包括插入件的液壓工具和相關方法

包括插入件的液壓工具和相關方法
【專利摘要】一種液壓工具包括定子和能旋轉地設置在定子內的轉子。定子的至少內部部分和轉子的至少外部部分中的至少一者包括插入件，插入件包括硬質材料。一種形成液壓工具的方法包括將包括硬質材料的至少一個插入件附接至定子的表面或轉子的表面。井下馬達或井下泵包括定子和轉子。定子包括至少一個插入件和基質材料，至少一個插入件包括硬質材料且被設置在定子的內表面的至少一部分上方，基質材料至少部分地圍繞至少一個插入件。轉子包括至少一個插入件和基質材料，至少一個插入件被設置在轉子的外表面的至少一部分上方，基質材料至少部分地圍繞至少一個插入件。
【專利說明】
包括插入件的液壓工具和相關方法
[0001] 優先權聲明
[0002] 本發明要求于2014年1月6號提交的美國專利申請序列號14/148,489標題為 "HYDRAULIC TOOLS IN化UDING IN沈RTS AND RELATED MET冊DS(包括插入件的液壓工具和 相關方法r的提交日的優先權益。
技術領域
[0003] 本發明的實施例總體上設及液壓工具，比如鉆探馬達和鉆探累，設及包括液壓工 具的鉆探系統，W及設及形成和使用運種工具和系統的方法。
【背景技術】
[0004] 為了獲得控類，比如來自地下地層的油和氣體，通過旋轉附接于鉆柱的端部的鉆 頭將井孔鉆入地層。當前的鉆探活動的相當大部分設及在本領域稱為"定向"鉆探的內容。 定向鉆探設及鉆探偏斜的/或水平的井孔(如與直線、垂直井孔相對）。現代定向鉆探系統通 常使用鉆柱的端部處的底孔組件(BHA)，該鉆柱包括鉆頭和用W驅動鉆頭的旋轉的液壓致 動馬達。鉆頭通常通過配置為使鉆頭的路徑轉向的組件而禪接至馬達的驅動軸，且從表面 通過馬達（W及朝向鉆頭)累送的鉆探流體驅動鉆頭所附接的驅動軸的旋轉。在鉆探工業中 運種液壓馬達通常稱為"泥漿馬達"、"鉆探馬達"和"單螺桿(Moineau)馬達"。下面運種馬達 稱為"液壓鉆探馬達"。
[0005] 液壓鉆探馬達包括動力部分，該動力部分包括定子和設置在定子內的轉子。定子 可包括金屬殼體，該金屬殼體具有墊有螺旋輪廓的或凸角型彈性材料的內部，該材料配制 用W受磨損。在一定量使用之后，或者當檢測到選擇量磨損或損壞時，可W更換彈性材料。 轉子通常由適合的金屬制成，比如鋼，并配置有外部凸角型表面。加壓鉆探流體(通常稱為 "鉆探泥漿"）被累送進入形成于轉子和定子凸角型之間的漸進空腔。累送進入空腔W及通 過空腔的加壓流體的力使轉子W行星式運動轉動。經由曉性禪接器連接至轉子的輸出軸補 償轉子的偏屯、運動。輸出軸禪接至支撐驅動軸(還稱為"傳動接頭"）的軸承組件，其反過來 通過前述轉向組件旋轉鉆頭。
[0006] 當鉆探流體流動通過轉子和定子之間的漸進空腔時，轉子和定子上的力W及鉆探 流體中的研磨劑和化學品可W損壞馬達的部件。

【發明內容】

[0007] 在一些實施例中，一種液壓工具包括定子和能旋轉地設置在定子中的轉子。定子 具有多個凸角，轉子具有比定子少一個的凸角。轉子的凸角配置成當轉子移動時（例如，轉 動）與定子的凸角相接合。定子的至少內部部分和轉子的至少外部部分中的至少一者包括 具有硬質材料的至少一個插入件。
[000引一種形成液壓工具(例如，馬達或累）的方法包括將包括硬質材料的至少一個插入 件附接至液壓工具的定子的內表面或者轉子的外表面。
[0009] 在其他實施例中，一種井下馬達或井下累包括定子和能旋轉地設置在定子中的轉 子。定子包括至少一個插入件和基質材料，該至少一個插入件包括設置在其內表面的至少 一部分之上的硬質材料，該基質材料至少部分地圍繞該至少一個插入件。轉子包括至少一 個插入件和基質材料，該至少一個插入件包括設置在其外表面的至少一部分之上的硬質材 料，該基質材料至少部分地圍繞該至少一個插入件。
【附圖說明】
[0010] 盡管說明書W權利要求書來作結論，該權利要求書特別指出和清楚地要求被視為 本發明的實施例的內容，但是當結合W下附圖閱讀時，由W下對本發明的示例性實施例的 描述能更容易地確定本發明的實施例的各種特征和優點，其中：
