用于地质钻井钻头的表面纹理.pdf

本发明涉及一种地质钻井钻头，将纹理图案施加到该地质钻井钻头的支承表面上，尤其是牙轮型地质钻井钻头的支承表面上。该纹理表面可被施加到止推垫圈面的一个或两个侧面、支承面、衬垫、或推力轴肩、或其组合上。

1、  一种地质钻井钻头，该地质钻井钻头包括：
钻头体；
悬臂支承轴，所述悬臂支承轴悬挂于所述钻头体上并包括轴支承表面；
牙轮组件，所述牙轮组件被安装在所述悬臂支承轴上以进行旋转，所述牙轮组件包括匹配的牙轮支承表面，用于与所述悬臂支承轴的所述轴支承表面相接合；以及
所述牙轮支承表面和所述轴支承表面中的一个具有形成在其上的纹理图案。

2、  如权利要求1所述的钻头，其中，所述纹理图案的深度在2微米至30微米的范围内。

3、  如权利要求1所述的钻头，其中，所述纹理图案的深度在2微米至10微米的范围内。

4、  如权利要求1所述的钻头，其中，所述纹理图案的宽度在10微米至1000微米的范围内。

5、  如权利要求1所述的钻头，其中，所述纹理图案的宽度在10微米至100微米的范围内。

6、  如权利要求1所述的钻头，其中，所述纹理图案的密度在10％至70％的范围内。

7、  如权利要求1所述的钻头，其中，所述牙轮支承表面和所述轴支承表面是轴颈支承表面。

8、  如权利要求1所述的钻头，其中，所述牙轮支承表面和所述轴支承表面是推力支承表面。

9、  如权利要求1所述的钻头，其中，所述具有形成在其上的纹理图案的支承表面是所述轴支承表面。

10、  如权利要求1所述的钻头，其中，所述具有形成在其上的纹理图案的支承表面是所述牙轮支承表面。

11、  一种地质钻井钻头，该地质钻井钻头包括：
钻头体；
悬臂支承轴，所述悬臂支承轴悬挂于所述钻头体上并包括轴支承表面；
牙轮组件，所述牙轮组件被安装在所述悬臂支承轴上以进行旋转，所述牙轮组件包括匹配的牙轮支承表面，用于与所述支承轴的所述轴支承表面相接合；
所述牙轮支承表面和所述轴支承表面中的一个具有形成在其上的纹理图案；
所述纹理图案的深度在2微米至30微米的范围内；
所述纹理图案的宽度在10微米至1000微米的范围内；以及
所述纹理图案的密度在10％至70％的范围内。

12、  如权利要求11所述的钻头，其中，所述具有形成在其上的纹理图案的支承表面是所述轴支承表面。

13、  如权利要求11所述的钻头，其中，所述具有形成在其上的纹理图案的支承表面是所述牙轮支承表面。

14、  如权利要求11所述的钻头，其中，所述牙轮支承表面和所述轴支承表面是轴颈支承表面。

15、  如权利要求18所述的钻头，其中，所述纹理图案是小于所述轴颈支承表面的圆周的360度的覆盖物。

16、  如权利要求18所述的钻头，其中，所述纹理图案只是所述轴颈支承表面的轴向长度的部分的覆盖物。

17、  如权利要求11所述的钻头，其中，所述牙轮支承表面和所述轴支承表面是推力支承表面。

18、  如权利要求21所述的钻头，其中，所述纹理图案未覆盖所述推力支承表面的整个区域。

19、  一种地质钻井钻头，该地质钻井钻头包括：
钻头体；
悬臂支承轴，所述悬臂支承轴悬挂于所述钻头体上并包括轴支承表面；
牙轮组件，所述牙轮组件被安装在所述支承轴上以进行旋转，所述牙轮组件包括匹配的牙轮支承表面，用于与所述支承轴的所述轴支承表面相接合；
所述牙轮支承表面和所述轴支承表面中的一个具有形成在其上的纹理图案；以及
所述纹理图案包括椭圆形凹进部分。

