用于牙輪鉆頭中的金屬面密封件的改進的支承環(huán)特征的制作方法
【專利說明】用于牙輪鉆頭中的金屬面密封件的改進的支承環(huán)特征
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求在2013年2月8日提交的、未決的、題目為“Enhanced Backup RingFeatures for Metal Face Seal in Roller Cone Drill Bits” 的美國專利申請序列號N0.13/763，396 的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域是牙輪鉆頭，并且更加具體地，是用于面密封件的支承環(huán)結(jié)構(gòu)，所述支承環(huán)結(jié)構(gòu)在相對移動的部件上提供期望的接觸壓力的同時提高了耐用性。
【背景技術(shù)】
[0004]用于密封軸承的牙輪鉆頭機械面密封系統(tǒng)的部件通常包括:(A)通常為金屬的兩個硬質(zhì)材料部件，所述兩個硬質(zhì)材料部件具有接合的并且相對于彼此滑動的表面；(B)彈性體靜態(tài)密封環(huán)，所述彈性體靜態(tài)密封環(huán)的主要功能是給硬質(zhì)材料部件中的一個提供增力，使得兩個硬質(zhì)材料部件的表面以特定的設(shè)計接觸壓力進行接合；(C)第二靜態(tài)密封彈性體部件，所述第二靜態(tài)密封彈性體部件有時稱為支承環(huán)，其駐留在第一彈性體部件的外部、并且與硬質(zhì)材料部件中的一個接合。這個第二靜態(tài)密封彈性體部件的主要功能是阻止鉆井環(huán)境物質(zhì)侵入到在所述兩個硬質(zhì)材料密封部件中的一個和形成了用于彈性體增能器的壓蓋的牙輪軸的基部區(qū)域之間的環(huán)形空間中。有時稱為支承環(huán)的該第二靜態(tài)密封彈性體部件經(jīng)常為在機械面密封系統(tǒng)中失效的第一部件。失效通常呈撕裂和磨損的形式，所述撕裂和磨損一般起始于支承環(huán)的外部直徑的區(qū)域中、并且位于與所述兩個硬質(zhì)材料密封部件中的一個相接合的表面上。
[0005]機械面密封組件中的支承環(huán)(BUR)用于一個或多個下述目的:增大面載荷；保護增能器或增能機構(gòu)；提供阻力矩以阻止固定密封件的旋轉(zhuǎn)；并且充填壓蓋區(qū)域以降低泥漿填充的影響。在現(xiàn)有技術(shù)中，使用低肖氏A硬度的彈性體復(fù)合物以滿足設(shè)計要求。實際經(jīng)驗顯示這種材料會退化并且經(jīng)常遭受撕裂并失去其功能。
[0006]在USP 6，142，249和7，168147中描述了使用支承環(huán)55的牙輪軸承密封組件的基本組件，所述基本組件在下面示出，作為用于本發(fā)明構(gòu)思的支承環(huán)的改進的背景。
[0007]附圖1中的附圖標記11指示為鉆地鉆頭，所述鉆地鉆頭具有用于連接至鉆柱構(gòu)件(未示出)的帶螺紋的上部部分13。流體通道15將鉆井流體導(dǎo)向噴口(未示出)，所述噴口將鉆井流體或泥漿朝著鉆孔的底部沖擊，以將鉆肩沖到地表面。
[0008]壓力補償潤滑系統(tǒng)17包含在主體的每個部分中，所述部分通常有三個，其焊接在一起以形成復(fù)合主體。潤滑系統(tǒng)優(yōu)選類似于在授權(quán)給Galle的USP 4，727，942中示出的潤滑系統(tǒng)。
