DE112010004390T5

DE112010004390T5 - Statoren für Bohrlochmotoren, Verfahren für ihre Herstellung und Bohrlochmotoren, die sie enthalten

Info

Publication number: DE112010004390T5
Application number: DE112010004390T
Authority: DE
Inventors: Hossein Akbari; Julien Ramier; 0livier Sindt
Original assignee: Schlumberger Technology BV
Current assignee: Schlumberger Technology BV
Priority date: 2009-11-13
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-08-23
Also published as: GB201214247D0; CA2780863C; CN102695844A; GB2496237A; WO2011058294A2; RU2012124076A; US10233926B2; US20110116959A1; GB2496237B; WO2011058294A3; CA2780863A1; RU2611125C2; US20150017047A1; US8777598B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung eines Stators für einen Bohrlochmotor, wobei das Verfahren die Schritte des Vorsehens eines Statorrohrs mit einer inneren Oberfläche und des Aufbringens eines Haftmittels auf die innere Oberfläche des Statorrohrs umfasst. Außerdem wird ein Dorn in dem Statorrohr positioniert, wobei der Dorn eine äußere Geometrie besitzt, die zu einer gewünschten inneren Geometrie für den Stator komplementär ist. Ferner wird in das Statorrohr ein Verstärkungsmaterial eingeleitet, um den Raum zwischen dem Dorn und der inneren Oberfläche des Statorrohrs zu füllen, und anschließend verfestigt, um das Verstärkungsmaterial an der inneren Oberfläche des Statorrohrs anzuhaften. Der Dorn wird dann aus dem Statorrohr und dem Verstärkungsmaterial, die aneinander haften, entnommen, so dass ein Stator hergestellt ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bohrlochmotoren (gewöhnlich als ”Schlammmotoren” bekannt) sind leistungsstarke Generatoren, die in Bohrvorgängen verwendet werden, um eine Bohrkrone zu drehen, Elektrizität zu erzeugen und dergleichen. Wie durch den Ausdruck ”Schlammmotor” nahe gelegt wird, werden Schlammmotoren oftmals durch Bohrfluid (z. B. ”Schlamm”) angetrieben. Solches Bohrfluid wird außerdem verwendet, um den Bohrstrang zu schmieren und um Schnittabfall abzutransportieren, so dass es oftmals Partikelmaterial wie etwa Bohrlochabfälle, die die nutzbare Lebensdauer von Bohrlochmotoren verringern können, enthält. Daher besteht ein Bedarf an neuen Lösungswegen für eine kostengünstige Herstellung von Bohrlochmotoren und von Bohrlochmotor-Komponenten, die kostengünstig sind und einen schnellen Austausch vor Ort zu erleichtern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Verfahren für die Herstellung eines Stators für einen Bohrlochmotor, wobei das Verfahren die Schritte des Bereitstellens eines Statorrohrs mit einer inneren Oberfläche, des Aufbringens eines Haftmittels auf die innere Oberfläche des Statorrohrs, des Positionierens eines Dorns in dem Statorrohr, wobei der Dorn eine äußere Geometrie besitzt, die zu einer gewünschten inneren Geometrie für den Stator komplementär ist, und des Einleitens eines Verstärkungsmaterials in das Statorrohr, um den Raum zwischen dem Dorn und der inneren Oberfläche des Statorrohrs zu füllen, umfasst. Außerdem wird das Verstärkungsmaterial verfestigt, um das Verstärkungsmaterial an der inneren Oberfläche des Statorrohrs anzuhaften, woraufhin der Dorn aus dem Statorrohr und dem Verstärkungsmaterial, die aneinander haften, entnommen wird, so dass ein Stator hergestellt ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Statorrohr ein Material, das aus der Gruppe gewählt ist, die besteht aus Eisen, Stahl, Hochgeschwindigkeitsstahl, Kohlenstoffstahl, Wolframstahl, Messing und Kupfer.
Außerdem kann das bei der Herstellung des Stators verwendete Haftmittel ein einlagiges Haftmittel oder ein mehrlagiges Haftmittel sein.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Dorn ein Material enthalten, das aus der Gruppe gewählt ist, die besteht aus: Eisen, Stahl, Hochgeschwindigkeitsstahl, Kohlenstoffstahl, Wolframstahl, Messing und Kupfer. Außerdem kann der Dorn mit einem Trennmittel beschichtet sein, das zahlreiche Formen einschließlich fest, halbfest oder flüssig besitzen kann.
Das Verstärkungsmaterial der vorliegenden Erfindung kann zahlreiche Formen annehmen, wie ein Fachmann auf dem Gebiet versteht. Beispielsweise kann das Verstärkungsmaterial ein Verbundwerkstoff sein. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Verstärkungsmaterial ein Polymer sein. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Verstärkungsmaterial ein wärmehärtender Kunststoff oder ein thermoplastisches Material sein.
Wie ein Fachmann auf dem Gebiet versteht, kann das Verstärkungsmaterial eines Aspekts der vorliegenden Erfindung aus der Gruppe gewählt sein, die besteht aus: Epoxidharzen, Polyimiden, Polyketonen, Polyetheretherketonen (PEEK), Phenolharzen und Polyphenylensulfiden (PPS).
Weiterhin kann das Verstärkungsmaterial verschiedene Formen einschließlich einer Flüssigkeit, einer Paste, eines Schlamms, eines Pulvers und/oder einer Granulatform haben. Ferner kann das Verstärkungsmaterial vernetzt sein und/oder hochgradig kristallin sein. Gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung können bei der Verfestigung des Verstärkungsmaterials, um das Verstärkungsmaterial an der inneren Oberfläche des Statorrohrs anzuhaften, verschiedene Techniken verwendet werden. Diese Techniken können die Verwendung einer Wärmehärtung, einer Strahlungshärtung, einer Dampfhärtung und eines Kühlens umfassen, ohne jedoch darauf eingeschränkt zu sein.
