CN1234092A - 旋转冲击式钻井设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种井下气动冲击锤式钻井设备(100)。该设备包括:一个钻柱(14),用于连续地伸入到地层(81)中的井眼(124)内;一个连接到钻柱上的细长钻机壳体(4);一个冲击式钻头(104),该钻头可转动地连接到钻机壳体(4)上,所述钻头包括一个啮合面(122)、一个地层冲击面(128)、一个通道(121)和多个导管(140、142),这些导管从所述通道的出口附近延伸到所述导管的出口部分(146、148);一个位于钻机壳体内的活塞(24),该活塞用于与所述啮合面(122)啮合;以及一个工作流体控制装置,该装置用于通过工作流体(82)激励活塞(24)。冲击式钻头(104)可以绕纵轴线进行转动,而通道(121)和导管(140、142)提供一条流体通路,使得工作流体可以从活塞(24)流动到所述导管(140、142)的出口部分。该出口部分偏离于所述纵轴线(134)、并总体向下和向外伸出。工作流体(82)从出口部分(146、148)排出,使得冲击式钻头(104)绕纵轴线旋转。本发明还公开了相关的钻井方法以及一种冲击式钻头。

Description

旋转冲击式钻井设备和方法

1．技术领域

本发明涉及一种用于钻井的设备和方法，特别是涉及一种用于旋转冲击式钻进地层的设备和方法。本发明还涉及一种用于旋转冲击式钻井设备的钻头。

2．背景技术

术语“钻井”包括：例如旋转式钻井(例如：通过摩擦运动例如象钻头的旋转运动进行钻进)；取芯钻井(例如：用旋转式钻井钻进一个环形槽而留下中间的岩芯)；冲击式钻井(例如：作直线运动的钻头的钻进)；旋转冲击式钻井(例如：任何旋转运动和线性运动结合可以产生的钻进)；热力式钻井(例如：通过利用热能产生的燃烧和/或者熔化来进行钻进)；以及其它各种钻井方法的变形和/或者各种用于清除物质并形成一个孔的钻井方法的结合，例如旋转运动和两个直线运动的结合(例如：控制运动和提升运动)或者与钻井液的流体排出结合所形成的钻井方法。

需要钻进地层的原因很多，例如：建造交通隧道、勘探和/或开采自然资源以及铺设管线例如象电缆、光导纤维。许多钻孔和钻井操作需要对钻头进行转向使之朝向一个目标或者偏离一个障碍物，因此在地层中形成了弯曲或者非直线的孔眼。钻井轨迹的转向或者井眼的偏转可以通过各种方法来实现，例如象利用井下楔块、井下马达和井下偏心轮等等。相反，井眼的偏差是指由于地层材料结构的异常或者钻井过程中的其它问题使得井眼的实际轨迹偏离所需要的轨迹。

众所周知，关于冲击锤式钻井，需要使得工作流体例如象压缩空气穿过钻头表面的一个或多个冲洗孔眼或者钻头的冲击地层表面的孔眼。这些工作流体清除碎屑并通过钻头侧面的通道把碎屑携带至地面。参见Sandvik Rock Tools公司Know Your Hammer,A DTH DrillingPerspective,1-16页(1991年)。

也已知在泥浆式冲击锤中使用水来清除碎屑并通过泥浆式冲击锤侧面的通道把碎屑携带到地面。

在现有技术中已知水力喷射式钻井钻头是使用多个喷嘴，这些喷嘴向下倾斜穿过钻头的下端。钻头可转动地安装到钻柱的下端，可以绕钻柱独立转动。喷嘴具有一定角度，因此形成一个与钻头旋转方向相反的水平分量。穿过喷嘴的高粘度、高压钻井液流体的反作用力使得钻头在500-2000RPM(转/分钟)范围内旋转。参见美国专利第3576222。

在现有技术中还已知油井钻铤是旋转式钻柱的一部分，它可以通过在钻头以上的两个水平但非径向的通道排出钻井液来加强钻铤的转动，按照设想，同时加强钻柱的转动。参见美国专利第4273201。

在现有技术中还已知旋转式钻井钻头可以使用具有喷嘴的的喷嘴体，该喷嘴可以排出钻井液。每一个喷嘴体包括多个喷嘴通道。从每一个喷嘴通道排出的钻井液具有一个纵向分量和一个切向分量，该切向分量用于使得喷嘴体绕着纵轴线旋转。参见美国专利4739845。

