CN102747961A - 适应井下动力钻具使用的耐高速高温牙轮钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钻井工具技术领域，尤其涉及一种适应井下动力钻具使用的耐高速高温牙轮钻头，包括牙轮以及牙掌轴，在靠近牙轮的牙轮轴孔开口的部位设置两个密封槽，所述两个密封槽内分别安装有弹性密封圈。将密封圈置于密封槽内，避免了密封圈和井眼内的泥浆岩屑大面积接触，有力保护了密封圈免受岩屑的冲蚀磨损，有效的保护了密封圈。两个密封圈靠外的外密封圈为挡沙圈，有效的阻止了岩屑与靠里面的内密封圈的接触（主密封圈）。

Description

适应井下动力钻具使用的耐高速高温牙轮钻头

技术领域

本发明涉及钻井工具技术领域，尤其涉及一种适应井下动力钻具使用的耐高速高温牙轮钻头。

背景技术

牙轮钻头是在地壳中破碎岩石的一种工具，广泛应用与石油、天然气钻井以及其他矿用钻探等领域。目前牙轮钻头大多数是密封形式的，密封式牙轮钻头主要由牙掌、牙掌轴、牙轮、牙轮孔、锁紧元件和密封件构成。在石油、天然气钻井中影响牙轮钻头的使用寿命的关键因素是轴承系统的寿命即轴承寿命和密封寿命。

随着石油资源的进一步开发，常规钻井可开采的油井数量越来越少，开采的难度越来越大，采用非常规钻井开发的油井越来越多，定向井 、 斜井 、大位移井 、 水平井 、分支井等特殊工艺井在石油开采中所占的比例越来越大，从而使使用井下动力钻具的机会更多时间更长，由动力钻具加转盘旋转的复合钻井方式得到越来越广泛的使用，其特点就是钻头转速有了较大的提高，已经超过原转盘钻井的2-3倍，达到250-300转/分钟。基于此，要求现代牙轮钻头必须在高转速下保持长的寿命，以减少钻井起下钻的次数，降低非钻井时间，提高钻井效率和降低钻井成本。因此，提高牙轮钻头轴承系统和密封系统适应高转速高温的能力是目前牙轮钻头迫切需要解决的问题。

目前在牙轮和牙掌形成的密封腔中装有密封部件，密封部件可以采用O形密封圈，也采用O形密封圈和金属密封环组合的方式进行密封，这种密封方式的缺点在于：对具有振动和摆动状态下工作的牙轮钻头密封时，必须增加O形密封圈的压缩量，即增大密封压力。在高转速下摩擦热量增大而且耐磨性差，使“O”形密封圈很快失效，井眼环空中的泥浆和沙粒进入轴承内，造成轴承快速磨损失效。使得有腐蚀性及研磨性等高压液体从钻头外部侵入钻头内的密封系统，致使钻头的轴承系统过早磨损，钻头报废。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种适应井下动力钻具使用的耐高速高温牙轮钻头，保证密封部件的密封性，进而提高牙轮钻头的使用寿命。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种适应井下动力钻具使用的耐高速高温牙轮钻头，包括牙轮以及牙掌轴，其特征在于：在靠近牙轮的牙轮轴孔开口的部位设有两个密封槽，所述两个密封槽内分别安装有弹性密封圈。

所述弹性密封圈由外圈和内圈构成。

所述内圈材料为聚四氟乙烯、 尼龙、 芳纶纤维、高硬度丁腈橡胶材料中的任意一种。

所述外圈材料为丁腈橡胶、高饱和丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶、氟橡胶材料中的任意一种。

所述两个密封圈的形状为长圆形截面。

所述两个密封圈和截面的宽度与厚度的比值大于1.5。

本发明的有益效果是: 将密封圈置于密封槽内，避免了密封圈和井眼内的泥浆岩屑大面积接触，有力保护了密封圈免受岩屑的冲蚀磨损，有效的保护了密封圈。两个密封圈靠外的外密封圈为挡沙圈，有效的阻止了岩屑与靠里面的内密封圈的接触（主密封圈）。其特点是：外密封保护内密封、内密封保护轴承，当外密封失效后内密封可以继续起作用。与原有的“O”形密封圈相比可以在不加大压缩率的情况下，增加断面的径向压缩量，可以把牙轮轴承的正常间隙连同由于轴颈磨损而引起的额外间隙都密封起来。从而减小密封圈的接触应力，减少摩擦生热，提高密封系统在高转速、 高温条件下的使用寿命。

另外，内圈采用了摩擦系数低、导热性能好、硬度高耐磨的材料如聚四氟乙烯、尼龙、芳纶纤维，高硬度丁腈橡胶，硬度为邵尔硬度 85-95度；外圈材料采用弹性好 压缩永久变形小的材料，以保持密封圈良好的弹性，提供足够的密封压力，有助于进一步提高牙轮钻头的寿命。

