專利名稱：沖擊輔助旋轉式泥土鉆頭及其操作方法
技術領域：
本發明涉及用于鉆孔的泥土鉆頭。
背景技術：
泥土鉆頭(earthbit)通常用于鉆透地層(formation)以形成鉆孔。許多不同的原 因需要形成這樣的鉆孔，例如為油、礦物和地熱蒸汽而鉆孔。目前已存在用于形成鉆孔 的多種不同類型的泥土鉆頭。一種類型是三錐旋轉式泥土鉆頭，并且在典型的裝置中， 其包括以可旋轉的方式安裝至單獨的凸起(Iug)上的三個泥土鉆頭切削錐。凸起通過焊 接結合到一起以形成鉆頭體。當在鉆孔中使泥土鉆頭體旋轉時，泥土鉆頭切削錐因接觸 地層而旋轉。在美國專利 US3,550,972、3,847,235、4,136,748、4,427,307、4,688,651、 4,741,471和6,513,607中公布了旋轉式泥土鉆頭的幾個示例。如在美國專禾UUS 3,250,337、3,307,641、3,807,512、4,502,552、5,730,230、 6,371,223和6,986,394、以及美國專利申請No.20050045380中所詳細討論的，人們嘗試以 較快的速率形成鉆孔。這些參考文獻中有些已公開了利用沖擊錘(percussionhammer)向 泥土鉆頭施加重擊力(overstrike force)。然而，理想的是在利用沖擊錘時提高鉆孔速率 時，減小因重擊力對泥土鉆頭的損壞程度。

發明內容
本發明涉及一種沖擊輔助旋轉式泥土鉆頭及其操作方法。本發明的新穎特征通 過具體的所附權利要求而提出。結合附圖閱讀，可以從以下的說明種更透徹地理解本發 明。參考以下的附圖和說明，將能更透徹地理解本發明的這些及其它的特征、特點 和優點。


圖1是與鉆柱(dring string)聯接的鉆孔機的側視圖。圖2a是聯接至圖1的鉆柱的旋轉式鉆機系統的透視圖，其中旋轉式鉆機系統包括聯接至錘擊組件(hammer assembly)的旋轉式泥土鉆頭。圖2b是圖2a的聯接至鉆柱的旋轉式鉆機系統的側剖視圖。圖3a是由圖2a和2b的錘擊組件包括的旋轉式工具接頭的透視圖。圖3b是由圖2a和2b的錘擊組件包括的錘外殼的透視圖。圖3c是由圖2a和2b的錘擊組件包括的流量控制管的透視圖。
圖3d是由圖2a和2b的錘擊組件包括的活塞的透視圖。圖3e是由圖2a和2b的錘擊組件包括的驅動卡盤的透視圖。圖3f是由圖2a和2b的錘擊組件包括的適配器接頭的透視圖。圖4a和4b分別為圖2a和2b的示出活塞處于第一位置和第二位置的錘擊組件的 近視圖。圖5a和5b分別為圖2a和2b的在旋轉式泥土鉆頭處于縮回位置和延伸位置的情 況下的旋轉式鉆孔系統的側視圖。圖6是圖2a和2b的錘擊組件的后部的側視圖。圖7a是圖2a和2b的處于分離狀態的適配器接頭和旋轉式泥土鉆頭的透視 圖。圖7b和7c是圖2a和2b的處于聯接狀態的適配器接頭和旋轉式泥土鉆頭的橫截 面圖。圖7d是圖2a和2b的旋轉式泥土鉆頭的梯形旋轉式泥土鉆頭螺紋的側視圖。圖7e是圖2a和2b的適配器接頭的梯形工具接頭螺紋的側視圖。圖8a和8b是鉆孔的方法的流程圖。圖8c和8d是制造旋轉式鉆機系統的方法的流程圖。圖9a、9b和9c是鉆透地層的方法的流程圖。
具體實施例方式圖1是與鉆柱106聯接的鉆孔機160的側視圖。在該實施方式中，鉆孔機160 包括承載原動機162和司機室163的平臺161。塔164的塔基164a通過塔聯接器168聯 接至平臺161，并且塔聯接器168允許塔164在升起位置與放下位置之間反復運動。在圖 1所示的升起位置中，塔164的塔冠164b離開平臺161。在升起位置中，塔164的前面 165面對司機室163，而塔164的背面166面對原動機162。在放下位置中，塔164的背 面166朝平臺161和原動機162運動。塔164大體上承載附連至旋轉頭167的饋電電纜系統(未示出)，其中饋電電纜 系統允許旋轉頭167沿塔164在升起位置與放下位置之間運動。饋電電纜系統分別通過 使旋轉頭167朝塔冠164b和塔基164a運動來使其運動至升起位置和放下位置。使旋轉頭167在升起位置與放下位置之間運動，以便通過鉆孔分別提高和降低 鉆柱106。此外，旋轉頭167用于旋轉鉆柱106，其中，鉆柱106可以從塔164中向外延 伸出來。鉆柱106大體上包括以公知的方式連接到一起的一根或多根鉆桿。鉆柱106的 鉆桿能夠附連至泥土鉆頭、諸如三錐旋轉式泥土鉆頭。圖2a是聯接至鉆柱106的旋轉式鉆機系統100的透視圖，而圖2b是聯接至鉆柱 106的旋轉式鉆機系統100的側剖視圖。在圖2a中，旋轉式鉆機系統100通過鉆孔105 縱向地延伸。中心線147沿旋轉式鉆機系統100的中心縱向延伸，并且徑向線169徑向 地并垂直于中心線147延伸。對應于旋轉式鉆機系統100的圓形橫截面形狀，鉆孔105 也具有圓形橫截面形狀。鉆孔105具有橫截面直徑D1,其對應于在鉆孔105具有圓形橫 截面形狀時的直徑。