Die vorliegende Erfindung beansprucht ferner einen Stator für einen Bohrlochmotor, wobei der Stator ein Statorrohr mit einer inneren Oberfläche und ein an der inneren Oberfläche haftendes verfestigtes Verstärkungsmaterial umfasst, wobei das verfestigte Verstärkungsmaterial eine innere Oberfläche besitzt, die einen inneren schraubenlinienförmigen Hohlraum definiert, der mehrere innere Keulen aufweist. Außerdem bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Bohrlochmotor, der einen Stator umfasst, wobei der Stator ein Statorrohr mit einer inneren Oberfläche und ein an der inneren Oberfläche haftendes verfestigtes Verstärkungsmaterial aufweist, wobei das verfestigte Verstärkungsmaterial eine innere Oberfläche besitzt, die einen inneren schraubenlinienförmigen Hohlraum definiert, der mehrere innere Keulen aufweist, und einen Rotor, der im Stator aufgenommen ist, umfasst. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Rotor mit einem Elastomer beschichtet sein, wobei das Elastomer eines oder mehrere Stoffe enthalten kann, die aus der Gruppe gewählt sind, die besteht aus: Kautschuk, Naturkautschuk (NR), synthetischem Polyisopren (IR), Butylkautschuk, halogenhaltigem Butylkautschuk, Polybutadien (BR), Nitrilkautschuk, Nitrilbutadienkautschuk (NBR), hydriertem Nitrilbutadienkautschuk (HNBR), carboxyliertem hydriertem Nitrilbutadienkautschuk (XHNBR), Chloroprenkautschuk (CR), Fluorkohlenstoffkautschuk (FKM) und Perfluorelastomere (FFKM).
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein vollständigeres Verständnis des Wesens und der gewünschten Ziele der vorliegenden Erfindung wird auf die folgende genaue Beschreibung Bezug genommen, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren gegeben wird, in denen gleiche Bezugszeichen in allen der mehreren Ansichten entsprechende Teile bezeichnen und worin:
1 ein Bohrlokationssystem veranschaulicht, in dem die vorliegende Erfindung verwendet werden kann;
2A–2C einen Bohrlochmotor mit positiver Verlagerung des Moineau-Typs, der ein 1:2-Keulenprofil besitzt, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen;
3A–3F einen Bohrlochmotor mit positiver Verlagerung des Moineau-Typs, der ein 3:4-Keulenprofil besitzt, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen;
4 und 5A–5D ein Verfahren für die Herstellung eines Stators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen;
6 und 7A–7D ein Verfahren für die Herstellung eines Statoreinsatzes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen;
8 ein Statorrohr und einen Statoreinsatz mit einer Keilnutgeometrie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht; und
9 ein alternatives Verfahren für die Herstellung eines Stators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der Erfindung schaffen Statoren und Statoreinsätze für Bohrlochmotoren, Verfahren für deren Herstellung und Bohrlochmotoren, die sie verwenden. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung können in Bohrlokationssystemen verwendet werden.
Bohrlokationssystem
1 veranschaulicht ein Bohrlokationssystem, in dem die vorliegende Erfindung verwendet werden kann. Die Bohrlokation kann onshore oder offshore sein. In diesem beispielhaften System wird ein Bohrloch 11 in unterirdischen Formationen durch Rotationsbohren auf eine wohl bekannte Weise gebildet. Ausführungsformen der Erfindung können auch ein Richtungsbohren verwenden, wie später beschrieben wird.
Ein Bohrstrang 12 wird in das Bohrloch 11 gehängt und besitzt eine Bohrsohlenanordnung (BHA) 100, die an ihrem unteren Ende eine Bohrkrone 105 aufweist. Das oberirdische System umfasst eine Plattform- und Bohrturmanordnung 10, die über dem Bohrloch 11 positioniert ist, wobei die Anordnung 10 einen Drehtisch 16, eine Spülstange 17, einen Haken 18 und einen Spülkopf 19 enthält. Der Bohrstrang 12 wird durch den Drehtisch 16 gedreht, der durch nicht gezeigte Mittel mit Energie versorgt wird und mit der Spülstange 17 am oberen Ende des Bohrstrangs in Eingriff ist. Der Bohrstrang 12 ist an einem Haken 18 aufgehängt, der über die Spülstange 17 und den Spülkopf 19 an einem (ebenfalls nicht gezeigten) Bewegungsblock befestigt ist, was eine Drehung des Bohrstrangs relativ zu dem Haken ermöglicht. Wie wohl bekannt ist, könnte alternativ ein Kopfantriebssystem verwendet werden.
In dem Beispiel dieser Ausführungsform umfasst das oberirdische System ferner ein Bohrfluid oder Bohrschlamm 26, das bzw. der in einer an der Bohrlokation gebildeten Grube 27 aufbewahrt wird. Eine Pumpe 29 fördert das Bohrfluid 26 über einen Anschluss im Spülkopf 19 in den Innenraum des Bohrstrangs 12, was bewirkt, dass Bohrfluid nach unten durch den Bohrstrang 12 strömt, wie durch den Richtungspfeil 8 angegeben ist. Das Bohrfluid verlässt den Bohrstrang 12 über Anschlüsse in der Bohrkrone 105 und zirkuliert dann durch den Ringraumbereich zwischen der Außenseite des Bohrstrangs und der Wand des Bohrlochs nach oben, wie durch die Richtungspfeile 9 angegeben ist. Auf diese wohl bekannte Weise schmiert das Bohrfluid die Bohrkrone 105 und trägt Formationsschnittabfälle nach oben zur Oberfläche, wo es zu der Grube 27 für eine Umwälzung zurückgeleitet wird.
