專利名稱：具有高位排出裝置的潛孔錘的制作方法
具有高位排出裝置的潛孔錘
背景技術：
用于鉆 巖的兩種最常見的方法涉及如旋轉鉆進中所用的巖石的準靜態(tài)載荷或如潛孔(DTH)鉆進中使用的高強度沖擊載荷。DTH應用包括具有在鉆機外殼內往復運動并且向砧部上施加循環(huán)沖擊的活塞或致動器的錘組件。砧部通常部分地或直接地連接于鉆頭以使活塞撞擊砧部的沖擊力通過鉆頭傳遞到被鉆的巖石中?；钊ǔｍ憫谑够钊惶娴厣吆徒档偷倪\動流體(例如，壓縮空氣)而往復運動。通常在運動流體致動錘組件后，將所有運動流體通過鉆頭從鉆機排出。通過鉆頭排出運動流體會清除鉆頭周圍的切屑和其它碎片，并且將這些碎片從被鉆的洞或孔中向上運送出去。利用DTH錘組件沖擊旋轉鉆頭的混合鑿巖機(被稱為沖擊輔助式旋轉鉆機或PARD)還是已知的，并且還通過鉆頭排出所有運動流體。當通過鉆頭排出運動流體時，其流過鉆頭的外部表面(“流過”和其變體在本說明書中表示運動流體在鉆頭的外部表面上流動并且與鉆頭的外外部表面接觸)并且沿被鉆的孔向上流動。在具有反循環(huán)構造的已知DTH錘組件中，運動流體實際上在鉆頭上方排出，在鉆頭外部上向下流動，然后通過鉆頭中央、鉆機組件、以及鉆桿管或鉆柱向上流動至表面。在本說明書中，術語“穿過鉆頭”和“鉆頭排出物”旨在包括流過鉆頭外部表面的被排出的運動流體，而不管是從鉆頭流出并沿孔向上流動的運動流體還是以反循環(huán)方向流動的運動流體。在本申請中，術語“潛孔錘” “錘”以及“錘組件”指的是利用往復運動活塞或其它移動致動器的沖擊力的鉆進裝置，而不管該鉆進裝置存在于DTH應用中，PARD裝置中還是其它裝置中，并且不考慮鉆進裝置包括標準鉆頭、刮刀鉆頭、旋轉鉆頭還是其它切割表面。本發(fā)明涉及一種潛孔錘，該潛孔錘將運動流體的至少一部分通過鉆機的除鉆頭之外的部分排出。對于鉆頭在鉆機組件的底部處或底部附近的鉆進操作，本發(fā)明可以被稱為在鉆頭上方排出一部分運動流體的潛孔錘、或具有高位排出裝置的潛孔錘。本發(fā)明還涉及一種潛孔錘，其中，運動流體被分成通過鉆頭或在別處排出使其流過鉆頭的一部分外部的一部分、以及操作活塞并在鉆頭上方排出使其不流過鉆頭外部表面的示意性地并行的部分。

發(fā)明內容
在一個實施方式中，本發(fā)明提供適合于在運動流體的作用下操作的潛孔鉆具，潛孔鉆具包括適合于鉆巖的鉆頭，鉆頭具有外部表面；錘組件，該錘組件能夠操作成向所述鉆頭傳遞沖擊載荷以便于鉆巖；致動器流動路徑，該致動器流動路徑適合于將運動流體的致動器流部分引導至錘組件，致動器流驅動錘組件的操作并且在驅動錘組件的操作之后變成致動器排出物；以及致動器排出路徑，該致動器排出路徑適合于在鉆頭上方將致動器排出物的至少一部分從鉆具排出，使得基本上沒有致動器排出物流過鉆頭的外部表面。鉆頭可以位于鉆具的底端；并且致動器排出路徑可以通過鉆具的與底端相對的頂端排放致動器排出物。致動器流動路徑可以包括驅動側和返回側，該驅動側和該返回側適合于引導運動流體以將交替的力施加在錘組件上以使錘組件操作；并且驅動側和返回側中的至少一個可以與致動器排出路徑相連通以在鉆頭上方排出致動器排出物。在另一些實施方式中，驅動側和返回側均與致動器排出路徑相連通以在鉆頭上方排出致動器排出物。在一些實施方式中，錘組件包括能夠運動以向所述鉆頭施加沖擊載荷的活塞，并且本發(fā)明還包括活塞上方的驅動室以及活塞和鉆頭之間的返回室；其中，活塞被支撐成響應于致動器流與驅動室和返回室交替地連通、而分別朝向和遠離鉆頭往復運動。

在一些實施方式中，活塞的往復運動至少暫時地切斷驅動室與致動器排出路徑之間的連通，而將驅動室設置成與致動器流動路徑相連通并且將返回室設置成與致動器排出路徑相連通，并且至少暫時地切斷返回室和致動器排出路徑之間的連通，而將返回室設置成與致動器流動路徑相連通并且將驅動室設置成與致動器排出路徑相連通。鉆具還可包括與致動器排出路徑相連通的驅動排出端口、和與致動器排出路徑相連通的返回排出端口 ； 其中，活塞的往復運動通過以活塞的一部分覆蓋驅動排出端口而至少暫時地切斷驅動室與致動器排出路徑之間的連通；并且其中，活塞的往復運動通過以活塞的一部分覆蓋返回排出端口而至少暫時地切斷返回室與致動器排出路徑之間的連通。在一些實施方式中，活塞包括驅動供給管道和返回供給管道；其中，活塞的往復運動至少暫時地將驅動室設置成通過驅動供給管道與致動器流動路徑相連通；并且其中，活塞的往復運動至少暫時地將返回室設置成通過返回供給管道與致動器流動路徑相連通。在一些實施方式中，本發(fā)明還包括鉆頭排出路徑，該鉆頭排出路徑適合于通過鉆頭排放運動流體的鉆頭流部分；其中，鉆頭排出路徑與致動器流動路徑示意性地并行；并且其中，鉆頭排出路徑與致動器排出路徑的至少一部分示意性地并行。鉆具還可以用于抑制致動器排出物從鉆具排出的裝置，以至少部分地控制沿鉆頭排出路徑的運動流體部分和沿致動器流動路徑的運動流體部分。