CN105257217A - 具有自动循环功能的钻头密封结构 - Google Patents

Abstract

一种用于石油钻探等领域的具有自动循环功能的钻头密封结构，解决了牙轮钻头密封和润滑不足的问题。其技术方案是：主要由牙掌、牙轮、储油囊、轴颈、轴承腔、喷嘴等组成；牙掌通过其下端的轴颈与牙轮相连，牙轮与轴颈的配合面上设有密封圈及防止牙轮脱落的锁紧滚珠；钻头轴颈上设有进油孔道和回油孔道，与轴承腔一起组成润滑脂循环回路；位于牙掌上的储油囊通过其下端设有的通油孔道与轴承腔相通，为循环回路持续稳定补充润滑脂；在轴颈上设有螺旋槽，以牙轮自转为动力，将润滑脂以一定压力往循环回路里输送。该结构能平衡密封圈两侧的压力差，阻止密封泄漏，提高密封圈的使用寿命，改善轴承摩擦副的润滑情况，提高钻头的使用寿命。

Description

具有自动循环功能的钻头密封结构

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山开采、地质钻探、盾构及非开挖等技术设备领域，涉及一种牙轮钻头，具体涉及一种具有自动循环功能的钻头密封结构。

背景技术

随着定向井和水平井等技术的发展，涡轮钻具和螺杆钻具得到广泛使用，则要求牙轮钻头能在高转速、高钻压的条件下保持长寿命，以减小起下钻次数，提高钻井效率，降低钻井成本。

牙轮钻头的寿命主要取决于轴承，轴承的寿命则主要取决于密封与润滑，即轴承密封与润滑的好坏直接影响牙轮钻头的使用寿命。

轴承密封的主要有两个任务，一是防止轴承内润滑脂的泄露，二是防止钻头外部具有腐蚀性和研磨性的泥浆侵入轴承。密封一旦失效，轴承就会很快地磨损，从而导致整个钻头失效。造成轴承密封失效的因素很多，其中密封件两侧内外压差的大小起着至关重要的作用。密封件两侧的压差过大不仅会导致密封泄露，还能加据密封件的磨损。

在密封完好的情况下，钻头轴承的失效主要原因普遍是由于润滑不良的连锁反应。润滑不良，直接反映在轴承摩擦副过早疲劳，且轴承承受高钻压、高转速的能力大幅度降低；其次，牙轮钻头润滑不良，工作过程轴承腔内温度聚集，而无法释放，对密封性能的保持造成致命影响。

针对上述问题，现有的牙轮钻头轴承结构，已经很难满足要求，急需发明一种密封寿命更长、润滑效果更好、摩擦阻力更小的新型牙轮钻头轴承结构。

发明内容

本发明是为了解决现有牙轮钻头轴承结构润滑不良，密封圈的密封寿命短，易磨损等，致使钻头寿命缩短而提出的。

本发明的技术解决方案是：

一种具有自动循环功能的钻头密封结构，包括牙掌、牙轮、牙齿、锁紧滚珠、钻头轴颈、轴颈导油槽、轴承腔、密封圈、过滤网、通油孔道、储油囊、储油囊密封装置(包括储油囊密封圈、储油囊压盖、储油囊挡圈)、喷嘴、喷嘴密封装置(包括喷嘴密封圈和喷嘴挡圈)，其特征在于：所述钻头轴颈上开有进油孔道和回油孔道；所述牙掌上设有储油囊，储油囊外设有密封装置，储油囊下端设有通过通油孔道；所述牙掌上设有喷嘴，喷嘴上设有喷嘴密封装置；所述牙掌通过其下端的轴颈与牙轮相连接；所述牙轮外壁有设有牙齿，内部有内腔；所述钻头轴颈与牙轮相匹配形成轴承摩擦副；所述牙轮与钻头轴颈的配合面上设有密封圈及防止牙轮脱落的锁紧滚珠。

按上述方案：所述的进油孔道并沿着钻头轴颈的中心线开设，延伸至钻头小轴颈的止推端面；所述的回油孔道，沿大轴颈径向开设，连通进油孔道与轴承腔。

按上述方案：所述位于牙掌上的储油囊，储油囊通过通油孔道与进油孔道相通，能够在钻井过程中为牙轮钻头持续稳定供油，保证润滑可靠，同时可防止钻井液进入轴承。

按上述方案，具有自动循环功能的钻头密封结构，其特征在于钻头轴颈导油槽有3种组合输送结构，如下：(I)钻头大轴颈上沿轴向设有槽深1～2cm的直导油槽，小轴颈设有槽深1～2cm的螺旋导油槽；(II)钻头大轴颈上设有槽深1～2cm的螺旋导油槽，小轴颈上不设导油槽；(III)钻头大轴颈、小轴颈上均设有槽深1～2cm的螺旋导油槽。

