CN103946478A - 具有径向约束的转子卡子的容积式马达 - Google Patents

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Abstract

一种移动空腔马达或泵，例如泥浆马达，包括：转子、定子以及用于约束(即控制或限制)转子相对于定子的移动的一个或多个器械，其中，用于约束的器械可与转子卡子一起操作。

Description

具有径向约束的转子卡子的容积式马达
技术领域
本文公开的实施例总体上涉及地下井孔钻井中使用的井下马达。更特别地，本文的实施例涉及使用一个或多个装置向转子提供矫正力或在泥浆马达中约束转子相对于定子的位置来提高马达效率。
背景技术
通过将流体动力转换成机械扭矩并将此扭矩施加到钻头，井下马达组件(例如，泥浆马达)用于辅助钻井操作。钻井流体或钻井泥浆用于冷却和润滑钻头、带走钻屑，并在环形空间的壁上提供泥饼以防止井孔自身脱落或一起坍塌。
图1中示出了使用泥浆马达的钻井组件的一个实例。钻井组件包括马达11，其悬挂在井中管柱上。马达11是螺杆型的，且具有容纳弹性定子17的管状壳体15。定子17是具有贯穿其长度的空腔19的固定弹性件。转子21延伸通过空腔19，且随着流体通过马达11而旋转。
井下组件具有纵向轴线35，该纵向轴线35与马达11的纵向轴线重合。转子21的下端将相对于轴线35偏心地沿轨道旋转，如附图标记37所示。例如，距离轴线35的侧向偏差量可在大约3.1mm到大约6.4mm的量级(大约1/8到1/4英寸)。转子21通过转子联接件41连接到连接器轴39。转子联接件41形成刚性连接，该刚性连接使得连接器轴39的上端与转子21的下端一起地沿轨道旋转。连接器轴39的下端连接到驱动轴联接件43，该驱动轴联接件43同样是刚性联接件。驱动轴联接件43在纵向轴线35上同心地旋转。由于连接器轴39的上端沿轨道旋转的移动，连接器轴39将沿着其长度弯曲。然后，驱动轴联接件43通过驱动轴45直接地或间接地连接到钻头。
操作中，马达组件将被组装且在管柱上下放到井中。一旦入位，将钻井泥浆供应到马达11，使得转子21偏心地旋转。这使得连接器轴39旋转，从而依次旋转驱动轴45和钻头(未示出)。马达11将从下端将流体释放出，流体再从那里到达钻头用于冷却钻头，且在其流动到地表时用于去除钻屑。
钻井马达或泥浆马达(例如，图1中示出的)还可包括转子卡子装置，在未必发生的连接器分离或机械失效的事件中，该转子卡子装置向操作员提供将损坏的马达组件回收的能力。图2示说明了转子卡子装置30，其中，相同的附图标记表示相似的部件。转子卡子装置从转子21的顶部延伸进入顶部接头32中。顶部接头32和定子15可包括螺纹部分34以连接这两个构件。顶部接头32还包括肩部36。转子卡子装置30的顶端的外径大于肩部36的内径。如果外部结构体(例如，转子连接头)的任何部件在顶部接头之下损坏，马达卡子30的大的端部将悬挂在肩部36上，这进而允许转子和马达的剩余部分被拉出井孔。
发明内容
在一个方面，本文公开的实施例涉及一种泥浆马达组件，包括：顶部接头，其包括邻近于所述顶部接头的远端的肩部，所述肩部具有第一内径；动力部分，其包括螺杆式马达，所述螺杆式马达包括定子和转子，所述转子配置成当钻井流体通过所述马达时能偏心地旋转，所述定子和转子均具有近端和远端，其中，所述动力部分的近端联接到所述顶部接头的远端；转子卡子，其包括具有近端和远端的轴，且通过偏心转子运动的传动而偏心地旋转；其中，所述轴的远端直接地或间接地联接到所述转子的近端；其中，所述轴从所述转子卡子的远端延伸经过肩部并进入所述顶部接头一段距离，其中，至少所述轴的延伸经过肩部的部分具有小于所述肩部的所述第一内径的外径；其中，所述轴的近端具有大于所述第一内径的有效外径和/或联接到转子卡子组件，所述转子卡子组件包括一个或多个构件，所述一个或多个构件具有大于所述第一内径的有效外径；至少一个器械，其布置在转子卡子的轴的近端与远端之间，所述至少一个器械配置成能约束转子卡子的轴的径向移动和/或切向移动且能通过所述轴的传动约束所述转子的径向移动和/或切向移动。
在另一个方面，本文公开的实施例涉及一种钻井组件，包括：泥浆马达组件，其包括顶部接头和动力部分；所述顶部接头包括邻近于所述顶部接头的远端的肩部，所述肩部具有第一内径；所述动力部分包括螺杆式马达，所述螺杆式马达包括定子和转子，所述转子配置成当钻井流体通过所述马达时能偏心地旋转，所述定子和转子均具有近端和远端，其中，所述定子的近端联接到所述顶部接头的远端；转子卡子，其包括具有近端和远端的轴，且通过偏心转子运动的传动而偏心地旋转；其中，所述轴的远端直接地或间接地联接到所述转子的近端；其中，所述轴从所述转子卡子的远端延伸经过肩部并进入所述顶部接头一段距离，其中，至少所述轴的延伸经过肩部的部分具有小于所述肩部的所述第一内径的外径；其中，所述轴的近端具有大于所述第一内径的有效外径和/或联接到转子卡子组件，所述转子卡子组件包括一个或多个构件，所述一个或多个构件具有大于所述第一内径的有效外径；至少一个器械，其布置在转子卡子的轴的近端与远端之间，所述至少一个器械配置成能约束转子卡子的轴的径向移动和/或切向移动且能通过所述轴的传动约束所述转子的径向移动和/或切向移动；马达输出轴，其直接地或间接地联接到所述转子的远端；以及钻头，其直接地或间接地联接到所述马达输出轴的远端。
