專利名稱：鉆孔工具總成、供這類鉆孔工具總成用的軸承系統(tǒng)及這類鉆孔工具總成的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鉆孔工具總成，特別是供烴井鉆孔用的鉆孔工具總成，包括一套管和一沿軸向伸入套管的心軸以及一用來在套管與心軸間傳遞軸向載荷并使套管可相對(duì)、圍繞心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承系統(tǒng)，其中軸承系統(tǒng)包括至少兩個(gè)軸承級(jí)，對(duì)每個(gè)加以配置以便傳遞部分軸向載荷，且每個(gè)軸承級(jí)都包括軸承裝置。
此外，本發(fā)明涉及一種供這類鉆孔工具總成用的軸承系統(tǒng)以及一種設(shè)計(jì)這類鉆孔工具總成的方法。
背景技術(shù)：
在油井鉆孔和完井操作中采用形狀為管狀鉆柱的鉆孔工具總成。這些鉆柱可包括各種類型、尺寸的管狀件如鉆桿、重型鉆桿、鉆鋌、襯管、套管和管。這些件可以以各種配置加以采用。
這些鉆柱因鉆柱重量和與井眼壁的摩擦而承受機(jī)械拉壓。如果需使鉆柱一部獨(dú)立于鉆柱其余部分轉(zhuǎn)動(dòng)，就需要一軸承總成。這類軸承總成承受與鉆柱中周圍管件相同的拉壓載荷。
在這類應(yīng)用中，軸承總成通常是設(shè)置在可以利用的環(huán)狀空間中的，此空間處于起心軸作用的一個(gè)鉆柱件的管端與起套管作用的另一鉆柱件的管端之間。
心軸斷面與套管斷面常因?qū)嵱靡蠖艿较拗?。例如，供井眼用管的最大斷面受到下述需要的限制，即在井眼與管間需有一環(huán)狀空間使含鉆孔切屑的鉆孔流體可暢流。最小斷面可能受下述需要的限制，即需使鉆孔流體可暢流或使得給定尺寸物體如膠結(jié)塞(cementationplugs)或鋼絲繩配置工具能通過。此外，為了提供足夠的強(qiáng)度，對(duì)心軸與套管的最小壁厚也有要求。
這些要求限制了在環(huán)狀空間中安裝軸承總成的可用空間。裝在可用空間中的單一軸承級(jí)可能強(qiáng)度不夠，無法承受鉆孔工具總成所承受的載荷。因此，已建議采用具有多個(gè)軸承級(jí)對(duì)之加以配置以便傳遞部分彼此平行的軸向載荷的軸承系統(tǒng)。
實(shí)際上，各軸承級(jí)分別被配置在環(huán)狀空間中，相對(duì)彼此有一軸向位移，使它們?cè)趯⑤S向載荷從套管傳遞到心軸時(shí)彼此平行地起作用。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在軸承系統(tǒng)的每個(gè)軸承級(jí)能在失效前傳遞一定最大靜載的地方，軸承系列就已經(jīng)在一靜載下失效，此靜載顯著低于提及的每個(gè)軸承級(jí)最大載荷乘以系列中的軸承級(jí)數(shù)。況且，在轉(zhuǎn)動(dòng)條件下，系統(tǒng)的工作壽命顯著低于由單個(gè)軸承的指明的工作壽命預(yù)期的值。

發(fā)明內(nèi)容
這樣，本發(fā)明的一個(gè)目的就是要提高鉆孔工具總成特別是軸承系統(tǒng)的最大允許載荷。
本發(fā)明的另一目的是提供一種鉆孔工具總成和一種供這類鉆孔工具總成用軸承系統(tǒng)，它們具有更長(zhǎng)的工作壽命。
本發(fā)明一個(gè)或一個(gè)以上目的是通過一種鉆孔工具總成而實(shí)現(xiàn)的，該總成包括一套管和一沿軸向伸入套管的心軸以及一用來在套管與心軸間傳遞軸向載荷并使套管可相對(duì)、圍繞心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承系統(tǒng)，其中軸承系統(tǒng)包括至少兩個(gè)軸承級(jí)，對(duì)每個(gè)加以配置以便傳遞部分軸向載荷，每個(gè)軸承級(jí)包括軸承裝置與緩和裝置，用來將載荷基本上成比例地分布在各軸承級(jí)上。
