永磁力矩電機(jī)在油氣鉆采井下工具中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

黎 偉，鄧 瑯，鄒 星，夏 楊，陳 曦

（1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué) 石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；3.西南石油大學(xué) 能源裝備研究院，四川 成都 610500）

永磁力矩電機(jī)是永磁同步電機(jī)的一種，采用稀土永磁材料的永磁同步電機(jī)很多高端產(chǎn)品出現(xiàn)在國(guó)防、油氣井開(kāi)發(fā)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活等諸多領(lǐng)域，得到了非常廣泛的應(yīng)用[1-3]。對(duì)于井下需要轉(zhuǎn)矩密度大、功率因數(shù)高的系統(tǒng)，低速大轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)依然采用傳統(tǒng)思路“感應(yīng)式異步電機(jī)+井下減速機(jī)構(gòu)”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，造成電機(jī)本體結(jié)構(gòu)體積較大，不利于井下封裝工藝實(shí)施[4-5]。當(dāng)前永磁力矩電機(jī)在井下智能工具領(lǐng)域的應(yīng)用較少，主要原因是受溫度場(chǎng)和散熱方面研究的影響，這直接影響電機(jī)效率、使用壽命及運(yùn)行的可靠性。采用釹鐵硼永磁材料的稀土永磁電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)相比，電機(jī)的熱穩(wěn)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(fù)載范圍內(nèi)可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更為顯著。永磁力矩電機(jī)在超低速直驅(qū)技術(shù)領(lǐng)域有迫切的市場(chǎng)需求和廣闊的發(fā)展前景，這一技術(shù)在抽油機(jī)上已有近15 年的應(yīng)用；2016 年，加拿大KUDU 公司研發(fā)了一種井下潛油直驅(qū)螺桿泵，潛油電機(jī)被設(shè)計(jì)成細(xì)長(zhǎng)軸結(jié)構(gòu)，它可以在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院結(jié)合油井實(shí)際生產(chǎn)需求，對(duì)用于螺桿泵的井下低速電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)展開(kāi)近10 年的研究和試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)“5-1/2”套管電潛螺桿泵無(wú)桿采油[6-8]。永磁力矩電機(jī)作為潛油電機(jī)在井下工具領(lǐng)域的應(yīng)用起步較晚，大多數(shù)還停留在理論研究階段，沒(méi)有太多成熟的參考依據(jù)和工程實(shí)踐，因此，永磁力矩電機(jī)作為潛水或潛油電機(jī)在煤礦、石油井下的應(yīng)用還有待更進(jìn)一步研究。

本文基于前人的研究成果，結(jié)合現(xiàn)有油氣鉆采工藝技術(shù)及實(shí)際生產(chǎn)需求，對(duì)永磁力矩電機(jī)作為井下驅(qū)動(dòng)電機(jī)在井下工具領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)，并根據(jù)油氣井下環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，提出該類(lèi)電機(jī)在井下工具驅(qū)動(dòng)中的主要瓶頸問(wèn)題，同時(shí)以此為依據(jù)探討油氣井下永磁力矩電機(jī)的主要研究方向及發(fā)展趨勢(shì)，為油氣鉆采井下工具的設(shè)計(jì)研究提供一種新思路。

1 永磁力矩電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

永磁力矩電機(jī)用永磁體代替了電勵(lì)磁，從而省去了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)與電刷，其定子電流與繞線式同步電機(jī)基本相同。定子主要包括電樞鐵心和三相對(duì)稱(chēng)電樞繞組，繞組嵌放在鐵心的槽中；轉(zhuǎn)子主要由永磁體、導(dǎo)磁軛和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。永磁體貼在導(dǎo)磁軛上，圓筒形導(dǎo)磁軛套在轉(zhuǎn)軸上。永磁力矩電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示[9]。

圖1 永磁力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of the permanent magnet torque motor

工作原理：電樞繞組中通過(guò)對(duì)稱(chēng)的三相電流時(shí)，定子將產(chǎn)生一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速推移的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在穩(wěn)態(tài)情況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒為磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速。于是定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的永磁體產(chǎn)生的主極磁場(chǎng)保持靜止，它們之間相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速就會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)，如果通過(guò)傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，根據(jù)轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)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(huì)產(chǎn)生連續(xù)的轉(zhuǎn)矩作用到轉(zhuǎn)子上[10]。

