CN103299019A - 用于在诸如泥浆马达的移动腔马达或泵中控制或限制转子轨迹的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种移动腔马达或泵，例如泥浆马达，包括：转子、定子、以及一个或多个用于约束(即控制或限制)转子相对于定子的运动的装置。
Description
技术领域
这里公开的实施例涉及用于在移动腔马达或泵中控制或限制转子相对于定子的位置的装置和方法。在另一方面，这里公开的实施例涉及用于在泥浆马达中控制或限制转子相对于定子的位置的装置和方法。
背景技术
移动腔马达或泵，有时称为容积式马达或泵、或者步进式或步进螺杆马达或泵，是通过在腔中圈闭流体来工作的。腔形成于转子和定子之间的空间，并且这两个零件之间的相对旋转是使得腔沿着设备的长度方向从输入端向输出端轴向步进和行进的机制。如果迫使转子旋转，流体被沿着腔在腔内抽吸，该设备将成为泵。如果以比出口端高的压力将流体泵送到输入端腔中，对转子产生的力使得其旋转，该设备将成为马达。
为了使转子可以在定子内旋转，并且产生将沿轴向步进的腔，两个零件的轮廓都必须采用特定的形式。典型地，转子(2)将是具有类似于图1所示形状的截面形状的螺旋状轴。转子(2)上的叶数可以为从一到任何数。定子(4)的轮廓与转子(2)的形状互补，叶数的为从二到任何数，图2中示出了定子的示例。在匹配的转子-定子对中，定子(4)上的叶数将比转子(2)上的叶数多一个。图3示出了转子(2)和定子(4)的典型组合的截面图，其中转子(2)具有三个叶，而定子(4)具有四个叶，转子(2)被容纳在定子(4)中。
转子(2)和定子(4)中一个的表面，通常是定子(4)的表面，是柔性的，使得可以在转子(2)和定子(4)的接触点之间保持密封(6)。密封(6)在转子(2)和定子(4)之间限定了多个腔(8)，并且仍然允许转子(2)和定子(4)之间的相对旋转。通常，沿着马达或泵(10)的长度方向，转子(2)和定子(4)截面保持相同，只是步进式旋转，从而导致螺旋形轮廓。图4示出了马达或泵(10)的部分的径平面的截面图。
转子(2)并不必须具有固定的长度。所选择的长度经常按级限定，其中一个级由定子(4)的螺旋线的一次完整旋转构成。在定子(4)和转子(2)之间形成腔(8)。
从图3和图4中的截面图可以看出，当转子(2)转动时，转子(2)的几何中心相对于定子(4)并不保持固定。一般而言，当转子(2)具有两个或更多个叶时，中心点的轨线大致上是个圆，并具有由表面轮廓的确切性质和用于维持腔内密封(6)的柔性材料的任何变型导致的偏差。在转子(2)提供驱动扭矩的马达的情况下，以及转子被驱动的泵的情况下，都需要传动轴总成(12)来将绕着轨道轴的旋转转变为绕着固定轴的旋转。这个传动轴总成(12)具有可移动接头总成(14)，以便于实现这一机制。在马达的情况下，传动轴(13)的外侧端连接到需要驱动的零件，例如在井下马达的情况下为钻头。而对于泵，传动轴(13)的外侧端连接到旋转能量源，例如马达。
在该设备是马达的情况下在转子(2)中产生的扭矩，或者在该设备是泵的情况下在转子(2)中所需要的扭矩，是作用于腔(8)中的压力以及定子(4)与转子(2)之间的接触点之间的反作用力的复杂组合。这在作为马达的情况下具有尽量使转子(2)转动的效果，而在作为泵的情况下具有抵制旋转的效果。在两种情况下，都还具有净横向力，其作用是将转子(2)推向定子(4)。当转子(2)转动时，这个力的方向也旋转。另外还有由转子的轨道运动产生的离心力。在马达如泥浆马达的情况下，可以有由传动装置承载的推力的横向分量。
发明内容
已发现作用在转子上并将转子推向定子的力的结果是定子的柔性表面可能变形，并且使得会在该设备的一侧上形成缝隙。如果发生这样的事情，那么流体会沿着设备在流体腔之间通过。这种情况的影响是：对于泵而言，降低了流量和最大压力；而在马达的情况下，降低了旋转速度，并限制了所产生的扭矩。
这里公开的实施例可以用于克服已知的泥浆泵和其它移动腔马达或泵的一些限制，或者至少提供对已知的泥浆泵和其它移动腔马达或泵的替代方案。
根据这里公开的实施例的第一个方面，提供了一种移动腔马达或泵，包括：转子、定子以及用于控制或限制转子相对于定子的运动的装置。
如上面所讨论的，转子或定子的表面可以由柔性材料制成，以使得能够在转子和定子的接触表面之间形成密封，并且在一个或多个实施例中，转子相对于定子的运动被控制或限制，以使该柔性材料的变形以及转子和定子的接触表面之间因该变形而导致的缝隙的打开最小化。
在一个或多个实施例中，转子被约束以遵循期望的旋转或位置运动。
在一个或多个实施例中，转子被旋进装置约束，该旋进装置被构建为使得可以使转子旋转依赖于转子位置。
在一个或多个实施例中，旋进装置由叶轮构成，该叶轮连接到转子轴，该转子轴遵从连接到定子的叶轨。