此外，旋轉式鉆機系統100具有橫截面直徑D2,其對應于當旋轉式 鉆機系統100具有橫截面形狀時的直徑。直徑D1的值對應于直徑D2的值。例如，直徑D1隨直徑D2的增大和減小而分別增大減小。應指出的是，分別通過在沿徑向線169的方向上形成穿過鉆孔105和旋轉式鉆機系統100的切割線來確定鉆孔105和旋轉式鉆機系統100的橫截面形狀。在該實施方式中，旋轉式鉆機系統100包括聯接至錘擊組件103的旋轉式泥土鉆 頭102。如以下將通過圖7a更詳細地討論地，旋轉式泥土鉆頭102可反復地在與錘擊組 件103的聯接狀態與分離狀態之間運動。旋轉式泥土鉆頭102可以是許多不同的類型。 在該實施方式中，旋轉式泥土鉆頭102實現為三錐旋轉式泥土鉆頭。三錐旋轉式泥土鉆 頭包括連接到一起以形成泥土鉆頭體的三個凸起，其中各凸起承載以可旋轉的方式安裝 至該凸起的切削錐。通常，旋轉式泥土鉆頭102包括一個或多個凸起，并且對應的切削 錐以可旋轉的方式安裝至各凸起。應指出的是，為了說明性目的，在圖2a和2b中示出 了兩個切削錐。在該實施方式中，錘擊組件103包括旋轉式工具接頭107，其具有延伸通過該旋 轉式工具接頭107的中心開口 104 (圖3a)。鉆柱106的一端聯接至鉆孔機160 (圖1)， 而鉆柱106的另一端通過工具接頭107聯接至旋轉式鉆機系統100。尤其地，鉆柱106 的一端聯接至旋轉頭167，而鉆柱106的另一端通過工具接頭107聯接至旋轉式鉆機系統 100。在美國專利 No.4,320,808、6,276,453、6,315,063 和 6,571,867 中提供了關于鉆孔機 的更多的信息，所有專利的內容在此以參考的方式并入。鉆柱106與旋轉式工具接頭107之間的連接常被稱為螺紋承插式連接。鉆柱106 聯接至旋轉式鉆機系統100，使得鉆柱106通過錘擊組件103與旋轉式泥土鉆頭102流體 連通。鉆柱106通過鉆柱開口 108和工具接頭107的中心開口 104向錘擊組件103提供流 體。鉆孔機160使流體通過旋轉頭167和鉆柱106流動至泥土鉆頭102和錘擊組件103。 旋轉式泥土鉆頭102輸出一些流體，使得通過鉆孔105向上提升鉆屑。鉆孔機160提供 具有預期壓力的流體，以清潔旋轉式泥土鉆頭102，以及從鉆孔105排泄鉆屑。如以下將 更詳細地討論地，鉆孔機160提供具有預期壓力的流體，以促動錘擊組件103。流體可以是許多不同的類型、諸如液體和/或氣體。液體可以是許多不同的類 型、諸如油、水、鉆孔泥漿、和它們的組合。氣體可以許多不同的類型、諸如空氣和其 它氣體。在有些情形下，流體包括液體和氣體、諸如空氣和水。應指出的是，鉆孔機 160 (圖1)通常包括向流體提供諸如空氣的氣體的壓縮機(未示出)。流體用于操作旋 轉式泥土鉆頭102，并促動錘擊組件103。例如，流體用于潤滑和冷卻旋轉式泥土鉆頭 102，并且如以下更詳細地討論地促動錘擊組件103。還應指出的是，通常通過旋轉頭167使鉆柱106旋轉，并且旋轉式鉆機系統100 隨鉆柱106的旋轉而旋轉。能以許多不同的速率使鉆柱106旋轉。例如，在一種情形 下，旋轉頭167使鉆柱106以低于大約150轉/分鐘(150RPM)的速率旋轉。在一種特 定情形下，旋轉頭167使鉆柱106以在大約50轉/分鐘(50RPM)至大約150轉/分鐘 (150RPM)之間的速率旋轉。在有些情形下，旋轉頭167使鉆柱106以在大約40轉/分 鐘(40RPM)至大約100轉/分鐘(100RPM)之間的速率旋轉。在另一特定情形下，旋轉 頭167使鉆柱106以在大約100轉/分鐘(100RPM)至大約150轉/分鐘(150RPM)之間 的速率旋轉。通常，旋轉式鉆機系統100的鉆進速率分別隨鉆柱106的旋轉速率的提高 和降低而提高和降低。因此，可通過調節鉆柱106的旋轉速率而相應地調節旋轉式鉆機 系統100的鉆進速率(penetration rate)。
在大部分實施方式中，泥土鉆頭102以具有施加于該泥土鉆頭102上的鉆壓 (weight-on-bit)的方式操作。通常，旋轉式鉆機系統100的鉆進速率分別隨鉆壓升高和 降低而提高和降低。因此，可通過調節鉆壓而相應地調節旋轉式鉆機系統100的鉆進速率。鉆壓通常通過鉆柱106和錘擊組件103施加于泥土鉆頭102。鉆壓能以許多不同 的方式通過鉆柱106和錘擊組件103施加于泥土鉆頭102。例如，鉆孔機160能通過鉆柱 106和錘擊組件103向泥土鉆頭102施加鉆壓。尤其地，旋轉頭167能通過鉆柱106和 錘擊組件103向泥土鉆頭102施加鉆壓。鉆壓的值取決于許多不同的因素、諸如泥土鉆 頭102在不失效的情況下經得起鉆壓的能力。如果鉆壓太大，則泥土鉆頭102很可能失 效。鉆壓可具有在許多不同范圍內的重量值。例如，在一種情形中，鉆壓小于 10,000磅/鉆孔直徑的平方英寸(10,OOOpsi)。在一種特定情形下，鉆壓處于大約1,000磅 /鉆孔直徑的平方英寸(1,OOOpsi)至大約10,000磅/鉆孔直徑的平方英寸(10,OOOpsi)的 范圍內。