CN104204395B - 在井眼中使用的设备、渐进空腔式装置及钻井方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于井下的设备，在一个实施例中，该设备可包括具有带突出部的外表面并且设置在定子中的转子，所述定子具有带突出部的内表面，带突出部的内表面或带突出部的外表面包括在其第一部分上的密封材料和在其第二部分上的金属表面。

Description

在井眼中使用的设备、渐进空腔式装置及钻井方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年11月29日提交的美国申请号No.13/306673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

概况来说，本发明涉及在利用渐进空腔式动力装置的井眼作业中使用的设备。

2.背景技术

为获得诸如油和气的烃类，通过使附接于钻柱端部的钻头旋转而钻出钻孔或井眼。目前钻井活动有很大比例涉及钻出斜钻孔和水平钻孔，以增大烃类开采和/或从地球岩层抽取额外的烃。目前用于钻出这样的井眼所利用的钻进系统通常采用在其底部具有钻头的钻柱，钻头由马达(通常称为“泥浆马达”或“钻进马达”)带动旋转。典型的泥浆马达包括动力部分，所述动力部分包括转子，所述转子设置在定子内部并具有带突出部的外表面，所述定子具有带突出部的内表面。这种装置在转子和定子的带突出部的表面之间形成渐进空腔。这样的马达通常被称为渐进空腔式马达或莫瓦诺型(Moineau)马达。并且，在石油工业中使用的某些泵利用了多个渐进空腔动力部分。定子通常包括金属外壳，所述金属外壳内部衬有带螺旋状轮廓或突出部的弹性体材料。转子通常包括由诸如钢的金属制成的带有螺旋状轮廓的突出部。加压钻井流体(通常被称为“泥浆”或“钻井流体”)被泵送到转子和定子突出部之间形成的渐进空腔中。被泵送到空腔中的加压流体的力使转子以行星式运动转动。

本发明在此提供了渐进空腔式马达和渐进空腔式泵，其中，转子或定子的一部分由弹性体制成或衬有弹性体，以在转子和定子之间提供充分的密封，转子和马达二者的一个部分或多个部分由金属材料制成或衬有金属材料，以减少弹性体材料上的载荷。

发明内容

在一个方面，公开了一种钻进设备，在一个构造中，所述钻进设备可包括定子和转子，所述定子具有带突出部的内表面，所述转子具有带突出部的外表面并设置在定子中，其中，带突出部的内表面和带突出部的外表面中的至少一个包括在其第一部分上的密封材料和在其第二部分上的金属表面。

在另一个方面，公开了一种钻进井眼的方法，在一个实施例中，该方法可包括：在井眼中部署钻柱，其在钻柱端部具有与钻头相联的钻进马达，其中，钻进马达包括定子和转子，所述定子具有带突出部的内表面，所述转子具有带突出部的外表面并且设置在定子中，其中，带突出部的内表面和带突出部的外表面中的至少一个包括在其第一部分上的密封材料和在其第二部分上的金属表面；和向钻进马达供给处于压力下的流体，以使转子和钻头旋转而钻进井眼。

在此披露的设备和方法的某些特征的例子概述得相当宽泛，以便可以更好地理解其下面的详细说明。当然，下文还披露有设备和方法的附加特征，其形成了附带于此的权利要求的主题。

附图说明

参照附图更好地理解本发明，其中同样的附图标记通常用来标记同样的元件，并且其中：

图1是钻进系统的正视图，所述钻进系统包括用于确定钻进井眼期间钻柱的方向的装置；

图2显示了包括依照本发明的一个实施例的混合转子和/或定子的钻进马达；

图3显示了设置在定子中的转子的轮廓，其中转子的中间部分的外表面包括密封材料，外部分的外表面包括金属材料；

图4显示了设置在定子中的转子的轮廓，其中定子的中间部分包括密封材料，外部分包括金属材料；

图5显示了其中间部分包括一层均匀的密封材料的转子；

图6显示了其中间部分包括一层非均匀的密封材料的转子；

图7显示了其中间部分包括一层均匀的密封材料的定子；和

图8显示了其中间部分包括一层非均匀的密封材料的定子。

具体实施方式

图1是示例性钻进系统100的示意图，所述钻进系统100包括钻柱120，所述钻柱120具有附接于所述钻柱的底端的钻进组件190或底部钻具组合。钻柱120被输送到井眼126中。钻进系统100包括竖立在支撑转台114的平台或底板112上的传统井架111，所述转台114被原动机、例如电马达(未显示)以所要求的转速带动旋转。管122(例如相联的钻管)从地表延伸到井眼126的底部151，钻进组件190附接到所述管122的底端。附接于钻进组件190的钻头150在被带动旋转以钻进钻孔时破碎开地质地层。钻柱120经由方钻杆接头121(Kelly joint)、旋转接头128和线129通过滑轮联接到绞车130。绞车130运行以控制钻压(“WOB”)。钻柱120可以由上驱动114a带动旋转，而不是由原动机和转台114带动旋转。

在一个方面，来自钻井流体的源132(例如泥浆池)的适合的钻井流体131(也被称为“泥浆”)通过泥浆泵134在压力下循环通过钻柱120。钻井流体131从泥浆泵134经由波动消除器136和流体管路138流入钻柱120内。来自钻管的钻井流体131a通过钻头150上的开口排放到井底151。返回的钻井流体131b通过钻柱120和井眼126之间的环空127向井口循环，并经由返回管路135和栅网185回到泥浆池132，所述栅网185移除返回的钻井流体131b中的钻井切屑。管路138中的传感器S₁提供有关流体流量的信息。与钻柱120相联的地面转矩传感器S₂和传感器S₃分别提供有关钻柱120的转矩和转速的信息。钻柱120的钻进速度可以由传感器S₅确定，而传感器S₆可以提供钻柱120的大钩载荷。

在某些应用中，通过旋转钻管122带动钻头150旋转。但是，在其它应用中，设置在钻进组件190中的井下马达155(泥浆马达)可以使钻头150单独旋转或者与钻柱旋转一起旋转。

地面控制单元或控制器140经由设置在流体管路138中的传感器143从井下传感器和装置接收信号以及从系统100中使用的传感器S₁-S₆及其它传感器接收信号，并根据地面控制单元140的程序提供的编好的指令处理这些信号。地面控制单元140在显示器/监视器141上显示所要求的钻进参数及其它信息，由操作员使用所述显示器/监视器141来控制钻进作业。地面控制单元140可以是基于计算机的单元，其可以包括处理器142(例如微处理器)、存储装置144(例如固态存储器、磁带或硬盘)、以及存储装置144中的一个或多个计算机程序146，所述处理器142能访问所述计算机程序146，以用于执行这些程序中所包含的指令。地面控制单元140还可以与远程控制单元148通讯。地面控制单元140可以处理与钻进作业相关的数据、来自地面上的传感器和装置的数据以及从井下装置接收的数据，并可以控制井下装置和地面装置的一个或多个作业。

钻进组件190还可以包括用于确定所关心的各种属性的地层评价传感器或装置(也被称为随钻测量(“MWD”)传感器或随钻测井(“LWD”)传感器)，所述属性例如是地层的阻力、密度、孔隙度、渗透率、声学性质、核磁共振性质，流体的腐蚀性质，流体中的盐或盐分含量，以及地层195的其它选定属性。这样的传感器通常是现有技术中已知的，为方便起见，在此共同地用数字165标记。钻进组件190还可以包括用于控制和/或确定钻进组件的一个或多个功能和性能(例如速度、振动、弯矩、加速度、振荡、旋转、粘滑性等)以及诸如钻压、流体流量、压力、温度、钻进速度、方位角、刀面、钻头旋转等的钻进操作参数的各种其它传感器和通讯装置159。

仍然参照图1，钻柱120还包括发电装置178。在一方面，发电装置178位于底部钻具组合(BHA)中，用以向传感器165、通讯装置159以及底部钻具组合中的其它工具或装置提供电力。钻进组件190还包括转向装置160，在一个实施例中，所述转向装置160可包括转向构件(也被称为施力构件)160a、160b和160c，转向构件160a、160b和160c构造成对井眼126独立地施加力，以使钻头150沿着任意特定方向转向。

图2显示了包括依照本发明的一个实施例制成的转子的示例性钻进马达200的横截面。钻进马达200包括动力部分210和支承组件250。动力部分210包含细长的金属外壳212，所述金属外壳212中具有定子214，定子214包括突出部218。定子214固定在外壳212内部，或者与外壳212一体形成。包括突出部222的转子220可旋转地设置在定子214内部。定子214的突出部比转子突出部数量多一个。在许多方面，转子220可以具有一孔224，如图2所示，所述孔224终止于转子220的上端228下方的部位227处。孔224经由孔口238保持与转子220下方的钻井泥浆240流体连通。转子突出部222、定子突出部218以及它们的螺旋角构造成使得转子220和定子214在离散的间隔处密封，由此形成轴向流体腔室或空腔226，当加压钻井流体或泥浆240在钻井眼期间从地面供给到马达200时，所述轴向流体腔室或空腔226由这种流体填充。加压钻井流体240从马达200的顶部230流至动力部分210的底部252，如箭头234所示，从而使得转子220在定子214内旋转。突出部218和222的结构和数量限定了马达200的输出特性。在一种构造中，转子220联接一挠性轴242，所述挠性轴242连接于支承组件250中的可旋转驱动轴252，所述可旋转驱动轴252承载适合的钻头盒254中的钻头(未显示)。在钻进作业期间，加压流体240带动转子220旋转，转子220进而又带动挠性轴242旋转。挠性轴242带动钻进轴252旋转，钻进轴252进而又带动钻头盒254旋转，从而带动钻头旋转。当流体240在压力下供给到马达200时，转子220在定子214内旋转。在本发明中，转子和/或定子的至少一个部分具有弹性体材料，一个或多个其它部分由金属材料或非弹性体材料制成。已知的是，定子或转子的带突出部的其中一个表面上的弹性体材料在转子和定子突出部之间提供了耐久的密封。还已知的是，弹性体材料在马达运行期间承受高的机械载荷。在依照本发明的各种实施例制成的泥浆马达中，转子或定子包括具有弹性体或非金属表面的至少一个部分，并且至少一个其它部分具有金属表面。在这样的构造中，弹性体材料上的一部分载荷被转移到金属部分上，不会危害转子与定子突出部之间的密封。参照图3-图8，描述了定子和转子的某些示例性混合构造。

图3显示了设置在定子320中的示例性转子310的线框图，其中转子310的中间部分312的外表面衬有弹性体材料314，例如橡胶或另一种适合的非金属材料。在该构造中，转子310的两个端部分316a和316b各自的外表面315a和315b由金属材料制成或衬有金属材料。并且，定子320的整个内表面324由金属材料制成或衬有金属材料。中间部分312中的弹性体材料314与定子内表面324之间的干涉配合为正干涉配合，该干涉配合在转子310和定子320之间提供了密封。由金属材料制成的端部分316a和316b使一些载荷远离转子部分312上的弹性体材料312。

图4显示了设置在定子420中的示例性转子410的线框图，其中定子420的中间部分424的内表面422衬有弹性体材料426，例如橡胶或另一种适合的非金属材料。在该构造中，定子420的两个端部分416a和416b各自的内表面415a和415b由金属材料制成或衬有金属材料。并且，转子410的整个外表面414由金属材料制成或衬有金属材料。中间部分424中的弹性体材料426与转子外表面414之间的干涉配合为正干涉配合，该干涉配合在转子410和定子420之间提供了密封。转子和定子的金属表面之间的干涉间隙为零或负。

图5-图8显示了定子和/或转子的中间部分中的弹性体材料的各种示例性厚度层。图5显示了转子500的端部分510和部分中间部分520。端部分510的带突出部的外表面512由金属材料制成或衬有金属材料。转子的带突出部的中间部分520的带突出部的外表面522衬有均匀厚度526的弹性体材料524。

图6显示了转子600的端部分610和部分中间部分620。端部分610的带突出部的外表面612由金属材料制成或衬有金属材料。转子600的带突出部的中间部分620的外突出部622由弹性体材料624制成或衬有弹性体材料624。该弹性体材料厚度是不均匀的。例如，脊部626a的厚度626大于谷部628a的厚度628。转子金属材料从转子中心线638到弹性体材料624的深度630显示为恒定的，但是也可以沿着中间部分的长度不同。

图7显示了定子700的端部分710和部分中间部分720。端部分710的带突出部的内表面712由金属材料制成或衬有金属材料。定子的带突出部的中间部分720的带突出部的内表面722衬有均匀或大体上均匀厚度726的弹性体材料724。

图8显示了定子800的端部分810和部分中间部分820。端部分810的带突出部的内表面812由金属材料814制成或衬有金属材料814。定子800的带突出部的中间部分820的外突出部822由弹性体材料824制成或衬有弹性体材料824。弹性体材料824的厚度是不均匀的或不同的。例如，脊部826的厚度826a大于谷部628的厚度628a。金属背撑或外壳的厚度830对于弹性体材料824相同。虽然混合式转子和定子的示例性实施例所示的中间部分带有弹性体型材料，并且一端或两端带有金属衬，但是，其它构造，例如转子和/或马达的多于一个的连续部分可以包括金属材料和/或弹性体材料，使得密封材料上的至少一部分载荷传递到或转移到金属材料或比密封材料机械弹性更大的另一种材料上。

正如之前简要论述的，已经证明，在定子上(或在转子上)使用连续橡胶衬能够满足各种工作状况，因为橡胶衬在转子和定子之间提供了可靠的密封，实现了好的容积效率以及高的功率输出。但是，橡胶衬还对转子提供了(径向)支撑，因此承受了作用在转子上的较大载荷(主要是压力)。橡胶衬尤其在高温下使用和/或用于产生增加的功率输出(转矩)的时候达到了其机械极限。然而，没有任何橡胶的金属－金属动力部分能够承受高温和高载荷，但是其容积效率比带有橡胶衬的动力部分低，这是因为转子和定子突出部之间的金属－金属部分的接触区域明显小于衬有橡胶的转子－定子部分的接触区域。本发明在此提供了在密封和载荷需求之间具有至少部分功能上的分离的渐进空腔式马达和渐进空腔式泵，所述至少部分功能上的分离一方面提供了良好的密封性能，另一方面为转子提供了良好的支撑。作为使用连续橡胶衬的替代，动力部分的多个部分形成了与带橡胶衬的部分具有基本上相同的轮廓几何结构的金属－金属接触。在这种情况下，金属－金属部分起到类似于齿轮的作用，从而支撑转子并承受大部分载荷，而橡胶部分提供密封性能。通过改变带橡胶衬的部分中转子与定子之间的配合，可以根据需要调节密封性能和橡胶上的载荷。作为替代，带橡胶衬的部分可以制成高的压配合，使得选定水平(其可能很高)以上的载荷利用金属－金属部分。因为与定子内表面相比，在转子外表面制造变化轮廓更容易，所以更容易使转子的中间部分形成有橡胶衬，如图3、5和6所示。在某些作业中，如图3-图5所示的其它构造可能更有利，例如，三个或更多个金属－金属部分。并且，材料的选择不局限于金属和橡胶。也可以利用提供所需的载荷分布和密封性能的其它适合的材料。

虽然上文针对的是本发明的某些示例性实施例，但是各种各样的改变对本领域技术人员而言都是显而易见的。意图是，所附权利要求书的范围和精神之内的所有变形都被前面的公开所囊括。

Claims (19)

1.一种用于在井眼中使用的设备，所述设备包括：

定子，所述定子具有带突出部的内表面；以及

转子，所述转子具有带突出部的外表面并且设置在定子中，其特征在于，

带突出部的内表面和带突出部的外表面中的至少一个包括在其第一部分上的密封材料和在其第二部分上的金属表面，

其中，第一部分在带突出部的内表面和带突出部的外表面之间形成正的干涉配合，第二部分在带突出部的内表面和带突出部的外表面之间形成零或负的干涉配合。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一部分是中间部分，所述第二部分是端部分。

3.如权利要求1所述的设备，其中，密封材料的厚度大体上是均匀的。

4.如权利要求1所述的设备，其中，密封材料的厚度是非均匀的。

5.如权利要求1所述的设备，其中，带突出部的内表面包括多个第一突出部段，带突出部的外表面包括多个第二突出部段，并且其中，密封材料占据带突出部的内表面和带突出部的外表面中的一个的至少一个部段。

