CN101268247B - 用于扩大钻孔的冲击锤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于扩大钻孔的冲击锤。该锤包括位于外面的外耐磨套筒(5)、同轴地安装在所述外耐磨套筒(5)内的内缸(7)、沿轴向居中设置于该锤总成并沿纵向延伸穿过该总成的管状扭矩轴(3)。该锤还包括活塞(6)，安装成用于在所述内缸(7)和所述外耐磨套筒(5)内并相对所述管状扭矩轴(3)进行往复运动，以打击锤钻头(1)使之在该锤总成前端附近的夹头(4)中进行往复运动。所述锤钻头(1)具有中心孔(46)，所述扭矩轴(3)经所述中心孔延伸，使得所述扭矩轴(3)突出到所述锤的前方。
Description
技术领域
本发明涉及用流体操作的用于扩大钻孔的冲击锤。本发明尤其关注用于扩铰用定向钻孔设备或者提升钻进设备形成的导向孔的锤。
背景技术
已知使用定向钻孔设备在土地中形成基本水平的钻孔，用于装设电气或者电话线缆、气体或者水管道等。定向钻孔设施通常包括经钻柱操作的冲击钻头，并含有操纵装置，使钻头能够沿着并在道路和街道路线下面、在河床和道路等下面按希望的基本水平的方向被操纵。这种定向钻孔设备是公知的，并公开于例如WO97/49889、US6,705,415和US2004/0188142A中。
在典型的定向钻孔系统中，包含冲击锤以向钻头施加轴向冲击力的钻柱被用来钻出小于所希望的最终通道直径的小直径(例如133mm)初始导向孔。最终钻孔通道可以具有从200mm到760mm的任何直径，这取决于要插进钻出的通路内的线缆、管或者管道的尺寸。
利用已知的水平钻孔方法，当冲击钻头和锤在钻出了导向孔后突破地表时，取下冲击锤系统，然后将扩孔钻头固定到突出的钻杆上。接着利用钻柱，将扩孔钻头拉回靠在钻出的导向孔面上。只通过旋转力(即没有冲击)，这个孔接着被扩孔钻头扩铰到要求的更大直径。因为没有冲击力参与，扩孔器的穿透速率非常低，尤其是在坚硬的岩层中。后扩孔工具公开在例如US2002/0108785A中。
另一种已知的扩大导向孔的方法是从导向孔中取出包括冲击钻锤的钻柱，然后使用具有更大钻头的其他锤系统，将孔扩到尺寸。例如，US4,249,620公开了一种钻孔的方法，该方法包括使用直径更小的第一自推进位移锤形成末端开放的导向孔。接着，线缆经导向孔引入，然后，通过更大直径的第二位移锤增大导向孔的直径以形成孔。通过用线缆拉着第二位移锤，第二位移锤被引导经过导向孔。为此目的，线缆结合在第二锤的引导端。这种系统的缺点是，因为初始的钻柱已经被取走，所以存在一种危险的是，更大锤系统将偏离导向孔的路线。例如，它可能偏移到导向孔轴线的一侧或者另一侧。还有，在破碎条件下可能存在导向孔坍塌的风险。
已知在钻竖直升降机竖井等时使用类似方法扩大由提升钻井设备钻出的导向孔。导向孔竖直向下钻出，然后用该导向孔作为引导，向上拉钻头来扩大这个孔。这样一种钻头的一个例子公开在US2004/0188142A中。这种钻头利用至少两个，优选是三个冲击锤。
EP0507610A(Rear)公开了一种井口锤，其包括基本为管状的壳体，壳体一端封闭，并在所述这一端支承基本位于中心的流体供应管。这种流体供应管沿轴向延伸穿过壳体，并在其另一端连接到钻柱，并接收由钻柱引导至锤的流体。壳体在其另一端支承钻头，该钻头相对流体供应管可滑动地被接收。一个活塞也相对流体供应管可滑动地支承在壳体中，用于在钻头和壳体端之间往复运动。流体引入装置被设置用于交替地允许流体进入到在活塞各端和相应壳体端之间限定的空间中，以实现活塞在其冲击在钻头上的第一位置和位于壳体端附近的第二位置之间往复运动。
EP0507610A中公开的井口锤有很多缺点。它公开了一种沿轴向延伸穿过锤壳体11的位于中心的流体供应管13。这个管起的作用是传输扭矩和调节活塞周期。因为管复杂的机加工形状以及设置切穿管壁的端口30a和30b，所以，管的结构就扭矩传输这个目的来说被显著减弱。活塞和管之间的间隙必须足够小，以提供实现活塞周期所需的密封。这种小间隙，再加上扭矩传输以及壁结构的减弱，在管上造成了过大的应力和弯曲。例如，由于端口30a和30b的存在，以及要求与活塞的紧密运行间隙，管将可能在扭矩作用下扭曲。避免这种间隙问题可能有必要增大活塞和管间的间隙，于是降低了效率。
还有，在EP0507610A中，钻头18用钻头保持环19保持在驱动-接头(drivel-sub)钻头支承件17中，这样导致了较弱的钻头设计。而且，在EP0507610A中，锤的后端包括一个端板12，该端板12用销15固定到管状壳体11，并用第二组销16固定到流体供应管13的一端。有很高的风险是，在操作中，系统的改变可能会造成销变松，这种情况会导致对锤非常严重的损坏。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的方法和设备，用于扩铰利用水平定向钻进或者提升钻进钻出的导向孔。本发明的一个特别目的是提供一种系统和设备，其中，一种能够进行组合冲击和旋转钻进的流体操作的震击钻井装置利用原来的钻柱引导经过导向孔以增大该孔的直径。
一方面，本发明提供了一种用来扩大钻孔的冲击锤，该冲击锤包括：位于外面的外耐磨套筒；内缸，同轴地安装在所述外耐磨套筒内；管状扭矩轴，沿轴向居中设置于该锤总成，并沿纵向延伸穿过该总成；滑动式活塞，安装成用于在所述内缸和外耐磨套筒内并相对所述管状扭矩轴进行往复运动，以撞击锤钻头使之在锤总成前端附近的夹头中进行往复运动，锤钻头具有中心孔，所述扭矩轴经所述中心孔延伸，使得所述扭矩轴突出到锤的前方，其特征在于，a)用于连接到钻柱的接合器螺纹连接于所述扭矩轴的前端；b)所述扭矩轴的后端螺纹连接于后部锁定构件；c)所述耐磨套筒的后端螺纹连接于后部锁定构件；d)耐磨套筒的前端螺纹连接于夹头。
优选的是，螺纹连接a)和b)按照和钻柱转动方向相同的方向做成，连接c)和d)按照和钻柱转动方向相反的方向做成。合适的是，用于a)和b)的螺纹连接是利用右旋螺纹，而用于c)和d)的螺纹连接是利用左旋螺纹。
第三方面，本发明提供了一种用于扩大钻孔的冲击锤，其包括：位于外面的外耐磨套筒；内缸，同轴地安装在所述外耐磨套筒内；管状扭矩轴，沿轴向居中设置于该锤总成，并沿纵向延伸穿过该总成；滑动式活塞，安装成用于在所述内缸和外耐磨套筒内并相对所述管状扭矩轴进行往复运动，以撞击锤钻头使之在该锤总成前端附近的夹头中进行往复运动，锤钻头具有中心孔，所述扭矩轴经所述中心孔延伸，使得所述扭矩轴突出到锤的前方，其特征在于，用于连接到钻柱的接合器螺纹连接于所述扭矩轴的前端，并用作钻头向前运动的前向止挡，并将钻头保持在夹头中。
再一方面，本发明提供了一种用于扩大钻孔的冲击锤，其包括：位于外面的外耐磨套筒；内缸，同轴地安装在所述外耐磨套筒内；管状扭矩轴，沿轴向居中设置于该锤总成，并沿纵向延伸穿过该总成；滑动式活塞，安装成用于在所述内缸和外耐磨套筒内并相对所述管状扭矩轴进行往复运动，以撞击锤钻头使之在锤总成前端附近的夹头中进行往复运动，锤钻头具有中心孔，所述扭矩轴经所述中心孔延伸，使得所述扭矩轴突出到锤的前方，其特征在于，
a)用于连接到钻柱的接合器螺纹连接于所述扭矩轴的前端；
b)所述扭矩轴的后端螺纹连接于后部锁定构件；
c)所述耐磨套筒的后端螺纹连接于后部锁定构件。
又一方面，本发明提供了一种用于扩大钻孔的冲击锤，其包括：位于外面的外耐磨套筒；内缸，同轴地安装在所述外耐磨套筒内；管状扭矩轴，沿轴向居中设置于该锤总成，并沿纵向延伸穿过该总成；滑动式活塞，安装成用于在所述内缸和外耐磨套筒内并相对所述管状扭矩轴进行往复运动，以撞击锤钻头使之在锤总成前端附近的夹头中进行往复运动，锤钻头具有中心孔，所述扭矩轴经所述中心孔延伸，使得所述扭矩轴突出到锤的前方，其特征在于，所述扭矩轴的后端连接于后部锁定构件，后部锁定构件的后端具有连接装置，由此，锤可以牵引线缆、管等等经过扩大后的孔。
优选的是，后部锁定构件设有装置，合适的为螺纹结合装置，由此，在扩大钻孔的过程中，第二钻柱可以在锤的后面被牵引。这样做所具有的优点是，如果在导向孔被扩大之后，发现有必要对钻孔进行额外的扩铰，后面拖着的钻柱就可以从后部锁定构件分开，锤转过来并连接到扭矩轴的前端。锤可以由拖着的钻柱引导往回经过扩铰后的孔，以去掉任何障碍。
又一方面，本发明提供了一种用于扩大钻孔的冲击锤，其包括：位于外面的外耐磨套筒；内缸，同轴地安装在所述外耐磨套筒内；管状扭矩轴，沿轴向居中设置于该锤总成，并沿纵向延伸穿过该总成；滑动式活塞，安装成用于在所述内缸和外耐磨套筒内并相对所述管状扭矩轴进行往复运动，以撞击锤钻头使之在锤总成前端附近的夹头中进行往复运动，锤钻头具有中心孔，所述扭矩轴经所述中心孔延伸，使得所述扭矩轴突出到锤的前方，其特征在于，所述扭矩轴的后端连接于后部锁定构件，所述扭矩轴内的流体通道同包含在后部锁定构件内的流体分配腔流体连通。优选的是，流体分配腔配置有单向阀，用以控制流体从腔到活塞的分配。
附图说明
图1是用在本发明方法和设备中的冲击/旋转组合式钻孔锤的一个实施例的侧视图，示出了在吹气模式(blow mode)(即，在钻孔开始时)从锤中伸出的钻头；
图2示出了在打击位置上的系统；
图3示出了锤的活塞在其冲程顶部的系统；
图4是本发明锤的分解视图。
具体实施方式
参见附图中的图1到图4，这些图示出了本发明冲击/旋转组合式钻孔锤的一个实施例。本发明设备的结构和运行如下：
锤包括位于外面的外耐磨套筒5，外耐磨套筒5在其后端螺纹连接到后部锁定构件10。优选的是，锁定构件10具有带外螺纹的圆柱形部分50，该部分50与耐磨套筒5的内螺纹端接合。单向阀8居中安装在锁定构件10的里面。单向阀8与锁定构件10内的空气分配腔12流体联通。单向阀8以公知方式利用压缩弹簧9进行弹簧安装(见图4)。
内缸7同轴安装在外耐磨套筒5内。管状扭矩轴3同轴地居中设置于锤总成。扭矩轴3在其后端(图中所示的顶端)螺纹连接于锁定构件10。轴3上直径扩大的外螺纹端部47与锁定构件10中带内螺纹的圆柱形部分50的内壁接合。扭矩轴3的相对的前端带外螺纹，以与接合器2的带内螺纹的圆柱形部分接合。接合器2安装在前端(图中所示的下端)，并将在下面更充分地描述。
扭矩轴3限定出内部的纵向通道11，通道11沿轴向延伸扭矩轴3的长度，并与空气分配腔12流体联通。在该系统使用中，管状扭矩轴经接合器2连接到钻探设备的钻柱上，并从钻柱经扭矩轴3的中心通道11供给压缩空气，以将压缩空气供给该总成来操作活塞6。这将在下面更充分地描述。扭矩轴3还以公知方式起到第二种作用：传递来自钻柱的旋转力，使锤旋转以实现旋转钻孔。
在本实施例中描述的冲击/旋转组合式钻孔锤是利用压缩空气的气动操作锤。应该明白，这种锤也可以是液压操作的，在这种情况下，用液压流体取代压缩空气。
内缸7的后端有指向内部的凸缘41，凸缘41利用后部锁定构件10被夹在扭矩轴上的环形肩42(和后部锁定构件10)之间，后部锁定构件10在被向下拧时将内缸7相对于外耐磨套筒5锁定就位，例如在我们的WO2004/039530中描述的情形。如图1和图4所示，耐磨套筒5的前端有外螺纹部分30，圆柱形夹头4螺纹连接到该外螺纹部分30。夹头4的后端带螺纹，以接合耐磨套筒5的螺纹部分30。夹头4的前端在里面形成有轴向花键43，花键43适合于同形成在锤钻头1的柄部45上的互补外花键44(见图4)啮合。相互配合的花键42、43允许钻头1以相对夹头4往复轴向运动的方式运动，而且还将扭矩从夹头4传递到钻头1。夹头4的前端有环形端面48，该端面48用作钻头1的支座。
钻头1具有内部的轴向孔46，管状扭矩轴3延伸经过该轴向孔46，使钻头1能够在扭矩轴3上以往复运动的方式运动。
滑动式活塞6安装成用来在内缸7和外耐磨套筒5内往复运动，以撞击锤钻头1，锤钻头1在夹头4内轴向滑动。
当组装这些零件时，扭矩轴3的前面带螺纹的端部31突出于锤钻头的前方，以与接合器2螺纹接合。
接合器2用作在锤操作过程中用来锁定钻头1就位的钻头保持装置。它提供了比现有技术中公开的方案坚固、有效得多的钻头保持系统。接合器2具有面向后的环形端面49(见图2)，该端面49用作钻头1前向运动的止挡。
接合器2的前端具有连接部分28，连接部分28合适地是带外螺纹，用于连接到钻柱的钻杆。
优选的是，后部锁定构件10的后端具有连接装置，例如螺纹连接，在使用中，利用该连接装置可以将各种系统牵引在锤的后面。例如，为装设目的，如果希望牵引管或者线缆经过用锤钻出的孔，是可以在构件10上装挂钩或者钩环的。
本发明一个重要而且创新的特征是用来将锤的各种零件组装到一起的方法。
如上所述，这些零件如下连接：
a)将接合器2与扭矩轴3的前端螺纹接合；
b)将扭矩轴3的后端与后部锁定构件10螺纹接合；
c)将耐磨套筒5与后部锁定构件10螺纹接合；
d)将耐磨套筒5与夹头螺纹接合；并且
重要的是，在拧紧用于连接a)和b)的螺纹连接时的转动方向与钻柱的旋转方向相同。钻柱螺纹方向也与旋转方向相同。钻柱通常顺时针旋转，因此，应该是顺时针拧紧螺纹连接；也就是，螺杆应该有右旋螺纹。而与此相反，用于上述连接c)和d)的螺纹连接应该是按相反方向；即，如果钻柱顺时针旋转，那么，这些连接应该是逆时针拧紧，使用左旋螺纹。显然，如果钻柱逆时针旋转，情况将相反，这时a)和b)将利用左旋螺纹，而c)和d)将利用右旋螺纹。
这种布局确保了不管在系统使用过程中锤的振动如何，所涉及的零件之间的连接保持紧密连接。
在本发明的操作中，当钻导向孔并在导向孔的突破点从钻杆取下开始时的冲击钻系统时，人们留着钻柱突出到导向钻孔末端的外面。本发明的冲击钻锤用连接装置装到突出的钻杆上。连接装置优选地包括接合器2，接合器2如上所述具有同最前端的钻杆相连的外螺纹连接部分28。接合器2的最大直径名义上小于导向孔。例如，在导向孔具有133mm直径的情况下，接合器2的最大直径可以是127mm。这时操作钻锤，使钻锤在钻柱上通过向后拉而沿着导向孔受到引导。这样就保证了当锤扩大导向孔时不会偏离导向孔路径。
参见图1、2、3，锤的操作如下。图1示出锤处于吹气模式，即没有发生锤击。压缩空气从钻柱沿着扭矩轴3中的空气通路11进行供给，以推开单向阀8，而允许压缩空气进入空气分配腔12。从该处，空气冲过环形腔13、通向腔15的端口14、孔16、活塞6和扭矩轴3之间的环形腔23。气流继续向下经钻头上的孔26和沟槽37排出到钻头的切割面。
图2示出了锤处在打击位置。当该系统被钻柱往回拉到正在扩铰的孔的面上时，钻头1已被推回到总成中(通过沿着花键43并在扭矩轴3上向后滑)。钻头1这种向内的行进受到夹头4端面48的限制。压缩空气从腔15经孔16被供给到内缸7的底切35。从底切35开始，空气流经活塞6中通向环形腔33的端口18、底切19、通向提升腔21的端口20。提升腔21用底阀22密封在活塞孔中。
与此同时，顶驱动腔17打开，经腔孔23、26和沟槽37排气。
图3示出了活塞6在冲程顶部。提升腔21打开，经通路40、孔26和沟槽37排气。当腔17利用扭矩轴3上突起的直径部分24密封在活塞孔中时，顶驱动腔17经孔16、底切35和端口18被供以压缩空气，并迫使活塞6后退而打击钻头1。
为了停止锤的操作，该系统被推离扩铰孔的面，并将钻头1推出该总成，直到钻头1坐落在接合器2的环形端面49上。
当词语“包括/包含”和词语“具有/含有”结合本发明用在这里时，用来表明所指明特征、整体、步骤或者部件的存在，但是并非排除一个或者更多的其他特征、整体、步骤、部件或者它们的组合的存在或者增加。
应该明白，本发明的某些特征，为了清楚起见在单独的实施例情景下进行了描述，这些特征也可以按组合的方式提供在单个实施例中。相反的，本发明的多种特征，为了简洁起见在单个实施例的情景下进行了描述，这些特征也可以分别提供或者按任何合适的子组合方式提供。
Claims (11)
1.一种用于扩大钻孔的冲击锤，包括：位于外面的外耐磨套筒(5)；内缸(7)，同轴地安装在所述外耐磨套筒(5)内；管状扭矩轴(3)，沿轴向居中设置于该锤中，并沿纵向延伸穿过该锤；滑动式活塞(6)，安装成用于在所述内缸(7)和所述外耐磨套筒(5)内并相对所述管状扭矩轴(3)进行往复运动，以打击锤钻头(1)使之在该锤前端附近的夹头(4)中进行往复运动，所述锤钻头(1)具有中心孔(46)，所述管状扭矩轴(3)经所述中心孔延伸，使得所述管状扭矩轴(3)突出到所述锤钻头的前方，其特征在于，
a)用于连接到钻柱的接合器(2)螺纹连接于所述管状扭矩轴(3)的前端；
b)所述管状扭矩轴(3)的后端螺纹连接于后部锁定构件(10)；
c)所述耐磨套筒(5)的后端螺纹连接于所述后部锁定构件(10)；
d)所述耐磨套筒(5)的前端螺纹连接于所述夹头(4)，
其中，上述的用于a)和b)的螺纹连接为一个方向，上述的用于c)和d)的螺纹连接为与所述一个方向相反的方向。
2.如权利要求1所述的冲击锤，其特征在于，用于a)和b)的螺纹连接按照和所述钻柱转动方向相同的方向做成，用于c)和d)的螺纹连接按照和所述钻柱转动方向相反的方向做成。
3.如权利要求2所述的冲击锤，其特征在于，所述用于a)和b)的螺纹连接是利用右旋螺纹，所述用于c)和d)的螺纹连接是利用左旋螺纹。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的冲击锤，其特征在于，所述接合器(2)用作所述钻头(1)向前运动的前向止挡，并将所述锤钻头(1)保持在所述夹头(4)中。
5.根据权利要求1-3中的任一项所述的冲击锤，其特征在于，后部锁定构件具有连接装置，由此，锤能够牵引线缆、管经过扩大后的孔。
6.如权利要求5所述的冲击锤，其特征在于，所述连接装置适于在扩大钻孔的过程中允许第二钻柱被牵引在该锤的后面。
7.如权利要求6所述的冲击锤，其特征在于，所述连接装置是螺纹结合装置。
8.根据权利要求1-3中的任一项所述冲击锤，其特征在于，所述管状扭矩轴内的流体通道同包含在后部锁定构件内的流体分配腔流体连通。
9.如权利要求8所述的冲击锤，其特征在于，所述流体分配腔配置有单向阀，用以控制流体从该腔到活塞的分配。
10.根据权利要求4所述的冲击锤，其特征在于，后部锁定构件具有连接装置，由此，锤能够牵引线缆、管经过扩大后的孔。
11.根据权利要求4所述冲击锤，其特征在于，所述管状扭矩轴内的流体通道同包含在后部锁定构件内的流体分配腔流体连通。
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