CN103233682A - 微正压自动补偿的牙轮钻头润滑系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微正压自动补偿的牙轮钻头润滑系统，它包括牙爪（1）和牙轮（3），牙爪（1）内部设置有泥浆通道（8），牙爪（1）上部设有储油囊孔（9），储油囊孔（9）内设置有储油囊（10），储油囊（10）内部通过油道与过油通道（7）连通，补偿腔（14）通过引压孔（15）连通泥浆通道（8）。本发明的有益效果是：由钻头内部的泥浆压力作为润滑补偿系统的推动力，保证了引压孔不易被堵塞，延长了牙轮钻头的寿命；牙轮钻头内部的泥浆压力作为补偿润滑的动力，该压力大于环空压力，从而显著增加润滑系统的压差，实现微正压自动补偿；设置滚球和弹簧，形成压力降，防止泥浆反向流动，增强了推动力的稳定性，提高了润滑效率。

Description

微正压自动补偿的牙轮钻头润滑系统

技术领域

本发明涉及石油天然气钻探设备技术领域，特别是微正压自动补偿的牙轮钻头润滑系统。

背景技术

钻头是钻井过程中，直接与岩石接触，通过切削、冲压等作用破碎岩石的工具。

一、润滑补偿系统的现状。现有的牙轮钻头为应付恶劣的井下工作条件，特别是由钻井液所建立的井底高压，都配置了一个储油补偿系统。这个系统的任务就是保证轴承和密封圈能有良好的工作条件，从而延长他们的寿命。现场调查资料表明，现有的牙轮钻头轴承的使用寿命，差不多是直接地取决于所用的密封圈的寿命。而密封圈的寿命和密封质量，除受到密封圈本身的材质、结构和配合等因素的影响外，储油补偿系统的工作情况也是一个直接的和重要的原因。目前有相当一部分钻头轴承的先期损坏，正是和所用的储油补偿系统的结构及其工作的有效性有关。钻井现场解剖和观察从井下取出的钻头，结果发现：有的钻头轴承腔里已经灌满泥浆而上部的储油杯内的油却原封未动；有的钻头则甚至泥浆已倒灌到储油杯内；有的钻头上部的储油器和下部的轴承腔内都有润滑脂，而牙爪中间的油道里却空空如也。总之，在钻头的实际工作中，储油补偿系统的工作呈现了比较混乱的状况。

二、润滑补偿系统的原理。目前石油钻井使用的牙轮钻头，均采用润滑脂补偿润滑。牙轮钻头供油自动补偿的过程是在注油时，当油腔内压力足够时，储油囊鼓起，在牙轮钻头钻井工作时，储油囊依靠自身的回复弹性给牙轮钻头的轴承系统自动补充钻头油脂，使得钻头的轴承副在工作时得到充分的润滑。润滑补偿装置起工作原理是依靠牙轮O型挡圈处压力（P1）和储油囊处引入压力（P2）的压差，将储油囊内部的润滑脂缓慢的推压到牙轮轴承进行润滑，同时阻止泥浆从O型挡圈处进入到轴承内。在钻井不同工况下，上述压差波动很大。

三、润滑补偿系统的研究。由《密封牙轮钻头储油补偿系统工作原理的研究》查询得到以下数据：

在下钻时，由于井孔与钻头之间形成狭窄的环形流道对泥浆的截流作用，将会造成P1>P2，其差值可能达到0.7~1MPa，泥浆就很可能通过O型挡圈与牙轮的缝隙进入到轴承内，从而造成严重的磨损。

在钻进时，P1、P2的静压力都是全部井深的泥浆液柱压力，仅仅是由于泥浆循环过程的流动阻力使得P1略大于P2，这个差值平均值不超过0.01MPa。由于钻头的旋转运动和井底泥浆的紊流流动，P1、P2都在不断地波动，其差值的瞬时值可能出现较大差值，这一点对牙轮钻头不利。

