專利名稱：使用沖擊方法鉆定向井的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例總體上涉及用于沖擊式鉆井的方法和設(shè)備。具體地，本發(fā)明的實(shí) 施例涉及一種鉆井工具，其在轉(zhuǎn)動鉆頭的同時(shí)沖擊，并且獨(dú)立于鉆柱的轉(zhuǎn)動。
背景技術(shù)：
將井眼鉆入到地層(特別是堅(jiān)硬巖石)中的沖擊方法，涉及到周期性和尖峰狀的 沖擊力，多于由鉆柱的重量施加的固定壓力。相對于傳統(tǒng)的重力鉆井方法，這種沖擊作用產(chǎn) 生了極高的鉆進(jìn)速度。通過使用沖擊式鉆井工具，鉆頭需要轉(zhuǎn)動，從而安裝在其表面上的切削元件則在 每個(gè)隨后的撞擊過程中與新鮮巖層接觸。傳統(tǒng)地，這種需要通過將鉆頭鍵連接到鉆柱上來 實(shí)現(xiàn)，從而鉆柱的轉(zhuǎn)動被傳遞給鉆頭，所述鉆柱的轉(zhuǎn)動由安裝在鉆塔上的旋轉(zhuǎn)工作臺提供， 且在每分鐘20到40轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)。沖擊式鉆井工具是連接至鉆柱的端部的氣動裝置。高度壓縮的空氣被交替地引導(dǎo) 進(jìn)入和離開兩個(gè)分開的腔體。一個(gè)腔體定位在滑動主體(公知為活塞)的上方，而另一個(gè) 腔體定位在滑動主體的下方，從而使得空氣造成主體向上和向下加速，在工具殼體內(nèi)往復(fù) 運(yùn)動。在工具工作期間，鉆頭在井眼的底部保持與地層的接觸。當(dāng)滑動主體被向下引導(dǎo)時(shí)， 它有力地撞擊鉆頭的頂部，并造成與鉆頭接觸的巖石碎裂。正如上所述的，需要轉(zhuǎn)動鉆頭來 使其在隨后來自滑動主體的撞擊過程中鉆進(jìn)新鮮巖石。盡管沖擊式鉆井工具可提供更快的 鉆進(jìn)速度，但是轉(zhuǎn)動整個(gè)鉆柱的需要使得失去了在所需方向上偏離井眼軌跡的能力。為提供粉碎巖層所必需的撞擊力，往復(fù)式活塞以在每秒300到400英寸范圍的相 對高的線性速度行進(jìn)。在使用活塞軸向運(yùn)動的動能來導(dǎo)致鉆頭上的轉(zhuǎn)動運(yùn)動的方法中， 會涉及接觸的主體之間的高速運(yùn)動。此外，需要大幅度的扭矩來抵抗由地層形成的摩擦 力轉(zhuǎn)動鉆頭并且其不可避免地在鄰近活塞和鉆頭的表面產(chǎn)生很大的接觸壓力，所述大幅 度的扭矩在理想狀態(tài)下在500到1000英尺磅(foot pounds)范圍、而在不利狀態(tài)下達(dá)到 3000-4000英尺磅的大幅度的扭矩。高接觸速度和高接觸壓力的組合效果產(chǎn)生了大量的摩 擦和熱，在這些接觸表面上導(dǎo)致了嚴(yán)重的磨損損害。在常規(guī)的重力鉆井方法中，通常稱為鉆壓的用于將鉆頭壓向地層底部的力，典型 地在20000到50000磅之間。在沖擊式鉆井中，由于是往復(fù)式活塞抵壓鉆頭的沖擊力來破 碎地層，這種巨大的鉆壓就不需要了。然而，當(dāng)工具鉆進(jìn)地層時(shí)，鉆頭趨于滑離工具的殼體。 如果不允許鉆柱跟隨鉆頭進(jìn)入到地層中，工具會進(jìn)入“打開位置”并停止周期性工作。因此， 將鉆柱足夠快地推進(jìn)到井眼中以避免工具打開，這取決于操作者的技術(shù)。然而，相反地，如果鉆柱的重量沒有適當(dāng)?shù)刈柚?，鉆柱會向鉆頭提供過度的重量。 由于極端的鉆壓顯著地增加了轉(zhuǎn)動鉆頭所需的摩擦扭矩，這也是不期望的。因此，操作者面 對著推進(jìn)鉆柱的艱難工作，一方面，要足夠快速以防止工具打開，而另一方面，要足夠慢速 以避免將鉆頭過度地壓向巖層。操作者必須阻止大部分的鉆柱重量，而試圖允許恰恰足夠 的力來保持工具關(guān)閉。鉆柱和井眼的壁之間的接觸所產(chǎn)生的摩擦阻力加劇了這種兩難局
因此，需要一種沖擊式鉆井工具，其能夠獨(dú)立于鉆柱而轉(zhuǎn)動鉆頭，沒有由高速高接 觸壓力下運(yùn)動所產(chǎn)生的有害磨損后果。也需要提供一種方式，利用該方式鉆機(jī)能夠?qū)@柱 推進(jìn)到井中，而不需要將鉆頭既不過重亦不過輕地壓向地層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明整體上涉及一種鉆井方法和設(shè)備。在一個(gè)方面，提供了 一種鉆井工具組件。 該鉆井工具組件包括圓柱形殼體。該鉆井工具還包括在殼體內(nèi)可軸向運(yùn)動的活塞。鉆井 工具還包括設(shè)置在殼體和活塞之間的旋轉(zhuǎn)鍵組件。旋轉(zhuǎn)鍵組件包括軸承，該軸承被配置為 在活塞的第一方向期間旋轉(zhuǎn)而在活塞的第二方向期間滑動。