[0011] 圖IA和圖IB是示出了根據本發明的液壓馬達的一個實施例的簡化橫截面側視圖；
[0012] 圖2是示于圖IA和圖IB的液壓馬達沿其中的剖面線A-A截取的一部分的簡化橫向 截面圖；
[0013] 圖3是包括基質上的大量硬質多晶材料的插入件的一個實施例的簡化部分剖分透 視圖；
[0014] 圖4是包括基質上的硬質多晶材料的容積的插入件的另一個實施例的簡化部分剖 分透視圖；
[0015] 圖5是具有在其上的插入件的工具的表面的一部分的簡化立體圖；
[0016] 圖6是示于圖IA和圖IB的液壓工具的定子的簡化截面圖；
[0017] 圖7A是具有在其外表面之上的插入件的定子的一部分的簡化橫向截面圖；
[0018] 圖7B是圖7A的一部分的展開圖；
[0019] 圖8是具有內部流體通道的定子的一部分的簡化橫向截面圖；
[0020] 圖9A是具有內部通道和在其外表面之上的插入件的定子的一部分的簡化橫向截 面圖；
[0021 ]圖9B是圖9A的一部分的展開圖；
[0022] 圖IOA至圖IOC是根據本發明的另一個轉子的部分的簡化截面圖；
[0023] 圖11是帶有插入件的基質材料的片材的簡化立體圖，該插入件用于形成本發明的 工具；
[0024] 圖12是帶有插入件的基質材料的另一片材的簡化俯視圖；和
[0025] 圖13是根據本發明的另一個轉子的一部分的簡化截面圖。
【具體實施方式】
[0026] 本發明包括各自具有定子和轉子的液壓工具(例如，鉆探馬達、漸進空腔累等）。定 子和/或轉子包括具有硬質材料的至少一個插入件。插入件可W位于可能經受相對高負載 的定子和/或轉子上的位置處。插入件可保護定子和/或轉子的表面免受過度磨損。插入件 之間和/或部分地圍繞插入件的復合基質材料可W向轉子和/或定子的表面提供柔初性，運 會降低或阻止插入件在應力下破裂。因此，工具可具有比傳統工具更長的使用壽命，傳統工 具具有定子和轉子而無硬質材料插入件。
[0027] 本文呈現的圖例不是任何特定液壓工具、轉子、定子、液壓鉆探馬達、液壓累或鉆 探系統的真實視圖，而只是用于描述本發明的示例性實施例的理想化示意圖。此外，附圖之 間共有的元件可W保持相同的數字編號。
[002引如本文所使用的術語"硬質材料"意思是且包括具有約800Kgf/mm2(7,845M化)或 更多的努普化noop)硬度值的任何材料。硬質材料包括，例如，金鋼石、立方氮化棚、碳化鶴 等。
[0029] 術語"多晶材料"意思是且包括具有由晶粒間粘結直接粘結在一起的材料的多種 顆粒(例如，晶粒)的任何材料。單粒材料的晶體結構可W在多晶材料內的空間中隨機定向。
[0030] 如本文所使用的術語"鉆孔工具"意思是且包括用于移除地下地層材料并借助于 移除一部分地層材料來形成通過地層的孔(例如，井孔）的任何工具。鉆孔工具包括，例如， 旋轉鉆頭(例如，固定刀片材或"切削"鉆頭和牙輪或"巖石"鉆頭），包括固定刀片材和滾子 元件的混合鉆頭、巖屯、鉆頭、沖撞鉆頭、雙中屯、鉆頭、套管銳刀和鉆頭、出口工具、絞刀(包括 可擴大絞刀和固定翼絞刀）W及其他所謂的"開孔"工具。
[0031] 參照圖IA和圖1B，液壓鉆探馬達10包括動力部分1和軸承組件2。動力部分1包括具 有螺旋凸角型內表面8的定子6。轉子11能旋轉地設置在定子6內并配置成在其內響應于鉆 探流體(例如，液體、或液體中的固體顆粒狀物質的懸浮液)通過液壓鉆探馬達10的流動而 旋轉。轉子11可包括具有螺旋凸角型外表面12的細長的金屬忍13,定子6可包括具有螺旋凸 角型內表面8的細長的金屬外殼7。轉子11的外表面12被配置成與定子6的內表面8接合。定 子11還可包括一種或多種流體連接42用W向轉子11的內部提供加壓流體。
