CN101663459A - 用于高温牙轮钻头的弹性体材料 - Google Patents
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Abstract
一种钻地钻头，其具有带至少一个牙轮轴(15)的钻头体(13)。牙轮(16)可旋转地安装在所述牙轮轴(15)上。密封组件(19)定位于所述牙轮(16)和所述牙轮轴(15)之间，所述密封组件(19)具有至少一个柔性密封元件(25，31)。柔性压力补偿膜片(17)安装于所述钻头体(13)中。所述膜片(17)具有适于暴露于井内流体的一侧以及与所述牙轮(16)和所述牙轮轴(15)之间的支承空间内所含的润滑剂相接触的另一侧。所述柔性密封元件(25，31)和所述膜片(17)均由氟化弹性体形成。所述弹性体为全氟橡胶(FFKM)或者为氟橡胶(FKM)。
Description
相关申请的交叉援引
本申请主张于2007年4月17日递交的临时申请60/912,350的优先权。
技术领域
概括而言，本发明涉及滚子割刀类型的牙轮钻地钻头。更特别而言，本发明涉及这样一种密封部件系统，其用于将润滑剂保持于钻头内并阻止钻井液进入到钻头中的轴承及润滑剂空间内。
背景技术
牙轮钻地钻头典型地具有一个或多个柔性元件，诸如密封环和压力补偿膜片。所述密封环将润滑剂密封于牙轮和支承轴之间的支承空间内。所述压力补偿膜片减少井眼中的钻井液和润滑脂之间的压差。不仅密封组件而且压力补偿器均于一侧暴露于钻井液而于另一侧暴露于润滑剂下。它们设计成承受钻井液中的腐蚀性化学成分、以及流过的地层切屑的冲击。它们还必须有足够的柔性，以实现密封及补偿功能。另外，它们必须经受得住井眼中的可能具有几百华氏度的温度。
通常，所述压力补偿器及至少部分所述密封组件均由橡胶材料(诸如氢化丁腈橡胶(HNBR)或丁腈橡胶(NBR))形成。HNBR在耐化学性、压缩永久变形、弹性、以及撕裂强度方面具有优异的性能。然而，在300°F之上的连续井眼循环温度下的钻井场合中，HNBR部件的使用寿命缩短。一些地理区域(尤其是地热井)具有超过该数值的井眼温度。所希望的是能操作具有这样弹性体的钻头，所述弹性体能抵抗连续基础上的至少400°F的温度、并同时满足所有其它要求。
发明内容
在本发明中，牙轮钻地钻头具有多个柔性元件。所述多个柔性元件中的至少一个元件包括含氟的弹性体。在一个实施方式中，所述弹性体包括全氟橡胶(FFKM)。在另一个实施方式中，所述弹性体包括氟橡胶(FKM)。所述柔性元件包括密封环，所述密封环为牙轮和牙轮轴之间的密封组件的至少一部分。所述柔性元件还包括润滑剂压力补偿膜片。
附图说明
图1是依据本发明具有密封组件和压力补偿器的钻地钻头的一个巴掌的纵剖视图。
图2是图1的密封组件的放大剖视图。
具体实施方式
参照图1，钻头11具有钻头体13。钻头体13具有至少一个带有向下、向内延伸的悬置式牙轮轴15的巴掌。所示出的本实施方式的钻头11将具有多达三个巴掌及牙轮轴15，但是仅示出了一个巴掌及牙轮轴。牙轮16可旋转地安装于各牙轮轴15。牙轮16具有多个外齿，所述多个外齿可与牙轮16的本体一体地形成，或者由碳化钨形成并压入孔中，如图所示。
牙轮轴15和牙轮16之间的支承空间填充有润滑剂18(图2)。润滑剂补偿器17使作用在钻头11外部上的压力与包含在所述支承空间内的润滑剂18的压力平衡。润滑剂补偿器17包括杯状膜片或囊，所述杯状膜片或囊的一侧暴露于钻井液而另一侧暴露于润滑剂18。润滑剂补偿器17定位在所述钻头体的腔内并经由通道与所述支承空间连通。压力补偿器17向内或向外挠曲来使压力平衡，但是它与钻头体13的接合是静态的。
定位在牙轮轴15基部附近的密封组件19密封所述支承空间内的润滑剂18。参照图2，在优选实施方式中，密封组件19包括在牙轮轴15基部附近围绕牙轮轴15的刚性环21。刚性环21在外力作用下与环形插入件23滑动接触，环形插入件23为冷缩配合到牙轮16的腔体中的环或套筒。插入件23与牙轮16一起旋转，同时刚性环21与牙轮轴15保持静止。
弹性体增力环25在刚性环21的内径面27和密封腔29之间变形。增力环25与环21及密封腔29的接合为静态接合，接触表面相对彼此不滑动或非动态。增力环25将弹性力作用在刚性环21上，刚性环21作用到插入件23上。增力环25也密封定位在所述支承空间内的润滑剂18，但是相对于由刚性环21和环形插入件23形成的主密封，其用作辅密封。
在该实施方式中，还采用了弹性体隔离环31。隔离环31在牙轮轴15的密封腔29的一部分、增力环25、刚性密封环21的一端之间变形。隔离环31用于防止岩屑进入而接触增力环25、且隔离环31与密封腔29和刚性密封环21静态接合。