用于抑制的裝置可以包括至少部分地限定出節(jié)流室的流動板和位于節(jié)流室內的止回閥；并且流動板可以適合于通過鉆桿管至鉆具的附接而被夾緊至鉆具。在另一個實施方式中，本發(fā)明提供鉆具，該鉆具包括頂部接頭，該頂部接頭限定鉆具的頂端并且適合于連接至鉆桿管；鉆頭，該鉆頭限定鉆具的底端，鉆頭包括外部表面； 活塞，該活塞能夠以往復的方式移動以向鉆頭提供循環(huán)沖擊載荷；驅動室，該驅動室位于活塞的第一側；返回室，該返回室位于活塞的與第一側相對的第二側；致動器流動路徑，該致動器流動路徑適合于將運動流體流交替地引導至驅動室和返回室以驅動活塞的往復運動， 驅動室和返回室中的運動流體在驅動活塞的往復運動之后變成致動器排出物；致動器排出路徑，該致動器排出路徑適合于接收來自驅動室和返回室中的至少一個的致動器排出物并且在鉆頭上方將致動器排出物從鉆具排出，使得基本上沒有致動器排出物流過鉆頭的外部表面；以及鉆頭排出路徑，該鉆頭排出路徑與致動器流動路徑和致動器排出路徑示意性地并行并且將運動流體排放到鉆頭的外部表面上。在又一個實施方式中，本發(fā)明提供潛孔錘，該潛孔錘包括鉆頭，該鉆頭具有外部表面；鉆頭排出路徑，該鉆頭排出路徑適合于將運動流體排出到鉆頭的外部表面的至少一部分上；錘組件，該錘組件能夠操作成向鉆頭傳遞沖擊載荷；致動器流動路徑，該致動器流動路徑適合于輸送運動流體以操作錘組件；以及致動器排出路徑，該致動器排出路徑適合于在運動流體已經操作錘組件之后將運動流體從錘組件排出，使得基本上沒有致動器排出物流過鉆頭的外部表面；其中，鉆頭排出路徑與致動器排出路徑的至少一部分示意性地并行。 通過考慮詳細的描述和附圖，本發(fā)明的其它方面將變得顯而易見。


圖1是實施本發(fā)明的沖擊輔助式旋轉鉆機組件的立體圖。圖2是鉆機組件的分解圖。圖3是處于最低點待命狀態(tài)下的鉆機組件的橫截面圖。圖4是驅動沖程結束和返回沖程開始時的鉆機組件的橫截面圖。圖5是驅動沖程和返回沖程中間的鉆機組件的橫截面圖。圖6是驅動沖程開始和返回沖程結束時的鉆機組件的橫截面圖。
具體實施例方式在詳細說明本發(fā)明的任何實施方式之前，應當理解本發(fā)明在其應用中不局限于下列描述中提出的、或下列附圖中示出的結構細節(jié)和部件布置。本發(fā)明能夠具有另一些實施方式并且能夠以各種方式實施或執(zhí)行。此外，應當理解使用在本文中的措辭和術語是為了說明，而不應當被認為是限制性的?！鞍?、“包括”或“具有”以及其變體在本文中意味著包含在此后列出的物品和其等同替代方式以及其它物品。除非另有說明或限制，否則術語 “安裝”、“連接”、“支撐”、“聯(lián)接”以及其變體作廣義的使用并且包含直接和間接的安裝、連接、支撐以及聯(lián)接。此外，“連接”和“聯(lián)接”不局限于物理或機械的連接或聯(lián)接。為了該說明書中的簡明和一致性，術語“軸向的”表示沿與附圖中示出的沖擊輔助式旋轉鉆機組件25的中心軸線10平行的方向。在下面討論的鉆機組件25的所有主要元件通常是環(huán)形或圓筒形的，進而所有主要元件具有內表面和外表面。術語“內表面”表示面向中心軸線10或大致朝向鉆機組件25的內部的表面，而術語“外表面”表示背對中心軸線 10或大致背對鉆機組件25的內部的表面。所有元件還具有第一端部和第二端部，該第一端部和該第二端部一一用示出的實施方式的規(guī)則——指的是相對于旋轉鉆機組件25的典型操作方位而言的“上”端部和“下”端部，在圖2至6中示出該方位。此外，諸如“上方”和 “高位”之類的術語描述的是當鉆機組件25處于典型操作方位時的相對位置。雖然在附圖中示出了并且以下描述了 PARD(即，鉆進操作具有旋轉方面和沖擊方面)實施方式中的本發(fā)明，但該實施方式不限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明還可以實施在純DTH 鉆進裝置中，在該純DTH鉆進裝置中沒有旋轉部件。本發(fā)明可以實施在使用幾乎任何類型的鉆頭的鉆進裝置中，該任何類型的鉆頭包括標準鉆頭、刮刀鉆頭、旋轉鉆頭或適合于或適用于沖擊載荷的其它切割表面。本發(fā)明還可以實施在幾乎任何其它潛孔錘應用中，在所述潛孔錘應用中，至少一部分運動流體在除通過鉆頭之外的其它地方排出。圖1和2示出了流動板15、止回閥20以及沖擊輔助式旋轉鉆機組件25。鉆機組件25包括下列基本部件旋轉工具接合件或頂部接頭30、控制管35、缸蓋40、缸45、活塞或致動器50、外套筒55、卡環(huán)60、鉆頭軸承65、鉆頭保持器或開口環(huán)70、墊圈75、卡套80以及尾柄適配器85。鉆具25的錘組件包括示出的往復運動活塞50或其它致動器、以及控制運動流體的流動以致動活塞50或其它致動器的其它部件。
