井下钻井马达和在钻井操作中传导电力的方法技术

本发明专利技术涉及井下钻井马达和在钻井操作中传导电力的方法。该井下钻井马达包括具有第一纵端和第二纵端的管状外壳，和安置在所述管状外壳中的定子，所述定子界定行进通过其中的内腔。所述定子包括至少第一保护电绝缘层、第二保护电绝缘层和安置在所述第一保护层与所述第二保护层之间的导电层。所述导电层在第一端处耦合到第一电装置且在第二端处耦合到第二电装置。转子操作地定位在所述内腔中以与所述定子协同。在一些实施方式中，所述定子可以提供通过所述定子的电连接且不显著影响所述钻井工具组件的物理操作完整性。

Downhole Drilling Motor and Method of Conducting Electricity in Drilling Operation

【技术实现步骤摘要】
井下钻井马达和在钻井操作中传导电力的方法本申请是国际申请日为2013年5月8日、国际申请号为PCT/US2013/040076、进入中国国家阶段的申请号为201380075140.9、名称为“用于井下钻井设备的绝缘导体”的专利技术专利申请的分案申请。
本公开涉及用于传导电功率到并通过附接到钻柱的井下工具的系统、组合件和方法。
技术介绍
又称作具有使用压缩钻井液在定子内旋转的转子的(Moineau型)马达的螺杆马达已经在井筒钻井应用中使用多年。在井筒钻井中使用的一些Moineau型泵和马达包括具有施加于外壳的钻孔的聚合物衬里的定子。压缩钻井液(例如，钻井泥浆)通常被推到马达中且被推到转子与定子衬里之间的腔中，这产生转子的旋转且可产生所得扭矩。所得扭矩通常是用于驱动加工工具(诸如钻头)以切割材料。附图说明图1是安置在井筒中的钻机和井下设备的示意说明。图2A说明包括井下钻井工具的示例性井下钻井组合件的侧视图，其中管状外壳的部分已被切除以说明井下钻井马达的内部特征。图2B是井下钻井工具的定子和转子的横截面图，其操作地定位在由安置在管状外壳中的定子界定的腔中。图3A-3C是包括绝缘导体的示例性定子的横截面图。图3D和图3E是安置在管状外壳中的示例性定子的另一实施方式的横截面图。图4A-4F说明定子和转子叶片的一些实施方式的示例性构造。图5是包括实质上直立的绝缘导电带的另一示例性定子的横截面图。图6A-6B是包括多个绝缘导体的示例性定子的横截面图。图7说明包括绝缘导体的定子的概念示例性实施方式。图8和图8A是井下钻井马达的定子和转子的横截面图。图9A是井下钻井马达的示例性部分定子的横截面图。图9B是示例性定子段的端视图。图10是另一示例性定子段的端视图。图11是用于使用包括绝缘导体的定子的示例性过程的流程图。具体实施方式参考图1，一般来说，位于地表12处或上方的钻机10使安置在地表下方的井筒中的钻柱20旋转。钻柱通常包括钻管22和钻环24，其旋转且在井下将扭矩顺着传送到钻头50或附接到钻柱的远端的其它井下设备40(通常称作“工具管柱”)。钻机上的地表设备14使钻柱20和钻头50随着其钻孔到地球的地壳25中而旋转以形成井筒60。在各个实施方式中，钻柱包括Moineau马达，且工具管柱40包括使用电功率操作的设备(例如，马达)、被配置来接收电信号的设备(例如，致动器)和/或被配置来将电信号发射到位于地表12处的电设备55和/或从位于地表12处的电设备55发射电信号的设备(例如，传感器)。电设备55是由至少一个电导体57电连接到钻柱20。钻柱20和钻柱20内的组件的旋转以及井筒60的恶劣环境可造成常规的电导体的破坏。除了与所得停机时间相关的成本，此破坏还造成识别故障位置、取回钻柱的对应段和修复损坏所需的额外工作和费用。诸如井下钻井和泵组合件中使用的螺杆马达通常包括界定腔的定子和大小被调整且构造来当施加压缩流体于腔时在腔内旋转的转子。图2A说明安置在井筒60中的示例性钻柱组合件50。在一些实施方式中，钻井组合件50可以是钻柱20。钻井组合件50的远端包括由连接到钻头50的井下马达100驱动的工具管柱40。井下马达100通常包括管状外壳102，其通常是由钢铁形成且围封电力单元104。电力单元104包括定子120和转子122。参考图2B，定子120包括多个(例如，五个)叶片，转子具有的叶片124总是比界定腔134的定子少一个。定子120可具有两个或两个以上叶片。参见图4A到4F中的示例性构造。转子122操作地定位在腔134中以与定子叶片124协同。施加流体压力于腔134通常造成转子122在定子120内与叶片124协同旋转。例如，参考图2A和图2B，加压钻井液90(例如，钻井泥浆)可被引入在电力单元104的上端处且被迫顺着通过腔134。由于加压钻井液90流过腔134，所以转子122旋转，这造成钻头136旋转并从地层切除材料。