使用冲击方法钻定向井的方法和设备的制作方法

专利名称：使用冲击方法钻定向井的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明的实施例总体上涉及用于冲击式钻井的方法和设备。具体地，本发明的实 施例涉及一种钻井工具，其在转动钻头的同时冲击，并且独立于钻柱的转动。
背景技术：
将井眼钻入到地层(特别是坚硬岩石)中的冲击方法，涉及到周期性和尖峰状的 冲击力，多于由钻柱的重量施加的固定压力。相对于传统的重力钻井方法，这种冲击作用产 生了极高的钻进速度。通过使用冲击式钻井工具，钻头需要转动，从而安装在其表面上的切削元件则在 每个随后的撞击过程中与新鲜岩层接触。传统地，这种需要通过将钻头键连接到钻柱上来 实现，从而钻柱的转动被传递给钻头，所述钻柱的转动由安装在钻塔上的旋转工作台提供， 且在每分钟20到40转的范围内。冲击式钻井工具是连接至钻柱的端部的气动装置。高度压缩的空气被交替地引导 进入和离开两个分开的腔体。一个腔体定位在滑动主体(公知为活塞)的上方，而另一个 腔体定位在滑动主体的下方，从而使得空气造成主体向上和向下加速，在工具壳体内往复 运动。在工具工作期间，钻头在井眼的底部保持与地层的接触。当滑动主体被向下引导时， 它有力地撞击钻头的顶部，并造成与钻头接触的岩石碎裂。正如上所述的，需要转动钻头来 使其在随后来自滑动主体的撞击过程中钻进新鲜岩石。尽管冲击式钻井工具可提供更快的 钻进速度，但是转动整个钻柱的需要使得失去了在所需方向上偏离井眼轨迹的能力。为提供粉碎岩层所必需的撞击力，往复式活塞以在每秒300到400英寸范围的相 对高的线性速度行进。在使用活塞轴向运动的动能来导致钻头上的转动运动的方法中， 会涉及接触的主体之间的高速运动。此外，需要大幅度的扭矩来抵抗由地层形成的摩擦 力转动钻头并且其不可避免地在邻近活塞和钻头的表面产生很大的接触压力，所述大幅 度的扭矩在理想状态下在500到1000英尺磅(foot pounds)范围、而在不利状态下达到 3000-4000英尺磅的大幅度的扭矩。高接触速度和高接触压力的组合效果产生了大量的摩 擦和热，在这些接触表面上导致了严重的磨损损害。在常规的重力钻井方法中，通常称为钻压的用于将钻头压向地层底部的力，典型 地在20000到50000磅之间。在冲击式钻井中，由于是往复式活塞抵压钻头的冲击力来破 碎地层，这种巨大的钻压就不需要了。然而，当工具钻进地层时，钻头趋于滑离工具的壳体。 如果不允许钻柱跟随钻头进入到地层中，工具会进入“打开位置”并停止周期性工作。因此， 将钻柱足够快地推进到井眼中以避免工具打开，这取决于操作者的技术。然而，相反地，如果钻柱的重量没有适当地阻止，钻柱会向钻头提供过度的重量。 由于极端的钻压显著地增加了转动钻头所需的摩擦扭矩，这也是不期望的。因此，操作者面 对着推进钻柱的艰难工作，一方面，要足够快速以防止工具打开，而另一方面，要足够慢速 以避免将钻头过度地压向岩层。操作者必须阻止大部分的钻柱重量，而试图允许恰恰足够 的力来保持工具关闭。钻柱和井眼的壁之间的接触所产生的摩擦阻力加剧了这种两难局
因此，需要一种冲击式钻井工具，其能够独立于钻柱而转动钻头，没有由高速高接 触压力下运动所产生的有害磨损后果。也需要提供一种方式，利用该方式钻机能够将钻柱 推进到井中，而不需要将钻头既不过重亦不过轻地压向地层。

发明内容
