JP2011514486A - ダウンホールモーターのラジアル軸受を製造する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、かなりの深さにある地面にドリルで穴を開けるためのドリルビットを駆動するために油層探鉱産業において使用されるダウンホールモーターに関連する。ダウンホールモーター（1）は、モーター本体（3）において軸スラスト軸受（６）及びラジアル軸受（7）によって保持される駆動軸（5）を含む。ラジアル軸受（7）は、内部表面が合金網ラジアル軸受本体（10）の内部において直接レーザーを利用して上塗りすることによって形成される耐磨耗層で被覆された管状部材である。その上塗り層の厚さは次に、切削道具で材料を取り除くことによって減らされる。これは、掘削泥水に比較的無反応であり、ダウンホールモーターに対して大きな信頼性を与える、ラジアル軸受を生産する。

Description

本発明は、油層探鉱産業において、かなりの深さにある地面にドリルで穴を開けるためのドリルビットを駆動するために使用されるダウンホールモーターに関する。

油層探鉱において、オイル又はガスを収容するためには、かなりの深さまで穴を掘る必要がある。ダウンホールモーターは、このために使用され、ドリルストリングの低い端部に固定され、軸回転においてドリルビットを駆動する。ダウンホールモーターは、モーター本体における軸回転のためにかみ合わされ、その端部でドリルビットを支える軸（shaft）を含む。その軸は、滑り軸受、特にラジアル軸受によってモーター本体において保持される。

ダウンホールモーターに対する装置には２つのタイプがある：タービン及びモーターのようなものである。これらの２つのタイプの装置は、それらの建設に、高性能で耐磨耗性の被覆を含んだ滑らかな軸受を必要とする。

両方の場合において、モーターは、掘屑を下から上げるために注入される掘削泥水によって駆動される。この掘屑及び掘削泥水の混合が、この装置が特に深刻な磨耗の影響を受ける原因となる。

これらのタービン及びモーターの回転に必要な軸受は、幾何学的な耐性及び使用されるスチールの質に特に関連した正確な仕様を満たさなければいけない。

摩擦表面が、硬質金属マトリクスに埋め込まれたタングステン・カーバイドの粒子に基づく耐磨耗材料で作成されている軸受が、すでに製造されている。

従って、PCT出願国際公開第2007/001826号明細書は、管状金属ブッシュが使用され、硬い上塗り材料がその外面にレーザーによって塗られ、その材料は、金属マトリクスに埋め込まれた耐磨耗材料の粒子に基づいているダウンホールモーターに対するラジアル軸受を製造する方法を提案している。スチール外層は、次に、レーザーを利用した上塗りによって耐摩耗性材料の層の周りに塗られる。外側の直径は、その金属外層の一部分だけを取り除くように機械加工される。内部の直径は、全ての初期の管状金属ブッシュを除去し、中間層の硬い上塗り材料の内面を露出するように機械加工される。

この方法は、硬質耐磨耗材料内部層が、レーザーを利用した上塗りによって製造されることを可能にする。

しかし、この方法は、いくつかの層をレーザーによって製造することを必要とし、比較的厚い層が除去されなければいけない複数の機械操作を必要とするため、大量な時間を必要とし、費用もかかる。さらに、レーザーを利用した上塗りによって生産される外部の金属本体は、非常に高い機械的強度を持つ軸受本体を生産することができない。ここで、ダウンホールモーターに使用される軸受本体の高い機械的強度が、特定の機械的応力及び強烈なショックに耐えることに対して役立つ。

代替として、高強度管状金属本体の内部に直接、銅又はマンガン合金のマトリクスを硬質耐磨耗材料パウダーの層の中に浸透させることによって内部の上塗り層を製造することも提案されている。しかし、そのマトリクスは、結果として、ニッケル基合金が使用されるプロセスであるレーザーを利用した上塗りによって製造されるものよりも低い硬度を有する。

代替として、溶接によって放射状に組み立てられた多数の部分においてラジアル軸受を製造することがさらに提案されている。しかし、溶接が原因で常に機械的強度の問題に関するリスクがあり、この方法では、モーターの軸の周りにおいて考慮される、角度方向の関数として得られる構造の均一性の欠陥に関するリスクがある。

