CN104937209B - 对称高纵横比密封件 - Google Patents
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Abstract
用于牙轮钻头的井下密封系统包括密封压盖，其具有大于其深度的宽度。在一个实施方式中，所述密封压盖包括沿着其底座的突部，密封元件座落在所述突部上。所述密封元件是单个、环形密封元件，其中凹部形成于其中以界定两个凸起。所述密封元件座落在所述压盖中，使得所述凹部接合所述突部。所述凸起充当单独的密封元件，但是其是安置在单个压盖中的单个一体密封元件。
Description
技术领域
本公开大致涉及结合钻出用于开采油、气或矿物的井筒利用的设备和执行的操作。更具体地，本公开涉及具有延长寿命的密封件的牙轮钻头。最具体地，本公开涉及弹性体密封件，其密封且保护牙轮切割器与其于上方旋转的轴颈轴之间的轴承表面。
背景技术
牙轮钻头通常包括具有多个轴颈段支腿的钻头主体。被称作“牙轮”的锥形滚轧头安装在轴承销轴(也被称作轴颈轴或销)上，所述轴承销轴从轴颈段支腿向下及向内延伸。切割元件安装在牙轮上。当钻头在钻柱的末端上旋转时，使每个牙轮在其各自轴颈轴上旋转。钻头主体可包括一个或更多个喷嘴来邻近牙轮注入钻井流体，所述钻井流体用于将钻屑从井筒带走。
为了促进牙轮的旋转，在牙轮与钻头主体之间提供轴承，且为轴承提供润滑油。为了防止外部碎屑破坏轴承或另外在牙轮旋转时导致过度磨损，且为了防止润滑油逸出，通常在形成于牙轮或轴颈轴中的压盖中提供密封件。
本领域一般技术人员将了解用于钻出井筒的钻头需在极端恶劣的环境中操作。密封件必须承受高温和高压且可能遭遇腐蚀流体，所有这些可能负面地影响密封件的寿命。
为了延长钻头的寿命，特定钻头通常包括沿着牙轮和/或轴的长度的至少两个压盖和两个密封件。第二密封件被提供作为在最外面的密封件破裂的情况下的备用密封件。
这种构造的一个缺陷在于其仅结合特定大小的钻头使用，其中存在足够的牙轮/轴长度来安装多个压盖，而不显著影响轴承接触表面积。
附图说明
图1是在钻出井筒时使用的牙轮钻头的三维视图。
图2是牙轮钻头的臂的横截面图。
图3是本公开的密封总成的横截面图。
图4是本公开的密封元件的第一横截面图。
图5是本公开的密封元件的第二横截面三维视图。
图6a和图6b是本公开的密封总成的压盖的横截面图，其图示压盖宽度和压盖深度。
图7a和图7b是本公开的密封总成的密封元件的横截面图，其图示密封元件宽度和密封元件深度。
图8是具有安置其中的两个独立密封件的本公开的压盖的横截面图。
具体实施方式
本公开的说明性实施方案和相关方法在下文中被描述为其可用于密封钻头内的轴承表面。为了简明起见，本说明书中未描述实际实施方式或方法的所有特征。当然将了解在任意这些实际实施方案的开发中，必须作出许多实施方式特定的决策来实现开发者的特定目标，诸如符合系统相关和业务相关限制，其将在每个实施方式之间变化。此外，将了解这样一种开发努力可能是复杂且耗时的，但仍然是受益于本公开的本领域一般技术人员的常规工作。从阅读下文描述和附图将了解本公开的各种实施方案和相关方法的进一步方面和优点。
图1是在钻出井筒时使用的牙轮钻头10的三维视图。钻头10围绕中心轴12形成且特征为主体14，所述主体14在其上端上具有用于将钻头固定至钻柱(未示出)的螺纹部分16。主体14由多个臂18形成。牙轮20可旋转地连接至每个臂18。在图示的实例中，存在各三个臂18和牙轮20。虽然图示三个臂，但是应了解本公开的原理可被并入具有其它数量的牙轮和臂的钻头和其它类型的钻头构造。图1中描绘的钻头10仅仅是可利用本文中描述的原理的多种钻头的一个实例。
