井下滚轴叶轮马达和滚轴叶轮泵 本发明涉及一种进行垂直、定向和水平钻探和钻井清理/修复用的液压或气压驱动的滚轴叶轮马达，涉及一种驱动井下旋转泵的滚轴叶轮开采马达，还涉及一种适用于从地下储层中泵送油和/或水、或从地面水库向上泵送水的滚轴叶轮泵。
为驱动钻头，已知采用井下滚轴叶轮马达。这些马达由钻探泥浆加以驱动，泥浆被向下泵送通过钻柱以润滑和冷却钻头，并将钻屑通过钻柱与井眼壁之间的环形空间带回至地面。
在WO93/08374中描述了具有内、外壳体和在内壳体中具有入口/出口的滚轴叶轮马达。在WO94/16198中描述了具有组合式内、外壳体和在转子中具有入口、以及在壳体中具有出口的滚轴叶轮马达。
在上述马达中，滚轴在突出位置位于转子的凹入部分中，并被位于转子与(内)壳体之间的腔中、从入口向出口的钻探泥浆按顺时针方向加以推动。没有受到钻探泥浆向着出口推动的滚轴不受泥浆的压力作用，因为这时它们已被沿着(内)壳体内壁表面纵向伸展的翼形偏转凸轮压入缩回位置。
已知的具有组合式地内外壳体的滚轴叶轮马达与既具有内壳体又具有外壳体的滚轴叶轮马达相比，其优点是其结构较为简单，且马达每单位长度上的扭矩较大。
而已知的具有组合式内外壳体的滚轴叶轮马达的缺点则是，跨越马达的压降必须等于跨越钻头的压降，因为这些压降是平行的。此外，通过钻头的钻探泥浆的流量下降。
本发明提出了能克服这一缺点的滚轴叶轮马达的各种实施例。为此目的，本发明提出的滚轴叶轮马达具有权利要求1所述的特征。此外，本发明提出了一种可用作开采马达以驱动井下旋转泵的特殊的滚轴叶轮马达和一种可用作具有外套筒的钻探马达的特殊的滚轴叶轮马达。
这些滚轴叶轮马达和泵的优选实施例在与此相关的从属权利要求中进行了说明。最后，本发明还提出了应用这种泵的方法和系统。
本发明将参照附图在下文加以更为详尽的说明，其中：
图1是本发明提出的具有组合式内/外壳体的滚轴叶轮马达的自上的横向截面图；
图2是图1中马达的示意性纵向侧视图；
图3和图4是图1中滚轴叶轮马达另一些实施例的自上的横向截面图；
图5是图1中滚轴叶轮马达的局部自上的横向截面图，它表示两种特殊的结构；
图6是用作具有外套筒的钻探马达的滚轴叶轮马达的自上的横向截面图；
图7是图6中马达的示意性纵向侧视图；
图8、9、10和11是本发明提出的滚轴叶轮泵的自上的横向截面图；
图12和图14是本发明提出的滚轴叶轮马达和滚轴叶轮泵的局部自上的横向截面图，它们展示特殊的实施例；
图13是本发明提出的滚轴叶轮马达的自上的横向截面图，它展示旋转过程期间发生的水力学现象。
在本发明提出的具有组合式内、外壳体的滚轴叶轮马达中，跨越马达和钻头的平行压降的缺点被消除，其方法是如图1和2所示地使入口和出口位于壳体的上、下轴承部分中，以替代使入口和出口位于转子和壳体中。在这些图中，滚轴叶轮马达包括一个管状壳体1和一个转子2，转子2在位于所述壳体1两端的轴承部分3和4中转动。壳体1在其上端与不转动的钻柱相连。壳体1还设置有两个径向向内突出的壁装置，它们形如纵向伸展的翼形偏转凸轮5，这两个翼形偏转凸轮5与所述壳体1构成滚轴叶轮马达的定子。翼形偏转凸轮5共同占据约壳体1的一半周边，并具有一个上升部分和一个下降部分，上升部分从壳体1伸向翼形偏转凸轮5的同心部分，上升部分伸展方向正相反。转子2在其下端与钻头相连。转子2在其周边设置有三对径向相对、在周边间隔开的缝槽，其形状为圆底的凹入部分6，在其中设置有细长的、沿纵向伸展的翼，它们的形状如圆柱形滚轴7。滚轴7可在一个缩回位置与一个径向突出位置之间移动，在缩回位置时，滚轴7完全或大部分包含在凹入部分6中，而在突出位置时，它们部分地从转子2的外表面2a伸出。