Die Bohrsohlenanordnung 100 der veranschaulichten Ausführungsform umfasst ein Modul 120 zum Protokollieren während des Bohrens (LWD-Modul), ein Modul 130 zum Messen während des Bohrens (MWD-Modul), ein lenkbares Rotary-System und einen Motor sowie eine Bohrkrone 105.
Das LWD-Modul 120 ist in einer Schwerstange eines speziellen Typs untergebracht, wie auf dem Gebiet bekannt ist, und kann einen oder mehrere bekannte Typen von Protokollierungswerkzeugen enthalten. Es ist außerdem verständlich, dass mehr als ein LWD- und/oder MWD-Modul verwendet werden können, wie beispielsweise bei 120A dargestellt ist. (Bezugnahmen auf ein Modul an der Position 120 können alternativ überall ein Modul an der Position 120A bedeuten.) Das LWD-Modul besitzt Fähigkeiten zum Messen, Verarbeiten und Speichern von Informationen sowie zum Übermitteln an die oberirdische Anlage. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst das LWD-Modul eine Druckmessvorrichtung.
Das MWD-Modul 130 kann ebenfalls in einer Schwerstange eines speziellen Typs untergebracht sein, wie auf dem Gebiet bekannt ist, und kann eine oder mehrere Vorrichtungen zum Messen von Charakteristiken der Schwerstange und der Bohrkrone enthalten. Das MWD-Werkzeug enthält ferner eine (nicht gezeigte) Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Leistung für das Bohrlochsystem. Dies kann typischerweise einen Schlammturbinengenerator (der auch als ein ”Schlammmotor” bekannt ist) umfassen, der durch die Strömung des Bohrfluids angetrieben wird, wobei selbstverständlich andere Leistungs- und/oder Batteriesysteme verwendet werden können. In der vorliegenden Ausführungsform enthält das MWD-Modul einen oder mehrere der folgenden Typen von Messvorrichtungen: eine Vorrichtung zum Messen des Gewichts auf die Bohrkrone, eine Drehmomentmessvorrichtung, eine Vibrationsmessvorrichtung, eine Stossmessvorrichtung, eine Haft/Gleit-Messvorrichtung, eine Richtungsmessvorrichtung und eine Neigungsmessvorrichtung.
Eine besonders vorteilhafte Verwendung des Systems erfolgt in Verbindung mit einem gesteuerten Lenk- oder ”Richtungsbohren”. In dieser Ausführungsform ist ein lenkbares Rotary-Untersystem 150 (1) vorgesehen. Das Richtungsbohren ist die beabsichtigte Abweichung des Bohrlochs von dem Weg, den es natürlicherweise nehmen würde. Mit anderen Worten, das Richtungsbohren ist das Lenken des Bohrstrangs, so dass er sich in eine gewünschte Richtung bewegt.
Das Richtungsbohren ist beispielsweise beim Offshore-Bohren vorteilhaft, weil es die Möglichkeit des Bohrens vieler Bohrlöcher ausgehend von einer einzigen Plattform ermöglicht. Das Richtungsbohren ermöglicht außerdem ein horizontales Bohren durch eine Lagerstätte. Das horizontale Bohren ermöglicht, dass das Bohrloch über eine größere Strecke die Lagerstätte durchquert, wodurch die Produktion des Bohrlochs erhöht wird.
Ein Richtungsbohrsystem kann auch in einem vertikalen Bohrvorgang verwendet werden. Oftmals weicht die Bohrkrone von einer geplanten Bohrbahn aufgrund der nicht vorhersagbaren Natur der Formationen, die durchdrungen werden, oder aufgrund der veränderlichen Kräfte, die die Bohrkrone erfährt, ab. Wenn eine solche Abweichung auftritt, kann ein Richtungsbohrsystem verwendet werden, um die Bohrkrone wieder auf ihren Kurs zu bringen.
Ein bekanntes Verfahren des Richtungsbohrens umfasst die Verwendung eines lenkbaren Rotary-Systems (”RSS”). In einem RSS wird der Bohrstrang von der Oberfläche aus gedreht, wobei Bohrlochvorrichtungen die Bohrkrone dazu veranlassen, in der gewünschten Richtung zu bohren. Das Drehen des Bohrstrangs reduziert das Auftreten eines Aufhängens des Bohrstrangs oder des Feststeckens während des Bohrens erheblich. Lenkbare Rotary-Bohrsysteme zum Bohren abgelenkter Bohrlöcher in die Erde können im Allgemeinen entweder als ”Kronenausricht”-Systeme oder als ”Kronenschiebe”-Systeme klassifiziert werden.
In dem Kronenausricht-System wird die Drehachse der Bohrkrone aus der lokalen Achse der Bohrsohlenanordnung in die allgemeine Richtung des neuen Lochs abgelenkt. Das Loch wird in Übereinstimmung mit der gewöhnlichen Dreipunktgeometrie, die durch obere und untere Stabilisierer-Berührungspunkte und die Bohrkrone definiert ist, vorangetrieben. Der Ablenkwinkel der Bohrkronenachse, die über eine endliche Strecke zwischen der Bohrkrone und dem unteren Stabilisierer gekoppelt ist, hat eine nicht kolineare Bedingung zur Folge, die für eine zu erzeugende Kurve erforderlich ist. Es gibt viele Weisen, auf die dies erzielt werden kann, einschließlich einer festen Biegung an einem Punkt in der Bohrsohlenanordnung in der Nähe des unteren Stabilisierers oder einer Durchbiegung der Bohrkronen-Antriebswelle, die zwischen dem oberen und dem unteren Stabilisierer verteilt ist. In der idealen Form muss die Bohrkrone nicht seitlich schneiden, weil die Bohrachse ununterbrochen in Richtung des gekrümmten Lochs gedreht wird. Beispiele von lenkbaren Rotary-Systemen des Kronenausrichttyps und deren Arbeitsweise sind beschrieben in den US-Patenten Nrn. 6,394,193 ; 6,364,034 ; 6,244,361 ; 6,158,529 ; 6,092,610 ; und 5,113,953 ; und in den US-Patentveröffentlichungen Nrn. 2002/0011359 und 2001/0052428 .
