用於流體操作衝擊鑽具的鑽頭組件的製作方法

2023-11-02 18:32:52 2

專利名稱：用於流體操作衝擊鑽具的鑽頭組件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於流體操作衝擊鑽具的鑽頭組件。特別是，本發明涉及用於"潛孔(down-the-hole )"錘的鑽頭組件。
技術背景常規潛孔錘和流體操作衝擊鑽具的一些設計包括外缸或外耐磨 套，其內部安裝有一個內缸，該內缸又與後部(backhead)組件相接 合。滑動往復活塞與內缸及後部組件相協作，當經由後部組件供應氣 壓時，活塞對一個鑽頭起到衝擊作用，所述鑽頭被保持在位於外耐磨 套上的夾盤之內。典型地，內缸被同軸地安裝在外耐磨套之內。 一個滑動活塞被安 裝，用於在內缸和外耐磨套之內往復運動，以便以已知方式撞擊一個 衝擊鑽頭(hammer bit),所述衝擊鑽頭被安裝成用於在位於外耐磨套 前端上的夾盤中進行滑動。 一個底閥被定位在所述鑽頭上方。我們以前的專利申請公開號WO 2004/013530公開了 一種潛孔錘， 其中所述鑽頭具有一個細長的柄部，在其上端具有一個環形撞擊面(或 砧)，所述活塞打擊所述環形撞擊面，以便給予所述鑽頭一個沖擊力。 鑽頭柄部下端在外部形成有多個花鍵，所述花鍵圍繞鑽頭柄的外周彼 此間隔開來，並沿軸向延伸。所述花鍵可滑動地與形成在環形夾盤內 壁上的互補花鍵相接合。所述夾盤可由螺紋連接到外耐磨套的底部。 所述鑽頭通過一個鑽頭保持環被保持在錘組件中，所述保持環位於夾 盤上方並與鑽頭上的環肩協作。這防止了所述鑽頭在工作過程中從組 件中掉出。在工作過程中鑽頭柄受到由錘的衝擊作用造成的力，以及由夾盤提供的扭矩。這給予鑽頭柄的上部一個顯著的撓矩，增加了由裂縫(cracking)引起柄斷裂的危險。鑽頭的製造以及如果鑽頭掉下鑽孔 時的回收都非常昂貴。這是常規潛孔錘的鑽頭一個顯著問題，這一點 可由下面的事實得到證實即有許多專利涉及在鑽頭組件內保持斷裂 鑽頭的裝置，以防止其沿鑽孔掉落。這些專利的例子有US5，065，827， US 4， 003， 442， WO 96/15349， WO 98/05476， WO 03/062585， WO 03/062586。然而，這些專利中公開的發明旨在對在鑽頭軸破裂後出現的問題 進行處理，而並非首先預防斷裂。與諸如潛孔錘的常規衝擊鑽具相關的其他缺點在於，鑽頭具有制 造成本昂貴的長柄部分。長柄部分是必需的，以便提供足夠長度的花 鍵柄部，從而為扭矩的傳遞提供足夠的支撐，並提供在花鍵上方用於 保持鑽頭的區域。在常規錘中，當鑽頭或切割面磨損時，雖然柄通常 能夠保持良好狀態，但由於其與切割面是整體形成的，該柄也要被廢 棄。鑽頭/切割面的過早磨損可能出現於在高磨蝕性巖石或材料上進行 鑽孔的情況下，這些巖石或材料磨損切割頭中的碳化鎢鑲嵌件。對於 許多常規錘，需要在鑽頭上提供底閥。底閥被用作錘功能的組成部分， 即，當活塞處於撞擊位置時，底部提升室被活塞內孔和底閥外部密封。 如果不是這樣的話，則活塞不會被提升。底閥易於偶然斷裂，從而導 致停工時間。發明內容本發明的目的在於提供一種鑽頭安裝系統，用於潛孔錘或其他流 體操作衝擊鑽具，它可避免上述以往技術系統的許多缺點。本發明的 另一個目的在於提供一種鑽頭系統，其中該系統的柄比常規的鑽柄在 長度上更短。本發明的再另外一個目的在於提供一種改進的用於鑽頭 組件的連接方法。