CN103534433B - 用于正常循环井下锤的加压流体流动系统及包括该系统的锤 - Google Patents

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Abstract

一种用于正常循环井下锤的加压流体流动系统,包括同轴地设置在外套管和活塞之间的圆筒,活塞由于容纳在前腔和后腔中的加压流体的压力的变化而往复运动,前腔和后腔位于活塞的相对的两侧,其中,流入和流出这些腔的流动仅由活塞和圆筒的重叠或相对位置控制,同时由外套管的内表面上的凹槽限定并且被分隔壁分开的供应腔和排出腔分别为前腔和后腔供应和排出加压流体。

Description

用于正常循环井下锤的加压流体流动系统及包括该系统的锤
技术领域
[0001] 本发明大体上涉及用于冲击机构、特别是用于DTH (井下)锤、更特别是用于正常循环DTH锤的加压流体流动系统,所述冲击机构利用所述流体运行,还涉及具有所述系统的DTH锤。
背景技术
[0002] 存在各种各样的使用加压流体作为传输动力的方式的冲击钻探结构。DTH锤就是其中之一,其广泛用于钻探行业、矿业和民用建筑中以及水井、油井和地热井的建造中。通过将圆柱形的DTH锤安装在位于地表面的钻机上来使用该DTH锤。钻机还包括钻柱,钻柱包括组装在一起的多根杆,其顶端组装到旋转推头上,底端与锤连接。钻机通过该钻柱将需要的加压流体供应给锤,以便锤运行。
[0003] DTH锤的部件
[0004] 该锤的主要可移动部件是活塞。该锤的该部件呈总体圆柱形,并且可滑动地同轴设置在圆筒形外套管内。锤内形成了两个主腔:前腔和后腔,这两个腔位于活塞相反的两端,当锤在所谓“钻探模式”下运行时,活塞由于两个主腔内含有的加压流体压力的变化而实现了往复运动。活塞具有前端和后端,前端与前腔接触,后腔与后腔接触,活塞的外表面具有外滑动表面或外滑动部段(如与具有凹部区域、槽或孔的部段相对),活塞的内表面具有内滑动表面或内滑动部段(同样如与具有凹部区域、槽或孔的部段相对)。外滑动表面主要被设计用于确保活塞在锤中的引导和对准。另外,在大多数锤中,这些表面与活塞的内滑动表面一起与进一步在本说明书中描述的其它元件配合,能对交替地将加压流体供入前腔和后腔中和从前腔和后腔排出进行控制。
[0005] 锤的执行钻探功能的、最重要的部分称为钻头,该钻头可滑动地设置在驱动接头上,驱动接头安装在外套管的前端中,钻头与前腔接触,并适于接收活塞前端的冲击。
[0006] 为了确保钻头相对于外套管恰当对准,通常会使用被称为钻头引导件的组件,钻头引导件设置在外套管内。通过驱动接头和钻头(或钻头柄)的最后面部分中的开槽表面或花键,将钻机提供的旋转运动传至钻头。相应地,钻头头部中(其直径比外套管以及比钻头柄和驱动接头的直径大)安装有切削元件,该切削元件完成钻探任务并且从钻头前端面向前延伸。钻头向后行程的运动由驱动接头限制,钻头向前行程的运动由特别为此目的而提供的保持元件限制。在锤的后端设置有后接头,所述后接头将锤与钻柱连接,并最终与加压流体的源连接。
[0007] 在上文和下文的描述中,锤的后端应理解为后接头所处的那端,锤的前端应理解为钻头所处的那端。
[0008] 锤的操作
[0009] 当锤在钻探模式下运行时,前腔和后腔会经历以下状态:
[0010] a_供应加压流体,其中,来自加压流体的源的流体能自由流入腔中;[0011 ] b-膨胀或收缩,这取决于活塞的运动方向,其中,腔被紧密密封,腔所包围的体积增加或减小;
[0012] C-排出加压流体,其中,来自腔的流体能自由流向孔的底部;这种排出流动能够冲刷由钻头产生的岩石切肩,该岩石切肩以悬浮的形式在加压流体流中被拖曳,并被冲向地面(该过程被称为孔的冲洗)。
[0013] 根据活塞的往复移动,从活塞与钻头接触并且钻头设置于其行程的最后位置(称为冲击位置)的位置开始,并且在同一位置结束(活塞冲击在钻头上),前腔和后腔的状态相应的顺序如下:[a_b (膨胀)-c_b (压缩)_a]和[c-b (压缩)-a_b (膨胀)_c]。各个腔从一个状态到另一状态的过渡是独立的,并且由活塞相对锤的其它部件的位置进行控制,使得活塞自身用作阀以及冲击元件。
[0014] 在第一操作模式或“钻探模式”下,当加压流体供应给锤并且锤处于冲击位置时,活塞立即开始往复运动,并且钻头在每个周期中被活塞冲击,因此钻头的前端在每次冲击时执行钻探岩石的功能。岩石切肩通过从前腔和后腔排出至孔的底部的加压流体而被排出至地面。随着孔深度的增加,具有岩石切肩的加压流体柱的大小也增加,从而对从腔中排出的加压流体产生了更大的阻力。该现象负面地影响了钻探过程。在某些应用中,水或其它流体到孔中的泄漏进一步增加了该阻力,因此可能会使锤停止运行。