按上述方案，所述进油孔道入口处设有过滤网。

按上述方案：由所述密封圈设于钻头大轴颈的根部，与钻头轴颈、牙轮内腔组成轴承腔。

按上述方案：所述的轴承腔与钻头轴颈上的进油孔道、回油孔道形成一个润滑脂循环回路。

按上述方案：所述钻头大小轴颈的止推端面上设有扇型槽；

其有益效果在于：本发明一种具有自动循环功能的钻头密封结构，钻头轴颈设有螺旋槽结构，以钻头绕自身轴线自转为动力，利用螺旋槽的螺杆输送作用，可给润滑脂一定输送压力，将润滑脂泵送至轴承腔，实现轴承的有压润滑，提高轴承的润滑效果，同时平衡密封圈两侧的压差；钻头轴颈上开设的进油孔道、回油孔道与轴承腔形成润滑脂循环回路，实现润滑脂的循环利用，改善轴承的润滑情况；在牙掌上设有的储油囊可以为润滑脂循环回路不断补充润滑脂，同时防止钻井液进入轴承，从而保证润滑可靠；在进油孔道入口处上设有过滤网，过滤润滑脂中的杂质，减小轴承摩擦副的磨损，从而达到提高钻头使用寿命的目的。

附图说明

图1为本发明具有自动循环功能的钻头密封结构的结构示意图：

附图标记说明如下：

1牙掌，2牙轮，3牙齿，4锁紧滚珠，5钻头轴颈，6螺旋槽、7轴承腔，8密封圈，9过滤网，10通油孔道，11储油囊，12储油囊密封圈，13压盖，14储油囊挡圈，15喷嘴，16喷嘴密封圈，17喷嘴挡圈。

图2为本发明具有自动循环功能的钻头密封结构的牙轮的结构示意图；

附图标记说明如下：

2a牙轮外壁，2b牙轮内腔。

图3为本发明具有自动循环功能的钻头密封结构的轴颈的结构示意图；

附图标记说明如下：

5a钻头大轴颈，5b钻头小轴颈，5c进油孔道，5d回油孔道

图4为本发明具有自动循环功能的钻头密封结构的轴颈的端面示意图(此处忽略轴颈上的导油槽、进油孔道和回油孔道)；

附图标记如下：

5e大轴颈止推端面，5f小轴颈止推端面，5g扇形槽。

图5为本发明具有自动循环功能的钻头密封结构的轴颈导油槽结构形式-I(钻头大轴颈上沿轴向设有槽深1～2cm的直导油槽，小轴颈设有很浅的螺旋导油槽)；

图6为本发明具有自动循环功能的钻头密封结构的轴颈导油槽结构形式-II(钻头大轴颈上设有槽深1～2cm的螺旋导油槽，小轴颈上不设导油槽)；

图7为本发明具有自动循环功能的钻头密封结构的轴颈导油槽结构形式-III(钻头大轴颈、小轴颈上均设有槽深1～2cm的螺旋导油槽)；

图5、图6和图7中附图标记如下：

5a钻头大轴颈，5b钻头小轴颈，5g扇形槽，5h直导油槽，5k螺旋槽。

具体实施方式

一种具有自动循环功能的钻头密封结构，包括牙掌1、牙轮2、牙齿3、锁紧滚珠4、钻头轴颈5、导油槽6、轴承腔7、密封圈8、过滤网9、通油孔道10、储油囊11、储油囊密封装置(包括储油囊密封圈12、储油囊压盖13、储油囊挡圈14)、喷嘴15、喷嘴密封装置(包括喷嘴密封圈16和喷嘴挡圈17)。其特征在于：所述钻头轴颈5上开有进油孔道5c和回油孔道5d；所述牙掌1上设有储油囊11，储油囊11外设有密封装置，储油囊11下端设有通油孔道10；所述牙掌1上设有喷嘴15，喷嘴15上设有喷嘴密封装置；所述牙掌1通过其下端的轴颈5与牙轮2相连接；所述牙轮外壁2a有设有牙齿3，内部有内腔2b；所述钻头轴颈5与牙轮内腔2b相匹配形成轴承摩擦副；所述牙轮2与钻头轴颈5的配合面上设有密封圈8及防止牙轮脱落的锁紧滚珠4。

按上述方案：所述的进油孔道5c并沿着钻头轴颈5的中心线开设，延伸至钻头小轴颈5b的止推端面；所述的回油孔道5d，沿大轴颈5a径向开设，连通进油孔道5c与轴承腔7。

所述进油孔道、回油孔道与轴承腔形成润滑脂循环回路，实现润滑脂的循环利用，改善轴承的润滑情况；

按上述方案：所述密封圈8设于钻头大轴颈5a的根部，与钻头轴颈5、牙轮内腔2b形成轴承腔7。

按上述方案：所述位于牙掌1上的储油囊11，储油囊11通过其下端设有的通油孔道10、进油孔道5c相通，能够在钻井过程中为润滑脂循环回路稳定补充润滑脂，保证润滑可靠，同时可防止钻井液进入轴承加剧轴承的磨损。

