[发明专利]用于牙轮钻头中的金属面密封件的改进的支承环特征

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求在2013年2月8日提交的、未决的、题目为“Enhanced Backup Ring Features for Metal Face Seal in Roller Cone Drill Bits”的美国专利申请序列号No.13/763,396的优先权。

技术领域

本发明的技术领域是牙轮钻头，并且更加具体地，是用于面密封件的支承环结构，所述支承环结构在相对移动的部件上提供期望的接触压力的同时提高了耐用性。

背景技术

用于密封轴承的牙轮钻头机械面密封系统的部件通常包括：(A)通常为金属的两个硬质材料部件，所述两个硬质材料部件具有接合的并且相对于彼此滑动的表面；(B)弹性体静态密封环，所述弹性体静态密封环的主要功能是给硬质材料部件中的一个提供增力，使得两个硬质材料部件的表面以特定的设计接触压力进行接合；(C)第二静态密封弹性体部件，所述第二静态密封弹性体部件有时称为支承环，其驻留在第一弹性体部件的外部、并且与硬质材料部件中的一个接合。这个第二静态密封弹性体部件的主要功能是阻止钻井环境物质侵入到在所述两个硬质材料密封部件中的一个和形成了用于弹性体增能器的压盖的牙轮轴的基部区域之间的环形空间中。有时称为支承环的该第二静态密封弹性体部件经常为在机械面密封系统中失效的第一部件。失效通常呈撕裂和磨损的形式，所述撕裂和磨损一般起始于支承环的外部直径的区域中、并且位于与所述两个硬质材料密封部件中的一个相接合的表面上。

机械面密封组件中的支承环(BUR)用于一个或多个下述目的：增大面载荷；保护增能器或增能机构；提供阻力矩以阻止固定密封件的旋转；并且充填压盖区域以降低泥浆填充的影响。在现有技术中，使用低肖氏A硬度的弹性体复合物以满足设计要求。实际经验显示这种材料会退化并且经常遭受撕裂并失去其功能。

在USP 6,142,249和7,168147中描述了使用支承环55的牙轮轴承密封组件的基本组件，所述基本组件在下面示出，作为用于本发明构思的支承环的改进的背景。

附图1中的附图标记11指示为钻地钻头，所述钻地钻头具有用于连接至钻柱构件(未示出)的带螺纹的上部部分13。流体通道15将钻井流体导向喷口(未示出)，所述喷口将钻井流体或泥浆朝着钻孔的底部冲击，以将钻屑冲到地表面。

压力补偿润滑系统17包含在主体的每个部分中，所述部分通常有三个，其焊接在一起以形成复合主体。润滑系统优选类似于在授权给Galle的USP 4,727,942中示出的润滑系统。

在主体的每个部分中，润滑剂通道19从每个补偿器17向下延伸到与另一润滑剂通道21的交叉口中，在所述另一润滑剂通道中，弹子孔塞销23通过塞焊25固定到所述主体上。润滑剂通道27将润滑剂带到圆柱形轴颈支撑表面上，所述轴颈支撑表面限定在圆柱形插入件29(过盈配合在刀具33中)和在支撑轴30上的对应的圆柱形表面之间，所述支撑轴30从钻头的主体的外部和下部区域(通常称为牙爪尖)向下并且向内悬置。弹子孔塞销23保持一系列滚珠支承件31，所述滚珠支承件将刀具33可旋转地固定到支撑轴30上。多排碎地切割元件或齿35分散在刀具中，所述碎地切割元件或齿可以由烧结的碳化钨构成，且通过过盈配合固定在刀具33的配合孔内。包括辅助密封件的密封组件37布置在支撑轴30的基部附近，并且将润滑剂密封在轴承内以及将岩屑密封在轴承的外面。

图2和图3是钻地钻头的轴承和密封组件的放大的截面图。形成在刀具33中的一对轴向表面39、41和钻头主体的牙爪尖部分的最后加工表面43与一对径向表面45、47协作，以限定通常在支撑轴30的基部处的轴承密封压盖。密封组件37布置在密封压盖中、并且包括刚性密封环49和O形环增能器51，所述O形环增能器推压刚性密封环49上的密封面53，使其与刀具33中的插入件29上的对应的密封面41密封地接合。此种刚性的面密封根据授权给Kelly的USP4,753,304形成。

密封组件37可以视为主要密封件，因为它被设计成密封轴颈轴承以防止外部物质或岩屑的进入，并且设计成适应润滑剂中的压力波动。密封件37还是动态密封件，因为它密封每个刀具和刀具的支撑轴之间的移动的或动态的交界面以及刀具和刀具的支撑轴之间的相对的旋转运动。