CN113840975A - 潜孔钻凿组件和设备 - Google Patents

Abstract

一种潜孔钻凿组件，具有伸长壳体、流体动力活塞、顶部和底部工作腔室、多个流体通道和排放系统，其中所述活塞的顶部工作面积和顶部中间工作面积的总和等于壳体孔的横截面面积。

Description

潜孔钻凿组件和设备

技术领域

本发明涉及一种潜孔锤钻头组件，该潜孔锤钻头组件布置用以以更高的频率和动力输出来驱动活塞。

背景技术

能够通过各种岩钻组件在岩石中进行钻凿。可以利用将冲击和旋转相结合的方法来执行钻凿。这种类型的钻凿称为冲击式钻凿。冲击式钻凿可以根据冲击装置在钻凿期间在钻孔外还是在钻孔中来进行分类。当冲击装置在钻孔中时，钻凿通常称为潜孔(DTH)钻凿。由于DTH钻凿组件中的冲击装置位于钻孔内，因此冲击装置的结构需要紧凑。

DTH冲击锤钻凿技术涉及通过钻柱向位于钻孔的底部处的锤供应加压流体。流体既用于驱动锤钻凿动作，又用于冲洗由切削动作产生的切屑和细屑向后通过钻孔，以便优化向前切削。

钻凿组件设置有往复冲击活塞，该往复冲击活塞通过控制加压流体到活塞的工作表面所在的工作腔室中的馈送以及控制加压流体从该工作腔室的排出而移动。活塞构造用以撞击直接连接到钻凿组件的钻头。

传统上，在活塞的中心将会有冲洗孔来冲洗顶部腔室。专利申请EP 3 409 878描述了一种替代性的钻凿组件，其具有往复冲击活塞，该往复冲击活塞通过控制加压流体馈送到活塞的工作表面所在的工作腔室中以及控制加压流体从该工作腔室排出而移动。然而，仍然需要提供一种钻凿组件，由此增加活塞的动力输出，这将提高钻凿装备的效率，从而将导致成本节约。

发明内容

本发明的目的是提供一种新颖且改进的用于岩石钻凿的冲击式钻凿组件和设备，由此使活塞的工作面积最大化，以匹配壳体孔内的可用面积。

该目的通过提供一种潜孔钻凿组件来实现，其包括潜孔钻凿组件，该潜孔钻凿组件具有被布置用于联接到钻柱的顶端和底部切削端。该钻凿组件包括：

伸长壳体，该伸长壳体具有外壁和内壁；

孔，该孔容纳在壳体的内壁内，该孔具有内孔直径D₁；

流体动力活塞，该流体动力活塞以可移动的方式布置在壳体内，能够轴向来回穿梭。该活塞具有横截面直径为D₂的中心部分、横截面直径为D₃的顶端远端部分和横截面直径为D₄的底端远端部分；

顶部工作腔室，该顶部工作腔室布置在活塞的顶端处；

底部工作腔室，该底部工作腔室布置在活塞的底端处；

顶部控制套筒和底部控制套筒，该顶部控制套筒和底部控制套筒布置在壳体内；

多个流体通道，所述多个流体通道位于控制套筒和壳体之间，所述多个流体通道包括：至少一个主馈送通道、至少一个顶部馈送通道和至少一个底部馈送通道，所述至少一个主馈送通道、所述至少一个顶部馈送通道和所述至少一个底部馈送通道布置用以控制加压流体到顶部工作腔室和底部工作腔室中的馈送，以产生活塞的往复运动；

至少一个冲洗口，所述至少一个冲洗口处在壳体的底端处，所述至少一个冲洗口连接到至少一个底部通风通道，所述至少一个底部通风通道布置用以排放底部腔室；

排放系统，该排放系统在壳体的顶端处包括至少一个排放口和至少一个排放通道，所述至少一个排放口和所述至少一个排放通道布置用以通过至少一个顶部通风通道排放顶部腔室；以及

空气分配器，该空气分配器至少具有第一流体通道和第二流体通道，该第一流体通道将入口连接到所述至少一个主馈送通道，该第二流体通道将顶部通风通道与所述至少一个排放通道连接。

