氣動潛孔錘鑽以及用於在該錘鑽中使用的鑽頭和底閥的製作方法

2023-09-13 12:38:30

專利名稱：氣動潛孔錘鑽以及用於在該錘鑽中使用的鑽頭和底閥的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及一種用於鑽巖的氣動潛孔錘鑽、在該潛孔錘鑽中 使用的一種鑽頭和一種底閥。
背景技術：
當利用潛孔錘鑽在地下諸如在隧道中進行鑽削時，經常通過使用 水來限制由鑽削操作產生的塵土，水被混合到驅動錘鑽的加壓空氣中 並且將塵土衝走。潛孔錘鑽設有塑料底閥，該塑料底閥位於鑽頭砧座 中的中央通道中並且從砧座的衝擊表面突出。底閥反覆地被往復活塞
的中央孔包圍，以通過鑽頭轉移用過的加壓驅動空氣。在美國專利No. 6,125,952中披露了這項技術的實例，其主題內容由此通過引用而被並 入以用於披露潛孔錘鑽技術。由於長期的深孔鑽削應用而引起的磨損， 不同製造商之間的公差的差異，以及可能到達活塞缸筒和底閥外徑之 間的碎屑，在鑽削期間，當活塞開始向上衝程時，活塞可能使得底閥 從鑽頭柄(bitshank)本體脫離。如在這裡所使用地，"深孔鑽削"指 的是用於深度能夠在從100到3,000米中的任何一處的石油和天然氣的 鑽削。錘鑽、鑽頭和底閥的運行時間能夠超過連續36小時，並且處於 大約135攝氏度的溫暖溫度潛孔下。僅僅為了更換塑料底閥而將大量 的管道從鑽孔拉出是不利的。目前，對於鑽井時間，每天的成本超過 大致$12，000.00。
本發明旨在避免在前已知的設備的上述缺點。因此，本發明的目 的在於提供一種提供了延長的底閥壽命的用於衝擊式潛孔錘鑽的鑽頭 和底閥。
本發明的另一個目的在於提供一種特別地在深孔鑽削條件期間可以防止底閥從鑽頭本體脫位的、用於潛孔錘鑽的鑽頭。
本發明的又一個目的在於提供一種與迄今已知的衝擊式潛孔錘鑽 相比在維修之間將具有更長的使用壽命的用於潛孔鑽頭的底閥。
本發明的再一個目的在於提供一種對於公差錯誤不太敏感的鑽頭 和底閥。

發明內容
在一個實施例中，本發明提供一種用於鑽巖的氣動潛孔錘鑽，包 括限定出軸線的基本柱形的外殼、被安裝到該外殼後端的鑽短節(drill sub)、被安裝到該外殼前端的鑽夾頭、以及被安裝於鑽夾頭中並且包
括前切削麵和後砧座部分的鑽頭。該砧座部分包括面向後的砧座表面。 該鑽頭包括延伸通過該砧座表面的第一中央通道，該通道鄰近於後砧 座表面形成空腔。活塞被安裝於外殼中，在鑽頭的後面，並且其包括 面向前的衝擊表面和延伸通過該衝擊表面並且與第一中央通道相對準 的第二中央通道。該活塞被安裝用於朝向和遠離鑽頭地軸嚮往復，由 此在活塞的向前衝程期間，該衝擊表面衝擊該砧座表面。當衝擊表面 衝擊砧座表面時，底閥部分地在第一中央通道中並且部分地在第二中 央通道中延伸，用於將加壓空氣從第二中央通道轉移到第一中央通道。 底閥和第一中央通道包括用於底閥的插入止動裝置和主要抽出止動裝 置，使得該插入止動裝置設置於距主要抽出止動裝置一定距離處。
在另一個實施例中，本發明提供一種用於在潛孔錘鑽中使用的衝 擊鑽頭，包括前鑽削麵、後砧座表面、和沿著鑽頭的中心軸線延伸通 過該砧座表面的中央通道，該通道鄰近於後砧座表面形成空腔，該空 腔包括由至少部分地漸縮的部分以及上端和下端限定出的底切。
在又一個實施例中，本發明提供一種在用於鑽巖的氣動潛孔錘鑽 中的鑽頭通道中使用的底閥，包括限定出中心線、上端和下端的基本柱形的管，該底閥包括插入止動裝置和主要抽出止動裝置，使得插入 止動裝置設置於距主要抽出止動裝置一定距離處。


在這裡併入並且構成本說明書的一部分的附圖示意出本發明的目 前優選的實施例，並且與在以上給出的一般描述和在下面給出的詳細 描述一起地用於解釋本發明的特徵。