在现有技术中还已知旋转式钻井钻头利用一个气马达使用压缩空气来转动钻头，该气马达位于靠近钻头的一个钻井设备的下端。该钻头具有一些通道，这些通道用来清洗钻头锥体的表面，并利用部分从气马达排出的气体冷却气马达的轴承和钻头的轴承。参见美国专利第2783971。

在现有技术中还已知喷嘴头用于从容器内清除固体例如象焦炭，该喷嘴头具有一个曲线管道，用于沿着水平方向排出水射流。水沿着喷嘴头的旋转轴线的切向排出，其排出方向可以垂直于切削刃表面，向着上方向、水平方向或者向下方向以对转子施加一个转动力。参见美国专利第2218130。

常规的井下气动冲击锤式钻机通过一个冲击式钻头撞击地层例如岩石，然后通过工作流体例如象压缩空气流来清除碎屑颗粒。压缩空气提供势能用于加速冲击锤式活塞。当活塞加速时，压缩空气的势能转换为活塞动量的动能。当活塞与冲击式钻头接触时，活塞传递能量波形式的动能，这些能量波通过钻头传递到地层表面上。

常规的气动冲击锤式钻机的钻头是通过旋转整个钻柱或者钻杆(即：把钻头连接于地面旋转动力源的一个整体管结构)来转动的。冲击式钻头具有一个锚杆，该锚杆通过花键连接到气动冲击锤式钻机的卡盘上。在这种方式中，钻柱、钻机壳体、钻机卡盘和冲击式钻头一起旋转。

在作业的冲击式状态中，冲击锤式活塞与钻头接合，钻头冲击地层，并在井眼中钻进地层的一部分。在作业的旋转式状态中，钻头被钻柱转动从而使得冲击锤式活塞每一次与不同的地层区域冲击接触。与切削或者剪切地层的钻井系统相反，在转动状态中的钻头的旋转是使得钻头重新定位到正在切削的地层表面上。以这个方式，钻头的转动使得对地层的冲击最大化，而将钻头在一个天然或者冲击形成的裂缝中卡住的可能性减为最小。

对于垂直进入地层的井眼来说，转动的钻柱不会产生问题。另一方面，对于曲线或者非直线的井眼，这种转动的钻柱通常将会与井眼壁接触。这导致钻柱在井壁上蠕动和擦磨，通常这将会导致钻进轨迹偏离所需要的方向。

尽管可以使用一个井下马达(例如一个气马达)通过消除钻柱上部的旋转来解决这个问题，但是，应该承认，钻柱的下部和钻头之间还是存在着转动反力(例如由摩擦导致的)，这导致钻柱扭曲，因此降低了钻进的精确性。还应该承认，在井下操作过程中，井下马达可能出现工作故障，因此降低了钻井系统工作的可靠性。

美国专利5305838中公开了一种铰接件，用于在一个弯曲轨迹的井眼内进行钻井。一个下部件通过一个球铰链组装到一个上部件上。钻头通过螺纹连接到下部件上，一个井下马达通过螺纹连接到上部件上，在上部件后依次是铰接件、钻铤和到达地面的钻杆。

美国专利5305837和5322136中公开了一种气动冲击式钻机，该钻机包括一个钻柱、一个钻机壳体、一个活塞、一个机械离合器和一个冲击锤式钻头。该活塞具有螺旋的沟槽，这些沟槽可以通过球或者定位销与机械离合器的内座圈连接。该离合器允许作往复式运动的活塞在其下冲程时沿一个方向转动。在上冲程时，活塞向壳体的上方运动而不作旋转运动。冲击锤式钻头可以滑动方式键连接于活塞的底部从而把冲击能传递到井眼的底部。在操作过程中钻头的旋转是与钻柱独立的。

因为上述原因，需要提供一种简化的设备和方法来改善井眼在地层中的偏转。而且，特别需要提供一种可靠的旋转冲击式钻井设备和方法来改善井眼在硬质地层中的偏转。

发明概述

本发明提供一种可以满足上述需要的旋转冲击式钻井设备，用于在地层中进行钻井。该设备包括：连续伸入井眼的钻柱装置；连接到该钻柱装置上的细长钻机壳体；转动式连接到细长钻机壳体上的冲击式钻头，该钻头具有一个啮合面、一个地层冲击面、通道装置和多个导管，每一个导管都从所述通道装置的出口附近伸出到这些导管的出口部分；位于细长钻机壳体内的活塞装置，用于与冲击式钻头的啮合面啮合；以及工作流体控制装置，该装置通过利用工作流体来激励活塞装置。冲击式钻头围绕细长钻机壳体的纵轴线旋转，冲击式钻头的通道装置和导管提供流体通道使得工作流体可以从活塞装置流动到导管的出口部分，导管的出口部分偏离纵轴线一定距离，总体向下和向外伸出，从而使得从出口部分排出的工作流体可以使得冲击式钻头绕细长钻机壳体的纵轴线旋转。

