专利名称：一种用于从钻孔中清除杂物的装置和方法
技术领域：
本发明一般是涉及岩石钻具，特别是涉及那种适于插入到被钻孔中的气动操作的冲击钻具，这种冲击钻具以“深孔”钻具或DHD而广为人知。
对于深孔钻具的许多申请是要求将流体诸如水和其他物质注入钻具的空气供给中，以便为改进孔的清洁和稳定性创造条件。典型地，注入液体的体积可在大约每分钟2加仑至大约15加仑的范围。当水被注入用于深孔钻具(DHD)的流动的空气中时，相对于一给定的压力穿透速率的损失很大。根据流体喷射速率和压力，穿透力可能下降30%到60%的范围。与流体喷射相关的冲击性能的降低对深孔钻具产生有害影响，且在许多场合造成不适于使用深孔钻具(DHD)。
前面所述描述了存在于目前深孔钻孔技术中的已知的局限性。很明显提供一种涉及克服上述一个或几个限制的替代装置是有利的。因此，本发明提供了一个包括下面详细公开的有特点的适宜的替代装置。
本发明的一个目的是通过提供一种从钻孔中清除杂物的装置来实现的，该装置包括一个邻接一冲击钻具的顶端的气旋分离器，其用于接收来自一钻杆轴向孔的流动的冲击流体和其他物质的混合物。该分离器基本上是清除和收集所有来自冲击流体中的其他物质，且随后将冲击流体通过分离器输送到钻具，与此同时，将所收集的其他物质和从分离器出来的至少一些冲击流体输送到钻孔环状空间，以用于清除杂物。一个在分离器上的单向阀在冲击流体的流动停止时密封住分离器，防止杂物倒流进入该分离器。
本发明的另一个目的是通过提供一种从钻孔中清除杂物的方法来实现的，该方法包括邻接一冲击钻具的顶端设置一分离器，以用于接收来自一钻杆轴向孔的流动的冲击流体和其他物质的混合物;清除和收集来自冲击流体中的基本上所有的其他物质，并随后将冲击流体通过分离器输送给钻具，与此同时，将所收集的其他物质和从分离器出来的至少一些冲击流体输送到钻孔的环状空间，以用于清除杂物;同时在冲击流体的流动停止时也将分离器密封以防止杂物回流进入分离器。
本发明提供一种用于从钻孔中清除杂物的装置，该钻孔由一流体作用冲击的深孔钻具而形成，钻具适于以其顶端从具有一轴向孔的一钻杆悬垂，其包括设置在邻近钻具的顶端的分离装置用来接收来自钻杆轴向孔的一流动的冲击流体和其他物质的混合物，用以在分离装置的底端从冲击流体中大致上分离和收集所有其他物质，并随后将冲击流体通过装置输送到钻具，与此同时将收集的其他物质和从分离装置出来的至少一些冲击流体输送入钻孔的环状空间，以用于清除杂物;通过分离装置延伸的通道装置，用于将钻杆轴向孔和钻具的顶端之间连通，使得至少一些冲击流体混合物绕过导流装置;在分离装置上的阀装置，当冲击流体停止流动时，用于将分离装置封闭以防止杂物回流进入分离装置;其中冲击流体是空气;其他物质基本上都是水;其他物质是一种来自钻杆轴向孔的固体颗粒、油和水的混合物;其中该装置包括进口装置，用于与钻杆轴向孔流动连通，并用以接收从钻杆轴向孔来的冲击流体和其他物质的混合物的液流;分离装置，与进口装置流动连通，用于从冲击流体中分离其他物质，并用以将冲击流体通过装置输送到钻具;收集装置，与分离装置的底端邻接，且与分离装置流动连通，用于收集其他物质;第一出口装置，与钻具的顶端流动连通，用于将来自分离装置的冲击流体输送到钻具;第二出口装置，设在收集装置上，用以将收集的其他物质和至少一些从装置出来的冲击流体输送入钻孔的环形空间，以便从中清除杂物;和阀装置，设在分离装置上，在冲击流体的流动停止时，用于将分离装置封闭以防止杂物回流进入分离装置。