これらの方法によって製造される軸受は、硬度を増加させるために、スチールの特に軸受本体のメス部分の熱処理を可能にしない。被覆の分離に関するリスクは、特に、軸受本体を硬化させることを目的として急冷によって生じる寸法変化の後には、操作リスクを生成し、信頼性の欠陥をもたらす。

これらの既知の方法は：高温、磨耗性掘削泥水の存在、ショック荷重の存在：などダウンホールモーターの使用の条件が非常に厳しいという点において十分ではない。

さらに、既知の方法は、軸受がすり減った時に修理する方法を提供していない。

ここで、ラジアル軸受は、通常のクリアランスを１ミリの100から200分の１でも超えるゆるみが出てくると、その結果、軸受を非常に速く磨り減らす原因となる掘削泥水の過度の浸透のリスクがあるため、直ちに変えられなければいけない
その結果、既知の技術で、再使用又は再利用がもはや可能でない軸受を置き換える必要が単にある。

PCT出願国際公開第2007/001826号明細書

本発明は、機械的強度及び耐性の両方に関して改善された特性を有するダウンホールモーターのラジアル軸受を製造するための方法を提供することを目的としている。

本発明は、また、新しいダウンホールモーターのラジアル軸受を製造するだけでなく、すり減ったダウンホールモーター軸受を修理又は修理調整するためにも使用されてよい種類を製造する方法を提供することも目的としている。

本発明は、さらに、比較的費用の低い、特に、耐摩耗性材料表面を機械加工するための時間がかかる、費用の高い操作の多重度を必要としない上記の種類を製造する方法を提供することを目的としている。

上記及び他の目的を達成するためには、本発明は、耐摩耗性の内部表面を持つダウンホールモーターのラジアル軸受を製造するための方法を提案し、そのラジアル軸受は、ダウンホールモーター本体に固定するための固定表面を有する管状金属ラジアル軸受本体を有し、金属マトリクスに埋め込まれた耐磨耗材料の粒子に基づく耐摩耗性内部層を有し、該方法は：
a）初期内部表面を有する管状ラジアル軸受本体を供給し保持するステップ、
b）管状ラジアル軸受本体の初期内部表面にレーザーを利用した上塗りによって耐摩耗性材料層を直接塗るステップ、
c）冷却後に、耐摩耗性材料層を、適切な内径を持つ最終円筒型内部表面を有する耐摩耗性内部層を製造するために機械加工するステップ、
を含む。

直接的なレーザーを利用した管状金属軸受本体の内部表面の上塗りのおかげで、前もって形成された優れた機械的特性を有する管状金属軸受本体を使用することができ、上塗りは、過剰な加熱によってその管状本体の金属部分の特性には影響しない。

同時に、レーザーを利用した上塗りは、ニッケル基合金などの硬質マトリクスの使用を可能にし、それによって軸受の活性表面の耐摩耗性質も改善される。

実際には、ステップb）の間に、レーザービームが、レーザー源によって生成され、そのレーザービームは、ラジアル軸受の中央経路の中へ、初期内部表面の上塗り領域の範囲まで方向づけられ、耐磨耗材料粒子及び金属粉の混合物が上塗り領域に同時にスプレーされ、その上塗り領域は、ラジアル軸受本体において前進し、初期内部表面上に実質的に均一の厚さの耐磨耗材料層を生成する。

明らかにそのような上塗りは、軸受の内部耐磨耗層を通して十分な均一性を保証する。この方法で得られた内部層は、厚さにおいて十分に均一ではないが、それに続く仕上げステップが提供される。

ステップb）の最後に、レーザーを利用して上塗りによって製造された耐磨耗材料層は、有利にも、約1mmの厚さを有し、それは結果として機械加工の間にこの耐磨耗材料層の厚さの1部分だけが除去されることを可能にする。そして、ステップc）の最後に、最終耐磨耗材料層が、有利にも、約0.75mmの厚さを有することができる。

