CN108222833B - 双向承力泥浆轴承装置和利用该轴承装置的旋转导向工具 - Google Patents
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Abstract
本发明主要属于旋转导向系统技术领域，具体涉及一种双向承力泥浆轴承装置和利用该轴承装置的旋转导向工具。所述双向承力泥浆轴承装置设置于旋转导向工具下部的的不旋转外套与钻头轴之间，用于隔离所述钻头轴的转动运动以使旋转导向工具的所述不旋转外套相对于大地不旋转；并且所述双向承力泥浆轴承装置能够将所述不旋转外套径向和双轴向定位并支撑于所述钻头轴上，进而使所述旋转导向工具能够在恶劣泥浆中工作；且本发明提供的旋转导向工具采用静态内推靠铰接式的设计，通过将不旋转测控本体与不旋转执行机构本体铰接，而非整体体式结构，钻具在井眼中易于弯曲，对导向工具上部造成的弯曲应力小。
Description
技术领域
本发明主要属于旋转导向系统技术领域，具体涉及一种双向承力泥浆轴承装置和利用该轴承装置的旋转导向工具。
背景技术
旋转导向技术属定向钻井领域，主要用于定向井、水平井、大位移井等三维轨迹井钻井。依靠自身高精度伺服控制机构和高精度姿态测量传感器，能够实时精确控制钻头的钻进方向，从而实现井眼轨迹的控制。前常规低造斜率（6.5°/30m）旋转导向工具已无法满足页岩气定向井钻井以及海洋陆地高曲率井钻井的需求。譬如：
贝克休斯公司的AutoTrak Curve旋转导向工具采用三套液压推靠油缸及其附属翼肋推靠井壁，推靠力作用下使得导向工具上部发生整体弯曲变形，使得井眼轨迹轴向与导向工具轴向形成一个固定的角度，从而实现造斜。这种结构的缺点是导向工具上部弯曲消耗推靠力，同时推靠力造成的弯曲加重了上部钻柱的弯曲应力，在高曲率井眼中，上部钻具易发生交变疲劳破坏，对上部钻具金属材料强度要求高。该导向系统由于整套工具系统在井眼中整体发生变形，不易实现更高造斜率。并且贝克休斯的推靠器推靠井壁，磨损较高。
斯伦贝谢公司的PD Archer旋转导向工具采用测控本体与万向机构本体铰接结构，位于测控本体下端的4套推靠活塞推靠下部万向机构本体外套的内壁，从而控制钻头的方向。由于采用全旋转的设计理念以及采用泥浆压力差对活塞做功，该工具系统万向机构本体外套承力大，旋转状态下更易磨损，寿命低。此外，含有砂粒的泥浆造成活塞密封难且工作寿命低。因此，该整套旋转导向工具系统总体寿命较低，维修维护成本较高。
并且，在含砂的钻井泥浆环境中，常规滚动轴承的工作过程中，存在以下几方面的技术问题：
1）常规滚动轴承不能够承受双向的轴向力。
2）常规的滚动轴承需要在润滑油中工作，无法在恶劣的含有砂粒的钻井泥浆环境中高寿命工作。
3）滚动轴承所在的润滑油需要动密封件密封，否则，润滑油泄露后，滚动轴承寿命大幅降低。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种双向承力泥浆轴承装置和利用该轴承装置的旋转导向工具；该双向承力泥浆轴承装置能够隔离钻头轴承的转动运动，以使下不旋转外套相对于大地不旋转。同时，该双向承力泥浆轴承装置还需要为下不旋转外套总成提供轴向定位以及在井下发生卡钻事故时，能够承受反向的轴向力，以确保该不旋转外套不至掉落。并且，
利用该轴承装置的旋转导向工具采用静态内推靠铰接式的设计理念，通过将不旋转测控本体与不旋转执行机构本体铰接，而非整体体式结构。钻具在井眼中易于弯曲，对导向工具上部造成的弯曲应力小，用于钻具弯曲变形的推靠力消耗达到最低。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种双向承力泥浆轴承装置，所述双向承力泥浆轴承装置设置于旋转导向工具下部的的不旋转外套与钻头轴之间，用于隔离所述钻头轴的转动运动以使旋转导向工具的所述不旋转外套相对于大地不旋转；
所述双向承力泥浆轴承装置包括一组径向轴承支撑面结构和两组轴向轴承支撑面结构，以使所述旋转导向工具的不旋转外套承受双向轴向力，并且所述双向承力泥浆轴承装置能够将所述不旋转外套径向和双轴向定位并支撑于所述钻头轴上，进而使所述旋转导向工具能够在恶劣泥浆中工作。
进一步地，所述双向承力泥浆轴承装置包括套装在所述钻头轴上的钻头轴用端面支撑轴承本体、第一轴承外瓦本体、套装于所述钻头轴外圆上的钻头轴用支撑轴承内瓦本体、第二轴承外瓦本体；
所述第一轴承外瓦本体包括相互垂直连接的第一径向支撑部和第一轴向支撑部；所述第二轴承外瓦本体包括相互垂直连接的第二径向支撑部和第二轴向支撑部；所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体包括相互垂直连接的第三径向支撑部和第三轴向支撑部；
