[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 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。

[0010] 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。

[0011] 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。

[0012] 除了动态密封件37，一辅助密封环或支承密封环55也放置在密封压盖中，且对置性地处于密封组件37和最后加工表面43之间，以密封所述密封压盖和密封组件37，防止岩屑(特别是钻井泥浆颗粒)从钻头11的外部进入。为了容纳密封环55和密封件37，轴向表面39位于加工进所述最后加工表面43的沟槽中，所述沟槽的深度大约为密封环55的标称轴向厚度的三分之一至一半。轴向表面39可以与最后加工表面47齐平。

[0013] 图4是密封环55的放大的横截面视图。优选地，辅助密封环55是由肖氏A硬度计值约为40-45且模量约为200-400磅/平方英寸的腈弹性体材料形成的连续环。优选地，不使用粘合剂以将辅助密封环55固定在密封压盖中。可选地，辅助密封环55可以通过粘合剂附接或固定到密封压盖轴向表面39(或最后加工表面43)上并且附接或固定到刚性密封环49上，以提高其密封能力。因为辅助密封环55与最后加工表面47保持固定并且不密封相对的旋转运动，所以与作为动态密封件的密封件37相反，辅助密封环55是静态密封件。

[0014] 对于8.5英寸的钻头来说，辅助密封环55具有约2.480英寸的外径D和约0.211英寸的径向宽度W。外径D选择为比刚性环49的外径大约大0.040英寸至0.060英寸。辅助密封环55的内表面或直径以及端部57构造成类似于密封压盖的径向表面45和轴向表面39，并且分别与密封压盖的径向表面和轴向表面相贴合。约0.085英寸的半径R1和约0.015英寸的尖端半径R2设置在辅助密封环55的内端部处。

[0015] 辅助密封环55还包括两个凸起的肋57，所述肋的宽度约为0.025英寸至0.030英寸、并且其高度约为0.010英寸至0.014英寸。所述肋的用途是形成高应力区域，以在辅助密封环55受迫与所述轴向表面39接触时阻止流体和/或岩屑进入密封压盖中。

[0016] 辅助密封环55在未压缩或松弛状态下具有约0.095英寸的轴向厚度t，所述轴向厚度t比形成在轴向表面39和密封环49的端部之间的间隔大。其意图是在处于轴向表面39和密封环49之间的辅助密封环55上提供充足的“挤压”。在优选实施例中，此种挤压大约为使用标称值的辅助密封环55的未压缩或松弛的轴向厚度t的20％至25％，并且将刀具在支撑轴上被向外推压。约0.125英寸的半径R3设置成允许增能器环51变形、并且设置成使增能器环与所述辅助密封环紧密地贴合。辅助密封环55的剩余宽度w大约为0.104英寸。

[0017] 在已装配的构型中，在由表面39和45限定边界的密封压盖中的区域(包括环49、环51和环55)被进行装配，以便使空气量最小化或排出空气。在装配时，将连续的重矿物油环至少施加在轴向表面39上，然后，将辅助密封环55放置在密封压盖中，并且安装增能器51和密封环49。这种装配过程有助于确保在密封压盖的前述区域中的空穴区域被最小化和/或消除所述空穴区域。在USP 7,413,037示出的后来的改进中，不再需要矿物油，因为支承环的形状被改变成具有突出部，以充填以前使用重矿物油充填的间隙。

[0018] 以前的这种设计的问题在于：在与表面47相对的暴露表面上由支承环55的外端部的段撕裂或折断所造成的问题，所述问题是由朝着该暴露表面渗透的泥浆中的砂粒造成的，这最终导致了密封件37的密封失效。本发明以各种选择解决这个问题。从某种意义上讲，本发明的支承环的材料制造得更硬，但同时保持了柔韧性，以解决对于钻井流体的耐用性、对于在相对运动的表面53和41之间施加期望的接触力的需求以及支承环55在表面39中需要的密封力三者之间相冲突的要求。实现这种设计的一些方法是去除在暴露边缘处的相对的端部之间的材料，在所述暴露边缘处，被去除的部分单独地或与被去除的位置中的支撑件相结合地呈U形或V形形状，所述支撑件起类似于弹簧的作用。另一种选择是使用电子束辐射以在极限情况下增大交联密度来增强暴露边缘的全部或部分，同时保持环内部部分不受影响，用于控制在支承环55上的密封力和对相对旋转的表面53和41所施加的接触压力。

