具有徑向約束的轉(zhuǎn)子卡子的容積式馬達(dá)的制作方法
【專利摘要】一種移動(dòng)空腔馬達(dá)或泵，例如泥漿馬達(dá)，包括：轉(zhuǎn)子、定子以及用于約束(即控制或限制)轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的移動(dòng)的一個(gè)或多個(gè)器械，其中，用于約束的器械可與轉(zhuǎn)子卡子一起操作。
【專利說(shuō)明】具有徑向約束的轉(zhuǎn)子卡子的容積式馬達(dá)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文公開(kāi)的實(shí)施例總體上涉及地下井孔鉆井中使用的井下馬達(dá)。更特別地，本文的實(shí)施例涉及使用一個(gè)或多個(gè)裝置向轉(zhuǎn)子提供矯正力或在泥漿馬達(dá)中約束轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置來(lái)提高馬達(dá)效率。
【背景技術(shù)】
[0002]通過(guò)將流體動(dòng)力轉(zhuǎn)換成機(jī)械扭矩并將此扭矩施加到鉆頭，井下馬達(dá)組件(例如，泥漿馬達(dá))用于輔助鉆井操作。鉆井流體或鉆井泥漿用于冷卻和潤(rùn)滑鉆頭、帶走鉆屑，并在環(huán)形空間的壁上提供泥餅以防止井孔自身脫落或一起坍塌。
[0003]圖1中示出了使用泥漿馬達(dá)的鉆井組件的一個(gè)實(shí)例。鉆井組件包括馬達(dá)11，其懸掛在井中管柱上。馬達(dá)11是螺桿型的，且具有容納彈性定子17的管狀殼體15。定子17是具有貫穿其長(zhǎng)度的空腔19的固定彈性件。轉(zhuǎn)子21延伸通過(guò)空腔19，且隨著流體通過(guò)馬達(dá)11而旋轉(zhuǎn)。
[0004]井下組件具有縱向軸線35，該縱向軸線35與馬達(dá)11的縱向軸線重合。轉(zhuǎn)子21的下端將相對(duì)于軸線35偏心地沿軌道旋轉(zhuǎn)，如附圖標(biāo)記37所示。例如，距離軸線35的側(cè)向偏差量可在大約3.1mm到大約6.4mm的量級(jí)(大約1/8到1/4英寸)。轉(zhuǎn)子21通過(guò)轉(zhuǎn)子聯(lián)接件41連接到連接器軸39。轉(zhuǎn)子聯(lián)接件41形成剛性連接，該剛性連接使得連接器軸39的上端與轉(zhuǎn)子21的下端一起地沿軌道旋轉(zhuǎn)。連接器軸39的下端連接到驅(qū)動(dòng)軸聯(lián)接件43，該驅(qū)動(dòng)軸聯(lián)接件43同樣是剛性聯(lián)接件。驅(qū)動(dòng)軸聯(lián)接件43在縱向軸線35上同心地旋轉(zhuǎn)。由于連接器軸39的上端沿軌道旋轉(zhuǎn)的移動(dòng)，連接器軸39將沿著其長(zhǎng)度彎曲。然后，驅(qū)動(dòng)軸聯(lián)接件43通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸45直接地或間接地連接到鉆頭。
[0005]操作中，馬達(dá)組件將被組裝且在管柱上下放到井中。一旦入位，將鉆井泥漿供應(yīng)到馬達(dá)11，使得轉(zhuǎn)子21偏心地旋轉(zhuǎn)。這使得連接器軸39旋轉(zhuǎn)，從而依次旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸45和鉆頭(未示出)。馬達(dá)11將從下端將流體釋放出，流體再?gòu)哪抢锏竭_(dá)鉆頭用于冷卻鉆頭，且在其流動(dòng)到地表時(shí)用于去除鉆屑。
[0006]鉆井馬達(dá)或泥漿馬達(dá)(例如，圖1中示出的)還可包括轉(zhuǎn)子卡子裝置，在未必發(fā)生的連接器分離或機(jī)械失效的事件中，該轉(zhuǎn)子卡子裝置向操作員提供將損壞的馬達(dá)組件回收的能力。圖2示說(shuō)明了轉(zhuǎn)子卡子裝置30，其中，相同的附圖標(biāo)記表示相似的部件。轉(zhuǎn)子卡子裝置從轉(zhuǎn)子21的頂部延伸進(jìn)入頂部接頭32中。頂部接頭32和定子15可包括螺紋部分34以連接這兩個(gè)構(gòu)件。頂部接頭32還包括肩部36。轉(zhuǎn)子卡子裝置30的頂端的外徑大于肩部36的內(nèi)徑。如果外部結(jié)構(gòu)體(例如，轉(zhuǎn)子連接頭)的任何部件在頂部接頭之下?lián)p壞，馬達(dá)卡子30的大的端部將懸掛在肩部36上，這進(jìn)而允許轉(zhuǎn)子和馬達(dá)的剩余部分被拉出井孔。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在一個(gè)方面，本文公開(kāi)的實(shí)施例涉及一種泥漿馬達(dá)組件，包括:頂部接頭，其包括鄰近于所述頂部接頭的遠(yuǎn)端的肩部，所述肩部具有第一內(nèi)徑；動(dòng)力部分，其包括螺桿式馬達(dá)，所述螺桿式馬達(dá)包括定子和轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子配置成當(dāng)鉆井流體通過(guò)所述馬達(dá)時(shí)能偏心地旋轉(zhuǎn)，所述定子和轉(zhuǎn)子均具有近端和遠(yuǎn)端，其中，所述動(dòng)力部分的近端聯(lián)接到所述頂部接頭的遠(yuǎn)端；轉(zhuǎn)子卡子，其包括具有近端和遠(yuǎn)端的軸，且通過(guò)偏心轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)而偏心地旋轉(zhuǎn)；其中，所述軸的遠(yuǎn)端直接地或間接地聯(lián)接到所述轉(zhuǎn)子的近端；其中，所述軸從所述轉(zhuǎn)子卡子的遠(yuǎn)端延伸經(jīng)過(guò)肩部并進(jìn)入所述頂部接頭一段距離，其中，至少所述軸的延伸經(jīng)過(guò)肩部的部分具有小于所述肩部的所述第一內(nèi)徑的外徑；其中，所述軸的近端具有大于所述第一內(nèi)徑的有效外徑和/或聯(lián)接到轉(zhuǎn)子卡子組件，所述轉(zhuǎn)子卡子組件包括一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件，所述一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件具有大于所述第一內(nèi)徑的有效外徑；至少一個(gè)器械，其布置在轉(zhuǎn)子卡子的軸的近端與遠(yuǎn)端之間，所述至少一個(gè)器械配置成能約束轉(zhuǎn)子卡子的軸的徑向移動(dòng)和/或切向移動(dòng)且能通過(guò)所述軸的傳動(dòng)約束所述轉(zhuǎn)子的徑向移動(dòng)和/或切向移動(dòng)。
[0008]在另一個(gè)方面，本文公開(kāi)的實(shí)施例涉及一種鉆井組件，包括:泥漿馬達(dá)組件，其包括頂部接頭和動(dòng)力部分；所述頂部接頭包括鄰近于所述頂部接頭的遠(yuǎn)端的肩部，所述肩部具有第一內(nèi)徑；所述動(dòng)力部分包括螺桿式馬達(dá)，所述螺桿式馬達(dá)包括定子和轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子配置成當(dāng)鉆井流體通過(guò)所述馬達(dá)時(shí)能偏心地旋轉(zhuǎn)，所述定子和轉(zhuǎn)子均具有近端和遠(yuǎn)端，其中，所述定子的近端聯(lián)接到所述頂部接頭的遠(yuǎn)端；轉(zhuǎn)子卡子，其包括具有近端和遠(yuǎn)端的軸，且通過(guò)偏心轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)而偏心地旋轉(zhuǎn)；其中，所述軸的遠(yuǎn)端直接地或間接地聯(lián)接到所述轉(zhuǎn)子的近端；其中，所述軸從所述轉(zhuǎn)子卡子的遠(yuǎn)端延伸經(jīng)過(guò)肩部并進(jìn)入所述頂部接頭一段距離，其中，至少所述軸的延伸經(jīng)過(guò)肩部的部分具有小于所述肩部的所述第一內(nèi)徑的外徑；其中，所述軸的近端具有大于所述第一內(nèi)徑的有效外徑和/或聯(lián)接到轉(zhuǎn)子卡子組件，所述轉(zhuǎn)子卡子組件包括一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件，所述一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件具有大于所述第一內(nèi)徑的有效外徑；至少一個(gè)器械，其布置在轉(zhuǎn)子卡子的軸的近端與遠(yuǎn)端之間，所述至少一個(gè)器械配置成能約束轉(zhuǎn)子卡子的軸的徑向移動(dòng)和/或切向移動(dòng)且能通過(guò)所述軸的傳動(dòng)約束所述轉(zhuǎn)子的徑向移動(dòng)和/或切向移動(dòng)；馬達(dá)輸出軸，其直接地或間接地聯(lián)接到所述轉(zhuǎn)子的遠(yuǎn)端；以及鉆頭，其直接地或間接地聯(lián)接到所述馬達(dá)輸出軸的遠(yuǎn)端。
