本公開(kāi)涉及牙輪鉆頭，且更特定來(lái)說(shuō)涉及牙輪鉆頭中的壓力補(bǔ)償系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

牙輪鉆頭是用以在地下地層中形成井筒的一類鉆頭。牙輪鉆頭一般包括至少一個(gè)支撐臂，且經(jīng)常包括多達(dá)三個(gè)支撐臂。相應(yīng)牙輪組件可以可旋轉(zhuǎn)地安裝在每一支撐臂的內(nèi)部部分上，且可以圍繞支撐臂的內(nèi)部部分旋轉(zhuǎn)。

每一牙輪組件經(jīng)常包括基座，其中形成有腔或開(kāi)口。每一牙輪腔可以被設(shè)定大小以接納相關(guān)聯(lián)軸頸或主軸的外部部分以允許在地下操作期間牙輪組件相對(duì)于相關(guān)聯(lián)軸頸或主軸的旋轉(zhuǎn)。廣泛多種軸承、軸承組件、軸承表面、密封件和/或其它支撐結(jié)構(gòu)可以安置于每一牙輪組件的內(nèi)部部分與相關(guān)聯(lián)軸頸或主軸的外部部分之間。

牙輪鉆頭經(jīng)常包括潤(rùn)滑劑系統(tǒng)以將潤(rùn)滑劑供應(yīng)到與安裝在相應(yīng)支撐臂上的每一牙輪組件的旋轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)的軸頸、軸承、軸承組件、軸承表面、密封件和/或其它支撐結(jié)構(gòu)。多種潤(rùn)滑劑可以與牙輪鉆頭一起使用以適應(yīng)每一牙輪組件相對(duì)于相應(yīng)主軸的旋轉(zhuǎn)?？梢允褂脧V泛多種密封件和密封組件來(lái)阻擋井下井筒流體(例如，鉆井流體和/或烴類)和與每一牙輪組件的旋轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)的潤(rùn)滑劑之間的連通。已經(jīng)使用各種類型的系統(tǒng)來(lái)維持潤(rùn)滑劑系統(tǒng)壓力，以使得對(duì)與牙輪組件相對(duì)于相關(guān)聯(lián)支撐臂的旋轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)的軸承、軸承組件、密封件、軸頸和其它支撐結(jié)構(gòu)的潛在損壞最小。

附圖說(shuō)明

為了對(duì)本發(fā)明及其特征和優(yōu)點(diǎn)的更完整理解，現(xiàn)在參考下文結(jié)合附圖進(jìn)行的描述，附圖中相同參考標(biāo)號(hào)指示相同特征，且其中：

圖1是鉆井系統(tǒng)的立面圖；

圖2是示出牙輪鉆頭的一個(gè)實(shí)施例的等距視圖的示意圖；

圖3a是示出牙輪鉆頭的各種部件以及并入有筒管和漂浮珠的相關(guān)聯(lián)潤(rùn)滑系統(tǒng)的帶有分離部分的截面示意圖；以及

圖3b是示出牙輪鉆頭的各種部件以及并入有筒管和漂浮珠的相關(guān)聯(lián)潤(rùn)滑系統(tǒng)的帶有分離部分的截面分解視圖。

具體實(shí)施方式

本公開(kāi)涉及用于牙輪鉆頭中的壓力補(bǔ)償系統(tǒng)筒管，所述牙輪鉆頭包括組合了常規(guī)牙輪鉆頭的特征與其它類型鉆頭的特征的混合鉆頭。所述管的內(nèi)表面可以具有基本上光滑的表面紋理。所述管可以插入到安置于鉆頭的支撐臂內(nèi)的筒中。漂浮珠可以安置于所述管內(nèi)，且可以響應(yīng)于鉆頭周圍環(huán)境中的壓力改變而在所述管中軸向行進(jìn)。由于所述管的光滑表面，漂浮珠與所述管的表面之間的摩擦可以最小化，使得漂浮珠自由地移動(dòng)。漂浮珠的響應(yīng)性可以為壓力補(bǔ)償系統(tǒng)提供改善的壓力連通，且因此可以得到增加的鉆頭性能和可靠性。另外，所述管可以簡(jiǎn)單地制造，且可以簡(jiǎn)化鉆頭的組裝，因此減少用以組裝鉆頭的成本和時(shí)間。通過(guò)參考圖1到3b可以理解本公開(kāi)及相關(guān)聯(lián)優(yōu)點(diǎn)，其中相似的標(biāo)號(hào)指代相同和相似的部分。

