CN105264162A - 井下钻井马达和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本文公开一种井下钻井马达,其包括模制到钻柱中的外壳的内表面的第一弹性体定子,其中所述第一弹性体定子具有第一数目的瓣部。双功能螺旋形中空构件定位在所述第一弹性体定子内,其中所述双功能中空构件具有形成于外表面上的第二数目的瓣部以形成第一转子。瓣部的所述第二数目比瓣部的所述第一数目小1。第二弹性体定子粘附到所述双功能螺旋形中空构件的内表面,其中所述第二弹性体定子具有第二螺旋形腔体,所述第二螺旋形腔体具有第二数目的瓣部。第二螺旋形转子定位在所述第二螺旋形腔体内,并且具有比瓣部的所述第二数目小1的第三数目的瓣部。
Description
发明背景
本公开大体上涉及钻井领域,并且更具体地涉及井下钻井马达。
在螺杆钻井马达中,马达的每分钟转数(rpm)直接与通过马达的流体流量相关。每种马达尺寸设计成适应一系列的流体流量。在一些井下钻井环境中,需要将流体流量和/或钻头150的旋转速度改变至超出钻柱中的钻井马达的设计范围。马达的换出可能需要伴随钻柱从井筒的移出。就钻井时间而言,这样的更换是成本高昂的。
附图简述
图1示出了钻井***的示意图;
图2示出了井下马达的一个实施方案的图;
图3A示出了通过井下马达的功率部段的流体流的一个实例;
图3B示出了通过井下马达的功率部段的流体流的另一个实例;以及
图4示出了井下马达的离合器部段的实例。
详细描述
图1示出了根据本公开的一个实施方案的具有井下组件的钻井***110的示意图。如图所示,***110包括架设在钻台112上的常规井架111,钻台112支撑转盘114,转盘114由原动机(未示出)以所需旋转速度旋转。包括钻杆段122的钻柱120从转盘114向下延伸到定向钻孔126中。钻孔126可以在三维路径中行进。钻头150附接到钻柱120的井下端,并且在钻头150旋转时使地质建造123崩解。钻柱120通过皮带轮***(未示出)经由方钻杆接头121、泥浆喷嘴128和管线129联接到绞车130。在钻井操作期间,操作绞车130以控制钻头150上的压力和钻柱120穿透到钻孔126中的速率。绞车130的操作是本领域熟知的,因此不在本文中详细描述。
在钻井操作期间,来自泥浆池132的合适的钻井流体(在本领域也称为“泥浆”)131由泥浆泵134在压力下循环通过钻柱120。钻井流体131经由流体管线138和方钻杆接头121从泥浆泵134传输到钻柱120中。钻井流体131在钻孔底部151处通过钻头150中的开口排放。钻井流体131通过钻柱120和钻孔126之间的环形空间127朝井口向上循环并且经由回流管线135排放到泥浆池132中。优选地,多种传感器(未示出)根据本领域已知的方法被合适地部署在地面上,以提供关于各种与钻井有关的参数的信息,所述参数为例如流体流量、钻头压力、大钩负荷等。
在本公开的一个示例性实施方案中,井底钻具组件(BHA)159可包括随钻测量(MWD)***158,该***包括各种传感器以提供关于地层123的信息和井下钻井参数。BHA159可联接在钻头150和钻杆122之间。