[0015] 在某些锤中,锤的该操作模式可借助辅助冲洗系统来补充,冲洗系统能使从加压流体的源获得的部分加压流体流在不经过锤循环的情况下直接排出至孔的底部。辅助冲洗系统能使孔在被钻探的时候被完全清洁。
[0016] 在锤的第二操作模式或“冲洗模式”下,钻柱和锤被钻机升高,使得钻头不再与岩石接触并且所有的加压流体都在不经过锤循环的情况下通过锤直接排出至孔的底部,以便清洁孔,因而使得活塞的往复运动停止。
[0017]与从腔中排出的加压流体所发生的情况相比,来自辅助冲洗系统的加压流体的能量级大体上与从加压流体的源流出的加压流体的能量级相同,该从腔中排出的加压流体由于与活塞的能量交换而压力明显更低。
[0018] 工业应用
[0019] 这些钻探工具用在两个工业应用领域中:
[0020] I)生产,其中,使用了一种称为“正常循环锤”的锤,其中,在钻探操作期间产生的岩石切肩通过环形空间被冲到地面,该环形空间由孔的壁和钻柱和锤的外表面限定,所述切肩对锤的外表面和钻柱产生了磨损。来自腔和来自辅助冲洗系统的加压流体通过钻头内的中央通路排出,中央通路从其后端延伸至其前端。该通路可分为两个或更多个在钻头的前端面结束的通路,使得加压流体主要从中央排出,跨过钻头的前端面,并流向钻头的外周区域和流向孔的壁,接着再沿着位于锤和孔的壁之间和位于钻柱和孔的壁之间的环形空间流向地面。岩石切肩通过拖带排出,并悬浮在被排出至孔的底部的加压流体中。
[0021] 正常循环锤在地下和地表开发采矿中使用。由于这种锤能够钻探中度到硬度的岩石,所以这种锤的应用也延展到油、水和地热井的建造。通常,钻出的土或岩石不会被使用,这是因为它们还未被关注且在钻出地面的路径中受到了污染。
[0022] 2)探测,其中,使用一种称为“反循环锤”的锤,这种锤能使来自孔的底部的岩石切肩通过排至孔的底部的加压流体而被回收到地面上。来自腔的加压流体沿着钻头的前端的外周区域被排出,因此产生了跨过钻头的前端面流向沿着锤的中央形成的连续中央通路的内部的加压流体流动,这典型地通过称为采样管的内管和通过双壁杆来完成,所述采样管从钻头延伸至后接头,所述双壁杆与钻柱一致。该中央通路从钻头内部中两条或更多条起源于钻头的前端面的冲洗通路所汇聚的位置处开始。岩石切肩通过加压流体的运动而被拖向中央通路,所述岩石切肩在地面处被回收。具有悬浮的岩石切肩的加压流体流对形成所述中央通路的所有元件的内表面造成磨损。
[0023] 钻头或是锤的圆柱形密封元件(其直径大体上与钻头头部的直径相似并且比外套管的外直径大)在正在钻孔时执行防止加压流体和岩石切肩泄漏到位于锤和孔的壁之间和位于钻柱和孔的壁之间的环形空间中(如采用正常循环锤时会发生的)的功能,并通过加压流体的运动而迫使这些岩石切肩通过采样管和钻柱行进到地面。如果执行这种密封功能的是钻头,那么该钻头具有使钻头的前端面和所述环形空间隔离开的外周区域。
[0024] 这种类型的钻探工具的使用使得超过90%的岩石切肩能被回收,这些岩石切肩在其行进到地面的过程中未受到污染,并且被储存以用于进一步的分析。
[0025] 性能参数
[0026] 从用户的观点来看,用于评估锤的性能和有用性的参数如下:
[0027] I)穿透率,其由锤中的加压流体循环中产生的动力给定,其值取决于两个变量:加压流体消耗量和循环中的能量转换效率,这被定义为消耗单位加压流体所产生的动力;
[0028] 2)锤的耐久性,这与拖带岩石切肩朝向地面流动的加压流体流造成的磨损有关,耐久性强烈地取决于岩石切肩的特征和与加压流体流接触的部分的厚度;
[0029] 3)加压流体的消耗,这强烈地取决于前腔的无用体积、后腔的无用体积和锤的加压流体循环的设计;
[0030] 4)深度钻探能力,这取决于锤将具有高能量的加压流体输送至孔的底部的能力;
[0031] 5)制造成本,这取决于制造复杂度、锤的组件的数量和使用的原料的量;
[0032] 6)锤的可靠度,这取决于制造过程的质量和工具设计的坚固性;
[0033] 7)岩石切肩回收效率(仅仅对于反循环锤),其主要与锤密封孔的能力和防止加压流体和岩石切肩泄露到位于锤与孔的壁之间和位于钻柱与孔的壁之间的环形空间中的能力有关。
[0034] 应该注意的是,穿透率、锤的耐久性、加压流体的消耗、锤的可靠度和深度钻探能力是对用户操作成本有直接影响的因素。通常,使用寿命在可接受极限内的更快速且可靠的锤对于任何类型的应用都将总是优选的。
[0035] 加压流体流动系统
[0036] 在锤中使用不同的加压流体流动系统,以用于为前腔和后腔供应加压流体的过程并用于将加压流体从这些腔中排出。在所有加压流体流动系统中都有在锤内形成的供应腔,加压流体根据活塞的位置从供应腔输送至前腔或后腔。通常,活塞用作阀,使得取决于其位置的是前腔和后腔所处的状态,这些状态是之前所描述的状态:供应、膨胀-压缩和排出。
