钻凿部件的制作方法

本发明总体上涉及一种形成钻柱的一部分的钻凿部件。更具体地是，本发明涉及一种构造用以将钻柱的各个区段互连的钻凿部件。

背景技术：

1、冲击钻凿用于经由多个伸长钻柱杆来形成长孔洞，该多个伸长钻柱杆通过互连的外螺纹端部和内螺纹端部端对端地联接在一起。成熟的技术通过从安装在钻柱的一个端部处的岩石钻头传递到位于孔洞的底部处的岩石的锤击冲击来破碎岩石。通常，破碎岩石所需的能量由液压驱动的活塞产生，该活塞接触钻柱的端部（经由柄部适配器），以产生应力（或冲击）波，该应力波传播通过钻柱并最终到达基岩面。ep 2845993、ep2845991 a1、ep1259703、ep 1232321和us 4,968,068中描述了常规的外螺纹联接件和内螺纹联接件。

2、当相邻钻杆的外螺纹端部和内螺纹端部联接以形成钻柱时，接头通常在钻凿期间经受弯曲力。这些弯曲力矩使联接件疲劳并导致接头的螺纹部分内的断裂。钻凿效率也受到联接件所经受的弯曲力矩的影响。通常，内螺纹端部被损坏，并确定联接件的使用寿命。特别地是，外螺纹端部的螺纹区段中的应力通常是相当大的并且传递到内螺纹端部，从而导致内螺纹端部的磨损增加，从而导致联接件的失效。

3、因此，本发明的一个目的是试图克服目前的钻柱联接件的关于部件的使用寿命和钻柱的钻凿效率方面的至少其中一些缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种钻凿部件，该钻凿部件被构造用以使钻柱的区段互连并且能够承受作用在钻柱上的负载力，以便最小化钻柱失效的风险。另一个目的是提供一种钻凿部件，该钻凿部件具有对钻柱中的弯曲力矩的改进的抵抗性，该弯曲力矩例如由孔偏差或最下面的钻杆处或柄部适配器处的驱动活塞的非中心撞击引起。另一个目的是提供一种用于肩部接触互连系统并用于底部接触互连系统的钻凿部件，同时在组装好的钻柱内形成一体且牢固的单元。本发明进一步源于增加互连部件的使用寿命的思想，因此导致所需维护之间的时间间隔更长。本发明进一步涉及通过研制更坚固耐用的钻凿部件来提高钻凿效率。

2、这些和其它目的中的至少一些目的通过提供具有独立权利要求中的特征的钻凿部件来实现。优选实施例在从属权利要求中进行限定。

3、因此，根据本发明的第一方面，提供了一种构造用以将钻柱的第一区段和第二区段互连的钻凿部件。钻凿部件包括第一端部部分，该第一端部部分被构造成布置成面向钻柱的第一区段，其中第一端部部分包括第一互连部分，该第一互连部分被构造用以与该钻柱的第一区段的对应互连部分接合。第一方面的钻凿部件进一步包括中空内部，该中空内部被构造成沿着钻柱的长度方向延伸并且形成通过钻柱的通道的一部分。更进一步地是，钻凿部件包括限定中空内部的壁，其中该壁的第一横截面的面积小于壁的第二横截面的面积，并且其中第一横截面布置在第二横截面和第一端部部分之间。

4、钻凿部件实现联接或互连钻柱的第一区段和钻柱的第二区段的功能。在本说明书内，对钻柱的第一区段和第二区段的引用可涵盖形成组装好的钻柱的需要通过所述钻凿部件互连的任何部件，诸如、但不限于钻杆、柄部适配器、钻管、冲击锤、钻头、安装在钻柱的驱动端处或钻柱的钻头端处的轴部或适配器等。例如，沿着钻柱的长度，由钻凿部件互连的第一区段和第二区段都可以是钻杆或钻管。在钻柱的最下面部分，即最靠近孔洞的底部，第一区段可以是冲击锤，第二区段可以是钻杆或钻管。在钻柱的最上面部分，即最接近孔洞的开口部，第一区段可以是钻杆，第二区段可以是柄部适配器。因此，钻凿部件是有利的，因为其可以将上述示例性第一区段和第二区段的任何组合互连，以形成钻柱。

5、钻凿部件进一步实现通过其互连的钻柱的区段来传递机械运动和冲击力的功能。因此，诸如由液压驱动活塞在钻柱上进行的旋转运动之类的机械运动以及诸如由冲击锤产生的冲击波之类的冲击力可以经由所述钻凿部件以最小的能量损失从钻柱的一个区段传递到该钻柱的相邻区段。因此，能够由钻凿部件实现的机械运动和冲击力的传递导致较高的钻凿效率。

6、通过包括在钻凿部件的第一端部部分处的第一互连部分和通过其接合的对应互连部分，实现了互连。例如，第一互连部分可以包括外螺纹区段，并且对应的互连部分可以包括内螺纹区段，该内螺纹区段一起确保该钻柱的第一区段和第二区段的牢固联接，从而对钻柱中的弯曲力矩具有改进的抵抗性。稍后将在本说明书内讨论第一互连部分的其它实施例。

7、钻凿部件的中空内部使得通道能够沿着钻柱的长度通过钻柱的每个区段的连续性。因此，该通道的由钻凿部件的中空内部形成的所述部分使得冲洗介质（例如空气或水）能够无阻碍地行进通过钻柱的长度。因此，钻凿部件的中空内部允许较高的钻凿效率。

8、限定中空内部的壁可以被解释为包封该中空内部并因此包封由所述中空内部形成的通道的所述部分的材料。因此，该钻凿部件的壁经受由操作期间沿着钻柱产生的弯曲力矩和冲击力引起的应力和应变。壁的参数（诸如材料的类型和材料的厚度，即壁的材料量）沿着钻凿部件允许应力沿着该壁分布，以便避免或至少最小化该壁的某些部分中的应力集中，而应力集中通常导致钻凿部件的更快的磨损和更高的疲劳速率。

9、因此，本发明体现了一种钻凿部件，在该钻凿部件中，壁的第一横截面的面积小于壁的第二横截面的面积，其中第一横截面布置在第二横截面和钻凿部件的第一端部部分之间。在本说明书内，壁的横截面的面积涉及沿着钻柱的长度方向在特定位置处包封钻凿部件的中空内部的材料的量。因此，本发明体现了朝向面向钻柱的第一区段的钻凿部件的第一端部部分减少或移除形成壁的材料。朝向钻凿部件的第一端部部分的壁的材料的减少或移除因此减小了朝向第一端部部分的壁的刚度，从而使得能够在钻柱的长度方向上沿着第一互连部分更大地分布应力。例如，当考虑表示包括内孔的阳螺纹套管的钻凿部件时，本发明体现了围绕套管的内孔的壁朝向套管的端部的材料的更大的移除，该套管的端部面向该套管所联接到的相邻钻杆。减少形成朝向套管的端部的套管的壁的材料的量使套管的端部部分变弱，从而使套管更容易受到更高的应力，因此减轻了由钻柱中的弯曲力矩和冲击力在套管的相对端部处引起的其中一些应力。因此，能够通过朝向第一端部部分（即，壁的横截面的较小面积）的材料的任何移除而实现的沿着钻凿部件的应力分布，导致了在操作期间对磨损和失效的较大抵抗性，因此导致钻凿部件的较长使用寿命和较大钻凿效率。减小朝向第一端部部分的壁的刚度进一步减小了传递到由第一互连部分接合的对应互连部分的应力，这可以减小在所述对应互连部分上引起的磨损。因此，这可以增加钻凿部件和钻柱的使用寿命。可替代地是，朝向钻凿部件的第一端部部分的材料的移除可以根据中空内部的横截面面积来限定，从而表现为朝向第一端部部分对钻凿部件更大的挖空。例如，本发明可以体现为钻凿部件，其中中空内部的第一横截面面积大于中空内部的第二横截面面积，其中第一横截面布置在第二横截面和钻凿部件的第一端部部分之间。在圆柱形内孔的情况下，中空内部朝向第一端部部分的横截面面积也可以根据钻凿部件的中空内部的内径来限定。例如，本发明可以体现为钻凿部件，其中中空内部的第一内径大于中空内部的第二内径，其中第一内径布置在第二内径和钻凿部件的第一端部部分之间。本发明的进一步有利之处在于，它增加了对弯曲力矩的抵抗性，并且它被构造用以在钻柱的部件完全轴向对准时以及在偏转时（即，稍微横向于彼此对准）均更好地承受由冲击波的传输产生的应力。还应当理解的是，根据本发明的第一方面的钻凿部件与冲击钻凿的各种应用兼容，诸如旋转钻凿、顶锤钻凿、潜孔钻凿等。

10、根据本发明的实施例，第一互连部分可以包括构造用以与钻柱的第一区段的对应互连部分接合的外螺纹区段。外螺纹区段使得该钻柱的第一区段和第二区段能够牢固联接。外螺纹区段进一步允许将机械运动和冲击力有效地传递到与之接合的对应互连部分，从而导致更大的钻凿效率。例如，第一互连部分可以对应于布置在钻杆的下端处的阳螺纹套管的螺纹区段，即钻柱的第二区段，并且被构造用以牢固地接合布置在相邻钻杆的上端处的对应阴螺纹区段，即钻柱的第一区段，以在组装好的钻柱内一起形成一体且牢固的单元。作为外螺纹区段的替代，第一互连部分可以包括锥形或多边形接口，例如锥形钻杆，其被构造用以与钻柱的第一区段的对应锥形或多边形接口接合。这种圆锥形接口的接合产生了与之前关于外螺纹区段所描述的类似的牢固联接和更高的钻凿效率。

11、根据本发明的实施例，钻凿部件可包括第二互连部分，该第二互连部分被构造用以接合钻柱的第二区段的对应互连部分。第二互连部分还可包括构造用以接合钻柱的第二区段的对应互连部分的内螺纹区段。内螺纹区段使得钻柱的第二区段和第一区段能够牢固联接。内螺纹区段还允许将机械运动和冲击力有效地传递到与之接合的对应互连部分，从而导致更大的钻凿效率。例如，第二互连部分可以对应于布置在钻杆的上端（即，钻柱的第一区段）处的内螺纹区段，并且被构造用以牢固地接合布置在相邻钻杆的下端（即，钻柱的第二区段）处的外螺纹套管的对应螺纹区段，以一起形成在组装好的钻柱内的一体且牢固的单元。作为内螺纹区段的替代，第二互连部分可以包括锥形或多边形接口，例如锥形钻杆，如先前实施例中所述的那样。

