CN105113978A - 一种可用于大尺寸井眼钻井的单体大直径反循环空气锤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于大尺寸井眼钻井的单体大直径反循环空气锤，包括双壁转换短节、反循环空气锤锤体和防脱落钎头三个部分，所述的反循环空气锤锤体，包括上接头、外缸、环式止回阀、中心排砂管、配气内缸、气动活塞和配气套，所述上接头和双壁转换短节通过丝扣连接，所述外缸通过螺纹与防脱落钎头的花键套连接，配气内缸、配气套和防脱落钎头的卡环依次座在花键套上，气动活塞位于配气内缸和配气套形成的空腔内，中心排砂管上端与双壁换接头内管下端插接，中间大径段压入配气内缸中，下端插入防脱落钎头的钎头本体上端，中心排砂管和上接头之间装有环式止回阀。本发明无需采用三通道钻杆，同时也不需要泥浆的液柱压力辅助排砂。

Description

一种可用于大尺寸井眼钻井的单体大直径反循环空气锤

技术领域

本发明涉及一种主要用于石油天然气钻井、基础工程、水文水井钻探等大尺寸井眼反循环钻井领域的反循环空气锤。

背景技术

近年来，在油气钻井领域，气体正循环钻井技术在治理井漏、保护储层、提高机械钻速等方面取得了显著效果。但在大尺寸井眼钻井时，正循环气体钻井所需气量大、设备数量多、成本高等成了普遍问题。同时，常规气体钻井时高速气体对井壁冲蚀明显，在井壁不稳定的条件下井内容易出现“大肚子”。此外，若井下水层、漏层同时存在，容易出现漏水不漏砂的情况，难以建立循环。采用大直径反循环空气锤实施钻井，所需气量是常规正循环气体钻井的1/2~1/5（井眼尺寸越大对比越明显）。反循环空气锤钻井，气体不进入环空，可有效避免井壁冲蚀，同时解决井漏不返砂的问题。大尺寸井眼反循环空气锤可有效降低大尺寸井眼气体钻井成本，解决井漏失返问题。目前，国内石油天然气钻井领域常用的是正循环空气锤。

公开号为203499565U，公开日为2014年3月26日的中国专利文献公开了一种反循环空气锤钻头，包括钻头本体，钻头本体上设置有进气通道、内部引射孔和中心排砂通道，进气通道的出气口位于钻头本体的底面上，内部引射孔的入口与进气通道连通，出口与中心排砂通道连通，且入口与钻头本体的底面之间的距离小于出口与钻头本体的底面之间的距离；在进气通道的出气口喷出的气体作用下，中心排砂通道将岩屑由钻头本体底面向顶部排出。该专利文献具有良好反循环排砂效果，同时具备一定的预防和处理井漏以及钻头卡钻事故的能力。

反循环空气锤在钻井过程中，钎头会承受来自活塞的高频、高速冲击，同时也会承受来自上部钻具的压力和地层带来的反扭矩。特别是在油气钻井领域，反循环空气锤的工作参数（注气量、注气压力等）比其它领域（如地质勘探、基础工程、水文水井工程等）大很多，同时反循环空气锤钎头的井下工作环境（温度、地层压力、井深等）较其它领域复杂（地质勘探、基础工程等领域的反循环空气锤钻井深度都较油气钻井浅）。在这种工况下，反循环空气锤钎头极易疲劳破坏，出现钎头发生断裂的情况。一旦钎头断裂落入井内，将会造成严重的井内事故。然而，目前，国内的反循环空气锤钎头均不具备防掉落功能。这也正是本发明所将要解决的问题。

公开号为CN2084977，公开日为1991年9月18日的中国专利文献公开了一种气动潜孔锤反循钻进双壁钻杆,它是同国内现有设备配套的并以一般勘探队能完成该套钻具的加工任务为前提进行设计的。该钻具是用于反循环气动潜孔锤钻进或气举反循环钻进的专用新式双壁管钻具,它由提引式双通道气水龙头,装配式双壁钻杆和双侧口换向分流接头三部分组成,这种双壁钻杆具有良好的可拆性,结构简单,强度大,密封好,容易加工,制造成本低,具有显著的经济效益。