本发明整体上涉及一种钻井方法和设备。在一个方面，提供了 一种钻井工具组件。 该钻井工具组件包括圆柱形壳体。该钻井工具还包括在壳体内可轴向运动的活塞。钻井 工具还包括设置在壳体和活塞之间的旋转键组件。旋转键组件包括轴承，该轴承被配置为 在活塞的第一方向期间旋转而在活塞的第二方向期间滑动。此外，钻井工具包括可操作地 联接至活塞的切削组件，其中切削组件被构造为当活塞在壳体内轴向运动时相对于活塞转 动。在另一方面，提供一种钻井工具组件。钻井工具组件包括主体和活塞，该活塞可沿 着主体在第一方向和第二方向上轴向运动。钻井工具组件还包括钻头。此外，钻井工具组 件包括可操作地联接至活塞和钻头的离合机构，其中该离合机构被构造为当活塞在第一方 向上运动时相对于活塞转动钻头。在又另一方面，提供一种形成井眼的方法。该方法包括将钻井工具设置在井眼中 钻柱上的步骤。钻井工具包括主体、活塞、离合机构和钻头。该方法进一步包括通过交替地 将压缩空气引导入活塞上方的上部腔体和活塞下方的下部腔体而使活塞轴向地往复运动 的步骤。该方法还进一步包括独立于钻柱转动钻头的步骤，其中钻头被构造为在活塞沿着 主体轴向运动且接合离合机构时转动，并且其中钻头相对于活塞转动。此外，该方法包括当 钻头转动时提供撞击力从而形成井眼的步骤。


为了使本发明的上述特征能够更加详细地理解，可以参照实施例对上述简要概括 的本发明进行更加具体地描述，其中一些实施例在附图中示出。然而，应当注意的是，附图 仅仅示出了本发明的典型实施例，因此不能认为是对本发明范围的限定，因为本发明还可 包括其他等效的实施例。图1是钻井工具处于冲洗模式下的截面图。图2是钻井工具处于活塞上冲程开始阶段的截面图。图3是钻井工具处于活塞下冲程开始阶段的截面图。图4是第一旋转键组件和第二旋转键组件的截面图。图4A是第一旋转键组件的一个实施例的横截面视图。图4B是第二旋转键组件和离合机构的一个实施例的横截面视图。
具体实施例方式本发明总体上涉及一种转动井眼工具的设备和方法。如前文所述，本发明会被描 述为涉及冲击钻井工具。然而，需要注意的是，本发明的方面并非限于冲击钻井工具，而且 还可等效地应用于其它类型的井眼工具。为了更好地理解本发明的设备及其使用方法的新颖性，下面将参照附图予以说明。将会简要地论述一下附图1-3，以提供冲击式钻井工具和冲击式钻井方法的操作 的总体概述。在冲击式钻井工具在井眼中被钻柱悬挂离开的底部时，压缩空气通过并经由 工具沿着钻柱向下导入到井眼中。这是公知的“冲洗”模式，这有助于清除位于岩层底部的 岩石碎片和其他碎屑。当工具抵达井眼底部时，钻头被定位到“关闭”模式而工具的工作开 始。在工作期间，活塞体开始在工具壳体中往复运动并且撞击钻头的顶部，破碎钻头下方的 相邻岩层。钻头通过后面将描述的机构独立于钻柱而转动，从而使得在随后的冲击期间，钻 头上的切削元件打击新鲜岩石。例如，钻头可以在每个活塞周期转动6到7度，从而使得位 于钻头周圈上的这些切削元件位移了大约它们的半个直径的距离。图1示出了钻井工具10的“冲洗”模式，此时该工具被悬挂离开底部。切削组件 25被悬挂于保持轴套100，并且这两者均部分地置于主体或壳体20内并可联接到驱动轴 90，其中在这里切削组件的一个例子是钻头25。驱动轴90相对于壳体20可转动。在钻头 25抵达到井眼底部之前，压缩空气被沿着钻柱向下引导并进入输送管腔体M内。接着，空 气被引导穿过开口 51进入上部腔体56，并自此处经由通道64进入内部活塞腔体65。自活 塞60内部的腔体65，空气通过形成在钻头25中的开口沈导出。压缩空气有助于清除任 何堆积在井眼底部的碎屑。最后，壳体20的下端和保持轴套100之间的间隙称之为“锤落 差(hammer drop)”，而保持轴套100的下端和钻头25之间的间隙称之为“钎头落差(bit drop) ”。这两个间隙在工具的冲洗模式工作期间都是打开的。图2示出了钻井工具10在其在井眼中下降并且钻头25接触井底部之后的“关闭” 模式。在这里，“锤落差”和“钎头落差”是关闭的。具体地，钻头25和保持轴套100被推入 到壳体20中，直到由钻头形成的肩部27接触到保持轴套100的第一肩部101并且保持轴 套100的第二肩部102接触到壳体20的端部。接触后，活塞60被向上推，从而由于活塞60 的上段62覆盖了输送管50的开口 51而切断了到上部腔体56的空气。