CN101896681A - 井下负载分担的马达组件 - Google Patents

Abstract

一种用于驱动井孔中的共同井下负载的多马达的马达组件。具体来说，所述组件可以采用基本上恒速的可调速马达。所述马达可以包括永磁体同步机马达。所述马达可以配置成以给定的速度操作，该速度可以根据各马达独立展现出来的扭矩输出量进行井下调节。通过这种方式，可以避免马达之间出现扭矩输出显著偏差，从而保证在所述组件的全部马达之间大致分担负载。

Description

井下负载分担的马达组件

技术领域

文中所述实施例涉及用来在井孔中井下驱动负载的马达。具体来说，描述了为井下动力组件形式的负载分担马达的实施例。所述马达组件可以配置成尺寸符合井下环境并且在马达本身之间改善负载分担的情况下驱动负载。

背景技术

钻井、完井和操作碳氢化合物井孔涉及使用各种动力设备。例如，一般在油田中使用的大规模地面设备为容积泵、搅拌机和材料运输单元等。此外，许多小型井下设备，诸如牵引车和测井设备通常用在井孔自身之中。如下所详述，一件地面设备，诸如单个容积泵，可以由多个马达提供动力，这些马达分担驱动所述泵操作的负载。实际上，即使在油田工业领域之外，也经常采用多个马达来分担共同负载。通过这种方式，单独的马达可以以用户友好的方式叠置并组合，以形成用于任何给定设备的马达组件。因此，希望可以免于为每个设备构造更巨大的单体单用马达。

但是，对于单独的马达，固有的趋势是一个马达逐渐承担更多的负载量，而另一个马达开始承担的越来越少。因此，在采用多个马达分担共同负载时，所述马达必须以同步方式进行控制。同步可用于保证其中一个马达利用程度不会比另一个马达明显高出。

相反，可以指导每个马达分担大约50％负载的平衡量，可以努力实现这一配置，以避免其中一个马达早期磨损或提前停车。此外，通过这种方式避免另一个马达利用不足也能提高整个马达组件操作的效率。

对于分担共同负载的多个马达的同步通常借助被称为“主-从”组件的配置来实现。在这种设置中，“主”马达与“从”马达通信组对。主马达以高出从马达初始扭矩输出的初始给定扭矩输出操作。然而，随着所述马达开始操作并彼此通信，这种组对的失衡特性被基本上消除。就是说，随着马达开始为设备提供动力，主马达的扭矩输出通知到从马达。从马达通过升高其扭矩输出并允许主马达的扭矩输出减小来做出响应，直到马达之间实现扭矩输出基本上平衡为止。

不幸的是，随着主-从马达组件上的负载增大，该组件的响应为首先升高由主马达提供的扭矩输出，直到马达之间的通信导致重新建立如上所述的平衡为止。因此，在马达组件初始通电并在此后负载增大时，存在负载失衡，直至可以重新建立平衡为止。如上所述，在负载失衡期间，所述组件仍然以相当低效的方式操作，并且主马达上发生不成比例的磨损。此外，主马达，与任何马达一样，在用来牵引超过其固有极限的负载时，可能因停转、过热或者其他故障而无法操作。而且，在如上所述的主-从马达配置中，在所允许的负载失衡期间，指令主马达超过其操作负载阈值的可能性也会提高。如果主马达因为超过阈值而停车，则整个组件必须停止工作。

针对上述主-从配置缺陷，已经做出了许多尝试来使负载失衡期间最短。就是说，通过让马达之间的通信和响应速率最大，而使实现平衡的延迟最小。可以通过对马达控制件编程，从而以极高的速率通信并实施马达响应来实现这种效果。不幸的是，这样对所述组件的电子元件提出了性能标准更高的要求。因此，可以采用昂贵、复杂且巨大的总线通信，然而，这种总线通信还是容易在主-从马达组件操作过程中受到超载的影响。