此外，鉆井工具包括可操作地 聯(lián)接至活塞的切削組件，其中切削組件被構(gòu)造為當(dāng)活塞在殼體內(nèi)軸向運(yùn)動時(shí)相對于活塞轉(zhuǎn) 動。在另一方面，提供一種鉆井工具組件。鉆井工具組件包括主體和活塞，該活塞可沿 著主體在第一方向和第二方向上軸向運(yùn)動。鉆井工具組件還包括鉆頭。此外，鉆井工具組 件包括可操作地聯(lián)接至活塞和鉆頭的離合機(jī)構(gòu)，其中該離合機(jī)構(gòu)被構(gòu)造為當(dāng)活塞在第一方 向上運(yùn)動時(shí)相對于活塞轉(zhuǎn)動鉆頭。在又另一方面，提供一種形成井眼的方法。該方法包括將鉆井工具設(shè)置在井眼中 鉆柱上的步驟。鉆井工具包括主體、活塞、離合機(jī)構(gòu)和鉆頭。該方法進(jìn)一步包括通過交替地 將壓縮空氣引導(dǎo)入活塞上方的上部腔體和活塞下方的下部腔體而使活塞軸向地往復(fù)運(yùn)動 的步驟。該方法還進(jìn)一步包括獨(dú)立于鉆柱轉(zhuǎn)動鉆頭的步驟，其中鉆頭被構(gòu)造為在活塞沿著 主體軸向運(yùn)動且接合離合機(jī)構(gòu)時(shí)轉(zhuǎn)動，并且其中鉆頭相對于活塞轉(zhuǎn)動。此外，該方法包括當(dāng) 鉆頭轉(zhuǎn)動時(shí)提供撞擊力從而形成井眼的步驟。


為了使本發(fā)明的上述特征能夠更加詳細(xì)地理解，可以參照實(shí)施例對上述簡要概括 的本發(fā)明進(jìn)行更加具體地描述，其中一些實(shí)施例在附圖中示出。然而，應(yīng)當(dāng)注意的是，附圖 僅僅示出了本發(fā)明的典型實(shí)施例，因此不能認(rèn)為是對本發(fā)明范圍的限定，因?yàn)楸景l(fā)明還可 包括其他等效的實(shí)施例。圖1是鉆井工具處于沖洗模式下的截面圖。圖2是鉆井工具處于活塞上沖程開始階段的截面圖。圖3是鉆井工具處于活塞下沖程開始階段的截面圖。圖4是第一旋轉(zhuǎn)鍵組件和第二旋轉(zhuǎn)鍵組件的截面圖。圖4A是第一旋轉(zhuǎn)鍵組件的一個(gè)實(shí)施例的橫截面視圖。圖4B是第二旋轉(zhuǎn)鍵組件和離合機(jī)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例的橫截面視圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明總體上涉及一種轉(zhuǎn)動井眼工具的設(shè)備和方法。如前文所述，本發(fā)明會被描 述為涉及沖擊鉆井工具。然而，需要注意的是，本發(fā)明的方面并非限于沖擊鉆井工具，而且 還可等效地應(yīng)用于其它類型的井眼工具。為了更好地理解本發(fā)明的設(shè)備及其使用方法的新穎性，下面將參照附圖予以說明。將會簡要地論述一下附圖1-3，以提供沖擊式鉆井工具和沖擊式鉆井方法的操作 的總體概述。在沖擊式鉆井工具在井眼中被鉆柱懸掛離開的底部時(shí)，壓縮空氣通過并經(jīng)由 工具沿著鉆柱向下導(dǎo)入到井眼中。這是公知的“沖洗”模式，這有助于清除位于巖層底部的 巖石碎片和其他碎屑。當(dāng)工具抵達(dá)井眼底部時(shí)，鉆頭被定位到“關(guān)閉”模式而工具的工作開 始。在工作期間，活塞體開始在工具殼體中往復(fù)運(yùn)動并且撞擊鉆頭的頂部，破碎鉆頭下方的 相鄰巖層。鉆頭通過后面將描述的機(jī)構(gòu)獨(dú)立于鉆柱而轉(zhuǎn)動，從而使得在隨后的沖擊期間，鉆 頭上的切削元件打擊新鮮巖石。例如，鉆頭可以在每個(gè)活塞周期轉(zhuǎn)動6到7度，從而使得位 于鉆頭周圈上的這些切削元件位移了大約它們的半個(gè)直徑的距離。圖1示出了鉆井工具10的“沖洗”模式，此時(shí)該工具被懸掛離開底部。切削組件 25被懸掛于保持軸套100，并且這兩者均部分地置于主體或殼體20內(nèi)并可聯(lián)接到驅(qū)動軸 90，其中在這里切削組件的一個(gè)例子是鉆頭25。驅(qū)動軸90相對于殼體20可轉(zhuǎn)動。在鉆頭 25抵達(dá)到井眼底部之前，壓縮空氣被沿著鉆柱向下引導(dǎo)并進(jìn)入輸送管腔體M內(nèi)。接著，空 氣被引導(dǎo)穿過開口 51進(jìn)入上部腔體56，并自此處經(jīng)由通道64進(jìn)入內(nèi)部活塞腔體65。自活 塞60內(nèi)部的腔體65，空氣通過形成在鉆頭25中的開口沈?qū)С?。壓縮空氣有助于清除任 何堆積在井眼底部的碎屑。