钻井工具轴承和驱动系统组件的制作方法
发明背景
泥浆马达用于通过将流体动力转化成机械转矩并将此机械转矩施加至钻头来对钻井操作进行补充。泥浆马达在非常高的压力和高转矩条件下操作，并且泥浆马达会以可预测的方式在可识别的应力点处失效。正在进行的工作涉及提高耐疲劳性并且降低维修泥浆马达的成本。
附图简述
图1是根据一些实施方案的钻井系统的方框图。
图2a是出于与一些实施方案的泥浆马达比较的目的而可以用在一些可用系统中的泥浆马达的一部分的分解图。
图2b是根据一些实施方案的泥浆马达的一部分的分解图。
图3是根据一些实施方案的泥浆马达的一部分的示意图。
图4a是根据一些实施方案的区段被切除来展现轴承组部分的耦合的泥浆马达的一部分的透视图。
图4b是根据一些实施方案的示出轴承组安装的泥浆马达的一部分的侧视图。
图5是根据一些实施方案的泥浆马达的一部分的侧视图。
图6是示出用于使用一些实施方案的泥浆马达的方法的实施方案的流程图。
具体实施方式
为了解决以上描述的挑战中的一些以及其他挑战，本文描述了泥浆马达的一些实施方案。
图1示出可以实施一些实施方案的钻井系统100。钻机102位于井106的表面104处。钻井平台103配备有井架107。钻机102为钻柱108提供支撑。钻柱108可以包括可能位于钻杆112的下部的井底组件110。
井底组件110可以包括钻环114、井下工具116和钻头118。钻头118可以通过穿透表面104和地下地层122来操作以产生钻孔120。井下工具116可以包括许多不同类型的工具中的任一种，包括随钻测量(mwd)工具、随钻测井(lwd)工具以及其他工具。
钻环114可以用于将压力添加至钻头118。钻环114还可以操作来加强井底组件110，从而允许井底组件110将所添加的压力转移至钻头118，并且进而协助钻头118穿透表面104和地下地层122。
在钻井操作期间，泥浆泵124可以通过软管128来将钻井流体(本领域普通技术人员有时称之为“钻井泥浆”)从泥浆池126泵运到钻杆112中并向下泵运至钻头118。钻井流体可以从钻头118流出并且通过介于钻杆112与钻孔的侧部之间的环形区域130来返回至表面104。钻井流体之后可以返回至泥浆池126，在所述泥浆池126处，对这类流体进行过滤。在一些实施方案中，钻井流体可以用于冷却钻头118，还在钻井操作期间为钻头118提供润滑。另外，钻井流体可以用于去除因操作钻头118而产生的地下地层切屑。
在钻井操作期间，钻柱108(可能包括方钻杆132、钻杆112和井底组件110)可以通过旋转台134来旋转。另外或可替代地，井底组件110可以通过位于井下的马达136(例如，泥浆马达)来旋转。泥浆马达136可以是正排量式马达(pdm)组件，其可以包括可从halliburtonofhouston，texas获得的
还可以通过以下方式来进行定向钻井：使钻柱108旋转，同时为泥浆马达136提供动力，从而增大可用的转矩和钻头速度。钻头118可以呈现各种形式，包括金刚石孕镶钻头和专用聚晶-金刚石复合(pdc)钻头设计，诸如可从例如halliburtonofhouston，texas获得的fx和fsseriestm钻头。
泥浆马达136必须能够承受两种钻井操作模式下产生的负载：“置底”负载和“离底”负载。置底负载对应于以下操作模式，在此期间，钻头118在来自钻柱108的压力的垂直负载下钻入到地下地层中，所述钻柱108反过来处于压缩状态；换言之，钻头118位于井筒的底部。离底负载对应于以下操作模式，在此期间，钻头118升高离开井筒的底部并且钻柱108处于张紧状态(即，当钻头离开井筒的底部并且从钻柱108悬挂时，诸如当将钻柱108从井筒“起出”时，或当沿井上方向对井筒扩孔时)。当离底的钻头118中有钻井流体循环时，也会诱导张紧负载，这是因为钻头118和轴承组件(图1中未示出)整体当中存在压降。
根据各种实施方案的泥浆马达136可以承受以上描述的负载而不会经历过早的疲劳失效。图2a是出于与示例实施方案比较的目的而可以用在一些可用系统中的泥浆马达136的一部分的分解图。图2b是根据一些实施方案的泥浆马达136的一部分的分解图。