上述专利文献采用了反循环钻进双壁钻杆，反循环空气锤中设置有一反循环空气锤双壁转换短节，用于连接反循环空气锤和上部双壁钻具（双壁钻铤或者双壁钻杆），以上述专利文献为代表的常规双壁转换短节外管和内管的连接方式为丝扣连接，这种连接方式虽然牢固，但是加工工艺稍许复杂，装配麻烦，且螺纹容易损坏。

在基础工程领域，随着我国经济建设的高速发展，高层建筑、港口码头、水库坝基、滑坡治理、公路桥梁等工程的嵌岩基础灌注桩数量大幅增加。这些灌注桩孔直径一般都较大，嵌岩深度较深，大都要求嵌入新鲜基岩面一下，以确保基桩的承载力和抵御自然灾害的能力。

常用的大直径嵌岩桩孔施工方法多为：钢绳冲击钻、钢粒钻进、硬质合金钻进、组合牙轮钻进、组合滚齿钻进、环状取心等，但这些钻进效率及成孔质量不尽人意，尤其钻遇较硬地层（抗压强度>150MPa），进尺缓慢，甚至根本无法进尺。为了提高大直径硬岩层的钻进效率，国内钻探界专家学者对大直径潜孔锤钻进技术进行了研究。目前国内主要大直径硬岩潜孔锤钻进技术有以下几种：

1、大直径湿式反循环潜孔锤。该潜孔锤能有效提高大直径硬岩层的钻进效率。但该潜孔锤需要配套使用专用的三通道钻杆（石油天然气钻井领域很难采用该类钻杆进行钻井），且需要泥浆的液柱压力辅助排砂。

2、正循环集束式潜孔锤。该类潜孔锤由多个小直径的正循环潜孔锤组成。正循环集束式潜孔锤，所需气量大，设备占用多，排砂效果较差，国内应用较少。

3、反循环集束式潜孔锤。如公开号为CN203531746U，公开日为2014年4月9日的中国专利文献公开了一种集束式反循环气动潜孔锤，包括配气室、筒体围裙以及贯穿配气室和筒体围裙的中心管；筒体围裙和中心管之间至少设置一层组合子锤，且组合子锤由若干设置在中心管周向上的潜孔锤组成；中心管通过管壁上的进气孔与配气室相连通；配气室分别与潜孔锤中的活塞气缸与相连通；筒体围裙底部设有套在中心管和潜孔锤上的底唇挡板，其上设有若干吸渣口，吸渣口通过吸渣管与中心管相连通，中心管内设有内管，且内管的两端与中心管相连通。该实用新型的潜孔锤能够同时冲击作功，高效钻进，实现反循环钻进，适用于大口径含水层的空气高效钻进，克服了正循环钻进在遇到含水层时，钻进过程中循环介质携带岩粉能力差，孔内存在安全隐患，无法快速钻进的缺陷。

但该类潜孔锤由多个小直径的正循环潜孔锤组成，但驱动潜孔锤的气体通过专门的气路排至地表，不会直接排放至井底参与携岩。该潜孔锤的排砂方式是泵吸反循环，需要使用特制三通道钻杆，并且须要配合使用泥浆、砂石泵。

发明内容

本发明旨在针对上述现有技术所存在的缺陷和不足，提供一种一种可用于大尺寸井眼钻井的单体大直径反循环空气锤，本发明无需采用三通道钻杆，同时也不需要泥浆的液柱压力辅助排砂，结构简单，能提高钻井效率的同时节省气体钻井气量、设备使用量，减少设备占地面积额，节约综合成本。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种可用于大尺寸井眼钻井的单体大直径反循环空气锤，其特征在于：包括双壁转换短节、反循环空气锤锤体和防脱落钎头三个部分，所述的反循环空气锤锤体，包括上接头、外缸、环式止回阀、中心排砂管、配气内缸、气动活塞和配气套，所述上接头和双壁转换短节通过丝扣连接，所述外缸通过螺纹与防脱落钎头的花键套连接，配气内缸、配气套和防脱落钎头的卡环依次座在花键套上，气动活塞位于配气内缸和配气套形成的空腔内，中心排砂管上端与双壁换接头内管下端插接，中间大径段压入配气内缸中，下端插入防脱落钎头的钎头本体上端，中心排砂管和上接头之间装有环式止回阀。