作为优先的一种选择，本发明的改进之处在于：为了举升和转动冲击式钻头，把导管的出口部分定位在地层冲击面附近。另外，在冲击式钻头的外表面上设置有多个外部返回通路，通过这些通路工作流体可以地层冲击面返回。为了使得返回的工作流体可以使冲击式钻头产生旋转运动，优选地使外部返回通路至少部分沿着周向且总体向上伸出。此外，在冲击式钻头的外表面和地层冲击面之间具有一个中间表面，每一个导管均大致开口于中间表面。

本发明还提供一个与旋转冲击式钻井设备一起使用的冲击式钻头，以便在地层中进行钻孔。该设备包括用于连续地伸入到井眼中的钻柱装置、连接到钻柱装置上的细长钻机壳体、位于该细长钻机壳体内用于与冲击式钻头啮合的活塞装置、和通过工作流体激励活塞装置的控制装置。冲击式钻头包括一个啮合面、一个地层冲击面、通道装置、多个从通道装置的出口附近延伸到导管之出口部分的导管、和将冲击式钻头可转动地连接到细长钻机壳体上的装置。冲击式钻头的通道装置和导管提供流体通道使得工作流体可以从活塞装置流动到导管的出口部分，冲击式钻头绕细长钻机壳体的纵轴线可以转动，并且导管的出口部分偏离于纵轴线、总体向下和向外伸出，从而使得从出口部分排出的工作流体可以使得冲击式钻头绕细长钻机壳体的纵轴线旋转。

本发明还提供一种在地层中钻井眼的方法，该方法包括下列步骤：连续地把钻柱伸入到井眼内；使用一个具有纵轴线的细长钻机壳体；把细长钻机壳体连接到钻柱上；使用一个冲击式钻头，该钻头具有一个啮合面、一个地层冲击面、通道装置和多个导管；把冲击式钻头可转动地连接到细长钻机壳体上；把每一个导管从通道装置的出口伸出到导管的出口部分，并使得导管的出口部分偏离于细长钻机壳体的纵轴线；利用工作流体激励活塞装置从而使得冲击式钻头的啮合面与活塞装置啮合；为工作流体提供流动通路，使得工作流体可以从活塞装置流动到导管的出口；以及为了使得从出口部分排出的工作流体能够使冲击式钻头绕着细长钻机壳体的纵轴线旋转，使工作流体向外穿过导管的出口部分并总体向下方排出。

本发明的一个目的是保持一个钻柱处于总体非旋转状态而钻头处于旋转状态。

本发明的另一个具体的目的是在钻头上提供一种转动力以转动钻头。

本发明的另一个具体的目的是把转动力从钻柱上大体分离开来。

本发明的另一个更具体的目的是降低由于摩擦在钻柱和钻头之间产生的反力。

本发明的又一个目的是提供一种钻井设备和钻井方法，使得对常规的钻井设备和步骤的改变最小。

参照附图和下面的详细描述，本发明的这些和其它目的将会更加清楚。

附图描述

图1是连接到一个钻柱上的常规的气动冲击锤式钻机的垂直剖面图；

图2是一个改进的气动冲击锤式钻机的垂直剖面图，该钻机连接到一个钻柱上，并包括一个本发明的改进的钻头；

图3是图2所示钻头的一个侧视图；

图4是图2所示钻头的一个简化立体图；

图5是图2所示钻头的另外一个简化的立体图；

图6是沿着图5中的Ⅵ-Ⅵ线的截面立体图；

图7是沿着图4中的Ⅶ-Ⅶ线的非直线的截面立体图；

图8是沿着图3中的Ⅷ-Ⅷ线的简化的截面图；

图9是根据本发明的另外一个实施例的钻头的非直线剖面图；

图10是根据本发明的第三个实施例的钻头的立体图；

图11是类似图8的一个简化平面图，表示根据本发明另一个实施例的钻头。

优选实施例描述

本文中使用的术语“旋转冲击式钻井”应该包括下述钻井方法，但是并不限制于这些方法：旋转式钻井(例如：利用钻头的旋转运动进行钻进)；冲击式钻井(例如：作直线运动的钻头的钻进)；以及任何旋转运动和直线运动的结合以产生钻进。