在第一方面中，本發明提供一種用於流體操作沖擊鑽具的鑽頭組 件，包括衝擊鑽頭，該衝擊鑽頭具有頭部，該頭部上形成有沿軸向延伸的短柄；在該短柄上沿軸向延伸的花鍵，該花鍵可滑動地與形成 在驅動夾盤上的互補花鍵相接合，從而，來自該夾盤的旋轉驅動力可 被傳遞到該短柄；位於夾盤上的鑽頭保持裝置，該鑽頭保持裝置適於 與該短柄花鍵部分上的互補保持裝置相接合，以便將短柄保持在鑽頭 組件中；以及位於夾盤上的接合裝置，該接合裝置適於將夾盤連接到 流體操作衝擊鑽具的驅動裝置上。優選地，驅動夾盤上形成有螺紋，該螺紋適於與鑽具耐磨套下端 上的互補螺紋相接合。適宜地，沿軸向延伸的花鍵形成在短柄的外圓 柱壁上，並與形成在驅動夾盤內部上的互補花鍵相接合。適宜地，該鑽頭保持裝置包括至少一個，但優選多個穿過驅動夾 盤壁的孔，以及相應的多個鑽頭保持件；因而當鑽頭組件被組裝時， 鑽頭保持件被容納在孔中，並與短柄花鍵部分的互補保持裝置相接合， 從而將短柄保持在鑽頭組件中。根據本發明的第一實施例，所述孔形成為穿過驅動夾盤壁的部分 環槽，且所述鑽頭保持件為部分環形，並且所述互補保持裝置包括一 個形成在短柄上端的環肩；因此，當鑽頭組件被組裝時，所述部分環 形鑽頭保持件被容納在所述部分環槽中，並與所述環肩的下側相接合， 以將短柄保持在鑽頭組件中。根據本發明的一個可選實施例，所述孔形成為穿過驅動夾盤壁的 基本上呈圓形的開口，且該鑽頭保持件為球頭銷(ball nose pins),並 且該互補保持裝置包括形成在短柄上端的多個凹槽；因此，當鑽頭組 件被組裝時，所述球頭銷被容納在圓形開口中，並與凹槽的上部內壁 相接合，以將短柄保持在鑽頭組件中。在一個實施例中，至少一個位於短柄上端的凹槽被整體形成在短 柄上的花鍵內。優選地，每個凹槽都整體地形成在所述短柄上相應的 一個花鍵內。在另一方面中，本發明提供一種潛孔錘，包括一個外缸外耐磨套， 一個滑動活塞，所述滑動活塞被安裝成在外耐磨套內往復運動，以便 撞擊位於外耐磨套前端的鑽頭組件的衝擊鑽頭，其中所述鑽頭組件如上所述。所述錘可以是常規潛孔錘或反循環潛孔錘。本發明的鑽頭組件具有優於常規系統的許多優點。由於將鑽頭保 持在夾盤中的裝置已被移動到短柄的花鍵部分，本發明可允許更短的 柄。另外，在鑽頭保持裝置之上和之下均配備有用於扭矩傳遞的花鍵 支撐。在互補保持裝置包括多個凹槽的情況下，每個凹槽都整體地形 成在短柄的一個花鍵內，在花鍵的整個長度上配備有用於扭矩傳遞的 花鍵支撐。較短的短軸比具有長軸的鑽頭製造起來成本更低些。短柄由於其 較短的長度較少會受到彎曲力，而且很不易於折彎失效，而折彎失效 與常規衝擊鑽具使用的長柄相關。打個比方，當使用手工錘時，長釘 子比短釘子更可能彎曲。因此，短柄比常規鑽柄更加堅固。另一個優點在於，與鑽頭具有附加長柄的常規鑽頭組件相比，本 發明的鑽頭組件在磨蝕狀態下更換鑽頭更為廉價。較短的短柄比常規 長鑽柄需要顯著更少的材料。此外，對於本發明的組件，不需要在鑽 頭上具有底閥。以往技術中底閥與活塞的協作可在本發明中由密封在襯套2的內孔中的活塞8的前端來代替。然而，無論是否使用底閥都 是可選擇的。