[0032] 轉子11的外表面12和定子6的內表面8可具有相同但略有不同的輪廓。例如，轉子 11的外表面12可具有比定子6的內表面8少一個的凸角。轉子11的外表面12和定子6的內表 面8可W配置成使得密封件W離散的間隔沿著并且周向圍繞其間的界面直接創建在轉子11 和定子6的部分之間，從而導致流體腔室或空腔26在轉子11的外表面和定子6的內表面8之 間的形成。轉子11和定子6可各自包括金屬和/或硬質材料，且如果轉子11的外表面12和定 子6的內表面8二者均不包括彈性材料，則在液壓鉆探馬達10的操作期間轉子11與定子6之 間的接觸可W特征化為金屬間。在液壓鉆探馬達10的操作期間，空腔26可W采用加壓鉆探 流體40進行填充。
[0033] 當加壓鉆探流體40從動力部分1的頂部30如流動箭頭34所示流向底部32時，加壓 鉆探流體40使轉子11在定子6內旋轉。凸角的數量W及轉子11的外表面12和定子6的內表面 8的幾何結構可W改變W取得期望輸入（即，流體流動速率和容積)和輸出（即，旋轉速度和 轉矩）需要并且適應不同的鉆探操作。轉子11可W禪接至柔性軸50,且柔性軸50可W連接至 軸承組件2中的驅動軸52。如前所述，鉆頭可W附接至驅動軸52。例如，驅動軸52可包括帶螺 紋的盒54,鉆頭可設置有帶螺紋的銷，該帶螺紋的銷可W與驅動軸52的帶螺紋的盒54接合。
[0034] 圖2是沿圖IA的截面A-A截取的液壓鉆探馬達10的定子6和轉子11的截面圖。如圖2 所示，要么定子6的鄰近其內表面8的一部分、轉子11的鄰近其外表面12的一部分，要么二者 可包括一個或多個插入件20。插入件20可位于定子6和轉子11的凸角42、48的表面上。插入 件20可W在轉子11的忍13中，在轉子11的忍13上或在轉子11的忍13之上，或者在定子6的外 殼7之上。插入件20可包括硬質多晶材料，比如金剛石、立方氮化棚、碳化鶴、或碳化娃。例 如，插入件20可包括由天然或人造金剛石形成的多晶金剛石。替代或者除了硬質多晶材料， 插入件20還可包括其他硬質材料，比如氧化錯、氧化被、棚化錯、氮化鐵、碳化粗、碳化錯、氧 化侶、碳化被、碳化鐵、棚化侶、或碳化棚。
[0035] 定子6的內部部分和轉子11的外部部分可各自包括鄰近插入件20并與插入件20接 觸的基質材料22。基質材料22可選擇成向定子6和轉子11提供柔初性和耐久性。例如，基質 材料22可在負載下彈性地變形，使得定子6和轉子11上的力可引起基質材料22的變形，而不 是插入件20的變形或破裂。因此，插入件20與基質材料22的組合可W比多晶材料的連續涂 層更不易破碎且更具柔性，還可比單獨的基質材料22具有更高的硬度和耐久性。
[0036] 基質材料22可包括金屬，比如鉆、鉆基合金、鐵、鐵基合金、儀、儀基合金、鉆和儀基 合金、鐵和儀基合金，鐵和鉆基合金，侶基合金、銅基合金、儀基合金、或鐵基合金。在一些實 施例中，基質材料22還可包括分散在其中的其他材料，比如顯示出大于基質材料22(例如， 金剛石、立方氮化棚、碳化鶴等)的硬度的顆粒。更硬的顆粒可W與金屬的連續基質混合，運 可增強基質材料22的強度、初性、或彈性模量中的一種或多種。如果基質材料22包括更硬的 顆粒、則更硬的顆粒可具有例如，約50]im至約1 OOjim、約20]im至約200皿、或甚至約1 Ojim至約 500WI1的平均粒徑。在一些實施例中，基質材料22可包括納米顆粒（即，具有小于Iwii平均粒 徑的顆粒）。基質材料22可顯示出約IOM化至約3000MPa，比如約IOOM化至約3000M化或約 500M化至約3000M化的強度。基質材料22可顯示出約0.3kJ/m2至約300kJ/m2，比如約0.化J/ m2至約lOOkJ/m2的初性。基質材料22可顯示出約IOOG化至約400G化，比如約IOOG化至約 200G化的彈性模量。
