CN105452590A - 井工具内部密封件的牺牲间隔件 - Google Patents

Abstract

一种井工具，其可包括：内部密封件和外部密封件，插入在井工具的多个部件之间；以及周向间隔件，防止内部密封件与多个部件中的一者之间接触，这些部件中的一者相对于内部密封件移位。在井工具的部件之间进行密封的方法可包括：将外部密封件密封地接合在多个部件之间；以及将内部密封件设置在这些部件之间，包括将内部密封件间隔离开多个部件中的一者，由此内部密封件仅在所述井工具被设置在井中之后与部件中的一者密封地接触。一种钻头可包括：内部密封件和外部密封件，插入在钻头的多个部件之间；以及周向间隔件，防止内部密封件与部件中的一者之间接触，周向间隔件相对于钻头的润滑剂供应源位于外部密封件的上游。

Description

井工具内部密封件的牺牲间隔件

技术领域

本公开一般来说涉及结合地下井利用的设备和执行的操作，且在下文描述的一个实例中，更具体地说提供具有周向间隔件的井工具内部密封件，周向间隔件暂时防止内部密封件与井工具的部件的密封接合。

背景技术

井对密封件来说是特别严苛的环境。动态密封件可能过早失效，这是因为密封件暴露于井流体和井中的磨粒。

因此，应了解，在井工具的部件之间的密封领域需要持续的改进。无论是否涉及动态密封，此类改进可以是有用的。

附图说明

图1是可体现本公开的原理的井工具的代表性部分截面图。

图2是井工具的臂的代表性截面图。

图3是井工具的部件之间的内部和外部密封件的代表性放大比例截面图。

图3B是沿着图3的线3B-3B截取的内部密封件、井工具的部件和其之间的周向间隔件的进一步的代表性放大比例截面图。

图4是内部和外部密封件的另一实例的代表性截面图。

图5至图7是可与井工具一起使用的周向间隔件的实例的进一步的代表性放大比例截面图。

图8是井工具的均压装置的代表性截面图。

具体实施方式

图1代表性地说明了井工具10，其可体现本公开的原理。然而，应清楚地理解，井工具10和与其相关联的方法实际上仅仅是本公开的原理的应用的一个实例，且广泛多种其它实例是可能的。因此，本公开的范围完全不限于钻头10和本文中描述和/或图式中示出的方法的细节。

在图1的实例中，井工具10是本领域技术人员已知类型的钻头，称作牙轮钻头或三牙轮钻头，因为它使用多个上面具有大地接合切割元件14的大体上圆锥形的滚轮或牙轮12。然而，其它类型的井工具(诸如钻井稳定器、扩孔器等)也可并入有本公开的原理。

多个牙轮12中的每一者旋转地固定至从钻头的主体18向下延伸的相应的臂(牙爪)16(如图1所示)。在此实例中，每个有三个牙轮12和臂16。

然而，应清楚地理解，本公开的原理可并入至具有其它数目的牙轮和臂、其它类型的切割结构(例如，未必是牙轮和切割元件)的钻头和其它类型的钻头和钻头配置中。图1中示出的钻头仅仅是可利用本文中描述的原理的广泛多种钻头的一个实例。

图2是井工具10的多个臂16中的一者的代表性截面图。在此视图中，可见牙轮12围绕臂16的轴颈20旋转。保持滚珠22用于牙轮12与轴颈20之间以将牙轮固定在臂16上。

经由通道26从内部腔室34中的润滑剂供应源24向牙轮12与轴颈20之间供应润滑剂。压力补偿器28(包括例如浮动活塞或隔膜)确保在钻头用以钻井筒时腔室34中的润滑剂供应源24与钻头外部32的井环境处于基本上相同的压力。在一些实例中，补偿器28可被配置用来维持润滑剂供应源24与井环境之间的预定压力差(例如，通过在活塞上提供差动活塞区域)。

环形空间44(图3和图4中更详细地可见)径向地形成在牙轮12与轴颈20之间，以提供充足间隙使牙轮12配合在轴颈20上方且相对于轴颈20自由地旋转。在附图标记“31”处(其是来自井环境32的流体可趋向于进入环形空间44的位置)大体上指示出环形的流体进入路径31。因此，提供一对密封件30a、30b以防止碎屑和井流体从该对密封件30a、30b的一端进入环形空间44，且防止润滑剂从环形空间44逃逸和防止润滑剂供应源24从该对密封件30a、30b的另一端逃逸。在此实例实施方案中，密封件30a、30b收纳在形成于牙轮12中的压盖或凹槽38中。尽管附图中示出两个密封件30a、30b，但可使用任何数目的密封件而与本公开的范围保持一致。