在又一个方面，本文公开的实施例涉及一种穿入地下地层钻出井眼的方法，所述方法包括：使钻井流体通过根据本文公开的实施例的泥浆马达组件或钻井组件，以及使用直接地或间接地联接到转子的钻头对地层钻井。
通过下文的说明书和所附权利要求书，其它方面和优点将是显而易见的。
附图说明
图1说明了现有技术的泥浆马达。
图2说明了与泥浆马达一起使用的马达卡子。
图3是根据本文公开的实施例的泥浆马达组件的简化示意图。
图4是根据本文公开的实施例的泥浆马达组件的简化示意图。
图5是根据本文公开的实施例的泥浆马达组件的简化示意图。
图6是根据本文公开的实施例的泥浆马达组件的简化示意图。
图7-9说明了用于根据本文公开的实施例的泥浆马达组件中的约束器械。
图10说明了可用于根据本文公开的实施例的泥浆马达中的非同心内衬的剖视图。
图11A示出了根据本文公开的实施例的泥浆马达组件的第一实施例的截面图，该泥浆马达组件具有用于控制转子卡子轴的路径和旋转的旋进器械。
图11B示出了通过安装有图11A的器械的泥浆马达组件的部分的纵向截面图。
图12说明了泥浆马达组件/钻井组件，其具有用于控制转子相对于定子、与转子的远端和转子卡子的远端均关联的路径和旋转。
图13是根据本文公开的实施例的泥浆马达组件的简化示意图。
图14-16说明了根据本文公开的实施例的在泥浆马达中有用的转子和定子。
具体实施方式
已发现，在操作期间施加在转子上的力可沿着马达的长度产生流动缝隙(损失压差驱动力)。这些由于定子/转子对的不当密封而产生的流动缝隙可减少旋转速度且限制形成的扭矩。
操作期间施加在转子上的力包括那些由于从入口端到出口端跨过马达的压差而产生的力。压差可导致俯仰力矩。还存在施加在钻柱上的向下的力，通常称为“推力”或“钻压”，其中，这个力必然通过转子-驱动轴-钻头联接件传送。驱动轴联接件的轨道-轴向关系还可导致被施加到转子上的角向力和/或径向力。转子的旋转还导致切向的力。
这些力中的每一种都可对其中转子与定子相互作用的方式产生影响，例如压缩力沿着最终的空腔的边缘产生密封、随着转子的旋转在转子与定子之间产生滑动、拖曳或摩擦力。最终，流动缝隙可沿着马达的长度形成，从而会减小马达的效率。此外，这些力的影响在马达的邻近入口端与出口端处可能不同。
已经发现，马达卡子装置导致大量的悬置质量(overhanging mass)。与设计的基础相比，这又可导致转子的顶部处的离心力的明显改变，这进一步会影响流动缝隙的产生，而流动缝隙的产生会减小马达效率。
本文公开的实施例涉及布置在转子卡子装置上或可与转子卡子装置一起操作的器械的使用，以用于对转子提供矫正的径向力。此径向向内的力抵消离心力和加载在转子上的液压压力，从而约束转子相对于定子的移动，进而限制、最小化或消除沿着马达长度的流动缝隙的形成。转子相对于定子的移动通常由用于形成转子和定子的材料的固有弹性来限制(例如，定子的橡胶内衬的偏移/压缩，等)。如本文所使用的，约束转子相对于定子的移动是指，与本要产生或由用于形成转子和定子的材料的固有弹性允许的程度相比，可在使用期间在更大程度上抑制或限制该移动。
从而，通过使用布置在转子卡子装置上或可与转子卡子装置一起操作的、用于向转子提供矫正径向力的器械形成的在定子/转子对之间的改善的密封与相似的尺寸和配置(即，叶片数、直径、结构的材料、长度、螺旋角)的未被约束的定子/转子对相比，可使得旋转速度、形成的扭矩、以及压降中的一个或多个提高。例如，根据本文公开的一些实施例的约束转子相对于定子的移动可使得形成的扭矩和/或旋转速度与相似配置的没有约束器械的马达相比增加至少5％；在其它的实施例中，产生的扭矩和/或旋转速度可增加至少10％；在其它的实施例中增加至少15％；在其它的实施例中增加至少20％；以及在另一其它的实施例中增加至少25％。例如，扭矩和/或旋转速度的最终增加可允许更大的力被施加到钻头或允许钻头以更大的旋转速度旋转，上述两者可单独地或共同地产生改善的钻井性能(以更少的时间钻出给定深度，等)。可选地，扭矩和/或旋转速度的最终增加可允许为了实现相同的期望性能减小马达的长度(转子/定子对长度)。
现在参考图3，说明了根据本文实施例的泥浆马达组件。泥浆马达组件100包括动力部分102和顶部接头104，其中，顶部接头104的远端104D联接到动力部分102的近端102P。顶部接头104包括具有内径D1的肩部105。
动力部分102包括具有定子106和转子108的螺杆式马达103。转子108配置为当钻井流体通过螺杆式马达103从入口110到达112时偏心地旋转。转子108的表面、定子106的表面、或两者由柔性材料制成以允许在转子108与定子106的接触表面之间形成密封。