在一个或多个实施例中，叶轮上的叶数与叶轨上的叶数之比与转子上的叶数与定子上的叶数之比相同。
在一个或多个实施例中，叶轮具有柔性层，位于与叶轨配合的外侧表面上。可替换地或者附加地，叶轨具有柔性层，位于与叶轮配合的表面上。
在一个或多个实施例中，转子相对于定子的径向运动被控制或限制。
在一个或多个实施例中，在使用马达或泵时，将转子的几何中心的运动限制到预定路径。
在一个或多个实施例中，在一个或多个位置处设置了机轮总成，以控制或限制转子在定子内部或绕定子的运动。
在一个或多个实施例中，机轮总成包括安装在转子的轴上的轮，该轮被配置为沿着定子的内表面运行。
在一个或多个实施例中，轮的外径等于定子的内表面的直径减去转子距离其几何中心线的预定最大偏移量的两倍。
可替换地，机轮总成可以包括安装在定子的轴上的轮，该轮被配置为使得转子能够沿着定子的外表面运行。本领域技术人员将容易地理解，在这样的实施例中，内部部件是固定的(因此是定子或固定部件)，而马达或泵的外部部件旋转(转子或旋转部件)。
在一个或多个实施例中，轮的外径等于转子的内表面的直径减去转子距离其几何中心线的预定最大偏移量的两倍。
在一个或多个实施例中，机轮总成位于马达或泵中转子和定子的轮廓基本上为圆形的位置处。
在一个或多个实施例中，机轮总成还包括用于使得轮和转子之间能够相对旋转的轴承。该轴承可以方便地为滚针轴承。
在一个或多个实施例中，轮具有使得流体能够流过的开孔。
在一个或多个实施例中，在机轮总成的区域中，转子和定子的接合表面基本上是刚性的。
在一个或多个实施例中，在一个或多个位置处设置了固定镶块，以控制或限制转子在定子内部或绕定子的运动。
在一个或多个实施例中，固定镶块安装在转子—定子对的外部部件中，并且具有中心开孔，转子—定子对中的内部部件的轴可以通过该中心开孔，中心开孔的直径的尺寸被设计为限制转子相对于定子的径向运动。
在一个或多个实施例中，固定镶块具有另外的多个开孔，以使得流体能够从其中流过。
在一个或多个实施例中，固定镶块位于马达或泵中转子和/或定子的轮廓基本上为圆形的位置处。
在一个或多个实施例中，中心开孔基本上是圆形的，使得转子的轴可以沿着中心开孔运行，或者转子和固定镶块可以绕定子运行。
在一个或多个实施例中，在一个或多个位置处设置了传动轴总成，以控制或限制转子在定子内部或绕定子的运动。
在一个或多个实施例中，传动轴总成包括：主动轴和从动轴，使得当这两个轴不平行时可以传递旋转；以及用于限制主动轴和从动轴之间的角度的机构，使得转子相对于定子的运动被限制。
在一个或多个实施例中，用于限制主动轴和从动轴之间的角度的机构是缓冲环。
在一个或多个实施例中，在一个或多个位置处设置了可旋转镶块，以控制或限制转子在定子内部或绕定子的运动。
在一个或多个实施例中，可旋转镶块安装在定子内部，并且具有开孔，转子的轴可以通过开孔，开孔从可旋转镶块的中心偏离，使得转子的运动被限制到预定路径。
在一个或多个实施例中，可旋转镶块能够在定子内自由旋转。
在一个或多个实施例中，转子能够在可旋转镶块内自由旋转。
在一个或多个实施例中，设置了轴承以便于可旋转镶块和/或转子的旋转。
在一个或多个实施例中，可旋转镶块包括另外的多个开孔，以使得流体能够从其中流过。
在一个或多个实施例中，在一个或多个位置处设置了活塞总成，以控制或限制转子在定子内部或绕定子的运动。
在一个或多个实施例中，活塞总成包括多个面向内部的活塞，绕转子—定子对的外部部件均匀分布，以控制转子相对于定子的运动。活塞可以方便地绕转子—定子对的外部部件均匀分布。
在一个或多个实施例中，活塞安装在镶块中，而镶块本身安装在转子—定子对的外部部件上。
在一个或多个实施例中，转子—定子对的外部部件的安装活塞的区域被局部加厚。
在一个或多个实施例中，镶块设有多个开孔，以使得流体能从其中流过。
根据这里公开的实施例的第二方面，提供了一种提高移动腔马达或泵的性能的方法，包括控制或限制转子相对于定子的运动以使转子和定子之间的缝隙的打开最小化的步骤。
在一个或多个实施例中，对转子相对于定子的运动的控制或限制是在通过与定子接触或通过与转子的端部连接而导致的任何约束之外附加的。
在一个或多个实施例中，转子相对于定子的径向运动被控制或限制。
在一个或多个实施例中，使用旋进装置来控制转子以遵循路径和旋转的预定组合。
在一个或多个实施例中，转子的几何中心的运动被限制到预定路径。
在一个或多个实施例中，在转子和定子之间设置了轮，以限制转子和定子之间的运动。
在一个或多个实施例中，在转子和定子之间设置了固定镶块，以限制转子和定子之间的运动。
在一个或多个实施例中，传动轴连接到转子以限制转子和定子之间的相对运动。
在一个或多个实施例中，在转子和定子之间设置了可旋转镶块，以限制转子和定子之间的相对运动，该镶块具有开孔，该开孔从其中心偏离，转子的轴通过该开孔而延伸。
