专利名称：潜孔锤钻进设备及覆盖层钻进方法
技术领域：
本发明涉及一种钻进设备，特别是利用潜孔锤的钻进设备，以及涉
及一种钻进方法，特别是用于覆盖层(overburden)钻进的钻进方法。
背景技术：
称为"潜孔锤(down-the-hole hammer)"的钻进设备具有下降到钻孔 中的旋转冲击钻进头。用于表示钻进设备的其它术语有"孔内锤 (Inhole-hammer)"和"DTH锤"，在下文中将使用这些术语。
在本申请的情况下，覆盖层钻进用于表示其中至少在钻孔底部区域 中拖拽为钻孔提供套管的管的钻进方法。
在公布的德国专利申请DE 43 10 726 Al中，描述了一种具有DTH 锤的钻机，其中，利用分配器将作为冲洗介质的压缩空气从钻机的周边 管道供应到钻头中央，并且通过布置在钻机中央的管道提升钻屑。
该公知设备还具有位于锤的区域中的下端开口的裙部，富含钻屑的 压縮空气通过该裙部而被供给至分配器。
在美国专利申请US 2005/0103527 Al中，描述了一种双壁钻管，其 内部件形成为通过其向上输送钻屑的软管，而钻浆被向下推动通过内外 软管之间的空间。
在国际申请WO 02/081856 Al中，描述了一种钻进头，其中冲洗介
质被向外供应到钻头的边缘，并且钻屑从钻头的中央部分被输送到钻进 头的周边。
已经发现，公知的钻进设备一方面需要高的冲洗介质流速，另一方 面在某些应用中，钻深不足，钻速在一定程度上不令人满意，或者形成 的钻孔直径较小。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种克服现有技术的缺陷的钻进设备和 方法；例如，通过具有增加的功效，即更快地或通过更小的冲洗介质流 速提供更大的钻深或更大的钻孔直径。
根据第一方面，根据本发明的钻进设备具有带有冲击钻头的DTH 锤；钻管，其具有用于钻屑的废料管道和至少一个用于冲洗介质的供应 管道；以及连接至所述钻头的覆盖层管。
根据本发明的一实施方式，在分配器上方安装有环，该环优选可围 绕所述钻管旋转，在该环上布置有至少一个，优选两个至五个盘作为密 封件。具体地说，采用被较小直径的塑料盘分开的橡胶盘，其中橡胶盘 的外径对应于(即大约等于或略大于)所述覆盖层管的内径。所述橡胶 盘和塑料盘的铺置优选通过两个直径较小的钢盘(它们被旋拧在一起) 而保持在一起。在轴向上，所述盘和支撑所述盘的环的密封组件优选通 过凸缘等固定。
通过该措施，可以实现降低冲洗介质通过岩石中间隙的压力损失。 避免了由于钻进过程中钻孔容积增大而引起的附加压力损失。结果，驱 动所述锤所必须的能量传递介质的量足以在离开所述锤之后用作冲洗介 质，这基本上与周围岩石的特性(间隙、水)无关。
而且，本发明提供了利用空气提升的覆盖层钻进的方法。根据该方 面，根据本发明的方法包括至少在钻深的主要部分上供应冲洗介质，具 体在周边供应冲洗介质以运走钻屑，并沿着周围岩石附近的覆盖层管进 行拖拽。这里，优选的是，所述覆盖层管不旋转，或者相对于周围岩石 比布置在中央的钻管旋转得要慢得多，以供应冲洗介质和运走冲洗介质。
在优选实施方式中，根据本发明的方法还包括相对于钻孔开口密封 钻孔底部，具体是沿着密封垫进行拖拽。所述垫相对于周围岩石至多以 所述钻管的速度旋转，并且至少以所述覆盖层管的速度旋转。
根据另一方面，提供了一种旋转冲击钻进方法，该方法包括在使所 述锤旋转的同时通过能量传递介质向布置在钻孔中的锤供应能量。
根据又一方面，根据本发明的钻进设备具有围绕所述锤的减小的自
由横截面(free cross-section),该自由横截面至多为废料管道中的自由横 截面的十倍大。
