CN104379865A - 用于控制或限制移动腔式马达和泵中转子轨迹的设备和方法 - Google Patents

用于控制或限制移动腔式马达和泵中转子轨迹的设备和方法 Download PDF

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Abstract

一种移动腔式马达或泵，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)转子相对于定子的移动的设备。

Description

用于控制或限制移动腔式马达和泵中转子轨迹的设备和方法
技术领域
这里公开的实施例涉及用于在移动腔式马达或泵中控制或限制转子相对于定子的位置的设备和方法。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设备和方法。
背景技术
移动腔式马达或泵，有时称为容积式马达或泵或者螺杆马达或泵，通过在腔中捕获流体而工作。这些腔形成在转子和定子之间的空间中，并且这些部件之间的相对旋转为一种使腔沿着装置的长度方向从输入端到输出端前进并且轴向移动的机械作用。如果转子被驱动而旋转，流体沿着腔内部被吸入并且该装置为泵。如果流体在比输出端压力高的情况下被泵送到输入端腔，在转子上产生的力使其发生旋转并且该装置为马达。
为了使转子能够在定子内旋转并且产生沿轴向方向前进的腔，两个部件的轮廓必须具有特定的形式。通常，转子2为截面形状类似于图1所示的螺旋轴。转子2上的叶片的数量可以为一到任何数量。如图2所示，定子4的轮廓与转子2的轮廓互补，叶片的数量为两个到任意多个。在匹配的转子-定子对中，定子4上的叶片的数量比转子2上的多一个。转子2和定子4的典型组合的横截面在图3中示出，其中，转子2具有三个叶片并且定子4具有四个叶片，转子2容纳在定子4内。
其中一个表面，通常为定子4的表面，为柔性的，使得在转子2和定子4的接触点之间能够维持密封6。密封6限定出位于转子2和定子4之间的多个腔并且仍然允许转子2和定子4之间发生相对旋转。转子2和定子4的截面通常沿着马达或泵10的长度维持不变，但是逐步旋转以产生螺旋轮廓。沿着马达或泵10的直径面的截面如图4所示。
转子2不必具有固定的长度。选取的长度通常被定义为多个级，其中一个级由定子4完整的螺旋旋转构成。腔8形成在定子4和转子2之间。
从图3和4的截面明显可以得到的是，随着转子2转动，转子2的几何中心相对于定子4并不保持固定。总的来说，当转子2具有两个或多个叶片时，中心点的轨迹大致上为圆形，其中，由表面轮廓的准确特性和用于维持腔内密封6的柔性材料中的任何变形引起变化。在马达的情况(转子2提供驱动扭矩)下以及对于转子2被驱动的泵来说，驱动轴组件12需要将围绕旋转轴线的旋转变换成围绕固定轴线的旋转。该驱动轴组件12具有可移动的接合组件14以促进这种机械作用。在马达的情况下，驱动轴13的外端连接到需要被驱动的部件上，在井下马达的情况下例如连接到钻头上。对于泵来说，驱动轴13的外端连接到旋转能的源头，例如马达。
在装置为马达的情况下在转子2中产生的扭矩，或者在装置为泵的情况下在转子2中所需的扭矩为作用在腔8中的压力与定子4和转子2之间的接触点间的反作用力的复杂组合。这样具有如下效果，即在马达的情况下试图转动转子2或者在泵的情况下抵抗旋转。在两种情况下，还具有用于将转子2推动进入定子4的净侧向力。这种力的方向随着转子2转动而旋转。还具有由转子的旋转运动产生的离心力。并且在马达的情况下，例如泥浆马达，还可能具有由传动装置承载的推力的侧向分力。
发明内容
已经发现，作用在转子上并且将转子推向定子的力产生的影响在于定子的柔性表面可发生变形并且在装置的一侧上产生间隙。如果这种现象发生，那么流体可以沿着装置在流体腔之间通过。这样就会降低流率和泵的最大压力并且在马达的情况下降低了旋转速度且限制了扭矩的形成。
这里公开的实施例可以被用于克服已知的泥浆泵和其它移动腔式马达或泵的某些限制，或者至少为已知的泥浆泵和其它移动腔式马达或泵提供替代方案。
根据这里公开的实施例的第一方面，提供了一种移动腔式马达或泵，其包括：转子、定子和用于控制或限制转子相对于定子的移动的设备。
如上所述，转子或定子的表面可以由柔性材料制成以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，转子相对于定子的移动被控制或限制以使得柔性材料的变形以及由此形成的位于转子和定子的接触表面之间的间隙开口最小化。
在一个或多个实施例中，转子被约束成遵循期望的旋转和定位移动。
在一个或多个实施例中，转子受构造成使转子可以根据转子位置进行旋转的进动装置约束。
在一个或多个实施例中，进动装置由连接到遵循连接到定子的叶片轨道的转子轴的叶片轮构成。
