(57)【要約】  【課題】非回転の第１の筒部材と回転する第２の筒部材との間を高圧研磨流体を移送させるための結合シール機構を提供する。  【解決手段】このシール機構は、非回転の筒部材に保持された第１のセラミック浮遊シール部材と、上記回転する筒部材に保持された第２のセラミックシール部材を有する。高圧で高速下での長寿命ののシール機構が達成できる。  【選択図】  図３
2006064178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧の流体を移送するための回転継手であって、
高圧流体源に結合した第１の端部を有すると共に、上記第１の端部に対して反対側の端部を有する非回転型の筒部材と；
上記反対側の端部に保持され且つ上記第１の端部と整合してなるシール案内部材と；
上記シール案内部材はその内部を高圧の流体が流れるようにした筒状のウオッシュパイプ延長部を備えており、
上記筒状ウオッシュパイプ延長部の周囲において伸縮自在に装着され、且つ、両者の間にシール室を形成してなる筒状浮遊シール部材と；
上記筒状浮遊シール部材は延端部を有すると共に、付勢部材によって上記非回転型の筒部材に調整可能に保持されており、
上記延端部において上記筒状浮遊シール部材に保持且つ整合された第１のシールリング部材と；
上記筒状の浮遊シール部材の上記延端部に対して整合された近端部を備えた回転する筒部材と；更に
上記回転する筒部材の上記近端部に保持された第２のシールリング部材とを有し、
上記第１と第２のシールリング部材は、高圧流体が移送されるときに上記付勢部材によってシール力を形成することを特徴とした回転継手機構。
【請求項２】
上記第１及び第２のシールリング部材は、セラミック材より成り、ほぼ矩形の断面形状を有し、上記第１及び第２のシールリング部材の少なくとも一方は第１と第２のシール摩擦面を有している、請求項１に記載の回転継手機構。
【請求項３】
上記第１及び第２のシールリング部材は、鋼製のリングホルダ部材内にて外径の周囲に保持されて上記摩擦面のための対称の構成を維持していると共に、上記摩擦面のための平坦部を備えている請求項２に記載の回転継手機構。
【請求項４】
上記第１及び第２のシールリング部材は、上記対応するシールリング部材の周囲に上記鋼製リングホルダを熱収縮させることによって、上記鋼製リングホルダ部材内に装着されている請求項３に記載の回転継手機構。
【請求項５】
上記第１と第２のシールリング部材の少なくとも一方は、上記第２のシール摩擦面と上記第１のシールリング部材とが係合できるように上下面反転が可能としてなる、請求項２に記載の回転継手め機構。
【請求項６】
上記第１と第２のシールリング部材はその断面がほぼ矩形であり、上記第１のシールリング部材はその一側から突出した環状突起を有して上記回転する第２のシールリングと接触する平板状の面を形成し、これによって、上記第１と第２のシールリング部材とが非同心状の整合状態にある間は、上記第１と第２のシールリング部材間のシールを形成してなる、請求項１に記載の回転継手機構。
【請求項７】
上記シール室には、上記筒状浮遊シール部材と上記ウオッシュパイプ延長部との間にエラストマーシール部材を配置して機構本体から高圧流体が流出するのを防止するようにして成る請求項１に記載の回転継手機構。
【請求項８】
上記エラストマーシール部材はＯリング、Ｕ字カップ型リング、スリッパシールより選択されてなる請求項７に記載の回転継手機構。
【請求項９】
上記付勢部材はバネである請求項１に記載の回転継手機構。
【請求項１０】
高圧流体システムと共に用いるウオッシュパイプシール機構であって、
高圧流体源に取り付いた一端を有し、その他端は筒状のウオッシュパイプ延長部材を備えている非回転の筒部材と；
近端部と延端部とを有する筒状の浮遊シール部材と；
上記近端部は上記筒状ウオッシュパイプ延長部材の周 囲に伸縮自在に装着されて両者の間にシール室を形成してなり、
上記シール室内に位置してシール機構本体から高圧流体が流出するのを防止するエラストマーシール部材と；
上記筒状浮遊シール部材を上記非回転の筒部材に装着する付勢部材と；
上記筒状浮遊シール部材の上記延端部に装着された第１のシールリング部材と；
上記筒状浮遊シール部材の上記延端部と整合した近端部を有する回転する筒部材と；
上記回転する筒部材の上記近端部に保持されて、高圧流体がシール機構本体を移動するときに、上記付勢部材が上記第１のシールリング部材との間にシール力を形成するようにした第２のシールリング部材と；
を備えてなるウオッシュパイプシール機構。
【請求項１１】
上記第１及び第２のリング部材は、セラミック材より成り、ほぼ矩形の断面形状を有し、上記第１及び第２のリング部材の少なくとも一方は第１と第２のシール摩擦面を有している、請求項１０に記載のシール機構。
【請求項１２】
上記第１及び第２のリング部材は、鋼製のリングホルダ部材内にて外径の周囲に保持されて上記摩擦面のための対称の構成を維持していると共に、上記摩擦面のための平坦部を備えている請求項１１に記載のシール機構。
【請求項１３】
上記第１及び第２のリング部材は、上記対応するリング部材の周囲に上記鋼製リングホルダを熱収縮させることによって、上記鋼製リングホルダ部材内に装着されている請求項１２に記載のシール機構。
【請求項１４】
上記第１と第２のリング部材の少なくとも一方は、上記第２のシール摩擦面と上記第１のリング部材とが係合できるように移動可能な前記第２のシールリング部材である、請求項１１に記載のシール機構。
【請求項１５】
上記第１と第２のシールリング部材はその断面がほぼ矩形であり、上記第１のシールリング部材はその一側から突出した環状突起を有して上記回転する第２のシールリングと接触する平板状の面を形成し、これによって、上記第１と第２のシールリング部材とが非同心状の整合状態にある間は、上記第１と第２のシールリング部材間のシールを形成してなる、請求項１０に記載のシール機構。
【請求項１６】
上記エラストマーシール部材はＯリング、Ｕ字カップ型リング、スリッパシールより選択されてなる請求項１０に記載のシール機構。
【請求項１７】
上記付勢部材はバネである請求項１０に記載のシール機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長寿命の回転継手（スイベル）シール機構に関し、より具体的には高速地質掘削運転に適した流体結合装置に用いる長寿命の回転継手シール機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流体源の出力側を回転装置に結合することが必要な高速掘削の運転には流体結合装置が使用されている。特に、オイルやガスの掘削には回転継手シール機構が採用され、ウオッシュパイプ（洗浄管）と、回転するシールハウジングとの間のシール機構を形成している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
