CN107407130A - 用于钻土钻头的密封组合件、为此配备的钻头和相关方法 - Google Patents
用于钻土钻头的密封组合件、为此配备的钻头和相关方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107407130A CN107407130A CN201680012272.0A CN201680012272A CN107407130A CN 107407130 A CN107407130 A CN 107407130A CN 201680012272 A CN201680012272 A CN 201680012272A CN 107407130 A CN107407130 A CN 107407130A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- potted component
- bearing
- sealing surfaces
- earth
- gear wheel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 11
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims abstract description 99
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims description 17
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 6
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 5
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 claims description 3
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims 2
- 241001074085 Scophthalmus aquosus Species 0.000 claims 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 9
- 238000013461 design Methods 0.000 description 8
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 4
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 4
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 4
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 4
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 description 3
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 3
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- 239000003082 abrasive agent Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- 239000013536 elastomeric material Substances 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000004519 grease Substances 0.000 description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 1
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 230000004323 axial length Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012217 deletion Methods 0.000 description 1
- 230000037430 deletion Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 150000002825 nitriles Chemical class 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 230000036316 preload Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/08—Roller bits
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/08—Roller bits
- E21B10/22—Roller bits characterised by bearing, lubrication or sealing details
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/08—Roller bits
- E21B10/22—Roller bits characterised by bearing, lubrication or sealing details
- E21B10/25—Roller bits characterised by bearing, lubrication or sealing details characterised by sealing details
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
- E21B10/50—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts the bit being of roller type
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Rolling Contact Bearings (AREA)
- Earth Drilling (AREA)
Abstract
一种钻土工具包含主体和旋转构件，所述旋转构件设置在从所述主体突出的突出部上方并且被配置成相对于所述主体旋转。轴承组合件可以设置在所述旋转构件的腔体内。所述轴承组合件可以包含与所述主体耦合的内座圈和与所述旋转构件耦合的外座圈。轴承保持器可以粘附在所述旋转构件的所述腔体内，并且可以将所述轴承组合件保持在所述旋转构件的所述腔体内。所述钻土工具进一步包含密封组合件，所述密封组合件包含与所述旋转构件旋转耦合的密封元件，所述密封元件包括第一密封表面。第二密封表面可以设置在所述内座圈上，并且激励元件促使所述第一密封表面与所述第二密封表面密封啮合。
Description
优先权主张
本申请要求于2015年2月27日提交第62/126,047号美国临时专利申请“用于钻土工具的密封组合件、为此配备的钻土工具和相关方法(Seal Assemblies for Earth-Boring Tools,Earth-Boring Tools so Equipped,and Related Methods)”的提交日的权益。
技术领域
本公开的实施例涉及用于钻出钻孔的钻土工具，以及用于这些工具中的密封组合件。
发明背景
钻土工具用来在地下地层中形成钻孔(例如，井孔)。例如牙轮钻头和混合钻头等一些钻土工具包含在非旋转构件与旋转构件(例如包含切割元件的牙轮)之间的旋转轴承。轴承密封件可以通过抑制钻井流体和岩屑进入轴承并且通过至少部分地防止用于润滑轴承和密封件两者的润滑剂(例如，润滑脂)流出来保护轴承。在这些工具中使用的一种类型的密封件使用由例如弹性环激励的主要金属到金属面密封件。这种密封件可以被称为刚性面密封件或金属面密封件。这种密封件可以包含在其上具有密封面的至少一个刚性环以及激励元件，所述激励元件促使刚性环的密封面与第二密封面密封啮合。一个或两个密封面可以涂布有耐磨涂层，例如类金刚石碳(DLC)。这种轴承密封件的实施例在2008年8月19日授予Lin等人并且转让给本公开的受让人(’037专利)的第7,413,037号美国专利中公开，所述美国专利所含的全部内容以引用的方式并入本文中。
如’037专利中所公开，刚性环可以被限制在靠近牙轮可旋转地粘附到的轴杆的基部附近的凹槽中。第二密封面可以设置在被压入牙轮的腔体中的密封元件(例如，钢环)上，并且激励元件可以邻近于轴杆的基部并且从刚性环周向向内定位。这种布置可能需要轴承与密封组合件的某种最小轴向长度。此外，在刚性环固着到牙轮中的密封元件的情况下，可能会在激励元件与刚性环和轴杆中的一或两者之间发生相对旋转移动，从而导致不良密封和激励元件的快速劣化。最后，如果将向内的力施加到牙轮(即，使牙轮径向向内朝向钻头主体的旋转轴的力)，则由激励元件提供的偏置力可能会减小，从而损害密封件并且允许润滑剂从密封件泄漏和/或允许钻井流体和岩屑污染轴承。
公开内容
在本公开的一个方面中，一种钻土工具包含：主体；旋转构件，所述旋转构件设置在从主体突出的突出部上方并且被构造成相对于主体旋转；以及轴承组合件，所述轴承组合件设置在旋转构件的腔体内。所述轴承组合件包括与所述突出部耦合的内座圈和与所述旋转构件耦合的外座圈。轴承保持器粘附在所述旋转构件的所述腔体内，并且将所述轴承组合件保持在所述旋转构件的所述腔体内。所述钻土工具还包含密封组合件，所述密封组合件包含与所述轴承保持器旋转耦合的密封元件，所述密封元件包括第一密封表面。第二密封表面设置在所述内座圈上，并且激励元件促使所述第一密封表面与所述第二密封表面密封啮合。
在本公开的另一方面中，一种钻头包含：钻头主体；至少一个牙轮，所述至少一个牙轮可旋转地耦合到钻头主体并且被配置成相对于钻头主体旋转；以及密封元件，所述密封元件至少部分地设置在所述至少一个牙轮的腔体内。所述密封元件包括第一密封表面。第二密封表面粘附到所述钻头主体并且从所述钻头主体的旋转轴大致径向面向外。激励元件促使所述密封元件的所述第一密封表面与所述第二密封表面密封啮合。
在本公开的另一方面中，一种组装钻头的方法包含：将轴承插入牙轮的腔体内；将包括密封元件的轴承保持器粘附在牙轮的腔体内；将密封元件邻接所述轴承的内座圈上；以及将牙轮粘附在从牙轮钻头和混合钻头中的一个的主体突出的轴杆上方。
图式简单说明
虽然本说明书以特别指出并且清楚地要求保护本公开的实施例的相关内容的权利要求书为结束，但是参考附图阅读时，可以从以下描述中更容易地确定所公开实施例的各种特征和优点，其中：
图1是根据本公开的实施例的钻土工具的截面图；
图2是图1的钻土工具的密封组合件的放大截面图；以及