[0037] 在一些實施例中，定子6和轉子11可W沒有通常用W提供某些傳統工具中的流體 密封的彈性材料。相反，定子6的基質材料22和插入件20可直接接觸轉子11的基質材料22和 插入件20。定子6和轉子11的基質材料22之間的接觸可W在本領域成為"金屬間"接觸。運種 金屬間接觸可W形成任何顯著容積的鉆探流體不能通過其的密封。盡管插入件20不必為金 屬，但插入件20與另一個插入件20之間的接觸或者插入件20與基質材料22之間的接觸還可 形成密封。在轉子11的旋轉期間基質材料22的金屬的變形可維持定子6的內表面和轉子11 的外表面之間的密封。缺乏彈性材料可允許液壓鉆探馬達10在低于彈性材料通常退化的溫 度下操作。例如，液壓鉆探馬達10可能夠在至少約200°C的溫度下，在至少約300°C的溫度 下，或設置在至少約40(TC的溫度下操作，而不犧牲工具部件的一體性或者定子6和轉子11 之間的密封。液壓鉆探馬達10的最大操作溫度可W根據基質材料22的組分而改變。例如，液 壓鉆探馬達10的最大操作溫度可W為基質材料22的烙點，或者可W低于基質材料22的烙點 (例如，低于在此溫度下基質材料22開始軟化的溫度），比如低于基質材料22的烙點至少約 50°C、低于基質材料22的烙點至少約100°C，或者低于基質材料22的烙點至少約200°C。在一 些實施例中，液壓鉆探馬達10的最大操作溫度可W選擇成具有低于基質材料22的烙點的安 全限度。
[0038] 在其他實施例中，基質材料22可W為彈性材料。基質材料22可包括例如聚合物，比 如氣娃橡膠(FVMQ，例如氣乙締基和甲基硅氧烷的共聚物）、下臘橡膠(NBR)、氣彈性體(FKM， 例如，氣碳共聚物、S元聚合物、五聚物等）、氨化下臘橡膠化NBR)、氣化乙締丙締(FEP)、乙 締基甲基聚硅氧烷(VMQ)、碳化下臘橡膠(XNBR)、聚丙締酸醋丙締酸橡膠(ACM)、全氣彈性體 (FFKM)、乙丙橡膠巧PM)、乙丙二締單體橡膠化PDM)或丙締酸乙締共聚物(AEM)。基質材料22 可能夠在拉長、延伸或擠壓后恢復到其原始形狀，并因此可W提高液壓鉆探馬達10的使用 壽命。
[0039] 插入件20(圖2)可定位在預期會經受相對高負載的定子6和/或轉子11的點處。插 入件20可具有至少約0.5mm的厚度(如沿與定子6或轉子11的表面垂直的方向所測量），比如 從約Imm至約5mm(例如，約2mm)。在其他實施例中，插入件20可具有5mm或更厚的厚度。插入 件20的厚度可基于預期操作條件、插入件20的組分、插入件20的數量、插入件20的形狀、基 質材料22的組分，或任何其他相關因素而改變。例如，多晶金剛石的圓柱形插入件20可選擇 成具有從約Imm至約2mm，而包括碳化鶴且具有相同形狀(如垂直于厚度所測量)的插入件20 可具有從約3mm至約5mm的厚度。可基于插入件20預期會經受的負載來選擇插入件20的厚 度。例如，預期會經受相對較高負載的插入件20可厚于預期會經受相對較低負載的插入件 20 O
[0040] 如圖3中所示，插入件20可具有通常為圓柱形或圓盤形的配置。插入件20包括硬質 多晶材料60的暴露的主表面62,而主表面62可W如圖所示是平面的或可W不是平面的。在 一些實施例中，硬質多晶材料60可包括通常為平面的臺面。硬質多晶材料60的外側表面64 從硬質多晶材料60的外側上的主表面62延伸出。插入件20可任選地包括硬質多晶材料60附 接于其的基板66。雖然在硬質多晶材料60和基板66之間示出了平面界面，但是也可使用不 同配置的非平面界面。在一些實施例中，鄰近主表面62的硬質多晶材料60的外側表面64的 上部可具有成角度的、截頭圓錐形的形狀且可限定或包括，例如，插入件20的一個或多個倒 角表面68。插入件20在圖3中被示為具有圓柱形橫截面，但可具有任何適當的形狀。在一些 實施例中，插入件20可具有被配置成與定子6或轉子11相匹配的主表面62(圖2)。例如，主表 面62可凹入、凸出，或成形使得一些部分是凹入而其他部分是凸出。
[0041] 在一些實施例中，且如圖4中所示，插入件20"可具有具有凹入部分的外表面65。外 表面65可限定基質材料22(圖2)可填充的容積，使得基質材料22提供機械鎖W在使用過程 中將插入件20"固定就位。