在一个或多个实施例中，轮上的叶片的数量与轨道上的叶片的数量之比与转子上的叶片数量与定子上的叶片数量之比相同。
在一个或多个实施例中，叶片轮在其与轨道配合的外表面上具有顺从层。替代或可选地，叶片轨道在于叶片轮配合的表面上具有顺从层。
在一个或多个实施例中，转子相对于定子的径向移动受控制或限制。
在一个或多个实施例中，在使用马达或泵时，转子的几何中心的移动被限制于预定路径。
在一个或多个实施例中，在一个或多个位置处提供轮组件以控制或限制转子在定子内或绕着定子的移动。
在一个或多个实施例中，轮组件包括安装到转子的轴上的轮，该轮配置成绕着定子的内表面移动。
在一个或多个实施例中，轮的外直径与定子的内表面的直径减去转子偏离其几何中心线的预定最大偏移值的两倍的差相等。
可替代地，轮组件可包括安装到定子的轴上的轮，该轮配置成允许转子绕着定子的外表面移动。本领域技术人员可以容易地意识到，在该实施例中，内部件被固定(由此成为定子或固定元件)，而马达或泵的外部件旋转。
在一个或多个实施例中，轮的外直径与转子的内表面的直径减去转子偏离其几何中心线的预定最大偏移值的两倍的差相等。
在一个或多个实施例中，轮组件位于马达或泵中的一个位置处，在此处，转子和定子的轮廓基本为圆形。
在一个或多个实施例中，轮组件进一步包括允许轮和转子发生相对旋转的轴承。该轴承传统地为滚针轴承。
在一个或多个实施例中，该轮具有允许流体从其中流过的孔眼。
在一个或多个实施例中，转子和定子的接合表面在轮组件的区域中基本上为刚性的。
在一个或多个实施例中，在一个或多个位置处提供固定插入件以控制或限制转子在定子内或绕着定子的移动。
在一个或多个实施例中，固定插入件被安装在转子-定子对的外部元件内并且具有中心孔眼，转子-定子对的内部元件的轴可以通过中心孔眼，中心孔眼的直径大小被确定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，固定插入件具有另外的多个孔眼以允许流体从其中流过。
在一个或多个实施例中，固定插入件设置在马达或泵中转子和/或定子的轮廓基本上为圆形的位置上。
在一个或多个实施例中，中心孔眼基本上为圆形以使得转子的轴能够绕着中心孔眼移动，或者转子和固定插入件能够围绕定子移动。
在一个或多个实施例中，在一个或多个位置处提供用于控制或限制转子在定子内或绕着定子的移动的驱动轴组件。
在一个或多个实施例中，驱动轴组件包括：驱动轴和被驱动轴，以使得当两个轴不平行时可以传递旋转；以及用于限制驱动轴和被驱动轴之间的角度的机构，其使得转子相对于定子的移动被限制。
在一个或多个实施例中，用于限制驱动轴和被驱动轴的角度的机构为缓冲环。
在一个或多个实施例中，在一个或多个位置设置可旋转插入件用于控制或限制转子在定子内的移动。
在一个或多个实施例中，可旋转插入件被安装在定子内并且具有转子的轴可以从中穿过的孔眼，该孔眼与可旋转插入件的中心偏离以使得转子的移动被限制在预定的路径上。
在一个或多个实施例中，可旋转插入件在定子内部自由旋转。
在一个或多个实施例中，转子在可旋转插入件内部自由旋转。
在一个或多个实施例中，设置有轴承以便于可旋转插入件和/或转子的旋转。
在一个或多个实施例中，可旋转插入件包括另外的多个孔眼以允许流体从其中流过。
在一个或多个实施例中，在一个或多个位置处设置有活塞组件以控制或限制转子在定子内或绕着定子的移动。
在一个或多个实施例中，活塞组件包括围绕转子-定子对的外部件间隔分布的多个向内面向的活塞以控制转子相对于定子的移动。该活塞可有利地围绕转子-定子对的外部件均匀间隔分布。
在一个或多个实施例中，活塞安装到插入件内，插入件自身安装到转子-定子对的外部件上。
在一个或多个实施例中，转子-定子对的外部件在安装有活塞的区域中局部性地增厚。
在一个或多个实施例中，插入件设置有多个孔眼以允许流体从中流过。
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式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移动以使转子和定子之间的间隙开口最小化的步骤。
在一个或多个实施例中，控制或限制转子相对于定子的移动附加于由与定子的接触或者与转子的端部的连接产生的任何限制。
在一个或多个实施例中，转子相对于定子的径向移动被控制或限制。
在一个或多个实施例中，转子被控制为使用进动装置遵循预先确定的路径和旋转的组合。
在一个或多个实施例中，转子的几何中心的移动被限制在预先确定的路径上。
在一个或多个实施例中，轮设置在转子和定子之间以限制它们之间的移动。
在一个或多个实施例中，固定插入件被设置在转子和定子之间以限制它们之间的移动。
在一个或多个实施例中，驱动轴被连接到转子以限制转子和定子之间的相对移动。
在一个或多个实施例中，可旋转插入件被设置在转子和定子之间，插入件具有与其中心偏离的孔眼，转子的轴从该孔眼中延伸通过，以限制转子和定子之间的相对移动。
