本發(fā)明涉及石油開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種能與鉆桿連接的扭矩可控的軸承。

背景技術(shù)：

目前，水平井鉆進(jìn)時(shí)通常采用滑動(dòng)導(dǎo)向鉆進(jìn)工藝。長水平段水平井可以擴(kuò)大井眼與儲(chǔ)層的接觸面積，因此是開發(fā)頁巖氣等非常規(guī)油氣藏，以及低滲油氣田的重要技術(shù)手段。然而，長水平段鉆井時(shí)由于存在很大的摩阻，工具面擺放困難容易導(dǎo)致井眼軌跡控制難，同時(shí)，存在托壓嚴(yán)重導(dǎo)致機(jī)械鉆速低的問題。為了解決滑動(dòng)鉆進(jìn)的缺點(diǎn)，現(xiàn)有技術(shù)中通常是使用先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。由于導(dǎo)向時(shí)可旋轉(zhuǎn)鉆柱，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向克服了滑動(dòng)導(dǎo)向技術(shù)的不足，鉆壓傳遞順利、機(jī)械鉆速高，鉆出的井眼質(zhì)量好。然而，現(xiàn)有技術(shù)中的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，多為機(jī)電液一體化設(shè)備，使用及維護(hù)成本昂貴，不利于建井成本的降低。

采用螺桿鉆具，當(dāng)滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)由于鉆桿周向上被鎖死因此不能轉(zhuǎn)動(dòng)。與鉆桿硬連接的螺桿鉆具也被鎖死，保持不旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，由于整個(gè)鉆柱處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此產(chǎn)生了很大的軸向摩阻。

因此，迫切需要一種以常規(guī)導(dǎo)向工具為基礎(chǔ)，同時(shí)可以導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)以順利傳遞鉆壓，并能有效控制工具面平穩(wěn)的工具。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述部分或全部技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種扭矩可控的軸承，包括：芯軸和扭矩保持器總成。扭矩保持器總成套在芯軸上，并由多個(gè)相同的扭矩保持器串聯(lián)而成。扭矩保持器包括內(nèi)套和外套，當(dāng)內(nèi)套隨芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)套與外套之間能產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)阻力。在這種情況下，可以通過調(diào)整扭矩保持器的串聯(lián)個(gè)數(shù)來調(diào)整軸承可產(chǎn)生的扭矩大小。當(dāng)軸承與鉆桿連接后，可以抵消螺桿鉆具產(chǎn)生的反扭矩以保持整個(gè)工具串的平穩(wěn)。

進(jìn)一步地，扭矩保持器包括滾珠式扭矩保持器。滾珠式扭矩保持器包括設(shè)置 于內(nèi)套與外套之間的阻止件和彈性件。當(dāng)內(nèi)套相對(duì)于外套轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，彈性件擠壓阻止件以產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)阻力。

進(jìn)一步地，在外套的側(cè)壁上構(gòu)造有容納阻止件的凹槽；在內(nèi)套的壁上連接有與凹槽相配合的擋圈。彈性件以能擠壓擋圈的方式設(shè)置，以彈性擠壓擋圈和凹槽之間的阻止件。優(yōu)選地，阻止件為圓球，彈性件為碟簧。

進(jìn)一步地，扭矩保持器還包括摩擦式扭矩保持器。摩擦式扭矩保持器包括設(shè)置于內(nèi)套與外套之間的摩擦件，當(dāng)內(nèi)套相對(duì)于外套轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，摩擦件在兩者之間將產(chǎn)生相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)阻力。

