JPS6110697A

JPS6110697A - 圧力平衡メカニカルシ−ル

Info

Publication number: JPS6110697A
Application number: JP60057669A
Authority: JP
Inventors: ロバート・エス・ウエントワース
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1984-03-23
Filing date: 1985-03-22
Publication date: 1986-01-18
Also published as: EP0156612A2; EP0156612A3; US4557489A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は泥水、即ちアブラシプなスラリーの流体圧力が
５０００ｐｓｉ　程度に達し、また温度が２００″Ｆ′
程度に達する油田掘削装置の使用に最適な改良した流体
シールに関する。

一般的な油掘削装置の場合、頂部から底部に回転する装
置は転環組立体から回転しはじめ、ストリングの下方に
伸長し、ビットが穿孔の底部に接触する位置に達する。

転環組立体は掘削ス）　ＩＪソング重量を支え、この掘
削ストリングの回転馨許容し、循環しながらストリング
の頂部内に入る泥水用の回転式圧力シールおよび通路乞
提供する。

転環組立体の軸に接続したケリーは回転体から掘削スト
リングにトルクを伝達し、穿孔時、ストリングが下降す
ると同時に、垂直運動し・得るようにするものである。

該ケリーはまた、泥水乞ストリングに圧送するための装
置でもある。泥水は通常。

１錐材料、粘土、化学薬剤および水、または油の混合体
であり、従って、アブラシプなスラリーである。

掘削装置自体内での泥水の移動は通常、泥水ピット（貯
蔵部分）から軟泥ポンプまたは泥水ポンプに送られ、こ
れらポンプから立上り管およびケリーホース乞介して、
転環組立体に送り、さらに。

転環組立体内の排水管および軸馨介して、ケＩＪ−およ
び転環組立体内に排出される。その後、掘削ストリング
からビットに至り、掘削ストリングと穿孔間の環状スペ
ース内馨上昇し、吐出防止排出管？介して、戻り管に至
り、頁岩シェーカに入って、掘削分を除去し、沈澱ピッ
トに至り、次いで排水だめ内で一時的に貯蔵される。

転環組立体は通常、ケリーを取付けた中空の軸乞備え、
該中空軸は間隔２置いて配置した軸受内で軸受され、該
軸受の回転馨許容する。中空軸はケリーホースおよび排
出管に接続され、この管を介して、ポンプにより掘削泥
水が送出される。パツキンが軸と排出管の接続部分に関
係し、またその内部で相対回転し得るような構造となっ
ている。

該パツキンはパツキンハウジング内に密閉された多数の
弾性パツキン軸化収容している。軸およびケリー（従っ
て、掘削ストリング）は約４ＱＯｒｐｍまでの速度で回
転する。

泥水の性状はアブラシブであり、また比較的高圧と高温
？伴なうため、パツキンの寿命は例えば。

６日乃至６週間といった程度の短かさである。パツキン
の交換および修理は時間およびコストの嵩む作業であり
、掘削作業を中断し、転環組立体内分解し、また再組立
しなげればならない。

本発明は、炭化けい素またはタングステンけい素等の如
きセラミックで製造することが望ましい１対のシール環
？備え、各シール環はシール面を相互に対向させ、望ま
しくは複数のコイルばねによって、１方のシール環を他
方のシール環に向けて付勢させている。１方のシール環
は静止型とし。

他方のシール環は回転型とする。シール面は全体的とし
て狭小で、シール環の本体の外方に伸長している。該シ
ール域は相互に平面対称の形状をしている。各シール環
は、その円筒状外面がそれぞれのハウジングの一部によ
って邑囲されるように、ハウジングの開放側辺の円筒状
空隙内に嵌入させである。該空隙はシール環の半径より
も半径方向の深さが深くしてあり、空隙の軸方向の長さ
はその内部に嵌入させたシール域の軸方向寸法とほぼ等
しい値にしである。両シー／ｌ／環は、その円筒状内面
を泥水に対して暴露させ、通路手段化膜げて、各シール
環の円筒状内外面を連通させている。この連通は、各シ
ール環に放射状通路を設け、包囲するハウジングと共に
密封？完成させる間隔２置いて配設したＯ　ＩＪソング
シール環を包囲することで行われる。ハウジングには穴
を穿設し、必要時および所望時、゛あるいは、その何れ
か一方の場合に上記と同一の目的化達成することができ
る。シール環の円筒状内外面を連通させろ通路手段は。