如图2a所示，当前可用的泥浆马达136包括动力区段定子240。动力区段定子240可以通过例如螺纹来连接至挠性壳体242。挠性壳体242可以进一步连接至轴承壳套244。动力区段转子246可以经由驱动系统248驱动轴250和钻头118来耦合至钻头118，使得来自动力区段转子246的偏心动力被作为同心动力传递至钻头118。以此方式，泥浆马达136可以为钻头118提供驱动机构，所述驱动机构至少部分地并在一些情况下完全独立于钻柱108(图1)的任何旋转运动。
钻头118根据本领域普通技术人员理解的方法来耦合至驱动轴250的端部，以执行例如本文先前参考图1描述的任何钻井操作，或其他钻井和勘探操作。动力区段转子246、驱动系统248和驱动轴250组装在动力区段定子240、挠性壳体242和轴承壳套244之内。泥浆马达136还可以包括在动力区段定子240的第一端处耦合的保护子组件243和转子抓持器245。
相比之下，图2b所示的实施方案消除了动力区段定子240的顶端之下的壳体连接，所述壳体连接是可预测的疲劳失效的根源。实施方案通过使用筒式安装系统来实现这一点，其中轴承组装成轴承组252。实施方案提供了以下方式：无需高疲劳壳体连接就可将轴承组252、驱动系统248和动力区段转子246保持在可负载筒状物中，同时仍然允许对这些部件提供服务。
动力区段定子240包括第一(例如，“井上”)端、第二(例如，“井下”)端256和贯穿其中的空腔。动力区段转子246包括转子叶片247以与动力区段定子240的一个或多个定子叶片(图2b中未示出)配合。
在实施方案中，驱动系统248可操作地耦合至动力区段转子246和轴承组252，并且轴承组252具有在其中部分封闭的驱动轴(图2b中未示出)。动力区段转子246、驱动系统248、轴承组252和驱动轴部分预先组装到可负载转子组件254中，以送入到动力区段定子240的井下端256中并且完全包封在动力区段定子240的内腔中。轴承组252中的轴承可以包括滚珠式轴承，但是实施方案并不限于此。另外，轴承可以包括聚晶金刚石(pcd)材料，但是实施方案并不限于pcd材料。
驱动轴250的钳夹区域258和工具接头260部分位于动力区段定子240的外侧。钳夹区域258是一组夹钳或扳手钳口可触及的区域，所述夹钳或扳手钳口出于拧紧或松开工具接头260的目的可以将驱动轴250夹持在所述工具接头的正上方。在一些实施方案中，夹钳还可以夹持在工具接头260处，这取决于工具接头260上方或下方的螺纹是否断开。钻头118耦合至驱动轴250的底部。钻头118与驱动轴250之间的连接部262可以包括美国石油学会(api)提出的具有锥形端的钻柱旋转台肩式连接部。
转子组件254被保持在动力区段定子240内，使得动力区段转子246、驱动系统248和具有驱动轴的轴承组252可以可靠地承载动力区段转矩并且对动力区段定子240内的钻井负载作出反应。如在比较图2a和图2b之后将了解，示例实施方案消除了动力区段定子240内的连接，从而减少连接处的疲劳或消除其根源，并且总体上延长了动力区段定子240和泥浆马达136的寿命。这种筒式安装系统在与转子组件254部件的预组装和台架测试相关的组装中可以具有其他益处。本文稍后参考图3来更详细地描述将转子组件254保持在动力区段定子240内的方式。
图3是根据一些实施方案的泥浆马达的一部分的示意图。图3提供用于展示可以如何将转子组件254(图3中未示出)送入到动力区段定子240的开放的井下端256中的替代视图。在动力区段定子240的井下端256处的保持组件302(例如，螺纹衬套)可以在井下端256处将包括轴承组252的转子组件254(图3中未示出)保持在动力区段定子240的内腔之内。图3中还示出工具接头260和连接部262。
由于位于动力区段定子240的端部，保持组件302不会经受弯曲负载，并且因此不会遭受会缩短动力区段定子240的耐久寿命的至少一些种类的疲劳失效。保持组件302可以包括螺纹来允许使用螺纹衬套，所述螺纹衬套沿圆周耦合在动力区段定子240的内圆周或外圆周周围，但是实施方案并不限于此。保持组件302可以包括本文稍后描述的其他类型的保持部件，例如，保持组件302可以包括压缩环，所述压缩环耦合在动力区段定子240的井下端的内圆周或外圆周周围。