除了上述问题之外，传统机械马达，正如可以用于主-从组件中的马达，提供的效率一般远低于大约70％。因此，即使通过复杂的总线通信和继电器改善了效率，固有的效率极限仍然存在。此外，在油田工业中，采用多个马达分担共同负载对井下设备诸如上述牵引车带来了特别的挑战。就是说，与地面泵不同，井下设备配置成铺设在空间宝贵的井孔中。例如，标准井孔可能直径不会超过1英尺，如果是这种情况的话。这使得使用传统机械马达一般不切实际。

发明内容

提供了一种用在井孔中的井下马达组件。所述组件包括基本上恒速的可调速第一马达和基本上恒速的可调速第二马达。所述马达彼此耦接并配置成部署在井孔中。所述马达还配置成各自承担井孔中的负载的基本上相等的份额。

提供了一种在井孔中操作的井下组件。所述组件包括耦接到第一和第二马达的负载提供设备。所述第一马达配置成以第一速度操作，而所述第二马达配置成以第二速度操作。每个马达的速度根据每个马达相应的扭矩输出而降低。

附图说明

图1是用来移动负载的井下负载分担马达组件实施例的示意图；

图2是图1所示负载分担马达组件的侧视图，其描绘了在井孔中的井下牵引井下牵引车和诊断工具的负载；

图3是油田透视概览图，图2所示的负载分担马达组件、牵引车和工具设置在井孔中；

图4A是采用不具有调速技术的负载分担马达组件的实施例的曲线图；

图4B是与图4A所示的负载分担马达组件一起使用的调速技术实施例的曲线图；

图4C是采用了图4A所示的负载分担马达组件与图4B所示调速技术的实施例的曲线图；

图5是总结采用了井下负载分担马达组件的实施例的流程图。

具体实施方式

现在参照配置成分担负载的特定井下多马达组件来描述实施例。具体来说，将描述采用两个永磁体同步机(PMSM)马达的组件。但是，带有数量不同的马达的其他类型的马达组件也可以采用。例如，可以将两个以上的马达用于所述组件。无论如何，文中所述实施例包括带有井下PMSM马达的组件，或者其他配置成在井下操作过程中表现出扭矩输出大体平衡的基本恒速的可调速马达。此外，如文中所用术语“基本上恒速的可调速马达”指的是配置成在操作过程中操作在基本上恒定速度的马达，诸如传统PMSM，但该术语也主动指导在操作过程中调节其速度。

现在参照图1，描绘了用于驱动负载150的井下负载分担马达组件100的示意图。更具体地说，组件100描绘为如箭头190所示从左向右牵引负载150。实际上，图2揭示了(如图所示在井孔280中从左向右)牵引井下设备负载的组件100更为真实的表示，其中所述井下设备包括牵引车200和诊断工具260。如图1所示，负载150的牵引操作由组件100的马达125、175(即“马达1”和“马达2”)分担。沿着箭头190方向牵引负载150所需的总功率由每个马达125、175的累积扭矩输出130、180(即，“扭矩输出1”和“扭矩输出2”)提供。就是说，如图1中的示意图所示，马达125、175共同牵引负载150。

在一个实施例中，马达125、175分别配置成以基本上相同的恒定速度运行，而扭矩输出130、180可以根据施加在各马达125、175上的负载150的负载量来变化。例如，马达125、175可以是各种类型的永磁体同步机(PMSM)马达，一般配置成在可变的扭矩输出的情况下以基本上恒定的速度运行。但是，如图1所示，每个马达125、175的给定速度可以根据每个马达125、175给出的扭矩输出130、180的量而向下调节。就是说，在马达125、175机械串联并向外表现为速度大致相同时，在牵引负载150时，减速135、185可以有选择地应用于每个马达125、175，从而保证基本上相等的扭矩输出130、180。

上述技术的原理为，通过降低马达1即马达125的速度，例如，结合其扭矩输出130任何增加，将防止马达2即马达175的扭矩输出180增大。因此，实际上，马达125或175都不能提供大于彼此的扭矩输出130、180。这种减速技术可以由以下方程表示：

ωm＝ωref-kτ

在该方程中，ωm是马达诸如马达1即马达125的实际速度，正如方程指出，该速度由预先给定的速度(ωref)减去kτ得到，其中τ表示扭矩输出130，而k是预定常数。这种减速技术的应用及其影响参照图4A-4C以曲线表示，图4A-4C在下文中更为详细地描述。但是，加上初步参照这些附图，对于扭矩输出130、180进行20RPM每牛米(Nm)的减速135、185可以由图4B中的虚线420来曲线表示。在应用时，这可以导致如图4C中的曲线所示，保持基本上相等的扭矩输出130、180。通过这种方式，由每个马达125、175基本上相等地分担负载150。就是说，通过分别应用负反馈，在马达125、175之间获得了一致的负载分担效果。

如上所述，由于减速技术135、185，在马达125、175之间实现了基本上平衡的负载分担。马达125、175之间的这种基本上平衡可以协助避免其中一个马达125、175的早期磨损超过另一个马达。此外，这种设置还通过避免任一个马达125、175利用不足而协助提高组件100的总体效率。此外，马达125、175之间的扭矩输出130、180基本上平衡，最终通过调节马达速度来保持，而不是依靠马达125、175之间的通信。

与主-从结构不同，文中所述实施例实现了平衡而不要求马达125、175之间存在复杂总线或高速微处理器通信。实际上，可以在不需要从一个马达125、175到另一个马达的扭矩输出信息直接通信的情况下实现平衡。因此，完全避免了专门允许其中一个马达125、175初始提供的扭矩输出130、180显著大于另一个马达时出现的通信延迟，主从配置通常就存在这种情况。这种设置消除了专门的失衡周期，并且减少了其中一个马达125、175超过其扭矩输出阈值并停转或停车从而导致整个组件100关闭的可能性。此外，马达125、175之间的平衡以这样的方式实现，即有利于使用电动马达诸如PMSM，PMSM特别适合结合可变扭矩输出来操作基本上恒定但是可调的速度。此外，可以采用电动马达诸如操作效率显著大于70％的PMSM。实际上，在一个实施例中，组件100采用操作效率显著大于90％的PMSM。

现在继续参照图2，描绘了井下负载分担马达组件100在井孔280中向牵引车200和诊断工具260提供驱动力。加上参照图3，为了例述，描绘出组件100向右朝井口方向牵引牵引车200和工具260的负载，井口方向类似于图1中的箭头190。在一个实施例中，组件100配置成提供介于大约0到大约15千瓦的功率，以保证牵引负载时有充足的受控功率。

在所示的实施例中，井孔280由穿过地层290运行的井眼套管285限定。由套管285限定的井孔280直径(D)可以为传统尺寸，即介于大约6和大约18英寸宽之间。而装备成提供0-15千瓦功率的传统单马达可能超过井孔280的直径(D)，但是组件100由宽度(w)显著小于上述直径(D)的多个马达125、175构成。例如，在一个实施例中，所述宽度(w)可以小于大约6英寸。因此，驱动操作所需的功率可以用井下组件100来实现，而不用担心超过尺寸约束。

所示实施例包括两个通过物理耦接件210联结的马达125、175，每个马达为探测器220、230提供动力，如下所述。但是，在追求更高功率的另一些实施例中，可以通过线性方式联结额外的马达和/或探测器，并将其结合在组件100中。就是说，可以提供一种用户友好的组件构造方式，为操作者提供了许多基本上可以互换的现成的模块马达。因此，操作者可以根据具体操作的负载参数选择这种马达的数量，联结在一起以构造组件100。

在图2所示实施例中，示出了组件100通过传统的井孔进出线路255诸如钢丝输送到井下。但是，还可以通过其他形式的线路255诸如盘管来布置组件100。加上参照图3，线路255的负载大部分可以由绞盘328来承担。但是，根据井孔深度以及其他因素，一部分线路负载可能落在由组件100提供动力的牵引车200上，用来向着井口方向驱动。

