轴承组件、使用该轴承组件的轴承设备以及相关的方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102221042 A (43)申请公布日 2011.10.19 CN 102221042 A *CN102221042A* (21)申请号 201110103189.3 (22)申请日 2011.04.18 12/761,535 2010.04.16 US F16C 19/22(2006.01) F16C 19/32(2006.01) F16C 19/26(2006.01) F16C 33/36(2006.01) F16C 33/58(2006.01) E21B 10/22(2006.01) (71)申请人 美国合成集团公司 地址 美国犹他州 (72)发明人 肖恩C。

2、斯科特 杰弗里A约翰斯 蒂莫西N塞克斯顿 克雷格H库利 (74)专利代理机构 北京集佳知识产权代理有限 公司 11227 代理人 魏金霞 王雪 (54) 发明名称 轴承组件、 使用该轴承组件的轴承设备以及 相关的方法 (57) 摘要 本公开的各种实施方式涉及轴承组件以及采 用这种轴承组件的轴承设备， 该轴承组件构造成 使得能够取下和替换超硬轴承元件。所公开的轴 承组件可以在多种应用中使用， 例如 ： 地下钻进 系统中的井下动力钻具、 定向钻进系统、 牙轮钻头 以及许多其他应用。 在实施方式中， 轴承组件包括 支撑环以及与该支撑环组装在一起的保持环。保 持环包括多个通孔。该轴承组件还包括多个超硬。

3、 轴承元件， 其中每个超硬轴承元件部分地插过保 持环的通孔中的相应一个通孔并从所述相应一个 通孔突出。保持环和各个超硬轴承元件共同地构 造成在远离支撑环的方向上禁止各个超硬轴承元 件移位超过选定位置。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 3 页 说明书 7 页 附图 9 页 CN 102221053 A1/3 页 2 1. 一种轴承组件， 其包括 ： 支撑环 ； 与所述支撑环组装在一起的保持环， 所述保持环包括多个通孔 ； 以及 多个超硬轴承元件， 所述多个超硬轴承元件中的至少一些超硬轴承元件包括至少部分 地浸出的。

4、聚晶金刚石轴承本体， 所述多个超硬轴承元件中的每一个部分地插过所述保持环 的通孔中的相应一个通孔并从所述相应一个通孔突出， 所述多个超硬轴承元件中的每一个 和所述保持环共同地构造成在远离所述支撑环的方向上禁止所述多个超硬轴承元件中的 每一个移位超过选定位置。 2. 如权利要求 1 所述的轴承组件， 其中， 所述至少部分地浸出的聚晶金刚石轴承本体 连结至基体。 3. 如权利要求 1 所述的轴承组件， 其中， 所述至少部分的聚晶金刚石轴承本体与所述 保持环直接热接触。 4. 如权利要求 1 所述的轴承组件， 其中， 所述至少部分的聚晶金刚石轴承本体在其至 少约 50的外表面区域上抵接所述保持环。 。

5、5. 如权利要求 1 所述的轴承组件， 其中， 所述至少部分的聚晶体金刚石轴承本体基本 上完全浸出了在其制造中所使用的催化剂。 6. 如权利要求 1 所述的轴承组件， 其中， 所述支撑环包括凸缘， 所述凸缘构造成便于所 述保持环与所述支撑环对准。 7. 如权利要求 1 所述的轴承组件， 还包括多个紧固件， 所述多个紧固件构造成将所述 支撑环和所述保持环紧固到一起。 8. 如权利要求 7 所述的轴承组件， 其中， 所述多个紧固件中的每一个完全地延伸穿过 所述支撑环以及仅部分地在所述保持环中延伸。 9. 如权利要求 1 所述的轴承组件， 其中， 所述支撑环和所述保持环分别绕推力轴线延伸 ； 且 由。

6、于所述多个超硬轴承元件中的每一个与所述保持环之间的物理干涉而限制所述多 个超硬轴承元件中的每一个在大体平行于所述推力轴线的方向上的位移。 10. 如权利要求 1 所述的轴承组件， 其中， 由于所述多个超硬轴承元件中的每一个与所 述保持环之间的物理干涉而限制所述多个超硬轴承元件中的每一个在径向方向上的位移。 11. 如权利要求 1 所述的轴承组件， 其中， 所述保持环的所述多个通孔中的每一个具有 不一致的侧向尺寸。 12. 如权利要求 1 所述的轴承组件， 其中， 所述多个通孔中的每一个具有大致截头圆锥 形的横截面几何形状。 13. 如权利要求 1 所述的轴承组件， 其中， 所述多个超硬轴承元件。

