井下电动钻具直驱永磁电机设计与优化
发布时间：2021-09-24 06:18
石油钻井钻具作为油气开采的主要设备,在石油钻井工程中发挥着关键的作用。井下电动钻具较其他类型的井下动力钻具突显出更大的优势,具有良好的应用前景。电机是井下电动钻具的重要部件,井下电动钻具采用直驱永磁电机驱动钻头旋转破岩,可以避免引入减速器带来的可靠性问题。然而,针对井下直驱电机的低速大转矩技术需求,传统的永磁同步电机的转矩密度难以进一步显著提高,并且存在永磁体用量过多、体积过大等问题。本文将永磁游标电机用作电动钻具直驱电机并对其开展设计研究。首先,基于磁场调制的基本原理,结合永磁游标电机自身的结构特点,分析了游标电机的磁场调制及运行原理,并且总结出其用作细长型电动钻具电机的设计准则。在电机尺寸受限的情况以及电机的设计要求下,本文确定了极槽配合为定子槽数为18槽、永磁体极对数为15对极、极比为5的表贴式永磁游标电机拓扑结构。其次,分析讨论了影响永磁游标电机性能指标的关键结构参数,确定各个参数的优化范围。在保持电机热负荷不变的情况下,以转矩密度最大化为目标对电机进行优化设计,包括有限元参数扫描法和遗传算法两种优化方式。对比分析两者的优化结果,同时在考虑电机的制造工艺水平的前提下,得出最优的...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电动钻具钻井示意图
疆和乌克兰西部的使用效果很好。动钻具比其它井下动力钻具更适合于复杂岩石地质条件，独联体国家在支井以及重钻井液环境下使用电动钻具带来很好的经济效益[15]。电动钻用重泥浆、堵漏剂，使得其钻机月速度高于转盘钻具和涡流钻具。阿塞公司使用电动钻具开采一个丛式井组，其钻机月速度提高了 67%。共03 m）钻机月速度比转盘钻高了 80%。叶弗列莫夫油田打 5203 m 的深.5~2.5 个月，时间成本大大降低[16]。纳德瓦尔钻井管理局在一些直井和000 m 井段投入使用电动钻具，发现机械钻速提升至 2~4 倍，单只钻头了 5~9 倍[3]。通过技术经济研究报告可知：同样的开采条件下，电动钻和转盘钻具相比，机械钻速和钻头进尺平均提升了 16~18%。在成本费尺平均低了 10~15%，平均每口井降低 33~50%[17]。电动钻具与转盘钻具机械速度及对比如图 1-3 所示。
巴什科尔托斯坦（俄罗斯） 2300 1000 100%表 1-2 1997-2005 年电钻钻井数[7]钻井地区年代1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005乌克兰 5.8 5.3 6.0 9.7 7.1 9.2 11.1 11.0 11.0巴什科尔托斯坦 57.6 38.2 40.2 29.0 45.8 40.5 40.2 40.0 45.1土库曼斯坦 56.0 50.0 55.3 61.0 62.3 64.0 64.5 62.8 54.0如图 1-4 所示，乌克兰哈尔科夫的 Plant Potencial 联合股份公司所生产的电动钻具电机是一种潜水式异步电动机。图 1-5 为电动钻具总成示意图，注入电机内腔的变压器油可以有效防止井下液体透过密封填料渗入电动机，补偿器的作用是让腔内油压高于流经电动钻具的液体压强约 0.2-0.3MPa。表 1-3 给出了电钻的参数，是当前世界上该种电动钻具电机唯一的一家制造商。电动机主 轴
【参考文献】：
期刊论文
[1]永磁同步电机永磁体分块对涡流损耗的影响分析[J]. 刘朋鹏,张琪,何彪,黄苏融,陈世军. 电机与控制应用. 2018(06)
[2]井下动力钻具旋转钻井技术[J]. 孙志和. 石油钻采工艺. 2017(05)
[3]基于改进遗传算法的表贴式永磁同步电机优化设计[J]. 周汉秦,黄晓艳,方攸同. 微电机. 2017(05)
