冲击辅助旋转式泥土钻头及其操作方法

专利名称：冲击辅助旋转式泥土钻头及其操作方法
技术领域：
本发明涉及用于钻孔的泥土钻头。
背景技术：
泥土钻头(earthbit)通常用于钻透地层(formation)以形成钻孔。许多不同的原 因需要形成这样的钻孔，例如为油、矿物和地热蒸汽而钻孔。目前已存在用于形成钻孔 的多种不同类型的泥土钻头。一种类型是三锥旋转式泥土钻头，并且在典型的装置中， 其包括以可旋转的方式安装至单独的凸起(Iug)上的三个泥土钻头切削锥。凸起通过焊 接结合到一起以形成钻头体。当在钻孔中使泥土钻头体旋转时，泥土钻头切削锥因接触 地层而旋转。在美国专利 US3,550,972、3,847,235、4,136,748、4,427,307、4,688,651、 4,741,471和6,513,607中公布了旋转式泥土钻头的几个示例。如在美国专禾UUS 3,250,337、3,307,641、3,807,512、4,502,552、5,730,230、 6,371,223和6,986,394、以及美国专利申请No.20050045380中所详细讨论的，人们尝试以 较快的速率形成钻孔。这些参考文献中有些已公开了利用冲击锤(percussionhammer)向 泥土钻头施加重击力(overstrike force)。然而，理想的是在利用冲击锤时提高钻孔速率 时，减小因重击力对泥土钻头的损坏程度。

发明内容
本发明涉及一种冲击辅助旋转式泥土钻头及其操作方法。本发明的新颖特征通 过具体的所附权利要求而提出。结合附图阅读，可以从以下的说明种更透彻地理解本发 明。参考以下的附图和说明，将能更透彻地理解本发明的这些及其它的特征、特点 和优点。


图1是与钻柱(dring string)联接的钻孔机的侧视图。图2a是联接至图1的钻柱的旋转式钻机系统的透视图，其中旋转式钻机系统包括联接至锤击组件(hammer assembly)的旋转式泥土钻头。图2b是图2a的联接至钻柱的旋转式钻机系统的侧剖视图。图3a是由图2a和2b的锤击组件包括的旋转式工具接头的透视图。图3b是由图2a和2b的锤击组件包括的锤外壳的透视图。图3c是由图2a和2b的锤击组件包括的流量控制管的透视图。
图3d是由图2a和2b的锤击组件包括的活塞的透视图。图3e是由图2a和2b的锤击组件包括的驱动卡盘的透视图。图3f是由图2a和2b的锤击组件包括的适配器接头的透视图。图4a和4b分别为图2a和2b的示出活塞处于第一位置和第二位置的锤击组件的 近视图。图5a和5b分别为图2a和2b的在旋转式泥土钻头处于缩回位置和延伸位置的情 况下的旋转式钻孔系统的侧视图。图6是图2a和2b的锤击组件的后部的侧视图。图7a是图2a和2b的处于分离状态的适配器接头和旋转式泥土钻头的透视 图。图7b和7c是图2a和2b的处于联接状态的适配器接头和旋转式泥土钻头的横截 面图。图7d是图2a和2b的旋转式泥土钻头的梯形旋转式泥土钻头螺纹的侧视图。图7e是图2a和2b的适配器接头的梯形工具接头螺纹的侧视图。图8a和8b是钻孔的方法的流程图。图8c和8d是制造旋转式钻机系统的方法的流程图。图9a、9b和9c是钻透地层的方法的流程图。
具体实施例方式图1是与钻柱106联接的钻孔机160的侧视图。在该实施方式中，钻孔机160 包括承载原动机162和司机室163的平台161。塔164的塔基164a通过塔联接器168联 接至平台161，并且塔联接器168允许塔164在升起位置与放下位置之间反复运动。在图 1所示的升起位置中，塔164的塔冠164b离开平台161。在升起位置中，塔164的前面 165面对司机室163，而塔164的背面166面对原动机162。在放下位置中，塔164的背 面166朝平台161和原动机162运动。塔164大体上承载附连至旋转头167的馈电电缆系统(未示出)，其中馈电电缆 系统允许旋转头167沿塔164在升起位置与放下位置之间运动。馈电电缆系统分别通过 使旋转头167朝塔冠164b和塔基164a运动来使其运动至升起位置和放下位置。使旋转头167在升起位置与放下位置之间运动，以便通过钻孔分别提高和降低 钻柱106。此外，旋转头167用于旋转钻柱106，其中，钻柱106可以从塔164中向外延 伸出来。钻柱106大体上包括以公知的方式连接到一起的一根或多根钻杆。钻柱106的 钻杆能够附连至泥土钻头、诸如三锥旋转式泥土钻头。图2a是联接至钻柱106的旋转式钻机系统100的透视图，而图2b是联接至钻柱 106的旋转式钻机系统100的侧剖视图。在图2a中，旋转式钻机系统100通过钻孔105 纵向地延伸。中心线147沿旋转式钻机系统100的中心纵向延伸，并且径向线169径向 地并垂直于中心线147延伸。对应于旋转式钻机系统100的圆形横截面形状，钻孔105 也具有圆形横截面形状。钻孔105具有横截面直径D1,其对应于在钻孔105具有圆形横 截面形状时的直径。此外，旋转式钻机系统100具有横截面直径D2,其对应于当旋转式 钻机系统100具有横截面形状时的直径。直径D1的值对应于直径D2的值。例如，直径D1随直径D2的增大和减小而分别增大减小。应指出的是，分别通过在沿径向线169的方向上形成穿过钻孔105和旋转式钻机系统100的切割线来确定钻孔105和旋转式钻机系统100的横截面形状。在该实施方式中，旋转式钻机系统100包括联接至锤击组件103的旋转式泥土钻 头102。如以下将通过图7a更详细地讨论地，旋转式泥土钻头102可反复地在与锤击组 件103的联接状态与分离状态之间运动。旋转式泥土钻头102可以是许多不同的类型。 在该实施方式中，旋转式泥土钻头102实现为三锥旋转式泥土钻头。三锥旋转式泥土钻 头包括连接到一起以形成泥土钻头体的三个凸起，其中各凸起承载以可旋转的方式安装 至该凸起的切削锥。通常，旋转式泥土钻头102包括一个或多个凸起，并且对应的切削 锥以可旋转的方式安装至各凸起。应指出的是，为了说明性目的，在图2a和2b中示出 了两个切削锥。在该实施方式中，锤击组件103包括旋转式工具接头107，其具有延伸通过该旋 转式工具接头107的中心开口 104 (图3a)。钻柱106的一端联接至钻孔机160 (图1)， 而钻柱106的另一端通过工具接头107联接至旋转式钻机系统100。尤其地，钻柱106 的一端联接至旋转头167，而钻柱106的另一端通过工具接头107联接至旋转式钻机系统 100。在美国专利 No.4,320,808、6,276,453、6,315,063 和 6,571,867 中提供了关于钻孔机 的更多的信息，所有专利的内容在此以参考的方式并入。钻柱106与旋转式工具接头107之间的连接常被称为螺纹承插式连接。钻柱106 联接至旋转式钻机系统100，使得钻柱106通过锤击组件103与旋转式泥土钻头102流体 连通。钻柱106通过钻柱开口 108和工具接头107的中心开口 104向锤击组件103提供流 体。钻孔机160使流体通过旋转头167和钻柱106流动至泥土钻头102和锤击组件103。 旋转式泥土钻头102输出一些流体，使得通过钻孔105向上提升钻屑。钻孔机160提供 具有预期压力的流体，以清洁旋转式泥土钻头102，以及从钻孔105排泄钻屑。如以下将 更详细地讨论地，钻孔机160提供具有预期压力的流体，以促动锤击组件103。流体可以是许多不同的类型、诸如液体和/或气体。液体可以是许多不同的类 型、诸如油、水、钻孔泥浆、和它们的组合。气体可以许多不同的类型、诸如空气和其 它气体。在有些情形下，流体包括液体和气体、诸如空气和水。应指出的是，钻孔机 160 (图1)通常包括向流体提供诸如空气的气体的压缩机(未示出)。流体用于操作旋 转式泥土钻头102，并促动锤击组件103。例如，流体用于润滑和冷却旋转式泥土钻头 102，并且如以下更详细地讨论地促动锤击组件103。还应指出的是，通常通过旋转头167使钻柱106旋转，并且旋转式钻机系统100 随钻柱106的旋转而旋转。能以许多不同的速率使钻柱106旋转。例如，在一种情形 下，旋转头167使钻柱106以低于大约150转/分钟(150RPM)的速率旋转。在一种特 定情形下，旋转头167使钻柱106以在大约50转/分钟(50RPM)至大约150转/分钟 (150RPM)之间的速率旋转。在有些情形下，旋转头167使钻柱106以在大约40转/分 钟(40RPM)至大约100转/分钟(100RPM)之间的速率旋转。在另一特定情形下，旋转 头167使钻柱106以在大约100转/分钟(100RPM)至大约150转/分钟(150RPM)之间 的速率旋转。通常，旋转式钻机系统100的钻进速率分别随钻柱106的旋转速率的提高 和降低而提高和降低。因此，可通过调节钻柱106的旋转速率而相应地调节旋转式钻机 系统100的钻进速率(penetration rate)。
