專利名稱：定向鉆井工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種定向鉆井工具，特別是涉及一種用于在巖石中定向鉆井的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置。
常規(guī)的用于在巖石中定向鉆井的鉆機(jī)包括一個鉆頭裝置，該鉆頭裝置具有一個牙輪鉆頭，而該牙輪鉆頭包括三個帶齒的錐形鋼制元件，在該錐形鋼制元件上焊接有硬質(zhì)金屬(碳化鎢)尖齒。鉆桿是空心的，在鉆井過程中，沖洗液(稱為“鉆井液”)穿過鉆桿泵入后從牙輪鉆頭周圍排出，并穿過鉆孔返回。人們試圖努力實現(xiàn)鉆井液的再循環(huán)，但是這需要復(fù)雜的過濾設(shè)備，并且廢棄的鉆井液也會產(chǎn)生環(huán)境問題。
在巖石中進(jìn)行定向鉆井特別是水平鉆井可以使用旋轉(zhuǎn)和沖擊組合鉆井裝置。沖擊裝置可以是一個氣動操作的沖擊錘。該裝置可以使用一個楔形的頭。對于直井鉆井，楔形頭旋轉(zhuǎn)，而由旋轉(zhuǎn)與沖擊的組合運(yùn)動連同作用到鉆井工具上的一個向前的推動作用鉆進(jìn)巖石。如果旋轉(zhuǎn)停止，沖擊和推動使得鉆井工具的楔形頭沿著一個向前的曲線進(jìn)行鉆進(jìn)。這樣的工具通常包括一個電子發(fā)射器(探頭)或者類似物，該發(fā)射器與地面上的一個接收器配合，用于連續(xù)地確定鉆井工具的位置和方向。
通常，第一個步驟是首先鉆進(jìn)一個領(lǐng)眼鉆孔。該領(lǐng)眼鉆孔被擴(kuò)孔以容納管子、電纜等等，這些管子電纜等穿過鉆孔。擴(kuò)孔可以通過“向后擴(kuò)眼”亦即使得一個工具(“擴(kuò)眼器”)穿過領(lǐng)眼鉆孔向后移動而實現(xiàn)。壓實式擴(kuò)眼器為一個楔形或者錐形工具，該工具可以穿過領(lǐng)眼鉆孔向后拉動，同時也可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)．飛翼式擴(kuò)眼器是一個具有外部翼片的管子或者桿子，該擴(kuò)眼器可以穿過領(lǐng)眼鉆孔向后拉動，同時也可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。壓實式擴(kuò)眼器在巖石地層中工作不穩(wěn)定，而飛翼式擴(kuò)眼器則可以在巖石中緩慢地進(jìn)行切削。將具有一個沖擊錘的壓實式擴(kuò)眼器連接到鉆桿上以進(jìn)行向后擴(kuò)眼是公知技術(shù)，但是該技術(shù)只是在柔軟地層中才有效。
本發(fā)明的目的是提供一種完全的鉆井工具，該鉆井工具的形狀和結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)在巖石或者類似硬質(zhì)介質(zhì)中有效地定向鉆井和向后擴(kuò)眼。
本發(fā)明提供一種用于在巖石中定向鉆井和向后擴(kuò)眼的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置。對于領(lǐng)眼鉆孔鉆井，包括一個大體圓柱形的可旋轉(zhuǎn)的本體部分和一個截錐頭部；所述本體部分中安放有一個沖擊錘，所述截錐頭部以偏心方式安裝到所述本體部分的前端，其中，截錐頭部的最小直徑表面鄰近于所述本體部分，而所述頭部的軸線平行但偏離于所述本體部分的軸線，所述頭部的前表面為鑿形并且包括至少一個傾斜表面，該傾斜表面沿著與頭部軸線偏離于本體部分軸線的相同的方向向前傾斜。
一個空氣通道最好穿過所述本體部分且也可以選擇性地穿過所述頭部，在所述本體部分或者所述頭部之前表面的最前端的一半部分中形成出口。在該裝置的使用過程中，壓縮空氣穿過空氣通道，從前表面排出，并攜帶巖石和土壤的碎塊鉆屑通過鉆孔返回。因此避免了鉆井液的使用。
所述截錐頭部與所述頸部形成為一體，而所述頸部以滑動方式安裝在所述本體部分的最前端部分中。在所述頭部的所述前表面上(至少在其最前端的一半部分上)還具有多個硬質(zhì)(例如碳化鎢)柱塊。
在所述頭部上形成縱向延伸的周邊槽或者溝道，從而形成一個間斷的切削表面，以允許空氣或者鉆屑通過。
