轴承组件、使用该轴承组件的轴承设备以及相关的方法

摘要

本公开的各种实施方式涉及轴承组件以及采用这种轴承组件的轴承设备，该轴承组件构造成使得能够取下和替换超硬轴承元件。所公开的轴承组件可以在多种应用中使用，例如：地下钻进系统中的井下动力钻具、定向钻进系统、牙轮钻头以及许多其他应用。在实施方式中，轴承组件包括支撑环以及与该支撑环组装在一起的保持环。保持环包括多个通孔。该轴承组件还包括多个超硬轴承元件，其中每个超硬轴承元件部分地插过保持环的通孔中的相应一个通孔并从所述相应一个通孔突出。保持环和各个超硬轴承元件共同地构造成在远离支撑环的方向上禁止各个超硬轴承元件移位超过选定位置。

说明书

技术领域

采用井下钻进动力钻具的地下钻进系统通常用来在地下钻孔，以用于石油和气体勘探。地下钻进系统典型地包括壳体，该壳体包围可操作地连接至输出轴的井下钻进动力钻具。一个或多个推力轴承设备还可以可操作地联接至井下钻进动力钻具以便承载在钻进操作期间产生的推力载荷。

背景技术

每个推力轴承设备可包括不旋转的静止件以及附接至输出轴并与输出轴一起旋转的转动件。静止件和转动件可分别包括多个超硬轴承元件或插入件。每个超硬轴承元件可由聚晶金刚石复合片(“PDC”)制成，该聚晶金刚石复合片提供在使用期间靠在另外的金刚石轴承表面上的金刚石轴承表面。

在传统的PDC推力轴承设备中，推力轴承组件能够包括钢支撑环，该钢支撑环可以构造成用以承载多个超硬轴承元件。该超硬轴承元件可由形成在碳化钨硬质合金基体上的聚晶金刚石(“PCD”)层制成。然后，可利用钎焊工艺将超硬轴承元件钎焊到支撑环中。

将超硬轴承元件钎焊到支撑环中伴随着高温，这可能损坏(例如，石墨化)超硬轴承元件的聚晶金刚石并且还可能导致轴承环扭曲。此外，支撑环和超硬轴承元件应非常清洁，以便在支撑环与超硬轴承元件之间获得具有足够强度的钎焊接头，以承受在钻进操作期间施加到超硬轴承元件的力。尽管尽到最大努力，但是钎焊接头在使用或测试期间还是会发生故障。

因此，轴承设备的制造者和使用者继续寻求改进的轴承设备设计以及制造技术。

发明内容

本发明的各个实施方式涉及构造成用于选择性地取下和替换超硬轴承元件的轴承组件以及利用这种轴承组件的轴承设备(例如，推力轴承 设备和径向轴承设备)。所公开的轴承组件可在多种应用中使用，例如：地下钻进系统中的井下动力钻具、定向钻进系统、牙轮钻钻头以及多种其他应用。

在一实施方式中，轴承组件包括支撑环以及与该支撑环组装一起的保持环。保持环包括多个通孔。该轴承组件还包括多个超硬轴承元件，其中每个超硬轴承元件部分地插过保持环的通孔中的相应一个通孔并从所述相应一个通孔突出。保持环和各个超硬轴承元件共同地构造成用以在远离支撑环的方向上禁止各个超硬轴承元件移位超过选定位置。

其他实施方式包括可利用任意所公开的轴承组件的轴承设备以及在可利用任意所公开的轴承设备的钻进系统中使用的井下动力钻具。

在一实施方式中，公开了整修轴承组件的方法。该方法包括提供地下钻进系统中的轴承组件。该轴承组件包括支撑环以及与该支撑环组装在一起的保持环。保持环包括多个通孔。该轴承组件还包括多个超硬轴承元件，其中每个超硬轴承元件部分地插过保持环的通孔中的相应一个通孔并从所述相应一个通孔突出。保持环和各个超硬轴承元件共同地构造成用以在远离支撑环的方向上禁止各个超硬轴承元件移位超过选定位置。该方法包括将保持环从支撑环脱开，以一个或多个替换超硬轴承元件来选择性地替换所述多个超硬轴承元件中的一个或多个，以及将保持环和支撑环与位于它们之间的一个或多个替换超硬轴承元件联接至一起。

