在硬地層中沖擊鉆孔的高頻液壓驅(qū)動鉆錘的制作方法
【專利摘要】本文提供了一種用于在硬地層鉆孔的液壓驅(qū)動高頻沖擊錘。該沖擊錘的錘活塞(20)具有相對大的且縱向延伸的孔(41)，該孔(41)在錘活塞(20)返回沖程期間向流過孔(41)的鉆孔流體提供最小的流動阻力。孔(41)可通過閥塞(23)在沖程期間跟隨錘活塞(20)在上游方向被關(guān)閉。閥塞(23)由相對細長的閥桿(49)控制，該閥桿(49)能以錘活塞(20)的整個沖程長度的約75%阻止閥塞(23)并使閥塞(23)從座環(huán)(40)分離。因此孔(41)開放使得孔流體可從中流過，且該閥桿(49)的內(nèi)在張力彈簧性質(zhì)使閥塞(23)返回，該返回的速度快至對錘活塞(20)回程期間進行良好流動。
【專利說明】在硬地層中沖擊鉆孔的高頻液壓驅(qū)動鉆錘
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于在硬地層中鉆孔的液壓驅(qū)動、高頻沖擊錘，其中該沖擊錘包括:殼體，該殼體的一端設(shè)置有鉆頭，該鉆頭設(shè)計為直接作用于硬地層，該沖擊錘還包括:可移動地容納在該殼體中的錘活塞，該錘活塞作用于鉆頭，且該錘活塞具有預定流量的縱向延伸孔，并且該延伸孔在上游方向可被閥塞關(guān)閉，該閥塞在錘活塞的沖程中部分地跟隨該錘活塞。
【背景技術(shù)】
[0002]用于在巖石中鉆孔的液壓驅(qū)動沖擊錘已經(jīng)商業(yè)應用超過30年。它們與可連接的鉆桿一起使用，其中鉆孔深度受到限制，是由于沖擊能量在關(guān)節(jié)處變?nèi)?，并且該鉆桿的重量變得過重以使得最終很少的能量能到傳遞給鉆頭。
[0003]潛孔錘鉆，S卩，安裝于鉆頭正上方的錘鉆是更有效的，并在很大程度上用于下降到200-300米深的鉆探。它們由壓縮空氣驅(qū)動并具有可達約22bar的壓力，然后這限制鉆孔深度至約20米，如果水進入到井中。高壓水驅(qū)動的錘鉆已經(jīng)市售超過10年了，但這些都是在尺寸有限的，這意味著高達約130毫米孔直徑。此外，已知它們具有有限的壽命并且對于水中的雜質(zhì)敏感。它們在很大程度上被用于采礦業(yè)，因為他們鉆孔非常有效并鉆出非常直的孔。它們在有限的程度上被用于垂直鉆井下降到1000-1500米的深度，然后，沒有任何方向控制。
[0004]理想的是，制造井下鉆頭流體驅(qū)動的錘鉆，它們可連同方向控制設(shè)備一起使用，它的生產(chǎn)效率高，可使用水作為鉆井液，也可以與具有添加劑的水基鉆井液一起使用，并具有經(jīng)濟的壽命。預計對于深水鉆探地熱能源和硬開采石油和天然氣資源都有很大用途。
[0005]在沖擊鉆中，使用的鉆頭具有插入的堅硬的金屬突起(lugs)，所謂的“壓頭”。它們由碳化鎢制成，并且直徑通常為8至14毫米并具有球形或錐形的端部。理想的情況下，每個壓頭應具有與巖石的硬度和抗壓強度相關(guān)的最佳的沖擊能量進行撞擊，以使得巖石上出現(xiàn)小的缺口或凹坑。鉆頭旋轉(zhuǎn)以進行下一次打擊，理想情況下，形成與前一個缺口相連的新的缺口。鉆孔的直徑和幾何形狀決定了壓頭的數(shù)目。
[0006]最佳沖擊能量是由巖石的抗壓強度確定的，它可以在抗壓強度高于300MPa的巖石中鉆孔。提供超過最佳量的沖擊能量，則超過部分會因為它不是用來摧毀巖石而損失，并且只傳播能量波。太小的沖擊能量根本不會產(chǎn)生缺口。當每個壓頭的沖擊能量為已知的，且壓頭的數(shù)目是確定的時，則能得到鉆頭的最佳沖擊能量。拉動速度或鉆速(R0P -穿透速度)然后可僅通過提高沖擊頻率而增加。