在大部分实施方式中，泥土钻头102以具有施加于该泥土钻头102上的钻压 (weight-on-bit)的方式操作。通常，旋转式钻机系统100的钻进速率分别随钻压升高和 降低而提高和降低。因此，可通过调节钻压而相应地调节旋转式钻机系统100的钻进速率。钻压通常通过钻柱106和锤击组件103施加于泥土钻头102。钻压能以许多不同 的方式通过钻柱106和锤击组件103施加于泥土钻头102。例如，钻孔机160能通过钻柱 106和锤击组件103向泥土钻头102施加钻压。尤其地，旋转头167能通过钻柱106和 锤击组件103向泥土钻头102施加钻压。钻压的值取决于许多不同的因素、诸如泥土钻 头102在不失效的情况下经得起钻压的能力。如果钻压太大，则泥土钻头102很可能失 效。钻压可具有在许多不同范围内的重量值。例如，在一种情形中，钻压小于 10,000磅/钻孔直径的平方英寸(10,OOOpsi)。在一种特定情形下，钻压处于大约1,000磅 /钻孔直径的平方英寸(1,OOOpsi)至大约10,000磅/钻孔直径的平方英寸(10,OOOpsi)的 范围内。在一种情形下，钻压处于大约2,000磅/钻孔直径的平方英寸(2,OOOpsi)至大约 8,000磅/钻孔直径的平方英寸(8,OOOpsi)的范围内。在另一情形下，钻压处于大约4,000 磅/钻孔直径的平方英寸(4,OOOpsi)至大约6,000磅/钻孔直径的平方英寸(6,OOOpsi)的 范围内。应指出的是，如以上更详细地讨论地，钻压的钻孔直径对应于钻孔105的与旋 转式钻机系统100的直径D2对应的直径D115还能利用除钻孔直径的磅/平方英寸的数量以外的单位确定钻压。例如，在有 些情形下，钻压小于大约130,000磅(130,OOOlbs)。在一种特定情形下，钻压处于大约 30,000磅(30,OOOlbs)至大约130,000磅(130,OOOlbs)的范围内。在一种情形下，钻压处 于大约10,000磅(10,OOOlbs)至大约60,000磅(60,OOOlbs)的范围内。在另一情形下，钻 压处于大约60,000磅(60,OOOlbs)至大约120,000磅(120,OOOlbs)的范围内。在一种情形 下，钻压处于大约10,000磅(10,OOOlbs)至大约40,000磅(40,OOOlbs)的范围内。在另一 情形下，钻压处于大约80,000磅(80,OOOlbs)至大约110,000磅(110,OOOlbs)的范围内。在操作期间，锤击组件103向旋转式泥土钻头102施加重击力。然而，应指出 的是，重击力能以许多其它方式施加于旋转式泥土钻头102。例如，在一实施方式中，重 击力通过弹簧促动的机械工具施加于泥土钻头102。在另一实施方式中，重击力通过代替 气动锤的弹簧促动的机械工具施加于泥土钻头102。在有些实施方式中，重击力通过机电 动力工具施加于泥土钻头102。在有些实施方式中，重击力通过机电动力工具而非气动锤 施加于泥土钻头102。在图2a和2b的实施方式中，锤击组件103被启动时而相应地向旋转式泥土钻头 102施加重击力。如上所述，流体通过锤击组件103的流动而相应地启动锤击组件103， 其中流体通过钻柱106由钻孔机160提供。钻孔机160提供具有受控和可调节的压力的 流体。如以下更详细地讨论地，流体压力设置成使得以预期的频率和振幅促动锤击组件 103。这样，锤击组件103向旋转式泥土钻头102提供预期的重击力。
在操作中，当旋转式泥土钻头102的切削锥与地层接触时，促动锤击组件103。 锤击组件103向旋转式泥土钻头102施加重击力，并且相应地，当切削锥破碎地层时，旋 转式泥土钻头102前进到地层中。破碎地层的速率受被促动的锤击组件103所提供的力的大小和频率影响。这样，锤击组件103将旋转式泥土钻头102打入地层，并形成钻孔105。应指出的是，重击力的大小通常与重击力的振幅的绝对值一致。如上所述，锤击组件103包括具有贯穿中心开口 104的旋转式工具接头107，其 中旋转式工具接头107在图3a中以透视图形式示出。中心开口 104允许流体流过旋转式 工具接头107。钻柱106通过旋转式工具接头107联接至锤击组件103。这样，钻柱106 联接至旋转式钻机系统100。在该实施方式中，锤击组件103包括在图3b中以透视图形式示出的锤套管110。 在此，锤套管110在形状上为具有圆形横截面形状的圆柱形。锤套管110具有相对的开 口、以及在相对的开口之间延伸的中心通道112。锤套管110限定作为中心通道112的一 部分的活塞筒113 (图3b)。应指出的是，旋转式工具接头107联接至锤套管110，使得 中心通道112与中心开口 104流体连通。此外，钻柱106通过中心通道112与泥土钻头 102和锤击组件103流体连通。旋转式工具接头107能以许多不同的方式联接至锤套管110。在该实施方式中， 旋转式工具接头107通过后部114联接至锤套管110 (图2b)。后部114与锤套管110螺 纹接合，并具有尺寸和形状形成为接纳旋转式工具接头107的中心开口。节流板116安 置在后部114与旋转式工具接头107之间。节流板116与止回阀115(图6) —起限制钻 屑和碎片进入锤击组件103的回流。如以下将更详细地讨论地，节流板116和止回阀115 还限制通过锤击组件103的气流。节流板116和止回阀115朝锤击组件103的后端安置， 以允许在不必从钻孔105移除旋转式钻机系统100的情况下调节该节流板116和止回阀 115。这允许现场调节锤击组件103中的排气压力以调节其输出功率。在该实施方式中，锤击组件103包括在图3c中以透视图形式示出的流量控制管 118。在该实施方式中，流量控制管118延伸通过旋转式工具接头107的中心开口 104、 以及通过中心通道112。控制管118包括具有头部和轴套部121和123的流量控制管本 体120。轴套部123延伸通过离开钻柱106的中心通道112。控制管118包括延伸通过 轴套部123的相对的驱动引导口 122a和122b和相对的回流引导口 122c和122d。在该实施方式中，锤击组件103包括在图3d中以透视图形式示出的活塞124。 在该实施方式中，活塞124安置在锤套管110的活塞筒113内。活塞124包括具有轴套 部123延伸通过的中心开口 125的活塞体126。中心开口 125在活塞体126的驱动表面 128与回流表面130之间延伸。驱动表面128面朝旋转式工具接头107，而回流表面130 面离旋转式工具接头107。如将通过图4a和4b更详细地讨论地，活塞体126安置在活塞 筒113内，使得活塞筒113具有与回流表面130邻接的回流室140和与驱动表面128邻接 的驱动室141。在该实施方式中，活塞体126包括相对的驱动活塞口 132a和132d和相对的回流 活塞口 132c和132d。驱动活塞口 132a和132b和回流活塞口 132c和132d在活塞体126 的中心开口 125与外周之间延伸。驱动活塞口 132a和132b和回流活塞口 132c和132d 能以许多不同的方式延伸通过活塞体126。在该实施方式中，驱动活塞口 132a和132b转 朝驱动表面128。驱动活塞口 132a和132b转朝驱动表面128，使得驱动活塞口 132a和 132b不平行于径向线169。驱动活塞口 132a和132b转朝驱动表面128，使得驱动活塞口 132a和132b不平行于中心线147。此外，回流活塞口 132c和132d转朝回流表面130。回流活塞口 132c和132d转朝驱动表面130，使得回流活塞口 132c和132d不平行于径向线169。