减小旋转牙轮凿岩钻头内润滑剂压力脉动的方法和设备专利检索-牙轮通用采矿技术专利检索查询-专利查询网

积极推动地理标志专门立法

2022-03-10 地理标志，立法，知识产权
保护知识产权是对创新最大的激励

2022-03-10 保护知识产权，创新，激励
谢商华：加快制定知识产权基本法

2022-03-10 知识产权基本法
擦亮“双奥之城”品牌

2022-03-10 双奥，知识产权
让冰雪运动“热”力全开

2022-03-10 冰雪运动，知识产权
携手共奋进　走好强国路

2022-03-10 强国，知识产权
坚持创新引领　方能稳中求进

2022-03-10 创新，稳中求进，知识产权
答好“两张卷” 奋进新征程

2022-03-10 知识产权
专家解读政府工作报告中的创新和知识产权相关部署

2022-03-10 政府工作报告，创新，知识产权
今年政府工作报告指出：加强知识产权保护和运用

2022-03-10 政府工作报告，知识产权保护

减小旋转牙轮凿岩钻头内润滑剂压力脉动的方法和设备

阅读：86发布：2021-02-23

IPRDB可以提供减小旋转牙轮凿岩钻头内润滑剂压力脉动的方法和设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种钻井工具包括钻头主体，自钻头主体延伸的至少一个轴承轴和安装用于在轴承轴上旋转的牙轮。轴承轴的外轴承表面包括非负荷区。第一和第二沟槽形成在外轴承表面的非负荷区中。第一和第二沟槽均彼此周向偏移且彼此轴向偏移。沟槽中的一个或更多个包括用于和该轴承轴内的内部润滑剂通道流体连通的开口。第一和第二沟槽的周向和轴向偏移限定了用于限制牙轮波动压力脉动向钻井工具的密封系统传播的多个衰减区。，下面是减小旋转牙轮凿岩钻头内润滑剂压力脉动的方法和设备专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种钻井工具，其包括：

钻头主体；

自所述钻头主体延伸的至少一个轴承轴；

安装成用于在所述轴承轴上旋转的牙轮；

形成在所述轴承轴的外轴承表面的非负荷区中的第一沟槽；以及

形成在所述轴承轴的同一外轴承表面的所述非负荷区中的第二沟槽；

其中所述第一沟槽相对于所述第二沟槽周向偏移，并且

其中所述第一和第二沟槽以轴向非对称方式设置在所述外轴承表面上。

2.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述轴承轴进一步包括内部润滑剂通道，且进一步包括所述第一沟槽中的第一开口，所述第一开口提供所述第一沟槽和所述内部润滑剂通道之间的流体连通。

3.根据权利要求2所述的钻井工具，其中所述第一开口具有满足下面方程式的直径D：D≈k*((4/π)*(C*L))^0.5；其中：k是大于1的常数；C＝所述轴承的径向间隙；且L＝所述第一沟槽的弧长。

4.根据权利要求2所述的钻井工具，其中所述第一开口具有满足下面方程式的直径D2：D2≤k*((Dl+C)^2-D1^2)^0.5；其中：k为小于1的常数；D1＝所述轴承的外表面直径；

且C＝所述轴承的径向间隙。

5.根据权利要求2所述的钻井工具，其中所述第一开口具有小于沿着所述第一沟槽附近的所述轴承轴的所述外轴承表面的环形流道面积的150％的横截面积。

6.根据权利要求2所述的钻井工具，其进一步包括所述第二沟槽内的第二开口，所述第二开口用于提供所述第二沟槽和所述内部润滑剂通道之间的流体连通。

7.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述第一沟槽相对于所述第二沟槽的所述周向偏移限定了沿着所述第一和第二沟槽之间的所述轴承轴的所述外轴承表面周向延伸的衰减区。

8.根据权利要求7所述的钻井工具，其中所述第一沟槽和第二沟槽之间的所述衰减区提供周向衰减，该周向衰减等于所述第一沟槽或所述第二沟槽与所述轴承轴的所述外轴承表面的较远端之间所提供的轴向衰减。

