CN110199083B - 调节装置以及在钻孔中使用该调节装置的方法 - Google Patents

调节装置以及在钻孔中使用该调节装置的方法 Download PDF

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Abstract

一种调节装置(20)，其用于钻机(3)与钻头(5)之间的钻柱(1)中，以及一种使用该调节装置(20)的方法，该调节装置(20)包括：管状的阴性部(22)，其至少部分环绕一管状的阳性部(40)；螺旋联接件(32、42)，其在阴性部(22)与阳性部(40)之间，以便允许调节装置(20)在完全延伸位置与完全缩回位置之间沿两个方向伸缩移动，在阴性部(22)与阳性部(40)之间存在旋转速度差时，调节装置(20)发生所述移动；第一偏置装置(51)，其设置为施加驱动力以将调节装置(20)驱动向其延伸位置；以及第二偏置装置(56)，其中第二偏置装置(56)具有相应的驱动装置(48、50、58；52、54)，通过驱动装置(48、50、58)被轴向连接到阳性部(40)的部分，驱动装置在调节装置(20)中的轴向位置由阳性部(40)与阴性部(22)的相对轴向位置控制，且阳性部(40)经由驱动装置(48、58；52、54)受到来自第二偏置装置(56)的力，在调节装置(20)处于其延伸位置时，来自第二偏置装置的力与来自第一偏置装置(51)的驱动力相反，且其中，阳性部(40)经由所述驱动装置受到来自第二偏置装置(56)的力，在调节装置(20)处于其缩回位置时，来自第二偏置装置的力与来自第一偏置装置(51)的驱动力同向，第二偏置装置(56)能够在由肩部(27)与凸台(27’)轴向限定的第二腔室(26)中轴向位移，第二偏置装置(56)在肩部(27)和所述凸台(27’)之间的位移小于阳性部(40)在完全延长位置与完全缩回位置之间的伸缩移动。

Description

调节装置以及在钻孔中使用该调节装置的方法
技术领域
本发明涉及一种调节装置以及在地面的钻孔中使用该调节装置的方法。更具体地，本发明涉及一种用于钻机与钻头之间的钻柱中的调节装置，该调节装置被构造为当其被进给以便在钻孔底部处建立工作表面时，或者在撞击不同特点的地层或岩石时，限制对钻头的反作用力。
背景技术
为了降低由于在深钻孔中钻头上的应力和准确位置的有限控制而导致钻头损坏的风险，已知使用适合钻头本身的设计的解决方案。一些解决方案旨在使钻头的侵蚀性较低，从而使钻头在遇到让钻头抵靠的工作表面时的敏感性较低。一种这样的解决方案使用的示例是减小钻头的切割元件的所谓攻角(angle of attack，迎角)，从而相对于钻压(weight-on-bit，钻头重量)产生较小的反作用力。钻压是钻井行业中已知的术语且涉及由钻头对工作表面施加的轴向力。通过减小的反作用力，实现了钻头的径向振动的较低风险。在专业环境中，这种振动被称为“粘滑(stick-slip)”，其为停止-启动运动或“颠簸(jerking)”。寻求通过生产具有倒角(bevel)而非直的切割角的钻头的切割元件来实现相同的目的。
通常，这些方案的缺点在于，在刀具将要在硬的岩石中建立接合时，需要增加显著的钻压。这种增加的钻压成指数地体现于钻头的切割元件中增加的摩擦热，这构成了技术壁垒；在用于钻削海底地层或陆地上的岩石的钻头中使用的切割元件主要由多晶体或人造金刚石制成，其中使用钴来将钻石碎屑结合在一起形成圆板。这种材料组合对热敏感，且从350℃开始强度成指数地减小。事实上，在钻头的切割元件中所述的增加的摩擦热导致现有解决方案(在钻头被进给时保护钻头)不适用于例如岩床中的钻削。这对于地热和深层油气储藏的经济利用形成显著的障碍。
因此，对这种锋利且有效率的切割元件的优化应用(这对于在不过热的情况下切割硬岩石是必要的)，必须基于减小攻角和增大支撑表面以外的原理。现有技术是用于钻柱的常见的轴向减震器。这些减震器在大约1960年到大约1980年间经历迅速发展且与牙轮钻头一同占据了显著的地盘。
