專利名稱：在地層內產生井眼的鉆井裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種地層井眼鉆井裝置。
這種裝置或機器已由現(xiàn)有技術公開了(見EP-A-802632)。在這里，撞錘大多直接與鉆頭連在一起，從而通過驅動介質將沖擊能傳給潛入井眼中的撞錘并由撞錘傳遞給井眼底部，從而盡量使連接鉆桿不受沖擊能的影響。鉆頭通過連接鉆桿與設置在井眼外的驅動裝置如旋轉式驅動裝置相連，從而裝在鉆頭上的撞錘總是在新的井眼底部位置上掘進。主要在堅固的巖石中用所談到的裝置進行鉆井。
這種鉆井技術對實踐生產越來越重要，這是因為一方面，井眼質量可以較好且可以近似準確地保持鉆井方向，另一方面，根據(jù)在井眼中所采取的消音方式，不對外界產生嚴重影響地且明顯更好地滿足了環(huán)境要求如消除了噪音煩擾。
在這種裝置中，在井眼底部被錘松的或被掘下的石料從井眼中被排出是根據(jù)所謂的“氣升式掘進法”在空心連接鉆桿中實現(xiàn)的，其中在井眼中存在液柱且作為沖洗流體地將空氣吹入在鉆頭上方的鉆桿中，從而通過在連接鉆桿中上升的空氣使連接鉆桿內的液柱在地面和井眼之間產生壓差，所述壓差引起連接鉆桿內的流動速度且掘進石料以該流速經(jīng)連接鉆桿被排出。
在錘擊鉆設地層井眼時，用于排出松動材料的連接鉆桿內徑必須具有某個與向上輸送總量匹配的最小值。與單純的回轉鉆井相比，被沖松動的碎石料尺寸也比較大。
驅動位于連接鉆桿下端的撞錘的驅動液是由在連接鉆桿上端的適當?shù)男D接頭通過一個設在連接鉆桿內或成型于連接鉆桿上的供應管供給撞錘的。
在連接鉆桿直徑象上述那樣必須較大的情況下，在密封旋轉接頭時出現(xiàn)了問題。
液壓驅動或氣壓驅動的撞錘在約為50巴-150巴的壓力下工作。顯然，在這種要求高壓和大直徑的氣升式掘進法中，無法在迄今裝在固定旋轉接頭和轉動連接鉆桿間的過渡區(qū)關鍵位置上的單級密封件中獲得經(jīng)濟的使用壽命。
本發(fā)明的目的是改進上述類型的裝置，從而該裝置可以在較大的空心連接鉆桿外徑和必需的高壓情況下長期不需維修地工作。
按本發(fā)明此目的可通過這種地層井眼鉆井裝置來實現(xiàn)，它具有一個布置在待鉆設地層井眼上方的且?guī)в幸粋€固定設置的旋轉驅動頭的驅動部；一個與旋轉驅動頭連接的且穿過旋轉驅動頭一直降入地層井眼中的空心連接鉆桿；一個固定設置在驅動部中的且通過其把沖洗介質供給轉動連接鉆桿上端的第一旋轉接頭，沖洗介質可以通過一個沿連接鉆桿延伸的第一供應管供給一個設置在連接鉆桿上的輸入口；一個設置在驅動部中的且通過其把高壓工作液供給連接鉆桿上端的第二旋轉接頭，所述工作液可以通過沿連接鉆桿延伸的第二輸入管道供給連接鉆桿下端，所述第二旋轉接頭具有一個環(huán)繞連接鉆桿的且具有一個與用于工作液的外部供應管和第二供應管上端相連的且沿軸向向兩側密封的過渡腔的外殼，其中在過渡腔的兩側分別設置了許多軸向分級的且逐步液壓卸載的密封環(huán)；一個設置在連接鉆桿下端上的且被設計成沖洗頭的鉆頭，此鉆頭與連接鉆桿內腔相通；許多設置在鉆頭上的且向下掘進的且由驅動液驅動的撞錘，分別在遠離過渡腔的密封環(huán)側面上設置了一個環(huán)形腔，所述環(huán)形腔具有一個用于輸送由一個壓縮機提供的液壓壓力介質的接口且它與一個用于密封環(huán)的卸載的密封環(huán)側面相連，并且所述的環(huán)形密封環(huán)逐步液壓卸載，并且設有由驅動介質作用的降壓器作為壓縮機。