7、中的每一个包括基部 和轴承表面， 并且其中， 所述基部与所述轴承表面相比具有较大的侧向横截面尺寸。 14. 如权利要求 1 所述的轴承组件， 其中， 所述多个超硬轴承元件绕推力轴线在周向上 分布， 并且其中， 所述多个超硬轴承元件中的每一个包括大体垂直于所述推力轴线取向的 轴承表面。 15. 如权利要求 1 所述的轴承组件， 其中， 所述多个超硬轴承元件绕旋转轴线在周向上 分布， 并且其中， 所述多个超硬轴承元件中的每一个包括沿径向向内或沿径向向外取向的 权 利 要 求 书 CN 102221042 A CN 102221053 A2/3 页 3 轴承表面。 16. 如权利要求 1 所述的轴承。

8、组件， 其中， 所述多个超硬轴承元件与所述保持环干涉配 合。 17. 一种轴承设备， 其包括 ： 转动件 ； 静止件 ； 并且 其中， 所述转动件和所述静止件中的至少一个包括 ： 支撑环 ； 与所述支撑环组装在一起的保持环， 所述保持环包括多个通孔 ； 以及 多个超硬轴承元件， 所述多个超硬轴承元件中的至少一些超硬轴承元件包括至少部分 地浸出的聚晶金刚石轴承本体， 所述多个超硬轴承元件中的每一个部分地插过所述保持环 的通孔中的相应一个通孔并从所述相应一个通孔突出， 所述多个超硬轴承元件中的每一个 和所述保持环共同地构造成在远离所述支撑环的方向上禁止所述多个超硬轴承元件中的 每一个移位超过选定位。

9、置。 18. 如权利要求 17 所述的轴承设备， 其中， 所述静止件、 所述转动件和所述多个超硬轴 承元件形成推力轴承设备的至少一部分。 19. 如权利要求 17 所述的轴承设备， 其中， 所述静止件、 所述转动件和所述多个超硬轴 承元件形成径向轴承设备的至少一部分。 20. 一种用于在钻进地层中使用的动力钻具组件， 包括 ： 动力钻具， 所述动力钻能够操作用以对旋转钻头施加转矩 ； 以及 轴承设备， 所述轴承设备操作地联接至所述动力钻具， 所述轴承设备包括转动件和静 止件 ； 并且 其中， 所述转动件和所述静止件中的至少一个包括 ： 支撑环 ； 与所述支撑环组装在一起的保持环， 所述保持环包。

10、括多个通孔 ； 以及 多个超硬轴承元件， 所述多个超硬轴承元件中的至少一些超硬轴承元件包括至少部分 地浸出的聚晶金刚石轴承本体， 所述多个超硬轴承元件中的每一个部分地插过所述保持环 的通孔中的相应一个通孔并从所述相应一个通孔突出， 所述多个超硬轴承元件中的每一个 和所述保持环共同地构造成在远离所述支撑环的方向上禁止所述多个超硬轴承元件中的 每一个移位超过选定位置。 21. 一种整修轴承组件的方法， 其包括 ： 提供地下钻进系统中的轴承组件， 所述轴承组件包括 ： 支撑环 ； 与所述支撑环组装在一起的保持环， 所述保持环包括多个通孔 ； 以及 多个超硬轴承元件， 所述多个超硬轴承元件中的至少一些。

11、超硬轴承元件包括至少部分 地浸出的聚晶金刚石轴承本体， 所述多个超硬轴承元件中的每一个部分地插过所述保持环 的通孔中的相应一个通孔并从所述相应一个通孔突出， 所述多个超硬轴承元件中的每一个 和所述保持环共同地构造成在远离所述支撑环的方向上禁止所述多个超硬轴承元件中的 每一个移位超过选定位置 ； 权 利 要 求 书 CN 102221042 A CN 102221053 A3/3 页 4 将所述保持环从所述支撑环脱开 ； 以一个或多个替换超硬轴承元件来选择性地替换所述多个超硬轴承元件中的一个或 多个 ； 以及 将所述保持环和所述支撑环与位于所述保持环与支撑环之间的所述一个或多个替换 超硬轴承元件。

12、联接至一起。 22. 如权利要求 21 所述方法， 还包括以替换保持环来替换所述保持环。 23. 如权利要求 21 所述方法， 其中， 所述轴承组件构造为推力轴承组件或径向轴承组 件。 24. 如权利要求 21 所述方法， 还包括 ： 其中， 未替换的超硬轴承元件中的每一个以及所述替换超硬轴承元件中的每一个包括 轴承表面 ； 以及 对所述轴承表面中的一个或多个进行机加工， 从而使得所述轴承表面彼此基本对准。 权 利 要 求 书 CN 102221042 A CN 102221053 A1/7 页 5 轴承组件、 使用该轴承组件的轴承设备以及相关的方法 技术领域 0001 采用井下钻进动力钻具的。