圖1是鉆井系統(tǒng)的立面圖。鉆井系統(tǒng)100可包括井表面或井場(chǎng)106。例如旋轉(zhuǎn)臺(tái)、鉆井流體泵和鉆井流體罐(未明確圖示)等各種類型的鉆井設(shè)備可位于井表面或井場(chǎng)106處。舉例來(lái)說(shuō)，井場(chǎng)106可包括鉆機(jī)102，其可具有與“陸地鉆機(jī)”相關(guān)聯(lián)的各種特性和特征。然而，融合了本公開(kāi)的教示的鉆頭可令人滿意地與位于離岸平臺(tái)、鉆井船、半潛式鉆井臺(tái)和鉆井駁船(未明確圖示)上的鉆井設(shè)備一起使用。

鉆井系統(tǒng)100可包括與鉆頭101相關(guān)聯(lián)的鉆柱103，其可以形成廣泛多種井筒或鉆孔，例如大體上垂直的井筒114a或大體上水平的井筒114b或其任一組合。鉆柱103的井底鉆具組件(bha)120的各種定向鉆井技術(shù)和相關(guān)聯(lián)部件可以形成水平井筒114b。舉例來(lái)說(shuō)，可接近于造斜位置113對(duì)bha120施加側(cè)向力以形成從大體上垂直井筒114a延伸的大體上水平井筒114b。術(shù)語(yǔ)“定向鉆井”可以描述以相對(duì)于垂直的所需角度或多個(gè)角度鉆制井筒或井筒的部分。這些角度可大于與垂直井筒相關(guān)聯(lián)的正常變換。也可將方向鉆井描述為鉆制偏離垂直的井筒。術(shù)語(yǔ)“水平鉆井”可以包括在與垂直成近似九十度(90°)的方向上鉆井。

bha120可由被構(gòu)造成形成井筒114的廣泛多種部件形成。舉例來(lái)說(shuō)，bha120的部件122a、122b和122c可包括(但不限于)鉆頭(例如，鉆頭101)、取心鉆頭、鉆環(huán)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具、定向鉆井工具、井下鉆井馬達(dá)、擴(kuò)孔器、孔增大器或穩(wěn)定器。bha120中包括的部件122的數(shù)目和類型可取決于預(yù)期井下鉆井條件以及通過(guò)鉆柱103和鉆頭101將形成的井筒的類型。

鉆井系統(tǒng)100還可包括牙輪鉆頭(“鉆頭”)101。在圖2、3a和3b中更詳細(xì)論述的鉆頭101可包括一個(gè)或多個(gè)支撐臂，其可從鉆頭101的鉆頭主體的外部部分向下延伸。所述鉆頭主體可為大體上圓柱形的，且支撐臂可為從鉆頭主體向下延伸的任何合適類型的突起。鉆頭101可在由方向箭頭105界定的方向上相對(duì)于鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線104旋轉(zhuǎn)。每一支撐臂可以包括可旋轉(zhuǎn)地安置于其上的牙輪組件。當(dāng)牙輪組件響應(yīng)于鉆頭101的旋轉(zhuǎn)而在井筒114的底部或井下末端周圍接合且滾動(dòng)時(shí)，與在井下地層中形成井筒114相關(guān)聯(lián)的切割動(dòng)作可以發(fā)生。鉆頭101可根據(jù)本公開(kāi)的教示而設(shè)計(jì)和形成，且可根據(jù)鉆頭101的特定應(yīng)用而具有許多不同的設(shè)計(jì)、配置和/或尺寸。