これは、一定の厚さ及び適切な均一性の耐磨耗材料層を製造するためには十分であり、内部表面は、一定の直径を有する。

機械加工の最後に、最終内部表面は、有利にも、粗さパラメータRaが0.4μmよりも小さいか又はそれに等しい表面状態を有する。

当該方法は、新しい軸受の製造に、すり減った軸受の修理と同じ程度に適用される。

従って、第１適用において、ステップa）の間に、管状金属ラジアル軸受本体は、耐磨耗内部層を有しない；この場合、ステップb）の間に、その耐磨耗材料層は、管状ラジアル軸受本体の金属部分に直接塗られる。

第２の場合において、ステップa）の間に、管状金属ラジアル軸受本体は、修理されるべき耐磨耗内部層を含む。この場合、ステップb）の間に、耐磨耗材料層はその修理されるべき耐磨耗内部層に塗られる。

本発明のもう１つの態様は：
‐熱処理された合金網などの高い機械的強度のスチールの管状ラジアル軸受本体であり、例えば、AFNOR規格42CD4タイプ合金網又はAISI規格4140タイプ合金網、
‐タングステン・カーバイド及びチタニウム・カーバイドを含むグループにおいて選択された耐磨耗材料粒子、ニッケル合金マトリクスに埋め込まれている耐摩耗性材料粒子に基づいた耐磨耗内部層、
‐円筒形の内部表面であり、粗さパラメータが0.4μmよりも小さいか又はそれに等しい表面状態にある、内部表面、
を含む、耐磨耗内部表面を持つダウンホールモーターのラジアル軸受を提案する。

本発明のもう１つの態様は：
‐ここで定義されるようにラジアル軸受が固定されている軸路を持つモーター本体、
‐ドリルビットを持ち運ぶように適合され、ラジアル軸受における小さいクリアランスにかみ合わされた円筒形部分を有する駆動軸であり、該円筒形部分は、また、ニッケル合金マトリクスに埋め込まれた耐磨耗材料に基づいた耐磨耗外部層を有する、駆動軸、
を含むダウンホールモーターを提案する。

油層探鉱産業のダウンホールモーターの縦断面の概略図である。 本発明のダウンホールモーターのラジアル軸受の１実施形態の縦断面における詳細な図である。 図２のラジアル軸受の耐摩耗層の構造をより大きなスケールで示す詳細な図である。 図２のラジアル軸受を製造するために耐摩耗性材料でレーザーを利用して上塗りするステップを、管状金属本体から開始して説明する概略的な側面図である。 図２のラジアル軸受を改良するためにすり減ったラジアル軸受を上塗りするステップを概略的に側面及び部分的に表わす図である。 図２にラジアル軸受を仕上げるための機械加工ステップを説明する縦断面における概略的な側面図である。

まず、油層探鉱において使用されているもののようなダウンホールモーターの縦断面の概略的な図である図１を参照されたい。

一般的に特許文献１によって指定されるダウンホールモーターは、一般的に垂直のドリルストリングの端部に配置され、従って、ドリルホール2の底に位置する。それは、一般的に、軸路4を持つ管状モーター本体3及びそのモーター本体3において回転可能なように搭載される駆動軸5を有する。駆動軸5は、一方においては、モーター本体3において軸方向に力を吸収するように、特に、駆動軸5を下方に押すために適合されている軸スラスト軸受6によってガイドされ、モーター本体3において半径方向に駆動軸5をガイドするように適合されているラジアル軸受7によってガイドされる。

駆動軸5の自由端5aは、モーター本体3から伸び、ドリルビット8を持ち運ぶように適合されており、ドリルビット8は、駆動軸5の回転のおかげでドリルホール2を作り出す。

ダウンホールモーター1は、表面から軸路4を通って注入される加圧された掘削泥水によって回転において駆動され、掘削泥水は、掘屑を抽出するためにドリルビット8に送り込まれる。その掘削泥水と掘屑との混合物が、ドリルホール2においてモーター本体3の周りの表面に上昇する。

操作において、駆動軸5は、毎分約100回転から300回転までの速度で回転する。

オペレータから非常に遠い位置が原因で、ドリルホール2の底が深いため、ダウンホールモーター1は、ジャミングのリスクを防ぐために大いに信頼できなければいけない。

このため、駆動軸5は、特にラジアル軸受7によって高い信頼性をもってガイドされる。

掘削泥水は、また、ラジアル軸受7と対応する、回転軸5のラジアルガイド部分9との間のクリアランスの中へ浸透することから防止されなければいけない。

この目的で、ラジアル軸受7は、そのラジアル軸受7とラジアルガイド部分9との間のクリアランスが、掘削泥水に含まれる磨耗性粒子の浸透に対向するために十分小さいように、特に正確な寸法で製造される。