最后，殼體20的下端和保持軸套100之間的間隙稱之為“錘落 差(hammer drop)”，而保持軸套100的下端和鉆頭25之間的間隙稱之為“釬頭落差(bit drop) ”。這兩個(gè)間隙在工具的沖洗模式工作期間都是打開的。圖2示出了鉆井工具10在其在井眼中下降并且鉆頭25接觸井底部之后的“關(guān)閉” 模式。在這里，“錘落差”和“釬頭落差”是關(guān)閉的。具體地，鉆頭25和保持軸套100被推入 到殼體20中，直到由鉆頭形成的肩部27接觸到保持軸套100的第一肩部101并且保持軸 套100的第二肩部102接觸到殼體20的端部。接觸后，活塞60被向上推，從而由于活塞60 的上段62覆蓋了輸送管50的開口 51而切斷了到上部腔體56的空氣。而該空氣被再次引 導(dǎo)，通過輸送管50的開口 52經(jīng)由狹槽66進(jìn)入下部腔體57?；钊?0的下端63與驅(qū)動軸 90的孔接合并相對于其密封，從而由于下部腔體57被充氣，增大的壓力會使活塞相對于殼 體20加速上升。這開始了活塞60的往復(fù)運(yùn)動和鉆井工具的工作。圖3示出了位于其行程頂部的活塞60。隨著活塞60的加速上升，在活塞60的下 端63與驅(qū)動軸90之間的密封接合被解除，而來自于下部腔體57的空氣通過鉆頭25中的 開口沈被釋放出來。其后，壓縮空氣接著經(jīng)由通道64自輸送管50中的開口 51被再次引 導(dǎo)到上部腔體56，以使這個(gè)腔體增壓并使活塞60減速直到活塞變得停止，之后使活塞向下 加速，從而使得活塞的下端63撞擊鉆頭25的頂部。這種鉆井工具10連同設(shè)置在鉆頭上面附近的彎轉(zhuǎn)接頭(bend sub)(未示)一起， 可允許鉆機(jī)將彎轉(zhuǎn)的朝向保持在期望方向上，從而能夠以有定向的且沖擊的方式來鉆井 眼。結(jié)合有1/2度到2度彎度的彎轉(zhuǎn)接頭，鉆井工具10可達(dá)到每100英尺5度到15度的 造斜速度(build rate)或者彎折嚴(yán)重度(dog legseverity)。除了這種一般操作外，鉆井工具10包括旋轉(zhuǎn)鍵組件，該旋轉(zhuǎn)鍵組件可用于處理與 由高表面接觸壓力和往復(fù)式活塞的高速運(yùn)動所造成的有害磨損效果相關(guān)的間題。此外，鉆 井工具10包括具有高響應(yīng)頻率的離合機(jī)構(gòu)，該離合機(jī)構(gòu)可用于將轉(zhuǎn)動運(yùn)動傳導(dǎo)給鉆頭。首先，將焦點(diǎn)關(guān)注于磨損間題上。如稍后將予以說明的，由于驅(qū)動軸90的轉(zhuǎn)動，鉆頭25獨(dú)立于鉆柱而轉(zhuǎn)動，該驅(qū)動軸經(jīng)由擺動式離合器80通過往復(fù)式活塞60所驅(qū)動?；钊?60可滑動地接合在汽缸殼體20內(nèi)，使得其可以在殼體內(nèi)軸向運(yùn)動但不能相對于殼體轉(zhuǎn)動。 由于往復(fù)式活塞60提供了轉(zhuǎn)動鉆頭所需的必要的強(qiáng)力，在活塞和鄰近的表面上產(chǎn)生了高 速下的高壓縮壓力。為了避免由于嚴(yán)重的滑動摩擦和極端的接觸剪切應(yīng)力所造成的損害， “旋轉(zhuǎn)(rolling)”動作可以用于這些表面。圖4描述了第一旋轉(zhuǎn)鍵組件110以及第二旋轉(zhuǎn)鍵組件120，其可用于減輕上述應(yīng) 力。這些旋轉(zhuǎn)鍵組件中的一個(gè)或多個(gè)可以在鉆井工具的工作期間使用。在一個(gè)實(shí)施例中，參照第一旋轉(zhuǎn)鍵組件110，活塞60可相對于殼體20軸向運(yùn)動，而 不能相對于殼體轉(zhuǎn)動。為了防止活塞60的轉(zhuǎn)動，在活塞的外表面上加工有一組槽111(圖 4A所示)，并且在殼體20的內(nèi)表面上加工有類似的相匹配的一組槽112 (圖4A所示)設(shè) 置。這些組的槽可以以直的構(gòu)造形成。這兩組槽111、112形成了一組軸承滾道118，該軸承 滾道接納一個(gè)或多個(gè)軸承115，這里所涉及的軸承的一個(gè)例子是旋轉(zhuǎn)鍵(rolling key) 115。 軸承可以包括球形件。這些槽可以具有限定各滾道中旋轉(zhuǎn)鍵的運(yùn)動的球形端部。隨著活塞 60在殼體20內(nèi)軸向往復(fù)運(yùn)動，設(shè)置在槽之間的旋轉(zhuǎn)鍵115阻止了活塞相對于殼體的轉(zhuǎn)動運(yùn) 動。此外，旋轉(zhuǎn)鍵115可通過在活塞60和殼體20之間提供旋轉(zhuǎn)動作而減少由往復(fù)式活塞 60所造成的摩擦壓力。為確保鍵在活塞60的沖程期間旋轉(zhuǎn)，鍵被定位在滾道中，使得滾道具有對于鍵來 說足夠的長度來使得鍵在碰撞滾道的端部之前能夠旋轉(zhuǎn)。例如，如果活塞相對于殼體軸向 運(yùn)動的距離為X，那么鍵相對于活塞旋轉(zhuǎn)的距離為X+2，相對于殼體旋轉(zhuǎn)的距離也是X+2。 當(dāng)活塞處于其最高位置時(shí)，活塞上的槽的上端應(yīng)當(dāng)在殼體上的槽的上端之上至少X+2的 距離，并且自活塞上的槽的下端到殼體上的槽的下端的距離應(yīng)當(dāng)為至少X+2。在這樣的設(shè) 置中，由于活塞向下運(yùn)動的距離為X，鍵具有至少X+2長的滾道通道以分別在活塞上和殼 體上旋轉(zhuǎn)。此外，當(dāng)活塞處于其最低位置，即處于撞擊時(shí)，自活塞上的槽的下端到殼體上的 槽的上端的距離應(yīng)當(dāng)至少等于X，以確保活塞不會將鍵撞擊到殼體上的槽的上端。在一個(gè)實(shí)施例中，活塞60被構(gòu)造為在向下的沖程中轉(zhuǎn)動鉆頭。由于活塞60向上 運(yùn)動的距離為X，鍵在其接觸到槽表面時(shí)可以旋轉(zhuǎn)，并且在其沒有接觸到時(shí)不可以旋轉(zhuǎn)。在 任何情況下，活塞槽的下端都會將鍵抓住并使其沿殼體槽向上，并且將其定位在離活塞槽 的上端至少X+2距離并且離殼體槽的下端至少X+2距離的位置上，適合于其在活塞向下 運(yùn)動時(shí)的完全的旋轉(zhuǎn)動作。在另一方向上，在活塞60向下運(yùn)動的距離為X時(shí)，并且在它提供了轉(zhuǎn)動鉆頭所必 需的扭矩時(shí)，與轉(zhuǎn)動釬頭所需的高扭矩大小相等且方向相反的反作用扭矩促使活塞槽的表 面將鍵用力地?cái)D壓到殼體槽的表面。結(jié)果是，鍵在活塞槽上旋轉(zhuǎn)了 X+2的距離并且在殼體 槽上旋轉(zhuǎn)了 X+2距離。因此，確保了旋轉(zhuǎn)替代了滑動動作，并且避免了這些表面上的磨損。在替代實(shí)施例中，活塞60被構(gòu)造為在上沖程中轉(zhuǎn)動鉆頭。在活塞60向下運(yùn)動的 距離為X時(shí)，鍵在其接觸到槽表面時(shí)可以旋轉(zhuǎn)，并且在其沒有接觸到時(shí)不可旋轉(zhuǎn)。在任何情 況下，活塞槽的上端都會將鍵抓住并使其沿殼體槽向下，并且將其定位在離活塞槽的下端 至少X+2距離并且離殼體槽的上端至少X+2距離的位置，適合于其在活塞向上運(yùn)動時(shí)的 完全的旋轉(zhuǎn)動作。在另一方向上，在活塞60向上運(yùn)動的距離為X時(shí)，并且在它提供了轉(zhuǎn)動鉆頭所必需的扭矩時(shí)，與轉(zhuǎn)動頭部所需的高扭矩大小相等且方向相反的反作用扭矩促使活塞槽的表 面將鍵用力地?cái)D壓到殼體槽的表面。結(jié)果是，鍵在活塞槽上旋轉(zhuǎn)了 X+2的距離并且在殼體 槽上旋轉(zhuǎn)了 X+2的距離。因此，確保了旋轉(zhuǎn)替代了滑動動作，并且避免了這些表面上的磨 損。圖4還示出了第二旋轉(zhuǎn)鍵組件120。第二旋轉(zhuǎn)鍵組件120定位在離合器80和活塞 60之間，并且它包括一個(gè)或多個(gè)軸承125和一個(gè)或多個(gè)滾道128，這里所提到的軸承的一個(gè) 例子為旋轉(zhuǎn)鍵125。滾道可以形成為螺旋狀結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)鍵125有助于方便離合器80和活塞 60上的滾道表面之間的旋轉(zhuǎn)動作，這可以減少由兩個(gè)配合部件的行程所產(chǎn)生的摩擦阻力和 接觸剪切應(yīng)力的量。重要的是應(yīng)當(dāng)注意到，上面描述的與第一旋轉(zhuǎn)鍵組件110相關(guān)的相同 的實(shí)施方式和實(shí)施例可以等效應(yīng)用于第二旋轉(zhuǎn)鍵組件120，反之亦然。圖4B示出了第二旋轉(zhuǎn)鍵組件120的橫截面。現(xiàn)在將焦點(diǎn)集中在離合機(jī)構(gòu)上?；?塞60在殼體20內(nèi)沿軸向往復(fù)運(yùn)動并且相對于殼體不可轉(zhuǎn)動。然而，離合器80被驅(qū)動轉(zhuǎn)動， 這是因?yàn)椋ㄟ^加工于活塞的外表面上的一組螺旋狀槽、加工于離合器80的內(nèi)表面上的 一組類似的匹配的槽、以及設(shè)置在這些槽之間的一組旋轉(zhuǎn)鍵125而與活塞60相接合。由于 活塞60在殼體內(nèi)沿軸向往復(fù)運(yùn)動，它通過旋轉(zhuǎn)鍵125沿著螺旋狀滾道通道的行程來驅(qū)使離 合器80在順時(shí)針和逆時(shí)針方向上擺動。