弹簧预加载的轴承组件以及包括其的钻井设备的制作方法

专利名称：弹簧预加载的轴承组件以及包括其的钻井设备的制作方法
弹簧预加载的轴承组件以及包括其的钻井设备 公开领域 本文的公开内容大致上涉及有关钻井的设备、系统以及装置，并且更具体地，涉及 方定转控制头(rotating control head)、方定转防喷器(rotatingblowout preventor)以及类 似物。 背景 油井、气井、水井、地热井以及类似物一般使用连接到中空钻柱(drillstring)的 钻头钻成，而该中空钻柱被插入到用水泥接合在井钻孔中的井筒中。钻头被连接到井筒、井 头，或连接到关联的防喷器设备，用于从表面密封井钻孔的内部，并在钻探时促进钻探流体 被迫循环穿过井，或将钻探流体从井分流开去。钻探流体包括但不限于水、蒸汽、钻探泥浆、 空气以及其它流体(即液体、气体等)。 在向前循环的钻探技术(forward circulation drilling technique)中，钻探流 体被向下泵送穿过中空钻柱的钻孔，离开中空钻柱的底部，并随后向上穿过由钻柱和井筒 或井钻孔的内部界定的环形区域，并随后通过井头上方的侧出口穿出。在逆向循环中，泵推 进钻探流体穿过端口，沿着钻柱和井筒或井钻孔之间的环形区域向下，然后向上穿过中空 钻柱的钻孔并穿出井。 钻头一般包括固定的主体，该固定的主体经常被称为辊筒(bowl)，该辊筒承载 可旋转的心轴，而该可旋转的心轴通常被称为轴承组件，该轴承组件通过传动钻柱装置 (kelly即paratus)或顶部驱动单元(top drive unit)来旋转。经常被称为密封包装机 (stripper packer)或密封橡胶组件(stripperrubber assembly)的一个或多个密封件或 包装元件由心轴来承载，以便密封传动钻柱的周边或驱动管道或钻探管道的部分，无论哪 一个都可以穿过心轴和密封橡胶组件，并且因此限制或分流井中的核心压力，以防止钻探 流体从旋转的心轴和钻柱之间逃离。 由于现代井钻得比以前更深，或者进入某些地质构造中，钻头可能会遇到高温和 压力。这些严酷的钻探条件对钻塔工作人员造成关于被蒸汽、热水以及热的、腐蚀性井流体 意外灼伤、烫伤或沾染的增加的风险。当使用重工具将密封橡胶组件连接到钻头时，对于钻 塔工人存在有严重伤害的危险。因此，应快速地形成此种连接并达到紧密的流体密封。
通过轴承组件来促进旋转控制头、旋转防喷器或其它类型的旋转控制装置的相应 的旋转部件的旋转，钻柱通过该轴承组件相对于固定的辊筒或外罩旋转，而轴承组件被密 封在固定的辊筒或外罩中。旋转控制头、旋转防喷器以及其它类型的旋转控制装置在本文 中一般称为钻井头。 一般地，橡胶0形环形密封件或类似的密封件被布置在密封橡胶组件 和轴承组件之间，以改进密封橡胶组件和轴承组件之间的流体紧密连接。通过连接到轴承 组件并压縮地啮合在钻柱周围的一种或多种密封橡胶组件来达到压力控制。至少一个密封 橡胶组件和钻柱一起旋转。密封橡胶组件的主体(即密封橡胶主体) 一般有向下的锥度， 并且包括橡胶或其它有弹力的衬底，以便井下压力(downhole pressure)向上推在密封橡 胶主体上，贴靠着钻柱压密封橡胶主体，以达到流体紧密密封。密封橡胶组件还经常包括金 属插入物，该金属插入物对螺栓或其它连接装置提供支撑，并且该金属插入物也提供一种
3支撑结构，以最小化由井下压力作用在密封橡胶主体上而引起的橡胶的变形。 密封橡胶组件被连接到钻头设备或适合于钻头设备，以建立并保持围绕钻柱(即
井下管状)的压力控制密封。本领域技术人员应理解，可使用多种方法将密封橡胶组件连
接到关联的钻头装备。上述连接方法包括从顶部进行螺栓连接、从底部进行螺栓连接、经由
密封橡胶组件的顶部上和设备的底部的配合的带螺纹的部分、夹具以及其它方法将密封橡
胶组件直接拧紧到设备上。 应理解，根据钻头所使用的具体设备，在一个井，密封橡胶组件可能被连接到专用 于该并的设备，而在另一个井，密封橡胶组件则被连接到不同的设备。例如，在一个并，密封 橡胶组件可以被连接到轴承组件，而在另一个井，密封橡胶组件可以被连接到内部套筒或 钻头的配件。因此，密封橡胶组件并非必须被限制为连接到旋转控制头、旋转防喷器或类似 物的具体部件。 通常，使用重的扳手和大锤(sledge hammer)来紧固连接用的螺栓或螺丝。使用 重工具紧固螺栓，例如，可能会对螺纹或螺栓头变得滑丝的点引起过度紧固。过度紧固的结 果包括头部滑丝或者螺纹滑丝，在头部滑丝的情况下，螺栓或螺丝不能被移除，在螺纹滑丝 的情况下，螺栓或螺丝没有夹持力，并且连接失效。这两种结果都是不理想的。更糟的是， 振动和其它钻探应力可能引起螺栓或螺丝本身工作时变松并掉出。如果一个或多个掉在井 下，结果将可能是灾难性的。钻头可能被毁掉。整个钻柱可能不得不被剥离出去，并且相当 大的部分需要被替换，包括钻头。如果井钻孔已经有外壳，则外壳可能被损坏并且不得不修 理。 钻头组件需要周期性地拆装，以更换密封橡胶组件或其它零件、润滑运动的元件 以及实施其它推荐的维护。在一些情况中，滑丝的或过度紧固的螺栓或螺丝使得将密封橡 胶组件从钻头组件分离以实施推荐的维护或零件更换即使不是不可能的也是非常困难的。