所述第一轴向支撑部设置于所述不旋转外套的下端部，并与所述钻头轴用端面支撑轴承本体构成所述双向承力泥浆轴承装置的第一组轴向轴承支撑面结构；
所述第二轴向支撑部固定设置于所述不旋转外套的内孔的轴向；所述第二轴向支撑部与所述第三轴向支撑部构成所述双向承力泥浆轴承装置的第二组轴向轴承支撑面结构；
所述第一径向支撑部和所述第二径向支撑部均设置于所述下不旋转外套的内孔表面，所述第三径向支撑部套装于所述钻头轴外圆上，所述第一径向支撑部和所述第二径向支撑部均与所述第三径向支撑部相对设置；且所述第一径向支撑部、所述第二径向支撑部和所述第三径向支撑部构成所述双向承力泥浆轴承装置的所述径向轴承支撑面结构。
进一步地，所述钻头轴用端面支撑轴承本体套装在所述钻头轴上，通过第一定位销与钻头轴固定，以防止所述钻头轴用端面支撑轴承本体在轴承摩擦力作用下发生转动；
所述第一轴承外瓦本体通过第二固定销固定于不旋转外套上；
所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体的内孔套装在钻头轴外圆上，通过第三固定销固定于钻头轴；所述第二轴承外瓦本体通过第四固定销固定于所述不旋转外套的内孔。
进一步地，所述钻头轴用端面支撑轴承本体和所述第一轴向支撑部相对的端面上均烧结有硬质合金轴承面或均镶嵌有金刚石轴承面；
所述第二轴向支撑部和第三轴向支撑部相对的端面上均烧结有硬质合金轴承面或均镶嵌有金刚石轴承面；
所述第一径向支撑部、所述第二径向支撑部和所述第三径向支撑部相对的端面上均烧结有硬质合金轴承面或均镶嵌有金刚石轴承面。
进一步地，所述钻头轴用端面支撑轴承本体端面上烧结有硬质合金轴承面，沿所述钻头轴用端面支撑轴承本体的径向，在硬质合金轴承面上分布有凹槽，用于端面轴承润滑及排砂；
进一步地，所述第一轴承外瓦本体第一轴向支撑部端面上烧结有硬质合金轴承面；所述第二轴承外瓦本体的第三轴向支撑部上烧结有硬质合金轴承面，沿所述第三轴向支撑部径向，在硬质合金轴承面上分布有凹槽，用于端面轴承润滑及排砂；
所述第一轴承外瓦本体第一轴向支撑部端面上烧结的硬质合金轴承面在弹簧预紧条件下与所述钻头轴用端面支撑轴承本体端面上烧结的硬质合金轴承面配合进行第一组轴向轴承支撑面结构的轴向定位；
所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体第三轴向支撑部上烧结的硬质合金轴承面与所述第二轴承外瓦本体的第二轴向支撑部上烧结的硬质合金轴承面配合，构成第二组轴向轴承支撑面结构的轴向定位；当不旋转外套受到轴向摩擦力时，该为第二组轴向轴承支撑面结构的轴向定位为主要轴向承力面。
进一步地，所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体第三径向支撑部上烧结的硬质合金轴承面，且沿轴向分布有半圆形凹槽，该半圆形凹槽为螺旋形结构，螺旋升角为30°，沿所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体的轴向表面贯穿；
所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体第三径向支撑部上烧结的硬质合金轴承面与所述第一轴承外瓦本体的第一径向支撑部上烧结的硬质合金轴承面径向配合实现不旋转外套径向支撑，隔离轴转动运动；
并且，所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体第三径向支撑部上烧结的硬质合金轴承面与所述第二轴承外瓦本体的第二径向支撑部上烧结的硬质合金轴承面径向配合支撑不旋转外套，增大不旋转套的径向支撑长度，实现更高的承载能力。
进一步地，所述钻头轴用端面支撑轴承本体端面上镶嵌有金刚石轴承面，为26组直径为15mm的金刚石复合片；所述第一轴承外瓦本体第一轴向支撑部端面上镶嵌有金刚石轴承面，为27组直径为15mm的金刚石复合片；
所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体第三轴向支撑部上镶嵌有金刚石轴承面，为35组直径为12mm的金刚石复合片，所述第二轴承外瓦本体的第二轴向支撑部上镶嵌有金刚石轴承面，为34组直径为12mm的金刚石复合片；
所述第一轴承外瓦本体第一轴向支撑部端面上镶嵌的金刚石轴承面在弹簧预紧条件下与所述钻头轴用端面支撑轴承本体端面上镶嵌的金刚石轴承面配合进行第一组轴向轴承支撑面结构的轴向定位；
