帶有非對稱波瓣的井下馬達和泵的制作方法
【專利摘要】在一方面，本發明提供了一種用于井下的設備。在一個方面，該設備包括帶有波瓣的轉子，轉子設置在帶有波瓣的定子中，其中轉子波瓣的輪廓和定子波瓣的輪廓中的至少一個是非對稱的。
【專利說明】帶有非對稱波瓣的井下馬達和泵
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年9月8日提交的美國申請號13/227954的優先權，該申請全部內容在此引入作為參考。
【背景技術】
[0003]1.【技術領域】
[0004]概況來說,本發明涉及用于井眼作業的鉆井馬達和螺桿泵(progressive cavitypumps)。
[0005]2.相關技術概述
[0006]為獲得諸如油和氣的烴類，通過使附接于鉆柱端部的鉆頭旋轉而鉆出鉆孔或井目艮。當前鉆井活動有很大比例需要鉆出斜鉆孔和水平鉆孔，以增大烴開采和/或從地層抽取額外的烴。現代定向鉆井系統通常采用在底部具有鉆頭的鉆柱，鉆頭由容積式馬達(通常稱為〃井下動力鉆具〃或〃鉆井馬達")帶動旋轉。典型的井下動力鉆具包括包含定子和設置在定子中的轉子的動力部分。定子通常包括內部襯有具有螺旋形輪廓或波瓣的彈性體材料的金屬外殼。轉子包括由諸如鋼的金屬制成的螺旋形輪廓的波瓣。加壓鉆井流體(通常被稱為“泥漿”或“鉆井流體”)被泵送到轉子和定子波瓣之間形成的漸進空腔中。泵送到空腔中的加壓流體的力使轉子以行星式運動轉動。彈性體定子襯套提供了定子波瓣與轉子波瓣之間的密封。彈性體襯套還為轉子提供了支撐，從而在井下動力鉆具或泵運行期間保持在高負荷狀態下。每個波瓣包括一負載側和一密封側。與密封側相比，負載側通常處于很大的應力和應變下。當今使用的鉆井馬達對轉子波瓣和定子的內輪廓采用對稱幾何形狀。這樣的對稱設計不會在定子波瓣和轉子波瓣上引入負載狀態效應。
[0007]減少均勻襯套上的應力和應變與保持鉆井馬達的容積效率和功率輸出之間存在折衷。
[0008]在此本發明提供了具有針對轉子和/或定子的非對稱波瓣幾何形狀的鉆井馬達和螺桿泵，其解決了對稱波瓣幾何形狀存在的一些缺陷。
【發明內容】
[0009]在一個方面，本發明提供了一種用于井下的設備。該設備的一個實施例包括帶有波瓣的轉子，轉子設置在帶有波瓣的定子中，其中轉子波瓣或定子波瓣的輪廓中的至少一個是非對稱的。
[0010]在另一個方面，公開了一種方法，在一個實施例中，該方法可包括下列特征:提供具有定子波瓣的定子，所述定子波瓣包括沿著定子內表面的輪廓；和提供位于定子中的轉子，所述轉子包括具有在轉子的外表面上的輪廓的轉子波瓣，其中轉子波瓣的輪廓和定子波瓣的輪廓中的至少一個包括非對稱的輪廓。
[0011]在此披露的設備和方法的某些特征的例子概述得相當寬泛，以便可以更好地理解下述的詳細說明。當然，下文還披露有設備和方法的附加特征，其形成了所附的權利要求的主題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]為了詳細地理解本發明，應當結合附圖參照下列詳細說明，其中同樣的元件通常使用同樣的數字標記，并且其中:
[0013]圖1是包括依照本發明的一實施例制成的定子和轉子的鉆井馬達的縱向橫截面；
[0014]圖2是帶有轉子波瓣的轉子的橫截面線圖，轉子波瓣具有疊置于對稱輪廓上的非對稱輪廓；
[0015]圖3是帶有定子波瓣的定子的橫截面線圖，定子波瓣具有疊置于對稱輪廓上的非對稱輪廓；
[0016]圖4是帶有襯有包括非對稱波瓣輪廓的彈性體襯套的定子和設置在定子中的轉子的漸進空腔裝置的動力部分的橫截面線圖，轉子還包括帶有非對稱輪廓的轉子波瓣；和
[0017]圖5是帶有金屬定子和設置在定子中的轉子的漸進空腔裝置的動力部分的橫截面線圖，所述定子包括非對稱波瓣輪廓，所述轉子包括非對稱轉子波瓣。
