CN115697683A - 用于复合材料pcp定子的过心轴挤压 - Google Patents

Abstract

提供了用于形成螺旋橡胶软管的技术。这种技术包括改进的十字头挤出技术，其中弹性体被熔融，供给到十字头组件中，并在穿过十字头组件供给的螺旋心轴上挤出以形成软管。在本文描述的技术中，在十字头组件的出口或输出处或之上的心轴和模具板的相对轴向和旋转移动是移动学匹配的，使得心轴每转一圈的相对轴向移动的距离等于心轴的一个节距。

Description

用于复合材料PCP定子的过心轴挤压

相关申请的交叉引用

与本申请一起提交的申请数据表中确定的外国或国内优先权要求的任何和所有申请在37CFR 1.57下在此通过引用并入。本申请要求2020年6月30日提交的美国临时申请号63/046,254的优先权权益，其全部内容通过引用结合于此，并应被视为本说明书的一部分。

技术领域

本公开总体上涉及定子及其制造方法，更具体地，涉及用于螺杆泵的定子及其制造方法。

背景技术

油气井利用钻入地下的钻孔，随后用设备完井，以促进从储层中生产所需的流体。地下流体，例如油、气和水，通常通过井下泵，例如螺杆泵(PCP)的操作从井眼中泵出或“提升”。PCP包括具有螺旋形外表面的单个转子，该转子在内部螺旋形状的定子内旋转，该定子具有比转子多一个的叶片(lobe)数。在使用中，当转子在定子内旋转时，流体通过在转子和定子之间形成的一系列空腔从泵底部的进入口转移到顶部的排出口。马达驱动转子旋转。马达可以位于井眼的表面，并且可以经由一个或多个抽油杆连接到转子。

发明内容

在一些构造中，形成软管的方法包括:熔融材料，例如弹性体；将熔融的弹性体提供给十字头组件，其中具有出口端口的模具板安装在十字头组件的出口上；相对于十字头组件和模具板出口端口移动螺旋心轴，同时围绕心轴挤出熔融的弹性体；以及移动学关联心轴和模具板之间的相对轴向和旋转移动。

在一些构造中，螺旋软管通过这种方法形成。在一些构造中，螺旋软管被结合到用于螺杆泵或正排量马达的定子中。

在一些构造中，心轴是旋转固定的，模具板被构造成围绕纵向轴线旋转，心轴沿着纵向轴线延伸穿过模具板。在一些这样的构造中，将心轴和模具板之间的相对轴向和旋转移动移动学关联包括当模具板旋转一圈时，将心轴轴向移动等于心轴的一个节距的距离。在一些构造中，模具板是旋转固定的，心轴被构造成绕其纵向轴线旋转。在一些这样的构造中，在心轴和模具板之间的相对轴向和旋转移动的移动学关联包括在心轴轴向行进等于心轴的一个节距的距离时使心轴围绕其纵向轴线旋转360度。在一些构造中，心轴被轴向和旋转地固定，模具板被构造成轴向移动并绕纵向轴线旋转，心轴沿着纵向轴线延伸穿过模具板。在一些构造中，心轴是轴向固定的，模具板是旋转固定的，并且心轴被构造成当模具板轴向移动时绕其纵向轴线旋转。在一些构造中，心轴和模具板都被构造成相对于彼此旋转和轴向移动。

软管材料可以是弹性体，例如橡胶。围绕心轴挤出熔融的弹性体可以包括通过心轴的外直径和模具板出口端口的内直径之间的间隙挤出熔融的弹性体。

在一些构造中，一种制造用于螺杆泵或正排量马达的定子的方法包括:形成螺旋软管；将螺旋软管插入定子管；以及用材料填充螺旋软管的外直径和定子管的内直径之间的间隙。

该材料可以是热固性树脂或塑料。该方法还可包括固化或硫化热固性树脂或塑料，以将材料固化并结合到螺旋软管上。螺旋软管可以由橡胶制成。螺旋软管可以围绕心轴形成，并且该方法可以进一步包括从螺旋软管移除心轴。

在一些构造中，形成螺旋状软管包括使用带有模具板的十字头组件围绕心轴挤出弹性体，同时在心轴和模具板之间移动学关联相对轴向和旋转移动。心轴和模具板之间的轴向和旋转移动的移动学关联可以包括引起心轴和模具板之间的相对轴向移动等于心轴的一个节距的距离，同时引起心轴和模具板之间的相对旋转移动一圈。

附图说明

下文将参照附图描述本公开的某些实施例、特征、方面和优点，其中相同的附图标记表示相同的元件。应当理解，附图图示了本文描述的各种实施方式，并不意味着限制本文描述的各种技术的范围。

