CN110300833B - 带有具有增强扭矩的推力轴承的泥浆马达 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于在井筒中使用的设备，在一个非限制性实施方案中，所述设备包括：可旋转构件、推力轴承，所述推力轴承联接到所述可旋转构件，其中所述推力轴承包括轴承堆，所述轴承堆还包括一体式内座圈构件，所述一体式内座圈构件包括围绕所述一体式内座圈构件的外表面的多个轴向间隔的内座圈。每个内座圈中放置有一组轴承元件，并且分离的外座圈固定每个内座圈中的每组轴承元件。

Description

带有具有增强扭矩的推力轴承的泥浆马达
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年1月5日提交的美国申请号15/399245的权益，所述申请以引用方式整体并入本文。
背景技术
1.技术领域
本公开整体涉及在钻井总成中用于使钻头旋转以便钻探井或井筒的泥浆马达。
2.背景技术
井或井筒被形成用于开采留存在地下地层区域中的烃类(石油和天然气)。在端部处具有钻头的钻井总成(也称作井底总成或“BHA”)用于钻探井筒。某些钻井总成(诸如用于钻探偏斜井筒的那些)利用钻井马达(通常称作“泥浆马达”)来使钻头旋转以形成这类井筒。泥浆马达包括转子，所述转子在诸如钻井液(通常称作“泥浆”)的流体在压力下穿过泥浆马达时旋转。转子连接到挠性轴，所述挠性轴又连接到驱动轴，所述驱动轴通过母扣连接件连接到钻头。驱动轴由轴向轴承(通常称作“推力轴承”)支撑。目前所使用推力轴承包括轴向邻接或叠堆以形成推力轴承的多个单独的轴承堆(往往多于10个)。每个这样的单独的轴承堆包括放置在两个座圈内部的一组滚子或滚珠。推力轴承随驱动轴一起旋转。钻井总成并且因此泥浆马达和推力轴承在非常恶劣的环境(诸如超过10,000磅/平方英寸的压力和超过200华氏度的温度)中操作。钻井总成并且因此推力轴承在钻探期间经历非常高的振动和旋转以及其他机械应力。因为用于目前所使用推力轴承中的每个滚珠组的座圈是分开的，所以通过轴承堆的扭矩传递能力由于轴承堆之间的滑移(摩擦接触)而受到限制。此外，轴承堆之间的滑移还可对推力轴承和与推力轴承相邻的零件造成磨损和损坏。
本公开提供一种包括推力装置的泥浆马达，所述推力装置解决目前所使用推力装置的上述不足之处中的一些。
发明内容
在一个方面，公开了一种用于在井筒中使用的设备，在一个非限制性实施方案中，所述设备包括：可旋转构件、推力轴承，所述推力轴承联接到所述可旋转构件，其中所述推力轴承包括轴承堆，所述轴承堆包括：一体式座圈构件，所述一体式座圈构件包括围绕所述一体式座圈构件的外表面的多个轴向间隔的内座圈；一组轴承元件，所述一组轴承元件放置在所述多个内座圈中的每个内座圈中；以及分离的外座圈，所述分离的外座圈固定每个内座圈中的每组轴承元件。在一个实施方案中，相邻外座圈之间的每个空间可由支撑构件支撑或包封，所述支撑构件由至少两个构件制成，以便实现所述轴承堆的组装和拆卸。
在另一个方面，公开了一种组装用于在井筒中使用的设备的方法，在一个非限制性实施方案中，所述方法包括：将第一组轴承元件放置在第一内座圈中，所述第一内座圈在一体式座圈构件的外表面上制成，所述一体式座圈构件具有围绕所述一体式座圈构件的外表面的至少两个内座圈；用第一外座圈构件封装其中放置有所述第一组轴承元件的所述第一内座圈；邻近所述第一外座圈构件放置第一支撑构件；将第二组轴承元件放置在与所述第一内座圈相邻的第二内座圈中；；以及用第二外座圈构件包封所述第二内座圈
在又一个方面，公开了一种钻探井筒的方法，在一个非限制性实施方案中，所述方法包括：在所述井筒中运送钻井总成，所述钻井总成包括：泥浆马达，所述泥浆马达使驱动构件旋转，所述驱动构件被配置来使所述钻井总成的端部处的钻头旋转；推力轴承，所述推力轴承联接到所述驱动构件，其中所述推力轴承堆还包括一体式座圈构件，所述一体式座圈构件包含围绕所述一体式内座圈构件的外表面的多个轴向间隔的内座圈；一组轴承元件，所述一组轴承元件放置在所述多个内座圈中的每个内座圈中；以及分离的外座圈，所述分离的外座圈固定每个内座圈中的每组所述轴承元件；以及通过由所述泥浆马达使所述钻头旋转来钻探所述井筒。