而该空气被再次引 导，通过输送管50的开口 52经由狭槽66进入下部腔体57。活塞60的下端63与驱动轴 90的孔接合并相对于其密封，从而由于下部腔体57被充气，增大的压力会使活塞相对于壳 体20加速上升。这开始了活塞60的往复运动和钻井工具的工作。图3示出了位于其行程顶部的活塞60。随着活塞60的加速上升，在活塞60的下 端63与驱动轴90之间的密封接合被解除，而来自于下部腔体57的空气通过钻头25中的 开口沈被释放出来。其后，压缩空气接着经由通道64自输送管50中的开口 51被再次引 导到上部腔体56，以使这个腔体增压并使活塞60减速直到活塞变得停止，之后使活塞向下 加速，从而使得活塞的下端63撞击钻头25的顶部。这种钻井工具10连同设置在钻头上面附近的弯转接头(bend sub)(未示)一起， 可允许钻机将弯转的朝向保持在期望方向上，从而能够以有定向的且冲击的方式来钻井 眼。结合有1/2度到2度弯度的弯转接头，钻井工具10可达到每100英尺5度到15度的 造斜速度(build rate)或者弯折严重度(dog legseverity)。除了这种一般操作外，钻井工具10包括旋转键组件，该旋转键组件可用于处理与 由高表面接触压力和往复式活塞的高速运动所造成的有害磨损效果相关的间题。此外，钻 井工具10包括具有高响应频率的离合机构，该离合机构可用于将转动运动传导给钻头。首先，将焦点关注于磨损间题上。如稍后将予以说明的，由于驱动轴90的转动，钻头25独立于钻柱而转动，该驱动轴经由摆动式离合器80通过往复式活塞60所驱动。活塞 60可滑动地接合在汽缸壳体20内，使得其可以在壳体内轴向运动但不能相对于壳体转动。 由于往复式活塞60提供了转动钻头所需的必要的强力，在活塞和邻近的表面上产生了高 速下的高压缩压力。为了避免由于严重的滑动摩擦和极端的接触剪切应力所造成的损害， “旋转(rolling)”动作可以用于这些表面。图4描述了第一旋转键组件110以及第二旋转键组件120，其可用于减轻上述应 力。这些旋转键组件中的一个或多个可以在钻井工具的工作期间使用。在一个实施例中，参照第一旋转键组件110，活塞60可相对于壳体20轴向运动，而 不能相对于壳体转动。为了防止活塞60的转动，在活塞的外表面上加工有一组槽111(图 4A所示)，并且在壳体20的内表面上加工有类似的相匹配的一组槽112 (图4A所示)设 置。这些组的槽可以以直的构造形成。这两组槽111、112形成了一组轴承滚道118，该轴承 滚道接纳一个或多个轴承115，这里所涉及的轴承的一个例子是旋转键(rolling key) 115。 轴承可以包括球形件。这些槽可以具有限定各滚道中旋转键的运动的球形端部。随着活塞 60在壳体20内轴向往复运动，设置在槽之间的旋转键115阻止了活塞相对于壳体的转动运 动。此外，旋转键115可通过在活塞60和壳体20之间提供旋转动作而减少由往复式活塞 60所造成的摩擦压力。为确保键在活塞60的冲程期间旋转，键被定位在滚道中，使得滚道具有对于键来 说足够的长度来使得键在碰撞滚道的端部之前能够旋转。例如，如果活塞相对于壳体轴向 运动的距离为X，那么键相对于活塞旋转的距离为X+2，相对于壳体旋转的距离也是X+2。 当活塞处于其最高位置时，活塞上的槽的上端应当在壳体上的槽的上端之上至少X+2的 距离，并且自活塞上的槽的下端到壳体上的槽的下端的距离应当为至少X+2。在这样的设 置中，由于活塞向下运动的距离为X，键具有至少X+2长的滚道通道以分别在活塞上和壳 体上旋转。此外，当活塞处于其最低位置，即处于撞击时，自活塞上的槽的下端到壳体上的 槽的上端的距离应当至少等于X，以确保活塞不会将键撞击到壳体上的槽的上端。在一个实施例中，活塞60被构造为在向下的冲程中转动钻头。