CN102587827A - 井下马达或泵部件及其制造方法以及具有该部件的井下马达 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种井下马达或泵部件及其制造方法以及具有该部件的井下马达，其中螺杆泵或马达包括具有纵向孔的定子和可转动地设置在定子的纵向孔内的转子。转子包括转子芯和结合到转子芯的外表面上的由弹性材料形成的弹性外层。在转子在定子的纵向孔内转动时，弹性外层可密封地连接转子的外表面和定子上的螺旋构型。

Description

井下马达或泵部件及其制造方法以及具有该部件的井下马达
背景技术
井下马达(俗称“泥浆马达”)是用来在钻井操作中回转钻头的大功率发生器。井下马达通常通过诸如泥浆的钻井液来供能，钻井液也用来润滑钻柱并将碎块和颗粒物质运输离开井眼。
井下马达可用作正排量马达(PDM)，其中被泵送经过内部的钻井液将液压能转换成机械能以使钻头回转，其应用在钻井中。正排量马达通过马达内部的一组腔的前进来推进钻井液。正排量马达通常包括布置在定子内的螺旋转子，转子在转动时相对于定子紧密地密封以在两者之间形成一组腔。随着转子在定子内转动，腔运动且腔内的钻井液被泵送经过组件。
发明内容
示例性实施方式提供了井下马达或泵部件、结合示例性井下马达或泵部件的井下马达以及制造示例性井下马达或泵部件的方法。
根据一种示例性实施方式，提供一种制造螺杆马达转子的方法。该方法包括提供限定腔的模具，该腔的腔表面形状具有与金属转子主体的外表面形状互补的构型，模具的腔的直径大于转子主体的最外直径。该方法包括将转子主体的第一部分定位在模具的腔内，在模具的腔表面和转子主体的第一部分的外表面之间形成的空间中提供弹性材料，以及在将弹性材料结合到转子主体的第一部分的过程中限制模具的膨胀。
所述方法还包括增加模具的腔中的温度和压力使得弹性材料采取转子主体的第一部分的外表面的形状。所述方法可包括向转子主体的第一部分的外表面应用粘合剂材料以增强弹性材料到转子主体的第一部分的外表面的结合和/或使用等离子结合增强弹性材料到转子主体的第一部分的结合。
所述方法还包括使用附加于模具至少一端的端帽将转子主体对中在模具的腔内。所述方法可包括使用液压机围绕转子主体的第一部分夹紧模具。所述方法可以包括使用低热膨胀夹紧机构围绕转子主体的第一部分夹紧模具以将模具固定就位。使用热源提高模具的腔内的温度以引起转子主体和弹性材料膨胀，同时保持对模具膨胀的限制，转子主体和弹性材料相对于夹紧机构的膨胀引起模具中的压力增加。使用模具中增加的温度加上增加的压力，弹性材料层可固化到转子主体的第一部分上。热源可发射红外辐射和/或紫外辐射的任何波长。
可通过将弹性材料注射到模具的腔表面和转子主体的第一部分的外表面之间的空间中来设置弹性材料。可通过利用弹性材料层覆盖转子主体的第一部分来设置弹性材料。弹性材料层可以是管或者片的形式。
所述方法可包括在所述弹性材料结合到转子主体的第一部分的过程中或者之后，经过转子主体向弹性材料施加真空。
在一种示例性实施方式中，转子主体的第一部分构成转子主体的整个长度。在另一种示例性实施方式中，转子的第一部分的长度比转子主体的整个长度短。模具的长度可比转子主体的整个长度短。
所述方法还可以包括将转子主体的第二部分定位在模具的腔内，在模具的腔表面与转子主体的所述第二部分的外表面之间形成的空间中提供弹性材料，并在将弹性材料结合到转子主体的第二部分的过程中限制模具的膨胀。在将转子主体的第二部分定位在模具的腔内之前，可沿着转子主体的长度将模具从第一部分重新定位到第二部分。在将转子主体的第二部分定位在模具的腔内之前，模具可重新定位在模具的腔内使得转子主体的第二部分与腔的腔表面形状的表面对准。
在一种示例性实施方式中，模具可与转子主体的第一部分和第二部分重叠。在另一种示例性实施方式中，模具不与转子主体的第一部分和第二部分重叠。
根据另一示例性实施方式，提供一种螺杆驱动部件。该螺杆驱动部件包括能够可转动地定位在第二螺杆驱动部件的纵向孔内的第一螺杆驱动部件。第一螺杆驱动部件包括：金属轴，其具有形成在金属轴的外表面上的与第二螺杆驱动部件的螺旋表面构型互补的第一螺旋构型，和结合到所述金属轴的弹性材料形成的弹性外层，该弹性材料至少在其玻璃转变温度和大约250℃之间的温度范围上保持弹性。弹性材料的玻璃转变温度的范围可在大约30℃和大约150℃之间。在一种示例性实施方式中，弹性材料可在其玻璃转变温度以下保持弹性。
弹性外层能够在第一螺杆驱动部件在第二螺杆驱动部件的纵向孔内转动时将第一螺杆驱动部件的第一螺旋构型可密封地连接到第二螺杆驱动部件的第二螺旋构型。
第一螺杆驱动部件可包括设置在金属轴和所述弹性外层之间以增强弹性外层到金属轴的结合的粘合剂层。使用等离子结合可增强弹性外层到金属轴的结合。
在一种示例性实施方式中，弹性外层邻近金属轴的外表面均匀地设置。在另一种示例性实施方式中，弹性外层邻近金属轴的外表面不均匀地设置。
在一种示例性实施方式中，第一螺杆驱动部件的金属轴包括中空金属芯。在另一种示例性实施方式中，第一螺杆驱动部件的金属轴包括实心金属芯。
第二螺杆驱动部件可包括具有纵向孔的管状结构，纵向孔的内部孔表面具有第一螺旋构型。在一种示例性实施方式中，管状结构是金属的。
在一种示例性实施方式中，第一螺杆驱动部件是转子，第二螺杆驱动部件是定子。