已相当广泛地概括了设备和方法的某些特征的实例，以便可更好地理解其随后的详细描述，并且可了解对本领域的贡献。当然，存在下文将描述并且将构成权利要求的主题的另外特征。
附图说明
为了详细理解本文所公开的设备和方法，应参考其附图和详细描述，其中总体上给予类似元件以相同标号，并且其中：
图1示出根据本公开的一个非限制性实施方案制成的示例性泥浆马达的一节段的剖视图，所述示例性泥浆马达包括推力轴承堆，所述推力轴承堆包含具有容纳轴承元件的多个轴向放置的内座圈的一体式构件；
图2示出根据本公开的一个非限制性实施方案的部分组装的推力轴承堆的等轴剖面图；
图3示出根据本公开的一个实施方案的联合组装的推力轴承堆的等轴视图；
图4示出图3所示的推力轴承堆的剖面图；以及
图5示出组装的图1所示的推力轴承堆。
具体实施方式
图1示出根据本公开的一个非限制性实施方案制成的钻井马达或泥浆马达100的一部分的剖面图，所述钻井马达或泥浆马达100包括示例性推力轴承(本文中也称作“推力轴承总成”)110，所述示例性推力轴承110具有轴承堆(也称作“推力轴承堆”)130。泥浆马达100形成钻井总成的下部节段，所述钻井总成连接到钻杆113以形成钻柱。泥浆马达100包括将转子112容纳在定子114内部的外壳111。转子112连接到驱动轴120(也称作“驱动接头”)。驱动轴120在其端部处具有用于容纳钻头(未示出)的母扣连接件122。转子112在诸如钻井液(也称作“泥浆”)的流体115在压力下穿过泥浆马达100时在定子114内部旋转。流体115穿过驱动轴120中的通道或孔124并在钻头的底部处排出。如本领域中已知的，井筒是通过由泥浆马达使钻头旋转和/或通过使钻井总成旋转来形成或钻探的。驱动轴120由包括轴承堆130的推力轴承110支撑。轴承堆130在外壳111内部连接到驱动轴120外侧。稳定器140被示出为围绕外壳110设置。在一个非限制性实施方案中，轴承堆130包括一体式座圈构件134，所述一体式座圈构件134具有围绕一体式座圈构件134的外表面134a设置的多个轴向间隔的内座圈或凹槽133a-333n。每个内座圈中放置有诸如滚珠的一组轴承元件。在图1中，滚珠组130a-130n被示出为放置在相应内座圈132a-132n中，如参考图2至图5更详细描述的。包含一组滚珠的每个内座圈由外座圈包封或固定。在图1中，外座圈136a-136n被示出为分别放置在内座圈132a-132n之上。钻井总成和泥浆马达在钻井工业中是众所周知的，因此本文不再对其进行更详细的描述。虽然本文在钻井设备的背景下描述推力轴承110，但是这种推力轴承可以本文所示和所述的形式或以其明显变型在任何其他设备的可旋转构件周围使用，以将扭矩从这类构件传递到另一个装置或工具。
图2示出根据本公开的一个非限制性实施方案制成的部分组装的推力轴承堆200的等轴视图，其具有一体式主体或座圈构件或外壳210的暴露视图。在一个实施方案中，一体式内座圈构件210是由诸如钢的合适的材料制成的实心圆柱形构件。在一个方面，一体式内座圈构件210包括围绕一体式内座圈构件210的外表面215形成的多个凹槽或座圈212a、212b至212n(本文中也称作“内座圈”)。在一个实施方案中，内座圈212a-212n轴向间隔开，由相邻座圈之间的相等空间分离。例如，在图2中，空间214a分离内座圈212a与212b，空间214b分离内座圈212b与212c，并且空间214n-1分离内座圈212n-1与212n。每个内座圈包括围绕这个内座圈的一组滚珠(轴承元件)。图2示出放置在内座圈212a中的一组滚珠220a。其中带有一组滚珠的每个内座圈由对应外座圈构件包封，所述对应外座圈构件沿其内表面具有座圈以固定其中的一组滚珠，如参考图3所详述。在图2中，由两个半壳体234a和234b组成的外座圈224a被示出为将要放置在其中具有滚珠220a的内座圈212a之上。包封在内座圈与外座圈之间的每组滚珠形成推力轴承堆200的单独堆，其中这些单独堆或构件轴向间隔以形成轴承堆200。