20、  如权利要求23所述的钻头，其中，所述椭圆形凹进部分在所述支承表面上以规则间隔的行和列排列。

21、  如权利要求23所述的钻头，其中，所述椭圆形凹进部分在所述支承表面上以规则间隔的行和列排列，并且相邻行的所述椭圆形凹进部分的长轴线不重合。

22、  如权利要求23所述的钻头，其中，所述椭圆形凹进部分的长轴线不与所述支承表面的第一边缘垂直，并且所述椭圆形凹进部分的所述长轴线不与所述支承表面的所述第一边缘平行。

用于地质钻井钻头的表面纹理
本申请请求以2006年6月9日申请的、临时专利申请序列号为NO.60/812539的美国专利申请为优先权。
技术领域
本发明总体上涉及一种地质钻井钻头，尤其涉及牙轮型地质钻井钻头的轴承。更具体地，本发明涉及施加表面纹理，以改进轴承的性能。
背景技术
采用旋转方法在土制地质中钻入井孔的过程中，地质钻井钻头通常使用至少一个可旋转地安装于其上的牙轮刀具。该钻头固接到借助井下马达沿表面进行旋转的钻柱的下端。当钻杆旋转时，安装在钻头上的刀具在井孔的底部上滚动并滑动，从而接合并分解地质材料。该牙轮刀具设置有齿，该齿借助于来自钻柱的重量被迫穿入并刨开井孔的底部。
当刀具沿井孔的底部滚动和滑动时，刀具和刀具被旋转地安装在其上的轴受到来自于钻头上的重量的大的静态负载，以及当刀具沿井孔底部的不平整表面滚动和滑动时所遭受的大的瞬时或冲击负载。因此，大多数地层钻井钻头设置有高精度制造的轴颈轴承和支承表面，以及密封的润滑系统，从而延长钻头的使用寿命。在这些高载荷和低速工况下，这些轴承必须在明显未对准的配置中有效运行。
支承表面包括垂直于支承销的轴线形成在支承销上的推力轴肩。匹配的推力轴肩形成在牙轮的腔室内。围绕支承销的一部分形成局部圆柱形轴颈支承表面，用于与牙轮腔室中的匹配表面相接合。润滑系统通常被密封，以避免润滑油的流失和阻止由杂质例如在井孔中所遇到的磨损微粒所带来的轴承污染。
过去，硬质材料的衬垫被设置于推力轴肩和轴颈支承表面上。然而，需要一种能改进在这种严酷并独特的操作环境中的轴承性能的新技术。
发明内容
在本发明中，纹理图案被施加到地质钻井钻头的支承(尤其是牙轮型地质钻井钻头的支承)表面上。纹理表面可被施加到止推垫圈面的一个或两个侧面、支承面、衬垫、或推力轴肩、或其组合上。在部件经过最终热处理、硬化和精加工之前或之后，表面纹理可被直接施加到该部件的金属表面上，尽管在优选的实施方式中，在该部件的精加工之后添加表面纹理。
纹理表面图案的深度可在2-30微米的范围内，并且纹理表面图案的宽度或直径可在10至1000微米的范围内。沿宽度方向或长度方向或宽度和长度两个方向被施加表面纹理的部件的表面面积可为该部件整个功能表面面积的10％至100％。纹理图案的密度(被定义为由图案凹进部分所覆盖的表面面积除以被施加表面纹理的部件的面积)可为10％至70％。纹理表面可通过机械切割、压花、化学蚀刻、激光雕刻、电火花工艺、振动化学方法、或振动机械方法来形成。
该表面纹理的定向和大小以及形状对其效能和轴承性能具有重大影响。在一个优选实施方式中，表面纹理的凹槽平行于润滑剂的流动方向延伸。这有助于阻止润滑剂的侧向泄漏。在另一优选实施方式中，表面纹理的凹槽垂直于润滑剂的流动方向延伸，这将产生额外的流体动力。当考虑旋转部件时，优选实施方式是将该表面纹理施加到旋转表面上。可选地，当施加表面纹理以改善减震时，优选实施方式是将该纹理施加到静止表面上。可以将不同的纹理定向、密度和形状的组合用于同一功能表面的不同区域，以使润滑性能达到最佳。例如，在靠进轴颈的边缘处，纹理的长轴线可被定向为沿流动方向，以将侧向泄漏减至最少，而在该轴承的中间区域，纹理的长轴线垂直于流动方向延伸，以增大流体动力举升力。类似地，在期望有显著冲击力的区域，可增大纹理区域的密度。