所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体第三轴向支撑部上镶嵌的金刚石轴承面与所述第二轴承外瓦本体的第二轴向支撑部上镶嵌的金刚石轴承面配合，构成第二组轴向轴承支撑面结构的轴向定位；当不旋转外套受到轴向摩擦力时，该为第二组轴向轴承支撑面结构的轴向定位为主要轴向承力面。
进一步地，所述第一轴承外瓦本体第一径向支撑部端面上镶嵌有金刚石轴承面，为8只直径为10mm金刚石复合片；
第二轴承外瓦本体的第二径向支撑部上镶嵌有金刚石轴承面，为8只直径为10mm金刚石复合片；
所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体第三径向支撑部上镶嵌有金刚石轴承面，为9只直径为10mm金刚石复合片，共两组；
所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体第三径向支撑部上镶嵌的第一组金刚石轴承面与所述第一轴承外瓦本体的第一径向支撑部上镶嵌的金刚石轴承面径向配合实现不旋转外套径向支撑，隔离轴转动运动；
并且，所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体第三径向支撑部上镶嵌的第二组金刚石轴承面与所述第二轴承外瓦本体的第二径向支撑部上镶嵌的金刚石轴承面径向配合支撑不旋转外套，增大不旋转套的径向支撑长度，实现更高的承载能力和支撑刚度。
一种静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具，包括旋转芯轴、钻头轴、连接所述旋转芯轴和所述钻头轴的万向节、第一不旋转外套和第二不旋转外套；
所述旋转芯轴与所述万向节铰接，以将钻井用的钻压和扭矩传递给钻头，同时实现所述第一不旋转外套和第二不旋转外套的万向铰接；
所述第一不旋转外套通过所述上泥浆轴承以及所述下泥浆轴承下泥浆轴承实现轴向以及径向定位，并隔离所述旋转芯轴的转动运动以使所述第一不旋转外套相对于大地保持准静止状态或不旋转状态；
所述第二不旋转外套通过所述近钻头端泥浆轴承实现轴向和径向定位，并隔离所述钻头轴的转动以使所述第二不旋转外套在井眼中保持不旋转的准静止状态。
其中，所述近钻头端泥浆轴承采用所述一种用于旋转导向工具的双向承力泥浆轴承装置，其中，所述不旋转外套即为所述第二不旋转外套。
本发明的有益技术效果：
静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具的下不旋转外套要求相对于大地不旋转，需要轴承隔离传递压力以及扭矩的芯轴的转动运动。同时，在钻井的过程中能够随着钻头沿着井眼的轴向移动。不旋转外套在与井壁接触的过程中受轴向摩擦力的影响。由于摩擦力较大，不旋转外套中的支撑轴承需要克服该轴向力。同时，该轴承还需为下不旋转外套总成提供轴向定位以及在井下发生卡钻事故时，能够承受反向的轴向力。以确保该不旋转外套不至掉落。本发明提供一种双向承力轴承装置，主要用于静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具下部的不旋转外套能够承受轴向双向力，同时在恶劣的环境中能够旋转高寿命工作的泥浆轴承装置，无需动密封装置，且工作寿命高，具有维护简单且工作寿命高的优点。
本发明提供的旋转导向工具采用静态内推靠铰接式的设计理念，通过将不旋转测控本体与不旋转执行机构本体铰接，而非整体体式结构。钻具在井眼中易于弯曲，对导向工具上部造成的弯曲应力小，用于钻具弯曲变形的推靠力消耗达到最低。由于承力执行机构本体外套与井壁没有旋转摩擦仅为轴向滑动，寿命高。同时，采用了液压的方式而非泥浆压差作用于活塞形成推靠力，推靠力大幅提高，活塞密封寿命也较高。因此，本发明提供的旋转导向工具装置易于实现更高造斜率，且具有钻井寿命较高的优点。
附图说明
图1为实施例1中静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具结构示意图；
图2为实施例1中静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具内推靠活塞处横截面示意图；
图3为实施例2中一种带发电机钻铤短节的静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具系统；
图4为实施例2中一种集成发电机的静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具系统；
图5A-5F为实施例3中第二不旋转外套12的结构示意图；