其特征在于：

活塞具有顶部工作面积W₁和顶部中间工作面积W₂，其中壳体孔的横截面面积A_CB等于顶部工作面积W₁和顶部中间工作面积W₂的总和：

W₁+W₂≥0.99*A_CB

优选地是，活塞具有底部工作面积W₃和底部馈送工作面积W₄，其中壳体孔的横截面积A_CB等于底部工作面积W₃和底部馈送工作面积W₄的总和：

W₃+W₄≥0.99*A_CB

这种设计意味着在撞击运动期间暴露在压力下的表面积总和等于壳体孔的表面积。这种设计的优点是：利用壳体孔内的全部可用面积来驱动活塞。增加的工作面积具有如下效果：减少用以将活塞加速到期望的撞击速度所需的冲程长度，从而能够实现更高的冲击频率和动力输出，并提高钻凿效率。此外，使用较低体积的空气有利于降低外部部件的磨损率。

优选地是，活塞的中心部分与两个远端部分的直径之比使得：

D₃在0.3*D₂到D₂的范围内；并且

D₄在0.3*D₂到D₂的范围内。

优选地是，活塞的中心部分与两个远端部分的直径之比使得D₃在0.3*D₂至0.98*D₂的范围内，并且D₄在0.3*D₂至0.98*D₂的范围内，优选地是，D₃在0.5*D₂至D₂的范围内，并且D₄在0.5*D₂至D₂的范围内。这些范围内的比是优选的，因为如果直径之间的差异太大，就会产生高水平的应力，这将导致结构弱化且效率低。

优选地是，顶部中间腔室形成在活塞的顶端远端部分和活塞的中心部分之间，活塞的顶端远端部分至少部分地布置在顶部控制套筒内，并且其中顶部中间腔室通过所述至少一个主馈送通道与入口流体连接。

优选地是，顶部腔室通过所述至少一个顶部馈送通道与顶部中间腔室流体连接。

优选地是，其中在活塞的底端远端部分和活塞的中心部分之间形成底部中间腔室，其中活塞的底端远端部分至少部分地布置在底部控制套筒内，并且其中底部中间腔室通过至少一个中间馈送通道与顶部中间腔室流体连接。

优选地是，底部中间腔室通过所述至少一个底部馈送通道与底部腔室流体连接。

可选地是，止回阀布置在所述至少一个排放口和所述至少一个排放通道之间。

替代性地是，排放系统可轴向移动，并且存在排放阀，当钻凿组件从钻凿模式相应地切换到冲洗模式时，该排放阀打开和关闭所述至少一个排放通道和所述至少一个排放口之间的连接。

本发明的另一方面涉及一种用于冲击式岩石钻凿的钻凿设备，该钻凿设备包括：

由多个端对端联接起来的钻管形成的钻柱；以及如本文要求保护的以可释放的方式附接在钻柱的轴向前端处的钻凿组件。

附图说明

现在将仅通过示例并参考附图来描述本发明的具体实施方式，在附图中：

图1：示出了设置有DTH岩石钻凿组件的岩钻机的示意图。

图2：示出了钻孔的底部处的DTH钻凿组件的示意图。

图3：示出了图1中DTH钻凿组件的横截面的示意图。

图4：示出了与图3相比在不同的平面中截取的图1中的DTH钻凿组件的横截面的示意图，以示出顶部和底部馈送通道。

图5：示出了活塞的横截面的放大的示意图。

图6：示出了在钻凿模式下时DTH钻凿组件的横截面的顶端的放大图。

图7：示出了在冲洗模式下时DTH钻凿组件的横截面的顶端的放大图。

具体实施方式

图1示出了岩钻机1，其包括设置有钻凿动臂3的可移动载架2。动臂3设置有岩钻单元4，该岩钻单元4包括馈送梁5、馈送装置6和旋转单元7。旋转单元7可以包括齿轮系统和至少一个旋转马达。旋转单元7可以由托架8支撑，通过托架8，旋转单元7以可移动的方式支撑到馈送梁5。旋转单元7可以设置有钻柱9和DTH钻凿组件11，钻柱9可以包括彼此连接起来的至少一个钻管10，DTH钻凿组件11位于钻凿装备9的最外端处。在钻凿期间，DTH钻凿组件11位于钻出的钻孔12中。

图2示出了DTH钻凿组件11包括冲击装置(未示出)。冲击装置位于钻柱9的相对于旋转单元7的相反端处。在钻凿期间，钻头14直接连接到冲击装置，由此由冲击装置产生的冲击P被传递到钻头14。钻头14至少部分地容纳在壳体15的底端BE内。钻柱9通过图1中所示的旋转单元7绕其纵向轴线沿方向R旋转，同时，旋转单元7和连接到该旋转单元的钻柱9通过馈送装置6在钻凿方向A上被馈送力F馈送。然后，钻头14由于旋转R、馈送力F和冲击P的作用而破碎岩石。加压流体通过钻管10从压力源PS馈送到钻凿组件11。加压流体可以是压缩空气，并且压力源PS可以是压缩机。加压流体被引导，用以影响钻凿组件的冲击活塞19的工作表面，并导致活塞19以往复方式移动，并撞击钻头的冲击表面。在钻凿组件11的工作循环中被使用之后，允许压缩空气从钻凿组件11中排出，并且从而为钻头14提供冲洗。此外，排出的空气将钻出的岩石材料在钻孔和钻柱9之间的环形空间中推出钻孔外。替代性地是，钻屑从穿过冲击装置的中心内管内的钻凿面移除。这种方法称为反循环钻凿。