BHA159中的MWD传感器可包括但不限于用于测量钻头附近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以及用于测量钻井流体井下压力的压力传感器。上述传感器可以将数据发送到井下遥测发射机133,井下遥测发射机133又将数据朝井口向上发送到地面控制单元140。在一个实施方案中,泥浆脉冲遥测技术可用来在钻井操作期间通信来自井下传感器和装置的数据。置于泥浆供应管线138中的换能器143响应于由井下发射机133发送的数据而检测泥浆脉冲。换能器143响应于泥浆压力变化而生成电信号,并且将此类信号发送至地面控制单元140。地面控制单元140可以经由置于流体管线138中的传感器143来接收来自井下传感器和装置的信号,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编程指令处理此类信号。地面控制单元140可以在显示器/监视器142上显示所需的钻井参数和其它信息,所述参数和信息可由操作者用来控制钻井操作。地面控制单元140可以包含计算机、用于存储数据的存储器、数据记录器和其它***设备。地面控制单元140也可在其中存储钻井、测井记录解释和偏向性模型并可根据编程的指令处理数据,并且响应于通过诸如键盘(未示出)的合适的输入装置输入的用户命令。
在其它实施方案中,诸如电磁技术和/或声学技术的其它遥测技术或本领域已知的任何其它合适的技术都可以用于本发明的目的。在一个实施方案中,硬连线的钻杆可用来在地面和井下装置之间通信。在一个实例中,可以使用所描述的技术的组合。在一个实施方案中,地面发射机接收机180使用所描述的传输技术中的任一种(例如,泥浆脉冲遥测技术)与井下工具通信。这可以实现地面控制单元140和下文所述的井下工具之间的双向通信。
在一个实施方案中,井下钻井马达190包括在钻柱120中。井下钻井马达190可以是流体驱动的单螺杆型(Moineautype)螺杆钻井马达,该马达使用钻井流体来旋转操作地联接到钻头150的输出轴。这些装置是本领域熟知的,并且具有在连接到马达的外壳的定子的腔体内的螺旋转子。随着钻井流体被通过马达向下泵送,流体使转子旋转。在一些实施方案中,钻头150的旋转可以是钻柱120的旋转和马达轴的旋转的组合。在螺杆钻井马达中,马达的每分钟转数(rpm)直接与通过马达的流体流量相关。每种马达尺寸设计成适应一系列的流体流量。在一些井下钻井环境中,需要将流体流量和/或钻头150的旋转速度改变至超出钻柱中的钻井马达的设计范围。马达的换出可能需要伴随钻柱从井筒的移出。就钻井时间而言,这样的更换是成本高昂的。
在本公开的一个实施方案中,参见图2,钻井马达190包括功率部段191,功率部段191提供两种不同的转子/定子组合。外壳200连接在钻柱122中。弹性体定子201粘附到外壳200的内表面。定子201具有螺旋形的内部腔体221,腔体221具有沿着腔体221形成的第一数目N1个瓣部222。双功能的螺旋形中空轴202定位在腔体221中。双功能的中空轴202在外表面上形成有第二数目N2个瓣部225,以形成第一转子260,其中N2=N1-1。在第一定子201的定子瓣部222和第一转子260的瓣部225之间存在过盈密封。当钻井流体131A流过第一定子201和第一转子260之间的通路时,转子260被迫相对于第一定子201旋转。双功能的中空轴202可由金属材料形成,例如,钢、不锈钢、镍基合金、铝和钛。
双功能的中空轴202也具有粘附在其内表面上的第二弹性体定子203,第二弹性体定子203形成第二腔体240,其中第二弹性体定子具有第三数目N3个瓣部224,其中N3与第一转子260的瓣部的数目N2相同。类似地,存在定位在第二定子203的腔体240内的第二螺旋形转子204。第二转子204具有第四数目N4个瓣部241,其中N4=N3-1。在第二定子203的定子瓣部224和第二转子204的瓣部241之间存在过盈密封。当钻井流体131B流过第二定子203和第二转子204之间的通路时,第二转子260被迫相对于第二定子203旋转。第二转子204可由金属材料形成,例如,钢、不锈钢、镍基合金、铝和钛。
