用于岩石钻头的稳定密封.pdf

一种地层钻头，其具有钻头本体，该钻头本体具有悬置的牙轮轴。具有腔的牙轮可旋转地安装在牙轮轴上。密封槽形成在牙轮的腔中。弹性密封环位于槽内，并在槽的基部和牙轮轴之间形成密封。该密封环具有二个侧面，每个侧面通过间隙与槽的侧壁间隔开。弹性突起从密封环的每个侧面突出，以与槽的其中一个侧壁非密封地接触。

1、  一种地层钻头，包括：
具有悬置的牙轮轴的钻头本体；
具有腔的牙轮，该牙轮能够旋转地安装在牙轮轴上；
形成在牙轮的腔中的密封槽，该密封槽具有基部和二个侧壁；
具有内径表面、外径表面和二个侧面的弹性密封环，该外径表面与槽的基部密封配合，该内径表面从槽中突出并与牙轮轴密封配合；和
至少一个突起，该突起从密封环的至少一个侧面突出，以与槽的其中一个侧壁接触。

2、  根据权利要求1所述的钻头，其中，包含所述突起的密封环的侧面在外径表面和内径表面之间具有流通通道，以使在突起与槽的侧壁接触时使外径表面和内径表面之间能够流体连通。

3、  根据权利要求1所述的钻头，其中，所述突起是弹性的，并接合到其中一个侧面。

4、  根据权利要求1所述的钻头，其中，所述突起在周向上延伸的角度小于360度。

5、  根据权利要求1所述的钻头，其中，所述突起包括弓形的脊，该脊具有小于360度的周向长度。

6、  根据权利要求1所述的钻头，其中，所述至少一个突起包括多个在所述至少一个侧面上的突起，所述突起互相间隔开，从而避免阻塞内径表面和外径表面之间的流体连通。

7、  根据权利要求1所述的钻头，其中，所述至少一个突起包括多个在所述至少一个侧面上的同心排内的突起，在每排内的所述突起互相间隔开。

8、  根据权利要求1所述的钻头，其中所述至少一个突起包括多个在所述至少一个侧面上的突起，其中至少一个突起比至少另一个突起离所述内径表面更远。

9、  根据权利要求1所述的钻头，其中，所述至少一个突起包括在所述至少一个侧面上的内排和外排突起，内排比外排更靠近内径表面，所述内排和外排是同心的，在每个排内的突起在周向上互相间隔开。

10、  一种地层钻头，包括：
具有悬置的牙轮轴的钻头本体；
具有腔的牙轮，该牙轮可旋转地安装在牙轮轴上；
形成在牙轮的腔中的密封槽，该密封槽具有基部和二个侧壁，该基部具有比每个侧壁的深度小的宽度；
弹性密封环，该弹性密封环位于所述槽内，并在槽的基部和牙轮轴之间形成密封，该密封环具有二个侧面，每个侧面通过间隙与槽的其中一个侧壁间隔开；和
多个弹性突起，所述弹性突起从密封环的每个侧面突出，以与槽的其中一个侧壁非密封地接触。

11、  根据权利要求10所述的钻头，其中，在密封环的每个侧面上的突起互相间隔开，以在槽的基部和牙轮轴之间限定出流通通道。

12、  根据权利要求10所述的钻头，其中，每个突起包括弓形的脊，所述弓形的脊具有小于360度的周向长度，每个脊具有比所述长度小的厚度。

13、  根据权利要求10所述的钻头，其中，在每个侧面上的突起位于每个侧面上的至少一个同心排内，在每排内的突起互相间隔开。

14、  根据权利要求10所述的钻头，其中，在每个侧面上的突起位于内排和外排内，该内排比外排更靠近槽的基部，内排和外排是同心的，在每个排内的突起在周向上互相间隔开。

15、  根据权利要求10所述的钻头，其中，每个突起从其中一个侧面突出的量与在每个侧面和槽的每个侧壁之间的间隙基本相等。

16、  根据权利要求10所述的钻头，其中，密封环的厚度与槽的基部的宽度基本上相同，该厚度是从在其中一个侧面上的突起的末端到在另一个侧面上的突起的末端测量得到的。

17、  一种地层钻头，包括：
具有悬置的牙轮轴的钻头本体；
具有腔的牙轮，该牙轮可旋转地安装在牙轮轴上；
形成在牙轮的腔中的密封槽，该密封槽具有基部和二个侧壁，该基部具有比每个侧壁的深度小的宽度；
弹性密封环，该弹性密封环位于槽内，并在槽的基部和牙轮轴之间形成密封，该密封环具有二个侧面，每个侧面包括基本平坦部，该基本平坦部平行于槽的其中一个侧壁并与其间隔开；和
该密封环具有多个弹性突起，所述突起从每个侧面突出，以与槽的其中一个侧壁接触，在每个侧面上的一些突起比其他突起更远离槽的基部，每个突起与在相同侧面上的其他突起间隔开，并具有小于360度的周向延伸。

