CN107075928A - 井下涡轮组件 - Google Patents

Abstract

一种井下涡轮组件包括定子壳体，所述定子壳体具有定位在所述定子壳体内并从所述定子壳体径向向内延伸的一个或多个定子叶片。具有第一末端和第二末端的转子轴可旋转地定位在所述定子壳体内并具有展现第一直径的第一部分和展现大于所述第一直径的第二直径的第二部分。一个或多个转子叶片固定到所述第二部分用于随所述转子轴旋转，并且第一轴承组件定位在所述第一末端处且第二轴承组件定位在所述第二末端处。所述轴承壳体中的至少一个提供主流动路径和次级流动路径，并且一个或多个径向轴承和一个或多个止推轴承布置在所述次级流动路径中。

Description

井下涡轮组件

发明背景

油井和气井的钻探通常涉及使用若干不同测量和遥测系统来提供关于由钻孔穿透的地下地层的数据和关于在钻探过程期间的各种钻探力学的状态的数据。在随钻测量(MWD)工具中，例如，使用位于钻柱中、接近钻头的各种传感器获取数据。这个数据存储在井下存储器中或使用各种遥测装置，诸如泥浆脉冲或电磁遥测设备传输到地表。此类传感器需要电力，并且由于通过钻柱从地表向传感器延伸电力供应电缆不可行，常常在井下获得电力。

在一些情况下，例如，可使用安装在钻柱中、位于传感器的位置处或附近的电池组为传感器供电。然而，此类电池组具有有限的寿命并且由于需要容纳电池组和相关联传感器板的接头/壳体而使钻柱的设计复杂化。此外，电池组在钻柱中占据大量空间，因此可能引入对于循环钻井液不想要的流动限制。在其他情况下，可使用包括在钻柱中的电力发电机给传感器提供动力。例如，典型的基于钻井液流动的发电机采用转子轴，所述转子轴具有从其径向延伸的多个转子。转子放置在钻井液流动路径中以便将钻井液的液压能量转换为转子轴的旋转。当转子轴旋转时，电力可在相关联线圈发电机中产生。在其他应用中，转子轴的旋转能量可根据需要传输到各种井下设备。

附图简述

以下图示被包括来说明本公开的某些方面，并且不应视作排他性实施方案。本公开的主题能够以不偏离本公开的范围的形式和功能进行相当多的修改、改变、结合和等效物。

图1是可以采用本公开的原理的示例性钻探系统的示意图。

图2是示例性井下涡轮组件的剖视侧视图。

具体实施方式

本公开大体上涉及井下钻探组件，并且更具体地说，涉及用于发电和/或设备致动的井下涡轮组件。

本文所述的实施例提供井下涡轮组件，所述井下涡轮组件最小化轴承堆叠使得轴承与多个转子之间的轴承空隙最小化，因此更易于控制。井下涡轮组件可包括通过涡轮级帮助避免堆叠的阶梯式转子轴，所述井下涡轮组件允许更小的轴承空隙。布置在转子轴的一个或两个末端处的轴承组件可包括轴承壳体，所述轴承壳体提供主流动路径和次级流动路径，其中一个或多个径向轴承和一个或多个止推轴承可布置在次级流动路径中。循环通过轴承壳体的流体的一部分可流动通过次级流动路径以便润滑并冷却径向轴承和/或止推轴承。此外，与转子叶片相反，轴承组件抵靠转子轴预装入。因此，涡轮的轴向行进可最小化并且转子叶片可拉长，并且轴向相邻的转子叶片与定子叶片之间的空隙可缩短，由此形成更有效的井下涡轮组件。

本文所述的井下涡轮组件可以是模块化的并且以其他方式作为单个可运输单元处理。模块化设计和仔细的轴承堆叠允许在不需要敏感且费时的过程、测量或填隙的情况下容易地组装本文所述的井下涡轮组件。如将了解，因为在常规涡轮组件中通常遵循的敏感过程被排除并且发生操作员错误的可能性减少，所以这可帮助减少组装成本。

参考图1，示出可采用本公开的一个或多个原理的示例性钻探系统100。可通过使用钻探系统100钻探到地面102中来形成钻孔。钻探系统100可被构造来驱动井底组件(BHA)104，所述井底组件(BHA)104定位或以其他方式布置在钻柱106的底部处，所述钻柱106从布置在地表110处的井架108延伸到地面102中。井架108包括方钻杆112以及用来降低和提升方钻杆112和钻柱106的行进块113。

BHA 104可包括操作地耦接到工具管柱116的钻头114，当附接到钻柱106时，工具管柱116可在所钻探的井筒118内轴向地移动。在操作过程中，钻头114穿透地面102并且由此形成井筒118。当钻头114前进到地面102中时，BHA 104提供钻头114的方向控制。工具管柱116可利用各种测量工具(未示出)半永久安装，所述各种测量工具诸如但不限于：可被构造来进行钻探条件的井下测量的随钻测量(MWD)和随钻测井(LWD)工具。在其他实施方案中，测量工具可自包含在工具管柱116内，如图1中所示。