通路手段の存在ない場合に、該内外面間で生ずる可能性
のある圧力差を最小にすることができろ。

このシールは、また各シール環がその裏当て部材、即ち
ハウジングの一部に向けて抑圧される油田乞最小にし得
る構造にしである。これは各シール環の片方の半径方向
端面の一部に大気と連通する通気口を設け、また、各シ
ール環の反対側の半径方向端面の一部に大気と連通する
通気口を設けることによって可能となる。

上述した構造による全体的効果は、各シールシカ１使用
される環境内の圧力による影響を最少にするのに有効な
メカニカルシール組立体を提供することである。

本発明？実施する１方法について、以下１つの具体的な
実施態様のみを図示する添付図面を参照しながら詳細に
説明する。

第２図および第６図は、「先行技術」に関するもので、
それぞれ転環組立体１００半断面図、排水管１２．転環
組立図１０内の上部シール１４およびパツキン１０の中
断（３）図でちる。転環組立体１０（第２図）は、外側
ケーシング１８馨備える。

該ケーシング１８には丸頭ねじ２２によりノ・ウジング
キャップ２０が取付げである。転環組立体１０は、半円
形のつる２４（一部のみ図示）によって掘削リグ（図示
せず）から懸垂されている。

グーＸネック２６がハウジングキャップ２０に接続して
あり、泥水は発生源から排水管１２、軸２８、ケリー（
第１図参照）２介して、掘削ストリング（第１図参照）
に至る。排水管１２は、静止型であるが、軸はケリーお
よび掘削スｌ−ＩＪソング共に１回転し得るように配設
しである。従来の手段（図示せず）を利用して、軸およ
びケリー馨回転させる。軸２８は１間隔装置いて配設し
た軸受３０および６２内に軸支され、軸、ケリーおよび
排水管の回転組立体はフラスト軸受ろ４によって支持さ
れている。油面計測棒が接続しであるため、油面を定期
的に点検できるプラグ６乞介して。

供給される軸受用潤滑油が外側ハウジング１８内に充填
しである。

上部シール１４は、グースネック２６との接続部で排水
管１２？視囲し、パツキン１６はグースネックと軸２８
との接続部付近で排水管１２乞旭囲している。パツキン
１６は、軸２Ｂの上端にねじ止めしたパツキンハウジン
グ４０が視囲しているため、ハウジン４０は、軸２８と
共に回転する。

パツキン１６は、底部アダプタ環４２と、別の弾性パッ
キン輪４４と、別のスペーサ環４６ヒ、および上部パツ
キンアダプタ４８とを備えている。

ハウジング４０は、軸上に締付け、パッキン１６２調節
して、少なくともその一部が磨耗して、使用不能となる
まで使用することが可能である。その後、転環組立体を
分解して、再組立てることを狭する。

潤滑油は１敗付金具から、パツキン１６と排水管１２の
接続部に供給される。

本発明は、パツキン１６に代わる圧力平衡メカルカルシ
ール構造体６１（第４図参照）を対象としている。該メ
カルカルシール構造体６１は、排水管７１およびシール
ハウジング７３．７５内？流れる泥水に円筒状内面６７
および６９ンそれぞれ暴露される１対のシール環６３お
よび６５を備え、該シール環は炭化けい素またはタング
ステンけい素で製造することが望ましい。該ノヘウジン
グ７ろは、０リングシール７８内に伸長し、該０１Ｊン
グシール７８により排水管７１に密封されるフランジ７
３乞備えている。該排水管７１は、第６図および第４図
に示した排水管１２と同一方法で。

