具有强化的冲洗孔的柄部适配器的制作方法

本发明涉及一种岩石钻凿柄部适配器，且特别地但非排它地涉及一种具有延伸穿过适配器的器壁的至少一个冲洗孔的柄部适配器，其中，所述冲洗孔的至少一个区域被加强，以针对弯曲应力、压缩应力和/或拉伸应力强化适配器。

背景技术：

冲击钻凿是一项众所周知的技术，其通过从安装在钻柱的一端处的岩石钻头传递到在钻孔的底部处的岩石的锤击冲击力来破碎岩石。破碎岩石所需的能量由液压驱动的活塞产生，该液压驱动的活塞接触定位于钻柱的与钻具相对置的另一端处的柄部适配器。适配器上的活塞撞击会产生应力(或冲击)波，该应力(或冲击)波通过钻柱传播并且最终传播到钻孔的岩石底部。

柄部适配器通常包括内部钻孔，以允许将冲洗流体传递到钻具的区域。冲洗流体既起到冷却工具的作用，又起到从钻孔排出钻屑和细粒的作用。通常，流体经由在适配器的器壁中的径向延伸孔被引入到柄部适配器中，该径向延伸孔浸没在流体箱内，该流体箱在孔的任一侧上轴向地密封在适配器的外表面上。在ep1077305；wo2013/109182；wo2004/079152和us4,094,364中描述了具有内部冲洗孔的示例性柄部适配器。

现有的柄部适配器的常见问题是，由于冲击活塞产生的压缩应力和拉伸应力以及由于在钻凿期间钻柱的横向偏离而产生的弯矩，适配器的器壁易于遭受破裂，且故障从冲洗孔发生和传播。柄部适配器故障通常是突然的，并且导致钻凿组件的停机。尽管wo2004/079152公开了旨在降低适配器故障的冲洗孔，但是仍然需要具有如下冲洗孔的适配器：该冲洗孔进一步减小或消除响应于压缩力和拉伸力以及弯矩的破裂的可能性。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种岩石钻凿柄部适配器，该柄部适配器具有用于将冲洗流体引入到适配器中的入口孔，该入口孔被构造用以最小化或消除适配器的器壁经由裂纹从冲洗孔的传播而破裂的可能性。进一步的目的是，提供一种被构造用以能够承受在冲洗孔的区域处经受的拉伸力和压缩力的柄部适配器。本发明的另一个目的是，提供一种具有加强的冲洗孔以抵抗通过适配器传输的弯矩的柄部适配器。另一个特定目的是，提供一种冲洗孔，该冲洗孔被构造用以促进将冲洗流体从围绕柄部适配器周围的外部区域引导到轴向延伸的内部钻孔中。

这些目的通过形成与轴向延伸的内部钻孔连通的径向延伸穿过适配器的器壁的冲洗孔来实现，所述冲洗孔在轴向后部区域处被加强。此外，本发明的柄部适配器被构造用于通过将径向延伸的冲洗孔定位在轴向延伸的中心钻孔的轴向最后端处来增强强度，同时不危害或限制流体流入到中心钻孔中。

本发明的冲洗孔构造适合于在伸长的适配器的中心钻孔内沿轴向向前方向引导冲洗流体。这是经由被加强以伸入到冲洗孔中的在冲洗孔的轴向后部区域处的径向内部来实现的。特别地，在后部区域处的限定冲洗孔的表面向内弯曲或倾斜进入到冲洗孔的体积中(径向地延伸穿过适配器的器壁)，以便朝向在孔的轴向前部区域处的孔表面被引导。因此，在(定位在适配器的内部轴向钻孔处的)孔的径向内侧边缘或内侧处的孔的横截面面积小于在(定位在适配器的外表面处的)孔的径向外侧边缘或外侧处的孔的对应的横截面面积，其中相应的横截面轴向地延伸。

特别地，根据本发明的第一方面，提供了一种岩石钻凿柄部适配器，其包括：伸长的主体，该主体具有朝向活塞定位的第一端和朝向钻柱定位的第二端；所述主体包括轴向延伸的内部钻孔，以允许冲洗流体经由所述第二端前往所述钻柱；冲洗孔，该冲洗孔径向穿过所述主体延伸到所述内部钻孔，所述孔具有轴向前部区域，该轴向前部区域比轴向后部区域更靠近第二端定位，该轴向后部区域更靠近第一端定位，并且所述孔具有定位在适配器的外表面处的径向外侧和定位在内部钻孔处的径向内侧，所述外侧和内侧经由大致径向延伸的表面联接起来，该大致径向延伸的表面限定了延伸穿过主体的冲洗孔；其特征在于：冲洗孔在轴向后部区域处相对于轴向前部区域以如下方式被加强，即，在从外侧到内侧的径向方向上，在后部区域处的表面至少在径向内部处相对于所述孔的在轴向前部区域处的表面的在径向方向上的径向最内部分横向对准或弯曲。