本发明还提供一种用于从钻孔中清除杂物的装置，该钻孔由一流体作用冲击的深孔钻具而形成，钻具适于以其顶端从具有一轴向孔的一钻杆悬垂，其包括一个用于将该装置连接到一钻杆上的顶部连接件;一个用于将该装置连接到一深孔钻具的后端的底部连接件，一个在顶部连接件和底部连接件之间轴向延伸的纵向壳体，其确定一个中空涡流腔;在顶部连接件处的一个第一进口，在钻杆和涡流腔之间流动连通，用以接收来自钻杆的冲击流体和其他物质的混合物;在底部连接件处的一个第一出口，在涡流腔和后端之间轴向流动连通;在第一进口中的导流装置，用于将来自一轴向向下方向的冲击流体混合物的液流导向一切向向外方向，从而使冲击流体的混合物在切向上向壳体的一个内面冲击，且随后通过涡流腔向下流动，以此从冲击流体中至少分离出一些其他物质;一个在导流装置下面的中空的中心管，轴向上通过涡流腔延伸，其具有一个与底部连接件封闭地连接的下部和一个终止在一中心管进口处与导流装置邻接的上部，中心管确定一个在壳体的内面和中心管的一个外面之间的第一冲击流体通道，和一个在中心管内部的第二冲击流体通道，第二冲击流体通道在涡流腔和第一出口之间轴向连通;一个挡板，在第一冲击流体通道中与中心管的底部相连并与壳体的内面间隔开，以用于使冲击流体混合物向下的流动反向朝中心管进口向上流动，从而从冲击流体混合物中分离出大部分的其他物质，并在其下面形成一个用于从冲击流体中分离出的其他物质的收集通道;一个收集通道出口，以使其他物质和至少一些冲击流体能从收集通道流出进入所述钻孔的环状空间，以便使杂质清除;和一个在第一进口中的单向流动阀，用于仅使向下轴向流动的冲击流体从其通过。其还包括一个在第一进口内的导流板，导流板密封地连接到第一进口的一个内面，导流板有一个在第一进口内轴向向上延伸的锥形上表面;多个小孔通过导流板，当从水平截面上观察时，小孔相对于第一进口的内面是切向设置的，小孔形成多个连通第一进口和第一冲击流体通道之间的冲击流体通道;和一个密封地连接到导流板上的中空屏蔽管，屏蔽管轴向向下在导流板下面延伸，并套在中心管进口一段足够的距离，以防止冲击流体混合物在通过第一冲击流体通道的一段距离之前进入中心管;导流板至少有一个轴向向下从其中延伸的小孔，从而形成一个连通第一进口和中心管进口之间的通道，以使至少一些冲击流体混合物能绕过导流装置。
本发明也提供一种用从钻孔中清除杂物的方法，该钻孔由一流体作用冲击的深孔钻具形成，钻具适于以其顶端从具有一轴向孔的一钻杆悬垂，其包括在钻具的顶端和钻杆的一底端之间设置一分离装置，使一流动的冲击流体和其他物质的混合物注入孔中;将混合物向下输入到钻孔中的分离装置;在冲击流体进入钻具之前，基本上从混合物中清除所有其他物质;与此同时，将从分离装置出来的清除的其他物质排入到钻孔中，以便清除杂物;与此同时，在混合物的流动停止时，防止杂质从孔中回流进入分离装置。其中水是以每分钟0到15加仑之间的速率喷射;空气流速是在每分钟1000到600标准立方英尺之间;气压是在每平方英寸100磅到300磅之间;空气流速是在每分钟200到1000标准立方英尺之间;在清除其他物质之前，同时向钻具喷入至少一些冲击流体混合物，以便润滑钻具。
前述和其他目的在下面结合附图对本发明的详细描述中将更加显现出来。
图1为一适于在本发明中应用的与一流体作用冲击的深孔钻具一起使用的清洗装置的纵剖面图;
图2是沿图1的2-2线所示的水平截面视图;
图3是沿图1的3-3线所示的水平截面视图;
图4是适用于本发明的一个单向阀的纵剖面图，其中有些部分来示出;
图5是由本发明得到的表示改进的穿透速率相对于各种水喷射率的特性曲线;
