[0001] 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
发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 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。
背景技术
[0003] 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
[0004] 图1是安置在井筒中的钻机和井下设备的示意说明。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 图3A-3C是包括绝缘导体的示例性定子的横截面图。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 图6A-6B是包括多个绝缘导体的示例性定子的横截面图。
[0012] 图7说明包括绝缘导体的定子的概念示例性实施方式。
[0013] 图8和图8A是井下钻井马达的定子和转子的横截面图。
[0014] 图9A是井下钻井马达的示例性部分定子的横截面图。
[0015] 图9B是示例性定子段的端视图。
[0016] 图10是另一示例性定子段的端视图。
[0017] 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
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 一般来说，当搭配诸如井下马达定子外壳的钻孔的组件使用时， 绝缘导电层320可呈圆周层、半圆周层、薄直带、螺旋带或任何其它 适当的导电层的形式，所述导电层是绝缘的、几何形状不显眼的(例 如，壁段薄，具有良好的粘着性)且不负面地影响定定子弹性体接合 或几何形状完整性。
[0031] 定子300包括通常由钢铁形成的管状外壳310。绝缘导电层320 实质上包括在管状外壳310的内表面附近。绝缘导电层320可以形成 为圆周层、半圆周层、薄直带、螺旋带或任何其它适当的导电层。在 一些实施方式中，绝缘导电层320可以顺应管状外壳310的内表面的 几何形状。
[0032] 现在参考图3C，更详细地示出了定子300的段。绝缘导电层320 包括导
电子层322、绝缘子层324a和绝缘子层324b。导电子层322 是由导电材料形成，所述导电材料被模制、
挤压、
喷涂或以其它方式 形成以实质上遵从管状外壳310的内表面的几何形状。绝缘子层 324a、324b提供导电子层322与其它相邻层(例如，管状外壳310) 之间的电绝缘和/或与如图4A-4B和图5的描述中将讨论的其它导电 层的电绝缘。在一些实施方式中，绝缘子层
324a、324b可以使用聚 合物或不导电金属材料模制、喷涂或以其它方式形成到实质上在导电 子层322附近的电绝缘套筒。一般来说，导电子层322夹置在绝缘子 层324a与绝缘子层
324b之间。绝缘子层324a、324b可以施加于管 状外壳310的全圆钻孔或全外表面，或可以施加于导电子层322放置 在绝缘区域之间的离散区域。在一些实施方案中，导电子层322可沿 管状外壳310的内表面形成或组装成沿管状外壳310的一系列绝缘导 电环或圆柱形子段。
[0033] 在一些实施方案中，绝缘子层324b可以是径向地提供在导电子 层322与管状定子300的钻孔之间的保护层。绝缘子层324b可保护 导电子层322免受腐蚀和
研磨状况，其可以存在于钻孔内，例如由于 接触转子或轴的磨损、由于泥浆或其它流体流的磨损和腐蚀、归因于 通过钻井泥浆或流体流携带的物质的化学降解。在一些实施方案中， 绝缘子层324b可经模制、喷涂或其它方式呈保护套筒的形式。在一 些实施方案中，绝缘子层324b可以实施
纳米粒子技术，和/或可以是 薄的，例如一毫米的部分到几毫米厚。在一些实施方案中，绝缘子层 324b可以提供抗腐蚀、抗研磨性质和/或电绝缘性质。
[0034] 在一些实施方式中，可以基于预期发射通过导电子层322的数据 或功率量选择宽度、厚度和用作导电子层322的材料。在一些实施方 式中，可以选择导电子层322的导电材料、几何形状和/或位置以允 许如井下钻井环境中经历的钻井管件的弯折、压缩和/或展开。
