专利名称：具有高位排出装置的潜孔锤的制作方法
具有高位排出装置的潜孔锤
背景技术：
用于钻 岩的两种最常见的方法涉及如旋转钻进中所用的岩石的准静态载荷或如潜孔(DTH)钻进中使用的高强度冲击载荷。DTH应用包括具有在钻机外壳内往复运动并且向砧部上施加循环冲击的活塞或致动器的锤组件。砧部通常部分地或直接地连接于钻头以使活塞撞击砧部的冲击力通过钻头传递到被钻的岩石中。活塞通常响应于使活塞交替地升高和降低的运动流体(例如，压缩空气)而往复运动。通常在运动流体致动锤组件后，将所有运动流体通过钻头从钻机排出。通过钻头排出运动流体会清除钻头周围的切屑和其它碎片，并且将这些碎片从被钻的洞或孔中向上运送出去。利用DTH锤组件冲击旋转钻头的混合凿岩机(被称为冲击辅助式旋转钻机或PARD)还是已知的，并且还通过钻头排出所有运动流体。当通过钻头排出运动流体时，其流过钻头的外部表面(“流过”和其变体在本说明书中表示运动流体在钻头的外部表面上流动并且与钻头的外外部表面接触)并且沿被钻的孔向上流动。在具有反循环构造的已知DTH锤组件中，运动流体实际上在钻头上方排出，在钻头外部上向下流动，然后通过钻头中央、钻机组件、以及钻杆管或钻柱向上流动至表面。在本说明书中，术语“穿过钻头”和“钻头排出物”旨在包括流过钻头外部表面的被排出的运动流体，而不管是从钻头流出并沿孔向上流动的运动流体还是以反循环方向流动的运动流体。在本申请中，术语“潜孔锤” “锤”以及“锤组件”指的是利用往复运动活塞或其它移动致动器的冲击力的钻进装置，而不管该钻进装置存在于DTH应用中，PARD装置中还是其它装置中，并且不考虑钻进装置包括标准钻头、刮刀钻头、旋转钻头还是其它切割表面。本发明涉及一种潜孔锤，该潜孔锤将运动流体的至少一部分通过钻机的除钻头之外的部分排出。对于钻头在钻机组件的底部处或底部附近的钻进操作，本发明可以被称为在钻头上方排出一部分运动流体的潜孔锤、或具有高位排出装置的潜孔锤。本发明还涉及一种潜孔锤，其中，运动流体被分成通过钻头或在别处排出使其流过钻头的一部分外部的一部分、以及操作活塞并在钻头上方排出使其不流过钻头外部表面的示意性地并行的部分。
发明内容
在一个实施方式中，本发明提供适合于在运动流体的作用下操作的潜孔钻具，潜孔钻具包括适合于钻岩的钻头，钻头具有外部表面；锤组件，该锤组件能够操作成向所述钻头传递冲击载荷以便于钻岩；致动器流动路径，该致动器流动路径适合于将运动流体的致动器流部分引导至锤组件，致动器流驱动锤组件的操作并且在驱动锤组件的操作之后变成致动器排出物；以及致动器排出路径，该致动器排出路径适合于在钻头上方将致动器排出物的至少一部分从钻具排出，使得基本上没有致动器排出物流过钻头的外部表面。钻头可以位于钻具的底端；并且致动器排出路径可以通过钻具的与底端相对的顶端排放致动器排出物。致动器流动路径可以包括驱动侧和返回侧，该驱动侧和该返回侧适合于引导运动流体以将交替的力施加在锤组件上以使锤组件操作；并且驱动侧和返回侧中的至少一个可以与致动器排出路径相连通以在钻头上方排出致动器排出物。在另一些实施方式中，驱动侧和返回侧均与致动器排出路径相连通以在钻头上方排出致动器排出物。在一些实施方式中，锤组件包括能够运动以向所述钻头施加冲击载荷的活塞，并且本发明还包括活塞上方的驱动室以及活塞和钻头之间的返回室；其中，活塞被支撑成响应于致动器流与驱动室和返回室交替地连通、而分别朝向和远离钻头往复运动。
在一些实施方式中，活塞的往复运动至少暂时地切断驱动室与致动器排出路径之间的连通，而将驱动室设置成与致动器流动路径相连通并且将返回室设置成与致动器排出路径相连通，并且至少暂时地切断返回室和致动器排出路径之间的连通，而将返回室设置成与致动器流动路径相连通并且将驱动室设置成与致动器排出路径相连通。钻具还可包括与致动器排出路径相连通的驱动排出端口、和与致动器排出路径相连通的返回排出端口 ； 其中，活塞的往复运动通过以活塞的一部分覆盖驱动排出端口而至少暂时地切断驱动室与致动器排出路径之间的连通；并且其中，活塞的往复运动通过以活塞的一部分覆盖返回排出端口而至少暂时地切断返回室与致动器排出路径之间的连通。在一些实施方式中，活塞包括驱动供给管道和返回供给管道；其中，活塞的往复运动至少暂时地将驱动室设置成通过驱动供给管道与致动器流动路径相连通；并且其中，活塞的往复运动至少暂时地将返回室设置成通过返回供给管道与致动器流动路径相连通。在一些实施方式中，本发明还包括钻头排出路径，该钻头排出路径适合于通过钻头排放运动流体的钻头流部分；其中，钻头排出路径与致动器流动路径示意性地并行；并且其中，钻头排出路径与致动器排出路径的至少一部分示意性地并行。钻具还可以用于抑制致动器排出物从钻具排出的装置，以至少部分地控制沿钻头排出路径的运动流体部分和沿致动器流动路径的运动流体部分。