图3是根据本公开的另一实施例的钻土工具的放大截面图。
具体实施方式
本文呈现的图示不是任何特定材料、钻土工具或其组件的实际视图，而仅为用于描述本公开的实施例的理想化表示。另外，各图之间共有的元件可以保持相同的数字标号。
本公开的实施例包含被配置成抑制润滑剂从钻井工具中的旋转轴承泄露且抑制钻井流体和岩屑进入钻井工具中的旋转轴承的轴承密封件。明确地说，如下文所论述，与常规轴承密封件设计相比，本公开的轴承密封件的实施例使密封件的轴向空间要求最小化(例如，减小)、简化制造和组装，并且提高轴承密封件的可靠性。
图1示出根据本公开的钻土工具100的实施例的截面图。所示出的钻土工具100是具有钻头主体102的混合牙轮/固定切割器钻头，并且包含螺纹销连接件104，所述螺纹销连接件被配置成用于连接到钻井组合件的远端处的箱形部分，例如钻柱(未示出)。在图1的实施例中，钻头主体102被示出为具有携带螺纹销连接件并且粘附(例如，焊接)到钻头主体102的单独的柄105。在其它实施例中，柄105与钻头主体102可以成一体(即，单个整体组件)。钻头主体102包含多个支腿106，每个支腿携带相对于旋转轴AB以锐角夹角从对应支腿106径向向内(即，大致朝向钻头主体102的旋转轴AB悬垂)突出的轴杆108。每个轴杆108携带相应牙轮110，轴杆108插入每个相应牙轮110的腔体112内。每个牙轮110包含通常表征为“插入件”111的多个切割元件，所述切割元件包括例如碳化钨等材料，其一个或多个部分涂布有例如超级耐磨材料(例如多晶金刚石或立方氮化硼)。可以使用具有足够硬度和耐磨性的其它材料，以在施加的重量下从地下地层中除去材料。在一些实施例中，插入件111可以与牙轮110成一体。轴承组合件114可以设置在腔体112内的牙轮110的表面与轴杆108之间。
作为非限制性实例，并且如图1的实施例中所示，轴承组合件114可以是包含内轴承座圈116、多个滚柱118和外轴承座圈120的锥形滚柱轴承。内轴承座圈116可以被配置成用于轴杆108上的非过盈配合(例如，滑动配合)，并且牙轮110和轴承组合件114可以通过保持在轴杆108的孔124内的张力杆122而保持在轴杆108上(例如通过与张力杆122啮合的带螺纹螺母126)。在图1所示的实施例中，辅助锥形滚柱轴承组合件115设置在牙轮110与轴杆108之间。在其它实施例中，轴承配置可以包含一个或多个普通轴承(例如，轴颈轴承)或其它轴承配置。例如，在一些实施例中，内轴承座圈116可以包含轴承轴颈，并且外轴承座圈120可以包含被配置成相对于内轴承座圈116的轴颈旋转的轴承表面。
润滑剂(例如，润滑脂)可以通过润滑剂通道130从压力补偿润滑系统128供应到轴承组合件114。密封组合件132设置在内轴承座圈116的表面与腔体112内的牙轮110的表面之间，并且防止润滑剂从轴承组合件114流出。密封组合件132还防止钻井流体和岩屑进入牙轮110的腔体112中，以延长轴承组合件114的寿命。
在使用中，通过使钻柱(未示出)旋转，通过利用例如底孔组合件(BHA)的泥浆马达使钻土工具100旋转，或通过两者，使钻土工具100在钻孔中前移。当钻土工具100旋转并且重量或其它轴向力施加到钻柱时，牙轮110在对应轴杆108上旋转(即，围绕辅助旋转轴AC旋转)，并且切割元件111与地层啮合，并且利用挤压和研磨动作使地层分解。
现在参考图2，示出了本公开的密封组合件132的放大截面图。在本公开的实施例中，如下所述的密封组合件132的一个或多个组件可以至少部分地设置在轴承保持器134内。轴承保持器134可以螺接、按压、钎焊或以其它方式粘附在牙轮110的腔体112内。轴承保持器134可以邻接外轴承座圈120的至少一部分，以将外轴承座圈120保持在牙轮110的腔体112内。在一些实施例中，轴承保持器134可以包含凸缘(即，环形突出部)136，所述凸缘被配置成将密封组合件132的一个或多个组件至少部分地保持在轴承保持器134内。轴承保持器134和密封组合件132的一个或多个组件可以围绕辅助旋转轴AC与牙轮110旋转耦合(即，随所述牙轮一起旋转)。
例如，密封元件138可以与牙轮110旋转耦合。换句话说，密封元件138可以随着牙轮110围绕辅助旋转轴AC在轴杆108上旋转而与牙轮110一起旋转。密封元件138可以包括例如钢等金属合金，并且可以经历热加工(例如，热处理)以提供所需材料特性，例如特定的硬度值。在其它实施例中，密封元件138可以包括其它金属、合金或非金属材料(例如，聚合物)。密封元件138可以具有大体环形形状，在与牙轮110和密封元件138的旋转轴平行的平面(例如，图2的截面平面)中具有大致梯形截面。密封元件138还可以表征为“密封环”。密封元件138包含第一密封表面140。第一密封表面140可以被加工(例如，研磨、打磨、抛光，等)以赋予第一密封表面140所需轮廓和表面光洁度。
第一密封表面140可以与第二密封表面142密封啮合。换句话说，第一密封表面140与第二密封表面142之间的接触可以阻止钻井流体和/或岩屑侵入第一密封表面140与第二密封表面142之间，并且可以防止润滑剂从轴承组合件114(图1)泄漏。第二密封表面142可以设置在钻头主体102(图1)的一部分上，或者可以设置在粘附到钻头主体102的组件上。第二密封表面142可以相对于牙轮110保持静止。换句话说，随着牙轮110围绕辅助旋转轴AC旋转，第二密封表面142可以不随牙轮110而旋转。例如，在图2的实施例中，第二密封表面142可以设置在内轴承座圈116的一部分上，并且内轴承座圈116可以粘附到钻头主体102的轴杆108上(图1)。第二密封表面142可以相对于钻头主体102的旋转轴AB(图1)大致径向面向外。换句话说，第二密封表面可以定位在钻头主体102的相关联支腿106(图1)的内侧，并且通常面向相关联支腿106。第二密封表面142可以被加工(例如，研磨、打磨、抛光，等)以赋予第二密封表面142所需轮廓和表面光洁度。
在一些实施例中，第一密封表面140和第二密封表面142中的一个或两个可以包括耐磨涂层。例如，第一密封表面140和第二密封表面142中的一个或两个可以包括类金刚石碳(DLC)材料的涂层。在一个示范性实施例中，内轴承座圈116的第二密封表面142可以包括DLC涂层，并且第一密封表面140可以不包含表面涂层。在其它实施例中，第一密封表面140和第二密封表面142中的一个或两个可以包含其它耐磨材料，例如多晶金刚石材料。
密封组合件132可以包含激励元件144。在激励元件144提供的偏置力促使密封元件138的第一密封表面140与内轴承座圈116的第二密封表面142密封啮合的意义上，可以称激励元件144“激励”密封。例如，激励元件144可以包括在密封元件138与轴承保持器134之间压缩张紧的弹性材料。作为非限制性实例，激励元件144可以是包括腈材料的O形环。激励元件144可以是大致环形的，并且具有圆形、卵形、椭圆形或其它未变形的截面形状。使激励元件144在密封元件138与轴承保持器134之间压缩张紧可以产生偏置力，当偏置元件144试图返回到未变形配置时，所述偏置力促使密封元件138与内轴承座圈116的第二密封表面142密封啮合。例如，激励元件144可以具有大体圆形的未变形截面形状，并且当激励元件144压缩于密封元件138与轴承保持器134之间时施加到激励元件144的压缩应变可以赋予激励元件144大体卵形截面形状，如图2所示。
激励元件144可以从密封元件138径向向外定位。例如，如图2所示，激励元件144可以大体周向地围绕密封元件138的大致截头锥形表面139，所述表面相对于辅助旋转轴AC从密封元件138大致径向面向外。这种布置可以提供优于一些常规密封布置的优点。例如，在一些常规设计中，激励元件可能从密封元件径向向内定位，使得与密封元件与弹性激励元件之间的接触相比，密封元件的密封面与牙轮上的密封表面之间的接触区域出现在距牙轮的旋转轴更大的径向距离处。因此，在这种传统的设计中，密封元件与激励元件之间的接触区域可能不足以防止密封元件在某些条件下“固着”到牙轮中的密封元件(即，与牙轮一起旋转)。如果密封元件开始与牙轮一起旋转，则密封元件与牙轮中的密封元件之间的密封可能会受到损害。此外，激励元件与密封元件之间的相对旋转移动可能会使激励元件快速劣化。相比之下，在本公开的实施例中，激励元件144可以从密封元件138径向向外定位，从而增加激励元件144与密封元件138之间的接触区域，并且防止密封元件138“固着”到内轴承座圈116的第二密封表面142。
在一些实施例中，密封组合件132可以包含至少部分地设置在轴承保持器134的凸缘136中的辅助密封元件146。辅助密封元件146可以包括弹性体或其它材料，并且具有的形状可以被配置成提供轴承保持器134的凸缘136与密封元件138之间的密封，以防止润滑剂泄漏并且防止钻井流体和岩屑进入轴承组合件114(图1)。密封元件138的与第一密封表面140相对的一部分可以邻接辅助密封元件146。辅助密封元件146可以包括例如弹性材料。
静态密封件148可以设置在轴杆108的表面与内轴承座圈116之间。在图2所示的实施例中，静态密封件148可以是设置在轴杆108的表面中的凹槽150中的O形环。由于内轴承座圈116可以在轴杆108上具有非过盈配合(例如，滑动配合)以便于组装，因此静态密封件148可以防止钻井流体和岩屑侵入内轴承座圈116与轴杆108之间并且最终污染轴承组合件114。类似地，静态密封件148可以防止润滑剂从轴承组合件114泄漏。
密封组合件132的组装可以如下进行。轴承114、115(图1)和张力杆122(图1)可以插入在牙轮110的腔体112内。密封元件138、激励元件144和辅助密封元件146可以放置在轴承保持器134的凸缘136内，并且轴承保持器可以粘附在牙轮110的腔体112内(例如，螺纹啮合、压入、钎焊，等)，以使得轴承保持器134邻接外轴承座圈120并且使密封元件138与内轴承座圈116密封啮合，如上所述。接着，将张力杆122插入轴杆108的孔124内，将内座圈116引导到轴杆108上，并且螺母126(图1)可以紧固在张力杆122上以将牙轮110保持在轴杆108上并且为轴承114和115提供适当的预载荷。
在一些实施例中，根据本公开的密封组合件可以包含形成为整体组件的密封元件与激励元件。例如，在一些实施例中，密封组合件可以包含包括激励元件和密封元件的整体组件。整体组件可以包括例如金属合金。这种整体式激励元件与密封元件可以类似于授予Lin等人的在2014年11月6日公布并且转让给本公开的受让人的第2014/0326514A1号美国专利申请中公开的金属密封件，所述美国专利申请所含的全部内容以引用的方式并入本文中。
此外，在一些实施例中，整体式密封元件与激励元件可以与轴承保持器一体地形成。例如，图3示出了根据本公开的密封组合件150的另一实施例。密封组合件150可以包含相对于辅助旋转轴AC从轴承保持器152径向向内悬垂的可弹性变形的激励元件154。激励元件154可以与轴承保持器152一体地形成。密封元件156可以与激励元件154一体地形成，并且可以相对于辅助旋转轴杆AC从激励元件154径向向内悬垂。轴承保持器152、激励元件154和密封元件156可以包括例如钢等金属合金。