鉆頭101可以包括如關(guān)于圖3a和3b更詳細(xì)描述的內(nèi)部潤(rùn)滑系統(tǒng)，所述系統(tǒng)對(duì)每一支撐臂與其相應(yīng)牙輪組件之間的接點(diǎn)提供潤(rùn)滑。所述潤(rùn)滑系統(tǒng)還可以包括壓力補(bǔ)償系統(tǒng)，所述壓力補(bǔ)償系統(tǒng)可以將潤(rùn)滑系統(tǒng)中的潤(rùn)滑劑維持于與鉆頭101周圍的井筒環(huán)境近似相同的壓力。壓力補(bǔ)償系統(tǒng)可以包括漂浮于管內(nèi)的珠。所述管的內(nèi)徑可以具有基本上光滑的表面紋理，使得當(dāng)珠在管內(nèi)行進(jìn)時(shí)珠與管之間的摩擦最小化。

圖2是示出牙輪鉆頭101的一個(gè)實(shí)施例的等距視圖的示意圖。如圖1到3b中所示的鉆頭101也可以稱為“牙輪鉆頭”、“旋轉(zhuǎn)圓錐鉆頭”、“旋轉(zhuǎn)巖石鉆頭”和/或“巖石鉆頭”。鉆頭101可以包括各種類型的這些鉆頭。牙輪鉆頭可以具有至少一個(gè)支撐臂，帶有可旋轉(zhuǎn)地安置于其上的相應(yīng)牙輪組件。

每一牙輪組件40可以與相關(guān)聯(lián)主軸或軸頸28的外部部分附接且相對(duì)于所述外部部分旋轉(zhuǎn)，如圖3a中所示。牙輪組件40可以稱為“牙輪”、“旋轉(zhuǎn)牙輪切割器”、“牙輪切割器”、“旋轉(zhuǎn)切割器組件”和/或“切割器牙輪組件”。牙輪組件40中的每一者可以包括多個(gè)切割元件或插入件42，其響應(yīng)于鉆頭101的旋轉(zhuǎn)而穿透且擦過(guò)井下地層的鄰近部分。參見(jiàn)圖2和3，牙輪組件40還可以包括安置于每一牙輪組件40的相應(yīng)量規(guī)表面46上的多個(gè)復(fù)合片44。切割元件42可以包括與牙輪鉆頭一起使用可令人滿意的各種類型的復(fù)合片、插入件、銑齒以及焊接復(fù)合片。牙輪組件40還可以包括大體上圓形的基座部分45。

鉆頭101可包括鉆頭主體16，所述鉆頭主體具有從其延伸的三個(gè)支撐臂18。圖2中僅可見(jiàn)兩個(gè)支撐臂18，但本公開(kāi)的教示可以在具有各種數(shù)目的支撐臂18的鉆頭中使用。鉆頭101的井上部分或銷端20可以包括大體上錐形的外部螺紋22。螺紋22可以使鉆頭101與相關(guān)聯(lián)鉆柱(包括圖1中的鉆柱102)或井底鉆具組件(包括圖1中的bha120)的井下末端可釋放地嚙合。

在切割元件或插入件42與井下地層的鄰近部分之間的沖擊期間產(chǎn)生的地層材料和其它井下碎屑可能由從噴嘴30流動(dòng)的鉆井流體從相關(guān)聯(lián)井筒的底部或末端帶走。

每一支撐臂18可以包括相應(yīng)的潤(rùn)滑劑系統(tǒng)60。潤(rùn)滑劑可以指代對(duì)與在牙輪鉆頭上可旋轉(zhuǎn)地安裝一個(gè)或多個(gè)牙輪組件相關(guān)聯(lián)的軸頸軸承、止推軸承、軸承表面、軸承組件和/或其它支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行潤(rùn)滑可令人滿意的任何流體、油脂、復(fù)合油脂或流體與固體的混合物。潤(rùn)滑劑系統(tǒng)60可以包括鄰近于相關(guān)聯(lián)支撐臂18的外部部分24的外部末端或開(kāi)口62。

