CN101365560A - 向下打孔冲击钻机用排放阀和钻头组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冲击钻机用钻头组件，该钻头组件包括具有内室的套管并包括可与该套管连接并具有纵向穿孔和穿过该穿孔的轴线的钻头。该穿孔具有保持器部分，该保持器部分具有绕该轴线在周边延伸且大体上面向该轴线的一或多个大体上为锥形的内表面。大体上为圆柱形的阀具有纵向通道，其具有可与该套管室流体连通的入口和可与该钻头中心穿孔流体连通的出口和穿过该通道的轴线。具有至少一个大体上为锥形外表面的接合部分绕该阀轴线在周边延伸且大体上背向该阀轴线。该阀接合部分可安置于该钻头穿孔保持器部分内，使得该阀锥形外表面被安置于在该钻头锥形内表面内并与该钻头锥形内表面相抵以保持该阀与该钻头结合。
Description
技术领域
本发明涉及向下打孔(down-hole)钻机组件，且更具体说来，涉及用于这种向下打孔钻机的钻头组件。
背景技术
向下打孔冲击钻机通常包括与加压工作流体(例如，压缩空气)源相连的套管，可移动地安置于套管内并通过流体往复驱动的活塞，以及与套管连接并在外面上包括切割元件的钻头。在使用中，工作流体被适当地引导以使活塞在碰撞位置(在该碰撞位置，活塞撞在钻头内端上)与初始位置或驱动位置之间进行往复运动，其中从该初始位置或驱动位置驱动活塞以在与钻头相撞之前达成一定量的动量。通过引入到大体上界定于活塞与钻头之间的返回室内的流体使活塞向驱动位置移位。然而，在活塞开始向驱动位置移动(即，远离钻头)之后，必须排空该返回室内的流体，优选地通过钻头的纵向穿孔(bore)来排出以防止在活塞返回与钻头相撞时该流体减缓活塞。
为了防止该返回室过早排空，冲击钻机常常配备有称作排放管或“脚”阀的装置，该装置从钻头接触端延伸到返回室内。该阀的一部分可插入到活塞通道内以防止在活塞到达距钻头特定距离之前排空腔室。该阀插入到钻头穿孔内且通常通过从该阀凸出的一或多个环形肩部而维持在穿孔内，该环形肩部变得被安置于从该穿孔在径向向外延伸到钻头体内的环形凹槽中。尽管这种用于将阀保持在钻头穿孔内的设计通常是有效的，但是应力倾向于集中在阀肩部与钻头凹槽之间的接触点上，这可能造成阀的早期失效。
发明内容
在一个方面，本发明为冲击钻机用钻头组件，该钻机包括具有内室的套管。该钻头组件包括钻头，该钻头可与该套管连接且具有纵向穿孔和在中心延伸穿过该穿孔的轴线。该穿孔具有保持器(retainer)部分，该保持器部分具有绕该轴线在周边延伸且大体上面向该轴线的至少一个大体上为锥形的内表面。另外，大体上圆柱形的阀具有纵向通道，该通道具有可与返回室流体连通的入口和与可钻头中心穿孔流体连通的出口，在中心延伸穿过该通道的轴线以及接合部分。该接合部分具有至少一个大体上为锥形的外表面，该锥形外表面绕该阀轴线在周边延伸且大体上背向该阀轴线。此外，阀接合部分可被安置于钻头穿孔保持器部分内，使得阀锥形外表面被安置于钻头锥形内表面内并且与该钻头锥形内表面相抵以保持该阀与该钻头结合。
在另一方面，本发明为冲击钻机组件，其包括具有内室和纵向轴线的套管，可移动地安置到套管室内的活塞。该活塞大体上可沿轴线移位且具有中心纵向轴线。钻头可与套管连接且具有纵向穿孔和在中心延伸穿过该穿孔的轴线。该穿孔具有保持器部分，该保持器部分具有绕该轴线在周边延伸且大体上面向该轴线的一或多个大体上为锥形的内表面，当该钻头具有至少两个表面时，该等锥形表面在轴向间隔。另外，大体上为圆柱形的阀具有纵向通道，该通道具有与返回室流体连通的入口和与钻头中心穿孔流体连通的出口，在中心延伸穿过该通道的轴线和接合部分。该阀接合部分具有绕该阀轴线在周边延伸且大体上背向该阀轴线的一或多个大体上为锥形的外表面，当该阀具有至少两个表面时该等锥形表面在轴向间隔。此外，阀接合部分被安置于钻头穿孔保持器部分内从而使该阀与钻头结合，每一阀锥形外表面与各自的钻头锥形内表面相抵安置。
在又一方面，本发明仍为冲击钻机用钻头组件，该钻机包括具有内室的套管。钻头组件包括钻头，该钻头可与套管连接且具有纵向穿孔和在中心延伸穿过该穿孔的轴线。该穿孔具有保持器部分，该保持器部分具有绕该轴线在周边延伸且大体上面向该轴线的至少一个大体上为锥形的内表面，该锥形内表面沿该穿孔的大部分延伸。大体上为圆柱形的阀具有带纵向通道的阀体，该通道具有可与该套管室流体连通的入口和可与该钻头中心穿孔流体连通的出口。轴线在中心延伸穿过该通道，该阀体具有沿该轴线的长度和接合部分，该接合部分具有绕该阀轴线在周边延伸并且大体上背向该阀轴线的至少一个大体上为锥形的外表面。该阀接合部分可安置于该钻头穿孔保持器部分内，使得阀锥形外表面至少部分被安置于钻头锥形内表面内以保持该阀与该钻头结合，该阀外表面的至少大部分可与钻头内表面接合从而在锥形内表面与锥形外表面之间产生大体上均一的接触压力。
在又一方面，本发明为冲击钻机用排放阀，该钻机包括带内室的套管和可与该套管连接的钻头。该钻头具有内端和外端以及在两端之间延伸并且具有内环向表面的纵向穿孔。排放阀包括大体上为圆柱形的阀体，该圆柱形阀体具有第一端与第二端和在两端之间延伸的纵向通道，该通道具有在第一端可与套管室流体连通的入口且在第二端可与钻头中心穿孔流体连通的出口。该阀体包括可安置于套管室内大体上为圆柱形的调节器部分和与该调节器部分在轴向间隔且至少部分可安置于钻头穿孔内端的大体上为锥形的接合部分。该接合部分具有至少一个大体上为锥形的外表面，该锥形外表面可与钻头穿孔内表面摩擦接合以保持阀与钻头结合。另外，至少一个锥形表面具有大体上位于最接近调节器部分的第一周向边缘，大体上位于最接近阀体第二端的第二周向边缘以及在表面第一边缘的第一值与在表面第二边缘的第二值之间大体上呈线性变化的外直径，该直径第二值大于该直径第一值。
附图说明
在结合附图阅读时，前面的发明内容，以及本发明的优选实施例的详细描述将会被更好地理解。出于说明本发明的目的，在附图中用图解的方式示出目前优选的实施例。然而，应了解本发明并不限于所示的精确排列和手段。在附图中；
图1为具有根据本发明的钻头组件的钻机的剖视截面图；
图2为钻头组件的第一结构的放大剖视截面图，其显示钻头与阀在其结合之前是间隔的；
图3为图2的钻头与阀的另一放大剖视截面图，其显示阀与钻头结合；
图4为图3的一部分的在很大程度上放大的剖视图；
图5为该阀的一个优选结构的正视图；
图6钻头组件的第二结构的放大剖视截面图，其显示钻头与阀在其结合之前是间隔的；
图7为图6的钻头与阀的另一放大剖视截面图，其显示阀与钻头相结合；以及
图8为图7的一部分的在很大程度上放大的剖视图。
具体实施方式
在下文的描述中所使用的某些术语仅出于方便目的且并无限制意义。词语“下部”、“上部”、“向上”“下”和“向下”表示做出参考的附图中的方向。词语“内部”、“向内”和“外部”、“向外”分别指朝向和远离所描述元件的指定中心线或几何中心的方向，特定意义从描述的上下文显而易见。另外，如本文所用的词语“连接(连通)”意欲包括在无任何其它构件插入其间的情况下两个构件之间的直接连接(连通)和其中一个或多个其它构件插入其间的构件之间的间接连接(连通)。术语包括上文具体提到的词语、这些词语的衍生词以及具有类似意义的词语。
现详细参看附图，其中，在所有附图中相同的附图标记用于表示相同的元件，在图1至图8中显示了冲击钻机1用钻头组件10。钻机1包括套管2，该套管2具有内室3和纵向轴线2a；和可移动地安置于套管室3内以大体上可沿轴线2a移位的活塞4，该活塞4具有中心纵向通道4a。钻头组件10基本上包括可与套管2连接的钻头12和可与该钻头12结合的大体上为圆柱形或管状的排放阀14。钻头12具有纵向穿孔13，在中心延伸穿过穿孔13的轴线12a，和相对的内轴向端12b和外轴向端12c，当钻头12与套管2连接时，内端或上端12b被安置到套管2内(且可与活塞4接触)且外端或下端12c大体上被安置于套管2的外部。钻头穿孔13具有保持器部分16和流动部分27，该保持器部分16具有绕轴线12a在周边延伸且整体上面向该轴线12a的至少一个大体上为锥形的内表面18，且流动部分27在接合部分16与钻头外端12c之间延伸。在图1至图5所示的第一结构中，钻头12具有沿保持器部分16的大部分(即，基本上整个范围)延伸的单一锥形内表面18。或者，在图6至图8所描绘的第二结构中，钻头保持器部分16包括大体上沿钻头轴线12a间隔的多个锥形表面区19(例如，如图所示，三个区19A、19B、19C)和在每一对邻近锥形表面区19之间延伸的一或多个大体上凹入的表面21(图8)，如在下文中进一步详细描述的那样。
另外，排放阀14具有纵向轴线14a、沿轴线14a间隔的相对端14b、14c以及纵向通道15。阀通道15具有延伸穿过阀第一端或上端14b并可与套管室3流体连通的第一端口或入口15a和延伸穿过阀第二端或下端14c并可与钻头中心穿孔13流体连通的第二端口或出口15b，轴线14a在中心延伸穿过通道15。优选地，阀14包括大体上为圆柱形的阀体17，该圆柱形阀体17具有第一端17a与第二端17b和在两端17a、17b之间延伸并提供通道15的大体上为圆形的孔17c，但是阀14可替代地构造为具有能够大体上如本文所述起作用的任何其它适当形状/结构。
另外，阀14具有接合部分20，该接合部分20具有绕该阀轴线14a在周边延伸且大体上背向该阀轴线14a的至少一个大体上为锥形的外表面22。在图1至图5所示的第一结构中，该阀14具有沿接合部分20的大部分或轴向范围延伸的单一锥形外表面22。更具体说来，阀体17具有沿轴线14a的长度L且锥形外表面22(和因此接合部分20)优选地沿阀体长度L的大部分延伸(例如，长度L的大约一半)，使得由阀接合部分20提供比较大的接触面积。在图6至图8所描绘的第二结构中，阀接合部分20包括大体上沿阀轴线14a间隔的多个锥形表面区23(例如，如图所示，三个区23A、23B、23C)和在每一对邻近锥形表面区23之间延伸的一或多个大体上凹入的表面25，如在下文更详细地描述的那样。
参看图1、图3和图4，在第一结构中，阀接合部分20可安置于钻头穿孔保持器部分16内以使阀14与钻头12结合，使得阀锥形外表面22基本上完全与钻头锥形内表面18相抵安置。换言之，当阀14与钻头12接合时，阀锥形外表面22的至少大部分与阀锥形内表面18接触或接合。在第二钻头组件结构的情况下，每一阀锥形外表面区23A、23B、23C等基本上完全分别与钻头锥形内表面区19A、19B、19C等的个别的一个相抵安置，如在图6中所示。优选地，阀锥形外表面22或表面区23各可与钻头锥形内表面18或相应表面区19摩擦地接合从而使阀14与钻头12结合。更优选地，阀锥形表面22或表面区23各可与钻头锥形表面18/表面区19接合使得在两个锥形表面18、22或表面区19、23之间的正常压力或“接触”压力P在大体上沿钻头轴线14a延伸的接触区Zc内的所有点至少大体上且优选地基本上均一(参看图4)。换言之，使阀14与钻头12结合的摩擦力F在阀锥形外表面22或表面区23与穿孔锥形内表面18或表面区19之间的所有接触点大体上相等。尽管在连接之后优选地维持两个部件12、14结合在一起，但可通过施加足够的轴向力使阀接合部分20从钻头保持器部分16滑出而使阀14与钻头12分开。
参看图2至图5，在钻头组件10的第一结构的情况下，穿孔锥形内表面18具有在轴向间隔的周向边缘18a、18b以及内直径DI，第一边缘18a大体上位于最接近钻头内端12b处且第二边缘18b大体上位于钻头内端12a与外端12b之间。穿孔锥形表面内直径DI在表面第一边缘18a的第一值VI1与表面第二边缘18b的第二值VI2之间大体上呈线性变化，第二值VI2大于第一值VI1。换言之，穿孔锥形内表面18的内直径DI从第二边缘18b到第一边缘18a以大体上恒定的锥角AB逐渐变小，如图2与图3所示。以类似的方式，阀锥形外表面22具有在轴向间隔的第一周向边缘22a和第二周向边缘22b以及外直径DO，当阀14与钻头12结合时阀表面第一边缘22a被安置于最接近钻头表面第一边缘18a处且阀表面第二边缘22b被安置于最接近钻头表面第二边缘18b处。阀外直径DO在阀表面第一边缘22a的第一值VO1与阀表面第二边缘22b的第二值VO2之间大体上呈线性变化，第二值VO2大于第一值VO1。因此，阀锥形外表面22的外直径DO从第二边缘22b到第一边缘22a以大体上恒定的锥角AV逐渐变小(参见图2与图3)。阀锥角AV基本上等于钻头锥角AB；优选地，钻头锥角AB与阀锥角AV中每一者具有在大约0.5°到大约3.0°之间的值。
另外，当阀14与钻头12分开或不与钻头12“接合”时，阀外直径DO的第一值VO1大于钻头内直径DI的第一值VI1且阀外直径DO的第二值VO2大于钻头内直径DI的第二值VI2。换言之，当两个构件12、14分开时，阀外表面22自阀轴线14a向外间隔的径向距离大于钻头内表面18与钻头轴线12a间隔的径向距离。因此，当阀接合部分20插入到穿孔保持器部分16内时，通过干涉配合使阀14与钻头12接合。具体说来，阀接合部分20必须压入配合到穿孔保持器部分16内，由于上文所述的结构的原因，这在配合表面18、22之间产生基本上均一的接触压力P和因此保持阀14与钻头12结合的摩擦力。
参看图6至图8，以与第一结构类似的方式，第二钻头结构的每一穿孔锥形内表面区19具有在轴向间隔的周向边缘19a、19b和内直径DSI。每一第一边缘19a大体上位于较接近钻头内端12b处且每一第二边缘19b大体上位于距钻头内端12b较远处，一或多个凹入表面21在一个表面区(例如，19A)的第二边缘19b与邻近表面区(例如，19B)的第一边缘19b之间延伸。每一穿孔锥形表面区内直径DSI在表面第一边缘19a的第一值VSI1与在表面第二边缘19b的第二值VSI2之间大体上呈线性变化，第二值VSI2大于第一值VSI2，使得内表面区19A、19B、19C的每一内直径DSI从第二边缘19b到第一边缘19a以大体上恒定的锥角ASB逐渐减小，如图6所示。同样，第二阀结构的阀锥形外表面区23各具有在轴向间隔的第一周向边缘23a和第二周向边缘23b和外直径DSO，在一个表面区(例如，23A)的第二边缘23b与邻近表面区(例如，23B)的第一边缘23a之间延伸的一或多个凹入表面25。当阀14与钻头12结合时，每一阀表面区第一边缘23a被安置于最接近相应的钻头表面区第一边缘19a处，且每一阀表面第二边缘23b被安置于最接近相应钻头表面区第二边缘19b处。每一阀表面区外直径DSO在阀表面第一边缘23a的第一值VSO1与阀表面第二边23b的第二值VSO2之间大体上呈线性变化，第二值VSO2大于第一值VSO1。因此，每一阀锥形外表面区23的外直径DSO从每一第二边缘23b到每一第一边缘23a以大体上恒定的锥角ASV逐渐变小，且多个表面区23的角度ASV基本上相等(参看图6)。另外，每一阀表面区锥角ASV基本上等于每一相应钻头表面区19的锥角ASB；优选地，钻头表面区锥角ASB与阀表面区锥角ASV中的每一者具有在大约3°与大约5°之间的值，且因此大于第一钻头组件结构的锥角AB、AV(原因在下文中解释)。
另外，如同第一结构，当第二结构的阀14与钻头12彼此分开或彼此并未接合时，每一阀表面区23的外直径DSO的第一值VSO1大于相应钻头表面区19的内直径DSI的第一值VSI1，且每一外直径第二值VSO2大于每一相应的内直径第二值VSI2。因此，当两个构件12、14分开时，每一阀外表面区23自阀轴线14a向外间隔的径向距离大于相应钻头内表面区19与钻头轴线12a间隔的径向距离。因此，当阀接合部分20插入到穿孔保持器部分16内时，通过干涉配合使阀14与钻头12接合，使得阀接合部分20必须压入配合到穿孔保持器部分16内，由于上文所述结构的原因，这在每一对配合表面19、23之间产生基本上均一的接触压力P和因此保持阀14与钻头12结合的摩擦力。
优选地，穿孔保持器部分16具有位于钻头轴向端12a、12b之间的内端16a，使得穿孔流动部分27从保持器端16a延伸到钻头外端12a且穿孔锥形表面18的第二周向边缘18b与内端16a在轴向间隔(即，朝向钻头内端12b)。因此，两个钻头组件结构的保持器部分16另外具有大体上为圆柱形的内表面26和径向肩部表面28，其优选地通过圆角表面31连接。圆柱形内表面26绕钻头轴线12a在周边延伸且在保持器部分内端16a与锥形表面第二边缘18b之间在轴向延伸。肩部表面28在圆柱形内表面26与穿孔流动部分27之间大体上在径向延伸。另外，圆柱形内表面26优选地相对于穿孔流动部分27的内环向表面27a在径向向外间隔，使得肩部表面28大体上朝向钻头内端12b。
此外，第一钻头组件结构的阀锥形外表面22的第二边缘22b或第二结构的“最下方”锥形外表面区23A(即，最接近阀第二端14c的外表面区23)优选地与阀第二端14c在轴向间隔。因此，两个钻头组件结构的阀接合部分20另外具有大体上圆柱形的外表面32。具体说来，圆柱形外表面32绕阀轴线14a在周边延伸且在阀第二端12b与锥形外表面第二边缘22b之间大体上在轴向延伸。另外，阀14也具有位于阀第二端14c的大体上径向端面34，其绕阀第二端口15b延伸且可与穿孔肩部表面28接触，如下文所讨论。特别参看图5，可形成阀接合部分20，以便也包括与圆柱形外表面32径向向内间隔的偏移区38，使得大体上径向的肩部36在圆柱形外表面32与偏移区38之间延伸，且在圆柱形表面32与端面34之间在轴向延伸。提供这种偏移区38以便于将阀接合部分20插入到穿孔内端13a内。
在上文所述结构的情况下，当阀接合部分20被安置于钻头保持器部分16内时，阀端面34大体上与穿孔肩部表面28相抵安置且阀圆柱形外表面32被安置于钻头圆柱形内表面26内。因此，阀肩部表面32与钻头穿孔第一肩部表面28之间的接触实质上防止了阀14与钻头12沿钻头轴线12a在第一方向d1的相对移位。另外，在钻机1正常使用期间，阀锥形外表面22或表面区23分别与钻头锥形内表面18或表面区19之间的接触防止了在阀14与钻头12之间沿轴线12a在第二相反方向d2的相对移位。优选地，在钻头组件10的生产寿命期间，阀14保持与钻头12结合，且钻头组件10作为单一单元被丢弃并替换。然而，如果需要将阀14与钻头12分开(例如，如果发现新连接的阀14有缺陷/损坏)，那么沿轴线12a在第二方向d2上向阀14施加足够的力，使得阀14径向向内变形到足够使阀锥形外表面22/表面区23与钻头锥形内表面18/表面区19相抵在第二方向d2滑动直到阀14脱离钻头12的程度，如下文更详细地讨论的那样。
再次参看图5，阀接合部分16优选地另外具有从锥形外表面22大体上径向延伸到阀14内且在接合部分20的相对的第一轴向端20a与第二轴向端20b之间大体上轴向延伸的至少一个凹槽40。该一个或多个凹槽40(仅显示一个)各可与套管室3以及与钻头穿孔13流体连通，以便在阀14与钻头12结合时允许流体大体上在阀接合部分20与穿孔器保持器部分16之间流动。这种流体流动从两个锥形表面18、22之间的界面对流地传递可能在钻机1的正常操作期间所产生的热能。优选地，凹槽40另外绕阀轴线14a在周边延伸，使得每一凹槽40大体上为螺旋状的，但是可替代地具有相对于阀14的任何其它适当形状及/或方位，诸如，一或多个纵向狭槽(未图示)。
再次参看图1至图7，阀14另外具有在接合部分20与阀第一端14b之间轴向延伸的大体上为圆柱形的“阀控(valving)”或“调节器部分”50，使得调节器部分50包括阀第一端口15a与中心通道15的一部分。当阀14与钻头12结合且钻头12与套管2连接时，调节器部分50从钻头内端12b且大体上沿套管轴线2a延伸到套管返回室3内。另外，当活塞4a大体上位于最接近钻头内端12b处时，阀调节器部分50可安置于活塞通道4a内。阀14通过配置以在调节器部分50被安置到活塞通道4a内时防止流体在返回室3与钻头穿孔13之间流动。或者，阀14通过配置以在活塞4以足够的距离与钻头内端12b间隔时使套管室3与钻头穿孔13流体连通，从而使调节器部分50与活塞4分开或不与活塞4接合。
优选地，钻头12基本上由金属材料形成，且更优选地由低碳钢锻件机械加工而成。阀14优选地基本上由聚合材料形成，诸如用可购自DuPont公司的挤压或模制DELRIN
(即，乙酰均聚物)或轻质金属材料(例如，用铝铸造而成)机械加工而成。然而，利用任何适当材料及/或通过任何适当方法来形成钻头12或阀14皆属于本发明的范畴内，诸如，用合金钢铸造钻头12，用另一聚合物将阀14注射成型，用低碳钢锻件或合金钢锻件机械加工阀14，用聚合材料与合金材料的复合材料来形成阀14等。
在上文所述结构的情况下，本发明的钻头组件10通常按照以下方式组装。在钻头12与套管2分开的情况下，阀第二端14c位于穿孔内端13a处，且接着沿钻头轴线12a在第一方向d1施加力以使阀14部分收缩(collapse)或变形从而能够使阀14沿钻头轴线12a移动。圆柱形外表面32和随后锥形外表面22与钻头锥形内表面18或表面区19相抵滑动直到阀圆柱形外表面32变得安置于穿孔圆柱形内表面26内且之后阀径向端34接触钻头径向肩部28。在这一点，阀接合部分20被完全安置于钻头保持器部分16内且然后阀调节器部分50远离钻头内端12b延伸。如上文所讨论的那样，之后通过钻头与阀锥形表面18、22或表面区19、23以及圆柱形表面26、32之间的干涉配合/摩擦相互作用来维持阀14与钻头12的结合。然后可将钻头组件10安装于套管2中，使得钻头上端12b可与活塞撞击端4b接触且阀调节器部分50可安置于活塞通道4a内或/及返回室3内。
比较钻头组件10的第一结构与第二结构，如上文所讨论，第一结构的钻头12与阀14各具有沿保持器部分16和接合部分20的大体上整个轴向长度IR、IE轴向延伸的单一锥形表面18、22。在第二钻头组件结构中，钻头12与阀14各具有多个表面区19、23，这些表面区19、23沿保持器部分16与接合部分20在轴向间隔且各沿总保持器部分长度lR或总接合部分长度lE的相等部分lRP、lEP延伸(参看图6)。通过减小每一接合表面对19、23的轴向长度，与第一钻头组件结构的锥角ASB、ASV(例如，在大约0.5°与大约3.0°之间)相比，第二结构的内表面区19与外表面区23可各以更大或更陡峭的锥角ASB、ASV形成(例如，在大约3°与大约5°之间)。
利用接合的钻头表面19与阀表面23之间更陡峭的锥角ASB、ASV，减小了阀14相对于钻头12的轴向移位(一旦阀14开始磨损就可能发生这种轴向移位)。然而，通过增加锥角ASB、ASV，对于沿钻头轴线12a与阀轴线14a的给定距离，内直径DSI与外直径DSO以更大的比率增加。因此，每一表面区19、23的轴向长度部分lRP、lEP不应超过预定值以避免具有大于最小钻头内直径DSI以致在将阀14插入到钻头12内期间阀材料失效或变得永久变形的最大阀外直径DSO。因此，为了提供锥角ASB、ASV的增加值(即，为了减小阀轴向运动)，防止阀14失效或永久变形并提供接触区ZC的足够的轴向长度，第二钻头组件结构的钻头保持器部分16与阀接合部分20各形成有多个锥形表面区19、23。
本发明的钻头组件10具有优于阀14与钻头12的先前设计的多种优点。通过在阀14与钻头12之间具有沿两个锥形表面18、22或成对表面区19、23以及柱形表面26、32大体上轴向延伸并绕两个锥形表面18、22或成对表面区19、23以及柱形表面26、32在周边延伸的接触区ZC(参看图4与图7)，两个构件12、14之间的接触压力被分散在比较大的面积上。因此，实质上减小了在阀14上的应力集中，因此显著地减小了其失效率。另外，在穿孔锥形表面18或表面区19大体上背向钻头内端12b且接合互补阀表面22或表面区23的情况下，钻头12将倾向于向内朝向穿孔肩部表面28并背向钻头内端12b偏压阀14，即使在阀14变得磨损的情况下。因此，两个接触表面18、22或每一对表面区19、23的几何形状倾向于将阀14维持在沿钻头轴线12a的所要位置并因此与钻头12结合。
本领域技术人员应了解，在不偏离本发明的广泛发明概念的情况下，可对上文所述的实施例做出多种变化。因此，应了解，本发明并不限于所公开的特定实施例，而是本发明意欲涵盖属于如所附权利要求书所限定的本发明的精神与范畴内的修改。
Claims (20)
1.一种冲击钻机用钻头组件，所述冲击钻机包括具有内室的套管，所述钻头组件包括：
钻头，所述钻头可与套管连接且具有纵向穿孔和在中心延伸穿过所述穿孔的轴线，所述穿孔具有保持器部分，所述保持器部分具有绕所述轴线在周边延伸且大体上面向所述轴线的至少一个大体上为锥形的内表面；以及
大体上为圆柱形的阀，所述圆柱形的阀具有：纵向通道，所述通道具有可与所述套管室流体连通的入口和可与所述钻头中心穿孔流体连通的出口；在中心延伸穿过所述通道的轴线；和接合部分，所述接合部分具有绕所述阀轴线在周边延伸并且大体上背向所述阀轴线的至少一个大体上为锥形的外表面，所述阀接合部分可安置于所述钻头穿孔保持器部分内，使得所述阀锥形外表面被安置于所述钻头锥形内表面内并与所述钻头锥形内表面相抵，从而保持所述阀与所述钻头结合。
2.根据权利要求1所述的钻头组件，其特征在于，当所述阀与所述钻头接合时，所述阀锥形外表面的至少大部分接触所述阀锥形内表面。
3.根据权利要求1所述的钻头组件，其特征在于，所述阀锥形外表面可与所述钻头锥形内表面摩擦地接合，以便保持所述阀与所述钻头结合。
4.根据权利要求1所述的钻头组件，其特征在于，所述阀锥形外表面可与所述钻头锥形内表面接合，使得所述两个锥形表面之间的接触压力在沿所述钻头轴线的所有的点上基本上是均一的。
5.根据权利要求1所述的钻头组件，其特征在于：
所述钻头具有相对的内轴向端与外轴向端，当所述钻头与所述套管连接时，所述内端被安置于所述套管内且所述外端被安置于所述套管的大体上外部，且所述穿孔锥形内表面具有轴向间隔的周向述第一边缘和第二边缘以及内直径，所述第一边缘位于最接近所述钻头内端处且所述第二边缘大体上位于所述钻头内端与外端之间，所述内直径在所述表面第一边缘的第一值与所述表面第二边缘的第二值之间大体上呈线性变化，所述第二值大于所述第一值；以及
所述阀锥形表面具有轴向间隔的第一周向边缘与第二周向边缘以及外直径，当所述阀与所述钻头结合时所述阀表面第一边缘被安置于最接近所述钻头表面第一边缘处，且所述阀表面第二边缘被安置于最接近所述钻头表面第二边缘处，所述外直径在所述阀表面第一边缘的第一值与所述阀表面第二边缘的第二值之间大体上呈线性变化，所述外直径第二值大于所述外直径第一值。
6.根据权利要求5所述的钻头组件，其特征在于，所述阀外直径第一值大于所述钻头内直径第一值，且所述阀外直径第二值大于所述钻头内直径第二值，使得通过干涉配合使所述阀与所述钻头接合。
7.根据权利要求5所述的钻头组件，其特征在于：
所述钻头穿孔另外具有在所述保持器部分与所述钻头内端之间延伸的流动部分，且所述保持器部分另外包括大体上圆柱形的内表面和肩部表面，所述圆柱形内表面绕所述钻头轴线在周边延伸且在所述锥形内表面第二边缘与所述流动部分之间在轴向延伸，所述肩部表面在所述圆柱形内表面与所述穿孔流动部分之间径向延伸且绕所述钻头轴线在周边延伸，所述肩部表面大体上面向所述钻头内端；以及
所述阀具有相对的第一轴向端与第二轴向端，所述阀第一端可安置于所述套管室内，且所述阀第二端可安置于所述钻头穿孔内，且所述阀接合部分另外具有大体上圆柱形的外表面以及位于所述阀第二端的径向端面，所述圆柱形外表面绕所述阀轴线在周边延伸且在所述锥形外表面第二边缘与所述阀第二端之间大体上轴向延伸，当所述阀与所述钻头结合时所述阀端面大体上与所述钻头肩部相抵安置，且所述阀圆柱形外表面被安置于所述钻头圆柱形内表面内。
8.如权利要求6所述的钻头组件，其特征在于，在所述钻机组件的使用过程中，所述阀端面与所述钻头肩部表面之间的接触基本上防止了所述阀与所述钻头之间沿所述钻头轴线在第一方向上的相对移位，且所述阀锥形外表面与所述钻头锥形内表面之间的接触大体上防止了所述阀与所述钻头在沿所述轴线在第二相反方向上的相对移位。
9.根据权利要求1所述的钻头组件，其特征在于：
所述钻头具有相对的内轴向端与外轴向端，当所述钻头与所述套管连接时所述内端被安置于所述套管内且所述外端被大体上安置于所述套管外部，且所述穿孔锥形表面具有轴向间隔的周向第一边缘和第二边缘，所述第一边缘位于最接近所述钻头内轴向端处且所述第二边缘大体上位于所述钻头内轴向端与外轴向端之间，所述锥形内表面具有内直径，所述内直径从所述第二边缘向所述第一边缘以大体上恒定的锥角逐渐减小；以及
所述阀锥形外表面具有轴向间隔的第一周向边缘与第二周向边缘，当所述阀与所述钻头结合时所述阀表面第一边缘被安置于最接近所述钻头表面第一边缘处，且所述阀表面第二边缘被安置于最接近所述钻头表面第二边处，所述锥形外表面具有外直径，所述外直径从所述第二边缘向所述第一边缘以大体上恒定的锥角逐渐减小，所述阀锥角基本上等于所述钻头锥角。
10.根据权利要求9所述的钻头组件，其特征在于，所述钻头锥角与阀锥角中的每一个都具有在大约0.5°与大约3.0°之间的值。
11.根据权利要求9所述的钻头组件，其特征在于：
所述钻头锥形内表面的所述内直径具有在所述第一表面边缘的第一值和在所述第二表面边缘的第二值，所述内直径第一值实质上大于所述第二值；以及
所述阀锥形外表面的所述外直径具有在所述第一表面边缘的第一值和在所述第二表面边缘的第二值，所述外直径第一值实质上大于所述第二值。
12.根据权利要求1所述的钻头组件，其特征在于：
所述钻头具有相对的内轴向端与外轴向端，所述保持器部分大体上从所述钻头内端延伸，所述钻头穿孔另外具有在所述保持器部分与所述钻头外端之间延伸的流动部分，且所述穿孔保持器部分另外具有在所述流动部分与所述保持器部分之间大体上在径向延伸且绕所述钻头轴线大体上在周边延伸的肩部表面，所述肩部大体上面向所述钻头内端，以及在所述肩部与所述穿孔保持器部分之间在轴向延伸且绕所述钻头轴线在周边延伸的大体上为圆柱形的内表面；以及
所述阀另外包括相对的第一端与第二端，且所述阀接合部分另外具有大体上圆柱形的外表面和位于所述阀第二端处的大体上径向的端面，所述圆柱形表面在所述阀第二端与所述锥形外表面之间在轴向延伸且绕所述阀轴线在周边延伸，当所述阀与所述钻头结合时所述阀端面可大体上与所述钻头肩部表面相抵安置，且所述阀圆柱形外表面被安置于所述钻头圆柱形内表面内。
13.根据权利要求1所述的钻头组件，其特征在于，所述阀接合部分具有相对的轴向端和从所述锥形外表面大体上径向延伸到所述阀内并在所述相对第一轴向端与第二轴向端之间大体上在轴向延伸的至少一个凹槽，所述凹槽可与所述套管室以及与所述钻头穿孔流体连通，以便在所述阀与所述钻头结合时允许流体大体上在所述阀接合部分与所述钻头穿孔保持器部分之间流动。
14.根据权利要求13所述的钻头组件，其特征在于，所述凹槽进一步绕所述轴线在周边延伸，使得所述凹槽大体上为螺旋状的。
15.根据权利要求1所述的钻头组件，其特征在于：
