CN101821471A

CN101821471A - 磁锤

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Publication number: CN101821471A
Application number: CN200880102661A
Authority: CN
Inventors: P·E·鲍威尔; G·D·韦斯特
Original assignee: Flexidrill Ltd
Current assignee: Flexidrill Ltd
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2008-08-18
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2028-08-18
Also published as: CA2692769C; CN101821471B; BRPI0816174A2; AU2008293134B2; KR101494931B1; EP2191095B1; EA017273B1; US8561723B2; CA2692769A1; NO2191095T3; KR20100053661A; JP5368448B2; EA201070317A1; US20100212967A1; EP2191095A4; EP2191095A1; JP2010538186A; BRPI0816174B1; MX2010002034A; AU2008293134A1

Abstract

一种具有钻柱的钻孔装置，可操作地使钻柱旋转并且可操作地沿轴向向钻头提供振动。因向振动装置的至少一个阵列或阵列组的机械输入所引起的相对旋转，振动装置定位成根据相互作用的磁性阵列提供振动。当钻柱旋转时，阵列或阵列组中的其中一个与钻柱旋转地进行同步移动。

Description

磁锤

技术领域

本发明涉及一种磁锤(magnetic hammer)，其作为具有钻柱(drillstring)类型的钻孔装置的钻柱的一部分。

背景技术

本发明构思这样的钻孔装置(drilling apparatus)，其可以操作以使钻柱或至少是钻柱的钻头(drill head)或钻尖(drill bit)或两者旋转。磁锤可以操作以沿轴向向钻头或钻尖提供振动。为此，作为这样一种锤的磁锤或振动装置是作为钻柱的一部分或被定位在钻柱中。

在申请人的专利说明书WO2006/065155(PCT/NZ2005/000329)中，公开了一种依赖于磁性阵列产生梭动效果(shuttling effect)的方法，所述磁性阵列能够通过机械驱动装置彼此相对地旋转到受限的梭动装置(confined shuttle)。其具有与梭动装置一起旋转的至少一个磁性阵列以及提供限制的互补结构的至少一个磁性阵列。

在WO2006/065155中公开的实施方式表示通过梭动装置梭动到钻柱内产生振动，所述梭动装置通过钻柱的旋转安装得到承载。钻柱在梭动装置下方具有单独的旋转驱动装置，并可以独立于梭动装置和限制结构进行旋转。

来自WO2006/065155的细长梭动装置的振动输出经过限制结构且不来自梭动装置本身，并且对于钻柱来说既不具有限制结构也不具有与钻柱同步的细长梭动装置。

本发明认识到，对几种形式的钻孔所产生的优点在于具有作为磁锤的振动装置，其作为钻柱的一部分定位或定位在钻柱中并且其一部分与钻柱同步。

在此采用的术语“作为钻柱的一部分”的意思是指，在钻柱顶部但至少部分地与钻柱同步旋转以及在钻柱的任何旋转驱动输入的下方，其还可以表示与“在钻柱中”一样地意指在钻柱的底部。术语“定位在钻柱中”意思是指，在钻柱的旋转驱动输入(如果存在)的下方沿钻柱长度的任何地方。

包含振动装置及其磁性阵列能够作为钻柱的一部分或在钻柱中彼此相对移动，可以提供其他优点。

一个优点在于多功能使用的流体驱动装置进行勘探(prospect)。

另一优点在于，即使仍然采用某种类型的驱动装置使振动装置的一部分在沿钻柱长度的任何地方旋转，也可以使振动装置的一部分与钻柱保持固定。

另一优点源自锤击得到双向或单向定向的能力，单向定向如果需要的话使相反方向(例如向上)上的破坏降至最小。这一点在钻柱中的振动装置的上方存在感应设备或部件时很重要。

向下钻眼的另一优点是钻柱在其最下端承载外围割刀以与内部割刀相联合的作用，内部明显地是刀头(bit)或钻头(drillhead)，外围部分(优选与钻柱同步旋转)本身是钻头或刀头。

另一或备选目的是提供一种具有钻柱类型的钻孔装置，其可操作地使钻柱、或者至少钻柱的钻头或刀头、或者两者旋转，并且可操作地提供沿钻头或刀头轴向的振动，其中提供振动的振动装置被定位成钻柱的一部分或处于钻柱中。

另一或备选目的是采用钻柱(或其一部分)的流体驱动器，其驱动着振动装置或被其所驱动。

另一或备选目的是独立于钻柱旋转地使钻头或刀头旋转和/或振动。

另一或备选目的是，根据钻柱的旋转状态(如果存在)，使振动装置的一个或多个组件相对于钻柱或每个组件或其驱动装置的其他派生部分具有经由传动装置的梭动动作。

另一或备选目的是向钻柱的内部割刀(钻头或刀头)和/或外部割刀(钻头或刀头)提供振动。

发明内容

本发明的第一方面是一种具有钻柱的钻孔装置，其可操作地使钻柱、或者至少是钻柱的钻头或刀头、或者二者旋转，以及可操作地沿轴向向钻头或刀头提供振动；

其特征在于，振动装置作为钻柱的一部分而设置或位于钻柱中，提供所述振动；

并且，所述振动装置具有相互作用的磁性阵列，其中以如下方式存在至少一个具有第一阵列或阵列组(“第一阵列”)的组件(“第一组件”)并且存在至少一个具有第二阵列或第二阵列组(“第二阵列”)的组件(“第二组件”)，即响应于所述第一阵列和所述第二阵列之间的相对旋转，第一阵列和第二阵列相互作用以促使第一阵列相对于第二阵列梭动，反之亦然，或二者都存在，并且由此促使它们各自的支承组件梭动；

并且，通过向所述第一和第二组件中的一个或另一个、或者第一和第二组件中的二者的机械输入，来引起相对旋转，

并且，当钻柱旋转时，第一和第二阵列及其组件中的其中一个与钻柱同步旋转地进行移动。

可选地，因钻头或刀头或者二者通过第一组件的直接或间接的承载或锤击，由此钻头或刀头进行振动。作为替换地，可选地因钻头或刀头或者二者通过第二组件的直接或间接的承载或锤击，由此钻头或刀头进行振动。

可选地，第一和第二阵列以及它们的第一和第二组件可以在相反方向上旋转。

优选地，第一和第二阵列以及它们的第一和第二组件可以在相同方向上旋转。

优选地，第一和第二阵列以及它们的第一和第二组件中的其中一个可以在第一和第二阵列以及它们的第一和第二组件中的另一个旋转时不旋转。

优选地或可选地，振动装置位于进入钻柱内(例如在钻柱中)的旋转驱动装置的下方。

可选地，作为所述第一和第二旋转元件中的其中一个的心轴内的旋转驱动装置，引起单向或双向锤击。

可选地，所述旋转驱动装置是泥浆马达、流体马达、电动机或者其他机械或电驱动装置。

可选地，所述第一和第二旋转元件中的另一个通过钻柱旋转或与钻柱一起旋转。

可选择地，振动装置是细长的，具有作为其外部的外壳。该外壳优选与钻柱联合移动，也就是同步并同速移动。否则，在同步的同时其可能以不同速度移动。

可选择地，齿轮传动提供用于所述磁性阵列中的其中一个的更大或更小的旋转速度，和/或相对于旋转驱动输入装置的钻头旋转速度，或者用于为钻头提供差动驱动，例如与钻柱和/或第一旋转元件不同的速度。实例包括行星齿轮传动系统。

可选地，粘性耦合件提供了所述磁性阵列中的其中一个的驱动装置。

可选地，钻柱使割刀旋转，并且该割刀内存在的钻头：(i)能够与钻柱就速度来说不同地旋转，(ii)能够相对于钻柱的割刀振动，或者(iii)二者都存在。

优选地，一个或多个磁性阵列相对于钻柱轴线进行轴向布置。优选地，至少一些阵列被布置在其他磁性阵列的一些阵列之间。

本发明的另一方面是涉及本发明的钻孔装置的部件(无论是全部还是仅一些，无论在组装还是分拆中，或者都为部分地，两者)。

本发明的另一方面在于基本上在此参照附图中的任何一幅或更多附图描述的和/或在方法中使用的或作为在前限定的向下钻眼组件的装置。

因而，本发明的另一方面在于振动装置，其包括或包含：

(i)第一元件，其无论经由钻柱还是其他装置能够直接或间接地作用在钻头或刀头组件上，以使轴向振动传入该钻头或刀头组件，所述第一元件具有至少一个磁铁阵列，

(ii)第二元件，其承载着至少一个磁铁阵列以与所述第一元件的至少一个阵列互补，由此在相对旋转以提供磁性相互作用时，所述第二元件及其互补的磁铁阵列或多个阵列相对于第一元件旋转，反之亦然，或二者都存在，同时所述第二元件能够并由磁性相互作用引发在梭动极限之间或相对于所述第一元件进行梭动，以及

(iii)至少一个驱动装置和/或传动装置，其引起所述第一元件相对于所述第二元件的所述相对旋转，反之亦然，或二者都存在。

本发明的一方面在于振动装置，其包括或包含：

(i)第一旋转元件，其直接或间接地与钻头或刀头组件相连，或者直接或间接地与钻柱相连以具有钻头或刀头组件，其能够将其旋转传送入任何这样连接的钻头或刀头组件内，或者是钻柱以及钻头或刀头组件；并能够将轴向振动传递到所述钻头或刀头组件内，或者是钻柱以及钻头或刀头组件，

所述第一旋转元件具有至少一个在旋转过程中由其承载的磁铁阵列，

(ii)第二旋转元件，其承载至少一个磁铁阵列以与所述第一旋转元件的至少一个阵列互补，所述第二旋转元件及其互补的磁铁阵列或多个阵列绕所述第一旋转元件旋转，并且所述第二旋转元件能够在梭动极限之间在所述第一旋转元件上或相对于所述第一旋转元件梭动，以及

(iii)一个或多个驱动装置，(优选至少一个驱动装置引起所述第一旋转元件的旋转，并且优选至少一个驱动装置)其使第二旋转元件相对于所述第一旋转元件旋转，反之亦然；

其中，第一和第二旋转元件之间的相对旋转引起磁性阵列之间的所述相对旋转，这样将使所述第二旋转元件相对于所述第一旋转元件梭动，由此产生传入所述第一旋转元件内的轴向振动。

本发明的另一方面涉及一种锤刀头组件，其与钻柱或其分组件和/或部件进行相连、构成其一部分或可以与其相连，该锤刀头组件包括或包含：

与钻柱一起旋转的管状外壳，

承载在外壳内并与其一起旋转的至少一个磁铁阵列，

承载在外壳内的第一齿轮(例如外齿轮)，其是所述行星齿轮传动系统的第一齿轮，

在外壳内的轴，该轴被安装成使轴能够轴向梭动以及相对于外壳旋转，

行星齿轮传动系统的第二齿轮(例如太阳齿轮)，其被承载以与轴一起旋转，

至少一个磁铁阵列，其通过轴承载以与其一起旋转和轴向梭动，以及

刀头，其被安装成或可被安装成与行星齿轮传动系统的至少一个行星齿轮的旋转轴线一起旋转；

其中，刀头是或可以直接或间接地通过轴相对于外壳的轴向梭动而进行锤击；

并且，外壳的至少一个磁性阵列和轴的至少一个磁性阵列相互作用，以在轴相对于外壳的旋转速度存在差异时引起轴相对于外壳的梭动；

并且，在轴与外壳之间存在速度差决定的驱动装置(例如粘性、阻力、离心力和/或等效因素)，由此在使用过程中所安装刀头以及由此还有轴相对于外壳旋转的旋转减速将提高轴的梭动效果，反之亦然。

