CN104334817A - 具有高速马达齿轮系统的钻井组件 - Google Patents
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Abstract
本申请提出了钻柱组件、井底钻具组件(BHA)，以及钻柱中BHA所用的动力传动系。揭露了一种用于在地面地层钻进钻孔的钻柱的BHA。BHA包括壳体，可旋转地连接到壳体的钻头，以及流体驱动的马达组件，比如容积式马达(PDM)。PDM组件包括驱动轴，以输出PDM生成的旋转驱动力。还包括了差动齿轮组，其具有连接到驱动轴的第一组齿轮部件，使第一齿轮部件与壳体啮合的第二齿轮部件，以及连接到钻头的第三齿轮部件。差速齿轮组将旋转驱动力从驱动轴传输到钻头，并以大于PDM组件的速度的速度旋转钻头。
Description
技术领域
本发明总体上涉及孔眼的钻孔，比如在油气勘探和采掘期间。更具体地，本发明涉及在孔眼钻孔中所使用的具有高速流体驱动马达的钻井组件。
背景技术
孔眼，通常也被称为“井眼”以及“钻孔”，出于各种原因而形成，包括用于定位不同天然资源地下矿藏而勘探钻进，提取这些矿藏而进行采矿操作，且为了安装地下设施而进行建筑工程。一种普遍的错误概念在于，所有的井眼都与钻探机竖直对齐；然而，很多应用需要井眼的钻孔竖直偏移并具有水平的几何形状。钻出水平的、竖直偏移和其他复杂孔眼所采用的公知技术为定向钻孔。定向钻孔通常象征着这样的钻孔过程：其特征在于地层中井身的至少一个部分在一个不是严格垂直的方向上，即，其轴线与竖直平面(被称为“垂直偏差”)成一个角度，并在方位平面中得到定向。
传统的定向钻孔技术通常从钻孔装置开始操作，该钻孔装置推动或者控制一系列以位于所连接的一系列钻杆其远端的定向钻头以获得井眼几何形状。在地下油气矿藏，比如石油和天然气的勘探和开采中，定向孔眼通常利用连接到井底钻具组件或“BHA”一端的可旋转钻头钻开。导向BHA可以包括，比如，容积式马达(PDM)或者“泥浆马达”、钻铤、扩孔钻、冲击钻以及扩孔工具，以扩大井眼。稳定器连接到BHA以控制BHA弯曲，从而在所需方向上定位钻头(倾斜和方位角)。BHA，而是，连接到管系底部，其通常包括接合的管或者相对柔软的“螺旋”油管，也被称为“连续油管”。这个定向钻孔系统，即，可操作地相互连接的油管，钻头和BHA-通常被称为“钻柱”。当所连接的管在钻柱中利用的时候，钻头可以通过从地面开始旋转所连接的管，借助装在BHA中的泥浆马达，或者以上两者，而旋转。相反，采用了连接油管的钻柱通常借助BHA中的泥浆马达旋转。
很多传统的钻孔马达包括螺杆泵、容积式马达(PDM)来在钻孔操作期间向钻头提供额外的动力。作为PDM的替换方式，一些BHA会采用涡轮式马达(或者“涡轮钻具”)以提供额外的动力。PDM和涡轮式马达都通过抽送到钻柱下，穿过钻井马达并从钻头组件流出的钻井泥浆流体驱动。在穿过钻头中开口而退出钻柱远端之后，钻井流体，某种程度上，操作为将来自钻头的钻孔切屑穿过钻柱和井眼壁之间的环形空间而带到地面。传统的PDM通常以较高扭矩输出的较低旋转速度操作；相反地，涡轮通常以具有较低输出扭矩的较高旋转速度操作。
从历史上来说，需要低速、高扭矩操作来执行钻孔操作，从而减少钻头卡在储层中的可能性，并由此减少钻头卡住时伤害BHA的可能性。为此目的，PDM，通常以低速操作并生成高扭矩，趋向于成为井眼钻孔之中的主要工作。PDM，然而，包括一些能够在钻孔操作期间的高压和所承受温度下损坏。对于这些部件的伤害会引起PDM的失效，这反而，需要成本较高、耗时的替换。为了减少停工时间和维修成本，有时候优选地使用涡轮式钻孔马达，其通常不具有这样容易受损的部件。然而，如上所述，涡轮为高速、低输出扭矩马达；因此，经常需要提供减速机构来降低涡轮的旋转速度。
一些钻孔操作现在需要高速、高扭矩输出的泥浆马达。根据现今钻孔技术之中的发展，包括在润滑空间中的改进以及高性能钻头的可得到性，多种复杂的钻孔操作可以在高旋转速度以及高扭矩下操作。其他可从高速高扭矩输出马达得益的操作包括，比如，钻竖直井眼，在软的储层中钻孔，以及在使用了单炮定位的定向应用。然而，传统的PDM组件和涡轮驱动泥浆马达部提供高速和高扭矩输出功能。