所述钻机另外具有中心轴线和可移动地安置于所述套管室内以便大体上沿所述钻机轴线移位的活塞，所述活塞具有纵向通道和撞击端；
所述钻头具有可与所述活塞撞击端接触的内端；以及
所述阀另外具有调节器部分，当所述阀与所述钻头结合时所述调节器部分从所述钻头内端且大体上沿所述钻机轴线延伸到所述套管室内，所述调节器部分可安置于所述活塞通道内，且所述阀配置成在所述调节器部分被安置于所述活塞通道内时防止流体在所述套管室与所述钻头穿孔之间流动。
16.根据权利要求1所述的钻头组件，其特征在于，所述钻头基本上由金属材料形成且所述阀基本上由聚合材料、大体上轻质的金属材料以及聚合材料与金属材料的复合材料中的一种来形成。
17.根据权利要求1所述的钻头组件，其特征在于：
所述钻头保持器部分具有多个大体上为锥形的内表面区，所述锥形内表面区绕所述轴线在周边延伸且大体上面向所述轴线，所述锥形内表面区中的每一个都沿所述钻头轴线与每一其它内表面区轴向间隔；以及
所述阀接合部分具有多个大体上为锥形的外表面区，所述锥形外表面区绕所述轴线在周边延伸且大体上面向所述轴线，当所述阀接合部分被安置于所述钻头穿孔保持器部分内时所述锥形外表面区中的每一个都沿所述阀轴线与每一其它外表面区轴向间隔且与所述钻头锥形内表面区中的各自的一个相抵安置。
18.一种冲击钻机组件，其包括：
套管，所述套管具有内室与纵向轴线；
活塞，所述活塞可移动地安置于所述套管室内以便大体上可沿所述轴线移位，所述活塞具有中心纵向轴线，
钻头，所述钻头与所述套管连接且具有可与所述活塞撞击端接触的内端、纵向穿孔以及在中心延伸穿过所述穿孔且大体上与所述套管轴线共线的轴线，所述穿孔具有保持器部分，所述保持器部分具有绕所述轴线在周边延伸且大体上面向所述轴线的大体上为锥形的内表面；以及
大体上为圆柱形的阀，所述圆柱形的阀具有纵向通道，所述通道具有与所述套管室流体连通的入口和可与所述钻头中心穿孔流体连通的出口，在中心延伸穿过所述通道的轴线，以及接合部分，所述接合部分具有绕所述阀轴线在周边延伸且大体上背向所述阀轴线的大体上锥形的外表面，所述阀接合部分可安置于所述钻头穿孔保持器部分内，使得所述阀锥形外表面被安置于所述钻头锥形内表面内并与所述钻头锥形内表面相抵以保持所述阀与所述钻头结合。
19.一种冲击钻机用钻头组件，所述钻机包括具有内室的套管，所述钻头组件包括：
钻头，所述钻头可与所述套管连接且具有纵向穿孔和在中心延伸穿过所述穿孔的轴线，所述穿孔具有保持器部分，所述保持器部分具有绕所述轴线在周边延伸且大体上面向所述轴线的至少一个大体上锥形内表面，所述锥形内表面沿所述穿孔的大部分延伸；以及
大体上圆柱形的阀，所述圆柱形的阀具有纵向通道，所述通道具有可与所述套管室流体连通的入口和可与所述钻头中心穿孔流体连通的出口，在中心延伸穿过所述通道的轴线，所述阀具有沿所述轴线的长度和接合部分，所述接合部分具有绕所述阀轴线在周边延伸且大体上背向所述阀轴线的至少一个大体上锥形的外表面，所述至少一个锥形外表面沿所述阀长度的大部分延伸，所述阀接合部分可安置于所述钻头穿孔保持器部分内，使得所述阀锥形外表面至少部分安置于所述钻头锥形内表面内，以便保持所述阀与所述钻头结合，所述阀外表面的至少大部分可与所述钻头内表面接合，使得在所述锥形内表面与所述锥形外表面之间产生大体上均一的接触压力。
20.一种冲击钻机用排放阀，所述钻机包括具有内室的套管和可与所述套管相连接的钻头，所述钻头具有内端与外端，在所述内端与外端之间延伸且具有内周向表面的纵向穿孔，所述排放阀包括：
大体上为圆柱形的阀体，所述圆柱形的阀体具有第一端与第二端和在所述第一端与第二端之间延伸的纵向通道，所述通道具有在所述第一阀体端可与所述套管室流体连通的入口和在所述第二阀体端可与所述钻头穿孔流体连通的出口，所述阀体包括可安置于所述套管室内大体上为圆柱形的调节器部分和与所述调节器部分在轴向间隔且至少部分可安置于所述钻头穿孔内的大体上锥形的接合部分，所述接合部分具有至少一个大体上为锥形的外表面，所述大体上为锥形的外表面可与所述钻头穿孔内表面摩擦接合以保持所述阀与所述钻头结合，所述锥形表面具有位于大体上最接近所述调节器部分的第一周向边缘、位于大体上最接近所述阀体第二端的第二周向边缘和在所述表面第一边缘的第一值与所述表面第二边缘的第二值之间大体上呈线性变化的外直径，所述直径第二值大于所述直径第一值。
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