当牙轮12围绕轴颈20旋转时，密封件30a、30b优选地与牙轮12一起旋转且滑动地密封轴颈20的外表面20a。然而，在其它实例中，密封件30a、30b可在轴颈20上保持静止。举例来说，密封件30a、30b可设置在形成在轴颈20上的凹槽中，其中牙轮12相对于轴颈20和密封件30a、30b旋转，使得密封件30a、30b替代地滑动地密封牙轮12。在一些实例中，密封件30a、30b可相对于另一静止表面诸如形成在轴颈20上的凹凸部或凸台(未示出)，或密封地附接至轴颈的由不同材料制成的套管(未示出)而旋转。

牙轮12和轴颈20是井工具10的两个部件，牙轮和轴颈之间需要使用密封件30a、30b进行密封。在其它钻头中，或在其它类型的井工具中，可能需要在其它部件之间进行密封。因此，应清楚地理解，本公开的范围不限于牙轮与轴颈之间的密封。密封件30a、30b(或其它密封件)可用于任何类型的井工具部件之间的密封，而与本公开的原理保持一致。

密封件30a在下文的进一步描述中称作“外部”密封件，这是因为它是在两个密封件30a、30b中首先暴露于来自井环境32的可能沿着环形流体进入路径31进入环形空间44的任何流体的。另一密封件30b在下文的进一步描述中称作“内部”密封件，这是因为它相对于环形流体进入路径31，处在外部密封件30a的下游且因此不会暴露于来自井环境32的流体，除非外部密封件30a不能执行其密封功能。

图3是井工具10的部件(牙轮12和轴颈20)的代表性放大比例截面图，其进一步详细说明外部密封件30a和内部密封件30b的细节、以及密封件30a、30b与井工具10的部件之间的合作关系。在此视图中，可见牺牲性的周向形成的间隔件(即，“周向间隔件”)36径向地间隔内部密封件30b使其径向地离开轴颈20的表面20a。周向间隔件36可与牙轮12围绕轴颈20的旋转轴线基本上共轴。尽管未在所有实施方案中严格要求，但此实施方案中的周向间隔件36完全环绕轴颈20，且因此沿着轴颈20的圆周的基本上全360度进行密封。因此，当最初构造井工具10时，内部密封件30b可相对于轴颈20被构造和定向，使得内部密封件不会在沿着轴颈20的圆周的任何位置处与轴颈20密封地接合。

外部密封件30a与轴颈20(和对应凹槽38)密封地接合，且因此外部密封件至少最初有效地防止井流体进入井工具10，井流体在井工具中例如会污染其中的润滑剂，且导致牙轮12与轴颈之间的过度摩擦和磨损。然而，由于牙轮12与轴颈20之间存在相对运动，外部密封件30a是动态密封件且随着时间井流体中的磨粒和/或表面20a上的不规则会导致外部密封件的腐蚀、磨损或其它损坏，使得其不再执行其密封功能。

周向间隔件36径向地间隔内部密封件30b使其最初离开表面20a。当牙轮12围绕轴颈20旋转时，密封件30b与牙轮12一起旋转，如上所述。通过对材料配置和参数的慎重选择，周向间隔件36在牙轮12围绕轴颈20旋转时也与牙轮12和内部密封件30b一起移动。举例来说，可选择牙轮12与内部密封件30b之间、内部密封件30b与周向间隔件36之间，和/或周向间隔件36与轴颈20之间的摩擦系数和对应相对摩擦，使得与周向间隔件36与轴颈20之间的摩擦相比，内部密封件30b与周向间隔件36之间具有较大摩擦。作为图3B中详细示出的另一实例，圆周间隔件36的与内部密封件30b接触的表面可被纹理化或以其它方式形成有突起和/或凹处37，以增大间隔件36与内部密封件30b之间的摩擦，而圆周间隔件36的与轴颈20相对的表面39可为光滑的以减小摩擦。因此，最初，当外部密封件30a保持无损伤且执行其密封功能时，在周向间隔件36与轴颈20之间有相对运动(滑动)，但在内部密封件30b与牙轮12或周向间隔件36中的任一者之间没有相对运动(滑动)。因此，在内部密封件30b与邻近部件之间没有明显滑动，使得内部密封件不会在外部密封件30a对表面20a进行密封的所有(或基本上所有)时间内有明显磨损。因此，只要周向间隔件36使内部密封件间隔离开表面20a，内部密封件30b就不会充当动态密封件。周向间隔件36可由与表面20a具有相对低的摩擦系数的材料(诸如，聚四氟乙烯(PTFE)或聚醚醚酮(PEEK)制成，使得该表面不会因为间隔件与表面之间的滑动接触而明显地磨损。

