用于钻井马达的CV接头和方法与流程

发明背景

在钻取油气井时，井下钻井马达(downholedrillingmotor)可以连接到钻柱(drillstring)，以旋转和转向钻头。传统的钻井马达通常包括动力组件、传动组件和轴承组件。旋转由动力组件提供，该动力组件可以是由钻井流体(泥浆)的循环驱动的正排量马达。传动组件将转矩和速度从动力组件传递到布置在钻井马达下端处的钻头。轴承组件在钻井期间承受施加在钻柱上的轴向和径向载荷。

例如，图1a和1b所示的传统钻井马达2包括动力组件4、传动组件6和轴承组件8。动力组件4可以包括定子壳体10、固定在定子壳体10内的定子12和在定子12内可旋转的转子14。定子12可以具有螺旋状轮廓的内表面。转子14可以具有螺旋状轮廓的外表面。它们一起界定具有螺旋状渐进腔(progressivecavity)的正排量流体马达。轴承组件8可以包括轴承壳体16和固定在轴承壳体16内的可旋转的驱动轴18。传动组件6可以包括传动壳体20和用于将转子14连接到驱动轴18的传动轴组件22。

钻井流体或泥浆通过钻柱或钻杆(drillpipe)从井表面被泵送到钻井马达2。钻井流体或泥浆流过形成在转子14和定子12之间的腔，流过围绕传动轴组件22的传动壳体20，流入设置在驱动轴18上或传动轴组件22的一部分上的入口端口，流过驱动轴18，并通过出口端口流出，以从井眼冲走钻屑并冷却钻头。钻井流体驱动转子14在定子12内旋转，其中转子14围绕定子12的内表面转动。传动轴组件22将转子14的旋转运动传递到驱动轴18。驱动轴18在轴承壳体16内同心地旋转，以驱动钻头。

传动轴组件22可以由等速接头(constant-velocityjoint，“cv接头”)形成。cv接头可以包括联接到转子14的转子适配器24、联接到驱动轴18的驱动轴适配器26以及将转子适配器24连接到驱动轴适配器26的中心轴28。cv接头还可以包括在中心轴28的上端和下端处的推力构件30和剪力构件32。剪力构件32可以接触中心轴28的外表面以及转子适配器24的内表面和驱动轴适配器26。通过持续接触，剪力构件32引起转子适配器24的内表面和驱动轴适配器26上的磨损，这可导致转子适配器24和驱动轴适配器26发生故障。

附图的简要描述

图1a和1b是现有技术的包括cv接头的钻井马达的相继的横截面图。

图2是本文公开的用于井下钻井马达的cv接头的横截面图。

图3是示出cv接头内的第一插入件的局部横截面图。

图4是插入件的透视图。

图5是插入件的另一透视图。

图6是插入件的端视图。

图7是示出cv接头内的第二插入件的局部横截面图。

图8是井眼内的钻井马达的示意图。

优选实施方案的详细描述

图2和图3示出了用于钻井马达的cv接头40。cv接头40可以包括中心轴42，所述中心轴42包括顶部轴区段44和底部轴区段46。cv接头40还可以包括转子适配器48和容纳在转子适配器48的腔52内的第一插入件50。顶部轴区段44可以至少部分地容纳在第一插入件50的腔54内。

顶部推力构件56可以被布置在顶部轴区段44的中心腔58内。顶部推力构件56可以由球形部件形成。替代地，顶部推力构件56可以与顶部轴区段44的中心腔58一体地形成。顶部推力销60可以部分地布置在中心腔58内。顶部推力销60还可以接合顶部推力构件56和第一插入件50。例如，顶部推力销60可以部分地布置在第一插入件50的中心凹部62内。顶部推力销60可以将布置在上方的转子的轴向载荷从第一插入件50传送到中心轴42。顶部推力销60还可以在中心轴42和第一插入件50之间提供适当的竖直间隔。

一系列顶部剪力构件64可以部分地布置在位于顶部轴区段44的外表面上的一系列凹窝66内并与凹窝66接触。顶部剪力构件64还可以部分地布置在位于第一插入件50的腔54的表面上的一系列凹部68内并与凹部68接触。顶部剪力构件64可以通过与中心轴42的凹窝66和第一插入件50的凹部68接触，将转矩和速度从第一插入件50传递到中心轴42。顶部剪力构件64可以由球形部件、圆柱形部件、凸桶形部件或任何其它含有圆弧的部件形成。

图4-6示出了具有凹部68、中心凹部62和中心孔70的第一插入件50。第一插入件50还可以包括外部型面(outerprofile)72。如图所示，外部型面72可以形成在第一插入件50的直径减小的区段上。在其他实施方案中，外部型面72可以形成在第一插入件50的直径较大的区段的外表面上。外部型面72可以接合转子适配器48的腔52的内部型面74(在图3中示出)。通过外部型面72和内部型面74的接合，cv接头40可以将转矩和速度从转子适配器48传递到第一插入件50。内部型面74可以具有与外部型面72的形状互补的形状。例如，外部型面72可以是第一插入件50上的六角形突出部(如图所示)，并且内部型面74可以是转子适配器48的腔52内的六角形凹部。替代地，外部型面72和内部型面74可以由花键或平坦部件形成。外部型面72和内部型面74可以由能够协作以将转矩和速度从转子适配器48传递到第一插入件50的任何形状形成。

