专利名称：用于流体操作冲击钻具的钻头组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于流体操作冲击钻具的钻头组件。特别是，本发明涉及用于"潜孔(down-the-hole )"锤的钻头组件。
技术背景常规潜孔锤和流体操作冲击钻具的一些设计包括外缸或外耐磨 套，其内部安装有一个内缸，该内缸又与后部(backhead)组件相接 合。滑动往复活塞与内缸及后部组件相协作，当经由后部组件供应气 压时，活塞对一个钻头起到冲击作用，所述钻头被保持在位于外耐磨 套上的夹盘之内。典型地，内缸被同轴地安装在外耐磨套之内。 一个滑动活塞被安 装，用于在内缸和外耐磨套之内往复运动，以便以已知方式撞击一个 冲击钻头(hammer bit),所述冲击钻头被安装成用于在位于外耐磨套 前端上的夹盘中进行滑动。 一个底阀被定位在所述钻头上方。我们以前的专利申请公开号WO 2004/013530公开了 一种潜孔锤， 其中所述钻头具有一个细长的柄部，在其上端具有一个环形撞击面(或 砧)，所述活塞打击所述环形撞击面，以便给予所述钻头一个沖击力。 钻头柄部下端在外部形成有多个花键，所述花键围绕钻头柄的外周彼 此间隔开来，并沿轴向延伸。所述花键可滑动地与形成在环形夹盘内 壁上的互补花键相接合。所述夹盘可由螺紋连接到外耐磨套的底部。 所述钻头通过一个钻头保持环被保持在锤组件中，所述保持环位于夹 盘上方并与钻头上的环肩协作。这防止了所述钻头在工作过程中从组 件中掉出。在工作过程中钻头柄受到由锤的冲击作用造成的力，以及由夹盘提供的扭矩。这给予钻头柄的上部一个显著的挠矩，增加了由裂缝(cracking)引起柄断裂的危险。钻头的制造以及如果钻头掉下钻孔 时的回收都非常昂贵。这是常规潜孔锤的钻头一个显著问题，这一点 可由下面的事实得到证实即有许多专利涉及在钻头组件内保持断裂 钻头的装置，以防止其沿钻孔掉落。这些专利的例子有US5，065，827， US 4， 003， 442， WO 96/15349， WO 98/05476， WO 03/062585， WO 03/062586。然而，这些专利中公开的发明旨在对在钻头轴破裂后出现的问题 进行处理，而并非首先预防断裂。与诸如潜孔锤的常规冲击钻具相关的其他缺点在于，钻头具有制 造成本昂贵的长柄部分。长柄部分是必需的，以便提供足够长度的花 键柄部，从而为扭矩的传递提供足够的支撑，并提供在花键上方用于 保持钻头的区域。在常规锤中，当钻头或切割面磨损时，虽然柄通常 能够保持良好状态，但由于其与切割面是整体形成的，该柄也要被废 弃。钻头/切割面的过早磨损可能出现于在高磨蚀性岩石或材料上进行 钻孔的情况下，这些岩石或材料磨损切割头中的碳化钨镶嵌件。对于 许多常规锤，需要在钻头上提供底阀。底阀被用作锤功能的组成部分， 即，当活塞处于撞击位置时，底部提升室被活塞内孔和底阀外部密封。 如果不是这样的话，则活塞不会被提升。底阀易于偶然断裂，从而导 致停工时间。发明内容本发明的目的在于提供一种钻头安装系统，用于潜孔锤或其他流 体操作冲击钻具，它可避免上述以往技术系统的许多缺点。本发明的 另一个目的在于提供一种钻头系统，其中该系统的柄比常规的钻柄在 长度上更短。本发明的再另外一个目的在于提供一种改进的用于钻头 组件的连接方法。