頂部接頭30包括適合于以螺紋方式接納在鉆桿管DP內的美國石油學會(“API”) 陽螺紋連接器90。頂部接頭30還包括主體95，主體95包括大直徑圓筒部100和小直徑圓筒部105。在大直徑圓筒部100和小直徑圓筒部105之間限定有臺階或肩部110。大直徑圓筒部100的頂部在API連接器90的周圍限定有排出面115。小直徑圓筒部105的底端 120具有減 小的直徑。頂部接頭孔125軸向地延伸穿過頂部接頭30的中央。主體95包括布置在頂部接頭孔125周圍并且大致平行于頂部接頭孔125的多個排出孔130。流動板15和止回閥20是環(huán)形的并且圍繞頂部接頭30的API連接器90。在示出的實施方式中，當將鉆桿管DP擰到API連接器90上時，鉆桿管DP將流動板15擠壓或夾緊成抵靠排出面115。在另一些實施方式中，流動板可以是柄體(back head)的一部分或與柄體一體結合。流動板15包括與鉆機組件25和鉆桿管DP周圍的空間連通的排出孔口 135。 止回閥20可以在流動板15與頂部接頭30之間限定的空間(節(jié)流室，將在下面討論)內軸向地移動。如將在下面更詳細地討論的，流動板15、止回閥20、或流動板15和止回閥20的組合起到用于活塞50操作的節(jié)流閥的作用?？刂乒?5包括接納在頂部接頭孔125內的擴大的安裝端部140。控制管35限定軸向延伸的控制孔145。多個0型密封圈150 (圖3)在頂部接頭孔125與控制管35的擴大的安裝端部140的外表面之間提供基本上氣密的密封。因此，基本防止了流過頂部接頭孔125的流體流到擴大的安裝端部140的外表面周圍，而是迫使其流到控制孔145中?？刂乒?5還包括穿過控制管35的側面進行連通的驅動供給端口 155和返回供給端口 160。缸蓋40包括環(huán)形凸緣165、環(huán)形支撐表面170以及延伸筒部175，環(huán)形支撐表面 170被凸緣165圍繞并且相對于凸緣165凹進。支撐表面170限定中央孔口 180，控制管35 延伸穿過中央孔口 180。控制管35的擴大的安裝端部140和其中一個密封0型圈150抵靠于支撐表面170，以在控制管35與支撐表面170之間產生基本氣密的密封。因此，除流過控制管35的控制孔145的流體之外，基本上沒有流過缸蓋40的中央孔口 180的流體。小直徑圓筒段105的底端120抵接于缸蓋40的支撐表面170，這將排出孔130的底端定位成與凸緣165相鄰。在缸蓋40周圍流動的排出流體可以流動到頂部接頭30的排出孔130中。缸45包括穿過缸45的側面進行連通的驅動排出端口 185和返回排出端口 190。 缸蓋40的凸緣165的底部抵接缸45的頂端，并且缸蓋40的延伸筒部175延伸到缸45中。 密封構件195 (圖3)在缸蓋40的延伸筒部175與缸45的內表面之間提供基本氣密的密封。 缸45的頂端包括凹槽200，凹槽200使在缸45的外部周圍流動的排出流體能夠流過缸45 的頂端。活塞50包括中央活塞孔210、驅動端部215、返回端部225以及直徑擴大的中間部235，驅動端部215具有帶斜角的環(huán)形表面220，返回端部225也具有帶斜角的環(huán)形表面 230?；钊?10的尺寸精密地設計成用于接納控制管35，使得活塞50可以在保持精密的公差并保持活塞孔210與控制管35的外表面之間的基本氣密的密封的情況下沿著控制管 35滑動。多個驅動管道240在活塞孔210與活塞50的驅動端部215上的帶斜角的表面220 之間連通，并且多個返回管道245在活塞孔210與活塞50的返回端部225上的帶斜角的表面230之間連通。如將在下面更詳細地討論的，當活塞50沿著控制管35往復運動時，使驅動管道240與控制管35的驅動供給端口 155連通，或使返回管道245與控制管35的返回供給端口 160連通。活塞50容納在缸45內，并且活塞50的直徑擴大的中間部235的尺寸精密地設計成靠著缸45的內表面滑動。外套筒55的內表面包括頂端和底端中的每一個處的螺紋。內表面還包括由頂部接頭30、缸45、卡環(huán)60以及卡套80支承抵靠的內肩部和其它表面(在圖3至6中可見)。 頂部接頭30的主體95上的外螺紋擰到外套筒55的頂端中的螺紋中。卡環(huán)60定位成抵靠外套筒55的內表面的一部分，并且鉆頭軸承65和開口環(huán)70在外套筒55內堆疊 地抵靠卡環(huán)60?？ㄌ?0包括內花鍵部250和擴大的頭部260，內花鍵部250具有內花鍵255和外螺紋，擴大的頭部260在內花鍵部250的基部處限定環(huán)形支承表面265。墊圈75圍繞內花鍵部250坐置在環(huán)形支承表面265上。內花鍵部250擰到外套筒55的底端中直到外套筒 55的底端支承抵靠墊圈75和環(huán)形支承表面265。隨著卡套80擰到外套筒55中，卡套80 的內花鍵部250迫使開口環(huán)70和鉆頭軸承65抵靠卡環(huán)60。尾柄適配器85包括其頂端處的砧部280、具有外花鍵290的外花鍵部285以及其底端處的鉆頭安裝頭部295。適配器孔300從尾柄適配器85的頂端軸向地延伸到底端。砧部280容納在鉆頭軸承65內，使控制管35延伸到尾柄適配器孔300中。砧部280包括外部放空凹槽305，外部放空凹槽305使排出流體能夠通過鉆頭軸承65、開口環(huán)70以及卡套 80放空以使得錘組件的循環(huán)能夠更快速地停止。鉆頭保持頭部295包括內螺紋或其它合適的連接設備，用于接納旋轉鉆頭(例如， 三牙輪鉆頭)DB或用于鑿巖的其它合適工件。在另一些實施方式中，整個尾柄適配器85可以與鉆頭DB —體地形成在一起，而不是如示出的那樣設置為分開的構件。鉆頭DB包括支承抵靠被鉆的巖石或其它材料的外表面或工作表面?；ㄦI部285的外花鍵290與卡套80的內花鍵255嚙合，使得轉矩從卡套80傳遞到尾柄適配器85，同時允許尾柄適配器85在卡套80內軸向地移動。外花鍵290的頂部邊緣和砧部280的底面限定出用于尾柄適配器85相對于卡套80的軸向運動的止動表面。開口環(huán)70在止動表面之間裝配在尾柄適配器85周圍。通過使控制管35延伸穿過缸蓋40的中央孔口 180、將缸蓋40放置在缸45的頂端上并且將活塞50定位在缸45內使控制管35延伸穿過活塞孔210而裝配鉆機組件25。接著，將頂部接頭30定位成使控制管35的擴大的安裝端部140位于頂部接頭孔125內，并將頂部接頭30擰到外套筒55的頂端中，使得頂部接頭30的底端120抵靠于缸蓋40的支撐表面170。在肩部110與外套筒55的頂部之間存在間隙，這可以稱為“分隔”。接著，將卡環(huán)60和鉆頭軸承65定位在外套筒內，并且將開口環(huán)70、尾柄適配器85、卡套80以及墊圈 75組成的子組件插入到外套筒55的下端部中?？ㄌ?0的內花鍵區(qū)段250擰到外套筒55 的底端中。接著，向頂部接頭30和尾柄適配器85上的平面部307應用扳手，并且將轉矩施加于二者以將頂部接頭30進一步擰到外套筒55的頂端中，使得底端120將缸蓋40推到缸 45的頂部中并且產生夾緊載荷，以在由鉆機組件25的使用引起的劇烈振動期間保持缸蓋 40和缸45鎖定在一起。參照圖3，當鉆機組件25沒有在推擠巖石并且僅受到由重力產生的力時，尾柄適配器85降至最低，其中，砧部280的底面靠置在開口環(huán)70的頂部上。參照圖4至6，當鉆機組件25接合抵靠巖石時，尾柄適配器85被向上推，直到外花鍵290的頂部抵接開口環(huán)70 的底部并且鉆頭安裝頭部295支承抵靠卡套80的擴大的頭部260時達到最高點。
在裝配好后，鉆機組件25限定出由頂部接頭孔125、控制孔145以及適配器孔300 構成的中央孔。鉆機組件25還限定出若干個通路和室。驅動室325限定在缸蓋40、缸45 的內表面、控制管35的外表面以及活塞50的驅動端部215之間。返回室330限定在活塞 50的返回端部225、缸45的內表面、外套筒55的內表面、鉆頭軸承65的頂部、砧部280以及控制管35的外表面之間。環(huán)形排出室335限定在缸45的外表面和外套筒55的內表面之間。節(jié)流室340限定在流動板15和頂部接頭30的排出面115之間。止回閥20在節(jié)流室340內。鉆機組件25還限定出鉆頭排出路徑、致動器流動路徑以及致動器排出路徑。致動器流動路徑和致動器排出路徑在示出的實施方式中是串聯(lián)的，并且鉆頭排出路徑與致動器流動路徑和致動器排出路徑示意性地并行。關于流動路徑和排出路徑使用的術語“串聯(lián)” 意味著流體從一個路徑流動到另一個路徑中，而術語“示意性地并行”意味著 路徑不是串聯(lián)的。鉆頭排出路徑包括驅動供給端口 155和返回供給端口 166下游的中央孔，并且將運動流體(例如，壓縮空氣)傳送至鉆頭DB，運動流體從鉆頭DB流出、流過鉆頭的外部表面、并且向上流動穿過鉆機組件和孔壁之間的孔，作為鉆頭排出物。在諸如反循環(huán)系統(tǒng)的另一些實施方式中，鉆頭排出物可以從鉆頭DB上方的鉆具中流出、流過在鉆頭的外部表面、并且通過鉆頭孔和鉆桿管DP中的其它管道返回至表面。術語“鉆頭排出物”、“穿過鉆頭”以及類似的術語旨在涵蓋沿正常循環(huán)方向以及沿反循環(huán)方向流過鉆頭外部表面的排出物。致動器流動路徑包括驅動供給端口 155、驅動管道240、驅動室325、驅動排出端口 185 (這四個部件共同地位于驅動流動路徑的“驅動側”)、返回供給端口 160、返回管道245、 返回室330以及返回排出端口 190(這后四個部件共同地位于驅動流動路徑的“返回側”)。 致動器排出路徑包括環(huán)形排出室335、缸45的頂部處的凹槽200以及排出孔130。通過驅動側和返回側從致動器流動路徑流出的運動流體變成流入致動器排出路徑的致動器排出物。 致動器排出路徑將致動器排出物傳送至節(jié)流室340。在節(jié)流室340中，在致動器排出物升高并且在止回閥20周圍流動時，致動器排出物受到限制。