專利名稱：一種用于流體驅動的沖擊式鉆具的壓力反向閥的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及鑿巖鉆具，更具體地說，涉及一種沖擊式、流體驅動的鑿巖鉆具。
美國專利5，085，284提出了一種混合氣動沖擊式鑿巖鉆具，其中由一閥件來控制流體進入驅動腔，該閥件的開啟和關閉是對壓力作用很敏感的。從有效地利用流體的立場出發，所希望的是，能夠更加精確地控制在驅動行程中閥件關閉的這一關鍵點，以阻止沖擊性流體流往驅動腔。
上述情況說明了已知的存在于目前流體驅動沖擊式鑿巖鉆具中的一些局限之處。因而，顯然較為有利的是提供一種目的在于克服上述一項或幾項局限的替代裝置及辦法。于是，本發明提供了一種包括此后要更加充分地予以闡述的各種特點的適當的替代裝置及辦法。
在本發明的一個實施方案中，本發明的目的是通過下述裝置及辦法來實現的，即配置一種壓力感應閥件，用于交替地開啟和關閉鑿巖鉆具的驅動腔，其中，此閥件具有一個與驅動腔相聯通的第一閥壓力表面;一個與高壓孔口相聯通的第二閥壓力表面;一個與流體出口通道相聯通的第三閥壓力表面;第一通流裝置，用于在閥件處于開啟位置時容許有限體積的流體在高壓孔口與驅動腔之間流動;第二通流裝置，用于在活塞的一段驅動行程期間閥件處于開啟位置時容許有限體積的高壓流體在驅動腔與第三閥壓力表面之間流動;以及第三通流裝置，用于在閥件處于或是開啟或是關閉位置時容許有限體積的流體在流體出口通道與第三壓力閥表面之間流動。
上述以及其他各個方面，在結合附圖考查之后，從以下關于本發明的詳細說明中將明晰可見。
圖1A是一剖面視圖，其表明一個先有技術中的混合鑿巖鉆具的右上部分的實施例，活塞處于返回位置;
圖1B是一剖面視圖，其表明一個先有技術中的混合鑿巖鉆具的右上部分的實施例，類似于圖1A，例外的只是活塞處于驅動位置;
圖2A是一剖面視圖，其表明一個先有技術中的混合鑿巖鉆具的左下部分的實施例，活塞處于返回位置;
圖2B是一剖面視圖，其表明一個先有技術中的混合鑿巖鉆具的左下部分的實施例，活塞處于驅動位置;
圖3是一鑿巖鉆具頂部的剖面視圖，其是沿圖5的A-A線觀看的，其中有些零件拿掉了、其表明本發明的一種閥件關閉裝置，而閥件是處于一關閉位置;
圖4是一類似于圖3的視圖，其是沿著圖6的B-B線觀看的，而閥件是處于一開啟位置;
圖5是一沿圖4A-A線的視圖，有些零件拿掉了;以及圖6是一沿圖4B-B線的視圖，有些零件拿掉了。
現在參照各附圖所示，其中圖1A、1B、2A和2B表明先有技術中的混合沖擊式鑿巖鉆具的一個實施例，其中各個相同的零件在全部附圖中都將用相同的編號表示。
一臺鑿巖鉆具整體上用標號10來表示。盡管各圖中所示的特定鑿巖鉆具是用于井內型的，但本發明還可以同樣地應用于井外型的鑿巖鉆具。抗磨套筒12包容著鑿巖鉆具10的各個零件。活塞14往復地與鑿巖鉆具的鉆頭16相撞擊。活塞14或者沿著箭頭14a所示的驅動方向移動，或者沿著箭頭14b所示的回程方向移動。
高壓流體經由高壓孔口18流向鉆具的其余部分，從而向活塞14提供推動力。高壓流體是通過一流體供給管線20供給的。一止回閥21可防止一旦供給管線20中的壓力中止時流體通過該供給管線從鉆具中回流。
一返回腔22(見圖2A、2B)在活塞14處于靠近鉆頭16時經由一流體通道24與高壓孔口18構成流體聯通關系。如眾所周知的，通道24是由內筒25結合抗磨套筒12一起構成的。因而返回腔22中的任何壓力都會沿返回方向14b向活塞施加偏壓。高壓孔口18的壓力持續地施加到返回腔中，直至活塞通道密封點26越過一抗磨套筒通道的密封點28。