本文中使用的术语“工作流体”应该包括下述流体，但是不限制于这些流体：气体(例如：空气、压缩气体、钻井气体、蒸汽)，液体(例如：水、钻井流体、液压流体)，或者任何这些气体或者液体的结合，能够使得钻头产生旋转和/或者激励活塞、例如象冲击锤式活塞。

本文中使用的术语“地层”应该包括下述地层，但不限于这些地层：地球表层，地层的陆地，地球的河床、湖床、海床和洋床，包括在这些地方发现的各种自然和/或者人造物质(例如：岩石、卵石、熔岩、冰砾泥、地表、泥浆、冰、砾石、砂子、粉砂、泥岩、土壤、混凝土、砖和其它的建筑材料或者任何上述物质的结合)。

尽管本发明可以应用于直线、曲线和其它全部或者部分井眼轨迹不垂直于地层表面的非线性钻井井眼轨迹，但是，本文为方便描述附图起见，术语“上部”、“向上”、“下部”、“向下”、“垂直”、“纵向”和“水平”是参照垂直于地层表面的细长钻机井眼轨迹。

例如，为参考方便起见，钻井井眼轨迹的“上”部相对于其“向下”伸入地层的“下”部通常更靠近地层表面，一个“垂直”的井眼轨迹及其“纵轴线”通常与地层表面正交。当然，对于直线、曲线或者其它非线性的进入地层并离开地层表面的井眼轨迹，井眼轨迹的“下部”通常首先“向下”伸入到地层，亦即首先在入口处进入地层表面，并且首先在出口处离开地层表面。换句话说，相对于井眼轨迹的“上部”，井眼轨迹的“下部”离井眼轨迹的入口处是最远的，该点位于井眼的底部/端部或者井眼轨迹的其它出口。

本文中使用的术语“向外”应该包括下列方向，但是不限制于下列方向：冲击式钻头的一个导管的出口方向，该导管使工作流体从钻头的内部流动到钻头的外部，从而使得钻头产生旋转运动，例如，这样的一个方向可以是非径向方向，该非径向方向与钻头绕其纵轴线转动的所需方向大体相反。

参考图1说明了一个常规的井下气动冲击锤式钻机2。该钻机2包括一个细长钻机壳体或者箱体4，该钻机壳体4具有设置在上端(向着图1的左侧方向)的钻机后部(backhead)6和设置在下端(向着图1中右侧方向)并带有一个冲击式钻头10的卡盘8。钻机后部6具有一个API阳螺纹12，该阳螺纹适合固定到钻柱14上，该钻机后部具有一个O-形环16，该O-形环16放置在钻机后部6和钻机壳体4的上部之间。钻头10具有一个锚杆18，该锚杆18用花键连接到卡盘8上。以这种方式，钻柱14、钻机后部6、钻机壳体4、卡盘8和钻头10可以作为一个整体单元进行旋转。

在钻机壳体4的内腔20内放置有一个空气分配器22、一个汽缸23、一个活塞24和钻头10的上部。空气分配器22包括一个单向阀26、一个单向阀塞28、一个单向阀弹簧30和一个O-形环32。空气分配器22的上部可滑动地与钻机壳体4的内表面啮合，而空气分配器22的中间部分和O-形环可滑动地与汽缸23的内表面啮合。在钻机后部6和空气分配器22之间放置有一个耐磨分隔块34、一个弹簧36和一个分隔块38。在钻机后部6与分隔块38之间放置有一个O-形环40。

活塞24的上部可移动地放置于汽缸23的下部内。为防止活塞24的向上移动，汽缸止动环42与活塞24的一个肩部44接合(未示出)。另一方面，对于活塞24的向下移动，活塞24的下端面46与钻头的上端面48接合(参见图1)。钻头10的上部50由一个钻头保持环52固定，该钻头保持环52具有一个靠近钻机壳体4内侧表面的O-形环。保持环52通过一个保持环56固定在卡盘8的上端面上。

钻柱14、钻机后部6、单向阀塞28、空气分配器22、汽缸23、活塞24和钻头10分别具有导管58、60、62、64、66、68、70，这些导管从钻机2的上端之上延伸到其下端。在活塞24的导管68的下部和钻头10的导管70的上部设有一个用合适材料例如特氟隆制成的节流管72。钻头10还包括导管74、76，这两个导管从导管70的下部伸出到钻机2下端部的地层冲击面78。

