CN1016202B - 钻井用的锤击钻头 - Google Patents

Abstract

一种无阀式钻井锤击钻头，该钻头具有一个内管，该内管由钻头体的上端伸进一个掘进刀头的中央孔内，该掘进刀头安装在该钻头体的另一端的一个卡头内，并可以往复运动，高压流体供给至内管的内部，而围绕着内管的一个活塞，以其内表面，控制一个孔口通向活塞的上方和下方的腔体的连通情况。活塞的外表面用于控制这两个腔体通向一个排放孔口的连通。位于卡头上的一个阀套筒，在此方面与活塞共同作用。

Description

本发明涉及一种钻井用的锤击钻头。

用于钻井称为“潜孔”型的锤击钻头已为人们共知。这种锤击钻头，是利用一个安装在钻机头部内部并由压力流体驱动的锤击机构，向着由钻头头部携带的刀头反复地冲击。

现有两种基本型式的锤击机构，即无阀锤击机构和有阀锤击机构。在后一型式中，一个压力操纵阀引导压力流体作用于锤击活塞的一端或另一端。在无阀型式中，其锤击活塞本身起着阀门的作用，各个流体流动通道就根据该活塞的位置进行打开或关闭。本发明是关于无阀型式的锤击钻头。

多种不同的设计的无阀式锤击机构已为人们熟知，但是在现有设计中采用了非常复杂的活塞结构，在锤击活塞形成了复杂的开口和/或通道。由于锤击活塞在使用中承受非常大的负荷，这些复杂的结构会导致活塞的损坏。

本发明的目的是提供一种避免这一缺陷的无阀式锤击钻头。

按照本发明所提供的无阀式锤击钻头包括一个管体，其一端连接至管形钻杆组，在该管体的另一端安装有一个卡头，一个掘进钻头由该卡头夹持着并可相对于该卡头进行轴向活动，一个位于管体内与其同轴的内管，该内管与掘进钻头上的一个孔滑动配合，一个环形截面活塞可滑动地安装在该内管上，该活塞与在内管的侧壁上加工出的孔口共同作用，用以控制高压流体由上述内管通向内管与管体之间的腔体的供给，而这些腔体分别设置在管体相对两端部，一个在卡头内加工出的排放口 ，活塞外部的阀表面与管体的侧壁共同作用加上在卡头上的一个阀套，用以控制该腔体与该排放口的连通，因此，在使用中使该活塞在管体内往复地滑动，反复地向着掘进刀头发送冲击。

内管完全穿过活塞延伸，并形成有用于锤击机构的高压开口，而使活塞的形状非常简单。该活塞的内部可以是有简单台阶的圆筒形。同样地，其外部也可以保持极其简单的形状。

活塞形状这样简单，不仅能够避免在已知的复杂结构活塞中所产生的应力集中会导致活塞的损坏，而且它还能够在给定尺寸的管体内提供最大截面面积的活塞。这一特性，当本发明应用于在内管内带有样品管子的取样锤击钻头时，是非常重要的。但是，本发明也可以应用于不带任何样品管子的锤击钻头，在该钻头中排放的流体是通过钻孔向上排出。

在常规的锤击钻头，排放孔口与在管体内掘进刀头一侧活塞的空腔之间的连通，是由一个安装在掘进刀头（或者一个向掘进刀头传递冲击的锤砧）上的阀门元件进行控制的。该阀门元件通常是一个管子，其内部是一个有效的排放孔口。通过该孔口，钻头的排放经过掘进刀头内的通道排出，流入钻井中。

这种常规的结构具有许多缺点。首先，设置在中央位置的管形阀门元件，由于活塞与刀头之间的少许不对齐，并随着刀头磨损不断增大这种不对齐，很可能会导致该阀门元件损坏。这种损坏将急剧地降低锤击的效率。该阀门元件通常是由尼龙制成，该尼龙易于吸收油而膨胀，从而产生卡住或分离开。此外，已知的结构不能应用于取样型式的锤击钻头，在该类型钻头是采用一个中央管子将锤击切下的钻削物等，经过在钻杆组内的一个第二管子，输送到地面上。

这样本发明的另一个目的是提供一种避免这些以及其它缺陷的无阀式锤击钻头。

因此，本发明还提供一种无阀式锤击钻头，包括一个管体，它的一端连接到一个钻杆组上，经过该钻杆组将高压流体供给至锤击钻头上，一个安装在该管体的相对另一端上的卡头，一个通过该卡头夹持着的掘进刀头沿轴向相对于该卡头移动，在该管体内具有一个沿轴向往复运动的活塞，冲击掘进刀头，一个供给控制装置与活塞相配合，并根据活塞轴向位置有选择地将管体内位于该活塞相对两侧的腔体连接至高压流体供给系统，还有一个排放控制装置与上述活塞相配合，并根据活塞的轴向位置，有选择地将上述腔体连接至排放孔口，上述排放控制装置包括一个在卡头上朝着管体的上述另一端伸出的一个套筒，一个围绕着上述套筒并与上述排放孔口相连通的环形空间;而该套筒的设置是用以容纳活塞的轴向端部，并当该活塞趋近掘进刀头时，用以将相关的腔体与排放孔口的连通切断。

本发明也属于一种这样的无阀式锤击钻头，其中有由流体压力进行往复运动的锤击活塞冲击掘进刀头，上述活塞与一个底座阀门元件共同作用，因此，当该活塞趋近掘进刀头时，使排放孔口与在上述活塞的一端的空腔之间的连通切断，其特征在于：上述底座阀门元件包括一个在用以夹持着上述掘进刀头的卡头上形成的套筒，当活塞趋近于该掘进刀头时，套筒的内部就容纳着活塞的端部。

图1是显示本发明的一个实例的纵向剖视图;

图2是显示另一个实例的纵向剖视图。

首先参看图1，图中所示锤击钻头是一个取样型式的，也就是说该钻头配置有一个样品管10，通过该样品管将钻削下来的切削物等由至少的一部分的压力流体（例如压缩空气）送回地面，该压力流体（例如压缩空气）是经过同轴的双管钻杆组的外环形截面通道送入钻头的。

该钻头包括一个管体11，该管体其上端连接至钻杆组的外管的端部。在其上端，管体11具有一个螺纹部分11a。

安装在管体下端的是一个在其上夹持着掘进刀头13的卡头12。该卡头是以螺纹拧在管体上，并在其下端伸出三个凸块12a，该凸块配合在掘进刀头外面相应的凹槽在该管体与掘进刀头13之间提供传动连接。该掘进刀头13是通过三个柱销14保持在卡头内，该柱销是适配在卡头侧壁的孔内并伸入掘进刀头的柄部的外面的三个纵向延伸的沟槽13a中。这些柱销使掘进刀头可以在图1所示的左，右两半部的两个位置之间进行轴向运动。柱销14是由管体下端定位的。

围绕着样品管子10是一个内管15，该内管由管体上端并与它同轴地延伸进入该掘进刀头13柄部的一个轴向孔内，并与该孔滑动配合。由图1可以看出，该内管长度足够用以与该孔保持滑动配合，甚至当掘进刀头处于其下部位置如图1的左边一半所示位置也如此。如图中所示，在掘进刀头柄部的孔内安装有一个“0”型环密封件16，但这并非是必须的。

内管15的上端是外台阶形结构，该台阶形结构安装在位于管体的上端的安装盘17的台阶孔内。一对弹性垫圈18在内管15的端部与安装在管体内的止逆阀体19之间压缩着。波形弹性垫圈20在该阀体与安装在一个环形阀座22上的环形止逆阀封闭元件21之间压缩着。该阀座紧固在样品管子上而其整个组装件是通过双管钻杆组（未显示）的联接器保持在一起的。该止逆阀保证了当压缩空气中断时不会发生压缩空气反向向上流至钻杆组。这样就防止了携带泥浆颗粒的地下水进入锤击机构的各工作部件并导致它们损坏。

在内管与管体之间的环形截面空间内安装有一个可往复运动的环形截面锤击活塞25。该活塞在内管15上是可滑动的并与管体的内壁滑动配合。该活塞将环形截面空间分隔成上部和下部腔体26和27。该活塞本身控制进出该两腔体的空气流。

在图1的左半边，图中显示该活塞是在升起的位置，在内管15与样 品管子10之间的环形通道28经过内管15中的孔口15a与上腔体26相连通。在该位置上在内管15的孔口15a的上方的一个台阶15b位于活塞25的内部区域的范围内，该活塞内部区域的内径大于活塞25的上部和下部区域的内径，这样使内管15与活塞25之间有环形间隙，提供孔口15a与上腔体26之间的连通。该活塞本身在此位置上是紧贴配合在管体11的一个上部的内径缩小的区域11b，使活塞外的下腔体和上腔体之间不连通。在孔口15a的下方，在内管15上的台阶15c与活塞25的下端区域互相接触，便将活塞内的上腔体和下腔体之间相互隔绝。在正常使用中，掘进刀头13处于升起的位置如图1的右半边所示，而且在此位置即活塞升起位置，下腔体是经过在卡头侧壁上的排放孔口12b排气的。

在活塞25的下降位置上如图1的右半边所示，在内管15上的下部台阶15c，它是位于活塞的内部区域内，而上部台阶15b与活塞的上端区域相啮合。活塞的下端与一个由卡头12的上端向上伸出的阀套筒部分12c相啮合。在内管的下部台阶15c的下面的一个凹槽部分15d与活塞的下端部区域相配合，在该位置上为内管15提供一个恰当的中央位置。这样在孔口15a与阀套筒部分12c的内部之间提供一个高压流体的连通。在上腔体26与排放孔口12b之间的连通是经过在活塞的上端部的外面形成的凹槽或扁平部分25a提供的。

由图1的右半边所示的位置开始，锤击的一个工作循环如下：

（a）作用于活塞下端的高压力加速活塞向上运动。

（b）当台阶15c与活塞的下端区域相啮合时，上面所描述的连通情况的第一个改变就发生了。这样就将在高压孔口15a与下腔体之间的连通堵塞，但是关闭在该腔体内的高压流体仍继续向上推动活塞，因此仍继续向上加速。

（c）这种情况继续下去一直到当活塞的无凹槽部分进入管体的减小直径部分11b时，使上腔体26与孔口12b之间的连通才被堵塞。此刻， 该活塞已获得一个相当大的向上速度而且这种将上腔体的关闭会导致封闭在腔体内的流体受到压缩从而开始使活塞速度放慢。

（d）在阶段（c）之后非常短的时间内，活塞25的下端离开阀套筒部分12c，同时台阶15b进入活塞25的内部区域内。这时活塞的下端是在排气降压，而高压则作用于活塞的上端导致活塞快速放慢，一直到活塞停止在图1所示的左半边的位置上。然后活塞开始向下加速运动。

（e）现在发生相反的顺序，当活塞到达套筒部分12c时，活塞的运动就被缓冲了。最后该活塞敲击掘进刀头柄部的上端，整个循环重新开始。

为了将对掘进刀头施加的反复地锤击并其进行转动（是通过地面台架驱使钻杆组转动）作用下切下的切削物冲洗出去，将供给钻头的空气的一小部分导流，躲避孔口15a进入一个在样品管子10的下端与掘进刀刀柄的内壁之间形成的一个环形通道30。安装在掘进刀头柄内部的是一个空气流动反向装置31，该装置包括一个在样品管子的内部向上延伸的一个管形部分31a，该样品管子的内部是扩大的以便容纳该管形部分。该样品管子10和管形部分31a一起形成一个环形喷咀，该喷咀的轴向长度要比环形间隙的宽度（也就是环形喷咀的内、外半径之间的差值）大得多。这样就保证了具有一个高压空气流向上流入样品管子，该管子能够吸入切削物或其它材料并携带着它们沿着样品管子向上排出去。

应当指出的是上一段中所描述的环形喷咀结构可以看作是与具体的锤击结构无关的锤击钻头的一个特征，也就是该喷咀结构可以用于其它型式的锤击钻头中。

现参看图2，对于熟习本专业技术的人员可以立即看出图中显示的是一个不带样品管的。但是，从原则上说锤击机构的设计除了内管的直径稍小之外与图1所示一样。

图2中所示各另件与图1所示的相对应的各另件采用了相同的标号 上加上100，以下将不再重复说明。

应当指出的是内管115的下端终止于一个流量限制柱塞140中，通过该柱塞能够使附加的冲洗空气流入掘进刀头113的通道中。该通道在掘进刀头113的下端敞开，提供钻头的排气以冷却刀头端面外，还将钻削物等冲掉。该柱塞140可以带有一个可变化的开口或者可以在不同尺寸范围内进行挑选，以适应掘进刀头的使用和工作条件。

Claims (12)

