一种顶驱主轴上端的微正压密封结构及建立微正压的方法与流程

本发明涉及密封结构技术领域，尤其涉及一种顶驱主轴上端的微正压密封结构及建立微正压的方法。

背景技术：

顶驱是现代保证石油天然气钻井作业效率和作业安全的重要设备。顶驱主体结构主要由提环、主轴、齿轮箱、钻井电机、钟罩、鹅颈管及冲管装置等组成。在钻井作业中，顶驱向井下钻具提供扭矩和转速及其控制，并同时提供高压大排量钻井泥浆的旋转通道。顶驱主体结构主轴的下端从齿轮箱下端伸出，齿轮箱下方和主轴之间设有骨架油封，主轴下端连接井下钻具。主轴上端从齿轮箱盖上方伸出，连接冲管装置。冲管装置连接主轴上端和鹅颈管，是钻井泥浆的高压旋转通道，工作时有一定的泥浆渗漏量，失效时会造成较大量的泥浆刺漏。主轴的旋转由钻井电机控制。钟罩固定在齿轮箱盖上，上方固定有鹅颈管，给冲管装置提供安装界面。主轴的上端和齿轮箱盖之间配置有泥浆伞、黄油嘴、油封法兰。泥浆伞用来减少泥浆直接油封，油封法兰提供油封安装界面，通过黄油嘴给油封提供定期润滑。

顶驱齿轮箱进泥浆是现有国内外顶驱设备的主要痛点。安装在主轴上端钟罩内部的冲管装置是钻井作业时高压大排量泥浆的通道。冲管装置正常渗漏或失效时的刺漏都会在钟罩内部造成泥浆堆积，泥浆对金属等材料具有较强的腐蚀性，容易损伤主轴上端密封结构和油封，泥浆通过顶驱主轴上端密封结构进入齿轮箱，造成顶驱设备故障和维修，将严重影响石油天然气钻井作业安全和效率。

如果未能及时地给油封进行润滑保养，油封干磨容易损坏，在钟罩内泥浆堆积时，泥浆容易进入齿轮箱。即使在正常润滑保养时，主轴的转动带动环形润滑油腔内的润滑油脂持续剪切，发热，挥发，从而环形润滑油腔形成正压气体仓，当油封达不到气密要求时，正压气体从环形润滑油腔排除。在主轴停转后，环形润滑油腔内的气体冷却，该腔体形成负压仓，当钟罩内堆积有泥浆时，容易将泥浆吸入环形润滑油腔内，从而进一步加快腐蚀损坏主轴上端密封结构。顶驱主轴的转动和停止，周而复始，日记月累，堆积在钟罩内的泥浆越来也多地进入环形润滑油腔，损坏主轴上端密封结构，最终导致泥浆进入齿轮箱。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种顶驱主轴上端的微正压密封结构及建立微正压的方法，通过利用顶驱设备上现有齿轮油强制润滑系统，采用节流，滴管技术将齿轮油引入主轴上端密封结构，形成齿轮油微正压环形润滑腔，以维持稳定的油封润滑作用并防止在钟罩内堆积的泥浆进入环形密封腔，增进油封的使用寿命，确保泥浆不进入齿轮箱。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种顶驱主轴上端的微正压密封结构，包括滴管总成、节流阀汇总成和环形润滑油腔；所述顶驱主轴上端与齿轮箱盖的连接处设置有油封法兰，所述油封法兰上还配置两道相向安装的骨架油封，所述两道骨架油封、顶驱主轴上端的轴套以及顶驱主轴上端的油封法兰形成了一个封闭的环形润滑油腔；

钟罩设置在所述顶驱主轴上端，固定在齿轮箱盖上方；

所述滴管总成设置于所述顶驱主轴上端的所述钟罩上方，所述节流阀汇总成设置于所述钟罩下部，滴管总成、节流阀总成和环形润滑油腔连通，使得环形润滑油腔形成微正压。

可选地，通过管线一连接顶驱强制润滑系统和所述节流阀汇总成的进油口；管线二连接节流阀汇总成的出油口和滴管总成上方的上接头；管线三连接滴管总成下方的下接头和顶驱主轴上端的密封结构进油口，管线四连接滴管总成侧面的溢出管路和齿轮箱盖加油口，从而让多余的齿轮油返回齿轮箱内。