用于抑制的装置可以包括至少部分地限定出节流室的流动板和位于节流室内的止回阀；并且流动板可以适合于通过钻杆管至钻具的附接而被夹紧至钻具。在另一个实施方式中，本发明提供钻具，该钻具包括顶部接头，该顶部接头限定钻具的顶端并且适合于连接至钻杆管；钻头，该钻头限定钻具的底端，钻头包括外部表面； 活塞，该活塞能够以往复的方式移动以向钻头提供循环冲击载荷；驱动室，该驱动室位于活塞的第一侧；返回室，该返回室位于活塞的与第一侧相对的第二侧；致动器流动路径，该致动器流动路径适合于将运动流体流交替地引导至驱动室和返回室以驱动活塞的往复运动， 驱动室和返回室中的运动流体在驱动活塞的往复运动之后变成致动器排出物；致动器排出路径，该致动器排出路径适合于接收来自驱动室和返回室中的至少一个的致动器排出物并且在钻头上方将致动器排出物从钻具排出，使得基本上没有致动器排出物流过钻头的外部表面；以及钻头排出路径，该钻头排出路径与致动器流动路径和致动器排出路径示意性地并行并且将运动流体排放到钻头的外部表面上。在又一个实施方式中，本发明提供潜孔锤，该潜孔锤包括钻头，该钻头具有外部表面；钻头排出路径，该钻头排出路径适合于将运动流体排出到钻头的外部表面的至少一部分上；锤组件，该锤组件能够操作成向钻头传递冲击载荷；致动器流动路径，该致动器流动路径适合于输送运动流体以操作锤组件；以及致动器排出路径，该致动器排出路径适合于在运动流体已经操作锤组件之后将运动流体从锤组件排出，使得基本上没有致动器排出物流过钻头的外部表面；其中，钻头排出路径与致动器排出路径的至少一部分示意性地并行。 通过考虑详细的描述和附图，本发明的其它方面将变得显而易见。
图1是实施本发明的冲击辅助式旋转钻机组件的立体图。图2是钻机组件的分解图。图3是处于最低点待命状态下的钻机组件的横截面图。图4是驱动冲程结束和返回冲程开始时的钻机组件的横截面图。图5是驱动冲程和返回冲程中间的钻机组件的横截面图。图6是驱动冲程开始和返回冲程结束时的钻机组件的横截面图。
具体实施例方式在详细说明本发明的任何实施方式之前，应当理解本发明在其应用中不局限于下列描述中提出的、或下列附图中示出的结构细节和部件布置。本发明能够具有另一些实施方式并且能够以各种方式实施或执行。此外，应当理解使用在本文中的措辞和术语是为了说明，而不应当被认为是限制性的。“包含”、“包括”或“具有”以及其变体在本文中意味着包含在此后列出的物品和其等同替代方式以及其它物品。除非另有说明或限制，否则术语 “安装”、“连接”、“支撑”、“联接”以及其变体作广义的使用并且包含直接和间接的安装、连接、支撑以及联接。此外，“连接”和“联接”不局限于物理或机械的连接或联接。为了该说明书中的简明和一致性，术语“轴向的”表示沿与附图中示出的冲击辅助式旋转钻机组件25的中心轴线10平行的方向。在下面讨论的钻机组件25的所有主要元件通常是环形或圆筒形的，进而所有主要元件具有内表面和外表面。术语“内表面”表示面向中心轴线10或大致朝向钻机组件25的内部的表面，而术语“外表面”表示背对中心轴线 10或大致背对钻机组件25的内部的表面。所有元件还具有第一端部和第二端部，该第一端部和该第二端部一一用示出的实施方式的规则——指的是相对于旋转钻机组件25的典型操作方位而言的“上”端部和“下”端部，在图2至6中示出该方位。此外，诸如“上方”和 “高位”之类的术语描述的是当钻机组件25处于典型操作方位时的相对位置。虽然在附图中示出了并且以下描述了 PARD(即，钻进操作具有旋转方面和冲击方面)实施方式中的本发明，但该实施方式不限制本发明的范围。本发明还可以实施在纯DTH 钻进装置中，在该纯DTH钻进装置中没有旋转部件。本发明可以实施在使用几乎任何类型的钻头的钻进装置中，该任何类型的钻头包括标准钻头、刮刀钻头、旋转钻头或适合于或适用于冲击载荷的其它切割表面。本发明还可以实施在几乎任何其它潜孔锤应用中，在所述潜孔锤应用中，至少一部分运动流体在除通过钻头之外的其它地方排出。图1和2示出了流动板15、止回阀20以及冲击辅助式旋转钻机组件25。钻机组件25包括下列基本部件旋转工具接合件或顶部接头30、控制管35、缸盖40、缸45、活塞或致动器50、外套筒55、卡环60、钻头轴承65、钻头保持器或开口环70、垫圈75、卡套80以及尾柄适配器85。钻具25的锤组件包括示出的往复运动活塞50或其它致动器、以及控制运动流体的流动以致动活塞50或其它致动器的其它部件。
