一种自动调节涡轮钻具轴向载荷的止推轴承组

摘要

本发明涉及一种自动调节涡轮钻具轴向载荷的止推轴承组，它由上部轴承组和下部轴承组构成，上部轴承组安装于涡轮轴的顶端，下部轴承组安装于涡轮轴的底端。所述上部轴承组由3～5副上部轴承构成，上部轴承由上部轴承动环和上部轴承静环构成；所述下部轴承组由3～5副下部轴承构成，下部轴承由下部轴承动环和下部轴承静环构成；轴头锁紧螺母、输出接头与涡轮轴采用螺纹连接，将上部轴承动环和下部轴承动环压紧在涡轮轴上，上部轴承动环和下部轴承动环随涡轮轴同步转动。本发明根据涡轮钻具的轴向载荷的大小和方向，自动调节导流孔开启的大小，使得涡轮节产生的水力负荷与钻压处于动态平衡，轴承不再承受冲击载荷，提高涡轮钻具的寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及一种自动调节涡轮钻具轴向载荷的止推轴承组，属于石油天然气井下动力钻 具领域。

背景技术

涡轮钻具在超深井钻井和防斜打快方面具有良好的发展潜力，能显著提高机械钻速、降 低钻井成本。随着钻井技术的发展，涡轮钻具的需求日益增加，但涡轮钻具使用寿命不稳定， 限制了涡轮钻具的应用和推广。涡轮钻具的使用寿命取决于止推轴承组的寿命，止推轴承组 在高温、高速、重载的工况下工作，止推轴承组寿命短，容易失效。止推轴承组失效后需要 起钻更换轴承，耗时费力，增加成本。现有的止推轴承组只能被动的承受向下的水力负荷和 向上的钻压，无法主动的平衡和调节涡轮钻具的轴向载荷，导致止推轴承组承载能力差、寿 命短。因此，改进止推轴承组的结构，改善止推轴承组的承载性能，降低止推轴承组的冲击 载荷，增长止推轴承组的寿命，是提高涡轮钻具寿命的关键。

发明内容

本发明是为了克服现有技术的不足，提供一种自动调节涡轮钻具轴向载荷的止推轴承组， 实现对涡轮钻具轴向载荷的自动调节，使得涡轮钻具的水力负荷与钻压处于动态平衡，止推 轴承组不再承受冲击载荷，提高涡轮钻具使用寿命。

本发明的技术方案是：

本发明一种自动调节涡轮钻具轴向载荷的止推轴承组，由上部轴承组和下部轴承组构成， 上部轴承组安装于涡轮轴的顶端，下部轴承组安装于涡轮轴的底端。所述上部轴承组由3～5 副上部轴承构成，上部轴承由上部轴承动环和上部轴承静环构成；所述下部轴承组由3～5副 下部轴承构成，下部轴承由下部轴承动环和下部轴承静环构成；轴头锁紧螺母、输出接头与 涡轮轴采用螺纹连接，将上部轴承动环和下部轴承动环压紧在涡轮轴上，上部轴承动环和下 部轴承动环随涡轮轴同步转动。上部接头和下部接头与壳体采用螺纹连接，将上部轴承静环 压紧在泄压套筒内，同时将下部轴承静环压紧在壳体内，上部轴承静环、下部轴承静环、泄 压套筒与壳体保持静止不转动；所述上部接头与钻柱相连接，输出接头与钻头相连接。

所述上部轴承组和下部轴承组仅承受单向载荷，且两者不同时工作。上部轴承组依靠上 部轴承动环与上部轴承静环的圆形金刚石耐磨片来承受向下的水力负荷，下部轴承组依靠下 部轴承动环与下部轴承静环圆形金刚石耐磨片来承受向上的钻压。止推轴承组根据涡轮轴向 载荷的大小和方向，自动调整上部轴承静环和下部轴承动环的导流孔的开启大小，改变涡轮 轴的水力负荷的大小，使得涡轮轴所受的水力负荷与钻压处于动态平衡，实现涡轮钻具轴向 载荷的自动调整，减小止推轴承组的载荷大小和冲击，增长止推轴承组的使用寿命。