グースネック（第４図には図示せず）に接続されており
、同様の上部シール馨使用している。排水管およびグー
スネックの接続方法は先行技術と同一であるので、これ
以上詳細な説明は必要ないであろう。シール環６３およ
び６５は１例えば、６乃至４インチ程度の比較的大きい
内径を備える。

下部シールハウジング７５は１円筒状の安全遮へい体お
よびナツト７７（図解的に図示）によって、軸（図示せ
ず）に接続しである。ナツトは、第２図および第６図の
要素４０に代わるものである。

上部シール環６３は、比較的狭小なシール面を備え、そ
の内径および外径はシール！６３の内径および外径より
小さい寸法にしである。このため。

軸方向暑向いた６つのシール面即ち、シール面７９゜こ
のシール面の側面に位置する半径方向内面８１および半
径方向外面８６が形成される。シール環６３は、上部ハ
ウジング７３内の円筒状壁および半径方向壁によって形
成された開放端壁７Ｉｉ８８５内に嵌入される。該空洞
８５は、半径方向の深、さが環６３より深く、ハウジン
グ７３の一部は、環６３の軸心上？軸方向に伸長してい
る。支柱８９（１つのみ図示）は、排水管７１によって
支承され。

上部ハウジング７３内に伸長し、排水管７１と上部ハウ
ジング７３間の相対回転ン阻止する。値数のばね９１（
１つのみ図示）が排水管７１内の空隙内に支承され、上
部ノ・ウジング７３馨下方向に向けて弾性状態で押圧す
ることで、ばね力２作用させ、シール環６５乞シール環
６３方向に押圧している。

シール環６３の円筒状外面９７は、ノーウジング７３と
共に、狭小な円筒状空洞９９を形成し、またシール環６
３の両端に近接し、且つシール環６３とハウジング７３
間にあるＯリング１０１および１０ろは、さらに、空洞
９９４形成する。シール環６３？通って、半径方向に伸
長する通路１０５は、シール環６３の内面６７および外
面９７と連通し、泥水が排水管２通って、軸から空洞９
９内・に流れるの？許容している。

上部シ、−ル環６３の１ｇ面１０７は、０リング１０９
により支持され且つノ１ウジング７３に密封されている
。ハウジングには荷が設けてあり１表面１０７に対して
浅い円形空洞１１１馨提供している。該空洞１１１は、
上部ノ・ウジング７３乞通る通路１１６によって、大気
に連通している。

下部シール環６５は、上部シール環６３と平面対称の形
状をしており、シール面１１５は、比Ｍ的狭小で、その
内径および外径は、シール環６５の内径および外径より
小さい寸法にしである。シール面１１５は、シール環６
３のシール面７９と直向している。６つの半径方向シー
ル面、即ち。

シール而１１５．該シール面１１５の側部に位置する半
径方向内面１１７および半径方向外面１１９が形成され
る。シール環６５は、下部ハウジング７５の円筒状壁お
よび半径方向壁によって形成された開放端部の空洞１２
１内に嵌入されている。

下部ハウジングは安全遮へい体およびナツト７７によっ
て軸に接続され、該軸と共に回転し得るようにしである
。空洞１２１の半径方向の深さは、シール環６５より深
く、ハウジング７５の一部はシール！６５の軸心上？伸
長している。このように、シール環６５は、シール環６
３に対して１回転し得るように配設しである。

シール環６５の円筒状外面１２６は、ハウジング７５と
共に、狭小な円筒状空洞１２５乞形成し、シーＡ／ｆｆ
ｔ６５両端付近のＯＩＪソング２７および１２９は、さ
らに、空洞１２５を形成している。

シール！６５’２通って半径方向に伸長する通路１ろ１
は、シール環６５の内面６９および外面１２６と連通し
、泥水が排水管２通って軸がら空洞１２５に流れるの？
許容する。

