CN106895076B - 一种扭矩可控的轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种扭矩可控的轴承，包括：芯轴和扭矩保持器总成。扭矩保持器总成套在芯轴上，并由多个相同的扭矩保持器串联而成。扭矩保持器包括内套和外套，当内套随芯轴转动时，内套与外套之间能产生扭转阻力。本发明的轴承可以通过调整扭矩保持器的串联个数来调整轴承产生的扭矩大小。当轴承与钻杆连接后，可以抵消钻杆旋转钻井时产生的扭矩以保持整个工具串的平稳。

Description

一种扭矩可控的轴承

技术领域

本发明涉及石油开发技术领域，尤其涉及一种能与钻杆连接的扭矩可控的轴承。

背景技术

目前，水平井钻进时通常采用滑动导向钻进工艺。长水平段水平井可以扩大井眼与储层的接触面积，因此是开发页岩气等非常规油气藏，以及低渗油气田的重要技术手段。然而，长水平段钻井时由于存在很大的摩阻，工具面摆放困难容易导致井眼轨迹控制难，同时，存在托压严重导致机械钻速低的问题。为了解决滑动钻进的缺点，现有技术中通常是使用先进的旋转导向工具。由于导向时可旋转钻柱，旋转导向克服了滑动导向技术的不足，钻压传递顺利、机械钻速高，钻出的井眼质量好。然而，现有技术中的旋转导向工具，多为机电液一体化设备，使用及维护成本昂贵，不利于建井成本的降低。

采用螺杆钻具，当滑动钻进时由于钻杆周向上被锁死因此不能转动。与钻杆硬连接的螺杆钻具也被锁死，保持不旋转的状态，由于整个钻柱处于静止状态，因此产生了很大的轴向摩阻。

因此，迫切需要一种以常规导向工具为基础，同时可以导向钻进时的旋转钻进以顺利传递钻压，并能有效控制工具面平稳的工具。

发明内容

为了解决上述部分或全部技术问题，本发明提供了一种扭矩可控的轴承，包括：芯轴和扭矩保持器总成。扭矩保持器总成套在芯轴上，并由多个相同的扭矩保持器串联而成。扭矩保持器包括内套和外套，当内套随芯轴转动时，内套与外套之间能产生扭转阻力。在这种情况下，可以通过调整扭矩保持器的串联个数来调整轴承可产生的扭矩大小。当轴承与钻杆连接后，可以抵消螺杆钻具产生的反扭矩以保持整个工具串的平稳。

进一步地，扭矩保持器包括滚珠式扭矩保持器。滚珠式扭矩保持器包括设置于内套与外套之间的阻止件和弹性件。当内套相对于外套转动时，弹性件挤压阻止件以产生扭转阻力。

进一步地，在外套的侧壁上构造有容纳阻止件的凹槽；在内套的壁上连接有与凹槽相配合的挡圈。弹性件以能挤压挡圈的方式设置，以弹性挤压挡圈和凹槽之间的阻止件。优选地，阻止件为圆球，弹性件为碟簧。

进一步地，扭矩保持器还包括摩擦式扭矩保持器。摩擦式扭矩保持器包括设置于内套与外套之间的摩擦件，当内套相对于外套转动时，摩擦件在两者之间将产生相应的扭转阻力。

进一步地，摩擦件设置于内套与外套的相互组合连接的接触面上。优选地，摩擦件可以选择为摩擦系数为0.1的摩擦片。

进一步地，扭矩保持器总成包括：滚珠式扭矩保持器总成和摩擦式扭矩保持器总成。滚珠式扭矩保持器总成设置于摩擦式扭矩保持器总成的上方。

进一步地，摩擦式扭矩保持器的扭矩可通过公式计算得出：

T＝F·μ·0.052

其中，T为扭矩，F为推力，μ为摩擦件的摩擦系数。由此，可以针对不同井眼尺寸、钻头类型进行组合设计。

进一步地，在扭矩保持器总成的下方设有径向滑动轴承。由此，可以减低径向的磨损和摩擦力。

本发明的优点在于：将扭矩可控的轴承与钻杆连接使用时，螺杆钻具的扭矩被轴承产生的扭矩抵消，可保持工具面的稳定。轴承以上的钻柱在地面转盘或顶驱的驱动下旋转，可以在保持井眼轨迹控制能力的前提下，保持大部分钻柱的旋转，降低轴向钻压传递阻力，可提高机械钻速2-5倍。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明实施例的扭矩可控的轴承的结构示意图；

图2为本发明实施例的滚珠式扭矩保持器的结构示意图；

图3为本发明实施例的摩擦式扭矩保持器的结构示意图；以及

图4为本发明实施例的摩擦式扭矩保持器总成的结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种扭矩可控的轴承100，包括芯轴7和由多个相同的扭矩保持器2’或6’串联而成的扭矩保持器总成2、6。扭矩保持器总成2、6套在芯轴7上。扭矩保持器2’、6’包括内套和外套，当内套随芯轴7转动时，内套与外套之间产生扭转阻力。在这种情况下，可以通过调整扭矩保持器2’、6’的串联个数来调整轴承100可产生的扭矩大小。当轴承100与钻杆连接后，可以抵消钻杆旋转钻井时产生的扭矩以保持整个工具串的平稳。

在本发明的一个具体的实施例中，如图1所示，芯轴7的上端设有可以与钻柱连接的公扣接头1，下端设有可以与钻具组合连接的母扣接头11。优选地，公扣接头1和母扣接头11均为API标准扣型。在公扣接头1与母扣接头11之间的芯轴7上，串联有滚珠式扭矩保持器总成2和摩擦式扭矩保持器总成6。

在本发明的一个具体的实施例中，如图2所示，滚珠式扭矩保持器总成2由多个滚珠式扭矩保持器2’通过螺纹连接串联在芯轴7上，其外侧通过键槽与外壳相连。滚珠式扭矩保持器2’包括：滚珠式内套20和与其可以相互转动的滚珠式外套30。为了降低滚珠式内套20与滚珠式外套30之间的摩擦，提高使用寿命，在滚珠式内套20与滚珠式外套30之间设有滚珠18。在滚珠式外套30的侧壁上构造有容纳凹槽16’，优选地，容纳凹槽16’的形状为圆锥形。圆球16可以通过挡圈17将其固定在容纳凹槽16’内。挡圈17通过特殊结构与滚珠式外套30连在一起，以保证只能随滚珠式外套30同轴转动。在挡圈17的侧面以能挤压挡圈17的方式固定设置有碟簧15。

当滚珠式内套20与滚珠式外套30之间相互转动时，容纳凹槽16’随滚珠式外套30移动以逼迫圆球16向外或向内运动，此时，圆球16需要克服碟簧15的弹力。由于圆球16需要克服阻力，因此，需要一定的扭矩来驱动滚珠式内套20与滚珠式外套30相互转动，或者说，滚珠式内套20与滚珠式外套30相互转动时产生了扭矩阻力。如果需要更大的扭矩阻力，可以将更多的滚珠式扭矩保持器2’串联起来使用。在这里需要说明的是，滚珠式扭矩保持器总成2通过旋转时推动圆球16克服碟簧15的弹性力来实现扭矩的产生，扭矩的大小与圆球16的位置有关，是变化的。因此当芯轴7的转速变化时扭矩也在变化。

在本发明的一个具体的实施例中，如图1和3所示，摩擦式扭矩保持器总成6由若干个摩擦式扭矩保持器6’组成。芯轴7穿过摩擦式扭矩保持器6’的内孔，摩擦式扭矩保持器总成6的外侧与外壳通过键槽连接。在摩擦式扭矩保持器总成6的上部依次设有衬套5、径向滑动轴承4及锁紧螺母3。衬套5可起到防止磨损的作用，并方便更换。径向滑动轴承4可以承受径向力以保持芯轴7居中。锁紧螺母3通过螺纹与芯轴7连接，并锁紧摩擦式扭矩保持器总成6。在摩擦式扭矩保持器总成6的下端由衬套8、径向滑动轴承10及锁紧套筒9组成，径向滑动轴承10主要用于减低径向的磨损和摩擦力。

在本发明的一个具体的实施例中，如图3和4所示，摩擦式扭矩保持器6’包括摩擦式内套62和能与其相组合的摩擦式外套63，在两者之间设有摩擦片61。优选地，摩擦片61设置于摩擦式内套62与摩擦式外套63的组合连接的接触面上，摩擦片61的摩擦系数为0.1。在这种情况下，摩擦式扭矩保持器总成6是依靠摩擦力来产生扭矩。摩擦式扭矩保持器6’由上下两部分组成，上部分由外壳与锁紧套筒9固定，下半部分由芯轴7和锁紧螺母3固定。当正常钻进时，外壳的钻压通过摩擦式扭矩保持器6’传递到芯轴7，进而传递到下部的螺杆等底部钻具组合。摩擦式扭矩保持器6’的摩擦力在钻压作用下由摩擦片产生，因此扭矩与钻压有关，而钻压是可控的，因此扭矩也是可控的。

下面对轴承的具体设计过程进行说明：

假设本发明使用的滚珠式扭矩保持器2’的扭矩值设计为300Nm。摩擦式扭矩保持器6’的扭矩与摩擦片61的摩擦系数及推力有关，摩擦片61的摩擦系数在0.1左右。假设正常推力在0-50KN之间。扭矩数据计算公式：

T＝F·μ·0.052

其中，T为扭矩，F为推力，μ为摩擦片61的摩擦系数。那么，一组摩擦式扭矩保持器6’的扭矩值随着推力变化将在0-260Nm之间。

针对上述两类扭矩保持器，可以进行数量的调整选择和任意组合。例如，钻井时需要2400Nm左右的扭矩，可以设计为6组摩擦式扭矩保持器，和3组滚珠式扭矩保持器串联使用，即，T＝260×6+300×3＝2460Nm，可以满足钻井要求。

因此，针对不同井眼尺寸、钻头类型钻进时，只要知道需要的钻进扭矩，就可以根据上述方法进行组合设计。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种扭矩可控的轴承，其特征在于，包括：

芯轴；和

扭矩保持器总成，由多个相同的扭矩保持器串联而成，并套在所述芯轴上；

其中，所述扭矩保持器包括内套和外套；当所述内套随所述芯轴转动时，所述内套与外套之间产生扭转阻力；

所述扭矩保持器包括滚珠式扭矩保持器；

所述滚珠式扭矩保持器包括设置于所述内套与外套之间的阻止件和弹性件；当所述内套相对于所述外套转动时，所述弹性件挤压所述阻止件以产生扭转阻力。

2.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，在所述外套的侧壁上构造有容纳所述阻止件的凹槽；

在所述内套的壁上连接有与所述凹槽相配合的挡圈；

所述弹性件以能挤压所述挡圈的方式设置，以弹性挤压所述挡圈和凹槽之间的阻止件。

3.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述阻止件为圆球，所述弹性件为碟簧。

4.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述扭矩保持器还包括摩擦式扭矩保持器；

所述摩擦式扭矩保持器包括设置于所述内套与外套之间的摩擦件；当所述内套相对于所述外套转动时，所述摩擦件产生扭转阻力。

5.根据权利要求4所述的轴承，其特征在于，所述摩擦件设置于所述内套或外套的接触面上。

6.根据权利要求4所述的轴承，其特征在于，所述摩擦件包括摩擦系数为0.1的摩擦片。

7.根据权利要求4所述的轴承，其特征在于，所述扭矩保持器总成包括：滚珠式扭矩保持器总成，和设置于所述滚珠式扭矩保持器总成下方的摩擦式扭矩保持器总成。

8.根据权利要求7所述的轴承，其特征在于，所述摩擦式扭矩保持器的扭矩可通过公式计算得出：

T＝F·μ·0.052

其中，T为扭矩，F为推力，μ为摩擦件的摩擦系数。

9.根据权利要求7所述的轴承，其特征在于，在所述扭矩保持器总成的下方设有径向滑动轴承。