钻井流体131可由上游流动通路中的可控的流选择器210转向至下列之一:第一流腔体221;第二流腔体240;以及第一流腔体221和第二流腔体240两者(同时)。双功能的中空轴202具有柔性导管205,柔性导管205从轴202的端部延伸至可控的流选择器210。柔性导管205可由旋转的流体联接器(未示出)联接到可控的流选择器210。这允许导管205与轴202一起旋转,同时在需要时保持腔体221和240之间的流分离。第一控制器230可以可操作地连接到流选择器210以控制流选择。在一个实施方案中,控制器230可以经由来自地面的遥测从地面接收指令,如上所述。在另一实例中,第一控制器230可经由可流动装置接收指令,可流动装置为例如***流体流中的射频识别装置(RFID)291。RFID291可包含发送至RFID接收机290的指令,RFID接收机290可操作地连接到第一控制器230。RFID是本领域已知的,并且不在本文中详细描述。可控的流选择器210可包括内部流,该内部流通过使用滑动套管和/或可致动的阀门元件来导引以使流体流按指示合适地转向。相比利用单构型钻井马达可能的那样,该能力提供了在更广泛的流体流量下更广泛的合适的RPM和钻头扭矩。
图3A和图3B示出了功率部段190的轴向视图,其中流体流过两个不同的流腔体。图3A展示了通过第一流腔体221的流。这里,第一定子201具有三个瓣部222,并且第一转子260具有两个瓣部225。流体仅流过第一流腔体221,并且第一转子260以RPM1的旋转速度相对于第一定子201旋转。在图3B中,第二转子204具有单个瓣部,而第二定子203具有2个瓣部。流体仅流过第二流腔体240,并且仅第二转子204以旋转速度RPM2相对于第二定子203旋转。第二定子203不相对于外壳200旋转。当流体流过流腔体221、240两者时,每个转子260、204都相对于其相关的定子201、203旋转。这造成转子204以RPM3=RPM1+RPM2的累加速度旋转。
柔性轴206和207分别将第一转子260和第二转子204通过可控的离合器220联接到输出轴270,输出轴270可操作地联接到钻头150。在一个实例中,参见图4,可控的离合器220包括正接合离合器,有时也称之为爪形离合器。如图4所示,柔性轴206和207与接合箍403可选择地接合。接合箍403具有内部花键409,内部花键409可与输出轴270的端部上的花键415接合。此外,接合箍403具有形成于靠近功率部段191的端部上的外部花键。柔性轴207具有形成于其上的外部花键408。柔性轴206具有形成于其上的内部花键401。通过可控地轴向移动接合箍403,轴206或轴207中的任一者可以与输出轴270可选择地接合以驱动钻头150。
接合箍403可通过轭405的伸展和回缩轴向移动。轭405联接到线性致动器406,线性致动器406可操作地连接到第二控制器407。控制器407可以与第一控制器290数据通信以协调流选择器210和离合器220的操作,进而将合适的输出提供给钻头150。通信可以通过本领域已知的任何短程通信***进行,例如,声学通信、射频通信和硬连线通信。
在一个实施方案中,可将导电线圈放置在外壳200的内周周围,使得第一转子260和/或第二转子204的旋转感应出电压,该电压可以用于为井下控制器407和/或290以及其它井下工具和传感器供电。
对于本领域的技术人员来说,一旦充分了解了上述公开内容,许多其它修改、等同形式和替代形式将变得明显。在适用的情况下,所附权利要求书旨在被解释为涵盖所有这样的修改、等同形式和替代形式。
Claims (14)
1.一种井下钻井马达,其包括:
在钻柱中的管状外壳;
第一弹性体定子,其被模制到所述外壳的内表面,所述第一弹性体定子具有第一螺旋形腔体,所述第一螺旋形腔体具有形成于其中的第一数目的瓣部;