在一種情形下，鉆壓處于大約2,000磅/鉆孔直徑的平方英寸(2,OOOpsi)至大約 8,000磅/鉆孔直徑的平方英寸(8,OOOpsi)的范圍內。在另一情形下，鉆壓處于大約4,000 磅/鉆孔直徑的平方英寸(4,OOOpsi)至大約6,000磅/鉆孔直徑的平方英寸(6,OOOpsi)的 范圍內。應指出的是，如以上更詳細地討論地，鉆壓的鉆孔直徑對應于鉆孔105的與旋 轉式鉆機系統100的直徑D2對應的直徑D115還能利用除鉆孔直徑的磅/平方英寸的數量以外的單位確定鉆壓。例如，在有 些情形下，鉆壓小于大約130,000磅(130,OOOlbs)。在一種特定情形下，鉆壓處于大約 30,000磅(30,OOOlbs)至大約130,000磅(130,OOOlbs)的范圍內。在一種情形下，鉆壓處 于大約10,000磅(10,OOOlbs)至大約60,000磅(60,OOOlbs)的范圍內。在另一情形下，鉆 壓處于大約60,000磅(60,OOOlbs)至大約120,000磅(120,OOOlbs)的范圍內。在一種情形 下，鉆壓處于大約10,000磅(10,OOOlbs)至大約40,000磅(40,OOOlbs)的范圍內。在另一 情形下，鉆壓處于大約80,000磅(80,OOOlbs)至大約110,000磅(110,OOOlbs)的范圍內。在操作期間，錘擊組件103向旋轉式泥土鉆頭102施加重擊力。然而，應指出 的是，重擊力能以許多其它方式施加于旋轉式泥土鉆頭102。例如，在一實施方式中，重 擊力通過彈簧促動的機械工具施加于泥土鉆頭102。在另一實施方式中，重擊力通過代替 氣動錘的彈簧促動的機械工具施加于泥土鉆頭102。在有些實施方式中，重擊力通過機電 動力工具施加于泥土鉆頭102。在有些實施方式中，重擊力通過機電動力工具而非氣動錘 施加于泥土鉆頭102。在圖2a和2b的實施方式中，錘擊組件103被啟動時而相應地向旋轉式泥土鉆頭 102施加重擊力。如上所述，流體通過錘擊組件103的流動而相應地啟動錘擊組件103， 其中流體通過鉆柱106由鉆孔機160提供。鉆孔機160提供具有受控和可調節的壓力的 流體。如以下更詳細地討論地，流體壓力設置成使得以預期的頻率和振幅促動錘擊組件 103。這樣，錘擊組件103向旋轉式泥土鉆頭102提供預期的重擊力。
在操作中，當旋轉式泥土鉆頭102的切削錐與地層接觸時，促動錘擊組件103。 錘擊組件103向旋轉式泥土鉆頭102施加重擊力，并且相應地，當切削錐破碎地層時，旋 轉式泥土鉆頭102前進到地層中。破碎地層的速率受被促動的錘擊組件103所提供的力的大小和頻率影響。這樣，錘擊組件103將旋轉式泥土鉆頭102打入地層，并形成鉆孔105。應指出的是，重擊力的大小通常與重擊力的振幅的絕對值一致。如上所述，錘擊組件103包括具有貫穿中心開口 104的旋轉式工具接頭107，其 中旋轉式工具接頭107在圖3a中以透視圖形式示出。中心開口 104允許流體流過旋轉式 工具接頭107。鉆柱106通過旋轉式工具接頭107聯接至錘擊組件103。這樣，鉆柱106 聯接至旋轉式鉆機系統100。在該實施方式中，錘擊組件103包括在圖3b中以透視圖形式示出的錘套管110。 在此，錘套管110在形狀上為具有圓形橫截面形狀的圓柱形。錘套管110具有相對的開 口、以及在相對的開口之間延伸的中心通道112。錘套管110限定作為中心通道112的一 部分的活塞筒113 (圖3b)。應指出的是，旋轉式工具接頭107聯接至錘套管110，使得 中心通道112與中心開口 104流體連通。此外，鉆柱106通過中心通道112與泥土鉆頭 102和錘擊組件103流體連通。旋轉式工具接頭107能以許多不同的方式聯接至錘套管110。在該實施方式中， 旋轉式工具接頭107通過后部114聯接至錘套管110 (圖2b)。后部114與錘套管110螺 紋接合，并具有尺寸和形狀形成為接納旋轉式工具接頭107的中心開口。節流板116安 置在后部114與旋轉式工具接頭107之間。節流板116與止回閥115(圖6) —起限制鉆 屑和碎片進入錘擊組件103的回流。如以下將更詳細地討論地，節流板116和止回閥115 還限制通過錘擊組件103的氣流。節流板116和止回閥115朝錘擊組件103的后端安置， 以允許在不必從鉆孔105移除旋轉式鉆機系統100的情況下調節該節流板116和止回閥 115。這允許現場調節錘擊組件103中的排氣壓力以調節其輸出功率。在該實施方式中，錘擊組件103包括在圖3c中以透視圖形式示出的流量控制管 118。在該實施方式中，流量控制管118延伸通過旋轉式工具接頭107的中心開口 104、 以及通過中心通道112。控制管118包括具有頭部和軸套部121和123的流量控制管本 體120。軸套部123延伸通過離開鉆柱106的中心通道112。控制管118包括延伸通過 軸套部123的相對的驅動引導口 122a和122b和相對的回流引導口 122c和122d。