转子108的远端可以直接地或间接地联接到传动轴或驱动轴(未示出)，该传动轴或驱动轴接着可联接到轴承、轴承芯轴、钻头母接头、并最终到用于钻入地下地层的钻头。
转子118的输入端(近端)114联接到转子卡子装置118的远端116。尽管作为直接地联接来说明，但转子108也可以可选地间接地联接到转子卡子装置118。通过与转子108的联接，转子卡子装置118也偏心地旋转(即，操作中，转子108将偏心的转子运动传送到转子卡子装置118)，因此转子卡子装置118具有偏离马达的中线134的中线132。
例如，转子卡子装置118可包括在转子卡子装置118的远端116与近端122之间的外径恒定或变化的细长轴120。轴120从转子卡子装置118的远端116在顶部接头104内延伸超过肩部105的距离。尽管肩部105示出与顶部接头104是一体的，但应理解，其也可以可选地由一个或多个分离的构件构建且通过各种措施(包括但不限于螺纹连接)附连到顶部接头104。轴120的延伸通过肩部105的部分具有小于肩部105的内径D1的外径D2。近端122包括部分124，其具有大于肩部105的内径D1的有效外径D3。通过此方式，如果钻柱或马达组件100的外部结构体的任何部分在顶部接头104之下断裂或失效，增大部分124将不能通过肩部105，从而允许转子108和马达100的剩余部分被拉出井眼。增大部分124可与轴120是一体的，或可包括联接到轴120的近端122的一个或多个构件(转子卡子组件)。
现参考图3-6，其中，相同的附图标记表示相似的部件，泥浆马达组件100还包括一个或多个器械130用于约束转子卡子装置118的轴120的径向移动和/或切向移动。器械130可位于沿着轴120的长度的任何位置。在一些实施例中，器械130可布置在肩部105与轴120的远端116之间，例如图3和4中说明的。在图3中，器械130可布置在顶部接头104的内部表面上或可与顶部接头104的内部表面一起操作。图4中，器械130可布置在动力部分102的内部表面上或可与动力部分102的内部表面一起操作。在其它实施例中，例如图5中说明的，器械130可布置在邻近于肩部105。在另一个实施例中，器械130可与轴120的近端是一体的或可联接到轴120的近端122。在此实施例中，转子卡子装置可包括器械130或器械130可附加地作为转子卡子组件。图3-6说明了器械130布置在转子卡子装置118上(作为内部件，动力部分或顶部接头的内部表面为外部件，类似于下文图7中示出的约束器械)。器械130还可布置在壳体(作为外部件，转子卡子或其一部分为内部件，类似于下文图8中示出的约束器械)内，如图13中说明的，其中相同的附图标记表示相似的部件。
由于构件的联接，通过约束器械130提供到转子卡子装置118的矫正力可通过轴120传送到转子108。通过此方式，约束转子卡子轴的径向移动和/或切向移动的力还可约束转子的径向移动和/或切向移动。结果，该力可抵消加载在转子上的液压压力和离心力，从而限制、最小化或消除沿着转子/定子对的长度的流动缝隙的形成。
器械130可包括轴承组件、轮组件、固定嵌入件、可旋转嵌入件、进动装置、或用于控制或限制轴120的移动(从而控制或限制转子在定子内的移动)的其它装置。
图7-10说明了约束器械130的各种实施例。现参考图7，说明了用于控制或限制转子卡子轴225相对于动力部分或顶部接头的内部表面224的移动的器械220。器械220可用于轴222上的一个或多个位置处。轴承轮226通过滚针轴承228支撑在转子卡子轴222上，但也可以使用其它合适的轴承，例如滚柱轴承、径向滑动轴承。在一些实施例中，轴承228是径向滑动轴承，其包括碳化硅、碳化钨、氮化硅、或其它类似的耐磨材料。轴承轮226可用钢或其它适于目标环境的材料来制造。轴承轮226的外部表面设计成能绕着内部表面224在一个位置处滑动或滚动，该位置处的型廓近似为圆形。轴承轮226与动力部分或顶部接头的内部表面224的半径的差别限定了转子卡子轴的轴线相对于马达的轴线的最大偏离。轴承轮226中可包括通道227，其用以增加用于流体流动通过装置的区域，其中，该通道可有任何的数目或形状，条件是它们足够大能够允许通过可存在于钻井流体或钻井泥浆中的任何固体。内部表面224具有圆形的型廓，轴承轮226与其形成接触，因而转子卡子轴22的中线可被约束而近似保持在固定半径的圆之内，从而有助于防止转子与定子表面之间缝隙的敞开。