所述頭部的所述前表面包括一個單個的平面，該平面形成一個傾斜表面，該傾斜表面的最前端沿著與所述頭部軸線偏離于所述本體部分軸線的方向相同的方向偏離于所述中心。作為另外一種形式，所述頭部的前表面可具有一個位于偏離側(cè)的不傾斜或者僅略微傾斜的最前端部分，以及一個遠(yuǎn)離于所述偏離方向的那側(cè)上的更為傾斜的表面。
參考下列附圖

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的旋轉(zhuǎn)沖擊工具的一個頭部和頸部的側(cè)視局部剖面圖；圖2是圖1的側(cè)視圖；圖3是圖1中的Ⅲ-Ⅲ線的橫截面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置的另外一個實施例的側(cè)視局部剖面圖；圖5是圖4的端視圖；圖6是頸部和頭部的另外一個實施例的側(cè)視圖；圖7是圖6的正視圖；圖8是頭部和頸部的另外一個實施例的側(cè)視圖；圖9是圖8的正視圖；以及圖10、11和12是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的向后擴(kuò)眼工具的正視圖、側(cè)視圖和后視圖。
圖1、2和3表示截錐頭部2和一個一體的頸部1。頸部1以滑動方式安放在本體部分(未示出)的管狀最前端部分內(nèi)，而該本體部分又容納有一個沖擊錘和一個無線電探測裝置或者探頭，對這些探測裝置或者探頭進(jìn)行隔離以防止其受到振動的影響。探頭通常為圓柱形，并安放在一個縱向的腔室內(nèi)。一個壓縮彈簧設(shè)置在每一個探頭的端部與該腔室的鄰接端壁之間，以保護(hù)探頭不受到振動的影響。截錐頭部2具有一個最小直徑端面3和一個最大直徑端面4；該最小直徑端面3與頸部1鄰接；而最大直徑端面4則形成工具的前表面。頸部1的縱軸線5(與本體部分的縱軸線共線)與截錐頭部的縱軸線6互相平行但是錯開一定距離，因此使得截錐頭部2以偏心方式安裝在頸部1(本體部分)的前端。頭部2的軸線6位于軸線5和頸部的周邊之間。截錐頭部6與本體部分軸線5錯開的距離優(yōu)選為頸部1外徑的15～93％、最好為20～80％。而端面3的半徑最好為頸部半徑的115～225％，最好為125～200％；而端面4的半徑最好為頸部半徑的152～230％，最好為170～210％。截錐頭部2的側(cè)面的傾角最好為0～30度，最好為5～25度。
截錐頭部2的前表面為鑿形。因此，表面4形成為一個傾斜表面，該傾斜表面沿著與頭部軸線6偏離于本體部分軸線5的相同的方向向前傾斜。因此，前表面的最前端部分與截錐頭部2的周邊部分鄰接，在鄰接處截錐頭部距本體部分軸線5的距離最大。
一個空氣通道7沿著縱向穿過頸部1，用于輸送來自本體部分的空氣，該空氣通道7與一個穿過截錐頭部2的空氣通道8連通，該空氣通道7在端面4處形成出口?？諝馔ǖ?在端面4上的出口靠近于其最前端部分的周邊。在工具進(jìn)行操作時，壓縮空氣穿過空氣通道7、8而從端面4排出。
作為另外一種形式，空氣通道可以終止于本體部分的前端。然后在截錐頭部2上形成縱向延伸的周邊槽或者溝道，用于向前輸送空氣和向后輸送鉆屑(如圖6～9所示)。這些槽或者溝道最好向著后方逐漸加寬(如圖6和7所示)以防止鉆屑堵塞。
頸部1和頭部2由淬火鋼制成。頭部的前表面4攜帶大量的碳化鎢突出柱塊。這些柱塊至少要分布在前表面4的最前端的一半面積，但是也可以分布在表面4的整個面積上。
傾斜表面4與垂直于軸線6的平面形成的夾角優(yōu)選為5～45度，最好為7～30度。
頸部1的外表面上形成縱向溝槽，用于與本體部分(未示出)的最前端管狀部分內(nèi)的內(nèi)部凸起配合。
另外一種形式的實施例如圖4、5所示，其中與圖1、2和3中對應(yīng)的部件用相同的附圖標(biāo)記表示。此外，截錐頭部2也以偏心方式通過一個一體的頸部1安裝到圓柱本體部分15的前端，頸部1可滑動地安放在本體部分15的管狀前端。然而，在該例子中，頭部2的前表面包括一個不傾斜的表面10和傾斜表面11(圖8和9也具有這些特征)。不傾斜的表面10是截錐頭部2的最前端，并且構(gòu)成了位于頭部軸線6偏離于本體軸線5那一側(cè)的前表面的大約一半面積。傾斜表面11構(gòu)成一個切除部分，該切除部分從表面10向后傾斜到截錐頭部2的邊緣，該傾斜表面11與垂直于軸線6的平面形成的角度為5～45度，最好為7～30度。碳化鎢柱塊12安裝在表面10上。該實施例也具有空氣通道，但是沒有表示在附圖4、5中。本體部分1容納有一個沖擊錘，該沖擊錘連接到后本體部分13，而該后本體部分13容納有無線電探測裝置。