回流活塞口 132c和132d的角度朝向驱动表面130，使得回流活塞口 132c和132d 不平行于中心线147。如以下将更详细地讨论地，活塞体126可沿轴套部123在第一位置与第二位置之 间反复运动，其中在第一位置中，驱动活塞口 132a和132b分别通过驱动引导口 122a和 122b与中心通道112流体连通，而在第二位置中，回流活塞口 132c和132d分别通过回流 引导口 122c和122d与中心通道112流体连通。应指出的是，在第一位置中，回流活塞 口 132c和132d不通过回流引导口 122c和122d与中心通道112流体连通。此外，在第 二位置中，驱动活塞口 132a和132b不通过驱动引导口 122a和122b与中心通道112流体 连通。因此，在第一位置中，限制来自中心通道112的材料通过活塞体126流过回流活 塞口 132c和132d。此外，在第二位置中，限制来自中心通道112的材料通过活塞体126 流过驱动活塞口 132a和132b。通过图4a和4b更详细地讨论材料通过锤击组件103的端 口的流动，其中活塞124的第一和第二位置分别对应于脱离和接合位置。在该实施方式中，锤击组件103包括在图3e中以透视图形式示出的驱动卡盘 134。驱动卡盘134联接至锤套管110。驱动卡盘134能以许多不同的方式联接至锤套管 110。在该实施方式中，通过将驱动卡盘134与锤套管110螺纹接合到一起来将驱动卡盘 134联接至锤套管110。在该实施方式中，锤击组件103包括在图3f中以透视图形式示出的适配器接头 136。适配器接头136能以许多不同的方式联接至锤套管110。在该实施方式中，适配器 接头136滑动地联接至驱动卡盘134，如上所述，该驱动卡盘134联接至锤套管110。这 样，适配器接头136能相对于驱动卡盘134滑动。适配器接头136在一端包括旋转式泥 土钻头开口 138和工具接头139。在相对端，适配器接头136包括面对回流表面130的撞 击面131。应指出的是，驱动表面128面离撞击面131。如上所述，旋转式钻机系统100包括联接至锤击组件103的旋转式泥土钻头
102。旋转式泥土钻头102能以许多不同的方式联接至锤击组件103。在该实施方式中， 通过使旋转式泥土钻头102联接至适配器接头136来使该旋转式钻头102联接至锤击组件
103。在该实施方式中，通过使旋转式泥土钻头102延伸通过旋转式泥土钻头开口138并 使其联接至工具接头139来使该旋转式泥土钻头102联接至适配器接头136。如以下将通 过图7a更详细地讨论地，旋转式泥土钻头102可反复地在与适配器接头136的联接状态 与分离状态之间运动。应指出的是，旋转式泥土钻头102能相对于驱动卡盘134滑动，因为该旋转式泥 土钻头102联接至适配器接头136，该适配器接头136滑动地联接至驱动卡盘134。因 此，当适配器接头136相对于驱动卡盘134滑动时，旋转式泥土钻头102相对于驱动卡盘 134滑动。这样，适配器接头136和旋转式泥土钻头102能相对于驱动卡盘134和锤套管 110滑动。如将通过图4a和4b更详细地讨论地，适配器接头136随活塞124的运动而滑 动，该活塞124向该适配器接头136施加重击力F (图4b)。如将通过图5a和5b更详细 地讨论地，旋转式泥土钻头102随适配器接头136的滑动而在延伸位置与缩回位置之间相 应地运动。这样，旋转式泥土钻头102响应于活塞124在第一位置与第二位置之间的运动而在延伸位置与缩回位置之间运动。
图4a和4b分别为示出活塞124处于第一位置和第二位置的锤击组件103的近视 图。此外，图5a和5b分别为具有处于缩回位置和延伸位置的旋转式泥土钻头102的钻 孔系统100的侧视图。图6是示出流体如何由旋转式钻机系统100排出的锤击组件103 的后部的侧视图。在该实施方式中，锤击组件103包括与驱动室141流体连通的驱动排出口 142a和 142b。此外，锤击组件103包括与回流室140流体连通的回流排出口 142c和142d。驱 动排出口 142a和142b允许材料从驱动室141流向锤击组件103外的区域。此外，回流 排出口 142c和142d允许材料从回流室140流向锤击组件103外的区域。将通过图6更 详细地讨论材料从回流室140和驱动室141的流动。在该实施方式中，活塞124可在第一位置与第二位置之间反复运动。在第一位 置中，活塞124与适配器接头136脱离，而在第二位置中，活塞124与适配器接头136接 合。在脱离位置中，活塞体126安置成使得驱动活塞口 132a和132b分别通过驱动引导口 122a和122b与中心通道112流体连通。在脱离位置中，活塞体126安置成使得回流活塞 口 132c和132d不通过回流引导口 122c和122d与中心通道112流体连通。在脱离位置 中，活塞体126限制材料通过回流引导口 122c和122d的流动。此外，在脱离位置中， 活塞体126安置成使得回流室140与回流排出口 142c和142d流体连通，而驱动室141不 与驱动排出口 142a和142b流体连通。在接合位置中，活塞体126安置成使得驱动活塞口 132a和132b不通过驱动引导 口 122a和122b与中心通道112流体连通。在接合位置中，活塞体126安置成使得回流 活塞口 132c和132d分别通过回流引导口 122c和122d与中心通道112流体连通。在接 合位置中，活塞体126限制材料通过驱动引导口 122a和122b的流动。此外，在接合位 置中，活塞体126安置成使得回流室140不与回流排出口 142c和142d流体连通，而驱动 室141与驱动排出口 142a和142b流体连通。在一种情形下，如图4a所示，活塞124处于脱离位置，使得回流室140与回流 排出口 142c和142d流体连通。这样，回流室140中的流体能从回流室140流向锤击组 件103外的区域。此外，驱动室141分别通过驱动活塞口 132a和132b并通过驱动引导 口 122a和122b与中心通道112流体连通。这样，流体能够通过钻柱开口 108所提供的 中心通道112而流入驱动室141。当流体流入驱动室141时，其压力升高，该流体向活塞 体126的驱动表面128施加重击力并使活塞体126沿轴套部123移离头部121。活塞体126响应于向驱动表面128施加的重击力F而移向适配器接头136，其中 回流表面130接合撞击面131。适配器接头136响应于接合撞击面131的回流表面130而 相对于驱动卡盘134滑动。如上所述，旋转式泥土钻头102联接至适配器接头136。因 此，旋转式泥土钻头102也响应于接合撞击面131的回流表面130而滑动，其中旋转式泥 土钻头滑动，如此其从缩回位置(图5a)运动至延伸位置(图5b)。在缩回位置中，如图5a中的指示箭头148所指示地，适配器接头136与驱动卡 盘134接合。此外，如图5a中的指示箭头150所指示地，活塞124脱离适配器接头136 的撞击面131。在延伸位置中，如图5b中的指示箭头152所指示地，适配器接头136与 驱动卡盘134脱离距离tl。此外，如图5b中的指示箭头154所指示地，活塞124与适配器接头136的撞击面131接合。在另一情形下，如图4b所示，活塞124处于接合位置中，使得驱动室141与回 流排出口 142a和142b流体连通。这样，驱动室141中的流体能够从驱动室141流向锤 击组件103外的区域。此外，回流室140分别通过驱动活塞口 122c和122d并通过驱动 引导口 132c和132d与中心通道112流体连通。这样，通过钻柱开口 108提供的流过中 心通道112的流体能够流入回流室140。当流体流入回流室140时，其压力升高，该流体 向活塞体126的回流表面130施加重击力并使活塞体126沿轴套部123移向头部121。活塞体126响应于向回流表面130施加的重击力F而移离适配器接头136，其中 回流表面130脱离撞击面131。适配器接头136响应于脱离撞击面131的回流表面130而 相对于驱动卡盘134滑动。如上所述，旋转式泥土钻头102联接至适配器接头136。因 此，旋转式泥土钻头102也响应于脱离撞击面131的回流表面130而滑动，其中旋转式泥 土钻头滑动，如此其从延伸位置(图5b)运动至缩回位置(图5a)。