—种在油田业中被广泛地应用的现有技术的旋转控制头的构造为授予John R. Williams的美国专利No. 5， 662， 181 (即Williams的181专利)的主题。Williams的 181专利涉及用于油井和气井的钻头和防喷器，并且更加具体地，涉及安装在井头上或安装 在螺栓连接到井头的主防喷器上的旋转防喷器，以便压力密封井筒的内部，并在钻探操作 过程中允许钻探流体穿过井的强迫循环。Williams的181专利的旋转防喷器包括设计成接 收防喷器轴承组件的外罩以及液压缸操作的夹持机构，以便将轴承组件可移除地固定在外 罩中，并提供通向轴承组件以及设置在轴承组件中的双密封橡胶组件的部件的准备好的通 道。常规的钻柱被插入或"剌入"穿过防喷器轴承组件，包括可旋转地安装在防喷器轴承组 件中的两个基部密封橡胶组件，以便密封钻柱。该装置被设计成使得冷却的水和/或防冻 剂可以通过防喷器轴承组件中的顶部压力密封包装盒循环，并且润滑剂被引导进入顶部压 力密封包装盒，以便润滑顶部压力密封件和底部压力密封件，以及堆叠的轴向轴承和止推 轴承。 Williams的181专利的旋转防喷器的主要特征包括冷却水和/或防冻剂进入顶 部密封盒的循环，以及使用液压地操作的夹具将防喷器轴承组件固定在固定的外罩中，以 便冷却压力密封件，并提供分别通向间隔开的旋转的密封橡胶组件以及内部轴承组件元件 的通道。夹具可以被用于促进旋转防喷器的快速组装和拆卸。另一主要特征是将防喷器 轴承组件中的双密封橡胶组件安装在固定的外罩上，以在钻探或其它井操作的过程中促进密封橡胶组件在传动钻柱上或钻柱上的优良的密封。另一重要特征为相应的密封装置和 轴承的润滑，以及通过在压力下将润滑剂引入轴承组件顶部压力密封包装盒来抵消关键轴 杆压力密封件上的井压力。 依据Williams的181专利的旋转防喷器的对象包括安置在固定的外罩中的外罩 衬垫上的防喷器轴承组件、安装在固定的外罩上并与安装的构造中的轴承组件啮合的液压 地操作的夹持机构，其中外罩被连接到井筒、井头或主防喷器，垂直的内部套筒可旋转地安 装在轴承组件中，并且接收一对压力密封密封橡胶组件以及冷却流体和与顶部压力密封件 联通的润滑入口端口 ，以便通过顶部密封件循环冷却水和/或防冻剂，并推动润滑剂进入 堆叠的轴杆轴承以及密封件，以便在密封件和下部密封上分别地施加内部压力。
现有技术的旋转控制头、旋转防喷器和/或类似物(包括依据Williams的181专 利的旋转防喷器和/或旋转控制头)的具体缺点包括但不限于a)依靠或使用至少部分地 以及共同地围绕外罩和轴承组件的弯曲的夹持段；b)依靠或使用可枢轴转动地彼此连接 以便允许与轴承组件啮合以及从轴承组件分离的夹持段；c)依靠或使用液压夹具；d)依靠 或使用螺栓型机械连接以支持液压夹具，以便确保安全操作；e)位于不同界面的使环境沾 染隔开的不良密封；f)麻烦的以及效率低的密封橡胶组件连接；g)在内部套筒和/或辊筒 的关键热敏感位置处缺少或不充分的冷却；h)缺少实时的和/或远程的监控数据获取功能 (例如经由无线/卫星上载数据；i)固定的(例如，非自调节)套筒组件轴承预加载；以及 j)麻烦的/低效的润滑分布和冷却。
因此，能克服上文提到的以及和现有技术的油田钻探设备(例如旋转控制头、旋 转防喷器和/或类似物)相关的其它已知但未公开的缺点的旋转控制头、旋转防喷器和/ 或类似物将是有优势的、理想的和有用的。
发明概述 本发明的实施方式克服了现有技术的旋转控制头、旋转防喷器和/或类似物的一 种或多种缺点。这些缺点的例子包括但不限于a)依靠或使用至少部分地以及共同地围绕 外罩和轴承组件的弯曲的夹持段；b)依靠或使用可枢轴转动地彼此连接以便允许与轴承 组件啮合以及从轴承组件分离的夹持段；c)依靠或使用液压夹具；d)依靠或使用螺栓型机 械连接以支持液压夹具，以便确保安全操作；e)位于不同界面的使环境沾染隔开的不良密 封；f)麻烦的以及效率低的密封橡胶组件连接；g)在内部套筒和/或辊筒的关键热敏感位 置处缺少或不充分的冷却；h)缺少实时的和/或远程的监控数据获取功能(例如经由无线 /卫星上载数据；i)固定的(例如，非自调节)套筒组件轴承预加载；以及j)麻烦的/低效 的润滑分布和冷却。通过这种方式，本发明的实施方式提供了旋转控制头、防喷器或其它类 型的油田设备的一个或多个方面的一种优势的、理想的以及有用的实施形式。
在本发明的一个实施方式中，用于钻井头的轴承组件包括外部套筒、内部套筒、轴 承单元、预加载力施加构件(preload force exerting member)以及密封橡胶连接结构 (stripper rubber attachment structure)。夕卜部套筒具有中心钻孑L。内部套筒至少部分 地布置在外部套筒的中心钻孔内。轴承单元被耦合在套筒之间，以便提供套筒的共心对准， 并允许套筒之间的旋转。轴承单元中的第一个轴承单元被设置成用于承载径向地施加在套 筒之间的载荷，并且轴承单元中的第二个轴承单元被设置成用于承载纵向地施加在套筒之 间的载荷。预加载力施加构件布置在套筒之间。预加载力施加构件将力保持在承载纵向载
5荷的轴承单元(longitudinal load carrying bearingunit)以及所述套筒上，从而预加载 承载纵向载荷的轴承单元。密封橡胶连接结构与内部套筒的下端部部分形成整体。
