本发明涉及一种金钢石轴承组件。 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。井下钻井马达使用的传统的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，在作定向钻井使用时，不适于较急的转弯。
滚柱轴承和滑动轴承在实践应用中产生的另外缺点是，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，因此需要将之经常更换或修理，并需要增加停机时间。
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的很低的摩擦力，并且具有承受很高载荷的能力。
根据本发明的一种用于井下马达的金钢石止推轴承组件，该组件包括至少一套相对设置的轴承环，每一个轴承环包括一个环形支撑元件和多个装在支撑元件上的、沿圆周方向相互隔开的PCD压块，该PCD压块以每一套轴承环中地一个轴承环上的压块的支承表面在圆周方向上比该套中另一个轴承环上的压块的支承表面要长些的方式呈显相对的支承表面。
在本发明书中，“PCD”是指多晶体金钢石。“PCD压块”是指由许多金钢石微粒构成的多晶体金钢石压块，金钢石微粒占有压块的体积超过70%，在金钢石人工合成条件下结合而成。压块可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”是指粘接在硬质合金或其它合适基质上的PCD压块。
在一个最佳实施例中，PCD压块为固定在轴承环上的复合PCD压块。
一般地，在每一套相对设置的轴承环中的一个轴承环上的复合PCD压块为圆柱形，而该套中另一个轴承环上的PCD压块为细长的、部分圆环形。
每一部分圆环形复合压块在圆周方向上的长度要大于圆柱形复合压块的直径。
推荐的每一套相对设置的轴承环复合压块放置并固定在相应的支撑元件的互补凹槽中，部分圆环形的复合压块比圆柱形复合压块从其凹槽中突出的长度要长些。
在每一轴承环的复合压块之间具有在圆周方向上的间隙，以允许钻井液径向地通过。
在本发明的最佳方案中，每一个PCD压块具有由倒角边缘限定的一个平直的支承表面。每个压块的倒角边缘包括一个微小倒角，它与压块平直的支承表面成小于45°的角，可在1°至10°范围内选择，最好与压块平直支承表面成约5°的角。倒角边缘包括位于该微小倒角外侧的另一个倒角，其与平直的支承表面所成的角比该微小倒角更徒斜。后一倒角可防止边缘碎裂。
每一个或全部倒角在截面形状上不采用直线形状，相反则采用曲线形状。
金钢石止推轴承组件可以包括两套相对设置的轴承环。
进一步地，金钢石止推轴承组件可以这样装配，带有在圆周方向上较长支承表面的PCD压块由适配于锚固在井下马达可转动的驱动轴上的支撑元件承载，带有在圆周方向上较短支承表面的PCD压块则由适配于锚固在井下马达固定轴承壳体的支撑元件承载。
本发明可扩展为一种包括上述金钢石止推轴承组件的井下马达。
下面参照附图仅作为实例对本发明进行更详细的描述，其中：
图1示出了采用本发明的金钢石轴承组件的井下马达轴承组件的整体结构：
图2是外侧固定轴承环的正视图;
图3是图2中固定轴承环的横剖面图;
图4是内侧旋转轴承环的正视图;
图5是图4中旋转轴承环的横剖面图;
图6示意地示出了在轴承组件运转中彼此间相互超越的复合压块间的相互关系;
图7为用于图2和3轴承环上的单个复合PCD压块的侧视图和一个端角的局部放大图;
图8为用于图4和图5中轴承环上单个复合PCD压块的侧视图和一个端角的局部放大图。
图1示出了井下马达轴承组件10的整体结构，该组件中采用了两个本发明的金钢石止推轴承组件12。
