專利名稱：一種用于從鉆孔中清除雜物的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般是涉及巖石鉆具，特別是涉及那種適于插入到被鉆孔中的氣動(dòng)操作的沖擊鉆具，這種沖擊鉆具以“深孔”鉆具或DHD而廣為人知。
對(duì)于深孔鉆具的許多申請(qǐng)是要求將流體諸如水和其他物質(zhì)注入鉆具的空氣供給中，以便為改進(jìn)孔的清潔和穩(wěn)定性創(chuàng)造條件。典型地，注入液體的體積可在大約每分鐘2加侖至大約15加侖的范圍。當(dāng)水被注入用于深孔鉆具(DHD)的流動(dòng)的空氣中時(shí)，相對(duì)于一給定的壓力穿透速率的損失很大。根據(jù)流體噴射速率和壓力，穿透力可能下降30%到60%的范圍。與流體噴射相關(guān)的沖擊性能的降低對(duì)深孔鉆具產(chǎn)生有害影響，且在許多場(chǎng)合造成不適于使用深孔鉆具(DHD)。
前面所述描述了存在于目前深孔鉆孔技術(shù)中的已知的局限性。很明顯提供一種涉及克服上述一個(gè)或幾個(gè)限制的替代裝置是有利的。因此，本發(fā)明提供了一個(gè)包括下面詳細(xì)公開(kāi)的有特點(diǎn)的適宜的替代裝置。
本發(fā)明的一個(gè)目的是通過(guò)提供一種從鉆孔中清除雜物的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該裝置包括一個(gè)鄰接一沖擊鉆具的頂端的氣旋分離器，其用于接收來(lái)自一鉆桿軸向孔的流動(dòng)的沖擊流體和其他物質(zhì)的混合物。該分離器基本上是清除和收集所有來(lái)自沖擊流體中的其他物質(zhì)，且隨后將沖擊流體通過(guò)分離器輸送到鉆具，與此同時(shí)，將所收集的其他物質(zhì)和從分離器出來(lái)的至少一些沖擊流體輸送到鉆孔環(huán)狀空間，以用于清除雜物。一個(gè)在分離器上的單向閥在沖擊流體的流動(dòng)停止時(shí)密封住分離器，防止雜物倒流進(jìn)入該分離器。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是通過(guò)提供一種從鉆孔中清除雜物的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該方法包括鄰接一沖擊鉆具的頂端設(shè)置一分離器，以用于接收來(lái)自一鉆桿軸向孔的流動(dòng)的沖擊流體和其他物質(zhì)的混合物;清除和收集來(lái)自沖擊流體中的基本上所有的其他物質(zhì)，并隨后將沖擊流體通過(guò)分離器輸送給鉆具，與此同時(shí)，將所收集的其他物質(zhì)和從分離器出來(lái)的至少一些沖擊流體輸送到鉆孔的環(huán)狀空間，以用于清除雜物;同時(shí)在沖擊流體的流動(dòng)停止時(shí)也將分離器密封以防止雜物回流進(jìn)入分離器。
本發(fā)明提供一種用于從鉆孔中清除雜物的裝置，該鉆孔由一流體作用沖擊的深孔鉆具而形成，鉆具適于以其頂端從具有一軸向孔的一鉆桿懸垂，其包括設(shè)置在鄰近鉆具的頂端的分離裝置用來(lái)接收來(lái)自鉆桿軸向孔的一流動(dòng)的沖擊流體和其他物質(zhì)的混合物，用以在分離裝置的底端從沖擊流體中大致上分離和收集所有其他物質(zhì)，并隨后將沖擊流體通過(guò)裝置輸送到鉆具，與此同時(shí)將收集的其他物質(zhì)和從分離裝置出來(lái)的至少一些沖擊流體輸送入鉆孔的環(huán)狀空間，以用于清除雜物;通過(guò)分離裝置延伸的通道裝置，用于將鉆桿軸向孔和鉆具的頂端之間連通，使得至少一些沖擊流體混合物繞過(guò)導(dǎo)流裝置;在分離裝置上的閥裝置，當(dāng)沖擊流體停止流動(dòng)時(shí)，用于將分離裝置封閉以防止雜物回流進(jìn)入分離裝置;其中沖擊流體是空氣;其他物質(zhì)基本上都是水;其他物質(zhì)是一種來(lái)自鉆桿軸向孔的固體顆粒、油和水的混合物;其中該裝置包括進(jìn)口裝置，用于與鉆桿軸向孔流動(dòng)連通，并用以接收從鉆桿軸向孔來(lái)的沖擊流體和其他物質(zhì)的混合物的液流;分離裝置，與進(jìn)口裝置流動(dòng)連通，用于從沖擊流體中分離其他物質(zhì)，并用以將沖擊流體通過(guò)裝置輸送到鉆具;收集裝置，與分離裝置的底端鄰接，且與分離裝置流動(dòng)連通，用于收集其他物質(zhì);第一出口裝置，與鉆具的頂端流動(dòng)連通，用于將來(lái)自分離裝置的沖擊流體輸送到鉆具;第二出口裝置，設(shè)在收集裝置上，用以將收集的其他物質(zhì)和至少一些從裝置出來(lái)的沖擊流體輸送入鉆孔的環(huán)形空間，以便從中清除雜物;和閥裝置，設(shè)在分離裝置上，在沖擊流體的流動(dòng)停止時(shí)，用于將分離裝置封閉以防止雜物回流進(jìn)入分離裝置。