在該實施方式中，錘擊組件103包括在圖3d中以透視圖形式示出的活塞124。 在該實施方式中，活塞124安置在錘套管110的活塞筒113內。活塞124包括具有軸套 部123延伸通過的中心開口 125的活塞體126。中心開口 125在活塞體126的驅動表面 128與回流表面130之間延伸。驅動表面128面朝旋轉式工具接頭107，而回流表面130 面離旋轉式工具接頭107。如將通過圖4a和4b更詳細地討論地，活塞體126安置在活塞 筒113內，使得活塞筒113具有與回流表面130鄰接的回流室140和與驅動表面128鄰接 的驅動室141。在該實施方式中，活塞體126包括相對的驅動活塞口 132a和132d和相對的回流 活塞口 132c和132d。驅動活塞口 132a和132b和回流活塞口 132c和132d在活塞體126 的中心開口 125與外周之間延伸。驅動活塞口 132a和132b和回流活塞口 132c和132d 能以許多不同的方式延伸通過活塞體126。在該實施方式中，驅動活塞口 132a和132b轉 朝驅動表面128。驅動活塞口 132a和132b轉朝驅動表面128，使得驅動活塞口 132a和 132b不平行于徑向線169。驅動活塞口 132a和132b轉朝驅動表面128，使得驅動活塞口 132a和132b不平行于中心線147。此外，回流活塞口 132c和132d轉朝回流表面130。回流活塞口 132c和132d轉朝驅動表面130，使得回流活塞口 132c和132d不平行于徑向線169。回流活塞口 132c和132d的角度朝向驅動表面130，使得回流活塞口 132c和132d 不平行于中心線147。如以下將更詳細地討論地，活塞體126可沿軸套部123在第一位置與第二位置之 間反復運動，其中在第一位置中，驅動活塞口 132a和132b分別通過驅動引導口 122a和 122b與中心通道112流體連通，而在第二位置中，回流活塞口 132c和132d分別通過回流 引導口 122c和122d與中心通道112流體連通。應指出的是，在第一位置中，回流活塞 口 132c和132d不通過回流引導口 122c和122d與中心通道112流體連通。此外，在第 二位置中，驅動活塞口 132a和132b不通過驅動引導口 122a和122b與中心通道112流體 連通。因此，在第一位置中，限制來自中心通道112的材料通過活塞體126流過回流活 塞口 132c和132d。此外，在第二位置中，限制來自中心通道112的材料通過活塞體126 流過驅動活塞口 132a和132b。通過圖4a和4b更詳細地討論材料通過錘擊組件103的端 口的流動，其中活塞124的第一和第二位置分別對應于脫離和接合位置。在該實施方式中，錘擊組件103包括在圖3e中以透視圖形式示出的驅動卡盤 134。驅動卡盤134聯接至錘套管110。驅動卡盤134能以許多不同的方式聯接至錘套管 110。在該實施方式中，通過將驅動卡盤134與錘套管110螺紋接合到一起來將驅動卡盤 134聯接至錘套管110。在該實施方式中，錘擊組件103包括在圖3f中以透視圖形式示出的適配器接頭 136。適配器接頭136能以許多不同的方式聯接至錘套管110。在該實施方式中，適配器 接頭136滑動地聯接至驅動卡盤134，如上所述，該驅動卡盤134聯接至錘套管110。這 樣，適配器接頭136能相對于驅動卡盤134滑動。適配器接頭136在一端包括旋轉式泥 土鉆頭開口 138和工具接頭139。在相對端，適配器接頭136包括面對回流表面130的撞 擊面131。應指出的是，驅動表面128面離撞擊面131。如上所述，旋轉式鉆機系統100包括聯接至錘擊組件103的旋轉式泥土鉆頭
102。旋轉式泥土鉆頭102能以許多不同的方式聯接至錘擊組件103。在該實施方式中， 通過使旋轉式泥土鉆頭102聯接至適配器接頭136來使該旋轉式鉆頭102聯接至錘擊組件
103。在該實施方式中，通過使旋轉式泥土鉆頭102延伸通過旋轉式泥土鉆頭開口138并 使其聯接至工具接頭139來使該旋轉式泥土鉆頭102聯接至適配器接頭136。如以下將通 過圖7a更詳細地討論地，旋轉式泥土鉆頭102可反復地在與適配器接頭136的聯接狀態 與分離狀態之間運動。應指出的是，旋轉式泥土鉆頭102能相對于驅動卡盤134滑動，因為該旋轉式泥 土鉆頭102聯接至適配器接頭136，該適配器接頭136滑動地聯接至驅動卡盤134。因 此，當適配器接頭136相對于驅動卡盤134滑動時，旋轉式泥土鉆頭102相對于驅動卡盤 134滑動。這樣，適配器接頭136和旋轉式泥土鉆頭102能相對于驅動卡盤134和錘套管 110滑動。如將通過圖4a和4b更詳細地討論地，適配器接頭136隨活塞124的運動而滑 動，該活塞124向該適配器接頭136施加重擊力F (圖4b)。如將通過圖5a和5b更詳細 地討論地，旋轉式泥土鉆頭102隨適配器接頭136的滑動而在延伸位置與縮回位置之間相 應地運動。這樣，旋轉式泥土鉆頭102響應于活塞124在第一位置與第二位置之間的運動而在延伸位置與縮回位置之間運動。
