专利名称：气动潜孔锤钻以及用于在该锤钻中使用的钻头和底阀的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及一种用于钻岩的气动潜孔锤钻、在该潜孔锤钻中 使用的一种钻头和一种底阀。
背景技术：
当利用潜孔锤钻在地下诸如在隧道中进行钻削时，经常通过使用 水来限制由钻削操作产生的尘土，水被混合到驱动锤钻的加压空气中 并且将尘土冲走。潜孔锤钻设有塑料底阀，该塑料底阀位于钻头砧座 中的中央通道中并且从砧座的冲击表面突出。底阀反复地被往复活塞
的中央孔包围，以通过钻头转移用过的加压驱动空气。在美国专利No. 6,125,952中披露了这项技术的实例，其主题内容由此通过引用而被并 入以用于披露潜孔锤钻技术。由于长期的深孔钻削应用而引起的磨损， 不同制造商之间的公差的差异，以及可能到达活塞缸筒和底阀外径之 间的碎屑，在钻削期间，当活塞开始向上冲程时，活塞可能使得底阀 从钻头柄(bitshank)本体脱离。如在这里所使用地，"深孔钻削"指 的是用于深度能够在从100到3,000米中的任何一处的石油和天然气的 钻削。锤钻、钻头和底阀的运行时间能够超过连续36小时，并且处于 大约135摄氏度的温暖温度潜孔下。仅仅为了更换塑料底阀而将大量 的管道从钻孔拉出是不利的。目前，对于钻井时间，每天的成本超过 大致$12，000.00。
本发明旨在避免在前已知的设备的上述缺点。因此，本发明的目 的在于提供一种提供了延长的底阀寿命的用于冲击式潜孔锤钻的钻头 和底阀。
本发明的另一个目的在于提供一种特别地在深孔钻削条件期间可以防止底阀从钻头本体脱位的、用于潜孔锤钻的钻头。
本发明的又一个目的在于提供一种与迄今已知的冲击式潜孔锤钻 相比在维修之间将具有更长的使用寿命的用于潜孔钻头的底阀。
本发明的再一个目的在于提供一种对于公差错误不太敏感的钻头 和底阀。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供一种用于钻岩的气动潜孔锤钻，包 括限定出轴线的基本柱形的外壳、被安装到该外壳后端的钻短节(drill sub)、被安装到该外壳前端的钻夹头、以及被安装于钻夹头中并且包
括前切削面和后砧座部分的钻头。该砧座部分包括面向后的砧座表面。 该钻头包括延伸通过该砧座表面的第一中央通道，该通道邻近于后砧 座表面形成空腔。活塞被安装于外壳中，在钻头的后面，并且其包括 面向前的冲击表面和延伸通过该冲击表面并且与第一中央通道相对准 的第二中央通道。该活塞被安装用于朝向和远离钻头地轴向往复，由 此在活塞的向前冲程期间，该冲击表面冲击该砧座表面。当冲击表面 冲击砧座表面时，底阀部分地在第一中央通道中并且部分地在第二中 央通道中延伸，用于将加压空气从第二中央通道转移到第一中央通道。 底阀和第一中央通道包括用于底阀的插入止动装置和主要抽出止动装 置，使得该插入止动装置设置于距主要抽出止动装置一定距离处。
在另一个实施例中，本发明提供一种用于在潜孔锤钻中使用的冲 击钻头，包括前钻削面、后砧座表面、和沿着钻头的中心轴线延伸通 过该砧座表面的中央通道，该通道邻近于后砧座表面形成空腔，该空 腔包括由至少部分地渐缩的部分以及上端和下端限定出的底切。
在又一个实施例中，本发明提供一种在用于钻岩的气动潜孔锤钻 中的钻头通道中使用的底阀，包括限定出中心线、上端和下端的基本柱形的管，该底阀包括插入止动装置和主要抽出止动装置，使得插入 止动装置设置于距主要抽出止动装置一定距离处。
在这里并入并且构成本说明书的一部分的附图示意出本发明的目 前优选的实施例，并且与在以上给出的一般描述和在下面给出的详细 描述一起地用于解释本发明的特征。
