MX2009000372A - Anillo exclusor para barrena de perforacion terrestre. - Google Patents

Abstract

Un anillo de sello elastomérico se ubica entre cada perno de cojinete y cada cono de una barrena de perforación terrestre. Una banda o anillo exclusor se incrusta dentro del diámetro interno del anillo del sello. Una porción del diámetro interno del anillo de sello así como un anillo exclusor están en contacto de sellado dinámico con el perno de cojinete. El anillo exclusor puede ser más rígido y más resistente al desgaste que el anillo de sello. El anillo exclusor puede tener propiedades lubricantes. Un anillo exclusor externo puede ubicarse en el diámetro externo del anillo de sello para acoplar el cono para resistir la rotación.

Description

ANILLO EXCLUSOR PARA BARRENA DE PERFORACIÓN TERRESTRE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Un tipo de barrena de perforación terrestre tiene un cuerpo con por lo menos un cono giratorio montado a un perno de cojinete dependiente. Típicamente existen tres conos, cada uno tiene hileras de elementos de sedimentos de la perforación. Los elementos de sedimentos de la perforación pueden maquinarse del metal del cono, o pueden comprender inserciones de carburo de tungsteno presionadas dentro de los agujeros en el exterior del cono. El cono tiene una cavidad que se inserta sobre el perno de cojinete, formando un cojinete liso. Los huelgos entre las superficies de cojinete se llenan con una grasa o un lubricante. Un ensamble de sello se sella entre el perno de cojinete y el cono cerca de la boca del cono. El ensamble de sello funciona para evitar la pérdida de lubricante en el exterior. Además, el ensamble de sello funciona para excluir los desecho y los sedimentos de la perforación del pozo de sondeo de entrar al cojinete liso. Típicamente, el diámetro externo del ensamble de sello gira con el cono y el diámetro interno se sella contra el perno de cojinete en contacto dinámico. Se han propuesto y utilizado muchos diferentes ensambles de sello en la técnica anterior. Se ha empleado una variedad de formas de sellos elastoméricos . Se conocen los sellos elastoméricos que tienen diferentes materiales en los diámetros internos y externos . También se conocen los sellos elastoméricos con tela de fibra de carbono en las porciones dinámicas del sello. Además, también se conocen los ensambles de sello frontal de metal que incluyen un elastómero que estimula las caras de metal juntas. El ensamble de sello de esta invención comprende un anillo de sello de un material elastomérico . El anillo de sello tiene una porción interna que se sella contra una superficie de sellado en el perno de cojinete y una porción exterior que se sella contra una superficie de sellado en el cono. Por lo menos un anillo exclusor se monta en una de las porciones del anillo de sello y tiene una cara estimulada por el anillo de sello en contacto con una de las superficies de sellado. De preferencia, el anillo de sello tiene más de un anillo exclusor. Un anillo exclusor puede ser más resistente a la abrasión que el anillo de sello para proteger el anillo de sello de daños debido a los sedimentos en la perforación en el fluido de perforación. Otro de los anillos exclusores puede formarse de un material auto-lubricante para proporcionar lubricación al anillo de sello. Un anillo exclusor puede ubicarse en el diámetro externo de los anillos de sello, además, para acoplar por medio de fricción el cono para resistir la rotación del anillo de sello en relación con el cono . BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista en elevación lateral de una barrena de perforación terrestre construida de acuerdo con esta invención. La Figura 2 es una vista en sección alargada de uno de los conos y los pernos de cojinete de la barrena de perforación terrestre de la Figura 1, que ilustra un anillo de sello que tiene anillos exclusores incrustados de acuerdo con la invención. La Figura 3 es una vista en sección alargada adicional de una porción de un anillo de sello y anillos exclusores de la Figura 2. La Figura 4 es una vista sección esquemática de una porción de diámetro interno de uno de los anillos exclusores incrustado dentro del anillo de sello de la Figura 2, que ilustra un modelo con muesca. La Figura 5 es una vista en sección parcial de otra modalidad de un anillo de sello y, un anillo exclusor. La Figura 6 es una vista en sección parcial de otra modalidad de un anillo de sello y un anillo exclusor. La Figura 7 es una vista en sección parcial de otra modalidad de un anillo de sello y un anillo exclusor. La Figura 8 es una vista en sección parcial de otra modalidad de un anillo de sello y un anillo exclusor.