1ミリの100又は200分の1による通常のクリアランスを超えるクリアランスが現れると直ちに、ラジアル軸受7は変えられなければいけなく、それは、時間のかかる複雑なメンテナンス操作であり、ドリルストリング全体の抽出及び分解を必要とする。

この目的で、本発明は、表面が適切な耐磨耗特性を有するラジアル軸受7及びラジアルガイド部分9を供給し、その耐磨耗特性は、掘削泥水の如何なる磨耗効果にも対抗するように特に強い耐磨耗材料によって備えられ、軸受本体自体は、適切な機械的強度特性を有する材料で作られている。

実際には、ラジアル軸受7は部分的にすり減りやすく、定期的に変えられるか改造されなければいけないことを考えれば、図1に示されるように、モーター本体3に固定されたラジアル軸受7が有利にも備えられてもよい。ラジアル軸受7は、従って、ブッシュの形における管状部品であり、その内部表面は、ラジアル軸受7のガイド表面を形成し、その外部表面は、モーター本体3にぴったり適合するようにされている。

ここで、ラジアル軸受7を形成するこの種の付着された部分をさらに大きなスケールで示す図２を考察されたい。

ラジアル軸受を形成する部分7は、従って、軸方向に通り抜ける経路7bを取り囲む周囲壁7aを有する管状部分である。その周囲壁7aは、より厚い遠位部分7c及びより薄い近位部分7dを含み、その２つは同心であり、一定の直径の連続的な軸路7bを有する。

従って、近位部分7dの外径は、遠位部分7cの外径よりも小さく、それによって図１に示されるようにモーター本体3の１つの管状端部にぴったり適合する。

近位部分7dの外側表面7eは、従って、外側表面がモーター本体3に固定されるようにそれを構成する。

周囲壁7aは、円筒型内部表面7gを含み、その内径D1は、完全に駆動軸5（図１）のラジアルガイド部分9を小さな機能上のクリアランスと共に受取るように完全に適合されている。図２に見られるように、縦断面において、ダウンホールモーターのラジアル軸受7は、実際に、熱処理された合金網などの基本的にスチールで作られた管状ラジアル軸受本体10、及び内部表面7gを形成する耐磨耗内部層11を含む。十分な機械的強度を得るためには、軸受本体10は、例えばAFNORフランス規格による42CD4スチール又は国際規格によるAISI4140クロミウム及びモリブデナムを含む、急冷に適したカーボンスチールで有利に作られていてもよい。

軸受本体10は、完全にスチールで作られていてもよい。しかし、一定の適用において、軸受本体10は、耐摩耗性内部層11を受ける金属塩基を形成するスチールなど、部分的にスチールで作られ部分的に他の材料で作られていてもよい。

耐磨耗内部層11は、金属マトリクスに埋め込まれた耐磨耗材料の粒子に基づく。

図３は、耐磨耗層11の構造をさらに大きい寸法で示す：耐磨耗材料の粒子11cは、金属マトリクス11dに埋め込まれている。

粒子11cの耐磨耗材料は、好ましくは、タングステン・カーバイド及びチタンカーバイドのグループにおいて選択される。

同時に、金属マトリクス11cは、有利にも、硬度の高いニッケル合金で構成される。

駆動軸5の正確なガイドのため及び掘削泥水による磨耗のリスクを減らすために、内部表面7gは、粗さパラメータRaが0.4μmよりも小さいか又はそれに等しい表面状態を持つ円形シリンダーである。

このタイプのダウンホールモーターのラジアル軸受7を製造するためには、特に均一であり機械的に強い、ラジアル軸受本体10に完全に付着された耐磨耗層11を製造する方法を使用することが有利である。