圖4a和4b分別為示出活塞124處于第一位置和第二位置的錘擊組件103的近視 圖。此外，圖5a和5b分別為具有處于縮回位置和延伸位置的旋轉式泥土鉆頭102的鉆 孔系統100的側視圖。圖6是示出流體如何由旋轉式鉆機系統100排出的錘擊組件103 的后部的側視圖。在該實施方式中，錘擊組件103包括與驅動室141流體連通的驅動排出口 142a和 142b。此外，錘擊組件103包括與回流室140流體連通的回流排出口 142c和142d。驅 動排出口 142a和142b允許材料從驅動室141流向錘擊組件103外的區域。此外，回流 排出口 142c和142d允許材料從回流室140流向錘擊組件103外的區域。將通過圖6更 詳細地討論材料從回流室140和驅動室141的流動。在該實施方式中，活塞124可在第一位置與第二位置之間反復運動。在第一位 置中，活塞124與適配器接頭136脫離，而在第二位置中，活塞124與適配器接頭136接 合。在脫離位置中，活塞體126安置成使得驅動活塞口 132a和132b分別通過驅動引導口 122a和122b與中心通道112流體連通。在脫離位置中，活塞體126安置成使得回流活塞 口 132c和132d不通過回流引導口 122c和122d與中心通道112流體連通。在脫離位置 中，活塞體126限制材料通過回流引導口 122c和122d的流動。此外，在脫離位置中， 活塞體126安置成使得回流室140與回流排出口 142c和142d流體連通，而驅動室141不 與驅動排出口 142a和142b流體連通。在接合位置中，活塞體126安置成使得驅動活塞口 132a和132b不通過驅動引導 口 122a和122b與中心通道112流體連通。在接合位置中，活塞體126安置成使得回流 活塞口 132c和132d分別通過回流引導口 122c和122d與中心通道112流體連通。在接 合位置中，活塞體126限制材料通過驅動引導口 122a和122b的流動。此外，在接合位 置中，活塞體126安置成使得回流室140不與回流排出口 142c和142d流體連通，而驅動 室141與驅動排出口 142a和142b流體連通。在一種情形下，如圖4a所示，活塞124處于脫離位置，使得回流室140與回流 排出口 142c和142d流體連通。這樣，回流室140中的流體能從回流室140流向錘擊組 件103外的區域。此外，驅動室141分別通過驅動活塞口 132a和132b并通過驅動引導 口 122a和122b與中心通道112流體連通。這樣，流體能夠通過鉆柱開口 108所提供的 中心通道112而流入驅動室141。當流體流入驅動室141時，其壓力升高，該流體向活塞 體126的驅動表面128施加重擊力并使活塞體126沿軸套部123移離頭部121。活塞體126響應于向驅動表面128施加的重擊力F而移向適配器接頭136，其中 回流表面130接合撞擊面131。適配器接頭136響應于接合撞擊面131的回流表面130而 相對于驅動卡盤134滑動。如上所述，旋轉式泥土鉆頭102聯接至適配器接頭136。因 此，旋轉式泥土鉆頭102也響應于接合撞擊面131的回流表面130而滑動，其中旋轉式泥 土鉆頭滑動，如此其從縮回位置(圖5a)運動至延伸位置(圖5b)。在縮回位置中，如圖5a中的指示箭頭148所指示地，適配器接頭136與驅動卡 盤134接合。此外，如圖5a中的指示箭頭150所指示地，活塞124脫離適配器接頭136 的撞擊面131。在延伸位置中，如圖5b中的指示箭頭152所指示地，適配器接頭136與 驅動卡盤134脫離距離tl。此外，如圖5b中的指示箭頭154所指示地，活塞124與適配器接頭136的撞擊面131接合。在另一情形下，如圖4b所示，活塞124處于接合位置中，使得驅動室141與回 流排出口 142a和142b流體連通。這樣，驅動室141中的流體能夠從驅動室141流向錘 擊組件103外的區域。此外，回流室140分別通過驅動活塞口 122c和122d并通過驅動 引導口 132c和132d與中心通道112流體連通。這樣，通過鉆柱開口 108提供的流過中 心通道112的流體能夠流入回流室140。當流體流入回流室140時，其壓力升高，該流體 向活塞體126的回流表面130施加重擊力并使活塞體126沿軸套部123移向頭部121。活塞體126響應于向回流表面130施加的重擊力F而移離適配器接頭136，其中 回流表面130脫離撞擊面131。適配器接頭136響應于脫離撞擊面131的回流表面130而 相對于驅動卡盤134滑動。如上所述，旋轉式泥土鉆頭102聯接至適配器接頭136。因 此，旋轉式泥土鉆頭102也響應于脫離撞擊面131的回流表面130而滑動，其中旋轉式泥 土鉆頭滑動，如此其從延伸位置(圖5b)運動至縮回位置(圖5a)。