【具體實施方式】
[0018]圖1顯示了依照本發明的一實施例制成的示例性鉆井馬達100的橫截面。鉆井馬達100包括動力部分110和支承組件150。動力部分110包含定子111和放置在定子111內部的轉子120。定子111包括細長金屬外殼112，所述外殼具有帶金屬波瓣狀內輪廓或內構型113的若干波瓣115。定子外殼112可以預制有金屬內輪廓113。定子外殼的內輪廓113襯有彈性體襯套114，彈性體襯套包括波瓣狀內輪廓118。襯套114通過合適的工藝，例如模制、硬化等等，固定到外殼112內部。轉子120通常由合適的金屬或合金制成并包括波瓣122。定子111的波瓣比轉子波瓣數量多一個。轉子120可旋轉地設置在定子111內部。在許多方面，轉子120可以包括一孔124，所述孔124終止于如圖1所示的轉子120的上端128下方的部位127處。孔124經由孔口 138保持與轉子120下方的鉆井流體140流體連通。
[0019]仍然參照圖1，轉子波瓣122、定子波瓣115以及它們的螺旋角構造成使得轉子波瓣122和定子波瓣115以離散間隔密封，由此形成軸向流體腔室或空腔126。在壓力下供給至井下動力鉆具100的鉆井流體140流過空腔126，如箭頭134所示，帶動轉子120在定子110內部以行星方式旋轉。定子波瓣115和轉子波瓣122的設計和數量限定了鉆井馬達100的輸出特性。在一個構造中，轉子120耦聯于一撓性軸142，所述撓性軸連接于支承組件150中的可旋轉驅動軸152。一鉆頭(未顯示)在合適的鉆頭盒154連接于支承組件150的底端。在鉆井作業期間，加壓流體140帶動轉子120旋轉，轉子120進而又帶動撓性軸142旋轉。撓性軸142帶動鉆井軸152旋轉，鉆井軸152進而又帶動鉆頭盒154旋轉，從而帶動鉆頭旋轉。在其他方面，定子外殼可以由任何非彈性體材料制成，包括但不限于陶瓷或陶瓷基材料、加強碳纖維、以及金屬和非金屬材料的組合。轉子也可以由任何適合的材料制成，包括但不限于陶瓷、陶瓷基材料、碳纖維、金屬、金屬合金、以及金屬和非金屬材料的組合。帶有非對稱波瓣輪廊的示例性轉子和定子的描述參照圖2-圖5。
[0020]圖2是轉子200的橫截面線圖，轉子200包括帶有非對稱輪廓250的轉子波瓣。圖2還顯示了相對于非對稱輪廓250的對稱輪廓260。在圖2中，所示的轉子200包括波瓣210a-210e，每個轉子波瓣均具有非對稱輪廓。例如，波瓣210e具有非對稱輪廓250e。波瓣210e的對稱輪廓由輪廓260e顯示。輪廓260e關于從轉子中心202穿過波瓣210e的中心207延伸的軸線205對稱。對稱輪廓通常為圍繞中心線205的半圓形。典型地，轉子以順時針方向旋轉，例如如箭頭201所示。
[0021]仍然參照圖2，在轉子旋轉期間，轉子波瓣的左側(在此也稱為后側)，例如波瓣210b，接觸定子的左側，轉子波瓣的右側(在此也成為前側)接觸定子的右側。在圖2中，例如，轉子波瓣210b的左側標記為212a，右側標記為212b。每個轉子波瓣的左側承受較大的負載，而每個轉子波瓣的右側承受較小的負載。波瓣的右側提供了漸進空腔或腔室之間的密封。由于波瓣的一側比另一側處于更大的負載下，所以，可以獨立地調節該側的輪廓以提高馬達性能。在一個方面，本發明在此為轉子波瓣提供非對稱輪廓，以改善馬達性能。由于轉子波瓣的兩側實現不同的功能(負載對密封)，所以可以獨立地調節轉子波瓣的兩側，以提供非對稱輪廓。波瓣的左側和右側可以由不同類型的余擺線或余擺線的變型構建，或者對于相同余擺線具有不同參數。這導致波瓣幾何結構不相等或不同。但是，在許多方面，包絡直徑和偏心率的布局保持相同，以免在兩輪廓之間的過渡上具有幾何間斷性。在這樣的設計中，轉子和定子的配合側面基于相同的余擺線型和相關的參數。