图1示出了一示例性PCP系统。

图2示出了cPCP定子的横截面。

图3示出了cPCP定子的摩擦衬片的一部分的3D透视图。

图4示出了心轴上十字头挤出技术的各个方面。

图5A示出了在螺旋心轴上或其周围形成的螺旋橡胶软管的局部纵向截面图。

图5B示出了图5A的橡胶软管和心轴的局部透视3D视图。

图6示出了用于形成螺旋橡胶软管的示例技术。

图7示出了用于形成螺旋橡胶软管的另一种示例技术。

图8示出了一个示例滚珠传递轴承。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了许多细节以提供对本公开的一些实施例的理解。应当理解，以下公开提供了许多不同的实施例或示例，用于实施各种实施例的不同特征。下面描述组件和布置的具体示例，以简化公开内容。当然，这些仅仅是示例，并不旨在进行限制。然而，本领域普通技术人员将会理解，该系统和/或方法可以在没有这些细节的情况下实施，并且对所描述的实施例的许多变化或修改是可能的。该描述不应被理解为限制性的，而是仅出于描述实施的一般原理的目的。所描述的实施方式的范围应当参照所发布的权利要求来确定。

如在此使用的，术语“将…连接”、“连接”、“被连接”、“与…连接”和“连接于”用于表示“与…直接连接”或“经由一个或多个元件与…连接”；术语“组”用来表示“一个元件”或“一个以上的元件”。此外，术语“将…联接”、“联接于”、“被联接”、“联接在一起”和“与…联接”用于表示“直接联接在一起”或“经由一个或多个元件联接在一起”。如这里所使用的，术语“上”和“下”；“上部”“下部”；“顶”和“底”；和指示相对于给定点或元件的位置的其他类似术语被用来更清楚地描述一些元件。通常，这些术语涉及作为顶点的地面上的参考点，从该参考点开始钻井操，总深度为最低点，其中井(例如，井眼、钻孔)相对于地面是垂直的、水平的或倾斜的。

图1示出了示例性的PCP系统100。如所示，PCP系统100包括泵(即，PCP)110、一个或多个抽油杆120和电马达130。PCP 110包括在使用中在双螺旋定子114内旋转的单螺旋转子112。所示的构造包括1叶转子和2叶定子。然而，其他构造也是可能的，例如具有3叶定子的2叶转子或具有4叶定子的3叶转子。在操作期间，流体106通过一系列空腔116从泵110底部的入口转移到泵110顶部的排出口或出口，当转子112在定子114内旋转时，空腔116形成在转子112和定子114之间。

在使用中，PCP 110布置在衬有井套管102的钻孔中的井下。电马达130设置在井的地面。抽油杆120在系统100的地面部件(例如电马达130)和系统100的井下部件(例如PCP110)之间延伸并连接(例如物理地和/或可操作地连接)它们。每个抽油杆120可以在一端或两端带有螺纹，以能够与其他部件螺纹连接，例如PCP 110(即，转子112)、地面部件和/或其他抽油杆120。在使用中，马达130旋转或导致抽油杆120旋转，抽油杆120又旋转或导致转子112旋转。生产油管104可以设置在钻孔中，以将从PCP 110的出口排出的泵送流体106输送到地面。在所示的构造中，油管104围绕抽油杆120设置或者围绕该抽油杆。

本公开涉及挤出技术或工艺。在一些构造中，本公开涉及用于生产复合PCP定子或cPCP定子的制造方法。图2示出了示例cPCP定子的横截面。如所示，cPCP定子具有内衬或层210、外管220和中间层230，内衬或层210可以由诸如橡胶的弹性体形成，外管220可以是金属的，中间层230可以是或包括热固性树脂或塑料，位于橡胶内衬210和金属管220之间(例如，径向位于二者之间)。

用于制造cPCP定子的方法或工艺可以包括:制作将成为定子内衬210的软管(例如，弹性体软管，如橡胶软管)；将橡胶软管放置在心轴350(例如金属心轴)之上、周围或附近(或将心轴350插入中空橡胶软管中)；将带有橡胶软管的心轴350插入金属定子管中；例如，用热固性树脂或塑料填充橡胶软管OD(外直径)和定子管ID(内直径)之间的间隙；以及固化(例如硫化)热固性树脂或塑料(或用于填充间隙的其他材料)以将该材料固化并结合到橡胶软管上。

本公开提供了以精确和可控的方式制作螺旋形软管的方法，例如橡胶软管之类的弹性体软管。在一些构造中，十字头挤压技术允许诸如弹性体或橡胶的材料形成期望的螺旋形状。在该工艺过程中，橡胶可以保留在心轴350上。该技术利用可轴向移动的心轴350，并涉及形成橡胶软管210ID(内直径)的心轴350OD(外直径)和形成橡胶软管210OD的模具板360之间的移动学匹配旋转。相当于一个节距长度的心轴350的轴向移动与相对于模具板360的单圈旋转相匹配，模具板360可以是可旋转或不可旋转的特征。换句话说，当心轴350轴向移动相当于一个节距长度的距离时，模具板360和心轴350之间存在一圈相对移动的旋转。