在本发明的另一个实施方式中，用于钻井头的轴承组件包括外部套筒、内部套筒、 轴承组件、碟型垫圈(belleville washer)以及密封橡胶连接结构。外部套筒具有中心钻 孔，以及在外部套筒中心钻孔内从该中心钻孔的表面延伸的肩部。内部套筒具有从其外部 表面延伸的肩部。内部套筒被至少部分地布置在外部套筒中心钻孔内。轴承单元耦合在套 筒之间，以便提供套筒的共心对准，并允许套筒之间的旋转。轴承单元中的第一个轴承单 元被设置成用于承载径向地施加在套筒之间的载荷，而轴承单元中的第二个轴承单元被设 置成用于承载纵向地施加在套筒之间的载荷。承载纵向载荷的轴承单元被布置在肩部之 间。碟形垫圈被布置在肩部之间，并且保持承载纵向载荷的轴承单元以及所述套筒上的力， 从而预加载承载纵向载荷的轴承单元。密封橡胶连接结构与内部套筒的下端部部分形成整 体。 在本发明的另一个实施方式中，钻井头包括外罩以及轴承组件。该外罩具有界定 中心钻孔的侧壁结构。该轴承组件包括外部套筒、内部套筒、轴承单元以及预加载力施加构 件。外部套筒具有中心钻孔，并且内部套筒被可移除地安置在外罩中心钻孔内。轴承单元 被耦合在套筒之间，以便提供套筒的共心对准，并允许其间的旋转。轴承单元中的第一个轴 承单元被构造成承载径向地施加在套筒之间的载荷，并且轴承单元中的第二个轴承单元被
构造成用于承载纵向地施加在套筒之间的载荷。预加载力施加构件将力保持在承载纵向载 荷的轴承单元以及所述套筒上，从而预加载承载纵向载荷的轴承单元。 本发明的这些以及其它目的、实施方式、优势和/或区别将在进一步地回顾接下 来的说明书、相关的附图以及附加的权利要求之后变得易于明白。此外，应理解，本发明的 发明方面可以被应用于旋转控制头、旋转防喷器以及类似物。因此，关于描述本发明的具体 方面的构造和实施，术语旋转控制头以及旋转防喷器可以可互换地被使用，因为两者都是 提供将得益于从本发明的功能的油井钻探设备。
附图简述

图1为依据本发明的第一实施方式的旋转控制头的透视图，其中，该旋转控制头 包括依据本发明的滑块式轴承组件保持装置(ram-stylebearing assembly retaining apparatus) s 图2为沿着图1中的线2-2取得的横截面视图，其示出了与轴承组件啮合的滑块 式轴承组件保持装置； 图3为沿着图1中的线3-3取得的横截面视图，其示出了分离的滑块式轴承组件
保持装置以及相对于旋转控制头的辊筒处于移除的位置中的轴承组件。 图4为依据本发明的第二实施方式的旋转控制头的透视图，其中，旋转控制头包
括依据本发明的滑块式轴承组件保持装置。 图5为沿着图4中的线5-5取得的横截面视图，其示出了与轴承组件啮合的滑块 式轴承组件保持装置。 图6为图5的旋转控制头的轴承组件的透视图。 图7为沿着图6中的线7-7取得的横截面视图，其示出了轴承组件的密封件润滑 布置。
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图8为沿着图6中的线8-8取得的横截面视图，其示出了轴承组件的轴承润滑布置。 图9为从图8取得的详细视图，其示出了有关覆盖物板(cover plate)和顶部驱 动装置(top drive)的弹簧加载的密封单元的具体方面。 图10为部分地展开的视图，其示出了从顶部驱动装置分离开的弹簧加载的密封 件。 图11为流程图，其示出了依据本发明的一个实施方式的旋转控制头系统，其包括 强制流密封件润滑装置(forced-flow seal lubrication即paratus)以及强制流轴承密封 装置(forced-flow bearing lubrication即pa:ratus)。 图12为依据本发明的第三实施方式的旋转控制头的透视图，其中，旋转控制头为
带有滑块式轴承组件保持装置的高压力旋转控制头。 图13为沿着图12中的线13-13取得的横截面视图。 图14为透视图，其示出了上部密封橡胶装置的实施方式，该上部密封橡 胶装置在其罐主体和其罐主体的盖子之间使用卡口型互相连接(bayonet style interco皿ectiorO 。 图15为沿着图14中的线15-15取得的横截面视图。 图16为图14中示出的上部密封橡胶装置的展开的透视图。 图17为依据本发明的实施方式的数据获取装置的图解视图。 图18为透视图，其示出了依据本发明的一个实施方式的传动钻柱驱动装置。 附图详述 图1-3示出了依据本发明的第一实施方式的旋转控制头1的各个方面。旋转控制 头1通常被称为低压力旋转控制头。如图1-3中所示，可以见到，依据本发明的滑块式保持 装置和现有技术的轴承组件保持装置之间基本的区别在于滑块式保持装置利用多个角向 地间隔开的滑块组件10，以保持轴承组件12处于相对于设备外罩14 (即在现有技术中通常 被称为辊筒)的固定位置。轴承组件12的内部套筒15被构造成具有连接到其端部部分的 密封橡胶组件。如示出的那样，提供了角向地间隔开大约180度的两个滑块组件，以便保持 轴承组件12相对于设备外罩14处于固定位置。然而，依据本发明的滑块型保持装置不被 限制到两个滑块组件。清楚地，可以实施依据本发明的具有多于两个的滑块组件的滑块型 保持装置，或者可以想象得到，也可以只实施只有一个滑块组件的滑块型保持装置。
每个滑块组件10被固定地安装在设备外罩14的相应的接收器16上，并且如图2 和图3中所示，每个滑块组件10包括滑块18，该滑块18可滑动地布置在相应的接收器16 的钻孔20内。每个滑块组件10包括被耦合在滑块组件10的安装板23和滑块18之间的 选择性的位移装置22。安装板23被固定地连接到相应的接收器16。选择性的位移装置22 的操作允许滑块18在钻孔20内的位置选择性地变化。以此种方式，该选择性的位移装置 22允许滑块18选择性地在啮合位置E(图2)和分离位置D(图3)之间移动。