非對稱波瓣的優點在于，可以根據波瓣側的主要功能，即負載功能或密封功能，調節輪廓。波瓣輪廓的這種獨立調節也可以考慮各種工作參數，例如接觸壓力、滑動速度、密封幾何結構，形變等等。在設計非對稱波瓣輪廓時考慮這些及其他參數可以改善傳統(襯有一彈性體的管)、預制輪廓定子(具有等間距襯套的定子)和金屬一金屬馬達(金屬轉子和金屬定子)的性能。在圖2所示的轉子200的特定構造中，相對于對稱波瓣，各轉子波瓣的左側(后側)可以獨立地調節。例如，波瓣210b的左側252bl由區域254bl調節，而右側(前側)252br由區域254br調節，這樣，為左側和右側提供了不同的輪廓。因而，在一個方面，相對于中心線，例如線205，轉子波瓣的一側的斜度可以不同于轉子波瓣的另一側的斜度。調節量可以基于設計標準，所述設計標準可以包括參數:該側上的預期最大負載、接觸壓力、滑動速度、密封幾何結構、形變、例如壓力和溫度的井眼環境等。可以利用任何已知的方法確定非對稱輪廓，例如有限元分析、預定試驗數據等。
[0022]圖3是包括定子波瓣的定子300的橫截面線圖，定子波瓣帶有非對稱輪廓350。圖3還顯示了相對于非對稱輪廓350的對稱輪廓360。所示的定子300包括波瓣310a_310f (比轉子波瓣數量多一個)。在運行期間，定子300保持靜止，而轉子(圖2)在定子300內部旋轉。轉子的旋轉方向被示出為由箭頭301所示的順時針方向。在轉子旋轉期間，定子波瓣的左側接觸轉子波瓣的左側，反之亦然。所以，定子波瓣的左側承受大的負載，而定子波瓣的右側承受較小的負載。但是，定子波瓣的右側提供了漸進空腔或腔室之間的密封。由于定子波瓣的一側比另一側處于更重的負載下，所以，可以調節該側的構造以提高馬達性能。在一個方面，本發明在此為定子波瓣提供非對稱輪廓，以改善馬達性能。由于定子波瓣的兩側實現不同的功能(負載對密封)，所以可以獨立地調節波瓣的兩側，以提供非對稱輪廓。定子波瓣的兩側可以具有不同的輪廓。例如，定子波瓣310b的左側330bl具有輪廓352bl，而定子波瓣310b的右側330br具有輪廓352br。相對于從定子中心302穿過定子波瓣310b的中心310bc的中心線305，輪廓352bl和352br是非對稱的。非對稱輪廓352b與對稱輪廓354bl之間的區域差別由劃線區域356bl顯示，而右側的區域差別由劃線區域356br顯示。在定子300的特定構造中，定子波瓣輪廓與圖2所示的轉子200的轉子波瓣輪廓相配合。對于其他轉子和定子組合，根據所利用的各種設計規范，例如參照圖2所述的，非對稱輪廓可以不同。
[0023]圖4是漸進空腔井下裝置400(例如馬達或泵)的動力部分的橫截面線圖。裝置400包括設置在定子410中的轉子420。轉子420包括帶有依照如圖2所述的方法制成的非對稱外輪廓420的波瓣。轉子420被示為以順時針方式402旋轉。定子410包括外殼415，外殼415帶有預制的對稱或非對稱波瓣狀輪廓450。在圖4所示的定子415的特定構造中，輪廓450襯有襯套455，襯套455具有依照附圖2和圖3所述的方法制成的非對稱內輪廓460。在另一個構造中，定子外殼415可以具有預制非對稱波瓣狀內輪廓，該預制非對稱波瓣狀內輪廓襯有具有相同厚度的襯套，以便形成帶有非對稱輪廓的定子波瓣。襯套厚度也可以是非等間距的。
[0024]圖5是漸進空腔井下裝置500(例如馬達或泵)的動力部分的橫截面線圖。裝置500包括設置在定子510中的轉子520。轉子520包括帶有依照本發明的一實施例制成的非對稱外輪廓550的波瓣。定子510包括外殼515，外殼515帶有依照本發明的一實施例制成的預制非對稱波瓣狀輪廓560。在一個方面，定子510和轉子520 二者都由非彈性體材料制成，例如鋼。在這種情況下，裝置500被稱為金屬一金屬漸進空腔裝置(例如金屬一金屬馬達或金屬一金屬泵)。本發明在此提供了漸進空腔裝置的示例性構造。但是，本發明也適用于包括帶有非對稱輪廓波瓣的其他裝置。
