对电动机的监测，并且具体地涉及对井下工具中的电动机的监测，所述井下工具用于在地下进行钻井、完井、维修井筒和评估井筒。

发明背景

由于各种原因，在井下工具中使用马达。电动机可放置在补偿油浴环境中。有时，马达具有内置的热敏电阻器或其他温度传感器，以便追踪马达温度，并且因此追踪其性能。其他时候，热敏电阻器可靠近马达放置以便监测马达温度。

附图简述

在下文中参考附图详细描述了实施方案，在附图中：

图1是根据实施方案的具有旋转导向钻井系统的井的部分截面的正视图；

图2A是根据实施方案的图1的旋转导向钻井系统的导向组件的正视图，其示出了控制机构、驱动机构、导向机构和钻头轴；

图2B是图2A的导向组件的控制机构的轴向截面，其示出了流动控制阀，所述流动控制阀控制到图2C的驱动机构的驱动元件的钻井液流动速率；

图2C是图2A的导向组件的驱动机构的轴向截面，其示出了流体动力驱动元件；

图2D是图2A的导向组件的导向机构的轴向截面，其示出了偏置心轴，所述偏置心轴在旋转导向组件时被图2C的驱动元件反向旋转，以用于保持图2A的钻头轴的角度取向；

图3A是图2B的流动控制阀的透视图，其在以下情况下示出：外壳的一部分被切除以便揭示转子和定子流动控制板；

图3B是沿着图2B的线3B-3B截取的截面，其示出了图3A的具有内部环形流动端口和旁路环形流动端口的定子流动控制板；

图3C是沿着图2B的线3C-3C截取的截面，其示出了图3A的用于产生可变流动流体路径的转子流动控制板；

图4是图2A的导向组件的控制系统的方框层次示意图；

图5是油粘度对比温度的示例性曲线；并且

图6是根据实施方案的用于监测电动机的状态的方法的流程图。

具体实施方式

本公开可重复各种实例中的参考数字和/或字母。这种重复是为了简单和清楚起见，并且其本身并不指示所论述的各种实施方案和/或配置之间的关系。此外，在本文中为了便于描述，可使用空间相对术语(诸如“在…下方”、“在…之下”、“下部”、“在…之上”、“上部”、“井上”、“井下”、“上游”、“下游”等)来描述如图中所示的一个元件或特征结构与另一个元件或特征结构的关系。空间相对术语意图包含使用或操作中的设备的除了图中所描绘的取向之外的不同取向。

图1是示出根据本公开的方面的示例性钻井系统100的图。钻井系统100包括安装在地面101处并定位在地下地层103内的钻孔104之上的钻机102。在所示出的实施方案中，钻井组件105可定位在钻孔104内并且可耦接到钻机102。钻井组件105可包括钻柱106和井底总成(BHA)107。钻柱106可包括螺纹连接的多个区段。BHA 107可包括钻头109、随钻测量(MWD)设备108和导向组件200。导向组件200可控制钻取钻孔104的方向。可在垂直于钻头109的工具面110的方向上钻取钻孔104，所述方向对应于钻头109的纵向轴线219。因此，控制钻孔104的方向可包括控制钻头109的纵向轴线219与导向组件200的纵向轴线220之间的角度，以及控制钻头109相对于地层103的角度取向。

导向组件200可包括致使钻头109的纵向轴线219从导向组件200的纵向轴线220偏离的偏置心轴(未示出)。偏置心轴可相对于钻柱106的旋转进行反向旋转，以便保持钻头109相对于地层103的角度取向。导向组件200可从控制单元113接收控制信号。控制单元113可包括具有处理器和存储器装置的信息处理系统，并且可通过遥测系统111与导向组件200通信。在某些实施方案中，控制单元113可将控制信号发送到导向组件200，以便改变钻头109的纵向轴线220以及控制偏置心轴部分的反向旋转以保持钻头109相对于地层103的角度取向。在某些实施方案中，处理器和存储器装置可位于导向组件200内以便执行一些或所有的控制功能。此外，包括MWD设备108的其他BHA 107部件可与控制单元113通信并且从控制单元113接收指令。