Con referencia a la Figura 1, la barrena 11 tiene un cuerpo 13 con un extremo superior roscado para su conexión con una sarta de perforación para la rotación alrededor de un ej e del cuerpo 13. El cuerpo 13 tiene por lo menos una y de preferencia tres patas 15 de barrena. Un perno 17 de cojinete (Figura 2) depende del descenso y del interior de la pata 15 de la barrena. Un cono 19 se monta de manera giratoria a cada perno 17 de cojinete. Cada cono 19 tiene una pluralidad de hileras de elementos 21 de sedimentos de la perforación. En el ejemplo mostrado, los elementos 21 de sedimentos de la perforación comprenden inserciones de carburo de tungsteno presionadas dentro de los agujeros de acoplamiento perforados en el metal de cada cono 19. De manera alternativa, los elementos 21 de los sedimentos de la perforación podrían comprender dientes maquinados dentro del metal de cada cono 19. Un compensador 23 de lubricante suministra lubricante a los espacios de cojinete entre el interior de cada cono 19 y el perno 17 de cojinete. El compensador 23 de lubricante además ecualiza la presión del lubricante con la presión exterior en el pozo de sondeo. Con referencia a la Figura 2, el perno 17 de cojinete tiene una superficie 25 lisa cilindrica que funciona como una cojinete para el peso impuesto en la barrena 11 de perforación (Figura 1) . Una última superficie 27 maquinada rodea el perno 17 de coj inete en el interior de cada pata 15 de la barrena. El cono 19 tiene una cavidad 29 con superficies interiores que se acoplan con las superficies exteriores del perno 17 de cojinete. El cono 19 y el perno 17 de cojinete tienen un sistema para bloquear el cono 19 en el perno 17 de cojinete. En esta modalidad, el sistema de bloqueo comprende una pluralidad de bolas 31 ubicadas dentro de las muescas de acoplamiento formadas en el perno 17 de cojinete y en una cavidad 29 de cono. Una muesca 33 de sello se forma en la cavidad 29 cerca de su boca. En esta modalidad, la muesca 32 es rectangular cuando se observa en corte transversal . La muesca 33 tiene una base plana o un diámetro de 33a externo, cuando se observa en corte transversal, y dos paredes laterales 33b planas . Un anillo 35 de sello se transporta dentro ,de la muesca 33 para sellar el lubricante contra la fuga al exterior. El anillo 35 de sello se forma de un material elastomérico de un tipo que es convencional para los sellos elastoméricos para las barrenas de perforación terrestre. De preferencia, este material comprende caucho de nitrilo tal como caucho de nitrilo butadieno hidrogenado, sin embargo, también podría ser de otros tipos de material. El anillo 35 de sello tiene una porción exterior o diámetro 37 que se sella contra la muesca 33. El anillo 35 de sello tiene un diámetro interno o porción 41 que puede tener una porción cilindrica, que parece de esta manera plana cuando se observa en corte transversal de la Figura 2. El diámetro 41 interno se sella y se desliza normalmente de manera giratoria contra la superficie 25 lisa del perno de cojinete. El anillo 35 de sello tiene un lado 42a exterior y un lado 42b interior, que se muestran en planos paralelos, pero que podrían ser de otras formas. El lado 42a está en el lado exterior del anillo 35 de sello y se expone al fluido de perforación durante la operación a través del huelgo entre la última superficie 27 maquinada y la cara posterior del cono 19. El lado 42b está en el lado interior del anillo 35 de sello y se encuentra en contacto con el lubricante contenido en los espacios de cojinete. Las paredes laterales 42a, 42b se separan ligeramente de las paredes laterales 33b de la muesca para acomodar la deformación. Por lo menos una banda exclusora termoplástica o un anillo 43 se ubica dentro de un anillo 35 de sello. Se muestran en esta modalidad tres anillos 43 exclusores pero el número podría ser menos o más . Con referencia a la Figura 3 , en esta modalidad, cada anillo 43 exclusor se ubica dentro de un rebajo 45 anular formado en el diámetro 41 interno del anillo de sello. Los anillos 43 exclusores podrían enlazarse dentro de los rebajos 45 anulares o mantenerse por fricción.