進(jìn)一步地，摩擦件設(shè)置于內(nèi)套與外套的相互組合連接的接觸面上。優(yōu)選地，摩擦件可以選擇為摩擦系數(shù)為0.1的摩擦片。

進(jìn)一步地，扭矩保持器總成包括：滾珠式扭矩保持器總成和摩擦式扭矩保持器總成。滾珠式扭矩保持器總成設(shè)置于摩擦式扭矩保持器總成的上方。

進(jìn)一步地，摩擦式扭矩保持器的扭矩可通過公式計(jì)算得出：

T＝F·μ·0.052

其中，T為扭矩，F(xiàn)為推力，μ為摩擦件的摩擦系數(shù)。由此，可以針對(duì)不同井眼尺寸、鉆頭類型進(jìn)行組合設(shè)計(jì)。

進(jìn)一步地，在扭矩保持器總成的下方設(shè)有徑向滑動(dòng)軸承。由此，可以減低徑向的磨損和摩擦力。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：將扭矩可控的軸承與鉆桿連接使用時(shí)，螺桿鉆具的扭矩被軸承產(chǎn)生的扭矩抵消，可保持工具面的穩(wěn)定。軸承以上的鉆柱在地面轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，可以在保持井眼軌跡控制能力的前提下，保持大部分鉆柱的旋轉(zhuǎn)，降低軸向鉆壓傳遞阻力，可提高機(jī)械鉆速2-5倍。

附圖說明

在下文中將基于實(shí)施例并參考附圖來對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。其中：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的扭矩可控的軸承的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的滾珠式扭矩保持器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的摩擦式扭矩保持器的結(jié)構(gòu)示意圖；以及

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的摩擦式扭矩保持器總成的結(jié)構(gòu)示意圖。

在附圖中，相同的部件使用相同的附圖標(biāo)記。附圖并未按照實(shí)際的比例。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，一種扭矩可控的軸承100，包括芯軸7和由多個(gè)相同的扭矩保持器2’或6’串聯(lián)而成的扭矩保持器總成2、6。扭矩保持器總成2、6套在芯軸7上。扭矩保持器2’、6’包括內(nèi)套和外套，當(dāng)內(nèi)套隨芯軸7轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)套與外套之間產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)阻力。在這種情況下，可以通過調(diào)整扭矩保持器2’、6’的串聯(lián)個(gè)數(shù)來調(diào)整軸承100可產(chǎn)生的扭矩大小。當(dāng)軸承100與鉆桿連接后，可以抵消鉆桿旋轉(zhuǎn)鉆井時(shí)產(chǎn)生的扭矩以保持整個(gè)工具串的平穩(wěn)。

在本發(fā)明的一個(gè)具體的實(shí)施例中，如圖1所示，芯軸7的上端設(shè)有可以與鉆柱連接的公扣接頭1，下端設(shè)有可以與鉆具組合連接的母扣接頭11。優(yōu)選地，公扣接頭1和母扣接頭11均為API標(biāo)準(zhǔn)扣型。在公扣接頭1與母扣接頭11之間的芯軸7上，串聯(lián)有滾珠式扭矩保持器總成2和摩擦式扭矩保持器總成6。

在本發(fā)明的一個(gè)具體的實(shí)施例中，如圖2所示，滾珠式扭矩保持器總成2由多個(gè)滾珠式扭矩保持器2’通過螺紋連接串聯(lián)在芯軸7上，其外側(cè)通過鍵槽與外殼相連。滾珠式扭矩保持器2’包括：滾珠式內(nèi)套20和與其可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)的滾珠式外套30。為了降低滾珠式內(nèi)套20與滾珠式外套30之間的摩擦，提高使用壽命，在滾珠式內(nèi)套20與滾珠式外套30之間設(shè)有滾珠18。在滾珠式外套30的側(cè)壁上構(gòu)造有容納凹槽16’，優(yōu)選地，容納凹槽16’的形狀為圓錐形。圓球16可以通過擋圈17將其固定在容納凹槽16’內(nèi)。擋圈17通過特殊結(jié)構(gòu)與滾珠式外套30連在一起，以保證只能隨滾珠式外套30同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在擋圈17的側(cè)面以能擠壓擋圈17的方式固定設(shè)置有碟簧15。

當(dāng)滾珠式內(nèi)套20與滾珠式外套30之間相互轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，容納凹槽16’隨滾珠式外套30移動(dòng)以逼迫圓球16向外或向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，圓球16需要克服碟簧15的彈力。由于圓球16需要克服阻力，因此，需要一定的扭矩來驅(qū)動(dòng)滾珠式內(nèi)套20與滾珠式外套30相互轉(zhuǎn)動(dòng)，或者說，滾珠式內(nèi)套20與滾珠式外套30相互轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了扭矩阻力。如果需要更大的扭矩阻力，可以將更多的滾珠式扭矩保持器2’串聯(lián)起來使用。在這里需要說明的是，滾珠式扭矩保持器總成2通過旋轉(zhuǎn)時(shí)推動(dòng)圓球16克服碟簧15的彈性力來實(shí)現(xiàn)扭矩的產(chǎn)生，扭矩的大小與圓球16的位 置有關(guān)，是變化的。因此當(dāng)芯軸7的轉(zhuǎn)速變化時(shí)扭矩也在變化。

