本发明属于钻具设备技术领域，尤其涉及一种由多级pdc轴承串联形成的涡轮钻具。
背景技术：
随着油气开发进程发展的深入，深井、超深井在钻井作业中所占比例逐渐增大。井深的增加会使得井下地质结构更加复杂，工作条件更为恶劣。现有钻井工艺中，技术人员通常会选用涡轮钻具或者螺杆钻具作为驱动钻头的井下动力马达，涡轮钻具的优势在于其拥有良好的机械特性、单次使用时间长等特点；问题则是现有的涡轮钻具多采用滚珠轴承作为推力轴承；由于涡轮钻具转速较高，容易造成早期损坏。
举例而言，申请号为201110101931.7的专利（发明名称：用于涡轮钻具的径向滑动轴承）提供了一种用于涡轮钻具的径向滑动轴承，包括钢质静环和钢质动环，所述静环套装在所述动环的外部，在所述静环的内表面镶嵌硬质合金，在动环的外表面镶嵌硬质合金，形成具有较强承受径向力的轴承；然而上述内容中没有提及到承受轴向力的轴承。申请号为201420632562.3的专利（发明名称：带有pdc止推轴承的涡轮钻具支承节）提供了一种带有单级的pdc止推轴承节，较滚珠轴承的推力轴承耐磨、耐压方面有所提高；但是由于其中仅有一组pdc轴承承载轴向载荷，势必导致单节pdc轴承存在抗振动能力差、处理突变载荷能力差所导致的早期损坏等问题。申请号为201510594536.5的专利（发明名称：螺杆钻具耐力合金组合轴承）提供了一种螺杆钻具耐力合金组合轴承，采用了两组单级组合的轴向轴承，这两组轴向轴承之间相隔冷却水腔，两组轴向轴承之间分别独立而不是串联在一起。相对于螺杆钻具，涡轮钻具工作过程中产生的轴向力较大，因此上述两组分别独立安装的轴向轴承并不适合于涡轮钻具中使用。
综上所述，发明人发现，现有涡轮钻具的止推轴承的动环一般需要通过径向螺钉紧固到中心轴上，而静环则需要通过径向螺钉紧固到壳体上。由于需要在中心轴和壳体上钻螺纹孔，这种固定方式会导致中心轴、壳体等存在螺纹孔的环节强度下降，整体强度降低，若在井下发生中心轴或者壳体断裂，将需要打捞作业，处理难度较大，另一方面，由于采用径向螺钉固定，会导致装配和拆卸时间增加。例如现有常见的涡轮钻具中涡轮定子、转子、径向轴承与止推轴承全部装在同一壳体内的同一轴上。检修涡轮钻具易损件止推轴承必须将涡轮定子、转子、径向轴承与止推轴承全部从同一轴上拆下，然后用新的止推轴承跟换掉旧的已磨损的或者损坏的止推轴承。由于每节涡轮钻具至少具有60级以上涡轮定子和转子，检修时要将所有的涡轮定子和转子先拆下，然后再装上，这样既费时又费力，不利于钻井速度的提高。
技术实现要素：
本发明提供了一种由多级pdc轴承串联形成的涡轮钻具，该种涡轮钻具能够适应高转速以及大轴向载荷的需求，并且具有便于拆装检修的优点。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种由多级pdc轴承串联形成的涡轮钻具，包括有涡轮节以及轴承节，涡轮节和轴承节之间连接有中间节，所述涡轮节包括有涡轮节壳体、涡轮轴、涡轮节定子、涡轮节转子；涡轮节定子的叶片盘外圈串联设置在涡轮节壳体内，涡轮节定子的叶片盘内圈与涡轮节定子叶片之间形成有环形腔室；涡轮节转子的叶片盘内圈串联设置在涡轮轴上，涡轮节转子的叶片位于环形腔室内，涡轮节转子的叶片与环形腔室之间存在轴向间隙h1；