掘削回転継手シール機構の１つのタイプとしては回転シール群をスタック状に重ねて構成したものがあり、このシール群は、ウオッシュパイプの外部円筒形シール面とで動的なシール機構を構成する強化エラストマー材で形成したものである。この構成では、固定のウオッシュパイプに対してシールとそのハウジングとが回転し、シールが、シールの一側では高圧掘削流体に、そして、シールの他側では大気圧に、連続して曝されることになる。このように圧力が異なると、シールが高圧に最も近づいてウオッシュパイプに対して強固に把持することになり、このためにウオッシュパイプとシールの摩耗や剥離の度合いが高くなる。回転シールとウオッシュパイプとの間の空隙が大きいと、最終的にはシール自体の損壊をもたらすことになる。加えて、ウオッシュパイプに対するシールのスタック状に重なった構成の故に、第１のシールが一旦破損すると、スタックの別のシールが同様の力に曝されてしまい、摩耗などが生じ最終的には全てのシールが過酷な摩耗運転条件によって消耗することが多かった。更に、斯様な回転シール部材は構造が複雑であり、取り外しや交換が極めて困難で且つ長時間を要していたし、９０ＲＰＭで且つ２，５００ＰＳＩまで運転された場合、寿命がほぼ２００時間若しくはそれ以下に制限されてしまっていた。このようなシール機構が５，０００ＰＳＩで且つ２５０ＲＰＭにて運転されると、シールは２０乃至３０時間程度しか継続せず、交換が必要になってしまう。
【０００４】
別のタイプのシール機構としてはウオッシュパイプと回転シール機構との間に複雑なＵ型カップのリングシール機構が知られている。しかしながら、斯様なシール機構もまた、寿命が短く、摩耗などが原因で、掘削回転継手シール機構の休止時間（ダウンタイム）が長引く結果となって、交換に莫大な費用がかかることになる。
【０００５】
上記以外にも回転する結合部材に取り付けた浮遊型（フローティング）シール部材と、非回転の結合部材に取り付けた同様のシール部材とを形成して、掘削装置回転継手（スイベル）機構のシール機構を構成する提案もなされている。この種のシール機構は更に二次的なシール部材を含んでなり、そして、この二次的なシール部材はウオッシュパイプ部材の延端部とフローティングシール部材との間にＵ字型カップのシール部材より形成されるものである。しかしながら、上記Ｕ字型カップのシール部材は高圧の摩擦掘削流体に曝されるために、かような接触によって上記流体結合機構が急速に破損する結果となる。
【０００６】
本発明はかかる従来技術に鑑みてなされたものであり、掘削装置の回転継手（スイベル）結合装置に用いる従来のシール機構の寿命が短かったという欠点を補うことを本発明の目的とするものである。
【０００７】
本発明の別の目的は、固定の非回転型ウオッシュパイプ若しくは結合部材に装着された長寿命の、回転継手（スイベル）シール機構を提供することである。
【０００８】
本発明の更に別の目的は、回転継手結合機構の改良されたシール機構であって、長寿命であり環状シール面部材の摩耗を少なくすることの可能な、新規なシール機構を提供することである。
【０００９】
本発明の更に別の目的は、第１と第２の環状シール部材であって、この環状部材群が互いに配列構成されて、両者の少なくとも１方のシール部材が他方のシール部材に対して位置を変え、斯様な環状シール部材の間に第２の運転シール面を形成するようにした新規な環状シール部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、掘削装置の回転継手（スイベル）若しくは結合装置に用いる長寿命のシール機構であって、このシール機構は非回転ウオッシュパイプ若しくは第１の管部材に装着されたシール部材を有するフローティング（浮遊）シール機構を用いると共に、回転型シール部材と係合するように配置構成され、上記回転型シール部材が第２の管部材若しくは回転型装置に装着されて、回転シール部材と浮遊シール部材との間のシール機構を形成するようにした、新規なシール機構である。上記浮遊シール機構は上記の回転継手の固定筒状部に取り外し可能に装着されている。回転止めピンによって筒状の浮遊シール案内部材が固定ハウジングに整列され且つ取り付いており、これによって筒状の浮遊シール案内部材の中を流体が所定方向に流れることができるようにしている。シール部材のウオッシュパイプ延長部が浮遊型シール部材に対して凹凸嵌合状態で結合されている。二次Ｕ字型カップシール部材が前記浮遊シールハウジング部材とウオッシュパイプ延長部との間に介装されて研磨材を含んだ流体が回転継手から侵入するのを防止している。上記の浮遊シール機構は浮遊シール後退ナットと、位置決め又は駆動ピンをその後退ナットに有し、固定または浮遊シールリング機構を装着している。
【００１１】
前記の固定又は浮遊シールリング機構は、第１のセラミックシールリングを有し、この第１のセラミックシールリングは、セラミックシールリング部材の周囲にて鋼製のリング部材を熱収縮させることで、円形のスチールリング部材の内部に装着される構成となっている。浮遊シールは、ピンと浮遊シール後退ナットによって浮遊案内シール部材に装着されている。後退ナットは、第１のシールリング部材と第２のシール部材との間のギャップを調整するバネ部材を圧縮し、上記第２のシールリング部材は回転する第２の筒状の部材若しくは機械に保持される調整板部材にキー締めされている。上記第２のシール部材は更に鋼製のリング部材の内部に熱収縮にて装着されているセラミックシールリングをも備えている。
【００１２】
上記第２のセラミック製シールリングはその断面がほぼ四辺形若しくは正方形の形状を有し、上記第１のシリコンカーバイドシールリング部材が同様な形状を有しているものの、しかし第１のセラミックシールリングの接触摩耗面の一つが第２のセラミックシールリングに接触し係合する環状の突起摩耗面を備えていることが望ましいという点では、上記第１のシリコンカーバイドシールリングとは相違する。
【００１３】
請求項１に記載の本発明によれば、
高圧の流体を移送するための回転継手であって、
高圧流体源に結合した第１の端部を有すると共に、上記第１の端部に対して反対側の端部を有する非回転型の筒部材と；
上記反対側の端部に保持され且つ上記第１の端部と整合してなるシール案内部材と；
上記シール案内部材はその内部を高圧の流体が流れる ようにした筒状のウオッシュパイプ延長部を備えてお り、
上記筒状ウオッシュパイプ延長部の周囲において伸縮自在に装着され、且つ、両者の間にシール室を形成してなる筒状浮遊シール部材と；
上記筒状浮遊シール部材は延端部を有すると共に、付 勢部材によって上記非回転型の筒部材に調整可能に保 持されており、
上記延端部において上記筒状浮遊シール部材に保持且つ整合された第１のシールリング部材と；
上記筒状の浮遊シール部材の上記延端部に対して整合された近端部を備えた回転する筒部材と；更に
上記回転する筒部材の上記近端部に保持された第２のシールリング部材とを有し、
上記第１と第２のシールリング部材は、高圧流体が移送されるときに上記付勢部材によってシール力を形成することを特徴とした回転継手機構である。
【００１４】
請求項２に記載の本発明によれば、
