CN113767208A - 耐磨振动组件和方法 - Google Patents

Abstract

一种振动组件，包括位于转子和定子上方的阀。当流体流过转子时，转子在定子内旋转。该阀包括随转子旋转的旋转阀段和非旋转阀段，旋转阀段和非旋转阀段各自包括至少一个流体通道。在打开位置，阀段的流体通道对准，并且流体流过阀。在限制位置，阀段的流体通道部分或完全不对准，从而产生经过阀上方的钻柱或连续油管传播的压力脉冲。阀还可以包括环绕非旋转阀段的内部套筒和外部套筒。内部套筒和外部套筒允许轴向滑动，但防止非旋转阀段旋转。该组件还可以包括位于转子的下端处的下推力轴承。

Description

耐磨振动组件和方法

发明背景

在钻石油和天然气井时，井下钻井马达和钻头附接到钻柱的端部。大多数井下钻井马达包括在定子内旋转的转子。转子的旋转在邻近的钻头切割穿过地下地层以钻出井筒时向该邻近的钻头提供振动。当钻柱的端部处的钻头将井筒延伸到地层更深处时，钻柱滑过井筒的较高部分。振动工具有时在钻头上方一定距离(例如，钻头上方800-1500英尺)附接到钻柱。振动工具向振动工具上方的钻柱部分提供振动，从而促进钻柱穿过井筒的运动。常规的振动工具包括由在定子内旋转的转子构成的动力部分和位于转子下方的阀。随着转子旋转，阀周期性地限制流体流通过振动工具，这产生压力脉冲或水锤，该压力脉冲或水锤通过动力部分传播并向上经过振动工具上方的钻柱部分。

附图简述

图1A-1B是振动组件的剖面图。

图2是振动组件的旋转阀段的俯视图。

图3是振动组件的静止阀段的俯视图。

图4A-4C是振动组件的另一个剖面图。

图5A-5D是包括震动组件的振动组件的剖面图。

图6A-6B是振动组件的可替代的实施例的剖面图。

图7是图6A-6B的振动组件的静止阀段的俯视图。

图8是图6A-6B的振动组件的旋转阀段的俯视图。

图9A-9C是耐磨振动组件的剖面图。

图10是图9A-9C中耐磨振动组件的阀的细节剖面图。

图11是耐磨振动组件的可替代的阀的细节剖面图。

图12是耐磨振动组件中的阀的内部套筒和外部套筒沿着图10中的线A-A截取的剖面图。

图13为可替代的内部套筒和外部套筒沿着图10中的线A-A截取的剖面图。

图14是第二可替代的内部套筒和外部套筒沿着图10中的线A-A截取的剖面图。

图15是第三可替代的内部套筒和外部套筒沿着图10中的线A-A截取的剖面图。

图16是耐磨振动组件的下推力轴承的细节剖面图。

图17是可替代的下推力轴承的细节剖面图。

优选实施例的详细描述

本公开的振动组件可以附接到钻柱并下降到井筒中。振动组件可以包括位于动力部分上方的阀。动力部分可以是正排量动力部分、涡轮或任何其他利用流体流产生扭矩的液压马达机构。在一个实施例中，动力部分是正排量动力部分，包括至少部分地设置在定子内的转子。转子构造成当流体流过振动组件时在定子内旋转。该阀可以包括旋转阀段和静止阀段，旋转阀段和静止阀段各自包括至少一个流体通道。旋转阀段构造成随着转子的旋转而旋转，而静止阀段保持固定(即不旋转)。在打开位置，旋转阀段的流体通道与静止阀段的流体通道对准，并且流体流过阀的这些流体通道。在限制位置，旋转阀段的流体通道不与静止阀段中的流体通道对准(例如，至少部分地不对准)，从而暂时限制通过阀的流体流。该流动限制产生了压力脉冲或水锤，该压力脉冲或水锤向上游传播，从而使振动组件上方的钻柱或连续油管伸出和缩回。因为阀位于动力部分上方，所以本公开的振动组件比常规振动工具更有效地将压力脉冲传播到上方的钻柱。在某些实施例中，振动组件还可以包括设置在振动组件的上端处的震动组件。当存在震动组件时，震动组件有助于振动组件上方的钻柱相对于振动组件下方的钻柱的相对轴向运动，从而使振动组件上方的钻柱振动。

在一些实施例中，挠性轴或刚性缆绳可以将阀和动力部分互连。挠性轴或缆绳的上端可以附接到旋转阀段，而挠性轴或缆绳的下端可以附接到转子。以这种方式，挠性轴或缆绳将扭矩从转子传播到旋转阀段，以使旋转阀段随着转子的旋转而旋转。

图1A-1B示出了本公开的振动组件的一个实施例。振动组件10包括阀12、附接到阀12的下端的挠性轴14、附接到挠性轴14的下端的转子16以及至少部分地围绕转子16设置的定子18。阀12包括旋转阀段20和静止阀段22。在该实施例中，旋转阀段20位于静止阀段22下方，但是其他实施例可以包括位于静止阀段22上方的旋转阀段20。振动组件10还可以包括一个或更多个具有内孔的管状壳体段，其中阀12、挠性轴14、转子16和定子18设置在内孔中。

参考图2和图3，旋转阀段20可以由包括流体通道24和26以及中心通道28的板或盘形成。静止阀段22可以由包括流体通道30和32以及中心通道34的板或盘形成。在打开位置，旋转阀段20的通道24、26至少部分地与静止阀段22的通道30、32对准，以允许流体流过阀12。当旋转阀段20的通道24、26与静止阀段22的通道30、32不对准时，流体流可能被暂时地限制。在该限制位置，流体依次地流过旋转阀段20和静止阀段22的中心通道28、34，以保证驱动定子18中的转子16的最小流体流量。

在其他实施例中，旋转阀段20和静止22不包括中心通道。而是，阀段20、22的流体通道被布置成使得在限制位置中旋转阀段20的至少一个流体通道与静止阀段22的流体通道部分地对准，以保证驱动定子18中的转子16的最小流体流量。

现在参考图4A-4C，旋转阀段20固定到挠性轴14的上端36，使得旋转阀段20随着挠性轴14旋转。挠性轴14的中心孔38从上端36延伸到流体通道40。挠性轴14可以包括任意数量的流体通道40，以支持流体流通过中心孔38。挠性轴14的围绕中心孔38的上部可由两个或更多个段形成，例如段42、44。推力轴承46和径向轴承48可围绕段42设置，而径向轴承48可以邻接段44的上端。静止阀段22设置在旋转阀段20和螺母50之间。压紧套筒52可以围绕静止阀段22和挠性轴14的上部的段42设置。压紧套筒52的上端可以邻接螺母50的下端。静止阀段22可以通过螺母50保持在非旋转且静止位置。径向轴承48可以由压紧套筒52和螺母50保持。在流体通道40下方，挠性轴14可以由足够长的杆或棒形成，以提供抵消多叶转子的偏心运动的柔性。挠性轴14的下端54可以固定到转子16的上端56。在一个实施例中，挠性轴14和转子16可以螺纹连接。这样，转子16通过挠性轴14悬挂在定子18内。

壳体60可以包括内孔61。壳体60可以由壳体段62、64、66和68形成，每个壳体段包括内孔。螺母50可以螺纹连接到壳体段64的内孔。径向轴承48可以接合壳体段64的肩部，以支撑推力轴承46、压紧套筒52和静止阀段22，从而可操作地将挠性轴14和转子16悬挂在壳体60的内孔61内。定子18可以固定在壳体段66的内孔中。壳体段68可以包括安全肩部70，安全肩部70被设计成在转子16与挠性轴14断开或者挠性轴14与壳体段64断开的情况下接住转子16。壳体段68还可以包括流体旁路72，以在转子16接合安全肩部70的情况下允许流体流通过内孔61。

仍然参考图4A-4C，振动组件10可以通过将壳体段62螺纹连接到第一钻柱段并将壳体段68连接到第二钻柱段而固定在钻柱内。流体可以经过第一钻柱段的内孔被泵送并进入壳体60的内孔61。当阀12处于打开位置时，流体可以流过静止阀段22的流体通道30、32和旋转阀段20的流体通道24、26。流体流可以继续流入挠性轴14的中心孔38，并通过挠性轴14的流体通道40流出，以返回壳体60的内孔61。流体可以围绕壳体60的内孔61中的挠性轴14以及围绕转子16的上端56流动。转子16包括与定子18的一定数量的空腔相关联的多个叶片。当流体到达定子18时，流体流过定子18和转子16之间的空腔。这种流体流导致转子16在定子18内旋转。这样，转子16和定子18形成正排量动力部分。流体流从定子18的下端74流出，返回壳体60的内孔61，并继续流入振动组件10下方的第二钻柱段的内孔。

当流经定子18的流体流使转子16旋转时，挠性轴14和旋转阀段20随着扭矩传递到这些元件而旋转。旋转阀段20相对于静止阀段22旋转，这使得阀12在打开位置和限制位置之间循环，在限制位置，流体流被限制到旋转阀段20和静止阀段22的中心通道28、34。这种流体流的限制产生了压力脉冲或水锤，该压力脉冲或水锤向上游传播到振动组件10上方的钻柱。所产生的重复的压力脉冲导致振动组件10上方的钻柱的伸出和缩回，从而促进振动并便于钻柱穿过井筒的运动。振动可以减少钻柱的外表面和井筒的内表面之间的摩擦。

