具有單向旋轉(zhuǎn)離合器的鉆井電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]一般而言，本申請(qǐng)涉及一種與鉆探地下井相關(guān)而利用的設(shè)備和執(zhí)行的操作，且在下文描述的一個(gè)實(shí)施例中，尤其提供一種具有單向旋轉(zhuǎn)離合器的鉆井電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]渦輪鉆井電機(jī)響應(yīng)于鉆井流體流動(dòng)通過(guò)電機(jī)而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。一般而言，當(dāng)需要相對(duì)較高的轉(zhuǎn)速、相對(duì)較低的扭矩時(shí)，當(dāng)鉆探復(fù)雜井眼軌道時(shí)，等等，使用渦輪鉆井電機(jī)。
[0003]不幸的是，如果由典型的渦輪鉆井電機(jī)旋轉(zhuǎn)的鉆頭被卡住，不能通過(guò)旋轉(zhuǎn)鉆井電機(jī)上方的一段鉆柱來(lái)使鉆頭旋轉(zhuǎn)。這會(huì)使卡住的鉆頭非常難于被釋放。
[0004]因此應(yīng)認(rèn)識(shí)到，構(gòu)造和操作鉆井電機(jī)的領(lǐng)域一直存在改進(jìn)的需求。這樣的改進(jìn)可用于渦輪式鉆井電機(jī)之外的其它鉆井電機(jī)。
【附圖說(shuō)明】
[0005]圖1是可體現(xiàn)本申請(qǐng)?jiān)淼挠途到y(tǒng)和相關(guān)方法的代表性的局部剖視圖；
[0006]圖2是可以體現(xiàn)本申請(qǐng)的原理的一段渦輪鉆井電機(jī)的放大比例的代表性的局部剖視圖；
[0007]圖3是可用于鉆井電機(jī)的、且能體現(xiàn)本申請(qǐng)?jiān)淼膯蜗蛐D(zhuǎn)離合器的另一幅放大比例的代表性的立體分解圖；
[0008]圖4是一段單向旋轉(zhuǎn)離合器的又一幅放大比例的代表性的剖視圖；
[0009]圖5是鉆井電機(jī)中的單向旋轉(zhuǎn)離合器的代表性的剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]圖1中代表性地示出了用于地下井的、可以體現(xiàn)本申請(qǐng)的原理的系統(tǒng)10以及相關(guān)鉆井方法。然而應(yīng)明確理解的是，系統(tǒng)10和方法僅是本申請(qǐng)的原理在實(shí)踐中的一種應(yīng)用的示例，且其它各種各樣的示例是可行的。因此，本申請(qǐng)的范圍完全不局限于本文描述的和/或附圖中描繪的系統(tǒng)10和方法的細(xì)節(jié)。
[0011]在圖1的示例中，鉆柱12用于鉆出井眼14。為此目的，鉆頭16連接在鉆柱12的遠(yuǎn)端。鉆頭16可通過(guò)使流體(比如鉆井流體，有時(shí)被稱為鉆井“泥漿”)流動(dòng)通過(guò)連接在鉆柱12中的鉆井電機(jī)組件18而被旋轉(zhuǎn)。
[0012]鉆井電機(jī)組件18可包括鉆井電機(jī)20和軸承及密封裝置22。優(yōu)選地，鉆井電機(jī)20包括渦輪鉆井電機(jī)，但如有所需，可以使用其它類型的鉆井電機(jī)(例如正排量(positivedisplacement，容積式)電機(jī)、莫瓦諾(Moineau)式電機(jī)等)。
[0013]在該示例中，鉆井電機(jī)組件18還包括單向旋轉(zhuǎn)離合器24，單向旋轉(zhuǎn)離合器使鉆頭16通過(guò)旋轉(zhuǎn)組件18上方的鉆柱12(例如，通過(guò)使用轉(zhuǎn)盤、頂部驅(qū)動(dòng)裝置、另一個(gè)鉆井電機(jī)，等)而被旋轉(zhuǎn)。雖然離合器24在圖1被描繪為位于軸承/密封裝置22與鉆頭16之間，在其它示例中，離合器可為軸承/密封裝置的一部分、鉆井電機(jī)20的一部分、或設(shè)置在其它位置。