由于活塞60向上 运动的距离为X，键在其接触到槽表面时可以旋转，并且在其没有接触到时不可以旋转。在 任何情况下，活塞槽的下端都会将键抓住并使其沿壳体槽向上，并且将其定位在离活塞槽 的上端至少X+2距离并且离壳体槽的下端至少X+2距离的位置上，适合于其在活塞向下 运动时的完全的旋转动作。在另一方向上，在活塞60向下运动的距离为X时，并且在它提供了转动钻头所必 需的扭矩时，与转动钎头所需的高扭矩大小相等且方向相反的反作用扭矩促使活塞槽的表 面将键用力地挤压到壳体槽的表面。结果是，键在活塞槽上旋转了 X+2的距离并且在壳体 槽上旋转了 X+2距离。因此，确保了旋转替代了滑动动作，并且避免了这些表面上的磨损。在替代实施例中，活塞60被构造为在上冲程中转动钻头。在活塞60向下运动的 距离为X时，键在其接触到槽表面时可以旋转，并且在其没有接触到时不可旋转。在任何情 况下，活塞槽的上端都会将键抓住并使其沿壳体槽向下，并且将其定位在离活塞槽的下端 至少X+2距离并且离壳体槽的上端至少X+2距离的位置，适合于其在活塞向上运动时的 完全的旋转动作。在另一方向上，在活塞60向上运动的距离为X时，并且在它提供了转动钻头所必需的扭矩时，与转动头部所需的高扭矩大小相等且方向相反的反作用扭矩促使活塞槽的表 面将键用力地挤压到壳体槽的表面。结果是，键在活塞槽上旋转了 X+2的距离并且在壳体 槽上旋转了 X+2的距离。因此，确保了旋转替代了滑动动作，并且避免了这些表面上的磨 损。图4还示出了第二旋转键组件120。第二旋转键组件120定位在离合器80和活塞 60之间，并且它包括一个或多个轴承125和一个或多个滚道128，这里所提到的轴承的一个 例子为旋转键125。滚道可以形成为螺旋状结构。旋转键125有助于方便离合器80和活塞 60上的滚道表面之间的旋转动作，这可以减少由两个配合部件的行程所产生的摩擦阻力和 接触剪切应力的量。重要的是应当注意到，上面描述的与第一旋转键组件110相关的相同 的实施方式和实施例可以等效应用于第二旋转键组件120，反之亦然。图4B示出了第二旋转键组件120的横截面。现在将焦点集中在离合机构上。活 塞60在壳体20内沿轴向往复运动并且相对于壳体不可转动。然而，离合器80被驱动转动， 这是因为，它通过加工于活塞的外表面上的一组螺旋状槽、加工于离合器80的内表面上的 一组类似的匹配的槽、以及设置在这些槽之间的一组旋转键125而与活塞60相接合。由于 活塞60在壳体内沿轴向往复运动，它通过旋转键125沿着螺旋状滚道通道的行程来驱使离 合器80在顺时针和逆时针方向上摆动。例如，如果螺旋状槽以自槽的上端到槽的下端逆时 针的方式加工，那么当活塞向下运动时，离合器会在顺时针方向上摆动，而当活塞向上运动 时，离合器会在逆时针方向上摆动。此外，单向离合器80配置为与驱动轴90接合并且将运动在其摆动运动的单个方 向上传递给钻头25，或者沿顺时针或者沿逆时针。这允许钻头25以步进动作的方式转动， 或者沿顺时针或者沿逆时针。当离合器80与驱动轴90接合时，活塞60和其相邻表面之间 的接触应力会处于它们的最高值。因此，第二旋转键组件120应当被构造为，当离合器与驱 动轴90接合时，在活塞的冲程期间提供连续的旋转动作，如对于第一旋转键组件110所描 述的那样。具体地，键应当定位在滚道中，其中，该滚道具有对于键来说足够的长度，使得键 在碰撞到滚道的端部之前在活塞60的整个冲程中都能旋转。在活塞60的返回冲程，当离 合器脱离时，并且由于接触应力不再试图转动钎头因而其处于最小值时，旋转键125可以 旋转和/或被活塞60上的槽的端部带到一个位置，在该位置，当离合器在活塞的下一冲程 接合时，该旋转键会具有足够的滚道来旋转。在一个实施例中，螺旋状槽加工于活塞和离合器上，使得当活塞没有角度位移地 往复运动时，在活塞向下冲程时离合器沿顺时针方向摆动，并且在活塞向上冲程时离合器 沿逆时针方向摆动。