每个牙轮具有多个切割齿22。
钻头10进一步包括安置在钻头主体14中的喷嘴24以将钻井流体流从钻头10的内部传输至牙轮20的切割表面以冷却钻头10，清洁切割齿/元件22，且将岩屑从井筒(未示出)的底部运送至井筒环(未示出)且随后运送至地面。
图2是图示钻头10的一个臂18的横截面图。如所示，每个牙轮20可旋转地安装在轴颈销或轴26上，所述轴颈销或轴26大致朝向中心轴12向内及远离钻头10的螺纹部分16向下定向。更具体地，轴26被安置为座落在形成于牙轮20内的中心腔或孔28内。圆周滚道或槽30在孔28的远端上沿着牙轮20的内表面32形成。同样地，相应的圆周滚道或槽34在轴颈销26的远端上沿着其外表面36形成以在牙轮12安装在轴颈销26上时邻近滚道30。
轴承或锁定球38被安置为座落在滚道30、34内以将牙轮20固定至轴颈销26。本领域一般技术人员将了解通道40被提供在轴颈销26中且与滚道34相交以形成通路在组装期间用于放置轴承38。在轴承38处于在适当位置中后，将固持器42插入通道40以将轴承38固定在适当位置。
将润滑油供应至牙轮20的内表面32与轴颈26的外表面36之间的界面。可提供均压装置44来确保在钻井期间，使润滑油维持在与井下环境大体相同的压力下。在特定实施方案中，通道40的一部分用于将润滑剂供应至界面。
密封总成46形成在轴颈26和牙轮20的近端上的界面上。当牙轮20围绕轴颈26旋转时，密封总成46优选地随牙轮旋转且抵着轴颈的外表面密封。因而，密封总成46作用以阻止碎屑和井流体进入牙轮20与轴颈26之间的界面，且也阻止润滑油从界面区域逸出。
参考图3，在特定优选实施方案中，密封总成46(大致在图1中所示)由具有总压盖宽度(GW)和总压盖深度(GD)的单个圆周槽或压盖48形成，其中总压盖宽度GW等于或大于总压盖深度GD。在特定优选实施方案中，槽48的特征为相对侧表面50和在其间延伸的底部表面52。圆周、轴向突部54沿着底部表面52形成。突部54不限于特定形状，但在优选实施方案中可具有正方形或圆形或尖形横截面。在特定实施方案中，突部54大致特征为具有不大于总压盖深度GD的50％的高度(H)，而在其它实施方案中，高度H不大于总压盖深度GD的25％，而仍在其它实施方案中，高度H是介于总压盖深度GD的大约5％至25％之间的尺寸。在各种实施方案中，总压盖深度GD可等于、大于或小于总压盖宽度GW。当然，密封元件60可同样具有相应尺寸。
压盖48的底部表面52可具有特征为第一压盖宽度(GW1)的第一部分56(见图6a)和特征为第二压盖宽度(GW2)的第二部分58，其中突部54形成在第一部分与第二部分的相交处，其中总压盖宽度(GW)等于第一压盖宽度和第二压盖宽度的总和(GW1+GW2)。同样地，压盖48具有与第一部分56相关的第一压盖深度(GD1)(见图6b)和与第二部分58相关的第二压盖深度(GD2)。在图3图示的实施方案中，第一压盖宽度和第二压盖宽度相等(GW1＝GW2)且第一压盖深度和第二压盖深度相等(GD1＝GD2)。
图4是沿着图5的截面线4-4取得的密封元件60的横截面图。图5是密封元件60的三维视图，其中横截面断开。参考图4和图5，且继续参考图3，密封总成46进一步包括单个、环形密封元件60，其具有总横截面密封件宽度SW和总横截面密封件高度SH。密封元件60的形状是大致圆形的，其特征为内圆周61和外圆周63。密封元件60的进一步特征为侧表面62、侧表面64、沿着内圆周61形成的内表面66和沿着外圆周63形成的外表面68。环形凹部70形成在外表面68上以沿着外表面68形成第一凸起72和第二凸起74。凹部70被成形来在密封元件60座落在压盖48中时接合突部54。如同突部54，凹部70不限于特定形状，但在优选实施方案中可具有与突部54对应的正方形或圆形或尖形形状。
