專利名稱：用于巖石鉆頭的穩(wěn)定密封的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及滾動(dòng)牙輪地層鉆頭，尤其涉及位于牙輪和牙輪軸 之間的高的縱橫比(aspect ratio )的彈性密封，該牙輪軸在至少一側(cè) 表面具有穩(wěn)定化處理的突起。
背景技術(shù)：
滾動(dòng)牙輪地層鉆頭具有本體，該本體具有帶螺紋的端部，該端部 連接到鉆柱。該本體通常具有三個(gè)懸置的牙輪軸，每個(gè)在其上可旋轉(zhuǎn) 地安裝支撐牙輪。每個(gè)牙輪在其外部具有切削元件，用于在鉆頭本體 旋轉(zhuǎn)時(shí)使地層破碎。每個(gè)牙輪具有腔，該腔在其中一個(gè)牙輪軸上滑動(dòng)。 潤滑劑存儲(chǔ)器提供潤滑劑到位于牙輪腔和牙輪軸之間的空間。通常， 潤滑劑系統(tǒng)還具有壓力補(bǔ)償器，用于使?jié)櫥瑒毫εc鉆頭外部上的鉆 孔鉆進(jìn)流體的壓力相等。位于每個(gè)牙輪口附近的密封裝置密封潤滑劑 而與鉆孔流體分開。
如果密封裝置開始泄漏，鉆頭將很快失效并必須重新取回。這可 能發(fā)生在牙輪上的切削結(jié)構(gòu)已經(jīng)磨損之前，從而縮短鉆頭的壽命。鑒 于具有耐用的密封裝置的重要性，過去幾年里已經(jīng)采用和提出許多變 形。在一種類型中，密封槽形成在牙輪口附近的牙輪腔中。該槽具有 基部和二個(gè)平行的側(cè)壁。彈性密封環(huán)安裝在所述槽內(nèi)并密封在基部和 牙輪軸之間。該密封環(huán)可以是稱為高的縱橫比的密封環(huán)的類型。高的縱橫比的 密封環(huán)具有從其內(nèi)徑到外徑測(cè)量得到的徑向尺寸，該徑向尺寸大于密
封環(huán)的厚度，該厚度從一個(gè)側(cè)面到另一個(gè)測(cè)量得到。該密封槽具有比
其寬度大的深度。密封配合發(fā)生在密封環(huán)外徑和槽基部之間及密封環(huán) 內(nèi)徑和牙輪軸之間。密封環(huán)的側(cè)面不與槽的側(cè)壁密封地配合。通常，
槽的寬度比密封環(huán)的寬度大很多，從而允許密封環(huán)在使用過程中熱膨脹。
在密封環(huán)側(cè)面和槽側(cè)壁之間具有間隙的缺點(diǎn)在于密封環(huán)最初可能 相對(duì)于槽不對(duì)齊或歪斜。如果這樣，該不對(duì)齊可能引起密封環(huán)和密封 槽與牙輪軸之間與所需的不相同的接觸壓力。該不相同的接觸壓力將 導(dǎo)致密封失效。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明中，高的縱橫比的彈性密封環(huán)具有至少一個(gè)突起，該突 起從密封環(huán)的至少一個(gè)側(cè)面突出，以與槽的其中一個(gè)側(cè)壁接觸。所述 突起使密封環(huán)在密封槽內(nèi)對(duì)中但是不密封。相反，所述突起是間隔開 的，密封環(huán)的每個(gè)側(cè)面在外徑表面和內(nèi)徑表面之間具有流通通道，從 而在突起與槽的側(cè)壁接觸時(shí)，在外徑表面和內(nèi)徑表面之間能夠流體連 通。
每個(gè)突起是彈性的，并整體式接合到密封環(huán)的其中 一個(gè)側(cè)面上。 在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)突起包括小的圓形的突出，該突出通?？梢允?錐形的。在另外的實(shí)施例中，每個(gè)突起包括弓形的脊，該弓形的脊具
有小于360度的外周長度。
優(yōu)選地，在每個(gè)側(cè)面上的一些突起比其他突起更加遠(yuǎn)離密封槽的 基部地間隔開。在所示的實(shí)施例中，在每個(gè)側(cè)面上的突起位于二個(gè)同 心排內(nèi)，在每個(gè)排內(nèi)的突起互相間隔開。


圖l是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的地層鉆頭的部分剖視圖。