[0014]鉆柱12中也可包含其它部件，比如轉(zhuǎn)向工具62。在那樣的情況下，單向旋轉(zhuǎn)離合器24可為轉(zhuǎn)向工具62的一部分。本申請(qǐng)的范圍并不局限于組件18或鉆柱12的部件的任何特定組合、布置或構(gòu)造。
[0015]舉例來(lái)說(shuō)，如果鉆頭被卡住而不能通過(guò)使流體流動(dòng)通過(guò)鉆井電機(jī)20而被旋轉(zhuǎn)，那么通過(guò)旋轉(zhuǎn)組件18上方的鉆柱12來(lái)旋轉(zhuǎn)鉆頭16的能力是有用的。通過(guò)旋轉(zhuǎn)鉆柱12而旋轉(zhuǎn)鉆頭12可用于強(qiáng)行移開(kāi)鉆頭16，從而使鉆井操作能夠繼續(xù)。
[0016]然而，本申請(qǐng)的范圍并不局限于組件18中的單向離合器24的任何特定用途。單向離合器24可按照各種不同方式使用以阻止鉆頭16與組件18上方的鉆柱12之間沿一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，但允許鉆頭與組件上方的鉆柱之間沿相反旋轉(zhuǎn)方向的相對(duì)旋轉(zhuǎn)。
[0017]現(xiàn)在再參照?qǐng)D2，其中代表性地示出了鉆井電機(jī)20的動(dòng)力段的放大比例的局部剖視圖。在該視圖中，可以更清楚地看出鉆井電機(jī)20優(yōu)選地包括多個(gè)定子葉片26，定子葉片引導(dǎo)流體28以碰撞多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片30。定子葉片26相對(duì)于外殼32固定，而轉(zhuǎn)子葉片30相對(duì)于內(nèi)軸34固定。
[0018]在正常操作中，流體28流過(guò)鉆井電機(jī)20，從而引起轉(zhuǎn)子葉片30和軸34相對(duì)于定子葉片26和外殼體32旋轉(zhuǎn)。軸34連接到鉆頭16，使得鉆頭響應(yīng)于流體28通過(guò)鉆井電機(jī)20的流動(dòng)而旋轉(zhuǎn)。
[0019]應(yīng)注意到，圖2示出了渦輪式鉆井電機(jī)20，且描繪了兩套定子葉片26和轉(zhuǎn)子葉片30，用于使軸34相對(duì)于殼體32旋轉(zhuǎn)。然而在其它示例中，可使用其它類型的鉆井電機(jī)，可使用任何數(shù)量的定子葉片26和轉(zhuǎn)子葉片30，殼體32和軸34可由多個(gè)相互連接的元件組成，等等。因此應(yīng)理解，本申請(qǐng)的范圍完全不局限于附圖中描繪的或本文描述的鉆井電機(jī)20的任何特定細(xì)節(jié)。
[0020]現(xiàn)在再參照?qǐng)D3，其中代表性地示出了單向旋轉(zhuǎn)離合器24的另一放大比例的分解視圖。在該視圖中，可以看出離合器24包括多個(gè)樞轉(zhuǎn)支撐的卡爪36，這些卡爪與多個(gè)互補(bǔ)形狀的凹部38接合，以阻止殼體40與內(nèi)芯軸42之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)。
[0021]在該示例中，殼體40設(shè)置為三個(gè)節(jié)段40a、40b、40c，且相對(duì)于鉆井電機(jī)20的殼體32固定。在其它示例中，殼體32、40可為同一殼體，或僅是同一殼體組件的不同節(jié)段。芯軸42相對(duì)于軸34固定。因此，殼體40與芯軸42之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于殼體32與鉆井電機(jī)20的軸34之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)。
[0022]應(yīng)認(rèn)識(shí)到，如果芯軸42相對(duì)于殼體40順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(從圖3的頂部觀察)，例如被鉆井電機(jī)20旋轉(zhuǎn)，則卡爪36會(huì)被樞轉(zhuǎn)而脫開(kāi)與凹部38的接合，從而允許這樣的相對(duì)旋轉(zhuǎn)?？ㄗ?6圍繞設(shè)置在卡爪的相對(duì)側(cè)的樞轉(zhuǎn)銷44樞轉(zhuǎn)。樞轉(zhuǎn)銷44被容納在殼體節(jié)段40b、40c中形成的開(kāi)口 46中。