在所述的裝置中，連接鉆桿被一個原則上垂直設置的外殼環(huán)繞。可以由外部輸入管道經(jīng)一個通入過渡腔中的固定接頭輸入驅動液如空氣、水或液壓油。此外，過渡腔環(huán)繞所述連接鉆桿，從而驅動介質與連接鉆桿轉動位置無關地與工作介質輸入管道相互聯(lián)系。分別在過渡腔兩側設置了許多軸向分級的且逐步受到液壓卸載的密封環(huán)。
在該裝置的工作過程中，密封環(huán)的卸載(壓)是如此選擇的，即作用于各密封環(huán)上的壓差不超過一個由所用密封件的性能決定的最大值。因此，在軸向遠離過渡腔的各密封環(huán)側上施加一個小于在朝向過渡腔的密封環(huán)側上所施加的壓力的壓力。在壓差作用下，密封件被壓靠在連接鉆桿外周面上，所述壓差相應于一個密封環(huán)可持久忍耐的壓差值。在沿軸向靠外的即沿遠離過渡腔的方向的后續(xù)密封環(huán)中布置了作為壓緊力的前卸載壓力和一個降低了相應值的卸載力，這個卸載力又是用于后續(xù)密封件的壓緊力。所以壓緊力是逐步降低的，其中各密封環(huán)分別承受還可允許的壓力如10巴-25巴?？梢酝ㄟ^所用密封環(huán)的數(shù)目和所選擇的卸載壓力來實現(xiàn)與工作液工作壓力的匹配。
由壓縮機提供給密封環(huán)液壓力以進行卸載且所述液壓力在環(huán)形腔中起作用，所述環(huán)形腔分別在兩個密封環(huán)之間布置在遠離過渡腔的側面上。
為了產生分級的卸載壓力，例如使用由于裝入一個活塞桿而單側受壓表面縮小的壓力氣缸型降壓器作為壓縮機，其中向具有活塞桿的缸側供應驅動介質及其壓力，從而必然通過活塞桿直徑和在活塞另一側上所保留的縮小作用面而產生一個相對工作介質壓力被縮小了一個固定百分比的壓力。在這種強制性地通過活塞桿形狀產生壓力分級的情況下，工作介質壓力的波動被自動地分配給作用于各密封環(huán)的各壓差是很有利的，這樣不必再次調節(jié)各自的卸載壓力。這種提供卸載壓力的方式可以與泵和控制閥的功能無關?？梢圆捎门c所需的卸載壓力級那樣多的降壓器，其中降壓差別是由不同的活塞桿直徑造成的。
壓縮機可以適當?shù)匕仓迷谛D接頭的固定外殼上，這在結構上是簡單的且可以使用短的連接管路。
如果密封環(huán)的逐步平衡是在過渡腔的兩側對稱進行的，則總是有兩個環(huán)形腔可以與降壓器相連。
在本發(fā)明裝置的第一實施例中，一個與分段連接鉆桿上端相連的且高度可變地支承在支承裝置上的動力旋轉頭用作旋轉式驅動裝置。在此實施例中，掘進是通過動力旋轉頭的降低造成的。如果動力旋轉頭已到達其下部位置即井眼降低了一段長度時，它必須脫離連接鉆桿上端并隨后移入其上部位置。在此位置上，在用于固定動力旋轉頭驅動部件的法蘭和連接鉆桿上端之間出現(xiàn)一個自由長度，它至少相應于連接鉆桿的一段的長度?，F(xiàn)在可以裝入另一個連接鉆桿段。由此支承裝置必須有一定的高度，所述高度至少相應于連接鉆桿的一段的長度。
在另一個本發(fā)明裝置實施例中，旋轉式驅動裝置被設計成有選擇地與連接鉆桿外表面作用連接(如通過夾緊手柄)的且本身結構已由連管裝置公開的旋轉式驅動裝置。
如果該裝置高度可調地安裝在支承裝置上，則也可以通過旋轉式驅動裝置將掘進力傳入連接鉆桿。掘進整體上是通過旋轉式驅動裝置的周期“跟進”實現(xiàn)的，即它在松開狀態(tài)下向上移動一段距離，隨后固定于連接鉆桿外表面上并重新降低。由于旋轉式驅動裝置可以設置在連接鉆桿縱向的幾乎任一個位置上，所以，旋轉式驅動裝置可沿連接鉆桿縱軸方向偏移的升程不再必須至少相應于其一段局部長度，從而與迄今所知的裝置相比，驅動裝置可以安裝得很低。
