專利名稱:用于沖擊鉆孔的接長鉆設備的連接裝置的制作方法
本發(fā)明涉及用于沖擊鉆孔(錘鉆)的接長鉆設備的連接裝置，該裝置設置在位于鉆機和鉆頭之間的鉆具組中。
沖擊鉆孔，例如在巖石上鉆孔，總是在用來將沖擊能和扭矩傳遞到鉆頭的管或桿上產(chǎn)生壓縮和拉伸應力。壓縮和拉伸應力以脈沖的形式在鉆具組中來回傳遞。這些壓縮和拉伸應力常常包括有反射的脈沖，因為該脈沖是通過在鉆具組中連接管或桿以及連接鉆具組和鉆頭的連接裝置中的反射而產(chǎn)生的。以拉伸脈沖形式反射回去的大拉伸應力首先產(chǎn)生在鉆頭上。在鉆頭處，該現(xiàn)象從原理上可做如下描述，當最先產(chǎn)生在鉆機上的壓縮脈沖到達鉆頭時，一部分壓縮脈沖總會通過鉆具組以拉伸脈沖的形式反射回去，巖石破碎的越不完全，拉伸脈沖就越大。例如，在一次無效沖擊中，(即一次未作功的沖擊，該沖擊是在鉆頭碰到巖石上的裂縫或空洞時產(chǎn)生的)全部壓縮脈沖以相同大小的拉伸脈沖的形式反射回去。
在目前已知的所有連接裝置中，例如最常用的連接裝置，由于例如便于把長鉆設備拆卸這樣的實際使用上的原因，連接裝置都帶有用于連接接長鉆設備中部件(管或桿以及鉆頭)的螺紋，脈沖可多多少少地順利通過連接裝置。脈沖，壓縮脈沖和反射回的拉伸脈沖都是由鉆機的沖擊產(chǎn)生的，因此，它們多少可以無阻礙的在鉆具組中來回傳遞多次，并在材料特有的阻尼作用和鉆具組與鉆過的孔壁的摩擦作用下逐漸衰減。這種現(xiàn)象在鉆機的兩次沖擊之間一次次重復并由沖擊而產(chǎn)生很高的往復頻率(通常為30至40Hz也會有150Hz存在)，因此鉆具組會在短時間內(nèi)承受多次疲勞循環(huán)。
這些在鉆具組中來回傳遞的脈沖在鉆具組中引起磨損和斷裂，特別是拉伸脈沖能引起過早的疲勞斷裂。
到目前為止，尚未出現(xiàn)任何能克服上述的在沖擊鉆孔中與鉆具組中脈沖傳遞有關的問題的手段。不過，對旋轉(zhuǎn)鉆孔來說，具有特殊結構能消除振動的連接裝置(即管子緩沖器)已經(jīng)問世，例如見法國專利A1-2432081號，挪威專利B-146550號和美國專利A-3608297號。但是，這些連接裝置不適用于沖擊鉆孔，這是由于在其使用中要吸收掉很大一部分最初的沖擊能及反射的脈沖，使沖擊鉆孔的效率低到不可接受的程度，而且，連接裝置會很快由于產(chǎn)生摩擦熱和其他原因而損壞。
本發(fā)明提供了用于沖擊鉆孔的接長鉆設備的連接裝置，該裝置解決了上述問題。本發(fā)明特征在于連接裝置具有除了在鉆具組中朝鉆頭方向傳遞壓縮脈沖外，還能通過反射在鉆具組中朝壓縮脈沖的相反方向?qū)⒗烀}沖轉(zhuǎn)化成壓縮脈沖的裝置。
這樣，通過本發(fā)明的連接裝置，有害的拉伸脈沖轉(zhuǎn)化成了有用的壓縮脈沖。換句話說，本發(fā)明的連接裝置具有這樣的結構，它使有用的能量(壓縮脈沖)通過而將無用的能量(拉伸脈沖)轉(zhuǎn)化成有用的能量。與采用已知的連接裝置相比其效率可以得到提高。而且，通過將拉伸脈沖轉(zhuǎn)化成壓縮脈沖使鉆具組中有害的拉伸應力總值大大下降進而使鉆具組的壽命大大提高。
在優(yōu)選的實施例中，本發(fā)明的連接裝置特征在于，該裝置包括一將沿軸向可相互運動的部件連在一起的部件及相互運動部件具有配合的表面，該表面在壓縮脈沖的壓力作用下處于相互靠緊狀態(tài)，在拉伸脈沖作用下相互分離相互運動部件最好與鉆具組同軸設置。這點可從幾個有益的實施例中看清楚，在后面的權利要求
中談到了其中幾個實施例。