附图说明
图1为根据本发明构造的地质钻井钻头的局部剖视图；
图2为图1所示钻头的轴颈轴承衬套的立体图；
图3为图1所示钻头的止推垫圈的立体图；
图4为图3所示止推垫圈的一部分的示意性截面视图；
图5为可选实施方式的支承销的局部侧视图；
图6为用于支承表面的纹理图案的实施方式的示意图；
图7为用于支承表面的纹理图案的可选实施方式的示意图；
图8为用于支承表面的纹理图案的可选实施方式的示意图；
图9为用于支承表面的纹理图案的可选实施方式的示意图；
图10为用于支承表面的纹理图案的可选实施方式的示意图；
图11为用于支承表面的纹理图案的可选实施方式的示意图；
图12为用于支承表面的纹理图案的可选实施方式的示意图；
图13为用于支承表面的纹理图案的可选实施方式的示意图；
图14为用于支承表面的纹理图案的可选实施方式的示意图；
图15为用于支承表面的纹理图案的可选实施方式的示意图；
图16为用于支承表面的纹理图案的可选实施方式的示意图；
图17为用于支承表面的纹理图案的可选实施方式的示意图；
图18为用于支承表面的纹理图案的可选实施方式的示意图；
图19为用于支承表面的纹理图案的可选实施方式的示意图；
图20为轴颈轴承的示意性立体图；
图21为轴颈轴承的可选实施方式的立体示意图；
图22为轴颈轴承的可选实施方式的立体示意图；
图23为轴颈轴承的可选实施方式的立体示意图；
图24为轴承衬套的示意性立体图；
图25为轴承衬套的可选实施方式的立体示意图；
图26为推力轴肩的示意性主视图；
图27为推力轴肩的可选实施方式的示意性主视图；
图28为推力轴肩的可选实施方式的示意性主视图；
图29为推力轴肩的可选实施方式的示意性主视图；
图30为止推垫圈的实施方式的示意性主视图；
图31为止推垫圈的可选实施方式的示意性主视图；
图32为止推垫圈的可选实施方式的示意性主视图；
图33为止推垫圈的可选实施方式的示意性主视图。
具体实施方式
参见图1，钻头11具有至少一个钻头巴掌13，并且通常具有三个钻头巴掌13。每一钻头巴掌13具有支承销15，该支承销朝着钻头11的旋转轴线向下并向内延伸。支承销15在内端具有圆柱形冠部17，该圆柱形冠部具有比支承销15的其余部分更小的直径。向内朝向的环形推力轴肩围绕冠部17。推力轴肩19位于垂直于支承销15的轴线的平面中。在该实施例中，推力轴肩19可选地具有由硬质、耐磨材料制成的衬垫21。同样地，冠部17在其圆柱形外部上可具有由同一耐磨材料制成的衬垫23。
支承销15具有围绕其下侧延伸的部分圆柱形轴颈支承面25。在该实施例中，由硬质、耐磨材料制成的可选的衬垫27位于轴颈支承面25上。由于施加在钻头11上的推力是向下的，衬垫27没有延伸至支承销15的上侧。如需要可省略衬垫21和23。一润滑剂通道29延伸通过钻头巴掌13和支承销15至支承销15的上侧。一压力补偿装置(未示出)将加压的润滑剂提供至通道29。
刀具或牙轮31可旋转地安装到支承销15上。牙轮31在其外部具有多个齿33。图1显示了旋转到单一平面中的来自于钻头11的三个牙轮31的齿33。如图所示，齿33可为压入到牙轮31的主体中的匹配孔中的硬质金属嵌入体。可选地，齿33可以是被轧制到牙轮31外部中的钢齿。
牙轮31具有用于可旋转安装到支承销15上的中央腔室35。腔室35具有推力轴肩37，推力轴肩37垂直于牙轮31的轴线，以与支承销推力轴肩19相匹配。止推垫圈39位于推力轴肩19和推力轴肩37之间。在优选实施例中，止推垫圈39未被固定到推力轴肩19或推力轴肩37上，尽管该止推垫圈39能够钎焊或焊接到轴肩19或37中的任一个上或者被制成为轴肩19的一部分。