高度調節(jié)最好借助于可縱向調節(jié)長度的動力源，所述動力源被設計成液壓操作的活塞/動力缸。
本發(fā)明的其它設計方案可以參照附圖從后續(xù)說明書中看到。其中

圖1是設在地層井眼外的本發(fā)明第一實施例的驅動部的立體圖。
圖1A是一個旋轉式驅動裝置，它是在圖1所示的驅動裝置的實施例中的旋轉式驅動裝置的另一種形式。
圖2示意地畫出了在本發(fā)明裝置中氣升式掘進系統(tǒng)的工作方式。
圖3是工作液旋轉接頭的局剖側視圖。
圖4放大地示出了穿過圖3所示旋轉接頭的縱軸縱截面圖。
圖4A是在圖4中由IVa表示的以虛線為邊的區(qū)域的放大圖。
圖5示意地畫出了三個具有不同活塞桿直徑的降壓器的截面圖。
圖6是具有許多撞錘的鉆頭的側視圖。
圖7是圖6的仰視圖。
圖1示出了設置在待鉆設地層井眼外的本發(fā)明第一實施例裝置的部件。整體由3表示的裝置驅動部固定在一個支承裝置2上，所述支承裝置支承在一個整體由1表示的工作平臺上。一個示意畫出的旋轉驅動頭4與具有可彼此相連段的連接鉆桿5裝配在一起，其中只示出了所述連接鉆桿的上部分且所述連接鉆桿穿過工作平臺1地伸入待鉆設地層井眼中(僅用虛線表示)并直達鉆頭。由旋轉驅動頭4驅動連接鉆桿5是可以通過在現(xiàn)有技術中所知道的常見的方式方法來實現(xiàn)，例如通過一個液壓馬達。
作為替換方式，也可以不用設置在連接鉆桿5上端上的旋轉驅動頭4，而是采用一種如圖1A所示的旋轉式驅動裝置4′，這種裝置本身已經(jīng)由連管裝置(Verrohrungsvorrichtungen)披露了。
此旋轉式驅動裝置4′具有一個固定的外部件4″，一個其內徑與連接鉆桿5外徑匹配的且有選擇地至少在驅動方向上與其有效相連的即與其受力或形狀相配地接合的環(huán)形內部件4可相對所述外部件受到轉動驅動。所述驅動可以如通過一個液壓馬達來實現(xiàn)。通過其位置固定的外部件4″，旋轉式驅動裝置4′可以與設置在支承裝置2上的位置可變的動力源2′如主軸或活塞/缸單元作用連接。如果連接鉆桿5和旋轉式驅動裝置4′的內部件4是如此設計的，即在連接鉆桿5縱向上也可以獲得連接鉆桿與內部件4之間的受力相配的連接，則掘進力可以看成通過旋轉式驅動裝置4′傳入連接鉆桿中。但是也可以使旋轉式驅動裝置4′牢固地支承在支承裝置上且如此設計內部件4和連接鉆桿5，即使連接鉆桿5可以在內部件4中沿其縱向移動。在這種情況下，掘進力如通過與仍待描述的第一旋轉接頭10的連接被傳入連接鉆桿中。
在連接鉆桿5上端上設有一個由10表示的第一旋轉接頭，在地層井眼底部被鉆松動的材料通過所述旋轉接頭并經(jīng)排出管21被向外排出，借助第一輸入管道13將壓縮空氣送入連接鉆桿中。在第一旋轉接頭10下方設有整體由20表示的第二旋轉接頭。支承裝置2可繞水平軸A擺動且與擺動驅動機構6相連，從而它可以變得傾斜且也可以偏離垂直地層井眼地掘進。
圖2示意地畫出了鉆井過程。在此過程中，由鉆頭40的撞錘41錘松的碎石從如部分充水而達到水平面9′的地層井眼9的底部16被向外排出。連接鉆桿5內腔構成了礦漿輸送管道8，此管道中通常充滿了水，在鉆頭40上方通過一個進氣閥43將空氣吹入上述管道中。所述空氣在鉆井裝置外受到一個未示出的壓縮機的壓縮并通過第一輸入管道13和第一旋轉接頭10并借助第一供應管12將壓縮空氣沿連接鉆桿5向下吹入。吹入的空氣通過在礦漿輸送管道8中因吹風而混入空氣的液體與在地層井眼9的外部液體之間的密度差而在礦漿輸送管道8內造成升流，碎石通過礦漿輸送管道被向上傳送且通過排出管11沖出裝置外。通過第二輸入管道23，在與第一旋轉接頭成一體地示出的第二旋轉接頭20中將工作介質供給第二供應管22并通過此供應管沿連接鉆桿向下傳送工作介質以便驅動鉆頭40的撞錘41。