18、  根据权利要求17所述的钻头，其中，每个突起包括弓形的脊。

19、  根据权利要求17所述的钻头，其中，在每个侧面上的突起位于每个侧面上的至少一个同心排内。

20、  根据权利要求17所述的钻头，其中，在每个侧面上的突起位于内排和外排内，该内排比外排更靠近槽的基部，该内排和外排是同心的。

用于岩石钻头的稳定密封
优先权声明
本申请要求2006年8月14日提交的美国临时申请第60/837,560号和2007年8月14日提交的美国新型申请第11/838,361号的优先权。
技术领域
本发明通常涉及滚动牙轮地层钻头，尤其涉及位于牙轮和牙轮轴之间的高的纵横比(aspect ratio)的弹性密封，该牙轮轴在至少一侧表面具有稳定化处理的突起。
背景技术
滚动牙轮地层钻头具有本体，该本体具有带螺纹的端部，该端部连接到钻柱。该本体通常具有三个悬置的牙轮轴，每个在其上可旋转地安装支撑牙轮。每个牙轮在其外部具有切削元件，用于在钻头本体旋转时使地层破碎。每个牙轮具有腔，该腔在其中一个牙轮轴上滑动。润滑剂存储器提供润滑剂到位于牙轮腔和牙轮轴之间的空间。通常，润滑剂系统还具有压力补偿器，用于使润滑剂压力与钻头外部上的钻孔钻进流体的压力相等。位于每个牙轮口附近的密封装置密封润滑剂而与钻孔流体分开。
如果密封装置开始泄漏，钻头将很快失效并必须重新取回。这可能发生在牙轮上的切削结构已经磨损之前，从而缩短钻头的寿命。鉴于具有耐用的密封装置的重要性，过去几年里已经采用和提出许多变形。在一种类型中，密封槽形成在牙轮口附近的牙轮腔中。该槽具有基部和二个平行的侧壁。弹性密封环安装在所述槽内并密封在基部和牙轮轴之间。
该密封环可以是称为高的纵横比的密封环的类型。高的纵横比的密封环具有从其内径到外径测量得到的径向尺寸，该径向尺寸大于密封环的厚度，该厚度从一个侧面到另一个测量得到。该密封槽具有比其宽度大的深度。密封配合发生在密封环外径和槽基部之间及密封环内径和牙轮轴之间。密封环的侧面不与槽的侧壁密封地配合。通常，槽的宽度比密封环的宽度大很多，从而允许密封环在使用过程中热膨胀。
在密封环侧面和槽侧壁之间具有间隙的缺点在于密封环最初可能相对于槽不对齐或歪斜。如果这样，该不对齐可能引起密封环和密封槽与牙轮轴之间与所需的不相同的接触压力。该不相同的接触压力将导致密封失效。
发明内容
在本发明中，高的纵横比的弹性密封环具有至少一个突起，该突起从密封环的至少一个侧面突出，以与槽的其中一个侧壁接触。所述突起使密封环在密封槽内对中但是不密封。相反，所述突起是间隔开的，密封环的每个侧面在外径表面和内径表面之间具有流通通道，从而在突起与槽的侧壁接触时，在外径表面和内径表面之间能够流体连通。
每个突起是弹性的，并整体式接合到密封环的其中一个侧面上。在一个实施例中，每个突起包括小的圆形的突出，该突出通常可以是锥形的。在另外的实施例中，每个突起包括弓形的脊，该弓形的脊具有小于360度的外周长度。
优选地，在每个侧面上的一些突起比其他突起更加远离密封槽的基部地间隔开。在所示的实施例中，在每个侧面上的突起位于二个同心排内，在每个排内的突起互相间隔开。
附图说明
图1是根据本发明构造的地层钻头的部分剖视图。
图2是图1的地层钻头的牙轮轴和牙轮的下部的放大的剖视图。
图3是应用于图1和2中的地层钻头密封的等距视图。
图4是图3的密封的替代实施例的等距视图。
具体实施方式
参见图1，钻头具有钻头本体11，该本体典型地具有三个悬置的牙轮钻头巴掌。圆柱形的牙轮轴13从钻头本体11的每个牙轮钻头巴掌悬置下来。具有多个切削元件17的牙轮15可旋转地安装在牙轮轴13上。在本例中，切削元件17包括插入在配合孔19内的碳化钨插入物。可选地，切削元件17可以包括车削在牙轮15外表面中的齿。
牙轮15具有腔，该腔具有圆筒形的支承表面21。支承表面21可以与牙轮15整体形成，或者可以包括设置在牙轮15的腔内的套筒，如通过热压配合。牙轮支承表面21形成具有牙轮轴13的轴径支承表面。锁合元件23，其在本例中包括多个球，位于在牙轮轴13上和在牙轮15的腔中的配合槽中。密封环25位于牙轮15腔的口的附近。密封环25在牙轮轴13与钻头本体11接合处的附近密封牙轮轴13。套筒(未示出)可选地可以位于牙轮轴13上由密封环25密封的地方，如果这样，该套筒在这里认为是牙轮轴13的一部分。
润滑剂通道26从润滑剂存储器(未示出)延伸到位于牙轮轴13和牙轮支承表面21之间的空间以提供润滑剂，所述润滑剂通过密封环25被密封在牙轮腔内。该润滑剂存储器具有压力补偿器，以减小润滑剂和在钻头外部上的钻孔钻进流体之间的压力差。