所述上部轴承动环的摩擦面均匀镶嵌圆形金刚石耐磨片。所述上部轴承静环由静环座、 蝶形弹簧、静环滑动体、定位销钉、O形密封圈组成。所述静环座沿周向均匀分布4个导流 孔和4个定位销孔，内部底面均匀分布4个蝶形弹簧安装孔。所述静环滑动体下表面均匀分 布4个蝶形弹簧安装孔，上表面为摩擦面均匀镶嵌圆形金刚石耐磨片，静环滑动体外径上设 有O形密封圈环槽并均布4个限位槽。所述O形密封圈安装在静环滑动体的O形密封圈环 槽内，用于密封静环座与静环滑动体，防止钻井液颗粒进入滑动副表面，避免静环滑动体在 静环座内无法移动。所述蝶形弹簧为对合组合，安装于静环座和静环滑动体的蝶形弹簧安装 孔内。所述定位销钉安装于定位销钉孔和限位槽中。依靠蝶形弹簧的弹簧力和定位销钉的限 位，将静环座、蝶形弹簧与静环滑动体固定为一体，组成上部轴承静环。蝶形弹簧的压缩变 形可允许静环滑动体可在静环座内沿轴向移动，静环滑动体的移动可实现导流孔的开启与关 闭。

所述下部轴承静环的摩擦面均匀镶嵌圆形金刚石耐磨片。所述下部轴承组动环由动环座、 蝶形弹簧、动环滑动体、定位销钉、O形密封圈组成。所述动环座沿周向均布4个导流孔和 4个定位销钉孔，内部底面均匀分布4个蝶形弹簧安装孔。所述动环滑动体下表面均布设有4 个蝶形弹簧安装孔，上表面为摩擦面均匀镶嵌圆形金刚石耐磨片，动环滑动体的外径和内径 上均设有O形密封圈环槽，动环滑动体外径上均布4个限位槽。所述O形密封圈安装在动环 滑动体的O形密封环槽内，用于密封动环座与动环滑动体，防止钻井液颗粒进入滑动副表面， 避免动环滑动体在的动环座内无法移动。所述蝶形弹簧为对合组合，安装于动环座和动环滑 动体的蝶形弹簧安装孔内。所述定位销钉安装于定位销钉孔和限位槽中。依靠蝶形弹簧的弹 簧力和定位销钉的限位，将动环座、蝶形弹簧与动环滑动体固定为一体，组成下部轴承动环。 蝶形弹簧的压缩变形可允许动环滑动体在动环座内沿轴向移动，动环滑动体的移动可实现导 流孔的开启与关闭。

所述泄压套筒的上部圆盘和下部圆环沿周向均匀设有4个钻井液流道，在上部圆盘径向 上设有泄压流道。泄压套筒上均布12～20个导流孔。所述泄压套筒的导流孔与上部轴承静环 的导流孔相通，泄压套筒的导流孔直径比上部轴承静环的导流孔直径大4～6毫米，避免导流 孔因涡轮钻具的轴向压紧而错位。所述上部圆盘内表面镶嵌环形金刚石耐磨片。所述钻井液 流道用于引导钻井液进入涡轮定子和涡轮转子。

所述壳体上设有2个泄压孔，壳体的泄压孔与泄压套筒的泄压流道相通，壳体泄压孔直 径比泄压套筒泄压流道直径大4～6毫米，避免泄压孔和泄压流道因涡轮钻具的轴向压紧而错 位。所述泄压孔便于钻井液向钻井环空排放。

所述涡轮轴沿周向均匀分布12～20个导流孔，涡轮轴与下部轴承动环的导流孔相通，涡 轮轴的导流孔直径比下部轴承动环的导流孔直径大4～6毫米，避免导流孔因涡轮钻具的轴向 压紧而错位。

所述涡轮轴顶端镶嵌环形金刚石耐磨片。涡轮轴顶端与上部圆盘内表面的环形金刚石耐 磨片承载后，能避免下部轴承组过载，防止下部轴承动环的蝶形弹簧压平失效。所述过载保 护动环和过载保护静环，摩擦表面均镶嵌环形金刚石耐磨片。过载保护动环和过载保护静环 的环形金刚石耐磨片承载后，能避免上部轴承组的过载，防止上部轴承静环的蝶形弹簧压平 失效。

本发明与现有技术相比，1.随着钻井工况的变化，止推轴承组根据涡轮钻具的轴向载荷 的大小和方向，自动调节导流孔开启的大小，使得涡轮节产生的水力负荷与钻压处于动态平 衡，轴承不再承受冲击载荷，提高涡轮钻具的寿命。2.止推轴承组采用上部轴承组和下部轴 承组的安装方式，止推轴承组的拆卸、维修安装方便。