Cada anillo 43 exclusor tiene una cara 47 de contacto en su. diámetro interno que sustancialmente se alinea con el diámetro 41 interno de anillo de sello y que se estimula por el anillo 35 de sello dentro del contacto dinámico con la superficie 25 lisa del perno del cojinete. En este ejemplo, los anillos 43 exclusores se separan entre sí a lo largo del eje del perno 17 de cojinete. El espacio resulta en las secciones 49 anulares del anillo 35 de sello ubicado en cada parte lateral de cada anillo 43 exclusor, cada sección se sella contra la superficie 25 lisa del perno del cojinete. Una de las secciones 49 se ubica entre el lado 42a exterior y su anillo 43 exclusor más cercano y la otra entre el lado 42b interior y su anillo 43 exclusor más cercano. Además, existe una sección 49 entre cada anillo 43 exclusor. El ancho del anillo 35 de sello del lado 42b interior al lado 42a exterior es mayor que el ancho combinado total de la cara 47 de contacto de cada anillo 43 exclusor. En la Figura 2, los anillos 43 exclusores se muestran con una configuración rectangular cuando se observan en corte transversal, cada uno tiene una cara 47 de contacto cilindrica y un diámetro externo cilindrico. Sin embargo, son factibles otras configuraciones de corte transversal. En la Figura 3, se muestra los anillos 43 exclusores con una configuración circular.

Los anillos 43 exclusores también acoplan de manera deslizable y con sellado la superficie 25 lisa, pero no sellan típicamente el anillo 35 de sello porgue funcionan para otros propósitos. Por ejemplo, uno o más anillos 43 exclusores pueden formarse de un material más resistente al desgaste y más rígido para retener o excluir los desechos . Uno o más anillos 43 exclusores pueden formarse de un material conocido auto-lubricante para proporcionar lubricación. En la modalidad preferida, los anillos 43 exclusores se forman de uno de los siguientes materiales: poliéter-éter-cetona, politetrafluoroetileno, polifenilensulfuro y un compuesto reforzado de fibra de los mismos. Sin embargo, son además factibles otros materiales. El material debe ser resistente a las temperaturas relativas altas y resistente a la abrasión debido a los sedimentos de la perforación y otras partículas erosivas en el fluido de perforación. Un material preferido es el poliéter-éter-cetona con fibras de refuerzo, ya sea vidrio o carbono. Si se utiliza para retener y excluir desechos, el índice de desgaste de cada anillo 43 exclusor es de preferencia menor que el anillo 35 de sello. La rigidez de cada anillo 43 exclusor utilizado para retener y excluir desechos es mayor. Si uno de los anillos 43 exclusores se utiliza principalmente para la lubricación, su rigidez puede .ser menor que la del anillo 35 de sello.

