[发明专利]用于牙轮钻岩钻头的密封表面的压花纹理结构

说明书

相关申请的交叉参考

本申请涉及2009年3月6日提交的美国专利申请No.12/399,171(该美国专利申请要求2008年3月14提交的美国临时专利申请No.61/036,762的权益)。前述申请中的每个申请的公开被并入本文以供参考。

技术领域

本发明大体上涉及钻地钻头，尤其地涉及牙轮钻岩钻头(roller cone rock bits)。

背景技术

牙轮钻岩钻头是优选的用于油田、气田和矿田的切削工具，以突破地层，从而成形井身。钻头的负载和运动传递至三个头锥组件内的轴承。主滑动轴承由头部(作为轴)、衬套和锥体(作为外壳)组成。该轴承被润滑和密封。密封的外周被锥体的压盖压缩，使得密封与锥体一起移动并在密封的内周上(在头部/轴上的密封面或密封凸台处)靠着头部滑动。密封由此被限制在密封压盖中，以确保润滑剂在轴承内并防止碎屑侵入轴承。密封将污染排斥在轴承外越长，则轴承寿命越长。因此，密封可变成钻岩钻头寿命的限制器。

弹性密封在现有技术中已知为钻岩钻头中的主要密封元件。已研制各种弹性密封。密封非常柔韧，并且与钻孔泥浆相适应。密封在相对高的温度时具有极好的弹性。因此，密封已证明足以提供足够的密封力，以将泥浆和碎屑环境与润滑剂分开可接受的一段时间。

然而，密封与密封压盖的表面之间的摩擦在锥体旋转时可损害密封本身。随着时间的过去，该损害积聚至密封本身失效的程度。在密封失效之后，由于轴承系统中润滑剂的损失，所以轴承在接触带中经历油脂不足。其后，由于由滑动摩擦所引起的剪切和加热，所以在轴承系统表面上出现过度磨损。最终结果通常为擦痕、擦伤、以及甚至和卡滞或咬死一样的灾变失效。因此，必要的是应在滑动轴承的接触界面的表面之间保持润滑。因此，维持密封寿命对维持钻头寿命是至关重要的。

延长密封寿命的一种方式是减小密封与头部之间的摩擦。在典型的运行条件下，密封经历混合润滑。在该润滑模式中，在密封与压盖表面中的一个或多个压盖表面之间的接触点处需要更多的润滑剂，以便减小摩擦。因此，在本领域中存在将更多的润滑剂引入密封带的需求。

参考图1，其图解了典型的牙轮钻岩钻头的局部剖视图。图1更具体地图解了一个头锥组件。这样的钻头的大体构造与操作为本领域的技术人员所熟知，并且不会过分详细地描述。

钻头的头部1包括轴承轴2。切削锥3以可旋转的方式安置在用作轴颈的轴承轴2上。钻头的本体部包括形成工具接头连接4的上螺纹部，该上螺纹部便于钻头到钻柱(未示出)的连接。包括润滑系统6以向锥体3与轴承轴2之间的滑动轴承提供润滑并将润滑剂保持在滑动轴承中。该系统6具有为本领域的技术人员所熟知的构造与操作。

结合支撑锥体3绕轴承轴2的旋转的滑动轴承提供多个轴承系统。这些轴承系统包括第一圆柱摩擦轴承10(也称为主滑动轴承)、滚珠轴承12、第二圆柱摩擦轴承14、第一径向摩擦(推力)轴承16和第二径向摩擦(推力)轴承18。

图2图解了更详细地示出示例性轴承系统与密封系统的局部剖视图。第一圆柱摩擦轴承10由轴承轴2上的外圆柱面20和压配合到锥体3中的衬套24的内圆柱面22限定。该衬套24为通常由铍铜合金制成的环形结构，但本领域已知其他材料的使用。滚珠轴承12骑在限定于轴承轴2与锥体3之间的界面处的环形滚道26中。

再一次参考图1。第二圆柱摩擦轴承14由轴承轴2上的外圆柱面30和锥体3上的内圆柱面32限定。外圆柱面30从外圆柱面20径向向内偏移。第一径向摩擦轴承16由轴承轴2上的第一辐射状表面(radial surface)40和锥体3上的第二辐射状表面42限定在第一与第二圆柱摩擦轴承10与12之间。第二径向摩擦轴承18在锥体的旋转轴线处邻近第二圆柱摩擦轴承12，并由轴承轴2上的第三辐射状表面50和锥体3上的第四辐射状表面52限定。