CN107208629B - 用于转子和定子的衬套 - Google Patents

Abstract

一种转子和/或定子阻尼系统，包括定子和/或转子，其中衬套选自一种或多种材料，以实现期望的阻尼效果。在一个实施方式中，渐进腔马达或泵包括具有穿过其中的内部轴向孔的定子。定子具有沿其轴向长度的衬套，其具有限定穿过其中的内部轴向孔的面向内的表面。衬套具有多个轴向部分，其中多个轴向部分中的至少两个由不同的材料构成。抗压机构比如弹簧或类似弹簧的装置设置在衬套的至少一个轴向部分内。渐进腔马达或泵还包括转子，其设置并且可在定子的内部轴向孔内旋转，以在转子与定子之间形成移动室。

Description

用于转子和定子的衬套

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年12月31日提交的美国临时专利申请号62/098983的权益和优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本文所述的一个或多个实施方式通常涉及Moineau型泵和马达，其包括正位移或渐进腔马达和泵。当钻地下井的井眼时，可以使用这样的实施方式。更具体地，这样的实施方式可以将衬套结合到定子和/或转子中，其中衬套选自一种或多种材料以实现期望的阻尼效果。

背景技术

井眼常被钻入地球的地层以回收藏于地球表面以下的烃和其他所需物质的沉积物。可以使用联接到本领域中已知的钻柱的下端部分的钻头来钻井。钻柱具有多个钻杆关节，其使用螺纹连接端对端地联接在一起。钻柱由表面上的旋转台或顶部驱动器旋转，这也可以在井下旋转所联接的钻头。钻井液或泥浆通过钻柱的孔向下泵送，并通过钻头处或钻头附近的端口离开。钻井液用于在钻井操作期间润滑和冷却钻头。钻井液还通过钻柱与井眼的侧壁之间的环空将切屑返回到表面。在表面上，钻井液被过滤以除去切屑。

井底组件(BHA)通常设置在钻柱中朝向其下端部分。BHA是钻井工具和测量装置的集合，并且可以包括钻头、任何方向或地层测量工具、偏斜的钻孔机构、泥浆马达(例如Moineau泵/马达)和重量钻铤。钻井时测量(MWD)或钻井时记录(LWD)钻铤通常位于钻头的正上方，以便在钻井时进行与地层属性相关的测量。从MWD和LWD系统记录的测量可以通过使用本领域技术人员已知的各种方法实时地被传输到表面。一旦接收到，这些测量就帮助在表面上的操作人员做出与钻井作业相关的决策。

定向钻井是井眼与自然采用的路径有意的偏离。换句话说，定向钻井是钻柱的转向，使得钻柱沿期望的方向行进。定向钻井在海上钻井中是有利的，因为定向钻井允许从单个海上钻井平台钻出数个井眼。定向钻井还能够水平钻井通过地层，这允许更长的井眼长度穿过储层并且可以允许增加的烃产量。定向钻井也可能有利于钻垂直井眼。通常，由于地下地层的有时不可预测的性质和/或钻头经历的力，钻头将偏离预期的钻井轨迹。当发生这种偏差时，可以采用定向钻井系统将钻头返回到其预期的钻井轨迹。

常见的定向钻井系统及其使用方法采用包括弯曲壳体和Moineau马达/泵的BHA，其也称为正位移马达(PDM)或泥浆马达。弯曲壳体包括形成在钻杆的同一部分上的上部和下部，但是各个部分由管中的弯曲部分开。具有联接至其的钻头的弯曲壳体指向所需的钻井方向。采用泥浆马达来旋转弯曲壳体，从而沿所需方向旋转钻头来进行钻井。

泥浆马达将一些能量从钻井液或泥浆流向下通过钻柱的钻孔转换成驱动钻头的旋转运动。因此，通过将弯曲壳体相对于钻孔保持在相同的方位角，钻头将沿着期望的方向钻孔。当需要直钻孔时，如前所述，整个钻柱(包括弯曲壳体)通过旋转台或顶部驱动器从表面旋转，如前所述。钻头可能与弯曲壳体成角度，因此可能钻出轻微的过孔，但是是直的井眼。

