用於正常循環井下錘的加壓流體流動系統及包括該系統的錘的製作方法
2023-10-24 09:13:12
用於正常循環井下錘的加壓流體流動系統及包括該系統的錘的製作方法
【專利摘要】一種用於正常循環井下錘的加壓流體流動系統，包括同軸地設置在外套管和活塞之間的圓筒，活塞由於容納在前腔和後腔中的加壓流體的壓力的變化而往復運動，前腔和後腔位於活塞的相對的兩側，其中，流入和流出這些腔的流動僅由活塞和圓筒的重疊或相對位置控制，同時由外套管的內表面上的凹槽限定並且被分隔壁分開的供應腔和排出腔分別為前腔和後腔供應和排出加壓流體。
【專利說明】用於正常循環井下錘的加壓流體流動系統及包括該系統的錘【技術領域】
[0001]本發明大體上涉及用於衝擊機構、特別是用於DTH (井下)錘、更特別是用於正常循環DTH錘的加壓流體流動系統，所述衝擊機構利用所述流體運行，還涉及具有所述系統的DTH錘。
【背景技術】
[0002]存在各種各樣的使用加壓流體作為傳輸動カ的方式的衝擊鑽探結構。DTH錘就是其中之一，其廣泛用於鑽探行業、礦業和民用建築中以及水井、油井和地熱井的建造中。通過將圓柱形的DTH錘安裝在位於地表面的鑽機上來使用該DTH錘。鑽機還包括鑽柱，鑽柱包括組裝在一起的多根杆，其頂端組裝到旋轉推頭上，底端與錘連接。鑽機通過該鑽柱將需要的加壓流體供應給錘，以便錘運行。
[0003]DTH錘的部件[0004]該錘的主要可移動部件是活塞。該錘的該部件呈總體圓柱形，並且可滑動地同軸設置在圓筒形外套管內。錘內形成了兩個主腔:前腔和後腔，這兩個腔位於活塞相反的兩端，當錘在所謂「鑽探模式」下運行時，活塞由於兩個主腔內含有的加壓流體壓カ的變化而實現了往復運動。活塞具有前端和後端，前端與前腔接觸，後腔與後腔接觸，活塞的外表面具有外滑動表面或外滑動部段(如與具有凹部區域、槽或孔的部段相対)，活塞的內表面具有內滑動表面或內滑動部段(同樣如與具有凹部區域、槽或孔的部段相対)。外滑動表面主要被設計用於確保活塞在錘中的引導和對準。另外，在大多數錘中，這些表面與活塞的內滑動表面一起與進ー步在本說明書中描述的其它元件配合，能對交替地將加壓流體供入前腔和後腔中和從前腔和後腔排出進行控制。
[0005]錘的執行鑽探功能的、最重要的部分稱為鑽頭，該鑽頭可滑動地設置在驅動接頭上，驅動接頭安裝在外套管的前端中，鑽頭與前腔接觸，並適於接收活塞前端的衝擊。
[0006]為了確保鑽頭相對於外套管恰當對準，通常會使用被稱為鑽頭引導件的組件，鑽頭引導件設置在外套管內。通過驅動接頭和鑽頭(或鑽頭柄)的最後面部分中的開槽表面或花鍵，將鑽機提供的旋轉運動傳至鑽頭。相應地，鑽頭頭部中(其直徑比外套管以及比鑽頭柄和驅動接頭的直徑大)安裝有切削元件，該切削元件完成鑽探任務並且從鑽頭前端面向前延伸。鑽頭向後行程的運動由驅動接頭限制，鑽頭向前行程的運動由特別為此目的而提供的保持元件限制。在錘的後端設置有後接頭，所述後接頭將錘與鑽柱連接，並最終與加壓流體的源連接。
[0007]在上文和下文的描述中，錘的後端應理解為後接頭所處的那端，錘的前端應理解為鑽頭所處的那端。
[0008]錘的操作
[0009]當錘在鑽探模式下運行時，前腔和後腔會經歷以下狀態:
[0010]a_供應加壓流體，其中，來自加壓流體的源的流體能自由流入腔中；[0011]b-膨脹或收縮，這取決於活塞的運動方向，其中，腔被緊密密封，腔所包圍的體積增加或減小；
[0012]C-排出加壓流體，其中，來自腔的流體能自由流向孔的底部；這種排出流動能夠衝刷由鑽頭產生的巖石切屑，該巖石切屑以懸浮的形式在加壓流體流中被拖曳，並被衝向地面(該過程被稱為孔的衝洗)。
[0013]根據活塞的往復移動，從活塞與鑽頭接觸並且鑽頭設置於其行程的最後位置(稱為衝擊位置)的位置開始，並且在同一位置結束(活塞衝擊在鑽頭上)，前腔和後腔的狀態相應的順序如下:[a_b (膨脹)-c_b (壓縮)_a]和[c-b (壓縮)-a_b (膨脹)_c]。各個腔從一個狀態到另ー狀態的過渡是獨立的，並且由活塞相對錘的其它部件的位置進行控制，使得活塞自身用作閥以及衝擊元件。
[0014]在第一操作模式或「鑽探模式」下，當加壓流體供應給錘並且錘處於衝擊位置吋，活塞立即開始往復運動，並且鑽頭在每個周期中被活塞衝擊，因此鑽頭的前端在毎次衝擊時執行鑽探巖石的功能。巖石切屑通過從前腔和後腔排出至孔的底部的加壓流體而被排出至地面。隨著孔深度的増加，具有巖石切屑的加壓流體柱的大小也増加，從而對從腔中排出的加壓流體產生了更大的阻力。該現象負面地影響了鑽探過程。在某些應用中，水或其它流體到孔中的洩漏進一步增加了該阻力，因此可能會使錘停止運行。
[0015]在某些錘中，錘的該操作模式可藉助輔助衝洗系統來補充，衝洗系統能使從加壓流體的源獲得的部分加壓流體流在不經過錘循環的情況下直接排出至孔的底部。輔助衝洗系統能使孔在被鑽探的時候被完全清潔。