在一可替代实施例中，螺旋状槽加工于活塞和离合器上，使得在活塞向下冲程时 离合器沿逆时针方向摆动，并且在活塞向上冲程时离合器沿顺时针方向摆动。在一可替代实施例中，钻头25的转动可以由活塞60的转动和离合器80的转动而 产生。在该实施例中，第一旋转键组件Iio的滚道118可以构造为，提供活塞相对于钻柱的 X度的转动；并且第二旋转键组件120的滚道1 可以构造为，提供离合器80相对于活塞 自身的Y度的转动。在第一和第二旋转键组件110、120中任一个上的滚道118、1观可以具 有恒定角度螺旋、变角度螺旋、或其组合。在活塞60的每个周期，钻头25的总角度偏移可 以由第一和第二旋转键组件110、120的滚道118、128的构造所提供。例如，第一旋转键组件110的滚道118的构造可以提供钻头25的X度的角度偏移，而第二旋转键组件120的滚 道128的构造可以提供钻头25的Y度的角度偏移，钻头25的总的角度偏移等于X加Y度。如上所提到的，钻井工具的钻头25通过由活塞60驱动的离合机构独立于钻柱而 转动。图4示出了离合器80和驱动轴90。离合器80可释放地耦合于驱动轴90，从而它可 以在单一方向上转动该轴。由于驱动轴90与包围钻头25的保持轴套100连接，当轴转动 时，钻头关于轴可转动地运动。在可替代实施例中，驱动轴90或者可以与钻头25 —体成型，或者也可以刚性联接 到钻头。根据所期望的转动方向，当活塞60在一个方向上冲程运动时，离合器80接合并转 动驱动轴90，其又转动钻头25。当活塞60在相反方向上冲程运动时，离合器80脱离驱动 轴90，避免了钻头25在相反方向上转回。因此，钻头25可以以顺时针或逆时针步进的方式 转动，独立于钻柱。图4B还示出了离合器80和驱动轴90的横截面。离合器80设置在驱动轴90中， 并且包括沿其周圈的多个槽口 85。离合器80可相对于驱动轴90转动，但不能相对于该驱 动轴轴向运动。类似地，驱动轴90包括多个狭槽92和多个制动爪(dogs)95，所述狭槽沿着 驱动轴的主体延伸，所述制动爪设置在狭槽中并且能够在狭槽中滑动。压缩空气允许进入驱动轴90的外表面，并且在制动爪95上施加径向朝内的力，促 使它们朝内偏置。以这种方式定位离合器80周圈上的槽口 85，使得在离合器在一个方向上 转动时槽口与制动爪相接合。如图4B所示，当离合器80逆时针转动时，离合器径向朝外地 推压制动爪95，允许离合器相对于驱动轴90滑动。另一方面，当离合器80顺时针转动时， 槽口 85向接合的制动爪85提供切向力，并将转动传到驱动轴90上。这种构造允许离合器 以高响应频率从接合位置切换到脱离位置。例如，如果活塞周期处于20到30赫兹的频率， 那么离合器应当能够每秒钟20到30次地从接合位置切换到脱离位置。在可替代实施例中，离合器上的槽口被定位为，当离合器以逆时针方式转动时与 制动爪相接合，而当离合器以顺时针方式转动时与制动爪脱离。在一个实施例中，离合器80具有分离度(resolution) R，即，其在两个接合位置之 间可自由摆动的最大角度。这个分离度被设置为略小于活塞上螺旋状滚道的每周期的角度 偏移，以允许制动爪滑入并且接合离合器的时间。例如，，如果活塞上的螺旋状滚道每个周 期的角度偏移是6或12度，根据螺旋线的侵占性(aggressiveness)，离合器上的分离度应 该为5或10度。X个槽口被加工于并等间距地布置在离合器80的周圈上。为了具有10度 的分离度，离合器应当具有36个槽口，而为了具有5度的分离度，离合器应当具有72个槽 口。X个槽口(X值在36和72之间)应当得到等于360 + X的分离度，或者在5到10度之 间的分离度。通常，上述布置中的每个槽口可以具有一个相应的制动爪，槽口在接合摆动期间 与该制动爪相接合。然而，如上提及的，为了具有5度的角度转动，驱动轴的主体上应当具 有72个槽口。驱动轴不可能包括具有足够宽度的如此多的槽口。因此，在可替代实施例中， 离合器分离度可以通过制动爪和槽口数量的错配来进一步细分，使得在离合器的每次摆动 期间，不是所有的槽口都接合每个制动爪。这个特征也减少了制动爪和离合器对于给定数 量的周期所引起的磨损量。