[0037] 无论何时,作用在活塞上的净力是由以下因素产生的:前腔中存在的压力、活塞与所述前腔接触的面积(或活塞的前部推压面积)中存在的压力、后腔中存在的压力、活塞与所述后腔接触的面积(或活塞的后部推压面积)中存在的压力、活塞的重量和可能存在的耗散力。活塞的推压面积越大,由于加压流体的压力而在活塞上产生的作用力就越大,并且可实现的动力和能量转换效率水平也越大。
[0038] 下面段落中描述的所有现有技术加压流体流动系统都是相对于控制DTH锤的前腔和后腔的状态的解决方案来说的。所描述的示例涉及正常循环锤,但同样适用于反循环锤。
[0039] A型流动系统,以美国专利US4084646、US5944117和US6135216为代表
[0040] 这些专利中描述的设计包括安装在外套管内的圆筒,该圆筒在所述圆筒的外表面和外套管的内表面之间创建了流体通路。该流体通路沿着活塞的后半部分延伸并在供应腔中结束,其部分地由活塞的外滑动表面(在接近其中点处)和外套管的内表面限定。提供这种圆筒需要使用双外直径活塞,活塞前端的外直径比其后端(该后端放置圆筒)的外直径大。
[0041] 活塞外直径发生变化的位置的区域,即活塞的外滑动表面上具有肩部的位置的区域,受到平均压力等于锤的供应压力的压力。因此,每次循环中,通过该区域作用在活塞上的净功都为零,即,其对活塞的能量转换过程没有贡献,因而产生了减小的后部推压面积。
[0042] 而且,在具有这种类型流动系统的正常循环或反循环锤中设置了用于控制后腔排出的空气引导件,该空气引导件为管状元件,其位于后腔的后面并与活塞和外套管同轴。另夕卜,为了控制前腔排出而设置了底阀,底阀为与活塞和外套管同轴的空心管状元件并且形成于钻头的后端面,该后端面被称为冲击面。
[0043] 上面描述的内容需要用到具有中央孔的活塞,该孔沿着其全长延伸并与空气引导件以及与底阀相互作用,该中央孔使得活塞的后部推压面积和前部推压面积进一步减小,这结果导致循环的动力更小。
[0044] 而且,在这种类型的设计中,活塞的对准问题是一个经常出现的问题,如果该问题得不到处理,就会产生从锤的循环中消耗动力的耗散力。
[0045] B型流动系统,以美国专利US5984021、US4312412和US6454026为代表
[0046] 这些专利中描述的设计包括加压流体进给管(供应腔在其内部形成),该加压流体进给管从后腔的后面延伸并被接收在活塞中的中央孔内。该中央孔沿着活塞的全长延伸。
[0047] 为了控制前腔和后腔的加压流体的进给和控制后腔的排出,进给管与活塞内部的孔和底切部相互作用。
[0048] 活塞的外滑动表面和外套管的内表面上的底切部补充活塞对腔的状态的控制。另夕卜,前腔的排出由钻头中形成的底阀控制(US5984021和US4312412)或者替代性地由与活塞引导件相互作用的较小直径的活塞的前部部分控制(US6454026)。最后的这种解决方案也可用作代替A型流动系统中的底阀和将在下面描述的其它流动系统中的底阀。
[0049] 横穿活塞的钻孔的存在减弱了锤的该部分的冲击力度,而且意味着制造过程更加复杂。从这一点上来说,与具有B型流动系统的锤相比,具有A型流动系统的锤的活塞更加坚固并且制造过程更加简单。另外,由于加压流体与腔之间存在距离,因此在进给管内创建供应腔使得当加压流体能供应给腔时流动的开始发生延迟。钻孔还使腔的无用体积增加,这导致的主要结果就是,加压流体的消耗量增加以及热力循环中的能量效率转换降低。
[0050] 在锤所具有的活塞的与活塞引导件相互作用的前部部分的直径较小的特定情况下,活塞的前部推压面积大大地减小,这是由于为了承受由冲击产生的应力仍然需要足够大的冲击面积,因而从前部推压面积占用了面积。
[0051] 而且,供给管的提供需要使用具有中央孔的活塞,该孔沿着其全长延伸,从而对动力产生上面A型系统中已经提到的影响。
[0052] C型流动系统,以美国专利US4923018为代表
[0053] 该专利中描述的设计具有在外套管中构建的三组不同的供应通路。第一组通路终止于外套管的内表面,并在活塞的外滑动表面和外套管的内表面之间创建供应腔。第二组和第三组通路允许加压流体从供应腔分别流向前腔和后腔。为了对加压流体至前腔和后腔的供应进行控制,供应腔与活塞的外滑动表面中的凹槽以及与外套管中的第二组和第三组通路相互作用,而前腔和后腔的排出分别通过使用底阀和空气引导件来控制(参照应用于正常循环锤的A型流动系统)。
[0054] 这种设计的主要劣势是,由于存在第二组和第三组通路而增加了无用体积,并且这些通路极大地减小了外套管的使用寿命,该使用寿命在很大程度上取决于其壁的厚度。另外,空气引导件和底阀的提供需要使用具有中央钻孔的活塞,中央钻孔沿着其全长延伸,从而对动力产生上面A型系统中已经提到的影响。