从这个时期开始，已知以下公开文献：US3073134、US3225566、US3329221、US3382936、US3947008、US3963228、US4054040、US4133516、US4162619、US4173130、US4186569、US4194582、US4210316、US4211290、US4257245、US4303138、US4398898、US3871193和US4901806。
在上述公开文献之中，公开文献US4186569特别值得注意，因为其公开了一种构建于钻柱中的轴向减震器，其目的是在钻削期间防止轴向振动和冲击。该目的通过使用具有直型轴向花键的伸缩式单元传递转矩来实现，该单元借助弹簧保持延伸。根据已知的原理，油被用作为缓冲介质。在这个装置中特别值得注意的是单独的反作用弹簧(counterspring)，其目的是平衡来自内压的力和来自一部分钻柱的重力引起的延伸，该部分钻柱在钻头自由时沿钻头方向设置在该单元的下方，且在底部上方，即是说，具有低钻压。
然而，随着具有剪切切割器的钻头的引入，轴向减震器被逐步淘汰，因为该钻头在轴向上的振动挑战并不显著，但是在径向上的冲击或颠簸风险较大。这样的冲击或颠簸特别可能发生在钻头被进给到钻孔中和不同特性的岩石或地层之间的过渡区时，通常在一个岩石到随后的较硬岩石的过渡处。
从公开文献US20147090892已知一种用于维持所谓的“钻压”或“推力(thrust)”的设备，“钻压”或“推力”是钻头在钻削操作期间对工作表面施加的轴向力。该设备为旋转的刚性缓冲装置，其设置为缓冲钻柱中的轴向振动。
减小所述冲击或颠簸的更合适的方案是一种转矩变换器，这类转矩变换器将转矩中的不期待的冲击和“峰值”变换为机械式受控的轴向运动，该轴向运动成比例地释放钻头。但是，这种方案需要刚性的内部压缩弹簧。这种刚性使转矩变换器在低应力时(例如在接合阶段中)提供很少保护或几乎不提供保护。即是说，在钻头与岩石形成接合时。
后一种钻柱的机械转矩变换器的开发稍晚于钻头的轴向减震器。这样的机械转矩变换器由公开文献US7044240和NO315209已知。
所述公开文献NO315209和US7044240公开了构建在钻柱中的转矩变换器，其目的是在钻削期间通过转矩变化来防止过载。该目的通过使用具有急剧变化的内部螺纹联接的伸缩式单元来实现，其中该单元借助大合成力保持延伸或扩展，该大合成力通过压缩弹簧和内部流体压力以及作用于设置在单元下方(即是说，沿钻头方向)的一部分钻柱上的重力来提供。不期待的冲击和转矩峰值通过螺纹联接被变换为成比例释放钻头的轴向收缩。一旦扭矩负载减少，上述延伸力具有其回复钻头上的轴向力的趋势。本领域技术人员应该了解到，这样的延伸力必须很大。但是，大延伸力具有以下不利效果：转矩变换器在抵靠着工作表面进给期间完全延伸且实际上为刚性。因此，NO315209和US7044240中公开的方案在钻头已完全接合之前的效果很有限。这意味着，在工作表面不均匀的情况下，钻头可能在转矩变换器起到作用之前被损坏。为了减少或避免所述不利效果，已执行一些减小作用在钻头上的延伸力的测试，以使转矩变换器在较低负载时起作用，因而提供更“敏感”的转矩变换器。但是，所述测试已示出，这样的更“敏感”的转矩变换器在正常操作、即钻削期间提供减小的容量(capacity，能力)。
由公开文献US2014262650已知一种防止钻柱在井中可能收到的扭矩振荡的缓冲装置。该装置在轴向上为刚性的。
发明内容
本发明的目的在于改善或减少现有技术的至少一个缺点，或者至少提供一种对于现有技术有利的替代性方案。
该目的通过以下说明书和所附权利要求书中提供的特征实现。
根据本发明的调节装置是对钻柱的轴向减震器的已知特征和钻柱的机械转矩变换器的特征的开发。
根据本发明的调节装置允许锋利的固定刀具在坚硬岩石中的安全进给和钻削。这通过设置在钻柱的下部分中、因而沿钻头的方向设置的调节装置实现。调节装置包括根据NO315209和US7044240的转矩变换器的已知特征，但弹簧的转矩变换器的方案已被平衡原理替代，该平衡原理起始于先前的轴向减震器但对其有所开发。
本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定本发明的有利实施例。
在本发明的第一方案中，提供一种在钻机与钻头之间的钻柱中使用的调节装置，该调节装置包括：
