JPS6329073B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6329073B2
JPS6329073B2 JP24704884A JP24704884A JPS6329073B2 JP S6329073 B2 JPS6329073 B2 JP S6329073B2 JP 24704884 A JP24704884 A JP 24704884A JP 24704884 A JP24704884 A JP 24704884A JP S6329073 B2 JPS6329073 B2 JP S6329073B2
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JP
Japan
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seal
fluid
sealing
shaft
housing
Prior art date
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Application number
JP24704884A
Other languages
Japanese (ja)
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JPS61126288A (en
Inventor
Esu Karushi Manmohan
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NL Industries Inc
Original Assignee
NL Industries Inc
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Publication date
Application filed by NL Industries Inc filed Critical NL Industries Inc
Priority to JP24704884A priority Critical patent/JPS61126288A/en
Publication of JPS61126288A publication Critical patent/JPS61126288A/en
Publication of JPS6329073B2 publication Critical patent/JPS6329073B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は回転シヤフトシール、更に特定的に
は、シールと回転シヤフト間流体力学的潤滑を与
えるための環状の連続的なしかし軸線方向に変動
可能なシールに関する。シールが摩耗するにつれ
てシールを圧縮して保持するために差圧を使用す
るシステムが開示される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION This invention relates to rotating shaft seals, and more particularly to an annular continuous but axially variable seal for providing hydrodynamic lubrication between the seal and a rotating shaft. A system is disclosed that uses differential pressure to compress and hold the seal as it wears.

本発明は管状部材間の環状空間内の潤滑剤チヤ
ンバ内に含まれたベアリングによつて相対的回転
をするように支持されている管状部材を有する装
置と使用するように適合することができる。
The present invention can be adapted for use with devices having tubular members supported in relative rotation by bearings contained within lubricant chambers within the annular spaces between the tubular members.

かかる装置はドリリングストリング(drilling
string)の一部として接続されそしてドリリング
流体は管状部材により形成された通路を通つて下
向きに且つ装置と井孔との間の環状部内で上向き
に循環させられる。かくして1つのかかる部材は
ストリングの下端から吊り下げられたハウジング
又はケースより成り、他はハウジングにより回転
可能に支持されそしてその下端にビツトを吊り下
げている中空シヤフトより成る。タービンの如き
モータは、数千フイートのドリリングストリング
を介して表面からハウジングまでトルクを伝達す
る必要なしにシヤフトを従つてビツトを回転する
ためのハウジング及びシヤフト間の環状空間内に
配置されることが多い。かくして上記通路はター
ビンが中に配置されておりそしてシヤフトを通つ
てその下端でビツトに到るシヤフトの孔までポー
トによつて接続される環状空間を含む。典型的に
は、かかる装置においては、ハウジングはその上
端でドリルストリングに接続されておりそしてシ
ヤフトはハウジングに対してそれらの間のモータ
によつて回転させられ、それによつて、管状シヤ
フトのまわりに支持された螺旋状ブレード又は同
様なものはドリリング流体がブレードを通過しそ
してブレードを回すにつれてドリリング流体の圧
力の減少を引き起こす。ターボドリルの場合にお
ける如く、モータはしばしばシヤフト及び管状部
材間の環状空間内にシヤフト及び管状部材上のタ
ービンブレードを含んで成る。モータを通つて循
環されるドリリング流体はビツトを通つて流れ去
ることに対して制限されている。
Such equipment is a drilling string.
string) and the drilling fluid is circulated downwardly through the passageway formed by the tubular member and upwardly within the annulus between the apparatus and the wellbore. One such member thus comprises a housing or case suspended from the lower end of the string, the other comprising a hollow shaft rotatably supported by the housing and suspending the bit at its lower end. A motor, such as a turbine, can be placed in the annular space between the housing and the shaft to rotate the shaft and thus the bit without the need to transmit torque from the surface to the housing through thousands of feet of drilling string. many. The passage thus comprises an annular space in which the turbine is disposed and connected by a port through the shaft to the bore of the shaft leading to the bit at its lower end. Typically, in such devices, the housing is connected at its upper end to the drill string and the shaft is rotated relative to the housing by a motor therebetween, thereby causing rotation around the tubular shaft. A supported helical blade or the like causes a decrease in the pressure of the drilling fluid as it passes through and rotates the blade. As in the case of turbo drills, the motor often comprises turbine blades on the shaft and tubular member within an annular space between the shaft and the tubular member. Drilling fluid circulated through the motor is restricted from flowing away through the bit.

タービン区域及びビツトを横切る圧力の降下に
より、このタイプの掘削装置のシール手段を横切
る実質的圧力差がある。このようにして圧力を分
離する回転シール手段は同じ圧力の流体を単に分
離するだけのシール手段より相当大きい摩耗を受
けることは良く知られている。シール手段及び係
合した管状部材の表面間に入り込むドリリング流
体中の摩耗性粒子による摩耗の問題はこの環境に
おいては更に由々しい問題である。シール摩耗に
おける他のフアクターは大地構造を通して井戸
(boreholes)を掘る際に遭遇する厳しい軸線方向
及び半径方向振動である。
Due to the drop in pressure across the turbine section and bit, there is a substantial pressure differential across the sealing means of this type of drilling rig. It is well known that rotating sealing means that separate pressures in this manner are subject to considerably more wear than sealing means that simply separate fluids of the same pressure. The problem of wear due to abrasive particles in the drilling fluid intercalating between the sealing means and the surfaces of the engaged tubular members is even more severe in this environment. Other factors in seal wear are the severe axial and radial vibrations encountered when drilling boreholes through the earth's structure.

それから保護されていない限り、環状空間に取
付けられたベアリングも又ドリリング流体におけ
る摩耗性粒子によつて損傷される。ベアリング取
替えは多額の費用によるドリルストリングの昇降
を必要とするので、少なくとも部分的に環状空間
におけるシール手段の対により形成された潤滑剤
チヤンバ内にベアリングを入れることによりベア
リングを摩耗性ドリリング流体から隔離する努力
がなされた。しかしながら、これらのシール手段
の1つ又は両方が圧力分離要素としても機能する
ならば、それは迅速に摩耗しそして摩耗性ドリリ
ング流体が潤滑剤チヤンバに入ることを許容す
る。
Bearings mounted in the annulus will also be damaged by abrasive particles in the drilling fluid unless protected therefrom. Since bearing replacement requires expensive raising and lowering of the drill string, the bearing is isolated from the abrasive drilling fluid by placing the bearing within a lubricating chamber formed at least in part by a pair of sealing means in the annular space. Efforts were made to do so. However, if one or both of these sealing means also functions as a pressure isolation element, it will wear quickly and allow abrasive drilling fluid to enter the lubricant chamber.

井戸掘削操作において位置づけられたモータ部
品を回転することにより遭遇する不利な環境の故
に、ダウンホール掘削操作に使用するためのダウ
ンホール“マツド”モータの開発に関する研究努
力の多くは、普通ドリリング“マツド”と呼ばれ
るドリリング流体の摩耗作用からのベアリング及
びシーリング運動表面(sealing moving
surfaces)の保護に関するものであつた。下記合
衆国特許は特にこの問題に関している。米国特許
第3659662号、第3666333号、第3971450号、第
4019591号、第4222445号、第4256189号及び第
4260032号。これらの特許は種々の案によりドリ
リングマツドからベアリング表面又か同様なもの
を保護する問題を取扱つている。
Due to the adverse environment encountered by rotating the motor components located in well drilling operations, much of the research effort in developing downhole "Matsudo" motors for use in downhole drilling operations has focused on the conventional drilling "Matsudo" motors. Bearing and sealing moving surfaces from the abrasive action of the drilling fluid called ``sealing moving surfaces''
It concerned the protection of surfaces). The following US patents are specifically concerned with this problem. U.S. Patent No. 3659662, No. 3666333, No. 3971450, No.
No. 4019591, No. 4222445, No. 4256189 and No.
No. 4260032. These patents deal with the problem of protecting bearing surfaces or the like from drilling mounds by various schemes.

