[发明专利]测量井下马达的转速

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及钻井设备，例如容积式马达或涡轮机，该钻井设备包括钻头，该钻头连接到可旋转地安装在定子内部的转子。

背景技术

在石油石化工业中，在油井和/或气井中，使用井下马达在井底位置处向钻头施加动力以用于钻井。井下马达，有时称为“泥浆马达”，被定位在钻柱的底部，并且经由输出轴与钻头耦接。钻井液，有时称为“钻井泥浆”，或者简单地称为“泥浆”，被泵送到钻柱，并且通过井下马达。井下马达使用所泵送的/流动的钻井液的力来产生机械输出，产生输出轴的旋转，并进而产生钻头的旋转。

尽管有不同类型的井底/泥浆马达，当今最常用的类型是容积式马达，其使用位于相应的螺旋形定子内部的细长螺旋形转子。钻井液或泥浆在定子和转子之间的流动使得转子绕定子的纵轴偏心地在定子内部沿轨道运行。转子本身绕其纵轴旋转，并且还绕定子的中央纵轴沿轨道运行。转子的这种偏心轨道运行和旋转被适当的传动总成例如万向接头总成传递，以产生输出轴的同轴旋转。

井下马达是一种井底动力钻具，其将钻井泥浆的动力转变为钻头的旋转；向钻头施加扭矩和速度。使用井下马达的优点在于其提供：提高的机械钻速；更好的井斜控制；降低的钻柱故障率。

井下马达、泥浆马达或钻井马达也可以称为“螺杆容积式泵”，其可以被定位在钻柱上，以在钻井过程中向钻头提供附加的动力。如上所述，井下马达使用钻井液来在马达的动力部分中产生偏心运动，而该偏心运动作为同心动力而被传递给钻头。井下马达使用不同的转子和定子配置来针对所期望的钻井操作提供最佳的性能；通常，可以增加动力总成的叶数量和长度以提供更大的马力。在特定的应用中，可以使用压缩空气或其它压缩气体来向井下马达输入动力。使用井下马达时钻头的旋转速度可以为从大约60rpm至超过100rpm。

井下马达可以包括：上部接头，其将井下马达连接到钻柱；动力部分，其包括转子和定子；传动部分，来自转子的偏心动力在传动部分作为同心动力而被传输给钻头；轴承总成，其保护该工具免受不同压力；以及下部接头，其将井下马达连接到钻头。

井下马达的使用很大程度上取决于财务效率。在直的垂直井中，可以使用泥浆马达来增加机械转速(ROP)，或者由于不需要同样快地转动钻柱而使得对钻柱的侵蚀和磨损最小化。然而，井下马达大多用于定向钻井。尽管可以使用其它方法来引导钻井过程以定向地钻出井眼，但是井下马达可能是成本效率最高的方法。

在一些方面，井下马达可以被配置为包括弯曲部分，以备定向钻井。典型地，井下马达可以在大约零到四度的范围内进行修正，以便于以每弯曲度偏向大约六个增量来进行定向钻井。弯曲的量是由到达目标区域所需要的上升率确定的。通过使用随钻测量(MWD)工具，定向钻井者可以将井下马达所驱动的钻头引导到所期望的目标区域。

井下马达的动力部分由定子和转子构成。在特定的井下马达中，定子包括钢管壁上的橡胶套筒，其中橡胶套筒的内侧以特定的几何参数界定螺旋结构。转子包括轴，例如钢轴，其可以被涂覆耐磨涂层，例如铬，并且可以具有被配置为在定子内部运行/转动/旋转的螺旋轮廓。

在钻井过程中，钻井液以给定的速率和压力在井下被泵送通过钻杆。井下马达将流过动力部分的钻井液的水力能转变为机械能、旋转和扭矩。这一机械能被从井下马达传递到钻头。

使用容积式马达的一种替代是在经常称作“涡轮钻井”的工艺中使用涡轮机。在涡轮钻井方法中，由泥浆操作的涡轮机在井的底部产生动力。涡轮钻具由四个基本部件构成：上轴承或止推轴承；涡轮；下轴承；以及钻头。在操作时，泥浆被泵送穿过钻杆，流过止推轴承，并进入涡轮机。在涡轮机中，附在该工具的主体部上的定子使泥浆流转向附在轴上的转子。这使得连接到钻头的轴旋转。如在旋转钻井中一样，泥浆流过下轴承中轴的中空部分，穿过钻头，以去除岩屑，冷却钻头，并执行钻井液的其它功能。作为动力源的泥浆的容量是确定旋转速度的参数。

多级高效反动式涡轮机叶片从流动的泥浆流中提取水力能，并将其转变为机械能(扭矩和旋转)，以驱动钻头。每个涡轮机级由固定到该工具的主体部的定子和固定到输出轴的转子构成。这些被设计为一致地工作，在泥浆流过每一级时，对泥浆进行导向和加速。为了获得执行钻井应用时所需要的高动力和扭矩水平，完整的工具是由大约150组相同的转子和定子对构建的。为了确保长的寿命，转子和定子是使用既耐侵蚀又耐腐蚀的高性能合金制造的。