技术领域
[0001] 本
发明涉及钻井头（drill head），并涉及配置为产生振荡振动
力（oscillating vibratory force）的钻井头。
背景技术
[0002] 岩芯钻进（core drilling）允许为了许多目的而从各种深度获得地下物质（subterranean material）的样本。例如，钻探岩芯样本（core sample）并测试收回的岩芯帮助确定在给定
地层中存在或者可能存在什么物质。例如，收回的岩芯样本能够指示存在石油、贵金属和其他有价值的物质。在一些情况下，岩芯样本能够用来确定物质和事件的地质年代（geological timeline）。因此，岩芯样本能够用来确定在给定区域进行进一步开采的必要性。
[0003] 虽然有几种方式来收集岩芯样本，但是常常使用岩芯管系统（core barrelsystem）来收回岩芯样本。岩芯管系统包括外管，取芯
钻头固定到外管的一端。外管的相对端常常附接到
钻柱，钻柱垂直延伸到常常位于地表上的钻头。岩芯管系统还常常包括位于外管内的内管。当钻头（drill bit）切割地球地层时，内管能够充满岩芯样本。一旦已经切取期望量的岩芯样本，内管和岩芯样本即可通过钻柱而升高并在地表收回。
[0004] 常常用
声波头组件以高频来振动钻柱、附接的取芯筒和钻头，以允许钻头和岩芯管随着钻头旋转而切过地层。因此，一些钻井系统包括钻井头组件，钻井头组件既包括提供高频输入的声波头组件又包括使钻柱旋转的旋转头。声波头包括振荡的偏心
配重的
转子。偏心配重的转子联结到轴。轴可依次联结到
钻杆（drill rod），将偏心配重的转子转动以从轴向钻杆传递振动力。
[0005] 为了实现上述旋转，常常设置许多
轴承结构以在轴旋转时
支撑轴。轴承的寿命至少部分取决于保持适当的预加
载荷（preload），以维持轴承与轴之间的
接触。在过去，通常将轴承置于需要拆卸钻井头的
位置，以便调整轴承上的预加载荷。调整预加载荷也可能是繁重的。如果没有保持预加载荷，则以偏心方式配重的转子的旋转所产生的振动力将迅速毁坏轴承或钻的其他部分。这些维护通常将导致基本上停工，因为操作员要维护或更换轴承或声波头的其他部件。
[0006] 本发明要求保护的主题不限于仅在例如上述情况下解决任何
缺陷或者进行操作的
实施例。反之，提供本背景技术部分只是表明一个示例性技术领域，在该技术领域中可实践本
说明书描述的一些实施例。
发明内容
[0007] 根据本发明的一个方面，提供了一种钻井头组件，其包括：轴，具有轴线和多个外
螺纹；
振荡器组件，与所述轴操作性地关联，所述振荡器组件具有至少一个偏心配重的转子，所述转子配置为绕枢轴点旋转以产生振荡振动力，其中振荡中心线被限定为垂直于所述轴线并包括所述枢轴点；下轴承，在所述振荡中心线的第一侧上联结至所述轴；上轴承，在所述振荡中心线的第二侧上联结至所述轴，所述第一侧与所述第二侧相对；
内螺纹的
基座螺母，适于通过与多个
外螺纹接合而被选择性地在所述轴上固定就位；轴承
垫片，其在所述上轴承与所述基座螺母之间可动地固定于所述轴上；以及多个
螺栓，其
偏压抵靠着所述基座螺母，其中所述多个螺栓相对于所述基座螺母的前进迫使所述轴承垫片离开所述基座螺母，由此对所述上轴承和所述下轴承施加预加载力。
[0008] 根据本发明的另一方面，提供了一种钻井头组件，其包括：轴，具有第一端和带有螺纹的第二端；振荡器组件，配置为对位于所述第一端与所述第二端之间的所述轴产生振荡力；至少一个轴承，将所述轴联结到所述振荡器组件；以及预加载组件，联结到所述轴。所述预加载组件包括：基座螺母，所述基座螺母配置为选择性地拧到所述轴的带有外螺纹的第二端上就位；和多个预加载件，所述预加载件延伸穿过所述基座螺母，其中所述多个预加载件中的至少一个预加载件相对于所述基座螺母的前进，在所述至少一个轴承上施加预加载力。