[0009]在又一個(gè)方面，本文公開(kāi)的實(shí)施例涉及一種穿入地下地層鉆出井眼的方法，所述方法包括:使鉆井流體通過(guò)根據(jù)本文公開(kāi)的實(shí)施例的泥漿馬達(dá)組件或鉆井組件，以及使用直接地或間接地聯(lián)接到轉(zhuǎn)子的鉆頭對(duì)地層鉆井。
[0010]通過(guò)下文的說(shuō)明書和所附權(quán)利要求書，其它方面和優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見(jiàn)的。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1說(shuō)明了現(xiàn)有技術(shù)的泥漿馬達(dá)。
[0012]圖2說(shuō)明了與泥漿馬達(dá)一起使用的馬達(dá)卡子。
[0013]圖3是根據(jù)本文公開(kāi)的實(shí)施例的泥漿馬達(dá)組件的簡(jiǎn)化示意圖。
[0014]圖4是根據(jù)本文公開(kāi)的實(shí)施例的泥漿馬達(dá)組件的簡(jiǎn)化示意圖。
[0015]圖5是根據(jù)本文公開(kāi)的實(shí)施例的泥漿馬達(dá)組件的簡(jiǎn)化示意圖。
[0016]圖6是根據(jù)本文公開(kāi)的實(shí)施例的泥漿馬達(dá)組件的簡(jiǎn)化示意圖。
[0017]圖7-9說(shuō)明了用于根據(jù)本文公開(kāi)的實(shí)施例的泥漿馬達(dá)組件中的約束器械。
[0018]圖10說(shuō)明了可用于根據(jù)本文公開(kāi)的實(shí)施例的泥漿馬達(dá)中的非同心內(nèi)襯的剖視圖。
[0019]圖1lA示出了根據(jù)本文公開(kāi)的實(shí)施例的泥漿馬達(dá)組件的第一實(shí)施例的截面圖，該泥漿馬達(dá)組件具有用于控制轉(zhuǎn)子卡子軸的路徑和旋轉(zhuǎn)的旋進(jìn)器械。
[0020]圖1lB示出了通過(guò)安裝有圖1lA的器械的泥漿馬達(dá)組件的部分的縱向截面圖。
[0021]圖12說(shuō)明了泥漿馬達(dá)組件/鉆井組件，其具有用于控制轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子、與轉(zhuǎn)子的遠(yuǎn)端和轉(zhuǎn)子卡子的遠(yuǎn)端均關(guān)聯(lián)的路徑和旋轉(zhuǎn)。
[0022]圖13是根據(jù)本文公開(kāi)的實(shí)施例的泥漿馬達(dá)組件的簡(jiǎn)化示意圖。
[0023]圖14-16說(shuō)明了根據(jù)本文公開(kāi)的實(shí)施例的在泥漿馬達(dá)中有用的轉(zhuǎn)子和定子。
【具體實(shí)施方式】
[0024]已發(fā)現(xiàn)，在操作期間施加在轉(zhuǎn)子上的力可沿著馬達(dá)的長(zhǎng)度產(chǎn)生流動(dòng)縫隙(損失壓差驅(qū)動(dòng)力)。這些由于定子/轉(zhuǎn)子對(duì)的不當(dāng)密封而產(chǎn)生的流動(dòng)縫隙可減少旋轉(zhuǎn)速度且限制形成的扭矩。
[0025]操作期間施加在轉(zhuǎn)子上的力包括那些由于從入口端到出口端跨過(guò)馬達(dá)的壓差而產(chǎn)生的力。壓差可導(dǎo)致俯仰力矩。還存在施加在鉆柱上的向下的力，通常稱為“推力”或“鉆壓”，其中，這個(gè)力必然通過(guò)轉(zhuǎn)子-驅(qū)動(dòng)軸-鉆頭聯(lián)接件傳送。驅(qū)動(dòng)軸聯(lián)接件的軌道-軸向關(guān)系還可導(dǎo)致被施加到轉(zhuǎn)子上的角向力和/或徑向力。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)還導(dǎo)致切向的力。
[0026]這些力中的每一種都可對(duì)其中轉(zhuǎn)子與定子相互作用的方式產(chǎn)生影響，例如壓縮力沿著最終的空腔的邊緣產(chǎn)生密封、隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)在轉(zhuǎn)子與定子之間產(chǎn)生滑動(dòng)、拖曳或摩擦力。最終，流動(dòng)縫隙可沿著馬達(dá)的長(zhǎng)度形成，從而會(huì)減小馬達(dá)的效率。此外，這些力的影響在馬達(dá)的鄰近入口端與出口端處可能不同。
[0027]已經(jīng)發(fā)現(xiàn),馬達(dá)卡子裝置導(dǎo)致大量的懸置質(zhì)量(overhanging mass)。與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)相比，這又可導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的頂部處的離心力的明顯改變，這進(jìn)一步會(huì)影響流動(dòng)縫隙的產(chǎn)生，而流動(dòng)縫隙的產(chǎn)生會(huì)減小馬達(dá)效率。
[0028]本文公開(kāi)的實(shí)施例涉及布置在轉(zhuǎn)子卡子裝置上或可與轉(zhuǎn)子卡子裝置一起操作的器械的使用，以用于對(duì)轉(zhuǎn)子提供矯正的徑向力。此徑向向內(nèi)的力抵消離心力和加載在轉(zhuǎn)子上的液壓壓力，從而約束轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的移動(dòng)，進(jìn)而限制、最小化或消除沿著馬達(dá)長(zhǎng)度的流動(dòng)縫隙的形成。轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的移動(dòng)通常由用于形成轉(zhuǎn)子和定子的材料的固有彈性來(lái)限制(例如，定子的橡膠內(nèi)襯的偏移/壓縮，等)。如本文所使用的，約束轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的移動(dòng)是指，與本要產(chǎn)生或由用于形成轉(zhuǎn)子和定子的材料的固有彈性允許的程度相比，可在使用期間在更大程度上抑制或限制該移動(dòng)。