PDM动力部分包括转子和定子。定子可以是金属管，例如钢，其中橡胶或弹性体被模制并设置在其内表面上，以形成多凸角螺旋的内部轮廓(即衬套)。定子管可以是圆柱形的内部(具有不同厚度的橡胶或弹性体插入件)，或者可以具有设置在其中的类似的多凸角螺旋的内部轮廓，使得模制的橡胶/弹性体具有基本均匀的厚度(即均匀壁)。无论是固体橡胶还是均匀壁，动力部分在整个长度上通常是均匀的。也就是说，它们是在多凸角螺旋的内部轮廓的整个长度上的所有橡胶/弹性体或所有均匀壁。转子也可以由诸如钢的金属构成，具有固体或中空的内部结构。转子可以具有多凸角的螺旋形外表面，其与定子的内表面相符。转子还可以具有设置在其外表面(即衬套)上的橡胶或弹性体。转子的外表面具有比定子的内表面少一个凸角，使得当流体通过马达被泵送时，在转子与定子之间形成移动的流体填充室。

转子响应于通过PDM的钻柱和定子在井下泵送的流体(例如钻井液或泥浆)而旋转并回旋。如上所述，马达内的橡胶或弹性体材料在转子与定子之间提供密封。没有这种密封，马达可能无效率地操作和/或完全失效。然而，当转子在定子内转动或旋转时，该橡胶或弹性体可以在转子和定子之间承受不希望的横向和剪切力，这可能导致马达故障。定向钻井过程中的马达故障可能是非常重大而不希望的事件。马达故障的一种模式是橡胶分块，其中橡胶或弹性体的一个或多个部分断裂。因此，希望减少或消除由橡胶或弹性体所承受的过度横向和剪切力，从而提高马达的耐久性并减少马达故障。

发明内容

这里描述了用于转子和/或定子阻尼系统的一个或多个实施方式。这样的一个或多个实施方式可以将衬套结合到定子和/或转子中，其中衬套选自一种或多种材料以实现期望的阻尼效果。

在一个实施方式中，渐进腔马达或泵可以包括具有穿过其中的内部轴向孔的定子。定子具有沿其轴向长度的衬套，其具有限定穿过其中的内部轴向孔的面向内的表面。面向内的表面具有布置和设计成形成定子螺旋轮廓的轴向凸角。衬套具有多个轴向部分，其中多个轴向部分中的至少两个由不同的材料构成。渐进腔马达或泵还包括具有外表面的转子，该外表面具有轴向凸角，其布置和设计成形成至少部分互补或对应于定子螺旋轮廓的转子螺旋轮廓。转子旋转地设置在定子的内部轴向孔内，以在转子与定子之间形成移动室。渐进腔马达或泵还包括设置在衬套的至少一个轴向部分内的抗压机构。在至少一个实施方式中，抗压机构是弹簧或类似弹簧的装置。

提供上述引用的发明内容部分以便以简化的形式介绍下面将在详细描述部分中进一步描述的概念的选择。发明内容不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任何部分中指出的缺点的实施方式。

附图说明

以下将参照附图描述各种技术的实施方式。然而，应当理解的是，附图仅示出了本文描述的各种实施方式，并不意味着限制本文所描述的各种技术的范围。

图1示出了根据本文公开的一个或多个实施方式的定子和转子组合的横截面图，其中定子具有衬套；

图2示出了根据本文公开的一个或多个实施方式的定子和转子组合的横截面图，其中定子具有衬套。

具体实施方式

下面的讨论针对某些具体实施方式。应当理解，下面的讨论仅是为了使本领域普通技术人员能够制造和使用现有或以后由本文中任何已公布的专利中找到的专利“权利要求”定义的任何主题。

具体地说，本发明的权利要求不限于本文所包含的实施方式和图示，而是包括这些实施方式的修改形式，包括实施方式的各个部分以及落入所附权利要求书的范围内的不同实施方式的要素组合。

