CN114599852A - 井下马达组件、系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及改进的井下马达设计。在一个说明性实施例中，在整个轴承组件没有压紧加载的情况下，由马达的其它结构部件保持在适当位置的主推力轴承和副推力轴承定位在马达壳体内部，用于保护免受钻井流体中的切屑和碎屑的影响。在一些说明性实施例中，表征至少一个多零件的分段柔性接头的驱动系可以允许缩短的柔性轴，同时将来自动力源的偏心力充分转换为心轴的旋转。

Description

井下马达组件、系统和方法

背景技术

在一些应用中，用于井下钻头的旋转动力可以从地面处的旋转动力源经由驱动轴系统传递，该驱动轴系统可以包括万向接头、CV接头或分段驱动系统以允许弯曲，但是需要部署的钻柱的整个长度旋转。其他方法使用井下“泥浆马达”，其在部署的钻柱上操作以在操作装置(例如井下钻机)附近提供旋转动力。虽然有许多设计，但大多数包括许多不同的轴承组件，这些轴承组件必须被“预加载”以便密封并在期望的条件下操作。

虽然采用了各种形式，但是井下马达通常包括固定(通常通过螺纹连接)到钻井钻柱的外部壳体，以及定位在壳体内并从壳体的最下端延伸的可旋转心轴(有时称为驱动连接件)。正是心轴借助通过钻柱和井下马达的流体循环而旋转。钻井钻头连接到心轴的最下端，其上通常具有“钻头盒”连接。因此，心轴相对于壳体自由旋转，但仍被纵向固定在壳体内。

壳体和心轴之间的力是径向(一侧到另一侧)和轴向或推力载荷(沿着井下马达的纵向轴线作用)。径向轴承位于壳体内，在壳体和心轴之间，以承受径向载荷。

推力载荷可以进一步分为(1)倾向于将心轴推出壳体的载荷或力；以及(2)倾向于将心轴向上推动到壳体中的载荷或力，或者换句话说，从壳体传递到心轴以迫使心轴向下(例如在钻井期间在钻头上施加重量)的载荷或力。关于第一类推力载荷，推力轴承位于壳体内，以承受倾向于迫使心轴轴向离开壳体的下端的载荷；这种载荷由钻头离开底部时的流体循环产生(这种流体压力倾向于将心轴推出壳体)，或者由钻头和/或心轴卡在孔中时拉动钻井钻柱产生。这些推力轴承被称为“离底轴承(off-bottom bearing)”或副推力轴承。

关于第二类推力载荷，为了将载荷传递给钻井钻头，钻井钻柱重量首先传递给壳体，然后从壳体传递给心轴，再从心轴传递给钻井钻头。壳体和心轴之间的这种向下的重量或力传递是通过一个或更多个推力轴承来完成的，这些推力轴承被称为“在底轴承(on-bottom bearing)”或主推力轴承。

为了实用，大多数泥浆马达设计要求通常在推力轴承组中的一个或两个推力轴承在使用前必须被压紧加载。这可能需要额外的部件来实现和保持“预加载”压缩。通常，这是通过将整个组件机械地锁定在一起以施加通过整个组件扭矩来“预加载”整个轴承组件而实现的。施加的扭矩可能相当大，这种力可能导致过度磨损，并可能导致使用期间温度变化的问题。此外，大多数设计使用柔性驱动轴或“软轴(flex shaft)”，其是具有足够长度和柔性的细长构件，以解决旋转期间的偏心运动。

不需要施加“预加载”的井下马达、马达系统和方法将是对现有技术的改进。这种能够解决或补偿偏心变化和/或允许更短长度的马达或部件将是对现有技术的额外改进。

发明内容

本公开涉及改进的井下马达设计。在一个说明性实施例中，在整个轴承组件没有压紧加载的情形下，由马达的其它结构部件保持在适当位置的主推力轴承和副推力轴承位于马达壳体内部，用于保护免受钻井流体中的切屑和碎屑的影响。在一些说明性实施例中，表征至少一个多零件的分段柔性接头的驱动系可以允许缩短的柔性轴，同时将来自动力源的偏心力充分转换为心轴的旋转。

附图说明

参考以下附图描述了本公开的非限制性和非穷尽性的实施方式，其中，除非另有说明，否则在各个视图中，相同的附图标记指代相同的零件。本领域普通技术人员将理解，各个附图仅用于说明目的。通过参考以下详细描述、所附权利要求以及若干附图，可以更清楚地理解本公开的本质以及根据本公开的其他实施例。