[0009] 根据本发明的又一方面，提供了一种钻井系统，包括：旋转头组件，配置为旋转钻杆；以及如上所述的钻井头组件，联结到所述旋转头组件，其中所述钻井头组件为声波头组件，所述声波头组件配置为向钻杆传递振荡振动力。
[0010] 一种钻井头组件，其可包括具有轴线的轴和与该轴操作性地关联的振荡器组件，该振荡器组件具有至少一个偏心配重的转子，该转子配置为绕枢轴点旋转以产生振荡振动力，其中振荡中心线被限定为垂直于轴线并包括枢轴点。钻井头组件还包括在振荡中心线的第一侧上联结到轴的下轴承和在振荡中心线的第二侧上联结到轴的上轴承，第二侧与第一侧相对。
[0011] 一种钻井头组件，其可包括具有第一端和第二端的轴以及位于轴的第一端与第二端之间、配置为产生振荡力的振荡器组件。至少一个轴承可将轴联结到振荡器组件。预加载组件可联结到轴，预加载组件包括基座螺母（basenut）和预加载件，基座螺母配置为选择性地在轴上固定就位，预加载件配置为预先相对于基座螺母将轴承预加载。
[0012] 提供本发明内容部分，为的是以简化方式介绍以下具体实施方式中更详细描述的精选的概念。本发明内容部分并非旨在区别出本发明要求保护的主题的关键特征或基本特性，也并非旨在用于帮助确定本发明要求保护的主题的范围。
附图说明
[0013] 为使本发明的以上的和其他的优点以及特征更清楚，将参照附图中所示的具体实施例提供对本发明更详细的描述。应理解，这些附图只示出本发明的典型示例，因此不应认为限制本发明的范围。将使用附图，以附加的特性和细节来描述并解释示例，其中：
[0014] 图1A示出根据一个示例的钻井系统；
[0015] 图1B示出根据一个示例包括声波头组件和旋转头组件的钻井头；
[0016] 图2A示出根据一个示例的声波头组件的组装图；
[0017] 图2B示出图2A的声波头组件的分解图；
[0018] 图2C示出沿截面2C-2C截取的图2的声波头组件的剖视图；而
[0019] 图3示出根据一个示例的预加载组件的分解图。
[0020] 连同以下描述，附图示出了示例性装置和方法的非限制特征。为清楚起见，图中可能夸大部件的厚度及结构。不同附图中相同的附图标记表示相似（不过未必完全相同）的元件。
具体实施方式
[0021] 本发明提供钻井系统、声波头组件以及轴和轴承组件。在至少一个示例中，提供的轴和轴承组件包括上、下轴承，上、下轴承允许轴相对于另外的部件（例如振荡器组件和/或诸如空气
弹簧组件之类的隔振装置）旋转。振荡器组件配置为产生传递到轴的振荡力。
[0022] 在至少一个示例中，上、下轴承位于部件的相对的向外侧。这样的结构能够释放轴的两端，这样依次能够有助于流
水枢轴（water pivot）联结到轴的一端。此外，这样的结构能够有助于接近一个或多个轴承，这样依次能够允许进行常规的预加载荷调整。例如，预加载组件能够与轴和轴承组件关联。预加载组件能够包括配置为移动到接近上轴承并固定就位的基座。随着基座被
锁定就位，一个或多个预加载件能够预先自基座向轴承施加预加载力。
[0023] 在至少一个示例中，预加载组件包括具有一个基座螺母和联结到基座螺母的多个预加载螺栓的起重螺帽（jack nut）组件。基座螺母能够包括内螺纹，其配置为拧到轴上的外螺纹上并预先接近上轴承。基座螺母然后能够被例如
紧定螺钉的锁定特征在轴上锁定就位。此后，预加载螺栓能够相对于锁定的基座螺母向轴承前进，由此施加预加载力。当轴响应振荡器组件产生的振荡力而移动时，预加载力能够帮助维持轴承接触轴。
[0024] 如果允许轴因振荡力而接触和离开轴承，则振荡能够导致轴承座圈与轴承之间重大的冲击力。这些冲击力能够迅速毁坏轴承。因此，维持轴承座圈与轴承接触能够帮助防止轴承的过早破坏（premature failure）。预加载组件的结构允许用户容易地接近，以随着轴承磨损便利地调整预加载荷。在以下描述声波头组件时，将理解，以下描述的轴承和/或预加载结构能够适用于任何类型的钻井头或钻井设备。