环式止回阀由阀板和弹簧构成，阀板上有密封槽，内置O型密封圈，阀板通过O型密封圈与上接头内收缩面配合实现密封。

所述弹簧为碳素弹簧钢丝。

所述配气内缸中部位置径向均匀开设多个进气孔道。

所述配气套上端面法向均匀布置数个轴向孔，同时在外圆柱面开设同样数量的径向孔，轴向孔和径向孔相互贯穿，形成配气流道。

所述气动活塞为中空结构，中心排砂管从气动活塞中心贯穿而过，气动活塞在中心排砂管、配气内缸、配气套和钎头本体组成的结构空间内上下自由活动，同时以其自身的轴线为中心自由旋转。

所述的双壁转换短节，包括外管和内管，所述外管中开有台阶孔，内管插挂于外管当中，外管和内管之间有环状间隙，内管外壁上设置有两层扶正块，内管通过上层扶正块与外管内壁接触，内管通过下层扶正块挂接于外管台阶孔的台阶上。

所述外管的外壁从下到上呈由大到小的逐渐过渡圆柱状。

所述内管上端开有密封槽，O型密封圈置于密封槽内。

每层扶正块各为三个，三扶正块均匀分布。

所述内管为中空结构，内管的内径与反循环空气锤锤体中心排砂管内径相匹配。

所述外管上端通过丝扣与上部双壁钻具的外管丝扣连接，下端通过丝扣与下部反循环空气锤锤体连接。

所述的防脱落钎头，包括卡环、花键套、防掉套、钎头本体和硬质合金齿，所述钎头本体的上端开有卡环槽，钎头本体的中部开有防掉卡槽，钎头本体位于反循环空气锤锤体的外缸和配气套中，卡环内径与卡环槽凹处直径匹配，卡环被夹在配气套和花键套之间，沿钎头本体的轴向方向，卡环槽的长度大于卡环的厚度，花键套上有花键槽，花键槽与钎头本体外部的花键配合，花键套通过螺纹与所述外缸连接，防掉套的上端挂在花键套下部的台阶上，防掉套的下端通过螺纹旋入所述防掉卡槽中，硬质合金齿设置于钎头本体的工作面上。

所述钎头本体上设有反循环流道，由内部喷射孔道、底部喷射孔道、吸砂孔和中心排砂通道组成，具体开设部位和连接关系是：钎头本体为中空结构，在钎头本体轴向中心部设置所述中心排砂通道，钎头本体下部开有吸砂孔，中心排砂通道与吸砂孔连通，在钎头本体上开有内部喷射孔道，内部喷射孔道的一端与中心排砂通道连通，另一端与花键套和钎头本体之间的间隙处连通，在钎头本体上开有底部喷射孔道，底部喷射孔道的一端与钎头本体的底部连通，另一端与花键套和钎头本体之间的间隙处连通。

所述吸砂孔是倾斜布置的，倾斜角度为30°。

所述内部喷射孔道是倾斜布置的，倾斜角度为45°。

所述内部喷射孔道和底部喷射孔道各为六个，均在钎头本体的径向方向上均匀分布。

所述钎头本体的下部大直径端的横断面为圆形，周围没有排屑槽，同时在大直径端外圆柱面开有2~3道凹形塑性密封槽。

所述硬质合金齿为球形硬质合金齿或锥形合金齿。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果如下：

1、相对于大直径湿式反循环潜孔锤，本发明所涉及的单体大直径反循环空气锤，无需采用三通道钻杆，同时也不需要泥浆的液柱压力辅助排砂。结构简单，零部件少，没有集束式潜孔锤那么复杂；集束式潜孔锤钻孔直径是固定的，一个集束式潜孔锤只能钻一种直径的钻孔。而本发明涉及的产品可以更换其他尺寸的钻头；