如示出的那样，每个选择性的位移装置22包括手动操作的曲轴24、驱动轮轴 (axle) 26以及互锁构件28。驱动轮轴26以有效地阻止驱动轮轴26相对于安装板23的纵 向位移的方式被可旋转地安装在相应的安装板23上。手动操作的曲轴24固定地连接到驱 动轮轴26的第一端部26a，以便曲轴24的旋转引起驱动轮轴26的旋转。驱动轮轴26的第二端部26b与互锁构件28螺纹啮合。互锁构件28以限制而不阻止其相对于滑块18的 旋转和平移的方式保持在滑块18的中心钻孔30内部。因此，驱动轮轴26的旋转引起滑块 18的对应的平移，从而允许滑块18在啮合位置E和分离位置D之间的选择性平移。
参照图3，设备外罩14包括构造成接收轴承组件12的中心钻孔32。轴承组件12 的外部套筒33包括界定带角度的滑块啮合面36的圆周的凹槽34。每个滑块18包括带角 度的套筒啮合面38。设备外罩中心钻孔32的内部表面40和外部套筒33的外部表面42分 别为有锥度的(例如2度的锥度)，以便在轴承组件12被安置在设备外罩中心钻孔32中 时，在外部套筒33和设备外罩14之间提供有锥度的界面。多个密封件接收沟槽44被设置 在外部套筒33的外部表面42中，以便允许密封件(例如0形密封件)在外部套筒33和设 备外罩14之间提供相应的抗流体密封。在一个实施方式中，设备外罩中心钻孔32的有锥 度的内部表面40由可更换的耐磨套管(wear sleeve)承载。可更换的耐磨套管可以被移 除，并且，可以根据需要更换，以便处理磨损和例行维护。 在操作中，轴承组件12被降低进入设备外罩14的设备外罩中心钻孔32，同时滑块 18处于它们相应的分离位置D。通过相应的曲轴24在第一旋转方向的旋转，每个滑块18 从其分离位置D移动到其啮合位置E。在其啮合位置E时，每个滑块18的带角度的套筒啮 合面38与外部套筒33的带角度的滑块啮合面36啮合。通过每个滑块18的带角度的套筒 啮合面38与外部套筒33的带角度的滑块啮合面36的此种啮合，外部套筒33的外部表面 42被偏置成贴靠着设备外罩中心钻孔32的内部表面40。曲轴24在第二旋转方向的旋转 引起滑块18从它们相应的啮合位置E移动到它们相应的分离位置D，从而允许轴承组件12 从设备外罩中心钻孔32的内部移除。 图1-3中示出的滑块式保持装置的各个方面可以被改变而不背离于依据本发明 的滑块式保持装置的基本意图和功能。此种改变的一个例子是，对于手动操作的曲轴24， 可以用电子的、气动的或液压的马达装置代替，以便允许实现驱动轮轴26的马达驱动的旋 转。此种改变的另一个例子是，对于手动操作的曲轴24，可以用非手动装置代替。此种改变 的一个例子是，对于手动操作的曲轴24，驱动轮轴26和互锁构件28可以由线性运动装置比 如液压滑块装置或气动滑块装置代替。此种改变的另一个例子是，提供离散的锁定装置，以 便将相应的滑块18固定在其啮合位置，以限制滑块18朝着其分离位置的非预期运动的可 能性。此种改变的另一个例子是，对于带角度的滑块啮合面36和带角度的套筒啮合面38， 可以用没有锥度的面(例如弯曲的面)代替，该没有锥度的面在这样的面产生彼此啮合时 提供相同的偏置功能。而且，可选列入的装置中此种改变的另一个例子比如，例如为导向器 致动的阀回路(Pilot actuated valvecircuit)，该阀回路防止滑块18从啮合位置朝向分 离位置运动(例如，通过防止对滑块缸或泵释放和/或施加压力)。 如可以见到的那样，依据本发明的一个实施方式的滑块式保持装置提供了优于夹 具式保持装置的大量的优势，以便将轴承组件保持在油田设备的外罩内。这些优势的例子 包括但不限于装置提供了容易的啮合和分离、装置被自支撑在油田设备的外罩上，以及装 置关于外罩和/或匹配的密封件将轴承组件强制地偏置进入安置的位置。
图4-12示出了依据本发明的第二实施方式的旋转控制头100的不同的方面。旋 转控制头100的构造和可操作性与图1-3中示出的旋转控制头1的构造和可操作性大致上 相同。因此，有关涉及旋转控制头100的构造和可操作性的详细内容，读者可以参照涉及图l-3的相关的公开内容。 旋转控制头100通常被称为低压力旋转控制头。如示出的那样，旋转控制头100 包括多个角向地间隔开的滑块组件110，以便将轴承组件112保持在相对于和图1-3中所 示实质上相同的设备外罩114(即，在现有技术中通常被称为辊筒)的固定位置。轴承组件 112被可移除地安装在设备外罩114的钻孔115内。 如图4中示出的那样，可以以允许井压力被监测的方式将压力计量器116安装在 设备外罩114上。本文中公开的压力计量器116可以为带有输出接口的具有传感器的电子 计量器，以便允许井压力的远程电子监测、记录和/或分析。 在现在参照图4-8时，第一润滑剂分布歧管120和第二润滑剂分布歧管122可以 被安装在轴承组件112的覆盖物板124上。润滑剂分布歧管120U22与轴承组件112的 外部套筒126的顶部部分啮合。第一润滑剂分布歧管120与第二润滑剂分布歧管122角 向地间隔开(例如间隔开180度)。第一润滑剂分布歧管120包括第一密封件润滑剂耦合 器120a、第一密封件润滑剂通道120b、第一轴承润滑剂耦合器120c，以及第一轴承润滑剂 通道120d。第二润滑剂分布歧管122包括第二密封件润滑剂耦合器122a、第二密封件润滑 剂通道122b、第二轴承润滑剂耦合器122c，以及第二轴承润滑剂通道122d。