在一些实施例中，轴承轮226可与动力部分102或顶部接头104的内部表面224直接接触地滑动或滚动。在其它实施例中，轴承轮226可与处在定子圆筒的内部表面上的涂层接触地滑动或滚动。在一些定子的制造过程中，圆筒(例如管道或管)的内部表面被机械加工或涂覆(例如通过将涂层材料灌注、喷涂、或注射到圆筒的内部表面上)。但是，由于定子制造工艺的复杂性，不能保证最终定子与定子圆筒自身的同心性。因此，在制造期间，最终定子内衬或涂层90可能偏离定子圆筒94的中线92，例如图10中说明的，其中，最终涂层具有偏离定子圆筒94的中线92的中线96。如上文所述，轴承轮226的外部表面设计成绕着动力部分或顶部接头的内部表面224滑动或滚动，其中，该处的型廓近似为圆形。轴承轮226可因此还被配置为绕着涂层材料的内部表面滑动或滚动，使得轴承轮226沿着与转子相同的中线滑动或滚动(即，与定子内衬和转子对齐，不与动力部分壳体圆筒或顶部接头圆筒对齐)。用于与轴承轮226一起使用的动力部分或顶部接头的制造可因此还包括涂覆、模制、或机械加工在邻近于使用期间轴承轮226的目的位置处的直径恒定的一部分，例如1.6mm(1/16英寸)到6.4mm(1/4英寸)厚的橡胶，以便确保轴承轮226合适地约束转子的路径并提供希望的益处。
如上文所述，轴承轮226与内部表面224之间的半径差别限定了转子轴线相对于定子轴线的最大偏离。此外，为了实现合适的功能，轴承轮226必须维持与定子的内部表面的滑动和/或滚动关系，以便在整个旋转期间约束转子，即，维持360°的接触。由于转子的偏心旋转，轴承轮226的相对于内部表面224直径的相对直径是重要的变量，其中，不适合的比率可导致轴承轮与内部表面224的不规率的接触，即，非-滚动或非-滑动关系。
除了直径之外，轴承轮226的长度还必须足以维持由于转子与转子卡子轴的摇摆而产生的侧负载。轴承轮226应该具有充足的轴向尺度以处理结构的考虑。轴承轮226的长度可因此取决于叶片的数目、马达/泵扭矩、以及本领域技术人员可容易识别的其它变量，且还可受转子与驱动轴之间的可用空间限制。
通过从转子卡子轴到转子的传动，轴承轮226限制由转子的偏心运动所产生的摇摆的程度。这进而又可通过限制定子内衬(例如橡胶或其它弹性材料)的压缩或偏移来限制沿着马达/泵的长度的流动缝隙的形成。在一些实施例中，轴承轮可限制定子内衬的偏移少于0.64mm(0.025英寸)；在其它实施例中少于0.5mm(0.02英寸)；在另一其它实施例中少于0.38mm(0.015英寸)。
如上文描述的，轴承轮26径向约束转子的位置，从而保持转子与定子接触(即，提供偏离接触力，而又不会防止扭矩的产生)。转子与定子之间的接触点处的最终减少的法向力可减少拖拽力，从而改善接触点处的压缩，最小化泄露路径。通过限制沿着转子的长度的流动缝隙(泄露路径)的形成，可减小压力损失，从而增加马达的功率输出。此外，约束转子的位置可减少定子的磨损，尤其在切向速度最高的邻近于叶片的顶部处。
现参考图8，说明了用于控制或限制转子卡子轴332相对于顶部接头结构体或动力部分334的内部表面335的移动的器械330的另一个实施例，其中，固定的嵌入件336安装在动力部分或顶部接头的内部。固定的嵌入件336具有中心孔338或具有对顶部接头或动力部分的内径的类似限制结构，以限制转子卡子轴332的径向移动。固定的嵌入件336还可包括多个孔337，以便于流体沿着泥浆马达组件通过。固定的嵌入件336确保转子卡子轴332的中线被约束而保持近似地在固定半径的圆之内，从而有助于防止转子与定子表面之间缝隙敞开。
现参考图9，说明了用于控制或限制转子卡子轴52相对于顶部接头结构体或动力部分54的内部表面55的移动的器械50的另一实施例。器械50包括可旋转的圆形嵌入件56，其安装在结构体54内部且能够相对于结构体54绕着纵向轴线旋转。嵌入件56相对于结构体54的旋转由结构体与嵌入件之间的轴承(未示出)来促进。器械58提供在嵌入件56中，其中，孔眼58的中心偏离嵌入件56的中心一段距离，该距离等于转子卡子轴的轴线相对于结构体54的轴线的最大允许偏离距离。孔眼58的直径具有充足的尺寸以允许转子卡子轴52通过且自由旋转。另一个轴承(未示出)提供在嵌入件56与转子卡子轴52之间以促进转子卡子轴52相对于嵌入件56的旋转。圆形嵌入件56包括孔57以允许流体通过泥浆马达。嵌入件56确保转子卡子轴52的中线被约束而保持近似地在固定半径的圆之内，且通过传动将转子约束在固定半径的圆之内，这有助于防止转子52与定子54表面之间缝隙敞开。
可使用以上针对图7所述的关于可操作区域的同心性的类似的设计考虑，且类似的偏移限制也可使用本文公开的约束器械的其它实施例来获得，例如图8和9的那些。类似图7和图10的实施例，图8中示出的固定嵌入件336或图9的嵌入件可布置在模制的动力部分或顶部接头型廓之内，使得固定嵌入件336具有与定子内衬相同的中线。
如上文描述的，图7-10中说明的且参看图7-10描述的实施例提供限制或约束转子的径向移动的程度(即，旋转期间限制转子的路径和轨道轨迹)。本文公开的实施例可有效地限制转子向外的径向移动(例如图7中说明的束缚)且还可限制转子向内的径向移动(例如图9中说明的束缚)。
