[发明专利]用于井下马达的传动轴组件

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于在具有交叉而不重合的旋转轴线的旋转轴之间传输转矩的万向接头。更具体地说，本发明涉及用于与在油气工业中、尤其是在需要跨过接头而传递大的转矩和轴向推力负荷的应用中使用来钻取井眼的井下马达相关的传动轴的万向接头。

背景技术

在向地下钻取井眼(或井孔)中，例如用于从地下构造得到烃或矿物，通常的实践是将钻头连接到端对端连接的钻管部分的组件(常称为“钻柱”)的下端，然后旋转钻柱，使得钻头向下前进到土壤以产生井眼。除了钻管部分以外，非水平钻井作业的钻柱通常结合有在管部分以下的称为重管或钻环的较重的管状构件，其在钻头之上靠近钻柱的端部设置以增加钻头上的竖直负荷并因而提高钻头的操作效率。通常结合到钻柱内的其他配件包括辅助维持钻取的井眼的期望方向的稳定器和确保钻取的井眼被维持在期望规格(即，直径)的钻孔器。在常规的竖直井眼钻井作业中，借助于与在井眼上方(或者在近海钻井作业中，在海底支撑的钻井平台或适当地改进的浮船上)装配在地面的钻机相关的“顶部驱动器”或“旋转工作台”来使钻柱和钻头旋转。

在钻井过程中，钻井流体(工业中也常称为“钻井泥浆”或简称为“泥浆”)在压力下被从地面向下泵送通过钻柱，从钻头出来进入井眼，随后通过钻柱和井孔之间的环形空间向上返回到地面。可以是水基或油基的钻井流体通常为粘性的以提高其将井眼钻屑带到地面的能力。钻井流体能执行各种其他的有价值的功能，包括提高钻头性能(例如，凭借在压力下通过钻头中的端口喷出流体，产生在钻头之前冲入地下构造并弱化地下构造的泥浆射流)、钻头冷却以及在井眼壁上形成保护性泥饼(以稳定并密封井眼壁)。

特别地，自从二十世纪八十年代中期以来，越来越普遍且期望的是在油气工业中钻取水平和其他非竖直的井眼(即“定向钻孔”)，以有利于比仅使用竖直井眼可能更有效地进入较大的地下烃承载构造区域以及从其进行生产。在定向钻井中，使用专门的钻柱部件和“底孔组件”来引起、监控并控制钻头路径中的偏离，以便产生期望的非竖直构造的井眼。

通常使用直接地在钻头上方结合到钻柱内的“井下马达”(可替代地称为“钻井马达”或“泥浆马达”)来执行定向钻井。典型的井下马达包括多个主部件，如下所示(按次序，从马达组件的顶部开始)：

顶部辅助头(sub)，其适合于方便连接到钻柱的下端(“辅助头”为油气工业中常用的一般术语，用于任何小的或次钻柱部件)；

动力部分；

传动轴，其被包围在传动轴外壳内，且传动轴的上端可操作地连接到动力部分的转子；以及

轴承组件(其包括心轴，心轴的上端联接到传动轴的下端，且心轴的下端适合于接纳钻头)。

在利用井下马达的钻井过程中，钻井流体在压力下循环通过钻柱并向上返回到地面，如在常规钻井方法中一样。但是，如下面将要更详细说明的，离开钻管下端的加压钻井流体被转向为通过井下马达的动力部分以产生动力来旋转钻头。

动力部分的主部件为设置在管状定子外壳内的细长且大体上为圆柱形的定子以及在定子内可旋转的细长转子构件。最常见类型的井下马达中的动力部分为“正位移”动力部分，其基本上类似于本领域所公知的螺杆(或“Moineau”)泵，但反向操作。转子包括形成有一个或多个螺旋形叶片或凸起的轴，该一个或多个螺旋形叶片或凸起围绕轴并沿轴的长度延伸。定子通常呈结合到定子外壳的圆柱形内壁的弹性体衬里的形式，且限定与转子叶片或凸起的构造互补的构造的螺旋形叶片，但是数量比转子叶片的数量多一个。转子的下端包括输出轴或连接到输出轴，而输出轴则连接到传动轴的上端。

在井下马达的操作过程中，高压钻井流体被强制通过动力部分，从而使转子在定子内旋转且在动力部分两端引起压降(即，钻井流体压力在动力部分的底部处较低)。因而输送到转子输出轴的动力与通过动力部分的流体的体积乘以动力部分两端的压降(即从流体入口到流体出口)的乘积成比例。所以，流体通过动力部分的流体循环的较高速率将导致转子在定子内的较高的旋转速度，且相应地较高的动力输出。

如前面提到的，动力部分转子的输出轴联接到传动轴的上端，用于传递旋转转矩以转动钻头。然而，正位移类型井下马达(或PD马达)的转子的运动实际上是偏心的或“进动的”，即，在运行中，转子的下端(即，输出端)围绕定子外壳的纵向重心轴旋转，使得转子的纵向轴线在偏心运动中围绕定子轴线以偏心运动旋转，从而限定圆锥形旋转表面。