[0025]為便于說明和描述，上文的描述針對的是發明的特定實施例。但是，對本領域技術人員來說顯而易見的是，在沒有背離在此公開的構思和實施例的范圍和精神的情況下，可以對上述實施例進行許多修改和變化。所附的權利要求書旨在解釋為涵蓋所有這些修改和變化。
【權利要求】
1.一種用于井下的設備，所述設備包括: 包括定子波瓣的定子，所述定子波瓣具有沿著定子的內表面的輪廓；和 位于定子中的轉子，所述轉子包括轉子波瓣，所述轉子波瓣具有在轉子的外表面上的輪廓，其中， 轉子波瓣的輪廓和定子波瓣的輪廓中的至少一個是非對稱的。
2.如權利要求1所述的設備，其中，定子波瓣包括第一側和第二側，第一側的幾何結構不同于第二側的幾何結構。
3.如權利要求1所述的設備，其中，轉子波瓣包括第一側和第二側，第一側的幾何結構不同于第二側的幾何結構。
4.如權利要求1所述的設備，其中，定子包括非對稱預制輪廓。
5.如權利要求1所述的設備，其中，定子波瓣包括第一側和第二側，第一側相對于穿過定子的中心的中心線的斜度不同于第二側相對于該中心線的斜度。
6.如權利要求1所述的設備，其中，轉子波瓣包括第一側和第二側，第一側相對于轉子的軸線的斜度大于第二側相對于該軸線的斜度。
7.如權利要求1所述的設備，其中，轉子波瓣的輪廓順應定子波瓣的輪廓。
8.如權利要求1所述的設備，其中，轉子輪廓和定子輪廓中的一個基于余擺線和余擺線的變型之一。
9.如權利要求1所述的設備，其中，轉子波瓣由金屬材料制成，定子波瓣由金屬材料和彈性體材料中的一種制成。
10.如權利要求1所述的設備，其中，定子包括非對稱預制輪廓。
11.一種提供一設備的方法，所述方法包括: 提供具有定子波瓣的定子，所述定子波瓣包括沿著定子的內表面的輪廓；和 提供位于定子中的轉子，所述轉子包括轉子波瓣，所述轉子波瓣具有在轉子的外表面上的輪廓； 其中，轉子波瓣的輪廓和定子波瓣的輪廓中的至少一個包括非對稱的輪廓。
12.如權利要求11所述的方法，其中，定子波瓣包括第一側和第二側，第一側的幾何結構不同于第二側的幾何結構。
13.如權利要求11所述的方法，其中，轉子波瓣包括第一側和第二側，第一側的幾何結構不同于第二側的幾何結構。
14.如權利要求11所述的方法，其中，定子包括非對稱預制輪廓。
15.如權利要求11所述的方法，其中，定子波瓣包括第一側和第二側，第一側相對于定子的軸線的斜度不同于第二側相對于該軸線的斜度。
16.如權利要求11所述的方法，其中，轉子波瓣包括第一側和第二側，第一側構造成承受比第二側上的負載更大的負載。
17.如權利要求11所述的方法，其中，轉子波瓣包括第一側和第二側，第一側相對于轉子的軸線的斜度不同于第二側相對于該軸線的斜度。
18.如權利要求11所述的方法，其中，轉子波瓣的輪廓順應定子波瓣的輪廓。
19.一種鉆井組件,包括: 具有定子的鉆井馬達，所述定子包括定子波瓣，所述定子波瓣具有沿著定子的內表面的輪廓；和 位于定子中的轉子，所述轉子包括轉子波瓣，所述轉子波瓣具有在轉子的外表面上的輪廓，其中， 轉子波瓣和定子波瓣的輪廓中的至少一個是非對稱的。
20.如權利要求19所述的鉆井組件，其中，定子波瓣和轉子波瓣中的一個包括第一側和第二側，第一側的幾何結構不同于第二側的幾何結構。
21.如權利要求19所述的鉆井組件，其中，非對稱輪廓中的一個對應于余擺線或余擺線的變型。`
【文檔編號】E21B4/02GK103890304SQ201280052179
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年9月5日 優先權日:2011年9月8日
【發明者】C·霍爾, H·格里默爾 申請人:貝克休斯公司