上記第１及び第２のシールリング部材は、セラミック材より成り、ほぼ矩形の断面形状を有し、上記第１及び第２のシールリング部材の少なくとも一方は第１と第２のシール摩擦面を有している、請求項１に記載の回転継手機構である。
【００１５】
請求項３に記載の本発明によれば、
上記第１及び第２のシールリング部材は、鋼製のリングホルダ部材内にて外径の周囲に保持されて上記摩擦面のための対称の構成を維持していると共に、上記摩擦面のための平坦部を備えている請求項２に記載の回転継手機構である。
【００１６】
請求項４に記載の本発明によれば、
上記第１及び第２のシールリング部材は、上記対応するシールリング部材の周囲に上記鋼製リングホルダを熱収縮させることによって、上記鋼製リングホルダ部材内に装着されている請求項３に記載の回転継手機構である。
【００１７】
請求項５に記載の本発明によれば、
上記第１と第２のシールリング部材の少なくとも一方は、上記第２のシール摩擦面と上記第１のリング部材とが係合できるように上下面が反転可能とした、請求項２に記載の回転継手機構である。
【００１８】
請求項６に記載の本発明によれば、
上記第１と第２のシールリング部材はその断面がほぼ矩形であり、上記第１のシールリング部材はその一側から突出した環状突起を有して上記回転する第２のシールリングと接触する平板状の面を形成し、これによって、上記第１と第２のシールリング部材とが非同心状の整合状態にある間は、上記第１と第２のシールリング部材間のシールを形成してなる、請求項１に記載の回転継手機構である。
【００１９】
請求項７に記載の本発明によれば、
上記シール室には、上記筒状浮遊シール部材と上記ウオッシュパイプ延長部との間にエラストマーシール部材を配置して機構本体から高圧流体が流出するのを防止するようにして成る請求項１に記載の回転継手機構である。
【００２０】
請求項８に記載の本発明は、
上記エラストマーシール部材はＯリング、Ｕ字カップ型リング、スリッパシールより選択されてなる請求項７に記載の回転継手機構である。
【００２１】
請求項９に記載の本発明は、
上記付勢部材はバネである請求項１に記載の回転継手機構である。
【００２２】
請求項１０に記載の本発明は、
高圧流体システムと共に用いるウオッシュパイプシール機構であって、
高圧流体源に取り付いた一端を有し、その他端は筒状のウオッシュパイプ延長部材を備えている非回転の筒部材と；
近端部と延端部とを有する筒状の浮遊シール部材と；
上記近端部は上記筒状ウオッシュパイプ延長部材の周 囲に伸縮自在に装着されて両者の間にシール室を形成 してなり、
上記シール室内に位置してシール機構本体から高圧流体が流出するのを防止するエラストマーシール部材と；
上記筒状浮遊シール部材を上記非回転の筒部材に装着する付勢部材と；
上記筒状浮遊シール部材の上記延端部に装着された第１のシールリング部材と；
上記筒状浮遊シール部材の上記延端部と整合した近端部を有する回転する筒部材と；
上記回転する筒部材の上記近端部に保持されて、高圧流体がシール機構本体を移動するときに、上記付勢部材が上記第１のシールリング部材との間にシール力を形成するようにした第２のシールリング部材と；
を備えてなるウオッシュパイプシール機構である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に依れば５，０００〜１０，０００ＰＳＩの圧力下で２５０ＲＰＭまで運転可能であり、５００時間まで寿命を延長できる。第１と第２のセラミックリングとの間に過剰の摩耗が生じた場合、本発明の新規な構成によれば第２のシール部材が反転して第１のシールリングに対して追加の運転シール面を提供することができる。このように、本発明は掘削機構の回転継手（スイベル）の為のシーリング構造を提供するものであり、これによって１，０００時間もの長時間の高圧シール運転が可能となった。
【００２４】
更に、浮遊シール若しくは第１の固定シールリングが非回転の浮遊シール案内部材によって装着されているが為に、回転するシール若しくは第２の回転型セラミックシールリングが非回転の第１のシールリングに対して回転し、これによってシール面同士の互いの取り付け不良を防止する働きをし、この結果回転継手の寿命を引き延ばす働きをすることになる。加えて、浮遊シール機構がシール後退ナットによって非回転の部材に装着されているので、このナットが容易に圧縮可能となり第１のセラミックシールリングを回転するシールリング部材から離れるように移動させ、これによって摩耗が生じたときにそのユニットを容易に取り外しでき且つ交換が可能となる。これによって、第１のシール部材と第２のシール部材の一次シール機構を互いに交換や取り替えが容易となり、このことは本発明の更なる、且つ重要な利点である。
【００２５】
本発明は二次シール機構若しくは集成体を提供する。この二次シール機構は浮遊シール部材の外面によって画成されるシール室内に位置したＵ型カップのシール部材を備えている。この二次シール機構は、ウオッシュパイプと浮遊シール部材の間の位置の、高圧摩耗掘削流体から離れた位置に配置されており、そして上記両者間の効率的なシール効果を奏し得るものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下図面を参照して本発明の好ましい具体的構成を示す実施形態について説明する。この実施例は本発明の例示的なものであり本発明の内容を限定するものではない。
【００２７】
図面は本発明の好適な実施例による、改良された掘削装置回転継手（drilling rig swivel）若しくは結合装置１０を示している。
図１では従来の掘削装置回転継手を示し、ロータリーシール１１の組み立て体を採用している。ロータリーシール１１は、通常は強化エラストマー材で形成され、このエラストマー材がウオッシュパイプ１２の外部筒状シール面１３とで動的なシール機構を形成している。掘削回転継手は非回転のホースまたは部材１４から回転するドリル線または部材１５へと摩擦掘削流体を送り込む。図１に示すように、ロータリーシール１１はハウジング溝１６内に位置し、相対的に回転可能なウオッシュパイプ表面１３に対抗して圧縮されて両者の間にシーリング接触を形成し、研磨ドリル流体(abrasive drilling fluid）を結合装置１０内に保持している。回転するシール部材とウオッシュパイプ１２との間の空隙が過剰に存在すると、シールが完全に損壊してしまう原因となる。ウオッシュパイプ１２の周囲には強化エラストマー回転シールが積み重ねられ、シールの一方側は高圧ドリル流体に連続して曝され、シールの他方側は大気圧に曝される。この圧力差によって、ロータリーシールが高圧と結合してウオッシュパイプを強く把持・係合し、ウオッシュパイプとシールを摩耗度を高める結果となる。第１のロータリーシールが破損すると、スタック内の次のシールが同様の力と摩耗に曝され、最終的には全てのシールが研磨材を含んだ掘削流体によって破壊されてしまうことになる。
【００２８】
