CN105283622B - 具有动态金属密封件的钻头 - Google Patents

Abstract

在一个方面中，公开一种钻头，所述钻头在一个实施例中可包括钻头主体、在所述钻头主体上的旋转切削件、以及在所述钻头主体与旋转切削件之间的金属密封件，所述金属密封件包括第一密封构件，以及第二密封构件，所述第二密封构件具有与所述第一密封构件密封接触的第一端部、相对于所述第一端部固定的第二端部以及在所述第一端部与第二端部之间的偏置构件，所述偏置构件响应于施加于钻头上的外部载荷调节第一密封构件上的载荷。

Description

具有动态金属密封件的钻头

优先权声明

本申请为“Drill Bit with a Dynamic Metal Seal(具有动态金属密封件的钻头)”要求于2013年5月3日提交的美国专利申请第13/886,911号的权益。

技术领域

本发明总体上涉及钻头以及利用所述钻头的、用于钻探井筒的系统。

背景技术

用钻柱钻探油井(还被称为“井筒(wellbores)”或“井眼(boreholes)”)，所述钻柱包括具有钻井组件(还被称为“井底组件(bottomhole assembly)”或“BHA”)的管状构件。BHA通常包括提供与各种参数有关的信息的装置和传感器，所述各种参数涉及钻井作业(“钻井参数”)，BHA的行为(“BHA”参数)以及与井筒周围的地层有关的参数(“地层参数”)。通过使钻柱旋转和/或通过BHA中的钻井马达(还被称为“泥浆马达”)使附接至BHA的底部端部的钻头旋转，以使岩层崩解来钻探井筒。钻头在钻探井筒期间经受较大的机械应力。某些钻头(比如滚动牙轮钻头以及混合钻头)在非旋转构件与每个旋转牙轮之间包括轴承密封件，所述每个旋转牙轮在滚动牙轮上包含切削件。在钻井期间，除了别的之外，牙轮上的载荷由于钻头的旋转速度的改变、地层的特性、等等而连续地改变。

钻头中的轴承密封件的功能是：通过阻止钻井流体和固体的进入而保护轴承以及对用来使轴承和密封件两者润滑的润滑剂进行密封。存在两种主要的密封件类型：弹性密封件以及金属面密封件；所述两者都包含密封密封面以及为密封面起作用的弹性构件。密封构件通常由为钻井环境所配制的弹性体化合物构成。在地热钻井中，井中的温度可能上升至300℃以上并且引起密封件中所使用的弹性化合物的热降解，导致轴承故障并因此导致过早的钻头故障。

本发明提供一种解决上述问题中的某些的金属密封件。

发明内容

在一个方面中，公开一种钻头，所述钻头在一个实施例中可包括钻头主体、在所述钻头主体上的旋转切削件、以及在所述钻头主体与旋转切削件之间的金属密封件，所述金属密封件包括第一密封构件，以及第二密封构件，所述第二密封构件具有与所述第一密封构件密封接触的第一端部，相对于所述第一端部固定不动的第二端部以及在所述第一端部与第二端部之间的偏置构件，所述偏置构件响应于施加于钻头上的外部载荷调节第一密封构件上的载荷。

在另一个方面中，提供一种钻探井筒的方法，所述钻探井筒的方法在一个实施例中包括：输送钻柱，所述钻柱在其端部处具有钻头，其中所述钻头包括钻头主体、在所述钻头主体上的旋转切削件、以及在所述钻头主体与旋转切削件之间的金属密封件，所述金属密封件包括第一密封构件以及第二密封构件，所述第二密封构件具有与所述第一密封构件密封接触的第一端部，相对于所述第一端部固定不动的第二端部，以及在所述第一端部与第二端部之间的偏置构件，所述偏置构件响应于施加于钻头上的外部载荷调节第一密封构件上的载荷；以及使用所述钻头钻探井筒。

相当宽泛地总结本文中所公开的装置和方法的某些特征的示例，以便可更好地理解其以下详细描述。当然，存在在下文中所公开的装置和方法的另外的特征，其将构成所附权利要求的主题。