在该实施例中，轴承衬套41位于牙轮31的腔室内，以用作密封组件的一部分。在该实施例中，轴承衬套41随牙轮31旋转并与刚性环47滑动地接合。环47优选也由硬化的金属制成。卡环43与卡槽45接合地围绕腔室35延伸，从而将牙轮31保持在支承销15上。另一种形式的定位件采用球塞(balls)。密封组件将润滑剂密封在支承销15和牙轮31之间的支承空间中。
根据本发明，地质钻井钻头的改进性能包括在一个或多个支承表面上施加纹理表面。纹理表面能够提供额外的举升力，从而增大润滑剂的膜厚度。将要被施加表面纹理的表面可为标准合金钢，例如轴承钢或者包含0.15％ C、0.8％ Mn、0.55％ Cr、0.85％ Ni和0.55％ Mo或其它类似材料的合金钢。
可以在进行部件的热处理或硬化之前，将纹理施加到表面上。然而，热处理或硬化处理在某种程度上会损坏纹理图案。可以在对部件进行热处理或硬化之后将纹理施加到表面上。这种情况下，用于将纹理施加到表面上的工具必须能在硬化后的表面上形成纹理。在所有机械加工、热处理以及硬化工序均完成后再施加纹理将得到最高精度地形成的纹理图案。
通过在刀具31旋转期间保持一定数量的润滑剂(附图1)，纹理表面将提高润滑性能。具有根据本发明的纹理表面增加了现有技术中的地质钻井钻头上的滑动表面之间的平均膜厚度，从而降低了磨损。另外，具有纹理表面将降低操作温度，从而减少热卡滞和热辅助裂纹扩展。根据最近的研究工作，该纹理表面具有能减少在启动和停止情况下引起的损坏的优点。对于承受压力的表面，该纹理表面将截留润滑剂并产生液体静压力。此外，该纹理表面用作润滑剂储存室以帮助润滑表面、用作减震器以吸收振动负载、用作腔室以截留碎屑。
根据本发明施加的纹理表面使得地质钻井钻头具有更长的使用寿命。地质钻井钻头遭受到极端压力和温度，并且支承表面的长于现有技术的工作时间的性能允许更长时间地保持润滑剂，这使得地质钻井钻头具有更高的负载容量和延长的使用寿命，从而更经济地运行。
轴承衬套41具有与衬垫27的支承面69相对应的支承面67。纹理表面被施加到支承面67或69中的至少一个上。回到图1，纹理表面也可被施加到衬垫21和23、推力轴肩37和止推垫圈39上。
如图2所示，纹理表面被施加到轴承衬套41的内表面67上。图3描绘了止推垫圈39，该止推垫圈39可在一个或两个侧面71、73上具有纹理表面，如图4进一步所示。
在图5所示的实施例中，支承销75没有如图1中所示的推力轴肩衬垫21或轴颈轴承衬垫27。作为替代，纹理表面被直接施加到支承销75的轴颈轴承77上。纹理表面被直接施加到支承销75的推力轴肩79上。位于轴颈轴承77和推力轴肩79上的纹理表面代替衬垫21和27。
图6-19示出了纹理表面的可选实施方式，纹理表面可被施加到止推垫圈39的一个或两个侧面71、73上(图4)、支承面67、69(图1)、衬垫21和23(图1)以及推力轴肩37(图1)上。在图6至图19中的每一个中，通过纹理表面的流体的流动最好从端部137至端部139。在每种情况下，该图案可具有矩形、V形或半圆形的截面。
图6和7示出了具有三角形凹进部分141、143的规则图案的纹理表面的实施方式。图6中三角形凹进部分141的顶点指向端部137，并且图7中三角形凹进部分143的顶点指向端部139。图8示出了具有梨形凹进部分145的规则图案的纹理表面的实施方式。在该实施方式中，梨形凹进部分145的窄端指向端部137。图9示出了具有连续正弦凹槽147的纹理表面的实施方式，连续正弦凹槽的轴线平行于纹理表面的侧边149和151延伸。正弦凹槽147彼此偏移，使得侧边151和149之间的每一正弦凹槽147的波谷和波峰不对齐。图10示出了具有连续正弦凹槽153的纹理表面的实施例，连续正弦凹槽153的轴线平行于纹理表面的侧边149和151延伸。侧边151和149之间的每一正弦凹槽147的波谷和波峰对齐。
