本发明涉及一种自调整金钢石止推轴承组件，更进一步说涉及一种具有轴向和径向支承性能的组合轴承组件。 本发明的金钢石轴承组件的一个应用是用于钻井工程中的井下马达。井下钻井马达上使用的传统止推轴承是滚柱轴承或滑动轴承。对于滑动轴承，钢制的止推环在弹性缓冲垫上滑动，而且这种轴承通常重叠设置以增强轴向推力。这类重叠排列的轴承的一个缺点是轴承具有较长的轴向长度，在定向钻井使用时不适于转较急的弯。
滚柱轴承和滑动轴承在实践应用中产生的另外的缺点是，轴承组件在使用时，容易受到驱动马达的钻井液或泥浆的影响。钻井液作用在轴承元件上的研磨作用加速了它们的磨损，因此需要经常更换或修理，并增加了停机的时间。
由于这些原因，本发明提出使用金钢石压块作为止推轴承元件，已经认识到这些元件具有很低的摩擦力，并具有承受很高轴向载荷的能力。
根据本发明提供的一种用于井下马达的金钢石轴承组件，该组件包括：
至少一套相对布置的、可相对转动的止推轴承环，其每一个环包括一个环形支撑元件和许多由支撑元件承载的PCD压块，轴承环上地PCD压块在一个轴向支承界面上彼此相对抵压;和
一位于邻近该套轴承环中的一个轴承环的轴线的支撑环;和
一回弹性校直装置插嵌在支撑环和邻近的轴承环之间，校直装置在其相对的两面上具有与支撑环和轴承环相啮合的伸出物，由此使这些环有弹性地在轴线上相互校直。
在本说明书中，“PCD”是指多晶体金钢石。“PCD压块”是指由大量金钢石微粒构成的多晶体金钢石压块，金钢石微粒通常要占压块总体积的70%以上，这些微粒在金钢石人工成条件下结合而成。压块可以具有可选择地包含金钢石溶剂/催化剂的第二相。“复合PCD压块”或“复合压块”是指粘接在硬金属合金或其它合适基质上的PCD压块。
支撑环可转动地固定在井下马达的驱动轴上。
在本发明的一个技术方案中，回弹性校直装置由一包括环形盘的插嵌件构成，从该盘以成一定角度分隔开的柱销形式的突伸件在相反轴向方向上伸出，该柱销固定在支撑环上和在邻近的轴承环上的凹槽中。在本发明的这个典型方案中，该盘和柱销可由如聚四氟乙烯（PTFE）类的聚合塑料形成一单体部件。在某些情况中，在一个轴线方向上伸出的柱销可与在相反轴线方向上伸出的柱销相互校直;在另一些情况中，在一个轴线方向上伸出的柱销与相反方向上伸出的柱销在圆周方向上错开。
在本发明的另一个技术方案中，回弹性校直装置由一个刚性的环形盘构成，由该盘接受以成一定角度分隔开的柱销的形式的突伸件，而柱销的端部则从环形盘相反的轴向上伸出，该柱销并固定在支撑环上和在邻近的轴承环上的凹槽中，并在环形盘和支撑环之间插接有弹性盘或垫圈，使得在支撑环和柱销之间存在回弹性。在这种方案中，柱销可以是钢制的，而弹性盘或衬圈由橡胶制成。
根据一个优选的特点，本发明的各种方案中的各柱销均可适宜于剪切，从而在支承界面处相对设置的PCD压块之间的摩擦力超过临界值时，可消除轴承环之间的相对转动。
轴承组件包括两套轴承环，支撑环固定在两套轴承环之间。至少有一个支承表面的径向轴承环，该支承表面在一个径向支承界面处抵靠在一个止推轴承环的环形支撑元件形成的支承表面上运转。径向轴承环典型地适宜于紧固地安装在井下马达的驱动轴上。
如上所述，本发明还提供了一种包括金钢石轴承组件的井下马达。
参考下面的附图，借助实施例更清楚的阐述本发明。
图1是本发明第一轴承组件的总体结构示意图;
图2是用于图1中轴承组件的校直插嵌件的正视图;
图3是本发明第二轴承组件的总体结构示意图;
图4示出了径向轴承环;
图5是图4所示径向轴承环的横剖面图。
图1示出了井下马达轴承组件10的一个实施例的总体结构，它包括两个金钢石止推轴承组件12，中心套管井下马达驱动轴16可旋转地设置在套管轴承壳体18内，井下马达轴承组件10也设置在其中，使得在驱动轴和套管壳体之间形成相对转动。没有示出在该实际的轴承组件10上面和下面的各元件。尽管如此，本领域的普通技术人还是认识到驱动轴16是受井下马达内钻进液的驱动而转动的，其进而驱动钻头转动，而壳体18保持固定不动。
金钢石止推轴承组件12由一对外侧轴承环20和一对内侧轴承环22构成。每一个外侧轴承环20由一个环形的、碳化钨烧结成的支撑元件24和许多复合PCD（多晶体金钢石）压块26构成，该压块被设置并固定在元件24端部表面上形成的互补凹槽28中。
每一个内侧轴承环22包括一个由同样的碳化钨绕结成的支撑元件30和许多复合PCD压块32，该压块被设置并固定在元件30端部表面上形成的互补凹槽34中。
复合压块26和32可以具有任何合适的形状。在本发明的最佳方案中，每一个复合压块26具有圆柱形形状，每一个复合压块32具有细长的、部分圆环形形状。在本发明的这个方案的实际情况中，每一复合压块32在圆周方向上的长度要大于复合压块26的直径，其结构要设计成使一个复合压块32与复合压块26中的至少一个压块之间总是处于完全支承接触状态。
轴承组件10还包括两个径向轴承组件，由标号36标示，该两组件中的每一组件都包括一可转动的、由碳化钨烧结成的径向轴承环38，它在支承界面40上抵靠在外侧轴承环20的支撑元件24的一部分上运转。
参见图1中的剖面部分，每一个支撑元件24具有一较厚的部分25，一倾斜的台肩27和一较薄的部分29，该部分29形成一圆柱形径向支承表面31。如上所述，轴承环20是固定在壳体18上的，因此支撑元件24也不能随着轴承组件10的运转而转动。
图4和图5示出了径向轴承环38，它固定在驱动轴16上并随着驱动轴一起旋转。径向轴承环38由烧结碳化钨整体构成，它形成一个较薄的部分33，以接纳相关的径向内隔离圈42的端部。径向轴承环38的径向外表面具有图示中规则分布的凹坑部分的外廓。在此情况下，该凹坑部分35彼此间以15°角分隔开且最大的径向深度近似为8mm。在实践中，该凹坑部分35的尺寸设计成使穿过轴承的钻井液产生一个预定的压力降。环38的边缘部分37在凹坑部分之间形成一圆柱形径向支承表面，它与支承表面31相对并抵靠在该支承表面31上运转。
如前所述，在轴承组件10的运转过程中，钻井液按图1中箭头83示出的路线流动。应该注意到钻井液体顺序穿过上部的径向轴承组件36、上部的止推轴承组件12和下部的止推轴承组件12，最后穿过下部的径向轴承组件36，然后再向下输送到钻头区域，以协助钻井操作。
应该注意到，钻井液传输通过上部和下部的径向轴承组件36时，要穿过径向轴承环38的凹坑部分35。在经过时，钻井液对径向轴承环38、止推轴承环20和轴承内表面40起到冷却和润滑的作用。
在轴承组件10的正常运转期间，金钢石止推轴承组件12承受施加在该驱动轴上的所有轴向推力，同时径向轴承组件36承受由于钻井时方向偏差产生的任何径向力。由于径向载荷在量级上要比轴向载荷小许多，因此径向轴承元件可以采用硬质合金制造而不必用金钢石。实际上，在径向轴承组件的支承表面之间通常会有小的间隙，使得只在发生方向偏差时这些轴承组件才起作用。
当然，径向轴承组件对处于壳体18中的驱动轴16保持正确的校直也起到很重要的作用。
为使径向轴承组件充分担当起在壳体18中使驱动轴16维持正确校直的任务，应该预先将它设计得非常坚固，而且可能要比图1中所显示的尺寸要大些。
再来参阅图1，可以看到，轴承组件10的整个轴线长度是比较短的，因此，提高了井下马达和相关的钻井元件在进行定向钻井时所能承受的比较剧急的方向上的变化的能力。
装配后的轴承组件10的整个长度较小是由于两个因素所致：第一在于使用金钢石止推轴承，它可以承受很大的轴向载荷，意味着只需很少数量的止推轴承组件，在此实例中仅需两个止推轴承组件;第二，在每一个径向轴承组件36中，其中一个止推轴承环，即环20，它既作为止推轴承元件也作为径向轴承元件，这样就可限制轴线校直元件的数量。
组件10还包括径向内隔离圈42，一个径向外隔离圈46和一个中心组件，中心组件包括一个中心支撑环92，塑料隔离圈94降一对插嵌件96。实际上，轴向压缩力是由外部的锁紧螺母（未示出）施加给组件10的径向外部元件即轴承环20和隔离圈46上的。施加的压缩力将轴承环20和隔离圈46彼此紧锁在一起并紧锁在静止的轴承壳体18上。这些元件就成了定子。
与此同时，锁紧螺母也给组件10的径向内部元件即径向轴承环38、隔离圈42和中心支撑环92施加轴向缩压力。在这种情况下，施加的压缩力将元件38、42和92彼此紧锁在一起并紧锁在驱动轴16上。这样，当驱动轴在马达带动下转动时，这些元件也随着一起转动。这些元件就成了轴承组件的转子。
复合PCD压块26和32在平坦的支承表面上有PCD压块，该支承表面在支承界面80处彼此抵靠运转，以承受施加在驱动轴16上的轴向推力。根据金钢石的特性，这些，表面具有很低的摩擦系数和极高的硬度，使之能承受很大的轴向载荷而不会损坏。
在运转时，支承界面80借助井下马达排出的钻井液或泥浆来冷却和润滑，并且如箭头83所示，该钻井液沿轴向向下流过轴承组件并在径向穿过轴承环内的复合压块26和32之间的间隙。
中心支撑环92将内止推轴承环22被此分隔开。环92可以是钢制的，典型的是采用EN24号钢或者是碳化钨。隔离圈94和校直插嵌件96典型地是采用聚四氟乙烯（PTFE）或玻璃增强尼龙制造。
参见图2，每一个插嵌件96包括一个圆环形盘98，该盘上带有多个以一定角度分隔开的校直柱销100和102，这些柱销沿轴向从该盘上以相反的方向伸出。柱销100固定在中心支撑环92端部形成的凹槽内，柱销102固定在内止推轴承环22的支撑元件30相应端部形成的凹槽内。
在这个实施例中，柱销100和102在轴线上彼此校直，即彼此在盘98的相对两侧上直接地向背。在另一个实施例中，设置在盘98一侧的柱销100与该盘另一侧的柱销102相互错开一定距离，例如差半个节距，如图2中虚线标示的柱销102。
插嵌件96起重要的校直作用，在相应的凹槽中装配的柱销100和102保证了这些元件的轴线的正确校直。此外，插嵌件96是由具有一定的固有回弹挠性的材料制成，这种挠性使得它们允许这些相对元件之间有较小的不校直性，这种不校直性可能是由较小的制造误差造成的。这种不校直性会在轴承壳体18和驱动轴16之间出现，其由径向轴承的磨损引起。
另外在施加给轴承组件的轴向载荷突然变化时，插嵌件96的回弹挠性特性使得该插嵌件可起着极其重要的吸收振动和缓冲的作用。通过缓冲这种变化，在轴承环上的突然的冲击轴向载荷和轴承环的损坏都会被减少。
在正常运转时，校直插嵌件96将扭矩从旋转驱动轴16传递给内轴承环22，这样内轴承环也随着该轴一起旋转。
但是，如果由于PCD压块彼此互相抵靠运转的动作，使在界面80上所产生的摩擦力超过某一定临界值时，那么轴承就有过热和咬死的现象、且使昂贵的PCD压块会被损坏的危险，柱销100和102会将盘98剪断。这将使内轴承环22从驱动轴上脱开并消除内、外侧轴承环之间的相互转动。因此，插嵌件96的另一个重要作用就是起一个限制剪切力的角色，以防止在支承界面可能出现的过大且可具破坏性的力矩。
现在参阅图3，图中示出本发明第二个实施例的总体结构，与图1中相同的元件由相同标号标示。
在图3中，也有中心支撑环92和塑料的隔离圈94，但是，原来的塑料插嵌件被一个校直组件110所替代。
每一个校直组件110都包括：一个环形钢制盘112，其上有按一定角度隔开的孔114，多个钢制柱销116穿过孔114和一个环形弹性体盘或垫圈118。柱销116采用钎焊焊接在或采用其它方式固定在孔114中。垫圈118典型地是采用橡胶制造并使之在钢制垫盘112和钢制支撑环92之间硫化。这样就使支撑环92和组件110形成一个整体部件，而柱销则稍具挠性地相对安装于中心支撑环92上。
图3中的内止推轴承环与图1中的内止推轴承环是相同的。柱销116的伸出端相当松动地设置在中心支撑环92和内轴承环22上的凹槽中。
与塑料插嵌件96的情况一样，组件110也起重要的轴向校直作用，橡胶垫圈118的弹性特性使得组件110允许这些元件间有少许的不校直性。
此外，橡胶垫圈118的弹性特性，在轴承组件承受的轴向载荷突然变化时，使得该垫圈118能起到吸收振动的作用，为确保它能起到这种作用，预先采用肖氏硬度在80至85的范围内的橡胶，其厚度为4至5mm，便已足够。
与第一个实施例一样，柱销116也起限制剪切力或预防扭矩过载的作用。如果支承界面80处的摩擦力变得过大，就会伴随止推轴承出现咬死的危险，此时柱销116被剪断以将内侧轴承环从中心支撑环92处脱开，并从驱动轴16上脱开。在这种情况下，在使用一个钢制的剪切柱销116时，在发生剪切该柱销之前，需采用比剪切由聚四氟乙烯的柱销更大的扭力，才能将该钢制的柱销剪切掉。
可以注意到，图3中的实施例也包括类似于图1的径向轴承组件36。在本发明的其它实施例中，径向轴承组件36可以由与止推轴承完全独立的并隔开的径向轴承所替代或补充。
在其它实施例中，轴承环的碳化钨支撑元件也可由钢制环替代。在这种情况下，钢环必须具有抗腐蚀镀层，例如热喷镀的碳化钨、陶瓷或其它硬质材料的涂覆层。另外，钢制环必须进行表面处理，例如表面渗氮，以改善抗腐蚀性。尽管碳化钨制的环由于其极高的硬度和抗腐蚀性是优先推荐的，但钢制环在特定情况下，从费用低的观点考虑也是可以采用的。