CN103857867A - 带有改进的定子的井下马达和泵及其制造和使用方法 - Google Patents
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Abstract
在一个方面，本发明提供了一种用于井下的设备，在一个构造中，所述设备包括：定子，所述定子包括具有内轮廓的外壳；和为定子外壳的内轮廓加衬的衬套，其中，衬套的厚度围绕外壳的内轮廓是非等距的。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年8月26日提交的美国申请号No.13/219289的优先权，该申请全部内容在此引入作为参考。
背景技术
1.技术领域
概括来说，本发明涉及在井眼作业中使用的钻井马达和螺杆泵。
2.相关技术概述
为获得诸如石油和气的烃类，通过使附接于钻柱端部的钻头旋转钻出钻孔或井眼。当前钻井作业有很大比例涉及钻出斜钻孔和水平钻孔，以增大烃开采和/或从地层提取额外的烃。现代定向钻井系统通常采用在底部具有钻头的钻柱，钻头由容积式马达（通常称为“井下动力钻具”或“钻井马达”）带动旋转。典型的井下动力钻具包括包含定子和设置在定子中的转子的动力部分。定子通常包括内部衬有具有螺旋形轮廓或波瓣的弹性体材料的金属外壳。转子包括由诸如钢的金属制成的螺旋形轮廓的波瓣。加压钻井流体（通常被称为“泥浆”或“钻井流体”）被泵送到转子波瓣和定子波瓣之间形成的渐进式空腔中。泵送到空腔中的加压流体的力使转子以行星式运动的方式转动。弹性体定子衬套提供了定子波瓣与转子波瓣之间的密封。弹性体衬套还为转子提供了支撑，从而在井下动力钻具或泵运行期间保持在高负荷状态下。
传统定子利用两种类型的弹性体衬套。在一种类型中，金属管（“外壳”）内部衬有非均匀尺寸的弹性体材料，所述弹性体材料具有螺旋波瓣状内部几何结构。在第二种类型中，外壳具有金属螺旋波瓣状内部几何形状。内部金属波瓣则衬有一层均匀（即，等距或同厚度）的弹性体材料。虽然等距橡胶衬里相比非均匀尺寸弹性体衬套具有某些优点，但是，均匀衬套上的减小的应力和应变与钻井马达的容积效率和功率输出的维持之间仍然存在折衷。
在此，本发明提供钻井马达，所述钻井马达具有改进的弹性体衬套几何结构，其至少解决了现有技术的弹性体衬套存在的一些缺陷。
发明内容
在一个方面，本发明提供了一种用于井下的设备，其包括：定子，所述定子包括具有内轮廓的外壳；和衬套，所述衬套为定子外壳的内轮廓加衬，其中，衬套的厚度围绕内轮廓是非等距的。
在另一个方面，提供了一种提供用于井下的设备的方法，在一个实施例，所述方法包括：提供定子，所述定子包括具有波瓣状内轮廓的外壳；和将用一衬套为定子外壳的内轮廓加衬，其中，衬套的厚度围绕在起状内轮廓是非等距的。
在此披露的设备和方法的某些特征的例子被概括得相当宽，以便可以更好地理解下述的详细说明。当然，下文还披露有设备和方法的附加特征，其形成了所附的权利要求的主题。
附图说明
为了详细地理解本发明，应当结合附图参照下面的详细说明，在附图中同样的元件通常使用同样的数字标记，并且其中：
图1是包括依照本发明的一实施例制成的定子的钻井马达的纵截面；
图2（现有技术）是现有技术定子的截面，所述定子包括作为外壳的圆柱形中空管和其中的弹性体衬套；
图3（现有技术）是现有技术定子的截面，所述定子包括带有预制波瓣状轮廓的金属外壳，其内衬有等距（均匀厚度）的弹性体衬套；
图4是依照本发明的一实施例制成的定子的截面线条图，还显示了图3所示的现有技术定子的截面布局；和
