用于潛孔錘的具有多個工作室的加壓流體流動系統及其正循環潛孔錘和反循環潛孔錘的制作方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]存在很多不同的潛孔錘(DTH)，其可以用于在采礦業、土木工程和水利建設、油氣和地熱井中實施鉆孔和樣本回收。這些潛孔錘由加壓流體供給動力，根據潛孔錘的設計和潛孔錘的類型(正循環潛孔錘用于進行生產，而反循環潛孔錘用于進行樣本回收)，所述加壓流體由不同裝置交替引導到提升室和驅動室中，所述提升室和所述驅動室位于潛孔錘活塞的相對端部處。隨著一個室填充有加壓流體，另一個室被清空，并且提升室和驅動室之間的壓差致使活塞往復運動而且通過活塞的每次工作行程活塞撞擊在鉆頭上。
[0002]大多數已知潛孔錘僅僅具有一個驅動室和一個提升室。在這些情況中，活塞僅僅具有一個驅動區域和一個提升區域。然而，為了增加有效推動區域(即，驅動區域和提升區域)，多種潛孔錘使用多于兩個室以用于使得活塞運動，在下文描述了這些示例中的兩個。
[0003]專利US5915483
[0004]在這個專利中描述的正循環潛孔錘設計具有有中央孔的活塞，所述活塞成形為在活塞與潛孔錘外殼的內壁之間提供了額外的驅動室和額外的提升室。這兩個額外的室由活塞的外徑上的凹陷部產生且由隔離構件分隔開。
[0005]為了控制加壓流體流入和流出這些室，設置了控制桿，所述控制桿從潛孔錘的后端板或后短節沿軸向向下延伸到活塞的中央鉆孔，所述控制桿具有一條縱向延伸的供應通道和一條縱向延伸的排放通道。在活塞往復運動期間，當控制桿中的口與活塞中的口對準時，控制桿中的口和活塞中的口分別使得這些通道與提升室和驅動室連通。
[0006]主驅動室連續連接到加壓流體源并且從此處將加壓流體運送到控制桿的縱向供應通道，用于在利用控制桿由活塞的相對位置控制的條件下向額外的提升室和驅動室交替地供應加壓流體。
[0007]由活塞與底閥或已延伸的控制桿之間的相對位置控制加壓流體從主提升室的排放，而由活塞和控制桿之間的相對位置控制加壓流體從額外的提升室和驅動室的排放。
[0008]這種設計的一個劣勢在于:主驅動室中壓力的平均值等于工作流體的供應壓力，這意味著由加壓流體對這個活塞區域所做的功為零，使得對潛孔錘的功率造成負面影響。另一個劣勢在于:橫截面面積由控制桿占據，從而導致前推動區域和后推動區域減小。
[0009]專利US5"2545
[0010]本專利描述了正循環潛孔錘設計，其中，活塞包括:向前活塞頭；設置有主驅動區域的向后活塞頭；和位于這些活塞頭之間的腰部。中間壁圍繞活塞腰部布置，使得兩個室在中間壁的每個側部上形成在活塞腰部與置于潛孔錘殼體中的前襯里和后襯里之間。銷布置成穿過中間壁，以將襯里鎖止在相對于中間壁的固定角度位置中。
[0011]在前襯里和后襯里與殼體之間布置有相應的通道。這些通道中的第一通道通過后襯里中的徑向孔與活塞后方的空間連通，所述空間連續連通到加壓流體源。這些通道中的第二通道與位于活塞前方中的空間連通，前活塞頭位于所述空間中并且在所述空間中限定了主提升區域。
[0012]形成于向前活塞頭和中間壁之間的室經由中間壁中的第一通道和后襯里中的孔與后襯里和殼體之間的通道連續連通，由此來自該流體源的加壓流體連續填充所述室。向后活塞頭和中間壁之間的室經由中間壁中的第二通道連通到前襯里和殼體之間的通道并且從此處與活塞的前端部中的空間連通。
[0013]由布置在管上的閥部分控制將加壓流體供應到在向后活塞頭內部主驅動區域所位于的空間，所述管連接到錘柱，所述管具有開口到該空間的孔。通過活塞的內表面與所述管中的徑向孔重疊控制所述空間的排放，所述徑向孔運送加壓流體通過活塞中的中央通道至鉆頭的沖洗孔。底閥用于控制活塞前端部中空間的排放。
[0014]由活塞的外表面與前襯里的內表面的相對位置來控制將加壓流體供應到活塞前端部中的空間中。
[0015]因為在這個設計中形成在向前活塞頭和中間壁之間的室連續地連通到加壓流體源，所以由活塞的這個區域所做的功為零。
[0016]本發明的目的
[0017]上述現有技術的潛孔錘具有下述缺陷:它們不能利用所提供的額外的驅動室和提升室的整體容量，原因在于這些室中的至少一個連續地連接到加壓流體源，因此由室所做的功為零。
[0018]因此，由于操作鉆孔設備的高成本以及在諸如油氣和礦產勘探的某些應用中需要更大深度的井，因此期望具有用于潛孔錘的加壓流體流動系統，所述潛孔錘可夠包含以下改進而同時又不會影響錘的使用壽命。
[0019].加壓流體消耗更大并且結果功率更高且進尺速度更大，
[0020].在能量轉換過程中具有更高效率，以提供甚至更高的功率和甚至更大的進尺速度，和
[0021]?在更大的深度處的鉆進能力增大。
[0022]還期望就控制提升室和驅動室的狀態而言，本發明的加壓流體流動系統既可應用于正循環潛孔錘又可應用于反循環潛孔錘。
【發明內容】
[0023]在本發明的第一方面中，提供了用于潛孔錘的改進的加壓流體流動系統，其特征在于，存在對活塞做功的多個室，即，除了位于活塞的相對端部處的兩個主室之外還有一個或多個輔助驅動室和一個或多個輔助提升室。這些輔助室圍繞相應腰部形成并且由相應的筒體從外部界定，所述腰部圍繞活塞機械加工而成。筒體縱向串聯布置并且同軸布置在錘的外殼與活塞之間，所述筒體通過密封件而相互分隔開并且被支撐在外殼上。
[0024]本發明的加壓流體流動系統的特征還在于具有兩個或更多個內室，其包括由活塞的內表面中的凹陷部限定的至少一個最前端的內室和至少一個最后端的內室，所有內室均與加壓流體源流體連通并且用加壓流體進行永久填充，用于用所述加壓流體供應多個驅動室和提升室。
[0025]由活塞和控制管協作的方式在本發明中控制將加壓流體供應到所述室中，其中，控制管共軸布置在活塞的中央孔內并且毗鄰活塞，而且控制管通過其后端部固定到后短節。一組進入口設置在控制管的后端部中，以使得來自所述加壓流體源的加壓流體能夠行進至控制管的內部，并且從該處通過在控制管中鉆出的一組供應口流入到內室中。密封裝置設置在控制管的前端部處，以防止通過所述控制管的所述端部流出任何加壓流體，而僅僅允許加壓流體通過所述控制管的供應口流出。
[0026]在本發明中，活塞具有一組供給口，用于將加壓流體從內室運送到輔助提升室和輔助驅動室，通過限定在活塞的內表面與控制管的每個端部處的凹陷外表面之間的相應供給通路用加壓流體輪流依次供給主提升室和主驅動室。
[0027]本發明的加壓流體流動系統的特征還在于具有一個或更多個排放室，所述排放室形成在外殼和筒體之間，所述排放室與通過用潛孔錘鉆出的鉆孔的底部流體連通，以從多個驅動室和提升室排放加壓流體。為此，在筒體中設置了一組排放口，用于使得驅動室和提升室與排放室連通。以這種方式，由活塞和筒體，具體地通過活塞的外滑動表面和筒體的內表面以協作的方式控制從驅動室和提升室排放加壓流體。
[0028]在本發明的第二方面中，提供了反循環潛孔錘，其特征在于，反循環潛孔錘包括在此描述的改進的加壓流體流動系統和貫穿鉆出外殼的一個或多個端部排放口，所述端部排放口連接到排放室并且與相應的縱向排放通道對準，所述縱向排放通道形成在外殼的外表面中，其中，端部排放口和縱向排放通道都由外密封套筒覆蓋，以便將加壓流體引導至鉆頭的前端部的外周區域。反循環潛孔錘本身包括樣本管，所述樣本管同軸布置在外殼內并且從后短節延伸至鉆頭。這個情況中，控制管