来自任意的所公开的实施方式的特征可以在不受到限制的情况下彼此结合使用。此外，通过考虑下面的详细描述和附图，本公开的其他特征和优点对于本领域的技术人员来讲将变得显而易见。

附图说明

附图图示出本发明的多个实施方式，其中相同的附图标记指出在图中所示的不同实施方式中或不同视图中的相同元件或特征。

图1A是根据一实施方式的推力轴承组件的等轴测视图。

图1B是图1A所示的推力轴承组件沿线1B-1B截取的等轴测剖视图。

图1C是图1A所示的推力轴承组件的分解图。

图1D是图1A所示的推力轴承组件的一部分的放大横截面图。

图1E是根据另一实施方式的推力轴承组件的变体的横截面图。

图2A是根据一实施方式的径向轴承组件的等轴测视图。

图2B是图2A所示的径向轴承组件的等轴测剖视图。

图2C是图2A所示的径向轴承组件的分解图。

图2D是图2A所示的径向轴承组件的一部分的放大等轴测剖视图。

图3是根据一实施方式的可包括一个或多个所公开的推力轴承组件的推力轴承设备的等轴测视图。

图4A是根据一实施方式的可包括一个或多个所公开的径向轴承组件的径向推力设备的等轴测剖视图。

图4B是图4A所示的径向轴承设备的分解图。

图5是根据一实施方式的可包括一个或多个所公开的推力轴承设备的地下钻进组件的示意性等轴测剖视图。

具体实施方式

本发明的各个实施方式涉及构造成用于选择性地取下和替换超硬轴承元件的轴承组件以及可以利用这种轴承组件的轴承设备(例如，推力轴承设备和径向轴承设备)。该轴承组件构造成使得在不利用钎焊工艺的情况下可以将超硬轴承元件固定至适当的位置，这样使得能够以高效且节省成本的方式来替换损坏的和/或磨损的超硬轴承元件。所公开的轴承组件和设备可在多种应用中使用，例如：地下钻进系统中的井下动力钻具、定向钻进系统、牙轮钻头(roller-cone drill bit)以及多种其他应用。

图1A和1B分别是根据一实施方式的推力轴承组件100的等轴测视图和等轴测剖视图。推力轴承组件100可形成在地下钻进系统中使用的推力轴承设备中的静止件和/或转动件。推力轴承组件100可包括组装到一起的支撑环110和保持环120。多个超硬轴承元件130绕推力轴线125在周向上分布，在使用期间推力沿该推力轴线大致指向。每个超硬轴承元件130包括上轴承表面132和相对的基部134。如此处所使用的，超硬轴承元件是由如下材料制成，该材料具有至少与碳化钨一样硬的硬度。在某些实施方式中，轴承表面132可具有沿周边延伸的边缘倒角。此外，尽管轴承表面132示出为大致平面的，但是在某些实施方式中，轴承表面132可以是 凸出的或凹入的。

支撑环110可包括从其上表面延伸的凸缘135，该凸缘135有助于支撑环10与保持环120的对准。例如，凸缘135可以绕支撑环10的上表面的内侧部分设置。在一实施方式中，凸缘135可具有与保持环120的高度基本相同的高度。在一实施方式中，凸缘135可与支撑环110一体形成。此外，凸缘135可具有等于或稍小于保持环120的径向内尺寸的径向外尺寸。因此，保持环120可装在凸缘135的外侧并围绕凸缘135，凸缘135确保了保持环120的适当设置以及与支撑环110的对准。支撑环110还可包括限定出孔145的内周表面140，孔145大体关于推力轴线125定中心。孔145可容纳动力钻具轴(例如，井下钻进动力钻具轴)。

参照图1C和1D，保持环120可包括在厚度方向上贯穿该保持环120延伸的多个通孔150。每个超硬轴承元件130可以部分地插过通孔150中的相应一个通孔，以延伸超出保持环120的表面121一选定距离。支撑环110、保持环120和超硬轴承元件130共同地构造成使得处于通孔150中的相应一个通孔中的每个超硬轴承元件130的位移在远离支撑环110的方向上受到限制。例如，每个轴承通孔150可具有如下横截面形状：即，由于每个超硬轴承元件130与保持环120之间的物理干涉，而在远离支撑环110的方向上限制设置在通孔中的相应地构造的超硬轴承元件130的位移。在某些实施方式中，每个超硬轴承元件130与保持环120可具有轻微的干涉配合，以便帮助防止超硬轴承元件130的任意运动。

