一种定向取芯工具及其钻机轴承组件

技术领域

本发明涉及地质勘探定向取芯工具技术领域，更具体地说，涉及一种钻机轴承组件。此外，还涉及一种包括上述钻机轴承组件的定向取芯工具。

背景技术

目前，国内外的定向钻进的轴承组件设计方案在功能或结构上还存在一定的不足，无法适应定向取芯作业环境。例如，现有技术公开的指向式旋转导向钻井工具，它包括一个空心芯轴，芯轴上部外壁上由上至下依次固定有上密封总成和用于支撑芯轴的上浮动轴承，芯轴贯穿一个安装固定在外壳内壁上的偏心机构，芯轴下端伸出外壳外、与空心钻头相连接，芯轴的外壁上由下至上依次有一个下密封总成和一个下固定轴承。但所用的下固定轴承不允许芯轴的倾斜，无法将芯轴的倾斜传递到钻头。且该轴承采用油润滑形式，对密封要求严格。

例如，现有技术公开了一种螺杆驱动的旋转导向钻井工具，其主要由固定接头、上外壳、过流挡板、控制件、串联碟簧、中心轴、控制销钉、马达转子安装座、滑动外壳、马达外壳、马达转子、马达定子、万向轴、下外壳、导流轴、外定位套、密封件、调节套筒、内定位套、串轴承、密封圈、导向接头、导向伸缩块、固定座、泄流喷嘴以及钻头组成。工具工作时，通过改变钻井液压力，使钻井液流道改变，钻井液在工具内部形成分流，驱动泥浆马达转动，改变导向接头的流道连通状态，控制导向伸缩块动作，完成旋转导向工具的导向动作，实现导向钻进功能。但所用的轴承组件对密封要求严格，且无法一边导向一边取芯工作。

另外，现有技术还公开了一种可用于取芯的机械式垂直钻井工具，它包括中间转动外壳，中间转动外壳的一端与稳定平台外壳相连，中间转动外壳的另一端依次与上角接触轴承、下角接触轴承连接，也即中间转动外壳间接的与钻头相连。钻井过程中，钻压与扭矩通过稳定平台外壳、中间传动外壳以及钻头接头等部件传递至钻头，中间转动外壳的中心留有用于放置取芯筒的空间，可实现边垂直钻井边取芯的操作。该钻井工具采用偏重机构所受重力产生的偏心扭矩监测井斜，并带动机械阀门控制下部执行机构动作，为钻头提供下降和倾斜所需的作用力与转角，导致该钻井工具仅适用于垂直定向取芯钻进操作。

综上所述，如何提高定向钻进工具的轴承组件的使用效果、并减小轴承组件的装配难度，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种钻机轴承组件，可有效提高定向钻进工具的轴承组件使用效果、并减小轴承组件的装配难度。

本发明的另一目的是提供一种包括上述钻机轴承组件的定向取芯工具。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种钻机轴承组件，包括：联轴器、壳体、定子支撑板、定子连接件、定子组件、转子组件以及驱动轴，所述联轴器、所述定子支撑板、所述定子连接件、所述定子组件、所述转子组件以及所述驱动轴均为环状结构、且依次套设于中空芯轴的外周部，所述联轴器的内周部和所述中空芯轴的外周部间隙配合；

所述定子支撑板设于所述联轴器的内周部，所述定子支撑板和所述定子组件均与所述定子连接件轴向间隙配合，所述转子组件与所述定子组件配合抵接，所述驱动轴设于所述转子组件的内周部和所述中空芯轴的外周部之间，所述壳体套设于所述转子组件的外周部、且所述壳体与所述联轴器连接。

优选的，所述联轴器有第一内孔，所述定子支撑板设有第二内孔，所述第一内孔和所述第二内孔可构成用于轴向固定铜环的腔体，所述铜环的内周部和所述中空芯轴的外周部间隙配合。

