CN103210170A - 井下锤钻组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种井下钻组件（21），它包括钻头（9）和配合卡盘（19）组件，该钻头和配合卡盘组件包括钻头（9）安装件，该钻头安装件有环绕钻头（9）安装件的外部套筒（4），该套筒（4）在钻的操作过程中被夹持在卡盘（19）和钻头头部（9）之间。套筒（4）提供了防止碎屑进入钻头和卡盘组件中的屏蔽件，并提供了从该组件排气的控制。套筒（4）还提供了使得钻头（9）与卡盘（19）可释放地接合的销（107）的控制。

Description

井下锤钻组件

技术领域

本发明涉及在岩石钻孔工业中公知的井下锤钻组件，特别是从地面钻入土地中。

背景技术

这些锤钻是设备的高能量消耗项目，且它们也受到较大的磨损。因此对设备来说存在着减少磨损和减少停机时间的组合需要，目前的钻孔深度强调该需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的设备，该种设备特别涉及保护钻头部部件防止受到操作环境的损坏，同时还保证装配和拆卸简单。

根据本发明，提供了一种井下钻组件，它包括钻头和配合卡盘组件，该钻头和配合卡盘组件包括钻头安装件，该钻头安装件有环绕它的外部套筒，该套筒在钻的操作过程中夹持在卡盘和钻头头部之间。

本发明的还一特征是提供了套筒，以便提供防止碎屑在使用过程中进入钻头和卡盘组件中的遮挡件，并提供了用于使得操作流体从下部腔室排出的控制。

本发明还提供了操作流体从组件排出以便流过卡盘壁和提供通过获取孔进入和穿过钻头的反向流通的控制。

本发明的还一特征使得组件包括在卡盘中的花键，该花键与在钻头上的花键接合，且两组花键与在套筒中的花键接合。

本发明还使得在套筒中的花键的长度与在卡盘中和在钻头上的花键长度的总和相等，且在卡盘中和在钻头上的花键的长度相等或不等（根据钻组件的特殊用途）。

本发明还使得套筒提供了使得钻头与卡盘可释放地接合的销的控制。

本发明的其它特征使得组件包括台阶形钻头，该钻头可通过它的狭窄端部接合在钻卡盘中，并具有穿过卡盘和钻头中的狭槽接合的横向保持销，且套筒可滑动地安装在卡盘上，以便抵靠钻头上的台阶操作地保持在卡盘上。

本发明的其它特征使得卡盘为台阶形，以便使得套筒能够在卡盘的直径减小的端部上滑动，以便被夹持在卡盘或磨损套筒的端部和钻头头部之间。

根据本发明的其它特征，提供了一种井下钻头组件，它包括：钻头，该钻头有柄，该柄可接合在卡盘的端部中，用于保持在钻外壳的端部中，柄和卡盘设有可对齐的纵向延伸横向狭槽以及可释放地保持销的装置，柄能够在该销上往复运动。

本发明的其它特征是：销为扁平的，并有在各端部处的成形头部，卡盘和钻柄具有一系列的匹配花键，使得钻头上的头部搁置在钻卡盘的端部上，该卡盘可固定在钻柱磨损套筒的端部中。

本发明还使得销的头部在销的端部上偏离。

通过下面参考附图对本发明一些实施例的说明，将更清楚本发明的这些和其它特征。

附图说明

下面将参考附图介绍本发明的优选实施例，附图中：

图1表示了穿过锤钻组件的纵剖图；

图2表示了具有用作连接件的套筒的锤组件。表示了组件的接合和脱开状态；

图4表示了使用时的连接件，具有用于锤钻的通气排出通道；

图4A是图4的变化形式，表示了底阀管；

图5表示了钻组件的可选结构；

图6表示了改变成用于通过钻头反向空气连通的组件，用于试样采集；

图7和8表示了用于可选的钻头和卡盘组件的本发明；以及

图9和10表示了图7和8的实施例的变化形式。

具体实施方式

在井下钻组件中在邻近部件上使用螺纹已经在本人的共同待审PCT申请No.PCT/IB2010/053549（申请日为2010年8月5日）中介绍。该文献包含在本说明书中作为参考，并应当与本说明书一起阅读，特别是为了理解措辞“止动螺纹”的使用。这意味着制造这样的螺纹，该螺纹可以通过彼此被旋拧，从而防止部件沿一个方向进行相对纵向同轴运动，同时沿相对方向自由地进行这种运动。该运动用于允许活塞直接撞击在钻头上，并提供了从卡盘上释放钻头的简单方法。

下面将参考图1介绍本发明的第一实施例，图1表示了利用本发明的一种形式的锤钻的操作。

这在专利申请2010/07703的说明书和优先权文献中公开。

用于使得锤更高效和提高性能所需的一个特征是增加活塞冲击（blow）频率同时保持活塞冲程。在活塞底部处用于压缩空气作用的更大表面面积将在远离钻头的向上冲程中更快地推动活塞，从而增加每分钟的冲击。锤的外径根据被钻出孔的限定直径来限制并用于保持在磨损套筒（wear sleeve）上的合理壁厚，不能简单地增加活塞直径以实现该目的。如果保持孔尺寸，磨损套筒的壁变得太薄。

当使用在台阶形凸肩上有持续压力的台阶形活塞时，如在本申请人的SA专利2009/04814中所述（该文献结合在本申请中作为参考），在图2中所示的活塞上的切口47和在图3的后端板的圆柱形延伸部分的孔中所示的切口57在本发明中由穿过活塞壁的端口代替，且在后端板的圆柱形孔中没有切口。该专利的说明书也结合在本说明书中作为参考，只作为本发明的背景技术。

如图1中所示（图1是从上面所述的南非专利申请2010/07703的说明书中取出，本申请的优先权文本），压缩空气向下进入和打开单向阀1。然后，该空气通过口A进入在后端板2的圆柱形部分和磨损套筒4的孔3之间的切口B，通过口C进入环绕活塞台阶形头部5的空间D内，因此在凸肩表面区域6上施加压力，在切口E处通过活塞的大直径部7进入下部腔室F，它在该下部腔室F内作用在活塞8的底表面区域上。这使得活塞升高远离钻头9，且活塞杆10从用于下部腔室F的活塞杆衬套11中脱出，以便通过在钻头9中的轴向孔G排气。活塞8继续向上运行，且口I通过活塞8的壁与在后端板2的圆柱形下部部分12中的口H连通。

然后，压缩空气流过口I进入在活塞8上面的上部腔室J中。在该阶段，活塞的大直径部7是磨损套筒4的孔3上面的井形部（well），且下部腔室密封。

这时在凸肩表面区域上的压力结合活塞暴露于上部腔室J的表面区域上的压力，穿过活塞8的轴向排气通道K由控制杆14密封。这将朝向钻头9推动活塞8以便撞击该钻头。控制杆14这时与活塞通道K脱开，上部腔室J通过K和（然后）G通过钻头9排气。E再次打开，压缩空气被重新引入腔室F中以便重复该循环。

所述的后端板是具有圆柱体（后端板的圆柱形延伸部分）的单件，但是也可以是两件。

当锤升高离开孔的底部时，钻头9向前落下有限行程。在活塞随着钻头运动的情况下，口H暴露于腔室J，从而使得压缩空气能够自由地沿K和G向下流向大气。下部腔室F由活塞的大直径部7关闭，从而密封抵靠在磨损套筒4的孔中的脊部L，因此使得锤不起作用和处于冲洗模式。

本发明中特别重要的是套筒15安装在钻头9的凸肩16上。在所示的操作位置，套筒15有花键17，该花键17运动穿过在卡盘19外部上的花键18，该卡盘19形成伸向活塞套筒衬套11的延伸部分。

该套筒15在钻头的操作过程中保持在卡盘19的台阶形端部和钻头9的凸肩16之间，且在该处它挡住在它内部的部件防止接触到由钻孔操作产生的碎屑。

从对下面所述的其它实施例的说明将清楚本发明的该特征。

下面参考图2，井下钻组件21的操作下端表示为处于操作位置22（在图的右手侧）和处于冲洗模式23（在左手侧）。

所示部件是载有花键26和27的卡盘24和钻头25。在卡盘24上的花键26比在钻头25上的花键27更长。

止动螺纹28和29设置于钻头25柄的外端上和卡盘24的操作下端的内侧上。这些螺纹28和29表示为脱开，因此钻头柄可以在卡盘24中滑动，但是防止柄从卡盘退出。该释放能够通过使螺纹接合和将钻头柄从卡盘24拧出而实现。

锁定套筒30布置成在外部花键26和27周围。锁定套筒30有内部花键31，该内部花键31与花键26和27匹配，以便相对于它们滑动，且套筒30的长度与花键26和27的组合长度基本相同。

因此，在钻的冲洗模式中，锁定套筒30与钻头25一起向下滑入在图2的左手侧所示的钻头位置中。在该位置中，花键26的自由端32还与套筒30中的花键31接触，且钻头25能够由用于钻的普通旋转运动机构驱动而旋转。

为了使得钻头25能够从卡盘24上拧开，套筒30在花键26上向上运动至图2的右手侧所示的位置中。因为花键26和27的长度差，在套筒30中的花键31不再与花键27接合，且钻头25能够拧开。

在钻头25取下的情况下，套筒30也能够从卡盘24上拆下。

这种接合使得套筒能够装配在卡盘24上和使得钻头能够拧入卡盘24中，释放螺纹接合，钻将处于冲洗模式中和准备操作。

组件在钻头悬挂但并不从卡盘拆卸时的该状态是有用的状态。它使得钻操作人员能够以研磨方式使用钻头，例如在井孔中穿过崩塌部分的钻孔操作中使用。因此，组件能够在钻头和卡盘的花键通过套筒完全接合时进行锤的操作，并当钻头和套筒悬挂，且组件处于上述冲洗模式以及钻头和卡盘螺纹的端部接触时进行研磨。

参考图2，当需要拆下钻头时，钻在其部件处于冲洗状态下升高。一旦到达地面，套筒能够人工升高至在图2的右手侧所示的位置，且钻头被拧出所述的止动螺纹。

在钻头和卡盘上以及在套筒内的花键布置能够有利地为在各部件上大约12个花键，且最少是彼此相对的两个，用于均匀分布负载。

锤组件的还一变化形式使用套筒来用于可选或另外的目的。

在图3的右手侧中所示，锤组件活塞40、锁定套筒41和钻头42被向上推入钻孔位置。在该位置，锁定套筒41密封通气孔43，且下部腔室44能够接收压缩空气，以便向上驱动活塞40离开钻头42。当钻头42向前落下时，如图3的左手侧所示，活塞40跟随运动，且在活塞40上和在磨损套筒48的孔47中的所示密封表面45和46将密封，并防止压缩空气进入下部腔室44。这时，锁定套筒41将打开通气孔43，以便使得在活塞40下面积累的气垫通过打开的通气孔43逸出。当活塞40进一步落下时，在活塞40中的狭槽49打开，并定位成对着套筒中的切口50。这允许压缩空气沿花键向下流动，以便清除它们的岩石切屑和磨屑。

本领域技术人员清楚能够在相对彼此运动的任意两个部件之间的通气孔产生密封。例如，在静止的磨损套筒和卡盘之间或者在运动的锁定套筒和钻头之间。

图4表示了通过螺纹钻头砧台端部66来密封和开启通气口65的可选方式。当钻头处于钻孔模式时，砧台头部与底切部分67相对，并密封通气孔69的开口68。当钻头向前落下时，底切部分67暴露，且下部腔室63的通气能够通过钻头的孔69进行。还有第二底切部分70，该第二底切部分70通过口72而与有花键的卡盘端部71的底部连接，该口72将从打开的通气口65接收空气，并向锁定套筒73的孔提供空气压力，它能够通过花键74从该处排气，以便清除它们的碎屑以及润滑花键。

参考图4A，图中表示了在图4的右手侧所示情况的变化形式。它表示包括底阀管64B，该底阀管64B与活塞62的孔61接合，用于密封下部腔室63，代替活塞杆密封在活塞杆衬套内的可选方式。间隙64A表明在活塞杆衬套和活塞杆之间没有密封，如图4中所示。相同钻头（装备有底阀管）和卡盘将用在相同锤上，与没有底阀的钻头相同。