管状阴性部，其至少部分环绕管状阳性部；
螺旋联接件，其在阴性部与阳性部之间，允许调节装置在延伸位置与缩回位置之间沿两个方向伸缩移动，当阴性部与阳性部之间存在旋转速度差时，调节装置发生所述移动；
第一偏置装置，其设置为施加驱动力以便将驱动调节装置向其延伸位置驱动；以及
第二偏置装置。
调节装置的特征在于，第二偏置装置具有相关的驱动装置，通过驱动装置被轴向连接到阳性部的部分，驱动装置在调节装置中的轴向位置由阳性部与阴性部的相对轴向位置控制，且其特征在于，阳性部经由驱动装置受到来自第二偏置装置的力，在调节装置处于其延伸位置时，来自第二偏置装置的力与来自第一偏置装置的驱动力相对，且其特征在于，阳性部经由驱动装置受到来自第二偏置装置的力，在调节装置处于其缩回位置时，来自第二偏置装置的力与来自第一偏置装置的驱动力同向，第二偏置装置可在由肩部与凸台(ledge)轴向限定的第二腔室中轴向位移，第二偏置装置在所述肩部和所述凸台之间的位移小于阳性部在完全延伸位置与完全缩回位置之间的伸缩移动。
这样的效果是，当钻头未接触(off)底部且调节装置处于其完全延伸位置时，阳性部与阴性部之间的相对旋转的阻力将小于当调节装置接近其完全缩回位置时的阻力。因此，相比当调节装置接近其最缩回位置或收缩位置时的情况，连接到调节装置的钻头在调节装置处于完全延伸位置时将更“敏感”，调节装置处于完全延伸位置时通常为工作表面被建立时。当调节装置处于其最收缩位置且在钻削期间维持钻压时，阳性部与阴性部的相对旋转不会发生。
第二偏置装置可被设置为在调节装置处于其完全延伸位置时大致平衡使调节装置延伸到其延伸位置的力。使调节装置延伸的力为所述第一偏置装置以及阳性部的质量的主要部分的重力。
这样的效果是，当钻头未接触底部时，所述第二偏置装置将平衡使调节装置延伸到其完全延伸位置的显著的力。相对于钻头上的推力，调节装置的阳性部将呈现几乎“失重”。因此，阳性部与阴性部之间的螺旋联接件的摩擦也会是可能的最小摩擦，这有利于提供一种在其最延伸位置时非常敏感的调节装置。
当钻头遇到钻孔的底部处的工作表面时，由于调节装置的收缩，第二偏置装置将被逐渐释放。
因此，根据本发明，调节装置的继续收缩将引起第二偏置装置与调节装置的第一偏置装置一同压缩。通过这种方式，相较于现有技术，实现了增加最大偏置力。总之，本发明提供了当钻头与接触表面相遇时具有最小可能损坏风险的间隔。其次，实现了钻削期间显著改进的最大功率能力。因此，根据本发明的调节装置提供了对最初提及的优化的锋利切割器的改进的保护和更可靠的使用，这对于坚硬岩石的钻削是必要的，而同时总体能力将更高。本领域技术人员应该了解，与切割坚硬金属所需的锋利切割器的方式相同，锋利切割器也是钻削坚硬岩石的条件。
第一偏置装置优选设置在阴性部的一部分中的第一腔室中，该腔室的体积由与阳性部关联的活塞控制。因此，第一偏置装置的压缩取决于阳性部相对于阴性部的轴向位置。
驱动装置可包括：可在第二腔室中独立移动的第一压力板和第二压力板，其中压力板与第二偏置装置保持间隔，且其移动由连接到与阳性部关联的所述活塞的杆控制。在一个实施例中，腔室的轴向范围大于驱动装置的范围。
在一个实施例中，第二腔室设置在阴性部的一部分中。在替代性实施例中，第二腔室设置在阳性部的一部分中。
优选地，至少其中一个偏置装置包括弹簧。至少其中一个弹簧之中的每个弹簧均可以从以下组群中选择：一螺旋弹簧或一系列盘式弹簧。在本发明中，一系列盘式弹簧特别适用。
使用弹簧作为偏置元件来替代仅基于可压缩流体的偏置元件的一个优势在于，弹簧可以具有更加可预期的特点，因此更不容易受到例如石油井中存在的温度条件等的影响。而且，可压缩流体将必须被放置在闭合的腔室中，这涉及使用密封件以及相关的磨损和摩擦问题。因此，弹簧是技术上较简单的解决方案，且暂时是所涉及应用领域的最佳解决方案。但是应该强调，也可以想到使用以下所述的基于流体的偏置元件。这是因为基于流体的偏置元件具有流体压力容易改变的相关优势，并因而适合用于特定钻削工作的调节偏置元件的功率特点。
在一个实施例中，第一偏置装置还可以包括受压流体。因此，如下文的示例性实施例相关描述的，偏置装置可以包括弹簧和流体两者。