1、一种无阀式钻井锤击钻头，包括一个其一端连接至管形钻杆组的管体，一个卡头安装在上述管体的相对另一端，一个由上述卡头保持着的掘进刀头可相对于该卡头进行轴向移动，一个在卡头内加工出的排放孔口，一个与上述管体同轴延伸的内管在掘进刀头的一孔内滑动配合，一个环形活塞安置在内管和管体之间可相对后两者进行轴向移动，并在活塞两端限定了两腔体，其特征在于，所述活塞有一对内阀表面，与内管的壁上加工出的孔口共同作用，用以控制由所述内管流入所述腔体的高压流体的供给，还有一外阀表面与所述管体的壁共同作用，并与所述卡头上一阀套筒控制所述腔体与所述排放孔口的连通，由此，在使用中使活塞在管体内进行往复运动，并向着掘进刀头发送反复的冲击敲击。

2、如权利要求1所述锤击钻头，其特征在于，还包括一个样品管位于上述内管的内部，和一个设置在掘进刀头内的中央通道中的环形喷咀，用以引导空气流经一个在内管与样品管之间的环形截面空间，向上进入该样品管的下端。

3、如权利要求2所述锤击钻头，其特征在于，所述喷咀是由安装在掘进刀头内的一个空气流反向装置构成的，并带有一个延伸至样品管的下端内的管形部分。

4、如权利要求3所述锤击钻头，其特征在于，所述管形部分延伸至样品管的下端内的长度，要大于在管形部分与取样管之间形成的环形间隙的宽度。

5、如权利要求1所述锤击钻头，其特征在于，上述活塞的内部表面是呈台阶圆筒形，带有一个比活塞的上、下两端部区域的内径要大一些的内部区域，活塞的这种上、下两端部区域分别与内管上的分别设置在该内管的各孔口的上方和下方的台阶共同作用。

6、如权利要求5所述锤击钻头，其特征在于，该内管在其下台阶的下面加工出一个外凹槽部分，该凹槽部分与活塞的下端部区域的内部相啮合，以形成对该活塞的导向。

7、如权利要求5所述锤击钻头，其特征在于，该活塞在与管体的侧壁共同作用的阀表面的上方，配置一个外部凹槽部分，与管体相滑动啮合的这种凹槽部分对活塞形成导向。

8、一种无阀式钻井锤击钻头，包括一个其一端连接至钻杆组上的管体，经过该钻杆组连接有一个高压流体供给系统以供锤击钻头使用，一个安装在该管体的相对另一端的卡头，一个由上述卡头保持着的掘进刀头，用于产生相对于该卡头的轴向运动，一个在上述管体内进行轴向往复运动的活塞，与该掘进刀头进行冲击接触，一个与活塞配合使用的供给控制装置，根据活塞的轴向位置，将在管体内的上述活塞相对两端的腔体，有选择地连接至上述供给系统上，还有一个与上述活塞配合使用的排放控制装置，根据该活塞的轴向位置有选择地，将上述两个腔体连接至排放孔口上，其特征在于，上述排放控制装置包括一个在卡头上朝着管体的上述另一端部伸出的套筒，一个围绕着上述套筒并与排放孔口相连通的环形空间，而且该套筒的设置，是当该活塞趋近于掘进刀头时，用以容纳活塞的一个轴向端部，并切断相关的腔体与排放孔口的连通。

9、一种无阀式钻井锤击钻头，有一个锤击活塞，借助流体压力反复地与掘进刀头冲击接触，该活塞与一个底座阀元件共同作用，由此，当该活塞趋近于掘进刀头时，将一个排放孔口与在该活塞一端上的一个腔体之间的连通切断，其特征在于，所述底座阀元件包括一个在用于保持上述掘进刀头的卡头上加工出的套筒，当活塞趋近于掘进刀头时，套筒的内部容纳该活塞的一个端部。

10、一种钻井取样锤击钻头，包括一个其一端连接在钻杆组上的管体，一个安装在上述管体内的样品管，一个锤击活塞可往复运动地安装在上述管体内，一种掘进刀头安装装置设置在该管体的另一端部，一种流体流动控制装置用以控制通向在管体内的活塞相对两端部的腔体的高压流体供给，以便使活塞产生往复运动并导致产生锤击作用，对着掘进刀头进行反复冲击敲击，其特征在于，在该掘进刀头内设有一个环形喷咀用于向上喷射流体进入样品管的下端，以便将由掘进刀头切下的材料携带至地面，上述喷咀是在掘进刀头内的一个通道中安装的流动反向元件与该样品管下端之间形成的。

11、如权利要求10所述锤击钻头，其特征在于，上述流动反向元件包括一个伸入到样品管下端内的管形部分。

12、如权利要求11所述锤击钻头，其特征在于，上述管形部分伸入到样品管内的距离要大于在该管形部分与样品管的下端之间的环形间隙的宽度。

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