顶部接头30包括适合于以螺纹方式接纳在钻杆管DP内的美国石油学会(“API”) 阳螺纹连接器90。顶部接头30还包括主体95，主体95包括大直径圆筒部100和小直径圆筒部105。在大直径圆筒部100和小直径圆筒部105之间限定有台阶或肩部110。大直径圆筒部100的顶部在API连接器90的周围限定有排出面115。小直径圆筒部105的底端 120具有减 小的直径。顶部接头孔125轴向地延伸穿过顶部接头30的中央。主体95包括布置在顶部接头孔125周围并且大致平行于顶部接头孔125的多个排出孔130。流动板15和止回阀20是环形的并且围绕顶部接头30的API连接器90。在示出的实施方式中，当将钻杆管DP拧到API连接器90上时，钻杆管DP将流动板15挤压或夹紧成抵靠排出面115。在另一些实施方式中，流动板可以是柄体(back head)的一部分或与柄体一体结合。流动板15包括与钻机组件25和钻杆管DP周围的空间连通的排出孔口 135。 止回阀20可以在流动板15与顶部接头30之间限定的空间(节流室，将在下面讨论)内轴向地移动。如将在下面更详细地讨论的，流动板15、止回阀20、或流动板15和止回阀20的组合起到用于活塞50操作的节流阀的作用。控制管35包括接纳在顶部接头孔125内的扩大的安装端部140。控制管35限定轴向延伸的控制孔145。多个0型密封圈150 (图3)在顶部接头孔125与控制管35的扩大的安装端部140的外表面之间提供基本上气密的密封。因此，基本防止了流过顶部接头孔125的流体流到扩大的安装端部140的外表面周围，而是迫使其流到控制孔145中。控制管35还包括穿过控制管35的侧面进行连通的驱动供给端口 155和返回供给端口 160。缸盖40包括环形凸缘165、环形支撑表面170以及延伸筒部175，环形支撑表面 170被凸缘165围绕并且相对于凸缘165凹进。支撑表面170限定中央孔口 180，控制管35 延伸穿过中央孔口 180。控制管35的扩大的安装端部140和其中一个密封0型圈150抵靠于支撑表面170，以在控制管35与支撑表面170之间产生基本气密的密封。因此，除流过控制管35的控制孔145的流体之外，基本上没有流过缸盖40的中央孔口 180的流体。小直径圆筒段105的底端120抵接于缸盖40的支撑表面170，这将排出孔130的底端定位成与凸缘165相邻。在缸盖40周围流动的排出流体可以流动到顶部接头30的排出孔130中。缸45包括穿过缸45的侧面进行连通的驱动排出端口 185和返回排出端口 190。 缸盖40的凸缘165的底部抵接缸45的顶端，并且缸盖40的延伸筒部175延伸到缸45中。 密封构件195 (图3)在缸盖40的延伸筒部175与缸45的内表面之间提供基本气密的密封。 缸45的顶端包括凹槽200，凹槽200使在缸45的外部周围流动的排出流体能够流过缸45 的顶端。活塞50包括中央活塞孔210、驱动端部215、返回端部225以及直径扩大的中间部235，驱动端部215具有带斜角的环形表面220，返回端部225也具有带斜角的环形表面 230。活塞孔210的尺寸精密地设计成用于接纳控制管35，使得活塞50可以在保持精密的公差并保持活塞孔210与控制管35的外表面之间的基本气密的密封的情况下沿着控制管 35滑动。多个驱动管道240在活塞孔210与活塞50的驱动端部215上的带斜角的表面220 之间连通，并且多个返回管道245在活塞孔210与活塞50的返回端部225上的带斜角的表面230之间连通。如将在下面更详细地讨论的，当活塞50沿着控制管35往复运动时，使驱动管道240与控制管35的驱动供给端口 155连通，或使返回管道245与控制管35的返回供给端口 160连通。活塞50容纳在缸45内，并且活塞50的直径扩大的中间部235的尺寸精密地设计成靠着缸45的内表面滑动。外套筒55的内表面包括顶端和底端中的每一个处的螺纹。内表面还包括由顶部接头30、缸45、卡环60以及卡套80支承抵靠的内肩部和其它表面(在图3至6中可见)。 顶部接头30的主体95上的外螺纹拧到外套筒55的顶端中的螺纹中。卡环60定位成抵靠外套筒55的内表面的一部分，并且钻头轴承65和开口环70在外套筒55内堆叠 地抵靠卡环60。卡套80包括内花键部250和扩大的头部260，内花键部250具有内花键255和外螺纹，扩大的头部260在内花键部250的基部处限定环形支承表面265。垫圈75围绕内花键部250坐置在环形支承表面265上。内花键部250拧到外套筒55的底端中直到外套筒 55的底端支承抵靠垫圈75和环形支承表面265。随着卡套80拧到外套筒55中，卡套80 的内花键部250迫使开口环70和钻头轴承65抵靠卡环60。尾柄适配器85包括其顶端处的砧部280、具有外花键290的外花键部285以及其底端处的钻头安装头部295。适配器孔300从尾柄适配器85的顶端轴向地延伸到底端。砧部280容纳在钻头轴承65内，使控制管35延伸到尾柄适配器孔300中。