專利名稱：用于巖石鉆頭的穩定密封的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及滾動牙輪地層鉆頭，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 表面具有穩定化處理的突起。
背景技術：
滾動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懸置的牙輪軸，每個在其上可旋轉 地安裝支撐牙輪。每個牙輪在其外部具有切削元件，用于在鉆頭本體 旋轉時使地層破碎。每個牙輪具有腔，該腔在其中一個牙輪軸上滑動。 潤滑劑存儲器提供潤滑劑到位于牙輪腔和牙輪軸之間的空間。通常， 潤滑劑系統還具有壓力補償器，用于使潤滑劑壓力與鉆頭外部上的鉆 孔鉆進流體的壓力相等。位于每個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 能發生在牙輪上的切削結構已經磨損之前，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 基部和二個平行的側壁。彈性密封環安裝在所述槽內并密封在基部和 牙輪軸之間。該密封環可以是稱為高的縱橫比的密封環的類型。高的縱橫比的 密封環具有從其內徑到外徑測量得到的徑向尺寸，該徑向尺寸大于密
封環的厚度，該厚度從一個側面到另一個測量得到。該密封槽具有比
其寬度大的深度。密封配合發生在密封環外徑和槽基部之間及密封環 內徑和牙輪軸之間。密封環的側面不與槽的側壁密封地配合。通常，
槽的寬度比密封環的寬度大很多，從而允許密封環在使用過程中熱膨脹。
在密封環側面和槽側壁之間具有間隙的缺點在于密封環最初可能 相對于槽不對齊或歪斜。如果這樣，該不對齊可能引起密封環和密封 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 導致密封失效。
發明內容
在本發明中，高的縱橫比的彈性密封環具有至少一個突起，該突 起從密封環的至少一個側面突出，以與槽的其中一個側壁接觸。所述 突起使密封環在密封槽內對中但是不密封。相反，所述突起是間隔開 的，密封環的每個側面在外徑表面和內徑表面之間具有流通通道，從 而在突起與槽的側壁接觸時，在外徑表面和內徑表面之間能夠流體連 通。
每個突起是彈性的，并整體式接合到密封環的其中 一個側面上。 在一個實施例中，每個突起包括小的圓形的突出，該突出通常可以是 錐形的。在另外的實施例中，每個突起包括弓形的脊，該弓形的脊具
有小于360度的外周長度。
優選地，在每個側面上的一些突起比其他突起更加遠離密封槽的 基部地間隔開。在所示的實施例中，在每個側面上的突起位于二個同 心排內，在每個排內的突起互相間隔開。
圖l是根據本發明構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的密封的替代實施例的等距視圖。
具體實施例方式
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的每個牙輪鉆頭巴 掌懸置下來。具有多個切削元件17的牙輪15可旋轉地安裝在牙輪軸 13上。在本例中，切削元件17包括插入在配合孔19內的碳化鴒插入 物。可選地，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，或者可以包括設置在牙輪15的腔內的套筒， 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25位于牙輪15腔的口的附近。密 封環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25密封的地方， 如果這樣，該套筒在這里認為是牙輪軸13的一部分。
潤滑劑通道26從潤滑劑存儲器(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 25被密封在牙輪腔內。該潤滑劑存儲器具有壓力補償器，以減小潤滑 劑和在鉆頭外部上的鉆孔鉆進流體之間的壓力差。
參見圖2，在本實施例中，密封環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和二個平行的側壁31,所述側壁垂直于牙輪軸13的軸線從基部29 延伸。密封環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的旋轉過程中，密封環25可能發生一 些滑動。密封環具有內徑35，該內徑35與牙輪軸13的圓柱形表面形 成動態或滑動密封配合。在本實施例中，密封環25具有二個側壁37，所述兩個側壁37大致是平的，并平行于槽的側壁31。內徑35和外徑 37是圓形的，并可以是不同的形狀。
