永磁力矩電機在油氣鉆采井下工具中的應用及發展趨勢

黎 偉，鄧 瑯，鄒 星，夏 楊，陳 曦

（1.西南石油大學 機電工程學院，四川 成都 610500；2.西南石油大學 石油天然氣裝備教育部重點實驗室，四川 成都 610500；3.西南石油大學 能源裝備研究院，四川 成都 610500）

永磁力矩電機是永磁同步電機的一種，采用稀土永磁材料的永磁同步電機很多高端產品出現在國防、油氣井開發、工農業生產、日常生活等諸多領域，得到了非常廣泛的應用[1-3]。對于井下需要轉矩密度大、功率因數高的系統，低速大轉矩傳動依然采用傳統思路“感應式異步電機+井下減速機構”的結構設計方案，造成電機本體結構體積較大，不利于井下封裝工藝實施[4-5]。當前永磁力矩電機在井下智能工具領域的應用較少，主要原因是受溫度場和散熱方面研究的影響，這直接影響電機效率、使用壽命及運行的可靠性。采用釹鐵硼永磁材料的稀土永磁電機與傳統電機相比，電機的熱穩定性和耐腐蝕性得到改善，體積和損耗都比較低，且在額定負載范圍內可保持較高的效率和功率因數，使輕載運行時節能效果更為顯著。永磁力矩電機在超低速直驅技術領域有迫切的市場需求和廣闊的發展前景，這一技術在抽油機上已有近15 年的應用；2016 年，加拿大KUDU 公司研發了一種井下潛油直驅螺桿泵，潛油電機被設計成細長軸結構，它可以在一定轉速范圍內實現無級調速；中國石油勘探開發研究院結合油井實際生產需求，對用于螺桿泵的井下低速電機驅動技術展開近10 年的研究和試驗，實現“5-1/2”套管電潛螺桿泵無桿采油[6-8]。永磁力矩電機作為潛油電機在井下工具領域的應用起步較晚，大多數還停留在理論研究階段，沒有太多成熟的參考依據和工程實踐，因此，永磁力矩電機作為潛水或潛油電機在煤礦、石油井下的應用還有待更進一步研究。

本文基于前人的研究成果，結合現有油氣鉆采工藝技術及實際生產需求，對永磁力矩電機作為井下驅動電機在井下工具領域的研究現狀和應用情況進行總結，并根據油氣井下環境的特殊性和復雜性，提出該類電機在井下工具驅動中的主要瓶頸問題，同時以此為依據探討油氣井下永磁力矩電機的主要研究方向及發展趨勢，為油氣鉆采井下工具的設計研究提供一種新思路。

1 永磁力矩電機的結構組成及工作原理

永磁力矩電機用永磁體代替了電勵磁，從而省去了勵磁線圈、滑環與電刷，其定子電流與繞線式同步電機基本相同。定子主要包括電樞鐵心和三相對稱電樞繞組，繞組嵌放在鐵心的槽中；轉子主要由永磁體、導磁軛和轉軸構成。永磁體貼在導磁軛上，圓筒形導磁軛套在轉軸上。永磁力矩電機的結構如圖1 所示[9]。

圖1 永磁力矩電機結構Fig.1 Structure diagram of the permanent magnet torque motor

工作原理：電樞繞組中通過對稱的三相電流時，定子將產生一個以同步轉速推移的旋轉磁場。在穩態情況下，轉子轉速恒為磁場的同步轉速。于是定子旋轉磁場與轉子的永磁體產生的主極磁場保持靜止，它們之間相互作用產生電磁轉矩，拖動轉子旋轉，進行機電能量轉換。當負載發生變化時，轉子的瞬時轉速就會發生變化，這時，如果通過傳感器檢測轉子的位置和速度，根據轉子永磁體磁場的位置，利用逆變器控制定子繞組中電流的大小、相位和頻率，便會產生連續的轉矩作用到轉子上[10]。

