用于在硬地层中钻进的流动压力驱动的高频率冲击锤的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用于在硬地层中钻进的流体压力驱动的高频率冲击键，所述冲击 键包括外壳，所述外壳在其一个端部设置有钻头，所述钻头设计成直接作用在所述硬地层 上，所述冲击键进一步包括可运动地接纳在所述外壳中并且作用在所述钻头上的键活塞， 所述键活塞具有有预定通流能力的纵向延伸的孔，并且所述孔能够通过阀塞在上游方向关 闭，所述阀塞在所述键活塞的行程期间跟随所述键活塞直到所述阀塞被机械地止挡，所述 阀塞由可滑动地接纳在阀杆套中的相关联的阀杆控制，所述阀杆包括能够止挡所述阀塞的 止挡构件并且在所述键活塞的完整行程长度的预定百分比处使所述阀塞迅速地返回并且 使所述阀塞与所述键活塞上的座密封部分离，使得所述孔由此被打开并且允许孔流体自由 流动通过所述孔，使得所述键活塞能够W小的阻力返冲。
【背景技术】
[0002] 运种特性的冲击键在115 4,450,920和？(：17^02012/050148中是已知的。现有技 术的其它示例在SE444127B和US2,758,817A中示出。
[0003] 用于在岩石中钻进的安装液压驱动钻机的冲击键已经商品化使用了 30年W上。 运些冲击键与可连接钻杆一起使用，其中钻进深度受到冲击能量通过接头削减使得很少能 量最终达到钻头的限制。
[0004] 井下键钻，即安装在钻头正上方的键钻是非常有效的并且大范围地使用在2-300 米的深度的钻井中。键钻由压缩空气驱动并且具有高达大约22己的压力，如果出现进入到 井中的水，钻进深入会被限制到大约20米。如今，高压水驱动的键钻已经市场销售了 10年 W上，但运些键钻的尺寸是有限的，据我们所知达到大约130mm的孔径。此外，已知运些键 钻具有有限的冲击频率、相对低的效率，并且具有有限的寿命并且对水中的杂质是敏感的。 由于运些键钻非常有效地钻进并且钻制很直的孔，运些键钻大范围地使用在采矿业中。运 些键钻W有限的范围用于1000-1500米深度的竖向井钻进，并且不具有任何方向可控性。
[0005] 期望制造井下钻进流体驱动的键钻，该键钻可W结合方向控制设备使用，该键钻 具有高效率、能够将水用作钻进流体使用并且还能够通过具有添加剂的基于水的钻进流体 使用，并且具有经济的寿命。该键钻期望广泛地用于针对地热能的深水钻进W及难W接近 的油汽资源。
[0006] 在冲击钻进中，使用具有插入的硬金属凸起（所谓的"压头（indenters)")的钻 头。硬金属凸起由碳化鹤制成并且直径通常为8至14mm并且具有球状或锥状端部。理想 地来看，每个压头应当W与岩石的硬度和抗压强度相关的最佳冲击能量撞击，使得在岩石 中形成小的凹口或凹坑。钻头进行旋转使得理想地来看下一次撞击形成与前一次撞击有关 联的新的凹口。钻进直径和几何尺寸决定了压头的数量。
[0007] 最佳冲击能量由岩石的抗压强度确定，冲击能量可W钻进到具有超过300MPa的 抗压强度的岩石中。冲击能量的超过最佳量的供应为损失的能量，因为它没有用于破坏岩 石，仅作为能量波传播。太小的冲击能量完全无法形成凹口。当每个压头的冲击能量已知 并且压头的数量确定时，则能够给出用于钻头的最佳冲击能量。于是可W通过仅增大冲击 频率来增大牵引或钻进速率（穿入的ROP速率）。
[0008] 累送的钻进流体的量由钻柱与井孔壁之间的环状空间内的必须的最小返回速率 (环隙流速）决定。该速率应当至少大于Im/s，优选地2m/s，使得钻出材料、钻屑将被输送 到地面。岩石越硬且越脆，越能够提供高冲击频率，钻屑变得越细小，并且越能够接受慢的 返回速率或速度。硬岩石和高频率将产生呈现为粉末或细沙的钻屑。
[0009] 应用于键钻的液压效力由压降乘W每时间单位的累送量决定。
[0010] 每次撞击的冲击能量乘W频率提供了所述效力。如果考虑如下假想示例：执行钻 入到具有260MPa的抗压强度的花岗岩中并且钻进直径为190mm，则水W7501/min(12. 5升 /秒）从地面被累送。计算得出大约900J为最佳冲击能量。
[0011] 参照相应制进但具有较小直径的已知数据，可W期望具有60化的冲击频率的 22m/h(米每小时）的钻进速率（ROP)。运里假设将冲击频率增大到95化，因此ROP于是变为 35m/h。钻头上所需要的净效力于是变为：0,9kJX95 = 86kW。假设当前键结构具有0.89 的机械-液压效率，则在键上提供7. 7MPa的需要的压降。
[0012] 与已知的可获得的推进的键钻相比，该键钻于是将W快60 %并且能量消耗少 60 %的方式钻进。
【发明内容】
[0013] 运通过所引入类型的冲击键实现，所述冲击键的不同之处在于止挡构件包括磁 体，该磁体与阀杆配合W便能够在预定条件期间保持阀杆并由此保持阀塞。
[0014] 因而，应当理解的是，阀杆的止挡构件具有使阀塞在完全返回位置保持静止的能 力，直到键活塞的座密封通过返回抵接该阀塞、压力积累并且循环重复。阀机构的特性和 快速且精确移位的能力使得行程频率不是由阀机构限定，而是由键活塞的固有反冲特性限 定。运为本发明的冲击键提供了高冲击频率、小液动损失和高效率。
[0015] 优选地，所述止挡构件包括所述阀杆的上游端部处的止挡板和所述阀杆套中的相 配合的内止挡表面。
[0016] 在一个实施例中，所述磁体可W位于上游定位的安装板上。
[0017] 在第二实施例中，所述磁体可W构成所述阀杆上的所述止挡板或者是所述阀杆上 的所述止挡板的一部分，并且所述安装板是磁性的。
[0018] 在一个实施例中，所述键活塞的完整行程长度的预定百分比的数量可W为约 75%。
[0019] 所述阀塞通过所述阀杆的固有拉伸弹黃特性返回，所述阀杆是细长的。
[0020] 优选地，所述冲击键可W进一步设置有入口阀组件，针对所述键活塞的操作，所述 入口阀组件不打开直到压力积累到完全工作压力的大约95 %，所述入口阀组件适于封闭主 通道，并且所述键的外壳内的侧通道使所述键活塞与所述外壳之间的环状空间增压，从而 使所述键活塞升起W相对于所述阀塞产生密封。
[0021] 所述键活塞和所述阀组件通过反冲返回，其中，所述键活塞和所述阀组件都被提 供有控制返回行程的减速直至停止的液压阻尼作用。
[0022] 在一个实施例中，所述液压阻尼作用通过环状活塞发生，所述环状活塞被迫使进 入到相应的具有可控间隙的环状缸体中，并由此限制或抑制截留流体的排出。
[0023] 此外，所述阀杆套的顶部可W布置有开口，所述阀杆的止挡板能够进入所述开口， 所述止挡板的径向部分W相对窄的径向间隙相对于所述开口的内侧产生密封。
[0024] 所述冲击键外壳可W被分成入口阀外壳、阀外壳和键外壳。
[00巧]根据本发明的键钻结构为标称"直接作用键"的类型，即键活塞具有其上的关闭 阀，该阀在关闭位置时能够使压力推动活塞前进，并且在打开位置时能够使键活塞经历返 冲。液压驱动的键的第二变型具有通过键活塞在两个方向上受迫控制的位置产生的阀控制 作用。运提供了较差的效率，但提供了活塞的更精确的控制。
[0026] 好的效率和高冲击频率的关键在于阀结构。阀需要W高频率操作并且具有打开位 置的良好的通流特性。
[0027] 更重要的优点是，该键钻结构也可W用作地面安装的液压驱动的键，W便用于通 过钻杆进行钻进，但运里将详细描述的是用作井下键钻。
【附图说明】
[0028] 通过下