第一密封件润 滑剂耦合器120a与第一密封件润滑剂通道120b联通，以便允许密封件润滑剂在第一密封 件润滑剂耦合器120a与第一密封件润滑剂通道120b之间流动，并且第一轴承润滑剂耦合 器120c与第一轴承润滑剂通道120d联通，以便允许轴承润滑剂在第一轴承润滑剂耦合器 120c与第一轴承润滑剂通道120d之间流动。第二密封件润滑剂耦合器122a与第二密封 件润滑剂通道122b联通，以便允许密封件润滑剂在第二密封件润滑剂耦合器122a与第二 密封件润滑剂通道122b之间流动，并且第二轴承润滑剂耦合器122c与第二轴承润滑剂通 道122d联通，以便允许轴承润滑剂在第二轴承润滑剂耦合器122c与第二轴承润滑剂通道 122d之间流动。优选地，但并非必然地，润滑剂耦合器120a、122a、120c以及122c为快速分 离型耦合器，密封件润滑剂耦合器120a、 120c为第一构造(例如尺寸)，并且轴承润滑剂耦 合器122a、122c为不同于第一构造的第二构造。 如图7中所示，第一润滑剂分布歧管120的第一密封件润滑剂通道120b与外部套 筒126内的第一密封件润滑剂通道128联通，并且第二润滑剂分布歧管122的第二密封件 润滑剂通道122b与外部套筒126内的第一密封件润滑剂通道130联通。类似地，如图8中 所示，第一润滑剂分布歧管120的第一轴承润滑剂通道120d与外部套筒126内的第一轴承 润滑剂通道132联通，并且第二润滑剂分布歧管122的第二轴承润滑剂通道122d与外部套 筒126内的第二轴承润滑剂通道134联通。 第一密封件润滑剂通道128和第一轴承润滑剂通道132从外部套筒126的上端部 部分136经过外部套筒126的主要部分140延伸到外部套筒126的下端部部分138 (图6)。 该主要部分140为与外部套筒126的圆周的滑块接收凹槽134相交的凸出的主体。当安装 在设备外罩114内时，除了流动通过其中的润滑剂流外，主要部分140通过与滑块组件的滑 块接触而抵抗外部套筒126的旋转。 经由第一润滑剂歧管120提供到第一密封件润滑剂通道128的润滑剂起到润滑轴 承组件112的一个或多个下部密封件142的作用，而经由第二润滑剂歧管122提供到第二 密封件润滑剂通道132的润滑剂起到润滑轴承组件112的一个或多个上部密封件144的作
9用。密封件142、144驻留在相应的密封型腔(seal pocket) 143、 147内，并且直接地贴靠着 密封位于轴承组件112的内部套筒148的外部表面147内的匹配的且单式的密封表面，这 与现有技术的密封啮合连接到内部套筒148的可更换的耐磨套管的方法形成对比。密封件 与内部套筒148的直接接触改进了密封以及热传递。有优势地，密封件142、144可以被垂 直地调节，以允许内部套筒148和密封件142U44外部套筒126顶部之间的密封界面可以 被调整，以应对内部套筒密封表面上的磨损。为了确保润滑剂的充足的输送，垂直地间隔开 的输油端口 151可以被暴露在密封型腔143、 147内，和/或具有径向地延伸的流体联通通 道的间隔件153可以被设置在间隔开的空间内，间隔件可以被设置在密封型腔143U47内 (例如设置在邻近的密封件之间)。轴承组件112的内部套筒148被设置成具有连接到其 端部部分的密封橡胶149组件。 经由第一润滑剂歧管120提供到第一轴承润滑剂通道132的润滑剂起到润滑可旋 转地布置在轴承组件112的内部套筒148和外部套筒126之间的多个轴承单元146的作用。 轴承单元146提供内部套筒148相对于外部套筒126的旋转。由于延伸到外部套筒126的 底部部分的第一轴承润滑剂通道132，润滑剂首先被提供到最接近外部套筒126的下端部 部分138的轴承单元146，并且最后被提供到最接近外部套筒126的上端部部分136的轴承 单元146。以此种方式，暴露于来自井(即下部轴承单元)的更大量的热量的轴承单元146 将首先接收来自润滑剂供给装置的润滑剂，从而帮助提取来自这些轴承单元的热量。第二 轴承润滑剂耦合器122c和第二轴承润滑剂通道122d起到允许轴承润滑剂被循环返回到润 滑剂供给装置的作用(例如，用于冷却和/或过滤)。因此，轴承润滑剂回路延伸穿过第一 润滑剂分布歧管120，穿过第一轴承润滑剂通道130，经由内部套筒148和外部套筒126之 间的空间穿过轴承单元146，穿过第二轴承润滑剂通道134，以及穿过第二润滑剂分布歧管 122。 参照图5-8，其示出了轴承组件112的各种有优势的、理想的以及有用的方面。如 图5和图6中所示，密封件150 (例如0形环密封件)被设置在外部套筒126的密封件沟槽 152内，以便提供外部套筒126和设备外罩114的匹配部分之间的密封界面。如图5中所 示，在内部套筒112的内部表面156上设置了冷却肋154。优选地，但并非必然地，成组的冷 却肋154与相应的轴承以及位于内部套筒112的外部表面158的密封界面对齐，从而改进 这些界面处的冷却。如图5、7、8中所示，垫圈型弹簧160(例如碟型垫圈)被啮合在垂直地 间隔开的轴承146之间，以便主动地保持这些轴承的预加载。如图5-8中最佳地示出的那 样，外部套筒126的外部表面162是有锥度的(例如2度到4度拔模斜度)。有锥度的外部 表面162与设备外罩114的匹配的有锥度的表面164啮合(图5)，从而在外部套筒126和 设备外罩114之间提供自对准以及紧密的界面配合。 