CN101517189A - 牙轮钻头密封件防护装置 - Google Patents

Abstract

一种地钻钻头，包括具有悬置的牙轮轴(15)和可旋转地安装于其上的牙轮(17)的钻头体。密封件(29)密封在所述牙轮轴和牙轮之间。环形的成组的刚毛(45)定位在密封件的至少一部分动态密封面附近，以保护所述密封件不受碎屑的影响。

Description

牙轮钻头密封件防护装置

技术领域

本申请要求于2006年9月21日提交的序列号为No.11/524819的美国专利申请的优先权。

本发明大体上涉及旋转式牙轮地钻钻头，特别涉及一种防护装置，用于使每一个牙轮的密封件不会由于碎屑而损坏。

背景技术

这里所述类型的地钻钻头具有带至少一个通常为三个的牙轮轴的钻头体，和可旋转地安装至每一个牙轮轴的牙轮。每一个牙轮具有切削元件，用于在钻头体旋转时破碎地下岩层。牙轮空腔和牙轮轴之间的支承空间填充以润滑剂。一密封件位于牙轮空腔的出口附近以便将润滑剂与钻井液密封隔开。

在钻挖井眼操作时，不管是产生于轴承还是井眼的碎屑，都可能找到通向密封件的通道并导致磨损。一种类型的密封件包括弹性部件，它具有与牙轮轴滑动接合的内径和通常与牙轮静态接合的外径。这种类型的密封件与牙轮轴一起形成了接合区域，并且使得碎屑在附近聚集而移动到密封界面中。该聚集的碎屑可导致磨损和渗漏。

另一种类型的密封件利用由弹性环加强的金属-金属界面密封作为初级密封。一种类型的密封件组件利用增能环的弹性密封件外部作为二级密封来保护初级密封。二级密封件占据了宝贵的空间，并且该组件需要对该两个密封件之间的空间进行压力补偿。

其它设计使用在内径上具有更加耐磨损的弹性层的弹性环。更加耐磨损的层可包括不同的弹性体，或可由耐磨损织物制成。

发明内容

在本发明中，安装有具有多孔界面的密封件防护装置，且安装成该多孔界面与密封区域的其中一个环形面滑动接合，以便保护初级密封。优选地，该防护装置包括可排斥或捕集碎屑但并不密封的刷子或一组刚毛。

该刷子可粘结或模制至密封件。在一个实施例中，刷子的暴露面最初从密封件的内径向内凹入一定的量，该凹入量由安装好的密封件的预定挤压程度来决定。当该密封件在牙轮轴和密封凹槽底部之间变形时，刷子的暴露面与密封件的内径齐平。

在另一个实施例中，当密封件处于其自然未变形状态时，刷子的暴露面与密封件的内径齐平。当该密封件在牙轮轴和密封件凹槽底部之间变形时，刷子的刚毛抵靠牙轮轴而偏斜。

在另一个实施例中，密封件的位于密封件润滑剂侧的内径小于钻井液侧上的密封件的内径。刷子粘结至密封件的钻井液侧的内径上，这样最初向内凹入。当密封件在密封件凹槽和牙轮轴之间变形时，刷子大体上与牙轮轴接触。

在第四实施例中，刷子在密封件凹槽的钻井液侧上安装至牙轮空腔。在密封件和刷子之间的密封件凹槽中可定位扁平的间隔垫圈，用以支撑并稳定该刷子。

附图说明

图1是根据本发明的具有密封件的地钻钻头的部分截面图。

图2是图1所示密封件组件和钻头的一部分的放大截面图。

图3是从图2的3-3线截取的密封件组件的部分截面图。

图4是安装在图2所示的密封件内的一组刚毛或刷子的放大横截面图，并且图示状态为与密封件分开的状态。

图5是图2所示密封件组件的截面图，示出了其处于自然、未变形状态时的情形。

图6是图2所示密封件组件的替代实施例的截面图，示出了其松弛状态。

图7是图2所示密封件组件的另一替代实施例的截面图，示出了其松弛状态。

图8是图2所示密封件组件的另一替代实施例以及图1所示钻头的一部分的截面图。

具体实施方式

参照图1，该钻头具有带至少一个优选为三个的牙轮钻头巴掌13的钻头体11。牙轮轴15从每一个牙轮钻头巴掌13朝着钻头的旋转轴线向下及向前悬置延伸。牙轮17具有空腔19，空腔19在牙轮轴15上滑动，以允许该牙轮17相对于牙轮轴15旋转。牙轮17在其外部具有多个切削元件21。切削元件21可以是压入到配合孔内的碳化钨嵌入件，或者切削元件21可包括由牙轮17整体加工成的齿。牙轮17通过锁定部件保持在牙轮轴15上，在该实施例中，锁定部件包括多个球体23，所述球体定位在牙轮空腔19内的牙轮轴15的配合环形槽中。