9.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述轴承轴的所述外轴承表面为外圆柱表面。

10.根据权利要求9所述的钻井工具，其中所述外圆柱表面是主轴颈轴承表面。

11.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述轴承轴支撑摩擦轴颈轴承。

12.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述轴承轴的所述外轴承表面被轴向地限定在第一边缘和第二边缘之间，且其中所述第一沟槽轴向偏移且被定位成更靠近所述外轴承表面的所述第一边缘。

13.根据权利要求12所述的钻井工具，其中轴向偏移的所述第一沟槽限定沿着所述第一边缘和所述第一沟槽之间轴向延伸的所述轴承轴的所述外轴承表面的第一衰减区，且进一步地限定沿着所述第二沟槽和所述第二边缘之间轴向延伸的所述轴承轴的所述外轴承表面的第二衰减区。

14.根据权利要求13所述的钻井工具，其中所述第一衰减区的第一轴向宽度和所述第二衰减区的第二轴向宽度的比例在3比1和6比1之间。

15.根据权利要求12所述的钻井工具，其中所述第二沟槽轴向偏移且更靠近所述外轴承表面的所述第二边缘。

16.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述第一和第二沟槽中的每一个都具有轴向宽度，且其中所述第一和第二沟槽中的每一个的轴向宽度都不大于所述第一和第二边缘之间的所述轴承轴的所述外轴承表面的轴向宽度的70％。

17.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述第一和第二沟槽中的每一个都具有轴向宽度和周向长度，且其中所述第一和第二沟槽中的每一个的周向长度和轴向宽度的比例都在2比1和4比1之间。

18.根据权利要求1所述的钻井工具，其中所述轴承轴的所述外轴承表面是圆柱表面，其轴向地位于牙轮波动压力脉动的源以及所述牙轮和轴承轴的密封系统之间，且其中所述第一和第二沟槽位于所述外轴承表面的所述非负荷区中，从而每个都限定第一衰减区和第二衰减区，其中所述第一和第二衰减区轴向地限制所述牙轮波动压力脉动向所述密封系统的传播。

19.根据权利要求18所述的钻井工具，其中所述第一衰减区具有在各自的第一沟槽和第二沟槽的第一边缘和所述外轴承表面的第一边缘之间延伸的第一轴向宽度，且其中所述第二衰减区具有在各自的第一沟槽和第二沟槽的第二边缘和所述外轴承表面的第二边缘之间延伸的第二轴向宽度。

20.根据权利要求19所述的钻井工具，其中所述第一轴向宽度不同于所述第二轴向宽度。

21.根据权利要求20所述的钻井工具，其中所述第一轴向宽度和所述第二轴向宽度的比例在3比1和6比1之间。

22.根据权利要求18所述的钻井工具，其中所述第一沟槽相对于所述第二沟槽的所述周向偏移限定了沿着所述第一沟槽和第二沟槽之间的所述轴承轴的所述外轴承表面周向延伸的第三衰减区，其中所述第一、第二和第三衰减区轴向地限制所述牙轮波动压力脉动向所述密封系统的传播。

23.根据权利要求22所述的钻井工具，其中所述第三衰减区提供所述牙轮波动压力脉动的周向衰减，该周向衰减等于在所述第一沟槽或所述第二沟槽与所述轴承轴的所述外轴承表面的较远端之间所提供的牙轮波动压力脉动的轴向衰减。

24.根据权利要求18所述的钻井工具，其中所述第一和第二沟槽彼此轴向偏移。

25.根据权利要求18所述的钻井工具，其中所述轴承轴进一步包括内部润滑剂通道，且进一步包括所述第一沟槽内的第一开口，所述第一开口提供所述第一沟槽和所述内部润滑剂通道之间的流体连通和所述牙轮波动压力脉动的传播。