圖1是根據本發明的潛孔錘鑽的截面視圖； 圖2A是根據本發明的鑽頭的側視圖； 圖2B示出沿著圖2A中的線2B-2B的鑽頭； 圖2C示出圖2A中的鑽頭的透視圖3A示出根據本發明的鑽頭的一部分、活塞的一部分，以及根據 本發明的底閥的截面視圖3B示出在圖3A中被圈出的部分的放大圖； 圖4A示出根據本發明的底閥的側視圖；並且 圖4B示出底闊的端視圖。
具體實施例方式
在圖1中示出根據本發明的潛孔錘鑽10。錘鑽10包括能夠被連 接到未示出的可旋轉鑽杆柱的外部柱形外殼11，通過該鑽杆柱來傳輸 壓縮空氣。錘鑽活塞16在該柱形外殼11中往復運動，並且壓縮空氣 被交替地引導至活塞的上端和下端，以實現活塞在外殼中的往復運動， 每一個向下衝程均在於柱形外殼的下部內向上延伸的鑽頭13的砧座30 上施加衝擊。該活塞包括用於加壓空氣的通道31。該衝擊式潛孔錘鑽 進一步包括頂部短節(sub) 14、止回閥35、控制或者流體進給管15、 底閥20、保持裝置33和驅動器短節12。
如在圖4A和4B中所示，底閥20具有基本柱形的基本形狀並且 由諸如Nylon⑧或者Delrin⑧的塑料製成。底閥是設有限定出底閥20的最大直徑的周向突脊22的中空管21。當活塞前表面23在鑽頭後表面 24上衝擊時，與延伸進入活塞16中的程度相比，底閥20更深地延伸 進入鑽頭中。底閥20進入鑽頭的部分比進入活塞的部分的平均壁厚更 大。也就是說，底閥的下部的平均壁厚大於底閥的上部的平均壁厚。
提供所述突脊22，用以通過將突脊壓入在鑽頭通道18中的空腔 中的相應的環形凹槽或者第四漸縮部分17中，而在鑽頭中保持底閥。 該空腔鄰近於砧座形成。突脊22在第一漸縮部分25和第二漸縮部分 26之間形成。漸縮部分25、 26從突脊22傾斜離開。
鄰近於優選地為柱形的第一閥部分27設置第一漸縮部分25。當 活塞下降到該部分27之上時，第一閥部分27被活塞通道31接收，以 封閉錘鑽的底部通氣孔。第一閥部分27具有相對較小的壁厚。第一漸 縮部分25相對於底閥20的中心線或者錘鑽10的中心線CL以大致 1.5-2.5度的角度13傾斜，即，第一部分25朝向活塞16沿著軸向漸縮。 第一漸縮部分25可以與鑽頭通道18中的互補的第一空腔部分或者第 三漸縮部分29形成過盈配合。第一空腔部分29的傾斜度被選擇為類 似於角度0。在活塞的向上周期期間，過盈配合阻止拉出並且抵抗來 自活塞16的拉力。還為底閥增加更大的壁厚，從而使其成為更加堅固 的區域。
第二漸縮部分26相對於底閥20的中心線或者錘鑽10的中心線 CL以大致3-6度的角度ct傾斜，即第二部分25朝向鑽頭13沿著軸向 漸縮。也就是說，第二漸縮部分26沿著相對於角度e相反的方向傾斜。 根據底閥的直徑或者尺寸，角度a能夠是3-6度。角度a降低了將底閥 安裝到鑽頭通道18中所需要的作用力大小，由此降低了在安裝過程期 間能夠引起底閥變形和/或被損壞的程度，並且將進一步降低底閥過早 失效的可能性。
通過產生向下的拉力以及考慮到在底閥製造過程中的任何公差的差異，角度e在鑽頭本體中的底閥處提供的增加的保持作用力。
在漸縮部分25、 26的結合部處能夠形成外部環形肩臺28。肩臺 28具有基本沿著徑向的延伸。肩臺卡入通道18中的環形凸緣32或者 底切的上端並且與通道18中的該環形凸緣32或者該底切的上端相協 作，這提供最強的保持特徵並且保證防止抽出。肩臺28和凸緣32還 可以被稱為主要抽出止動裝置。