在使用本發(fā)明的工具時，通過以下三種力的配合實現(xiàn)鉆進(jìn)旋轉(zhuǎn)力、沖擊力和推動力。轉(zhuǎn)向是通過減少或者停止旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來實現(xiàn)的。該工具使得能夠第一次實現(xiàn)在巖石和其他硬質(zhì)材料中鉆進(jìn)而不需要使用鉆井液或者類似的流體。
如圖4所示，管狀本體部分15處于最前端位置，并且與截錐頭部2的后表面3抵靠接觸。在該位置上沖擊和推力傳遞到截錐頭部上。當(dāng)鉆進(jìn)較柔軟的地層時，管狀本體部分回縮，因此該管狀本體部分不再與截錐頭部的后表面3抵靠接觸。然而，在該位置上截錐頭部還是進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。因此截錐頭部有效地在本體部分內(nèi)“浮動”。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所公知的是在鉆進(jìn)過程中特別是巖石鉆井過程中不可能通過用空氣代替鉆井液例如象水／膨潤土混合物來實現(xiàn)控制，因為錘擊或者鉆井過程中產(chǎn)生的熱量將導(dǎo)致無線電探頭過熱或者廢棄，因此使得鉆機(jī)失去導(dǎo)向系統(tǒng)。通常的探頭不能暴露在超過約85℃的溫度下。通過壓縮空氣并且使得空氣穿過鉆桿和探頭室將達(dá)到該溫度，由鉆井所產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了探頭的極限。事實上，空氣壓縮得越利害，溫度增加越高，并且由于穿過該系統(tǒng)時所受到的摩擦也使得溫度進(jìn)一步升高。然而當(dāng)空氣膨脹時其溫度迅速降低，如果不加以控制，該溫度可能快速地下降到冰點(diǎn)以下。
本發(fā)明的特點(diǎn)是使用壓縮空氣來冷卻探頭，這可以通過在探頭周圍形成一個大于空氣供應(yīng)孔的腔室來實現(xiàn)。因此，當(dāng)熱的壓縮空氣穿過該空氣供應(yīng)孔到達(dá)該腔室時，空氣快速膨脹并冷卻。該溫度可以通過減小或者加大空氣供應(yīng)孔或者探頭周圍的腔室大小來進(jìn)行控制。
圖10、11和12表示本發(fā)明的一個實施例是如何實現(xiàn)向后擴(kuò)眼的。兩個或者多個沖擊錘20通過歧管21連接到鉆桿22上。沖擊錘20具有頭部23，該頭部23具有平的前表面，與上述的鑿形的前表面不同，因為在該階段不需要轉(zhuǎn)向。一個空氣通道在前表面上形成一個出口24，而該前表面上如前所述具有硬質(zhì)柱塊。切削頭部和空氣系統(tǒng)切削巖石并從鉆孔中清除鉆屑。然后將鉆孔擴(kuò)大，由此能安裝本來無法安裝在領(lǐng)眼鉆孔內(nèi)的較大直徑的管子或者一組管子和／或電纜。
權(quán)利要求
1．一種用于在巖石中定向鉆井的旋轉(zhuǎn)一沖擊裝置，包括一個大體圓柱形的可旋轉(zhuǎn)的本體部分(15)和一個截錐頭部(2)；所述本體部分(15)容納有一個沖擊錘，所述截錐頭部以偏心方式安裝到所述本體部分的前端，其中，截錐頭部的最小直徑表面(3)鄰近于所述本體部分，而所述頭部的軸線(6)平行但偏離于所述本體部分的軸線(5)，所述頭部的前表面(4)為鑿形并且包括至少一個傾斜表面(11)，該傾斜表面沿著與頭部軸線偏離于本體部分軸線的相同的方向向前傾斜。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置，還具有一個空氣通道(7、8)，該空氣通道穿過所述本體部分且也可以穿過所述頭部，在所述本體部分或者所述頭部的前表面(4)上形成出口。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置，其特征在于，所述空氣通道在所述頭部的前表面的最前端半個部分上形成出口。