所述钻头的所述弹性体元件均由具有氟成分的氟化弹性体形成。适于该目的一种材料为全氟橡胶(FFKM)。FFKM在ASTM D1418-06中定义为在聚合物链上具有全氟取代基团、全氟烷基取代基团或全氟烷氧基取代基团的聚亚甲基型全氟化橡胶，所述基团的小部分可包含易于硫化的官能度。FFKM为在高达400°F的连续工作温度下不会降解的聚合物。FFKM具有高的氟含量，这提供了高而宽的耐化学性。FFKM聚合物为典型的与填充物(即碳黑和诸如过氧化物之类的硫化材料)混合。这些填充物或成分被设计成提供具有良好耐化学性、良好的抗压缩永久变形、足够的弹性及抗扯性的材料。FFKM耐油，耐高PH值的水性钻井液，并且耐诸如硫化氢或甲烷之类的地层气体。这种聚合物的一个制造商为杜邦(Dupont)，其销售商标为“KALREZ”的该种聚合物。
另一合适的氟化弹性体材料为氟橡胶(FKM)。根据ASTMD1418-06，FKM为采用偏氟乙烯作为共聚单体、并在所述聚合物链上具有替代的氟基团、烷基团、全氟烷基基团或全氟烷氧基基团、且带有或不带有硫化点位单体的聚亚甲基型氟化橡胶。FKM也被设计用于高温操作环境。FKM材料提供了高水平的耐化学性、耐热性、及耐油性。氟含量越高，耐化学性也越高。FKM也比FFKM更便宜。
FKM混合以填充物，以获得钻头静态弹性体元件所需的弹性模量、回弹性、撕裂强度等。这种聚合物的一个制造商为杜邦(Dupont)，其销售商标为“VITON”的该种聚合物。
优选地，增力环25、隔离环31、润滑剂补偿器17均可由FFKM或FKM来制造。钻头11的其它静态弹性体元件(诸如喷嘴密封件或针对压力补偿器腔体帽的密封件)也可由FFKM或FKM来形成。这些元件均可通过常规模制工艺以常规方式来制造。
尽管仅以其两种形式来说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应清楚的是，本发明并非限制于此，而是在不脱离本发明的范围的情况下，易于进行各种改变。
Claims (14)
1.一种旋转式牙轮钻地钻头，其内具有多个柔性元件，而且其中所述多个柔性元件中的至少一个元件包括含氟的弹性体。
2.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述弹性体包括全氟橡胶(FFKM)。
3.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述弹性体包括氟橡胶(FKM)。
4.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述多个柔性元件中的所述至少一个元件包括密封环，所述密封环为牙轮和牙轮轴之间的密封组件的至少一部分。
5.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述多个柔性元件中的所述至少一个元件包括润滑剂压力补偿膜片。
6.一种钻地钻头，包括：
钻头体，具有至少一个牙轮轴；
牙轮，可旋转地安装在所述牙轮轴上；
密封组件，其位于所述牙轮和所述牙轮轴之间，所述密封组件具有至少一个柔性密封元件；
柔性压力补偿膜片，其位于所述钻头体中，并且具有适于暴露于井内流体的一侧以及与所述牙轮和所述牙轮轴之间的支承空间内所含润滑剂相接触的另一侧；以及
其中，所述柔性密封元件和所述膜片均由氟化的弹性体形成。
7.根据权利要求6所述的钻头，其中，所述弹性体包括全氟橡胶(FFKM)。
8.根据权利要求6所述的钻头，其中，所述弹性体包括氟橡胶(FKM)。
9.根据权利要求6所述的钻头，其中，所述密封组件包括刚性动态密封环；而且其中，所述至少一个柔性密封元件包括作用在所述刚性动态密封环上的增力环。
10.根据权利要求6所述的钻头，其中，所述密封组件包括刚性密封环，所述刚性密封环与安装于所述牙轮中并与所述牙轮一起旋转的刚性插入件动态接合；而且其中，所述至少一个柔性密封元件包括：
增力环，其变形地设置在所述钻头体和所述刚性密封环之间；以及
隔离环，其变形地设置在所述钻头体、所述增力环和所述刚性密封环之间。
11.一种钻地钻头，包括：
钻头体，其具有至少一个牙轮轴；
牙轮，其可旋转地安装于所述牙轮轴上，并具有安装于所述牙轮内的用于与所述牙轮一起旋转的刚性插入件；
刚性环，其以滑动密封接触的方式与所述刚性插入件接合；
增力环，其静态地接合所述牙轮轴的一部分和所述刚性环、并迫使所述刚性环与所述刚性插入件接合；
柔性压力补偿膜片，其位于所述钻头体中，并且具有适于暴露于井内流体的一侧以及与所述牙轮和所述牙轮轴之间的支承空间内所含润滑剂相接触的另一侧；以及
其中，所述增力环和所述柔性压力补偿膜片均由氟化弹性体组合物形成。
12.根据权利要求11所述的钻头，还包括：
隔离环，其静态地接合所述牙轮轴的一部分、所述增力环和所述刚性环；
而且其中，所述隔离环由氟化弹性体组合物形成。
13.根据权利要求11所述的钻头，其中，所述弹性体包括全氟橡胶(FFKM)。
14.根据权利要求11所述的钻头，其中，所述弹性体包括氟橡胶(FKM)。
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