最后，致動器排出物通過流動板15中的排出孔口 135從節(jié)流室340流出。致動器排出物從流動板15中的排出孔口 135流出會有助于從被鉆的洞或孔中排除的切屑和碎片的向上流動。止回閥20阻止切屑和其它碎片落入到排出路徑中。在另一些實施方式中，致動器排出路徑可以包括用于驅動室325和返回室330的示意性地并行的排出路徑，該示意性地并行的排出路徑可以在相對于鉆頭DB的不同的高位軸向位置處排放致動器排出物?；蛘撸疽庑缘夭⑿械呐懦雎窂街械囊粋€可以與鉆頭排出路徑串聯(lián)使得致動器排出物中的一些流過鉆頭DB的外部表面。與將驅動室325和返回室330中的一個或兩個排出到鉆頭DB的外部表面上的排出路徑相比，示出的致動器排出路徑是有利的，因為示出的致動器排出路徑減小了流過鉆頭DB外部的流體的體積。減小流過鉆頭DB和其它外部的體積可以降低這些部件的磨損率并且延長部件壽命。能夠理解，雖然示出的實施方式包括通過鉆機組件25的頂部排出致動器排出物的致動器排出路徑，但是本發(fā)明能夠應用于包括高位排出裝置的任何實施方式，高位排出裝置指的是位于鉆頭DB上方或別處的排出孔口，以基本上避免任何致動器排出物流過鉆頭DB的外部表面。例如，可以穿過外套筒55設置排出孔口。在操作中，常規(guī)的旋轉力驅動鉆桿管DP的旋轉。來自鉆桿管DP的轉矩通過轉矩路徑傳遞至鉆頭DB，該轉矩路徑包括頂部接頭30、外套筒55、卡套80以及尾柄適配器85。 在示出的實施方式中，除在卡套80和尾柄適配器85之間經由花鍵255、290聯(lián)接之外，轉矩路徑的所有元件都經由螺紋互連聯(lián)接。在另一些實施方式中，只要達到轉矩傳遞的基本目的，可以以除螺紋連接和花鍵連接之外的其它方式聯(lián)接轉矩路徑中的元件。在待命(圖3)期間，當鉆機組件25不接合抵靠被鉆的洞或孔的底部時，尾柄適配器85在重力的作用下降至最低點，并且活塞50靠置在砧部280上。在這種有時被稱為放空(blow down)的狀態(tài)下，控制管35的驅動供給端口 155不與活塞50的驅動管道240對齊(實際上，它們在活塞上面)，并且控制管35的返回供給端口 160不與活塞50的返回管道245對齊(它們被中間部235堵住)。在待命期間，通常通過鉆桿管DP供給運動流體。 該運動流體流動穿過鉆頭排出路徑和致動器流動路徑的驅動側(除了運動流體從驅動供給端口 155直接流動到驅動室325中而不流過驅動管道240)并且作為鉆頭排出物和致動器排出物被排出。鉆頭排出物和致動器排出物在待命期間阻止碎片進入鉆機組件25，并且提供充分的流動路徑以避免鉆機組件25中的壓力顯著增大。當鉆頭DB降低至洞的底部并且接合待鉆的巖石或其它物質時，尾柄適配器85被朝向圖4中示出的位置向上推。隨著尾柄適配器85向上移動，其還向上推活塞50。隨著尾柄適配器85接近其最高位置，返回管道245與返回供給端口 160對齊。一旦返回管道245 設置成與返回供給端口 160連通，則致動器流朝向返回側。致動器流在驅動側和返回側之間交替以引起活塞50往復運動并且沖擊砧部280。在另一些實施方式中，驅動側和供給側可以驅動非往復運動的活塞操作。鉆頭排出物繼續(xù)沖刷鉆頭DB外側周圍的切屑和其它碎片。鉆頭排出物和致動器排出物一起將這些碎片通過被鉆的孔向上推至表面。在下面描述活塞50的往復運動的循環(huán)，其中，活塞50的向上運動被稱為“返回沖程”，而向下運動被稱為“驅動沖程”。參照圖4至6，通過驅動供給端口 155和返回供給端口 160、驅動管道240和返回管通245、以及驅動排出端口 185和返回排出端口 190的相對位置來控制運動流體供給和流體排出邏輯并且為其定時。參照圖4，在驅動沖程的最后部分和返回沖程的初始部分期間，活塞50的中間部 235覆蓋返回排出端口 190，并且返回管道245與返回供給端口 160對齊，而同時，驅動排出端口 185不被活塞50的中間部235覆蓋(即，驅動排出端口 185與驅動室325連通)，并且驅動管道240不與驅動供給端口 155對齊。因此，在驅動沖程的最后部分期間，在返回室 330中有輕微的流體壓縮，但是該壓縮是可忽略的并且不會實質影響活塞50的動量及其在砧部280上的沖擊，并且通過經由凹槽305泄出而使該壓縮消失。在返回沖程的初始部分期間，由于運動流體通過返回管道245涌入，因此在返回室330中的壓力快速增大。此外， 因為驅動室325中的流體通過驅動排出端口 185排出到以上所述的排出路徑中，所以活塞 50的初始向上運動不會受到驅動室325中的大反向壓力限制。參照圖5，在驅動沖程和返回沖程的中間部分期間，活塞50的中間部235覆蓋驅動排出端口 185和返回排出端口 190，并且驅動管道240和返回管道245均不與對應的驅動供給端口 155和返回供給端口 160對齊。從該點起直到驅動沖程和返回沖程結束，活塞50部分地在沖程初始部分中對應的驅動室325和返回室330中增大的壓力的作用下、部分地在動量的作用下移動。