CN111279582A - 容屑型通量引导式井下旋转机器 - Google Patents
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Abstract
一种井下旋转机器包括定子和转子，所述定子具有定子绕组和对应磁通量引导体，所述转子具有多个磁体，所述多个磁体被配置为与所述定子绕组和所述对应磁通量引导体协作以在磁隙中生成大致平行于所述转子的旋转轴的磁场，其中所述磁隙在所述多个磁体与所述对应磁通量引导体之间提供磁隙间隔，所述磁隙间隔至少是所述井下旋转机器的总直径的百分之五。还提供了一种在井筒中操作井下工具的方法和一种井下工具。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求Richard Decena Ornelaz和Michael Linley Fripp于2017年12月28日提交的名称为“Debris Tolerant Flux Guide Generator/Motor”的第62/611,038号美国临时申请的权益，所述美国临时申请与本申请共同转让并且其全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本申请大体上针对于一种碳氢化合物井筒装置，并且更具体地说，针对于一种井下旋转机器。
背景技术
在油井或气井的永久完井中，通常需要发电机来提供电力。发电机将从井筒中流动的石油或天然气产生的部分能量转化为电力。最便宜并且机械最稳健的设计是将发电机暴露于井筒流体。在井下井筒流体中使用发电机或电动机的一个挑战是由于铁颗粒、铁锈颗粒和其他铁磁成分以及悬浮或运输于井筒流体中的沙子和其他碎屑，其稳健性降低。挑战来自于转子的磁体与定子的绕组之间的小磁隙，其通常只有千分之几英寸。铁磁颗粒被吸附到磁体上并且会挤进磁体与绕组之间的间隙中，这会阻碍发电机或电动机转动。然而，增大间隙会导致显著的输出功率和扭矩损失，因为功率或扭矩与磁隙的大小的四次乘方成反比(功率与1/间隙4成正比)。
附图说明
现在参考以下结合附图所作的描述，在附图中：
图1示出了具有永久完井系统的示例井筒系统的系统图；
图2示出了被配置为执行地层钻进的随钻测井(LWD)系统200；
图3A、图3B、图3C示出了根据本公开的原理构造的井下旋转装置(大体上标记为300、325、350)的视图；
图4示出了根据本公开的原理构造的井下旋转机器(大体上标记为400)的另一个实施例；
图5示出了根据本公开的原理构造的井下工具的实施例；以及
图6示出了根据本公开的原理实行的在井筒中操作井下工具的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
减少挤进问题但仍提供足够功率的改进型井下发电机或电动机将是有利的。因此，本公开至少部分基于如下认识，即传统井下发电机(例如，可以用于向永久或临时完井或者向钻井操作提供井下功率)的前述缺点可以通过实现井下旋转机器的磁隙的显著增加并且同时使相应发电机输出功率或电动机输出扭矩产生有限减小来克服。
本公开认识到当使用磁通量引导体在大区域上收集磁通量并且将磁通量引导到定子绕组中以在发电机的情况下产生电力或者在电动机的情况下产生扭矩时，可以在井下旋转机器上增加间隙尺寸。因而，针对给定量的磁通量，可以获得较大量的电力或扭矩。因此，公开了具有作为机器自身的总直径的函数的磁隙间隔的井下旋转机器。例如，本文提供具有至少为井下旋转机器的总直径的百分之五的磁隙间隔的井下旋转机器，诸如发电机和电动机。这个总直径经常表现为井下旋转机器的定子或转子的直径。磁隙间隔是定子的磁体与转子的通量引导体之间的间隔的距离。这样，如果磁隙间隔的一部分填充有相对磁导率为10或更小的间隙间隔物，则磁隙间隔的距离或尺寸不会改变。