说明书全文

减小旋转牙轮凿岩钻头内润滑剂压力脉动的方法和设备

技术领域

[0001] 本发明一般涉及凿岩钻头钻井工具，且更具体地涉及滚柱牙轮(roller cone)钻井工具和用在这种滚柱牙轮钻井工具中的润滑剂和压力补偿系统。

背景技术

[0002] 滚柱牙轮凿岩钻头是常用的切削工具，其用在石油、天然气和采矿领域中以穿破地层并形成井身。参考图1，其示出典型滚柱牙轮凿岩钻头的部分的剖视图。图1具体示出包括钻头的头部和牙轮组件的部分。这种钻头的一般配置和操作对本领域技术人员是众所周知的。

[0003] 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可旋转地安装在轴承轴12上。用在滚柱牙轮凿岩钻头中以旋转地支撑轴承轴12上的牙轮14的头部和牙轮组件的轴承系统通常利用滚柱作为承载元件(滚柱轴承系统)或轴颈作为承载元件(摩擦轴承系统)。图1具体地示出了摩擦轴颈轴承的实施方式，其包括由第一圆柱摩擦轴承16(也称为主轴颈轴承)限定的轴承系统。牙轮14轴向地保持在轴承轴12上，且通过位于圆环滚道20内的一组滚珠轴承进一步地受支撑用于旋转。头部和牙轮组件的轴承系统进一步包括第二圆柱摩擦轴承22、第一径向摩擦(止推)轴承24和第二径向摩擦(止推)轴承26。

[0004] 钻头的头部和牙轮组件的轴承系统是润滑且密封的。限定在牙轮14和轴承轴12之间的轴承系统内的间隙体积充满润滑剂(通常为，润滑油脂)。这种润滑剂通过一系列润滑剂通道28被提供至间隙体积。压力补偿器30，通常包括橡胶膜片，经耦合与一系列润滑剂通道28流体相通。润滑剂通过牙轮14基座和轴承轴12的基座之间的密封系统32保持在轴承系统中。滚柱牙轮钻头中的润滑和密封系统的配置和操作对本领域技术人员是众所周知的。

[0005] 头部和牙轮组件所依靠的钻头的主体部分34包括上螺纹部分，其形成了促进钻头与钻柱(未示出，但本技术领域工作人员充分理解)的连接的工具接头连接。

[0006] 图2示出图1所示的钻头的剖视图，其专注于更详细的部分轴承系统。特别是，图2具体专注于第一圆柱摩擦轴承(主轴颈轴承)16的部分。第一圆柱摩擦轴承16由轴承轴
12上的外圆柱表面40和已经被压配合到牙轮14内的套管44的内圆柱表面42限定。套管
44为通常由铍铜制成的环形结构，尽管其它材料的应用在本领域中是已知的。在滚柱轴承系统中，轴承轴12的外圆柱表面可与保持在，例如牙轮14内的圆周滚柱滚道中的滚柱轴承相互作用。

[0007] 图2进一步示出，滚珠轴承18在轴承轴12和牙轮14之间的界面处限定的圆形滚道20内运动。滚珠轴承18通过球形开口46递送至滚道20，开口46由球塞48关闭。球塞48成形以限定球形开口46中润滑剂通道28的部分。如图所示的滚珠轴承系统也可通常存在于利用滚柱轴承的轴承系统的实施方式中。

[0008] 如上面讨论的，润滑剂通过密封系统32保持在轴承系统中。密封系统32，在基础配置中，包括位于切削牙轮14和轴承轴12之间的密封压盖52中的O形密封圈型密封件50，以保持润滑剂并排除外部岩屑。圆柱形表面密封套筒54设置在轴承轴12的基座。在所示的配置中，该密封套筒54的表面自第一摩擦轴承16的外圆柱表面40径向向外偏移(例如，偏移套管44的厚度)。将理解，如果需要，密封套筒54可不展示关于主轴颈轴承16表面40的偏移。圆形密封压盖52形成在牙轮14的基座中。当切削牙轮14可旋转地位于轴承轴12上时，压盖52和密封套筒54彼此对齐。O形密封圈密封件50压缩在压盖表面和密封套筒54之间，且用于保持润滑剂在轴承系统内。该密封件50也防止井身中的物质(如钻井泥浆和岩屑)进入轴承系统。