13、地下钻进系统通常用来在地下钻孔， 以用于石油和气体 勘探。地下钻进系统典型地包括壳体， 该壳体包围可操作地连接至输出轴的井下钻进动力 钻具。 一个或多个推力轴承设备还可以可操作地联接至井下钻进动力钻具以便承载在钻进 操作期间产生的推力载荷。 背景技术 0002 每个推力轴承设备可包括不旋转的静止件以及附接至输出轴并与输出轴一起旋 转的转动件。静止件和转动件可分别包括多个超硬轴承元件或插入件。每个超硬轴承元件 可由聚晶金刚石复合片 ( “PDC” ) 制成， 该聚晶金刚石复合片提供在使用期间靠在另外的金 刚石轴承表面上的金刚石轴承表面。 0003 在传统的 PDC 推力轴承设备中， 推力轴承组件。

14、能够包括钢支撑环， 该钢支撑环可 以构造成用以承载多个超硬轴承元件。 该超硬轴承元件可由形成在碳化钨硬质合金基体上 的聚晶金刚石 ( “PCD” ) 层制成。然后， 可利用钎焊工艺将超硬轴承元件钎焊到支撑环中。 0004 将超硬轴承元件钎焊到支撑环中伴随着高温， 这可能损坏(例如， 石墨化)超硬轴 承元件的聚晶金刚石并且还可能导致轴承环扭曲。此外， 支撑环和超硬轴承元件应非常清 洁， 以便在支撑环与超硬轴承元件之间获得具有足够强度的钎焊接头， 以承受在钻进操作 期间施加到超硬轴承元件的力。尽管尽到最大努力， 但是钎焊接头在使用或测试期间还是 会发生故障。 0005 因此， 轴承设备的制造者和使。

15、用者继续寻求改进的轴承设备设计以及制造技术。 发明内容 0006 本发明的各个实施方式涉及构造成用于选择性地取下和替换超硬轴承元件的轴 承组件以及利用这种轴承组件的轴承设备 ( 例如， 推力轴承 设备和径向轴承设备 )。所 公开的轴承组件可在多种应用中使用， 例如 ： 地下钻进系统中的井下动力钻具、 定向钻进系 统、 牙轮钻钻头以及多种其他应用。 0007 在一实施方式中， 轴承组件包括支撑环以及与该支撑环组装一起的保持环。保持 环包括多个通孔。该轴承组件还包括多个超硬轴承元件， 其中每个超硬轴承元件部分地插 过保持环的通孔中的相应一个通孔并从所述相应一个通孔突出。 保持环和各个超硬轴承元 件。

16、共同地构造成用以在远离支撑环的方向上禁止各个超硬轴承元件移位超过选定位置。 0008 其他实施方式包括可利用任意所公开的轴承组件的轴承设备以及在可利用任意 所公开的轴承设备的钻进系统中使用的井下动力钻具。 0009 在一实施方式中， 公开了整修轴承组件的方法。该方法包括提供地下钻进系统中 的轴承组件。该轴承组件包括支撑环以及与该支撑环组装在一起的保持环。保持环包括多 个通孔。该轴承组件还包括多个超硬轴承元件， 其中每个超硬轴承元件部分地插过保持环 的通孔中的相应一个通孔并从所述相应一个通孔突出。 保持环和各个超硬轴承元件共同地 说 明 书 CN 102221042 A CN 102221053。

17、 A2/7 页 6 构造成用以在远离支撑环的方向上禁止各个超硬轴承元件移位超过选定位置。 该方法包括 将保持环从支撑环脱开， 以一个或多个替换超硬轴承元件来选择性地替换所述多个超硬轴 承元件中的一个或多个， 以及将保持环和支撑环与位于它们之间的一个或多个替换超硬轴 承元件联接至一起。 0010 来自任意的所公开的实施方式的特征可以在不受到限制的情况下彼此结合使用。 此外， 通过考虑下面的详细描述和附图， 本公开的其他特征和优点对于本领域的技术人员 来讲将变得显而易见。 附图说明 0011 附图图示出本发明的多个实施方式， 其中相同的附图标记指出在图中所示的不同 实施方式中或不同视图中的相同元件。

18、或特征。 0012 图 1A 是根据一实施方式的推力轴承组件的等轴测视图。 0013 图 1B 是图 1A 所示的推力轴承组件沿线 1B-1B 截取的等轴测剖视图。 0014 图 1C 是图 1A 所示的推力轴承组件的分解图。 0015 图 1D 是图 1A 所示的推力轴承组件的一部分的放大横截面图。 0016 图 1E 是根据另一实施方式的推力轴承组件的变体的横截面图。 0017 图 2A 是根据一实施方式的径向轴承组件的等轴测视图。 0018 图 2B 是图 2A 所示的径向轴承组件的等轴测剖视图。 0019 图 2C 是图 2A 所示的径向轴承组件的分解图。 0020 图 2D 是图 2。