在本发明的第二方案中，提供了一种控制经由钻柱连接到钻机的钻压的方法，该方法包括：将根据本发明的第一方案的调节装置放置于钻机与钻头之间的钻柱中；使钻柱行进到钻孔中且将钻柱和钻头设定为在钻孔中旋转；以及使钻头接合钻孔的底部。
该方法还可以包括：将调节装置设置在两个钻铤之间，这两个钻铤被整合在靠近钻头的钻柱的下部中。
第二偏置装置可以设有这样的功率容量：当调节装置处于其最延伸位置时，第二偏置装置被设置为平衡来自第一偏置装置的力和下钻柱部中包括的部件的质量重力的垂直分量的总和。
附图说明
在下文中描述了优选实施例的示例，实施例在附图中示出，在附图中：
图1示出从顶部驱动钻机延伸到靠近井中底部的钻头的钻柱的原理图，在井的下部中的两个钻铤之间设有的根据本发明的调节装置；
图2示出调节装置的部分放大的立体图，该调节装置包括部分环绕阳性部的阴性部，调节装置处于延伸位置，在钻头与井的底部相距一定距离的情况下，调节装置将处于该延伸位置；
图3示出图2的调节装置，但调节装置处于缩回位置，因为钻头已开始与井的底部接合；
图4示出图2所示的调节装置的替代性实施例；以及
图5示出处于缩回位置的图4的调节装置。
具体实施方式
在下文中，如“上方”、“下方”、“上部”和“下部”等位置标志是指各个元件在图中具有的位置。
相同的附图标记用于表示相同或对应的元件。
在附图中，附图标记1表示从顶部驱动钻机3(或仅从“顶部驱动”)延伸到钻头5的钻柱。对于陆上井，钻机3可以设置在固定式或活动式的钻探平台上。对于海上井，钻机3将设置在漂浮式船舶上。
通过钻机3，钻柱1以及因而钻头5被设置为设定成围绕其纵向轴线旋转，这对于本领域技术人员来说将是已知的。
图1从原理上示出在已进入地层9中的钻孔7之后的钻柱1和钻头5。钻头5靠近钻孔7的底部8。钻孔7在下文中也将被表示为井7或井眼7。
在所示实施例中，钻柱1设有一种本身已知类型的第一钻铤11和第二钻铤13。钻铤11、13被集成地设置在靠近钻头5的钻柱1的下部中。本领域技术人员应该了解，钻铤11、13用于在钻头5上提供钻压。
如图1从原理上示出的，根据本发明的调节装置20设置在第一钻铤11与第二钻铤13之间。调节装置20的目的是限制或缓冲所谓的颠簸或“粘滑运动”，这可能在钻头5接合钻孔7、8的一部分时或者接合下文描述的过渡区域时发生。
在下文中，为了有助于理解本发明，钻柱1被分为上钻柱部2和下钻柱部2'。
上钻柱部2包括钻柱1的从钻机3经由第一钻铤11延伸到(包括)调节装置20的阴性部的部分。
下钻柱部2'包括钻柱1的包括调节装置20的阳性部40、第二钻铤13和钻头5的部分。在下文中，阳性部也被称为伸缩式装置。
图2至图5示出钻头5、第二钻铤13(以减短的方式示出)和调节装置20的放大图。为了简化，图2至图3仅示出第一钻铤11。
图2和图3示出本发明的第一实施例，图4和图5示出本发明的第二实施例。
调节装置20包括所述阴性部，所述阴性部在下文中被称为壳体22(以截面的形式示出)。因此，壳体22被固定连接到第一钻铤11并形成上钻柱部2的一部分。
壳体22可以沿着其纵向轴线分开，且包括通过本身已知的机械附接手段彼此附接的两个半圆元件。
壳体22环绕阳性部40的一部分。阳性部40在其下端处经由第二钻铤13固定连接到钻头5。因此，阳性部40、第二钻铤13和钻头构成下钻柱部2'。
下钻柱部2'被构造为相对于上钻柱部2的有限的轴向移动和旋转移动。
首先参考根据图2和图3的实施例。
壳体22设有四个腔室：将钻削流体供应到钻头5的流体通道24、第二腔室26、第一腔室28以及旋转腔室30。流体通道24与第二腔室26和第一腔室28流体连通且通过穿过调节装置20的通道(用虚线示出)与钻头5流体连通。
第一腔室28由第一凸台27’、壳体22的护套部和第二凸台28’限定，第一凸台27'从壳体22的护套部向内径向延伸，第二凸台28'从壳体22的护套部向内径向延伸。
第二腔室26由肩部27、所述第一凸台27'和壳体22的护套部限定。
旋转腔室30由所述第二凸台28'、壳体22的护套部和壳体22的下端限定。
旋转腔室30设有螺旋引导件32。该引导件32互补地适配于设置在旋转腔室30中的阳性部40的柄杆44上的螺旋螺纹42。如图所示，螺纹42的轴向范围小于旋转腔室30的轴向范围。因此，柄杆44可以被旋入壳体22中，从图2所示的位置旋到图3所示的位置，其中螺旋螺纹42的上端部已开始抵靠第二凸台28'。