在鉆頭16之中經由貫穿其中的孔構成一壓力出口孔30。壓力將連續沿返回方向14b加速活塞，直至活塞的一返回壓力表面32越過壓力出口孔30的出口34。此時，返回腔22中的任何壓力都會通過此出口壓力孔的孔口泄流，但活塞的動量將繼續沿返回方向14b推送活塞。
由于一驅動腔36(圖1A)通過孔30和38與出口壓力聯通，因此，驅動腔36中的壓力將繼續保持出口壓力孔30的壓力，直至一分配器40的端部封閉住一個從驅動腔到出口壓力孔38的通道，此通道包括一貫穿活塞14的孔。此時，驅動腔36中的流體會受到壓縮。這種壓縮將提高壓力，逐漸減慢活塞14的返回運動。
一壓力感應閥42可控制由一高壓入口44通過一閥孔56和一通道59流向驅動腔36(圖1A)的流體流動。圖1A和1B所示的閥42包含有三個壓力表面46、48和50。壓力表面46是始終承受壓力出口44的壓力。壓力表面48在閥關閉時承受驅動腔36的壓力。而壓力表面50是始終承受出口的壓力，而與閥42的位置無關。
當閥開啟時，壓力表面48可以借助于控制閥孔56和流體通道59的大小來控制驅動腔36與壓力入口44之間的流體流動。一個與閥42的位置無關而通過孔口54承受壓力的壓力孔口52與壓力表面50相聯通。
當活塞14沿返回方向14b移動到致使作用于壓力表面48上的壓力超過作用于壓力表面46和50上的綜合壓力的程度時，則如圖1B所示壓力閥42將開啟。開啟閥就會使高壓空氣從壓力入口44通過閥孔56和通道59進入到驅動腔36。
由于閥的開啟所造成的驅動腔中的壓力升高將首先導致活塞14的返回運動停止，而隨后活塞14將沿驅動方向14a急劇加速。一旦活塞驅動端面58越過分配器40的端部，驅動腔將通過連通大氣的通孔38和30被泄減到出口壓力。
現在參照圖3-6來說明本發明的反向閥200。反向閥200具有一第一壓力感應表面202、一第二壓力感應表面204和一第三壓力感應表面206，就象閥42一樣。反向閥200還包括有一流體分配器局部組件210，該局部組件適合于配置在抗磨套筒12之中，用于將從高壓孔口44向驅動腔36和返回腔22分配流體，如此后所述。空氣分配局部組件210包括有一從縱向軸線214沿徑向伸展的主體部段212，主體部段212具有一頂部密封臺座表面216 和一底部表面218。由圖5和圖6可見，主體部段212具有多個邊凹槽220，它們圍繞著軸線214間隔開布置，并且從頂部密封臺座表面216沿縱向伸展，以便結合抗磨套筒12的內表面和內筒25，為流體提供一條流向返回腔22的通道24，如前所述。內筒25可以與分配器210的主體部段212構成一體，或者其可以與O形密封圈222相配合固接在該主體部段上。
一閥桿段230從頂部密封臺座表面216沿縱向向上伸展，其軸線與軸線214重合。一閥蓋232適合于密封地配置在抗磨套筒12之中，并且也密封地在頂端234處配裝在閥桿段230上。閥密封件236可以沿著閥桿段230在密封臺座表面216與閥蓋232之間滑動，用以開啟和關閉驅動腔36。一分配器尾桿段240從底部表面218沿縱向向下伸展，其軸線與軸線214重合。尾桿段240適合于滑動地接觸活塞14，以便在往復運動期間對活塞14施加密封和解除密封，如前所述。
閥密封件236是借助于任選的合成橡膠O形圈238密封地裝配起來的，密封圈238分別接觸閥蓋232和閥桿段230。第一通流裝置包括至少一個穿過主體部段212延伸的孔道300，以便將高壓孔口44與驅動腔36連通。由圖5和圖6可見，我們建議采用多個圍繞軸線214間隔開布置的這樣的孔道300。