[0019] 通过对优选实施例和相关附图的详细描述的回顾，本发明的这些和其它特征对本领域的技术人员来说将更加显而易见，同时认识到，本发明的全部范围可以在所附权利要求中找到。

[0020] 一种用于牙轮钻头中的面密封件的支承环被构造成抵抗来自存在于支承环的暴露面附近的钻井流体的磨损。在增大材料的硬度的同时，从暴露的端面中以各种形状去除了一些部分。材料的去除消除了力的增大，所述力能够由于支承环的挠曲而通过所述支承环在面密封组件上传递。弹性件能够可选择地包含在被去除材料的位置中。另一种方法是通过使用电子束辐射以增大交联密度或通过允许具有更耐用的边缘区域的整体式结构的其它技术来增大暴露的边缘的全部或部分边缘密度，同时保持内部部分不受影响。能够使用其它的材料去除样式(比如蜂窝结构)，以便将耐用性的设计标准优化到密封和部件接触力的期望范围内。

[0021] 图1是钻地钻头的现有技术钻头主体的一部分的纵向截面图；

[0022] 图2是图1的钻头的支撑轴和密封件的放大的、部分纵向截面图；

[0023] 图3是图2的密封组件的部分放大截面图；

[0024] 图4是处于松弛状态的图3的静态支承密封环的放大的横截面视图；

[0025] 图5是具有U形端部构造的本发明的支承环的截面图；

[0026] 图6是以已经装配到牙轮钻头中的面密封组件附近的形式示出的图5的支承环；

[0027] 图7是具有V形端部构造的支承环的替代实施例的截面图；

[0028] 图8是装配到牙轮钻头的面密封组件上的图7的支承环；

[0029] 图9是具有内弹性件的图7的视图；

[0030] 图10是具有蜂窝结构的支承环的替代实施例；

[0031] 图10a是沿着图10的线10a-10a的端部视图；

[0032] 图11是具有内弹性件的图5的视图；

[0033] 图12是示出了制造得更致密的支承环的三个毗邻的边缘的替代实施例；

[0034] 图13是具有不同样式的更大边缘密度的图12的替代实施例；

[0035] 图14是具有在凹部中周向延伸的盘簧的支承环的替代实施例。

[0036] 图5示出了具有外边缘102的本发明的支承环100，所述外边缘具有曲线形凹部104。当像前面描述的那样被装配到牙轮面密封组件106上时，由箭头表示相对的作用力108和110。装配导致凹部104变得比它的松弛的未安装的形状小。与前面讨论的现有技术实施例相比(其硬度的肖氏A硬度计值为40-45)，支持环100的硬度增大。硬度、模量或密度的增大解决了与井液(特别是钻井泥浆)中的磨粒接触而产生的裂片或碎片的问题。但是，硬度或密度的增大还增大了由箭头108和110表示的作用力的反作用力。鉴于此，将一些材料从边缘102上去除，这产生了悬臂式的部件112和114，所述悬臂式的部件处于由装配所产生的加载状态下，然后，在操作期间能够朝着彼此挠曲，以补偿环100的硬度、模量或密度的增大。可以想到的硬度在肖氏A等级上至少为46，优选的范围约为60。部件112和114的挠曲的量能够进一步使用放置在如图11所示的凹部104中的弹性件116进行调整。弹性件优选地成形与凹部104的壁相适配，并且可以使用粘合剂结合或以其它方式固定。弹性件116能够处于凹部104的外部或能够缩进在所述凹部内，使得弹性件116部分地或全部地嵌入在环100中。弹性件116呈连续的或分段的(即，各段相互抵接或间隔开)环的形式，其横截面的形状如图11所示。弹性件116能够是无缝的，或者具有抵接的或重叠的端部(例如该弹性件为涡卷形式的)。弹性件116的材料与循环的钻井泥浆和期望的井液相容。如图14所示，弹性件可以是盘簧，所述盘簧连续地延伸360度或它可以是抵接的或间隔开的段。所述段能够以对称的样式等距地间隔开，或者间距能够变化。弹性件材料和弹性系数可以是恒定的或可变的。