图1是根据本发明的潜孔锤钻的截面视图； 图2A是根据本发明的钻头的侧视图； 图2B示出沿着图2A中的线2B-2B的钻头； 图2C示出图2A中的钻头的透视图3A示出根据本发明的钻头的一部分、活塞的一部分，以及根据 本发明的底阀的截面视图3B示出在图3A中被圈出的部分的放大图； 图4A示出根据本发明的底阀的侧视图；并且 图4B示出底阔的端视图。
具体实施例方式
在图1中示出根据本发明的潜孔锤钻10。锤钻10包括能够被连 接到未示出的可旋转钻杆柱的外部柱形外壳11，通过该钻杆柱来传输 压縮空气。锤钻活塞16在该柱形外壳11中往复运动，并且压縮空气 被交替地引导至活塞的上端和下端，以实现活塞在外壳中的往复运动， 每一个向下冲程均在于柱形外壳的下部内向上延伸的钻头13的砧座30 上施加冲击。该活塞包括用于加压空气的通道31。该冲击式潜孔锤钻 进一步包括顶部短节(sub) 14、止回阀35、控制或者流体进给管15、 底阀20、保持装置33和驱动器短节12。
如在图4A和4B中所示，底阀20具有基本柱形的基本形状并且 由诸如Nylon⑧或者Delrin⑧的塑料制成。底阀是设有限定出底阀20的最大直径的周向突脊22的中空管21。当活塞前表面23在钻头后表面 24上冲击时，与延伸进入活塞16中的程度相比，底阀20更深地延伸 进入钻头中。底阀20进入钻头的部分比进入活塞的部分的平均壁厚更 大。也就是说，底阀的下部的平均壁厚大于底阀的上部的平均壁厚。
提供所述突脊22，用以通过将突脊压入在钻头通道18中的空腔 中的相应的环形凹槽或者第四渐縮部分17中，而在钻头中保持底阀。 该空腔邻近于砧座形成。突脊22在第一渐缩部分25和第二渐縮部分 26之间形成。渐縮部分25、 26从突脊22倾斜离开。
邻近于优选地为柱形的第一阀部分27设置第一渐縮部分25。当 活塞下降到该部分27之上时，第一阀部分27被活塞通道31接收，以 封闭锤钻的底部通气孔。第一阀部分27具有相对较小的壁厚。第一渐 縮部分25相对于底阀20的中心线或者锤钻10的中心线CL以大致 1.5-2.5度的角度13倾斜，即，第一部分25朝向活塞16沿着轴向渐縮。 第一渐縮部分25可以与钻头通道18中的互补的第一空腔部分或者第 三渐縮部分29形成过盈配合。第一空腔部分29的倾斜度被选择为类 似于角度0。在活塞的向上周期期间，过盈配合阻止拉出并且抵抗来 自活塞16的拉力。还为底阀增加更大的壁厚，从而使其成为更加坚固 的区域。
第二渐縮部分26相对于底阀20的中心线或者锤钻10的中心线 CL以大致3-6度的角度ct倾斜，即第二部分25朝向钻头13沿着轴向 渐縮。也就是说，第二渐缩部分26沿着相对于角度e相反的方向倾斜。 根据底阀的直径或者尺寸，角度a能够是3-6度。角度a降低了将底阀 安装到钻头通道18中所需要的作用力大小，由此降低了在安装过程期 间能够引起底阀变形和/或被损坏的程度，并且将进一步降低底阀过早 失效的可能性。
通过产生向下的拉力以及考虑到在底阀制造过程中的任何公差的差异，角度e在钻头本体中的底阀处提供的增加的保持作用力。
在渐缩部分25、 26的结合部处能够形成外部环形肩台28。肩台 28具有基本沿着径向的延伸。肩台卡入通道18中的环形凸缘32或者 底切的上端并且与通道18中的该环形凸缘32或者该底切的上端相协 作，这提供最强的保持特征并且保证防止抽出。肩台28和凸缘32还 可以被称为主要抽出止动装置。