现在将详细参考各个实施方式，其示例在附图中示出。在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本公开的透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开。在其他情况下，还没有详细描述公知的方法、程序、部件、装置和系统，以免模糊实施方式的各个方面。

还将理解的是，尽管术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。例如，第一对象可被称为第二对象，并且类似地，第二对象可被称为第一对象，而不脱离本发明的权利要求书的范围。第一对象和第二对象分别都是对象，但它们不被视为相同的对象。

在本公开的描述中使用的术语是为了描述特定实施方式的目的，而不是旨在限制本公开。如在本公开和所附权利要求书的描述中所使用，单数形式“一”、“一个”和“特指的那个”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还将理解的是，本文所用的术语“和/或”是指并且涵盖一个或多个相关列出的项目的一个或多个可能的组合。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”及其变体指定存在所述的特征、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或更多其它特征、操作、元件、部件和/或其组合。

如本文所使用，术语“上”和“下”；“上部”和“下部”；“向上”和“向下”；“低于”和“高于”；以及指示给定点或元件之上或之下的相对位置的其它类似术语可以结合本文描述的各种技术的一些实施方式使用。然而，当应用于用于偏斜或水平的井或钻孔的设备以及方法时，或者当应用于当布置在井或钻孔中时处于偏斜或水平取向的设备以及方法时，这些术语可以指从左到右、从右到左或者其他合适的关系。

现在将参考图1和2更详细地描述各种实施方式。在一个或多个实施方式中，Moineau型马达或泵(也称为渐进腔或正位移马达或泵)具有定子和/或包括衬套的各个部分的转子，其中至少一个衬套部分具有比其他部分更高的压缩性，以允许转子的更大的运动(例如径向运动)。在一个或多个其它实施方式中，衬套可以具有显示阻尼机构来改变转子的正常运动。

定子执行若干个功能，以使马达或泵产生机械动力或泵流体。例如，定子产生用于流体的路径(即流体输送)。定子还采用转子来产生和密封离散空腔，其中密封功能通过其间的橡胶或弹性体层的压缩而实现。由于转子的离心力，定子也受到径向载荷，并且以这种方式用作径向轴承。定子与转子齿轮接合(并承受来自这种齿轮接合的反作用力)，使得当流体被迫进入转子与定子之间的离散空腔时定子旋转。最后，定子允许转子具有最小的运动自由度，以避免过度的弯曲和扭转，这导致定子上的额外横向力和剪切力。

在本文公开的一个或多个实施方式中，操纵转子相对于定子的运动自由度，以避免转子(和/或定子)的过度弯曲和扭转。图1示出了可旋转地设置在定子40内的转子20的横截面视图，定子具有带有不同衬套部分42、44、46的组合的衬套50。衬套部分42、44、46由不同的材料构成，具有不同程度的压缩性。以这种方式，可以沿着定子40/转子20的轴向长度选择和设置衬套部分42、44、46，以优化定子40/转子20用于密封(即发电、流体输送等)和/或用于处理机械载荷(即为转子20提供额外的自由度以径向移动而不损坏定子40)。

定子40可以具有刚性定子形成器48，例如具有内表面的金属形式，其具有螺旋轮廓，均匀或接近均匀厚度的衬套42、44、46比如弹性体材料被模制至此。衬套改善了定子40与转子20之间的密封，同时也加强了定子40用于输送增加的扭转力。各种类型的定子形成器48是本领域普通技术人员已知的，并且被进一步描述在美国再公布专利21374、美国专利3975120、美国专利5171138和美国专利5221197等中。在一个或多个实施方式中，定子40的另一个部分42、44、46，即另一轴向部分或多个部分，可以具有较低刚度/可压缩的衬套50，其允许对转子20的更大运动自由度和/或阻尼效应。换句话说，定子40的该另一个部分42、44、46可以减小由转子20施加的一些横向接触力。这又减小了转子20的弯曲，这可以降低衬套50的该另一个部分42、44、46的弹性体上的剪切应力。因此，使衬套50的一个或多个部分42、44、46具有较大压缩性的结构(例如弹性体)可延长定子40(即弹性衬套50)的寿命，同时给予或多或少相同的扭转力。