在一个或多个实施例中，在转子和定子之间设置了活塞布置，以限制转子和定子之间的运动。
在另一方面，这里公开的实施例涉及一种穿过地下地层钻井眼的方法。该方法可以包括：使钻井液通过泥浆马达总成，泥浆马达总成包括移动式或步进式螺杆马达，该马达具有近端和远端，该马达包括：定子和转子，其中定子的表面是由柔性材料制成的，以使得能够在转子和定子的接触表面之间形成密封；至少一个装置，设置为邻近近端和远端中的至少一个，该至少一个装置约束转子相对于定子的径向和/或切向运动；以及使用直接或间接联接到转子的钻头钻地层。
在另一方面，这里公开的实施例涉及一种泥浆马达总成，包括移动式或步进式螺杆马达，该马达具有输入端和输出端。该马达可以包括：定子和转子，其中定子的表面是由柔性材料制成的，以使得能够在转子和定子的接触表面之间形成密封；至少一个装置，设置为邻近输入端和输出端中的至少一个，该至少一个装置约束转子相对于定子的径向和/或切向运动。
在另一方面，这里公开的实施例涉及一种钻井总成。该钻井总成可以包括：泥浆马达总成，包括移动式或步进式螺杆马达，该马达具有近端和远端，该马达包括：定子和转子，其中定子的表面是由柔性材料制成的，以使得能够在转子和定子的接触表面之间形成密封；至少一个装置，设置为邻近近端和远端中的至少一个，该至少一个装置约束转子相对于定子的径向和/或切向运动；马达输出轴，直接或间接地联接到转子的远端；以及钻头，直接或间接地联接到马达输出轴的远端。
在另一方面，这里公开的实施例涉及一种移动式或步进式螺杆马达或泵总成，具有输入端和输出端。该马达或泵可以包括：设置在外部部件内的内部部件，一个构成定子，而另一个构成转子，其中，转子或定子的表面是由柔性材料制成的，以使得能够在转子和定子之间的接触表面之间形成密封；至少一个装置，设置为邻近输入端和输出端中的至少一个，该至少一个装置约束转子相对于定子的径向和/或切向运动。
在另一方面，这里公开的实施例涉及一种制造移动式或步进式螺杆马达或泵的方法，该马达或泵具有输入端和输出端，该方法包括：在外部部件内布置内部部件，一个构成定子，而另一个构成转子；内部部件的一部分具有轮廓螺旋形的外表面；外部部件包括具有轮廓螺旋形的内表面的第一部分和具有圆形内表面的至少一个第二部分，该至少一个第二部分邻近输入端和输出端中的至少一个，并且与第一部分同心；将至少一个用于约束转子相对于定子的径向和/或切向运动的装置，相应地沿着该至少一个第二部分的长度方向，可操作地连接到内部部件和外部部件中的至少一个。
在另一方面，这里公开的实施例涉及一种制造移动式或步进式螺杆马达或泵的外部部件如泥浆马达的定子的方法，该方法包括：将管状外部部件与模塑、机械加工、和/或喷涂设备对准，其中管状外部部件的中心线与设备的中心线可以相同或不同；进行模塑、机械加工、和/或喷涂，以使外部部件的第一内部部分具有轮廓螺旋形内表面，并使外部部件的至少一个第二内部部分具有内径大致恒定并且与第一内部部分同心的内表面，第二内部部分被配置为容纳用于约束设置在其中的内部部件的径向和/或切向运动的装置。
附图说明
下面将作为示例，参考附图描述这里公开的马达和泵，其中：
图1示出了已知转子的选择的截面图；
图2示出了已知定子的选择的截面图；
图3示出了已知移动腔马达或泵的截面图；
图4示出了已知移动腔马达或泵的直径截面图；
图5示出了具有用于控制或限制转子相对于定子的径向运动的装置的马达或泵的第一实施例的截面图；
图6示出了装有图5的装置的移动腔马达或泵的纵向截面图；
图7示出了具有用于控制或限制转子相对于定子的径向运动的装置的马达或泵的第二实施例的截面图；
图8示出了具有用于控制或限制转子相对于定子的径向运动的装置的马达或泵的第三实施例的截面图；
图9示出了具有用于控制或限制转子相对于定子的径向运动的装置的马达或泵的第四实施例的截面图；
图10示出了具有用于控制或限制转子相对于定子的径向运动的装置的马达或泵的第五实施例的截面图；
图11A-11C图解了被配置为保持根据这里公开的实施例用于约束转子相对于定子的运动的装置的同心性的衬里的横向截面图和纵向截面图；
图12A示出了具有用于控制转子相对于定子的路径和旋转的装置的马达或泵的第一实施例的截面图；
图12B示出了装有图12A的装置的移动腔马达或泵的部分的纵向截面图；
图13-15图解了具有一个或多个用于控制转子相对于定子的路径和旋转的装置的各种泥浆马达总成和/或钻井总成。
具体实施方式
这里公开的马达或泵的实施例约束转子以保持规定的运动，换句话说，它们限制转子的几何中心的路径，并且在一些情况下，将旋转锁定到那个路径。尽管图解了各种实施例，应当理解，在本公开的范围内还可以构想出用于控制或限制转子相对于定子的径向和/或切向运动的其它系统。一般仅通过用于形成转子和定子的材料的固有弹性(例如定子的橡胶衬里的挠曲/压缩，等)来限制转子相对于定子的运动。如这里所使用的，约束转子相对于定子的运动是指，在使用时，将该运动制约或限制到比没有约束的情况下所导致的程度更大的程度，或者制约或限制到用于形成转子和定子的材料的固有弹性所允许的程度更大的程度。