在一个或多个实施例中，活塞装置被设置在转子和定子之间以限制它们之间的移动。
另一方面，这里公开的实施例涉及一种钻出穿过地下地层的井眼的方法。该方法可包括：使钻井流体通过泥浆马达组件，泥浆马达组件包括具有近端和远端的移动腔式马达或螺杆马达，该马达包括：定子和转子，其中，定子的表面由柔性材料制成以在转子和定子的接触表面之间形成密封；与近端和远端中的至少一个邻近设置的至少一个设备，该至少一个设备约束转子相对于定子的径向和/或切向移动；以及使用直接或间接连接到转子的钻头钻地层。
另一方面，这里公开的实施例涉及一种泥浆马达组件，其包括具有入口端和出口端的移动腔式马达或螺杆马达。该马达可包括：定子和转子，其中，定子的表面由柔性材料制成以在转子和定子的接触表面之间形成密封；与入口端和出口端中的至少一个邻近设置的至少一个设备，该至少一个设备约束转子相对于定子的径向和/或切向移动。
另一方面，这里公开的实施例涉及一种钻井组件。该钻井组件可包括：泥浆马达组件，其包括具有近端和远端的移动腔式或螺杆马达，包括：定子和转子，其中，定子的表面由柔性材料制成以在转子和定子的接触表面之间形成密封；与近端和远端中的至少一个邻近设置的至少一个设备，该至少一个设备约束转子相对于定子的径向和/或切向移动；以及直接或间接连接到转子的远端的马达输出轴；以及直接或间接连接到马达输出轴的远端的钻头。
另一方面，这里公开的实施例涉及一种具有入口端和出口端的移动腔式或螺杆马达或泵。该马达或泵可包括：设在外部元件中的内部元件，一个包括定子并且另一个包括转子，其中，转子或定子的表面由柔性材料制成以在转子和定子的接触表面之间形成密封；与入口端和出口端中的至少一个邻近设置的至少一个设备，该至少一个设备限制转子相对于定子的径向和/或切向移动。
另一方面，这里公开的实施例涉及一种制造具有入口端和出口端的移动腔式或螺杆马达或泵的方法，该方法包括：将内部元件设置在外部元件中，其中，一个元件包括定子并且另一个包括转子；该内部元件具有螺旋状外表面的区段；该外部元件包括具有螺旋状内表面的第一区段以及具有圆形内表面的至少一个第二区段，该至少一个第二区段与入口端和出口端中的至少一个邻近并且与第一区段同心；可操作地将用以约束转子相对于定子的径向和/或切向移动的至少一个设备沿着相应的至少一个第二区段的长度连接到内部元件和外部元件中的至少一个上。
另一方面，这里公开的实施例涉及一种制造移动腔式或螺杆马达或泵的外部元件的方法，外部元件例如为泥浆马达的定子，该方法包括：将管状外部元件与模制、机加工和/或喷射涂覆装置对正，其中，管状外部元件的中心线与装置的中心线可相同或不同；模制、机加工和/或喷射涂覆外部元件的第一内部分以具有螺旋状内表面以及至少一个第二内部分，第二内部分具有与第一内部分同心并且具有大致恒定的内直径的内表面，第二内部分配置成容置用来约束设置在其中的内部元件的径向和/或切向移动的设备。
另一方面，这里公开的实施例涉及一种泥浆马达组件，包括具有近端和远端的移动腔式或螺杆马达，该马达具有：定子和转子；以及与近端和远端中的至少一个邻近设置的至少一个设备，该至少一个设备约束转子相对于定子的径向和/或切向移动；其中，该定子包括由刚性材料形成的接触表面。
另一方面，这里公开的实施例涉及一种包括如上所述的泥浆马达组件的转向头、可调节弯曲壳体、井底钻具组件或稳定器，该泥浆马达组件包括具有近端和远端的移动腔式或螺杆马达，该马达具有：定子和转子；以及与近端和远端中的至少一个邻近设置的至少一个设备，该至少一个设备约束转子相对于定子的径向和/或切向移动；其中，该定子包括由刚性材料形成的接触表面。
另一方面，这里公开的实施例涉及一种钻出穿过地下地层的井眼的方法，该方法包括：使钻井流体通过如上所述的并且包括具有近端和远端的移动腔式或螺杆马达的泥浆马达组件，该马达具有：定子和转子；以及与近端和远端中的至少一个邻近设置的至少一个设备，该至少一个设备约束转子相对于定子的径向和/或切向移动；其中，该定子包括由刚性材料形成的接触表面。再一个方面，这里公开的实施例涉及一种钻出穿过地下地层的井眼的方法，该方法包括：使钻井流体通过包括这种泥浆马达组件的转向头、可调节弯曲壳体、井底钻具组件或者稳定器。接着使用直接或间接连接到转子的钻头钻地层。
另一个方面，这里公开的实施例涉及一种包括有如上所述的泥浆马达组件的钻井组件，该泥浆马达组件包括具有近端和远端的移动腔式或螺杆马达，该马达具有：定子和转子；以及与近端和远端中的至少一个邻近设置的至少一个设备，该至少一个设备约束转子相对于定子的径向和/或切向移动；其中，该定子包括由刚性材料形成的接触表面。再一个方面，这里公开的实施例涉及一种包括具有这种泥浆马达组件的转向头、可调节弯曲壳体、井底钻具组件或稳定器的钻井组件。
