[发明专利]用于井下工具的轴承、结合这类轴承的井下工具和相关方法

说明书

一种轴承系统，所述轴承系统被配置成用于井下工具，所述井下工具包括滚动切削件构件，所述滚动切削件构件在其上具有多个切削结构，所述轴承系统包括：第一多个轴承，所述第一多个轴承安置在头部垫圈与至少基本上为平面的轴垫圈之间；以及第二多个轴承，所述第二多个轴承安置在所述至少基本上为平面的轴垫圈与滚动切削件垫圈之间。诸如钻地旋转滚动切削件式钻头的井下工具在滚动切削件与钻头主体的头部之间包括这种轴承系统。形成这种井下工具的方法包括将这种轴承系统组装在滚动切削件与钻头主体的头部之间。

优先权声明

本申请要求于2016年2月18日提交的名为“BEARINGS FOR DOWNHOLE TOOLS,DOWNHOLE TOOLS INCORPORATING SUCH BEARINGS,AND RELATED METHODS”的美国专利申请序列号15/047,338的申请日的权益。

技术领域

本公开的实施方案总体上涉及用于钻地工具的轴承系统，所述轴承系统采用与可旋转部件相关联的至少两排推力轴承；包括这类轴承系统的钻地工具；以及制造和使用这类轴承系统和钻地工具的方法。

背景技术

用于钻探地球地层的牙轮钻头通常具有牙轮(其也可以表征为滚动切削件)，每个牙轮安装在从钻头突出或紧固到所述钻头的支腿的远端上的每个头部。在钻头在外加钻压(WOB)下旋转来钻探地球地层时，牙轮响应于WOB和与地层的接合而被迫绕着其相应的头部旋转。牙轮的外表面包括切削结构，所述切削结构通常为以下形式：齿，所述齿与牙轮整体地形成；或插入件，所述插入件安置在形成于牙轮的外表面中的凹部中。在钻头在井筒内旋转以形成井眼时，切削结构撞击、凿挖并碾碎下面的地球地层材料。

轴承系统被包括在每个牙轮与其相关联的头部之间。轴承系统可以包括推力轴承和径向轴承。轴承系统的轴承被定位和配置成承载牙轮在钻头在WOB下旋转时经受的负载，同时允许牙轮绕着头部旋转。特别地，推力轴承承载平行于头部施加的负载的轴向分量，而径向轴承承载垂直于头部施加的负载的径向分量。钻井期间存在的高负载会引起旋转部件中的摩擦，并且生成热量，这可能会引起轴承的劣化。轴承劣化可能会引起钻头故障，从而导致井眼中的钻头的费时且昂贵的移除和更换。

用于牙轮钻头的轴承系统可以是密封轴承或开式轴承。密封轴承系统通常包括润滑剂储存器，所述润滑剂储存器用于将诸如轴承油脂的润滑剂供应到在牙轮、头部和轴承元件之间的轴承表面。压力补偿器可以用于使润滑剂压力与井眼内的流体压力相等，以防止加压的井眼流体侵入在头部、牙轮和轴承之间的润滑体积。相比之下，开式轴承系统不具有密封件或轴承油脂。开式轴承系统可以使用钻井液，诸如钻井泥浆来冷却和润滑轴承。

另外，由于制造和组装的约束，通常会在牙轮的配合部件与其对应头部之间提供少量间隙(大约千分之几英寸)。这个间隙使得牙轮与其对应头部之间在平行于头部的纵向轴线的轴向方向上和在垂直于头部的纵向轴线的径向方向上都能够存在少量移动或“游移”。在牙轮与头部之间的这种游移可能会导致钻井期间轴承系统部件之间的失准，这可能会导致失准的轴承部件的过度磨损。

最近，已经开发了用于将牙轮连接到钻头主体的对应头部的新的连接方法，其中使用张紧器螺栓将牙轮保持在其对应头部上，使得张紧器螺栓施加将牙轮推到其头部上的力，以基本上消除在牙轮与头部之间的游移。在授权给Schroder的2015年2月10日发布的美国专利号8,950,515和授权给Schroder的2015年2月17日发布的美国专利号8,955,622中公开了这类连接方法的实例，所述专利中的每一个的公开内容特此以这种引用方式整体并入本文。

发明内容