除了所述的往復壓縮和拉伸脈沖外，在鉆具組中還存在剪應力。以應力形式存在的剪力是由傳遞到鉆頭上的扭矩和疊加的由多種原因其中包括鉆頭在巖石上轉(zhuǎn)動而引起的扭矩脈沖產(chǎn)生的。扭矩脈沖，就其本質(zhì)來說，是以剪應力形式出現(xiàn)的動應力，在任何時刻都能加到壓縮和拉伸脈沖上，因此，也能對鉆具組的疲勞起一定影響。在本發(fā)明優(yōu)選的實施例中，也考慮到了這些扭矩脈沖，通過在連接裝置中設置某些裝置來吸收在鉆具組中的連接裝置中由扭矩脈沖中產(chǎn)生的動能。
本發(fā)明連接裝置的一些實施例將參照附圖作如下詳細描述，其中圖1、圖2、圖3、圖7、圖9、圖10和圖13表明了本發(fā)明的連接裝置的不同實施例的軸向截面圖，圖4，圖5，圖6，圖8，圖11，圖12和圖14表明了分別按照圖1、圖2、圖3、圖7、圖9、圖10和圖13的連接裝置的橫截面圖。圖3a為一插入圖3所示實施例的力矩傳遞件的側(cè)視圖。
各圖中相同的另件用同一參考號來表示。
如上所述，本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容是提供一種連接裝置，該裝置除了在鉆具組中朝著鉆頭的方向上傳遞壓縮脈沖外，還能在鉆具組中通過反射在背離壓縮脈沖的方向上將拉伸脈沖轉(zhuǎn)化成壓縮脈沖，附圖為幾個詳細描述如何實現(xiàn)上述功能的實例。
圖1至圖8所示的連接裝置都具有兩個管狀件1，在其外端設有與鉆具組連接的內(nèi)螺紋14。相對的管端沿沖擊表面2相互靠緊。管1靠拉桿3和墊圈4通過沖擊表面2沿軸向連接在一起。由例如彈簧墊圈6構成的彈簧設置在位于拉桿端部的螺母5和墊圈4之間。管1可在不施加預應力的情況下相互連接，也可通過擰緊螺母5而獲得可調(diào)整的軸向預應力。連接裝置還包括一可沿軸向運動的力矩傳遞件7，下文中將對該件進行詳細描述。
為傳遞壓縮脈沖并將拉伸脈沖轉(zhuǎn)化成壓縮脈沖，連接裝置將按上述方式工作。
當拉伸脈沖進入(例如從鉆頭)連接并向沖擊表面2前進時，拉伸脈沖可使拉桿3和可沿軸向運動的力矩傳遞件7成為一個小動態(tài)阻力件。管1在拉伸脈沖作用下在沖擊表面2處分離。這樣，拉伸脈沖會使分離的沖擊表面成為自由表面并因此將拉伸脈沖轉(zhuǎn)化成壓縮脈沖，該壓縮脈沖以大約與上述當壓縮脈沖轉(zhuǎn)化成拉伸脈沖時產(chǎn)生的鉆頭的自由沖擊相同的方式反射回去。另一方面，當壓縮脈沖對著沖擊表面2運動時，該表面互相壓緊，主壓縮脈沖可毫無變化地通過，這一點很重要，因為來自鉆機的主脈沖為壓縮脈沖，對連接裝置傳遞沖擊能量的一個不可缺少的要求是壓縮脈沖將無阻礙地通過。
這樣，拉伸脈沖通過連接裝置和在鉆具組中的運動受到阻礙。因此，鉆具組中的應力大大減少了，同時，通過將無用的拉伸脈沖轉(zhuǎn)化成壓縮脈沖使沖擊鉆孔的效率提高了。
圖9至圖12為傳遞壓縮脈沖和將拉伸脈沖轉(zhuǎn)化成壓縮脈沖的連接裝置的另幾個實施例。在圖9和圖11中，顯示了連接裝置沿鉆具組就位的情況，在圖10和圖12中，顯示了連接裝置與鉆頭的連接。
在圖9和圖11所示的實施例中，連接裝置的一端設有相應于前述實施例中的螺紋14的螺紋14，而相對端21的形狀適于裝入鉆具組管22。管22的端表面與連接裝置上的肩臺23相接，上述端表面和肩臺構成相應于前述實施例的沖擊表面2的沖擊表面。橫向楔塊24安裝在管子22的槽25內(nèi)，相同于安裝在端部21上的槽26間隔內(nèi)的楔塊部分。
在根據(jù)圖10和圖12的實施例中，楔子24安裝在鉆具組管22的槽25和鉆頭27的襯套28上的槽26的間隙中。沖擊表面2在管22的端面和鉆頭的肩臺29之間形成。
