CN1268992A - 具有润滑液压力补偿装置的牙轮钻头 - Google Patents

Abstract

一种用在密封支承型牙轮钻头中的压力补偿组件。该组件包括一可插入钻头中一空腔中、与钻头的润滑系统连通的空心主体38,空心主体中有一润滑液通道。一密封42在润滑液通道26的一边套在空心主体上而密封地抵靠钻头,空心主体上的一弹性杯形膜片32的边缘50在润滑液通道的另一边上密封地抵靠钻头。膜片在正对润滑液通道的一面上有一突起66,其大小可插入、从而封住润滑液通道。空心主体、密封和膜片装配成一盒,以便作为整体插入钻头中。

Description

具有润滑液压力补偿装置的牙轮钻头

本发明的技术领域

本发明涉及牙轮钻头，特别涉及其压力补偿装置获得改进的牙轮钻头。

本发明的背景

密封支承的牙轮钻头中一般有一补偿装置用来限制密封在钻头中的润滑液与井孔流体之间的压力差。最普通的补偿装置为一隔开这两种流体的柔性膜片。该膜片按照钻井中的状态使钻头中动态主密封上的压力保持平衡。

如上所述，这些装置一般还补偿润滑液因泄漏或热膨胀发生的体积变化。

现有补偿器一般能起到应有作用。钻头制造商当前供应合格的补偿器。但是，由于在装配时必须把较多数量的零件依次小心插入钻头的臂的空腔中，因此装配困难。大多数补偿器使用把泥浆与钻头润滑液隔开的卷动膜片。膜片的卷动作用补偿润滑液的体积变化。

1986年6月7日公告的美国专利No.4,276,946描述了一种现有补偿器，其也利用膜片的弹性帮助确定该系统中是否已注入正确数量的润滑液。

本发明概述

本发明的目的是提供一种使用在密封支承的牙轮钻头中的改进的压力补偿组件，用来平衡钻头润滑系统和钻井中钻头旁的泥浆的压力。此外，该补偿器还用作一润滑液储槽，在有润滑液流失到钻头外部时向钻头轴承补充有限数量的润滑液。

本发明压力补偿装置为一可整个插入钻头中的盒组件。从而补偿器在置入钻头的一空腔中时无需进行装配。钻头一般包括三个刀具支撑臂，每一个刀具支撑臂上有一个压力补偿装置。因此，本发明盒式补偿器在一个钻头上所节省的装配时间和成本得乘以3。

此外，由于补偿器预先装配好，因此所有补偿器标准如一，便于把正确数量的润滑液注入润滑液储槽中。

本发明所提供的压力补偿装置比现有补偿器优越。本发明的盒式结构便于安装，便于注入所需数量润滑液，此外，本发明补偿器可有效地适应润滑液的体积变化，平衡润滑液与钻井中泥浆的压力。此外，本发明设计出一种在钻头中定位补偿组件的新颖装置。

附图的简要说明

从下面结合附图的详细说明中可更充分理解本发明及其优点，附图中：

图1为其中装有本发明压力补偿装置的一牙轮钻头的一臂的局部剖面图；

图2为图1一部分的局部放大剖面图，更详细示出该压力补偿装置；

图3同图2，但示出该压力补偿装置的另一工作位置；以及

图4为沿图2中4-4线剖取的剖面图，示出在钻头中定位该补偿组件的新颖装置。

本发明的详细说明

从图1-4可更好理解本发明的优选实施例及其优点，在这些附图中，相同部件用同一标号表示。

在图1中只示出其局部的一钻头10包括其上有螺纹的一主体部12、一刀锥支撑臂14和一可转动地支撑在该臂14上的刀锥16。(大多数钻头有两个或多个臂14，刀锥16装在主体部12上。)

图1所示刀锥16用滚珠轴承18、一轴套20和一止推轴颈22可转动地支撑在臂14上。刀锥16的外周上有许多切削件24。切削件24抵靠岩层的壁和底。在钻井技术中如所公知，靠钻头10的转动和重量钻出井孔。

