CN103470188B - 带有密封压力调节装置的双密封牙轮钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钻井工具技术领域，尤其涉及一种带有密封压力调节装置的双密封牙轮钻头，在牙轮背锥面部位设置有压力调节装置，所述压力调节装置包括传压孔、小储油孔、小储油囊、小储油孔堵头，所述小储油孔开设在所述牙轮的背锥面部位上，所述传压孔设置在所述支撑挡板中将轴承密封腔和小储油孔连通，所述小储油囊固定在所述小储油孔内，所述的小储油囊一端开口其余面封闭，小储油囊中开口部位朝向轴承密封腔，所述小储油孔堵头将所述小储油囊密封固定在所述小储油孔中，所述的小储油孔堵头中间位置上开有传压通孔。此装置能有效的平衡挡砂圈两侧的压力差，使挡砂圈在较小的压差下工作，提高挡砂圈的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及钻井工具技术领域，尤其涉及一种带有密封压力调节装置的双密封牙轮钻头。
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，要求现代双密封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。
在石油、天然气钻井及其他矿用钻探方面使用的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。通过解剖及分析牙轮钻头的失效形式我们发现密封寿命又是其牙轮钻头寿命的最直接制约因素。随着牙轮钻头技术的发展已经制造出了双密封牙轮钻头，此种钻头适应高转速高温的能力强。双密封牙轮钻头相比以往的单密封牙轮钻头有两道密封圈，靠外的密封圈是挡砂圈，靠内的密封圈是主密封圈，挡砂圈保护主密封圈，主密封圈保护轴承。双密封牙轮钻头提高了牙轮钻头的使用寿命。随着双密封牙轮钻头的使用我们发现提高挡砂圈的寿命又是双密封钻头的关键。因为挡砂圈损坏的越快泥浆及岩屑接触主密封越快，主密封圈使用时间越短，最终钻头寿命越短。对于牙轮钻头来说，其轴承密封和润滑的好坏直接影响牙轮钻头的寿命。
实践证明：密封圈内外压差的大小对密封圈的使用寿命有着至关重要的影响。一方面它是密封漏失的基本原因，另一方面，压差过大会使密封件加剧磨损，导致牙轮钻头密封和整个牙轮钻头过早的失效。为了保证牙轮钻头轴承和密封的质量，目前单密封圈牙轮钻头在牙掌上设计的压力平衡及储油补偿装置（见图6结构），用来平衡钻头轴承密封圈两侧的压力差并向轴承腔内补偿消耗的润滑脂。这种压力平衡及储油补偿装置一般由储油囊、油杯、压盖、挡圈、密封圈等多个零件以及钻头牙掌上的储油孔、长油孔、塞销孔、传压孔组成。这种结构同样适用于双密封牙轮钻头的轴承润滑及主密封圈的内外压力差的调节，但不适用于双密封圈挡砂圈的内外压力差的调节，原因是主密封圈对挡砂圈4和牙掌上设计的压力平衡及储油补偿装置起了阻隔作用，无法调节到挡砂圈4的内外压力差，如果在挡砂圈部位开一个孔连通到牙掌上的压力平衡及储油补偿装置也是不可行的，因为要是挡砂圈4失效后泥浆岩屑会通过牙掌上的压力平衡及储油补偿装置进入到轴承腔，导致轴承及主密封圈过早损坏。这样就需要一种与牙掌上的压力平衡及储油补偿装置互不影响的单独的压力平衡装置来调节挡砂圈。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种带有密封压力调节装置的双密封牙轮钻头，能及时有效的调节挡砂圈内外的压力差，使挡砂圈在较小的压差下工作，延长挡砂圈的使用寿命，从而延长牙轮钻头的寿命。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种带有密封压力调节装置的双密封牙轮钻头，包括牙轮、牙掌以及定位钢球，所述的定位钢球设置在牙轮和牙掌的“R” 槽之间，牙掌通过牙掌轴颈与牙轮相连接，牙轮内孔通过密封件与牙掌轴颈形成轴承密封腔，所述轴承密封腔与牙掌上设置的压力平衡及储油补偿装置相连通，靠近牙轮轴孔开口的部位设置有两个密封槽，两个密封槽用2～6mm厚的支撑挡板隔开，两个密封槽内分别设置一个弹性密封圈，靠外的密封圈是挡砂圈，靠内的密封圈是主密封圈，其特征在于：在牙轮背锥面部位设置有压力调节装置，所述压力调节装置包括传压孔、小储油孔、小储油囊、小储油孔堵头，所述小储油孔开设在所述牙轮的背锥面部位上，所述传压孔设置在所述支撑挡板中将轴承密封腔和小储油孔连通，所述小储油囊固定在所述小储油孔内，所述的小储油囊一端开口其余面封闭，小储油囊中开口部位朝向轴承密封腔，所述小储油孔堵头将所述小储油囊密封固定在所述小储油孔中，所述的小储油孔堵头中间位置上开有传压通孔。
优选地，所述小储油孔堵头靠过盈配合压入或螺纹连接的方式装在小储油孔上。
优选地，所述小储油孔堵头要低于牙轮背锥平面。
优选地，所述传压孔的直径为2mm～4mm。
优选地，小储油囊由丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶或氟橡胶材料制成。