[0029]從而，通過(guò)使用布置在轉(zhuǎn)子卡子裝置上或可與轉(zhuǎn)子卡子裝置一起操作的、用于向轉(zhuǎn)子提供矯正徑向力的器械形成的在定子/轉(zhuǎn)子對(duì)之間的改善的密封與相似的尺寸和配置(即，葉片數(shù)、直徑、結(jié)構(gòu)的材料、長(zhǎng)度、螺旋角)的未被約束的定子/轉(zhuǎn)子對(duì)相比，可使得旋轉(zhuǎn)速度、形成的扭矩、以及壓降中的一個(gè)或多個(gè)提高。例如，根據(jù)本文公開(kāi)的一些實(shí)施例的約束轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的移動(dòng)可使得形成的扭矩和/或旋轉(zhuǎn)速度與相似配置的沒(méi)有約束器械的馬達(dá)相比增加至少5% ;在其它的實(shí)施例中，產(chǎn)生的扭矩和/或旋轉(zhuǎn)速度可增加至少10% ;在其它的實(shí)施例中增加至少15% ;在其它的實(shí)施例中增加至少20% ;以及在另一其它的實(shí)施例中增加至少25%。例如，扭矩和/或旋轉(zhuǎn)速度的最終增加可允許更大的力被施加到鉆頭或允許鉆頭以更大的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，上述兩者可單獨(dú)地或共同地產(chǎn)生改善的鉆井性能(以更少的時(shí)間鉆出給定深度，等)。可選地，扭矩和/或旋轉(zhuǎn)速度的最終增加可允許為了實(shí)現(xiàn)相同的期望性能減小馬達(dá)的長(zhǎng)度(轉(zhuǎn)子/定子對(duì)長(zhǎng)度)。
[0030]現(xiàn)在參考圖3，說(shuō)明了根據(jù)本文實(shí)施例的泥漿馬達(dá)組件。泥漿馬達(dá)組件100包括動(dòng)力部分102和頂部接頭104，其中，頂部接頭104的遠(yuǎn)端104D聯(lián)接到動(dòng)力部分102的近端102P。頂部接頭104包括具有內(nèi)徑Dl的肩部105。
[0031]動(dòng)力部分102包括具有定子106和轉(zhuǎn)子108的螺桿式馬達(dá)103。轉(zhuǎn)子108配置為當(dāng)鉆井流體通過(guò)螺桿式馬達(dá)103從入口 110到達(dá)112時(shí)偏心地旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子108的表面、定子106的表面、或兩者由柔性材料制成以允許在轉(zhuǎn)子108與定子106的接觸表面之間形成密封。
[0032]轉(zhuǎn)子108的遠(yuǎn)端可以直接地或間接地聯(lián)接到傳動(dòng)軸或驅(qū)動(dòng)軸(未示出)，該傳動(dòng)軸或驅(qū)動(dòng)軸接著可聯(lián)接到軸承、軸承芯軸、鉆頭母接頭、并最終到用于鉆入地下地層的鉆頭。
[0033]轉(zhuǎn)子118的輸入端(近端)114聯(lián)接到轉(zhuǎn)子卡子裝置118的遠(yuǎn)端116。盡管作為直接地聯(lián)接來(lái)說(shuō)明，但轉(zhuǎn)子108也可以可選地間接地聯(lián)接到轉(zhuǎn)子卡子裝置118。通過(guò)與轉(zhuǎn)子108的聯(lián)接，轉(zhuǎn)子卡子裝置118也偏心地旋轉(zhuǎn)(即，操作中，轉(zhuǎn)子108將偏心的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)傳送到轉(zhuǎn)子卡子裝置118)，因此轉(zhuǎn)子卡子裝置118具有偏離馬達(dá)的中線134的中線132。
[0034]例如，轉(zhuǎn)子卡子裝置118可包括在轉(zhuǎn)子卡子裝置118的遠(yuǎn)端116與近端122之間的外徑恒定或變化的細(xì)長(zhǎng)軸120。軸120從轉(zhuǎn)子卡子裝置118的遠(yuǎn)端116在頂部接頭104內(nèi)延伸超過(guò)肩部105的距離。盡管肩部105示出與頂部接頭104是一體的，但應(yīng)理解，其也可以可選地由一個(gè)或多個(gè)分離的構(gòu)件構(gòu)建且通過(guò)各種措施(包括但不限于螺紋連接)附連到頂部接頭104。軸120的延伸通過(guò)肩部105的部分具有小于肩部105的內(nèi)徑Dl的外徑D2。近端122包括部分124，其具有大于肩部105的內(nèi)徑Dl的有效外徑D3。通過(guò)此方式，如果鉆柱或馬達(dá)組件100的外部結(jié)構(gòu)體的任何部分在頂部接頭104之下斷裂或失效，增大部分124將不能通過(guò)肩部105，從而允許轉(zhuǎn)子108和馬達(dá)100的剩余部分被拉出井眼。增大部分124可與軸120是一體的，或可包括聯(lián)接到軸120的近端122的一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件(轉(zhuǎn)子卡子組件)。
[0035]現(xiàn)參考圖3-6，其中，相同的附圖標(biāo)記表示相似的部件，泥漿馬達(dá)組件100還包括一個(gè)或多個(gè)器械130用于約束轉(zhuǎn)子卡子裝置118的軸120的徑向移動(dòng)和/或切向移動(dòng)。器械130可位于沿著軸120的長(zhǎng)度的任何位置。在一些實(shí)施例中，器械130可布置在肩部105與軸120的遠(yuǎn)端116之間，例如圖3和4中說(shuō)明的。在圖3中，器械130可布置在頂部接頭104的內(nèi)部表面上或可與頂部接頭104的內(nèi)部表面一起操作。圖4中，器械130可布置在動(dòng)力部分102的內(nèi)部表面上或可與動(dòng)力部分102的內(nèi)部表面一起操作。在其它實(shí)施例中，例如圖5中說(shuō)明的，器械130可布置在鄰近于肩部105。在另一個(gè)實(shí)施例中，器械130可與軸120的近端是一體的或可聯(lián)接到軸120的近端122。在此實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子卡子裝置可包括器械130或器械130可附加地作為轉(zhuǎn)子卡子組件。圖3-6說(shuō)明了器械130布置在轉(zhuǎn)子卡子裝置118上(作為內(nèi)部件，動(dòng)力部分或頂部接頭的內(nèi)部表面為外部件，類似于下文圖7中示出的約束器械)。器械130還可布置在殼體(作為外部件，轉(zhuǎn)子卡子或其一部分為內(nèi)部件，類似于下文圖8中示出的約束器械)內(nèi)，如圖13中說(shuō)明的，其中相同的附圖標(biāo)記表示相似的部件。[0036]由于構(gòu)件的聯(lián)接，通過(guò)約束器械130提供到轉(zhuǎn)子卡子裝置118的矯正力可通過(guò)軸120傳送到轉(zhuǎn)子108。通過(guò)此方式，約束轉(zhuǎn)子卡子軸的徑向移動(dòng)和/或切向移動(dòng)的力還可約束轉(zhuǎn)子的徑向移動(dòng)和/或切向移動(dòng)。結(jié)果，該力可抵消加載在轉(zhuǎn)子上的液壓壓力和離心力，從而限制、最小化或消除沿著轉(zhuǎn)子/定子對(duì)的長(zhǎng)度的流動(dòng)縫隙的形成。
[0037]器械130可包括軸承組件、輪組件、固定嵌入件、可旋轉(zhuǎn)嵌入件、進(jìn)動(dòng)裝置、或用于控制或限制軸120的移動(dòng)(從而控制或限制轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)的移動(dòng))的其它裝置。
[0038]圖7-10說(shuō)明了約束器械130的各種實(shí)施例?，F(xiàn)參考圖7，說(shuō)明了用于控制或限制轉(zhuǎn)子卡子軸225相對(duì)于動(dòng)力部分或頂部接頭的內(nèi)部表面224的移動(dòng)的器械220。器械220可用于軸222上的一個(gè)或多個(gè)位置處。軸承輪226通過(guò)滾針軸承228支撐在轉(zhuǎn)子卡子軸222上，但也可以使用其它合適的軸承，例如滾柱軸承、徑向滑動(dòng)軸承。在一些實(shí)施例中，軸承228是徑向滑動(dòng)軸承，其包括碳化硅、碳化鎢、氮化硅、或其它類似的耐磨材料。軸承輪226可用鋼或其它適于目標(biāo)環(huán)境的材料來(lái)制造。軸承輪226的外部表面設(shè)計(jì)成能繞著內(nèi)部表面224在一個(gè)位置處滑動(dòng)或滾動(dòng)，該位置處的型廓近似為圓形。軸承輪226與動(dòng)力部分或頂部接頭的內(nèi)部表面224的半徑的差別限定了轉(zhuǎn)子卡子軸的軸線相對(duì)于馬達(dá)的軸線的最大偏離。軸承輪226中可包括通道227，其用以增加用于流體流動(dòng)通過(guò)裝置的區(qū)域，其中，該通道可有任何的數(shù)目或形狀，條件是它們足夠大能夠允許通過(guò)可存在于鉆井流體或鉆井泥漿中的任何固體。內(nèi)部表面224具有圓形的型廓，軸承輪226與其形成接觸，因而轉(zhuǎn)子卡子軸22的中線可被約束而近似保持在固定半徑的圓之內(nèi)，從而有助于防止轉(zhuǎn)子與定子表面之間縫隙的敞開(kāi)。