图2A-D是示出根据本公开的各方面的示例性导向组件200的图，所述示例性导向组件200可部分地用于在钻井操作期间将钻头保持在对地静止位置中。图2B-D描绘了导向组件200的说明性部分。导向组件200可包括外壳201，所述外壳201可直接耦接到钻柱或(诸如通过MWD设备)间接耦接到钻柱。外壳201可包括单独区段201a-c，或者可包括单个一体式外壳。在某些实施方案中，每个区段可对应于导向组件200的单独仪器部分。例如，部分201a可容纳控制机构，并且可与地面处的控制单元通信，并且/或者从地面和导向组件内的控制机构接收控制信号。在某些实施方案中，控制机构可包括处理器和存储器装置，并且可从导向组件内的位置传感器(诸如可指示钻井方向的重力工具面传感器)接收测量值。控制机构还可从温度传感器和电流传感器接收测量值。部分201b可包括驱动元件，所述驱动元件包括可变流动路径和流动控制的驱动机构。部分201c可包括导向元件，所述导向元件控制耦接到导向组件200的钻头轴202的钻头的钻井角度和轴向取向。

参照图2B和图2C，在某些实施方案中，导向组件200可直接或间接地耦接到钻柱106(图1)，在钻井操作期间可通过所述导向组件200泵送钻井液。钻井液可流动到围绕流动控制模块206的环形空间205中。然后，钻井液可流动到与流体动力驱动元件209流体连通的内部环形空间208，或者可被导向到旁路环形空间207。流体动力驱动元件209的旋转速度可以被流动到内部环形空间208内的钻井液的量和速率控制。因此，流动控制阀210可包括在流动控制模块206内，并且可选择性地控制：进入内部环形空间208以驱动流体动力驱动元件209的钻井液与绕过的流动部分的比例。

根据本公开的方面，在某些实施方案中，流动控制阀210因此可用于通过改变流动到内部环形空间208中的钻井液的量或速率来控制流体动力驱动元件209的旋转速度。然而，可使用各种阀配置来提供其他可变流动流体路径，所述阀配置可计量穿过流体动力驱动机构的钻井液的流动。

图2C示出了与内部环形空间208流体连通的流体动力驱动元件209。在所示出的实施方案中，流体动力驱动元件209可包括涡轮，但是其他流体动力驱动机构也是可能的，包括但不限于泥浆马达。涡轮209可包括多个转子和定子，所述多个转子和定子响应于内部环形空间208内的流体流动而生成旋转移动。涡轮209可在输出轴211处生成旋转，所述输出轴211可直接或间接地耦接到偏置心轴212(图2D)。在所示出的实施方案中，减速器213可放置在涡轮209与输出轴211之间以便减小由涡轮209生成的旋转速率。

在某些实施方案中，发电机214可耦接到流体动力驱动元件209。发电机214可磁耦接到到涡轮209的转子209a。发电机214可包括有线定子214a。有线定子214a可通过耦接到转子209a的磁体215来磁耦接到转子209的转子209a。随着涡轮209旋转，转子209a也旋转，这可能致使磁体215围绕有线定子214a旋转，由此产生电势，所述电势可用于为定位在导向组件200内的各种控制机构(包括区段201a内的控制机构)和传感器提供动力。

参照图2C和图2D，输出轴211可直接或间接地耦接到偏置心轴212。输出轴211可将来自涡轮209的旋转施加到偏置心轴212，以使得偏置心轴212可独立于外壳201旋转。偏置心轴212可在第一端处耦接到输出轴211，并且可在第二端处包括偏心接收器217。钻头轴202可至少部分地设置在偏心接收器217内。偏心接收器217可用于改变或保持钻头轴202和耦接到钻头轴202的钻头(未示出)的纵向轴线219。钻头轴202可在枢轴点218处枢转地耦接到外壳201。钻头轴202可围绕枢轴点218枢转以改变钻头轴202的纵向轴线219。在某些实施方案中，偏心接收器217可致使钻头轴202围绕枢轴点218枢转，这可相对于导向组件200的纵向轴线220偏置钻头轴202的纵向轴线219。除了允许钻头轴202相对于外壳201枢转之外，枢轴点218还可用于将扭矩从外壳201施加到钻头轴202。可以将扭矩施加到钻头109(图1)，所述钻头109耦接到钻头轴202并且可共享钻头轴202的纵向轴线219。钻头轴202的纵向轴线219可因此对应于导向组件200的钻井角度。