本發(fā)明還提供一種用于從鉆孔中清除雜物的裝置，該鉆孔由一流體作用沖擊的深孔鉆具而形成，鉆具適于以其頂端從具有一軸向孔的一鉆桿懸垂，其包括一個(gè)用于將該裝置連接到一鉆桿上的頂部連接件;一個(gè)用于將該裝置連接到一深孔鉆具的后端的底部連接件，一個(gè)在頂部連接件和底部連接件之間軸向延伸的縱向殼體，其確定一個(gè)中空渦流腔;在頂部連接件處的一個(gè)第一進(jìn)口，在鉆桿和渦流腔之間流動(dòng)連通，用以接收來(lái)自鉆桿的沖擊流體和其他物質(zhì)的混合物;在底部連接件處的一個(gè)第一出口，在渦流腔和后端之間軸向流動(dòng)連通;在第一進(jìn)口中的導(dǎo)流裝置，用于將來(lái)自一軸向向下方向的沖擊流體混合物的液流導(dǎo)向一切向向外方向，從而使沖擊流體的混合物在切向上向殼體的一個(gè)內(nèi)面沖擊，且隨后通過(guò)渦流腔向下流動(dòng)，以此從沖擊流體中至少分離出一些其他物質(zhì);一個(gè)在導(dǎo)流裝置下面的中空的中心管，軸向上通過(guò)渦流腔延伸，其具有一個(gè)與底部連接件封閉地連接的下部和一個(gè)終止在一中心管進(jìn)口處與導(dǎo)流裝置鄰接的上部，中心管確定一個(gè)在殼體的內(nèi)面和中心管的一個(gè)外面之間的第一沖擊流體通道，和一個(gè)在中心管內(nèi)部的第二沖擊流體通道，第二沖擊流體通道在渦流腔和第一出口之間軸向連通;一個(gè)擋板，在第一沖擊流體通道中與中心管的底部相連并與殼體的內(nèi)面間隔開(kāi)，以用于使沖擊流體混合物向下的流動(dòng)反向朝中心管進(jìn)口向上流動(dòng)，從而從沖擊流體混合物中分離出大部分的其他物質(zhì)，并在其下面形成一個(gè)用于從沖擊流體中分離出的其他物質(zhì)的收集通道;一個(gè)收集通道出口，以使其他物質(zhì)和至少一些沖擊流體能從收集通道流出進(jìn)入所述鉆孔的環(huán)狀空間，以便使雜質(zhì)清除;和一個(gè)在第一進(jìn)口中的單向流動(dòng)閥，用于僅使向下軸向流動(dòng)的沖擊流體從其通過(guò)。其還包括一個(gè)在第一進(jìn)口內(nèi)的導(dǎo)流板，導(dǎo)流板密封地連接到第一進(jìn)口的一個(gè)內(nèi)面，導(dǎo)流板有一個(gè)在第一進(jìn)口內(nèi)軸向向上延伸的錐形上表面;多個(gè)小孔通過(guò)導(dǎo)流板，當(dāng)從水平截面上觀察時(shí)，小孔相對(duì)于第一進(jìn)口的內(nèi)面是切向設(shè)置的，小孔形成多個(gè)連通第一進(jìn)口和第一沖擊流體通道之間的沖擊流體通道;和一個(gè)密封地連接到導(dǎo)流板上的中空屏蔽管，屏蔽管軸向向下在導(dǎo)流板下面延伸，并套在中心管進(jìn)口一段足夠的距離，以防止沖擊流體混合物在通過(guò)第一沖擊流體通道的一段距離之前進(jìn)入中心管;導(dǎo)流板至少有一個(gè)軸向向下從其中延伸的小孔，從而形成一個(gè)連通第一進(jìn)口和中心管進(jìn)口之間的通道，以使至少一些沖擊流體混合物能繞過(guò)導(dǎo)流裝置。
本發(fā)明也提供一種用從鉆孔中清除雜物的方法，該鉆孔由一流體作用沖擊的深孔鉆具形成，鉆具適于以其頂端從具有一軸向孔的一鉆桿懸垂，其包括在鉆具的頂端和鉆桿的一底端之間設(shè)置一分離裝置，使一流動(dòng)的沖擊流體和其他物質(zhì)的混合物注入孔中;將混合物向下輸入到鉆孔中的分離裝置;在沖擊流體進(jìn)入鉆具之前，基本上從混合物中清除所有其他物質(zhì);與此同時(shí)，將從分離裝置出來(lái)的清除的其他物質(zhì)排入到鉆孔中，以便清除雜物;與此同時(shí)，在混合物的流動(dòng)停止時(shí)，防止雜質(zhì)從孔中回流進(jìn)入分離裝置。其中水是以每分鐘0到15加侖之間的速率噴射;空氣流速是在每分鐘1000到600標(biāo)準(zhǔn)立方英尺之間;氣壓是在每平方英寸100磅到300磅之間;空氣流速是在每分鐘200到1000標(biāo)準(zhǔn)立方英尺之間;在清除其他物質(zhì)之前，同時(shí)向鉆具噴入至少一些沖擊流體混合物，以便潤(rùn)滑鉆具。
前述和其他目的在下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述中將更加顯現(xiàn)出來(lái)。


圖1為一適于在本發(fā)明中應(yīng)用的與一流體作用沖擊的深孔鉆具一起使用的清洗裝置的縱剖面圖;
圖2是沿圖1的2-2線所示的水平截面視圖;
圖3是沿圖1的3-3線所示的水平截面視圖;
圖4是適用于本發(fā)明的一個(gè)單向閥的縱剖面圖，其中有些部分來(lái)示出;
圖5是由本發(fā)明得到的表示改進(jìn)的穿透速率相對(duì)于各種水噴射率的特性曲線;