米国特許第3659662号はシヤフトとハウジング
との環状空間内にラビリンスが設けられているシ
ステムを提供することによつてこの問題を克服す
ることを意図する装置を開示している。シヤフト
には、圧力がラビリンスを横切つて低下し、そし
て圧力がベアリングを収容している潤滑剤チヤン
バを形成するシール手段を横切つて等化されるよ
うにポートを設けられている。しかしながら、ラ
ビリンスを通る通路が小さいならば、それらはド
リリング流体中の粒子により塞がれる傾向があ
り、それによつて冷却効果を減じ、そしてもしそ
れらが大きい容量のドリリング流体を通すのに十
分に大きいならば、ビツトの掘削効率は相低下す
る。更に、ラビリンスが米国特許第3971450号に
開示された如き非漏洩型の第3のシール手段によ
り代替されるとしても、それは依然としてドリリ
ング流体中の粒子がシーリング面間に入る傾向に
より損傷を受けることがある。
US Pat. No. 3,659,662 discloses a device intended to overcome this problem by providing a system in which a labyrinth is provided in the annular space of the shaft and housing. The shaft is provided with ports so that pressure is reduced across the labyrinth and equalized across sealing means forming a lubricant chamber containing the bearing. However, if the passages through the labyrinths are small, they tend to become blocked by particles in the drilling fluid, thereby reducing the cooling effect, and if they are large enough to pass large volumes of drilling fluid. If so, the excavation efficiency of bits will decrease. Furthermore, even if the labyrinth were replaced by a non-leakage third sealing means such as that disclosed in U.S. Pat. be.

米国特許第3666333号はこの問題を解決するた
めに多数のどちらかと言えば複雑な特徴をもり込
んでいる。この特許はベアリングの上下に位置し
そしてグリース及び油充填チヤンバから成つてい
て井戸流体がベアリングに入るのを防止する上部
及び下部シールシステムを示す。更にかみ合う
(mating)環状部品のラビリンスが上部シーリン
グシステムの上に位置づけられていてドリルパイ
プ孔のより高い圧力下にドリリング流体の流れが
ドリリングモータの回転ベアリング及び表面に入
るのを更に妨害する。
US Pat. No. 3,666,333 incorporates a number of rather complex features to solve this problem. This patent shows an upper and lower seal system located above and below the bearing and consisting of grease and oil filled chambers to prevent well fluid from entering the bearing. A labyrinth of mating annular parts is positioned above the upper sealing system to further prevent the flow of drilling fluid from entering the rotating bearing and surface of the drilling motor under the higher pressure of the drill pipe hole.

米国特許第3971450号に示された装置の如き多
くの装置は井戸用装置におけるそれらの組立体に
拘束されていない(unconfined)場合には、井
戸内に発生した熱及び圧力による押出し及び変形
を受ける不規則な形状を有するシールを使用す
る。これらのシールは劣化しそして井戸環境から
可動部品を保護するのに効果的ではなくなる。
Many devices, such as the device shown in U.S. Pat. No. 3,971,450, are subject to extrusion and deformation due to the heat and pressure generated within the well when unconfined in their assembly in well equipment. Use seals with irregular shapes. These seals deteriorate and become ineffective in protecting moving parts from the well environment.

米国特許第4222445号はバツフア流体を使用し
て潤滑剤チヤンバを保護する。しかしながら、シ
ール摩耗の如き他の重要な問題を考慮しないと、
このシステムのベアリングを保護する能力は寿命
が短い。
US Pat. No. 4,222,445 uses buffer fluid to protect the lubricant chamber. However, if other important issues such as seal wear are not considered,
This system's ability to protect bearings has a short lifespan.

この問題に対する多くのアプローチは不合理な
力を使用すること、即ち、米国特許第4019591号
の下部シールに示されている如き高い圧縮下の大
きいシール面積を使用することを単に試みた。こ
のアプローチは初期のシールを与えるが、高い摩
擦及び次のシールの熱焦げのためシール表面は摩
耗しそして潤滑剤を漏洩し始める。
Many approaches to this problem simply attempt to use unreasonable forces, ie, large seal areas under high compression as shown in the bottom seal of US Pat. No. 4,019,591. This approach provides an initial seal, but due to high friction and subsequent charring of the seal, the seal surface wears and begins to leak lubricant.

米国特許第3449021号、第2867462号及び第
3831954号は管状部材間の傾斜つきシーリング表
面を取扱つている。米国特許第3449021号は相対
的に回転している表面間に使用するためのかかる
シールを例示する。しかしながら、回転している
要素に対するシーリング接触表面は、例示された
形状においては、井戸掘削装置の環境への適応に
適していない、どちらかと言えば狭いバンドに沿
つている。更に、井戸の苛酷なそして接近できな
い環境は、摩耗に対して補償して早期の頻繁な取
替えの必要を回避することができる効果的なシー
リング表面を提供することを重要ならしめる。傾
斜したシーリング表面を指向する上記特許はすべ
て、本発明が実施される条件下に変形するであろ
う不規則な形状の又は制限されていない
(nonconfined)シーリング部材を使用する。更
に、シールは相対的に長いシーリング寿命を与え
るように摩耗に対して補償されていない。
U.S. Patent Nos. 3,449,021, 2,867,462 and
No. 3,831,954 deals with sloped sealing surfaces between tubular members. US Pat. No. 3,449,021 exemplifies such a seal for use between relatively rotating surfaces. However, the sealing contact surface for the rotating element, in the illustrated configuration, is along a rather narrow band that is not suitable for adaptation to the well drilling rig environment. Additionally, the harsh and inaccessible environment of wells makes it important to provide an effective sealing surface that can compensate for wear and avoid the need for early and frequent replacement. All of the above patents directed to sloped sealing surfaces use irregularly shaped or nonconfined sealing members that will deform under the conditions under which the invention is practiced. Furthermore, the seals are not compensated for wear to provide a relatively long sealing life.

流体力学的シールの潤滑の特性は本発明者によ
り研究されそしていくつかの論文に報告されてい
る。Kalsi M.S.and G.A.Fazekas,“Feasibility
Study of a Slanted“O―ring”as a High
Pressure Rotary Seal,“ASME Paper No.72
―WA/DE―14(1972);Kalsi,M.S.,
“Elastohydrodynamic Lubrication of Offset
O―Ring Rotary Seal,”ASME Paper No.80
―C2/Lub―7(1980)及び1975年にUniversity
of Houstonに提出された同じ標題の論文。
The lubrication properties of hydrodynamic seals have been studied by the inventor and reported in several papers. Kalsi MSand GAFazekas, “Feasibility
Study of a Slanted “O-ring” as a High
Pressure Rotary Seal,“ASME Paper No.72
―WA/DE―14 (1972); Kalsi, MS,
“Elastohydrodynamic Lubrication of Offset
O-Ring Rotary Seal,”ASME Paper No.80
-C2/Lub-7 (1980) and University in 1975
A paper with the same title submitted to of Houston.

当分野においては、上記した困難及び問題を克
服すると共に摩耗性流体の環境において簡単なし
かし効果的なシールを与える新規な且つ改良され
た回転シヤフトシールが長らく探索されてきた。
本発明はこれらの困難を克服しそしてダウンホー
ルモータのシヤフトとハウジングとの間の連続的
な軸線方向に変動可能な流体力学的シーリング表
面を導入することによつて望ましいシーリングシ
ステムを提供する。このようなシーリングシステ
ムはシールを横切る圧力差により且つ高温で効果
的に操作する。更に、このようなシステムは高い
一体性(integrity)のシールを保持するように
シールに対する摩耗を補償するための手段を提供
する。
The art has long sought new and improved rotating shaft seals that overcome the difficulties and problems described above and provide a simple but effective seal in an abrasive fluid environment.
The present invention overcomes these difficulties and provides a desirable sealing system by introducing a continuous axially variable hydrodynamic sealing surface between the shaft and housing of a downhole motor. Such sealing systems operate effectively by pressure differential across the seal and at high temperatures. Additionally, such systems provide a means for compensating for wear on the seal so as to maintain a high integrity seal.