在钻井操作期间，耦接到外壳201的钻柱可旋转，从而使得外壳201围绕纵向轴线220旋转。可使用球290通过枢轴点218将外壳201的旋转作为扭矩施加到钻头轴202。扭矩可致使钻头轴202围绕其纵向轴线219以及导向组件200的纵向轴线220旋转。当钻头轴202的纵向轴线219相对于导向组件200的纵向轴线220偏置时，这可能致使钻头轴202的端部相对于纵向轴线220旋转，从而改变钻头轴202和对应钻头相对于周围地层的角度方向。

在某些实施方案中，偏置心轴212可相对于外壳201进行反向旋转以便保持钻头轴202的角度取向。例如，钻柱可能以第一速度在第一方向上旋转，从而致使导向组件200以第一方向和第一速度旋转。为了保持钻头轴202相对于周围地层的角度取向，可致动流动控制阀210(图2B)，以便提供钻井液跨流体动力驱动元件209的期望流动速率，以使得偏置心轴212以与第一速度相同的第二速度在与第一方向相反的第二方向上旋转。值得注意的是，随着偏置心轴212以相同的速度与外壳201相反地旋转，偏置心轴212的偏心端217可相对于周围地层保持静止(对地静止)，从而保持钻头轴202相对于地层的角度取向，同时仍然允许钻头轴202围绕其纵向轴线219旋转。类似地，可通过以除外壳201的旋转速度之外的任何其他速度旋转偏置心轴212来改变钻头轴202相对于周围地层的角度取向。

参照图2B和图3A–3C，外壳部分201a可容纳控制机构，并且可与地面处的控制单元通信并且/或者从地面和导向组件内的控制机构接收控制信号。钻井液可从钻柱106(图2)流动到围绕流动控制模块206限定的环形空间205中。然后，钻井液可流动到与流体动力驱动元件209流体连通的内部环形空间208，或者可被导向到旁路环形空间207。流动控制模块206可包括具有转子流动板232的流动控制阀210，所述转子流动板232可相对于定子流动板230旋转并且选择性地定位。

定子流动板230包括与旁路环形空间207流体连通的旁路端口231、以及与内部环形空间208流体连通的操作端口233。转子流动板232相对于定子流动板230旋转。转子流动板具有通过其形成的单个端口，所述单个端口可选择性地定位以便向旁路环形空间107提供总流动，向内部环形空间208提供总流动，或者在两个流动路径之间以不同的比例分流。转子流动板可包括有助于流动的斜面。

参照回图2B，转子流动板232相对于定子流动板230的位置可由流动控制模块206确定。在一个实施方案中，流动控制模块206包括位于压力补偿油浴内的电动机250。马达250可包括转子252、定子254和输出轴256、轴承组件258和压力补偿活塞260。热敏电阻器、热电偶或其他温度传感器259可位于马达250内、油浴内或电动机250的表面上。输出轴256连接到流动控制阀210的转子流动板232。

在所示出的实施方案中，电动机250起到伺服马达、步进马达等的作用，从而在有限的旋转窗口内调整并且保持转子流动板232的期望的旋转位置。然而，可适当地使用其他类型的马达和布置。

图4是导向组件200的整体控制系统299的方框层次示意图。图5示出了用于使用热敏电阻器和电动机250来监测导向组件200的油和其他部件的状态的方法。尽管在井下导向组件的背景下进行了描述，但是本公开的系统和方法可用于监测任何合适的电动机的状态。

参照图2B和图4，电动机250可用于选择性地致动并且保持流动控制阀210的位置。电动机250可与承载剪切阀350所施加的载荷的轴承258一起设置在补偿油浴环境中。具体地，总钻井液流动的选择性部分可以被流动控制阀210传送到流体动力驱动器209，以便控制其速度以及控制工具面的凸轮217的速度。凸轮速度和位置可在传感器300处测量，并且作为负反馈与目标工具面值一起提供给加法器单元302。加法器302的输出被输入到比例-积分-微分控制器306，其继而致动或改变电动机350以便适当地重新定位流动控制阀210。