圖6是由本發(fā)明得到的表示改進(jìn)的沖擊流體的流動(dòng)速率相對(duì)于各種水噴射速率的特性曲線;
圖7是由本發(fā)明得到的表示改進(jìn)的穿透速率相對(duì)于各種沖擊流體壓力的特性曲線;
圖8是由本發(fā)明得到的表示改進(jìn)的沖擊流體流動(dòng)速率相對(duì)于各種流體壓力的特性曲線。
請(qǐng)參見(jiàn)圖1所示，其中表示有鉆孔1，鉆孔1帶有一個(gè)適于在本發(fā)明中使用的清洗裝置設(shè)置于其中，一般用3表示，清洗裝置3具有一個(gè)頂部連接件5，該頂部連接件5通過(guò)一般的連接方式如螺紋與鉆桿9的底端7相連。一個(gè)底部連接件11通過(guò)一般連接方式如螺紋將裝置3連接到深孔鉆13的后端。只要裝置3是在鉆孔1中并與鉆具13相鄰接，底部連接件11在鉆桿9中可以連接另一元件，而不與鉆13相連，其意義是等效的。
如眾所周知的，使一流體流過(guò)鉆桿9而對(duì)鉆13產(chǎn)生作用。在本實(shí)施例中，鉆13屬于已知的那類由一氣動(dòng)流體如空氣驅(qū)動(dòng)的沖擊深孔鉆具。最終是流體處于鉆頭處并沿鉆孔向上移動(dòng)，以便從鉆孔中運(yùn)出雜物。出自鉆孔中的雜物可能包括被鉆地層的顆粒，滲入鉆孔中的水以及通過(guò)鉆桿9引入鉆13中的其他物質(zhì)。
為了增加雜物的移出，可將水注入到流體中去。其他物質(zhì)如油也可以注入以用于鉆具的潤(rùn)滑。此外，其他物質(zhì)諸如需從鉆桿內(nèi)部移出的銹蝕或結(jié)垢也可由流體運(yùn)出。這樣，沖擊流體也許會(huì)是空氣、水、油和包含有固體顆粒的其他物質(zhì)的混合物。
如在此使用的，術(shù)語(yǔ)“沖擊”是指利用一循環(huán)往復(fù)活塞將沖擊力傳遞到鉆頭，從而產(chǎn)生地層穿透的那類鉆具，而不是指利用一回轉(zhuǎn)研磨作用而產(chǎn)生穿透的那類回轉(zhuǎn)式鉆具。
如在此使用的，術(shù)語(yǔ)“沖擊流體”是指將循環(huán)往復(fù)作用傳遞到鉆具活塞上的氣動(dòng)流體。
諸如通過(guò)焊接方式將一縱向殼體15固定到頂部連接件5和底部連接件11上，且確定一個(gè)在兩個(gè)連接件之間軸向延伸的中空渦流腔17。一個(gè)在頂部連接件5處的第一進(jìn)口19軸向上地將鉆桿軸向孔21和渦流腔17之間流動(dòng)連通。一個(gè)在底部連接件11處的第一出口23軸向上將渦流腔17和后端13之間流動(dòng)連通。
一導(dǎo)充裝置，通常用25表示，密封地固定在第一進(jìn)口19中。如圖2和圖3中的水平橫截面圖所示，進(jìn)口19呈環(huán)形輪廓，導(dǎo)流裝置25也呈環(huán)形輪廓，盡管可以使用其他形狀的輪廓。再參見(jiàn)圖1，導(dǎo)流裝置25還包括一個(gè)在橫截和垂直于渦流腔17和孔21的縱軸線方向的一平面內(nèi)橫過(guò)第一進(jìn)口19延伸的導(dǎo)流板27。導(dǎo)流板27的這個(gè)平面在此是指一“徑向”平面或方向。導(dǎo)流裝置25將沖擊流體和其他物質(zhì)的混合物的流動(dòng)由一向下的軸線方向引導(dǎo)為一徑向和切向方向，如在下文所詳述的內(nèi)容。
一個(gè)中空的中心管29在導(dǎo)流裝置25的下面軸向穿過(guò)渦流腔17延伸，且其具有一與底部連接件11密封地接觸的下端31和一個(gè)在中心管入口35內(nèi)鄰接于導(dǎo)流裝置25而中止上端33。中心管29確定一個(gè)在殼體15的內(nèi)表面39和中心管29的外表面41之間的第一沖擊流體通道37。中心管也確定一個(gè)在中心管29的內(nèi)部軸向上將渦流腔17和第一出口23之間連通的第二沖擊流體通道43。
一個(gè)檔板45連接到中心管29的下端47，且環(huán)繞地向內(nèi)延伸入第一沖擊流體通道37，而端部與內(nèi)表面39間隔開(kāi)，以便使沖擊流體產(chǎn)生逆流，如下文詳述。
一個(gè)收集通道49在渦流腔17的下端47處擋板45的下面形成，以用于收集從沖擊流體中分離出的其他物質(zhì)，如下文詳述。一收集通道出口51將鉆孔和收集通道49的內(nèi)部之間連通，以允許在此收集的其他物質(zhì)以及一些沖擊流體流出進(jìn)入到鉆孔1的環(huán)狀空間。出口51可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的具有從其通過(guò)的開(kāi)口通道53的“T”形管接頭。雖然只表示了一個(gè)出口51，但可以使用多個(gè)圍繞渦流腔17在環(huán)周上間隔開(kāi)的出口。