锁定套筒73以与参考图3所述类似的方式作用，以便提供钻头的旋转、下部腔室的通气通道的密封和啮合以及连接花键的清洁。

图5表示了不同的钻头80和卡盘81结构，表示了钻头花键82和卡盘花键83怎样直接相互接合。钻孔位置是在右手侧，而钻头在左手侧向前落下，且可更换的盖套筒84环绕花键，以便保护它们防止外部磨料磨损。一旦钻头80通过止动螺纹85拧入卡盘81中，花键83将处在进入相互接合的位置。当钻头80被向上推入花键83中时，盖套筒84将被夹在钻头80和卡盘81之间，同时密封通气孔（未示出）。

当钻头80向前落下时，通气孔（未示出）将开启，用于与上述相同的目的。

下面参考图6，套筒90表示为用作环绕钻头柄的罩，以便在该套筒90和钻头柄91之间引导排出空气至井孔的底部，从而沿钻头的中心向上推压岩石试样切屑。

排气口92设置成穿过卡盘94位于空气通道93和花键区域95之间，该花键区域在卡盘94和通向钻头表面97的切口96之间。

在使用中，当活塞杆（未示出）推出活塞杆衬套外，且试样管处于中心孔A中时，排出空气将流过排气口92经过卡盘和钻头的花键区域，并沿钻头中的排气切口96向下至钻头表面97，在该钻头表面97处，它获取钻出的切屑，并将它们传送至钻头中的孔A，然后通过试样管和沿双管钻柱的中心管向上送至地面，切屑再在地面上被收集以便检查。套筒90将引导排出空气，从而最终到达钻头表面。

使用套筒的组件还在钻孔操作中提供了对钻头和卡盘的滑动表面的保护。

参考图7和8，图中表示了普通的钻头101，该钻头101可在卡盘102中滑动，该卡盘102有台阶形凸肩103，以便在钻孔操作过程中定位套筒109的自由端。卡盘具有内部纵向延伸花键104，该花键104与在钻头101的柄106上的互补花键105可滑动地接合。

卡盘102的自由端有螺纹，用于接合在钻磨损套筒（未示出）的端部中。

卡盘102还布置径向延伸销107，该径向延伸销107接合在穿过钻柄106的纵向延伸狭槽108中。

图7中表示了销107处于狭槽的上端中，在该处，钻组件处于冲洗模式。

套筒109在卡盘102的外部直径减小的表面上滑动。图7表示了组件处于冲洗模式，其中，钻头向前落下以便伸出卡盘102，且套筒向前延伸，以便搁置在钻柄106的凸肩110上。

在该状态中，销107能够穿过狭槽108运动至组件外部，以便从卡盘中释放钻头。

图8表示了组件处于钻孔模式，其中，销107与狭槽108的、与上述端部相对的端部接合，且套筒109被捕获在钻头的凸肩110和卡盘的凸肩103之间。销107被捕获在套筒109中，该套筒109也用于防止碎屑进入在钻头柄106上和在卡盘102中的花键之间。

钻组件很简单，并防止钻头在使用过程中粘在卡盘上。

图9和10表示了在钻头组件中使用套筒的还一实施例。该组件120有卡盘121，该卡盘121能够接合在钻柱磨损套筒（未示出）的端部中。一系列纵向延伸的接合花键122形成于钻头柄123上和卡盘121中，以便提供用于钻头124旋转驱动的连接。

横向纵向延伸的狭槽125提供为在126处穿过卡盘121和在127处穿过柄123，以便径向穿过组件延伸。

在各端部处具有头部129的扁平销128在125处穿过狭槽装配，使得头部129定位在卡盘121的壁中，且销128的本体可在钻头柄123中在狭槽125的端部之间滑动。

应当知道，销128只有当穿过柄123和卡盘121的孔对齐时才能够从组件中取出。这种结构必须在从钻孔中取出组件的情况下来获得。

狭槽125和销128的尺寸设置成允许钻头124在卡盘121中在钻孔位置和冲洗位置之间运动。

而且，销128的本体可以在头部129之间朝着钻头头部的操作前端偏移。这有助于在卡盘121中在钻头124的钻孔位置和冲洗位置之间获得足够的运动长度。

在使用中，钻头124被插入卡盘121中，并定位成使得销128的一个头部129能够穿过卡盘121和钻头柄123的壁进入卡盘121的、与插入点径向相对的壁中。销128的头部129将捕获在卡盘121的壁中。在钻孔中的钻操作将防止销128的任何纵向运动，且卡盘121的旋转将与在钻头柄123和卡盘121上的接合花键一起提供用于钻头头部旋转所需的驱动。

在钻头头部上的冲击不会使得钻头124粘在卡盘121中，因为钻头124可在卡盘121中在销上自由运动。全部冲击力直接传递至钻头124上，以便提供最大钻孔效果。

组件还有效避免了在更换操作的钻组件120中的钻头时的公知困难，同时保证在钻孔操作过程中牢固的保持力。

套筒130被夹在钻头头部124上的凸肩131之间，抵靠销128的头部129的切除部分132，并在形成于卡盘121底端中的凹口133内。

当钻头落入冲洗模式中时，套筒130被从与销头部129的接合中释放，并能够穿过卡盘121被操纵，以便释放钻头124。

套筒130也用于防止碎屑穿过卡盘121进入钻头组件中。

Claims (16)

1.一种井下钻组件，包括钻头和配合卡盘的组件，所述钻头和配合卡盘的组件包括钻头安装件，所述钻头安装件具有环绕钻头安装件的外部套筒，所述外部套筒在钻的操作过程中被夹持在卡盘和钻头头部之间。

2.根据权利要求1所述的井下钻组件，其中：套筒形成防止碎屑进入钻头和卡盘组件中的遮挡件。

3.根据权利要求1或2所述的井下钻组件，其中：所述组件包括用于操作流体的下部腔室，外部套筒控制从下部腔室的排出口。

4.根据权利要求1或2所述的井下钻组件，其中：套筒具有内部花键，以便与钻头和卡盘上的互补花键接合。

5.根据权利要求4所述的井下钻组件，其中：钻头上的花键沿轴向比卡盘上的花键短。

6.根据权利要求5所述的井下钻组件，其中：在套筒中的花键的长度基本与在钻头上的花键和卡盘上的花键的组合长度相等。

7.根据权利要求1或2所述的井下钻组件，其中：套筒提供了用于从组件穿过卡盘的壁排出、用于穿过获取孔和钻头中的孔反向流通的控制。

8.根据权利要求1或2所述的井下钻组件，其中：套筒提供对销的控制，所述销使得钻头与卡盘能释放地接合。

9.根据权利要求8所述的井下钻组件，其中：组件包括台阶形的钻头，所述钻头能通过它的狭窄端部接合在钻的卡盘中，并具有穿过卡盘和穿过钻头中的狭槽接合的横向保持销，套筒能滑动地安装在卡盘上，以便操作地保持在卡盘上并抵靠钻头的台阶。

10.根据权利要求8或9所述的井下钻组件，其中：卡盘为台阶形，以便使得套筒能够在卡盘的直径减小的端部上滑动，以便被夹持在卡盘或磨损套筒的端部和钻头头部之间。

11.根据权利要求1所述的井下钻组件，还包括：钻头，所述钻头具有柄，所述柄能接合在卡盘的端部中，用于保持在钻外壳的端部中，柄和卡盘设有能对齐的纵向延伸的横向狭槽以及能释放地保持销的装置，柄能够在所述销上往复运动。

12.根据权利要求11所述的井下钻组件，其中：销为扁平的，并具有在各端部处的成形头部。

13.根据权利要求11或12所述的井下钻组件，其中：卡盘和钻柄具有一系列的匹配花键。

14.根据权利要求11至13中任意一项所述的井下钻组件，其中：钻头具有用于搁置在钻的卡盘上的头部。

15.根据权利要求11至14中任意一项所述的井下钻组件，其中：卡盘能固定在钻柱磨损套筒的端部中。

16.根据权利要求11至15中任意一项所述的井下钻组件，其中：销上的头部在销的端部上偏移。

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