[0025] 图1A示出包括钻井头组件110的钻井系统100。钻井头组件110可联结到桅架120，桅架120依次联结到钻机130。钻井头组件110配置为具有联结的钻杆140。钻杆140可依次联结另外的钻杆，以形成钻柱150。依次，钻柱150可联结到钻头160，钻头160配置为与待钻的物质，例如地层171相接触。
[0026] 在至少一个示例中，钻井头组件110配置为使得钻柱150旋转。具体地，在钻井过程期间，钻柱150的转速可按期望变化。此外，在钻井过程期间，钻井头组件110可配置为相对于桅架120平移，以向钻井头组件110施加轴向力，将钻头160推进地层171中。钻井头组件110也能产生传递到钻杆140的振荡力。这些力然后从钻杆140通过钻柱150传递到钻头160。
[0027] 图1B更详细地示出钻井头组件110。如图1B所示，钻井头组件110可包括旋转头组件170，旋转头组件170安装到滑动部（sled）180。钻井头组件110还可包括声波头组件200，声波头组件200安装到滑动部180。在示出的示例中，例如软管的流水联结器（water coupling）190联结到声波头组件200。如以下将更详细描述的，声波头组件200包括能够容易地接近并调整的轴承结构和/或预加载组件。
[0028] 图2A更详细地示出声波头组件200的分解正视图。如图2A所示，声波头组件200基本包括轴205和振荡器组件210。声波头组件200还可包括隔振装置，例如空
气弹簧组件215。轴205配置为至少部分穿过振荡器组件210和空气弹簧组件215。
[0029] 在示出的示例中，轴经过振荡器组件210和空气弹簧组件215，到达
水龙头（water swivel）联结器220。轴205中可限定有流水通道。水龙头联结器220可联结到轴205，以便与轴线225基本共轴（coaxial）。
[0030] 振荡器组件210包括振荡器壳体230，振荡器壳体230支撑偏心配重的转子235、235’。偏心配重的转子235、235’配置为绕轴240、240’旋转，以产生周期性的振荡
离心力。
两轴240、240’之间的线可称为振荡中心线245。由于偏心配重的转子235、235’的旋转而产生的离心力可分解成第一分力和第二分力，第一分力平行于轴线225起作用，第二分力垂直于轴线225起作用。在示出的示例中，第二分力还平行于振荡中心线245起作用。
[0031] 在至少一个示例中，偏心配重的转子235、235’沿相对的方向旋转。此外，偏心配重的圆筒235、235’可被导向，以使得在它们旋转时，离心力中的垂直于轴线225起作用的第二分力互相抵消，同时平行于轴线225起作用的那些第一分力合成，产生振荡振动力。
[0032] 这些振荡振动力传递到振荡器壳体230。如前所述，轴205至少部分穿过振荡器壳体230。因此，上述的离心力能够从振荡器壳体230传递到轴205。然后轴205将力传递到其他部件，例如如上所述的钻杆和/或旋转头。
[0033] 空气弹簧组件215可与振荡器组件210和/或轴205操作性地关联。在至少一个示例中，空气弹簧组件215将声波头组件200联结到支撑结构如壳体或图1B中的滑动部180，支撑结构依次可联结到图1B中的桅架120。因此，空气弹簧组件215能够帮助将支撑结构（包括滑动部）和/或桅架与振动力隔离（这些振动力与振荡器组件210的操作性地关联），同时允许轴205响应于这些振动力而上、下移动。
[0034] 如以下更详细地讨论的，声波头组件200可包括轴承，这些轴承位于振荡中心线245的相对两侧。轴承也可位于空气弹簧组件215的各种部件的相对两侧，如将参照图2B、
2C更详细地讨论的。具体的，以下将参照图2B讨论声波头组件200的各种部件的排布，然后参照图2C讨论那些部件的相互作用。
[0035] 图2B示出图2A中的声波头组件200的分解图。如图2B所示，声波头组件200至少包括下轴承组件250、上轴承组件255和预加载组件300。下轴承组件250位于处在振荡中心线245一侧的轴205上，而上轴承组件255位于处在振荡中心线245的相对侧的轴205上。这样的结构允许轴205相对于振荡器壳体230绕轴承组件250、255旋转。
