CN1035684C - 一种流体驱动的冲击式凿岩钻具 - Google Patents

Abstract

一种流体驱动的冲击式凿岩钻具，其具有一空心抗磨套筒；一活塞；驱动和返回压力表面装置，用于使活塞分别在返回与驱动位置之间往复运动；一高压孔口，一返回腔，一驱动腔，一出口装置，其还包括一个压力传感阀和多个流体流动通道，使阀压力表面暴露于一个来自驱动腔的短时高压冲击流，调整流体流动可使阀件提前关闭，而提高高压流体的利用率，或者可使阀件延迟关闭，而提高钻具的动力。

Description

一种流体驱动的冲击式凿岩钻具

本发明一般地涉及凿岩钻具，更具体地说，涉及一种流体驱动的冲击式凿岩钻具。

美国专利5,085,284提出了一种混合气动冲击式凿岩钻具，其中由一阀件来控制流体进入驱动腔，该阀件的开启和关闭是对压力作用很敏感的。从美国的专利文件及先有技术文件中揭示出，现有阀件在钻具工作循环期间只在一个固定点开启和关闭，也就是钻具只能在一种固定的动力和利用率水平上工作。而从有效地利用流体的立场出发，所希望的是，阀件能够更加精确地控制在驱动行程中阀件关闭的这一关键点，以阻止冲击性流体流往驱动腔。

上述情况说明了已知的存在于目前流体驱动冲击式凿岩钻具中的一些局限之处。因而，显然较为有利的是提供一种目的在于克服上述一项或几项局限的替代装置及办法。于是，本发明提供了一种包括此后要更加充分地予以阐述的各种特点的适当的替代装置及办法。

为了克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种流体驱动的冲击式凿岩钻具，该钻具包括一个压力传感阀和多个流体流动通道，使阀压力表面暴露于一个来自驱动腔的短时高压冲击流，调整流体流动可使阀件提前关闭，而提高高压流体的利用率，或者可使阀件延迟关闭，而提高钻具的动力。

本发明的另一个目的是提供一个通过调整流体流动可提前或延迟关闭的阀件。

为达到上述目的，本发明提供一种流体驱动的冲击式凿岩钻具，其包括有：一空心抗磨套筒；一个可滑动地配置在抗磨套筒中的活塞；驱动和返回压力表面装置，其用于使活塞分别在一返回位置与一驱动位置之间往复运动；一高压孔口，其形成于钻具之中；一返回腔，其形成于钻具之中并承受返回压力表面装置的作用；一驱动腔，其形成于钻具之中并承受驱动压力表面装置的作用；一出口装置，其用于在活塞分别处于返回位置和驱动位置时交替地泄放驱动腔和返回腔的压力，以及一个压力感应阀装置，其用于在活塞往复运动期间向驱动腔充压，其特点是包括，i.一个连通驱动腔的第一压力表面；ii.一个连通高压孔口的第二压力表面；iii.一个连通出口装置的第三压力表面；iv.第一通道装置，用于在阀装置处于开启位置时容许某一有限容积的流体在高压孔口与驱动腔之间流动；v.第二通道装置，用于在活塞的某一段驱动行程期间阀装置处于开启位置时容许某一有限容积的高压流体在驱动腔与第三压力表面之间流动；以及vi.第三通道装置，用于在阀或是处于开启或是处于关闭位置时容许某一有限容积的流体在出口装置与第三压力表面之间流动。