图5是概述根据一个或多个实施方案的用于控制和评估马达的操作状态的方法400的流程图。尽管相对于现在公开的实施方案进行了描述，但是这种方法不限于此。实际上，在可能需要确定远程定位的马达(诸如井下马达)的健康状况的任何情况下，以下方法可能是适当的。

在步骤404处，确定马达在第一时间段期间在某一操作温度范围内的扭矩对比温度特性。这个扭矩对比温度特性可用作对马达状态的未来评估的基准。因此，可优选地(例如)通过新的清洁油和新的轴承在原始状态下建立扭矩对比温度特性。例如，可在实验室环境中通过测量扭矩来确定扭矩对比温度特性，并且马达通过一定范围的操作温度变得更热。

对于电动机，可通过测量马达电流消耗来确定扭矩。这样做的一个方式是致动马达并且通过测量电流来测量拖曳扭矩。马达扭矩由以下给出：

T＝kti 等式1

其中T是扭矩，kt是马达的扭矩常数，并且i是电流。因为油浴粘度随温度而变化，所以有必要知道测量扭矩的温度。可使用热敏电阻器或任何其他温度测量装置来测量温度。

在步骤406处，可将马达定位在井下某一点处，并且使用其持续一段时间。再次在无载荷状态下确定马达扭矩和马达温度。如上，可使用等式1根据马达电流确定马达扭矩。在不存在任何钻井液流动的情况下，因为不存在操作载荷，所以当马达被致动时，那么马达仅需克服油的粘滞摩擦和标称轴承摩擦。

在步骤408处，通过将马达扭矩和温度值与原始扭矩对比温度特性进行比较，可确定马达设置的状态(特别是油的粘度或轴承状态的变化)。因此，通过获知操作开始时以及给定数量的操作小时之后的温度和拖曳扭矩，操作者可对油和轴承的状态以及总体马达设置状态做出明智的决定。

图6是示例性油粘度对比温度曲线，其可允许操作者评估某一温度下的标称粘度值，并且由此能够基于影响无载荷扭矩值的马达操作特性来评估油粘度改变。

这种方法可允许在不需要除了可能在工具中使用的这些传感器之外的任何附加传感器的情况下，建立状态监测系统。同时，可建立最佳维护程序以便基于操作数据改变电动机350的油和/或轴承。

概括地说，已经描述了用于钻取井筒的系统和方法以及用于监测马达的操作的方法。用于钻取井筒的系统的实施方案可通常具有：导向组件，所述导向组件具有外壳和可导向的钻头轴，所述钻头轴的工具面可由设置在所述导向组件内的电动机控制；钻头，所述钻头耦接到所述钻头轴；钻柱，所述钻柱可操作来在第一方向上旋转所述导向组件的所述外壳；温度传感器，所述温度传感器耦接到所述电动机；遥测系统，所述遥测系统耦接到所述温度传感器；以及地面控制单元，所述地面控制单元与所述遥测系统通信，所述控制单元可操作来通过所述遥测系统从所述温度传感器接收温度数据，并且接收所述电动机的马达电流数据，并通过与所述马达在原始无载荷状态下的扭矩对比温度特性进行比较来确定所述电动机的操作状态的变化。用于钻取井筒的方法的实施方案可通常包括：提供具有可导向钻头轴的导向组件，所述钻头轴的工具面可由设置在所述导向组件内的马达控制；确定所述马达在原始无载荷状态下在某一操作温度范围内的扭矩对比温度特性；将钻头耦接到所述钻头轴；沿着钻柱耦接所述导向组件；在第一方向上旋转所述钻柱，从而旋转所述导向组件的外壳和所述钻头以将所述井筒钻入到第一深度，同时至少偶尔操作所述马达来控制所述工具面；确定所述马达在所述第一深度处的无载荷状态下的第一扭矩值；确定所述马达在所述第一深度处的第一温度值；以及将所述第一扭矩和温度值与所述扭矩对比温度特性进行比较，以确定所述马达的载荷变化。用于钻取井筒的方法的实施方案可通常包括：确定所述马达在第一时间段期间在某一操作温度范围内的扭矩对比温度特性；确定所述马达在所述第一时间段之后的第一时间点处的第一扭矩值；确定所述马达在所述第一时间点处的第一温度值；以及将所述第一扭矩和温度值与所述扭矩对比温度特性进行比较，以确定所述马达的载荷变化。