应当理解，尽管所图解的实施例中转子为在定子内部旋转的零件，并且事实上大部分泵或马达也是这样布置的，但是如果内侧的零件固定而外侧的零件旋转，这些实施例也可以同样起作用。
首先参考图5和6，图5和6示出了用于控制或限制转子(22)相对于定子(24)的径向运动的装置(20)的第一实施例。该装置包括要在转子(22)上一个或多个位置处使用的机轮总成(20)。图5中示出了机轮总成(20)的截面。
尽管还可以使用其它适当的轴承，例如滚柱轴承或轴颈轴承，支承轮(26)通过滚针轴承(28)被支撑在转子轴(22)上。在一些实施例中，轴承(28)是轴颈轴承，包括碳化硅、碳化钨、氮化硅或其它类似耐磨损材料。支承轮可以用钢或其它适合所期望的环境的材料制造。支承轮(26)的外侧表面被设计为在轮廓近似为圆形的位置处，绕定子体(24)的内侧表面滑动或滚动。支承轮(26)和定子体(24)的内侧表面的半径差异限定了转子轴相对于定子轴的最大偏移量。支承轮(26)中形成了通道(27)，以增大流体沿设备流动的面积，其中通道可以是任何数量的，也可以是任何形状的，只要它们足够大以通过传动液或所泵送的流体中可能存在的任何固体。定子体(24)具有圆形轮廓，在此支承轮(26)构成接触，使得转子轴(22)的中心线将被约束以保持大致在固定半径的圆内，这有助于防止转子(22)和定子(24)表面之间的缝隙打开。尽管附加的机轮总成可以位于附加的位置处，图6示出了仅在一端安装了根据图5的机轮总成(20)的马达或泵的纵向截面。
在一些实施例中，支承轮(26)可以在与定子缸本身的内表面接触的情况下滑动或滚动。在其它实施例中，支承轮(26)可以在与位于定子缸的内表面上的涂层接触的情况下滑动或滚动。在一些定子的制造过程中，例如通过向缸的内表面浇注或注入衬里材料，对诸如管道或管状体的缸的内表面加衬里。然而，由于定子制造工艺的复杂性，不能保证所得到的定子与定子缸本身的同心性。因此，在制造过程中，所得到的定子衬里(90)可能偏离定子缸(94)的中心线(92)，如图11A所示，其中所得到的衬里的中心线(96)偏离定子缸(94)的中心线(92)。如上所述，支承轮(26)的外表面被设计为绕着定子体(24)的轮廓大致为圆形的内表面滑动或滚动。因此，支承轮(26)也应当绕着涂层材料的内表面滑动或滚动，使得支承轮(26)沿着与定子衬里相同的中心线滑动或滚动(即与定子衬里和转子一致，而不是与定子缸一致)。因此，要与支承轮(26)一起使用的定子的制造可以包括在定子的一端或两端涂敷、模制或机械加工恒定直径(例如1.6mm(1/16英寸)到12.8mm(1/2英寸)的厚橡胶)的部分(96)，如图11B和11C所示，以便确保支承轮(26)适当地约束转子的路径，并且提供期望的好处。
如上所述，支承轮(26)和定子体(24)的内表面的半径差限定了转子轴与定子轴的最大偏差。另外，为了适当地行使功能，支承轮(26)必须维持与定子内表面的滑动和/或滚动关系，以便在完整的旋转中约束转子，即维持接触超过360°。由于转子的偏心旋转，支承轮(26)相对于定子(90)的内表面的相对直径是个重要的变量，其中不恰当的比例可能导致支承轮与定子内表面的不规则接触，即非滚动或非滑动关系。
除了直径，支承轮(26)的长度也必须足以维持因转子的摆动而带来的侧向负荷。支承轮(26)应当具有充足的轴向尺寸，以解决结构上的考虑因素。因此，支承轮(26)的长度可以取决于叶数、马达/泵的扭矩以及本领域技术人员可容易地认识到的变量，并且还可以受转子和传动轴之间的可用空间的限制。
支承轮(26)限制因转子的偏心运动而带来的摆动的程度。反过来，这可以通过限制定子衬里(例如橡胶或其它弹性材料)的压缩或挠曲来限制流动缝隙沿马达/泵的长度方向的形成。在一些实施例中，支承轮可以将定子衬里的挠曲限制到小于0.64mm(0.025英寸)；在一些实施例中小于0.5mm(0.02英寸)；在另一些实施例中小于0.38mm(0.015英寸)。也可以使用这里公开的其它实施例获得类似的挠曲限制。
如上所述，支承轮(26)径向约束转子的位置，保持转子与定子接触(即提供抵消接触力，而不妨碍扭矩的产生)。转子和定子之间的接触点处所得到的减小了的法向力可以减小牵引阻力，改善接触点处的压缩，使泄露路径最小化。通过限制沿转子长度方向上流动缝隙(泄露路径)的形成，可以降低压力损耗，增大马达的功率输出。另外，约束转子的位置可以减小定子磨损，特别是减小邻近切向速度最高的叶顶部处的磨损。