另一方面，这里公开的实施例涉及一种泥浆马达组件，其包括移动腔式或螺杆马达，该马达包括：定子和转子，其中，该定子和转子包括由刚性材料形成的接触表面。
附图说明
单纯作为举例，现在参照附图对这里公开的马达和泵进行描述，其中：
图1示出选取的已知转子的截面图；
图2示出选取的已知定子的截面图；
图3示出已知的移动腔式马达或泵的截面图；
图4示出已知的移动腔式马达或泵的直径截面图；
图5示出具有用于控制或限制转子相对于定子的径向移动的设备的马达或泵的第一实施例的截面图；
图6示出装配有图5的设备的移动腔式马达或泵的纵向截面图；
图7示出具有用于控制或限制转子相对于定子的径向移动的设备的马达或泵的第二个实施例的截面图；
图8示出具有用于控制或限制转子相对于定子的径向移动的设备的马达或泵的第三个实施例的截面图；
图9示出具有用于控制或限制转子相对于定子的径向移动的设备的马达或泵的第四个实施例的截面图；
图10具有用于控制或限制转子相对于定子的径向移动的设备的马达或泵的第五个实施例的截面图；
图11A-11C示出配置成维持根据这里公开的实施例的用于约束转子相对于定子的移动的设备的同心性的衬里的横截面视图和纵向截面图；
图12A示出具有用于控制转子相对于定子的路径和旋转的设备的第一个实施例的截面图；
图12B示出装配有图12A的设备的移动腔式马达或泵的一部分的纵向截面图；
图13-15示出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设备的各种泥浆马达组件/钻井组件。
图16-18示出根据这里公开的实施例的用在泥浆马达中的转子和定子。
具体实施方式
这里公开的马达或泵的实施例对转子进行约束以维持规定的运动，换句话说，它们限制转子的几何中心的路径，并且在某些情况下，将旋转锁定到该路径。尽管示出了多个实施例，但可以意识到其它用于控制或限制转子相对于定子的径向和/或切向移动的系统同样被认为位于本公开的范围之内。转子相对于定子的移动通常仅仅受用于形成转子和定子的材料的固有弹性(例如，定子的橡胶衬里的变形/压缩，等)的限制。如这里使用的，约束转子相对于定子的移动所指的是在使用过程中约束或限制移动的程度比以其它方式产生或者由用于形成转子和定子的材料的固有弹性所允许的范围更大。
应该理解的是，尽管所示的实施例中转子为在定子内旋转的部件，并且确实在多数的泵和马达中都是这种布置方式，但是这些实施例同样可以用在内部部件被固定而外部部件旋转的情况。
首先参照图5和6，这些图示出了用于控制或限制转子22相对于定子24的径向移动的设备20的第一实施例。该设备包括用在转子22上的一个或多个位置处的轮组件20。轮组件20的截面在图5中示出。
轴承轮26通过滚针轴承28支撑在转子轴22上，当然也可以使用另一种合适的轴承，例如滚柱轴承或轴颈轴承。在某些实施例中，轴承28为包括碳化硅、碳化钨、氮化硅或其它类似的耐磨材料的轴颈轴承。轴承轮可以采用钢或其它适用于所预期的环境的材料制成。轴承轮26的外表面被设计为绕着定子体24的内表面在轮廓大致为圆形的位置上滑动或滚动。轴承轮26和定子体24的内表面之间的半径差限定出转子轴线从定子轴线的最大偏移。轴承轮26中具有用于提高流体沿着装置流动的区域的通道27，其中，该通道可以具有任意的数量或形状，前提在于它们足够大以使得在动力流体或被泵送的流体中可能存在的任何固体都能从中通过。定子体24具有圆形轮廓以与轴承轮26接触，使得转子轴22的中心线被限制为大致保持在半径固定的圆内并且这样有助于防止在转子22和定子24表面之间形成间隙开口。图6示出了仅在一端装配有根据图5的轮组件20的马达或泵的纵截面，当然也可以在其它位置设置额外的轮组件。
在某些实施例中，轴承轮26可以与定子筒体自身的内表面滑动接触或滚动接触。在其它实施例中，轴承轮26可以与布置在定子筒体的内表面上的涂层滑动接触或滚动接触。在某些定子的制造过程中，筒体、例如管或管状物的内表面例如通过向筒体的内表面上浇铸或注射成型衬里材料而形成衬里。然而，由于定子制造过程的复杂性，无法保证最终的定子与定子筒体本身的同心性。因此，在制造过程中，最终的定子衬里90可能会偏离定子筒体94的中心线92，例如在图11A中所示出的最终的衬里的中心线96与定子筒体94的中心线92相偏离。如上面所提到的，轴承轮26的外表面被设计成绕着定子体24的内表面在大致为圆形的位置滑动或滚动。轴承轮26由此还应该绕着涂层材料的内表面滑动或滚动，以使得轴承轮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对正，而不是与定子筒体对正)。如图11B和11C所示，与轴承轮26一起使用的定子的制造由此可包括在定子的一端或两端处涂覆、模制或机加工出直径不变的部分98(例如1.6mm(1/6英寸)到12.8mm(1/2英寸)厚的橡胶)，以确保轴承轮26正确地约束转子的路径并且提供期望的益处。