刀锥16中的润滑液润滑轴承18、轴套20和止推轴颈22，从而延长钻头的使用寿命。臂14中有一润滑液通道26和一空腔28。空腔28用来插入一压力补偿盒或组件30，该盒中有一杯形柔性膜片32，其一面受到井孔(未示出)中经臂14中的一泥浆孔36的流体压力，另一面受到润滑液压力。

如图2和3所示，压力补偿组件30还包括一主体38，其外表面上有第一环形凹座40，一O形密封圈可套在该凹座中。该主体上的第二环形凹座44有若干径向孔46，使得主体38的空心内部48中的润滑液与润滑液通道26连通。内部48暴露于膜片32，膜片32开始也注入有润滑液。

膜片32的环形唇或边缘50套在主体38外表面上的一环形凹槽52中。主体38的外表面上还有一环形定位凹槽54(见图4)。凹槽54的一部分53扩大，以便插入一圆柱形或管形短定位件56，该定位件防止装在钻头10中的组件30转动。

一锁定弹簧58或任何其他类型的柔性锁定机构经定位件56插入凹槽54和空腔28的壁上的一相配凹槽60中，防止组件30相对臂14作轴向运动。如图4所示，定位件56和弹簧58经一与凹槽54相切的孔57插入臂14中。弹簧58插入后，孔57用一在点68处抵靠弹簧58的一端的螺纹塞头59塞住。在要更换补偿器30时很容易取下弹簧58和定位件56。

主体38还有一与其内部48和径向孔46相交地伸展在主体38轴向上的润滑液注入通道61。该注入通道61中有一可旋下的螺纹塞头62。

膜片32底部外表面上最好有许多隆起64，防止泥浆截留在膜片32与空腔28的内部之间。膜片32的内表面上有一突起66，其形状和大小做成可插入润滑液注入通道61中，其理由下文交代。

钻头密封37和39在刀锥16中套住臂14，把润滑液保持在刀锥16中以及轴套20、轴承18和止推轴颈22的周围。这些密封还防止有害杂质进入刀锥16中损坏轴承并从而造成钻头过早失效。

本发明压力补偿器30在插入空腔28前很容易装配，只须把密封42置入凹槽40中后把膜片32推到主体38上，直到唇50位于凹槽52中。

然后把装配好的补偿器30插入空腔28中，使得密封42密封地抵靠空腔28的壁。防转动的定位件56在凹槽54中就位后锁定弹簧58经孔57和定位件56穿入相配凹槽54和60中，从而防止装配好的补偿器在空腔28中转动或轴向运动。锁定弹簧28不套住空腔28的整个壁，从而需要时很容易抽出。在弹簧58把补偿器牢牢锁定在钻头10中后在孔57中旋入螺纹塞头59。

为了把润滑液引入钻头10中，从润滑液注入通道61中旋出塞头62后把一合适的接头(未示出)旋入通道61中。然后把润滑液引入通道61中，从而润滑液注入主体38和膜片32的内部。润滑液使膜片32膨胀而抵靠空腔28的侧壁。进一步注入润滑液使得润滑液流入径向孔46，流过润滑液通道26后流入轴承18、轴套20和止推轴颈22周围区域。应该看到，此时由于隆起64抵靠空腔的底壁而在膜片32与空腔28的壁之间保持一流动空间，因此泥浆无法截留在空腔28中。

当如此注入润滑液后，从通道61中旋出润滑液接头(未示出)，从而润滑液上的压力得到释放，膜片32靠弹性恢复其原先形状，从而经通道61把一些润滑液压出钻头10。这一作用确保该钻头的润滑系统不注入过多的润滑液。