所述轴承节包括有轴承节壳体、轴承节传动轴、多级pdc轴承组件、径向轴承组件；多级pdc轴承组件由串联设置在轴承节壳体上的多级pdc轴承定圈与串联设置在轴承节传动轴上的多级pdc轴承动圈构成，多级pdc轴承定圈与多级pdc轴承动圈之间存在轴向间隙h2，h2不大于h1；径向轴承组件设置在多级pdc轴承组件的上下两端，由靠近中间节的上径向轴承组件与背离中间节的下径向轴承组件构成；
所述中间节包括有中间节壳体、隔环、复合接头；中间节壳体的两端分别与涡轮节壳体、轴承节壳体相连接；隔环套设在中间节壳体的内部，用以紧固涡轮节定子的叶片盘；复合接头设置在中间节壳体的内部，且复合接头的两端分别与涡轮轴以及轴承节传动轴相接连；
复合接头与隔环之间还设置有径向间隙，从而使得复合接头能相对于隔环进行轴向移动。
较为优选的，任意一个pdc轴承定圈由圆环状的外轴承基体、设置在外轴承基体上下两端面上的柱状外轴承片以及沿外轴承基体外表面向两侧外延形成的外轴承延伸片构成；
相邻pdc轴承定圈的外轴承延伸片相互契合，从而将相邻pdc轴承定圈接连成一体结构。
较为优选的，任意一个pdc轴承动圈由圆环状的内轴承基体、设置在内轴承基体上下两端面上的柱状内轴承片以及沿内轴承基体内表面向两侧外延形成的内轴承延伸片构成；
相邻pdc轴承动圈的内轴承延伸片相互契合，从而将相邻pdc轴承动圈接连成一体结构。
进一步优选的，上径向轴承组件中，相邻的上径向轴承静套内表面与上径向轴承动套外表面覆盖有硬质合金层；下径向轴承组件中，相邻的下径向轴承静套内表面和下径向轴承动套外表面覆盖有硬质合金层。
可选择的，所述硬质合金层为碳化钨层或者镀铬层；硬质合金层的厚度范围为0.05至3mm。
较为优选的，复合接头由接头基体、上螺纹母扣、下螺纹母扣构成；上螺纹母扣用于建立复合接头与涡轮轴之间的连接关系，下螺纹母扣用于建立复合接头与轴承节传动轴之间的连接关系。
较为优选的，下螺纹母扣端部位置处还加工有与下螺纹母扣同轴设置的沉孔；接头基体上还加工有通孔；
所述通孔用于实现沉孔与外部空间的相互导通。
本发明提供了一种由多级pdc轴承串联形成的涡轮钻具，该种涡轮钻具包括有涡轮节、轴承节以及中间节；其中，涡轮节包括有涡轮节壳体、涡轮轴、涡轮节定子、涡轮节转子；轴承节包括有轴承节壳体、轴承节传动轴、多级pdc轴承组件、径向轴承组件；中间节包括有中间节壳体、隔环、复合接头。具有上述结构特征的涡轮钻具，其具有以下有益效果：
1、钻井液可由多级pdc轴承动圈与轴承节传动轴之间的径向间隙进入，经过多级pdc轴承动圈和多级pdc轴承定圈之间的轴向间隙，对多级pdc轴承组件进行冷却和润滑，然后由多级pdc轴承动圈和多级pdc轴承定圈之间的径向间隙流出。由于多级pdc轴承组件硬度高不易损坏，因此能够承受较大的双向载荷，并且摩擦系数小，产生的摩擦热量少，加之可以得到及时冷却和润滑，因而具有较高的传动效率。
2、通过设置相邻pdc轴承定圈的外轴承延伸片相互契合，使得pdc轴承定圈之间的连接更为牢固，并且相对于轴承节壳体独立设置而不需要额外的螺钉部件进行紧固。一方面，保证了轴承节壳体的强度；另一方面在安装过程中可以采用将pdc轴承定圈先行串联后再整体推入到轴承节壳体内的安装方式，安装更加方便。同样的，通过设置相邻pdc轴承动圈的内轴承延伸片相互契合，使得pdc轴承动圈之间的连接更为牢固，并且相对于轴承节传动轴独立设置而不需要额外的螺钉部件进行紧固。