阳性部40还包括活塞46，活塞46被附接到柄杆44的上端部。活塞46还被附接到管道48，该管道轴向延伸穿过第一腔室28和第二腔室26。在第一腔室28的上端部中，管道48设有外部肩部50。活塞46被设置为能够相对于壳体22轴向移动和旋转。
活塞46设有环形密封件46’形式的密封元件，以防止钻削流体从第一腔室28流入到旋转腔室30中，因而泄漏到钻孔7中。
钻铤13、柄杆44和管道48设有贯穿通道(由虚线示出)，以允许流体通道24与钻头5之间的流体连通。管道48被连接到柄杆44中的孔。
呈弹簧51形式的偏置装置设置在第一腔室28中，在活塞46与凸台27’之间围绕管道48。在下文中，弹簧51也将被称为主弹簧51。在所示实施例中，偏置装置还包括作用在活塞46上的流体。作用于活塞46的流体经由第二腔室26与流体通道24流体连通。
在第二腔室26中，第一压力板52通过呈弹簧56形式的偏置装置与第二压力板54保持一定距离，弹簧56在下文中也被称为反作用弹簧56。压力板52、54能够相对于管道48轴向移动和旋转移动。替代性或附加地，压力板52、54可以相对于壳体22旋转。
弹簧51、56是本身已知的类型，且通常可以为取决于弹簧的所需特性的一系列盘式弹簧或螺旋弹簧。在根据本发明的调节装置20的原型中，已经使用了一系列盘形弹簧，其结果是以非常令人满意的方式起作用。
第二腔室26中的压力板52、54的轴向移动分别被凸台27'和肩部27限制，止动装置58通过例如螺纹连接被固定附接到管道48的上端部。
从上述说明可知，应理解阳性部40被设置为允许对其施加相对于壳体22的被限制的旋转。该限制由螺旋螺纹42在旋转腔室30的轴向位置控制。
在图2中，钻头5与钻孔7的底部8接近但相距一定距离。钻头5处于“未应变”位置。在该位置，阳性部40、第二钻铤13和钻头5(即是说，下钻柱部2')的质量的重力，以及来自主弹簧51的力和作用于活塞46的上部的流体的流体压力被一反向力平衡，该反向力从管道48经由止动装置58传递到第二压力板54，且从第二压力板54经由反作用弹簧56、第一压力板52传递到壳体22的第一凸台27'。
在该未应变位置中，阳性部40将相对于阴性部22几乎“漂浮”。这对于在螺旋联接件32、42中的摩擦处于最小值的情况具有积极效果。这还有助于减小下文将讨论阈值。
由于力在所示位置处于平衡的事实，活塞46的底面与第二凸台28’之间的应力将接近于零。
在图2中，主弹簧51在第一腔室28中的处于其最释放位置，而第二腔室26中的反作用弹簧56处于其最压缩位置。因此，壳体22的下端部与钻头5之间的距离S1处于最大可能。
根据本发明的调节装置20被构造为使得通过由第二凸台28’限制的活塞46的向下轴向移动来防止反作用弹簧56的不当压缩。
在图3中，钻头5已开始与钻孔7的底部8接合。在发生这样的接触时，钻头5的旋转速度可能减小，这是由于钻头5与底部8之间产生摩擦。通过这种上钻柱部2与下钻柱部2’之间的旋转速度的差异，柄杆44的螺纹42将沿着壳体22的螺旋引导件32从图2所示的位置旋入，直至螺纹42的上端部开始抵靠图3所示的第二凸台28’。因为壳体22与阳性部40之间的这种轴向运动是由于阳性部40与壳体22之间的所述旋转运动而产生的，所以活塞46将与第一腔室28中的活塞48一起向上移动，且主弹簧51将被压缩，同时反作用弹簧56被释放且因而能够扩展直至第二压力板54开始与第二腔室26中的肩部27抵靠。当主弹簧51继续压缩时，管道48的外部肩部50将开始抵靠第一压力板52且通过这样将反作用弹簧56压缩在第二压力板54上，第二压力板进而抵靠腔室26的上端部中的肩部27。如上所述，压力板52、54在管道48上自由行进，但被阻止其沿轴向移动超过止动装置58、肩部27和第一凸台27’。因此，主弹簧51的进一步压缩将涉及或需要反作用弹簧56的同步压缩。