重要的是，必须用某种方法防止组件30的转动，才能把一润滑装置装到主体38上后把润滑液泵入钻头10中。在本发明中，该方法是在凹槽54中形成扩大部分并在其中插入定位件56。应该看到，定位件56就位后主体38无法转动。使用管形定位件56还便于在凹槽54中插入锁定弹簧60或从中抽出该锁定弹簧。

当钻头10进行钻井作业时，泥浆经孔36作用在膜片32上，当润滑液在钻头中消耗时或当泥浆压力超过润滑液的压力时，泥浆压力会压缩膜片32，从而把膜片32中的润滑液压入通道26中。

当膜片32中的润滑液耗尽时，膜片32呈图3所示位置。在此位置上，突起66被压入通道61中，直到堵住孔46。因此，即使膜片32破裂，泥浆也无法流入钻头10的润滑系统中。

从上可见，本发明补偿器30便于装配，便于作为一组件或一盒件插入钻头10中。其中装有本发明补偿器的钻头可精确、方便地注入所需数量的润滑液。此外，由于膜片32的内表面上有突起66，因此即使膜片破裂泥浆也无法流入润滑液通道26。

尽管以上详细说明了本发明及其优点，但应看到，可在由权利要求限定的本发明精神和范围内作出种种改动和替代。

Claims (20)

1、一种钻油井和天然气井等的牙轮钻头，该钻头包括：

一钻头主体，包括至少一个转动地支撑一刀锥的臂件、该主体中的一空腔、该钻头中的一润滑系统和一与该空腔连通的泥浆孔；

一位于该刀锥与臂件之间、把该润滑系统与钻头外部隔开的密封件；

该润滑系统包括该钻头主体中一连通该空腔与该刀锥和臂件之间一空间的润滑液通道；

该空腔中的一补偿组件，该组件有一可卸下地与钻头主体连接的空心主体件，该空心主体件上装有一弹性膜片件，该膜片件的一部分密封地抵靠该空腔中的钻头主体，一与膜片件间距的密封件套在该空心主体件上而密封地抵靠该空腔中的钻头主体，钻头主体中的一润滑液注入通道与该空心主体件和该润滑液通道连通；以及

