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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Das Richtbohren beinhaltet die beabsichtigte Abweichung oder das beabsichtigte Lenken einer Bohrerspitze zur Bildung eines Bohrlochs, das einer gewünschten Bahn folgt. Diese gewünschte Bahn einer Richtbohranordnung kann vertikal, horizontal oder ein beliebiger Winkel dazwischen oder jegliche Kombination dieser drei Möglichkeiten sein. Die Bohrerspitze kann in die Richtung zeigen, in die man zu bohren wünscht, was durch die Verwendung einer durchgehenden oder einstellbaren Biegung in der Nähe der Bohrerspitze bei einem nach unten in das Loch steuerbaren Schlammmotor, auch als Exzenterschneckenpumpe bezeichnet, der die Bohrgarnitur und die Bohrerspitze verbindet, erreicht werden kann. Schlammmotoren schließen typischerweise einen Leistungsteil ein, der einen Rotor und einen Stator und ein Getriebeteil umfasst. Der Druck der Bohrflüssigkeit, die auch als Schlamm bezeichnet wird, die durch die Bohrgarnitur von der Oberfläche gepumpt wird, erzeugt eine Exzenterbewegung im Leistungsteil des Schlammmotors, die von dem Getriebeteil als konzentrische Kraft auf die Bohrerspitze übertragen wird. Durch Pumpen von Schlamm durch die Bohrgarnitur zum Schlammmotor dreht sich die Bohrerspitze, während sich die Bohrgarnitur nicht dreht, was es der Bohrerspitze ermöglicht, in die Richtung zu bohren, in die sie zeigt.
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Bei einem Schlammmotor dreht sich in der Regel ein Rotor innerhalb eines Stators, um die Kraft, die die Bohrerspitze in Richtung nach unten in einem Bohrloch dreht, zu erzeugen. Schlammmotoren können unterschiedliche Rotor- und Statorkonfigurationen verwenden, um die Leistung für eine Richtbohranordnung zu optimieren. Bislang werden nichtmetallische Materialien, wie Verbundwerkstoffe und/oder widerstandsfähige Materialien, wie Elastomere, bei der Herstellung von Komponenten von Schlammmotoren eingesetzt. Zum Beispiel kann der Stator des Schlammmotors aus einem Verbundwerkstoff, das mit einem widerstandsfähigen Material, wie einem Elastomer, ausgekleidet ist, gebildet werden. Allerdings neigen schwierige Betriebs- und Umgebungsbedingungen im Zusammenhang mit Ölfeldanwendungen, bei denen die Richtbohranordnungen eingesetzt werden können, dazu, diese Materialien, die die Komponenten von Schlammmotoren bilden, zu zersetzen oder deren mechanisches Versagen zu verursachen. Außerdem kann ein Versagen, wenn es im Leistungsteil auftritt, oft erst erkannt werden, wenn es bereits einen strukturellen Abbau im Leistungsteil gegeben hat.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen im Allgemeinen eine verstärkte Richtbohranordnung zur Verfügung, welche zumindest eine Komponente mit zumindest einem Verstärkungsmaterial, das auf ein Teil zumindest einer widerstandsfähigen Schicht aufgebracht ist, um zumindest eine verstärkte, widerstandsfähige Schicht zu bilden, und einem verstärkten Polymerverbund, der an den zumindest einen verstärkten Teil angehaftet werden kann, einschließen kann. Zumindest ein Polymer kann auch auf dem Teil der zumindest einen widerstandsfähigen Schicht in mehreren Formen, einschließlich in flüssiger Form, pastöser Form, Schlammform, Pulverform und/oder Granulatform verfestigt werden. Das zumindest eine Polymer kann auf dem Teil der zumindest einen widerstandsfähigen Schicht durch die Verwendung von chemischen Zusatzstoffen, unter Anwendung von ultravioletter Strahlung, unter Anwendung von Elektronenstrahlen, durch Erhitzen, durch Aussetzen eines Teils des Mikrowellenspektrums, Aussetzen des gesamten Teils des Mikrowellenspektrums, Dampfhärten, Härten/Verfestigung und/oder Abkühlen verfestigt werden.