任何前述实施方案可单独地或彼此组合地包括以下元素或特性中的任一个：电流传感器，所述电流传感器耦接到所述电动机和所述地面控制单元；发电机，所述发电机设置在所述导向组件内并且电耦接到所述电动机以为所述电动机供电；电流传感器，所述电流传感器通过所述遥测系统耦接所述地面控制单元；驱动机构，所述驱动机构设置在所述导向单元内并且选择性地流体耦接到所述钻柱，所述发电机耦接到所述驱动机构；流动控制阀，所述流动控制阀流体耦接在所述钻柱与所述驱动机构之间，所述电动机耦接到所述流动控制阀以用于定位所述流动控制阀；偏置心轴，所述偏置心轴耦接在所述驱动机构与所述钻头轴之间，以用于控制所述钻头的工具面；由驱动机构使偏置心轴相对于所述外壳在与所述第一方向相反的第二方向上旋转以控制所述工具面；由所述马达控制所述驱动机构的所述速度；用流体流动为所述驱动机构提供动力；由流动控制阀控制到所述驱动机构的所述流体流动；由所述马达定位所述流动控制阀；所述马达是电动机；所述方法还包括：测量马达电流以确定马达扭矩；由耦接到所述电动机的温度传感器测量所述第一温度值；将所述第一温度值用遥测装置传送到定位在所述井筒的所述地面处的控制单元；由所述驱动机构旋转发电机；由所述发电机提供所述马达电流；测量所述第一深度处的第一马达电流值；将所述第一马达电流值用遥测装置传送到所述控制单元；在油浴环境中操作所述马达；确定所述第一温度值下的原始油粘度值；基于所述马达的所述载荷变化确定所述第一深度的所述第一温度下的第一油粘度值；确定无载荷操作状态下的所述扭矩对比温度特性；确定所述无载荷操作状态下的所述第一扭矩和温度值；所述载荷变化与所述马达的效率相关；确定原始马达状态下的所述扭矩对比温度特性；确定使用后的马达状态下的所述第一扭矩和温度值；所述马达是电动机；测量马达电流以确定马达扭矩；在油浴环境中操作所述马达；确定所述第一温度值下的原始油粘度值；基于所述马达的所述载荷变化，确定所述第一时间点的所述第一温度下的第一油粘度值。

本公开的摘要仅用于向读者提供一种从对技术公开的性质和要点的粗略阅读来快速确定的方式，并且它仅表示一个或多个实施方案。

虽然已经详细说明了各种实施方案，但是本公开不限于所示出的实施方案。本领域的技术人员可想到以上实施方案的修改和改进。此类修改和改进在本公开的精神和范围内。

Claims (16)

