相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求于2014年12月31日提交的美國臨時專利申請?zhí)?2/098983的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。

本文所述的一個或多個實施方式通常涉及moineau型泵和馬達，其包括正位移或漸進腔馬達和泵。當鉆地下井的井眼時，可以使用這樣的實施方式。更具體地，這樣的實施方式可以將襯套結(jié)合到定子和/或轉(zhuǎn)子中，其中襯套選自一種或多種材料以實現(xiàn)期望的阻尼效果。

背景技術(shù)：

井眼常被鉆入地球的地層以回收藏于地球表面以下的烴和其他所需物質(zhì)的沉積物?？梢允褂寐?lián)接到本領(lǐng)域中已知的鉆柱的下端部分的鉆頭來鉆井。鉆柱具有多個鉆桿關(guān)節(jié)，其使用螺紋連接端對端地聯(lián)接在一起。鉆柱由表面上的旋轉(zhuǎn)臺或頂部驅(qū)動器旋轉(zhuǎn)，這也可以在井下旋轉(zhuǎn)所聯(lián)接的鉆頭。鉆井液或泥漿通過鉆柱的孔向下泵送，并通過鉆頭處或鉆頭附近的端口離開。鉆井液用于在鉆井操作期間潤滑和冷卻鉆頭。鉆井液還通過鉆柱與井眼的側(cè)壁之間的環(huán)空將切屑返回到表面。在表面上，鉆井液被過濾以除去切屑。

井底組件(bha)通常設(shè)置在鉆柱中朝向其下端部分。bha是鉆井工具和測量裝置的集合，并且可以包括鉆頭、任何方向或地層測量工具、偏斜的鉆孔機構(gòu)、泥漿馬達(例如moineau泵/馬達)和重量鉆鋌。鉆井時測量(mwd)或鉆井時記錄(lwd)鉆鋌通常位于鉆頭的正上方，以便在鉆井時進行與地層屬性相關(guān)的測量。從mwd和lwd系統(tǒng)記錄的測量可以通過使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的各種方法實時地被傳輸?shù)奖砻?。一旦接收到，這些測量就幫助在表面上的操作人員做出與鉆井作業(yè)相關(guān)的決策。

定向鉆井是井眼與自然采用的路徑有意的偏離。換句話說，定向鉆井是鉆柱的轉(zhuǎn)向，使得鉆柱沿期望的方向行進。定向鉆井在海上鉆井中是有利的，因為定向鉆井允許從單個海上鉆井平臺鉆出數(shù)個井眼。定向鉆井還能夠水平鉆井通過地層，這允許更長的井眼長度穿過儲層并且可以允許增加的烴產(chǎn)量。定向鉆井也可能有利于鉆垂直井眼。通常，由于地下地層的有時不可預(yù)測的性質(zhì)和/或鉆頭經(jīng)歷的力，鉆頭將偏離預(yù)期的鉆井軌跡。當發(fā)生這種偏差時，可以采用定向鉆井系統(tǒng)將鉆頭返回到其預(yù)期的鉆井軌跡。

常見的定向鉆井系統(tǒng)及其使用方法采用包括彎曲殼體和moineau馬達/泵的bha，其也稱為正位移馬達(pdm)或泥漿馬達。彎曲殼體包括形成在鉆桿的同一部分上的上部和下部，但是各個部分由管中的彎曲部分開。具有聯(lián)接至其的鉆頭的彎曲殼體指向所需的鉆井方向。采用泥漿馬達來旋轉(zhuǎn)彎曲殼體，從而沿所需方向旋轉(zhuǎn)鉆頭來進行鉆井。

泥漿馬達將一些能量從鉆井液或泥漿流向下通過鉆柱的鉆孔轉(zhuǎn)換成驅(qū)動鉆頭的旋轉(zhuǎn)運動。因此，通過將彎曲殼體相對于鉆孔保持在相同的方位角，鉆頭將沿著期望的方向鉆孔。當需要直鉆孔時，如前所述，整個鉆柱(包括彎曲殼體)通過旋轉(zhuǎn)臺或頂部驅(qū)動器從表面旋轉(zhuǎn)，如前所述。鉆頭可能與彎曲殼體成角度，因此可能鉆出輕微的過孔，但是是直的井眼。