在第一方面中，本发明提供一种用于流体操作沖击钻具的钻头组 件，包括冲击钻头，该冲击钻头具有头部，该头部上形成有沿轴向延伸的短柄；在该短柄上沿轴向延伸的花键，该花键可滑动地与形成 在驱动夹盘上的互补花键相接合，从而，来自该夹盘的旋转驱动力可 被传递到该短柄；位于夹盘上的钻头保持装置，该钻头保持装置适于 与该短柄花键部分上的互补保持装置相接合，以便将短柄保持在钻头 组件中；以及位于夹盘上的接合装置，该接合装置适于将夹盘连接到 流体操作冲击钻具的驱动装置上。优选地，驱动夹盘上形成有螺紋，该螺紋适于与钻具耐磨套下端 上的互补螺紋相接合。适宜地，沿轴向延伸的花键形成在短柄的外圆 柱壁上，并与形成在驱动夹盘内部上的互补花键相接合。适宜地，该钻头保持装置包括至少一个，但优选多个穿过驱动夹 盘壁的孔，以及相应的多个钻头保持件；因而当钻头组件被组装时， 钻头保持件被容纳在孔中，并与短柄花键部分的互补保持装置相接合， 从而将短柄保持在钻头组件中。根据本发明的第一实施例，所述孔形成为穿过驱动夹盘壁的部分 环槽，且所述钻头保持件为部分环形，并且所述互补保持装置包括一 个形成在短柄上端的环肩；因此，当钻头组件被組装时，所述部分环 形钻头保持件被容纳在所述部分环槽中，并与所述环肩的下侧相接合， 以将短柄保持在钻头组件中。根据本发明的一个可选实施例，所述孔形成为穿过驱动夹盘壁的 基本上呈圆形的开口，且该钻头保持件为球头销(ball nose pins),并 且该互补保持装置包括形成在短柄上端的多个凹槽；因此，当钻头组 件被组装时，所述球头销被容纳在圆形开口中，并与凹槽的上部内壁 相接合，以将短柄保持在钻头组件中。在一个实施例中，至少一个位于短柄上端的凹槽被整体形成在短 柄上的花键内。优选地，每个凹槽都整体地形成在所述短柄上相应的 一个花键内。在另一方面中，本发明提供一种潜孔锤，包括一个外缸外耐磨套， 一个滑动活塞，所述滑动活塞被安装成在外耐磨套内往复运动，以便 撞击位于外耐磨套前端的钻头组件的冲击钻头，其中所述钻头组件如上所述。所述锤可以是常规潜孔锤或反循环潜孔锤。本发明的钻头组件具有优于常规系统的许多优点。由于将钻头保 持在夹盘中的装置已被移动到短柄的花键部分，本发明可允许更短的 柄。另外，在钻头保持装置之上和之下均配备有用于扭矩传递的花键 支撑。在互补保持装置包括多个凹槽的情况下，每个凹槽都整体地形 成在短柄的一个花键内，在花键的整个长度上配备有用于扭矩传递的 花键支撑。较短的短轴比具有长轴的钻头制造起来成本更低些。短柄由于其 较短的长度较少会受到弯曲力，而且很不易于折弯失效，而折弯失效 与常规冲击钻具使用的长柄相关。打个比方，当使用手工锤时，长钉 子比短钉子更可能弯曲。因此，短柄比常规钻柄更加坚固。另一个优点在于，与钻头具有附加长柄的常规钻头组件相比，本 发明的钻头组件在磨蚀状态下更换钻头更为廉价。较短的短柄比常规 长钻柄需要显著更少的材料。此外，对于本发明的组件，不需要在钻 头上具有底阀。以往技术中底阀与活塞的协作可在本发明中由密封在衬套2的内孔中的活塞8的前端来代替。然而，无论是否使用底阀都 是可选择的。
现将参照附图来描述根据本发明的具有钻头连接系统的潜孔锤的 两个实施例，其中图1是根据本发明的第一实施例的潜孔锤的侧剖视图，示出了处 于离开底部位置的活塞；图2是图1潜孔锤的侧剖视图，示出了处于撞击位置的活塞；图3是图1潜孔锤的侧剖视图，示出了处于行程顶部位置的活塞；图4是本发明的钻头连接系统的分解透视图；图5是图2大部分下部的放大侧剖视图；图6是本发明第二实施例的分解透视图；图7是根据本发明的第二实施例的潜孔锤下部的放大侧剖视图，示出了处于离开底部位置的活塞；图8是图7潜孔锤下部的放大侧剖视图，示出了处于撞击位置的 活塞；图9是本发明第三实施例的分解透视图；图10是根据本发明第三实施例的潜孔锤下部的侧剖视图，示出了 处于撞击位置的活塞；图11是图IO潜孔锤沿线X-X的横截面图；图12是根据本发明的反循环潜孔锤的侧剖视图，示出了处于离开 底部位置的活塞；图13是图12反循环潜孔锤的侧剖视图，示出了处于撞击位置的 活塞；图14是图12反循环潜孔锤的侧剖视图，示出了处于行程顶部位 置的活塞。
具体实施方式
参见附图，本发明的潜孔锤的一个实施例包括一个外缸外耐磨套 5。 一个内缸25同轴地安装在外耐磨套5之内。安装有一个滑动活塞 8,用于在内缸和外耐磨套5之内往复运动，以《更冲击一个位于外耐磨 套5前端的锤头1，从而向钻头施加一个冲击力。旋转力通过一个夹 盘4由旋转的外耐磨套5传递。耐磨套以螺紋连接到一个钻柱，该钻 柱被连接到位于地面上的钻机上的旋转电机。特别地参见图4和图5，以众所周知的方式，钻头组件的头部3 包括沖击钻头1，该冲击钻头1配备有碳化鴒镶嵌件31。该钻头头部 3上形成有沿轴向延伸的短柄32。该短柄32上形成有一个花键部分， 该花键部分包括一个下环肩部分33、 一个上环肩部分37和一个中间 部分50。上、下环肩部分33、 37配备有多个沿轴向延伸的花键36。 中间部分50未配备花键。扭矩通过夹盘4施加在钻头头部3上。中空 圆柱夹盘4内侧被加工，以便在其内壁上提供多个沿轴向延伸的内花 键35,该内花键35与短柄32上的花键36相接合，以便将旋转驱动力从夹盘4传递到钻头。夹盘4的上部具有外螺紋。夹盘4还配备有外环肩部分38，当夹 盘4被旋拧到如下所述的耐磨套5时，该外环肩部分38充当 一个挡块。 在外环肩部分38以上，许多部分环槽7穿过夹盘4的壁被切割或加工， 以便接收部分环形保持件6。在已组装的钻头组件中，钻头保持件6 与形成在柄32顶端的环肩37的下侧相接合，以便将短柄保持在钻头 组件中。夹盘4被旋拧到耐磨套5的下端，通过这样做，将钻头保持 件6保持到槽7中。此外，夹盘4与耐磨套5的螺紋配合使得扭矩可 从耐磨套5经由夹盘4传递到钻头1上。安装有一个往复活塞8，用于在内缸25和外耐磨套5之内往复运 动，以便撞击环肩37的顶面，从而给予钻头一个冲击力。夹盘4的花 键35与柄32上的互补花键36可滑动地接合，以致头部3在冲击作用 过程中相对于夹盘沿轴向移动。本发明的另一实施例示于图6、 7和8中。如前所述，以众所周知 的方式，钻头组件的头部3包括冲击钻头1,该冲击钻头1配备有碳 化鴒镶嵌件31。该钻头头部3上形成有沿轴向延伸的短柄32。该短柄 32包括一个花键部分，该花键部分形成有多个沿轴向延伸的花键36 以及多个沿轴向延伸的凹槽或铣齿边(millings) 47。凹槽47上形成 有上部内壁或台肩51。扭矩通过夹盘4施加在钻头头部3上。中空圆 柱夹盘4内侧被加工，以便在其内壁上提供多个沿轴向延伸的内花键 35，该内花键35与短柄32上的花键36相接合，以便将旋转驱动力从 夹盘4传递到钻头。在环肩38以上，许多大致呈圆形的开口 42穿过夹盘4的壁被切 割或加工，以便接收球头销41。