圖3示出了第二旋轉接頭20的側視圖，其中畫出了視圖的左半部，而右半部示出了一個經(jīng)過連接鉆桿5的軸線B的用于將工作介質引入第二供應管22中的第二旋轉接頭20的剖面。在外殼內24設有分級的密封件(其工作方式以后再描述)和轉動軸承32。外殼24通過該轉動軸承可轉動地支承在連接鉆桿5外周上。第二旋轉接頭20例如可通過轉矩套管25(Drehmomentstutz)固定在圖1所示的支承裝置2上。這種固定可以借助螺栓來實現(xiàn)，當?shù)诙D接頭20應該隨之轉動時，只須松開所述螺栓。如果本發(fā)明的裝置只是暫時僅用于鉆管驅動，則松開環(huán)繞連接鉆桿5的第二旋轉接頭20的外殼24的作用在于在松開工作液輸入管道后，第二旋轉接頭20隨之旋轉，從而在此狀態(tài)下的密封環(huán)既不受液壓力也不受機械力，結果延長了裝置的使用壽命。
在所示實施例中，在位置固定的外殼24上裝有三個降壓器50，其功能以后再探討。
圖4示出了穿過第二旋轉接頭20的截面。驅動撞錘的工作介質(因環(huán)境和操作技術的原因而優(yōu)選水)通過一個與第二輸入管道23(圖2)相連的固定接頭26被供給過一個環(huán)繞連接鉆桿5的過渡腔27。在第二旋轉接頭20區(qū)域內，連接鉆桿5表面應該盡可能地平滑和平整，從而靠置其上的密封件不會受到過度磨損。工作介質由過渡腔27到達穿過旋轉驅動頭20的沖洗介質供應管12，經(jīng)過分布于外周上的轉接換口14而流入一個成型于連接鉆桿5上端的環(huán)形腔15中，并再從此環(huán)形腔中流入沿連接鉆桿5外側導流的第二供應管22。供應管12也可以是一個沿連接鉆桿外側導流的管道。這兩個供應管12、22和礦漿輸送管道8是分開的。
外殼24具有上法蘭28和下法蘭29，在這兩個法蘭之間形成了用于該第二供應管22中的工作介質的過渡腔27。在過渡腔27兩側上裝有四個沿軸向前后分級的且用30a、30b、30c、30d表示的密封環(huán)，所述密封環(huán)在此實施例中具有一個大致成L形的橫截面。各密封環(huán)的其中一個邊35′(圖4A)對著指向輸入高壓的過渡腔27且以它的外側面靠在連接鉆桿5自轉的外周面5′上。另一個邊35″在一個垂直于連接鉆桿5軸的平面內向外延伸。邊35″分別設置在相鄰環(huán)34a、34b、34c、34d之間，所述環(huán)安裝在外殼與外周面5′相鄰的圓柱形腔36中且和位于它們中間的邊35″合成一組或一塊，從而固定了所有的密封環(huán)。
環(huán)34a、34b、34c、34d在其朝向外周面5′的內周面上留有環(huán)形腔38a、38b、38c、38d以便容納密封環(huán)的邊35′。環(huán)形腔38a、38b、38c分別具有一個各自的接口39a、39b、39c，通過這些接口由降壓器50供入一個壓力介質。供給各環(huán)形腔38a、38b、38c壓力介質通過朝向過渡腔27的相鄰環(huán)的內周面和外周面5′之間的縫隙到達鄰近過渡腔27的密封環(huán)的背面。因此，例如，在環(huán)形腔38c中的壓力到達密封環(huán)30d的邊35′背面31d并試圖從外周面5′起向上升。在17處，處于完全壓力下的液體滲入環(huán)形腔38d中并將邊35′壓在外周面5′上。在環(huán)形腔38c內的壓力與此壓緊作用相反地作用。對壓緊作用來說，壓差是決定性的。如此選擇接口39c內的壓差，即有效壓差不超過約為10巴-25巴范圍中某個臨界值，密封環(huán)30d可持久地忍耐該臨界值。