在至少一些实施方案中，当钻头118(图1和图2b)离开底部或往回扩孔时，保持组件302可以通过轴承组252来将较大的离底负载和置底负载带到动力区段定子240中。保持组件302出于防损还可以为驱动轴抓持特征提供强固的负载路径，所述驱动轴抓持特征在径向上将动力区段转子246运动约束在动力区段定子240内。例如，置底负载会沿着负载路径进入动力区段定子240中，并且可以由轴承组252的轴承来处理。离底负载会沿着路径进入螺纹衬套，从而进入动力区段定子240中。一些实施方案可以包括驱动轴抓持特征，所述驱动轴抓持特征包括开口环，所述开口环由保持组件302保持，使得驱动轴250(图3中未示出)离开动力区段定子240的轴向运动会使驱动轴250的镦锻特征接合由保持组件302保持的开口环，从而将转子组件254保持在动力区段定子240的端部之内。
在一些实施方案中，保持组件302将不包括任何螺纹连接，而是替代地接合平滑的动力区段定子240壁。本领域普通技术人员理解用来安装轴设备的楔形锥形锁定型特征(图3中未示出)可以用于扩展和接合动力区段定子240的内壁。至少这些实施方案还可以包括动力区段定子240的内壁的底切(图3中未示出)，以防止锁定机构逐渐从动力区段定子240的内部移位。扩展可以用紧固件来实现，所述紧固件平行于工具的轴线并且以径向阵列围绕轴布置。这些紧固件可以使用例如内六角扳手或其他类似的手工工具来紧固。
其他实施方案可以允许使用安设在浅沟槽中的扩展保持环来扩展。一旦扩展并接合动力区段定子240的内壁，就可以利用顶升特征诸如顶升螺栓来提供适当的轴承座圈预负载。一些实施方案可以直接将轴承预先装载在转子组件254中，并且利用保持特征来定位转子组件254并将负载带到动力区段定子240中。
在这些或其他实施方案中，代替保持组件302或除了所述保持组件302之外，可以使用台肩306来将转子组件254保持在动力区段定子240内。台肩306可以是内腔之内与第二端264隔开一定距离的台肩部分。在使用台肩306的实施方案中，动力区段定子240将被制造成在动力区段定子240的内径上包括台肩306，这会增加动力区段定子240的制造工艺的复杂性。另外，包括台肩306会产生应力集中部分，这可能会引起转子组件254的部件的疲劳相关失效。相比之下，使用螺纹或其他保持组件302类型的实施方案将动力区段定子240的底部处的任何应力增加特征置于不经受弯曲应力的区域中。应了解，由于井孔中的旋转，弯曲应力往往是高度循环的，并且是用于井下钻井的泥浆马达136的主要失效起因之一。
图4a是根据一些实施方案的区段被切除来展现轴承组252的耦合的泥浆马达136的一部分的透视图。轴承组252包括基于pdc的径向轴承402(示出了壳体侧)、置底轴向轴承406、408和离底轴向轴承410、412。图4a进一步展示保持组件302和驱动轴250的放置，所述驱动轴250具有从轴承组252外侧延伸的钳夹区域258和工具接头260。
图4b是泥浆马达136的一部分的侧视图，其示出轴承组252安装、保持组件302以及具有钳夹区域258和工具接头260的驱动轴250。连接部262包括根据一些实施方案的具有锥形端的api钻柱旋转台肩式连接部。除了用于显示其安装的置底轴向轴承406、408和离底轴向轴承410、412的替代视图之外，图4b进一步示出上文参考图4a描述的径向轴承的轴侧404。
图5是根据一些实施方案的泥浆马达136的一部分的侧视图，其展示动力区段定子240，在所述动力区段定子240内容纳了本文先前参考图2b描述的转子组件254和驱动轴250的部分。顶部子组件502将动力区段定子240和转子组件254的内部工件耦合至钻柱108(图1)。钳夹区域258和工具接头260连接在动力区段定子240的外侧。
图6是示出用于组装泥浆马达136的一部分并操作泥浆马达136的方法600的实施方案的流程图。此处参考图1、图2b和图3-5所示的元件来描述示例方法600。示例方法600的一些操作可以全部或部分地通过泥浆马达136或系统100的任何部件(图5)来执行，但是实施方案并不限于此。
示例方法600开始于操作602：将转子组件254装载到动力区段定子240的内腔的第一端(例如，井下端256)中，以建造马达组件(例如，泥浆马达136的一部分)。如本文先前参考图2b所描述，转子组件254包括动力区段转子246；驱动系统248，所述驱动系统248可操作地耦合至动力区段转子246；以及轴承组252，使得转子组件254完全包封在动力区段定子240的内腔中。
示例方法600继续操作604：将马达组件耦合至钻柱108。