[0036] 预加载组件300可与轴205关联，以向上轴承组件255或下轴承组件250至少之一提供预加载荷。此外，接近上轴承组件和下轴承组件中的任一个或者接近上轴承组件和下轴承组件二者的一个或多个预加载组件可与轴205关联。在示出的示例中，预加载组件300接近上轴承组件255。现在将关于轴205来讨论部件的排布。
[0037] 轴205基本包括第一端205A和第二端205B。第二端205B可穿过声波头组件200的任意数量的部件，将下轴承组件250与上轴承组件
定位在振荡中心线245的相对的两侧上。在示出的示例中，第二端205B配置为穿过下轴承组件250、振荡器组件210、空气弹簧组件215、上轴承组件255并至少部分穿过预加载组件300。
[0038] 轴205的第一端205A可配置为与下游部件连接，下游部件例如为旋转头或其他部件。第一端205A还可配置为穿过旋转头并直接接合钻杆。此外，第一端205A能够具有任何期望的结构。
[0039] 轴205可包括位于第一端205A与第二端205B之间的中心部205C。在至少一个示例中，轴205的至少一部分，例如中心部205C，可通过耐疲劳精加工的工艺来形成。在一个这样的示例中，该工艺可包括表面精加工工艺，例如渗氮工艺。这样的工艺可包括koleen工艺（koleen process），其包括盐浴复合处理工艺（quench-polish-quench process）。这样的工艺能够减少任意数量的部件的表面缺陷；这些部件可包括磨损/疲劳部件，例如轴205、上轴承座285和
活塞座272；这样能够减少裂缝或其他表面失效会由此产生并蔓延的那些部位。减少表面失效的蔓延能够帮助增加轴205的寿命。
[0040] 中心部205C可配置为相对于振荡器组件210和/或空气弹簧组件215旋转。在中心部205C与第一端205A之间可形成有轴肩260。轴肩260可配置为支撑下轴承组件。具体地，下轴承组件250可分别包括下垫片262A和上垫片262B以及下轴承265。
[0041] 轴肩260配置为支撑下垫片262A，下垫片262A依次支撑下轴承265。下轴承265可为任意类型的轴承。在至少一个示例中，下轴承265可为
圆锥滚子轴承。上垫片262B可位于下轴承265与振荡器壳体230之间。因此，下轴承265可位于振荡器壳体230与轴205的第一端205A之间，以允许轴205相对于振荡器壳体230旋转。
[0042] 作为介绍，上轴承组件255配置为允许第二端205B相对于振荡器壳体230旋转，不过上壳体组件255与振荡器壳体230被空气弹簧组件215间隔开。虽然所示结构包括空气弹簧组件215，空气弹簧组件215可位于振荡器组件210与上轴承组件255之间，但是将理解，上轴承组件255的位置可邻近振荡器组件210和/或可省略空气弹簧组件215。如期望的话，可包括有另外的轴承。
[0043] 继续讨论图2B所示的示例，空气弹簧组件215可包括下板267、下
密封件270、活塞座272、下
缓冲器274A、上缓冲器274B、空气活塞（air piston）276以及顶盖组件280，顶盖组件280包括有顶盖282和轴瓦285。活塞座272可固定到振荡器壳体230。空气活塞276可固定到活塞座272。上轴承组件255可固定到空气活塞276。具体地，在至少一个示例中，上轴承组件255包括上轴承座287，上轴承座287固定到空气活塞276。
[0044] 具体地，如图2C所示，例如螺栓290之类的
紧固件可延伸穿过上轴承座287、空气活塞276、活塞座272，并进入振荡器壳体230。因此，上轴承座287、空气活塞276、活塞座272和振荡器壳体230能够固定在一起以形成一叠置件。