現將參照附圖來描述根據本發明的具有鑽頭連接系統的潛孔錘的 兩個實施例，其中圖1是根據本發明的第一實施例的潛孔錘的側剖視圖，示出了處 於離開底部位置的活塞；圖2是圖1潛孔錘的側剖視圖，示出了處於撞擊位置的活塞；圖3是圖1潛孔錘的側剖視圖，示出了處於行程頂部位置的活塞；圖4是本發明的鑽頭連接系統的分解透視圖；圖5是圖2大部分下部的放大側剖視圖；圖6是本發明第二實施例的分解透視圖；圖7是根據本發明的第二實施例的潛孔錘下部的放大側剖視圖，示出了處於離開底部位置的活塞；圖8是圖7潛孔錘下部的放大側剖視圖，示出了處於撞擊位置的 活塞；圖9是本發明第三實施例的分解透視圖；圖10是根據本發明第三實施例的潛孔錘下部的側剖視圖，示出了 處於撞擊位置的活塞；圖11是圖IO潛孔錘沿線X-X的橫截面圖；圖12是根據本發明的反循環潛孔錘的側剖視圖，示出了處於離開 底部位置的活塞；圖13是圖12反循環潛孔錘的側剖視圖，示出了處於撞擊位置的 活塞；圖14是圖12反循環潛孔錘的側剖視圖，示出了處於行程頂部位 置的活塞。
具體實施方式
參見附圖，本發明的潛孔錘的一個實施例包括一個外缸外耐磨套 5。 一個內缸25同軸地安裝在外耐磨套5之內。安裝有一個滑動活塞 8,用於在內缸和外耐磨套5之內往復運動，以《更衝擊一個位於外耐磨 套5前端的錘頭1，從而向鑽頭施加一個衝擊力。旋轉力通過一個夾 盤4由旋轉的外耐磨套5傳遞。耐磨套以螺紋連接到一個鑽柱，該鑽 柱被連接到位於地面上的鑽機上的旋轉電機。特別地參見圖4和圖5，以眾所周知的方式，鑽頭組件的頭部3 包括沖擊鑽頭1，該衝擊鑽頭1配備有碳化鴒鑲嵌件31。該鑽頭頭部 3上形成有沿軸向延伸的短柄32。該短柄32上形成有一個花鍵部分， 該花鍵部分包括一個下環肩部分33、 一個上環肩部分37和一個中間 部分50。上、下環肩部分33、 37配備有多個沿軸向延伸的花鍵36。 中間部分50未配備花鍵。扭矩通過夾盤4施加在鑽頭頭部3上。中空 圓柱夾盤4內側被加工，以便在其內壁上提供多個沿軸向延伸的內花 鍵35,該內花鍵35與短柄32上的花鍵36相接合，以便將旋轉驅動力從夾盤4傳遞到鑽頭。夾盤4的上部具有外螺紋。夾盤4還配備有外環肩部分38，當夾 盤4被旋擰到如下所述的耐磨套5時，該外環肩部分38充當 一個擋塊。 在外環肩部分38以上，許多部分環槽7穿過夾盤4的壁被切割或加工， 以便接收部分環形保持件6。在已組裝的鑽頭組件中，鑽頭保持件6 與形成在柄32頂端的環肩37的下側相接合，以便將短柄保持在鑽頭 組件中。夾盤4被旋擰到耐磨套5的下端，通過這樣做，將鑽頭保持 件6保持到槽7中。此外，夾盤4與耐磨套5的螺紋配合使得扭矩可 從耐磨套5經由夾盤4傳遞到鑽頭1上。安裝有一個往復活塞8，用於在內缸25和外耐磨套5之內往復運 動，以便撞擊環肩37的頂面，從而給予鑽頭一個衝擊力。夾盤4的花 鍵35與柄32上的互補花鍵36可滑動地接合，以致頭部3在衝擊作用 過程中相對於夾盤沿軸向移動。本發明的另一實施例示於圖6、 7和8中。如前所述，以眾所周知 的方式，鑽頭組件的頭部3包括衝擊鑽頭1,該衝擊鑽頭1配備有碳 化鴒鑲嵌件31。該鑽頭頭部3上形成有沿軸向延伸的短柄32。該短柄 32包括一個花鍵部分，該花鍵部分形成有多個沿軸向延伸的花鍵36 以及多個沿軸向延伸的凹槽或銑齒邊(millings) 47。凹槽47上形成 有上部內壁或臺肩51。扭矩通過夾盤4施加在鑽頭頭部3上。中空圓 柱夾盤4內側被加工，以便在其內壁上提供多個沿軸向延伸的內花鍵 35，該內花鍵35與短柄32上的花鍵36相接合，以便將旋轉驅動力從 夾盤4傳遞到鑽頭。在環肩38以上，許多大致呈圓形的開口 42穿過夾盤4的壁被切 割或加工，以便接收球頭銷41。