根据另一示例性实施方式，提供一种用于将弹性材料结合到螺杆马达转子时使用的螺杆马达转子模具。该模具包括具有与螺杆马达转子的外螺旋表面互补的内螺旋表面的腔，以及用于在弹性材料结合到转子主体的过程中限制模具膨胀的低热膨胀限制机构。
所述模具可包括用于沿着模具的纵向轴线轴向定位螺杆马达转子的纵向轴线的定位机构。
所述模具可包括用于将弹性材料引入到模具的腔中的孔。
所述模具可包括用于提高模具的腔内的温度以引起弹性材料结合到螺杆马达转子的热源。
根据又一示例性实施方式，提供用于钻井的系统或者井下工具。该系统或工具包括：第一螺杆驱动部件，其具有纵向孔和沿着第一螺杆驱动部件的内表面的选定长度延伸的至少一个向内径向伸出的凸角；和第二螺杆驱动部件，其能够可转动地定位在第一螺杆驱动部件的纵向孔内。第二螺杆驱动部件包括：金属轴，其具有沿着金属轴的外表面的选定长度延伸的至少一个向外径向伸出的凸角，该凸角与所述第一螺杆驱动部件的至少一个向内径向伸出的凸角互补，和所述金属轴的由弹性材料形成的弹性外层，该弹性材料在其玻璃转变温度和大约250℃之间的温度范围上保持弹性。弹性材料的玻璃转变温度的范围在大约30℃和大约150℃之间。在一种示例性实施方式中，弹性材料在其玻璃转变温度以下保持弹性。
本领域技术人员将会认识到本发明并不局限于上面描述的具体示例性实施方式。不脱离本发明的精神和范围，本领域技术人员可进行很多替代和修改。
附图说明
通过参照结合附图进行的以下描述，示例性实施方式的上述和其他目的、方面、特征和好处将变得更加明显并且将更好地得以理解，其中：
图1示出了可以采用示例性实施方式的井场系统。
图2A示出了沿着根据示例性实施方式的具有1∶2凸角轮廓的Moineau型正排量井下马达的纵向轴线截取的剖视图。
图2B示出了沿着根据示例性实施方式的图2A的Moineau型正排量井下马达的截面B-B截取的截面图。
图2C示出了根据示例性实施方式的具有1∶2凸角轮廓的转子的立体图。
图3A示出了用于形成转子的弹性外层的示例性模具的第一可拆卸构件的立体图。
图3B示出了用于形成转子的弹性外层的示例性模具的第二可拆卸构件的立体图。
图3C示出了用于形成转子的弹性外层的示例性模具的第三可拆卸构件的立体图。
图3D示出了用于形成转子的弹性外层的示例性模具的第四可拆卸构件的立体图。
图4A示出了处于闭合状态的示例性模具的立体图。
图4B示出了经过处于闭合状态的图4A的示例性模具的横向轴线截取的剖视图。
图5A示出了处于打开状态的示例性模具的立体图。
图5B示出了图5A的示例性模具处于闭合状态的立体图。
图5C示出了经过处于闭合状态的图5B的示例性模具的横向轴线截取的剖视图。
图6A示出了根据示例性实施方式具有弹性材料外层的示例性转子的立体图。
图6B示出了沿着根据示例性实施方式的具有弹性材料外层的图6A的示例性转子的横向轴线截取的剖视图。
图7是表示形成具有弹性材料外层的转子的一种示例性方法的流程图。
图8是表示形成具有弹性材料外层的转子的另一种示例性方法的流程图。
具体实施方式
示例性实施方式提供了用于提供马达或泵转子的系统、装置和方法，所述马达或泵转子具有弹性材料形成的外层以使转子的外表面相对于定子的内表面可靠地密封。一种制造转子的示例性方法包括提供限定腔的模具，该腔的腔表面形状具有与金属转子主体的外表面形状互补的构型，模具的腔的直径大于转子主体的最外直径。该示例性方法包括将转子主体的第一部分定位在模具的腔内，在模具的腔表面和转子主体的第一部分的外表面之间形成的空间中提供弹性材料，以及在将弹性材料结合到转子主体的第一部分的过程中限制模具的膨胀。
这里使用的“结合”指两种材料和/或表面之间的直接结合或者两种材料和/或表面之间使用便于结合过程的一种或多种结合剂的间接结合。
这里使用的“固化”指两种材料和/或表面之间的直接固化或者两种材料和/或表面之间使用便于固化过程的一种或多种结合剂的间接固化。
图1示出了可采用示例性实施方式的示例性井场系统。该井场可以是陆上的或者离岸的。在一种示例性井场系统中，井眼11通过钻井形成在地下岩层中。形成井眼11的钻井方法可包括但不限于旋转钻井和定向钻井。钻柱12悬于井眼11内并具有底部钻具组合(BHA)100，底部钻具组合下端包括钻头105。
一种示例性的表面系统包括定位在井眼11上方的平台和井架组件10。一种示例性组件10包括转盘16、方钻杆17、钩子18以及水龙头19。钻柱12通过转盘16转动，其通过在钻柱12的上端处接合方钻杆17的部件(未显示)供能。钻柱12从钩子18悬挂，经过方钻杆17和水龙头19附接到游动滑车(未显示)，从而允许钻柱12相对于钩子18旋转。顶部驱动组件可替代地用在其他示例性实施方式中。
一种示例性的地面系统还包括存储在井场处形成的地坑27中的钻井液26，例如泥浆。泵29将钻井液26经由水龙头19中的一个或多个端口输送到钻柱12的内部，使得钻井液如方向箭头8所示地向下流经钻柱12。钻井液经由钻头105中的一个或多个端口离开钻柱12，然后如方向箭头9所示地向上循环经过钻柱12的外侧和井眼的壁之间的环形区域。这样，钻井液润滑钻头105并随着其返回到地坑27以进行再循环而将岩层岩屑和颗粒物质携带到地面。
所述的示例性底部钻具组合100包括一个或多个随钻测井(LWD)模块120/120A、一个或多个随钻测量(MWD)模块130、一个或多个旋转导向系统和马达(未显示)、以及钻头105。还将理解，可以在示例性实施方式中采用多于一个LWD模块和/或多于一个MWD模块，例如120和120A代表的。