在起钻时，钻头向上运动，P1<P2，其差值可能达到0.7~1MPa，加速了润滑脂的损耗，缩短钻头使用寿命。

中国专利98806737.4公开了一种具有润滑液压力补偿装置的牙轮钻头，其提供了一种压力补偿组件，但其作为引压孔的泥浆孔连通的是钻头外部的泥浆。

由于引压孔开设在牙轮钻头的外侧，泥浆携带岩屑向上流动过程中，在靠近钻头段呈紊流状，某时刻靠近引压口处的泥浆速度与钻头旋转速度方向相反，小颗粒岩屑很容易进入到引压孔中。岩屑积累到一定程度后就可能堵住引流口。在现场使用中，很多时候牙轮钻头使用不到90小时就失效，经检测发现储油囊中润滑脂大量剩余，而轴承严重磨损甚至牙轮脱落。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种避免岩屑等杂质影响、增强润滑推动力稳定性、提高了润滑效率、微正压自动补偿的牙轮钻头润滑系统。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：微正压自动补偿的牙轮钻头润滑系统，它包括牙爪和牙轮，牙爪上设置有轴颈，牙轮通过轴承安装于轴颈上，牙轮内孔端口与轴颈之间设置有密封圈A形成轴承腔，牙爪内设置有连通轴承腔的过油通道，牙爪内部设置有泥浆通道，牙爪上部设有储油囊孔，储油囊孔内设置有储油囊，储油囊靠近储油囊孔端口的一端与储油囊孔间设置有密封圈B，储油囊的中部与储油囊孔之间还设置有密封部，密封部将密封圈B与储油囊孔形成的腔体分隔为油腔和补偿腔，位于油腔内的储油囊上设置有油道，储油囊内部通过油道与过油通道连通，补偿腔通过设置于牙爪上的引压孔连通泥浆通道。

所述的储油囊包括压盖、油杯和下橡胶皮碗，下橡胶皮碗设置于储油囊孔的底部，压盖设置于储油囊孔的外端，压盖压紧于油杯的上表面，油杯的下表面与下橡胶皮碗的端口紧密连接，密封圈B设置于压盖与储油囊孔之间，所述的密封部为下橡胶皮碗的端口设置的向外翻的密封凸缘，密封凸缘与储油囊孔的内壁紧密密封，所述的油道为设置于油杯的侧壁上、连通过油通道的出油孔，压盖上设置有注油孔，油杯上设置有与注油孔连通的进油孔，注油孔的外端口内安装有丝堵；位于压盖上方的储油囊孔的内壁上还设置有压紧压盖的卡簧。

所述的引压孔的内壁呈阶梯型，引压孔内设置有滚球和弹簧，滚球设置于引压孔内靠近泥浆通道的一端，且滚球的直径大于引压孔该端端口直径，弹簧的一端抵压于引压孔另一端的端面上，弹簧的另一端抵压于滚球上。

本发明的研究包括以下内容：

一、引压装置的结构设计。引压装置是由引压孔与传压装置组成。引压孔的两端分别连接润滑补偿系统中的储油囊与牙轮钻头内部的泥浆通道，其中传压装置主要由一个滚球和弹簧组成，泥浆流入引压通道，带动滚球压缩弹簧，将泥浆通道内的泥浆压力传导至润滑补偿系统当中，最终挤压储油囊，使得储油囊内的润滑脂由过油通道流入轴承，从而起到了补偿润滑的作用。

同时，微正压的润滑系统的压差，保证了密封圈转动过程与泥浆的隔离，提高密封圈的润滑性能，从而提高钻头使用寿命。

二、储油囊的设计。储油囊由压盖、油杯和下橡胶皮碗组成，并与过油通道连通，内部储存润滑脂。

三、密封结构的设计。储油囊外侧密封结构包括压盖、卡簧、密封圈。储油囊孔开设卡簧槽和密封圈槽，以便安装密封圈和安装卡簧。

本发明具有以下优点：

一、稳定的微正压自动补偿系统。将引压孔开设在牙轮钻头内部，且引压孔内设置有滚球和弹簧，使得引压孔形成单向阀结构，形成压力降，防止泥浆反向流动，可保证在钻进过程中使得P1<P2，且P2相对稳定，从而使储油囊中润滑脂均匀稳定的向牙轮轴承补偿，起到良好的润滑效果。

二．不易堵塞引压孔。外部回流的泥浆携带岩屑，易堵塞引压孔，从而使牙轮钻头的润滑补偿系统失效，使轴承得不到润滑，导致牙轮钻头的寿命大大降低。而本发明将引压孔开设在牙轮钻头内部，进入引压孔的泥浆尚未携带岩屑，泥浆清洁，不会造成引压孔的堵塞，从而保证润滑脂受到持续稳定的推动力，保证润滑效果。