钻井液90在下端处从腔134排出且随后从马达排放，然后从钻头50排放。在钻井操作期间，钻井液90被顺着泵送到附接到井下钻井马达100的钻柱20(被示为脱落)的内部。钻井液90进入具有由泵(例如，地表处的泵)施加于钻井液上的压力的腔134。进入腔134的加压钻井液协同定子120和转子122的几何形状造成转子122转向成允许钻井液90行进通过马达100。钻井液90随后通过钻头50中的埠(例如，喷嘴)退出且向上行进通过钻柱20与井筒60之间的环130，且容纳在其被捕捉的地表处，且再次被泵送到钻柱20下方。这些井下钻井马达属于称作Moineau型马达的一般范畴。一些常规的Moineau型泵和马达包括具有由接合到钢制外壳的橡胶或聚合物材料形成的定子接触表面的定子。然而，在井下钻井应用中通常涉及的动态负载状况中，定子和转子中可产生大量的热。因为橡胶通常并非良好的热导体，所以热能通常积累在由橡胶制成的组件(例如，定子)中。此热能积累可造成热降解，且因此可造成损坏橡胶组件并分离橡胶组件。此外，在一些情况中，通过马达泵送的钻井液是包括碳氢化合物的材料。例如，可使用基于油或基于柴油的钻井液，其被认为通常会使橡胶变质。此变质可通过积累热能而加剧。水和基于水的流体对于钻井应用中的橡胶组件来说可面临某个问题。为了使钻井马达达到最优性能，定子和转子的橡胶部分之间通常存在某个所需的配合(例如，间隙或干涉配合)。当橡胶隆起时，不但影响马达的效率，而且橡胶由于转子与定子之间的间隙降低或干涉增加而易于损坏。在使用期间，定子与转子之间的接触造成这些组件磨损(即，定子或转子的橡胶部分)，这造成定子与转子之间的配合发生改变。在一些情况中，转子或定子可吸收钻井液的成分并隆起，这可造成间隙变得更小，从而造成转子或定子的部分磨损和脱落。这通常称作崩花(chunking)。在一些情况中，材料的崩花可造成显著的压力降使得电力单元不再能够产生适当的功率级来继续钻井操作。此外或替代地，在一些情况中，所使用的钻井液中的化学成分可使转子或定子降解，且造成其间的配合发生改变。因为电力单元的有效操作通常取决于所需配合(例如，少量间隙或干涉)，所以定子和/或转子可在地表处的设备维护操作期间加以调整以维持随着这些组件在使用期间的磨损而需要的间隔。在一些实施方式中，工具管柱40包括电元件，诸如与位于地表12处的电设备55电通信的马达、致动器和传感器。先前讨论的井下状况可极为不利于常规的电导体(诸如绝缘导线)，因为这些导体可干扰钻柱20的机械操作或在暴露于钻井操作期间经历的状况时可易于破坏、腐蚀、侵蚀或其它损坏。为了给这些电元件供电，钻柱20和/或工具管柱40的元件包括将在图3到11的描述中讨论的导电元件。图3A-3C是包括绝缘导电层320的井下钻井工具的示例性定子300(例如，井下马达300)的横截面图。在一些实施方式中，定子300可以是图1的钻柱20的部分或图2A-2B的定子120。在一些实施方式中，本文中公开的绝缘导体可以用于将一个或多个电导体行进通过外壳且在其它井下钻井工具(诸如RSS可导向工具、涡轮机、防空转工具和井下发电机)的传动轴周围行进。在其它实施方式中，绝缘导体可行进通过井下往复工具，诸如震击器和防空转工具。一般来说，当搭配诸如井下马达定子外壳的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于钻井操作的井下钻井马达，所述井下钻井工具包括：具有第一纵端和第二纵端以及具有侧壁的纵钻孔的管状外壳；安置在所述管状外壳的所述纵钻孔中的定子，所述定子界定行进通过其中的内腔，其中所述定子包括：第一保护电绝缘层、第二保护电绝缘层和安置在所述第一电保护层与所述第二电保护层之间的至少一个导电层，所述第一保护电绝缘层的外表面在所述管状外壳的所述纵钻孔的所述侧壁的内表面的至少一部分上被安置成第一大致圆周层，所述导电层在所述第一保护层的内表面的至少一部分上被安置成第二大致圆周层，且所述第二保护电绝缘层在所述导电层的内表面的至少一部分上被安置成第三大致圆周层，所述导电层在第一端处电耦合到安置在所述管状外壳的所述第一纵端附近的第一电端导体且在第二端处电耦合到安置在所述管状外壳的所述第二纵端附近的第二电端导体；和转子，其操作地定位在所述内腔中以与所述定子协同；其中所述导电层以螺旋布置安置成与以螺旋布置安置在所述外壳中的所述定子中的所述第一保护电绝缘层和所述第二保护电绝缘层相邻；其中所述定子还包括纵向安置且与所述管状外壳的内部表面相邻的插入层；其中所述插入层与所述管状外壳一体式形成以形成施加有所述第一保护层的钻孔；其中所述定子包括多个侧层的定子段，其每一层中包括至少一个导电子段，所述导电子段与相邻定子段中的导电子段对准且每一所述导电子段电耦合到相邻导电子段。...