供給接口39c壓力將密封環(huán)30c邊35′壓到外表面5c上。此壓力對密封環(huán)30c來說一般太高了。由此在這里，供給接口39b一個較低壓力，此壓力卸載(壓)地作用于密封環(huán)30c邊35′外側31c上，從而密封環(huán)30c不會有危險。在最靠近的密封環(huán)30b中用供給接口39a的壓力實現(xiàn)了卸載(壓)，因此，不再威脅密封環(huán)30a。從而過渡腔27中的高壓被逐步降低，于是各密封環(huán)的邊35′只承受對其不構成威脅的部分壓力。
如上所述，在外殼24內設有軸承32，連接鉆桿5可以通過軸承在固定安裝在外殼24內轉動且它徑向地將密封環(huán)保持在一個位于構成密封面的連接鉆桿外表面5′的對面的限定位置上。此轉動的外表面5′通過密封環(huán)30a、30b、30c、30d將摩擦力矩傳給外殼24，所述外殼受到上述轉矩套管25的支承。
所示的實施例如被設計用于工作介質壓力為70巴左右的情況。第一環(huán)形腔38d承受一個大約為過渡腔27內的工作介質壓力的85％的壓力。第二環(huán)形腔38c承受一個約為工作介質壓力的50％的壓力，而第三環(huán)形腔則為15％。結果是，在第一密封環(huán)30a上的壓差約為10巴，在第二密封環(huán)30b、第三密封環(huán)30c上的壓差約為25巴，在第四密封環(huán)30d上的壓差約為10巴。在此壓力下，盡管存在大的連接鉆桿5外周且存在一個由旋轉驅動頭產生于外周面5′上的5-20m的周向速率，但不會出現(xiàn)太大的磨損，如果在過渡腔27的整個壓力下只有一個密封件，則根據(jù)本發(fā)明上述磨損是不可避免的。
根據(jù)工作介質壓力的情況，密封環(huán)數(shù)目是可變的，但是在各密封環(huán)上的壓差總不超過一個臨界值如25巴。
各密封環(huán)30d、30c、30b的壓力卸載是與工作介質壓力密切相關地通過各降壓器50的幾何形狀而得到控制的。圖5A、5B、5C示出了三個被設計成液壓缸56的降壓器50A、50B、50C。缸56分別具有一個頂板55和一個底板57以及一個穿過頂板55的且具有不同直徑D的活塞桿51A、51B、51C，但是可以具有相同活塞53和直到過渡腔27的接頭58都是封閉的且具有相同直徑的缸腔54。工作介質分別通過在活塞桿側的接頭52即在頂板55中的接頭被供給進缸56。缸腔54中充滿了與工作介質不同的液壓介質且此缸腔通過接頭58和液壓輸入管道與環(huán)形腔38a、38b、38c的接口39a、39b、39c相連。如果在所有使用的降壓器50中，缸腔54直徑和活塞53直徑是相同的，則由降壓器50產生的壓力只是由在排除活塞桿橫截面后所保留的缸腔54的剩余橫截面確定的。因此，具有最小活塞桿橫截面的降壓器50A產生了最高壓力。它與環(huán)形腔38c相連。
在缸腔54和環(huán)形腔38a、38b、38c中的液壓介質最好是潤滑劑如潤滑脂，它潤滑密封環(huán)30a、30b、30c、30d。密封環(huán)由彈性體材料構成。
在圖6、7中畫出了一個鉆頭40，例如為了驅動，它使用了水作為工作介質。由工作介質驅動的撞錘41通過支架44與安裝板42相連，所述安裝板安裝在連接鉆桿5下端上。裝在撞錘41上的鉆具45向下作用于井眼9底部10(圖2)并在那里碎裂巖石。各作用位置因鉆頭40沿周向的轉動而前移。由于將鉆具45設置在不同半徑上，所以整個鉆井橫截面可以交疊(作用)。鉆具45的數(shù)目和布局可以與井眼9的直徑和待排出的廢料相匹配。撞錘41的下端受到一個其直徑等于井眼直徑的圓盤形導向板46的夾持和引導。
