CN1077666C - 带减震器的定向钻探系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种定向钻探系统和一种适用于该系统中的潜孔减震器。该定向钻探系统包括一根构形成能连续地和精确地在地面上钻孔并且无需周期地断开其连接的钻杆柱。为保护该钻探系统的该钻杆柱；设计了一种用于冲击钻杆柱的具有中空中心部分的吸震器。一个在中心部分设置的螺旋弹簧用来向冲击锤传递必须的推力并同时为振动位移提供弹性缓冲器。压力流体通过一个提升阀流入该减震器的中心部分。

Description

带减震器的定向钻探系统
本发明总的涉及采矿，更具体地说，涉及一种有一个与钻杆柱中冲击锤性质不同的井下减震器的定向钻探系统。
硬岩石冲击锤利用一个气动的往复质量使钻头尖连续地冲击钻探面。钻头重复地转动以便为钻头尖提供新的钻探面。所产生的轧碎和打碎的岩石从工作面被清除并且由操纵冲击锤所用的同一空气流把它们吹洗出孔外。这种猛烈的冲击动作会导致能使井口设备损坏的危害性震动。
随着遥控的定向钻探钻机的出现，井内制导电子设备和液压系统尤其需要保护以免受到由冲击锤产生的振动。
目前，申请人了解的一种井下减震器使用了环形橡胶件。这种设计由于该橡胶件会因钻探工作所散逸的过大的热能不久就会损坏而不能令人满意。另外一种井下减震器的设计包括一个大直径的减震器，它不能装入通常其直径为6到10英寸(15.2-25.4厘米)的硬岩石钻孔中。还有一些为定向系统所不能接受的长条形减震器。
由于上述原因，大多数硬岩石减震器必须安装在孔的上面。但这样又达不到连续地送进定向钻杆柱的全部目的。如果当钻杆柱坚决地伸入硬岩石中时不是连续地将钻杆柱送入孔中，钻探工作就必然会停下，钻杆柱被损坏，组合件和部件要进行补充和重新连接，然后对钻杆柱重新加压。这样经常的停下和启动钻探工作会造成时间延迟、额外的开支并且使操作人员暴露在潜在的身体危险中。
因此，本发明的目的在于：为了减小冲击以避免井口设备的损坏，减少因经常停下和启动钻探工作而造成的时间延迟，以及降低成本并保证操作人员人身安全，提供一种带减震器的定向钻探系统，该减震器结构尺寸较短，而且，冲击锤能被连续送入钻孔中却无需断开钻杆柱，同时可以以最小偏差被准确导引和操纵。
根据本发明的减震器，包括一个从其中通过的中心部分，一个围绕着一个管子的螺旋弹簧，该管子具有近端和远端，该螺旋弹簧配置在外花键件内，该外花键件与一被其包围的内花键件滑动啮合，该管子的远端与一个阀相连通，该阀配置在一个适配器内，该适配器与该外花键件相啮合，以及一个中央流体流动通道沿轴向贯空该减震器的中心部分。
根据本发明的带有上述减震器的定向钻探系统，所述钻探系统是一个连续入孔的定向钻探系统，它包括一个互相连接的钻杆柱，该柱包括一个冲击锤，一个旋转器，一个稳定器/牵引器，一个潜孔导引系统，一个脐带式导管，以及用来在钻孔附近支承该钻探系统的装置；所述减震器连接在所述冲击锤上。
在本发明的一种带有用于冲击钻头的井内减震器的定向钻探系统中，一个螺旋弹簧将所需要的正推力传递给冲击锤同时为振动位移提供了缓冲器。力矩由使用低摩擦花键的减震器传递。工作空气按给定路线从中央通过减需器送到冲击锤中。冲击锤可以连续地送入钻孔中而无需断开钻杆柱，同时可以以最小偏差在所要求方向被导引和操纵。本发明的减震器较短。
下面结合附图对本发明进行详细的说明，其中：
图1是本发明的定向钻探系统的一个实施例；
图2是本发明的减震器的一个实施例的部分剖开的剖视图；
图3是本发明的减震器的一个实施例的部分剖开的剖视图；
图4是本发明的减震器中的提升阀的平面图；
图5是沿图4的5-5线截取的剖视图；
图6是本发明的减震器中的内花键件的平面图；
图7是沿图6的7-7线截取的剖视图；
图8是本发明的减震器中的外花键件的平面图；
图9是沿图8的9-9线截取的剖视图；
图10是本发明的减震器中的锁片的平面图；
图11是沿图2的11-11线截取的视图。
在地下采矿业中，深孔生产方法已经得到了广泛的应用，以增加矿石回收率并且降低开发成本。有效地实施该方法取决于对在长达200-400英寸(61-122米)的距离范围内的炮眼的精确的钻孔。然而，常规的硬石岩钻探设备没有方向控制装置。结果，与其预定路径有过大偏差的炮眼的情况经常和昂贵的出现。不可预见的和低效的爆炸是由炸药的不正确定位所造成的。整个采矿过程都由于回收矿的稀化和不良破碎而受影响。
目前，潜孔(“ITH”)钻机(例如见美国专利U.S.4637475)代表着深孔钻探技术的技术发展水平。其一般偏差在孔长度的10％的范围以内。在某些情况下，平均400英尺(122米)的长炮眼在任何方向上偏离其目标的距离为40英尺(12.2米)。因此，ITH钻机被认为是不精确的。
此外，每次在将一段延伸出的杆送入地面时，钻杆柱还必须断开。重新连接和加压。
因此，非常需要有一种连续送进的定向钻机。图1中示出了这样一台钻机。
定向钻探系统(“GDS”)用标号10代表。简单地说，该钻机10包括转动的冲击锤12，减震器14，冲锤旋转器16，用来使冲击锤12前进和回转的稳定器/牵引器18，导引系统20以及支承在支架24和滑轮26上的脐带式导管22。一个可动地与支架24相啮合并且能抬高脐带式导管22的供带盘30的自走式支承平台28可以以连续的方式使钻机10定位和运行。电气信号和气动及液动流体可通过脐带式导管22送入钻机10中。井下套筒(为便于看清钻机10的零件，未示出)环绕着钻机10的某些零件。
与常规的ITH钻机相比较，GDS钻机10能够以精确的方式连续地钻探一个孔。
在平台28定位以后，冲击锤12被驱动以在下垫面中钻孔。利用液压油使旋转器16连续地转动从而使冲击锤12转动。包括用于连续地确定冲击锤12的位置，包括深度、攻角、偏差等的机上装置的导引系统20用来连续地实时监测钻孔工作的情况。通过把冲击锤12引导到预定的方向上，任何偏差都可以通过可使冲击锤12以正确方式连续地钻孔的导引系统20而迅速得到校正。
稳定器/牵引器18包括多个壁垫，它们可以根据需要有选择地伸出或退回以便钻杆柱引导到正确方向而同时又保持与孔壁的稳定接触。
导引系统20将引导稳定器/牵引器18操纵锤12到预期的方向或者从偏差方向校正过来。在钻探循环过程中，稳定器/牵引器18将把钻杆柱锚固在孔中并且同时使锤12进一步伸入被钻的孔中。在到达一个预定的钻进距离后，稳定器/牵引器18将部分放松它在孔壁上的卡紧并且随后沿纵向把它自身进一步在该孔中推进一个固定距离，然后再以这样的连续的推-拉的方式重复钻进作业；在此期间一直利用导引系统20根据需要通过操纵稳定器/牵引器18来保持钻杆柱朝着正确的取向。
当稳定器/牵引器18迫使锤朝着正确的取向进一步进入被钻的孔中时，脐带式导管22从供带盘30缓慢地退出。
使由锤12的动作所造成的强制振动衰减是在研制定向钻机10时考虑的一个重要问题。大部分在潜孔钻机的导引系统20中的机上电子装置、气动设备和液压设备对于高强度冲击都是敏感的。此外，振动对于钻机10在稳定器/牵引器18与岩石壁之间保持可靠的接触的能力将产生不利影响。减震器14已被装入该结构中的以便在锤12与钻机10的其他零件之间提供一定程度的隔离。
减震器14必须具有能减少由锤12产生的冲击力的传递而同时又能保持有效地传递所要求的力矩和推力的能力。
为了衰减来自锤12的振动，需要一个非常小的弹簧常数这点是确定的。这种特性将能建立一个其自然频率远远小于振动频率的系统，从而使所传递的冲击力减至最小。但是应当指出，在一个合理的变形量下，一个具有很小弹簧常数的装置将不能获得所需要的推力。这些互相抵触的观察分析的结果导致了具有一个软弹簧的减需器设计的产生。
减震器14的另一个重要功能是对锤12施加推力。当稳定器/牵引器18在工作时，贮存在该弹簧内的势能被用来保持作用在锤12的轴向推力。这个特征使得钻进工作能连续地进行并且显著提高了平均钻进速度。
对减震器样机的试验是利用各种不同的弹簧构形和花键进行的。这些试验的结果显示，在该系统的设计中，使轴向摩擦减至最小是主要的因素，因为摩擦(包括弹簧内摩擦和在花键接触表面的摩擦两者)看来是力传递的主要方式。
已经发现盘簧是能提供所需要的软特性的唯一一种弹簧。然而，这种弹簧所固有的内摩擦(迟滞)过大也是确定的。
虽然不是一种软弹簧，但是已经发现在本发明中使用的大直径螺旋弹簧32能提供最小的力传递并且构成了目前最好的设计选择对象。