現(xiàn)在參見(jiàn)導(dǎo)流裝置25，導(dǎo)流板27具有一個(gè)在第一進(jìn)口19內(nèi)軸向向上延伸的錐形上表面54。如圖2和圖3所示，連接件5有多個(gè)從其中通過(guò)的小孔55。小孔55在相對(duì)于渦流腔17的軸向方向的一徑向方向上延伸。如在水平截面上觀察，進(jìn)口19呈環(huán)形輪廓，且小孔55相對(duì)于進(jìn)口19的內(nèi)表面57切向延伸。小孔55將第一進(jìn)口19和第一流體通道37之間流動(dòng)連通。一個(gè)中空的屏蔽管59密封地從導(dǎo)流板27向下懸垂，該屏蔽管59軸向套在中心管進(jìn)口35并延伸上段足夠的長(zhǎng)度，以防止在沖擊流體混合物向下通過(guò)渦流腔17的一段距離并在擋板45處反向之前進(jìn)入中心管進(jìn)口35。一個(gè)單孔61軸向向下通過(guò)導(dǎo)流板27延伸，其形成一將第一進(jìn)口19和中心管進(jìn)口35之間連通的通道，而允許至少一些沖擊流體混合物繞過(guò)導(dǎo)流裝置，以便使少量的沖擊流體混合物能夠直接流向鉆頭用于諸如潤(rùn)滑的目的，提供多個(gè)孔以替代一個(gè)孔61應(yīng)當(dāng)是等同的。
一個(gè)單向閥63適于只允許沖擊流體混合物從其中軸向向下流動(dòng)，其密封定位在第一進(jìn)口19中。在沖擊流體的流動(dòng)期間閥63通常是打開(kāi)的。當(dāng)沖擊流體的流動(dòng)停止時(shí)，閥63是關(guān)閉的。需要閥63是因?yàn)樵诹黧w流動(dòng)停止時(shí)，來(lái)自鉆孔環(huán)形空間的水和其他雜物會(huì)通過(guò)開(kāi)口通道53倒流入收集腔49。這種導(dǎo)流會(huì)積累在腔17中，并會(huì)上升到中心管進(jìn)口35且由此流入到鉆具中，引起鉆頭損壞這個(gè)特點(diǎn)是重要的，因?yàn)楫?dāng)操作者不工作的時(shí)候鉆具是停留在下面的鉆孔中。
由于閥63的關(guān)閉，沖擊流體被封閉在清洗裝置3內(nèi)，并且在水和雜物在渦流腔17內(nèi)上升同時(shí)，沖擊流體漸漸被壓縮，直到?jīng)_擊流體的壓力等于回流壓力為止且回流停止。任何普通的單向閥就可完全滿足。圖4所示是這種閥的一個(gè)實(shí)施例。
現(xiàn)參見(jiàn)圖4所示，單向閥63包括一個(gè)中空的管狀本體65，該本體65可卸地置于第一進(jìn)口19中的肩66上。環(huán)狀彈性密封環(huán)67定位在本體65的外表面的一個(gè)槽中，其密封地與進(jìn)口19的內(nèi)表面57接觸。如眾所周知的，本體65由在相應(yīng)槽71中定位的保持環(huán)69保持在位置中，中空的閥桿73可滑動(dòng)地定位在中空本體65內(nèi)。閥桿73具有一個(gè)在本體65內(nèi)軸向向上朝軸向進(jìn)口小孔77延伸的截錐形上端75。本體65在其內(nèi)有傾斜向下的密封座79，其形狀與錐形上端75相一致。彈性密封裝置81設(shè)置在座表面79，用于相對(duì)于上端75交替進(jìn)行封閉和打開(kāi)，如下文所述?？恐倔w65的底部凸緣85放置的環(huán)形彈簧裝置83與桿73的底端接觸，并促使桿73向上，以便使上端75密封地與座表面79和密封裝置81接觸。因此，閥63通常對(duì)沖擊流體是關(guān)閉的。中空進(jìn)口腔87是在桿73內(nèi)部，該進(jìn)口腔87軸向上與渦流腔17連通。多個(gè)流體通道89通過(guò)桿73的壁面延伸。通道89圍繞錐形表面75的周面被間隔開(kāi)。在工作中，沖擊流體作用到上表面75，以使桿73軸向向下移動(dòng)并與密封裝置81脫離封閉的接觸，由此通過(guò)通道89開(kāi)出一個(gè)在軸向孔21、進(jìn)口77和進(jìn)口腔87之間的流體通道。在沖擊流體壓力為零如鉆具不工作時(shí)，彈簧83促使桿73進(jìn)入與座表面79密封接觸狀態(tài)，在此關(guān)閉閥63。彈簧83的彈性最好這樣選擇，即使鉆具不工作狀態(tài)下，隨著一殘余沖擊流體壓力大于零和等于但不能大于渦流腔17內(nèi)的壓力的情況，閥將保持關(guān)閉狀態(tài)。
一種可采用的替代方案是將一個(gè)單向閥設(shè)置在出口51處而不設(shè)在進(jìn)口19處。
工作過(guò)程中，沖擊流體和其他物質(zhì)的混合物相對(duì)上表面54軸向向下流入第一進(jìn)口19，并被導(dǎo)流成一切向和徑向向外的方向進(jìn)入渦流腔17，從而切向上撞擊殼體15的內(nèi)表面39。此后，沖擊流體混合物以一種渦流的方式向下且環(huán)形地流過(guò)渦流腔17的第一沖擊流體通道37，從而造成至少一些其他物質(zhì)從沖擊流體混合物中分離出，這種分離出的物質(zhì)向下沿殼體15的內(nèi)表面39流到收集腔49。沖擊流體混合物在腔17的下端撞擊擋板45，使其流動(dòng)反向向上方向，從而造成更多的其他物質(zhì)從沖擊流體混合物中分離出，并由此收集在收集通道49中。由于基本上所有其他物質(zhì)現(xiàn)已清除，沖擊流體則向上沿中心管29的外表面41流向中心管進(jìn)口35;此后再向下流過(guò)第二流體通道43，經(jīng)過(guò)出口23，進(jìn)入到鉆具的后端部13，且如常見(jiàn)的在此通過(guò)其中到達(dá)鉆孔中。