圖3a是示出牙輪鉆頭101的各種部件以及并入有筒管94和漂浮珠58的相關(guān)聯(lián)潤(rùn)滑系統(tǒng)的帶有分離部分的截面示意圖，且圖3b是示出牙輪鉆頭的各種部件以及并入有筒管94和漂浮珠58的相關(guān)聯(lián)潤(rùn)滑系統(tǒng)的帶有分離部分的截面分解視圖。每一牙輪組件40可以基本上類似的方式可旋轉(zhuǎn)地安裝在相關(guān)聯(lián)主軸或軸頸28上。因此，將詳細(xì)描述僅一個(gè)支撐臂18、軸頸28以及牙輪組件40。牙輪組件40可以包括大體上圓形基座部分45，帶有從其向內(nèi)延伸的腔48。腔48(有時(shí)稱為“牙輪腔”)可以具有大體上圓柱形配置，其被設(shè)定大小以在其中接納相關(guān)聯(lián)主軸或軸頸28的外部部分。相關(guān)聯(lián)量規(guī)表面46可以向外徑向延伸，且相對(duì)于相應(yīng)基座部分45成錐形。

每一支撐臂18可以包括當(dāng)形成井筒時(shí)或在另一地下操作期間通常暴露于井下井筒流體的相應(yīng)的外表面54和內(nèi)表面64，所述流體包括鉆井流體和/或烴類。每一支撐臂18可以包括作為其一體式部件形成的相應(yīng)軸頸28。相應(yīng)牙輪組件40可以可旋轉(zhuǎn)地安裝在每一主軸或軸頸28上。每一主軸或軸頸28可以相對(duì)于相關(guān)聯(lián)支撐臂18的鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線12向下且向內(nèi)成角度，使得附接的牙輪組件40可以在鉆頭101的旋轉(zhuǎn)期間與井筒的底部或井下末端接合。對(duì)于一些應(yīng)用，主軸或軸頸28也可以在鉆頭101的旋轉(zhuǎn)方向上以零到三或四度的角度傾斜。

可以使用廣泛多種支撐結(jié)構(gòu)和/或軸承表面來(lái)在相關(guān)聯(lián)主軸或軸頸28上可旋轉(zhuǎn)地安裝每一牙輪組件40。舉例來(lái)說(shuō)，可以在牙輪組件40與主軸或軸頸28之間使用保持球(未明確圖示)以將牙輪組件40緊固于支撐臂18上。對(duì)于一些應(yīng)用，保持球可以是軸頸軸承或者作為止推軸承。對(duì)于一些地下應(yīng)用，與在主軸或軸頸上可旋轉(zhuǎn)地安裝牙輪組件相關(guān)聯(lián)的軸承表面可以被形成為安置于相關(guān)聯(lián)軸頸的外部部分和形成于相關(guān)聯(lián)牙輪組件內(nèi)的腔的內(nèi)部部分上的一體式部件(未明確圖示)。

密封件66a和66b可以防止碎屑和井流體進(jìn)入徑向形成于牙輪組件40與軸頸28之間的環(huán)形間隙56。密封件66a和66b可以接納在形成于牙輪組件40中的壓蓋或凹槽52中。密封件66a和66b可以定位于接近牙輪組件40的基座部分45中的開(kāi)口的腔48中。密封件66a和66b可以是彈性密封件，且可以形成腔48的鄰近內(nèi)部部分與軸頸28的鄰近外部部分之間的流體密封或流體障壁。密封件66a和66b可以防止包括鉆井流體和/或烴類的井下井筒流體、地層切割物和/或井下碎屑進(jìn)入腔48且損壞相關(guān)聯(lián)軸承表面和支撐結(jié)構(gòu)。雖然圖中描繪了兩個(gè)密封件66a和66b，但與本公開(kāi)的范圍一致可以使用任何數(shù)目的密封件(包括一個(gè))。術(shù)語(yǔ)“密封件”或“流體密封件”指代廣泛多種密封件和密封組件，包括(但不限于)o形環(huán)密封件、t形密封件、v形密封件、平坦密封件、唇形密封件和/或可操作以在鄰近部件或密封表面之間建立流體障壁的任何其它密封件或密封組件。