[0055] D型流动系统,以美国专利US5113950和US5279371为代表
[0056] 这些专利中描述的设计在活塞的后端提供了供应腔,这些设计与A型流动系统和B型流动系统具有相似的特征。D型流动系统和B型流动系统一样使用了中央进给管,但与B型流动系统不同的是供应腔不是创建在进给管内的。相反,与A型流动系统相似,供应腔创建并作用在活塞后端的一部分上。这样,进给管执行帮助将加压流体输送向供应腔的功能但不参与供应腔的创建。上述一切都使得活塞的后部推压面积减小。而且,后腔的排放的需求需要使用具有中央孔的活塞,该中央钻孔形成在活塞的前端面上,因此更加减小了活塞的后部推压面积和前部推压面积,这就导致了循环的动力更小。
[0057] 进一步地,在专利US5113950中,凹槽和穿过活塞的孔的存在减弱了活塞的冲击强度。
[0058] 在接下来的段落中描述了用于反循环锤的具体方案的不同的已知加压流体流动系统,这些描述是关于将从前腔和后腔中排出的加压流体输送至孔的底部,尤其是输送至钻头的前端面的外周,以便冲洗岩石切肩的方案。
[0059] I 型流动系统,以专利 US5154244、RE36002 (US)、US6702045 和 US5685380 为代表
[0060] 这些专利描述了一种流动系统,其中,加压流体从钻头的后端通过多个通道输送至该钻头的前端,多个通道通过在驱动接头的内表面上加工的花键和在钻头柄的外表面上形成的花键相互协作地形成,并具有作为密封元件的环或套筒,以便创建封闭通路,加压流体通过该封闭同路排出至钻头的前端的外周。
[0061] 在前述专利US6702045中描述的解决方案的变体中,显示了流动系统,其中,加压流体通过在钻头的外表面上创建的通道从钻头的后端向上输送至钻头外的中间位置。这些通道与驱动接头的花键相互协作以创建密封通路。加压流体的流动从该中间位置处通过驱动接头中的钻孔偏离至驱动接头的外表面和密封环或套筒的内表面之间形成的通路,使得加压流体在钻头前端的外周区域排出。
[0062] 从控制前腔和后腔的状态的角度来看,源自这些专利的商业设计属于A型和B型流动系统。对于B型流动系统,与活塞引导件相互作用的、具有较小直径的活塞的前部区域用作用于控制前腔的排出的底阀的替代解决方案。通过空气引导件来控制后腔的排出,所述空气引导件开启或阻挡加压流体从后腔到中央同轴通道的流动,所述中央同轴通道形成在活塞的内滑动表面和采样管的外表面之间,该通道从后腔延伸至钻头的后端。
[0063] 这种流动系统的缺点与A型和D型流动系统的缺点一样,尤其是从两方面负面地影响了钻头的设计。第一方面,用于在钻头的外表面中形成通道的制造过程的多样性的需求,该需求增加了锤的制造成本。第二方面,由于存在这些通道,花键的曳力表面(其取决于各个花键单独的接触区域和花键的总数量)在一些应用中是不足够的。最后的这个问题可通过加长钻头来抵消,但这意味着增加锤的成本。
[0064] 2型流动系统,以美国专利US5407021和US4819746为代表
[0065] 专利US5407021和US4819746描述了一种流动系统,其中,加压流体从钻头的后端通过多个通道向上被引导至钻头的外表面上的中间位置,所述通道以相互协作的方式通过在驱动接头的内表面上加工的花键和在钻头柄的外表面上加工的花键形成。加压流体的流动从该中间位置处偏离穿过在钻头的头部形成的主要呈纵向的孔,以在钻头的前端的外周区域排出所述加压流体。
[0066] 在锤和孔的壁之间以及在杆和孔的壁之间形成了环形空间,钻头头部的另一功能就是避免加压流体通过该环形空间逸出。
[0067] 从控制前腔和后腔的角度出发,专利US4819746具有A型流动系统。
[0068] 在这两个专利中,作为用于控制前腔的排出的底阀的替代解决方案,使用了具有较小直径并与活塞引导件相互作用的活塞的前部部分,如在B型流动系统中所述。
[0069] 由空气引导件(US4819746)控制后腔的排出,所述空气引导件开启或关闭加压流体从后腔至中央同轴通道的流动,所述中央同轴通道在活塞的内滑动表面和采样管的外表面之间形成,该中央同轴通道向上延伸至钻头的后端。
[0070] 本方案(专利US4819746)的缺点与A型流动系统的缺点相同,钻头的设计也受到了已对I型流动系统提及过的两个方面外加第三方面的负面影响。该第三方面是由于在钻头的头部上形成的主要呈纵向的孔在钻头上引起的机械性弱化,所述孔用于引导加压流体并将其在钻头的前端的外周区域排出,以便使加压流体从外周沿着钻头的前端面流向杆和锤的中央同轴通路内。
[0071] 发明目的