図２は、回転する結合部材に浮遊シール部材が装着され、非回転の結合部材にシール部材が装着された構造の従来技術による掘削装置用回転継手を示すものである。浮遊シール機構５０はリングホルダ５２に装着されたセラミックリング部材５１を備え、浮遊シール機構が構造的に配置されて、別のリングホルダ５６に装着された別のセラミックリング部材５５より成る固定のシール機構５４に係合するようになっている。従来の回転継手（スイベル）は、ウオッシュパイプ１２の端部と、回転するドリルストリング（drill string、即ち回転体）部材との間に位置したＵ字型シール部材５８より成る二次シール機構を備えている。しかし、この二次シール機構が研磨流体に曝されていること、浮遊シール部材が回転する結合部材に配置されていること、そしてリング部材５１と５５の間の接触面が狭いという事実によって、かかる回転継手機構にとって容認し難い程に寿命が短くなってしまう。
【００２９】
本発明は前記従来型のスタック状になったシールシステムの欠点を補うものであり、以下図３乃至図５を参照して説明する。本発明は掘削装置の回転継手若しくは結合装置に用いる長寿命型シール機構を提供するものである。但し、図面の図１乃至図５に示した全ての具体的な回転継手の種々構造にも適用できるものであり、本発明の技術的思想と範囲を限定するものではない。本発明は種々のタイプの流体移送回転継手、即ち、第１の筒部材１７に対して同心状に配置し、第２の筒部材１８が回転可能であり且つドリルストリング（回転部材）若しくは同様の部材１５の典型となるような種々タイプの流体移送型回転継手にも適用できるものである。
【００３０】
本発明は、非回転の第１の筒部材１７に装着された浮遊シール機構２０を備え、上記第１の筒部材１７は回転するシール機構２２と係合するような構造に配置されており、上記回転するシール機構２２は回転する第２の筒部材１８に装着されて、回転型シール部材と浮遊型シール部材との間のシール機構を形成している。筒状の浮遊型シール案内部材２４が上記第１の筒部材１７に対して直線状に整列されていると共に、緊締部材２５と回転止めピン２７とによって同心状に保持されている。浮遊型シール案内部材２４は筒状の延長部若しくはウオッシュパイプ部材２６を有しており、掘削流体がその中を通って第１の筒部材１７から回転する第２の筒部材１８に通過することが可能となっている。シール案内部材２４の筒状の延長部若しくはウオッシュパイプ部材２６は、雄雌係合により浮遊シール部材２９と協働できるように配置されており、そして第２のＵ字型シール部材３０が上記浮遊シール部材と筒状のウオッシュパイプ部材２６との間に位置している。上記Ｕ字型シール部材３０は、研磨掘削流体が掘削装置の回転継手若しくは結合装置１０から漏出してしまうのを防止している。
【００３１】
浮遊シール機構２０は結合装置１０の固定部分に装着され、回転防止ピン２７によって固定筒部材１７に一直線状に配列されて浮遊シール案内部材によって両者間を所定の方向に流体が流れることを可能にしている。ウオッシュパイプ延長部材２６は浮遊型シール部材２９で囲繞され、両者の間にシール室３１を画成している。このシール部材３１は二次Ｕ型シールリング３０を備え、研磨材を含んだ流体が運転中に回転継手から漏出するのを防止している。
【００３２】
浮遊シールリング機構３２は、符号３３で示すように浮遊シール部材２９にキー締めされている。浮遊シールリング機構３２は第１のセラミックシールリング部材３４より成り、このシールリング部材３４は、鋼製のリング部材を第１のセラミックシールリング部材３４の周囲にて熱収縮させることで円形の固定型鋼製リング部材３５の中に装着されている。この浮遊型シール部材２９は、浮遊シール収縮ナット３６によって浮遊型シール案内部材２４に取り付いている。上記ナット３６は、浮遊型シールリング機構３２と第１のセラミックシールリング３４との間に押圧力を形成するバネ部材３７と、第２のセラミックシールリング部材４０とを圧縮するものであるが、上記第２のセラミックシールリング部材４０は、回転型の第２の筒部材１８に保持されたアダプタ板部材３８にキー締めされて装着されている。回転する第２のセラミックシールリング部材４０もまた、鋼製のリング部材４２内に熱収縮により装着されている。
【００３３】
第１と第２のセラミックシールリング３４，４０は、その断面形状がほぼ矩形若しくは正方形となっており、第１のセラミックシールリング３４の方はシールリングのシール面３４ａから外側に張り出した環状突起４４（図４参照）を有している。図４に示すように、環状の突起４４は平板状の外方面を呈し、これが第２の環状シールリング４０のシール面４０ａ、４０ｂにシール結合できるようにしている。環状突起４４は第２のセラミックシールリング４０の内径よりも大きな内径を有し、第２のセラミックシールリング４０の外径よりも小さな外径を有している。
【００３４】
回転継手の運転において、本発明の浮遊シール機構は５,０００〜１０,０００ＰＳＩの圧力で、２５０ＲＰＭまで運転可能であり、寿命が１０００時間まで延ばすことができる。第１と第２のセラミックシールリング部材の間において過剰な研磨が生じると、本発明の場合には、シールリング部材４０はその上下が逆となるように反転・移動して、面４０ｂは、第１のシールリング部材３４の突起４４側に向き、追加の作動シール面を提供する。このように、本発明は５００時間以上の高圧運転ができるようにした結合機構用のシール構造を提供することができ、この運転時間は、第１のシールリングを動かすことによって別の運転シール面を提供でき、これによって運転時間を、少なくとも約１,０００時間程度まで、約２倍にすることができる。
【００３５】
浮遊シール機構２０が非回転の第１の筒状案内部材１７に取り付いているために、浮遊シール機構の安定性が高まり、二つのシール機構の不整合を回避する働きをし、シール寿命を引き延ばすことができる。更に、浮遊シールが戻り部材３６で装着されているために、容易に圧縮可能なバネ部材３７によってシール機構への接触などのアクセスが容易となる。かくして、第１及び第２のセラミック／シリコンカーバイドのシールリング部材の交換や取り出しが容易となる、という極めて重要な効果を奏することができる。
【００３６】
以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、請求の範囲に記載の範囲内で種々変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来公知技術を示す図であり、掘削装置の回転継手と協働する流体力学的シールのスタック構造を示す断面図。
【図２】図１に示した従来公知の掘削装置の回転継手の断面図。
【図３】本発明の好適な実施例によるフローティング（浮遊）型回転継手のシール機構を示す断面図であり、第１と第２のシール機構が互いに係合状態にあってシール構造を形成した状態を示す図である。
【図４】図３に示す本発明における浮遊型回転継手シール機構の拡大図であり、本発明の二次シール機構を示す図である。
【図５】本発明によるフローティング（浮遊）型回転継手のシール機構断面図であり、運転休止状態の上記機構を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  掘削装置の回転継手（若しくは結合機構）
１１  ロータリーシール
１２  ウオッシュパイプ
１３  円筒状のシール面
１４  非回転のホース若しくは部材
１５  回転する掘削ストリング若しくは部材
１７  第１の筒部材
１８  第２の筒部材
２０  浮遊型（フローティング）シール機構
２２  回転するシール機構
２４  浮遊型シール案内部材
２５  緊締部材
２６  ウオッシュパイプの延長部
２７  回転止めピン
２９  浮遊シール部材
３０  Ｕ型カップのシールリング
３１  シール室
３２  浮遊シールリング機構
３４，４０  セラミックシール部材
３６  ナット
４０  第２のセラミック製シールリング部材
４２  鋼製リング部材
４４  環状突起
５１、５５  セラミックリング部材
５４  固定のシール機構
５６  リングホルダ
５８  Ｕ型カップのシール部材
【図１】
2006064178.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
[TITLE OF THE INVENTION]
WASHPIPE SEAL ASSEMBLY
[CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATION]
This application is related to and claims the benefit of U.S. Provisional Application Ser. No. 60/604,944 filed August 27, 2004, the teachings of which are incorporated herein by reference.
[BACKGROUND OF THE INVENTION]
The present invention relates to an extended life swivel seal assembly and, in particular, to an extended life swivel seal assembly for use in a fluid coupling device for high speed geological drilling operations.  
Fluid coupling devices are utilized in high speed drilling operations where it is necessary to couple the outlet of a fluid source to the rotating device.  Specifically, in oil and gas drilling operations, swivel seal assemblies are utilized to provide a sealing arrangement between the washpipe and the rotating sealing housing.
One type of a drilling rig swivel seal assembly utilizes a stack of rotary seals which are typically comprised of reinforced elastomeric material that provide a dynamic sealing arrangement with the external cylindrical sealing surface of the washpipe.  In such designs, the seals and their housings rotate relative to the stationary washpipe, and the seals are sequentially exposed to the high pressure drilling fluid on one side of the seal and atmospheric pressure on the other side of the seal.  This differential pressure causes the seal closest to the high pressure to grab tightly against the washpipe, thereby causing a high degree of wear and abrasion to the washpipe and the seal.  The relatively large clearance required between the rotating seal and the washpipe result in ultimate failure of the seal.  Additionally, because of the stacked relation of the seals to the washpipe, once the first seal fails, the next seal in the stack is exposed to similar forces and wear and so on until all the seals have been consumed by the severe abrasive operating conditions.  Also, such rotary seal members are complicated and complex in structure, are time consuming and difficult to replace, and have a limited lifetime of approximately 200 hours or less when operating at 90 RPM's and up to 2,500 PSI.  When such seal assemblies are operated at 5,000 PSI and at 250 RPM's, such seals last only between 20 and 30 hours before replacement is necessary.
An additional sealing arrangement is the utilization of complex U-shaped cup ring sealing assemblies between the washpipe and the rotating seal assembly.  However, such sealing assemblies also have a limited lifetime and require significant replacement costs due to wear and abrasion which results in extended downtime of the drilling swivel seal assembly.  