[0007]泵入的鉆孔流體的量是由鉆柱與井孔壁之間的環(huán)狀空間內(nèi)的最小的必要回復速率(return rate)(環(huán)速度)確定。這至少應該超過I米/秒，優(yōu)選為2米/秒，以使得鉆出來的材料、鉆屑能被輸送到地面。巖石越堅硬且脆，提供的沖擊頻率越高，則鉆屑越細碎，而較慢的回復速率或速度則可以被接受。堅硬的巖石和高頻率將產(chǎn)生灰塵或細砂樣的鉆屑。
[0008]施加到錘鉆上的液壓功效(effect)是由壓降乘以單位時間泵入量決定的。[0009]每次打擊的沖擊能量乘以頻率得到功效。一個假設(shè)的例子中，被鉆探的花崗巖具有260兆帕的抗壓強度并使用190毫米的鉆孔直徑，則將水從地表以750升/分鐘(12.5升/秒)泵入。據(jù)計算，最佳的沖擊能量為約900J。
[0010]相應的鉆孔但具有更小的直徑，參照已知的數(shù)據(jù)，鉆孔速度(ROP)為22米/小時(即每小時米)則應具有60Hz的沖擊頻率。這里假定增加沖擊頻率至95赫茲，因此ROP為35米/小時。然后鉆頭上所需的凈功效就變成了:0.9千焦的5=86千瓦。我們假設(shè)目前錘結(jié)構(gòu)具有的機械-液壓功效為0.89，然后經(jīng)該錘提供7.7兆帕所需的壓力降。
[0011]那么該錘鉆將比現(xiàn)有的可用的水力推動的錘鉆快60%，并節(jié)省60%的能源消耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]這通過引入該類型的沖擊錘來實現(xiàn)，該錘的突出特點為:閥塞由閥桿套筒中可滑動地接收的相連接的閥桿控制，該閥桿包括止動裝置，其能夠以錘活塞的整個沖程長度的預定百分比阻止閥塞，并將閥塞與錘活塞上的閥座密封件分離，因此該孔被打開，并且允許在該孔中流過流體。
[0013]優(yōu)選該止動裝置在該閥桿的上游末端包括止動板，并在所述閥桿套筒中有協(xié)同操作的內(nèi)止動面。
[0014]在一個實施例中，該錘活塞的整個沖程長度的預定百分比為大約75%。
[0015]方便的是，閥桿的內(nèi)在張力彈簧特性為使得閥塞回復，該閥桿為細長的。
[0016]優(yōu)選地，該沖擊錘還設(shè)置有入口閥組件，它不能開放并用于錘活塞的操作，直到壓力累積到約95%的完全工作壓力，該入口閥組件適于關(guān)閉主筒體，并且在錘殼體內(nèi)的側(cè)筒體可對錘活塞和提升該錘活塞的殼體之間的環(huán)形空間施壓以密封該閥塞。
[0017]方便的是，該錘活塞和閥組件可通過反沖回復運動，其中錘活塞能和閥組件兩者都設(shè)置有液壓阻尼控制回復沖程的延遲，直到停止。
[0018]方便的是，該液壓阻尼用環(huán)狀活塞進行，該環(huán)狀活塞被壓入相應的具有可控的間隙的環(huán)形缸體中，從而限制或阻滯截留的流體的排出。
[0019]進一步地，可在該閥桿套筒的頂部設(shè)置開口，該閥桿的擋板可進入該開口，且該擋板的徑向部分能以相對窄的徑向間隙密封該開口的內(nèi)側(cè)。
[0020]進一步地，環(huán)形的備用閥可布置在該開口下方的環(huán)形槽中，利用該備用閥能打開孔并通過該孔向閥桿套筒中裝入液體。
[0021]該沖擊錘殼體可被分為:入口閥殼體、閥殼體和錘殼體。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的錘鉆結(jié)構(gòu)為標為“直動錘”的類型，S卩，該錘活塞在上面具有閉合閥，該閥處于閉合位置時能推動活塞向前，并在打開位置時能使錘活塞進行反沖。以前的液壓錘類型中有閥系統(tǒng)，以上述兩種方式同時通過壓力推動錘活塞。這提供了低的效率，但活塞可更精確的控制。