附图说明

参考附图最好地理解本发明，其中总体上为相同的元件分配相同的附图标记，其中：

图1为示例性钻井系统的示意图，其中所述示例性钻井系统包括具有根据本发明的一个实施例所构成的钻头的钻柱；

图2示出根据本发明的一个实施例所构成的示例性三牙轮钻头的等距视图；

图3示出图2的钻头的截面剖视图，其示出根据本发明的一个实施例的、在牙轮与钻头主体之间的密封件；

图4示出图2的钻头的截面剖视图，其示出根据本发明的另一个实施例的、在牙轮与钻头主体之间的密封件；

图5示出根据本发明的一个实施例所构成的密封件的剖视图；

图6示出根据本发明的另一个实施例所构成的密封件的剖视图；

图7示出根据本发明的再一个实施例所构成的密封件的剖视图；以及

图8示出根据本发明的再一个实施例所构成的密封件的剖视图。

具体实施方式

图1为示例性钻井系统100的示意图，示例性钻井系统100可利用根据本发明所构成的钻头。图1示出具有上部段111(具有安装于其中的套管112)和下部段114(用钻柱118钻探)的井筒110。钻柱118显示为包括管状构件116，所述管状构件116具有附接于它的底部端部处的BHA 130。可通过将钻探管段接合而构成管状构件116或者管状构件116可为连续管。钻头150显示为附接至BHA 130的底部端部，用于使岩层119崩解以钻探具有选定的直径的井筒110。

钻柱118显示为被从地表167处的钻机180输送至井筒110中。为便于解释说明，所述示例性钻机180为陆上钻机。本文中所公开的装置和方法还可与用于在水下钻探井筒的海上钻机一起使用。可利用转盘169或者联接至钻柱118的顶部驱动装置(未示出)使钻柱118旋转，以使BHA 130并因此使钻头150旋转来钻探井筒110。可将钻井马达155(还被称为“泥浆马达”)设置于BHA 130中以使钻头150旋转。钻井马达155可单独地用于使钻头150旋转或者可用于通过钻柱118将旋转叠加于钻头上。可将控制单元(或控制器)190(其可为基于计算机的单元)放置于地表167处，以接收并处理由钻头150中的传感器以及BHA 130中的传感器所传送的数据，以及以控制BHA130中的各种装置和传感器的选定的操作。地表控制器190在一个实施例中可包括处理器192，用于储存数据的数据储存装置(或者计算机可读介质)194，算法以及计算机程序196。数据储存装置194可为任何合适的装置，包括但不限于，只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)，闪存，磁带，硬盘以及光盘。在钻井期间，钻井流体179在压力下被从钻井流体源泵送至管状构件116中。钻井流体在钻头150的底部处排出并且经由钻柱118与井筒110的内侧壁142之间的环形空间(还被称为“环空”)返回至所述地表。

BHA 130可进一步包括一个或多个井下传感器(总体通过数字175标示)。传感器175可包括任何数量和类型的传感器，包括但不限于，通常被称为随钻测量(MWD:measurement-while-drilling)传感器或者随钻测井(LWD:logging while drilling)传感器的传感器，以及提供与BHA 130的行为(比如钻头的旋转(每分钟转数或者“RPM”)、工具面、压力、振动、回旋、弯曲、以及粘着滑动)有关的信息的传感器。BHA130可进一步包括控制BHA130中的一个或多个装置和传感器的操作的控制单元(或者控制器)170。除了别的之外，控制器170可包括电路以处理来自传感器175的信号，处理器172(比如微处理器)以处理数字化信号，数据储存装置174(比如固态存储器)，以及计算机程序176。处理器172可处理数字化信号，控制井下装置和传感器，以及经由双向遥测单元188与控制器190交流数据信息。

仍然参考图1，钻头150包括钻头主体152以及许多旋转切削构件154(比如其上具有许多切削件156的滚动牙轮)，所述旋转切削构件154在钻头150旋转时围绕钻头主体152上的枢轴点158旋转。如参考图2-8所更详细地描述的，根据本发明的一个实施例构成的、在旋转构件154与钻头主体152之间的密封件160在旋转构件与钻头主体之间提供密封。

