CN111706256B - 一种适用于海洋水下钻机的电动钻具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于海洋水下钻机的电动钻具，属于海洋钻井设备技术领域，包括供电总成、电机总成和钻头总成；供电总成包括配电柜、供电电缆、电缆插头；电机总成包括连接头、上机头、电机外壳、定子组件、转子组件、扶正轴承、止推轴承、转轴、下机头、保护器；钻头总成包括过渡接头、钻头；电机总成为上下贯通的中空结构，其上端通过连接头与连续油管连接，下端通过过渡接头与钻头连接；供电电缆一端与配电柜连接，另一端穿过连续油管，通过电缆插头与上机头连接。本发明结构简单、调速范围宽、控制精度高，可大幅提高钻机的钻井效率和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动钻具，尤其是涉及一种适用于海洋水下钻机的电动钻具，属于海洋钻井设备技术领域。
背景技术
世界海洋石油资源量约占全球石油资源总量的三分之一，海洋油气资源的开发利用，尤其是深水海域油气资源的勘探开发，已经成为世界各国能源战略的热点领域。随着海洋钻井设备的发展，其对钻井效率和可靠性提出了更高的要求。
海洋水下钻机将主要钻井设备由浮式平台(船)移至海底，通过连续油管进给、钻井液循环及远程控制在海底实施钻井作业。与连续油管钻井工艺相匹配的井下动力钻具是海洋水下钻机的核心装置。井下动力钻具包括螺杆钻具、涡轮钻具和电动钻具。与螺杆钻具和涡轮钻具相比，电动钻具具有钻速高、温度承载范围宽、控制精度高等优点。但是，现有的电动钻具由于为感应电机加机械减速机构的结构形式，存在结构复杂、效率低、减速机构易磨损、可靠性差等缺陷，不适用于海洋水下钻机的使用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、钻进效率高、可靠性强的适用于海洋水下钻机的电动钻具。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种适用于海洋水下钻机的电动钻具包括供电总成、电机总成和钻头总成；所述供电总成包括配电柜、供电电缆、电缆插头；所述电机总成包括连接头、上机头、电机外壳、定子组件、转子组件、扶正轴承、止推轴承、转轴、下机头、保护器；所述钻头总成包括过渡接头、钻头；所述电机总成为上下贯通的中空结构，其上端通过连接头与连续油管连接，下端通过过渡接头与钻头连接；所述供电电缆一端与配电柜连接，另一端穿过连续油管，通过电缆插头与上机头连接。
如上所述的适用于海洋水下钻机的电动钻具，其中，所述上机头为中空结构，其上端与连接头连接，下端与电机外壳连接；所述上机头一侧设有沿轴向贯通的通线孔。
如上所述的适用于海洋水下钻机的电动钻具，其中，所述定子组件包括定子铁芯、定子铜芯段、定子绕组；所述定子铁芯和定子铜芯段的定子槽类型为闭口槽；所述定子绕组缠绕固定在定子铁芯和定子铜芯段的闭口槽内。
如上所述的适用于海洋水下钻机的电动钻具，其中，所述定子铁芯为分段结构；所述定子铜芯段连接于定子铁芯分段处。
如上所述的适用于海洋水下钻机的电动钻具，其中，所述转子组件包括套筒、永磁体块；所述套筒为中空结构，其外表面设有轴向布置且相互平行的凹槽；所述凹槽的宽度与永磁体块相等；所述永磁体块贴装于凹槽内。
如上所述的适用于海洋水下钻机的电动钻具，其中，所述转子组件为分段结构，且通过平键与转轴连接；所述转子组件分段处设有扶正轴承；所述扶正轴承外圈与定子铜芯段连接，内圈与转轴连接。
如上所述的适用于海洋水下钻机的电动钻具，其中，所述下机头为中空结构，其上端与电机外壳连接，下端与保护器连接；所述下机头一侧设有沿轴向贯通的通油孔；所述保护器为中空结构，储油胶囊设于其环形内腔内。