1.一种用于钻取井筒的方法，其包括：

提供具有可导向钻头轴的导向组件，所述钻头轴的工具面可由设置在所述导向组件内的马达控制；

确定所述马达在原始无载荷状态下的在某一操作温度范围内的扭矩对比温度特性；

将钻头耦接到所述钻头轴；

沿着钻柱耦接所述导向组件；

在第一方向上旋转所述钻柱，从而旋转所述导向组件的外壳和所述钻头以便将所述井筒钻入到第一深度，同时至少偶尔操作所述马达来控制所述工具面；

确定所述马达在所述第一深度处的无载荷状态下的第一扭矩值；

确定所述马达在所述第一深度处的第一温度值；以及

将所述第一扭矩和温度值与所述扭矩对比温度特性进行比较，以确定所述马达的载荷变化。

2.如权利要求1所述的方法，其还包括：

通过驱动机构使偏置心轴相对于所述外壳在与所述第一方向相反的第二方向上旋转以便控制所述工具面；以及

通过所述马达控制所述驱动机构的速度。

3.如权利要求2所述的方法，其还包括：

用流体流动为所述驱动机构提供动力；

通过流动控制阀来控制到所述驱动机构的所述流体流动；以及

通过所述马达来定位所述流动控制阀。

4.如权利要求1所述的方法，其中：

所述马达是电动机；以及

所述方法还包括测量马达电流以确定马达扭矩。

5.如权利要求4所述的方法，其还包括：

通过耦接到所述电动机的温度传感器测量所述第一温度值；以及

将所述第一温度值用遥测装置传送到位于所述井筒的所述地面处的控制单元。

6.如权利要求5所述的方法，其还包括：

通过所述驱动机构旋转发电机；

通过所述发电机提供所述马达电流；

测量所述第一深度处的第一马达电流值；以及

将所述第一马达电流值用遥测装置传送到所述控制单元。

7.如权利要求1所述的方法，其还包括：

在油浴环境中操作所述马达；

确定所述第一温度值下的原始油粘度值；以及

基于所述马达的所述载荷变化，确定所述第一深度的所述第一温度下的第一油粘度值。

8.一种用于钻取井筒的系统，其包括：

导向组件，所述导向组件具有外壳和可导向的钻头轴，所述钻头轴的工具面可由设置在所述导向组件内的电动机控制；

钻头，所述钻头耦接到所述钻头轴；

钻柱，所述钻柱可操作来在第一方向上旋转所述导向组件的所述外壳；

温度传感器，所述温度传感器耦接到所述电动机；

遥测系统，所述遥测系统耦接到所述温度传感器；以及

地面控制单元，所述地面控制单元与所述遥测系统通信，所述控制单元可操作来通过所述遥测系统从所述温度传感器接收温度数据，并且接收所述电动机的马达电流数据，以及通过与所述马达在原始无载荷状态下的扭矩对比温度特性进行比较来确定所述电动机的操作状态的变化。

9.如权利要求8所述的系统，其还包括：

电流传感器，所述电流传感器耦接到所述电动机和所述地面控制单元。

10.如权利要求9所述的系统，其还包括：

发电机，所述发电机设置在所述导向组件内并且电耦接到所述电动机以用于为所述电动机供电；

所述电流传感器，所述电流传感器通过所述遥测系统耦接所述地面控制单元。

11.如权利要求8所述的系统，其还包括：

驱动机构，所述驱动机构设置在所述导向单元内并且选择性地流体耦接到所述钻柱，所述发电机耦接到所述驱动机构；

流动控制阀，所述流动控制阀流体耦接在所述钻柱与所述驱动机构之间，所述电动机耦接到所述流动控制阀以用于定位所述流动控制阀；以及

偏置心轴，所述偏置心轴耦接在所述驱动机构与所述钻头轴之间，以用于控制所述钻头的工具面。

12.一种用于监测马达的操作的方法，其包括：

确定所述马达在第一时间段期间在某一操作温度范围内的扭矩对比温度特性；

确定所述马达在所述第一时间段之后的第一时间点处的第一扭矩值；

确定所述马达在所述第一时间点处的第一温度值；以及

将所述第一扭矩和温度值与所述扭矩对比温度特性进行比较，以确定所述马达的载荷变化。

13.如权利要求12所述的方法，其还包括：

确定无载荷操作状态下的所述扭矩对比温度特性；以及

确定所述无载荷操作状态下的所述第一扭矩和温度值；由此

所述载荷改变与所述马达的效率相关。

14.如权利要求12所述的方法，其还包括：

确定原始马达状态下的所述扭矩对比温度特性；以及

确定已使用的马达状态下的所述第一扭矩和温度值。

15.如权利要求12所述的方法，其中：

所述马达是电动机；以及

所述方法还包括测量马达电流以确定马达扭矩。

16.如权利要求12所述的方法，其还包括：

在油浴环境中操作所述马达；

确定所述第一温度值下的原始油粘度值；以及

基于所述马达的所述载荷变化，确定所述第一时间点的所述第一温度下的第一油粘度值。