在已組裝的鑽頭組件中，球頭銷41 與形成在短柄32頂端的凹槽或銑齒邊47的上部內壁或臺肩51相接 合，以便將短柄保持在鑽頭組件中。夾盤4被旋擰到耐磨套5的下端， 且通過這樣做，將球頭銷41保持到開口 42中。此外，夾盤4與耐磨 套5的螺紋配合使得扭矩可從耐磨套5經由夾盤4傳遞到鑽頭1上。本發明的再另外一個實施例示於圖9-11中。在該實施例中，短柄32包括一個花鍵部分，該花鍵部分形成有多個沿軸向延伸的花鍵 36以及多個沿軸向延伸的凹槽或銑齒邊47。每個凹槽47整體地形成 在短柄32上一個相應的花鍵36中。在圖9-11示出的實施例中，一 個凹槽47形成在每個花鍵36中。然而，在可選的實施例中，並非全 部花鍵形成有凹槽。如以上參照圖6-8所述，球頭銷41用於將短柄 保持在鑽頭組件中。在本發明的一個實施例中，其具有公稱尺寸為4"的錘，用於鑽出 尺寸為10cm及10cm以上的孔，短柄32的長度範圍為90mm至 140mm,優選地為大約130mm。作為對比，具有相似鑽孔尺寸的常規 潛孔錘的長柄部分典型地具有200mm - 260mm範圍內的長度。因而， 通過本發明，柄32的長度可比常規潛孔錘的柄縮短大約30%至50%.錘擊循環示於圖1-3以及圖7和圖8中。圖l和圖7示出了處於 "離開底部"位置的錘。活塞8允許廢氣經由鑽頭1中的內孔9和內孔 IO衝刷到表面衝刷孔11。圖2、圖5和圖8示出了處於撞擊位置的錘。 襯套2配備在鑽頭組件中，代替一個底閥，以便與活塞前端(pistion nose) 20相協作。壓力空氣經由活塞槽14和耐磨套底切15沿腔13 向下供應到壓力室12中。該空氣被活塞前端20和襯套2密封。同時， 頂室16打開，以便經由內孔9、 10、 ll排出。因此活塞8捩升。圖3 顯示了處於行程頂部的活塞。當活塞前端20不與襯套2接觸時，提升 室12打開，以便通過襯套2以及內孔10、 ll排出。頂室16通過孔口 19和通道17被供應壓力空氣。頂室16由配氣器探頭(distributor probe) 18密封。因此，活塞被向下推，以便撞擊鑽頭，並重複該循 環。本發明的裝置具有鑽頭系統零件易於組裝的優點。可通過滑動短 柄32的花鍵36,使其與夾盤40的花鍵35相接合來從上部組裝這些 零件，從而使柄接合在夾盤4中。為簡潔起見，已結合常規潛孔錘描述了本發明的鑽頭組件。然而， 本發明同樣適於反循環潛孔錘，如參照圖12-14所述。在反循環系統中，藉助於加壓狀態下再循環的鑽井液的作用，巖石切割物和碎屑從孔的底面經由鑽頭自身內部的中空通道或採樣管被 強制向上推到地面。鑽井液沿著鑽柱內部一個環形空間向下循環。反 循環技術的優點在於，在鑽探進行的同時，巖層被連續地取樣，並且 當樣品從孔的底部快速返回時，可在地面收集和監測到有代表性的樣口口 0本發明的反循環潛孔錘包括一個外缸外耐磨套105。 一個內缸125 同軸地安裝在外耐磨套105之內。安裝有一個滑動活塞108，用於在 內缸和外耐磨套105之內往復運動，以便沖擊一個位於外耐磨套105 前端的錘頭101,從而向鑽頭施加一個衝擊力。外耐磨套105的內徑 應當使外耐磨套105與內缸125之間配置有一個環形間隙170。才艮據本發明，鑽頭101上形成有沿軸向延伸的短柄132。該短柄 132上形成有一個花鍵部分，該花鍵部分配置有多個沿軸向延伸的花 鍵136。 