密封元件156可以包含与设置在内轴承座圈116上的第二密封表面160密封啮合的第一密封表面158。如上文结合图2所描述，第一密封表面158和第二密封表面160中的一个或两个可以包含耐磨涂层，例如DLC或其它耐磨材料。
激励元件154可以被配置成提供偏置力，所述偏置力促使密封元件156的第一密封表面158与内座圈116的第二密封表面160密封啮合。例如，激励元件154可以被配置成当轴承保持器152安装在牙轮110内并且第一密封表面158接触第二密封表面160时弹性变形。第一密封表面158与第二密封表面160之间的机械接触可以防止激励元件154返回到未变形配置，从而产生促使第一密封表面158与第二密封表面160接触的偏置力。
在一些实施例中，激励元件154与密封元件156可以一体地形成，并且可以粘附到与一体式激励元件154和密封元件156分开形成的轴承保持器152。例如，激励元件154与密封元件156可以一体地形成，并且按压或钎焊在形成于单独轴承保持器中的底座(例如，凹部)内。一体式激励元件154与密封元件156可以包括与轴承保持器152所包括的金属合金相同或不同的金属合金。
与一些常规密封设计相比，根据本公开的轴承密封件的实施例可以在牙轮中占据较少的轴向空间，需要更少的组件和组装步骤，并且表现出提高的可靠性和密封性能。例如，本公开的密封组合件不需要按压到牙轮中的单独密封元件，并且因此占据相对较小的轴向空间，从而使得能够减小钻土工具100的切割直径。此外，按压到牙轮中的单独密封元件的消除简化了钻土工具100的制造和组装。
此外，如上所述，至少部分地将密封元件138(图2)或156(图3)和激励元件144(图2)或154(图3)定位在牙轮110内并且将密封元件138、156和激励元件144、154配置成围绕辅助旋转轴AC与牙轮110一起旋转与常规密封件设计相比可以提高密封件的可靠性，在常规密封件设计中，密封组合件位于钻头主体的轴杆上，并且密封元件不与牙轮一起旋转。例如，在这种常规设计中，当牙轮经受相对于钻头主体径向向内的力(换句话说，趋向于将牙轮远离钻头主体的相关联支腿并且向内朝向钻头主体的旋转轴而拉动的力)，激励元件上的压缩应变可能会减小，并且由激励元件产生的偏置力相应地减小。在这些条件下，偏置力可能不足以维持密封元件与牙轮的密封表面之间的密封啮合，从而允许润滑剂泄漏且允许钻井流体和岩屑进入轴承。相比之下，在本公开的实施例中，当牙轮110(图2)经受径向向内朝向钻头主体102(图1)的旋转轴AB(图1)的力时，密封元件138(图2)与内轴承座圈116(图2)之间的接触促使密封元件138的大致截头锥形表面139抵靠激励元件144(图2)，从而增大迫使密封元件138抵靠第二密封表面142的偏置力。因此，即使当这种向内的力施加到牙轮110时，本公开的实施例也维持密封的完整性。
尽管先前描述和附图含有许多细节，但是这些细节不应被解释为限制本公开的范围，而仅仅是描述某些实施例。类似地，可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下设计出其它实施例。例如，本文中参考一个实施例描述的特征也可以提供在本文中所述的其它实施例中。因此，本发明的范围仅由所附权利要求及其合法等效物来指示和限制。本公开涵盖属于权利要求的含义和范围内的所公开实施例的所有添加、删除和修改。
Claims (20)
1.一种钻土工具，所述钻土工具包括：
主体；
旋转构件，所述旋转构件设置在从所述主体突出的突出部上方并且被配置成相对于所述主体旋转；
轴承组合件，所述轴承组合件设置在所述旋转构件的腔体内，所述轴承组合件包括与所述突出部耦合的内座圈和与所述旋转构件耦合的外座圈；
轴承保持器，所述轴承保持器粘附在所述旋转构件的所述腔体内，并且将所述轴承组合件保持在所述旋转构件的所述腔体内；以及
密封组合件，所述密封组合件包括：
密封元件，所述密封元件与所述轴承保持器旋转耦合，所述密封元件包括第一密封表面；
第二密封表面，所述第二密封表面设置在所述内座圈上；以及
激励元件，所述激励元件促使所述第一密封表面与所述第二密封表面密封啮合。
2.如权利要求1所述的钻土工具，其中所述轴承保持器包括凸缘，并且其中当所述轴承保持器安装在所述旋转构件的所述腔体中时，所述密封元件保持在所述轴承保持器的所述凸缘与所述第二密封表面之间。
3.如权利要求2所述的钻土工具，其中相对于所述旋转构件相对于所述主体突出部旋转所环绕的旋转轴，所述激励元件从所述密封元件的一部分径向向外设置并且从所述轴承保持器的一部分径向向内设置。
4.如权利要求3所述的钻土工具，其中当所述轴承保持器安装在所述旋转构件的所述腔体中时，所述激励元件在所述密封元件的一部分与所述轴承保持器的一部分之间压缩张紧。
5.如权利要求4所述的钻土工具，其中当所述激励元件在所述轴承保持器与所述密封元件之间压缩张紧时，所述激励元件产生偏置力，从而促使所述密封元件的所述第一密封表面与所述内轴承座圈的所述第二密封表面密封啮合。
6.如权利要求2所述的钻土工具，其进一步包括辅助密封元件，所述辅助密封元件设置在所述轴承保持器的所述凸缘与所述密封元件的与所述第一密封表面相对的一部分之间。
7.如权利要求6所述的钻土工具，其中所述密封元件的与所述第一密封表面相对的一部分邻接所述辅助密封元件。
8.如权利要求1所述的钻土工具，其中所述密封元件与所述激励元件成一体。
9.如权利要求8所述的钻土工具，其中所述密封元件与所述激励元件是由金属合金形成。
10.如权利要求9所述的钻土工具，其中当所述轴承保持器粘附在所述旋转构件的所述腔体内时，所述激励元件的弹性变形产生偏置力，从而维持所述密封元件的所述第一密封表面与所述内座圈的所述第二密封表面密封啮合。