LWD模块120/120A容纳在特定类型的钻铤中，并包括用于测量、处理和存储信息以及用于与地面设备通信的能力。LWD模块120/120A还可包括压力测量装置和一个或多个测井工具。
MWD模块130也容纳在特定类型的钻铤中，并包括一个或多个用于测量钻柱12和钻头105的特性的装置。MWD模块130还包括一个或多个用于为井下系统产生电力的装置。在一种示例性实施方式中，发电装置包括通过钻井液的流动提供动力的泥浆涡轮发电机(也称为“泥浆马达”)。在其他示例性实施方式中，可以采用其他电力和/或电池系统来产生电力。
MWD模块130还包括一个或多个以下类型的测量装置：钻压测量装置、扭矩测量装置、振动测量装置、冲击测量装置、粘滑测量装置、方向测量装置和倾度测量装置。
图1的示例性井场系统的一种特别有利的使用是结合受控导向或“定向钻井”。定向钻井是使井筒故意偏离其自然采取的路径。换句话说，定向钻井是导向钻柱12使其在希望方向上行进。例如，定向钻井在离岸钻井中是有利的，因为能够从单个平台钻出多个井。定向钻井还能够经贮水池进行水平钻井。水平钻井使得更长长度的井筒横过贮水池，这增加了井的生产率。
定向钻井系统也可用在竖直钻井操作中。通常，钻头将由于正在穿透的岩层的不可预测本质或者钻头受到的变化的力从计划的钻井轨迹突然转向。当发生这种偏离时，定向钻井系统可用来将钻头放回到路线上。
定向钻井的一种已知方法包括使用旋转导向系统(RSS)。在一种采用图1的井场系统进行定向钻井的示例性实施方式中，提供旋转导向子系统150。在一种示例性RSS中，钻柱从地面旋转，井下装置引起钻头在希望方向上钻井。旋转钻柱极大地降低了钻柱在钻井过程中意外停机或卡住的发生率。用于在地层钻出偏离井眼的旋转导向钻井系统可大体分为“指向钻头”系统或者“推进钻头”系统。
在一种示例性“指向钻头”旋转导向系统中，钻头的旋转轴线偏离底部钻具组合在新孔的总方向上的局部轴线。孔根据由上稳定器接触点和下稳定器接触点和钻头限定的通常三点几何形状扩展。钻头轴线的偏离角度加上钻头和下稳定器之间的有限距离形成要产生的曲线要求的不共线条件。这可以多种不同方式实现，包括在底部钻具组合中靠近下稳定器的点处的固定弯曲或者分布在上稳定器和下稳定器之间的钻头驱动轴的屈曲。理想形式下，钻头不需要侧向切削，因为钻头轴线在弯曲孔的方向上持续旋转。“指向钻头”型旋转导向系统及其操作的例子在美国专利6394193、6364034、6244361、6158529、6092610和5113953以及美国专利申请公开文献2002/0011359和2001/0052428中所有描述，这些专利及公开文献整体通过引用明确结合在此。
在一种示例性“推进钻头”旋转导向系统中，没有将钻头轴线偏离局部底部钻具组合轴线的特别确定的机构。而是，必需的不共线条件通过使得上稳定器或下稳定器的任一者或两者在优选相对于孔扩展方向定向的方向上施加偏心力或位移来实现。这可以多种不同的方式实现，包括在希望的导向方向上向钻头施加力的不旋转的(相对于孔)偏心的稳定器(基于逼近的位移)和偏心致动器。导向通过在钻头和至少两个其他接触点之间形成不共线来实现。理想形式下，需要钻头侧向切削以产生弯曲的孔。“推进钻头”型旋转导向系统及其操作的例子在美国专利6089332、5971085、5803185、5778992、5706905、5695015、5685379、5673763、5603385、5582259、5553679、5553678、5520255以及5265682中有所描述，这些专利整体通过引用明确结合在此。
图2A-2C示出了一种示例性的Moineau型正排量井下马达200。更具体地，图2A示出了沿着具有1∶2的凸角(lobe)轮廓的示例性Moineau型正排量井下马达200的纵向轴线L截取的剖视图。图2B示出了沿着图2A的示例性Moineau型正排量井下马达200的截面B-B截取的截面图。图2C示出了图2A的示例性转子的立体图。
示例性的井下马达200包括可旋转地布置在螺旋定子204的纵向孔内的螺旋转子202。转子202可以是由包括但不限于一种或多种金属(例如钢、不锈钢、钛等)、一种或多种树脂、一种或多种合成材料等的刚性材料制成的螺旋构件。转子202在一种示例性实施方式中可以是完全实心的，在另一种示例性实施方式中可以是空心的。转子202的外表面可包括具有任何合适数量的螺旋线(通常是nr个头数)的阳螺旋形式。
定子204可以是长方形的螺旋构件并可由包括但不限于一种或多种弹性体、粉末金属、金属、一种或多种合成材料等的材料制成。在一种示例性实施方式中，定子除了内部孔外是完全实心的。定子204的内表面可包括具有任何合适数量的螺旋线(通常具有ns+1个头数)的阴螺旋形式。定子204上的阴螺旋形式与转子202上的阳螺旋形式互相配合。在一些示例性实施方式中，定子204接收在定子管208内。定子管208可在转子202旋转时部分地限制定子204的变形，并且可保护定子204的外部不受磨损。
井下马达200可以制造成多种构型。通常，当在图2B中示出纬度截面看，转子202具有nr个凸角(如图2B中所示的示例性实施方式中的210)，定子204具有ns个凸角(如图2B中所示的示例性实施方式中的212a、212b)，其中ns＝nr+1。例如，图2A-2C示出了具有1∶2凸角轮廓的井下马达200，其中转子202具有一个凸角210，定子具有两个凸角212a、212b。