[0023]高效率和高的沖擊頻率的關(guān)鍵是在閥結(jié)構(gòu)上。該閥需要高頻運行，并在打開位置具有好的流動特性。
[0024]有極大的優(yōu)勢同時，該錘鉆結(jié)構(gòu)也可以用作表面安裝的液壓驅(qū)動錘，與鉆桿一起用于鉆孔，但本文中將對其用作井下錘鉆的情況詳細描述?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0025]本發(fā)明的其他和進一步的目的，特征和優(yōu)點將通過對本發(fā)明的優(yōu)選實施例的描述變得明顯，這些優(yōu)選實施例用于描述的目的，并參考附圖進行描述，其中:
[0026]圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的典型的液壓錘鉆的示意圖；
[0027]圖2A顯不了具有鉆頭的井下銀鉆的正視圖；
[0028]圖2B顯示了圖2A的錘鉆旋轉(zhuǎn)約90°的情況；
[0029]圖2C顯示了圖2A中箭頭A-A方向的視圖；
[0030]圖2D顯示了圖2A中箭頭B-B方向的視圖；
[0031]圖3A顯示了圖2A中顯示的錘鉆的縱向剖視圖，其中顯示了內(nèi)部主體部分；
[0032]圖3B顯示了沿圖3A的線A-A的橫向剖視圖；
[0033]圖3C顯示了沿圖3A的線B-B的橫向剖視圖；
[0034]圖3D顯示了沿圖3A的線C-C的橫向剖視圖；
[0035]圖3E顯示了沿圖3A的線D-D的橫向剖視圖；
[0036]圖3F顯示了圖3A中被框住的部分H的兩倍放大視圖；
[0037]圖3G顯示了圖3A中被框住的部分H的兩倍放大視圖；
[0038]圖3H顯示了圖3A中被框住的部分F的五倍放大視圖；
[0039]圖31顯示了圖3A中被框住的部分G的五倍放大視圖；
[0040]圖4A顯示了對應于圖3A所示的結(jié)構(gòu)，但處于加速階段的末尾；
[0041]圖4B顯示了圖4A中的部分顯示的閥組件的正視圖；
[0042]圖4C顯示了沿圖4A的線B-B的橫向剖視圖；
[0043]圖4D顯示了圖4A中被框住的部分A的五倍放大視圖；
[0044]圖4E顯示了圖4A中被框住的部分C的五倍放大視圖；
[0045]圖5A顯示了對應于圖3A和4A中所示的結(jié)構(gòu)，但處于錘活塞沖擊鉆頭的沖擊表面時；
[0046]圖5B顯示了圖5A中被框住的部分A的五倍放大視圖；
[0047]圖5C顯示了圖5A中被框住的部分B的四倍放大視圖；
[0048]圖6A顯示了對應于圖3A、4A和5A中所示的結(jié)構(gòu)，但處于錘活塞完全返回時；
[0049]圖6B顯示了沿圖6C的線E-E的部分；
[0050]圖6C顯示了圖6A中被框住的部分A的五倍放大視圖；
[0051]圖6C’顯示了圖6C中被框住的部分D的20倍放大視圖；
[0052]圖6D顯示了圖6E中被框住的部分C的20倍放大視圖；
[0053]圖6E顯示了圖6A中被框住的部分B的四倍放大視圖；
[0054]圖7A顯不了對應于圖3A、4A, 5A和6A中所不的結(jié)構(gòu),但此時錘活塞處于回落的最后部分；
[0055]圖7B顯示了圖7C中被框住的部分B的20倍放大視圖；
[0056]圖7C顯示了圖7A中被框住的部分A的四倍放大視圖；
[0057]圖8顯示了描述錘活塞和閥的工作周期的曲線；
[0058]圖9A顯示了描述閥相對于壓力降的突然關(guān)閉特征的曲線，和
[0059]圖9B顯示了經(jīng)逐漸關(guān)閉閥門時的流量和壓力降。【具體實施方式】