[0009] 随时间的推移，凿岩钻头工业为附加的性能稳定性(热阻性，耐化学性)从用于密封件50的标准丁腈材料变迁至高度饱和的丁腈弹性体。在过去的五十年中，密封系统32在凿岩钻头轴承中的使用引人注目地增加了轴承的寿命。密封系统32用于保持润滑剂在间隙体积中，并排除轴承系统的污染的时间越长，轴承和钻头的寿命也就越长。密封系统32因此是凿岩钻头的关键组件。

[0010] 再次参考图1，轴承系统的第二圆柱摩擦轴承22由轴承轴12上的外圆柱表面60和牙轮14上内圆柱表面62限定。外圆柱表面60自外圆柱表面40(图2)向内径向偏移。轴承系统的第一径向摩擦轴承24通过轴承轴12上的第一径向表面64和牙轮14上的第二径向表面66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轴承26在牙轮的旋转轴处靠近第二圆柱摩擦轴承22并由轴承轴12上的第三径向表面68和牙轮14上的第四径向表面70限定。

[0011] 润滑剂处在间隙体积内，该间隙体积限定在第一圆柱摩擦轴承16的表面40和42之间，第二圆柱摩擦轴承22的表面60和62之间，第一径向摩擦轴承24的表面64和64之间及第二径向摩擦轴承26的表面68和70之间。具有O形密封圈型密封件50位于密封压盖52中的密封系统32用于保持润滑剂在润滑系统中且具体地在轴承系统的相对径向和圆柱表面之间。

[0012] 在钻头的工作期间，旋转牙轮14至少以轴向方式沿着头部振荡。该运动在本技术领域中通常被称为“牙轮波动(cone pump)”。牙轮波动是在钻井过程中岩石施加在牙轮上的外力所导致的固有运动。关于头部的该牙轮波动运动的振荡频率关联钻头的旋转速度。振荡牙轮波动运动的量级/大小关联轴承系统内的制造间隙(更具体地，第一圆柱摩擦轴承16的表面40和42之间，第二圆柱摩擦轴承22的表面60和62之间，第一径向摩擦轴承
24的表面64和64之间及第二径向摩擦轴承26的表面68和70之间的制造间隙)。该量级进一步受关联牙轮的保持系统(例如，滚珠座圈)的几何形状和偏差的影响。当牙轮波动运动发生时，限定在上述轴承系统的圆柱和径向表面之间的间隙体积发生变化。该体积的变化挤压间隙体积内的润滑剂。间隙体积的变化和润滑油的挤压导致润滑剂压力脉动的产生。在很短时间段内，响应该压力脉动，润滑油通过一系列润滑剂通道28沿着轴承系统和压力补偿器30之间的路径流动。压力补偿器30经设计通过其橡胶膜片补偿体积变化来缓解或减弱压力脉动。然而，在本领域中已知，尽管压力补偿器30的存在和驱动，还是可以在密封系统32感受到压力脉动，由于响应该压力脉动在轴承系统和密封系统32的相对径向和圆柱表面之间用于润滑油流动的单独第二路径的存在。

[0013] 响应压力脉动润滑油沿着该第二路径的流动是已知对密封操作不利的且也可减少密封寿命。例如，由于牙轮波动运动，正压和负压脉动可导致密封压盖内密封件50的运动。该运动可导致密封件50的逐渐损坏和磨损。此外，由于牙轮波动运动，正压脉动可造成润滑油泄露经过密封系统32。由于牙轮波动运动，负压脉动可从井身牵引物质(如钻井泥浆和岩屑)经过密封系统32并进入轴承系统。

