CN110326196B - 形成用于井下电动机的定子的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造定子的方法，包括将具有内表面的内部管状构件定位在外部管状构件内，将硬质芯棒安装在所述内部管状构件内，以及对所述内部管状构件和所述外部管状构件中的至少一者施加压缩力。

Description

形成用于井下电动机的定子的方法
相关申请
本申请要求在2017年2月21日提交的美国申请第15/437612号的权益，所述美国申请以引用的方式整体并入本文中。
背景技术
井下操作常常包括从井上系统延伸到地层中的井下钻柱。井上系统可以包括支持资源勘探、开发和开采的平台、泵和其他系统。在资源勘探操作期间，引导钻头通过地层以形成井眼。钻头可以直接从平台驱动，或经由井下流体的流动而直接地且间接地驱动，井下流体可以呈现通过电动机的钻孔泥浆的形式。
例如井下电动机的电动机包括具有多个叶状突起的定子外壳和具有另外多个叶状突起的转子。定子是通过井下钻柱来旋转，而转子是通过流体的流动来旋转。转子上的叶状突起的数目比定子上的叶状突起的数目少一个。这样，流体的流动以偏心方式驱动转子，同时电动机以同心方式驱动钻头。定子外壳可以通过在管状构件内安装具有选定外部剖面的芯棒来形成。利用选定压力将施力构件压向管状构件。管状构件的内部表面呈现选定外部剖面。定子外壳也可以通过将熔融金属倾倒到具有选定外部剖面的芯棒上而形成。
发明内容
一种制造定子的方法包括：将具有内表面的内部管状构件定位在外部管状构件内；将硬质芯棒安装在所述内部管状构件内；以及对所述内部管状构件和所述外部管状构件中的至少一者施加压缩力。
一种被配置成在井下环境中使用的莫依诺系统包括：内部管状构件，所述内部管状构件包含第一金属材料，所述内部管状构件具有外表面和与所述内部管状构件整体形成的螺旋叶状内表面；以及外部管状构件，所述外部管状构件包含不同于所述第一金属材料的第二金属材料。所述内部管状构件通过形式配合连接到所述外部管状构件。所述内部管状构件和所述外部管状构件形成所述莫依诺系统的定子。
附图说明
现在参考图式，其中类似元件在几个图中编号相似：
图1A描绘根据示例性实施方案形成的包括金属外壳的井下电动机的电源区段的横截面图；
图1B描绘根据示例性实施方案形成的图1A的井下电动机的轴承总成的横截面图；
图2根据示例性实施方案的方面描绘定子的轴向端视图；
图3根据示例性实施方案描绘用于制造复合金属外壳的旋转系统的主视图；
图4根据示例性实施方案的另一方面描绘用于制造复合金属外壳的旋转系统的主视图；
图5根据示例性实施方案的又一方面描绘用于制造复合金属外壳的旋转系统的主视图；
图6根据示例性实施方案的再一方面描绘用于制造复合金属外壳的锻造过程；以及
图7描绘根据示例性实施方案的方面形成的金属外壳的部分剖视图。
具体实施方式
根据示例性实施方案，在图1A和图1B中用10整体地图示井下电动机。根据莫依诺原理，井下电动机10可以采用容积式电动机的形式，所述电动机具有操作地联接到轴承总成14(图1B)的电源区段12(图1A)。就是说，井下电动机10可以采用被配置成在井下环境中使用的莫依诺系统的形式。电源区段12包括限定定子18的细长复合金属外壳16。术语“复合”应当理解为描述定子18可以如下文将详述地用多个材料层形成。定子18包括内部20，所述内部具有呈螺旋叶状内表面22的形式的选定内部轮廓，所述螺旋叶状内表面可以由弹性层24或由预先造型的金属外壳限定。将理解，在预先造型的金属外壳的情况下，螺旋叶状内表面22可以被弹性体材料、非弹性体材料(被称为衬里定子)覆盖，或视井下电动机10的操作条件而保持不被覆盖。
井下电动机10还包括布置在内部20中的转子28。转子28包括螺旋叶状外表面30，所述螺旋叶状外表面与定子18的螺旋叶状内表面22啮合。螺旋叶状外表面30包括比螺旋叶状内表面22少一个的叶状突起。转子28包括第一末端部分32、第二末端部分33和中间部分34。
在操作中，具有螺旋叶状外表面30的转子28在具有螺旋叶状内表面22的定子18内旋转，以形成多个轴向流体腔室或空腔40，所述轴向流体腔室或空腔可以用在从定子18的井上末端44到井下末端46的方向43上流经内部20的加压钻孔流体37填充。图1B中所图示的轴承总成14包括挠性轴50，所述挠性轴联接到带有钻头盒54的可旋转驱动轴52。将理解，额外部件(未示出)可以布置在电源区段12与轴承总成14之间。钻头盒54可以操作地连接到钻头(未示出)。
根据图2中图示的示例性实施方案，限定定子18的复合金属外壳16包括由第一材料(未单独标出)形成的外部管状构件60，所述外部管状构件与由可以不同于所述第一材料的第二材料(也未单独标出)形成的内部管状构件62操作地连接。术语“复合”应当理解为描述定子18可以由多个材料层形成。内部管状构件62可以经由各种过程连接到外部管状构件60，如下文将更全面地讨论。根据示例性实施方案的方面，内部管状构件62可以延伸外部管状构件60的整个纵向长度。然而，将理解，内部管状构件62可以在外部管状构件60的仅一部分上方延伸。内部管状构件62示出为包括螺旋叶状内表面22。然而，应当理解，螺旋叶状内表面22可以延伸到外部管状构件60中。
根据示例性实施方案的方面，形成外部管状构件60的第一材料包括经过选择以支持与井下环境相关联的钻孔负载和条件的选定材料性质，例如强度性质、耐化学性、耐蚀性和/或脆性。
根据示例性实施方案的另一方面，可以针对其他所要的材料性质来选择形成内部管状构件62的第二材料。举例来说，可以选择第二材料以包括关于机械、材料和化学性质的特定表面性质，例如摩擦、粗糙度、硬度和/或脆性、导热性、延展性、导电性、耐磨性和耐化学性或化学反应性。举例来说，第二材料可以包括低摩擦系数。术语“低摩擦系数”应当理解为意味允许转子28以有限磨损在定子18内旋转的材料。低摩擦系数材料的使用可以排除复合金属外壳16中对内层的需要。
在另一实例中，可以针对用作内层的弹性体材料、用作内层的非弹性体材料或具有其他所要性质的另一材料的经过改进的结合性质来选择第二材料。用于内部管状构件62的所要材料的实例可以包括铜及铜合金、钼及钼合金、镍及镍合金、具有各种性质(防蚀性、能够硬化、能够回火)的钢、双相钢、适合于化学和/或电化学蚀刻以产生特定表面粗糙度的材料。在另一实例中，第二材料可以更软并且流动性更强，以便更容易以高准确度形成叶状突起。
根据示例性实施方案的方面，外部管状构件60和内部管状构件62可以拥有类似的径向厚度。根据示例性实施方案的另一方面，外部管状构件60和内部管状构件62可以拥有不同的径向厚度。根据示例性实施方案的另一方面，外部管状构件60可以形成具有大于内部管状构件62的径向厚度的径向厚度。相反地，内部管状构件62可以形成具有大于外部管状构件60的径向厚度的径向厚度。
根据示例性实施方案的另一方面，各种方法可以用于定位也被称为衬里的内层(未示出)，或精整内部管状构件62的内表面22，例如物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、注射成型、等离子喷涂工艺、喷涂、化学沉积、氮化、渗碳、等离子聚合物涂布、氮碳共渗、渗硼/硼化、热固工艺、焙烧工艺、老化。用于内层的所要材料的实例可以包括弹性体材料、热塑性材料、金属材料、陶瓷材料、铬、石墨、类钻石碳(DLC)和替代的合适材料。
在描述用于形成复合金属外壳16的各种工艺时将参考图3到图6。图3描绘短行程滚动过程110。外部管状构件60定位成围绕内部管状构件62。硬质芯棒132可以布置在内部管状构件62的内部20中。根据示例性实施方案的方面，硬质芯棒132可以采用轮廓形成构件的形式。硬质芯棒132包括第一末端134、第二末端135和中间部分136。中间部分136包括成形外表面138，所述成形外表面限定对应于螺旋叶状内表面22的选定轮廓。成形外表面138的特定形状、形式和/或整体几何形状可以视螺旋叶状内表面22的所要形状、形式和/或几何形状而改变。硬质芯棒132限定复合金属外壳16的旋转轴线139。
内部和外部管状构件62和60定位在描绘为第一辊140的第一施力构件与描绘为第二辊141的第二施力构件之间。由于每个辊140、141基本上以类似方式形成，因此关于辊140的详细描述将跟随辊141可以包括类似结构的理解。辊140包括辊模143，所述辊模在由箭头145所示的方向上在外部管状构件60上击打或往复运动。辊140和141将外部管状构件60径向地向内压向内部管状构件62。外部和内部管状构件60和62均被径向地向内压向硬质芯棒132，从而施加压缩力。借助于非限制性实施方案，硬质芯棒132可以从第一末端134渐缩到第二末端135，其中第二末端具有小于第一末端134的外部尺寸(也未单独标出)的外部尺寸(未单独标出)。锥度利于从复合金属外壳16容易地移除硬质芯棒132。
辊140包括卡尺区段148，所述卡尺区段限定朝向外部管状构件60和内部管状构件62的辊模143的行进深度。辊模143与外表面153或辊模143之间的间隙150沿着行程路径154增大，所述行程路径限定在第一末端区段155与第二末端区段156。在操作中，辊140和141压着外部管状构件60，并且沿着移动轴线160沿着行程路径154往复运动。辊模143沿着行程路径154行进到更大深度，从而施加压缩力。同时，复合金属外壳16围绕轴线162旋转，如箭头163所示。随着过程继续，内部管状构件62呈现对应于形成螺旋叶状内表面22的硬质芯棒132的成形外表面138的形状。除了形成螺旋叶状内表面22之外，由辊140和141施加的压缩力还将外部管状构件60压到内部管状构件62上。在另一实施方案中，硬质芯棒132可以不具有成形外表面，并且可以只用于压缩外部管状构件60和内部管状构件62，而不形成内部成形表面。
根据示例性实施方案的另一方面，外部管状构件60和/或内部管状构件62可以包括多个材料层，所述材料层可以经由施加压缩力来连接以形成定子18的复合金属外壳16。或者，替代压缩力，例如黏附、锻造、冷焊、热焊、化学连接、如形式配合的机械连接的其他连接方法可以用于结合外部管状构件60与内部管状构件62。术语“形式配合”应当理解为描述至少两个连接搭档的联锁。结果，连接搭档不能在没有间歇力传递的情况下或在间歇力传递期间彼此脱离。因此，在一个连接搭档的形式配合或“形式锁定连接”的情况下，另一个连接搭档挡道。此外，当施加压缩力时，热可以施加以进一步增强连接特性(冷轧)(热轧)。冷可以是高达大约100摄氏度的温度，中间温度可以是大约100摄氏度到600摄氏度，热温度可以是900摄氏度和更高的温度。
在描述使用示出为第一辊172的第一施力构件和示出为第二辊173的第二施力构件的长行程滚动过程170时，接下来现将参考图4，其中类似参考数字表示相应视图中的对应部分。由于每个辊172、173基本上以类似方式形成，因此关于辊172的详细描述将跟随辊173可以包括类似结构的理解。辊172包括辊模177，所述辊模具有比行程路径154(图3)长的行程路径180。行程路径180在第一末端182与第二末端183之间延伸。
在操作中，例如辊172和173的两个辊压迫施加压缩力的外部管状构件60，并且沿着移动轴线185沿着行程路径180往复运动。辊177沿着行程路径180行进到更大深度。同时，复合金属外壳16(图2)围绕轴线162旋转，如图4中的箭头163所示。随着过程继续，内部管状构件62呈现对应于形成螺旋叶状内表面22(图1A)的硬质芯棒132的成形外表面138的形状。除了形成螺旋叶状内表面22之外，由辊172和173施加的压缩力还将外部管状构件60压向内部管状构件62。
在描述使用示出为第一辊192的第一施力构件、示出为第二辊193的第二施力构件和示出为在由箭头196a到196c识别的方向上围绕对应中心轴线(未单独标出)旋转的第三辊194的第三施力构件的滚动过程190时，接下来现将参考图5，其中类似参考数字表示相应视图中的对应部分。具有成形外表面202的硬质芯棒200被布置在内部管状构件62的内部(未单独标出)中。在操作中，辊192到194旋转，并且在由箭头206a到206c识别的方向上径向上向内压，从而对外部管状构件60和内部管状构件62施加压缩力。同时，外部和内部管状构件60和62在由箭头209识别的与第一、第二和第三辊192、193和194相反的方向上旋转。随着过程继续，内部管状构件62呈现对应于形成螺旋叶状内表面22的硬质芯棒200的成形外表面202的形状。除了形成螺旋叶状内表面22之外，由辊192到194施加的压缩力还将外部管状构件60压向内部管状构件62。
在描述旋转锻造过程212时，接下来现将参考图6，其中类似参考数字表示相应视图中的对应部分。旋转锻造过程212使用多个施力构件，所述施力构件以围绕外部管状构件60和内部管状构件62布置的锻造装置或保形块214a、214b、214c和214d的形式示出。每个保形块214a到214d包括对应的凹陷内表面216a到216d。保形块214a到214d在由对应箭头218a到218d识别的方向上在径向上向内压，从而对外部管状构件60和内部管状构件62施加压缩力。具有成形外表面226的硬质芯棒224被布置在内部管状构件62的内部20内。
在操作中，保形块214a到214d在径向上向内压。同时，复合金属外壳16的外部和内部管状物60和62在由箭头228识别的方向上旋转。随着过程继续，内部管状构件62呈现对应于例如图2中示出的形成螺旋叶状内表面22的硬质芯棒224的成形外表面226的形状。除了形成螺旋叶状内表面22之外，由保形块214a到214d施加的压缩力还将外部管状构件60压向内部管状构件62，从而形成连接。
一旦定子18的复合金属外壳16(图1A)形成，一个或多个通道可以在螺旋叶状内表面22中形成，所述通道中的一个在图7中用250来指示。通道250可以促进井下电动机10的冷却。另外，将理解，形成定子18的复合金属外壳16可以包括一个或多个通道和/或通路，所述通道和/或通路可以充当电力缆线、液压线路和类似物的管道。通道250可以通过在形成螺旋叶状内表面22之前在外部管状构件60与内部管状构件62之间放置可以呈现大块材料(未示出)的形式的第三材料来实现。大块材料稍后可以通过多种已知工艺中的一种来溶解，例如通过加热、蚀刻、应用化学、消减、加工方法或例如图7中示出的类似工艺。通过非限制性实例，大块材料可以采用圆形棒构件、非圆形棒构件,折叠棒构件和/或非折叠棒构件的形式。
还将理解，形成定子18的复合金属外壳16可以通过上述的方法和/或其他合适的工艺来形成。使用不同材料形成复合金属外壳16提供更好的强度特性，而且增强耐磨性和耐蚀性。举例来说，外部管状构件60可以由具有所要强度特性的第一材料形成，而内部管状构件62可以由适合于选定成型操作的第二材料形成。也可以针对包括硬面、防腐蚀的所要精整特性来选择第二材料，但不损害例如强度和成形性的其他所要性质。
应当理解，额外层(未示出)可以存在于外部管状构件60与内部管状构件62之间，所述额外层促进连接内部与外部管状物和/或提供所有的热障壁、电气绝缘层、材料扩散层或类似物。这种中间层可以覆盖外部管状构件60的内表面的全部或一部分。此外，将理解，外部管状构件60可以预先成形。
尽管使用本文中所描述的方法来形成螺杆电动机的定子，但是所述方法也可以用于形成其他定子，例如用于遵循莫依诺原理的螺杆泵的定子。
实施方案1：一种制造定子的方法，所述方法包括：将具有内表面的内部管状构件定位在外部管状构件内；将硬质芯棒安装在所述内部管状构件内；以及对所述内部管状构件和所述外部管状构件中的至少一者施加压缩力。
实施方案2：如实施方案1的方法，其中将所述内部管状构件定位在所述外部管状构件内包括将由第一材料形成的内部管状构件定位在由不同于所述第一材料的第二材料形成的外部管状构件中。
实施方案3：如实施方案2的方法，其中所述第一材料比所述第二材料更柔韧。
实施方案4：如实施方案2的方法，所述方法还包括：将第三材料定位在所述内部管状构件与所述外部管状构件之间；以及在所述内部管状构件与所述外部管状构件之间用所述第三材料形成一个或多个通道。
实施方案5：如实施方案4的方法，其中用所述第三材料形成所述一个或多个通道包括加热所述第三材料、蚀刻所述第三材料和对所述第三材料进行电化学加工中的至少一者。
实施方案6：如实施方案4的方法，其中定位所述第三材料包括在所述内部管状构件与所述外部管状构件之间引入由所述第三材料形成的圆形棒构件、非圆形棒构件和折叠棒构件和非折叠棒构件中的一者。
实施方案7：如实施方案1的方法，其中安装所述硬质芯棒包括将具有选定轮廓的构件安装在所述内部管状构件内。
实施方案8：如实施方案7的方法，其中施加所述压缩力包括在所述内部管状构件的所述内表面上形成所述选定轮廓。
实施方案9：如实施方案8的方法，其中形成所述选定轮廓包括在所述内部管状构件的所述内表面上形成至少一个叶状突起。
实施方案10：如实施方案8的方法，所述方法还包括：在形成于所述内部管状构件的所述内表面上的所述选定轮廓上定位内层。
实施方案11：如实施方案10的方法，其中定位所述内层包括将所述内层接合到所述选定轮廓。
实施方案12：如实施方案11的方法，其中将所述内层接合到所述选定轮廓包括将弹性体材料接合到所述选定轮廓。
实施方案13：如实施方案1的方法，其中施加所述压缩力包括在至少两个辊之间压缩所述外部管状构件。