来自泥浆罐120的流体或“泥浆”可使用由相邻电源供电的泥浆泵122在井下泵送，所述电源诸如原动机或电动机124。泥将可穿过竖管126从泥浆罐120泵送，所述竖管126将泥浆馈送到钻柱106中并将所述泥浆传送到钻头114。泥浆退出布置在钻头114中的一个或多个喷嘴，并且在所述过程中冷却钻头114。在退出钻头114后，泥浆通过限定在井筒118与钻柱106之间的环带循环回到地表110，并且在所述过程中使钻屑和碎片返回到地表。钻屑和泥浆混合物传递通过流线128并且被处理，以使得被清洁的泥浆可通过竖管126再次返回井下。

如图所示，钻探系统100还可包括布置在钻柱106中、并且更具体地说布置在工具管柱116中的井下涡轮130。井下涡轮130可具有转子轴，其中一个或多个转子从所述转子轴径向延伸。当钻井液通过钻柱106循环时，转子可放置在钻井液的路径中，并且从而将钻井液的液压能量转换为转子轴的旋转。在一些实施方案中，旋转转子轴可提供用来致动或以其他方式旋转相邻井下设备或机构的旋转能量。在其他实施方案中，旋转转子轴可在相关联线圈发电机中发电，并且所述电力可用来为相邻耗电设备供电，所述相邻耗电设备诸如与MWD和/或LWD工具相关联的传感器，或旋转可操纵的钻井工具。

尽管参考图1中的旋转钻探系统示出和描述钻探系统100，但是本领域技术人员将容易地了解，在执行本公开的实施方案时可采用许多类型的钻探系统。例如，本公开的实施方案中所使用的钻子和钻机可在陆上(如图1中所描绘)或海上(未示出)使用。可根据本公开的实施方案使用的海上石油钻机包括例如浮子、固定平台、基于重力的结构、钻探船、半潜式平台、起重钻机、张力腿平台等。将了解，本公开的实施方案可应用至尺寸小而便携至庞大而固定范围内的任一种钻机。

此外，尽管本文参考石油钻探描述，但是本公开的各种实施方案可在许多其他应用中使用。例如，所公开的方法可在用于矿石勘探、环境调查、天然气开采、地铁敷设、采矿操作、水井、地热井等的钻探中使用。此外，本公开的实施方案可用于重量封隔机组件、用于运行衬管悬挂器、用于运行完井管柱而不偏离本公开的范围。

现在参考图2，示出根据一个或多个实施方案的示例性井下涡轮组件200的剖视侧视图。井下涡轮组件200(下文为“涡轮组件200”)在一些方面可类似于图1的井下涡轮130，因此可形成工具管柱116(图1)的一部分，并且另外可用于钻探系统100(图1)。如图所示，涡轮组件200可具有第一或井上末端202a和第二或井下末端202b。流动通过涡轮组件200的流体可大体上从第一末端202a朝向第二末端202b行进。

转子轴204可在第一末端202a与第二末端202b之间延伸。转子轴204可被阶梯化并限定或以其他方式提供第一部分206a和第二部分206b。第一部分206a可展示第一直径208a，并且第二部分206b可展示小于第一直径208a的第二直径208b。如图所示，第一部分206a的对应区段可被设置在转子轴204的每个末端202a、202b处，使得第二部分206b大体上置于两个第一部分206a中间。在井上末端202a处，第一部分206a可在限定在转子轴204上的上部轴承肩台210a处终止。类似地，在井下末端202b处，第一部分206a可在限定在转子轴204上的下部轴承肩台210b处终止。第二部分206b可在限定在转子轴204上的转子肩台212处终止。在一些实施方案中，如图所示，上部轴承肩台210a可在井上末端202a处或附近过渡到第二部分206b。

转子轴204可以可旋转地定位在定子壳体214内，所述定子壳体214大体上在涡轮组件200的井上末端202a与井下末端202b之间延伸。多个定子叶片216可定位在定子壳体214内并从所述定子壳体214径向向内延伸。在一些实施方案中，可使用定子锁环218将定子叶片216固定在定子壳体214内，所述定子锁环218抵靠限定在定子壳体214的径向内表面上的定子肩台220预装入定子叶片216。在一些实施方案中，定子锁环218可螺接到定子壳体214，由此当定子叶片216被轴向压靠定子肩台220时在定子叶片216上产生压缩负载。因此，在涡轮组件200的操作期间，定子叶片216可被固定以防相对于定子壳体214旋转。

涡轮组件200还可包括多个转子叶片222，所述多个转子叶片222定位在转子轴204的第二部分206b上并从其径向延伸。转子叶片222可与定子叶片216交错，使得提供多个涡轮级，其中每个涡轮级包括定子叶片216和后续轴向相邻的转子叶片222。在一些实施方案中，可使用转子锁环224将转子叶片222固定到转子轴204的第二部分206b，所述转子锁环224可螺接到转子轴204，由此当转子叶片222被轴向压靠转子肩台212时在转子叶片222上产生压缩负载。因此，转子叶片222可被固定以防相对于转子轴204旋转。

除了使用转子锁环224或作为其替代方案，在不偏离本公开的范围的情况下，转子叶片222可通过多种其他装置或方法固定并以其他方式操作地耦接到转子轴204。例如，在一些实施方案中，转子叶片222中的一个或多个可被键装至转子轴204，诸如通过从给定转子叶片222延伸到限定在转子轴204中的对应空腔(或类似孔径)中的引线柱(或类似设备)。在其他实施方案中，转子轴204可展示多边形截面形状，其中转子轴204是例如六边形，并且转子叶片222可被构造来与六边形转子轴204配合或以其他方式装配在所述转子轴204上。如将了解，多边形转子轴204可防止转子叶片222相对于转子轴204旋转。在另外其他的实施方案中，转子叶片222的轴向相邻的配合面可互锁或可以其他方式被构造来防止相对旋转或移动。例如，轴向相邻的配合面、给定一对转子叶片222可以是堞形的以便防止相对旋转。在甚至其他的实施方案中，转子叶片222可通过收缩配合、使用一个或多个机械紧固件(例如，螺钉、螺栓、销、锁环等)、通过焊接或钎焊或上述方法和/或装置的任何组合固定到转子轴204。

在至少一个实施方案中，定子叶片216和/或转子叶片222可被时钟控制。在此类实施方案中，轴向连续的定子叶片216和/或转子叶片222可彼此成角度偏移，使得它们相对于彼此错开。时钟控制定子叶片216和/或转子叶片222可在改善涡轮组件200的效率中证明有利。

涡轮组件200还可包括第一或上部轴承组件226a和第二或下部轴承组件226b。如图所示，上部轴承组件226a可定位在井上末端202a处，并且下部轴承组件226b可定位在井下末端202b处。每个轴承组件226a、226b可包括轴承壳体228，所述轴承壳体228被示出为第一或上部轴承壳体228a和第二或下部轴承壳体228b。每个轴承壳体228a、228b可成网状并另外提供主流动路径230a和次级流动路径230b。主流动路径230a和次级流动路径230b可被构造来接收流体流，如箭头所示。流体可包括钻井液或“泥浆”，所述钻井液或“泥浆”可从钻柱106(图1)循环通过涡轮组件200。

上部轴承组件226a和下部轴承组件226b中的每一个可包括用于抵抗由转子轴204承担的径向负载的径向轴承232以及用于抵抗由转子轴204承担的轴向负载的止推轴承234。每个径向轴承232可包括转子轴部件236a和轴承壳体部件236b。同样地，每个止推轴承234可包括转子轴部件238a和轴承壳体部件238b。径向轴承232和止推轴承234各自的转子轴部件236a、238a可被构造来随着转子轴204的旋转而旋转。另一方面，轴承壳体部件236b、238b可固定到轴承壳体228并被构造来在操作期间分别与转子轴部件236a、238a接合或以其他方式交互。

如图所示，径向轴承232和止推轴承234各自的转子轴部件236a、238a可使用机械紧固件240固定到转子轴204，所述机械紧固件240被示出为定位在井上末端202a处的第一或上部机械紧固件240a以及定位在井下末端202b处的第二或下部机械紧固件240b。在一些实施方案中，上部机械紧固件240a可在井上末端202a处螺接到转子轴204，并且下部机械紧固件240b可在井下末端202b处螺接到转子轴204。当上部机械紧固件240a在井上末端202a处螺接到转子轴204时，可使上部轴承组件226a的转子轴部件236a、238a压靠上部轴承肩台210a，由此将上部轴承组件226a的转子轴部件236a、238a固定到转子轴204用于随其旋转。更具体地说，当上部机械紧固件240a螺接到转子轴204时，可使上部止推轴承234的转子轴部件238a压靠上部径向轴承232的转子轴部件236a，并且进而，可使上部径向轴承232的转子轴部件236a压靠上部轴承肩台210a。同样地，当下部机械紧固件240b在井下末端202b处螺接到转子轴204时，可使下部轴承组件226b的转子轴部件236a、238a压靠下部轴承肩台210b，由此将下部轴承组件226b的转子轴部件236a、238a固定到转子轴204用于随其旋转。更具体地说，可使止推轴承234的转子轴部件238a压靠径向轴承232的转子轴部件236a，并且进而，可使径向轴承232的转子轴部件236a压靠下部轴承肩台210b。

在其他实施方案中，径向轴承232和止推轴承234的转子轴部件236a、238a可预装入并另外以其他方式固定到转子轴204。例如，径向轴承232和止推轴承234可使用一个或多个局部机械紧固件(例如，螺钉、螺栓、销、锁环等)通过收缩配合、通过焊接或钎焊、工业粘合剂或上述方法和/或装置的任何组合预装入在转子轴204上。

如将了解，与向转子叶片222施加压缩力相反，抵靠上部轴承肩台210a和下部轴承肩台210b固定转子轴部件236a、238a可通过转子轴204预装入径向轴承232和止推轴承234。因此，根据止推负载在操作期间由涡轮组件200承担的方式，转子轴204可能够在上部轴承组件226a与下部轴承组件226b之间“浮动”，并且转子轴204与轴承组件226a、226b之间的空隙可完全与定子叶片216和转子叶片222的单独容差变化取关。同样地，如以上所论述的，可使用抵抗定子肩台220的压缩负载将定子叶片216固定在定子壳体214内，所述定子肩台220抵靠定子壳体214预装入上部轴承壳体228a和下部轴承壳体228b，因此预装入与所述上部轴承壳体228a和下部轴承壳体228b相关联的径向轴承232和止推轴承234。因此，可在定子叶片216不影响轴承表面之间的距离的情况下安装止推轴承234。