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Die zumindest eine widerstandsfähige Schicht kann ein Fluorelastomer, einen hydrierten Nitril-Kautschuk, einen Nitril-Kautschuk, einen synthetischen Kautschuk, ein synthetisches Polyisopropen, einen Butylkautschuk, einen halogenierten Butylkautschuk, ein Polybutadien, einen Nitrilbutadienkautschuk, einen carboxylierten, hydrierten Nitrilbutadienkautschuk, einen Chloroprenkautschuk, einen Fluorcarbonkautschuk, ein Perfluorelastomer und/oder einen Naturkautschuk einschließen. Der verstärkte Polymerverbund kann ein Epoxidharz, ein metallgefülltes Epoxidharz, ein anorganisch gefülltes Epoxidharz, ein polymerfasergefülltes Epoxidharz, ein Polyimid, ein Polyetheretherketon, ein Polyketon, ein Phenolharz und/oder ein Polyphenylensulfid sein. Das zumindest eine Verstärkungsmaterial kann Fasern, eine Schnur, Kohlenstoff, Glas, Polymerfasern, Kevlar, Nylon, kurze oder lange Fasern, Mikrofasern, Nanofasern, Stoffe, Bleche, Maschendrähte, gewobene Verstärkungskleidung, dreidimensionale Strukturfasern, Drähte, leitfähige Polymere, Materialien aus zwei Fäden, Materialien aus mehreren Fäden und/oder Glasfasermaterialien einschließen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann die zumindest eine widerstandsfähige Schicht aus hydriertem Nitrilkautschuk oder Nitrilkautschuk ausgewählt werden, das zumindest eine Verstärkungsmaterial kann eine Faserschnur sein, und der verstärkte Polymerverbund kann ein Epoxidharz sein. Das zumindest eine Verstärkungsmaterial und/oder die zumindest eine widerstandsfähige Schicht können als Mehrfachschichten oder in Mehrfachabschnitten gebildet sein.
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen im Allgemeinen auch Verfahren zur Bildung einer verstärkten Richtbohranordnung durch das Aufbringen zumindest eines Verstärkungsmaterials auf eine widerstandsfähige Schicht auf eine Komponente der Anordnung zur Verfügung, um eine verstärkte widerstandsfähige Schicht zu bilden, wobei ein polymerbasierter Verbundwerkstoff, welcher zumindest ein Verstärkungsmaterial aufweist, gebildet wird, und wobei die verstärkte widerstandsfähige Schicht auf den polymerbasierten Verbundwerkstoff angehaftet wird. Die widerstandsfähige Schicht kann durch Extrusion, Coextrusion zur Bildung eines Rohrs mit mehreren Schichten, Coextrusion zur Bildung eines Rohrs mit mehreren Abschnitten, Wickeln, Spritzguss, Formpressen, Spritzpressen und/oder Formen über einen Spanndorn gebildet werden. Der Anhaftungsschritt kann auch das Einbringen zumindest eines Verstärkungsmaterials zwischen der verstärkten widerstandsfähigen Schicht und dem polymerbasierten Verbundwerkstoff und das Füllen einer Mulde durch Gießen oder Einspritzen einschließen. Die Bildung eines polymerbasierten Verbundwerkstoffs kann das Mischen des polymerbasierten Verbundwerkstoffs mit dem zumindest einen Verstärkungsmaterial einschließen. Das zumindest eine Verstärkungsmaterial kann Fasern, eine Schnur, Kohlenstoff, Glas, Polymerfasern, Kevlar, Nylon, kurze oder lange Fasern, Mikrofasern, Nanofasern, Stoffe, Bleche, Maschendrähte, gewobene Verstärkungskleidung, dreidimensionale Strukturfasern, Drähte, leitfähige Polymer, Materialien aus zwei Fäden, Materialien aus mehreren Fäden und/oder Glasfasermaterialien einschließen. Der polymerbasierte Verbundwerkstoff kann ein Epoxidharz, ein metallgefülltes Epoxidharz, ein anorganisch gefülltes Epoxidharz, ein polymerfasergefülltes Epoxidharz, ein Polyimid, ein Polyetheretherketon, ein Polyketon, ein Phenolharz und/oder ein Polyphenylensulfid sein.
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Andere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen im Allgemeinen Verfahren zum Erfassen des Status eines Leistungsteils in einer Richtbohranordnung durch das Bereitstellen eines Schlammmotors zur Verfügung, welcher einen Stator aufweist, der aus einer mit einer widerstandsfähigen Schicht ausgekleideten Kassette gebildet ist, wobei zumindest ein Verstärkungsmaterial mit signalanzeigenden Eigenschaften an einer Oberfläche der mit einer widerstandsfähigen Schicht ausgekleideten Kassette anhaftet, um eine verstärkte widerstandsfähige Oberfläche zu bilden, wobei die verstärkte widerstandsfähige Oberfläche an einem verstärkten polymerbasierten Verbundwerkstoff mit signalanzeigenden Eigenschaften anhaftet, und wobei nach dem Erfassen bezüglich des Status des Leistungsteils ein Signal gesendet wird. Das Verfahren kann auch das Sammeln von Daten bezüglich des Leistungsteils einschließen, das zumindest ein Verstärkungsmaterial verwendet und die Daten zu einem der folgenden Elemente überträgt: die Oberfläche, ein MWD-System (Measurement While Drilling, Messung während des Bohrvorgangs) oder ein LWD-System (Logging While Drilling, Loggen während des Bohrvorgangs). Die Daten können zumindest eine der folgenden Größen einschließen: Druck, Temperatur, Drehmoment, Umdrehungen pro Minute, Stressniveau, Erschütterung, Vibration, Gewicht auf die Bohrspitze nach unten in das Loch und/oder eine entsprechende Umlaufdichte. Das zumindest eine Verstärkungsmaterial kann Fasern, eine Schnur, Kohlenstoff, Glas, Polymerfasern, Kevlar, Nylon, kurze oder lange Fasern, Mikrofasern, Nanofasern, Stoffe, Bleche, Maschendrähte, gewobene Verstärkungskleidung, dreidimensionale Strukturfasern, Drähte, leitfähige Polymer, Materialien aus zwei Fäden, Materialien aus mehreren Fäden und/oder Glasfasermaterialien einschließen.