例如，如果螺旋狀槽以自槽的上端到槽的下端逆時(shí) 針的方式加工，那么當(dāng)活塞向下運(yùn)動時(shí)，離合器會在順時(shí)針方向上擺動，而當(dāng)活塞向上運(yùn)動 時(shí)，離合器會在逆時(shí)針方向上擺動。此外，單向離合器80配置為與驅(qū)動軸90接合并且將運(yùn)動在其擺動運(yùn)動的單個(gè)方 向上傳遞給鉆頭25，或者沿順時(shí)針或者沿逆時(shí)針。這允許鉆頭25以步進(jìn)動作的方式轉(zhuǎn)動， 或者沿順時(shí)針或者沿逆時(shí)針。當(dāng)離合器80與驅(qū)動軸90接合時(shí)，活塞60和其相鄰表面之間 的接觸應(yīng)力會處于它們的最高值。因此，第二旋轉(zhuǎn)鍵組件120應(yīng)當(dāng)被構(gòu)造為，當(dāng)離合器與驅(qū) 動軸90接合時(shí)，在活塞的沖程期間提供連續(xù)的旋轉(zhuǎn)動作，如對于第一旋轉(zhuǎn)鍵組件110所描 述的那樣。具體地，鍵應(yīng)當(dāng)定位在滾道中，其中，該滾道具有對于鍵來說足夠的長度，使得鍵 在碰撞到滾道的端部之前在活塞60的整個(gè)沖程中都能旋轉(zhuǎn)。在活塞60的返回沖程，當(dāng)離 合器脫離時(shí)，并且由于接觸應(yīng)力不再試圖轉(zhuǎn)動釬頭因而其處于最小值時(shí)，旋轉(zhuǎn)鍵125可以 旋轉(zhuǎn)和/或被活塞60上的槽的端部帶到一個(gè)位置，在該位置，當(dāng)離合器在活塞的下一沖程 接合時(shí)，該旋轉(zhuǎn)鍵會具有足夠的滾道來旋轉(zhuǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，螺旋狀槽加工于活塞和離合器上，使得當(dāng)活塞沒有角度位移地 往復(fù)運(yùn)動時(shí)，在活塞向下沖程時(shí)離合器沿順時(shí)針方向擺動，并且在活塞向上沖程時(shí)離合器 沿逆時(shí)針方向擺動。在一可替代實(shí)施例中，螺旋狀槽加工于活塞和離合器上，使得在活塞向下沖程時(shí) 離合器沿逆時(shí)針方向擺動，并且在活塞向上沖程時(shí)離合器沿順時(shí)針方向擺動。在一可替代實(shí)施例中，鉆頭25的轉(zhuǎn)動可以由活塞60的轉(zhuǎn)動和離合器80的轉(zhuǎn)動而 產(chǎn)生。在該實(shí)施例中，第一旋轉(zhuǎn)鍵組件Iio的滾道118可以構(gòu)造為，提供活塞相對于鉆柱的 X度的轉(zhuǎn)動；并且第二旋轉(zhuǎn)鍵組件120的滾道1 可以構(gòu)造為，提供離合器80相對于活塞 自身的Y度的轉(zhuǎn)動。在第一和第二旋轉(zhuǎn)鍵組件110、120中任一個(gè)上的滾道118、1觀可以具 有恒定角度螺旋、變角度螺旋、或其組合。在活塞60的每個(gè)周期，鉆頭25的總角度偏移可 以由第一和第二旋轉(zhuǎn)鍵組件110、120的滾道118、128的構(gòu)造所提供。例如，第一旋轉(zhuǎn)鍵組件110的滾道118的構(gòu)造可以提供鉆頭25的X度的角度偏移，而第二旋轉(zhuǎn)鍵組件120的滾 道128的構(gòu)造可以提供鉆頭25的Y度的角度偏移，鉆頭25的總的角度偏移等于X加Y度。如上所提到的，鉆井工具的鉆頭25通過由活塞60驅(qū)動的離合機(jī)構(gòu)獨(dú)立于鉆柱而 轉(zhuǎn)動。圖4示出了離合器80和驅(qū)動軸90。離合器80可釋放地耦合于驅(qū)動軸90，從而它可 以在單一方向上轉(zhuǎn)動該軸。由于驅(qū)動軸90與包圍鉆頭25的保持軸套100連接，當(dāng)軸轉(zhuǎn)動 時(shí)，鉆頭關(guān)于軸可轉(zhuǎn)動地運(yùn)動。在可替代實(shí)施例中，驅(qū)動軸90或者可以與鉆頭25 —體成型，或者也可以剛性聯(lián)接 到鉆頭。根據(jù)所期望的轉(zhuǎn)動方向，當(dāng)活塞60在一個(gè)方向上沖程運(yùn)動時(shí)，離合器80接合并轉(zhuǎn) 動驅(qū)動軸90，其又轉(zhuǎn)動鉆頭25。當(dāng)活塞60在相反方向上沖程運(yùn)動時(shí)，離合器80脫離驅(qū)動 軸90，避免了鉆頭25在相反方向上轉(zhuǎn)回。因此，鉆頭25可以以順時(shí)針或逆時(shí)針步進(jìn)的方式 轉(zhuǎn)動，獨(dú)立于鉆柱。圖4B還示出了離合器80和驅(qū)動軸90的橫截面。離合器80設(shè)置在驅(qū)動軸90中， 并且包括沿其周圈的多個(gè)槽口 85。離合器80可相對于驅(qū)動軸90轉(zhuǎn)動，但不能相對于該驅(qū) 動軸軸向運(yùn)動。