11.如权利要求8所述的钻土工具，其中所述密封元件和所述激励元件与所述轴承保持器成一体。
12.如权利要求1所述的钻土工具，其中所述第一密封表面和所述第二密封表面中的至少一个包括耐磨涂层。
13.如权利要求1所述的钻土工具，其进一步包括多个滚动轴承元件，所述多个滚动轴承元件设置在所述内座圈与所述外座圈之间。
14.如权利要求1所述的钻土工具，其中所述钻土工具包括钻头，所述突出部包括从所述钻头主体的支腿突出的轴杆，并且所述旋转构件包括携带切割元件的牙轮。
15.一种钻头，所述钻头包括：
钻头主体；
至少一个牙轮，所述至少一个牙轮可旋转地耦合到所述钻头主体并且被配置成相对于所述钻头主体旋转；
密封元件，所述密封元件至少部分地设置在所述至少一个旋转牙轮的腔体内，所述密封元件包括第一密封表面；
第二密封表面，所述第二密封表面设置在粘附到所述钻头主体的部件上并且从所述钻头主体的旋转轴大致径向面向外；
激励元件，所述激励元件促使所述密封元件的所述第一密封表面与所述第二密封表面密封啮合。
16.一种组装钻头的方法，所述方法包括：
将轴承插入牙轮的腔体内；
将包括密封元件的轴承保持器粘附在所述牙轮的所述腔体内；
将所述密封元件邻接在所述轴承的内座圈上；以及
将所述牙轮粘附在从牙轮钻头和混合钻头中的一个的主体突出的轴杆上方。
17.如权利要求16所述的方法，其中将包括密封元件的轴承保持器粘附在所述牙轮的所述腔体内包括将密封元件定位在所述轴承保持器的凸缘与所述轴承的内座圈之间。
18.如权利要求17所述的方法，其中将包括密封元件的轴承保持器粘附在所述牙轮的所述腔体内包括使激励元件在所述轴承保持器与所述密封元件之间压缩张紧。
19.如权利要求18所述的方法，其中将包括密封元件的轴承保持器粘附在所述牙轮的所述腔体内包括将包括一体式激励元件与密封元件的轴承保持器粘附在所述牙轮的所述腔体内。
20.如权利要求19所述的方法，其中将包括一体式激励元件与密封元件的轴承保持器粘附在所述牙轮的所述腔体内包括使包括金属合金的一体式激励元件弹性变形。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201562126047P | 2015-02-27 | 2015-02-27 | |
| US62/126047 | 2015-02-27 | ||
| PCT/US2016/019799 WO2016138393A1 (en) | 2015-02-27 | 2016-02-26 | Seal assemblies for earth boring drill bits, drill bits so equipped, and related methods |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107407130A true CN107407130A (zh) | 2017-11-28 |
| CN107407130B CN107407130B (zh) | 2020-04-21 |
Family
ID=56789950
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201680012272.0A Active CN107407130B (zh) | 2015-02-27 | 2016-02-26 | 用于钻土钻头的密封组合件、为此配备的钻头和相关方法 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10458187B2 (zh) |
| EP (1) | EP3262268B1 (zh) |
| CN (1) | CN107407130B (zh) |
| CA (1) | CA2977797C (zh) |
| MX (1) | MX2017010963A (zh) |
| SG (1) | SG11201706979RA (zh) |
| WO (1) | WO2016138393A1 (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11041358B2 (en) * | 2015-11-30 | 2021-06-22 | Halliburton Energy Services, Inc. | Chemically bonded coated metal-to-metal seals |
| CN108533179B (zh) * | 2018-04-03 | 2019-07-09 | 西南石油大学 | 牙轮钻头哑铃式密封结构 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4516641A (en) * | 1983-10-17 | 1985-05-14 | Hughes Tool Company-Usa | Earth boring bit with pressure compensating rigid face seal |
| US6684966B2 (en) * | 2001-10-18 | 2004-02-03 | Baker Hughes Incorporated | PCD face seal for earth-boring bit |
| US20050274550A1 (en) * | 2004-06-15 | 2005-12-15 | Smith International, Inc. | Multi-part energizer for mechanical seal assembly |