第二通流裝置包括至少一個縱向孔道302，該孔道通過尾桿段240、主體部段212和閥桿段230延伸到一徑向上伸展的閥桿通道305，通道305借助閥蓋232與閥桿段230之間的空腔306聯通第三閥壓力表面206。如圖5和圖6可見，我們建議采用多個圍繞軸線214間隔開布置的孔道302。
第三通流裝置包括至少一個縱向孔道310，該孔道穿過尾桿段240、主體部段212和閥桿段230延伸到徑向上伸展的閥桿段通道304。如眾所周知的，一孔道310可以穿過閥蓋232延伸到一止回閥(未示出)。我們建議第三通道310是沿著軸線214的一個中心孔，該軸線與整個鉆具10的一中心孔的軸線重合。
如從圖4可見，當活塞14處于驅動位置時，閥200是開啟的，而驅動腔36是充壓的，同時返回腔22(見圖2B)正在向泄出壓力孔30，34泄盡流體，如前所述。第一閥壓力感應表面202承受驅動腔36中的流體的高壓。同樣，第三閥壓力感應表面206經由第三通流裝置(孔道310)承受泄出壓力。同時，第二閥壓力感應表面204承受來自入口孔口44的高壓。
如由圖3可見，在驅動行程期間，活塞14將其頂部表面移到尾桿段240側壁上的下部開孔331處(活塞14位置用虛線示出)，從而露出開孔331，并使通道302和第三閥壓力感應表面206承受來自驅動腔36的高壓。這種高壓流體作用力只持續很短的一段時間，直至活塞14不再接觸尾桿段240，如圖3中的實線所示。此后，驅動腔36承受泄出壓力，隨之第二和第三通流裝置(分別為通道302和310)要使第三閥壓力感應表面206只承受泄出壓力。不過，第三閥壓力表面206上面的這種短時間的高壓作用力是附加于已經作用在閥壓力表面204和206上面的那些壓力的，如前所述，而且增大的總作用力將導致閥200在驅動行程中比它通常可能關閉得要早一些。通過調整通道302的總橫截面積，可以改變這種提早關閉的準確定時。對于某一給定的橫截面積來說，關閉時刻也取決于閥桿段通道304的總橫截面積。通道302一個較大的橫截面積或閥桿段通道304一個較小的橫截面積都將造成閥的較早關閉，從而使空氣耗量減少。如圖5和圖6所示，我們建議設置多個通道302和304，但在組裝鉆具期間依靠嵌入一個或多個可拆裝的栓塞330(如圖3、5中為通道304所示)，用以調整總橫截面積。因而，在活塞14的驅動行程期間，閥的關閉位置可以由操作者來選擇，其可以采用多一些或少一些的可拆裝的栓塞330，通過拆開鉆具的后部以達到閥200的位置進而從事操作。
我們建議，借助于多個圍繞軸線214間隔開布置的并在密封臺座外邊緣334與密封臺座內邊緣336之間的凸臺332來為在第一閥壓力感應表面202上面的閥座236設置一個任意選用的支承。
權利要求
1.一種壓力感應閥，用于向一個流體驅動的沖擊式鉆具的一個驅動腔充壓，在此期間一個活塞在所述鉆具中往復運動，其中，其包括ⅰ.一個聯通該驅動腔的第一閥壓力表面；ⅱ.一個聯通一個高壓孔口的第二閥壓力表面；ⅲ.一個聯通一條流體出口通道的第三閥壓力表面；ⅳ.第一通流裝置，用于在該閥處于開啟位置時容許某一有限容積的流體在該高壓孔口與該驅動腔之間流動；ⅴ.第二通流裝置，用于在活塞的某一段驅動行程期間該閥處于開始位置時容許某一有限容積的流體在該驅動腔與該第三閥壓力表面之間流動；以及ⅵ.第三通流裝置，用于在該閥或是處于開啟或是處于關閉位置時容許某一有限容積的流體在該流體出口通道與該第三閥壓力表面之間流動。