三、提高润滑效率、延长钻头寿命。现有技术在钻进过程中，回流泥浆在外侧压迫润滑补偿系统的引压装置，导致压力不足且不稳定，影响了润滑补偿系统的工作效率，从而影响牙轮钻头的寿命。同时，由于外部回流的泥浆不够清洁，带有岩屑，在给引压装置传递压力的同时，极易将岩屑带入引压孔，导致引压孔堵塞，使得整个润滑补偿系统失效，大大缩短了其使用寿命。

本发明的引压孔开在牙轮钻头内部，引压装置与钻头内的泥浆通道相连，能够很好地保证传递的压力的大小和稳定性，提高润滑效率，并且确保泥浆的清洁，不易堵塞引压孔，延长了润滑补偿系统的使用寿命，从而延长牙轮钻头的寿命。

四、提高钻头总进尺。由于延长了润滑补偿系统的寿命，保证了牙轮钻头不会因为润滑不足而产生的损伤，延长了牙轮钻头的寿命，从而减少了起钻、更换损坏钻头的概率和次数，因此提高了牙轮钻头的总进尺。

综上所述，本发明通过将引压孔开设在牙轮钻头内部，并改为由钻头内部的泥浆压力作为润滑补偿系统的推动力，解决了了现有技术中因采用的回流泥浆携带岩屑而导致的引压孔堵塞等问题，清洁的内部泥浆，保证了引压孔不易被泥浆内混入的岩屑等杂质堵塞，不会使润滑补偿系统过早的失效，延长了牙轮钻头的寿命，从而减少了起钻、更换钻头的次数，提高了钻头的总进尺；并且在引压孔内设置滚球和弹簧，使得引压孔形成单向阀结构，形成压力降，防止泥浆反向流动，增强了推动力的稳定性，提高了润滑效率；本发明将牙轮钻头内部的泥浆压力作为补偿润滑的动力，该压力大于环空压力，从而显著增加润滑系统的压差，实现微正压自动补偿，为储油补偿系统提供稳定推动力，推动润滑脂不断进入润滑系统，保证钻头润滑性能，增长了钻头的使用寿命，与现有技术相比，提高了润滑系统的可靠性；同时可有效防止钻井液从牙轮与牙爪间进入轴承，同样增长了钻头的使用寿命。

附图说明

图1 为本发明的结构示意图

图中，1-牙爪，2-出油孔，3-牙轮，4-轴颈，5-轴承，6-密封圈A，7-过油通道，8-泥浆通道，9-储油囊孔，10-储油囊，11-密封圈B，12-密封部，13-油腔，14-补偿腔，15-引压孔，16-油杯，17-下橡胶皮碗，18-压盖，19-丝堵，20-卡簧，21-滚球，22-弹簧。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1所示，微正压自动补偿的牙轮钻头润滑系统，它包括牙爪1和牙轮3，牙爪1上设置有轴颈4，牙轮3通过轴承5安装于轴颈4上，牙轮3内孔端口与轴颈4之间设置有密封圈A6形成轴承腔，牙爪1内设置有连通轴承腔的过油通道7，牙爪1内部设置有泥浆通道8，牙爪1下部设置有的连通泥浆通道8的喷嘴，牙爪1上部设有储油囊孔9，储油囊孔9内设置有储油囊10，储油囊10靠近储油囊孔9端口的一端与储油囊孔9间设置有密封圈B11，储油囊10的中部与储油囊孔9之间还设置有密封部12，密封部12将密封圈B11与储油囊孔9形成的腔体分隔为油腔13和补偿腔14，位于油腔13内的储油囊10上设置有油道，储油囊10内部通过油道与过油通道7连通，补偿腔14通过设置于牙爪1上的引压孔15连通泥浆通道8。作为最佳实施例，引压孔15连通泥浆通道8的流道变窄处，更利于保证进入引压孔15内的流体压力稳定。

所述的储油囊10包括压盖18、油杯16和下橡胶皮碗17，下橡胶皮碗17设置于储油囊孔9的底部，压盖18设置于储油囊孔9的外端，压盖18压紧于油杯16的上表面，油杯16的下表面与下橡胶皮碗17的端口紧密连接，储油囊10内部储存润滑脂，压盖18与储油囊孔9过渡或过盈配合，密封圈B11设置于压盖18与储油囊孔9之间，储油囊孔9内壁该位置设置有密封圈槽，密封圈B11设置于该密封圈槽内，所述的密封部12为下橡胶皮碗17的端口设置的向外翻的密封凸缘，密封凸缘与储油囊孔9的内壁紧密密封，所述的油道为设置于油杯16的侧壁上、连通过油通道7的出油孔2，压盖18上设置有注油孔，油杯上设置有与注油孔连通的进油孔，注油孔的外端口内安装有丝堵19，该丝堵为在注油完后再安装或点焊；位于压盖18上方的储油囊孔9的内壁上还设置有压紧压盖18的卡簧20。