在缩回位置中，如以 上更详细地讨论地，适配器接头136与驱动卡盘134接合。在另一实施方式中，活塞体126由于回弹而移离适配器接头136，其中回弹包括 没有通过适配器接头136和泥土钻头102传递至地层的冲击能的一部分。在该实施方式 中，适配器接头136通过适配器接头136的表面131响应于活塞体126的冲击而相对于驱 动卡盘134运动。这样，向适配器接头136施加重击力F，并且活塞体126的运动响应 于由适配器接头136向其施加的反作用力。因此，通过调节在回流室140和驱动室141中的流体压力使活塞124在接合与脱 离位置之间运动。调节回流室140和驱动室141中的流体压力，使得向回流表面130和 驱动表面128施加振荡力，并且使活塞124移向和移离撞击面131。旋转式泥土钻头102通常以大约40磅/平方英寸(psi)的阀值入口压力操作。然 而，大部分钻孔机提供大约50psi至IOOpsi之间的供应压力。因此，如果锤击组件103和 旋转式泥土钻头102串联联接到一起，仅大约IOpsi至60psi可以用来操作锤击组件103。 根据本发明，锤击组件103能够以全部的系统压力操作，使得活塞124能向适配器接头 136和旋转式泥土钻头102施加更冲击的动力。因此，驱使锤击组件103操作的流体压力 等于旋转式泥土钻头102操作的流体压力。如上所述，钻柱106通过钻柱开口 108向锤击组件103提供流体，并且流体可以 是许多不同的类型、诸如空气或其它气体、或气体和液体的组合、诸如油和/或水。在 一实施方式中，流体包括空气，并且使空气以低于大约5,000立方英尺/分(cfm)的速率 流过钻柱106。例如，在一实施方式中，使流体以在大约1,OOOcfm至大约4,OOOcfm的范 围内的速率流动。在另一实施方式中，流体包括空气，并且以低于大约100磅/平方英 寸(IOOpsi)的气压提供流过钻柱106的空气。例如，在一实施方式中，流过钻柱106的 空气的压力为在大约40psi至大约IOOpsi的范围内的压力。在另一实施方式中，流过钻 柱106的空气的压力为在大约40psi至大约SOpsi的范围内的压力。根据本发明，驱使用 于操作锤击组件103的空气的压力等于用于操作旋转式泥土钻头102的空气的压力。通 常，泥土钻头102的钻进速率分别随气压升高和降低而提高和降低。
重击力F通常以一定的振幅和频率施加于泥土钻头102。当重击力F以一频率 施加于泥土钻头102时，其振幅作为时间的函数改变。这样，重击力F为随时间变化的重击力。重击力F的频率通常为周期性的，但其在有些情形下可以是非周期性的。重击力F的频率与活塞124冲击适配器接头136的次数一致。如上所述，重击力F的大小通 常与重击力F的振幅的绝对值一致。重击力F可具有在许多不同范围内的大小值。然而，重击力F通常小于大约5 尺磅/平方英寸(5ft_lb/in2)。在一实施方式中，重击力F在大约lft-lb/in2至大约4ft_lb/ in2的范围内。在一实施方式中，重击力F在大约lft-lb/in2至大约5ft-lb/in2的范围内。 在另一实施方式中，重击力F在大约1.2ff-lb/in2至大约3.6ff-lb/in2的范围内。通常，泥 土钻头102的钻进速率分别随重击力F增大和减小而提高和降低。然而，通常不希望以 能损坏泥土钻头102的力度向泥土钻头102施加重击力。应指出的是，重击力F施加的 区域可以是许多不同的区域。例如，在一实施方式中，重击力F施加的区域对应于适配 器接头136的撞击面131的区域(图3F)。重击力F的频率能具有不同的值。例如，在一实施方式中，重击力F以低于大 约1500次/分钟的速率施加于泥土钻头102。在一个特定的实施方式中，重击力F以在 大约1100次/分钟至大约1400次/分钟的范围内的速率施加于泥土钻头。重击力F的频率和振幅可以调节。能由于许多不同的原因而调节重击力F的频 率和振幅，诸如调节泥土钻头102进入地层的钻进速率。在一实施方式中，响应于泥土 钻头102通过地层的钻进速率的指示调节重击力F的振幅和/或频率。能以许多不同的 方式提供泥土钻头102通过地层的钻进速率的指示。例如，泥土钻头102通过地层的钻 进速率通常由钻孔机包括的设备监控。通过调节重击力F的振幅和频率中的至少一个来调节泥土钻头102通过地层的钻 进速率。例如，在一实施方式中，通过调节重击力F的振幅来调节泥土钻头102通过地 层的钻进速率。在另一示例中，通过调节重击力F的频率来调节泥土钻头102通过地层 的钻进速率。在另一示例中，通过调节重击力F的频率和振幅来调节泥土钻头102通过 地层的钻进速率。例如，在一实施方式中，响应于泥土钻头102通过地层的钻进速率的指示来调 节重击力F的振幅。在另一实施方式中，响应于泥土钻头102通过地层的钻进速率的指 示来调节重击力F的频率。在一实施方式中，响应于泥土钻头102通过地层的钻进速率 的指示调节重击力F的振幅和频率。这样，响应于泥土钻头102通过地层的钻进速率的 指示来调节重击力F。通常，调节重击力F以驱使泥土钻头102通过地层的钻进速率为预期的钻进速 率。通常提高重击力的频率和/或振幅，以提高泥土钻头102通过地层的钻进速率。此 夕卜，降低重击力的频率和/或振幅，以降低泥土钻头102通过地层的钻进速率。此外， 通常调节重击力F，以减小泥土钻头102经受任何损坏的可能。能以许多不同的方式调节重击力F的频率和振幅。在一实施方式中，响应于调 节通过钻柱106的流体流动而调节重击力F的频率和振幅。通常通过分别提高和降低通 过钻柱106的流体流动而相应地提高和降低重击力F的频率和振幅。例如，在一实施方 式中，通过分别提高和降低流过钻柱106的空气的压力而相应地提高和降低重击力F的频 率和振幅。应指出的是，在有些实施方式中，能通过调节流体流动由钻孔机的设备自动地调节重击力F的频率和振幅。在其它实施方式中，手动地调节流体流动以调节重击力F 的频率和振幅。
从驱动室141和回流室140排出的材料能以许多不同的方式流动至锤击组件103 的外部区域，在图6中示出所述许多不同的方式中的一种方式。在该实施方式中，排出 物流过驱动排出口 142a和142b与回流排出口 142c和142d并流入排出环117。应指出的 是，排出环117围绕锤套管110的外周径向延伸。排出物从排出环117流动至延伸通过 后部114的锤击组件排出口 119。当排出环117和锤击组件排出口 119内的流体的压力达 到预定的阀值压力水平时，止回阀115打开以缓解该压力。当排出环117和锤击组件排 出口 119内的流体的压力低于预定的阀值压力水平时，止回阀115保持关闭，如此不缓解 该压力。能以许多不同的方式调节预定的阀值压力水平，诸如通过用具有不同的阀值压 力水平的另一止回阀替换止回阀115。因为止回阀115朝锤击组件103的后端安置，所以 能容易地替换止回阀115。如上所述，通过适配器接头136由活塞124向旋转式泥土钻头102施加重击力 F。能以许多不同的方式控制重击力F的大小。在一种方式下，通过选择具有预期质量 的适配器接头136来控制重击力的量。当适配器接头136的质量增大时，响应于接合撞 击面131的回流表面130，较小的重击力从活塞124传递至旋转式泥土钻头102。此外， 当适配器接头136的质量减小时，响应于接合撞击面131的回流表面130，较大的重击力 从活塞124传递至旋转式泥土钻头102。另外，可以通过选择具有预期质量的活塞124来 控制重击力的量。当活塞124的质量增大时，较大的重击力由该活塞124传递至旋转式 泥土钻头102。此外，当活塞124的质量减小时，较小的重击力从该活塞124传递至旋转 式泥土钻头102。能通过控制活塞筒113的尺寸来控制由活塞124施加的重击力。当活塞筒113 的尺寸增大时，因为活塞124在接合适配器接头136之前在较长的距离上运动，所以重击 力增大。当活塞筒113的尺寸减小时，因为活塞124在接合适配器接头136之前在较短 的距离上运动，所以重击力减小。能通过控制驱动室141的尺寸来控制由活塞124施加的重击力F。当驱动室141 的尺寸增大时，因为驱动室141中流体的压力更缓和地增大，这增加活塞124的移动距 离，所以重击力F增大。较长的移动距离允许驱动室141的流体的压力逐渐加速活塞 124，这增大重击力F。当驱动室141的尺寸减小时，因为活塞124向上的运动被驱动室 141的流体更迅速上升的压力阻碍，这缩短活塞移动的长度并减小重击力F的力量，所以 重击力F减小。还能通过控制回流室140的尺寸来控制由活塞124施加的重击力F。当回流室 140的尺寸增大时，因为回流室140的流体的压力在活塞124前进冲程上更缓和地增大， 这允许活塞124较大的加速率，所以重击力F增大。当回流室140的尺寸减小时，因为 回流室140的流体更迅速增大的压力使活塞124逐渐地减速，这减小重击力F，所以重击 力F减小。能通过控制驱动引导口 122a和122b的尺寸来控制由活塞124施加的重击力。当 驱动引导口 122a和122b的尺寸增大时，因为较多的流体能以较快的速率从中心通道112 流动至驱动室141，所以活塞124向适配器接头136施加较大的重击力。当驱动引导口122a和122b的尺寸减小时，因为较少的流体能以较低的速率从中心通道112流动至驱动 室141，所以活塞124向适配器接头136施加较小的重击力。