[0035] 图3D和图3E说明用于绝缘子层324b的替代定子几何形状。
[0036] 图4A-4F说明定子和转子叶片的额外示例性实施方案的示例性 构造。图4A是示例性定子1105a的横截面端视图1100a，其包括示 例性管状外壳1110a、示例性弹性体层1115a、示例性导电子层1122a、 示例性绝缘层1124a和示例性转子1130a。图4B示出了示例性定子 1105b的横截面端视图1100b，所述定子1105b包括示例性管状外壳 1110b、示例性弹性体层1115b、示例性导电子层1122b、示例性绝缘 层1124b和示例性转子1130b。图4C示出了示例性定子1105c的横 截面端视图1100c，所述定子1105c包括示例性管状外壳1110c、示 例性弹性体层1115c、示例性导电子层1122c、示例性绝缘层1124c 和示例性转子1130c。
图4D示出了示例性定子1105d的横截面端视 图1100d，所述定子1105d包括示例性管状外壳
1110d、示例性弹性 体层1115d、示例性导电子层1122d、示例性绝缘层1124d和示例性 转子
1130d。图4E示出了示例性定子1105e的横截面端视图1100e， 所述定子1105e包括示例性管状外壳1110e、示例性弹性体层1115e、 示例性导电子层1122e、示例性绝缘层1124e和示例性转子1130e。 图4F示出了示例性定子1105f的横截面端视图1100f，所述定子1105f 包括示例性管状外壳1110f、示例性弹性体层1115f、示例性导电子层 1122f、示例性绝缘层
1124f和示例性转子1130f。
[0037] 图5是包括实质上直立绝缘导电带的另一示例性定子500的图。 在所说明的实例中，定子500包括管状外壳510和导电带层522。虽 然此实例中描述了一个导电带层，但是在一些实施方案中，可以使用 两个、三个、四个或任何其它适当数量的导电带层。
[0038] 导电带层522被布置成实质上平行于绝缘子层524a的内表面的 纵向几何形状。导电带层522通过绝缘子层524a与管状外壳510电 绝缘，且通过绝缘子层524b与定子500的钻孔电绝缘。导电带层可 以呈外壳的钻孔中的螺旋形式或可以具有其它规则或不规则几何形 状。
[0039] 图6A-6B是包括多个绝缘导体的示例性定子400的横截面图。 在所说明的实例中，定子400包括管状外壳410和两个导电层422a 和422b。虽然此实例中描述了两个导电层，但是在一些实施方案中， 可以使用三个、四个或任何其它适当数量的导电层。
[0040] 导电层422a-422b是被形成为以实质上顺应管状外壳410的内表 面的几何形状的同心层。导电层420a通过绝缘子层424a与管状外壳 410分离。导电层422a-422b通过图3C的绝缘子层424b分离，且导 电层422b通过绝缘子层424c与定子400的钻孔电绝缘。
[0041] 图7说明示例性定子300的概念示例性实施方式800。在所说明 的实例中，第一电装置(发电机或数据产生器)810经由定子300的 导电子层322电连接到第二电装置(电功率消耗装置或
数据接收器) 820。第一电装置810和第二电装置820可以是例如发电机和电子- 机械致动器(例如，井下钻井组件，诸如可调量规稳定器、牵引装置 或
包装机)或数字数据发射器和数字
数据采集组件。每一电装置810、 820可以包括电子组件，诸如选用地由用于电控制电装置810、820 的操作的
固件或其它计算机可用代码支配的逻辑
电路、集成电路和存 储器。第一电装置810在定子300的第一端830处连接到导电子层 322，且第二电装置820在定子300的第二端840处连接到导电子层 322。导电子层322提供定子300的第一端830与第二端840之间的 电路径，以促进第一电装置810与第二电装置820之间的电通信。绝 缘子层324a、324b提供导电子层322的电绝缘。在一些实施方式中， 第一电装置810和/或第二电装置820可以是电
能源、
电能的消耗装 置、接收电信号(例如，
数字信号)的被动式或主动式组件、电接地 或这些和/或其它适当的电组件的组合。从电装置810通过第一电端 导体811传导到导电子层322的