图2示出根据本发明的一个实施例构成的示例性钻头200。所示钻头200为具有钻头主体210的三牙轮钻头，所述钻头主体210包括颈部或颈部段220以及柄部或柄部段230。颈部具有锥形侧222，其具有用于将钻头200附接至钻井组件(图1的元件130)的箱形段(未示出)的螺纹224。柄部230具有纵向或轴向段232。每个滚动牙轮242a,242b等等围绕头部或枢轴构件在柄部230的底部处与钻头主体210旋转地接合。每个牙轮(242a,242b)具有切削件242a和242b。当钻头旋转时，牙轮240a,240b旋转，致使切削件242a,242b旋转，这使地层崩解。如参考图3-9所更详细地描述的，根据本发明的一个实施例，滚动牙轮240a,240b等等中的每一个在旋转牙轮与柄部230以及因此与钻头主体210之间具有轴承密封件。

图3示出图2的钻头的截面300的剖视图，其示出根据本发明的一个实施例构成的、在钻头主体310与可旋转牙轮320之间的密封件。牙轮320围绕枢轴段330旋转。密封件350设置于牙轮320与钻头主体310之间。在一个方面中，密封件350为包括第一密封构件352的金属密封件，第一密封构件352放置于牙轮320中的凹槽322中。密封件350进一步包括第二密封构件360，所述第二密封构件360具有第一端部362，第二端部364以及在所述第一和第二端部之间的偏置构件366。在图3的具体构造中，第一端部362固定至钻头主体310并且第二端部364与第一密封构件352密封接触。第一密封构件具有圆柱状表面或球状表面352a，其与第二密封构件360的第二端部364的相配的圆柱状表面或球状表面364a密封接触。在一个方面中，第二密封构件的第一端部362可通过任何合适的机构(包括但不限于，压入配合)附接至钻头主体310。在图3的钻头的具体构造中，密封构件360的第一端部362相对于钻头主体310固定并且因此为静态端部。密封构件360的第二端部364相对于第一密封构件352为活动端部并且因此为动态端部。在多个方面中，密封表面和密封构件由合适的非弹性体材料构成。将球轴承370a-370n放置于旋转牙轮320与固定不动的枢轴段330之间，以将选定的载荷(本文中还被称为“预加载”)提供于密封件350上以及保持旋转牙轮320。预加载使表面352a和364a相互挤压，从而围绕枢轴段330在旋转牙轮320与钻头主体310之间提供密封。在运行中，当钻头200旋转时，牙轮320围绕枢轴段330旋转。表面352a相对于表面364a旋转。在钻井期间，钻柱(图1，元件118)将载荷施加于钻头上，载荷在钻井期间由于岩层和其它钻井因素的改变而变化。由于钻头上的载荷变化并且旋转牙轮320围绕枢轴段330运动，偏置构件366调节施加于密封构件360的第二端部364上的力或压力并且在多个方面中将密封件350上的载荷维持于选定的范围内。在一个方面中，可将偏置构件366构造成在钻头上一定载荷范围内将密封件350上的载荷维持恒定或基本恒定。

图4示出图2的钻头的截面400的剖视图，其示出根据本发明的另一个实施例构成的、在钻头主体310与可旋转牙轮320之间的密封件450。牙轮320围绕头部段(还被称为“枢轴”或“枢轴段”)330旋转。密封件450设置于牙轮320与钻头主体310之间。在一个方面中，密封件450可为包括第一密封构件452的金属密封件，第一密封构件452放置于头部段330中的凹槽432中。密封件450进一步包括第二密封构件460，所述第二密封构件460具有第一端部462，第二端部464以及在所述第一和第二端部之间的偏置构件466。在图4的具体构造中，第一端部462固定至牙轮320并且第二端部464与第一密封构件452密封接触。第一密封构件452具有圆柱状表面或球状表面452a，其与第二密封构件460的第二端部464的相配的圆柱状表面或球状表面464a密封接触。在一个方面中，第二密封构件460的第一端部462可通过任何合适的机构(包括但不限于，压入配合)附接至牙轮320。在图4的钻头的具体构造中，密封构件460的第一端部462为固定不动的并且因此为静态端部。密封构件460的第二端部464为活动端部并且因此为动态端部。将球轴承370a-370n放置于旋转牙轮320与固定不动的枢轴段330之间，以将选定的载荷(本文中还被称为“预加载”)提供于密封件450上以及保持旋转牙轮320。预加载使表面452a和464a相互挤压，从而围绕枢轴段330在旋转牙轮320与钻头主体310之间提供密封。在运行中，当钻头200旋转时，牙轮320围绕枢轴段330旋转。表面464a相对于表面452a旋转。在钻井期间，钻柱(图1，元件118)将载荷施加于钻头上，载荷在钻井期间由于岩层和其它钻井因素的改变而变化。由于钻头上的载荷变化并且旋转牙轮320围绕枢轴段330运动，偏置构件466调节施加于密封构件460的第二端部464上的力或压力并且在多个方面中可将密封件450上的载荷维持于选定的范围内。在一个方面中，可将偏置构件466构造成在钻头上一定载荷范围内在密封件450上维持恒定的或基本恒定的载荷。在图4的构造中，密封件的静态端部附接至钻头的旋转构件而密封件的动态端部相对于钻头主体中的密封构件旋转。