本發(fā)明是建立在下述認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上的，即實(shí)際上心軸與套管每個(gè)都相當(dāng)于具有一定機(jī)械剛度的可彈性變形的構(gòu)件。為了描述本發(fā)明，實(shí)體機(jī)械剛度被定義為在一定長(zhǎng)度上通過一構(gòu)件傳遞的力與該長(zhǎng)度的增量或減量之比。為避心軸、套管和軸承的彈性行為所致載荷在各級(jí)軸承上分布不均，采用緩和裝置使載荷基本上成比例分布在各軸承級(jí)上。由此基本上避免了某些軸承級(jí)承載超過其最大允許載荷，而系列中其他軸承級(jí)還能承受再多一些的載荷。
對(duì)本專利申請(qǐng)來說，總載荷在各級(jí)軸承上基本成比例的分布被理解成包括一種分布，即作用在承受總載荷最大部分的軸承級(jí)上的載荷不超過1.5倍平均載荷，平均載荷為總載荷除以軸承系統(tǒng)中軸承級(jí)數(shù)?？扇〉氖撬怀^1.3倍平均載荷，更為可取的是它不超過1.1倍平均載荷。
為了避免在一個(gè)軸承級(jí)上過早超過最大載荷，以下是充分的，即只有當(dāng)作用在一個(gè)或一個(gè)以上軸承級(jí)上的載荷達(dá)到最大允許載荷時(shí)，才配置緩和裝置將載荷基本成比例地分布在相應(yīng)軸承級(jí)上。
既然只要有一個(gè)軸承級(jí)失效整個(gè)軸承系統(tǒng)就失效，同時(shí)工作壽命也因載荷從載荷最重的軸承級(jí)緩解而得到延長(zhǎng)。
在一個(gè)實(shí)施例中，緩和裝置包括加以配置以便與相應(yīng)的軸承裝置串聯(lián)傳遞至少部軸向載荷的可變形裝置。可變形裝置在一載荷下變形，這樣超合理承載的軸承級(jí)中的載荷就部分減輕，化為了變形裝置的變形，結(jié)果就迫使剩余軸承級(jí)承受相對(duì)更大部分的載荷。
可變形裝置可包括流體互通的柔性的流體波紋管網(wǎng)，每個(gè)軸承級(jí)包括這樣一個(gè)柔性流體波紋管。換個(gè)辦法，可變形裝置可由可彈性和塑性變形的組合材料或由基本上為可彈性變形材料制成。
具有可彈性變形或可彈性和塑性變形的緩和裝置的好處在于可抵靠軸承裝置使緩和裝置彈性偏置，從而軸承裝置在包括與最大允許載荷相比為中高載荷的載荷范圍內(nèi)保持有效。同樣當(dāng)中高載荷大體成比例分布在各軸承級(jí)上時(shí)，軸承裝置上的磨損在相應(yīng)軸承級(jí)上的分布就更均勻，這樣整個(gè)軸承系統(tǒng)的總體壽命就進(jìn)一步提高。
更為可取的是，在至少一級(jí)軸承中變形裝置的機(jī)械剛度低于套管的剛度和由該級(jí)搭接的心軸的剛度。套管與心軸彈性性能間的不相容由此可適當(dāng)補(bǔ)償。
理想的是，如果每個(gè)軸承級(jí)的機(jī)械剛度低于套管的機(jī)械剛度并低于心軸的機(jī)械剛度，系統(tǒng)中每個(gè)軸承級(jí)至少低2至2.5倍左右，則軸向載荷最易于成比例分布在可用軸承級(jí)上。然而這樣整個(gè)軸承系統(tǒng)要求的軸向長(zhǎng)度較長(zhǎng)，通常這不易辦到也是不希望的。
因此更可取的是，在一個(gè)軸承級(jí)中可變形裝置的機(jī)械剛度在大小上不同于其他軸承級(jí)中可變形裝置的剛度。由此由每個(gè)軸承級(jí)傳遞的軸向載荷就可重新如意地分布在各軸承級(jí)上，因?yàn)橛蓹C(jī)械剛度較低的軸承級(jí)承載的相對(duì)軸向載荷低于具有與其他軸承級(jí)相等的機(jī)械剛度的軸承級(jí)承載的軸向載荷。這樣，通過在要不然就會(huì)負(fù)擔(dān)最重的軸承級(jí)中提供最低的機(jī)械剛度，載荷在各軸承級(jí)上的分布就更為均衡。