3、通过设置的中间节结构，将涡轮节壳体和轴承节壳体分别连接到中间壳体的两端，使得工作人员可以根据需要对涡轮节、轴承节进行独立拆装；涡轮节和轴承节作为独立的结构单元进行装配、拆开和检修，有利于涡轮钻具的生产和使用。
附图说明
图1为本发明提供的由多级pdc轴承串联形成的涡轮钻具的结构示意图；
图2为本发明提供的由多级pdc轴承串联形成的涡轮钻具的剖视图；
图3为图2中局部c处的放大示意图；
图4为复合接头的剖视图；
图5为第一种具体实施方式中pdc轴承定圈的结构示意图；
图6为第一种具体实施方式中相邻pdc轴承定圈的连接示意图；
图7为第一种具体实施方式中pdc轴承动圈的结构示意图；
图8为第一种具体实施方式中相邻pdc轴承动圈的连接示意图；
图9为第一种具体实施方式中pdc轴承定圈、pdc轴承动圈连接示意图；
图10为第二种实施方式中pdc轴承定圈的结构剖视图；
图11为第二种实施方式中pdc轴承动圈的结构剖视图；
图12为第三种实施方式中pdc轴承定圈的结构示意图；
图13为第三种实施方式中相邻pdc轴承定圈的连接示意图；
图14为第三种实施方式中pdc轴承动圈的结构示意图；
图15为第三种实施方式中相邻pdc轴承动圈的连接示意图；
附图标记：涡轮节保护罩01、涡轮轴保护接头02、涡轮轴03、涡轮节壳体04、涡轮节定子的叶片盘05、涡轮节转子的叶片盘06、中间节保护套07、中间节08、中间节保护外罩09、上径向轴承动套10、上径向轴承静套11、多级pdc轴承定圈12、多级pdc轴承动圈13、轴承节壳体14、下径向轴承动套15、下径向轴承静套16、轴承节传动轴17；中间节接头基体081、上螺纹母扣082、下螺纹母扣083、沉孔084、通孔085；外轴承基体121、外轴承延伸片（之一）122、外轴承延伸片（之二）123、外轴承片124、相邻pdc轴承定圈之一12a、相邻pdc轴承定圈之二12b；内轴承基体131、内轴承延伸片（之一）132、内轴承延伸片（之二）133、内轴承片134、相邻pdc轴承动圈之一13a、相邻pdc轴承动圈之二13b。
具体实施方式
本发明提供了一种由多级pdc轴承串联形成的涡轮钻具，该种涡轮钻具能够适应高转速以及大轴向载荷的需求，并且具有便于拆装检修的特点。
作为第一种具体的实施方式：
如图1所示，本发明提供了一种由多级pdc轴承串联形成的涡轮钻具，包括将高压钻井液的水力转化为输出轴转矩的涡轮节ⅰ、承载输出轴的轴向载荷和径向载荷的轴承节ⅱ、连接涡轮节和轴承节的中间节ⅲ。
如图2所示，涡轮节包括圆筒状涡轮节壳体、涡轮轴、涡轮节定子的叶片盘、涡轮节转子的叶片盘；其中，定子叶片盘由同轴的定子叶片盘外圈和定子叶片盘内圈、设置在定子叶片盘外圈和定子叶片盘内圈之间的呈正向倾斜状分布的涡轮节定子叶片构成。定子叶片盘的外圈串联在涡轮节壳体内，定子叶片盘内圈与涡轮节定子叶片间形成环形腔室；转子叶片盘由转子叶片盘内圈和设置在转子叶片盘内圈外、呈反向倾斜状分布的涡轮节转子叶片构成，转子叶片盘的内圈串联在涡轮轴上，涡轮节转子叶片位于环形腔室内，涡轮转子叶片的长度小于环形腔室的半径，从而使得涡轮转子叶片与环形腔室之间具有轴向间隙h1。由于该轴向间隙的存在，使得涡轮轴相对于涡轮节壳体可实现轴向的位移调整。轴承节则包括有轴承节壳体、轴承节传动轴、多级pdc轴承组件、径向轴承组件；其中，多级pdc轴承组件由串联设置在轴承节壳体上的多级pdc轴承定圈与串联设置在轴承节传动轴上的多级pdc轴承动圈构成，pdc轴承定圈与pdc轴承动圈之间交叉布置，多级pdc轴承定圈与多级pdc轴承动圈之间存在轴向间隙h2，h2不大于h1；径向轴承组件设置在多级pdc轴承组件的上下两端，由靠近中间节的上径向轴承组件与背离中间节的下径向轴承组件构成。