实施方案14：如实施方案13的方法，其中在至少两个辊之间压缩所述外部管状构件包括使所述辊沿着所述外部管状构件移位。
实施方案15：如实施方案14的方法，其中通过所述至少两个辊施加所述压缩力包括旋转所述外部管状构件和所述内部管状构件。
实施方案16：一种被配置成在井下环境中使用的莫依诺系统，所述莫依诺系统包括：内部管状构件，所述内部管状构件包含第一金属材料，所述内部管状构件具有外表面和与所述内部管状构件整体形成的螺旋叶状内表面；以及外部管状构件，所述外部管状构件包含不同于所述第一金属材料的第二金属材料，其中所述内部管状构件通过形式配合连接到所述外部管状构件，所述内部管状构件和所述外部管状构件形成所述莫依诺系统的定子。
实施方案17：根据实施方案16的莫依诺系统，其中所述第一金属材料比所述第二金属材料更柔韧。
实施方案18：根据实施方案16的莫依诺系统，所述莫依诺系统还包括：一个或多个通道，所述一个或多个通道在所述内部管状构件与所述外部管状构件之间延伸。
实施方案19：根据实施方案16的莫依诺系统，所述莫依诺系统还包括：内层，所述内层设置在所述螺旋叶状内表面上。
实施方案20：根据实施方案19的莫依诺系统，其中所述内层包含弹性体材料。
术语“约”意图包括基于在提交申请时可用的设备的与对特定量的测量相关联的错误程度。举例来说，“约”能够包括给定值的±8％或5％或2％的范围。
尽管已经示出并且描述了一个或多个实施方案，但是在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对所述实施方案作出修改和置换。因此，将理解，本发明已通过说明和非限制的方式加以描述。

Claims (12)

1.一种制造定子(18)的方法，所述方法包括：
将具有内表面(22)的内部管状构件(62)定位在外部管状构件(60)内，即：将由第一材料形成的内部管状构件(62)定位在由不同于所述第一材料的第二材料形成的外部管状构件(60)中；
将硬质芯棒(132)安装在所述内部管状构件(62)内；
对所述内部管状构件(62)和所述外部管状构件(60)中的至少一者施加压缩力；
将第三材料定位在所述内部管状构件(62)与所述外部管状构件(60)之间；以及
在所述内部管状构件(62)与所述外部管状构件(60)之间用所述第三材料形成一个或多个通道(250)。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一材料比所述第二材料更柔韧。
3.如权利要求1所述的方法，其中安装所述硬质芯棒(132)包括将具有选定轮廓的构件安装在所述内部管状构件(62)内。
4.如权利要求3所述的方法，其中施加所述压缩力包括在所述内部管状构件(62)的所述内表面(22)上形成所述选定轮廓。
5.如权利要求4所述的方法，所述方法还包括：在形成于所述内部管状构件(62)的所述内表面(22)上的所述选定轮廓上定位内层。
6.如权利要求5所述的方法，其中定位所述内层包括将所述内层接合到所述选定轮廓。
7.如权利要求1所述的方法，其中施加所述压缩力包括在至少两个滚子(140)之间压缩所述外部管状构件(60)。
8.如权利要求7所述的方法，其中在至少两个滚子(140)之间压缩所述外部管状构件(60)包括使所述滚子(140)沿着所述外部管状构件(60)移位。
9.一种通过权利要求1的方法形成的井下电动机，所述井下电动机被配置成当处在以下情况下时在井下环境中使用：
内部管状构件(62)包含第一金属材料，所述内部管状构件(62)具有外表面(30)和与所述内部管状构件(62)整体形成的螺旋叶状内表面(22)；并且
外部管状构件(60)包含不同于所述第一金属材料的第二金属材料，其中所述内部管状构件(62)通过形式配合连接到所述外部管状构件(60)，所述内部管状构件(62)和所述外部管状构件(60)形成莫依诺系统的定子(18)；
一个或多个通道在所述内部管状构件与所述外部管状构件之间延伸。
10.如权利要求9所述的井下电动机，其中所述第一金属材料比所述第二金属材料更柔韧。
11.如权利要求9所述的井下电动机，所述井下电动机还包括：内层，所述内层设置在所述螺旋叶状内表面上。
12.如权利要求11所述的井下电动机，其中所述内层包含弹性体材料。
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