具有单向旋转离合器的钻井电机的制作方法
【技术领域】
[0001]一般而言，本申请涉及一种与钻探地下井相关而利用的设备和执行的操作，且在下文描述的一个实施例中，尤其提供一种具有单向旋转离合器的钻井电机。
【背景技术】
[0002]涡轮钻井电机响应于钻井流体流动通过电机而产生旋转运动。一般而言，当需要相对较高的转速、相对较低的扭矩时，当钻探复杂井眼轨道时，等等，使用涡轮钻井电机。
[0003]不幸的是，如果由典型的涡轮钻井电机旋转的钻头被卡住，不能通过旋转钻井电机上方的一段钻柱来使钻头旋转。这会使卡住的钻头非常难于被释放。
[0004]因此应认识到，构造和操作钻井电机的领域一直存在改进的需求。这样的改进可用于涡轮式钻井电机之外的其它钻井电机。
【附图说明】
[0005]图1是可体现本申请原理的油井系统和相关方法的代表性的局部剖视图；
[0006]图2是可以体现本申请的原理的一段涡轮钻井电机的放大比例的代表性的局部剖视图；
[0007]图3是可用于钻井电机的、且能体现本申请原理的单向旋转离合器的另一幅放大比例的代表性的立体分解图；
[0008]图4是一段单向旋转离合器的又一幅放大比例的代表性的剖视图；
[0009]图5是钻井电机中的单向旋转离合器的代表性的剖视图。
【具体实施方式】
[0010]图1中代表性地示出了用于地下井的、可以体现本申请的原理的系统10以及相关钻井方法。然而应明确理解的是，系统10和方法仅是本申请的原理在实践中的一种应用的示例，且其它各种各样的示例是可行的。因此，本申请的范围完全不局限于本文描述的和/或附图中描绘的系统10和方法的细节。
[0011]在图1的示例中，钻柱12用于钻出井眼14。为此目的，钻头16连接在钻柱12的远端。钻头16可通过使流体(比如钻井流体，有时被称为钻井“泥浆”)流动通过连接在钻柱12中的钻井电机组件18而被旋转。
[0012]钻井电机组件18可包括钻井电机20和轴承及密封装置22。优选地，钻井电机20包括涡轮钻井电机，但如有所需，可以使用其它类型的钻井电机(例如正排量(positivedisplacement，容积式)电机、莫瓦诺(Moineau)式电机等)。
[0013]在该示例中，钻井电机组件18还包括单向旋转离合器24，单向旋转离合器使钻头16通过旋转组件18上方的钻柱12(例如，通过使用转盘、顶部驱动装置、另一个钻井电机，等)而被旋转。虽然离合器24在图1被描绘为位于轴承/密封装置22与钻头16之间，在其它示例中，离合器可为轴承/密封装置的一部分、钻井电机20的一部分、或设置在其它位置。
[0014]钻柱12中也可包含其它部件，比如转向工具62。在那样的情况下，单向旋转离合器24可为转向工具62的一部分。本申请的范围并不局限于组件18或钻柱12的部件的任何特定组合、布置或构造。
[0015]举例来说，如果钻头被卡住而不能通过使流体流动通过钻井电机20而被旋转，那么通过旋转组件18上方的钻柱12来旋转钻头16的能力是有用的。通过旋转钻柱12而旋转钻头12可用于强行移开钻头16，从而使钻井操作能够继续。
[0016]然而，本申请的范围并不局限于组件18中的单向离合器24的任何特定用途。单向离合器24可按照各种不同方式使用以阻止钻头16与组件18上方的钻柱12之间沿一个旋转方向的相对旋转，但允许钻头与组件上方的钻柱之间沿相反旋转方向的相对旋转。
[0017]现在再参照图2，其中代表性地示出了钻井电机20的动力段的放大比例的局部剖视图。在该视图中，可以更清楚地看出钻井电机20优选地包括多个定子叶片26，定子叶片引导流体28以碰撞多个转子叶片30。定子叶片26相对于外壳32固定，而转子叶片30相对于内轴34固定。
[0018]在正常操作中，流体28流过钻井电机20，从而引起转子叶片30和轴34相对于定子叶片26和外壳体32旋转。轴34连接到钻头16，使得钻头响应于流体28通过钻井电机20的流动而旋转。
[0019]应注意到，图2示出了涡轮式钻井电机20，且描绘了两套定子叶片26和转子叶片30，用于使轴34相对于壳体32旋转。然而在其它示例中，可使用其它类型的钻井电机，可使用任何数量的定子叶片26和转子叶片30，壳体32和轴34可由多个相互连接的元件组成，等等。因此应理解，本申请的范围完全不局限于附图中描绘的或本文描述的钻井电机20的任何特定细节。
[0020]现在再参照图3，其中代表性地示出了单向旋转离合器24的另一放大比例的分解视图。在该视图中，可以看出离合器24包括多个枢转支撑的卡爪36，这些卡爪与多个互补形状的凹部38接合，以阻止壳体40与内芯轴42之间的相对旋转。
[0021]在该示例中，壳体40设置为三个节段40a、40b、40c，且相对于钻井电机20的壳体32固定。在其它示例中，壳体32、40可为同一壳体，或仅是同一壳体组件的不同节段。芯轴42相对于轴34固定。因此，壳体40与芯轴42之间的相对旋转对应于壳体32与钻井电机20的轴34之间的相对旋转。