如上所述，牵引车200本身增加了由组件100分担的负载。如图所示，牵引车200是活动井下机构，包括两个由机械耦接件235联结的往复探测器220、230。额外增加了组件100的井下负载的是诊断工具260。所示工具260可以是测井工具，包括各种诊断仪器，用来对井孔280中的条件进行采样。例如，可以提供射流仪器262和饱和仪器268来获取水流信息。其他诊断仪器可以包括成像仪器266以及全井涡轮仪器264，以测量流体速度。无论如何，与牵引车200不同，诊断工具260基本为被动式的，在于其在操作中仅使用最少的功率。虽然如此，在工具260如上所述向着井口方向前进时，工具260的重量也可能显著增大组件100承担的负载。当然，可能更为常见的是采用牵引车200向井下方向牵引负载。

在为所述设备向井口前进提供动力时，组件100可以采用减速技术。如上参照图1所述，这种技术可以协助保证负载大致均匀地分布在马达125、175之间。但是，如上所述，可以在不依赖马达125、175本身之间高速通信的基础上采用这种技术。所以，例如马达125、175之间的耦接件210或者其他结构就不需要容纳易于受到操作过程中的超载影响的复杂总线或其他特征件。相反，每个马达125、175装备有其自身的独立处理部件225、275，用于如上所述那样检测载荷和调节速度。例如，每个部件225、275可以包括用来监控扭矩输出并根据上述减速技术调节马达速度的微处理器。因此，马达125、175独立地自我调节，从而保持基本上平衡地分担负载。

现在参照图3，描绘了在油田395中环境更大的井孔280的概览图。示出了地面设备300包括装备有绞盘328的钢丝绞车310，用于将井孔进出线路155输送到井孔280中。控制单元350定位在卡车310上，用于引导线路155铺设到井孔280和从井孔收回线路155。钢丝绞车310提供一种实施这一操作的友好的移动操作方式。但是，也可以采用其他形式的地面输送和回收设备。

从图3的有利位置来看，井孔280区域的水平或偏斜特性显然适合负载分担马达组件100、牵引车200和诊断工具260。此外，可以看到井孔280中相对急剧的弯道380。在该曲折的弯道380的上井方向，井孔280相对垂直的部分横穿另一个地层390，最终引出到井头375。井孔280沿着其深度的这种形态特征，井孔中的线路155的数量以及其他因素可能都对需要组件100承担的负载量有影响。例如，在井下设备如图所示定位时，特定量的负载可能需要由组件100来承担。但是，随着组件100被牵引到井口，负载可能发生波动，可能在偏斜区域或者当组件100和其他井下设备绕过所示弯道380的时候，增大一点。类似地，随着所述设备进入井孔280的垂直部分，负载可能增大。无论如何，如上所述，并且如以下详细地曲线示出，由组件100承担的负载在任意给定的时点，基本上均匀地分布在马达125、175之间(参见图2)。

现在参照图4A-4C，加上参照图2，曲线图被表示为描绘了通过上述独立处理部件225、275实施的调速技术实施例的作用。就是说，所述技术可以用来避免这种情形，即，就由扭矩输出反映的分担负载来说，马达125、175彼此背离(参见图4A)。相反，根据图4B所示的扭矩输出实施减速，可以实现负载在马达125、175之间基本上平衡分担(参见图4C)。

特别参照图4A并加上参照图2，在大约8秒的周期上跟踪负载分担组件100的不同马达125、175的速度425、475。如上所示，马达125、175可以是PMSM或其他基本上恒速的可调速马达配置。观察图4A中的曲线，显然可以看出马达125、175的基本上恒定速度配置。就是说，随着马达125、175启动，它们的速度425、475阶跃并趋平，仅在大于1秒之后就达到相对稳定的50rad/s，从而进入操作。