在从属权利要求、下文的描述和附图中公开了其它的有利实施方式 和细节。权利要求旨在为概括地限定本发明的非限制性方式。
图1为根据本发明的钻进设备的纵向剖视图2为根据本发明的钻进设备的横截面图3为与本发明一起使用的插塞(plug)的横截面图4为根据本发明的钻进设备的概略图5为根据本发明的另一钻进设备的局部纵向剖视图。
具体实施例方式
在根据图1和图2的实施方式中，钻机1包括钻管2，该钻管具有 中央废料管道3和布置在周边的空气供应管道4。连接件5焊接至钻管2 的下端，DTH钻进头6通过其中央连接器7拧接在连接件5中，该中央 连接器7包括压縮空气供应开口 8，通过该压縮空气供应开口 8向DTH 钻进头6供应用于驱动其冲击钻头9的压縮空气。钻头9的直径大于钻 管2的直径，并且大于DTH钻头6的驱动部分的直径。在连接件5中， 供应管道部10从钻管2的布置在中央的废料管道3斜向下通到侧向布置 的入口开口 11。空气管道部13从钻管2的周边空气管道4经由连接环带 111而通到钻进头的连接器7的中央区域。
冲击钻头9通过压縮空气被驱动以在通过钻机11旋转的同时执行锤 击动作，在该实施例中，所述压縮空气由位于钻孔开口附近的压缩机站 60提供。钻头9包括中央导向钻头9a和周围扩孔钻头9b。导向钻头9a 和扩孔钻头％通过可松开的卡口连接而彼此相连。扩孔钻头9b通过套 管靴(casing shoe) 15可旋转地，并且优选同轴地，连接至覆盖层管12， 从而在钻进过程中沿着覆盖层管12进行拖拽。从钻孔底部流回钻孔开口 的空气借助于已经存在于钻孔中或额外供应的水而用作冲洗介质，并在
中央废料管道3中保持足以运走钻屑的流速。该流速超过30m/s，并且优 选为70 80m/s，特别是大约75m/s。
在根据图1的实施方式中，钻头9还包括用于从锤6流到钻头9中 的压縮空气42的供应管道部41、供应管道43、废料管道44、旁路(扼 流支路)45和用于向表面流回的压缩空气47的排放管道46。在钻头9 的表面处，分别布置有导向钻头和扩孔钻头的钻元件50a和50b。扩孔钻 头9b—方面通过固定元件51、 52、 53而可释放地再连接至导向钻头9a， 另一方面可旋转地连接至套管靴15，从而扩孔钻头9b能够沿着套管靴 15以及焊接到套管靴15上的覆盖层管12进行拖拽。从而，覆盖层管12 不旋转，或相对于周围岩石比钻头9旋转得要慢得多，这取决于钻孔壁 提供的摩擦和通过钻头9施加的转矩。
具有30m3/min 80m3/min，优选50m3/min 70m3/min的组合生产能 力的压缩机60用作用于18〃 DTH锤和外管直径为200mm、内管直径为 125mm的钻管的压縮空气源。随着钻进深度和钻屑颗粒尺寸的增加，相 应地使用更大的空气供应速率。而且，供应速率与孔直径成比例。
钻孔至少在孔底部并超过锤6的区域中被覆盖层管12包覆。在连接 件5上方，插塞1S (图3)设置为紧密地装配在覆盖层管12与钻管2之 间的密封垫并在钻进过程中与钻管2 —起被向下运送。在所示实施方式 中，插塞18包括由直径较小的两个刚性盘22以间隔开的方式支撑的三 个弹性盘22。两个至四个或五个橡胶盘是优选的，它们由数量少一个的 多个塑料盘间隔开。橡胶盘和塑料盘的堆叠通过直径与塑料盘22相同的 钢盘24以及穿过盘中的孔26的六个螺栓28及螺母而被保持在两侧。盘 堆布置在安装环30上，并被可通过凸缘孔31接近的螺栓32紧固，从而 将安装环30可旋转地安装在钻管12上，并通过焊接至钻管22上的固定 环34而在轴向上固定。通过该布置，在橡胶盘20接触覆盖层管12的内 壁时，安装环30不与钻管12 —起旋转，或可能缓慢地旋转。插塞18的 密封盘以至少为覆盖层管的速度且小于钻管2的速度相对于周围岩石旋 转。在可选实施方式(未示出)中，在安装环30上布置可膨胀的管状环 ("填塞器")来代替盘堆叠。在另一未示出的变型例中，没有设置覆盖层管，从而橡胶盘相应地密封抵靠钻孔壁。