本发明的有益效果是: 与现有技术相比，本发明双密封牙轮钻头，在牙轮背锥面部位设置有与压力平衡装置，从而有效的平衡挡砂圈两侧的压力差，使挡砂圈在较小的压差下工作，提高挡砂圈的使用寿命。上述的压力平衡装置由传压孔、小储油孔、小储油囊、小储油孔堵头构成，小储油孔设置在牙轮背锥面的背锥齿部位，这样便于加工及传压。由于传压孔开在挡砂圈部位这样能及时的调节挡砂圈两侧的压差，使挡砂圈在较小的压差工作，从而延长其寿命，最终使牙轮钻头的寿命延长，提高了钻井效率和降低钻井成本。
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小储油孔和传压孔结构示意图；
图3为本发明实施例钻头中小储油囊示意图；
图4为本发明实施例钻头中小储油孔堵头示意图；
图5为挡砂圈和主密封圈之间的支撑挡板侧面示意图；
图6为现有技术中双密封牙轮钻头的结构示意图；
图7为小储油囊和小储油孔堵头在小储油孔中安装后的示意图；
1、牙掌；2、牙轮；3、主密封圈；4、挡砂圈；5、支撑挡板；51、上端；52、下端；6、传压孔；7、小储油孔；8、小储油囊；9、小储油孔堵头；10、孔；11、锁紧钢球；12、储油孔；13、储油囊；14、储油杯；15、压盖；16、卡簧；17、长油孔；18、塞销孔；19、丝堵。
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。如图所示：一种带有密封压力调节装置的双密封牙轮钻头包括牙轮2、牙掌1，在牙轮轴孔和牙掌轴颈之间设有锁紧钢球11，牙掌通过牙掌轴颈与牙轮相连接。本发明中，牙轮内孔依靠主密封圈3与轴颈相配形成轴承密封腔，在牙掌1上设置有压力平衡及储油补偿装置通过长油孔与轴承腔相连通。所述的压力平衡及储油补偿装置包括设置在牙掌1上的储油孔12，储油孔中安装储油囊13、储油杯14、压盖15、卡簧16和丝堵19。储油孔12通过长油孔17和塞销孔18与轴承腔连通，如附图6所示。此结构可以调节主密封圈3两侧的压力差，但无法调节其挡砂圈4两侧的压力差。
为此我们在牙轮背锥面的部位设置一种压力调节装置，此装置能有效的调节挡砂圈4两侧的压力差，所述的压力调节装置包括传压孔6、小储油孔7、小储油囊8、小储油孔堵头9构成。所述传压孔设置在所述支撑挡板中将轴承密封腔和小储油孔连通，即传压孔6要穿透小储油孔7底平面和支撑挡板5侧面但不能超出侧面的上端51和下端52，否则会损伤密封圈，这样才能有效的进行挡砂圈4的压力调节。钻传压孔6之前先钻出一个垂直于传压孔6的孔10这样便于传压孔6的加工，加工完后把孔10在用电焊补上。传压孔6角度与牙轮底平面成0°～10°，长度可由牙轮基体厚度调节。所述的小油囊8一端开口其余面封闭，安装时小油囊中涂抹润滑脂并且开口部位朝向牙轮轴承腔，该小油囊壁厚为0.5mm～2mm，外轮廓形状为半球形、正方形、长方型等。小储油囊8依靠小储油孔堵头9将其密封固定在小储油孔7内,如图7所示。所述的小储油孔堵头9中间位置上开有2mm～4mm小孔便于传压，小储油孔堵头9靠过盈配合压入或螺纹连接的方式装在小储油孔7内，小储油孔堵头9装入小储油孔7内后要低于牙轮背锥面，防止小储油孔堵头9与井壁摩擦。
此压力平衡装置的工作原理为当井底外界压力高于挡砂圈4内侧压力时压力会及时通过小储油孔堵头9上开有的小孔传到小储油囊8上，使小储油囊8翻向内侧供油，来补充挡砂圈4内侧的压力。当井底外界压力低于挡砂圈4内侧的压力时小储油囊8翻向外侧与小储油孔堵头9的内腔面紧密贴合。这样的往复运动就能及时的调节挡砂圈4内外两侧的压力差，使其在较小的压差下工作，这样增加了使用寿命，进而延长了整个钻头的使用寿命。
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 (3)
1.一种带有密封压力调节装置的双密封牙轮钻头，包括牙轮、牙掌以及定位钢球，所述的定位钢球设置在牙轮和牙掌的“R” 槽之间，牙掌通过牙掌轴颈与牙轮相连接，牙轮内孔通过密封件与牙掌轴颈形成轴承密封腔，所述轴承密封腔与牙掌上设置的压力平衡及储油补偿装置相连通，靠近牙轮轴孔开口的部位设置有两个密封槽，两个密封槽用2～6mm厚的支撑挡板隔开，两个密封槽内分别设置一个弹性密封圈，靠外的密封圈是挡砂圈，靠内的密封圈是主密封圈，其特征在于：在牙轮背锥面部位设置有压力调节装置，所述压力调节装置包括传压孔、小储油孔、小储油囊、小储油孔堵头，所述小储油孔开设在所述牙轮的背锥面部位上，所述传压孔设置在所述支撑挡板中将轴承密封腔和小储油孔连通，所述小储油囊固定在所述小储油孔内，所述的小储油囊一端开口其余面封闭，小储油囊中开口部位朝向轴承密封腔，所述小储油孔堵头将所述小储油囊密封固定在所述小储油孔中，所述的小储油孔堵头中间位置上开有传压通孔；所述小储油孔堵头靠过盈配合压入或螺纹连接的方式装在小储油孔上。
2.根据权利要求1所述的带有密封压力调节装置的双密封牙轮钻头，其特征在于：所述小储油孔堵头要低于牙轮背锥平面。
3.根据权利要求2所述的带有密封压力调节装置的双密封牙轮钻头，其特征在于：所述传压孔的直径为2mm～4mm。
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