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置，其特征在于，在所述頭部上形成縱向延伸的周邊槽或者溝道(16)，從而形成一個間斷的切削表面，以使得空氣或者鉆屑通過。
5．根據(jù)權(quán)利要求1～4中任一權(quán)利要求所述的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置，其特征在于，所述截錐頭部(2)與所述頸部(1)形成為一體，而所述頸部(1)以滑動方式安裝在所述本體部分(15)的最前端部分中。
6．根據(jù)權(quán)利要求1～5中任一權(quán)利要求所述的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置，在所述頭部的所述前表面(4)上還具有多個硬質(zhì)柱塊(12)。
7．根據(jù)權(quán)利要求1～6中任一權(quán)利要求所述的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置，其特征在于，所述頭部的所述前表面(4)主要包括一個單個的平面，該平面形成一個傾斜表面，該傾斜表面的最前端沿著與所述頭部軸線偏離于所述本體部分軸線的方向相同的方向偏離于所述中心。
8．根據(jù)權(quán)利要求1～6中任一權(quán)利要求所述的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置，其特征在于，所述頭部的前表面(4)具有一個不傾斜的最前端部分(10)，該部分(10)位于所述頭部軸線偏離于所述本體部分軸線的那一側(cè)，而所述傾斜表面(11)位于遠(yuǎn)離于所述偏離方向的那一側(cè)。
9．根據(jù)權(quán)利要求1～8中任一權(quán)利要求所述的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置，其特征在于，所述本體部分為兩個部分，包括一個安放有沖擊錘的前部和一個安放有探頭的后部。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置，其特征在于，所述后部包括一個減震系統(tǒng)，以保護(hù)所述探頭不受到?jīng)_擊錘所產(chǎn)生的振動的影響。
11．根據(jù)權(quán)利要求9或者10所述的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置，其特征在于，所述頭部以同軸方式安裝到所述本體部分的所述前端部分上，而所述前端部分以偏心方式安裝到所述后部上。
12．根據(jù)權(quán)利要求1～10中任一權(quán)利要求所述的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置，其特征在于，所述頭部以同軸方式安裝到所述本體部分上，而所述本體部分以偏心方式安裝到所述鉆桿上。
13．一種用于巖石鉆井的向后擴(kuò)眼工具，包括一個鉆桿、兩個或者多個圍繞所述鉆桿的周邊安裝的沖擊錘和位于所述沖擊錘頭部上的空氣出口，其中，所述沖擊錘的軸線平行于所述鉆桿軸線；所述工具適合于沿著與最初鉆井方向相反的方向穿過領(lǐng)眼鉆孔，從而擴(kuò)寬井眼。
全文摘要
一種用于在巖石中定向鉆井的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置,包括一個大體圓柱形的可旋轉(zhuǎn)的本體部分(15)和一個截錐頭部(2);所述本體部分15容納有一個沖擊錘,所述截錐頭部以偏心方式安裝到所述本體部分的前端。截錐頭部的最小直徑表面(3)鄰近于所述本體部分,而所述頭部的軸線(6)平行但偏離于所述本體部分的軸線(5),所述頭部的前表面(4)為鑿形并且包括至少一個傾斜表面(11),該傾斜表面沿著與頭部軸線偏離于本體部分軸線的相同的方向向前傾斜。
文檔編號E21B36/00GK1280646SQ98811838
公開日2001年1月17日 申請日期1998年10月9日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月15日
發(fā)明者G·埃斯波西托 申請人:Se股份有限公司