[0009]在主體的每個部分中，潤滑劑通道19從每個補償器17向下延伸到與另一潤滑劑通道21的交叉口中，在所述另一潤滑劑通道中，彈子孔塞銷23通過塞焊25固定到所述主體上。潤滑劑通道27將潤滑劑帶到圓柱形軸頸支撐表面上，所述軸頸支撐表面限定在圓柱形插入件29(過盈配合在刀具33中)和在支撐軸30上的對應(yīng)的圓柱形表面之間，所述支撐軸30從鉆頭的主體的外部和下部區(qū)域(通常稱為牙爪尖)向下并且向內(nèi)懸置。彈子孔塞銷23保持一系列滾珠支承件31，所述滾珠支承件將刀具33可旋轉(zhuǎn)地固定到支撐軸30上。多排碎地切割元件或齒35分散在刀具中，所述碎地切割元件或齒可以由燒結(jié)的碳化鎢構(gòu)成，且通過過盈配合固定在刀具33的配合孔內(nèi)。包括輔助密封件的密封組件37布置在支撐軸30的基部附近，并且將潤滑劑密封在軸承內(nèi)以及將巖肩密封在軸承的外面。
[0010]圖2和圖3是鉆地鉆頭的軸承和密封組件的放大的截面圖。形成在刀具33中的一對軸向表面39、41和鉆頭主體的牙爪尖部分的最后加工表面43與一對徑向表面45、47協(xié)作，以限定通常在支撐軸30的基部處的軸承密封壓蓋。密封組件37布置在密封壓蓋中、并且包括剛性密封環(huán)49和O形環(huán)增能器51，所述O形環(huán)增能器推壓剛性密封環(huán)49上的密封面53，使其與刀具33中的插入件29上的對應(yīng)的密封面41密封地接合。此種剛性的面密封根據(jù)授權(quán)給Kelly的USP4，753，304形成。
[0011]密封組件37可以視為主要密封件，因為它被設(shè)計成密封軸頸軸承以防止外部物質(zhì)或巖肩的進入，并且設(shè)計成適應(yīng)潤滑劑中的壓力波動。密封件37還是動態(tài)密封件，因為它密封每個刀具和刀具的支撐軸之間的移動的或動態(tài)的交界面以及刀具和刀具的支撐軸之間的相對的旋轉(zhuǎn)運動。
[0012]除了動態(tài)密封件37，一輔助密封環(huán)或支承密封環(huán)55也放置在密封壓蓋中，且對置性地處于密封組件37和最后加工表面43之間，以密封所述密封壓蓋和密封組件37，防止巖肩(特別是鉆井泥漿顆粒)從鉆頭11的外部進入。為了容納密封環(huán)55和密封件37，軸向表面39位于加工進所述最后加工表面43的溝槽中，所述溝槽的深度大約為密封環(huán)55的標稱軸向厚度的三分之一至一半。軸向表面39可以與最后加工表面47齊平。
[0013]圖4是密封環(huán)55的放大的橫截面視圖。優(yōu)選地，輔助密封環(huán)55是由肖氏A硬度計值約為40-45且模量約為200-400鎊/平方英寸的腈彈性體材料形成的連續(xù)環(huán)。優(yōu)選地，不使用粘合劑以將輔助密封環(huán)55固定在密封壓蓋中?？蛇x地，輔助密封環(huán)55可以通過粘合劑附接或固定到密封壓蓋軸向表面39 (或最后加工表面43)上并且附接或固定到剛性密封環(huán)49上，以提高其密封能力。因為輔助密封環(huán)55與最后加工表面47保持固定并且不密封相對的旋轉(zhuǎn)運動，所以與作為動態(tài)密封件的密封件37相反，輔助密封環(huán)55是靜態(tài)密封件。
[0014]對于8.5英寸的鉆頭來說，輔助密封環(huán)55具有約2.480英寸的外徑D和約0.211英寸的徑向?qū)挾萕。外徑D選擇為比剛性環(huán)49的外徑大約大0.040英寸至0.060英寸。輔助密封環(huán)55的內(nèi)表面或直徑以及端部57構(gòu)造成類似于密封壓蓋的徑向表面45和軸向表面39，并且分別與密封壓蓋的徑向表面和軸向表面相貼合。約0.085英寸的半徑R1和約0.015英寸的尖端半徑R2設(shè)置在輔助密封環(huán)55的內(nèi)端部處。
[0015]輔助密封環(huán)55還包括兩個凸起的肋57，所述肋的寬度約為0.025英寸至0.030英寸、并且其高度約為0.010英寸至0.014英寸。所述肋的用途是形成高應(yīng)力區(qū)域，以在輔助密封環(huán)55受迫與所述軸向表面39接觸時阻止流體和/或巖肩進入密封壓蓋中。