在可替代的实施例中，动力部分由涡轮或任何其他液压马达机构形成，用于利用流体流产生扭矩。动力部分包括至少一个转子元件，该转子元件构造成随着流体流通过动力部分而旋转。转子元件可操作地连接到旋转阀段，使得旋转阀段随着转子的旋转而旋转。

图5A-5D示出了本公开的振动组件的另一可替代的实施例。振动组件80包括与上文结合振动组件10描述的特征相同的特征，其中相同的附图标记表示上述相同的结构和功能。振动组件80还包括一体形成的震动组件82，该震动组件82被设计成利用由振动组件80传播的压力脉冲来促进相邻钻柱中的轴向运动。在其他实施例中，单独的震动组件可以放置在振动组件上方。在其他实施例中(如图1A-4C所示)，振动组件可以在没有震动组件的情况下工作，例如振动组件与连续油管一起使用的应用。

在图5A-5D所示的实施例中，震动组件82可以包括第一接头(sub)84和心轴86，心轴86至少部分地可滑动地设置在第一接头84的内孔88内。心轴86的上端90延伸到第一接头84的上端92之上。震动组件82还可以包括活塞98和弹簧100。活塞98可以螺纹固定到心轴86的下端106。弹簧100围绕心轴86设置并且位于第一接头84的内孔88内。弹簧100被构造成随着心轴86相对于第一接头84在两个方向上的轴向运动而被压缩。震动组件82还可以包括挠性接头118。挠性接头118的下端可以固定到阀12上方的壳体段62的上端。以这种方式，震动组件82设置在壳体60上方。挠性接头118的上端可以固定到震动组件82的第一接头84的下端。震动组件82的心轴86的上端90可以固定到钻柱段，以将振动组件80定位在钻柱中。由阀12产生的压力脉冲可以导致心轴86相对于第一接头84沿轴线在两个方向上移动(即，在两个轴向方向上)。

图6A-6B示出了本公开的振动组件的另一可替代的实施例，其中相同的附图标记表示与上述相同的结构和功能。振动组件130包括设置在转子16和定子18上方的阀132，它们都设置在壳体60的内孔61内，壳体60包括壳体段62、134、66和68。振动组件130还包括将阀132和转子16互连的适配器136和柔性线138。适配器136的下端140固定到转子16的上端56，适配器136的上端142固定到柔性线138的下端144。阀132可以包括旋转阀段146和静止阀段148。静止阀段148可以接合壳体段134的内肩部149并由其支撑。旋转阀段146可以位于静止阀段148上方和螺母50下方，螺母50螺纹连接到壳体段134的内孔的表面。这样，转子16通过适配器136、柔性线138和旋转阀段146悬挂在壳体60的内孔61内和定子18内。旋转阀段146的外表面150由径向套筒151径向引导。径向套筒151的上端邻接螺母50的下端，而径向套筒151的下端邻接静止阀段148的上端。由于螺母50通过径向套筒151施加的压力，静止阀段148可以保持在非旋转且静止位置。

现在参考图7和图8，静止阀段148可以由包括流体通道152和153以及中心孔154的板或盘形成。旋转阀段146可以由包括流体通道156和中心孔158的板或盘形成。在打开位置，旋转阀段146的通道156至少部分地与静止阀段148的通道152或通道153对准，以允许流体流过阀132。在限制位置，旋转阀段146的通道156与静止阀段148的通道152、153(至少部分地)不对准。

再次参考图6A-6B，柔性线138穿过静止阀段148的中心孔154设置。柔性线138的上端160固定到旋转阀段146的中心孔158。由于转子16产生的压降，柔性线138处于张紧状态，并且静止阀段148用作作用在旋转阀段146上的推力轴承。柔性线138可以由缆绳、绳索、杆、链或任何其他具有足够刚度以在适配器136和旋转阀段146之间传递扭矩的结构形成。例如，柔性线138可以由钢丝绳或缆绳形成。柔性线138可以通过夹紧、编结、楔入、用固定螺栓或任何其他合适的方式固定到中心孔158。转子16的旋转可以旋转适配器136、柔性线138和旋转阀段146。转子16在壳体62的内孔61内的悬挂布置允许在轴16和阀132之间使用柔性线138(而不是刚性的挠性轴)，与常规的振动工具相比，这减少了振动组件130的总长度和重量。