一個中空圓柱夾盤104內側被加工，以便在其內壁上提供多 個沿軸向延伸的內花鍵135，這些花鍵135與柄132上的花鍵136相 接合，從而將旋轉驅動力從夾盤104傳遞到鑽頭。花鍵135、 136的尺 寸被如此確定，以便在鑽頭101周圍提供許多流體通道171。可利用 與常規錘相關的任意上述裝置(例如部分環形鑽頭保持件或球頭銷) 將鑽頭101保持在夾盤104中。圖13示了處於撞擊位置的錘，其中活塞前端120與鑽頭101相接 觸。在活塞108向上行程或返回行程的開始，室116經由位於中心採 樣管178周圍的環形間隙172直接與通道171聯通，以便排出任何壓 力空氣。當被壓縮的空氣從環形間隙170經由內缸孔口 179、環形間 隙180、活塞槽173和耐磨套底切174被供給時，腔室176被壓縮， 且一個向上的力^皮施加到活塞108上。從而，活塞108淨皮提升。向上運動繼續進行，直至活塞前端120移動成與襯套102脫離接 觸。圖14示出了位於行程頂部的活塞108。腔室176中的被壓縮流體 現在可經過通向槽175的環形通道171，然後經過在鑽頭頭部103中 的通道177排出。排出流體的主要部分進入到鑽孔空間，並且經由回 流內孔111， 110， 109湧出到地面收集裝置。經由孔口 179、環形間隙180和槽117向腔室116供給壓縮空氣。同樣地，環形間隙172被 活塞108和採樣管178上的擴展直徑181密封。從而，活塞被強制向 下推動，以便撞擊鑽頭，並重複該循環。當詞語"包括(comprises/comprising )，，和詞語"具有/包括 (having/including)"在本文中參照本發明被使用時，其用於特指所 描述的特徵、整體、步驟或部件的存在，但並不排除一個或更多其他 特徵、整體、步驟、部件及其組合的存在或添加。如上所述，顯而易見，在不脫離本發明的新穎性概念的真實精神 和範圍的情況下，可實施許多變型和變化。應當認識到，本公開意在 提出本發明的範例，而並不意圖將本發明限制到所示出的特定實施例。 本公開意圖通過所附權利要求來覆蓋落入所附權利要求範圍之內的所 有這些變型。在任意權利要求中提及的技術特徵被後綴有附圖標記的情況下， 這些附圖標記被包括在內的唯一目的在於增強權利要求的可理解度， 因此這些附圖標記對於利用這些附圖標記以示例方式標識的每個元素 的範圍不具有任何限制作用。
權利要求
1、一種用於流體操作衝擊鑽具的鑽頭組件，包括具有頭部(3)的衝擊鑽頭(1)，所述頭部(3)形成有沿軸向延伸的短柄(32)；在所述短柄(32)上沿軸向延伸的花鍵(36)，所述花鍵(36)可滑動地與形成在驅動夾盤(4)上的互補花鍵(35)相接合，從而來自所述夾盤(4)的旋轉驅動力被傳遞到所述短柄(32)；位於所述夾盤上的鑽頭保持裝置(6，7，41，42)，所述鑽頭保持裝置適於與所述短柄的花鍵部分處的互補保持裝置(37，51)相接合，以便將所述短柄保持在所述鑽頭組件中；以及位於所述夾盤(4)上的接合裝置，所述接合裝置適於將所述夾盤(4)連接到所述流體操作衝擊鑽具的驅動裝置(5)上。
2、 根據權利要求l所述的鑽頭組件，其中所述驅動夾盤(4)形 成有螺紋，所述螺紋適於與鑽具耐磨套(5)的下端上的互補螺紋相配 合，並且所述沿軸向延伸的花鍵(36)形成在所述短柄(32)的外圓 柱壁上，並與形成在所述驅動夾盤(4)內部的互補花鍵(35)相接合。