图6是由本发明得到的表示改进的冲击流体的流动速率相对于各种水喷射速率的特性曲线;
图7是由本发明得到的表示改进的穿透速率相对于各种冲击流体压力的特性曲线;
图8是由本发明得到的表示改进的冲击流体流动速率相对于各种流体压力的特性曲线。
请参见图1所示，其中表示有钻孔1，钻孔1带有一个适于在本发明中使用的清洗装置设置于其中，一般用3表示，清洗装置3具有一个顶部连接件5，该顶部连接件5通过一般的连接方式如螺纹与钻杆9的底端7相连。一个底部连接件11通过一般连接方式如螺纹将装置3连接到深孔钻13的后端。只要装置3是在钻孔1中并与钻具13相邻接，底部连接件11在钻杆9中可以连接另一元件，而不与钻13相连，其意义是等效的。
如众所周知的，使一流体流过钻杆9而对钻13产生作用。在本实施例中，钻13属于已知的那类由一气动流体如空气驱动的冲击深孔钻具。最终是流体处于钻头处并沿钻孔向上移动，以便从钻孔中运出杂物。出自钻孔中的杂物可能包括被钻地层的颗粒，渗入钻孔中的水以及通过钻杆9引入钻13中的其他物质。
为了增加杂物的移出，可将水注入到流体中去。其他物质如油也可以注入以用于钻具的润滑。此外，其他物质诸如需从钻杆内部移出的锈蚀或结垢也可由流体运出。这样，冲击流体也许会是空气、水、油和包含有固体颗粒的其他物质的混合物。
如在此使用的，术语“冲击”是指利用一循环往复活塞将冲击力传递到钻头，从而产生地层穿透的那类钻具，而不是指利用一回转研磨作用而产生穿透的那类回转式钻具。
如在此使用的，术语“冲击流体”是指将循环往复作用传递到钻具活塞上的气动流体。
诸如通过焊接方式将一纵向壳体15固定到顶部连接件5和底部连接件11上，且确定一个在两个连接件之间轴向延伸的中空涡流腔17。一个在顶部连接件5处的第一进口19轴向上地将钻杆轴向孔21和涡流腔17之间流动连通。一个在底部连接件11处的第一出口23轴向上将涡流腔17和后端13之间流动连通。
一导充装置，通常用25表示，密封地固定在第一进口19中。如图2和图3中的水平横截面图所示，进口19呈环形轮廓，导流装置25也呈环形轮廓，尽管可以使用其他形状的轮廓。再参见图1，导流装置25还包括一个在横截和垂直于涡流腔17和孔21的纵轴线方向的一平面内横过第一进口19延伸的导流板27。导流板27的这个平面在此是指一“径向”平面或方向。导流装置25将冲击流体和其他物质的混合物的流动由一向下的轴线方向引导为一径向和切向方向，如在下文所详述的内容。
一个中空的中心管29在导流装置25的下面轴向穿过涡流腔17延伸，且其具有一与底部连接件11密封地接触的下端31和一个在中心管入口35内邻接于导流装置25而中止上端33。中心管29确定一个在壳体15的内表面39和中心管29的外表面41之间的第一冲击流体通道37。中心管也确定一个在中心管29的内部轴向上将涡流腔17和第一出口23之间连通的第二冲击流体通道43。
一个档板45连接到中心管29的下端47，且环绕地向内延伸入第一冲击流体通道37，而端部与内表面39间隔开，以便使冲击流体产生逆流，如下文详述。
一个收集通道49在涡流腔17的下端47处挡板45的下面形成，以用于收集从冲击流体中分离出的其他物质，如下文详述。一收集通道出口51将钻孔和收集通道49的内部之间连通，以允许在此收集的其他物质以及一些冲击流体流出进入到钻孔1的环状空间。出口51可以是一个简单的具有从其通过的开口通道53的“T”形管接头。虽然只表示了一个出口51，但可以使用多个围绕涡流腔17在环周上间隔开的出口。