附图说明

图1为本发明一种自动调节涡轮钻具轴向载荷的止推轴承组在涡轮钻具中的示意图；

图2为本发明上部轴承的三维实体剖视图；

图3为本发明下部轴承的三维实体剖视图；

图4为本发明上部轴承的三维实体装配剖视图；

图5为本发明下部轴承的三维实体装配剖视图；

图6为本发明泄压套筒的三维实体剖视图；

图7本发明安装于涡轮钻具中，钻压小于水力负荷时的结构示意图；

图8本发明安装于涡轮钻具中，钻压大于水力负荷时的结构示意图。

图中：1.上部轴承组，2.下部轴承组，3.涡轮轴，4.上部轴承，5.下部轴承，6.上部轴承动 环，7.上部轴承静环，8.下部轴承动环，9.下部轴承静环，10.轴头锁紧螺母，11.输出接头， 12.上部接头，13.下部接头，14.壳体，15.泄压套筒，16.圆形金刚石耐磨片，17.静环座，18. 蝶形弹簧，19.静环滑动体，20.定位销钉，21.O形密封圈，22.导流孔，23.定位销孔，24.蝶形 弹簧安装孔，25.蝶形弹簧安装孔，26.圆形金刚石耐磨片，27.O形密封圈环槽，28.限位槽， 29.动环座，30.蝶形弹簧，31.动环滑动体，32.定位销钉，33.O形密封圈，34.O形密封圈，35. 导流孔，36.定位销钉孔，37.蝶形弹簧安装孔，38.蝶形弹簧安装孔，39.圆形金刚石耐磨片， 40.O形密封圈环槽，41.限位槽，42.O形密封圈环槽，43.圆形金刚石耐磨片，44.上部圆盘， 45.下部圆环，46.钻井液流道，47.泄压流道，48.导流孔，49.环形金刚石耐磨片，50.涡轮定子， 51.涡轮转子，52.泄压孔，53.导流孔，54.环形金刚石耐磨片，55.过载保护动环，56.过载保护 静环，57.环形金刚石耐磨片，58.环形金刚石耐磨片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，本发明一种自动调节涡轮钻具轴向载荷的 止推轴承组，由上部轴承组1和下部轴承组2构成，上部轴承组1安装于涡轮轴3的顶端， 下部轴承组2安装于涡轮轴3的底端。所述上部轴承组1由3～5副上部轴承4构成，上部轴 承4由上部轴承动环6和上部轴承静环7构成；所述下部轴承组2由3～5副下部轴承5构成， 下部轴承5由下部轴承动环8和下部轴承静环9构成；轴头锁紧螺母10、输出接头11与涡 轮轴3采用螺纹连接，将上部轴承动环6和下部轴承动环8压紧在涡轮轴3上，上部轴承动 环6和下部轴承动8环随涡轮轴3同步转动。上部接头12和下部接头13与壳体14采用螺纹 连接，将上部轴承静环7压紧在泄压套筒15内，同时将下部轴承静环9压紧在壳体14内， 上部轴承静环7、下部轴承静环9、泄压套筒15与壳体14保持静止不转动。所述上部接头 12与钻柱相连接，输出接头11与钻头相连接。

如图1、图2和图3所示，所述上部轴承组1和下部轴承组2仅承受单向载荷，且两者 不同时工作。上部轴承组1依靠上部轴承动环6的圆形金刚石耐磨片16与上部轴承静环7的 圆形金刚石耐磨片26来承受向下的水力负荷；下部轴承组2依靠下部轴承动环8的圆形金刚 石耐磨片43与下部轴承静环9的圆形金刚石耐磨片39来承受向上的钻压；止推轴承组根据 涡轮轴向载荷的大小和方向，自动调整上部轴承静环7的导流孔22和下部轴承动环8的导流 孔35的开启大小，改变涡轮轴3的水力负荷的大小，使得涡轮轴3所受的水力负荷与钻压处 于动态平衡。

如图2和图4所示，所述上部轴承动环6的摩擦面均匀镶嵌圆形金刚石耐磨片16；所述 上部轴承静环7由静环座17、蝶形弹簧18、静环滑动体19、定位销钉20、O形密封圈21组 成；所述静环座17沿周向均匀分布4个导流孔22和4个定位销孔23，内部底面均匀分布4 个蝶形弹簧安装孔24；所述静环滑动体19下表面均匀分布4个蝶形弹簧安装孔25，其上表 面为摩擦面均匀镶嵌圆形金刚石耐磨片26；静环滑动体19外径上设有O形密封圈环槽27并 均布4个限位槽28；所述O形密封圈21安装在静环滑动体19的O形密封圈环槽27内，O 形密封圈21用于密封静环座17与静环滑动体19，防止钻井液颗粒进入滑动副表面，避免静 环滑动体19在静环座17内无法移动。