如上面提到的，轴承轮26和定子体24的内表面的半径差限定出转子轴线从定子轴线的最大偏移。此外，为了正确地工作，轴承轮26必须与定子的内表面维持滑动和/或滚动关系以限制转子的完整旋转，即在360°上维持接触。由于转子的偏心旋转，轴承轮26与定子90的内表面的相对直径为一个重要的变量，不正确的比率可能使轴承轮与定子的内表面发生不规律的接触，即非滚动或非滑动关系。
除了直径，轴承轮26的长度也必须足以维持由于转子晃动所施加的侧负载。轴承轮26应该具有足够的轴向尺寸以应对结构性的顾虑。轴承轮26的长度由此可与叶片的数量、马达/泵扭矩以及本领域技术人员容易认识到的其它变量有关，并且还受到转子和驱动轴之间的可用空间限制。
轴承轮26限制由转子的偏心运动所产生的晃动程度。这样由此可通过限制定子衬里、例如橡胶或其它弹性材料的压缩或变形而限制沿着马达/泵的长度形成流动间隙。在某些实施例中，轴承轮可以限制定子衬里的变形小于0.64mm(0.025英寸)；在其它实施例中小于0.5mm(0.02英寸)；在另一些实施例中小于0.38mm(0.015英寸)。类似的变形限制还可以采用这里公开的其它实施例实现。
如上所述，轴承轮26径向上约束转子的位置，使转子保持与定子接触(即提供偏移接触力而不会阻碍扭矩的生成)。在转子和定子之间的接触点处产生的减小的法向力可以减小曳力，从而改善接触点处的压缩，使泄漏路径最小化。通过限制沿着转子的长度形成的流动间隙(泄露路径)，可以降低压力损失，提高马达的功率输出。此外，约束转子的位置可以减少定子磨损，尤其是在叶片顶部附近切向速度最高的地方的磨损。
现在参照图7，示出了用于控制或限制转子32相对于定子34的移动的设备30的第二实施例，其中，固定插入件36被装配到定子34内。固定插入件36可以设置在定子34内的一个或多个位置处。固定插入件36在内径处具有中心孔38或者定子34的类似限制部，以限制转子32相对于定子34的径向移动。固定插入件36还可包括多个孔37，以增加流体沿着马达或泵的通道。固定插入件36确保转子轴32中心线被约束成保持大致位于具有固定半径的圆内并且这有助于防止在转子32和定子34表面之间形成间隙开口。
与图5、6和11的实施例相类似，图7所示的固定插入件36可以设置在模制定子型廓内部，使得固定插入件36与定子衬里32具有相同的中心线。在某些实施例中，固定插入件36可以是模制定子型廓的凸起部分。在某些实施例中，固定插入件36的直径和转子32的直径的比可以使得实现真实或纯粹的滚动直径。轴承还可以用于允许在固定插入件36和转子32之间不使用真实滚动直径比的地方产生滑动。当对根据图7的实施例的转子进行约束时，也应该解决类似的与流动路径、扭矩需求以及插入件的轴向长度相关的问题。关于扭矩需求，期望的是在某些实施例中在接近固定插入件36的地方具有扩大的转子横截面，而不是缩小转子横截面以提供滑动或滚动关系。
图8示出了用于控制或限制转子42相对于定子44的移动的设备40的第三实施例。改进的驱动轴43设置在转子42的一端处以限制转子42的径向运动。在另一端还可具有类似的铰接轴用以限制转子42在该端处的径向运动。驱动轴43的一端处的铰接角度例如可以通过连接到在马达45的情况下为输出轴或者在泵45的情况下为输入轴上的缓冲环46限制，以使得当发生接触时，对转子的径向运动产生限制。等同的实施例可以具有连接到转子42的缓冲环46并且这同样会类似地限制转子42的径向运动。驱动轴43确保转子轴中心线被约束为大致保持在具有固定半径的圆内并且这有助于防止在转子和定子表面之间形成间隙开口。
图9示出了用于控制或限制转子52相对于定子54的移动的设备50的第四实施例。设备50包括可旋转的圆形插入件56，其可以装配在定子体54内并且能够围绕纵向轴线相对于定子54旋转。可旋转插入件56可以设置在定子54内的一个或多个位置。位于定子和插入件之间的轴承(未示出)有助于插入件56相对于定子54的旋转。在插入件56中设置有孔眼58，孔眼58的中心与插入件56的中心偏离一个距离，该距离与转子轴线与定子轴线的最大允许偏移相同。孔眼58的直径具有足够大的尺寸以允许转子52从其中通过并且自由旋转。在插入件56和转子52之间设置有另一个轴承(未示出)，以便于转子52相对于插入件56进行旋转。圆形插入件56被孔57穿透以形成沿着马达或泵的流体通道。插入件56确保转子轴52中心线被约束成大致保持在具有固定半径的圆内并且这有助于防止在转子52和定子54表面之间形成间隙开口。