现在参见导流装置25，导流板27具有一个在第一进口19内轴向向上延伸的锥形上表面54。如图2和图3所示，连接件5有多个从其中通过的小孔55。小孔55在相对于涡流腔17的轴向方向的一径向方向上延伸。如在水平截面上观察，进口19呈环形轮廓，且小孔55相对于进口19的内表面57切向延伸。小孔55将第一进口19和第一流体通道37之间流动连通。一个中空的屏蔽管59密封地从导流板27向下悬垂，该屏蔽管59轴向套在中心管进口35并延伸上段足够的长度，以防止在冲击流体混合物向下通过涡流腔17的一段距离并在挡板45处反向之前进入中心管进口35。一个单孔61轴向向下通过导流板27延伸，其形成一将第一进口19和中心管进口35之间连通的通道，而允许至少一些冲击流体混合物绕过导流装置，以便使少量的冲击流体混合物能够直接流向钻头用于诸如润滑的目的，提供多个孔以替代一个孔61应当是等同的。
一个单向阀63适于只允许冲击流体混合物从其中轴向向下流动，其密封定位在第一进口19中。在冲击流体的流动期间阀63通常是打开的。当冲击流体的流动停止时，阀63是关闭的。需要阀63是因为在流体流动停止时，来自钻孔环形空间的水和其他杂物会通过开口通道53倒流入收集腔49。这种导流会积累在腔17中，并会上升到中心管进口35且由此流入到钻具中，引起钻头损坏这个特点是重要的，因为当操作者不工作的时候钻具是停留在下面的钻孔中。
由于阀63的关闭，冲击流体被封闭在清洗装置3内，并且在水和杂物在涡流腔17内上升同时，冲击流体渐渐被压缩，直到冲击流体的压力等于回流压力为止且回流停止。任何普通的单向阀就可完全满足。图4所示是这种阀的一个实施例。
现参见图4所示，单向阀63包括一个中空的管状本体65，该本体65可卸地置于第一进口19中的肩66上。环状弹性密封环67定位在本体65的外表面的一个槽中，其密封地与进口19的内表面57接触。如众所周知的，本体65由在相应槽71中定位的保持环69保持在位置中，中空的阀杆73可滑动地定位在中空本体65内。阀杆73具有一个在本体65内轴向向上朝轴向进口小孔77延伸的截锥形上端75。本体65在其内有倾斜向下的密封座79，其形状与锥形上端75相一致。弹性密封装置81设置在座表面79，用于相对于上端75交替进行封闭和打开，如下文所述。靠着本体65的底部凸缘85放置的环形弹簧装置83与杆73的底端接触，并促使杆73向上，以便使上端75密封地与座表面79和密封装置81接触。因此，阀63通常对冲击流体是关闭的。中空进口腔87是在杆73内部，该进口腔87轴向上与涡流腔17连通。多个流体通道89通过杆73的壁面延伸。通道89围绕锥形表面75的周面被间隔开。在工作中，冲击流体作用到上表面75，以使杆73轴向向下移动并与密封装置81脱离封闭的接触，由此通过通道89开出一个在轴向孔21、进口77和进口腔87之间的流体通道。在冲击流体压力为零如钻具不工作时，弹簧83促使杆73进入与座表面79密封接触状态，在此关闭阀63。弹簧83的弹性最好这样选择，即使钻具不工作状态下，随着一残余冲击流体压力大于零和等于但不能大于涡流腔17内的压力的情况，阀将保持关闭状态。
一种可采用的替代方案是将一个单向阀设置在出口51处而不设在进口19处。
工作过程中，冲击流体和其他物质的混合物相对上表面54轴向向下流入第一进口19，并被导流成一切向和径向向外的方向进入涡流腔17，从而切向上撞击壳体15的内表面39。此后，冲击流体混合物以一种涡流的方式向下且环形地流过涡流腔17的第一冲击流体通道37，从而造成至少一些其他物质从冲击流体混合物中分离出，这种分离出的物质向下沿壳体15的内表面39流到收集腔49。冲击流体混合物在腔17的下端撞击挡板45，使其流动反向向上方向，从而造成更多的其他物质从冲击流体混合物中分离出，并由此收集在收集通道49中。由于基本上所有其他物质现已清除，冲击流体则向上沿中心管29的外表面41流向中心管进口35;此后再向下流过第二流体通道43，经过出口23，进入到钻具的后端部13，且如常见的在此通过其中到达钻孔中。