在牙輪組件40圍繞軸頸28旋轉(zhuǎn)時(shí)，密封件66a和66b可以與牙輪組件40一起旋轉(zhuǎn)且密封軸頸28的外表面，或者密封件66a和66b可以在軸頸28上保持靜止(例如，密封件可以安置于形成在軸頸上的凹槽中)，其中牙輪組件40相對(duì)于軸頸28和密封件66a和66b旋轉(zhuǎn)。

如果與牙輪或牙輪組件相對(duì)于用以保護(hù)這些部件的相關(guān)聯(lián)支撐臂和/或潤(rùn)滑系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)的軸頸、主軸、軸承、軸承組件、軸承表面、密封件和/或其它支撐結(jié)構(gòu)的損壞發(fā)生，那么一般可以從井筒移除相關(guān)聯(lián)牙輪鉆頭和附接的鉆柱以更換損壞的部件和/或更換牙輪鉆頭。因此，鉆頭101可以包括潤(rùn)滑系統(tǒng)，其對(duì)與牙輪組件相對(duì)于相關(guān)聯(lián)支撐臂的旋轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)的密封件、軸承、軸頸、軸承表面、軸承組件和/或其它支撐結(jié)構(gòu)提供潤(rùn)滑。所述潤(rùn)滑系統(tǒng)可以包括初級(jí)壓力補(bǔ)償系統(tǒng)和次級(jí)壓力補(bǔ)償系統(tǒng)。兩個(gè)壓力補(bǔ)償系統(tǒng)可以在潤(rùn)滑系統(tǒng)中的潤(rùn)滑劑的壓力與鉆頭101周圍的井筒環(huán)境的壓力之間提供平衡。維持井筒環(huán)境與潤(rùn)滑劑之間的基本上相等壓力可以防止井筒流體(例如，鉆井流體和/或烴類)進(jìn)入鉆頭101的內(nèi)部，且防止?jié)櫥瑒┩顺鰸?rùn)滑系統(tǒng)。

根據(jù)本公開(kāi)的教示用潤(rùn)滑劑填充潤(rùn)滑系統(tǒng)且維持所需的潤(rùn)滑可以通過(guò)維持與同牙輪組件相對(duì)于相關(guān)聯(lián)支撐臂的旋轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)的密封件、軸承、軸頸、軸承表面、軸承組件和/或其它支撐結(jié)構(gòu)相關(guān)的所需潤(rùn)滑而增加牙輪鉆頭的井下鉆井壽命。在潤(rùn)滑系統(tǒng)中，可以從流體耦合的潤(rùn)滑劑腔室50將潤(rùn)滑劑供應(yīng)到保持球，使得潤(rùn)滑劑從潤(rùn)滑劑腔室流動(dòng)到保持球。潤(rùn)滑劑腔室50可以由球塞(未明確圖示)密封。用于鉆頭101的初級(jí)壓力補(bǔ)償系統(tǒng)可以包括潤(rùn)滑劑儲(chǔ)集器(未明確圖示)，且筒(未明確圖示)可以提供潤(rùn)滑劑儲(chǔ)集器與潤(rùn)滑劑腔室50之間的流體連通。

用于鉆頭101的次級(jí)壓力補(bǔ)償系統(tǒng)可以包括在支撐臂18中產(chǎn)生的筒34。筒34可以從潤(rùn)滑劑腔室50延伸到支撐臂18的外表面，包括外表面54。筒34的內(nèi)徑的表面可以具有任何合適的表面紋理，且可以包括在制造工藝期間產(chǎn)生的凹槽。筒34的大小(包括長(zhǎng)度和直徑)可以受支撐臂18的大小的約束。