砧部280包括外部放空凹槽305，外部放空凹槽305使排出流体能够通过钻头轴承65、开口环70以及卡套 80放空以使得锤组件的循环能够更快速地停止。钻头保持头部295包括内螺纹或其它合适的连接设备，用于接纳旋转钻头(例如， 三牙轮钻头)DB或用于凿岩的其它合适工件。在另一些实施方式中，整个尾柄适配器85可以与钻头DB —体地形成在一起，而不是如示出的那样设置为分开的构件。钻头DB包括支承抵靠被钻的岩石或其它材料的外表面或工作表面。花键部285的外花键290与卡套80的内花键255啮合，使得转矩从卡套80传递到尾柄适配器85，同时允许尾柄适配器85在卡套80内轴向地移动。外花键290的顶部边缘和砧部280的底面限定出用于尾柄适配器85相对于卡套80的轴向运动的止动表面。开口环70在止动表面之间装配在尾柄适配器85周围。通过使控制管35延伸穿过缸盖40的中央孔口 180、将缸盖40放置在缸45的顶端上并且将活塞50定位在缸45内使控制管35延伸穿过活塞孔210而装配钻机组件25。接着，将顶部接头30定位成使控制管35的扩大的安装端部140位于顶部接头孔125内，并将顶部接头30拧到外套筒55的顶端中，使得顶部接头30的底端120抵靠于缸盖40的支撑表面170。在肩部110与外套筒55的顶部之间存在间隙，这可以称为“分隔”。接着，将卡环60和钻头轴承65定位在外套筒内，并且将开口环70、尾柄适配器85、卡套80以及垫圈 75组成的子组件插入到外套筒55的下端部中。卡套80的内花键区段250拧到外套筒55 的底端中。接着，向顶部接头30和尾柄适配器85上的平面部307应用扳手，并且将转矩施加于二者以将顶部接头30进一步拧到外套筒55的顶端中，使得底端120将缸盖40推到缸 45的顶部中并且产生夹紧载荷，以在由钻机组件25的使用引起的剧烈振动期间保持缸盖 40和缸45锁定在一起。参照图3，当钻机组件25没有在推挤岩石并且仅受到由重力产生的力时，尾柄适配器85降至最低，其中，砧部280的底面靠置在开口环70的顶部上。参照图4至6，当钻机组件25接合抵靠岩石时，尾柄适配器85被向上推，直到外花键290的顶部抵接开口环70 的底部并且钻头安装头部295支承抵靠卡套80的扩大的头部260时达到最高点。
在装配好后，钻机组件25限定出由顶部接头孔125、控制孔145以及适配器孔300 构成的中央孔。钻机组件25还限定出若干个通路和室。驱动室325限定在缸盖40、缸45 的内表面、控制管35的外表面以及活塞50的驱动端部215之间。返回室330限定在活塞 50的返回端部225、缸45的内表面、外套筒55的内表面、钻头轴承65的顶部、砧部280以及控制管35的外表面之间。环形排出室335限定在缸45的外表面和外套筒55的内表面之间。节流室340限定在流动板15和顶部接头30的排出面115之间。止回阀20在节流室340内。钻机组件25还限定出钻头排出路径、致动器流动路径以及致动器排出路径。致动器流动路径和致动器排出路径在示出的实施方式中是串联的，并且钻头排出路径与致动器流动路径和致动器排出路径示意性地并行。关于流动路径和排出路径使用的术语“串联” 意味着流体从一个路径流动到另一个路径中，而术语“示意性地并行”意味着 路径不是串联的。钻头排出路径包括驱动供给端口 155和返回供给端口 166下游的中央孔，并且将运动流体(例如，压缩空气)传送至钻头DB，运动流体从钻头DB流出、流过钻头的外部表面、并且向上流动穿过钻机组件和孔壁之间的孔，作为钻头排出物。在诸如反循环系统的另一些实施方式中，钻头排出物可以从钻头DB上方的钻具中流出、流过在钻头的外部表面、并且通过钻头孔和钻杆管DP中的其它管道返回至表面。术语“钻头排出物”、“穿过钻头”以及类似的术语旨在涵盖沿正常循环方向以及沿反循环方向流过钻头外部表面的排出物。致动器流动路径包括驱动供给端口 155、驱动管道240、驱动室325、驱动排出端口 185 (这四个部件共同地位于驱动流动路径的“驱动侧”)、返回供给端口 160、返回管道245、 返回室330以及返回排出端口 190(这后四个部件共同地位于驱动流动路径的“返回侧”)。 致动器排出路径包括环形排出室335、缸45的顶部处的凹槽200以及排出孔130。通过驱动侧和返回侧从致动器流动路径流出的运动流体变成流入致动器排出路径的致动器排出物。 致动器排出路径将致动器排出物传送至节流室340。在节流室340中，在致动器排出物升高并且在止回阀20周围流动时，致动器排出物受到限制。最后，致动器排出物通过流动板15中的排出孔口 135从节流室340流出。致动器排出物从流动板15中的排出孔口 135流出会有助于从被钻的洞或孔中排除的切屑和碎片的向上流动。止回阀20阻止切屑和其它碎片落入到排出路径中。