图5示出根据本发明的另一个实施例构成的密封构件500的剖视图。密封构件500包括静态端部510，动态端部520以及在所述静态端部510与动态端部520之间的偏置件或者偏置构件或元件530。所述静态端部可包括竖直段512以及水平段514，所述水平段514用于将静态端部固定至钻头的旋转构件中的一个或者固定至枢轴段或钻头主体。动态端部520包括密封面522，所述密封面522被构造成根据具体情况与旋转构件或钻头主体中的密封表面密封接触。偏置构件530为具有选定的长度L1和选定的厚度的纵向构件。在一个方面中，偏置构件530对于偏置构件的一段具有宽度D1并且对于另一段具有厚度D1’。在一个方面中，偏置构件530具有第一侧部532以及第二侧部534。侧部532或534中的至少一个或两个可为弧形。偏置构件530的厚度可沿偏置构件530的长度L1变化。当静态端部510受到一定的力(比如由钻头上的重量所形成的)时，偏置构件的几何形状限定动态端部520上所生成的载荷。当受到外部载荷时，偏置构件530在静态端部510与动态端部520之间弯曲。可将密封构件500的尺寸选择成维持密封件上的载荷处于预加载荷周围的选定的范围内或者将密封件上的载荷维持基本恒定。

图6示出根据本发明的另一个实施例构成的密封构件600的剖视图。密封构件600包括静态端部610、动态端部620以及在所述静态端部610与动态端部620之间的偏置件或者偏置构件或元件630。静态端部610包括锚定构件612，所述锚定构件612用于将静态端部610固定至钻头的旋转构件中的一个或者固定至枢轴段或钻头主体。动态端部620包括密封面622，所述密封面622被构造成根据具体情况与旋转构件或钻头主体中的密封表面密封接触。偏置构件630具有选定的长度L2和选定的厚度。在一个方面中，偏置构件630具有第一侧部632以及第二侧部634。在图6的具体实施例中，偏置构件具有恒定的或基本恒定的宽度D2但是可沿它的长度具有不同的宽度。在一个方面中，偏置构件630包括两个弧形部640以及642，其在载荷被施加至偏置构件上时弯曲以将选定的压力施加至密封表面622上。可将偏置构件630的几何形状构造成在静态端部610受到一定的力(比如由钻头上的重量所形成的力)时限定动态端部620上所生成的载荷。可将密封构件600的几何形状和尺寸选择成将密封件上的载荷维持处于预加载荷周围的选定的范围内或者将密封件上的载荷维持基本恒定。

图7示出根据本发明的又一个实施例构成的密封构件700的剖视图。密封构件700包括静态端部710，动态端部720以及在静态端部710与动态端部720之间的偏置件或者偏置构件或元件730。静态端部710包括竖直段以及水平段714，所述水平段714用于将密封元件700锚定至钻头的旋转构件或锚定至钻头主体。所述动态端部包括密封面或表面722，其被放置成根据具体情况与旋转构件或钻头主体中的密封表面密封接触。在图7的具体构造中，偏置构件730具有长度L3和宽度D3并且包括大致从静态端部710延伸至动态端部720的单一的弧形部740。宽度D3可为恒定的或者可沿长度L3变化。偏置构件730在载荷被施加至静态端部时围绕弧形部740弯曲以将载荷施加于动态端部上。施加至动态端部的载荷可在密封件上维持选定的载荷(其在一个方面中可为恒定的载荷)。