图6-8为实施例2中一种单活塞液压推靠总成；
图9-10为实施例2中一种双活塞液压推靠总成；
图11-12为实施例4中双向承力轴承装置结构示意图；
图13为实施例5中双向承力轴承装置结构示意图；
附图标记：
1-电机泵液压模块；2-中控电路；3-非接触电力传输总成；4-第一不旋转外套；5-下泥浆轴承；6-上泥浆轴承；7-旋转芯轴 8-密封盖板；9-第一电路；10-远钻头端扶正器；11-对中连接轴；11.1-下电气连接器12-第二不旋转外套；12.1-耐磨肋；12a-下部非旋转套耐磨肋锯齿结构；13-万向节；14-近钻头端泥浆轴承；14.1-钻头轴用端面支撑轴承本体；14.2-所述第一轴承外瓦本体；14.3-钻头轴用支撑轴承内瓦本体；14.4-第二轴承外瓦本体；14.5-第一定位销；14.6-第二固定销；14.7-第三固定销；14.8-第四固定销；14.9-硬质合金轴承面；14.10-金刚石轴承面；15-钻头轴；16-推靠活塞；16.1 第一组推靠活塞；16.2第二套推靠活塞；17-发电机用钻铤；18-泥浆涡轮发电机；18.1-发电机下部电连接器；19-弓形弹簧装置；20-限位盖；21-连接座；21.1-电气连接器；22-电机泵阀总成；23-固定螺钉。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
本实施例提供一种静态推靠式高造斜率旋转导向工具，包括旋转芯轴7、钻头轴15、连接所述旋转芯轴7和所述钻头轴15的万向节13、第一不旋转外套4和第二不旋转外套12；
如图1-2所示，旋转芯轴7与万向节13铰接，将钻井用的钻压和扭矩传递给钻头。同时，实现了第一不旋转外套4与第二不旋转外套12万向铰接，该铰接构成了铰接式特征。第一不旋转外套通过上泥浆轴承6以及下泥浆轴承5，将旋转芯轴7的转动运动隔离。同时，上泥浆轴承6以及下泥浆轴承5下泥浆轴承将第一不旋转外套4轴向以及径向定位。此外，第一不旋转外套4上安装有弓形弹簧装置19，该弓形弹簧装置被限位盖20限位于第一不旋转外套4上。由于该弓形弹簧外径相对于井眼尺寸大，其在井眼中通过自身弹簧的压缩力将其顶住井壁，以防止泥浆轴承摩擦力等造成第一不旋转外套4的快速转动，使其保持准静止状态。
第二不旋转外套12通过近钻头端泥浆轴承14隔离了钻头轴15的转动运动，使第二不旋转外套12在井眼中保持不旋转状态。同时，第二不旋转外套12实现轴向和径向定位，可承受轴向双向力。
第一电路9主要由通信电路以及电力载波调制电路组成。芯轴上部设计有远钻头端扶正器10，限制钻具径向振动，在钻井振动的过程中对第一电路9启动保护的作用。第一电路9通过盖密封板8密封于旋转芯轴7上部的空腔内，相对于内置的仪器仓结构，该特征有占用轴向空间少、便于维修维护等特征。第一电路9中的电气接口通过连接器与对中连接轴11保持电气连接。来自MWD的电力以及通信信号，通过对中连接轴11将电能以及信号传给旋转芯轴第一电路9，第一电路9中的载波调制电路将电力高频调制和信号载波后，通过非接触电力传输变压器3，传输到中控电路2，中控电路2中的电机控制器驱动三套独立的电机泵液压模块1，液压系统产生高压油源，通过液压模块中的油路，作用于放置在第二不旋转外套12内的三套活塞16上。本实施例采用三套独立的电机泵液压模块1，且该电机泵液压模块1通过若干螺钉23固定于第一不旋转外套4上，因此电机泵液压模块1相对大地保持准静止状态。
通过分别控制作用于每套活塞的油压，形成三个平面汇交力系矢量合成，形成合力矢量，该力矢量作用于第二不旋转外套12内壁，使得钻头轴围绕万向节13所确定的铰接点发生偏转，相对于旋转导向工具轴线形成一个夹角。这时，液压活塞的合力矢量与钻头的侧向力以万向节铰接点为支点形成杠杆力平衡。通过控制该力矢量的大小和方向，即可精确控制作用于钻头的侧向力，从而控制钻头的钻进方向。
通过上述描述，本实施例中安装有电机泵液压模块1的第一不旋转外套4以及第二不旋转外套12，通过上泥浆轴承6、下泥浆轴承5、近钻头端泥浆轴承14隔离旋转芯轴转动，使其相对于大地保持准静止状态或不旋转状态。该静止不旋转状态构成了本实施例所述旋转导向工具静态内推靠式的主要特征。
实施例2
本实施例提供一种带发电机钻铤短节的静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具。其中静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具的与实施例1相同，具体实现如下：