润滑剂通道25从补偿器27经每一个牙轮钻头巴掌13延伸至空腔19内的支承空间。密封件29用于将润滑剂密封在支承空间内。补偿器27降低了密封件29两侧的压差(该密封件29在其后侧承受井眼压力并且在其前侧承受润滑剂压力)。

参照图2，密封件29优选地定位在形成于牙轮空腔19中的密封槽31内。密封槽31具有圆柱形底部和垂直于牙轮轴15的轴线的平行平坦侧壁。密封槽31在空腔19内的位置距离空腔19的出口较短。牙轮17具有环绕空腔19的出口的背面33。

密封件29包括具有外径35和内径37的弹性环。优选地，外径35和内径37大体上为圆柱形，并且优选地，密封件29的前后侧面38大体上是平的。密封件29具有其它形状也是可行的。

在该实施例中，密封件防护装置39安装到密封件内径37以便与其一起旋转。密封件防护装置39是柔性的环形部件，其轴向宽度小于密封件内径37的从一个密封侧面38至另一个密封侧面的轴向宽度。在该实施例中，仅示出了一个防护装置39，不过可以有多个防护装置安装至密封件的内径37。与密封件29不同，密封件防护装置39不会密封至形成在牙轮轴15上的动态密封区域。相反，它包括多孔表面，以允许流体移动，以捕集、排斥或阻止碎屑。一旦安装好后，密封件防护装置39的内径优选与牙轮轴15的外径大体上相同。

在图2所示的实施例中，密封件29的内径37具有位于防护装置39的一侧上的润滑剂侧动态密封面40和位于防护装置39的另一侧上的钻井液侧动态密封面41。密封面40，41以滑动接触方式与牙轮轴15密封地接合。密封件防护装置39用于保护钻井液侧密封面41不受穿过密封面40以及在支承面内产生的任何碎屑的影响。密封件防护装置39用于保护润滑剂侧密封面40不受穿过密封面41的钻井液内的任何碎屑的影响。

如图4示意性所示，密封件防护装置39优选包括具有一组刚毛45的刷状构件。与刷子类似，刚毛45包括彼此靠近地间隔开的多根独立的平行且笔直的纤维或丝线。刚毛45可粘结到薄的衬板或基板43上，该基板又粘结或模制到密封件29的内径37。优选地，在各个刚毛45之间不具有弹性材料，相反，这些刚毛从基板43伸出并且各个刚毛45之间的空间是空着的。

在图1-5所示的实施例中，每一根刚毛45的高度比密封件内径37至密封件外径35的距离小得多；不过，该高度可以很大，例如为密封件29高度的80％。所示密封件防护装置39的前后侧边缘是直的，并且位于与牙轮轴15的轴线垂直的平面内。可替换地，密封件防护装置39的前后侧边缘可以是正弦状起伏的，使得其中一部分相对于其它部分位于更加向后靠近背面33的位置处。刚毛45的密度取决于钻井的深度。钻井越深，刚毛45的密度越大以提高其刚度。刚毛45可以由各种材料制成，包括金属，例如镍合金、不锈钢、黄铜、青铜、或碳钢；合成物，例如尼龙、聚酯、或丙烯；以及天然填充物，例如马鬃。密封件防护装置39还可以不使用刚毛，而是包括海绵状部件或具有与洗碗布类似的网状纤维部件。

参照图5，当密封件29处于其自然、未变形的状态时，动态密封面40，41从刚毛45的暴露的端部向内伸出。如图2所示，当密封件29被安装在钻头内时，密封件29被挤压，其外径35与凹槽31的底部形成静态密封，并且内径动态密封面40，41抵靠牙轮轴15变形。当密封件29变形后，如图2所示，动态密封面40，41将变平。刚毛45的暴露端部将接触或几乎接触牙轮轴15上的密封区域。

在图1-5所示的实施例的操作过程中，起初，润滑剂将被动态密封面40和外径35密封。钻井液被动态密封面41和外径35密封。当钻头旋转时，牙轮17转动，并且密封件29通常与牙轮17一起旋转。在旋转过程中，密封面40，41将与牙轮轴15轻微地接合。

钻井液碎屑往往容易进入到牙轮钻头巴掌13和背面33之间的间隙，并且这种碎屑可被捕集到动态密封面41的接合区域中。这些碎屑将导致动态密封面41的磨损，并且有些碎屑可向前移动而通过动态密封面41。防护装置39将倾向于排斥或捕集碎屑，防止其进入动态密封面40的接合区域。类似地，一些碎屑可在支承空间内产生，并且一些该碎屑可向后移动而通过动态密封面40。防护装置39倾向于排斥或捕集这些碎屑，防止其进入动态密封面41的接合区域。

在图6所示的实施例中，密封件47在其位于刷子或该组刚毛53的前后侧的内径上具有动态密封面49，51。刚毛53可与第一实施例的刚毛45大体上相同。在该实施例中，在其安装前的自然状态，刚毛53的内径与动态密封面49，51的内径齐平。当密封件47被安装到钻头后，刚毛53将由于密封件47的外径和密封面49，51之间的变形而偏斜或弯曲。刚毛53因此将通过密封件47的自然弹性而被推压与牙轮轴15接触(图1)。

在图7所示的实施例中，密封件55以与图5的密封件29相同的方式构造，不同之处在于其仅具有一个动态密封面57而非两个。动态密封面57定位在密封件55的润滑剂侧或前侧。刚毛59在动态密封面57的钻井液侧上与动态密封面57连接。在未变形时，动态密封面57的内径小于刚毛59的暴露端部的内径。当被安装到钻头内时，密封件55将变形，并导致密封面57变平，并且刚毛59大体上与牙轮轴15接触或与其靠近地间隔开。

在图8所示的实施例中，牙轮61和牙轮轴63可按图1所示实施例那样构造。密封槽65可与图1所示的密封槽31相同，它具有圆柱形底部和平行的平坦的侧壁64，66。在该实施例中，刚毛69直接安装至牙轮61的圆柱形空腔70以便与其一起旋转，而不是安装至密封件73。刚毛69定位在密封槽65的后侧或其钻井液侧。刚毛69可通过粘结剂或其它方式安装至密封槽65和背面67之间的空间内的牙轮空腔70。

而且，在该实施例中，在密封槽65中可定位间隔垫圈71。间隔垫圈71是夹在密封件73和密封槽侧壁66之间的平坦的盘状件。间隔垫圈71的内径基本上与该组刚毛69的内径齐平以便提供对刚毛69的支撑。间隔垫圈71优选粘结至密封槽侧壁66。间隔垫圈71无需抵靠牙轮轴63密封。在该实施例中，密封件73可以是传统的密封件，在其内径上具有动态密封面75，并且在其外径上具有静态密封面77。

本发明具有显著的优点。防护装置可防止碎屑与弹性密封件接合区域接触。该防护装置无需任何额外的密封装置空间。防护装置提供的额外保护可延长密封件的寿命以及钻头的寿命。

尽管本发明示出了其少数形式，但对于本领域技术人员来说，本发明并不局限于此，并且在不偏离本发明的范围的前提下可有多种变化。例如，尽管所有的实施例都显示的是防护装置安装至可相对于牙轮轴旋转的部件，但该防护装置也可静止地安装至牙轮轴并与牙轮部件滑动接触。

Claims (20)

1、一种地钻钻头，包括：

具有悬置的牙轮轴的钻头体，

具有多个用于与井眼接合的切削元件的牙轮，所述牙轮具有与所述牙轮轴以可旋转方式接合的空腔，所述牙轮和所述牙轮轴具有由两个环形面限定的密封区域，其中一个环形面相对于另一个环形面旋转；