[0039]在一些實(shí)施例中，軸承輪226可與動(dòng)力部分102或頂部接頭104的內(nèi)部表面224直接接觸地滑動(dòng)或滾動(dòng)。在其它實(shí)施例中，軸承輪226可與處在定子圓筒的內(nèi)部表面上的涂層接觸地滑動(dòng)或滾動(dòng)。在一些定子的制造過(guò)程中，圓筒(例如管道或管)的內(nèi)部表面被機(jī)械加工或涂覆(例如通過(guò)將涂層材料灌注、噴涂、或注射到圓筒的內(nèi)部表面上)。但是，由于定子制造工藝的復(fù)雜性，不能保證最終定子與定子圓筒自身的同心性。因此，在制造期間，最終定子內(nèi)襯或涂層90可能偏離定子圓筒94的中線92，例如圖10中說(shuō)明的，其中，最終涂層具有偏離定子圓筒94的中線92的中線96。如上文所述，軸承輪226的外部表面設(shè)計(jì)成繞著動(dòng)力部分或頂部接頭的內(nèi)部表面224滑動(dòng)或滾動(dòng)，其中，該處的型廓近似為圓形。軸承輪226可因此還被配置為繞著涂層材料的內(nèi)部表面滑動(dòng)或滾動(dòng)，使得軸承輪226沿著與轉(zhuǎn)子相同的中線滑動(dòng)或滾動(dòng)(即，與定子內(nèi)襯和轉(zhuǎn)子對(duì)齊，不與動(dòng)力部分殼體圓筒或頂部接頭圓筒對(duì)齊)。用于與軸承輪226 —起使用的動(dòng)力部分或頂部接頭的制造可因此還包括涂覆、模制、或機(jī)械加工在鄰近于使用期間軸承輪226的目的位置處的直徑恒定的一部分，例如1.6mm (1/16英寸)到6.4mm (1/4英寸)厚的橡膠，以便確保軸承輪226合適地約束轉(zhuǎn)子的路徑并提供希望的益處。
[0040]如上文所述，軸承輪226與內(nèi)部表面224之間的半徑差別限定了轉(zhuǎn)子軸線相對(duì)于定子軸線的最大偏離。此外，為了實(shí)現(xiàn)合適的功能，軸承輪226必須維持與定子的內(nèi)部表面的滑動(dòng)和/或滾動(dòng)關(guān)系，以便在整個(gè)旋轉(zhuǎn)期間約束轉(zhuǎn)子，即，維持360°的接觸。由于轉(zhuǎn)子的偏心旋轉(zhuǎn)，軸承輪226的相對(duì)于內(nèi)部表面224直徑的相對(duì)直徑是重要的變量，其中，不適合的比率可導(dǎo)致軸承輪與內(nèi)部表面224的不規(guī)率的接觸，即，非-滾動(dòng)或非-滑動(dòng)關(guān)系。
[0041]除了直徑之外，軸承輪226的長(zhǎng)度還必須足以維持由于轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子卡子軸的搖擺而產(chǎn)生的側(cè)負(fù)載。軸承輪226應(yīng)該具有充足的軸向尺度以處理結(jié)構(gòu)的考慮。軸承輪226的長(zhǎng)度可因此取決于葉片的數(shù)目、馬達(dá)/泵扭矩、以及本領(lǐng)域技術(shù)人員可容易識(shí)別的其它變量，且還可受轉(zhuǎn)子與驅(qū)動(dòng)軸之間的可用空間限制。
[0042]通過(guò)從轉(zhuǎn)子卡子軸到轉(zhuǎn)子的傳動(dòng)，軸承輪226限制由轉(zhuǎn)子的偏心運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的搖擺的程度。這進(jìn)而又可通過(guò)限制定子內(nèi)襯(例如橡膠或其它彈性材料)的壓縮或偏移來(lái)限制沿著馬達(dá)/泵的長(zhǎng)度的流動(dòng)縫隙的形成。在一些實(shí)施例中，軸承輪可限制定子內(nèi)襯的偏移少于0.64mm(0.025英寸)；在其它實(shí)施例中少于0.5mm(0.02英寸)；在另一其它實(shí)施例中少于0.38mm(0.015英寸)。
[0043]如上文描述的，軸承輪26徑向約束轉(zhuǎn)子的位置，從而保持轉(zhuǎn)子與定子接觸(即，提供偏離接觸力，而又不會(huì)防止扭矩的產(chǎn)生)。轉(zhuǎn)子與定子之間的接觸點(diǎn)處的最終減少的法向力可減少拖拽力，從而改善接觸點(diǎn)處的壓縮，最小化泄露路徑。通過(guò)限制沿著轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度的流動(dòng)縫隙(泄露路徑)的形成，可減小壓力損失，從而增加馬達(dá)的功率輸出。此外，約束轉(zhuǎn)子的位置可減少定子的磨損，尤其在切向速度最高的鄰近于葉片的頂部處。
[0044]現(xiàn)參考圖8，說(shuō)明了用于控制或限制轉(zhuǎn)子卡子軸332相對(duì)于頂部接頭結(jié)構(gòu)體或動(dòng)力部分334的內(nèi)部表面335的移動(dòng)的器械330的另一個(gè)實(shí)施例，其中，固定的嵌入件336安裝在動(dòng)力部分或頂部接頭的內(nèi)部。固定的嵌入件336具有中心孔338或具有對(duì)頂部接頭或動(dòng)力部分的內(nèi)徑的類似限制結(jié)構(gòu)，以限制轉(zhuǎn)子卡子軸332的徑向移動(dòng)。固定的嵌入件336還可包括多個(gè)孔337，以便于流體沿著泥漿馬達(dá)組件通過(guò)。固定的嵌入件336確保轉(zhuǎn)子卡子軸332的中線被約束而保持近似地在固定半徑的圓之內(nèi)，從而有助于防止轉(zhuǎn)子與定子表面之間縫隙敞開(kāi)。
[0045]現(xiàn)參考圖9，說(shuō)明了用于控制或限制轉(zhuǎn)子卡子軸52相對(duì)于頂部接頭結(jié)構(gòu)體或動(dòng)力部分54的內(nèi)部表面55的移動(dòng)的器械50的另一實(shí)施例。器械50包括可旋轉(zhuǎn)的圓形嵌入件56，其安裝在結(jié)構(gòu)體54內(nèi)部且能夠相對(duì)于結(jié)構(gòu)體54繞著縱向軸線旋轉(zhuǎn)。嵌入件56相對(duì)于結(jié)構(gòu)體54的旋轉(zhuǎn)由結(jié)構(gòu)體與嵌入件之間的軸承(未示出)來(lái)促進(jìn)。器械58提供在嵌入件56中，其中，孔眼58的中心偏離嵌入件56的中心一段距離，該距離等于轉(zhuǎn)子卡子軸的軸線相對(duì)于結(jié)構(gòu)體54的軸線的最大允許偏離距離?？籽?8的直徑具有充足的尺寸以允許轉(zhuǎn)子卡子軸52通過(guò)且自由旋轉(zhuǎn)。另一個(gè)軸承(未示出)提供在嵌入件56與轉(zhuǎn)子卡子軸52之間以促進(jìn)轉(zhuǎn)子卡子軸52相對(duì)于嵌入件56的旋轉(zhuǎn)。圓形嵌入件56包括孔57以允許流體通過(guò)泥漿馬達(dá)。嵌入件56確保轉(zhuǎn)子卡子軸52的中線被約束而保持近似地在固定半徑的圓之內(nèi)，且通過(guò)傳動(dòng)將轉(zhuǎn)子約束在固定半徑的圓之內(nèi)，這有助于防止轉(zhuǎn)子52與定子54表面之間縫隙敞開(kāi)。
[0046]可使用以上針對(duì)圖7所述的關(guān)于可操作區(qū)域的同心性的類似的設(shè)計(jì)考慮，且類似的偏移限制也可使用本文公開(kāi)的約束器械的其它實(shí)施例來(lái)獲得，例如圖8和9的那些。類似圖7和圖10的實(shí)施例，圖8中示出的固定嵌入件336或圖9的嵌入件可布置在模制的動(dòng)力部分或頂部接頭型廓之內(nèi)，使得固定嵌入件336具有與定子內(nèi)襯相同的中線。