图11示出了具有矩形凹进部分155的规则图案的纹理表面的实施方式。矩形凹进部分155的长边平行于端部137和139。图12示出了具有矩形凹进部分157的规则图案的纹理表面的实施方式。矩形凹进部分157的长轴线既不平行于端部137和139，也不平行于侧边149和151。图13示出了具有矩形凹进部分159的规则图案的纹理表面的实施方式。矩形凹进部分159的长轴线垂直于端部137和139。图14示出了具有矩形凹口161的规则图案的纹理表面的实施方式。矩形凹进部分161被设置成鱼骨形图案。每一矩形凹进部分161的长轴线既不平行于端部137和139，也不平行于侧边149和151。在行165中的矩形凹进部分161的短边163比在行165中的矩形凹进部分161的短边167更接近纹理表面的侧边149和端部139。矩形凹进部分161的行169与行165相邻。在行169中，矩形凹进部分161的短边171比行169中的矩形凹进部分161的短边173更接近纹理表面的侧边149和端部137。
图15示出了具有椭圆形凹进部分175的规则图案的纹理表面的实施方式。椭圆形凹进部分175的长轴线平行于端部137和139。侧边149和151之间的椭圆形凹进部分175对齐。图16示出了具有椭圆形凹进部分177的规则图案的纹理表面的实施方式。椭圆形凹进部分177的长轴线平行于端部137和139。椭圆形凹进部分177偏移成使椭圆形凹进部分177在侧边149和151之间不对齐。图17示出了具有椭圆形凹进部分179的规则图案的纹理表面的实施方式。椭圆形凹进部分179的长轴线既不平行于端部137和139也不平行于侧边149和151。
图18示出了具有椭圆形凹进部分181的规则图案的纹理表面的实施方式。椭圆形凹进部分181被设置成鱼骨形图案。每个椭圆形凹进部分181的长轴线既不平行于端部137和139，也不平行于侧边149和151。行185中的椭圆形凹进部分181的一端183比行185中的椭圆形凹进部分161的另一端187更接近于纹理表面的侧边149和端部139。椭圆形凹进部分181的行189与行185相邻。在行189中，椭圆形凹进部分181的一端191比行189中的椭圆形凹进部分181的另一端193更接近于纹理表面的侧边149和端部137。
图19示出了具有飞镖形或V形凹进部分195的规则图案的纹理表面的实施方式。在该实施例中，每个飞镖形或V形凹进部分195的顶点指向端部139。
图20至23示出了可被施加到支承销75的轴颈轴承77上的纹理表面的可选实施方式。图20至23中，支承销75的负载承载表面示于顶部。参见图20，在一个实施方式中，轴颈轴承77的纹理表面93可覆盖轴颈轴承77的整个外表面95。在可选实施方式中，将表面纹理93仅局部施加到轴颈轴承77的部分外表面95上是有效和更经济的。参见图21，一可选实施方式是一直围绕轴颈轴承77的外表面95的圆周但并不是在轴颈轴承77的全部长度上施加纹理表面97。参见图22，另一种可选实施方式是在轴颈轴承77的外表面95的轴颈的全部长度上、但仅在轴颈轴承77的圆周的一部分上施加纹理表面99。参见图23，另一种可选实施方式是在轴颈轴承77的外表面95的部分长度上和在轴颈轴承77的外圆周的一部分上施加纹理表面101。