可选地，所述微正压密封结构还包括机械密封结构，所述机械密封结构安装在所述顶驱的主轴上。

可选地，所述滴管总成包括下接头、上接头、下密封盖、密封筒、上密封盖和溢出管路；

所述下密封盖和所述上密封盖分别密封于密封筒的下端口和上端口；在所述上密封盖上部设置有所述上接头，与所述密封筒内部连通；在所述下密封盖的底部设置有下接头与所述密封筒连通；所述密封筒上还设有溢出管路。

可选地，所述节流阀汇总成内配置节流阀和单向阀，所述节流阀用来调节和控制用于齿轮油流量，确保不影响顶驱现有强制齿轮油润滑系统的压力和流量分配；所述单向阀用来确保在强制齿轮油润滑系统停机后，封闭润滑油腔和管线内的齿轮油不回流，来确保封闭润滑油腔的微正压状态。

可选地，所述滴管总成采用透明材料或设置有透明观察窗；所述滴管总成内的液面高度高于所述环形润滑油腔的高度；所述微正压的压力等于滴管总成和所述环形润滑油腔的高度差的压力；所述环形润滑油腔的上润滑油腔出油口采用堵帽封住。

可选地，一种顶驱主轴上端的微正压密封结构建立微正压的方法，包括以下步骤：

第一步，建立齿轮润滑系统和节流阀汇总成之间的通路，使齿轮油从齿轮润滑系统进入节流阀汇总成内进行节流减压；

第二步，建立节流阀汇总成和滴管总成之间的通路，使齿轮油从节流阀汇总成进入滴管总成；

第三步，建立滴管总成和油封法兰之间的通路，使滴管总成齿轮油从滴管总成进入油封法兰，此时通路之间形成微正压。

可选地，还包括建立滴管总成和齿轮箱之间的通路，使滴管总成中多余的齿轮油溢流回至齿轮箱。

可选地，一种主轴上端带有微正压密封结构的顶驱，所述顶驱包含上述所述的微正压密封结构。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明一种顶驱主轴上端的微正压密封结构及建立微正压的方法，采用节流控制技术和滴管点滴技术将现有的顶驱强制齿轮油润滑系统的齿轮油引入主轴上端密封结构，形成齿轮油微正压环形润滑油腔，并采用长工作寿命的低压机械密封结构来替代轴承隔离封或防尘封。相对于现有设计，防止骨架油封和泥浆的直接接触，维持稳定持续的油封润滑，防止在钟罩内堆积的泥浆进入环形密封腔，增进油封的工作寿命，确保泥浆不进入齿轮箱。

进一步地，本发明可以通过节流阀、滴管点滴技术来调整和判断顶驱主轴上端油封的渗漏情况，方便现场设备维保工作。

进一步地，本发明去除了现有设计对主轴上端密封结构日常润滑油脂保养要求，有效降低了工人劳动强度和高空作业安全风险。

附图说明

图1为本发明的顶驱主轴上端安装微正压密封结构后的示意图；

图2为图1中第一种滴管总成剖视示意图；

图3为图1中第二种滴管总成剖视示意图；

图4为第一种顶驱主轴上端未安装微正压密封结构的剖视示意图；

图5为第一种顶驱主轴上端安装微正压密封结构的剖视示意图；

图6为第二种顶驱主轴上端未安装微正压密封结构的剖视示意图；

图7为第二种顶驱主轴上端安装微正压密封结构的剖视示意图。

【附图标记说明】

1：滴管总成；

2：节流阀汇总成；

3：密封结构进油口；

4：齿轮箱盖加油口；

5：管线一；

6：管线二；

7：管线三；

8：管线四；

9：机械密封结构；

10：顶驱主轴上端；101：主轴；102：齿轮箱盖；103：冲管装置；104：油封法兰；105：润滑油腔进油口；106：润滑油腔出油口；107：轴套；108：骨架油封；109：油道；110：轴承止推法兰；111：泥浆伞；

11：密封筒；

12：上密封盖；

13：下密封盖；

14：上接头；

15：下接头；

16：溢出管路。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

参照图1，一种顶驱主轴上端的微正压密封结构，包括滴管总成1、节流阀汇总成2和环形润滑油腔；所述顶驱主轴上端10与齿轮箱盖102的连接处设置有油封法兰104，所述油封法兰104上还配置两道相向安装的骨架油封108，所述两道骨架油封108、顶驱主轴上端10的轴套107以及顶驱主轴上端10的油封法兰104形成了一个封闭的环形润滑油腔；

钟罩设置在所述顶驱主轴上端10，固定在齿轮箱盖102上方；

所述滴管总成1设置于所述顶驱主轴上端10的所述钟罩上方，所述节流阀汇总成2设置于所述钟罩下部，滴管总成1内的液面高度高于环形润滑油腔的高度；滴管总成1、节流阀总成2和环形润滑油腔连通，使得环形润滑油腔形成微正压。顶驱主轴上端10的密封结构进油口3与环形润滑油腔连通；润滑油腔出油口106采用堵帽封住；环形润滑油腔内形成微正压，压力等于滴管总成1和环形润滑油腔高度差形成的液柱压力。

滴管总成1采用透明材料或设置有透明观察窗。以便观察滴管总成1内齿轮油油位和上端油口的滴油速度，从而通过节流阀汇总成2流量判断顶驱主轴上端10封闭密封腔油封状态。

通过管线一5连接顶驱强制润滑系统和节流阀汇总成2的进油口；管线二6连接节流阀汇总成2的出油口和滴管总成1上方的上接头14；管线三7连接滴管总成1下方的下接头15和顶驱主轴上端10的密封结构进油口3，管线四8连接滴管总成1侧面的溢出管路16和齿轮箱盖加油口4，从而让多余的齿轮油返回齿轮箱内。

微正压密封结构还包括机械密封结构9，机械密封结构9安装在顶驱的主轴上，采用机械密封结构9替代现有的轴承隔离封或防尘封。

参照图2，滴管总成1包括下接头15、上接头14、下密封盖13、密封筒11、上密封盖12和溢出管路16；

下密封盖13和上密封盖12分别密封于密封筒11的下端口和上端口；在上密封盖12上部设置有上接头14，与密封筒11内部连通；在下密封盖13的底部设置有下接头14与密封筒11连通；密封筒11上还设有溢出管路16。

参照图2和图3，溢出管路16分为两种；

第一种，溢出管路16直接连通在密封筒11的中上方；

第二种，溢出管路16包括底部侧接头和内管路，内管路垂直设置在密封筒11内部，底部侧接头设置在密封筒11的底部，与内管路连通。当然本发明不限于此，只要溢出管路16能够溢出密封筒11内的液体即可。

节流阀汇总成2内配置节流阀和单向阀，节流阀用来调节和控制用于齿轮油流量，确保不影响顶驱现有强制齿轮油润滑系统的压力和流量分配；所述单向阀用来确保在强制齿轮油润滑系统停机后，封闭润滑油腔和管线内的齿轮油不回流，来确保封闭润滑油腔的微正压状态。微正压润滑油腔的齿轮油微渗漏量给机械密封结构9提供了润滑和冷却作用。

实施例1：

参照图4和图5，第一种主轴上端带有微正压密封结构的顶驱，顶驱主轴上端包含实施例1中的微正压密封结构和机械密封结构9。

顶驱主轴上端10包括主轴101、齿轮箱盖102、冲管装置103、油封法兰104、进油口105、出油口106、轴套107、骨架油封108、油道109、泥浆伞111和机械密封结构9；

主轴101上端从齿轮箱盖102伸出，主轴101上端连接冲管装置103；油封法兰104配置有润滑油腔进油口105和润滑油腔出油口106，润滑油道107与润滑油腔进油口105和润滑油腔出油口106连通；通过螺栓将油封法兰104固定在齿轮箱盖102上；

泥浆伞111固定在主轴101上端的凹槽内，位于冲管装置103和油封法兰104之间，防止从冲管装置103渗漏或刺漏的泥浆直接接触机械密封结构9；确保骨架油封108的工作寿命。机械密封9的动环套在主轴101外径上并通过o型圈和主轴101外径形成密封，机械密封结构9的静环套入油封法兰104的内径上并通过o型圈和油封法兰104形成密封；机械密封结构9位于环形润滑油腔的上方，且设置在泥浆伞111下方；主轴101上配置轴套107，轴套107通过过盈配合安装在主轴101的外径上；油封法兰104内侧还配置两道相向安装的骨架油封108，两道骨架油封108、轴套107以及油封法兰104形成了一个封闭的环形润滑油腔，油道109开口在与环形润滑油腔中部连通。

实施例2：

参照图6和图7，第二种主轴上端带有微正压密封结构的顶驱，顶驱主轴上端包含实施例1中的微正压密封结构和机械密封结构9。

顶驱主轴上端10包括主轴101、齿轮箱盖102、冲管装置103、油封法兰104、润滑油腔进油口105、润滑油腔出油口106、轴套107、骨架油封108、油道109、轴承止推法兰110、泥浆伞111和机械密封结构9；

主轴101上端从齿轮箱盖102和轴承止推法兰110伸出，主轴101上端连接冲管装置103；油封法兰104配置有润滑油腔进油口105和润滑油腔出油口106，润滑油道109与润滑油腔进油口105和润滑油腔出油口106连通，油封法兰104通过螺栓固定安装在轴承止推法兰110上；泥浆伞111通过螺栓固定在主轴101上端的轴套107上，防止从冲管装置103渗漏或刺漏的泥浆直接接触机械密封9，确保骨架油封108的工作寿命。机械密封9的动环套在主轴101外径上并通过o型圈和主轴101的外径形成密封，机械密封结构9的静环套入油封法兰104的内径上并通过o型圈和油封法兰104形成密封；机械密封结构9位于环形润滑油腔的上方，且设置在泥浆伞111下方；主轴101上配置轴套107，轴套107上端开有螺栓孔并通过过盈配合安装在主轴101的外径上；油封法兰104上还配置两道相向安装的骨架油封108，两道骨架油封108、轴套107以及油封法兰104形成了一个封闭的环形润滑油腔，油道109开口在与环形润滑油腔中部连通。

当然，本发明不限于实施例2和实施例3中的顶驱，本发明的微正压密封结构还可以根据其他顶驱结构进行调整和安装。

一种顶驱主轴上端的微正压密封结构建立微正压的方法，包括以下步骤：

第一步，建立齿轮润滑系统和节流阀汇总成2之间的通路，使齿轮油从齿轮润滑系统进入节流阀汇总成2内进行节流减压；

第二步，建立节流阀汇总成2和滴管总成1之间的通路，使齿轮油从节流阀汇总成2进入滴管总成1；

第三步，建立滴管总成1和油封法兰之间的通路，使滴管总成1齿轮油从滴管总成1进入油封法兰，此时通路之间形成微正压。

上述建立微正压的方法，还包括建立滴管总成1和齿轮箱之间的通路，使滴管总成1中多余的齿轮油溢流回至齿轮箱。

综上，上述的一种顶驱主轴上端的微正压密封结构，采用节流控制技术和滴管点滴技术将现有的顶驱强制齿轮油润滑系统的齿轮油引入主轴上端密封结构，形成齿轮油微正压环形润滑油腔，并采用长工作寿命的机械密封结构9来替代轴承隔离封或防尘封。相对于现有设计，防止骨架油封108和泥浆的直接接触，维持稳定持续的油封润滑，防止在钟罩内堆积的泥浆进入环形密封腔，增进油封的工作寿命，确保泥浆不进入齿轮箱。

进一步地，本发明可以通过节流阀、滴管点滴技术来调整和判断顶驱主轴上端油封的渗漏情况，方便现场设备维保工作。

进一步地，本发明去除了现有设计对主轴上端密封结构日常润滑油脂保养要求，有效降低了工人劳动强度和高空作业安全风险。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。