优选的，所述铜环的内周部设有镀层。

优选的，所述联轴器的内周部设有第一内矩形花键，所述定子支撑板的外周部设有与所述第一内矩形花键配合卡接的第一外矩形花键；

或所述联轴器和所述定子支撑板通过固定销、螺钉径向连接。

优选的，所述定子支撑板的一端设有外球面弧面，所述定子组件设有内球面弧面，所述定子连接件设有通槽，所述外球面弧面可穿过所述通槽与所述内球面弧面间隙配合抵接。

优选的，所述内球面弧面设有第二内矩形花键，所述外球面弧面设有第二外矩形花键，所述定子连接件设有中部矩形花键，所述第二内矩形花键和所述第二外矩形花键均与所述中部矩形花键配合卡接。

优选的，所述联轴器的内周部、所述定子支撑板的内周部、所述定子连接件的内周部、所述定子组件的内周部、所述转子组件的内周部以及所述驱动轴的内周部均设有镀层。

优选的，所述壳体沿周向设有通孔，所述通孔与所述中空芯轴的流道连通、以形成冷却润滑流道。

优选的，所述定子组件和所述转子组件可构成平面推力轴承或球面轴承。

一种定向取芯工具，包括：中空芯轴和套设于所述中空芯轴的外周部的外壳，所述中空芯轴与所述外壳之间从下往上依次设有支点轴承组件、偏置组件以及悬臂轴承组件；

所述支点轴承组件的下端与钻头连接、所述支点轴承组件的上端与所述中空芯轴铰接，所述悬臂轴承组件的下端与所述中空芯轴固定连接、所述悬臂轴承组件的上端与钻杆连接，所述偏置组件用于调节所述中空芯轴的偏心度，所述外壳的外周部设有可开闭的封隔器组件，打开的所述封隔器组件可将所述外壳卡在孔壁内，所述悬臂轴承组件为上述任一项所述的钻机轴承组件。

在使用本发明所提供的钻机轴承组件时，定向取芯工具通常包括一个可旋转的中空芯轴和一个不可旋转的外壳，中空芯轴的上端间接的与钻杆连接，中空芯轴的下端间接的与钻头连接。使用过程中，可以将联轴器和外壳连接，当需要进行当定向取芯钻进操作时，外壳不发生旋转，将使得联轴器不旋转，设于联轴器内周部的定子支撑板也不旋转，通过定子连接件与定子支撑板配合的定子组件也不旋转，也即可使得定子组件与联轴器间接实现径向固定、保持相对静止。

由于驱动轴的端部与钻杆连接，将使得驱动轴与钻杆同步转动，而转子组件安装在驱动轴的外周部，使得转子组件与驱动轴的运动方式保持一致，也即使得转子组件与钻杆的运动方式间接保持一致。最终，联轴器、定子支撑板、定子连接件以及定子组件可构成定子结构，驱动轴和转子组件可构成转子结构，该定子结构和转子结构配合使用，以形成完整的推力轴承，其可承受一定的轴向力，有效的旋转支撑中空芯轴。

并且，由于定子支撑板和定子组件均与定子连接件轴向间隙配合，这样可保证定子支撑板与定子组件轴向固定连接的同时，还能在此处允许零部件小弧度随着中空芯轴弯曲、出现小浮动的径向移动，以避免将中空芯轴的扭矩传递到钻杆组件中。此外，本装置结构简单、装配方便，可进行推广使用。

综上所述，本发明所提供的钻机轴承组件，可有效提高定向钻进工具的轴承组件使用效果、并减小轴承组件的装配难度。

此外，本发明还提供了一种包括上述钻机轴承组件的定向取芯工具。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的钻机轴承组件的结构示意图；

图2为联轴器的结构示意图；

图3为定子支撑板的结构示意图；

图4为定子连接件的结构示意图；

图5为定子组件的结构示意图；

图6为定向取芯工具进行直线钻进操作时的结构示意图；

图7为定向取芯工具进行定向钻进操作时的结构示意图。

图1-图7中：

1为联轴器、2为壳体、3为定子支撑板、4为定子连接件、5为定子组件、6为转子组件、7为驱动轴、8为第一内孔、9为第二内孔、10为铜环、11为第一内矩形花键、12为第一外矩形花键、13为外球面弧面、14为内球面弧面、15为第二内矩形花键、16为第二外矩形花键、17为中空芯轴、18为外壳、19为支点轴承组件、20为偏置组件、21为悬臂轴承组件、22为钻杆、23为钻头、24为封隔器组件、25为通槽、26为中部矩形花键。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种钻机轴承组件，可有效提高定向钻进工具的轴承组件使用效果、并减小轴承组件的装配难度。本发明的另一核心是提供一种包括上述钻机轴承组件的定向取芯工具。