隨著驅動室325和返回室330的容積由于活塞50在對應驅動沖程和返回沖程中的運動而增大，運動的壓力輔助部分減少，并且活塞50主要在其在沖程初始部分期間所獲得的動量的作用下移動。參照圖6，在返回沖程的最后部分和驅動沖程的初始部分期間，活塞50的中間部 235覆蓋驅動排出端口 185，并且驅動管道240與驅動供給端口 155對齊，而同時，返回排出端口 190不被活塞50的中間部235覆蓋(即，返回排出端口 190與返回室330連通)，并且返回管道245不與返回供給端口 160對齊。因此，在返回沖程的最后部分期間，在驅動室 325中有輕微的流體壓縮，以幫助阻止活塞50的向上運動。在驅動沖程的初始部分期間， 由于運動流體通過驅動管道240涌入，因此在驅動室325壓力快速增大。此外，因為返回室 330中的流體通過返回排出端口 190排出到以上所述的排出路徑中，所以活塞50的初始向下運動不會受到返回室330中的大反向壓力限制。因此，示出的鉆機組件25具有旋轉部分(鉆頭DB在通過鉆桿管DP和鉆機組件 25傳遞的轉矩的作用下旋轉)和由沖擊砧部280的活塞50產生的沖擊部分。活塞50在砧部280上的沖擊通過尾柄適配器85和鉆頭DB傳遞至被鉆機組件25鉆進的巖石或其它物質，這有助于鉆進操作。鉆機組件25的任何其它部件不承受砧部280上的軸向沖擊；砧部280的底部和外花鍵290的頂部之間的距離選擇成用于允許尾柄適配器85的最大預期偏轉以防止尾柄適配器85觸底反彈(bottom out)。在沖擊砧部280之后，活塞50通常輕微地彈回，但是彈回的程度至少部分地取決于被鉆物質的硬度。返回管道245和返回供給端口 160的尺寸設計成在沒有彈回或彈回程度在預期范圍內的情況下相互對齊。當返回供給端口 160和返回管道245相互對齊后，循環(huán)重新開始。從根本上說，鉆頭流和致動器流的體積和流速由致動器排出路徑和鉆頭排出路徑中的相對阻力限定。致動器排出流動的阻力水平受流動板15中的排出孔口 135的大小和形狀、止回閥20的大小和形狀、流動板15和止回閥20之間的相互作用、或這些因素中的兩個或更多個的組合所影響。限制性較強的致動器排出路徑(例如，由提升得較低的止回閥 20和/或限制性較強的排出孔口 135產生)將導致較低的致動器動力，而限制性較小的致動器排出路徑(例如，由提升得較高的止回閥20和/或限制性較小的排出孔口產生)將導致更高的致動器動力。隨著致動器排出流動的阻力增大，致動器排出路徑中的背壓也增大，這最終影響活塞50的往復運動期間致動器排出流體從驅動室325和返回室330通過驅動排出端口 185 和返回排出端口 190推出或移位的速率?；钊?0的往復運動的速度和頻率至少部分地受排出流體從驅動室325和返回室330中通過驅動排出端口 185和返回排出端口 190排出的速率的影響。運動流體能夠從驅動室325和返回室330中排出的速度越快，活塞50能夠往復運動的速度就越快，并且活塞50能夠傳遞至鉆頭DB的沖擊動力(“致動器動力”)就越大。鉆機組件25的操作者可以通過改變止回閥20的大小或形狀、容納止回閥20的軸向運動的節(jié)流室340內的空間、流動板15中的排出孔口 135的大小或形狀、或這些因素的組合而調節(jié)鉆頭流和致動器流之間的劃分。因為流動板15和止回閥20僅通過固定和夾緊流動板15使其抵靠頂部接頭30的鉆桿管DP連接部而固定于鉆機組件25，所以可以僅通過卸下鉆桿管DP、更換零件、然后重新連接鉆桿管DP來拆卸并且替換流動板15和/或止回閥 20。除了卸下和重新連接鉆桿管DP之外，在更換示出的實施方式中的止回閥20的過程中， 不必拆卸或松開緊固件或其它連接件。
此外，因為流動板15和止回閥20是外部構件，所以流動板15和/或止回閥20的更換不需要將外套筒55從頂部接頭30或卡套80上拆開，也不需要對鉆機組件25進行任何其它拆卸。此外，更換流動板15和/或止回閥20使得能夠在保持供給壓力恒定的情況下調節(jié)致動器動力輸出。因此，流動板15和止回閥20的子組件使人能夠通過簡單地更換外部構件并且無需更換鉆頭噴嘴而以與供給壓力無關的方式調節(jié)致動器動力，并且可以說流動板15和止回閥20用作鉆頭流和致動器流的節(jié)流閥。使鉆頭排出路徑與致動器流動路徑和致動器排出路徑示意性地并行相較于使路徑串聯(lián)的情況是有利的?；钊?0以整個系統(tǒng)壓力運行，因此相較于由與鉆頭流串聯(lián)的致動器流驅動的情況，在由與鉆頭流示意性地并行的致動器流驅動時形成更大的致動器動力。 示意性地并行的鉆頭流和致動器流實現(xiàn)雙重益處通過鉆頭流以鉆頭磨損盡可能小的方式清除切屑和其它碎片；以及通過高位致動器排出裝置將洞清潔流提到鉆機組件25上面，以幫助將切屑和其它碎片從洞中移除。