[发明专利]在硬地层中冲击钻孔的高频液压驱动钻锤

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在硬地层中钻孔的液压驱动、高频冲击锤，其中该冲击锤包括：壳体，该壳体的一端设置有钻头，该钻头设计为直接作用于硬地层，该冲击锤还包括：可移动地容纳在该壳体中的锤活塞，该锤活塞作用于钻头，且该锤活塞具有预定流量的纵向延伸孔，并且该延伸孔在上游方向可被阀塞关闭，该阀塞在锤活塞的冲程中部分地跟随该锤活塞。

背景技术

用于在岩石中钻孔的液压驱动冲击锤已经商业应用超过30年。它们与可连接的钻杆一起使用，其中钻孔深度受到限制，是由于冲击能量在关节处变弱，并且该钻杆的重量变得过重以使得最终很少的能量能到传递给钻头。

潜孔锤钻，即，安装于钻头正上方的锤钻是更有效的，并在很大程度上用于下降到200-300米深的钻探。它们由压缩空气驱动并具有可达约22bar的压力，然后这限制钻孔深度至约20米，如果水进入到井中。高压水驱动的锤钻已经市售超过10年了，但这些都是在尺寸有限的，这意味着高达约130毫米孔直径。此外，已知它们具有有限的寿命并且对于水中的杂质敏感。它们在很大程度上被用于采矿业，因为他们钻孔非常有效并钻出非常直的孔。它们在有限的程度上被用于垂直钻井下降到1000-1500米的深度，然后，没有任何方向控制。

理想的是，制造井下钻头流体驱动的锤钻，它们可连同方向控制设备一起使用，它的生产效率高，可使用水作为钻井液，也可以与具有添加剂的水基钻井液一起使用，并具有经济的寿命。预计对于深水钻探地热能源和硬开采石油和天然气资源都有很大用途。

在冲击钻中，使用的钻头具有插入的坚硬的金属突起(lugs)，所谓的“压头”。它们由碳化钨制成，并且直径通常为8至14毫米并具有球形或锥形的端部。理想的情况下，每个压头应具有与岩石的硬度和抗压强度相关的最佳的冲击能量进行撞击，以使得岩石上出现小的缺口或凹坑。钻头旋转以进行下一次打击，理想情况下，形成与前一个缺口相连的新的缺口。钻孔的直径和几何形状决定了压头的数目。

最佳冲击能量是由岩石的抗压强度确定的，它可以在抗压强度高于300MPa的岩石中钻孔。提供超过最佳量的冲击能量，则超过部分会因为它不是用来摧毁岩石而损失，并且只传播能量波。太小的冲击能量根本不会产生缺口。当每个压头的冲击能量为已知的，且压头的数目是确定的时，则能得到钻头的最佳冲击能量。拉动速度或钻速(ROP–穿透速度)然后可仅通过提高冲击频率而增加。

泵入的钻孔流体的量是由钻柱与井孔壁之间的环状空间内的最小的必要回复速率(return rate)(环速度)确定。这至少应该超过1米/秒，优选为2米/秒，以使得钻出来的材料、钻屑能被输送到地面。岩石越坚硬且脆，提供的冲击频率越高，则钻屑越细碎，而较慢的回复速率或速度则可以被接受。坚硬的岩石和高频率将产生灰尘或细砂样的钻屑。

施加到锤钻上的液压功效(effect)是由压降乘以单位时间泵入量决定的。

每次打击的冲击能量乘以频率得到功效。一个假设的例子中，被钻探的花岗岩具有260兆帕的抗压强度并使用190毫米的钻孔直径，则将水从地表以750升/分钟(12.5升/秒)泵入。据计算，最佳的冲击能量为约900J。

相应的钻孔但具有更小的直径，参照已知的数据，钻孔速度(ROP)为22米/小时(即每小时米)则应具有60Hz的冲击频率。这里假定增加冲击频率至95赫兹，因此ROP为35米/小时。然后钻头上所需的净功效就变成了：0.9千焦x95=86千瓦。我们假设目前锤结构具有的机械-液压功效为0.89，然后经该锤提供7.7兆帕所需的压力降。

那么该锤钻将比现有的可用的水力推动的锤钻快60％，并节省60％的能源消耗。

发明内容

这通过引入该类型的冲击锤来实现，该锤的突出特点为：阀塞由阀杆套筒中可滑动地接收的相连接的阀杆控制，该阀杆包括止动装置，其能够以锤活塞的整个冲程长度的预定百分比阻止阀塞，并将阀塞与锤活塞上的阀座密封件分离，因此该孔被打开，并且允许在该孔中流过流体。

优选该止动装置在该阀杆的上游末端包括止动板，并在所述阀杆套筒中有协同操作的内止动面。

在一个实施例中，该锤活塞的整个冲程长度的预定百分比为大约75％。

方便的是，阀杆的内在张力弹簧特性为使得阀塞回复，该阀杆为细长的。

优选地，该冲击锤还设置有入口阀组件，它不能开放并用于锤活塞的操作，直到压力累积到约95％的完全工作压力，该入口阀组件适于关闭主筒体，并且在锤壳体内的侧筒体可对锤活塞和提升该锤活塞的壳体之间的环形空间施压以密封该阀塞。