CN1292142C

CN1292142C - 具有金刚石止推轴承的涡轮钻具中间支承节

Info

Publication number: CN1292142C
Application number: CN 02149093
Authority: CN
Inventors: 谭春飞; 蔡镜仑
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2022-11-22
Also published as: CN1502780A

Abstract

一种具有金刚石止推轴承的涡轮钻具中间支承节，它至少包括上半联轴器、上短接头、壳体、上TC轴承(径向硬质合金滑动轴承)、金刚石止推轴承组、下TC轴承、轴和下半联轴器等组件。本发明涡轮钻具中间支承节工作时通过TC轴承和金刚石止推轴承组摩擦面间隙的钻井液流量适当，保证TC轴承、金刚石止推轴承在充分冷却润滑条件下有足够长的工作寿命；本发明还具有工作可靠，震动小，更换易损件方便等特点。

Description

具有金刚石止推轴承的涡轮钻具中间支承节

技术领域

本发明涉及一种石油、矿山、煤田、气田等领域用涡轮钻具中间支承节，尤其是一种适应较高转速且工作寿命较长的具有金刚石止推轴承的涡轮钻具中间支承节，属于机械制造技术领域。

背景技术

由于使用条件的限制，石油、矿山、煤田、气田等领域用的涡轮钻具都被迫做成管状，而且直径有限。在有限的空间内设计出强度、性能、工作寿命、检修都能满足二十一世纪要求的涡轮钻具困难很大。同时，涡轮钻具按照按结构形式，可分为普通涡轮钻具(单节)、复式涡轮钻具(两节或三节)和减速器涡轮钻具(单节或两节)。通常情况下，每节涡轮钻具的涡轮定子、转子、扶正轴承与止推轴承全部装在同一壳体内的同一轴上。涡轮钻具整机的使用寿命为800～1000小时，但需检修5～15次。涡轮钻具检修的主要任务是更换涡轮钻具易损件止推轴承。目前，检修涡轮钻具易损件止推轴承时必须将涡轮定子、转子、扶正轴承与止推轴承全部从同一轴上拆下，然后用新的止推轴承更换掉旧的已磨损或损坏的止推轴承。由于每节涡轮钻具至少具有60级以上涡轮定子和转子，检修时要将所有的涡轮定子和转子先拆下，然后再装上，这样既费时又费力。

提高涡轮钻具整机工作寿命的关键在于如何提高涡轮钻具易损件止推轴承的工作寿命。现有结构涡轮钻具承担轴向载荷的易损件为金属橡胶止推轴承组，在钻井液(泥浆)冷却润滑条件下工作，钻井液中的高硬度固相颗粒(如石英砂)成为磨粒介质，造成止推轴承组在钻井液磨粒磨损条件下过快磨损，止推轴承组的工作寿命达不到工业发展的需要，一般只有50～100小时。有效地提高易损件止推轴承的工作寿命，成为急待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之不足而提供一种具有金刚石止推轴承的涡轮钻具中间支承节，使检修涡轮钻具易损件止推轴承时不必再将涡轮定子、转子、扶正轴承与止推轴承全部从同一轴上拆下，然后用新的止推轴承更换掉旧的已磨损或损坏的止推轴承。只需将中间支承节拆下，并更换止推轴承，使涡轮钻具零部件的安装与维修更加方便、快捷。

本发明的另一个目的在于针对现有技术之不足，提供一种具有金刚石止推轴承的涡轮钻具中间支承节，金刚石以其高硬度和耐磨性能，大大延长了涡轮钻具易损件止推轴承的使用寿命。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种具有金刚石止推轴承的涡轮钻具中间支承节，它包括轴、上TC轴承、止推轴承组、下TC轴承和外壳，其中，上TC轴承、止推轴承组、下TC轴承在轴上顺次设置，外部设有外壳，该支承节还包括上半联轴器和下半联轴器，上、下半联轴器分别设置在轴的上下两端。

支承节的外壳包括上短接头和壳体两部分，上短接头下端与壳体上端之间通过锥螺纹连接。上短接头的一端为母扣，另一端为公扣。在此值得说明的是，为了加工工艺性好和降低生产成本，支承节的外壳也可以设计成由上短接头、壳体和下短接头三部分组成，此时支承节的壳体变成两端为母扣的薄壁套筒式壳体，下短接头为两端为公扣的短接头。

止推轴承组为金刚石止推轴承组，该轴承组中的金刚石止推轴承包括动环、浮动静环、扶正环和支撑环，在止推轴承动环和浮动静环轴向的摩擦端面上镶嵌有金刚石，其形状为圆柱型、三角形、菱形或矩形，其端面高出基体0.1-3.0mm。浮动静环在扶正环内可以沿轴向移动，浮动静环与支撑环之间还设有起减震预压紧作用的弹簧。金刚石止推轴承组为两级以上，其轴向游隙为0.1～2.5mm。

支承节的上半联轴器为花键公锥式半联轴器或花键母锥式半联轴器，下半联轴器为牙嵌式半联轴器或方轴式半联轴器或方孔式半联轴器。上、下半联轴器锥螺纹小端底部设有一个用于测量、观察或通气的直径为Φ8～Φ20mm的通孔。上、下半联轴器通过锥螺纹与轴相连接。