例如，离合器上的槽口的数量X和驱动轴上的制动爪/狭槽的数量Y以这样的方 式错配，该方式为Y小于X并且它们满足下面的等式k = Y+ (X减Y)，其中k是整数。如 果我们取Y = M且X = 36，那么k = ^+(36- ) =2。制动爪Y之间的等间隔角度为 360^24 = 15度，而槽口 X之间的角度是360 + 36 = 10度。因此离合器的分离度R现在 计算为15度减10度=5度。这个分离度R能够通过下面的等式直接从槽口和制动爪的数 量值中计算得出R = 360乘(X减Y) + (X乘Y)。数值η = X减Y表示在任意给定时间内 同时被接合的制动爪的数量，数值k = Y- (X减Y)表示每组将依次接合的制动爪的组的数 量，可以设计具有期望分离度和每个周期中期望数量的被接合的制动爪的离合器。例如，在 χ = 36且γ = 24的上述例子中，其应当具有两组制动爪，每组中有12个制动爪在给定时间 进行接合，而分离度为R = 5度。在数值X = M且Y = 18的另一例子中，其应当具有3组 制动爪，每组中有6个制动爪在给定时间进行接合，而分离度为R = 5度。最后，值得注意的是，关于从对下腔体充气到对上部腔体充气(或者相反)的切换 点的事件。随着活塞向上运动，它经过压缩空气停止进入下部腔体的点和压缩空气开始进 入上部腔体的另一点。随着活塞向下运动，它经过压缩空气停止进入上部腔体点，而之后 经过压缩空气开始进入下部腔体的另一点。在这两个充气点之间，活塞行进经过一“死区 (dead band) ”，该死区通常是大约一英寸长的行程，在此处经过钻柱的气流被工具切断，而 工具内的压缩空气与其他所有内部腔体隔离。通过允许工具在某个工作压力时消耗更少体 积的空气，该死区有助于增强工具的效率。然而，如果活塞出于一些原因在死区中停止，由 于没有压缩空气流进入任一腔体以使它轴向运动，它会停在那里。当这种情况发生时，活塞 的循环不会恢复。为了将活塞推出死区(如果它停在那里的话)，允许少量的泄漏连续地进 入腔体中的一个，该泄露足够使活塞运动，但是足够小以不会减少工具的效率。虽然前文引入了本发明的实施例，但是，在不脱离本发明的基本范围的情况下可 以想到本发明的其它的或另外的实施例，并且本发明的范围由下面的权利要求所限定。
权利要求
1.一种钻井工具组件，包括圆柱形的壳体；在该壳体内可轴向运动的活塞；设置在该壳体和该活塞之间的旋转键组件，该旋转键组件包括轴承，该轴承被配置为 在该活塞的第一方向期间旋转并在活塞的第二方向期间滑动；以及可操作地联接至该活塞的切削组件，其中该切削组件被构造为，当该活塞在该壳体内 轴向运动时相对于该活塞转动。
2.如权利要求1所述的钻井工具组件，其中，该活塞相对于该壳体可转动地固定。
3.如权利要求1所述的钻井工具组件，其中，该轴承为球形件。
4.如权利要求1所述的钻井工具组件，其中，该旋转键组件还包括由该活塞和该壳体 上的相邻的槽所形成的、引导该轴承的行程的第一滚道。
5.如权利要求4所述的钻井工具组件，其中，在该活塞的第二方向期间，该活塞上的槽 的端部使得该轴承沿着该第一滚道滑动。
6.如权利要求4所述的钻井工具组件，其中，该第一滚道包括直的构造。
7.如权利要求4所述的钻井工具组件，其中，该第一滚道包括螺旋状的构造。
8.如权利要求1所述的钻井工具组件，还包括设置在该活塞和该离合器之间的第二旋 转键组件，其中该旋转键组件包括第二轴承。
9.如权利要求8所述的钻井工具组件，还包括由该活塞和该离合器上的相邻的槽所形 成的、引导该第二轴承的行程的滚道。