附图说明

图1为本发明实施例钻头的结构示意图；

图2为本发明实施例钻头中外密封圈的示意图；

图3为本发明实施例钻头中内密封圈的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图1所示：一种适应井下动力钻具使用的耐高速高温牙轮钻头：包括牙轮2、牙掌1，在牙轮轴孔和牙掌轴颈之间设有锁紧钢球9，锁紧钢球9用于将牙轮和牙掌锁紧，使其不能够轴向移动，只能径向转动。本发明中，在靠近牙轮轴孔开口的部位设置两个密封槽（图中未视），两个密封槽内分别设置一个弹性密封圈4和7，两个弹性密封圈4和7用支撑挡板10隔开，密封圈是防止轴承空间内的润滑脂向外渗漏，防止井眼环空中的泥浆和岩屑进入轴承空间，使轴承失去润滑过度磨损而损坏；两个密封圈4和7截面的宽度与厚度的比值大于1.5，这样可以在不加大压缩率的情况下，增加断面的径向压缩量，可以减小圈的压缩永久变形，可以延长橡胶圈的寿命。密封圈4为外密封圈（挡沙圈）起到挡沙的作用，是保护轴承系统的第一道屏障，密封圈7是内密封圈也是主密封圈是轴承系统的第二道屏障，在外密封圈4失效后内密封圈7仍可以继续起密封作用，这种组合密封结构可以有效的延长钻头的使用寿命。

结合图2和图3所示密封圈4和7都包括有外圈和内圈，外圈和内圈粘固在一起的。外圈是12和14内圈是11和13，内圈与牙掌轴颈接触组成动密封面3和6，密封圈的外圈和牙轮密封槽的内径形成静密封面5和8，内圈的材料可为聚四氟乙烯、 尼龙、 芳纶纤维、高硬度丁腈橡胶等材料中的一种，硬度为邵尔硬度 85-95度，这些材料摩擦系数低、导热性能好、硬度高耐磨，所以可以适应高转速高温工况下使用；外圈材料可为丁腈橡胶、高饱和丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶、氟橡胶等材料中的一种，这些材料弹性好，压缩永久变形低的材料，以保持密封圈良好的弹性，提供足够的密封压力。

本实施例的三牙轮钻头可适应井温为150度，转速为200-300转/分钟，具有比常规密封钻头更长的使用寿命，能够承受更大的负荷。将密封圈置于密封槽内，避免了密封圈和井眼内的泥浆岩屑大面积接触，有力保护了密封圈免受岩屑的冲蚀磨损，有效的保护了密封圈。两个密封圈靠外的外密封圈为挡沙圈，有效的阻止了岩屑与靠里面的内密封圈的接触（主密封圈）。其特点是：外密封保护内密封、内密封保护轴承，当外密封失效后内密封可以继续起作用。与原有的“O”形密封圈相比可以在不加大压缩率的情况下，增加断面的径向压缩量，可以把牙轮轴承的正常间隙连同由于轴颈磨损而引起的额外间隙都密封起来。从而减小密封圈的接触应力，减少摩擦生热，提高密封系统在高转速、 高温条件下的使用寿命。

另外，内圈采用了摩擦系数低、导热性能好、硬度高耐磨的材料如聚四氟乙烯、尼龙、芳纶纤维，高硬度丁腈橡胶，硬度为邵尔硬度 85-95度；外圈材料采用弹性好 压缩永久变形小的材料，以保持密封圈良好的弹性，提供足够的密封压力，有助于进一步提高牙轮钻头的寿命。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种适应井下动力钻具使用的耐高速高温牙轮钻头，包括牙轮以及牙掌轴，其特征在于：在靠近牙轮的牙轮轴孔开口的部位设有两个密封槽，所述两个密封槽内分别安装有弹性密封圈。

2.根据权利要求1所述的适应井下动力钻具使用的耐高速高温牙轮钻头，其特征在于：所述弹性密封圈由外圈和内圈构成。

3.根据权利要求2所述的适应井下动力钻具使用的耐高速高温牙轮钻头，其特征在于：所述内圈材料为聚四氟乙烯、 尼龙、 芳纶纤维、高硬度丁腈橡胶材料中的任意一种。

4.根据权利要求2所述的适应井下动力钻具使用的耐高速高温牙轮钻头，其特征在于：所述外圈材料为丁腈橡胶、高饱和丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶、氟橡胶材料中的任意一种。

5.根据权利要求3或4所述的适应井下动力钻具使用的耐高速高温牙轮钻头，其特征在于：所述两个密封圈的形状为长圆形截面。

6.根据权利要求5所述的适应井下动力钻具使用的耐高速高温牙轮钻头，其特征在于：所述两个密封圈和截面的宽度与厚度的比值大于1.5。

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