电流可以包括正发射的电信号和/或 正传导的电功率。例如，第一电装置810可经由第一端导体811提供 电信号到第一端830，且所述信号可沿导电子层322发射到第二端 840，或替代地代替信号，电功率可以传导通过导电子层且用于给工 具管柱中的装置供电。电流在第二端840处接收自导电层且可以经由 第二端导体821发射。例如，第二电装置820经由第二端导体821连 接到导电子层322以接收从第一电装置810发射的信号，或替代地接 收传导通过导电层的电功率。将明白，信号或功率可沿任一方向发射 通过导电层。将明白，电端导体811和821可以是任何导电装置(例 如，简易导线或公/母类型的电耦合件)。
[0042] 实施方式800可提供有效且可靠的电子功率和/或数据发射通过 井下工具和/或钻柱。功率和/或数据可传导通过绝缘导电套筒，例如， 导电子层322和绝缘子层324a、324b，其可形成钻井设备圆柱形管 状组件的实心部分，诸如定子300。在一些实施方式中，定子300可 以提供电连接且不显著影响钻井设备组件的物理操作完整性，例如， 定子300的横截面几何形状可不显著受包含导电子层322和绝缘子层 324a、324b影响。在一些实施方式中，可以减小对导体的不利的钻 井液腐蚀、侵蚀、振动和/或冲击负荷影响。例如，通过定子300的 钻孔的流体流可以实质上不受导电子层322和绝缘子层324a、324b 的存在影响，因为定子300的钻孔可被形成为具有类似于不具有绝缘 导电套筒的内表面几何形状，诸如图2A-2B的示例性钻柱20。
[0043] 图8-8A是示例性井下钻井马达700的示例性定子705和示例性 转子730的横截面侧视图。定子705包括管状外壳710(例如，金属 外壳)。在一些实施方式中，额外的螺旋叶片金属插入物715被插入 到外壳710中或螺旋叶片形式直接制在外壳710的钻孔上。然后，绝 缘层720首先施加于插入物720的内表面，或替代地施加于外壳710 的钻孔，然后施加导体层722且然后施加弹性体子层724。图8A是 图8的放大部分且说明这些施加层。
[0044] 导电子层722是沿施加于金属插入层715(或替代地外壳210的 钻孔)的绝缘层720的复杂内表面形成。在一些实施方案中，导电子 层722可以是被插入或以其它方式施加于弹性体层715的内表面的导 电套筒或带。在一些实施方案中，导电子层722可以是喷涂、涂布或 以其它方式沉积在金属插入层715的内表面上的流体或颗粒化合物。
[0045] 绝缘子层724是沿导电子层722的同心向里表面形成。绝缘子层 724可以是
聚合物且因此当转子在定子组合件内侧旋转时是可
变形 的。绝缘子层724可保护导电子层722免受可能存在于钻孔内的腐蚀 和研磨状况，例如由于接触转子730的磨损、由于泥浆或其它流体流 的磨损、归因于通过钻井泥浆或流体流携带的物质的化学降解。在一 些实施方案中，绝缘子层724可以被模制、喷涂或以其它方式呈保护 套筒的形式。在一些实施方案中，绝缘子层724可以实施纳米粒子技 术，和/或可以是薄的，例如一毫米的部分到几毫米厚。在一些实施 方案中，绝缘子层724可以提供抗腐蚀、抗研磨性质和/或电绝缘性 质。
[0046] 在一些实施方案中，施加于金属层715的弹性体层720可提供电 绝缘。例如，施加于金属层715上的弹性体层720还可以执行导电子 层722与管状外壳710之间的绝缘子层的功能。
[0047] 图9A是示例性部分定子1500的横截面图。定子1500包括管状 外壳1510和定子段1570的集合。如图9B中示出，定子1500的每 一定子段1570包括金属插入层1522。在一些实施方案中，插入层1522 可以是弹性体层。
[0048] 导电子段1526a和导电子段1526b形成于插入层1522的部分内。 在一些实施方案中，导电子段1526a、1526b可以是被插入或以其它 方式施加于插入层1522的子段的导电套筒或插塞。
[0049] 在一些实施方案中，插入层1522可提供电绝缘。例如，插入层 1522还可以执行导电子段1526a、1526b与管状外壳1510之间的绝 缘子层的功能。