本発明は相対的に回転している部品間の環状に
連続的なしかし軸線方向に変動可能な路に配列さ
れたシーリング部材を使用する回転シヤフトシー
ルを指向する。好ましくは、シールは傾斜した
(slanted)O―リング又は多重回旋形状
(multiple convolutions configaration)である。
上部及び下部シール接触部材はシーリング部材の
表面にかみ合つて係合する表面、好ましくは多重
回旋を有する傾斜した表面(1つ又は複数の)を
有する。上部及び下部シール接触部材はそれらの
間でシーリング部材を圧縮するように相対運動す
るように配列されている。
The present invention is directed to a rotating shaft seal that uses sealing members arranged in an annularly continuous but axially variable path between relatively rotating parts. Preferably, the seal is a slanted O-ring or multiple convolutions configuration.
The upper and lower seal contact members have surfaces that matingly engage the surfaces of the sealing members, preferably sloped surface(s) having multiple convolutions. The upper and lower seal contact members are arranged for relative movement therebetween to compress the sealing member.

差圧はシール接触部材の少なくとも1つを他に
向けて動かすような装置要素(tool element)の
配列により発生される。
The differential pressure is generated by an arrangement of tool elements that moves at least one of the seal contact members toward the other.

この好ましい態様においては、シール接触部材
を圧縮して、シールが摩耗するにつれてシールを
その中に支持しているみぞをシールが充填するこ
とを引起すように作用する差圧の力
(differential pressure forces)を倍増させる
(multiplication)ことによつて差圧を発生する
のに、支持されていない区域が使用される。更
に、ばねバイアス作用部材(spring biasing
member)はモータの始動及び停止期間中生じる
低い差圧状況の期間中シールを圧縮するようにシ
ール接触部材を強制する。この追加的バイアス作
用は、もしそうしなければこれらの時間の期間中
ベアリング及びシーリングサブから潤滑剤が相当
漏洩するのを最小にし又は防止する。
In this preferred embodiment, differential pressure forces act to compress the seal contacting member and cause the seal to fill the groove supporting the seal therein as the seal wears. The unsupported area is used to create a differential pressure by multiplication of ). Furthermore, a spring biasing member (spring biasing member)
member) forces the seal contact member to compress the seal during low differential pressure conditions that occur during motor startup and shutdown. This additional biasing action minimizes or prevents significant leakage of lubricant from the bearing and sealing sub during these times that would otherwise occur.

シール支持みぞが制御された圧力下にシールを
圧縮することを引起す部品の配列は、保持される
シールのもとの形状に依存しないシステムを提供
する。シールはそのもとの形状がどうであれ、シ
ール接触部材の制限内で圧縮され、かくしてかか
る部材により提供された形状をとる。
The arrangement of parts that causes the seal support groove to compress the seal under controlled pressure provides a system that is independent of the original shape of the seal being retained. Whatever its original shape, the seal is compressed within the confines of the seal contacting member and thus assumes the shape provided by such member.

本発明の他の特徴は、高い圧力の圧力差が潤滑
剤に連通され、潤滑剤はシール接触部材の1つに
対して作用してそのシール接触部材を他方の接触
部材に向けて動かしそれによりシールを圧縮する
ようにしたシーリング部材の上のチヤンバ内に含
まれた潤滑剤の使用を含む。
Another feature of the invention is that a high pressure differential is communicated to the lubricant, the lubricant acting against one of the seal contact members to move the seal contact member toward the other contact member, thereby It involves the use of a lubricant contained within a chamber above the sealing member to compress the seal.

本発明の更に他の特徴は、下部シール接触部材
の下に位置づけられ、そして環境の流体の圧力が
下部シール接触部材に打ち当たることを許容する
と共に、該環境の流体がシーリングシステムに侵
入するのを妨害するためのグリースの如き高度に
粘性の物質で充填された下部チヤンバを含む。
Still other features of the invention are positioned below the lower seal contact member and permitting the pressure of the environmental fluid to impinge on the lower seal contact member and preventing the environmental fluid from entering the sealing system. It includes a lower chamber filled with a highly viscous substance, such as grease, to impede the flow.

本発明を好ましい態様に関して説明するが、本
発明をその態様に限定することを意図するもので
はないことを理解すべきである。反対にそれは特
許請求の範囲に定義された本発明の精神内に含ま
れ得るすべての変更、修正及び均等物を含むこと
を意図する。
While the invention will be described in terms of preferred embodiments, it should be understood that the invention is not intended to be limited to those embodiments. On the contrary, it is intended to cover all changes, modifications and equivalents which may be included within the spirit of the invention as defined in the claims.

添付図面の第1図を参照すると、ドリルストリ
ングに組込むのに好適なベアリング及びシーリン
グサブ区域(sub―section)11が例示される。
典型的ドリルストリング組立体において、ビツト
サブは12においてシーリングサブ11の下端に
接続される。サブ11はモータサブ、好ましくは
米国特許第3966369号に記載されそして例示され
た如き深い油井モータのハウジング13の下に接
続される。モータサブ13はサブ11のハウジン
グ16の範囲内に回転可能に位置づけられたシヤ
フト14に接続された(示されていない)出力シ
ヤフトを有するタービンモータ、容積式モータ
(positive displacement motor)又は同様なも
のを普通は含む。
Referring to FIG. 1 of the accompanying drawings, a bearing and sealing sub-section 11 suitable for incorporation into a drill string is illustrated.
In a typical drill string assembly, the bit sub is connected at 12 to the lower end of sealing sub 11. Sub 11 is connected under the housing 13 of a motor sub, preferably a deep well motor as described and illustrated in US Pat. No. 3,966,369. Motor sub 13 may include a turbine motor, positive displacement motor or the like having an output shaft (not shown) connected to a shaft 14 rotatably positioned within housing 16 of sub 11. Usually included.

ハウジング16はハウジング孔内に組立てられ
そしてスペーススリーブ18にその下端で接続さ
れた環状上端スリーブ17を有して示されてい
る。ベアリングカラー19がスペーススリーブ1
8の底部に接続されている。スペーシングスリー
ブ18,18a,18b及び18c及びベアリン
グカラー19,19a及び19bの交互する垂下
している(depending)鉛直方向配列がハウジン
グ16の孔内に位置づけられていて、サブ11の
主部分を含む要素を支持することが示されてい
る。
Housing 16 is shown having an annular upper sleeve 17 assembled within the housing bore and connected at its lower end to spacing sleeve 18. Bearing collar 19 is space sleeve 1
Connected to the bottom of 8. Alternating depending vertical arrays of spacing sleeves 18, 18a, 18b and 18c and bearing collars 19, 19a and 19b are positioned within the bore of housing 16 and include the main portion of sub-11. Shown to support elements.

これらの要素はシヤフト14の外側表面にスペ
ーシングスリーブ18及び摩耗スリーブ22間に
滑動可能に位置づけられた可動ピストン21を含
む。ばね23がピストン21の頂部端と上部端ス
リーブ17上に形成された環状の内側に面してい
るシヨルダ24との間に配列されている。ピスト
ン21の内壁の環状凹みは、ピストン21の環状
凹みに位置づけられた環状パツキン組立体27を
圧縮するための環状ばね26を支持する。ピスト
ン21の外側壁上のO―リング(示されていな
い)はスペーシングスリーブ18の孔内にシール
可能に係合する。
These elements include a movable piston 21 slidably positioned on the outer surface of the shaft 14 between a spacing sleeve 18 and a wear sleeve 22. A spring 23 is arranged between the top end of the piston 21 and an annular inwardly facing shoulder 24 formed on the upper end sleeve 17. An annular recess in the inner wall of piston 21 supports an annular spring 26 for compressing an annular packing assembly 27 positioned in the annular recess of piston 21. An O-ring (not shown) on the outer wall of piston 21 sealingly engages within the bore of spacing sleeve 18.