图1A和1B分别描绘了根据本公开的用于井下马达的驱动单元的第一说明性实施例的侧视图和截面侧视图。

图2A和2B分别描绘了图1A和1B的组装的内部部件的侧视图和截面侧视图。

图3A和3B分别描绘了根据本公开的用于井下马达的驱动单元的另一个说明性实施例的侧视图和截面侧视图。

图4A和4B分别描绘了图3A和3B的组装的内部部件的侧视图和截面侧视图。

图5是柔性CV接头组件的顶部构件的一个说明性实施例的立体图，该顶部构件可以单独地用于图3A至4B的实施例中。

图6是柔性CV接头组件的中间构件的一个说明性实施例的立体图，该中间构件可以单独地用于图3A至4B的实施例中。

图7是柔性CV接头组件的保持销组件的一个说明性实施例的侧视图，该保持销组件可以单独地用于图3A至4B的实施例中。

图8A是下副推力轴承的一个说明性实施例的立体视图，该下副推力轴承可以单独地用于图3A至4B的实施例中。

图8B是下主推力轴承的一个说明性实施例的立体视图，该下主推力轴承可以单独地用于图3A至4B的实施例中。

图9A是上主轴承的一个说明性实施例的立体视图，该上主轴承可以单独地用于图3A至4B的实施例中。

图9B是上副推力轴承的一个说明性实施例的立体视图，该上副推力轴承可以单独地用于图3A至4B的实施例中。

具体实施方式

以下提供了与本公开的实施例一致的系统和方法的详细描述。虽然描述了几个实施例，但是应该理解，本公开不限于任何一个实施例，而是涵盖许多替换、修改和等同物。此外，尽管在以下描述中阐述了许多具体的细节以便提供对本文公开的实施例的全面理解，但是一些实施例可以在没有这些细节中的一些或全部的情况下实践。此外，为了清楚起见，没有详细描述相关领域中已知的某些技术材料，以避免不必要地模糊本公开。

转到图1A、1B、2A和2B，描绘了根据本公开的用于井下马达的驱动单元10的第一说明性实施例。应当理解，驱动单元可以连接到定子壳体(未示出)，该定子壳体包括用于附接到钻井钻柱的顶部连接件和由钻井流体致动的内部转子。在驱动单元10的顶部端部处，驱动轴或柔性轴102可以具有用于附接到转子的带螺纹的上端部103、细长轴101和下端部105，该下端部可以包括用于附接到柔性接头组件200的内螺纹孔107。

柔性接头组件200可以形成为多零件的CV接头。在所示实施例中，柔性接头组件200可以包括三个互锁构件：上构件300、中间构件400和下构件500。每个构件具有孔，所述孔在组装时通常是对齐的。保持销600从具有平坦底部的下基座延伸到向上延伸的轴，该保持销穿过通常对齐的孔。保持螺母602可以围绕轴的上部分螺纹固定。保持螺母的下表面和从下基座到轴的过渡部可以弯曲以允许三个互锁构件的运动。

如图所示，三个互锁构件包括相应的互锁部分，所述相应的互锁部分可以形成为一系列由凹槽隔开的凹进的花键。应当理解，每个互锁部分的花键和凹槽可以对应于相邻互锁构件的配对的互锁部分的凹槽和花键。在组装形式中，互锁构件的对应的相邻互锁部分插入彼此，如图所示。

下构件500可以具有用于连接到柔性接头底部适配器800的连接部分。在所示实施例中，其可以是螺纹连接。在下端部，孔可以具有对应于保持销600的锥形开口。

应当理解，柔性接头的构件的互锁部分的凹槽和花键可以在与马达组件的长轴线对齐的大体上从上到下的方向上延伸，并且可以在大体上侧向方向上延伸，以允许构件在两个方向上移动，使得柔性接头可以向底部适配器800提供旋转动力驱动，同时允许构件300、400和500在销600上相对于彼此成角度地移动，从而提供柔性并解决了在施加动力时的旋转偏心。

应当理解，在其它实施例中，各种互锁部分的内部与外部定位以及花键和凹槽的具体数量和形状可以变化，只要提供传递旋转动力的能力同时提供必要的柔性。应当理解，在其他实施例中，可以存在一个或更多个附加的中间部段构件，以提供增加的柔性。例如，两个或三个中间构件可以与合适的一个销600一起使用。

底部适配器800具有上连接部分802，其适于通过螺纹插口连接到下互锁构件500。在下端部，心轴连接部分804允许通过具有从下表面可接近的螺纹插口连接到心轴1000。此外，下表面可以具有用于上副推力轴承902的连接件。在所示实施例中，这可以是外螺纹，上副推力轴承902固定到该外螺纹。

应当理解，心轴1000从底部处的下连接部分1004延伸到上端部，该下连接部分可以是允许连接到钻井钻头或被提供旋转动力的其他工具的螺纹插口，该上端部可以包括用于连接到底部适配器800的连接结构，例如外螺纹部分。

副推力轴承组件900包括上副推力轴承902和下副推力轴承904，在组装条件下，所述上副推力轴承和下副推力轴承由间隙905隔开。上副推力轴承902和下副推力轴承904中的每一个可以是具有相对侧向面的环，其中硬化材料(例如PCD或PCBN按钮)面向相对的推力轴承设置。当心轴从“离底(off-bottom)”位置至“在底(on-bottom)”位置时，间隙905可以限定心轴的运动，反之亦然。在使用PCD或PCBN“按钮”形成推力轴承的情况下，间隙905的尺寸可以小于“按钮”的厚度，以进一步降低轴承元件在操作期间可能移位的可能性。应当理解，心轴/驱动连接件的“在底/离底”纵向运动依赖于底部适配器800与心轴1000的连接。适配器800的内部孔的上端部用作“停止点(stop-point)”，从而限定了用于心轴1000的纵向运动的间隙905的尺寸。如果这个孔太长，那么底部适配器将能够拧下并卸载推力轴承，这将完全卡住组件。如果这个孔太短，则底部适配器显然会突然停止，并且纵向运动会过大。