シール環６５の端面１３３は、０リング１６５によって
支持され、且つハウジング７５に密封されている。ハウ
ジングには、溝が設けてあり、密封面１６３に対して浅
い円形空洞１３７？提供している。該空洞１３７は、ハ
ラジングツ５ｖ貫通する通路１６９を介して、大気と連
通している。

第４図から明らかなようは、シールｍ６３および６５は
、密封環の内径を排水管７１および軸の内径より大きい
寸法とすることにより、凹所が形成されるようにしであ
るため、その内向６７および６９は内径が等しい場合に
生ずる虞れのある泥水の直接飛散に起因する腐蝕乞防止
することができる。泥水は、シール面６７および６９に
沿ってほぼ層流状態で流れる。

シール環６ろおよび６５０半径方向シ一ル面８６および
１１９は、それぞれハウジング７３および７５が相互に
若干、間隔装置いて配設されているため、大気に暴露さ
れる。半径方向シール面８ろおよび１１９の形成する面
積は５空洞１１１および１ろ６の形成する円形部分の面
積とほぼ等しい。

空洞１１１および１６３は大気に連通しているため、シ
ール環６３および６５に作用する軸方向の有効圧力はほ
ぼ零となる。

２つのシール環６３および６５の内面６７．６９および
外面９７，１２３は、空洞９９．１２５および通路１６
１の存在により発生流体、即ち、泥水その圧力および温
度に暴露される。このようにして、半径方向の圧力差は
極めて小さく、このためシール環は、極端な軸方向の圧
力差の作用馨受けることがない。

シール環６３および６５乞相互に押圧する軸方向圧力も
また泥水の圧力と比較して低圧である。

該軸方向の圧力は、ばね９１の作用によるものであり、
半径方向シール面８１および１１７上に作用する掘削物
の圧力によって降下する。

炭化けい素およびタングステンけい素で製造し、上述し
た構造体に使用するシール環は、圧縮力の作用を受けた
ときの強度は強いが、引張力には比較的弱い。上述した
配設状態は、シール環に作用する引張力が最小になるよ
うにしたものである。

シール環の内外面および半径方向のシール面上に作用す
る半径方向と軸方向の圧力差は実質的に最小となる。

特許請求の範囲の内容は、上述した構造体の妥当と考え
られろあらゆる別の構造馨旭含するものと解釈すべきで
ある。例えば、本発明の精神を逸脱せずに、望ましいと
考えられる場合には、ノ・ウジングに穿孔し１通路１４
５および１４７（第５図）？形成し、外面９７および１
２３乞ｍ囲する空洞９９および１２５間乞遵通させるこ
とができる。通＠１４５および１４７の作用はそれぞれ
第４図のシール環６３および６５内の通路１０５および
１６１の作用と同一である。

【図面の簡単な説明】第１図は泥水循環系を示す一般的先行技術による掘削装
置の図解図、第２図は［−先行技術」という表示？した
一般的な先行技術による転環の半断面図、第６図は「先
行技術」という表示ンした第２図の転環のパツキンの拡
大半断面図、第４図は本発明によって構成したシール組
立体の拡大断面図、第５図は第４図のシール組立体の変
形例？示す拡大断面図である。（主要符号の説明）１０・・・転環、　１２・・・排水管、　　１４・・・
上部シール、　　　１６・・・パツキン、　　１８・・
・外側ハウジング、　　２０・・・ハウジングキャップ
、　　２２・・・丸頭ねじ、　　２４・・・半円形つる
、　　２８・・・軸、３０．３２・・・軸受っ特許出願人　　ボーク・ワーナー・コーポレーションェ
！！クラｌ