如图3所示，本实施例中，提供电能的泥浆涡轮发电机18定位于钻铤17短节内台肩，通过发电机下端接口18.1与旋转导向工具上端接口11.1插接，实现带发电机的钻铤短节与旋转导向工具的电气连接。由于采用发电机短节与旋转导向工具钻铤分体组装，具有组装灵活方便，旋转芯轴钻铤7易于加工制造，制造成本低等特点。
如图4所示，本实施例还提供一种集成发电机的静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具，具体实现如下：
提供电能的泥浆涡轮发电机18下部有导流连接座，连接座21中有电气连接器21.1，发电机18沿轴向推入，定位于旋转芯轴上部内孔的台肩上。定位的同时，通过连接器将发电机电力传递给第一电路9。本发明装置将泥浆涡轮发电机18直接内置定位于旋转导向工具旋转芯轴钻铤7，减少电气接口的同时，具有结构紧凑，可靠性高等特点。
本实施例还提供一种单活塞液压推靠总成，如图6-8所示，采用涡轮发电机18提供的电能经中控电路2驱动液压模块中的液压系统。由于采用液压的方式，推靠活塞输出力大，使钻头获得更大的侧向力切削力，以实现高造斜率。三套电机泵液压模块1通过若干螺栓23固定于第一不旋转外套4上，使其相对于大地保持静止状态。液压模块1中含有电机、泵、阀总成22，同时含有第一组推靠活塞16.1，第一组推靠活塞16.1为一球头结构。液压系统产生的高压油通过1中的高压油道进入第一组推靠活塞16.1中。第一组推靠活塞16.1推靠力作用于第二不旋转外套12内壁。
另外，还提供一种双活塞液压推靠总成。具体实现见图9-10所示：三套电机泵液压模块1通过若干螺栓23固定于第一不旋转外套4上，使其相对于大地保持静止状态。电机泵液压模块1中含有电机、泵、阀总成22，同时含有两组推靠活塞，包括第一组推靠活塞16.1、和第二组推靠活塞16.2，两组推靠活塞均为球头结构。液压系统产生的高压油通过电机泵液压模块1中的高压油道进入第一组推靠活塞16.1以及第二组推靠16.2中。两组活塞共同形成推靠力作用于第二不旋转外套12内壁。该双活塞特征，使得活塞作用于第二不旋转外套12内壁的接触应力小，活塞及第二不旋转外套12磨损小寿命高的特点。
实施例3
本实施例提供一种静态推靠式高造斜率旋转导向工具，与实施例1不同之处在于，本实施例还提供一种第二不旋转外套12的结构，以增加第二不旋转外套与井壁的旋转摩擦阻力，实现第二不旋转外套始终保持准静止状态。见图5A-5F所示。具体实现如下：
第二不旋转外套12有耐磨肋12.1，耐磨肋为直翼。耐磨肋外圆为锯齿形结构，且在锯齿形结构之间，镶嵌有若干硬质合金块，增加耐磨肋12.1的耐磨性。同时，耐磨肋12.1可以是3组、4组、6组，均布于第二不旋转外套12外圆上，具体形式如图5A-5C所示。
实施例4
一种双向承力泥浆轴承装置，该双向承力泥浆轴承装置能够应用于实施例1-3所述静态推靠式高造斜率旋转导向工具。如图11-12所示，将所述双向承力泥浆轴承装置设置于旋转导向工具下部的不旋转外套与钻头轴15之间，用于隔离所述钻头轴15的转动运动以使旋转导向工具的所述不旋转外套相对于大地不旋转，其中，在实施例中提到的“不旋转外套”即实施例1-3中提到的第二不旋转外套12。
所述双向承力泥浆轴承装置包括一组径向轴承支撑面结构和两组轴向轴承支撑面结构，以使所述旋转导向工具的不旋转外套承受双向轴向力，并且所述双向承力泥浆轴承装置能够将所述不旋转外套径向和双轴向定位并支撑于所述钻头轴上，进而使所述旋转导向工具能够在恶劣泥浆中工作。
所述双向承力泥浆轴承装置包括套装在所述钻头轴上的钻头轴用端面支撑轴承本体14.1、第一轴承外瓦本体14.2、套装于所述钻头轴外圆上的钻头轴用支撑轴承内瓦本体14.3、第二轴承外瓦本体14.4；
所述第一轴承外瓦本体14.2包括相互垂直连接的第一径向支撑部和第一轴向支撑部；所述第二轴承外瓦本体14.4包括相互垂直连接的第二径向支撑部和第二轴向支撑部；所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体14.3包括相互垂直连接的第三径向支撑部和第三轴向支撑部；
所述第一轴向支撑部设置于所述不旋转外套的下端部，并与所述钻头轴用端面支撑轴承本体14.1构成所述双向承力泥浆轴承装置的第一组轴向轴承支撑面结构；
所述第二轴向支撑部固定设置于所述不旋转外套的内孔的轴向；所述第二轴向支撑部与所述第三轴向支撑部构成所述双向承力泥浆轴承装置的第二组轴向轴承支撑面结构；
所述第一径向支撑部和所述第二径向支撑部均设置于所述下不旋转外套的内孔表面，所述第三径向支撑部套装于所述钻头轴外圆上，所述第一径向支撑部和所述第二径向支撑部均与所述第三径向支撑部相对设置；且所述第一径向支撑部、所述第二径向支撑部和所述第三径向支撑部构成所述双向承力泥浆轴承装置的所述径向轴承支撑面结构。