发明内容
本发明的各方面在于高速高扭矩的井下钻孔马达结构(如，1000-1250RPM；9000-12000ft-1b)。这些理念中的一些采用了在高扭矩容积式马达(PDM)和钻头之间的行星齿轮系统来放大RPM并将更多扭矩传递到钻头。示意性布局包括来自井下钻具马达的驱动轴，其驱动行星齿轮架，且来自齿轮箱的输出通过连接到或者与钻头接头一体的中心齿轮进行。环形齿轮，可以是变速齿轮，可以连接到马达壳体或者与其一体。轴承和齿轮系可以借助穿过旁路系统的钻井泥浆得到润滑。这个理念也可以构建为模块化组件，其可以增加到现存的泥浆马达。
根据本发明的各个方面，井底钻具组件(BHA)表现为在钻柱中使用，以在地下储层中钻出井眼。BHA包括壳体以及可旋转地连接到壳体的钻头。BHA也包括流体驱动的马达组件以及差速齿轮组。流体驱动马达组件具有配置为将马达组件生成的旋转驱动力以第一速度输出。差速齿轮组具有机械地连接到流体驱动马达组件的驱动轴的第一齿轮部件，使第一齿轮部件与壳体啮合的第二齿轮部件，以及机械地连接到钻头的第三齿轮部件。差速齿轮组将旋转驱动力从驱动轴传递到钻头，并以大于第一速度的第二速度旋转钻头。
本发明的其他方面在于在具有钻杆和钻头的钻柱中所使用的井底钻具组件(BHA)的动力传动系。动力传动系包括容积式马达(PDM)组件和差速齿轮组。PDM组件包括配置为可操作地连接到钻柱中钻杆并从其中接受钻井流体的马达壳体。PDM组件也包括限定出内部通道的多瓣定子，以及设置在定子之中的多瓣转子。驱动轴被连接到转子并配置为将PDM组件生成的旋转驱动力以第一速度输出。差速齿轮组包括三个齿轮部件，机械地连接到PDM组件驱动轴的第一齿轮部件，使第一齿轮部件与马达壳体啮合的第二齿轮部件，以及机械地连接到钻头的第三齿轮组件。差速齿轮组将旋转驱动力从传动轴传递到钻头，并以大于第一速度的第二速度驱动钻头。
钻柱系统特征为根据本发明的其他方面。钻柱包括钻杆柱，其具有可操作地连接到钻杆柱远端的管状壳体。管状壳体限定出壳体孔。钻头可旋转地连接到管状壳体。输出轴延伸出管状壳体外。输出轴包括连接到钻头的钻头接头。轴向轴承组件和径向轴承组件设置在位于壳体和输出轴之间的壳体孔内侧，并可操作地连接两者。流体驱动的容积式马达(PDM)组件至少部分地设置在壳体孔之中。PDM组件包括定子，可在定子之中旋转的转子，以及连接到转子且配置为以第一速度将PDM组件生成的旋转驱动力输出的驱动轴。该系统也包括行星齿轮系统，该行星齿轮系统具有行星架、环形齿轮和中心齿轮。行星架直接连接到PDM组件的驱动轴。环形齿轮直接连接到管状壳体，且与行星架的行星齿轮啮合。中心齿轮直接连接到输出轴并与行星架的行星齿轮啮合。行星齿轮系统将旋转驱动力从PDM组件的驱动轴传递到钻头，且以大于第一速度的第二速度来旋转钻头。
上述发明内容不意欲表现出本发明的每一个实施方式以及每一个方面。而是，前述发明内容仅仅提供了一些新颖性方面的示意，以及详细说明的特征。上述特征和优势，以及本发明的其他特征和优势，可以轻易地从示例性实施方式及模式的下述说明中清晰，也可结合附图和附随的权利要求来执行本发明。
附图说明
图1为根据本发明某些方面的示例钻孔系统的示意性显示。
图2为根据本发明某些方面的示例性井底钻孔组件的示例性显示。
图3为根据本发明某些方面的各个流体驱动马达和行星齿轮系其横截面图。
图4为图3中行星齿轮系沿着线4-4获取的截面视图。
而本发明可以进行各种改良和替换，特定的实施方式已经通过附图中的示例示出并会在下文详细说明。应该理解的是，然而，本发明不在于限定所公开的特定形式。而是，本发明覆盖了全部的改进、等同方式以及落入由附随权利要求所限定的本发明精神和范围之中的替换方式。
具体实施方式