在縮回位置中，如以 上更詳細地討論地，適配器接頭136與驅動卡盤134接合。在另一實施方式中，活塞體126由于回彈而移離適配器接頭136，其中回彈包括 沒有通過適配器接頭136和泥土鉆頭102傳遞至地層的沖擊能的一部分。在該實施方式 中，適配器接頭136通過適配器接頭136的表面131響應于活塞體126的沖擊而相對于驅 動卡盤134運動。這樣，向適配器接頭136施加重擊力F，并且活塞體126的運動響應 于由適配器接頭136向其施加的反作用力。因此，通過調節在回流室140和驅動室141中的流體壓力使活塞124在接合與脫 離位置之間運動。調節回流室140和驅動室141中的流體壓力，使得向回流表面130和 驅動表面128施加振蕩力，并且使活塞124移向和移離撞擊面131。旋轉式泥土鉆頭102通常以大約40磅/平方英寸(psi)的閥值入口壓力操作。然 而，大部分鉆孔機提供大約50psi至IOOpsi之間的供應壓力。因此，如果錘擊組件103和 旋轉式泥土鉆頭102串聯聯接到一起，僅大約IOpsi至60psi可以用來操作錘擊組件103。 根據本發明，錘擊組件103能夠以全部的系統壓力操作，使得活塞124能向適配器接頭 136和旋轉式泥土鉆頭102施加更沖擊的動力。因此，驅使錘擊組件103操作的流體壓力 等于旋轉式泥土鉆頭102操作的流體壓力。如上所述，鉆柱106通過鉆柱開口 108向錘擊組件103提供流體，并且流體可以 是許多不同的類型、諸如空氣或其它氣體、或氣體和液體的組合、諸如油和/或水。在 一實施方式中，流體包括空氣，并且使空氣以低于大約5,000立方英尺/分(cfm)的速率 流過鉆柱106。例如，在一實施方式中，使流體以在大約1,OOOcfm至大約4,OOOcfm的范 圍內的速率流動。在另一實施方式中，流體包括空氣，并且以低于大約100磅/平方英 寸(IOOpsi)的氣壓提供流過鉆柱106的空氣。例如，在一實施方式中，流過鉆柱106的 空氣的壓力為在大約40psi至大約IOOpsi的范圍內的壓力。在另一實施方式中，流過鉆 柱106的空氣的壓力為在大約40psi至大約SOpsi的范圍內的壓力。根據本發明，驅使用 于操作錘擊組件103的空氣的壓力等于用于操作旋轉式泥土鉆頭102的空氣的壓力。通 常，泥土鉆頭102的鉆進速率分別隨氣壓升高和降低而提高和降低。
重擊力F通常以一定的振幅和頻率施加于泥土鉆頭102。當重擊力F以一頻率 施加于泥土鉆頭102時，其振幅作為時間的函數改變。這樣，重擊力F為隨時間變化的重擊力。重擊力F的頻率通常為周期性的，但其在有些情形下可以是非周期性的。重擊力F的頻率與活塞124沖擊適配器接頭136的次數一致。如上所述，重擊力F的大小通 常與重擊力F的振幅的絕對值一致。重擊力F可具有在許多不同范圍內的大小值。然而，重擊力F通常小于大約5 尺磅/平方英寸(5ft_lb/in2)。在一實施方式中，重擊力F在大約lft-lb/in2至大約4ft_lb/ in2的范圍內。在一實施方式中，重擊力F在大約lft-lb/in2至大約5ft-lb/in2的范圍內。 在另一實施方式中，重擊力F在大約1.2ff-lb/in2至大約3.6ff-lb/in2的范圍內。通常，泥 土鉆頭102的鉆進速率分別隨重擊力F增大和減小而提高和降低。然而，通常不希望以 能損壞泥土鉆頭102的力度向泥土鉆頭102施加重擊力。應指出的是，重擊力F施加的 區域可以是許多不同的區域。例如，在一實施方式中，重擊力F施加的區域對應于適配 器接頭136的撞擊面131的區域(圖3F)。重擊力F的頻率能具有不同的值。例如，在一實施方式中，重擊力F以低于大 約1500次/分鐘的速率施加于泥土鉆頭102。在一個特定的實施方式中，重擊力F以在 大約1100次/分鐘至大約1400次/分鐘的范圍內的速率施加于泥土鉆頭。重擊力F的頻率和振幅可以調節。能由于許多不同的原因而調節重擊力F的頻 率和振幅，諸如調節泥土鉆頭102進入地層的鉆進速率。在一實施方式中，響應于泥土 鉆頭102通過地層的鉆進速率的指示調節重擊力F的振幅和/或頻率。能以許多不同的 方式提供泥土鉆頭102通過地層的鉆進速率的指示。例如，泥土鉆頭102通過地層的鉆 進速率通常由鉆孔機包括的設備監控。通過調節重擊力F的振幅和頻率中的至少一個來調節泥土鉆頭102通過地層的鉆 進速率。例如，在一實施方式中，通過調節重擊力F的振幅來調節泥土鉆頭102通過地 層的鉆進速率。在另一示例中，通過調節重擊力F的頻率來調節泥土鉆頭102通過地層 的鉆進速率。在另一示例中，通過調節重擊力F的頻率和振幅來調節泥土鉆頭102通過 地層的鉆進速率。例如，在一實施方式中，響應于泥土鉆頭102通過地層的鉆進速率的指示來調 節重擊力F的振幅。在另一實施方式中，響應于泥土鉆頭102通過地層的鉆進速率的指 示來調節重擊力F的頻率。在一實施方式中，響應于泥土鉆頭102通過地層的鉆進速率 的指示調節重擊力F的振幅和頻率。