如果外部密封件30a开始泄漏，那么井流体和磨粒就会接着进入外部密封件30a与内部密封件30b之间的空间44。周向间隔件36将接着暴露于井流体和磨粒，且将相对快速地磨损，从而允许内部密封件30b与表面20a密封地接触。为了这个目的，周向间隔件36可由被选择为具有相对低的摩擦系数、和相对低的耐磨强度的材料制成。

因此，外部密封件30a和内部密封件30b在时间上连续地执行其密封功能，而不是像先前的串联密封设计中一样同时执行密封功能(但在外部密封件30a密封与内部密封件30b密封之间会存在一些重叠，这取决于周向间隔件36何时准许内部密封件与表面20a接触)。这样就延长了牙轮12与轴颈20之间存在有效密封的时间量，这是因为密封件30b仅在圆周间隔件36被充分磨损从而准许内部密封件与轴颈接触之后，才开始动态地密封表面20a(且由此发生磨损)。

应注意，尽管附图中仅示出一个内部密封件30b，但可使用任何数目的内部密封件。举例来说，额外内部密封件和周向间隔件可被布置在内部密封件30b的润滑剂侧，由此如果内部密封件30b不能执行其密封功能，那么额外内部密封件可接着如上文针对内部密封件30b所描述密封地接合表面20a。因此，本公开的范围不限于井工具10中的任何特定数目或布置的密封件。

图4是外部密封件30a和内部密封件30b和周向间隔件36的另一实例的代表性截面图。在此实例中，周向间隔件36具有修圆的和略呈椭圆形的截面，其平坦侧与表面20a接触，且修圆侧与内部密封件30b接触。

相比之下，图3的周向间隔件36实例在形式上呈矩形，其中两个臂彼此成直角延伸，一个臂位于内部密封件30b与表面20a之间，且另一臂位于内部密封件的面向外部密封件30a的一侧。因此，应了解，本公开的范围不限于周向间隔件36的任何特定配置。

图5至图7是可与井工具10一起使用的周向间隔件36的其它实例的进一步的代表性放大比例截面图。在这些实例中，均衡通道40形成在周向间隔件36的材料42中。如上所述，间隔件材料42优选地提供与表面20a的相对低的摩擦系数，但也可具有相对低的耐磨强度。

均衡通道40在内部密封件30b的相对侧之间提供跨越周向间隔件36的流体连通。用这种方式，润滑剂可流入外部密封件30a与内部密封件30b之间的环形空间44中。另外，防止在内部密封件30b和周向间隔件36上产生压差。

这些目标可使用均衡通道40实现，而无需如先前的串联密封设计中的单独的均压装置。然而，可使用单独的均压装置来取代(或外加)均衡通道40，而不脱离本公开的原理。

在图5的实例中，周向间隔件36的形状类似于图3中示出的周向间隔件实例，且均衡通道40形成在周向间隔件的外表面上。因此，当将周向间隔件36安装在井工具10中时，轴颈表面20a(见图3)将封闭通道40的一侧。

在图6的实例中，均衡通道40穿过周向间隔件36的材料42形成在内部。周向间隔件36的形状有点类似于图4的实例，但具有修圆的凸起的内表面和外表面。

在图7的实例中，周向间隔件36的形状有点类似于图4的实例，但其较平坦的内表面与内部密封件30b(见图4)接触且较圆的外表面与轴颈表面20a接触。均衡通道40形成在周向间隔件36的内表面上。因此，当将周向间隔件36安装在井工具10中时，内部密封件30b(见图4)将封闭通道40的一侧。

如上所述，可使用单独的均压装置来取代(或外加)图5至图7中示出的均衡通道40。在图8中，代表性地说明了此均压装置50的截面图。

均压装置50在此实例中用以均衡井工具10的外部32的井环境与密封件30a、30b之间的环形空间44之间的压力。在其它实例中，压力补偿器可替代性地用以维持外部32与密封件30a、30b之间的环形空间44之间的预定压力差。

在图8的实例中，均压装置50包括滑动地和密封地收纳在腔室54中的均衡活塞52。腔室54与通道56流体连通，通道56又与密封件30a、30b之间的环形空间44流体连通。

活塞52将井流体(其经由过滤器58进入腔室54)与位于活塞与环形空间44之间的腔室和通道56中的干净流体(诸如，润滑剂)分隔。在此实例中，活塞52呈弹性(例如，弹性体)滚珠或球的形式，但在其它实例中可使用其它类型的活塞、膜片、隔膜、气泡或其它压力均衡器。