此外，井下旋转机器可以能够沿着转子的旋转轴与其他井下旋转机器在操作上堆叠在一起。这种堆叠井下旋转机器的能力可以包括堆叠发电机、电动机或发电机和电动机的组合。相应地，井下旋转机器可以包含多个转子或多个定子。
在一个实施例中，磁通量引导体可以附接到定子的齿状物上或者作为定子的一部分，并且以提供可以收集磁通量的额外区域的方式延伸出去。因为磁通量引导体由导磁材料制成并且构造成磁通量密度增强形状，所以随着转子磁体在磁通量引导体之间旋转，磁通量被以较高通量密度导引到定子绕组中以便完成相关磁路。
在这种配置中，较大磁通量收集区域有助于克服由于较大磁隙造成的损耗。磁通量引导体还使得磁体能够相对于定子绕组定位在更多位置中。这种较大几何定位对油田效用实现进一步优势，从而提供减少的流动限制和死区。此外，磁通量引导体实现直径比传统发电机小的发电机，并且可以更好地匹配井下几何形状。
井下旋转机器可以是井下圆筒，其中井下旋转机器的转子-定子组件具有在转子与定子之间大致轴向穿过的磁通量。因此，新型发电机可以用于为井筒中的一个或多个部件供电。新型发电机可以是流驱动发电机，其中发电机的磁通量与其旋转轴大致对齐(例如，大致平行)。在一些示例中，定子布线可以沿径向方向定位。此外，磁隙中的磁通量路径可以暴露于井筒流体，并且更明确地说，暴露于井筒流体的大致无阻碍线性流(例如，与曲折流相比)。
图1示出了具有永久完井系统150的示例井系统100的系统图。井系统100用于从地下地层170获得碳氢化合物或者用于将流体注入地下地层170中。在一些示例中，井系统100是智能井。井系统100包括地面设备110、完井系统150和插入管柱120(例如，生产管柱或生产油管，其将地面设备110与完井系统150通信连接)。
地面设备110位于地面130处，并且被配置为处理井下数据并远程操作位于井下的流入控制阀。地面设备110包括钻架112、井口114、生产线116以及控制或供电单元118。地面设备110可以是常规地面设备，并且包括图1中未示出的其他常规部件。
完井系统150被实施为向井下部件提供功率和信息的下部完井。然而，完井系统150不限于下部完井，因为其能够以生产油管贴近另一个油管柱延伸的任何完井来实施。生产油管可以是(例如)地面管柱或衬管。
完井系统150完全安装在井系统100的井筒140内。完井系统150使用通信线160通信连接到地面设备110，尤其是控制单元118。通信线160可以包括多条通信或注入线，例如井底监视与控制线。根据本公开，完井系统150还包括根据本公开的原理构造的井下旋转机器155。井下旋转机器155可以用于操作控制阀或其他井下装置。在一些示例中，从井下旋转机器155生成的电力可以用于调整调节井筒140内的地层流体流的井下工具。例如，完井系统150可以包括井下工具，诸如下文相对于图5论述的井下工具500，其采用井下旋转机器155来控制用于调节流体流的致动器。从井下旋转机器155生成的电力还可以用于向井筒仪器供能。例如，电力可以用于向信号转发器供电以加强井筒140内的信号传送。
图2示出了被配置为执行地层钻进的随钻测井(LWD)系统200。钻孔201可以通过使用钻具钻入土地202中来形成。LWD系统200可以被配置为驱动定位或以其他方式布置在钻柱230的底部处的井底组件(BHA)220，所述钻柱230从布置在地面204处的井架231延伸到土地202中。井架231包括方钻杆232和动滑轮233，所述动滑轮233用于降低和升高方钻杆232和钻柱230。
BHA 220可以包括操作性耦接到工具管柱240的钻具210，其可以在附接到工具管柱240时在井筒201内轴向移动。在操作期间，钻具210穿透土地202并且从而形成井筒201。在钻具210进入土地202中时，BHA 220提供对钻具210的方向控制。工具管柱240可以半永久性地安装有各种测量工具(未示出)，诸如但不限于随钻测量(MWD)和随钻测井(LWD)工具，其可以被配置为对钻井条件进行井下测量。在其他实施例中，测量工具可以自含在钻柱230内。