這樣，響應于泥土鉆頭102通過地層的鉆進速率的 指示來調節重擊力F。通常，調節重擊力F以驅使泥土鉆頭102通過地層的鉆進速率為預期的鉆進速 率。通常提高重擊力的頻率和/或振幅，以提高泥土鉆頭102通過地層的鉆進速率。此 夕卜，降低重擊力的頻率和/或振幅，以降低泥土鉆頭102通過地層的鉆進速率。此外， 通常調節重擊力F，以減小泥土鉆頭102經受任何損壞的可能。能以許多不同的方式調節重擊力F的頻率和振幅。在一實施方式中，響應于調 節通過鉆柱106的流體流動而調節重擊力F的頻率和振幅。通常通過分別提高和降低通 過鉆柱106的流體流動而相應地提高和降低重擊力F的頻率和振幅。例如，在一實施方 式中，通過分別提高和降低流過鉆柱106的空氣的壓力而相應地提高和降低重擊力F的頻 率和振幅。應指出的是，在有些實施方式中，能通過調節流體流動由鉆孔機的設備自動地調節重擊力F的頻率和振幅。在其它實施方式中，手動地調節流體流動以調節重擊力F 的頻率和振幅。
從驅動室141和回流室140排出的材料能以許多不同的方式流動至錘擊組件103 的外部區域，在圖6中示出所述許多不同的方式中的一種方式。在該實施方式中，排出 物流過驅動排出口 142a和142b與回流排出口 142c和142d并流入排出環117。應指出的 是，排出環117圍繞錘套管110的外周徑向延伸。排出物從排出環117流動至延伸通過 后部114的錘擊組件排出口 119。當排出環117和錘擊組件排出口 119內的流體的壓力達 到預定的閥值壓力水平時，止回閥115打開以緩解該壓力。當排出環117和錘擊組件排 出口 119內的流體的壓力低于預定的閥值壓力水平時，止回閥115保持關閉，如此不緩解 該壓力。能以許多不同的方式調節預定的閥值壓力水平，諸如通過用具有不同的閥值壓 力水平的另一止回閥替換止回閥115。因為止回閥115朝錘擊組件103的后端安置，所以 能容易地替換止回閥115。如上所述，通過適配器接頭136由活塞124向旋轉式泥土鉆頭102施加重擊力 F。能以許多不同的方式控制重擊力F的大小。在一種方式下，通過選擇具有預期質量 的適配器接頭136來控制重擊力的量。當適配器接頭136的質量增大時，響應于接合撞 擊面131的回流表面130，較小的重擊力從活塞124傳遞至旋轉式泥土鉆頭102。此外， 當適配器接頭136的質量減小時，響應于接合撞擊面131的回流表面130，較大的重擊力 從活塞124傳遞至旋轉式泥土鉆頭102。另外，可以通過選擇具有預期質量的活塞124來 控制重擊力的量。當活塞124的質量增大時，較大的重擊力由該活塞124傳遞至旋轉式 泥土鉆頭102。此外，當活塞124的質量減小時，較小的重擊力從該活塞124傳遞至旋轉 式泥土鉆頭102。能通過控制活塞筒113的尺寸來控制由活塞124施加的重擊力。當活塞筒113 的尺寸增大時，因為活塞124在接合適配器接頭136之前在較長的距離上運動，所以重擊 力增大。當活塞筒113的尺寸減小時，因為活塞124在接合適配器接頭136之前在較短 的距離上運動，所以重擊力減小。能通過控制驅動室141的尺寸來控制由活塞124施加的重擊力F。當驅動室141 的尺寸增大時，因為驅動室141中流體的壓力更緩和地增大，這增加活塞124的移動距 離，所以重擊力F增大。較長的移動距離允許驅動室141的流體的壓力逐漸加速活塞 124，這增大重擊力F。當驅動室141的尺寸減小時，因為活塞124向上的運動被驅動室 141的流體更迅速上升的壓力阻礙，這縮短活塞移動的長度并減小重擊力F的力量，所以 重擊力F減小。還能通過控制回流室140的尺寸來控制由活塞124施加的重擊力F。當回流室 140的尺寸增大時，因為回流室140的流體的壓力在活塞124前進沖程上更緩和地增大， 這允許活塞124較大的加速率，所以重擊力F增大。當回流室140的尺寸減小時，因為 回流室140的流體更迅速增大的壓力使活塞124逐漸地減速，這減小重擊力F，所以重擊 力F減小。能通過控制驅動引導口 122a和122b的尺寸來控制由活塞124施加的重擊力。當 驅動引導口 122a和122b的尺寸增大時，因為較多的流體能以較快的速率從中心通道112 流動至驅動室141，所以活塞124向適配器接頭136施加較大的重擊力。當驅動引導口122a和122b的尺寸減小時，因為較少的流體能以較低的速率從中心通道112流動至驅動 室141，所以活塞124向適配器接頭136施加較小的重擊力。