图24和25示出了可施加到轴承衬套41的支承面67上的纹理表面的可选实施方式。参见图24，在一个实施方式中，支承面67的纹理表面103可覆盖整个支承面67。在可选实施方式中，仅将表面纹理103局部施加到支承面67的一部分上是有效和更经济的。参见图25，一可选实施方式是在支承面67的整个内圆周上但仅在支承面67的部分长度上施加纹理表面105。
图26至29示出了可施加到支承销75的推力轴肩79上的纹理表面的可选实施方式。参见图26，在一个实施方式中，推力轴肩79的纹理表面107可覆盖推力轴肩79的整个表面。在可选实施方式中，仅将表面纹理107局部施加到推力轴肩79的部分上。参见图27，一可选实施方式是以不覆盖推力轴肩79的整个宽度的同心圆形图案将纹理表面109施加到推力轴肩79上。参见图28，另一可选实施方式是围绕推力轴肩79以与推力轴肩79相同宽度的截面将纹理表面111施加到推力轴肩79上，使得存在不具有纹理表面的区段113和具有纹理表面的区段115。参见图29，另一可选实施方式是以不覆盖推力轴肩79的整个宽度的断续同心圆形图案将纹理表面113施加到推力轴肩79上，使得存在不具有纹理表面的区段117和具有纹理表面的区段119。
图30至33示出了可施加到止推垫圈39的侧面71上的纹理表面的可选实施方式。参见图30，在一个实施方式中，侧面71的纹理表面121可覆盖侧面71的整个表面。在可选实施方式中，仅将表面纹理121局部施加到止推垫圈39的侧面71的部分上是更有效和经济的。参见图31，一可选实施方式是以不覆盖侧面71的整个宽度的同心圆形图案将纹理表面123施加到侧面71上。参见图32，另一可选实施方式是围绕侧面71以与侧面71相同宽度的截面将纹理表面125施加到侧面71上，使得存在不具有纹理表面的区段127和具有纹理表面的区段129。参见图33，另一可选实施方式是以不覆盖侧面71的整个深度的断续同心圆形图案将纹理表面131施加到侧面71上，使得存在不具有纹理表面的区段133和存在纹理表面的区段135。
图20至33所示的纹理表面的形状和图案仅用于说明性的目的，并且也可使用可选的形状和图案，例如图6至19中的那些形状和图案。
表面纹理的定向、大小和形状对其效能和轴承性能具有重大影响。在一优选实施方式中，表面纹理的凹槽平行于润滑剂的流动方向延伸。这将有助于阻止润滑剂的渗漏。另一优选实施方式中，表面纹理的凹槽垂直于润滑剂的流动方向延伸，这将产生额外的流体动力。当考虑到旋转部件时，优选的实施方式是将表面纹理施加到旋转表面上。换句话说，当施加表面纹理以改善减震时，优选的实施方式是将纹理施加到静止表面上。可以将不同的纹理定向、密度和形状的组合用于同一功能表面的不同区域，以达到最佳的润滑性能。例如，在轴颈的边缘附近，纹理的长轴线沿流动方向被定向，以使侧向渗漏减至最少，而在轴承的中部区域，纹理的长轴线垂直于流动方向，以增大流体动力举升力。类似地，在期望有显著冲击力的区域，可增大纹理区域的密度。
纹理表面图案的深度可在2-30微米的范围内，并且纹理表面图案的宽度或直径可在10至1000微米的范围内。被施加表面纹理的部件的表面区域在宽度方向或长度方向或宽度和长度两个方向上可为部件的整个功能表面区域的10％至100％。纹理图案的密度(被定义为图案凹进部分所覆盖的表面面积除以被施加表面纹理的部件的面积)可为10％至70％。纹理表面可由机械切削、轧花、化学蚀刻、激光雕刻、电火花技术、振动化学方法或振动机械方法来形成。
施加到表面的纹理的效能取决于钻头的工作条件以及表面之间的间隙。参考一些实施例描述了本发明。所属领域的技术人员可以了解本发明不限于此，可以在不脱离其范围和精神的情况下作出变化和修改。