類似地，驅(qū)動軸90包括多個(gè)狹槽92和多個(gè)制動爪(dogs)95，所述狹槽沿著 驅(qū)動軸的主體延伸，所述制動爪設(shè)置在狹槽中并且能夠在狹槽中滑動。壓縮空氣允許進(jìn)入驅(qū)動軸90的外表面，并且在制動爪95上施加徑向朝內(nèi)的力，促 使它們朝內(nèi)偏置。以這種方式定位離合器80周圈上的槽口 85，使得在離合器在一個(gè)方向上 轉(zhuǎn)動時(shí)槽口與制動爪相接合。如圖4B所示，當(dāng)離合器80逆時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)，離合器徑向朝外地 推壓制動爪95，允許離合器相對于驅(qū)動軸90滑動。另一方面，當(dāng)離合器80順時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)， 槽口 85向接合的制動爪85提供切向力，并將轉(zhuǎn)動傳到驅(qū)動軸90上。這種構(gòu)造允許離合器 以高響應(yīng)頻率從接合位置切換到脫離位置。例如，如果活塞周期處于20到30赫茲的頻率， 那么離合器應(yīng)當(dāng)能夠每秒鐘20到30次地從接合位置切換到脫離位置。在可替代實(shí)施例中，離合器上的槽口被定位為，當(dāng)離合器以逆時(shí)針方式轉(zhuǎn)動時(shí)與 制動爪相接合，而當(dāng)離合器以順時(shí)針方式轉(zhuǎn)動時(shí)與制動爪脫離。在一個(gè)實(shí)施例中，離合器80具有分離度(resolution) R，即，其在兩個(gè)接合位置之 間可自由擺動的最大角度。這個(gè)分離度被設(shè)置為略小于活塞上螺旋狀滾道的每周期的角度 偏移，以允許制動爪滑入并且接合離合器的時(shí)間。例如，，如果活塞上的螺旋狀滾道每個(gè)周 期的角度偏移是6或12度，根據(jù)螺旋線的侵占性(aggressiveness)，離合器上的分離度應(yīng) 該為5或10度。X個(gè)槽口被加工于并等間距地布置在離合器80的周圈上。為了具有10度 的分離度，離合器應(yīng)當(dāng)具有36個(gè)槽口，而為了具有5度的分離度，離合器應(yīng)當(dāng)具有72個(gè)槽 口。X個(gè)槽口(X值在36和72之間)應(yīng)當(dāng)?shù)玫降扔?60 + X的分離度，或者在5到10度之 間的分離度。通常，上述布置中的每個(gè)槽口可以具有一個(gè)相應(yīng)的制動爪，槽口在接合擺動期間 與該制動爪相接合。然而，如上提及的，為了具有5度的角度轉(zhuǎn)動，驅(qū)動軸的主體上應(yīng)當(dāng)具 有72個(gè)槽口。驅(qū)動軸不可能包括具有足夠?qū)挾鹊娜绱硕嗟牟劭?。因此，在可替代?shí)施例中， 離合器分離度可以通過制動爪和槽口數(shù)量的錯(cuò)配來進(jìn)一步細(xì)分，使得在離合器的每次擺動 期間，不是所有的槽口都接合每個(gè)制動爪。這個(gè)特征也減少了制動爪和離合器對于給定數(shù) 量的周期所引起的磨損量。
例如，離合器上的槽口的數(shù)量X和驅(qū)動軸上的制動爪/狹槽的數(shù)量Y以這樣的方 式錯(cuò)配，該方式為Y小于X并且它們滿足下面的等式k = Y+ (X減Y)，其中k是整數(shù)。如 果我們?nèi) = M且X = 36，那么k = ^+(36- ) =2。制動爪Y之間的等間隔角度為 360^24 = 15度，而槽口 X之間的角度是360 + 36 = 10度。因此離合器的分離度R現(xiàn)在 計(jì)算為15度減10度=5度。這個(gè)分離度R能夠通過下面的等式直接從槽口和制動爪的數(shù) 量值中計(jì)算得出R = 360乘(X減Y) + (X乘Y)。數(shù)值η = X減Y表示在任意給定時(shí)間內(nèi) 同時(shí)被接合的制動爪的數(shù)量，數(shù)值k = Y- (X減Y)表示每組將依次接合的制動爪的組的數(shù) 量，可以設(shè)計(jì)具有期望分離度和每個(gè)周期中期望數(shù)量的被接合的制動爪的離合器。例如，在 χ = 36且γ = 24的上述例子中，其應(yīng)當(dāng)具有兩組制動爪，每組中有12個(gè)制動爪在給定時(shí)間 進(jìn)行接合，而分離度為R = 5度。在數(shù)值X = M且Y = 18的另一例子中，其應(yīng)當(dāng)具有3組 制動爪，每組中有6個(gè)制動爪在給定時(shí)間進(jìn)行接合，而分離度為R = 5度。