[0047]如上文描述的，圖7-10中說(shuō)明的且參看圖7-10描述的實(shí)施例提供限制或約束轉(zhuǎn)子的徑向移動(dòng)的程度(即，旋轉(zhuǎn)期間限制轉(zhuǎn)子的路徑和軌道軌跡)。本文公開(kāi)的實(shí)施例可有效地限制轉(zhuǎn)子向外的徑向移動(dòng)(例如圖7中說(shuō)明的束縛)且還可限制轉(zhuǎn)子向內(nèi)的徑向移動(dòng)(例如圖9中說(shuō)明的束縛)。[0048]除了如圖7-10中說(shuō)明的用于約束徑向移動(dòng)的相對(duì)圓形的結(jié)構(gòu)外，也可使用非圓形的束縛來(lái)約束轉(zhuǎn)子的移動(dòng)，例如圖1lA中(橫剖視圖)和圖1lB(縱向剖視圖)中說(shuō)明的。在此實(shí)施例中，包括型廓與轉(zhuǎn)子74的型廓相類似但不同的葉形輪72的進(jìn)動(dòng)器械70可操作地連接到轉(zhuǎn)子卡子軸75。類似地，葉形輪72將接合型廓與定子78的型廓相類似但不同的軌道76。軌道76可由與定子78的材料相類似的材料形成、或可以是比定子78的壓縮性更小的材料，例如更硬的橡膠、硬塑料、陶瓷、PDC/金剛石、或鋼。進(jìn)動(dòng)器械70可沿著轉(zhuǎn)子74用在一個(gè)或多個(gè)位置處。除了應(yīng)對(duì)由于位置和/或結(jié)構(gòu)的材料而在馬達(dá)的入口端或出口端處遭受的力之外，軌道76的型廓可類似于定子78的型廓，且相應(yīng)的部分76、78可異相一定的程度，使得轉(zhuǎn)子在定子78內(nèi)的軌道路徑被約束。換句話，該部分可以是異相的，使得將轉(zhuǎn)子從理想軌道扭曲的操作的力被平衡且有效地約束轉(zhuǎn)子的軌道路徑。
[0049]進(jìn)動(dòng)器械70控制轉(zhuǎn)子卡子軸74且通過(guò)傳動(dòng)控制轉(zhuǎn)子74，使得轉(zhuǎn)子74將在規(guī)定的路徑上移動(dòng)且相對(duì)于定子78具有規(guī)定的旋轉(zhuǎn)。此類型的束縛可有效地將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)限制到其軌道位置。葉形輪72與葉形軌道76接合，使得葉形輪72和軌道76的相對(duì)的型廓將轉(zhuǎn)子74的路徑和旋轉(zhuǎn)固定到規(guī)定值。
[0050]葉形輪72以大體上固定的方式連接到轉(zhuǎn)子卡子軸75。輪72上的葉片數(shù)目與軌道76上的葉片數(shù)目的比率被限制成與轉(zhuǎn)子74上的葉片數(shù)目與定子78上的葉片數(shù)目的比率相同。輪72上和軌道76上的葉片的型廓將決定轉(zhuǎn)子74可使定子78的密封表面變形的程度，因此限制在它們之間的縫隙敞開(kāi)。
[0051]為了允許一些旋轉(zhuǎn)順從性，軌道76或葉形輪72的表面可具有由例如橡膠添加的柔性層。葉形輪72和軌道76可具有平行的側(cè)面或包含螺旋角以允許一些小的軸向移動(dòng)和適應(yīng)制造公差。
[0052]葉形輪72的型廓和成分(結(jié)構(gòu)的材料、壓縮性等)可設(shè)計(jì)成使定子78中的橡膠的變形被限制。在其它的實(shí)施例中，葉形輪72的型廓和成分可設(shè)計(jì)成使定子78中的橡膠的變形被維持在固定值。通過(guò)此方式，轉(zhuǎn)子74與定子78中的橡膠之間的相互作用用于維持密封，其中，扭矩主要在葉形輪72上產(chǎn)生。這不僅允許壓力負(fù)載可到高至密封將失效的點(diǎn)(非常高壓)，而且還確保橡膠中的接觸力能被保持大體上與壓力幅度無(wú)關(guān)。這應(yīng)該減少橡膠中的磨損和疲勞失效，以及提高馬達(dá)/泵效率。
[0053]如上文描述的，各種器械可用于約束轉(zhuǎn)子卡子裝置的運(yùn)動(dòng)，且可通過(guò)傳動(dòng)經(jīng)由轉(zhuǎn)子卡子軸約束轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)本文公開(kāi)的實(shí)施例的約束器械可因此約束轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的軌道路徑、固定轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的軌道路徑、和/或?qū)⑥D(zhuǎn)子的幾何中心的移動(dòng)限制在預(yù)定的路徑上。
[0054]如上文所述，施加到轉(zhuǎn)子上的力在鄰近于動(dòng)力部分的入口端(近端)處可不同于鄰近于動(dòng)力部分的出口端(遠(yuǎn)端)處，從而導(dǎo)致對(duì)于入口端與出口端處的轉(zhuǎn)子中心的軌道具有不同的半徑。在一些實(shí)施例中，如上文描述的布置在轉(zhuǎn)子卡子上或可與轉(zhuǎn)子卡子一起操作的約束器械可因此對(duì)于將希望的矯正力提供到轉(zhuǎn)子的近端上是充足的，但是對(duì)于將希望的矯正力提供到轉(zhuǎn)子的遠(yuǎn)端上是不充足的。在此情形中，泥漿馬達(dá)組件可有利地包括布置在轉(zhuǎn)子的遠(yuǎn)端上或與可與轉(zhuǎn)子的遠(yuǎn)端一起操作的約束器械，例如圖12中說(shuō)明的。具有近端402和遠(yuǎn)端404的泥漿馬達(dá)400包括聯(lián)接到驅(qū)動(dòng)軸406的轉(zhuǎn)子405和如上文描述的被約束的轉(zhuǎn)子卡子408 (約束器械未示出)。泥漿馬達(dá)400還包括用于約束轉(zhuǎn)子405的遠(yuǎn)端的運(yùn)動(dòng)的器械418，其中，器械418可包括如上文描述的一個(gè)或多個(gè)約束器械，且可被布置到轉(zhuǎn)子405的遠(yuǎn)端部分上或可與轉(zhuǎn)子405的遠(yuǎn)端部分一起操作。約束器械418和與轉(zhuǎn)子卡子一起使用的約束器械可以是相同的或不同的，且可以考慮到在轉(zhuǎn)子405的各端處期望遇到的力而設(shè)計(jì)。從而，在轉(zhuǎn)子卡子408和轉(zhuǎn)子405的遠(yuǎn)端上均使用約束器械可將矯正力給予到轉(zhuǎn)子405的兩端，從而，約束轉(zhuǎn)子405相對(duì)于定子414的徑向移動(dòng)和/或切向移動(dòng)，減小、最小化、或消除沿著馬達(dá)/動(dòng)力部分的長(zhǎng)度的流動(dòng)縫隙，進(jìn)而提高馬達(dá)效率。本文公開(kāi)的器械(例如圖12中說(shuō)明的、以及其它的器械)還可減少定子磨損。
[0055]上文描述的泥漿馬達(dá)組件可用在用于鉆出通過(guò)地下地層的井眼的鉆井組件中。鉆井組件可包括例如如上文實(shí)施例中任一個(gè)所描述的泥漿馬達(dá)組件，該泥漿馬達(dá)組件包括以下構(gòu)件:頂部接頭；動(dòng)力部分，其包括螺桿式馬達(dá)，該螺桿式馬達(dá)具有定子和轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子配置為當(dāng)鉆井流體通過(guò)馬達(dá)時(shí)偏心地旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)子卡子裝置；以及用于約束轉(zhuǎn)子卡子裝置運(yùn)動(dòng)的裝置。該鉆井組件還可包括馬達(dá)輸出軸，其配置為同心地旋轉(zhuǎn)，其第一端直接地或間接地聯(lián)接到轉(zhuǎn)子的遠(yuǎn)端，其第二端直接地或間接地聯(lián)接到鉆頭。
[0056]在操作中，鉆井流體通過(guò)泥漿馬達(dá)組件，從而隨著鉆井流體通過(guò)螺桿式馬達(dá)而偏心地旋轉(zhuǎn)該轉(zhuǎn)子。馬達(dá)輸出軸將偏心的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)(和扭矩)傳送到同心地旋轉(zhuǎn)的鉆頭以鉆取地層。用于約束轉(zhuǎn)子卡子裝置的運(yùn)動(dòng)的裝置將矯正力給予轉(zhuǎn)子，從而約束轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的移動(dòng)，通過(guò)抵消轉(zhuǎn)子上的離心力和液壓負(fù)載來(lái)總體上改善泥漿馬達(dá)和鉆井組件的整體性能，限制、最小化、或消除沿著馬達(dá)的長(zhǎng)度的流動(dòng)間隙的形成。