如上所述的适用于海洋水下钻机的电动钻具，其中，所述转轴为中空结构，其上端伸入上机头，且与上机头之间设有上机械密封；所述转轴的下端穿过下机头、保护器与过渡接头连接，且与下机头之间设有止推轴承和下机械密封；所述过渡接头为中空结构。
本发明的有益效果在于：
1.本发明的适用于海洋水下钻机的电动钻具，采用低速大扭矩永磁同步电机提供动力，精简掉现有电动钻具普遍拥有的机械减速机构，直接驱动负载，减少故障点，可有效提高钻机的钻井效率和可靠性，同时，该钻具还具有调速范围宽、过载能力强、控制精度高的优点。
2.本发明的适用于海洋水下钻机的电动钻具，通过设置其驱动电机为上下贯通的中空结构，以满足钻井作业时钻井液循环的要求。
3.本发明的适用于海洋水下钻机的电动钻具，设置定子铁芯和转子组件为分段结构，并在分段处分别设置定子铜芯段和扶正轴承，以确保细长永磁电机定、转子间气隙均匀。
4.本发明的适用于海洋水下钻机的电动钻具，密封结构可靠，适用于海洋水下钻机的作业要求，同时，该钻具结构简单、合理、紧凑，便于加工制造。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中电机总成的结构示意图；
图3是图2中的A-A剖面视图；
图4是本发明中套筒的立体图；
图5是本发明钻进过程示意图。
图中：1-供电总成，11-配电柜，12-供电电缆，13-电缆插头；2-电机总成，21-连接头，22-上机头，2201-通线孔，23-电机外壳，24-定子组件，2401-定子铁芯，2402-定子铜芯段，2403-定子绕组，25-转子组件，2501-套筒，2502-永磁体块，2503-凹槽，26-扶正轴承，27-止推轴承，28-转轴，29-下机头，2901-通油孔，210-保护器，211-上机械密封，212-下机械密封，213-平键，214-储油胶囊；3-钻头总成，31-过渡接头，32-钻头；4-连续油管；5-井壁。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明：
如图1、图2所示，本发明提供一种适用于海洋水下钻机的电动钻具，它与基于海洋水下钻机的连续油管钻井工艺相匹配，其构成包括供电总成1、电机总成2和钻头总成3。其中，供电总成1包括配电柜11、供电电缆12、电缆插头13，电机总成2包括连接头21、上机头22、电机外壳23、定子组件24、转子组件25、扶正轴承26、止推轴承27、转轴28、下机头29、保护器210，钻头总成3包括过渡接头31、钻头32。电机总成2为上下贯通的中空结构，以便钻井液从中传输，从而满足钻井作业时钻井液循环的要求。电机总成2的上端通过连接头21与连续油管4连接，下端通过过渡接头31与钻头32连接，其中，连接头21和过渡接头31起到变径连接件的作用。供电电缆12一端与配电柜11连接，另一端穿过连续油管4，通过电缆插头13密封便捷地插在上机头22的插孔内。配电柜11集成于海洋水下钻机的控制模块，通过电缆对钻具进行远程供电及转速控制。
如图2所示，在本发明的适用于海洋水下钻机的电动钻具中，上机头22为中空结构，其上端与连接头21连接，下端与电机外壳23连接。上机头22的一侧设有沿轴向贯通的通线孔2201，以便通电导线经由通线孔2201为钻具驱动电机供电。