由此就減小了軸承系統(tǒng)所需的軸向長(zhǎng)度。實(shí)際上，在各軸承級(jí)中機(jī)械剛度可高于套管和/或心軸的剛度的十分之一。
依照本發(fā)明的第二方面，提供了一種供鉆孔工具總成特別是油田工具總成用的軸承系統(tǒng)，用于在套管與沿軸向伸入套管的心軸間傳遞軸向載荷并使套管可相對(duì)心軸并圍繞心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，該軸承系統(tǒng)包括至少兩個(gè)軸承級(jí)，對(duì)每個(gè)加以配置以便傳遞部分軸向載荷，每個(gè)軸承級(jí)包括軸承裝置與緩和裝置，用來將載荷基本上成比例地分布在相應(yīng)的軸承級(jí)上。
依照本發(fā)明此軸承系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和另外一些實(shí)施例已在有關(guān)上述孔工具總成的描述中加以介紹。
依照本發(fā)明的第三方面，提供了一種根據(jù)以上所述設(shè)計(jì)鉆孔工具總成的方法，該方法包括以下步驟a)選擇適合一個(gè)軸承級(jí)的第一軸承級(jí)剛度；b)就延伸在各軸承級(jí)間的套管的各部分的給定剛度值和延伸在各軸承級(jí)間的心軸的各部分的給定剛度值，計(jì)算適合第二軸承級(jí)剛度的值，從而使軸向載荷成比例地分布在相應(yīng)軸承級(jí)上，這里將選定的第一軸承級(jí)剛度值用作輸入。
用此方法，就可避免對(duì)實(shí)驗(yàn)性模型進(jìn)行麻煩而耗時(shí)的經(jīng)驗(yàn)試湊的慣例。
此法可為生產(chǎn)鉆孔工具總成的方法的一部分，其中根據(jù)計(jì)算，包括各軸承級(jí)的軸承系統(tǒng)以及心軸、套管得以選擇、裝配。
特別是在心軸與套管二者具有沿各軸承級(jí)不變的機(jī)械剛度的場(chǎng)合，適合剩余軸承級(jí)的機(jī)械剛度所需的值被便利地以第一軸承級(jí)剛度與套管剛度之間的剛度比以及第一軸承級(jí)剛度與心軸剛度之間的剛度比來表達(dá)。


下面將參考附圖通過舉例進(jìn)一步詳述本發(fā)明，在附圖中圖1示意地示出一鉆孔工具總成的橫剖視圖；圖2為圖1所示鉆孔工具總成的處于拉伸(a部)與壓縮(b部)狀態(tài)下的一種彈性結(jié)構(gòu)模型。
圖中類似參考符號(hào)針對(duì)類似構(gòu)件。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，以橫剖視圖示意性地示出了鉆孔工具總成1。鉆孔工具總成包括一套管2和一管狀心軸3，心軸3軸向伸入套管2中，在心軸3與套管2之間留下一環(huán)狀空間。數(shù)個(gè)軸承級(jí)(8，9)被設(shè)置在環(huán)狀空間內(nèi)，由此，每個(gè)軸承級(jí)一端連至心軸另一端連至套管。對(duì)軸承級(jí)8加以配置以便彼此平行地傳遞心軸3與套管2間的軸向拉力；對(duì)軸承級(jí)9加以配置以便傳遞套管2與心軸3間的壓縮力。
仍參考圖1，軸承級(jí)(8，9)每級(jí)包括軸承裝置(4，6)與緩和裝置(5，7)。軸承種類不限，可以是滾柱軸承、滾珠軸承、球面滾柱軸承、錐形滾柱軸承、截頭圓錐體滾柱軸承。優(yōu)先選用相對(duì)套管2與心軸3的轉(zhuǎn)軸沿徑向配置的細(xì)長(zhǎng)軸承，因?yàn)檫@種軸承中的載荷是在軸承表面的較大部分上分布的。緩和裝置可以任何可變形材料如塑料或橡膠一類材料的形式或以壓簧如環(huán)形盤簧的形式加以設(shè)置。如所示，緩和裝置被設(shè)置以便與該級(jí)中的相應(yīng)軸承裝置串聯(lián)來傳遞每個(gè)軸承級(jí)中的負(fù)載。