2.一種流體驅動的沖擊式鑿巖鉆具，其包括有一個空心抗磨套筒;一個可滑動地配置在該套筒之中的活塞;驅動和返回壓力表面裝置，用于使該活塞分別在一返回位置與一驅動位置之間往復運動;一高壓孔口，其形成于該鉆具之中;一返回腔，其形成于該鉆具之中并承受該返回壓力表面裝置的作用;一驅動腔，其形成于該鉆具之中并承受該驅動壓力表面裝置的作用;一出口裝置，其用于在該活塞分別處于該返回位置和驅動位置時交替地泄放該驅動腔和該返回腔的壓力，其中，此鉆具中的改進包括有一種壓力感應閥裝置，用于在該活塞往復運動期間向該驅動腔充壓，其包括ⅰ.一個聯通該驅動腔的第一閥壓力表面;ⅱ.一個聯通該高壓孔口的第二閥壓力表面;ⅲ.一個聯通該出口裝置的第三閥壓力表面;ⅳ.第一通流裝置，用于在該閥裝置處于開啟位置時容許某一有限容積的流體在該高壓孔口與該驅動腔之間流動;ⅴ.第二通流裝置，用于在活塞的某一段驅動行程期間該閥裝置處于開啟位置時容許某一有限容積的高壓流體在該驅動腔與該第三閥壓力表面之間流動;以及ⅵ.第三通流裝置，用于在該閥或是處于開啟或是處于關閉位置時容許某一有限容積的流體在該出口裝置與該第三閥壓力表面之間流動。
3.根據權利要求2所述的閥裝置，其還包括有a.空氣分配器局部組件裝置，其適合于配置在抗磨套筒之中，用于從該高壓孔口向該驅動腔和返回腔分配高壓流體;b.所述第一通流裝置包括有在該空氣分配器局部組件中用于聯通該高壓孔口與該驅動腔的裝置;c.所述第二通流裝置包括有在該空氣分配器局部組件中用于在某一段活塞驅動行程期間該閥密封裝置處于開啟位置時聯通該驅動腔與該第三閥壓力表面的裝置;d.閥密封裝置，其裝在所述空氣分配器局部組件上面，用于在該活塞往復運動期間的開啟和關閉操作，以開啟和關閉所述第一通流裝置;以及e.所述第三通流裝置包括有在該空氣分配器局部組件中用于聯通該出口裝置與該第三閥壓力表面的裝置。
4.根據權利要求3所述的閥裝置，其中，該空氣分配器局部組件還包括有a.一主體部段，其從一縱向軸線沿徑向伸展，所述主體部段具有一個頂部密封臺座表面和一個底部表面;b.一閥桿段，其從所述頂部密封臺座表面沿縱向伸展;c.一閥蓋，其適合于配置在抗磨套筒之中并可密封地裝配在所述閥桿段上面;d.所述閥密封裝置可以沿著所述閥桿段在所述密封臺座表面與所述閥蓋之間滑動，以開啟和關閉所述驅動腔;以及e.一尾桿段，其從所述底部表面沿縱向伸展，其適合于可滑動地接觸一個活塞，以便在該活塞往復運動期間對該活塞孔施加密封和解除密封。
5.根據權利要求4所述的閥裝置，其還包括a.所述第一通流裝置是至少一條通過所述主體部段的縱向孔，其連通所述高壓孔口和所述驅動腔;b.所述第二通流裝置是至少一條縱向孔，其穿過所述尾桿段、所述主體部段和所述閥桿段延伸到一個與所述第三閥壓力表面聯通的一條閥桿段通道;c.所述第三通流裝置是至少一條縱向孔，其穿過所述尾桿段、所述主體部段和所述閥桿段達到所述閥桿段通道;以及d.所述第二通流裝置具有一個從一段所述尾桿段進入所述驅動腔的開孔，這一開孔比起由所述第三通流裝置進入所述驅動腔的一個開孔來更為接近所述主體部段，從而在活塞驅動行程期間所述第二通道的開孔在所述第三通道的開孔之前露出。
6.根據權利要求2所述的鑿巖鉆具，其中第三閥壓力表面裝置與第二閥壓力表面裝置一樣都在該閥裝置的同一側。
7.根據權利要求5所述的鑿巖鉆具，其中，在某一段驅動行程期間，施加在第三閥壓力表面上面的一部分流體壓力作用力加上施加在第一閥壓力表面上面的一部分流體壓力作用力，從而該閥受到偏壓而進入一關閉位置。
全文摘要
一種用于流體驅動的沖擊式鉆具的壓力感應閥，其包括有幾個流體流動通道，這些通道用來使一個閥壓力表面承受來自一驅動腔的一陣短時間的高壓流體作用，以使閥能夠提早關閉。
文檔編號E21B4/14GK1094119SQ9410231
公開日1994年10月26日 申請日期1994年3月9日 優先權日1993年3月9日
發明者C·C·傅, W·T·雷 申請人:英格索爾-蘭德公司