La microtexturización puede formarse en los diámetros 47 internos de cada anillo 43 exclusor para mejorar el sellado. La microtexturización comprende rebajos muy poco profundos formados en la superficie por técnicas conocidas, tales como por láser. Es factible una gran variedad de texturización. Como ejemplo, la Figura 4 muestra las muescas 51 generalmente sinusoidales que se extienden en tres hileras alrededor del diámetro 47 interno. Las muescas 51 mejoran el sellado aun si el flujo del lubricante debido a la rotación de los anillos 43 exclusores es bidireccional . En operación, mientras la barrena 11 gira, cada cono 19 girará alrededor de su perno 17 de cojinete (Figura 2) . Cada anillo 35 de sello tenderá a girar con su cono 19 y acoplará por medio de sellado la superficie 25 lisa del perno 17 de cojinete en contacto de deslizamiento dinámico. Los anillos 43 exclusores también acoplan la superficie 25 lisa en contacto dinámico. Mientras el anillo 35 de sello se desgasta debido al fluido de perforación abrasivo, los anillos 43 exclusores están eventualmente en contacto por el fluido de perforación. Los que sean -más rígidos y más resistentes a la abrasión que el anillo 35 de sello retardarán el índice de desgaste del anillo 35 de sello. Por lo general, el desgaste sería desde el lado 42a exterior hacia el lado 42b interior. Mientras una sección 49 de anillo de sello se desgasta, el siguiente anillo 43 de exclusor interior se contactará por el fluido de perforación abrasivo, atrasando el contacto del fluido de perforación abrasivo con las secciones 49 de sellado. En la Figura 5, un cono 53 se monta en un perno 55 de cojinete de rodillos con los rodillos 52, generalmente como en la primera modalidad. El anillo 57 de sello tiene una porción interna que se sella en el contacto dinámico giratorio con la superficie 59 lisa del perno de cojinete y una porción externa que se sella contra la cavidad 61 del cono. En esta modalidad, un solo anillo 63 exclusor se monta en una muesca de la porción interna del anillo 57 de sello. El anillo 63 exclusor tiene una cara generalmente plana que entra en contacto con la superficie 59 lisa. La forma en corte transversal restante del anillo 63 exclusor es curva y convexa. Las porciones de la porción interna del anillo 57 de sello en los lados interiores y exteriores del anillo 63 exclusor acoplan por medio de sellado la superficie 59 lisa. El anillo 63 exclusor se forma por un material como se describió con anterioridad que es más rígido que el anillo 57 de sello para excluir los desechos y retardar el desgaste en el anillo 57 de sello. En la Figura 6, un cono 65 se monta en un perno 67 de cojinete por lo general como en la primera modalidad. El anillo 69 de sello tiene una porción interna que se sella en el contacto dinámico giratorio con la superficie 71 lisa de perno de cojinete y una porción externa que se sella contra la cavidad 73 de cono. En este ejemplo, existen dos anillos 75, 77 exclusores, y cada uno contiene una cara de contacto con una configuración diferente. El anillo 75 exclusor se ubica en el lado exterior del anillo 77 exclusor y se muestra que tiene una cara triangular con un ápice que entra en contacto de manera dinámica con la superficie 71 de cojinete lisa. El anillo 77 exclusor tiene una forma en corte transversal redonda o convexa, incluyendo su cara de contacto. El anillo 75 exclusor se forma de preferencia de un material más resistente al desgaste y más rígido que el anillo 69 de sello. El anillo 77 exclusor puede formarse de un material que proporcione lubricación y puede ser más liso que el anillo 75 exclusor y el anillo 69 de sello. En la Figura 7, un cono 79 se monta en un perno 81 de cojinete por lo general como en la primera modalidad. El anillo 83 de sello (no mostrado en la Figura 7) tiene una porción interna que se sella en el contacto dinámico giratorio con la superficie 85 lisa de perno de cojinete y una porción externa que se sella contra una muesca 87 en el cono 79. La muesca 87 tiene forma triangular en este ejemplo. El anillo 83 de sello tiene un lado 89a exterior plano y un lado 89b interior plano que se acuñan contra los lados de la muesca 87. Se muestra un solo anillo 91 exclusor en la porción interna del anillo 83 de sello en el acoplamiento con la superficie 85 de cojinete lisa, sin embargo más de uno es factible. El anillo 91 exclusor puede ser de varias formas y se muestra que tiene una forma generalmente similar a la del anillo 63 exclusor en la Figura 5. El anillo 91 exclusor se forma de preferencia del mismo material que el anillo 63 exclusor y cumple el mismo objetivo. En la Figura 8, un cono 93 se monta en el perno 95 de cojinete generalmente como en la primera modalidad. El anillo 97 de sello tiene una porción interna que sella en el contacto dinámico giratorio con la superficie 99 lisa de perno del cojinete