pdm動力部分包括轉(zhuǎn)子和定子。定子可以是金屬管，例如鋼，其中橡膠或彈性體被模制并設(shè)置在其內(nèi)表面上，以形成多凸角螺旋的內(nèi)部輪廓(即襯套)。定子管可以是圓柱形的內(nèi)部(具有不同厚度的橡膠或彈性體插入件)，或者可以具有設(shè)置在其中的類似的多凸角螺旋的內(nèi)部輪廓，使得模制的橡膠/彈性體具有基本均勻的厚度(即均勻壁)。無論是固體橡膠還是均勻壁，動力部分在整個長度上通常是均勻的。也就是說，它們是在多凸角螺旋的內(nèi)部輪廓的整個長度上的所有橡膠/彈性體或所有均勻壁。轉(zhuǎn)子也可以由諸如鋼的金屬構(gòu)成，具有固體或中空的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子可以具有多凸角的螺旋形外表面，其與定子的內(nèi)表面相符。轉(zhuǎn)子還可以具有設(shè)置在其外表面(即襯套)上的橡膠或彈性體。轉(zhuǎn)子的外表面具有比定子的內(nèi)表面少一個凸角，使得當流體通過馬達被泵送時，在轉(zhuǎn)子與定子之間形成移動的流體填充室。

轉(zhuǎn)子響應(yīng)于通過pdm的鉆柱和定子在井下泵送的流體(例如鉆井液或泥漿)而旋轉(zhuǎn)并回旋。如上所述，馬達內(nèi)的橡膠或彈性體材料在轉(zhuǎn)子與定子之間提供密封。沒有這種密封，馬達可能無效率地操作和/或完全失效。然而，當轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)轉(zhuǎn)動或旋轉(zhuǎn)時，該橡膠或彈性體可以在轉(zhuǎn)子和定子之間承受不希望的橫向和剪切力，這可能導(dǎo)致馬達故障。定向鉆井過程中的馬達故障可能是非常重大而不希望的事件。馬達故障的一種模式是橡膠分塊，其中橡膠或彈性體的一個或多個部分斷裂。因此，希望減少或消除由橡膠或彈性體所承受的過度橫向和剪切力，從而提高馬達的耐久性并減少馬達故障。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

這里描述了用于轉(zhuǎn)子和/或定子阻尼系統(tǒng)的一個或多個實施方式。這樣的一個或多個實施方式可以將襯套結(jié)合到定子和/或轉(zhuǎn)子中，其中襯套選自一種或多種材料以實現(xiàn)期望的阻尼效果。

在一個實施方式中，漸進腔馬達或泵可以包括具有穿過其中的內(nèi)部軸向孔的定子。定子具有沿其軸向長度的襯套，其具有限定穿過其中的內(nèi)部軸向孔的面向內(nèi)的表面。面向內(nèi)的表面具有布置和設(shè)計成形成定子螺旋輪廓的軸向凸角。襯套具有多個軸向部分，其中多個軸向部分中的至少兩個由不同的材料構(gòu)成。漸進腔馬達或泵還包括具有外表面的轉(zhuǎn)子，該外表面具有軸向凸角，其布置和設(shè)計成形成至少部分互補或?qū)?yīng)于定子螺旋輪廓的轉(zhuǎn)子螺旋輪廓。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在定子的內(nèi)部軸向孔內(nèi)，以在轉(zhuǎn)子與定子之間形成移動室。漸進腔馬達或泵還包括設(shè)置在襯套的至少一個軸向部分內(nèi)的抗壓機構(gòu)。在至少一個實施方式中，抗壓機構(gòu)是彈簧或類似彈簧的裝置。

提供上述引用的發(fā)明內(nèi)容部分以便以簡化的形式介紹下面將在詳細描述部分中進一步描述的概念的選擇。發(fā)明內(nèi)容不旨在用于限制所要求保護的主題的范圍。此外，所要求保護的主題不限于解決在本公開的任何部分中指出的缺點的實施方式。

附圖說明

以下將參照附圖描述各種技術(shù)的實施方式。然而，應(yīng)當理解的是，附圖僅示出了本文描述的各種實施方式，并不意味著限制本文所描述的各種技術(shù)的范圍。

圖1示出了根據(jù)本文公開的一個或多個實施方式的定子和轉(zhuǎn)子組合的橫截面圖，其中定子具有襯套；

圖2示出了根據(jù)本文公開的一個或多個實施方式的定子和轉(zhuǎn)子組合的橫截面圖，其中定子具有襯套。

具體實施方式

下面的討論針對某些具體實施方式。應(yīng)當理解，下面的討論僅是為了使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠制造和使用現(xiàn)有或以后由本文中任何已公布的專利中找到的專利“權(quán)利要求”定義的任何主題。

具體地說，本發(fā)明的權(quán)利要求不限于本文所包含的實施方式和圖示，而是包括這些實施方式的修改形式，包括實施方式的各個部分以及落入所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的不同實施方式的要素組合。