[0057]因此，由使用本文公開(kāi)的約束器械產(chǎn)生的定子/轉(zhuǎn)子對(duì)之間的改善的密封與相似的尺寸和配置(即，葉片數(shù)、直徑、結(jié)構(gòu)的材料、長(zhǎng)度、螺旋角等)的沒(méi)有上述約束裝置的定子/轉(zhuǎn)子對(duì)的情況相比，可使得旋轉(zhuǎn)速度、形成的扭矩、以及壓降中的一個(gè)或多個(gè)的增加。例如，扭矩和/或旋轉(zhuǎn)速度的最終增加可允許更大的力被施加到鉆頭或允許鉆頭以更大的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，這兩者可單獨(dú)地或共同地產(chǎn)生改善的鉆井性能(以更少的時(shí)間鉆入給定的深度，等)?？蛇x地，扭矩和/或旋轉(zhuǎn)速度的最終增加使得為了實(shí)現(xiàn)相同的期望性能可允許馬達(dá)的長(zhǎng)度(轉(zhuǎn)子/定子對(duì)長(zhǎng)度)的減小。
[0058]如上文所述，馬達(dá)效率的提高(例如密封改善和單位長(zhǎng)度更高的動(dòng)力輸出)可在一些實(shí)施例中用于縮短馬達(dá)的總長(zhǎng)度同時(shí)獲得期望動(dòng)力輸出?？s短的動(dòng)力部分可具有眾多的益處和應(yīng)用，如下文討論的。
[0059]動(dòng)力部分的有限的總軸向長(zhǎng)度可允許固體、這種包括固體材料的鉆井泥漿通過(guò)馬達(dá)而沒(méi)有問(wèn)題，甚至在轉(zhuǎn)子和定子均具有由剛性材料形成的接觸表面的情況下。有限的總軸向長(zhǎng)度還可在結(jié)構(gòu)的材料中提供靈活性，否則其將成本高昂。
[0060]在一些實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子和/或定子可由金屬、復(fù)合物、陶瓷、PDC/金剛石、硬塑料、或剛性橡膠結(jié)構(gòu)材料形成。例如，轉(zhuǎn)子和定子均可由金屬形成，從而沿著動(dòng)力部分的長(zhǎng)度提供了金屬與金屬的接觸。
[0061]在其它實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子和/或定子可形成有彈性層(例如NBR橡膠)和硬質(zhì)層，例如硬橡膠或塑料、陶瓷、復(fù)合物、或金屬涂層，其布置在彈性內(nèi)部層上作為接觸表面。例如，轉(zhuǎn)子可為金屬，類似于現(xiàn)在生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子，且定子可為金屬涂覆的橡膠，其中，金屬層是在馬達(dá)的操作期間接觸轉(zhuǎn)子的層。類似地，硬橡膠或加強(qiáng)橡膠層可作為接觸轉(zhuǎn)子的最內(nèi)層而提供。在現(xiàn)有技術(shù)中公開(kāi)的典型的“層疊的”定子提供硬的或加強(qiáng)內(nèi)部彈性層(相反于本實(shí)施例中的定子)，以提供最外層的期望壓縮和密封特性。但是，由于動(dòng)力部分的減小的軸向長(zhǎng)度，因此可以使用剛性接觸層，從而可改善馬達(dá)(轉(zhuǎn)子、定子、或其兩者)的磨損特性同時(shí)提供期望動(dòng)力輸出。雖然以多層定子作為實(shí)例，但也可使用多層轉(zhuǎn)子，例如具有用于提供扭矩能力的金屬芯部、布置在芯部上的彈性材料、以及金屬殼的轉(zhuǎn)子。對(duì)于轉(zhuǎn)子和定子的這些實(shí)施例分別在圖14和15中進(jìn)行說(shuō)明，其中，定子(圖14)可包括金屬殼體1602、彈性體層1604、以及提供接觸表面1608的剛性層1606，轉(zhuǎn)子(圖15)可包括金屬芯部1702、彈性體層1704、以及提供接觸表面1708的剛性層或殼1706。
[0062]在轉(zhuǎn)子與定子的相應(yīng)接觸部分兩者都是剛性的，例如金屬、硬塑料、復(fù)合材料、或陶瓷的情況下，例如，可以希望限制摩擦、磨損、以及在轉(zhuǎn)子與定子之間的可能引起旋轉(zhuǎn)構(gòu)件過(guò)早失效或卡住的其它不希望的相互作用。嵌入件和/或轉(zhuǎn)子的接觸表面可以被涂覆或處理以減少摩擦和磨損中的至少一種。處理可以包括鉻處理、HVOF或HVAF涂覆、以及在燒結(jié)期間擴(kuò)散、等等。金屬到金屬(剛性到剛性)動(dòng)力部分還可提供充足的間隙以允許碎片，但足夠緊密以約束轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)接近理想，從而實(shí)現(xiàn)上文描述的益處，而無(wú)需使用約束裝置。
[0063]類似地，約束裝置與轉(zhuǎn)子或定子之間的相對(duì)較短的接觸長(zhǎng)度可在材料方面提供靈活性，且硬質(zhì)材料或硬涂覆的材料的類似的組合可用于約束裝置。
[0064]可選地，彈性的彈性體可在轉(zhuǎn)子和定子兩者上用作接觸表面。由約束裝置獲得的本是高摩擦負(fù)載的減小可提供彈性定子和轉(zhuǎn)子的組合使用以獲得期望泵性能(動(dòng)力輸出、磨損特性等)。
[0065]使用約束裝置的益處還可提供可選的定子設(shè)計(jì)。例如，如圖16中說(shuō)明的，定子可使用混合或定制的材料型廓來(lái)形成。如圖16中說(shuō)明的，定子1805的峰部和谷部可由不同的材料形成，其中，谷部1807由彈性材料1810形成，峰部1812由剛性材料、例如硬塑料、硬橡膠、金屬、陶瓷、或復(fù)合材料形成。轉(zhuǎn)子章動(dòng)(nutation)期間遭受的力對(duì)于峰部與谷部來(lái)說(shuō)是不同的，其中，谷部遭受壓縮力，峰部忍受滑動(dòng)力?；旌辖Y(jié)構(gòu)可導(dǎo)致轉(zhuǎn)子(其可為金屬)與定子峰部的剛性材料(其也可以為金屬)相接觸，但是允許固體(例如包括固體材料的鉆井泥漿)通過(guò)馬達(dá)流動(dòng)而沒(méi)有問(wèn)題。
[0066]受約束的馬達(dá)的一個(gè)潛在的益處是減少與泥漿馬達(dá)有關(guān)的震動(dòng)。與未受約束的馬達(dá)相比，受約束的側(cè)向力可產(chǎn)生較少的搖擺或較窄的軌道路徑。由于減少的震動(dòng)，鉆井可被改善，例如產(chǎn)生更好的井孔質(zhì)量、均勻標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格井孔、以及改善的導(dǎo)向中的一個(gè)或多個(gè)。
[0067]馬達(dá)軸向長(zhǎng)度的減小還可提供更改鉆柱構(gòu)件以包含馬達(dá)的能力。例如，可調(diào)整的彎曲殼體通常包括傳動(dòng)軸以將由鉆井馬達(dá)的動(dòng)力部分產(chǎn)生的扭矩傳送到鉆井馬達(dá)的軸承部分。由于本文公開(kāi)的約束裝置導(dǎo)致的馬達(dá)尺寸的可能減小，可將馬達(dá)與傳動(dòng)軸一起包含在彎曲殼體中。類似地，根據(jù)本文的實(shí)施例的馬達(dá)可有利地被包含在穩(wěn)定器、導(dǎo)向頭、或井底鉆具組件(BHA)的其它各種部分中。
[0068]減小的軸向長(zhǎng)度還可便于線纜通過(guò)馬達(dá)的部署，且提供空間用于附加井下儀器，例如用于監(jiān)測(cè)馬達(dá)的儀器和/或在馬達(dá)之下的構(gòu)件。儀器可有益地監(jiān)測(cè)馬達(dá)RPM、壓降、以及其它因數(shù)，從而可能避免停止且允許馬達(dá)以高效率或最高效率操作，每一個(gè)優(yōu)點(diǎn)都可產(chǎn)生改善的鉆井性能(增加的穿透速率、較少的由于停止的馬達(dá)產(chǎn)生的停機(jī)時(shí)間等)。
[0069]雖然本公開(kāi)包括有限數(shù)量的實(shí)施例，但受益于本公開(kāi)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，也可以設(shè)計(jì)出其它的實(shí)施例而不脫離本公開(kāi)的范圍。因此，保護(hù)范圍應(yīng)僅由所附權(quán)利要求所限制