密封環25優選具有高的縱橫比；也即，在外徑33和內徑35之間 的徑向延伸大于在側壁37之間的軸向延伸。在側壁37平坦部之間的 軸向延伸小于密封槽27在槽側壁31之間的軸向寬度。當在牙輪軸13 和密封槽基部29之間安裝和變形時，密封側面37的平坦部將通過間 隙與槽側壁31在里面間隔開。至少一個彈性突起39從一個密封側面 37突出。在本例中，多個彈性突起39位于密封側面37上并從密封側 面37突出。從一個側面37上的突起39到相對側面37上的突起39 測量得到的密封環25的軸向寬度與槽27的軸向寬度基本相同，盡管 其可以稍微地更大或更小。
在每個側面37上的一些突起39優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位于多個圓形排中，如圖3所示。 突起39的內排41位于內徑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的實施例中，每個突起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。在每個排41和43內的突起39 互相在周向上間隔開，從而在密封外徑33和內徑35之間提供流通通 道。每個突起39從密封側面37突出一個距離，該距離近似等于當將 密封環25安裝并對中在槽27內時存在于密封側面37和槽側壁31之 間的間隙。
突起39優選與密封環25—體形成，并具有相同的化學成分。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通常將接觸槽側壁31，從而在槽27內在 基本對齊的位置支撐密封環25。如果相同的突起39位于每側上，通 過密封內徑35上的中點和密封外徑33上的中點的平面將大體等距地 處于槽的側壁31之間并平行于槽的側壁31。即使密封環25因牙輪軸 13和槽基部29之間的接觸壓力而變形，在密封側面37和槽側壁31
8之間優選還將存在間隙。如果突起39只位于一個側面37上，它們將 迫使密封環25的相對側與相對的槽側壁31接觸。通過密封內徑35、 外徑33上的中點的平面仍將平行于槽的側壁31，但是偏置于一側。
當鉆頭開始鉆進時，密封環25將防止鉆進泥漿進入牙輪軸13和 牙輪支承表面21之間的支承空間，并且通過密封內徑35和外徑33 的密封配合而將使潤滑劑密封在支承空間內。突起39不用于任何密封 功能，也不能夠將潤滑劑密封在支承空間內，因為它們是在周向上互 相間隔開的。密封環25典型地與牙輪15 —起旋轉并滑行于牙輪軸13 上。外側面37上的突起39將沉浸在鉆進流體中。在內側面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徑35 和牙輪軸13之間的摩擦，在密封環25附近生成熱。此外，鉆進的井 部可能由于地質層而處于高溫。這些熱可能引起密封環25的膨脹。如 果這樣，密封環25增加的容積容納在密封側面37和槽側壁31之間的 間隙中。兩個排41、 43的突起39防止了密封環25在槽27內傾斜， 這將使得在外徑33和內徑35處的接觸壓力減小。
在圖4的替代的實施例中，密封環45具有突起，這些突起包括伸 長的同心弓形肋或脊47。每個脊47在周向上延伸一個選定的距離， 該距離在本例中約為35度。每個脊47具有比其周向長度小很多的寬 度。脊47位于外排49和內排51。與內排51相比外排49更靠近密封 環45的外徑。每個脊47具有相對的端53，每個端通過間隙55與在 相同排中的相鄰脊47的端53間隔開。在本例中，內排51的每個間隙 55是從外排49的一個脊47的中點徑向向內地間隔開的。外排49的 每個間隙55是從內排51的一個脊47的中點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45的內徑到外徑的流通 通道。盡管圖4只表示密封環45的一側，相對側可以具有相同的脊 47組。
本發明具有顯著的優點。密封環上的突起為密封環在密封槽內提 供對齊和對中。維持對齊減少了密封環在密封槽內變得傾斜的機會。
9盡管只顯示了本發明的其中一種形式，對于本領域技術人員顯而 易見的是，其并不限于此，而是在不脫離本發明的范圍可以有許多變 形。
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權利要求