ハウジング16とシヤフト14との間に形成さ
れた一連の相互接続されたチヤンバ及び環状空間
28は潤滑油を充填されてサブ11内に収容され
たベアリングのための油浴を与える。ラジアルベ
アリング組立体29が摩耗スリーブ22とスペー
シングスリーブ18との間に示されていて、ハウ
ジング18内のシヤフト14の同心取付けを与え
そしてサブに対して作用する穴かたよりにより引
起こされる如きサブ11に作用する横方向の力を
調節する。摩耗スリーブ22の下端は、ベアリン
グカラー19の上向きに突き出している部分33
に対してスラストベアリング32を保持するよう
に配列されている外向きに突き出している環状シ
ヨルダ部分31を有する。ベアリングカラー19
の下向きに突き出している部分34が非圧縮性ス
ラストリング36を収容するための周辺チヤンバ
(circumferential chamber)の頂部を形成する
ように配列されている。周方向チヤンバの下部及
び内壁部分は、スラストベアリング32aの頂部
に乗つている“L”形状環状リング部材37によ
つて与えられる。スラストベアリング32aの底
部はロータシヤフトカラー38により支持され、
ロータシヤフトカラー38はシヤフト14のまわ
りにクランプされそしてシヤフト14とハウジン
グ16との間の環状空間へと延びていてサブ11
のベアリング及びシール組立体におけるその鉛直
方向位置にベアリング32aを保持するシヨルダ
を有している。
A series of interconnected chambers and annular spaces 28 formed between housing 16 and shaft 14 are filled with lubricating oil to provide an oil bath for the bearings contained within sub 11. A radial bearing assembly 29 is shown between the wear sleeve 22 and the spacing sleeve 18 to provide concentric mounting of the shaft 14 within the housing 18 and to provide for concentric mounting of the shaft 14 within the housing 18 and to prevent the sub from the sub as caused by the hole bias acting on the sub. Adjust the lateral force acting on 11. The lower end of the wear sleeve 22 has an upwardly projecting portion 33 of the bearing collar 19.
It has an outwardly projecting annular shoulder portion 31 arranged to hold a thrust bearing 32 against it. bearing collar 19
is arranged such that its downwardly projecting portion 34 forms the top of a circumferential chamber for housing an incompressible thrust ring 36. The lower and inner wall portions of the circumferential chamber are provided by an "L" shaped annular ring member 37 which rides on top of the thrust bearing 32a. The bottom of the thrust bearing 32a is supported by the rotor shaft collar 38,
A rotor shaft collar 38 is clamped around the shaft 14 and extends into the annular space between the shaft 14 and the housing 16 so that the sub-11
The bearing 32a has a shoulder that holds the bearing 32a in its vertical position in the bearing and seal assembly.

スラストベアリング32b及び32cは、組立
体においてベアリング32aを位置づけるための
上記した配列と同様な方法において配列される。
下部ラジアルベアリング組立体29aがシヤフト
14とハウジング16との間に示されている。上
記したベアリング配列においては、最上部スラス
トベアリング32がハウジング16に関してシヤ
フト14に対して下向きに作用しているスラスト
力を支持するように配列されている。これはドリ
ルストリングが穴の底部の上に位置づけられると
き起こるであろう。ドリルビツトが底部に載つて
おりそして重量がドリルストリング上にかかると
き、スラストベアリング32a,32b及び32
cはシヤフト14に対する上向き負荷を支持す
る。上記したベアリング及びシール装置は米国特
許第4086788号により詳細に示されている。
Thrust bearings 32b and 32c are arranged in a manner similar to the arrangement described above for positioning bearing 32a in the assembly.
A lower radial bearing assembly 29a is shown between shaft 14 and housing 16. In the bearing arrangement described above, the top thrust bearing 32 is arranged to support thrust forces acting downwardly on the shaft 14 with respect to the housing 16. This will occur when the drill string is positioned over the bottom of the hole. When the drill bit rests on the bottom and the weight is on the drill string, thrust bearings 32a, 32b and 32
c supports the upward load on the shaft 14. The bearing and seal arrangement described above is shown in more detail in U.S. Pat. No. 4,086,788.

参照番号41により一般的に示されそして本発
明の主題である下部シヤフトシール組立体は添付
図面の第2図及び第3図に関してより詳細に例示
されそして記載されている。添付図面の第2図を
参照すると、下部シヤフトシール組立体41はラ
ジアルベアリング29aの下にシヤフト14とハ
ウジングの間に示されている。ベアリング組立体
を潤滑するための油を含有する環状チヤンバ28
の1つがベアリング29aの下に且つ下部シール
組立体41の上端と流体連通するように延びてい
るのが示されている。下部シール組立体を取付け
るための環状空間35がシヤフト14とハウジン
グ16との間に形成されており、そしてその上端
でハウジング16上の内方に突き出しているシヨ
ルダ42で終る。環状当接リング43がハウジン
グ16の下端にねじ込み可能に受け入れられてシ
ール組立体41を囲うための環状空間35の下端
を形成する。
The lower shaft seal assembly, designated generally by the reference numeral 41 and which is the subject of the present invention, is illustrated and described in more detail with respect to FIGS. 2 and 3 of the accompanying drawings. Referring to FIG. 2 of the accompanying drawings, a lower shaft seal assembly 41 is shown between the shaft 14 and the housing below the radial bearing 29a. annular chamber 28 containing oil for lubricating the bearing assembly;
one is shown extending below bearing 29a and in fluid communication with the upper end of lower seal assembly 41. An annular space 35 for mounting a lower seal assembly is formed between shaft 14 and housing 16 and terminates at its upper end in an inwardly projecting shoulder 42 on housing 16. An annular abutment ring 43 is threadably received at the lower end of the housing 16 to define the lower end of the annular space 35 for enclosing the seal assembly 41 .

下部シール支持部材44は上向きに延びている
支持体部分43を有する環状スリーブから成り、
支持部材44は環状空間35の下端に受け入れら
れるような寸法である。支持部材44の下端は当
接リング43の頂部に載つている。シール組立体
41の下端へのドリリング流体の侵入に対してバ
リヤーを与えるための環状フエルトシールリング
47の対が支持部材44の内側に向いている壁上
に縦方向に間隔を置いて配置されて示されてい
る。その上に位置づけられたグリースの如き粘性
材料と共に上記のような流体の侵入を防止する
が、フエルトシールは井戸環状部から環状空間3
5への下端への圧力の伝達を防止するのには十分
ではない。ポート48がハウジング16の壁を通
つて設けられて環状空間35へのグリースの挿入
に適応し、そしてグリースが注入されていないと
き閉じられたポートをシールする付属品を持つて
配列されている。グリースは上向きに延びている
支持部分46の壁におけるポート51によつて支
持部材44の内側に連通される。O―リングシー
ル30は部材44とハウジング16の内孔との間
に支持部材44の外壁上のみぞ内に位置づけられ
る。支持部分46の上部表面53は下部シール部
材52の下部表面にかみ合つて合致する
(matingly conform)ような輪郭である。シー
ル部材52及び合致した輪郭の表面53は軸線方
向変動により特徴づけられそして好ましくは傾斜
し又は多重回旋状である(multiply
convoluted)。
The lower seal support member 44 comprises an annular sleeve having an upwardly extending support portion 43;
Support member 44 is sized to be received at the lower end of annular space 35 . The lower end of the support member 44 rests on top of the abutment ring 43. A pair of annular felt seal rings 47 are vertically spaced apart on the inwardly facing wall of the support member 44 to provide a barrier to the ingress of drilling fluid to the lower end of the seal assembly 41. It is shown. The felt seal, along with a viscous material such as grease positioned thereon, prevents the ingress of such fluids from the well annulus to the annular space 3.
5 is not sufficient to prevent the transmission of pressure to the lower end. A port 48 is provided through the wall of the housing 16 to accommodate the insertion of grease into the annular space 35 and is arranged with fittings to seal the port closed when no grease is being injected. Grease is communicated to the interior of the support member 44 by ports 51 in the upwardly extending wall of the support portion 46. O-ring seal 30 is positioned within a groove on the outer wall of support member 44 between member 44 and the inner bore of housing 16. The upper surface 53 of the support portion 46 is contoured to matingly conform to the lower surface of the lower seal member 52. The sealing member 52 and the matched contour surface 53 are characterized by axial variations and are preferably sloped or multiply convoluted.
convoluted).