[0072] 根据先前的技术和存在的问题,本发明的一个目的在于提供一种加压流体流动系统,该系统应用于正常循环锤,提供了比先前技术的正常循环锤更好的性能,并且其结合了适于所述系统的钻头加压流体引导装置,提供了一种改进的DTH正常循环锤。特别地,在不牺牲使用寿命的情况下,希望采用在以下方面改进的正常循环锤:
[0073].在能量转换过程中具有高动力和高效率,这意味着具有更高的穿透率。
[0074].在结构上简化的设计和减少的制造成本。
[0075].具有较高的可靠度和坚固性。
[0076] 本发明的另一个目的是提供一种反循环锤,该锤具有提高了的深度钻探能力,而其穿透率和岩石切肩回收能力都没有明显的减小。
发明内容
[0077] 为了提供一种根据上面限定目的的用于正常循环DTH锤的加压流体流动系统,而已经采用了一种设计作为解决方案,其有效地利用锤的横截面区域,采用更少的零件而且制造更简单。
[0078]另外,本发明的加压流体流动系统并入有辅助冲洗系统。这样,满足了改进锤的深度钻探能力的需求。
[0079] 而且,所述钻头被设计为使得,在正常循环锤中使用的钻头的后端中的传统中央通路和汇聚到此中央通路的两个或更多个通路被穿过钻头钻出的一个或多个冲洗通路所代替,所述冲洗通路从在驱动接头上和钻头柄上的花键之间相互协作地形成的多个通道延伸至钻头的前端面。这样,本发明的加压流体排出结构在钻头厚块区段与I型和2型流动系统相似,而在这之后遵循不同的路径到达钻头的端面。
[0080] 更甚者,本设计为所述活塞仅提供了一个滑动表面,从而避免了此零件由于活塞和未对准零件(空气引导件、进给管和底阀等)之间的摩擦引起的热裂化而失效。
[0081] 后面这两个特征极大地改进了锤的可靠度和坚固性。
[0082] 本发明的加压流体流动系统的特征在于,所述系统具有同轴地设置在外套管和活塞之间的圆筒;和两个腔,即供应腔和排出腔,所述两个腔由所述圆筒的外表面和所述外套管的内表面定界并由分隔壁分开。所述供应腔永久地装有来自加压流体的源的流体并不中断地与所述源的出口相连。所述排出腔永久地与由所述锤钻出的孔的底部连通。优选地,所述供应腔与所述排出腔纵向地串联布置,两个腔都由所述外套管的内表面上的两个凹槽限定。
[0083] 供入或排出前腔和后腔的加压流体的流动仅由所述活塞的外滑动表面和所述圆筒的内表面的重叠或相对位置控制。为了将加压流体从所述供应腔引导至所述锤的前腔和后腔以及从所述前腔和后腔引导至排出腔,在所述活塞中设置了第一组和第二组导流装置以及在所述圆筒中设置了多个供应通孔和排出通孔,所述多个供应通孔和排出通孔分别面对所述供应腔和所述排出腔。
[0084] 因此,与之前技术相比,本发明中前腔和后腔的状态由一对组件的相互作用控制,而之前技术中是通过大量组件一起相互作用来实现控制的。
[0085] 上述的结构使得,与先前技术中的锤相比,本发明能最佳地利用所述锤的横截面区域。当观察先前技术的锤的前部推压面积和后部推压面积时,可以证实,这些活塞的横截面区域主要由活塞、外套管、采样管、用于向前腔和后腔供应加压流体而保留的区域,以及用于从前腔和后腔排出加压流体而保留的区域所共享。通过将所述供应腔与所述排出腔纵向串联布置,可以增加所述活塞的前部推压面积和后部推压面积,这是由于它们仅与分别被排出腔和供应腔所占据的区域共享横截面区域。
[0086] 在本发明的配置下,活塞的前部推压面积和后部推压面积的尺寸相同或几乎相同。另外,通过所述活塞和所述圆筒之间的相互作用来控制所述前腔和所述后腔的排出,使得不再需要为此目的使得较小直径的活塞的前部部分或底阀与活塞引导件或空气引导件相互作用,因此避免了推压面积中的如先前技术的流动系统中所发生的额外损失。
[0087] 而且,可在所述分隔壁中设置一个或多个冲洗通道,以用于使从加压流体的源获得的加压流体流的一部分直接排出至所述孔的底部,遵照这种方式形成辅助冲洗系统并且使得能够实现所需的增加深度钻探能力而不明显减小穿透率。所述通道优选地为纵向通道,更优选地呈螺旋状,在本发明的优选选项中,所述冲洗通道与环形密封安装槽交错,所述环形密封安装槽用于在这些槽上安装可移除的流体密封件,所述流体密封件当安装在所述槽上时,使得辅助冲洗系统不能工作。
[0088]另外,具有本发明的加压流体流动系统,与所述外套管的内表面相邻的排出腔以与具有I型和2型流动系统的反循环锤相似的方式通过将加压流体流输向多个通道而允许从所述排出腔排出的加压流体流偏移至所述钻头柄的外部,所述多个通道在所述驱动接头的内表面上的花键和所述钻头柄的外表面上的花键之间相互协作地形成。然而,根据本发明,接着加压流体流通过穿过钻头的主体钻出的一个或多个冲洗通路从这些通道排至所述钻头的前端面,所述冲洗通路从所述通道延伸至所述钻头的前端。这使得能够实现用于正常循环锤的简化和更加坚固的钻头设计。
[0089] 可选择地,各个冲洗通路在到达所述钻头的前端面之前可分为多个次级冲洗通路,以便改进冲洗动作。