本发明可以有多种不同形式的实施方式，它们在附图中示出，且会结合本发明的详细实施方式说明，但是要理解，本发明应当考虑为本发明原理的示例，而不在于将本发明限定到所示的实施方式的广泛方面之中。为此目的，比如，在摘要、发明内容以及详细说明部分中公开了元件和限定，但是不会在权利要求中清楚说明，应该单个或者一起，通过暗含、推断或者其他方式结合到权利要求中。为了详细呈现说明书，除非特别地放弃，单数形式包括复数，反之亦然；词语“和”以及“或”都应该是接合和分离的；词语“所有”指“任意和所有”；词语“任意”指“任意和所有”；且词语“包括”指“包括但非限制”。此外，近似词语，像“约”、“几乎”、“基本上”、“接近”，和类似物，可以在本文理解为“在、靠近、或者接近在”或者“在3-5％之中”或者“在可接受制造容差之中”的含义，或者它们的任意逻辑组合，比如。
现在参考附图，其中多个视图中相同的附图标记指相同部件，图1示出了根据本发明某些方面的示意性定向钻井系统，通常以10表示。所公开的很多理念都参考用于地层油气藏，比如石油和天然气，的勘探和/或开采的钻孔操作来讨论。然而，所公开的理念不是受到这样的限制的，且可以应用到其他钻井操作中。为此目的，本发明的某些方面不必要限于图1和2的布局和部件。比如，本文中的呈现的很多特征和方面可以应用到水平钻孔应用和竖直钻孔应用中，而不会偏离本发明的本来的范围和精神。此外，应该理解的是，附图不必要按比例示出，且仅仅是出于说明的目的提供；因此，附图中单独和相对尺寸以及方向不应被考虑为限制。与定向钻孔系统相关的额外的信息可以在，比如，Michael Strachan等人的、名称为“具有多个切割结构的钻孔系统其性能预测的方法和系统”美国申请公开文献2010/0259415A1中发现，且该文献通过参考方式全文引入本文中。
图1所示的定向钻孔系统10包括塔或“钻塔”11，在现有技术中通常如此命名，由钻台12支撑。钻台12支撑住在所需旋转速度下驱动的旋转台14，比如，借助链式传动系统通过原动机(未示出)的操作进行。旋转台14则向钻柱20提供了必须的旋转力。钻柱20，包括钻杆部24，从旋转台14向下延伸到定向孔眼26。如图所示，井眼26可沿着多维路径或者“轨迹”行进。图1中井眼26的底部54其三维方向通过指向向量52表示。
钻头50连接到钻柱20远端、井下端。旋转的时候，如，借助旋转台14，钻头50操作为分解且大体上瓦解地质层46。钻柱20连接到“绞车”起吊设备30，比如，借助方钻杆21、转环28以及穿过滑轮系统(未示出)的管线29。绞车30可包括各种部件，包括滚筒、一个或多个电机、减速齿轮、主制动器、以及附加制动器。在钻井操作中，绞车30可以操作为，在某些实施方式中，控制钻头50上的负重，以及钻柱20穿透到井眼26之中的速度。绞车30的操作通常是已知的，且因此在本文中不再赘述。
钻井操作期间，适宜的钻井流体(通常被称为“泥浆”)31可以在压力下，从泥浆池32中循环出来，并通过液压“泥浆泵”34穿过钻柱20进入到井眼26之中。钻井流体31可包括，比如，水基钻井流体(WBM)，其通常包括水和粘土基化合物、油基泥浆(OBM)，其基础流体为石油产品，比如柴油，合成泥浆(SBM)，基础流体为合成油，以及气态的钻井流体。钻井流体31从泥浆泵34借助流体导管(通常被称为“泥浆管线”)38和方钻杆21进入到钻柱20。钻井流体31在井眼底部54穿过钻头50中的开孔或者喷嘴排出，并在“向上”方向上穿过钻柱20和井眼26侧边之间的环形空间27向着地面循环。随着钻井流体31靠近旋转台14，其通过返回管线35排放回到泥浆池32。各种地面传感器48，其适当地在井眼26的地面上布置，单独或者接合井眼26中采用的井下传感器70，72使用，以提供与如下内容有关的信息：各种钻孔相关参数，比如流体流速、钻头的负重、大钩载荷等等，下面会对此进一步详细说明。
地面控制单元40可借助传感器或者变换器43接收来自地面和井下传感器和装置的信号，而该传感器或变换器可以设置在流体管线38上。地面控制单元40可以操作为根据提供给地面控制单元40的编程指令来处理这种信号。地面控制单元40可借助一个或多个输出装置42，比如，显示器、计算机监视器、扩音器、灯光等，呈现给操作者需要的钻孔参数以及其他信息，这些信息也可以被操作者利用来控制钻孔操作。地面控制单元40可包括计算机、存储数据的存储器、数据记录器、以及其他已知且会在下方说明的周边设备。地面控制单元40也可以包括模型以及可根据编程指令处理数据，并对应于使用者通过适宜的输入装置44输入的命令，它们可以具有键盘、触屏、麦克风、鼠标、操纵杆等的性能。