示例方法600继续操作606：将钻井流体引入到动力区段定子240的内腔的第二端中。
示例方法600继续操作608：以充足的压力迫使钻井流体通过介于动力区段定子240与动力区段转子246之间的空腔，以使动力区段转子246相对于动力区段定子240旋转，从而向耦合至驱动轴250的钻头118提供扭转力，所述驱动轴250耦合至驱动系统248。如本文先前参考图2b所描述，置底和离底负载可以通过保持组件302而带到动力区段定子240中。
如本文先前所述，筒式安装系统在与转子组件254部件的预组装和台架测试相关的组装中可以具有其他益处。例如，台架测试可以进行来测试推拉式轴承预负载，检查连接部转矩标记，测试组装的长度，并且确认转子组件254部件或其他部件的组装。
再次参考图1，系统100还可以包括表面系统138，所述表面系统138用于存储、处理和分析由井底组件110上的工具获得的测量结果或用于对泥浆马达136或钻头118提供控制。表面系统138可以设有用于各种类型的信号处理的电子设备，例如处理器，所述信号处理可以由井底组件110的任一个或多个部件来实施。可以在钻井操作期间(例如，在lwd操作期间，并通过延伸部分来随钻取样)收集和分析地层评估数据。表面系统138可以包括具有显示器142的工作站140。
任何以上部件，例如泥浆马达136等在本文中全部都可以被表征为“模块”。对泥浆马达136动力区段和钻头部件以及系统100的说明意在提供对各种实施方案的结构的一般理解，并且所述说明并不意在用作可能利用本文描述的结构的设备和系统的所有元件和特征的完整描述。应注意到，本文描述的方法不必以所描述的次序或以任何特定次序执行。此外，相对于本文指出的方法描述的各种活动可以迭代，串行或并行的方式执行。
总之，使用本文公开的设备、系统和方法可以使得能够触及泥浆马达的可维修部件，同时提高了壳体的耐疲劳性并且降低了泥浆马达和壳体的使用寿命内的成本。实施方案使得动力区段定子240能够延伸来达到消除弯曲负载非常高的位置处的螺纹连接的目的。用于泥浆马达功能的泥浆马达136的其他部分被装载到单个可用开口中，并且泥浆马达136的这些部分被保持在细长的动力区段定子240的底部中。这些优势可以显著提高运营/勘探公司所提供的服务的价值，与此同时控制时间相关成本。
用于实施动作、系统或装置的设备、方法、装置的另外的实例包括但不限于：
实例1是马达或其他设备，其包括动力区段定子，所述动力区段定子具有第一端、第二端和贯穿其中的内腔；以及转子组件，所述转子组件定位在内腔中，转子组件包括动力区段转子，所述动力区段转子具有转子叶片以与动力区段定子的一个或多个定子叶片配合；驱动系统，所述驱动系统可操作地耦合至动力区段转子；以及轴承组，其中动力区段转子定位在动力区段定子的内腔内的第一端处，并且其中动力区段转子、驱动系统和轴承组完全包封在动力区段定子的内腔中。
实例2可以包括或使用实例1的主题，或者可以任选地与之组合，以进一步包括保持组件，所述保持组件处于动力区段定子的第二端处，以将转子组件保持在内腔之内。
实例3可以包括或使用实例2的主题，或者可以任选地与之组合，其中保持组件包括螺纹衬套，所述螺纹衬套耦合在动力区段定子的第二端的外圆周周围。
实例4可以包括或使用实例2的主题，或者可以任选地与之组合，其中保持组件包括螺纹衬套，所述螺纹衬套耦合在动力区段定子的第二端的内圆周周围。
实例5可以包括或使用实例2的主题，或者可以任选地与之组合，其中保持组件包括压缩环，所述压缩环耦合在动力区段定子的第二端的外圆周周围。
实例6可以包括或使用实例2的主题，或者可以任选地与之组合，其中保持组件包括压缩环，所述压缩环沿周向耦合在动力区段定子的第二端的内径周围。
实例7可以包括或使用实例1-6中的任一个或多个，或者任选地与之组合，其中转子组件是在内腔之内抵靠与第二端隔开一定距离的台肩部分而装载。
实例8可以包括或使用实例1-7中的任一个或多个，或者任选地与之组合，并且所述实例还包括驱动轴，所述驱动轴在动力区段定子的第二端处耦合至驱动系统，并且其中驱动轴的第一部分封闭在动力区段定子内，而驱动轴的钳夹区域并不封闭在动力区段定子内。
实例9可以包括或使用实例1-8中的任一个或多个，或者任选地与之组合，其中转子组件作为筒状物安装在内腔内。
实例10可以包括或使用实例1-9中的任一个或多个，或者任选地与之组合，其还包括保护子组件。