10.如权利要求9所述的钻井工具组件，其中，在该活塞的第二方向期间，该活塞上的 槽的端部使得该第二轴承沿着该滚道滑动。
11.一种钻井工具组件，包括主体；活塞，沿着该主体在一第一方向和一第二方向上可轴向运动；钻头；以及离合机构，可操作地联接至该活塞和该钻头，其中该离合机构被构造为，当该活塞在该 第一方向上运动时，相对于该活塞转动该钻头。
12.如权利要求11所述的钻井工具组件，其中，该活塞相对于该主体可转动地固定。
13.如权利要求11所述的钻井工具组件，其中，该离合机构通过一可转动地固定至该 钻头的驱动轴可操作地联接至该钻头。
14.如权利要求13所述的钻井工具组件，其中，该驱动轴与该钻头是一体的。
15.如权利要求13所述的钻井工具组件，其中，该离合机构包括离合器，具有围绕该离合器的周圈设置的多个槽口 ；多个狭槽，设置在该驱动轴上；以及多个制动爪，设置在该狭槽中。
16.如权利要求15所述的钻井工具组件，其中，该制动爪被压缩空气径向向内偏置。
17.如权利要求15所述的钻井工具组件，其中，一个或多个槽口被配置为，当该活塞在 该第一方向上运动时，与一个或多个制动爪相接合。
18.如权利要求15所述的钻井工具组件，其中，该槽口被配置为，当该活塞在该第二方向上运动时，与该制动爪脱离。
19.如权利要求15所述的钻井工具组件，其中，该制动爪和该槽口的数量是错配的。
20.一种形成井眼的方法，包括将钻井工具设置在井眼中钻柱上，该钻井工具包括主体、活塞、离合机构和钻头；通过将压缩空气交替地引入该活塞上方的上部腔体和该活塞下方的下部腔体，而使该 活塞轴向地往复运动；独立于该钻柱转动该钻头，其中该钻头被构造为当该活塞沿着该主体轴向地运动且接 合该离合机构时转动，并且其中该钻头相对于该活塞转动；以及当该钻头转动时提供撞击力，从而形成井眼。
21.如权利要求20所述的方法，其中，该活塞相对于该主体可转动地固定。
22.如权利要求20所述的方法，其中，该活塞相对于该主体可转动地摆动。
23.如权利要求20所述的方法，其中，该钻井工具还包括设置在该主体和该活塞之间 的第一旋转键组件。
24.如权利要求23所述的方法，其中，该第一旋转键组件包括球形件，该球形件被构造 为，当该活塞沿着该主体在第一方向上轴向运动时旋转，并当该活塞沿着该主体在第二方 向上轴向运动时滑动。
25.如权利要求20所述的方法，其中，该钻井工具还包括设置在该离合机构和该活塞 之间的第二旋转键组件。
26.如权利要求25所述的方法，其中，该第二旋转键组件包括球形件，该球形件被构造 为，当活塞相对于该离合机构在第一方向上轴向运动时旋转，并当该活塞相对于该离合机 构在第二方向上轴向运动时滑动。
27.如权利要求20所述的方法，其中，该离合机构被构造为，当该活塞沿着该主体在第 一方向上轴向运动时在逆时针方向上转动。
28.如权利要求20所述的方法，其中，形成井眼包括通过使用弯转接头来有定向地钻 井眼。
29.如权利要求20所述的方法，还包括，造成向一个腔体的空气泄漏，以在如果该活塞 停在压缩空气无法导入到任一腔体的区间中时，确保该活塞的运动。
全文摘要
本发明总体上涉及一种用于撞击式钻井的方法和设备。提供了一种具有壳体和活塞的钻井工具。钻井工具可以被构造为，在转动钻头的同时撞击，独立于钻柱的转动。钻井工具可以包括设置在壳体和活塞之间的旋转键组件，其包括轴承，该轴承配置为，在活塞的第一方向期间旋转而在活塞的第二方向期间滑动。钻井工具可以包括离合机构，该离合机构构造为，当活塞在第一方向上被引导时转动钻头。
文档编号E21B4/00GK102066686SQ200980106468
公开日2011年5月18日 申请日期2009年2月6日 优先权日2008年2月8日
发明者于伊·D·布伊, 布鲁克斯·霍华德·杰文斯 申请人:杰文斯公司