在已组装的钻头组件中，球头销41 与形成在短柄32顶端的凹槽或铣齿边47的上部内壁或台肩51相接 合，以便将短柄保持在钻头组件中。夹盘4被旋拧到耐磨套5的下端， 且通过这样做，将球头销41保持到开口 42中。此外，夹盘4与耐磨 套5的螺紋配合使得扭矩可从耐磨套5经由夹盘4传递到钻头1上。本发明的再另外一个实施例示于图9-11中。在该实施例中，短柄32包括一个花键部分，该花键部分形成有多个沿轴向延伸的花键 36以及多个沿轴向延伸的凹槽或铣齿边47。每个凹槽47整体地形成 在短柄32上一个相应的花键36中。在图9-11示出的实施例中，一 个凹槽47形成在每个花键36中。然而，在可选的实施例中，并非全 部花键形成有凹槽。如以上参照图6-8所述，球头销41用于将短柄 保持在钻头组件中。在本发明的一个实施例中，其具有公称尺寸为4"的锤，用于钻出 尺寸为10cm及10cm以上的孔，短柄32的长度范围为90mm至 140mm,优选地为大约130mm。作为对比，具有相似钻孔尺寸的常规 潜孔锤的长柄部分典型地具有200mm - 260mm范围内的长度。因而， 通过本发明，柄32的长度可比常规潜孔锤的柄缩短大约30%至50%.锤击循环示于图1-3以及图7和图8中。图l和图7示出了处于 "离开底部"位置的锤。活塞8允许废气经由钻头1中的内孔9和内孔 IO冲刷到表面冲刷孔11。图2、图5和图8示出了处于撞击位置的锤。 衬套2配备在钻头组件中，代替一个底阀，以便与活塞前端(pistion nose) 20相协作。压力空气经由活塞槽14和耐磨套底切15沿腔13 向下供应到压力室12中。该空气被活塞前端20和衬套2密封。同时， 顶室16打开，以便经由内孔9、 10、 ll排出。因此活塞8捩升。图3 显示了处于行程顶部的活塞。当活塞前端20不与衬套2接触时，提升 室12打开，以便通过衬套2以及内孔10、 ll排出。顶室16通过孔口 19和通道17被供应压力空气。顶室16由配气器探头(distributor probe) 18密封。因此，活塞被向下推，以便撞击钻头，并重复该循 环。本发明的装置具有钻头系统零件易于组装的优点。可通过滑动短 柄32的花键36,使其与夹盘40的花键35相接合来从上部组装这些 零件，从而使柄接合在夹盘4中。为简洁起见，已结合常规潜孔锤描述了本发明的钻头组件。然而， 本发明同样适于反循环潜孔锤，如参照图12-14所述。在反循环系统中，借助于加压状态下再循环的钻井液的作用，岩石切割物和碎屑从孔的底面经由钻头自身内部的中空通道或采样管被 强制向上推到地面。钻井液沿着钻柱内部一个环形空间向下循环。反 循环技术的优点在于，在钻探进行的同时，岩层被连续地取样，并且 当样品从孔的底部快速返回时，可在地面收集和监测到有代表性的样口口 0本发明的反循环潜孔锤包括一个外缸外耐磨套105。 一个内缸125 同轴地安装在外耐磨套105之内。安装有一个滑动活塞108，用于在 内缸和外耐磨套105之内往复运动，以便沖击一个位于外耐磨套105 前端的锤头101,从而向钻头施加一个冲击力。外耐磨套105的内径 应当使外耐磨套105与内缸125之间配置有一个环形间隙170。才艮据本发明，钻头101上形成有沿轴向延伸的短柄132。该短柄 132上形成有一个花键部分，该花键部分配置有多个沿轴向延伸的花 键136。 一个中空圆柱夹盘104内侧被加工，以便在其内壁上提供多 个沿轴向延伸的内花键135，这些花键135与柄132上的花键136相 接合，从而将旋转驱动力从夹盘104传递到钻头。