[0016]輔助密封環(huán)55在未壓縮或松弛狀態(tài)下具有約0.095英寸的軸向厚度t，所述軸向厚度t比形成在軸向表面39和密封環(huán)49的端部之間的間隔大。其意圖是在處于軸向表面39和密封環(huán)49之間的輔助密封環(huán)55上提供充足的“擠壓”。在優(yōu)選實施例中，此種擠壓大約為使用標稱值的輔助密封環(huán)55的未壓縮或松弛的軸向厚度t的20%至25%，并且將刀具在支撐軸上被向外推壓。約0.125英寸的半徑R3設(shè)置成允許增能器環(huán)51變形、并且設(shè)置成使增能器環(huán)與所述輔助密封環(huán)緊密地貼合。輔助密封環(huán)55的剩余寬度w大約為0.104英寸。
[0017]在已裝配的構(gòu)型中，在由表面39和45限定邊界的密封壓蓋中的區(qū)域(包括環(huán)49、環(huán)51和環(huán)55)被進行裝配，以便使空氣量最小化或排出空氣。在裝配時，將連續(xù)的重礦物油環(huán)至少施加在軸向表面39上，然后，將輔助密封環(huán)55放置在密封壓蓋中，并且安裝增能器51和密封環(huán)49。這種裝配過程有助于確保在密封壓蓋的前述區(qū)域中的空穴區(qū)域被最小化和/或消除所述空穴區(qū)域。在USP 7，413，037示出的后來的改進中，不再需要礦物油，因為支承環(huán)的形狀被改變成具有突出部，以充填以前使用重礦物油充填的間隙。
[0018]以前的這種設(shè)計的問題在于:在與表面47相對的暴露表面上由支承環(huán)55的外端部的段撕裂或折斷所造成的問題，所述問題是由朝著該暴露表面滲透的泥漿中的砂粒造成的，這最終導(dǎo)致了密封件37的密封失效。本發(fā)明以各種選擇解決這個問題。從某種意義上講，本發(fā)明的支承環(huán)的材料制造得更硬，但同時保持了柔韌性，以解決對于鉆井流體的耐用性、對于在相對運動的表面53和41之間施加期望的接觸力的需求以及支承環(huán)55在表面39中需要的密封力三者之間相沖突的要求。實現(xiàn)這種設(shè)計的一些方法是去除在暴露邊緣處的相對的端部之間的材料，在所述暴露邊緣處，被去除的部分單獨地或與被去除的位置中的支撐件相結(jié)合地呈U形或V形形狀，所述支撐件起類似于彈簧的作用。另一種選擇是使用電子束輻射以在極限情況下增大交聯(lián)密度來增強暴露邊緣的全部或部分，同時保持環(huán)內(nèi)部部分不受影響，用于控制在支承環(huán)55上的密封力和對相對旋轉(zhuǎn)的表面53和41所施加的接觸壓力。
[0019]通過對優(yōu)選實施例和相關(guān)附圖的詳細描述的回顧，本發(fā)明的這些和其它特征對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將更加顯而易見，同時認識到，本發(fā)明的全部范圍可以在所附權(quán)利要求中找到。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]一種用于牙輪鉆頭中的面密封件的支承環(huán)被構(gòu)造成抵抗來自存在于支承環(huán)的暴露面附近的鉆井流體的磨損。在增大材料的硬度的同時，從暴露的端面中以各種形狀去除了一些部分。材料的去除消除了力的增大，所述力能夠由于支承環(huán)的撓曲而通過所述支承環(huán)在面密封組件上傳遞。彈性件能夠可選擇地包含在被去除材料的位置中。另一種方法是通過使用電子束輻射以增大交聯(lián)密度或通過允許具有更耐用的邊緣區(qū)域的整體式結(jié)構(gòu)的其它技術(shù)來增大暴露的邊緣的全部或部分邊緣密度，同時保持內(nèi)部部分不受影響。能夠使用其它的材料去除樣式(比如蜂窩結(jié)構(gòu))，以便將耐用性的設(shè)計標準優(yōu)化到密封和部件接觸力的期望范圍內(nèi)。