井下马达在多个公开文献中有进一步描述，例如：美国专利7442019、7396220、7192260、7093401、6827160、6543554、6543132、6527512、6173794、5911284、5221197、5135059、4909337、4646856和2464011；美国专利公开文献2009/0095528、2008/0190669和2002/0122722；以及William C.Lyons等人的Air & Gas DrillingManual：Applications for Oil & Gas Recovery Wells & GeothermalFluids Recovery Wells §11.2(3d ed.2009)；G.Robello Samuel，Downhole Drilling Tools：Theory & Practice for Engineers & Students288-333(2007)；Standard Handbook of Petroleum & Natural GasEngineering 4-276-4-299(William C.Lyons & Gary J.Plisga eds.2006)；以及1Yakov A.Gelfgat等人的Advanced Drilling Solutions：Lessons from the FSU 154-72(2003)，，这些公开文献全部通过引用明确结合在此。
操作中，在转子202旋转时，转子202上的螺旋形式相对于定子204上的螺旋形式紧密密封以在两者之间形成一组腔206a、206b。一种或多种钻井液存在并在腔206a、206b中流动。示例性的钻井液包括但不限于泥浆、水等。
在图2A-2C的示例性组件作为泵操作的一种示例性实施方式中，提供使得转子202相对于定子204旋转的部件。在作为泵使用时，在转子202和定子204之间提供围绕纵向轴线L的相对旋转，例如使用提供机械能以旋转转子202的马达。连接到马达的驱动轴传递马达产生的机械能以使转子202相对于定子204并在定子204内旋转。随着转子202在定子204内偏心地旋转，腔206a、206b沿着纵向轴线L轴向推进，以运动腔206a、206b内存在的流体。
在图2A-2C的示例性组件作为泥浆马达操作的一种示例性实施方式中，提供通过转子202相对于定子204的旋转转动的部件。在作为泥浆马达使用中，流体源将流体泵送到转子202和定子204之间形成的腔206a、206b中。流体的液压压力使得腔206a、206b沿着纵向轴线L轴向推进，并且使得转子202和定子204之间围绕纵向轴线L相对旋转。连接到转子202的驱动轴将转子202的旋转产生的机械能传递给另一机械部件，例如钻井中使用的钻柱。这样，流体的液压能转换成经由驱动轴传递给钻柱的机械能。
由于螺杆泵或马达依赖转子202的外表面和定子204的内表面之间的密封，螺杆泵或转子的操作效率要求至少一个表面是充分弹性的以相对于运动经过泵或马达的流体的液压压力密封。一些传统的泵和马达在定子204的内表面上提供相对薄的弹性体层以形成弹性表面。具有薄弹性体层的定子表面通常称为“薄壁”或者“壁”设计。
与在定子的内表面上提供弹性层的一些传统泵和马达相比，示例性实施方式在转子外表面上或者紧靠转子外表面提供弹性材料以确保转子外表面和定子内表面之间的可靠密封。这优化了示例性螺杆泵或马达的操作效率。
图3A-3D示出了在转子上形成外弹性层中使用的一种示例性模具的立体图。图3A-3D中所示的示例性模具由4个可拆卸构件302、304、306和308形成，当可拆卸构件被夹紧在一起时具有三维矩形、即矩形盒的形状。可拆卸构件形成三维矩形的4个四分体，其中第一构件302(图3A)形成第一四分体，第二构件304(图3B)形成第二四分体，第三构件306(图3C)形成第三四分体，第四构件308(图3D)形成第四四分体。
模具构件302、304、306和308均包括沿着模具构件的纵向轴线L延伸的成形的内表面(在图3C中表示为腔310)。当模具构件302、304、306和308被夹紧在一起形成完整的模具时，夹紧的模具构件的内表面形成沿着纵向轴线L延伸并且内部容纳用于模制的转子的单个模具腔。
在其他示例性设施方式中，示例性模具可由比图3A-3D所示的那些更多或更少的可拆卸构件形成。替代地，示例性模具可以是单个的整体结构或者可以由多个不可拆卸构件形成。
图4A示出了被夹紧以形成总的闭合模具400的图3A-3C的示例性模具构件302、304、306和308的立体图。图4B是图4A所示的闭合模具400的横向剖视图。
模具构件被夹紧在一起以为模具400提供基本盒状的形状，其中模具腔402通过多个壁围成，例如顶壁404a(图4A和4B所示)、底壁404b(图4B所示)、第一侧壁404c(图4B所示)、第二侧壁404d(图4A和4B所示)、第一端壁404e(图4A所示)、第二端壁404f(图4A所示)。模具400的壁在模具处于其闭合状态时围成和限定模具腔402(如图4B所示)。