在另一些实施方式中，致动器排出路径可以包括用于驱动室325和返回室330的示意性地并行的排出路径，该示意性地并行的排出路径可以在相对于钻头DB的不同的高位轴向位置处排放致动器排出物。或者，示意性地并行的排出路径中的一个可以与钻头排出路径串联使得致动器排出物中的一些流过钻头DB的外部表面。与将驱动室325和返回室330中的一个或两个排出到钻头DB的外部表面上的排出路径相比，示出的致动器排出路径是有利的，因为示出的致动器排出路径减小了流过钻头DB外部的流体的体积。减小流过钻头DB和其它外部的体积可以降低这些部件的磨损率并且延长部件寿命。能够理解，虽然示出的实施方式包括通过钻机组件25的顶部排出致动器排出物的致动器排出路径，但是本发明能够应用于包括高位排出装置的任何实施方式，高位排出装置指的是位于钻头DB上方或别处的排出孔口，以基本上避免任何致动器排出物流过钻头DB的外部表面。例如，可以穿过外套筒55设置排出孔口。在操作中，常规的旋转力驱动钻杆管DP的旋转。来自钻杆管DP的转矩通过转矩路径传递至钻头DB，该转矩路径包括顶部接头30、外套筒55、卡套80以及尾柄适配器85。 在示出的实施方式中，除在卡套80和尾柄适配器85之间经由花键255、290联接之外，转矩路径的所有元件都经由螺纹互连联接。在另一些实施方式中，只要达到转矩传递的基本目的，可以以除螺纹连接和花键连接之外的其它方式联接转矩路径中的元件。在待命(图3)期间，当钻机组件25不接合抵靠被钻的洞或孔的底部时，尾柄适配器85在重力的作用下降至最低点，并且活塞50靠置在砧部280上。在这种有时被称为放空(blow down)的状态下，控制管35的驱动供给端口 155不与活塞50的驱动管道240对齐(实际上，它们在活塞上面)，并且控制管35的返回供给端口 160不与活塞50的返回管道245对齐(它们被中间部235堵住)。在待命期间，通常通过钻杆管DP供给运动流体。 该运动流体流动穿过钻头排出路径和致动器流动路径的驱动侧(除了运动流体从驱动供给端口 155直接流动到驱动室325中而不流过驱动管道240)并且作为钻头排出物和致动器排出物被排出。钻头排出物和致动器排出物在待命期间阻止碎片进入钻机组件25，并且提供充分的流动路径以避免钻机组件25中的压力显著增大。当钻头DB降低至洞的底部并且接合待钻的岩石或其它物质时，尾柄适配器85被朝向图4中示出的位置向上推。随着尾柄适配器85向上移动，其还向上推活塞50。随着尾柄适配器85接近其最高位置，返回管道245与返回供给端口 160对齐。一旦返回管道245 设置成与返回供给端口 160连通，则致动器流朝向返回侧。致动器流在驱动侧和返回侧之间交替以引起活塞50往复运动并且冲击砧部280。在另一些实施方式中，驱动侧和供给侧可以驱动非往复运动的活塞操作。钻头排出物继续冲刷钻头DB外侧周围的切屑和其它碎片。钻头排出物和致动器排出物一起将这些碎片通过被钻的孔向上推至表面。在下面描述活塞50的往复运动的循环，其中，活塞50的向上运动被称为“返回冲程”，而向下运动被称为“驱动冲程”。参照图4至6，通过驱动供给端口 155和返回供给端口 160、驱动管道240和返回管通245、以及驱动排出端口 185和返回排出端口 190的相对位置来控制运动流体供给和流体排出逻辑并且为其定时。参照图4，在驱动冲程的最后部分和返回冲程的初始部分期间，活塞50的中间部 235覆盖返回排出端口 190，并且返回管道245与返回供给端口 160对齐，而同时，驱动排出端口 185不被活塞50的中间部235覆盖(即，驱动排出端口 185与驱动室325连通)，并且驱动管道240不与驱动供给端口 155对齐。因此，在驱动冲程的最后部分期间，在返回室 330中有轻微的流体压缩，但是该压缩是可忽略的并且不会实质影响活塞50的动量及其在砧部280上的冲击，并且通过经由凹槽305泄出而使该压缩消失。在返回冲程的初始部分期间，由于运动流体通过返回管道245涌入，因此在返回室330中的压力快速增大。此外， 因为驱动室325中的流体通过驱动排出端口 185排出到以上所述的排出路径中，所以活塞 50的初始向上运动不会受到驱动室325中的大反向压力限制。参照图5，在驱动冲程和返回冲程的中间部分期间，活塞50的中间部235覆盖驱动排出端口 185和返回排出端口 190，并且驱动管道240和返回管道245均不与对应的驱动供给端口 155和返回供给端口 160对齐。从该点起直到驱动冲程和返回冲程结束，活塞50部分地在冲程初始部分中对应的驱动室325和返回室330中增大的压力的作用下、部分地在动量的作用下移动。随着驱动室325和返回室330的容积由于活塞50在对应驱动冲程和返回冲程中的运动而增大，运动的压力辅助部分减少，并且活塞50主要在其在冲程初始部分期间所获得的动量的作用下移动。参照图6，在返回冲程的最后部分和驱动冲程的初始部分期间，活塞50的中间部 235覆盖驱动排出端口 185，并且驱动管道240与驱动供给端口 155对齐，而同时，返回排出端口 190不被活塞50的中间部235覆盖(即，返回排出端口 190与返回室330连通)，并且返回管道245不与返回供给端口 160对齐。因此，在返回冲程的最后部分期间，在驱动室 325中有轻微的流体压缩，以帮助阻止活塞50的向上运动。在驱动冲程的初始部分期间， 由于运动流体通过驱动管道240涌入，因此在驱动室325压力快速增大。此外，因为返回室 330中的流体通过返回排出端口 190排出到以上所述的排出路径中，所以活塞50的初始向下运动不会受到返回室330中的大反向压力限制。因此，示出的钻机组件25具有旋转部分(钻头DB在通过钻杆管DP和钻机组件 25传递的转矩的作用下旋转)和由冲击砧部280的活塞50产生的冲击部分。活塞50在砧部280上的冲击通过尾柄适配器85和钻头DB传递至被钻机组件25钻进的岩石或其它物质，这有助于钻进操作。钻机组件25的任何其它部件不承受砧部280上的轴向冲击；砧部280的底部和外花键290的顶部之间的距离选择成用于允许尾柄适配器85的最大预期偏转以防止尾柄适配器85触底反弹(bottom out)。在冲击砧部280之后，活塞50通常轻微地弹回，但是弹回的程度至少部分地取决于被钻物质的硬度。返回管道245和返回供给端口 160的尺寸设计成在没有弹回或弹回程度在预期范围内的情况下相互对齐。当返回供给端口 160和返回管道245相互对齐后，循环重新开始。从根本上说，钻头流和致动器流的体积和流速由致动器排出路径和钻头排出路径中的相对阻力限定。致动器排出流动的阻力水平受流动板15中的排出孔口 135的大小和形状、止回阀20的大小和形状、流动板15和止回阀20之间的相互作用、或这些因素中的两个或更多个的组合所影响。限制性较强的致动器排出路径(例如，由提升得较低的止回阀 20和/或限制性较强的排出孔口 135产生)将导致较低的致动器动力，而限制性较小的致动器排出路径(例如，由提升得较高的止回阀20和/或限制性较小的排出孔口产生)将导致更高的致动器动力。随着致动器排出流动的阻力增大，致动器排出路径中的背压也增大，这最终影响活塞50的往复运动期间致动器排出流体从驱动室325和返回室330通过驱动排出端口 185 和返回排出端口 190推出或移位的速率。活塞50的往复运动的速度和频率至少部分地受排出流体从驱动室325和返回室330中通过驱动排出端口 185和返回排出端口 190排出的速率的影响。运动流体能够从驱动室325和返回室330中排出的速度越快，活塞50能够往复运动的速度就越快，并且活塞50能够传递至钻头DB的冲击动力(“致动器动力”)就越大。钻机组件25的操作者可以通过改变止回阀20的大小或形状、容纳止回阀20的轴向运动的节流室340内的空间、流动板15中的排出孔口 135的大小或形状、或这些因素的组合而调节钻头流和致动器流之间的划分。因为流动板15和止回阀20仅通过固定和夹紧流动板15使其抵靠顶部接头30的钻杆管DP连接部而固定于钻机组件25，所以可以仅通过卸下钻杆管DP、更换零件、然后重新连接钻杆管DP来拆卸并且替换流动板15和/或止回阀 20。除了卸下和重新连接钻杆管DP之外，在更换示出的实施方式中的止回阀20的过程中， 不必拆卸或松开紧固件或其它连接件。
此外，因为流动板15和止回阀20是外部构件，所以流动板15和/或止回阀20的更换不需要将外套筒55从顶部接头30或卡套80上拆开，也不需要对钻机组件25进行任何其它拆卸。此外，更换流动板15和/或止回阀20使得能够在保持供给压力恒定的情况下调节致动器动力输出。因此，流动板15和止回阀20的子组件使人能够通过简单地更换外部构件并且无需更换钻头喷嘴而以与供给压力无关的方式调节致动器动力，并且可以说流动板15和止回阀20用作钻头流和致动器流的节流阀。使钻头排出路径与致动器流动路径和致动器排出路径示意性地并行相较于使路径串联的情况是有利的。活塞50以整个系统压力运行，因此相较于由与钻头流串联的致动器流驱动的情况，在由与钻头流示意性地并行的致动器流驱动时形成更大的致动器动力。 示意性地并行的钻头流和致动器流实现双重益处通过钻头流以钻头磨损尽可能小的方式清除切屑和其它碎片；以及通过高位致动器排出装置将洞清洁流提到钻机组件25上面，以帮助将切屑和其它碎片从洞中移除。因此，本发明的示出的实施方式将全部致动器排出物从高位排出装置排出(从示出的实施方式中的钻机组件25的顶部排出)并且通过钻头DB 将全部钻头排出物从钻机组件25的底部排出。