CN102747962A - 高密封性牙轮钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钻井工具技术领域，尤其涉及一种高密封性牙轮钻头，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有密封槽，其特征在于：所述密封槽中设有密封部件，所述密封部件由密封夹套和蓄能弹簧构成，所述密封部件套接在蓄能弹簧上。本发明结构简单、紧凑。其弹簧蓄能密封圈本身具有弹性和良好的变形能力。不需要现行金属端面密封装置中橡胶圈作功能圈和辅助密封元件，所需密封空间小。适应高速能力强。弹性蓄能密封圈的密封夹套是用聚四氟乙烯制成，与传统的橡胶密封材料氢化丁腈相比，摩擦系数低，适应高速能力强。

Description

高密封性牙轮钻头

技术领域

本发明涉及钻井工具技术领域，尤其涉及一种高密封性牙轮钻头。

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。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，要求现代高密封性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，提高高密封性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高密封性牙轮钻头迫切需要解决的问题。

目前，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。而现行的高密封性牙轮钻头密封件，主要有橡胶圈密封和金属端面密封。橡胶圈密封是利用橡胶良好的塑性变形能力，给密封圈以一定的压缩变形来保证密封。单纯的橡胶圈密封虽然结构简单、紧凑；但是摩擦力大、不能适应高速运转，耐寒和耐热性差、易老化、使用时间短，密封早期失效，进而使整个高密封性牙轮钻头过早报废。而金属端面密封它由金属环、橡胶圈等组成密封件。其中橡胶圈作为功能圈和静密封圈，金属环承担动密封。其优点是密封件摩擦力小、适应高速能力强；然而，由于橡胶圈的存在，影响了密封元件的寿命和适应温度的能力；同时，元件多以占用空间多，系统复杂，制造要求高，组装工艺繁琐，限制了使用范围。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种高密封性牙轮钻头，结构简单紧凑，提高密封部件的密封性、耐腐蚀性，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：一种高密封性牙轮钻头，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有密封槽，其特征在于：所述密封槽中设有密封部件，所述密封部件由密封夹套和蓄能弹簧构成，所述密封部件套接在蓄能弹簧上。

所述密封夹套的截面形状呈倒“U”形。

所述蓄能弹簧采用悬臂指状式弹簧，其截面形状呈倒“U”形。

所述蓄能弹簧采用螺旋状盘绕式弹簧，其截面形状为圆环形。

所述蓄能弹簧采用绕线弹簧，其截面形状为椭圆形。

所述蓄能弹簧采用双排列的带状弹簧，其截面形状呈倒“U”形。

所述密封夹套的两侧靠近下部的位置沿密封夹套的环周方向设有凸起部。

所述密封夹套采用聚四氟乙烯或填充聚四氟乙烯。

所述密封夹套和蓄能弹簧在自由状态下的总宽度大于牙掌和牙轮形成的密封区域的最大宽度。

所述密封夹套和蓄能弹簧在自由状态下的总高度小于牙轮孔槽的最小高度。

本发明的有益效果是: 

1、         结构简单、紧凑。其弹簧蓄能密封圈本身具有弹性和良好的变形能力。不需要现行金属端面密封装置中橡胶圈作功能圈和辅助密封元件，所需密封空间小。

2、         适应高速能力强。弹性蓄能密封圈的密封夹套是用聚四氟乙烯制成，与传统的橡胶密封材料氢化丁腈相比，摩擦系数低，适应高速能力强。

3、         耐腐蚀、适应温度范围广。传统的橡胶密封限制了使用温度，而弹簧蓄能密封圈结合了改性聚四氟乙烯和金属弹簧的优点，尺寸稳定，没有体积变形或收缩所衍生的密封性能劣化问题，使用温度可达200℃以上。

4、         现行密封装置繁杂、元件多，增加了制造工序和成本。本密封圈集合了弹性功能和密封功能，消除了辅助元件，减少了加工工序，产品一致性好，质量稳定，降低了制造成本。

5、         占用空间小。与金属端面密封相比本密封圈占用空间相对小。节约了空间，延长了是用寿命。

附图说明

图 1为本发明高密封性牙轮钻头牙掌与牙轮的组装结构图；

图2为本发明中密封部件的剖面结构放大图；

图3为本发明密封部件在图2的基础上组装压紧后的剖面结构放大图；

图4为本发明密封部件在图2的基础上组装压紧后工作状态的剖面结构放大图；

图5为本发明的第二种密封部件结构剖面结构放大图；

图6为本发明的第三种中密封部件结构剖面结构放大图；

图7为本发明的第四种密封部件结构剖面结构放大图。

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：一种高密封性牙轮钻头，包括牙轮3以及牙掌轴4，牙轮和牙掌轴通过安装在两者之间“R”形槽中的定位钢球5锁紧在一起，两者只能径向转动而不能轴向滑动。在靠近牙轮的牙轮轴孔开口的部位设有密封槽，所述密封槽中设有密封部件，所述密封部件由密封夹套1和蓄能弹簧2构成，所述密封部件套接在蓄能弹簧上。

如图2所示，是本发明密封部件未组装状态的剖面结构放大图，所述密封夹套的截面形状呈倒“U”形。图中密封夹套没有被压缩。所述蓄能弹簧采用悬臂指状式弹簧，其截面形状呈倒“U”形。这种独特的弹簧设计允许密封沟槽有一定的跳动，运行偏心度和更大的公差范围。密封摩擦大量减少，并能保证高，低压下的密封。所述密封夹套的两侧靠近下部的位置沿密封夹套的环周方向设有凸起部，这凸起部分是起密封作用的，凸起部分磨损后由里面的弹簧可以补偿。所述密封夹套采用聚四氟乙烯或填充聚四氟乙烯。所述密封夹套和蓄能弹簧在自由状态下的总宽度大于牙掌和牙轮形成的密封区域的最大宽度，这是为了装配后有一定的过盈量（压缩量），这样才能起密封作用。所述密封夹套和蓄能弹簧在自由状态下的总高度小于牙轮孔槽的最小高度，这是为了钻头在井下工作时在有系统压力的情况下弹簧蓄能密封圈在牙轮孔槽中能有轴向移动的量，这样更能有效的起到密封作用。

如图3所示，在高密封性牙轮钻头的牙轮3与牙掌轴4装配时，同时装配密封部件，由于密封部件以一定的过盈量装入密封槽中，密封部件受压变形如图3所示之形状。图3所示的是组装压紧后的情况，这时在牙轮与牙掌轴之间装入定位钢球5，便可形成一个完整的密封系统。密封夹套的两个工作面分别与牙掌轴、牙轮的特定密封面紧密贴合，形成两个摩擦副6。摩擦副6两个工作面的密封力（贴合力）的大小，取决于密封夹套的压缩量和弹簧的弹力变形。

如图4所示，是密封部件装入高密封性牙轮钻头后工作时的状态。高密封性牙轮钻头下井工作的过程中井下是有一定的压力的。工作时密封夹套1的两个工作面分别与牙掌轴4、牙轮3的特定密封面紧密贴合，形成两个摩擦副6，摩擦副6两个工作面的密封力（贴合力）的大小取决于弹簧蓄能密封圈的压缩量、弹簧的弹力变形、及系统压力的大小。在高密封性牙轮钻头工作时密封夹套1的端面与牙轮3的端面在系统压力下紧密贴合形成贴合面7，贴合力的大小取决于外界系统压力的大小。如图4所示结构，能使摩擦副6及贴合面7始终保持一定的接触压强，隔离轴承内腔与外部空间，形成可靠的密封。在高密封性牙轮钻头工作过程中，蓄能弹簧2能给密封夹套1提供永久弹力，并弥补材料磨损及配合零件的偏移或偏心。系统压力也会辅助密封夹套蓄能。通过蓄能弹簧2弹力和系统压力，无论在高压或低压下，都可实现有效密封。从而防止轴承腔内润滑油脂外溢和外部钻井液进入。

图5至图7是图2的近似派生的另三种结构,其工作原理与第一种方案相同。本专利不在叙述。

如图5所示，所述蓄能弹簧采用螺旋状盘绕式弹簧，其截面形状为圆环形。螺旋状盘绕式弹簧提供了一种由中到高的弹簧负荷，以达到静态和慢速到中速的动态密封。

如图6所示，所述蓄能弹簧采用绕线弹簧，其截面形状为椭圆形。该结构特点在维持一种有效的密封负荷的时候，可以允许护套内有一个大的磨损公差。

如图7所示，所述蓄能弹簧采用双排列的带状弹簧，其截面形状呈倒“U”形。该种结构提供了最大限度的弹簧绕度，并且可以在动力和静态密封中用于往复和旋转运动。

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 (10)

1.一种高密封性牙轮钻头，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有密封槽，其特征在于：所述密封槽中设有密封部件，所述密封部件由密封夹套和蓄能弹簧构成，所述密封部件套接在蓄能弹簧上。

2.根据权利要求1所述的高密封性牙轮钻头，其特征在于：所述密封夹套的截面形状呈倒“U”形。

3.根据权利要求2所述的高密封性牙轮钻头，其特征在于：所述蓄能弹簧采用悬臂指状式弹簧，其截面形状呈倒“U”形。

4.根据权利要求2所述的高密封性牙轮钻头，其特征在于：所述蓄能弹簧采用螺旋状盘绕式弹簧，其截面形状为圆环形。

5.根据权利要求2所述的高密封性牙轮钻头，其特征在于：所述蓄能弹簧采用绕线弹簧，其截面形状为椭圆形。

6.根据权利要求2所述的高密封性牙轮钻头，其特征在于：所述蓄能弹簧采用双排列的带状弹簧，其截面形状呈倒“U”形。

7.根据权利要求3至6任意之一所述的高密封性牙轮钻头，其特征在于：所述密封夹套的两侧靠近下部的位置沿密封夹套的环周方向设有凸起部。

8.根据权利要求7所述的高密封性牙轮钻头，其特征在于：所述密封夹套采用聚四氟乙烯或填充聚四氟乙烯。

9.根据权利要求8所述的高密封性牙轮钻头，其特征在于：所述密封夹套和蓄能弹簧在自由状态下的总宽度大于牙掌和牙轮形成的密封区域的最大宽度。

10.根据权利要求9所述的高密封性牙轮钻头，其特征在于：所述密封夹套和蓄能弹簧在自由状态下的总高度小于牙轮孔槽的最小高度。

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