使用例如尺寸为711 (28〃 ) X8mm的管作为覆盖层管18，插塞的 橡胶盘20装配到其为695mm的内径中。插塞18的橡胶盘、钢盘和塑料 盘的厚度都是15mm。这些盘安装在如图3所示的青铜环30上，该青铜 环30又可旋转地滑动装配(sled)在外径为200mm的钻管2上，并通过 固定环34轴向固定。
在连接器5上方布置有钻铤36 (参见图4)，用于缓冲向上的锤动作 并由此向下引导锤动作。例如，钻铤36形成为钻管2的一部分，具有填 充有铅的外套筒。插塞18布置在钻铤36上方，或者优选布置在钻铤36 下方。
在上述实施例中，覆盖层管是连续的管线，该管线在钻进过程中持 续地添加(appended)并且可以在钻进后留在钻孔中。在可选的钻进设备 中，覆盖层管并未添加超过插塞，而是在其上端通过例如截头圆锥体形 的盖件封闭。在这种情况下，可选的是，该盖件形成为密封垫，从而可 省去(dispensible)所述插塞。这里，盖件可旋转地密封抵靠钻管。
在另一实施方式(参见图5)中，围绕锤6的套筒管14布置在侧向 入口开口 41下方，其中套筒管在入口开口 41下方，优选在其下端处封 闭，并优选是双壁的。在该实施例中，套筒管14向上延伸略微超过入口 开口 41，即向上延伸到连接器5的上边缘，其中管道115形成在套筒管 14中以用于侧向入口开口 11。从而，冲洗介质被强制流过套筒管14和 覆盖层管12之间的狭窄环形空间(图2中的外阴影线区域)。由于狭窄 的自由横截面，锤6的高度处的流速增加，从而确保钻屑的吹出。
在根据本发明的方法中，旋转钻头9，同时通过钻管2将能量传递 介质(例如一部分冲洗介质)供应到锤6，以便将冲击动作传送到旋转的 钻头9上。与钻头9 一起拖拽覆盖层管12以及覆盖层管12与钻管2之 间的密封垫18，从而通过钻管2将钻屑冲走。可以在钻孔开口处在覆盖 层管上端处连续地补充覆盖层管，或者可以在安装密封件之后在覆盖层 管的顶部封闭。在前者情况下，覆盖层管可以在钻进结束后留在钻孔中， 或者从孔中取出。在后者情况下，所具有的优点在于，沿着覆盖层管进 行拖拽而产生的摩擦阻力保持为与钻深无关，因此并没有对钻深设定真 正的限制。
本发明的钻进方法具有的优点在于，通过沿着空气分配连接器5上
方的插塞18运送以使冲洗介质重定向，以及通过沿着覆盖层管12拖拽，
保持了钻孔底部与钻孔开口之间的足以吹出钻屑的压力梯度。 一方面， 冲洗介质不能逃逸到周围岩石中的间隙内，另一方面，压力所作用的体 积在钻进过程中保持恒定，从而相对较小。
在另一优选实施方式中，如果必要，则通过围绕缍的套筒管以以下 方式将用于钻屑的流过横截面限制在锤的区域内，即，使该横截面至多
为钻管的废料管道的内横截面(图2中的内阴影线区域)的10倍，另一 方面优选不小于该内横截面，具体是至少四倍大，并特别优选为六到八 倍大，从而即使粗钻屑也能通过。也可以通过尺寸过大的锤来实现必要 的限制，该锤优选在低于其名义操作压力(例如，小于6.9巴)下被扼流， 从而不会由于其名义上过大的能量输出而损坏钻头。而且，限制设备的 横截面形状可以为不同于圆筒形的形状，例如，可以具有波浪形圆周， 从而分别提供多个交替的更多和更少的限制部分。
