专利名称：用于钻机中的钻头冲击装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于钻机中的钻头冲击装置。特别地讲，该钻头冲击装置能够在均匀压力作用下有效地冲击锤式钻头的整个区域，而不会向钻机施加过大的载荷，从而锤式钻头不会由于活塞冲击力的局部集中而发生损坏。
背景技术：
通常，“钻探”是指在土壤中钻取较小直径的孔以获得关于地层结构和性质的信息的操作。进行钻探操作目的是获得土壤中的信息或抽取石油、天然气、温泉及地下水等。
所钻取的井或洞的尺寸变化很大，长度从大约几米到几千米，直径从几毫米到几十厘米。目前，洞或井的直径可以被钻取到大到几米，以便能将洞或井作为垂直矿井使用。
钻探方法可分为冲击型钻探和旋转钻探，在冲击型钻探中，对钻头施加冲击，以压碎限定井的岩石，在旋转钻探中，连接在钢管上的钻头连同金刚钻和/或硬金属一起转动，同时它们被挤压在限定井的岩石上。世界上最深的井或井大约8000米，其是在美国的石油地带钻探的。
在这种深度的井中，具有预定长度的多个钢管被连接起来，目的是延长它们的整个长度。然而，钢管或杆(以下被称为“钢管”)需要经常提起，以便更换钻头、将钢管(也被称为“钻管”)插入井中或进行各种检查。
为此，安装了较大的提升机塔台，动力装备及其他用于钻取泥浆的设备一起被安置在提升机塔台的四周，其中用于钻取泥浆的设备用于去除被钻取后的材料，以防止井壁发生倒塌。在产油地带所见的提升机塔台表示正在进行钻探操作。
钻探在用于开挖地下矿床的矿藏开采中也是非常重要的操作。洞或矿井在矿藏开采中被用作排气孔或通风孔、矿石或废岩石通道或电缆通道。在地质勘测或矿床开采中钻取矿井之前，通常需要进行初步钻探。
尽管矿藏钻探不需要像石油钻探那样钻取得很大，但已经发展了很多技术，使得井能被沿着任何方向或角度钻取，或钻取到任何深度。旋转钻探能够以棒料的形式提取出岩芯，从而能够获得作为开采希望结果的岩石的性能、级别及矿床的质量。在冲击型钻探中，能够对钻取过程中从井中提取的岩石粉末进行检验，以判断岩石的性能和级别。这种用于提取“岩芯”的钻探被称为岩芯钻探，用于提取岩石粉末的钻探被称为泥浆钻探。
钻探使得各种测量仪器和试验装置能被插入井中，从而该井能够用作调查地壳内结构或状况的井。此外，钻探能够在水坝建造或建筑中用作初步调查。
这种钻探操作中使用的钻机使用各种不同的锤式钻头，这些钻头根据它的使用和地层(地质)状况而具有不同的标准和结构。锤式钻头的类型通常可分为直接钻取型锤式钻头和间接钻取型锤式钻头。
当地层具有所希望的状况时或钻探不是在较浅的情况下进行时，使用直接钻取型锤式钻头，其中安装在锤式钻子上的钻头套被转动，以钻取土壤，而不需使用钢管。
在进行需要将钢管掩埋在井中的钻取操作时，使用间接钻取型锤式钻头，其中钻头套和安装在锤式钻子上的钻头被驱动，以钻取比钢管直径更大的井，然后将钻头通过钢管拉出。
在间接钻取中，当锤式钻子前行到更深的地下位置时，压力就会大大增加，从而大能量载荷就会阻碍锤式钻头，因此会给钻取操作增加非常大困难。
尽管锤式钻头的价格根据商品的类型和标准而会不同，但每个间接钻取型锤式钻头的价格高达大约5000-30000美元。因此，使用锤式钻头无论在任何时候钻探，钻取操作都需要非常小心地进行。如果锤式钻头在操作中被损坏或破裂，就会产生直接关系到建造成本的问题。
然而，在传统钻机中的钻取方法具有这样的问题，即钻机中的锤式钻头的整个区域不能在均匀压力下冲击，从而在操作中钻机活塞的冲击力可能会出现局部集中，因此可能瞬间损坏锤式钻头。
发明内容
本发明是考虑到了上述问题而研制的，并且因此本发明的目的是提供一种用于钻机中的钻头冲击装置，其能够以均匀的压力有效地冲击锤式钻头的整个区域，而不会向钻机施加过大的载荷，从而锤式钻头不会由于活塞冲击力的局部集中而发生损坏。