有一引導部分34設置於底閥的下端處。引導部分34是基本柱形 的並且與通道18的下引導表面36協作，用作下引導套。該引導部分 和該引導表面具有相同的直徑量度並且優選地不像在以上討論的其它 特徵那樣是壓配合。引導部分34和引導表面36每一個均分別地連接 到鼻端37和第二凸緣38或者底切的下端。當底閥將在通道中降至最 低點時，鼻端37和第二凸緣38防止將底閥進一步地插入通道18中。 鼻端37和第二凸緣38能夠被圓化或者斜切。鼻端37和第二凸緣38 還可以被稱為插入止動裝置。插入止動裝置設置於距主要抽出止動裝 置一定距離處，至少為12mm。因此由漸縮部分17、引導部分36以及 上端32和下端38在通道18中限定出底切。
如下地實現底閥的安裝。底閥20與鑽頭通道18相對準從而引導 部分34可以被插入通道的第一空腔部分29中。如果鼻端被圓化或者 斜切，則鼻端37更加容易地進入通道中。當全部的引導部分已經進入 通道18時，第二漸縮部分26可以鄰接於通道。由於部分26的增加的 直徑，用於插入底闊所需的作用力逐漸地增加，直至突脊22進入通道 18。由於有突脊在上面騎跨的空腔部分29的增加的直徑，用於進一步 插入底閥所需的作用力逐漸地降低，直至突脊卡入通道18中的凸緣32 中。如果將底閥另外地推動一段小於5mm的小的距離，則插入止動裝 置37、 38將限定底閥的最大可能插入長度L。底閥進入鑽頭中的插入 長度L通常為40到70mm，並且在所示實例中大約為60mm。在主要 抽出裝置28、 32和鑽頭的衝擊表面24之間的距離L3為15-30mm。在插入止動裝置37、 38和引導部分34、 36的上部之間的距離L2為 20-40mm。當錘鑽在使用中並且活塞向上行進時，活塞通道31將趨於 抓持底閥並且從鑽頭通道將其提升。然而，主要地利用主要抽出止動 裝置(即肩臺28和凸緣32)，底閥的這種運動將被停止。而且，在鑽 頭通道18中的第一空腔部分29和第一漸縮部分25在一定程度上有助 於防止抽出。
在需要維修之前，根據本發明的鑽頭和底閥將提供延長的錘鑽壽 命。進而，與迄今已知的錘鑽相比，根據本發明的潛孔錘鑽將具有更 加可靠的功能和更加經濟的使用。另外，該潛孔錘鑽對於公差錯誤沒 有那麼敏感。
在這裡使用的術語"下"、"上"、"向上"和類似的術語參考 豎直地位於孔中的錘鑽的通常位置。
雖然已經參考特定優選實施例披露了本發明，對所述實施例作出 的多種修改、改造和改變是可能的，而不偏離如在所附權利要求及其 等價形式中限定的本發明的領域和範圍。據此，期望本發明不限於所 述實施例，而是它具有利用所附權利要求的語言所限定的完全的範圍。
權利要求
1.一種用於鑽巖的氣動潛孔錘鑽，包括基本柱形的外殼，所述外殼限定出軸線；鑽短節，所述鑽短節被安裝到所述外殼的後端；鑽夾頭，所述鑽夾頭被安裝到所述外殼的前端；鑽頭，所述鑽頭被安裝於所述鑽夾頭中並且包括前切削麵和後砧座部分，所述砧座部分包括面向後的砧座表面，並且所述鑽頭包括延伸通過所述砧座表面的第一中央通道，所述通道鄰近於所述後砧座表面形成空腔；活塞，所述活塞被安裝於所述外殼中，在所述鑽頭後面，並且其包括面向前的衝擊表面和延伸通過所述衝擊表面並且與所述第一中央通道相對準的第二中央通道，所述活塞被安裝用於朝向和遠離所述鑽頭地軸嚮往復，由此在所述活塞的向前衝程期間，所述衝擊表面衝擊所述砧座表面；底閥，當所述衝擊表面衝擊所述砧座表面時，所述底閥部分地在所述第一中央通道中並且部分地在所述第二中央通道中延伸，用於將加壓空氣從所述第二中央通道轉移到所述第一中央通道；所述底閥和所述第一中央通道包括用於所述底閥的插入止動裝置和主要抽出止動裝置，其中所述插入止動裝置設置於距所述主要抽出止動裝置一定距離處。
2. 根據權利要求1的錘鑽，其中所述插入止動裝置設置於距所述 主要抽出止動裝置至少12mm處。
