公开了潜孔(DTH)锤。还公开了DTH锤的系统和构件。该系统和构件还可以用于除了DTH锤的流体操作装备或流体操作装备中。
背景技术：
许多潜孔(DTH)装置，诸如但是不受限于马达、泵和DTH锤，依靠将工作流体传输通过钻管以操作装置而操作，工作流体诸如为，空气、氮、水、油或泥。
根据包括以下各项的许多因素，工作流体在压力和速度下被加压和传送：驱动压缩机/抽吸系统的容量；通过钻管和DTH装置自身的压力损耗；DTH装置的机械限制和环境流体压力。
考虑例如常见的DTH逆循环(RC)锤(本文中之后称为“RC锤”)。 RC锤包括：外壳体，所述外壳体连接到钻柱的井下端部；内管；端口套筒；锤或活塞，所述锤或活塞能够沿着内管并且在外壳中滑动；和钻头。从钻柱向下泵送的流体进入外壳体和内管之间的端口装置，并且使活塞往复运动以循环地撞击钻头。这将动能转移进入井的趾部 (底部)处的材料中以折断和移动材料。该材料被剩余的流体能量传送通过内管到表面。该材料可以被分析以提供关于基层的矿物学和地质学的信息。
当前的RC锤被故意地设计成是低效率的，并且具有减少的机械能输出。这是增强当由压缩机驱动时RC锤的机械可靠性，当钻较短的井时，压缩机向工作腔提供过大的流体压力和流量。已知内联压力损耗随着井深(即，钻柱长度)而增加。如此对于较短的井，具有通过钻柱的最小内联压力损耗。但是由压缩机/升压机提供的流体压力和流量被设计用于更深的目标深度。因此为了随着其行进至目标深度而保护锤，当前的设计实践是减少内端口效率和因而锤的机械输出，以防止活塞和的承载和承击表面和钻头在与过大的空气功率一起使用时材料和润滑失效。由于这些内在低效性，当需要钻得更深时，然后需要更大的压缩机，尤其以在活塞(工作腔)处产生足够的压差，以随着钻管的长度增加，能使锤钻驱动和补偿额外的线路损耗。由于压缩机的在深井底部处做有用工作的功率要求，这导致增加的操作成本，需要克服增加的额外线路损耗和设计以及内置流动限制。
上述背景技术不允许现有技术形成本领域的技术人员的常识的一部分。进一步地，上述内容不旨在限制公开的潜孔锤和其系统和构件的应用。具体地，上述内容不旨在限制系统和构件的仅与DTH锤或DTHRC锤一起使用或用于DTH锤或DTHRC锤的应用。
技术实现要素：
本发明是潜孔锤和：内管组件；流体流动控制系统；钻头保持系统；端口套筒；和活塞。每个内管组件；流体流动控制系统；钻头保持系统；端口套筒；和活塞，可以分别装入或以任何组合装入公开的锤中。例如，公开的锤的一个实施例可以具有公开的流体流动控制系统的实施例否则和现有技术的钻头保持系统；端口套筒；内管和活塞。在另一示例中，公开的锤的一个实施例可以具有公开的活塞的实施例否则和现有技术的钻头保持系统；端口套筒；内管和流体流动控制系统。每个内管组件；流体流动控制系统；钻头保持系统；端口套筒；和活塞可以向锤或其它的流体操作装置提供操作或可靠性或二者益处，它们自身或以各种组合安装在锤或其它流体操作装置中。
在一个方面，具有公开的流体流动控制系统，流体流动控制系统能够控制从上游流体源到DTH装置的工作腔或流体驱动活塞的流体流动。控制系统能够连接在压缩机或其它流体源和DTH装置的工作腔之间。控制系统对于通过流动环的流体的质量流量操作，所述流动环形成直接高于或以其它方式接近DTH装置的工作腔和/或活塞并且在与DTH装置的工作腔和/或活塞的大致固定间隔处。控制流动环的尺寸改变控制系统两端的压降和工作腔两端的可获得的其余压降。这影响可用于其它下游的限制器、装置和流动路径的压力。
由于公开的控制系统能够便于应用于DTH装置的工作腔的流体压力的变化；其能使DTH装置最初设计成用于增加的流体流动效率，同时允许经过工作腔的流体压力被调节，以能使流体的供应与DTH 装置的操作的机械限制和配置DTH装置的环境匹配。在DTH装置是 RC锤的情况下，压力控制装置可以能使例如；调节锤的撞击力和/ 或循环速度以最好匹配：驱动压缩机在RC锤自身的操作和可靠性限制中的流量和压力；和，其配置所在的地面中的特性。
在第一方面中，具有用于DTH装置的公开的流体流动控制系统， DTH装置可以连接到导管的下游端部并且被通过导管从导管的上游端部提供的流体驱动，其中控制系统能够控制到DTH装置的流体压力；控制系统能够连接至导管和DTH装置之间，其中控制系统保持与DTH装置恒定并列，而不考虑导管的长度。
在一个实施例中，流体流动控制系统包括流动路径环，用于驱动 DTH装置的流体流动通过流动路径环，流动路径环具有能够改变的环径向宽度Aw。
在一个实施例中，流动路径环具有外半径Ro和内半径Ri，其中 Aw＝Ro-Ri；和其中半径Ro和Ri中的至少一个能够改变以影响环径向宽度的改变。
在一个实施例中，至少一个半径响应于经过控制系统的流体的压差而自动地改变。
在一个实施例中，流体流动控制系统包括具有内表面的外部件，内表面形成环的外半径Ro，并且其中外部件可与多个用户可选择的其它外部件中的一个互换，其它外部件被构造成产生不同的环半径 Ro。
在一个实施例中，流体流动控制系统包括具有外表面的内部件，外表面形成环的内半径Ri，并且其中内部件可与多个其它的用户可选择内部件中的一个互换，其它内部件被构造成产生不同的环半径 Ri。
在一个实施例中，流体流动控制系统包括具有外表面的内部件，外表面形成环的内半径Ri，并且其中内部件能够响应于经过控制系统的流体的压差而在至少第一扼流位置和第二扼流位置之间移动，以改变流动路径环的内半径Ri。
在一个实施例中，流体流动控制系统包括具有内表面的外部件，内表面形成环的外半径Ro，并且其中外部件能够响应于经过控制系统的流体的压差而在至少第一扼流位置和第二扼流位置之间移动。
在一个实施例中，流体流动控制系统包括具有外表面的内部件，外表面形成环的内半径Ri，并且其中内部件可与多个其它的用户可选择内部件中的一个互换，其它内部件被构造成产生不同的环半径 Ri。
在一个实施例中，流体流动控制系统包括具有外表面的内部件，外表面形成环的内半径Ri，并且其中内部件能够响应于经过控制系统的流体的压差而在至少第一扼流位置和第二扼流位置之间移动，以改变流动路径环的内半径Ri。
在一个实施例中，外部件是环。
在一个实施例中，部件是能够连接至DTH装置和导管之间的辅助件。
在一个实施例中，流体流动控制系统包括能够连接至DTH装置和导管之间的辅助件，并且其中辅助件被布置成保持相对于DTH装置位于大致固定位置处的环。
在一个实施例中，内部件的外表面在每个扼流位置处具有不同的直径。
在一个实施例中，内部件被偏压以在上游方向上参照通过导管提供的流体的流动方向而移动。
在一个实施例中，流体流动控制系统包括弹簧，弹簧偏压流动控制主体以在上游方向上移动，并且其中弹簧保持在流动控制主体中。
在一个实施例中，外部件的内表面在每个扼流位置处具有不同的直径。
在一个实施例中，流体流动控制系统h包括旁路路径，旁路路径被构造成能使流动路径环下游的流体的一部分转移而不能够驱动 DTH装置。
在一个实施例中，当内部件在第一扼流位置处时，内部件能使旁路路径打开，以便于旁通流体的一部分而不驱动DTH装置。
在一个实施例中，当内部件在第二扼流位置处时，内部件闭合旁路路径，其中穿过流动路径环的所有流体可以驱动DTH装置。
在一个实施例中，流体流动控制系统包括旁路隔离件，旁路隔离件可以选择性地连接内部件以将内部件保持在第一扼流位置处。
在一个实施例中，旁路隔离件被布置成在至少第一定向和第二定向上连接内部件，在第一定向上，旁路隔离件闭合旁路路径，在第二定向上，旁路隔离件保持旁路路径打开。
在一个实施例中，DTH装置是包括外壳体、活塞和保持在外壳体中的锤钻头的DTH锤，其中流体流动控制系统能够操作以控制到活塞的流体压力以能使DTH锤在活塞的一个或两个撞击力和撞击频率方面的调节。
在第二方面，具有公开的DTH锤，DTH锤包括：
流体驱动活塞，所述流体驱动活塞布置成能够循环地撞击锤钻头；和
流体流动控制系统，所述流体流动控制系统被布置成便于控制用于驱动活塞的流体的流动；
流体流动控制系统是根据第一方面的流体流动控制系统。
在第三方面，具有公开的DTH锤，DTH锤包括：
锤钻头和能够循环地撞击锤钻头的流体驱动活塞；和
流体流动控制系统，所述流体流动控制系统被布置成便于控制用于驱动活塞的流体；流体流动控制系统，包括：
具有内直径的环，所述内直径形成流动路径环的外半径Ro，流体从上游流体源流动通过流动路径环以驱动活塞；和内部件，所述内部件能够相对于环定位以形成流动路径环的内半径Ri，其中环和内部件一起限定流动路径环，流体从上游源流动通过流动路径环以驱动 DTH锤。
在一个实施例中，环是不同内直径的多个用户可选择环中的一个。
在一个实施例中，内主体可在至少第一扼流位置和第二扼流位置之间移动以改变流动路径环的内半径Ri。
在一个实施例中，内部件的外表面在每个扼流位置处具有不同的直径，内部件可在轴向方向上移动。
在一个实施例中，内部件被偏压以相对于流体从源到活塞的流动方向在上游方向上移动。
在一个实施例中，DTH包括内管，内管穿过内部件，并且其中活塞具有轴向通道，当撞击锤钻头时，内管延伸进入轴向通道并且活塞可以沿着轴向通道往复运动。
在一个实施例中，内管包括具有外圆周表面的第一管；和第二管，所述第二管能够定位成与第一管的外圆周表面的一部分同轴并且围绕该部分，其中第一管的外圆周表面的所述部分和第二管的内圆周表面相对地被构造成在那里之间产生旁路路径，使得流体的一部分能够在轴向方向上在第一管和第二管之间流动并且通过轴向通道。
在一个实施例中，内部件被构造成使得：当在第一扼流位置处时，内部件允许旁路路径打开，这能使流动路径环下游的流体的一部分从能够驱动活塞转移；并且当在第二扼流位置处时，内部件闭合旁路路径使得流动路径环下游的大致所有的流体可用于驱动活塞。
在一个实施例中，DTH锤包括隔离件，所述隔离件可以选择性地连接内部件以将内部件保持在第一扼流位置处。
在一个实施例中，DTH包括隔离件，隔离件可以选择性地：在(a) 第一定向上与内部件连接，以将内部件保持在第一扼流位置处，并且闭合旁路路径；和在(b)第二定向上与内部件连接以将内部件保持在第一扼流位置处并且打开旁路路径。
