CN1040845A - 冲击-回转钻井工具 - Google Patents

Abstract

本工具包含一个用于与冲击一回转装置相互作用的壳体(1)和一个具有杯形的夹箍(2)，在夹箍(2)中，借助同心齿圈配置着带有与壳体(1)相互作用的尾部(7、8)的岩层破碎元件(5、6)，并可轴向移动。每一个在外缘齿圈上的岩层破碎元件(6)配备有将其在夹箍(2)中固定的装置(16)，夹箍(2)配备有可相对壳体(1)轴向移动的装置(9)。夹箍(2)相对壳体(1)轴向移动的长度至少等于岩层破碎元件(5、6)磨损部分长度(H)。

Description

本发明属于钻探技术领域，更具体地说是属于冲击-迴转钻井工具。

本推荐的工具最适宜用于在强烈粉尘的、多岩石的山地岩层中钻炮孔，石油钻井和地质勘探钻孔。

已知一种冲击迴转钻井工具（苏联专利，A，284918），它包含有一个用于与冲击迴转装置相互作用的壳体和一个具有杯形的夹箍。在夹箍中，用同心的齿圈配置着多个具有可以和壳体相互作用的尾部的岩层破碎元件，並可以轴向移动。夹箍配备有可相对壳体轴向移动的装置。壳体和夹箍至少各具有一个通槽，用于排放将岩渣从钻井中送出的工作介质。

已知的工具可用于在少粉尘和中等粉尘的岩层中钻孔。但是，在强烈粉尘的岩层中使用这种工具有困难，因为由于磨损部分长度有限和没有能补偿岩层破碎元件磨损的装置，因此岩层破碎元件迅速磨损。这样，工具寿命就低。

本发明的基本任务是要建造一种冲击迴转钻井工具，它具有这样一种固定周边岩层破碎元件装置的结构形式和这样一个夹箍相对壳体的轴向移动长度，它们能保证增加岩层破碎元件磨损部分的长度和钻井过程中自动补偿磨损，因而能提高所建设工具工作的寿命和有效性。

提出的任务是这样解决的：冲击迴转钻井工具包括有一个用于与冲击迴转装置相互作用，並至少具有一个用于排放将岩渣从孔中送出用的工作介质的通槽的壳体，並含有一个具有杯状的夹箍，在其内部借助同心齿圈配置着带有可知壳体相互作用的尾部的岩层破碎元件，並可轴向移动，该夹箍还配备有可相对壳体轴向移动的装置，並至少具有一个排放将岩渣从孔中送出用的工作介质的通槽：根据本发明，每一个在外缘齿圈上的岩层破碎元件都配备有一个将其固定于夹箍中的装置，夹箍相对壳体的轴向移动长度至少等于岩层破碎元件磨损部分的长度。

最好在位于外缘齿圈上的每一个岩层破碎元件尾部的例表面上作出环形槽，而固定该岩层破碎元件的装置作成弹簧止动元件的形式，这个弹簧止动元件与环形槽相互作用，並放置在作于夹箍内，且与安放岩层破碎元件的周边槽相通的盲腔内。

这就有可能在利用所推荐的工具完成下降-提升作业时，防止外缘齿圈上的岩层破碎元件落在磨损部分的全长上。从而可避免该工具在孔中楔住。

为此，希望在岩层破碎元件尾部侧表面上的相邻环形槽之间的距离根据下述关系选择：

$\mathrm{L=(0.8～1.0)}\frac{R_1{\mathrm{-R}}_2}{\mathrm{cos\; \alpha }}$

式中R₁-冲击迴转钻井工具的半径（m）;

R₂-夹箍半径（m）;

α-从被破碎岩层方面看，外缘齿圈上每一个岩层破碎元件对于夹箍端面的倾斜角度，α＝45°～89°。

外缘齿圈上岩层破碎元件倾角α的上限（α＝89°）是由必须在孔壁与该工具之间具有间隙的条件决定的，目的是要消除工具在孔中楔住的可能性。下限（α＝45°）是由结构考虑决定的，它应从使冲击能最大限度地通过岩层破碎元件传递给山地岩层的条件出发来进行选择。

这时，希望根据下述关系来选择每一个岩层破碎元件磨损部分的长度

H＝（n-1）L

式中    L-岩层破碎元件尾部侧表面上相邻环形槽之间的距离（m）：

n≥2-在岩层破碎元件尾部侧表面上的环形槽数。

可以将在外缘齿圈上的每一个岩层破碎元件相对夹箍的固定装置作成以弹性材料制作的套筒形式，该套筒箍住上述岩层破碎元件，並放置在作于夹箍中，並和夹箍与壳体之间的空间相通的盲腔内。

上述装置的这种结构形式可以简化工具的结构，同时还可以在完成下降-提升作业时避免工具在孔中楔住。

当在强烈粉尘的山地岩层中钻深孔时，最好采用这样的工具，在其夹箍的端面上，从被破碎岩层一侧固定着支撑元件，它的高度应等于在上述端面之上的岩层破碎元件的悬伸长度，而夹箍相对壳体的轴向移动装置为花键联接。

这就可以保证随着岩层破碎元件的磨损，夹箍在工作面对支撑元件的反力作用下向上移动並把岩层破碎元件暴露出来，即可在钻井过程中实现岩层破碎元件磨损的自动补偿。

必须使在钻井过程中，外缘齿圈上的岩层破碎元件尾部与之相互作用的壳体端面的每一部分都作成直线並与上述岩层破碎元件的纵轴垂直。

这就可以保证冲击能量从该工具传递至岩层破碎元件，並通过它传递至岩层的效率最高。

並且，在钻井过程中，外缘齿圈上的岩层破碎元件与之相互作用的壳体端面部分的长度应比上述岩层破碎元件尾部与上述壳体部分相互作用的端面部分的长度大。

这就有可能在夹箍向上移动时，随着岩层破碎元件的磨损，使在外缘齿圈上的岩层破碎元件自由地向工具边缘移动，这同时就可保证工具直径，因而也使被钻孔直径固定不变。

希望在夹箍中的排放工作介质的上述通槽通流截面的总面积比在壳体中的排放工作介质的上述通槽的通流截面的总面积小。

当工作介质在壳体与夹箍之间的空间通过时，与壳体的上述通槽相比较，减小夹箍中上述通槽的总面积将产生多余压力。这个压力促使夹箍从壳体中伸出，並且在完成下降-提升作业时，在孔壁与夹箍之间产生摩擦的情况下可阻止工具任意的堆叠。

下面将以对冲击迴转钻井工具的具体实施例的描述，並援引有关附图来对本发明进行说明，其中：

图1表示根据本发明制成的冲击迴转钻井工具;

图2为图1中A部视图的放大;

图3表示根据本发明的冲击迴转钻井工具，其夹箍与壳体为花键联接;

图4为根据本发明的冲击迴转钻井工具的局部视图，采用弹性材料制成的套筒作为外缘齿圈上岩层破碎元件的固定装置。

根据本发明制成的所建议的冲击迴转钻井工具包含一个用于与冲击迴转装置（图中没有示出）相互作用的壳体1（图1）和一个具有杯状的夹箍2。在夹箍2中作出齿圈，相应地还有中心沟槽3和外缘沟槽4，它们都是同心配置的，在这些沟槽3，4中，相应地放置着岩层破碎元件5和6。所有岩层破碎元件5、6相应地都有尾部7、8，它们与壳体1的端面相互作用。夹箍2配备有相对壳体1轴向移动的装置9。当钻不太深的孔时，上述装置9作成螺纹联接的形式，其中一个螺纹10作在壳体1的外侧表面上，另一个螺纹11作在夹箍壁的内表面上。

在壳体1中，为了排放工作介质，至少作有一个通槽12，它的一端与工作介质源（图中没有示出）相连接，另一端与壳体1的端面和夹箍2的内表面之间的空间13相连接。

在夹箍2中，亦至少作有一个通槽14，以便将工作介质从空间13排放至孔15中。

当利用给定的工具完成下降一提升作业时，为了防止外缘齿圈中的岩层破碎元件6落下一个其磨损部分全长的长度，从而，避免在孔15中楔住，在外缘齿圈中的每一个岩层破碎元件都装有一个将其固定在夹箍2中的装置16（图2）。这个装置16作成带弹簧18的止动元件17的形式，止动元件安放在作于夹箍2中，並与外缘通槽4相连通的盲腔19中。止动元件17与在尾部8的侧表面上作出的相应环形槽20相互作用。

相邻环形槽20之间的距离L根据下式选择

$\mathrm{L=(0.8～1.0)}\frac{R_1{\mathrm{-R}}_2}{\mathrm{cos\; \alpha }}$

式中R₁（图1）-冲击迴转钻井工具的半径（m）;（（R₁理解为从工具轴心至外缘齿圈上的岩层破碎元件与孔壁接触点的距离）：

R₂-夹箍半径（m）;

α-从被破碎岩层方面看，外缘齿圈上每一个岩层破碎元件6对于夹箍2的端面21的倾斜角度。

为了不使工具在孔15中楔住，即为了保证孔15的壁与该工具之间的间隙，角度α应在45°～89°范围内。此角度的下限α＝45°应根据最大限度地将冲击能量通过岩层破碎元件8传递给山地岩层的条件来选择。

在所述公式中，区间（0.8～1.0）根据下列考虑来选择。上限（1.0）保证在补偿了岩层破碎元件6的磨损后，在钻以后的孔时，用该工具的直径去限制孔15的最大直径。下限（0.8）的选择是考虑到，假如该极限小于0.8时，则必须极其频繁地将止动元件17（图2）改放到相邻的环形槽20中，以便补偿磨损。

当在工具中有止动元件17时，岩层破碎元件5、6的磨损部分长度H（图1）根据下述选择

H＝（n-1）L

式中n≥2-在尾部8侧表面上环形槽20的数量。

即岩层破碎元件5、6的磨损部分长度H与相邻环形槽20之间的距离L成比例，並由这些槽20的数量决定，而当没有止动元件17（图2）时，岩层破碎元件5、6的磨损部分最大长度H（图1）受由下式决定的量限制

H_max= (R₁-R₂)/(cosα)

这个限制是由在完成下降-提升作业时必需避免工具楔住的要求产生的。

为了在岩层破碎元件5、6的寿命方面最充分地利用工具，岩层破碎元件5、6的磨损部分长度H相应于夹箍2相对壳体1的轴向移动量。

根据本发明制作的冲击-迴转钻井工具是按以下方式工作的。

将工具按装在预先计划要钻孔15的位置处，安装在工具上方的气动或液压冲击器（图中没有示出）将迴转和冲击脉冲传递给工具。轴向力通过壳体1传递至岩层破碎元件5、6上，这些元件支撑在孔15的工作面上，而用尾部7和8相应地支承在壳体1的端面上。钻孔结束后工具升高。同时，安放在外缘通槽4中的岩层破碎元件6借助止动元件17可防止落下其磨损部分全长的长度，因而防止了在下降-提升作业时工具在孔15中楔住的可能性。在钻孔15过程中产生的岩层破碎元件5、6的磨损量可通过沿壳体1上的螺纹10拧动夹箍2，使夹箍2相对壳体1产生移动而加以补偿。这时止动元件17（图2）移动到在岩层破碎元件6的尾部8的侧表面上的相邻环形槽20中，补偿岩层破碎元件6的磨损，並恢复它相对于夹箍2的固定悬伸量（图1）。由于相邻环形槽20之间的距离L（图2）是根据上面所述的公式选择的，这就保证了用该工具钻出的每一个后续孔的直径都恒定不变，並且排除了在下降-提升作业过程中，当岩层破碎元件6磨损部分的长度H为任意时，工具在孔15中楔住的可能性。

在这种情况下，当所建设的工具用于在强烈粉尘的山地岩层中钻深孔时，在夹箍2的端面21上固定着支承件22（图3），其高度等于岩层破碎元件5、6在所述端面21上的伸出量。为了保证随着岩层破碎元件5、6的磨损，在工作面对支承件22的反力作用下，夹箍2能向上移动，使用了夹箍2相对壳体1的轴向移动装置9，它是由在壳体外侧表面上的槽23与在夹箍2壁的内表面上的凸舌24组成的花键联接。

在外缘齿圈上的相应的岩层破碎元件6的尾部8在钻过程中与壳体1端面的每一部分25相互作用，壳体1端面的每一部分25作成直线形，並与上述岩层破碎元件6的纵轴垂直。壳体1端面的这种结构形式可以使冲击能从壳体1传递至岩层破碎元件5与6，並通过它们传递至岩层的效率最高。每一个上述的部分的长度l大于上述岩层破碎元件6尾部8的端面部分的长度d。这使外缘齿圈上的岩层破碎元件6有可能随着岩层破碎元件5、6的磨损，在夹箍2向上移动时自由地向工具外缘移动，这就保证了工具直径固定不变，因而被钻孔15直径不变。为了均匀地将工作介质输送至壳体1和夹箍2之间的空间13中，在壳体1内作有n个外缘通槽26，其一端通过槽27与工作介质源（图中没有示出）相连通，另一端与壳体1和夹箍2之间的空间13连通。这时，为了在空间13产生一个促使夹箍2从壳体1移出的多余压力，上述通槽26通流截面的总面积大于在夹箍2中的通槽14通流截面的总面积。当完成下降-提升作业时，在孔15壁与夹箍2之间产生摩擦的情况下，多余压力的存在可阻止工具的任意堆叠。

所建议的冲击-迴转钻井工具按以下方式工作。

在钻井开始之前，夹箍2在自重或工作介质多余压力的作用下从壳体1中伸出一个最大的长度。同时，在中间齿圈中的，没有在夹箍2中的固定装置16的岩层破碎元件5也从夹箍2中伸出一个磨损部分全长的长度。当把工具安放在工作面上时，岩层破碎元件5缩入夹箍2中，直至它们的尾部7与壳体1的端面接触，而夹箍2以其自己的支承件22支承在工作面上为止。在这个位置时，所有岩层破碎元件5，6的伸出量均等于支承件22的高度。轴向载荷，扭矩和由安装在工具上方的气动或液压冲击器（没有示出）输出的冲击脉冲传递至工具上。在以上所列各种载荷作用下，岩层破碎元件5、6深入岩层中，並将其破碎，实现孔15的钻凿。在钻井过程中，岩层破碎元件5、6高度发生磨损。由于这样，由工作面来的，作用在夹箍2的支承件22上的力增加，夹箍2开始向上移动，使岩层破碎元件5、6露出。当卡箍2向上移动时，岩层破碎元件6向工具外缘移动，这就保证了工具直径，因而也保证了被钻孔15的直径固定不变。这样，夹箍2与壳体的花键联接可以实现具有岩层破碎元件5、6磨损自动补偿的钻凿，这可提高工具工作的有效性。

为了简化所建议工具的结构，並且在完成下降-提升作业时避免工具在孔15中楔住，可以采用将在外缘齿圈上的每一个岩层破碎元件6相对夹箍2固定的装置16，它可作成由弹性材料制成的套筒28的形式（图4）。包容上述岩层破碎元件6的套筒28位于夹箍2中的盲的环形腔29中，该腔与夹箍2和壳体1之间的空间13连通。使用上述套筒28的工具的工作与上面描述过的工具工作情况类似。