图5是图4所示的定子的一部分的放大图。
具体实施方式
图1显示了依照本发明的一实施例制成的示例性钻井马达100的横截面。钻井马达100包括动力部分110和支承组件150。动力部分110包含定子111和放置在定子111内部的转子120。定子111包括具有若干波瓣115的细长金属外壳112，所述波瓣具有金属波瓣状内轮廓或内构形113。定子外壳112可以预先成型有金属内轮廓113。定子外壳的内轮廓113衬有弹性体衬套114，弹性体衬套包括波瓣状内轮廓118。衬套114通过例如模制、硬化等合适的工艺固定到外壳112内部。转子120通常由合适的金属或合金制成，并包括波瓣122。定子111的波瓣比转子的波瓣数量多一个。转子120可旋转地设置在定子111内部。在许多方面，转子120可以包括一孔124，如图1所示，所述孔终止于转子120的上端128下方的部位127处。孔124经由孔口138保持与转子120下方的钻井流体140流体连通。
仍然参照图1，转子波瓣122、定子波瓣115以及它们的螺旋角构造成，使得转子波瓣122和定子波瓣115以离散的间隔密封，由此形成轴向流体腔室或空腔126。在压力下供给至井下动力钻具100的钻井流体140流过空腔126，如箭头134所示，带动转子120在定子110内部以行星方式旋转。定子波瓣115和转子波瓣122的设计和数量限定了钻井马达100的输出特性。在一个构造中，转子120耦联于一挠性轴142，所述挠性轴连接于支承组件150中的可旋转驱动轴152。一钻头（未显示）在合适的钻头盒154处连接于支承组件150的底端。在钻井作业期间，加压流体140带动转子120旋转，转子120进而又带动挠性轴142旋转。挠性轴142带动钻井轴152旋转，钻井轴152进而又带动钻头盒154旋转，从而带动钻头旋转。在其它方面，定子外壳可以由任何非弹性体材料制成，包括但不限于陶瓷或陶瓷基材料、加强碳纤维、以及金属和非金属材料的组合。转子也可以由任何适合的材料制成，包括但不限于陶瓷、陶瓷基材料、碳纤维、以及金属和非金属材料的组合。参照图4和图5对依照本发明的一实施例制成的定子进行了描述。但是，可以认为这对描述某些当前制成的定子的典型构造也有所帮助。
图2（现有技术）显示了现有技术定子200的截面，所述定子200包括金属外壳210，所述金属外壳具有贯穿其中的直孔212。定子200衬有由诸如橡胶的弹性体材料222制成的衬套220。衬套220的内表面221具有螺旋状轮廓表面，所述螺旋状轮廓表面包括多个波瓣，例如波瓣230a-230f。每个这样的波瓣具有波瓣底部和波瓣顶部。例如，波瓣230a包括波瓣底部232a和波瓣顶部234a。在图2所示的定子200中，衬套220的厚度是变化的。波瓣状内构形221与后面描述的转子的波瓣状构形相适应。
图3（现有技术）显示了现有技术定子300的截面，其中，定子外壳310由金属制成，所述定子外壳包括多个波瓣330a-330f，所述多个波瓣具有金属内轮廓或内构形340。定子外壳310的内构形340衬有等距（相同厚度）的弹性体衬套（或衬里）350，弹性体衬套350的波瓣状外轮廓352与定子外壳310的波瓣状内轮廓354相匹配。衬套350遵从轮廓354。每个定子波瓣（330a-330f）包括波瓣底部和波瓣顶部。例如，波瓣330b具有波瓣顶部332a和波瓣底部332b。此外，每个波瓣还具有前侧和后侧，其中，在井下动力钻具运行期间，前侧比后侧承受更高的负荷。波瓣330b的前侧是334a，而后侧是334b。