在操作过程中，钻柱14被一个适当的转动动力源(未示出)转动。此外，例如象压缩气体等工作流体82通过一个压缩机(未示出)激励地层81中的井眼80内的钻机2，该压缩机与钻柱14的导管58适当地相连。在作业过程中，活塞24反复与钻头10例如一个钢制冲击式钻头啮合。例如，在每一次冲击中，一个能量波以在钢材料中的声速(即大约为5.0公里/秒(3.1英里/秒))穿过钢制冲击式钻头10。换句话说，当活塞24与冲击式钻头10啮合时，钻头10的地层冲击面78还没有获得活塞24的作用力。作为另外一个非限制性的例子，一个15.2厘米(6英寸)的气动冲击式钻头具有4.2厘米(17英寸)的纵轴线，它使能量波穿过钻头10到达地层表面84需要0.086毫秒。

能量波穿过活塞24和钻头10到达地层表面84。当能量波到达钻头10的地层冲击面78时，其中的一些能量被碎裂的地层86所吸收。剩余能量的大部分穿过钻头10反射回去，一小部分以其它能量形式(例如声音)发散。当钻头10与地层81垂直时，例如，当地层86碎裂后，能量通过钻头10反射回来，钻头10瞬时处于一种失重的状态。

参考图2，说明一个改进的井下气动冲击锤式钻机100。该钻机100包括一个改进的卡盘102，该卡盘102的下端部(向着图2的右侧方向)具有一个改进的冲击式钻头104。钻头104的上部106可旋转地支承在一个钻头保持环108、例如一对C-形分隔块上，该钻头保持环108具有一个靠近钻机壳体4之内表面的O-形环110。钻头保持环108通过一个保持环112固定到卡盘102的上表面上。钻头104还包括一个锚杆116和一个轴承120，该锚杆116与卡盘102的内支承面118偏离开一定距离，该轴承120可旋转地与卡盘的内支承面118啮合。内支承面118可旋转地支承钻头104的锚杆116。在这种方式下，钻头104可独立于钻柱14、钻机后部6、钻机壳体4和卡盘102进行转动。优选地，钻头保持环108和轴承120降低钻柱14和钻头104之间的摩擦，从而降低两者之间由于摩擦引起的反力，其中，钻头保持环108可转动地支承钻头104的上部106，轴承120可转动地与卡盘内支承面118啮合并可转动地支承钻头104的锚杆116。

钻柱14、钻机后部6、单向阀塞28、空气分配器22、汽缸23、活塞24和钻头104分别具有导管58、60、62、64、66、68、121，这些导管从钻机100的上端之上延伸到下端。在活塞24的导管68的下部和钻头104的导管121的上部设有一个用合适材料制成的节流管72。图1中示出活塞24的操作。空气分配器22控制工作流体82来激励活塞24。随着活塞24的向下移动，活塞24的下端面46与钻头104的上端啮合面122啮合。

优选采用钻机100在地层81中钻进井眼124。钻柱14连续地伸入到井眼124中。钻头104可旋转地连接到卡盘102上，该卡盘102适当地固定到细长钻机壳体4上。优选地，钻头104与钻机壳体4的纵轴线126同轴并绕该纵轴线126旋转；并使施加到卡盘102、钻机壳体4或者钻柱14上的扭矩最小。

参考图3，说明钻头104和轴承120的一个侧视图。钻头104具有一个位于钻头下端的地层冲击面或者表面128。表面128包括多个硬质合金块130，尽管本发明适用于任何旋转冲击式钻头的表面(例如中央凹陷型、凹型、平面型和凸起型)，在这些钻头的表面可以使用任何可以冲击地层的合适材料。

参考图4，说明了一个简化的钻头104的立体图。钻头104的内部的导管结构如图中的虚线所示。作为示例，通道或导管121从上端啮合面122的一个入口孔132延伸，局部沿着钻头104的纵轴线134向着地层冲击面128延伸(如图中的虚线所示)并在快到端面128处终止。

