CN1313698C - 液体驱动井下钻机 - Google Patents
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Abstract
在液体驱动井下钻机内，用于钻头的导轴衬(31)通过轴颈连接在外管(12)内，并通过一个单向联轴器(29)结合到旋转套筒(22)，该旋转套筒(22)具有形成多个腔体(25，26，27)边界的轴向凸脊(24)，并形成了用于往复转动可旋转套筒的旋转活塞，多个这些腔体结合起来，以使其随着具有向前驱动活塞锤(30)的活塞面(46)的所述压力腔(47)一起被压缩和被减压。因此，钻头(13)在每一撞击之间被导引一定角度，以使嵌入钻头的镶齿在每次撞击之间变换同岩石的接触点，并使破岩有效。钻杆不旋转。
Description
技术领域
本发明涉及一种液体驱动井下钻机，其具有一个外套，一个成角度固定但能够轴向有限活动的安装在导轴衬内的钻头，一个用来撞击钻头锚杆的活塞锤，以及一个用于控制活塞锤往复移动的阀，该阀交替着对一个压力腔进行加压和减压，在这个压力腔内具有一在所述腔体被加压时使所述活塞锤向前驱动的活塞面。
背景技术
这种类型液体驱动井下钻机经常与一根连接一根的钻杆一起使用，由钻杆连接而成的钻柱旋转，从而使钻机及其钻头在活塞锤的每次撞击之间受到导引。钻头成角度固定在套筒内。在钻深井时，尽管钻杆上部的旋转是连续的，但是钻杆和井壁之间的摩擦有时会使钻杆下部的旋转变得不均匀。钻杆变得像扭簧一样，不能在活塞锤的撞击之间均匀的受到导引，当存在多次撞击时，钻机不能转动，然后就快速的转动。这种滑动粘附效果降低了钻井速度，并增加了钻头的磨损。
在液体驱动钻机中，动力液通过钻杆供应，活塞锤的回程被液压式地阻止，并因为活塞锤迫使液体流入钻杆而产生压力峰值。这会导致较高的应力，以及能量效率的降低。人们曾经试图制造一种直接连接钻机的蓄能器，但迄今为止，对于这个问题还没有好的解决方案。
发明内容
本发明的一个目的在于提高所用液体驱动钻机的撞击之间的转位。本发明的另一个目的在于降低动力液进入钻机入口处的压力峰值，与此同时提高能量效率。
具体地说，根据本发明提供了一种液体驱动的井下钻机，其包括钻机管和外管，一个成角度固定但能够轴向有限活动地安装在导轴衬内的钻头，一个用来撞击钻头锚杆的活塞锤，以及一个用于控制活塞锤往复移动的阀，该阀交替着对一个圆筒腔进行加压和减压，在所述圆筒腔内具有一在所述腔体被加压时使所述锤活塞向前驱动的活塞面，其特征在于：导轴衬在所述外管内被旋转导向，并通过一单向联轴器结合到旋转套筒上，该旋转套筒具有与所述钻机管中的凸脊一起形成多个腔体边界的轴向凸脊，并形成了用于往复转动可旋转套筒的旋转活塞，多个这些腔体中的一部分腔体与所述圆筒腔结合，从而随着具有向前驱动活塞锤的活塞面的所述圆筒腔一起被压缩和被减压。
通过设置导轴衬在套筒内被旋转导向，以及通过一单向联轴器使其结合到旋转套筒来达到这些目的，该旋转套筒具有形成压力腔边界的轴向凸脊，并形成了用于往复转动可旋转套筒的旋转活塞，这些腔体被结合起来，并随着具有用于向前驱动活塞锤的活塞面的所述压力腔一起被压缩和被减压。
本发明由权利要求进行限定。
附图说明
图1a为依据本发明贯穿井下钻机前部的纵断剖面图；
图1b为贯穿同一井下钻机尾部的纵断剖面图；
图2沿图1a中的线2-2的剖面图；
图3和图4与图2相同的横切面视图，但是它们示出了处于其它相互位置的一些部件；
图5为沿图1a中的线5-5的横切面视图。
具体实施方式
图中所示的液体驱动井下钻机具有一个包括钻机管11的钻机套筒，在钻机管11的上部具有设置成与供应驱动液的钻管相结合的未示出的后部(back head)，该驱动液通常为水或者膨润土在水中的悬浮液。井下钻机的中部在图中未示出。一外管12用螺纹紧固在钻机管的前部，钻头13与其锚杆14伸入外管中。终端套管15用螺纹固定在外管12上，并夹紧随动筒16，使其紧靠在支撑着外管12内的内台肩18的止推轴承17上。随动筒通过轴颈旋转连接外管12。钻机管11的前端具有一缩小的直径，并且其具有一组凸脊20，如图2所示。一旋转套筒22通过轴颈连接在钻机管11的前端与外管12之间，其具有向内的凸脊24。一组密封的腔体25，26，27被限定在凸脊20和凸脊24之间。在凸脊20径向内部的钻机管的轴向部分形成了一导引活塞锤30的短正向导向件。
肘节部件29结合在随动筒16与旋转套筒22之间，以形成一个防止反向转动的单向联轴器。