現(xiàn)在將詳細參考各個實施方式，其示例在附圖中示出。在下面的詳細描述中，闡述了許多具體細節(jié)以便提供對本公開的透徹理解。然而，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的是，可以在沒有這些具體細節(jié)的情況下實踐本公開。在其他情況下，還沒有詳細描述公知的方法、程序、部件、裝置和系統(tǒng)，以免模糊實施方式的各個方面。

還將理解的是，盡管術(shù)語第一、第二等可以在本文中用于描述各種元件，但是這些元件不應(yīng)受這些術(shù)語的限制。這些術(shù)語僅用于將一個元件與另一個元件區(qū)分開。例如，第一對象可被稱為第二對象，并且類似地，第二對象可被稱為第一對象，而不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求書的范圍。第一對象和第二對象分別都是對象，但它們不被視為相同的對象。

在本公開的描述中使用的術(shù)語是為了描述特定實施方式的目的，而不是旨在限制本公開。如在本公開和所附權(quán)利要求書的描述中所使用，單數(shù)形式“一”、“一個”和“特指的那個”旨在也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另有明確指示。還將理解的是，本文所用的術(shù)語“和/或”是指并且涵蓋一個或多個相關(guān)列出的項目的一個或多個可能的組合。將進一步理解的是，當在本說明書中使用時，術(shù)語“包括”及其變體指定存在所述的特征、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一個或更多其它特征、操作、元件、部件和/或其組合。

如本文所使用，術(shù)語“上”和“下”；“上部”和“下部”；“向上”和“向下”；“低于”和“高于”；以及指示給定點或元件之上或之下的相對位置的其它類似術(shù)語可以結(jié)合本文描述的各種技術(shù)的一些實施方式使用。然而，當應(yīng)用于用于偏斜或水平的井或鉆孔的設(shè)備以及方法時，或者當應(yīng)用于當布置在井或鉆孔中時處于偏斜或水平取向的設(shè)備以及方法時，這些術(shù)語可以指從左到右、從右到左或者其他合適的關(guān)系。

現(xiàn)在將參考圖1和2更詳細地描述各種實施方式。在一個或多個實施方式中，moineau型馬達或泵(也稱為漸進腔或正位移馬達或泵)具有定子和/或包括襯套的各個部分的轉(zhuǎn)子，其中至少一個襯套部分具有比其他部分更高的壓縮性，以允許轉(zhuǎn)子的更大的運動(例如徑向運動)。在一個或多個其它實施方式中，襯套可以具有顯示阻尼機構(gòu)來改變轉(zhuǎn)子的正常運動。

定子執(zhí)行若干個功能，以使馬達或泵產(chǎn)生機械動力或泵流體。例如，定子產(chǎn)生用于流體的路徑(即流體輸送)。定子還采用轉(zhuǎn)子來產(chǎn)生和密封離散空腔，其中密封功能通過其間的橡膠或彈性體層的壓縮而實現(xiàn)。由于轉(zhuǎn)子的離心力，定子也受到徑向載荷，并且以這種方式用作徑向軸承。定子與轉(zhuǎn)子齒輪接合(并承受來自這種齒輪接合的反作用力)，使得當流體被迫進入轉(zhuǎn)子與定子之間的離散空腔時定子旋轉(zhuǎn)。最后，定子允許轉(zhuǎn)子具有最小的運動自由度，以避免過度的彎曲和扭轉(zhuǎn)，這導(dǎo)致定子上的額外橫向力和剪切力。

在本文公開的一個或多個實施方式中，操縱轉(zhuǎn)子相對于定子的運動自由度，以避免轉(zhuǎn)子(和/或定子)的過度彎曲和扭轉(zhuǎn)。圖1示出了可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在定子40內(nèi)的轉(zhuǎn)子20的橫截面視圖，定子具有帶有不同襯套部分42、44、46的組合的襯套50。襯套部分42、44、46由不同的材料構(gòu)成，具有不同程度的壓縮性。以這種方式，可以沿著定子40/轉(zhuǎn)子20的軸向長度選擇和設(shè)置襯套部分42、44、46，以優(yōu)化定子40/轉(zhuǎn)子20用于密封(即發(fā)電、流體輸送等)和/或用于處理機械載荷(即為轉(zhuǎn)子20提供額外的自由度以徑向移動而不損壞定子40)。