權利要求
1.一種地層井眼(9)的鉆井裝置，它具有一個布置在待鉆設地層井眼(9)上方的且?guī)в幸粋€固定設置的旋轉驅動頭(4)的驅動部(3)；一個與旋轉驅動頭(4)連接的且穿過旋轉驅動頭一直降入地層井眼(9)中的空心連接鉆桿(5)；一個固定設置在驅動部(3)中的且通過其把沖洗介質供給轉動連接鉆桿上端的第一旋轉接頭(10)，沖洗介質可以通過一個沿連接鉆桿(5)延伸的第一供應管(12)供給一個設置在連接鉆桿(5)上的輸入口(43)；一個設置在驅動部(3)中的且通過其把高壓工作液供給連接鉆桿(5)上端的第二旋轉接頭(20)，所述工作液可以通過沿連接鉆桿延伸的第二輸入管道(22)供給連接鉆桿(5)下端，所述第二旋轉接頭具有一個環(huán)繞連接鉆桿(5)的且具有一個與用于工作液的外部供應管(23)和第二供應管(22)上端相連的且沿軸向向兩側密封的過渡腔(27)的外殼(24)，其中在過渡腔(27)的兩側分別設置了許多軸向分級的且逐步液壓卸載的密封環(huán)(30a，30b，30c，30d)；一個設置在連接鉆桿(5)下端上的且被設計成沖洗頭的鉆頭(40)，此鉆頭與連接鉆桿內腔(8)相通；許多設置在鉆頭上的且向下掘進的且由驅動液驅動的撞錘(41)，其特征在于，分別在遠離過渡腔(27)的密封環(huán)(30b，30c，30d)側面上設置了一個環(huán)形腔(38b，38c，38a)，所述環(huán)形腔具有一個用于輸送由一個壓縮機提供的液壓壓力介質的接口(39b，39c，39a)且它與一個用于密封環(huán)(30b，30c，30d)的卸載的密封環(huán)側面相連，并且所述的環(huán)形密封環(huán)(30a，30b，30c，30d)逐步液壓卸載，并且設有由驅動介質作用的降壓器(50)作為壓縮機。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，降壓器(50)具有動力缸(56)，其中工作液壓力被供給到缸(56)的活塞桿側，在活塞(53)另一側上，在缸腔(54)的整個橫截面上產生的壓力與活塞桿側工作面縮小對應地逐漸降低且分別將所述壓力供給一個所屬的環(huán)形腔(38a，38b，38c)。
3.如權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，壓縮機(50)設置在固定的第二旋轉接頭(20)的外殼(24)上。
4.如權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，密封環(huán)(30a，30b，30c，30d)的逐步卸載在過渡腔(27)兩側對稱進行。
全文摘要
一種地層井眼鉆井裝置具有一個旋轉驅動頭和一個與旋轉驅動頭相連的且可以通過旋轉驅動頭一直降入地層井眼中的空心連接鉆桿。在連接鉆桿下端上設有一個具有許多向下掘進的且由驅動液驅動的撞錘的鉆頭。在第一實施例中,在連接鉆桿上部區(qū)域內設有一個旋轉接頭,通過此旋轉接頭將高壓驅動液供給連接鉆桿上端且它在其外殼內具有一個與工作液外輸入管道相連的且在兩側軸向密封的過渡腔。在過渡腔兩側設置了許多軸向分級的且逐步得到液壓平衡的密封環(huán)。
文檔編號E21B3/025GK1356450SQ0112245
公開日2002年7月3日 申請日期2001年7月6日 優(yōu)先權日1996年3月13日
發(fā)明者弗里茨·蒂布塞克, 彼得·海因里希斯 申請人:維爾特機器和鉆孔工具制造廠有限公司