用于流体操作冲击钻工具的钻头组件的制作方法

1.本发明涉及一种用于流体操作冲击钻工具的钻头组件。特别是，本发明涉及一种与潜孔锤一起使用的钻头组件。


背景技术：

2.传统的潜孔锤和流体操作冲击钻工具通常包括外部缸或外部磨损套筒，内部缸安装在该外部缸或外部磨损套筒内，该内部缸再与后部头(backhead)组件接合。滑动往复活塞与内部缸和后部头组件配合，因此，当空气压力通过后部头组件来供给时，活塞对保持在夹盘内的钻头产生冲击作用，该夹盘螺纹连接在外部磨损套筒的底部上。钻头柄在外部形成有多个轴向延伸的花键，这些花键绕钻头柄的圆周间隔开。钻头上的花键与形成于夹盘内壁上的互补花键可滑动地接合，用于将旋转驱动从夹盘传递至钻头。
3.在传统结构中，为了将钻头保持在夹盘中，可以提供钻头保持环，该钻头保持环位于夹盘上方，并与钻头上的环形凸肩配合。在替代结构中，钻头保持环的、用于与保持凸肩接合以便将钻头保持在组件中的部分布置在夹盘内。通常，钻头保持环设置为两半部分，这两半部分通过o形环而保持在一起。
4.在这些现有结构的每一个中，从组件中移除钻头需要从外部磨损套筒上拧松夹盘，以便能够从夹盘上移除钻头。当夹盘从外部磨损套筒上拧松时，钻头保持环被移除，且钻头脱落。然后，新钻头布置于夹盘内，钻头保持环布置在夹盘的端部上，以使得它与钻头柄上的凸肩或尾部花键接合，且o形环布置在钻头保持环上，以便将它保持在一起。然后，该组件通过将夹盘拧入磨损套筒内而重新附接在锤上。这种结构的缺点是从锤上拧松夹盘将很费时间。潜孔锤通常设计成使得在夹盘和磨损套筒之间的螺纹连接将在钻孔过程中拧紧。由于在钻孔前和钻孔过程中用于拧紧该螺纹连接的扭矩非常大，因此松开螺纹以便更换钻头可能很困难，并可能需要专业的松开设备。在恶劣的地面条件下，可能需要在锤的生命周期内多次移除钻头，用于进行更换或重磨。而且，钻井人员通常按每钻一米获得报酬，而更换钻头所花费的时间减少了能够用于钻井的时间量。
5.因此，希望提供一种钻头组件，钻头能够在不需要将夹盘从磨损套筒上拧松的情况下就能够从该钻头组件上移除。爱尔兰专利no.s87041中提出了一种这样的结构，其中，保持套筒在外部安装于夹盘上。保持套筒可在钻孔位置和钻头移除位置之间运动，在该钻孔位置中，钻头和夹盘保持在第一相对方位，在该钻头移除位置中，钻头可相对于夹盘旋转至第二相对方位，钻头可在该第二相对方位中从夹盘上移除。不过，可能出现与保持套筒的冲洗相关的问题，因此希望提供一种更简单和更坚固的结构。


技术实现要素：

6.本发明涉及一种用于流体操作冲击钻工具的钻头组件，它包括：
7.冲击钻头，该冲击钻头有头部部分，该冲击钻头形成有轴向延伸柄，在该柄上的多个第一轴向延伸花键可与形成于驱动夹盘内部的多个第一互补花键可滑动地接合，因此来
自夹盘的旋转驱动可以传递至柄；以及
8.在夹盘上的接合部件，用于使得夹盘与流体操作冲击钻工具的驱动部件连接；
9.其中，在钻孔过程中，钻头和夹盘保持在第一相对方位，在该第一相对方位中，钻头保持在夹盘中，且钻头可相对于夹盘轴向运动至钻头移除位置，在该钻头移除位置中，钻头可相对于夹盘旋转至第二相对方位，在该第二相对方位中，钻头可从夹盘上移除，当夹盘与驱动部件完全接合时，也就是当夹盘处于它的操作位置时，钻头可运动至钻头移除位置。