来自泥浆罐250的流体或“钻井泥浆”可以使用泥浆泵252向井下泵送，所述泥浆泵252由邻近动力源(诸如原动机或电动机254)提供动力。钻井泥浆可以通过立管256从泥浆罐250中泵出，所述立管256将钻井泥浆送入钻柱230中并将其输送到钻具210。钻井泥浆离开布置在钻具210中的一个或多个喷嘴，并且在所述过程中冷却钻具210。
在离开钻具210之后，泥浆经由井筒201与钻柱230之间界定的环形空间循环回到地面204，并且在所述过程中，将钻屑和碎屑返回到地面。钻屑和泥浆混合物穿过流动管线258，并且被处理以使得经过清洁的泥浆再次通过立管256返回井下。BHA 220还可以包括LWD工具260，其具有提供电力或机械扭矩的井下旋转机器270。井下旋转机器270可以是由流动钻井泥浆驱动的发电机，以向井下工具供应电力。此外，这个电力可以用于向井下电动机供电以向井下工具提供机械扭矩。如前所述，这两种类型的井下旋转机器都需要在流动完井流体或流动钻井流体的恶劣操作环境中操作并存活。LWD工具260可以是下文相对于图5所论述的井下工具500，其采用井下旋转机器270进行操作。
图3A、图3B、图3C示出了根据本公开的原理构造的井下旋转装置(大体上标记为300、325、350)的视图。图3A示出了井下旋转装置的俯视图(径向视图)，图3B示出了侧视图(轴向视图)，并且图3C示出了等距视图。在这些视图的每一者中，定子305具有定子绕组310和对应锥形磁通量引导体315，其中定子绕组310以井下旋转机器的旋转轴320为中心来定位，如图所示。
具有多个磁体335的转子330被配置为与定子绕组310和对应锥形磁通量引导体315协作以在磁隙345中生成大致平行于转子的旋转轴320的磁场340。磁隙345在多个磁体335与对应锥形磁通量引导体315之间提供至少为井下旋转机器的总直径350的百分之五的磁隙间隔。磁隙345被定义为磁通量引导体315与多个磁体335之间的间隔，即使当磁隙345包括可以覆盖多个磁体335或定子绕组310的至少一部分的低相对磁导率包封物时。因此，相对磁导率小于10的奥氏体不锈钢或塑料覆盖物不会减小磁隙345的间隔距离，如本公开中所定义的。
在这个实施例中，锥形磁通量引导体315由铁磁材料制成，并且可以附接到定子绕组或者替代地作为定子的层叠片形状的一部分。锥形磁通量引导体315允许磁体从传统设计旋转大约90度，使得磁场340是垂直的(例如，大致平行于旋转轴320)，而不是像在传统设计中那样是径向的。将磁场340旋转大约90度允许磁通量引导体315的大区域用于收集磁场，如在俯视图3A和等距视图3C中由大通量引导体所示。通常，磁通量引导体315可以是除扇形之外的形状，并且可以包括为定子绕组集中磁通量的其他形状和结构(例如，圆形、正方形或拱石顶结构等)。此外，定子绕组310可以并联、串联或以电并联和串联的组合电连接。
在这个实施例中，转子设计是灵活的，并且仍然可能需要足够的背铁来导引磁通量进出邻近磁体。此外，磁通量引导体315可以与定子绕组310分开或者作为定子绕组310的一部分。根据一个示例，通量引导体315与磁体335之间的磁隙345或其至少一部分没有被封闭。因此，磁隙可能直接受到井筒流体以及可能存在于其中的任何污染物的影响。此外，井筒流体及其到磁隙345的直接路径可以用于帮助从磁隙345中去除碎屑。这种碎屑去除特征可以允许磁隙345在井下旋转机器的总直径350的10％或甚至20％处提供井下旋转机器的恰当操作，特别是当与较高污染的井筒流体一起使用时。传统的井下旋转装置即使在磁隙未被封闭的情况下也会有一条曲折路径让井筒流体穿过其磁隙。在某些其他实施例中，井下旋转发动机的定子、转子、通量引导体或其他部件中的一者或多者没有被封闭。