参考图4-6，钻头104还具有一个外表面136和一个位于外表面136和地层冲击面128之间的中间表面138。钻头104还具有两个非直线的弧形导管140、142(如图4中的虚线所示)，每一个导管都从导管121的出口144分别延伸到导管出口146、148，这两个导管出口146、148基本上位于地层冲击面128上(如图5所示)，而且其一部分位于相邻的中间表面138处(最好参照图5所示)。导管140、142分别具有入口150、152(如图6所示)。通道或者导管121从啮合面122附近伸出到入口150、152附近。作为示例，导管140、142从导管121的出口144附近分别延伸到地层冲击面128附近的出口部分146、148。导管121与导管140、142共同操作以保证图2所示的工作流体82通过。导管121、140和142为工作流体82提供了从活塞24的导管68和图2所示节流管72的流动通道，以便把工作流体输送到出口部分146、148。

还参考图2、7和8，出口部分146、148偏离于钻头104的纵轴线134、通常向下和向外伸出，从而产生一个逆时针方向的转动(相对于图7、8)，应该能够理解，图7中的出口部分146具有产生如此旋转运动(图8所示)的类似结构，还能够理解，在出口部分146、148偏离于纵轴线134的较宽偏移范围内以及在出口部分146、148可以产生顺时针或者逆时针旋转的出口角度的较宽范围内，本发明都是适用的。以这种方式，从出口部分146、148排出的工作流体使得冲击式钻头104绕着钻机壳体104的纵轴线126旋转。

优选地，如图7所示，钻头104的各出口部分146、148的轴线与纵轴线134的夹角大约为60°(如图中出口部分148处的虚线所示)，其与地层冲击面128的夹角大约为30°(如图6所示)，不过向下的角度的选择范围是很宽的。从出口部分146、148排出的工作流体82产生绕纵轴线134旋转的力要多于使得冲击式钻头104离开图2所示地层表面84的提升力，尽管本发明适用于各种能产生或大或小的旋转力和提升力的出口部分。

最好如图8所示，导管140、142从纵轴线134向外伸出，优选地是导管部分141的长度与钻头104之半径135之比大约为2/3，参照导管140所示。出口部分146、148的每一个轴线偏离半径135，优选地如图中的出口部分146所示，各轴线与钻头104之外表面136在部分137处的切线方向平行，尽管如此，在较宽范围内选择这些比例和出口部分的角度是可能的。

如图4-6所示，冲击式钻头104还包括两个冲洗导管153、154(如图4中的虚线所示)，这两个冲洗导管从通道或者导管121的出口144附近分别伸出到位于地层冲击面128上的开口155、156，尽管本发明也适用于具有零个、一个或者多个冲洗导管的钻头，这些导管通向于导管121、140或者142。在图8所示的钻头104中，图2中的导管121的出口144与导管140、142、153、154的入口150、152、158、160一起示出。

图9说明另外一个钻头104′，该钻头具有另外一种形式的通道机构121′，该通道机构由两个互相分离并分别具有出口166、168的通道162、164构成。在该实施例中，导管140′、142′从出口166、168附近分别伸出到地层冲击面128′附近的出口部分146′、148′，不过本发明适用于任何数目的通道和任何数目的导管并能够使得钻头产生旋转。例如，可以设置多于一个的通道，这样每一个通道将图2所示所有工作流体82的其中一部分供给所有导管中的其中一部分导管。

图10是另外一种钻头104″的立体图，该钻头具有一个外表面170，该外表面170包括多个沿着周向间隔开排列的外部返回通路172、174，用于使得图2中的工作流体从地层冲击面176穿过这些外部返回通路返回。作为示例，为了使得返回的工作流体82可以使钻头104″绕纵轴线178产生旋转，外返回通路172、174局部沿周向延伸、但总体沿着上方伸出，本发明也适用于各种可以使得钻头产生旋转的外部返回通路，例如沿着周向延伸、但总体沿着上方伸出的通路。

图11类似于图8说明依据本发明另外一个实施例的一个钻头104的下部导管部分的简化平面图，该钻头104类似于钻头104。出口部分146″、148″偏离于钻头104的纵轴线134，并总体向下和向外伸出，从而产生一个逆时针旋转(相对于图11)。以这种方式，从出口部分146″、148″排出的工作流体82使得钻头104绕图2中的钻机壳体4的纵轴线126旋转。出口部分146″、148″基本上位于中间表面上(最好如图5所示)，但也有一部分位于相邻的表面128、136上(最好如图5所示)。

应该能够理解，一般来讲，本发明的最佳实施例一方面导致工作流体82向下穿过图4和10的出口部分146、148(以及图9中的出口部分146′、148′以及图11中的出口部分146″、148″)，另一方面由于钻头的旋转，工作流体穿过图10中的多个外部返回通路172、174向上返回，但本发明适用于其出口部分位于钻头的下部、中部和上部而产生旋转的旋转冲击式钻头。