同時に、耐磨耗材料がかなり硬いことが原因で、機械加工操作は、材料の除去を通して機械加工道具の素早いすり減りに至ることから、可能な限り避けなければいけない。

本発明は、ラジアル軸受本体10を形成する管状部分の内部においてレーザーを利用した上塗り処理を使用する。

図４は、この方法を実施するために使用される装置を示す。

この装置において、ラジアル軸受本体10は、水平な位置に置かれ（すなわち、縦軸I-Iが水平に配置され）、ラジアル軸受本体10は、矢印12によって示されるように軸I-Iの周りの回転においてそれを駆動する回転スピンドル（非表示）によって保持されている。

図４に示される実施形態において、ラジアル軸受本体10は、図２に示されるように、硬化させるための熱処理が施された合金スチール本体である。

該装置は、ラジアル軸受本体10の軸路7bの中へ浸透できるような寸法を持ち、ラジアル軸受本体10の内部表面7fの上塗り領域14に、金属マトリクス合金パウダー及び耐磨耗材料粒子の混合物をラジアルジェット15において、同時に上塗り領域14に衝突するラジアルレーザービームとして、スプレーするようにされている上塗りヘッド13を有する。

実際には、上塗りヘッド13は、パウダー噴霧器ノズルを持つラジアル導管13aを有し、パウダーは、出口13bに向かってつむじ状に進む。上塗りヘッド13は、軸管13cの端部に搭載され、その上流側の端部は、ラジアル軸受本体10の外側に残る。例えばレーザーダイオード又はCO2レーザー又はYAGレーザー又はファイバーレーザーなどのレーザー源16が、軸管13cにおいて軸方向に伝搬し、上塗りヘッド13の出口13bに向かって半径方向にミラー17によって偏向されるレーザービームを生産する。光学系は、レーザービームを軸管13cにおいてガイドし、上塗りヘッド13において上塗り領域14に焦点を合わせる。

上塗りヘッド13によって形成されるアセンブリ及びレーザー源16は、その上塗り領域14がラジアル軸受本体10の内部表面7fの全体の上を、上塗りヘッド13の軸動作及びラジアル軸受本体10の軸I-Iの周りの円形動作の組み合わせを通してらせん形状に動かされるように、その軸I-Iに沿って軸方向に動かされてもよい。

図４において示される実施形態において、ラジアル軸受本体10は、最初に耐磨耗材料層を有しなく、上塗り操作は、耐磨耗層11の全体を製造する。

従って、ダウンホールモーターのラジアル軸受を対磨耗性内部表面7fで製造するために、図4に示される装置を使用することによって、管状ラジアル軸受本体10の外部表面は、水平軸I-Iの周りを回転する回転スピンドルによって保持され、ラジアル軸受本体10は、円筒型内部表面7fを有している。耐磨耗材料層11は、管状ラジアル軸受本体10の内部表面7fに上塗りノズル13によってレーザーを利用した上塗りによって直接塗られる。その層は、上塗りノズル13の軸動作及びラジアル軸受本体10の軸I-Iの周りの回転によって徐々に塗られ、そうすることによって上塗り領域14は、ラジアル軸受本体10の内部表面7fの全ての部分を連続して占める。

冷却後、耐磨耗材料層は、適切な直径D1を有する最終的な円筒形内部表面7gを生産するために機械加工される。

図６は、ラジアル軸受本体10が軸I-Iの周りを回転する間に軸方向I-Iにおいて徐々に前進する材料を除去するために、製粉道具又は他の道具18を使用した機械加工ステップを示す。最初の厚さE1が約1mmである耐磨耗材料層11bで開始し、道具18によって材料を除去することによって、最終的な厚さEFの約0.75mmであり、完全に円筒形及び同心であり、粗さパラメータRaが0.4μmよりも小さいか又はそれに等しい、最終内部表面7gを有する耐磨耗層11が得られる。

ここで、内部表面7g（図２）の正確な形状を再設立するために、再生されるべきラジアル軸受7を上塗りするプロセスを示す図５を考察されたい。この場合、同じ手段が図4において使用され、それらの手段は同じ参照番号によって識別される。

唯一の相違は、この状況において、上塗りされるものは、例えば使用中にあるラジアル軸受7のすり減りによって変形している層など、耐摩耗性材料の内部層11aがすでに備えられたラジアル軸受本体10である。最後の耐摩耗性材料層が塗られた後に、材料（例えば約0.25mmの厚さ）を除去するために機械加工ステップが実行される。