支承节中的止推轴承组可采用金刚石止推轴承组或金属橡胶止推轴承与金刚石止推轴承混合止推轴承组。

综上所述，本发明的优点在于：

1、本发明采用圆柱型、三角形、菱形或矩形金刚石为止推轴承摩擦面材质，且采用多级止推轴承结构，使中间支承节受到的轴向载荷均布到各级止推轴承上，每级止推轴承承担的载荷小。由于金刚石是目前世界上已发现的最硬的物料，其莫氏硬度为10；金刚石的抗压性能也最强，抗压强度为88000bar，抗磨损能力为钢的9000倍。采用金刚石为止推轴承摩擦表面材质，能保证新型涡轮钻具中间支承节具有较长工作寿命。

2、此外，镶嵌在基体上的圆柱型、三角形、菱形或矩形金刚石端面高出基体0.1～3.0mm，以保证金刚石在工作时能及时得到钻井工作液的润滑和冷却，散热及时，防止金刚石过热磨损。

3、本发明涡轮钻具中间支承节，将涡轮钻具中承担水力载荷和轴上零件自重的易损件止推轴承从每节涡轮钻具(涡轮节)中分离出来，成为一个独立的寿命较长的中间支承节，在涡轮钻具常规检修时只需要检修中间支承节就可以了，使涡轮钻具整机的安装、维修更加方便和快捷。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明采用金属橡胶止推轴承与金刚石止推轴承混合推力轴承组的涡轮钻具中间支承节结构示意图；

图3为本发明花键公锥式上半联轴器结构示意图；

图4为本发明牙嵌式下半联轴器结构示意图；

图5为本发明方轴式下半联轴器结构示意图；

图6为本发明方孔式下半联轴器结构示意图；

图7为本发明金刚石止推轴承组结构示意图；

图8为本发明橡胶弹簧结构示意图；

图9为本发明组合碟形弹簧结构示意图；

图10为本发明金刚石止推轴承动环结构示意图；

图11为本发明金刚石止推轴承浮动静环结构示意图；

图12为本发明金属橡胶止推轴承与金刚石止推轴承混合推力轴承组结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步地详细说明。

实施例1：

如图1，本发明为一种具有金刚石止推轴承组的涡轮钻具中间支承节(参见图7)。它主要由上半联轴器1、上短接头2、壳体3、上TC轴承动环4、上TC轴承静环5、金刚石止推轴承组、下TC轴承动环7、下TC轴承静环8、轴9和下半联轴器10等组件组成。其中，下TC轴承动环7、金刚石止推轴承组动环6a(其结构如图10所示)、上TC轴承动环4等依次装在轴9上，由上半联轴器1压紧在轴9上，下半联轴器10装在轴9下部。以上零部件构成涡轮钻具中间支承节的转动部分。下TC轴承静环8、金刚石止推轴承组支撑环6e、金刚石止推轴承组扶正环6b、上TC轴承静环5等依次装在壳体3内，由上短接头2压紧在壳体3内。金刚石止推轴承组浮动静环6c(其结构如图11所示)与支撑环6e之间设置有起减震预压紧作用的弹簧6d。以上零部件构成涡轮钻具中间支承节的静止部分。

轴上端的上半联轴器为花键公锥式半联轴器，轴下端的下半联轴器为牙嵌式半联轴器。其形状结构如图3和图4所示。

实施例2：

如图2，本发明为一种具有金属橡胶止推轴承与金刚石止推轴承混合推力轴承组的涡轮钻具中间支承节(参见图12)。它主要由上半联轴器1、上短接头2、壳体3、上TC轴承动环4、上TC轴承静环5、金属橡胶止推轴承与金刚石止推轴承混合推力轴承组、下TC轴承动环7、下TC轴承静环8、轴9和下半联轴器10等组件组成。其中，下TC轴承动环7、金刚石止推轴承组动环6a、金属橡胶止推轴承动环6f、上TC轴承动环4等依次装在轴9上，由上半联轴器1压紧在轴9上，下半联轴器10装在轴9下部。以上零部件构成涡轮钻具中间支承节的转动部分。下TC轴承静环8、金刚石止推轴承组支撑环6e、金刚石止推轴承组扶正环6b、金属橡胶止推轴承动环6g、上TC轴承静环5等依次装在壳体3内，由上短接头2压紧在壳体3内。金刚石止推轴承组浮动静环6c与支撑环6e之间设置有减震预压紧作用的弹簧6d。以上零部件构成涡轮钻具中间支承节的静止部分。此实施例与实施例1不同的是：涡轮钻具工作时产生的水力载荷及涡轮钻具轴上零部件自重由金属橡胶止推轴承与金刚石止推轴承混合推力轴承组共同承担。设计时可以使金属橡胶止推轴承组首先工作，金刚石止推轴承组磨合，等金属橡胶止推轴承组磨损0.2～2.0mm后金刚石止推轴承组才正式工作。