参见图2，在本实施例中，密封环25是位于形成在牙轮15在其口附近的腔中的密封套或槽27中的弹性件。槽27具有圆筒形的基部29和二个平行的侧壁31，所述侧壁垂直于牙轮轴13的轴线从基部29延伸。密封环25具有外径33，该外径33与通常是静止的槽的基部29形成密封。然而，在与牙轮15的旋转过程中，密封环25可能发生一些滑动。密封环具有内径35，该内径35与牙轮轴13的圆柱形表面形成动态或滑动密封配合。在本实施例中，密封环25具有二个侧壁37，所述两个侧壁37大致是平的，并平行于槽的侧壁31。内径35和外径37是圆形的，并可以是不同的形状。
密封环25优选具有高的纵横比；也即，在外径33和内径35之间的径向延伸大于在侧壁37之间的轴向延伸。在侧壁37平坦部之间的轴向延伸小于密封槽27在槽侧壁31之间的轴向宽度。当在牙轮轴13和密封槽基部29之间安装和变形时，密封侧面37的平坦部将通过间隙与槽侧壁31在里面间隔开。至少一个弹性突起39从一个密封侧面37突出。在本例中，多个弹性突起39位于密封侧面37上并从密封侧面37突出。从一个侧面37上的突起39到相对侧面37上的突起39测量得到的密封环25的轴向宽度与槽27的轴向宽度基本相同，尽管其可以稍微地更大或更小。
在每个侧面37上的一些突起39优选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位于多个圆形排中，如图3所示。突起39的内排41位于内径35附近，而突起39的外排43位于外径33附近。如果需要，可以提供另外的排。突起39的形状可以改变。在图3的实施例中，每个突起39包括在相同排中、与其他突起39在周向上分开的小的圆形的锥形突出。在每个排41和43内的突起39互相在周向上间隔开，从而在密封外径33和内径35之间提供流通通道。每个突起39从密封侧面37突出一个距离，该距离近似等于当将密封环25安装并对中在槽27内时存在于密封侧面37和槽侧壁31之间的间隙。
突起39优选与密封环25一体形成，并具有相同的化学成分。突起39的属性，例如硬度和体积弹性模量，可以与密封环25的其他部分相同或不同。
在安装过程中，突起39通常将接触槽侧壁31，从而在槽27内在基本对齐的位置支撑密封环25。如果相同的突起39位于每侧上，通过密封内径35上的中点和密封外径33上的中点的平面将大体等距地处于槽的侧壁31之间并平行于槽的侧壁31。即使密封环25因牙轮轴13和槽基部29之间的接触压力而变形，在密封侧面37和槽侧壁31之间优选还将存在间隙。如果突起39只位于一个侧面37上，它们将迫使密封环25的相对侧与相对的槽侧壁31接触。通过密封内径35、外径33上的中点的平面仍将平行于槽的侧壁31，但是偏置于一侧。
当钻头开始钻进时，密封环25将防止钻进泥浆进入牙轮轴13和牙轮支承表面21之间的支承空间，并且通过密封内径35和外径33的密封配合而将使润滑剂密封在支承空间内。突起39不用于任何密封功能，也不能够将润滑剂密封在支承空间内，因为它们是在周向上互相间隔开的。密封环25典型地与牙轮15一起旋转并滑行于牙轮轴13上。外侧面37上的突起39将沉浸在钻进流体中。在内侧面37上的突起39将沉浸在润滑剂中。
由于牙轮支承表面21和牙轮轴13之间的摩擦以及密封内径35和牙轮轴13之间的摩擦，在密封环25附近生成热。此外，钻进的井部可能由于地质层而处于高温。这些热可能引起密封环25的膨胀。如果这样，密封环25增加的容积容纳在密封侧面37和槽侧壁31之间的间隙中。两个排41、43的突起39防止了密封环25在槽27内倾斜，这将使得在外径33和内径35处的接触压力减小。
在图4的替代的实施例中，密封环45具有突起，这些突起包括伸长的同心弓形肋或脊47。每个脊47在周向上延伸一个选定的距离，该距离在本例中约为35度。每个脊47具有比其周向长度小很多的宽度。脊47位于外排49和内排51。与内排51相比外排49更靠近密封环45的外径。每个脊47具有相对的端53，每个端通过间隙55与在相同排中的相邻脊47的端53间隔开。在本例中，内排51的每个间隙55是从外排49的一个脊47的中点径向向内地间隔开的。外排49的每个间隙55是从内排51的一个脊47的中点径向向外地间隔开的。间隙55防止脊47密封，并为流体提供从密封环45的内径到外径的流通通道。尽管图4只表示密封环45的一侧，相对侧可以具有相同的脊47组。
本发明具有显著的优点。密封环上的突起为密封环在密封槽内提供对齐和对中。维持对齐减少了密封环在密封槽内变得倾斜的机会。
尽管只显示了本发明的其中一种形式，对于本领域技术人员显而易见的是，其并不限于此，而是在不脱离本发明的范围可以有许多变形。