图8示出根据本发明的再一个实施例构成的密封构件800的剖视图。密封构件800包括静态端部810、动态端部820以及在静态端部810与动态端部820之间的偏置件或者偏置构件或元件830。静态端部810包括竖直段812以及水平段814，所述水平段814用于将密封元件800锚定至钻头的旋转构件或锚定至钻头主体。动态端部820包括密封面或表面822，其根据具体情况与旋转构件或钻头主体中的密封构件密封接触。在图8的具体构造中，偏置构件830具有长度L4和宽度D4，宽度D4可为恒定的或者沿长度L4变化。在一个方面中，偏置构件可包括多个弧形段，比如段840、842以及844。偏置构件830在载荷被施加至静态端部810时围绕弧形部840、842以及844弯曲以将载荷施加于动态端部820上。施加至动态端部820的载荷可在密封件上维持选定的载荷(其在一个方面中可为恒定的载荷)。

尽管已经参考旋转牙轮钻头对密封件进行了描述，但是可将本文中所描述的密封件用于具有相对于彼此旋转构件的任何钻头中。另外，根据本文中所描述的各个方面所构成的密封构件可包括这样的几何形状，在该几何形状中两个端部相对于其间的偏置构件或柔性构件可为动态的或活动的。可以以任何合适的机构将这样的密封构件保持于钻头中的位置中。

因此，在多个方面中，公开一种具有金属密封件的钻头，其中所述密封件可具有与弹性密封件相似的顺应性但是具有耐热效应，所述热效应常常在利用弹性密封构件的密封件中导致弹性体故障。在多个方面中，通过密封构件的几何设计实现密封件设计的顺应性特性。在多个方面中，几何设计可包括：动态端部或密封段；偏置段或构件，以及静态或锚定段或端部。在另一个方面中，几何设计可包括两个动态端部或密封段以及一个偏置段或构件。动态段包括一表面以与配合表面形成动态密封。可将静态端部放置于钻头的旋转构件中或放置于钻头主体中。偏置弹簧段提供弹簧作用，所述弹簧作用在密封件上提供起作用的封闭力，所述起作用的封闭力使密封件抵抗由载荷(流体动压力)以及旋转构件(比如牙轮)的运动所生成的开启力。在一个实施例中，锚定段将密封构件连接至密封盖表面以及形成静态端部。可通过冷缩配合将密封构件安装至钻头的头部轴颈(枢轴段)的底部。一种替代的安装方法可为通过任何合适的方法(包括但不限于：焊接，钎焊以及附着粘合)将密封构件的静态端部(底座)附接至头部凸台。在一个方面中，密封件可具有这样的加载挠曲特征：其相对于水平线具有渐近线而不是抛物线形状。这可使密封件能够在密封件的运行挠度范围内保持几乎恒定的密封力(面载荷)。密封件可替代地在密封件的运行挠度范围内呈现具有恒定斜度的加载挠曲特征。这使密封件能够保持与挠度成比例的密封力(面载荷)。

可通过任何合适的方式(包括但不限于，精密加工、铸造或冲压)制造密封件。精密加工可确保部件的尺寸的精确度。可使用三维印刷方法(比如粉末金属的选择性激光融化或选择性激光烧结)形成密封件的几何形状。所加工的密封元件可由耐磨合金组成以减小滑动表面的摩擦和磨损。耐磨合金包括旋节地硬化的铜合金。在这样的情况下，密封面在精密加工之后通常将不需要深加工但是可通过用合适的耐磨材料(比如碳化钨，氮化钛，合成金刚石，或类金刚石，等等)或者更润滑的材料(比如在市场上被称为特氟龙(PTFE)，二硫化钼(MoS2)，等等)涂覆涂层而改进所述表面。可通过现有技术中已知的很多化学或物理气相沉积过程或者电镀中的一种涂覆所述涂层。