在另一些实施方式中，可以通过高位排出装置仅排出驱动侧和返回侧中的一方(即，比全部致动器流少)而通过钻头DB排出另一方。在串联布置中，其中，致动器排出物被回收作为钻头流出物，钻头流动路径中的背压能够影响致动器排出物的流速，这可能不必要地减小致动器动力。钻头流和致动器流的示意性地并行的布置使钻头排出路径中的背压与致动器流动路径中的背压不相关。本发明的一个优点是，与相同压力和钻具的外部尺寸大小类似的已知DTH钻具和 PARD钻具相比，为钻头DB提供更高频率的冲击载荷。例如，并且非限制性地，标准的八英寸DTH锤可以在IOOpsi下以大约16Hz的频率操作，而根据本发明的大小相似的潜孔锤可以在相同压力下以大约25Hz的频率操作。本发明可以在较宽的运动流体压力范围——典型范围为大约50psi至IOOpsi的工作压力——内操作，但是在旋转钻进环境中也可以在更高的压力(例如，大约150psi)下操作，或者如果使用在油气钻进环境中，在更高很多的压力下操作。因此，本发明尤其提供将运动流体的至少一部分通过钻机的除钻头之外的部分排出的潜孔锤。本发明还提供具有示意性地并行的钻头流动路径和致动器流动路径的潜孔锤。在下列权利要求中提出本发明的各种特征和优点。
权利要求
1.一种适合于在运动流体的作用下操作的潜孔钻具，所述潜孔钻具包括适合于钻岩的钻头，所述钻头具有外部表面；锤组件，所述锤组件能够操作成向所述钻头传递冲击载荷以便于钻岩；致动器流动路径，所述致动器流动路径适合于将所述运动流体的致动器流部分引导至所述锤组件，致动器流驱动所述锤组件的操作并且在驱动所述锤组件的操作之后变成致动器排出物；以及致动器排出路径，所述致动器排出路径适合于在所述钻头上方将所述致动器排出物的至少一部分从所述钻具排出，使得基本上没有致动器排出物流过所述钻头的所述外部表面。
2.如权利要求1所述的钻具，其中，所述钻头位于所述钻具的底端；并且，所述致动器排出路径通过所述钻具的与所述底端相对的顶端排放所述致动器排出物。
3.如权利要求1所述的钻具，其中，所述致动器流动路径包括驱动侧和返回侧，所述驱动侧和所述返回侧适合于引导所述运动流体以将交替的力施加在所述锤组件上以使锤组件操作；并且，所述驱动侧和所述返回侧中的至少一个与所述致动器排出路径相连通以在所述钻头上方排放致动器排出物。
4.如权利要求1所述的钻具，其中，所述致动器流动路径包括驱动侧和返回侧，所述驱动侧和所述返回侧适合于引导所述运动流体以将交替的力施加在所述锤组件上以使锤组件操作；并且，所述驱动侧和所述返回侧均与所述致动器排出路径相连通以在所述钻头上方排放致动器排出物。
5.如权利要求1所述的钻具，其中，所述锤组件包括能够运动以向所述钻头施加冲击载荷的活塞，所述钻具还包括所述活塞上方的驱动室以及所述活塞和所述钻头之间的返回室；并且，响应于所述致动器流交替地与所述驱动室和所述返回室相连通，所述活塞分别被支撑成朝向所述钻头和远离所述钻头往复运动。
6.如权利要求5所述的钻具，其中，所述活塞的往复运动至少暂时地切断所述驱动室与所述致动器排出路径之间的连通，而将所述驱动室设置成与所述致动器流动路径相连通并且将所述返回室设置成与所述致动器排出路径相连通，并且至少暂时地切断所述返回室与所述致动器排出路径之间的连通，而在将所述返回室设置成与所述致动器流动路径相连通并且将所述驱动室设置成与所述致动器排出路径相连通。
7.如权利要求6所述的钻具，还包括与所述致动器排出路径相连通的驱动排出端口、 和与所述致动器排出路径相连通的返回排出端口 ；其中，所述活塞的往复运动通过以所述活塞的一部分覆盖所述驱动排出端口而至少暂时地切断所述驱动室与所述致动器排出路径之间的连通；并且，所述活塞的往复运动通过以所述活塞的一部分覆盖所述返回排出端口而至少暂时地切断所述返回室与所述致动器排出路径之间的连通。
8.如权利要求6所述的钻具，其中，所述活塞包括驱动供给管道和返回供给管道；其中，所述活塞的往复运动至少暂时地将所述驱动室设置成通过所述驱动供给管道与所述致动器流动路径相连通；并且，所述活塞的往复运动至少暂时地将所述返回室设置成通过所述返回供给管道与所述致动器流动路径相连通。
9.如权利要求1所述的钻具，还包括钻头排出路径，所述钻头排出路径适合于通过所述钻头排放所述运动流体的钻头流部分；其中，所述钻头排出路径与所述致动器流动路径示意性地并行；并且，所述钻头排出路径与所述致动器排出路径的至少一部分示意性地并行。
10.如权利要求9所述的钻具，还包括用于抑制致动器排出物从所述钻具排出的装置， 以至少部分地控制沿所述钻头排出路径的运动流体部分和沿所述致动器流动路径的运动流体部分。
11.如权利要求10所述的钻具，其中，所述用于抑制的装置包括至少部分地限定出节流室的流动板和位于所述节流室内的止回阀；并且，所述流动板适合于通过钻杆管至所述钻具的附接而被夹紧至所述钻具。
