[发明专利]用于岩石钻头的稳定密封

说明书

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。