專利名稱：用于鉆地鉆頭的封隔環的制作方法
技術領域：
一種具有本體的鉆地鉆頭，該本體具有安裝到下垂的牙輪軸上的 至少一個可旋轉的牙輪。典型地具有三個牙輪，每個牙輪具有數排切
削元件。所述切削元件可以由牙輪的金屬車削而來，或者可以包括壓 入到牙輪外部的孔中的碳化鴒插入物。
牙輪具有腔，用于插入牙輪軸，以形成軸頸軸承。軸承表面之間 的間隙填充有油脂或潤滑劑。密封裝置密封在牙輪軸和牙輪口附近的 牙輪之間。
該密封裝置用于防止潤滑劑流失到外部。另外，該密封裝置還用 于防止鉆孔中的碎屑和切削物進入軸頸軸承。典型地，密封裝置的外 徑與牙輪一起旋轉，而內徑以動態接觸密封牙輪軸。
背景技術：
現有技術陳述在現有技術中提供并使用有許多不同的密封裝置。 不同形狀的彈性密封件已經被使用。在內徑和外徑上具有不同材料的 彈性密封件是已知的。在密封件的動態部分具有碳纖維結構的彈性密 封件也是已知的。此外，包括彈性體的金屬面密封裝置也是已知的， 所述彈性體將金屬面壓在一起。
發明內容
本發明的密封裝置包括彈性材料的密封環。該密封環具有對牙輪軸上的密封表面進行密封的內部和對牙輪的密封表面進行密封的外部。至少一個封隔環安裝在密封環的其中一個部分上，并具有被密封環迫壓以與其中一個密封表面接觸的面。
優選地，密封環具有多于一個的封隔環。 一個封隔環可以比密封環更耐磨，以保護密封環免受鉆井流體中的切削物引起的損壞。另外的封隔環可以由自潤滑材料制成，以為密封環提供潤滑。封隔環還可以位于密封環的外徑上，以摩擦地與牙輪配合，以阻止密封環相對于牙輪的旋轉。
圖l是根據本發明構建的鉆地鉆頭的側視圖。
圖2是圖1的鉆地鉆頭的一個牙輪和牙輪軸的放大的剖視圖，其
中示出了根據本發明的具有嵌入的封隔環的密封環。
圖3是圖2的密封環和封隔環的一部分的進一步放大的剖視圖。圖4是嵌入到圖2的密封環內的其中一個封隔環的內徑部的示意
剖視圖，其中示例了帶凹槽的圖案。
圖5是密封環和封隔環的另外一個實施例的部分剖視圖。圖6是密封環和封隔環的另外一個實施例的部分剖視圖。圖7是密封環和封隔環的另外一個實施例的部分剖視圖。圖8是密封環和封隔環的另外一個實施例的部分剖視圖。
具體實施例方式
參見圖1,鉆頭11具有本體13，該本體具有帶螺紋的上端，該上端用于連接到鉆柱，以繞著本體13的軸線旋轉。本體13具有至少一個并最好是三個牙輪鉆頭巴掌15。牙輪軸17 (圖2)從每個牙輪鉆頭巴掌15向下并向內懸置。
牙輪19可旋轉地安裝到每個牙輪軸17上。每個牙輪19具有多排切削元件21。在所示的例子中，切削元件21包括碳化鎢插入物，所述插入物壓入到鉆在每個牙輪19的金屬中的配合孔中。可選地，切削元件21可以包括加工在每個牙輪19的金屬中的齒。
潤滑劑補償器23將潤滑劑供應到位于每個牙輪19的內部和牙輪 軸17之間的支承空間。潤滑劑補償器23還使潤滑劑的壓力與鉆孔中 的外部壓力相等。
參見圖2，牙輪軸17具有圓柱形的軸頸表面25，其用作對施加在 每個鉆井鉆頭11 (圖1)上的重量的支承。最后加工表面27在每個牙 輪鉆頭巴掌15的內側上圍繞著牙輪軸17。牙輪19具有腔29，其內表 面與牙輪軸17的外表面配合。牙輪19和牙輪軸17具有將牙輪19鎖 合到牙輪軸17上的裝置。在本實施例中，該鎖合裝置包括多個位于配 合槽內的球31,所述配合槽形成在牙輪軸17上和牙輪腔29中。
密封槽33形成在腔29中且靠近腔29的出口。在本實施例中，當 從剖視圖看，槽33是矩形的。當從橫斷面上看時，槽33具有平的基 部或外徑33a，以及二個平的側壁33b。