除了如图7-10中说明的用于约束径向移动的相对圆形的结构外，也可使用非圆形的束缚来约束转子的移动，例如图11A中(横剖视图)和图11B(纵向剖视图)中说明的。在此实施例中，包括型廓与转子74的型廓相类似但不同的叶形轮72的进动器械70可操作地连接到转子卡子轴75。类似地，叶形轮72将接合型廓与定子78的型廓相类似但不同的轨道76。轨道76可由与定子78的材料相类似的材料形成、或可以是比定子78的压缩性更小的材料，例如更硬的橡胶、硬塑料、陶瓷、PDC/金刚石、或钢。进动器械70可沿着转子74用在一个或多个位置处。除了应对由于位置和/或结构的材料而在马达的入口端或出口端处遭受的力之外，轨道76的型廓可类似于定子78的型廓，且相应的部分76、78可异相一定的程度，使得转子在定子78内的轨道路径被约束。换句话，该部分可以是异相的，使得将转子从理想轨道扭曲的操作的力被平衡且有效地约束转子的轨道路径。
进动器械70控制转子卡子轴74且通过传动控制转子74，使得转子74将在规定的路径上移动且相对于定子78具有规定的旋转。此类型的束缚可有效地将转子的旋转限制到其轨道位置。叶形轮72与叶形轨道76接合，使得叶形轮72和轨道76的相对的型廓将转子74的路径和旋转固定到规定值。
叶形轮72以大体上固定的方式连接到转子卡子轴75。轮72上的叶片数目与轨道76上的叶片数目的比率被限制成与转子74上的叶片数目与定子78上的叶片数目的比率相同。轮72上和轨道76上的叶片的型廓将决定转子74可使定子78的密封表面变形的程度，因此限制在它们之间的缝隙敞开。
为了允许一些旋转顺从性，轨道76或叶形轮72的表面可具有由例如橡胶添加的柔性层。叶形轮72和轨道76可具有平行的侧面或包含螺旋角以允许一些小的轴向移动和适应制造公差。
叶形轮72的型廓和成分(结构的材料、压缩性等)可设计成使定子78中的橡胶的变形被限制。在其它的实施例中，叶形轮72的型廓和成分可设计成使定子78中的橡胶的变形被维持在固定值。通过此方式，转子74与定子78中的橡胶之间的相互作用用于维持密封，其中，扭矩主要在叶形轮72上产生。这不仅允许压力负载可到高至密封将失效的点(非常高压)，而且还确保橡胶中的接触力能被保持大体上与压力幅度无关。这应该减少橡胶中的磨损和疲劳失效，以及提高马达/泵效率。
如上文描述的，各种器械可用于约束转子卡子装置的运动，且可通过传动经由转子卡子轴约束转子相对于定子的运动。根据本文公开的实施例的约束器械可因此约束转子相对于定子的轨道路径、固定转子相对于定子的轨道路径、和/或将转子的几何中心的移动限制在预定的路径上。
如上文所述，施加到转子上的力在邻近于动力部分的入口端(近端)处可不同于邻近于动力部分的出口端(远端)处，从而导致对于入口端与出口端处的转子中心的轨道具有不同的半径。在一些实施例中，如上文描述的布置在转子卡子上或可与转子卡子一起操作的约束器械可因此对于将希望的矫正力提供到转子的近端上是充足的，但是对于将希望的矫正力提供到转子的远端上是不充足的。在此情形中，泥浆马达组件可有利地包括布置在转子的远端上或与可与转子的远端一起操作的约束器械，例如图12中说明的。具有近端402和远端404的泥浆马达400包括联接到驱动轴406的转子405和如上文描述的被约束的转子卡子408(约束器械未示出)。泥浆马达400还包括用于约束转子405的远端的运动的器械418，其中，器械418可包括如上文描述的一个或多个约束器械，且可被布置到转子405的远端部分上或可与转子405的远端部分一起操作。约束器械418和与转子卡子一起使用的约束器械可以是相同的或不同的，且可以考虑到在转子405的各端处期望遇到的力而设计。从而，在转子卡子408和转子405的远端上均使用约束器械可将矫正力给予到转子405的两端，从而，约束转子405相对于定子414的径向移动和/或切向移动，减小、最小化、或消除沿着马达/动力部分的长度的流动缝隙，进而提高马达效率。本文公开的器械(例如图12中说明的、以及其它的器械)还可减少定子磨损。
上文描述的泥浆马达组件可用在用于钻出通过地下地层的井眼的钻井组件中。钻井组件可包括例如如上文实施例中任一个所描述的泥浆马达组件，该泥浆马达组件包括以下构件：顶部接头；动力部分，其包括螺杆式马达，该螺杆式马达具有定子和转子，该转子配置为当钻井流体通过马达时偏心地旋转；转子卡子装置；以及用于约束转子卡子装置运动的装置。该钻井组件还可包括马达输出轴，其配置为同心地旋转，其第一端直接地或间接地联接到转子的远端，其第二端直接地或间接地联接到钻头。
在操作中，钻井流体通过泥浆马达组件，从而随着钻井流体通过螺杆式马达而偏心地旋转该转子。马达输出轴将偏心的转子运动(和扭矩)传送到同心地旋转的钻头以钻取地层。用于约束转子卡子装置的运动的装置将矫正力给予转子，从而约束转子相对于定子的移动，通过抵消转子上的离心力和液压负载来总体上改善泥浆马达和钻井组件的整体性能，限制、最小化、或消除沿着马达的长度的流动间隙的形成。
因此，由使用本文公开的约束器械产生的定子/转子对之间的改善的密封与相似的尺寸和配置(即，叶片数、直径、结构的材料、长度、螺旋角等)的没有上述约束装置的定子/转子对的情况相比，可使得旋转速度、形成的扭矩、以及压降中的一个或多个的增加。例如，扭矩和/或旋转速度的最终增加可允许更大的力被施加到钻头或允许钻头以更大的旋转速度旋转，这两者可单独地或共同地产生改善的钻井性能(以更少的时间钻入给定的深度，等)。可选地，扭矩和/或旋转速度的最终增加使得为了实现相同的期望性能可允许马达的长度(转子/定子对长度)的减小。