在特定优选实施方案中，密封元件60可包括形成在内表面66上的凸起76、78，其中空隙80形成于其间。在这些优选实施方案中，具有多个凸起76、78的单个密封元件如同凸起76、78是沿着介于牙轮20的内表面32与轴颈26的外表面36之间的界面的长度间隔开的单独密封元件一样起作用。换句话说，一个凸起充当主密封件，而第二凸起充当备用或辅助密封件。空隙80可用于将轴承油脂、油或类似润滑油或冷却剂(未示出)提供至密封元件60的接触表面。这在一些情况下是特别期望的，因为相对于可能需提供多种功能(诸如轴承润滑和密封冷却)的配方相比，单一功能试剂(诸如用于冷却)可被排放至空隙80。本领域一般技术人员将了解，空隙80的存在优选地结合利用传递通道(诸如通道82)的压力补偿系统(诸如图2中大致描述为均压装置44)利用。
仍参考图3、图4和图5，突部54作用来为单个密封元件60增加支持，使得凸起76、78可如同其是单独密封元件一样作用。此外，突部54作用来使密封元件60保持座落在压盖48内的适当位置中。这在密封元件60的总密封宽度SW大于密封元件60的总密封高度SH，为密封元件60增加侧向稳定性的情况下是特别期望的。最后，突部54防止加压流体在密封元件60的外表面66与压盖48的底部表面52之间迁移。换句话说，与空隙80不同，压力补偿系统无法结合凹部70利用来阻止压力不平衡。因此，突部54阻止潜在有害的加压流体收集在凹部70中。在这个方面中，应强调本公开的密封总成46特别被提供用于井下环境，其中密封总成46将经历井筒中的高压。
本领域技术人员将了解，虽然图示两个凸起，但是可沿着内表面66提供额外凸起或其它表面形状。在另一个优选实施方案中，密封元件60可仅具有沿着外表面68的第一凸起72和第二凸起74。在本实施方案中，突部54继续作用来将密封元件60保持在压盖48内的适当座落位置中。再者，这在密封元件60的总密封宽度SW大于密封元件60的总密封高度SH，为密封元件60增加侧向稳定性的情况下是特别期望的。同样地，突部54也防止加压流体在密封元件60的外表面68与压盖48的底部表面52之间迁移。
在某些优选实施方案中，密封总成46的组件的单独部分的尺寸可能变化。图6a和图6b是密封总成46的压盖48的横截面图。参考图6a和图6b，压盖48被图示并大致被穿过突部54的轴55平分。在压盖48的某些实施方案中，第一压盖宽度GW1不同于第二压盖宽度GW2。例如，第一压盖宽度GW1可能大于第二压盖宽度GW2或反之亦然。同样地，在某些实施方案中，第一压盖深度GD1不同于第二压盖深度GD2。例如，第一压盖深度GD1可能大于第二压盖深度GD2或反之亦然。当然，在GD1和GD2不同的情况下，凸起54将具有围绕轴55的非对称形状。
图7a和图7b是密封总成46的密封元件60的横截面图。如参考图6a和图6b大致观察到，图7a和图7b的密封元件60被图示且大致被穿过凹部70的轴57平分。在密封元件60的某些实施方案中，第一密封件宽度SW1不同于第二密封件宽度SW2。例如，第一密封件宽度SW1可能大于第二密封件宽度SW2或反之亦然。同样地，在某些实施方案中，第一密封件深度SH1不同于第二密封件深度SH2。例如，第一密封件深度SH1可能大于第二密封件深度SH2或反之亦然。在密封元件60的某些实施方案中，GW1可能等于GW2。在密封元件60的某些实施方案中，GD1可能等于GD2。