另外，可将密封构件的密封件几何形状冷缩配合或者替代地保持并静态地密封至旋转构件(比如牙轮)，并且动态密封处于密封件内径与头部轴承轴颈的底部之间。这可减小动态密封直径，并且因此减小密封件在运行期间的滑动速度。该构造由于动态界面还可有助于密封件与头部之间的清洁。密封件还可在挤制密封表面的下侧部与静态面之间具有次级或附加起作用的元件。对于图4-8中所示的密封构件，这将存在于动态密封表面以及固定有它的头部之间。替代地，若密封件被固定至牙轮，则次级起作用的元件将放置于牙轮与动态密封件内径之间。

为便于解释说明，上述发明涉及某些具体实施例。然而，对于本发明所属领域的技术人员而言，这些实施例的各种改变和修改将变得显而易见。本发明包含所附权利要求的范围和精神内的所有这些改变和修改。

Claims (16)

1.一种钻头，包括：

固定不动的主体；

旋转构件；

第一密封表面；以及

暴露至润滑剂的非弹性体密封构件，所述非弹性体密封构件包括：具有与所述第一密封表面接触的第二密封表面的第一端部、被固定的第二端部、以及在所述第一端部与第二端部之间的偏置构件；其中，所述非弹性体密封构件为使用同一种金属材料制成的一体式金属构件。

2.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述第一密封表面放置于所述旋转构件中，并且所述非弹性体密封构件的第二端部固定至所述固定不动的主体。

3.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述非弹性体密封构件响应于外部载荷而在第二密封表面上提供载荷。

4.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述非弹性体密封构件被预加载以在第二密封表面上提供选定的载荷，并且所述偏置构件将所述第二密封表面上的所述选定的载荷维持于选定的范围内。

5.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述偏置构件为纵向构件，所述纵向构件沿纵向构件的至少一个侧部具有弧形部。

6.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述偏置构件沿偏置构件的两个侧部具有弧形部。

7.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述旋转构件为围绕所述固定不动的主体上的枢轴旋转的牙轮。

8.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述第一密封表面和第二密封表面包括耐磨合金。

9.一种钻头，包括：

钻头主体；

在所述钻头主体上的旋转切削件；以及

在所述钻头主体与旋转切削件之间的金属密封件，其包括：第一密封构件；第二密封构件，所述第二密封构件具有与所述第一密封构件密封接触的第一端部、第二端部以及在所述第一端部与第二端部之间的偏置构件，所述偏置构件响应于施加于钻头上的载荷调节第一密封构件上的载荷，其中，所述第二密封构件为使用同一种金属材料制成的一体式部件。

10.根据权利要求9所述的钻头，其特征在于，所述金属密封件被预加载，并且所述偏置构件将密封件上的载荷维持于选定的范围内。

11.根据权利要求9所述的钻头，其特征在于，所述第二密封构件被压入配合于所述钻头主体和旋转切削件中的一个中。

12.根据权利要求9所述的钻头，其特征在于，所述第一密封构件旋转并且所述第二密封构件的第一端部相对于所述第一密封构件固定不动。

13.一种制造钻头的方法，所述方法包括：

提供具有钻头主体和旋转构件的钻头；以及

在所述钻头主体与旋转构件之间设置密封件，所述密封件包括：第一密封构件；以及第二密封构件，所述第二密封构件具有与所述第一密封构件密封接触的第一端部、相对于所述第一端部固定的第二端部以及在所述第一端部与第二端部之间的偏置构件，所述偏置构件响应于施加于钻头上的外部载荷调节第一密封构件上的载荷，其中，设置密封件包括提供所述第二密封构件，所述第二密封构件为使用同一种金属材料制成的一体式部件。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述偏置构件包括至少一个弧形部。

15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括将所述第一密封构件放置于所述旋转构件中，将所述第二密封构件的第二端部固定至所述钻头主体上，以及将所述第二密封构件的第一端部放置成与所述第一密封构件密封接触。

16.一种钻头，包括：

固定不动的主体；

旋转构件；以及

在所述旋转构件与固定不动的主体之间的密封件，所述密封件包括非弹性体密封构件以将润滑剂保持于密封区域中，所述非弹性体密封构件包括活动端部、固定端部以及在所述活动端部与固定端部之间的偏置构件，所述非弹性体密封构件为使用同一种金属材料制成的一体式金属构件。