优选的是将覆盖层管、钻管的废料管道以及可选的套筒管形成为圆 筒形的，具体是同心的。在这种情况下，三个长度(参见图2):
A二锤或围绕锤布置的套筒管(如果有的话)的外径；
n.B二位于分配器上方的用于冲洗介质的废料管道的内径B的1.5 至4倍，优选为2.5至3倍；
C二覆盖层管的内径，或者在孔底部处没有覆盖层管的情况下钻孔的 内径，
在被布置成几何形状时，形成边长为A、 n'B和C的锐角三角形， 或优选直角三角形。而且，例如05.5B，优选On'B。
通过这些措施，确保钻屑在外围经过锤而被吹到钻管中，而不会积 累在钻孔中。
可选的套筒管优选是单壁或双壁的，并且可包括使分配器的入口开 口与围绕套筒管的环形空间相连的管道或切口。而且，套筒管可以在其
上端延伸到钻管或分配器，并且在其下端向下延伸至锤的下端。优选的 是，所述设备或管的下端封闭，但是只要封闭处位于分配器入口下方就 足够了。
从而，可以使夹带在冲洗介质中的钻屑以足够高的速度围绕套简管 流到分配器的入口开口，从而使钻屑加速到其提升速度。
在优选实施方式中，在第一区段中利用这种套筒管以相对较大的孔
径执行所述钻进方法；在钻孔达到一定深度后，在没有套筒管或具有较
小直径的套筒管的情况下以较小的孔径钻进第二区段。在上部较宽的孔
区段中，可以安装例如卡套(detention casing)。在这种情况下，可以通 过基本相同的部件，以及对空间、时间和成本方面的要求相应减少的方 式完成整个钻进操作。
权利要求
1、一种DTH锤钻进设备，该DTH锤钻进设备包括具有冲击钻头的潜孔(DTH)钻进头；以及钻管，该钻管具有用于钻屑的废料管道和至少一个用于冲洗介质的供应管道，其中在与所述钻进头相距固定距离处设有密封件，用于相对于钻孔开口密封钻孔。
2、 根据权利要求1所述的DTH锤钻进设备，该设备还包括连接至 所述钻头的套管。
3、 一种DTH锤钻进设备，该DTH锤钻进设备包括 具有冲击钻头的潜孔(DTH)钻进头；以及钻管，该钻管具有用于钻屑的废料管道和至少一个用于冲洗介质的 供应管道，该设备还包括连接至所述钻头的套管。
4、 根据权利要求3所述的DTH锤钻进设备，该设备还包括用于相 对于钻孔开口密封钻孔的密封件。
5、 根据权利要求2至4中任一项所述的DTH锤钻进设备，该设备还包括布置在所述锤和所述套管之间的套筒管。
6、 根据权利要求5所述的DTH锤钻进设备，其中所述套筒管在所 述废料管道的入口下方、优选在其底部处封闭。
7、 一种DTH锤钻进设备，该DTH锤钻进设备包括 具有冲击钻头的潜孔(DTH)钻进头；钻管，该钻管具有用于钻屑的废料管道和至少一个用于冲洗介质的 供应管道；以及套筒管，该套筒管围绕所述锤布置，并在所述废料管道的入口下方、 优选在其底部处封闭。
8、 根据权利要求7所述的DTH锤钻进设备，该设备还包括连接至所述钻头的套管。
9、 根据权利要求5或8所述的DTH锤钻进设备，其中所述套管和 所述套筒管具有圆筒形形状。
10、 根据权利要求9所述的DTH锤钻进设备，其中所述套管和所述 套筒管同心地布置。
11、 根据权利要求IO所述的DTH锤钻进设备，其中所述套筒管的 外径A、所述圆筒形废料管道的内径的n倍n，B、以及所述套管的内径 满足这样的条件，即，边长为A、 n，B和C的三角形为直角三角形或锐 角三角形，其中1.5<n<4，优选的是2.5<11<3。
12、 根据权利要求1至11中任一项所述的DTH锤钻进设备，该设 备还包括冲洗介质供应设备。