本發(fā)明的方法是通過(guò)使用由英格索爾-瑞公司(Ingersoll-RandCompany)銷售的一種產(chǎn)品標(biāo)志為DHD380m的深孔鉆具測(cè)試完成的，其使用一個(gè)8/58英寸直徑的、錐面的扣形鉆頭。利用水的噴射率、沖擊流體壓力和沖擊流體的流動(dòng)速率的各種結(jié)合，在一塊圓柱體的花崗巖上鉆出一系列的測(cè)試孔，其結(jié)果如下述討論的。
測(cè)試1圖5表示使用和不使用本發(fā)明方法的情況下，鉆頭以每小時(shí)英尺(FT/HR)的穿透率對(duì)應(yīng)以每分鐘加侖(GPM)的各種水噴射速率。測(cè)試是以每平方英寸(PSI)200磅的固定沖擊流體壓力實(shí)施的。曲線A表示沒(méi)有按照本發(fā)明方法的結(jié)果。當(dāng)水噴射率增加時(shí)，穿透速率迅速下降。曲線B表示使用本發(fā)明方法的結(jié)果。
應(yīng)用本發(fā)明方法的穿透速率維持著比不應(yīng)用本發(fā)明方法高得多的狀態(tài)。例如，以5加侖/分鐘的噴射速率，使用本發(fā)明方法的穿透速率大約是61FPM，而相比較不使用本發(fā)明方法的穿透速率大約29FPM。以10加侖/分鐘的噴射速率，使用和不使用本發(fā)明方法的穿透速率分別大約是55FPM和20FPM。同樣，以15加侖/分鐘的噴射速率，各對(duì)應(yīng)的穿透速率為大約45FPM和16FPM。
測(cè)試2圖6表示使用和不使用本發(fā)明方法的情況下，以每分鐘標(biāo)準(zhǔn)立方英尺(SCFM)的沖擊流體的流速對(duì)應(yīng)以每分鐘加侖(GPM)的各種水噴射速率。測(cè)試是以每平方英寸(PSI)200磅的固定沖擊流體壓力實(shí)施的。曲線A表示沒(méi)有按照本發(fā)明方法的結(jié)果。當(dāng)水噴射速率增加時(shí)，沖擊流體流速下降。曲線B表示使用本發(fā)明方法的結(jié)果。
應(yīng)用本發(fā)明方法的沖擊流體流速維持著在所有水噴射速率上都比不應(yīng)用本發(fā)明方法高得多的狀態(tài)。例如，以5加侖/分鐘的水噴射速率，使用本發(fā)明方法的沖擊流體流速大約800標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘，而相比較不使用本發(fā)明方法的沖擊流體流速大約是500標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘。以10加侖/分鐘的水噴射速率，使用和不使用本發(fā)明方法的沖擊流體流速分別大約是700標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘和400標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘，同樣，以15加侖/分鐘的水噴射速率，各對(duì)應(yīng)的沖擊流體流速大約是650標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘和375標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘。即使水噴射速率為0，本發(fā)明的方法也允許使用一增加的沖擊流體流速，以用于在沖擊流體壓縮系統(tǒng)上的同樣的穩(wěn)定。在整個(gè)水噴射速率之上增加沖擊流體流速的能力對(duì)操作者是重要的，因?yàn)檫@使得操作者能夠得到增加清除雜物的效果。
測(cè)試3圖7表示使用和不使用本發(fā)明方法的情況下，穿透速率(以英尺/小時(shí))對(duì)應(yīng)每平方英寸磅(PSI)的各種沖擊流體的壓力，測(cè)試是以一個(gè)10加侖/小時(shí)的固定水噴射速率實(shí)施的。曲線A表示沒(méi)有按照本發(fā)明方法的結(jié)果。曲線B表示使用本發(fā)明方法的結(jié)果。
應(yīng)用本發(fā)明方法的穿透率維持著在所有沖擊流體壓力上都比不應(yīng)用本發(fā)明方法高得多的狀態(tài)。例如，以100磅/平方英寸的沖擊流體壓力，使用本發(fā)明方法的穿透率大約是15FPM，而相比較不使用本發(fā)明方法的穿透速率大約是5FPM。以200磅/平方英寸的沖擊流體壓力，使用和不使用本發(fā)明方法的穿透速率分別大致是50FPM和25FPM。同樣，以300磅/平方英寸的沖擊流體壓力，其穿透率分別大約是85FPM和45FPM。