与钻柱一起旋转的管状外壳，

承载在外壳内并与其一起旋转的至少一个磁铁阵列，

在外壳内的轴，该轴安装成使轴能够轴向梭动以及相对于外壳旋转，

通过轴承载以与其一起旋转和轴向梭动的至少一个磁铁阵列，

来自外壳或轴的齿轮旋转驱动装置，以及

刀头，其被安装成或可被安装成由齿轮旋转驱动装置进行旋转；

其中，刀头是或可以被直接或间接地通过轴相对于外壳的轴向梭动而进行锤击；

并且，外壳的至少一个磁性阵列和轴的至少一个磁性阵列相互作用，以在轴相对于外壳的旋转速度存在差异时引起轴相对于外壳的梭动。

本发明的另一方面是钻孔装置，其包括或包含：

管状壳体组件，其适于在一端与钻柱直接或间接地相连，由此在钻孔时得到旋转，并且具有或适于在另一端具有刀头，

梭动装置，其被安装成沿所述壳体组件的轴向往复移动并适于在往复移动时(直接或间接地)将振动或锤击效果传入刀头内，

被固定成与壳体组件一起旋转的至少一个磁性阵列，以及

与梭动装置一起旋转的至少一个互补的磁性阵列，

其中所述梭动装置与所述壳体组件的相对旋转将在成对或数对互补的磁性阵列之间产生相互作用，以引起梭动装置的梭动并由此引起钻头的振动或锤击，

并且，所述刀头包括触觉反馈以促使梭动装置旋转，并因此在相对于管状外壳旋转减速时进行梭动。

本发明的另一方面涉及一种通过钻孔组件在地下地层钻孔的方法，所述方法包括或包含以下步骤：

(a)将钻孔组件运送到井孔内，以及

(b)同时和/或连续地

(i)使作为钻柱一部分的钻头或外钻头绕作为钻柱一部分的钻孔轴线进行旋转，以及

(ii)使钻头振动，或使内钻头相对于钻孔轴线沿轴向旋转和振动，

其中，通过向组件的流体马达内施加流体而引起钻头或内钻头的轴向旋转，这样促使梭动装置绕至少与钻孔轴线基本上对准的旋转轴线进行旋转，由此利用梭动装置的磁性阵列与能够与其共同作用的磁性阵列之间的磁性相互作用来促使梭动装置并因此促使钻头或内钻头进行轴向往复运动。

本发明的另一方面涉及一种用于在地下地层中进行钻孔的组件，所述组件包括或包含：

钻头，

梭动装置，其直接或间接地与所述钻头相连，或直接或间接地接合所述钻头并能够在与钻头的钻孔轴线重合或平行的轴线上往复运动，

能够使所述梭动装置进行旋转的流体马达，以及

至少两个磁铁阵列，其适于使得所述梭动装置响应于梭动装置的旋转而往复运动。

本发明的另一方面涉及一种用于在地下地层进行钻孔的组件，所述组件具有：

壳体，

钻头，其在壳体的下极端处具有旋转轴线，

壳体中的梭动装置，其直接或间接地与所述钻头相连，或直接或间接地接合所述钻头，由此促使钻头在所述钻头在与钻头的旋转轴线重合或平行的轴线上往复运动时进行往复运动，所述梭动装置承载着至少一个磁铁阵列，

互补的一个或多个磁铁阵列，其在壳体中未由梭动装置承载，

壳体中的流体马达，以及

壳体中的齿轮传动系统(例如减速齿轮传动系统)，

其中，所述流体马达使梭动装置旋转，由此因配合阵列之间的磁性相互作用而引起梭动；以及

所述流体马达通过齿轮传动系统使钻头旋转。

本发明的另一方面涉及一种组件，其包括或包含：

壳体或容器元件或组件(“壳体”)，其与钻柱相连或可以相连并能够从钻柱内接收流体，

流体马达，其位于壳体中以由所述接收到的流体驱动，

梭动装置，其在壳体中具有至少一个磁性阵列，该梭动装置通过马达实现旋转，

在壳体内互补的一个磁性阵列或多个互补的磁性阵列，它们不由梭动装置承载，以利用磁性相互作用因梭动装置通过马达旋转而引起梭动装置的梭动，

在壳体中的齿轮传动系统(例如减速齿轮传动系统)，其从所述马达接收驱动，以及

刀头，其相对于壳体被可旋转地安装，以通过齿轮传动系统的输出实现旋转以及通过梭动装置的梭动沿轴向往复运动。

优选地，所述壳体具有的梭动装置旋转轴线与所述刀头的旋转轴线对准。

本发明的另一方面涉及在用于通过包括钻头的钻孔组件、在地下地层进行钻井孔的方法中和/或用于该方法的组合的分组件或组件，或适用于在地下地层进行钻孔的组件，包括：

能够连接在钻柱端部的壳体，

刀头，其在所述壳体下端能够相对于壳体旋转以及在其旋转轴线上相对于壳体进行往复运动，

梭动装置，其在所述壳体内与钻头的旋转轴线连接或能够促使钻头沿钻头旋转轴线的轴向往复运动，

至少一个流体马达，其由壳体承载或承载着壳体，和/或能够直接或间接地使所述梭动装置旋转，以及

齿轮传动组件，其直接或间接地从一个流体马达或所述流体马达接收驱动并向刀头提供旋转驱动，以及

在壳体内的至少一对互补的磁性阵列，其中一对或每对阵列由梭动装置承载，并且一个阵列未得到那样的承载，适于引起所述梭动装置响应于流体马达引起的梭动装置旋转而往复运动。

本发明的另一方面涉及在通过钻孔组件在地下地层进行钻孔的方法中和/或用于该方法的组合的分组件或组件，包括：

能够连接在钻柱端部的壳体，

一个钻头或多个钻头，其在所述壳体下端并能够与所述壳体一起旋转和/或被促使相对于壳体旋转，

梭动装置，其直接或间接地连接或可连接在所述钻头或一个所述钻头上并能够将振动沿钻头的旋转轴线的轴向传入该钻头或那个钻头内，

流体马达，其通过壳体承载或承载着壳体并能够使所述梭动装置旋转，以及

至少两对互补的磁性阵列，其在壳体内适于引起所述梭动装置响应于梭动装置的旋转而往复运动。

本发明的另一方面涉及钻孔装置(无论是否为向下钻眼)，其包括或包含：

管状壳体组件，其适于在一端直接或间接地与钻柱相连以在钻孔时旋转并具有或适于在另一端具有外围或外侧(例如环形的)(“外钻头”)钻头(“钻孔端”)，

梭动装置，其安装成沿所述壳体组件的轴向往复运动并适于具有或在其靠近壳体组件的钻孔端的端部具有内钻头，

流体马达，其在壳体组件内适于接收向下钻柱流体供给并由其驱动，

从所述马达到所述梭动装置的传动装置，其使梭动装置绕壳体组件的纵向轴线梭动，并由此在使用中还使所述内钻头旋转，

被固定成与壳体组件一起旋转的至少一个磁性阵列，以及

与梭动装置一起旋转的至少一个互补的磁性阵列，

其中，所述梭动装置与所述壳体组件的相对旋转将在成对或数对互补的磁性阵列之间引起相互作用，以使得梭动装置及其内钻头相对于壳体组件及其外钻头进行梭动。

本发明的一方面涉及通过钻孔组件在地下地层进行钻孔的方法，该钻孔组件包括向下钻眼组件钻头或内外钻头的向下钻眼组件，所述方法包括或包含以下步骤：

(a)将钻孔组件运送到井孔内，以及

(b)同时和/或连续地

(ii)使钻头振动或使内钻头相对于钻孔轴线沿轴向进行旋转和振动，

其中钻头或内钻头的轴向振动通过轴向旋转驱动向下打眼(例如通过或经由钻柱)而产生，以促使梭动装置至少与钻孔轴线基本上对准地绕旋转轴线旋转，由此利用梭动装置的磁性阵列与能够与其共同作用的磁性阵列之间的磁性相互作用，而促使梭动装置并因此促使钻头或内钻头进行轴向往复运动。

本发明的一方面涉及通过钻孔组件在地下地层进行钻孔的方法，该钻孔组件包括具有钻头的向下钻眼组件，所述方法包括或包含以下步骤：

(a)将钻孔组件运送到井孔内，以及

(b)同时地

(i)使钻头旋转

(ii)使钻头相对于钻孔轴线往复运动。

本发明的另一方面涉及用于在地下地层进行钻孔的组件，所述组件包括或包含：

钻头，

直接或间接地能够在与钻头的钻孔轴线相重合或平行的轴线上往复运动的梭动装置，

使所述梭动装置旋转以及使所述钻头旋转的一个流体马达或多个流体马达(“流体马达”)，以及

至少两个磁铁阵列，其适于促使所述梭动装置响应于梭动装置的旋转而往复运动。

钻头，

梭动装置，其直接或间接地与所述钻头相连并能够在与钻头的钻孔轴线相重合或平行的轴线上往复运动，

驱动装置，其通过或经由钻柱(例如钻柱本身和/或流入流体马达的流体)使所述梭动装置旋转，以及

本发明的另一方面涉及在通过钻孔组件在地下地层进行钻孔的方法中和/或用于该方法的组合的分组件或组件，其包括：

能够连接在钻柱端部的壳体，

在所述壳体下端的一个钻头或多个钻头，该钻头或至少一个钻头能够相对于壳体旋转，

梭动装置，其在所述壳体内能够使所述钻头或至少一个钻头沿钻头旋转轴线的轴向往复运动，

使所述梭动装置旋转的流体马达驱动装置，

在壳体内的至少一对互补的磁性阵列，所述一对或每对磁性阵列由梭动装置承载，适于促使所述梭动装置响应于梭动装置的旋转而往复运动，以及

从流体马达到一个钻头或至少一个钻头的齿轮驱动装置。

本发明的另一方面涉及在通过钻孔组件在地下地层进行钻孔的方法中和/或用于该方法的组合的分组件或组件，，其包括：

能够连接在钻柱端部的壳体，

在所述壳体下端并能够与所述壳体一起旋转和/或被促使相对于壳体旋转的钻头或多个钻头，

梭动装置，其在所述壳体内与所述钻头或一个所述钻头直接或间接地相连或可以相连并能够将振动沿钻头旋转轴线的轴向传入所述钻头或那一钻头内，

使所述梭动装置旋转的驱动装置，以及

至少两对互补的磁性阵列，其在壳体内适于促使所述梭动装置响应于梭动装置的旋转而往复运动。

本发明的另一方面涉及钻孔装置，其包括或包含：

管状壳体组件，其适于在一端直接或间接地与钻柱相连并在另一端具有或适于具有钻头，

安装成沿所述壳体组件的轴向往复运动的梭动装置，

来自流体马达的驱动装置，其促使梭动装置旋转，

相对于壳体组件固定的至少一个磁性阵列，

与梭动装置一起旋转的至少一个互补的磁性阵列，以及

无论是否经由梭动装置都从流体马达到钻头输出以促使其旋转的齿轮减速输出装置；

其中，所述梭动装置与所述壳体组件的相对旋转将在成对或数对互补的磁性阵列之间引起相互作用，以促使梭动装置梭动并由此促使钻头相对于壳体进行轴向往复运动。

本发明的另一方面涉及一种钻孔装置，其包括或包含：

管状壳体组件，其适于在一端与钻柱直接或间接地连接由此在钻孔时旋转并具有或适于在另一端具有外围或外(例如环形的)(“外钻头”)钻头(“钻头端”)，

梭动装置，其安装成沿所述壳体组件的轴向往复运动并适于具有或在其端部具有靠近壳体组件的钻头端的内钻头，

用于梭动装置以引起其旋转的轴向驱动装置，

被固定成与壳体组件一起旋转的至少一个磁性阵列，以及

与梭动装置一起旋转的至少一个互补的磁性阵列，

其中，所述梭动装置与所述壳体组件的相对旋转将在成对或数对互补的磁性阵列之间引起相互作用，以引起梭动装置及其内钻头相对于壳体组件及其外钻头的梭动。

在此采用的术语“钻头(drill head)”、“刀头(bit)”、“刀头组件(bitassembly)”、“钻柱(drill string)”被认为可以互换(也就是它们并非彼此相互限制)，除非上下文特殊要求。

在此采用、参考的“钻柱(drill string)”、“钻孔(drilling)”等没有规定钻孔必须垂直向下。钻孔实际上可以在任何方向上进行。

在此参照的相对于振动的“轴向的(axial)”或“轴向地(axially)”大体上指处于至少基本上平行于钻头、刀头、刀头组件和/或钻柱轴线的方向上。

在此采用的术语“和/或”意思是“和”或者“或”或者二者。

术语“直接(directly)”或“间接(indirectly)”和相对于锤击产生的振动的“直接(direct)”或“间接(indirect)”指的是，经由与锤击相关的部件中的一个或另一个所实现的单向或双向传动。

术语“锤(hammer)”或“锤击(hammering)”可以是固体与固体的相互作用、固体与由液体覆盖的固体表面的相互作用或其他情况。而且“锤”、“锤击”等意思是在两个轴向(例如双向，如果垂直钻孔则是向上和向下)进行锤击。在一些实施方式可以作为替换的是在轴向(例如向下)方向上是单向的。正锤击在两方面有助于钻孔和后铰削这两者。来自单向锤击(例如向下有助于钻孔)的振动会降低在装置上方的振动破坏。

在此采用名词之后的“(s)”意思是名词的复数和/或单数形式。

说明书中采用的术语“包括(conprising)”意思是“包括至少其一部分”(consisting at least in part of)。当解释该说明书中包含该术语的叙述时，存在由该术语或一些等效术语作为前序的特征，也存在其他特征。相关术语例如“包括(comprise)和包括有(comprised)”以相同方式得到解释。

根据本发明，对在此公开的数值范围的参考(例如1-10)包含对该范围内所有有理数的参考(例如，1，1.1，2，3，3.9，4，5，6，6.5，7，8，9和10)，并且还包含对该范围内有理数的任何范围的参考(例如2-8，1.5-5.5和3.1-4.7)。

附图说明

现在参照附图描述本发明的优选形式，图中：

图1是表示向下钻眼结构的构思图，其能够因中心第一旋转元件相对于由钻柱旋转驱动的第二外部旋转元件的旋转而在两个方向(“双向”)上间接地锤击钻头，第一旋转元件作为锤，

图1A是与图1的向下钻眼结构类似的示意图，但是表示第一旋转元件没有抓握锤或者不能在两个方向上间接锤击钻头，也就是单向结构，

图2在所有方面与图1类似，但是钻杆的一部分长度(仅示出较短的长度)被布置在钻头与得到锤击的部分之间，

图2A是相对于图2的类似结构，如同图1A相对于图1一样，

图3表示直接布置结构的构思图，其中可以促使由泥浆马达或其他机械输入装置驱动的中心第一旋转元件旋转，以直接促使切割头旋转，周围的第二旋转元件通过钻柱旋转或保持，或其静止状态得到保持；第一旋转元件的锤承载切割头，但锤击着连接在钻柱上的周围装置和/或通过连接在钻柱上的周围装置得到锤击，

图4是与图3所示类似的直接结构，但其中钻杆布置在第一旋转元件与切割头之间，图4的实施方式不一定是向下钻眼或深向下钻眼，即其可以沿钻柱的任何位置(包括钻柱的顶端)，同时钻杆位于第一旋转元件的锤与切割头之间，

图5是图1A所示的间接构思方案的变型，其中所使用的向下钻眼是单向锤结构，周围的钻柱或振动装置的外壳具有环，其能够展开以接合地面由此将其缺少旋转的状态传送到能够在切割头上锤击的中心轴，

图6是与图5所示类似的间接结构，但其中所述装置可以被用于除整个向下钻眼之外的地方，也就是沿钻柱长度的一定位置或作为顶部锤，

图7表示复合切割头的示意图，其中周围部分在构成钻柱一部分的外壳底部承载着割刀，以绕中心割刀旋转以通过相对于固定在外壳上的互补阵列的相互梭动而相互作用，所述中心割刀能够在经由承载一定磁阵列的中心轴所传递的某种马达作用下进行旋转，

图8是表示相互作用的磁性阵列、以及表示用于周围部分并相对于心轴(其上安装有其他磁性阵列)作为梭动装置的单独机械驱动装置的示意图，所述心轴承载锤并且可以在适当输入下旋转以促使向左产生振动和旋转心轴输出(也就是直接动作)，

图9是顶部锤组件的立体图，其具有来自左侧的输入驱动装置，并具有承载着锤以及延伸到右侧直至连接到向下钻眼(或另一向下钻眼钻柱)内的输出轴的中心轴，从而存在从左侧钻柱旋转输入的勘探(prospect)，

图10是图9所示的组件的另一端的立体图，

图11是图10所示装置从左手端观察的视图，

图12是图9-11所示的装置的AA剖视图，

图13是图13-15所示的组件的钻头或刀头的视图，

图14是图13-15所示的向下钻眼组件的立体图，

图15是图13和14所示的组件在BB处的剖视图，所述装置具有驱动销以提供来自马达的旋转，使振动与泥浆马达隔离，并且所具有的磁性阵列组件绕中心轴与外壳一起旋转，泥浆马达的泥浆向下穿过所述装置以经由钻头排出，由此具有多功能，

图15A是图15所示的实施方式的变型，表示行星齿轮传动系统(作为齿轮传动系统的实例)和粘性耦合驱动装置，

图16是在图15A中采用的行星齿轮箱的剖视图，

图17是一个示意图，表示磁性阵列相对于第一或第二旋转元件中的另一个的(任何长度的)阵列在顺时针方向上(无论第一或第二旋转元件)的旋转，并表示在互补阵列之间分别排斥和吸引的“R”和“A”情形使得在箭头方向上存在净相互梭动推力，以及

图18表示图17所示的结构处于成对磁性阵列之间存在吸引力“A”和排斥力“R”反向之后的时刻，在箭头方向上存在着净相互梭动推力。

具体实施方式

图1是表示由作为第二旋转元件的外壳2所驱动的切割头1(也就是钻头或刀头)的示意图。通过来自另一上井孔的钻柱旋转，使外壳或第二旋转元件旋转。

切割头1被键连接以在轴向上相对于第二旋转元件滑动，并从其上接收着旋转驱动。

作为锤的第一旋转元件4是通过未示出的泥浆马达或其他结构进行驱动的中心轴，第二旋转元件承载着阵列5，其与由第一旋转元件承载的阵列6相互作用。

因此，相互作用的阵列5和6之间的相对旋转促使第二旋转元件相对于第一旋转元件4梭动，反之亦然，或二者皆有。这样的结果是元件7(锁定在元件4的8与9之间)接收着来自第一旋转元件4的锤击。

可以看到，这样的结构适用于向下钻眼应用场合的较小总周长(girth)。

图2所示的结构示出与图1所示类似的双向间接锤结构，其更适用于更加靠上的钻柱组件，也就是可以作为顶部锤或位于它们之间的某一位置。

在此，切割头10通过钻杆13被作为键连接在钻杆顶部上的外壳11的第二旋转元件11所旋转。切割头10因其与第一旋转元件16的部件17和18的相互作用而接收来自部件12的振动。可以看到，切割头通过钻杆13连接到键连接件14，与第二旋转元件或外壳相连。

第二旋转元件适于通过液压马达或其他机械输入装置经由部件15得到驱动。第一旋转元件16锤击着由区域17和18锁定的部件12(与图1的构思中的情形一样)，使得在部件12与区域17和18中的每一个之间存在相互作用以向下经过钻杆朝切割头10提供振动。这是起因于分别承载着磁性阵列19、20的第一和第二旋转元件16、11之间的相对旋转移动以及最终的轴向相对移动。

图1和2中示出的两种构思都是滑道打击(ways hitting)。这与例如外壳或第二旋转元件11是否相对于中心轴16旋转固定、反向或处于同一方向无关，反之亦然。

图1A和2A的结构除了是单向之外与图1和2相同，也就是因为部件7A和9A或部件12A和17A之间的碰撞，部件7A被第一旋转元件4A或部件16A向左侧进行作用。

图3表示第三构思，并且这次是向下钻眼构思，在此切割头21通过作用在区域24和25内的锤22进行直接轴向移动，所述区域24和25构成第一旋转元件23的一部分，所述第一旋转元件23是由泥浆马达、流体马达或其他机械输入装置所驱动的中心轴。

锤22作用在第二旋转元件或外壳26的区域24和25内，其中通过钻柱使所述第二旋转元件或外壳26旋转或固定，也就是其在钻柱旋转时被钻柱驱动。在该结构中，第一旋转元件23的磁性阵列27与第二旋转元件26的磁性阵列28相互作用，由此促使中心轴22在第二旋转元件的区域24和25上来回锤击，和/或通过元件23和26之间的相对轴向移动得到直接承载切割头21的锤击效果。不在乎考虑的是否为锤(也就是，不论是成对的区域24和25还是具有由第一旋转元件所承载的锤击面的元件22)，但为了解释清楚，所述所示的是与图1-2A的“间接”结构所不同的“直接”结构，并且在此元件22是锤。

图4表示另一实施方式。

在此，切割头29由穿过钻杆30的中心轴驱动。中心轴是第一旋转元件31。其通过钻轴或其他装置驱动，因为该结构能够移动到另一上井眼或者可以被用作钻柱的顶部锤。

外壳仍然是第二旋转元件32。

锤33通过外壳或第二旋转元件32的区域34和35进行作用。

因此，区域34、35和33之间的相对往复运动产生锤击效果，因外壳相对于钻柱的移动所产生的振动，反之亦然，或二者都存在。

钻柱与第一旋转元件31的磁性阵列36同步旋转。这些阵列与第一旋转元件所承载的磁性阵列37相互作用。这样引起了导致锤击的相互移动。

图5表示图1A所示的结构。然而，在此第一旋转元件37间接锤击切割头38。第二旋转元件39通过带有磁性阵列40的钻柱旋转而进行旋转。第一旋转元件34的磁性阵列41得到布置，当然基本上可以存在一系列共同作用并在下文参照图16和17描述的磁性阵列。

图5的结构的不同之处在于，外围翼片42被设置作为接地环，以适于经过齿轮传动系统而作用，所述齿轮传动系统包含绕第一旋转元件37的恒星式区域44的元件43，从而在第一旋转元件37与外环42之间存在着一定关系。当部件42接合地层时，使其停止旋转，从而促使部件37(经由部件43)相对于部件40旋转，并由此经由部件37的向下钻眼端部的锤在钻头(部件38)处产生轴向打击。未直接与钻头相连的锤可能在这样的情形下简单地轴向往复运动，以促使在切割头上产生锤击。在这种情况下，外壳或第二旋转元件39延伸入到键连接区域45内使钻头38旋转，并且没有任何旋转效果向下经过中心轴37。然而，当存在和发生轴37的旋转时，轴37的旋转会对最终振动系统的特性产生影响，因为其影响了磁性阵列的相对速度。

除了钻杆46被示出向下到达切割头47之外，图6所示的结构与图5类似。

可以认识到，在钻孔的方案中，虽然仍然在井眼内或位于主驱动装置下方的区域48任何向上延伸部(也就是外壳或第二旋转元件39的延伸部)都被认为是钻柱，因为钻杆49可以从振动装置或者其在钻杆46上方的部分处向下打眼。

在图7中示出了圆柱形壳体49，在其下端具有外钻头或割刀50。外钻头50与管状壳体49(其在顶端区域51处连接到泥浆马达上)同步旋转并随后以常规方式进入钻柱内。

所述组件适于接收向下进入由所述装置承载的马达52(优选形式是PDM或泥浆马达)内的流体。马达52驱动以产生心轴53的旋转，随后通过耦合件54产生梭动装置67的心轴56的旋转。

梭动装置67由密封件57以及密封件58密封，以保护梭动装置磁性阵列结构59和61，它们同不与心轴旋转的那些磁性阵列结构60和62共同作用。

作为密封组件58的一部分，在位置63设置用于梭动装置的轴56的轴承。这些轴承还额外地作用在梭动装置承载着内钻头65的滑动轴承区域64，所述内钻头65在位置66处与区域64接合。

如果需要用于轴的其他轴承，也可以设置。

优选地，密封件57和58被设置成保持泥浆和其他碎屑远离磁性阵列。

优选地，还存在梭动装置的突出部68和壳体的突出部69，它们被包围在液体或流体(优选是液体例如油)中，或者可以对液体薄膜产生撞击，以防止磁铁对磁铁的碰撞以及打击(也就是锤击)。

本领域技术人员将会认识到，梭动装置如何具有相对于来自马达52的传动装置(也就是作为承载着元件或销54的元件53的传动装置)的轴向浮动，所述元件或销54与梭动装置的元件55共同作用。如果需要的话，可以设置其他轴承或径向支承件。

可以采用其他支承件和/或驱动装置。

可选择地，梭动内部钻头适于击打钻柱的内唇或外部，由此使振动到达钻柱的齿也就是外部钻头。

如参照图7所述的一样，对作为梭动装置的第一旋转元件和作为周围部分(也就是外壳或钻柱)的第二旋转元件做出参考。

从之前的描述中将会认识到，内部和外部切割或钻头类型的结构可以被设置成采用在此参照其他实施方式描述的一些机构，也就是单向和/或双向的锤击特征，并且与第一还是第二旋转元件是否承载锤无关以及与其他装置是否承载着互补表面无关。

图8表示根据本发明的另一实施方式。

图8所示的实施方式表示相互作用的磁性阵列和单独机械驱动装置，所述单独机械驱动装置用于周围部分并相对于在其上安装有其他磁性阵列的心轴作为梭动装置。心轴承载锤并且可以在适当输入下旋转，并且可被促使相对于周围部分往复运动以提供朝向左侧的振动和旋转心轴输出。

在图8中，振动装置总体被示为70。其在右侧具有经由销72使心轴74的区域73旋转的驱动输入装置71。上述方式承载着磁性阵列75，以通过下文描述的方式与磁性阵列76相互作用。阵列76相对于锁定着心轴74的锤区域78的元件或组件77得到固定。该锤78作用在组件77的表面79上。这些表面79是由液压、气动、电动装置或其他电机82的齿轮81所作用的带齿外周区域80的一部分。优选地，其是诸如液压马达的机械驱动装置。

驱动输入装置71可以由诸如液压马达、电动机或其他装置之类的任何机械驱动装置得到驱动。

来自心轴74的输出在部件83处输入到钻柱或钻头内。

图9-12表示根据本发明的优选实施方式，其中示出：

87提供旋转运动的输入驱动装置

88中心轴与风箱活塞，通过螺钉连接在一起

89驱动销

90风箱，其在与中心轴相同速度下旋转

91锤的端板，通过螺栓连接在通过液压马达旋转的外侧磁性组件(第二磁性组件)上

92轴承衬套

93中心磁性组件(第一磁性组件)，其与中心轴一起旋转

94锤

95内齿轮

96锤打击区域

97中心轴

98驱动小齿轮

99螺栓连接到锤的端板上的锤壳体

100安装在轴承支承件上的液压马达

101钻孔泥浆入口

102轴承支承件

103连接在钻机柱滑板上的轴承支承座

在该结构中可以看到，驱动小齿轮98能够驱动内齿轮95、锤端板91等，或者凭借来自液压马达100的输入。

还将看到，以附图标记87表示的输入驱动装置具有使驱动销89、风箱活塞、中心轴97以及磁性组件93联合旋转的效果。

现在参照图13、14和15描述另一实施方式，在此设置成：

104来自钻柱并提供钻孔旋转的输入驱动装置

105泥浆马达

106向磁铁提供旋转的泥浆马达输出轴

107气压弹簧

108从泥浆马达向磁铁提供旋转、但不允许振动回传到泥浆马达的驱动销

109中心轴

110与外壳一起旋转的外侧磁性组件

111其旋转来自泥浆马达输出轴的中心磁性组件

112锤

113锤打击区域

114外壳

115从泥浆马达穿过中心的钻孔泥浆

116钻头卡盘

117钻头

在图13-15的结构中，元件104、110、114、116和117都联合进行旋转运动。钻头轴向振动，但其他部件不是。外壳114与外侧磁性组件110一起旋转。

该结构的一个特征在于，中心磁性组件111(但不是外壳114的磁性组件110)通过泥浆马达输出轴进行旋转。另一特征在于，在该结构中的锤112向下朝着钻头117单向作用，并且气压弹簧107有助于隔离通过钻柱向上传递的振动。

因而，外壳114与钻柱同步旋转以促使钻头旋转，同时用于提供穿过钻头117向下的润滑泥浆的泥浆马达105是通过使磁铁110相对移动到中心轴的磁铁111而产生振动。

图15A表示另一变型，其中钻机向外壳提供旋转。当切割头接合地层时，其暂时减速，促使反作用转矩通过键连接的卡盘到达行星齿轮架72，从而停止旋转。外壳仍然旋转，这样促使环形齿轮84旋转，该旋转又使托架齿轮85旋转，其又使太阳齿轮86旋转。太阳齿轮86连接在中心轴上(且以不同于外壳的速度优选是更高的速度进行旋转，从而引起高频振动)，这样又使相对于第二旋转元件起作用的第一旋转元件旋转，由此引起对切割头的打击。

此外，太阳齿轮86驱动中心轴，该中心轴经由驱动销使粘合耦合件(再次因为行星齿轮传动而以高的每分钟转速RPM)旋转，该粘合耦合件经由连接在卡盘键上的部件86、85、84和72产生反转矩作用并最终使切割头产生反转矩作用。该特征可以提供相当大的旋转转矩，以使切割头旋转，这在某些地层中正是所需要的。

其中，在图15A中示出：

118切割头

119被键连接在切割头上的卡盘

120锤区域

121驱动销

122粘性耦合件

123第一旋转元件

124第二旋转元件

125由钻柱旋转驱动的外壳

126中心轴

128图16所示的行星齿轮的区域

图16更详细地表示在图15A中采用的行星齿轮传动装置。

在图16中示出：

86太阳齿轮(固定在中心轴上)

84环形齿轮(固定在外壳上)

85托架齿轮

72行星齿轮架(固定在卡盘上)

在申请人的PCT/NZ2005/000329和PCT/NZ2006/000244中基本上公开了磁性相互作用。

可以构想，阵列区被散布成具有相同、但更大的效果。

在申请人的WO2006/065155(PCT/NZ2005/000329)中公开了通过磁性装置进行往复运动的梭动装置。梭动装置(无论其多长)的端部具有被装配和锁定(例如锁定在互补固定板之下的截头圆锥形形式)的电磁铁或(优选)稀土磁铁。在该结构中，梭动装置在旋转时响应于也装有磁铁的相邻元件而产生脉动。

以这样的方式，梭动装置可以相对于未由梭动装置所承载的磁性阵列的任意基面往复运动。这一点在下文具体参照图17和18(对应于WO2006/065155的图3和4)进行描述。WO2006/065155的全部内容在此引入作为参考。

图17和18参照永久磁铁或其他磁铁的不同极性区域来显示效果。虚的之字形箭头在WO2006/065155中代表从第一互补结构中分出的动力。

只要涉及所示的“正(plus)”和“负(minus)”极性，在所示结构中存在被示为异相的第二互补结构。梭动装置可选择地在每个端部具有相同极性，以使得在图17中所示的状态下在梭动装置与第一互补结构之间存在因“正”极性和“正”极性的对准而产生的净排斥力，同时在梭动装置与第二互补结构之间存在“正”和“负”吸引力“A”。

在相反情形之后存在短瞬时间，这样快速将“R”和“A”更换到“A”和“R”，其中当梭动装置旋转或梭动装置被固定不旋转并且其他磁性阵列旋转(或二者都存在时)以提供净效果，上述引起梭动装置方向的反向。

优选地，采用永久磁铁，尤其是高磁密度的稀土型磁铁，例如钕磁铁，例如NdFeB，其可以稳定在180℃，以及可在高达400℃使用的钐钴磁铁(FmCo)。

可以采用其他形式的磁铁，其包括可以在将来研发的那些磁铁。然而一般来说，纯粹是出于尺寸和在振动和经受不利环境的结构中提供适当电输入的需要，电磁铁是相反地不成为必要。

可以构想，梭动装置的旋转速度可以明显地改变。一种这样旋转的实例是1600RPM，该转速对于所示磁铁来说足以提供足够的相对向后和向前投射以提供所值得的振动输出，而与在申请人优选实施方式中对钻孔的锤元件无关。常用的范围可以从1000-2000RPM，但也可以更高或更低。2000RPM大致等于130Hz。

Claims

1.一种具有钻柱的钻孔装置，其可操作地使钻柱、或者至少是钻柱的钻头或刀头、或者二者旋转，以及可操作地沿轴向向钻头或刀头提供振动；

并且，所述振动装置具有相互作用的磁性阵列，其中以如下的方式存在至少一个具有第一阵列或阵列组(“第一阵列”)的组件(“第一组件”)并且存在至少一个具有第二阵列或第二阵列组(“第二阵列”)的组件(“第二组件”)，即：响应于所述第一阵列和所述第二阵列之间的相对旋转，第一阵列和第二阵列相互作用以促使第一阵列相对于第二阵列进行梭动，反之亦然，或二者都存在，并且由此促使它们各自的支承组件进行梭动；

并且，通过向所述第一和第二组件中的一个或另一个、或者第一和第二组件中的二者进行机械输入，来引起相对旋转，

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，因钻头或刀头或者二者通过第一组件的直接或间接的承载或锤击，由此钻头或刀头进行振动。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，因钻头或刀头或者二者通过第二组件的直接或间接的承载或锤击，由此钻头或刀头进行振动。

4.如在前权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，第一和第二阵列以及它们的第一和第二组件可以在相反方向上旋转。

5.如在前权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，第一和第二阵列以及它们的第一和第二组件可以在相同方向上旋转。

6.如在前权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，第一和第二阵列以及它们的第一和第二组件中的其中一个可以在第一和第二阵列以及它们的第一和第二组件中的另一个旋转时不旋转。

7.如在前权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，振动装置位于钻柱内的旋转驱动装置的下方。

8.如在前权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，作为所述第一和第二旋转元件中的其中一个的心轴用的旋转驱动装置，引起单向或双向锤击。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述旋转驱动装置是泥浆马达、流体马达、电动机或者其他机械或电驱动装置。

10.如权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述第一和第二旋转元件中的另一个通过钻柱旋转或与钻柱一起旋转。

11.如权利要求8所述的装置，其特征在于，齿轮传动提供用于所述磁性阵列中的其中一个的更大或更小的旋转速度，和/或提供相对于旋转驱动输入装置的刀头旋转速度。

12.如权利要求8所述的装置，其特征在于，粘性耦合件提供了对所述磁性阵列的其中一个的驱动。

13.如在前权利要求中的任意一项所述的装置，其特征在于，钻柱使割刀旋转，并且在该割刀内所存在的钻头：(i)能够与钻柱就速度来说不同地旋转，(ii)能够相对于钻柱的割刀振动，或者(iii)二者都存在。

14.如在前权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，一个或多个磁性阵列相对于钻柱轴线进行轴向布置。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，至少一些阵列被布置在其他磁性阵列的一些阵列之间。