下副推力轴承904可以设置在驱动轴承壳体1200的上端部。驱动轴承壳体1200通常可以形成为具有内部孔的管，该管安装在心轴1000的中间部分上。在上端部附近，驱动轴承壳体可以包括用于固定下副推力轴承904的连接结构。

从上端部向下移动，上径向轴承组件1300、主推力轴承组件1100和下径向轴承组件1400都可以设置在驱动轴承壳体1200和心轴1000之间。

上径向轴承组件1300可以包括内部上径向轴承套筒1302，该内部上径向轴承套筒可以在低于下副推力轴承904的位置处附接到心轴1000外表面。在所描述的实施例中，该附接可以通过滑动配合到键连接来实现，并且用放置在心轴上适当位置处的卡环来固定。应当理解，这也可以通过将螺纹放置在适当的位置来实现。外部上径向轴承套筒1304可以附接到驱动壳体1200，在内部上径向轴承套筒1302上方固定在驱动壳体1200的内部孔中的凹槽中。轴承套筒的面可以是合适的硬化材料，例如碳化物、PCD或PCBN。

主推力轴承组件1100可以设置在驱动轴承壳体组件1200内部。在所描绘的实施例中，主推力轴承组件可以设置在上径向轴承组件1300和下径向轴承组件1400之间。主推力轴承组件1100包括上主推力轴承1102和下主推力轴承1104，每个主推力轴承都形成为具有侧向面的环，在其中可以设置硬化材料，例如PCD或PCBN按钮。相对的侧向面被布置成彼此面对。

下主推力轴承1104可以在高于下径向轴承组件1400的位置处附接到心轴1000外表面。在所描绘的实施例中，该附接位于心轴上形成的脊或搁架的上方，使得侧向面向上面向。轴承可以通过放置在螺纹上来固定。上主推力轴承1102可以附接到驱动壳体1200，固定在驱动壳体1200的内部孔中的凹槽中，例如通过放置在螺纹上或使用合适的粘合剂。

下径向轴承组件1400可以包括内部下径向轴承套筒1402，该内部下径向轴承套筒可以在低于主推力轴承组件1100的位置处附接到心轴1000的外表面。在所描绘的实施例中，下径向轴承组件1400设置在壳体1200的下端部处，位于心轴1000的下连接部分1004上方。内部下径向轴承套筒1402可以通过放置在适当位置处的螺纹上来附接。外部下径向轴承套筒1404可以附接到驱动壳体1200，在内部下径向轴承套筒1402上方固定在驱动壳体1200的内部孔中的凹槽中。轴承套筒的面可以是合适的硬化材料，例如碳化物、PCD或PCBN。

可以理解的是，除了PCD之外，其它合适的材料，例如CBN、碳化物或其它硬化表面也可以用于轴承表面，可以进一步理解的是，轴承组件通过驱动单元的组装而被组装在正确的位置，在使用之前不需要压紧加载，特别是对于推力轴承。相反，这种轴承不承载任何载荷，直到马达运行，并且与工具一起使用的马达的运动将力施加在轴承上。

壳体可以用于覆盖和保护驱动单元轴承和传动装置。在所描绘的实施例中，示出了两部分的壳体。下壳体H1可以形成为管，其放置在驱动壳壳体1200上方，在传动适配器800的至少一部分上向上延伸。在下壳体的下部分中，下壳体H1可以包括内螺纹，以允许其固定到驱动壳体1200上的配对的外螺纹。上壳体H2可以类似地螺纹固定到下壳体H2的上部分并向上延伸，其内部孔覆盖柔性接头和驱动轴的至少一部分。如图1A和1B中所描绘的，心轴1000的下端部、驱动轴承壳体1200的下端部以及壳体H1和H2可以都具有大致相似的直径，以提供相对平滑的圆形外部，从而通过去除可能卡住的外部特征来减小摩擦并便于在井孔中使用。还应当理解，通过具有更薄和更厚的区域来加强和保持部件在合适的位置，壳体的内侧壁可以顺应内部部件。

在一个说明性实施例中，轴承在马达内部的放置提供了额外的保护，以防止可能存在于井孔中的碎片，例如切屑。因此，包括根据本公开的驱动单元的马达对于在煤层甲烷井中使用可能是特别有利的，在煤层甲烷井中，切屑的磨蚀特性和合适的井孔所需的构造可能难以用标准的马达实现。