[0014] 现在参考图3，其示出主要在第一摩擦轴承16沿着图2的虚线80的位置的轴承轴12的剖视图。如本领域技术人员已知的，轴承系统的第一摩擦轴承16包括承担着牙轮14的负荷的负荷区(具有约120°-180°的弧角)和非负荷区(具有约180°-240°的弧角)。在负荷区的轴承轴12的外表面40，通常是表面硬化的(未明确示出，但对本领域技术人员是已知的)。润滑系统的软化剂通道28之一终止于非负荷区的区域中的轴承轴12的外圆柱表面40。轴承轴12的外表面40上的润滑剂通道28通常由铣削或机加工在外表面40上周向安置的沟槽90提供。沟槽90包括用于向润滑剂通道28提供流体相通的开口
92。

[0015] 现在参考图4，其示出专注于非负荷区的轴承轴12的侧视图。周向安置的沟槽90利用开口92使润滑剂通道28终止于轴承系统的第一摩擦轴承16的外表面40。沟槽90的轴向宽度跨越轴承系统的第一摩擦轴承16的表面的大部分，而不是全部轴向宽度96。例如，轴向宽度94通常等于轴向宽度96减去常数(如一英寸的分数的二倍，例如，2*1/32”或2*3/64”)。这样，轴向宽度94通常大于轴向宽度96的80-90％。沟槽90通常相对于表面
40轴向居中，提供两个同样大小的衰减区100。因为相对宽度94和96，衰减区100呈现轴向邻近沟槽90且沿着箭头98所示的路径呈现的第一摩擦轴承16的最小量的外表面40。
该最小量的外表面40不足以限制润滑油的流动和沿着路径98的轴承系统(在表面60、64和68)和密封系统32(在表面54)之间的压力脉动通道。更具体地，沿着箭头98的路径的最小量的表面40仅提供两个相对短的(轴向)衰减区100，其可协助压力脉动的轴向通道产生的沿着箭头98的路径衰减润滑油流动。在该配置中，压力脉动可沿表面40行进并在被压力补偿器30减弱之前到达密封系统32(在表面54)。如上面所讨论，该压力脉动可对密封系统32且特别是密封件50产生不良作用。因此在本领域中需要减小，或根除由于牙轮波动的压力脉动作用于密封系统32。

发明内容

[0016] 钻井工具包括钻头主体，至少一个自钻头主体延伸的轴承轴和安装用于在轴承轴上旋转的牙轮。轴承轴的外轴承表面包括非负荷区。在一个实施例中，第一和第二沟槽在非负荷区形成于外轴承表面中。第一和第二沟槽均彼此周向偏移且彼此轴向偏移。第一和第二沟槽的周向和轴向偏移限定了多个用于限制牙轮波动压力脉动(cone pumping pressure pulse)向钻井工具的密封系统的传播的衰减区。在一实施例中，钻井工具包括：钻头主体；至少一个自钻头主体延伸的轴承轴；安装用于在轴承轴上旋转的牙轮；形成在轴承轴的外轴承表面的非负荷区中的第一沟槽；以及形成在轴承轴的同一外轴承表面的非负荷区中的第二沟槽；其中第一沟槽自第二沟槽周向偏移。