本发明的方法是通过使用由英格索尔-瑞公司(Ingersoll-RandCompany)销售的一种产品标志为DHD380m的深孔钻具测试完成的，其使用一个8/58英寸直径的、锥面的扣形钻头。利用水的喷射率、冲击流体压力和冲击流体的流动速率的各种结合，在一块圆柱体的花岗岩上钻出一系列的测试孔，其结果如下述讨论的。
测试1图5表示使用和不使用本发明方法的情况下，钻头以每小时英尺(FT/HR)的穿透率对应以每分钟加仑(GPM)的各种水喷射速率。测试是以每平方英寸(PSI)200磅的固定冲击流体压力实施的。曲线A表示没有按照本发明方法的结果。当水喷射率增加时，穿透速率迅速下降。曲线B表示使用本发明方法的结果。
应用本发明方法的穿透速率维持着比不应用本发明方法高得多的状态。例如，以5加仑/分钟的喷射速率，使用本发明方法的穿透速率大约是61FPM，而相比较不使用本发明方法的穿透速率大约29FPM。以10加仑/分钟的喷射速率，使用和不使用本发明方法的穿透速率分别大约是55FPM和20FPM。同样，以15加仑/分钟的喷射速率，各对应的穿透速率为大约45FPM和16FPM。
测试2图6表示使用和不使用本发明方法的情况下，以每分钟标准立方英尺(SCFM)的冲击流体的流速对应以每分钟加仑(GPM)的各种水喷射速率。测试是以每平方英寸(PSI)200磅的固定冲击流体压力实施的。曲线A表示没有按照本发明方法的结果。当水喷射速率增加时，冲击流体流速下降。曲线B表示使用本发明方法的结果。
应用本发明方法的冲击流体流速维持着在所有水喷射速率上都比不应用本发明方法高得多的状态。例如，以5加仑/分钟的水喷射速率，使用本发明方法的冲击流体流速大约800标准立方英尺/分钟，而相比较不使用本发明方法的冲击流体流速大约是500标准立方英尺/分钟。以10加仑/分钟的水喷射速率，使用和不使用本发明方法的冲击流体流速分别大约是700标准立方英尺/分钟和400标准立方英尺/分钟，同样，以15加仑/分钟的水喷射速率，各对应的冲击流体流速大约是650标准立方英尺/分钟和375标准立方英尺/分钟。即使水喷射速率为0，本发明的方法也允许使用一增加的冲击流体流速，以用于在冲击流体压缩系统上的同样的稳定。在整个水喷射速率之上增加冲击流体流速的能力对操作者是重要的，因为这使得操作者能够得到增加清除杂物的效果。
测试3图7表示使用和不使用本发明方法的情况下，穿透速率(以英尺/小时)对应每平方英寸磅(PSI)的各种冲击流体的压力，测试是以一个10加仑/小时的固定水喷射速率实施的。曲线A表示没有按照本发明方法的结果。曲线B表示使用本发明方法的结果。
应用本发明方法的穿透率维持着在所有冲击流体压力上都比不应用本发明方法高得多的状态。例如，以100磅/平方英寸的冲击流体压力，使用本发明方法的穿透率大约是15FPM，而相比较不使用本发明方法的穿透速率大约是5FPM。以200磅/平方英寸的冲击流体压力，使用和不使用本发明方法的穿透速率分别大致是50FPM和25FPM。同样，以300磅/平方英寸的冲击流体压力，其穿透率分别大约是85FPM和45FPM。