与马达速度相反，马达125、175之间分担负载的量度可以参见扭矩输出426、476。在图4A的曲线中，第一马达125以基本上恒定的速度425操作，但是如扭矩输出426显示，开始随着时间发展而承担多于其份额的负载。因此，在第二马达175保持其基本上恒定的速度475时，它也开始随着时间的消逝承担越来越少的负载，正如其明显下降的扭矩输出476所示的那样。如图4A所示，如果不校正，则这种自然现象将持续下去，直到第二马达175所做的只不过是实际上增加必须由第一马达125承担的负载为止。当然，根据所涉及的扭矩输出值，在第二马达175能够增加由第一马达125承担的负载之前，第一马达125可能会超载并停车。但是，如上文和下文所述，组件100配置成以这样的方式操作，以便可以利用速度校正技术来消除负载分担失衡。

现在参照图4B，示出了开始时参照图1和方程ωm＝ωref-kτ所述的减速技术的曲线图。就是说，在图4B的曲线图中，kτ减速(在图1中也由135、185表示)应用到每个马达125、175。该减速的量可以根据预定的常数(k)来确定，所述常数与每个马达125、175表现出来的扭矩(τ)的量有关。所以，例如在图4B中的420处，显然预定常数(k)大约为20，即速度(RPM)对于每牛米(Nm)扭矩输出下降大约20RPM。将该示例应用到图2所示组件，意味着处理部件225、275可以单独编程，从而对于各马达125、175的每Nm扭矩输出，让马达125、175的速度下降20RPM。因此，在如图4A所示开始出现扭矩输出背离时，可以进行实时校正，让超载的马达125的速度425下降。这样导致另一个马达175扭矩输出增大，并且在马达125、175之间基本上平衡分担负载。

在图4C中示出了，通过采用上述减速技术，马达125、175之间平衡分担负载。如图所示，马达125、175在其操作过程中扭矩输出426、476之间的差异相对不明显。因此，在马达125、175之间实现了负载的大致平衡400。实际上，只有在预定常数(k)如图4B中的401所示基本上为零时，才会出现如图4A所示的负载份额偏差。此外，如图4C所示，在所考察的周期范围内，每个马达125、175的扭矩输出相对稳定(处于大约4.75Nm)。因此，对于该周期而言，马达速度425、475以及组件100的速度也保持相对稳定。

回头参照图4B，在预定常数(k)为相对大范围的非零正值时，可以基本上保持负载平衡。就是说，如上所述，常数(k)可以是20。但是，所述常数可以非常低或者非常高，取决于负载平衡方面所追求的精度。例如，为了提高负载平衡精度，常数(k)值可以增大。这种情况在图4B中示出，其中在460处给出了大约为60的常数(k)。因此，对于每Nm扭矩输出造成速度急剧下降。但是，这样也能导致马达125、175之间更快速更剧烈地返回负载平衡状态。在实用方面，参照图2和3，意味着在负载较大的地方，可以让牵引车200和组件100的上井行进速度更急剧地下降。因此，与图4C所示的考察周期不同，牵引车200可以在其上井行程中经过弯道380时明显慢下来，仅在随后进入井孔280的垂直区段时再提速。无论如何，上井行程将在马达125、175之间负载平衡精度较高的情况下进行。

尽管负载份额平衡精度如何确定可能是设计方案的选择问题，但是甚至是少量降低速度也能保证马达125、175之间的负载基本上平衡。例如，诸如图4B所示的实施例中，采用的马达速度大约1000RPM而常数(k)大约为20，则在给定的操作诸如图2和3所示的操作的整个过程中，马达125、175之间负载失衡程度不超过大约1％。

现在参照图5，提供了流程图来结合井下负载分担马达组件来概括上述减速技术。如520处所示，井下设备可以输送到井孔中。所述设备可以包括井下负载分担马达组件，以及如上文所述的许多其他设备。实际上，马达组件可以协助为所述设备的初始井下定位提供动力，甚至使用文中所述的减速技术。无论如何，所述马达组件可以和减速技术结合使用，包括以给定速速运行第一马达和以基本上相同的速度运行第二马达(530、540)。然后如550和560处所示，监控马达的扭矩输出，从而提供每个马达承载的负载量度。然后，为了平衡负载，可以与各马达的扭矩输出成正比地下调马达速度(570、580)。通过这种方式，可以如590处所示在所述马达之间保持负载基本上平衡，即使在所述组件继续为所述设备在井孔中定位提供动力之时。