[0045] 暂时转至图2B，上轴承组件255还包括有上轴承292和上轴承垫片295。上轴承座287配置为支撑上轴承292，上轴承292依次配置为支撑上轴承垫片295。如图2C所示，预加载组件300还配置为对上轴承292和/或下轴承265施加预加载力。在至少一个示例中，预加载组件300可位于轴205的第二端205B附近，接近上轴承292，例如接触上轴承垫片295。
[0046] 预加载组件300可固定就位以在上轴承垫片295上施力，将上轴承292推向轴205的第一端205A。顶部密封板297可联结到上轴承座287。在操作期间，顶部密封板297能够帮助保护上轴承292和其他部件不受污染。而且，顶部密封板297的位置能够允许容易地移除顶部密封板297，以供进入预加载组件300来维持轴承上的预加载荷。因此，声波头组件200的结构可供迅速进入预加载组件300以维持轴承292、265上的预加载荷。声波头组件还可配置为减少通过空气弹簧组件传递到支撑结构的振动力。
[0047] 如前所述，上轴承座287、空气活塞276、活塞座272和振荡器壳体230构成叠置件。下轴承265可位于该叠置件的相对侧上，并由轴肩260保持就位。轴205可基本上刚性，使得预加载组件300施加到上轴承垫片295的力能够起朝向轴肩260移动上轴承292、该叠置件和下轴承265的作用。最后得到的力可称为预加载力。因此，预加载组件300可配置为施加预加载力，以当该叠置件响应于振荡器组件210的操作移动时，帮助维持将轴承联结到该叠置件。
[0048] 现在将说明空气弹簧组件205的操作。如图2C所示，空气弹簧组件215包括密封件270，密封件270配置为密封地联结到活塞座272。下板267依次配置为密封地联结到下密封件270和顶盖组件280以设置出一腔室。该腔室能够加压，以使空气活塞276悬浮。
[0049] 如前所述，空气活塞276可为叠置件的一部分，该叠置件还包括上轴承座287、空气活塞276、活塞座272和振荡器壳体230。该叠置件能够随振荡器组件210操作而平移，以通过下轴承组件250向轴205传递振荡力。当该叠置件振荡时，空气活塞276能够基本平行于轴线225、沿活塞上的压力的反方向移动。在声波头组件200上的力由于空气活塞276上的压力而大于作用在空气活塞276上的缓冲力（cushioning force）的情况下，缓冲器274A、274B能够分别缓冲空气活塞276与下密封件270或顶盖282之间的接触。除对振动力提供隔离之外，声波头组件200能够配置为将水或其他
流体引向钻柱。
[0050] 例如，如图2C所示，可在轴的第一端205A与第二端205B之间限定有流水通道283。声波头组件200的结构能够使轴205的第二端205B位于其他部件（包括振荡器组件
210和空气弹簧组件215在内）之上。这样的结构能够允许将水龙头220设置成与轴205同轴（inline），使得软管或其他水源能够与水龙头220联结和分开。此外，这样的结构可供迅速进入预加载组件300。
[0051] 图3更详细地示出预加载组件300的分解图。在示出的示例中，预加载组件300可包括有起重螺帽结构。因此，预加载组件300可包括有基座构件，该基座构件例如为基座螺母305；基座螺母305配置成位于轴205的第二端205B，接近上轴承垫片295。基座螺母305可包括有下部305A、上部305B和内部305C。内部305C可配置为与轴205上的相应特征接合，并具体与第二端205B接合。
[0052] 在至少一个示例中，内部305C包括有内螺纹；内螺纹形成于内部305C中，配置为接合轴205的第二端205B的对应的螺纹部310。预加载组件300可进一步包括锁定构件，锁定构件例如为紧定螺钉315；紧定螺钉315配置为选择性地将基座螺母306固定在轴205上的
选定位置。在示出的示例中，在预加载组件300中限定有