10.钻头的钻头移除位置可以是轴向位置或轴向位置范围，在该轴向位置或轴向位置范围内，钻头可相对于夹盘旋转。
11.这种结构的优点是，因为当夹盘处于它的操作位置时钻头能够轴向运动至钻头移除位置，也就是，不需要使得夹盘上的接合部件与冲击钻工具断开，因此钻头能够在不需要将夹盘从磨损套筒上拧松的情况下从钻头组件上移除。这提高了更换钻头的速度，从而使钻孔时间最大化。移除或更换钻头也不需要专业的松开设备。因为不需要单独的保持套筒来将钻头和夹盘保持在第一相对方位，因此避免了与冲洗该保持套筒相关的问题。
12.钻头组件还可以包括在钻头上的对齐部件，该对齐部件可与在夹盘上的互补对齐部件接合，以便防止钻头相对于夹盘旋转，从而将钻头和夹盘保持在第一相对方位，在该第一相对方位中，钻头保持在夹盘中，在钻头移除位置中，对齐部件与互补接合部件脱开，以使得钻头可相对于夹盘旋转至第二相对方位。
13.互补对齐部件可以包括在夹盘的前端处形成于夹盘内部的一组轴向延伸对齐花键，对齐部件可以包括形成于钻头柄的前端处的一组或多组轴向延伸对齐花键，使得在夹盘上的对齐花键可与在钻头柄上的至少一组对齐花键接合，以便将钻头和夹盘保持在第一相对方位。在钻头移除位置中，在夹盘上的对齐花键与在钻头柄上的一组或多组对齐花键脱开，以便允许钻头相对于夹盘旋转至第二相对方位。
14.钻头柄的圆周部分(该圆周部分沿轴向长度对应于夹盘上的至少一个对齐花键的至少一个长度，并位于一组或多组对齐花键附近)可以无花键，且在钻头移除位置，夹盘上的对齐花键可以与钻头柄的无花键部分对齐(register)，以便允许钻头相对于夹盘旋转。因此，在钻头组件的设计过程中，钻头移除位置由钻头柄的无花键部分的合适布置来确定。这种结构的优点是可以选择钻头移除位置，以使得钻头在钻孔时不太可能无意地运动至钻头移除位置。
15.合适的是，当钻头和夹盘处于第一相对方位时，钻头上的钻头保持部件与夹盘上的互补钻头保持部件接合，以便将钻头保持在夹盘中，当钻头和夹盘处于第二相对方位时，钻头保持部件与互补钻头保持部件脱开，以便允许钻头从夹盘移除。
16.钻头组件可以包括在钻头柄后端处的至少一个保持花键，其中，当钻头和夹盘处于第一相对方位时，该保持花键或各保持花键布置成与形成在夹盘内的相应一个第一互补花键的后端接合，以便将钻头保持在夹盘中。该至少一个保持花键因此可以构成钻头保持部件。
17.当钻头和夹盘处于第二相对方位时，该至少一个保持花键可以从形成于夹盘内的互补花键偏移，以便允许钻头从夹盘移除。该至少一个保持花键的至少一个边缘可以从在钻头柄上的多个第一花键中的相应一个的相应边缘径向偏移。
18.钻头组件还可以包括布置在驱动夹盘后面的对齐器衬套，因此，当钻头处于钻头
移除位置时，对齐器衬套用于与至少一个保持花键接合，以便防止钻头相对于对齐器衬套旋转。对齐器衬套可以包括至少一个花键，该花键形成于它的内部，并可与在钻头柄上的至少一个保持花键接合，以便在钻头处于钻头移除位置时防止钻头相对于对齐器衬套旋转。对齐器衬套的尺寸可以设置成使得在锤的正常操作过程中，与在对齐器衬套的外表面和流体操作冲击钻工具的磨损套筒的内表面之间的配合相关的摩擦力防止对齐器衬套相对于磨损套筒旋转，从而防止钻头相对于夹盘旋转。例如，过渡配合(例如位置过渡配合)可以提供在对齐器衬套和磨损套筒之间。不过，当在钻头和磨损套筒之间施加的旋转力足以克服与在对齐器衬套和流体操作冲击钻工具的磨损套筒之间的配合相关的摩擦力时，钻头可相对于夹盘旋转至第二相对方位。
19.旋转力可以通过流体操作冲击钻工具或通过手(使用合适的手持工具)来施加。例如，在钻头移除位置需要将其完全推入锤中的情况下，该力可以通过将锤推入地面内来施加，从而使钻头保持静止，并以与正常操作相反的方向驱动锤，以便引起在对齐器衬套和磨损套筒之间(以及因此在钻头和夹盘之间)的反向旋转。当钻头移除位置是在钻头完全伸出的位置和钻头完全推入锤内的位置中间的位置时，旋转力可以通过在钻头拉出锤时向钻头施加轻微的反向旋转力来施加。当夹盘上的对齐花键与钻头柄上的对齐花键脱开时，可以向钻头施加更大的力，以便使钻头和对齐器衬套相对于磨损套筒和夹盘旋转，从而使钻头和夹盘运动至第二相对方位。
20.因此，当在正常钻孔操作过程中钻头轴向运动至钻头移除位置时，防止钻头相对于对齐器衬套旋转。由于对齐器衬套紧密配合在磨损套筒中，因此在正常操作条件下相对于磨损套筒和夹盘旋转固定，这意味着也防止钻头相对于夹盘旋转至第二相对方位。通过施加足以克服在对齐器衬套和磨损套筒之间的摩擦力的旋转力，钻头(和对齐器衬套)只可以相对于磨损套筒(因此夹盘)旋转。因此，避免了钻头和夹盘在钻孔过程中意外地相对旋转至第二相对方位(以及因此钻头从夹盘意外释放)。
21.根据本发明的另一方面，提供了一种潜孔锤，它包括：外部圆柱形的外部磨损套筒；滑动活塞，该滑动活塞安装成用于在外部磨损套筒内往复运动，以便撞击位于外部磨损套筒的前端处的钻头组件的冲击钻头，其中，该钻头组件是如上所述的组件。
附图说明
22.图1是根据本发明第一实施例的钻头组件的分解图；
23.图2是图1钻头组件的纵剖图。
24.图3是图1的钻头组件的纵剖图，该钻头组件已装配，且钻头和夹盘处于第一相对方位；
25.图4是图1的钻头组件的纵剖图，该钻头组件已装配，且钻头处于钻头移除位置；
26.图5是图3的钻头组件沿线aa的横向剖视图，其中，钻头和夹盘处于第一相对方位，在该第一相对方位中，保持花键与形成于夹盘内部的花键接合，以便将钻头保持在夹盘中；
27.图6是图4的钻头组件沿线aa的横向剖视图，其中，钻头处于钻头移除位置，且钻头和夹盘处于第二相对方位，在该第二相对方位中，在钻头上的保持花键与形成于夹盘内部的花键脱开，以便允许钻头从夹盘移除；
28.图7是图4的钻头组件沿线bb的横向剖视图，其中，钻头处于钻头移除位置，且在对
齐器衬套上的花键与在钻头上的保持花键接合，以便防止钻头相对于对齐器衬套旋转；
29.图8是根据本发明第二实施例的钻头组件的正视图。
30.图9是根据本发明第三实施例的钻头组件的分解图。
31.图10是图9的钻头组件的纵剖图，该钻头组件已装配，其中，在夹盘上的对齐花键与在钻头上的第一组对齐花键接合；
32.图11是图9的钻头组件的纵剖图，该钻头组件已装配，其中，在夹盘上的对齐花键与在钻头上的第二组对齐花键接合；
33.图12是图9的钻头组件的纵剖图，该钻头组件已装配，其中，钻头处于钻头移除位置；
34.图13是包括如图10中所示钻头组件的潜孔锤的纵剖图；以及
35.图14是图13的潜孔锤的局部纵剖图，其中钻头处于钻头移除位置。
具体实施方式
36.根据本发明的、用于流体操作冲击钻工具的钻头组件1的第一实施例在图1至7中表示。
37.该组件包括具有头部部分3的冲击钻头2，该冲击钻头3形成有轴向延伸柄4。绕钻头柄4的圆周间隔开的多个第一轴向延伸花键5与形成于驱动夹盘7内部的多个第一互补花键6可滑动地接合，因此，来自夹盘的旋转驱动可以传递至柄。螺纹8设置在夹盘7上，用于使夹盘7与流体操作冲击钻工具的驱动部件连接。
38.称为保持花键的多个第二花键14设置在钻头柄的后端15处。如图1中最清楚所示，各保持花键14比多个第一花键5中的对应一个更宽，使得各花键14的一个边缘从相应花键5的边缘偏移。在驱动夹盘上的多个第一内部花键6的花键之间的间距足够宽，以便容纳在钻头柄上的多个第二花键14中的一个。如图1和2中最清楚所示，称为对齐花键的多个第三花键13邻近钻头头部3、绕在钻头柄的前端18处的向外凸肩17的外圆周而形成。
39.如图2中最清楚所示，称为对齐花键的多个第二花键12在驱动夹盘的前端16处形成于该驱动夹盘内部。如图3在所示，在钻孔过程中，夹盘上的对齐花键12布置成与在钻头柄上的对齐花键13接合，从而防止钻头相对于夹盘旋转。因此，钻头2和夹盘7保持在图5所示的第一相对方位，其中，各尾部花键14布置成与形成于夹盘7内部的相应一个花键6的后端20接合，以便将钻头保持在夹盘中。因此，在流体操作冲击钻工具的钻孔操作过程中，钻头保持在夹盘中。
40.还如图1和2中所示，钻头柄的圆周部分19无花键，该圆周部分19的轴向长度对应于在夹盘上的对齐花键12的长度，具有较小间隙，且定位成邻近在钻头上的一组或多组对齐花键13。当钻头相对于夹盘轴向运动至图4中所示的钻头移除位置时(在该实施例中，这需要将钻头完全推入锤中)，夹盘上的对齐花键12与钻头柄的无花键部分19对齐，以使得它们与在钻头柄上的对齐花键13脱开。这允许钻头相对于夹盘旋转至图6所示的第二个相对方位。在该方位中，保持花键14从形成于夹盘内部的互补花键6偏移，以使得它们不再与互补花键6的后端20接合。多个第二花键14和在夹盘上的内部花键6之间的间距的尺寸设置成使得当钻头和夹盘处于第二相对方位时，钻头能够滑出组件，而不需要从钻孔工具上拧松夹盘。由于钻头通过钻头头部3与夹盘7的相互作用而只在沿向后方向在它的轴向运动中受
到限制，因此当夹盘与磨损套筒完全接合时，钻头可以完全推入锤中。不需要将夹盘从磨损套筒上拧松以便使钻头运动至钻头移除位置。
41.如图1至7中所示，该组件还包括对齐器衬套21，该对齐器衬套21布置在驱动夹盘的后端22处。对齐器衬套包括多个花键23，这些花键23形成于它的内部，并可与在钻头柄上的保持花键14接合，以便当钻头处于钻头移除位置时防止钻头相对于对齐器衬套旋转。在该实施例中，对齐器衬套的尺寸设置成使得在对齐器衬套的外表面和流体操作冲击钻工具的磨损套筒的内表面之间提供位置过渡配合。这可以通过将对齐器衬套的尺寸设置成使得它的直径与磨损套筒的内径相同或稍微更大来实现。在其它实施例中，合适配合可以通过如图8中所示的、在对齐器衬套的外表面中的周向槽24来实现，液压密封件或o形环可以装配至该周向槽24中。
42.当钻头处于图4所示的钻头移除位置时，钻头可以在施加旋转力(该旋转力足以克服与对齐器衬套21和流体操作冲击钻工具的磨损套筒之间的配合相关的摩擦力)时旋转至第二相对方位。例如，锤可以压入地面中，以使得钻头处于钻头移除位置并防止旋转，而锤逆时针地反向旋转(即与锤的正常操作相反的方向)。这样，来自钻柱的扭矩能够克服与对齐器衬套和磨损套筒之间的配合相关的摩擦力，从而允许锤的磨损套筒和夹盘相对于钻头和对齐器旋转至第二相对方位。在该方位中，钻头能够从锤中滑出并进行更换或维修，而不必从磨损套筒上拧松夹盘。当钻头有相对较小直径时，管钳可以替代地用于使钻头和对齐器衬套相对于磨损套筒(以及因此夹盘)旋转。因为在该实施例中，钻头只有在它完全推入锤内时才能相对于夹盘旋转，从而脱开第二花键，钻头在操作过程中弹跳出位置的可能性非常小。
43.本发明另一实施例在图9至14中表示。该实施例类似于图1至7中所示的实施例。不过，在该实施例中，两组对齐花键13设置在钻头柄的前端18处。无花键部分19设置在两组对齐花键中间。还有，在该实施例中，在对齐器衬套21和冲击钻工具的磨损套筒25之间的所需配合通过在对齐器衬套外表面中的周向槽24来实现，液压密封件或o-形环26装配在该周向槽24中。
44.如图10中所示，当钻头被完全推入锤中时，在夹盘上的对齐花键12与在钻头柄上的两组对齐花键13中的第一组接合。如图11中所示，当钻头完全伸出时，在夹盘上的对齐花键12与在钻头柄上的两组对齐花键13中的第二组接合。因此，在钻头的这些轴向位置中的每一个中，钻头2和夹盘7都保持在第一相对方位，其中，各尾部花键14布置成与形成于夹盘7内部的相应一个花键6的后端20接合，以便将钻头保持在夹盘中。
45.本实施例的钻头移除位置如图12和14中所示。如这些图中所示，当钻头处于该位置时，在夹盘上的对齐花键12与在钻头柄上的无花键部分19对齐，从而使它们与在钻头柄上的两组对齐花键13都脱开。因此，在该实施例中，钻头移除位置是钻头完全伸出的位置(如图11所示)和钻头完全推入锤内的位置(如图10和13中所示)中间的位置。在操作中，为了确定该中间钻头移除位置，轻微的旋转压力可以施加于钻头，同时将它从夹盘拉出。一旦听到或感觉到“咔哒”，花键将脱开，然后钻头处于钻头移除位置。由于钻头在操作过程中几乎不在该位置停留任何时间，因此钻头在操作过程中旋转至该第二相对方位位置的可能性非常小。
46.一旦钻头处于钻头移除位置，通过施加旋转力(该旋转力足以克服与对齐器衬套
21和磨损套筒25之间的配合相关的摩擦力)，钻头可以相对于夹盘旋转至第二相对方位，在该第二相对方位中，保持花键14从形成于夹盘内部的互补花键6偏移，使得它们不再与互补花键6的后端20接合，因此钻头能够滑出组件，而不需要从钻孔工具上拧松夹盘。如在前面的实施例中和如图14中所示，不需要从磨损套筒上拧松夹盘以便使钻头运动至钻头移除位置。
47.当在本文中参考本发明使用时，词语“包括/包含”和词语“有/包括”用于指定所述特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、部件或组。
48.应当理解，为了清楚起见，在单独实施例中所述的本发明某些特征也可以在单个实施例中组合地提供。相反，为了简明，在单个实施例中所述的本发明各种特征也可以单独地提供或以任何合适的子组合来提供。