通過與軸承裝置串聯(lián)設(shè)置可變形材料，軸承級(jí)的機(jī)械剛度相對(duì)軸承裝置本身的機(jī)械剛度有所降低，通過向一個(gè)軸承級(jí)提供較低的機(jī)械剛度使在可用軸承級(jí)上的分布可控。如果沒有緩和裝置該軸承級(jí)將承受比合理載荷高的載荷。該機(jī)械剛度比這樣一個(gè)軸承級(jí)的剛度低，即如果沒有緩和裝置，該軸承級(jí)將承受比合理載荷低的載荷。
圖1所示鉆孔工具總成具有含四個(gè)軸承級(jí)的軸承系統(tǒng)。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在用于典型的烴井眼時(shí)，四個(gè)軸承級(jí)可提供總成強(qiáng)度、可靠性、壽命、尺寸之間的最佳搭配。但不難看出，軸承級(jí)數(shù)可以改變成最小值為2的任何數(shù)。
下面參照一種數(shù)學(xué)方法進(jìn)一步闡明按本發(fā)明設(shè)計(jì)鉆孔工具總成的方法。數(shù)學(xué)方法普遍適用于數(shù)量任意并用n表示的軸承級(jí)。要提及的是，下面討論的數(shù)學(xué)方法的結(jié)果對(duì)拉升和壓縮載荷均適用，也適用于使連續(xù)的可變形裝置彼此對(duì)著預(yù)緊的場(chǎng)合。
圖2示出圖1所示鉆孔工具總成的一個(gè)彈性結(jié)構(gòu)模型，圖2a對(duì)應(yīng)鉆孔工具承受拉載，圖2b對(duì)應(yīng)鉆井工具承受壓載。每個(gè)軸承級(jí)用序數(shù)k編號(hào)，k＝1，2，...，n。序數(shù)k＝1指該處全部載荷(拉或壓)作用在心軸中的第一軸承級(jí)，指數(shù)k＝n指該處全部載荷(拉或壓)作用在套管中的最后軸承級(jí)。
套管和心軸可由具有例如不同長(zhǎng)度或不同斷面面積的不同區(qū)段構(gòu)成。每個(gè)這類區(qū)段用序數(shù)i表示。區(qū)段總數(shù)為2n。每個(gè)這類區(qū)段有一機(jī)械剛度，該剛度被定義為經(jīng)具有一定長(zhǎng)度的區(qū)段傳遞的力與該長(zhǎng)度的增量或減量的比值。沿套管相應(yīng)區(qū)段的剛度值用Khi表示，i＝1，2，...，2n。沿心軸相應(yīng)區(qū)段的剛度值用Kmi表示，i＝1，2，......，2n。
沿心軸與套管區(qū)段間標(biāo)記點(diǎn)的位移由Uj給出，j＝1，2，3，......，(4n+2)。偶數(shù)j對(duì)應(yīng)于套管上的點(diǎn)，奇數(shù)j對(duì)應(yīng)于心軸上的點(diǎn)。
一定區(qū)段(i號(hào))的心軸剛度Kmi和套管剛度Khi可用下列方程式基于斷面尺寸和材料性能加以計(jì)算Khi=AhiEhLi,]]>Kmi=AmiEmLi]]>其中Ahi為套管區(qū)段i的斷面面積[m2]；Ami為心軸區(qū)段i的斷面面積[m2]；Li為套管或心軸區(qū)段i的長(zhǎng)度[m]；Eh為套管材料的彈性模量[N/m2]；Em為心軸材料的彈性模量[N/m2]。
軸承級(jí)剛度K1，K2，......，Kn對(duì)應(yīng)于軸承與可變形裝置在軸承級(jí)k中串聯(lián)起來的組合剛度，此例中可變形裝置系以彈簧的形式表示。
其中K軸承，k和K彈簧，k分別為第k軸承級(jí)的軸承剛度和彈簧剛度。