锥形通量引导体可以减少串扰并且提高功率输出，而狭槽可以帮助减少涡流。然而，定子305和磁通量引导体315都不需要层叠或开槽，也不需要使层叠片或狭槽在相同方向上取向。此外，磁通量引导体315不必是平面的，并且因此在必要时可以是非平面的。如本领域的技术人员现在可以理解的，转子330可以是具有背铁的常规转子，或者由哈尔巴赫阵列等组成。
根据本公开的原理构造的井下旋转机器可以在大约750微米(例如，大约0.03英寸)的最小磁隙下操作，同时生成操作许多井下装置所必要的功率(例如，范围从约1mW到约500mW)。与传统发电机或电动机相反，此类发电机或电动机可以在大约3000微米(例如，大约0.125英寸)或更大的磁隙下操作。在传统井下发电机和电动机中可能无法实现此类大磁隙，特别是在发电机或电动机本身具有大约125毫米或更小并且在一个实施例中大约50毫米或更小的直径时。
图4示出了根据本公开的原理构造的井下旋转机器(大体上标记为400)的另一个实施例。井下旋转机器400被用作发电机并且包括具有两个半部405、410的中央转子，其中磁体(未示出)被封装在中央转子的两个半部之间。中央转子半部405采用定子415，并且中央转子半部410采用定子420。定子415包括对应多个锥形磁通量引导体，其中磁通量引导体415A是典型的，并且定子420包括另外对应多个锥形磁通量引导体，其中锥形磁通量引导体420A是典型的。
锥形磁通量引导体415A、420A中的每一者在径向方向上为扇形的，如图3A所示那样。此外，图4中的每个锥形磁通量引导体具有形状为工字梁的横截面，如可以在示例锥形磁通量引导体420A中看到的。定子绕组在工字梁横截面的减小中间部分(例如，420B)中径向构造以允许集中的磁通量轴向穿过定子绕组。
图5示出了根据本公开的原理构造的井下工具(大体上标记为500)的实施例。井下工具500包括根据本公开的原理构造的井下发电机505和井下致动器510、515。流动的井筒流体激活井下发电机505以向井下致动器510、515提供电力。井下致动器510、514可以用于打开或关闭阀门以控制井筒内的流。控制信号指导井下致动器510、515的操作以提供完井或钻井操作的定制(即，智能)操作。例如，井下工具500可以在图1的完井系统150中使用或者作为图2的BHA 220的一部分。
图6示出了根据本公开的原理实行的在井筒中操作井下工具的方法(大体上标记为600)的实施例的流程图。所述方法在步骤605中开始。接着，在步骤610中，提供井下旋转机器，其具有定子和转子，所述定子具有多个定子绕组和对应磁通量引导体，所述转子具有多个磁体，所述多个磁体与多个定子绕组和对应磁通量引导体协作以在定子与转子之间的磁隙中形成大致平行于转子的旋转轴的磁场，所述磁隙具有至少为井下旋转机器的总直径的百分之五的间隙间隔。在步骤615中，使井筒流体经过井下旋转机器的转子以生成电力，并且在步骤620中，采用由井下旋转机器生成的电力操作井下工具的至少一部分。
在一个实施例中，井下旋转机器是供应电力以操作井下工具的致动器的发电机。在另一个实施例中，来自井下旋转机器的电力操作另一个井下旋转机器，所述另一个井下旋转机器提供机械扭矩以供井下工具使用。相应地，所述另一个井下旋转机器是传统的井下电动机。在又一个实施例中，来自井下旋转机器的电力用于向井筒仪器供能。在再一个实施例中，井筒仪器包括电信号转发器，其增强变弱的井筒电信号。
在步骤625中，通过来自井下旋转机器的电力操作井下电动机，所述井下电动机具有定子和转子，所述定子具有多个定子绕组和对应磁通量引导体，所述转子具有磁体，所述磁体与多个定子绕组和对应磁通量引导体协作以在定子与转子之间的磁隙中形成大致平行于转子的旋转轴的磁场，所述磁隙具有至少为井下电动机的总直径的百分之五的间隙间隔，从而为井下工具提供机械扭矩。
在又一个实施例中，井下电动机向井下工具提供调节地层流体流的调整。所述方法600在步骤630中结束。