这样，根据本发明作成的冲击-迴转钻井工具，由于有可能使夹箍相对于壳体轴向移动一个岩层破碎元件磨损部分的长度，因此可以增加这个长度，从而提高工具的寿命。

此外，由于夹箍与壳体的可动联接，所建设的工具可以实现岩层破碎元件磨损的自动补偿，这就大大提高冲击-迴转钻井工具工作的有效性。

Claims (9)

1、一种冲击一迴转钻井工具，它包含一个用于与冲击一迴转装置相互作用，並具有至少一个排放用于将岩渣从孔(15)中送出的工作介质的通槽(2)的壳体(1)，一个其内放置有同心齿圈和可以轴向移动的岩层破碎元件(5，6)带有与壳体(1)相互作用的尾部(8、7)，装备有相对于壳体(1)轴向移动的装置(9)，並且至少有一个排放用于将岩渣从孔(15)中送出的工作介质的通槽(14)的夹箍(2)，其特征为：每一个在外缘齿圈上的岩层破碎元件(6)均配备有一个将其固定在夹箍(2)中的装置(16)，夹箍(2)相对壳体(1)的轴向移动长度至少等于岩层破碎元件(5、6)磨损部分的长度(H)。

2、根据权利要求1的工具，其特征为：在外缘齿圈中的每一个岩层破碎元件（6）的尾部（8）的侧表面上作有环形槽（20），而固定上述岩层破碎元件（6）的装置（16）作成与环形槽（20）相互作用，並安放在盲腔（19）中的弹簧止动元件（17）的形式，盲腔（19）与其中配置有岩层破碎元件（6）的外缘通槽（4）相连通。

3、根据权利要求2的工具，其特征为：岩层破碎元件（6）的尾部（8）侧表面上的相邻环形槽（20）之间的距离（L）根据下述公式选择

$\mathrm{L=(0.8～1.0)}\frac{R_1{\mathrm{-R}}_2}{\mathrm{cos\; \alpha }}$

式中 R₁-冲击-迴转钻井工具的半径（m）;

R₂-夹箍的半径（m）;

-从被破碎的岩层方面看，在外缘齿圈上的每一个岩层破碎元件的倾斜角度，α＝45°～89°。

4、根据权利要求3的工具，其特征为：每一个岩层破碎元件（5、6）磨损部分的长度（H）根据下式选择

H＝（n-1）_L

式中  L-岩层破碎元件尾部侧表面上的相邻环形槽之间的距离（m）;

n≥2-岩层破碎元件尾部侧表面上环形槽的数量。

5、根据权利要求1的工具，其特征为：在外缘齿圈上的每一个岩层破碎元件（6）相对夹箍（2）的固定装置（16）作成由弹性材料制成的套筒（28）的形式，它包含上述岩层破碎元件（6），並安放在夹箍（2）中的，与夹箍（2）和壳体（1）之间的空间（13）相连通的盲的环形腔（29）中。

6、根据权利要求1的工具，其特征为：在夹箍（2）的端面（21）上，从被碎的岩层方向固定着支承件（22），其高度等于在上述端面（21）之上的岩层被碎元件（5、6）的伸出量，而夹箍（2）相对壳体（1）轴向移动的装置（9）为花键联接。

7、根据权利要求1的工具，其特征为：在钻井过程中外缘齿圈上的岩层破碎元件（6）的尾部（8）与之相互作用的壳体（1）端面的每一部分（25）作成直线形，並且与上述岩层破碎元件（6）的纵轴垂直。

8、根据权利要求7的工具，其特征为：在钻井过程中，外缘齿圈上的岩层破碎元件（6）与之相互作用的壳体（1）的端面上的一部分（25）的长度（ ）大于上述岩层破碎元件（6）尾部（8）的与壳体（1）的上述部分（25）相互作用的端面部分的长度（d）。

9、根据权利要求6的工具，其特征为：在夹箍（2）中作出的，排放工作介质的上述通槽（14）通流截面的总面积小于在壳体（1）中作出的，排放工作介质的上述通槽（12）通流截面的总面积。

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