It has also been suggested to provide a floating seal member attached to the rotating coupling member and a similar seal member mounted to the non-rotating coupling member to provide a seal assembly for a drilling rig swivel assembly.  Such seal assemblies further include a secondary seal member comprised of a U-cup seal member between the distal end of the washpipe member and the floating seal member.  However, because the U-cup seal member is exposed to the high pressure abrasive drilling fluid, such contact results in the rapid failure of such fluid coupling assemblies.
[SUMMARY OF THE INVENTION]
One object of the present invention is to provide a solution to the limited lifetime of existing sealing assemblies for drilling rig swivel coupling assemblies.  
It is another object of the present invention to provide an extended life swivel seal assembly which is mounted to the stationary non-rotating washpipe or coupling member.  
It is yet another object of the present invention to provide an improved sealing arrangement for swivel coupling assemblies which provide an extended seal life and which result in reduced wear of the annular seal face members.
Moreover, it is a further object of the present invention to provide first and second annular seal members which are structurally arranged with respect to one another such that at least one of the seal members may be flipped with respect to the other seal member to provide a second operating sealing surface between such annular seal members.  
The present invention provides an extended life sealing arrangement for a drilling rig swivel or coupling assembly which utilizes a floating seal assembly having a seal member mounted to the non-rotating washpipe or first conduit member and which is structurally arranged to engage a rotating seal member which is mounted to a second conduit member or the rotating machine to provide a sealing arrangement between the rotating seal member and the floating seal member.  The floating seal assembly is detachably mounted to the stationary tubular portion of the swivel coupling device.  A tubular floating seal guide member is aligned and attached to the stationary housing with antirotating pins to ensure that the tubular floating seal guide member permits directional fluid flow therethrough.  The washpipe extension portion of the seal guide member is structurally arranged with a floating seal member in a male/female relationship.  A secondary U-cup seal member is positioned between the floating seal housing member and washpipe extension to prevent penetration of the abrasive containing fluid from the swivel assembly.  The floating seal assembly includes a floating seal retracting nut and locating or driving pins thereon to provide a mounting of the stationary or floating sealing ring assembly.
The stationary or floating seal ring assembly is comprised of a first ceramic sealing ring that is mounted within a circular steel ring member by heat shrinking the steel ring member about the ceramic sealing ring member.  The floating seal is mounted to the floating guide seal member by locating pins and a floating seal retracting nut.  The retracting nut compresses a spring member which adjusts the gap distance between the first sealing ring member and the second sealing ring member which is keyed to an adaptor plate member secured to the rotating second conduit member or machine.  The second sealing member is also provided with a ceramic sealing ring that is heat-shrink mounted within a steel ring member.  
The cross-section configuration of the second ceramic sealing ring is approximately rectangular or square in shape, with the cross-section of the first silicon carbide seal ring member having a similar shape except that it is preferred that one of the contact wear surfaces of the first ceramic sealing ring have an annular projecting wear surface portion for contacting and engaging the second ceramic sealing ring.
It has been determined that the present invention is operable at pressures of between 5,000 to 10,000 PSI and up to 250 RPM's, with an extended life of up to 500 hours.  When excessive abrasion occurs between the first and second ceramic sealing rings, the unique structure of the present invention permits that the second sealing member may be turned over to provide an additional operational sealing surface with the first sealing ring.  Thus, the present invention provides a sealing structure for a drilling rig swivel assembly which permits high pressure sealing operations for a period of time of up to 1,000 hours.  
Additionally, because the floating seal or first stationary sealing ring is mounted by the non-rotating floating seal guide member to the first conduit member, the rotation of the rotary seal or second rotating ceramic sealing ring with respect to the non-rotating first sealing ring assists in preventing misalignment with respect to these sealing faces, which results in an increased lifetime performance of such swivel seal assemblies.  Additionally, because the floating seal assembly is mounted to the non-rotating member with a seal retraction nut, the nut may be readily compressed to move the first ceramic seal ring away from the rotating seal ring member to permit ready access to and change of the units when wear occurs.  This ease in changing or replacing the primary sealing arrangement of the first and second seal members with respect to one another is a further and important advantage of the present invention.  
A secondary seal arrangement or assembly is provided in the present invention.  This secondary seal arrangement includes a U-cup seal member positioned within a seal chamber defined by the outside surface of the floating seal member.  The secondary seal arrangement is positioned between the washpipe and floating seal member at a location which is remote from the high pressure abrasive drilling fluid and provides effective sealing between the two members.
The present invention consists of certain novel features and structural details hereinafter fully described, illustrated in the accompanying drawings, and particularly pointed out in the appended claims, it being understood that various changes in the details may be made without departing from the spirit, or sacrificing any of the advantages of the present invention.
[DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT]
For purpose of facilitating and understanding the present invention, there is illustrated in the accompanying drawings a preferred embodiment thereof from an inspection of which, when considered in conjunction with the following description, the invention, its construction and operation and many of its advantages will be readily understood and appreciated.
Referring now to the drawings, there is illustrated a preferred embodiment of the present invention which relates to a drilling rig swivel or coupling assembly 10 which incorporates the improved sealing arrangement and assembly provided in accordance with the present invention.  A fragmentary portion of a drilling swivel is shown in FIG. 1 and is representative of the prior art wherein a drilling rig swivel seal assembly utilizes a stack of rotary seals 11.  The rotary seals 11 are typically comprised of reinforced elastomeric materials that provide a dynamic sealing arrangement with the external cylindrical sealing surface 13 of a washpipe 12.  The drilling swivel conducts abrasive drilling fluid from a non-rotating hose or member 14 to a rotating drill string or member 15.  As shown in FIG. 1, the rotary seals 11 are located within housing grooves 16 and are compressed against a relatively rotatable washpipe surface 13 to establish a sealing contact therebetween to retain the abrasive drilling fluid within the coupling assembly 10.  Excessive clearance between the rotating seal members and the washpipe 12 cause the seal to result in ultimate failure.  The reinforced elastomeric rotary seals 11 are stacked about the washpipe 12 and provide sequential exposure to the high pressure drilling fluid on the one side of the seal and the atmospheric pressure on the other side of the seal.  This differential pressure causes the rotary seal engaged by the high pressure to tightly grab and engage the washpipe, thereby causing a high degree of wear and abrasion to the washpipe and the seal.  When the first rotary seal fails, the next seal in the stack is exposed to similar forces and wear until all of the seals have been destroyed by the abrasion containing drilling fluid.