均压装置50确保在周向间隔件36(见图3至图7)磨损且内部密封件与轴颈表面20a密封地接触，而外部密封件维持与轴颈外表面的密封接触的情况下跨越外部密封件30a与内部密封件30b将不会产生压力差。在一些实例中，可能不会完全防止但可基本上减少此压力差。

现在可完全了解，以上公开内容提供对井工具的部件之间的密封领域的显著进步。在上文描述的实例中，可通过防止密封件与表面接触，直到在另一密封件已在井环境中执行密封功能之后来实现延长的密封时间。

具体来说，通过以上公开内容向本领域提供井工具10。在一个实例中，井工具10可包括：外部密封件30a和内部密封件30b，其插入在井工具10的部件(诸如牙轮12与轴颈20)之间；以及周向间隔件36，其防止内部密封件30b与上述部件中的相对于内部密封件30b移位的一者(诸如轴颈20)之间接触。

与内部密封件30b的材料相比，周向间隔件36可包括具有减小的摩擦系数的材料42。在其它实例中，材料42的摩擦系数可以不比内部密封件30b低，但材料42可具有减小的耐磨强度。

外部密封件30a可位于周向间隔件36与井工具10的外部32之间。在此实例中，井流体必须通过外部密封件30a以便与周向间隔件36接触。

周向间隔件36相对于井工具10的润滑剂供应源24可位于外部密封件30a的上游。周向间隔件36在“上游”，因为沿着润滑剂供应源24与外部密封件之间的流体路径(诸如环形空间44和通道26)，其与外部密封件30a相比更靠近润滑剂供应源24。

井工具10可包括均衡通道40，其准许跨越周向间隔件36的流体连通。均衡通道40可形成在周向间隔件36中。均衡通道40可准许井工具10的润滑剂供应源24与界定于内部密封件30a与外部密封件30b之间的空间44之间的流体连通。

周向间隔件36和内部密封件30b可以是井工具10的单独元件。在其它实例中，周向间隔件36和内部密封件30b可组合为单一元件。周向间隔件36可相对于部件20移位。

周向间隔件36可位于外部密封件30a与保持滚珠22之间，保持滚珠22将牙轮12保持在井工具10的轴颈20上。井工具10可包括钻头。

上文还描述了在井工具10的部件(诸如牙轮12与轴颈20)之间进行密封的方法。在一个实例中，该方法可包括将外部密封件30a密封地接合于部件12、20之间，以及将内部密封件30b设置在部件12、20之间，这种设置包括将内部密封件30b间隔离开这些部件中的一个部件20。在此实例中，内部密封件30b仅在井工具10设置在井中之后与部件20密封地接触。

内部密封件30b可仅在跨越外部密封件30a的流体连通被准许之后与部件20密封地接触。在其它实例中，可存在一些重叠，在这样的重叠中内部密封件30a和外部密封件30b与部件20密封地接触。

间隔步骤可包括将周向间隔件36定位在内部密封件30b与部件20之间。在将井工具10设置在井中之后，周向间隔件36可磨损且进而准许内部密封件30b与部件20之间的密封接触。

钻头如上所述是可并入有本公开的原理的井工具10的一个实例。钻头可包括：外部密封件30a和内部密封件30b，其插入在钻头的部件12、20之间；以及周向间隔件36，其防止内部密封件30b与多个部件中的一者(部件20)之间接触，周向间隔件36相对于钻头的润滑剂供应源24位于外部密封件30a的上游。

钻头可包括均压装置50，其减轻跨越内部密封件30a和外部密封件30b的压力差。

尽管上文已描述各种实例，其中每一实例具有某些特征，但应理解，一个实例的特定特征未必排他地与那个实例一起使用。而是，上文描述和/或附图中示出的特征中的任一者可与实例中的其它者组合，外加或取代那些实例的其它特征中的任一者。一个实例的特征不与另一实例的特征互相排斥。而是，本公开的范围涵盖特征中的任一者的任何组合。

尽管上文描述的每一实例包括特征的某个组合，但应理解，未必使用实例的所有特征。而是，可使用上述特征中的任一者，而不同时使用任何其它特定特征。

应理解，本文中描述的各种实施方案可用于各种定向，诸如倾斜、颠倒、水平、垂直等，且用于各种配置，而不脱离本公开的原理。实施方案仅被描述为本公开的原理的有用的应用的实例，其不限于这些实施方案的任何特定细节。

在代表性实例的以上描述中，在参看附图时为了方便起见使用方向术语(诸如“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等)。然而，应清楚地理解，本公开的范围不限于本文中描述的任何特定方向。