能以许多不同的方式控制通过适配器接头136由活塞124向旋转式泥土钻头102 施加的重击力F的频率。当由活塞124向旋转式泥土钻头102较频繁地施加重击力F时， 重击力F的频率提高，而当由活塞124向旋转式泥土钻头102不太频繁地施加重击力F 时，重击力F的频率降低。能通过控制回流引导口 122c和122d的尺寸来控制向适配器接头136施加重击力 的频率。当回流引导口 122c和122d的尺寸增大时，因为来自中心通道112的流体能以 较快的速率流入回流室140，所以频率提高。当回流引导口 122c和122d的尺寸减小时， 因为来自中心通道112的流体能以较低的速率流入回流室140，所以频率降低。能通过控制回流排出口 142c和142d的尺寸来控制向适配器接头136施加重击力 的频率。当回流排出口 142c和142d的尺寸增大时，因为来自回流室140的流体能以较快 的速率从回流室140流出，所以频率提高。当回流排出口 142c和142d的尺寸减小时， 因为来自回流室140的流体能以较低的速率从回流室140流出，所以频率降低。锤击组件103提供许多优点。由锤击组件103提供的一个优点是活塞124向旋 转式泥土钻头102施加低的能量和高频动力。这有利于减小由旋转式泥土钻头102经受 的压力。由锤击组件103提供的另一优点是存在平行的供应和排出路径，这使得在不必 提高由钻柱106提供的流体的压力的情况下能够实现改善空气和动力控制。此外，能通 过调节节流板116和/或止回阀115来调节由锤击组件103向旋转式泥土钻头102提供的 动力量。这样，在不必调节由钻柱106提供的流体的压力的情况下能调节由锤击组件103 提供的动力量。另一优点是锤击组件103的排出从锤击组件103朝其后端流动并被向上 引导通过钻孔105。这样，锤击组件103的排出帮助从钻孔105清除碎片。图7a是处于分离状态的适配器接头136和旋转式泥土钻头102的透视图。适配 器接头136和旋转式泥土钻头102在图2a和2b中处于联接状态。适配器接头136和旋 转式泥土钻头102在它们彼此分离时处于分离状态。此外，适配器接头136和旋转式泥 土钻头102在它们彼此联接时处于联接状态。适配器接头136和旋转式泥土钻头102可在联接状态与分离状态之间反复运动。 旋转式泥土钻头102能以许多不同的方式联接至适配器接头136。在该实施方式中，工具 接头139和旋转式泥土钻头102分别包括梯形工具接头螺纹143和梯形旋转式泥土钻头螺 纹144。通过螺纹接合梯形工具接头螺纹143和梯形旋转式泥土钻头螺纹144使适配器 接头136和旋转式泥土钻头102移向联接状态。此外，通过螺纹脱离梯形工具接头螺纹 143和梯形旋转式泥土钻头螺纹144使适配器接头136和旋转式泥土钻头102移向分离状 态。这样，适配器接头136和旋转式泥土钻头102可在联接状态与分离状态之间反复运 动。应指出的是，当旋转式泥土钻头102与适配器接头136彼此联接时，旋转式泥土 钻头102的中心通道151与中心通道112流体连通。这样，流体从钻柱106通过钻柱喷 嘴108和中心通道112流动至旋转式泥土钻头102的中心通道151 (图2a和2b)。还应 指出的是，环形表面159围绕中心通道151的面对适配器接头136的开口延伸。此外， 环形表面158围绕中心通道112的面对旋转式泥土钻头102的开口延伸。当旋转式泥土钻头102与适配器接头136处于联接状态时，环形面158和159彼此相对。如以下将更详细地讨论地，在有些实施方式中，环形表面158和159彼此间隔开，而在其它实施方式 中，环形表面158和159彼此接合。适配器接头136与旋转式泥土钻头102的螺纹彼此互补，这允许旋转式泥土钻 头102与适配器接头136可在联接状态与分离状态之间反复地运动。适配器接头136与 旋转式泥土钻头102能包括除梯形螺纹以外的许多其它类型的螺纹。例如，如指示箭头 149a所指示地，适配器接头136能包括V形螺纹143a，并且旋转式泥土钻头102能包括 互补的V形螺纹。如指示箭头149b所指示地，适配器接头136能包括锯齿螺纹143b， 并且旋转式泥土钻头102能包括互补的锯齿螺纹。此外，如指示箭头149c所指示地，适 配器接头136能包括圆螺纹143c，并且旋转式泥土钻头102能包括互补的圆螺纹。在美 国专利 No.3,259,403、3,336,992、4,600,064、4,760,887 和 5,092,635、以及美国专利申请 No.20040251051、20070199739和20070102198中提供关于能由旋转式泥土钻头102和适 配器接头136包括的螺纹的更多信息。图7b是处于联接状态的适配器接头136和旋转式泥土钻头102的横截面图。在 该实施方式中，当工具接头139与旋转式泥土钻头102处于联接状态时，基准线192延伸 通过工具接头螺纹143和旋转式泥土钻头螺纹144，其中基准线192相对于中心线147成 角度f。这样，工具接头139包括相对于中心线147成角度f延伸的螺纹表面。适配器接 头136包括工具头接139，使得适配器接头136包括相对于中心线147成角度f延伸的螺 纹表面。此外，旋转式泥土钻头102包括相对于中心线147成角度f延伸的螺纹表面。角度f能具有许多不同的角度值。在有些实施方式中，角度f在大约1度(1° ) 至大约9度(9° )之间的范围内。在有些实施方式中，角度f在大约1.5度(1.5° )至 大约8度(8° )之间的范围内。在有些实施方式中，角度f在大约3度(3° )至大约5 度(5° )之间的范围内。在一特定的实施方式中，角度f为大约4.75度(4.75° )。角度f通常选择成随着旋转式泥土钻头102和适配器接头136从脱离状态移向接 合状态，而使得旋转式泥土钻头102与适配器接头136对准。这样，旋转式泥土钻头102 响应于锤击组件103和钻柱106的旋转经受较小的摇摆。应指出的是，角度f的值影响 通过适配器接头136在钻柱106与旋转式泥土钻头102之间传递的转动能的量。当角度 f的值分别增大和减小时，在钻柱106与旋转式泥土钻头102之间传递的转动能的量分别 增加和减小。在该实施方式中，当旋转式泥土钻头102与适配器接头136处于联接状态时，环 形表面158和159彼此间隔开。环形表面158和159的彼此间隔开使得重击力F不通过 环形表面158和159而在适配器接头136与旋转式泥土钻头102之间通过。作为替代， 重击力F的第一部分通过梯形工具接头螺纹143和梯形旋转式泥土钻头螺纹144在适配器 接头136与旋转式泥土钻头102之间通过。适配器接头136与旋转式泥土钻头102彼此联接，使得径向表面153和154(图 7a和7b)彼此接合并在它们之间形成界面。因为表面153和154相对于中心线147径向 延伸，所以它们为径向表面。径向表面153与154彼此接合，使得重击力F的第二部分 通过表面153和154在适配器接头136与旋转式泥土钻头102之间通过。应指出的是，重击力F通过表面153和154比通过梯形工具接头螺纹143和梯形旋转式泥土钻头螺纹144，能更有效地在适配器接头136与旋转式泥土钻头102之间通 过。重击力F通过梯形工具接头螺纹143和梯形旋转式钻头螺纹144所引起的衰减比通过 表面153和154经受的更大。重击力F通过表面153和154所引起的衰减比通过梯形工 具接头螺纹143和梯形旋转式钻头螺纹144经受的较小。这样，重击力F从表面153和 154通过，比从梯形工具接头螺纹143和梯形旋转式泥土钻头螺纹144通过，更加有效。然而，应指出的是，当角度f分别增大和减小时，重击力F通过梯形工具接头螺 纹143和梯形旋转式泥土钻头螺纹144的效率提高和降低。还应指出的是，适配器接头 136与旋转式泥土钻头102之间的界面能具有许多其它的形状，现在将更详细地讨论所述 许多其它形状中的一种形状。图7c是处于联接状态的适配器接头136和旋转式泥土钻头102的横截面图。在 该实施方式中，环形表面158和159响应于处于联接状态的旋转式泥土钻头102与适配器 接头136而彼此接合。环形表面158和159彼此接合，使得重击力F的第三部分通过环 形表面158和159在适配器接头136与旋转式泥土钻头102之间通过。如上所述，重击 力F的第一部分通过梯形工具接头螺纹143和梯形旋转式泥土钻头螺纹144在适配器接头 136与旋转式泥土钻头102之间通过。

在该实施方式中，适配器接头136与旋转式泥土钻头102彼此联接，使得外径 向表面153a面对外径向表面154a，而外径向表面153b面对外径向表面154b。因为表面 153a、153b、154a和154b相对于中心线147径向延伸，所以它们为径向表面。此外，因 为表面153a和154a安置成离开中心线147，所以它们为外表面。因为表面153a和154a 安置成比表面153b和154b远离中心线147，所以表面153a和154a安置成离开中心线 147。因为表面153b和154b朝中心线147安置，所以它们为内表面。因为表面153b和 154b安置成比表面153a和154a靠近中心线147，所以表面153b和154b朝中心线147安 置。表面153a和153b彼此间隔开以形成环形肩部156，而表面154a和154b彼此间 隔开以形成环形肩部157。环形肩部156和157分别朝内表面153b和154b安置。环形 肩部156和157分别安置成离开内表面153a和154a。表面153b和154b彼此间隔开，而 环形肩部156和157彼此间隔开以形成环形槽155。当适配器接头136和旋转式泥土钻头102处于接合状态时，表面153a和154a彼 此间隔开，使得重击力F不通过表面153a和154a在适配器接头136与旋转式泥土钻头102 之间通过。这样，限制重击力F通过表面153a和154a在适配器接头136与旋转式泥土 钻头102之间通过。此外，当适配器接头136和旋转式泥土钻头102处于接合状态时， 表面153b和154b彼此间隔开，使得重击力F不通过表面153b和154b在适配器接头136 与旋转式泥土钻头102之间通过。这样，限制重击力F通过表面153b和154b在适配器 接头136与旋转式泥土钻头102之间通过。重击力F通过表面158和159比通过梯形工具接头螺纹143和梯形旋转式泥土钻 头螺纹144更有效地在适配器接头136与旋转式泥土钻头102之间通过。重击力F由梯 形工具接头螺纹143和梯形旋转式钻头螺纹144通过，比由表面158和159通过，要经受 更大的衰减。重击力F由表面158和159通过，比由梯形工具接头螺纹143和梯形旋转 式钻头螺纹144通过，要经受更小的衰减。这样，重击力F通过表面158和159比通过梯形工具接头螺纹143和梯形旋转式泥土钻头螺纹144更有效地通过。图7d是图7b的区域145中的梯形旋转式泥土钻头螺纹144的侧视图，而图7e 是图7b的区域145中的梯形工具接头螺纹143的侧视图。在图7b的区域145中，梯形 工具接头螺纹143和梯形旋转式泥土钻头螺纹144螺纹地接合到一起。如图7d所示，旋转式泥土钻头螺纹144包括泥土钻头螺纹根部180和泥土钻头 螺纹牙顶181。在该实施方式中，泥土钻头螺纹根部180包括纵向壁185和锥形侧壁184 和186。锥形侧壁184和186从纵向壁185的相对端部朝中心线147延伸(图7b)。纵向 壁185平行于纵向基准线192、并垂直于径向基准线191。纵向壁185相对于中心线147 成角度f延伸。在该实施方式中，泥土钻头螺纹根部180包括纵向壁183和锥形侧壁182。锥形 侧壁182从与锥形侧壁184相对的纵向壁185的端部延伸并朝中心线147延伸(图7d)。 纵向壁183平行于纵向基准线192和纵向壁185、并垂直于径向基准线191。纵向壁183 相对于中心线147成角度f延伸。如以下将更详细地讨论地，梯形旋转式泥土钻头螺纹 144的锥形侧壁相对于纵向基准线192成不平行的角度延伸。旋转式泥土钻头螺纹144具有节距L2，其中节距L2是泥土钻头螺纹根部180 和泥土钻头螺纹牙顶181沿纵向基准线192延伸的长度。在以上引用的美国专利申请 No.20040251051中能找到关于螺距的更多信息。当节距L2增大和减小时，梯形旋转式 钻头螺纹144每单位长度的螺纹数量分别增加和减少。当节距L2增大和减小时，每单位 长度的泥土钻头螺纹根部180的数量分别增加和减少。此外，当节距L2增大和减小时， 每单位长度的泥土钻头螺纹牙顶181的数量分别增加和减少。螺距L2能具有许多不同的长度值。在有些实施方式中，螺距L2具有在大约四 分之一英寸至大约一英寸的范围内的长度值。在有些实施方式中，螺距L2具有在大约二 分之一英寸至大约一英寸的范围内的长度值。在一特定实施方式中，螺距L2具有八分之 一英寸的长度值。如上所述，梯形旋转式泥土钻头螺纹144的锥形侧壁相对于纵向基准线192成不 平行的角度延伸。例如，在该实施方式中，锥形侧壁182相对于径向基准线191成角度 θ3延伸。此外，锥形侧壁184相对于径向基准线191成角度θ 4延伸。应指出的是， 梯形旋转式泥土钻头螺纹144的锥形侧壁相对于纵向基准线192成相同的角度大小延伸。角度93和θ 4能具有许多不同的角度值。在有些实施方式中，角度93和θ4 在大约1度(1° )至大约9度(9° )之间的范围内。在有些实施方式中，角度93和04 在大约1.5度(1.5° )至大约8度(8° )之间的范围内。在有些实施方式中，角度θ3 和94在大约3度(3° )至大约5度(5° )之间的范围内。在一特定的实施方式中，角 度93和θ 4分别等于大约4.75度(4.75° )。在有些实施方式中，角度03和θ4彼此相 等，而在其它实施方式中，角度93和θ 4彼此不相等。在有些实施方式中，角度93和 θ 4分别等于角度f，而在其它实施方式中，角度93和θ 4不等于角度f。应指出的是， 在图7d中未按比例示出角度93和θ4的值。
通常，选择角度03和θ4，以减小旋转式泥土钻头102与适配器接头136彼此 过于拧紧的可能。此外，选择角度θ 3和θ 4，以提高重击力F通过适配器接头136从锤 击组件103传递至旋转式泥土钻头102的效率。此外，当角度93和94减小和增大时，重击力F通过适配器接头136从锤击组件103传递至旋转式泥土钻头102的效率分别提高 和降低。应指出的是，梯形旋转式泥土钻头螺纹144的螺旋角能具有许多不同的角度 值。在以上引用的美国专利申请No.20040251051中能找到关于螺纹的螺旋角的更多信 息。在有些实施方式中，梯形旋转式泥土钻头螺纹144的螺旋角在大约1度(1° )至大 约10度(10° )的范围内。在有些实施方式中，梯形旋转式泥土钻头螺纹144的螺旋角 在大约1.5度(1.5° )至大约5度(5° )的范围内。在一特定实施方式中，梯形旋转式 泥土钻头螺纹144的螺旋角为大约2.5度(2.5° )。如图7e所示，梯形工具接头螺纹143包括工具接头螺纹根部170和工具接头螺 纹牙顶171。在该实施方式中，工具接头螺纹根部170包括纵向壁175和锥形侧壁174和 176。锥形侧壁174和176从纵向壁175的相对端部延伸并朝中心线147延伸(图7e)。 