如上文所述，马达效率的提高(例如密封改善和单位长度更高的动力输出)可在一些实施例中用于缩短马达的总长度同时获得期望动力输出。缩短的动力部分可具有众多的益处和应用，如下文讨论的。
动力部分的有限的总轴向长度可允许固体、这种包括固体材料的钻井泥浆通过马达而没有问题，甚至在转子和定子均具有由刚性材料形成的接触表面的情况下。有限的总轴向长度还可在结构的材料中提供灵活性，否则其将成本高昂。
在一些实施例中，转子和/或定子可由金属、复合物、陶瓷、PDC/金刚石、硬塑料、或刚性橡胶结构材料形成。例如，转子和定子均可由金属形成，从而沿着动力部分的长度提供了金属与金属的接触。
在其它实施例中，转子和/或定子可形成有弹性层(例如NBR橡胶)和硬质层，例如硬橡胶或塑料、陶瓷、复合物、或金属涂层，其布置在弹性内部层上作为接触表面。例如，转子可为金属，类似于现在生产的转子，且定子可为金属涂覆的橡胶，其中，金属层是在马达的操作期间接触转子的层。类似地，硬橡胶或加强橡胶层可作为接触转子的最内层而提供。在现有技术中公开的典型的“层叠的”定子提供硬的或加强内部弹性层(相反于本实施例中的定子)，以提供最外层的期望压缩和密封特性。但是，由于动力部分的减小的轴向长度，因此可以使用刚性接触层，从而可改善马达(转子、定子、或其两者)的磨损特性同时提供期望动力输出。虽然以多层定子作为实例，但也可使用多层转子，例如具有用于提供扭矩能力的金属芯部、布置在芯部上的弹性材料、以及金属壳的转子。对于转子和定子的这些实施例分别在图14和15中进行说明，其中，定子(图14)可包括金属壳体1602、弹性体层1604、以及提供接触表面1608的刚性层1606，转子(图15)可包括金属芯部1702、弹性体层1704、以及提供接触表面1708的刚性层或壳1706。
在转子与定子的相应接触部分两者都是刚性的，例如金属、硬塑料、复合材料、或陶瓷的情况下，例如，可以希望限制摩擦、磨损、以及在转子与定子之间的可能引起旋转构件过早失效或卡住的其它不希望的相互作用。嵌入件和/或转子的接触表面可以被涂覆或处理以减少摩擦和磨损中的至少一种。处理可以包括铬处理、HVOF或HVAF涂覆、以及在烧结期间扩散、等等。金属到金属(刚性到刚性)动力部分还可提供充足的间隙以允许碎片，但足够紧密以约束转子运动接近理想，从而实现上文描述的益处，而无需使用约束装置。
类似地，约束装置与转子或定子之间的相对较短的接触长度可在材料方面提供灵活性，且硬质材料或硬涂覆的材料的类似的组合可用于约束装置。
可选地，弹性的弹性体可在转子和定子两者上用作接触表面。由约束装置获得的本是高摩擦负载的减小可提供弹性定子和转子的组合使用以获得期望泵性能(动力输出、磨损特性等)。
使用约束装置的益处还可提供可选的定子设计。例如，如图16中说明的，定子可使用混合或定制的材料型廓来形成。如图16中说明的，定子1805的峰部和谷部可由不同的材料形成，其中，谷部1807由弹性材料1810形成，峰部1812由刚性材料、例如硬塑料、硬橡胶、金属、陶瓷、或复合材料形成。转子章动(nutation)期间遭受的力对于峰部与谷部来说是不同的，其中，谷部遭受压缩力，峰部忍受滑动力。混合结构可导致转子(其可为金属)与定子峰部的刚性材料(其也可以为金属)相接触，但是允许固体(例如包括固体材料的钻井泥浆)通过马达流动而没有问题。
受约束的马达的一个潜在的益处是减少与泥浆马达有关的震动。与未受约束的马达相比，受约束的侧向力可产生较少的摇摆或较窄的轨道路径。由于减少的震动，钻井可被改善，例如产生更好的井孔质量、均匀标准规格井孔、以及改善的导向中的一个或多个。
马达轴向长度的减小还可提供更改钻柱构件以包含马达的能力。例如，可调整的弯曲壳体通常包括传动轴以将由钻井马达的动力部分产生的扭矩传送到钻井马达的轴承部分。由于本文公开的约束装置导致的马达尺寸的可能减小，可将马达与传动轴一起包含在弯曲壳体中。类似地，根据本文的实施例的马达可有利地被包含在稳定器、导向头、或井底钻具组件(BHA)的其它各种部分中。
减小的轴向长度还可便于线缆通过马达的部署，且提供空间用于附加井下仪器，例如用于监测马达的仪器和/或在马达之下的构件。仪器可有益地监测马达RPM、压降、以及其它因数，从而可能避免停止且允许马达以高效率或最高效率操作，每一个优点都可产生改善的钻井性能(增加的穿透速率、较少的由于停止的马达产生的停机时间等)。
虽然本公开包括有限数量的实施例，但受益于本公开，本领域的技术人员将理解，也可以设计出其它的实施例而不脱离本公开的范围。因此，保护范围应仅由所附权利要求所限制。

Claims (44)

1.一种泥浆马达组件，包括：
顶部接头，其包括邻近于所述顶部接头的远端的肩部，所述肩部具有第一内径；