[0090] 本发明的正常循环DTH锤的特征在于,其具有上述的加压流体流动系统和将加压流体排出至所述钻头外部的加压流体排出结构。
[0091] 为了容易理解上述概念,将参照附图对本发明进行描述。
附图说明
[0092] 在图中:
[0093] 图1图示了本发明的正常循环DTH锤的纵截面图,尤其图示了,当前腔正供应有加压流体而后腔正将加压流体排出至孔的底部时,活塞相对于外套管、圆筒和钻头的设置。
[0094] 图2图示了本发明的正常循环DTH锤的纵截面图,尤其图示了,当后腔正供应有加压流体而前腔正将加压流体排出至孔的底部时,活塞相对于外套管、圆筒和钻头的设置。
[0095] 图3图示了本发明的正常循环DTH锤的纵截面图,尤其图示了,当锤处于冲洗模式中时,活塞和钻头相对于外套管和圆筒的设置。
[0096] 在所有这些图中,还参照在本发明下设计的解决方案图示了锤的流动系统,其用于在所有模式和状态下将加压流体从前腔和后腔输送至孔的底部,特别是输送至钻头的前端,以便冲洗岩石切肩。加压流体流动的方向通过箭头表示出。
[0097] 具体实施方式(图1至图3 )
[0098] 参照图1至图3,图示了包括以下主要组件的正常循环DTH锤:
[0099] 圆筒形外套管(I ),其具有后端和前端;
[0100] 驱动接头(110 ),其安装在外套管(I)的所述前端,并且具有内表面(113 ),所述内表面上加工有花键(112);
[0101] 后接头(20),其附接在外套管(I)的所述后端上,以便使锤与加压流源连接;
[0102] 活塞(60 ),其可滑动且同轴地设置在所述外套管(I)内,并且能够由于前腔(240 )和后腔(230)内容纳的加压流体的压力改变而往复运动,所述前腔和后腔位于活塞(60)的相对的两侧,活塞(60)具有多个外滑动表面(64);
[0103] 钻头(90),其可滑动地安装在驱动接头(110)上,钻头(90)的滑动运动被钻头保持器(210)和驱动接头(110)的钻头支撑面(111)限制,钻头(90)包括位于钻头后端的钻头柄(95)和位于钻头前端的钻头头部(96),钻头头部(96)的直径比钻头柄(95)的直径大且具有前端面(99),钻头柄(95)具有外表面(98),该外表面上加工有花键(93);
[0104] 通道(97),所述通道在驱动接头(110)的内表面(113)上的花键(112)和钻头柄
(95)的外表面(98)上的花键(93)之间相互协作地形成;
[0105] 本发明的加压流体流动系统包括圆筒(40),圆筒同轴设置在外套管(I)和活塞(60)之间。
[0106] 锤的后腔(230)由后接头(20)、圆筒(40)、和活塞(60)的后部推力表面(62)限定。该后腔的体积是可变的,并且取决于活塞(60)的位置。锤的前腔(240)由钻头(90)、圆筒
(40)、钻头引导件(150)、和活塞(60)的前部推力表面(63)限定。该前腔的体积也是可变的,并且也取决于活塞(60)的位置。
[0107] 外套管(I)具有两个由其内表面上的相应凹槽限定的腔:供应腔(2)和排出腔
(3),供应腔用于给前腔(240)和后腔(230)供应加压流体,排出腔用于从前腔(240)和后腔(230)中排出加压流体;两个腔的内部都由圆筒(40)定界并由分隔壁(5)分开;当锤操作时,这些腔中的第一腔与加压流体的源永久地流体连通并装有所述加压流体,而第二腔与孔的底部连通。
[0108] 在所述分隔壁(5)中设置一个或多个冲洗通道(6),以允许加压流体从供应腔(2)直接流至排出腔(3),使得从加压流体的源获得的加压流体流的一部分可直接排出至孔的底部,从而产生辅助冲洗系统。
[0109] 在图1至图3中图示的实施例中,分隔壁(5)具有环形密封安装槽(7),该槽上安装有可移除的流体密封件(170 )。这些环形密封安装槽(7 )与所述冲洗通道(6 )交错,流体密封件(170 )阻挡了加压流体流从供应腔(2 )直接流至排出腔(3 ),这样就使得辅助冲洗系统停止工作。取出这种可移除的流体密封件(170)使得辅助冲洗系统可进行工作。
[0110] 圆筒(40)具有多个供应通孔(41、42)和多个排出通孔(43),其分别面对供应腔(2 )和排出腔(3 )。活塞(60 )具有导流装置(66、67、80、81),这些导流装置可使加压流体从后接头(20 )流至供应腔(2 )、从供应腔(2 )流至前腔(240 )或后腔(230 )、以及从前腔(240 )或后腔(230)流至排出腔(3)。
[0111] 控制前腔(240)的状态