上述以及其他各个方面，在结合附图考查之后，从以下关于本发明的详细说明中将清晰可见。

图1A是一剖视图，其表明一个先有技术中的混合凿岩钻具的右上部分的实施例，活塞处于返回位置；

图1B是一剖视图，其表明一个先有技术中的混合凿岩钻具的右上部分的实施例，类似于图1A，例外的只是活塞处于驱动位置；

图2A是一剖视图，其表明一个先有技术中的混合凿岩钻具的左下部分的实施例，活塞处于返回位置；

图2B是一剖视图，其表明一个先有技术中的混合凿岩钻具的右下部分的实施例。活塞处于驱动位置；

图3是一凿岩钻具顶部的沿图5的A-A线截取的剖视图，其中，有些零件未表示出，且其表明本发明的一种阀件关闭装置，而阀件是处于一关闭位置；

图4是一类似于图3的沿着图6中的B-B线截取的剖视图，其中阀件是处于一开启位置；

图5是一沿图4A-A线截取的剖视图，有些零件未表示出；以及

图6是一沿图4B-B线截取的剖视图，有些零件未表示出。

现在参照各附图所示，其中图1A、1B、2A和2B表明先有技术中的混合冲击式凿岩钻具的一个实施例，其中各个相同的零件在全部附图中都将用相同的标号表示。

一台凿岩钻具整体上用标号10来表示。尽管各图中所示的特定凿岩钻具是用于井内型的，但本发明还可以同样地应用于井外型的凿岩钻具。抗磨套筒12包容着凿岩钻具10的各个零件。活塞14往复地与凿岩钻具的钻头16相撞击。活塞14或者沿着箭头14a所示的驱动方向移动，或者沿着箭头14b所示的回程方向移动。

高压流体经由高压孔口18流向钻具的其余部分，从而向活塞14提供推动力。高压流体是通过一流体供给管线20供给的。一止回阀21可防止一旦供给管线20中的压力中止时流体通过该供给管线从钻具中回流。

一返回腔22(见图2A、2B)在活塞14处于靠近钻头16时经由一流体通道24与高压孔口18形成流体连通。如众所周知的，通道24是由内筒25结合抗磨套筒12一起构成的。因而返回腔22中的任何压力都会沿返回方向14b向活塞施加偏压。高压孔口18的压力持续地施加到返回腔中，直至活塞通道密封点26越过一抗磨套筒通道的密封点28。

在钻头16之中经由贯穿其中的孔构成一压力出口孔30。压力将连续沿返回方向14b加速活塞，直至活塞的一返回压力表面32越过压力出口孔30的出口34。此时，返回腔22中的任何压力都会通过此出口压力孔的孔口泄流，但活塞的动量将继续沿返回方向14b推送活塞。

由于一驱动腔36(图1A)通过孔30和38与出口压力连通，因此，驱动腔36中的压力将继续保持出口压力孔30的压力，直至一分配器40的端部封闭住一个从驱动腔到出口压力孔38的通道，此通道包括一贯穿活塞14的孔。此时，驱动腔36中的流体会受到压缩。这种压缩将提高压力，逐渐减慢活塞14的返回运动。

一压力感应阀42可控制由一高压入口44通过一阀孔56和一通道59流向驱动腔36(图1A)的流体流动。图1A和1B所示的阀42包含有三个压力表面46、48和50。压力表面46是始终承受压力出44的压力。压力表面48在阀关闭时承受驱动腔36的压力。而压力表面50是始终承受出口的压力，而与阀42的位置无关。

当阀开启时，压力表面48可以借助于控制阀孔56和流体通道59的大小来控制驱动腔36与压力入口44之间的流体流动。一个与阀42的位置无关而通过孔口54承受压力的压力孔口52与压力表面50相连通。

当活塞14沿返回方向14b移动到致使作用于压力表面48上的压力超过作用于压力表面46和50上的综合压力的程度时，则如图1B所示压力阀42将开启。开启阀就会使高压空气从压力入口44通过阀孔56和通道59进入到驱动腔36。

由于阀的开启所造成的驱动腔中的压力升高将首先导致活塞14的返回运动停止，而随后活塞14将沿驱动方向14a急剧加速。一旦活塞驱动端面58越过分配器40的端部，驱动腔将通过连通大气的通孔38和30被泄减到出口压力。

现在参照图3-6来说明本发明的换向阀200。换向阀200具有一第一压力感应表面202、一第二压力感应表面204和一第三压力感应表面206，就象阀42一样。换向阀200还包括有一流体分配器局部组件210，该局部组件适合于配置在抗磨套筒12之中，用于将从高压孔口44向驱动腔36和返回腔22分配流体，如此后所述。空气分配局部组件210包括有一从纵向轴线214沿径向伸展的主体部段212，主体部段212具有一顶部密封台座表面216和一底部表面218。由图5和图6可见，主体部段212具有多个边凹槽220，它们围绕着轴线214间隔开布置，并且从顶部密封台座表面216沿纵向伸展，以便结合抗磨套筒12的内表面和内筒25，为流体提供一条流向返回腔22的通道24，如前所述。内筒25可以与分配器210的主体部段212构成一体，或者其可以与O形密封圈222相配合固接在该主体部段上。

一阀杆段230从顶部密封台座表面216沿纵向向上伸展，其轴线与轴线214重合。一阀盖232适合于密封地配置在抗磨套筒12之中，并且也密封地在顶端234处配装在阀杆段230上。阀密封件236可以沿着阀杆段230在密封台座表面216与阀盖232之间滑动，用以开启和关闭驱动腔36。一分配器尾杆段240从底部表面218沿纵向向下伸展，其轴线与轴线214重合。尾杆段240适合于滑动地接触活塞14，以便在往复运动期间对活塞14施加密封和解除密封，如前所述。

阀密封件236是借助于任选的合成橡胶O形圈238密封地装配起来的，密封圈238分别接触阀盖232和阀杆段230。第一通道装置包括至少一个穿过主体部段212延伸的孔道300，以便将高压孔口44与驱动腔36连通。由图5和图6可见，我们建议采用多个围绕轴线214间隔开布置的这样的孔道300。

第二通道装置包括至少一个纵向孔道302，该孔道通过尾杆段240、主体部段212和阀杆段230延伸到一径向上伸展的阀杆通道305，通道305借助阀盖232与阀杆段230之间的空腔306连通到第三压力感应表面206。如图5和图6可见，我们建议采用多个围绕轴线214间隔开布置的孔道302。

第三通道装置包括至少一个纵向孔道310，该孔道穿过尾杆段240、主体部段212和阀杆段230延伸到径向上伸展的阀杆段通道304。如众所周知的，一孔道310可以穿过阀盖232延伸到一止回阀(未示出)。我们建议第三孔道310是沿着轴线214的一个中心孔，该轴线与整个钻具10的一中心孔的轴线重合。

如从图4可见，当活塞14处于驱动位置时，阀200是开启的，而驱动腔36是充压的，同时返回腔22(见图2B)正在向泄出压力孔30，34泄尽流体，如前所述。第一压力感应表面202承受驱动腔36中的流体的高压。同样，第三压力感应表面206经由第三通道装置(孔道310)承受泄出压力。同时，第二压力感应表面204承受来自入口孔44的高压。

如由图3可见，在驱动行程期间，活塞14将其顶部表面移到尾杆段240侧壁上的下部开孔331处(活塞14位置用虚线示出)，从而露出开孔331，并使孔道302和第三压力感应表面206承受来自驱动腔36的高压。这种高压流体作用力只持续很短的一段时间，直至活塞14不再接触尾杆段240，如图3中的实线所示。此后，驱动腔36承受泄出压力，随之第二和第三通道装置(分别为通道302和310)要使第三压力感应表面206只承受泄出压力。不过，第三压力表面206上面的这种短时间的高压作用力是附加于已经作用在阀压力表面204和206上面的那些压力的，如前所述，而且增大的总作用力将导致阀200在驱动行程中比它通常可能关闭得要早一些。通过调整孔道302的总横截面积，可以改变这种提早关闭的准确定时。对于某一给定的横截面来说，关闭时刻也取决于阀杆段通道304的总横截面积。通道302一个较大的横截面积或阀杆段通道304一个较小的横截面积都将造成阀的较早关闭，从而使空气耗量减少。如图5和图6所示，我们建议设置多个通道302和304，但在组装钻具期间依靠嵌入一个或多个可拆装的栓塞330(如图3、5中为通道304所示)，用以调整总横截面积。因而，在活塞14的驱动行程期间，阀的关闭位置可以由操作者来选择，其可以采用多一些或少一些的可拆装的栓塞330，通过拆开钻具的后部以达到阀200的位置进而从事操作。

我们建议，借助于多个围绕轴线214间隔开布置的并在密封台座外边缘334与密封台座内边缘336之间的凸台332来为在第一压力感应表面202上面的阀座236设置一个任意选用的支承。

Claims (6)