图2指示钻凿组件11的顶端42或轴向后端和钻凿组件的底端44或轴向前端。

图3和图4示出了DTH钻凿组件11及其冲击装置13的横截面。图4具有与图3相同的部件，但是与图3相比，图4在不同的平面中被截取，因此可以看到另外的部件。钻凿组件11包括伸长壳体15，该伸长壳体15可以是基本上中空圆柱体形式的相对简单的套筒状框架件。壳体15具有外壁26和内壁27，内壳体壁27内的区域形成壳体孔33(如图5所示)。在壳体15的顶端42处安装有顶部接头(或连接件)80，以为钻凿组件11提供连接到钻管(未示出)的装置。顶部接头80至少部分地容纳在壳体15的顶端42内。排放盖16位于顶部接头80上方并处在顶部接头80周围，排放口55形成在顶部接头80中，以将所述至少一个排放通道56连接到外部。止回阀81可以放置在顶部接头80和排放盖16之间，以防止回流。顶部接头80可以包括螺纹连接表面17。与顶部接头80相连的是用于向冲击装置13馈送加压流体的入口18。入口18可以包括阀装置18a，该阀装置18a允许向冲击装置馈送流体，但是防止在相反方向上的流动。基本上为伸长圆柱体的活塞19在壳体15内轴向延伸，并且能够纵向来回穿梭通过DTH钻凿组件11。冲击表面ISA位于活塞19的底端44处，该冲击表面ISA被布置用以撞击处于钻头14的顶端处的冲击表面ISB。活塞19是实芯件，因此在轴向方向和横向方向上，该活塞没有任何贯通通路或开口。顶部控制套筒20和底部控制套筒60位于壳体15和活塞19之间。顶部工作腔室21位于活塞19的顶端侧处，并且底部工作腔室22位于活塞19的相反端侧处。活塞19的移动被配置用以打开和关闭用于馈送和排放工作腔室21、22的流体通道，并且从而导致活塞19朝向冲击方向A和返回方向B移动。流体的按路线输送在壳体15的内表面和控制套筒20的外表面之间执行。顶部控制套筒20和底部控制套筒60的外周边可以包括若干个用作流体通道的凹槽。横向开口可以通过顶部控制套筒20和底部控制套筒60将所述凹槽连接到工作腔室21、22。排放系统58位于钻凿组件11的顶端42处。

顶部工作腔室21处在顶部控制套筒20内，而底部工作腔室22部分地由钻头14的中心凹部限定。

活塞19至少部分地位于顶部控制套筒20和底部控制套筒60内。顶部控制套筒20的内径限定了顶端工作表面23的最大外径，并且底部控制套筒60的内径限定了活塞19的远端处的底端工作表面24的最大外径。

图5示出了活塞19具有中心部分50，该中心部分50的外径大于顶部工作表面和底部工作表面23、24的外径。活塞具有处在顶端处的活塞的远端部分51，即轴向后端，并且具有处在底端处的活塞的远端部分52，即在纵向方向上的轴向前端，它们相对于活塞50的中心部分变薄。钻凿组件11具有壳体孔直径D₁。活塞19的中心部分50具有直径D₂，由此D₂近似等于D₁减去间隙，即活塞19的中心部分50的横截面面积D₂等于壳体孔33的横截面直径D₁的95％或在壳体孔33的横截面直径D₁的95％以内。活塞的处在端部顶端处的远端部分51具有直径D₃，并且活塞的处在底端处的远端部分52具有直径D₄。中心部分50与两个远端部分51、52的直径之比使得D₃在0.3*D₂到D₂的范围内，优选为在0.5*D₂到0.98*D₂的范围内，并且D₄在0.3*D₂到D₂的范围内，优选为在0.5*D₂到0.98*D₂的范围内。

壳体的壳体孔的横截面面积(A_CB)定义为：A_CB＝(π/4)D₁ ²

顶部工作面积(W₁)定义为：W₁＝(π/4)D₃ ²

顶部中间工作面积(W₂)定义为：W₂＝(π/4)(D₂ ²-D₃ ²)