动力部分，其包括螺杆式马达，所述螺杆式马达包括定子和转子，所述转子配置成当钻井流体通过所述马达时能偏心地旋转，所述定子和转子均具有近端和远端，其中，所述动力部分的近端联接到所述顶部接头的远端；
转子卡子，其包括具有近端和远端的轴，且通过偏心转子运动的传动而偏心地旋转；
其中，所述轴的远端直接地或间接地联接到所述转子的近端；
其中，所述轴从所述转子卡子的远端延伸经过肩部并进入所述顶部接头一段距离，其中，至少所述轴的延伸经过肩部的部分具有小于所述肩部的所述第一内径的外径；
其中，所述轴的近端具有大于所述第一内径的有效外径和/或联接到转子卡子组件，所述转子卡子组件包括一个或多个构件，所述一个或多个构件具有大于所述第一内径的有效外径；
至少一个器械，其布置在转子卡子的轴的近端与远端之间，所述至少一个器械配置成能约束转子卡子的轴的径向移动和/或切向移动且能通过所述轴的传动约束所述转子的径向移动和/或切向移动。
2.一种钻井组件，包括：
泥浆马达组件，其包括顶部接头和动力部分；
所述顶部接头包括邻近于所述顶部接头的远端的肩部，所述肩部具有第一内径；
所述动力部分包括螺杆式马达，所述螺杆式马达包括定子和转子，所述转子配置成当钻井流体通过所述马达时能偏心地旋转，所述定子和转子均具有近端和远端，其中，所述定子的近端联接到所述顶部接头的远端；
转子卡子，其包括具有近端和远端的轴，且通过偏心转子运动的传动而偏心地旋转；
其中，所述轴的远端直接地或间接地联接到所述转子的近端；
其中，所述轴从所述转子卡子的远端延伸经过肩部并进入所述顶部接头一段距离，其中，至少所述轴的延伸经过肩部的部分具有小于所述肩部的所述第一内径的外径；
其中，所述轴的近端具有大于所述第一内径的有效外径和/或联接到转子卡子组件，所述转子卡子组件包括一个或多个构件，所述一个或多个构件具有大于所述第一内径的有效外径；
至少一个器械，其布置在转子卡子的轴的近端与远端之间，所述至少一个器械配置成能约束转子卡子的轴的径向移动和/或切向移动且能通过所述轴的传动约束所述转子的径向移动和/或切向移动；
马达输出轴，其直接地或间接地联接到所述转子的远端；以及
钻头，其直接地或间接地联接到所述马达输出轴的远端。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的组件，其中，所述至少一个器械布置在所述肩部与所述轴的远端之间。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的组件，其中，所述至少一个器械邻近于所述肩部布置。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的组件，其中，所述转子卡子组件包括所述至少一个器械。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的组件，其中，所述至少一个器械与所述顶部接头的内部表面和所述动力部分的内部表面中的至少一个一起操作。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的组件，其中，所述至少一个器械的操作区域与所述转子/定子对的操作区域是同心的。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的组件，其中，所述至少一个器械约束所述转子相对于所述定子的轨道路径。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的组件，其中，所述至少一个器械确定所述转子相对于所述定子的轨道路径。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的组件，其中，所述至少一个器械将所述转子的几何中心的移动限制在预定的路径上。
11.根据权利要求1-10中任意一项所述的组件，其中，所述定子的表面由柔性材料制成以允许在所述转子与所述定子的接触表面之间形成密封，且所述至少一个器械将所述柔性材料的偏移或压缩限制成小于0.64mm。
12.根据权利要求1-11中任意一项所述的泥浆马达组件，其中，所述定子包括由刚性材料形成的接触表面。
13.根据权利要求12所述的泥浆马达组件，其中，所述刚性材料包括金属、复合材料、陶瓷、硬塑料、以及PCD中的至少一种。
14.根据权利要求12或13所述的组件，其中，所述定子具有包括峰部分和谷部分的型廓，所述峰部分包括刚性材料，所述谷部分包括弹性材料。
15.根据权利要求12-14中任意一项所述的组件，其中，所述定子具有包括弹性材料的层和包括刚性材料的接触表面层。
16.根据权利要求12-15中任意一项所述的组件，其中，所述定子包括由第二刚性材料形成的接触表面，所述第二刚性材料与第一刚性材料是相同的或是不同的。