[0017] 在进一步实施例中，第一和第二沟槽在轴承轴的外轴承表面上彼此轴向偏移。

[0018] 在一实施例中，开口设置在第一和第二沟槽中，使得与工具的内部润滑剂通道流体相通。

[0019] 第一和第二沟槽的周向偏移提供了周向衰减区以限制牙轮波动压力脉动从压力源向钻井工具的密封系统的传播。

[0020] 第一和第二沟槽的轴向偏移提供了多个轴向衰减区以限制牙轮波动压力脉动从压力源向钻井工具的密封系统的传播。

附图说明

[0021] 图1示出典型滚柱牙轮凿岩钻头的部分的剖视图；

[0022] 图2示出图1所示的典型滚柱牙轮凿岩钻头的剖视图，其专注于更详细的轴承系统；

[0023] 图3示出沿着图2中虚线位置的轴承轴的剖视图；

[0024] 图4示出图2的轴承轴的侧视图；

[0025] 图5示出滚柱牙轮凿岩钻头的剖视图，其更详细地专注于轴承系统的实施例。

[0026] 图6示出沿图5中虚线位置的轴承轴的剖视图；以及

[0027] 图7示出图5的轴承轴的侧视图。

具体实施方式

[0028] 图5示出了滚柱牙轮凿岩钻头的剖视图，其专注于本发明的实施例，以解决源自于轴承系统的润滑剂压力脉动。图5具体针对圆柱摩擦轴承(主轴颈轴承)116的区域。圆柱摩擦轴承116由轴承轴112上的外圆柱表面140和压配合到牙轮14内的套管144的内圆柱表面142限定，该牙轮114经安装围绕轴承轴112旋转。套管144为通常由铍铜制成的环形结构，尽管其它材料的应用在本领域中是已知的。在滚柱轴承系统中，轴承轴112的外圆柱表面140可与保持在，例如牙轮114内的圆周滚柱滚道中的滚柱轴承相互作用。

[0029] 轴承系统进一步包括滚珠轴承118，其在轴承轴112和牙轮114之间的界面处限定的圆形滚道120内运动。滚珠轴承118通过滚珠开口146递送至滚道120，开口146由球塞148关闭。球塞148成形以限定润滑剂通道128的部分。如图所示的滚珠轴承系统也可通常存在于利用滚柱轴承的轴承系统的实施方式中。

[0030] 润滑剂处在圆柱摩擦轴承116的表面140和142之间的间隙体积和在圆周管道120内以及牙轮114和轴112之间的其它相对圆柱和径向轴承表面(如上面讨论的)中。
润滑剂通过密封系统132保持在轴承系统中。密封系统132，在基础配置中，包括位于切削牙轮114和轴承轴112之间的密封压盖152中的O形密封圈型密封件150，以保持润滑剂并排除外部岩屑。圆柱形表面密封套筒154设置在轴承轴112的基座。在所示的配置中，该密封套筒154的表面自第一摩擦轴承116的外圆柱表面140径向向外偏移(例如，偏移套管144的厚度)。将理解，如果需要，密封套筒可不展示关于主轴颈轴承表面40的偏移。
圆形密封压盖152形成在牙轮114的基座中。当切削牙轮114可旋转地位于轴承轴112上时，压盖152和密封套筒154彼此对齐。O形密封圈密封件150压缩在压盖152表面和密封套筒154之间，且用于保持润滑剂在轴承系统内。该密封件150也防止井身中的物质(如钻井泥浆和岩屑)进入轴承系统。

[0031] 现在参考图6，其示出大体位于摩擦轴承116的位置且沿图5中虚线180的轴承轴112的剖视图。轴承系统的第一摩擦轴承116包括承担着牙轮114的负荷的负荷区(具有约120°-180°的弧角)和非负荷区(具有约180°-240°的弧角)。在负荷区的轴承轴112的外表面，通常是表面硬化的(未明确示出，但对本领域技术人员是已知的)。润滑系统的润滑剂通道128中至少一条终止于非负荷区的区域中的轴承轴112的外圆柱表面140(在本实施例中，示出了两个这样的终点，但应当理解可提供三个或更多终点)。轴承轴
112的外表面140上的润滑剂通道128的每个终点设置在铣削或机加工在轴承轴112的外表面140上周向安置的沟槽190。该沟槽190包括通向润滑剂通道128的开口192。

[0032] 图6具体示出形成在轴承轴112的外表面140上的两个沟槽190。应当理解，可提供三个或更多的沟槽190。所包括的沟槽190彼此周向偏移(以45-120°之间的弧角)。尽管所示的两个沟槽190包括通向润滑剂通道128的开口192，但应当理解这并不是必需的。作为替代，可提供没有通向润滑剂通道128的开口192的沟槽190。事实上，只要提供一些其它机制以确保润滑剂向摩擦轴承116的递送，图6的两个沟槽190都不要求具有通向润滑剂通道128的开口192。

[0033] 相比图6中具有开口192的沟槽190和图3中具有开口92的沟槽90，将注意到图6中通向润滑剂通道128的开口192具有比图3中开口92更小的直径。更小的开口192用于限制润滑油脂通过开口192的流动。