管94可以插入于筒34中。管94可以是圓柱形形狀，且可以在中心為中空的，具有外徑和內(nèi)徑。管94的壁的厚度(即，管94的外徑與內(nèi)徑之間的差)可以是任何合適的厚度，使得管94可以具有足夠剛性以在地下操作期間維持管94的形狀。管94可以被制造成使得管94的內(nèi)徑的表面基本上光滑。舉例來(lái)說(shuō)，管94可以擠壓而成。用于管94的內(nèi)周邊的基本上光滑表面紋理可以使管94的內(nèi)周邊的表面與漂浮珠58之間的摩擦最小。管94可以從較大的一件無(wú)縫管切割而成。替代地，管94可以個(gè)別地制造成指定長(zhǎng)度。管94可以由耐腐蝕和/或能夠承受井筒中的條件的任何合適材料形成，例如不銹鋼。雖然管94的內(nèi)周邊的表面可以基本上光滑，但管94的外周邊的表面可以具有任何表面紋理。

管94可以具有擴(kuò)口端98。擴(kuò)口端98可以維持管94在筒34中的位置，且可以防止管94插入到筒34中太遠(yuǎn)。雖然擴(kuò)口端98的擴(kuò)口在圖3a和3b中圖示為相對(duì)于管94的長(zhǎng)度成近似90度角而安置，但擴(kuò)口端98的擴(kuò)口可以相對(duì)于管94的長(zhǎng)度成任何角度安置。

擴(kuò)口端98還可以維持密封件96的位置。筒34的壁與管94的外周邊之間的空間可以填充有潤(rùn)滑劑，且密封件96可以防止占據(jù)筒34的壁與管94的外周邊之間的空間的潤(rùn)滑劑退出所述空間。雖然密封件96在圖3a中圖示為定位于擴(kuò)口端98附近，但密封件96可以定位于沿著管94的任何軸向位置。密封件96可以是任何合適的密封裝置，包括(但不限于)o形環(huán)密封件、t形密封件、v形密封件、平坦密封件、唇形密封件和可操作以在鄰近部件或密封表面之間建立流體障壁的任何其它密封件或密封組件。

管94可以具有任何合適的直徑以使得管94配合于筒34的直徑內(nèi)。管94的長(zhǎng)度可以基于筒34的長(zhǎng)度。管94可以被設(shè)計(jì)成使得管94近似筒34的完整長(zhǎng)度而結(jié)束，以使漂浮珠58的行進(jìn)量最大化，或管94可延伸小于筒34的長(zhǎng)度。

漂浮珠58可以定位于管94中，且可以基于鉆頭101周圍的井下環(huán)境的壓力而沿著管94的長(zhǎng)度軸向移動(dòng)。漂浮珠58可以確保當(dāng)在地下操作中使用鉆頭101時(shí)，潤(rùn)滑系統(tǒng)中的潤(rùn)滑劑處于與鉆頭101的外部54處的井下環(huán)境基本上相同的壓力。舉例來(lái)說(shuō)，在操作中，鉆頭101周圍的包括鉆井流體和/或烴類的井筒流體的壓力可能增加，且增加的壓力可能迫使漂浮珠58在潤(rùn)滑劑腔室50的方向上在管94中軸向移動(dòng)。替代地，在鉆頭101周圍的井筒流體的壓力減小的環(huán)境中，漂浮珠58可以在朝向保持器36的方向上沿著管94軸向移動(dòng)。保持器36可以防止漂浮珠58從筒34和/或管94排出，且可以對(duì)進(jìn)入筒34和/或管94的井筒流體進(jìn)行過(guò)濾。保持器36可以另外維持管94在筒34內(nèi)的位置。保持器36可以是任何合適的裝置，例如在中心具有孔的國(guó)家管螺紋(npt)管配件，其防止漂浮珠58和管94退出支撐臂18，同時(shí)允許井筒流體進(jìn)入?yún)^(qū)段94a。

漂浮珠58與管94的內(nèi)周邊之間的摩擦可以造成管94的上部區(qū)段94a與下部區(qū)段94b之間的壓力的某種變化，然而漂浮珠58可以在管94中移位以減輕跨越漂浮珠58的最大壓力差。管94的內(nèi)周邊的光滑表面紋理可以使摩擦最小，且因此使區(qū)段94a與94b之間的任何壓力變化最小。下文進(jìn)一步詳細(xì)論述的管94的區(qū)段94a和94b可以通過(guò)漂浮珠58而隔離于彼此的流體連通。