转到图3A、3B、4A和4B，描绘了根据本公开的用于井下马达的驱动单元20的第二说明性实施例。应当理解，驱动单元可以连接到定子壳体(未示出)，该定子壳体包括用于附接到钻井钻柱的顶部连接件和由钻井流体致动的内部转子。在驱动单元20的顶部端部处，驱动联接构件2102具有用于附接到转子的带螺纹的上端部2103以及下端部2105，该下端部可以包括用于附接到第一柔性接头组件2200A的内螺纹孔2107。

柔性接头组件2200A可以形成为多零件CV接头。在所描绘的实施例中，柔性接头组件2200A可以包括三个互锁构件：上构件2300A、中间构件2400A和下构件2500A。每个构件都具有内部孔，所述内部孔在组装时通常是对齐的。上构件2300A的一个合适的实施例在图5中单独地描绘，以显示其附加的细节。应当理解，为了便于组装，所描绘的上构件2300A可以与下构件2500A相同，只是为了使用而简单地倒置。类似地，中间构件2400A的一个合适的实施例在图6中单独地描绘，以示出其附加的细节。

保持销2600A从具有圆形底部2601A的下基座延伸到向上延伸的轴2602A，该轴穿过互锁构件的通常对齐的孔。保持帽2603A可以围绕轴2602A的上部分螺纹固定。保持帽2603A可以具有圆形上表面，类似于下基座2601A的圆形表面。保持销2600A和保持帽2603A的一个合适的实施例在图7中单独地描绘，以显示其附加的细节。

上铰接板2613A可以在其上端部处设置在驱动连接构件2102的内部孔2107中。铰接板2613A的下面包含对应于保持帽2603A的圆形端部的凹槽。类似地，下铰接板2615A可以在其上端部处设置在连接轴2110的上内部孔2117中。下铰接板2615A的上面包含对应于保持销2600A的圆形底部基座的圆形端部的凹槽。

在使用中，保持销组件的圆形端部可以铰接在铰接板中，从而为柔性接头组件提供附加的柔性。此外，销2600A的轴对组件的压缩提供了限制，从而保持可用于互锁构件之间的纵向运动的至少最小的空间。

如图所示，三个互锁构件包括相应的互锁部分，所述互锁部分可以形成为一系列由凹槽隔开的凹进的花键。应当理解，每个互锁部分的花键和凹槽可以对应于相邻互锁构件的配对互锁部分的凹槽和花键。在组装形式中，互锁构件的对应的相邻互锁部分相互插入，如图所示。如所描绘的，中间构件2400A可以是阳性对阳性的，或者在任一端部上具有大致突出的互锁部分，并且上构件2300A和下构件2500A具有阴性的或凹进的互锁部分。应当理解，在不同的实施例中，特定的互锁部分的布置可以不同。

下构件2500A可以具有用于连接到连接轴2110的下连接部分。在所描绘的实施例中，下连接部分可以包括外螺纹2502A，其可以附接到连接轴2110的上内部孔2117中的对应的螺纹。

应当理解，柔性接头的构件的互锁部分的凹槽和花键可以在与马达组件的长轴线对齐的大致从上到下的方向上和大致侧向方向上延伸，以允许构件在两个方向上移动，使得柔性接头可以向连接轴2110提供旋转动力驱动，同时允许构件2300A、2400A和2500A在销2600A上相对于彼此成角度地移动，从而提供柔性并解决施加动力时的旋转偏心。

应当理解，在其它实施例中，各种互锁部分的内部与外部定位以及花键和凹槽的具体数量和形状可以变化，只要能够传递旋转动力同时提供必要的柔性。应当理解，在其他实施例中，可以存在一个或更多个附加的中间部段构件，以提供增加的柔性。例如，两个或三个中间构件可以与合适的一个销2600A一起使用。

连接轴2110向下延伸到下部分2120，该下部分可以包括在其下端部可接近的内螺纹孔2127，用于附接到第二柔性接头组件2200B。

类似于本文前面讨论的第一柔性接头组件2200A，第二柔性接头组件2200B可以形成为多零件的CV接头。在所描绘的实施例中，柔性接头组件2200B可以包括三个互锁构件：上构件2300B、中间构件2400B和下构件2500B。每个构件都具有内部孔，所述内部孔在组装时通常是对齐的。为了便于组装，第二柔性接头组件2200B的部件可以与第一柔性接头组件2200A的部件相同。

保持销2600B可以从具有圆形底部2601B的下基座延伸到向上延伸的轴2602B，该轴穿过互锁构件的通常对齐的孔。保持帽2603B可以围绕轴2602B的上部分螺纹固定。保持帽2603B可以具有圆形上表面，类似于下基座2601B的圆形表面。

上铰接板2613B可以在其上端部处设置在连接轴2110的下部分的内部孔2127中。铰接板2613B的下面可以包含对应于保持帽2603B的圆形端部的凹槽。类似地，下铰接板2615B可以设置在底部适配器2800的上内部孔2803中。下铰接板2615B的上面可以包含对应于保持销2600B的圆形底部基座的圆形端部的凹槽。应当理解，在一些实施例中，不是使用单独的铰接板，而是铰接凹槽可以直接设置成附接到上和/或下互连构件。由于磨损，使用铰接板允许在有利的情况下进行更换。