[0037] 图7和图8类似于图5和图6，除了边缘凹部的形状为V形而不是U形。如图8所示，边缘凹部118在环100’的松弛状态下是打开的，并且凹部开口在所述环装配到面密封组件106’上之后减小或消除。如图9所示，弹性件116’能够衬在限定凹部118的一些或全部表面上。另外，适用于图5、图6和图11的设计变化同样地适用于图7、图8和图9。

[0038] 图10和图10a示出了另一种构思，其中，当使用更硬的结构或更密实或具有更高模量的结构时，柔韧性将由一个或更多个大体上指向径向方向的穿过端部表面102’的盲孔120提供，所述盲孔的深度约为尺寸A的一半或更少。在一排或更多排中能够具有呈有序或随机型式的一个或更多个孔，并且开口的形状可以是圆形或如图10a所示的六边形或一些其它形状。所有开口的形状均可以是相同的，或者一些开口的形状不同于其它开口的形状。
与前面描述的实施例相比，端部的段112’和114’在图10中被更好地支撑，因为它们没有真正地悬置。可选择地，管状弹性件116”能够插入到一些或所有的孔120中，并且管状弹性件可以为具有侧部开口的圆筒、涡形管或螺旋盘管的形式(仅举几例)。可选择地，孔120还能够使用粘性材料充填，以最小化由钻井泥浆携带的颗粒聚集。

[0039] 图12和图13示出了使用比过去所用的材料更坚硬、更致密或具有更高模量的材料来处理撕裂问题的另一种方法。在这些实施例中，环的边缘优选通过改变键交联的辐射进行处理，不需要处理的区域被屏蔽起来。所实现的是：环100的其余部分不受影响或受最小的影响，而通过改变辐射参数对外边缘122、124和126进行处理，以将特性的变化渗透到期望的深度。如图12所示，渗透深度在受影响的表面上优选为恒定的，但如图13所示，渗透深度能够是可变的。如图12所示，所进行的处理能够是连续的，延伸到环100的三个表面上；或者处理能够是不连续的，留下未处理的间隔128。明显地，当由箭头130和132表示的力施加在组件上、并且在相对旋转的表面41和53上产生相对的反作用力时，所述间隔降低了抗塌陷强度。处理过的表面能够延伸越过突出部134，以起与前面的设置高应力位置以阻止钻井泥浆中的磨蚀颗粒进入的设计中的突出部57类似的作用。在该技术中，对于处理过的段来说，目标硬度在肖氏A等级上的肖氏A硬度计值至少为46，优选的硬度约为60。

[0040] 本领域的技术人员将理解，以前使用的支承环的设计在本发明中被改进，以通过改变作为整体的环的特性来降低撕裂和磨损，同时添加呈各种形状的凹部以在外部的环表面附近增加一些弹性，以便调整在相对旋转的表面上的接触力。在优选的实施例中，具有或不具有弹性件的端部凹部与用于支承环的更硬的环材料(肖氏A硬度计值约为46，或更硬地，肖氏A值约为60)结合使用。所述凹部在组装时能够变得更小或被封闭。可替代地，大约为支承环高度的一半那样深的端部盲孔能够以各种排列的方式使用，并且使用相同的或不同的大小和形状。可选择地，相同或变化设计的弹性件能够用在一些或所有孔中。

[0041] 与现有技术不同的是，在本申请中将整个环制造得比40-45肖氏A硬度计值更硬、并且使用成形的凹部(其产生相对的悬臂式的端部)来补偿增加的刚度，另一种方法是保留现有技术中的硬度、并且改为处理环的边缘以使所述边缘更硬(优选地，肖氏A硬度计值约为60)，以解决在支承环的外部尺寸处的撕裂或磨损问题。优选地，这使用电子束辐射来完成，使得环具有一体式构造，但是其边缘特性更加耐用，以便更可靠地服务。也可以想到具有混合特性(在外周边处改变成更硬或更耐用)的其它整体式的环结构以及多个元件组合在一起的组合结构，以使最终的环形状的边缘部分具有抗撕裂和抗磨损的能力(由于更大的硬度、模量或密度特征)。

[0042] 上面的描述是对优选实施例的示例性说明，并且本领域的技术人员能够做出许多改变而不偏离本发明，本发明的范围由所附权利要求的字面的和等价的范围所确定。