漂浮珠58可以是球體形的，且可以是球體形狀的，包括在一個(gè)橫截面中為圓形或卵形的完整球體或珠，使得漂浮珠58可旋轉(zhuǎn)而不會(huì)綁定于管94內(nèi)，同時(shí)維持與管94的內(nèi)周邊的密封接合。然而，接觸管94的圓周部分可以在某種程度上平坦化，或者漂浮珠58可以具有其它形狀，例如圓柱形、桶形等。漂浮珠58可以具有與本公開(kāi)的范圍一致的任何形狀。漂浮珠58可以完全或至少在外部由彈性體或其它彈性材料制成，所述材料在密封地接觸管94時(shí)將在某種程度上變形。漂浮珠58的大小可以基于管94的大小而受限。舉例來(lái)說(shuō)，漂浮珠58的大小可以充分大而使得漂浮珠58可以維持與管94的內(nèi)周邊的表面的密封，但未大到漂浮珠58無(wú)法在管94內(nèi)自由移動(dòng)以便減輕潤(rùn)滑系統(tǒng)中的潤(rùn)滑劑與井下環(huán)境之間的壓力差。

漂浮珠58可以界定管94的外部區(qū)段94a和管94的內(nèi)部區(qū)段94b。因此，區(qū)段94a和94b的精確位置可以隨著漂浮珠58在管94內(nèi)軸向移動(dòng)而改變。管94的內(nèi)部區(qū)段94b可以被包括作為潤(rùn)滑劑腔室50的部分。管94的區(qū)段94a和94b可以通過(guò)漂浮珠58而隔離于彼此的流體連通?？缭狡≈?8的壓力可以變?yōu)樵趨^(qū)段94a與94b之間基本上平衡。在管94的區(qū)段94a與94b之間基本上平衡的壓力下，可以了解到跨越密封件66a和66b的壓力也可以基本上為零，因?yàn)槊芊饧?6a和66b可在一側(cè)上暴露于潤(rùn)滑劑，且可以在相對(duì)側(cè)上暴露于鉆頭101的外表面54。

產(chǎn)生支撐臂18中的次級(jí)壓力補(bǔ)償系統(tǒng)的制造工藝可涉及加工支撐臂18以產(chǎn)生筒34。舉例來(lái)說(shuō)，筒34可以被銑削、鉆制和/或鏜孔于支撐臂18中。可以使用粗加工工藝產(chǎn)生筒34，因?yàn)橥?4的表面紋理可為粗的?？梢詫⑼?4加工為具有大于管94的外徑的直徑。筒34可以從潤(rùn)滑劑腔室50延伸到支撐臂18的外表面，包括外表面54。筒34可以具有接近于支撐臂18的外表面的較大直徑。所述較大直徑區(qū)段可以被設(shè)計(jì)成接納保持器36。

在支撐臂18中產(chǎn)生筒34之后，可將管94插入到筒34中。管94可以具有定位于管94的外周邊上的密封件96，或者密封件96可以單獨(dú)地插入到筒34中。管94可以插入到筒34中直到擴(kuò)口端94與支撐臂18的外表面(例如，外表面54)齊平，或者直到擴(kuò)口端98擱置于筒34的頂部上。管94可能是先前從某一長(zhǎng)度的擠制無(wú)縫管切割而成。管94的長(zhǎng)度可以使得管94基本上延伸筒34的完整長(zhǎng)度，且使漂浮珠58的行進(jìn)范圍最大化，或管94可在筒34中部分地延伸。

在管94插入于筒34中之后，可將漂浮珠58插入于管94中，或者漂浮珠58可在管94之前插入到筒34中且可以在管94插入于筒34中之后進(jìn)入管94。

一旦管94和漂浮珠58已經(jīng)插入于筒34中，保持器36便可耦合到支撐臂18以防止管94和漂浮珠58退出筒34。保持器36可以是在中心具有孔的npt管配件，例如1/4英寸npt管配件。保持器36的中心的孔的直徑可以小于漂浮珠58的直徑。筒34可以被加工為具有用于接納保持器36的螺紋。