密封環35承載在槽33內，用于密封潤滑劑，防止其泄漏到外部。 密封環35是由傳統類型的用于鉆地鉆頭的彈性密封件的彈性材料制 成。優選地，該材料包括丁腈橡膠，例如氫化丁腈橡膠(hydrogenated nitrile butadiene rubber),但是其也可以是其他類型的材料。密封環 35具有用于密封槽33的外部或外徑37。密封環35具有可具有圓柱形 部的內徑或部分41，從而從圖2的橫截面上看時顯示為平的。內徑41 密封牙輪軸軸徑表面25并通常可旋轉地滑靠在牙輪軸軸頸表面25上。 密封環35具有外側面42a和內側面42b,它們表示在平行平面上，但 是可以具有其他形狀。側面42a位于密封環35的外側并在運行過程中 暴露在鉆井流體中，該流體通過在最后加工表面27和牙輪19背面之 間的間隙。側面42b位于密封環35的內側并與容納在支承空間中的潤 滑劑接觸。側壁42a、 42b輕微地與槽的側壁33b間隔開，從而容許 有變形。
至少一個熱塑封隔帶或封隔環43位于密封環35內。三個封隔環 43在本實施例中示出，但是該數目可以更少或更多。參見圖3,在本 實施例中，每個封隔環43位于環形凹槽45中，該凹槽45形成在密封環內徑41中。封隔環43可以結合在環形凹槽45中，或通過摩擦保持。 每個封隔環43在其內徑上具有接觸面47，其與密封環內徑41基本齊 平，并被密封環35壓迫，以與牙輪軸軸頸表面25動態接觸。
在本例中，封隔環43沿著牙輪軸17的軸線互相間隔開。該間隔 導致密封環35的環形區段49，所述環形區段位于每個封隔環43的每 個橫向側上，每個環形區段49密封在牙輪軸軸頸表面25上。其中一 個環形區段49位于外側面42a和與其最接近的封隔環43之間，另外 一個環形區段位于內側面42b和與其最接近的封隔環43之間，另外， 在每個封隔環43之間存在環形區段49。密封環35從內側面42b到外 側面42a的寬度大于每個封隔環43的接觸面47的總的結合寬度。
在圖2中，當從橫截面上看時，封隔環43表示為矩形結構，每個 封隔環43具有圓柱形接觸面47和圓柱形外徑。然而，其他橫截面結 構也是可行的。在圖3中，封隔環43表示為圓形結構。
封隔環43也滑動且密封地配合軸頸表面25，但是通常不像密封 環35那樣密封，因為它們具有其他目的。例如， 一個或多個封隔環 43可以由更硬的和更耐磨的材料制成，以阻止或排除碎屑。 一個或多 個封隔環43可以由已知的自潤滑材料制成，以提供潤滑。在優選實施 例中，封隔環43由下面材料中的一個形成聚醚醚酮、聚四氟乙烯、 聚苯硫醚和它的纖維增強復合物。然而，其他材料也是可行的。由于 在鉆井流體中的切削物和其他腐蝕性的顆粒的原因，該材料需要耐相 對高的溫度和耐磨損性。一種優選的材料是具有增強纖維的聚醚醚酮， 該增強纖維或者是玻璃的或者是碳的。如果用于阻止和排除碎屑，每 個封隔環43的磨損率優選小于密封環35。用于阻止和排除碎屑的每 個封隔環43的硬度更大。如果其中一個封隔環43主要用于潤滑，其 硬度可以小于密封環35。
微紋理可以形成在每個封隔環43的內徑47中以提高密封性。微 紋理包括通過已知的工藝、例如通過激光形成在表面中的非常淺的凹 槽。紋理的寬度的改變是可行的。例如，圖4示出了大致正弦形的槽 51，其繞著內徑47延伸為三排。槽51提高了密封性，即使由于封隔環43的旋轉而使潤滑劑在雙向上流動。
在運行中，當鉆頭11旋轉時，每個牙輪19將繞著其牙輪軸17(圖 2)旋轉。每個密封環35將傾向于與其牙輪19一起旋轉，并以動態滑 動接觸密封配合在牙輪軸17的軸頸表面25上。封隔環43也以動態接 觸配合軸頸表面25。當密封環35由于產生磨損的鉆井流體而磨損時， 封隔環43將最終被鉆井流體接觸。那些比密封環35更硬的且更耐磨 的封隔環43將延遲密封環35的磨損。通常，磨損將從外側面42a向 內側面42b進行。當一個密封環區段49被磨損時，下一個在內的封隔 環43將與產生磨損的鉆井流體接觸，以延遲產生磨損的鉆井流體與密 封區段49的接觸。
在圖5中，牙輪53安裝在具有輥子52的輥子牙輪軸55上，大致 如同第一實施例那樣。密封環57具有內部和外部，該內部以與牙輪軸 軸頸表面59旋轉動態接觸而密封，該外部密封在牙輪腔61上。在本 實施例中，單個封隔環63安裝在密封環57的內部上的凹槽中。封隔 環63具有與軸頸表面59接觸的大致平的面。封隔環63的余下的橫截 面形狀是彎曲和凸出的。在封隔環63的內側和外側上的密封環57的 內部密封地配合軸頸表面59。封隔環63由上面所述的材料形成，該 材料比密封環57更硬，以排除碎屑和阻礙密封環57上的磨損。
在圖6中，牙輪65安裝在牙輪軸67上，大致如同在第一實施例 中那樣。密封環69具有內部和外部，該內部以與牙輪軸軸頸表面71 旋轉動態接觸而密封，該外部密封在牙輪腔73上。在本實施例中，具 有二個封隔環75、 77，且每個具有不同結構的接觸面。封隔環75位 于封隔環77的外側，并表示為具有三角形面，其頂點與軸頸軸承表面 71動態接觸。封隔環77具有凸出的或圓形的橫截面形狀，包括其接 觸面。封隔環75優選由比密封環69更硬和更耐磨的材料形成。封隔 環77可以由提供潤滑的材料形成，并可以比封隔環75和密封環69 更軟。
在圖7中，牙輪79安裝在牙輪軸81上，大致如同在第一實施例 中那樣。密封環83 (在圖7中未示出)具有內部和外部，該內部以與牙輪軸軸頸表面85旋轉動態接觸而密封，該外部密封在牙輪79中的 槽87上。在本例中，槽87是三角形的。密封環83具有平的外側面 89a和平的內側面89b，它們楔形抵靠在槽87的側面上。單個的封隔 環91顯示在密封環83的內部上與軸頸軸承表面85配合，但是多于一 個是可行的。封隔環91可以具有不同的形狀，所示的封隔環91具有 大致如同圖5所示的封隔環63的形狀。封隔環91優選由與封隔環63 相同的材料形成并用作相同的目的。
在圖8中，牙輪93安裝在牙輪軸95上，大致如同在第一實施例 中那樣。密封環97具有內部和外部，該內部以與牙輪軸軸頸表面99 旋轉動態接觸而密封，該外部密封在牙輪93中的槽101上。二個封隔 環103顯示在密封環97的內徑上。封隔環103顯示為具有類似于圖5 中的封隔環63的形狀。至少一個封隔環103的材料比密封環97硬， 以排除碎屑。另外的封隔環103，如果需要，可以是潤滑材料。
外封隔環105顯示為嵌入在密封環97外徑上的槽中，并與牙輪槽 101的基部摩擦配合。外封隔環105用于摩擦地抓持牙輪93，以防止 密封環97相對于牙輪93的滑動和旋轉。外封隔環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環97。外封隔環105可 以具有不同的形狀，但是顯示為具有類似于圖5中封隔環63的形狀。 盡管不期待，封隔環優選使密封環97在牙輪軸95上保持靜止而牙輪 93旋轉，這是可能的。如果這樣，具有良好的抓持性能的封隔環105 將位于密封環97的內徑上，而用于阻止磨損和/或提供潤滑的一個或 多個封隔環103將位于密封環97的外徑上。
術語"封隔(excluder)"與環結合著使用，或者設計用于排除和 阻止碎屑，或者用于潤滑，或者用于抵抗旋轉。該術語只是出于方便 而使用，而不是以限制的方式使用。
本發明具有顯著的優點。將更多的防磨損的封隔環包含到密封環 中，這減小了密封環磨損率。通過在軸頸軸承中保持潤滑劑，磨損率 的減小增加了鉆井鉆頭的壽命。具有潤滑性的封隔環可用于增加潤滑， 這減小了生熱并延長了密封環的壽命。具有抓持性的封隔環可用于阻止密封環的旋轉。
盡管本發明只是以 一些形式得以表示，對于本領域技術人員顯而 易見的是，其不是這么受限，而是在不脫離本發明范圍的情況下可以 有不同的改變。
權利要求
1、一種具有本體的鉆地鉆頭，該本體具有下垂的牙輪軸，并且牙輪可旋轉地安裝到該牙輪軸上，該牙輪具有多個切削元件，改進之處包括彈性密封環，該彈性密封環具有與牙輪上的密封表面密封配合的外部和與牙輪軸的密封表面密封配合的內部；和至少一個封隔環，所述封隔環由密封環的其中一個部分攜帶，并具有被密封環迫壓以與其中一個密封表面接觸的面。
2、 根據權利要求l所述的鉆頭，其中，所述封隔環的面具有沿著 牙輪軸的軸線測量得到的寬度，該寬度小于封隔環內部和外部中任一 部分的寬度。
3、 根據權利要求l所述的鉆頭，其中，所述封隔環安裝在密封環 的其中一個部分的環形槽內，所述密封環的其中一個部分具有在封隔環的相對側上且密封地配合其中一個密封表面的區段。
4、 根據權利要求l所述的鉆頭，其中，所述封隔環的面與密封環 的其中一個部分基本齊平。
5、 根據權利要求1所述的鉆頭，其中，所述封隔環具有比密封環 更大的硬度。
6、 根據權利要求l所述的鉆頭，其中，所述封隔環具有比密封環 更小的硬度。
7、 根據權利要求l所述的鉆頭，其中，所述至少一個封隔環包括 多個封隔環。
8、 根據權利要求l所述的鉆頭，其中，所述封隔環的面包括紋理 圖案。
9、 根據權利要求1所述的鉆頭，其中，所述封隔環位于密封環的 內部，與牙輪軸上的密封表面滑動配合。
10、 根據權利要求1所述的鉆頭，其中，所述封隔環位于密封環 的外部，與牙輪的密封表面摩擦配合。
11、 根據權利要求1所述的鉆頭，其中，所述至少一個封隔環包括內封隔環，其位于密封環的內部，與牙輪軸上的密封表面滑動配 合；和外封隔環，其位于密封環的外部，與牙輪中的密封表面摩擦配合， 以抵抗密封環相對于牙輪的旋轉。
12、 根據權利要求1所述的鉆頭，其中，所述封隔環由熱塑材料形成。
13、 一種鉆地鉆頭，包括 本體，該本體具有下垂的牙輪軸；牙輪，該牙輪具有圓柱形腔，可旋轉地安裝在牙輪軸上，該牙輪 具有包含多個切削元件的外部，該牙輪和牙輪軸限定出充滿潤滑劑的 支承空間；丁腈橡膠的密封環，該密封環具有與牙輪的腔密封接觸的外徑和 一內徑，該密封環具有在運行過程中暴露于鉆井流體的外側和暴露于 在支承空間內的潤滑劑的內側；和至少一個熱塑封隔環，所述封隔環嵌入在密封環內，該封隔環位 于密封環的外側和內側之間，并具有被密封環迫壓以與牙輪軸動態接 觸的面，該密封環具有位于封隔環相對側上且動態地密封在牙輪軸上 的區段；以及其中該封隔環具有比密封環更大的硬度，以延緩由在鉆井流體中的磨 損切削物導致的密封環的磨損率。
14、 根據權利要求13所述的鉆頭，其中，形成所述封隔環的材料 選自如下材料組成的組聚醚醚酮、聚四氟乙烯、聚苯硫醚及其纖維 增強復合物。
15、 一種鉆地鉆頭，包括 本體，該本體具有下垂的牙輪軸；牙輪，該牙輪具有圓柱形腔，可旋轉地安裝在牙輪軸上，該牙輪 具有包含多個切削元件的外部；在牙輪的圓柱形腔中的環形槽；彈性材料的密封環，該密封環具有內部與所述槽密封接觸的外部；和在密封環內部中的多個內封隔環，每個封隔環具有被密封環迫壓 以與牙輪軸接觸的面，該密封環的內部具有位于封隔環相對橫向側面上且密封在牙輪軸上的區段。
16、 根據權利要求15所述的鉆頭，其中，所述密封環由丁腈橡膠 形成，并且形成封隔環的材料選自如下材料組成的組聚醚醚酮、聚 四氟乙烯、聚苯硫醚及其纖維增強復合物。
17、 根據權利要求15所述的鉆頭，其中，所述至少一個封隔環的 面具有紋理圖案。
18、 根據權利要求15所述的鉆頭，其中，所述至少一個封隔環由 包含增強纖維的熱塑聚合物形成。
19、 根據權利要求15所述的鉆頭，其中，所述封隔環的其中一個 具有與其他封隔環不同的組分。
20、 根據權利要求15所述的鉆頭，其中，所述其中一個封隔環的 面具有與其他封隔環不同的結構。
21、 根據權利要求15所述的鉆頭，還包括 在密封環外部上的外封隔環，所述外封隔環位于密封環外部的橫向側之間，并具有與在牙輪中的槽摩擦接觸的面，以抵抗密封環相對 于牙輪的旋轉。
全文摘要
彈性密封環位于鉆地鉆頭的每個牙輪軸和每個牙輪之間。封隔環或封隔帶嵌入到密封環的內徑內。密封環的內徑的一部分以及封隔環與牙輪軸動態接觸。封隔環可以比密封環更硬和更耐磨。封隔環可以具有潤滑性。外封隔環可以位于密封環的外徑上與牙輪配合，以抵抗旋轉。
文檔編號E21B10/25GK101490359SQ200780026397
公開日2009年7月22日 申請日期2007年7月12日 優先權日2006年7月12日
發明者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·科爾特曼 申請人:貝克休斯公司