測(cè)試4圖8所示使用和不使用本發(fā)明方法的情況下，以每分鐘標(biāo)準(zhǔn)立方英尺(SCFM)的沖擊流體的流速對(duì)應(yīng)以每平方英寸磅(PSI)的各種沖擊流體壓力。測(cè)試是以一個(gè)10加侖/小時(shí)的固定水噴射速率實(shí)施的。曲線A表示使用本發(fā)明方法的結(jié)果。
應(yīng)用本發(fā)明方法的沖擊流體的流速維持著在所有沖擊流體壓力上都比不應(yīng)用本發(fā)明方法高得多的狀態(tài)。例如，以100磅/平方英寸的沖擊流體壓力，使用本發(fā)明方法的沖擊流體的流速大約是200標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘，而相比較不使用本發(fā)明方法的沖擊流體的速率大約是150標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘。以200磅/平方英寸的沖擊流體壓力，沖擊流體的流速分別大約是700標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘和400標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘。同樣，以300磅/平方英寸的沖擊流體壓力，沖擊流體的流速分別大約是1200標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘和800標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘。
在工作中，本發(fā)明的裝置導(dǎo)致從沖擊流體混合物中清除大量的其他物質(zhì)，包括來(lái)自鉆具內(nèi)部的水、油和固體顆粒。這種清除相對(duì)于不清除雜質(zhì)會(huì)顯著地改進(jìn)穿透率，與此同時(shí)，由于在鉆孔中出現(xiàn)其他物質(zhì)從而保證清除雜物的效益。
本發(fā)明根據(jù)一優(yōu)選實(shí)施例作出了解釋和描述，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，可以在不超出權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)作出其他變化和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種用于從鉆孔中清除雜物的裝置，所述鉆孔由一流體作用沖擊的深孔鉆具而形成，所述鉆具適于以其頂端從具有一軸向孔的一鉆桿懸垂，其包括a)設(shè)置在鄰近所述鉆具的所述頂端的分離裝置用來(lái)接收來(lái)自所述鉆桿軸向孔的一流動(dòng)的沖擊流體和其他物質(zhì)的混合物，用以在所述分離裝置的底端從所述沖擊流體中大致上分離和收集所有所述其他物質(zhì)，并隨后將所述沖擊流體通過(guò)所述裝置輸送到所述鉆具，與此同時(shí)將所述收集的其他物質(zhì)和從所述分離裝置出來(lái)的至少一些所述沖擊流體輸送入鉆孔的環(huán)狀空間，以用于清除所述雜物。
2.一種用于從鉆孔中清除雜物的裝置，所述鉆孔由一流體作用沖擊的深孔鉆具而形成，所述鉆具適于以其頂端從具有一軸向孔的一鉆桿懸垂，其包括a)設(shè)置在鄰近所述鉆具的所述頂端的分離裝置用來(lái)接收來(lái)自所述鉆桿軸向孔的一流動(dòng)的沖擊流體和其他物質(zhì)的混合物，用以在所述分離裝置的底端從所述沖擊流體中大致上分離和收集所有所述其他物質(zhì)，并隨后將所述沖擊流體通過(guò)所述裝置輸送到所述鉆具，與此同時(shí)將所述收集的其他物質(zhì)和從所述分離裝置出來(lái)的至少一些所述沖擊流體輸送入鉆孔的環(huán)狀空間，以用于清除所述雜物;和b)通過(guò)所述分離裝置延伸的通道裝置，用于將所述鉆桿軸向孔和所述鉆具的所述頂端之間連通，使得至少一些所述沖擊流體混合物繞過(guò)所述導(dǎo)流裝置。
3.一種用于從鉆孔中清除雜物的裝置，所述鉆孔由一流體作用沖擊的深孔鉆具而形成，所述鉆具適于以其頂端從具有一軸向孔的鉆桿懸垂，其包括a)設(shè)置在鄰近所述鉆具的所述頂端的分離裝置用來(lái)接收來(lái)自所述鉆桿軸向孔的一流動(dòng)的沖擊流體和其他物質(zhì)的混合物，用以從所述沖擊流體中大致上分離和收集所有所述其他物質(zhì)，并隨后將所述沖擊流體通過(guò)所述裝置輸送到所述鉆具，與此同時(shí)將所述收集的其他物質(zhì)和從所述分離裝置出來(lái)的至少一些所述沖擊流體輸送入鉆孔的環(huán)狀空間，以用于清除所述雜物;和b)在所述分離裝置上的閥裝置，當(dāng)所述沖擊流體停止流動(dòng)時(shí)，用于將所述分離裝置封閉以防止雜物回流進(jìn)入所述分離裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述沖擊流體是空氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述其他物質(zhì)基本上都是水。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述其他物質(zhì)是一種來(lái)自所述鉆桿軸向孔的固體顆粒和水的混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述其他物質(zhì)是一種來(lái)自所述鉆桿軸向孔的固體顆粒、油和水的混合物。