2、反循环集束式潜孔锤通常需要井口密封装置对环空进行密封，而本发明涉及的反循环空气锤有自密封功能，对井口是否需要安装密封装置没有特殊要求。

3、目前国内的单体反循环空气锤钻孔直径较小，通常用于地质勘探取样。本发明涉及的反循环空气锤，可用于油气井、基础工程等钻探行业的450mm~700mm大尺寸井眼钻井。

4、本发明用于油气钻井，同尺寸井眼钻井可节省气量和设备60%以上。

5、本发明中，外管和内管通过插挂的方式连接，具体是内管通过上层扶正块与外管内壁接触，内管通过下层扶正块挂接于外管台阶孔的台阶上，这样的结构形式更加简单，装配与拆卸更加容易，维护成本低，用于有效连接反循环空气锤和上部双壁钻具，实现双壁钻具与反循环空气锤的过渡，同时保证连接强度满足油气钻井需求。

6、本发明中，外管的外壁从下到上呈由大到小的逐渐过渡圆柱状，能避免因上部双壁钻具外径比下部反循环空气锤外径小而造成的应力集中。

7、本发明中，采用双层扶正块的方式，上层扶正块起到扶正的作用，下层扶正块主要起到限位作用。

8、本发明中，通过在现有的钎头本体上开设卡环槽和防掉卡槽的方式，而卡环又被夹在配气套和花键套之间，防掉套的下端通过螺纹旋入所述防掉卡槽中，这样的结构形式，使得本发明在实际应用时：反循环空气锤钎头最容易发生断裂的部分位于钎头大直径端和小直径端交汇的地方（即本文中的钎头本体中部和上部连接处的直角转弯处），此处容易发生应力集中。一旦此处发生断裂，断口下面的钎头本体部分将会挂在防掉套上，而断口上部的钎头本体部分则挂在卡环上，真正实现了防掉功能。可有效防止反循环钎头因疲劳破坏断裂而落入井内，从避免严重井内事故的发生。

9、本发明中，沿钎头本体的轴向方向，卡环槽的长度大于卡环的厚度，便于钎头有上下活动的空间。当卡环位于卡环槽最下端时，反循环空气锤活塞可正常工作；当卡环位于卡环槽最上端时，即钎头悬挂在卡环上，反循环空气锤活塞停止工作。

10、本发明中，花键套上有花键槽，花键槽与钎头本体外部的花键配合，花键套通过螺纹与所述外缸连接，这样的结构形式，来自反循环空气锤锤体的外缸的扭矩就能通过花键套传递给钎头本体。

11、本发明中，钎头本体上设有反循环流道，由内部喷射孔道、底部喷射孔道、吸砂孔和中心排砂通道组成，这样的组合方式，不仅可以有效冷却钎头硬质合金齿，也能有效形成反循环。

12、本发明中，钎头本体的下部大直径端的横断面为圆形，周围没有排屑槽，同时在大直径端外圆柱面开有2~3道凹形的塑性密封槽，这样的结构形式，可对环空实现自密封。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为反循环空气锤锤体结构示意图；

图3为双壁转换短节结构示意图；

图4为图3中内管结构示意图；

图5为防脱落钎头的结构示意图。

图中标记：

A、双壁转换短节，B、反循环空气锤锤体，C、防脱落钎头；

1.外缸；2.配气套；3.卡环；4.花键套；5.防掉套；6.钎头本体；7.硬质合金齿；8.中心排砂通道；9.内部喷射孔道；10.防掉卡槽，11.螺纹，12.底部喷射孔道；13.塑性密封槽；14.吸砂孔；15.间隙；16.直角转弯处；

1-1、外管，1-2、内管，1-3、密封槽，1-4、API螺纹，1-5、上层扶正块，1-6、下层扶正块，1-7、空气锤螺纹，1-8、台阶；

3-3、上接头，3-5、环式止回阀，3-6、中心排砂管，3-7、配气内缸，3-8、气动活塞。

具体实施方式

实施例1

作为本发明一较佳实施方式，其包括双壁转换短节、反循环空气锤锤体和防脱落钎头三个部分，所述的反循环空气锤锤体，包括上接头、外缸、环式止回阀、中心排砂管、配气内缸、气动活塞和配气套，所述上接头和双壁转换短节通过丝扣连接，所述外缸通过螺纹与防脱落钎头的花键套连接，配气内缸、配气套和防脱落钎头的卡环依次座在花键套上，气动活塞位于配气内缸和配气套形成的空腔内，中心排砂管上端与双壁换接头内管下端插接，中间大径段压入配气内缸中，下端插入防脱落钎头的钎头本体上端，中心排砂管和上接头之间装有环式止回阀。环式止回阀由阀板和弹簧构成，阀板上有密封槽，内置O型密封圈，阀板通过O型密封圈与上接头内收缩面配合实现密封。所述弹簧为碳素弹簧钢丝。所述配气内缸中部位置径向均匀开设多个进气孔道。所述配气套上端面法向均匀布置数个轴向孔，同时在外圆柱面开设同样数量的径向孔，轴向孔和径向孔相互贯穿，形成配气流道。所述气动活塞为中空结构，中心排砂管从气动活塞中心贯穿而过，气动活塞在中心排砂管、配气内缸、配气套和钎头本体组成的结构空间内上下自由活动，同时以其自身的轴线为中心自由旋转。

实施例2

作为本发明的最佳实施方式，参照说明书附图1，本发明公开了本发明所涉及的单体大直径反循环空气锤可用于450mm~700mm直径井眼钻井。

双壁转换短节A用于连接上部双壁钻具（双壁钻杆或者双壁钻铤），下部连接反循环空气锤锤体B。该短节外管1-1上端为API扣型（比如520、730或者NC61等）；下端为非标矩形粗螺纹（公扣），一方面可以传递更大的扭矩，另一方面方便上扣；同时，外管1-1通常选用石油钻井井下工具常用材料。该短节内管1-2采用35CrMo甚至更好的材料，其耐冲蚀性能较其他材质有很大提高。内管1-2上端设有3道密封槽，用于放置O型密封圈。内管1-2上端和上部双壁钻具的内管相互插接。双壁转换短接外管1-1和内管1-2之间有至少5mm以上的环状间隙，用于通过高压气体。

反循环空气锤锤体B由上接头3-3、外缸1、环式止回阀3-5、中心排砂管3-6、配气内缸3-7、气动活塞3-8和配气套2组成。反循环空气锤锤体B尺寸较大，当注气量60m3/min的时候，冲击功可达到5650J。上接头3-3上端为非标矩形粗螺纹（母扣），和双壁转换短节A的外管1-1公扣端配合；下端为非标矩形粗螺纹（公扣），和外缸1上端的母扣相配合。在上接头3-3外圆柱面上均匀开设4个直径25mm的孔，用于拆卸上接头3-3。外缸1上端与下端均为母扣，上端连接上接头3-3，下端连接花键套4。配气内缸3-7、配气套2、卡环3与外缸1之间为间隙配合，三者依次从上到下堆叠在花键套4之上。排砂中心管6中段大径部分挂在配气内缸3-7之上，下端插入钎头本体6中心孔内。环式止回阀3-5由阀板和弹簧构成，阀板上有密封槽，内置O型密封圈，阀板通过O型密封圈与上接头3-3内收缩面配合实现密封。弹簧为碳素弹簧钢丝，其弹性模量较小，方便环式止回阀3-5阀板打开。配气内缸3-7中部位置径向均匀开设多个进气孔道。配气套2上端面法向均匀布置数个轴向孔，同时在外圆柱面开设同样数量的径向孔，轴向孔和径向孔相互贯穿，形成配气流道。气动活塞3-8为中空结构，中心排砂管3-6从气动活塞3-8中心贯穿而过。气动活塞3-8在中心排砂管3-6、配气内缸3-7、配气套2和钎头本体6组成的结构空间内可以上下自由活动，同时可以以其自身的轴线为中心自由旋转。