图2和图3是减震器14的剖视图。在下面的说明中，某些常规的机械零件(垫片等)就不再讨论了，这是考虑到在本技术领域内无需对这些零件作详细说明。
与常规的减震器结构不同，本发明的减震器14构形成能使压缩空气基本上不受阻止地直接流过减震器14的中心部分，从而作用在锤12上。
减震器14包括最好其弹簧常数约为2400磅/英寸(4.2×105牛/米)的预先压缩的螺旋弹簧32。该弹簧32的预压力约为2500磅(1.1×104牛)，用来减少装配后的减震器14的总长度。
在图示的实施例中，行程距离34约为1.25英寸(3.2厘米)。
上面引用过的以及下面的实际数值是非限制性的样机参数，可以对它们作出改变以适合变化的情况和经验水平。据设想根据给定用途选择的弹簧是根据能在行程中实现所要求的冲击锤推力的全部范围而选定的。因此，该弹簧应被预压到正好能产生低于工作推力范围的最小推力的情况下。
一个VarisealTM垫圈配置在擦拭护圈38、适配器40和套筒42之间。套筒42以螺纹(左旋)拧紧在内花键件44上。请参看图6和7。一个弹性的环形挡圈46在空腔48中限定了与适配器40的行程距离34。锁片50在连接到套筒42与内花键件44之间以前，先插在它们之间。请参看图10。锁片50上的特宽片52A被弯曲在与锁片50对中的内花键件44的表面上。窄片52B被弯曲成装配在套筒42上。锁片52A和52B的尺寸和间距应和在套筒42内的配合凹口(未示出)相匹配，以便提供一个游标微调效应，使得锁片50与套筒42螺接在一起能传递所需要的力矩并且随后被锁定在任何实际位置。充当锁紧垫圈用的锁片50用来防止工作时套筒42的松脱。
适用于HalcoTM冲击锤的提升阀54与在提升阀空腔74中的适配器40滑动地相啮合。见图4和5。阀54通过弹簧56受偏压而被关闭。阀54包括空气通道58。固定在阀54上的密封件94与适配器40相啮合。
适配器40可与外花键件60以螺纹啮合。见图8和9。外花键件60包括多个与内花键件44上的相应的花键齿64相配合的花键齿62。还请看图6和7。花键齿62和64在啮合以前应全部进行润滑。花键齿62和64允许的纵向位移大于行程距离34。
为了减少摩擦，最好使用衬有VespelTM低摩擦聚合物衬垫80的SAE方形花键齿62和64。请见图11，该图是沿图2截面11-11截取的。衬垫80只插入在每对花键齿对62-64的一个接触面处。选择这种结构是因为当钻进时冲击锤12只沿一个方向转动。如果沿反方向转动，减震器14就会松脱。
在提升阀54和弹簧56插入适配器40中并且适配器40通过螺纹连接在外花键件60上以后，将一个双向压板66压紧在适配器40上，以保持弹簧56的末端处于应有位置。与一个开孔氯丁橡胶隔圈68(可从Canadian Tire公司或其他供应商购得)缠绕在一起的螺旋弹簧32在外花键件60的中心靠紧在弹簧压板66上。
具有一个预定厚度以便适当地拉紧弹簧32竖立在弹簧32的近端的预载隔圈70。
具有一个与预载隔圈70相接触的弹簧挡肩78的空气管72被插入弹簧32内通过压板66进入提升阀空腔74中。后罩76在最后装配时通过螺纹拧紧在内花键件44上。
在钻探工作时，把减震器14通过螺纹拧入到代替标准冲击锤后罩(未示出)的冲击锤12上然后再固定在旋转器16上。
压缩空气被导引向下经过钻杆柱并且进入减震器14中。该增压压力足以克服弹簧56的阻力并且迫使提升阀54离开适配器40。图3示出减震器14处于完全受压缩状态。注意此时空气管72已部分伸入空腔74中。空气(如流动箭头82所示)继续经通道58流过空气管72内部的中心孔。当空气被切断时，提升阀54必须阻止水和泥石满出而返回到冲击锤12中。这是锤12的一个要求。
与常规的减需器不同，本发明减震器14传递力矩并且提供一条通过减震器14的中心的不受阻碍的中心压缩流体的流动通道92。当阀54打开时，可以允许连续的压缩流体(通常是空气)直接从中心流过减震器14的空心的中心部分而进入锤12中。
虽然本发明已进行的讨论主要是指气动冲击锤12的，但应当理解水锤和油锤也是可以使用的。为方便起见，虽然叫做“空气管72”，但应当清楚，任何运动流体都能以这种方式流过该减震器通向任何类型的冲击锤。