为了达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供的一种用于钻机中的钻头冲击装置，包括后侧头部，其具有中心入口，空气以预定的压力值引导通过该中心入口；单向阀，其被安置在所述后侧头部的入口的下面，用于防止已引入的空气向所述后侧头部的入口回流；套管，其用于通过上侧内周而与所述后侧头部的下端密封连接，并且通过下侧内周而与锤式钻头可滑动地连接，所述锤式钻头由卡盘固定；活塞，其在所述套管内安置于所述锤式钻头的上方，用于在空气分配器的气压分布作用下于所述套管内作往复的上升和下降运动，以向下冲击所述锤式钻头；以及所述空气分配器，其在所述套管内安置于所述后侧头部和所述活塞之间，用于适当地分配空气，从而所述活塞能够垂直作往复运动，以冲击所述锤式钻头。在本发明的钻头冲击装置中，所述空气分配器包含圆筒形阀座，其形成在上端，用于接收所述单向阀；通孔，其侧向形成在所述阀座的下面；固定翼，其在所述通孔的下面向所述套管的内周突出，并紧紧地固定在内周上，而且还具有中心通孔；轴向管，其被固定在所述固定翼的下部，并具有轴向孔和上行孔，所述上行孔侧向形成在所述轴向管的下部中；以及操作管，其在所述轴向管外侧安置于所述固定翼的下面，所述操作管具有中心引入孔、侧向形成在所述操作管上部中的下行孔、从所述轴向管的上行孔延伸的上行孔及具有通孔的连通管，并且所述连通管分别与上行孔连接。另外，所述活塞包含中心纵向通道，其用于接收所述轴向管和所述空气分配器的操作管；上行孔，其形成在所述活塞的这样一个位置上，即在所述活塞冲击所述锤式钻头之后而于所述套管内的上升过程中，其与所述连通管中的所述通孔相通；回流凹槽，其形成在所述纵向通道中的这样一个位置上，即在所述活塞的下降过程中，其与连通管中的所述通孔相通，所述纵向通道的内周与所述回流凹槽下方的所述轴向管的外周紧密接触，所述活塞具有与所述套管的内周相对应的外周和减径下部；排气引入通道，其纵向形成在所述活塞的外周中，并与所述上行孔相通；以及门挡，其形成在所述引入通道的中部，以紧紧地与所述套管的内周接触。此外，所述套管包含形成在内周上的上行凹槽，在通过所述活塞对锤式钻头进行了冲击后，所述活塞中的所述门挡被放置在所述上行凹槽中，以打开所述排气引入通道。
通过参照附图而对本发明优选实施例进行下面的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点会变得显而易见，附图包括图1是根据本发明实施例的钻头冲击装置的分解透视图；图2是根据本发明实施例的钻头冲击装置在上升之前的纵向剖视图；图3是根据本发明实施例的钻头冲击装置在下降之前的纵向剖视图；图4是根据本发明实施例的钻头冲击装置处在未加载位置时的纵向剖视图；图5是根据本发明实施例的空气分配器的纵向放大剖视图。
具体实施例方式
现对本发明的优选实施例进行详细地说明，它们的实例显示于附图中。
图1是根据本发明实施例的钻头冲击装置的分解透视图，图2是根据本发明实施例的钻头冲击装置在上升之前的纵向剖视图，图3是根据本发明实施例的钻头冲击装置在下降之前的纵向剖视图，图4是根据本发明实施例的钻头冲击装置在未加载位置时的纵向剖视图，图5是本发明实施例的空气分配器的纵向放大剖视图。
钻孔机中的钻头冲击装置包含后侧头部90，其在中部形成有入口92；单向阀80，其被安置在后侧头部90的入口92的下面，用于防止已引入的空气向后侧头部90的入口92回流；套管60，其用于通过上侧内周而与后侧头部90的下端密封连接，并且通过下侧内周而与锤式钻头70可滑动地连接，锤式钻头由卡盘74固定；以及活塞50，其在套管60内安置于锤式钻头70的上方，用于在空气分配器1的气压分布作用下于套管60内作往复的上升和下降运动，以向下冲击锤式钻头70。空气分配器1在套管60内安置于后侧头部90和活塞50之间，以便能充分地分配空气压力，从而活塞50能够垂直往复运动，以冲击锤式钻头70。
空气分配器1由金属制成，并被放置在套管60内，以便能充分地产生空气压力，从而活塞50能够作垂直往复运动，以冲击锤式钻头70。阀座40设在空气分配器1的上端，其呈圆筒形状，用于接收单向阀80，并且在阀座40的下方侧向形成有通孔42。