振动组件130可以通过将壳体段62螺纹连接到第一钻柱段并将壳体段68连接到第二钻柱段而固定在钻柱内。流体可以经过第一钻柱段的内孔被泵送并进入壳体60的内孔61。当阀132处于打开位置时，流体可以流过旋转阀段146的流体通道156和静止阀段148的流体通道152或153。流体流可以围绕柔性线138、围绕适配器135以及围绕转子16的上端56继续进入壳体60的内孔61。当流过定子18的流体流使转子16旋转时(如上所述)，适配器136、柔性线138和旋转阀段146随着扭矩传递到这些元件而旋转。旋转阀段146相对于静止阀段148旋转，这使阀132在打开位置和限制位置之间循环，在限制位置，通过阀132的流体流受到限制。这种流体流的限制产生了压力脉冲或水锤，该压力脉冲或水锤向上游传播到振动组件130上方的钻柱。所产生的重复的压力脉冲导致钻柱的伸出和缩回，从而在振动组件130上方的钻柱中引发振动，进而促进和便于钻柱穿过井筒的运动。振动可以减少钻柱的外表面和井筒的内表面之间的摩擦。

在一个实施例中，振动组件130还包括震动组件，例如震动组件82。震动组件有助于振动组件130上方的钻柱相对于振动组件130下方的钻柱的轴向运动(在两个方向上)。

在常规的振动工具中，阀位于正排量动力部分的下方。在常规的振动工具的阀中产生的压力脉冲在被传播到上方的钻柱之前必须被传播经过正排量动力部分。因为动力部分被设计成将液压能转换成机械能，所以常规的振动工具的正排量动力部分通过将一定量的液压能转换成机械能来克服转子和定子之间的摩擦，从而使用由下方的阀产生的压力脉冲的一部分液压能，该摩擦由正排量动力部分本身的机械效率限定。此外，常规的振动工具中的定子的橡胶或其他柔性材料在与转子接触时被压缩，这抑制了压力脉冲的幅度，因为压力脉冲在被传播到上方的钻柱之前被迫行进通过正排量动力部分。

在本公开的振动组件中，阀设置在动力部分上方。阀产生的压力脉冲被传播到上方的钻柱，而不行进经过动力部分。换句话说，本公开的振动组件将无阻碍的压力脉冲或水锤传播到上方的钻柱或连续油管。因此，本公开的振动组件比常规的振动工具更有效地将压力脉冲或水锤和振动能量传播到上方的钻柱。

在另一实施例中，耐磨振动组件可以被设计成防止旋转阀段和非旋转阀段之间的分离。在一个实施例中，耐磨振动组件可以包括位于转子的下端处的下推力轴承。当推力轴承的部分在使用中磨损时，下推力轴承可以防止转子、挠性轴和阀段的轴向运动。在另一个实施例中，耐磨振动组件可以包括位于旋转阀段上方的非旋转阀段，其中非旋转阀段被构造为在预定范围内轴向移动而不旋转(即，轴向滑动的非旋转阀段)。在又一实施例中，耐磨振动组件包括下推力轴承和非旋转阀段两者，该非旋转阀段构造成在预定范围内轴向移动而不旋转。

图9A-9C示出了耐磨振动组件200。除非另有说明，耐磨振动组件200的部件包括与上文结合振动组件10的对应部件描述的相同的特征。振动组件200包括位于旋转阀段204上方的非旋转阀段202。旋转阀段204可以旋转地固定到心轴234的上端206。心轴234连接到挠性轴208，使得挠性轴208的旋转使心轴234和旋转阀段204旋转。心轴234和挠性轴208可以通过螺纹相互固定。挠性轴208的下端210可以固定到转子214的上端212，转子214可以至少部分地穿过定子216设置。

阀段202和204、心轴234、挠性轴208、转子214和定子216均设置在壳体的中心孔内，该壳体可以由壳体段形成。例如，壳体段218可以设置在阀段202和204的上方。阀段202和204、心轴234和挠性轴208可以穿过壳体段222的中心孔220设置。挠性轴208的下端210、转子214和定子216可以设置在壳体段226的中心孔224内。壳体段228可以设置在转子214的下端230下方。相邻的壳体段可以通过螺纹相互固定。

心轴234的中心孔231从上端206延伸到挠性轴208的中心孔233，该中心孔233延伸到挠性轴208的流体通道232。挠性轴208可以包括任意数量的流体通道232，以支持流体分别流过心轴234的中心孔231和挠性轴208的中心孔233。挠性轴208的围绕中心孔233的上部236连接到心轴234的下端。推力轴承238和径向轴承240、242可以围绕心轴234设置。推力轴承238可以包括内圈244、外圈246和设置在内圈244和外圈246之间的部分空腔中的滚子元件248。径向轴承240、242可以邻接挠性轴208的上部236的上端。在流体通道232下方，挠性轴208可以由足够长的杆或棒形成，以提供抵消多叶转子的偏心运动的柔性。

阀段202和204可以各自由包括中心通道和一个或更多个流体通道的板或盘形成。在打开位置，阀段202的流体通道至少部分地与阀段204的流体通道对准，以允许流体流过阀组件。当旋转阀段204旋转使得阀段204的流体通道不与阀段202的流体通道对准时，流体流可以被暂时限制。在该关闭位置，最小量的流体可以流过阀段202和204的中心孔，以驱动定子216中的转子214。

参考图9A和图10，非旋转阀段202可以设置在旋转阀段204和心轴234的上端206上方。内部套筒250可以围绕非旋转阀202设置，而外部套筒252可以围绕内部套筒250设置。内部套筒250可以包括上肩部254，该上肩部254构造成保持非旋转阀段202(即，防止非旋转阀段202行进穿过内部套筒250中的孔的上端)。螺母256可以固定在壳体段222内的非旋转阀段202的上方。如图所示，螺母256可以螺纹连接在壳体段222内，以将外部套筒252、围绕心轴234的上端206设置的压紧套筒258、推力轴承238和径向轴承242固定在壳体段222内的适当位置。

现在参考图10，非旋转阀段202可以通过螺母50、外部套筒252和内部套筒250保持在非旋转位置。流经螺母256的中心孔的流体可以在内部套筒250的肩部254和非旋转阀段202上施加向下游的力，使得非旋转阀段202保持与旋转阀段204接触。

如图11所示，在一个实施例中，耐磨振动组件200还包括设置在螺母256的下端和内部套筒250的上表面之间的一个或更多个弹簧260。一个或更多个弹簧260在朝向旋转阀段204的下游方向上偏压内部套筒250和非旋转阀段202。在两个实施例中，振动组件200被构造为即使旋转阀段204由于推力轴承238的磨损而在壳体段222内沿下游方向移动，也保持两个阀段之间的接触。

参照图12-15，内部套筒250和非旋转阀段202构造成在外部套筒252内轴向滑动而不旋转。内部套筒250和外部套筒252各自包括配合的对准机构，该对准机构构造成允许内部套筒250和外部套筒252之间的相对轴向滑动并防止内部套筒250和外部套筒252之间的相对旋转。在图12所示的实施例中，内部套筒250和外部套筒252的配合的对准机构包括内部套筒250和外部套筒252中的轴向凹槽264。长形销266位于每组对准的轴向凹槽264内。内部套筒250的轴向凹槽264可以沿着长形销266滑动，以允许内部套筒250相对于外部套筒252轴向移动，而套筒之间没有相对旋转。在图13所示的第二实施例中，内部套筒250的配合的对准机构包括长形凹部268，并且外部套筒252的配合的对准机构包括固定在孔272内的销270。内部套筒250可以在外部套筒252内轴向滑动，其中销270接合长形凹部268以防止内部套筒250和外部套筒252之间的相对旋转。在图14所示的第三实施例中，内部套筒250的配合的对准机构包括平坦的外表面274，并且外部套筒252的配合的对准机构包括相互对应的平坦的内表面276，该平坦的内表面276构造成接合内部套筒250的平坦的外表面274。内部套筒250可以在外部套筒252内轴向滑动，其中平坦的表面274、276防止内部套筒250和外部套筒252之间的相对旋转。在图15所示的第四实施例中，内部套筒250的配合的对准机构包括花键轮廓外表面278，并且外部套筒252的配合的对准机构包括花键轮廓内表面280，该花键轮廓内表面280与内部套筒250的花键轮廓外表面278相互对应并构造成接合该花键轮廓外表面278。内部套筒250可以在外部套筒252内轴向滑动，其中花键轮廓表面278、280防止内部套筒250和外部套筒252之间的相对旋转。

再次参考图9C，耐磨振动组件200还可以包括位于转子214的下端230处的下推力轴承282。下推力轴承282承受轴向载荷，以减少推力轴承238内的部件的磨损，从而防止转子214、挠性轴208、心轴234和阀段204的轴向运动。

下推力轴承282可以由设置在第二轴承上方并与其接触的转子轴承形成。转子轴承和第二轴承都是推力轴承。转子轴承可以容纳在转子214的下端230中的空腔内。可选择地，下端230的下表面可以形成转子轴承。第二轴承可以容纳在塞子286的上端中的空腔内。可选择地，塞子286的上表面可以形成第二轴承。

塞子286可以包括流体通道288上方的上表面，该流体通道通向中心孔290。塞子286设置在转子214下方，其中塞子286的下端固定在壳体段228内。流体通道288可以设置在壳体段228的上端上方。塞子286可以包括任何数量的流体通道288，例如1至10个之间的流体通道288，或者其中的任何子范围。在一个实施例中，塞子286的中心孔290的直径大约等于壳体段228的中心孔292的直径。从转子214和定子216之间的空腔中流出的流体可以围绕塞子286的上端流动，流过流体通道288，流过塞子286的中心孔290，并进入壳体段228的中心孔292。

在图9C和图16所示的实施例中，下推力轴承282包括容纳在转子214的下端230中的空腔内的转子轴承294和容纳在塞子286的上端中的空腔内的第二轴承296。转子轴承294和第二轴承296可由耐磨金属、碳化钨、碳化硅、多晶金刚石复合片(PDC)、粗砂热压嵌件(GHI)或天然金刚石形成的块形成。

图17示出了下推力轴承282的另一个实施例。下推力轴承282可以包括位于转子214的下端230中的空腔中的转子轴承294、位于塞子286的上端中的空腔中的第二轴承296、以及设置在塞子286的上端中的空腔中的第二轴承296下方的弹簧298。在该实施例中，弹簧298在朝向转子轴承294的方向上偏压第二轴承296，以确保第二轴承296和转子轴承294之间的连续接触。弹簧298可以由螺旋弹簧、锥形盘簧、锥形弹簧垫圈、盘簧、贝氏弹簧或杯形弹簧垫圈形成。

可选择地，耐磨振动组件200可以不包括塞子286，并且下推力轴承282可以包括位于转子214的下端230中的空腔中的转子轴承294和固定到壳体段228的第二轴承296，使得转子轴承294和第二轴承296连续接触。如技术人员容易理解的，第二轴承296可以以多种方式(例如，用螺栓、销、螺钉、铜焊、焊接、冷缩配合布置或任何其他紧固装置)固定到壳体段228，并且壳体段228可以被修改以提供围绕第二轴承296并进入壳体段228的中心孔292的流体流。

在每个实施例中，下推力轴承282防止转子214、挠性轴208、心轴234和阀段204的轴向运动，以防止阀段202和204之间的分离。

在一个可替代的实施例中，耐磨振动组件200包括没有下推力轴承282的轴向滑动的非旋转阀段。在另一可替代的实施例中，除了轴向滑动的非旋转阀段之外，耐磨振动组件200还包括下推力轴承282。

耐磨振动组件200可以通过将壳体段218螺纹连接到第一钻柱段并将壳体段228连接到第二钻柱段而固定在钻柱内。流体以可经过第一钻柱段的内孔被泵送并进入壳体段218的内孔。当阀处于打开位置时，流体可以流过非旋转阀段202的流体通道。流体流可以继续进入心轴234的内孔231和挠性轴208的内孔233，通过挠性轴208的流体通道232，进入壳体段222的内孔220，围绕挠性轴208的下部，并围绕转子214的上端212。流经定子216的流体流使转子214旋转，这使得挠性轴208、心轴234和旋转阀段204随着扭矩传播到这些元件而旋转。旋转阀段204相对于非旋转阀段202旋转，这使阀在打开位置和限制位置之间循环，在限制位置，通过阀的流体流受到限制。流体流的限制产生压力脉冲或水锤，该压力脉冲或水锤向上游传播到耐磨振动组件200上方的钻柱。所产生的重复的压力脉冲导致钻柱的伸出和缩回，从而在组件200上方的钻柱中引发振动，进而促进和便于钻柱穿过井筒的运动。振动可以减少钻柱的外表面和井筒的内表面之间的摩擦。

下推力轴承282减少了推力轴承238所承受的轴向载荷。这样，下推力轴承282减少了推力轴承238的部件上的磨损。此外，当推力轴承238的部件在长期使用中磨损时，内部套筒250和外部套筒252环绕非旋转阀段202的构造允许非旋转阀段202保持与旋转阀段204的接触，从而当流体流被暂时限制时继续产生压力脉冲。

如本文所使用的，“上方”和任何其他更高的高度或纬度的指示也指上游，并且“下方”和任何其他更低的高度或纬度的指示也指下游。如本文所用，“钻柱”应包括一系列钻柱段和连续油管。

虽然已经描述了优选的实施例，但是应当理解的是，这些实施例仅仅是说明性的，并且当符合本领域技术人员根据对本发明的查阅自然地想到的各种等同物、许多变化和修改的全部范围时，本发明的范围将仅由所附的权利要求限定。

Claims (21)

1.一种耐磨振动组件，用于在钻柱中传播压力脉冲，其包括：

正排量动力部分，其设置在壳体的内孔中，所述正排量动力部分包括至少部分地设置在定子内的转子，其中所述转子构造成在流体流通过所述正排量动力部分时在所述定子内旋转；和

阀，其在所述壳体的所述内孔中设置在所述正排量动力部分上方，所述阀包括设置在非旋转阀段下方的旋转阀段，所述非旋转阀段和所述旋转阀段各自包括至少一个流体通道，其中所述阀还包括围绕所述非旋转阀段设置的内部套筒和围绕所述内部套筒设置的外部套筒，其中所述外部套筒旋转地锁定到所述壳体，其中所述内部套筒和所述外部套筒各自包括配合的对准机构，所述配合的对准机构被构造成允许所述外部套筒和所述内部套筒之间的相对轴向滑动并防止所述外部套筒和所述内部套筒之间的相对旋转；

其中所述旋转阀段被构造成随着所述转子的旋转而相对于所述壳体旋转，用于使所述阀在打开位置和限制位置之间循环，其中在所述打开位置，所述旋转阀段的所述流体通道与所述非旋转阀段的所述流体通道对准，其中在所述限制位置，所述旋转阀段的所述流体通道至少部分地与所述非旋转阀段的所述流体通道不对准，用于限制经过所述阀的流体流，以产生无阻碍的压力脉冲并经过所述阀上方的所述钻柱传播所述无阻碍的压力脉冲。

2.根据权利要求1所述的耐磨振动组件，其中所述旋转阀段和所述非旋转阀段各自包括中心通道，并且其中在所述限制位置，所述旋转阀段的所述流体通道与所述非旋转阀段的所述流体通道完全不对准，并且流体流行进经过所述旋转阀段和所述非旋转阀段的所述中心通道。

3.根据权利要求1所述的耐磨振动组件，还包括螺纹固定到所述壳体的所述内孔的表面的螺母，其中所述螺母设置在所述非旋转阀段的上方，并且邻接所述外部套筒的上表面。

4.根据权利要求3所述的耐磨振动组件，还包括设置在所述螺母的下表面和所述内部套筒的上表面之间的弹簧，其中所述弹簧将所述内部套筒远离所述螺母并朝向所述旋转阀段偏压。

5.根据权利要求1所述的耐磨振动组件，还包括将所述阀和所述转子互连的心轴和挠性轴，其中所述旋转阀段固定到所述心轴的上端，其中所述转子的上端固定到所述挠性轴的下端，并且其中所述挠性轴、所述心轴和所述旋转阀段都随着所述转子的旋转而旋转。

6.根据权利要求1所述的耐磨振动组件，其中所述外部套筒的所述配合的对准机构是所述外部套筒的内表面中的轴向凹槽，其中所述内部套筒的所述配合的对准机构是所述内部套筒的外表面中的轴向凹槽，并且其中长形销接合所述外部套筒的轴向凹槽和所述内部套筒的轴向凹槽，以允许所述外部套筒和所述内部套筒之间的轴向滑动并防止所述外部套筒和所述内部套筒之间的相对旋转。

7.根据权利要求1所述的耐磨振动组件，其中所述外部套筒的所述配合的对准机构是固定在所述外部套筒中的孔内的销，其中所述内部套筒的所述配合的对准机构是被构造成接收所述销的远端的长形凹部，并且其中所述销的所述远端接合所述内部套筒的所述长形凹部并在所述长形凹部内滑动，以允许所述外部套筒和所述内部套筒之间的轴向滑动并防止所述外部套筒和所述内部套筒之间的相对旋转。

8.根据权利要求1所述的耐磨振动组件，其中所述外部套筒的所述配合的对准机构是平坦的内表面，其中所述内部套筒的所述配合的对准机构是平坦的外表面，所述平坦的外表面被构造成接合所述外部套筒的所述平坦的内表面，并且其中所述平坦的外表面接合所述平坦的内表面，以允许所述外部套筒和所述内部套筒之间的轴向滑动并防止所述外部套筒和所述内部套筒之间的相对旋转。

9.根据权利要求1所述的耐磨振动组件，其中所述外部套筒的所述配合的对准机构是花键轮廓内表面，其中所述内部套筒的所述配合的对准机构是花键轮廓外表面，并且其中所述内部套筒的所述花键轮廓外表面接合所述外部套筒的所述花键轮廓内表面，以允许所述外部套筒和所述内部套筒之间的轴向滑动并防止所述外部套筒和所述内部套筒之间的相对旋转。

10.根据权利要求1所述的耐磨振动组件，还包括设置在所述转子的所述下端处的下推力轴承，其中所述下推力轴承包括设置在第二轴承上方并与其接触的转子轴承。

11.根据权利要求10所述的耐磨振动组件，还包括在所述壳体中的空腔内设置在所述转子的下端下方的塞子，所述塞子包括从所述塞子的外表面延伸到所述塞子的中心孔的一个或更多个流体通道。

12.根据权利要求11所述的耐磨振动组件，其中所述转子轴承是设置在所述转子的所述下端中的空腔中的转子块，其中所述第二轴承是设置在所述塞子的所述上端中的空腔中的塞子块，并且其中当所述转子在所述壳体内旋转时，所述转子块接合所述塞子块。

13.根据权利要求12所述的耐磨振动组件，还包括设置在所述塞子的所述上端中的所述空腔中的弹簧，其中所述弹簧在朝向所述转子块的方向上偏压所述塞子块。

14.一种耐磨振动组件，用于在钻柱中传播压力脉冲，其包括：

正排量动力部分，其设置在壳体的内孔中，所述正排量动力部分包括至少部分地设置在定子内的转子，其中所述转子构造成在流体流通过所述正排量动力部分时在所述定子内旋转；

下推力轴承，其设置在所述转子的所述下端处，其中所述下推力轴承包括设置在第二轴承上方并与其接触的转子轴承；和

阀，其在所述壳体的所述内孔中设置在所述正排量动力部分上方，所述阀包括设置在非旋转阀段下方的旋转阀段，所述非旋转阀段和所述旋转阀段各自包括至少一个流体通道；

其中所述旋转阀段被构造成随着所述转子的旋转而相对于所述壳体旋转，用于使所述阀在打开位置和限制位置之间循环，其中在所述打开位置，所述旋转阀段的所述流体通道与所述非旋转阀段的所述流体通道对准，其中在所述限制位置，所述旋转阀段的所述流体通道至少部分地与所述非旋转阀段的所述流体通道不对准，用于限制经过所述阀的流体流，以产生无阻碍的压力脉冲并经过所述阀上方的所述钻柱传播所述无阻碍的压力脉冲。

15.根据权利要求14所述的耐磨振动组件，还包括在所述壳体中的空腔内设置在所述转子的下端下方的塞子，所述塞子包括从所述塞子的外表面延伸到所述塞子的中心孔的一个或更多个流体通道；其中所述转子轴承是设置在所述转子的所述下端中的空腔中的转子块，其中所述第二轴承是设置在所述塞子的所述上端中的空腔中的塞子块，并且其中当所述转子在所述壳体内旋转时，所述转子块接合所述塞子块。

16.根据权利要求15所述的耐磨振动组件，还包括设置在所述塞子的所述上端中的所述空腔中的弹簧，其中所述弹簧在朝向所述转子块的方向上偏压所述塞子块。

17.根据权利要求14所述的耐磨振动组件，其中所述阀还包括围绕所述非旋转阀段设置的内部套筒和围绕所述内部套筒设置的外部套筒，其中所述外部套筒旋转地锁定到所述壳体。

18.根据权利要求17所述的耐磨振动组件，其中所述外部套筒包括内表面中的轴向凹槽，其中所述内部套筒包括外表面中的轴向凹槽，并且其中长形销接合所述外部套筒的轴向凹槽和所述内部套筒的轴向凹槽，以允许所述外部套筒和所述内部套筒之间的轴向滑动并防止所述外部套筒和所述内部套筒之间的相对旋转。

19.根据权利要求17所述的耐磨振动组件，其中所述外部套筒包括固定在所述外部套筒中的孔内的销，其中所述内部套筒包括被构造成接收所述销的远端的长形凹部，并且其中所述销的所述远端接合所述内部套筒的所述长形凹部并在所述长形凹部内滑动，以允许所述外部套筒和所述内部套筒之间的轴向滑动并防止所述外部套筒和所述内部套筒之间的相对旋转。

20.根据权利要求17所述的耐磨振动组件，其中所述外部套筒包括平坦的内表面，其中所述内部套筒包括平坦的外表面，所述平坦的外表面被构造成接合所述外部套筒的所述平坦的内表面，并且其中所述平坦的外表面接合所述平坦的内表面，以允许所述外部套筒和所述内部套筒之间的轴向滑动并防止所述外部套筒和所述内部套筒之间的相对旋转。

21.根据权利要求17所述的耐磨振动组件，其中所述外部套筒包括花键轮廓内表面，其中所述内部套筒包括花键轮廓外表面，并且其中所述内部套筒的所述花键轮廓外表面接合所述外部套筒的所述花键轮廓内表面，以允许所述外部套筒和所述内部套筒之间的轴向滑动并防止所述外部套筒和所述内部套筒之间的相对旋转。

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