一种定向取芯工具及其可调向的轴承组件的制作方法

1.本发明涉及地质勘探定向取芯工具技术领域，更具体地说，涉及一种可调向的轴承组件。此外，还涉及一种包括上述可调向的轴承组件的定向取芯工具。


背景技术：

2.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。
3.例如，现有技术还公开了一种支持定向钻孔的防旋转装置，其包括了一种支点轴承组件，该支点轴承组件由一个调心滚子轴承和两个推力调心滚子轴承组成，用于支撑旋转钻井轴，并允许钻头在任何期望的方向上倾斜并且相对自由地旋转。但该支点轴承组件要求较大的径向安装空间，且受地质取芯直径限制，且其导向系统复杂，尚不能适应地质取芯作业环境。此外，该支点轴承组件采用油润滑形式，其密封系统非常复杂。
4.综上所述，如何提高定向钻进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。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的是提供一种可调向的轴承组件，可提高定向取芯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。
6.本发明的另一目的是提供一种包括上述可调向的轴承组件的定向取芯工具。
7.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种可调向的轴承组件，包括：内驱动轴、定子组件、转子组件、用于安装所述定子组件的定子支撑板、用于安装所述转子组件的转子支撑板以及壳体，所述内驱动轴的上端与中空芯轴连接，所述内驱动轴的下端与钻头连接，所述定子组件与所述转子组件配合设置、以旋转支撑所述内驱动轴；
9.所述定子支撑板套设于所述内驱动轴的外周部，所述定子组件和所述转子组件设于所述定子支撑板的内周部和所述内驱动轴的外周部之间，所述转子支撑板的端部与所述定子支撑板的端部间隙配合，所述转子支撑板和所述定子支撑板均设于所述壳体内，所述壳体与所述定子支撑板为轴向间隙配合，所述壳体与所述转子支撑板为径向固定连接。
10.优选的，所述定子支撑板的外周部设有第一凸球面和第二凸球面，所述壳体的内周部设有与所述第一凸球面配合卡接的第一凹球面，所述转子支撑板的内周部设有与所述第二凸球面配合卡接的第二凹球面。
11.优选的，所述壳体的内周部设有内矩形花键，所述定子支撑板的外周部设有与所述内矩形花键间隙配合的外矩形花键。
12.优选的，所述壳体的内周部与所述转子支撑板的外周部通过螺钉或固定销连接。
13.优选的，所述壳体的外周部设有用于流通冷却润滑液的通孔。
14.优选的，所述定子支撑板的内周部与所述内驱动轴的外周部为间隙配合；
15.或所述定子支撑板的内周部设有金刚石涂层。
16.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。
17.优选的，所述定子组件和所述转子组件均为聚晶金刚石复合片。
18.一种定向取芯工具，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；
19.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，所述支点轴承组件为上述任一项所述的可调向的轴承组件。
20.在使用本发明所提供的可调向的轴承组件时，定子组件与转子组件配合设置，以有效旋转支撑内驱动轴。由于转子支撑板的端部与定子支撑板的端部间隙配合，且壳体与定子支撑板为轴向间隙配合、壳体与转子支撑板为径向固定连接，这样使得定子支撑板能实现定心自由转动，也即定子支撑板可在壳体内沿任意方向转动，从而允许中空芯轴和内驱动轴出现倾斜现象，并且，内驱动轴可以将该倾斜现象传递至钻头，也即本装置将允许钻头在任意方向倾斜。
21.因此，当中空芯轴发生弯曲现象、使中空芯轴在任意方向发生位移变化时，可调向的轴承组件能够有效的将中空芯轴的弯曲现象通过内驱动轴传递至钻头，从而使钻头产生侧向倾角，进而实现定向取芯操作。
22.此外，这样设置转子支撑板、定子支撑板以及壳体，可确保可调向的轴承组件的轴向径向固定约束到位，不会在钻进过程中出现可调向的轴承组件的零部件松动脱离现象，进而避免影响定向取芯钻进操作的顺利进行。并且，本装置结构简单、装配方便，可进行推广使用。
23.综上所述，本发明所提供的可调向的轴承组件，可提高定向取芯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。
24.此外，本发明还所提供了一种包括上述可调向的轴承组件的定向取芯工具。
附图说明
25.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。
26.图1为本发明所的可调向的轴承组件的结构示意图；
27.图2为壳体的结构示意图；
28.图3为定子支撑板的结构示意图；
29.图4为定向取芯工具进行直线钻进操作时的结构示意图；
30.图5为定向取芯工具进行定向钻进操作时的结构示意图。
31.图1-图5中：
32.1为内驱动轴、2为定子组件、3为转子组件、4为定子支撑板、5为转子支撑板、6为壳体、7为第一凸球面、8为第二凸球面、9为第一凹球面、10为第二凹球面、11为内矩形花键、12为外矩形花键、13为通孔、14为中空芯轴、15为外壳、16为支点轴承组件、17为偏置组件、18为悬臂轴承组件、19为钻头、20为钻杆、21为封隔器组件、22为螺钉、23为装配孔。
具体实施方式
33.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。
34.本发明的核心是提供一种可调向的轴承组件，可提高定向取芯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可调向的轴承组件的定向取芯工具。
35.请参考图1至图5，其中，图1为本发明所的可调向的轴承组件的结构示意图；图2为壳体的结构示意图；图3为定子支撑板的结构示意图；图4为定向取芯工具进行直线钻进操作时的结构示意图；图5为定向取芯工具进行定向钻进操作时的结构示意图。
36.本具体实施例提供了一种可调向的轴承组件，包括：内驱动轴1、定子组件2、转子组件3、用于安装定子组件2的定子支撑板4、用于安装转子组件3的转子支撑板5以及壳体6，内驱动轴1的上端与中空芯轴14连接，内驱动轴1的下端与钻头19连接，定子组件2与转子组件3配合设置、以旋转支撑内驱动轴1；定子支撑板4套设于内驱动轴1的外周部，定子组件2和转子组件3设于定子支撑板4的内周部和内驱动轴1的外周部之间，转子支撑板5的端部与定子支撑板4的端部间隙配合，转子支撑板5和定子支撑板4均设于壳体6内，壳体6与定子支撑板4为轴向间隙配合，壳体6与转子支撑板5为径向固定连接。
37.需要说明的是，可调向的轴承组件的结构简单，传动可靠，受力面积大，安装空间较小，钻进效率高，可广泛应用于地质勘探定向取芯技术领域。可调向的轴承组件能承受一定推力，结构简单，装配方便，且可允许中空芯轴14高速旋转，以提高定向取芯工具的旋转切削破岩效率。其中，定子组件2与转子组件3配合设置，是指定子组件2与转子组件3配合使用，以形成完整的推力轴承，其可承受一定的轴向力，有效的旋转支撑内驱动轴1。
38.可以在实际运用过程中，根据实际情况和实际需求，对内驱动轴1、定子组件2、转子组件3、定子支撑板4、转子支撑板5以及壳体6的形状、结构、尺寸、材质、位置等进行确定。
39.在使用本发明所提供的可调向的轴承组件时，定子组件2与转子组件3配合设置，以有效旋转支撑内驱动轴1。由于转子支撑板5的端部与定子支撑板4的端部间隙配合，且壳体6与定子支撑板4为轴向间隙配合、壳体6与转子支撑板5为径向固定连接，这样使得定子支撑板4能实现定心自由转动，也即定子支撑板4可在壳体6内沿任意方向转动，从而允许中空芯轴14和内驱动轴1出现倾斜现象，并且，内驱动轴1可以将该倾斜现象传递至钻头19，也
即本装置将允许钻头19在任意方向倾斜、并相对自由的旋转。
40.因此，当中空芯轴14发生弯曲现象、使中空芯轴14在任意方向发生位移变化时，可调向的轴承组件能够有效的将中空芯轴14的弯曲现象通过内驱动轴1传递至钻头19，从而使钻头19产生侧向倾角，进而实现定向取芯操作。
41.此外，这样设置转子支撑板5、定子支撑板4以及壳体6，可确保可调向的轴承组件的轴向径向固定约束到位，不会在钻进过程中出现可调向的轴承组件的零部件松动脱离现象，进而避免影响定向取芯钻进操作的顺利进行。并且，本装置结构简单、装配方便，可进行推广使用。
42.综上所述，本发明所提供的可调向的轴承组件，可提高定向取芯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。
43.在上述实施例的基础上，优选的，定子支撑板4的外周部设有第一凸球面7和第二凸球面8，壳体6的内周部设有与第一凸球面7配合卡接的第一凹球面9，转子支撑板5的内周部设有与第二凸球面8配合卡接的第二凹球面10。
44.需要说明的是，定子支撑板4位于壳体6和转子支撑板5的内部。通过球面配合可实现壳体6与定子支撑板4的轴向固定。定子支撑板4上有2个凸球面，壳体6和转子支撑板5上均有1个凹球面，凸球面和凹球面之间为间隙配合，因此，定子支撑板4可以在壳体6内部沿任意方向转动，从而实现允许中空芯轴14倾斜的功能。由于中空芯轴14间接的与钻头19连接，因此，本装置将允许钻头19在任意方向倾斜。
45.优选的，壳体6的内周部设有内矩形花键11，定子支撑板4的外周部设有与内矩形花键11间隙配合的外矩形花键12。
46.需要说明的是，壳体6的内周部与定子支撑板4的外周部通过矩形花键间隙配合，通过矩形花键配合，可实现壳体6与定子支撑板14的径向固定，且壳体6和定子支撑板4的连接处留有间隙，是为了提供部件的偏转空间，从而允许定子支撑板4、转子组件3以及定子组件2在壳体6的内部小范围转动。
47.优选的，壳体6的内周部与转子支撑板5的外周部通过螺钉22或固定销连接。
48.需要说明的是，可以在壳体6的周部贯穿设有装配孔23，在转子支撑板5的外周部设有螺纹孔，再利用螺钉22或固定销依次穿过装配孔23和螺纹孔进行锁紧，以实现壳体6和转子支撑板5的径向固定，从而保证壳体6和转子支撑板5在轴线方向上的固定约束，避免在定向取芯钻进操作时出现部件松动现象。