固定翼30形成在通孔42的下面，其向套管60的内周突出，并紧紧地固定在套管上。通孔32沿着固定翼30的纵向方向形成在固定翼30的中部。轴向孔22形成在通孔32的下方，并且轴向管20被固定在固定翼30的下部。轴向管20具有封闭下端和侧向形成在其下部中的上行孔16。引入孔12形成在轴向管20之外的固定翼30的下端中心中，下行孔14相反地形成在引入孔12的上面。上行孔16形成在操作管10中，并从轴向管20的上行孔24延伸。连通管18具有通孔19，并与上行孔16和24相连接，从而轴向管20的轴向孔22中的空气压力会通过连通管18的通孔19排出操作管10。
活塞50由金属制成，并且通过空气压力的分布而在空气分配器1的作用下于套管60内作垂直往复运动，以向下冲击锤式钻头70。活塞50具有中心纵向通道51，空气分配器1的轴向管20和操作管10被插入该中心纵向通道51中；以及上行孔52，其形成在这样的位置上，即当活塞50在套管60内冲击锤式钻头70之后而被提升时，上行孔52与连通管18相同，而且连通管18的通孔19与轴向管20和操作管10的上行孔24和16相连接。
回流凹槽58在这样的位置形成在纵向通道51中，即在活塞50的下降过程中，其与连通管18相通，而连通管18与轴向管20和操作管10的上行孔24和16连接。纵向通道51的内周与轴向管20的外周紧密接触。
活塞50设有与套管60的内周相对应的外周和减径下部。用于引导排气的引入通道54纵向形成在活塞50的外部分中，并与上行孔52连接。门挡56以与套管60的内周紧密接触的状态形成在引入通道54的中部。
套管60在其内周具有上行凹槽62，其通过活塞50而在锤式钻头70的冲击下用于接收活塞50的门挡56，以打开排气引入通道54。
本发明的上述构造的操作详细描述如下
当压缩空气如图2所示通过后侧头部90的入口92而被供给时，其会被引导通过后侧头部90和单向阀80之间的空间、空气分配器1中的通孔42及固定翼30中的通孔32，在此，压缩空气又借助于轴向管20中的轴向孔22而被引入连通管18中的通孔19中，连通管18与通孔19下方的上行孔24连接。
从连通管18中的通孔19开始，压缩空气又借助于操作管20中的上行孔16一侧的通孔19而被引入活塞50中的上行孔52，在此，压缩空气再借助于活塞50和套管60之间的排气引入通道54和套管60中的上行凹槽62而被引入套管60中的位于活塞50下方的空间中。
当压缩空气充满套管60中的位于活塞50下方的空间后，其在套管60内向上推动活塞50，从而活塞50会在套管60内上升。
同时，位于活塞50上方的套管60中的空气借助于空气分配器1的操作孔10中的下行孔14而被引入孔12中，在此，空气又借助于活塞50的纵向通道51而进入锤式钻头70的排气孔72中。
当活塞50如图3所示在套管60内被提升后，被引导通过空气分配器中的通孔42和通孔32的压缩空气，借助于轴向管20中的轴向孔22而流入通孔19中的一个孔中，该通孔19位于与上行孔24连接的连通管18中。然后，压缩空气借助于通孔19中的另一个孔排出操作管10，该通孔19位于操作管10中的与上行孔16连接的连通管18中。被排出的空气又借助于活塞50的回流凹槽58而被引入孔12中，引入孔12位于轴向管20下部中的操作管10和轴向管20之间。
当压缩空气被从下部向上引入操作管10和轴向管20之间的引入孔12后，其借助于操作管10上部中的下行孔14而进入空气分配器1和套管60之间的活塞50的上部空间。进入的空气以预定的压力值使活塞50在套管60内下降。
这时，在活塞50下的套管60内的空气借助于锤式钻头70中的排气孔72而被排出到外面。
采用这种方式，如图2和3所示，钻机通过将压缩空气引入空气分配器1中而能够连续地上下往复推动活塞50，从而使得位于活塞50下方的锤式钻头70能够连续地进行钻取操作。
当操作人员如图4所示或多或少地升起钻机时，锤式钻头70和活塞50会在套管60中下降，其中空气分配器1中的压缩空气借助于轴向管20中的轴向孔22而被向外排出，此时，连通管18中的通孔19与轴向管20和操作管10连接。排出的空气进入空气分配器1和套管60之间。进入的空气借助于操作管10的上部中的下行孔14和操作管10和轴向管20之间的引入孔12而向下流入纵向通道51，纵向通道51在轴向管20的下部和活塞50之间被打开着，在此，空气借助于锤式钻头70中的排气孔72被排到外面。