图10示出了用于控制或限制转子62相对于定子64的移动的设备60的第五实施例。多个由受约束材料66起作用的活塞65被用于限制转子62的径向运动，受约束材料可以是固体、液体或气体。活塞组件65可以设置在定子64内的一个或多个位置。图10示出的例子中使用了八个这样的活塞65，当然也可以使用不同数量的活塞。用于包含活塞65的圆筒壳63被加工到装配在定子体64内并且厚度足以防止由施加的负载引起结构性损坏的圆形插入件67。圆形插入件67设置有多个孔68，以允许流体沿着马达或泵通过。当转子62与活塞65接触时，受约束材料被压缩并且防止活塞65发生自由运动，由此限制了转子62的运动。设备60确保转子轴62的中心线被约束成大致保持在具有固定半径的圆内并且这有助于防止在转子62和定子64表面之间形成间隙开口。
如上所述，图5-11所示和所描述的实施例用于限制或约束转子的径向移动程度(即，限制转子在旋转过程中的轨道和路径)。这里公开的实施例可以有效地限制向外的径向移动，例如图5所示的约束件，并且还可以限制转子的向内径向移动，例如图9所示的约束件。
除了如图5-11所示的采用相对为圆形的装置约束径向移动，还可以使用非圆形约束件来约束转子的移动，例如图12A(剖面图)和12B(纵向截面图)所示。在该实施例中，进动设备70包括类似但轮廓不同于转子74的叶片轮72，且可操作地连接到转子轴75。类似的，叶片轮72可以与类似但轮廓不同于转子78的轨道76接合。轨道76可以由与定子78类似的材料形成，或者可以采用比定子78压缩性更差的材料，例如硬橡胶、硬塑料、陶瓷、PDC/金刚石或钢制成。进动设备70可以用在沿着转子74的一个或多个位置处。除了解决在马达入口端和出口端遭遇的由结构位置和/或材料产生的力之外，轨道76的轮廓可与定子78的类似，并且各个部分76、78可以稍微不同相，以使得转子在定子78内的轨道被约束。换句话说，这些部分可以不同相以使得使转子偏离理想轨道的运行力被平衡并且有效地约束了转子的轨道。
进动设备70控制转子74以使得其可以在规定的路径上移动并且相对于定子78进行规定的旋转。这种类型的约束件可以有效地将转子的旋转锁止到其轨道位置。叶片轮72与叶片轨道76接合以使得叶片轮72和轨道76的相对轮廓将转子74的路径和旋转固定在规定的值。
叶片轮72以基本固定的方式连接到转子轴75。轮72上的叶片的数量与轨道76上的叶片的数量之比被限定成与转子74上的叶片的数量和定子78上的叶片的数量之比相同。轮72和轨道76上的叶片轮廓确定出转子74可以改变定子78的密封表面的程度并且由此限制了它们之间的间隙开口。
为了允许一些转动顺从性，叶片轮72或者轨道76的表面可以具有例如添加有橡胶的柔性层。叶片轮72和轨道76可具有平行的侧边或者包含有螺旋角以允许一些小的轴向移动并且补偿制造公差。
叶片轮72的轮廓和组成(结构材料，可压缩性等等)可以设计成使得定子78中的橡胶的变形被限制。在其它实施例中，叶片轮72的轮廓和组成可以被设计成使得定子78中的橡胶的变形被维持在固定的值。这样的话，转子74和定子78中的橡胶之间的相互作用被用于在叶片轮72上产生非常大的扭矩的情况下维持住密封。这不仅允许压力累积到使密封失效的点(非常高的压力)，而且还确保了橡胶中的接触力能够基本上保持独立于压力大小。这样应该可以减小橡胶中的磨损和疲劳损坏，同时还可以提高马达/泵的效率。
根据这里公开的实施例的马达例如可用作钻井组件中的泥浆马达。参照图13，在运行中，钻井流体在比出口端104处的压力高的压力下被泵送到泥浆马达100的入口端102，在转子105上产生力并且使转子105转动。转子105可操作地连接到驱动轴106，用于将转子105的轨道旋转转换成围绕固定轴线108的旋转。驱动轴的远端(未示出)直接或间接连接到钻头(未示出)，其旋转可以被用于钻透地下地层。
在运行中施加到转子105上的力包括那些由于越过马达100从入口(近)端102到出口(远)端104产生的压力差而引起的力。压力差可产生俯仰力矩。还存在向下施加在钻柱上的力，通常称作“钻压”，其中，该力必须传递通过转子-驱动轴-钻头连接件。驱动轴连接件的轨道向-轴向关系可以使角向力和/或径向力被施加给转子105。转子105的旋转也可以产生切向力。
这些力中的每一个可对转子105与定子114相互作用(例如，随着转子的旋转，压缩力产生沿着生成的腔的边缘的密封，转子105和定子114之间的滑动，曳力或摩擦力，等等)的方式产生影响，并且可沿着马达100的长度产生间隙，降低马达效率等等。此外，这些力的影响在邻近入口端102和出口端104的位置可能不同。这里公开的用于约束如上所讨论的转子的各种设备可以用于邻近于入口端102、出口端104、或者两个位置处控制或限制转子105的移动。
图14-15示出了使用这里公开的受约束转子的各种马达100的其它例子，例如用在钻井作业中的马达，其中，相同的附图标记表示相同的部件。参照图13所示和所讨论的，马达100的实施例可包括与出口(远)端104邻近的约束件118用于限制转子105的移动。如图14所示，马达100的实施例可包括与入口(近)端102邻近的约束件120用于限制转子105的移动。如图15所示，马达100的实施例可包括分别与入口端102和出口端104邻近的约束件118、120，用于约束转子105的移动。
当例如如图15所示使用两个或多个约束件时，约束件118、120可以相同或不同。例如，如上所述，施加到转子105上的力在入口端和出口端可不同，由此使位于入口和出口端处的转子中心产生不同的轨道半径。因此，可优选的是具有对转子105在邻近入口端102处的径向移动进行限制的约束件，例如图5所示的约束件，其可有效地与诸如图9或图12A、12B所示的约束件的限制转子的向内径向运动的约束件组合工作。按照这种方式，约束件可以有效地限制形成在转子和定子之间的间隙大小，从而提高马达效率。
尽管图15示出了在入口端和出口端均具有一个约束件，然而入口和出口端中的任一个或二者均可以采用多个约束装置进行限制。例如，入口端和/或出口端可以包括相继的径向约束件(例如图5所示的)以及叶片式约束件(例如图12所示的)。
多个约束件(每一端或两端处具有一个或多个)应该被选择和/或设计成彼此互补，实现期望的密封性能的提高(消除流动间隙)而同时不会对转子运行或耐磨性造成负面影响。例如，在入口端和出口端处的约束件均可以沿相同方向或相似相位起作用从而不会对转子施加相反的负载并且避免由于冲突力引起转子锁定。通过这种方式，马达的运行可得到改善而不担心马达卡住。
这里公开的设备可以用于约束转子相对于定子的径向和/或切向移动，这降低、最小化或消除沿着马达的长度的流动间隙，由此提高了马达效率。这里公开的设备还可以减小定子磨损。
如上面所提到的，马达效率的提高，例如密封性能提高以及每长度单位更高的功率输出可以用在某些实施例中缩短马达的整体长度同时获得期望的功率输出。缩短的动力段可具有多种益处且应用，如下所述。
动力段的有限的总轴向长度可允许固体、例如包括有固体材料的钻井泥浆即使在转子和定子均具有由刚性材料形成的接触表面时也能够流动通过马达而不会产生问题。有限的总轴向长度还可以提供结构材料的灵活性，否则将产生高昂的成本。
在某些实施例中，转子和/或定子可以由金属、复合材料、陶瓷、PDC/金刚石、硬塑料或硬橡胶结构材料形成。例如，转子和定子都可以由金属形成，这沿着动力段的长度产生金属-金属接触。
在其它实施例中，转子和/或定子可以采用弹性材料层(例如NBR橡胶)和硬质层，例如硬橡胶或塑料、陶瓷、复合材料、或布置在弹性内层的顶部上的用作接触层的金属涂层形成。例如，转子可以与当前生产的转子类似的为金属，并且定子可以是涂覆有金属的橡胶，其中，金属层为在马达的运行中与转子接触的层。类似地，硬橡胶或增强橡胶层可以被提供作为与转子接触的最内层。现有技术中公开的典型的“层状”定子与当前实施例相反，设置有硬的或增强的内弹性层，用于为外层提供期望的压缩和密封特性。然而，由于动力段的轴向长度的减小，可以使用刚性接触层，这在提高马达(转子，定子，或两者)的耐磨特性的同时可以提供期望的功率输出。尽管给出了多层定子的例子，然而也可以使用多层转子，例如具有用于提供扭矩容量的金属核心、在核心上布置的弹性材料以及金属壳的转子。这些实施例在图16和17中分别示出了转子和定子，其中，定子(图16)可包括金属壳1602、弹性层1604以及提供接触表面1608的刚性层1606，转子(图17)可包括金属核心1702、弹性层1704以及提供接触表面1708的刚性层或壳1706。
当转子和定子的相应的接触部分均是刚性的，例如金属、硬塑料、复合材料或陶瓷时，可期望的是限制转子和定子之间可能引起旋转部件的过早损坏或卡住的磨擦、磨损以及其它不期望的相互作用。插入件和/或转子的接触表面可以被涂覆或进行处理以减少摩擦和磨损的至少一种。处理可以包括镀铬、HVOF或HVAF涂覆以及在烧结过程中的扩散等等。金属-金属(刚性-刚性)动力段还可以提供足够的间隙以允许碎屑通过，但是足够紧密以将转子运动约束成接近于理想状态，这获得上面提到的益处而不使用约束装置。
类似地，约束装置与转子或定子之间相对较短的接触长度可以提供材料上的灵活性，并且硬材料和涂覆硬材料的类似组合也可以被用于约束装置。
可替代地，弹性体可以被用作转子和定子上的接触表面。由约束装置实现的本来较高的摩擦负载的降低可使得使用弹性定子和转子的组合，以获得期望的泵性能(功率输出，磨损性能，等等)。
使用约束装置的益处还在于能够提供可选的定子设计。例如，如图18所示，定子可以使用混合或定制材料型廓形成。如图18所示，定子1805的峰和谷可由不同材料形成，其中，谷1807由弹性体材料1810形成，峰1812由刚性材料1815，例如硬塑料、硬橡胶、金属、陶瓷或复合材料形成。在转子下俯过程中对于峰和谷来说经受的力不同，其中，谷经受压缩力而峰经受滑动力。这种混合结构可能使可以是金属的转子和刚性材料定子峰发生接触，定子峰也可以是金属，但是允许固体、例如包括有固体材料的钻井泥浆流动通过马达而不会产生问题。