实例11是系统，所述系统可以包括实例1-10中的任一个的部分，所述系统包括：钻柱；马达组件，所述马达组件通过旋转台肩式连接部而耦合至钻柱，马达组件包括动力区段定子，所述动力区段定子具有第一端、第二端和贯穿其中的内腔；以及转子组件，所述转子组件定位在内腔中并完全包封在其中，转子组件包括动力区段转子，所述动力区段转子具有转子叶片以与动力区段定子的一个或多个定子叶片配合；驱动系统，所述驱动系统可操作地耦合至动力区段转子；以及轴承组，其中动力区段转子定位在动力区段定子的内腔内的第一端处，并且其中动力区段转子、驱动系统和轴承组完全包封在动力区段定子的内腔中；以及钻头，所述钻头通过驱动轴而耦合至驱动系统。
实例12可以包括实例11的主题，其中马达组件还包括保持组件，所述保持组件处于动力区段定子的第二端处，以将转子组件保持在内腔之内。
实例13可以包括实例11-12中的任一个的主题，其中保持组件包括螺纹衬套，所述螺纹衬套耦合在动力区段定子的第二端的圆周周围。
实例14可以包括实例11-12中的任一个的主题，其中保持组件包括压缩环，所述压缩环耦合在动力区段定子的第二端的圆周周围。
实例15可以包括实例11-14中的任一个的主题，并且所述实例还包括表面系统，所述表面系统包括处理器以控制马达组件和钻头。
实例16是在钻井操作中操作马达的方法，所述方法包括，其中实例1-15中的任一个可以包括用于执行实例16的方法的装置，并且其中实例16的方法包括将转子组件装载到动力区段定子的内腔的第一端中，转子组件包括动力区段转子；驱动系统，所述驱动系统可操作地耦合至动力区段转子；以及轴承组，使得转子组件完全包封在动力区段定子的内腔中，以建造马达组件；将马达组件耦合至钻柱；将钻井流体引入到动力区段定子的内腔的第二端中；以及以充足的压力迫使钻井流体通过介于动力区段定子与动力区段转子之间的空腔，以使动力区段转子相对于动力区段定子旋转，从而向耦合至驱动轴的钻头提供扭转力，所述驱动轴耦合至驱动系统。
实例17包括实例16的主题，并且所述实例还包括在装载转子组件之后并在将马达组件耦合至钻柱之前，对马达组件进行台架测试。
实例18包括实例17的主题，其中台架测试包括对推挽式轴承预负载的测试。
实例19包括实例16-18中任一个的主题，其中转子组件还包括保持组件，所述保持组件处于动力区段定子的第二端处，以将转子组件保持在内腔之内，其中保持组件包括螺纹衬套，所述螺纹衬套耦合在动力区段定子的第二端的圆周周围，并且其中所述方法还包括通过螺纹衬套而将离底负载带到动力区段定子中。
实例20包括实例16-19中的任一个的主题，其中装载转子组件包括将转子组件作为筒状物安装在内腔内。
形成其一部分的附图通过举例而非限制的方式示出可以实践主题的特定实施方案。充分详细地描述了所示的实施方案以使得本领域技术人员能够实践本文公开的教义。可以利用和推导出其他实施方案，使得可以在不脱离本公开的范围的情况下进行结构和逻辑替换和改变。此具体实施方式因此不应视为具有限制性意义，并且各种实施方案的范围仅由随附权利要求，连同这类权利要求授权的等效形式的全部范围来限定。
本发明主题的这类实施方案在本文中可以单独地和/或共同地由术语“发明”表示，这仅仅是为了方便而不是意在自愿地将本申请的范围限制于任何单个发明或发明概念，如果实际上公开了超过一个发明或发明概念的话。因此，虽然本文已经示出和描述了特定实施方案，但是应了解，计划实现相同目的的任何布置都可以替代所示的特定实施方案。本公开意在覆盖对各种实施方案进行的所有的更改或改变。在审阅以上描述之后，以上实施方案的组合和本文未具体描述的其他实施方案对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
虽然本文已经示出和描述了特定实施方案，但是本领域普通技术人员将了解，计划实现相同目的的任何布置都可以替代所示的特定实施方案。各种实施方案使用本文描述的实施方案的变换或组合。应理解，以上描述意在是说明性的而不是限制性的，并且本文采用的措辞或术语是为了描述的目的。在研究以上描述之后，以上实施方案的组合和其他实施方案对于本领域普通技术人员而言将是显而易见的。
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