测试4图8所示使用和不使用本发明方法的情况下，以每分钟标准立方英尺(SCFM)的冲击流体的流速对应以每平方英寸磅(PSI)的各种冲击流体压力。测试是以一个10加仑/小时的固定水喷射速率实施的。曲线A表示使用本发明方法的结果。
应用本发明方法的冲击流体的流速维持着在所有冲击流体压力上都比不应用本发明方法高得多的状态。例如，以100磅/平方英寸的冲击流体压力，使用本发明方法的冲击流体的流速大约是200标准立方英尺/分钟，而相比较不使用本发明方法的冲击流体的速率大约是150标准立方英尺/分钟。以200磅/平方英寸的冲击流体压力，冲击流体的流速分别大约是700标准立方英尺/分钟和400标准立方英尺/分钟。同样，以300磅/平方英寸的冲击流体压力，冲击流体的流速分别大约是1200标准立方英尺/分钟和800标准立方英尺/分钟。
在工作中，本发明的装置导致从冲击流体混合物中清除大量的其他物质，包括来自钻具内部的水、油和固体颗粒。这种清除相对于不清除杂质会显著地改进穿透率，与此同时，由于在钻孔中出现其他物质从而保证清除杂物的效益。
本发明根据一优选实施例作出了解释和描述，应当认识到，可以在不超出权利要求书的范围内作出其他变化和改进。
权利要求
1.一种用于从钻孔中清除杂物的装置，所述钻孔由一流体作用冲击的深孔钻具而形成，所述钻具适于以其顶端从具有一轴向孔的一钻杆悬垂，其包括a)设置在邻近所述钻具的所述顶端的分离装置用来接收来自所述钻杆轴向孔的一流动的冲击流体和其他物质的混合物，用以在所述分离装置的底端从所述冲击流体中大致上分离和收集所有所述其他物质，并随后将所述冲击流体通过所述装置输送到所述钻具，与此同时将所述收集的其他物质和从所述分离装置出来的至少一些所述冲击流体输送入钻孔的环状空间，以用于清除所述杂物。
2.一种用于从钻孔中清除杂物的装置，所述钻孔由一流体作用冲击的深孔钻具而形成，所述钻具适于以其顶端从具有一轴向孔的一钻杆悬垂，其包括a)设置在邻近所述钻具的所述顶端的分离装置用来接收来自所述钻杆轴向孔的一流动的冲击流体和其他物质的混合物，用以在所述分离装置的底端从所述冲击流体中大致上分离和收集所有所述其他物质，并随后将所述冲击流体通过所述装置输送到所述钻具，与此同时将所述收集的其他物质和从所述分离装置出来的至少一些所述冲击流体输送入钻孔的环状空间，以用于清除所述杂物;和b)通过所述分离装置延伸的通道装置，用于将所述钻杆轴向孔和所述钻具的所述顶端之间连通，使得至少一些所述冲击流体混合物绕过所述导流装置。
3.一种用于从钻孔中清除杂物的装置，所述钻孔由一流体作用冲击的深孔钻具而形成，所述钻具适于以其顶端从具有一轴向孔的钻杆悬垂，其包括a)设置在邻近所述钻具的所述顶端的分离装置用来接收来自所述钻杆轴向孔的一流动的冲击流体和其他物质的混合物，用以从所述冲击流体中大致上分离和收集所有所述其他物质，并随后将所述冲击流体通过所述装置输送到所述钻具，与此同时将所述收集的其他物质和从所述分离装置出来的至少一些所述冲击流体输送入钻孔的环状空间，以用于清除所述杂物;和b)在所述分离装置上的阀装置，当所述冲击流体停止流动时，用于将所述分离装置封闭以防止杂物回流进入所述分离装置。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述冲击流体是空气。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述其他物质基本上都是水。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述其他物质是一种来自所述钻杆轴向孔的固体颗粒和水的混合物。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述其他物质是一种来自所述钻杆轴向孔的固体颗粒、油和水的混合物。