19、A 所示的径向轴承组件的一部分的放大等轴测剖视图。 0021 图 3 是根据一实施方式的可包括一个或多个所公开的推力轴承组件的推力轴承 设备的等轴测视图。 0022 图 4A 是根据一实施方式的可包括一个或多个所公开的径向轴承组件的径向推力 设备的等轴测剖视图。 0023 图 4B 是图 4A 所示的径向轴承设备的分解图。 0024 图 5 是根据一实施方式的可包括一个或多个所公开的推力轴承设备的地下钻进 组件的示意性等轴测剖视图。 具体实施方式 0025 本发明的各个实施方式涉及构造成用于选择性地取下和替换超硬轴承元件的轴 承组件以及可以利用这种轴承组件的轴承设备(例如， 推力轴承设备和径向。

20、轴承设备)。 该 轴承组件构造成使得在不利用钎焊工艺的情况下可以将超硬轴承元件固定至适当的位置， 这样使得能够以高效且节省成本的方式来替换损坏的和 / 或磨损的超硬轴承元件。所公开 的轴承组件和设备可在多种应用中使用， 例如 ： 地下钻进系统中的井下动力钻具、 定向钻进 系统、 牙轮钻头 (roller-cone drill bit) 以及多种其他应用。 0026 图 1A 和 1B 分别是根据一实施方式的推力轴承组件 100 的等轴测视图和等轴测剖 视图。推力轴承组件 100 可形成在地下钻进系统中使用的推力轴承设备中的静止件和 / 或 转动件。推力轴承组件 100 可包括组装到一起的支撑环。

21、 110 和保持环 120。多个超硬轴承 元件 130 绕推力轴线 125 在周向上分布， 在使用期间推力沿该推力轴线大致指向。每个超 说 明 书 CN 102221042 A CN 102221053 A3/7 页 7 硬轴承元件 130 包括上轴承表面 132 和相对的基部 134。如此处所使用的， 超硬轴承元件 是由如下材料制成， 该材料具有至少与碳化钨一样硬的硬度。 在某些实施方式中， 轴承表面 132 可具有沿周边延伸的边缘倒角。此外， 尽管轴承表面 132 示出为大致平面的， 但是在某 些实施方式中， 轴承表面 132 可以是 凸出的或凹入的。 0027 支撑环 110 可包括从其。

22、上表面延伸的凸缘 135， 该凸缘 135 有助于支撑环 10 与保 持环 120 的对准。例如， 凸缘 135 可以绕支撑环 10 的上表面的内侧部分设置。在一实施方 式中， 凸缘 135 可具有与保持环 120 的高度基本相同的高度。在一实施方式中， 凸缘 135 可 与支撑环 110 一体形成。此外， 凸缘 135 可具有等于或稍小于保持环 120 的径向内尺寸的 径向外尺寸。因此， 保持环 120 可装在凸缘 135 的外侧并围绕凸缘 135， 凸缘 135 确保了保 持环 120 的适当设置以及与支撑环 110 的对准。支撑环 110 还可包括限定出孔 145 的内周 表面 140，。

23、 孔 145 大体关于推力轴线 125 定中心。孔 145 可容纳动力钻具轴 ( 例如， 井下钻 进动力钻具轴 )。 0028 参照图1C和1D， 保持环120可包括在厚度方向上贯穿该保持环120延伸的多个通 孔150。 每个超硬轴承元件130可以部分地插过通孔150中的相应一个通孔， 以延伸超出保 持环 120 的表面 121 一选定距离。支撑环 110、 保持环 120 和超硬轴承元件 130 共同地构 造成使得处于通孔150中的相应一个通孔中的每个超硬轴承元件130的位移在远离支撑环 110 的方向上受到限制。例如， 每个轴承通孔 150 可具有如下横截面形状 ： 即， 由于每个超 硬轴。

24、承元件 130 与保持环 120 之间的物理干涉， 而在远离支撑环 110 的方向上限制设置在 通孔中的相应地构造的超硬轴承元件 130 的位移。在某些实施方式中， 每个超硬轴承元件 130 与保持环 120 可具有轻微的干涉配合， 以便帮助防止超硬轴承元件 130 的任意运动。 0029 在图示实施方式中， 一个或多个通孔 150 可呈具有基本上连续渐缩直径的截头圆 锥形的横截面几何形状。因此， 一个或多个通孔 150 的下开口 150b 与该通孔 150 的其他部 分 ( 例如， 上开口 150a) 相比可具有较大的横截面尺寸。例如， 每个超硬轴承元件 130 的轴 承表面 132 与基部。