[0042] 圖5示出了具有各種形狀、尺寸和布置的插入件72、74、76的表面70(例如，定子6的 內表面8或轉子11的外表面12)的一部分。插入件72被示出具有近似矩形的橫截面，而插入 件74和76被示出具有近似圓形的橫截面。插入件72、74被示為由相對寬間隙間隔開，運可被 基質材料22填充。在一些實施例中。插入件72、74可被至少約1mm、至少約5mm或甚至至少約 IOmm的距離彼此間隔開。一些插入件76可一起相對更靠近。例如，插入件76可被約ImmW下 或甚至約〇.5mmW下的距離與鄰近插入件76間隔開。在一些實施例中，一些插入件76可與一 個或多個其他插入件76直接接觸。
[0043] 插入件20可W處于定子6和/或轉子11的表面上的各種位置。例如，圖6示出了圖1 中示出的液壓鉆探馬達10的定子6的另一個視圖。定子6可具有主要位于靠近其端部的插入 件20，比如靠近預期會暴露于與定子6的其他部分相比相對較高的壓力的端部，比如靠近定 子6的中部或靠近定子6的相對端部。在其他實施例中，插入件20可位于定子6的整個長度 中。
[0044] 圖7A和7B示出了具有忍13的另一個轉子11'，所述忍13具有位于其外部上的插入 件20'。圖7B示出了圖7A的圓圈80中示出的轉子11'的一部分的放大詳圖。插入件20'可被配 置成形成一個或多個彎曲表面，比如凹入表面或凹入表面。在一些實施例中，基質材料22可 提供機械鎖W防止或限制插入件20'從基質材料22的移動。插入件20'可成形使得鄰近插入 件20'的容積具有近似一致的厚度。例如，插入件20'的一個表面可W凹入，W及鄰近插入件 20'的鄰近表面可W凸出，具有近似相同的曲率。容積可部分或完全由基質材料22填充。基 質材料22還可填充插入件20 '和轉子11'的忍13之間的容積。
[0045] 如圖8中所示，轉子11'可至少限定一個穿過其忍13的內部流體通道90。例如，轉子 11'可限定偶數個流體通道90,使得當轉子11"正在使用時，流體可循環穿過流體通道90W 冷卻轉子11"。圖8中所示的轉子11"包括內部流體通道90的數量是凸角48的兩倍。在使用過 程中，轉子11"或定子6上無彈性材料的液壓鉆探馬達10(例如，金屬間馬達)可展現相對高 加熱負載。冷卻流體(例如，鉆探流體、水、乙二醇等)可將熱量從定子6和轉子11"中去除W 便在較高扭矩和/或速度下操作而不損壞液壓鉆探馬達10。
[0046] 在某些實施例中，液壓鉆探馬達10可在表面或忍溫度在基質材料22的烙點W上操 作。例如，圖9A中還示出的轉子11"'可包括一個或多個徑向通道82,基質材料22可在轉子 11"'內從膽存器22'流動穿過所述徑向通道82。圖9B示出了圖9A的圓圈81中示出的轉子 11"'的一部分的放大詳圖。轉子11"'可包括配置成維持膽存器22'上的壓力的流體86。當鄰 近插入件20 '的基質材料烙化時，部分基質材料22可在鄰近插入件20 '之間被擠出。流體86 可從膽存器22'推動其他基質材料W替換損失的基質材料22并維持插入件20'。流體可W是 鉆探流體或穿過鉆柱供給的其他材料(例如，水、壓縮空氣等）。
[0047] 圖IOA示出了根據本發明的另一個轉子110的一部分。轉子110包括忍13,而插入件 112被放置于其上方。插入件112可包括支架116上方的多晶部分114,而支架116可在基座 118上方。多晶部分114可W是，例如多晶金剛石或另一種硬質材料。多晶部分114可相對薄， 例如在與其暴露的表面垂直的方向上所測量的約1mm。多晶部分114可配制成具有高抗戰性 (耐磨損性）。支架116可包括具有高硬度的材料，比如碳化鶴。支架116可相對厚于多晶部分 114(例如，約3mm厚）W向多晶部分114提供剛性并避免多晶部分114的斷裂。基座118可包括 相對較柔軟的材料，比如金屬(例如，鐵)或配置成提供柔初性的合金。因此，當力作用于多 晶部分114的暴露表面時，基座118允許多晶部分114和支架116在不斷裂的情況下移動。如 上所述，基質材料22可W在鄰近插入件112之間W及插入件112和忍13之間。