现在参考图7，图7示出了用于控制或限制转子(32)相对于定子(34)的运动的装置(30)的第二实施例，其中固定镶块(36)安装在定子(34)内侧。可以在定子(34)内一个或多个位置处设置固定镶块(36)。固定镶块(36)具有中心孔(38)或定子(34)内径的类似制约结构，以限制转子(32)相对于定子(34)的径向运动。固定镶块(36)还可以包括多个孔(37)，以便于流体沿马达或泵的通过。固定镶块(36)确保转子轴(32)中心线将被约束，以保持大致在固定半径的圆内，并且这有助于防止转子(32)和定子(34)表面之间的缝隙的打开。
类似于图5、6、11的实施例，图7所示的固定镶块(36)可以设置在模制转子轮廓内，使得固定镶块(36)具有与定子衬里(32)相同的中心线。在一些实施例中，固定镶块(36)可以是模制定子轮廓的凸起部分。在一些实施例中，固定镶块(36)的直径与转子(32)的直径之比可以使得实现真正或纯滚动直径。在不使用真正滚动直径比例的情况下，也可以使用轴承来允许固定镶块(36)和转子(32)之间的滑动。当根据图7所示的实施例约束转子时，还应当解决关于流动路径、扭矩要求、镶块轴向长度的类似问题。关于扭矩要求，在一些实施例中，可能值得期待的是具有接近固定镶块(36)的增大的转子横截面，而不是收缩转子横截面以提供滑动或滚动关系。
图8图解了用于控制或限制转子(42)相对于定子(44)的运动的装置(40)的第三实施例。在转子(42)的一端设置了变型的传动轴(43)，以约束转子(42)的径向运动。另一端也可以有类似的铰接轴，以约束转子(42)在那一端处的径向运动。传动轴(43)一端处的铰接角度可以受例如在马达(45)的情况下附在输出轴上而在泵(45)的情况下附在输入轴上的缓冲环(46)的限制，使得当接触时，对转子的径向运动施加限制。等同的实施例可以具有附在转子(42)上的缓冲环(46)，并且这将类似地制约转子(42)的径向运动。传动轴(43)确保转子轴中心线将被约束以保持大致在固定半径的圆内，这有助于防止转子和定子表面之间的缝隙的打开。
图9示出了用于控制或限制转子(52)相对于定子(54)的运动的装置(50)的第四实施例。该装置(50)由可旋转环形镶块(56)构成，可旋转环形镶块(56)安装在定子体(54)内，并且能够绕纵轴相对于定子(54)旋转。可旋转镶块(56)可以设置在定子(54)内一个或多个位置处。定子和镶块之间的轴承(未示出)使得镶块(56)相对于定子(54)的旋转更便利。镶块(56)中设置有开孔(58)，开孔(58)的中心从镶块(56)的中心偏离的距离等于转子轴相对于定子轴的最大可允许偏差。开孔(58)的直径为足以允许转子(52)通过并自由旋转的尺寸。镶块(56)和转子(52)之间设置有另一个轴承(未示出)，以便于转子(52)相对于镶块(56)的旋转。孔(57)穿透环形镶块(56)，以允许流体沿马达或泵通过。镶块(56)确保转子轴(52)中心线将被约束，以保持大致在固定半径的圆内，这有助于防止转子(52)和定子(54)表面之间的缝隙的打开。
图10图解了控制或限制转子(62)相对于定子(64)的运动的装置(60)的第五实施例。使用由可以是固体、液体或气体的约束材料(66)起作用的多个活塞(65)来限制转子(62)的径向运动。活塞总成(65)可以设置在定子(64)内一个或多个位置处。尽管还可以使用不同数量的活塞，图10示出了使用八个这样的活塞(65)的示例。用来容纳活塞(65)的缸壳(63)被机械加工为环形镶块(67)，环形镶块(67)安装在定子体(64)内侧，并且足够厚以防止所施加的负荷导致结构故障。环形镶块(67)设有多个孔(68)，以允许流体沿马达或泵通过。当转子(62)接触活塞(65)时，约束材料(66)被压缩，并防止活塞(65)自由运动，因此限制转子(62)的运动。装置(60)确保转子轴(62)中心线将被约束以保持大致在固定半径的圆内，这有助于防止转子(62)和定子(64)表面之间的缝隙的打开。
如上所述，图5-11中图解并参考其描述的实施例被提供以用于限制或约束转子的径向运动的程度(即限制转子在旋转期间的轨迹和路径)。这里公开的实施例可以有效地限制向外的径向运动，例如图5中所图解的约束，并且还可以限制转子向内的径向运动，如图9中所图解的约束。
除了图5-11所图解的用于约束径向运动的相对圆形的部件，还可以使用非圆形抑制器来约束转子的运动，如图12A(轮廓图)和12B(纵向截面图)中所图解的。在这一实施例中，旋进装置(70)可操作地连接到转子轴(75)，旋紧装置(70)包括叶轮(72)，叶轮(72)的轮廓与转子(74)的轮廓相似但不相同。类似地，叶轮(72)将与轨道结构(76)啮合，轨道结构(76)的轮廓与定子(78)的轮廓相似但不相同。轨道结构(76)可以由与定子(78)类似的材料形成，或者可以是比定子(78)更不可压缩的材料，例如更硬的橡胶或钢。可以在沿着转子(74)的一个或多个位置处使用旋进装置(70)。