3、 根據前述任一權利要求所述的鑽頭組件，其中所述鑽頭保持裝 置包括至少一個，但優選為多個穿過所述驅動夾盤(4)的壁的孔(7， 42)以及相應的多個鑽頭保持件(6, 41);以致當鑽頭組件被組裝時， 所述鑽頭保持件(6， 41)被容納在所述孔(7， 42)中，並與所述短 柄花鍵部分處的互補保持裝置(37， 51)相接合，從而將所述短柄保 持在所述鑽頭組件中。
4、 根據權利要求3所述的鑽頭組件，其中所述孔形成為穿過所述 驅動夾盤的壁的部分環槽(7 )，並且所述鑽頭保持件(6 )為部分環形， 並且所述互補保持裝置包括一環肩(37);因此，當所述鑽頭組件被組 裝時，所述部分環形鑽頭保持件(6)被容納在所述部分環槽(7)中，並與所述環肩(37)的下側相接合，以便將所述短柄保持在所述鑽頭 組件中。
5、 根據權利要求3所述的鑽頭組件，其中所述孔形成為穿過所述 驅動夾盤的壁的大致呈圓形的開口 (42)，且所述鑽頭保持件為球頭銷(41 )，所述互補保持裝置包括形成在所述短柄上端的多個凹槽(47 ); 因此，當所述鑽頭組件被組裝時，所述球頭銷(41)被容納在所述圓 形開口 (42)中，並與所述凹槽(47)的上部內壁(51)相接合，以 便將所述短柄保持在所述鑽頭組件中。
6、 根據權利要求5所述的鑽頭組件，其中位於所述短柄上端的至 少一個凹槽(47)完全形成在所述短柄(32)上的花鍵(36)中。
7、 根據權利要求6所述的鑽頭組件，其中位於所述短柄上端的每 個凹槽(47)都完全形成在所述短柄(32)上相應的一個花鍵(36) 中。
8、 一種潛孔錘，包括一外缸外耐磨套(5)， 一滑動活塞(8)被 安裝成在所述外耐磨套(5)內往復運動，以便撞擊位於所述外耐磨套(5)前端的鑽頭組件的一衝擊鑽頭(1)，其中所述鑽頭組件為任意一 項前述權利要求所述的組件。
9、 根據權利要求8所述的潛孔錘，其中所述錘是反循環潛孔錘。
10、 基本上如這裡參照附圖中圖1-5、圖6-8或圖9-11所描 述的並且/或者如圖1-5、圖6-8或圖9-11所顯示的一種用於流體 操作沖擊鑽具的鑽頭組件。
11、 基本上如以上參照附圖中圖l-3或圖12-14所描述的並且/或者如圖l-3或圖12-14所顯示的一種潛孔錘。
全文摘要
本發明涉及一種用於流體操作衝擊鑽具的鑽頭組件，包括一個衝擊鑽頭(1)，所述鑽頭(1)具有一個頭部(3)，所述頭部(3)上形成有沿軸向延伸的短柄(32)。所述短柄(32)上配備有沿軸向延伸的花鍵(36)，所述花鍵(36)可滑動地與形成在驅動夾盤(4)上的互補花鍵(35)相接合。來自所述夾盤(4)的旋轉驅動力可通過所述花鍵傳遞到所述短柄(32)上。位於夾盤上的鑽頭保持裝置(6，7，41，42)適於與短柄花鍵部分上的互補保持裝置(37，51)相接合，以便將所述短柄保持在所述鑽頭組件中。位於所述夾盤(4)上的接合裝置適於將夾盤(4)連接到所述流體操作衝擊鑽具的驅動裝置(5)上。本發明還涉及一種潛孔錘，包括一個外缸外耐磨套(5)，一個滑動活塞(8)，所述滑動活塞被安裝成在所述外耐磨套(5)內往復運動，以便撞擊一個位於所述外耐磨套(5)的前端的鑽頭組件的衝擊鑽頭(1)，其中所述鑽頭組件為如上所述的組件。
文檔編號E21B4/14GK101223333SQ200680026114
公開日2008年7月16日 申請日期2006年7月20日 優先權日2005年7月20日
發明者J·珀塞爾 申請人:曼羅克技術促進有限公司