因此，本發(fā)明的示出的實施方式將全部致動器排出物從高位排出裝置排出(從示出的實施方式中的鉆機組件25的頂部排出)并且通過鉆頭DB 將全部鉆頭排出物從鉆機組件25的底部排出。在另一些實施方式中，可以通過高位排出裝置僅排出驅動側和返回側中的一方(即，比全部致動器流少)而通過鉆頭DB排出另一方。在串聯(lián)布置中，其中，致動器排出物被回收作為鉆頭流出物，鉆頭流動路徑中的背壓能夠影響致動器排出物的流速，這可能不必要地減小致動器動力。鉆頭流和致動器流的示意性地并行的布置使鉆頭排出路徑中的背壓與致動器流動路徑中的背壓不相關。本發(fā)明的一個優(yōu)點是，與相同壓力和鉆具的外部尺寸大小類似的已知DTH鉆具和 PARD鉆具相比，為鉆頭DB提供更高頻率的沖擊載荷。例如，并且非限制性地，標準的八英寸DTH錘可以在IOOpsi下以大約16Hz的頻率操作，而根據本發(fā)明的大小相似的潛孔錘可以在相同壓力下以大約25Hz的頻率操作。本發(fā)明可以在較寬的運動流體壓力范圍——典型范圍為大約50psi至IOOpsi的工作壓力——內操作，但是在旋轉鉆進環(huán)境中也可以在更高的壓力(例如，大約150psi)下操作，或者如果使用在油氣鉆進環(huán)境中，在更高很多的壓力下操作。因此，本發(fā)明尤其提供將運動流體的至少一部分通過鉆機的除鉆頭之外的部分排出的潛孔錘。本發(fā)明還提供具有示意性地并行的鉆頭流動路徑和致動器流動路徑的潛孔錘。在下列權利要求中提出本發(fā)明的各種特征和優(yōu)點。
權利要求
1.一種適合于在運動流體的作用下操作的潛孔鉆具，所述潛孔鉆具包括適合于鉆巖的鉆頭，所述鉆頭具有外部表面；錘組件，所述錘組件能夠操作成向所述鉆頭傳遞沖擊載荷以便于鉆巖；致動器流動路徑，所述致動器流動路徑適合于將所述運動流體的致動器流部分引導至所述錘組件，致動器流驅動所述錘組件的操作并且在驅動所述錘組件的操作之后變成致動器排出物；以及致動器排出路徑，所述致動器排出路徑適合于在所述鉆頭上方將所述致動器排出物的至少一部分從所述鉆具排出，使得基本上沒有致動器排出物流過所述鉆頭的所述外部表面。
2.如權利要求1所述的鉆具，其中，所述鉆頭位于所述鉆具的底端；并且，所述致動器排出路徑通過所述鉆具的與所述底端相對的頂端排放所述致動器排出物。
3.如權利要求1所述的鉆具，其中，所述致動器流動路徑包括驅動側和返回側，所述驅動側和所述返回側適合于引導所述運動流體以將交替的力施加在所述錘組件上以使錘組件操作；并且，所述驅動側和所述返回側中的至少一個與所述致動器排出路徑相連通以在所述鉆頭上方排放致動器排出物。
4.如權利要求1所述的鉆具，其中，所述致動器流動路徑包括驅動側和返回側，所述驅動側和所述返回側適合于引導所述運動流體以將交替的力施加在所述錘組件上以使錘組件操作；并且，所述驅動側和所述返回側均與所述致動器排出路徑相連通以在所述鉆頭上方排放致動器排出物。
5.如權利要求1所述的鉆具，其中，所述錘組件包括能夠運動以向所述鉆頭施加沖擊載荷的活塞，所述鉆具還包括所述活塞上方的驅動室以及所述活塞和所述鉆頭之間的返回室；并且，響應于所述致動器流交替地與所述驅動室和所述返回室相連通，所述活塞分別被支撐成朝向所述鉆頭和遠離所述鉆頭往復運動。
6.如權利要求5所述的鉆具，其中，所述活塞的往復運動至少暫時地切斷所述驅動室與所述致動器排出路徑之間的連通，而將所述驅動室設置成與所述致動器流動路徑相連通并且將所述返回室設置成與所述致動器排出路徑相連通，并且至少暫時地切斷所述返回室與所述致動器排出路徑之間的連通，而在將所述返回室設置成與所述致動器流動路徑相連通并且將所述驅動室設置成與所述致動器排出路徑相連通。
7.如權利要求6所述的鉆具，還包括與所述致動器排出路徑相連通的驅動排出端口、 和與所述致動器排出路徑相連通的返回排出端口 ；其中，所述活塞的往復運動通過以所述活塞的一部分覆蓋所述驅動排出端口而至少暫時地切斷所述驅動室與所述致動器排出路徑之間的連通；并且，所述活塞的往復運動通過以所述活塞的一部分覆蓋所述返回排出端口而至少暫時地切斷所述返回室與所述致動器排出路徑之間的連通。
8.如權利要求6所述的鉆具，其中，所述活塞包括驅動供給管道和返回供給管道；其中，所述活塞的往復運動至少暫時地將所述驅動室設置成通過所述驅動供給管道與所述致動器流動路徑相連通；并且，所述活塞的往復運動至少暫時地將所述返回室設置成通過所述返回供給管道與所述致動器流動路徑相連通。
9.如權利要求1所述的鉆具，還包括鉆頭排出路徑，所述鉆頭排出路徑適合于通過所述鉆頭排放所述運動流體的鉆頭流部分；其中，所述鉆頭排出路徑與所述致動器流動路徑示意性地并行；并且，所述鉆頭排出路徑與所述致動器排出路徑的至少一部分示意性地并行。
10.如權利要求9所述的鉆具，還包括用于抑制致動器排出物從所述鉆具排出的裝置， 以至少部分地控制沿所述鉆頭排出路徑的運動流體部分和沿所述致動器流動路徑的運動流體部分。