[0060]圖1顯示了典型的用于連接至可連接的鉆桿的頂部的液壓錘鉆，其中錘結(jié)構(gòu)位于殼體I的內(nèi)部，該殼體I由幾個外殼部分構(gòu)成，其中旋轉(zhuǎn)馬達2經(jīng)由變速器3使鉆桿旋轉(zhuǎn)，該變速器3旋轉(zhuǎn)具有螺紋部分4的軸，該螺紋部分4將被擰到鉆桿和鉆頭上(未顯示)。錘機器通常配備有固定板5，用于連接到鉆機(未顯示)的供應裝置。經(jīng)管道和連接件6供應液壓驅(qū)動流體，并通過具有連接件7的管道6液壓返回。
[0061]圖2A和2B顯示了具有鉆頭的井下錘鉆。這些將用于以下的說明書中。所示的殼體I具有第一殼體部分8,其接收的裝置稍后將被描述為入口閥,而第二殼體部分9包含閥，第三殼體部分10包含錘活塞，且標號11表示鉆頭。鉆孔流體通過開口主通道(run)被泵入，且螺紋部分13將錘接到鉆柱(未顯示)。平坦部14被設(shè)置為使用轉(zhuǎn)矩扳手來將錘擰至鉆柱或從鉆柱擰下。排水孔15對于稍后解釋的入口閥是需要的，并存在出口孔16用于鉆孔壁和錘鉆殼體(未顯示)之間的環(huán)形結(jié)構(gòu)中的鉆孔流體返回至表面。硬質(zhì)金屬突出部17為壓縮被鉆孔的巖石的元件。圖2C顯示了圖2A中箭頭A-A的方向的視圖，圖2D顯示了圖2A中沿箭頭B-B方向朝向鉆頭11看到的視圖。
[0062]圖3A顯示了錘鉆的縱向剖面圖，其中內(nèi)部主要部件為:入口閥組件18，閥組件19和錘活塞20。鉆孔流體通過入口 12被泵入，通過處于打開位置的入口閥18，通過圖3B中剖面圖A-A上顯示的孔21，然后通過圖3C中剖面圖B-B中的孔22，流至閥塞23，該閥塞23在圖3D的剖面圖C-C中顯示為關(guān)閉位置，閥塞23抵靠著錘活塞20并驅(qū)動該活塞抵靠著鉆頭的底部部分24。圖3E的D-D剖面圖顯示了該鉆頭11中的縱向延伸的齒條部分25和錘殼體10的最低部分，它們在鉆頭11通過鎖定圓環(huán)結(jié)構(gòu)26決定的可接受的空隙中軸向移動時傳送轉(zhuǎn)矩。這是因為通過將錘活塞20對鉆頭11的沖擊，僅發(fā)生位移的部件的質(zhì)量或重量與該硬質(zhì)金屬突出部17進入巖石的侵入程度一致。這是為了使得將盡可能多的沖擊能量轉(zhuǎn)移到對巖石的破碎上，并盡可能減少相對輕的鉆頭11的質(zhì)量位移。
[0063]在圖3F的詳細剖面圖中顯示了處于閉合位置的入口閥18，該剖視圖選自圖3A中的H。當啟動錘功能時，開始入口 12中的鉆孔流體的泵入操作。穿過閥殼體8的壁的側(cè)面的或分支的孔27與進口閥18的安裝板中的引導孔28液壓連通。該安裝板29是固定在閥殼體8中，并包括引導閥30，該引導閥30通過彈簧31保持在打開位置。鉆孔流體自由流動到第一引導活塞32上的第一引導室，該引導室的直徑和面積比入口大。在壓力增加時，受限的可移動的閥塞33將被迫關(guān)閉靠在殼體8中的閥座34上。在對關(guān)閉的入口閥18的壓力增加時，殼體10和錘活塞20之間的環(huán)狀結(jié)構(gòu)35被加壓穿過旁側(cè)的孔27，其經(jīng)過閥殼體9中的縱向延伸的孔36對入口 37進料，參見詳視圖F。
[0064]圖3H和圖31中的詳細剖面圖取自圖3A的F和G，并顯示了錘活塞20抵靠錘殼體9，10的內(nèi)壁的情況?；钊?8的直徑稍微大于第二活塞39的直徑。通過使用錘鉆以垂直向下鉆孔，在不加壓的狀態(tài)下，錘活塞20將由于重力作用明顯朝向鉆頭11中的撞擊面或沖擊面24移動。在這種情況下，在錘活塞20中在閥塞23和閥座40之間將有間隙(見詳細視圖F)。因此，鉆孔流體將自有流動通過塞子23處的閥，通過錘活塞20中的孔41和孔16(見圖2A)，因此對于啟動該錘有太少的壓力增加發(fā)生。