6圖2是圖1的地層鉆頭的牙輪軸和牙輪的下部的放大的剖視圖。 圖3是應(yīng)用于圖l和2中的地層鉆頭密封的等距視圖。 圖4是圖3的密封的替代實(shí)施例的等距視圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，鉆頭具有鉆頭本體ll，該本體典型地具有三個(gè)懸置的 牙輪鉆頭巴掌。圓柱形的牙輪軸13從鉆頭本體11的每個(gè)牙輪鉆頭巴 掌懸置下來。具有多個(gè)切削元件17的牙輪15可旋轉(zhuǎn)地安裝在牙輪軸 13上。在本例中，切削元件17包括插入在配合孔19內(nèi)的碳化鴒插入 物?？蛇x地，切削元件17可以包括車削在牙輪15外表面中的齒。
牙輪15具有腔，該腔具有圓筒形的支承表面21。支承表面21可 以與牙輪15整體形成，或者可以包括設(shè)置在牙輪15的腔內(nèi)的套筒， 如通過熱壓配合。牙輪支承表面21形成具有牙輪軸13的軸徑支承表 面。鎖合元件23,其在本例中包括多個(gè)球，位于在牙輪軸13上和在 牙輪15的腔中的配合槽中。密封環(huán)25位于牙輪15腔的口的附近。密 封環(huán)25在牙輪軸13與鉆頭本體11接合處的附近密封牙輪軸13。套 筒(未示出)可選地可以位于牙輪軸13上由密封環(huán)25密封的地方， 如果這樣，該套筒在這里認(rèn)為是牙輪軸13的一部分。
潤滑劑通道26從潤滑劑存儲(chǔ)器(未示出)延伸到位于牙輪軸13 和牙輪支承表面21之間的空間以提供潤滑劑，所述潤滑劑通過密封環(huán) 25被密封在牙輪腔內(nèi)。該潤滑劑存儲(chǔ)器具有壓力補(bǔ)償器，以減小潤滑 劑和在鉆頭外部上的鉆孔鉆進(jìn)流體之間的壓力差。
參見圖2，在本實(shí)施例中，密封環(huán)25是位于形成在牙輪15在其 口附近的腔中的密封套或槽27中的彈性件。槽27具有圓筒形的基部 29和二個(gè)平行的側(cè)壁31,所述側(cè)壁垂直于牙輪軸13的軸線從基部29 延伸。密封環(huán)25具有外徑33，該外徑33與通常是靜止的槽的基部29 形成密封。然而，在與牙輪15的旋轉(zhuǎn)過程中，密封環(huán)25可能發(fā)生一 些滑動(dòng)。密封環(huán)具有內(nèi)徑35，該內(nèi)徑35與牙輪軸13的圓柱形表面形 成動(dòng)態(tài)或滑動(dòng)密封配合。在本實(shí)施例中，密封環(huán)25具有二個(gè)側(cè)壁37，所述兩個(gè)側(cè)壁37大致是平的，并平行于槽的側(cè)壁31。內(nèi)徑35和外徑 37是圓形的，并可以是不同的形狀。
密封環(huán)25優(yōu)選具有高的縱橫比；也即，在外徑33和內(nèi)徑35之間 的徑向延伸大于在側(cè)壁37之間的軸向延伸。在側(cè)壁37平坦部之間的 軸向延伸小于密封槽27在槽側(cè)壁31之間的軸向?qū)挾取．?dāng)在牙輪軸13 和密封槽基部29之間安裝和變形時(shí)，密封側(cè)面37的平坦部將通過間 隙與槽側(cè)壁31在里面間隔開。至少一個(gè)彈性突起39從一個(gè)密封側(cè)面 37突出。在本例中，多個(gè)彈性突起39位于密封側(cè)面37上并從密封側(cè) 面37突出。從一個(gè)側(cè)面37上的突起39到相對(duì)側(cè)面37上的突起39 測(cè)量得到的密封環(huán)25的軸向?qū)挾扰c槽27的軸向?qū)挾然鞠嗤?，盡管 其可以稍微地更大或更小。
在每個(gè)側(cè)面37上的一些突起39優(yōu)選比其他突起更加靠近密封槽 基部29。在所示的例子中，突起39位于多個(gè)圓形排中，如圖3所示。 突起39的內(nèi)排41位于內(nèi)徑35附近，而突起39的外排43位于外徑 33附近。如果需要，可以提供另外的排。突起39的形狀可以改變。 在圖3的實(shí)施例中，每個(gè)突起39包括在相同排中、與其他突起39在 周向上分開的小的圓形的錐形突出。在每個(gè)排41和43內(nèi)的突起39 互相在周向上間隔開，從而在密封外徑33和內(nèi)徑35之間提供流通通 道。每個(gè)突起39從密封側(cè)面37突出一個(gè)距離，該距離近似等于當(dāng)將 密封環(huán)25安裝并對(duì)中在槽27內(nèi)時(shí)存在于密封側(cè)面37和槽側(cè)壁31之 間的間隙。