2 永磁力矩電機在油氣鉆采井下工具中的應用

2.1 井下智能滑套

近年來，為了提高油氣藏的產量和采收率，節約生產成本，將RFID(Radio Frequency Identification)技術應用到滑套當中以突破滑套開關啟動頻繁的技術瓶頸，純電動智能滑套開始迅速發展[11]。對于水平井，應用純電動智能滑套通過地面打壓操作就能實現分層開采作業，降低了應用管柱和油管作業帶來的風險，它的突出優點是安全、省時、省錢，并且優化了壓裂段數受限和作業量大等缺陷。如圖2所示，純電動智能滑套的基本結構主要由天線、電控區域、電源區域、力矩電機、傳動機構、內滑套和外套筒等部件組成[12-13]。其中電源區域采用存儲鋰電池的方式供電，以永磁力矩電機作為滑套的動力源，電機轉軸采用空心軸的結構設計，并將其封裝在滑套開關部分的內部。為便于把電機輸出的旋轉運動轉換成滑套的直線運動，電機與內滑套之間采用絲杠傳動軸實現運動的傳遞，此時絲杠傳動軸與內滑套螺紋連接組合成絲杠螺母機構。當需要控制某目標層位的滑套啟閉時，只需要通過地面投球器投入相應的指令球，天線在接收到指令球信號后迅速傳遞到控制面板，然后控制面板發出控制信號，采用變頻調速的方式控制電機轉速以實現對滑套行程的控制。此外，純電動智能滑套的性能比傳統的常規滑套和Weatherford 公司研發的液控滑套優越，作業效果更加明顯，帶來的經濟效益更為顯著。

圖2 RFID 通信控制—電機驅動式滑套結構Fig.2 Structure diagram of the motor driven sliding sleeve with RFID communication control

采用永磁力矩電機安裝在智能滑套上，當電機轉子運動時，通過位置傳感器檢測轉子磁極的位置來判斷電機的轉速變化，逆變器輸出電壓頻率與轉速同步變化，從根本上消除失步現象，保證力矩電機穩定運行，從而使智能滑套無擾動的穩定移動。同步電機的轉子轉速始終與旋轉磁場轉速保持一致，與異步電機相比無轉差率損耗，轉子沒有勵磁損耗[14]。與此同時，直驅永磁力矩電機直驅技術特別符合智能滑套的低轉速、大扭矩要求，可以省略減速器，直接驅動負載運動，簡化驅動系統。現在采用這種技術的永磁同步曳引機在電梯上廣泛應用，并且可以實現從零速到額定轉速的連續變速，這將成為未來智能滑套驅動電機的發展趨勢。

2.2 井下封隔器

目前，機械采油常用的封隔器主要有擴張式和壓縮式2 種類型[15]，都是通過控制膠筒來封隔油管和套管實現油氣分層，從而完成一系列井下作業。如圖3 所示，電機驅動式井下封隔器的基本結構主要由限位裝置、防突裝置、管狀件、滑套、力矩電機、膠筒等部件組成[16]。其中永磁力矩電機的空心轉軸套在管狀件上，而滑套套設在空心轉軸上并與空心轉軸形成螺紋連接，滑套左端連接防突裝置。當封隔器進行脹封及密封作業時，控制電機正轉，此時電機的空心轉軸與滑套的螺紋連接促使滑套向左運動，而防突裝置在外力作用下將軸向移動壓縮膠筒，迫使膠筒受壓徑向擴張與套管緊密接觸，從而密封套管；當不需要對套管進行封隔或解封時，控制電機反轉，此時防突裝置在外力和膠筒自身彈性力的作用下將逐漸呈軸向收縮狀態，膠筒恢復原狀，解除環空密封。