[0034] 尽管在图6中示出了两个沟槽，将理解可提供多于两个的轴向偏移沟槽190。

[0035] 每个沟槽190的周向长度208可，例如延伸约10-30°的弧角，且更为优选地延伸约15-20°的弧角。

[0036] 现在参考图7，其示出专注于非负荷区的轴承轴112的侧视图。每个周向安置的沟槽190利用开口192使润滑剂通道128终止于轴承系统的摩擦轴承116。两个沟槽190彼此周向偏移。每个沟槽190的轴向宽194比图4中沟槽90的轴向宽94要短。在优选实施例中，每个沟槽190的轴向宽194不大于轴承系统的摩擦轴承116的轴向宽196的70％。在优选实施例中，每个沟槽190的周向长208和轴向宽194的比例在2比1到4比1之间。

[0037] 如上讨论的，图6中通向润滑剂通道128的开口192具有比图3中开口92更小的直径。开口192的尺寸的减小(相比开口92)限制油脂通过开口192的流动并因此协助衰减在牙轮波动情况下的压力脉动和油脂的流动。在优选实施例中，开口192的截面积小于表面140和142之间的沟槽190的邻近的轴承的环形流道面积的150％。数学上，这可表达为以下形式：

[0038] D≈k*((4/π)*(C*L))^0.5

[0039] 其中：D＝开口192的直径；k是常数，例如，大于1，如1.5；C＝轴承的径向间隙；且L＝沟槽190的弧长(见，图6和图7中的标识号208)。

[0040] 可选地，这可数学上地表达为如下：

[0041] D2≤k*((Dl+C)^2-D1^2)^0.5

[0042] 其中：D2＝开口192的直径；K为常数，例如，小于1的分数，如0.9；D1＝在表面140的轴的直径且C＝轴承的径向间隙。

[0043] 虽然减小开口192的直径是优选方案，但是另一个方案为在更大尺寸的开口如图3所示的开口92中插入阻流结构(如阻流板或限流器)，这种阻流结构有效地以上述方式提供了限流开口。

[0044] 尽管图7示出每个沟槽190都包括通向润滑剂通道128的开口192，但将理解，只有一个沟槽190具有开口192，其它沟槽190包括形成在轴承表面140上的盲区。进一步地，将理解，在存在一些用于确保润滑剂传送至摩擦轴承116的其它机制的情况下，周向偏移沟槽190都不需要具有通向润滑剂通道128的开口92。

[0045] 在优选实施例中，每个开口192都轴向偏移至更靠近摩擦轴承116的表面140一个边缘的位置。也就是，开口192不是轴向地居中位于摩擦轴承116的表面140上。例如，图7中示出左开口192轴向偏移到更靠近摩擦轴承116的表面140的上边缘210的位置，而图7中示出的右开口192轴向偏移至更靠近摩擦轴承116的表面140的下边缘212的位置。在优选实施例中，开口192反向地轴向偏移，如图7中所示。将理解，然而，两个开口192可朝向表面140的同一边缘(210或212)轴向偏移。

[0046] 以所描述的方式轴向偏移开口192，并提供相对宽度194和196，增加了(相比图4)第一摩擦轴承116的外表面140的量，其轴向地邻近沟槽190且沿着箭头198所示的路径存在。外表面140的增加量更好地限制油脂的流动和轴承系统(在表面160、164和168)和密封系统132(在表面154)之间的压力脉动的通道。作为轴向偏移的结果，在每个箭头
198的表面140的增量提供(以轴向方向)在沟槽190的一侧上相对更短的衰减区200和沟槽190的另一侧上相对更长的衰减区202。由于压力脉动的轴向通道，这种具有更长衰减区202的配置基于图4的配置就衰减油脂的流动提供了改良性能。相对更长的衰减区
202的存在所导致的附加衰减进一步协助保护密封系统132(在表面154)不受压力脉动的影响，并支持压力补偿器30(见，图1)的阻尼操作。在优选实施例中，相对更长衰减区202的轴向宽度和相对较短的衰减区200的轴向宽度的比例在3比1和6比1之间。沟槽190的轴向偏移应当保护沟槽之间至少小量的周向轴向重叠216，特别是在沟槽之一是不具有开口192的盲沟槽(但是，应当理解在一些实施例中可无需轴向重叠216)，这是优选的。