Claims

【特許請求の範囲】１、相対的に回転可能な円筒状中空ハウジング間に位置
決めし得るようにし、且つその間の比較的高圧の流体の
漏れをおおむね減少させ得るようにした圧力平衡メカニ
カルシール（６１）において、円筒状且つ半径方向の壁
を有する前記ハウジング内に開放端部の円筒状空洞（８
５、１２１）で、相互に対向し且つ寸法および形状がほ
ぼ同一の前記空洞（８５、１２１）を形成する手段と、各空洞（６３、６５）内にあり、内壁（６７、６９）、
外壁（９７、１２３）および放射端面を有するシール環
と、各シール環の端面に設けた環状シール面（７９、１１５
）で、相互に密封状態で対向する前記環状シール面（７
９、１１５）および各シール環の反対側端面に設けた第
２環状シール面（１０７、１３３）で、相互に密封状態
で対向し且つ相互に間隔を置いて配設した前記第２環状
シール面（１０７、１３３）と、各シール環の円筒状内
面および外面を前記高圧流体に、露す手段（１０５、１
３１、１４５、１４７）と、前記第２環状シール面および各シール環の端面のほぼ同
等の環状シール面を異なる流体の圧力に露す手段（１３
３、１６９）とを備え、前記第２環状シール面およびほ
ぼ同等の環状シール面上に作用する前記異なる流体の圧
力をほぼ等しい圧力とし、よつて前記各シール環に作用
する半径方向および軸方向の圧力差を最小にし得るよう
にしたこと化特徴とする圧力平衡メカニカルシール。２、片方のシール環（６３）が他方のシール環（６５）
と平面対称形状を備えるようにしたことを特徴とする特
許請求の範囲第１項に記載した圧力平衡メカニカルシー
ル。３、比較的高温と高圧の泥水が発生源から排水管（７１
）を通つて回転式中空軸内に流れさらに、掘削ストリン
グ用のケリーに至る油田掘刷リグの転環用として特別に
構成される圧力平衡メカニカルシールであつて、前記メ
カニカルシールが排水管および軸の間に位置決めされか
つ軸が排水管に対して回転するのを許容する圧力平衡メ
カニカルシールにおいて、前記排水管および前記軸にそれぞれ接続された略円筒状
の第１（７３）および第２（７５）中空ハウジングと、円筒状壁（９７、１２３）および半径方向壁を有し、相
互に軸方向に対向させて開放端部空洞を各ハウジングに
形成する手段（８５、１２１）と、ハウジングの空洞（
８５、１２１）内に嵌入され、円筒状内面および外面お
よび半径方向端面によつて形成された略円筒状の第１（
６３）および第２（６５）シール環と、各シール環およびそれぞれのハウジングの円筒状外面（
９７、１２３）によつて形成された比較的浅い円筒状空
洞（９９、１２５）と、それぞれのハウジングおよび前記空洞の各々の両端に位
置決めしたシール環に対して各浅い空洞を密封する手段
（１０１、１０３、１２７、１２９）と、各シール環の
内外面を連通させることで泥水がそれぞれの浅い円筒状
空洞内に流入するのを許容する手段（１０５、１３１、
１４５、１４７）と、各シール環の半径方向端面および
それぞれのハウジングによつて形成された半径方向空洞
（１１１、１３７）と、各半径方向空洞を大気に連通させる手段（１１３、１３
９）と、シール面（７９、１１５）および外方に配設した第２半
径方向面（８３、１１９）を有する各シール環の１つの
半径方向端面と、各シール環の前記外方に配設した半径方向シール面を大
気と連通させる手段と、片方のシール面を他方のシール
環のシール面に向けて押圧する手段（９１）とを備え、前記空洞の各々がシール環の半径方向厚み以上の半径方
向深さを備え、シール環の内面（６７、６９）が前記ハ
ウジング、排水管および軸の内面から引込められ、各シール環の円筒状内外面および端面に作用する半径方
向および軸方向の圧力差がほぼ実質的に最小にされてい
ることを特徴とする圧力平衡メカニカルシール組立体。４、比較的高温と高圧の泥水が発生源から排水管（７１
）を通つて回転式中空軸内に流れさらに掘削ストリング