| US20090173546A1 (en) * | 2008-01-03 | 2009-07-09 | Atlas Copco Secoroc Llc | Earth bit with hub and thrust units |
| CN202578514U (zh) * | 2012-03-23 | 2012-12-05 | 天津立林钻头有限公司 | 牙轮钻头 |
| US20140224549A1 (en) * | 2013-02-13 | 2014-08-14 | Varel International, Ind., L.P. | Rock bit having a pressure balanced metal faced seal |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3193028A (en) | 1962-09-26 | 1965-07-06 | Exxon Production Research Co | Rotary drill bit |
| US5251914A (en) * | 1987-05-28 | 1993-10-12 | Tatum David M | Sealing assembly for relatively movable members |
| US4822057A (en) * | 1988-03-31 | 1989-04-18 | Smith International, Inc. | Mechanical face seal for rock bits |
| US20040031625A1 (en) * | 2002-08-19 | 2004-02-19 | Lin Chih C. | DLC coating for earth-boring bit bearings |
| US7461708B2 (en) * | 2004-08-16 | 2008-12-09 | Smith International, Inc. | Elastomeric seal assembly having auxiliary annular seal components |
| US7413037B2 (en) | 2004-09-17 | 2008-08-19 | Baker Hughes Incorporated | Metal face seal for an earth-boring bit |
| US20090321146A1 (en) * | 2007-07-13 | 2009-12-31 | Baker Hughes Incorporated | Earth Boring Bit with DLC Coated Bearing and Seal |
| US20110024199A1 (en) * | 2009-08-03 | 2011-02-03 | Baker Hughes Incorporated | Seal Ring With Auxiliary Ring for Earth-Boring Bit |
| US8967301B2 (en) * | 2010-02-03 | 2015-03-03 | Baker Hughes Incorporated | Composite metallic elastomeric sealing components for roller cone drill bits |
| US9163458B2 (en) * | 2013-02-13 | 2015-10-20 | Varel International, Ind., L.P. | Rock bit having a flexible metal faced seal |
| US9316055B2 (en) | 2013-05-03 | 2016-04-19 | Baker Hughes Incorporated | Drill bit with a dynamic metal seal |
-
2016
- 2016-02-10 US US15/040,157 patent/US10458187B2/en active Active
- 2016-02-26 CN CN201680012272.0A patent/CN107407130B/zh active Active
- 2016-02-26 MX MX2017010963A patent/MX2017010963A/es unknown
- 2016-02-26 WO PCT/US2016/019799 patent/WO2016138393A1/en active Application Filing
- 2016-02-26 CA CA2977797A patent/CA2977797C/en not_active Expired - Fee Related
- 2016-02-26 EP EP16756454.1A patent/EP3262268B1/en active Active
- 2016-02-26 SG SG11201706979RA patent/SG11201706979RA/en unknown
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4516641A (en) * | 1983-10-17 | 1985-05-14 | Hughes Tool Company-Usa | Earth boring bit with pressure compensating rigid face seal |