FIG. 2 is a representation of a prior art drilling rig swivel assembly comprised of a floating seal member mounted to the rotating coupling member and a seal member mounted to the non-rotating coupling member.  The floating seal assembly 50 is comprised of a ceramic ring member 51 mounted to a ring holder 52, with the floating seal assembly structurally arranged to engage the stationary seal assembly 54 comprised of a ceramic ring member 55 mounted to a ring holder 56.  The prior art swivel assembly includes a secondary seal assembly comprised of an U-cup seal member 58 positioned between the end of the washpipe 12 and the rotating drill string member 15.  However, the exposure of the secondary seal arrangement to the abrasive fluid, the positioning of the floating seal member on the rotating coupling member, and the presentment of narrow contact surfaces between the ring members 51 and 55 result in unacceptable lifetimes of such swivel assemblies.
To overcome the deficiencies of a stacked sealing system in accordance with the prior art, the present invention is described with reference to FIGS. 3 and 5.  The present invention provides an extended life sealing arrangement for a drilling rig swivel or coupling assembly 10.  However, it is within the scope of the present invention that the particular swivel structure that is illustrated in FIGS. 1-5 are not intended to limit the spirit and scope of the present invention.  The present invention is applicable to any type of fluid conducting swivel assemblies wherein a second conduit member 18 is positioned coaxially with respect to a first conduit member 17 and wherein the second conduit member is rotatable and is representative of a drill string or similar member 15, and the first conduit member is non-rotatable and is representative of a hose or similar member 14.
The present invention includes a floating seal assembly 20 mounted to the non-rotating first conduit member 17 which is structurally arranged to engage a rotating seal assembly 22 which is mounted to the rotating second conduit member 18 to provide a sealing arrangement between the rotating and floating seal members.  A tubular floating seal guide member 24 is aligned with the first conduit member 17 and is coaxially secured thereto by a fastening member 25 and anti-rotation pins 27.  The floating seal guide member 24 includes a tubular extension or washpipe member 26, which is structurally arranged to permit drilling fluid to pass therethrough from the first conduit member 17 to the rotating second conduit member 18.  The tubular or washpipe member 26 of the seal guide member 24 is structurally arranged to cooperate with a floating seal member 29 in a male-female relationship, with a secondary U-cup seal member 30 positioned between the floating seal member and the tubular washpipe member 26.  The U-cup shaped seal member 30 prevents escape of abrasive drilling fluid from the drilling rig swivel or coupling assembly 10. 
The floating seal assembly 20 is mounted to the stationary portion of the coupling device or assembly 10 and is aligned to the stationary conduit member 17 with anti-rotation pins 27 to ensure that the floating seal guide member permits directional fluid flow therebetween.  The washpipe extension member 26 is surrounded by the floating seal member 29 to define a seal chamber 31 therebetween.  The seal chamber 31 includes a secondary U-cup seal ring 30 therebetween to prevent escape of the abrasive containing fluid from the swivel unit during operation.  
A floating seal ring assembly 32 is keyed 33 to the floating seal member 29.  The floating seal ring assembly 32 is comprised of a first ceramic seal ring member 34 which is mounted within a circular stationary steel ring member 35 by heat shrinking the steel ring member about the first ceramic seal ring member.  This floating seal member 29 is mounted to the floating guide member 24 by floating seal retracting nut 36.  The retracting nut 36 compresses a spring member 37 which provides a squeeze force between the floating seal ring assembly 32 and the first ceramic seal ring 34, and a second ceramic sealing ring member 40, which is keyed and mounted to an adaptor plate member 38 secured to the rotating or second conduit member 18.  The rotating second ceramic seal ring member 40 is also heat shrunk mounted within a steel ring member 42.  
The cross-sectional configuration of the first and second ceramic seal ring members 34 and 40, respectively, are approximately rectangular or square in shape with the first ceramic sealing ring 34 having an annular projection 44 (FIG. 4) extending outwardly from the seal surface 34a of the sealing ring.  As shown in FIG. 4, the annular projection 44 provides a planar outer surface which enables sealing engagement with the sealing surfaces 40a and 40b of the second annular sealing ring 40.  The annular projection 44 has an inside diameter greater than the inside diameter of the second ceramic seal ring and has an outside diameter which is less than the outside diameter of the second ceramic sealing ring.
In operation of the swivel assembly, it has been found that the floating seal assembly of the present invention is operable at pressures of between 5,000 to 10,000 PSI and up to 250 RPM's with an extended life of up to 1,000 hours.  When excessive abrasion occurs between the first and second ceramic seal ring members, the present invention permits that sealing ring member 40 may be flipped to present surface 40b to projection 44 of the first seal ring member 34 to provide additional operational sealing surface.  Thus, the present invention provides a sealing structure for a coupling assembly which permits high pressure operations for a period of time of up to 500 hours, which operational time may be doubled to at least about 1,000 hours by flipping the first sealing ring to provide additional operational sealing surfaces.  
Because the floating seal assembly 20 is mounted to the non-rotating first conduit guide member 17, the stability of the floating seal assembly aids in the avoidance of misalignment of the two sealing assemblies to provide an extended sealing life for the present invention.  Also, because the floating seal is mounted by a retracting member 36, the readily compressed spring member 37 permits ready access to the sealing assemblies of the present invention.  Thus, the ease in changing or replacing the first and second ceramic/silicon carbide seal ring members is an important advantage of the present invention.  
The above description is not intended to limit the present invention, and alternative embodiments will be apparent to those of ordinary skill in the art.  Accordingly, the scope of the invention should be determined by the appended claims and their legal equivalents, not by the embodiments described and shown above.