12.—种钻具，包括顶部接头，所述顶部接头限定所述钻具的顶端并且适合于连接至钻杆管； 钻头，所述钻头限定所述钻具的底端，所述钻头包括外部表面； 活塞，所述活塞能够以往复的方式移动以向所述钻头提供循环冲击载荷； 驱动室，所述驱动室位于所述活塞的第一侧； 返回室，所述返回室位于所述活塞的与所述第一侧相对的第二侧； 致动器流动路径，所述致动器流动路径适合于将运动流体流交替地引导至所述驱动室和所述返回室以驱动所述活塞的往复运动，所述驱动室和所述返回室中的所述运动流体在驱动所述活塞的往复运动之后变成致动器排出物；致动器排出路径，所述致动器排出路径适合于接收来自所述驱动室和所述返回室中的至少一个的致动器排出物、并且在所述钻头上方将所述致动器排出物从所述钻具排出，使得基本上没有致动器排出物流过所述钻头的所述外部表面；以及钻头排出路径，所述钻头排出路径与所述致动器流动路径和所述致动器排出路径示意性地并行并且将运动流体排放到所述钻头的所述外部表面上。
13.如权利要求12所述的钻具，其中，所述钻头位于所述钻具的底端中；其中，所述顶部接头限定所述钻具的与所述底端相对的顶端；并且，所述致动器排出路径通过所述顶部接头排放所述致动器排出物。
14.如权利要求12所述的钻具，其中，所述致动器排出路径适合于接收来自所述驱动室和所述返回室的所有致动器排出物、并且在所述钻头上方将所有致动器排出物从所述钻具排出，使得基本上没有致动器排出物流过所述钻头的所述外部表面。
15.如权利要求12所述的钻具，其中，所述活塞的往复运动至少暂时地切断所述驱动室与所述致动器排出路径之间的连通，而将所述驱动室设置成与所述致动器流动路径相连通并且将所述返回室设置成与所述致动器排出路径相连通，并且至少暂时地切断所述返回室与所述致动器排出路径之间的连通，而将所述返回室设置成与所述致动器流动路径相连通并且将所述驱动室设置成与所述致动器排出路径相连通。
16.如权利要求15所述的钻具，还包括与所述致动器排出路径相连通的驱动排出端口、和与所述致动器排出路径相连通的返回排出端口 ；其中，所述活塞的往复运动通过以所述活塞的一部分覆盖所述驱动排出端口而至少暂时地切断所述驱动室与所述致动器排出路径之间的连通；并且，所述活塞的往复运动通过以所述活塞的一部分覆盖所述返回排出端口而至少暂时地切断所述返回室与所述致动器排出路径之间的连通。
17.如权利要求15所述的钻具，其中，所述锤包括驱动供给管道和返回供给管道；其中，所述活塞的往复运动至少暂时地将所述驱动室设置成通过所述驱动供给管道与所述致动器流动路径相连通；并且，所述活塞的往复运动至少暂时地将所述返回室设置成通过所述返回供给管道与所述致动器流动路径相连通。
18.如权利要求12所述的钻具，还包括用于抑制致动器排出物从所述钻具排出的装置，以至少部分地控制沿所述钻头排出路径的运动流体部分和沿所述致动器流动路径的运动流体部分。
19.如权利要求18所述的钻具，其中，所述用于抑制的装置包括至少部分地限定出节流室的流动板和位于所述节流室内的止回阀；并且，所述流动板适合于通过钻杆管至所述钻具的附接而被夹紧至所述钻具。
20.一种潜孔锤，包括钻头，所述钻头具有外部表面；钻头排出路径，所述钻头排出路径适合于将运动流体排出到所述钻头的所述外部表面的至少一部分上；锤组件，所述锤组件能够操作成向所述钻头传递冲击载荷；致动器流动路径，所述致动器流动路径适合于输送运动流体以操作所述锤组件；以及致动器排出路径，所述致动器排出路径适合于在运动流体已经操作所述锤组件之后将所述运动流体从所述锤组件排出，使得基本上没有致动器排出物流过所述钻头的所述外部表面；其中，所述钻头排出路径与所述致动器排出路径的至少一部分示意性地并行。
全文摘要
一种冲击辅助式旋转钻机，该冲击辅助式旋转钻机包括用于与钻杆管连接的顶部接头。钻杆管将转矩传递至钻机并且还为钻机供给运动流体。钻机包括便于将旋转钻头固定于钻机的尾柄适配器。运动流体被分为致动器流以及流动穿过钻头以清除钻机的底部处的碎片的钻头流。可以呈往复运动活塞形式的致动器在致动器流的作用下在钻机内移动以向尾柄适配器施加循环打击。打击通过尾柄适配器传递至钻头以在旋转钻头上提供相对高频低幅的冲击力以帮助钻进操作。运动流体的致动器流部分的至少一部分通过钻机的顶端排出。可以用致动器流排出路径中的止回阀调节钻头流和致动器流的相对流速和体积。
文档编号E21B4/14GK102317565SQ201080007365
公开日2012年1月11日 申请日期2010年2月10日 优先权日2009年2月11日
发明者利兰·H·里昂, 瓦伦·T·莱 申请人:阿特拉斯·科普柯(美国)塞科洛克有限公司