在本发明的一些实施方式中，可旋转钻头50在可操控钻孔井底组件(BHA)22的远端连接。在所示实施方式中，BHA22在钻头50和钻柱20的钻杆部24之间连接。BHA 22可包括随钻测量(MWD)系统，在图1中示意性地用58表示，其具有各种传感器，以提供有关储层46的信息和井下钻孔参数。BHA 22中的MWD传感器可以包括，但不限于，测量靠近钻头的储层电阻率的装置，测量储层伽马射线强度的伽马射线装置，确定钻柱倾斜度和方位角的装置，以及测量井下钻孔流体压力的压力传感器。MWD也可以包括额外/替换的传感装置，来测量冲击、振动、扭矩、遥感勘测等。上述装置可以将数据发送到井下发送器33，其将数据沿井眼向上发送到地面控制单元40。在某些实施方式中，BHA 22也可以包括随钻测井(LWD)系统。
在某些实施方式中，泥浆脉冲遥测技术可以用来在钻孔操作期间从井下传感器和装置中通信数据。泥浆脉冲遥测技术的示例性方法和设备在GhristopherA.Golla等人的美国专利7106210B2公开，此处以参考方式全文引入本文中。其他遥测技术的已知方法，在不偏离本发明范围中使用，其包括了电磁遥测法、声波遥测法、以及有线钻杆遥测法，以及其他。
变换器43可以放置在泥浆供给管线38之中，以对应于由井下发送器33发送的数据来检测泥浆脉冲。变换器43继而生成电子信号，比如，对应于泥浆压力的不变化，并将这样的信号发送到地面控制单元40。可替换地，其他遥测技术，可以采用比如已知或者将在之后研发的电磁和/或声波技术或者任意其他适宜的技术。借助示例，硬线钻杆可以用于在地面和井下装置之间通信。在另一个示例中，可以使用所述技术的组合。如图1所示，地面发送接收器80使用，比如，任意所述传输技术，像泥浆脉冲遥感技术，与井下工具通信。这可以使得地面控制单元40和下方所述井下工具之间实现双向通信。
根据本发明的某些方面，BHA 22可以提供钻头50所用的一些或者所有所需力，从而穿过储层46(被称为“钻头上的负重”)，并为钻开井眼26提供必要的定向控制。在图1和2所示的实施方式中，BHA22可以包括钻孔马达90以及第一和第二纵向间隔的稳定器60和62。至少一个稳定器60，62是可调整的稳定器，其能够操作以帮助控制井眼26的定向。可选径向可调整稳定器可在可控定向钻孔系统10的BHA22中使用，以调整BHA22相对于井眼26的轴线的角度。径向可调整稳定器比传统固定直径稳定器所获得的定向可调整性来说，可调整范围更宽。这种可调整性可通过使得BHA22得到调整而节约大量的钻井时间，而不会浪费在改变上。然而，甚至是径向可调整稳定器仅提供了定向调整的有限范围。与可调整稳定器和其在定向钻孔系统使用中有关的额外的信息可以在Clive D.Menezes等人的美国专利申请公开2011/0031023中公开，其题目为“井下钻孔设备、系统和方法”，且该文献通过参考全文引入本文。
如图2实施方式所述，钻头50和第一稳定器60之间的间距，用L1表示，可以为确定BHA22弯曲特性的因子。相同地，第一稳定器60和第二稳定器62之间的间距，用L2表示，可以为确定BHA22弯曲特性的另一个因子。BHA22的钻头50处的偏移为间距L1的非线性函数，这样L1的相当小的改变会大大改变BHA 22其弯曲特性。利用径向可移动稳定器刀片，下落或者建筑角度，比如A或B，可以当稳定器在位置P之时，在钻头50处引入。通过轴向移动稳定器60从P到P’，钻头50的偏转可以从A增加到A’或者从B增加到B’。具有轴向和径向调整的稳定器可大体上扩展定向调整的范围，因此节省了需要将BHA22换做不同结构的时间。在某些实施方式中，稳定器可轴向移动。第二稳定器62的位置和调整在调整BHA22上增加了附加的灵活性，从而获得BHA22所需的弯曲，以获得所需的井眼曲率和方向。如此，第二稳定器62可与第一稳定器60具有相同的性能。虽然图中示出了两种尺寸，稳定器刀片的适当调整也提供了BHA22的三维转动。