[DESCRIPTION OF THE DRAWINGS]
FIG. 1 is a cross-section representative of a prior art stack of hydrodynamic seals associated with drilling rig swivels;
FIG. 2 is a cross-sectional view of a prior art drilling rig swivel assembly;
FIG. 3 is a longitudinal, cross-sectional view representing a preferred embodiment of the floating swivel seal assembly in accordance with the present invention wherein the first and second seal assemblies are in engagement and contacting one another to provide the sealing structure;
FIG. 4 is an enlarged view of the floating swivel seal assembly shown in the circle in FIG. 3, illustrating the secondary seal arrangement in accordance with the present invention; and
FIG. 5 is a longitudinal, cross-sectional illustration representing the drilling rig swivel floating seal assembly in accordance with the present invention shown in its unoperated, unpressurized condition.
1. A swivel assembly for conducting a high pressure fluid, including in combination:
a non-rotating conduit member having a first end attached to the source of high pressure fluid and having an end opposite said first end, 
a seal guide member  structurally secured to said end opposite said first end and aligned with said first end, with said seal guide member having a tubular washpipe extension portion which permits the passage of high pressure  fluid therethrough;
a tubular floating seal member telescopically mounted about said tubular washpipe extension portion and providing a seal chamber therebetween, with said tubular floating seal member, having a distal end, being adjustably secured to said non-rotating conduit member by a biasing member;
a first seal ring member structurally secured to and aligned with said tubular floating seal member on said distal end thereof;
a rotating conduit member having a proximal end aligned with respect to said distal end of said tubular floating seal member; and
a second seal ring member structurally secured to said proximal end of said rotating conduit member, with said first and said second seal ring members providing a sealing force therebetween due to said biasing member when a high pressure fluid is conducted through the swivel assembly.
2. The swivel assembly in accordance with claim 1, wherein each of said first and said second ring members is comprised of a ceramic material and is substantially rectangular in cross-section, with at least one of said first or said second ring members having first and second sealing wear surfaces thereon.
3. The swivel assembly in accordance with claim 2, wherein each of said first and said second ring members are securely mounted about the external diameter within a steel ring holder member to maintain a symmetrical structure for said wear surfaces while having a flatness for said wear surfaces.
4. The swivel assembly in accordance with claim 3, wherein each of said first and said second ring members are mounted within said steel ring holder members by heat shrinking said steel ring holder member about said respective ring member.
5. The swivel assembly in accordance with claim 2, wherein at least one of said first or said second ring member is said second seal ring member which may be flipped to provide engagement of said second sealing wear surface with said first ring member.
6. The swivel assembly in accordance with claim 1, wherein said first and said second seal ring members are substantially rectangular in cross-section and said first seal ring member has an annular projection member extending from one side thereof to provide a planar surface for contacting said rotating second seal ring to provide a seal therebetween during non-concentric alignment of said first and said second seal ring members.
7. The swivel assembly in accordance with claim 1, wherein an elastomeric seal member is positioned in said seal chamber between said tubular floating seal member and said washpipe extension portion to prevent escape of the high pressure fluid from the swivel assembly.
8. The swivel assembly in accordance with claim 10, wherein said elastomeric member is selected from a group consisting of an o-ring, a u-cup ring or slipper seal.
9. The swivel assembly in accordance with claim 1, wherein said biasing member is a spring.
10. A washpipe seal assembly for use with a high pressure fluid system, including in combination:
a non-rotating conduit member having one end attached to the source of high pressure fluid and the other end including a tubular washpipe extension member;
a tubular floating seal member having a proximal end and a distal end, with said proximal end telescopically mounted about said tubular washpipe extension member to provide a seal chamber therebetween;
an elastomeric seal member positioned in said seal chamber to prevent escape of the high pressure fluid from the seal assembly;
a biasing member structurally arranged to engage and mount said tubular floating seal member to said non-rotating conduit member;
a first seal ring member mounted to said distal end of said tubular floating seal member;
a rotating conduit member having a proximal end aligned with said distal end of said tubular floating seal member; and
a second seal ring member structurally secured to said proximal end of said rotating conduit member such that said biasing member provides a sealing force between said first seal ring member and said second seal ring member when high pressure fluid is conducted through the seal assembly.
11. The seal assembly in accordance with claim 10, wherein each of said first and said second ring members is comprised of a ceramic material and is substantially rectangular in cross-section, with at least one of said first or said second ring members having first and second sealing wear surfaces thereon.
12. The seal assembly in accordance with claim 11, wherein each of said first and said second ring members are securely mounted about the external diameter within a steel ring holder member to maintain a symmetrical structure for said wear surfaces while having a flatness for said wear surfaces.
13. The seal assembly in accordance with claim 12, wherein each of said first and said second ring members are mounted within said steel ring holder members by heat shrinking said steel ring holder member about said respective ring member.
14. The seal assembly in accordance with claim 11, wherein at least one of said first or said second ring member is said second seal ring member which may be flipped to provide engagement of said second sealing wear surface with said first ring member.
15. The seal assembly in accordance with claim 10, wherein said first and said second seal ring members are substantially rectangular in cross-section and said first seal ring member has an annular projection member extending from one side thereof to provide a planar surface for contacting said rotating second seal ring to provide a seal therebetween during non-concentric alignment of said first and said second seal ring members.
16. The seal assembly in accordance with claim 10, wherein said elastomeric member is selected from a group consisting of an o-ring, a u-cup ring or slipper seal.
17. The seal assembly in accordance with claim 10, wherein said biasing member is a spring.
A coupling seal assembly is described for directing a pressurized abrasive fluid between a non-rotating conduit member and a rotating second conduit member.  The seal assembly includes a first ceramic floating seal member secured to the non-rotating conduit member and a second ceramic seal member secured to the rotating conduit member.  Enhanced service life of the seal assembly under high pressures and high rotary speeds is achieved.
FIG.1
2006064178.tif 000008
FIG.2
2006064178.tif 000009
FIG.3
2006064178.tif 000010
FIG.4
2006064178.tif 000011
FIG.5
2006064178.tif 000012