调节装置20被构造为使得在螺纹42的上端部已经抵靠第二凸台28’之前，管道48的肩部50将抵靠第一压力板52的下端面且在第一腔室26中将其向上推动。因此，反作用弹簧56也将被压缩，并且与主弹簧51和来自作用于第一腔室28中的活塞46上的流体的力一起，对阳性部40的继续持续向上移动施加阻力。因此，反作用弹簧56也将对钻头5施加压力。
如上所述，在上述壳体22与阳性部40之间产生的转矩M将引起长度S1的减小。长度S1的减小通过主弹簧51、来自作用于活塞46的上面的流体的力、以及钻铤13和钻头5的质量重力来抵消。在未设置反作用弹簧56的情况下，为了平衡来自作用于活塞46的流体的力和来自阳性部40的下方质量的重力所需的转矩M可能构成关于调节装置20的作用范围的不利阈值。然而，如上所述，设置反作用弹簧56平衡了所述力，从而例如在钻头5抵靠钻孔7的底部8的瞬间，从图2所示的长度S1到图3所示的长度S2的长度的减小相对立即发生，因此大致没有阈值。
综上所述，因此应该理解，随着活塞46在壳体22中被向上驱动，主弹簧51将被压缩。在主弹簧51发生这种压缩的同时，反作用弹簧56将被释放。因此，阳性部40、第二钻铤13和钻头5(即，下钻柱部2')的质量重力的持续(constantly)较大的部分将阻止阳性部40的继续向上移动。
如图3所示，在钻头5上的应力很大且调节装置20接近其最缩回位置的情况下，反作用弹簧56将被再次压缩，如上文所述，但是此时通过这样的方式：来自反作用弹簧56的力的作用方向与来自主弹簧51的力、来自作用于活塞46的流体的力、以及阳性部40、第二钻铤13和钻头5的重力的作用方向相同。
如示例性实施例所示，传递和转换由弹簧51、56分离的转矩负载的螺旋联接件32、42相对于转矩负载运行，通过包括管道48的驱动装置将同向的轴向负载传递至弹簧。这样的效果是允许管道48(其为中心弹簧引导套管)形成为可能的最小外径。因此，一系列盘式弹簧可以形成为最优化尺寸，且不使用并列布置的盘式弹簧，例如所谓的双重封装或三重封装(在一些情况下用于实现充足的强度)。本领域技术人员应该了解，这样的双重封装或三重封装可能产生增大的内部摩擦并因此降低整体效率和操作可预测性。
在本发明的原型中，使用外径与内径的尺寸比例大约为1.95的盘式弹簧，对于在相关弹簧的2.45至1.76范围内的推荐边界值的而言，这被认为是理想的。上述使用的尺寸比例给予盘式弹簧在操作稳定性、效率和使用寿命方面可能的最佳性能。
本发明的重要品质在于更快的响应，大致没有所述阈值，且同时在钻削期间大幅度增加最大负载。
应该注意，所述“非应变”位置也可以是钻头5在钻穿均匀地层时具有的位置。但是在贯穿对钻头5的前进施加更大的摩擦或阻力的不同特性的下方地层时，该效果可能与示例性实施例所示的效果相同。因此，所述底部8可以被理解为是从第一地层到第二地层的过渡部，此处，所述第二地层对钻头5的旋转或前进施加更大的阻力。
因此，所述底部8可以替代性地为侧钻(sidetrack，岔道)的起始。
图4和图5示出图2和图3所示的设备的替代性实施例。
图4和图5所示的实施例与图2和图3所示的实施例具有多个类似点。主要差异在于，在图4和图5中，第二腔室26被设置在阳性部40的下部40’中，而非设置在图2和图3所示的壳体22的一部分中。图4和图5的壳体22设有三个腔室：旋转腔室30、第一腔室28和流体通道24。如下文所述，流体通道24与第一腔室28流体连通。
在下文中，与图2和图3中论述的那些元件具有相对应的设计和功能的元件将以明确的形式提及，而不会与图4和图5相关地先行具体提及。
第一腔室28由肩部28"、壳体22的护套部以及从壳体22的护套部向内径向延伸的第二凸台28’限定。
旋转腔室30由所述第二凸台28'、壳体22的护套部和壳体22的下端部限定。
因此，图4和图5所示的第一腔室28和旋转腔室30的设计大体上对应图2和图3所示的设计。其应用于设置在旋转腔室30中的具有螺旋螺纹42的柄杆44。因此将不再重复描述这些部件。
在图4和图5中，管道48从壳体22的上部中的流体通道24延伸，经由阳性部40的柄杆44中的孔延伸到与钻头5连接的下部流体通道24'。管道48设有通孔。
在图4和图5中，管道48终止于锚定部60，锚定部通过本身已知的附接手段(未示出，如螺纹连接、螺栓和/或插销)被附接到壳体22中的流体通道24的一部分。管道48的下部具有与图2和图3所示的相同类型的相关止动装置58。