13、 根据权利要求1至12中任一项所述的DTH锤钻进设备，其中 在所述锤的区域中，围绕所述锤的自由横截面面积至多为所述废料管道 的自由横截面面积的十倍大，并且至少与所述废料管道的自由横截面面 积一样大。
14、 根据权利要求13所述的DTH锤钻进设备，其中围绕所述锤的 自由横截面面积为所述废料管道的自由横截面面积的至少四倍大，优选 为六至八倍大。
15、 根据前述权利要求中任一项所述的DTH锤钻进设备，其中所述 废料管道被所述至少一个供应管道围绕。
16、 根据前述权利要求中任一项所述的DTH锤钻进设备，其中所述 密封件包括两个至五个，具体是三个间隔开的弹性盘。
17、 根据权利要求16所述的DTH锤钻进设备，其中两个至五个， 具体是三个的橡胶盘由较少弹性的盘或/和塑料盘分开。
18、 根据权利要求17所述的DTH锤钻进设备，其中所述塑料盘的 直径小于所述橡胶盘的直径。
19、 根据权利要求16至18中任一项所述的DTH锤钻进设备，其中 所述盘布置在围绕所述钻管可旋转地布置的安装环上。
20、 一种覆盖层钻进方法，该方法包括 使钻头旋转；通过钻管将能量传递介质供应到旋转的所述钻头，以将冲击动作传送至所述钻头；与所述钻头一起拖拽套管；以及 通过所述钻管的废料管道冲走钻屑。
21、 根据权利要求20所述的钻进方法，该方法还包括对空气进行压 縮以提供所述能量传递介质。
22、 根据权利要求20或21所述的钻进方法，其中在所述能量传递 介质作用在所述钻头上之后，至少部分地通过该能量传递介质冲走钻屑。
23、 根据权利要求20至22中任一项所述的钻进方法，其中以至少 50m/s，优选大于60m/s的速度提升所述钻屑通过所述钻管。
24、 根据权利要求20至23中任一项所述的钻进方法，该方法还包 括围绕所述锤布置套筒管，并围绕所述套筒管冲走钻屑。
25、 根据权利要求22所述的钻进方法，其中通过布置在所述锤和所 述套管之间的套筒管进行第一钻进区段以钻出较大直径的第一钻孔区 段，以及在没有套筒管的情况下进行第二钻进区段以钻出较小直径的第 二钻孔区段。
26、 一种钻进方法，该方法包括 使钻头旋转；通过钻管将能量传递介质供应到旋转的所述钻头，以将冲击动作传 送至所述钻头；以及通过所述钻管的废料管道冲走钻屑，其中通过布置在所述锤周围的 套筒管进行第一钻进区段以钻出较大直径的第一钻孔区段，以及在没有 套筒管的情况下进行第二钻进区段以钻出较小直径的第二钻孔区段，其 中在第一钻孔区段中围绕所述套筒管冲走钻屑。
27、 根据权利要求26所述的钻进方法，该方法还包括与所述钻头一 起沿着套管进行拖拽。
28、 根据权利要求20至27中任一项所述的钻进方法，该方法还包 括沿着所述套管和所述钻管之间或钻孔壁和所述钻管之间的垫进行拖 拽。
全文摘要
本发明涉及DTH锤钻进设备和覆盖层钻进方法。该DTH锤钻进设备包括具有冲击钻头(9)的潜孔(DTH)锤(6)；钻管(2)，该钻管具有用于钻屑的废料管道和至少一个用于冲洗介质的供应管道；以及冲洗介质供应设备，其中在距所述钻进头(6)固定距离处设有用于相对于钻孔开口密封钻孔的密封件(18)，或者其中套管(12)连接至所述钻头(9)。本发明还涉及覆盖层钻进方法，该方法包括使钻头(9)旋转；通过钻管(2)将能量传递介质供应到旋转的所述钻头(9)，以将冲击动作传送至所述钻头；与所述钻头(9)一起拖拽套管(12)；以及通过所述钻管(2)冲走钻屑。
文档编号E21B21/12GK101203656SQ200680020497
公开日2008年6月18日 申请日期2006年6月7日 优先权日2005年6月10日
发明者弗兰克·弗莱施曼, 约翰尼斯·阿布特 申请人:地质力学水和环境技术公司