8.一种用于从钻孔中清除杂物的装置，所述钻孔由一流体操作的冲击型深孔钻具所钻，所述钻具适于以其顶端从具有一轴向孔的钻杆悬垂，其包括a)进口装置，用于与所述钻杆轴向孔流动连通，并用以接收从所述钻杆轴向孔来的冲击流体和其他物质的混合物的液流;b)分离装置，与所述进口装置流动连通，用于从所述冲击流体中分离所述其他物质，并用以将所述冲击流体通过所述装置输送到所述钻具;c)收集装置，与所述分离装置的底端邻接，且与所述分离装置流动连通，用于收集所述其他物质;d)第一出口装置，与所述钻具的所述顶端流动连通，用于将来自所述分离装置的所述冲击流体输送到所述钻具;e)第二出口装置，设在所述收集装置上，用以将所述收集的其他物质和至少一些从所述装置出来的冲击流体输送入钻孔的环形空间，以便从中清除杂物;和f)阀装置，设在所述分离装置上，在所述冲击流体的流动停止时，用于将所述分离装置封闭以防止杂物回流进入所述分离装置。
9.一种用于从钻孔中清除杂物的装置，所述钻孔由一流体作用冲击的深孔钻具而形成，所述钻具适于以其顶端从具有一轴向孔的一钻杆悬垂，其包括a)一个用于将该装置连接到一钻杆上的顶部连接件;b)一个用于将该装置连接到一深孔钻具的后端的底部连接件;c)一个在顶部连接件和底部连接件之间轴向延伸的纵向壳体，其确定一个中空涡流腔;d)在顶部连接件处的一个第一进口，在所述钻杆和所述涡流腔之间流动连通，用以接收来自所述钻杆的冲击流体和其他物质的混合物;e)在所述底部连接件处的一个第一出口，在所述涡流腔和所述后端之间轴向流动连通;f)在所述第一进口中的导流装置，用于将来自一轴向向下方向的所述冲击流体混合物的液流导向一切向向外方向，从而使所述冲击流体的混合物在切向上向所述壳体的一个内面冲击，且随后通过所述涡流腔向下流动，以此从所述冲击流体中至少分离出一些所述其他物质;g)一个在所述导流装置下面的中空的中心管，轴向上通过所述涡流腔延伸，其具有一个与所述底部连接件封闭地连接的下部和一个终止在一中心管进口处与所述导流装置邻接的上部，所述中心管确定一个在所述壳体的所述内面和所述中心管的一个外面之间的第一冲击流体通道，和一个在所述中心管内部的第二冲击流体通道，所述第二冲击流体通道在所述涡流腔和所述第一出口之间轴向连通;h)一个挡板，在所述第一冲击流体通道中与所述中心管的所述底部相连并与所述壳体的所述内面间隔开，以用于使所述冲击流体混合物向下的流动反向朝所述中心管进口向上流动，从而从所述冲击流体混合物中分离出大部分的所述其他物质，并在其下面形成一个用于从所述冲击流体中分离出的所述其他物质的收集通道;i)一个收集通道出口，以使所述其他物质和至少一些所述冲击流体能从所述收集通道流出进入所述钻孔的环状空间，以便使所述杂质清除;和j)一个在所述第一进口中的单向流动阀，用于仅使向下轴向流动的冲击流体从其通过。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述导流装置还包括a)一个在所述第一进口内的导流板，所述导流板密封地连接到所述第一进口的一个内面，所述导流板有一个在所述第一进口内轴向向上延伸的锥形上表面;b)多个小孔通过所述导流板，当从水平截面上观察时，所述小孔相对于所述第一进口的所述内面是切向设置的，所述小孔形成多个连通所述第一进口和所述第一冲击流体通道之间的冲击流体通道;和c)一个密封地连接到所述导流板上的中空屏蔽管，所述屏蔽管轴向向下在所述导流板下面延伸，并套在所述中心管进口一段足够的距离，以防止所述冲击流体混合物在通过所述第一冲击流体通道的一段距离之前进入所述中心管。