25、 134 相比可具有较小的横截面侧向尺寸 ( 例如， 直径 )。在其他实施方 式中， 一个或多个超硬轴承元件 130 可包括位于基部 134 与轴承表面 132 之间的一个或多 个肩部、 台阶或突起部， 所述一个或多个肩部、 台阶或突起部禁止每个超硬轴承元件 130 相 对于通孔 150 中的相应一个通孔在方向 d1上移位超过选定限制。例如， 图 1E 是根据另一 实施方式的推力轴承组件 100 的变体的横截面图。在这个实施方式中， 超硬轴承元件 130 包括凸缘部分 136 以及具有轴承表面 132 的主本体分 138。超硬轴承元件 130 部分地插 过形成于保持环 120 中的通孔 150。

26、 ， 使得超硬轴承元件 130 延伸超过保持环 120 的表 面 121 一选定距离。由于凸缘部分 136 与保持环 120 的物理干涉， 因此凸缘部分 136 与 保持环 120 协作以在远离支撑环 110 的方向 d1上限制超硬轴承元件 130 的位移。 0030 再次返回至图 1A 和 1B， 支撑环 110 和保持环 120 可由多种不同的材料制成。例 如， 支撑环 110 和 / 或保持环 120 可包含金属材料 ( 例如， 碳钢、 钨或钨合金、 铝或铝合金、 或者不锈钢 )、 碳化物材料 ( 例如， 碳化钨、 碳化硅等 )、 或者其他适合的材料。在某些实施 方式中， 保持环120由。

27、具有相对较高的导热系数的材料制成(例如， 碳化钨)， 超硬轴承元件 130 在该超硬轴承元件 130 的较大的表面区域上抵接或接触保持环 110 和 / 或支撑环 110， 用以促进从超硬轴承元件 130 到保持环 120 的传热。例如， 每个超硬轴承元件 110 可在其 至少约50的外表面区域、 其约50至约75的外表面区域、 或者其约45至约65的外 说 明 书 CN 102221042 A CN 102221053 A4/7 页 8 表面区域上抵接或接触保持环 120 和支撑环 110。 0031 在某些实施方式中， 支撑环 110 和 / 或保持环 120 可包括对其施加的耐腐蚀和耐 。

28、磨损覆层。例如， 耐腐蚀和耐磨损覆层可包括、 但不限于包含聚氨酯橡胶的覆层。 0032 超硬轴承元件 130 可由诸如聚晶金刚石、 聚晶立方氮化硼、 碳化硅、 碳化钨之类的 超硬材料或者前述超硬材料的任意结合来制成。在一实施方式中， 一个或多个超硬轴承元 件 130 可包括聚晶金刚石。在某些实施方式中， 聚晶金刚石可以是浸出的 (leached) 以至 少部分地或者基本上全部地去除金属溶剂催化剂 (metal-solvent catalyst)( 例如， 钴、 铁、 镍、 或其合金)， 金属溶剂催化剂用于烧结形成聚晶金刚石的原料金刚石颗粒。 在其他实 施方式中， 聚晶金刚石可以是非浸出的(un。

29、leached)并包括金属溶剂催化剂(例如， 钴、 铁、 镍、 或其合金 )， 金属溶剂催化剂用于烧结形成聚晶金刚石的原料金刚石颗粒。在一实施方 式中， 一个或多个超硬轴承元件 130 可包括没有基体的一体式构造。例如， 一个或多个超硬 轴承元件 130 可包括聚晶金刚石本体 ( 浸出的、 部分浸出的或者非浸出的 )， 该金刚石本体 在其至少约50的外表面区域、 其约50至约75的外表面区域、 或者其约45至约65 的外表面区域上接触保持环 120 和支撑环 110， 用以促进离开超硬轴承元件 130 的有效传 热。 0033 在再一实施方式中， 一个或多个超硬轴承元件 130 可构造为超硬块。

30、， 该超硬块具 有连结至基体的超硬板 (superhard table)。例如， 超硬块可以 是包括钴钨硬质合金基体 的 PDC， 该基体具有形成于基体上或在随后的连结工序中连结到基体的聚晶金刚石板。 0034 在某些实施方式中， 超硬轴承元件130可在高压/高温工序中制造成接近网状。 在 其他实施方式中， 超硬轴承元件 130 可机加工成最终构造。例如， 可经由电火花加工和 / 或 磨削如果需要的话， 随后使其中的金属溶剂催化剂至少部分地浸出来机加工聚晶 金刚石本体。 0035 再次参照图 1C， 推力轴承组件 100 还包括多个紧固件 155， 该紧固件 155 将保持环 120 紧固至支。

31、撑环 110。因此， 支撑环 110 和保持环 120 可彼此选择性地联接和脱开。该特 征可便于超硬轴承元件 130 的插入和 / 或取下。紧固件 155 可构造为螺栓、 螺钉、 干涉配合 销、 或者其他适合的紧固件。在图示实施方式中， 紧固件 155 可穿过保持环 120 并紧固到支 撑环 110 中。然而， 在其他实施方式中， 紧固件 155 可穿过支撑环 110 并紧固到保持环 120 中， 从而使得紧固件155仅从支撑环110的背面暴露， 当在地下钻进应用中使用推力轴承组 件 100 时支撑环 110 的背面典型地不暴露于钻井泥浆或其他磨蚀性流体。紧固件 155 可提 供抵靠超硬轴承元。