转动冲击锤12所需要的力矩通过花键齿62和64传递。该花键齿被设计成单向工作的，即只有顺时针方向转动的接触面才受到耐磨衬垫80的保护。反向旋转减震器14将使该部件松脱。
如上所述，弹簧32在装配时可以预压到约2500磅(1.1×104牛)，近似等于最小预定推力(约为4000磅〔1.78×104牛〕的60％。当冲击锤12工作时，它通过钻杆柱受到了约4000-5000磅(1.78×104-2.22×104牛)推力的作用。在钻进时，该工作推力将使外花键件60和适配件40微微抬起，当该推力在最佳推力范围内时，则将使它们在预压位置和端部止动位置之间浮动。
减震器14由于钻探侧载荷由两个圆柱表面承受而能抵抗弯曲，在花键齿62和64的每端各有一个圆柱表面。花键齿提供了抵抗弯曲的第三个位置。
在工作时，冲击锤12的采掘面将造成振动。一旦运动的摩擦阻力被克服时，传递到井口设备上的力的振幅就减小，这是因为使弹性螺旋弹簧32偏斜的锤12的移动而导致较小的反作用力的缘故。
如果受到大于约5500磅(2.45×104牛)或最小工作推力的约110％的推力的作用，橡胶挡圈46将受到接触。橡胶挡圈46将进一步缓冲压缩直到减震器14被完全压缩为止。
上面已经把很大的注意力放在减少减震器14内的摩擦的问题上。对近侧的部件A相对于远侧的部件B的轴向运动的摩擦阻力在几个接触位置(密封件36、84、86，擦拭环88，磨损环90和在花键齿62和64处)上产生。
在每个密封件或磨损环处的接触位置的摩擦阻力与工作情况无关。在所有情况下都已选用了低磨擦密封。
由于弹簧32和花键齿62和64的同心的布置，使得减震器的长度较短。常规的减震器使用轴向并列放置方式而使长度增加。减震器14的样机的长度约为25.3英寸(64.3厘米)。
花键齿工作面上的运动阻力是随与所传递力矩成比例的接触压力而变化的。为了减少这种阻力，一种低摩擦材料的衬80，VespelTM，用环氧树脂粘合在内花键齿64上。外花键齿62的接触面被磨光并且相对于衬垫80滑动。
其他的运动表面涂有适当的润滑脂或干膜润滑剂。当减震器承受侧向载荷时，载荷只通过这些表面传递。
根据有关法令的规定，此文已对本发明的具体的实施例作了图示和说明，那些在本领域技术熟练的人将能理解，可以对由权利要求书所复盖的本发明的形式作出改变并且本发明的某些特征有时在没有相应地使用其他特征的情况下也是有利的。

Claims (11)

1.一种减震器，包括一个从其中通过的中心部分，一个围绕着一个管子的螺旋弹簧，该管子具有近端和远端，该螺旋弹簧配置在外花键件内，该外花键件与一被其包围的内花键件滑动啮合，该管子的远端与一个阀相连通，该阀配置在一个适配器内，该适配器与该外花键件相啮合，以及一个中央流体流动通道沿轴向贯穿该减震器的中心部分。
2.如权利要求1中所述的减震器，其特征在于：该适配器包括一个第一空腔，该阀可滑动地设置在该第一空腔中。
3.如权利要求2中所述的减震器，其特征在于：弹性装置设置在该第一空腔内并且该弹性装置与该阀相啮合。
4.如权利要求1中所述的减震器，其特征在于：该阀包括多个从中通过的通道。
5.如权利要求1中所述的减震器，其特征在于：该内花键包括多个第一花键齿，一个粘接在第一花键齿上的润滑衬垫，该外花键件包括多个第二花键齿，该第二花键齿与该润滑衬垫相啮合。
6.如权利要求1中所述的减震器，其特征在于：一个套筒与该内花键件和该适配器两者相啮合以便在它们之间形成第二空腔。
7.如权利要求6中所述的减震器，其特征在于：一个弹性挡圈设置在该第二空腔内。
8.如权利要求6中所述的减震器，其特征在于：一个锁片设置在该内花键件与该套筒之间。
9.如权利要求1中所述的减震器，其特征在于：一个用来围绕该螺旋弹簧的后罩与该内花键件相啮合。
10.如权利要求1中所述的减震器，其特征在于：该管包括一个弹簧的挡肩。
11.一种包含权利要求1所述减震器的定向钻探系统，其特征在于：所述钻探系统是一个连续入孔的定向钻探系统，它包括一个互相连接的钻杆柱，该柱包括一个冲击锤，一个旋转器，一个稳定器/牵引器，一个潜孔导引系统，一个脐带式导管，以及用来在钻孔附近支承该钻探系统的装置；所述减震器连接在所述冲击锤上。
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