12、根据本发明的一个实施例，钻凿部件可以包括第二互连部分，该第二互连部分被构造用以连接到岩钻活塞接口。在本说明书内，岩钻活塞接口对应于机械部件，该机械部件使得第一钻杆与液压驱动活塞能够进行结合，从而在钻凿操作期间引起钻柱的旋转运动。例如，岩钻接口可以对应于柄部适配器。本实施例的第二互连部分的优点在于，它能够以最小的能量损失将机械运动从柄部适配器传递到钻杆。在顶部锤钻凿应用的情况下，本实施例的第二互连部分还能够以最小的能量损失将冲击力从柄部适配器传递到钻杆。因此，本实施例能够实现钻柱的较高的钻凿效率。

13、根据本发明的实施例，钻凿部件可以包括邻近第一互连部分定位的柄部，使得所述第一互连部分可以布置在柄部和第一端部部分之间。该柄部可以被解释为邻近第一互连部分定位的传统区域，其中在钻柱的长度方向上延伸的平面中，在过渡区域处的横截面轮廓是弯曲的，使得该柄部的横截面面积朝向第一互连部分轴向减小。因此，本实施例的优点在于，柄部通过减小应力集中来加强钻凿部件抵抗弯曲力矩，从而降低钻凿部件在负载下失效的风险。

14、根据本发明的实施例，钻凿部件可以包括径向向外突出的肩部，该径向向外突出的肩部构造用以沿着所述钻柱的长度方向将力传递到钻柱的第一区段。本实施例的优点在于，该肩部在该钻柱的第一区段和第二区段之间提供了接触表面，从而提高了冲击力从钻柱的第二区段到钻柱的第一区段的传递效率。例如，在阳螺纹套管的情况下，肩部可以被解释为从钻柱的长度方向径向向外突出，使得肩部的外径大于阳螺纹套管的螺纹区段的外径。因此，本实施例实现了肩部接触互连系统。

15、根据本发明的实施例，所述第一端部部分可以包括端部表面，该端部表面构造用以沿着所述钻柱的长度方向将力传递到该钻柱的第一区段。本实施例的优点在于，端部表面在钻柱的第一区段和第二区段之间提供接触表面，从而提高了冲击力从钻柱的第二区段到钻柱的第一区段的传递效率。因此，本实施例实现了底部接触互连系统。

16、根据本发明的实施例，通道的由钻凿部件的中空内部形成的所述部分可以由第一区域和第二区域形成，其中第一区域布置在第一端部部分处并且至少部分地沿着第一互连部分延伸，并且其中第二区域在钻凿部件的第一区域和第二端部部分之间延伸。此外，第一区域的横截面面积可以大于第二区域的横截面面积。本实施例使得钻凿部件的中空内部的尺寸能够在第二区域和第一区域之间过渡。因此，本实施例包括沿着钻柱的长度方向形成中空内部的壁的刚度的过渡。因此，第一区域可以表示第一互连部分的弱化区域，使得能够沿着第一互连部分实现应力分布，从而减小传递到与之接合的对应互连部分的应力。因此，第一区域具有减少在所述对应互连部分上引起的磨损的效果，从而增加钻凿部件和钻柱的使用寿命。此外，优选地是，第一区域从第一端部部分沿着第一互连部分的20％至80％延伸，更优选地是沿着第一互连部分的30％至60％延伸，并且最优选地是沿着第一互连部分的50％延伸。

17、根据本发明的实施例，通道的所述部分的第二区域可以包括圆柱形孔。此外，通道的所述部分的第一区域可以包括符合圆形、椭圆形或多边形的横截面形状。本实施例提供了具有由钻凿部件的中空内部形成的钻柱的通道的所述部分的不同形状的区段的可能性。例如，沿着第二区域的中空内部可以包含圆形横截面轮廓，例如通道在钻柱的长度方向上的圆柱形部分，而沿着第一区域的中空内部可以包含椭圆形横截面轮廓，例如通道在钻柱的长度方向上的椭圆形部分。提供改变通道的由钻凿部件的中空内部形成的所述部分的形状使得能够根据钻凿应用、限定中空内部的壁的材料、冲洗要求等来优化沿着第一互连部分的应力分布。

18、根据本发明的第二方面，提供一种冲击钻柱，其包括根据本发明的第一方面限定的钻凿部件中的至少一个钻凿部件。例如，若干钻杆可以通过根据第一方面的钻凿部件联接在一起，以形成一体的、牢固的和持久的钻柱。

19、当研究以下详细公开内容、附图和所附权利要求书时，本发明的进一步目的、特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员将认识到，可以组合本发明的不同特征，以创建除了以下描述的那些实施例之外的实施例。