如图1所示，中央套管井下马达驱动轴16可转动地设置在套管轴承壳体18之中，井下马达轴承组件10设置在驱动轴和壳体之间，以便相对于该驱动轴和壳体转动。在该实际的轴承组件10的上面和下面的各元件没有在图中示出。驱动轴16在井下马达致动下转动并驱动钻头旋转，壳体18保持固定，这些都是本技术领域的普通知识。
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由一环形的、烧结碳化钨制成的支撑元件24和多个复合PCD压块26构成，该压块设置并固定在支撑元件端部表面上形成的互补凹槽28中。
每一个内侧轴承环22也由一个烧结碳化钨制成的环形支撑元件30和多个PCD复合压块32构成，该压块设置并固定在支撑元件端部表表面上形成的互补凹槽34中。轴承环20和22和更详细的特点将在下面阐述。
轴承组件10还包括两个由标号36标示的径向轴承组件。每一个径向轴承组件都包括一个可旋转的径向轴承环38，该径向轴承环38在一支承界面40上抵靠在一外侧轴承环的支撑元件24的一部分上转动。
轴承组件10还包括径向内隔离圈42和44和一个径向外隔离圈46。在使用时，轴向压缩力由外部的锁紧螺母（未示出）施加给组件10的径向外侧元件即轴承环20和外隔离圈46上。这个压缩力将轴承环20和外隔离圈46彼此相互摩擦地紧锁在一起并紧锁在轴承壳体18上。
同时，锁紧螺母也对组件10的径向内部元件即径向轴承环38、隔离圈42、轴承环22和隔离圈44施加一个轴向压缩力。因此，这个轴向压缩力将元件38、42、22和44彼此相互紧锁在一起并紧锁在驱动轴16上，这样，当驱动轴在马达的带动下转动时，这些元件也随之一起旋转。
图2和3示出了一个固定的外侧轴承环20。如图所示复合PCD压块26都具有相同的圆柱形状并等距地分布在支撑元件24的端部表面47上，图3示出了轴承环的横截面形状。每一个复合压块通过钎焊固定在支撑元件24的互补凹槽中。
每一个复合PCD压块26都是SYNDRILL（商标）型的，而且具有一个在碳化钨基座或底座50上的PCD压块48。PCD压块48形成有一平坦的中央支承表面52（图2和图7），该表面研磨成非常光滑的状态并与轴承组件的轴线相互垂直。
图7示出了单个复合压块26的细节。如图所示，PCD压块的末端边缘形成一个徒斜的倒角54。这个边缘倒角使PCD压块的边变钝，从而防止了边缘碎裂或因其它冲撞而损坏该边。在图示的情况中，边缘倒角54与轴承组件的轴线成45°角，其标号56的尺寸大小为0.3mm。
除徒斜的边缘倒角54外，该PCD压块48还包括一个倒角边缘区58，该区与平坦的支承表面52以一个很小的角度倾斜，在这种情况中，该角约为5°。在这个实例中标号60的尺寸大小为1.5mm。
图4、5和8示出了一个内侧轴承环22的相应的细节。该环的复合PCD压块32为部分圆环形并通过钎焊固定在支撑元件30上部分圆环形的互补凹槽中。在这种情况中，并不是所有的复合压块都具有同样的尺寸。标号为32A的三个复合压块32彼此以60°的角分相互隔开，而且比标号为32B的其它六个复合压块要稍长。
图5示出了轴承环24中支撑元件30的截面形状。每一个复合压块32具有一个装在碳化钨基座64上的薄的PCD压块62。该PCD压块形成有一中央平坦的、非常光滑的支承表面66（图4和8）。在其末端边缘，每一个复合PCD压块32的复合PCD压块都形成有具有标号70的尺寸大小的徒斜倒角68，以防止边缘碎裂。
除徒斜的边缘倒角68外，该PCD压块也包括一倒角边缘区72，其标号74的尺寸大小为1.5mm且与平坦的支承表面66以5°角倾斜。