所述蝶形弹簧18为对合组合，安装于静环座17的蝶形弹簧安装孔24和静环滑动体19 的蝶形弹簧安装孔25内；所述定位销钉20安装于定位销钉孔23和限位槽28中，依靠蝶形 弹簧18的弹簧力和定位销钉20的限位，将静环座17、蝶形弹簧18与静环滑动体19固定为 一体，组成上部轴承静环7；蝶形弹簧18的压缩变形量允许静环滑动体19在静环座17内沿 轴向移动，静环滑动体19的移动可实现导流孔22的开启与关闭。

如图3和图5所示，所述下部轴承静环9的摩擦面均匀镶嵌圆形金刚石耐磨片39。所述 下部轴承组动环8由动环座29、蝶形弹簧30、动环滑动体31、定位销钉32、O形密封圈（33、 34）组成；所述动环座29沿周向均布4个导流孔35和4个定位销钉孔36，内部底面均匀分 布4个蝶形弹簧安装孔37；所述动环滑动体31下表面均布设有4个蝶形弹簧安装孔38，其 上表面为摩擦面均匀镶嵌圆形金刚石耐磨片43；动环滑动体31的外径上设有O形密封圈环 槽40并均布4个限位槽41，动环滑动体31的内径上设有O形密封圈环槽42；所述O形密 封圈33安装在动环滑动体31的O形密封环槽40内，所述O形密封圈34安装在动环滑动体 31的O形密封环槽42内，O形密封圈（33、34）用于密封动环座29与动环滑动体31，防 止钻井液颗粒进入滑动副表面，避免动环滑动体31在的动环座29内无法移动。

所述蝶形弹簧30为对合组合，安装于动环座29的蝶形弹簧安装孔36和动环滑动体31 的蝶形弹簧安装孔37内；所述定位销钉32安装于定位销钉孔36和限位槽41中，依靠蝶形 弹簧30的弹簧力和定位销钉32的限位，将动环座29、蝶形弹簧30与动环滑动体31固定为 一体，组成下部轴承动环8；蝶形弹簧30的压缩变形量允许动环滑动体31在动环座29内沿 轴向移动，动环滑动体31的移动可实现导流孔35的开启与关闭。

如图1和图6所示，所述泄压套筒15的上部圆盘44和下部圆环45沿周向均匀设有4个 钻井液流道46，在上部圆盘44径向上设有泄压流道47；泄压套筒15上均布12个导流孔48； 所述上部圆盘44内表面镶嵌环形金刚石耐磨片49；所述钻井液流道46用于引导钻井液进入 涡轮定子50和涡轮转子51；泄压套筒15的导流孔48与上部轴承静环7的导流孔22相通， 泄压套筒15的导流孔48直径比上部轴承静环7的导流孔22直径大4～6毫米，避免导流孔 48与导流孔22因涡轮钻具的轴向压紧而错位。

如图1所示，所述壳体14上设有2个泄压孔52，壳体14的泄压孔52与泄压套筒15的 泄压流道47相通，壳体14泄压孔52直径比泄压套筒15泄压流道47直径大4～6毫米，避免 泄压孔52与泄压流道47因涡轮钻具的轴向压紧而错位。所述泄压孔52便于钻井液向钻井环 空排放。

如图1所示，所述涡轮轴3空心轴段沿周向均匀分布12个导流孔53，涡轮轴3与下部 轴承动环8的导流孔35相通，涡轮轴3的导流孔53直径比下部轴承动环8的导流孔35直径 大4～6毫米，避免导流孔53与导流孔35因涡轮钻具的轴向压紧而错位。

如图1和图6所示，所述涡轮轴3顶端镶嵌环形金刚石耐磨片54，涡轮轴3顶端的环形 金刚石耐磨片54与上部圆盘44内表面的环形金刚石耐磨片49承载后，能避免下部轴承组2 过载，防止下部轴承动环8的蝶形弹簧30压平失效。所述过载保护动环55的摩擦表面镶嵌 环形金刚石耐磨片57，过载保护静环56的摩擦表面镶嵌环形金刚石耐磨片58。过载保护动 环55的环形金刚石耐磨片57和过载保护静环56的环形金刚石耐磨片58承载后，能避免上 部轴承组1的过载，防止上部轴承静环7的蝶形弹簧18压平失效。