有一引导部分34设置于底阀的下端处。引导部分34是基本柱形 的并且与通道18的下引导表面36协作，用作下引导套。该引导部分 和该引导表面具有相同的直径量度并且优选地不像在以上讨论的其它 特征那样是压配合。引导部分34和引导表面36每一个均分别地连接 到鼻端37和第二凸缘38或者底切的下端。当底阀将在通道中降至最 低点时，鼻端37和第二凸缘38防止将底阀进一步地插入通道18中。 鼻端37和第二凸缘38能够被圆化或者斜切。鼻端37和第二凸缘38 还可以被称为插入止动装置。插入止动装置设置于距主要抽出止动装 置一定距离处，至少为12mm。因此由渐縮部分17、引导部分36以及 上端32和下端38在通道18中限定出底切。
如下地实现底阀的安装。底阀20与钻头通道18相对准从而引导 部分34可以被插入通道的第一空腔部分29中。如果鼻端被圆化或者 斜切，则鼻端37更加容易地进入通道中。当全部的引导部分已经进入 通道18时，第二渐縮部分26可以邻接于通道。由于部分26的增加的 直径，用于插入底阔所需的作用力逐渐地增加，直至突脊22进入通道 18。由于有突脊在上面骑跨的空腔部分29的增加的直径，用于进一步 插入底阀所需的作用力逐渐地降低，直至突脊卡入通道18中的凸缘32 中。如果将底阀另外地推动一段小于5mm的小的距离，则插入止动装 置37、 38将限定底阀的最大可能插入长度L。底阀进入钻头中的插入 长度L通常为40到70mm，并且在所示实例中大约为60mm。在主要 抽出装置28、 32和钻头的冲击表面24之间的距离L3为15-30mm。在插入止动装置37、 38和引导部分34、 36的上部之间的距离L2为 20-40mm。当锤钻在使用中并且活塞向上行进时，活塞通道31将趋于 抓持底阀并且从钻头通道将其提升。然而，主要地利用主要抽出止动 装置(即肩台28和凸缘32)，底阀的这种运动将被停止。而且，在钻 头通道18中的第一空腔部分29和第一渐缩部分25在一定程度上有助 于防止抽出。
在需要维修之前，根据本发明的钻头和底阀将提供延长的锤钻寿 命。进而，与迄今已知的锤钻相比，根据本发明的潜孔锤钻将具有更 加可靠的功能和更加经济的使用。另外，该潜孔锤钻对于公差错误没 有那么敏感。
在这里使用的术语"下"、"上"、"向上"和类似的术语参考 竖直地位于孔中的锤钻的通常位置。
虽然已经参考特定优选实施例披露了本发明，对所述实施例作出 的多种修改、改造和改变是可能的，而不偏离如在所附权利要求及其 等价形式中限定的本发明的领域和范围。据此，期望本发明不限于所 述实施例，而是它具有利用所附权利要求的语言所限定的完全的范围。
权利要求
1.一种用于钻岩的气动潜孔锤钻，包括基本柱形的外壳，所述外壳限定出轴线；钻短节，所述钻短节被安装到所述外壳的后端；钻夹头，所述钻夹头被安装到所述外壳的前端；钻头，所述钻头被安装于所述钻夹头中并且包括前切削面和后砧座部分，所述砧座部分包括面向后的砧座表面，并且所述钻头包括延伸通过所述砧座表面的第一中央通道，所述通道邻近于所述后砧座表面形成空腔；活塞，所述活塞被安装于所述外壳中，在所述钻头后面，并且其包括面向前的冲击表面和延伸通过所述冲击表面并且与所述第一中央通道相对准的第二中央通道，所述活塞被安装用于朝向和远离所述钻头地轴向往复，由此在所述活塞的向前冲程期间，所述冲击表面冲击所述砧座表面；底阀，当所述冲击表面冲击所述砧座表面时，所述底阀部分地在所述第一中央通道中并且部分地在所述第二中央通道中延伸，用于将加压空气从所述第二中央通道转移到所述第一中央通道；所述底阀和所述第一中央通道包括用于所述底阀的插入止动装置和主要抽出止动装置，其中所述插入止动装置设置于距所述主要抽出止动装置一定距离处。
2. 根据权利要求1的锤钻，其中所述插入止动装置设置于距所述 主要抽出止动装置至少12mm处。