定子40可以具有剛性定子形成器48，例如具有內(nèi)表面的金屬形式，其具有螺旋輪廓，均勻或接近均勻厚度的襯套42、44、46比如彈性體材料被模制至此。襯套改善了定子40與轉(zhuǎn)子20之間的密封，同時也加強了定子40用于輸送增加的扭轉(zhuǎn)力。各種類型的定子形成器48是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的，并且被進一步描述在美國再公布專利21374、美國專利3975120、美國專利5171138和美國專利5221197等中。在一個或多個實施方式中，定子40的另一個部分42、44、46，即另一軸向部分或多個部分，可以具有較低剛度/可壓縮的襯套50，其允許對轉(zhuǎn)子20的更大運動自由度和/或阻尼效應(yīng)。換句話說，定子40的該另一個部分42、44、46可以減小由轉(zhuǎn)子20施加的一些橫向接觸力。這又減小了轉(zhuǎn)子20的彎曲，這可以降低襯套50的該另一個部分42、44、46的彈性體上的剪切應(yīng)力。因此，使襯套50的一個或多個部分42、44、46具有較大壓縮性的結(jié)構(gòu)(例如彈性體)可延長定子40(即彈性襯套50)的壽命，同時給予或多或少相同的扭轉(zhuǎn)力。

如圖1所示，設(shè)置在定子40的最右側(cè)部分(即井下端部)上的襯套50的部分46具有非常類似于非常軟的橡膠或任何其它海綿狀材料的高壓縮性。該襯套部分46可以向轉(zhuǎn)子20提供足夠的運動自由度，以限制定子40上的橫向和剪切力并減小轉(zhuǎn)子20的彎曲。

朝向定子40的中心設(shè)置的襯套50的部分44可以具有比其右側(cè)(或井下)的部分46更低的壓縮性，但是具有比其左側(cè)(或井口)的部分42更高的壓縮性。該中心部分44可以具有在提供對轉(zhuǎn)子20的運動自由度的同時還提供密封性能、發(fā)電和流體輸送的共同作用。此外，在一個或多個實施方式中，該中心部分44可以分別具有與分別在其井口或井下的部分42、46的襯套50相同的結(jié)構(gòu)，即可壓縮性。相反，該中心部分44可以具有與其它部分42、46完全不同的結(jié)構(gòu)(即可壓縮性)。

設(shè)置在定子40的最左部(即井口端部)上的襯套50的部分42可具有最低的壓縮性(即最大的剛度)，因此可以主要具有適當?shù)拿芊夂蛡鬟f最大發(fā)電的功能。

關(guān)于結(jié)構(gòu)材料，部分42、44、46可以相似或不同，這取決于每個部分的期望的壓縮性。部分42(其之前已經(jīng)描述為提供適當?shù)拿芊夂蛡鬟f發(fā)電)可以包括不同厚度的固體橡膠、“均勻壁”定子、復(fù)合材料、金屬加橡膠、陶瓷加橡膠或環(huán)氧樹脂加橡膠或者其中任何的組合。部分46(其之前已經(jīng)描述為提供對轉(zhuǎn)子的運動自由度)可以包括不同厚度的固體橡膠(例如軟橡膠)、膠體軟質(zhì)材料、限定在可變形固體材料中的凝膠或液體、柔軟的膠體-聚合物混合物，并且通常是形成定子40的部分42、44、46中具有最高可壓縮性的任何材料或材料的組合。最后，部分44(其之前已經(jīng)描述為具有發(fā)電并且還提供對轉(zhuǎn)子20的最小運動自由度的組合功能)可以具有關(guān)于其它部分42、46所描述的任何類型的材料。

盡管相對于圖1描述了在井口方向上沿著定子/襯套增加的壓縮性，但襯套部分的相對定位(以及每個襯套部分的可壓縮性)是可互換的。例如，具有最小可壓縮結(jié)構(gòu)材料的襯套部分可以設(shè)置成朝向定子的中部或其出口附近(即朝向井下端部)，反之亦然。此外，這些襯套部分的數(shù)量可以根據(jù)需要從兩個變成三個(如圖所示)或任何最大數(shù)量。

此外，盡管襯套部分42、44、46的長度被示出為相等或幾乎相等，但在不同部分之間沒有規(guī)定特定的長度比。根據(jù)所期望的應(yīng)用，相比于動力部分本身更長的壽命，可能更期望具有更大的發(fā)電。在這種示例中，朝向定子的井口端部的部分42應(yīng)該更長或者具有比其他部分44、46更長的長度。相反，與更大的發(fā)電相比，可能更期望具有更長的定子壽命。在這種示例中，部分46應(yīng)當是較長部分，以將定子40上的疲勞故障降到最小。