[0022]应认识到，如果芯轴42相对于壳体40顺时针旋转(从图3的顶部观察)，例如被钻井电机20旋转，则卡爪36会被枢转而脱开与凹部38的接合，从而允许这样的相对旋转。卡爪36围绕设置在卡爪的相对侧的枢转销44枢转。枢转销44被容纳在壳体节段40b、40c中形成的开口 46中。
[0023]如果壳体40相对于芯轴42顺时针旋转，例如，通过旋转钻井电机组件18上方的钻柱12，则卡爪36会枢转到与凹部38接合并阻止这样的相对旋转。因此，离合器24允许芯轴42和轴34相对于壳体32、40的顺时针旋转，但阻止芯轴和轴相对于壳体的逆时针旋转。
[0024]现在再参照图4，其中以放大比例代表性地示出了离合器24的一部分。该视图从卡爪36的一端展示卡爪如何相对于壳体40围绕旋转轴线48进行枢转。
[0025]应注意的是，壳体节段40c中的开口 46是长形的，使得当卡爪36阻止芯轴42相对于壳体40的逆时针旋转时施加到卡爪36上的压缩力50不会经由枢转销44传递到壳体节段40c。壳体节段40b中的多个开口 46优选按照这样的方式成形。
[0026]因此，当在壳体40与芯轴42之间传递扭矩时(例如，当卡爪36与凹部38之间的接合阻止芯轴相对于壳体的逆时针旋转、或阻止壳体相对于芯轴的顺时针旋转时)，不需要枢转销44对压缩力50进行反作用。替代地，压缩力50在壳体节段40a与卡爪36接触处受到壳体节段40a的反作用。这样阻止了枢转销44的过早磨损并分散了跨过多个枢转销之间的卡爪36的本体的力。
[0027]还应注意的是，卡爪36上的大体平坦的接合面52与芯轴42上的另一大体平坦的接合面54接合。平坦接合面52、54之间的该接合的作用是分散由跨过这些平坦面的接合引起的接触压力，从而减少接触压力。
[0028]而且，卡爪36与凹部38的底部之间形成楔形空间56以“困住”卡爪与凹部之间的流体。当芯轴42相对于壳体40顺时针旋转时，这样“被困的”流体在卡爪36与凹部38的底部之间被越来越多地挤压，从而在卡爪与凹部38之间产生液动压力。当轴34与芯轴42以相对较高的速度被钻井电机20旋转时，这样的液动压力减小卡爪36与凹部38之间的接触压力。
[0029]相似地，当芯轴相对于壳体40顺时针旋转时，卡爪36与芯轴42的外径之间产生液动压力。当轴34与芯轴以相对较高的速度被钻井电机20旋转时，该液动压力减小卡爪36与芯轴42之间的接触压力。
[0030]现在再参照图5，其中代表性地示出了钻井电机组件18中的单向旋转离合器24的剖视图。在该视图中，可清楚地看出卡爪36被偏压装置58(例如盘簧、片簧、弹性体、压缩流体等)偏压至与凹部38接合的方式。
[0031]偏压力经由“按钮”60从偏压装置58传递到卡爪36。优选地，按钮60、壳体节段40a、枢转销44、壳体节段40b、40c、凹部38等上的配合表面被适当处理以经受反复摩擦、冲击等。举例来说，配合表面可被硬化至400布氏硬度或更高，可由碳化钨或其它高硬度材料形成、可被涂覆(例如使用化学气相沉积等)、或以其它方式处理以为较高速的摩擦和/或冲击做准备。
[0032]应注意到，接合面52、54与从旋转轴线48沿卡爪36延伸的半径r之间的角度A大于九十度(图4中也有描绘)。当接合面52、54接合时(例如，当离合器24阻止轴34和芯轴42相对于壳体32、40的逆时针旋转时)，这样的倾斜角A会阻止卡爪36与凹部38脱开，特别是在较大的扭矩从壳体32、40经由芯轴42传递到轴34时(例如，为了释放卡住的钻头16) ο
[0033]现在可以充分理解，以上公开为用于钻井的钻井电机的构造和操作的现有技术提供了显著进步。在上述示例中，单向旋转离合器24使钻井电机20能够用于旋转钻头，还使钻井电机组件18上方的钻柱12能够被旋转，以旋转钻头16。
[0034]以上公开为现有技术提供了一种钻井电机组件。在一个示例中，钻井电机组件18可包括壳体32、轴34、以及与至少一个凹部38选择性地接合的至少一个卡爪36。卡爪36具有旋转轴线48和大体平坦的接合面52，当壳体32与轴34之间的相对旋转被阻止时，接合面52与凹部38的大体平坦接合面54接合。相接合的卡爪接合面52与凹部接合面54相对于从旋转轴线48延伸到相接合的卡爪接合面52和凹部接合面54的半径r倾斜。
[0035]在上述的一些示例中，壳体32与轴34之间沿一个方向的相对旋转被允许，但由于接合的卡爪接合面52与凹部接合面54，壳体32与轴34之间沿相反方向的相对旋转被阻止。
[0036]卡爪36可围绕枢转销44旋转。枢转销44可被容纳在槽式开口 46中，从而当壳体32与轴34之间的相对旋转被阻止时，枢转销44不会在壳体32与轴34之间传递扭矩。压缩力50可经由卡爪36在壳体32与轴34之间传递，而不会使压缩力50受到枢转销44的反作用。
[0037]在一些示例中，卡爪36与壳体32 —起旋转，而凹部38与轴34 —起旋转。
[0038]当壳体32与轴34之间的相对旋转被允许时，卡爪36可旋转而脱开与凹部38的接合。
[0039]当壳体32与轴34之间的相对旋转被允许时，液动压力可减小卡