在本發(fā)明的一個(gè)具體的實(shí)施例中，如圖1和3所示，摩擦式扭矩保持器總成6由若干個(gè)摩擦式扭矩保持器6’組成。芯軸7穿過摩擦式扭矩保持器6’的內(nèi)孔，摩擦式扭矩保持器總成6的外側(cè)與外殼通過鍵槽連接。在摩擦式扭矩保持器總成6的上部依次設(shè)有襯套5、徑向滑動(dòng)軸承4及鎖緊螺母3。襯套5可起到防止磨損的作用，并方便更換。徑向滑動(dòng)軸承4可以承受徑向力以保持芯軸7居中。鎖緊螺母3通過螺紋與芯軸7連接，并鎖緊摩擦式扭矩保持器總成6。在摩擦式扭矩保持器總成6的下端由襯套8、徑向滑動(dòng)軸承10及鎖緊套筒9組成，徑向滑動(dòng)軸承10主要用于減低徑向的磨損和摩擦力。

在本發(fā)明的一個(gè)具體的實(shí)施例中，如圖3和4所示，摩擦式扭矩保持器6’包括摩擦式內(nèi)套62和能與其相組合的摩擦式外套63，在兩者之間設(shè)有摩擦片61。優(yōu)選地，摩擦片61設(shè)置于摩擦式內(nèi)套62與摩擦式外套63的組合連接的接觸面上，摩擦片61的摩擦系數(shù)為0.1。在這種情況下，摩擦式扭矩保持器總成6是依靠摩擦力來產(chǎn)生扭矩。摩擦式扭矩保持器6’由上下兩部分組成，上部分由外殼與鎖緊套筒9固定，下半部分由芯軸7和鎖緊螺母3固定。當(dāng)正常鉆進(jìn)時(shí)，外殼的鉆壓通過摩擦式扭矩保持器6’傳遞到芯軸7，進(jìn)而傳遞到下部的螺桿等底部鉆具組合。摩擦式扭矩保持器6’的摩擦力在鉆壓作用下由摩擦片產(chǎn)生，因此扭矩與鉆壓有關(guān)，而鉆壓是可控的，因此扭矩也是可控的。

下面對(duì)軸承的具體設(shè)計(jì)過程進(jìn)行說明：

假設(shè)本發(fā)明使用的滾珠式扭矩保持器2’的扭矩值設(shè)計(jì)為300Nm。摩擦式扭矩保持器6’的扭矩與摩擦片61的摩擦系數(shù)及推力有關(guān)，摩擦片61的摩擦系數(shù)在0.1左右。假設(shè)正常推力在0-50KN之間。扭矩?cái)?shù)據(jù)計(jì)算公式：

T＝F·μ·0.052

其中，T為扭矩，F(xiàn)為推力，μ為摩擦片61的摩擦系數(shù)。那么，一組摩擦式扭矩保持器6’的扭矩值隨著推力變化將在0-260Nm之間。

針對(duì)上述兩類扭矩保持器，可以進(jìn)行數(shù)量的調(diào)整選擇和任意組合。例如，鉆井時(shí)需要2400Nm左右的扭矩，可以設(shè)計(jì)為6組摩擦式扭矩保持器，和3組滾珠式扭矩保持器串聯(lián)使用，即，T＝260×6+300×3＝2460Nm，可以滿足鉆井要求。

因此，針對(duì)不同井眼尺寸、鉆頭類型鉆進(jìn)時(shí)，只要知道需要的鉆進(jìn)扭矩，就可以根據(jù)上述方法進(jìn)行組合設(shè)計(jì)。

雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對(duì)其進(jìn)行各種改進(jìn)并且可以用等效物替換其中的部件。尤其是，只要不存在結(jié)構(gòu)沖突，各個(gè)實(shí)施例中所提到的各項(xiàng)技術(shù)特征均可以任意方式組合起來。本發(fā)明并不局限于文中公開的特定實(shí)施例，而是包括落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有技術(shù)方案。