In dem lenkbaren Rotary-System des Kronenschiebe-Typs gibt es gewöhnlich keinen speziell identifizierten Mechanismus, um die Kronenachse von der lokalen Bohrsohlenanordnungsachse abzulenken; stattdessen wird die erforderliche nicht kolineare Bedingung dadurch erzielt, dass der obere und/oder der untere Stabilisator dazu veranlasst werden, eine exzentrische Kraft oder eine exzentrische Verlagerung in einer Richtung auszuüben, die vorzugsweise in Bezug auf die Richtung des Lochvortriebs orientiert ist. Wiederum gibt es viele Weisen, auf die dies erzielt werden kann, einschließlich (in Bezug auf das Loch) drehfester exzentrischer Stabilisierer (verlagerungsbasierte Lösungswege) und exzentrischer Aktoren, die auf die Bohrkrone in der gewünschten Lenkrichtung eine Kraft ausüben. Wiederum wird das Lenken durch Erzeugen einer Nicht-Kolinearität zwischen der Bohrkrone und wenigstens zwei anderen Berührungspunkten erzeugt. In der idealisierten Form muss die Bohrkrone seitlich schneiden, um ein gekrümmtes Loch zu erzeugen. Beispiele für lenkbare Rotary-Systeme des Kronenschiebetyps und deren Arbeitsweise sind beschrieben in den US-Patenten Nrn. 6,089,332 ; 5,971,085 ; 5,803,185 ; 5,778,992 ; 5,706,905 ; 5,695,015 ; 5,685,379 ; 5,673,763 ; 5,603,385 ; 5,582,259 ; 5,553,679 ; 5,553,678 ; 5,520,255 ; und 5,265,682 .
Bohrlochmotoren
In den 2A–2C ist nun ein Bohrlochmotor 200 mit positiver Verlagerung des Moineau-Typs dargestellt. Der Bohrlochmotor 200 umfasst einen Rotor 202, der in einem Stator 204 aufgenommen ist. Der Rotor 202 kann ein schraubenlinienförmiges Element sein, das aus einem starren Material wie etwa aus Metallen, Harzen, Verbundwerkstoffen und dergleichen hergestellt ist. Der Stator 204 kann eine längliche, schraubenlinienförmige Gestalt haben und kann aus Elastomeren hergestellt sein, die dem Rotor 202 ermöglichen, sich im Stator 204 zu drehen, wenn Fluid zwischen den Kammern 206, die zwischen dem Rotor 202 und dem Stator 204 ausgebildet sind, strömt. In einigen Ausführungsformen ist der Stator 204 in einem Statorrohr 208 aufgenommen, das die Verformung des Stators 204 teilweise begrenzen kann, wenn sich der Rotor 202 dreht, und die Außenseite des Stators 204 vor Verschleiß schützen kann.
Bohrlochmotoren 200 können in vielen verschiedenen Konfigurationen gefertigt sein. Im Allgemeinen besitzt der Rotor 202, wenn er in einem Querschnitt wie in 1B gezeigt betrachtet wird, n_r Keulen, während der Stator 204 n_s Keulen besitzt, wobei n_s = n_r + 1. Beispielsweise zeigen die 2A–2C einen Bohrlochmotor 200 mit einem 1:2-Keulenprofil, wobei der Rotor 202 eine Keule 210 und der Stator 204 zwei Keulen 212 besitzt. Die 3A–3F zeigen einen Bohrlochmotor 300 mit einem 3:4-Keulenprofil, wobei der Rotor 302 drei Keulen 310 besitzt und der Stator 304 vier Keulen 312 besitzt. Andere beispielhafte Keulenprofile umfassen 5:6, 7:8, 9:10 und dergleichen.
Die Drehung des Rotors 302 ist in den 3C–3F dargestellt.
Bohrlochmotoren sind ferner in zahlreichen Veröffentlichungen beschrieben, etwa in den US-Patenten NRN. 7,442,019 ; 7,396,220 ; 7,192,260 ; 7,093,401 ; 6,827,160 ; 6,543,554 ; 6,543,132 ; 6,527,512 ; 6,173,794 ; 5,911,284 ; 5,221,197 ; 5,135,059 ; 4,909,337 ; 4,646,856 ; und 2,464,011 ; US-Patentanmeldungen Nrn. 2009/0095528; 2008/0190669; und 2002/0122722; und William C. Lyons u. a., Air & Gas Drilling Manual: Applications for Oil & Gas Recovery Wells & Geothermal Fluids Recovery Wells §11.2 (3. Ausgabe 2009); G. Robello Samuel, Downhole Drilling Tools: Theory & Practice for Engineers & Students 288–333 (2007); Standard Handbook of Petroleum & Natural Gas Engineering 4-276 bis 4-299 (William C. Lyons & Gary J. Plisga, Herausgeber 2006); und 1 Yakov A. Gelfgat u. a., Advanced Drilling Solutions: Lessons from the FSU 154-72 (2003).
Verfahren für die Herstellung von Statoren
Nun wird in Verbindung mit den 5A–5D mit Bezug auf 4 ein Verfahren 400 für die Herstellung eines Stators 500 angegeben. In den 5A–5D sind für die leichtere Veranschaulichung und das leichtere Verständnis Querscheiben ohne Tiefe dargestellt.