术语“包括”(including/includes/comprising/comprises)和类似术语在本说明书中是在非限制性意义上使用的。举例来说，如果将系统、方法、设备、装置等描述为“包括”某个特征或元件，那么该系统、方法、设备、装置等可包括那个特征或元件，且也可包括其它特征或元件。类似地，术语“包括”应被视为意指“包括但不限于”。

当然，在仔细地考虑本公开的代表性实施方案的以上描述后，本领域技术人员将易于了解可对特定实施方案进行许多修改、添加、取代、删除和其它改变，且本公开的原理预期这些改变。举例来说，在其它实例中，公开为单独地形成的结构可一体地形成，且反过来也一样。因此，以上详细描述将清楚地理解为仅作为说明和实例提供，本发明的精神和范围仅由所附权利要求书和其等效物限制。

Claims (20)

1.一种钻头，其包括：

外部密封件和内部密封件，其径向地插入在所述钻头的牙轮与轴颈之间，所述外部密封件和内部密封件位于形成在所述牙轮和所述轴颈中的第一者上的相应的凹槽中；以及

周向间隔件，其径向地位于所述内部密封件与所述牙轮和所述轴颈中的第二者之间，所述周向间隔件包括将所述内部密封件与所述牙轮和所述轴颈中的所述第二者径向地间隔开的材料。

2.如权利要求1所述的钻头，其中所述周向间隔件相对于所述钻头的润滑剂供应源位于所述外部密封件的上游。

3.如权利要求1所述的钻头，其进一步包括准许跨越所述周向间隔件的流体连通的均衡通道。

4.如权利要求3所述的钻头，其中所述均衡通道形成在所述周向间隔件中。

5.如权利要求3所述的钻头，其中所述均衡通道准许所述钻头的润滑剂供应源与界定于所述内部密封件与所述外部密封件之间的空间之间的流体连通。

6.如权利要求1所述的钻头，其中所述间隔件和所述内部密封件是所述钻头的单独元件。

7.如权利要求6所述的钻头，其中所述周向间隔件位于所述外部密封件与保持滚珠之间，所述保持滚珠将所述牙轮保持在所述轴颈上。

8.一种在钻头的轴颈与牙轮之间进行密封的方法，所述方法包括：

将外部密封件径向地密封地接合在所述轴颈与所述牙轮之间；以及

将内部密封件径向地设置在所述轴颈与所述牙轮之间，所述设置包括将所述内部密封件径向地间隔离开所述轴颈和所述牙轮中的一者，

其中所述内部密封件仅在所述钻头被设置在井中之后与所述轴颈和所述牙轮中的所述一者密封地接触。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述内部密封件仅在跨越所述外部密封件的流体连通被准许之后与所述轴颈和所述牙轮中的一者密封地接触。

10.如权利要求8所述的方法，其中所述间隔包括将周向间隔件径向地定位在所述内部密封件与所述轴颈和所述牙轮中的所述一者之间。

11.如权利要求10所述的方法，其中在所述钻头被设置在所述井中之后，所述周向间隔件磨损且进而准许所述内部密封件与所述轴颈和所述牙轮中的所述一者之间密封接触。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述周向间隔件相对于所述钻头的润滑剂供应源位于所述外部密封件的上游。

13.如权利要求10所述的方法，其进一步包括准许跨越所述周向间隔件的流体连通的均衡通道。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述均衡通道形成在所述周向间隔件中。

15.一种钻头，其包括：

外部密封件和内部密封件，其径向地插入在所述钻头的轴颈与牙轮之间；以及

周向间隔件，其防止所述内部密封件与所述轴颈和所述牙轮中的一者之间接触，所述周向间隔件包括将所述内部密封件径向地间隔离开所述轴颈和所述牙轮中的所述一者的材料，且所述周向间隔件相对于所述钻头的润滑剂供应源位于所述外部密封件的上游。

16.如权利要求15所述的钻头，其中所述周向间隔件相对于所述轴颈和所述牙轮中的所述一者移位。

17.如权利要求15所述的钻头，其进一步包括准许跨越所述周向间隔件的流体连通的均衡通道。

18.如权利要求17所述的钻头，其中所述均衡通道形成在所述周向间隔件中。

19.如权利要求17所述的钻头，其中所述均衡通道准许所述钻头的润滑剂供应源与界定于所述内部密封件与所述外部密封件之间的空间之间的流体连通。

20.如权利要求15所述的钻头，其进一步包括减轻跨越所述内部密封件与所述外部密封件的压力差的均压装置。