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Diese Zusammenfassung wird bereitgestellt, um eine Auswahl an Prinzipien einzuführen, die weiter unten in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Diese Zusammenfassung dient nicht dazu, Schlüssel- oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch soll sie zur Einschränkung des Schutzumfangs des beanspruchten Gegenstands benutzt zu werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Für ein vollständigeres Verständnis dieser Offenbarung und ihrer Merkmale wird nun auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen:
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1 eine Querschnittsendansicht eines Stators, der einen Teil einer Richtbohranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bildet;
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2 eine schematische perspektivische Ansicht eines verstärkten Stators mit mehreren Abschnitten, der einen Teil einer Richtbohranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bildet; und
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3a und 3b schematische perspektivische Ansichten von verstärkten Statoren, die Ringausbildungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aufweisen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf die Bildung eines nach unten in das Loch steuerbaren Schlammmotors, auch als Exzenterschneckenpumpe bezeichnet, bei welchem ein Verstärkungsmaterial entlang der Achse des Leistungsteils und/oder vom Kern zur Schale des Leistungsteils entlang eines Radius verwendet werden kann, um die Haltbarkeit und Leistung eines Leistungsteils innerhalb einer solchen Pumpe bzw. eines solchen Motors zu verbessern. Die Verwendung eines Verstärkungsmaterials kann dazu führen, dass die Pumpe bzw. der Motor haltbarer werden und einer länger andauernden Kupplung zwischen einem Rotor und einem Stator bei rauen Betriebsbedingungen standhalten können. Die Lebensdauer der Pumpe bzw. des Motors, und folglich des Leistungsteils, kann dadurch erhöht werden, dass Verstärkungsmaterialien eine zusätzliche mechanische und thermische Unterstützung bieten können. Im Ergebnis können mit dem Bohren und Sondieren verbundene Kosten verringert werden. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auch auf Verfahren zur Datenübertragung und/oder Statusangabe in Bezug auf einen nach unten in das Loch steuerbaren Schlammmotor. Das Einschließen von Verstärkungsmaterialien innerhalb eines nach unten in das Loch steuerbaren Schlammmotors kann gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung für eine solche Datenübertragung und/oder Signalisierung der Lebenddauer bzw. des Status des Leistungsteils verwendet werden.
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1 zeigt eine Querschnittsendansicht eines Stators 10, der einen Teil einer Richtbohranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bildet. In einer Ausführungsform wird der Stator 10 im Leistungsteil eines Schlammmotors in einer Richtbohranordnung verwendet. Der Stator 10 kann eine Oberfläche 101 einer mit einer widerstandsfähigen Schicht ausgekleideten Kassette umfassen, die an einem polymerbasierten Verbundwerkstoff 102 anhaftet. Das Statorrohr 103 kann an den polymerbasierten Verbundwerkstoff 102 durch die Oberfläche 104 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung angehaftet werden. Eine Beschichtung 105, wie eine fluorbasierte Beschichtung, eine Metallbeschichtung oder eine harte Beschichtung kann zum Schutz der widerstandsfähigen Schicht 101 angewendet werden. Es versteht sich, dass eine Oberfläche einer mit einer widerstandsfähigen Schicht ausgekleideten Kassette auch an einen polymerbasierten Verbundwerkstoff in einem Rotor gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung angehaftet werden kann.
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Widerstandsfähige Schichten gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können ohne notwendigerweise darauf beschränkt zu sein, die Folgenden einschließen: Fluorelastomere (wie VITON-Fluorelastomere), hydrierter Nitrilkautschuk (HNBR), Nitrilkautschuk (NBR), synthetischer Kautschuk, synthetisches Polyisopropen, Butylkautschuk, halogenierter Butylkautschuk, Polybutadien, Nitrilbutadienkautschuk, carboxylierter, hydrierter Nitrilbutadienkautschuk, Chloroprenkautschuk, Fluorcarbonkautschuk, Perfluorelastomer und/oder Naturkautschuk oder Kombinationen davon. Solche widerstandsfähigen Schichten können vollständig ausgehärtet, teilweise ausgehärtet oder grün oder ungehärtet sein, wenn sie in einen Stator oder Rotor gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eingebracht werden. Es versteht sich auch, dass eine mit einer widerstandsfähigen Schicht ausgekleidete Kassette aus Schichten verschiedener Materialien gebildet werden kann und selbst auch eine nicht widerstandsfähige Schicht einschließen kann. In Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann die Kassette metallisch sein (z. B. aus Stahl, Edelstahl, Aluminium, Titan oder einer Kombination davon gebildet) und/oder mit Metall (z. B. Chrom, Gold, Silber, Kupfer, Kadmium, Nickel, Zink, Blei, Zinn oder einer Kombination davon) beschichtet sein.