图3示出根据一个非限制性实施方案制成的组装的推力轴承堆300的等轴剖面图，所述推力轴承堆300用于在诸如图1所示的泥浆马达100的设备中使用。推力轴承堆300被示出为包括一体式内座圈构件210，所述一体式内座圈构件210在其外侧215上具有多个轴向间隔的凹槽或内座圈212a-212n。内座圈212a-212n中的每一个包含一组滚珠。在图3中，一组滚珠220a围绕座圈212a放置在其内部，一组滚珠220b围绕内座圈212b放置在其内部，并且一组滚珠220n围绕内座圈212n放置在其内部。其中分别安装有其对应组滚珠220a-220n的一体式内座圈构件210中的内座圈212a-212n中的每一个由分离的外座圈构件包封，所述外座圈构件沿着这种外座圈构件的内表面具有内凹槽(本文中称作外座圈)，所述内凹槽被配置来包封其对应内座圈中的滚珠组。在图3中，具有外座圈232a的外座圈构件224a包封内座圈212a中的滚珠220a，具有外座圈232b的外座圈构件224b包封其中具有滚珠220b的内座圈212b，并且带有外座圈232n的外座圈构件224n包封其中带有滚珠220n的内座圈212n。外座圈构件224a-224n中的每一个可通过径向放置多个圆形节段或片段(诸如两个或多个圆形片段)来制成，以便于在组装推力轴承堆300期间放置和包封滚珠。相邻外座圈构件之间的每个空间中设置有支撑构件或空间。参考图2和图3，支撑构件244a被示出为围绕相邻外座圈构件224a与224ba之间的空间214a放置，支撑构件244b被示出为围绕外座圈构件224b与224c之间的空间214b放置，并且支撑构件244n-1被示出为放置在外座圈构件2240n-1与224n之间。一体式内座圈构件210包括直通通道250。推力轴承堆300围绕泥浆马达110(图1)的驱动器120的外侧设置，其中一体式内座圈构件210附接到驱动器120，使得当驱动器120旋转时，一体式内座圈构件210连同内座圈212a-212n一起旋转。
现在参考图2和图3，外座圈构件224a-224n可由两个或更多个零件制成，以便于在推力轴承堆300的组装期间将滚珠放置或包封在内座圈中。支撑构件244a-244n-1也可包括两个或更多个构件，以便于将这类构件组装在推力轴承堆300上。在一个实施方案中，支撑构件可呈两个半壳体的形式，类似于图2中的外座圈的元件234a和234b。另选地，所有或一些外座圈可形成在一体式构件(诸如一体式壳体)内侧，其中分离的外座圈对应于内座圈212a-212n中的每一个。这种外壳体可由两个或更多个构件或零件(诸如半壳体、四分之一壳体等)组成，其中一同放置在一体式内座圈构件之上的所有这类壳体包封所有组轴承元件。这种结构将不需要支撑构件，因为外座圈之间的间隔将实现与单独的支撑构件相同的功能。
图4是在组装和拆卸推力轴承堆300期间图3所示的推力轴承堆300的局部剖面图400。组装推力轴承堆300的方法可包括：将第一组滚珠220a放置在第一内座圈212a中，所述第一内座圈212a在一体式内座圈构件210的外表面215上制成，所述一体式内座圈构件210具有围绕其外表面215的选定数量的内座圈212a-212n；用第一外座圈224a包封或固定放置在第一内座圈212a中的第一组滚珠220a；邻近第一外座圈构件224a放置第一支撑构件244a；将第二组滚珠220b放置在第二内座圈212b中并用第二外座圈224b包封其中放置有第二组滚珠220的第二内座圈212b；以及邻近第二外座圈构件224b放置第二支撑构件244b。继续所述过程，直到所有内座圈都已经填充有其相应滚珠组并由其相应外座圈构件连同放置在相邻外座圈构件之间的空间中的支撑构件固定。为了拆卸推力轴承400，则反过来利用上述过程。支撑构件通过在拆卸过程中允许触及滚珠组而使得能够拆卸推力轴承。
图5示出完全组装的图3所示的推力轴承堆300的等轴视图。推力轴承300被示出为包括具有直通内孔250的一体式内座圈构件210。外座圈224a-224n分别将滚珠组220a-220n包封在其相应内座圈212a-212n(在图5中已隐藏)中。支撑构件244a-244n-1被示出为放置在相邻外座圈224a-224n之间的空间214a-214n-1中。根据本公开实施方案制成的具有轴承堆的本文所公开的推力轴承与目前所使用推力轴承相比可以提供更高的扭矩传递能力，并减少钻井期间的故障，诸如包括推力轴承的驱动接头的开裂以及由推力轴承座圈之间的扭转运动导致的驱动接头外径的断裂。
前述公开内容涉及带有推力轴承的钻井马达的某些示例性非限制性实施方案。各种修改对本领域技术人员来说将是明显的。前述公开内容意图涵盖所附权利要求范围内的所有这类修改。权利要求中所使用的词语“包括(comprising)”和“包括(comprises)”应当解释为意指“包括但不限于”。另外，摘要不应当用于限制权利要求的范围。