在筒34、管94、漂浮珠58以及保持器36的組裝之后，可隨后用潤(rùn)滑劑填充潤(rùn)滑劑腔室50和區(qū)段94b，或者可以在管94和漂浮珠58插入到筒34中之前用潤(rùn)滑劑填充潤(rùn)滑劑腔室50。除了填充潤(rùn)滑腔室50和區(qū)段94b之外，潤(rùn)滑劑還可以填充筒34的壁與管94的外周邊之間的空間。密封件96可以防止?jié)櫥瑒耐?4的壁與管94的外周邊之間退出潤(rùn)滑系統(tǒng)。

本文公開(kāi)的實(shí)施方案包括：

a.一種牙輪鉆頭，其包括：鉆頭主體，所述鉆頭主體具有從其延伸的至少一個(gè)支撐臂；處于每一支撐臂中的潤(rùn)滑劑腔室；處于每一支撐臂中的筒，所述筒從所述潤(rùn)滑劑腔室延伸到每一支撐臂的外表面；處于每一支撐臂的所述筒中的管；以及漂浮珠，其在所述管中且可操作以響應(yīng)于所述牙輪鉆頭周圍的環(huán)境的壓力而在所述管內(nèi)軸向移動(dòng)。

b.一種用于潤(rùn)滑劑壓力減輕的方法，其包括每當(dāng)潤(rùn)滑劑腔室中的潤(rùn)滑劑的壓力與井筒環(huán)境的壓力基本上(substantially，顯著地)不相等時(shí)減輕所述潤(rùn)滑劑與所述井筒環(huán)境之間的壓力差，其中壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)處于牙輪鉆頭中，所述牙輪鉆頭包括：鉆頭主體，所述鉆頭主體具有從其延伸的至少一個(gè)支撐臂；處于每一支撐臂中的所述潤(rùn)滑劑腔室；處于每一支撐臂中的筒，所述筒從所述潤(rùn)滑劑腔室延伸到每一支撐臂的外表面；處于每一支撐臂的所述筒中的管；以及漂浮珠，其在所述管中且可操作以在所述管內(nèi)軸向移動(dòng)。

c.一種鉆井系統(tǒng)，其包括鉆柱和牙輪鉆頭。所述牙輪鉆頭包括：鉆頭主體，所述鉆頭主體具有從其延伸的至少一個(gè)支撐臂；處于每一支撐臂中的潤(rùn)滑劑腔室；處于每一支撐臂中的筒，所述筒從所述潤(rùn)滑劑腔室延伸到每一支撐臂的外表面；處于每一支撐臂的所述筒中的管；以及漂浮珠，其在所述管中且可操作以響應(yīng)于所述牙輪鉆頭周圍的環(huán)境的壓力而在所述管內(nèi)軸向移動(dòng)。

實(shí)施方案a、b和c中的每一者可以任何組合方式具有以下額外要素中的一個(gè)或多個(gè)：要素1：其進(jìn)一步包括定位于所述管的一端與每一支撐臂的所述外表面之間的保持器。要素2：其進(jìn)一步包括定位于所述筒的壁與所述管的外周邊之間的密封件。要素3：其中所述管的一端是擴(kuò)口的。要素4：其中所述管是由不銹鋼制造。要素5：其中所述管的內(nèi)周邊的表面具有基本上光滑的表面紋理。要素6：其中所述管基本上延伸所述筒的長(zhǎng)度。

雖然已經(jīng)詳細(xì)描述本公開(kāi)及其優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)了解，在不脫離由所附權(quán)利要求書(shū)界定的本公開(kāi)的精神和范圍的情況下可在其中做出各種改變、替換和更改。舉例來(lái)說(shuō)，雖然關(guān)于次級(jí)壓力補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行描述，但本發(fā)明的方面可以在初級(jí)壓力補(bǔ)償系統(tǒng)中使用。