所述钻头轴用端面支撑轴承本体14.1套装在所述钻头轴15上，通过第一定位销14.5与钻头轴15固定，以防止所述钻头轴用端面支撑轴承本体14.1在轴承摩擦力作用下发生转动；
所述第一轴承外瓦本体14.2通过第二固定销14.6固定于不旋转外套上；
所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体14.3的内孔套装在钻头轴外圆上，通过第三固定销14.7固定于钻头轴；所述第二轴承外瓦本体14.4通过第四固定销14.8固定于所述不旋转外套的内孔。
所述钻头轴用端面支撑轴承本体14.1和所述第一轴向支撑部相对的端面上均烧结有硬质合金轴承面14.9；所述第二轴向支撑部和第三轴向支撑部相对的端面上均烧结有硬质合金轴承面14.9；所述第一径向支撑部、所述第二径向支撑部和所述第三径向支撑部相对的端面上均烧结有硬质合金轴承面14.9。所述钻头轴用端面支撑轴承本体14.1端面上烧结的硬质合金轴承面，厚度为4mm，沿所述钻头轴用端面支撑轴承本体14.1的径向，在硬质合金轴承面上分布有6条深3mm宽5mm凹槽，用于端面轴承润滑及排砂；
所述第一轴承外瓦本体第一轴向支撑部端面上烧结有硬质合金轴承面，厚度4mm；所述第二轴承外瓦本体14.4的第三轴向支撑部上烧结有硬质合金轴承面，沿所述第三轴向支撑部径向，在硬质合金轴承面上分布有6条深3mm宽5mm凹槽，用于端面轴承润滑及排砂；
所述第一轴承外瓦本体第一轴向支撑部端面上烧结的硬质合金轴承面在弹簧预紧条件下与所述钻头轴用端面支撑轴承本体14.1端面上烧结的硬质合金轴承面配合进行第一组轴向轴承支撑面结构的轴向定位；
所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体14.3第三轴向支撑部上烧结的硬质合金轴承面与所述第二轴承外瓦本体14.4的第二轴向支撑部上烧结的硬质合金轴承面配合，构成第二组轴向轴承支撑面结构的轴向定位；当不旋转外套受到轴向摩擦力时，该为第二组轴向轴承支撑面结构的轴向定位为主要轴向承力面。
所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体14.3第三径向支撑部上烧结的硬质合金轴承面厚度为4mm,且沿周向分布有6条半径为4mm半圆形凹槽，该半圆形凹槽为螺旋形结构，螺旋升角为30°，沿所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体的轴向表面贯穿；
所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体14.3第三径向支撑部上烧结的硬质合金轴承面与所述第一轴承外瓦本体的第一径向支撑部上烧结的硬质合金轴承面径向配合实现不旋转外套径向支撑，隔离轴转动运动；
并且，所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体14.3第三径向支撑部上烧结的硬质合金轴承面与所述第二轴承外瓦本体14.4的第二径向支撑部上烧结的硬质合金轴承面径向配合支撑不旋转外套，增大不旋转套的径向支撑长度，实现更高的承载能力。
实施例5
本实施例与实施例4基本相同，唯不同之处在于，如图13所示，在所述钻头轴用端面支撑轴承本体14.1和所述第一轴向支撑部相对的端面上均镶嵌有金刚石轴承面14.10；所述第二轴向支撑部和第三轴向支撑部相对的端面上均镶嵌有金刚石轴承面14.10；所述第一径向支撑部、所述第二径向支撑部和所述第三径向支撑部相对的端面上均镶嵌有金刚石轴承面14.10。
所述钻头轴用端面支撑轴承本体14.1端面上镶嵌有金刚石轴承面，为26组直径为15mm的金刚石复合片；所述第一轴承外瓦本体第一轴向支撑部端面上镶嵌有金刚石轴承面，为27组直径为15mm的金刚石复合片；
所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体14.3第三轴向支撑部上镶嵌有金刚石轴承面，为35组直径为12mm的金刚石复合片，所述第二轴承外瓦本体14.4的第二轴向支撑部上镶嵌有金刚石轴承面，为34组直径为12mm的金刚石复合片；
所述第一轴承外瓦本体第一轴向支撑部端面上镶嵌的金刚石轴承面在弹簧预紧条件下与所述钻头轴用端面支撑轴承本体14.1端面上镶嵌的金刚石轴承面配合进行第一组轴向轴承支撑面结构的轴向定位；