模具腔402的内表面具有阴螺旋构型，其具有与转子的外表面上的阳螺旋形式相反的轮廓。模具腔402的直径比转子的直径大一些，使得当转子放置在模具腔内时在模具腔402的内表面和转子的外表面之间留有空隙。用来形成转子的外表面的弹性材料可设置在转子外表面和模具腔402的内表面之间的空隙中，以将弹性材料结合到转子。
示例性模具400通过具有低热膨胀属性的一个或多个夹紧机构(例如，图4A所示的示例性夹紧机构406a、406b、406c和406d以及图4B所示的406d)保持就位在其闭合状态。在示例性实施方式中，夹紧机构可以是低热膨胀螺栓。示例性的低热膨胀材料可包括但不限于可以与陶瓷和/或玻璃结合的来自Hitachi Metals的HRA929、Invar(一种镍钢合金)、Elinvar(另一镍钢合金)等。
另一种示例性的模具可采取蛤壳的形状，其中两个半部沿着共同的接头连接和铰接并可相对于接头打开和关闭。图5A-5C示出了采取蛤壳形状的示例性模具500。图5A示出了模具500处于打开状态的立体图。图5B示出了模具500处于闭合状态的立体图。图5C示出了模具500处于闭合状态的横向剖视图。
在示例性模具500中，两个部分(即顶部502和底部504)沿着设置在顶部和底部之间的共同接头处的铰链506连接和铰接。在一种示例性实施方式中，铰链506可以是连续的并且基本沿着模具500的长度延伸。在另一种示例性实施方式中，多个铰链可以沿着模具500的长度设置。顶部502和/或底部504可以相对于铰链506打开和闭合。在一种示例性实施方式中，顶部502可采取盖在底部504上的盖的形式。
底部504包括模具腔510(图5C所示)，在模制过程中转子可容纳在模具腔中。模具腔510的内表面具有阴螺旋构型，其具有与转子的外表面上的阳螺旋形式相反的轮廓。模具腔510的直径比转子的直径大一些使得在转子放置在模具腔内时在模具腔510的内表面和转子的外表面之间留有空隙。用来形成转子外表面的弹性材料可设置在转子外表面和模具腔510的内表面之间的空隙中，以将弹性材料结合到转子。
示例性模具500通过具有低热膨胀属性的一个或多个夹紧机构(例如，图5B所示的示例性夹紧机构508a、508b、508c以及图5C所示的508d和508e)保持就位在其闭合状态。在示例性实施方式中，夹紧机构可以是低热膨胀螺栓。示例性的低热膨胀材料可包括但不限于可以与陶瓷和/或玻璃结合的来自Hitachi Metals的HRA929、Invar(一种镍钢合金)、Elinvar(另一镍钢合金)等。
示例性模具可采取其他形状并且不局限于所示的实施方式。
示例性实施方式提供了基于待使用示例性模具形成有弹性材料外层的对应转子的结构和形状制造具有希望结构和形状的示例性模具腔的方法和装置。示例性制造方法基于对应转子的轮廓、截面形状和螺距配置模具腔的轮廓、截面形状和螺距。在示例性实施方式中，一种示例性模具可加工成多个部分。在转子具有多个凸角的情况下，为了方便可加工多片段模具。模具可由包括但不限于钢、不锈钢、铝、钛、高强度塑料等的任何数量的合适材料形成。
图6A示出了具有由弹性材料形成的外层的示例性转子600的立体图。图6B示出了沿着具有弹性材料形成的外层的图6A的示例性转子的横向轴线T截取的剖视图。示例性转子600包括基本纵向的转子芯602，该转子芯形成转子600的主体并将转子600中的扭矩传递给其他马达或泵部件。
转子600包括邻近转子芯602的外表面或者与该外表面直接或间接接触地设置的由一种或多种弹性材料形成的一个或多个弹性外层604。弹性层604可在转子芯602上形成均匀或者不均匀的层。弹性层604可在转子芯602的不同部分上具有均匀的厚度或者替代地可具有不均匀的厚度。在一种示例性实施方式中，单个连续的弹性层604设置在转子芯602的整个外表面上。在另一种示例性实施方式中，弹性层604设置在转子芯602的一部分外表面或者转子芯602的外表面的不连续部分上。
在一种示例性实施方式中，示例性的转子可包括单种弹性材料形成的弹性外层。在另一种示例性实施方式中，转子的不同部分可包括不同弹性材料形成的弹性外层。例如，转子的第一部分可包括第一弹性材料形成的弹性外层，而不同的第二部分可包括第二弹性材料形成的弹性外层。
在一种示例性实施方式中，示例性的转子可包括具有单个弹性材料层的弹性外层。在另一种示例性实施方式中，示例性的转子可包括具有多个弹性材料层的弹性外区域。多个层可由相同的弹性材料或者不同的弹性材料形成。例如，由第一弹性材料形成的第一弹性层可利用或不利用结合剂设置在转子上，由第二弹性材料形成的第二弹性层可利用或不利用结合剂设置在第一弹性外层上，以形成多层弹性外区域。
在一种示例性实施方式中，弹性外层可利用其他材料加强，这些材料包括但不限于纤维、织物、三维结构等。在一种示例性实施方式中，例如纤维、织物、三维结构等的材料可设置在弹性外层的弹性材料内。在多个弹性外层设置在转子上的一种示例性实施方式中，例如纤维、织物、三维结构等的材料可设置在多个弹性外层内或者多个弹性外层之间。
弹性材料可包括但不限于可承受并适用于转子的操作条件(例如温度、压力、化学环境等)的橡胶材料。用于示例性转子的井下使用的示例性橡胶族包括但不限于弹性体、氟橡胶(例如，
Figure BSA00000628280600151
氟橡胶和类似橡胶)、XHNBR、HNBR、NBR、腈橡胶等。示例性转子中使用的橡胶可完全或只部分固化或者未干的。示例性的弹性材料是部分固化的橡胶。