如图1所示，设置在定子40的最右侧部分(即井下端部)上的衬套50的部分46具有非常类似于非常软的橡胶或任何其它海绵状材料的高压缩性。该衬套部分46可以向转子20提供足够的运动自由度，以限制定子40上的横向和剪切力并减小转子20的弯曲。

朝向定子40的中心设置的衬套50的部分44可以具有比其右侧(或井下)的部分46更低的压缩性，但是具有比其左侧(或井口)的部分42更高的压缩性。该中心部分44可以具有在提供对转子20的运动自由度的同时还提供密封性能、发电和流体输送的共同作用。此外，在一个或多个实施方式中，该中心部分44可以分别具有与分别在其井口或井下的部分42、46的衬套50相同的结构，即可压缩性。相反，该中心部分44可以具有与其它部分42、46完全不同的结构(即可压缩性)。

设置在定子40的最左部(即井口端部)上的衬套50的部分42可具有最低的压缩性(即最大的刚度)，因此可以主要具有适当的密封和传递最大发电的功能。

关于结构材料，部分42、44、46可以相似或不同，这取决于每个部分的期望的压缩性。部分42(其之前已经描述为提供适当的密封和传递发电)可以包括不同厚度的固体橡胶、“均匀壁”定子、复合材料、金属加橡胶、陶瓷加橡胶或环氧树脂加橡胶或者其中任何的组合。部分46(其之前已经描述为提供对转子的运动自由度)可以包括不同厚度的固体橡胶(例如软橡胶)、胶体软质材料、限定在可变形固体材料中的凝胶或液体、柔软的胶体-聚合物混合物，并且通常是形成定子40的部分42、44、46中具有最高可压缩性的任何材料或材料的组合。最后，部分44(其之前已经描述为具有发电并且还提供对转子20的最小运动自由度的组合功能)可以具有关于其它部分42、46所描述的任何类型的材料。

尽管相对于图1描述了在井口方向上沿着定子/衬套增加的压缩性，但衬套部分的相对定位(以及每个衬套部分的可压缩性)是可互换的。例如，具有最小可压缩结构材料的衬套部分可以设置成朝向定子的中部或其出口附近(即朝向井下端部)，反之亦然。此外，这些衬套部分的数量可以根据需要从两个变成三个(如图所示)或任何最大数量。

此外，尽管衬套部分42、44、46的长度被示出为相等或几乎相等，但在不同部分之间没有规定特定的长度比。根据所期望的应用，相比于动力部分本身更长的寿命，可能更期望具有更大的发电。在这种示例中，朝向定子的井口端部的部分42应该更长或者具有比其他部分44、46更长的长度。相反，与更大的发电相比，可能更期望具有更长的定子寿命。在这种示例中，部分46应当是较长部分，以将定子40上的疲劳故障降到最小。

如图1进一步所示，衬套50可以在其部分42、44、46之间具有一个或多个间隙52、54。衬套之间的一个或多个间隙52、54可以为转子20提供额外的运动自由度。在一个或多个实施方式中，间隙52、54的轴向长度可被调整为根据需要增加或减少转子20的运动。虽然在图1中示出了两个不同的间隙52、54，但很明显的是，一个间隙(未示出)或若干个间隙(例如具有变化的轴向间隔)可以设置在衬套50的各个部分之间。另外，一个或多个间隙可以设置在具有相同结构材料(即均匀的压缩性)的单个部分内。

图2示出了可旋转地设置在具有衬套70的定子60内的转子20的横截面视图，其中设置有显示阻尼系统76。图2的定子60和衬套70类似于图1的定子40和衬套50，大多数情况下不同之处在于图2的定子60和衬套70不具有任何间隙。虽然在图2中未示出，但是定子60可被构造成具有这样的间隙以及显示阻尼系统76。