钻头13的锚杆14具有一与导轴衬31的花键连接，该导轴衬用螺纹旋紧在随动筒16上，并夹紧轴向紧靠在随动筒的台肩上的止动环32。止动环32轴向裂开，以防止钻头掉落，但允许钻头有限的轴向移动。钻头具有一未示出的中心通道，该通道用于将冲井水输送到钻头前端的凹槽。
在钻机管11的前端具有一个位于阀套41内的阀40，并且，阀套具有一伸入活塞锤30的纵向通道43内的管42。未示出的钻机的外门板夹紧紧靠隔离套44的阀套，该隔离套支撑着抵靠在钻机管11的台肩上的阀套的前端。隔离套44紧紧密封钻机管11，并具有在隔离套和钻机管之间形成多个通道25a的纵向凹槽。活塞锤具有一锤头45，该锤头在隔离套44的外部和管42的内部被导向。从而活塞仅仅通过其末端的短导向区域被导向，而活塞的主要长度部分不被导向，因为在活塞和隔离套44之间存在一环形空间，即圆筒腔49。在活塞锤的锤头45的后面构成一位于环形圆筒腔47(压力腔)内的环形活塞面46，并且锤头形成了一个位于环形圆筒腔49(压力腔)内的较小的环形活塞面48，环形圆筒腔49形成在活塞锤的两个导向区域之间的空间内。圆筒腔49始终通过平行于通道25a的通道与高压液体结合，以恒定地提供一作用在活塞上的后向力，然而阀40交替使圆筒腔47连接高压液体和管42，该管42通过活塞的贯穿通道43连接钻头内的冲洗槽。因此，管42始终具有低压，并且，外流液体用来将岩屑冲出井筒。由于活塞面46远远大于活塞面48，所以活塞锤将以如100Hz的频率往复撞击钻头锚杆。
通道25a从圆筒腔47通向图2所示的六个腔体25，以使这些腔体25被交替地加压和降压。图1a所示的孔26a从恒定地加压圆筒腔49通向图2中所示的两个腔体26，因此，这些腔体26被恒定地加压，并且孔27a将4个腔体27连接到位于钻头锚杆端面的腔体50。所以4个腔体27被恒定地降压。
图3示出了腔体25具有低压时的旋转套筒22的转动位置。两个腔体26是唯一处于被加压的腔体，因此，旋转套筒22逆时针转动至其末端位置，在这一位置凸脊24支撑在钻机管11的凸脊20上。
图4示出了不仅两个腔体26被加压而且4个腔体25也被加压时的旋转套筒22的转动位置。两个腔体26趋于逆时针转动，而六个腔体25趋于顺时针转动，从而由4个腔体产生的力顺时针转动旋转套筒22至其末端位置，在这一位置凸脊支撑在钻机管的凸脊上。
因此旋转套筒22被转动，并由活塞锤的尾部活塞面的压力往返止动，也就是说，由活塞锤的循环撞击进行止动。由于单向联轴器将旋转套筒22结合到随动筒16上，所以后者相对于钻机管11顺时针旋转。随动筒跟随旋转套筒顺时针旋转，但在旋转套筒逆时针旋转时静止不动。因此，钻头13在每次撞击之间转动一定角度(被标引出)，以使嵌入钻头的镶齿在每次撞击之间变换同岩石的接触点，这样可以有效破岩。因此，钻杆不必旋转，而且不需使用伸缩管，可以使用软管，也就是没有接头的可弯曲钻杆，其可以从卷曲状态伸直。
当活塞处于回程，并且阀40切换到对圆筒腔47的加压位置时，活塞锤被这一压力阻止。并转至向前的冲程。在活塞受阻止期间，圆筒腔47的体积变小，从而驱动液体被压出腔体，这会导致压力升高和由流动而引起的能量损失。旋转装置的6个腔体25与圆筒腔47结合，并且它们可以迫使液体流出圆筒腔，这样就减少了损失，与此同时使旋转有效。在冲击马达的入口处对蓄能器的需要也减少了。
在选择用作压力腔的腔体25，26，27和形成12个腔体的旋转活塞的样式时，应该使它们关于旋转力和径向力对称，这样可以降低支撑力。另一样式也可以被选择，旋转装置的腔体可以结合到向前驱动活塞锤的压力腔。本发明可用于由其他原理驱动的活塞锤，而不是驱动的活塞锤对于工作冲程使用交变压力、对于回程使用恒定压力。
Claims (1)
1.一种液体驱动的井下钻机，其包括钻机管(11)和外管(12)，一个成角度固定但能够轴向有限活动地安装在导轴衬(31)内的钻头(13)，一个用来撞击钻头锚杆(14)的活塞锤(30)，以及一个用于控制活塞锤往复移动的阀(40)，该阀交替着对一个圆筒腔(47)进行加压和减压，在所述圆筒腔内具有一在所述腔体被加压时使所述锤活塞向前驱动的活塞面(46)，其特征在于：
导轴衬(31)在所述外管(12)内被旋转导向，并通过一单向联轴器(29)结合到旋转套筒(22)上，该旋转套筒具有与所述钻机管(11)中的凸脊(20)一起形成多个腔体(25，26，27)边界的轴向凸脊(24)，并形成了用于往复转动可旋转套筒的旋转活塞，多个这些腔体中的一部分腔体(25)与所述圆筒腔(47)结合，从而随着具有向前驱动活塞锤(30)的活塞面(46)的所述圆筒腔(47)一起被压缩和被减压。
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