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Widerstandsfähige Schichten, wie die aus Kautschuk gebildeten, können durch mehrere unterschiedliche Prozesse hergestellt werden, einschließlich Extrusionq, Coextrusion, zur Bildung eines Rohrs mit mehreren Schichten und/oder mehreren Abschnitten mit verschiedenen Zusammensetzungen, Spritzguss, Pressformen, Spritzformen und/oder Wickeln. Eine widerstandsfähige Schicht kann über einen Spanndorn geformt werden. Die widerstandsfähige Schicht kann um einen Spanndorn herum extrudiert, jedoch nicht gehärtet und später geformt werden, um eine Form anzunehmen. Eine widerstandsfähige Schicht kann mit Keulen und einer Profilform durch Formen, Pressen, Wickeln und/oder eine andere Technik zum Minimieren des Stresses in der widerstandsfähigen Schicht und zum Verlängern der Lebensdauer der widerstandsfähigen Schicht gebildet werden. Die widerstandsfähige Schicht kann um den Spanndorn herum gewickelt und dann geformt werden. Es versteht sich, dass eine widerstandsfähige Schicht in anderen Formen als eine runde Form, welche einem Spanndorn gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ähnelt, gewickelt werden kann. Jedoch kann eine runde Form verwendet werden, da diese manchmal weniger kostenintensiv in der Anwendung und prozessfreundlicher ist. Eine widerstandsfähige Schicht kann über einen Spanndorn gebildet werden, wobei dies dazu führen kann, dass die widerstandsfähige Schicht sich entspannt, weniger Stress erfährt und mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit ausfällt, wodurch die Lebensdauer des Stators oder Rotors verlängert wird. Einer Extrusion und/oder Wicklung folgend kann eine Form bereitgestellt und ein Druck auf die Form aufgebracht werden, um die mechanischen Eigenschaften der widerstandsfähigen Schicht zu verbessern. Es versteht sich, dass eine gebildete widerstandsfähige Schicht oder eine mit einer widerstandsfähigen Schicht ausgekleidete Kassette verwendet werden können.
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Ein Verstärkungsmaterial kann auf eine widerstandsfähige Schicht aufgebracht werden, um die widerstandsfähige Schicht zu verstärken und folglich weitere Eigenschaften, welche die Verlässlichkeit, die Haltbarkeit und/oder die Leistung des Leistungsteils beeinträchtigen können, zu verbessern. In Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann eine Kassette gebildet werden, die eine widerstandsfähige Schicht aufweist, welche mit einem Verstärkungsmaterial verstärkt werden kann. Es kann auch ein Verbund/Polymer in Bezug auf eine widerstandsfähige Schicht eingebracht werden, um eine zusätzliche Verstärkung in einer Vielfalt von Formen zu erreichen, welche ohne darauf beschränkt zu sein, die Folgenden einschließen: flüssige Form, pastöse Form, Schlammform, Pulverform, Granulatform und/oder Kombinationen davon. Solch ein Verbund/Polymer kann in Bezug auf eine widerstandsfähige Schicht verfestigt werden, zum Beispiel durch die Verwendung von chemischen Zusatzstoffen, ultraviolette Strahlung, Elektronenstrahlen, Erhitzen, Aussetzen entweder eines Teils oder der Gesamtheit des Mikrowellenspektrums, Dampfhärten, Härten/Verfestigung, Abkühlen, etc. Es versteht sich, dass Verfestigungsprozesse je nach dem verwendeten Verbund/Polymer variieren können. Es versteht sich auch, dass ein Verbund/Polymer gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung quervernetzt werden kann.
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Verstärkungsmaterialien können, ohne notwendigerweise darauf beschränkt zu sein, die Folgenden einschließen: Fasern, eine Schnur, Kohlenstoff, Glas, Polymerfasern (d. h., Kevlar, Nylon), kurze oder lange Fasern, Mikrofasern, Nanofasern, Stoffe, Bleche, Maschendrähte, gewobene Verstärkungskleidung, leitfähige Polymer, Materialien aus zwei Fäden, Materialien aus mehreren Fäden und/oder dreidimensionale Strukturfasern. Verstärkungsmaterialien können auch Drähte oder Glasfasermaterialien einschließen. Es können Verstärkungsmaterialien gebildet werden, welche eine bestimmte Struktur, Ausrichtung, Form, Abmessung und/oder Architektur gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung aufweisen. Beispielsweise können kurze Fasern verwendet werden, welche willkürlich sein können und eine unterschiedliche Ausrichtung aufweisen können und isotrop sein können, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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Es können diverse polymerbasierte Verbundwerkstoffe bei der Bildung eines Stators oder Rotors zur Verwendung in einer Richtbohranordnung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden. Solche polymerbasierten Verbundwerkstoffe können, ohne darauf beschränkt zu sein, die Folgenden einschließen: Expoxidharze, Polyimide, Polyetheretherketone (PEEK), Polyketone, Phenolharze und/oder Polyphenylensulfide (PPS) oder Kombinationen davon. Ein polymerbasierter Verbundwerkstoff kann an einer Oberfläche einer mit einer widerstandsfähigen Schicht ausgekleideten Kassette und/oder an einer inneren Oberfläche eines Statorrohrs gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung angehaftet werden.