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側壁；具有內徑表面、外徑表面和二個側面的彈性密封環，該外徑表面與槽的基部密封配合，該內徑表面從槽中突出并與牙輪軸密封配合；和至少一個突起，該突起從密封環的至少一個側面突出，以與槽的其中一個側壁接觸。
2、 根據權利要求l所述的鉆頭，其中，包含所述突起的密封環的 側面在外徑表面和內徑表面之間具有流通通道，以使在突起與槽的側 壁接觸時使外徑表面和內徑表面之間能夠流體連通。
3、 根據權利要求l所述的鉆頭，其中，所述突起是彈性的，并接 合到其中一個側面。
4、 根據權利要求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、 根據權利要求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、 根據權利要求l所述的鉆頭，其中，所述至少一個突起包括多 個在所述至少一個側面上的突起，所述突起互相間隔開，從而避免阻 塞內徑表面和外徑表面之間的流體連通。
7、 根據權利要求l所述的鉆頭，其中，所述至少一個突起包括多 個在所述至少一個側面上的同心排內的突起，在每排內的所述突起互 相間隔開。
8、 根據權利要求1所述的鉆頭，其中所述至少一個突起包括多個 在所述至少一個側面上的突起，其中至少一個突起比至少另一個突起 離所述內徑表面更遠。
9、 根據權利要求l所述的鉆頭，其中，所述至少一個突起包括在 所述至少一個側面上的內排和外排突起，內排比外排更靠近內徑表面， 所述內排和外排是同心的，在每個排內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側壁，該基部具有比每個側壁的深度小的寬度；彈性密封環，該彈性密封環位于所述槽內，并在槽的基部和牙輪 軸之間形成密封，該密封環具有二個側面，每個側面通過間隙與槽的 其中一個側壁間隔開；和多個彈性突起，所述彈性突起從密封環的每個側面突出，以與槽 的其中一個側壁非密封地接觸。
11、 根據權利要求IO所述的鉆頭，其中，在密封環的每個側面上 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、 根據權利要求IO所述的鉆頭，其中，每個突起包括弓形的脊， 所述弓形的脊具有小于360度的周向長度，每個脊具有比所述長度小 的厚度。
13、 根據權利要求IO所述的鉆頭，其中，在每個側面上的突起位 于每個側面上的至少一個同心排內，在每排內的突起互相間隔開。
14、 根據權利要求10所述的鉆頭，其中，在每個側面上的突起位 于內排和外排內，該內排比外排更靠近槽的基部，內排和外排是同心 的，在每個排內的突起在周向上互相間隔開。
15、 根據權利要求IO所述的鉆頭，其中，每個突起從其中一個側 面突出的量與在每個側面和槽的每個側壁之間的間隙基本相等。
16、 根據權利要求IO所述的鉆頭，其中，密封環的厚度與槽的基 部的寬度基本上相同，該厚度是從在其中一個側面上的突起的末端到 在另 一個側面上的突起的末端測量得到的。
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側壁，該 基部具有比每個側壁的深度小的寬度；彈性密封環，該彈性密封環位于槽內，并在槽的基部和牙輪軸之 間形成密封，該密封環具有二個側面，每個側面包括基本平坦部，該 基本平坦部平行于槽的其中一個側壁并與其間隔開；和該密封環具有多個彈性突起，所述突起從每個側面突出，以與槽 的其中一個側壁接觸，在每個側面上的一些突起比其他突起更遠離槽的基部，每個突起與在相同側面上的其他突起間隔開，并具有小于360 度的周向延伸。
18、 根據權利要求17所述的鉆頭，其中，每個突起包括弓形的脊。
19、 根據權利要求17所述的鉆頭，其中，在每個側面上的突起位 于每個側面上的至少一個同心排內。
20、 根據權利要求17所述的鉆頭，其中，在每個側面上的突起位 于內排和外排內，該內排比外排更靠近槽的基部，該內排和外排是同 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地安裝在牙輪軸上。密封槽形成在牙輪的腔中。彈性密封環位于槽內，并在槽的基部和牙輪軸之間形成密封。該密封環具有二個側面，每個側面通過間隙與槽的側壁間隔開。彈性突起從密封環的每個側面突出，以與槽的其中一個側壁非密封地接觸。
文檔編號E21B10/25GK101501292SQ200780030253
公開日2009年8月5日 申請日期2007年8月14日 優先權日2006年8月14日
發明者A·J·迪克 申請人:貝克休斯公司