8.一種用于從鉆孔中清除雜物的裝置，所述鉆孔由一流體操作的沖擊型深孔鉆具所鉆，所述鉆具適于以其頂端從具有一軸向孔的鉆桿懸垂，其包括a)進(jìn)口裝置，用于與所述鉆桿軸向孔流動(dòng)連通，并用以接收從所述鉆桿軸向孔來(lái)的沖擊流體和其他物質(zhì)的混合物的液流;b)分離裝置，與所述進(jìn)口裝置流動(dòng)連通，用于從所述沖擊流體中分離所述其他物質(zhì)，并用以將所述沖擊流體通過(guò)所述裝置輸送到所述鉆具;c)收集裝置，與所述分離裝置的底端鄰接，且與所述分離裝置流動(dòng)連通，用于收集所述其他物質(zhì);d)第一出口裝置，與所述鉆具的所述頂端流動(dòng)連通，用于將來(lái)自所述分離裝置的所述沖擊流體輸送到所述鉆具;e)第二出口裝置，設(shè)在所述收集裝置上，用以將所述收集的其他物質(zhì)和至少一些從所述裝置出來(lái)的沖擊流體輸送入鉆孔的環(huán)形空間，以便從中清除雜物;和f)閥裝置，設(shè)在所述分離裝置上，在所述沖擊流體的流動(dòng)停止時(shí)，用于將所述分離裝置封閉以防止雜物回流進(jìn)入所述分離裝置。
9.一種用于從鉆孔中清除雜物的裝置，所述鉆孔由一流體作用沖擊的深孔鉆具而形成，所述鉆具適于以其頂端從具有一軸向孔的一鉆桿懸垂，其包括a)一個(gè)用于將該裝置連接到一鉆桿上的頂部連接件;b)一個(gè)用于將該裝置連接到一深孔鉆具的后端的底部連接件;c)一個(gè)在頂部連接件和底部連接件之間軸向延伸的縱向殼體，其確定一個(gè)中空渦流腔;d)在頂部連接件處的一個(gè)第一進(jìn)口，在所述鉆桿和所述渦流腔之間流動(dòng)連通，用以接收來(lái)自所述鉆桿的沖擊流體和其他物質(zhì)的混合物;e)在所述底部連接件處的一個(gè)第一出口，在所述渦流腔和所述后端之間軸向流動(dòng)連通;f)在所述第一進(jìn)口中的導(dǎo)流裝置，用于將來(lái)自一軸向向下方向的所述沖擊流體混合物的液流導(dǎo)向一切向向外方向，從而使所述沖擊流體的混合物在切向上向所述殼體的一個(gè)內(nèi)面沖擊，且隨后通過(guò)所述渦流腔向下流動(dòng)，以此從所述沖擊流體中至少分離出一些所述其他物質(zhì);g)一個(gè)在所述導(dǎo)流裝置下面的中空的中心管，軸向上通過(guò)所述渦流腔延伸，其具有一個(gè)與所述底部連接件封閉地連接的下部和一個(gè)終止在一中心管進(jìn)口處與所述導(dǎo)流裝置鄰接的上部，所述中心管確定一個(gè)在所述殼體的所述內(nèi)面和所述中心管的一個(gè)外面之間的第一沖擊流體通道，和一個(gè)在所述中心管內(nèi)部的第二沖擊流體通道，所述第二沖擊流體通道在所述渦流腔和所述第一出口之間軸向連通;h)一個(gè)擋板，在所述第一沖擊流體通道中與所述中心管的所述底部相連并與所述殼體的所述內(nèi)面間隔開(kāi)，以用于使所述沖擊流體混合物向下的流動(dòng)反向朝所述中心管進(jìn)口向上流動(dòng)，從而從所述沖擊流體混合物中分離出大部分的所述其他物質(zhì)，并在其下面形成一個(gè)用于從所述沖擊流體中分離出的所述其他物質(zhì)的收集通道;i)一個(gè)收集通道出口，以使所述其他物質(zhì)和至少一些所述沖擊流體能從所述收集通道流出進(jìn)入所述鉆孔的環(huán)狀空間，以便使所述雜質(zhì)清除;和j)一個(gè)在所述第一進(jìn)口中的單向流動(dòng)閥，用于僅使向下軸向流動(dòng)的沖擊流體從其通過(guò)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述導(dǎo)流裝置還包括a)一個(gè)在所述第一進(jìn)口內(nèi)的導(dǎo)流板，所述導(dǎo)流板密封地連接到所述第一進(jìn)口的一個(gè)內(nèi)面，所述導(dǎo)流板有一個(gè)在所述第一進(jìn)口內(nèi)軸向向上延伸的錐形上表面;b)多個(gè)小孔通過(guò)所述導(dǎo)流板，當(dāng)從水平截面上觀察時(shí)，所述小孔相對(duì)于所述第一進(jìn)口的所述內(nèi)面是切向設(shè)置的，所述小孔形成多個(gè)連通所述第一進(jìn)口和所述第一沖擊流體通道之間的沖擊流體通道;和c)一個(gè)密封地連接到所述導(dǎo)流板上的中空屏蔽管，所述屏蔽管軸向向下在所述導(dǎo)流板下面延伸，并套在所述中心管進(jìn)口一段足夠的距離，以防止所述沖擊流體混合物在通過(guò)所述第一沖擊流體通道的一段距離之前進(jìn)入所述中心管。