【權(quán)利要求】
1.一種泥漿馬達(dá)組件，包括: 頂部接頭，其包括鄰近于所述頂部接頭的遠(yuǎn)端的肩部，所述肩部具有第一內(nèi)徑； 動(dòng)力部分，其包括螺桿式馬達(dá)，所述螺桿式馬達(dá)包括定子和轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子配置成當(dāng)鉆井流體通過(guò)所述馬達(dá)時(shí)能偏心地旋轉(zhuǎn)，所述定子和轉(zhuǎn)子均具有近端和遠(yuǎn)端，其中，所述動(dòng)力部分的近端聯(lián)接到所述頂部接頭的遠(yuǎn)端； 轉(zhuǎn)子卡子，其包括具有近端和遠(yuǎn)端的軸，且通過(guò)偏心轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)而偏心地旋轉(zhuǎn)； 其中，所述軸的遠(yuǎn)端直接地或間接地聯(lián)接到所述轉(zhuǎn)子的近端； 其中，所述軸從所述轉(zhuǎn)子卡子的遠(yuǎn)端延伸經(jīng)過(guò)肩部并進(jìn)入所述頂部接頭一段距離，其中，至少所述軸的延伸經(jīng)過(guò)肩部的部分具有小于所述肩部的所述第一內(nèi)徑的外徑； 其中，所述軸的近端具有大于所述第一內(nèi)徑的有效外徑和/或聯(lián)接到轉(zhuǎn)子卡子組件，所述轉(zhuǎn)子卡子組件包括一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件，所述一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件具有大于所述第一內(nèi)徑的有效外徑； 至少一個(gè)器械，其布置在轉(zhuǎn)子卡子的軸的近端與遠(yuǎn)端之間，所述至少一個(gè)器械配置成能約束轉(zhuǎn)子卡子的軸的徑向移動(dòng)和/或切向移動(dòng)且能通過(guò)所述軸的傳動(dòng)約束所述轉(zhuǎn)子的徑向移動(dòng)和/或切向移動(dòng)。
2.一種鉆井組件,包括: 泥漿馬達(dá)組件，其包括頂部接頭和動(dòng)力部分； 所述頂部接頭包括鄰近于所述頂部接頭的遠(yuǎn)端的肩部，所述肩部具有第一內(nèi)徑； 所述動(dòng)力部分包括螺桿式馬達(dá)，所述螺桿式馬達(dá)包括定子和轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子配置成當(dāng)鉆井流體通過(guò)所述馬達(dá)時(shí)能偏心地旋轉(zhuǎn)，所述定子和轉(zhuǎn)子均具有近端和遠(yuǎn)端，其中，所述定子的近端聯(lián)接到所述頂部接頭的遠(yuǎn)端； 轉(zhuǎn)子卡子，其包括具有近端和遠(yuǎn)端的軸，且通過(guò)偏心轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)而偏心地旋轉(zhuǎn)； 其中，所述軸的遠(yuǎn)端直接地或間接地聯(lián)接到所述轉(zhuǎn)子的近端； 其中，所述軸從所述轉(zhuǎn)子卡子的遠(yuǎn)端延伸經(jīng)過(guò)肩部并進(jìn)入所述頂部接頭一段距離，其中，至少所述軸的延伸經(jīng)過(guò)肩部的部分具有小于所述肩部的所述第一內(nèi)徑的外徑； 其中，所述軸的近端具有大于所述第一內(nèi)徑的有效外徑和/或聯(lián)接到轉(zhuǎn)子卡子組件，所述轉(zhuǎn)子卡子組件包括一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件，所述一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件具有大于所述第一內(nèi)徑的有效外徑； 至少一個(gè)器械，其布置在轉(zhuǎn)子卡子的軸的近端與遠(yuǎn)端之間，所述至少一個(gè)器械配置成能約束轉(zhuǎn)子卡子的軸的徑向移動(dòng)和/或切向移動(dòng)且能通過(guò)所述軸的傳動(dòng)約束所述轉(zhuǎn)子的徑向移動(dòng)和/或切向移動(dòng)； 馬達(dá)輸出軸，其直接地或間接地聯(lián)接到所述轉(zhuǎn)子的遠(yuǎn)端；以及 鉆頭，其直接地或間接地聯(lián)接到所述馬達(dá)輸出軸的遠(yuǎn)端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的組件，其中，所述至少一個(gè)器械布置在所述肩部與所述軸的遠(yuǎn)端之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的組件，其中，所述至少一個(gè)器械鄰近于所述肩部布置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的組件，其中，所述轉(zhuǎn)子卡子組件包括所述至少一個(gè)器械。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的組件，其中，所述至少一個(gè)器械與所述頂部接頭的內(nèi)部表面和所述動(dòng)力部分的內(nèi)部表面中的至少一個(gè)一起操作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項(xiàng)所述的組件，其中，所述至少一個(gè)器械的操作區(qū)域與所述轉(zhuǎn)子/定子對(duì)的操作區(qū)域是同心的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任意一項(xiàng)所述的組件，其中，所述至少一個(gè)器械約束所述轉(zhuǎn)子相對(duì)于所述定子的軌道路徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任意一項(xiàng)所述的組件，其中，所述至少一個(gè)器械確定所述轉(zhuǎn)子相對(duì)于所述定子的軌道路徑。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任意一項(xiàng)所述的組件，其中，所述至少一個(gè)器械將所述轉(zhuǎn)子的幾何中心的移動(dòng)限制在預(yù)定的路徑上。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任意一項(xiàng)所述的組件，其中，所述定子的表面由柔性材料制成以允許在所述轉(zhuǎn)子與所述定子的接觸表面之間形成密封，且所述至少一個(gè)器械將所述柔性材料的偏移或壓縮限制成小于0.64_。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任意一項(xiàng)所述的泥漿馬達(dá)組件，其中，所述定子包括由剛性材料形成的接觸表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的泥漿馬達(dá)組件，其中，所述剛性材料包括金屬、復(fù)合材料、陶瓷、硬塑料、以及P⑶中的至少一種。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的組件，其中，所述定子具有包括峰部分和谷部分的型廓，所述峰部分包括剛性材料，所述谷部分包括彈性材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求12-14中任意一項(xiàng)所述的組件，其中，所述定子具有包括彈性材料的層和包括剛性材料的接觸表面層。
16.根據(jù)權(quán)利要求12-15中任意一項(xiàng)所述的組件，其中，所述定子包括由第二剛性材料形成的接觸表面，所述第二剛性材料與第一剛性材料是相同的或是不同的。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的組件，其中，所述第二剛性材料包括金屬、復(fù)合材料、陶瓷、硬塑料、以及P⑶中的至少一種。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或權(quán)利要求17所述的組件，其中，所述轉(zhuǎn)子具有包括彈性材料的層和包括第二剛性材料的接觸表面層。