位于压盖18上方的储油囊10的内壁上还设置有压紧压盖18的卡簧20，储油囊孔9内壁位于该位置设置有卡簧20槽，卡簧20安装于该卡簧20槽内。

所述的引压孔15的内壁呈阶梯型，引压孔15内设置有滚球21和弹簧22，滚球21设置于引压孔15内靠近泥浆通道8的一端，且滚球21的直径大于引压孔15该端端口直径，弹簧22的一端抵压于引压孔15另一端的端面上，弹簧22的另一端抵压于滚球21上，该单向阀结构保证了微正压自动补偿的实现。

牙爪1内部泥浆通道8里的泥浆流入引压通道，带动滚球21压缩弹簧22，将泥浆通道8内的泥浆压力传导至润滑补偿系统当中，最终挤压储油囊10，使得储油囊10内的润滑脂由过油通道7流入轴承5，从而起到了补偿润滑的作用。本发明将牙轮钻头内部的泥浆压力作为补偿润滑的动力，该压力大于环空压力，从而显著增加润滑系统的压差，实现微正压自动补偿，为储油补偿系统提供稳定推动力，推动润滑脂不断进入润滑系统，保证钻头润滑性能，并且泥浆为钻柱内的清洁泥浆，减少了润滑补偿系统堵死失效的情况，增长了钻头的使用寿命，与现有技术相比，提高了润滑系统的可靠性。 

Claims (3)

1.微正压自动补偿的牙轮钻头润滑系统，它包括牙爪（1）和牙轮（3），牙爪（1）上设置有轴颈（4），牙轮（3）通过轴承（5）安装于轴颈（4）上，牙轮（3）内孔端口与轴颈（4）之间设置有密封圈A（6）形成轴承腔，牙爪（1）内设置有连通轴承腔的过油通道（7），其特征在于：牙爪（1）内部设置有泥浆通道（8），牙爪（1）上部设有储油囊孔（9），储油囊孔（9）内设置有储油囊（10），储油囊（10）靠近储油囊孔（9）端口的一端与储油囊孔（9）间设置有密封圈B（11），储油囊（10）的中部与储油囊孔（9）之间还设置有密封部（12），密封部（12）将密封圈B（11）与储油囊孔（9）形成的腔体分隔为油腔（13）和补偿腔（14），位于油腔（13）内的储油囊（10）上设置有油道，储油囊（10）内部通过油道与过油通道（7）连通，补偿腔（14）通过设置于牙爪（1）上的引压孔（15）连通泥浆通道（8）。

2.根据权利要求1所述的微正压自动补偿的牙轮钻头润滑系统，其特征在于：所述的储油囊（10）包括压盖（18）、油杯（16）和下橡胶皮碗（17），下橡胶皮碗（17）设置于储油囊孔（9）的底部，压盖（18）设置于储油囊孔（9）的外端，压盖（18）压紧于油杯（16）的上表面，油杯（16）的下表面与下橡胶皮碗（17）的端口紧密连接，密封圈B（11）设置于压盖（18）与储油囊孔（9）之间，所述的密封部（12）为下橡胶皮碗（17）的端口设置的向外翻的密封凸缘，密封凸缘与储油囊孔（9）的内壁紧密密封，所述的油道为设置于油杯（16）的侧壁上、连通过油通道（7）的出油孔（2），压盖（18）上设置有注油孔，油杯上设置有与注油孔连通的进油孔，注油孔的外端口内安装有丝堵（19）；位于压盖（18）上方的储油囊孔（9）的内壁上还设置有压紧压盖（18）的卡簧（20）。

3.根据权利要求1所述的微正压自动补偿的牙轮钻头润滑系统，其特征在于：所述的引压孔（15）的内壁呈阶梯型，引压孔（15）内设置有滚球（21）和弹簧（22），滚球（21）设置于引压孔（15）内靠近泥浆通道（8）的一端，且滚球（21）的直径大于引压孔（15）该端端口直径，弹簧（22）的一端抵压于引压孔（15）另一端的端面上，弹簧（22）的另一端抵压于滚球（21）上。

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