如圖1進一步所示，襯套50可以在其部分42、44、46之間具有一個或多個間隙52、54。襯套之間的一個或多個間隙52、54可以為轉(zhuǎn)子20提供額外的運動自由度。在一個或多個實施方式中，間隙52、54的軸向長度可被調(diào)整為根據(jù)需要增加或減少轉(zhuǎn)子20的運動。雖然在圖1中示出了兩個不同的間隙52、54，但很明顯的是，一個間隙(未示出)或若干個間隙(例如具有變化的軸向間隔)可以設(shè)置在襯套50的各個部分之間。另外，一個或多個間隙可以設(shè)置在具有相同結(jié)構(gòu)材料(即均勻的壓縮性)的單個部分內(nèi)。

圖2示出了可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在具有襯套70的定子60內(nèi)的轉(zhuǎn)子20的橫截面視圖，其中設(shè)置有顯示阻尼系統(tǒng)76。圖2的定子60和襯套70類似于圖1的定子40和襯套50，大多數(shù)情況下不同之處在于圖2的定子60和襯套70不具有任何間隙。雖然在圖2中未示出，但是定子60可被構(gòu)造成具有這樣的間隙以及顯示阻尼系統(tǒng)76。

如圖2所示，襯套70的部分44設(shè)置成朝向定子60的中心并且具有定位在其中的顯式阻尼系統(tǒng)76。該阻尼系統(tǒng)76的作用是逐漸限制轉(zhuǎn)子20的運動并且減小其彎曲以及減小定子60上的橫向和剪切力。這可以通過最初允許轉(zhuǎn)子20推靠在定子60的襯套部分44上而限制定子60內(nèi)的位移量來實現(xiàn)。

顯式阻尼系統(tǒng)76包括抗壓機構(gòu)78，比如彈簧或類似彈簧的裝置。在一個或多個實施方式中，抗壓機構(gòu)可以是襯套的部分內(nèi)的不同結(jié)構(gòu)材料，例如彈性體，其提供額外的抗壓性。

圖2的實施方式可以具有部分42和46，其具有與上面關(guān)于圖1的部分42和46所描述的相似的結(jié)構(gòu)材料。除了顯式阻尼系統(tǒng)76之外，圖2的部分44可以由將自然阻尼的不同厚度的固體橡膠構(gòu)成。在一個或多個其他實施方式中，部分44可以是一種或多種但不限于膠體軟質(zhì)材料、限制在可變形固體材料中的凝膠或液體、軟膠體-聚合物混合物或安裝在類似彈簧的襯套中的金屬和彈性體的組合的結(jié)構(gòu)。這樣的材料可以起到增加壓縮性或以其他方式控制與抗壓機構(gòu)78一致的壓縮性。

圖1和圖2中公開的實施方式的一個方面是定子40、60及其襯套50、70被布置和設(shè)計成吸收轉(zhuǎn)子運動，而不是簡單地約束它。這允許轉(zhuǎn)子20具有額外的運動自由度。此外，這種額外的運動自由度可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子20與定子40、60及其襯套50、70之間的較小的接觸力，較小地彎曲轉(zhuǎn)子20，從而減輕了對定子40、60及其襯套50、70的任何損壞。

雖然已經(jīng)相對于定子40、60描述了各種襯套部分42、44、46，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易地認識到，類似的襯套部分或結(jié)構(gòu)材料可以模制到或形成在轉(zhuǎn)子20的外表面，以賦予轉(zhuǎn)子20本身類似的優(yōu)點。因此，如前所述，相同或相似類型的組合在轉(zhuǎn)子20上也是可能的，其中不同部分具有不同的功能。

盡管上面已經(jīng)僅詳細描述了幾個示例性實施方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地認識到，在實質(zhì)上不脫離“用于轉(zhuǎn)子和定子的襯套”的情況下，在示例性實施方式中可以進行許多修改。因此，所有這樣的修改旨在包括在本公開的范圍內(nèi)。在權(quán)利要求中，裝置加功能條款旨在將本文所述的結(jié)構(gòu)覆蓋為執(zhí)行所述功能，而不僅僅是結(jié)構(gòu)等同物，而且包括等同結(jié)構(gòu)。因此，雖然釘子和螺釘可能不是結(jié)構(gòu)等同物，因為釘子采用圓柱形表面將木制部件固定在一起，而螺釘采用螺旋表面，在緊固木制部件的環(huán)境中，釘子和螺釘可以是等同結(jié)構(gòu)。申請人的明示意圖不是援引35u.s.c.第112條第6款用于本文任何一項權(quán)利要求的任何限制，除了權(quán)利要求明確地使用詞語“用于…裝置”連同相關(guān)功能的那些之外。