因此，涡轮组件200的设计可被构造来减轻围绕涡轮组件200的单独涡轮级的任何轴承堆叠问题，由此使涡轮组件200作为模块化单元。换句话讲，当完全组装成时，涡轮组件200的所有旋转部件和静止部件可处理为单个可运输单元。模块化设计和仔细的轴承堆叠允许涡轮组件200在不需要敏感且费时的过程、测量、或填隙的情况下容易地组装。如将了解，因为在常规涡轮组件中通常遵循的敏感过程被排除并且发生操作员错误的可能性减少，所以这可帮助减少组装成本。另一个优点包括能够轻易地换出涡轮组件200变为具有不同构造的涡轮组件。这可在允许井操作员能够选择并安装被设计成针对多种井下操作在特定井下条件下操作的涡轮组件中证明有利。

在一些实施方案中，如图所示，径向轴承232和止推轴承234可定位在次级流动路径230b内，使得一定量的流体可传递通过次级流动路径230b。流动通过次级流动路径230b的流体可在操作期间在冷却和以其他方式润滑径向轴承232和止推轴承234中证明有利。多种类型的轴承可用作径向轴承232和止推轴承234。例如，径向轴承和止推轴承中的一者或两者可包括但不限于：钢珠轴承、滚针轴承、船用轴承等。在其他实施方案中，径向轴承232和止推轴承234可包括船用轴承或油润滑轴承。

在又其他的实施方案中，如图所示，径向轴承232和止推轴承234可包括由超硬材料制成的轴承，诸如聚晶金刚石(PDC)、聚晶立方氮化硼或孕镶金刚石。在所示实施方案中，径向轴承232和止推轴承234各自描绘为包括PDC轴承，其中轴承壳体部件236b、238b各自包括耦接到轴承壳体228a、228b的一个或多个PDC盘或“圆盘”。在此类实施方案中，PDC盘可固定(例如，硬焊)到轴承壳体228a、228b的主体或可压力配合到轴承壳体228a、228b中的基板242。基板242可由硬质材料(诸如碳化钨)制成。

同样地，径向轴承232的转子轴部件236a可包括硬焊或以其他方式固定到转子轴204的一个或多个PDC盘或可耦接到所述转子轴204的合适的基板(例如，碳化钨基板)。在一些实施方案中，止推轴承234的转子轴部件236b可以是由超硬材料(例如，PDC、聚晶立方氮化硼、孕镶金刚石等)制成的环形结构或可另外包括电镀在其上的一层或多层超硬材料。在操作期间，止推轴承234的转子轴部件236b可被构造来与轴承壳体部件238b接合并以其他方式交互，以便减轻由转子轴204承担的止推负载。

在所示实施方案中，主流体流或更大流体流可通过主流动路径230a围绕径向轴承232和止推轴承234循环，而次级流体流或更小流体流可通过次级流动路径230b循环。次级流动路径230b可表征为允许定量流体传递通过以冷却并润滑径向轴承232和止推轴承234的泄漏路径。如将了解，由于次级流动路径230b提供经过径向轴承232和止推轴承234的较低流速，可减轻可能在较长时间段内贯穿液体流发生的任何破坏。相反地，主流动路径230a中的轴承壳体228a、228b本身而不是次级流动路径230b中的径向轴承232和/或止推轴承234可保持最多腐蚀破坏(如果有的话)。在发生腐蚀破坏的情况下，可去除、恢复或以其他方式替换轴承壳体228a、228b，或可从轴承壳体228a、228b去除径向轴承232和/或止推轴承234，并且可替换或恢复轴承壳体部件236b、238b。在一些实施方案中，轴承壳体基板242可压力配合出轴承壳体228a、228b，并由恢复的或新的基板242替换。

虽然未示出，但是本文考虑在至少一个实施方案中将径向轴承232和/或止推轴承234布置在主流动路径230a中。虽然将径向轴承232和/或止推轴承234潜在地暴露给腐蚀坏，但是这种实施方案可在轴承组件226a、226b内允许用于展示更大接触面积并且由此能够承担更大负载的更大径向轴承232和/或止推轴承234的更多空间中证明有利。

在所示实施方案中，止推轴承234的转子轴部件238a被示出作为外部轴承安装。如将了解，这将通过向下施加止推负载允许涡轮组件200负载在上部止推轴承234上。在此类情况下，止推负载将使转子轴204处于受拉下。然而，在其他实施方案中，止推轴承234的转子轴部件238a的位置可颠倒，使得它们作为内部轴承操作。在此类实施方案中，在将转子轴部件236a、236b固定到转子轴204时，可使止推轴承234的转子轴部件238a压靠上部轴承肩台210a和下部轴承肩台210b。如将了解，这将允许涡轮组件200在下部止推轴承234上产生止推负载。在此类情况下，止推负载将使转子轴204处于压缩下。