纵向壁175平行于纵向基准线192、并垂直于径向基准线191。纵向壁175相对于中心线 147成角度f延伸。在该实施方式中，工具接头螺纹根部170包括纵向壁173和锥形侧壁172。锥形 侧壁172从与锥形侧壁174相对的纵向壁175的端部延伸并朝中心线147延伸(图7e)。 纵向壁173平行于纵向基准线192和纵向壁175、并垂直于径向基准线191。纵向壁173 相对于中心线147成角度f延伸。如以下将更详细地讨论地，梯形工具接头钻头螺纹143 的锥形侧壁相对于纵向基准线192成不平行的角度延伸。梯形工具接头螺纹143具有节距Li，其中节距Ll是工具接头螺纹根部170和工 具接头螺纹牙顶171沿纵向基准线192延伸的长度。当节距Ll增大和减小时，梯形工具 接头螺纹143每单位长度的螺纹数量分别增加和减少。当节距Ll增大和减小时，每单位 长度的工具接头螺纹根部170的数量分别增加和减少。此外，当节距Ll增大和减小时， 每单位长度的工具接头螺纹牙顶171的数量分别增加和减少。螺距Ll能具有许多不同的长度值。在有些实施方式中，螺距Ll具有在大约四 分之一英寸至大约一英寸的范围内的长度值。在有些实施方式中，螺距Ll具有在大约二 分之一英寸至大约一英寸的范围内的长度值。在一特定实施方式中，螺距Ll具有八分之 一英寸的长度值。应指出的是，螺距Ll和L2通常相同，以促进使适配器接头136和旋 转式泥土钻头102在联接状态与分离状态之间反复运动的能力。如上所述，梯形工具接头螺纹143的锥形侧壁相对于纵向基准线192成不平行的角度延伸。例如，在该实施方式中，锥形侧壁174相对于径向基准线190成角度91延 伸。此外，锥形侧壁176相对于径向基准线190成角度θ 2延伸。应指出的是，梯形工 具接头螺纹143的锥形侧壁相对于纵向基准线192成相同的角度大小延伸。此外，梯形工 具接头螺纹143的锥形侧壁相对于纵向基准线192通常以与梯形旋转式泥土钻头螺纹144 的锥形侧边相同大小的角度延伸，以促使适配器接头136和旋转式泥土钻头102能在联接 状态与分离状态之间反复运动。角度9工和θ 2能具有许多不同的角度值。在有些实施方式中，角度9工和θ2 在大约1度(1° )至大约9度(9° )之间的范围内。在有些实施方式中，角度91和02 在大约1.5度(1.5° )至大约8度(8° )之间的范围内。在有些实施方式中，角度Q1* θ2在大约3度(3° )至大约5度(5° )之间的范围内。在一特定的实施方式中，角度Θ1和Θ 2分别等于大约4.75度(4.75° )。在有些实施方式中，角度9工和θ 2彼此相 等，而在其它实施方式中，角度9工和θ 2彼此不相等。在有些实施方式中，角度Q1* θ 2分别等于角度f，而在其它实施方式中，角度Q1* θ 2不等于角度f。应指出的是， 在图7e中未按比例示出角度Q1* θ2的值。
通常，选择角度Q1* θ2，以减小旋转式泥土钻头102与适配器接头136彼此 过于拧紧的可能。此外，选择角度Q1* θ 2，以提高重击力F通过适配器接头136从锤 击组件103传递至旋转式泥土钻头102的效率。此外，当角度θ i和θ 2减小和增大时， 重击力F通过适配器接头136从锤击组件103传递至旋转式泥土钻头102的效率分别提高 和降低。应指出的是，角度θρ θ2、θ 3和θ 4通常具有相同大小的角度值，以促进使 适配器接头136和旋转式泥土钻头102在联接状态与分离状态之间反复运动的能力。还应指出的是，梯形工具接头螺纹143的螺旋角能具有许多不同的角度值。在 有些实施方式中，梯形工具接头螺纹143的螺旋角在大约1度(1° )至大约10度(10° ) 的范围内。在有些实施方式中，梯形工具接头螺纹143的螺旋角在大约1.5度(1.5° )至 大约5度(5° )的范围内。在一特定实施方式中，梯形工具接头螺纹143的螺旋角为大 约2.5度(2.5° )。应指出的是，梯形工具接头螺纹143和梯形旋转式泥土钻头螺纹144 的螺旋角通常相同，以使得适配器接头136和旋转式泥土钻头102能在联接状态与分离状 态之间反复运动。图8a是根据本发明钻孔的方法200的流程图。在该实施方式中，方法200包括 提供旋转式钻机系统的步骤201，其中旋转式钻机系统包括滑动地接合到一起的驱动卡盘 和适配器接头、联接至适配器接头的旋转式泥土钻头、和与适配器接头可在接合位置与 脱离位置之间反复运动的活塞。适配器接头响应于活塞在脱离位置与接合位置之间运动 而相对于驱动卡盘滑动。方法200包括使流体流过旋转式钻机系统的步骤202，使得活塞在接合位置与脱 离位置之间运动。这样，活塞响应于被流体促动而在接合位置与脱离位置之间运动。旋 转式泥土钻头响应于活塞在接合位置与脱离位置之间运动而在延伸位置与缩回位置之间 运动。图8b是根据本发明钻孔的方法210的流程图。在该实施方式中，方法210包括 提供旋转式钻机系统的步骤211，其中旋转式钻机系统包括滑动地接合到一起的驱动卡盘 和适配器接头、联接至适配器接头的旋转式泥土钻头、和与适配器接头可在接合位置与 脱离位置之间反复运动的活塞。适配器接头响应于活塞在脱离位置与接合位置之间运动 而相对于驱动卡盘滑动。在该实施方式中，活塞包括离开适配器接头设置的回流活塞口和紧接适配器接 头设置的驱动活塞口。此外，旋转式钻机系统可包括具有回流引导口和驱动引导口的流 量控制管。回流引导口可在与回流活塞口连通的第一位置和不与回流活塞口连通的第二 位置之间反复运动，此外，驱动引导口可在与驱动活塞口连通的第一位置和不与驱动活 塞口连通的第二位置之间反复运动，方法210包括使流体流过活塞的端口的步骤212，使得活塞在接合位置与脱离位 置之间运动。这样，活塞被流体促动而相应地在接合位置与脱离位置之间运动。当活塞 在接合位置与脱离位置之间时，运动而旋转式泥土钻头相应地在延伸位置与缩回位置之间运动。图8c是根据本发明制造旋转式钻机系统的方法220的流程图。在该实施方式中，方法220包括提供旋转式泥土钻头的步骤221和将锤击组件联接至旋转式泥土钻头的 步骤222。根据本发明，锤击组件包括滑动地接合到一起的驱动卡盘和适配器接头、和与 适配器接头可在接合位置与脱离位置之间反复运动的活塞。适配器接头因活塞在脱离位 置与接合位置之间运动而相应地相对于驱动卡盘滑动。旋转式泥土钻头联接至适配器接 头，使得其响应于适配器接头滑动而滑动。钻柱联接至锤击组件并使流体流过。活塞因流体的流动而相应地在接合位置与 脱离位置之间运动。这样，活塞因通过流体的促动而相应地在接合位置与脱离位置之间 运动。此外，旋转式泥土钻头因活塞在接合位置与脱离位置之间运动而相应地在延伸位 置与缩回位置之间运动。图8d是根据本发明制造旋转式钻机系统的方法230的流程图。在该实施方式 中，方法230包括提供旋转式泥土钻头的步骤231和将锤击组件联接至旋转式泥土钻头的 步骤232。在该实施方式中，锤击组件包括滑动地接合到一起的驱动卡盘和适配器接头、 和与适配器接头可在接合位置与脱离位置之间反复运动的活塞。适配器接头因活塞在脱 离位置与接合位置之间运动而相应地相对于驱动卡盘滑动。在该实施方式中，活塞包括离开适配器接头设置的回流活塞口和紧接适配器接 头设置的驱动活塞口。此外，旋转式钻机系统可包括具有回流引导口和驱动引导口的流 量控制管。回流引导口可在与回流活塞口连通的第一位置和不与回流活塞口连通的第二 位置之间反复运动，此外，驱动引导口可在与驱动活塞口连通的第一位置和不与驱动活 塞口连通的第二位置之间反复运动，在操作中，活塞响因流体流过旋转式钻机系统而相应地在接合位置与脱离位置 之间运动。这样，活塞由于被流体促动而相应地在接合位置与脱离位置之间运动。旋转 式泥土钻头因活塞在接合位置与脱离位置之间运动而相应地在延伸位置与缩回位置之间 运动。应指出的是，方法200能包括许多其它步骤，将通过方法210更详细地讨论所述 许多其它步骤中的若干步骤。应指出的是，方法220能包括许多其它步骤，将通过方法 230更详细地讨论所述许多其它步骤中的若干步骤。此外，应指出的是，能以许多不同的 顺序执行方法200、210、220和230中的步骤。图9a是根据本发明钻透地层的方法240的流程图。在该实施方式中，方法240 包括提供通过钻柱以可操作的方式联接至钻孔机的泥土钻头的步骤241，其中钻孔机通过 钻柱向泥土钻头施加钻压。