y una porción externa que se sella contra una muesca 101 en el cono 93. Se muestran dos anillos 103 exclusores en el diámetro interno del anillo 97 de sello. Los anillos 103 exclusores se muestran con formas similares a las del anillo 63 exclusor en la Figura 5. Por lo menos uno de los anillos 103 exclusores es de un material más rígido que el anillo 97 de sello para excluir los desechos. El otro anillo 103 exclusor, si se desea, puede ser de un material lubricante . Un anillo 105 exclusor externo se muestra incrustado dentro de una muesca en el diámetro externo 'del anillo 97 de sello y en acoplamiento friccional con la base de la muesca 101 de cono. El anillo 105 exclusor externo funciona para adherir por medio de fricción el cono 93 para resistir a la disminución y rotación del anillo 97 de sello en relación con el cono 93. El anillo 105 exclusor externo puede formarse de un material que tiene buenas propiedades de adherencia, cuya rigidez puede ser menor que el anillo 97 de sello. El anillo 105 exclusor externo puede tener una variedad de formas, pero se muestra que tiene una forma similar al anillo 63 exclusor de la Figura 5. Aunque no se espera, es posible que alguien prefiera provocar que el anillo 97 de sello permanezca fijo en el perno 95 de cojinete mientras el cono 93 gira. Si es así, el anillo 105 exclusor, que tiene buenas propiedades de adherencia se ubicaría en el diámetro interno del anillo 97 de sello y uno o más anillos 103 exclusores para retardar el desgaste y/o mejorar la lubricación se ubicarían en el diámetro externo del anillo 97 de sello. El término "exclusor" se ha utilizado junto con los anillos, diseñado ya sea para excluir y retener desechos o lubricar que, para resistir la rotación. Este término se utiliza sólo por conveniencia y no de manera limitativa. La invención tiene importantes ventajas. La inclusión de anillos exclusores más resistentes al desgaste dentro del anillo de sello reduce el índice de desgaste en el anillo de sello. La reducción en el índice de desgaste incrementa la vida de la barrena de perforación al retener el lubricante en el cojinete liso. Los anillos exclusores con propiedades lubricantes puedan utilizarse para agregar lubricación, que reduce calor y prolonga la vida del anillo de sello. Pueden utilizarse anillos exclusores con propiedades de adherencia para resistir la rotación del anillo de sello. Aunque la invención se ha mostrado en sólo pocas de sus formas, debe ser aparente para los expertos en la técnica que no se limita pero es susceptible a diversos cambios sin alejarse del alcance de la invención.

Claims (21)

1. REIVINDICACIONES 1. Una barrena de perforación terrestre que tiene un cuerpo con un perno de cojinete dependiente y un cono montado de manera giratoria al perno de coj inete , el cono tiene una pluralidad de elementos de sedimentos de la perforación, la mejora caracterizada porque comprende: un anillo de sello elastomérico que tiene una porción externa en el acoplamiento de sellado con una superficie de sello en el cono y una porción interna en el acoplamiento de sellado con una superficie de sello en el perno del cojinete; y por lo menos un anillo exclusor portado por una de las porciones del anillo de sello y que tiene una cara estimulada por el anillo de sello en contacto con una de las superficies de sellado.
2. 2. La barrena de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la cara del anillo exclusor tiene un ancho medido a lo largo de un eje del perno de cojinete que es menor que el ancho de ya sea la porción interna o externa del anillo exclusor.
3. 3. La barrena de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el anillo exclusor se monta dentro de una muesca anular en una de las porciones del anillo de sello, una de las porciones del anillo de sello tiene secciones en lados laterales opuestos del anillo exclusor que acoplan por sellado una de las superficies de sello.
4. 4. La barrena de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la cara del anillo exclusor se alinea sustancialmente con una de las porciones del anillo de sello.
5. 5. La barrena de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el anillo exclusor tiene una rigidez mayor que el anillo de sello.
6. 6. La barrena de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el anillo tiene una rigidez menor que el anillo de sello.
7. 7. La barrena de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque por lo menos un anillo exclusor comprende una pluralidad de anillos exclusores .
8. 8. La barrena de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la cara del anillo exclusor contiene un patrón de textura.
9. 9. La barrena de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el anillo exclusor se ubica en la porción interna del anillo de sello en acoplamiento de sellado con la superficie de sello en el perno de cojinete.