该膜片件在其靠近注入通道的一面上有一用来封住该注入通道的塞头部，另一面正对泥浆孔。

2、按权利要求1所述的钻头，其特征在于，该膜片呈杯形。

3、按权利要求1所述的钻头，其特征在于，该膜片还包括其内表面上的一突起，该突起的直径大小做成可插入润滑液通道中而封住该润滑液通道。

4、按权利要求1所述的钻头，其特征在于，该膜片还包括其外表面上的许多隆起。

5、一种用于一牙轮钻头的一密封润滑系统中的压力补偿装置，该补偿装置包括：

一可卸下地与钻头主体连接的空心主体件，其大小做成可插入钻头润滑系统中，其中有一润滑液通道；

一套在该空心主体件上、位于该润滑液通道一边上、可密封地抵靠该钻头的环形密封件；

一装在该空心主体件上的弹性膜片件，其边缘套住该空心主体件，它可在润滑液通道的另一边上密封地抵靠该钻头；以及

该空心主体件、密封和膜片件可装配成一盒，以便作为一整件插入该钻头的一空腔中。

6、按权利要求5所述的压力补偿装置，其特征在于，该膜片件的内表面上有一突起，该突起的直径大小做成可插入润滑液通道中而封住该润滑液通道。

7、按权利要求5所述的压力补偿装置，其特征在于，该膜片件的外表面上有许多隆起。

8、按权利要求5所述的压力补偿装置，其特征在于，该膜片件呈杯形。

9、按权利要求5所述的压力补偿装置，其特征在于，进一步包括：

一环绕该钻头中的该空腔的环形锁定凹槽；

该压力补偿装置上一与环绕该空腔的锁定凹槽相邻的相配环形锁定凹槽；以及

在该相配环形锁定凹槽中使该压力补偿装置定位在该钻头中的一细长锁定件。

10、按权利要求5所述的压力补偿装置，其特征在于，进一步包括：

一环绕该钻头中的该空腔的环形锁定凹槽；

该压力补偿装置上一与环绕该空腔的锁定凹槽相邻的相配环形锁定凹槽；以及

在该相配环形锁定凹槽中使该压力补偿装置定位在该钻头中的一细长锁定件，其中，该细长锁定件为一弹簧。

11、按权利要求5所述的压力补偿装置，其特征在于，进一步包括：

一环绕该钻头中的该空腔的环形锁定凹槽；

该压力补偿装置上一与环绕该空腔的锁定凹槽相邻的相配环形锁定凹槽；

在该相配环形锁定凹槽中使该压力补偿装置定位在该钻头中的一细长锁定件，其中，该细长锁定件为一弹簧；以及

一使该细长锁定件就位的螺纹塞头。

12、按权利要求5所述的压力补偿装置，其特征在于，进一步包括：

一环绕该钻头中的该空腔的环形锁定凹槽；

该压力补偿装置上一与环绕该空腔的锁定凹槽相邻的相配环形锁定凹槽；

在该相配环形锁定凹槽中使该压力补偿装置定位在该钻头中的一细长锁定件，其中，该细长锁定件为一弹簧；

一使该细长锁定件就位的螺纹塞头；

该环形锁定凹槽中的一扩大部；以及

一管形定位件，其大小做成可插入该扩大部中，其内部的大小做成可供该细长锁定件穿过。

13、按权利要求5所述的压力补偿装置，其特征在于，进一步包括：

该润滑液通道一端上的一塞头，该塞头可旋下而在该润滑液通道中旋入一接头，以便把润滑液引入该润滑液通道。

14、一种牙轮钻头，包括一压力补偿装置的一密封的润滑系统，该压力补偿装置包括：

一空心主体件，其大小可插入该钻头的一空腔中，它与该润滑系统相联并与一润滑液通道连通；

一套在该空心主体件上、位于该润滑液通道一边上、可密封地抵靠该空腔的环形密封件；

一装在该空心主体件上的弹性膜片件，其边缘套住该空心主体件，它可在润滑液通道的另一边上密封地抵靠该空腔；

该空心主体件、密封和膜片件可装配成一盒，以便作为一整件插入该空腔中；

该膜片件的内表面上有一突起；

该突起的直径大小做成可插入该润滑液通道而封住该润滑液通道；

该膜片件的外表面上有许多隆起防止泥浆截留在该膜片与该空腔的内部之间；

一环绕该空腔的环形锁定凹槽；

该压力补偿装置上一与环绕该空腔的锁定凹槽相邻的相配环形锁定凹槽；以及

在该相配环形锁定凹槽中使该压力补偿装置定位在该钻头中的一细长锁定件。

15、按权利要求14所述的钻头，其特征在于，该压力补偿装置进一步包括一把该细长锁定件固定在该环形锁定凹槽中的螺纹塞头。

16、按权利要求14所述的钻头，其特征在于，该压力补偿装置进一步包括：

该环形锁定凹槽中的一扩大部；以及

一管形定位件，其大小做成可插入该扩大部中，其内部的大小做成可供该细长锁定件穿过。

17、按权利要求14所述的钻头，其特征在于，该膜片呈杯形。

18、按权利要求14所述的钻头，其特征在于，该压力补偿装置进一步包括：

该润滑液通道一端上的一塞头，该塞头可旋下而在该润滑液通道中旋入一接头，以便把润滑液引入该润滑液通道。

19、按权利要求14所述的钻头，其特征在于，该细长锁定件包括一弹簧。

20、一种用于一密封流体系统中的压力补偿装置，该补偿装置包括：

一空心主体，其中有一润滑液通道；

该空心主体中的一弹性膜片件；

一套在在空心主体上的密封件；以及

该空心主体、膜片件和密封件装配成一盒而用作一整件。