在使用中，保持销组件的圆形端部可以铰接在铰接板中，从而为柔性接头组件提供附加的柔性。此外，销2600B的轴对组件的压缩提供了限制，从而保持可用于互锁构件之间的纵向运动的至少最小的空间。

如图所示，三个互锁构件包括相应的互锁部分，这些互锁部分可以形成为一系列由凹槽隔开的凹进的花键。应当理解，每个互锁部分的花键和凹槽可以对应于相邻互锁构件的配对的互锁部分的凹槽和花键。在组装形式中，互锁构件的对应的相邻互锁部分彼此插入，如图所示。如所描绘的，中间构件2400B可以是阳性对阳性的，或者在任一端部上具有大致突出的互锁部分，并且上构件2300B和下构件2500B具有阴性的或凹进的互锁部分。应当理解，在不同的实施例中，特定的互锁部分的布置可以不同。

下构件2500B可以具有用于连接到底部适配器2800的下连接部分。在所描绘的实施例中，下连接部分可以包括外螺纹2502B。底部适配器2800具有上连接部分2802，其适于通过螺纹插口连接到下互锁构件2500B。在下端部处，心轴连接部分2804允许连接到心轴3000，如通过具有从下表面可接近的螺纹插口。此外，下表面可以具有用于上副推力轴承2902的连接件。在所示实施例中，这可以是外螺纹，上副推力轴承2902固定到该外螺纹。

应当理解，心轴3000从底部处的下连接部分3004延伸到上端部，该下连接部分可以是允许连接到钻井钻头或被提供旋转动力的其他工具的螺纹插口，该上端部可以包括用于连接到底部适配器2800的连接结构，例如外螺纹部分。此外，应当理解，心轴/驱动连接件的“在底/离底”纵向运动很大程度上依赖于底部适配器2800与心轴3000的连接。该适配器2800的内部孔的上端部用作“停止点”，从而限定了用于心轴3000的纵向运动的‘间隙’。如果这个孔太长，则底部适配器将能够拧下并卸载推力轴承，这将完全卡住组件。如果这个孔太短，则底部适配器显然会突然停止，并且纵向运动会过大。在所描绘的实施例中，用于心轴在纵向方向上运动的理想“间隙”可以是大约0.100英寸。

副推力轴承组件2900包括上副推力轴承2902和下副推力轴承2904。上副推力轴承2902和下副推力轴承2904中的每一个可以是具有相对侧向面的环，其中硬化材料(例如PCD或PCBN按钮)面向相对的推力轴承设置。在图9B和图8A中单独地描绘了上副推力轴承2902和下副推力轴承2904的一组合适的实施例，以示出其附加的细节。

与图1A至图2B所示的实施例不同，不是在上副推力轴承2902和下副推力轴承2904之间存在间隙，而是腔室2907可以设置在下副推力轴承2904的上部分的下方，并且弹簧2908设置在腔室中，弹簧向上按压在轴承上以保持上轴承和下轴承之间的接触。因此，当从“离底”位置移动到“在底”位置时，弹簧2908可以响应心轴的运动，反之亦然。

下副推力轴承2904可以设置在驱动轴承壳体3200的上端部上，例如通过使用滑动配合到键连接或其他合适的连接，腔室2907限定在副推力轴承的下侧壁和驱动壳体3200的内壁之间。驱动轴承壳体3200通常可以形成为具有内部孔的管，其安装在心轴3000的中间部分上。

从上端部向下移动，上径向轴承组件3300、主推力轴承组件3100和下径向轴承组件3400都可以设置在驱动轴承壳体3200和心轴3000之间。

上径向轴承组件3300可以包括内部上径向轴承套筒3302，该内部上径向轴承套筒可以在低于下副推力轴承2904的位置处附接到心轴3000的外表面。在所描述的实施例中，该附接可以通过滑动配合到键连接来实现，并且用放置在心轴上适当位置处的卡环来固定。应当理解，这还可以通过放置在适当位置处的螺纹上来实现。外部上径向轴承套筒3304可以附接到驱动壳体3200，在内部上径向轴承套筒3302上方固定在驱动壳体3200的内部孔中的凹槽中。轴承套筒的面可以是合适的硬化材料，例如碳化物、PCD或PCBN。

主推力轴承组件3100可以设置在驱动轴承壳体组件3200内部。在所描绘的实施例中，主推力轴承组件可以设置在上径向轴承组件3300和下径向轴承组件3400之间。主推力轴承组件3100包括上主推力轴承3102和下主推力轴承3104，每一个都形成为具有侧向面的环，其中可以设置硬化材料，例如PCD或PCBN按钮。相对的侧向面被布置成彼此面对。在图9A和图8B中单独地描绘了上主推力轴承3102和下主推力轴承3104的一组合适的实施例，以显示其附加的细节。