一個(gè)任務(wù)就是要找到各彈簧剛度K彈簧，k的值，以便將心軸與套管間傳遞的軸向總力F被比例分布在可用的軸承級(jí)上。換言之，每個(gè)軸承級(jí)傳遞的力Fk理想狀況下須為總力的1/n即Fk=1nF.]]>如力已成比例分布，沿心軸的位移Uj(見圖2)就成為U1=0。(用作基準(zhǔn))U3=FKm1,]]>U5=U3+n-1nFKm2=U3+1n[(n-1)1Km2]F,]]>U7=U5+FKm3=U3+1n[(n-1)(1Km2+1Km3)]F,]]>U9=U7(1-2n)FKm4=U3+1n[(n-1)(1Km2+1Km3)+(n-2)(1Km4)]F,]]>U11=U9+(1-2n)FKm5=U3+1n[(n-1)(1Km2+1Km3)+(n-2)(1Km4+1Km5)]F,]]>U13=U11(1-3n)FKm6=U3+1n[(n-1)(1Km2+1Km3)+(n-2)(1Km4+1Km5)+(n-3)(1Km6)]F,]]>U15=U13+(1-3n)FKm7=U3+1n[(n-1)(1Km2+1Km3)+(n-2)(1Km4+1Km5)+(n-3)(1Km6+1Km7)]F,]]>等等。
選擇第一軸承級(jí)剛度值K1。通常，軸承裝置的剛度有一給定值，通過適當(dāng)選擇具有適當(dāng)剛度值的緩和裝置來獲得選定軸承級(jí)的剛度?？苫趶?qiáng)度考慮來選擇適當(dāng)?shù)妮S承級(jí)剛度。在力成比例分布的期望情況下，沿套管的位移ui可用K1表示
U2=U3+1K1Fn,]]>U4=U2+1nFKh1=U3+1n[1K1+1Kh1]F,]]>U6=U4+1nFKh2=U3+1n[1K1+1Kh1+1Kh2]F,]]>U8=U6+2nFKh2=U3+1n[1K1+1Kh1+1Kh2+2Kh3]F,]]>U10=Ua+2nFKh4=U3+1n[1K1+1Kh1+1Kh2+2Kh3+2Kh4]F,]]>U12=U10+3nFKh5=U3+1n[1K1+1Kh1+1Kh2+2Kh3+2Kh4+3Kh5]F,]]>U14=U12+3nFKh5=U3+1n[1K1+1Kh1+1Kh2+2Kh3+2Kh4+3Kh5+3Kh6]F,]]>等等。
選好了剛度值K1以后，適合其余軸承級(jí)剛度的最佳值K2，K3，……，Kn就可用數(shù)學(xué)方式解出，以使力均勻分布。其法如下。為使第二軸承級(jí)剛度成為最佳，應(yīng)保持F2=K2(U8-U7)≡1nF,]]>F3=K3(U10-U11)≡1nF]]>F4=K4(U14-U15)≡1nF,]]>等等用上面給出的表達(dá)式代替沿心軸(奇數(shù)j)和套管(偶數(shù)j)的移位Uj時(shí)，軸承級(jí)最佳剛度比Kk/K1，k=2，3，……，n，這就得到K2K1=[1+(K1Kh1+K1Kh2)-(n-1)(K1Km2+K1Km3)]-1,]]>K3K1=[1+(K1Kh1+K1Kh2)+2(K1Kh3+K1Kh4)-(n-1)(K1Km2+K1Km3)-(n-2)(K1Km4+K1Km5)]-1,]]>K4K1=1+(K1Kh1+K1Kh2)+2(K1Kh3+K1Kh4)+3(K1Kh5+K1Kh8)......-(n-1)(K1Km2+K1Km3)-(n-2)(K1Km4+K1Km5)-(n-3)(K1Km6+K1Km7)-1,]]>等等。
這些方程式適用于每個(gè)區(qū)段i套管和心軸中剛度值可有所不同的普適情況。但對(duì)恐怕更為現(xiàn)實(shí)的情況，即套管和心軸剛度沿各區(qū)段不變，也即設(shè)對(duì)心軸而言Kml=Km2=…=Kmn≡Km，對(duì)套管而言Khl=Kh2=…=Khn≡Kh，方程式就可大大簡(jiǎn)化。如此最佳軸承級(jí)剛度就由下式給出
KkK1=[1+AkK1Kh+BkK1Km]-1,]]>Ak＝k(k-1)Bk＝(k-1)(k-2n)可見，使力成比例分布在可用軸承級(jí)上的最佳剛度比Kk/K1僅取決于比值K1/Kh與K1/Km。第一軸承級(jí)剛度選得較低時(shí)，這些最佳剛度的差就減小。