如图2、图3、图4所示，在本发明的适用于海洋水下钻机的电动钻具中，定子组件24包括定子铁芯2401、定子铜芯段2402、定子绕组2403。定子铁芯2401和定子铜芯段2402固定连接在电机外壳23内侧，定子绕组2403缠绕固定在定子铁芯2401和定子铜芯段2402的定子槽内。定子铁芯2401和定子铜芯段2402的定子槽类型为闭口槽，可有效消除钻具驱动电机的转矩脉动。定子铁芯2401由定子硅钢片叠压而成，定子铜芯段2402由与定子硅钢片形状相同的铜片叠压而成。转子组件25包括套筒2501、永磁体块2502，其中，套筒2501为中空结构，且通过平键213与转轴28连接，从而由转子组件25向转轴28传递转矩。套筒2501的外表面设有轴向相互平行且与永磁体块2502等宽的凹槽2503，永磁体块2502按照规定的磁极方向有序贴装于凹槽2503内，最后通过在转子组件25的外表面加装碳纤维保护套对其进行固定。优选地，本实施例的定子绕组2403采用短距单层分数槽绕组，效率高，且便于绕组下线；转子组件25采用表面贴装式结构，漏磁系数小，气隙磁通较大，便于制造安装。
如图2所示，在本发明的适用于海洋水下钻机的电动钻具中，由于井下空间径向尺寸的限制，通过增加电机总成2的轴向长度来满足钻具钻井作业的功率需求，从而导致电机总成2具有较大的长径比，为超细长结构。钻井作业时，细长的转子在没有支撑的情况下产生较大的挠度变形，致使电机定、转子间气隙不均甚至出现扫膛事故。因此，根据电机长度，转子组件25被均分为至少两段，并在分段处设置用于支撑细长转轴28的扶正轴承26。由于转子组件25为分段结构，定子也必须与之对应进行分段。定子铁芯2401被均分为与转子组件25相对应的段，分段处设有起到隔磁作用的定子铜芯段2402，定子铜芯段2402的位置与扶正轴承26相对应。优选地，扶正轴承26外圈与定子铜芯段2402连接，内圈与转轴28连接。
如图2所示，在本发明的适用于海洋水下钻机的电动钻具中，下机头29为中空结构，其上端与电机外壳23连接，下端与保护器210连接。下机头一侧设有沿轴向贯通的通油孔2901，以连通电机内腔和保护器210的储油胶囊214。为了节省安装空间，保护器210设计为中空结构，以便转轴28从中穿过，储油胶囊214设于保护器210的环形内腔内。由转轴28与上机头22、下机头29、电机外壳23之间形成的电机内腔，注满了高介电强度的变压器油，以起到润滑、散热、绝缘和等压密封的作用。当电机内腔内的变压器油因温度变化发生热胀冷缩时，保护器210起到补偿变压器油变化体积的作用，同时，保护器210可以平衡电机内腔和外部的压力，使密封可靠，保证钻具驱动电机在较大压力和温度的工况下正常工作。
如图1、图2所示，在本发明的适用于海洋水下钻机的电动钻具中，转轴28为中空结构，其上端伸入上机头22，且与上机头22之间设有上机械密封211。转轴28的下端穿过下机头29、保护器210与过渡接头31连接，且与下机头29之间设有止推轴承27和下机械密封212。过渡接头31为中空结构，起到变径连接转轴28和钻头32的作用。优选地，上机械密封211静环与上机头22连接，动环与转轴28连接；下机械密封212静环与下机头29连接，动环与转轴28连接；止推轴承27座圈与下机头29连接，轴圈与转轴28连接。通过设置上、下机械密封，使外界液体即使在转轴28转动的情况下也不会进入电机内腔，保证了电机内腔的绝缘要求。通过设置止推轴承27，固定钻具驱动电机定、转子的轴向相对位置，止推轴承27在轴向承受电机转子和钻头总成3的重量，同时承受钻具钻井时地层作用在钻头32上的轴向反作用力。
本发明的适用于海洋水下钻机的电动钻具，采用低速大扭矩永磁同步电机作为驱动电机，精简掉传统电动钻具设有的减速器，直接驱动负载，减少故障点，具有结构简单、传动效率高、调速范围宽、控制精度高的优点，从而大幅提高钻机整体的钻井效率和可靠性。另外，本发明密封可靠性强、温度承载范围宽，适用于海洋水下钻机的使用要求。
如图5所示，本发明的具体钻进过程如下：钻进开始前，首先通过控制海洋水下钻机的海底行走装置将水下钻井设备运送至海底指定地点，接着通过钻进井架和机械手将本发明的钻具放置在井口预定位置，进行钻进作业。