每一滚轴最好由金属、可弹性变形的耐酸和耐热的塑性材料构成，或由具有所述塑料材料壳的金属芯构成。限定在转子2和壳体1之间的大致为环形的空间被两个翼形偏转凸轮5分割成腔8a、b。所述腔8a、b与壳体1的下轴承部分3中的出口9相连，以便钻探泥浆由此通过通向钻头，所述出口9设置在翼形偏转凸轮5的上升部分上或在其附近。壳体1的上轴承部分4设置有入口10，以便钻探泥浆从上方的钻杆由此通过而至每一腔8a、b，所述入口10设置在翼形偏转凸轮5的下降部分上或在其附近。
由于通过入口10进入腔8a、b的钻探泥浆的压力高于通过出口9离开腔8a、b的钻探泥浆的压力，位于腔8a、b中的滚轴7被向外抽吸，并压靠转子2中凹入部分6的下游侧6b与壳体1之间的空间，从而将腔8a、b分隔成高压部分8a和低压部分8b。这样，滚轴71的上游侧7a就暴露在通过入口10进入的高压钻探泥浆中，从而在转子2上施加顺时针转动力矩。其余两对滚轴则被翼形偏转凸轮5向下压入它们在转子2的凹入部分6中的缩回位置。当转子2在作用于首次提及的腔部分8a中的滚轴71上的泥浆压力的影响下按顺时针方向转过约30度时，缩回的滚轴72将离开翼形偏转凸轮5，弹性地回复至它们的突出位置，使它们的上游侧7a暴露在通过上轴承部分4中的入口10进入的钻探泥浆的压力中，从而确保作用在转子2上的连续的驱动和转动力，且转矩基本正比上游腔部分8a与下游腔部分8b之间的钻探泥浆中的压差。腔部分8b中的钻探泥浆在滚轴71的前部下游侧7b与相应的相对翼形偏转凸轮5之间受到挤压，通过下轴承部分3中的出口9排出，返回到转子2中的中心导管13中，并与通过此中心导管13直接流至钻头的另一部分钻探泥浆混合。当然，最好在实际中滚轴7趋于在转子2转动时滚动，从而绕过夹杂在滚轴7与壳体1或翼形偏转凸轮5之间的任何颗粒状物体，而不会对其造成损伤。转子2中的中心导管13可设置有一个调节器，用以调节通过马达的腔8a、b和通过转子2的中心导管13流向钻头的钻探泥浆的相对量。
在图3所示的实施例中，出口9已被壳体1和翼形偏转凸轮5的上升部分中的出口11所替代，所述出口11将腔部分8b与壳体1外侧的环形空间12相连通。
在图4所示的实施例中，入口10被转子2中的入口14所替代，所述入口14将转子2中的中心导管13与凹入部分6的底部相连通。
在上述所有马达中，翼形偏转凸轮5的数目可大于2，并沿着壳体1的内侧壁表面等距离间隔开，而带有滚轴7的转子2中的凹入部分6的数目可小于或大于6。但是，滚轴7的数目最好至少比翼形偏转凸轮5的数目大一个，但最好小于其两倍。翼形偏转凸轮5的上升和下降部分的角最好是成圆形，并且它们的坡度应尽可能的平缓，以使滚轴7在它们的缩回与突出位置及与之相反之间能平稳运动。这些坡度的平缓性受限于以下要求，即必须避免既在腔8a、b中又在翼形偏转凸轮5的同心部分与转子2之间区域中钻探泥浆在入口与出口之间的流动短路。因此，壳体1的内壁区段和翼形偏转凸轮5的同心区段都应具有一定的最小宽度。
当滚轴7在它们的突出位置上在壳体1的内壁表面上移动时，滚轴7被压向所述内壁表面与转子2的外表面2a之间的空间。为避免滚轴7挤压在壳体1的所述内壁表面与转子2中凹入部分6的下游前侧6b之间，最好将这些下游侧6b成形成，使滚轴7在转子2的外表面2a外与下游侧6b接触。类似地，为避免滚轴7挤压在翼形偏转凸轮5的上升部分与转子2中的凹入部分6的上游尾侧6a之间，最好将所述上游尾侧6a成形成，使在所述上升部分上的滚轴7在转子2的外表面2a处接触所述上游侧6a。这两种结构均示于图5中。此外，滚轴7的直径应大于壳体1的内表面与转子2的外表面之间距离的两倍。