圖3 電機驅動式井下封隔器的結構Fig.3 Structure diagram of the motor driven down-hole packer

對于高溫高壓復雜深井作業時，由于封隔器具有較好的密封性和耐久性，驅動電機可以很好地封裝在其內部，通過地面監測系統或儀器儀表對電驅動封隔器在井下的電壓、電流、壓力和溫度等參數進行檢測，當永磁力矩電機正轉或反轉時，空心軸電機通過螺旋傳動帶動支撐桿伸縮，實現膠筒的脹封與解封[17-18]。因此，控制電機正反轉可以較好地控制封隔器狀態，能有效降低和避免井下事故的風險。此外，螺旋傳動可以實現自鎖和精密位移，這對封隔器的工作性能大有裨益。因此，合理設計井下工具的結構對油氣藏開采工藝有著至關重要的影響。

2.3 井下配水器

對于低壓、低產、低滲透的非常規油氣井開發，采用水驅開發的方式以提高油氣藏的單井產量和采收率，實現高產與穩產的目的[19]。目前，國內外油田的注水工藝經歷了固定式、偏心投撈式和電纜測調式三個階段的分層注水技術，正朝著智能精細分層注水工藝技術方向發展[20]。其基本思路是在地面配置智能注射檢測系統和井下采用電控式配水器，通過遠程監控對井下流量進行智能控制，完成地面和井下數據無線傳輸，實現對井下各層注水量的自動調試，但在井下智能檢測工藝、儀器儀表可靠度、通信及成本等方面均還存在諸多挑戰。

井下智能配水器是一個機電液一體化的系統，它通過控制電機來調節水嘴開度大小以實現對注水流量的控制。如圖4 所示，電機驅動式井下配水器的基本結構主要由上接頭、堵頭、密封圈、配水器主體、控制電路、力矩電機、驅動軸、調節水嘴等部件組成[21-24]。其結構體內部有一個密閉的常壓腔用于安裝電機及其電控系統，也是采用永磁力矩電機直接驅動絲杠螺母組件改變固有的運動方式來調節水嘴的過流面積。在進行水驅開發作業時，將配水器隨管柱下入到井中目標層位，當鉆井泵提供的注入液經過配水器主體內部的渦輪流量計，此時將產生渦輪轉速與流量成正比的電信號，而后信號發生器將信號傳遞給控制電路以控制電機轉動，從而調節水嘴的過流面積，實現對注水層配注量的調節。選擇的精密微型永磁電機有較強的驅動能力，絲杠螺母為便于傳動的梯形螺紋，能有效將電機的扭矩轉化為較大的軸向推力，但配水器在進行水驅作業時，各執行機構在作業過程中存在動密封，在高溫高壓的復雜環境條件下密封極易失效，控制電纜不易安裝，蓄電池的容量會隨著溫升而迅速衰減，因此施工人員的操作風險升高。如果使用燃料電池或非接觸式供電，就可以在很大程度上減少有害物質的排放量。如今許多應用中都能看到燃料電池的身影，非接觸式供電利用電磁場、電磁波的傳播特性實現電源無線傳遞到負載，但是目前這兩種技術在油氣井下并不具備技術可行性和較高的安全性，還有待繼續探索[25]。

圖4 井下配水器結構Fig.4 Structure diagram of the down-hole water flow regulator

2.4 井下防噴器

在石油鉆井過程中，井下防噴器是保障油氣井開發安全的重要裝置。目前，根據防噴器的功能和形狀有閘板防噴器、環形防噴器和旋轉防噴器3 種類型[26]。此外，這3 種類型的防噴器可以根據不同的工況要求而采取不同的組合方式進行密封。現階段國內外井下防噴器技術和設備已能夠滿足大通徑和耐高壓的特點，但在作業過程中還存在頻繁起下鉆和對井型井段適應性不強的缺點，通常油氣田生產所用到的防噴器系統是一套復合的電液控制系統，其特點是深層鉆井的控制信號傳輸距離遠，響應速度快[27-28]。