用のケリーに至る油田掘削リグの転環用として特別に構
成されたメカニカルシール組立体であつて、前記メカニ
カルシール組立体が排水管および軸の間に位置決めされ
軸が排水管に対して回転するのを許容するメカニカルシ
ールにおいて、前記排水管（７１）に接続された略円筒状の中空ハウジ
ング（７３）と、前記ハウジングに開放側辺の空洞を形成する手段（８５
）と、前記ハウジング内に嵌入され、円筒状内外面および半径
方向端面によつて形成された略円筒状の中空シール環（
６３）と、前記ハウジングおよび前記シール環の外面（９７）によ
つて形成された比較的浅い円筒状空洞（９９）と、前記浅い空洞の両端を前記ハウジングおよび前記シール
環に対して密封する手段（１０１、１０３）と、前記シール環の内外面を連通させ、前記中空円筒状空洞
への泥水の流入を許容する手段（１０５、１４５）と、前記ハウジングおよび前記シール環の端面によつて形成
した半径方向空洞（１１１）と、前記半径方向空洞を大気に連通させる手段（１１３）と
、シール面（７９）および外方に配設した第２半径方向シ
ール面を有する前記シール環の１つの半径方向端面と、前記外方に配設した半径方向シール面を大気に連通させ
る手段と、前記軸に接続し且つ前記軸と共に回転し得るようにした
略円筒状の第２中空ハウジング（７５）と、前記第２ハ
ウジングに開放側辺の空洞（１２１）を形成する手段と
、前記第２ハウジングの前記空洞内に嵌入され、円筒状の
内面（６９）および外面（１２３）および半径方向端面
によつて形成される略円筒状の中空シール環（６５）と
、前記ハウジングおよび前記第２シール環によつて形成さ
れる比較的浅い第２円筒状空洞と、前記第２空洞の端に
て前記第２ハウジングおよび前記浅い第２空洞を密封す
る手段（１２７、１２９）と、前記第２シール環の前記内外面を連通させることで、泥
水が前記浅い第２空洞（１２５）内に流入するのを許容
する手段（１３１、１４７）と、前記ハウジングおよび
前記第２シール環の１端面によつて形成した第２半径方
向空洞（１３７）と、前記第２半径方向空洞を大気に連
通させる手段（１３９）と、前記第１シール環のシール面に対向するシール面（１１
５）および半径方向外方に配設したシール面（１１９）
を有する前記第２シール環の１半径方向端面と、前記外方に配設した第２シール面を大気に連通させる手
段と、前記第２シール環のシール面に向けて前記第１シール環
を押圧する手段（９１）とを備え、前記空洞（８５）が
前記シール環の半径方向厚み以上の半径方向深さを有し
、前記シール環の内面が前記ハウジングおよび排水管の
内面から引込められ、前記空洞（８５）が前記シール環（６３）の軸方向厚み
とほぼ等しい軸方向寸法を有し、円筒状内外面上および前記シール環の半径方向端面上に
作用する半径方向および軸方向の圧力差がほぼ実質的に
最小になるようにし、前記第２ハウジングの前記空洞内に嵌入され、円筒状の
内面（６９）および外面（１２３）および半径方向端面
によつて形成される略円筒状の中空シール環（６５）と
を備え、前記第２ハウジング（７５）の前記空洞（１２１）が前
記第２シール環の半径方向厚み以上の半径方向深さを有
し、前記第２シール環の内面が前記第２ハウジングの円
筒状内面および軸から凹所を形成するようにし、前記第２ハウジングの前記空洞（１２１）もまた前記第
２シール環（６５）の軸方向厚みとほぼ等しい軸方向寸
法を有するようにし、円筒状内外面上および前記第２シール環の半径方向端面
上に作用する半径方向および軸方向の圧力差がほぼ実質
的に均一であるようにしたことを特徴とするメカニカル
シール組立体。５、各シール環を同一材料で構成することを特徴とする
特許請求の範囲第４項に記載したメカニカルシール組立
体。６、前記空洞を密封する前記手段がＯリングを備えるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載したメカニ
カルシール組立体。