3. 根據權利要求l的錘鑽，其中所述主要抽出止動裝置包括在所 述底閥中的具有基本沿著徑向的延伸的外部環形肩臺和在所述第一中 央通道中的基本沿著徑向延伸的環形凸緣。
4. 根據權利要求l的錘鑽，其中所述主要抽出止動裝置連接到位於所述主要抽出止動裝置的相對軸向側上的軸向漸縮部分。
5. 根據權利要求4的錘鑽，其中所述漸縮部分沿著相反的方向漸縮，從而使得第一部分和第三部分朝向所述活塞漸縮，並且第二部分 和第四部分朝向所述鑽頭漸縮。
6. 根據權利要求5的錘鑽，其中所述第一部分和第三部分相對於 所述錘鑽的中心線以1.5-2.5度的角度漸縮。
7. 根據權利要求5的錘鑽，其中所述第二部分和第四部分相對於 所述錘鑽的中心線以3-6度的角度漸縮。
8. —種用於在潛孔錘鑽中使用的衝擊鑽頭，包括 前鑽削麵；後砧座表面；和中央通道，所述中央通道沿著所述鑽頭的中心軸線延伸通過所述 砧座表面，所述通道鄰近於所述後砧座表面形成空腔，所述空腔包括 由至少部分地漸縮的部分以及上端和下端限定出的底切。
9. 根據權利要求8的鑽頭，其中彼此相距至少12mm地設置所述 上端和下端。
10. 根據權利要求8的鑽頭，其中所述下端在所述中央通道中具 有基本沿著徑向的延伸。
11. 根據權利要求8的鑽頭，其中所述上端連接到位於所述上端 的相對軸向側上的軸向漸縮部分。
12. 根據權利要求ll的鑽頭，其中所述漸縮部分沿著相反的方向 漸縮，從而使得第三部分朝向所述後砧座表面漸縮，並且第四部分朝向所述前鑽削麵漸縮。
13. 根據權利要求11的鑽頭，的中心線以1.5-2.5度的角度漸縮。
14. 根據權利要求4的鑽頭， 的中心線以3-6度的角度漸縮。其中所述第三部分相對於所述鑽頭其中所述第四部分相對於所述鑽頭
15. —種在用於鑽巖的氣動潛孔錘鑽中的鑽頭通道中使用的底 闊，包括基本柱形的管，所述管限定出中心線、上端和下端； 所述底閥包括插入止動裝置和主要抽出止動裝置，其中所述插入 止動裝置設置於距所述主要抽出止動裝置一定距離處。
16. 根據權利要求15的底閥，其中所述插入止動裝置設置於距所 述主要抽出止動裝置至少12mm處。
17. 根據權利要求15的底閥，其中所述主要抽出止動裝置包括具 有基本沿著徑向的延伸的外部環形肩臺。
18. 根據權利要求15的底閥，其中所述主要抽出止動裝置連接到 位於所述主要抽出止動裝置的相對軸向側上的軸向漸縮部分。
19. 根據權利要求18的底閥，其中所述漸縮部分沿著相反的方向 漸縮，從而使得第一部分朝向所述上端漸縮，並且第二部分朝向所述 下端漸縮。
20. 根據權利要求18的底閥，其中所述第一部分相對於所述底閥 的中心線以1.5-2.5度的角度漸縮。
21. 根據權利要求16的底閥，其中所述第二部分相對於所述底閥 的中心線以3-6度的角度漸縮。
22. 根據權利要求15的底閥，其中所述底閥的下部的平均壁厚大 於所述底閥的上部的平均壁厚。
全文摘要
本發明涉及一種衝擊式潛孔錘鑽、鑽頭和底閥。所述鑽頭包括具有前鑽削麵的本體、沿著朝向該鑽削麵的方向從本體的後端延伸以將衝洗介質輸送到該鑽削麵的中央通道。所述後端包括圍繞該通道的衝擊表面。所述中央通道適於接收底閥，以通過鑽頭轉移加壓空氣。所述底閥和該中央通道包括用於底閥的插入止動裝置和主要抽出止動裝置。所述插入止動裝置設置於距該主要抽出止動裝置一定距離處。
文檔編號E21B4/14GK101529044SQ200780039871
公開日2009年9月9日 申請日期2007年9月3日 優先權日2006年10月26日
發明者羅布·西門斯 申請人:山特維克智慧財產權股份有限公司