2 永磁力矩電機(jī)在油氣鉆采井下工具中的應(yīng)用

2.1 井下智能滑套

近年來(lái)，為了提高油氣藏的產(chǎn)量和采收率，節(jié)約生產(chǎn)成本，將RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)應(yīng)用到滑套當(dāng)中以突破滑套開(kāi)關(guān)啟動(dòng)頻繁的技術(shù)瓶頸，純電動(dòng)智能滑套開(kāi)始迅速發(fā)展[11]。對(duì)于水平井，應(yīng)用純電動(dòng)智能滑套通過(guò)地面打壓操作就能實(shí)現(xiàn)分層開(kāi)采作業(yè)，降低了應(yīng)用管柱和油管作業(yè)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，它的突出優(yōu)點(diǎn)是安全、省時(shí)、省錢(qián)，并且優(yōu)化了壓裂段數(shù)受限和作業(yè)量大等缺陷。如圖2所示，純電動(dòng)智能滑套的基本結(jié)構(gòu)主要由天線、電控區(qū)域、電源區(qū)域、力矩電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、內(nèi)滑套和外套筒等部件組成[12-13]。其中電源區(qū)域采用存儲(chǔ)鋰電池的方式供電，以永磁力矩電機(jī)作為滑套的動(dòng)力源，電機(jī)轉(zhuǎn)軸采用空心軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并將其封裝在滑套開(kāi)關(guān)部分的內(nèi)部。為便于把電機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成滑套的直線運(yùn)動(dòng)，電機(jī)與內(nèi)滑套之間采用絲杠傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞，此時(shí)絲杠傳動(dòng)軸與內(nèi)滑套螺紋連接組合成絲杠螺母機(jī)構(gòu)。當(dāng)需要控制某目標(biāo)層位的滑套啟閉時(shí)，只需要通過(guò)地面投球器投入相應(yīng)的指令球，天線在接收到指令球信號(hào)后迅速傳遞到控制面板，然后控制面板發(fā)出控制信號(hào)，采用變頻調(diào)速的方式控制電機(jī)轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)對(duì)滑套行程的控制。此外，純電動(dòng)智能滑套的性能比傳統(tǒng)的常規(guī)滑套和Weatherford 公司研發(fā)的液控滑套優(yōu)越，作業(yè)效果更加明顯，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益更為顯著。

圖2 RFID 通信控制—電機(jī)驅(qū)動(dòng)式滑套結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of the motor driven sliding sleeve with RFID communication control

采用永磁力矩電機(jī)安裝在智能滑套上，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置來(lái)判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，逆變器輸出電壓頻率與轉(zhuǎn)速同步變化，從根本上消除失步現(xiàn)象，保證力矩電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，從而使智能滑套無(wú)擾動(dòng)的穩(wěn)定移動(dòng)。同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速始終與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速保持一致，與異步電機(jī)相比無(wú)轉(zhuǎn)差率損耗，轉(zhuǎn)子沒(méi)有勵(lì)磁損耗[14]。與此同時(shí)，直驅(qū)永磁力矩電機(jī)直驅(qū)技術(shù)特別符合智能滑套的低轉(zhuǎn)速、大扭矩要求，可以省略減速器，直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。現(xiàn)在采用這種技術(shù)的永磁同步曳引機(jī)在電梯上廣泛應(yīng)用，并且可以實(shí)現(xiàn)從零速到額定轉(zhuǎn)速的連續(xù)變速，這將成為未來(lái)智能滑套驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 井下封隔器

目前，機(jī)械采油常用的封隔器主要有擴(kuò)張式和壓縮式2 種類(lèi)型[15]，都是通過(guò)控制膠筒來(lái)封隔油管和套管實(shí)現(xiàn)油氣分層，從而完成一系列井下作業(yè)。如圖3 所示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)式井下封隔器的基本結(jié)構(gòu)主要由限位裝置、防突裝置、管狀件、滑套、力矩電機(jī)、膠筒等部件組成[16]。其中永磁力矩電機(jī)的空心轉(zhuǎn)軸套在管狀件上，而滑套套設(shè)在空心轉(zhuǎn)軸上并與空心轉(zhuǎn)軸形成螺紋連接，滑套左端連接防突裝置。當(dāng)封隔器進(jìn)行脹封及密封作業(yè)時(shí)，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，此時(shí)電機(jī)的空心轉(zhuǎn)軸與滑套的螺紋連接促使滑套向左運(yùn)動(dòng)，而防突裝置在外力作用下將軸向移動(dòng)壓縮膠筒，迫使膠筒受壓徑向擴(kuò)張與套管緊密接觸，從而密封套管；當(dāng)不需要對(duì)套管進(jìn)行封隔或解封時(shí)，控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，此時(shí)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(tài)，膠筒恢復(fù)原狀，解除環(huán)空密封。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)式井下封隔器的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of the motor driven down-hole packer

對(duì)于高溫高壓復(fù)雜深井作業(yè)時(shí)，由于封隔器具有較好的密封性和耐久性，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以很好地封裝在其內(nèi)部，通過(guò)地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或儀器儀表對(duì)電驅(qū)動(dòng)封隔器在井下的電壓、電流、壓力和溫度等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)永磁力矩電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)，空心軸電機(jī)通過(guò)螺旋傳動(dòng)帶動(dòng)支撐桿伸縮，實(shí)現(xiàn)膠筒的脹封與解封[17-18]。因此，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)可以較好地控制封隔器狀態(tài)，能有效降低和避免井下事故的風(fēng)險(xiǎn)。此外，螺旋傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)自鎖和精密位移，這對(duì)封隔器的工作性能大有裨益。因此，合理設(shè)計(jì)井下工具的結(jié)構(gòu)對(duì)油氣藏開(kāi)采工藝有著至關(guān)重要的影響。

2.3 井下配水器

對(duì)于低壓、低產(chǎn)、低滲透的非常規(guī)油氣井開(kāi)發(fā)，采用水驅(qū)開(kāi)發(fā)的方式以提高油氣藏的單井產(chǎn)量和采收率，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)的目的[19]。目前，國(guó)內(nèi)外油田的注水工藝經(jīng)歷了固定式、偏心投撈式和電纜測(cè)調(diào)式三個(gè)階段的分層注水技術(shù)，正朝著智能精細(xì)分層注水工藝技術(shù)方向發(fā)展[20]。其基本思路是在地面配置智能注射檢測(cè)系統(tǒng)和井下采用電控式配水器，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控對(duì)井下流量進(jìn)行智能控制，完成地面和井下數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下各層注水量的自動(dòng)調(diào)試，但在井下智能檢測(cè)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(zhàn)。

井下智能配水器是一個(gè)機(jī)電液一體化的系統(tǒng)，它通過(guò)控制電機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)水嘴開(kāi)度大小以實(shí)現(xiàn)對(duì)注水流量的控制。如圖4 所示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)式井下配水器的基本結(jié)構(gòu)主要由上接頭、堵頭、密封圈、配水器主體、控制電路、力矩電機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸、調(diào)節(jié)水嘴等部件組成[21-24]。其結(jié)構(gòu)體內(nèi)部有一個(gè)密閉的常壓腔用于安裝電機(jī)及其電控系統(tǒng)，也是采用永磁力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絲杠螺母組件改變固有的運(yùn)動(dòng)方式來(lái)調(diào)節(jié)水嘴的過(guò)流面積。在進(jìn)行水驅(qū)開(kāi)發(fā)作業(yè)時(shí)，將配水器隨管柱下入到井中目標(biāo)層位，當(dāng)鉆井泵提供的注入液經(jīng)過(guò)配水器主體內(nèi)部的渦輪流量計(jì)，此時(shí)將產(chǎn)生渦輪轉(zhuǎn)速與流量成正比的電信號(hào)，而后信號(hào)發(fā)生器將信號(hào)傳遞給控制電路以控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)水嘴的過(guò)流面積，實(shí)現(xiàn)對(duì)注水層配注量的調(diào)節(jié)。選擇的精密微型永磁電機(jī)有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，絲杠螺母為便于傳動(dòng)的梯形螺紋，能有效將電機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)化為較大的軸向推力，但配水器在進(jìn)行水驅(qū)作業(yè)時(shí)，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在作業(yè)過(guò)程中存在動(dòng)密封，在高溫高壓的復(fù)雜環(huán)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(huì)隨著溫升而迅速衰減，因此施工人員的操作風(fēng)險(xiǎn)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(zhì)的排放量。如今許多應(yīng)用中都能看到燃料電池的身影，非接觸式供電利用電磁場(chǎng)、電磁波的傳播特性實(shí)現(xiàn)電源無(wú)線傳遞到負(fù)載，但是目前這兩種技術(shù)在油氣井下并不具備技術(shù)可行性和較高的安全性，還有待繼續(xù)探索[25]。

圖4 井下配水器結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram of the down-hole water flow regulator

2.4 井下防噴器

在石油鉆井過(guò)程中，井下防噴器是保障油氣井開(kāi)發(fā)安全的重要裝置。目前，根據(jù)防噴器的功能和形狀有閘板防噴器、環(huán)形防噴器和旋轉(zhuǎn)防噴器3 種類(lèi)型[26]。此外，這3 種類(lèi)型的防噴器可以根據(jù)不同的工況要求而采取不同的組合方式進(jìn)行密封。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外井下防噴器技術(shù)和設(shè)備已能夠滿(mǎn)足大通徑和耐高壓的特點(diǎn)，但在作業(yè)過(guò)程中還存在頻繁起下鉆和對(duì)井型井段適應(yīng)性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，通常油氣田生產(chǎn)所用到的防噴器系統(tǒng)是一套復(fù)合的電液控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是深層鉆井的控制信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，響應(yīng)速度快[27-28]。

如圖5 所示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)式井下防噴器的基本結(jié)構(gòu)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(jī)、絲桿機(jī)構(gòu)、壓縮筒和膠筒等部件組成[29-30]。用于套管井的電機(jī)驅(qū)動(dòng)式井下環(huán)空防噴器，它利用電機(jī)的輸出扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)防噴和解鎖功能，對(duì)井段井型的適應(yīng)性較好，確保整個(gè)鉆井過(guò)程的連續(xù)、安全和可靠。其電機(jī)采用大扭矩的永磁力矩電機(jī)，并通過(guò)矩形彈簧進(jìn)行軸向固定，轉(zhuǎn)子與空心傳動(dòng)軸相嚙合或者直接采用杯型轉(zhuǎn)子，電機(jī)外殼與外套筒嵌套成一體，絲桿機(jī)構(gòu)左端與電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行螺紋連接或直接嚙合，且絲桿機(jī)構(gòu)與壓縮筒采用螺紋連接，壓縮筒與中心筒上均開(kāi)設(shè)有循環(huán)孔。當(dāng)鉆井作業(yè)正常工作時(shí)，永磁力矩電機(jī)不工作，鉆桿實(shí)現(xiàn)正常的鉆井作業(yè)；當(dāng)通過(guò)壓力傳感器監(jiān)測(cè)到井下有溢流、井噴或井涌等異?，F(xiàn)象發(fā)生時(shí)，井下信號(hào)發(fā)生器將信號(hào)傳遞給地面控制中心，再由地面發(fā)出聲波信號(hào)控制井下電機(jī)正轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)利用螺旋傳動(dòng)改變傳動(dòng)方式推動(dòng)壓縮筒向右移動(dòng)，以同時(shí)密封鉆桿內(nèi)環(huán)空和鉆桿外環(huán)空，從而實(shí)現(xiàn)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(shí)，控制電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)解鎖，并恢復(fù)正常作業(yè)。由于杯型轉(zhuǎn)子沒(méi)有鐵心，從而使電機(jī)的動(dòng)能損耗降低，其結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致電機(jī)的整體運(yùn)載特性得到提高，控制靈敏度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。在深層鉆井過(guò)程中，由于深地層環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，鉆柱工作在高溫高壓、重載和腐蝕的條件下，傳統(tǒng)的地面控制元件、控制電纜和控制技術(shù)并無(wú)法直接應(yīng)用于井下，這也是井下控制問(wèn)題的難度，但是隨著井下控制理論和技術(shù)創(chuàng)新的不斷深入發(fā)展，當(dāng)遇到不可預(yù)知的隨機(jī)因素時(shí)，采用井下防噴器更有利于井控作業(yè)，有效降低工作風(fēng)險(xiǎn)以及防止環(huán)境污染[31-32]。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)式井下防噴器結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure diagram of the motor driven down-hole blowout preventer