【技术特征摘要】
1.一种用于钻井操作的井下钻井马达，所述井下钻井工具包括：具有第一纵端和第二纵端以及具有侧壁的纵钻孔的管状外壳；安置在所述管状外壳的所述纵钻孔中的定子，所述定子界定行进通过其中的内腔，其中所述定子包括：第一保护电绝缘层、第二保护电绝缘层和安置在所述第一电保护层与所述第二电保护层之间的至少一个导电层，所述第一保护电绝缘层的外表面在所述管状外壳的所述纵钻孔的所述侧壁的内表面的至少一部分上被安置成第一大致圆周层，所述导电层在所述第一保护层的内表面的至少一部分上被安置成第二大致圆周层，且所述第二保护电绝缘层在所述导电层的内表面的至少一部分上被安置成第三大致圆周层，所述导电层在第一端处电耦合到安置在所述管状外壳的所述第一纵端附近的第一电端导体且在第二端处电耦合到安置在所述管状外壳的所述第二纵端附近的第二电端导体；和转子，其操作地定位在所述内腔中以与所述定子协同；其中所述导电层以螺旋布置安置成与以螺旋布置安置在所述外壳中的所述定子中的所述第一保护电绝缘层和所述第二保护电绝缘层相邻；其中所述定子还包括纵向安置且与所述管状外壳的内部表面相邻的插入层；其中所述插入层与所述管状外壳一体式形成以形成施加有所述第一保护层的钻孔；其中所述定子包括多个侧层的定子段，其每一层中包括至少一个导电子段，所述导电子段与相邻定子段中的导电子段对准且每一所述导电子段电耦合到相邻导电子段。2.根据权利要求1所述的马达，其中所述第一电端导体电耦合到包括发电机的第一电装置，且所述第二电端导体电耦合到包括电功率消耗装置的第二电装置。3.根据权利要求1所述的马达，其中所述第一电端导体电耦合到包括数据产生装置的第一电装置，且所述第二电端导体电耦合到包括数据接收器的第二电装置。4.根据权利要求1所述的马达，其中所述第一电端导体经由安置在所述定子中的所述至少一个导电层与所述第二电端导体电通信。5.根据权利要求1所述的马达，其中在所述第一电端导体处从第一装置接收的信号经由安置在所述定子中的所述至少一个导电层发射到所述第二电端导体。6.根据权利要求1所述的马达，其中在所述第二电端导体处从第二装置接收信号且所述信号经由安置在所述定子中的所述至少一个导电层发射到所述第一电端导体。7.根据权利要求1所述的马达，其中在所述第一电端导体处接收的电流经由安置在所述定子中的所述至少一个导电层传导到所述第二电端导体。8.根据权利要求1所述的马达，其中在所述第二电端导体处接收的电流经由安置在所述定子中的所述至少一个导电层传导到所述第一电端导体。9.根据权利要求1所述的马达，其中所述第一保护电绝缘层沿所述管状外壳的内表面安置，所述导电层沿所述第一保护电绝缘层的内表面安置，且所述第二保护电绝缘层沿所述导电层的内表面安置。10.根据权利要求1所述的马达，其中所述第一保护电绝缘层和所述第二保护电绝缘层中的至少一个是不导电的。11.根据权利要求1所述的马达，其中所述导电层包括第一导电层且所述工具还包括与所述第一导电层电绝缘的第二导电层。12.根据权利要求11所述的马达，其中所述第二导电层沿所述第二保护电绝缘层的内表面安置，且第三保护电绝缘层沿所述第二导电层的内表面安置。13.根据权利要求11所述的马达，其中所述第二导电层平行于所述第一导电层安置。14.根据权利要求1所述的马达，其中所述第一保护电绝缘层的所述内表面包括弯曲内表面，且所述导电层被安置成与所述第一保护层的所述弯曲内表面相邻。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：V·加瓦斯基，J·K·斯尼德，
申请(专利权)人：哈里伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国,US