防脱落钎头C由卡环3、花键套4、防掉套5和钎头本体组成。花键套4上端为非标矩形粗螺纹（公扣），和外缸1连接。卡环3被配气套2和花键套4夹紧在二者中间。防掉套5上端挂在花键套4上，下端套在钎头本体6腰部凹槽内。钎头本体6中心开设中心排砂通道，下端底面有数个吸砂孔。吸砂孔与中心排砂通道相通。钎头本体6大端外圆柱面可以是全断面的（全断面的结构更有利于密封环空，促使反循环的形成），也可以是开槽的（开槽结构更有利于防治井下复杂事故）。钎头本体6的底端面为内凹球面。根据不同的岩性，球面可镶嵌不同类型的硬质合金齿，比如球齿、楔形齿、锥齿等。钎头本体6大端的外圆柱面镶嵌硬质合金平头齿，可起到保径的作用。钎头本体6的上端为花键结构，并且有一圈凹槽，卡环3位于该凹槽内，可以挂住钎头，同时也用于限制自密封钎头13上下移动的距离。

本发明所涉及的单体大直径反循环空气锤具体工作原理如下：

压缩气体通过双壁转换短节A中双壁转换短节外管1-1和双壁转换短节内管1-2之间的环状间隙进入到上接头3-3，推开环式止回阀3-5的阀板，气体通过配气内缸3-7上面的径向进气孔道进入到气动活塞3-8的工作腔内，驱动气动活塞3-8不断的冲程和回程，气动活塞3-8在冲程末了会撞击钎头本体6的上端面，冲击功通过钎头本体本体传至其底端球面上的硬质合金齿，从而实现硬质合金齿冲击破碎井底岩石。另一方面，驱动完气动活塞3-8做功的废气，在钎头本体6中底喷孔和内喷孔共同作用下，携带已被破碎的岩屑从吸砂孔、中心排砂通道经由中心排砂管3-6的中心通道一直向上运移，直到排至地表。

实施例3

本发明公开了一种反循环空气锤锤体结构，反循环空气锤锤体B由上接头3-3、外缸1、环式止回阀3-5、中心排砂管3-6、配气内缸3-7、气动活塞3-8和配气套2组成。反循环空气锤锤体B尺寸较大，当注气量60m3/min的时候，冲击功可达到5650J。上接头3-3上端为非标矩形粗螺纹（母扣），和双壁转换短节A的外管1-1公扣端配合；下端为非标矩形粗螺纹（公扣），和外缸1上端的母扣相配合。在上接头3-3外圆柱面上均匀开设4个直径25mm的孔，用于拆卸上接头3-3。外缸1上端与下端均为母扣，上端连接上接头3-3，下端连接花键套4。配气内缸3-7、配气套2、卡环3与外缸1之间为间隙配合，三者依次从上到下堆叠在花键套4之上。排砂中心管6中段大径部分挂在配气内缸3-7之上，下端插入钎头本体6中心孔内。环式止回阀3-5由阀板和弹簧构成，阀板上有密封槽，内置O型密封圈，阀板通过O型密封圈与上接头3-3内收缩面配合实现密封。弹簧为碳素弹簧钢丝，其弹性模量较小，方便环式止回阀3-5阀板打开。配气内缸3-7中部位置径向均匀开设多个进气孔道。配气套2上端面法向均匀布置数个轴向孔，同时在外圆柱面开设同样数量的径向孔，轴向孔和径向孔相互贯穿，形成配气流道。气动活塞3-8为中空结构，中心排砂管3-6从气动活塞3-8中心贯穿而过。气动活塞3-8在中心排砂管3-6、配气内缸3-7、配气套2和钎头本体6组成的结构空间内可以上下自由活动，同时可以以其自身的轴线为中心自由旋转。

实施例4

进一步的，双壁转换短节包括外管1-1、内管1-2两个部分，内管1-2插挂于外管1-1当中。外管1-1外圆柱面从下到上采用由大到小逐渐过渡的结构形式，避免因上部双壁钻具外径比下部反循环空气锤外径小而造成的应力集中。外管1-1外圆柱面下端外径与配套的反循环空气锤上接头外径相当，上端外径应与上部双壁钻具（双壁钻铤或双壁钻杆）接头外径一致。外管1-1材质采用油气钻井用钻铤材质4145H或40CrMo，可保证本双壁转换短节材质与油气井入井钻具材质匹配。外管1-1和内管1-2之间有环状间隙（间隙大于5mm），是高压气体流动的通道。内管1-2为中空结构，其内径与反循环空气锤锤体中心排砂管内径相匹配，内管1-2用于反循环排砂。内管1-2上有两层扶正块，每层扶正块有三个。上层扶正块1-5起到扶正的作用，下层扶正块1-6主要起到限位作用。内管1-2上端开有密封槽1-3，通常为多重密封（比如三层密封槽1-3），用于放置O型密封圈。外管1-1上端通过丝扣与上部双壁钻具的外管丝扣连接，下端通过丝扣与下部反循环空气锤锤体连接。外管1-1上端为母扣，为API标准锥形螺纹（比如NC61、730、630、520、410、4A10等）。外管1-1下端为公扣，与下部反循环空气锤上接头螺纹匹配。内管1-2上端通过插接的方式与上部双壁钻具的内管1-2连接、下端通过插接的方式与下部反循环空气锤锤体中心排砂管相插接，上端下端均通过O型圈实现密封。

高压气体从上部双壁钻具下行，经过双壁转换短节外管1-1和内管1-2的环状间隙下行至下部反循环空气锤，驱动反循环空气锤工作的废气携带井底岩屑向上流动，途经双壁转换短节内管1-2上返，直至地表。

实施例5

进一步的，防脱落钎头主要由卡环3、花键套4、防掉套5、钎头本体6和硬质合金齿7五个部分构成。卡环3位于钎头本体6上部的卡环槽中，卡环内径应与卡环槽凹处直径匹配。卡环3在整个反循环空气锤中被夹在配气套2和花键套4之间，即卡环3在整个反循环空气锤中自由度为0。钎头本体6上端卡环槽的长度大于卡环3厚度，钎头本体6可以挂在卡环3上面，并且由卡环3限定其上下活动范围。花键套4上有花键槽，花键槽与钎头本体6上部花键部分配合。来自反循环空气锤外缸1的扭矩通过花键套4传递给钎头本体6，因此花键套4的材质为油气钻井井下工具常用材料4145H或40CrMo。花键套4通过螺纹与反循环空气锤外缸1连接。防掉套5为薄壁圆筒结构，上端挂在花键套4下部台阶上，下端通过螺纹旋入自密封反循环钎头的防掉卡槽中。花键套4和防掉套5均为4145H钢。钎头本体6为中空结构，中心排砂通道内径较同尺寸的正循环钎头中心孔内径大，这样可以方便反循环排砂。钎头本体6下部开有倾斜的吸砂孔，倾斜角度通常为30°，其底唇面镶有硬质合金齿用于破岩。地层坚硬则选择球形硬质合金齿，地层较软则可选择锥形合金齿。该钎头6的大端横断面为圆形，周围没有排屑槽，同时在其大端外圆柱面开有2~3道凹形的塑性密封槽。在钎头本体6内部钻有反循环流道，由内部喷射孔道、底部喷射孔道、吸砂孔和中心排砂通道组成。内部喷射孔道倾角45°，径向六个均匀分布；底部喷射孔道向钎头中轴线倾斜，径向六个均匀分布。

反循环空气锤钎头6最容易发生断裂的部分位于钎头大直径端和小直径端交汇的地方（即本文中的钎头本体中部和上部连接处的直角转弯处16），此处容易发生应力集中。一旦此处发生断裂，断口下面部分将会挂在防掉套5上，而断口上部则挂在卡环3上。

Claims (10)

1.一种可用于大尺寸井眼钻井的单体大直径反循环空气锤，其特征在于：包括双壁转换短节、反循环空气锤锤体和防脱落钎头三个部分，所述的反循环空气锤锤体，包括上接头、外缸、环式止回阀、中心排砂管、配气内缸、气动活塞和配气套，所述上接头和双壁转换短节通过丝扣连接，所述外缸通过螺纹与防脱落钎头的花键套连接，配气内缸、配气套和防脱落钎头的卡环依次座在花键套上，气动活塞位于配气内缸和配气套形成的空腔内，中心排砂管上端与双壁换接头内管下端插接，中间大径段压入配气内缸中，下端插入防脱落钎头的钎头本体上端，中心排砂管和上接头之间装有环式止回阀。

2.根据权利要求1所述的一种可用于大尺寸井眼钻井的单体大直径反循环空气锤，其特征在于：环式止回阀由阀板和弹簧构成，阀板上有密封槽，内置O型密封圈，阀板通过O型密封圈与上接头内收缩面配合实现密封。

3.根据权利要求1所述的一种可用于大尺寸井眼钻井的单体大直径反循环空气锤，其特征在于：所述弹簧为碳素弹簧钢丝。

4.根据权利要求1所述的一种可用于大尺寸井眼钻井的单体大直径反循环空气锤，其特征在于：所述的双壁转换短节，包括外管和内管，所述外管中开有台阶孔，内管插挂于外管当中，外管和内管之间有环状间隙，内管外壁上设置有两层扶正块，内管通过上层扶正块与外管内壁接触，内管通过下层扶正块挂接于外管台阶孔的台阶上。

5.根据权利要求4所述的一种可用于大尺寸井眼钻井的单体大直径反循环空气锤，其特征在于：所述外管的外壁从下到上呈由大到小的逐渐过渡圆柱状。

6.根据权利要求1所述的一种可用于大尺寸井眼钻井的单体大直径反循环空气锤，其特征在于：所述的防脱落钎头，包括卡环、花键套、防掉套、钎头本体和硬质合金齿，所述钎头本体的上端开有卡环槽，钎头本体的中部开有防掉卡槽，钎头本体位于反循环空气锤锤体的外缸和配气套中，卡环内径与卡环槽凹处直径匹配，卡环被夹在配气套和花键套之间，沿钎头本体的轴向方向，卡环槽的长度大于卡环的厚度，花键套上有花键槽，花键槽与钎头本体外部的花键配合，花键套通过螺纹与所述外缸连接，防掉套的上端挂在花键套下部的台阶上，防掉套的下端通过螺纹旋入所述防掉卡槽中，硬质合金齿设置于钎头本体的工作面上。

7.根据权利要求6所述的一种可用于大尺寸井眼钻井的单体大直径反循环空气锤，其特征在于：所述钎头本体上设有反循环流道，由内部喷射孔道、底部喷射孔道、吸砂孔和中心排砂通道组成，具体开设部位和连接关系是：钎头本体为中空结构，在钎头本体轴向中心部设置所述中心排砂通道，钎头本体下部开有吸砂孔，中心排砂通道与吸砂孔连通，在钎头本体上开有内部喷射孔道，内部喷射孔道的一端与中心排砂通道连通，另一端与花键套和钎头本体之间的间隙处连通，在钎头本体上开有底部喷射孔道，底部喷射孔道的一端与钎头本体的底部连通，另一端与花键套和钎头本体之间的间隙处连通。

8.根据权利要求1所述的一种可用于大尺寸井眼钻井的单体大直径反循环空气锤，其特征在于：所述配气内缸中部位置径向均匀开设多个进气孔道。

9.根据权利要求1所述的一种可用于大尺寸井眼钻井的单体大直径反循环空气锤，其特征在于：所述配气套上端面法向均匀布置数个轴向孔，同时在外圆柱面开设同样数量的径向孔，轴向孔和径向孔相互贯穿，形成配气流道。

10.根据权利要求1所述的一种可用于大尺寸井眼钻井的单体大直径反循环空气锤，其特征在于：所述气动活塞为中空结构，中心排砂管从气动活塞中心贯穿而过，气动活塞在中心排砂管、配气内缸、配气套和钎头本体组成的结构空间内上下自由活动，同时以其自身的轴线为中心自由旋转。