在图6和图7所示的实施例中，出口11位于壳体1和翼形偏转凸轮5的上升部分中。这些出口11将腔部分8b与壳体1和安装至所述壳体1上的外套筒15之间的环形空间相连通。钻探泥浆通过此环形空间经过入口16回至壳体1内侧的空间，接着，通过转子2中的中心导管13流至钻头。
应认识到的是，只有钻头所需的钻探泥浆量大于驱动马达所需的钻探泥浆量时，转子2中的连续中心导管13对钻探马达来说才是需要的。如果不是这种情况，则中心导管13可取消或在马达中间向下的某一位置上将其堵塞住。
应认识到的是，该马达不仅可用于钻探或取岩芯的目的，还可用于修理和清理井眼。这样，工作流体不必仅仅是钻探泥浆，还可包括诸如油或水的其它液体、气体/液体混合物、或诸如空气的气体。
上述用于钻探目的的滚轴叶轮马达也可用作开采马达，用于驱动一个旋转泵，以便将流体从地下储层开采至地表面。这样，开采马达的壳体1在其上游侧安装至一个动力流体供应管上，该供应管与地表面相连。在其下侧，壳体1和转子2则安装至一个旋转泵的壳体和转子上。动力流体和来自地下储层的被开采流体相混合，并通过动力流体供应管外侧的环状空间或通过与动力流体供应管平行、或同心地围绕动力流体供应管的开采管一起被泵送至地表面。在动力流体在马达壳体内侧离开开采马达的实施例中，则必须设置装置以便引导此动力流体返回至马达外侧的环状空间12。在中心导管13存在于转子2中的实施例中，则此中心导管13必须关闭或取消。
上述滚轴叶轮马达也可用作滚轴叶轮泵。为此目的，转子2必须安装至井下电动马达上，并由井下电动马达在与所述马达方向相对的方向上加以驱动。此时，转子2中的中心导管13必须关闭或取消。具有轴向流体入口和轴向流体出口的泵的实例示于图8中。此泵的结构与图1所示的马达结构类似，除了转子2中的中心导管13已取消外。流体从壳体1的内侧在泵之下通过下轴承部分3中的出口9吸入，此出口于是变成入口9’，并被滚轴7通过腔8a、b和上轴承部分4中的入口10泵送至泵之上的开采管，进而泵送至地表面，此入口于是变成出口10’。泵的旋转方向用曲线箭头加以表示。
图9中表示了滚轴叶轮泵的另一实例。此泵的结构类似于图3所示的马达的结构，除了转子2中的中心导管13已被取消。在此泵中，通向壳体1外侧的环状空间12的出口11变成入口11’，而上轴承部分4中的入口10变成出口10’。
在图10中展示了滚轴叶轮泵的又另一实例。此泵的结构类似于图4所示的马达的结构。在此泵中，壳体1的下轴承部分3中的出口9变成入口9’，而转子2中的入口14变成出口14’。转子2中的中心导管13的下端在此实施例中必须关闭。
滚轴叶轮泵也可由滚轴叶轮开采马达驱动。这时，最好应用一种泵，它如图11所示地具有轴向流体入口和通向壳体1外侧的环状空间12的流体出口。在此实施例中，流体通过壳体1的下轴承部分3中的入口9’被吸入，并被滚轴7通过腔8a、b及壳体1和翼形偏转凸轮5中的出口17泵送至壳体1外侧的环状空间12。
所有上述泵都可以这样的方法加以应用，即它们的旋转方向被反转成顺时针方向，而它们的旋转速度则可通过改变电动马达或滚轴叶轮开采马达的速度调节至所需的值。
以对马达的所述相同方法，可对翼形偏转凸轮5的上升和下降部分的形状、与壳体1的内表面和转子2的外表面之间距离相关的凹入部分6的形状以及滚轴7的大小加以优化以确保滚轴7的平稳移动。
如在马达中一样，在上述泵中的翼形偏转凸轮的数目可大于2，而滚轴的数目可大于或小于6。