在图示实施方式中，一个或多个通孔150可呈具有基本上连续渐缩直径的截头圆锥形的横截面几何形状。因此，一个或多个通孔150的下开口150b与该通孔150的其他部分(例如，上开口150a)相比可具有较大的横截面尺寸。例如，每个超硬轴承元件130的轴承表面132与基部134相比可具有较小的横截面侧向尺寸(例如，直径)。在其他实施方式中，一个或多个超硬轴承元件130可包括位于基部134与轴承表面132之间的一个或多个肩部、台阶或突起部，所述一个或多个肩部、台阶或突起部禁止每个超硬轴承元件130相对于通孔150中的相应一个通孔在方向d₁上移位超过选定限制。例如，图1E是根据另一实施方式的推力轴承组件100的变体的横截面图。在这个实施方式中，超硬轴承元件130’包括凸缘部分136以及具有轴承表面132’的主本体分138。超硬轴承元件130’部分地插过形成于保持环120’中的通孔150’，使得超硬轴承元件130’延伸超过保持环 120’的表面121’一选定距离。由于凸缘部分136与保持环120’的物理干涉，因此凸缘部分136与保持环120’协作以在远离支撑环110的方向d₁上限制超硬轴承元件130’的位移。

再次返回至图1A和1B，支撑环110和保持环120可由多种不同的材料制成。例如，支撑环110和/或保持环120可包含金属材料(例如，碳钢、钨或钨合金、铝或铝合金、或者不锈钢)、碳化物材料(例如，碳化钨、碳化硅等)、或者其他适合的材料。在某些实施方式中，保持环120由具有相对较高的导热系数的材料制成(例如，碳化钨)，超硬轴承元件130在该超硬轴承元件130的较大的表面区域上抵接或接触保持环110和/或支撑环110，用以促进从超硬轴承元件130到保持环120的传热。例如，每个超硬轴承元件110可在其至少约50％的外表面区域、其约50％至约75％的外表面区域、或者其约45％至约65％的外表面区域上抵接或接触保持环120和支撑环110。

在某些实施方式中，支撑环110和/或保持环120可包括对其施加的耐腐蚀和耐磨损覆层。例如，耐腐蚀和耐磨损覆层可包括、但不限于包含聚氨酯橡胶的覆层。

超硬轴承元件130可由诸如聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、碳化硅、碳化钨之类的超硬材料或者前述超硬材料的任意结合来制成。在一实施方式中，一个或多个超硬轴承元件130可包括聚晶金刚石。在某些实施方式中，聚晶金刚石可以是浸出的(leached)以至少部分地或者基本上全部地去除金属溶剂催化剂(metal-solvent catalyst)(例如，钴、铁、镍、或其合金)，金属溶剂催化剂用于烧结形成聚晶金刚石的原料金刚石颗粒。在其他实施方式中，聚晶金刚石可以是非浸出的(unleached)并包括金属溶剂催化剂(例如，钴、铁、镍、或其合金)，金属溶剂催化剂用于烧结形成聚晶金刚石的原料金刚石颗粒。在一实施方式中，一个或多个超硬轴承元件130可包括没有基体的一体式构造。例如，一个或多个超硬轴承元件130可包括聚晶金刚石本体(浸出的、部分浸出的或者非浸出的)，该金刚石本体在其至少约50％的外表面区域、其约50％至约75％的外表面区域、或者其约45％至约65％的外表面区域上接触保持环120和支撑环110，用以促进离开超硬轴承元件130的有效传热。

在再一实施方式中，一个或多个超硬轴承元件130可构造为超硬块，该超硬块具有连结至基体的超硬板(superhard table)。例如，超硬块可以 是包括钴钨硬质合金基体的PDC，该基体具有形成于基体上或在随后的连结工序中连结到基体的聚晶金刚石板。

在某些实施方式中，超硬轴承元件130可在高压/高温工序中制造成接近网状。在其他实施方式中，超硬轴承元件130可机加工成最终构造。例如，可经由电火花加工和/或磨削——如果需要的话，随后使其中的金属溶剂催化剂至少部分地浸出——来机加工聚晶金刚石本体。

再次参照图1C，推力轴承组件100还包括多个紧固件155，该紧固件155将保持环120紧固至支撑环110。因此，支撑环110和保持环120可彼此选择性地联接和脱开。该特征可便于超硬轴承元件130的插入和/或取下。紧固件155可构造为螺栓、螺钉、干涉配合销、或者其他适合的紧固件。在图示实施方式中，紧固件155可穿过保持环120并紧固到支撑环110中。然而，在其他实施方式中，紧固件155可穿过支撑环110并紧固到保持环120中，从而使得紧固件155仅从支撑环110的背面暴露，当在地下钻进应用中使用推力轴承组件100时支撑环110的背面典型地不暴露于钻井泥浆或其他磨蚀性流体。紧固件155可提供抵靠超硬轴承元件130的夹紧力用以限制超硬轴承元件130的振动或其他运动，并且在某些情况下，可以使图示的位于支撑环110与保持环120之间的间隙缩小。在其他实施方式中，可利用任意的多种其他的更加持久的紧固技术例如焊接、钎焊、或上述紧固技术的结合来将支撑环110附接至保持环120。

在某些实施方式中，在与支撑环110和保持环120组装在一起以后，超硬轴承元件130的轴承表面132可能彼此不共面。可在与支撑环110和保持环120组装在一起之后或之前使这些轴承表面132共面化(例如，通过研磨或磨削工艺)，从而使得轴承表面132彼此基本共面。

在一实施方式中，公开了整修推力轴承组件100的方法。在实践中，推力轴承组件100可用作结合在地下钻进系统(参见图5)中的推力轴承设备的一部分。在推力轴承组件100已经被使用过之后，可替换一个或多个磨损的超硬轴承元件130。例如，在一个或多个超硬轴承元件130由于使用而磨损(例如，损坏)之后，通过取下紧固件155可将保持环120从支撑环110脱开，从而可以取下多个超硬轴承元件130。可根据需要或要求选择性地取下一个或多个磨损的超硬轴承元件130并且用一个或多个替换超硬轴承元件130来替换。在替换一个或多个磨损的超硬轴承元件130之后，可将保持环120和支撑环110与一个或多个替换超硬轴承元件130 以及先前的未替换的超硬轴承元件130(如果有的话)联接至一起。当与支撑环110和保持环120组装在一起时，可使一个或多个轴承表面132共面化(例如，通过研磨工艺)，从而使得未替换的超硬轴承元件130(如果有的话)以及一个或多个替换超硬轴承元件130的轴承表面132变为彼此基本共面。

在一实施方式中，如果保持环120由于使用而磨损或者在另外的情况下需要替换，则可以对保持环120进行替换。因此，推力轴承组件100的各个方面可延长推力轴承组件100的可使用寿命。

图2A-2D分别是根据一实施方式的适于在地下钻进系统中使用的径向轴承组件200的等轴测视图、等轴测剖视图、等轴测分解视图和放大的等轴测剖视图。利用与先前在上文所描述以及在图1A-1E中所示的推力轴承组件100相类似的技术，将径向轴承组件200的轴承元件固定在适当的位置。径向轴承组件200可包括绕轴线225延伸的支撑环210。径向轴承组件200还可包括保持环220，该保持环220设置在由支撑环210限定的内部开口内并且紧固至支撑环210。径向轴承组件200还包括绕轴线225在周向上分布的多个超硬轴承元件230。支撑环210和保持环220可以由与先前描述用于图1A-1E所示的支撑环110和保持环120的材料同样的材料制成。超硬轴承元件230可以由与先前描述用于图1A-1E所示的超硬轴承元件130同样的材料、结构(例如，超硬块)制成以及可以以与先前描述用于图1A-1E所示的超硬轴承元件130同样的方式制造。

每个超硬轴承元件230可以部分地插过通孔250中的相应一个通孔，以便从保持环220突出选定距离。支撑环210、保持环220和超硬轴承元件230共同地构造成使得在远离支撑环210并朝向轴线225的方向d₁上限制位于通孔250中的相应一个通孔中的每个超硬轴承元件230的位移。例如，每个轴承通孔250可具有如下横截面形状：即，由于每个超硬轴承元件230与保持环220之间的物理干涉，而在远离支撑环210的方向d₁上限制设置在通孔中的相应地构造的超硬轴承元件230的位移。在某些实施方式中，每个超硬轴承元件230与保持环220可具有轻微的干涉配合，以帮助防止超硬轴承元件230的任意运动。