正常钻进时，将连续油管4的进给力和钻具自身重力施加到钻头32上作为钻压。集成于海洋水下钻机控制模块的配电柜11将三相交流电通过供电电缆12通到本发明中的电机总成2上，并通过电缆插头13经由通线孔2201将三相交流电传输给定子，从而对钻具驱动电机进行供电及转速控制。定子通电后，产生旋转磁场，使转子带动转轴28转动，进而驱动钻头32进行钻井。与此同时，钻井液循环装置通过连续油管4将钻井液传输至钻具，流经中空结构的电机总成2、过渡接头31以及钻头32的出水口到达井底，对钻头32进行冷却，并携带岩屑沿钻具、连续油管4和井壁5间的环状空间返回至井口。
钻进结束后，通过连续油管4的进给装置和钻具打捞机构将钻具提至井口。
Claims (7)
1.一种适用于海洋水下钻机的电动钻具，其特征在于：包括供电总成(1)、电机总成(2)和钻头总成(3)；
所述供电总成(1)包括配电柜(11)、供电电缆(12)、电缆插头(13)；
所述电机总成(2)包括连接头(21)、上机头(22)、电机外壳(23)、定子组件(24)、转子组件(25)、扶正轴承(26)、止推轴承(27)、转轴(28)、下机头(29)、保护器(210)；
所述钻头总成(3)包括过渡接头(31)、钻头(32)；
所述电机总成(1)为上下贯通的中空结构，其上端通过连接头(21)与连续油管(4)连接，下端通过过渡接头(31)与钻头(32)连接；
所述供电电缆(12)一端与配电柜(11)连接，另一端穿过连续油管(4)，通过电缆插头(13)与上机头(22)连接；
所述下机头(29)为中空结构，其上端与电机外壳(23)连接，下端与保护器(210)连接；
所述下机头(29)一侧设有沿轴向贯通的通油孔(2901)；
所述保护器(210)为中空结构，储油胶囊(214)设于其环形内腔内；
所述转轴(28)的下端穿过下机头(29)、保护器(210)与过渡接头(31)连接，且与下机头(29)之间设有止推轴承(27)和下机械密封(212)。
2.根据权利要求1所述的适用于海洋水下钻机的电动钻具，其特征在于：所述上机头(22)为中空结构，其上端与连接头(21)连接，下端与电机外壳(23)连接；
所述上机头(22)一侧设有沿轴向贯通的通线孔(2201)。
3.根据权利要求1所述的适用于海洋水下钻机的电动钻具，其特征在于：所述定子组件(24)包括定子铁芯(2401)、定子铜芯段(2402)、定子绕组(2403)；
所述定子铁芯(2401)和定子铜芯段(2402)的定子槽类型为闭口槽；
所述定子绕组(2403)缠绕固定在定子铁芯(2401)和定子铜芯段(2402)的闭口槽内。
4.根据权利要求3所述的适用于海洋水下钻机的电动钻具，其特征在于：所述定子铁芯(2401)为分段结构；
所述定子铜芯段(2402)连接于定子铁芯(2401)分段处。
5.根据权利要求1所述的适用于海洋水下钻机的电动钻具，其特征在于：所述转子组件(25)包括套筒(2501)、永磁体块(2502)；
所述套筒(2501)为中空结构，其外表面设有轴向布置且相互平行的凹槽(2503)；
所述凹槽(2503)的宽度与永磁体块(2502)相等；
所述永磁体块(2502)贴装于凹槽(2503)内。
6.根据权利要求1或5所述的适用于海洋水下钻机的电动钻具，其特征在于：所述转子组件(25)为分段结构，且通过平键(213)与转轴(28)连接；
所述转子组件(25)分段处设有扶正轴承(26)；
所述扶正轴承(26)外圈与定子铜芯段(2402)连接，内圈与转轴(28)连接。
7.根据权利要求1所述的适用于海洋水下钻机的电动钻具，其特征在于：所述转轴(28)为中空结构，其上端伸入上机头(22)，且与上机头(22)之间设有上机械密封(211)；
所述过渡接头(31)为中空结构。
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