底部工作面积(W₃)定义为：W₃＝(π/4)D₄ ²

底部馈送工作面积(W₄)定义为：W₄＝(π/4)(D₂ ²–D₄ ²)

壳体孔33的横截面面积等于顶部工作面积(W₁)和顶部中间工作面积(W₂)的总和：

WA_top+WA_{int_top}≥0.99*A_CB

此外，壳体孔33的横截面面积等于底部工作面积(W₃)和底部馈送工作面积(W₄)的总和：

W₃+W₄≥0.99*A_CB

工作面积被定义为活塞的有效面积，在加压流体的影响下，该有效面积将引起活塞的位移。

顶部中间腔室53形成在活塞19的顶端远端部分51和活塞19的中心部分50之间。顶部中间腔室53通过至少一个主馈送通道28与入口18流体连接。所述至少一个主馈送通道28通过横向开口41连接到入口18，并且连接到顶部中间腔室53。底部中间腔室54形成在活塞19的底端远端部分52和活塞19的中心部分之间。底部中间腔室54通过至少一个中间馈送通道30与顶部中间腔室53流体连接，该连接由活塞19的位置控制。

顶部工作腔室21通过将流体从顶部中间腔室53输送并通过所述至少一个顶部馈送通道62来馈送，该连接由活塞19的位置控制。底部工作腔室22通过将流体从底部中间腔室54输送并通过所述至少一个底部馈送通道61来馈送。顶部腔室21经由至少一个排放通道56通过位于钻凿组件的顶端42中的至少一个排放口55而从钻凿组件11的顶部向外部排放。通过从锤的顶部42而不是通过钻头排放顶部腔室21，包括钻头的外部部件的磨损率降低。底部腔室22通过至少一个冲洗口59从钻凿组件的底端44排放，用于从钻头面移走钻屑。

在一个实施例中，上述多个排放口55总是打开的。换句话说，排放通道56总是与排放口55流体连接。在另一个实施例中，在排放口55和排放通道56之间有止回阀(止逆阀)81，以防止回流。

在替代性实施例中，排放系统58能够相对于钻柱9轴向移动，并且因此当在钻凿模式和冲洗模式之间切换时，所述至少一个排放口55能够打开和关闭。当钻凿组件11从钻凿模式切换到冲洗模式时，排放系统58相对于钻柱9向前移动。排放口的打开和关闭通过至少一个排放阀57的存在来实现。当钻凿组件11处于钻凿模式时，排放系统58定位在钻柱旁边，并且因此排放阀57定位成使得排放口55打开。这具有减少在钻凿期间钻凿组件11的外部部件磨损的进一步优点。当钻凿组件11处于冲洗模式时，排放系统58从钻柱向前定位，因此所述至少一个排放阀57定位成使得所述至少一个排放口55关闭。通过在钻凿组件11处于冲洗模式时关闭排放口55，所有的空气都被引导通过钻头，这提高了孔清洁的效率并防止了锤的污染。

图6示出了处于钻凿模式时钻凿组件11的顶端42的放大图。在钻凿模式中，排放阀57被定位成使得所述至少一个排放通道56和所述至少一个排放口55被连接起来，从而加压流体被排放到外部。

图7示出了处于冲洗模式时钻凿组件11的顶端42的放大图。在冲洗模式中，排放阀57被定位成使得所述至少一个排放口55相对于所述至少一个排放通道56被阻塞隔离，并且排放通道相对于外部被阻塞隔离。这意味着所有的冲洗空气都被引导通过钻头，以提高孔清洁的效率。所述至少一个排放阀57的位置由钻凿组件11相对于钻柱9的位置控制。

Claims (10)

1.一种潜孔钻凿组件(11)，具有顶端(42)和底部切削端(44)，所述顶端(42)被布置用于联接到钻柱，所述钻凿组件包括：

伸长壳体(15)，所述伸长壳体具有外壁(26)和内壁(27)；

孔(33)，所述孔(33)被容纳在所述壳体(15)的所述内壁(27)内，所述孔具有内孔直径D₁；

流体动力活塞(19)，所述流体动力活塞被以能够移动的方式布置在所述壳体(15)内，所述流体动力活塞能够轴向来回穿梭，所述活塞(19)具有横截面直径为D₂的中心部分(50)、横截面直径为D₃的顶端远端部分(51)和横截面直径为D₄的底端远端部分(52)；