[0050] 再次参考图9A，定子1500包括定子段1570的集合，其被布置 为横向于定子1500沿管状外壳1510的内部的纵轴的横向堆叠或行。 定子段1570被定向成使得导电子段1526a、1526b实质上彼此对准且 电接触以提供沿定子1500的长度的绝缘导电路径。
[0051] 在一些实施方案中，导电子段1526a、1526b可以由敞开式(例 如，未填充)子段取代。例如，定子段1570可被定向成使得敞开式 子段实质上对准且形成沿定子1500的长度的钻孔。在一些实施方案 中，一个或多个导电线或
层压导电套筒可以行进通过由敞开式子段形 成的钻孔。
[0052] 图10是示例性定子1600的另一示例性定子段1670的端视图。 在一些实施方式中，可以使用定子段1670来取代图9A的定子段 1570。定子段1670包括金属插入层1622。在一些实施方案中，插入 层1622可以是弹性体层。在一些应用中，圆盘式或板式类型的堆叠 金属插入物1622是钢铁。其具有施加有弹性体1624的薄层的内部叶 片几何形状。在其它实施方式中，绝缘层将首先施加于堆叠金属插入 物1622的内部叶片轮廓，然后施加导体层或带，然后施加最终的弹 性体层(最终层类似于定子上的当前施加的薄弹性体层)。
[0053] 导电子段1626a和导电子段1626b形成于弹性体层1622的部分 内。在一些实施方案中，导电子段1626a、1626b可以是被插入或以 其它方式施加于弹性体层1622的子段的导电套筒或插塞。
[0054] 在一些实施方案中，导电子段1626a、1626b可包括一或多个电 绝缘和/或导电子层。例如，导电子段1626a、1626b可以各自包括导 电子层，其由电绝缘子层包围以(例如)防止导电子层
短路到管状外 壳1610。在一些实施方案中，导电子段1626a、1626b可以由敞开式 (例如，未填充)子段取代。例如，一个或多个电导体可以行进通过 敞开式子段以提供沿定子1600的长度的电信号路径。
[0055] 在一些实施方式中，定子300、400、500、600、705、905、1005 和/或1105a到1105f可以结合现有的
螺纹式连接导体耦合件(例如， 配合在销连接鼻部与管状组件组合件背后的盒式连接钻孔之间的环 型耦合件)使用，以允许电信号和数据行进到沿钻柱定位的组件之间。
[0056] 图11是用于使用包括绝缘导体的定子的示例性过程1200的流程 图。在一些实施方式中，过程1200可以描述示例性定子300、400、 500、600、705、905、1005和/或1105a到1105f中的任何一个和/或 由其执行。
[0057] 在1205处，提供外壳。例如，在图3A-3E的实例中，提供管状 外壳310。
[0058] 在1210处，提供第一保护层。例如，绝缘子层324a形成为管状 外壳310上的向里同心层。
[0059] 在1215处，提供导电层。例如，导电子层322是沿绝缘子层324a 的内部表面形成。
[0060] 在1220处，提供第二保护层。例如，绝缘子层324b形成为导电 子层322上的向里同心层。
[0061] 在1225处，在第一端处施加电流于导电层。例如，在第一端830 处施加来自第一电装置810的电功率于导电子层322。
[0062] 在1230处，电流沿导电
层流动。电流可以包括正发射的电信号 和/或正传导的电功率。例如，第一电装置810可提供电信号到第一 端830，且所述信号可沿导电子层322发射到第二端840，或替代地 代替信号，电功率可以行进通过导电子层且用于给工具管柱中的装置 供电(参见图7和描述图7的文字)。
[0063] 在1235处，在第二端处从导电层接收电流。例如，第二电装置 820连接到导电子层322以接收从第一电装置810发射的信号或替代 地接收传导通过导电层的电功率。将明白，信号可以沿任一方向发射 通过导电层，且电功率可以任一方向发射通过导电层(参见图7和描 述图7的文字)。
[0064] 虽然上文已详细描述了几个实施方式，但是其它
修改也是可行 的。例如，图中描绘的逻辑流程无需所示出的特定次序或循序次序来 实现所需结果。此外，可以提供其它步骤，或可以从所描述的流程消 除步骤，且可以给所描述的系统添加或从其移除其它组件。因此，其 它实施方式是在以上
权利要求书的范围内。