如图1和图2所示，图中箭头所示为钻井工作液流动方向和路径。

如上所述，本发明采用圆柱型、三角形、菱形或矩形金刚石为止推轴承摩擦面材质，且采用多级止推轴承结构，使中间支承节受到的轴向载荷均布到各级止推轴承上，每级止推轴承承担的载荷小。由于金刚石是目前世界上已发现的最硬的物料，其莫氏硬度为10；金刚石的抗压性能也最强，抗压强度为88000bar，抗磨损能力为钢的9000倍。采用金刚石为止推轴承摩擦表面的材质，保证新型涡轮钻具中间支承节具有较长工作寿命。

此外，镶嵌在基体上的圆柱型、三角形、菱形或矩形金刚石端面高出基体0.1～3.0mm，以保证金刚石在工作时能及时得到钻井工作液的润滑冷却，散热及时，防止金刚石过热磨损。

另外，金刚石止推轴承组主要承载涡轮钻具工作时产生的水力载荷(30～100KN)及涡轮钻具轴上零部件自重(2～12KN)。金刚石止推轴承组总级数为两级以上。金刚石止推轴承浮动静环上无金刚石的一端面与支撑环之间设置有橡胶弹簧或组合蝶形弹簧。由于涡轮钻具在井下工作时其传动轴和中间支承节在钻头与地层相互作用下不可避免地经常受到冲击动载作用，普通无减震装置的涡轮钻具传动轴和中间支承节易损件会发生过早冲击疲劳损坏，致使涡轮钻具整机寿命大大缩短。金刚石止推轴承浮动静环与支撑环之间设置的弹簧可以使金刚石止推轴承组承受来自钻头的动载降低，有效保护金刚石免遭异常冲击损坏。弹簧的另外一个主要作用是协调金刚石止推轴承组中各级止推轴承轴向尺寸加工和装配误差，保证金刚石止推轴承组中各级止推轴承两个金刚石端面同时工作。弹簧可以为橡胶弹簧或者是组合蝶形弹簧，其结构形状如图8和图9所示。

涡轮钻具中间支承节中起扶正作用的TC轴承的径向间隙为0.1～0.8mm，上TC轴承工作面长度为50～150mm，下TC轴承工作面长度为75～200mm，这样就可以保证中间支承节中的金刚石止推轴承只承受轴向载荷。TC轴承动环外圆表面和静环内圆表面镶嵌有耐磨硬质合金，硬质合金的硬度高，耐磨性好，能在恶劣工况条件下良好工作，寿命较长。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1、一种具有金刚石止推轴承的涡轮钻具中间支承节，它包括轴、上TC轴承、止推轴承组、下TC轴承和外壳，其中，上TC轴承、止推轴承组、下TC轴承在轴上顺次设置，外部设有外壳，其特征在于：它还包括上半联轴器和下半联轴器，上、下半联轴器分别设置在轴的上下两端。

2、根据权利要求1所述的具有金刚石止推轴承的涡轮钻具中间支承节，其特征在于：所述的外壳包括上短接头和壳体两部分，上短接头下端与壳体上端之间通过锥螺纹连接。

3、根据权利要求1所述的具有金刚石止推轴承的涡轮钻具中间支承节，其特征在于：所述的止推轴承组为金刚石止推轴承组，该轴承组中的金刚石止推轴承包括动环、浮动静环、扶正环和支撑环，在止推轴承动环和浮动静环轴向的摩擦端面上镶嵌有金刚石，其形状为圆柱型、三角形、菱形或矩形，其端面高出基体0.1-3.0mm。

4、根据权利要求3所述的具有金刚石止推轴承的涡轮钻具中间支承节，其特征在于：所述的金刚石止推轴承的浮动静环在扶正环内可以沿轴向移动。

5、根据权利要求3所述的具有金刚石止推轴承的涡轮钻具中间支承节，其特征在于：所述的浮动静环与支撑环之间设置有起减震预压紧作用的弹簧。

6、根据权利要求3所述的具有金刚石止推轴承的涡轮钻具中间支承节，其特征在于：所述的金刚石止推轴承组为两级以上，其轴向游隙为0.1～2.5mm。

7、根据权利要求1所述的具有金刚石止推轴承的涡轮钻具中间支承节，其特征在于：所述的上半联轴器为花键公锥式半联轴器或花键母锥式半联轴器，下半联轴器为牙嵌式半联轴器或方轴式半联轴器或方孔式半联轴器。

8、根据权利要求7所述的具有金刚石止推轴承的涡轮钻具中间支承节，其特征在于：所述的上、下半联轴器锥螺纹小端底部设有一个用于测量、观察或通气的直径为Φ8～Φ20mm的通孔。

9、根据权利要求1或7或8所述的具有金刚石止推轴承的涡轮钻具中间支承节，其特征在于：上、下半联轴器通过锥螺纹与轴相连接。

10、根据权利要求1所述的具有金刚石止推轴承的涡轮钻具中间支承节，其特征在于：所述的止推轴承组为金刚石止推轴承组或金属橡胶止推轴承与金刚石止推轴承混合止推轴承组。