在图示实施方式中，一个或多个通孔250可呈具有基本上连续渐缩直径的截头圆锥形的横截面几何形状。因此，一个或多个通孔250的外开口250b与内开口250a相比可具有较大的横截面尺寸。例如，每个超硬轴承 元件230的轴承表面232与基部234相比可具有较小的横截面侧向尺寸(例如，直径)。在其他实施方式中，一个或多个超硬轴承元件230可包括位于基部234与轴承表面232之间的一个或多个肩部、台阶或突起部，所述一个或多个肩部、台阶或突起部禁止超硬轴承元件230朝向轴线225并穿过通孔250中的相应一个通孔移位超过一选定位置。

径向轴承组件200还可包括多个紧固件(未示出)，该紧固件将保持环220联接至支撑环210。例如，紧固件可包括螺栓、螺钉、干涉配合销、或者其他适合的紧固件。在一实施方式中，紧固件可穿过保持环220的至少一部分并紧固到支撑环210中。在其他实施方式中，紧固件可穿过支撑环210的至少一部分并紧固到保持环220的本体中。紧固件可提供抵靠超硬轴承元件230的夹紧力用以限制超硬轴承元件230的振动或其他运动，并且在某些情况下，可以使图示的位于支撑环210与保持环220之间的间隙缩小。在其他实施方式中，可利用任意的多个其他的更加持久的紧固机制例如焊接、钎焊、或上述紧固机制的结合来支撑环210紧固到保持环220。

在某些实施方式中，在与支撑环210和保持环220组装在一起之后，至少一个、一些或全部的超硬轴承元件230的轴承表面232的曲率中心可能彼此基本上不重合。在与支撑环210和保持环220组装在一起之后或之前，可对轴承表面232进行机加工(例如，通过磨削工艺或电火花加工)，从而使得这些轴承表面232具有彼此基本重合的曲率中心。

在一实施方式中，公开了整修径向轴承组件200的方法。在实践中，径向轴承组件200可用作结合在地下钻进系统中的径向轴承设备的一部分。在径向轴承组件200已经被使用过之后，可替换一个或多个磨损的超硬轴承元件230。例如，在一个或多个超硬轴承元件230由于使用而磨损(例如，损坏)之后，通过取下紧固件可将保持环220从支撑环210脱开，从而可以取下多个超硬轴承元件230。可根据需要或要求选择性地取下一个或多个磨损的超硬轴承元件230并且用一个或多个替换超硬轴承元件230来替换。在替换一个或多个磨损的超硬轴承元件230之后，可将保持环220和支撑环210与一个或多个替换超硬轴承元件230以及先前的未替换的超硬轴承元件230联接至一起。在一实施方式中，如果保持环220由于使用而磨损，则可以对保持环220进行替换。因此，径向轴承组件200的各个方面可延长径向轴承组件200的可使用寿命。在与支撑环210和保持环220组装在一起之后或之前，可以对一个或多个轴承表面232进行机 加工(例如，通过磨削工艺、电火花加工、或者其他的机加工工艺)，从而使得未替换的超硬轴承元件230(如果有的话)与一个或多个替换超硬轴承元件230的轴承表面232具有彼此基本重合的曲率中心。

任意前述的推力轴承组件和径向轴承组件可以在采用两个轴承组件的轴承设备中使用，所述两个轴承组件中的至少一个可构造为任意前述的轴承组件。图3是根据一实施方式的推力轴承设备300的等轴测视图。在图示的推力轴承设备300中，采用图1A-1E所示的两个推力轴承组件100并标注为100a和100b。

推力轴承组件100a可以附接至轴302并与轴302一起旋转。因此，推力轴承组件100a起到转动件的作用。例如，轴302可操作地联接至如下设备：即，该设备能够使轴302绕旋转轴线304沿方向R(或沿相反方向)旋转，例如井下动力钻具。例如，通过将轴302压配合至或螺纹联接至推力轴承组件100a或其他适合的技术，轴302可延伸穿过推力轴承组件100a并可固定至推力轴承组件100a。推力轴承组件100b不连接至轴302，并且因此起到当推力轴承组件100a旋转时保持静止的静止件的作用。在使用期间，推力轴承组件100a的超硬轴承元件130的各个轴承表面132与推力轴承组件100b的超硬轴承元件130的相应轴承表面132相对并抵靠。