要提到的是，實(shí)體剛度，包括Kh、Km、K1、Kk，是以每單位距離力[N/m]的量綱給出的。因數(shù)Ak和Bk以及序數(shù)則是無量綱的。
就軸承系統(tǒng)中每個(gè)軸承級(jí)而言，如果每個(gè)軸承級(jí)中可變形緩和裝置的機(jī)械剛度低于套管的機(jī)械剛度或心軸的機(jī)械剛度(兩者中不論哪一個(gè)是最小者)2至2.5倍，那么軸向載荷就最易于成比例分布在可用軸承級(jí)上，因?yàn)椴煌S承級(jí)剛度間的比趨于一致。
但由于實(shí)際應(yīng)用中受到尺寸和強(qiáng)度要求一類限制，每個(gè)軸承級(jí)中可變形緩和裝置的機(jī)械剛度處于比套管或心軸剛度值低者、每個(gè)軸承級(jí)要低0.25至2.5倍的某個(gè)地方。如此，使力更成比例地分布在可用的軸承級(jí)上，可通過使相應(yīng)軸承級(jí)剛度最佳化來獲得。更為可取的是，由此不致使一單個(gè)軸承級(jí)承擔(dān)載荷顯著大于總載荷的一定比例，舉例來說至多1.5×F/n。
一個(gè)軸承系統(tǒng)設(shè)有兩個(gè)軸承級(jí)且沿心軸與套管剛度不變，則對(duì)具有這種軸承系統(tǒng)的鉆孔工具總成來說，為使力成比例分布在兩個(gè)軸承級(jí)上而選取的與K1匹配的最佳剛度K2就由下式給出K2K1=[1+2K1Kh-2K1Km]-1]]>對(duì)于其軸承系統(tǒng)設(shè)有三個(gè)軸承級(jí)且沿主軸和套管剛度不變的鉆孔工具總成，最佳剛度K2和K3為K2K1=[1+2K1Kh-4K1Km]-1,]]>K3K1=[1+6K1Kh-6K1Km]-1]]>至于其軸承系統(tǒng)設(shè)有四個(gè)軸承級(jí)且沿心軸和套管剛度不變的鉆孔工具總成，最佳剛度K2、K3和K4為
K2K1=[1+2K1Kh-6K1Km]-1,]]>K3K1=[1+6K1Kh-10K1Km]-1,]]>K4K1=[1+12K1Kh-12K1Km]-1]]>在以上說明中業(yè)已設(shè)想，機(jī)械剛度與載荷的關(guān)系呈線性。若一個(gè)構(gòu)件對(duì)一載荷的機(jī)械響應(yīng)是非線性的，就應(yīng)根據(jù)所出現(xiàn)的載荷確定該機(jī)構(gòu)的機(jī)械剛度，是否軸承系統(tǒng)總設(shè)計(jì)載荷在各級(jí)軸承上充分成比例分配。
應(yīng)該理解的是，彈簧的可用性這類實(shí)際限制可導(dǎo)致一種設(shè)計(jì)，其中套管/心軸的某些區(qū)段長(zhǎng)度Li需比其他的長(zhǎng)，以便獲得理想的軸承級(jí)剛度。那么，上面給出的方程式必須適應(yīng)該特定情況。
示例設(shè)想一油井鉆具能傳遞2000kN拉壓載荷。需將總力平均分布在n＝4個(gè)軸承級(jí)上。這樣就不過早超過任何軸承的靜載強(qiáng)度，軸承系統(tǒng)的工作壽命也得到改善。鉆具基于一圓柱形心軸和一圓形套管。
設(shè)計(jì)的功能要求對(duì)心軸和套管的尺寸特別是斷面面積有限制。心軸和套管用鋼制成，彈性模量為Em＝Eh＝2.1×105N/mm2。套管外徑被限制為最大181mm。柱形心軸內(nèi)徑被限制為最小63.5mm。
采用了推力軸承，其內(nèi)(軸)徑為110mm，外(套)徑為145mm，軸向長(zhǎng)度為25mm。由軸承廠商獲知，所有軸承的剛度為K軸承＝4.11×106N/mm，它被定義為加到軸承上的軸向力與加到軸承上的軸向力引起的軸承的軸向縮短量之比。沿心軸各區(qū)段的心軸外徑為100mm，這樣就可使軸承適配和在工具中定心。沿套管各區(qū)段的套管內(nèi)徑為150mm。軸承、彈簧以及連接到心軸和套管的固定件/接頭所需要的沿套管和心軸的區(qū)段長(zhǎng)度(L1，L2，L3等)為75mm。
為了使每個(gè)軸承級(jí)能傳遞載荷500kN，設(shè)置了一盤簧，其厚度為20mm，剛度為K彈簧＝1.35×106N/mm。
沿套管每75mm區(qū)段的剛度Kh由下式給出
Kh=EhAhL.]]>=2.1×105×π4(1812-1502)75=22.6×106N/mm2]]>沿心軸每75mm區(qū)段的剛度Km由下式給出Km=EmAmL]]>=2.1×105×π4(1002-63.52)75=13.1×106N/mm2]]>在第一軸承級(jí)處，二盤簧是串聯(lián)安裝的，這更接近于使剛度減半。在第一軸承級(jí)串聯(lián)的軸承和二簧的組合剛度K1由下式給出 =12×1.35×106×4.11×10612×1.35×106+4.11×108=0.58×106N/mm2]]>從而使相關(guān)剛度比K1/Kh和K1/Km成為K1Kh=0.58×10622.6×106=0.025,]]>K1Km=0.58×10613.1×106=0.044]]>利用這些值，可對(duì)其他軸承級(jí)的剛度比進(jìn)行計(jì)算，以使載荷被成比例地分布在所有軸承級(jí)上K2K1=[1+2K1Kh-6K1Km]-1=[1+2×0.025-6×0.044]-1=1.27⇒K2=1.27K1]]>K3K1=[1+6K1Kh-10K1Km]-1=[1+6×0.025-10×0.044]-1=1.16⇒K3=1.16K1]]>K4K1=[1+12K1Kn-12K1Km]-1=[1+12×0.025-12×0.044]-1=1.29⇒K4=1.29K1]]>通過安裝與各軸承串聯(lián)的比第一級(jí)更硬的彈簧，則可以獲得更高軸承級(jí)剛度的值。適用于軸承級(jí)k(二簧串聯(lián))處組合剛度Kk的關(guān)系可重新表達(dá)如下 此時(shí)軸承級(jí)2，3，4所需的彈簧剛度值為
在此實(shí)例中，最佳剛度值的差別比較小。這是因?yàn)椋ㄟ^設(shè)計(jì)，心軸與套管的斷面面積僅差2倍左右，這是更為可取的。此外，取二簧串聯(lián)于引一軸承級(jí)，可使兩個(gè)重要比值K1/Km和K1/Kh受到限制。選用其他設(shè)計(jì)，最佳彈簧剛度值的差別是可以顯著增大的。
對(duì)于某些應(yīng)用，例如以上所述，設(shè)置的心軸優(yōu)先選用管狀。盡管如此，采用實(shí)心軸甚至采用非圓斷面如方斷面的套管和/或心軸，本發(fā)明也是有效的。
顯然，此處所述軸承系統(tǒng)除用于鉆孔工具總成外，還可有益地用于其他技術(shù)領(lǐng)域，在那里欲使相當(dāng)大的軸向載荷從套管可轉(zhuǎn)動(dòng)地傳遞到心軸或軸，或反向傳遞。這些領(lǐng)域的例子包括在汽車特別是重型卡車中的應(yīng)用、機(jī)車、海船驅(qū)動(dòng)軸。這也是所述鉆孔工具總成設(shè)計(jì)方法的變型。
未公布的02080230號(hào)歐洲專利申請(qǐng)為本申請(qǐng)的優(yōu)先申請(qǐng)并在此納入備考，它詳述了一用于井眼系統(tǒng)的實(shí)施例，本發(fā)明鉆孔工具總成可在其中有益地得到體現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種鉆孔工具總成它包括一套管和一沿軸向伸入該套管的心軸以及一用來傳遞該套管與該心軸之間的軸向載荷并使該套管可相對(duì)該心軸、圍繞該心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承系統(tǒng)，其中該軸承系統(tǒng)包括至少兩個(gè)軸承級(jí)，每個(gè)軸承級(jí)被設(shè)置成能傳遞所述軸向載荷的一部分，每個(gè)軸承級(jí)都包括用來將載荷基本上成比例地分布在相應(yīng)軸承級(jí)上的緩和裝置與軸承裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的鉆孔工具總成，其特征在于，所述緩和裝置包括具有一機(jī)械剛度的可變形裝置，所述可變形裝置被設(shè)置成能與相應(yīng)軸承裝置串聯(lián)地傳遞至少部分所述軸向載荷。