下主推力轴承3104可以在下径向轴承组件3400上方的位置处附接到心轴3000外表面。在所描绘的实施例中，该附接位于在心轴上形成的脊或搁架的上方，使得侧向面向上面向。在所描绘的实施例中，该附接可以是在保持环上的键连接上的简单滑动配合，该保持环在下径向轴承3402正上方拧到心轴3000上。除了提供滑动配合的键表面以用于下主推力轴承3104在其上滑动之外，这种环能够用作“安全”保持环，以防止下径向轴承3402退出，因为它可以以与径向轴承螺距不同的螺距螺纹连接到轴上。在其他实施例中，下主推力轴承3104可以通过放置在直接位于心轴上的螺纹上来固定。

上主推力轴承3102可以附接到驱动壳体3200。与图1A至图2B所描绘的实施例不同，不是在上主推力轴承3102和下主推力轴承3104之间存在间隙，而是腔室3107可以设置在上主推力轴承3102的下部分上方，并且弹簧3108设置在该腔室中，弹簧向下压在轴承上以保持上轴承和下轴承之间的接触。因此，当从“离底”位置移动到“在底”位置时，弹簧3108可以响应心轴的运动，反之亦然。弹簧3108和2908所允许的运动可以是等同的，并且弹簧凹槽3107和2907可以在尺寸上相似，以允许使用相同的弹簧来方便组装。

下径向轴承组件3400可以包括内部下径向轴承套筒3402，该内部下径向轴承套筒可以在低于主推力轴承组件3100的位置处附接到心轴3000的外表面。在所描绘的实施例中，下径向轴承组件3400设置在壳体3200的下端部处，位于心轴3000的下连接部分3004上方。内部下径向轴承套筒3402可以通过放置在适当位置处的螺纹上来附接。外部下径向轴承套筒3404可以附接到驱动壳体3200，在内部下径向轴承套筒3402上方固定在驱动壳体3200的内部孔中的凹槽中。轴承套筒的面可以是合适的硬化材料，例如碳化物、PCD或PCBN。

可以理解的是，除了PCD之外，其它合适的材料，例如CBN、碳化物或其它硬化表面可以用于轴承表面，可以进一步理解的是，轴承组件通过驱动单元的组装而被组装在正确的位置，在使用之前不需要显著的压紧加载，特别是对于推力轴承。弹簧3108和2908仅保持相应的推力轴承组件接触，以防止它们在从在底位置到离底位置的运动过程中碰撞，反之亦然，以防止潜在的冲击损坏。在所描绘的实施例中，弹簧3108和2908可以施加大约42磅或更小范围内的竖直力，例如在40至42磅的范围内。这与现有技术的设计形成对比，在现有技术的设计中，使用棘轮或压紧组件将推力轴承保持在显著的载荷下。相反，推力轴承组件不承载任何显著的载荷，直到马达操作，并且与工具一起使用的马达的运动将力施加在轴承上。此外，应当理解，弹簧可以为轴承提供超过预期的纵向运动(或“间隙”)的运动范围，以确保轴承面保持接触。注意的是，与使用碳化物或滚子轴承的许多当前的马达设计不同，当前设计使用这种独特的方法来保护PCD轴承表面免受冲击损坏。PCD轴承表面的使用旨在为驱动部段创造更长的服务间隔，并且更低的摩擦系数应该提高其他马达部件的性能和寿命。

壳体可以用于覆盖和保护驱动单元轴承和适配器。在所描绘的实施例中，示出了两部分的壳体。下壳体2H1可以形成为管，该管连接到驱动壳体3200，在底部适配器2800的至少一部分上向上延伸。在下壳体的下部分中，下壳体2H1可以包括内螺纹，以允许其固定到驱动壳体3200上的配对的外螺纹。上壳体2H2可以类似地螺纹固定到下壳体2H1的上部分，并向上延伸，其内部孔覆盖第二或下柔性接头和连接轴的至少一部分。如图3A和3B中所描绘的，心轴3000的下端部、驱动轴承壳体3200的下端部以及壳体2H1和2H2可以都具有大致相似的直径，以提供相对平滑的圆形外部，从而通过移除可能卡住的外部特征来减小摩擦并便于在井孔中使用。还应当理解，通过具有更薄和更厚的区域来加强和保持部件在合适的位置，壳体的内侧壁可以顺应内部部件。

应当理解，根据本公开的马达设计利用了简单堆叠并且容易彼此附接(例如通过滑动配合、螺纹和卡环)的部件。相比之下，大多数已知的井下马达轴承组件在部件被堆叠和预加载时，可能需要仔细对待并且难以对齐。这简化了组装过程，节省了时间。此外，轴承组件的内部特性以及弹簧和“预加载”部件的消除提供了更长的服务间隔，降低了成本和使用的停机时间。

在整个说明书中提到的“示例”意味着结合该示例描述的特定特征、结构或特性被包括在本公开的至少一个实施例中。因此，在整个说明书的不同地方出现的短语“在示例中”不一定都指同一实施例。