如前所述，本发明能够以均匀的压力有效地冲击锤式钻头的整个区域，而不会向钻机施加过大载荷，从而锤式钻头不会由于活塞冲击力的局部集中而发生损坏。
虽然参照特殊说明性实施例对本发明进行描述，但本发明并不限制于上述实施例，而只受到权利要求的限制。应当指出，在不脱离本发明的范围和精神的前提下，本领域普通技术人员能够对上述实施例进行改变或更改。
权利要求
1.一种用于钻机中的钻头冲击装置，包括后侧头部(90)，其具有中心入口(92)，空气以预定的压力值引导通过所述中心入口；单向阀(80)，其被安置在后侧头部(90)的入口(92)的下面，用于防止已引入的空气向后侧头部(90)的入口(92)回流；套管(60)，其用于通过上侧内周而与后侧头部(90)的下端密封连接，并且通过下侧内周而与锤式钻头(70)可滑动地连接，而锤式钻头(70)由卡盘(74)固定；活塞(50)，其在套管(60)内安置于锤式钻头(70)的上方，用于在空气分配器(1)的气压分布作用下于套管(60)内作往复的上升和下降运动，以向下冲击锤式钻头(70)；以及空气分配器(1)，其在套管(60)内安置于后侧头部(90)和活塞(50)之间，用于适当地分配空气，从而活塞(50)能够垂直往复运动，以冲击锤式钻头(70)，其中，所述空气分配器(1)包含圆筒形阀座(40)，其形成在上端，用于接收单向阀(80)，通孔(42)，其侧向形成在阀座(40)的下面，固定翼(30)，其在通孔(42)的下方向套管(60)的内周突出，并紧紧地固定在内周上，而且还具有中心通孔(32)，轴向管(20)，其被固定在固定翼(30)的下部，并具有轴向孔(22)和上行孔(24)，上行孔(24)侧向形成在轴向管(20)的下部中，及操作管(10)，其在轴向管(20)外侧安置于固定翼(30)的下面，操作管(10)具有中心引入孔(12)、侧向形成在操作管(10)上部中的下行孔(14)、从轴向管(20)的上行孔(24)延伸的上行孔(16)和具有通孔(19)的连通管(18)，并且连通管(18)分别与上行孔(16，24)连接，所述活塞(50)包含中心纵向通道(51)，其用于接收轴向管(20)和空气分配器(1)的操作管(10)，上行孔(52)，其形成在活塞(50)中的这样一个位置上，即在活塞(50)冲击锤式钻头(70)之后而于套管(60)内的上升过程中，其与连通管(18)中的通孔(19)相通，回流凹槽(58)，其形成在纵向通道(51)中的这样一个位置上，即在活塞(50)的下降过程中，其与连通管(18)中的通孔(19)相通，纵向通道(51)的内周与回流凹槽(58)下方的轴向管(20)的外周紧密接触，活塞(50)具有与套管(60)的内周相对应的外周和减径下部，排气引入通道(54)，其纵向形成在活塞(50)的外周中，并与上行孔(52)相通，及，门挡(56)，其形成在引入通道(54)的中部，以紧紧地与套管(60)的内周接触，其中，套管(60)包含形成在内周中的上行凹槽(62)，在利用活塞(50)对锤式钻头(70)进行冲击后，活塞(50)中的门挡(56)被放置在上行凹槽(62)中，以打开排气引入通道(54)。
全文摘要
一种用于钻机中的钻头冲击装置，它包括后侧头部，其具有中心入口，空气以预定的压力值引导通过该入口；单向阀，其被安置在所述后侧头部的入口的下面，用于防止已引入的空气向所述后侧头部的入口回流；套管，其用于通过上侧内周而与所述后侧头部的下端密封连接，并且通过下侧内周而与锤式钻头可滑动地连接，所述锤式钻头由卡盘固定；活塞，其在所述套管内安置于所述锤式钻头的上方，用于在空气分配器的气压分布作用下于所述套管内作往复的上升和下降运动，以向下冲击所述锤式钻头；以及所述空气分配器，其在所述套管内安置于所述后侧头部和所述活塞之间，用于适当地分配空气，从而所述活塞能够垂直作往复运动，以冲击所述锤式钻头。
文档编号E02F3/96GK1487168SQ0313806
公开日2004年4月7日 申请日期2003年5月29日 优先权日2002年7月10日
发明者林秉德 申请人:林秉德