图3示出了在地质储层中钻井的那种类型其钻柱系统100的某个部分。图3中钻柱系统100被表示为井底钻井组件(BHA)110，其以横截面形式示出，以更为清楚地显示内部集成传动系组件，以112表示。图3中钻柱系统100可以为各种形式、可选择构造以及相对于图1和2所示定向钻井系统100来说功能性替换的任意一种形式，且因此可以包括任意的对应选项和特征。此外，钻柱系统100仅有选择的部件示出，且将在下面额外地说明。然而，下方讨论的钻柱系统，包括对应的BHA和动力结构，可以包括多个额外、可替换以及其他公知的周边产品，且不会偏离本发明的范围和精神。由于这些部件在本领域是公知的，它们不会进一步说明。
动力传动系112包括流体驱动的马达组件114以及差速齿轮组116，它们都被示为至少部分地设置在细长、管状壳体118的内壳体孔120内侧。对于某些选择的构造，马达组件114和差速齿轮组116可以是分别封装的，如，差速齿轮组116可以构建为模块化组件，其可以改装至BHA 110。管状壳体118可操作性地链接，如借助顶部接头(未示出)，到钻杆或者钻杆柱的远端，如图1所示的钻杆部24，以接收来自钻柱的钻井流体。在所示实施方式中，流体驱动马达组件114为容积式马达(PDM)组件，其可以具有斯佩里钻或者斯佩里钻XL /XLS系列容积式马达组件的性能，这些马达组件可以在得克萨斯州休斯敦的哈里伯顿买到。在这种情况下，壳体118可以是通过动力部分122连接到顶部结构的马达壳体的一部分。PDM组件114包括具有内部通道126的多瓣定子124，在该通道中设置有多瓣转子128。PDM组件114过根据莫诺原理操作，必要地，当加压流体被迫流入PDM组件114，并穿过形成在定子124和转子128之间形成的一系列螺旋形通道时，加压流体作用于转子128，使得转子128在定子124中章动和转动。转子128的旋转为钻头生成了旋转驱动力，下面会进一步对此进行说明。
转子128的远端借助差速齿轮组116直接连接到可旋转钻头(如，图1的钻头50)，而来自转子128的偏心动力作为向心力传递到钻头。根据所示实施方式，驱动轴130可操作地连接到转子128且配置为以第一速度V1输出由PDM组件114生成的旋转驱动力。在这种方式中，PDM组件114可以为钻头提供驱动机构，该钻头至少部分地，在某些情况下，完全独立于钻柱生成的任意旋转运动，比如，借助图1中钻台12上的旋转台14达到。定向钻井也可以借助旋转钻柱100来执行，且同时启动PDM组件114，因而增加了可获得的扭矩以及钻头速度。钻头可以为各种形式，包括孕镶金刚石钻头以及特别化的聚晶金刚石复合片(PDC)钻头设计，比如FX和FS系列钻头，可以从得克萨斯州休斯敦的哈里伯顿买到。
差速齿轮组116适于从PDM组件114将动力操作并分配给钻头，下文会对此进行进一步说明。在图3的实施方式中，差速齿轮组116为游星齿轮设置，通常被称为行星齿轮系。差速齿轮116具有三个主要的齿轮部件：机械地连接到PDM组件114的驱动轴130的第一齿轮部件132；使第一齿轮部件132与壳体118啮合的第二齿轮部件134；以及比如借助钻头结构146(也被称为“井底接头”)机械地连接到钻头的第三齿轮部件136。如图4所示，第一齿轮部件132为行星架组件，第二齿轮部件134为环形齿轮，且第三齿轮部件136为环形中心齿轮。环形齿轮134外切中心齿轮136和行星齿轮架组件132并与其同轴对齐。行星齿轮架组件132所包含的是多个行星齿轮138(现有技术也称之为“小齿轮”)，其可旋转地安装到行星齿轮架组件132上；每一个行星齿轮138啮合环形齿轮134以及中心齿轮136。尽管示出的是简单的行星齿轮组，也可以设想差速齿轮组116包括带齿、台阶式或者多阶复合设置。
在所示实施方式中，行星齿轮架132连续地直接连接到PDM组件114的驱动轴130。通过非限定实施例，驱动轴130的远端包括了鸟足状轭140，其具有多个圆周地隔开的趾部142。鸟足状轭140操作为机械地将行星架132连接到驱动轴130，以使得两者形成共同旋转。当驱动轴130旋转的时候，轭140也生成环形窝，在其中容纳了细长输出轴144的近端。环形齿轮134连续地直接连接(如，键连接)到壳体116。可选择地，环形齿轮可以加工为壳体116或者与壳体116集成。在相似的方面，中心齿轮136连续地连接到钻头。如所示，中心齿轮136直接连接(例如键连接)到输出轴144，该轴又延伸出壳体118之外，并通过钻头接头146直接连接到钻头。中心齿轮136可以加工为输出轴144或者与输出轴集成。