顶部工作腔室(21)，所述顶部工作腔室被布置在所述活塞(19)的顶端处；

底部工作腔室(22)，所述底部工作腔室被布置在所述活塞(19)的底端处；

顶部控制套筒(20)和底部控制套筒(60)，所述顶部控制套筒(20)和所述底部控制套筒(60)被布置在所述壳体(15)内；

多个流体通道，所述多个流体通道位于所述控制套筒(20、60)和所述壳体(15)之间，所述多个流体通道包括：至少一个主馈送通道(28)、至少一个顶部馈送通道(62)和至少一个底部馈送通道(61)，所述至少一个主馈送通道(28)、所述至少一个顶部馈送通道(62)和所述至少一个底部馈送通道(61)被布置用以控制加压流体到所述顶部工作腔室(21)和所述底部工作腔室(22)中的馈送，以产生所述活塞(19)的往复运动；

至少一个冲洗口(59)，所述至少一个冲洗口处在所述壳体(15)的底端处，所述至少一个冲洗口被连接到至少一个底部通风通道(64)，所述至少一个底部通风通道被布置用以排放所述底部腔室(22)；

排放系统(58)，所述排放系统在所述壳体(15)的顶端处包括至少一个排放口(55)和至少一个排放通道(56)，所述至少一个排放口(55)和所述至少一个排放通道(56)被布置用以经由至少一个顶部通风通道(63)排放所述顶部腔室(21)；以及

空气分配器(70)，所述空气分配器至少具有将入口(18)连接到所述至少一个主馈送通道(28)的第一流体通道(71)和将所述顶部通风通道(63)与所述至少一个排放通道(56)连接起来的第二流体通道(72)；

其特征在于：

所述活塞(19)具有顶部工作面积(W₁)和顶部中间工作面积(W₂)，其中，所述壳体孔(33)的横截面面积(A_CB)等于所述顶部工作面积(W₁)和所述顶部中间工作面积(W₂)的总和：

W₁+W₂≥0.99*A_CB。

2.根据权利要求1所述的潜孔钻凿组件(11)，其中，所述活塞(19)具有底部工作面积(W₃)和底部馈送工作面积(W₄)，其中，所述壳体孔(33)的横截面面积(A_CB)等于所述底部工作面积(W₃)和所述底部馈送工作面积(W₄)的总和：

W₃+W₄≥0.99*A_CB。

3.根据权利要求1或2所述的潜孔钻凿组件(11)，其中，所述活塞(19)的所述中心部分(50)与两个所述远端部分(51、52)的直径之比使得：

D₃在0.3*D₂到D₂的范围内；并且

D₄在0.3*D₂到D₂的范围内。

4.根据前述权利要求中任一项所述的潜孔钻凿组件(11)，其中，顶部中间腔室(53)被形成在所述活塞(19)的所述顶端远端部分(51)和所述活塞(19)的所述中心部分(50)之间，所述活塞的所述顶端远端部分(51)被至少部分地布置在所述顶部控制套筒(20)内，并且其中，所述顶部中间腔室(53)通过所述至少一个主馈送通道(28)与所述入口(18)流体连接。

5.根据权利要求4所述的潜孔钻凿组件(11)，其中，所述顶部腔室(21)经由所述至少一个顶部馈送通道(62)与所述顶部中间腔室(53)流体连接。

6.根据权利要求4或5所述的潜孔钻凿组件(11)，其中，底部中间腔室(54)被形成在所述活塞(19)的所述底端远端部分(52)和所述活塞(19)的所述中心部分(50)之间，其中，所述活塞的所述底端远端部分(52)被至少部分地布置在所述底部控制套筒(60)内，并且其中，所述底部中间腔室(54)经由至少一个中间馈送通道(30)与所述顶部中间腔室(53)流体连接。

7.根据权利要求6所述的潜孔钻凿组件(11)，其中，所述底部中间腔室(54)经由所述至少一个底部馈送通道(61)与所述底部腔室(22)流体连接。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的潜孔钻凿组件(11)，其中，止回阀(81)被布置在所述至少一个排放口(55)和所述至少一个排放通道(56)之间。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的潜孔钻凿组件(11)，其中，所述排放系统(58)能够轴向移动，并且存在排放阀(57)，当所述钻凿组件(11)从钻凿模式相应地切换到冲洗模式时，所述排放阀打开和关闭所述至少一个排放通道(56)和所述至少一个排放口(55)之间的连接。

10.用于冲击式岩石钻凿的钻凿设备，包括：

钻柱，所述钻柱由多个端对端联接起来的钻管形成；以及

根据前述权利要求中任一项所述的钻凿组件(11)，所述钻凿组件被以能够释放的方式附接在所述钻柱的轴向前端处。

Images