具有單向旋轉(zhuǎn)離合器的鉆井電機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]一般而言，本申請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實施例中，尤其提供一種具有單向旋轉(zhuǎn)離合器的鉆井電機。
【背景技術(shù)】
[0002]渦輪鉆井電機響應(yīng)于鉆井流體流動通過電機而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。一般而言，當需要相對較高的轉(zhuǎn)速、相對較低的扭矩時，當鉆探復(fù)雜井眼軌道時，等等，使用渦輪鉆井電機。
[0003]不幸的是，如果由典型的渦輪鉆井電機旋轉(zhuǎn)的鉆頭被卡住，不能通過旋轉(zhuǎn)鉆井電機上方的一段鉆柱來使鉆頭旋轉(zhuǎn)。這會使卡住的鉆頭非常難于被釋放。
[0004]因此應(yīng)認識到，構(gòu)造和操作鉆井電機的領(lǐng)域一直存在改進的需求。這樣的改進可用于渦輪式鉆井電機之外的其它鉆井電機。
【附圖說明】
[0005]圖1是可體現(xiàn)本申請原理的油井系統(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)本申請的原理的一段渦輪鉆井電機的放大比例的代表性的局部剖視圖；
[0007]圖3是可用于鉆井電機的、且能體現(xiàn)本申請原理的單向旋轉(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是鉆井電機中的單向旋轉(zhuǎn)離合器的代表性的剖視圖。
【具體實施方式】
[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和方法僅是本申請的原理在實踐中的一種應(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的遠端。鉆頭16可通過使流體(比如鉆井流體，有時被稱為鉆井“泥漿”)流動通過連接在鉆柱12中的鉆井電機組件18而被旋轉(zhuǎn)。
[0012]鉆井電機組件18可包括鉆井電機20和軸承及密封裝置22。優(yōu)選地，鉆井電機20包括渦輪鉆井電機，但如有所需，可以使用其它類型的鉆井電機(例如正排量(positivedisplacement，容積式)電機、莫瓦諾(Moineau)式電機等)。
[0013]在該示例中，鉆井電機組件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通過旋轉(zhuǎn)組件18上方的鉆柱12(例如，通過使用轉(zhuǎn)盤、頂部驅(qū)動裝置、另一個鉆井電機，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]舉例來說，如果鉆頭被卡住而不能通過使流體流動通過鉆井電機20而被旋轉(zhuǎn)，那么通過旋轉(zhuǎn)組件18上方的鉆柱12來旋轉(zhuǎn)鉆頭16的能力是有用的。通過旋轉(zhuǎn)鉆柱12而旋轉(zhuǎn)鉆頭12可用于強行移開鉆頭16，從而使鉆井操作能夠繼續(xù)。
[0016]然而，本申請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之間沿一個旋轉(zhuǎn)方向的相對旋轉(zhuǎn)，但允許鉆頭與組件上方的鉆柱之間沿相反旋轉(zhuǎn)方向的相對旋轉(zhuǎn)。
[0017]現(xiàn)在再參照圖2，其中代表性地示出了鉆井電機20的動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20優(yōu)選地包括多個定子葉片26，定子葉片引導(dǎo)流體28以碰撞多個轉(zhuǎn)子葉片30。定子葉片26相對于外殼32固定，而轉(zhuǎn)子葉片30相對于內(nèi)軸34固定。
[0018]在正常操作中，流體28流過鉆井電機20，從而引起轉(zhuǎn)子葉片30和軸34相對于定子葉片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通過鉆井電機20的流動而旋轉(zhuǎn)。
[0019]應(yīng)注意到，圖2示出了渦輪式鉆井電機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，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可由多個相互連接的元件組成，等等。因此應(yīng)理解，本申請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20的任何特定細節(jié)。
[0020]現(xiàn)在再參照圖3，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包括多個樞轉(zhuǎn)支撐的卡爪36，這些卡爪與多個互補形狀的凹部38接合，以阻止殼體40與內(nèi)芯軸42之間的相對旋轉(zhuǎn)。