如圖5 所示，電機驅動式井下防噴器的基本結構主要由上接頭、壓力傳感器、控制面板、定位筒、矩形彈簧、力矩電機、絲桿機構、壓縮筒和膠筒等部件組成[29-30]。用于套管井的電機驅動式井下環空防噴器，它利用電機的輸出扭矩來實現自動防噴和解鎖功能，對井段井型的適應性較好，確保整個鉆井過程的連續、安全和可靠。其電機采用大扭矩的永磁力矩電機，并通過矩形彈簧進行軸向固定，轉子與空心傳動軸相嚙合或者直接采用杯型轉子，電機外殼與外套筒嵌套成一體，絲桿機構左端與電機轉子進行螺紋連接或直接嚙合，且絲桿機構與壓縮筒采用螺紋連接，壓縮筒與中心筒上均開設有循環孔。當鉆井作業正常工作時，永磁力矩電機不工作，鉆桿實現正常的鉆井作業；當通過壓力傳感器監測到井下有溢流、井噴或井涌等異常現象發生時，井下信號發生器將信號傳遞給地面控制中心，再由地面發出聲波信號控制井下電機正轉，驅動電機利用螺旋傳動改變傳動方式推動壓縮筒向右移動，以同時密封鉆桿內環空和鉆桿外環空，從而實現防噴的目的。等到鉆井液柱的壓力與地層流體的壓力相平衡時，控制電機反轉實現解鎖，并恢復正常作業。由于杯型轉子沒有鐵心，從而使電機的動能損耗降低，其結構變化導致電機的整體運載特性得到提高，控制靈敏度高，運行穩定可靠。在深層鉆井過程中，由于深地層環境的特殊性和復雜性，鉆柱工作在高溫高壓、重載和腐蝕的條件下，傳統的地面控制元件、控制電纜和控制技術并無法直接應用于井下，這也是井下控制問題的難度，但是隨著井下控制理論和技術創新的不斷深入發展，當遇到不可預知的隨機因素時，采用井下防噴器更有利于井控作業，有效降低工作風險以及防止環境污染[31-32]。

圖5 電機驅動式井下防噴器結構Fig.5 Structure diagram of the motor driven down-hole blowout preventer

3 永磁力矩電機在井下工具驅動中的瓶頸

由永磁力矩電機在油氣鉆采幾種典型井下工具的應用分析可知，對比傳統異步電機，永磁力矩電機在井下智能滑套、封隔器、配水器、防噴器等的應用可以有效減輕電機裝機載荷，降低機械采油裝機功率，且對負載擾動具有較強的魯棒性。目前永磁力矩電機在井下工具驅動中還存在以下幾個主要瓶頸問題：

①磁功率效率低 因空心軸結構設計，導致其磁功率效率較低，若增加輸出扭矩，只能增加電機長度，而電機過長會導致工具下井困難。且永磁電機的繞組制造工藝復雜，空心杯型電機常用的電樞繞組繞線形式有直線型、斜線型和菱形三種，其電磁場在空間分布形式復雜且不均勻，工作效率在85%左右。因此在保證電機氣隙磁通密度的情況下，適當增加電機長度可以減小轉動慣量，使之制動性能好，響應速度快，有利于電機的控制。采用分段式永磁體或內置永磁體分層分段的轉子磁路設計可以提高電機的輸出轉矩和抗退磁能力，增加機械強度，抑制轉矩脈動[33-34]。井下電機工作環境惡劣，結構尺寸受限，控制電纜沒有技術性保障，這給電機增加了使用難度，稍有差池，都會造成井下事故或價值昂貴的精密電機損壞。

② 耐高溫高壓能力弱 永磁力矩電機一般封裝在一個密閉的常壓腔內，導致其耐高溫高壓能力偏弱，較難獲得在高溫工況下的控制元器件。在油氣井高溫高壓環境下，油管尺寸給電機選型和電磁設計帶來很大的限制，如何減少或防止電機轉子永磁體熱退磁氧化，導致矯頑力下降方面還有待繼續改進和完善。井下電機內部壓力最高達140 MPa，其控制系統的電子元器件工作在極端環境下，任何一個元器件的損壞都會導致整個控制系統徹底失效或崩潰，從而使整個電路系統的穩定性和可靠性降低。此外，用于測井的井下儀器儀表必須具備良好的耐高溫高壓性能，經過多次嚴格測試驗證后才能應用于井下，必須對影響作業質量高低的井下電機的設計、驅動和控制元件嚴格要求。