现在参照图6、8、9和10，轴承组件112包括设置在覆盖物板168和顶部驱动装置 169之间的弹簧加载的密封单元166。覆盖物板168被固定地连接到外部套筒126，并且顶 部驱动装置169被固定地连接到内部套筒148。在一个实施方式中，如示出的那样，弹簧加 载的密封单元166被安装在顶部驱动装置169的圆周的通道167(即沟槽)内，并且被固定 地连接到带有多个带螺纹的紧固件170的顶部驱动装置169。如在图9中最佳地示出的那 样，弹簧加载的密封单元166包括具有与覆盖物板168的密封界面表面174啮合的密封唇 缘172的密封件主体171。如示出的那样，密封界面表面174为覆盖物板168的整体部件的硬化的密封件主体的表面。可选择地，密封界面表面174可以为覆盖物板160的非硬化表面，或覆盖物板160内的硬化的插入件的表面。优选地，但并非必然地，顶部驱动装置169包括起到保护密封唇缘172的作用的密封保护罩(seal shroud) 177。 如图9中最佳地示出的那样，内部密封构件176 (例如0形环)被啮合在弹簧加载的密封单元166的内部表面178和顶部驱动装置169之间。外部密封构件180 (例如0形环)被啮合在弹簧加载的密封单元166的外部表面182和顶部驱动装置169之间。以此种方式，抗流体密封和/或抗沾染物密封被提供在弹簧加载的密封单元166和覆盖物板168之间，以及提供在弹簧加载的密封单元166和顶部驱动装置169之间。
如图9和图10中最佳地示出的那样，密封件主体171通过多个压縮弹簧184安装在顶部驱动装置169上。弹簧184中的每一个具有延伸穿过其中的带螺纹的紧固件170中的一个。以此种方式，顶部驱动装置169为密封件承载结构的一个例子。本文中公开了，弹簧加载的密封单元166可以由合适地起到密封件承载结构作用的任何数量的不同类型和构造的钻井头部件承载。与顶部驱动装置、内部套筒或类似物组合的辅助结构部件是密封件承载结构的另一个例子。 在操作中，弹簧184在密封件主体171上施加预加载力，此时，密封件主体171的密封唇缘172与覆盖物板168产生接触。在一个实施方式中，密封件主体171由一种材料制成，通过该种材料，整个密封件主体171提供有限的弹力(即柔性)，以便经由漂浮在弹簧184上的密封件主体提供密封，这与密封唇缘172在与由弹簧184施加的预加载力关联的力下偏转形成对比。因此，密封件主体171的刚度特性使得在密封唇缘72上施加力将会引起密封唇缘的可忽略的变形以及整个密封件主体171相对于通道167的位移。
如图6-8所示，本文公开了，依据本发明的内部套筒可以包括一种或多种与外部套筒主体啮合的辅助的离散部件。这些辅助的离散部件的例子包括但不限于覆盖物板(例如覆盖物板168)、间隔件(例如间隔件173)以及类似物。 图11为流程图，其示出了依据本发明的一个实施方式的旋转控制头系统200。旋转控制头系统200包括带有整合的强制流密封件润滑装置210以及整合的强制流轴承润滑装置215的旋转控制头205。强制流密封件润滑装置210促进将密封件润滑剂输送到旋转控制头205的轴承组件220的各种密封件。强制流轴承润滑装置215促进轴承润滑剂穿过旋转控制头205的轴承组件220的各种轴承的循环，以及循环的轴承润滑剂的冷却。
强制流密封件润滑装置210包括密封件润滑剂泵212、密封件润滑剂储存器213以及密封件润滑部件214。密封件润滑剂泵212从密封件润滑剂储存器214提取润滑剂，并通过密封件润滑部件214对轴承组件220的一个或多个密封件提供此提取的润滑剂。在一个实施方式中，旋转控制头205被具体表达为图4中示出的旋转控制头100。在此一实施方式中，密封件润滑部件214包括旋转控制头100的各种部件，这些部件包括第一密封件润滑剂耦合器120a、第二密封件润滑剂耦合器122a、第一密封件润滑剂通道120b、第二密封件润滑剂通道122b、第一密封件润滑剂通道128以及第二密封件润滑剂通道130。因此，在此种实施方式中，密封件润滑剂穿过相应的密封件润滑剂耦合器(120a， 122a)，穿过相应的密封件润滑剂通道(120b，122b)而通向相应的密封件，并穿过相应的密封件润滑剂通道(128，130)而通向一种或多种密封件。 强制流轴承润滑装置215包括轴承润滑剂泵225、润滑剂储存器226、轴承润滑部件230、轴承润滑剂热量交换器235、冷却剂泵240，以及冷却剂辐射器245。轴承润滑剂流动回路由轴承润滑剂界定，该轴承润滑剂从润滑剂储存器226经由驻留在润滑剂储存器226内的轴承润滑剂泵225，穿过轴承润滑部件230，穿过轴承润滑剂热量交换器235的润滑核心部分227，并返回进入轴承润滑剂储存器226。冷却剂流动回路由流动的冷却剂界定，该冷却剂从冷却剂泵240流动，穿过轴承润滑剂热量交换器235的冷却剂核心部分229，到达冷却剂辐射器245。轴承润滑剂热量交换器235的润滑核心部分和冷却剂核心部分(227，229)允许润滑剂和冷却剂的独立流动，并且允许热量从冷却剂传递到冷却剂。因此，轴承润滑剂热量交换器235优选地是液体到液体的热量交换器，但是不是必须的。冷却剂辐射器245优选地是液体到空气型的，但不是必须的。 轴承润滑剂泵225对轴承润滑部件230提供轴承润滑剂，同时该轴承润滑剂穿过轴承润滑剂热量交换器235的润滑核心部分227而返回到润滑剂泵225。冷却剂泵240通过冷却剂核心部分229对冷却剂辐射器245提供冷却剂。在一个实施方式中，旋转控制头205被具体表达为图4中的旋转控制头100。