[004引圖IOB示出了插入件112如何被固定到轉子110的忍13上。插入件112可W被燕尾接 頭固定。例如，插入件112的基座118可包括尾部120, W及忍13可包括對應的插口 121。尾部 120可滑入插口 121，但是尾部120和插口 121的尺寸可限制插入件112從忍13向外移動。
[0049] 圖IOC示出了可將插入件112固定到忍13的另一個燕尾接頭。例如，忍13可包括尾 部122, W及插入件112的基座可包括對應的插口 123。尾部122可滑入插口 123,但是尾部122 和插口 123的尺寸可限制插入件112從忍13向外移動。
[0050] 如圖IOB和IOC中所示的燕尾接頭可W在利用基質材料22模制插入件112前作為用 于部件的固定件和/或放置引導件操作。在一些實施例中，運種固定件可W牢固地保持插入 件112而不需要基質材料22。從而，基質材料22可W選擇性地被省去，或者基質材料22可W 在插入件112已經被放置后應用。使用諸如燕尾接頭的對齊部件可W利于檢測后替換磨損 的插入件112,并且從而可W降低維護成本和停機時間。
[0051] 在一些實施例中，形成液壓鉆探馬達10的方法可W包括將至少一個插入件20附接 至定子6的表面、轉子11的表面或者兩者。插入件20可W通過基質材料22固定到定子6和/或 轉子11。例如，基質材料22可W被模制為抵靠插入件20,該插入件20鄰近轉子11的忍13或定 子6的外殼7。在一些實施例中，并且如圖11所示，插入件20可W設置在基質材料22的片材 100上。圖12示出了基質材料22的另一個片材102,六邊形插入件21可W被設置在該基質材 料22上或基質材料22中。六邊形插入件21可W被間隔開W使得在鄰近的插入件21之間的基 質材料22的寬度是近似一致的。插入件20、21可W為任何合適的形狀。片材100、102可W變 形W適應于轉子11的忍13或者定子6的外殼7的形狀。例如，片材100、102可W被加熱并壓覆 在忍13上W將片材100、102粘結至忍13。片材100、102的側表面可W彼此相互連接W使得片 材100、102圍繞忍13的外部或外殼7的內部完全覆蓋。位于片材100、102的一個面或邊緣的 基質材料22的部分可W被粘結至位于片材100、102另一面或邊緣的另一部分。片材100、102 可W包括粘合材料W利于放置片材1〇〇、1〇2。粘合材料，如果存在的話，可W在后續的處理 過程中融化或分解。
[0052] 為了形成定子6,片材100(或片材102)可W在形如定子6內表面的模具上壓制。在 適應于模具形成片材100后，定子6的外殼7可W在片材100上形成并與片材100接觸。例如， 外殼7可W圍繞片材100鑄造。可W在形成外殼7之前或者之后將模具從片材100內移除。由 于定子6可W是相對較長的，在外殼7形成后將插入件20精確地朝定子6的中間固定可能會 相對較難。通過圍繞包括插入件20的片材100形成定子6的外殼7而不是預制外殼7,插入件 20可W沿定子6的長度放置，而不是僅僅在端附近。
[0053] 在一些實施例中，片材100的部分可W通過諸如加工的方式去除。基質材料22的部 分和/或插入件20可W被去除W使轉子11和定子6形成合適的形狀W在液壓鉆探馬達10中 使用，比如在轉子11和定子6之間促進合適的密封。
[0054] 定子11的部分的另一視圖在圖13中示出。插入件20可W包括上部20a和下部20b。 基質材料22可W填充鄰近的插入件20之間的容積。插入件20和基質材料22可W在忍13之 上。W下的表1指示了插入件的上部20a和下部20bW及基質材料22的一組相對機械特性。術 語"高"、"中等高"、"中等"、"中等低"和"低"是相對彼此而言的。因此，雖然材料22被列為具 有"低"硬度，運僅僅意味著它的硬度比具有"中等低"和"高"的材料20a和20b的硬度低。
[0化5] 表1 「msAl