倒角开口320，倒角开口320与内部305C相通。具体地，倒角开口320可延伸穿过上部305B，并与基座螺母305的内部305C相通。开口320也可具有内螺纹，该内螺纹配置为接合紧定螺钉315上对应的外螺纹。
因此，当将基座螺母305置于轴205的第二端205B上时，紧定螺钉315能够前进穿过开口
320与轴205接合。
[0053] 在至少一个示例中，可在轴205的第二端205B上的螺纹部310中形成有
键槽部325。这样的结构能够允许拧紧紧定螺钉315与键槽部325固定接合（而不是与螺纹部310中的螺纹固定接合）。当基座305在轴205上固定就位时，这样的结构能够降低对螺纹部310中的螺纹的损害。此外，紧定螺钉315与键槽部325之间的接合能够帮助防止基座螺母305旋转，这样能够在轴205上将基座螺母305保持就位。
[0054] 预加载组件300进一步包括预加载件，例如内六角螺栓330。螺栓330配置为旋入开口335，开口335从上部305B延伸穿过下部305A。当基座螺母305在第二端205B上固定就位时，螺栓330能够前进接触上轴承垫片295。使螺栓330朝向上轴承垫片295进一步前进能够对如上所述的下轴承265（图2B-2C）和上轴承292进行预加载。
[0055] 一旦拧紧螺栓330以将轴承265、292预加载到期望量，即能将螺栓330锁定就位。例如，可将止动螺母340拧到螺栓330上并拧到基座螺母305上。将螺栓330锁定就位，能够在图2A中的声波头组件200操作期间帮助降低螺栓330松动的可能性，由此帮助维持轴承265、292的预加载荷。
[0056] 因此，预加载组件300配置为建立并维持轴承265、292上的预加载荷。此外，声波头组件200的结构可供迅速进入预加载组件以维持预加载荷。现在将更详细地讨论一个在轴承上维持预加载荷的示例。
[0057] 在至少一个示例中，维持轴承的方法包括组装声波头组件的起始步骤。这样的示例可包括在振荡器组件的振荡中心线的相对两侧上布置一个或多个轴承。组装声波头组件的步骤还可包括在轴的靠近声波头组件的上端处设置预加载组件。以上参照图2A-2C描述了一个这样的结构。
[0058] 预加载组件可包括基部、锁定构件和预加载构件。可将基部移动到接近上轴承。然后可将基部在轴上固定就位。此后，可使预加载件前进以施加预加载力。在至少一个示例中，可将预加载件拧紧至高达约250,000lbf的预加载力，例如约70,000lbf至90,000lbf之间的预加载力。然后可将预加载件相对于基座构件锁定就位。
[0059] 然后可操作声波头组件。随着声波头组件的操作，轴承磨损而且预加载荷减小。可周期性地进入预加载组件以维持轴承上的预加载荷。例如在达到约2,000小时的时段后，可进入预加载组件，且将预加载件拧到期望的
扭矩设定值。这样的方法能够帮助确保轴承保持接触声波头组件的轴和/或其他部分，这样能够帮助降低轴承的过早破坏。
[0060] 在此已经讨论了用于相对于振荡系统设置轴承、及用于相对于振荡组件将轴承预加载的各种结构。虽然在预加载组件设有位置靠近声波头组件的顶部的起重螺帽的情况下，已经描述了轴承设置在振荡中心线的相对侧上的至少一种结构，但是将理解，可脱离预加载组件的位置和功能来考虑轴承的位置，并且每个轴承位置可采用各种结构。例如，可提供一种类似以上描述的预加载组件，其
中轴承均位于振荡器组件的一侧。此外，轴承与预加载组件的位置可与空气弹簧组件的位置无关。实际上，在至少一个示例中，可完全省略空气弹簧组件。在其他示例中，可提供包括圆锥自锁螺母式结构或其他结构的预加载组件，其中自锁螺母相对于轴承固定预加载组件的位置。
[0061] 本发明可以以其他具体形式来体现而不背离本发明的精神或基本特性。所描述的实施例在各方面被认为仅仅是示例性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附
权利要求而非由以上描述来限定。在权利要求的等同含义和范围内进行的所有改变均包含在此范围内。