在此实施方式中，轴承润滑部件230包括旋转控制头100的各种部件，这些部件包括第一轴承润滑剂耦合器120c、第二轴承润滑剂耦合器122c、第一轴承润滑剂通道120d、第二轴承润滑剂通道122d、第一轴承润滑剂通道132以及第二轴承润滑剂通道134。因此，在此种实施方式中，轴承润滑剂穿过相应的轴承润滑剂耦合器(120c、122c)，穿过相应的轴承润滑剂通道(120d，122d)而通向相应的轴承，并穿过相应的轴承润滑剂通道(132,134)而通向一个或多个轴承。 本文中公开了 ，密封件润滑剂212、密封件润滑剂储存器213、轴承润滑剂泵225、冷却剂泵240和冷却剂储存器245可以被安装在旋转控制头100的设备主体114上。在此实施方式中，细长软管或管道在轴承润滑剂热量交换器235和冷却剂辐射器245之间延伸。可选择地，冷却剂泵240、冷却剂泵225和/或热量交换器235可以被定位成远离旋转控制头100。 现在转到对于依据本发明的实施方式的高压力旋转控制头的简要讨论，此种高压力旋转控制头300被示出于图12和图13中。高压力旋转控制头300包括上部密封橡胶装置302，以安装上部密封橡胶装置302来代替顶部驱动装置169的方式，将上部密封橡胶装置302安装在图4至图12的低压力旋转控制头100上。上部密封橡胶装置302的罐主体304承载弹簧加载的密封单元166。弹簧加载的密封单元166以与其在低压力旋转控制头100中在顶部驱动装置169和覆盖物板168之间相同的方式被啮合在罐主体304和覆盖物板168之间。罐主体304以罐主体304关于外部套筒126的旋转实质上被阻止并且因此使用过程中的垂直位移实质上被阻止的方式连接到外部套筒126。 上部密封橡胶装置302的顶部驱动装置覆盖物306 (即也被本文称为罐主体盖子)被构造成具有可操作地以及固定地与其连接的密封橡胶组件307。以此种方式，高压力旋转控制头300被构造成具有与其连接的间隔开的密封橡胶组件(即密封橡胶组件145、307)。此种间隔开的密封橡胶组件中的第一个(即密封橡胶组件145)被固定地连接到内部套筒148的端部部分，并且此种间隔开的密封橡胶组件中的第二个(即密封橡胶组件1307)被固定地连接到顶部驱动装置覆盖物306。 顶部驱动装置覆盖物306可以通过任何数量的不同类型的互相连接方法与罐主体304啮合。机械紧固件比如螺丝、销以及类似物为此种可能的互相连接方法的例子。此种互相连接的目的是为了将顶部驱动装置覆盖物306以及罐主体304以阻止顶部驱动装置覆盖物306以及罐主体304之间的相对旋转和垂直分离的方式彼此固定。
卡口式互相连接为用于将顶部驱动装置覆盖物和罐主体互相连接的优选的实施方式。图14-16示出了上部密封橡胶装置350的一种实施方式，其包括罐主体354、罐主体盖子356(即顶部驱动装置覆盖物)以及传动钻柱驱动装置357。上部密封橡胶装置350包括罐主体覆盖物356和罐主体354之间的卡口式互相连接。图14-16中示出的上部密封橡胶装置350以及图12和图13中示出的上部密封橡胶装置302关于给定的高压旋转控制头是可互换的。 仍然参照图14-16，罐主体盖子356包括一种或多种卡口互相连接结构358，并且罐主体354包括一种或多种匹配的卡口式互相连接结构360。每个卡口连接器结构358、360包括具有闭合的端部部分364和开放的端部部分366的啮合沟槽362。啮合沟槽362的细长的边缘部分368由至少部分地沿着啮合沟槽362延伸的细长的凸起的肋构件370界定。至少和罐主体盖子卡口连接器结构358中的一个一样长的间隔372被设置在邻近的罐主体卡口连接器结构360之间，并且至少和罐主体卡口连接器结构360中的一个一样长的间隔372被设置在邻近的罐主体盖子卡口连接器结构358之间。优选地但非必须地，所有的罐主体盖子卡口连接器结构358具有实质上相同的长度，并且所有的罐主体卡口连接器结构360具有实质上相同的长度。 因此，每个罐主体卡口连接器结构360的啮合沟槽362和每个罐主体盖子卡口连接器结构358的肋构件370被共同地构造成当罐主体354和罐主体盖子为匹配构造以使每个罐主体盖子卡口连接器结构358的肋构件370与相应的一个罐主体卡口连接器结构360的啮合沟槽362对准时，允许每个罐主体卡口连接器结构358的肋构件370通过罐主体354和罐主体盖子356之间的相对旋转而被可滑动地接收在相应的一个罐主体卡口连接器结构360的啮合沟槽362内。类似地，罐主体盖子卡口连接器结构358中的每个的啮合沟槽362和罐主体卡口连接器结构360中的每个的肋构件370被共同地构造成当罐主体354和罐主体盖子356处于匹配的定向时，允许每个罐主体卡口连接器结构360的肋构件370通过罐主体354和罐主体盖子356之间的相对旋转而被可滑动地接收在相应的一个罐主体盖子卡口连接器358的啮合沟槽362内。 卡口互相连接结构通过以下方式来啮合将顶部驱动装置覆盖物306垂直地降低进入罐主体304上的位置，并因此使肋构件370和间隔372对准，随后，相对于罐主体304将顶部驱动装置覆盖物306旋转一圈的一部分，以便将顶部驱动装置覆盖物306固定到罐主体304。优选地，顶部驱动装置覆盖物306相对于罐主体304的锁定旋转的方向与传动钻柱旋转方向的方向相同，从而在旋转控制头和主要驱动装置的操作过程中，确保顶部驱动装置覆盖物306保持在相对于罐主体304的互相连接的定向。