仍然参照图3，虽然等距弹性体衬套350有一些好处，但是它不一定能够为定子外壳310的衬套350提供良好的外轮廓。优化等距弹性体衬套350（例如橡胶衬套）的性能的效果受到减少衬套350上的应力和应变与维持井下动力钻具或泵的容积效率及动力输出之间的折衷的影响。大家都知道，均匀衬套的波瓣上的橡胶厚度的增加不仅可以提供应力和应变的显著减小，而且还导致井下动力钻具容积效率的降低和更低有效温度运输。但是，本发明人已经确定，增加各波瓣之间（波瓣顶部或谷部附近）的弹性体材料厚度，会导致应力和应变的有限减少（高达25%），并导致与更薄的等距橡胶衬里相比在较高局部温度下容积效率损失相对更小，但仍然具有完全高度钢制预轮廓，以有效地输送来自定子衬套的热量。依照一个实施例制成的示例性定子衬套轮廓以及本发明的方法将参照图4和图5进行描述。
图4显示了依照本发明的一实施例制成的井下动力钻具400的动力部分的截面线条图。图5显示了图4定子的分解部分。井下动力钻具400包括一定子410，所述定子410包括定子外壳415，所述定子外壳具有依照本发明的一实施例制成的金属制波瓣状内轮廓420。定子外壳415的波瓣状内轮廓420衬有衬套或衬里450。衬套450的外轮廓452与外壳415的内轮廓420相匹配。与例如图3所示的均匀或等距衬套相比，衬套450为非等距厚度（或非均匀厚度）的衬套。为了对比，等距衬套480具有一内轮廓481和一外轮廓482。非等距衬套450的内轮廓481与等距衬套480的内轮廓481是相同的。在许多方面，与等距衬套480的厚度相比，内轮廓481与外轮廓482之间的间隙484限定了非等距衬套450的增加了的厚度。
因而，在许多方面，依照本发明的一实施例制成的弹性体衬套450的厚度在具有预成型轮廓表面的定子外壳中是非均匀的。定子400中的每个波瓣包括波瓣底部和波瓣顶部。例如，在图4所示的波瓣中，波瓣底部由486a指示，波瓣顶部由486b指示。波瓣顶部486b具有前侧或前缘472和后侧或后缘474。图5显示了图4定子400的放大区域“5”。在图4和图5所示的定子400的特定构造中，衬套450在前侧472以及在后侧474的厚度“d1”大于在波瓣底部486a处衬套450内轮廓481与定子外壳410的内轮廓482之间的衬套450厚度“d2”。距离d1和/或d2或它们的比率可以根据设计需要以及使用钻井马达或螺杆泵的预定应用和环境进行调节。衬套前侧472处的厚度可以不同于衬套后缘474处的厚度。
因而，在许多方面，本发明提供了一种用于井下的设备，在一个实施例中，该设备包括：定子，所述定子包括具有内轮廓的外壳；和在所述内轮廓内的衬套，其中，衬套的厚度围绕内轮廓是非等距的。在一个方面，内轮廓和衬套的材料可以不同。在定子的一个构造中，外壳和衬套材料可以是金属材料，而衬套可以由合适的弹性体材料制成。在另一方面，衬套包括若干波瓣，每个波瓣具有波瓣顶部和波瓣底部，其中，衬套包括前侧和后侧，以及其中，跨前缘和/或后缘的衬套厚度可大于波瓣顶部与波瓣底部之间的衬套厚度。在另一个构造中，衬套前缘处的厚度可大于或者小于衬套后缘处的厚度。在许多方面，比定子的波瓣少一个波瓣的转子设置在定子中，以形成钻井马达、螺杆泵或另外合适的Moineau装置的动力部分。在另一个构造中，外壳材料可以是陶瓷材料、复合材料、碳纤维材料、金属合金或金属和非金属材料的组合，衬套材料可以是任何合适的弹性体材料。在其它方面，该设备可以包括钻头和若干传感器，并可以耦联于管柱。