具体的，如图3所示，上径向轴承组件设置在多级pdc轴承组件靠近涡轮节的一侧，进一步由固定在轴承节壳体的上径向轴承静套和固定在轴承节传动轴的上径向轴承动套构成；其中，较为优选的，在上径向轴承组件中，相邻的上径向轴承静套内表面与上径向轴承动套外表面覆盖有硬质合金层。该硬质合金层为碳化钨层或者镀铬层；硬质合金层的厚度范围为0.05至3mm。而下径向轴承组件设置在多级pdc轴承组件靠近涡轮节的一侧，进一步由固定在轴承节壳体的下径向轴承静套和固定在轴承节传动轴的下径向轴承动套构成；其中，较为优选的，下径向轴承组件中，相邻的下径向轴承静套内表面和下径向轴承动套外表面覆盖有硬质合金层。同样的，该硬质合金层可选择材质为碳化钨层或者镀铬层，在此不做赘述。值得注意的是，通过涂覆硬质合金层，可以提高径向轴承组件的耐磨性，从而使其可以承受较大的径向载荷。上径向轴承静套与下径向轴承静套分别螺纹连接到轴承节壳体内，对串联在轴承节壳体内的多级pdc轴承组件的多级pdc轴承定圈起到固定限位作用；上径向轴承动套与下径向轴承动套分别螺纹连接在轴承节传动轴上，对串联在轴承节传动轴上的多级pdc轴承组件的多级pdc轴承动圈起到固定限位作用；相邻pdc轴承定圈之间形成的空腔的高度大于相邻pdc轴承动圈的高度，从而使得轴承节传动轴能够沿着轴承节壳体上下窜动。
此外，在涡轮节和轴承节之间还连接有中间节，该中间节包括有中间节壳体、隔环、复合接头；中间节壳体的两端分别与涡轮节壳体、轴承节壳体相连接；隔环套设在中间节壳体的内部，用以紧固涡轮节定子的叶片盘；复合接头设置在中间节壳体的内部，且复合接头的两端分别与涡轮轴以及轴承节传动轴相接连。具体的，如图4所示，该复合接头包括有接头基体，设置在接头基体一端的用于连接涡轮轴的上螺纹母扣、设置在接头另一端的用于连接传动轴的下螺纹母扣。其中优选的，在下螺纹母扣的端部还加工有与螺纹母扣同轴的沉孔；而接头基体上还加工有用于连通沉孔与外部空间的通孔。
作为本发明一种较为优选的实施方式，如图5所示，任意一个pdc轴承定圈由一个圆环状的外轴承基体、设置在外轴承基体上下两端面上的柱状外轴承片以及沿外轴承基体外表面向两侧外延形成的外轴承延伸片构成。其中，外轴承片呈圆周均布在外轴承基体上端面和下端面处，其截面形状优选为圆形；具体的，柱状外轴承片的直径范围为10至30mm，设置数量为10片至25片。而如图6所示，相邻pdc轴承定圈的外轴承延伸片相互契合，将相邻pdc轴承定圈接连成一体结构。
如图7所示，任意一个pdc轴承动圈由圆环状的内轴承基体、设置在内轴承基体上下两端面上的柱状内轴承片以及沿内轴承基体内表面向两侧外延形成的内轴承延伸片构成。其中，内轴承片呈圆周均布在内轴承基体上端面和下端面处，其截面形状同样亦优选为圆形。如图8所示，相邻pdc轴承动圈的内轴承延伸片相互契合，从而将相邻pdc轴承动圈接连成一体结构。