[0065]在圖3F中顯示的詳細剖面圖中的設(shè)置，具有關(guān)閉的入口閥18且在環(huán)狀結(jié)構(gòu)35中有壓力累積，這將錘活塞20提升以封閉閥塞23。由于在活塞38的表面和殼體9的內(nèi)壁之間所需的間隙，鉆孔流體從閥塞23上的空間通過潤滑通道42和孔43溢出，如詳細視圖F中箭頭所示。為了防止該情況，這種泄漏量應在閥塞23上的空間中提供壓力積聚，這通過該位置的引導閥30允許的閥安裝板29中的孔44和開口 45流出，并進一步流出通過排水孔15。當壓力上升到錘設(shè)計需要的工作壓力的90%以上時，在第二引導室46中的活塞力超過彈簧31的閉合力，且引導閥30移位，如圖3G所示。
[0066]在引導活塞32上的第一引導室被排出(drained)并且入口閥18打開。在開口 45被關(guān)閉的同時，通過孔44的排水被關(guān)閉，這使得在操作模式下壓力不會通過這個孔損失。在錘活塞20和閉合的閥塞23上的引導室中的壓力使得具有即時充分效果的工作周期開始。備份閥47和噴嘴48的設(shè)置使得能減少第二引導室46的排干時間，從而實現(xiàn)了入口閥18的相對慢的閉合。這使得入口閥18保持完全打開，且不會在工作模式下由于隨后壓力隨著撞擊頻率波動而產(chǎn)生干擾。
[0067]圖4A顯示了錘鉆在加速階段結(jié)束時的情況。錘活塞20此時已經(jīng)達到最大速度，通常約為6m/s。這是以下條件的結(jié)果，可用的壓力例如僅低于8MPa，錘活塞的液壓區(qū)域，這里例如直徑為130mm,且錘活塞的重量,這里例如49kg。閥塞23保持對錘活塞的座開口閉合，因為閥塞23的液壓區(qū)域，在這里例如直徑為95mm，該區(qū)域比錘活塞的環(huán)形區(qū)域面積略大，約大4%，如圖4C中剖面B-B所示，分別表示為23和24。此時錘活塞已覆蓋其全部沖程的約75%，全部沖程約為9mm。在錘活塞20和鉆頭的打擊面24之間的間隙為約3mm，如圖4E中放大詳細視圖C所示。
[0068]具有止動板50的可移動的閥桿49現(xiàn)處于殼體9中的固定閥桿套筒51的鄰接面上，并阻止閥桿49進一步移動，如圖4D中放大的詳細視圖A所示，在此之后，閥塞23自錘活塞20的閥座40分離，從而被打開。可移動的閥組件23，49，50顯示于圖4B的正視圖中。
[0069]閥塞23的動能通過急停，略微拉長相對細長的閥桿49，從而轉(zhuǎn)換為相對大的彈簧力，該彈簧力迅速對閥加速。閥桿49的略微拉長，此處例如計為約0.8mm,需要比材料的利用率低，在這種情況下該材料為高強度彈簧鋼。閥塞23的質(zhì)量應盡可能地小，在這里例如由鋁制成，結(jié)合閥桿49的長度，直徑和材料的特性，決定了該閥組件的固有頻率。
[0070]對于實際應用，這應該最小為其使用的頻率的8-10倍。該固有頻率是由以下公式確定:
[0071]
【權(quán)利要求】
1.一種用于在硬地層中鉆孔的液壓驅(qū)動高頻沖擊錘，所述沖擊錘包括:殼體(8,9, 10)，所述殼體(8，9，10)的一端設(shè)置有鉆頭(11)，所述鉆頭(11)設(shè)計為直接作用于硬地層，所述沖擊錘還包括:可移動地容納于所述殼體(8，9，10)中并作用于鉆頭(11)上的錘活塞(20)，所述錘活塞(20)具有預定流量容積的縱向延伸的孔(41)，并且所述孔(41)能被閥塞(23)在上游方向上閉合，所述閥塞(23)在錘活塞(20)的沖程中部分跟隨所述錘活塞(20)，其特征在于，所述閥塞(23)由閥桿套筒(51)中可滑動地裝載的相關(guān)聯(lián)的閥桿(49)控制，所述閥桿(49)包括止動裝置(50，51)，所述止動裝置(50，51)