根据本公开的方法可以基于传统的心轴上十字头挤出技术，或者与传统的心轴上十字头挤出技术共享一些特征，例如如图4所示。诸如弹性体(例如，合成或天然橡胶)的材料在高压挤压机370(或挤压机)中被预热和熔融。橡胶熔体被进料到十字头组件372中，该组件可以联接到挤出机370或放置在挤出机370附近，例如联接到挤出机370的出口或放置在挤出机370的出口附近。

十字头挤压工艺常用于制造圆柱形橡胶辊。刚性心轴(通常由金属制成)被推过十字头组件372。为了形成圆柱形橡胶辊，心轴是圆柱形的。在十字头组件372中，未固化的橡胶包裹心轴OD，并准备挤出。心轴轴向移动穿过安装在十字头组件372出口上或出口处的中空模具板。同时，橡胶熔体被推动通过心轴OD和模具板的出口ID之间的间隙。这个工艺形成了包裹心轴OD的均匀橡胶层。

根据本公开，这种心轴上十字头挤出技术被改进以形成螺旋状橡胶软管210，例如如图3所示。在根据本公开的技术中，心轴350是螺旋形的，如图5A-7所示。心轴350可以被认为是或类似于多导程或多头螺杆，换句话说，具有两个或更多个头(start)。图3的示例软管具有两个头。然而，多于两头也是可能的。如图5A和5B所示，一个心轴节距(或导程)对应于、等于或近似或基本等于由根据本公开的技术形成的螺旋橡胶软管210的一个节距。换句话说，如果心轴350螺纹连接有假想的螺母，则螺距可以被定义为螺母旋转一圈或旋转一圈期间螺母沿着心轴350移动的轴向距离。

根据本公开的技术在挤压过程中给心轴350和/或模具板360引入了旋转自由度。根据本公开的技术还包括心轴350的轴向移动和心轴350与模具板360之间的相对旋转移动(例如,(1)心轴350相对于不可旋转的模具板360的旋转，或(2)模具板360相对于不可旋转的心轴350的旋转)之间的移动联系。在(1)的情况下(心轴350相对于不可旋转的模具板360旋转，例如如图6所示)，当心轴350行进(例如穿过十字头组件372和模具板360)等于一个心轴节距的轴向距离时，心轴350围绕其纵向轴线360°旋转。在(2)的情况下(模具板360相对于不可旋转的心轴350旋转，例如如图7所示)，当心轴350移动等于一个心轴节距的轴向距离时，模具板360绕其纵向轴线360旋转(该轴线延伸穿过模具出口，当心轴350在挤压过程中移动穿过十字头组件372和模具板360时，心轴350沿着该轴线延伸和行进)。

在心轴350相对于固定模具板360旋转的技术中，例如如图6所示，可以包括引导销362，并将其用于提供或确保心轴350和模具板360之间正确的移动匹配或相互作用。引导销362锚定在固定单元或设备上，例如，锚定在挤压机370上或安装在地板上的独立组件上。在所示的构造中，包括两个引导销362。在挤压过程中，销362的尖端与心轴的侧面持续接触，在心轴350上产生摩擦力，并导致心轴350移动。如果心轴350具有相对较浅的螺距，在挤压过程中施加到心轴350上的主要载荷应该使心轴350轴向移动通过十字头组件372。在这种情况下，销362可以引起心轴350的旋转移动。如果心轴350具有相对大的节距，在挤压过程中施加到心轴350上的主要载荷应该使心轴350旋转。在这种情况下，销362可以导致心轴350轴向移动。在一些构造中，销362的顶端可以设计成滚珠传递轴承364，例如如图8所示。在一些构造中，销362可以用与心轴的螺旋对准的定制辊代替。

在模具板360相对于不可旋转的心轴350旋转的技术中，例如如图7所示，心轴350是不可旋转的，并且被轴向推动或拉动通过十字头组件372。模具板360安装在十字头组件372的出口或输出处或其上的可旋转模具上。模具的RPM与心轴350的轴向速度相关，使得模具的一圈旋转对应于心轴350的轴向移动等于一个节距。

根据本公开，技术的其他变型，例如其他移动学方案也是可能的。例如，心轴350可以轴向固定且不可旋转，而模具板360可轴向移动且可旋转，使得模具板360相对于固定心轴350旋转并轴向移动。作为另一个示例，心轴350可以是可旋转的，但是轴向固定的，而模具板360是轴向可移动的，但是不可旋转的，使得当模具板360沿着轴向固定的心轴350或者相对于轴向固定的心轴350轴向移动时，心轴350在模具板360内旋转。作为另一个示例，心轴350和模具板360都可以旋转和轴向移动。

根据本公开的挤压或制造技术也可以或替代地用于制造除了PCP定子之外的物品。例如，根据本公开的技术可用于制造正排量马达(PDM)的定子，例如用于钻井作业。作为另一个示例，根据本公开的技术可以用于或适于用于制造转子(例如，PCP和/或PDM转子)。根据本公开的挤压技术可用于用橡胶或塑料层覆盖这种转子。一般而言，根据本公开的技术可用于制作螺旋管，其可设置在物品的其他部件内或周围。

本文使用的程度语言，例如本文使用的术语“大约”、“约”、“大体上”和“基本上”表示接近所述值、量或特征的值、量或特征，其仍然执行期望的功能或实现期望的结果。例如，术语“大约”、“约”、“大体上”和“基本上”可以指所述量的小于10％、小于5％、小于1％、小于0.1％和/或小于0.01％的量。作为另一个示例，在某些实施例中，术语“大体上平行”和“基本上平行”或“大体上垂直”和“基本上垂直”是指分别偏离完全平行或垂直小于或等于15度、10度、5度、3度、1度或0.1度的值、量或特性。

尽管上面已经详细描述了本公开的一些实施例，但是本领域普通技术人员将容易理解，在本质上不脱离本公开的教导的情况下，许多修改是可能的。因此，这种修改旨在包括在权利要求中定义的本公开的范围内。还可以设想，可以对所描述的实施例的具体特征和方面进行各种组合或子组合，并且仍然落在本公开的范围内。应当理解，所公开的实施例的各种特征和方面可以彼此组合或替换，以便形成本公开的实施例的不同模式。因此，本公开的范围不应受上述特定实施例的限制。

Claims (20)

1.一种形成软管的方法，该方法包括:

熔融弹性体；

将熔融的弹性体提供给十字头组件，其中具有出口端口的模具板安装在十字头组件的出口上；

相对于十字头组件和模具板出口端口移动螺旋心轴，同时围绕心轴挤出熔融的弹性体；和

移动学地关联心轴和模具板之间的相对轴向和旋转移动。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述心轴是旋转固定的，所述模具板被构造成围绕纵向轴线旋转，所述心轴沿着所述纵向轴线延伸穿过所述模具板。

3.根据权利要求2所述的方法，其中移动学地关联心轴和模具板之间的相对轴向和旋转移动包括当模具板旋转一圈时，将心轴轴向移动等于心轴一个节距的距离。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述模具板是旋转固定的，并且所述心轴被构造为绕其纵向轴线旋转。

5.根据权利要求4所述的方法，其中移动学地关联心轴和模具板之间的相对轴向移动和旋转移动包括在心轴轴向移动等于心轴一个节距的距离时，使心轴绕其纵向轴线360°旋转。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述心轴是轴向和旋转固定的，所述模具板被构造成轴向移动并围绕纵向轴线旋转，所述心轴沿着所述纵向轴线延伸穿过所述模具板。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述心轴是轴向固定的，所述模具板是旋转固定的，并且所述心轴被构造为当所述模具板轴向移动时绕其纵向轴线旋转。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述心轴和所述模具板都被构造成相对于彼此旋转和轴向移动。

9.根据权利要求1所述的方法，其中弹性体是橡胶。

10.根据权利要求1的方法，其中围绕心轴挤出熔融弹性体包括通过心轴的外直径和模具板出口端口的内直径之间的间隙挤出熔融弹性体。

11.一种通过权利要求1所述的方法形成的螺旋软管。

12.一种用于螺杆泵或正排量马达的定子，包括权利要求11的螺旋软管。

13.一种制造用于螺杆泵或正排量马达的定子的方法，该方法包括:

形成螺旋软管；

将螺旋软管插入定子管；和

用材料填充螺旋软管的外直径和定子管的内直径之间的间隙。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述材料是热固性树脂或塑料。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括固化或硫化所述热固性树脂或塑料，以将所述材料固化并结合到所述螺旋软管。

16.根据权利要求13所述的方法，其中所述螺旋软管是橡胶。

17.权利要求13的方法，其中形成螺旋软管包括权利要求1的方法。

18.根据权利要求13所述的方法，其中形成螺旋软管包括围绕心轴形成螺旋软管，并且该方法还包括从螺旋软管移除心轴。

19.根据权利要求13所述的方法，其中形成螺旋软管包括使用带有模具板的十字头组件围绕心轴挤出弹性体，同时移动学地关联心轴和模具板之间的相对轴向和旋转移动。

20.根据权利要求19所述的方法，其中移动学地关联心轴和模具板之间的相对轴向移动和旋转移动包括使心轴和模具板之间的相对轴向移动的距离等于心轴的一个节距，同时使心轴和模具板之间的相对旋转移动旋转一圈。

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