[0023]如果殼體40相對(duì)于芯軸42順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，例如，通過(guò)旋轉(zhuǎn)鉆井電機(jī)組件18上方的鉆柱12，則卡爪36會(huì)樞轉(zhuǎn)到與凹部38接合并阻止這樣的相對(duì)旋轉(zhuǎn)。因此，離合器24允許芯軸42和軸34相對(duì)于殼體32、40的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，但阻止芯軸和軸相對(duì)于殼體的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
[0024]現(xiàn)在再參照?qǐng)D4，其中以放大比例代表性地示出了離合器24的一部分。該視圖從卡爪36的一端展示卡爪如何相對(duì)于殼體40圍繞旋轉(zhuǎn)軸線48進(jìn)行樞轉(zhuǎn)。
[0025]應(yīng)注意的是，殼體節(jié)段40c中的開(kāi)口 46是長(zhǎng)形的，使得當(dāng)卡爪36阻止芯軸42相對(duì)于殼體40的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)施加到卡爪36上的壓縮力50不會(huì)經(jīng)由樞轉(zhuǎn)銷44傳遞到殼體節(jié)段40c。殼體節(jié)段40b中的多個(gè)開(kāi)口 46優(yōu)選按照這樣的方式成形。
[0026]因此，當(dāng)在殼體40與芯軸42之間傳遞扭矩時(shí)(例如，當(dāng)卡爪36與凹部38之間的接合阻止芯軸相對(duì)于殼體的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)、或阻止殼體相對(duì)于芯軸的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí))，不需要樞轉(zhuǎn)銷44對(duì)壓縮力50進(jìn)行反作用。替代地，壓縮力50在殼體節(jié)段40a與卡爪36接觸處受到殼體節(jié)段40a的反作用。這樣阻止了樞轉(zhuǎn)銷44的過(guò)早磨損并分散了跨過(guò)多個(gè)樞轉(zhuǎn)銷之間的卡爪36的本體的力。
[0027]還應(yīng)注意的是，卡爪36上的大體平坦的接合面52與芯軸42上的另一大體平坦的接合面54接合。平坦接合面52、54之間的該接合的作用是分散由跨過(guò)這些平坦面的接合引起的接觸壓力，從而減少接觸壓力。
[0028]而且，卡爪36與凹部38的底部之間形成楔形空間56以“困住”卡爪與凹部之間的流體。當(dāng)芯軸42相對(duì)于殼體40順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，這樣“被困的”流體在卡爪36與凹部38的底部之間被越來(lái)越多地?cái)D壓，從而在卡爪與凹部38之間產(chǎn)生液動(dòng)壓力。當(dāng)軸34與芯軸42以相對(duì)較高的速度被鉆井電機(jī)20旋轉(zhuǎn)時(shí)，這樣的液動(dòng)壓力減小卡爪36與凹部38之間的接觸壓力。
[0029]相似地，當(dāng)芯軸相對(duì)于殼體40順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，卡爪36與芯軸42的外徑之間產(chǎn)生液動(dòng)壓力。當(dāng)軸34與芯軸以相對(duì)較高的速度被鉆井電機(jī)20旋轉(zhuǎn)時(shí)，該液動(dòng)壓力減小卡爪36與芯軸42之間的接觸壓力。