Im Schritt S402 wird ein Statorrohr 502 bereitgestellt. Wie hier diskutiert worden ist, kann ein Statorrohr 502 ein starres Material sein. Beispielsweise kann das Statorrohr 502 aus Eisen, Stahl, Hochgeschwindigkeitsstahl, Kohlenstoffstahl, Wolframstahl, Messing, Kupfer und dergleichen hergestellt sein.
Optional wird im Schritt S404 die innere Oberfläche des Statorrohrs 502 vorbereitet. In einigen Ausführungsformen wird ein verschlissener Statoreinsatz 1 aus dem Statorrohr 502 entfernt. In anderen Ausführungsformen wird die innere Oberfläche des Statorrohrs 502 gereinigt, entfettet, sandgestrahlt, strahlgeputzt und dergleichen.
Im Schritt S406 wird auf die innere Oberfläche des Statorrohrs 502 ein Haftmittel 504 aufgebracht. Das Haftmittel 504 kann ein einlagiges Haftmittel oder ein mehrlagiges Haftmittel sein. Der Fachmann auf dem Gebiet erkennt, dass es zahlreiche geeignete Haftmittel gibt, einschließlich Epoxidharz, Phenolharz, Polyesterharz oder irgendeine Anzahl geeigneter Alternativen, ohne jedoch darauf eingeschränkt zu sein.
Im Schritt 5408 wird in dem Statorrohr 502 ein Dorn 506 positioniert. Vorzugsweise wird der Dorn 506 in dem Statorrohr 502 zentriert, so dass die Längsachse des Dorns 506 und die Längsachse des Statorrohrs 502 koaxial sind. Der Dorn 506 besitzt eine äußere Geometrie, die zu einer gewünschten inneren Geometrie des herzustellenden Stators 500 komplementär ist. Beispielsweise kann der Dorn 506 eine längliche, schraubenlinienförmige Gestalt haben und n_s Keulen (z. B. vier Keulen in der in 5A dargestellten Ausführungsform) haben.
In einigen Ausführungsformen ist der Dorn 506 mit einem Trennmittel (nicht dargestellt) beschichtet, um die Entnahme des Dorns 506 zu begünstigen. Zusätzlich oder alternativ können eine oder mehrere elastische Schichten 508 auf dem Dorn 506 aufgebracht sein (z. B. auf dem Trennmittel), um den Stator 500 fester zu machen. Um der Klarheit willen wird der Ausdruck Verstärkungsschicht/elastische Schicht in der vorliegenden Beschreibung austauschbar verwendet. Beispielsweise kann eine elastische Schicht 508 aus Elastomeren wie etwa Kautschuk, Naturkautschuk (NR), synthetischem Polyisopren (IR), Butylkautschuk, halogenhaltigem Butylkautschuk, Polybutadien (BR), Nitrilkautschuk, Nitrilbutadienkautschuk (NBR), hydriertem Nitrilbutadienkautschuk (HNBR), carboxyliertem hydriertem Nitrilbutadienkautschuk (XHNBR), Chloroprenkautschuk (CR) und dergleichen gebildet sein. In einer nochmals weiteren Ausführungsform kann die elastische Schicht 508 mit einer Faser oder einem Textil wie etwa Polyaramid-Kunstfasern wie etwa KEVLAR^®-Faser, die von E. I. Du Pont de Nemours and Company, Wilmington, Delaware erhältlich ist, verstärkt sein.
In einigen Ausführungsformen ist auf die elastische Schicht 508 ein Haftmittel (nicht dargestellt) aufgebracht. Das Haftmittel kann ein einlagiges Haftmittel oder ein mehrlagiges Haftmittel sein.
Im Schritt S410 wird ein Verstärkungsmaterial 510 in das Statorrohr 502 eingeleitet. Beispiele geeigneter Verstärkungsmaterialien 510 werden hier diskutiert.
In Schritt S414 wird das Verstärkungsmaterial 510 verfestigt, wie hier diskutiert wird.
Im Schritt S414 wird der Dorn 506 aus dem verfestigten Stator 500 entnommen.
Verfahren für die Herstellung von Statoreinsätzen
In Verbindung mit den 7A–7D wird mit Bezug auf 6 ein Verfahren 600 für die Herstellung von Statoreinsätzen angegeben. In den 7A–7D sind zur leichteren Veranschaulichung und zum leichteren Verständnis Querscheiben ohne Tiefe dargestellt.
Im Schritt S602 wird ein Dorn 702 bereitgestellt. Der Dorn 702 besitzt eine äußere Geometrie, die zu einer gewünschten inneren Geometrie des herzustellenden Statoreinsatzes komplementär ist. Beispielsweise kann der Dorn 702 eine längliche, schraubenlinienförmige Gestalt haben und n_s Keulen besitzen (z. B. in der in 7A dargestellten Ausführungsform vier Keulen).
Im Schritt S604 wird über dem Dorn 702 eine flexible Hülse 704 angebracht. Die flexible Hülse 704 kann ein Elastomer sein. Beispielsweise können die Elastomere Kautschuk, Naturkautschuk (NR), synthetisches Polyisopren (IR), Butylkautschuk, halogenhaltiger Butylkautschuk, Polybutadien (BR), Nitrilkautschuk, Nitrilbutadienkautschuk (NBR), hydrierter Nitrilbutadienkautschuk (HNBR), carboxylierter hydrierter Nitrilbutadienkautschuk (XHNBR), Chloroprenkautschuk (CR), Fluorkohlenstoffkautschuk (FKM), Perfluorelastomere (FFKM) und dergleichen sein. In einer nochmals weiteren Ausführungsform kann die flexible Hülse 704 unter Verwendung einer Faser oder eines Textils wie etwa Polyaramid-Kunstfasern wie etwa KEVLAR^®-Faser, die von E. I. Du Pont de Nemours and Company, Wilmington, Delaware, erhältlich ist, verstärkt sein.