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Es können funktionalisierte Statoren oder Rotoren aus polymerbasierten Verbundwerkstoffen, einschließlich Verstärkungsmaterialien, gebildet werden. Solche Statoren oder Rotoren können eine Faserstruktur innerhalb der Verbundstruktur des Stators und/oder Rotors aufweisen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung können Verstärkungsmaterialien lange oder kurze Faserschnüre, mehrere Schnurschichten und/oder Nylon einschließen. Eines oder mehrere dieser Verstärkungsmaterialien können mit einem polymerbasierten Verbundwerkstoff, wie Epoxidharz, und einer widerstandsfähigen Schicht, wie HNBR oder NBR gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden. Verstärkungsmaterialien, welche eine Vielzahl an Formen, Ausbildungen und Abmessungen aufweisen, können zu einem polymerbasierten Guss-/Spritz-Verbundwerkstoff hinzugefügt werden. Es kann ein Verstärkungsmaterial zwischen der widerstandsfähigen Schicht und einem polymerbasierten Verbundwerkstoff vor dem Füllen einer Mulde eingeführt werden, zum Beispiel durch Gießen oder Spritzen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann ein polymerbasierter Verbundwerkstoff, wie Epoxidharz, mit einem Verstärkungsmaterial, wie kurzen Fasern, gemischt werden. In Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann das Verstärkungsmaterial eine vorgeformte zweidimensionale oder dreidimensionale Struktur sein, die aus Mikro- oder Nanofasern, Fäden und/oder gewobener Kleidung besteht. Es kann bereits ein Verstärkungsmaterial in dem polymerbasierten Verbundwerkstoff zum Zeitpunkt, wenn ein Einspritzelement zum Gießen des Verbundwerkstoffs verwendet werden kann, vorhanden sein, und dieses Verstärkungsmaterial kann parallel zu einer Achse des Stators ausgerichtet werden. Durch eine solche Ausrichtung kann die Biegefestigkeit des polymerbasierten Verbundwerkstoffs verbessert werden.
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Es versteht sich, dass sowohl der polymerbasierte Verbundwerkstoff als auch die widerstandsfähige(n) Schicht(en) verstärkt werden können. Eine solche Verstärkung kann durch diverse Prozesse erreicht werden, welche, ohne darauf beschränkt zu sein, Extrusion und Wickeln einschließen können. Die Extrusion kann durch eine gleichzeitige Coextrusion eines Gewebezylinders und einer widerstandsfähigen Schicht geschehen, wobei das Gewebe und die widerstandsfähige Schicht durch eine Matrize geführt werden können. In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann eine widerstandsfähige Schicht mit einer kontrollierten Dicke gebildet und in einer Längsbohrung eines Körpers eingeführt werden, um einen Stator oder Rotor zur Verwendung in einem Schlammmotor einer Richtbohranordnung zu schaffen. Beispielsweise kann dann ein Gussmaterial, wie ein metallgefüllter, ein anorganisch gefüllter und/oder poylmerfasergefüllter Polymerverbundwerkstoff in dem zwischen der äußeren Oberfläche der widerstandsfähigen Schicht und der Längsbohrung des Körpers gebildeten Hohlraum angeordnet werden. Das Gussmaterial kann an die widerstandsfähige Schicht angehaftet werden. Es können jedoch andere Verfahren als die Verwendung von Gussmaterialien gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden. Beispielsweise kann der Herstellungsformprozess Spritzguss, Gießformen und/oder Extrusion gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung einschließen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann ein widerstandsfähiges Material in einen Hohlraum zwischen einem Statorkörper und einem Spanndorn eingespritzt werden. Der Spanndorn kann dann unter Bildung eines mit einem widerstandsfähigen Material ausgekleideten Stators entfernt werden. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann ein widerstandsfähiges Material durch eine Profilmatrize extrudiert werden. In jeder dieser Ausführungsformen können Verstärkungsmaterialien in die widerstandsfähige Schicht sowie in den Polymerverbund eingeführt werden.
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können Verstärkungsmaterialien bereitstellen, welche als mehrfache Schichten und/oder mehrfache Abschnitte gebildet sein können. Abschnitte oder Schichten können gebildet werden, indem verschiedene Verstärkungsmaterialien verwendet werden, welche, ohne notwendigerweise darauf beschränkt zu sein, die Folgenden einschließen können: Mikrofasern, Nanofasern, Baumwolle, willkürliche Fasern und/oder Kevlar. Verstärkungsmaterialien zur Verwendung in solchen Schichten oder Abschnitten können beispielsweise auf Grundlage von mechanischen Eigenschaften und/oder Kosten ausgewählt werden, welche zur Anwendung in einem Stator oder Rotor eingeschlossen sein können. Beispielsweise kann Baumwolle im Vergleich zu Mikro- oder Nanofasern weniger Verstärkungseigenschaften innerhalb eines Stators oder Rotors bereitstellen; allerdings kann Baumwolle weniger kostenintensiv in der Anwendung sein. Kevlar kann gute mechanische Eigenschaften aufweisen; allerdings kann Kevlar, wie auch Mikro- oder Nanofasern, kostenintensiv in der Anwendung in solchen Rotoren oder Statoren in bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sein.
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Verstärkungsmaterialien mit mehreren Abschnitten können auf einer widerstandsfähigen Schicht eines Stators oder Rotors und/oder als Teil eines polymerbasierten Verbundwerkstoffs gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung gebildet sein. Bei einem Verstärkungsmaterial mit mehreren Abschnitten gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, dass nicht alle Abschnitte aus demselben Material mit denselben mechanischen Eigenschaften gebildet sind. Beispielsweise kann jeder Abschnitt aus einem unterschiedlichen Verstärkungsmaterial mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften gebildet sein. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können Verstärkungsmaterialien mit mehreren Abschnitten gebildet sein, wobei bestimmte Abschnitte unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen können. Es versteht sich, dass der polymerbasierte Verbundwerkstoff sowohl radial als auch axial unterschiedlich sein kann. Beispielsweise kann der polymerbasierte Verbundwerkstoff selbst von einem Abschnitt des Rotors oder Stators zum Nächsten verschieden sein, und/oder kann das Verstärkungsmaterial von einem Abschnitt des Rotors oder Stators zum Nächsten verschieden sein. Es versteht sich auch, dass unterschiedliche widerstandsfähige Schichten in unterschiedlichen Abschnitten oder Schichten gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können.
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2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des verstärkten Stators 20 mit mehreren Abschnitten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In dieser Ausführungsform kann der Stator 20 drei Abschnitte einschließen – den Mikro-/Nanofaserabschnitt 201, den Abschnitt aus gewobenen Materialien/gewickelten Fasern 202, und einen Abschnitt mit willkürlich platzierten kurzen und langen Fasern 203. Mikro- oder Nanofasern können in einem Abschnitt des Stators 20 verwendet werden, da diese gute mechanische und hohe Verstärkungseigenschaften aufweisen; allerdings können diese aufgrund ihrer im Allgemeinen hohen Kosten in der Anwendung selektiv verwendet werden. Der Abschnitt mit willkürlich platzierten kurzen und langen Fasern 203 kann verwendet werden, um die Stoßfestigkeit des Stators 20 zu verbessern. Der Abschnitt mit willkürlich platzierten kurzen und langen Fasern 203 kann verwendet werden, um die Struktur des Stators 20 im Vergleich mit dem Abschnitt 202, welcher gewobene oder gewickelte Fasern verwendet, isotroper zu machen. Gewobene oder gewickelte Fasern, wie eine Schnur, können im mittleren Abschnitt 202 des Stators 20 verwendet werden, da diese Arten von Material gut an einem polymerbasierten Verbundwerkstoff wie Epoxidharz haften können und auf das Biegen des Stators 20 reagieren können. Während der Stator 20 in 2 dargestellt ist, versteht sich, dass ein Rotor mehrere Abschnitte aufweisen kann, ähnlich wie der Stator 20, ohne vom Bereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Es versteht sich auch, dass das Verstärkungsmaterial, welches zur Bildung der diversen Abschnitte verwendet werden kann, von den gewünschten Stator- oder Rotoreigenschaften abhängen kann. Beispielsweise kann Kevlar in einem Abschnitt eines Stators mit mehreren Abschnitten eingesetzt werden, wenn hohe Temperaturen (ungefähr 400 Grad Celsius) erwartet werden; allerdings kann anstelle von Kevlar Nylon mit geringeren Kosten verwendet werden, wenn ein Stator mit mehreren Abschnitten bei niedrigeren Temperaturen (wie ungefähr 150 Grad Celsius) eingesetzt werden kann. Weiterhin versteht sich, dass dieselbe Struktur/Architektur, wie in 2 beschrieben, für die Verstärkung der widerstandsfähigen Schichten und/oder die Verstärkung der polymerbasierten Verbundwerkstoffe verwendet werden kann.
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Eine widerstandsfähige Schicht kann unterschiedliche Verstärkungsmaterialien einschließen, welche auf der widerstandsfähigen Schicht geschichtet sind, um ein widerstandsfähiges Rohr mit mehreren Schichten entlang der Achse eines Leistungsteils gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu bilden. Eine mehrschichtige verstärkte, widerstandsfähige Schicht kann durch Coextrusion gebildet werden und kann eine innere Oberfläche einschließen, welche Eigenschaften bezüglich der Abrasionsbeständigkeit und der chemischen Beständigkeit aufweisen kann, während eine äußere Oberfläche Eigenschaften bezüglich der Haftung und Verklebung aufweisen kann. Es versteht sich jedoch, dass eine mehrschichtige verstärkte, widerstandsfähige Schicht Schichten einschließen kann, welche andere mechanische Eigenschaften aufweisen, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Mehrschichtige Verstärkungsmaterialien können auf einer widerstandsfähigen Schicht eines Stators oder Rotors und/oder als Teil eines polymerbasierten Verbundwerkstoffs gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung gebildet werden. Es versteht sich, dass eine beliebige Anzahl von Schichten und/oder Anordnungen von Verstärkungsmaterialien gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann. In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann eine Vielzahl an Faserschichten auf einer widerstandsfähigen Schicht aufgebracht werden, um die Steifigkeit und/oder Verschleißfestigkeit einer Pumpe oder eines Motors zu erhöhen. In einer anderen Ausführungsform können unterschiedliche Verstärkungsmaterialien in aufeinanderfolgenden Schichten eines Stators oder Rotors verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung können Verstärkungsmaterialien, welche ähnliche Eigenschaften aufweisen, in nicht aufeinanderfolgenden Schichten verwendet werden. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können sich abwechselnde Schichten eines widerstandsfähigen Materials, wie ein Elastomer, und eines Verstärkungsmaterials, wie eine gewobene Faser, übereinander gelegt werden, um eine Verbundstruktur zu bilden. In anderen Ausführungsformen können unterschiedliche widerstandsfähige Schichten radial und/oder axial verwendet werden, je nach den mechanischen oder chemischen Zieleigenschaften für einen Rotor oder Stator. Solche Fasern können in eine Masche gewoben, geflochten und/oder übereinander gelegt werden.
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3a und 3b zeigen schematische perspektivische Ansichten einer Ringausbildung 30 zur Ausrichtung von Verstärkungsmaterialien in Bezug auf einen Rotor oder Stator, wie den Stator 300, um die Stärke des Rotors oder Stators gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu verbessern. In der Ringausbildung 30 kann eine erste Gruppe von Ringen 301a, 301b auf gegenüberliegenden Enden des Stators 300 positioniert und mit dem Verstärkungsmaterial 303, 304 verbunden werden. Es kann eine zweite Gruppe von Ringen 302a, 302b konzentrisch innerhalb der ersten Gruppe von Ringen 301a, 301b angeordnet werden, die ähnlich auf gegenüberliegenden Enden des Stators 300 positioniert und mit dem Verstärkungsmaterial 304 verbunden ist. In 3a können eine erste Gruppe von Ringen 301a, 301b und eine zweite Gruppe von Ringen 302a, 302b jeweils gedreht werden, so dass die Verstärkungsmaterialien 303, 304 sich in einem Kreuzmuster zueinander befinden können. Die zweite Gruppe von Ringen 302a, 302b kann in einer feststehenden Position gehalten werden, während die erste Gruppe von Ringen 301a, 301b in Bezug auf den Stator 300 gedreht werden kann, wie in 3b dargestellt ist. In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann die zweite Gruppe von Ringen 302a, 302b entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht werden, so dass das Verstärkungsmaterial 304 mit einem Winkel, wie einem 30-Grad-Winkel, in Bezug auf das Verstärkungsmaterial 303 ausgerichtet werden kann. Dementsprechend können die Verstärkungsmaterialien 303, 304 derart ausgerichtet werden, dass sie den Rotor oder Stator weiter verstärken, so dass er rauen Bedingungen nach unten in das Loch gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung widerstehen kann. Es versteht sich, dass mehr als zwei Gruppen von Ringen in einer Ringausbildung verwendet werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Beispielsweise können bis zu zehn Gruppen von Ringen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden. Es versteht sich auch, dass unterschiedliche Arten und Kombinationen von Verstärkungsmaterialien in einer Ringausbildung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können. Beispielsweise kann eine Ringausbildung hergestellt werden, indem Verstärkungsmaterialien mit mehreren Schichten oder mehreren Abschnitten verwendet werden, ohne von der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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Der Leistungsteil kann als Verbindungsmittel für nach unten ins Loch steuerbare Schlammmotoren betrachtet werden. Wenn ein beliebiger Schaden oder Ausfall in einem Leistungsteil auftritt, kann ein in einem Rotor und/oder Stator in einem Leistungsteil vorhandenes Verstärkungsmaterial wie Glasfasern oder Drähte oder Dehnmessungsstreifen verwendet werden, um von unten aus dem Loch ein Signal zu erzeugen und zur Oberfläche oder zu MWD- oder LWD-Systemen zu senden, um einen Bohrer bezüglich des Status/der Lebensdauer des Leistungsteils und/oder die Art eines beliebigen Schadens zu informieren. Es kann ein Signal durch einen Sensor auf der Bohrerspitze erzeugt werden, das durch das Leistungsteil zur Oberfläche oder zu MWD- oder LWD-Systemen gesendet werden kann. Bei solchen Ausführungsformen kann die aktuelle Diskontinuität in Bezug auf solche Sensoren als Zeichen eines Ausfalls oder Schadens innerhalb des Leistungsteils interpretiert werden. Es kann ein Signal unten im Loch erzeugt werden, wie etwa auf Grundlage eines Bruchs in einem Draht, und wenn das Signal die Oberfläche erreicht, können Ausfälle im Leistungsteil unten im Loch identifiziert werden. Weiterhin kann ein Signal weitere Daten senden, welche, ohne darauf beschränkt zu sein, Folgendes einschließen: Druck, Temperatur, Drehmoment, Umdrehungen pro Minute, Stressniveau, Erschütterung, Vibration, Gewicht auf die Spitze unten im Loch und/oder eine entsprechende Umlaufdichte. Dies kann erreicht werden, indem unterschiedliche Sensoren eingeschlossen werden, die in der widerstandsfähigen Schicht und/oder dem polymerbasierten Verbundwerkstoff eingebettet sind, und/oder indem Drähte oder Glasfasern verwendet werden, um die Daten zur Oberfläche zu übertragen. Es versteht sich auch, dass die Daten zum Beispiel auf einer Speicherkarte gespeichert werden können.
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Die Verstärkungsmaterialien können innerhalb eines Leistungsteils als ein Verfahren zur Datenübertragung und/oder Anzeige der Lebensdauer/des Status gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden. Solch ein Verstärkungsmaterial, das als ein Signalindikator verwendet werden kann, kann als Teil einer widerstandsfähigen Schicht eines Stators oder Rotors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen werden. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann ein Verstärkungsmaterial, welches signalanzeigende Eigenschaften aufweist, in einen polymerbasierten Verbundwerkstoff unter Bildung eines Stators oder Rotors eingebracht werden.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann ein Draht oder ein leitfähiges Polymer als Verstärkungsmaterial verwendet werden. Es können jedoch andere Verstärkungsmaterialien verwendet werden, ohne von der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann Draht verwendet werden, wenn die Verwendung eines leitfähigen Polymers extrem kostenintensiv ist. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann eine beliebige Art von Draht verwendet werden. In bestimmten Ausführungsformen kann der polymerbasierte Verbundwerkstoff eine gewisse Leitfähigkeit aufweisen, um eine möglicherweise geringere Leitfähigkeit in einigen Drähten im Vergleich zur Verwendung von leitfähigen Polymeren zu kompensieren. Solch ein Draht bzw. leitfähiges Polymer kann in einen Rotor und/oder Stator eingebracht werden und verwendet werden, um Daten bezüglich eines Motors im Allgemeinen und/oder einer Bohrerspitze, die unten im Loch gelegen ist, zu gewinnen, und diese Daten an die Oberfläche zu übertragen. Die Verwendung eines solchen Verstärkungsmaterials kann insofern hinsichtlich der Verlängerung der Lebensdauer eines Leistungsteils günstig sein, als das Verstärkungsmaterial anzeigen kann, dass eine Maßnahme ergriffen werden sollte, wenn die Verbindung verloren geht oder sich ein Riss im Stator oder Rotor bildet.
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Während mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine Verstärkung und eine Statusanzeige in Bezug auf bestimmte Arten von Statoren beschrieben haben, versteht es sich, dass die Verstärkung und die Statusanzeige auch in Bezug auf eine herkömmlichere Statortechnologie auftreten können. Weiterhin versteht es sich, dass Verstärkung und Statusanzeige, welche hier beschrieben sind, auf eine ähnliche Art und Weise wie Rotoren und Statoren in Richtbohranordnungen gemäß Ausführungsformen der vorlegenden Offenbarung eingesetzt werden können.
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Obwohl die vorliegende Offenbarung ausführlich beschrieben wurde, versteht es sich, dass verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen hier gemacht werden können, ohne von dem Geiste und dem Schutzumfang, wie durch die beigefügten Patentansprüche definiert, abzuweichen. Darüber hinaus ist der Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung nicht auf die besonderen Ausführungsformen des Prozesses, der Maschine, der Herstellung, der Stoffzusammensetzung, der Mittel, der Verfahren und Schritte, die in der Beschreibung beschrieben werden, beschränkt. Wie ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Offenbarung leicht versteht, können Prozesse, Maschinen, Herstellung, Stoffzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte, die gegenwärtig existieren oder später hergestellt werden können, die im Wesentlichen die gleiche Funktion erfüllen oder im Wesentlichen zu dem gleichen Ergebnis führen wie die entsprechenden, hier beschriebenen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung eingesetzt werden. Dementsprechend sollen die beigefügten Patentansprüche solche Prozesse, Maschinen, Herstellung, Stoffzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte in ihrem Schutzumfang einschließen.