③電源可靠性低 當前為井下智能工具提供電源的方法主要有高性能電池、地面直驅電纜和井下渦輪發電機三種。現有技術多以存儲電池驅動為主，功率較低，總工作時長有限，且溫度限制在180℃。由于深層鉆井的特殊性和復雜性，密封是難點，蓄電池的容量和壽命會隨著腔內溫度的升高而迅速衰減，因此，電池壽命和更高的井下溫度限制了它的使用。近年來，在高壓和高溫環境下為智能井下工具提供動力的最實用且最有前途的解決方案是渦輪發電機，它通過渦輪將鉆井液的能量轉換成電能，使電能穩定輸出，在高溫高壓環境下更加可靠，非常適用于深井作業。通過地面電纜直驅給井下供電有很多優點，但是技術難度比較高，井下電纜容易腐蝕和損壞，施工人員操作風險也比較高。

④ 研發成本高 由于永磁電機的繞組加工裝配工藝復雜，安裝在轉子上的永磁體用量大，電機工作在極端環境下的深地層或復雜地層，必須使用高居里溫度和磁性能優異的永磁材料，且對電機系統的環境適應性要求較高，因此永磁電機較傳統的有刷電機，價格貴了近10 倍，限制了廣泛使用。以前永磁同步電機主要應用在航空航天、軍事、電動汽車、精密儀器等追求高性能的尖端領域，忽略了價格或價格不是主要的考慮因素；現在伴隨著全世界能源危機、環境破壞等問題，永磁同步電機因其卓越的性能必然成為未來電機的發展趨勢，越來越多的學者從事永磁同步電機的研發工作，逐漸開始向工農業生產、日常生活等民用領域發展。

4 發展趨勢

近年來，國內外學者對永磁力矩電機的直驅技術備受關注，這一技術已經成功應用于風力發電和電動汽車的輪轂電機等領域。通過對永磁力矩電機在油氣鉆采井下工具中的應用分析總結，永磁力矩電機在智能滑套、封隔器、配水器的應用主要考慮電機的傳動效率和輸出轉矩；在井下防噴器的應用主要考慮電機的輸出轉速和響應速度。對于井下電機，人們對低速大扭矩永磁直驅電機的相關研究較少，主要原因是力矩電機在低速時的轉矩脈動比較大，體積較大，安裝和維護受限，對產品規格和性能指標都要求較高，嚴重制約了其在石油、煤礦等強魯棒性領域的推廣應用。針對永磁力矩電機在井下工具驅動中的瓶頸與不可替代的優勢，本文對其在井下智能工具領域的發展趨勢進行歸納。

a.增加永磁電機單位長度輸出力矩。可從以下方面開展研究：①研發高溫超導材料以增加勵磁場磁性；② 發現或研發新型強磁材料以增加轉子永磁體磁性；③優化鐵心材料；④ 采用油氣井內耐流體介質沖泡的電機新結構設計；⑤ 優化勵磁控制方案設計。

b.永磁電機耐高溫設計。永磁電機的高溫可靠性主要受永磁體材料和控制元器件影響。發現或研發新型耐高溫永磁材料以降低永磁體熱退磁氧化；研發新型耐高溫電機驅動控制元器件。

c.電源優化設計。現有井下工具用永磁電機多以存儲電池或線纜直驅為主，未來井下電源可從以下三方面著手：①研發耐高溫、長壽命、高能量密度的存儲電池；② 設計便于直驅的耐腐蝕、耐高溫、快速插接的直驅電纜和濕接頭；③探索耐腐蝕、耐高溫、長壽命、高可靠性的井下發電技術。

d.降低成本。發現或研發優質廉價的高溫超導材料、新型永磁材料和控制元器件，以降低永磁電機綜合成本。

e.朝著智能化、微型化、精密型方向發展。井下電機要向結構簡化、重量減輕、尺寸減小的方向加以改進，才能滿足井下工況需求，尋求到更廣闊的市場。