根据本发明的另一方面，岩石钻凿柄部适配器的特征在于，冲洗孔在轴向后部区域处相对于轴向前部区域被加强，其中，在从外侧到内侧的径向方向上，在后部区域的表面至少在径向内侧部分处弯曲，使得在后部区域处的在内侧处的表面在轴向上定位成比后部区域的在外侧处的表面更靠近适配器的第二端和/或在前部区域处的孔的表面。

根据本发明的另一方面，岩石钻凿柄部适配器的特征在于，在从外侧到内侧的径向方向上，在后部区域处的表面至少在径向内部处相对于在径向外部处的在后部区域处的表面的定向横向对准或弯曲，使得在后部区域处的在内侧处的表面在轴向上定位成比后部区域的在外侧处的表面更靠近适配器的第二端和/或在前部区域处的孔的表面。

优选地，在径向内部处，孔壁表面在垂直于适配器的纵向轴线延伸的横截面中是凹进的。因此，在孔的后部区域处的孔壁表面可以被认为限定了从外侧到内侧径向延伸的凹进通道的至少一部分。凹进的曲率有利于最小化在冲洗流体在被引入内部钻孔时的湍流和应力集中。

优选地，孔在适配器的外表面处由边缘限定，该边缘具有笔直部分，该笔直部分被设置在轴向前部区域处，所述笔直部分在每个端部处由相应的弯曲部分接界。优选地，该笔直部分大致垂直于适配器的纵向轴线对准。更优选地，在轴向后部区域处的边缘在轴向方向上是凹进的，使得在后部区域处的边缘限定卵形、椭圆形或圆形的一部分。这样的构造有利于最小化在冲洗孔的外侧处的应力集中，在使用期间，拉伸力和压力在该外侧处可能是最大的。

优选地并且在径向方向上，在轴向后部区域处的孔壁表面的径向外部大致垂直于适配器的纵向轴线对准或者横向于在径向内部处的孔壁表面对准或者与在径向内部处的孔壁表面处于不同的定向。在径向外部区域和内部区域处的孔的表面的定向(角度对准)的相对差异有利于实现期望的孔几何形状，并且特别是有利于限制在适配器的外表面处孔的横截面面积或大小。在内侧和外侧处孔的相对横截面面积有利于最小化应力，特别是有利于最大化对弯曲的抵抗，而不会危害穿过冲洗孔传输到内部钻孔的冲洗流体的流量。

可选地，在外表面处，孔的在与适配器的纵向轴线垂直的方向上的宽度等于或小于内部钻孔的直径。这样的构造进一步有利在最小化应力集中和最大化将冲洗流体引入内部钻孔中的效率之间实现期望的平衡。

优选地，冲洗孔被定位在内部钻孔的轴向最后端处，使得孔的轴向后部区域代表内部钻孔的轴向最后端或延伸部，该轴向最后端或延伸部朝向适配器的外表面径向向外弯曲或倾斜。这样的构造有利于在冲洗孔的轴向后部区域处加强适配器，以便针对弯矩提高强度。这种构造进一步有利于在流体被引入到内部钻孔中时最小化在内部钻孔的后部区域内的紊流。根据优选的构造，在直径方向上相对置的内部钻孔之间的、处在适配器的中心处的径向连接部限定锥形或截头锥形部分，其从内部钻孔的轴向最后端轴向地伸入到内部钻孔中。

优选地，弯曲的内部的半径不小于5mm、10mm、15mm或20mm。这样的布置结构有利于实现冲洗流体沿轴向向前进入内部钻孔的期望引导，并且有利于最小化应力集中，否则该应力集中将会由于冲洗孔在径向方向上的几何形状和/或角度构造的突然变化而发生。

适配器还包括侧面部分，所述侧面部分在轴向前部区域和轴向后部区域之间轴向延伸，以完成孔，从而形成闭环。优选地，侧面部分可以是大致笔直的并且大致平行于适配器的纵向轴线对准。

优选地，适配器包括不多于两个冲洗孔，冲洗孔每个包括弯曲或横向对准的径向内部。将孔的数量增加到两个之上弱化了适配器的抗弯矩性并且由于拉伸力和压缩力而增加了应力集中。本发明的适配器可以包括单个冲洗孔。然而，两个冲洗孔是优选的，以针对增加冲洗流体流入内部钻孔的流量优化适配器。优选地，两个孔在直径方向上彼此相对置地定位，与内部钻孔流体连通。这样的构造有利于最小化应力集中以及提供在冲洗孔和内部钻孔的径向连接部处被强化的对称的适配器主体。孔的这种相对定向还避免了围绕适配器的纵向轴线的非中心质量分布，否则非中心质量分布在使用期间在适配器旋转时对于该适配器可能是有害的。