按上述方案：钻头轴颈导油槽有3种组合输送结构：(I)钻头大轴颈5a上沿轴向设有槽深1～2cm的直导油槽5h，小轴颈5b设有槽深1～2cm的螺旋导油槽5k；(II)钻头大轴颈5a上设有槽深1～2cm的螺旋导油槽5e，小轴颈上不设导油槽；(III)钻头大轴颈5a、小轴颈5b上均设有槽深1～2cm的螺旋导油槽。组合输送结构(I)、(III)可利用牙轮2与钻头小轴颈5b组成的结构的螺旋输送作用，给润滑脂一定压力，将润滑脂输送至轴承腔7，实现轴承的有压润滑，提高轴承的润滑效果，同时平衡密封圈8两侧的压差，而组合输送结构(II)以钻头钻进过程中牙轮绕自身轴线自转为动力，牙轮2带动粘度很高的润滑脂在牙轮内壁2a与钻头小轴颈5b的配合面上运动，将润滑脂输送至轴承腔，实现和组合结构(I)、(III)一样的功能。

所述螺旋导油槽5k按组合输送结构不同，可设于钻头的大轴颈5a或小轴颈5b上，所述螺旋槽5k的螺纹头数可以为单头或多头。

按上述方案：所述的进油孔道5c入口处上设有过滤网9，过滤润滑脂中的杂质，保证润滑脂的清洁、干净，减小轴承摩擦副的磨损。

按上述方案：所述钻头大轴颈5a的止推端面5f上与小轴颈5b的止推端面3e上分别开设有扇型槽5g，保证润滑脂循环回路畅通，收集轴承腔7内的杂质。

Claims (4)

1.本发明涉及一种具有自动循环功能的钻头密封结构，包括牙掌(1)、牙轮(2)、牙齿(3)、锁紧滚珠(4)、钻头轴颈(5)、轴颈导油槽(6)、轴承腔(7)、密封圈(8)、过滤网(9)、通油孔道(10)、储油囊(11)、储油囊密封装置(储油囊密封圈(12)、储油囊压盖(13)、储油囊挡圈(14)、喷嘴(15)、喷嘴密封装置(喷嘴密封圈(16)和喷嘴挡圈(17))，其特征在于：所述钻头轴颈(5)上开有进油孔道(5c)和回油孔道(5d)；所述牙掌(1)上设有储油囊(11)，储油囊(11)外设有储油囊密封圈(12)、储油囊压盖(13)、储油囊挡圈(14)，储油囊(11)下端设有的通油孔道(10)与进油孔道(5c)相通；所述牙掌(1)通过其下端的轴颈(5)与牙轮(2)相连接；所述牙轮外壁(2a)有设有牙齿(3)，内部有内腔(2b)；所述钻头轴颈(5)与牙轮(2)相匹配形成轴承摩擦副；所述牙轮(2)与钻头轴颈(5)的配合面上设有密封圈(8)及防止牙轮脱落的锁紧滚珠(4)。

2.根据权利要求1所述的具有自动循环功能的钻头密封结构，其特征在于钻头密封装置润滑脂具有自动循环功能：所述的钻头轴颈(5)上开设有的进油孔道(5c)，通过通油孔道(10)与储油囊(11)相连通，并沿着钻头轴颈(5)的中心线开设，延伸至钻头小轴颈(5b)的止推端面(5e)；所述的回油孔道(5d)，沿大轴颈(5a)径向开设，连通进油孔道(5c)与轴承腔(7)；进油孔道、回油孔道和轴承腔组成润滑脂循环回路；储油囊的润滑脂先通过通油孔道，再流经进油孔道，进入轴承腔，利用的轴颈的螺旋结构的螺旋输送功能，将润滑脂通过回油孔道送回到进油孔道，实现润滑脂的循环利用。

3.根据权利要求1所述的具有自动循环功能的钻头密封结构，其特征在于钻头密封装置润滑脂具有自动补偿功能：所述位于牙掌(1)上的储油囊(11)通过其下端设有的通油孔道(10)与进油孔道(5c)相通，能够在钻井过程中为润滑脂循环回路持续稳定补充润滑脂，保证润滑可靠，同时又可防止钻井液进入轴承。

4.根据权利要求1所述的具有自动循环功能的钻头密封结构，其特征在于钻头轴颈导油槽有3种组合输送结构，亦即：(I)钻头大轴颈(5a)上沿轴向设有1～2cm的直导油槽(5h)，小轴颈(5b)设有槽深1～2cm的螺旋导油槽(5k)；(II)钻头大轴颈(5a)上设有槽深1～2cm的螺旋导油槽(5k)，小轴颈(5b)上不设导油槽；(III)钻头大轴颈(5a)和小轴颈(5b)上均设有槽深1～2cm的螺旋导油槽(5k)。