49.还需要说明的是，壳体6分别与定子支撑板4、转子支撑板5定向连接，在进行定向取芯钻进操作时，可确保由定子支撑板4、转子支撑板5以及壳体6构成的外部结构不旋转，该外部结构可与内驱动轴1形成相对转动，以保证定向取芯钻进操作的孔径大小恒定。
50.优选的，壳体6的外周部设有用于流通冷却润滑液的通孔13。该通孔13可允许冷却润滑液流通，以实现冷却润滑操作，提高本装置的使用寿命和使用效果。
51.在上述实施例的基础上，优选的，定子支撑板4的内周部与内驱动轴1的外周部为间隙配合；或定子支撑板4的内周部设有金刚石涂层。这样设置可充分实现定子支撑板4与内驱动轴1的相对转动，使得内驱动轴1相对定子支撑板4转动的更为顺畅。
52.优选的，定子组件2和转子组件3可构成平面推力轴承或球面轴承。
53.需要说明的是，转子组件3和定子组件2具备旋转支撑中空芯轴14的功能。而定子
组件2和转子组件3构成的平面推力轴承或球面轴承，均具备安装空间小，可承受一定轴向力等优点，适用于定向取芯钻进操作。
54.优选的，定子组件2和转子组件3均为聚晶金刚石复合片，以提高装置的使用效果和使用寿命。
55.除了上述的可调向的轴承组件，本发明还提供一种包括上述实施例公开的可调向的轴承组件的定向取芯工具，定向取芯工具包括：中空芯轴14和套设于中空芯轴14的外周部的外壳15，中空芯轴14与外壳15之间从下往上依次设有支点轴承组件16、偏置组件17以及悬臂轴承组件18；支点轴承组件16的下端与钻头19连接、支点轴承组件16的上端与中空芯轴14铰接，悬臂轴承组件18的下端与中空芯轴14固定连接、悬臂轴承组件18的上端与钻杆20连接，偏置组件17用于调节中空芯轴14的偏心度，外壳15的外周部设有可开闭的封隔器组件21，打开的封隔器组件21可将外壳15卡在孔壁内，支点轴承组件16为上述任一项的可调向的轴承组件。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。
56.需要说明的是，偏置组件17用于调节中空芯轴14的偏心度，可以是指偏置组件17为三层套管结构，最内层的套管与中空芯轴14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14弯曲、在任意方向发生位移变化，进而调节中空芯轴14的偏心度。当定向取芯工具进行直线钻进操作时，中空芯轴14不发生弯曲变形，结构如图4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17使得中空芯轴14发生弯曲变形，结构如图5所示。
57.还需要说明的是，支点轴承组件16与中空芯轴14铰接，因此，支点轴承组件16可允许中空芯轴14发生一定角度的倾斜，也即支点轴承组件16可将中空芯轴14的弯曲传递至钻头19，从而使钻头19产生侧向倾角。悬臂轴承组件18与中空芯轴14固定连接，因此，悬臂轴承组件18不会将中空芯轴14的弯曲变形传递至钻杆20，可使得中空芯轴14在悬臂轴承组件18处进行矫直。封隔器组件21打开后可卡住孔壁、以将外壳15锁定在孔壁内，进而避免外壳15转动，而中空芯轴14和钻头19可进行转动，以调节钻头19的倾斜角度。
58.另外，需要说明的是，在使用定向取芯工具时，可以将内驱动轴1与中空芯轴14连接，将壳体6与偏置组件17等部件螺纹连接。使用过程中，钻井液可从钻杆20的内部流入，经过中空芯轴14、支点轴承组件16，在钻头19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15和孔壁之间流出，封隔器组件21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20，钻杆20将扭矩传递至中空芯轴14，再通过支点轴承组件16的内驱动轴1传递至钻头19。其中，悬臂轴承组件18、偏置组件17、支点轴承组件16以及壳体6等部件先后螺纹连接、以构成为整体式结构，当封隔器组件21卡住孔壁后，可使得外壳15不转、仅中空芯轴14转动，从而实现定向取芯工具的旋转切削功能。
59.需要进行说明的是，本技术文件中提到的第一凸球面7和第二凸球面8、第一凹球面9和第二凹球面10，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。
60.另外，还需要说明的是，本技术的“上”、“下”等指示的方位或位置关系，是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于简化描述和便于理解，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
61.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。
62.以上对本发明所提供的定向取芯工具及其可调向的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。