如本文所使用的，为了方便起见，多个项目、结构要素、组成要素和/或材料可以出现在共同的列表中。然而，这些列表应该被解释为如同列表中的每个成员都被单独地标识为独立且唯一的成员。因此，在没有相反指示的情况下，该列表中的任何单个成员都不应仅仅基于其在共同组中的出现而被解释为同一列表中的任何其他成员的事实上的等同物。此外，本公开的各种实施例和示例连同其各种部件的替代物一起在本文中被引用。应当理解，这样的实施例、示例和替代物不应被解释为彼此事实上的等同物，而应被认为是本公开的独立和自主的表示。

尽管为了清楚起见，已经详细地描述了前述内容，但是很明显，在不脱离其原理的情况下，可以进行某些改变和修改。应当注意，存在许多实现本文描述的过程和设备的替代方式。因此，本实施例被认为是说明性的而非限制性的。

本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的基本原理的情况下，可以对上述实施例的细节进行许多改变。因此，本公开的范围应该仅由权利要求来确定(如果有的话)。

Claims (20)

1.一种用于井下马达的驱动单元，包括：

连接轴；

具有提高的柔性的至少第一多零件的分段等速接头，其附接到所述连接轴的第一端部，其中，所述多零件的分段等速接头包括：

至少第一顶部构件，其具有纵向孔、用于附接到所述连接轴的第一端部的上附接部段、以及带有一系列花键和凹槽的下互连部分；

至少第一中间构件，其具有纵向孔、带有对应于所述至少第一顶部构件的下互连部分的一系列花键和凹槽的上互连部分、以及带有一系列花键和凹槽的下互连部分；

至少第一下构件，其具有纵向孔和带有对应于所述至少第一中间构件的下互连部分的一系列花键和凹槽的上互连部分；和

至少第一连接销，该第一连接销延伸穿过所述顶部构件的纵向孔、所述至少第一中间构件的纵向孔和所述下构件的纵向孔，以对齐和固定所述构件以供使用；以及

心轴，其与所述至少第一多零件的分段等速接头操作性地连接，使得当旋转力被施加到所述连接轴时，所述旋转力被传递到所述心轴。

2.根据权利要求1所述的驱动单元，进一步包括具有提高的柔性的第二多零件的分段等速接头，该第二多零件的分段等速接头附接到所述连接轴的第二端部。

3.根据权利要求2所述的驱动单元，其中，所述第二多零件的分段等速接头包括：

第二顶部构件，其具有纵向孔、用于附接到驱动连接构件的上附接部段、以及带有一系列花键和凹槽的下互连部分；

至少第二中间构件，其具有纵向孔、带有对应于所述至少第一顶部构件的下互连部分的一系列花键和凹槽的上互连部分、以及带有一系列花键和凹槽的下互连部分；

第二下构件，其具有纵向孔、带有对应于所述至少第一中间构件的下互连部分的一系列花键和凹槽的上互连部分、以及用于附接到所述连接轴的第二端部的下附接部段；和

第二连接销，该第二连接销延伸穿过第二顶部构件的纵向孔、至少第二中间构件的纵向孔和第二下构件的纵向孔，以对齐和固定所述构件以供使用。

4.根据权利要求1所述的驱动单元，其中，所述至少第一连接销具有基座，该基座具有铰接在弯曲的凹槽中的圆形底部。

5.根据权利要求1所述的驱动单元，其中，所述至少第一顶部构件的上互连部分和下互连部分各自形成为从所述至少第一中间构件的中间部分延伸的突起。

6.根据权利要求1所述的驱动单元，其中，所述至少第一下构件包括用于附接到所述心轴的上端部的下附接部段。

7.根据权利要求6所述的驱动单元，进一步包括：

壳体；

主推力轴承组件，其在第一位置处设置在所述壳体和心轴之间；和

副推力轴承组件，其在第二位置处设置在所述壳体和心轴之间，其中，所述主推力轴承组件和副推力轴承组件在没有防止所述心轴的纵向运动的压紧加载的情形下通过马达的其他结构部件保持在适当的位置。

8.根据权利要求7所述的驱动单元，其中，所述主推力轴承包括下主推力轴承元件、上主推力轴承元件和主推力轴承弹簧，所述主推力轴承弹簧位于主推力轴承弹簧凹槽中以向下推动所述上主推力轴承元件接触所述下主推力轴承元件，其中，所述主推力轴承弹簧在使用期间响应于在底位置和离底位置之间的心轴运动而扩展或收缩。

9.根据权利要求7所述的驱动单元，其中，所述副推力轴承包括上副推力轴承元件、下副推力轴承元件和副推力轴承弹簧，所述副推力轴承弹簧位于副推力轴承弹簧凹槽中以向上推动所述下副推力轴承元件接触所述上副推力轴承元件，其中，所述副推力轴承弹簧在使用期间响应于在底位置和离底位置之间的心轴运动而扩展或收缩。

10.一种用于井下马达的驱动组件，包括：

驱动轴；

具有提高的柔性的至少第一多零件的分段等速接头，其附接到所述驱动轴的第一端部；

心轴，其附接到所述至少第一多零件的分段等速接头；

壳体；

主推力轴承组件，其在第一位置处设置在所述壳体和心轴之间；和

副推力轴承组件，其在第二位置处设置在所述壳体和心轴之间，其中，所述主推力轴承组件和副推力轴承组件在没有防止所述心轴的纵向运动的压紧加载的情形下通过马达的其他结构部件保持在适当的位置。