可选择地， 一种或多种锁定装置可以被啮合在罐主体356和罐主体盖子358之间，以便保持罐主体356和罐主体盖子358处于互相锁定的构造。 现在转到数据获取，本文公开了，数据获取装置的相应的部分可以被集成进入依据本发明的一个实施方式的旋转控制头。此数据获取在评估旋转控制头的操作中是有价值的。更具体地，此种数据获取装置能促进涉及旋转头操作的数据的监测、捕获、分析和/或传递。旋转头操作的例子包括但不限于井压力、使用时间、见到的最大压力、安装的钻柱管道的数量、对于给定的参考时间的停机时间(downtime)的数量、轴承组件旋转的数量、经历的关键条件的数量以及类似事物。获取的数据优选地从数据获取装置经由无线方式发送到数据管理系统(例如具有网络存取的计算机)。 如图17中所示，在一个实施方式中，依据本发明的数据获取装置400包括感测器装置405 (例如传感器、探针、热耦合装置等等)、发射器410、接收器415以及数据获取系统420。通过感测器装置405，数据获取装置400被耦合到旋转控制头(例如本文公开的旋转控制头100)。旋转控制头的操作信息由感测器装置405收集，并且经由发射器410和接收器415传递到数据获取系统420。发射器410和接收器415可以为适合于构造成通过有线、无线或计算机网络，经由卫星等发射信号的任何类型的单元。数据获取系统420被构造成用于储存、监测和/或分析从感测器装置405接收的信息。因此，可以在远离旋转控制头的远程位置储存、监测和/或分析此信息。 现在转到和依据本发明的旋转控制头一起使用的相关设备的讨论，传动钻柱驱动装置为促进对一段钻柱管道施加旋转扭矩的油田设备。图18示出了依据本发明的实施方式的传动钻柱驱动装置500的一个实施方式。传动钻柱驱动装置500包括铰接的拼合衬套505、顶部环510以及连接销515。拼合衬套505各包括间隔开的铰接构件520。间隔开的铰接构件520被构造成以及定向成与连接销512对准并与连接销512互锁。以此种方式，铰接构件520可以容易地以及快速地与关联的钻柱管道啮合以及从关联的钻柱管道移除。
在前文的详细描述中，附图作为参照并形成详细描述的一部分，并且其通过说明本发明可以被实践的特定的实施方式而被展示。这些实施方式及其某些变化形式被足够详细地描述以使本领域技术人员能实践本发明。应理解，可以使用其他合适的实施方式，并且可以做出逻辑的、机械的、化学的和电气的改变，而不背离于本发明公开内容的精神或范围。为了避免不必要的细节，该描述忽略了本领域技术人员熟知的某些信息。因此，前文的详细描述不应被理解为被限制到本文阐述的具体形式，恰恰相反，应理解为，前文的详细描述覆盖了这些变化形式、改动以及等价事物，正如可以合理地被包括在附加的权利要求的精神和范围中的那样。
1权利要求
一种用于钻井头的轴承组件，该轴承组件包括外部套筒，其具有中心钻孔；内部套筒，其至少部分地布置在所述外部套筒的所述中心钻孔内；轴承单元，其耦合在所述套筒之间，以便提供所述套筒的共心对准，并允许所述套筒之间的旋转，其中，所述轴承单元中的第一个轴承单元被构造成承载径向地施加在所述套筒之间的载荷，并且所述轴承单元中的第二个轴承单元被构造成承载纵向地施加在所述套筒之间的载荷；预加载力施加构件，其布置在所述套筒之间，其中，所述预加载力施加构件将力保持在所述承载纵向载荷的轴承单元以及所述套筒上，从而预加载所述承载纵向载荷的轴承单元；以及密封橡胶连接结构，其与所述内部套筒的下端部部分形成整体。
2. 如权利要求1所述的轴承组件，其中所述承载纵向载荷的轴承单元包括间隔开的座圈，在所述座圈之间布置有多个滚子构件；且所述力将所述座圈推动成贴靠着所述滚子构件。
3. 如权利要求1所述的轴承组件，其中在外部套筒中心钻孔的内部，所述外部套筒具有从其表面延伸的肩部；所述内部套筒具有从其外部表面延伸的肩部；所述承载纵向载荷的轴承单元被布置在所述肩部之间；所述承载纵向载荷的轴承单元与所述肩部中的第一个肩部啮合；且所述预加载力施加构件被布置在所述承载纵向载荷的轴承单元和所述肩部中的第二个肩部之间。
4. 如权利要求1所述的轴承组件，其中，所述预加载力施加构件为力施加垫圈和弹簧中的一个。
5. 如权利要求1所述的轴承组件，其中，所述预加载力施加构件为碟型垫圈。
6. 如权利要求5所述的轴承组件，其中所述承载纵向载荷的轴承单元包括间隔开的座圈，在所述座圈之间布置有多个滚子构件；所述力将所述座圈推动成贴靠着所述滚子构件。
7. 如权利要求6所述的轴承组件，其中所述承载纵向载荷的轴承单元与所述肩部中的第一个肩部啮合；且所述预加载力施加构件被布置在所述承载纵向载荷的轴承单元和所述肩部中的第二个肩部之间。
全文摘要
一种钻头，其包括外罩和轴承组件。外罩具有界定中心钻孔的侧壁结构。轴承组件包括外部套筒、内部套筒、轴承单元以及预加载力施加构件。外部套筒具有中心钻孔，并且内部套筒被可移除地安置在外罩中心钻孔内。轴承单元被耦合在套筒之间，以便提供套筒的共心对准，并允许其间的旋转。轴承单元中的第一个轴承单元被构造成承载径向地施加在套筒之间的载荷，而轴承单元中的第二个轴承单元被构造成承载纵向地施加在套筒之间的载荷。预加载力施加构件将力保持在承载纵向载荷的轴承单元以及所述套筒上，从而预加载承载纵向载荷的轴承单元。
文档编号E21B3/04GK101796258SQ200880104751
公开日2010年8月4日 申请日期2008年7月8日 优先权日2007年8月27日
发明者约翰·R·威廉斯 申请人:特丽萨·J·威廉斯