最后，值得注意的是，關(guān)于從對下腔體充氣到對上部腔體充氣(或者相反)的切換 點(diǎn)的事件。隨著活塞向上運(yùn)動，它經(jīng)過壓縮空氣停止進(jìn)入下部腔體的點(diǎn)和壓縮空氣開始進(jìn) 入上部腔體的另一點(diǎn)。隨著活塞向下運(yùn)動，它經(jīng)過壓縮空氣停止進(jìn)入上部腔體點(diǎn)，而之后 經(jīng)過壓縮空氣開始進(jìn)入下部腔體的另一點(diǎn)。在這兩個(gè)充氣點(diǎn)之間，活塞行進(jìn)經(jīng)過一“死區(qū) (dead band) ”，該死區(qū)通常是大約一英寸長的行程，在此處經(jīng)過鉆柱的氣流被工具切斷，而 工具內(nèi)的壓縮空氣與其他所有內(nèi)部腔體隔離。通過允許工具在某個(gè)工作壓力時(shí)消耗更少體 積的空氣，該死區(qū)有助于增強(qiáng)工具的效率。然而，如果活塞出于一些原因在死區(qū)中停止，由 于沒有壓縮空氣流進(jìn)入任一腔體以使它軸向運(yùn)動，它會停在那里。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，活塞 的循環(huán)不會恢復(fù)。為了將活塞推出死區(qū)(如果它停在那里的話)，允許少量的泄漏連續(xù)地進(jìn) 入腔體中的一個(gè)，該泄露足夠使活塞運(yùn)動，但是足夠小以不會減少工具的效率。雖然前文引入了本發(fā)明的實(shí)施例，但是，在不脫離本發(fā)明的基本范圍的情況下可 以想到本發(fā)明的其它的或另外的實(shí)施例，并且本發(fā)明的范圍由下面的權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種鉆井工具組件，包括圓柱形的殼體；在該殼體內(nèi)可軸向運(yùn)動的活塞；設(shè)置在該殼體和該活塞之間的旋轉(zhuǎn)鍵組件，該旋轉(zhuǎn)鍵組件包括軸承，該軸承被配置為 在該活塞的第一方向期間旋轉(zhuǎn)并在活塞的第二方向期間滑動；以及可操作地聯(lián)接至該活塞的切削組件，其中該切削組件被構(gòu)造為，當(dāng)該活塞在該殼體內(nèi) 軸向運(yùn)動時(shí)相對于該活塞轉(zhuǎn)動。
2.如權(quán)利要求1所述的鉆井工具組件，其中，該活塞相對于該殼體可轉(zhuǎn)動地固定。
3.如權(quán)利要求1所述的鉆井工具組件，其中，該軸承為球形件。
4.如權(quán)利要求1所述的鉆井工具組件，其中，該旋轉(zhuǎn)鍵組件還包括由該活塞和該殼體 上的相鄰的槽所形成的、引導(dǎo)該軸承的行程的第一滾道。
5.如權(quán)利要求4所述的鉆井工具組件，其中，在該活塞的第二方向期間，該活塞上的槽 的端部使得該軸承沿著該第一滾道滑動。
6.如權(quán)利要求4所述的鉆井工具組件，其中，該第一滾道包括直的構(gòu)造。
7.如權(quán)利要求4所述的鉆井工具組件，其中，該第一滾道包括螺旋狀的構(gòu)造。
8.如權(quán)利要求1所述的鉆井工具組件，還包括設(shè)置在該活塞和該離合器之間的第二旋 轉(zhuǎn)鍵組件，其中該旋轉(zhuǎn)鍵組件包括第二軸承。
9.如權(quán)利要求8所述的鉆井工具組件，還包括由該活塞和該離合器上的相鄰的槽所形 成的、引導(dǎo)該第二軸承的行程的滾道。
10.如權(quán)利要求9所述的鉆井工具組件，其中，在該活塞的第二方向期間，該活塞上的 槽的端部使得該第二軸承沿著該滾道滑動。
11.一種鉆井工具組件，包括主體；活塞，沿著該主體在一第一方向和一第二方向上可軸向運(yùn)動；鉆頭；以及離合機(jī)構(gòu)，可操作地聯(lián)接至該活塞和該鉆頭，其中該離合機(jī)構(gòu)被構(gòu)造為，當(dāng)該活塞在該 第一方向上運(yùn)動時(shí)，相對于該活塞轉(zhuǎn)動該鉆頭。
12.如權(quán)利要求11所述的鉆井工具組件，其中，該活塞相對于該主體可轉(zhuǎn)動地固定。
13.如權(quán)利要求11所述的鉆井工具組件，其中，該離合機(jī)構(gòu)通過一可轉(zhuǎn)動地固定至該 鉆頭的驅(qū)動軸可操作地聯(lián)接至該鉆頭。
14.如權(quán)利要求13所述的鉆井工具組件，其中，該驅(qū)動軸與該鉆頭是一體的。
15.如權(quán)利要求13所述的鉆井工具組件，其中，該離合機(jī)構(gòu)包括離合器，具有圍繞該離合器的周圈設(shè)置的多個(gè)槽口 ；多個(gè)狹槽，設(shè)置在該驅(qū)動軸上；以及多個(gè)制動爪，設(shè)置在該狹槽中。
16.如權(quán)利要求15所述的鉆井工具組件，其中，該制動爪被壓縮空氣徑向向內(nèi)偏置。