如图1所示，止推轴承组安装在涡轮钻具中的初始位置，涡轮轴3顶端的环形金刚石耐 磨片54与泄压套筒15的环形金刚石耐磨片49之间的间距为D1；过载保护动环55的环形金 刚石耐磨片57与过载保护静环56的环形金刚石耐磨片58之间的间距为D2；止推轴承组的 上部轴承组1和下部轴承组2只承受很小的预紧力，上部轴承静环7和下部轴承动环8的导 流孔22和导流孔35均关闭。

如图1所示，当钻压小于水力负荷时，涡轮轴3在水力负荷的作用下相对于初始位置向 下移动，D2逐渐减小。上部轴承动环6的圆形金刚石耐磨片16与上部轴承静环7的圆形金 刚石耐磨片26开始承载并发生摩擦；下部轴承动环8的圆形金刚石耐磨片43与下部轴承静 环9的圆形金刚石耐磨片39相互分离，不承受载荷；下部轴承动环8的导流孔35全部关闭。 上部轴承动环6随涡轮轴3向下移动，通过上部轴承静环7的静环滑动体19压缩蝶形弹簧 18，使得静环滑动体19相对于静环座17发生向下的移动，上部轴承静环7的导流孔22的开 启，钻井液经过泄压套筒15的导流孔48和上部轴承静环7的导流孔22，流入泄压套筒15 与上部轴承组1的空腔，最后经过泄压流道47和泄压孔52进入钻井环空。由于部分钻井液 进入钻井环空，涡轮定子50和涡轮转子51的进口压力减小，涡轮产生的水力负荷减小，当 水力负荷减小到与钻压相等时，涡轮轴再次处于平衡。

上部轴承静环7的导流孔22开启的大小与钻压和水力负荷的差值成正比。当上部轴承静 环7的导流孔22完全开启时，减小后的水力负荷仍然大于钻压，涡轮轴3会继续向下移动。 直到D2减小为零时，过载保护动环55的环形金刚石耐磨表面57和过载保护静环56的环形 金刚石耐磨表面58开始承载并发生摩擦，涡轮轴3停止向下移动，止推轴承在涡轮钻具中的 位置如图7所示；上部轴承组1、过载保护动环55和过载保护静环56同时承载，能有效的 避免上部轴承组1蝶形弹簧18的压平失效。

如图1所示，当钻压大于水力负荷时，涡轮轴3在钻压的作用下相对于初始位置向上移 动，D1逐渐减小。下部轴承动环8的圆形金刚石耐磨片43与下部轴承静环9的圆形金刚石 耐磨片39开始承载并发生摩擦；上部轴承动环6的圆形金刚石耐磨片16和上部轴承静环7 的圆形金刚石耐磨片26相互分离，不承受载荷；上部轴承静环7导流孔22全部关闭。下部 轴承动环8向上移动，通过下部轴承动环8的动环滑动体31压缩蝶形弹簧30，使得动环滑 动体31相对于动环座29发生向下的移动，下部轴承动环8的导流孔35的开启，钻井液经过 涡轮轴3的导流孔53和下部轴承动环8的导流孔35，流入下部轴承组2的空腔，经过载保 护动环55和过载保护静环56之间的径向间隙进入钻井环空。部分钻井液进入下部轴承组2 导致向下的水力负荷增大。当水力负荷增大到与钻压相等时，涡轮钻具轴向载荷恢复平衡。

下部轴承动环8的导流孔35开启的大小与钻压和水力负荷的差值成正比。当下部轴承动 环8的导流孔35完全开启时，增大后的水力负荷仍然小于钻压，涡轮轴3会继续向上移动。 直到D1减小为零时，涡轮轴3顶端的环形金刚石耐磨片54与泄压套筒15的环形金刚石耐 磨片49开始承载并发生摩擦时，涡轮轴3停止向上移动，止推轴承组在涡轮钻具中的位置如 图8所示。泄压套筒15和下部轴承组2同时承载，涡轮轴3顶端的过载保护一方面能有效的 避免下部轴承组2蝶形弹簧30的压平失效，另一方面，涡轮轴3顶端与泄压套筒15形成密 封面，封堵住钻井液泄压流道47，避免钻井液进入钻井环空，进一步增加水力负荷，有利于 促进涡轮钻具的轴向载荷恢复平衡。