In einigen Ausführungsformen wird ein Schmiermittel oder ein Trennmittel (z. B. Flüssigkeiten, Gele und/oder Pulver) zwischen der flexiblen Hülse 704 und dem Dorn 702 aufgebracht, um das Einsetzen und die Entnahme des Dorns 702 zu erleichtern. Vorzugsweise ist das Schmiermittel/die Trennschicht mit dem Dorn 702 und der flexiblen Hülse 704 kompatibel. Der Fachmann auf dem Gebiet erkennt, dass das Schmiermittel/die Trennschicht zahlreiche Formen annehmen kann, einschließlich einer permanenten oder semipermanenten Schicht mit einer festen oder flüssigen Form, ohne jedoch darauf eingeschränkt zu sein.
Optional wird im Schritt S606 zwischen der flexiblen Hülse und den Dorn ein Vakuum angewendet, um die flexible Hülse 704 zu veranlassen, sich besser an die Geometrie des Dorns 702 anzupassen. In einigen Ausführungsformen ist ein Vakuum nicht erforderlich, da sich das flexible Material 704 an die Dorngeometrie anpasst, ohne dass eine physikalische Manipulation notwendig wäre.
Im Schritt S608 werden die flexible Hülse 704 und der Dorn 702, die zusammengefügt worden sind, in einer Gießform 706 angeordnet. Vorzugsweise wird der Dorn 702 in der Gießform 706 zentriert, so dass die Längsachse des Dorns 702 und die Längsachse der Gießform 706 koaxial sind. In einigen Ausführungsformen ist die innere Geometrie der Gießform 706 zu dem Statorrohr 708, in dem der gegossene Statoreinsatz installiert wird (abzüglich irgendwelcher Toleranzen für Klebstoffe 710, Ausdehnung, Kontraktion und dergleichen) komplementär. Beispielsweise kann der Statoreinsatz ein im Wesentlichen kreisförmiges äußeres Profil haben und kann das Statorrohr 708 ein im Wesentlichen kreisförmiges inneres Profil haben.
In einer weiteren Ausführungsform, die in 8 dargestellt ist, kann das Statorrohr 808 mehrere Keilnuten 812 besitzen und kann der Statoreinsatz 814 mehrere komplementäre Keilnuten besitzen, um einen mechanischen Halt des Statoreinsatzes 814 in dem Statorrohr 808 zu schaffen. In Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform erkennt der Fachmann auf dem Gebiet ohne Weiteres, dass die Innen- und Außenwände des Statorrohrs nicht notwendig parallel sein müssen.
Im Schritt S610 wird in die Gießform ein Verstärkungsmaterial 714 eingeleitet. Beispiele geeigneter Verstärkungsmaterialien 714 werden hier diskutiert.
Optional kann auf die innere Oberfläche der Gießform 706 vor der Einleitung des Verstärkungsmaterials 714 ein Trennmittel und/oder ein Schmiermittel aufgebracht werden, um die Entnahme des verfestigten Statoreinsatzes aus der Gießform 706 zu begünstigen.
Zusätzlich oder alternativ kann auf die flexible Hülse 704 vor der Einleitung des Verstärkungsmaterials 714 ein Haftmittel (nicht gezeigt) aufgebracht werden, um die Haftung des Verstärkungsmaterials 714 an der flexiblen Hülse 704 zu begünstigen.
Im Schritt S612 wird das Verstärkungsmaterial 714 verfestigt, wie hier diskutiert wird.
Im Schritt S614 werden das verfestigte Verstärkungsmaterial 714 und die flexible Hülse 704 aus der Gießform 706 entnommen. In einigen Ausführungsformen wird die äußere Oberfläche des verfestigten Statoreinsatzes behandelt, um eine bessere Haftung an dem Statorrohr 708 zu begünstigen. Beispielsweise kann der verfestigte Statoreinsatz gereinigt, entfettet, sandgestrahlt, strahlgeputzt und dergleichen werden.
Im Schritt S616 wird optional der Dorn 702 aus dem verfestigten Statoreinsatz entnommen, bevor der Stator in das Statorrohr 708 im Schritt S618 eingesetzt wird. In einer weiteren Ausführungsform wird der Dorn 702 aus dem verfestigten Statoreinsatz entnommen, nachdem dieser in das Statorrohr 708 eingesetzt worden ist.
Es können viele verschiedene Techniken verwendet werden, um das Statorrohr 708 vorzubereiten, um den verfestigten Statoreinsatz aufzunehmen. In einigen Ausführungsformen wird ein verschlissener Statoreinsatz aus dem Statorrohr 708 entnommen. In anderen Ausführungsformen wird die innere Oberfläche des Statorrohrs 708 gereinigt, entfettet, sandgestrahlt, strahlgeputzt und dergleichen.
In einigen Ausführungsformen ist der Statoreinsatz mit der inneren Oberfläche des Statorrohrs 708 gekoppelt. Der Statoreinsatz kann mit dem Statorrohr 708 mittels eines Klebstoffs 710 gekoppelt sein. Beispielsweise kann der Klebstoff 710 auf die Außenseite des Statoreinsatzes und/oder auf die Innenseite des Statorrohrs 708 aufgebracht sein. Alternativ kann der Klebstoff 710 unter einem Druck oder unter Vakuum zwischen den Statoreinsatz und das Statorrohr 708 fließen oder eingespritzt werden, nachdem der Statoreinsatz eingesetzt worden ist. Es können viele verschiedene Klebstoffe 710 verwendet werden, einschließlich Klebstoffen auf Epoxid-Basis, Poly(Methyl-Methylacrylat)-Basis, Polyurethan-Basis und dergleichen.