因此，本文考虑涡轮组件200具有在压缩下或在受拉下操作的转子轴204。根据在给定设计中哪种条件有利，可选择任一状态。根据所需效果，对转子轴204具有压缩或受拉作用可缓解额外应力或帮助更好地固定转子叶片222。如将了解，在涡轮组件200的井上末端202a处承担止推负载可证明有利，由此提供更稳定并且不太易于产生涡旋和/或其他离心作用的涡轮组件200。

如图所示，涡轮组件200可安装在流管244内。流管244可以是钻柱106(图1)或工具管柱116(图1)的任何管状部件。在一些实施方案中，例如，流管244可以是钻杆或钻头套环的形成钻柱106和/或工具管柱116的一部分的一段长度。在其他实施方案中，流管244可与钻柱106和/或工具管柱116流体连通，使得钻井液的流动可循环通过流管244，进而循环通过涡轮组件200。定子壳体214以及上部轴承壳体228a和下部轴承壳体228b可被设定尺寸，使得它们可插入流管244中用于安装。

可使用定位在涡轮组件200的井下末端202b处或附近的耦接件246将涡轮组件200固定在流管244内。在一些实施方案中，耦接件246可螺接到流管244中。当246螺接耦接件到流管244中时，压缩负载可施加到定子壳体214以及上部轴承壳体228a和下部轴承壳体228b，并且可使上部轴承壳体228a压靠限定在流管244的内表面上的流管肩台248。然而，将了解，耦接件246的位置在一些实施方案中可颠倒，并且压缩负载可替代地迫使下部轴承壳体228b压靠流管肩台248。

如以上所指示，涡轮组件200可在最小化穿过多个涡轮级的轴承堆叠中证明有利。这可通过以下方式来完成：通过转子轴204而不是通过定子壳体214和/或定子叶片216装入径向轴承232和止推轴承234。通过在上部轴承肩台210a和下部轴承肩台210b处预装入径向轴承232和止推轴承234，可控制轴承分离空隙。用于这个的其他解决方案可包括将每个涡轮级设计成轴向更长，但是具有径向更短的定子叶片216和转子叶片222。如将了解，这可允许转子轴204进一步移动并且是导致任何轴承空隙增加的原因。

优化轴承堆叠还可允许涡轮组件200更简单地耦接到从动部件(未示出)。更具体地说，在转子轴204的轴向行进最小化的情况下，上部机械紧固件240a和下部机械紧固件240b中的一者或两者可被构造来耦接到从动部件，所述从动部件诸如发电机、变速箱、交流发电机、操纵机构或需要旋转动力或基于所述旋转动力操作的任何其他机构。在此类实施方案中，上部机械紧固件240a和下部机械紧固件240b中的一者或两者可包括输出耦接件，诸如但不限于被构造来在每个轴向末端处将涡轮组件200耦接到一个或多个从动部件的磁性耦接件、螺纹耦接件或花键耦接件。

在一些实施方案中，转子轴204的一个末端可延伸到从动部件中的一个中，诸如填充有油或另一种液压流体的从动部件。在此类实施方案中，径向轴承232和止推轴承234可包括滚柱轴承等，并且金属密封可防止油在与转子轴204的接口处从从动部件移出。因此，在最小化转子轴204的轴向行进的情况下，可能在转子轴的任一轴向末端处具有一个或多个密封区段，并且径向轴承232和/或止推轴承234可放置在充油的空腔中。

本文所公开的实施方案包括：

A.一种井下涡轮组件，其包括：定子壳体，所述定子壳体具有定位在所述定子壳体内并从所述定子壳体径向向内延伸一个或多个定子叶片；转子轴，所述转子轴可旋转地定位在所述定子壳体内并且具有展现第一直径的第一部分和展现大于所述第一直径的第二直径的第二部分，所述第一部分包括设置在所述转子轴的第一末端处并在上部轴承肩台处终止的上部第一部分以及设置在所述转子轴的第二末端处并在下部轴承肩台处终止的下部第一部分；一个或多个转子叶片，所述一个或多个转子叶片固定到所述第二部分用于随所述转子轴旋转并与所述一个或多个定子叶片交错；以及第一轴承组件，所述第一轴承组件定位在所述第一末端处；以及第二轴承组件，所述第二轴承组件定位在所述第二末端处，所述第一轴承组件和所述第二轴承组件各自包括轴承壳体、一个或多个径向轴承和一个或多个止推轴承，其中所述轴承壳体中的至少一个提供主流动路径和次级流动路径，并且其中所述一个或多个径向轴承和所述一个或多个止推轴承布置在所述次级流动路径中。

B.一种方法，其包括：将流体循环到井下涡轮组件，所述井下涡轮组件包括：定子壳体，所述定子壳体具有定位在所述定子壳体内并从所述定子壳体径向向内延伸一个或多个定子叶片；以及转子轴，所述转子轴可旋转地定位在所述定子壳体内并且具有展现第一直径的第一部分和展现大于所述第一直径的第二直径的第二部分，所述第一部分包括设置在所述转子轴的第一末端处并在上部轴承肩台处终止的上部第一部分以及设置在所述转子轴的第二末端处并在下部轴承肩台处终止的下部第一部分；以及当所述流体撞击在一个或多个转子叶片上时旋转所述转子轴，所述一个或多个转子叶片固定到所述转子轴的所述第二部分；利用定位在所述第一末端处的第一轴承组件和定位在所述第二末端处的第二轴承组件承担所述转子轴上的径向负载和止推负载，所述第一轴承组件和所述第二轴承组件各自包括轴承壳体、一个或多个径向轴承以及一个或多个止推轴承，其中所述轴承壳体中的至少一个提供主流动路径和次级流动路径，并且使所述流体的第一部分流动通过所述主流动路径，并且使所述流体的第二部分流动通过所述次级流动路径，其中所述一个或多个径向轴承和所述一个或多个止推轴承布置在所述次级流动路径中。

实施方案A和B中的每一个可具有任意组合的下面另外的要素中的一个或多个：元素1：其中所述一个或多个径向轴承和所述一个或多个止推轴承各自包括转子轴部件，所述涡轮组件还包括第一机械紧固件，所述第一机械紧固件固定到所述转子轴的所述第一末端以便抵靠所述上部轴承肩台预装入所述上部轴承组件的所述转子轴部件；以及第二机械紧固件，所述第二机械紧固件固定到所述转子轴的所述第二末端以便抵靠所述下部轴承肩台预装入所述下部轴承组件的所述转子轴部件。元素2：其中所述第一机械紧固件和所述第二机械紧固件中的至少一个是将所述转子轴可操作地耦接到从动部件的输出耦接件。元素3：其还包括定子锁环，所述定子锁环将所述一个或多个定子叶片固定在所述定子壳体内，其中所述定子锁环抵靠限定在所述定子壳体的径向内表面上的定子肩台预装入所述一个或多个定子叶片。元素4：其中利用转子锁环将所述一个或多个转子叶片固定到所述转子轴的所述第二部分，所述转子锁环迫使所述一个或多个转子叶片压靠限定在所述转子轴上的转子肩台。元素5：其中所述一个或多个转子叶片中的至少一个键装到所述转子轴的所述第二部分。元素6：其中转子轴展现多边形截面形状，并且所述一个或多个转子叶片被成型以与所述多边形截面形状配合以便将所述一个或多个转子叶片固定到所述第二部分。元素7：其中所述一个或多个转子叶片中的两个或更多个的轴向相邻的配合面互锁以防止相对旋转。元素8：其中所述多个定子和所述多个转子中的一者或两者是时钟控制的。元素9：其中所述主流动路径和次级流动路径接收流体，并且相比于所述次级流动路径，所述主流动路径接收更大的流体流。元素10：其中所述一个或多个径向轴承和所述一个或多个止推轴承中的至少一个包括由超硬材料制成的轴承。元素11：其中所述一个或多个径向轴承和所述一个或多个止推轴承中的所述至少一个是包括一个或多个PDC盘的聚晶金刚石(PDC)轴承。元素12：其还包括基板，所述基板耦接到所述轴承壳体，其中所述一个或多个PDC盘硬焊到所述基板中。元素13：其中所述一个或多个径向轴承和所述一个或多个止推轴承中的至少一个包括选自下组的轴承，所述组由以下各项组成：滚珠轴承、滚针轴承、船用轴承、油润滑轴承以及其任何组合。元素14：其还包括流管，所述流管限定流管肩台，其中所述第一轴承组件和所述第二轴承组件的所述定子壳体和所述轴承壳体各自被设定尺寸以插入所述流管并利用耦接件抵靠所述流管肩台预装入。

元素15：其中所述一个或多个径向轴承和所述一个或多个止推轴承各自包括转子轴部件，所述方法还包括通过固定被固定到所述转子轴的所述第一末端的第一机械紧固件抵靠所述上部轴承肩台预装入所述上部轴承组件的所述转子轴部件，以及通过固定被固定到所述转子轴的所述第二末端的第二机械紧固件抵靠所述下部轴承肩台预装入所述下部轴承组件的所述转子轴部件。元素16：其中所述第一机械紧固件和所述第二机械紧固件中的至少一个是输出耦接件，所述方法还包括通过所述输出耦接件将所述转子轴可操作地耦接到从动部件，以及通过所述输出耦接件将旋转能量传输到所述从动部件。元素17：还包括定子锁环，所述定子锁环将所述一个或多个定子叶片固定在所述定子壳体内，其中所述定子锁环抵靠限定在所述定子壳体的径向内表面上的定子肩台预装入所述一个或多个定子叶片。元素18：其还包括利用转子锁环将所述一个或多个转子叶片固定到所述转子轴的所述第二部分，所述转子锁环迫使所述一个或多个转子叶片压靠限定在所述转子轴上的转子肩台。元素19：其中使所述流体循环到所述井下涡轮组件之前：将所述井下涡轮组件引入限定流管肩台的流管中，以及利用耦接件将所述井下涡轮组件固定在所述流管内，所述耦接件抵靠所述流管肩台预装入所述第一轴承组件和所述第二轴承组件的所述定子壳体和所述轴承壳体。

通过非限制性实例，可适用于A、B和C的示例性组合包括：元素1和元素2；元素10和元素11；元素11和元素12；以及元素15和元素16。

因此，所公开系统及方法良好适合于获得所提到的目标和优点以及本发明固有的那些目标和优点。以上公开的特定实施方案只是说明性的，因为本公开的教导内容可以对受益于本文教导内容的本领域技术人员显而易知的不同但等效的方式来修改和实践。此外，并不意图对本文示出的构造或设计的细节存在限制，而所附权利要求书中描述的除外。因此明显的是以上公开的特定例示性实施方案可被改变、结合、或修改，并且所有的此类变化被认为在本公开的范围内。本文说明性公开的系统和方法可以在缺少本文未特定公开的任何要素和/或本文所公开的任何任选要素的情况下得以适当实践。虽然组合物和方法在“包括”、“含有”或“包括”各种组分或步骤方面来描述，但是组合物和方法还可“基本上由各种组分和步骤组成”或“由各种组分和步骤组成”。上文所公开的所有数字和范围可变化某一量。所有公开的具有下限和上限的数字范围，均明确公开落在所述范围内的任何数字和任何包括的范围。具体地说，本文公开的值的每个范围(形式为“约a至约b”，或等效地“大致a至b”，或等效地“大致a-b”)应理解为阐述涵盖在值的较宽范围内的每个数字和范围。另外，除非专利权人另外明确并清楚地定义，否则权利要求书中的术语具有其平常、普通的含义。此外，如权利要求书中所用的不定冠词“一个”或“一种”在本文中定义为意指引入的一个或一个以上的要素。如果本说明书和可以引用方式并入本文的一个或多个专利或其他文件中存在词语或术语用法的任何矛盾，那么应采用与本说明书一致的定义。

如本文所使用的，在一系列项目之前的短语“至少一个”，以及用于分开这些项目中的任何一个的术语“和”或“或”修改列表作为整体，而不是所述列表中的每一个成员(即每个项目)。短语“至少一个”允许包括项目中任何一个的至少一个、和/或项目的任何组合的至少一个、和/或项目中每一个的至少一个的意义。以举例的方式，短语“A、B和C中的至少一个”或“A、B或C中的至少一个”各自指只有A、只有B、或只有C；A、B和C的任何组合；和/或A、B和C中的每一个的至少一个。

方向性术语的使用诸如相对于说明性实施方案使用的以上、以下、上、下、向上、向下、左、右、井上、井下等，如它们在附图中所描绘，向上方向是朝向对应的附图的顶部，并且向下方向是朝向对应的附图的底部，井上方向是朝向井的表面，并且井下方向是朝向井的底部。

Claims (21)

1.一种井下涡轮组件，其包括：

定子壳体，所述定子壳体具有定位在所述定子壳体内并从所述定子壳体径向向内延伸的一个或多个定子叶片；

转子轴，所述转子轴可旋转地定位在所述定子壳体内并具有展现第一直径的第一部分和展现大于所述第一直径的第二直径的第二部分，所述第一部分包括设置在所述转子轴的第一末端处并在上部轴承肩台处终止的上部第一部分以及设置在所述转子轴的第二末端处并在下部轴承肩台处终止的下部第一部分；

一个或多个转子叶片，所述一个或多个转子叶片固定到所述第二部分用于随所述转子轴旋转并与所述一个或多个定子叶片交错；以及

第一轴承组件，所述第一轴承组件定位在所述第一末端处，以及第二轴承组件，所述第二轴承组件定位在所述第二末端处，所述第一轴承组件和所述第二轴承组件各自包括轴承壳体、一个或多个径向轴承以及一个或多个止推轴承，

其中所述轴承壳体中的至少一个提供主流动路径和次级流动路径，并且其中所述一个或多个径向轴承和所述一个或多个止推轴承布置在所述次级流动路径中。

2.如权利要求1所述的井下涡轮组件，其中所述一个或多个径向轴承和所述一个或多个止推轴承各自包括转子轴部件，所述涡轮组件还包括：

第一机械紧固件，所述第一机械紧固件固定到所述转子轴的所述第一末端以便抵靠所述上部轴承肩台预装入所述上部轴承组件的所述转子轴部件；以及

第二机械紧固件，所述第二机械紧固件固定到所述转子轴的所述第二末端以便抵靠所述下部轴承肩台预装入所述下部轴承组件的所述转子轴部件。

3.如权利要求2所述的井下涡轮组件，其中所述第一机械紧固件和所述第二机械紧固件中的至少一个是将所述转子轴操作地耦接到从动部件的输出耦接件。

4.如权利要求1所述的井下涡轮组件，其还包括定子锁环，所述定子锁环将所述一个或多个定子叶片固定在所述定子壳体内，其中所述定子锁环抵靠限定在所述定子壳体的径向内表面上的定子肩台预装入所述一个或多个定子叶片。