[0016]在錘的第二操作模式或「衝洗模式」下，鑽柱和錘被鑽機升高，使得鑽頭不再與巖石接觸並且所有的加壓流體都在不經過錘循環的情況下通過錘直接排出至孔的底部，以便清潔孔，因而使得活塞的往復運動停止。
[0017]與從腔中排出的加壓流體所發生的情況相比，來自輔助衝洗系統的加壓流體的能量級大體上與從加壓流體的源流出的加壓流體的能量級相同，該從腔中排出的加壓流體由於與活塞的能量交換而壓力明顯更低。
[0018]エ業應用
[0019]這些鑽探工具用在兩個ェ業應用領域中:
[0020]I)生產，其中，使用了 一種稱為「正常循環錘」的錘，其中，在鑽探操作期間產生的巖石切屑通過環形空間被衝到地面，該環形空間由孔的壁和鑽柱和錘的外表面限定，所述切屑對錘的外表面和鑽柱產生了磨損。來自腔和來自輔助衝洗系統的加壓流體通過鑽頭內的中央通路排出，中央通路從其後端延伸至其前端。該通路可分為兩個或更多個在鑽頭的前端面結束的通路，使得加壓流體主要從中央排出，跨過鑽頭的前端面，並流向鑽頭的外周區域和流向孔的壁，接著再沿著位於錘和孔的壁之間和位於鑽柱和孔的壁之間的環形空間流向地面。巖石切屑通過拖帶排出，並懸浮在被排出至孔的底部的加壓流體中。
[0021]正常循環錘在地下和地表開發採礦中使用。由於這種錘能夠鑽探中度到硬度的巖石，所以這種錘的應用也延展到油、水和地熱井的建造。通常，鑽出的土或巖石不會被使用，這是因為它們還未被關注且在鑽出地面的路徑中受到了汙染。
[0022]2)探測，其中，使用ー種稱為「反循環錘」的錘，這種錘能使來自孔的底部的巖石切屑通過排至孔的底部的加壓流體而被回收到地面上。來自腔的加壓流體沿著鑽頭的前端的外周區域被排出，因此產生了跨過鑽頭的前端面流向沿著錘的中央形成的連續中央通路的內部的加壓流體流動，這典型地通過稱為採樣管的內管和通過雙壁杆來完成，所述採樣管從鑽頭延伸至後接頭，所述雙壁杆與鑽柱一致。該中央通路從鑽頭內部中兩條或更多條起源於鑽頭的前端面的衝洗通路所匯聚的位置處開始。巖石切屑通過加壓流體的運動而被拖向中央通路，所述巖石切屑在地面處被回收。具有懸浮的巖石切屑的加壓流體流對形成所述中央通路的所有元件的內表面造成磨損。
[0023]鑽頭或是錘的圓柱形密封元件(其直徑大體上與鑽頭頭部的直徑相似並且比外套管的外直徑大)在正在鑽孔時執行防止加壓流體和巖石切屑洩漏到位於錘和孔的壁之間和位於鑽柱和孔的壁之間的環形空間中(如採用正常循環錘時會發生的)的功能，並通過加壓流體的運動而迫使這些巖石切屑通過採樣管和鑽柱行進到地面。如果執行這種密封功能的是鑽頭，那麼該鑽頭具有使鑽頭的前端面和所述環形空間隔離開的外周區域。
[0024]這種類型的鑽探工具的使用使得超過90%的巖石切屑能被回收，這些巖石切屑在其行進到地面的過程中未受到汙染，並且被儲存以用於進一歩的分析。
[0025]性能參數
[0026]從用戶的觀點來看，用於評估錘的性能和有用性的參數如下:
[0027]I)穿透率，其由錘中的加壓流體循環中產生的動カ給定，其值取決於兩個變量:カロ壓流體消耗量和循環中的能量轉換效率，這被定義為消耗単位加壓流體所產生的動カ；
[0028]2)錘的耐久性，這與拖帶巖石切屑朝向地面流動的加壓流體流造成的磨損有夫，耐久性強烈地取決於巖石切屑的特徵和與加壓流體流接觸的部分的厚度；
[0029]3)加壓流體的消耗，這強烈地取決於前腔的無用體積、後腔的無用體積和錘的加壓流體循環的設計；
[0030]4)深度鑽探能力，這取決於錘將具有高能量的加壓流體輸送至孔的底部的能力；
[0031]5)製造成本，這取決於製造複雜度、錘的組件的數量和使用的原料的量；
[0032]6)錘的可靠度，這取決於製造過程的質量和工具設計的堅固性；
[0033]7)巖石切屑回收效率(僅僅對於反循環錘)，其主要與錘密封孔的能力和防止加壓流體和巖石切屑洩露到位於錘與孔的壁之間和位於鑽柱與孔的壁之間的環形空間中的能力有關。
[0034]應該注意的是，穿透率、錘的耐久性、加壓流體的消耗、錘的可靠度和深度鑽探能カ是對用戶操作成本有直接影響的因素。通常，使用壽命在可接受極限內的更快速且可靠的錘對於任何類型的應用都將總是優選的。
[0035]加壓流體流動系統
[0036]在錘中使用不同的加壓流體流動系統，以用於為前腔和後腔供應加壓流體的過程並用於將加壓流體從這些腔中排出。在所有加壓流體流動系統中都有在錘內形成的供應腔，加壓流體根據活塞的位置從供應腔輸送至前腔或後腔。通常，活塞用作閥，使得取決於其位置的是前腔和後腔所處的狀態，這些狀態是之前所描述的狀態:供應、膨脹-壓縮和排出。
[0037]無論何時，作用在活塞上的淨カ是由以下因素產生的:前腔中存在的壓力、活塞與所述前腔接觸的面積(或活塞的前部推壓面積)中存在的壓力、後腔中存在的壓力、活塞與所述後腔接觸的面積(或活塞的後部推壓面積)中存在的壓力、活塞的重量和可能存在的耗散力。活塞的推壓面積越大，由於加壓流體的壓カ而在活塞上產生的作用力就越大，並且可實現的動カ和能量轉換效率水平也越大。
[0038]下面段落中描述的所有現有技術加壓流體流動系統都是相對於控制DTH錘的前腔和後腔的狀態的解決方案來說的。所描述的示例涉及正常循環錘，但同樣適用於反循環錘。
[0039]A型流動系統，以美國專利US4084646、US5944117和US6135216為代表
[0040]這些專利中描述的設計包括安裝在外套管內的圓筒，該圓筒在所述圓筒的外表面和外套管的內表面之間創建了流體通路。該流體通路沿著活塞的後半部分延伸並在供應腔中結束，其部分地由活塞的外滑動表面(在接近其中點處)和外套管的內表面限定。提供這種圓筒需要使用雙外直徑活塞，活塞前端的外直徑比其後端(該後端放置圓筒)的外直徑大。
[0041]活塞外直徑發生變化的位置的區域，即活塞的外滑動表面上具有肩部的位置的區域，受到平均壓カ等於錘的供應壓カ的壓力。因此，毎次循環中，通過該區域作用在活塞上的淨功都為零，即，其對活塞的能量轉換過程沒有貢獻，因而產生了減小的後部推壓面積。
[0042]而且，在具有這種類型流動系統的正常循環或反循環錘中設置了用於控制後腔排出的空氣引導件，該空氣引導件為管狀元件，其位於後腔的後面並與活塞和外套管同軸。另夕卜，為了控制前腔排出而設置了底閥，底閥為與活塞和外套管同軸的空心管狀元件並且形成於鑽頭的後端面，該後端面被稱為衝擊面。
[0043]上面描述的內容需要用到具有中央孔的活塞，該孔沿著其全長延伸並與空氣引導件以及與底閥相互作用，該中央孔使得活塞的後部推壓面積和前部推壓面積進ー步減小，這結果導致循環的動カ更小。
[0044]而且，在這種類型的設計中，活塞的對準問題是ー個經常出現的問題，如果該問題得不到處理，就會產生從錘的循環中消耗動カ的耗散力。
[0045]B型流動系統，以美國專利US5984021、US4312412和US6454026為代表
[0046]這些專利中描述的設計包括加壓流體進給管(供應腔在其內部形成)，該加壓流體進給管從後腔的後面延伸並被接收在活塞中的中央孔內。該中央孔沿著活塞的全長延伸。
[0047]為了控制前腔和後腔的加壓流體的進給和控制後腔的排出，進給管與活塞內部的孔和底切部相互作用。
[0048]活塞的外滑動表面和外套管的內表面上的底切部補充活塞對腔的狀態的控制。另夕卜，前腔的排出由鑽頭中形成的底閥控制(US5984021和US4312412)或者替代性地由與活塞引導件相互作用的較小直徑的活塞的前部部分控制(US6454026)。最後的這種解決方案也可用作代替A型流動系統中的底閥和將在下面描述的其它流動系統中的底閥。
[0049]橫穿活塞的鑽孔的存在減弱了錘的該部分的衝擊カ度，而且意味著製造過程更加複雜。從這一點上來說，與具有B型流動系統的錘相比，具有A型流動系統的錘的活塞更加堅固並且製造過程更加簡單。另外，由於加壓流體與腔之間存在距離，因此在進給管內創建供應腔使得當加壓流體能供應給腔時流動的開始發生延遲。鑽孔還使腔的無用體積增加，這導致的主要結果就是，加壓流體的消耗量増加以及熱力循環中的能量效率轉換降低。
[0050]在錘所具有的活塞的與活塞引導件相互作用的前部部分的直徑較小的特定情況下，活塞的前部推壓面積大大地減小，這是由於為了承受由衝擊產生的應カ仍然需要足夠大的衝擊面積，因而從前部推壓面積佔用了面積。
[0051]而且，供給管的提供需要使用具有中央孔的活塞，該孔沿著其全長延伸，從而對動カ產生上面A型系統中已經提到的影響。
[0052]C型流動系統，以美國專利US4923018為代表
[0053]該專利中描述的設計具有在外套管中構建的三組不同的供應通路。第一組通路終止於外套管的內表面，並在活塞的外滑動表面和外套管的內表面之間創建供應腔。第二組和第三組通路允許加壓流體從供應腔分別流向前腔和後腔。為了對加壓流體至前腔和後腔的供應進行控制，供應腔與活塞的外滑動表面中的凹槽以及與外套管中的第二組和第三組通路相互作用，而前腔和後腔的排出分別通過使用底閥和空氣引導件來控制(參照應用於正常循環錘的A型流動系統)。
[0054]這種設計的主要劣勢是，由於存在第二組和第三組通路而增加了無用體積，並且這些通路極大地減小了外套管的使用壽命，該使用壽命在很大程度上取決於其壁的厚度。另外，空氣引導件和底閥的提供需要使用具有中央鑽孔的活塞，中央鑽孔沿著其全長延伸，從而對動カ產生上面A型系統中已經提到的影響。
[0055]D型流動系統，以美國專利US5113950和US5279371為代表
[0056]這些專利中描述的設計在活塞的後端提供了供應腔，這些設計與A型流動系統和B型流動系統具有相似的特徵。D型流動系統和B型流動系統一祥使用了中央進給管，但與B型流動系統不同的是供應腔不是創建在進給管內的。相反，與A型流動系統相似，供應腔創建並作用在活塞後端的一部分上。這樣，進給管執行幫助將加壓流體輸送向供應腔的功能但不參與供應腔的創建。上述一切都使得活塞的後部推壓面積減小。而且，後腔的排放的需求需要使用具有中央孔的活塞，該中央鑽孔形成在活塞的前端面上，因此更加減小了活塞的後部推壓面積和前部推壓面積，這就導致了循環的動カ更小。
[0057]進ー步地，在專利US5113950中，凹槽和穿過活塞的孔的存在減弱了活塞的衝擊強度。
[0058]在接下來的段落中描述了用於反循環錘的具體方案的不同的已知加壓流體流動系統，這些描述是關於將從前腔和後腔中排出的加壓流體輸送至孔的底部，尤其是輸送至鑽頭的前端面的外周，以便衝洗巖石切屑的方案。
[0059]I 型流動系統，以專利 US5154244、RE36002 (US)、US6702045 和 US5685380 為代表
[0060]這些專利描述了ー種流動系統，其中，加壓流體從鑽頭的後端通過多個通道輸送至該鑽頭的前端，多個通道通過在驅動接頭的內表面上加工的花鍵和在鑽頭柄的外表面上形成的花鍵相互協作地形成，並具有作為密封元件的環或套筒，以便創建封閉通路，加壓流體通過該封閉同路排出至鑽頭的前端的外周。
[0061]在前述專利US6702045中描述的解決方案的變體中，顯示了流動系統，其中，加壓流體通過在鑽頭的外表面上創建的通道從鑽頭的後端向上輸送至鑽頭外的中間位置。這些通道與驅動接頭的花鍵相互協作以創建密封通路。加壓流體的流動從該中間位置處通過驅動接頭中的鑽孔偏離至驅動接頭的外表面和密封環或套筒的內表面之間形成的通路，使得加壓流體在鑽頭前端的外周區域排出。
[0062]從控制前腔和後腔的狀態的角度來看，源自這些專利的商業設計屬於A型和B型流動系統。對於B型流動系統，與活塞引導件相互作用的、具有較小直徑的活塞的前部區域用作用於控制前腔的排出的底閥的替代解決方案。通過空氣引導件來控制後腔的排出，所述空氣引導件開啟或阻擋加壓流體從後腔到中央同軸通道的流動，所述中央同軸通道形成在活塞的內滑動表面和採樣管的外表面之間，該通道從後腔延伸至鑽頭的後端。
[0063]這種流動系統的缺點與A型和D型流動系統的缺點一祥，尤其是從兩方面負面地影響了鑽頭的設計。第一方面，用於在鑽頭的外表面中形成通道的製造過程的多祥性的需求，該需求増加了錘的製造成本。第二方面，由於存在這些通道，花鍵的曳力表面(其取決於各個花鍵単獨的接觸區域和花鍵的總數量)在ー些應用中是不足夠的。最後的這個問題可通過加長鑽頭來抵消,但這意味著增加錘的成本。
[0064]2型流動系統，以美國專利US5407021和US4819746為代表
[0065]專利US5407021和US4819746描述了ー種流動系統，其中，加壓流體從鑽頭的後端通過多個通道向上被引導至鑽頭的外表面上的中間位置，所述通道以相互協作的方式通過在驅動接頭的內表面上加工的花鍵和在鑽頭柄的外表面上加工的花鍵形成。加壓流體的流動從該中間位置處偏離穿過在鑽頭的頭部形成的主要呈縱向的孔，以在鑽頭的前端的外周區域排出所述加壓流體。
[0066]在錘和孔的壁之間以及在杆和孔的壁之間形成了環形空間，鑽頭頭部的另一功能就是避免加壓流體通過該環形空間逸出。
[0067]從控制前腔和後腔的角度出發，專利US4819746具有A型流動系統。
[0068]在這兩個專利中，作為用於控制前腔的排出的底閥的替代解決方案，使用了具有較小直徑並與活塞引導件相互作用的活塞的前部部分，如在B型流動系統中所述。
[0069]由空氣引導件(US4819746)控制後腔的排出，所述空氣引導件開啟或關閉加壓流體從後腔至中央同軸通道的流動，所述中央同軸通道在活塞的內滑動表面和採樣管的外表面之間形成，該中央同軸通道向上延伸至鑽頭的後端。
[0070]本方案(專利US4819746)的缺點與A型流動系統的缺點相同，鑽頭的設計也受到了已對I型流動系統提及過的兩個方面外加第三方面的負面影響。該第三方面是由於在鑽頭的頭部上形成的主要呈縱向的孔在鑽頭上引起的機械性弱化，所述孔用於引導加壓流體並將其在鑽頭的前端的外周區域排出，以便使加壓流體從外周沿著鑽頭的前端面流向杆和錘的中央同軸通路內。
[0071]發明目的
[0072]根據先前的技術和存在的問題，本發明的ー個目的在於提供一種加壓流體流動系統，該系統應用於正常循環錘，提供了比先前技術的正常循環錘更好的性能，並且其結合了適於所述系統的鑽頭加壓流體引導裝置，提供了一種改進的DTH正常循環錘。特別地，在不犧牲使用壽命的情況下，希望採用在以下方面改進的正常循環錘:
[0073]?在能量轉換過程中具有高動カ和高效率，這意味著具有更高的穿透率。
[0074]?在結構上簡化的設計和減少的製造成本。
[0075]?具有較高的可靠度和堅固性。
[0076]本發明的另ー個目的是提供一種反循環錘，該錘具有提高了的深度鑽探能力，而其穿透率和巖石切屑回收能力都沒有明顯的減小。
【發明內容】
[0077]為了提供一種根據上面限定目的的用於正常循環DTH錘的加壓流體流動系統，而已經採用了一種設計作為解決方案，其有效地利用錘的橫截面區域，採用更少的零件而且製造更簡單。
[0078]另外，本發明的加壓流體流動系統併入有輔助衝洗系統。這樣，滿足了改進錘的深度鑽探能力的需求。
[0079]而且，所述鑽頭被設計為使得，在正常循環錘中使用的鑽頭的後端中的傳統中央通路和匯聚到此中央通路的兩個或更多個通路被穿過鑽頭鑽出的一個或多個衝洗通路所代替，所述衝洗通路從在驅動接頭上和鑽頭柄上的花鍵之間相互協作地形成的多個通道延伸至鑽頭的前端面。這樣，本發明的加壓流體排出結構在鑽頭厚塊區段與I型和2型流動系統相似，而在這之後遵循不同的路逕到達鑽頭的端面。
[0080]更甚者，本設計為所述活塞僅提供了一個滑動表面，從而避免了此零件由於活塞和未對準零件(空氣引導件、進給管和底閥等)之間的摩擦引起的熱裂化而失效。
[0081]後面這兩個特徵極大地改進了錘的可靠度和堅固性。
[0082]本發明的加壓流體流動系統的特徵在於，所述系統具有同軸地設置在外套管和活塞之間的圓筒；和兩個腔，即供應腔和排出腔，所述兩個腔由所述圓筒的外表面和所述外套管的內表面定界並由分隔壁分開。所述供應腔永久地裝有來自加壓流體的源的流體並不中斷地與所述源的出口相連。所述排出腔永久地與由所述錘鑽出的孔的底部連通。優選地，所述供應腔與所述排出腔縱向地串聯布置，兩個腔都由所述外套管的內表面上的兩個凹槽限定。
[0083]供入或排出前腔和後腔的加壓流體的流動僅由所述活塞的外滑動表面和所述圓筒的內表面的重疊或相對位置控制。為了將加壓流體從所述供應腔引導至所述錘的前腔和後腔以及從所述前腔和後腔引導至排出腔，在所述活塞中設置了第一組和第二組導流裝置以及在所述圓筒中設置了多個供應通孔和排出通孔，所述多個供應通孔和排出通孔分別面對所述供應腔和所述排出腔。
[0084]因此，與之前技術相比，本發明中前腔和後腔的狀態由一對組件的相互作用控制，而之前技術中是通過大量組件一起相互作用來實現控制的。
[0085]上述的結構使得，與先前技術中的錘相比，本發明能最佳地利用所述錘的橫截面區域。當觀察先前技術的錘的前部推壓面積和後部推壓面積時，可以證實，這些活塞的橫截面區域主要由活塞、外套管、採樣管、用於向前腔和後腔供應加壓流體而保留的區域，以及用於從前腔和後腔排出加壓流體而保留的區域所共享。通過將所述供應腔與所述排出腔縱向串聯布置，可以增加所述活塞的前部推壓面積和後部推壓面積，這是由於它們僅與分別被排出腔和供應腔所佔據的區域共享橫截面區域。
[0086]在本發明的配置下，活塞的前部推壓面積和後部推壓面積的尺寸相同或幾乎相同。另外，通過所述活塞和所述圓筒之間的相互作用來控制所述前腔和所述後腔的排出，使得不再需要為此目的使得較小直徑的活塞的前部部分或底閥與活塞引導件或空氣引導件相互作用，因此避免了推壓面積中的如先前技術的流動系統中所發生的額外損失。
[0087]而且，可在所述分隔壁中設置ー個或多個衝洗通道，以用於使從加壓流體的源獲得的加壓流體流的一部分直接排出至所述孔的底部，遵照這種方式形成輔助衝洗系統並且使得能夠實現所需的增加深度鑽探能力而不明顯減小穿透率。所述通道優選地為縱向通道，更優選地呈螺旋狀，在本發明的優選選項中，所述衝洗通道與環形密封安裝槽交錯，所述環形密封安裝槽用於在這些槽上安裝可移除的流體密封件，所述流體密封件當安裝在所述槽上時，使得輔助衝洗系統不能工作。
[0088]另外，具有本發明的加壓流體流動系統，與所述外套管的內表面相鄰的排出腔以與具有I型和2型流動系統的反循環錘相似的方式通過將加壓流體流輸向多個通道而允許從所述排出腔排出的加壓流體流偏移至所述鑽頭柄的外部，所述多個通道在所述驅動接頭的內表面上的花鍵和所述鑽頭柄的外表面上的花鍵之間相互協作地形成。然而，根據本發明，接著加壓流體流通過穿過鑽頭的主體鑽出的一個或多個衝洗通路從這些通道排至所述鑽頭的前端面，所述衝洗通路從所述通道延伸至所述鑽頭的前端。這使得能夠實現用於正常循環錘的簡化和更加堅固的鑽頭設計。
[0089]可選擇地，各個衝洗通路在到達所述鑽頭的前端面之前可分為多個次級衝洗通路，以便改進衝洗動作。
[0090]本發明的正常循環DTH錘的特徵在於，其具有上述的加壓流體流動系統和將加壓流體排出至所述鑽頭外部的加壓流體排出結構。
[0091]為了容易理解上述概念，將參照附圖對本發明進行描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0092]在圖中:
[0093]圖1圖示了本發明的正常循環DTH錘的縱截面圖，尤其圖示了，當前腔正供應有加壓流體而後腔正將加壓流體排出至孔的底部時，活塞相對於外套管、圓筒和鑽頭的設置。
[0094]圖2圖示了本發明的正常循環DTH錘的縱截面圖，尤其圖示了，當後腔正供應有加壓流體而前腔正將加壓流體排出至孔的底部時，活塞相對於外套管、圓筒和鑽頭的設置。
[0095]圖3圖示了本發明的正常循環DTH錘的縱截面圖，尤其圖示了，當錘處於衝洗模式中時，活塞和鑽頭相對於外套管和圓筒的設置。
[0096]在所有這些圖中，還參照在本發明下設計的解決方案圖示了錘的流動系統，其用於在所有模式和狀態下將加壓流體從前腔和後腔輸送至孔的底部，特別是輸送至鑽頭的前端，以便衝洗巖石切屑。加壓流體流動的方向通過箭頭表示出。
[0097]【具體實施方式】(圖1至圖3 )
[0098]參照圖1至圖3，圖示了包括以下主要組件的正常循環DTH錘:
[0099]圓筒形外套管(I )，其具有後端和前端；
[0100]驅動接頭(110)，其安裝在外套管(I)的所述前端，並且具有內表面(113)，所述內表面上加工有花鍵(112)；
[0101]後接頭(20)，其附接在外套管(I)的所述後端上，以便使錘與加壓流源連接；
[0102]活塞(60)，其可滑動且同軸地設置在所述外套管(I)內，並且能夠由於前腔(240)和後腔(230)內容納的加壓流體的壓カ改變而往復運動，所述前腔和後腔位於活塞(60)的相対的兩側，活塞(60)具有多個外滑動表面(64)；
[0103]鑽頭(90)，其可滑動地安裝在驅動接頭(110)上，鑽頭(90)的滑動運動被鑽頭保持器(210)和驅動接頭(110)的鑽頭支撐面(111)限制，鑽頭(90)包括位於鑽頭後糹而的鑽頭柄(95)和位於鑽頭前端的鑽頭頭部(96)，鑽頭頭部(96)的直徑比鑽頭柄(95)的直徑大且具有前端面(99 )，鑽頭柄(95 )具有外表面(98 )，該外表面上加工有花鍵(93 );
[0104]通道(97)，所述通道在驅動接頭(110)的內表面(113)上的花鍵(112)和鑽頭柄
(95)的外表面(98)上的花鍵(93)之間相互協作地形成；
[0105]本發明的加壓流體流動系統包括圓筒(40)，圓筒同軸設置在外套管(I)和活塞(60)之間。
[0106]錘的後腔(230)由後接頭(20)、圓筒(40)、和活塞(60)的後部推力表面(62)限定。該後腔的體積是可變的，並且取決於活塞(60)的位置。錘的前腔(240)由鑽頭(90)、圓筒
(40)、鑽頭引導件(150)、和活塞(60)的前部推力表面(63)限定。該前腔的體積也是可變的，並且也取決於活塞(60)的位置。
[0107]外套管(I)具有兩個由其內表面上的相應凹槽限定的腔:供應腔(2)和排出腔
(3),供應腔用於給前腔(240 )和後腔(230 )供應加壓流體，排出腔用於從前腔(240 )和後腔(230)中排出加壓流體；兩個腔的內部都由圓筒(40)定界並由分隔壁(5)分開；當錘操作時，這些腔中的第一腔與加壓流體的源永久地流體連通並裝有所述加壓流體，而第二腔與孔的底部連通。
[0108]在所述分隔壁(5)中設置ー個或多個衝洗通道(6)，以允許加壓流體從供應腔(2)直接流至排出腔(3)，使得從加壓流體的源獲得的加壓流體流的一部分可直接排出至孔的底部，從而產生輔助衝洗系統。
[0109]在圖1至圖3中圖示的實施例中，分隔壁(5)具有環形密封安裝槽(7)，該槽上安裝有可移除的流體密封件(170 )。這些環形密封安裝槽(7 )與所述衝洗通道(6 )交錯，流體密封件(170)阻擋了加壓流體流從供應腔(2)直接流至排出腔(3)，這樣就使得輔助衝洗系統停止工作。取出這種可移除的流體密封件(170)使得輔助衝洗系統可進行工作。
[0110]圓筒(40)具有多個供應通孔(41、42)和多個排出通孔(43)，其分別面對供應腔
(2)和排出腔(3)。活塞(60)具有導流裝置(66、67、80、81)，這些導流裝置可使加壓流體從後接頭(20 )流至供應腔(2 )、從供應腔(2 )流至前腔(240 )或後腔(230 )、以及從前腔(240 )或後腔(230)流至排出腔(3)。
[0111]控制前腔(240 )的狀態
[0112]當處於錘循環中時，活塞(60)的衝擊面(61)與鑽頭(90)的衝擊面(91)接觸，鑽頭(90)處於其行程的最後位置處，S卩，錘在衝擊位置處(見圖1)，前腔(240)通過圓筒(40)的前供應通孔(42)組、活塞(60)的後供應導管(67)組以及活塞(60)的ー個或多個中央軸向供應通路(80)而與供應腔(2)直接流體連通。如圖所示，所述ー個或多個中央軸向供應通路(80)與該供應導管(67)組流體相連。這樣，加壓流體能自由地從供應腔(2)流至前腔(240)並開始活塞(60)向後方的運動。
[0113]當活塞(60)已經在其行程的前端向後端的方向上行進直至活塞(60)的前外供應邊緣(65)達到圓筒(40)的前供應通孔(42)組的後部極限的位置時，加壓流體到前腔(240)的這種流動將停止。隨著活塞(60)繼續進一歩在其行程的前端向後端的方向上運動，將會到達活塞(60)的前外排出邊緣(72)匹配圓筒(40)的排出通孔(43)組的前極限的位置。隨著活塞(60)的運動更進ー步的繼續進行，錘的前腔(240)將開始通過活塞(60)的前底切部
(81)以及通過圓筒(40)的排出通孔(43)組與排出腔(3)流體連通(見圖2)。這樣，包含在前腔(240)內的加壓流體將排出到排出腔(3)中，並能夠自由地從排出腔(3)通過通道(97)和通過鑽頭(90)的衝洗通路(92)流出錘並流到鑽頭(90)的前端面(99)，所述通道相互協作地形成在鑽頭柄(95)的花鍵(93)和驅動接頭(110)的花鍵(112)之間。
[0114]通常，如圖所示，鑽頭(90)通過鑽頭引導件(150)與錘的外套管(I)對準，鑽頭引導件具有排出槽(151)。在本發明中，這些排出槽將排出腔(3 )與通道(97 )相連，使得排出的加壓流體在到達通道(97)之前就流過這些排出槽(151)，之後流過鑽頭(90)的衝洗通路
(92)。然而，本發明並不限於使用鑽頭引導件，替代的對準解決方案也可與相應加壓流體排出裝置一起使用。
[0115]控制後腔(230 )的狀態
[0116]當處於錘循環中時，活塞(60)的衝擊面(61)與鑽頭(90)的衝擊面(91)接觸，鑽頭(90)處於其行程的最後位置處，S卩，錘在衝擊位置處(見圖1)，後腔(230)通過雙功能縱向通路(66)以及通過圓筒(40)的排出通孔(43)組而與排出腔(3)直接流體連通，雙功能縱向通路從後部推力表面(62)通過活塞(60)的主體延伸到活塞(60)的外滑動表面(64)。
[0117]這樣，包含在後腔(230)內的加壓流體將被排出到排出腔(3)中，並從排出腔(3)排出錘到達鑽頭(90)的前端面，其與加壓流體從前腔(240)中排出的方式類似。
[0118]當活塞(60)已經在其行程的前端向後端的方向上行進直至活塞(60)的下外排出邊緣(70)到達圓筒(40)的排出通孔(43)組的後部極限的位置時，加壓流體的這種流動將停止。隨著活塞(60)繼續進一歩在其行程的前端向後端的方向上運動，將會到達活塞(60)的上外排出邊緣(71)匹配圓筒套筒(40)的前供應通孔(42)組的前極限的位置(參見圖2)。隨著活塞(60)繼續更進ー步地運動，錘的後腔(230)將開始通過圓筒(40)的前供應通孔
(42)組以及通過活塞(60)雙功能縱向通路(66)與供應腔(2)流體連通。這樣，後腔(230)將會供應有來自供應腔(2)的加壓流體。
[0119]衝洗模式操作
[0120]如果錘被提起使得鑽頭(90)不再與正被鑽探的巖石接觸而使得鑽頭的保持器支撐肩部(94)抵靠在鑽頭保持器(210)上，那麼鑽頭(90)將到達其行程的前端，接著錘轉換至其衝洗模式。在這個位置中錘的衝擊停止，因此使活塞(60)的衝擊面(61)靠在鑽頭(90)的衝擊面(91)上(見用於圖示衝洗模式的描述的圖3，而圖2圖示了特徵(61)和(91))，加壓流體通過以下路徑直接輸送至鑽頭(90)的前端:通過後接頭(20)和圓筒(40)的後供應通孔(41)組輸送至供應腔(2)中，並通過圓筒(40)的前供應通孔(42)組、通過活塞(60)的雙功能縱向通路(66)以及通過圓筒(40)的排出通孔(43)組從供應腔(2)輸送至排出腔
(3)。加壓流體能夠自由地從排出腔(3)流出錘並流到鑽頭(90)的前端面(99)，這與加壓流體從後腔和前腔(230、240)排出的方式類似。
【權利要求】
1.一種用於井下正常循環錘的加壓流體流動系統，所述系統包括: 圓筒形外套管(1)，該圓筒形外套管具有後端和前端； 驅動接頭(110)，該驅動接頭安裝在所述外套管(I)的前端，並且具有內表面(113)，所述內表面上加工有花鍵； 後接頭(20)，該後接頭附接在外套管(I)的所述後端上，以用於使所述錘與加壓流體的源相連； 活塞(60)，該活塞可滑動且同軸地設置在所述外套管(I)內，並且能夠由於前腔(240)和後腔(230)內容納的加壓流體的壓カ改變而往復運動，所述前腔和後腔位於活塞(60)的相対的兩側，活塞(60)具有多個外滑動表面(64)； 鑽頭(90)，該鑽頭可滑動地安裝在驅動接頭(110)上，鑽頭(90)包括位於鑽頭後糹而的鑽頭柄(95)和位於鑽頭前端的鑽頭頭部(96)，鑽頭頭部(96)的直徑比鑽頭柄(95)的直徑大且具有前端面(99 )，鑽頭柄(95 )具有外表面(98 )，該外表面上加工有花鍵(93 ); 通道(97 )，該通道在驅動接頭(110 )的內表面(113 )上的花鍵(112)和鑽頭柄(95 )的外表面(98)上的花鍵(93)之間相互協作地形成； 圓筒(40)，該圓筒同軸地設置在外套管(I)和活塞(60)之間； 供應腔(2)和排出腔(3)，供應腔用於給前腔(240)和後腔(230)供應加壓流體，排出腔用於從前腔(240)以及從後腔(230)中排出加壓流體，供應腔(2)和排出腔(3)由外套管(I)的內表面上的相應凹槽限定； 供應腔(2)和排出腔(3)在內部由圓筒(40)定界並由分隔壁(5)分開； 所述供應腔(2)與加壓流體的源永久性地流體連通； 所述排出腔(3)與由錘鑽出的孔的底部永久性地流體連通； 多個供應通孔(42)和多個排出通孔(43)，所述多個供應通孔和多個排出通孔設置在所述圓筒(40)中，並且分別面對供應腔(2)和排出腔(3)； 第一組導流裝置(67、80、81)，所述第一組導流裝置設置在所述活塞(60)中，用於使活塞(60)的外滑動表面(64)與前腔(240)相連，並且引導加壓流體流a)從所述供應腔(2)通過圓筒(40)的多個供應通孔(42)流到前腔(240)中，以及b)從前腔(240)中流出，並通過圓筒(40)的多個排出通孔(43)流到排出腔(3)中； 第二組導流裝置(66)，所述第二組導流裝置設置在所述活塞(60)中，用於使所述活塞(60)的外滑動表面(64)與後腔(230)相連，並且引導加壓流體流a)從供應腔(2)通過圓筒(40)的多個供應通孔(42)流到後腔(230)中，以及b)從後腔(230)中流出，並通過圓筒(40)的多個排出通孔(43)流到排出腔(3)中； 其中，在所述活塞(6)往復運動過程中，流入和流出前腔(240)和後腔(230)的加壓流體流僅由活塞(60 )的所述多個外滑動表面(64 )和圓筒(40 )的內表面的重疊或相對位置控制。
2.根據權利要求1所述的加壓流體流動系統，其中，活塞(60)的導流裝置包括: 後供應導管(67)組和ー個或多個中央軸向供應通路(80)，用於通過圓筒(40)的多個供應通孔(42)將加壓流體從供應腔(2)輸送至前腔(240)，其中，所述ー個或多個中央軸向供應通路(80 )與供應導管(67 )流體相連，並且由從活塞(60 )的衝擊面(61)構造的相應的通路限定；雙功能縱向通路(66)，所述雙功能縱向通路延伸通過活塞(60)的本體，以用於將加壓流體從所述供應腔(2)通過前供應通孔(42)組輸送至後腔(230)，以及用於將加壓流體從後腔(230)通過所述排出通孔(43)組輸送至排出腔(3);以及 前底切部(8)，所述前底切部用於將加壓流體從前腔(240)通過所述排出通孔(43)組輸送至排出腔(3)。
3.根據權利要I所述的加壓流體流動系統，其中，所述圓筒(40)具有後供應通孔(41)組，所述後供應通孔(41)組用於使加壓流體從後接頭(20 )流至供應腔(2 )。
4.根據權利要I所述的加壓流體流動系統，其中，供應腔(2)優選地與排出腔(3)縱向串聯布置。
5.根據權利要求1所述的加壓流體流動系統，其中，所述加壓流體流動系統包括ー個或多個衝洗通道(6)，所述衝洗通道構造在分隔壁(5)上，用於允許供應腔(2)和排出腔(3)之間流體連通，並將從加壓流體的源獲得的加壓流體流的一部分運送至由所述錘鑽出的孔的底部。
6.根據權利要求5所述的加壓流體流動系統，其中，所述分隔壁(5)上的衝洗通道(6)與環形密封安裝槽(7)交錯，所述環形密封安裝槽用於在其上安裝可移除的流體密封件(170)，所述流體密 封件當安裝在所述環形密封安裝槽(7)上時，使得輔助衝洗系統不能エ作。
7.根據權利要求5所述的加壓流體流動系統，其中，所述分隔壁(5)上的衝洗通道(6)是縱向通道。
8.根據權利要求5所述的加壓流體流動系統，其中，所述衝洗通道(6)優選地呈螺旋狀。
9.ー種井下正常循環錘，包括: 根據權利要求1所述的加壓流體流動系統； 鑽頭(90)，所述鑽頭具有穿過所述鑽頭鑽出的一個或多個衝洗通路(92)，所述衝洗通路從所述通道(97)延伸至所述鑽頭(90)的前端面(99)，以便將加壓流體排出所述錘。
10.根據權利要求9所述的井下正常循環錘，所述井下正常循環錘具有鑽頭引導件(150)，所述鑽頭引導件設置在外套管(I)內，以用於將所述鑽頭(90)與所述錘的外套管(I)對準，其中，所述鑽頭引導件(150)具有排出槽(151)，所述排出槽將排出腔(3)與鑽頭通道(97)相連。
11.根據權利要求9所述的井下正常循環錘，其中，各個衝洗通路(92)在到達所述鑽頭的前端面之前，被分成多個次級衝洗通道，以便改善衝洗作用。
【文檔編號】E21B4/14GK103534433SQ201280018529
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年3月2日 優先權日:2011年3月3日
【發明者】J·A·阿羅斯 申請人:德裡爾科工具股份有限公司