尽管已经参考以特定次序执行的特定步骤描述和示出了本文公开的方法，但是应当理解，在不脱离本公开的教导的情况下，这些步骤可以被组合、细分或重新排序以形成等效方法。因此，除非本文中特别指出，否则所述步骤的次序或分组不是对本公开的限制。
可以要求保护本公开的各个方面，包括如本文公开的设备、系统和方法。本文所公开的方面包括：
A.一种井下旋转机器，其包括：(1)定子，其具有定子绕组和对应磁通量引导体，以及(2)转子，其具有多个磁体，所述多个磁体被配置为与定子绕组和对应磁通量引导体协作以在磁隙中生成大致平行于转子的旋转轴的磁场，其中磁隙在多个磁体与对应磁通量引导体之间提供磁隙间隔，所述磁隙间隔至少为井下旋转机器的总直径的百分之五。
B.一种在井筒中操作井下工具的方法，其包括：(1)通过使井筒流体经过井筒中的井下旋转机器的转子来生成电力，并且采用由井下旋转机器生成的电力操作井下工具的至少一部分，其中井下旋转机器包括定子和转子，所述定子具有多个定子绕组和对应磁通量引导体，所述转子具有多个磁体，所述多个磁体与多个定子绕组和对应磁通量引导体协作以在定子与转子之间的磁隙中形成大致平行于转子的旋转轴的磁场，所述磁隙具有至少为井下旋转机器的总直径的百分之五的间隙间隔。
C.一种井下工具，其包括：(1)致动器，以及(2)井下旋转机器。所述井下旋转机器包括定子和转子，所述定子具有定子绕组和对应磁通量引导体，所述转子具有多个磁体，所述多个磁体与定子绕组和对应磁通量引导体协作以在磁隙中生成大致平行于转子的旋转轴并且提供用于操作致动器的电力或机械扭矩的磁场，其中磁隙在对应磁通量引导体与多个磁体之间提供至少为井下旋转机器的总直径的百分之五的磁隙间隔。
方面A、B和C中的每一者可以具有一个或多个以下额外元素的组合：
元素1：其中对应磁通量引导体提供增加的磁通量密度通过其相应定子绕组。元素2：其中井下旋转机器是发电机或电动机。元素3：其中井下旋转机器的总直径是转子的直径。元素4：其中井下旋转机器的总直径是定子的直径。元素5：其中井下旋转机器包含多个转子或定子。元素6：其中井下旋转机器能够沿着转子的旋转轴与其他井下旋转机器在操作上堆叠在一起。元素7：其中磁隙间隔的一部分填充有相对磁导率为10或更小的间隙间隔物。元素8：其中井下旋转机器是发电机。元素9：其中来自井下旋转机器的电力操作井下工具的致动器。元素10：其中来自井下旋转机器的电力操作另一个井下旋转机器，所述另一个井下旋转机器提供机械扭矩以供井下工具使用。元素11：其中另一个井下旋转机器是井下电动机。元素12：其中井下电动机向井下工具提供调节地层流体流的调整。元素13：其中对应磁通量引导体提供增加的磁通量密度通过其相应定子绕组。元素14：其中井下旋转机器是发电机或电动机。元素15：其中井下旋转机器的总直径是转子的直径。元素16：其中井下旋转机器的总直径是定子的直径。元素17：其中井下旋转机器包含多个转子或定子。元素18：其中井下旋转机器能够沿着转子的旋转轴与其他井下旋转机器在操作上堆叠在一起。元素19：其中磁隙间隔的一部分填充有相对磁导率为10或更小的间隙间隔物。
本申请所涉及领域的技术人员将理解，可以对所描述的实施例做出其他和进一步的添加、删除、替换和修改。
Claims (22)
1.一种井下旋转机器，其包括：
定子，其具有定子绕组和对应磁通量引导体；以及
转子，其具有多个磁体，所述多个磁体被配置为与所述定子绕组和所述对应磁通量引导体协作以在磁隙中生成大致平行于所述转子的旋转轴的磁场，
其中所述磁隙在所述多个磁体与所述对应磁通量引导体之间提供磁隙间隔，所述磁隙间隔至少是所述井下旋转机器的总直径的百分之五。
2.根据权利要求1所述的井下旋转机器，其中所述对应磁通量引导体提供增加的磁通量密度通过其相应定子绕组。
3.根据权利要求1所述的井下旋转机器，其中所述井下旋转机器是发电机或电动机。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的井下旋转机器，其中所述井下旋转机器的所述总直径是所述转子的直径。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的井下旋转机器，其中所述井下旋转机器的所述总直径是所述定子的直径。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的井下旋转机器，其中所述井下旋转机器包含多个转子或定子。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的井下旋转机器，其中所述井下旋转机器能够沿着所述转子的所述旋转轴与其他井下旋转机器在操作上堆叠在一起。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的井下旋转机器，其中所述磁隙间隔的一部分填充有相对磁导率为10或更小的间隙间隔物。
9.一种在井筒中操作井下工具的方法，其包括：
通过使井筒流体经过井筒中的井下旋转机器的转子来生成电力；以及
采用由所述井下旋转机器生成的所述电力操作所述井下工具的至少一部分，其中所述井下旋转机器包括定子和转子，所述定子具有多个定子绕组和对应磁通量引导体，所述转子具有多个磁体，所述多个磁体与所述多个定子绕组和所述对应磁通量引导体协作以在所述定子与所述转子之间的磁隙中形成大致平行于所述转子的旋转轴的磁场，所述磁隙具有至少为所述井下旋转机器的总直径的百分之五的间隙间隔。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述井下旋转机器是发电机。
11.根据权利要求9所述的方法，其中来自所述井下旋转机器的所述电力操作所述井下工具的致动器。
12.根据权利要求9所述的方法，其中来自所述井下旋转机器的所述电力操作另一个井下旋转机器，所述另一个井下旋转机器提供机械扭矩以供所述井下工具使用。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述另一个井下旋转机器是井下电动机。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述井下电动机向所述井下工具提供调节地层流体流的调整。
15.一种井下工具，其包括：
致动器；以及
井下旋转机器，所述井下旋转机器包括定子和转子，所述定子具有定子绕组和对应磁通量引导体，所述转子具有多个磁体，所述多个磁体与所述定子绕组和所述对应磁通量引导体协作以在磁隙中生成大致平行于所述转子的旋转轴并且提供用于操作所述致动器的电力或机械扭矩的磁场，
其中所述磁隙在所述对应磁通量引导体与所述多个磁体之间提供磁隙间隔，所述磁隙间隔至少是所述井下旋转机器的总直径的百分之五。
16.根据权利要求15所述的井下工具，其中所述对应磁通量引导体提供增加的磁通量密度通过其相应定子绕组。
17.根据权利要求15所述的井下工具，其中所述井下旋转机器是发电机或电动机。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的井下工具，其中所述井下旋转机器的所述总直径是所述转子的直径。
19.根据权利要求15至17中任一项所述的井下工具，其中所述井下旋转机器的所述总直径是所述定子的直径。
20.根据权利要求15所述的井下工具，其中所述井下旋转机器包含多个转子或定子。
21.根据权利要求15或权利要求20所述的井下工具，其中所述井下旋转机器能够沿着所述转子的所述旋转轴与其他井下旋转机器在操作上堆叠在一起。
22.根据权利要求15至17中任一项所述的井下工具，其中所述磁隙间隔的一部分填充有相对磁导率为10或更小的间隙间隔物。
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