如图9所示，串联固定在轴承节壳体上的pdc轴承定圈与串联固定在轴承节传动轴上的pdc轴承动圈顺次交错排列；具体的，pdc轴承动圈上端面处的内轴承片与相邻上方的pdc轴承定圈下端面处的外轴承片相互配合，从而共同承受来自轴承节传动轴下方钻头的轴向上推力；同时，pdc轴承动圈下端面处的内轴承片与相邻下方的pdc轴承定圈上端面处的外轴承片相互配合，从而共同承受来自轴承节传动轴上方涡轮轴的轴向下推力。
第二种具体实施方式：
如图10和11所示，与第一种具体实施方式相比，本具体实施方式中pdc轴承定圈的外轴承片、pdc轴承动圈的内轴承片其截面形状变为圆弧形，设置数量改变为2-20片。该种圆弧形设计可有效增大外轴承片、内轴承片之间接触面积，从而更加利于轴承节承受较大的轴向力，同时，圆弧形之间的间隙还可用于钻井液的流通，完成润滑、冲洗冷却等作用。其余结构单元与第一种具体实施方式中结构单元相同，在此不再赘述。
第三种具体实施方式：
如图12和13所示，与第一种具体实施方式相比，本具体实施方式中pdc轴承定圈中的外轴承延伸片在向外延伸时呈斜向布置，其倾斜角选择范围为0.5°至45°。外轴承延伸片斜向布置后，相邻pdc轴承定圈的外轴承延伸片同样相互契合，将相邻pdc轴承定圈接连成一体结构。而该斜向布置有利于装配过程中的拆卸，减少使用过程中的应力集中，提高pdc轴承定圈的抗振动能力。
如图14和15所示，该具体实施方式中pdc轴承动圈中的内轴承延伸片在向外延伸时呈斜向布置，其倾斜角选择范围为0.5°至45°。该斜向布置同样有利于装配过程中的拆卸，减少使用过程中的应力集中，提高pdc轴承动圈的抗振动能力。
本发明提供了一种由多级pdc轴承串联形成的涡轮钻具，该种涡轮钻具包括有涡轮节、轴承节以及中间节；其中，涡轮节包括有涡轮节壳体、涡轮轴、涡轮节定子、涡轮节转子；轴承节包括有轴承节壳体、轴承节传动轴、多级pdc轴承组件、径向轴承组件；中间节包括有中间节壳体、隔环、复合接头。具有上述结构特征的涡轮钻具，其具有以下有益效果：
1、钻井液可由多级pdc轴承动圈与轴承节传动轴之间的径向间隙进入，经过多级pdc轴承动圈和多级pdc轴承定圈之间的轴向间隙，对多级pdc轴承组件进行冷却和润滑，然后由多级pdc轴承动圈和多级pdc轴承定圈之间的径向间隙流出。由于多级pdc轴承组件硬度高不易损坏，因此能够承受较大的双向载荷，并且摩擦系数小，产生的摩擦热量少，加之可以得到及时冷却和润滑，因而具有较高的传动效率。
2、通过设置相邻pdc轴承定圈的外轴承延伸片相互契合，使得pdc轴承定圈之间的连接更为牢固，并且相对于轴承节壳体独立设置而不需要额外的螺钉部件进行紧固。一方面，保证了轴承节壳体的强度；另一方面在安装过程中可以采用将pdc轴承定圈先行串联后再整体推入到轴承节壳体内的安装方式，安装更加方便。同样的，通过设置相邻pdc轴承动圈的内轴承延伸片相互契合，使得pdc轴承动圈之间的连接更为牢固，并且相对于轴承节传动轴独立设置而不需要额外的螺钉部件进行紧固。
3、通过设置的中间节结构，将涡轮节壳体和轴承节壳体分别连接到中间壳体的两端，使得工作人员可以根据需要对涡轮节、轴承节进行独立拆装；涡轮节和轴承节作为独立的结构单元进行装配、拆开和检修，有利于涡轮钻具的生产和使用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。