根据本发明的另一方面，提供了包括如本文所要求保护的柄部适配器的岩石钻凿设备。可选地，该设备还包括：伸长的活塞，其具有主长度和用以接触适配器的第一端的能量传输端；以及钻柱，其由多个联接起来的伸长的钻杆形成，其中，该钻柱的最后面的钻杆被联接到适配器的第二端。

附图说明

现在将仅以示例的方式并参照附图来描述本发明的具体实施方式，其中：

图1是根据本发明的具体实施方式的形成岩石钻凿设备的一部分的柄部适配器的外部透视图，该岩石钻凿设备还包括伸长的钻柱和液压驱动的往复式活塞；

图2是穿过根据本发明的具体实施方式的图1的柄部适配器的横截面侧视图；

图3是穿过根据图2的具体实施方式的延伸穿过适配器的器壁并且与轴向延伸的内部钻孔连通的一对冲洗孔的放大的横截面图；

图4是图3的冲洗孔中的一个冲洗孔的外部透视图。

具体实施方式

参照图1，岩石钻凿设备包括伸长的能量传输适配器100，该能量传输适配器100包括主体(或长度区段)101，该主体101具有相对于纵向轴线109的前端103和后端104。多个轴向平行的伸长花键106在伸长主体101的朝向后端104的后部区域处从外表面102径向向外突出。花键106被构造成被旋转马达(未示出)的对应的花键接合，以在钻凿操作期间引起适配器100绕轴线109的旋转。适配器100进一步包括一对冲洗孔(替代地称为冲洗钻孔)105，该一对冲洗孔105在轴向上定位在端部103、104之间并且从外表面102径向穿过适配器的主体101延伸到在适配器100内轴向延伸的内部腔体或区域。

适配器100被构造用于联接到伸长的钻柱并且允许应力波传输到位于钻孔的最深区域处的钻具(未示出)，以施加冲击钻凿动作。特别地，适配器的前端103可联接到形成钻柱的一部分的后部的伸长钻杆107的后端。适配器的后端104被构造成被液压驱动活塞108接触，液压驱动活塞108在适配器100和钻柱内产生应力波。这样的设备还包括冲洗流体箱以及相关联的密封件、阀门和泵(未示出)，所述冲洗流体箱以及相关联的密封件、阀门和泵(未示出)在外部被定位在适配器表面102周围，使得冲洗孔105被容纳在箱内，以允许将流体引入到适配器100中并且随后轴向地穿过伸长钻杆107。

参照图2和图3，适配器100包括内部伸长钻孔200，该内部伸长钻孔200轴向延伸穿过适配器100的在前端103与冲洗孔105之间的轴向长度的大部分，该钻孔200由大致柱形的面向内部的表面201限定。根据具体实施方式，所述一对直径方向上相对置的冲洗孔105被设置在钻孔200的最后端206处，并且在相对于适配器的前端103最接近适配器的后端104的位置处有效地终止钻孔200。每个冲洗孔105径向地延伸穿过在外表面102和内部钻孔200之间的在适配器100处的大致柱形壁203。因此，每个孔105包括：外边缘202，外边缘202与外表面102共面地定位；和内边缘205，内边缘205定位在与内部钻孔200的交界面处。每个冲洗孔105包括总体上由附图标记204表示的轴向前部区域和总体上由附图标记207表示的轴向后部区域。

参照图3和图4，延伸穿过适配器的器壁203的每个孔105由多个表面区域限定，所述多个表面区域共同地限定在外边缘202和内边缘205之间的闭环钻孔。特别地，孔105包括垂直于轴线109对准的最前表面305。表面305延伸了在外边缘202和内边缘205之间的整个径向距离，并且在横跨适配器100的宽度方向(垂直于轴线109)上的每个端部处由一对弯曲表面405接界，所述一对弯曲表面405从表面305朝向最后面的区域207轴向向后延伸。孔105还包括一对平行的长度方向延伸表面400，所述一对平行的长度方向延伸表面400大致平行于轴线109对准，并且大致垂直于最前表面305。长度方向延伸表面400的最后端406过渡到弯曲表面301中，弯曲表面301在适配器100的(垂直于轴线109延伸的)横截面中是凹进的。孔105的在最后面的区域207处的表面可以被认为划分成总体上由附图标记300表示的径向外部区域和总体上由附图标记302表示的径向内部区域。根据本发明的具体实施方式，在径向外部区域300处的表面301在垂直于轴线109的平面中是半圆形的，并且提供了过渡到孔的长度方向延伸表面400中的平滑弯曲过渡。在外边缘202和内边缘205之间的径向方向上，在最后面的且为径向最外的区域300处的表面301垂直于轴线109对准，并且大致平行于最前面的表面305。因此，每个孔105在径向方向上的横截面面积在外边缘202和径向内部区域302之间的径向外部区域300内是大体上均匀的。每个孔105的横截面面积然后在径向内部区域302内在从外边缘202到内边缘205的径向向内的方向上减小。该横截面面积的减小由在轴向方向上从后端104朝向前端103弯曲的孔105的在轴向后部区域207处的表面提供。也就是说，每个孔105的横截面面积随着最后面的区域207在轴向方向上朝向适配器的前端103延伸而逐渐缩窄。另外，在径向内部区域302处的孔表面306(在垂直于轴线109延伸的适配器100的横截面中)也是凹进的，并且包括与在径向外部区域300处的表面301的曲率半径相一致的曲率半径。在径向内部区域302处的表面306的径向最内端303大致限定了内部钻孔200的在轴向最后端206处的区域。因此，直径方向上相对置的孔105的相对置的径向内部区域302限定了在垂直于轴线109的平面上对准的截头锥形部分307，该截头锥形部分307具有凹进的外表面306，其具有以轴线109为中心的顶端，所述顶端限定了内部钻孔200的最后端206。

每个孔105的弯曲的径向内部区域302在每个冲洗孔105的径向内部区域处针对由于在使用期间轴向地通过适配器100传输的拉伸力和压缩力而引起的应力集中和疲劳有效地强化适配器100。通过最前面的表面305大致垂直于轴线109对准，每个孔105的轴向前部区域204针对压缩力和拉伸力被进一步强化。应力集中还通过外边缘202的形状轮廓而减小，如图4中所示。特别地，在孔105的轴向最前区域204处的外边缘402垂直于轴线109对准。外边缘402在每个宽度方向端部处由朝向适配器的后端104轴向地向后弯曲的相应的弯曲边缘部分403接界。边缘202进一步由一对平行且相对置的长度方向边缘区域401限定，所述长度方向边缘区域401过渡到在孔105的后部区域207处的弯曲的最后边缘区域404中。

根据具体实施方式，孔表面301的径向外部区域300的径向长度a小于径向内部区域302的表面306的对应的径向长度b。特别地并且根据具体实施方式，距离a约为距离b的一半。每个孔105的在径向内部区域302处的表面306弯曲，在约60°的角度上轴向向前延伸。因此，在轴向后部区域207处的每个孔105的径向内部区域302在朝向适配器的前端103的方向上弯曲，距离是每个孔105的总轴向长度c的约一半。也就是说，径向内部区域302的径向最内端303大致定位在最前边缘402和最后边缘404的最后部分407之间的中间长度位置304处。

通过强化每个孔105的后部区域207，针对在冲洗孔105的区域处的压缩力和拉伸力以及还有弯矩强化了适配器100。另外，通过“圆化”每个孔105的内部区域302，冲洗流体被引导以在朝向适配器的前端103的方向上轴向地流入到中心钻孔200中。因此，当与孔表面的所有区域都垂直于轴线109对准的常规的冲洗孔构造相比时，在从外边缘202到内边缘205的径向方向上的每个孔105的横截面面积的任何减小(由于径向内部区域302的弯曲)并不降低流入到内部钻孔200中的流体的流量。另外，已经观察到，设置两个直径方向上相对置的冲洗孔105明显减小冯·米塞斯(vonmises)应力，并且还防止由于通过适配器100传输的弯矩(由于在钻凿期间钻头的横向偏离而产生的)而导致的柄部适配器弯曲。在后部区域207处提供弯曲的表面306的同时使在前部区域204处的最前表面305垂直于轴线109定向有效地实现冲洗流体到钻孔200中的期望流量，同时最小化在冲洗孔105周围的适配器100的区域处的应力集中。根据具体实施方式，利用具有(在相对置的长度方向表面400之间限定的)宽度e的冲洗孔105实现了期望的流量和应力抵抗，所述宽度e小于轴向延伸的内部钻孔200的直径d。根据具体的实施方式，(在最后表面301和最前表面305之间限定的)孔长度c大于孔的所述宽度e。每个冲洗孔105的提高的强度(和对应力集中的抵抗)通过在每个孔105的径向内部区域302处的额外的支撑且特别是通过在轴向延伸的钻孔200的最后端处的锥形部分307来实现。在适配器100的径向中心处且在相对置的冲洗孔105的径向连接部处的锥形部分307起到了强化适配器100的作用，从而最小化拉伸应力。在径向内部区域302处的表面306的弯曲提供了从径向外部区域300到径向最内端303的平滑的表面轮廓过渡，从而最小化每个孔105的在外边缘202和内边缘205之间的整个径向长度上的应力集中。