对称高纵横比密封件的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开大致涉及结合钻出用于开采油、气或矿物的井筒利用的设备和执行的操作。更具体地，本公开涉及具有延长寿命的密封件的牙轮钻头。最具体地，本公开涉及弹性体密封件，其密封且保护牙轮切割器与其于上方旋转的轴颈轴之间的轴承表面。
【背景技术】
[0002]牙轮钻头通常包括具有多个轴颈段支腿的钻头主体。被称作“牙轮”的锥形滚轧头安装在轴承销轴(也被称作轴颈轴或销)上，所述轴承销轴从轴颈段支腿向下及向内延伸。切割元件安装在牙轮上。当钻头在钻柱的末端上旋转时，使每个牙轮在其各自轴颈轴上旋转。钻头主体可包括一个或更多个喷嘴来邻近牙轮注入钻井流体，所述钻井流体用于将钻肩从井筒带走。
[0003]为了促进牙轮的旋转，在牙轮与钻头主体之间提供轴承，且为轴承提供润滑油。为了防止外部碎肩破坏轴承或另外在牙轮旋转时导致过度磨损，且为了防止润滑油逸出，通常在形成于牙轮或轴颈轴中的压盖中提供密封件。
[0004]本领域一般技术人员将了解用于钻出井筒的钻头需在极端恶劣的环境中操作。密封件必须承受高温和高压且可能遭遇腐蚀流体，所有这些可能负面地影响密封件的寿命。
[0005]为了延长钻头的寿命，特定钻头通常包括沿着牙轮和/或轴的长度的至少两个压盖和两个密封件。第二密封件被提供作为在最外面的密封件破裂的情况下的备用密封件。
[0006]这种构造的一个缺陷在于其仅结合特定大小的钻头使用，其中存在足够的牙轮/轴长度来安装多个压盖，而不显著影响轴承接触表面积。
【附图说明】
[0007]图1是在钻出井筒时使用的牙轮钻头的三维视图。
[0008]图2是牙轮钻头的臂的横截面图。
[0009]图3是本公开的密封总成的横截面图。
[0010]图4是本公开的密封元件的第一横截面图。
[0011]图5是本公开的密封元件的第二横截面三维视图。
[0012]图6a和图6b是本公开的密封总成的压盖的横截面图，其图示压盖宽度和压盖深度。
[0013]图7a和图7b是本公开的密封总成的密封元件的横截面图，其图示密封元件宽度和密封元件深度。
[0014]图8是具有安置其中的两个独立密封件的本公开的压盖的横截面图。
【具体实施方式】
[0015]本公开的说明性实施方案和相关方法在下文中被描述为其可用于密封钻头内的轴承表面。为了简明起见，本说明书中未描述实际实施方式或方法的所有特征。当然将了解在任意这些实际实施方案的开发中，必须作出许多实施方式特定的决策来实现开发者的特定目标，诸如符合系统相关和业务相关限制，其将在每个实施方式之间变化。此外，将了解这样一种开发努力可能是复杂且耗时的，但仍然是受益于本公开的本领域一般技术人员的常规工作。从阅读下文描述和附图将了解本公开的各种实施方案和相关方法的进一步方面和优点。
[0016]图1是在钻出井筒时使用的牙轮钻头10的三维视图。钻头10围绕中心轴12形成且特征为主体14，所述主体14在其上端上具有用于将钻头固定至钻柱(未示出)的螺纹部分16。主体14由多个臂18形成。牙轮20可旋转地连接至每个臂18。在图示的实例中，存在各三个臂18和牙轮20。虽然图示三个臂，但是应了解本公开的原理可被并入具有其它数量的牙轮和臂的钻头和其它类型的钻头构造。图1中描绘的钻头10仅仅是可利用本文中描述的原理的多种钻头的一个实例。
[0017]每个牙轮具有多个切割齿22。
[0018]钻头10进一步包括安置在钻头主体14中的喷嘴24以将钻井流体流从钻头10的内部传输至牙轮20的切割表面以冷却钻头10，清洁切割齿/元件22，且将岩肩从井筒(未示出)的底部运送至井筒环(未示出)且随后运送至地面。
[0019]图2是图示钻头10的一个臂18的横截面图。如所示，每个牙轮20可旋转地安装在轴颈销或轴26上，所述轴颈销或轴26大致朝向中心轴12向内及远离钻头10的螺纹部分16向下定向。更具体地，轴26被安置为座落在形成于牙轮20内的中心腔或孔28内。圆周滚道或槽30在孔28的远端上沿着牙轮20的内表面32形成。同样地，相应的圆周滚道或槽34在轴颈销26的远端上沿着其外表面36形成以在牙轮12安装在轴颈销26上时邻近滚道30。
[0020]轴承或锁定球38被安置为座落在滚道30、34内以将牙轮20固定至轴颈销26。本领域一般技术人员将了解通道40被提供在轴颈销26中且与滚道34相交以形成通路在组装期间用于放置轴承38。在轴承38处于在适当位置中后，将固持器42插入通道40以将轴承38固定在适当位置。
[0021]将润滑油供应至牙轮20的内表面32与轴颈26的外表面36之间的界面。可提供均压装置44来确保在钻井期间，使润滑油维持在与井下环境大体相同的压力下。在特定实施方案中，通道40的一部分用于将润滑剂供应至界面。
[0022]密封总成46形成在轴颈26和牙轮20的近端上的界面上。当牙轮20围绕轴颈26旋转时，密封总成46优选地随牙轮旋转且抵着轴颈的外表面密封。因而，密封总成46作用以阻止碎肩和井流体进入牙轮20与轴颈26之间的界面，且也阻止润滑油从界面区域逸出。
[0023]参考图3，在特定优选实施方案中，密封总成46 (大致在图1中所示)由具有总压盖宽度(GW)和总压盖深度(GD)的单个圆周槽或压盖48形成，其中总压盖宽度GW等于或大于总压盖深度GD。在特定优选实施方案中，槽48的特征为相对侧表面50和在其间延伸的底部表面52。圆周、轴向突部54沿着底部表面52形成。突部54不限于特定形状，但在优选实施方案中可具有正方形或圆形或尖形横截面。在特定实施方案中，突部54大致特征为具有不大于总压盖深度GD的50 %的高度(H)，而在其它实施方案中，高度H不大于总压盖深度⑶的25%，而仍在其它实施方案中，高度H是介于总压盖深度⑶的大约5%至25%之间的尺寸。在各种实施方案中，总压盖深度GD可等于、大于或小于总压盖宽度GW。当然，密封元件60可同样具有相应尺寸。
[0024]压盖48的底部表面52可具有特征为第一压盖宽度(GWl)的第一部分56 (见图6a)和特征为第二压盖宽度(GW2)的第二部分58，其中突部54形成在第一部分与第二部分的相交处，其中总压盖宽度(GW)等于第一压盖宽度和第二压盖宽度的总和(GW1+GW2)。同样地，压盖48具有与第一部分56相关的第一压盖深度(GDI)(见图6b)和与第二部分58相关的第二压盖深度(GD2)。在图3图示的实施方案中，第一压盖宽度和第二压盖宽度相等(Gffl = GW2)且第一压盖深度和第二压盖深度相等(⑶I =⑶2)。
[0025]图4是沿着图5的截面线4-4取得的密封元件60的横截面图。图5是密封元件60的三维视图，其中横截面断开。参考图4和图5，且继续参考图3，密封总成46进一步包括单个、环形密封元件60，其具有总横截面密封件宽度SW和总横截面密封件高度SH0密封元件60的形状是大致圆形的，其特征为内圆周61和外圆周63。密封元件60的进一步特征为侧表面62、侧表面64、沿着内圆周61形成的内表面66和沿着外圆周63形成的外表面68。环形凹部70形成在外表面68上以沿着外表面68形成第一凸起72和第二凸起74。凹部70被成形来在密封元件60座落在压盖48中时接合突部54。如同突部54，凹部70不限于特定形状，但在优选实施方案中可具有与突部54对应的正方形或圆形或尖形形状。