所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体14.3第三轴向支撑部上镶嵌的金刚石轴承面与所述第二轴承外瓦本体14.4的第二轴向支撑部上镶嵌的金刚石轴承面配合，构成第二组轴向轴承支撑面结构的轴向定位；当不旋转外套受到轴向摩擦力时，该为第二组轴向轴承支撑面结构的轴向定位为主要轴向承力面。
所述第一轴承外瓦本体14.2第一径向支撑部端面上镶嵌有金刚石轴承面，为8只直径为10mm金刚石复合片；
第二轴承外瓦本体14.4的第二径向支撑部上镶嵌有金刚石轴承面，为8只直径为10mm金刚石复合片；
所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体14.3第三径向支撑部上镶嵌有金刚石轴承面，为9只直径为10mm金刚石复合片，共两组；
所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体14.3第三径向支撑部上镶嵌的第一组金刚石轴承面与所述第一轴承外瓦本体14.2的第一径向支撑部上镶嵌的金刚石轴承面径向配合实现不旋转外套径向支撑，隔离轴转动运动；
并且，所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体14.3第三径向支撑部上镶嵌的第二组金刚石轴承面与所述第二轴承外瓦本体14.4的第二径向支撑部上镶嵌的金刚石轴承面径向配合支撑不旋转外套，增大不旋转套的径向支撑长度，实现更高的承载能力和支撑刚度。
Claims (10)
1.一种双向承力泥浆轴承装置，其特征在于，所述双向承力泥浆轴承装置设置于旋转导向工具下部的不旋转外套与钻头轴(15)之间，用于隔离所述钻头轴(15)的转动运动以使旋转导向工具的所述不旋转外套相对于大地不旋转；
所述双向承力泥浆轴承装置包括一组径向轴承支撑面结构和两组轴向轴承支撑面结构，以使所述旋转导向工具的不旋转外套承受双向轴向力，并且所述双向承力泥浆轴承装置能够将所述不旋转外套径向和双轴向定位并支撑于所述钻头轴上，进而使所述旋转导向工具能够在恶劣泥浆中工作。
2.根据权利要求1所述一种双向承力泥浆轴承装置，其特征在于，所述双向承力泥浆轴承装置包括套装在所述钻头轴上的钻头轴用端面支撑轴承本体(14.1)、第一轴承外瓦本体(14.2)、套装于所述钻头轴外圆上的钻头轴用支撑轴承内瓦本体(14.3)、第二轴承外瓦本体(14.4)；
所述第一轴承外瓦本体(14.2)包括相互垂直连接的第一径向支撑部和第一轴向支撑部；所述第二轴承外瓦本体(14.4)包括相互垂直连接的第二径向支撑部和第二轴向支撑部；所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体(14.3)包括相互垂直连接的第三径向支撑部和第三轴向支撑部；
所述第一轴向支撑部设置于所述不旋转外套的下端部，并与所述钻头轴用端面支撑轴承本体(14.1)构成所述双向承力泥浆轴承装置的第一组轴向轴承支撑面结构；
所述第二轴向支撑部固定设置于所述不旋转外套的内孔的轴向；所述第二轴向支撑部与所述第三轴向支撑部构成所述双向承力泥浆轴承装置的第二组轴向轴承支撑面结构；
所述第一径向支撑部和所述第二径向支撑部均设置于所述不旋转外套的内孔表面，所述第三径向支撑部套装于所述钻头轴外圆上，所述第一径向支撑部和所述第二径向支撑部均与所述第三径向支撑部相对设置；且所述第一径向支撑部、所述第二径向支撑部和所述第三径向支撑部构成所述双向承力泥浆轴承装置的所述径向轴承支撑面结构。
3.根据权利要求2所述一种双向承力泥浆轴承装置，其特征在于，所述钻头轴用端面支撑轴承本体(14.1)套装在所述钻头轴(15)上，通过第一定位销(14.5)与钻头轴(15)固定，以防止所述钻头轴用端面支撑轴承本体(14.1)在轴承摩擦力作用下发生转动；
所述第一轴承外瓦本体(14.2)通过第二固定销(14.6)固定于不旋转外套上；
所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体(14.3)的内孔套装在钻头轴外圆上，通过第三固定销(14.7)固定于钻头轴；所述第二轴承外瓦本体(14.4)通过第四固定销(14.8)固定于所述不旋转外套的内孔。
4.根据权利要求2所述一种双向承力泥浆轴承装置，其特征在于，所述钻头轴用端面支撑轴承本体(14.1)和所述第一轴向支撑部相对的端面上均烧结有硬质合金轴承面(14.9)或均镶嵌有金刚石轴承面(14.10)；
所述第二轴向支撑部和第三轴向支撑部相对的端面上均烧结有硬质合金轴承面(14.9)或均镶嵌有金刚石轴承面(14.10)；
所述第一径向支撑部、所述第二径向支撑部和所述第三径向支撑部相对的端面上均烧结有硬质合金轴承面(14.9)或均镶嵌有金刚石轴承面(14.10)。
5.根据权利要求4所述一种双向承力泥浆轴承装置，其特征在于，所述钻头轴用端面支撑轴承本体(14.1)端面上烧结有硬质合金轴承面，沿所述钻头轴用端面支撑轴承本体(14.1)的径向，在硬质合金轴承面上分布有凹槽，用于端面轴承润滑及排砂；
所述第一轴承外瓦本体(14.2)第一轴向支撑部端面上烧结有硬质合金轴承面；所述第二轴承外瓦本体(14.4)的第三轴向支撑部上烧结有硬质合金轴承面，沿所述第三轴向支撑部的径向，在硬质合金轴承面上分布有凹槽，用于端面轴承润滑及排砂。
6.根据权利要求5所述一种双向承力泥浆轴承装置，其特征在于，所述第一轴承外瓦本体第一轴向支撑部端面上烧结的硬质合金轴承面在弹簧预紧条件下与所述钻头轴用端面支撑轴承本体(14.1)端面上烧结的硬质合金轴承面配合进行第一组轴向轴承支撑面结构的轴向定位；
所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体(14.3)第三轴向支撑部上烧结的硬质合金轴承面与所述第二轴承外瓦本体(14.4)的第二轴向支撑部上烧结的硬质合金轴承面配合，构成第二组轴向轴承支撑面结构的轴向定位；当不旋转外套受到轴向摩擦力时，该为第二组轴向轴承支撑面结构的轴向定位为主要轴向承力面。
7.根据权利要求6所述一种双向承力泥浆轴承装置，其特征在于，所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体(14.3)第三径向支撑部上烧结的硬质合金轴承面与所述第一轴承外瓦本体的第一径向支撑部上烧结的硬质合金轴承面径向配合实现不旋转外套径向支撑，隔离轴转动运动；
并且，所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体(14.3)第三径向支撑部上烧结的硬质合金轴承面与所述第二轴承外瓦本体(14.4)的第二径向支撑部上烧结的硬质合金轴承面径向配合支撑不旋转外套，增大不旋转套的径向支撑长度，实现更高的承载能力。
8.根据权利要求4所述一种双向承力泥浆轴承装置，其特征在于，所述第一轴承外瓦本体第一轴向支撑部端面上镶嵌有金刚石轴承面，在弹簧预紧条件下与所述钻头轴用端面支撑轴承本体(14.1)端面上镶嵌的金刚石轴承面配合进行第一组轴向轴承支撑面结构的轴向定位；
所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体(14.3)第三轴向支撑部上镶嵌的金刚石轴承面与所述第二轴承外瓦本体(14.4)的第二轴向支撑部上镶嵌的金刚石轴承面配合，构成第二组轴向轴承支撑面结构的轴向定位；当不旋转外套受到轴向摩擦力时，该为第二组轴向轴承支撑面结构的轴向定位为主要轴向承力面。
9.根据权利要求8所述一种双向承力泥浆轴承装置，其特征在于，所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体(14.3)第三径向支撑部上镶嵌的第一组金刚石轴承面与所述第一轴承外瓦本体(14.2)的第一径向支撑部上镶嵌的金刚石轴承面径向配合实现不旋转外套径向支撑，隔离轴转动运动；
并且，所述钻头轴用支撑轴承内瓦本体(14.3)第三径向支撑部上镶嵌的第二组金刚石轴承面与所述第二轴承外瓦本体(14.4)的第二径向支撑部上镶嵌的金刚石轴承面径向配合支撑不旋转外套，增大不旋转套的径向支撑长度，实现更高的承载能力和支撑刚度；
所述金刚石轴承面(14.10)采用金刚石复合片。
10.一种静态内推靠铰接式高造斜率旋转导向工具，其特征在于，包括旋转芯轴(7)、钻头轴(15)、连接所述旋转芯轴(7)和所述钻头轴(15)的万向节(13)、第一不旋转外套(4)和第二不旋转外套(12)；
所述旋转芯轴(7)与所述万向节(13)铰接，以将钻井用的钻压和扭矩传递给钻头，同时实现所述第一不旋转外套(4)和第二不旋转外套(12)的万向铰接；
所述第一不旋转外套(4)通过所述上泥浆轴承(6)以及所述下泥浆轴承下泥浆轴承(5)实现轴向以及径向定位，并隔离所述旋转芯轴(7)的转动运动以使所述第一不旋转外套(4)相对于大地保持准静止状态或不旋转状态；
所述第二不旋转外套(12)通过所述近钻头端泥浆轴承(14)实现轴向和径向定位，并隔离所述钻头轴(15)的转动以使所述第二不旋转外套(12)在井眼中保持不旋转的准静止状态；
其中，所述近钻头端泥浆轴承(14)采用权利要求1-9任一项所述一种双向承力泥浆轴承装置。
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