Verstärkungsmaterialien und Verfahren zum Verfestigen
Die hier diskutierten Verstärkungsmaterialien 510, 714 können viele verschiedene Materialien sein, einschließlich Verbundwerkstoffe, Polymere, wärmehärtender Kunststoffe, thermoplastischer Materialien und dergleichen. Beispielhafte Polymere umfassen Epoxidharze, Polyimide, Polyketone, Polyetheretherketone (PEEK), Phenolharze, Polyphenylensulfide (PPS) und dergleichen. Die Verstärkungsmaterialien 510, 714 können in vielen verschiedenen Formen einschließlich einer Flüssigkeit, einer Paste, eines Schlamms, eines Pulvers, einer Granulatform und dergleichen eingeleitet werden. In Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Erfindung können die Verstärkungsmaterialien zahlreiche Flüssigkeiten, Pasten oder Pulver, die verfestigt werden können, umfassen, ohne jedoch darauf eingeschränkt zu sein. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann es sich um Keramiken oder Zemente handeln.
Die Verstärkungsmaterialien 510, 714 können vernetzt sein. Außerdem oder alternativ können die Verstärkungsmaterialien 510, 714 hochgradig kristallin sein.
Das Verfestigen der Verstärkungsmaterialien 510, 714 kann durch viele verschiedene Techniken erzielt werden, einschließlich chemischer Additive, Ultraviolettstrahlung, Elektronenstrahlen, Erhitzen, Belichten entweder mit einem Teil oder dem vollständigen Mikrowellenspektrum, Dampfhärten, Kühlen und dergleichen Verfestigungsprozesse können zwischen besonderen Verstärkungsmaterialien 510, 714 variieren, sie können jedoch anhand von Herstellerspezifikationen und allgemeiner chemietechnischer Prinzipien sichergestellt werden. In einigen Ausführungsformen wird das Verstärkungsmaterial 510, 714 unter Druck verfestigt, um die Haftung und/oder die Erhöhung mechanischer Eigenschaften mit den elastischen Schichten 508 oder mit der flexiblen Hülse 704 zu begünstigen, um die elastischen Schichten 508 oder die flexible Hülse 704 gegen die Geometrie des Dorns 506, 702 zu pressen und um die mechanischen Eigenschaften der Verstärkungsmaterialien 510, 174 zu verbessern. Beispielsweise ergeben Experimente Verbesserungen von etwa 20% in T_g, Steifigkeit und Härte, wenn das Verstärkungsmaterial unter Druck verfestigt wird.
Zusätzliche Verfahren für die Herstellung von Statoren
In Verbindung mit den 5A–5D wird mit Bezug auf 9 ein Verfahren 900 für die Herstellung eines Stators 500 angegeben. In den 5A–5D sind zur Vereinfachung der Darstellung und des Verständnisses Querscheiben ohne Tiefe dargestellt.
Im Schritt S902 wird ein Dorn 506 bereitgestellt. Der Dorn 506 kann eine äußere Geometrie haben, die zu der gewünschten inneren Geometrie des Stators 500 komplementär ist. Beispielsweise kann der Dorn 506 eine längliche, schraubenlinienförmige Gestalt haben und kann n_s Keulen (z. B. in der in 5A dargestellten Ausführungsform vier Keulen) besitzen.
Optional kann der Dorn 506 im Schritt S904 mit einem Trennmittel (nicht dargestellt) beschichtet werden, um die Entnahme des Dorns 506 aus der flexiblen Hülse 508 zu begünstigen.
Im Schritt S906 wird über dem Dorn 506 eine flexible Hülse 508 angebracht. Die flexible Hülse 508 kann aus Elastomeren wie etwa Kautschuk, Naturkautschuk (NR), synthetischem Polyisopren (IR), Butylkautschuk, halogenhaltigem Butylkautschuk, Polybutadien (BR), Nitrilkautschuk, Nitrilbutadienkautschuk (NBR), hydriertem Nitrilbutadienkautschuk (HNBR), carboxyliertem hydriertem Nitrilbutadienkautschuk (XHNBR), Chloroprenkautschuk (CR), Fluorkohlenstoffkautschuk (FKM), Perfluorelastomeren (FFKM) und dergleichen gebildet sein. In einer nochmals weiteren Ausführungsform kann die flexible Hülse 508 mit einer Faser oder einem Textil wie etwa Polyaramid-Kunstfasern wie etwa KEVLAR^®-Faser, die von E. I. Du Pont de Nemours and Company, Wilmington, Delaware, erhältlich ist, verstärkt sein.
Optional wird im Schritt S908 ein Haftmittel (nicht dargestellt) auf die äußere Oberfläche der flexiblen Hülse 508 aufgebracht. Das Haftmittel kann ein einlagiges Haftmittel oder ein mehrlagiges Haftmittel sein.
Im Schritt S910 wird ein Statorrohr 502 bereitgestellt. Wie hier diskutiert wird, kann das Statorrohr 502 ein starres Material sein. Beispielsweise kann das Statorrohr 502 aus Eisen, Stahl, Hochgeschwindigkeitsstahl, Kohlenstoffstahl, Wolframstahl, Messing, Kupfer und dergleichen hergestellt sein.
Optional wird im Schritt S912 die innere Oberfläche des Statorrohrs 502 vorbereitet. In einigen Ausführungsformen wird ein verschlissener Statoreinsatz aus dem Statorrohr 502 entnommen. In anderen Ausführungsformen wird die innere Oberfläche des Statorrohrs 502 gereinigt, entfettet, sandgestrahlt, strahlgeputzt und dergleichen.