突起39優(yōu)選與密封環(huán)25—體形成，并具有相同的化學(xué)成分。突 起39的屬性，例如硬度和體積彈性模量，可以與密封環(huán)25的其他部 分相同或不同。
在安裝過程中，突起39通常將接觸槽側(cè)壁31，從而在槽27內(nèi)在 基本對(duì)齊的位置支撐密封環(huán)25。如果相同的突起39位于每側(cè)上，通 過密封內(nèi)徑35上的中點(diǎn)和密封外徑33上的中點(diǎn)的平面將大體等距地 處于槽的側(cè)壁31之間并平行于槽的側(cè)壁31。即使密封環(huán)25因牙輪軸 13和槽基部29之間的接觸壓力而變形，在密封側(cè)面37和槽側(cè)壁31
8之間優(yōu)選還將存在間隙。如果突起39只位于一個(gè)側(cè)面37上，它們將 迫使密封環(huán)25的相對(duì)側(cè)與相對(duì)的槽側(cè)壁31接觸。通過密封內(nèi)徑35、 外徑33上的中點(diǎn)的平面仍將平行于槽的側(cè)壁31，但是偏置于一側(cè)。
當(dāng)鉆頭開始鉆進(jìn)時(shí)，密封環(huán)25將防止鉆進(jìn)泥漿進(jìn)入牙輪軸13和 牙輪支承表面21之間的支承空間，并且通過密封內(nèi)徑35和外徑33 的密封配合而將使?jié)櫥瑒┟芊庠谥С锌臻g內(nèi)。突起39不用于任何密封 功能，也不能夠?qū)櫥瑒┟芊庠谥С锌臻g內(nèi)，因?yàn)樗鼈兪窃谥芟蛏匣?相間隔開的。密封環(huán)25典型地與牙輪15 —起旋轉(zhuǎn)并滑行于牙輪軸13 上。外側(cè)面37上的突起39將沉浸在鉆進(jìn)流體中。在內(nèi)側(cè)面37上的突 起39將沉浸在潤滑劑中。
由于牙輪支承表面21和牙輪軸13之間的摩擦以及密封內(nèi)徑35 和牙輪軸13之間的摩擦，在密封環(huán)25附近生成熱。此外，鉆進(jìn)的井 部可能由于地質(zhì)層而處于高溫。這些熱可能引起密封環(huán)25的膨脹。如 果這樣，密封環(huán)25增加的容積容納在密封側(cè)面37和槽側(cè)壁31之間的 間隙中。兩個(gè)排41、 43的突起39防止了密封環(huán)25在槽27內(nèi)傾斜， 這將使得在外徑33和內(nèi)徑35處的接觸壓力減小。
在圖4的替代的實(shí)施例中，密封環(huán)45具有突起，這些突起包括伸 長的同心弓形肋或脊47。每個(gè)脊47在周向上延伸一個(gè)選定的距離， 該距離在本例中約為35度。每個(gè)脊47具有比其周向長度小很多的寬 度。脊47位于外排49和內(nèi)排51。與內(nèi)排51相比外排49更靠近密封 環(huán)45的外徑。每個(gè)脊47具有相對(duì)的端53，每個(gè)端通過間隙55與在 相同排中的相鄰脊47的端53間隔開。在本例中，內(nèi)排51的每個(gè)間隙 55是從外排49的一個(gè)脊47的中點(diǎn)徑向向內(nèi)地間隔開的。外排49的 每個(gè)間隙55是從內(nèi)排51的一個(gè)脊47的中點(diǎn)徑向向外地間隔開的。間 隙55防止脊47密封，并為流體提供從密封環(huán)45的內(nèi)徑到外徑的流通 通道。盡管圖4只表示密封環(huán)45的一側(cè)，相對(duì)側(cè)可以具有相同的脊 47組。
本發(fā)明具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。密封環(huán)上的突起為密封環(huán)在密封槽內(nèi)提 供對(duì)齊和對(duì)中。維持對(duì)齊減少了密封環(huán)在密封槽內(nèi)變得傾斜的機(jī)會(huì)。
9盡管只顯示了本發(fā)明的其中一種形式，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而 易見的是，其并不限于此，而是在不脫離本發(fā)明的范圍可以有許多變 形。
10
權(quán)利要求
1、一種地層鉆頭，包括具有懸置的牙輪軸的鉆頭本體；具有腔的牙輪，該牙輪能夠旋轉(zhuǎn)地安裝在牙輪軸上；形成在牙輪的腔中的密封槽，該密封槽具有基部和二個(gè)側(cè)壁；具有內(nèi)徑表面、外徑表面和二個(gè)側(cè)面的彈性密封環(huán)，該外徑表面與槽的基部密封配合，該內(nèi)徑表面從槽中突出并與牙輪軸密封配合；和至少一個(gè)突起，該突起從密封環(huán)的至少一個(gè)側(cè)面突出，以與槽的其中一個(gè)側(cè)壁接觸。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的鉆頭，其中，包含所述突起的密封環(huán)的 側(cè)面在外徑表面和內(nèi)徑表面之間具有流通通道，以使在突起與槽的側(cè) 壁接觸時(shí)使外徑表面和內(nèi)徑表面之間能夠流體連通。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的鉆頭，其中，所述突起是彈性的，并接 合到其中一個(gè)側(cè)面。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的鉆頭，其中，所述突起在周向上延伸的 角度小于360度。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的鉆頭，其中，所述突起包括弓形的脊， 該脊具有小于360度的周向長度。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的鉆頭，其中，所述至少一個(gè)突起包括多 個(gè)在所述至少一個(gè)側(cè)面上的突起，所述突起互相間隔開，從而避免阻 塞內(nèi)徑表面和外徑表面之間的流體連通。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的鉆頭，其中，所述至少一個(gè)突起包括多 個(gè)在所述至少一個(gè)側(cè)面上的同心排內(nèi)的突起，在每排內(nèi)的所述突起互 相間隔開。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中所述至少一個(gè)突起包括多個(gè) 在所述至少一個(gè)側(cè)面上的突起，其中至少一個(gè)突起比至少另一個(gè)突起 離所述內(nèi)徑表面更遠(yuǎn)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的鉆頭，其中，所述至少一個(gè)突起包括在 所述至少一個(gè)側(cè)面上的內(nèi)排和外排突起，內(nèi)排比外排更靠近內(nèi)徑表面， 所述內(nèi)排和外排是同心的，在每個(gè)排內(nèi)的突起在周向上互相間隔開。
10、 一種地層鉆頭，包括 具有懸置的牙輪軸的鉆頭本體； 具有腔的牙輪，該牙輪可旋轉(zhuǎn)地安裝在牙輪軸上； 形成在牙輪的腔中的密封槽，該密封槽具有基部和二個(gè)側(cè)壁，該基部具有比每個(gè)側(cè)壁的深度小的寬度；彈性密封環(huán)，該彈性密封環(huán)位于所述槽內(nèi)，并在槽的基部和牙輪 軸之間形成密封，該密封環(huán)具有二個(gè)側(cè)面，每個(gè)側(cè)面通過間隙與槽的 其中一個(gè)側(cè)壁間隔開；和多個(gè)彈性突起，所述彈性突起從密封環(huán)的每個(gè)側(cè)面突出，以與槽 的其中一個(gè)側(cè)壁非密封地接觸。
11、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的鉆頭，其中，在密封環(huán)的每個(gè)側(cè)面上 的突起互相間隔開，以在槽的基部和牙輪軸之間限定出流通通道。
12、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的鉆頭，其中，每個(gè)突起包括弓形的脊， 所述弓形的脊具有小于360度的周向長度，每個(gè)脊具有比所述長度小 的厚度。
13、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的鉆頭，其中，在每個(gè)側(cè)面上的突起位 于每個(gè)側(cè)面上的至少一個(gè)同心排內(nèi)，在每排內(nèi)的突起互相間隔開。
14、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的鉆頭，其中，在每個(gè)側(cè)面上的突起位 于內(nèi)排和外排內(nèi)，該內(nèi)排比外排更靠近槽的基部，內(nèi)排和外排是同心 的，在每個(gè)排內(nèi)的突起在周向上互相間隔開。
15、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的鉆頭，其中，每個(gè)突起從其中一個(gè)側(cè) 面突出的量與在每個(gè)側(cè)面和槽的每個(gè)側(cè)壁之間的間隙基本相等。
16、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的鉆頭，其中，密封環(huán)的厚度與槽的基 部的寬度基本上相同，該厚度是從在其中一個(gè)側(cè)面上的突起的末端到 在另 一個(gè)側(cè)面上的突起的末端測(cè)量得到的。
17、 一種地層鉆頭，包括具有懸置的牙輪軸的鉆頭本體；具有腔的牙輪，該牙輪可旋轉(zhuǎn)地安裝在牙輪軸上；形成在牙輪的腔中的密封槽，該密封槽具有基部和二個(gè)側(cè)壁，該 基部具有比每個(gè)側(cè)壁的深度小的寬度；彈性密封環(huán)，該彈性密封環(huán)位于槽內(nèi)，并在槽的基部和牙輪軸之 間形成密封，該密封環(huán)具有二個(gè)側(cè)面，每個(gè)側(cè)面包括基本平坦部，該 基本平坦部平行于槽的其中一個(gè)側(cè)壁并與其間隔開；和該密封環(huán)具有多個(gè)彈性突起，所述突起從每個(gè)側(cè)面突出，以與槽 的其中一個(gè)側(cè)壁接觸，在每個(gè)側(cè)面上的一些突起比其他突起更遠(yuǎn)離槽的基部，每個(gè)突起與在相同側(cè)面上的其他突起間隔開，并具有小于360 度的周向延伸。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的鉆頭，其中，每個(gè)突起包括弓形的脊。
19、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的鉆頭，其中，在每個(gè)側(cè)面上的突起位 于每個(gè)側(cè)面上的至少一個(gè)同心排內(nèi)。
20、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的鉆頭，其中，在每個(gè)側(cè)面上的突起位 于內(nèi)排和外排內(nèi)，該內(nèi)排比外排更靠近槽的基部，該內(nèi)排和外排是同 心的。
全文摘要
一種地層鉆頭，其具有鉆頭本體，該鉆頭本體具有懸置的牙輪軸。具有腔的牙輪可旋轉(zhuǎn)地安裝在牙輪軸上。密封槽形成在牙輪的腔中。彈性密封環(huán)位于槽內(nèi)，并在槽的基部和牙輪軸之間形成密封。該密封環(huán)具有二個(gè)側(cè)面，每個(gè)側(cè)面通過間隙與槽的側(cè)壁間隔開。彈性突起從密封環(huán)的每個(gè)側(cè)面突出，以與槽的其中一個(gè)側(cè)壁非密封地接觸。
文檔編號(hào)E21B10/25GK101501292SQ200780030253
公開日2009年8月5日 申請(qǐng)日期2007年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月14日
發(fā)明者A·J·迪克 申請(qǐng)人:貝克休斯公司