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述導(dǎo)流板至少有一個(gè)軸向向下從其中延伸的小孔，從而形成一個(gè)連通所述第一進(jìn)口和所述中心管進(jìn)口之間的通道，以使至少一些所述沖擊流體混合物能繞過(guò)所述導(dǎo)流裝置。
12.一種用于從鉆孔中清除雜物的方法，所述鉆孔由一流體作用沖擊的深孔鉆具形成，所述鉆具適于以其頂端從具有一軸向孔的一鉆桿懸垂，其包括a)在所述鉆具的所述頂端和所述鉆桿的一底端之間設(shè)置一分離裝置;b)使一流動(dòng)的沖擊流體和其他物質(zhì)的混合物注入所述孔中;c)將所述混合物向下輸入到所述鉆孔中的所述分離裝置;d)在所述沖擊流體進(jìn)入所述鉆具之前，基本上從所述混合物中清除所有所述其他物質(zhì);e)與此同時(shí)，將從所述分離裝置出來(lái)的所述清除的其他物質(zhì)排入到所述鉆孔中，以便清除所述雜物;和f)與此同時(shí)，在所述混合物的所述流動(dòng)停止時(shí)，防止所述雜質(zhì)從所述孔中回流進(jìn)入所述分離裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述沖擊流體是空氣。
14.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述其他物質(zhì)基本上全部是水。
15.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述其他物質(zhì)是一種來(lái)自所述鉆桿軸向孔的固體顆粒和水的混合物，
16.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述其他物質(zhì)是一種來(lái)自所述鉆桿軸向孔的固體顆粒、油和水的混合物。
17.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述水是以每分鐘0到15加侖之間的速率噴射。
18.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述空氣流速是在每分鐘1000到600標(biāo)準(zhǔn)立方英尺之間。
19.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中氣壓是在每平方英寸100磅到300磅之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中空氣流速是在每分鐘200到1000標(biāo)準(zhǔn)立方英尺之間。
21.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其還包括的步驟是在清除所述其他物質(zhì)之前，同時(shí)向所述鉆具噴入至少一些所述沖擊流體混合物，以便潤(rùn)滑所述鉆具。
22.一種用于從鉆孔中清除雜物的方法，所述鉆孔由一流體作用沖擊的深孔鉆具形成，所述鉆具適于以其頂端從具有一軸向孔的一鉆桿懸垂，其包括a)在所述鉆具的所述頂端和所述鉆桿的一底端之間設(shè)置一分離裝置;b)使一流動(dòng)的空氣和水的混合物注入所述孔中;c)將所述混合物向下輸送到所述鉆孔中的所述分離裝置中;d)在所述空氣進(jìn)入所述鉆具之前，基本上從所述混合物中清除所有所述水;e)與此同時(shí)，將從所述分離裝置出來(lái)的所述清除的水排入到所述鉆孔中，以便清除所述雜物;f)與此同時(shí)，在所述空氣的所述流動(dòng)停止時(shí)，防止所述雜質(zhì)從所述也中回流進(jìn)入所述分離裝置;和g)在清除所述水之前，同時(shí)向所述鉆具噴入至少一些所述空氣和水的混合物，以便潤(rùn)滑所述鉆具。
全文摘要
一種用于從鉆孔中清除雜物的裝置和方法，其包括在鄰接一深孔沖擊鉆頭的位置設(shè)置一分離器，以用于在沖擊流體進(jìn)入鉆頭之前將水和其他物質(zhì)從沖擊流體中清除。將水和其他物質(zhì)排入鉆孔中以便清除雜物，并且在沖擊流體的流動(dòng)停出時(shí)可以防止雜物和水的回流進(jìn)入分離器和鉆頭。
文檔編號(hào)E21B21/10GK1072988SQ9211108
公開(kāi)日1993年6月9日 申請(qǐng)日期1992年8月26日 優(yōu)先權(quán)日1991年9月27日
發(fā)明者L·H·萊昂, E·C·欣克 申請(qǐng)人:英格索爾-蘭德公司