10. 10. La barrena de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el anillo exclusor se ubica en la porción externa del anillo de sello en acoplamiento por fricción con la superficie de sello en el cono.
11. 11. La barrena de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque por lo menos un anillo exclusor comprende : un anillo exclusor ubicado en la porción interna del anillo de sello en acoplamiento de deslizamiento con la superficie de sello en el perno de cojinete; y un anillo exclusor externo ubicado en la porción externa del anillo de sello en acoplamiento de fricción con la superficie de sello en el cono para resistir la rotación del anillo de sello en relación con el cono.
12. 12. La barrena de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el anillo exclusor se forma por un material termoplástico .
13. 13. Una barrena de perforación terrestre, caracterizada porque comprende: un cuerpo que tiene un perno de coj inete dependiente; un cono que tiene una cavidad cilindrica montada de manera giratoria en el perno de cojinete, el cono tiene un exterior que contiene una pluralidad de elementos de sedimentos de la perforación, el cono y el perno de cojinete definen los espacios de cojinete llenados con un lubricante; un anillo de sello con caucho de nitrilo, que tiene un diámetro externo en contacto de sellado con la cavidad del cono y un diámetro interno, el anillo de sello tiene un lado exterior expuesto al fluido de perforación durante la operación y un lado interior expuesto al lubricante dentro de los espacios de cojinete; y por lo menos un anillo exclusor termoplástico incrustado dentro del anillo de sello, el anillo exclusor se ubica entre los lados interiores y exteriores del anillo de sello y tiene una cara estimulada por el anillo de sello dentro del contacto dinámico con el perno de cojinete, el anillo de sello tiene secciones ubicadas en los lados opuestos del anillo exclusor que se sellan dinámicamente contra el perno de cojinete; y en donde un anillo exclusor tiene una rigidez mayor que el anillo de sello para retardar el índice de desgaste en el anillo de sello debido a los sedimentos de la perforación abrasivos en el fluido de perforación.
14. 14. La barrena de conformidad con la reivindicación 13, caracterizada porque el anillo exclusor se forma de un material seleccionado de un grupo que consta de poliéter-éter-cetona, politetrafluoroetileno, polifenilensulfuro y un compuesto reforzado de fibra de los mismos.
15. 15. Una barrena de perforación terrestre, caracterizada porque comprende: un cuerpo que tiene un perno de cojinete dependiente; un cono que tiene una cavidad cilindrica montada de manera giratoria en el perno de cojinete, el cono tiene un exterior que contiene una pluralidad de elementos de sedimentos de la perforación; una muesca anular en la cavidad cilindrica del cono; un anillo de sello de material elastomérico y que tiene una porción externa en el contacto de sellado con la muesca y una porción interna; una pluralidad de anillos exclusores internos en una porción interna del anillo de sello, cada uno de los anillos exclusores tiene una cara estimulada por el anillo de sello en contacto con el perno de cojinete, la porción interna del anillo de sello tiene secciones en los lados laterales opuestos de los anillos exclusores que se sellan contra el perno de cojinete.
16. 16. La barrena de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada porque el anillo de sello se forma de un caucho nitrilo, y los anillos exclusores se forman de material seleccionado de un grupo que consta de poliéter-éter-cetona, politetrafluoroetileno, polifenilensulfuro y un compuesto reforzado de fibra de los mismos.
17. 17. La barrena de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada porque la cara de por lo menos uno de los anillos exclusores tiene un patrón texturizado.
18. 18. La barrena de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada porque por lo menos uno de los anillos exclusores se forma de un polímero termoplástico que contiene fibras reforzadas.
19. 19. La barrena de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada porque uno de los anillos exclusores tiene una composición diferente que el otro anillo exclusor.
20. 20. La barrena de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada porque la cara de uno de los anillos exclusores tiene una configuración diferente que el otro de los anillos exclusores.
21. 21. La barrena de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada además porque comprende: un anillo exclusor externo en la porción externa del anillo de sello, el anillo exclusor externo se ubica entre los lados laterales de la porción externa del anillo de sello y tiene una cara en contacto por fricción con la muesca en el cono para resistir la rotación del anillo de sello en relación con el cono.