作为示例，在工作流体82例如象压缩气体的控制下，这里公开的钻头140、140′、140″、104的转速为大约3转每分钟，不过本发明在钻头的较宽转速范围内均适用。这样的钻头提供了一个可靠的气动冲击式钻井设备，该设备改进了在硬质地层例如象硬质岩石中的井眼的偏转。应该相信，该设备需要较少数量的移动部件，因此本质上更加可靠，钻柱和钻头之间的反力相对于现有技术的设备有较大降低。因而，这增加了钻进的精确性，特别是增加了井眼轨迹转向时的钻井精确性；减少了井下作业时间并降低了修井费用。

尽管为描述目的上面已经对本发明的特定的实施例进行了说明，但本领域的普通技术人员应该能够理解，在本发明的基础上作的各种变化均在附属权利要求书所述的保护范围之内。

Claims (24)

1．一种用于在地层内钻进井眼的旋转冲击式钻井设备，所述设备包括：

连续伸入所述井眼内的钻柱装置；

连接到所述钻柱装置上的细长钻机壳体，所述细长钻机壳体具有一个纵轴线；

转动式连接到细长钻机壳体上的冲击式钻头，该冲击式钻头具有一个啮合面、一个地层冲击面、具有出口的通道装置和多个导管，每一个导管都从所述通道装置的出口附近伸出到所述导管的出口部分，所述冲击式钻头可以绕所述细长钻机壳体的纵轴线旋转；

位于所述细长钻机壳体内的活塞装置，用于与冲击式钻头的啮合面啮合；以及

工作流体控制装置，该装置通过利用工作流体来激励活塞装置；所述冲击式钻头的所述通道装置和所述导管提供了工作流体的通道，使得工作流体可以从所述活塞装置流动到所述导管的出口部分；以及

所述导管的出口部分偏离于纵轴线并且总体向下和向外伸出，从而使得从出口部分排出的工作流体可以使冲击式钻头绕细长钻机壳体的纵轴线旋转。

2．权利要求1的设备，其特征在于，所述导管的出口部分位于地层冲击面附近；在冲击式钻头的外表面上还设置有多个外部返回通路，通过这些通路工作流体可以从地层冲击面返回。

3．权利要求2的设备，其特征在于，为使得返回的工作流体可以使所述冲击式钻头绕着所述细长钻机壳体的纵轴线产生旋转运动，外部返回通路至少局部沿着周向且总体向上伸出。

4．权利要求1的设备，其特征在于，所述冲击式钻头与所述细长钻机壳体的所述纵轴线同轴。

5．权利要求1的设备，其特征在于，所述冲击式钻头的所述导管是非线性的导管。

6．权利要求1的设备，其特征在于，所述冲击式钻头还具有一个外表面，以及一个位于所述外表面和所述地层冲击面之间的中间表面；每一个导管均基本上开口于所述冲击式钻头的中间表面。

7．权利要求6的设备，其特征在于，所述冲击式钻头的所述导管是第一导管；所述冲击式钻头还包括多个从所述通道装置的出口附近伸出到所述冲击式钻头的地层冲击面的第二导管。

8．权利要求1的设备，其特征在于，所述冲击式钻头具有一个纵轴线；所述冲击式钻头的所述通道装置的一部分沿着所述纵轴线延伸。

9．权利要求8的设备，其特征在于，所述各导管具有一个入口；所述通道装置从所述冲击式钻头的啮合面附近伸出到所述导管的入口附近。

10．权利要求8的设备，其特征在于，所述冲击式钻头的导管是第一导管；所述冲击式钻头至少还包括一个从所述通道装置的出口附近伸出到所述冲击式钻头的地层冲击面的第二导管。

11．权利要求1的设备，其特征在于，所述细长钻机壳体包括一个具有支承面的卡盘；所述冲击式钻头还具有一个可以与卡盘的支承面可转动啮合的轴承装置，该支承面至少局部可旋转地支承所述冲击式钻头。

12．权利要求1的设备，其特征在于，所述冲击式钻头具有一个从所述细长钻机壳体的纵轴线伸出的一个半径；至少一个所述导管包括一个中间导管部分和出口部分，其中的中间导管部分从所述通道装置的出口附近伸出到所述出口部分，至少其出口部分延伸离开所述半径。