3 永磁力矩電機(jī)在井下工具驅(qū)動(dòng)中的瓶頸

由永磁力矩電機(jī)在油氣鉆采幾種典型井下工具的應(yīng)用分析可知，對(duì)比傳統(tǒng)異步電機(jī)，永磁力矩電機(jī)在井下智能滑套、封隔器、配水器、防噴器等的應(yīng)用可以有效減輕電機(jī)裝機(jī)載荷，降低機(jī)械采油裝機(jī)功率，且對(duì)負(fù)載擾動(dòng)具有較強(qiáng)的魯棒性。目前永磁力矩電機(jī)在井下工具驅(qū)動(dòng)中還存在以下幾個(gè)主要瓶頸問(wèn)題：

①磁功率效率低 因空心軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致其磁功率效率較低，若增加輸出扭矩，只能增加電機(jī)長(zhǎng)度，而電機(jī)過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致工具下井困難。且永磁電機(jī)的繞組制造工藝復(fù)雜，空心杯型電機(jī)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(chǎng)在空間分布形式復(fù)雜且不均勻，工作效率在85%左右。因此在保證電機(jī)氣隙磁通密度的情況下，適當(dāng)增加電機(jī)長(zhǎng)度可以減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使之制動(dòng)性能好，響應(yīng)速度快，有利于電機(jī)的控制。采用分段式永磁體或內(nèi)置永磁體分層分段的轉(zhuǎn)子磁路設(shè)計(jì)可以提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和抗退磁能力，增加機(jī)械強(qiáng)度，抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[33-34]。井下電機(jī)工作環(huán)境惡劣，結(jié)構(gòu)尺寸受限，控制電纜沒(méi)有技術(shù)性保障，這給電機(jī)增加了使用難度，稍有差池，都會(huì)造成井下事故或價(jià)值昂貴的精密電機(jī)損壞。

② 耐高溫高壓能力弱 永磁力矩電機(jī)一般封裝在一個(gè)密閉的常壓腔內(nèi)，導(dǎo)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(huán)境下，油管尺寸給電機(jī)選型和電磁設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的限制，如何減少或防止電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體熱退磁氧化，導(dǎo)致矯頑力下降方面還有待繼續(xù)改進(jìn)和完善。井下電機(jī)內(nèi)部壓力最高達(dá)140 MPa，其控制系統(tǒng)的電子元器件工作在極端環(huán)境下，任何一個(gè)元器件的損壞都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)徹底失效或崩潰，從而使整個(gè)電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性降低。此外，用于測(cè)井的井下儀器儀表必須具備良好的耐高溫高壓性能，經(jīng)過(guò)多次嚴(yán)格測(cè)試驗(yàn)證后才能應(yīng)用于井下，必須對(duì)影響作業(yè)質(zhì)量高低的井下電機(jī)的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)和控制元件嚴(yán)格要求。

③電源可靠性低 當(dāng)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(qū)電纜和井下渦輪發(fā)電機(jī)三種?，F(xiàn)有技術(shù)多以存儲(chǔ)電池驅(qū)動(dòng)為主，功率較低，總工作時(shí)長(zhǎng)有限，且溫度限制在180℃。由于深層鉆井的特殊性和復(fù)雜性，密封是難點(diǎn)，蓄電池的容量和壽命會(huì)隨著腔內(nèi)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(lái)，在高壓和高溫環(huán)境下為智能井下工具提供動(dòng)力的最實(shí)用且最有前途的解決方案是渦輪發(fā)電機(jī)，它通過(guò)渦輪將鉆井液的能量轉(zhuǎn)換成電能，使電能穩(wěn)定輸出，在高溫高壓環(huán)境下更加可靠，非常適用于深井作業(yè)。通過(guò)地面電纜直驅(qū)給井下供電有很多優(yōu)點(diǎn)，但是技術(shù)難度比較高，井下電纜容易腐蝕和損壞，施工人員操作風(fēng)險(xiǎn)也比較高。

④ 研發(fā)成本高 由于永磁電機(jī)的繞組加工裝配工藝復(fù)雜，安裝在轉(zhuǎn)子上的永磁體用量大，電機(jī)工作在極端環(huán)境下的深地層或復(fù)雜地層，必須使用高居里溫度和磁性能優(yōu)異的永磁材料，且對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性要求較高，因此永磁電機(jī)較傳統(tǒng)的有刷電機(jī)，價(jià)格貴了近10 倍，限制了廣泛使用。以前永磁同步電機(jī)主要應(yīng)用在航空航天、軍事、電動(dòng)汽車(chē)、精密儀器等追求高性能的尖端領(lǐng)域，忽略了價(jià)格或價(jià)格不是主要的考慮因素；現(xiàn)在伴隨著全世界能源危機(jī)、環(huán)境破壞等問(wèn)題，永磁同步電機(jī)因其卓越的性能必然成為未來(lái)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，越來(lái)越多的學(xué)者從事永磁同步電機(jī)的研發(fā)工作，逐漸開(kāi)始向工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活等民用領(lǐng)域發(fā)展。

4 發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)永磁力矩電機(jī)的直驅(qū)技術(shù)備受關(guān)注，這一技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電和電動(dòng)汽車(chē)的輪轂電機(jī)等領(lǐng)域。通過(guò)對(duì)永磁力矩電機(jī)在油氣鉆采井下工具中的應(yīng)用分析總結(jié)，永磁力矩電機(jī)在智能滑套、封隔器、配水器的應(yīng)用主要考慮電機(jī)的傳動(dòng)效率和輸出轉(zhuǎn)矩；在井下防噴器的應(yīng)用主要考慮電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和響應(yīng)速度。對(duì)于井下電機(jī)，人們對(duì)低速大扭矩永磁直驅(qū)電機(jī)的相關(guān)研究較少，主要原因是力矩電機(jī)在低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大，體積較大，安裝和維護(hù)受限，對(duì)產(chǎn)品規(guī)格和性能指標(biāo)都要求較高，嚴(yán)重制約了其在石油、煤礦等強(qiáng)魯棒性領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。針對(duì)永磁力矩電機(jī)在井下工具驅(qū)動(dòng)中的瓶頸與不可替代的優(yōu)勢(shì)，本文對(duì)其在井下智能工具領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行歸納。

a.增加永磁電機(jī)單位長(zhǎng)度輸出力矩?？蓮囊韵路矫骈_(kāi)展研究：①研發(fā)高溫超導(dǎo)材料以增加勵(lì)磁場(chǎng)磁性；② 發(fā)現(xiàn)或研發(fā)新型強(qiáng)磁材料以增加轉(zhuǎn)子永磁體磁性；③優(yōu)化鐵心材料；④ 采用油氣井內(nèi)耐流體介質(zhì)沖泡的電機(jī)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；⑤ 優(yōu)化勵(lì)磁控制方案設(shè)計(jì)。

b.永磁電機(jī)耐高溫設(shè)計(jì)。永磁電機(jī)的高溫可靠性主要受永磁體材料和控制元器件影響。發(fā)現(xiàn)或研發(fā)新型耐高溫永磁材料以降低永磁體熱退磁氧化；研發(fā)新型耐高溫電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制元器件。

c.電源優(yōu)化設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有井下工具用永磁電機(jī)多以存儲(chǔ)電池或線纜直驅(qū)為主，未來(lái)井下電源可從以下三方面著手：①研發(fā)耐高溫、長(zhǎng)壽命、高能量密度的存儲(chǔ)電池；② 設(shè)計(jì)便于直驅(qū)的耐腐蝕、耐高溫、快速插接的直驅(qū)電纜和濕接頭；③探索耐腐蝕、耐高溫、長(zhǎng)壽命、高可靠性的井下發(fā)電技術(shù)。

d.降低成本。發(fā)現(xiàn)或研發(fā)優(yōu)質(zhì)廉價(jià)的高溫超導(dǎo)材料、新型永磁材料和控制元器件，以降低永磁電機(jī)綜合成本。

e.朝著智能化、微型化、精密型方向發(fā)展。井下電機(jī)要向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、重量減輕、尺寸減小的方向加以改進(jìn)，才能滿(mǎn)足井下工況需求，尋求到更廣闊的市場(chǎng)。