图3中行星齿轮系116中的齿轮132，134，136，138的设置使得输入和输出轴130，144以不同速度旋转。接着利用所示齿轮系，环形齿轮134，其相对静止地保持，操作为系统的反应部件，而行星架132操作为系统的输入或者“被动”部件，接收系统动力，且行星齿轮136操作为系统的输出或者“主动”部件，从系统传递动力。从驱动轴130开始，差速齿轮组116将PDM组件114生成的旋转驱动力传递到钻头，并以大于第一旋转速度V1的第二旋转速度V2旋转钻头。与传统的对应部件相比，这个传动系结构通过放大高扭矩输出PDM组件的旋转速度在高速下提供了更高的扭矩。
图3的BHA 110也包括保护传动系112不受底部加载、卸载条件影响的轴承组件。靠近与壳体118远端的是环形凸缘150，其径向向内地延伸到壳体孔120之中并外切输出轴144。高速径向轴承组件152设置在壳体孔120内侧，该孔径向地位于壳体118和输出轴144的中间。径向轴承组件152也设置在环形凸缘150和差速齿轮组116之间。径向轴承组件152操作为减少旋转摩擦力并支撑径向载荷。轴向齿轮组件154也设置在壳体孔120内侧，该孔径向地位于壳体118和输出轴144的中间，但是在远离轴向轴承组件152的环形凸缘150的相反侧，将环形凸缘150与钻头接头146隔开，且与钻头隔开。轴向轴承组件154操作为减少旋转摩擦力并支撑轴向载荷。低速轴向轴承组件156设置在壳体孔120内侧，差速齿轮组116的上游，径向地位于壳体118和驱动轴130中间。
继续参考图3和4，驱动轴130的细长管状部131包括(第一)流体通道，在图3中被示为虚线的160，其纵向地延伸穿过管状部131的中心。流体通道160使得加压后的钻井流体31从PDM组件114穿过驱动轴130的中心，进入到差速齿轮组116和输出轴144。输出轴144，将钻头连接到差速齿轮组116，包括(第二)流体通道162，其纵向地延伸穿过输出轴144的中心。这个流体通道162流通地连接到驱动轴130的流体通道160，以使得钻井流体31从驱动轴130穿过输出轴144的中心，流出钻头接头146并流入钻头。限流装置164(如，孔、提升阀、球阀、电磁阀等)设置在第一和第二流体通道160，162之间。限流装置164被设计为调整从第一流体通道160流到第二流体通道162的钻井流体31流，比如，以保证齿轮和轴承润滑旁路的流量。在这个方面，BHA 110可提供一个或多个流体旁路通道166，其将从第一流体通道160排出的钻井流体31重新导向为远离第二流体通道162，并引导其流入差速齿轮组116。润滑旁路通道168使得钻井流体31，从第一流体通道160经过并流入差速齿轮组116以及轴承组件152，154，从而在靠近钻头接头164处退出壳体118。
本发明特别的实施方式以及应用已经示出并解释，可以理解的是本发明不限于本文中所公开的精确结构和组成，且各种改进、变化和变形可以从前述说明中清晰，且不会偏离附随权利要求所限定的本发明的精神和范围。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种在钻柱中使用从而在地质储层中钻出井眼的井底钻具组件(BHA)，该BHA包括：
壳体；
钻头，该钻头可旋转地连接到壳体；
流体驱动的马达组件，该马达组件具有配置为以第一速度将马达组件生成的旋转驱动力输出的驱动轴；
差速齿轮组，该差速齿轮组具有机械地连接到流体驱动的马达组件的驱动轴上的第一齿轮部件、使第一齿轮部件与壳体啮合的第二齿轮部件、以及机械地连接到钻头的第三齿轮部件，差速齿轮组将旋转驱动力从驱动轴传递到钻头，且以大于第一速度的第二速度旋转钻头；
其中，差速齿轮组为行星齿轮系，第一齿轮部件为带有多个小齿轮的行星架组件，第二齿轮部件为环形齿轮，且第三齿轮部件为中心齿轮。
2.如权利要求1所述的BHA，其中，行星架组件连续地直接连接到流体驱动的马达的驱动轴。
3.如权利要求1所述的BHA，其中，环形齿轮连续地直接连接到壳体。
4.如权利要求3所述的BHA，其中，环形齿轮与壳体一体成型。