花键135、 136的尺 寸被如此确定，以便在钻头101周围提供许多流体通道171。可利用 与常规锤相关的任意上述装置(例如部分环形钻头保持件或球头销) 将钻头101保持在夹盘104中。图13示了处于撞击位置的锤，其中活塞前端120与钻头101相接 触。在活塞108向上行程或返回行程的开始，室116经由位于中心采 样管178周围的环形间隙172直接与通道171联通，以便排出任何压 力空气。当被压缩的空气从环形间隙170经由内缸孔口 179、环形间 隙180、活塞槽173和耐磨套底切174被供给时，腔室176被压缩， 且一个向上的力^皮施加到活塞108上。从而，活塞108净皮提升。向上运动继续进行，直至活塞前端120移动成与衬套102脱离接 触。图14示出了位于行程顶部的活塞108。腔室176中的被压缩流体 现在可经过通向槽175的环形通道171，然后经过在钻头头部103中 的通道177排出。排出流体的主要部分进入到钻孔空间，并且经由回 流内孔111， 110， 109涌出到地面收集装置。经由孔口 179、环形间隙180和槽117向腔室116供给压缩空气。同样地，环形间隙172被 活塞108和采样管178上的扩展直径181密封。从而，活塞被强制向 下推动，以便撞击钻头，并重复该循环。当词语"包括(comprises/comprising )，，和词语"具有/包括 (having/including)"在本文中参照本发明被使用时，其用于特指所 描述的特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除一个或更多其他 特征、整体、步骤、部件及其组合的存在或添加。如上所述，显而易见，在不脱离本发明的新颖性概念的真实精神 和范围的情况下，可实施许多变型和变化。应当认识到，本公开意在 提出本发明的范例，而并不意图将本发明限制到所示出的特定实施例。 本公开意图通过所附权利要求来覆盖落入所附权利要求范围之内的所 有这些变型。在任意权利要求中提及的技术特征被后缀有附图标记的情况下， 这些附图标记被包括在内的唯一目的在于增强权利要求的可理解度， 因此这些附图标记对于利用这些附图标记以示例方式标识的每个元素 的范围不具有任何限制作用。
权利要求
1、一种用于流体操作冲击钻具的钻头组件，包括具有头部(3)的冲击钻头(1)，所述头部(3)形成有沿轴向延伸的短柄(32)；在所述短柄(32)上沿轴向延伸的花键(36)，所述花键(36)可滑动地与形成在驱动夹盘(4)上的互补花键(35)相接合，从而来自所述夹盘(4)的旋转驱动力被传递到所述短柄(32)；位于所述夹盘上的钻头保持装置(6，7，41，42)，所述钻头保持装置适于与所述短柄的花键部分处的互补保持装置(37，51)相接合，以便将所述短柄保持在所述钻头组件中；以及位于所述夹盘(4)上的接合装置，所述接合装置适于将所述夹盘(4)连接到所述流体操作冲击钻具的驱动装置(5)上。
2、 根据权利要求l所述的钻头组件，其中所述驱动夹盘(4)形 成有螺紋，所述螺紋适于与钻具耐磨套(5)的下端上的互补螺紋相配 合，并且所述沿轴向延伸的花键(36)形成在所述短柄(32)的外圆 柱壁上，并与形成在所述驱动夹盘(4)内部的互补花键(35)相接合。