17.如權(quán)利要求15所述的鉆井工具組件，其中，一個(gè)或多個(gè)槽口被配置為，當(dāng)該活塞在 該第一方向上運(yùn)動時(shí)，與一個(gè)或多個(gè)制動爪相接合。
18.如權(quán)利要求15所述的鉆井工具組件，其中，該槽口被配置為，當(dāng)該活塞在該第二方向上運(yùn)動時(shí)，與該制動爪脫離。
19.如權(quán)利要求15所述的鉆井工具組件，其中，該制動爪和該槽口的數(shù)量是錯(cuò)配的。
20.一種形成井眼的方法，包括將鉆井工具設(shè)置在井眼中鉆柱上，該鉆井工具包括主體、活塞、離合機(jī)構(gòu)和鉆頭；通過將壓縮空氣交替地引入該活塞上方的上部腔體和該活塞下方的下部腔體，而使該 活塞軸向地往復(fù)運(yùn)動；獨(dú)立于該鉆柱轉(zhuǎn)動該鉆頭，其中該鉆頭被構(gòu)造為當(dāng)該活塞沿著該主體軸向地運(yùn)動且接 合該離合機(jī)構(gòu)時(shí)轉(zhuǎn)動，并且其中該鉆頭相對于該活塞轉(zhuǎn)動；以及當(dāng)該鉆頭轉(zhuǎn)動時(shí)提供撞擊力，從而形成井眼。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，該活塞相對于該主體可轉(zhuǎn)動地固定。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，該活塞相對于該主體可轉(zhuǎn)動地?cái)[動。
23.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，該鉆井工具還包括設(shè)置在該主體和該活塞之間 的第一旋轉(zhuǎn)鍵組件。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中，該第一旋轉(zhuǎn)鍵組件包括球形件，該球形件被構(gòu)造 為，當(dāng)該活塞沿著該主體在第一方向上軸向運(yùn)動時(shí)旋轉(zhuǎn)，并當(dāng)該活塞沿著該主體在第二方 向上軸向運(yùn)動時(shí)滑動。
25.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，該鉆井工具還包括設(shè)置在該離合機(jī)構(gòu)和該活塞 之間的第二旋轉(zhuǎn)鍵組件。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中，該第二旋轉(zhuǎn)鍵組件包括球形件，該球形件被構(gòu)造 為，當(dāng)活塞相對于該離合機(jī)構(gòu)在第一方向上軸向運(yùn)動時(shí)旋轉(zhuǎn)，并當(dāng)該活塞相對于該離合機(jī) 構(gòu)在第二方向上軸向運(yùn)動時(shí)滑動。
27.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，該離合機(jī)構(gòu)被構(gòu)造為，當(dāng)該活塞沿著該主體在第 一方向上軸向運(yùn)動時(shí)在逆時(shí)針方向上轉(zhuǎn)動。
28.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，形成井眼包括通過使用彎轉(zhuǎn)接頭來有定向地鉆 井眼。
29.如權(quán)利要求20所述的方法，還包括，造成向一個(gè)腔體的空氣泄漏，以在如果該活塞 停在壓縮空氣無法導(dǎo)入到任一腔體的區(qū)間中時(shí)，確保該活塞的運(yùn)動。
全文摘要
本發(fā)明總體上涉及一種用于撞擊式鉆井的方法和設(shè)備。提供了一種具有殼體和活塞的鉆井工具。鉆井工具可以被構(gòu)造為，在轉(zhuǎn)動鉆頭的同時(shí)撞擊，獨(dú)立于鉆柱的轉(zhuǎn)動。鉆井工具可以包括設(shè)置在殼體和活塞之間的旋轉(zhuǎn)鍵組件，其包括軸承，該軸承配置為，在活塞的第一方向期間旋轉(zhuǎn)而在活塞的第二方向期間滑動。鉆井工具可以包括離合機(jī)構(gòu)，該離合機(jī)構(gòu)構(gòu)造為，當(dāng)活塞在第一方向上被引導(dǎo)時(shí)轉(zhuǎn)動鉆頭。
文檔編號E21B4/00GK102066686SQ200980106468
公開日2011年5月18日 申請日期2009年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月8日
發(fā)明者于伊·D·布伊, 布魯克斯·霍華德·杰文斯 申請人:杰文斯公司