11.根据权利要求10所述的驱动组件，其中，所述主推力轴承组件包括下主推力轴承元件、上主推力轴承元件和主推力轴承弹簧，所述主推力轴承弹簧位于主推力轴承弹簧凹槽中以向下推动所述上主推力轴承元件接触所述下主推力轴承元件，其中，所述主推力轴承弹簧在使用期间响应于在底位置和离底位置之间的心轴运动而扩展或收缩。

12.根据权利要求10所述的驱动组件，其中，所述副推力轴承组件包括上副推力轴承元件、下副推力轴承元件和副推力轴承弹簧，所述副推力轴承弹簧位于副推力轴承弹簧凹槽中以向上推动所述下副推力轴承元件接触所述上副推力轴承元件，其中，所述副推力轴承弹簧在使用期间响应于在底位置和离底位置之间的心轴运动而扩展或收缩。

13.根据权利要求10所述的驱动组件，其中，所述至少第一多零件的分段等速接头包括：

顶部构件，其具有纵向孔、用于附接到所述连接轴的第一端部的上附接部段、以及带有一系列花键和凹槽的下互连部分；

至少第一中间构件，其具有纵向孔、带有对应于所述至少第一顶部构件的下互连部分的一系列花键和凹槽的上互连部分、以及带有一系列花键和凹槽的下互连部分；

下构件，其具有纵向孔和带有对应于所述至少第一中间构件的下互连部分的一系列花键和凹槽的上互连部分；以及

至少第一连接销，该第一连接销延伸穿过所述顶部构件的纵向孔、至少第一中间构件的纵向孔和下构件的纵向孔，以对齐和固定所述构件以供使用。

14.根据权利要求13所述的驱动组件，其中，所述至少第一连接销具有基座，该基座具有铰接在弯曲的凹槽中的圆形底部。

15.根据权利要求10所述的驱动组件，进一步包括具有提高的柔性的第二多零件的分段等速接头，该第二多零件的分段等速接头附接到所述驱动轴的第二端部。

16.根据权利要求10所述的驱动组件，进一步包括第一径向轴承组件，该第一径向轴承组件包括附接到所述心轴的外表面的第一内部径向轴承套筒和附接到所述壳体并与第一内部径向轴承套筒对齐的第一外部径向轴承套筒。

17.根据权利要求10所述的驱动组件，其中，所述第一径向轴承组件设置在低于所述下副推力轴承的位置处，并且所述驱动组件进一步包括设置在所述主推力轴承组件下方的位置处的第二径向轴承组件。

18.一种井下马达，包括：

壳体；

心轴；

主推力轴承组件，其在第一位置处设置在所述壳体和心轴之间，所述主推力轴承组件包括下主推力轴承元件、上主推力轴承元件和主推力轴承弹簧，所述主推力轴承弹簧位于主推力轴承弹簧凹槽中以向下推动所述上主推力轴承元件接触所述下主推力轴承元件，使得所述主推力轴承组件通过所述主推力轴承弹簧响应于纵向心轴运动而扩展或收缩来保持在合适的位置；

副推力轴承组件，其在第二位置处设置在所述壳体和心轴之间，所述副推力轴承组件包括上副推力轴承元件、下副推力轴承元件和副推力轴承弹簧，所述副推力轴承弹簧位于副推力轴承弹簧凹槽中以向上推动所述下副推力轴承元件接触所述上副推力轴承元件，使得所述副推力轴承通过所述副推力轴承弹簧响应于纵向心轴运动而扩展或收缩来保持在合适的位置。

19.根据权利要求18所述的井下马达，进一步包括第一径向轴承组件，该第一径向轴承组件包括附接到所述心轴的外表面的第一内部径向轴承套筒和附接到所述壳体并与所述第一内部径向轴承套筒对齐的第一外部径向轴承套筒。

20.根据权利要求18所述的井下马达，进一步包括：

驱动轴；以及

至少一个与所述心轴操作性地连接的多零件的分段等速接头，使得当旋转力被施加到驱动轴时，旋转力被传递到所述心轴，所述至少一个多零件的分段等速接头包括：

顶部构件，其具有纵向孔、用于附接到所述驱动轴的第一端部的上附接部段、以及带有一系列花键和凹槽的下互连部分；

至少第一中间构件，其具有纵向孔、带有对应于所述至少第一顶部构件的下互连部分的一系列花键和凹槽的上互连部分、以及带有一系列花键和凹槽的下互连部分；

下构件，其具有纵向孔和带有对应于所述至少第一中间构件的下互连部分的一系列花键和凹槽的上互连部分；以及

至少第一连接销，该第一连接销延伸穿过所述顶部构件的纵向孔、至少第一中间构件的纵向孔和下构件的纵向孔，以对齐和固定所述构件以供使用。

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