32、件 130 的夹紧力用以限制超硬轴承元件 130 的振动或其他运动， 并且在 某些情况下， 可以使图示的位于支撑环 110 与保持环 120 之间的间隙缩小。在其他实施方 式中， 可利用任意的多种其他的更加持久的紧固技术例如焊接、 钎焊、 或上述紧固技术的结 合来将支撑环 110 附接至保持环 120。 0036 在某些实施方式中， 在与支撑环110和保持环120组装在一起以后， 超硬轴承元件 130 的轴承表面 132 可能彼此不共面。可在与支撑环 110 和保持环 120 组装在一起之后或 之前使这些轴承表面 132 共面化 ( 例如， 通过研磨或磨削工艺 )， 从而使得轴承表面 132 。

33、彼 此基本共面。 0037 在一实施方式中， 公开了整修推力轴承组件 100 的方法。在实践中， 推力轴承组 件 100 可用作结合在地下钻进系统 ( 参见图 5) 中的推力轴承设备的一部分。在推力轴承 说 明 书 CN 102221042 A CN 102221053 A5/7 页 9 组件 100 已经被使用过之后， 可替换一个或多个磨损的超硬轴承元件 130。例如， 在一个或 多个超硬轴承元件 130 由于使用而磨损 ( 例如， 损坏 ) 之后， 通过取下紧固件 155 可将保持 环120从支撑环110脱开， 从而可以取下多个超硬轴承元件130。 可根据需要或要求选择性 地取下一个或多个。

34、磨损的超硬轴承元件130并且用一个或多个替换超硬轴承元件130来替 换。在替换一个或多个磨损的超硬轴承元件 130 之后， 可将保持环 120 和支撑环 110 与一 个或多个替换超硬轴承元件 130 以及先前的未替换的超硬轴承元件 130( 如果有的话 ) 联 接至一起。当与支撑环 110 和保持环 120 组装在一起时， 可使一个或多个轴承表面 132 共 面化(例如， 通过研磨工艺)， 从而使得未替换的超硬轴承元件130(如果有的话)以及一个 或多个替换超硬轴承元件 130 的轴承表面 132 变为彼此基本共面。 0038 在一实施方式中， 如果保持环 120 由于使用而磨损或者在另外的。

35、情况下需要替 换， 则可以对保持环 120 进行替换。因此， 推力轴承组件 100 的各个方面可延长推力轴承组 件 100 的可使用寿命。 0039 图 2A-2D 分别是根据一实施方式的适于在地下钻进系统中使用的径向轴承组件 200 的等轴测视图、 等轴测剖视图、 等轴测分解视图和放大的等轴测剖视图。利用与先前在 上文所描述以及在图1A-1E中所示的推力轴承组件100相类似的技术， 将径向轴承组件200 的轴承元件固定在适当的位置。径向轴承组件 200 可包括绕轴线 225 延伸的支撑环 210。 径向轴承组件200还可包括保持环220， 该保持环220设置在由支撑环210限定的内部开口 内。

36、并且紧固至支撑环 210。径向轴承组件 200 还包括绕轴线 225 在周向上分布的多个超硬 轴承元件230。 支撑环210和保持环220可以由与先前描述用于图1A-1E所示的支撑环110 和保持环 120 的材料同样的材料制成。超硬轴承元件 230 可以由与先前描述用于图 1A-1E 所示的超硬轴承元件 130 同样的材料、 结构 ( 例如， 超硬块 ) 制成以及可以以与先前描述用 于图 1A-1E 所示的超硬轴承元件 130 同样的方式制造。 0040 每个超硬轴承元件 230 可以部分地插过通孔 250 中的相应一个通孔， 以便从保持 环 220 突出选定距离。支撑环 210、 保持环 。

37、220 和超硬轴承元件 230 共同地构造成使得在远 离支撑环210并朝向轴线225的方向d1上限制位于通孔250中的相应一个通孔中的每个超 硬轴承元件 230 的位移。例如， 每个轴承通孔 250 可具有如下横截面形状 ： 即， 由于每个超 硬轴承元件 230 与保持环 220 之间的物理干涉， 而在远离支撑环 210 的方向 d1上限制设置 在通孔中的相应地构造的超硬轴承元件 230 的位移。在某些实施方式中， 每个超硬轴承元 件 230 与保持环 220 可具有轻微的干涉配合， 以帮助防止超硬轴承元件 230 的任意运动。 0041 在图示实施方式中， 一个或多个通孔 250 可呈具有基。

38、本上连续渐缩直径的截头圆 锥形的横截面几何形状。因此， 一个或多个通孔 250 的外开口 250b 与内开口 250a 相比可 具有较大的横截面尺寸。例如， 每个超硬轴承 元件 230 的轴承表面 232 与基部 234 相比可 具有较小的横截面侧向尺寸 ( 例如， 直径 )。在其他实施方式中， 一个或多个超硬轴承元件 230 可包括位于基部 234 与轴承表面 232 之间的一个或多个肩部、 台阶或突起部， 所述一个 或多个肩部、 台阶或突起部禁止超硬轴承元件 230 朝向轴线 225 并穿过通孔 250 中的相应 一个通孔移位超过一选定位置。 0042 径向轴承组件200还可包括多个紧固件。

39、(未示出)， 该紧固件将保持环220联接至 支撑环 210。例如， 紧固件可包括螺栓、 螺钉、 干涉配合销、 或者其他适合的紧固件。在一实 施方式中， 紧固件可穿过保持环 220 的至少一部分并紧固到支撑环 210 中。在其他实施方 说 明 书 CN 102221042 A CN 102221053 A6/7 页 10 式中， 紧固件可穿过支撑环 210 的至少一部分并紧固到保持环 220 的本体中。紧固件可提 供抵靠超硬轴承元件 230 的夹紧力用以限制超硬轴承元件 230 的振动或其他运动， 并且在 某些情况下， 可以使图示的位于支撑环 210 与保持环 220 之间的间隙缩小。在其他实施。

40、方 式中， 可利用任意的多个其他的更加持久的紧固机制例如焊接、 钎焊、 或上述紧固机制的结 合来支撑环 210 紧固到保持环 220。 0043 在某些实施方式中， 在与支撑环 210 和保持环 220 组装在一起之后， 至少一个、 一 些或全部的超硬轴承元件 230 的轴承表面 232 的曲率中心可能彼此基本上不重合。在与支 撑环 210 和保持环 220 组装在一起之后或之前， 可对轴承表面 232 进行机加工 ( 例如， 通过 磨削工艺或电火花加工 )， 从而使得这些轴承表面 232 具有彼此基本重合的曲率中心。 0044 在一实施方式中， 公开了整修径向轴承组件 200 的方法。在实践。

41、中， 径向轴承组件 200 可用作结合在地下钻进系统中的径向轴承设备的一部分。在径向轴承组件 200 已经被 使用过之后， 可替换一个或多个磨损的超硬轴承元件 230。例如， 在一个或多个超硬轴承元 件 230 由于使用而磨损 ( 例如， 损坏 ) 之后， 通过取下紧固件可将保持环 220 从支撑环 210 脱开， 从而可以取下多个超硬轴承元件 230。可根据需要或要求选择性地取下一个或多个 磨损的超硬轴承元件 230 并且用一个或多个替换超硬轴承元件 230 来替换。在替换一个或 多个磨损的超硬轴承元件 230 之后， 可将保持环 220 和支撑环 210 与一个或多个替换超硬 轴承元件 2。

42、30 以及先前的未替换的超硬轴承元件 230 联接至一起。在一实施方式中， 如果 保持环 220 由于使用而磨损， 则可以对保持环 220 进行替换。因此， 径向轴承组件 200 的各 个方面可延长径向轴承组件 200 的可使用寿命。在与支撑环 210 和保持环 220 组装在一起 之后或之前， 可以对一个或多个轴承表面232进行机 加工(例如， 通过磨削工艺、 电火花加 工、 或者其他的机加工工艺)， 从而使得未替换的超硬轴承元件230(如果有的话)与一个或 多个替换超硬轴承元件 230 的轴承表面 232 具有彼此基本重合的曲率中心。 0045 任意前述的推力轴承组件和径向轴承组件可以在采。

43、用两个轴承组件的轴承设备 中使用， 所述两个轴承组件中的至少一个可构造为任意前述的轴承组件。图 3 是根据一实 施方式的推力轴承设备 300 的等轴测视图。在图示的推力轴承设备 300 中， 采用图 1A-1E 所示的两个推力轴承组件 100 并标注为 100a 和 100b。 0046 推力轴承组件 100a 可以附接至轴 302 并与轴 302 一起旋转。因此， 推力轴承组件 100a 起到转动件的作用。例如， 轴 302 可操作地联接至如下设备 ： 即， 该设备能够使轴 302 绕旋转轴线304沿方向R(或沿相反方向)旋转， 例如井下动力钻具。 例如， 通过将轴302压 配合至或螺纹联接。