在第四方面中，具有用于DTH装置的公开的流体流动控制系统，DTH装置可以连接到导管的下游端部并且被通过导管从导管的上游端部提供的流体驱动，并且DTH装置具有单向阀以防止流体在上游方向上通过单向阀的流动，控制系统包括：
孔，所述孔能够连接在DTH装置和导管的上游端部之间；和
流动控制主体，所述流动控制主体能够定位在单向阀的下游并且在孔的直径中，其中孔和流动控制主体一起限定流动路径环，供应自导管的上游端部的流体传输通过流动路径环以驱动DTH装置。
在第五方面，具有用于DTH装置的公开的控制系统，DTH装置具有外壳体和内管并且能够连接到钻管，控制系统包括：
辅助件，所述辅助件被构造成连接到外壳体的一个端部并且位于与钻柱的相对端部处；和
环，所述环能够定位在外壳体中并且由辅助件保持，环具有形成流动路径环的外直径的内直径，供应自钻管的上游端部的流体流动通过流动路径环以驱动DTH装置，其中环是不同内直径的多个用户可选择环中的一个。
在第六方面中，具有用于DTH装置的公开的流体流动控制系统， DTH装置可以连接到导管的下游端部并且被通过导管从导管的上游端部提供的流体驱动，控制系统包括：
环，所述环能够定位在DTH装置和导管的上游端部之间，其中环是不同内直径的多个用户可选择环中的一个。
在第二方面，具有公开的DTH钻头，包括：
DTH锤，所述DTH锤具有外壳体、活塞和保持在外壳体中的锤钻头；和
控制系统，所述控制系统被布置成便于到DTH锤的流体压力的控制；所述控制系统包括：
具有内直径的环，所述内直径形成流动路径环的外半径Ro，供应自导管的上游端部的流体流动通过流动路径环以驱动DTH锤；和内部件，所述内部件能够相对于环定位以形成流动路径环的内半径 Ri，其中环和内部件一起限定流动路径环，供应自导管的上游端部的流体传输通过流动路径环以驱动DTH锤。
公开的用于DTH锤的钻头保持系统的实施例便于容易进行钻头替换。公开的钻头保持系统的实施例也可以便于在钻头的外侧在井下方向上的均一流体流动分布。该流体随后用于DTH锤中以将钻头切屑传输通过钻头中的中心通路并且从相关联的钻柱向上。公开的钻头保持系统的实施例也能使钻头保持在与柄相比增加的直径的区域中。该区域与柄相比固有地更强。进一步地，公开的钻头保持系统的实施例使柄上的减速力的特性相对于现有技术倒退。在现有技术中，在活塞冲程的端部处，对钻头保持环的任何撞击在柄上生成拉力。这是 DTH锤钻头折断的主要原因。在公开的保持系统的实施例中，对于钻头保持系统的任何同类的撞击出现在钻头上的邻近柄的井下端部的位置处，并且更显著地在钻头的更大的横截面积中。因而产生的减速力现在用作柄上的从其井上端部朝花键的端部的压缩力。
在第七方面，具有公开的用于具有外管和钻头的锤钻的钻头保持系统，钻头具有柄和从外管的第一端部延伸的切割面和沿着柄轴向地延伸的多个花键；所述保持系统包括：护罩，所述护罩能够连接到外管的第一端部，所述护罩能够定位在钻头的中间部上，所述护罩具有内圆周表面，所述内圆周表面被构造成为钻头提供抵接表面以防止钻头从外管掉落，并且便于在内圆周表面和钻头的外表面之间在井下方向上的大致均匀的流体流动分布。
在一个实施例中，护罩的内圆周表面包括多个圆周间隔开的和径向向内延伸的突出部，突出部形成抵接表面。
在一个实施例中，钻头保持系统包括制动系统，制动系统能够相对于钻头将护罩保持在第一固定转动位置处，在第一固定转动位置处，抵接表面能够抵接钻头上的止动件以防止钻头离开护罩。
在一个实施例中，制动系统包括形成在护罩的内圆周表面中的多个圆周间隔开的凹部，凹部与突出部轴向地隔开。
在一个实施例中，凹部围绕内圆周表面平均地隔开。
在一个实施例中，每个凹部都与相应的突出部轴向对准。
在一个实施例中，突出部被构造成当护罩在第一转动位置处时，能够与钻头上的相应的花键轴向对准。
在一个实施例中，钻头保持系统包括至少四个突出部并且其中突出部围绕内圆周表面平均地隔开。
在一个实施例中，钻头保持系统包括用于每个花键的一个突出部。
在一个实施例中，其中具有比凹部更多的突出部。
在一个实施例中，内圆周表面包括与内圆周表面的邻近部分相比减少的半径的圆周带，并且其中凹部形成在带中。
在一个实施例中，钻头保持系统包括被布置成连接到外管的第一端部的驱动辅助件，护罩能够定位在驱动辅助件上并且其中驱动辅助件和护罩被构造成能使护罩夹固在外管的第一端部和驱动辅助件之间。
在一个实施例中，护罩包括设置有多个间隙的外圆周表面，多个间隙被布置成能使突出部在轴向方向上传输通过其中。
在一个实施例中，制动系统包括连接到或设置在驱动辅助件上的一个或多个构件，并且其中构件可接收在相应的凹部中。
在一个实施例中，驱动辅助件的外圆周表面包括其中形成间隙的外带，并且其中套筒的圆周带具有比外带更小的半径，从而防止套筒从驱动辅助件掉落。
在第八方面，具有公开的锤钻，所述锤钻包括：
具有第一端部和第二端部的外管；
钻头，所述钻头设置有在钻头的相反端部处打开的中心通路、柄、从外管的第一端部延伸的切割面、和柄上的多个轴向延伸的花键；和
根据第七方面的钻头保持系统，其中护罩能够连接到外管的第一端部并且布置成防止钻头脱离外管。
在一个实施例中，钻头在花键的井下端部和切割面之间包括外表面部分，外表面部分从邻近花键的井下端部的位置朝切割面逐步增加半径。
在一个实施例中，钻头的外表面包括从柄的上游端部延伸到切割面的大致平滑连续的流体流动表面，大致平滑连续的流体流动表面包括位于相应的邻近花键之间的多个通道和在花键的井下端部和切割面之间的连续外表面部分，外表面部分从邻近花键的井下端部的位置朝切割面逐步增加半径。
公开的内管组件的实施例的一个方面是在外圆周表面上提供座部，所述座部作用为相关联的DTH锤的诸如止回阀的自定中心构件。通过形成座部以具有径向面来实现自定中心作用，径向面倾斜以与外圆周表面形成钝外角。
公开的内管组件后方的另一个思想是提供如下机构，通过所述机构，用于驱动DTH锤的一些流体可以经由内管组件绕过DTH锤的活塞。这有助于减少钻头上的撞击力。当钻入诸如粘土的软地面中时，这是特别有用的。其原因是高撞击力易于压紧软地面并且迫使软地面进入钻头中的入口孔中。这导致堵塞钻头。当这出现时，钻进必须临时性停止并且DTH锤被冲洗以移除堵塞。
在第九方面，具有公开的用于DTH锤的内管组件，所述内管组件包括：
具有外圆周表面的第一管；和
在径向方向上从外圆周表面延伸的座部，所述座部具有在一个端部处的径向面，所述径向面倾斜以与第一管的纵向轴线形成钝外角。
在一个实施例中，座部能够响应于力在面上的轴向方向上的应用而弯曲以增加钝外角。
在一个实施例中，座部包括围绕外圆周表面圆周地设置的抵接件，其中面是抵接件的径向面。
在一个实施例中，抵接件围绕外圆周表面连续延伸。
在一个实施例中，座部包括与抵接件轴向地隔开的带。
在一个实施例中，带包括圆周沟槽。
在一个实施例中，带的位于径向面远端处的面垂直于第一管的纵向轴线延伸。
在一个实施例中，第一管在座部的一侧具有第一部分，并且在座部的相反侧具有第二部分，其中第一部分的外直径不同于第二部分的外直径。
在一个实施例中，内管组件包括第二管并且其中第一管的外圆周表面的一部分和第二管的内圆周表面相对地被构造成产生一个或多个流体流动路径，使得当第二管设置在第一管上并且覆盖外圆周表面的部分时，流体能够在第一管和第二管之间在轴向方向上流动。
在一个实施例中，通过成形或构造第一管的外圆周表面的部分，使得外圆周表面的部分的半径不是恒定的，而至少部分地形成流体流动路径。
在一个实施例中，通过外圆周表面的部分上的凹部或平坦部而至少部分地形成流体流动路径。
在一个实施例中，通过成形或构造第二管的内圆周表面，使得内圆周表面的半径不是恒定的，而至少部分地形成流体流动路径。
在一个实施例中，通过外圆周表面的部分上的凹部或平坦部而至少部分地形成流体流动路径。
在一个实施例中，通过为第一管的外圆周表面的部分和第二管的内圆周表面提供不同的轮廓而产生流体流动路径。
在一个实施例中，内管组件包括一个或多个形成在第二管中的访问路径，使得流体能够从第二管的外侧流进流体流动路径中。
在一个实施例中，一个或多个访问路径包括形成在第二管的一个端部附近和内侧的孔。
在一个实施例中，一个或多个访问路径包括形成在第二管的内圆周表面上的圆周凹部或沟槽，每个孔的内径向端部在内圆周表面上开口。
在一个实施例中，第二管的一个端部可抵靠径向面远侧的座部定位。
在第十方面，具有公开的用于DTH锤的内管组件，所述内管组件包括：
具有外圆周表面的第一管；和
第二管，所述第二管能够定位成与第一管的外圆周表面的一部分同轴并且围绕所述部分，并且其中第一管的外圆周表面的该部分和第二管的内圆周表面相对地被构造成产生一个或多个流体流动路径，使得当第二管设置在第一管上并且围绕外圆周表面的部分时，流体能够在第一管和第二管之间在轴向方向上流动。
在一个实施例中，通过成形或构造第一管的外圆周表面的部分，使得外圆周表面的部分的半径不是恒定的，而至少部分地形成流体流动路径。
在一个实施例中，通过外圆周表面的部分上的凹部或平坦部而至少部分地形成流体流动路径。
在一个实施例中，通过成形或构造第二管的内圆周表面，使得内圆周表面的半径不是恒定的，而至少部分地形成流体流动路径。
在一个实施例中，通过外圆周表面的部分上的凹部或平坦部而至少部分地形成流体流动路径。
在一个实施例中，通过为第一管的外圆周表面的部分和第二管的内圆周表面提供不同的轮廓而产生流体流动路径。
在一个实施例中，内管组件包括一个或多个形成在第二管中的访问路径，使得流体能够从第二管的外侧流进流体流动路径中。
在一个实施例中，一个或多个访问路径包括形成在第二管的一个端部附近和内侧的孔。
在一个实施例中，一个或多个访问路径包括形成在第二管的内圆周表面上的圆周凹部或沟槽，每个孔的内径向端部在内圆周表面上开口。
在第十一方面，具有公开的用于DTH锤钻的活塞，活塞被布置成撞击锤钻的钻头，所述活塞包括：
主体，所述主体具有轴向通道和外圆周表面，所述外圆周表面设置有最多三个轴向间隔开的圆周端口带。
在一个实施例中，活塞包括止动件，其中端口带包括上游端口带、中间端口带和下游端口带，并且止动件定位在中间端口带和下游端口带之间，并且其中下游端口带具有用于从止动件到活塞的下游端部的整个轴向长度的恒定外圆周表面。
在第十一方面，具有公开的用于DTH锤钻的活塞，DTH锤钻具有外壳体和由外壳体支撑的钻头，其中活塞能够撞击钻头，所述活塞包括：外圆周表面，所述外圆周表面被构造成在锤钻的外壳体中的最多三个轴向隔开区域处形成基本流体密封。
在一个实施例中，活塞包括：主体，所述主体具有轴向通道和外圆周表面，所述外圆周表面在轴向地隔开的位置处设置有最多三个轴向间隔开的圆周端口带，其中相应的带能够在相应不同的密封区域处形成基本密封。
在一个实施例中，端口带包括上游端口带、中间端口带和下游端口带，其中上游带具有邻近主体的上游端部的上游边缘，下游带具有邻近主体的下游端部的下游边缘。
在一个实施例中，活塞包括定位在中间带和下游带之间的止动件，其中下游带具有平的外圆周表面，外圆周表面在从止动件到活塞的下游端部的整个轴向长度上具有大致恒定的外直径。
在第十二方面，具有公开的用于锤钻的端口系统，锤钻具有外壳体、由外壳体支撑的钻头和能够在外壳体中轴向地往复运动并且撞击钻头的流体驱动活塞，端口系统包括：
活塞的外表面；和
表面的装置，所述表面的装置被构造成与外表面相互作用以在外表面上提供大致均匀的流体压力分布，使得当锤钻在冲放模式中时，流体压力能够相对于外壳体将活塞保持在固定轴向位置处。
在一个实施例中，固定轴向位置与锤钻中的活塞的井下大部分位置一致。
在一个实施例中，外圆周表面包括最多三个轴向间隔开的圆周端口带，带沿着活塞在轴向地隔开的位置处，其中相应的带能够在相应不同的密封区域处与表面的装置形成基本密封。
在一个实施例中，端口带包括上游端口带、中间端口带和下游端口带，其中上游带具有邻近活塞的上游端部的上游边缘，下游带具有邻近活塞的下游端部的下游边缘。
在一个实施例中，端口系统包括在外圆周表面上并且定位在中间带和下游带之间的止动件，其中下游带具有平的外圆周表面，外圆周表面在从止动件到活塞的下游端部的整个轴向长度上具有大致恒定的外直径。
在一个实施例中，表面的装置包括端口套筒的内圆周表面，端口套筒设置在锤钻中并且定位成使得活塞的上游端部在锤钻的操作过程中保持在端口套筒中。
在一个实施例中，表面的装置包括端口套筒的内圆周表面，所述端口套筒设置在锤钻中并且定位成使得活塞的上游端部在锤钻的操作过程中保持在端口套筒中，端口套筒具有内置在端口套筒的下游端部中的多个开口，并且其中端口套筒的内圆周表面具有在其下游端部处的具有第一内直径的第一部分和下游部分的上游的具有第二直径的第二部分，第二直径小于第一直径，并且其中开口跨越第一部分和第二部分；活塞的上游带和第二部分相对地被构造成，当第二部分至少部分地覆盖在上游带上方时，在其之间产生上游密封区域，上游密封区域大致地防止流体穿过开口并且进入活塞的上游端部中。
在一个实施例中，第一部分被构造成相对于外圆周表面保持流动路径，所述流动路径总是保持对于活塞在外壳体中的所有可能操作位置打开，其中流体能够流过开口进入定位在上游带和中间带之间的中间腔中。
在一个实施例中，表面的装置包括外壳体的内圆周表面，所述内圆周表面被构造成当外壳体的内圆周表面至少部分地覆盖在中间带上方时，与中间带形成底腔密封。
在第十三方面，具有公开的锤钻，包括：
外壳体；
流体驱动活塞，所述流体驱动活塞能够在外壳体中轴向地往复运动并且撞击保持在外壳体的端部处的钻头，活塞具有上游端部、下游端部和在上游端部和下游端部之间的中间端口带；
顶腔，所述顶腔定位在外壳体和活塞的上游端部之间，顶腔被布置成接收流体以用于在下游方向上驱动活塞；和
底腔，所述底腔定位在中间端口带的下游并且在活塞和外壳体之间；
其中，当锤钻以冲放模式操作时，顶腔和底腔布置成与彼此直接流体连通。
在一个实施例中，活塞被构造成具有：
下游表面面积，所述下游表面面积是活塞的在下游方向上观察到的总表面面积，所述下游方向不平行于活塞的中心轴线，并且在顶腔和底腔中并且在顶腔和底腔之间；和
上游表面面积，所述上游表面面积是活塞的在下游方向上观察到的总表面面积，所述下游方向不平行于中心轴线，并且在顶腔和底腔中并且在顶腔和底腔之间；和
其中下游表面面积大于上游表面面积。
在第十四方面，具有公开的用于锤钻的活塞，活塞被布置成撞击锤钻的钻头，所述活塞包括：
具有轴向通道和外表面的主体，主体的外表面被构造成使得当主体经受大致均匀的流体压力场时，使得通过流体压力的作用而作用在活塞上的净力朝钻头引导。
附图说明
除了可以落入在发明内容中阐述的设备、系统和装置的范围内的任何其它形式，现在将仅通过示例方式参照附图描述特定的实施例，其中：
图1是表示公开的井下装置的一个实施例的示意图，井下装置成 DTH锤钻的形式，包含公开的内管组件、流体流动控制系统、端口套筒、钻头保持系统和活塞的相应的实施例；
图2是在图1中示出的流体流动控制系统的放大视图，并且图示在第一扼流位置处的相关联的流动控制主体；
图3是在图2中图示的控制系统的视图，并且流动控制主体在第二扼流位置处；
图4是在图1至图3中示出的流体流动控制系统的视图，并且附加相关联的隔离件，所述隔离件在第一定向上；
图5是在图4中示出的流体流动控制系统的视图，并且图示的相关联的隔离件在第二定向上；
图6是流动控制主体和隔离件以及装在流体流动控制系统中的环和壳体的放大侧视图；
图7是图6示出的流动控制主体、环、隔离件和壳体的纵向剖视图；
图8是图6和7示出的流动控制主体、环、隔离件和壳体的透视图；
图9是装在控制系统和井下装置的实施例中的辅助件的透视图；
图10是与井下装置的实施例相关联的适配器喷嘴和滤网的透视图；
图11是图1示出的端口套筒的剖视图；
图12是图1示出的端口套筒的透视图；
图13是在DTH装置中的流体流动控制系统、内管组件、端口套筒和活塞的一部分的剖视和放大视图，图示了在一个操作模式中的气流路径；
图14是装在公开的井下装置中的端口套筒、相关联的保持环和密封环的透视和部分分解图；
图15是装在图1示出的井下装置的实施例中的内管组件的侧视图；
图16是图15的被在拆卸状态中图示的内管组件的透视图；
图17是图15图示的内管组件的一部分的放大剖视图；
图18是图15示出的内管组件的横向剖视图；
图19是公开的示出与DTH装置的下游端部关联的钻头保持系统的实施例的横截面图；
图20是钻头保持系统连同相关联的DTH锤钻的实施例的分解侧视图；
图21是装在钻头保持系统中的护罩的透视图；
图22是装在钻头保持系统中的驱动辅助件的透视图；
图23是可以与钻头保持系统结合使用的锤钻的透视图；
图24是表示钻头保持系统的构件在连接到DTH装置的初始阶段中的一个可能布置的示意图；
图25图示了钻头保持系统的构件在连接到DTH装置的紧接阶段的布置，其中护罩在钻头释放位置处并且相关联的制动系统分离；
图26图示了钻头保持系统的构件在连接到DTH装置的紧接阶段的布置，其中护罩在钻头保持位置处并且制动系统分离；
图27图示了钻头保持系统的构件在连接到DTH装置的紧接阶段的布置，其中护罩在钻头保持位置处并且制动系统接合但是解锁；
图28图示了钻头保持系统的构件在连接到DTH装置的紧接阶段的布置，其中护罩在钻头保持位置处，并且制动系统被接合但是解锁并且驱动辅助件部分地螺纹连接进入DTH装置的外管中；
图29是表示钻头保持系统完全地安装在DTH装置中的示意图，其中护罩在钻头保持位置处，并且制动系统被接合和锁定并且驱动辅助件完全地螺纹连接进入外管中；
图30是表示钻头保持系统的分离以能使替换钻头的阶段的示意图，其中护罩在钻头保持位置处，并且制动系统被接合但是解锁并且驱动辅助件部分地螺纹连接进入DTH装置的外管中；
图31是表示护罩和驱动辅助件在钻头改变过程的更高级阶段中的并列的示意图，其中护罩在钻头释放位置处并且制动系统分离；
图32是表示钻头从钻头保持系统分离以能使替换的示意图；
图33是提供可以与本钻头保持系统的实施例一起使用的锤钻头和现有技术锤钻头之间的比较的侧视图；
图34是安装在成逆循环锤钻的形式的DTH装置的端部上的钻头保持系统的但是在与图19示出的轴向平面不同的轴向平面中的横截面图；
图35a是表示图1示出的公开活塞的实施例的示意图；
图35b是表示用于逆循环锤钻的现有技术的活塞的示意图；
图36、37、38、39、40、41和42图示利用公开的活塞的DTH 装置的实施例的操作循环；
图43图示了公开的DTH锤钻在冲放模式中的实施例；
图44a和44b图示装在公开的DTH锤钻中的端口装置的细节。
具体实施方式
图1示出公开的DTH锤10的实施例的纵剖面。DTH锤的特定实施例是逆循环(RC)锤。然而，DTH装置、构件和系统的实施例因此不受限于DTHRC锤中的应用。
锤10包含公开的实施例：内管组件100；流体流动控制系统200；钻头保持系统400；端口套筒600；和活塞700。以下各项中的每个：内管组件100；流体流动控制系统200；钻头保持系统400；端口套筒600；和活塞700凭借自身的因素为锤10的整体操作和/或可靠性提供益处。并且每个内管组件100；流体流动控制系统200；钻头保持系统400；端口套筒600；和活塞700可以分别装入(即通过自身) 在如下各项中：常规的DTH装置/机械；或辅助其操作的流体操作装备。通过使用这些系统/装置中的大部分或两个可以获得较大的操作和/或可靠性益处，最终所有这些系统/装置用在如下所述的锤10中。
锤10具有外壳体12，外壳体12具有井上或上游端部16和井下或下游端部18。内管组件100在外壳体12内侧同轴地延伸。内管组件100还具有井上端部20和相对的井下或下游端部22。锤钻头24 通过钻头保持系统400保持在外壳体12中。内管组件100的井下端部22延伸到钻头24的中心返回通路26中。活塞700也被容纳在外壳体12中，并且沿着内管组件100滑动。
诸如空气的操作流体经由连接到外壳体12的井上端部16的钻柱 (未示出)或其它的导管被传送。该流体穿过流体流动控制系统200到端口装置，端口装置具有使活塞700循环地往复以击打钻头24的作用。来自活塞700的撞击力经由钻头24转移到被钻出的井的趾部上。这使井的趾部断裂。从该破裂出现的井切屑/碎片被沿返回通路26和随后内管组件100经由流体(在这种情况下为空气)的返回流动向上携带，流体用于驱动活塞700。
用于驱动活塞700和通过内管组件100为车辆提供碎片和井切屑的返回的所有流体必须首先穿过流体流动控制系统200。当系统200 与DTH锤10一起使用时，该流体大致是空气并且经由表面处的压缩机提供。根据在表面处的空气压缩机和/或升压机的功率，空气在压力(通常以每平方英寸量规“psig”的压力测量)和流量(通常以立方英尺每分钟“cfm”为单位测量)下传送。(通常“流量”仅称为“CFM”。该惯例将用于该说明书的其余部分。)通常，压缩机和/或升压机满功率操作，以提供最大压力和CFM以驱动DTH锤10。在到达DTH锤10之前，压力和能量损耗将通过钻柱被经历。随着钻柱的长度增加，具有增加的钻入深度，这些损耗增加。可用于驱动DTH锤10的压力和CFM 在井下被控制系统200控制，控制系统200直接在活塞700上游。
现在将描述装在锤10中的每个主要装置和系统。
流体流动控制系统200
流体流动控制系统200(图1至图8)被布置成便于控制可用于 DTH锤10的流体压力。由于控制系统200是DTH锤10的部件，控制系统200保持与钻头24恒定并列，而无论钻管的长度。因而，控制系统200能控制紧邻活塞700的上游端部的流体压力和锤10的相关联的工作腔。
控制系统200被布置成限定或形成流动路径环210，供应自相关联的钻管的上游端部的空气202流动通过流动路径环210以随后驱动 DTH锤10。流动路径环210具有内半径Ri和外半径Ro(见图2)。流动路径环的宽度此后被称为环宽度Aw＝Ro-Ri。
在广义术语中，通过改变半径Ro和半径Ri中的一个或两个，控制系统200能使环宽度Aw变化。在如下所述的特定实施例中，半径 Ro由环212形式的外部件限定。环212具有形成流动路径环210的外半径Ro的内半径。环212可以是不同内直径的多个可互换环中的一个，在表面处的同时，可互换环可以针对特定用途被选择并且连接到DTH锤10。例如，环212可以是一组环中的一个，每个环都具有相同的外半径，但是各环之间其相应的内半径增加或改变预定量例如，但是不受限于：0.25mm或0.5mm或1.0mm。
流动路径环的内半径Ri通过成流动控制主体216的形式的内部件的外圆周表面214而产生。因而，流动控制环210由环212和流动控制主体216限定。
流动控制主体216可至少在图2示出的第一扼流位置和图3中示出的第二扼流位置之间移动以改变流动路径环210的内半径Ri。如下所述，这提供控制系统200的自动扼流或气流控制特征。
特别参照图2，可以看到，流动路径环210形成在外部件或环212 的内表面213；和流动控制主体216或内部件的外表面214之间。流动路径环210形成在包括环212的直径平面中。
除了环212和流动控制主体216，流体流动控制系统200还包含成弹簧218的形式的偏压机构。流动控制主体216可滑动地安装在内管10上。弹簧218包围内管组件100的一部分并且被保持在流动控制主体216中。弹簧218作用以在与空气202的流动方向相反的上游方向上偏压流动控制主体216。然而，如果在流动控制主体216的外表面214上由空气202提供的力超过在相反方向上由弹簧218提供的力，则弹簧218还能使流动控制主体216在下游方向上移动。
当由作用在外表面214上的空气202的压力提供的力超过由弹簧218施加在流动控制主体216上的力以及主体216下游的空气压力施加的力时，流动控制主体216从图2示出的第一扼流位置移动到图3 示出的第二扼流位置。因而，流动控制主体216和弹簧218形成压力开关。根据流动控制主体216两端的压差，流动控制主体将主要在第一或第二扼流位置处。然而理解，如果阈值压差被通过，当流动控制主体在第一扼流位置和第二扼流位置之间时，将具有过渡周期。
通过在内管组件100上设置径向凸缘59，流动控制主体216的该位置被限制在第一扼流位置处。当压差被超过时，则流动控制主体 216被推压以在下游方向上轴向地移动或滑动，将弹簧218压缩到图 3示出的第二扼流位置。如图2和3之间的比较所示，在第二扼流位置处，流动路径环210具有减少的宽度Aw。这具有扼流或限制流动路径环210下游的流体的压力的作用。
通过交换如下各项中的一个或多个中的任何一个，环宽度Aw和阈值压差可以改变：环212；流动控制主体216；和具有不同物理特性的类似项目的弹簧218。例如通过交换环212与具有不同内半径 Ro的另一环，流动路径环210和更具体地环径向宽度Aw可以改变。假设流动控制主体216保持不变，则用具有相同外直径但是不同内直径的另一环代替环212，将改变环径向宽度Aw。类似地用不同外部构造的流动控制主体来改变流动控制主体216将具有类似的作用。进一步地，交换弹簧218与不同弹簧常数的弹簧将改变流动控制主体 216从第一扼流位置切换到第二扼流位置所在的压差。这提供更大的灵活性和锤10的调节以针对给出的一组地面条件(例如，硬地面、软地面、混合地面)和压缩机/升压器利用率和/或输出，在需要的效率和可靠性水平下操作。
图2至图5还图示了旁路路径222的设置。旁路路径222的存在取决于使用什么类型的内管组件100。图2至图5图示具有两件式内管组件100的锤10，两件式内管组件100便于提供旁路路径。(之后参照图15至图18更详细地描述两件式内管)然而在替换的实施例中，锤10可以设置有简单的现有技术的一件式内管(未示出)，一件式内管不便于提供旁路路径222。
在特定条件中，部分空气202可以流过流动路径环210下游的旁路路径222。可以流过旁路路径222的部分被箭头202b和随后的点指示在图2中，用于驱动活塞700的其余部分的空气由箭头202p图示。特别地，当流动控制主体216在图2示出的第一扼流位置处时，旁路路径222打开。因此，该部分空气202b可以流过旁路路径222。
旁路路径222引导一部分驱动流体离开下游的内管组件100，以绕过活塞700的头部711中的腔。因而，仅其余部分的空气202p驱动活塞700。空气202b离开钻头24的外表面和外壳8之间的DTH 锤10并且进入被钻出的井中。空气202b然后再连结井中的空气202p 并且从通路26向后流动并且通过内管组件100以将切屑和碎片携带到表面。
如图3所示，当在第二扼流位置处时，旁路入端口226由流动控制主体216闭合。因此，旁路路径222还由流动控制主体216闭合。
入端口226在壳体230中形成为径向路径或孔，壳体230安装在内管组件100上。壳体230具有上游端部232，当在第一扼流位置和第二扼流位置之间移动时，上游端部232形成用于主体216的内表面的支承表面。还将示出的是，弹簧218抵接上游端部232并且保持在端部232、内管组件100和流动控制主体216之间。因而，弹簧218 大体上与空气202流隔离。这在最小化或避免振动方面提供益处，振动可以使弹簧疲劳和/或以其它方式损坏弹簧。壳体230在端部232 附近形成有减少的外直径部分233(图6和7)。减少的直径部分233 具有外表面235。
流动控制系统200可选地包括隔离件234。隔离件234被布置成连接到流动控制主体216以将流动控制主体216保持在图2示出的第一扼流位置处，而不考虑流体202的压力或主体216两端的压差。如简短所述，隔离件234可以安装在第一定向或第二定向上。在第一定向上，隔离件234被布置成保持入端口226和因而旁路路径222打开以转移一部分流体202。在第二定向上，隔离件234覆盖和闭合入端口226从而闭合旁路路径222。
图6至图8更详细地图示了控制系统200和DTH锤10的各种特征。从这些图可以看到，环212是具有内表面213的简单的环状圆环，内表面213形成流动路径环210的外半径Ro。环212还具有外圆周表面236，外圆周表面236具有最低限度地小于外壳体12的内半径的半径。这能使环212坐接在外壳体12内侧。
流动控制主体216具有大致管状形式。主体216的外圆周表面 218形成流动路径环210的内半径Ri。特别参考图8，表面218的轮廓形成使得半径Ri沿着主体216在不同轴向位置处变化。对于下游部分238，外表面218具有示出为Ria的恒定半径。然而，轴向长度的中间，主体216具有增加外直径的部分240。这导致流动路径环210 的内半径Rib的增加和因此减少的环宽度Aw。在上游方向上进一步地移动，外表面218具有恒定外直径的部分242。部分242的外直径可以与部分238的外直径相同或不同。在表面218的外直径中具有从部分238和242到中间部240的均一的和渐变的过渡。
主体216还设置有锥形上游端部244。在主体的216的端部244 的内表面上，具有用于坐接可选择密封件248(图2)的圆周沟槽246。当使用时，密封件248提供抵靠内管组件100的外表面的基本流体密封。
隔离件234成薄壁环的形式。环234设置有更接近一个端部251 的多个圆周间隔开的孔250和相对端部253。隔离件234具有布置成坐接在壳体230的部分233上的内半径，在此情况下具有从对应表面235的最小间隙或容限。进一步地，隔离件234具有大致地等于肩部 252的深度D的材料厚度T(图7)，肩部252区别部分233与壳体230 的其余部分。
壳体230形成有多个外圆周沟槽254、256、258和260。沟槽254- 260被布置成分别地保持相应的O型环密封件262、264、266和268。壳体230的内圆周表面270形成有用于坐接O型环密封件273的中间圆周沟槽272。在沟槽272的下游，内圆周表面270形成有导致恒定半径的带276的径向向内圆周肩部274。在沟槽272的上游侧，壳体230分别地形成有外圆周沟槽278和内圆周沟槽280。入端口226 在径向方向上延伸并且在沟槽278和280之间定位。
当隔离件234在端部251最靠近肩部252的定向上用于控制系统 200中时，孔250从沟槽278偏移。更具体地，孔250定位在肩部252 和包括O型环密封件264的沟槽256之间。因而在该构造中，孔250 不能提供与入端口226的流体连通。这表示隔离件234的上述第二定向，在该第二定向上，隔离件234闭合旁路路径222。控制系统200 的该构造示出在图5中。
然而，如果隔离件234定向成使得端部253最靠近如图4所示的肩部252，孔250将与沟槽278对齐。相应地空气可以穿过孔250进入沟槽278中，并且随后通过入端口226以进入旁路路径222中。这表示上述第一定向，隔离件234在第一定向上打开旁路路径222。
环212在外壳体12中被辅助件282保持和维持到位(特别如图2 和9所示)。辅助件282是大致管状构造，并且在下游端部285处具有外螺纹283。螺纹283与在外壳体12的上游端部16处在内圆周表面上形成的螺纹接合。如图2所示，螺纹283的上游端部形成有座接 O型环密封件286的圆周沟槽284。密封件286在辅助件282和外壳体12之间形成基本流体密封。
在上游方向上移动，辅助件282形成有正方形肩部290，肩部290 形成抵接表面以用于将辅助件282拧紧到外壳体12的径向端部上。一对相对的平面294被机加工或以其它方式形成在端部肩部290的上游的辅助件282的外表面中。在拧紧或中断与外壳体12的螺纹连接时，平面294被提供以辅助夹紧辅助件282。辅助件282的上游端部 296形成有内螺纹298以用于接合邻近钻管(未示出)的端部。圆周肩部300(图2)形成在辅助件282的邻近螺纹298下游端部的内圆周表面上并且在径向向内方向上延伸。
辅助件282座接适配器喷嘴302(特别见图2和10)。适配器喷嘴302抵接肩部300，并且接收和自身座接内管组件100的上游端部16。适配器喷嘴302的下游部分形成有多个圆周间隔开的肋部或壁304。相互邻近的肋部304限定流动通路306，流动通路306用于从表面处的压缩机/升压机通过连接到辅助件282的钻管传送。每个通道306 通向孔308。孔308在轴向方向上延伸。空气202通过适配器喷嘴302 的外侧和辅助件282的内圆周表面之间的通道306流到孔308。孔308 由适配器喷嘴302的圆周基部310限定或限定在圆周基部310中。基部310形成有多个外圆周沟槽312，每个外圆周沟槽都座接对应的O 型环密封件314。密封件314在基部310和辅助件282的内圆周表面之间形成基本流体密封。壁310的内表面的部分316(图2)是锥形的以在下游方向上增加半径。表面316形成用于止回阀320的互补表面部分318的抵接表面。
止回阀320操作以自动地抵靠表面316闭合以防止流体在上游方向上的回流。在流动控制主体216的上游，止回阀320可滑动地安装在内管组件100上。止回阀320包括相对轻质弹簧322，相对轻质弹簧322被布置成压缩和允许止回阀320在下游方向上滑动以利用最小的预期流体压力和CFM抵接凸缘59。在这点上，止回阀320被设计成每当DTH锤10在使用时而保持打开。
返回图10，每个肋部304的自由端部324形成有中间凹部326。另外地，在具有远离适配器喷嘴302的中心轴线的增加径向距离的情况下，每个自由端部324的表面朝基部310倾斜。喷嘴302的上游端部328是大致管状形式的并且，在根据该实施例的一个可能构造中，设置有用于坐接O型环密封件(未示出)的一对间隔开的圆周沟槽330。然而不是所有的实施例都要求设置该沟槽和相关联的O形环。
空气滤网332装配在端部328上并且座接在肋部304的自由端部 324上。滤网332成截头圆锥形壳的常规形状并且形成有多个孔333。当滤网332座接在自由端部324上时，凹部326还提供用于流过孔 333的空气的流体流动路径，孔333与凹部326对齐。这有助于最小化用于驱动锤10的空气的流动限制。
返回图2至图4，将进一步地描述控制空气压力和特别压降和因而调节DTH锤10的能力。使用控制系统200控制工作腔/活塞700 处的空气压降的能力为如下的能力：(a)互换环212与具有不同内半径的其它环，因此改变流动路径环210的外半径Ro；(b)互换弹簧218 与不同弹簧常数的弹簧；(c)使用或省略隔离件234，并且如果使用，将隔离件234安装在第一定向或第二定向上；和(d)互换流动控制主体与不同外表面构造的其它流动主体，但是设想在实践中，与改变环宽度Aw的主体218相比，将更容易互换环212。
此处的目的是在控制系统200的点处引入可变/可调节的寄生压降，以从气流移除能量并且减少锤钻中的工作腔两端的可获得压降。控制系统的实施例能使锤钻被设计有最大效率并且然后通过根据需要引入控制的压力下降/损耗以适应动力输入和地面条件而失调。控制压降在紧邻工作腔/活塞的井下位置处被影响。这在锤钻中的固定的气流低效性和压力损耗方面与现有技术的建筑物形成对比，以提供用于机械构件的保护，然后根据需要增加动力输入以满足手头应用。因此，在现有技术中，解决方案是增加钻进速度以通过添加第二压缩机而增加更多空气质量流量。这加倍了质量流量并且将提供工作腔/ 活塞两端的压力的大幅增加。在一些情况下，这又可以导致锤失效。
利用本控制系统200的实施例，在钻进之前，工作腔两端的压降可以被确定并且通过例如适当选择环212的尺寸(内直径)而被布置。但是如果预定超压被引入(例如通过添加第二压缩机)，自动井下压降也可以被从第一扼流位置移动到第二扼流位置的控制主体216引入。通过使用隔离件234，控制系统200还允许自动压降控制失效。进一步地，当控制系统与内管100一起使用时，隔离件234定向可以在一个位置之间改变，通过打开旁路路径222而允许额外的压降。
DTH锤10的实施例还具有超过现有技术装置的优良气流特性。特别地，锤10具有更流线型的气流，具有改变或变化的气流方向和更大的气流出现。例如，在锤10中，在外壳体12和辅助件282之间没有适配器辅助件。因此，在止回阀320和控制主体216附近具有用于气流的更大的内直径。因而不仅可获得的气流环是更大的，在外壳体12的上游端部中的气流还具有更小的改变和更平滑的改变。
尽管控制系统200的特定实施例已经在逆循环锤钻中的应用中，但是其可以应用于不同类型的井下装置，诸如常规的锤钻或流体驱动器。至少部分地构成流动路径环210的环212被图示和描述为与辅助件282分离的构件。然而，辅助件282和环212可以形成为单个一体单元。这可以通过简单地延伸辅助件282的长度和机加工其井下端部以具有类似于环212的构造而实现，其中其内部圆周带限定环宽度 Aw的半径Ro。
端口套筒600
图2和图11至图14图示端口套筒600。端口套筒600连同外壳 12的内圆周表面形成将空气202引导到活塞700的端口装置。端口套筒600是大致管状形式，并且具有下游端部604和上游端部602。接近但是在上游端部602内，端口套筒600在其外圆周表面上设置有肩部606。在下游方向上进一步地移动，套筒600设置有多个开口608。开口608围绕套筒600的圆周平均地隔开。在本实施例中，开口608 具有类似于狭槽的形状并且平行于轴向方向延伸。狭槽608为从套筒 600的内侧流动到套筒600的外侧的空气202提供通路。每个开口608 的下游端部610被构造成形成对应的坡道612，使得套筒600的厚度在从内圆周表面614到外圆周表面616的下游方向上增加。随着空气 202通过开口608从套筒600的内侧流出到外侧，坡道612辅助平滑气流并且减少涡流。圆周肩部618形成在内圆周表面614上的坡道 612附近。肩部618在径向向内方向上凸出并且形成用于壳体230的抵接表面。
在下游方向上进一步地移动，套筒600设置有多个端口孔620，端口孔620引导空气202在套筒600内侧流动，空气202能够从套筒 600内侧驱动活塞700。套筒的从开口608的下游端部到端口620的下游端部的长度的一部分大致与外壳12的内表面上的圆周凹部 622(见图13)径向对准。这产生环形间隙624，空气202可以流动通过环形间隙624。根据活塞700的轴向位置，流过端口620的空气202 可以流进在活塞700的外圆周表面上形成的纵向凹部738中以首先在下游方向上驱动活塞700。可替换地，空气可以流进在活塞700的头部711中形成的井部709中。这由虚线箭头628图示。因而，当活塞 700定位成使得头部711的顶部在端口620的上游端部下方时，空气 202沿着路径628流动，在井下方向上驱动活塞700以撞击钻头24。
内圆周表面614具有在下游端部处的具有第一内直径的第一部分662(图11、44a和44b)和具有第二较小内直径的连续的上游第二部分664。在部分664的上游，内圆周表面614包括具有第三内直径的第三部分666。第三内直径大于部分664的第二内直径。开口620从第二部分664延伸进入第一部分662中。内肩部670形成在第一部分 662和第二部分668之间的直径的过渡部处。
参考图13，套筒600通过如下各项被保持在外壳体12中：肩部 606与形成在外壳体12的内表面中的圆周台阶部621的接合；和辅助件282。辅助件282和套筒600之间的空间充满环212和弹簧钢环 635。
与用于RC锤钻中的常规套筒相比，套筒600提供增强的气流效率。在这点上，现有技术的套筒在其上游端部处设置有圆周环，上游端部设置有多个轴向延伸端口以引导空气从位于套筒的上游端部处的内表面流动到套筒的外圆周表面。在现有技术中的套筒中的该行端口已经被移除和用套筒600替代，套筒600和外壳体12之间的环形间隙624为空气提供更大的和更直的流动路径。套筒600的长度是相对较短的(相对于具有一体顶部辅助件的端口套筒)并且仅具有用于其直径的相对较小的环形区域。这导致套筒600容易由中空杆制造，中空杆可以容纳活塞700。这避免从实心杆机加工套筒600的需要。进一步地，对于制造，套筒600是相对便宜的并且容易替代。因而，如果需要或想要恢复锤性能，套筒600可以被活塞替代。
内管组件100
控制系统200和甚至DTH锤10可以与单件式内管或多件式内管组件100结合使用。当具有单件式内管的单个肩部606被使用时，旁路路径222不存在。在该示例中，穿过流动路径环210的所有空气 202穿过间隙圆周台阶部624并且可用于驱动活塞700。尽管单件式内管没有旁路路径222；但是如果期望总是将流动控制主体216保持在第一扼流位置处，则隔离件234仍然可以与一件式内管一起使用。因而在该示例中，隔离件234将流动控制主体216保持在第一扼流位置处，而与压差无关，从而保持恒定的环宽度Aw。在该情况下，隔离件234没有必要设置有孔250。
也可以在未修改控制系统200和DTH锤10的情况下，使用图2 至图5和图15至图18图示的多件式内管组件100。内管组件100具有第一管30，第一管30具有外圆周表面32。座部34(特别见图17) 从外圆周表面32在径向方向上延伸。座部34定位在第一管30的相反端部的中间。座部34具有面向上游端部20的径向面36。径向面 36具有倾斜或锥形的表面38，当在径向向外方向上观察时，表面38 朝下游倾斜。
表面38的倾斜为适配器喷嘴302提供自定中心功能。圆周沟槽或凹部44形成在径向面36附近的座部34中。当辅助件282连接到壳体12并且利用诸如钻柱和内导管的所有操作部件完全地拧紧时，响应于力在由喷嘴302转移的向井下中的应用，凹部44能使座部34 朝内管组件100的下游端部22弯曲。
一系列轴向间隔开的圆周沟槽46、48和50形成在面36的下游侧的管30中。沟槽46、48和50接收相应的O型环密封件(未示出)， O型环密封件形成抵靠适配器喷嘴302的内表面的流体密封。
内管组件100还包括第二管60。第二管60的长度比第一管30 短。第二管60被构造成使得其与第一管30同轴地定位并且覆盖在的外圆周表面32的一部分62上方。当内管组件100安装在DTH锤10 中时，第二管60在部分62的上游端部处抵接圆周肩部63。第二管 60的相对端部是锥形的以形成圆周肩部65，圆周肩部65从第二管 60的外直径过渡到第一管30的外直径。凸缘59定位在座部34和肩部63之间。
第二管60的内圆周表面64和第一管30的内圆周表面的部分62 相对地被构造成或布置成以产生旁路路径222，使得操作流体能够在第一管30和第二管60之间在轴向方向上流动。特别地，旁路路径222形成为在管30和60之间的多个轴向通道或间隙66。
如上所述并且如图2所示，进入的流体202可以分成流202p，流202p流动到活塞700的顶部，为钻头24提供撞击力；和流202b，流202b流过由通道66形成的旁路路径222。流过旁路路径222/通道 66的空气不有助于活塞700的撞击力。为此当空气流过旁路路径222 时，由活塞700提供的撞击力被减少。当在例如包括较大比例的粘土的地面的软地面中钻进时，这可以是有利的。
在本实施例中，通道66通过成形或以其它方式配置第一管30的外表面32的部分62而被形成。成形导致部分62的外半径的变化。实现该成形的相对简单方式是机加工或以其它方式在部分62的轴向方向上形成多个平面68(图16)。因而，部分62包括恒定半径的多个弧形部分70和插入平面68。根据机加公差，第二管60的内圆周表面64可以具有从弧形部分70的轻微的或边缘的间隙或替换地可以设置有光干涉配合。当光干涉配合被提供时，流动路径66存在于平面 68和内圆周表面64之间。如果具有间隙，则旁路路径也包括间隙。
为了使流体流过到旁路路径222，访问路径72形成在第二管60 中。访问路径72能使空气从内管10外侧流动进入通道66中。
在本实施例中，访问路径72成形成在第二管60的上游端部76 内的径向延伸孔74的形式。端部76抵接肩部63。在本实施例中，访问路径72还包括形成在第二管60的内圆周表面64上的圆周凹部或沟槽80，每个孔74的内径向端部在内圆周表面64上开口。
图2至图5和图15至图18的公开的多件式内管组件100可以以替换形式被构造。例如，通道66被描述为通过在第一管30的外圆周表面的部分62上设置平面68而形成。然而，替换或除了平面68的设置，一个或多个沟槽可以沿着部分62轴向地形成。交替地，平面或沟槽可以形成在第二管60的内圆周表面64中。进一步地，通过设置诸如狭槽的开口，访问路径72可以形成，开口在第二管60的端部 76上打开并且朝凹部80进送。
钻头保持系统400
图19图示用于保持DTH锤10的本实施例的钻头24的公开的钻头保持系统400的实施例。钻头保持系统400作用以将钻头24保持在外壳体12中并且特别作用以防止钻头24从外壳体12掉落。钻头 24具有柄524和具有切割面526的增厚的头部525。头部525和切割面526从外壳体12的下游端部18突出。钻头24还形成有多个花键 528。花键528在轴向方向上沿着钻头24的外表面延伸。钻头24具有位于花键528的井下(或下游)端部处的止动机构530。钻头24的中心通路26经由多个倾斜进送通路534与面526流体连通。钻头24的其他特征之后将被描述。
钻头保持系统400包括护罩440。护罩440能够连接到外壳体12 的井下端部18。当连接到外壳体12时，护罩440位于钻头24的中间部上方。还将理解护罩44在外侧，并且位于外壳体12的下游端部。护罩440具有内圆周表面442，内圆周表面442被构造成形成抵接件 444以防止钻头24从外壳体12掉落。进一步地，内圆周表面442被构造成便于在护罩440和钻头24的外表面之间在井下方向D上的大致均匀的流体流动分布。
护罩440是大致圆柱形构造。抵接件444形成在套筒440的井下或下游端部446附近。在本实施例中，抵接件444在内圆周表面442 上形成为多个间隔开的突出部448。突出部448在径向向内方向上从内圆周表面延伸。突出部448可以平均地圆周地隔开。
多个凹部450(例如如图19、21和25)也形成在内圆周表面442 中。凹部450与彼此圆周间隔开并且与突出部448轴向地隔开。凹部 450在圆周方向上与彼此平均地隔开。凹部450还与相应的突出部448 轴向对准。然而，在本实施例中，具有比凹部450更多的突出部448。
内圆周表面442包括圆周带452。圆周带452接近护罩400的井上或上游端部454。凹部450形成在带452中。带452产生围绕表面 442的内肩部456。每个凹部450都在轴向方向上延伸并且在护罩440 的上游端部454和肩部456上开口。
钻头保持系统400还包括驱动辅助件460。驱动辅助件460将套筒440连接到外壳体12。更具体地，驱动辅助件460能够将护罩440 夹在外壳体12上或夹到外壳体12，或以其它方式将护罩440保持在或到外壳体12。驱动辅助件460也是大致管状构造。螺纹462形成在驱动辅助件460的外圆周表面464上。螺纹462拧到在外壳体12 的内表面上形成的螺纹25上。这将钻头保持系统(和钻头24)连接到外壳体12。如图20和22所示，外圆周表面464形成有多个间隙466。间隙466平均地间隔开并且位于能使突出部448在那里传输通过的位置。间隙466形成在位于驱动辅助件460的下游端部470处的外带 468中。外带468在径向向外方向上延伸并且如此形成驱动辅助件460 的增厚部分。
多个驱动花键472形成在驱动辅助件460的内圆周表面474上。驱动花键472在轴向方向上延伸并且平均地间隔开。
钻头保持系统400还包括制动系统476，制动系统476能够将突出部448保持在相对于钻头24固定的第一转动位置处。在第一固定转动位置处，突出部448能够在钻头24上抵接止动机构530以防止钻头24离开护罩440。制动系统476是在护罩440和驱动辅助件460 上具有构件的分布系统。在驱动辅助件440上的制动系统476的构件是凹部450。在驱动辅助件460上的制动系统476的构件成在其外圆周表面464上的构件478的形式。构件478平均地间隔开并且能够与凹部450对准。
如图24和25所示，在本实施例中，构件478成球480的形式，球480座接在形成在外圆周表面464上的半球形状凹部中。半球形状凹部被设置成邻近外带468。半球形状凹部是大约等于球480的半径的深度。因而当球480在半球形状凹部中时，球480的大致地半球形状的部分从外圆周表面464突出。
特别参考图19、20和23，止动机构530成多个凸耳584的形式，凸耳584设置在每个花键528的下游端部处。甚至，凸耳584可以被认为是并且结构上形成为花键528的部分。花键528通过轴向延伸沟槽586被分离。这些沟槽586形成通道或通路以用于流体沿着钻头 24的外侧流动。该流体随后通过进送通路534和中心通路26返回 DTH锤10。
凸耳584形成围绕钻头24的具有与柄524相比增加的半径和材料厚度的一部分。钻头24的在凸耳584和钻头面526之间的区域588 形成有如下部分590，在所述部分590中，沟槽586的深度逐步减少到零，实现连续恒定的直径部分592。
图24至图29图示了将钻头保持系统400连接到DTH锤10的方式。图24图示了钻头保持系统400的构件和DTH锤10的部件的常规并列。然而应该理解，当将钻头保持系统400物理地连接到锤10 时，没有必要在任一时间如图24所示并列地物理地对齐每个外壳体 12、护罩440、驱动辅助件460和钻头。
在锤10与钻头保持系统400组装时的第一阶段是在驱动辅助件 460上滑动护罩440。护罩440的端部446需要延伸超过驱动辅助件 460的端部470。这要求护罩440和驱动辅助件460相对于彼此转动，使得突出部448与间隙466对齐并且随后可以穿过间隙466。该装置示出于在那里通过的图25中。图25还图示钻头24部分地插入钻头保持系统400中。钻头24被推动进入护罩440中，其中沟槽586对准突出部448。销478和凹部450与彼此隔开并且因而制动系统476 被分离。
图26图示了连接过程中的进程，其中从图25的装置开始，首先钻头24在井上方向上被进一步地推动进入护罩440和驱动辅助件460 中，并且第二，护罩440相对于驱动辅助件460和钻头24转动，使得(a)凹部450与构件478/球480对齐并且同时地(b)突出部448与止动机构530/凸耳584轴向地对齐。虽然构件478和凹部450对准，但是它们仍然彼此隔开并且因而制动系统476保持分离。
然后，如图27所示，护罩440和驱动辅助件460在轴向方向上相对于彼此移动，使得构件478/球480被接收在凹部450中。当这出现时，制动系统476被接合并且护罩440相对于驱动辅助件460在第一固定转动位置处。护罩440不能从驱动辅助件460掉落，因为护罩 440的内部圆周带452抵接驱动辅助件460的增厚带468。当在该第一固定转动位置处时，突出部448与止动机构530/凸耳584轴向对准。在制动系统476接合的同时，其被解锁，可以朝外壳体12推动护罩440并且因而分离制动系统476。
在图25、26和27示出的装配步骤过程中，驱动辅助件460可能已经部分地螺纹连接进入外壳体12中。无论情况是否如此，为装配锤钻10，通过接合相应的螺纹25和462，驱动辅助件460现在完全地螺纹连接进入外壳体12中。图28图示部分地螺纹连接进入外壳体 12中的驱动辅助件460。图29图示最终的使用构造，其中驱动辅助件460完全地螺纹连接进入外壳体12中。在该构造中，护罩440夹紧在壳体12和驱动辅助件460之间，并且制动系统476被锁定，因为护罩440现在不能被提升远离销478。护罩440将钻头24保持在外壳体12中并且甚至在驱动辅助件460中。这也在图19中示出。
当DTH锤钻10在使用时，钻头24能够响应于来自流体(通常为空气)驱动活塞700的撞击而在轴向方向上往复运动。进一步地，如果DTH锤钻10连接至的钻柱转动，则转矩可以经由驱动辅助件460 中的驱动花键472转移至钻头24，驱动花键472在沟槽586中并且随后可以推抵花键528。
图30至图33图示使用钻头保持系统400用于改变钻头24的一系列事件。首先如图30所示，驱动辅助件460从壳体12部分地拧开。驱动辅助件460需要仅在该范围内拧开以能使护罩440朝壳体12滑动足够的距离以从凹部450分离球480。随后，护罩440可以相对于驱动辅助件460转动至第二转动位置，其中凸耳448与钻头24上的沟槽586对准。该构造在图31中示出。
钻头24现在可以滑动至外壳体12、驱动辅助件460和护罩440 外，如图32所示。
新的钻头可以通过参考图25至图29所述的完全相同的顺序连接到DTH锤10。
本领域的技术人员将认识到，由于没有必要从DTH锤10完全地移除整个驱动辅助件460，上述顺序能使非常容易和快速地替换钻头 24。需要的是取消一个螺纹和套筒440相对于驱动辅助件460的转动。
钻头保持系统400的实施例赋予超过保持锤钻头的传统方法的许多和大量益处和优点。这些总结如下：
(a)与通常情况相比，钻头保持系统400能使锤10制成有较短长度和具有较大杆直径的钻头24，或使用所述钻头24。通过比较，参考图示现有技术的锤钻头24′的图33和同时用于相同DTH锤钻10的钻头24的实施例。与用于现有技术锤钻头24′的359mm相比，与锤 10一起使用的钻头24可以具有305mm的总长度L1。与用于现有技术锤钻头24′的18kg重量的钻头相比，长度的差异导致具有约15kg 的重量的钻头24。在从活塞700传输撞击力方面，这是极大的。在许多现有技术的DTH锤中，活塞比钻头更轻。该差值还通常约为3kg。因此，钻头保持系统400的实施例的使用能使使用大约与活塞相同质量的钻头24，导致更好的能量传送。
(b)如前所述，在钻头24上的相对较大直径的位置处，钻头保持系统400将钻头24保持在止动机构530处。与现有技术的钻头24′相比，在530′处示出的止动机构在或接近柄524′的自由端部。结果，在减速过程中，在柄524中生成的力是用于钻头24的压力，而不是在现有技术钻头24′中的拉力。这减少用于钻头24的柄的破裂的可能性。
(c)钻头保持系统400的实施例的使用进一步地能使驱动辅助件 460中的驱动花键472和钻头24的花键528之间的较大接触区域。该情况出现，因为钻头24能够形成有花键528，与现有技术同类的钻头24相比，花键528具有更大的工作长度(工作长度是其与驱动辅助件460的花键接触所沿着的长度)。这通过比较钻头24的花键528 和现有技术钻头24′的花键528′的工作长度L2而在图33中示出。
(d)钻头24的沟槽586和表面部分588提供用于从柄524的上游端部至切割面526的气流的大致连续的平滑表面。由沟槽586和表面部分588提供的气流路径的平滑连续特性被最清楚地示出在图34中。图34中的箭头A图示气流，而阴影面积S图示可用于护罩440和钻头24之间的气流的体积。之前驱动活塞700的空气从钻头24和护罩 440之间离开。该空气首先流动通过每个沟槽586并且随后穿过平滑的连续表面部分588。当钻头24位于其冲程的顶部处时，大致地整个表面部分588被护罩440包围，仅头部525和切割面526在护罩 440外侧。这在图34中示出。当钻头24位于其冲程的底部处时，张开的表面部分590被护罩440覆盖，但是连续的表面部分592被暴露。这在图19中示出。在任一情况下，气流大致地比利用现有技术钻头 24′(见图33)实现的气流更平滑，钻头24′在柄528′和头部525′之间具有正方形台肩501。进一步地，表面部分588的平滑特性和表面部分 590的逐渐变细在钻头24和护罩440之间提供用于气流的较大体积的环。这又减少压力损耗并且有助于减少用于将切屑提升到表面的输入能量。
本领域的技术人员将理解，公开的钻头保持系统400可以以其它形式体现。例如，钻头保持系统400被描述为具有包括球480的制动系统476，球480座接在半球形状凹部中。然而，球480可以被圆柱形销替代；或一体形成至脊部或键部中，脊部或键部形成在驱动辅助件460的外圆周表面464上。进一步地，尽管制动系统被示出为包括四个凹部450和四个构件478，替换的实施例可以具有不同数量的凹部和构件。例如：仅一个凹部和构件；或仅两个凹部和构件。可替换地，可以具有更多，诸如六个或八个凹部和构件。
活塞700
图35a图示了活塞700的实施例。活塞700具有形成有中心轴向通道714的主体712和包括圆周表面716的外表面；内圆周表面717 和相反的轴向表面719a和719b。端部719a在活塞700的头部711 中并且包含井部709。外圆周表面716设置有最多三个轴向间隔开的端口带即：上游端口带718；中间端口带722和下游端口带724。上游端口带718分别地限定在相应的上游端口边缘726u和下游端口边缘726d之间。中间端口带722分别地限定在相应的上游端口边缘730u 和下游端口边缘730d之间。下游端口带724分别地限定在上游端口边缘732u和下游端口边缘732d之间。止动件734形成在中间端口带 722和下游端口带724之间。
活塞700具有鼻部736，在该示例中，鼻部736组合地包括止动件734和下游端口带724。
多个轴向延伸和圆周间隔开的凹部或凹口738形成在活塞700的上游部分中，上游部分从上游端口带718朝活塞700的中心减少直径部分744延伸。另外一组凹部或凹口740围绕主体712圆周地隔开。凹部740定位在减少直径部分744和中间端口带722之间。凹部740 的上游端部在减少直径部分744上开口。
止动件734具有比下游端口带724的外直径大的外直径。锥形肩部748在止动件734和下游端口带724之间提供平滑过渡。陡峭的肩部750在止动件734和中间带722之间提供在外直径方面更剧烈的或更快的过渡。
通过比较，图35b图示了现有技术的活塞700p。现有技术的活塞700p包括主体712p，主体712p具有轴向通道714p和外圆周表面 716p。外圆周表面716p设置有四个轴向间隔开的圆周端口带718p、 720p、722p和724p。端口带718p是上游端口带并且限定在对应的上游端口边缘726up和下游端口边缘726dp之间。端口带720p是第一中间端口带，所述第一中间端口带限定在上游端口边缘728up和下游端口边缘728dp之间。端口带722p是在第一中间端口带720p下游的第二中间端口带。端口带722p被限定在上游端口边缘730up和下游端口边缘730dp之间。端口带724p是下游端口带并且限定在上游端口边缘732up和下游端口边缘732dp之间。止动件734p还形成在第二中间端口带722p和下游端口带724p之间。活塞的从止动件734p 到下游端口带724p的并且包括止动件734p的区段形成活塞700p的鼻部736p。多个轴向延伸和圆周间隔开的凹部或凹口738p、740p和 742p形成在外圆周表面716p中。
如图1和图36至图43所示，在外壳体12的活塞700在其中往复运动的区段中，锤10装配有隔离套筒701。隔离套筒701被保持在闩锁环703和驱动辅助件460之间，闩锁环703位于形成在外壳体 12的内表面中的沟槽中。隔离套筒701形成有内圆周表面705。表面 705在其大部分长度上具有恒定直径，除了其轴向端部，两个所述轴向端部是锥形的以在内直径方面逐渐增加，远离套筒701的轴线的中点。
尽管活塞700往复运动，活塞700的一部分鼻部736总是在隔离套筒701中。井上端部，即活塞700的头部711也总是在端口套筒 600的井下区段中。
外壳体12具有内圆周表面826，在容纳活塞700的区段中，内圆周表面826形成使得多个区域具有不同的内直径。从螺纹25的上游端部开始，表面826具有恒定的直径部分830。恒定的直径部分830 形成有用于坐接闩锁环703的圆周沟槽831。在部分830的上游，内表面826具有增加内直径的部分832。部分830经由肩部834过渡到部分832。部分832随后经由肩部836过渡到减少内直径的部分838。在上游方向上移动，部分838经由肩部840过渡到增加内直径的部分 842。在部分842的上游，还有减少内直径的另一部分844。肩部846 在部分842和844之间过渡。
外壳体12的与增加内直径的部分832一致的区域可以理论上描述为底腔848。外壳体12的与减少内直径的部分838一致的上游连续部分可以理论上被称为中间腔850。外壳体12中的在端口套筒600 的内侧上的区域可以理论上描述为顶腔852，活塞700在端口套筒600 中滑动。
无论其在外壳体12中的轴向位置，活塞700总是使其上游端口带718至少部分地在端口套筒600中。
活塞700的外圆周表面716、端口套筒600的内表面614的表面部分和外壳体12的内圆周表面的表面部分的组合形成端口系统。端口系统作用以分配驱动流体，从而导致活塞700的往复运动。端口系统还被布置成当锤10在冲放模式中时，将活塞700保持在固定轴向位置处。
图36图示了在操作位置处的锤10并且活塞700已经撞击钻头 24。用于驱动活塞700的流体的流动路径由图36中的一系列点图示。将看到，在活塞700撞击钻头24的时候，流体在端口套筒600和外壳体12之间流动；通过开口620；通过中间腔850，经过中间端口带 722并且进入底腔848中。因为套筒701的内表面705覆盖在下游端口带724上方，在这两个表面之间形成基本密封，所以空气基本上被防止从底腔848逸出。进一步地，在内管100的外圆周表面上穿过活塞700的通路714的排放路径打开。
中间腔850和底腔848中的流体压力大致地相同。然而，活塞700的轴向方向上的底腔848中的流体压力所作用的表面面积大于轴向方向上的中间腔850中的流体压力所作用的表面面积。相应地，在活塞700上，流体在上游方向上生成净力。进一步地，因为上游端口带718和端口套筒600的第二部分664的内表面尺寸形成为在所述上游端口带718和内表面之间形成基本密封，所以流体不能进入顶腔 852中。因此穿过开口620的流体不能穿过该密封而进入顶腔852中并且仅可以流进中间腔850和底腔848中。其净效果是活塞700现在开始在上游方向上移动。
图37图示在图36中示出的点之后的循环中的点处的锤10。此时，活塞700在上游方向上移动。此刻，中间端口带722的上游端口边缘730u已经刚刚通过肩部836并且因而闭合进入底腔848中的流体流动路径入口。实际上，肩部836可以认为是底腔848的入口。然而，流体仍然能够在端口套筒600和壳体12之间流动通过开口620 进入中间腔850中。由于通过使上游端口带718和端口套筒600的第二部分664的内表面重叠而形成的基本密封，流体不能传输进入顶腔 852中。在内管100和通路714的表面717之间的排放路径872保持打开并且因此防止流体压力在顶腔852中的积累。相应地，活塞700 继续在该向上冲程上移动。
随着活塞700继续上游运动，活塞到达图38中图示的循环中的位置。在该位置处，将注意的是，由于下游端口边缘732d从表面705 轴向地移位并且不再与表面705径向对准，所以底腔848现在在其下游端部处打开。因而，之前在底腔848中的流体现在自由排放到驱动辅助件460和钻头24之间的孔。表面838和中间端口带722的重叠保持底腔848的上游端部密封或闭合。
驱动流体从端口套筒600的外侧和壳体12的部分842之间流出。该流体穿过开口620并且现在能够流进中间腔850和顶腔852中。流进顶腔852中是可能的，因为端口带718的下游端口边缘726d已经通过肩部670。相应地，端口带718现在存在于端口套筒600的第三部分666中。间隙现在存在于部分666的表面和端口带718之间，使得流体能够流进顶腔852中。并且，由于内管100的肩部65，排放路径872被闭合，现在与通路714的内表面形成密封。因而，现在流体压力开始在顶腔852中积累。
图39图示活塞700的在锤钻10中的冲程的顶部处的活塞700。底腔848的下游端部打开，同时底腔848的上游端部闭合。中间腔 850的下游端部闭合，但是由于中间腔850和顶腔852都打开，并且操作流体能够流进中间腔850和顶腔852中，所以中间腔850和顶腔 852经受相同的流体压力。随着排放路径872被闭合，顶腔852中的流体压力积累成其阻止活塞700的上游运动并且开始活塞700的下游运动或撞击冲程。图40中图示了该情况的开始。
图40图示了在锤钻10中在其下游或撞击冲程中移动的活塞700。顶腔852保持打开并且因此继续接收加压流体。中间腔850也是打开的。由于下游端口边缘732d径向对准表面705或以其它方式被表面 705重叠，底腔848的上游端部闭合，并且顶腔848的下游端部已经刚刚闭合。排放路径872保持闭合。尽管随着活塞700进一步地在其撞击冲程中移动，闭合底腔848中的流体将被加压，但是由该压力提供的力不足以克服由顶腔852中的在下游方向上驱动活塞700的流体压力施加的力。
图41图示在图40的紧接操作阶段中的锤10中的活塞700。活塞700现在已经在下游方向上移动到上游端口边缘730u已经通过肩部836的位置，以打开底腔848的上游端部。由于与表面705形成基本密封的下游端口带724，底腔848的下游端部保持闭合。并且，排放路径872打开，允许顶腔852中的流体压力被通过中心通路714排放。因而在活塞700撞击钻头24之前，施加在顶腔852处的压力被缓解。并且，由于在上游端口带718和端口套筒600的第二部分664 的表面之间形成的基本密封，流体进入顶腔852中的流动路径关闭。相应地，在中间腔850和底腔848中具有相等的压力。
图42图示在活塞700的操作循环中的紧接的点，其中活塞碰撞钻头24。实际上，其现在返回至图36示出的操作状态。因而，活塞 700和锤10的完整的操作循环已经被描述。
上述的本锤钻10的操作用于锤10在钻进模式中并且钻头24接触或循环地撞击井的趾部的时候。然而，偶尔地锤钻10以图43图示的冲放模式操作。在冲放模式中，锤钻从井的趾部提升相对较短距离。距离足以允许钻头24以在轴向方向上滑动直到被保持机构停止，保持机构包括接触护罩440的抵接件444的钻头24的凸耳584的组合。在冲放模式中，否则可以用于驱动活塞的流体直接地传递到被钻出的井，以使井通畅。在井的底部处的切屑和其它的碎屑穿过中心通路 26和内管100到表面。
理想地在冲放模式中，活塞700不往复运动。甚至当在冲放模式中时往复运动破坏锤钻。从图43中可以看到，当在冲放模式中时，活塞700坐接套筒701，并且钻头24的上端部与活塞700的鼻部736 隔开。因而，如果当在冲放模式中时，活塞700开始往复运动，则活塞700的撞击力将被施加到套筒701。通常这将导致损坏套筒701和保持环703并且使得锤钻10不能操作。然而，在冲放模式过程中，活塞700和活塞端口系统的实施例作用以大致地防止活塞700的往复运动，并且甚至相对于外壳体12将活塞700保持在固定轴向位置处。该固定位置如图43所示，其中止动件734的肩部748对套筒701的上游端部施压。
当锤钻10在冲放模式中并且活塞700抵靠隔离套筒701时，底腔848的下游端部打开并且在中间端口带712附近提供到在端口边缘 730d和套筒701之间的区域880的流体连通。并且，此时中间腔850 在其上游端部处打开并且顶腔852打开。排放路径872也打开。因而，流体能够流进顶腔852中，通过开口620进入排放路径872中，并且随后在驱动辅助件460和钻头24的外侧之间，并且进入孔中。流体然后通过中心通路22和内管100返回。
并且，作用在外圆周表面716和更具体地活塞700的全部外表面上的流体压力与从上游端口边缘726u到肩部748的流体压力大致地相同。区域880在其上游端部处打开并且与顶腔852流体连通。因而，区域880和顶腔852中的压力约是相同的。换句话说，活塞700被具有大致均匀压力的流体包围。在活塞700的相反端部之间没有极大的压差。如果流体压力相等，则活塞700现在被流体压力保持成在固定轴向位置处抵靠套筒701。因为活塞的表面被布置成使得当被大致均匀的流体压力作用在其上时，由流体施加的净力(压力×面积)被在下游方向上引导，所以该情况出现。此时，活塞被保持成抵靠套筒701。由于在活塞和端口装置之间的上述关系，均匀压力场存在。
更具体地，对于表面面积，活塞700具有：(a)下游表面面积，所述下游表面面积是活塞700的在下游方向上观察到的总表面面积，所述下游方向不平行于活塞的中心轴线并且在顶腔852和底腔848中并且在顶腔852和底腔848之间；和(b)上游表面面积，所述上游表面面积是活塞的在下游方向上观察到的总表面面积，所述下游方向不平行于中心轴线，并且在顶腔和底腔中并且在顶腔和底腔之间。下游表面面积大于上游表面面积。因而，如果在顶腔852和底腔848中并且在顶腔852和底腔848之间，压力平衡，则由流体压力在下游方向上施加在活塞700上的力大于由流体压力在上游方向上施加在活塞700 上的力，因而保持活塞700向下和防止锤返回。
将注意到，当前活塞700和端口系统在锤钻200中，本活塞700 没有必要具有与在现有技术中的活塞700p的凹部742相等的凹部。这是因为在当前的实施例中，区域880总是保持打开。因为可以在没有凹部或甚至任何功能上等同的会聚形状的情况下制成活塞700的鼻部736，并且全部平面提供应力集中部，因此活塞700可以是机械地更强的并且具有大于现有技术活塞700p的质量。
总之，本活塞700和端口系统的实施例和现有技术之间的一些实质性不同如下所述：
·当锤10在冲放模式中时，底腔848以及顶腔852开启(即在其上游端部处打开)。
·当在冲放模式中时，因为与底腔848中的力相比，较大的力(压力×面积)存在于顶腔852中；然后与试图推动活塞700向上的力相比，较大的力将活塞700保持向下，因而保持活塞700向下，
·对于可比较的腔压力，在没有改变顶缸力与相对较小的底腔力的比率的情况下，钻井压力可以改变；由于力比率然后仅由顶腔和底腔的腔面积的差值导致，任何孔压力改变将仅改变力大小，而不是力比率，力比率仅被顶腔压力区域和底腔压力区域确定，
·通过将活塞700包围在相同的压力场中并且依赖于面积的尺寸的差值，本实施例操作，压力可以作用以将活塞700推动到其冲程的下游端部并且(即通过来自活塞700的设计几何形状的不相等的施力) 将活塞700保持在下游端部，
·在现有技术的锤钻中，而不是打开顶腔和底腔，锤被设计成关闭底缸并且使压力泄出，以使锤停止继续操作。如果底缸未足够快速地排放或孔压力保持较高水平，则这导致问题。问题是活塞700p可以反弹，并且在活塞700p不能够撞击钻头的情况下，锤继续操作，因而导致返回锤击。
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