| US6684966B2 (en) * | 2001-10-18 | 2004-02-03 | Baker Hughes Incorporated | PCD face seal for earth-boring bit |
| US20050274550A1 (en) * | 2004-06-15 | 2005-12-15 | Smith International, Inc. | Multi-part energizer for mechanical seal assembly |
| US20090173546A1 (en) * | 2008-01-03 | 2009-07-09 | Atlas Copco Secoroc Llc | Earth bit with hub and thrust units |
| CN202578514U (zh) * | 2012-03-23 | 2012-12-05 | 天津立林钻头有限公司 | 牙轮钻头 |
| US20140224549A1 (en) * | 2013-02-13 | 2014-08-14 | Varel International, Ind., L.P. | Rock bit having a pressure balanced metal faced seal |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP3262268A1 (en) | 2018-01-03 |
| CN107407130B (zh) | 2020-04-21 |
| MX2017010963A (es) | 2017-12-18 |
| US20160251903A1 (en) | 2016-09-01 |
| EP3262268A4 (en) | 2018-11-07 |
| WO2016138393A1 (en) | 2016-09-01 |
| CA2977797A1 (en) | 2016-09-01 |
| EP3262268B1 (en) | 2020-01-15 |
| CA2977797C (en) | 2020-05-12 |
| SG11201706979RA (en) | 2017-09-28 |
| US10458187B2 (en) | 2019-10-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7621346B1 (en) | Hydrostatic bearing | |
| US10151148B2 (en) | Composite metallic elastomeric sealing components for roller cone drill bits | |
| US9441667B2 (en) | Bearing assembly | |
| US7997659B2 (en) | Rotary cutter for tunnel boring machine | |
| US7461708B2 (en) | Elastomeric seal assembly having auxiliary annular seal components | |
| US4199156A (en) | Sealing ring for drilling tool cutters | |
| US7117961B2 (en) | Dynamic seal with soft interface | |
| CA2509319A1 (en) | Multi-part energizer for mechanical seal assembly | |
| US20090205873A1 (en) | Downhole tool bearing system containing diamond enhanced materials | |
| CN107407130A (zh) | 用于钻土钻头的密封组合件、为此配备的钻头和相关方法 | |
| US11131148B2 (en) | Seal assembly for use in earth-boring rotary tools in subterranean boreholes and related methods | |
| US8844656B2 (en) | Seal assembly for a rotary earth bit | |
| US10718165B2 (en) | Roller reamer integral pressure relief assembly | |
| CN109072673B (zh) | 用于井下工具的轴承、结合这类轴承的井下工具和相关方法 | |
| US20100102513A1 (en) | Seal assembly for a rotary earth bit | |
| CN115087791A (zh) | 具有改进的密封的滚刀式切削刀具 | |
| US20160281434A1 (en) | Seal assembly and a roller cone drill bit comprising such a seal assembly |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |