专利名称：用于钻地钻头的封隔环的制作方法
技术领域：
一种具有本体的钻地钻头，该本体具有安装到下垂的牙轮轴上的 至少一个可旋转的牙轮。典型地具有三个牙轮，每个牙轮具有数排切
削元件。所述切削元件可以由牙轮的金属车削而来，或者可以包括压 入到牙轮外部的孔中的碳化鴒插入物。
牙轮具有腔，用于插入牙轮轴，以形成轴颈轴承。轴承表面之间 的间隙填充有油脂或润滑剂。密封装置密封在牙轮轴和牙轮口附近的 牙轮之间。
该密封装置用于防止润滑剂流失到外部。另外，该密封装置还用 于防止钻孔中的碎屑和切削物进入轴颈轴承。典型地，密封装置的外 径与牙轮一起旋转，而内径以动态接触密封牙轮轴。
背景技术：
现有技术陈述在现有技术中提供并使用有许多不同的密封装置。 不同形状的弹性密封件已经被使用。在内径和外径上具有不同材料的 弹性密封件是已知的。在密封件的动态部分具有碳纤维结构的弹性密 封件也是已知的。此外，包括弹性体的金属面密封装置也是已知的， 所述弹性体将金属面压在一起。
发明内容
本发明的密封装置包括弹性材料的密封环。该密封环具有对牙轮轴上的密封表面进行密封的内部和对牙轮的密封表面进行密封的外部。至少一个封隔环安装在密封环的其中一个部分上，并具有被密封环迫压以与其中一个密封表面接触的面。
优选地，密封环具有多于一个的封隔环。 一个封隔环可以比密封环更耐磨，以保护密封环免受钻井流体中的切削物引起的损坏。另外的封隔环可以由自润滑材料制成，以为密封环提供润滑。封隔环还可以位于密封环的外径上，以摩擦地与牙轮配合，以阻止密封环相对于牙轮的旋转。
图l是根据本发明构建的钻地钻头的侧视图。
图2是图1的钻地钻头的一个牙轮和牙轮轴的放大的剖视图，其
中示出了根据本发明的具有嵌入的封隔环的密封环。
图3是图2的密封环和封隔环的一部分的进一步放大的剖视图。图4是嵌入到图2的密封环内的其中一个封隔环的内径部的示意
剖视图，其中示例了带凹槽的图案。
图5是密封环和封隔环的另外一个实施例的部分剖视图。图6是密封环和封隔环的另外一个实施例的部分剖视图。图7是密封环和封隔环的另外一个实施例的部分剖视图。图8是密封环和封隔环的另外一个实施例的部分剖视图。
具体实施例方式
参见图1,钻头11具有本体13，该本体具有带螺紋的上端，该上端用于连接到钻柱，以绕着本体13的轴线旋转。本体13具有至少一个并最好是三个牙轮钻头巴掌15。牙轮轴17 (图2)从每个牙轮钻头巴掌15向下并向内悬置。
牙轮19可旋转地安装到每个牙轮轴17上。每个牙轮19具有多排切削元件21。在所示的例子中，切削元件21包括碳化钨插入物，所述插入物压入到钻在每个牙轮19的金属中的配合孔中。可选地，切削元件21可以包括加工在每个牙轮19的金属中的齿。
润滑剂补偿器23将润滑剂供应到位于每个牙轮19的内部和牙轮 轴17之间的支承空间。润滑剂补偿器23还使润滑剂的压力与钻孔中 的外部压力相等。
参见图2，牙轮轴17具有圆柱形的轴颈表面25，其用作对施加在 每个钻井钻头11 (图1)上的重量的支承。最后加工表面27在每个牙 轮钻头巴掌15的内侧上围绕着牙轮轴17。牙轮19具有腔29，其内表 面与牙轮轴17的外表面配合。牙轮19和牙轮轴17具有将牙轮19锁 合到牙轮轴17上的装置。在本实施例中，该锁合装置包括多个位于配 合槽内的球31,所述配合槽形成在牙轮轴17上和牙轮腔29中。
密封槽33形成在腔29中且靠近腔29的出口。在本实施例中，当 从剖视图看，槽33是矩形的。当从横断面上看时，槽33具有平的基 部或外径33a，以及二个平的侧壁33b。
密封环35承载在槽33内，用于密封润滑剂，防止其泄漏到外部。 密封环35是由传统类型的用于钻地钻头的弹性密封件的弹性材料制 成。优选地，该材料包括丁腈橡胶，例如氢化丁腈橡胶(hydrogenated nitrile butadiene rubber),但是其也可以是其他类型的材料。密封环 35具有用于密封槽33的外部或外径37。密封环35具有可具有圆柱形 部的内径或部分41，从而从图2的横截面上看时显示为平的。内径41 密封牙轮轴轴径表面25并通常可旋转地滑靠在牙轮轴轴颈表面25上。 密封环35具有外侧面42a和内侧面42b,它们表示在平行平面上，但 是可以具有其他形状。侧面42a位于密封环35的外侧并在运行过程中 暴露在钻井流体中，该流体通过在最后加工表面27和牙轮19背面之 间的间隙。侧面42b位于密封环35的内侧并与容纳在支承空间中的润 滑剂接触。侧壁42a、 42b轻微地与槽的侧壁33b间隔开，从而容许 有变形。
至少一个热塑封隔带或封隔环43位于密封环35内。三个封隔环 43在本实施例中示出，但是该数目可以更少或更多。参见图3,在本 实施例中，每个封隔环43位于环形凹槽45中，该凹槽45形成在密封环内径41中。封隔环43可以结合在环形凹槽45中，或通过摩擦保持。 每个封隔环43在其内径上具有接触面47，其与密封环内径41基本齐 平，并被密封环35压迫，以与牙轮轴轴颈表面25动态接触。
在本例中，封隔环43沿着牙轮轴17的轴线互相间隔开。该间隔 导致密封环35的环形区段49，所述环形区段位于每个封隔环43的每 个横向侧上，每个环形区段49密封在牙轮轴轴颈表面25上。其中一 个环形区段49位于外侧面42a和与其最接近的封隔环43之间，另外 一个环形区段位于内侧面42b和与其最接近的封隔环43之间，另外， 在每个封隔环43之间存在环形区段49。密封环35从内侧面42b到外 侧面42a的宽度大于每个封隔环43的接触面47的总的结合宽度。
在图2中，当从横截面上看时，封隔环43表示为矩形结构，每个 封隔环43具有圆柱形接触面47和圆柱形外径。然而，其他横截面结 构也是可行的。在图3中，封隔环43表示为圆形结构。
封隔环43也滑动且密封地配合轴颈表面25，但是通常不像密封 环35那样密封，因为它们具有其他目的。例如， 一个或多个封隔环 43可以由更硬的和更耐磨的材料制成，以阻止或排除碎屑。 一个或多 个封隔环43可以由已知的自润滑材料制成，以提供润滑。在优选实施 例中，封隔环43由下面材料中的一个形成聚醚醚酮、聚四氟乙烯、 聚苯硫醚和它的纤维增强复合物。然而，其他材料也是可行的。由于 在钻井流体中的切削物和其他腐蚀性的颗粒的原因，该材料需要耐相 对高的温度和耐磨损性。一种优选的材料是具有增强纤维的聚醚醚酮， 该增强纤维或者是玻璃的或者是碳的。如果用于阻止和排除碎屑，每 个封隔环43的磨损率优选小于密封环35。用于阻止和排除碎屑的每 个封隔环43的硬度更大。如果其中一个封隔环43主要用于润滑，其 硬度可以小于密封环35。
微紋理可以形成在每个封隔环43的内径47中以提高密封性。微 紋理包括通过已知的工艺、例如通过激光形成在表面中的非常浅的凹 槽。紋理的宽度的改变是可行的。例如，图4示出了大致正弦形的槽 51，其绕着内径47延伸为三排。槽51提高了密封性，即使由于封隔环43的旋转而使润滑剂在双向上流动。
在运行中，当钻头11旋转时，每个牙轮19将绕着其牙轮轴17(图 2)旋转。每个密封环35将倾向于与其牙轮19一起旋转，并以动态滑 动接触密封配合在牙轮轴17的轴颈表面25上。封隔环43也以动态接 触配合轴颈表面25。当密封环35由于产生磨损的钻井流体而磨损时， 封隔环43将最终被钻井流体接触。那些比密封环35更硬的且更耐磨 的封隔环43将延迟密封环35的磨损。通常，磨损将从外侧面42a向 内侧面42b进行。当一个密封环区段49被磨损时，下一个在内的封隔 环43将与产生磨损的钻井流体接触，以延迟产生磨损的钻井流体与密 封区段49的接触。
在图5中，牙轮53安装在具有辊子52的辊子牙轮轴55上，大致 如同第一实施例那样。密封环57具有内部和外部，该内部以与牙轮轴 轴颈表面59旋转动态接触而密封，该外部密封在牙轮腔61上。在本 实施例中，单个封隔环63安装在密封环57的内部上的凹槽中。封隔 环63具有与轴颈表面59接触的大致平的面。封隔环63的余下的横截 面形状是弯曲和凸出的。在封隔环63的内側和外侧上的密封环57的 内部密封地配合轴颈表面59。封隔环63由上面所述的材料形成，该 材料比密封环57更硬，以排除碎屑和阻碍密封环57上的磨损。
在图6中，牙轮65安装在牙轮轴67上，大致如同在第一实施例 中那样。密封环69具有内部和外部，该内部以与牙轮轴轴颈表面71 旋转动态接触而密封，该外部密封在牙轮腔73上。在本实施例中，具 有二个封隔环75、 77，且每个具有不同结构的接触面。封隔环75位 于封隔环77的外侧，并表示为具有三角形面，其顶点与轴颈轴承表面 71动态接触。封隔环77具有凸出的或圓形的横截面形状，包括其接 触面。封隔环75优选由比密封环69更硬和更耐磨的材料形成。封隔 环77可以由提供润滑的材料形成，并可以比封隔环75和密封环69 更软。
在图7中，牙轮79安装在牙轮轴81上，大致如同在第一实施例 中那样。密封环83 (在图7中未示出)具有内部和外部，该内部以与牙轮轴轴颈表面85旋转动态接触而密封，该外部密封在牙轮79中的 槽87上。在本例中，槽87是三角形的。密封环83具有平的外侧面 89a和平的内侧面89b，它们楔形抵靠在槽87的侧面上。单个的封隔 环91显示在密封环83的内部上与轴颈轴承表面85配合，但是多于一 个是可行的。封隔环91可以具有不同的形状，所示的封隔环91具有 大致如同图5所示的封隔环63的形状。封隔环91优选由与封隔环63 相同的材料形成并用作相同的目的。
在图8中，牙轮93安装在牙轮轴95上，大致如同在第一实施例 中那样。密封环97具有内部和外部，该内部以与牙轮轴轴颈表面99 旋转动态接触而密封，该外部密封在牙轮93中的槽101上。二个封隔 环103显示在密封环97的内径上。封隔环103显示为具有类似于图5 中的封隔环63的形状。至少一个封隔环103的材料比密封环97硬， 以排除碎屑。另外的封隔环103，如果需要，可以是润滑材料。
外封隔环105显示为嵌入在密封环97外径上的槽中，并与牙轮槽 101的基部摩擦配合。外封隔环105用于摩擦地抓持牙轮93，以防止 密封环97相对于牙轮93的滑动和旋转。外封隔环105可以由具有良 好抓持性能的材料形成，其硬度可以小于密封环97。外封隔环105可 以具有不同的形状，但是显示为具有类似于图5中封隔环63的形状。 尽管不期待，封隔环优选使密封环97在牙轮轴95上保持静止而牙轮 93旋转，这是可能的。如果这样，具有良好的抓持性能的封隔环105 将位于密封环97的内径上，而用于阻止磨损和/或提供润滑的一个或 多个封隔环103将位于密封环97的外径上。
术语"封隔(excluder)"与环结合着使用，或者设计用于排除和 阻止碎屑，或者用于润滑，或者用于抵抗旋转。该术语只是出于方便 而使用，而不是以限制的方式使用。
本发明具有显著的优点。将更多的防磨损的封隔环包含到密封环 中，这减小了密封环磨损率。通过在轴颈轴承中保持润滑剂，磨损率 的减小增加了钻井钻头的寿命。具有润滑性的封隔环可用于增加润滑， 这减小了生热并延长了密封环的寿命。具有抓持性的封隔环可用于阻止密封环的旋转。
尽管本发明只是以 一些形式得以表示，对于本领域技术人员显而 易见的是，其不是这么受限，而是在不脱离本发明范围的情况下可以 有不同的改变。
权利要求
1、一种具有本体的钻地钻头，该本体具有下垂的牙轮轴，并且牙轮可旋转地安装到该牙轮轴上，该牙轮具有多个切削元件，改进之处包括弹性密封环，该弹性密封环具有与牙轮上的密封表面密封配合的外部和与牙轮轴的密封表面密封配合的内部；和至少一个封隔环，所述封隔环由密封环的其中一个部分携带，并具有被密封环迫压以与其中一个密封表面接触的面。
2、 根据权利要求l所述的钻头，其中，所述封隔环的面具有沿着 牙轮轴的轴线测量得到的宽度，该宽度小于封隔环内部和外部中任一 部分的宽度。
3、 根据权利要求l所述的钻头，其中，所述封隔环安装在密封环 的其中一个部分的环形槽内，所述密封环的其中一个部分具有在封隔环的相对侧上且密封地配合其中一个密封表面的区段。
4、 根据权利要求l所述的钻头，其中，所述封隔环的面与密封环 的其中一个部分基本齐平。
5、 根据权利要求1所述的钻头，其中，所述封隔环具有比密封环 更大的硬度。
6、 根据权利要求l所述的钻头，其中，所述封隔环具有比密封环 更小的硬度。
7、 根据权利要求l所述的钻头，其中，所述至少一个封隔环包括 多个封隔环。
8、 根据权利要求l所述的钻头，其中，所述封隔环的面包括紋理 图案。
9、 根据权利要求1所述的钻头，其中，所述封隔环位于密封环的 内部，与牙轮轴上的密封表面滑动配合。
10、 根据权利要求1所述的钻头，其中，所述封隔环位于密封环 的外部，与牙轮的密封表面摩擦配合。
11、 根据权利要求1所述的钻头，其中，所述至少一个封隔环包括内封隔环，其位于密封环的内部，与牙轮轴上的密封表面滑动配 合；和外封隔环，其位于密封环的外部，与牙轮中的密封表面摩擦配合， 以抵抗密封环相对于牙轮的旋转。
12、 根据权利要求1所述的钻头，其中，所述封隔环由热塑材料形成。
13、 一种钻地钻头，包括 本体，该本体具有下垂的牙轮轴；牙轮，该牙轮具有圆柱形腔，可旋转地安装在牙轮轴上，该牙轮 具有包含多个切削元件的外部，该牙轮和牙轮轴限定出充满润滑剂的 支承空间；丁腈橡胶的密封环，该密封环具有与牙轮的腔密封接触的外径和 一内径，该密封环具有在运行过程中暴露于钻井流体的外侧和暴露于 在支承空间内的润滑剂的内侧；和至少一个热塑封隔环，所述封隔环嵌入在密封环内，该封隔环位 于密封环的外侧和内侧之间，并具有被密封环迫压以与牙轮轴动态接 触的面，该密封环具有位于封隔环相对侧上且动态地密封在牙轮轴上 的区段；以及其中该封隔环具有比密封环更大的硬度，以延緩由在钻井流体中的磨 损切削物导致的密封环的磨损率。
14、 根据权利要求13所述的钻头，其中，形成所述封隔环的材料 选自如下材料组成的组聚醚醚酮、聚四氟乙烯、聚苯硫醚及其纤维 增强复合物。
15、 一种钻地钻头，包括 本体，该本体具有下垂的牙轮轴；牙轮，该牙轮具有圆柱形腔，可旋转地安装在牙轮轴上，该牙轮 具有包含多个切削元件的外部；在牙轮的圆柱形腔中的环形槽；弹性材料的密封环，该密封环具有内部与所述槽密封接触的外部；和在密封环内部中的多个内封隔环，每个封隔环具有被密封环迫压 以与牙轮轴接触的面，该密封环的内部具有位于封隔环相对横向侧面上且密封在牙轮轴上的区段。
16、 根据权利要求15所述的钻头，其中，所述密封环由丁腈橡胶 形成，并且形成封隔环的材料选自如下材料组成的组聚醚醚酮、聚 四氟乙烯、聚苯硫醚及其纤维增强复合物。
17、 根据权利要求15所述的钻头，其中，所述至少一个封隔环的 面具有紋理图案。
18、 根据权利要求15所述的钻头，其中，所述至少一个封隔环由 包含增强纤维的热塑聚合物形成。
19、 根据权利要求15所述的钻头，其中，所述封隔环的其中一个 具有与其他封隔环不同的组分。
20、 根据权利要求15所述的钻头，其中，所述其中一个封隔环的 面具有与其他封隔环不同的结构。
21、 根据权利要求15所述的钻头，还包括 在密封环外部上的外封隔环，所述外封隔环位于密封环外部的横向侧之间，并具有与在牙轮中的槽摩擦接触的面，以抵抗密封环相对 于牙轮的旋转。
全文摘要
弹性密封环位于钻地钻头的每个牙轮轴和每个牙轮之间。封隔环或封隔带嵌入到密封环的内径内。密封环的内径的一部分以及封隔环与牙轮轴动态接触。封隔环可以比密封环更硬和更耐磨。封隔环可以具有润滑性。外封隔环可以位于密封环的外径上与牙轮配合，以抵抗旋转。
文档编号E21B10/25GK101490359SQ200780026397
公开日2009年7月22日 申请日期2007年7月12日 优先权日2006年7月12日
发明者A·扎赫拉德尼克, C·C·林, D·Q·恩古延, G·L·里克斯, G·W·彼得森, T·J·科尔特曼 申请人:贝克休斯公司