受约束的马达的一个潜在益处在于其可以降低与泥浆马达相关的振动。受约束的侧向力会产生与未受约束的马达相比更少的晃动或更窄的轨道路径。振动降低的结果是提高了钻井质量，例如更好的井眼质量、直径均匀的井眼以及改进的导向中的一个或多个。
马达的轴向长度的减小还可提供修改钻柱部件以包括马达的能力。例如，可调节弯曲壳体通常包括将由钻井马达的动力段产生的扭矩传递给钻井马达的支承段的传动轴。由于这里公开的约束装置所产生的马达尺寸的潜在减小，可以随传动轴一起将马达结合到弯曲壳体中。类似地，根据这里的实施例的马达有利地可以被结合到稳定器、转向头或井底钻具组件(BHA)的其它各个部分中。
减小的轴向长度还可便于布置线使其穿过马达并且为其它井下仪器提供空间，例如监测马达和/或马达下方的部件的仪器。仪器可以有益地监测马达RPM、压降以及其它因素，能够避免停止运转并且允许马达在高效率或峰值效率下运行，这些都能提高钻井性能(提高穿透速率，减少由于马达停机造成的停机时间，等等)。
尽管上面对设置在马达组件中的转子附近的约束装置进行了描述，例如图13所示，本领域技术人员可以意识到从转子延伸到下部钻柱部件并且包括或与约束装置配合操作的传动轴也可以被用于提高转子密封和马达效率。例如，径向约束件可以设置在位于连接到马达组件/马达子组件的可调节弯曲壳体的上端内部的传动轴上或与其可配合操作。这可以有效地将约束装置移动到较硬壳体并且远离定子管，这可具有多种益处，例如延长设备的使用寿命，等等。
这里示出的实施例仅仅作为举例并且可以意识到其它用于控制或限制转子相对于定子的移动的系统也被认为位于这里公开的构思的范围内。
还可以理解的是尽管示出的实施例中转子作为一个部件在定子内旋转，并且确实大多数泵和马达都是这样布置的，但是这里公开的实施例同样适用于内部部件被固定而外部部件旋转的情况。

Claims (20)

1.一种泥浆马达组件，包括具有近端和远端的移动腔式马达或螺杆马达，该马达包括：
定子和转子；以及
设置成与所述近端和远端中的至少一个邻近的至少一个设备，所述至少一个设备约束转子相对于定子的径向和/或切向移动；
其中，所述定子包括由刚性材料形成的接触表面。
2.权利要求1的组件，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。
3.权利要求1的组件，其中，定子的轮廓包括峰部分和谷部分，所述峰部分包括刚性材料，所述谷部分包括弹性材料。
4.权利要求1的组件，其中，定子包括包含弹性材料的层和包含刚性材料的接触表面层。
5.权利要求1的组件，其中，转子包括由第二刚性材料形成的接触表面，第二刚性材料可以与第一刚性材料相同或不同。
6.权利要求5的组件，其中，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。
7.权利要求5的组件，其中，转子包括包含弹性材料的层和包含第二刚性材料的接触表面层。
8.权利要求1的组件，其中，由第一和第二刚性材料中的至少一种形成的接触表面被涂覆或处理以降低摩擦和磨损中的至少一种。
9.一种包括权利要求1所述的泥浆马达组件的转向头、可调节弯曲壳体、井底钻具组件或稳定器。
10.一种钻出穿过地下地层的井眼的方法，所述方法包括：
使钻井流体通过权利要求1所述的泥浆马达组件或权利要求9所述的转向头、可调节弯曲壳体、井底钻具组件或稳定器；并且
使用直接或间接连接到转子的钻头钻地层。
11.权利要求10的方法，其中，泥浆马达设置在转向头、可调节弯曲壳体、井底钻具组件和稳定器的至少一个内。
12.一种包括移动腔式马达或螺杆马达的泥浆马达组件，所述马达包括：
定子和转子；
其中，定子和转子包括由刚性材料形成的接触表面。
13.权利要求12的组件，其中，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.权利要求12的组件，其中，定子的轮廓包括峰部分和谷部分，所述峰部分包括刚性材料，所述谷部分包括弹性材料。
15.权利要求12的组件，其中，定子包括包含弹性材料的层和包含刚性材料的接触表面层。
16.权利要求12的组件，其中，转子包括由第二刚性材料形成的接触表面，第二刚性材料可以与第一刚性材料相同或不同。
17.权利要求16的组件，其中，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.权利要求16的组件，其中，转子包括包含弹性材料的层和包含第二刚性材料的接触表面层。
19.权利要求12的组件，其中，由第一和第二刚性材料中的至少一种形成的接触表面被涂覆或处理以降低摩擦和磨损中的至少一种。
20.权利要求12的组件，其中，约束转子相对于定子的径向和/或切向移动的至少一个设备设置在可操作地连接到马达组件的远端的可调节弯曲壳体内。
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