シール組立体41の上端を参照すると、環状ば
ね列57たとえばベレビレばね(Beleville
springs)がシヨルダ42のすぐ下の環状空間3
5内に位置づけられる。ばね列57の底部は上部
環状支持部材59の頂部表面58に対して下向き
に作用する。支持部材59は、環状空間の内壁の
まわりに且つシール52を越えて延びている下向
きに延びている環状部分62を有しており、環状
部分62の下端はその下で支持されておらずそし
てハウジング16の下又は外側の環状空間内の流
体圧と連通している。環状O―リングシール63
が上部支持部材59の外壁のまわりのみぞに位置
づけられてチヤンバ28中の油のより高い差圧
(differential pressure)から部分62の下端を
シールする。下部表面64が上部支持部材59の
内壁に形成されたシヨルダの底部側に形成されて
いる。表面64は上部シール部材66の上部表面
にかみ合つて合致するように配列されている。シ
ール部材66及び表面64は軸線方向変動により
特徴づけられ、そして好ましくは傾斜しており又
は多重回旋状である。従つて、この好ましい態様
においては、表面64及び53は平行でありそし
て下部環状シール52及び上部環状シール66を
収容する環状傾斜みぞを与える。第2図に示され
た態様においては、上部シール66はO―リング
として示されそして下部シール52はブレード編
みされた層のパツキンとして例示されている。上
記したシール組立体の圧縮効果の故に、シール材
料は圧縮されてそれぞれ上部及び下部表面64及
び53及びシヤフト14の外壁及び部分62の鉛
直方向内壁により形成されたみぞを充填する。か
くして組立体において使用されるパツキン又はシ
ールの特定の形状とかかわりなくシールはみぞの
形状に変形されるであろう。更に、シールは丸み
(radius)67がシヤフト14に面しているシー
ル部材52及び66の鉛直方向シーリング表面の
内縁により形成されるような構造である。
Referring to the upper end of the seal assembly 41, an annular spring array 57 such as a Beleville spring is shown.
springs) is the annular space 3 immediately below the shoulder 42.
It is located within 5. The bottom of spring array 57 acts downwardly against top surface 58 of upper annular support member 59 . The support member 59 has a downwardly extending annular portion 62 extending around the inner wall of the annular space and beyond the seal 52, the lower end of the annular portion 62 being unsupported thereunder and It is in communication with the fluid pressure within the annular space below or outside the housing 16 . Annular O-ring seal 63
is positioned in a groove around the outer wall of upper support member 59 to seal the lower end of section 62 from the higher differential pressure of oil in chamber 28 . A lower surface 64 is formed on the bottom side of a shoulder formed on the inner wall of upper support member 59 . Surface 64 is arranged to matingly mate with the upper surface of upper seal member 66 . Seal member 66 and surface 64 are characterized by axial variations and are preferably beveled or multi-convoluted. Thus, in this preferred embodiment, surfaces 64 and 53 are parallel and provide an annular sloped groove that accommodates lower annular seal 52 and upper annular seal 66. In the embodiment shown in FIG. 2, upper seal 66 is shown as an O-ring and lower seal 52 is illustrated as a braided layer packing. Because of the compressive effect of the seal assembly described above, the sealing material is compressed to fill the grooves defined by the upper and lower surfaces 64 and 53, respectively, and the outer wall of shaft 14 and the vertical inner wall of section 62. Thus, regardless of the particular shape of the packing or seal used in the assembly, the seal will be deformed into the shape of the groove. Additionally, the seal is constructed such that a radius 67 is formed by the inner edges of the vertical sealing surfaces of seal members 52 and 66 facing shaft 14.

添付図面の第3図を参照すると、シール組立体
41の他の態様が例示されている。ハウジング1
6とシヤフト14との間の環状空間35は第2図
における如く上部シヨルダ42と下部当接リング
43との間に配置されている。下部支持部材71
も又、シヤフト14の外表面に係合するようにそ
の内壁に配置されたフエルトシール47を有す
る。O―リング30は下部支持部材71の外壁に
位置づけられていてハウジング16の孔に対して
シールする。グリース注入ポート及び付属部品4
8はシール組立体の下端の環状空間35の粘性物
質による充填を与える。下部支持部材71はハウ
ジング16とシヤフト14との間の空間を充填す
るような寸法のその上端において大きくなつた環
状部分72を有する。
Referring to FIG. 3 of the accompanying drawings, another embodiment of the seal assembly 41 is illustrated. Housing 1
6 and the shaft 14 is arranged between the upper shoulder 42 and the lower abutment ring 43 as in FIG. Lower support member 71
It also has a felt seal 47 disposed on the inner wall of the shaft 14 to engage the outer surface thereof. O-ring 30 is located on the outer wall of lower support member 71 and seals against the hole in housing 16. Grease injection port and accessories 4
8 provides for filling of the annular space 35 at the lower end of the seal assembly with viscous material. Lower support member 71 has an enlarged annular portion 72 at its upper end dimensioned to fill the space between housing 16 and shaft 14.

鉛直方向穴73が支持部材71の上端部分72
のまわりにラジアルシリーズ(radial series)に
形成されている。大きくなつた部分72の上部表
面は環状シーリング部材76にかみ合つて係合す
る表面74を有する。これらの表面は軸線方向変
動により特徴づけられそして好ましくはそれらは
傾斜しているか又は多重回旋状である。上部支持
部材77はシール部材76の上に位置づけられそ
してシール部材76の頂部にかみ合い接触
(mating contact)するための下部表面78を有
する。ばね57の列がシヨルダ42と上部支持体
77の頂部との間に位置づけられる。ラジアルシ
リーズの鉛直方向穴79も又上部支持体77に形
成されそして下部支持部材71の上部部分72に
おける鉛直方向穴73と整列している。穴79の
頂部部分は整列した穴79及び73内に受け入れ
られる寸法のピン82のヘツド81を受け入れる
ように大きくなつている。鉛直方向通路83はシ
ール組立体の下部部分における環状空間35と各
穴73の底部とを接続する。油は上部支持体77
の上のチヤンバ又は空間28を充填する。添付図
面の第4図は上部支持体77の頂面図を示す。ピ
ン82のヘツド81は鉛直方向穴79のラジアル
シリーズの範囲内の組立てられた位置で例示され
ている。
The vertical hole 73 is located at the upper end portion 72 of the support member 71.
formed in a radial series around the The upper surface of enlarged portion 72 has a surface 74 that matingly engages annular sealing member 76 . These surfaces are characterized by axial variations and preferably they are oblique or polyconvoluted. Upper support member 77 is positioned above seal member 76 and has a lower surface 78 for mating contact with the top of seal member 76 . A row of springs 57 is positioned between shoulder 42 and the top of upper support 77. A radial series of vertical holes 79 are also formed in the upper support 77 and are aligned with the vertical holes 73 in the upper portion 72 of the lower support member 71. The top portion of hole 79 is enlarged to receive the head 81 of pin 82 which is sized to be received within aligned holes 79 and 73. A vertical passage 83 connects the annular space 35 in the lower portion of the seal assembly to the bottom of each hole 73. The oil is on the upper support 77
The chamber or space 28 above is filled. FIG. 4 of the accompanying drawings shows a top view of the upper support 77. Head 81 of pin 82 is illustrated in an assembled position within the radial series of vertical holes 79.

シール76はそれぞれ上部及び下部支持部材7
7及び71上の表面78及び74により規定され
たみぞ内に嵌合するように、好ましくは傾斜した
又は多重回旋状の軸線方向変動を伴なう連続的環
状形状に配置された適当なシーリング材料の層か
ら成る。丸味86はシール76の頂部及び底部の
内側に向いている縁上に形成されていて、シール
を通り過ぎて移動する潤滑油の流体力学的力によ
るシールのかかる内向き縁の持ち上げに適応す
る。
Seals 76 are connected to upper and lower support members 7, respectively.
a suitable sealing material arranged in a continuous annular shape, preferably with inclined or multi-convoluted axial variations, to fit within the grooves defined by surfaces 78 and 74 on 7 and 71; Consists of layers. Radiation 86 is formed on the top and bottom inwardly facing edges of the seal 76 to accommodate lifting of such inwardly facing edges of the seal by the hydrodynamic forces of the lubricating oil moving past the seal.

シール上の潤滑油フイルムの流体力学的効果は
添付図面の第5図を参照して更に明らかになる。
第5図はシヤフト14の1回転期間中シヤフト1
4に関して動く第3図のシール76の周方向に展
開した路の略図による表示である。シールの軸線
方向変動、たとえばシヤフト表面14の回転の路
に対するシール76の傾斜した形状の故に、鉛直
方向幅Sを有するシールはシヤフト14の1回転
期間中鉛直方向幅Pを有する路を通つて運動す
る。シヤフトがシールに対して回転するにつれ
て、潤滑剤はシヤフトのまわりの実質的に水平方
向に運動する傾向がある。油に加えられる水平方
向速度は第5図における線VOで表わされる。VO
により表わされた速度は2つのベクトル成分、即
ち、シールの路に沿つて横方向に油を運動させる
速度であるVL及びシール76の側壁を横切る方
向に作用する速度であるVTに分けることができ
る。成分VTはシール76の縁における丸味86
と協同して油がシールを持ち上げそしてシールの
下に流れることを引起こし、それによりシール7
6とシヤフト14との間の潤滑油の薄い層を形成
する。更に、ダウンホールモータを横切つて発生
した圧力によるシール76を横切る圧力差がある
ので、たとえばシヤフトがシールに対して運動す
るにつれてシールを横切つて前後に運動する油に
対する正味の下向きの力がある。油の前後運動
は、シールの上及び下にシヤフトの部分を交互に
位置づける効果を有するシヤフトに対してシール
により取られた波状の(undulated)又は正弦波
の路によるものである。このシールシステム及び
それに対して発生した流体力学的流れの効果は、
シールの温度を減少し及び回転しているシヤフト
を潤滑する傾向のある潤滑表面をたえずシール7
6とシヤフト14との間に与え、かくしてシール
が焦げること(schorchip)及び脆くなるのを防
止することである。焦げ及び脆化の防止はシール
に対する摩耗を大幅に減少する。1方向の油の正
味の流れも又、熱をシーリング表面から運び去る
ことによりシステムの温度減少機能を助長する。
The hydrodynamic effect of the lubricant film on the seal will become more apparent with reference to FIG. 5 of the accompanying drawings.
Figure 5 shows the shaft 1 during one rotation of the shaft 14.
4 is a schematic representation of the circumferentially developed path of the seal 76 of FIG. 3 moving with respect to FIG. Because of the axial variations in the seal, such as the sloped shape of the seal 76 relative to the path of rotation of the shaft surface 14, the seal having a vertical width S moves through a path having a vertical width P during one rotation of the shaft 14. do. As the shaft rotates relative to the seal, the lubricant tends to move substantially horizontally around the shaft. The horizontal velocity applied to the oil is represented by line V O in FIG. V O
The velocity expressed by is divided into two vector components: V L , which is the velocity that moves the oil laterally along the path of the seal, and V T , which is the velocity that acts across the sidewall of the seal 76. be able to. Component V T is the roundness 86 at the edge of the seal 76
causes the oil to lift the seal and flow under the seal, thereby seal 7
6 and the shaft 14. Additionally, because there is a pressure differential across the seal 76 due to the pressure generated across the downhole motor, there is a net downward force on the oil moving back and forth across the seal, for example as the shaft moves relative to the seal. be. The back and forth movement of the oil is due to the undulated or sinusoidal path taken by the seal relative to the shaft, which has the effect of positioning parts of the shaft alternately above and below the seal. This sealing system and the effect of the hydrodynamic flow generated on it are:
Continuously seal lubricated surfaces which tend to reduce the temperature of the seal and lubricate the rotating shaft 7
6 and the shaft 14, thus preventing the seal from schorchiping and becoming brittle. Prevention of charring and embrittlement greatly reduces wear on the seals. The net flow of oil in one direction also aids in the temperature reduction function of the system by carrying heat away from the sealing surfaces.

上記した本発明に従うシール組立体を有する掘
削装置が操作されるとき、装置を横切つて圧力差
が発生し、それによりドリルビツトの下よりもド
リルビツトの上の装置の区域においてより高い圧
力が存在する。この装置におけるより高い圧力は
サブ11の上端のピストン21によつてベアリン
グ及びシーリングサブ11(第1図)の上端に伝
えられる。この圧力はサブ11全体にわたつてチ
ヤンバ28中の潤滑油によつてサブ境界のシール
組立体(sub bodering seal assembly)41の
下端に運ばれる。第2図を参照すると、この圧力
は上部支持部材59の上端へと送られ、そして区
域A1を横切つて下向きに作用する。この下向き
の力はシール52及び66の頂部表面へと送られ
る。底部支持部材44は当接リング43により下
向き運動に対抗して保持され、かくしてそれぞれ
上部及び下部支持部材59及び44間でシールを
圧縮する。シール52及び66の内側に向いてい
る表面が摩耗するにつれて支持部材間の予測され
得る力が表面53及び64により規定されたみぞ
を適当に閉じて、シールが摩耗するにつれてシー
ルを絶えず拘束して保持しそしてシールをシヤフ
ト及び上部支持部材とシーリング係合するように
プレスする。
When a drilling rig having a seal assembly according to the invention described above is operated, a pressure differential is created across the rig such that higher pressure exists in the area of the rig above the drill bit than below the drill bit. . The higher pressure in this device is transmitted to the upper end of bearing and sealing sub 11 (FIG. 1) by piston 21 at the upper end of sub 11. This pressure is carried throughout sub 11 by lubricating oil in chamber 28 to the lower end of sub bodering seal assembly 41. Referring to FIG. 2, this pressure is directed to the upper end of upper support member 59 and acts downwardly across area A1 . This downward force is directed to the top surfaces of seals 52 and 66. Bottom support member 44 is held against downward movement by abutment ring 43, thus compressing the seal between upper and lower support members 59 and 44, respectively. As the inwardly facing surfaces of seals 52 and 66 wear, the predictable forces between the support members suitably close the grooves defined by surfaces 53 and 64, continually constraining the seals as they wear. Hold and press the seal into sealing engagement with the shaft and upper support member.

支持部材を相互に強制するように作用してい
る、上記した差圧(differential pressure)は、
上部及び下部シール支持体の形状並びに組立体に
おけるそれらの共同動作関係(cooperative
relationship)から生じる釣り合つていない区域
効果(unbalanced area effect)により更に高め
られる。上記した如く、シールの頂部の下向きの
力は第2図に示された如き区域A1を横切つて作
用する装置孔におけるより高い圧力PHによつて
表わされる。下向きの圧力はA1×PHの積である。
井戸環状部のより低い圧力PLは支持部材59か
ら垂れ下がつている支持されていない部分62上
の区域A2を横切つて作用する。このようにして
上部支持部材59に対して上向きに作用する流体
圧による力はPL×A2である。支持部材59に対
して作用する第3の上向きに作用する力はA1
A2によつても表わされたシール又は区域A3を横
切つて作用する未知の圧力PSにより表わされる。
シールを横切つて作用する圧力PSが上のチヤンバ
28における潤滑剤の圧力よりも常に大きいこと
を示すために簡単な力の線図を圧力及び面積の例
を用いて描くことができる。シールを横切る圧力
PSはPS=(PH・A1―P1・A2)/(A1―A2)とし
て計算される。この支持されていない区域の効果
はそれによりシステムの摩耗補償特徴を高める。
シールはより長く持ちこたえるのみならず所望の
漏洩速度より大きい速度でシールを通り過ぎる制
御されていない油の漏洩は防止される。
The differential pressure mentioned above, which acts to force the supporting members together, is
The shape of the upper and lower seal supports and their cooperative relationship in the assembly
This is further enhanced by the unbalanced area effect resulting from the relationship. As mentioned above, the downward force on the top of the seal is represented by the higher pressure P H in the device bore acting across area A 1 as shown in FIG. The downward pressure is the product of A 1 ×P H .
The lower well annulus pressure P L acts across area A 2 on unsupported portion 62 depending from support member 59 . The force due to the fluid pressure acting upwardly on the upper support member 59 in this manner is P L ×A 2 . The third upward force acting on the support member 59 is A 1 -
It is represented by an unknown pressure P S acting across the seal or area A 3 also represented by A 2 .
A simple force diagram can be drawn using pressure and area examples to show that the pressure P S acting across the seal is always greater than the pressure of the lubricant in the upper chamber 28. pressure across seal
P S is calculated as P S =(P H ·A 1 −P 1 ·A 2 )/(A 1 −A 2 ). The effect of this unsupported area thereby enhances the wear compensation characteristics of the system.
Not only will the seal last longer, but uncontrolled oil leakage past the seal at a rate greater than the desired leak rate is prevented.

シール66及び52の下のシール組立体の部分
は、フエルトシール47と協同してドリリング流
体がシール区域へと進むのを防止するグリースの
如き高度に粘性の物質で充填される。フエルトシ
ール47も又グリースで含浸される。上記シール
の下のグリースは上記した如き下向きの油の正味
の流れと一緒になつて、ドリリング流体が下から
組立体に侵入するのを防止する。しかしながら、
システムは井戸環状部中のドリリング流体の圧力
がシール66及び52の下のグリースチヤンバに
伝達されることを許容する。
The portion of the seal assembly below seals 66 and 52 is filled with a highly viscous material, such as grease, which cooperates with felt seal 47 to prevent drilling fluid from advancing into the seal area. The felt seal 47 is also impregnated with grease. The grease under the seal, together with the net downward flow of oil as described above, prevents drilling fluid from entering the assembly from below. however,
The system allows the pressure of the drilling fluid in the well annulus to be transferred to the grease chamber below seals 66 and 52.

第1図の装置が定置されており、その回転を開
始し又は停止するとき、シールを圧縮することに
頼つた圧力差はシールを通り過ぎる潤滑剤の漏洩
を防止するように作用性である程十分に高くはな
い。かくしてばね列57が、組立体における構成
部品を保持することに加えて回転が殆んどないか
全然ない期間中上部支持部材59に対して下向き
に作用する。
When the apparatus of FIG. 1 is in place and its rotation is started or stopped, the pressure differential relied upon to compress the seal is sufficient to be operative to prevent leakage of lubricant past the seal. It's not expensive. Spring array 57 thus acts downwardly against upper support member 59 during periods of little or no rotation in addition to holding the components in the assembly.

第3図に示された態様はピン82がシール76
を横切る圧力差の倍増効果(multiplying effect)
を与える支持されていない区域を表わすことを除
いて上記した如き第2図の態様と同様に動作す
る。
In the embodiment shown in FIG.
multiplying effect of the pressure difference across
It operates similarly to the embodiment of FIG. 2, as described above, except that it represents an unsupported area that provides an .

本発明の前記説明は主として、説明及び例示の
目的で特許法の要件に従う特定の好ましい態様を
指向した。しかしながら、特定的に説明されそし
て例示された装置及び方法における多くの修正及
び変更が本発明の範囲及び精神から逸脱すること
なくなされ得ることは明らかであろう。たとえ
ば、システムの開示は主として傾斜したシール部
材に関して説明されたが、所望の流体力学的潤滑
を生じるために、十分な軸線方向変動、たとえば
多重回旋(multiple ocnvolution)を有する形状
を有するシール部材を例示された態様の傾斜した
シールに対して代替することは本明細書の説明及
び例示から明らかであり得る。更に、寸法、形状
及び材料並びに例示された態様の詳細における
種々の変更はその最も広い観点における本発明か
ら逸脱することなく当業者には明らかであろう。
最後に、このシール装置は掘削装置における使用
に関して記載されたけれども、回転シールを使用
するいかなる装置における使用に対しても適合性
である。故に本発明は例示されそして説明された
構造の特定の形態に限定されるものではなく特許
請求の範囲内に入り得るすべての修正を含む。
The foregoing description of the invention has been directed primarily to certain preferred embodiments in accordance with the requirements of patent law for purposes of explanation and illustration. It will be apparent, however, that many modifications and changes may be made in the specifically described and illustrated apparatus and methods without departing from the scope and spirit of the invention. For example, although the system disclosure has been described primarily with respect to an angled seal member, seal members having shapes with sufficient axial variation, e.g., multiple ocnvolutions, are illustrated to produce the desired hydrodynamic lubrication. Alternatives to the angled seals of the described embodiments may be apparent from the description and illustrations herein. Additionally, various changes in size, shape and materials and details of the illustrated embodiments will be apparent to those skilled in the art without departing from the invention in its broadest aspects.
Finally, although this sealing device has been described for use in drilling equipment, it is suitable for use in any equipment that uses rotating seals. Therefore, the invention is not limited to the particular forms of construction illustrated and described, but includes all modifications that may come within the scope of the claims.