[4]基于混合遗传算法的内置式永磁同步电机的优化设计[J]. 王艾萌,温云. 电机与控制应用. 2017(03)
[5]井下动力钻具的现状与发展[J]. 曹林云,毕磊. 中国石油石化. 2016(23)
[6]永磁游标电机的研究现状与最新进展[J]. 林鹤云,张洋,阳辉,房淑华,黄允凯. 中国电机工程学报. 2016(18)
[7]容错式永磁游标电机关键参数分析及实验研究[J]. 徐亮,刘国海,赵文祥,吉敬华,张步峰. 中国电机工程学报. 2016(18)
[8]电机使用在钻井过程中的重要性[J]. 高俊海. 黑龙江科技信息. 2016(07)
[9]高速永磁电机的损耗计算与温度场分析[J]. 孔晓光,王凤翔,邢军强. 电工技术学报. 2012(09)
[10]基于改进遗传算法的微型电动车轮毂电机优化设计[J]. 陈齐平,舒红宇,任凯,陈里敏,陈博,谢安源. 中南大学学报(自然科学版). 2012(08)
博士论文
[1]新型磁场调制型永磁电机的拓扑结构、建模与设计[D]. 印欣.浙江大学 2017
[2]新型永磁游标风力发电机设计与分析研究[D]. 张洋.东南大学 2016
[3]有杆采油泵低速大转矩永磁电动机直驱技术研究[D]. 王帅.沈阳工业大学 2016
[4]磁场调制型永磁齿轮与低速电机的研究[D]. 王利利.浙江大学 2012
硕士论文
[1]低速大转矩永磁同步电机设计与热计算[D]. 刘旺.沈阳工业大学 2018
[2]电动汽车轮毂电机用磁场调制永磁游标电机设计与研究[D]. 王远喆.浙江大学 2018
[3]井下电动钻具的力学性能研究[D]. 王素玲.西南石油大学 2017
[4]轴向磁通磁场调制永磁电机的设计与分析[D]. 张芮.华中科技大学 2017
[5]新型井下动力钻具的模拟分析与设计[D]. 马宇.吉林大学 2016
[6]表贴式与内嵌式永磁容错游标电机的设计与对比分析[D]. 陈鸣.江苏大学 2016
[7]俄罗斯油气井井下电动钻具翻译实践报告[D]. 王志鹏.中国石油大学(华东) 2016
[8]抽油机直驱用低速大转矩永磁电机及其控制系统研究[D]. 王帅.沈阳工业大学 2010
[9]无齿轮石油钻探泥浆泵用永磁同步电动机研究[D]. 孙亮.沈阳工业大学 2009
[10]基于遗传算法的中小型同步电机优化设计[D]. 于力.湖南大学 2007
本文编号：3407257
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电动钻具钻井示意图
疆和乌克兰西部的使用效果很好。动钻具比其它井下动力钻具更适合于复杂岩石地质条件，独联体国家在支井以及重钻井液环境下使用电动钻具带来很好的经济效益[15]。电动钻用重泥浆、堵漏剂，使得其钻机月速度高于转盘钻具和涡流钻具。阿塞公司使用电动钻具开采一个丛式井组，其钻机月速度提高了 67%。共03 m）钻机月速度比转盘钻高了 80%。叶弗列莫夫油田打 5203 m 的深.5~2.5 个月，时间成本大大降低[16]。纳德瓦尔钻井管理局在一些直井和000 m 井段投入使用电动钻具，发现机械钻速提升至 2~4 倍，单只钻头了 5~9 倍[3]。通过技术经济研究报告可知：同样的开采条件下，电动钻和转盘钻具相比，机械钻速和钻头进尺平均提升了 16~18%。在成本费尺平均低了 10~15%，平均每口井降低 33~50%[17]。电动钻具与转盘钻具机械速度及对比如图 1-3 所示。
巴什科尔托斯坦（俄罗斯） 2300 1000 100%表 1-2 1997-2005 年电钻钻井数[7]钻井地区年代1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005乌克兰 5.8 5.3 6.0 9.7 7.1 9.2 11.1 11.0 11.0巴什科尔托斯坦 57.6 38.2 40.2 29.0 45.8 40.5 40.2 40.0 45.1土库曼斯坦 56.0 50.0 55.3 61.0 62.3 64.0 64.5 62.8 54.0如图 1-4 所示，乌克兰哈尔科夫的 Plant Potencial 联合股份公司所生产的电动钻具电机是一种潜水式异步电动机。图 1-5 为电动钻具总成示意图，注入电机内腔的变压器油可以有效防止井下液体透过密封填料渗入电动机，补偿器的作用是让腔内油压高于流经电动钻具的液体压强约 0.2-0.3MPa。表 1-3 给出了电钻的参数，是当前世界上该种电动钻具电机唯一的一家制造商。电动机主 轴
【参考文献】：
期刊论文
[1]永磁同步电机永磁体分块对涡流损耗的影响分析[J]. 刘朋鹏,张琪,何彪,黄苏融,陈世军. 电机与控制应用. 2018(06)
[2]井下动力钻具旋转钻井技术[J]. 孙志和. 石油钻采工艺. 2017(05)
[3]基于改进遗传算法的表贴式永磁同步电机优化设计[J]. 周汉秦,黄晓艳,方攸同. 微电机. 2017(05)
[4]基于混合遗传算法的内置式永磁同步电机的优化设计[J]. 王艾萌,温云. 电机与控制应用. 2017(03)
[5]井下动力钻具的现状与发展[J]. 曹林云,毕磊. 中国石油石化. 2016(23)
[6]永磁游标电机的研究现状与最新进展[J]. 林鹤云,张洋,阳辉,房淑华,黄允凯. 中国电机工程学报. 2016(18)
[7]容错式永磁游标电机关键参数分析及实验研究[J]. 徐亮,刘国海,赵文祥,吉敬华,张步峰. 中国电机工程学报. 2016(18)
[8]电机使用在钻井过程中的重要性[J]. 高俊海. 黑龙江科技信息. 2016(07)
[9]高速永磁电机的损耗计算与温度场分析[J]. 孔晓光,王凤翔,邢军强. 电工技术学报. 2012(09)
[10]基于改进遗传算法的微型电动车轮毂电机优化设计[J]. 陈齐平,舒红宇,任凯,陈里敏,陈博,谢安源. 中南大学学报(自然科学版). 2012(08)
博士论文
[1]新型磁场调制型永磁电机的拓扑结构、建模与设计[D]. 印欣.浙江大学 2017
[2]新型永磁游标风力发电机设计与分析研究[D]. 张洋.东南大学 2016
[3]有杆采油泵低速大转矩永磁电动机直驱技术研究[D]. 王帅.沈阳工业大学 2016
[4]磁场调制型永磁齿轮与低速电机的研究[D]. 王利利.浙江大学 2012
硕士论文
[1]低速大转矩永磁同步电机设计与热计算[D]. 刘旺.沈阳工业大学 2018
[2]电动汽车轮毂电机用磁场调制永磁游标电机设计与研究[D]. 王远喆.浙江大学 2018
[3]井下电动钻具的力学性能研究[D]. 王素玲.西南石油大学 2017
[4]轴向磁通磁场调制永磁电机的设计与分析[D]. 张芮.华中科技大学 2017
[5]新型井下动力钻具的模拟分析与设计[D]. 马宇.吉林大学 2016
[6]表贴式与内嵌式永磁容错游标电机的设计与对比分析[D]. 陈鸣.江苏大学 2016
[7]俄罗斯油气井井下电动钻具翻译实践报告[D]. 王志鹏.中国石油大学(华东) 2016
[8]抽油机直驱用低速大转矩永磁电机及其控制系统研究[D]. 王帅.沈阳工业大学 2010
[9]无齿轮石油钻探泥浆泵用永磁同步电动机研究[D]. 孙亮.沈阳工业大学 2009
[10]基于遗传算法的中小型同步电机优化设计[D]. 于力.湖南大学 2007
本文编号：3407257
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlidianqilunwen/3407257.html