5.如权利要求1所述的BHA，其中，中心齿轮连续地连接到钻头。
6.如权利要求1所述的BHA，进一步包括输出轴，该输出轴延伸出壳体之外并连接到钻头，中心齿轮连续地直接连接到输出轴。
7.如权利要求6所述的BHA，其中，中心齿轮与输出轴一体成型。
8.如权利要求1所述的BHA，其中，流体驱动的马达组件为容积式马达。
9.如权利要求1所述的BHA，其中，马达组件的驱动轴包括细长的管状部，该细长的管状部具有纵向延伸穿过管体的第一流体通道，该第一流体通道被配置为使得钻井流体从马达组件通过驱动轴流入差速齿轮组。
10.如权利要求9所述的BHA，进一步包括细长的输出轴，该输出轴将钻头连接到差速齿轮组并包括延伸穿过输出轴的第二流体通道，该第二流体通道被流体地连接到第一流体通道，并配置为使得钻井流体从驱动轴通过输出轴流入钻头。
11.如权利要求10所述的BHA，进一步包括限流装置，该限流装置设置在第一和第二流体通道之间，并被配置为调整钻井流体从第一流体通道流到第二流体通道的流量。
12.如权利要求10所述的BHA，进一步包括一个或多个流体旁路通道，所述流体旁路通道重新引导钻井流体从第一流体通道远离第二流体通道，并流入差速齿轮组。
13.如权利要求1所述的BHA，其中，驱动轴包括在其远端的轭，该轭机械地将第一齿轮部件连接到驱动轴。
14.一种在具有钻杆和钻头的钻柱中的井底钻具组件(BHA)所用的动力传动系，该动力传动系包括：
容积式马达(PDM)组件，该容积式马达组件包括：
马达壳体，该马达壳体被配置为可操作地连接到钻柱中的钻杆，并从其中接受钻井流体；
多瓣定子，该多瓣定子限定出内部通道；
多瓣转子，该多瓣转子设置在定子之中，以及
驱动轴，该驱动轴连接到转子，且配置为以第一速度输出PDM组件生成的旋转驱动力；
差速齿轮组，该差速齿轮组包括：
第一齿轮部件，该第一齿轮部件被机械地连接到PDM组件的驱动轴，
第二齿轮部件，该第二齿轮部件使第一齿轮部件与马达壳体啮合，以及
第三齿轮部件，该第三齿轮部件机械地连接到钻头，
其中差速齿轮组将旋转驱动力从驱动轴传递到钻头，并以大于第一速度的第二速度旋转钻头，
其中，差速齿轮组为行星齿轮系，第一齿轮部件为带有多个小齿轮的行星架组件，第二齿轮部件为环形齿轮，且第三齿轮部件为中心齿轮。
15.如权利要求14所述的动力传动系，其中，行星架组件连续地直接连接到PDM组件的驱动轴。
16.如权利要求14所述的动力传动系，其中，环形齿轮连续地直接连接到壳体。
17.如权利要求14所述的动力传动系，其中，中心齿轮连续地连接到钻头。
18.一种钻柱系统，包括：
钻杆柱；
管状壳体，该管状壳体可操作地连接到钻杆柱的远端，该管状壳体限定壳体孔；
钻头，该钻头可旋转地连接到管状壳体；
输出轴，该输出轴延伸出管状壳体外部，且该输出轴包括连接到钻头的钻头接头；
轴向轴承组件和径向轴承组件，所述轴向轴承组件和径向轴承组件设置在位于壳体和输出轴之间的壳体孔之内并可操作地连接壳体和输出轴；
流体驱动的容积式马达(PDM)组件，该PDM组件至少部分地设置在壳体孔之中，该PDM组件包括定子、可旋转地位于定子之中的转子，以及连接到转子的驱动轴，且驱动轴被配置为以第一速度将PDM组件生成的旋转驱动力输出；以及
行星齿轮系，该行星齿轮系具有带有多个小齿轮的行星架组件、环形齿轮、中心齿轮，该行星架组件直接连接到PDM组件的驱动轴，环形齿轮直接连接到管状壳体且与行星架组件的行星齿轮啮合，中心齿轮直接连接到输出轴并与行星架组件的行星齿轮啮合，其中行星齿轮系将旋转驱动力从驱动轴传递到钻头，并以大于第一速度的第二速度旋转钻头。
Claims (20)
1.一种在钻柱中使用从而在地质储层中钻出井眼的井底钻具组件(BHA)，该BHA包括：
壳体；
钻头，该钻头可旋转地连接到壳体；
流体驱动的马达组件，该马达组件具有配置为以第一速度将马达组件生成的旋转驱动力输出的驱动轴；
差速齿轮组，该差速齿轮组具有机械地连接到流体驱动的马达组件的驱动轴上的第一齿轮部件、使第一齿轮部件与壳体啮合的第二齿轮部件、以及机械地连接到钻头的第三齿轮部件，差速齿轮组将旋转驱动力从驱动轴传递到钻头，且以大于第一速度的第二速度旋转钻头。