在上述图示中，优选地，密封元件20的各种部分的宽度和/或深度被选择为对应于压盖48的各种部分的宽度和/或深度。替代地，压盖48或密封元件20的尺寸可能是一致的，而相应元件的尺寸可能变化。作为一个实例，压盖深度GD1和GD2可能相同，但密封元件高度SH1可能大于密封元件高度SH2，使得凸起72在被安装在钻头10中时被压缩程度大于凸起74。在这种情况下，将期望在“第一”或“前”密封件凸起上提供更大压缩，因为其被暴露以比“第二”或“后”密封件凸起更多地冷却。
在本公开的特定实施方案中，如图6和图7中最佳所示，元件60的内表面66上的凸起76、78大致特征可为在凸起的一个或更多个边角上具有第一半径R1。根据期望，第一半径R1针对内表面66凸起的每个边角可为相同或不同尺寸。同样地，元件60的外表面68上的凸起72、74大致特征可为在凸起的一个或更多个边角上具有第二半径R2。根据期望，第二半径R2针对外表面68凸起的每个边角可为相同或不同尺寸。最后，压盖48可大致特征化为在侧表面50与底部表面52相交的压盖48的一个或更多个边角上具有第三半径R3。第三半径R3也可形成在底部表面52与突部54的相交处。第三半径R3针对压盖48的每个边角可为相同或不同尺寸。在密封总成46的特定优选实施方案中，R3>R2>R1。
密封元件60可由任意标准材料或材料的组合形成。例如，密封元件60可由丁腈橡胶(NBR)形成，诸如氢化丁腈橡胶(HNBR)，也被称作高度饱和丁腈(HSN)橡胶。材料的其它非限制性实例包括含氟弹性体、氟碳弹性体等。材料可包括纤维、颗粒或类似元素来改进强度、磨损或类似性质。虽然密封元件60是单个、一体化密封元件，但是在特定实施方案中，密封元件60的一部分可由第一材料组成且密封元件60的一部分可由不同于第一材料的第二材料组成。例如，第一凸起68可由第一材料组成，且第二凸起74可由不同于第一材料的第二材料组成，第一材料和第二材料用于一体形成单个、一体密封元件60。替代地，密封元件60沿着外圆周63的一部分可由第一材料组成，且密封元件60沿着内圆周61的一部分可由第二材料组成。例如，在本实施方案中，第一材料可比形成凸起76、78的第二材料更硬或更具刚性，所述凸起76、78更具压缩性。
虽然密封件60已被图示为具有形成在牙轮20中的压盖48，但是本领域一般技术人员将了解压盖48也可形成在轴颈26中，在所述情况下，密封元件60的表面68的轮廓将形成在密封元件60的内圆周61上，而非外圆周63上。
类似于突部54的额外向内延伸突部可被安置在压盖48的一个或两个侧表面50上以进一步将密封元件60稳定在压盖48内。
本公开的另一个实施方案被图示在图8中，其中单个密封元件60被两个单独的密封元件60a和60b取代，所述密封元件60a和60b座落在突部54的任一侧上的压盖48中。优选地，密封元件60a、60b邻接彼此，且在被轴承表面28压缩时，围绕突部54完全压缩。在本实施方案中，可利用两个密封件，但是由于出于上述原因存在突部54而具有单个压盖。
虽然轴颈长度不意欲在本公开的特定实施方案中作为限制，但是已发现上述密封总成在其中轴颈26的长度小于9英寸的钻头中特别有用。在这些钻头中，使轴承表面32、36的接触表面最大化是特别重要的。上述密封总成46用单个密封元件实现这种情况，但是仍提供充裕密封好处，其可用沿着轴承表面具有多个密封系统的较大钻头实现。