3.如權(quán)利要求2所述的鉆孔工具總成，其中在至少一個(gè)軸承級(jí)中變形裝置的機(jī)械剛度低于由該軸承級(jí)搭接的一個(gè)區(qū)段中的套管的機(jī)械剛度和心軸的機(jī)械剛度。
4.如權(quán)利要求2或3所述的鉆孔工具總成，其特征在于，在至少一個(gè)軸承級(jí)中可變形裝置的機(jī)械剛度在大小上不同于在其他軸承級(jí)或至少一個(gè)其他軸承級(jí)中可變形裝置的機(jī)械剛度。
5.如任何一個(gè)前述權(quán)利要求所述的鉆孔工具總成，其特征在于，在軸承級(jí)之間延伸的那部分套管的機(jī)械剛度與在軸承級(jí)之間延伸的那部分心軸的機(jī)械剛度彼此不同，相差小于3倍。
6.如任何一個(gè)前述權(quán)利要求所述的鉆孔工具總成，其特征在于，心軸為一管端，優(yōu)選的是，套管為一管端。
7.一種供鉆孔工具總成用的，用來在套管與沿軸向伸入套管的心軸之間傳遞軸向載荷并使套管可相對(duì)心軸、圍繞心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承系統(tǒng)，這種軸承系統(tǒng)包括至少兩個(gè)軸承級(jí)，每個(gè)軸承級(jí)被設(shè)置成能傳遞所述軸向載荷的一部分，每個(gè)軸承級(jí)包括用來將載荷基本上成比例地分布在相應(yīng)的軸承級(jí)上的緩和裝置與軸承裝置。
8.如權(quán)利要求1至6中任何一項(xiàng)所述的鉆孔工具總成的設(shè)計(jì)方法，包括下列步驟a)選擇用于一個(gè)軸承級(jí)的第一軸承級(jí)剛度值；b)就在軸承級(jí)之間延伸的套管各部分的給定剛度值和在軸承級(jí)之間延伸的心軸各部分的給定剛度值，計(jì)算用于第二軸承級(jí)剛度的值，由此將軸向載荷基本上成比例地分布在相應(yīng)的軸承級(jí)上，這里將第一軸承級(jí)剛度值用作輸入。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中步驟b包括b1)確定第一剛度比，即所述第一軸承級(jí)剛度與套管剛度之比；b2)確定第二剛度比，即所述第一軸承級(jí)剛度與心軸剛度之比。
全文摘要
鉆孔工具總成包括一套管和一沿軸向伸入套管的心軸以及一用來在套管與心軸向傳遞軸向載荷并使套管可相對(duì)心軸、圍繞心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承系統(tǒng)，其中軸承系統(tǒng)包括至少兩個(gè)軸承級(jí)，對(duì)每個(gè)軸承級(jí)加以配置以便傳遞部分軸向載荷，每個(gè)軸承級(jí)包括軸承裝置與緩和裝置，用來將載荷基本上成比例地分布在相應(yīng)的軸承級(jí)上。
文檔編號(hào)F16C41/00GK1723329SQ200380105687
公開日2006年1月18日 申請(qǐng)日期2003年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月12日
發(fā)明者S·M·羅格邦德 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司