與圖1至圖8所示實施例中桿3不同的是圖9至圖12所示實施例中的連接件由楔子24構成。圖9至圖12所示實施例在結構上比圖1至圖8所示實施例更為簡單，但從動力學的觀點來看要差一些，這是由于來自鉆機的一部分主壓縮脈沖會由于圖3中件21和22及圖10中件22和27的橫截面積不同而反射回去。但由于在拉伸脈沖下沖擊表面是分離的，所以，拉伸脈沖的轉(zhuǎn)化與圖1至圖8所示實施例同樣有效。
雖然圖中未表示出，但例如具有幾個楔子以及楔子和圖1至圖8所示中桿一起使用的實施例是有可能的，其中，相應于彈簧6的彈簧被省略了或僅裝在桿的一端。
除了將沖擊能從鉆機傳遞到鉆頭外，連接裝置的結構還必須具有傳遞扭力的能力。
在圖1至圖8所示實施例中，管1之間的力矩傳遞是靠扭矩傳遞件7和楔或球來完成的。在圖1和圖4所示實施例中，縱向楔子8裝于力矩傳遞件和管1的楔槽中。在圖2和圖5所示實施例中，楔子8由彈性棒或楔15所代替。圖3和圖6所示實施例具有相應于圖1和圖3中楔8的楔子。在圖7和圖8所示實施例中，楔8由橫向楔子20所代替。在圖9和圖12所示實施例中，分別連接件21，22及22，27的楔子24也構成了力矩傳遞裝置。
如上所述，不僅在鉆具組中產(chǎn)生軸向壓縮和拉伸脈沖，而且也產(chǎn)生扭矩脈沖，它附加到軸向脈沖上，因而對鉆具組的疲勞起到一定作用。因此，在優(yōu)選的實施例中，本發(fā)明的連接裝置就能圓滿完成任務或是提供部分消除或全部消除扭矩脈沖的裝置。
圖3和圖6顯示了完美的實施例。力矩傳遞件7由兩部分即件16和17組成，該兩件由固定在件16并插入件17的襯套18連接。襯套18的一端固定到一裝置上，該裝置表面和件17鄰接，其凸輪狀外形與件17相應的外形配合。在扭力脈沖和扭矩作用下，件16和17可相對扭轉(zhuǎn)，其中，件17被迫沿凸輪曲線運動，然后壓緊件16，這樣就會使彈簧件19被壓縮并吸收扭矩脈沖產(chǎn)生的動能。力矩傳遞件7單獨以側(cè)視圖圖3a表示。
在圖2和圖5所示實施例中，彈性滾子或楔子消除一部分扭矩脈沖。
雖然本文的其它實施例未示出彈簧裝置但是當然它們也能設置如吸收扭矩脈沖產(chǎn)生的動能的彈簧裝置。
圖1至圖8還顯示了力矩傳遞件7設有鋼、耐磨金屬或聚合物制成的短柱或墊圈9，它可阻止力矩傳遞件7和管1之間的燃燒。力矩傳遞件7實際上是可以運動的，這種運動由桿3上的彈簧10和卡圖11控制。在操作中，由于通過壓縮脈沖，桿在朝向鉆頭的方向上對力矩傳遞件7施加沖擊力，使力矩傳遞件產(chǎn)生振蕩的軸向運動，它同短柱和墊圈9一起防止局部發(fā)熱。由于力矩傳遞件7的振蕩運動，還可在楔8，短柱9和管1之間維持一支承潤滑薄層。對力矩傳遞件7施加的沖擊力是靠來自鉆機的一部分壓縮應力通過墊圈4至桿3，又通過桿3的卡圈11沖擊力矩傳遞件7而獲得的。圖1至圖8還表明了，桿3和墊圈4分別設有沖洗槽12和13以自由通過沖洗介質(zhì)，如空氣。在管1的內(nèi)表面和裝置7之間為一間隙，其中可通過沖洗介質(zhì)以冷卻裝置7，楔8和管1。
以上描述了本發(fā)明的連接裝置的幾個實施例，該連接裝置具有以桿3或楔24形式分別連接軸向相互可運動的件1和21，22以及22，27的內(nèi)連接件。但是，連接件也可位于外部，這樣的例子通過圖13和圖14以展示出來。這里，連接件包括外套30，外套上部帶有螺紋31與鉆具組桿32擰合，其下部帶有內(nèi)螺紋33與螺母狀件34擰合，件34的凸緣35與外套的下端面鄰接。螺母34穿在桿36上，桿36帶有凸緣37并具有如六角形橫截面的延長部分38，該部分裝入外套30具有相應的橫截面的孔39中。桿38可連接到例如鉆頭這樣的件上。位于螺母34和凸緣37之間的彈簧件40安裝在外套30和桿36之間的間隙中，彈簧件可通過螺母施加預應力。鉆具組桿32的端面和延長部分38的端面形成了相應于前述實施例中沖擊面2的沖擊表面。延長部分38本身也是相應于前述實施例中力矩傳遞件7和楔24的力矩傳遞裝置。
本發(fā)明的范圍和精神不應限于上述敘述和圖示的實施例而是也能在下述權利要求
范圍內(nèi)通過另外一些實施例來實現(xiàn)。
權利要求
1.用于沖擊鉆孔的按長鉆設備上并安裝在鉆具組中鉆頭和鉆機之間的連接裝置，其特征在于連接裝置設有除了在鉆具組中在朝著鉆頭(27)的方向上傳遞壓縮脈沖外還通過反射在鉆具組中在背離壓縮脈沖的方向上將拉伸脈沖轉(zhuǎn)化成壓縮脈沖的裝置(2，3；2，24；2，30)。
2.按照權利要求
1的連接裝置，其特征在于所述裝置包括至少一個連接沿軸可相互運動的件(1;21，22;22，27;32，36)的件(3;24;30)及相互運動的件的相互作用表面(2)，該表面在壓縮脈沖下被迫相互靠緊而在拉伸脈沖下相互分離。
3.按照權利要求
2的連接裝置，其特征在于上述件(1;21，22;22，27;32，36)與鉆具組共軸。
4.按照權利要求
2或3的連接裝置，其特征在于連接件(3，30)通過在表面(2)之間產(chǎn)生預應力接合壓力來連接上述相互運動件。
5.按照權利要求
4的連接裝置，其特征在于具有調(diào)整預應力的裝置(5;34)。
6.按照權利要求
2至5中任意一項的連接裝置，其特征在于上述連接件包括軸向位于鉆具組內(nèi)的拉桿(3)。
7.按照權利要求
2至5中任意一項的連接裝置，其特征在于上述連接件包括鋼索。
8.按照權利要求
2至5中任意一項的連接裝置，其特征在于上述連接件至少包括一個相對于鉆具組橫向裝置的楔(24)，該楔固定在件(21，22;22，27)之一上并在鉆具組的軸向上相對另一件可以運動。
9.按照權利要求
2至5中任意一項的連接裝置，其特征在于上述連接件包括位于件(32，36)外部的套30。
10.按照前述任意一項權利要求
的連接裝置，其特征在于具有吸收由于鉆具組中扭矩脈沖而在連接裝置中產(chǎn)生的動能的裝置。
11.按照權利要求
10的連接裝置，其特征在于兩部件(16，17)可相對轉(zhuǎn)動，彈性件(19)吸收由該兩件相對轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的動能。
12.按照權利要求
2至11中任意一項的連接裝置，其特征在于力矩傳遞裝置(7，24，38)位于沿軸向可相互運動的件(1;21，22;22，27;32，36)之間。
專利摘要
用于沖擊鉆孔接長鉆設備的連接裝置設有除了在鉆具組朝著鉆頭的方向上傳遞壓縮脈沖外，還靠反射在背離壓縮脈沖的方向上將拉伸脈沖轉(zhuǎn)化成壓縮脈沖的裝置(2，3；2，24；2，30)。連接裝置最好包括軸向相互可運動件(1；21，22；22，27；32，36)并設有配合表面(2)和連接運動件的件(3；24；30)。該表面在壓縮應力下相互靠緊。在拉伸應力下相互分離。連接裝置最好還包括吸收由鉆具組中扭矩脈沖在連接中產(chǎn)生的動能的裝置(19)。
文檔編號E21B17/02GK85106898SQ85106898
公開日1987年3月11日 申請日期1985年9月13日
發(fā)明者克里斯特·蓋斯塔夫森 申請人:塞科羅公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan