专利名称：用于冲击式钻井工具的配件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种流体操作的冲击式钻井工具的配件。本发明特别地涉及一种配件，所述配件可用于使锤向后通过钻出的孔中的限制物。
背景技术：
典型的井下锤包括外缸体或者外耐磨套,在所述外缸体或者外耐磨套内安装有内缸体，所述内缸体继而与后部组件(backhead assembly)相结合。后部组件经由钻杆连接到压缩流体源。滑动往复式活塞与内缸体和后部组件协作，使得当通过后部组件供应压缩空气时，活塞利用冲击效应作用在钻头上，该钻头保持在外护套上的卡盘内。在一些钻井应用中，钻出的孔可能下陷，来自孔壁的碎屑可能下落到锤上。这种碎屑常常卡在后部部件与钻杆之间的连接处，原因在于钻杆直径通常比锤的直径小并且导致产生限制物，所述限制物阻止从钻出的孔中收回锤。当发生这种情况时，撞击限制物而拉回锤。必须用足够大的力牵拉锤以牵拉所述锤穿过限制物。然而，在限制物被紧密地压紧的情况下，不可能牵拉锤穿过限制物，并且在这种情况中，锤可能遗落在钻出的孔中。在现有技术的系统中，当需要时，可以将诸如由PG Drilling Equipment UAS LLC(PG钻井设备美国有限责任公司)生产的往复锤(back hammer)安装在钻出的孔上方的钻柱中。存在很多与这样的系统相关的缺陷。第一种缺陷在于往复锤在离限制物最近的接合处附接至钻柱。因此，往复锤定位在限制物上方并且只是摇动钻杆，试图使锤脱离限制物。另一种缺陷在于系统一直运行，即，一旦安装好，往复锤无论是否遇到限制物都运转。在美国专利N0.5，119，891中描述了另一种现有技术的系统，所述系统提供了一种用于钻柱的适配器，所述适配器具有可控的空气通道。适配器包括:主体，所述主体可安装在钻柱的下端部上；和护套，所述护套可旋转地安装在主体上并且相对于主体可纵向运动。在正常钻井操作中，经由主体中的中心孔将来自钻柱的中心压力管线的加压空气弓I导到由主体和护套所限定的第一腔室中、通到由主体和护套限定的第二腔室、到达锤或钻头的进气口。当适配器要被用来清除锤上方的限制物时，停止钻柱的旋转，并且护套相对于主体向下运动，以使得加压空气可通过护套上方的排气通道排放以清除碎屑。护套还可以在其上端部处设置有齿，并且钻柱可被旋转，以使得齿能够切穿钻孔中的障碍物。这个系统的主要缺陷在于:一旦打开系统以允许空气排放通过限制物，则除非将锤放回到孔底部上或者系统在沿着正确方向旋转时存在与孔壁的充足摩擦力以促进系统关闭，否则系统无法关闭。因此，即使在已经清除限制物之后，空气依然继续在护套上方奔流而出。另一缺陷在于:用于移除限制物的主要机构是从锤奔流而出的空气。在某些情况下，这可能不足以从钻出的孔中清除碎屑，以允许收回锤。尽管还设置了切削齿，但是这些切削齿可能还不足以清除限制物。再一个缺陷在于难以制造出螺旋花键。因此，期望的是提供一种系统，所述系统允许在已经产生限制物的情况下从钻出的孔中收回冲击式钻井工具而同时避免了现有技术系统的诸多缺陷。特别地，期望的是提供一种用于向后锤击通过限制物的系统(这仅仅在遇到限制物时是可操作)。还有，期望的是提供一种系统，所述系统关闭，以便一旦清除限制物则防止发生奔流而出。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于流体操作的冲击式钻井工具的配件，所述钻井工具具有用于附接到钻杆的后部组件，所述配件包括:轴，所述轴可附接到后部组件，其中，所述轴包括与钻杆的压力孔流体连通的中心孔；和护套，所述护套同轴地且可滑动地安装在轴上，所述护套包括在其后端部处的外肩部；和至少一条向后引导的排气通道；以使得从轴的中心孔供应加压空气，以推动护套向后进入到闭合位置中，在所述闭合位置中，防止空气通过排气通道排放；以及当在肩部处遇到限制物时，护套向前运动到开放位置，在所述开放位置中，允许空气通过排气通道排放到限制物附近。如在此所使用的术语“后部”和“向后”旨在表示与钻井工具的正常钻井方向相反的方向。例如，在钻井工具是井下锤的情况下，向后的方向是向上的方向。相反地，如在此所使用的“向前”旨在表示与钻井工具的正常钻井方向相同的方向。在钻井工具是井下锤的情况下，向前方向是向下方向。本发明的优点在于:因为通过从轴供应的加压空气而推动护套进入到闭合位置中，所以仅仅当在外肩部处遇到限制物时，往复锤配件操作。在正常操作条件下，护套保持在闭合位置中，并且在护套处排放很少的空气或者不排放空气。当遇到限制物时，护套克服空气压力向前运动，从而允许空气通过排气通道奔流而出以清除限制物。在这个开放位置中，空气可以在护套的后端部处奔流而出。一旦已经清除限制物，则作用在护套上的空气压力将推动护套返回到闭合位置。因此，仅仅当要清除限制物时空气从排气通道奔流而出，从而确保不会危及通向钻井工具的空气流。在正常操作中，护套通过中心孔内的压力被偏压朝向闭合端部位置，当遇到限制物时，克服该偏压以迫使护套进入到开放的奔流而出位置，在所述开放的奔流而出位置中，允许空气通过排气通道排放到限制物附近。根据一个优选的实施例，护套还包括内压力面，从轴的中心孔供应加压空气以作用在内压力面上，以便推动护套进入到闭合位置中。腔室可限定在轴与护套之间，其中，内压力面限定了腔室的后端部。适当地，内压力面面向前。腔室可以选择性地与轴的中心孔流体连通。护套可以通过使加压空气直接或间接作用在内压力面上而被向后推动。在一个实施例中，配件还包括:活塞，所述活塞可滑动地安装在中心轴上，并且布置成用于在腔室内往复运动，以将冲击力施加到护套的内压力面，其中，冲击力沿向后方向，即，沿着与由工具所施加的正常冲击力相反的方向。这种布置的优点在于:施加到护套的内压力面的冲击力使得护套的外肩部锤击穿过限制物。还有，空气通过排气通道奔流而出，以辅助清除限制物。本发明的另一个优点在于:通过空气压力将护套保持在闭合位置中，直至遇到限制物。这意味着除非由于限制物而需要，否则空气不会向上奔流而出通过钻出的孔，并且不会危及通向钻井工具的空气流。理想地，活塞布置在腔室中，以使得从中心孔供应的加压空气作用在活塞上，以推动活塞抵靠在护套的内压力面上。活塞可包括多个贯通活塞的口，当护套运动至开放位置时，从中心孔供应的空气流动通过活塞中的至少一个口，以使得活塞在腔室内往复运动。优选地，活塞包括贯通活塞的多个第一 口和多个第二 口，当护套运动到开放位置时，使多个第一 口和多个第二 口交替地加压和排气，从而使得活塞在腔室内往复运动。配件还可以包括:位于轴中的至少一个空气供应口，所述空气供应口使得中心孔与腔室相连。配件还可以包括:位于轴中的至少一个排气口 ；使得当护套运动至开放位置时，允许空气通过排气口和排气通道排放。排气通道可以设置在护套中，并且当护套处于开放位置中时可以使得中心孔和排气通道的下端部相连，以允许空气通过排气口和排气通道排放。这种布置可应用于不包括活塞的实施例中。排气通道可以设置在护套与轴之间，当护套处于开放位置中时，排气口可以使得腔室与排气通道相连，以允许空气通过排气口和排气通道排放。这种布置可应用于在腔室中布置有活塞的实施例中。轴可在其下端部处通过螺纹连接附接到钻井工具的后部组件。配件还可以包括锁定短接头，所述锁定短接头可以通过螺纹连接附接到轴的上端部，其中，所述锁定短接头在其上端部处可以附接到钻杆。在闭合位置中，护套的上端部可以就位抵靠在锁定短接头的下端部上。配件还可以包括位于轴与护套之间的带花键的联接件，以使得防止护套相对于轴旋转。本发明的配件可以与冲击式钻井工具(诸如包括后部组件的井下锤)一起使用。配件在其前端部处附接到后部组件。在一个优选的实施例中，轴的前部部分具有用于附接到后部组件的内螺纹。配件还可以与用于扩大钻出的孔的冲击锤(B卩，包括后部锁定构件的往复扩孔器)一起使用。在本申请人的国际专利申请公开N0.W02007/034462中描述了一种这样的锤。配件在其前端部处附接到往复扩孔器的后部锁定构件。轴的前部部分具有用于附接到后部锁定构件的内螺纹。
现在参照附图描述用于冲击式钻井工具的配件的实施例，其中:图1是根据本发明的第一实施例的位于井下锤上的配件的侧剖视图，示出了当不存在限制物时护套和活塞所处的位置；图2是图1的配件的侧剖视图，示出了活塞处于击打位置中；图3是图1的配件的侧剖视图，示出了活塞处于冲程顶部；
图4是图1的配件的沿着线X-X剖切的横截面视图；图5是图1的配件的分解透视图；图6是根据本发明的第二实施例的位于井下锤上的配件的侧剖视图，示出了当不存在限制物时护套所处的位置；图7是图6的配件的侧剖视图，示出了护套处于开放位置中；图8是图6的配件的分解透视图；以及图9是从另一个视角来看，图6的配件的分解透视图。
具体实施例方式参照图1至图5，用于冲击式钻井工具2的配件I的第一实施例包括中心轴3。轴3的下部部分具有用于附接到锤2的后部组件4的内螺纹。配件I还包括锁定短接头9，所述锁定短接头9在其下部部分处具有用于附接到轴3的上端部的内螺纹。锁定短接头9的上部部分具有用于附接到钻杆10的外螺纹。中心轴3和锁定短接头9限定出中心孔16，用于向锤2供应加压空气。在下文中称作挖掘(digout)护套的护套5共轴地且可滑动地安装在轴3上，通过带花键的联接件6防止所述护套5随着轴3进行旋转运动。护套5在其上端部处设置有外部环形肩部7，在下文中，所述外部环形肩部7被称作限制肩部。限制肩部7设置有碳化钨嵌件11。挖掘护套可在如图1所示的闭合位置与如图2所示的开放位置之间滑动，在所述闭合位置中，邻近肩部7的斜面8就位抵靠在锁定短接头9的下端部12上，在所述开放位置中，挖掘护套5的下端部13抵接外部肩部14上，该外部肩部设置在中心轴3上。挖掘护套还在其上部部分处形成有内部环形肩部或者内部压力面17。内部压力面17面向下。在护套5与轴3之间限定出腔室18，其中内部压力面17限定了腔室18的上端部。中心轴3形成有多个口 19，以使得腔室18与中心孔16流体连通。另外的多个狗腿形口 20设置在腔室18与轴的带花键部分6之间。活塞15安装用于在腔室18内往复运动，以击打挖掘护套5的内部压力面17，以将冲击力施加到护套上。活塞具有环形的上部面22和环形的下部面24。活塞设置有多条第一通道21，所述第一通道21在上部面22与活塞内表面的下部部分之间延伸。活塞还设置有多条第二通道23，所述第二通道23在下部面24与活塞内表面的上部部分之间延伸。在正常操作条件下，通过活塞15将挖掘护套5保持在图1所示的闭合位置中。通过经由口 19将加压空气供应到腔室18中迫使活塞抵靠在护套5的内部面17上。这继而迫使护套向上，以使得斜面8就位抵靠在锁定短接头的下端部12上。在这个位置中，锤正常操作。没有空气从挖掘护套中奔流而出，因此不影响锤的效率。如果当从钻出的孔中收回锤时遇到限制物，则护套5克服由活塞15提供的向上力而向下滑动，如图2所示。这使得活塞15运动到起作用(active)的位置，在所述起作用的位置中，所述活塞开始循环。如图2和图3所示，来自中心孔16的加压空气通过口 19交替地供应到通道21和23中。在循环的第一部分中，如图2所示，通过口 19将加压空气供应到通道21中并且供应到腔室的邻近内肩部17的上部部分25中。同时，空气通过通道23和口 20排放并且通过带花键的联接件6奔流而出。结果，活塞向下运动到如3所示的“冲程顶部”位置。在循环的第二部分中，如图3所示，空气通过通道21和口 20并且通过有花键的联接件6从腔室25中排放。加压空气通过口 19供应到通道23中，使得活塞向上运动到图2示出的击打位置。活塞的这种往复运动继而使得挖掘护套5的限制肩部7向上锤击通过限制物。上述配件具有当遇到限制物时方部署的优点。在锤的正常操作期间，挖掘护套保持在闭合位置中并且没有空气奔流而出。当遇到限制物时，配件自动部署，以锤击通过限制物，从而确保从钻出的孔中收回锤。参照图6至图9，用于冲击式钻井工具102的配件101的第二实施例包括中心轴103。轴103的下部部分具有用于附接到锤102的后部组件104的内螺纹。配件101还包括锁定短接头109，所述锁定短接头109在其下部部分处具有用于附接到轴103的上端部的内螺纹。锁定短接头109的上部部分具有用于附接到钻杆110的外螺纹。中心轴103和锁定短接头109包括中心孔116，用于向锤102供应加压空气。挖掘护套105共轴地且可滑动安装在轴103上，并且通过带花键的联接件106防止所述挖掘护套105随着轴进行旋转运动。护套105在其上端部处设置有外部环形限制肩部107。限制肩部107设置有碳化钨嵌件111。挖掘护套能够在如图6所示的闭合位置与如图7所示的开放位置之间滑动，在所述闭合位置中，邻近肩部107的斜面108就位抵靠在锁定短接头109的下端部112上，在所述开放位置中，挖掘护套105的下端部113抵接外部肩部114，该外部肩部设置在中心轴103上。挖掘护套还形成有内部环形肩部117，以使得腔室118设置在护套105与轴103之间。挖掘护套105设置有位于环形肩部117上方的内圆周槽121。多条通道123在槽121与斜面108之间延伸。中心轴103形成有多个第一口 119，以使得腔室118与中心孔116流体连通。另外的多个口 120设置在腔室118上方。在正常操作条件下，挖掘护套105保持在图6所示的闭合位置中。通过经由口 119将加压空气供应到腔室118从而作用在内肩部117上，迫使挖掘护套向上以使斜面108就位抵靠在锁定短接头的下端部112上。口 120通过挖掘护套105的内壁而被密封。在这个位置中，锤正常操作。没有空气从挖掘护套奔流而出，因此不影响锤的效率。如果当从钻出的孔中收回锤时遇到限制物，则护套105克服由加压空气提供的向上力而向下滑动，如图7所示。将来自中心孔116的加压空气通过口 120供应到槽121中和通道123中，并且排放到限制肩部107附近，以清除限制物。同时，加压空气通过口 119供应到腔室118中，以作用在内肩部117上。一旦已经清除限制物(或者已部分清除限制物)，则由于加压空气作用在肩部117上，挖掘护套105将运动回到闭合位置。正如前述实施例，上述配件具有当遇到限制物时方部署的优点。在锤的正常操作期间，挖掘护套保持在闭合位置中并且没有空气奔流而出。当遇到限制物时，配件自动部署，以使得空气通过限制物奔流而出，从而确保从钻出的孔中收回锤。如参照本发明在此所使用的，词语“包括/包含”和词语“具有/有”用于规定存在所提到的特征、整体、步骤或部件，而不排除存在或增加一个或多个特征、整体、步骤、部件或者它们的组合。应意识到的是，为了清楚起见，还可以在单个实施例中以组合的形式来提供在单独实施例的内容中所描述的本发明的某些特征。相反地，为了简要起见，在单个实施例的内容中描述的本发明的多个特征也可以单独地或者以任何适当的子组合的形式提供。
权利要求
1.一种用于流体操作的冲击式钻井工具的配件，所述钻井工具具有用于附接到钻杆的后部组件，所述配件包括: 轴，所述轴能附接到所述后部组件，其中，所述轴包括中心孔，所述中心孔与所述钻杆的压力孔流体连通；和 护套，所述护套共轴地且能滑动地安装在所述轴上，所述护套包括在其后端部处的外肩部；和 至少一个向后引导的排气通道； 以使得从所述轴的中心孔供应加压空气，以推动所述护套向后进入到闭合位置中，在所述闭合位置中，防止空气通过排气通道排放；以及 当在所述外肩部处遇到限制物时，所述护套向前运动到开放位置，在所述开放位置处，允许空气通过排气通道排放到限制物附近。
2.根据权利要求1所述的配件，其中，在正常操作中，通过所述中心孔内的压力，所述护套被偏压朝向端部的闭合位置，当遇到限制物时，克服所述偏压以迫使护套进入到奔流而出的开放位置中，在所述奔流而出的开放位置中，允许空气通过排气通道排放到限制物附近。
3.根据权利要求1或2所述的配件，其中， 所述护套还包括内压力面；并且 从所述轴的所述中心孔供应加压空气以作用在所述内压力面上，从而推动所述护套进入到所述闭合位置中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的配件，其中，腔室被限定在所述轴与所述护套之间，其中，所述内压力面限定出所述腔室的后端部。
5.根据权利要求4所述的配件，其中，所述腔室选择性地与所述轴的中心孔流体连通。
6.根据权利要求4或5所述的配件，所述配件还包括: 活塞，所述活塞能滑动地安装在中心轴上并且布置成用于在所述腔室内往复运动，以将冲击力施加到所述护套的所述内压力面上，其中，所述冲击力沿着向后方向。
7.根据权利要求6所述的配件，其中，所述活塞布置在所述腔室中，使得从所述中心孔供应的加压空气作用在所述活塞上，以推动所述活塞抵靠在所述护套的所述内压力面上。
8.根据权利要求6或7所述的配件，其中，所述活塞包括贯通活塞的多个口，当所述护套运动到所述开放位置时，从所述中心孔供应的空气流动通过所述活塞中的至少一个口，以使得所述活塞在所述腔室内往复运动。
9.根据权利要求8所述的配件，其中，所述活塞包括贯通活塞的多个第一口和多个第二口，当所述护套运动到所述开放位置时，所述多个第一口和所述多个第二口交替地与所述中心孔流体连通，以使得所述活塞在所述腔室内往复运动。
10.根据前述权利要求中任一项所述的配件，所述配件还包括； 位于所述轴中的至少一个空气供应口，所述空气供应口使所述中心孔与所述腔室相连。
11.根据前述权利要求中任一项所述的配件，所述配件还包括: 位于所述轴中的至少一个排气口； 使得当所述护套运动到所述开放位置时，允许空气通过所述排气口和所述排气通道排放。
12.根据权利要求11所述的配件，其中: 所述排气通道设置在所述护套中；并且 当所述护套处于所述开放位置中时，所述排气口使所述中心孔与所述排气通道的下端部相连，以允许空气通过所述排气口和所述排气通道排放。
13.根据权利要求11所述的配件，其中: 所述排气通道设置在所述护套与所述轴之间；并且 当所述护套处于所述 开放位置中时，所述排气口使所述腔室与所述排气通道相连，以允许空气通过所述排气口和所述排气通道排放。
14.根据前述权利要求中任一项所述的配件，其中，所述轴在其下端部处通过螺纹连接而能够附接到所述钻井工具的后部组件。
15.根据前述权利要求中任一项所述的配件，所述配件还包括锁定短接头，所述锁定短接头通过螺纹连接而能够附接到所述轴的上端部，其中，所述锁定短接头的上端部能够附接到钻杆。
16.根据权利要求15所述的配件，其中，在所述闭合位置中，所述护套的上端部就位抵靠在所述锁定短接头的下端部上。
17.根据前述权利要求中任一项所述的配件，所述配件还包括位于所述轴与所述护套之间的带花键的联接件，以使得防止所述护套相对于所述轴旋转。
18.一种井下锤，所述井下锤包括: 后部组件；和 如前述权利要求中任一项中所述的配件，其中，所述配件在其前端部处附接到所述后部组件。
19.一种用于扩大钻孔的冲击锤，所述冲击锤包括: 后部锁定构件；和 如前述权利要求中任一项所述的配件，其中，所述配件在其前端部处附接到所述后部锁定构件。
20.一种基本如在前文中参照附图中的图1至图5或者图6至图9所述的配件和/或如在所述图1至图5或所述图6至图9中所示的配件。
全文摘要
本发明提供了一种用于流体操作的冲击式钻井工具(2)的配件(1)，所述钻井工具具有用于附接到钻杆(10)的后部组件(4)。配件包括轴(3)，所述轴可附接到后部组件，其中，轴包括与钻杆的压力孔流体连通的中心孔(16)。配件还包括护套(5)，所述护套共轴地且可滑动地安装在轴上，所述护套包括在其后端部处的外肩部(7)以及包括至少一条向后引导的排气通道。从轴的中心孔供应加压空气，以推动护套向后进入到闭合位置中，在所述闭合位置中，防止空气通过排气通道排放。当在肩部处遇到限制物时，护套向前运动到开放位置中，在所述开放位置中，允许空气通过排气通道排放到限制物附近。
文档编号E21B31/03GK103189589SQ201180038959
公开日2013年7月3日 申请日期2011年8月10日 优先权日2010年8月12日
发明者J·珀塞尔 申请人:敏康国际公司