弹性材料还可包括在其玻璃转变温度Tg以上变得“似橡胶的”并在较低温度保持“固态”的耐高温聚合物和合成物，例如环氧树脂、聚酰亚胺、聚醚、聚醚酮、聚醚醚酮(PEEK)、多面体、酚醛树脂、聚硫(PSU)，聚苯硫醚(PPS)等。
在一种示例性实施方式中，弹性材料在室温(通常在材料的玻璃转变温度以下)和大约250℃之间的温度范围上保持弹性。在另一种示例性实施方式中，弹性材料在材料的玻璃转变温度和大约250℃之间的温度范围上保持弹性。一种示例性的弹性材料的玻璃转变温度范围在大约30℃和大约150℃之间。在又一种示例性实施方式中，弹性材料在250℃以上保持弹性。
转子600可任选包括设置在转子芯602和弹性层604之间的一个或多个粘合剂层606以提高弹性层和转子芯之间的结合。粘合剂层606可包括适用于将弹性层604结合到转子芯602的任何数量的粘合剂。在一种示例性实施方式中，粘合剂材料使用例如喷涂、刷等的任何数量的合适技术施加到转子芯602的外表面和/或弹性层602的内表面。
现在参照图7和8更加详细地描述使用模具在示例性转子芯上设置弹性外层的示例性方法。
图7是表示形成具有弹性外层的转子的示例性方法700的流程图。在步骤702，转子芯的外表面任选地涂覆形成粘合剂层的结合剂。在步骤704，模具的内表面任选地涂覆阻止弹性材料结合到模具表面的脱离剂。脱离剂可以是临时脱离剂，例如DuPontTM
Figure BSA00000628280600152
423脱模剂、DuPontTM 307脱模剂等。临时脱离剂可以在模具每次用于模制时再次施加到模具的内表面。脱离剂可替代地是永久脱离剂，例如碳氟化合物的PTFE、来自Poeton的ApticoteTM460M的脱模剂等。
在步骤706，将转子芯的第一部分定位在模具腔内。由于模具腔的内表面具有比转子芯的外表面更大的直径，步骤706在模具腔和转子芯之间留下空间。在步骤708，模具使用具有低热膨胀属性的一个或多个夹紧机构，例如低热膨胀螺栓闭合并保持就位。
在步骤710，使用附加于模具和转子的端部的一个端帽或者附加于模具和转子的两端的两个端帽保持转子芯在模具内对中。在步骤712，弹性材料被注射到转子芯和模具腔之间的空间中。
在步骤714，弹性材料固化并直接或间接结合到转子芯的外表面以形成弹性外层。在一种示例性实施方式中，固化或结合是通过热固完成的，例如通过将模具和转子芯组件放置在高压灭菌烘箱里来完成。在另一种示例性实施方式中，固化或结合是通过使用另一合适的电磁辐射源来完成的。可以使用从红外到紫外之外的高能频率的任何形式的电磁辐射，如固化为此目的选择的弹性材料所要求的。在又一种示例性实施方式中，固化或结合是通过使用例如液压机向模具施加机械压力以将弹性材料推向转子芯的外表面，这使得弹性材料结合到转子芯的外表面。
在一种示例性实施方式中，步骤714中的固化技术提高了模具内的温度并引起转子芯和弹性材料膨胀。由于夹紧机构具有低热膨胀属性，它并不与转子芯和弹性材料膨胀相同程度，因此夹紧机构限制转子芯和弹性材料的膨胀。这样，因为模具由夹紧机构保持就位，转子芯和弹性材料的膨胀引起模具内的压力增加。高温和高压的组合使得弹性材料固化或结合到转子芯。在固化或结合时，弹性材料采取转子芯的外表面的形状以形成弹性外层。
在一种示例性实施方式中，转子芯沿着纵向轴线L的长度基本等于模具的长度l。在该实施方式中，方法700在步骤714后完成，且不需要再次使用模具以完成转子芯的处理。
在另一种示例性实施方式中，转子芯沿着纵向轴线L的长度大于模具的长度l。即，模具的长度l是总转子长度的一部分，转子芯的总长度的处理需要再次在两个或更多模制系列再次使用模具。在该示例性实施方式中，在步骤716，模具沿着转子芯运动或滑动以将转子芯的新的部分包围在模具内，方法700返回到步骤708以在转子芯的新部分上覆盖弹性外层。可在处理转子芯的新部分之前重复步骤702和704。
在另一种示例性实施方式中，在步骤716，模具可定位成使得在连续模制系列中处理有弹性材料的转子芯部分之间没有重叠。在连续模制系列中处理有弹性材料的转子芯部分可以是连续的或者不连续的。在另一种示例性实施方式中，在步骤716，模具可以定位成使得在连续模制系列中处理有弹性材料的转子芯部分之间具有重叠。在重叠部分处，弹性材料和转子芯之间的结合可以更加牢固。重叠可造成转子芯上形成更厚或多层的弹性材料外层。如果重叠造成弹性材料在重叠部分过度固化，示例性实施方式可以采用冷却来降低重叠部分处的固化程度。
方法700可以此方式重复，直到为转子芯的整个外表面或者希望部分形成弹性外层为止。
图7是示例性的流程图，因此用于形成具有弹性外层的转子芯的替代方法可包括比图7所示的那些更多或更少的步骤。
图8是表示在示例性转子芯上提供弹性外层的示例性夹紧方法800的流程图。在步骤802，例如通过共同挤出弹性材料、通过将弹性材料的薄层缠绕在一起等提供或任选地准备弹性材料层。弹性材料层可以是单层或多层管或片的形式。在步骤804和806中，转子芯的外表面和/或弹性材料层的内表面任选地涂覆形成粘合剂层的结合剂。在步骤808中，转子芯的外表面覆盖有弹性材料层。在步骤810中，模具的内表面任选地涂覆脱离剂以阻止弹性材料层结合到模具表面。脱离剂可以是临时脱离剂，例如DuPontTM 423脱模剂、DuPontTM