17.根据权利要求16所述的组件，其中，所述第二刚性材料包括金属、复合材料、陶瓷、硬塑料、以及PCD中的至少一种。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的组件，其中，所述转子具有包括弹性材料的层和包括第二刚性材料的接触表面层。
19.根据权利要求12-18中任意一项所述的组件，其中，所述第一和第二刚性材料中的至少一个的接触表面被涂覆或处理，以减小摩擦和磨损中的至少一种。
20.根据权利要求1-19中任意一项所述的组件，其中，所述至少一个器械包括以下中的一个或多个：
a.轴承组件，其用于控制或限制所述轴的偏心移动、从而控制或限制所述转子在所述定子内的移动；
b.轮组件，其用于控制或限制所述轴的偏心移动、从而控制或限制所述转子在所述定子内的移动；
c.固定的嵌入件，其用于控制或限制所述轴的偏心移动、从而控制或限制所述转子在所述定子内的移动；
d.可旋转的嵌入件，其用于控制或限制所述轴的偏心移动、从而控制或限制所述转子在所述定子内的移动；以及
e.进动装置，其用于控制或限制所述轴的偏心移动、从而控制或限制所述转子在所述定子内的移动。
21.根据权利要求20(b)所述的组件，其中，所述轮组件包括安装在所述转子的轴上的轮，所述轮配置为绕着所述定子的内部表面运行。
22.根据权利要求20(b)所述的组件，其中，所述轮组件包括安装在所述定子的轴上的轮，所述轮配置为允许所述转子绕着所述定子的外部表面运行。
23.根据权利要求21或权利要求22所述的组件，其中，所述轮组件位于所述马达或泵中的所述转子和定子的型廓大体上是圆形的位置处。
24.根据权利要求21-23中任意一项所述的组件，其中，所述轮组件还包括轴承，以允许所述轮与所述转子之间的相对旋转。
25.根据权利要求21所述的组件，其中，所述轮的外径等于所述定子的内部表面的直径减去所述转子距所述定子的几何中线的预定最大偏离量的两倍。
26.根据权利要求22所述的组件，其中，所述轮的外径等于所述转子的内部表面的直径减去所述转子距所述轮的几何中线的预定最大偏离量的两倍。
27.根据权利要求21-26中任意一项所述的组件，其中，所述轮具有孔眼以允许流体流动穿过。
28.根据权利要求21-27中任意一项所述的组件，其中，所述转子和定子的接合表面在轮组件区域中大体上是刚性的。
29.根据权利要求20(c)所述的组件，其中，所述固定的嵌入件安装在转子-定子对的外部件内且具有中心孔眼，所述转子-定子的内部件的轴能够通过所述中心孔眼，中心孔眼的直径尺寸被选择成能限制所述转子相对于所述定子的径向运动。
30.根据权利要求20(c)或权利要求29所述的组件，其中，所述固定的嵌入件具有多个另外的孔眼以允许流体流动穿过。
31.根据权利要求20(c)和29-30中任意一项所述的组件，其中，刚性嵌入件位于所述马达或泵中的所述转子和/或定子的型廓大体上是圆形的位置处。
32.根据权利要求31所述的组件，其中，所述中心孔眼大体上是圆形的，使得所述转子的轴能够绕着所述中心孔眼运行，或所述转子和固定的嵌入件能够绕着所述定子运行。
33.根据权利要求20(d)所述的组件，其中，可旋转的嵌入件安装在所述定子内，且具有孔眼，所述转子的轴能够通过所述孔眼，所述孔眼偏离所述可旋转的嵌入件的中心，使得所述转子的移动被限制在预定的路径上。
34.根据权利要求20(d)或33所述的组件，其中，所述可旋转的嵌入件在所述定子内自由旋转。
35.根据权利要求20(d)、33或34所述的组件，其中，所述转子在所述可旋转的嵌入件内自由旋转。
36.根据权利要求34或权利要求35所述的组件，其中，提供轴承以便于所述可旋转的嵌入件和/或转子的旋转。
37.根据权利要求33-36中任意一项所述的组件，其中，所述可旋转的嵌入件包括多个另外的孔眼以允许流体流动穿过。
38.根据权利要求20(e)所述的组件，其中，所述进动装置包括安装在所述转子的轴上的叶形轮，所述轮配置为在固定到所述定子的叶形轨道上运行。
39.根据权利要求38所述的组件，其中，所述轮上的叶片数目与所述轨道上的叶片数目的比率被限制为所述转子上的叶片数目与所述定子上的叶片数目的比率。
40.根据权利要求20(e)、38或39所述的组件，其中，所述进动装置配置为提供以下中的至少一个：
所述马达或泵内的空腔的最佳密封；
包括所述转子和定子的不同材料中的最佳应力；
所述转子的预定的轨迹和旋转。
41.根据权利要求38-40中任意一项所述的组件，其中，所述叶形轮和轨道中的至少一个的表面包括柔性材料。
42.根据权利要求38-41中任意一项所述的组件，其中，所述轮和轨道的轴向表面平行于所述马达的轴线。
43.根据权利要求38-42中任意一项所述的组件，其中，所述轮和轨道的轴向表面是螺旋的且不平行于所述马达的轴线。
44.一种穿入地下地层钻出井眼的方法，所述方法包括：
使钻井流体通过权利要求1-43中任意一项所述的泥浆马达组件或钻井组件，以及
使用直接地或间接地联接到转子的钻头对地层钻井。
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