[0化7] 如表1所示，插入件20的上部20a可W比基質材料和插入件20的下部20b相對較硬， W當在插入件20上施加力時提供耐磨損性。基質材料22可W具有比插入件20的上部20和下 部20b相對更高的延展性，從而基質材料可W彎曲W允許插入件20移動。利用具有表1中所 示相對特性的材料，插入件20在使用中可W抗裂。
[0058] 通過提供可操作于在深的結晶巖層的高溫環境的能力，運里所描述的具有液壓鉆 探馬達的系統可W用于深的、高洽地熱能的勘探和生產。此外，如上所述的液壓鉆探馬達可 W比傳統馬達具有對磨粒更高的抗磨損性。
[0059] 本發明的另外的非限制性的示例性實施例如下所述。
[0060] 實施例1: 一種液壓工具，其包括定子和能旋轉地設置在定子內的轉子。轉子具有 多個凸角，并且轉子的凸角比定子少一個。轉子的凸角配置為當轉子移動時與定子的凸角 接合。定子的至少內部部分和轉子的至少外部部分中的至少一者包括具有硬質材料的插入 件。
[0061 ]實施例2:如實施例1的液壓工具，其中硬質材料包括多晶材料。
[0062] 實施例3:如實施例1或實施例2的液壓工具，其中硬質材料包括具有等于或超過碳 化鶴的硬度的硬度的材料。
[0063] 實施例4:如實施例1至3的液壓工具，其中定子的至少內部部分和轉子的至少外部 部分中的至少一者包括至少部分圍繞所述一個插入件的基質材料。
[0064] 實施例5:如實施例4的液壓工具，其中基質材料包括具有高于所述至少一個插入 件的材料的柔初度的材料。
[0065] 實施例6:如實施例4或實施例5的液壓工具，其中基質材料包括硬質材料的顆粒。
[0066] 實施例7:如實施例6的液壓工具，其中硬質材料的顆粒具有從約50皿至約IOOmi的 平均顆粒大小。
[0067] 實施例8:如實施例1至7中任一實施例所述的液壓工具，其中至少一個插入件包括 多個橫向鄰近的插入件。
[006引實施例9:如實施例1至8中任一實施例所述的液壓工具，其中至少一個插入件具有 至少Imm的厚度。
[0069] 實施例10:如實施例1至9中任一實施例所述的液壓工具，其中轉子被配置為隨著 該轉子在定子內旋轉而抵著定子形成金屬間密封件。
[0070] 實施例11:如實施例1至10中任一實施例所述的液壓工具，其中轉子界定至少一個 內部通道。
[0071] 實施例12:如實施例1至11中任一實施例所述的液壓工具，其中液壓工具被配置為 附接至鉆孔鉆頭和鉆柱中的至少一個。
[0072] 實施例13:形成液壓工具的方法包括將包括硬質材料的至少一個插入件附接至液 壓工具的定子的內表面或轉子的外表面。
[0073] 實施例14:如實施例13的方法，其中將包括硬質材料的至少一個插入件附接至定 子的內表面或轉子的外表面包括將包括金屬的基質材料附接至該定子的內表面和該轉子 的外表面中的至少一個。
[0074] 實施例15:如實施例14的方法，其中將包括金屬的基質材料附接至定子的內表面 和轉子的外表面中的至少一者包括使基質材料變形W界定定子的至少內部部分和轉子的 至少外部部分中的至少一個。
[0075] 實施例16:如實施例15的方法，其進一步包括將基質材料的部分粘結至基質材料 的另一部分。
[0076] 實施例17:如實施例14至16中任一所述的方法，其進一步包括從液壓工具中去除 插入件和基質材料中的至少一個的部分。
[0077] 實施例18:如實施例17的方法，其中從液壓工具中去除插入件和基質材料中的至 少一個的部分包括加工或打磨液壓工具的表面的至少一個。
[0078] 實施例19: 一種井下馬達或井下累，其包括定子和能旋轉地設置在定子內的轉子。 定子包括至少一個插入件，其包括被設置在定子的內表面的至少一部分上方的硬質材料。 定子還包括至少部分圍繞至少一個插入件的基質材料。轉子包括至少一個插入件，其包括 被設置在轉子的外表面的至少一部分上方的硬質材料。轉子還包括至少部分圍繞至少一個 插入件的基質材料。
[0079] 實施例20:根據實施例19所述的井下馬達或井下累，其中轉子被配置為使得當轉 子在定子內旋轉時，轉子的至少一個插入件間歇地接觸定子的至少一個插入件。