Figure BSA00000628280600172
307脱模剂等。临时脱离剂可以在模具每次用于模制时再次施加到模具的内表面。脱离剂可替代地是永久脱离剂，例如碳氟化合物的PTFE、来自Poeton的ApticoteTM460M的脱模剂等。
在步骤812，由弹性材料层覆盖的转子芯的一部分可以定位在模具腔内。在步骤814，模具使用具有低热膨胀属性的夹紧机构，例如低热膨胀螺栓闭合并保持就位。在步骤816，使用附加于模具和转子的端部的一个端帽或者附加于模具和转子的两端的两个端帽保持转子芯在模具内对中。
转子芯的外表面可包括可连接到沿着转子芯的长度纵向延伸的端口的一个或多个拦截端口。拦截端口和纵向端口可连接到从转子芯的外表面吸出空气以在转子芯的外表面上施加真空的外部抽吸装置。在步骤818，在固化前使用拦截端口在转子芯的外表面上施加真空以在固化过程中将弹性材料层抽吸成与转子芯的外表面紧密接合。这增强了弹性材料层与转子芯的外表面形状的服贴度。
在步骤820，模具将弹性材料层推到转子芯的外表面上，并且弹性材料层固化并结合到转子芯的外表面上以形成弹性外层。在一种示例性实施方式中，固化或结合是通过热固完成的，例如通过将模具和转子芯组件放置在高压灭菌烘箱里来完成。在另一种示例性实施方式中，固化或结合是通过使用另一合适的电磁辐射源来完成的。可以使用从红外到紫外之外的高能频率的任何形式的电磁辐射，如固化为此目的选择的弹性材料要求的。在又一种示例性实施方式中，固化或结合是通过使用例如液压机向限制弹性材料和转子芯膨胀的模具施加机械压力来完成的，这又将弹性材料推向转子芯的外表面。
在一种示例性实施方式中，步骤820中的固化技术提高了模具内的温度并引起转子芯和弹性材料层膨胀。由于夹紧机构具有低热膨胀属性，它并不与转子芯和弹性材料层膨胀相同程度。这样，因为模具由夹紧机构保持就位，转子芯和弹性材料层的膨胀引起模具内的压力增加。高温和高压的组合使得弹性材料层固化到转子芯。在固化时，弹性材料层采取转子芯的外表面的形状以形成弹性外层。
在一种示例性实施方式中，转子芯沿着纵向轴线L的长度基本等于模具的长度l。在该实施方式中，在步骤820后方法800完成，且不需要再次使用模具以完成转子芯的处理。
在另一种示例性实施方式中，转子芯沿着纵向轴线L的长度大于模具的长度l。即，模具的长度l是总转子长度的一部分，转子芯的总长度的处理需要再次在两个或更多模制系列再次使用模具。在该示例性实施方式中，在步骤822，模具沿着转子芯运动或滑动以包围转子芯的新的部分，方法800返回到步骤802以在转子芯的新部分上覆盖弹性外层。在一种示例性实施方式中，在步骤822，模具可定位成使得在连续模制系列中处理有弹性材料的转子芯部分之间没有重叠。处理有弹性材料的转子芯部分可以是连续的或者不连续的。
在另一种示例性实施方式中，在步骤822，模具可以定位成使得在连续模制系列中处理有弹性材料的转子芯部分之间具有重叠。弹性材料和转子芯之间的结合可以在重叠部分处更加牢固。重叠可造成转子芯上形成更厚或多层的弹性材料外层。如果重叠造成弹性材料在重叠部分过度固化，示例性实施方式可以采用冷却来降低重叠部分处的固化程度。
方法800可以此方式重复，直到为转子芯的整个外表面或者希望部分形成弹性外层为止。
图8是示例性的流程图，因此用弹性外层覆盖转子芯的替代方法可包括比图8所示的那些更多或更少的步骤。
本领域技术人员将会认识到，本发明并不局限于这里描述的具体示例性实施方式。不脱离本发明的精神和范围，本领域技术人员可以进行很多替代和修改。只使用常规实验，本领域技术人员将认识或能够确定这里描述的本发明的具体实施方式的很多等同方式。这些等同方式意在由权利要求包括。因此，必须明确地理解所示的实施方式仅仅是出于举例的目的，不应当被认为是对由权利要求限定的本发明的限制。这些权利要求应当认为是包括文字记载的，还包括无实体不同的那些等同元件，尽管在其他方面与上面的说明中显示和描述的不相同。
通过援引加入
这里公开的所有专利、公开的专利申请以及其他参考文献全部通过引用明确加入在此。

Claims (30)

1.一种制造螺杆马达转子的方法，该方法包括：
提供限定腔的模具，所述腔的腔表面形状具有与金属转子主体的外表面形状互补的构型，所述模具的腔的直径大于所述转子主体的最外直径；
将所述转子主体的第一部分定位在所述模具的所述腔内；
在所述模具的所述腔表面与所述转子主体的所述第一部分的外表面之间形成的空间中提供弹性材料；以及
在将弹性材料结合到所述转子主体的第一部分的过程中限制所述模具的膨胀。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
增加所述模具的所述腔中的温度和压力，使得所述弹性材料结合到所述转子主体的第一部分的外表面并具有该外表面的形状。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
为所述转子主体的第一部分的外表面涂覆粘合剂材料，以增强弹性材料到所述转子主体的第一部分的外表面的结合。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：