请参考图1至图7，其中，图1为本发明所提供的钻机轴承组件的结构示意图；图2为联轴器的结构示意图；图3为定子支撑板的结构示意图；

图4为定子连接件的结构示意图；图5为定子组件的结构示意图；图6为定向取芯工具进行直线钻进操作时的结构示意图；图7为定向取芯工具进行定向钻进操作时的结构示意图。

本具体实施例提供了一种钻机轴承组件，包括：联轴器1、壳体2、定子支撑板3、定子连接件4、定子组件5、转子组件6以及驱动轴7，联轴器1、定子支撑板3、定子连接件4、定子组件5、转子组件6以及驱动轴7均为环状结构、且依次套设于中空芯轴17的外周部，联轴器1的内周部和中空芯轴17的外周部间隙配合；定子支撑板3设于联轴器1的内周部，定子支撑板3和定子组件5均与定子连接件4轴向间隙配合，转子组件6与定子组件5配合抵接，驱动轴7设于转子组件6的内周部和中空芯轴17的外周部之间，壳体2套设于转子组件6的外周部、且壳体2与联轴器1连接。

需要说明的是，本发明所提供的钻机轴承组件是适用于定向取芯钻进的轴承。转子组件6与定子组件5配合抵接，是指定子组件5与转子组件6配合使用，以形成完整的推力轴承，其可承受一定的轴向力。钻机轴承组件的零件均为环状结构，以便于与中空芯轴17配合，在定向取芯工具进行定向取芯钻进操作时，钻机可带动中空芯轴17和钻头23组件旋转，而定向取芯工具的外壳18不旋转，以实现旋转定向切削的功能。钻机轴承组件可有效的旋转支撑中空芯轴17，提高定向取芯工具的使用效果。

可以在实际运用过程中，根据实际情况和实际需求，对联轴器1、壳体2、定子支撑板3、定子连接件4、定子组件5、转子组件6以及驱动轴7的形状、结构、尺寸、材质等进行确定。

在使用本发明所提供的钻机轴承组件时，定向取芯工具通常包括一个可旋转的中空芯轴17和一个不可旋转的外壳18，中空芯轴17的上端间接的与钻杆22连接，中空芯轴17的下端间接的与钻头23连接。使用过程中，可以将联轴器1和外壳18连接，当需要进行当定向取芯钻进操作时，外壳18不发生旋转，将使得联轴器1不旋转，设于联轴器1内周部的定子支撑板3也不旋转，通过定子连接件4与定子支撑板3配合的定子组件5也不旋转，也即可使得定子组件5与联轴器1间接实现径向固定、保持相对静止。

由于驱动轴7的端部与钻杆22连接，将使得驱动轴7与钻杆22同步转动，而转子组件6安装在驱动轴7的外周部，使得转子组件6与驱动轴7的运动方式保持一致，也即使得转子组件6与钻杆22的运动方式间接保持一致。最终，联轴器1、定子支撑板3、定子连接件4以及定子组件5可构成定子结构，驱动轴7和转子组件6可构成转子结构，该定子结构和转子结构配合使用，以形成完整的推力轴承，其可承受一定的轴向力，有效的旋转支撑中空芯轴17。

并且，由于定子支撑板3和定子组件5均与定子连接件4轴向间隙配合，这样可保证定子支撑板3与定子组件5轴向固定连接的同时，还能在此处允许零部件小弧度随着中空芯轴17弯曲、出现小浮动的径向移动，以避免将中空芯轴17的扭矩传递到钻杆22组件中。此外，本装置结构简单、装配方便，可进行推广使用。

综上所述，本发明所提供的钻机轴承组件，可有效提高定向钻进工具的轴承组件使用效果、并减小轴承组件的装配难度。

在上述实施例的基础上，优选的，联轴器1设有第一内孔8，定子支撑板3设有第二内孔9，第一内孔8和第二内孔9可构成用于轴向固定铜环10的腔体，铜环10的内周部和中空芯轴17的外周部间隙配合。

需要说明的是，联轴器1的第一内孔8和定子支撑板3的第二内孔9均与铜环10的外表面配合，使得铜环10在轴向方向上被联轴器1和定子支撑板3所构造的腔体轴向固定约束。并且，由于铜环10和定子支撑板3均与中空芯轴17等径间隙配合，使得铜环10和定子支撑板3的位置可作为中空芯轴17的固定铰链端，进而将弯曲的中空芯轴17在此处矫正。与此同时，联轴器1内部的零件可随中空芯轴17小幅度的径向移动，避免将中空芯轴17的扭矩传递到后端零部件中。

还需要说明的是，除了可以将铜环10和中空芯轴17、定子支撑板3和中空芯轴17设置为间隙配合以外，还可以采用金刚石涂层等方式进行代替，使得中空芯轴17相对联轴器1的转动更为顺畅。

优选的，铜环10的内周部设有镀层，以提高铜环10的提高耐磨性能和使用寿命。

优选的，联轴器1的内周部设有第一内矩形花键11，定子支撑板3的外周部设有与第一内矩形花键11配合卡接的第一外矩形花键12；或联轴器1和定子支撑板3通过固定销、螺钉径向连接。

需要说明的是，定子支撑板3的第一外矩形花键12与联轴器1的第一内矩形花键11配合卡接，或联轴器1和定子支撑板3通过固定销、螺钉径向连接，均可确保联轴器1和定子支撑板3的连接效果，并且，还可以将联轴器1与壳体2进行螺纹连接，使得装置的连接装配方式可靠，非常适用于用小直径取芯钻具的内外多层零件配合而导致安装空间狭小的场合。

在上述实施例的基础上，优选的，定子支撑板3的一端设有外球面弧面13，定子组件5设有内球面弧面14，定子连接件4设有通槽25，外球面弧面13可穿过通槽25与内球面弧面14间隙配合抵接。其中，定子支撑板3与定子组件5通过球面配合，即可实现联轴器1内的部件可随着中空芯轴17进行小浮动调节，避免将中空芯轴17的扭矩传递至后端零部件。

优选的，内球面弧面14设有第二内矩形花键15，外球面弧面13设有第二外矩形花键16，定子连接件4设有中部矩形花键26，第二内矩形花键15和第二外矩形花键16均与中部矩形花键26配合卡接，以保证定子支撑板3、定子连接件4以及定子组件5的径向固定。

需要说明的是，由于中空芯轴17的长度较长，会使得定向取芯工具的定向钻进轨迹曲率半径较大，为了避免在铜环10处矫正中空芯轴17后，对中空芯轴17的后端零件带来小弧度弯曲影响，故将定子支撑板3的外球面弧面13与定子组件5的内球面弧面14间隙配合，并使得定子支撑板3的第二内矩形花键15和定子组件5的第二外矩形花键16均与定子连接件4的中部矩形花键26弹性配合，以保证定子支撑板3与定子组件5在定向固定连接的同时，还能实现在此处允许相应部件小弧度随着中空芯轴17弯曲而小浮动的径向移动。

还需要说明的是，通过采用矩形花键配合、球面配合等方式，可实现钻机轴承组件的定子结构部分不旋转、转子结构部分旋转的目的，并且，这种装配方式结构简单，装配方便，非常适合环向空间狭小的环境。

优选的，联轴器1的内周部、定子支撑板3的内周部、定子连接件4的内周部、定子组件5的内周部、转子组件6的内周部以及驱动轴7的内周部均设有镀层，以提高各部件的耐磨性能和使用寿命。

优选的，壳体2沿周向设有通孔，通孔与中空芯轴17的流道连通、以形成冷却润滑流道。

需要说明的是，定子组件5与转子组件6配合使用，两者安装在壳体2内部，通孔、定子组件5以及转子组件6可与中空芯轴17的流道共同形成冷却流道，以对轴承组件提供冷却润滑的环境。由于本装置采用钻井液冷却和润滑，其无需严格的密封系统，避免了由于存储润滑剂带来的空间不足或担心钻井液侵入润滑剂内影响润滑效果。另外，可以将定子组件5和转子组件6设置为叶片结构、以代替小孔流动冷却的方式，进而为轴承组件提供更好的润滑冷却环境。

优选的，定子组件5和转子组件6可构成平面推力轴承或球面轴承。

需要说明的是，定子组件5和转子组件6构成的平面推力轴承或球面轴承，该轴承得安装空间小，可承受一定轴向力，而且，该轴承可在泥浆环境中正常工作，使得本装置能够采用钻井液进行冷却和润滑，且无需复杂的密封系统。也即只需通过对壳体2、定子组件5、转子组件6以及中空芯轴17进行简单的流道配合设置，即可满足轴承组件的冷却润滑要求，该轴承组件适合在径向空间不足的情况下使用。

除了上述的钻机轴承组件，本发明还提供一种包括上述实施例公开的钻机轴承组件的定向取芯工具，定向取芯工具包括：中空芯轴17和套设于中空芯轴17的外周部的外壳18，中空芯轴17与外壳18之间从下往上依次设有支点轴承组件19、偏置组件20以及悬臂轴承组件21；支点轴承组件19的下端与钻头23连接、支点轴承组件19的上端与中空芯轴17铰接，悬臂轴承组件21的下端与中空芯轴17固定连接、悬臂轴承组件21的上端与钻杆22连接，偏置组件20用于调节中空芯轴17的偏心度，外壳18的外周部设有可开闭的封隔器组件24，打开的封隔器组件24可将外壳18卡在孔壁内，悬臂轴承组件21为上述任一项的钻机轴承组件。该定向取芯工具的其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。

需要说明的是，偏置组件20用于调节中空芯轴17的偏心度，可以是指偏置组件20为三层套管结构，最内层的套管与中空芯轴17为等径连接，最外两层的套管为内外偏心圆分布，通过调节第二层套管的位置可使得最内层套管偏心摆动，以使中空芯轴17弯曲、在任意方向发生位移变化，进而调节中空芯轴17的偏心度。当定向取芯工具进行直线钻进操作时，中空芯轴17不发生弯曲变形，结构如图6所示，而当定向取芯工具需要进行定向钻进操作时，可利用偏置组件20使得中空芯轴17发生弯曲变形，结构如图7所示。

还需要说明的是，支点轴承组件19与中空芯轴17铰接，因此，支点轴承组件19可允许中空芯轴17发生一定角度的倾斜，也即支点轴承组件19可将中空芯轴17的弯曲传递至钻头23，从而使钻头23产生侧向倾角。悬臂轴承组件21与中空芯轴17固定连接，因此，悬臂轴承组件21不会将中空芯轴17的弯曲变形传递至钻杆22，可使得中空芯轴17在悬臂轴承组件21处进行矫直。封隔器组件24打开后可卡住孔壁、以将外壳18锁定在孔壁内，进而避免外壳18转动，而中空芯轴17和钻头23可进行转动，以调节钻头23的倾斜角度。

另外，需要说明的是，在使用定向取芯工具时，钻井液可从钻杆22的内部流入，经过中空芯轴17、支点轴承组件19，在钻头23处流出，到达孔底后返回，之后，钻井液可沿着定向取芯工具的外壳18和孔壁之间流出，封隔器组件24可在钻井液的压力作用下膨胀卡住孔壁。而后，整机可将扭矩传递至钻杆22，钻杆22将扭矩传递至中空芯轴17，再通过支点轴承组件19的内驱动轴7传递至钻头23。其中，悬臂轴承组件21、偏置组件20、支点轴承组件19以及壳体2等部件先后螺纹连接、以构成为整体式结构，当封隔器组件24卡住孔壁后，可使得外壳18不转、仅中空芯轴17转动，从而实现定向取芯工具的旋转切削功能。

需要进行说明的是，本申请文件中提到的第一内孔8和第二内孔9、第一内矩形花键11和第二内矩形花键15、第一外矩形花键12和第二外矩形花键16，其中，第一和第二只是为了区分位置的不同，并没有先后顺序之分。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本发明所提供的所有实施例的任意组合方式均在此发明的保护范围内，在此不做赘述。

以上对本发明所提供的定向取芯工具及其钻机轴承组件进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。