11.如權利要求10所述的鉆具，其中，所述用于抑制的裝置包括至少部分地限定出節(jié)流室的流動板和位于所述節(jié)流室內的止回閥；并且，所述流動板適合于通過鉆桿管至所述鉆具的附接而被夾緊至所述鉆具。
12.—種鉆具，包括頂部接頭，所述頂部接頭限定所述鉆具的頂端并且適合于連接至鉆桿管； 鉆頭，所述鉆頭限定所述鉆具的底端，所述鉆頭包括外部表面； 活塞，所述活塞能夠以往復的方式移動以向所述鉆頭提供循環(huán)沖擊載荷； 驅動室，所述驅動室位于所述活塞的第一側； 返回室，所述返回室位于所述活塞的與所述第一側相對的第二側； 致動器流動路徑，所述致動器流動路徑適合于將運動流體流交替地引導至所述驅動室和所述返回室以驅動所述活塞的往復運動，所述驅動室和所述返回室中的所述運動流體在驅動所述活塞的往復運動之后變成致動器排出物；致動器排出路徑，所述致動器排出路徑適合于接收來自所述驅動室和所述返回室中的至少一個的致動器排出物、并且在所述鉆頭上方將所述致動器排出物從所述鉆具排出，使得基本上沒有致動器排出物流過所述鉆頭的所述外部表面；以及鉆頭排出路徑，所述鉆頭排出路徑與所述致動器流動路徑和所述致動器排出路徑示意性地并行并且將運動流體排放到所述鉆頭的所述外部表面上。
13.如權利要求12所述的鉆具，其中，所述鉆頭位于所述鉆具的底端中；其中，所述頂部接頭限定所述鉆具的與所述底端相對的頂端；并且，所述致動器排出路徑通過所述頂部接頭排放所述致動器排出物。
14.如權利要求12所述的鉆具，其中，所述致動器排出路徑適合于接收來自所述驅動室和所述返回室的所有致動器排出物、并且在所述鉆頭上方將所有致動器排出物從所述鉆具排出，使得基本上沒有致動器排出物流過所述鉆頭的所述外部表面。
15.如權利要求12所述的鉆具，其中，所述活塞的往復運動至少暫時地切斷所述驅動室與所述致動器排出路徑之間的連通，而將所述驅動室設置成與所述致動器流動路徑相連通并且將所述返回室設置成與所述致動器排出路徑相連通，并且至少暫時地切斷所述返回室與所述致動器排出路徑之間的連通，而將所述返回室設置成與所述致動器流動路徑相連通并且將所述驅動室設置成與所述致動器排出路徑相連通。
16.如權利要求15所述的鉆具，還包括與所述致動器排出路徑相連通的驅動排出端口、和與所述致動器排出路徑相連通的返回排出端口 ；其中，所述活塞的往復運動通過以所述活塞的一部分覆蓋所述驅動排出端口而至少暫時地切斷所述驅動室與所述致動器排出路徑之間的連通；并且，所述活塞的往復運動通過以所述活塞的一部分覆蓋所述返回排出端口而至少暫時地切斷所述返回室與所述致動器排出路徑之間的連通。
17.如權利要求15所述的鉆具，其中，所述錘包括驅動供給管道和返回供給管道；其中，所述活塞的往復運動至少暫時地將所述驅動室設置成通過所述驅動供給管道與所述致動器流動路徑相連通；并且，所述活塞的往復運動至少暫時地將所述返回室設置成通過所述返回供給管道與所述致動器流動路徑相連通。
18.如權利要求12所述的鉆具，還包括用于抑制致動器排出物從所述鉆具排出的裝置，以至少部分地控制沿所述鉆頭排出路徑的運動流體部分和沿所述致動器流動路徑的運動流體部分。
19.如權利要求18所述的鉆具，其中，所述用于抑制的裝置包括至少部分地限定出節(jié)流室的流動板和位于所述節(jié)流室內的止回閥；并且，所述流動板適合于通過鉆桿管至所述鉆具的附接而被夾緊至所述鉆具。
20.一種潛孔錘，包括鉆頭，所述鉆頭具有外部表面；鉆頭排出路徑，所述鉆頭排出路徑適合于將運動流體排出到所述鉆頭的所述外部表面的至少一部分上；錘組件，所述錘組件能夠操作成向所述鉆頭傳遞沖擊載荷；致動器流動路徑，所述致動器流動路徑適合于輸送運動流體以操作所述錘組件；以及致動器排出路徑，所述致動器排出路徑適合于在運動流體已經操作所述錘組件之后將所述運動流體從所述錘組件排出，使得基本上沒有致動器排出物流過所述鉆頭的所述外部表面；其中，所述鉆頭排出路徑與所述致動器排出路徑的至少一部分示意性地并行。
全文摘要
一種沖擊輔助式旋轉鉆機，該沖擊輔助式旋轉鉆機包括用于與鉆桿管連接的頂部接頭。鉆桿管將轉矩傳遞至鉆機并且還為鉆機供給運動流體。鉆機包括便于將旋轉鉆頭固定于鉆機的尾柄適配器。運動流體被分為致動器流以及流動穿過鉆頭以清除鉆機的底部處的碎片的鉆頭流?？梢猿释鶑瓦\動活塞形式的致動器在致動器流的作用下在鉆機內移動以向尾柄適配器施加循環(huán)打擊。打擊通過尾柄適配器傳遞至鉆頭以在旋轉鉆頭上提供相對高頻低幅的沖擊力以幫助鉆進操作。運動流體的致動器流部分的至少一部分通過鉆機的頂端排出?？梢杂弥聞悠髁髋懦雎窂街械闹够亻y調節(jié)鉆頭流和致動器流的相對流速和體積。
文檔編號E21B4/14GK102317565SQ201080007365
公開日2012年1月11日 申請日期2010年2月10日 優(yōu)先權日2009年2月11日
發(fā)明者利蘭·H·里昂, 瓦倫·T·萊 申請人:阿特拉斯·科普柯(美國)塞科洛克有限公司