5.如权利要求1所述的井下涡轮组件，其中利用转子锁环将所述一个或多个转子叶片固定到所述转子轴的所述第二部分，所述转子锁环迫使所述一个或多个转子叶片压靠限定在所述转子轴上的转子肩台。

6.如权利要求1所述的井下涡轮组件，其中所述一个或多个转子叶片中的至少一个键装到所述转子轴的所述第二部分。

7.如权利要求1所述的井下涡轮组件，其中转子轴展现多边形截面形状，并且所述一个或多个转子叶片被成型以与所述多边形截面形状配合以便将所述一个或多个转子叶片固定到所述第二部分。

8.如权利要求1所述的井下涡轮组件，其中所述一个或多个转子叶片中的两个或更多个的轴向相邻的配合面互锁以防止相对旋转。

9.如权利要求1所述的井下涡轮组件，其中所述多个定子和所述多个转子中的一者或两者是时钟控制的。

10.如权利要求1所述的涡轮组件，其中所述主流动路径和次级流动路径接收流体，并且相比于所述次级流动路径，所述主流动路径接收更大的流体流。

11.如权利要求1所述的井下涡轮组件，其中所述一个或多个径向轴承和所述一个或多个止推轴承中的至少一个包括由超硬材料制成的轴承。

12.如权利要求11所述的井下涡轮组件，其中所述一个或多个径向轴承和所述一个或多个止推轴承中的所述至少一个是包括一个或多个PDC盘的聚晶金刚石(PDC)轴承。

13.如权利要求12所述的井下涡轮组件，其还包括基板，所述基板耦接到所述轴承壳体，其中所述一个或多个PDC盘硬焊到所述基板中。

14.如权利要求1所述的井下涡轮组件，其中所述一个或多个径向轴承和所述一个或多个止推轴承中的至少一个包括选自下组的轴承，所述组由以下各项组成：滚珠轴承、滚针轴承、船用轴承、油润滑轴承以及其任何组合。

15.如权利要求1所述的井下涡轮组件，其还包括流管，所述流管限定流管肩台，其中所述第一轴承组件和所述第二轴承组件的所述定子壳体和所述轴承壳体各自被设定尺寸以插入所述流管并利用耦接件抵靠所述流管肩台预装入。

16.一种方法，其包括：

使流体循环到井下涡轮组件，所述井下涡轮组件包括：

定子壳体，所述定子壳体具有定位在所述定子壳体内并从所述定子壳体径向向内延伸的一个或多个定子叶片；以及

转子轴，所述转子轴可旋转地定位在所述定子壳体内并具有展现第一直径的第一部分和展现大于所述第一直径的第二直径的第二部分，所述第一部分包括设置在所述转子轴的第一末端处并在上部轴承肩台处终止的上部第一部分以及设置在所述转子轴的第二末端处并在下部轴承肩台处终止的下部第一部分；

当所述流体撞击在固定到所述转子轴的所述第二部分的一个或多个转子叶片上时，旋转所述转子轴；

利用定位在所述第一末端处的第一轴承组件和定位在所述第二末端处的第二轴承组件承担所述转子轴上的径向负载和止推负载，所述第一轴承组件和所述第二轴承组件各自包括轴承壳体、一个或多个径向轴承以及一个或多个止推轴承，其中所述轴承壳体中的至少一个提供主流动路径和次级流动路径；以及

使所述流体的第一部分流动通过所述主流动路径，并且使所述流体的第二部分流动通过所述次级流动路径，其中所述一个或多个径向轴承和所述一个或多个止推轴承布置在所述次级流动路径中。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述一个或多个径向轴承和所述一个或多个止推轴承各自包括转子轴部件，所述方法还包括：

通过将第一机械紧固件固定到所述转子轴的所述第一末端来抵靠所述上部轴承肩台预装入所述上部轴承组件的所述转子轴部件；以及

通过将第二机械紧固件固定到所述转子轴的所述第二末端来抵靠所述下部轴承肩台预装入所述下部轴承组件的所述转子轴部件。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述第一机械紧固件和所述第二机械紧固件中的至少一个是输出耦接件，所述方法还包括：

通过所述输出耦接件将所述转子轴操作地耦接到从动部件；以及

通过所述输出耦接件将旋转能量传输到所述从动部件。

19.如权利要求16所述的方法，其还包括定子锁环，所述定子锁环将所述一个或多个定子叶片固定在所述定子壳体内，其中所述定子锁环抵靠限定在所述定子壳体的径向内表面上的定子肩台预装入所述一个或多个定子叶片。

20.如权利要求16所述的方法，其还包括利用转子锁环将所述一个或多个转子叶片固定到所述转子轴的所述第二部分，所述转子锁环迫使所述一个或多个转子叶片压靠限定在所述转子轴上的转子肩台。

21.如权利要求16所述的方法，其中使所述流体循环到所述井下涡轮组件之前：

将所述井下涡轮组件引入限定流管肩台的流管中；以及

利用耦接件将所述井下涡轮组件固定在所述流管内，所述耦接件抵靠所述流管肩台预装入所述第一轴承组件和所述第二轴承组件的所述定子壳体和所述轴承壳体。