19.根據(jù)權(quán)利要求12-18中任意一項(xiàng)所述的組件，其中，所述第一和第二剛性材料中的至少一個(gè)的接觸表面被涂覆或處理，以減小摩擦和磨損中的至少一種。
20.根據(jù)權(quán)利要求1-19中任意一項(xiàng)所述的組件，其中，所述至少一個(gè)器械包括以下中的一個(gè)或多個(gè): a.軸承組件，其用于控制或限制所述軸的偏心移動(dòng)、從而控制或限制所述轉(zhuǎn)子在所述定子內(nèi)的移動(dòng)； b.輪組件，其用于控制或限制所述軸的偏心移動(dòng)、從而控制或限制所述轉(zhuǎn)子在所述定子內(nèi)的移動(dòng)； c.固定的嵌入件，其用于控制或限制所述軸的偏心移動(dòng)、從而控制或限制所述轉(zhuǎn)子在所述定子內(nèi)的移動(dòng)； d.可旋轉(zhuǎn)的嵌入件，其用于控制或限制所述軸的偏心移動(dòng)、從而控制或限制所述轉(zhuǎn)子在所述定子內(nèi)的移動(dòng)；以及e.進(jìn)動(dòng)裝置，其用于控制或限制所述軸的偏心移動(dòng)、從而控制或限制所述轉(zhuǎn)子在所述定子內(nèi)的移動(dòng)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20(b)所述的組件，其中，所述輪組件包括安裝在所述轉(zhuǎn)子的軸上的輪，所述輪配置為繞著所述定子的內(nèi)部表面運(yùn)行。
22.根據(jù)權(quán)利要求20(b)所述的組件，其中，所述輪組件包括安裝在所述定子的軸上的輪，所述輪配置為允許所述轉(zhuǎn)子繞著所述定子的外部表面運(yùn)行。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或權(quán)利要求22所述的組件，其中，所述輪組件位于所述馬達(dá)或泵中的所述轉(zhuǎn)子和定子的型廓大體上是圓形的位置處。
24.根據(jù)權(quán)利要求21-23中任意一項(xiàng)所述的組件，其中，所述輪組件還包括軸承，以允許所述輪與所述轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的組件，其中，所述輪的外徑等于所述定子的內(nèi)部表面的直徑減去所述轉(zhuǎn)子距所述定子的幾何中線的預(yù)定最大偏離量的兩倍。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的組件，其中，所述輪的外徑等于所述轉(zhuǎn)子的內(nèi)部表面的直徑減去所述轉(zhuǎn)子距所述輪的幾何中線的預(yù)定最大偏離量的兩倍。
27.根據(jù)權(quán)利要求21-26中任意一項(xiàng)所述的組件，其中，所述輪具有孔眼以允許流體流動(dòng)穿過(guò)。
28.根據(jù)權(quán)利要求21-27中任意一項(xiàng)所述的組件，其中，所述轉(zhuǎn)子和定子的接合表面在輪組件區(qū)域中大體上是剛性的。
29.根據(jù)權(quán)利要求20(c)所述的組件，其中，所述固定的嵌入件安裝在轉(zhuǎn)子-定子對(duì)的外部件內(nèi)且具有中心孔眼，所述轉(zhuǎn)子-定子的內(nèi)部件的軸能夠通過(guò)所述中心孔眼，中心孔眼的直徑尺寸被選擇成能限制所述轉(zhuǎn)子相對(duì)于所述定子的徑向運(yùn)動(dòng)。
30.根據(jù)權(quán)利要求20(c)或權(quán)利要求29所述的組件，其中，所述固定的嵌入件具有多個(gè)另外的孔眼以允許流體流動(dòng)穿過(guò)。
31.根據(jù)權(quán)利要求20(c)和29-30中任意一項(xiàng)所述的組件，其中，剛性嵌入件位于所述馬達(dá)或泵中的所述轉(zhuǎn)子和/或定子的型廓大體上是圓形的位置處。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的組件，其中，所述中心孔眼大體上是圓形的，使得所述轉(zhuǎn)子的軸能夠繞著所述中心孔眼運(yùn)行，或所述轉(zhuǎn)子和固定的嵌入件能夠繞著所述定子運(yùn)行。
33.根據(jù)權(quán)利要求20(d)所述的組件，其中，可旋轉(zhuǎn)的嵌入件安裝在所述定子內(nèi)，且具有孔眼，所述轉(zhuǎn)子的軸能夠通過(guò)所述孔眼，所述孔眼偏離所述可旋轉(zhuǎn)的嵌入件的中心，使得所述轉(zhuǎn)子的移動(dòng)被限制在預(yù)定的路徑上。
34.根據(jù)權(quán)利要求20(d)或33所述的組件，其中，所述可旋轉(zhuǎn)的嵌入件在所述定子內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)。
35.根據(jù)權(quán)利要求20(d)、33或34所述的組件，其中，所述轉(zhuǎn)子在所述可旋轉(zhuǎn)的嵌入件內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)。
36.根據(jù)權(quán)利要求34或權(quán)利要求35所述的組件，其中，提供軸承以便于所述可旋轉(zhuǎn)的嵌入件和/或轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。
37.根據(jù)權(quán)利要求33-36中任意一項(xiàng)所述的組件，其中，所述可旋轉(zhuǎn)的嵌入件包括多個(gè)另外的孔眼以允許流體流動(dòng)穿過(guò)。
38.根據(jù)權(quán)利要求20(e)所述的組件，其中，所述進(jìn)動(dòng)裝置包括安裝在所述轉(zhuǎn)子的軸上的葉形輪，所述輪配置為在固定到所述定子的葉形軌道上運(yùn)行。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的組件，其中，所述輪上的葉片數(shù)目與所述軌道上的葉片數(shù)目的比率被限制為所述轉(zhuǎn)子上的葉片數(shù)目與所述定子上的葉片數(shù)目的比率。
40.根據(jù)權(quán)利要求20(e)、38或39所述的組件，其中，所述進(jìn)動(dòng)裝置配置為提供以下中的至少一個(gè): 所述馬達(dá)或泵內(nèi)的空腔的最佳密封； 包括所述轉(zhuǎn)子和定子的不同材料中的最佳應(yīng)力； 所述轉(zhuǎn)子的預(yù)定的軌跡和旋轉(zhuǎn)。
41.根據(jù)權(quán)利要求38-40中任意一項(xiàng)所述的組件，其中，所述葉形輪和軌道中的至少一個(gè)的表面包括柔性材料。
42.根據(jù)權(quán)利要求38-41中任意一項(xiàng)所述的組件，其中，所述輪和軌道的軸向表面平行于所述馬達(dá)的軸線。
43.根據(jù)權(quán)利要求38-42中任意一項(xiàng)所述的組件，其中，所述輪和軌道的軸向表面是螺旋的且不平行于所述馬達(dá)的軸線。
44.一種穿入地下地層鉆出井眼的方法，所述方法包括: 使鉆井流體通過(guò)權(quán)利要求1-43中任意一項(xiàng)所述的泥漿馬達(dá)組件或鉆井組件，以及 使用直接地或間接地聯(lián)接到轉(zhuǎn)子的鉆頭對(duì)地層鉆井。
【文檔編號(hào)】F01C1/107GK103946478SQ201280056577
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月18日
【發(fā)明者】W·默里, L·D·安德伍德, P·T·卡里沃, B·P·賈維斯, N·威爾科克斯, B·威廉姆斯, G·唐頓, L·李, O·春, D·阿爾瓦拉多, M·普什卡廖夫, G·通奇, A·普洛普 申請(qǐng)人:史密斯國(guó)際有限公司