在金钢石轴承组件12运转中，平坦的支承表面52和66彼此在支承界面80上抵靠运转，以承受施加在轴16的轴向推力。由于金钢石的特性，这些表面具有很低的摩擦系数且非常坚硬，使得它们能承受很大的轴向载荷而不会损坏。
支承界面80在运转时由井下马达排出的钻液或泥浆进行冷却和润滑，它们沿轴向流过轴承组件并沿径向穿过轴承环上复合压块之间的间隙81。钻井液流动的典型路径如图1中标号83所示。
由倒角58和72所限定的倾斜的表面在轴承环间相对转动时彼此是不接触的。沿径向穿过间隙81的钻井液或泥浆可以流过并围绕住这些表面，对这些表面起到冷却作用，防止了PCD压块48和62产生过热。
在图中的这个实施例中，复合PCD压块26的直径为12mm，复合PCD压块32A和32B在圆周方向上的长度分别为47.5mm和39.5mm。
每一个复合压块32在圆周方向上的长度实际上要比复合压块26的直径大许多，在该金钢石轴承组件12运转的过程中，该复合压块32抵靠在该复合压块26上运转。这一点在图6中表示的特别清楚，图中以虚线表示的复合压块26，在轴承组件的一个特殊的转动状态下，重叠在复合压块32上。
复合压块26彼此间以几个毫米的间距隔开。同样，复合压块32彼此也以几个毫米的间距分隔开。在轴承组件运转的过程中，该复合压块32越过复合压块26运转时，在每一个复合压块32和至少一个复合压块26之间总是处于完全接触状态，其它的复合压块32可与两个或三个复合压块26则完全接触。
可以预料到每一个复合块32在所有的时间内都实现了完全接触，这将加强金钢石轴承组件12承受钻进时的轴向负载的能力。
所示出的压块构形的进一步特点在于，对于任何一个旋转位置，该复合压块32的支承表面66将伸展跨越多个存在于复合压块26之间的间隙上，钻井液则沿径向流过该间隙。这样，在复合压块32越过复合压块26上运转时，每一支承表面66中的每一段都受到可观的冷却作用。
相似地，沿径向穿过复合压块32之间的间隙的钻井液，对复合压块26的支承表面52也起到冷却作用。
每一个复合压块32在其转动时，可被认为是能在复合压块26的支承表面52上“推动”一定体积流体进入其前面的间隙中，这一不断地被置换的流体先冷却复合压块26的支承表面，而后，与复合压块32的支承表面接触。相似地，复合压块26也可被认为是“推动”一定体积的流体越过复合压块32的支承表面。
如果考虑到金钢石会在约高于750°的温度下受到热降解作用，采用图中设计的对支承表面的冷却带来了很大的优点，在实际应用中，通常使钻井液沿径向穿过复合压块之间的间隙的速度采用10m/s的量级情况下，便可使支承表面的温度保持在临界金钢石降解温度以下。
虽然本发明主要涉及相对转动的复合压块的形状和结构，应当注意到图示中的轴承环20和22的结构只是多种不同可能性中的一种形式，例如，在环30之间可以设置一个或几个中间元件。
该中间元间可以包括一个有回弹力或弹性安装的补偿柱销，该柱销位于相应的环30上的凹槽中，以保证其轴线的正确对中。
以较图3和图5可以看到，复合压块32比复合压块26从其轴承环上更突出一些。
如果需要，前面提到的边缘倒角54、58、68和72可以被横截面成曲线形状的倒角所替代，而不必一定的直线形状。
在本发明的其它实施例中，径向轴承组件36可以被与止推轴承完全隔开并分开的径向轴承替换或补充。而且，在其它实施例中，碳化钨的轴承环也可被钢制环替代。在这种情况下，钢制环必须有抗腐蚀镀层，如热喷镀碳化钨、硬质陶瓷或其它硬质材料。此外，钢制环也可以进行表面处理，如渗氮处理，以提高抗腐蚀性。虽然碳化钨环由于具有很高的硬度和抗腐蚀性而属于优选用的环，但从降低成本的观点考虑;钢制环在特定情况下也可以采用。