3、 根据前述任一权利要求所述的钻头组件，其中所述钻头保持装 置包括至少一个，但优选为多个穿过所述驱动夹盘(4)的壁的孔(7， 42)以及相应的多个钻头保持件(6, 41);以致当钻头组件被组装时， 所述钻头保持件(6， 41)被容纳在所述孔(7， 42)中，并与所述短 柄花键部分处的互补保持装置(37， 51)相接合，从而将所述短柄保 持在所述钻头组件中。
4、 根据权利要求3所述的钻头组件，其中所述孔形成为穿过所述 驱动夹盘的壁的部分环槽(7 )，并且所述钻头保持件(6 )为部分环形， 并且所述互补保持装置包括一环肩(37);因此，当所述钻头组件被组 装时，所述部分环形钻头保持件(6)被容纳在所述部分环槽(7)中，并与所述环肩(37)的下侧相接合，以便将所述短柄保持在所述钻头 组件中。
5、 根据权利要求3所述的钻头组件，其中所述孔形成为穿过所述 驱动夹盘的壁的大致呈圆形的开口 (42)，且所述钻头保持件为球头销(41 )，所述互补保持装置包括形成在所述短柄上端的多个凹槽(47 ); 因此，当所述钻头组件被组装时，所述球头销(41)被容纳在所述圆 形开口 (42)中，并与所述凹槽(47)的上部内壁(51)相接合，以 便将所述短柄保持在所述钻头组件中。
6、 根据权利要求5所述的钻头组件，其中位于所述短柄上端的至 少一个凹槽(47)完全形成在所述短柄(32)上的花键(36)中。
7、 根据权利要求6所述的钻头组件，其中位于所述短柄上端的每 个凹槽(47)都完全形成在所述短柄(32)上相应的一个花键(36) 中。
8、 一种潜孔锤，包括一外缸外耐磨套(5)， 一滑动活塞(8)被 安装成在所述外耐磨套(5)内往复运动，以便撞击位于所述外耐磨套(5)前端的钻头组件的一冲击钻头(1)，其中所述钻头组件为任意一 项前述权利要求所述的组件。
9、 根据权利要求8所述的潜孔锤，其中所述锤是反循环潜孔锤。
10、 基本上如这里参照附图中图1-5、图6-8或图9-11所描 述的并且/或者如图1-5、图6-8或图9-11所显示的一种用于流体 操作沖击钻具的钻头组件。
11、 基本上如以上参照附图中图l-3或图12-14所描述的并且/或者如图l-3或图12-14所显示的一种潜孔锤。
全文摘要
本发明涉及一种用于流体操作冲击钻具的钻头组件，包括一个冲击钻头(1)，所述钻头(1)具有一个头部(3)，所述头部(3)上形成有沿轴向延伸的短柄(32)。所述短柄(32)上配备有沿轴向延伸的花键(36)，所述花键(36)可滑动地与形成在驱动夹盘(4)上的互补花键(35)相接合。来自所述夹盘(4)的旋转驱动力可通过所述花键传递到所述短柄(32)上。位于夹盘上的钻头保持装置(6，7，41，42)适于与短柄花键部分上的互补保持装置(37，51)相接合，以便将所述短柄保持在所述钻头组件中。位于所述夹盘(4)上的接合装置适于将夹盘(4)连接到所述流体操作冲击钻具的驱动装置(5)上。本发明还涉及一种潜孔锤，包括一个外缸外耐磨套(5)，一个滑动活塞(8)，所述滑动活塞被安装成在所述外耐磨套(5)内往复运动，以便撞击一个位于所述外耐磨套(5)的前端的钻头组件的冲击钻头(1)，其中所述钻头组件为如上所述的组件。
文档编号E21B4/14GK101223333SQ200680026114
公开日2008年7月16日 申请日期2006年7月20日 优先权日2005年7月20日
发明者J·珀塞尔 申请人:曼罗克技术促进有限公司