[发明专利]用于降低旋转牙轮凿岩钻头内的润滑剂压力脉动的方法和设备

说明书

技术领域

本发明一般涉及凿岩钻头钻井工具，更具体地涉及滚柱牙轮（roller cone）钻井工具，以及用于该滚柱牙轮钻井工具内的润滑和压力补偿系统。

背景技术

滚柱牙轮凿岩钻头是一种石油、天然气、以及采矿领域常用的切削工具，用于穿透土壤构造以及形成井眼。参考图1，其示出典型的滚柱牙轮凿岩钻头一部分横截面图。图1具体地示出包含钻头的一个头部和牙轮部件的部分。本领域技术人员已知该钻头的一般配置和操作。

钻头的头部10包括向下和向内延伸的轴承轴12。切削牙轮14被旋转地安装在轴承轴12上。头部和牙轮部件的轴承系统（其用于滚柱牙轮凿岩钻头中可旋转地将牙轮14支撑在轴承轴12上）通常将滚柱用作负荷承载元件（滚柱轴承系统）或者将轴颈用作负荷承载元件（摩擦轴承系统）。图1具体示出滚柱轴承实施方式，其包括由第一滚柱轴承16（还被称为主滚柱轴承）所限定的轴承系统。牙轮14轴向保持在轴承轴12上，并且还通过一组滚珠轴承18支撑旋转，其中滚珠轴承18运行在被限定在轴承轴12和牙轮14间界面处的环形滚道20内。滚珠轴承18通过滚珠开口46被传递至滚道20，开口46通过滚珠塞48关闭。滚珠塞48形成用于限定滚珠开口46内的润滑剂通道28的一部分。一般还在使用摩擦轴颈轴承的轴承系统实施方式内呈现如图所示滚珠轴承系统。头部和牙轮部件的轴承系统还包括第二滚柱轴承22、第一径向摩擦（止推）轴承24和第二径向摩擦（止推）轴承26。

润滑和密封钻头的头部和牙轮部件的轴承系统。牙轮14和轴承轴12间所限定的轴承系统内的间隙体积填有润滑剂（通常，润滑脂）。这样的润滑剂通过一系列润滑剂通道28提供至间隙体积。通常包括弹性体膜片的压力补偿器30以流体沟通的方式与一系列润滑剂通道28耦合。润滑剂通过密封系统32被保持在轴承系统内，其中在牙轮14底部和轴承轴12底部之间提供该密封系统32。本领域技术人员已知牙轮钻井钻头内的润滑剂和密封系统的配置和操作。

头部和牙轮部件所依靠的钻头主体部分34包括上部螺纹部分，其形成工具接头，所述接头有助于将钻头连接至钻柱（未示出，但是本领域技术人员理解）。

图2示出图1所示钻头的横截面，其详细关注于轴承轴和牙轮。第一滚柱轴承（主滚柱轴承）16由轴承轴12上的外圆柱表面40和在牙轮14内的环形滚柱滚道44内提供的一系列滚柱轴承42限定。在摩擦轴颈轴承系统内，轴承轴12上的外圆柱表面40能够与被压配合到牙轮14内所形成的环状孔径内的牙轮14或者衬套（通常由铍铜合金制成的圈形结构）的内圆柱表面接触。

如上所述，润滑剂通过密封系统32被保持在轴承系统内。密封系统32以基础配置的形式包含O形环密封构件50，其被放置在切削牙轮14和轴承轴12之间的密封盖52内，从而保持润滑剂和排除外部碎渣。在轴承轴12基部提供圆柱密封表面54。环形密封盖52形成于牙轮14的基部。当切削牙轮14旋转放置在轴承轴12上时，盖52和密封表面54彼此对准。O形密封构件50被压缩在盖52的表面和密封表面54之间，并且起到将润滑剂保持在轴承系统内的作用。该密封构件50还防止材料（例如钻泥和碎渣）从井眼进入轴承系统。

随时间推移，凿岩钻头行业将用于密封构件50的标准腈类材料移至高标准的腈类弹性体，以便增加性能的稳定性（耐热性、耐化学性）。在过去的五十年，凿岩钻头轴承内密封系统的使用显著地增加了轴承使用寿命。密封系统32将润滑剂保持在间隙体积内，以及排除轴承系统污染物的功能越长久，轴承和钻头的使用寿命越长久。因此，密封系统32是凿岩钻头的关键性组件。

由牙轮14上的内圆柱表面60和提供在轴承轴12内的环形滚柱滚道64内的一系列滚柱轴承62限定轴承系统的第二滚柱轴承22。通过轴承轴12上的第一径向表面66和牙轮14上的第二径向表面68，轴承系统的第一径向摩擦（止推）轴承24被限定在第一和第二圆柱摩擦轴承16和22之间。轴承系统的第二径向摩擦（止推）轴承26在牙轮的旋转轴处邻近第二滚柱轴承22，并且受到轴承轴12上的第三径向表面70和牙轮14上的第四径向表面72限定。

在下列间隙体积内提供润滑剂，即限定在第一滚柱轴承16的表面40和滚道44之间、第二滚柱轴承22的表面60和滚道64之间、第一径向摩擦轴承24的表面66和68之间以及第二径向摩擦轴承26的表面70和72之间。具有O形环密封构件50的密封系统32被放置在密封盖52内，起到将润滑剂保持在润滑系统，尤其是在轴承系统的相对表面之间的功能。