另外的实施方式涉及径向轴承设备。图4A-4B是可采用其中一个径向轴承组件200的径向轴承设备400的实施方式的等轴测视图。径向轴承设备400包括构造为与图2A-2D所示的径向轴承组件200相关联的任意实施方式的静止件或外圈402。外圈402限定容纳转动件或内圈406的孔404。内圈406包括绕旋转轴线410在周向上分布的多个超硬轴承元件408，超硬轴承元件408具有凸出的轴承表面411(例如，凸出的圆柱形或球形的轴承表面)，在使用期间，凸出的轴承表面411(例如，凸出的圆柱形或球形的轴承表面)与外圈402的超硬轴承元件230的相应的凹入的轴承表面232(例如，凹入的圆柱形或球形的轴承表面)相对并抵靠。特别是，内圈406的超硬轴承元件408可具有凸出的轴承表面411，凸出的轴承表面411与外圈402的超硬轴承元件230的凹入的轴承表面232相应并抵靠外圈402的超硬轴承元件230的凹入的轴承表面232。

术语“转动件”和“静止件”指的是径向轴承设备400的旋转部件和静止部件。因此，如果内圈406构造成保持静止，则内圈406可被称作静止件，而外圈402可被称作绕旋转轴线410旋转的转动件。

在多种不同的机械应用中可采用径向轴承设备400。例如，所谓的“牙轮”旋转钻头可得益于此处所公开的径向轴承设备。更具体地，内圈406可安装或固定至牙轮的主轴并且外圈402可固定至形成于锥体内的内孔，可组装这样的外圈402和内圈406以形成径向轴承设备。还应指出，尽管外圈402示出为构造成图2A-2D的径向轴承组件200，在其他的实施中，内圈406可另外地或可替代地构造成类似于图2A-2D的径向轴承组件200，具有保持于保持环与支撑环之间的超硬轴承元件408。

上述轴承设备的任意实施方式可在地下钻进系统中使用。图5是地下钻进系统500的实施方式的示意性等轴测剖视图，地下钻进系统500可结合任意的所公开的轴承设备并且图示为包括至少一个推力轴承设备300。地下钻进系统500包括包围井下钻进动力钻具506(即，电机、涡轮、或者能够使输出轴旋转的任意其他装置)的壳体502，井下钻进动力钻具506操作地连接至输出轴508。推力轴承设备300可操作地联接至井下钻进动力钻具506。构造成接合地层并钻孔的旋转钻头510能够连接至输出轴508。旋转钻头510示出为包括多个牙轮512的“牙轮”式钻头。然而，其他实施方式可采用不同类型的旋转转头，例如所谓的“固定切削刃”钻头。当钻孔时，可将管节连接至地下钻进系统500，以便形成能够将钻孔逐渐钻进至地表内的更深深度的钻柱。

推力轴承设备300包括转动件100a和不旋转的的静止件100b，转动件100a附接至输出轴508并且与输出轴508一起旋转。转动件100a和静止件100b分别包括多个超硬轴承元件130。在操作中，钻井液可循环通过井下钻进动力钻具506以产生转矩并实现输出轴508以及附接至输出轴的旋转钻头510的旋转，从而可钻出钻孔。钻井液还可用于在操作期间润滑和冷却推力轴承设备300的超硬轴承元件130的轴承表面。

尽管上述轴承组件和设备已在地下钻进系统和应用的上下文中进行了讨论，但是在其他实施方式中，此处所公开的轴承组件和设备并不限于这种应用，而是如果需要的话可以在不受限制的情况下用于许多其他不同的应用。因此，这样的轴承组件和设备并不限于与地下钻进系统一起使用，而是可以在不受限制的情况下与多种其他的机械系统一起使用。

尽管此处已经公开了多种方面和实施方式，但是可以想到其他的方面和实施方式。此处所公开的多种方面和实施方式是用于说明的目的，而无意于进行限制。此外，在此处——包括权利要求——所使用的用语“包含”、“具有”应具有与用语“包括”同样的含义。