[发明专利]含有金刚石增强材料的轴承系统及该轴承系统的井下应用

说明书

优先权声明

本申请要求2010年10月11日提交的序列号为12/901,986、发明名称为“含有金刚石增强材料的轴承系统及该轴承系统的井下应用”的美国专利申请的提交日的权益。

技术领域

本发明涉及用于井下应用的轴承组件和系统，具体地，涉及含有金刚石增强材料的用于井下应用的轴承的系统和装置。

背景技术

金刚石是一种独特的轴承材料，与诸如钢之类的传统的轴承材料相比，金刚石具有优越的耐磨性能。已经对具有金刚石增强的轴承的井下工具进行了研究，以试图利用金刚石的耐磨性能。已经提出了牙轮钻和井下马达轴承中的一些金刚石轴承系统，该系统具有聚晶金刚石复合片（PDC）、化学气相沉积（CVD）金刚石、以及类金刚石碳（DLC）涂层。这种PDC轴承以元件的阵列的形式安装在径向和推力轴承的表面上，或者以截锥形安装。例如，Hall等人的名为“用于牙轮钻的聚晶金刚石轴承系统”的美国专利No.4,738,322描述了PDC牙轮钻轴承的使用。Scott的名为“用于钻地钻头的金刚石增强轴承”的美国专利No.6,068,070描述了用于钻地钻头的CVD金刚石增强轴承。此外，Hadin等人的名为“具有外部碎石按钮和内部碎石按钮的岩石钻头”的美国专利No.7,296,641、Slutz等人的名为“微波烧结”的美国专利申请No.11/594,566、Tank等人的名为“复合磨料压片”的美国专利申请No.11/712,067、以及Fang等人的名为“聚晶金刚石碳化物复合物“的美国专利No.7,647,992描述了结合有金刚石增强材料的切削工具。

尽管这些设计中的每一种都是可行的，但能够通过其他类型的材料提供钻头轴承系统的性能的方案才是理想的。提供必要的性能优点的更加成本有效的方案将是特别理想的。因此，在本领域仍需要增加轴承系统的耐久性和性能的用于钻地工具的成本有效的轴承系统。

发明内容

公开了含有金刚石增强材料的用于井下应用的轴承的系统和装置。该金刚石增强材料可以包括碳化钨、碳化硅等的基材中的金刚石晶粒。可替代地，金刚石细粒可以被钎焊至钢轴承表面。也可以使用具有反应钎焊涂层的金刚石颗粒。反应钎焊材料被激活并且钎焊金刚石颗粒层形成可以应用于钢轴承表面的耐磨表面。这些材料可以用于诸如牙轮钻、井下马达和泵之类的井下工具中的多种轴承系统。

在一些实施例中，轴承圈至少部分地由金刚石增强材料形成，并且轴承圈安装在牙轮钻上的轴颈销的外部径向轴承表面中的至少一个上。在其他实施例中，轴承圈不形成为连续的圈，而是形成为局部的圈或不连续的圈，并且轴承圈附接于轴颈销或牙轮腔表面。也可以使用金刚石增强材料来至少部分地形成推力轴承、滚子或滚珠。此外，钎焊的金刚石细粒可以用来形成轴颈销或牙轮的滚珠滚道或滚子滚道上的金刚石增强表面。

在另外的实施例中，本发明包括用于井下工具的轴承组件。该轴承组件包括至少两个相对的、相互可相对旋转的推力轴承表面。所述至少两个相对的、相互可相对旋转的推力轴承表面中的至少一个的至少一部分包括金刚石增强材料。

在另外的实施例中，本发明包括另一种用于井下工具的轴承组件。该另一种轴承组件包括至少两个相对的、相互可相对旋转的推力轴承表面。所述至少两个相对的、相互可相对旋转的推力轴承表面中的至少一个包括硅结合金刚石材料。

在另外的实施例中，本发明包括潜水泵。该潜水泵包括多个泵级。每个泵级包括固定的扩散器和可旋转的叶轮，其中在扩散器与叶轮之前设置有轴承圈组。轴承圈组的每个轴承包括硅结合金刚石材料。

在另外的实施例中，本发明包括用于在对地下岩层进行钻孔时使用的马达组件。该马达组件包括构造成向旋转的钻头施加扭矩的马达。马达可操作地联接于推力轴承装置。推力轴承装置包括第一结构，第一结构具有限定有第一轴承表面的至少一个轴承元件。第一结构的所述至少一个轴承元件包括硅结合金刚石材料。推力轴承装置还包括第二结构，第二结构具有限定有第二轴承表面的至少一个轴承元件。第一轴承表面和第二轴承表面构造成在第一结构和第二结构的相对移动期间彼此接合。

通过考虑下面的描述、附图以及所附权利要求，本发明的其他特征和优点将对本领域普通技术人员变得显而易见。

附图说明

尽管从说明书得出了特别地指明并且清楚地要求保护被认为构成本发明的内容的权利要求，但本发明的优点将可以从结合附图阅读时的本发明的实施例的描述中更容易确定。

图1是根据本发明构造的钻地钻头的一个实施例的侧视剖视图；

图2是根据本发明构造的滚动锥形轴承系统的一个实施例的示意性端视剖视图；