2.如权利要求1所述的BHA，其中，差速齿轮组为行星齿轮系，第一齿轮部件为行星架，第二齿轮部件为环形齿轮，且第三齿轮部件为中心齿轮。
3.如权利要求2所述的BHA，其中，行星架连续地直接连接到流体驱动的马达的驱动轴。
4.如权利要求2所述的BHA，其中，环形齿轮连续地直接连接到壳体。
5.如权利要求4所述的BHA，其中，环形齿轮与壳体一体成型。
6.如权利要求2所述的BHA，其中，中心齿轮连续地连接到钻头。
7.如权利要求2所述的BHA，进一步包括输出轴，该输出轴延伸出壳体之外并连接到钻头，中心齿轮连续地直接连接到输出轴。
8.如权利要求7所述的BHA，其中，中心齿轮与输出轴一体成型。
9.如权利要求1所述的BHA，其中，流体驱动的马达组件为容积式马达。
10.如权利要求1所述的BHA，其中，马达组件的驱动轴包括细长的管状部，该细长的管状部具有纵向延伸穿过管体的第一一流体通道，该第一流体通道被配置为使得钻井流体从马达组件通过驱动轴流入差速齿轮组。
11.如权利要求10所述的BHA，进一步包括细长的输出轴，该输出轴将钻头连接到差速齿轮组并包括延伸穿过输出轴的第二流体通道，该第二流体通道被流体地连接到第一流体通道，并配置为使得钻井流体从驱动轴通过输出轴流入钻头。
12.如权利要求11所述的BHA，进一步包括限流装置，该限流装置设置在第一和第二流体通道之间，并被配置为调整钻井流体从第一流体通道流到第二流体通道的流量。
13.如权利要求11所述的BHA，进一步包括一个或多个流体旁路通道，所述流体旁路通道重新引导钻井流体从第一流体通道远离第二流体通道，并流入差速齿轮组。
14.如权利要求1所述的BHA，其中，驱动轴包括在其远端的轭，该轭机械地将第一齿轮部件连接到驱动轴。
15.一种在具有钻杆和钻头的钻柱中的井底钻具组件(BHA)所用的动力传动系，该动力传动系包括：
容积式马达(PDM)组件，该容积式马达组件包括：
马达壳体，该马达壳体被配置为可操作地连接到钻柱中的钻杆，并从其中接受钻井流体；
多瓣定子，该多瓣定子限定出内部通道；
多瓣转子，该多瓣转子设置在定子之中，以及
驱动轴，该驱动轴连接到转子，且配置为以第一速度输出PDM组件生成的旋转驱动力；
差速齿轮组，该差速齿轮组包括：
第一齿轮部件，该第一齿轮部件被机械地连接到PDM组件的驱动轴，
第二齿轮部件，该第二齿轮部件使第一齿轮部件与马达壳体啮合，以及
第三齿轮部件，该第三齿轮部件机械地连接到钻头，
其中差速齿轮组将旋转驱动力从驱动轴传递到钻头，并以大于第一速度的第二速度旋转钻头。
16.如权利要求15所述的动力传动系，其中，差速齿轮组为行星齿轮系，第一齿轮部件为行星架，第二齿轮部件为环形齿轮，且第三齿轮部件为中心齿轮。
17.如权利要求16所述的动力传动系，其中，行星架连续地直接连接到PDM组件的驱动轴。
18.如权利要求17所述的动力传动系，其中，环形齿轮连续地直接连接到壳体。
19.如权利要求18所述的动力传动系，其中，中心齿轮连续地连接到钻头。
20.一种钻柱系统，包括：
钻杆柱；
管状壳体，该管状壳体可操作地连接到钻杆柱的远端，该管状壳体限定壳体孔；
钻头，该钻头可旋转地连接到管状壳体；
输出轴，该输出轴延伸出管状壳体外部，且该输出轴包括连接到钻头的钻头接头；
轴向轴承组件和径向轴承组件，所述轴向轴承组件和径向轴承组件设置在位于壳体和输出轴之间的壳体孔之内并可操作地连接壳体和输出轴；
流体驱动的容积式马达(PDM)组件，该PDM组件至少部分地设置在壳体孔之中，该PDM组件包括定子、可旋转地位于定子之中的转子，以及连接到转子的驱动轴，且驱动轴被配置为以第一速度将PDM组件生成的旋转驱动力输出；以及
行星齿轮系，该行星齿轮系具有行星架、环形齿轮、中心齿轮，该行星架直接连接到PDM组件的驱动轴，环形齿轮直接连接到管状壳体且与行星架的行星齿轮啮合，中心齿轮直接连接到输出轴并与行星架的行星齿轮啮合，其中行星齿轮系将旋转驱动力从驱动轴传递到钻头，并以大于第一速度的第二速度旋转钻头。
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