能以所述錘活塞(20)的整個沖程長度的預定百分比阻止所述閥塞(23)，并將所述閥塞(23)從錘活塞(20)上的座密封件(40)分離，從而所述孔(41)被打開，并且使得鉆孔流體能流過所述孔(41)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沖擊錘，其特征在于，所述止動裝置(50，51)包括在所述閥桿(49)的上游端的擋板(50)，和在所述閥桿套筒(51)中的協(xié)同操作的內(nèi)部的止動表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的沖擊錘，其特征在于，所述錘活塞(20)的整個沖程長度的預定百分比為大約75%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的沖擊錘，其特征在于，所述閥桿(49)具有使閥塞(23)回復運動的內(nèi)在張力彈簧特性，所述閥桿(49)為細長的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的沖擊錘，其特征在于，該沖擊錘還具有入口閥組件(18)，所述入口閥組件(18)不對錘活塞(20)的操作開放直到壓力累積到約為全部工作壓力的95%，所述入口閥組件(18)適于關(guān)閉主桶體(12)，且所述錘殼體中的側(cè)桶體(27)對錘活塞(20)和提升所述錘活塞(20)的殼體(10)之間的環(huán)狀結(jié)構(gòu)(35)增壓以密封所述閥塞(23)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的沖擊錘，其特征在于，所述錘活塞(20)和閥組件(18)通過反沖回復運動，其中所述錘活塞(20)和閥組件(18)都設(shè)置有液壓阻尼以控制回復沖程的延遲直到停止。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的沖擊錘，其特征在于，所述液壓阻尼通過環(huán)狀活塞(54)發(fā)生，所述環(huán)狀活塞(54)被推動進入相應的環(huán)形缸體(53)，所述環(huán)形缸體(53)具有可控制的間隙從而限制或阻塞截留的流體的排出。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的沖擊錘，其特征在于，開口(52)設(shè)置于所述閥桿套筒(51)的頂部，且所述閥桿(49)的擋板(50)能夠進入所述開口(52)，所述擋板(50)的徑向部分以相對狹窄的徑向間隙對所述開口(52)的內(nèi)側(cè)進行密封。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的沖擊錘，其特征在于，環(huán)形備用閥(58)設(shè)置于所述開口(52)下方的環(huán)形溝槽中，所述備用閥(58)能開放并通過孔(59)向閥桿套筒(51)中補充流體。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項所述的沖擊錘，其特征在于，所述沖擊錘殼體(I)分成:入口閥殼體(8)，閥殼體(9)和錘殼體(10)。
【文檔編號】E21B4/14GK103998706SQ201280040445
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2012年8月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月19日
【發(fā)明者】培·A·瓦特納 申請人:翰美吉公司