方法240包括向泥土钻头施加重击力的步骤242，其中重击力 在大约1尺磅/平方英寸(lft-lb/in2)至大约4尺磅/平方英寸(4ft-lb/in2)的范围内。钻压可在许多不同的范围内。例如，在一实施方式中，钻压在大约1,000磅/平 方英寸孔径至大约10,000磅/平方英寸孔径的范围内。能以许多不同的方式向泥土钻头 施加重击力。例如，在有些实施方式中，通过锤击组件向泥土钻头施加重击力。在这些 实施方式中，锤击组件响应于流体通过钻柱的流动来操作。应指出的是，方法240能包括许多其它步骤。例如，在有些实施方式中，方法 240包括以大约1100次/分钟至大约1400次/分钟的速率向泥土钻头施加重击力的步骤。在这些实施方式中，方法可包括响应于调节通过钻柱的流体流动而调节重击力的步骤。 方法240可包括响应于泥土钻头通过地层的钻进速率的指示而调节重击力的振幅和/或频 率的步骤。方法240可包括通过钻柱以大约1,000立方英尺/分钟(cfm)至大约4,000立 方英尺/分钟(cfm)的速率提供气流的步骤。方法240可包括通过钻柱以大约40磅/平 方英寸(40psi)至大约80磅/平方英寸(SOpsi)的压力提供气流的步骤。图9b是根据本发明钻透地层的方法250的流程图。在该实施方式中，方法250 包括提供钻孔机和钻柱的步骤251和通过钻柱以可操作的方式将泥土钻头联接至钻孔机 的步骤252。方法250包括通过钻柱以大约40磅/平方英寸(40psi)至大约80磅/平方 英寸(SOpsi)的气压提供气流的步骤253、以及向泥土钻头施加重击力的步骤254，其中重 击力小于大约5尺磅/平方英寸(5ft-lb/in2)。重击力可在许多不同范围内。例如，在一实施方式中，重击力在大约lft-lb/in2 至大约4ft_lb/in2的范围内。应指出的是，方法250能包括许多其它步骤。例如，在有些实施方式中，方法 250包括响应于泥土钻头通过地层的钻进速率的指示来调节重击力的步骤。在有些实施方 式中，方法250包括调节重击力以驱使泥土钻头通过地层的钻进速率为预期钻进速率的 步骤。方法250可包括通过调节重击力的振幅和频率中的至少一个来调节泥土钻头通过 地层的钻进速率的步骤。方法250包括通过钻柱向泥土钻头施加钻压的步骤，其中钻压 在大约30,000磅至大约130,000磅的范围内。图9c是根据本发明钻透地层的方法260的流程图。在该实施方式中，方法260 包括提供通过钻柱以可操作的方式联接至钻孔机的泥土钻头的步骤261、以及通过钻柱以 低于大约80磅/平方英寸(SOpsi)的气压提供气流的步骤262，其中钻孔机向泥土钻头施 加钻压。方法260包括向泥土钻头施加随时间变化的重击力的步骤263，其中随时间变化 的重击力小于大约5尺磅/平方英寸(5ft-lb/in2)。随时间变化的重击力能具有许多不同 的值。例如，在一实施方式中，随时间变化的重击力在大约1.2ft_lb/in2至大约3.6ft_lb/ in2的范围内。能以许多不同的方式向泥土钻头施加随时间变化的重击力。例如，在有 些实施方式中，通过锤击组件向泥土钻头施加随时间变化的重击力。应指出的是，方法260能包括许多其它步骤。例如，在有些实施方式中，方法 260包括响应于泥土钻头通过地层的钻进速率的指示来调节随时间变化的重击力的振幅的 步骤。在有些实施方式中，方法260包括响应于泥土钻头通过地层的钻进速率的指示来 调节随时间变化的重击力的频率的步骤。尽管已示出并描述了本发明的特定实施方式，但本领域的技术人员将想到许多 的改进和替代的实施方式。 因此，本发明仅受所附权利要求的限制。
权利要求
1.一种钻透地层的方法，包括通过钻柱以可操作的方式将泥土钻头联接至旋转头，其中所述旋转头通过所述钻柱 向所述泥土钻头施加钻压；以及向所述泥土钻头施加重击力，其中所述重击力在大约1尺磅/平方英寸(ft-lb/in2)至 大约5尺磅/平方英寸(ft-lb/in2)的范围内。
2.如权利要求1所述的方法，其进一步包括以大约1100次/分钟至大约1400次/分 钟的速率向所述泥土钻头施加重击力。
3.如权利要求1所述的方法，其进一步包括通过调节所述钻柱的流体流动而相应地调 节所述重击力。
4.如权利要求3所述的方法，其进一步包括根据所述泥土钻头钻进地层的速率指示而 相应地调节所述重击力的振幅和/或频率。
5.如权利要求1所述的方法，其进一步包括通过所述钻柱提供速率大约1,000立方英 尺/分钟(1,OOOcfm)至大约4,000立方英尺/分钟(4,OOOcfm)的气流。
6.如权利要求1所述的方法，其进一步包括通过所述钻柱提供压力低于大约100磅/ 平方英寸(psi)的气流。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述的钻压在大约1,000(1,000)磅/平方英寸孔 径至大约1,000(10,000)磅/平方英寸孔径的范围内。
8.如权利要求1所述的方法，其中，通过锤击组件向所述泥土钻头施加所述重击力。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述锤击组件是通过响应流经所述钻柱的流体而 操作的。
10.—种钻透地层的方法，其包括提供钻孔机和钻柱；通过所述钻柱以可操作的方式将泥土钻头联接至所述钻孔机；通过所述钻柱提供气压低于大约100磅/平方英寸(psi)的气流；以及通过所述钻柱提供速率在大约1,000立方英尺/分钟(1,OOOcfm)至大约4,000立方英 尺/分钟(4,OOOcfm的气流。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述重击力在大约1磅/平方英寸至大约4磅 /平方英寸之间。
12.如权利要求10所述的方法，其进一步包括根据所述泥土钻头钻进地层的速率指示 来调节所述重击力。
13.如权利要求10所述的方法，其进一步包括调节所述重击力以获得预期的钻进速率。
14.如权利要求10所述的方法，其进一步包括通过调节所述重击力的振幅和频率中的 至少一个来调节所述泥土钻头钻进地层的钻进速率。
15.如权利要求10所述的方法，其进一步包括通过所述钻柱向所述泥土钻头施加钻 压，其中，所述钻压在大约30,000磅(30,OOOlbs)至大约130,000磅(130,OOOlbs)之间。
16.—种钻透地层的方法，包括通过钻柱以可操作的方式将泥土钻头联接至旋转头，其中所述旋转头向所述泥土钻 头施加钻压；通过所述钻柱提供气压在大约40磅/平方英寸(psi)至大约100磅/平方英寸之间的 气流；以及通过所述钻柱提供速率在大约1,000立方英尺/分钟(cftn)至大约4,000立方英尺/ 分钟之间的气流。
17.如权利要求16所述的方法，其进一步包括向所述泥土钻头施加随时间变化的重击 力，其中，所述随时间变化的重击力是以小于大约5磅/平方英寸(psi)的力和小于大约 1500次/分钟的频率而施加的。
18.如权利要求17所述的方法，其中，通过锤击组件向所述泥土钻头施加所述随时间 变化的重击力。
19.如权利要求17所述的方法，其进一步包括根据所述泥土钻头钻进地层的速率指示 而调节所述随时间变化的重击力的幅度。
20.如权利要求17所述的方法，其进一步包括根据所述泥土钻头钻进地层的速率指示 而调节所述随时间变化的重击力的频率。
21.如权利要求17所述的方法，其中，所述随时间变化的重击力在大约1.2磅/平方 英寸(1.2psi)至大约3.6磅/平方英寸(3.6psi)之间。
全文摘要
本发明公开了一种钻透地层的方法，其包括提供钻孔机(160)和钻柱(106)、以及通过钻柱以可操作的方式将泥土钻头(102)联接至钻孔机。通过钻柱以低于大约一百磅/平方英寸(100psi)的气压提供气流，并向泥土钻头施加重击力，其中重击力小于大约五尺磅/平方英寸(5ft-lb/in2)。
文档编号E21B4/14GK102016217SQ200980101259
公开日2011年4月13日 申请日期2009年8月6日 优先权日2008年8月6日
发明者艾伦·W·佩尼, 詹姆斯·W·兰福德 申请人:阿特拉斯科普柯塞科罗克有限责任公司