[0047] 两个沟槽190的周向偏移，连同相对宽度194和196及沟槽190的轴向偏移，进一步提供了周向地位于两个沟槽190之间的附加衰减区204。轴向偏移的程度经选择，使得沟槽之间的周向压力衰减约等于沟槽和轴承较远端之间的轴向压力衰减。也就是，沟槽190的周向偏移经选择，使得油脂压力脉动在轴承系统末端和沟槽之间沿着箭头198的路径的行进与油脂压力脉动在沟槽之间沿着箭头206的路径行进几乎一样困难。这样，油脂压力行进的两条可能的路径基本上均等地衰减。

[0048] 当牙轮波动运动发生时，轴承系统(具有轴116表面140、160、164和168)间隙体积中提供的润滑剂受到挤压。这导致压力脉动的产生。响应压力脉动，润滑油流经轴承系统和压力补偿器30(见，图1)之间的一系列润滑剂通道28。压力补偿器30经设计用于通过其橡胶膜片补偿体积变化来减弱或缓解压力脉动。箭头198和206提供的路径，然而，响应压力脉动对于润滑油流动也是可用的。衰减区200、202和204用于限制润滑油沿着这些路径的流动并因此减小，或根除由于牙轮波动的压力脉动作用于密封系统132。

[0049] 尽管图5-7具体说明摩擦轴颈轴承系统的使用，但将理解，沟槽190(带有或不带有开口192)可替代地与滚柱轴承系统一起使用。

[0050] 此外，尽管图5-7具体说明关于轴承系统(无论轴颈或是滚柱)的提供沟槽190(带有或不带有开口192)，但将理解，沟槽190(带有或不带有开口192)可以替换地提供于摩擦轴颈轴承或滚柱轴承实施中的轴116的任意合适轴承表面(包括，但不限于，表面
140、160、164和168)。

[0051] 尽管在主要设计用于在油田钻井应用中使用的钻井工具的背景中进行了解释，当将理解，本公开不受限于此且如所描述的轴承系统可用在任意旋转牙轮钻井工具中，包括用在非油田应用的工具。具体地，钻井工具经配置可使用任意合适的钻井炉体，包括空气、雾、泡沫或液体(水、泥浆或油基物)或它们的任意组合。此外，尽管在关联密封和压力补偿系统中牙轮波动和润滑剂压力脉动的问题的解决方案的背景下进行了描述，但这里所描述的解决方案同样可用于经润滑但不包括压力补偿器和膜片系统的旋转牙轮钻头。

[0052] 尽管附图中说明且在前述具体实施方式中描述了本发明的方法和设备的优选实施例，但将理解，本发明不限于公开的实施例，而是能够进行很多重新安排、修改和替代，而不偏离权利要求所阐述和限定的本发明的精神。

标题	发布/更新时间	阅读量
牙轮钻头-专利编号CN103321577A	2020-05-11	669
滚牙轮-专利编号CN101983816B	2020-05-12	914
牙轮钻头-专利编号CN102278069A	2020-05-11	80
牙轮钻头-专利编号CN103790518A	2020-05-13	878
牙轮钻头-专利编号CN102134969A	2020-05-11	98
牙轮钻头-专利编号CN1069548A	2020-05-13	200
滚牙轮-专利编号CN101983816A	2020-05-11	895
牙轮钻头-专利编号CN1804362A	2020-05-12	107
牙轮钻头-专利编号CN1027552C	2020-05-13	920
牙轮钻头-专利编号CN107386983A	2020-05-12	749

减小旋转牙轮凿岩钻头内润滑剂压力脉动的方法和设备

减小旋转牙轮凿岩钻头内润滑剂压力脉动的方法和设备

技术领域

背景技术

发明内容

附图说明

具体实施方式

IPRDB

热门服务

关于我们

友情链接

联系方式