在所示实施例中，活塞46和柄杆44能够相对于管道48旋转和轴向位移。
在设置在阳性部40的下部40’中的第二腔室26中，第一压力板52通过呈弹簧56形式的偏置装置保持与第二压力板54相距一定距离，弹簧56在下文中也被称为反作用弹簧56。反作用弹簧56可以为一系列盘式弹簧。压力板52、54能够相对于管道48轴向且旋转地移动。替代性或附加地，压力板52、54能够相对于壳体22旋转。
图4和图5所示的压力板52、54在第二腔室26中的轴向移动由边缘部27'(对应于图2和图3中的凸台27’)和肩部27和止动装置58限定，止动装置58例如通过螺纹连接被固定附接到管道48的下部。
在图4中，钻头5处于对应图2所示的位置的“非应变”位置。在该位置，阳性部40、第二钻铤13和钻头5的质量重力和来自主弹簧51的力以及作用于活塞46的上部的流体压力被一反向力平衡，该反向力从管道48经由止动装置58传递到第二压力板54。力的路径从第二压力板54经由反作用弹簧56、第一压力板52延伸到阳性部40的下部40’中的边缘部27’。
由于力在所示位置被平衡的事实，活塞46的底面与第二凸台28’之间的应力接近于零。
通过对应于图2和图3所示的方式，图4和图5所示实施例中的调节装置20被构造为使得通过被第二凸台28’限制的活塞46的向下轴向移动来防止反作用弹簧56的压缩过大。
在图5中，钻头5已与钻孔7的底部8接合。在发生这样的接触时，由于钻头5与底部8之间发生的摩擦，钻头5的旋转速度将减小。柄杆44的螺纹42则可以沿着壳体22的螺旋引导件32从图4所示的位置旋入，且处于最大值，直至如图5所示的螺纹42的上端部抵靠第二凸台28’。由于壳体22与阳性部40之间发生的轴向移动是阳性部40与壳体22之间的旋转移动的结果，所以附接到柄杆44的活塞46将在第一腔室28中沿着管道48向上轴向移动。因此，主弹簧51将被压缩。同时，反作用弹簧56的压缩将被减小，第二压力板54将被反作用弹簧56向下驱动，直至第二压力板54移动至抵靠第二腔室26中的肩部27。
如果主弹簧51继续压缩，则管道48的外部肩部50将抵靠第一压力板52，且由此抵靠第二压力板54压缩反作用弹簧56，第二压力板54转而抵靠腔室26的上端部中的肩部27。如上所述，压力板52、54在管道48上自由运行，但被阻止而不能沿轴向方向移动超过肩部27和管道48的肩部50。因此，主弹簧51的进一步压缩将需要反作用弹簧56的同步压缩。
图4和图5所示的调节装置20的效果与图2和图3所示的调节装置的效果相同，即响应较快，大致没有所述阈值且同时在钻削期间大幅度增加最大负载。
在图2至图5所示的示例性实施例中，当调节装置20处于其最延伸位置时，反作用弹簧56和压力板52、54处于最靠近主弹簧51的位置，且当调节装置20处于其最缩回位置时，反作用弹簧56和压力板52、54处于最远离主弹簧51的位置。
在替代性实施例(未示出)中，图4和图5所示的第二腔室26中的弹簧56例如可被通过可压缩流体(如气体)提供的偏置元件来完全或部分替换。在这样的实施例中，压力板52、54必须设有外部环形密封件和内部环形密封件，以分别对管道48和腔室26的壁进行密封。通过本身已知的合适手段可以改变这样的流体腔室的压力。因此，在钻柱1进入井7中之前，可以容易地改变偏置元件的特性以适应钻削作业。
因此，还可以由通过可压缩流体提供的偏置元件来完全或部分替换第一腔室28中的弹簧51。在这样的情况下，密封件可以被较容易地放置在锚定部60与壳体22之间和/或管道48的上部与壳体22之间的部分中。同样，可以通过适当的装置(如阀装置)来改变这样的流体腔室的压力，且在钻柱1进入井7中之前，可以容易地改变偏置元件的特性以适应钻削作业。
因此，本发明提供了一种调节装置，其显著改进工作间隙，使得在钻头5遇到接触表面(可为井眼7的底部8、两类岩石之间的过渡区、或者侧钻的开始)时钻头5损坏的可能性最小。而且，实现钻头5的最大功率能力的显著改进。
因此，本发明为最初提及的且对于钻削坚硬岩石而言必要的锋利切割器提供更好的保护，同时整体能力更高。