本発明は、明確に記載されている実施形態に限定されなく、以下の請求項の範囲内にいける変形型及び汎用型を含む。

Claims (11)

1. ダウンホールモーターのラジアル軸受を、耐磨耗内部表面を用いて製造するための方法であり、該ラジアル軸受は、ダウンホールモーター本体へ固定するための固定表面を有し、金属マトリクスに埋め込まれた耐磨耗材料粒子に基づいている耐磨耗内部層を有する、管状金属ラジアル軸受本体を含み、当該方法は：
   a）初期内部表面を有する管状ラジアル軸受本体を備えて保持するステップ、
   b）該管状ラジアル軸受本体の初期内部表面に、レーザーを利用して耐磨耗材料層を直接塗るステップ、
   c）冷却後、適切な内径を有する最終円筒型内部表面を有する前記耐磨耗内部層を製造するために、前記耐磨耗材料層を機械加工するステップ、
   を含む方法。
2. 請求項１に記載の方法であり、前記のステップb）の間に、レーザービームがレーザー源によって生産され、該レーザービームは、前記ラジアル軸受本体の中央経路の中へ、前記初期内部表面の上塗り領域の範囲まで方向付けられ、同時に該上塗り領域に耐磨耗材料粒子と金属粉との混合物がスプレーされ、該上塗り領域は、前記初期内部表面の厚さを実質的に均一にするように、前記ラジアル軸受本体において徐々に前進させられる、ことを特徴とする方法。
3. 前記ステップb）の最後に、レーザーを利用して製造された前記耐磨耗材料層は、約1mmの厚さを有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記のステップc）の最後に、最終の前記耐磨耗材料層は、約0.75mmの厚さを有することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 機械加工の最後に、前記最終内部表面は、粗さパラメータが0.4μmよりも小さい又は0.4μmに等しい表面状態を有することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法であり：
   ‐前記のステップa）の間に、前記管状金属ラジアル軸受本体は、耐磨耗内部層を有しておらず、
   ‐前記のステップb）の間に、前記耐磨耗材料層は、前記管状金属ラジアル軸受本体の金属部分に直接塗られる、
   ことを特徴とする、方法。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法であり：
   ‐前記のステップa）の間に、前記管状金属ラジアル軸受本体は、修理されるべき耐磨耗内部層を有し、
   ‐前記のステップb）の間に、前記耐磨耗材料層は、該修理されるべき耐磨耗内部層に塗られる、
   ことを特徴とする、方法。
8. 前記管状金属ラジアル軸受本体は、熱処理された合金網などの、機械的強度が高いスチールで基本的に作られていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法であり：
   ‐前記耐磨耗材料粒子は、タングステン・カーバイド及びチタニウム・カーバイドで構成されるグループにおいて選択され、
   ‐前記金属マトリクスは、ニッケル合金で作られている、
   ことを特徴とする、方法。
10. 耐磨耗内部表面を持つダウンホールモーターのラジアル軸受であり：
    ‐熱処理された合金網などの機械的強度が高いスチールで作られている管状ラジアル軸受本体、
    ‐タングステン・カーバイド及びチタニウム・カーバイドを含むグループにおいて選択される耐磨耗材料粒子に基づいている耐磨耗内部層であり、該耐磨耗材料粒子は、ニッケル合金マトリクスに埋め込まれている、耐磨耗内部層、
    ‐粗さパラメータが0.4μmよりも小さい又は0.4μmに等しい表面状態を有する、円形シリンダーである内部表面、
    を有するダウンホールモーターのラジアル軸受。
11. ‐請求項１０に記載のラジアル軸受が固定された軸路を持つモーター本体、
    ‐ドリルビットを持ち運ぶように適合され、前記ラジアル軸受において小さいクリアランスでかみ合う円筒形部分を有する駆動軸であり、該円筒形部分は、ニッケル合金マトリクスに埋め込まれた耐磨耗材料粒子に基づいている耐磨耗外部層も有する、駆動軸、
    を含むダウンホールモーター。
    

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