[0030]現(xiàn)在再參照?qǐng)D5，其中代表性地示出了鉆井電機(jī)組件18中的單向旋轉(zhuǎn)離合器24的剖視圖。在該視圖中，可清楚地看出卡爪36被偏壓裝置58(例如盤簧、片簧、彈性體、壓縮流體等)偏壓至與凹部38接合的方式。
[0031]偏壓力經(jīng)由“按鈕”60從偏壓裝置58傳遞到卡爪36。優(yōu)選地，按鈕60、殼體節(jié)段40a、樞轉(zhuǎn)銷44、殼體節(jié)段40b、40c、凹部38等上的配合表面被適當(dāng)處理以經(jīng)受反復(fù)摩擦、沖擊等。舉例來(lái)說(shuō)，配合表面可被硬化至400布氏硬度或更高，可由碳化鎢或其它高硬度材料形成、可被涂覆(例如使用化學(xué)氣相沉積等)、或以其它方式處理以為較高速的摩擦和/或沖擊做準(zhǔn)備。
[0032]應(yīng)注意到，接合面52、54與從旋轉(zhuǎn)軸線48沿卡爪36延伸的半徑r之間的角度A大于九十度(圖4中也有描繪)。當(dāng)接合面52、54接合時(shí)(例如，當(dāng)離合器24阻止軸34和芯軸42相對(duì)于殼體32、40的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí))，這樣的傾斜角A會(huì)阻止卡爪36與凹部38脫開(kāi)，特別是在較大的扭矩從殼體32、40經(jīng)由芯軸42傳遞到軸34時(shí)(例如，為了釋放卡住的鉆頭16) ο
[0033]現(xiàn)在可以充分理解，以上公開(kāi)為用于鉆井的鉆井電機(jī)的構(gòu)造和操作的現(xiàn)有技術(shù)提供了顯著進(jìn)步。在上述示例中，單向旋轉(zhuǎn)離合器24使鉆井電機(jī)20能夠用于旋轉(zhuǎn)鉆頭，還使鉆井電機(jī)組件18上方的鉆柱12能夠被旋轉(zhuǎn)，以旋轉(zhuǎn)鉆頭16。
[0034]以上公開(kāi)為現(xiàn)有技術(shù)提供了一種鉆井電機(jī)組件。在一個(gè)示例中，鉆井電機(jī)組件18可包括殼體32、軸34、以及與至少一個(gè)凹部38選擇性地接合的至少一個(gè)卡爪36?？ㄗ?6具有旋轉(zhuǎn)軸線48和大體平坦的接合面52，當(dāng)殼體32與軸34之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)被阻止時(shí)，接合面52與凹部38的大體平坦接合面54接合。相接合的卡爪接合面52與凹部接合面54相對(duì)于從旋轉(zhuǎn)軸線48延伸到相接合的卡爪接合面52和凹部接合面54的半徑r傾斜。
[0035]在上述的一些示例中，殼體32與軸34之間沿一個(gè)方向的相對(duì)旋轉(zhuǎn)被允許，但由于接合的卡爪接合面52與凹部接合面54，殼體32與軸34之間沿相反方向的相對(duì)旋轉(zhuǎn)被阻止。
[0036]卡爪36可圍繞樞轉(zhuǎn)銷44旋轉(zhuǎn)。樞轉(zhuǎn)銷44可被容納在槽式開(kāi)口 46中，從而當(dāng)殼體32與軸34之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)被阻止時(shí)，樞轉(zhuǎn)銷44不會(huì)在殼體32與軸34之間傳遞扭矩。壓縮力50可經(jīng)由卡爪36在殼體32與軸34之間傳遞，而不會(huì)使壓縮力50受到樞轉(zhuǎn)銷44的反作用。
[0037]在一些示例中，卡爪36與殼體32 —起旋轉(zhuǎn)，而凹部38與軸34 —起旋轉(zhuǎn)。
[0038]當(dāng)殼體32與軸34之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)被允許時(shí)，卡爪36可旋轉(zhuǎn)而脫開(kāi)與凹部38的接合。
[0039]當(dāng)殼體32與軸34之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)被允許時(shí)，液動(dòng)壓力可減小卡