应该注意的是，所有上述实施例阐释本发明而非限制本发明，本领域技术人员可以在不背离独立权利要求的范围的情况下构造各种替代性实施例。在权利要求书中，带括号的附图标记被认为不具限制性。所用的词语“包括”及其不同形式不排除权利要求书中存在未涉及的元件或步骤。元件之前的不定冠词“一”或“一个”不排除存在多个这种元件。
在相互不同的从属权利要求中规定一些特征的事实并不表明这些特征的组合不能被有利地使用。

Claims (11)

1.一种调节装置(20)，其用于钻机(3)与钻头(5)之间的钻柱(1)中，所述调节装置(20)包括：
管状的阴性部(22)，其至少部分环绕一管状的阳性部(40)；
螺旋联接件(32、42)，其在所述阴性部(22)与所述阳性部(40)之间，以便允许所述调节装置(20)在完全延伸位置与完全缩回位置之间沿着两个方向伸缩移动，在所述阴性部(22)与所述阳性部(40)之间存在旋转速度差异时，所述调节装置(20)发生所述移动；
第一偏置装置(51)，其设置为施加驱动力以便将所述调节装置(20)向其延伸位置驱动；以及
第二偏置装置(56)，其特征在于，
所述第二偏置装置(56)具有相关的驱动装置(48、50、58；52、54)，通过所述驱动装置(48、50、58)被轴向连接到所述阳性部(40)的部分，所述驱动装置在所述调节装置(20)中的轴向位置由所述阳性部(40)与所述阴性部(22)的相对轴向位置控制，所述第二偏置装置(56)能够在由肩部(27)与凸台(27’)轴向限定的第二腔室(26)中轴向位移，所述第二偏置装置(56)在所述肩部(27)和所述凸台(27’)之间的位移小于所述阳性部(40)在完全延伸位置与完全缩回位置之间的伸缩移动，
其中在所述调节装置(20)处于其延伸位置时，所述第二偏置装置(56)被所述驱动装置(48、50、58；52、54)沿轴向朝向所述第一偏置装置(51)压缩，且在所述调节装置(20)处于其缩回位置时，所述第二偏置装置被沿轴向远离所述第一偏置装置(51)压缩，以及
其中，所述第二偏置装置(56)具有能够在所述调节装置处于其延伸位置时大致平衡使所述调节装置(20)延伸到其延伸位置的力的偏置特性。
2.根据权利要求1所述的调节装置，其中，所述第一偏置装置(51)设置在所述阴性部(22)的一部分中的第一腔室(28)中，所述第一腔室(28)的体积由与所述阳性部(40)关联的活塞(46)控制。
3.根据权利要求2所述的调节装置，其中，所述驱动装置(48、50、58；52、54)包括：在所述第二腔室(26)中能独立移动的第一压力板(52)和第二压力板(54)，所述压力板(52、54)与所述第二偏置装置(56)保持间隔，且所述移动由连接到所述活塞(46)的杆(48、50)控制。
4.根据权利要求2所述的调节装置，其中，所述第二腔室(26)设置在所述阴性部(22)的一部分中。
5.根据权利要求2所述的调节装置，其中，所述第二腔室(26)设置在所述阳性部(40)的一部分中。
6.根据前述权利要求任一项所述的调节装置，其中，所述第一偏置装置(51)包括一弹簧，且其中，所述第二偏置装置(56)包括一弹簧。
7.根据权利要求6所述的调节装置，其中，所述第一偏置装置(51)还包括受压流体。
8.根据权利要求6所述的调节装置，其中，每个所述弹簧均选自以下组群：一螺旋弹簧或一系列盘式弹簧。
9.根据权利要求7所述的调节装置，其中，每个所述弹簧均选自以下组群：一螺旋弹簧或一系列盘式弹簧。
10.一种控制钻头(5)上的钻压的方法，所述钻头经由钻柱(1)连接到钻机(3)，其特征在于所述方法包括：将根据权利要求1至9任一项所述的调节装置(20)放置在所述钻机(3)与所述钻头(5)之间的钻柱(1)中；使所述钻柱(1)行进到钻孔(7)中且将所述钻柱(1)和所述钻头(5)设定为在所述钻孔(7)中旋转；以及使所述钻头(5)接合所述钻孔(7)的底部(8)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述调节装置(20)设置在两个钻铤(11、13)之间，所述两个钻铤被整合在靠近所述钻头(5)的钻柱(1)的下部中。
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