此外，虽然参考牙轮相对于钻头中的轴颈旋转来描述系统，但是密封系统可用于其中第一主体相对于第二主体移动的其它井下应用。例如，密封总成可用于在于井筒中相对于彼此旋转或滑动的两个管柱或子总成之间密封。
上文公开描述用于在钻油气井筒时常见的高压井下环境的密封总成。此外，上文公开描述用于钻井筒的钻头，其中钻头包括如上所述的密封总成。
将了解，上述各种实例可用在各种定向(诸如倾斜、翻转、水平、垂直等)中，及各种构造中，而不脱离本公开的原理。图中所示的实施方案被描绘及描述仅作为本公开的原理的有用应用的实例，其不限于这些实施方案的任何具体细节。
当然，本领域技术人员在仔细阅读代表性实施方案的上文描述时易于了解可对这些具体实施方案进行许多修改、添加、替换、删除和其它变更，且这些变更在本公开的原理的范围内。因此，以上具体实施方式应被清楚理解为仅以说明和举例的方式给出，本公开的精神和范围仅受限于随附权利要求书和其等效物。
Claims (26)
1.一种用于钻井筒的钻头，所述钻头包括：
压盖，其由单个圆周槽形成，所述圆周槽的特征为相对侧表面和在其间延伸的底部表面，所述压盖界定总压盖宽度GW和总压盖深度GD，所述压盖进一步包括突部，所述突部沿着底部表面形成在所述相对侧表面之间；和
单个、环形密封元件，其安置在所述压盖内，所述密封元件具有总横截面密封件宽度SW和总横截面密封件高度SH，
其中所述底部表面的特征在于，所述底部表面包括第一部分及第二部分，所述第一部分具有第一压盖宽度和第一压盖深度，所述第二部分具有第二压盖宽度和第二压盖深度，所述突部形成在所述第一部分与所述第二部分的相交处。
2.根据权利要求1所述的钻头，其中所述总压盖宽度GW等于或大于所述总压盖深度GD。
3.根据权利要求1所述的钻头，其中所述突部具有高度，且所述高度介于所述总压盖深度的5％至25％之间。
4.根据权利要求1所述的钻头，其中所述第一压盖宽度不同于所述第二压盖宽度。
5.根据权利要求1所述的钻头，其中所述第一压盖深度不同于所述第二压盖深度。
6.根据权利要求1所述的钻头，其中所述第一压盖宽度不同于所述第二压盖宽度，且所述第一压盖深度不同于所述第二压盖深度。
7.根据权利要求1所述的钻头，其中所述密封元件的特征为第一侧表面、第二侧表面、内表面和外表面且具有沿着所述外表面形成以沿着外表面界定第一凸起和第二凸起的环形凹部。
8.根据权利要求7所述的钻头，其中凹部被成形来接合所述压盖的所述突部。
9.根据权利要求7所述的钻头，其中所述密封元件进一步包括形成在所述内表面上的至少两个凸起，其中间隙形成于其间。
10.根据权利要求7所述的钻头，其中所述第一凸起具有第一密封元件宽度和第一密封元件深度，且所述第二凸起具有第二密封元件宽度和第二密封元件深度，所述凹部形成在所述第一凸起与所述第二凸起的相交处。
11.根据权利要求10所述的钻头，其中所述第一密封元件宽度不同于所述第二密封元件宽度。
12.根据权利要求10所述的钻头，其中所述第一密封元件深度不同于所述第二密封元件深度。
13.根据权利要求10所述的钻头，其中所述第一密封元件宽度不同于所述第二密封元件宽度，且所述第一密封元件深度不同于所述第二密封元件深度。
14.根据权利要求10所述的钻头，其中所述底部表面的特征在于，所述底部表面包括第一部分及第二部分，所述第一部分具有第一压盖宽度和第一压盖深度，所述第二部分具有第二压盖宽度和第二压盖深度，所述突部形成在所述第一部分与所述第二部分的相交处。
15.根据权利要求14所述的钻头，其中所述第一压盖深度和所述第二压盖深度彼此相同，且所述第一密封元件深度和所述第二密封元件深度彼此不同。