[0021]在該示例中，殼體40設(shè)置為三個節(jié)段40a、40b、40c，且相對于鉆井電機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相對于軸34固定。因此，殼體40與芯軸42之間的相對旋轉(zhuǎn)對應(yīng)于殼體32與鉆井電機20的軸34之間的相對旋轉(zhuǎn)。
[0022]應(yīng)認識到，如果芯軸42相對于殼體40順時針旋轉(zhuǎn)(從圖3的頂部觀察)，例如被鉆井電機20旋轉(zhuǎn)，則卡爪36會被樞轉(zhuǎn)而脫開與凹部38的接合，從而允許這樣的相對旋轉(zhuǎn)?？ㄗ?6圍繞設(shè)置在卡爪的相對側(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中形成的開口 46中。
[0023]如果殼體40相對于芯軸42順時針旋轉(zhuǎn)，例如，通過旋轉(zhuǎn)鉆井電機組件18上方的鉆柱12，則卡爪36會樞轉(zhuǎn)到與凹部38接合并阻止這樣的相對旋轉(zhuǎn)。因此，離合器24允許芯軸42和軸34相對于殼體32、40的順時針旋轉(zhuǎn)，但阻止芯軸和軸相對于殼體的逆時針旋轉(zhuǎn)。
[0024]現(xiàn)在再參照圖4，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于殼體40圍繞旋轉(zhuǎn)軸線48進行樞轉(zhuǎn)。
[0025]應(yīng)注意的是，殼體節(jié)段40c中的開口 46是長形的，使得當卡爪36阻止芯軸42相對于殼體40的逆時針旋轉(zhuǎn)時施加到卡爪36上的壓縮力50不會經(jīng)由樞轉(zhuǎn)銷44傳遞到殼體節(jié)段40c。殼體節(jié)段40b中的多個開口 46優(yōu)選按照這樣的方式成形。
[0026]因此，當在殼體40與芯軸42之間傳遞扭矩時(例如，當卡爪36與凹部38之間的接合阻止芯軸相對于殼體的逆時針旋轉(zhuǎn)、或阻止殼體相對于芯軸的順時針旋轉(zhuǎn)時)，不需要樞轉(zhuǎn)銷44對壓縮力50進行反作用。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的過早磨損并分散了跨過多個樞轉(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。當芯軸42相對于殼體40順時針旋轉(zhuǎn)時，這樣“被困的”流體在卡爪36與凹部38的底部之間被越來越多地擠壓，從而在卡爪與凹部38之間產(chǎn)生液動壓力。當軸34與芯軸42以相對較高的速度被鉆井電機20旋轉(zhuǎn)時，這樣的液動壓力減小卡爪36與凹部38之間的接觸壓力。
[0029]相似地，當芯軸相對于殼體40順時針旋轉(zhuǎn)時，卡爪36與芯軸42的外徑之間產(chǎn)生液動壓力。當軸34與芯軸以相對較高的速度被鉆井電機20旋轉(zhuǎn)時，該液動壓力減小卡爪36與芯軸42之間的接觸壓力。
[0030]現(xiàn)在再參照圖5，其中代表性地示出了鉆井電機組件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處理以經(jīng)受反復(fù)摩擦、沖擊等。舉例來說，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)。當接合面52、54接合時(例如，當離合器24阻止軸34和芯軸42相對于殼體32、40的逆時針旋轉(zhuǎn)時)，這樣的傾斜角A會阻止卡爪36與凹部38脫開，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(例如，為了釋放卡住的鉆頭16) ο
[0033]現(xiàn)在可以充分理解，以上公開為用于鉆井的鉆井電機的構(gòu)造和操作的現(xiàn)有技術(shù)提供了顯著進步。在上述示例中，單向旋轉(zhuǎn)離合器24使鉆井電機20能夠用于旋轉(zhuǎn)鉆頭，還使鉆井電機組件18上方的鉆柱12能夠被旋轉(zhuǎn)，以旋轉(zhuǎn)鉆頭16。
[0034]以上公開為現(xiàn)有技術(shù)提供了一種鉆井電機組件。在一個示例中，鉆井電機組件18可包括殼體32、軸34、以及與至少一個凹部38選擇性地接合的至少一個卡爪36。卡爪36具有旋轉(zhuǎn)軸線48和大體平坦的接合面52，當殼體32與軸34之間的相對旋轉(zhuǎn)被阻止時，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之間沿一個方向的相對旋轉(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可被容納在槽式開口 46中，從而當殼體32與軸34之間的相對旋轉(zhuǎn)被阻止時，樞轉(zhuǎn)銷44不會在殼體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]當殼體32與軸34之間的相對旋轉(zhuǎn)被允許時，卡爪36可旋轉(zhuǎn)而脫開與凹部38的接合。
[0039]當殼體32與軸34之間的相對旋轉(zhuǎn)被允許時，液動壓力可減小卡