[发明专利]用于定向钻探的井下马达

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年3月5日提交的、名称为“Adjustable Bend Assembly for a Dowhole Motor”的美国申请No.13/786,076的优先权，该项申请的全部内容通过参引合并在本文中用于所有目的。

关于联邦政府资助的研究或研发的声明

不适用。

技术领域

本公开总体上涉及井下马达，该井下马达用来在地层中钻井眼以最终开采油、气体或矿物。更具体地，本公开涉及包括有用于进行定向钻探的可调节的弯曲组件的井下马达。

背景技术

在将井眼钻探到地层中比如用于从地下地层中开采碳氢化合物或矿物期间，常见的做法是：将钻头连接到由端对端连接连接在一起的多个管接头形成的钻柱的下端上，并且然后使钻柱旋转为使得钻头向下前进进入到地表中以沿着预定轨迹产生井眼。除了管接头之外，钻柱通常还包括定位在管接头与钻头之间的称为钻铤的较重的管状构件。钻铤增大施加于钻头的竖向载荷，从而增强钻头的操作效力。通常结合在钻柱中的其它配件包括用以帮助保持所钻探井眼的期望方向的稳定器和用以确保所钻探井眼保持为期望标准尺寸(即，直径)的扩孔器。在竖向钻探操作中，钻柱和钻头通常借助顶部驱动装置或旋转台自地表旋转。

在钻探操作期间，钻探流体或泥浆在压力作用下沿着钻柱被向下泵送，从钻头的面部中出来泵送到井眼中，并且然后沿着钻柱与井眼侧壁之间的环形空间向上泵送到达地表。钻探流体——钻探流体可以是水基的或油基的钻探流体——通常是粘性的以增强其将井眼钻屑带至地表的能力。钻探流体能够执行各种其它有用的功能，这些功能包括(例如，通过将处于压力下的流体喷射通过钻头中的口、从而产生在钻头之前冲击和削弱下伏地层的泥浆射流)增强钻头性能、增强钻头冷却以及增强在井眼壁上形成保护性沉积物(用以稳定和密封井眼壁)。

近来，在油气工业中越来越常见和期望钻探水平的井眼和其它非竖向的或偏斜的井眼(即，“定向钻探”)，以便于更大程度地暴露和开采比仅利用竖向井眼所可能实现的更大区域的含碳氢化合物的地层。在定向钻探中，通常使用专用的钻柱部件和“井底组件”(BHA)来产生、监测以及控制钻头的路径中的偏斜，以便产生具有期望偏斜构型的井眼。

通常使用设置在位于钻柱的下端处、在钻头紧上方的井底组件(BHA)中的井下马达或泥浆马达来执行定向钻探。井下马达通常包含若干部件，比如(从马达的顶部开始按顺序)：(1)动力部段，该动力部段包括定子和以可旋转的方式布置在定子中的转子；(2)传动轴组件，该传动轴组件包括布置在壳体内的传动轴，其中，传动轴的上端联接至转子的下端；以及(3)轴承组件，该轴承组件定位在传动轴组件与钻头之间用于承受径向载荷和推力载荷。对于定向钻探而言，马达通常包括弯曲壳体，该弯曲壳体用以提供钻头与BHA之间的偏斜角。偏斜角通常介于0°与5°之间。钻头的下端与马达中的弯曲件之间的轴向距离通常称为“钻头至弯曲件”的距离。

为了借助弯曲马达钻探井眼的平直部段，整个钻柱和BHA借助钻柱自地表旋转，由此使钻头绕钻柱的纵向轴线旋转；并且为了改变井眼的轨迹，钻头借助井下马达单独旋转，由此使得钻头能够绕其自身中心轴线旋转，其中，由于弯曲壳体，钻头自身的中心轴线定向为相对于钻柱成偏斜角。由于当在钻探平直部段时整个钻柱旋转时钻头是倾斜的(即，定向为成偏斜角)，因此井下马达受到弯曲力矩的作用，这可能会在马达内的重要位置处引起潜在的损伤应力。

发明内容

在一个实施方式中，通过这样的一种用于定向钻探的井下马达解决了现有技术中的这些及其它需要。在实施方式中，该井下马达包括传动轴组件，该传动轴组件包括传动轴壳体和以可旋转的方式布置在传动轴壳体内的传动轴。传动轴壳体具有中心轴线、第一端以及与该第一端相反的第二端。传动轴具有中心轴线、第一端以及与该第一端相反的第二端。另外，该井下马达包括轴承组件，该轴承组件包括轴承壳体和以可旋转的方式布设在轴承壳体内的轴承心轴。轴承壳体具有中心轴线、包括有连接件的第一端以及与该第一端相反的第二端。轴承心轴具有与轴承壳体的中心轴线同轴地对准的中心轴线、借助万向接头与传动轴的第二端直接连接的第一端以及联接至钻头的第二端。另外，该井下马达包括调节心轴，该调节心轴构造成调节轴承壳体的中心轴线与传动轴壳体的中心轴线之间的偏斜锐角θ。调节心轴具有与轴承壳体的中心轴线同轴地对准的中心轴线、第一端、以及与该第一端相反的第二端。调节心轴的第一端联接至传动轴壳体的第二端并且调节心轴的第二端联接至轴承壳体的第一端。