[0112] 当处于锤循环中时,活塞(60)的冲击面(61)与钻头(90)的冲击面(91)接触,钻头(90)处于其行程的最后位置处,S卩,锤在冲击位置处(见图1),前腔(240)通过圆筒(40)的前供应通孔(42)组、活塞(60)的后供应导管(67)组以及活塞(60)的一个或多个中央轴向供应通路(80)而与供应腔(2)直接流体连通。如图所示,所述一个或多个中央轴向供应通路(80)与该供应导管(67)组流体相连。这样,加压流体能自由地从供应腔(2)流至前腔(240)并开始活塞(60)向后方的运动。
[0113] 当活塞(60)已经在其行程的前端向后端的方向上行进直至活塞(60)的前外供应边缘(65)达到圆筒(40)的前供应通孔(42)组的后部极限的位置时,加压流体到前腔(240)的这种流动将停止。随着活塞(60)继续进一步在其行程的前端向后端的方向上运动,将会到达活塞(60)的前外排出边缘(72)匹配圆筒(40)的排出通孔(43)组的前极限的位置。随着活塞(60)的运动更进一步的继续进行,锤的前腔(240)将开始通过活塞(60)的前底切部
(81)以及通过圆筒(40)的排出通孔(43)组与排出腔(3)流体连通(见图2)。这样,包含在前腔(240 )内的加压流体将排出到排出腔(3 )中,并能够自由地从排出腔(3 )通过通道(97 )和通过钻头(90)的冲洗通路(92)流出锤并流到钻头(90)的前端面(99),所述通道相互协作地形成在钻头柄(95)的花键(93)和驱动接头(I 10)的花键(I 12)之间。
[0114] 通常,如图所示,钻头(90)通过钻头引导件(150)与锤的外套管(I)对准,钻头引导件具有排出槽(151)。在本发明中,这些排出槽将排出腔(3)与通道(97)相连,使得排出的加压流体在到达通道(97)之前就流过这些排出槽(151),之后流过钻头(90)的冲洗通路
(92)。然而,本发明并不限于使用钻头引导件,替代的对准解决方案也可与相应加压流体排出装置一起使用。
[0115] 控制后腔(230)的状态
[0116] 当处于锤循环中时,活塞(60)的冲击面(61)与钻头(90)的冲击面(91)接触,钻头(90)处于其行程的最后位置处,S卩,锤在冲击位置处(见图1),后腔(230)通过双功能纵向通路(66)以及通过圆筒(40)的排出通孔(43)组而与排出腔(3)直接流体连通,双功能纵向通路从后部推力表面(62)通过活塞(60)的主体延伸到活塞(60)的外滑动表面(64)。
[0117] 这样,包含在后腔(230)内的加压流体将被排出到排出腔(3)中,并从排出腔(3)排出锤到达钻头(90)的前端面,其与加压流体从前腔(240)中排出的方式类似。
[0118] 当活塞(60)已经在其行程的前端向后端的方向上行进直至活塞(60)的下外排出边缘(70)到达圆筒(40)的排出通孔(43)组的后部极限的位置时,加压流体的这种流动将停止。随着活塞(60)继续进一步在其行程的前端向后端的方向上运动,将会到达活塞(60)的上外排出边缘(71)匹配圆筒套筒(40)的前供应通孔(42)组的前极限的位置(参见图2)。随着活塞(60)继续更进一步地运动,锤的后腔(230)将开始通过圆筒(40)的前供应通孔(42 )组以及通过活塞(60 )双功能纵向通路(66 )与供应腔(2 )流体连通。这样,后腔(230 )将会供应有来自供应腔(2)的加压流体。
[0119] 冲洗模式操作
[0120] 如果锤被提起使得钻头(90)不再与正被钻探的岩石接触而使得钻头的保持器支撑肩部(94)抵靠在钻头保持器(210)上,那么钻头(90)将到达其行程的前端,接着锤转换至其冲洗模式。在这个位置中锤的冲击停止,因此使活塞(60)的冲击面(61)靠在钻头(90)的冲击面(91)上(见用于图示冲洗模式的描述的图3,而图2图示了特征(61)和(91)),加压流体通过以下路径直接输送至钻头(90)的前端:通过后接头(20)和圆筒(40)的后供应通孔(41)组输送至供应腔(2)中,并通过圆筒(40)的前供应通孔(42)组、通过活塞(60)的双功能纵向通路(66)以及通过圆筒(40)的排出通孔(43)组从供应腔(2)输送至排出腔
(3)。加压流体能够自由地从排出腔(3)流出锤并流到钻头(90)的前端面(99),这与加压流体从后腔和前腔(230、240 )排出的方式类似。

Claims (9)

1.一种井下正常循环锤,包括: 圆筒形外套管(I),该圆筒形外套管具有后端和前端; 驱动接头(110),该驱动接头安装在所述外套管(I)的前端并且具有内表面(113),所述内表面上加工有花键(112); 后接头(20),该后接头附接在外套管(I)的所述后端上,以用于使所述锤与加压流体的源相连; 活塞(60),该活塞可滑动且同轴地设置在所述外套管(I)内,并且能够由于前腔(240)和后腔(230)内容纳的加压流体的压力改变而往复运动,所述前腔和后腔位于活塞¢0)的相对的两侧,活塞(60)具有多个外滑动表面(64); 钻头(90),该钻头可滑动地安装在驱动接头(110)上,钻头(90)包括位于钻头后端的钻头柄(95)和位于钻头前端的钻头头部(96),钻头头部(96)的直径比钻头柄(95)的直径大且具有前端面(99),钻头柄(95)具有外表面(98),该外表面上加工有花键(93); 钻头引导件(150),所述钻头引导件设置在外套管(I)内,以用于将所述钻头(90)与所述锤的外套管(I)对准;圆筒(40),该圆筒同轴地设置在外套管(I)和活塞¢0)之间;供应腔(2)和排出腔(3),供应腔用于给前腔(240)和后腔(230)供应加压流体,排出腔用于从前腔(240)以及从后腔(230)中排出加压流体,供应腔(2)和排出腔(3)由外套管(I)的内表面上的相应凹槽限定; 供应腔⑵和排出腔(3)在内部由圆筒(40)定界并由分隔壁(5)分开; 所述供应腔(2)与加压流体的源永久性地流体连通; 所述排出腔(3)与由锤钻出的孔的底部永久性地流体连通; 多个供应通孔(42)和多个排出通孔(43),所述多个供应通孔和多个排出通孔设置在所述圆筒(40)中,并且分别面对供应腔(2)和排出腔(3); 第一组导流装置(67、80、81),所述第一组导流装置设置在所述活塞¢0)中,用于使活塞(60)的外滑动表面¢4)与前腔(240)相连,并且引导加压流体流:a)从所述供应腔(2)通过圆筒(40)的多个供应通孔(42)流到前腔(240)中,以及b)从前腔(240)中流出,并通过圆筒(40)的多个排出通孔(43)流到排出腔(3)中;以及 第二组导流装置(66),所述第二组导流装置设置在所述活塞¢0)中,用于使所述活塞(60)的外滑动表面¢4)与后腔(230)相连,并且引导加压流体流:a)从供应腔(2)通过圆筒(40)的多个供应通孔(42)流到后腔(230)中,以及b)从后腔(230)中流出,并通过圆筒(40)的多个排出通孔(43)流到排出腔(3)中; 其中,在所述活塞¢0)的往复运动过程中,流入和流出前腔(240)和后腔(230)的加压流体流仅由活塞¢0)的所述多个外滑动表面¢4)和圆筒(40)的内表面的重叠或相对位置控制; 在驱动接头(110)的内表面(113)上的花键(112)和钻头柄(95)的外表面(98)上的花键(93)之间相互协作地形成有通道(97); 其中,所述钻头引导件(150)具有排出槽(151),所述排出槽将排出腔(3)与所述通道(97)相连;以及 所述钻头(90)具有穿过所述钻头钻出的一个或多个冲洗通路(92),所述冲洗通路从所述通道(97)延伸至所述钻头(90)的前端面(99),以便将加压流体排出所述锤。
2.根据权利要求1所述的井下正常循环锤, 其中,活塞¢0)的导流装置包括: 后供应导管¢7)组和一个或多个中央轴向供应通路(80),用于将加压流体从供应腔(2)通过圆筒(40)的多个供应通孔(42)输送到前腔(240)中,其中,所述一个或多个中央轴向供应通路(80)与所述后供应导管¢7)组流体相连,并且由从活塞¢0)的冲击面(61)构造的相应的通路限定;以及 所述第二组导流装置(66),所述第二组导流装置延伸通过活塞¢0)的本体,以用于将加压流体从所述供应腔(2)通过多个供应通孔(42)输送至后腔(230),以及用于将加压流体从后腔(230)通过所述排出通孔(43)组输送至排出腔(3);以及 前底切部(81),所述前底切部用于将加压流体从前腔(240)通过所述排出通孔(43)组输送至排出腔(3)。
3.根据权利要求1所述的井下正常循环锤,其中,所述圆筒(40)具有后供应通孔(41)组,所述后供应通孔组用于使加压流体从后接头(20)流至供应腔(2)。
4.根据权利要求1所述的井下正常循环锤,其中,供应腔(2)与排出腔(3)纵向串联布置。
5.根据权利要求1所述的井下正常循环锤,其中,所述加压流体流动系统包括一个或多个冲洗通道¢),所述冲洗通道构造在分隔壁(5)上,用于允许供应腔(2)和排出腔(3)之间流体连通,并将从加压流体的源获得的加压流体流的一部分运送至由所述锤钻出的孔的底部。
6.根据权利要求5所述的井下正常循环锤,其中,所述分隔壁(5)上的冲洗通道(6)与环形密封安装槽(7)交错,所述环形密封安装槽用于在其上安装可移除的流体密封件(170),所述流体密封件当安装在所述环形密封安装槽(7)上时,使得辅助冲洗系统不能工作。
7.根据权利要求5所述的井下正常循环锤,其中,所述分隔壁(5)上的冲洗通道(6)是纵向通道。
8.根据权利要求5所述的井下正常循环锤,其中,所述冲洗通道(6)呈螺旋状。
9.根据权利要求1所述的井下正常循环锤,其中,各个冲洗通路(92)在到达所述钻头的前端面之前,被分成多个次级冲洗通道,以便改善冲洗作用。
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