现在参考图2和图7，cv接头40还可以包括驱动轴适配器80和容纳在驱动轴适配器80的腔84内的第二插入件82。底部轴区段46可以至少部分地被容纳在第二插入件82的腔86内。在一个实施方案中，驱动轴适配器80可以与转子适配器48相同。底部推力构件88可以布置在底部轴区段46的中心腔90内。底部推力构件88可以由球形部件形成。替代地，底部推力构件88可以与底部轴区段46的中心腔90一体地形成。底部推力销92可以部分地布置在中心腔90内，使得底部推力销92接合底部推力构件88。底部推力销92还可以接合第二插入件82。例如，底部推力销92可以部分地布置在第二插入件82的中心凹部94内。底部推力销92可以将布置在上方的转子的轴向载荷从中心轴42传送到第二插入件82。底部推力销92还可以在中心轴42和第二插入件82之间提供适当的竖直间隔。

一系列底部剪力构件96可以部分地布置在位于底部轴区段46的外表面上的一系列凹窝98内并与凹窝98接触。底部剪力构件96还可以部分地布置在位于第二插入件82的腔86的表面上的一系列凹部100内并与凹部100接触。

第二插入件82可以与图4-6所示的第一插入件50相同。具体地，第二插入件82可以包括中心孔102和外部型面104。第二插入件82的外部型面104可以位于第二插入件82的直径减小的区段上或者位于第二插入件82的直径较大的区段的外表面上。外部型面104可以接合驱动轴适配器80的腔84的内部型面106。通过外部型面104和内部型面106的接合，cv接头40可以将转矩和速度从第二插入件82传递到驱动轴适配器80。内部型面106可以具有与外部型面104的形状互补的形状。例如，外部型面104可以是第二插入件82上的六角形突出部，并且内部型面106可以是驱动轴适配器80的腔84内的六角形凹部。替代地，外部型面104和内部型面106可以由花键或平坦部件形成。外部型面104和内部型面106可以由能够协作以将转矩和速度从第二插入件82传递到驱动轴适配器80的任何形状形成。

在替代实施方案中，插入件50和82以及适配器48和80可以不包括协作的内部型面和外部型面。在此实施方案中，插入件50和82可以分别被销接或栓接到适配器48和80，以便在插入件50和82与适配器48和80之间传递转矩和速度。

cv接头40还可以包括用于将顶部轴区段44保持在第一插入件50和转子适配器48内的部件和用于将底部轴区段46保持在第二插入件50和驱动轴适配器80内的部件。例如，图1示出了在顶部轴区段44和底部轴区段46附近围绕中心轴42布置的管套110、鞘构件112和螺母114。每个管套110可以在一端处接合中心轴42的肩部116并且在另一端处接合鞘构件112。鞘构件112可以分别接合轴区段44和46以及插入件50和82。螺母114可以螺纹地接合适配器48和80，同时保持管套110和鞘构件112。以这种方式，cv接头40可以保持转子适配器48与中心轴42之间的连接以及中心轴42和驱动轴适配器80之间的连接。

第一插入件50和第二插入件82可以由与转子适配器48和驱动轴适配器80相同的材料形成。替代地，插入件50和82可以由与适配器48和80不同的材料形成。插入件50和82可以由硬度值比适配器48和80的材料的硬度值大的材料形成。例如，插入件50和82的材料的硬度值可以是500hbn或更大的布氏硬度。在任一实施方案中，如果插入件50和82由于凹部68和100上的磨损而发生故障，则可以更换插入件50和82而不更换适配器48和80。

第一插入件50和第二插入件82可以由耐磨损材料形成，以延长插入件50和82的寿命。例如，插入件50和82可以由陶瓷材料、碳化钨、碳化铬、碳化钛或工具钢形成。在一个实施方案中，插入件50和82的一部分由耐磨材料形成，从而使得凹部68和100的内表面由耐磨材料形成。替代地，插入件50和82可以包括耐磨损表面，该耐磨损表面可以通过表面处理或通过用耐磨损材料(例如上面列出的材料)涂覆插入件50和82来施加。

虽然传统cv接头的适配器，诸如图1a和图1b所示的转子适配器24和驱动轴适配器26，包括用于剪力构件的凹部，但由于这些材料的脆性，传统的适配器不能由类似的耐磨材料形成。具体地，适配器需要螺纹以便连接到转子和钻井马达的驱动轴，但耐磨材料可能会在螺纹形成期间断裂。

凹部68和100相对于传统cv接头中的凹部具有增大的强度和减少的磨损。因此，cv接头40可以具有比传统cv接头更长的寿命。cv接头还可以传递比传统cv接头更大的转矩和速度。

图8是井眼124内的从钻柱122悬挂的钻井马达120的示意图。钻井马达120可以包括动力组件126、包括cv接头40的传动组件128以及轴承组件130。钻头132可以附接到钻井马达120的下端。钻井泥浆可以从井表面134通过钻柱122泵送到钻井马达120。钻井泥浆可以使动力组件126内的转子旋转。cv接头40可以将转矩和速度从转子传递到钻头132附接到的驱动轴。具体地，转子可以使转子适配器48旋转。转矩和速度可以通过转子适配器48的内部型面74和第一插入件50的外部型面72的接合而从转子适配器48转移到第一插入件50。转矩和速度可以通过顶部剪力构件64与第一插入件50上的凹部68的接合以及与顶部轴区段44的外表面上的凹窝66的接合而从第一插入件50转移到中心轴42。转矩和速度可以通过底部剪力构件96与第二插入件82上的凹部100的接合以及与底部轴区段46的外表面上的凹窝98的接合而从中心轴42转移到第二插入件82。转矩和速度可以通过第二插入件82的外部型面104与驱动轴适配器80的内部型面106的接合而从第二插入件82转移到驱动轴适配器80。驱动轴适配器80于是可以旋转驱动轴，这又可以旋转钻头132。

虽然已经描述了优选实施方案，但是应当理解的是，这些实施方案仅仅是说明性的，并且本发明的范围将仅由所附的权利要求界定，当所附权利要求具有各种等价方案时，根据对本发明的查看，本领域技术人员可以自然地想到许多变化和修改。