13．权利要求12的设备，其特征在于，所述冲击式钻头具有一个外表面，该外表面具有一个切线，所述半径延伸到所述外表面；所述出口部分具有一个轴线；所述出口部分的轴线总体与所述外表面的切线平行。

14．一种与在地层中钻进井眼的旋转冲击式钻井设备一起使用的冲击式钻头；所述设备包括连续伸入所述井眼中的钻柱装置；连接到所述钻柱装置上的细长钻机壳体，所述钻机壳体具有一个纵轴线；位于所述细长钻机壳体内的活塞装置，用于与冲击式钻头啮合；通过利用工作流体来激励活塞装置的装置，该钻头包括：

所述冲击式钻头具有一个啮合面、一个地层冲击面、具有出口的通道装置和多个导管，每一个导管都从所述通道装置的出口附近伸出到所述各导管的出口部分，所述冲击式钻头的通道装置和所述导管提供流体通道，使得工作流体可以从所述活塞装置流动到所述导管的出口部分；以及

用于把冲击式钻头可旋转地连接到所述细长钻机壳体上的连接装置，所述冲击式钻头绕所述细长钻机壳体的纵轴线进行旋转；以及

所述导管的出口部分偏离于纵轴线、总体向下和向外伸出，从而使得从出口部分排出的工作流体可以使冲击式钻头绕细长钻机壳体的纵轴线旋转。

15．权利要求14的冲击式钻头，其特征在于，所述通道装置是一个单一的导管。

16．权利要求14的冲击式钻头，其特征在于，所述通道装置是多个分别具有出口的通道；每一个所述导管从所述其中一个通道的相应出口伸出到所述各导管的出口部分。

17．权利要求14的冲击式钻头，其特征在于，所述导管的所述出口部分位于所述地层冲击面附近；所述冲击式钻头还包括一个外表面，所述外表面具有多个外部返回通路，用于使得工作流体从地层冲击面通过外部返回通路返回。

18．权利要求17的冲击式钻头，其特征在于，为了使得返回的工作流体可以使所述冲击式钻头绕细长钻机壳体的纵轴线产生旋转，所述外部返回通路至少部分是沿着周向、且总体向上伸出。

19．权利要求14的冲击式钻头，其特征在于，所述冲击式钻头具有一个从所述细长钻机壳体的纵轴线伸出的半径；至少一个所述导管包括一个中间导管部分和出口部分，其中的中间导管部分从所述通道装置的出口附近伸出到所述出口部分，至少其出口部分延伸离开所述半径。

20．权利要求19的冲击式钻头，其特征在于，所述冲击式钻头具有一个外表面，该外表面具有一个切线，所述半径延伸到所述外表面；所述出口部分具有一个轴线；所述出口部分的轴线总体与所述外表面的切线平行。

21．一种在地层中钻进井眼的方法，所述方法包括下列步骤：

使得钻柱装置连续伸入所述井眼；

使用一个具有纵轴线的细长钻机壳体；

把所述细长钻机壳体连接到所述钻柱装置上；

使用一个冲击式钻头，该钻头具有一个啮合面、一个地层冲击面、具有出口的通道装置和多个导管；

把所述冲击式钻头可旋转地连接到所述细长钻机壳体上；

使得每一个导管都从所述通道装置的出口附近伸出到所述各导管的出口部分，所述各导管的出口部分偏离于所述细长钻机壳体的纵轴线；

通过利用工作流体来激励活塞装置，并使所述冲击式钻头的啮合面与所述活塞装置啮合；

提供工作流体通道，使得工作流体可以从所述活塞装置流动到所述导管的出口部分；以及

为了使得从出口部分排出的工作流体能够使冲击式钻头绕所述细长钻机壳体的纵轴线旋转，将工作流体沿着总体向上的方向向外输送通过所述导管的出口部分。

22．权利要求21的方法，还包括下列步骤：

通过设置在冲击式钻头外表面上的多个外部返回通路使得工作流体返回。

23．权利要求22的方法，还包括下列步骤：

使得所述外部返回通路至少部分沿着周向、且总体向上伸出；以及

使得所述冲击式钻头绕着所述细长钻机壳体的纵轴线旋转，所述工作流体通过外部返回通路返回。

24．权利要求23的方法，还包括下列步骤：

使用所述导管作为多个第一导管；以及

使用多个第二导管，这些第二导管从所述通道装置的出口附近延伸到所述冲击式钻头的地层冲击面。

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