1.一种流体驱动的冲击式凿岩钻具，其包括有：一空心抗磨套筒；一个可滑动地配置在该抗磨套筒中的活塞；驱动和返回压力表面装置，其用于使该活塞分别在一返回位置与一驱动位置之间往复运动；一高压孔口，其形成于该钻具之中；一返回腔，其形成于该钻具之中并承受该返回压力表面装置的作用；一驱动腔，其形成于该钻具之中并承受该驱动压力表面装置的作用；一出口装置，其用于在该活塞分别处于该返回位置和驱动位置时交替地泄放该驱动腔和该返回腔的压力，以及一个压力感应阀装置，其用于在该活塞往复运动期间向该驱动腔充压，其特征在于，其包括：

i.一个连通该驱动腔的第一压力表面；

ii.一个连通该高压孔口的第二压力表面；

iii.一个连通该出口装置的第三压力表面；

iv.第一通道装置，用于在该阀装置处于开启位置时容许某一有限容积的流体在该高压孔口与该驱动腔之间流动；

v.第二通道装置，用于在活塞的某一段驱动行程期间该阀装置处于开启位置时容许某一有限容积的高压流体在该驱动腔与该第三压力表面之间流动；以及

vi.第三通道装置，用于在该阀或是处于开启或是处于关闭位置时容许某一有限容积的流体在该出口装置与该第三压力表面之间流动。

2.根据权利要求1所述的阀装置，其还包括：

a.空气分配器局部组件装置，其适合于配置在抗磨套筒之中，用于从该高压孔口向该驱动腔和返回腔分配高压流体；

b.所述第一通道装置包括在该空气分配器局部组件中用于连通该高压孔口与该驱动腔的装置；

c.所述第二通道装置包括有在该空气分配器局部组件中用于在某一段活塞驱动行程期间该阀密封装置处于开启位置时连通该驱动腔与该第三压力表面的装置；

d.阀密封装置，其装在所述空气分配器局部组件上面，用于在该活塞往复运动期间的开启和关闭操作，以开启和关闭所述第一通道装置；以及

e.所述第三通道装置包括在该空气分配器局部组件中用于连通该出口装置与该第三压力表面的装置。

3.根据权利要求2所述的阀装置，其中，该空气分配器局部组件还包括：

a.一主体部段，其从一纵向轴线沿径向伸展，所述主体部段具有一顶部密封台座表面和一个底部表面；

b.一阀杆段，其从所述顶部密封台座表面沿纵向伸展；

c.一阀盖，其适合于配置在抗磨套筒之中并可密封地装配在所述阀杆段上面。

d.所述阀密封装置可以沿着所述阀杆段在所述密封台座表面与所述阀盖之间滑动，以开启和关闭所述驱动腔；以及

e.一尾杆段，其从所述底部表面沿纵向伸展，其适合于可滑动地接触一个活塞，以便在该活塞往复运动期间对该活塞孔施加密封和解除密封。

4.根据权利要求3所述的阀装置，其还包括：

a.所述第一通道装置是至少一条通过所述主体部段的纵向孔，其连通所述高压孔口和所述驱动腔；

b.所述第二通道装置是至少一条纵向孔，其穿过所述尾杆段、所述主体部段和所述阀杆段延伸到一个与所述第三压力表面连通的一条阀杆段通道；

c.所述第三通道装置是至少一条纵向孔，其穿过所述尾杆段、所述主体部段和所述阀杆段达到所述阀杆段通道；以及

d.所述第二通道装置具有一个从一段所述尾杆段进入所述驱动腔的开孔，这一开孔比起由所述第三通道装置进入所述驱动腔的一个开孔来更为接近所述主体部段，从而在活塞驱动行程期间所述第二通道的开孔在所述第三通道的开孔之前露出。

5.根据权利要求1所述的凿岩钻具，其中第三压力表面装置与第二压力表面装置一样都在该阀装置的同一侧。

6.根据权利要求4所述的凿岩钻具，其中，在某一段驱动行程期间，施加在第三压力表面上面的一部分流体压力作用力加上施加在第二压力表面上面的一部分流体压力作用力超过了施加在第一压力表面上面的一部分流体压力作用力，从而该阀受到偏压而进入一关闭位置。

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