在图1、3、4、8、9、10和11中已描述过的马达和泵中，入口和/或出口9、9’，10、10’在翼形偏转凸轮5的上升/下降部分上或在其附近开口进入腔8a、b。其缺点在于，在转子2的转动期间，滚轴7的上或下侧会暂时堵住这些口，结果，钻探泥浆的排放/供应被暂时停止。这可由以下方法加以补救，即使这些口部分或全部地位于翼形偏转凸轮5的上升/下降部分的边缘之后。为保持与腔8a、b的连续连通，(部分的)上升/下降部分必须在相关侧沿长度方向缩短。此实施例示意地示于图12A中以表示入口/出口10、10’。每一连接可通过在翼形偏转凸轮5的同心部分的内侧边缘之后建立附加的空间而得以加宽。在图12B中示意地展示了此实施例的入口/出口9、9’。
旋转过程的分析表明，转子的振动问题和失速在本发明提出的滚轴叶轮马达和滚轴叶轮泵两种情况中均会由于水力学现象而发生。当滚轴沿翼形偏转凸轮的上升部分上升或沿其下降部分而移动向下时，这些滚轴与在前的和后续的滚轴之间的体积发生变化。为避免在随后的滚轴之间发生太高的压力，当滚轴在翼形偏转凸轮的上升或下降部分上移动时，这些滚轴之间的空间必须与马达或泵中的其它充满液体的空间持续的连通。
图13A表示滚轴7从翼形偏转凸轮5的下降部分下行，并刚到达壳体1的内表面。在此瞬间，此滚轴与在壳体1内侧上的在前滚轴7之间的腔部分8a的体积不会再有任何减少，因而与所述下降部分上的入口10的连通可限制到点画虚线A-A。
图13B表示滚轴7处于其在翼形偏转凸轮5的上升部分上的上升终点。转子2的继续转动将把滚轴7翻转至翼形偏转凸轮5的同心区段上。当这发生时，此滚轴7与在翼形偏转凸轮5的同心部分上的在前滚轴之间的体积要减少V。由于在此空间与出口9之间已通过翼形偏转凸轮5的小紧邻同心部分建立了连接，此体积就能排出到出口9。如果此连接已限制在翼形偏转凸轮5的上升部分，则在翼形偏转凸轮5的同心部分上移动的滚轴7将被挤压靠着其凹入部分6的下游侧6b，此后，转子2将由于两个滚轴之间的迅速提高的压力而停顿。这样，为了与入口/出口10、10’、11、11’进行连接，翼形偏转凸轮5的上升/下降部分的缩短不一定占据所述上升/下降部分的整个宽度，但必须伸展至翼形偏转凸轮5的同心部分附近，如图14A所示的入口/出口10、10’那样。
由于入口/出口11、11’、17是位于壳体1中，滚轴间高/低压力问题的解决办法在于加宽这些入口/出口11、11’、17，以使它们占据翼形偏转凸轮5的上升/下降部分的足够宽的区段，除了其紧邻同心部分的小部分之外。可替代的是，每一口可分成两个口，以覆盖这样一个宽口的两侧。此解决方案的入口/出口11、11’已示意地示于图14B中。
应认识到的是，滚轴叶轮马达或泵中压力太高/低问题可以有其它解决办法。在入口/出口位于翼形偏转凸轮5的上升/下降部分上或在它们附近时，一个解决办法是，例如，在这些翼形偏转凸轮5的上升/下降部分中制作一个或多个凹槽。
当滚轴叶轮马达或泵的入口/出口14、14’位于转子2中时，不一定进行上述设置。在这些马达和泵中，滚轴之间的空间总是通过所述入口/出口14、14’与马达或泵中的其它充满液体的空间相连通。
本发明提出的马达和泵可以不同流体应用于不同目的。钻探马达不仅适用于钻探和取岩芯，还适用于井的清理/修复，本发明的范围包括其中应用了本发明提出的马达的钻探、取岩芯和清理/修复装置，以及驱动使用本发明提出的马达的钻探、取岩芯和清理/修复装置的方法。开采马达和泵不仅适合油田使用，还可用于开采饮用水、地热项目中开采热水、或如地面褐煤开矿的采矿工序中开采废水。它们还可在应用海水的近海平台上用于防火和冷却水装置中。
因而本发明的范围包括使用本发明的马达和/或泵的开采油和水的两种装置，以及应用本发明的马达和/或泵以便从地下储层将水开采至地表面、或将水从地面水库向上泵送的方法。