3. 根据权利要求l的锤钻，其中所述主要抽出止动装置包括在所 述底阀中的具有基本沿着径向的延伸的外部环形肩台和在所述第一中 央通道中的基本沿着径向延伸的环形凸缘。
4. 根据权利要求l的锤钻，其中所述主要抽出止动装置连接到位于所述主要抽出止动装置的相对轴向侧上的轴向渐縮部分。
5. 根据权利要求4的锤钻，其中所述渐縮部分沿着相反的方向渐縮，从而使得第一部分和第三部分朝向所述活塞渐縮，并且第二部分 和第四部分朝向所述钻头渐縮。
6. 根据权利要求5的锤钻，其中所述第一部分和第三部分相对于 所述锤钻的中心线以1.5-2.5度的角度渐縮。
7. 根据权利要求5的锤钻，其中所述第二部分和第四部分相对于 所述锤钻的中心线以3-6度的角度渐縮。
8. —种用于在潜孔锤钻中使用的冲击钻头，包括 前钻削面；后砧座表面；和中央通道，所述中央通道沿着所述钻头的中心轴线延伸通过所述 砧座表面，所述通道邻近于所述后砧座表面形成空腔，所述空腔包括 由至少部分地渐縮的部分以及上端和下端限定出的底切。
9. 根据权利要求8的钻头，其中彼此相距至少12mm地设置所述 上端和下端。
10. 根据权利要求8的钻头，其中所述下端在所述中央通道中具 有基本沿着径向的延伸。
11. 根据权利要求8的钻头，其中所述上端连接到位于所述上端 的相对轴向侧上的轴向渐縮部分。
12. 根据权利要求ll的钻头，其中所述渐縮部分沿着相反的方向 渐縮，从而使得第三部分朝向所述后砧座表面渐縮，并且第四部分朝向所述前钻削面渐缩。
13. 根据权利要求11的钻头，的中心线以1.5-2.5度的角度渐縮。
14. 根据权利要求4的钻头， 的中心线以3-6度的角度渐縮。其中所述第三部分相对于所述钻头其中所述第四部分相对于所述钻头
15. —种在用于钻岩的气动潜孔锤钻中的钻头通道中使用的底 阔，包括基本柱形的管，所述管限定出中心线、上端和下端； 所述底阀包括插入止动装置和主要抽出止动装置，其中所述插入 止动装置设置于距所述主要抽出止动装置一定距离处。
16. 根据权利要求15的底阀，其中所述插入止动装置设置于距所 述主要抽出止动装置至少12mm处。
17. 根据权利要求15的底阀，其中所述主要抽出止动装置包括具 有基本沿着径向的延伸的外部环形肩台。
18. 根据权利要求15的底阀，其中所述主要抽出止动装置连接到 位于所述主要抽出止动装置的相对轴向侧上的轴向渐縮部分。
19. 根据权利要求18的底阀，其中所述渐縮部分沿着相反的方向 渐縮，从而使得第一部分朝向所述上端渐縮，并且第二部分朝向所述 下端渐缩。
20. 根据权利要求18的底阀，其中所述第一部分相对于所述底阀 的中心线以1.5-2.5度的角度渐縮。
21. 根据权利要求16的底阀，其中所述第二部分相对于所述底阀 的中心线以3-6度的角度渐縮。
22. 根据权利要求15的底阀，其中所述底阀的下部的平均壁厚大 于所述底阀的上部的平均壁厚。
全文摘要
本发明涉及一种冲击式潜孔锤钻、钻头和底阀。所述钻头包括具有前钻削面的本体、沿着朝向该钻削面的方向从本体的后端延伸以将冲洗介质输送到该钻削面的中央通道。所述后端包括围绕该通道的冲击表面。所述中央通道适于接收底阀，以通过钻头转移加压空气。所述底阀和该中央通道包括用于底阀的插入止动装置和主要抽出止动装置。所述插入止动装置设置于距该主要抽出止动装置一定距离处。
文档编号E21B4/14GK101529044SQ200780039871
公开日2009年9月9日 申请日期2007年9月3日 优先权日2006年10月26日
发明者罗布·西门斯 申请人:山特维克知识产权股份有限公司