Im Schritt S914 wird ein Haftmittel 504 auf die innere Oberfläche des Statorrohrs 502 aufgebracht. Das Haftmittel 504 kann ein einlagiges Haftmittel oder ein mehrlagiges Haftmittel sein. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können viele verschiedene Haftmittel verwendet werden, einschließlich Hunstman CW47/HY33 oder Chemosil 310, ohne jedoch darauf eingeschränkt zu sein. Im Schritt S916 werden die flexible Hülse 508 und der Dorn 506 in dem Statorrohr 502 positioniert. Vorzugsweise werden der Dorn 506 und die flexible Hülse 508 in dem Statorrohr 502 zentriert, so dass die Längsachse des Dorns 506 und die Längsachse des Statorrohrs 502 koaxial sind.
Im Schritt S918 wird ein Verstärkungsmaterial 510 eingeleitet, um den Raum zwischen der flexiblen Hülse 508 und dem Statorrohr 502 zu füllen. Beispiele geeigneter Verstärkungsmaterialien 510 werden hier diskutiert.
Im Schritt S920 wird das Verstärkungsmaterial 510 verfestigt, wie hier diskutiert wird.
Optional wird im Schritt S922 der Dorn 506 aus dem Stator 500 entnommen.
AUFNAHME DURCH BEZUGNAHME
Sämtliche Patente, Veröffentlichungen, Patentanmeldungen und andere Literaturstellen, die hier offenbart sind, sind hiermit ausdrücklich durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen.
ÄQUIVALENTE
Der Fachmann auf dem Gebiet erkennt unter dem Einsatz lediglich von Routineerfahrung viele Äquivalente der besonderen Ausführungsformen der Erfindung, die hier beschrieben worden sind, oder er ist in der Lage, diese zu ermitteln. Solche Äquivalente sollen von den folgenden Ansprüchen umfasst werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims

Verfahren für die Herstellung eines Stators für einen Bohrlochmotor, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Statorrohrs mit einer inneren Oberfläche; Aufbringen eines Haftmittels auf die innere Oberfläche des Statorrohrs; Positionieren eines Dorns in dem Statorrohr, wobei der Dorn eine äußere Geometrie besitzt, die zu einer gewünschten inneren Geometrie für den Stator komplementär ist; Einleiten eines Verstärkungsmaterials in das Statorrohr, um den Raum zwischen dem Dorn und der inneren Oberfläche des Statorrohrs zu füllen; Verfestigen des Verstärkungsmaterials, damit das Verstärkungsmaterial an der inneren Oberfläche des Statorrohrs anhaftet; und Entnehmen des Dorns aus dem Statorrohr und dem Verstärkungsmaterial, die aneinander haften; um dadurch den Stator herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Statorrohr ein Material enthält, das aus der Gruppe gewählt ist, die besteht aus: Eisen, Stahl, Hochgeschwindigkeitsstahl, Kohlenstoffstahl, Wolframstahl, Messing und Kupfer.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Haftmittel ein einlagiges Haftmittel ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Haftmittel ein mehrlagiges Haftmittel ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Dorn ein Material enthält, das aus der Gruppe gewählt ist, die besteht aus: Eisen, Stahl, Hochgeschwindigkeitsstahl, Kohlenstoffstahl, Wolframstahl, Messing und Kupfer.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Dorn mit einem Trennmittel beschichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmaterial ein Verbundwerkstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmaterial ein Polymer ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verstärkungsmaterial ein wärmehärtender Kunststoff ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verstärkungsmaterial ein thermoplastisches Material ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verstärkungsmaterial einen oder mehrere Stoffe enthält, die aus der Gruppe gewählt sind, die besteht aus: Epoxidharzen, Polyimiden, Polyketonen, Polyetheretherketonen (PEEK), Phenolharzen und Polyphenylensulfiden (PPS).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmaterial in einer Form vorliegt, die aus der Gruppe gewählt ist, die besteht aus: einer Flüssigkeit, einer Paste, einem Schlamm, einem Pulver und einem Granulat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmaterial vernetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmaterial hochgradig kristallin ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Verfestigens des Verstärkungsmaterials, um das Verstärkungsmaterial an der inneren Oberfläche des Statorrohrs anzuhaften, ferner eine oder mehrere Techniken umfasst, die aus der Gruppe gewählt sind, die besteht aus: Wärmehärtung, Strahlungshärtung, Dampfhärtung und Kühlung.
Stator für einen Bohrlochmotor, wobei der Stator umfasst: ein Statorrohr, das eine innere Oberfläche aufweist; und ein verfestigtes Verstärkungsmaterial, das an der inneren Oberfläche haftet, wobei das verfestigte Verstärkungsmaterial eine innere Oberfläche besitzt, die einen inneren schraubenlinienförmigen Hohlraum definiert, der mehrere innere Keulen aufweist.
Bohrlochmotor, der umfasst: einen Stator, der enthält: ein Statorrohr mit einer inneren Oberfläche; und ein verfestigtes Verstärkungsmaterial, das an der inneren Oberfläche haftet, wobei das verfestigte Verstärkungsmaterial eine innere Oberfläche besitzt, die einen inneren schraubenlinienförmigen Hohlraum definiert, der mehrere innere Keulen aufweist; und einen Rotor, der in dem Stator aufgenommen ist.
Bohrlochmotor nach Anspruch 17, wobei der Rotor mit einem Elastomer beschichtet ist.
Bohrlochmotor nach Anspruch 18, wobei das Elastomer ein oder mehrere Materialien enthält, die aus der Gruppe gewählt sind, die besteht aus: Kautschuk, Naturkautschuk (NR), synthetischem Polyisopren (IR), Butylkautschuk, halogenhaltigem Butylkautschuk, Polybutadien (BR), Nitrilkautschuk, Nitrilbutadienkautschuk (NBR), hydriertem Nitrilbutadienkautschuk (HNBR), carboxyliertem hydriertem Nitrilbutadienkautschuk (XHNBR), Chloroprenkautschuk (CR), Fluorkohlenstoffkautschuk (FKM) und Perfluorelastomere (FFKM).