本発明の真の精神及び範囲内に入るこのような
修正及び変更を含むことが特許請求の範囲におけ
る本出願人の意図である。
It is Applicant's intention in the appended claims to cover such modifications and variations as fall within the true spirit and scope of the invention.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明に従う下部シヤフトシールを組
み込むことができるダウンホール掘削システムに
使用するための井戸用装置の鉛直方向部分断面図
を示す。第2図は本発明に従う回転シヤフトシー
ルを含んでいる第1図の下部シヤフトシール区域
の詳細な鉛直断面図である。第3図は本発明に従
う回転シヤフトシールの他の態様を含んでいる第
1図の下部シヤフトシール区域の一部分の鉛直断
面図である。第4図は第3図の上部支持部材の部
分頂面図である。第5図は対応する速度線図を有
するオフセツトO―リングシールの線図である。 図において、11…ベアリング及びシーリング
サブ区域、14…シヤフト、16…サブ11のハ
ウジング、18,18a,18b,18c…スペ
ーシングスリーブ、19,19a,19b…ベア
リングカラー、21…可動ピストン、29a…ラ
ジアルベアリング、28…環状チヤンバ、35…
環状空間、41…下部シヤフトシール組立体、4
2…シヨルダ、43…環状当接リング、44…下
部シール支持部材、47…環状フエルトシールリ
ング、52…下部シール部材、57…ばね列、5
9…上部環状支持部材、62…下向きに延びてい
る環状部分、63…環状O―リングシール、66
…上部シール部材、71…下部支持部材、76…
環状シーリング部材、77…上部支持部材であ
る。
FIG. 1 shows a partial vertical cross-sectional view of well equipment for use in a downhole drilling system that may incorporate a lower shaft seal in accordance with the present invention. FIG. 2 is a detailed vertical cross-sectional view of the lower shaft seal area of FIG. 1 containing a rotating shaft seal in accordance with the present invention. 3 is a vertical cross-sectional view of a portion of the lower shaft seal area of FIG. 1 including another embodiment of a rotary shaft seal according to the present invention; FIG. 4 is a partial top view of the upper support member of FIG. 3; FIG. FIG. 5 is a diagram of an offset O-ring seal with a corresponding velocity diagram. In the figure, 11... Bearing and sealing sub-area, 14... Shaft, 16... Housing of sub-11, 18, 18a, 18b, 18c... Spacing sleeve, 19, 19a, 19b... Bearing collar, 21... Movable piston, 29a... Radial bearing, 28...Annular chamber, 35...
Annular space, 41...lower shaft seal assembly, 4
2... Shoulder, 43... Annular abutment ring, 44... Lower seal support member, 47... Annular felt seal ring, 52... Lower seal member, 57... Spring row, 5
9... Upper annular support member, 62... Annular portion extending downward, 63... Annular O-ring seal, 66
...Upper seal member, 71...Lower support member, 76...
Annular sealing member 77... Upper support member.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 回転するシヤフトとそのハウジングとの間の
環状空間をシールするための回転シヤフトシール
システムにおいて、該システムは、上部及び下部
係合表面を有する環状シール手段であつて、該シ
ール手段の1つのシーリング表面が該回転シヤフ
トに滑動可能に係合するように回転シヤフトのま
わりに軸線方向に変動可能な形状を有する環状シ
ール手段と、 該シール手段の上部及び下部係合表面にかみ合
つて係合するための第1及び第2手段であつて、
相互に対して相対的縦方向運動を許容するように
配列された第1及び第2手段と、 該第1及び第2係合手段を相互に向けて片寄ら
せるための差流体圧により作動される手段と、 該ハウジングの環境における該流体と該シール
手段の接触を実質的に防止するための手段とを具
備することを特徴とする回転シヤフトシールシス
テム。 2 実質的に接触を防止するための該手段は、該
シーリング手段がその中に位置づけられていると
ころの潤滑流体を含有するチヤンバを含んで成る
特許請求の範囲第1項記載の回転シールシステ
ム。 3 該シール手段は該チヤンバを高圧側及び低圧
側に分離しそして潤滑流体の正の流れが該シーリ
ング手段を横切つて保持される特許請求の範囲第
2項記載の回転シールシステム。 4 該シール手段は潤滑流体を含有する第1チヤ
ンバと高圧側で流体連通しており、そして該潤滑
流体より大きい粘度を有する流体を含有する第2
チヤンバと低圧側で流体連通しており、そして潤
滑流体の正の流れが該シーリング手段を横切つて
保持される特許請求の範囲第1項記載の回転シー
ルシステム。 5 該シヤフトの内側の範囲内の環境の圧力を該
チヤンバの1つにおける該流体に連通するための
手段を更に具備する特許請求の範囲第4項記載の
回転シールシステム。 6 該ハウジングの外側の環境の圧力を該チヤン
バの1つにおける該流体に連通するための手段を
更に含む特許請求の範囲第4項記載の回転シール
システム。 7 該チヤンバ中の該流体と該ハウジング及びシ
ヤフトの環境における流体との間のバリヤ手段を
更に具備し、該バリヤ手段は圧力を連通せしめる
ことはできるが、該環境における流体の該チヤン
バへの連通を実質的に防止することができる特許
請求の範囲第4項記載の回転シールシステム。 8 該第1及び第2係合手段の1つは、該ハウジ
ング及びシヤフト間で鉛直方向に移動可能であり
且つ該シール手段の該頂部及び底部表面の1つに
かみ合つて係合するように配列された部分を有す
る環状リング手段であり、該環状リング手段は、
該シール手段の該頂部及び底部表面の1つとかみ
合い係合するように該環状リング手段の該部分を
片寄らせるために、支持されていない区域を形成
して該支持されていない区域の方向に該環状リン
グを強制するためのその頂部及び下部表面の1つ
を有する、特許請求の範囲第1項記載のシールシ
ステム。 9 該シール手段に隣接しそして該シール手段と
流体連通している油を充填されたチヤンバを更に
具備し、該環状リングは該チヤンバと該シール手
段との間に位置づけられており、そしてドリルス
トリング内のドリリング流体の圧力を該油を充填
されたチヤンバに伝えるための手段を更に具備す
る特許請求の範囲第8項記載のシールシステム。 10 該ハウジング及びシヤフトの間に間置され
そして該頂部及び底部表面の他方及び該ハウジン
グの低部から縦方向に間隔を置いて配置された環
状バリヤ手段を具備し、そして更に、該環状バリ
ヤ手段と該頂部及び底部表面の該他方との間の縦
方向空間における粘性流体を更に具備する特許請
求の範囲第9項記載のシールシステム。 11 該平坦なシーリング表面の少なくとも1つ
の縁上に形成された丸味を更に具備する特許請求
の範囲第1項記載のシールシステム。
Claims: 1. A rotating shaft seal system for sealing an annular space between a rotating shaft and its housing, the system comprising: an annular sealing means having upper and lower engagement surfaces; an annular sealing means having an axially variable shape about the rotating shaft such that one sealing surface of the sealing means slidably engages the rotating shaft; and upper and lower engaging surfaces of the sealing means; first and second means for interlockingly engaging;
first and second means arranged to permit relative longitudinal movement relative to each other; and actuated by differential fluid pressure to bias the first and second engagement means toward each other. and means for substantially preventing contact of the sealing means with the fluid in the environment of the housing. 2. The rotary seal system of claim 1, wherein said means for substantially preventing contact comprises a chamber containing a lubricating fluid in which said sealing means is positioned. 3. The rotary seal system of claim 2, wherein the sealing means separates the chamber into a high pressure side and a low pressure side and a positive flow of lubricating fluid is maintained across the sealing means. 4. The sealing means is in fluid communication on the high pressure side with a first chamber containing a lubricating fluid and a second chamber containing a fluid having a greater viscosity than the lubricating fluid.
The rotary seal system of claim 1 in fluid communication with the chamber on the low pressure side and wherein a positive flow of lubricating fluid is maintained across the sealing means. 5. The rotary seal system of claim 4 further comprising means for communicating the pressure of an environment within the interior of the shaft to the fluid in one of the chambers. 6. The rotary seal system of claim 4 further comprising means for communicating environmental pressure outside the housing to the fluid in one of the chambers. 7 further comprising barrier means between the fluid in the chamber and the fluid in the environment of the housing and shaft, the barrier means being capable of providing pressure communication but preventing fluid communication in the environment to the chamber; 5. The rotary seal system according to claim 4, which is capable of substantially preventing. 8 one of the first and second engagement means is vertically movable between the housing and the shaft and adapted to matingly engage one of the top and bottom surfaces of the sealing means; an annular ring means having arranged portions, the annular ring means comprising:
forming an unsupported area and biasing the portion of the annular ring means into mating engagement with one of the top and bottom surfaces of the sealing means; A sealing system according to claim 1, having one of its top and bottom surfaces for enforcing an annular ring. 9 further comprising an oil-filled chamber adjacent to and in fluid communication with the sealing means, the annular ring being positioned between the chamber and the sealing means, and a drill string; 9. The seal system of claim 8, further comprising means for transmitting the pressure of the drilling fluid within the oil-filled chamber. 10 an annular barrier means interposed between the housing and the shaft and vertically spaced from the other of the top and bottom surfaces and the bottom of the housing; 10. The seal system of claim 9 further comprising a viscous fluid in the longitudinal space between the top and bottom surfaces. 11. The sealing system of claim 1 further comprising a radius formed on at least one edge of the flat sealing surface.
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JP4724922B2 (en) * 2001-02-05 2011-07-13 三和機材株式会社 Seal mechanism for rotation and axial sliding between two members

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