Claims (13)

1.一种钻井马达，其包括：
构造成使钻头旋转的驱动轴；
推力轴承，所述推力轴承联接到所述驱动轴，其中所述推力轴承包括：
一体式内座圈构件，所述一体式内座圈构件包括围绕所述一体式内座圈构件的外表面的轴向间隔的多个内座圈；
一组轴承元件，所述一组轴承元件放置在所述多个内座圈中的每个内座圈中；以及
多个外座圈构件；
其中，每个外座圈构件包封对应的内座圈，并且每个外座圈构件将所述一组轴承元件固定在所述多个内座圈中的一个内座圈中；
其中，每个外座圈构件由两个外座圈零件制成；并且
其中，两个外座圈构件之间存在空间，并且其中，分离的支撑构件放置在所述空间中。
2.如权利要求1所述的钻井马达，其中所述一体式内座圈构件为实心构件。
3.如权利要求1所述的钻井马达，其中每个支撑构件包括至少两个构件，所述至少两个构件中的每个构件放置在所述外座圈构件之间的所述空间中。
4.如权利要求3所述的钻井马达，其中所述至少两个构件为半壳体，所述半壳体与其相应的外座圈构件接触。
5.如权利要求1所述的钻井马达，其中所述一体式内座圈构件随所述驱动轴一起旋转。
6.一种钻柱，所述钻柱包括：
钻井总成，所述钻井总成包括：
钻井马达；
驱动轴，所述驱动轴由所述钻井马达旋转以使所述钻井总成的端部处的钻头旋转；和
连接至所述驱动轴的推力轴承，其中，所述推力轴承包括：
一体式内座圈构件，所述一体式内座圈构件包括围绕所述一体式内座圈构件的外表面的轴向间隔的多个内座圈；
一组轴承元件，所述一组轴承元件放置在所述多个内座圈中的每个内座圈中；以及
多个外座圈构件；
其中，每个外座圈构件包封对应的内座圈，并且每个外座圈构件将所述一组轴承元件固定在所述多个内座圈中的一个内座圈中；
其中，每个外座圈构件由两个外座圈零件制成；并且
其中，两个外座圈构件之间存在空间，并且其中，分离的支撑构件放置在所述空间中。
7.如权利要求6所述的钻柱，其中所述一体式内座圈构件为实心构件。
8.如权利要求7所述的钻柱，其中所述支撑构件包括放置在所述外座圈构件之间的所述空间中的至少两个构件。
9.如权利要求8所述的钻柱，其中所述至少两个构件为半壳体，所述半壳体与所述两个外座圈构件接触。
10.一种组装用于在井筒中使用的设备的方法，所述方法包括：
提供一体式内座圈构件，所述一体式内座圈构件具有围绕其外表面的多个内座圈；
将第一组滚珠放置在所述多个内座圈中的第一内座圈中；
用第一外座圈构件包封其中放置有所述第一组滚珠的所述第一内座圈，以固定所述第一内座圈中的所述第一组滚珠，所述第一外座圈构件由至少两个外座圈零件制成；
邻近所述第一外座圈构件放置支撑构件；
将第二组滚珠放置在所述多个内座圈中的第二内座圈中；
用第二外座圈构件包封其中放置有所述第二组滚珠的所述第二内座圈，以固定所述第二内座圈中的所述第二组滚珠，所述第二外座圈构件由至少两个外座圈零件制成，其中，所述支撑构件邻近所述第二外座圈构件。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述一体式内座圈构件为实心构件。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述支撑构件包括两个半壳体。
13.一种钻探井筒的方法，其包括：
在所述井筒中运送钻井总成，所述钻井总成包括：钻井马达，所述钻井马达使驱动轴旋转，所述驱动轴又使所述钻井总成的端部处的钻头旋转；推力轴承，所述推力轴承联接到所述驱动轴，其中所述推力轴承包括：一体式内座圈构件，所述一体式内座圈构件包含围绕所述一体式内座圈构件的外表面的轴向间隔的多个内座圈；一组轴承元件，所述一组轴承元件放置在所述多个内座圈中的每个内座圈中；以及多个外座圈构件，其中，每个外座圈构件包封对应的内座圈，并且每个外座圈构件将所述一组轴承元件固定在所述多个内座圈中的一个内座圈中；其中，每个外座圈构件由两个外座圈零件制成；并且其中，两个外座圈构件之间存在空间，并且其中，分离的支撑构件放置在所述空间中；以及
通过所述钻井马达使所述钻头旋转来钻探所述井筒。
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