6.如权利要求1所述的设备，其中，金属表面的尺寸设计成使密封表面上的机械载荷减少预定量。

7.如权利要求1所述的设备，其中，所述设备构造成作为泥浆马达或泥浆泵运行。

8.一种用于在井眼中使用的设备，所述设备包括：

底部钻具组合，所述底部钻具组合具有用于确定所关心的参数的至少一个传感器；以及

钻进马达，所述钻进马达构造成带动附接于所述底部钻具组合的端部的钻头旋转，其特征在于，钻进马达包括定子和转子，所述定子具有带突出部的内表面，所述转子具有带突出部的外表面并且设置在定子中，并且其中，带突出部的内表面和带突出部的外表面中的至少一个包括在其第一部分上的密封材料和在其第二部分上的金属表面，

其中，第一部分在带突出部的内表面和带突出部的外表面之间形成正的干涉配合，第二部分在带突出部的内表面和带突出部的外表面之间形成零或负的干涉配合。

9.如权利要求8所述的设备，其中，所述第一部分是中间部分，所述第二部分是端部分。

10.如权利要求8所述的设备，其中，密封材料的厚度大体上是均匀的。

11.如权利要求8所述的设备，其中，密封材料的厚度是非均匀的。

12.如权利要求8所述的设备，其中，带突出部的内表面包括多个第一突出部段，带突出部的外表面包括多个第二突出部段，并且其中，密封材料占据带突出部的内表面和带突出部的外表面中的一个的至少一个部段。

13.如权利要求8所述的设备，其中，金属表面的尺寸设计成使密封表面上的机械载荷减少预定量。

14.如权利要求8所述的设备，还包括构造成在钻进作业期间在井眼上施加力的多个施力部件。

15.一种钻出井眼的方法，所述方法包括：

在井眼中部署钻柱，所述钻柱具有在钻柱端部处与钻头相联的钻进马达，其中，钻进马达包括定子和转子，所述定子具有带突出部的内表面，所述转子具有带突出部的外表面并且设置在定子中，其中，带突出部的内表面和带突出部的外表面中的至少一个包括在其第一部分上的密封材料和在其第二部分上的金属表面；和

向钻进马达供给处于压力下的流体，以使转子和钻头旋转而钻出井眼，

其特征在于，第一部分在带突出部的内表面和带突出部的外表面之间形成正的干涉配合，第二部分在带突出部的内表面和带突出部的外表面之间形成零或负的干涉配合。

16.如权利要求15所述的方法，其中，钻柱还包括构造成使钻头在选定方向上转向的转向装置，并且其中，所述方法还包括：通过转向装置使钻头转向，以沿着选定路径钻出井眼。

17.如权利要求15所述的方法，其中，钻井组件还包括传感器，所述传感器被构造成提供与所关心的井下参数相关的测量值，并且其中，所述方法还包括：在钻出井眼期间，利用来自所述传感器的测量值来确定所关心的参数。

18.一种渐进空腔式装置，包括：

定子，所述定子具有带突出部的内表面；和

转子，所述转子具有带突出部的外表面并且设置在定子中，其特征在于，

带突出部的内表面和带突出部的外表面中的至少一个包括在其第一部分上的非金属密封材料和在其第二部分上的金属表面，

其中，第一部分在带突出部的内表面和带突出部的外表面之间形成正的干涉配合，第二部分在带突出部的内表面和带突出部的外表面之间形成零或负的干涉配合。

19.一种用于在井眼中使用的设备，所述设备包括：

部署在井眼中的管柱，所述管柱构造成从井眼生产出流体；和

放置在管柱中的渐进空腔式装置，所述渐进空腔式装置构造成将流体从井眼泵送至地面，其特征在于，渐进空腔式装置包括定子和转子，所述定子具有带突出部的内表面，所述转子具有带突出部的外表面并且设置在定子中，并且其中，带突出部的内表面和带突出部的外表面中的至少一个包括在其第一部分上的密封材料和在其第二部分上的金属表面，

其中，第一部分在带突出部的内表面和带突出部的外表面之间形成正的干涉配合，第二部分在带突出部的内表面和带突出部的外表面之间形成零或负的干涉配合。