44、至推力轴承组件100a或其他适合的技术， 轴302可延伸穿过推力轴承组 件 100a 并可固定至推力轴承组件 100a。推力轴承组件 100b 不连接至轴 302， 并且因此起 到当推力轴承组件100a旋转时保持静止的静止件的作用。 在使用期间， 推力轴承组件100a 的超硬轴承元件 130 的各个轴承表面 132 与推力轴承组件 100b 的超硬轴承元件 130 的相 应轴承表面 132 相对并抵靠。 0047 另外的实施方式涉及径向轴承设备。图 4A-4B 是可采用其中一个径向轴承组件 200 的径向轴承设备 400 的实施方式的等轴测视图。径向轴承设备 400 包括构造为与图 2A-2D。

45、 所示的径向轴承组件 200 相关联的任意实施方式的静止件或外圈 402。外圈 402 限 定容纳转动件或内圈 406 的孔 404。内圈 406 包括绕旋转轴线 410 在周向上分布的多个超 硬轴承元件 408， 超硬轴承元件 408 具有凸出的轴承表面 411( 例如， 凸出的圆柱形或球形 说 明 书 CN 102221042 A CN 102221053 A7/7 页 11 的轴承表面 )， 在使用期间， 凸出的轴承表面 411( 例如， 凸出的圆柱形或球形的轴承表面 ) 与外圈 402 的超硬轴承元件 230 的相应的凹入的轴承表面 232( 例如， 凹入的圆柱形或球形 的轴承表面 )。

46、 相对并抵靠。特别是， 内圈 406 的超硬轴承元件 408 可具有凸出的轴承表面 411， 凸出的轴承表面 411 与外圈 402 的超硬轴承元件 230 的凹入的轴承表面 232 相应并抵 靠外圈 402 的超硬轴承元件 230 的凹入的轴承表面 232。 0048 术语 “转动件” 和 “静止件” 指的是径向轴承设备 400 的旋转部件和静止部件。因 此， 如果内圈 406 构造成保持静止， 则内圈 406 可被称作静止件， 而外圈 402 可被称作绕旋 转轴线 410 旋转的转动件。 0049 在多种不同的机械应用中可采用径向轴承设备 400。例如， 所谓的 “牙轮” 旋转钻 头可得益。

47、于此处所公开的径向轴承设备。更具体地， 内圈 406 可安装或固定至牙轮的主轴 并且外圈 402 可固定至形成于锥体内的内孔， 可组装这样的外圈 402 和内圈 406 以形成径 向轴承设备。还应指出， 尽管外圈 402 示出为构造成图 2A-2D 的径向轴承组件 200， 在其他 的实施中， 内圈 406 可另外地或可替代地构造成类似于图 2A-2D 的径向轴承组件 200， 具有 保持于保持环与支撑环之间的超硬轴承元件 408。 0050 上述轴承设备的任意实施方式可在地下钻进系统中使用。图 5 是地下钻进系统 500 的实施方式的示意性等轴测剖视图， 地下钻进系统 500 可结合任意的所。

48、公开的轴承设 备并且图示为包括至少一个推力轴承设备 300。地下钻进系统 500 包括包围井下钻进动力 钻具 506( 即， 电机、 涡轮、 或者能够使输出轴旋转的任意其他装置 ) 的壳体 502， 井下钻进 动力钻具 506 操作地连接至输出轴 508。推力轴承设备 300 可操作地联接至井下钻进动力 钻具 506。构造成接合地层并钻孔的旋转钻头 510 能够连接至输出轴 508。旋转钻头 510 示出为包括多个牙轮 512 的 “牙轮” 式钻头。然而， 其他实施方式可采用不同类型的旋转转 头， 例如所谓的 “固定切削刃” 钻头。当钻孔时， 可将管节连接至地下钻进系统 500， 以便形 成能。

49、够将钻孔逐渐钻进至地表内的更深深度的钻柱。 0051 推力轴承设备 300 包括转动件 100a 和不旋转的的静止件 100b， 转动件 100a 附接 至输出轴 508 并且与输出轴 508 一起旋转。转动件 100a 和静止件 100b 分别包括多个超硬 轴承元件130。 在操作中， 钻井液可循环通过井下钻进动力钻具506以产生转矩并实现输出 轴 508 以及附接至输出轴的旋转钻头 510 的旋转， 从而可钻出钻孔。钻井液还可用于在操 作期间润滑和冷却推力轴承设备 300 的超硬轴承元件 130 的轴承表面。 0052 尽管上述轴承组件和设备已在地下钻进系统和应用的上下文中进行了讨论， 但是 在其他实施方式中， 此处所公开的轴承组件和设备并不限于这种应用， 而是如果需要的话 可以在不受限制的情况下用于许多其他不同的应用。因此， 这样的轴承组件和设备并不限 于与地下钻进系统一起使用， 而是可以在不受限制的情况下与多种其他的机械系统一起使 用。 0053 尽管此处已经公开了多种方面和实施方式， 但是可以想到。