16.根据权利要求14所述的钻头，其中所述第一压盖深度和所述第二压盖深度彼此不同，且所述第一密封元件深度和所述第二密封元件深度彼此不同。
17.根据权利要求1所述的钻头，其进一步包括：
钻头主体，其具有多个臂，每个臂具有带外轴颈表面的轴颈销；
多个牙轮，其各具有内表面，其中每个臂旋转地支持牙轮，
其中所述压盖安置在所述外轴颈表面或所述牙轮的内表面中。
18.根据权利要求17所述的钻头，其进一步包括被安置来将加压流体传递至所述密封元件的压力补偿系统。
19.根据权利要求1所述的钻头，其进一步包括第二环形密封元件，其安置在所述压盖内邻近另一密封元件，其中所述突部部分在两个密封元件之间延伸。
20.一种用于钻井筒的钻头，所述钻头包括：
压盖，其具有总压盖宽度GW和总压盖深度GD，其中所述总压盖宽度GW等于或大于所述总压盖深度GD，所述压盖进一步包括相对侧表面和在其间延伸的底部表面，其中突部沿着底部表面形成，其中所述底部表面的特征在于，所述底部表面包括第一部分及第二部分，所述第一部分具有第一压盖宽度和第一压盖深度，所述第二部分具有第二压盖宽度和第二压盖深度，所述突部形成在所述第一部分与所述第二部分的相交处；和
单个、环形密封元件，其具有总横截面密封件宽度SW和总横截面密封件高度SH，其中所述密封元件的特征为第一侧表面、第二侧表面、内表面和外表面，且具有沿着所述外表面形成以沿着外表面界定第一凸起和第二凸起的环形凹部，其中所述第一凸起具有第一密封元件宽度和第一密封元件深度，且所述第二凸起具有第二密封元件宽度和第二密封元件深度，所述凹部形成在所述第一凸起与所述第二凸起的相交处。
21.根据权利要求20所述的钻头，其中所述第一密封元件高度大于所述第二密封元件高度。
22.根据权利要求20所述的钻头，其中所述突部具有高度，且所述突部的所述高度不大于所述总压盖深度的50％。
23.一种用于井筒的总成，所述总成包括：
第一主体，其具有第一表面；
第二主体，其可相对于所述第一主体移动，所述第二主体具有邻近所述第一表面的第二表面；
压盖，其具有总压盖宽度GW和总压盖深度GD，其中所述总压盖宽度GW等于或大于所述总压盖深度GD，所述压盖进一步包括相对侧表面和在其间延伸的底部表面，其中突部沿着底部表面形成，其中所述底部表面的特征在于，所述底部表面包括第一部分及第二部分，所述第一部分具有第一压盖宽度和第一压盖深度，所述第二部分具有第二压盖宽度和第二压盖深度，所述突部形成在所述第一部分与所述第二部分的相交处；和
单个、环形密封元件，其具有总横截面密封件宽度SW和总横截面密封件高度SH，其中所述密封元件的特征为第一侧表面、第二侧表面、内表面和外表面，且具有沿着所述外表面形成以沿着外表面界定第一凸起和第二凸起的环形凹部，其中所述第一凸起具有第一密封元件宽度和第一密封元件深度，且所述第二凸起具有第二密封元件宽度和第二密封元件深度，所述凹部形成在所述第一凸起与所述第二凸起的相交处。
24.根据权利要求23所述的总成，其中所述第一密封元件高度大于所述第二密封元件高度。
25.根据权利要求23所述的总成，其中所述突部具有高度，且所述突部的所述高度不大于所述总压盖深度的50％。
26.根据权利要求23所述的总成，其中所述环形密封元件的特征为形成在所述环形密封元件的侧表面与所述环形密封元件的所述内表面的相交处的第一半径R1、形成在所述环形密封元件的侧表面与所述环形密封元件的所述外表面的相交处的第二半径R2，且所述压盖的特征为形成在侧表面与所述底部表面的相交处的第三半径R3，其中R3>R2>R1。
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