上述实施例包括负载分担多马达组件，单个马达可以与所述组件同步，从而以确保负载在所述马达之间基本上平衡的方式操作。但是，这种同步是在不需要精密电子件或马达组件之间的通信的方式实现的。效果还可以包括更为有效地利用所涉及的全部马达并且降低任何马达因不均匀的疲劳或超过扭矩输出阈值而停车的可能性。此外，所采用的马达可以是各种基本上恒速的可调速马达，这些马达本身采用文中详细说明的减速技术并且效率显著超过70％。

已经参照目前的优选实施例描述了前述内容。所述实施例所属领域的技术人员应该理解，在并非有意背离所述实施例的原理和范围的前提下，可以对所述结构和操作方法进行改动和变化。例如，文中所述实施例主要指导采用永磁体同步机马达的双马达组件结构。但是，可以在替代的马达类型以及两个以上的马达的情况下采用文中所述的技术，同时仍保持该组件的所有马达之间负载基本上平衡分担。此外，前述内容不应该认为是仅针对文中所述和附图中所示的精确结构，而是应该认为与下述权利要求书一致并支持权利要求书，所述权利要求书具有最完整和最客观的范围。

Claims (15)

1.一种在井孔中操作的负载分担马达组件，包括：

第一马达，该第一马达耦接到井下设备并配置成以给定速度操作；

第二马达，该第二马达耦接到所述井下设备并配置成以基本上为所述给定速度操作；每个所述马达的速度根据每个所述马达相应的扭矩输出而降低。

2.如权利要求1所述的负载分担马达组件，其特征在于，所述井下设备包括井下牵引车和诊断工具其中之一。

3.如权利要求1所述的负载分担马达组件，其特征在于，所述第一马达包括处理部件，用于监控其扭矩输出并指导其减速。

4.如权利要求1所述的负载分担马达组件，其特征在于，所述组件配置成在所述马达之间分担基本上平衡的负载，所述负载由所述井下设备、所述负载分担马达组件和耦接到所述组件的井孔进出线路其中之一提供。

5.如权利要求4所述的负载分担马达组件，其特征在于，在所述马达之间不存在扭矩输出信息通信的情况下实现所述分担。

6.一种在井下马达组件上保持基本上平衡负载的方法，所述方法包括：

运行所述组件的第一和第二马达；

监控所述马达的扭矩输出；以及

根据所述扭矩输出来调节所述马达的速度。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基本上平衡的负载包括马达之间小于大约1％的负载失衡。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述调节步骤包括：根据分别应用到每个马达的扭矩输出的预定常数来独立地降低每个马达的速度。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预定常数为非零正数。

10.一种在井孔中实施作业的方法，所述方法包括：

将井孔进出线路定位在井孔中，马达组件耦接到该线路；

以基本上相同的速度操作所述组件的第一和第二马达；

根据马达扭矩输出分担井孔中的负载；

根据其扭矩输出量降低每个马达的单独速度，

所述减速用于保持在所述实施过程中所述马达之间的负载基本上平衡。

11.一种用于井孔操作的井下组件，包括：

基本上恒速的可调速第一马达；

基本上恒速的可调速第二马达，该基本上恒速的可调速第二马达耦接到所述基本上恒速的可调速第一马达，

所述马达配置成分别承担井孔中的负载的基本上相等的份额。

12.如权利要求11所述的井下组件，其特征在于，所述基本上恒速的可调速第一马达是永磁体同步机马达。

13.如权利要求11所述的井下组件，其特征在于，所述第一马达和第二马达是基本上可互换的模块化结构。

14.如权利要求11所述的井下组件，进一步包括：耦接到所述第一和第二马达其中之一的基本上恒速的可调速第三马达。

15.如权利要求11所述的井下组件，其特征在于，配置成为所述操作提供至多大约15千瓦的功率。

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