旋进装置(70)控制转子(74)，使得其将在规定的路径上以相对于定子(78)规定的旋转方式来运动。这种类型的抑制器可以有效地将转子的旋转锁定到其轨迹位置。叶轮(72)与叶轨(76)啮合，使得叶轮(72)与叶轨(76)的相对轮廓将转子(74)的路径和旋转固定到规定的值。
叶轮(72)以基本上固定的方式连接到转子轴(75)。叶轮(72)上的叶数和叶轨(76)上的叶数之比被限制为与转子(74)上的叶数和定子(78)上的叶数之比相同。叶轮(72)和叶轨(76)上的叶的轮廓将确定转子(74)可以使定子(78)的密封表面变形到什么程度，并且因此限制它们之间缝隙的打开。
为了允许一定的旋转顺从性，叶轮(72)或叶轨(76)的表面可以附加例如橡胶的柔性层。叶轮(72)和叶轨(76)可以具有平行的侧边，或者包括螺旋角以允许一点小的轴向运动，并适应制造公差。
叶轮(72)的轮廓和组分(构造材料、压缩系数等)可以设计为使得定子(78)中的橡胶的变形受到限制。在其它实施例中，叶轮(72)的轮廓和组分可以被设计为使得定子(78)中的橡胶的变形维持在固定值。以这种方式，用转子(74)和定子(78)中的橡胶之间的相互作用来维持密封，其中扭矩大部分在叶轮(72)上产生。这样不但允许压力载荷高达密封会失效的点(非常高的压力)，而且确保橡胶中的接触力可以保持基本上与压力大小无关。这将减小橡胶中的磨损和疲劳失效，并且改善马达/泵效率。
根据这里公开的实施例的马达可以用作例如钻井总成中的泥浆马达。参考图13，在操作中，将钻井液以高于泥浆马达(100)的输出端(104)的压力泵送到泥浆马达(100)的输入端(102)，对转子(105)产生力，并使得转子(105)旋转。转子(105)可操作地连接到传动轴(106)，以将转子(105)的轨道旋转转变为绕固定轴(108)的旋转。传动轴的远端(未示出)直接或间接地联接到钻头(未示出)，可以使用其旋转来钻穿地下地层。
操作期间施加到转子(105)上的力包括因从输入(近)端(102)到输出(远)端(104)跨马达(100)两端的压力差而导致的力。该压力差可以导致俯仰力矩。还有施加到钻柱上的向下的力，通常称为“钻压”，其中这一力需要通过转子-传动轴-钻头联接来传递。传动轴联接的轨迹-轴关系可以导致施加到转子(105)的角向力和/或径向力。转子(105)的旋转还导致切向力。
这些力中的每一个都对转子(105)与定子(114)相互作用的方式有影响(例如，转子旋转时沿着所形成的腔的边缘产生密封的压缩力，转子(105)和定子(114)之间的滑动力、牵引阻力或摩擦力，等等)，并且可能导致缝隙沿着马达(100)的长度方向而形成，降低马达效率。另外，这些力的影响在邻近输入端(102)处和邻近输出端(104)处可能不同。如上面所讨论，这里公开的用于约束转子的各种装置可以用来在邻近输入端102处、邻近输出端104处或者邻近两处都控制或限制转子(105)的运动。
图14-15图解了使用如这里所公开的受约束的转子例如用于钻井操作的各种马达(100)的其它示例，其中相同的附图标记代表相同的部件。如图13所图解并参考图13所描述，马达(100)的实施例可以包括邻近输出(远)端(104)以约束转子(105)的运动的约束件(118)。如图14所图解，马达(100)的实施例可以包括邻近输入(近)端(102)以约束转子(105)的运动的约束件(120)。如图15所图解，马达(100)的实施例可以包括分别邻近输入端(102)和输出端(104)以约束转子(105)的运动的约束件(118)、(120)。
当如图15所示使用两个或更多个约束件时，约束件(118)、(120)可以相同或不同。例如，如上所述，在输入端处与输出端处施加到转子(105)的力可能不同，导致转子中心在输入端和输出端的轨迹半径不同。因此，可以优选地在邻近输入端(102)处具有限制转子(105)的径向运动的约束件，例如图5中所图解的约束件，可以结合限制转子的向内径向运动的约束件来有效地工作，例如图9或图12A、12B图解的约束件。以这种方式，约束件可以有效地限制在转子和定子之间形成的缝隙尺寸，提高马达效率。
这里公开的装置可以用于约束转子相对于定子的径向和/或切向运动，减小、最小化或消除沿着马达的长度方向的流动缝隙，从而提高马达效率。这里公开的装置还可以减小定子磨损。
这里图解的实施例仅仅是作为实施例而被提供，应当理解，在这里公开的构思的范围之内，还可以构想其它用于控制或限制转子相对于定子的运动的系统。
还应当理解，尽管所图解的实施例中转子为在定子内部旋转的零件，并且事实上大部分泵和马达也是这样布置的，但是如果内侧的零件固定而外侧的零件旋转，这些实施例也将同样起作用。
Claims (45)
1.一种穿过地下地层钻井眼的方法，该方法包括：
使钻井液通过泥浆马达总成，所述泥浆马达总成包括移动式或步进式螺杆马达，该马达具有近端和远端，该马达包括：
定子和转子，其中所述定子的表面是由柔性材料制成的，以使得能够在所述转子和所述定子的接触表面之间形成密封；
邻近所述近端和所述远端中的至少一个设置的至少一个装置设置的至少一个装置，所述至少一个装置约束所述转子相对于所述定子的径向和/或切向运动；以及
使用直接或间接联接到所述转子的钻头钻所述地层。
2.一种泥浆马达总成，包括移动式或步进式螺杆马达，该马达具有输入端和输出端，该马达包括：
定子和转子，其中所述定子的表面是由柔性材料制成的，以使得能够在所述转子和所述定子的接触表面之间形成密封；
邻近所述输入端和所述输出端中的至少一个设置的至少一个装置，所述至少一个装置约束所述转子相对于所述定子的径向和/或切向运动。
3.一种钻井总成，包括：
泥浆马达总成，包括移动式或步进式螺杆马达，该马达具有近端和远端，该马达包括：
定子和转子，其中所述定子的表面是由柔性材料制成的，以使得能够在所述转子和所述定子的接触表面之间形成密封；
邻近所述近端和所述远端中的至少一个设置的至少一个装置，所述至少一个装置约束所述转子相对于所述定子的径向和/或切向运动；
马达输出轴，直接或间接地联接到所述转子的所述远端；以及
钻头，直接或间接地联接到所述马达输出轴的远端。
4.一种移动式或步进式螺杆马达或泵总成，具有输入端和输出端，该马达或泵包括：
设置在外部部件内的内部部件，一个构成定子，而另一个构成转子，其中，所述转子或所述定子的表面是由柔性材料制成的，以使得能够在所述转子和所述定子之间的接触表面之间形成密封；
邻近所述输入端和所述输出端中的至少一个设置的至少一个装置，所述至少一个装置约束所述转子相对于所述定子的径向和/或切向运动。
5.根据权利要求2-3中任何一项的总成，其中所述转子包括轴，所述轴根据情况在邻近所述输入端和所述输出端中的至少一个或者所述近端和所述远端中的至少一个处延伸超过所述定子，所述至少一个装置设置在所述轴上、可与所述轴一起操作、或者为两种情况的结合。
6.根据权利要求4的总成，其中所述内部部件包括轴，所述轴在邻近所述输入端和所述输出端中的至少一个处延伸超过所述外部部件的所述转子或定子，所述至少一个装置设置在所述轴上、可与所述轴一起操作、或者为两种情况的结合。
7.根据权利要求2-6中任何一项的总成，其中所述至少一个装置的可操作区域与所述转子/定子对的可操作区域同心。
8.根据权利要求2-7中任何一项的总成，其中所述至少一个装置约束所述转子相对于所述定子的轨迹路径。
9.根据权利要求2-8中任何一项的总成，其中所述至少一个装置固定所述转子相对于所述定子的轨迹路径。
10.根据权利要求2-9中任何一项的总成，其中所述至少一个装置将所述转子的几何中心的运动限制到预定路径。
11.根据权利要求2-10中任何一项的总成，根据情况，包括邻近所述输出端或所述远端设置的约束装置。
12.根据权利要求2-11中任何一项的总成，根据情况，包括邻近所述输入端或所述近端设置的约束装置。
13.根据权利要求2-12中任何一项的总成，根据情况，包括邻近所述输入端或所述近端设置的第一约束装置和邻近所述输出端或所述远端设置的第二约束装置，其中所述第一约束装置和所述第二约束装置可以相同或不同。
14.根据权利要求2-13中任何一项的总成，其中所述至少一个装置将所述柔性材料的挠曲或压缩限制为小于0.64mm。
15.根据权利要求2-14中任何一项的总成，其中所述至少一个装置将所述柔性材料的挠曲或压缩限制为小于0.38mm。
16.根据权利要求2-15中任何一项的总成，其中所述至少一个用于约束的装置包括以下各项中的一个或多个：
a)机轮总成，用于控制或限制所述转子在所述定子内部或绕所述定子的运动；
b)固定镶块，用于控制或限制所述转子在所述定子内部或绕所述定子的运动；
c)传动轴总成，位于所述转子和所述定子的一端或两端，用于控制或限制所述转子在所述定子内部或绕所述定子的运动；
d)可旋转镶块，用于控制或限制所述转子在所述定子内部的运动；
e)活塞总成，用于控制或限制所述转子在所述定子内部的运动；以及
f)旋进装置，用于控制或限制所述转子在所述定子内部的运动。
17.根据权利要求16(a)的总成，其中所述机轮总成包括安装在所述转子的轴上的轮，所述轮被配置为绕着所述定子的内表面运行。
18.根据权利要求16(a)的总成，其中所述机轮总成包括安装在所述定子的轴上的轮，所述轮被配置为使得所述转子能够绕着所述定子的外表面运行。
19.根据权利要求17或权利要求18的总成，其中所述机轮总成位于所述马达或泵中所述转子和所述定子的轮廓基本上为圆形的位置处。
20.根据权利要求17-19中任何一项的总成，其中所述机轮总成还包括用于使得所述轮和所述转子之间能够相对旋转的轴承。
21.根据权利要求17的总成，其中所述轮的外径等于所述定子的内表面的直径减去所述转子距离其几何中心线的预定最大偏移量的两倍。