[0080] 實施例21:根據實施例19或實施例20所述的井下馬達或井下累，其中轉子的外表 面和定子的內表面各自均無彈性材料。
[0081] 實施例22:根據實施例19至21中任一項所述的井下馬達或井下累，其中轉子的材 料和定子的材料各自均在至少30(TC的溫度下是穩定的。
[0082] 實施例23:-種液壓工具，其包括定子和能旋轉地設置在定子內的轉子。轉子界定 轉子內的至少一個流體通道。
[0083] 雖然本文已關于某些所說明的實施例描述了本發明，但是本領域一般技術人員將 認識并且明白本發明并無此限制。實情是，在不脫離如下文所述的本發明的范圍（包括本發 明的合法等同物）的情況下可W對所說明的實施例進行許多增加、刪除和修改。另外，來自 一個實施例的特征可結合另一個實施例的特征并同時仍然包括在如
【發明人】所預期的本發 明的范圍內。另外，本公開的實施例具有包括不同且各種工具類型和配置的實用工具。
【主權項】
1. 一種液壓工具，其包括： 定子，其具有多個凸角；以及 轉子，其能旋轉地設置在所述定子內，所述轉子具有比所述定子少一個的凸角，其中所 述轉子的所述凸角被配置為在所述轉子移動時接合所述定子的所述凸角； 其中所述定子的至少內部部分和所述轉子的至少外部部分中的至少一者包括至少一 個插入件，所述至少一個插入件包括硬質材料。2. 根據權利要求1所述的液壓工具，其中所述硬質材料包括多晶材料。3. 根據權利要求1所述的液壓工具，其中所述硬質材料包括具有等于或超過碳化鎢的 硬度的硬度的材料。4. 根據權利要求1所述的液壓工具，其中所述定子的至少內部部分和所述轉子的至少 外部部分中的所述至少一者包括至少部分圍繞所述至少一個插入件的基質材料。5. 根據權利要求4所述的液壓工具，其中所述基質材料包括具有高于所述至少一個插 入件的所述材料的柔韌度的材料。6. 根據權利要求4所述的液壓工具，其中所述基質材料包括硬質材料顆粒。7. 根據權利要求6所述的液壓工具，其中所述硬質材料顆粒具有從約50μπι至約100μπι的 平均粒子大小。8. 根據權利要求1至7中任一項所述的液壓工具，其中所述至少一個插入件包括多個橫 向相鄰的插入件。9. 根據權利要求1至7中任一項所述的液壓工具，其中所述至少一個插入件具有至少 1mm的厚度。10. 根據權利要求1至7中任一項所述的液壓工具，其中所述轉子被配置為隨著所述轉 子在所述定子內旋轉而相對于所述定子形成金屬間的密封。11. 根據權利要求1至7中任一項所述的液壓工具，其中所述轉子界定至少一個內部通 道。12. 根據權利要求1至7中任一項所述的液壓工具，其中所述液壓工具被配置為附接至 鉆地鉆頭和鉆柱中的至少一者。13. 根據權利要求1至7中任一項所述的液壓工具，其中所述液壓工具包括井下馬達或 井下栗。14. 一種形成液壓工具的方法，其包括將包括硬質材料的至少一個插入件附接至所述 液壓工具的定子的內表面或所述液壓工具的轉子的外表面。15. 根據權利要求14所述的方法，其中將包括硬質材料的至少一個插入件附接至定子 的內表面或轉子的外表面包括將包括金屬的基質材料附接至所述定子的所述內表面和所 述轉子的所述外表面中的至少一者。16. 根據權利要求15所述的方法，其中將包括金屬的基質材料附接至所述定子的所述 內表面和所述轉子的所述外表面中的至少一者包括使所述基質材料變形以界定所述定子 的至少內部部分和所述轉子的至少外部部分中的至少一者。17. 根據權利要求16所述的方法，其進一步包括將所述基質材料的一部分粘結至所述 基質材料的另一部分。18. 根據權利要求15至17中任一項所述的方法，其進一步包括從所述液壓工具中移除
【文檔編號】E21B17/00GK106030018SQ201580010070
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年1月5日
【發明人】J·萊爾, D·弗勒利希, C·霍爾
【申請人】貝克休斯公司