为便于说明和描述，上文的描述针对的是本发明的特定实施例。但是，对本领域技术人员来说显而易见的是，在没有背离在此公开的构思和实施例的范围和精神的情况下，可以对上述实施例进行许多修改和变化。所附的权利要求书企图解释为涵盖所有这些修改和变化。
Claims (19)
1.一种用于井下的设备，包括：
定子，所述定子包括具有内轮廓的外壳；和
衬套，所述衬套为定子外壳的内轮廓加衬，其中，衬套的厚度围绕外壳的内轮廓是非等距的。
2.如权利要求1所述的设备，其中，外壳的内轮廓由第一材料制成，衬套由不同于第一材料的第二材料制成。
3.如权利要求2所述的设备，其中，第一材料包括金属，第二材料为弹性体材料。
4.如权利要求1所述的设备，其中，定子外壳的内轮廓包括具有波瓣顶部和波瓣底部的波瓣，衬套包括前侧和后侧，以及其中，跨前缘和后缘之一的衬套厚度大于波瓣顶部和波瓣底部之间的衬套厚度。
5.如权利要求4所述的设备，其中，前缘的厚度为下列之一：（i）大于衬套后缘处的厚度；和（ii）小于衬套后缘处的厚度。
6.如权利要求1所述的设备，还包括设置在定子中的转子，所述转子包括构造成在定子中旋转的波瓣。
7.如权利要求1所述的设备，其中，第一材料选自下列材料构成的组：陶瓷材料；复合材料；碳纤维材料；金属合金；以及金属和非金属材料的组合。
8.如权利要求7所述的设备，其中，该设备构造成作为钻井马达和螺杆泵之一运行。
9.如权利要求7所述的设备，还包括耦联于转子的钻头。
10.一种提供用于井下的设备的方法，所述方法包括：
提供定子，所述定子包括具有波瓣状内轮廓的外壳；和
用一衬套为定子外壳的内轮廓加衬，其中，衬套的厚度围绕波瓣状内轮廓是非等距的。
11.如权利要求10所述的方法，其中，提供定子包括：提供由第一材料制成的定子外壳和由不同于第一材料的第二材料制成的衬套。
12.如权利要求11所述的方法，其中，第一材料包括金属，第二材料为弹性体材料。
13.如权利要求10所述的方法，其中，外壳中的衬套包括具有波瓣顶部和波瓣底部的波瓣，衬套包括前侧和后侧，以及其中，跨前缘和后缘之一的衬套厚度大于波瓣顶部与波瓣底部之间的衬套厚度。
14.如权利要求13所述的设备，其中，前缘的厚度为下列之一：（i）大于衬套后缘处的厚度；和（ii）小于衬套后缘处的厚度。
15.如权利要求10所述的方法，还包括：将一转子放置在定子中，所述转子包括构造成在定子中旋转的波瓣。
16.如权利要求10所述的方法，其中，第一材料选自下列材料构成的组：陶瓷材料；复合材料；碳纤维材料；金属合金；以及金属和非金属材料的组合。
17.如权利要求16所述的方法，还包括：将一钻头耦联于转子。
18.一种使用用于钻井眼的钻井马达的方法，该方法包括：
将一钻井马达附接于钻井组件，钻井马达包括：定子，所述定子具有带内轮廓的外壳；和衬套，所述衬套为定子外壳的内轮廓加衬，其中，衬套的厚度围绕外壳的内轮廓是非等距的；
将一钻头耦联于钻井组件；
用管件将钻井组件部署在井眼中；和
通过用钻井马达带动钻头旋转而钻井眼。
19.如权利要求18所述的方法，其中，外壳中的衬套包括具有波瓣顶部和波瓣底部的波瓣，衬套包括前侧和后侧，以及其中，跨前缘和后缘之一的衬套厚度大于波瓣顶部与波瓣底部之间的衬套厚度。
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| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140611 |