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述导流板至少有一个轴向向下从其中延伸的小孔，从而形成一个连通所述第一进口和所述中心管进口之间的通道，以使至少一些所述冲击流体混合物能绕过所述导流装置。
12.一种用于从钻孔中清除杂物的方法，所述钻孔由一流体作用冲击的深孔钻具形成，所述钻具适于以其顶端从具有一轴向孔的一钻杆悬垂，其包括a)在所述钻具的所述顶端和所述钻杆的一底端之间设置一分离装置;b)使一流动的冲击流体和其他物质的混合物注入所述孔中;c)将所述混合物向下输入到所述钻孔中的所述分离装置;d)在所述冲击流体进入所述钻具之前，基本上从所述混合物中清除所有所述其他物质;e)与此同时，将从所述分离装置出来的所述清除的其他物质排入到所述钻孔中，以便清除所述杂物;和f)与此同时，在所述混合物的所述流动停止时，防止所述杂质从所述孔中回流进入所述分离装置。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述冲击流体是空气。
14.根据权利要求2所述的装置，其中所述其他物质基本上全部是水。
15.根据权利要求2所述的装置，其中所述其他物质是一种来自所述钻杆轴向孔的固体颗粒和水的混合物，
16.根据权利要求2所述的装置，其中所述其他物质是一种来自所述钻杆轴向孔的固体颗粒、油和水的混合物。
17.根据权利要求2所述的装置，其中所述水是以每分钟0到15加仑之间的速率喷射。
18.根据权利要求6所述的装置，其中所述空气流速是在每分钟1000到600标准立方英尺之间。
19.根据权利要求7所述的装置，其中气压是在每平方英寸100磅到300磅之间。
20.根据权利要求8所述的装置，其中空气流速是在每分钟200到1000标准立方英尺之间。
21.根据权利要求5所述的装置，其还包括的步骤是在清除所述其他物质之前，同时向所述钻具喷入至少一些所述冲击流体混合物，以便润滑所述钻具。
22.一种用于从钻孔中清除杂物的方法，所述钻孔由一流体作用冲击的深孔钻具形成，所述钻具适于以其顶端从具有一轴向孔的一钻杆悬垂，其包括a)在所述钻具的所述顶端和所述钻杆的一底端之间设置一分离装置;b)使一流动的空气和水的混合物注入所述孔中;c)将所述混合物向下输送到所述钻孔中的所述分离装置中;d)在所述空气进入所述钻具之前，基本上从所述混合物中清除所有所述水;e)与此同时，将从所述分离装置出来的所述清除的水排入到所述钻孔中，以便清除所述杂物;f)与此同时，在所述空气的所述流动停止时，防止所述杂质从所述也中回流进入所述分离装置;和g)在清除所述水之前，同时向所述钻具喷入至少一些所述空气和水的混合物，以便润滑所述钻具。
全文摘要
一种用于从钻孔中清除杂物的装置和方法，其包括在邻接一深孔冲击钻头的位置设置一分离器，以用于在冲击流体进入钻头之前将水和其他物质从冲击流体中清除。将水和其他物质排入钻孔中以便清除杂物，并且在冲击流体的流动停出时可以防止杂物和水的回流进入分离器和钻头。
文档编号E21B21/10GK1072988SQ9211108
公开日1993年6月9日 申请日期1992年8月26日 优先权日1991年9月27日
发明者L·H·莱昂, E·C·欣克 申请人:英格索尔-兰德公司