使用等离子结合来增强所述弹性材料到所述转子主体的第一部分的外表面的结合。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述转子主体的第一部分构成所述转子主体的整个长度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述转子的第一部分的长度比所述转子主体的整个长度短。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述模具的长度比所述转子主体的整个长度短。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，提供弹性材料包括：
将弹性材料注射到所述模具的腔表面和所述转子主体的第一部分的外表面之间的空间中。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：
利用加强材料加强所述弹性材料。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述弹性材料结合到所述转子主体的第一部分的外表面之前、过程中或者之后，经过所述转子主体向弹性材料施加真空。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述转子主体由合成材料形成。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述转子主体由粉末金属形成。
13.一种螺杆驱动部件，包括：
能够可转动地定位在第二螺杆驱动部件的纵向孔内的第一螺杆驱动部件，所述第一螺杆驱动部件包括：
金属轴，其具有形成在所述金属轴的外表面上的与所述第二螺杆驱动部件的螺旋表面构型互补的第一螺旋构型，和
结合到所述金属轴的外表面的由弹性材料形成的弹性外层，该弹性材料至少在其玻璃转变温度和大约250℃之间的温度范围上保持弹性。
14.根据权利要求13所述的螺杆驱动部件，其中，所述弹性材料层包括多个层。
15.根据权利要求13所述的螺杆驱动部件，其中，所述弹性外层利用加强材料加强。
16.根据权利要求13所述的螺杆驱动部件，其中，所述弹性材料的玻璃转变温度的范围在大约30℃和大约150℃之间。
17.根据权利要求13所述的螺杆驱动部件，其中，所述弹性外层能够在所述第一螺杆驱动部件在所述第二螺杆驱动部件的纵向孔内转动时将所述第一螺杆驱动部件的第一螺旋构型可密封地连接到所述第二螺杆驱动部件的第二螺旋构型。
18.根据权利要求13所述的螺杆驱动部件，其中，所述第一螺杆驱动部件是转子，第二螺杆驱动部件是定子。
19.根据权利要求13所述的螺杆驱动部件，其中，所述第一螺杆驱动部件还包括：
设置在所述金属轴和所述弹性外层之间以增强所述弹性外层到所述金属轴的外表面的结合的粘合剂层。
20.根据权利要求13所述的螺杆驱动部件，其中，使用等离子结合增强所述弹性外层到所述金属轴的外表面的结合。
21.根据权利要求13所述的螺杆驱动部件，其中，所述第二螺杆驱动部件包括：
管状结构，其纵向孔的内部孔表面具有所述第一螺旋构型。
22.根据权利要求13所述的螺杆驱动部件，其中，所述第一螺杆驱动部件由合成材料形成。
23.根据权利要求13所述的螺杆驱动部件，其中，所述第一螺杆驱动部件由粉末金属形成。
24.根据权利要求13所述的螺杆驱动部件，其中，所述弹性外层包括：
第一弹性外层，其由结合到所述金属轴的外表面的第一部分的第一弹性材料形成；和
第二弹性外层，其由结合到所述金属轴的外表面的第二部分的第二弹性材料形成。
25.一种用于钻井的系统，包括：
第一螺杆驱动部件，其具有纵向孔和沿着所述第一螺杆驱动部件的内表面的选定长度延伸的至少一个向内径向伸出的凸角；和
第二螺杆驱动部件，其能够可转动地定位在所述第一螺杆驱动部件的纵向孔内，该第二螺杆驱动部件包括：
金属轴，其具有沿着所述金属轴的外表面的选定长度延伸的至少一个向外径向伸出的凸角，该凸角与所述第一螺杆驱动部件的至少一个向内径向伸出的凸角互补，和
结合到所述金属轴的外表面的由弹性材料形成的弹性外层，该弹性材料在其玻璃转变温度和大约250℃之间的温度范围上保持弹性。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述弹性材料的玻璃转变温度的范围在大约30℃和大约150℃之间。
27.根据权利要求25所述的系统，其中，所述第一螺杆驱动部件是定子，第二螺杆驱动部件是转子。
28.根据权利要求25所述的系统，其中，所述第二螺杆驱动部件还包括：
设置在所述金属轴和所述弹性外层之间以增强所述弹性外层到所述金属轴的外表面的结合的粘合剂层。
29.根据权利要求25所述的系统，其中，所述弹性材料利用加强材料加强。
30.一种用于钻井的井下工具，包括：
第一螺杆驱动部件，其具有纵向孔和沿着所述第一螺杆驱动部件的内表面的选定长度延伸的至少一个向内径向伸出的凸角；和
第二螺杆驱动部件，其能够可转动地定位在所述第一螺杆驱动部件的纵向孔内，该第二螺杆驱动部件包括：
金属轴，其具有沿着所述金属轴的外表面的选定长度延伸的至少一个向外径向伸出的凸角，该凸角与所述第一螺杆驱动部件的至少一个向内径向伸出的凸角互补，和
结合到所述金属轴的外表面的由弹性材料形成的弹性外层，该弹性材料在其玻璃转变温度和大约250℃之间的温度范围上保持弹性。
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