22.根据权利要求18的总成，其中所述轮的外径等于所述转子的内表面的直径减去所述转子距离其几何中心线的预定最大偏移量的两倍。
23.根据权利要求17-22中任何一项的总成，其中所述轮具有使得流体能够流过的开孔。
24.根据权利要求17-23中任何一项的总成，其中在所述机轮总成的区域中，所述转子和所述定子的接合表面基本上是刚性的。
25.根据权利要求16(b)的总成，其中所述固定镶块安装在所述转子-定子对的外部部件中，并且具有中心开孔，所述转子-定子对中的内部部件的轴可以通过该中心开孔，所述中心开孔的直径的尺寸被设计为限制所述转子相对于所述定子的径向运动。
26.根据权利要求16(b)或权利要求25的总成，其中所述固定镶块具有另外的多个开孔，以使得流体能够从其中流过。
27.根据权利要求16(b)和25-26中任何一项的总成，其中所述刚性镶块位于所述马达或泵中所述转子和/或所述定子的轮廓基本上为圆形的位置处。
28.根据权利要求27的总成，其中所述中心开孔基本上是圆形的，使得所述转子的轴可以沿着所述中心开孔运行，或者所述转子和所述固定镶块可以绕所述定子运行。
29.根据权利要求16(c)的总成，其中所述传动轴总成包括：
主动轴和从动轴，使得当这两个轴不平行时可以传递旋转；以及
用于限制所述主动轴和所述从动轴之间的角度的机构，使得所述转子相对于所述定子的运动被限制。
30.根据权利要求29的总成，其中所述用于限制所述主动轴和所述从动轴之间的角度的机构是缓冲环。
31.根据权利要求16(d)的总成，其中所述可旋转镶块安装在所述定子内部，并且具有开孔，所述转子的轴可以通过所述开孔，所述开孔从所述可旋转镶块的中心偏离，使得所述转子的运动被限制到预定路径。
32.根据权利要求16(d)或权利要求31的总成，其中所述可旋转镶块能够在所述定子内自由旋转。
33.根据权利要求16(d)、31或32的总成，其中所述转子能够在所述可旋转镶块内自由旋转。
34.根据权利要求32或权利要求33的总成，其中设置了轴承以便于所述可旋转镶块和/或所述转子的旋转。
35.根据权利要求31-34中任何一项的总成，其中所述可旋转镶块包括另外的多个开孔，以使得流体能够从其中流过。
36.根据权利要求16(e)的总成，其中所述活塞总成包括多个面向内部的活塞，所述活塞绕所述转子-定子对的所述外部部件均匀分布，以控制所述转子相对于所述定子的运动。
37.根据权利要求16(f)的总成，其中所述旋进装置包括安装在所述转子的轴上的叶轮，所述叶轮被配置为在固定在所述定子上的叶轨上运行。
38.根据权利要求37的总成，其中所述叶轮上的叶数与所述叶轨上的叶数之比被限制为所述转子上的叶数与所述定子上的叶数之比。
39.根据权利要求16(f)、37或38的总成，其中所述旋进装置被配置为提供以下各项中的至少一项：
所述马达或泵内的腔的最佳密封；
构成所述转子和所述定子的不同材料中的最佳应力；
所述转子的预定轨线和旋转。
40.根据权利要求37-39中任何一项的总成，其中所述叶轮和所述叶轨中的至少一个的表面包括柔性材料。
41.根据权利要求37-40中任何一项的总成，其中所述叶轮和所述叶轨的轴向表面平行于所述马达的轴线。
42.根据权利要求37-40中任何一项的总成，其中所述叶轮和所述叶轨的轴向表面是螺旋形的，并且不与所述马达的轴线平行。
43.一种制造移动式或步进式螺杆马达或泵的方法，该马达或泵具有输入端和输出端，该方法包括：
在外部部件内布置内部部件，一个构成定子，而另一个构成转子；
所述内部部件的一部分具有轮廓螺旋形的外表面；
所述外部部件包括具有轮廓螺旋形的内表面的第一部分和具有圆形内表面的至少一个第二部分，所述至少一个第二部分邻近所述输入端和所述输出端中的至少一个，并且与所述第一部分同心；
将用于约束所述转子相对于所述定子的径向和/或切向运动的至少一个装置沿着相应的所述至少一个第二部分的长度可操作地连接到所述内部部件和所述外部部件中的至少一个上。
44.根据权利要求43的方法，还包括对所述内部部件和所述外部部件中的至少一个进行模制、机械加工、和/或喷涂。
45.一种制造移动式或步进式螺杆马达或泵的外部部件如泥浆马达的定子的方法，该方法包括：
将管状外部部件与模制、机械加工、和/或喷涂设备对准，其中所述管状外部部件的中心线与所述设备的中心线可以相同或不同；
进行模制、机械加工、和/或喷涂，以使所述外部部件的第一内部部分具有轮廓螺旋形内表面，并使所述外部部件的至少一个第二内部部分具有内径大致恒定并且与所述第一内部部分同心的内表面，所述第二内部部分被配置为容纳用于约束设置在其中的内部部件的径向和/或切向运动的装置。
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