如图2所示，衬套70的部分44设置成朝向定子60的中心并且具有定位在其中的显式阻尼系统76。该阻尼系统76的作用是逐渐限制转子20的运动并且减小其弯曲以及减小定子60上的横向和剪切力。这可以通过最初允许转子20推靠在定子60的衬套部分44上而限制定子60内的位移量来实现。

显式阻尼系统76包括抗压机构78，比如弹簧或类似弹簧的装置。在一个或多个实施方式中，抗压机构可以是衬套的部分内的不同结构材料，例如弹性体，其提供额外的抗压性。

图2的实施方式可以具有部分42和46，其具有与上面关于图1的部分42和46所描述的相似的结构材料。除了显式阻尼系统76之外，图2的部分44可以由将自然阻尼的不同厚度的固体橡胶构成。在一个或多个其他实施方式中，部分44可以是一种或多种但不限于胶体软质材料、限制在可变形固体材料中的凝胶或液体、软胶体-聚合物混合物或安装在类似弹簧的衬套中的金属和弹性体的组合的结构。这样的材料可以起到增加压缩性或以其他方式控制与抗压机构78一致的压缩性。

图1和图2中公开的实施方式的一个方面是定子40、60及其衬套50、70被布置和设计成吸收转子运动，而不是简单地约束它。这允许转子20具有额外的运动自由度。此外，这种额外的运动自由度可能导致转子20与定子40、60及其衬套50、70之间的较小的接触力，较小地弯曲转子20，从而减轻了对定子40、60及其衬套50、70的任何损坏。

虽然已经相对于定子40、60描述了各种衬套部分42、44、46，但是本领域普通技术人员将容易地认识到，类似的衬套部分或结构材料可以模制到或形成在转子20的外表面，以赋予转子20本身类似的优点。因此，如前所述，相同或相似类型的组合在转子20上也是可能的，其中不同部分具有不同的功能。

尽管上面已经仅详细描述了几个示例性实施方式，但是本领域技术人员将容易地认识到，在实质上不脱离“用于转子和定子的衬套”的情况下，在示例性实施方式中可以进行许多修改。因此，所有这样的修改旨在包括在本公开的范围内。在权利要求中，装置加功能条款旨在将本文所述的结构覆盖为执行所述功能，而不仅仅是结构等同物，而且包括等同结构。因此，虽然钉子和螺钉可能不是结构等同物，因为钉子采用圆柱形表面将木制部件固定在一起，而螺钉采用螺旋表面，在紧固木制部件的环境中，钉子和螺钉可以是等同结构。申请人的明示意图不是援引35U.S.C.第112条第6款用于本文任何一项权利要求的任何限制，除了权利要求明确地使用词语“用于…装置”连同相关功能的那些之外。

Claims (4)

1.一种渐进腔马达或泵，包括：

定子，该定子具有穿过其中的内部轴向孔，所述定子具有沿其轴向长度的衬套，该衬套具有限定穿过其中的内部轴向孔的向内表面，所述向内表面具有布置和设计成形成定子螺旋轮廓的轴向凸角，所述衬套具有多个轴向部分，所述多个轴向部分中的至少两个由不同的材料构成；

具有外表面的转子，所述外表面具有布置和设计成用于形成与所述定子螺旋轮廓至少部分互补的转子螺旋轮廓的轴向凸角，所述转子旋转地设置在所述定子的内部轴向孔内，以在所述转子与定子之间形成移动室；以及

显示阻尼系统，与所述衬套的至少一个轴向部分分开地设置在所述衬套的至少一个轴向部分的内部。

2.根据权利要求1所述的渐进腔马达或泵，其中，

所述显示阻尼系统是弹簧。

3.根据权利要求2所述的渐进腔马达或泵，其中，

在所述多个轴向部分中的至少两个之间存在轴向间隙。

4.根据权利要求1所述的渐进腔马达或泵，其中，

在所述多个轴向部分中的至少两个之间存在轴向间隙。

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