双功能螺旋形中空构件,其定位在所述第一弹性体定子内,所述双功能中空构件具有形成于外表面上的第二数目的瓣部以形成第一转子,其中所述第一转子的瓣部的所述第二数目比所述第一定子的瓣部的所述第一数目小1;
第二弹性体定子,其被模制到所述双功能螺旋形中空构件的内表面,所述第二弹性体定子具有第二螺旋形腔体,所述第二螺旋形腔体具有第二数目的瓣部;以及
第二螺旋形转子,其定位在所述第二螺旋形腔体内,所述第二螺旋形转子具有第三数目的瓣部,其中瓣部的所述第三数目比瓣部的所述第二数目小1。
2.根据权利要求1所述的螺杆钻井马达,其还包括在所述外壳的顶端中的流选择器,所述流选择器能够操作以将钻井流体导向通过下列中的至少一者:所述第一螺旋形腔体;所述第二螺旋形腔体;以及所述第一螺旋形腔体和所述第二螺旋形腔体两者。
3.根据权利要求2所述的螺杆钻井马达,其还包括可操作地连接到所述螺旋形中空构件的下端的第一柔性轴和可操作地连接到所述螺旋形第二转子的下端的第二柔性轴。
4.根据权利要求3所述的螺杆钻井马达,其还包括可操作地联接到所述第一柔性轴和所述第二柔性轴的可控的离合器,所述离合器能够致动以将所述第一柔性轴和所述第二柔性轴中的至少一者可操作地联接到输出轴。
5.根据权利要求4所述的螺杆钻井马达,其还包括至少一个控制器,所述至少一个控制器可操作地连接到所述流选择器和所述离合器中的至少一者。
6.根据权利要求5所述的螺杆钻井马达,其还包括可操作地联接到所述至少一个控制器的至少一个射频识别装置接收机。
7.根据权利要求1所述的螺杆钻井马达,其还包括导电线圈,所述导电线圈定位在所述外壳的内周周围,以在所述第一转子和所述第二转子中的至少一者旋转时生成电力。
8.一种利用井下钻井马达钻井的方法,其包括:
将管状外壳定位在钻柱中;
将第一弹性体定子模制到所述外壳的内表面,所述第一弹性体定子具有第一螺旋形腔体,所述第一螺旋形腔体具有形成于其中的第一数目的瓣部;
将双功能螺旋形中空构件定位在所述第一弹性体定子内,所述双功能中空构件具有形成于外表面上的第二数目的瓣部以形成第一转子,其中所述第一转子的瓣部的所述第二数目比所述第一定子的瓣部的所述第一数目小1;
将第二弹性体定子模制到所述双功能螺旋形中空构件的内表面,所述第二弹性体定子具有第二螺旋形腔体,所述第二螺旋形腔体具有第二数目的瓣部;以及
将第二螺旋形转子定位在所述第二螺旋形腔体内,所述第二螺旋形转子具有第三数目的瓣部,其中瓣部的所述第三数目比瓣部的所述第二数目小1。
9.根据权利要求8所述的方法,其还包括将钻井流体导向通过下列中的至少一者以使所述第一转子和所述第二转子中的至少一者旋转:所述第一螺旋形腔体;所述第二螺旋形腔体;以及所述第一螺旋形腔体和所述第二螺旋形腔体两者。
10.根据权利要求9所述的方法,其还包括将第一柔性轴可操作地连接到所述螺旋形中空构件的下端并将第二柔性轴可操作地连接到所述螺旋形第二转子的下端。
11.根据权利要求10所述的方法,其还包括将可控的离合器可操作地联接到所述第一柔性轴和所述第二柔性轴,所述离合器能够致动以将所述第一柔性轴和所述第二柔性轴中的至少一者可操作地联接到输出轴。
12.根据权利要求11所述的方法,其还包括可操作地控制所述流选择器和所述离合器中的至少一者。
13.根据权利要求12所述的方法,其还包括根据从在井筒中输送的至少一个射频识别装置接收的指令操作所述流选择器和所述离合器中的至少一者。
14.根据权利要求8所述的方法,其还包括当所述第一转子和所述第二转子中的至少一者旋转时从定位在所述外壳的内周周围的导电线圈生成电功率。
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