与所述密封区域的所述环形面密封接合的密封件；以及

具有多孔面的碎屑防护装置，所述多孔面大体上与所述环形面中的一个环形面滑动接触。

2、根据权利要求1所述的地钻钻头，其中所述多孔面包括一组刚毛。

3、根据权利要求1所述的地钻钻头，其中所述碎屑防护装置与所述牙轮一起旋转。

4、根据权利要求1所述的地钻钻头，其中所述碎屑防护装置安装至所述密封件。

5、根据权利要求1所述的地钻钻头，其中：

所述密封件包括具有与所述牙轮轴滑动接合的内径表面的弹性环；并且

所述碎屑防护装置位于所述内径表面的至少一部分的钻井液侧上。

6、根据权利要求1所述的地钻钻头，其中所述碎屑防护装置的所述多孔面是环形的。

7、根据权利要求1所述的地钻钻头，其中：

所述密封件包括具有与所述牙轮轴滑动接合的至少一个表面的弹性环；并且

所述碎屑防护装置在所述至少一个表面的钻井液侧安装至所述弹性环上。

8、根据权利要求1所述的地钻钻头，其中：

所述碎屑防护装置安装至所述牙轮而与所述牙轮一起旋转。

9、根据权利要求8所述的地钻钻头，其中：

所述密封区域包括形成在所述牙轮的所述空腔内的凹槽；

所述密封件包括位于所述凹槽内的弹性环；

所述碎屑防护装置从所述凹槽的后方固定至牙轮的所述空腔；并且

在所述密封件的后侧和所述凹槽的侧壁之间定位有间隔垫圈。

10、一种地钻钻头，包括：

具有悬置的牙轮轴的钻头体，

具有多个用于与井眼接合的切削元件的牙轮，所述牙轮具有与所述牙轮轴以可旋转方式接合的空腔；

位于所述牙轮轴和所述牙轮之间的密封件，所述密封件具有与所述牙轮轴滑动地、密封地接合的至少一个密封面；以及

位于所述至少一个密封面的钻井液侧上的环形刷子，所述刷子相对于所述牙轮轴旋转并具有大体上与所述牙轮轴的外径相等的内径。

11、根据权利要求10所述的地钻钻头，其中所述刷子安装至所述密封件从而与所述密封件一起旋转。

12、根据权利要求10所述的地钻钻头，其中：

所述密封件包括具有内径部分的弹性环；并且

所述刷子安装至所述密封件的所述内径部分。

13、根据权利要求10所述的地钻钻头，其中：

所述密封件位于形成在所述空腔内并与所述空腔的出口间隔开的凹槽内；以及

所述刷子在所述凹槽和所述空腔的所述出口之间安装至所述牙轮，并且与其一起旋转。

14、根据权利要求14所述的地钻钻头，还包括：

定位在所述凹槽的位于所述密封件和所述刷子之间的部分的间隔垫圈，所述间隔垫圈具有大体上与所述刷子的内径相等的内径。

15、根据权利要求10所述的地钻钻头，其中：

所述至少一个密封面包括两个密封面，每一个密封面均位于所述密封件的所述内径部分内；并且

所述刷子安装在所述密封件的位于所述密封面之间的内径部分内。

16、根据权利要求16所述的地钻钻头，其中：

当所述密封件处于松弛状态时，所述密封面的内径小于所述刷子的内径。

17、根据权利要求15所述的地钻钻头，其中：

当所述密封件处于松弛状态时，所述密封面的内径与所述刷子的内径大体上相等。

18、根据权利要求10所述的地钻钻头，其中：

所述至少一个密封面包括单个密封面，所述单个密封面位于所述密封件的内径部分内；并且

所述刷子安装至所述密封件的位于所述密封面的钻井液侧的内径部分。

19、一种将钻井液与地钻钻头内的润滑剂密封隔开的方法，所述地钻钻头具有以可旋转方式安装在牙轮轴上、用于与井眼接合的牙轮，所述方法包括：

在所述牙轮和所述牙轮轴之间提供由两个环形面限定的密封区域，其中一个环形面相对于另一个环形面旋转；在所述环形面之间安装密封件，所述密封件具有至少一个动态密封面；以及与所述动态密封面的钻井液侧相邻地安装碎屑防护装置；

使所述牙轮轴上的所述牙轮在井眼内转动，并通过所述密封件的所述动态密封面将润滑剂与井眼内的钻井液密封隔开；和

允许与所述碎屑防护装置接触的任何钻井液穿过所述碎屑防护装置与所述动态密封面接触，但借助所述碎屑防护装置阻止所述钻井液中的至少一些碎屑到达所述动态密封面。

20、根据权利要求19所述的方法，还包括：

为所述密封件设置两个动态密封面，并将所述防护装置定位在所述动态密封面之间；和

允许渗漏过其中一个动态密封面的任何润滑剂穿过所述碎屑防护装置与另一个动态密封面接触，但借助所述碎屑防护装置阻止所述润滑剂中的至少一些碎屑到达另一个动态密封面。

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