能以許多不同的方式控制通過適配器接頭136由活塞124向旋轉式泥土鉆頭102 施加的重擊力F的頻率。當由活塞124向旋轉式泥土鉆頭102較頻繁地施加重擊力F時， 重擊力F的頻率提高，而當由活塞124向旋轉式泥土鉆頭102不太頻繁地施加重擊力F 時，重擊力F的頻率降低。能通過控制回流引導口 122c和122d的尺寸來控制向適配器接頭136施加重擊力 的頻率。當回流引導口 122c和122d的尺寸增大時，因為來自中心通道112的流體能以 較快的速率流入回流室140，所以頻率提高。當回流引導口 122c和122d的尺寸減小時， 因為來自中心通道112的流體能以較低的速率流入回流室140，所以頻率降低。能通過控制回流排出口 142c和142d的尺寸來控制向適配器接頭136施加重擊力 的頻率。當回流排出口 142c和142d的尺寸增大時，因為來自回流室140的流體能以較快 的速率從回流室140流出，所以頻率提高。當回流排出口 142c和142d的尺寸減小時， 因為來自回流室140的流體能以較低的速率從回流室140流出，所以頻率降低。錘擊組件103提供許多優點。由錘擊組件103提供的一個優點是活塞124向旋 轉式泥土鉆頭102施加低的能量和高頻動力。這有利于減小由旋轉式泥土鉆頭102經受 的壓力。由錘擊組件103提供的另一優點是存在平行的供應和排出路徑，這使得在不必 提高由鉆柱106提供的流體的壓力的情況下能夠實現改善空氣和動力控制。此外，能通 過調節節流板116和/或止回閥115來調節由錘擊組件103向旋轉式泥土鉆頭102提供的 動力量。這樣，在不必調節由鉆柱106提供的流體的壓力的情況下能調節由錘擊組件103 提供的動力量。另一優點是錘擊組件103的排出從錘擊組件103朝其后端流動并被向上 引導通過鉆孔105。這樣，錘擊組件103的排出幫助從鉆孔105清除碎片。圖7a是處于分離狀態的適配器接頭136和旋轉式泥土鉆頭102的透視圖。適配 器接頭136和旋轉式泥土鉆頭102在圖2a和2b中處于聯接狀態。適配器接頭136和旋 轉式泥土鉆頭102在它們彼此分離時處于分離狀態。此外，適配器接頭136和旋轉式泥 土鉆頭102在它們彼此聯接時處于聯接狀態。適配器接頭136和旋轉式泥土鉆頭102可在聯接狀態與分離狀態之間反復運動。 旋轉式泥土鉆頭102能以許多不同的方式聯接至適配器接頭136。在該實施方式中，工具 接頭139和旋轉式泥土鉆頭102分別包括梯形工具接頭螺紋143和梯形旋轉式泥土鉆頭螺 紋144。通過螺紋接合梯形工具接頭螺紋143和梯形旋轉式泥土鉆頭螺紋144使適配器 接頭136和旋轉式泥土鉆頭102移向聯接狀態。此外，通過螺紋脫離梯形工具接頭螺紋 143和梯形旋轉式泥土鉆頭螺紋144使適配器接頭136和旋轉式泥土鉆頭102移向分離狀 態。這樣，適配器接頭136和旋轉式泥土鉆頭102可在聯接狀態與分離狀態之間反復運 動。應指出的是，當旋轉式泥土鉆頭102與適配器接頭136彼此聯接時，旋轉式泥土 鉆頭102的中心通道151與中心通道112流體連通。這樣，流體從鉆柱106通過鉆柱噴 嘴108和中心通道112流動至旋轉式泥土鉆頭102的中心通道151 (圖2a和2b)。還應 指出的是，環形表面159圍繞中心通道151的面對適配器接頭136的開口延伸。此外， 環形表面158圍繞中心通道112的面對旋轉式泥土鉆頭102的開口延伸。當旋轉式泥土鉆頭102與適配器接頭136處于聯接狀態時，環形面158和159彼此相對。如以下將更詳細地討論地，在有些實施方式中，環形表面158和159彼此間隔開，而在其它實施方式 中，環形表面158和159彼此接合。適配器接頭136與旋轉式泥土鉆頭102的螺紋彼此互補，這允許旋轉式泥土鉆 頭102與適配器接頭136可在聯接狀態與分離狀態之間反復地運動。適配器接頭136與 旋轉式泥土鉆頭102能包括除梯形螺紋以外的許多其它類型的螺紋。例如，如指示箭頭 149a所指示地，適配器接頭136能包括V形螺紋143a，并且旋轉式泥土鉆頭102能包括 互補的V形螺紋。如指示箭頭149b所指示地，適配器接頭136能包括鋸齒螺紋143b， 并且旋轉式泥土鉆頭102能包括互補的鋸齒螺紋。此外，如指示箭頭149c所指示地，適 配器接頭136能包括圓螺紋143c，并且旋轉式泥土鉆頭102能包括互補的圓螺紋。在美 國專利 No.3,259,403、3,336,992、4,600,064、4,760,887 和 5,092,635、以及美國專利申請 No.20040251051、20070199739和20070102198中提供關于能由旋轉式泥土鉆頭102和適 配器接頭136包括的螺紋的更多信息。圖7b是處于聯接狀態的適配器接頭136和旋轉式泥土鉆頭102的橫截面圖。在 該實施方式中，當工具接頭139與旋轉式泥土鉆頭102處于聯接狀態時，基準線192延伸 通過工具接頭螺紋143和旋轉式泥土鉆頭螺紋144，其中基準線192相對于中心線147成 角度f。這樣，工具接頭139包括相對于中心線147成角度f延伸的螺紋表面。適配器接 頭136包括工具頭接139，使得適配器接頭136包括相對于中心線147成角度f延伸的螺 紋表面。此外，旋轉式泥土鉆頭102包括相對于中心線147成角度f延伸的螺紋表面。角度f能具有許多不同的角度值。在有些實施方式中，角度f在大約1度(1° ) 至大約9度(9° )之間的范圍內。在有些實施方式中，角度f在大約1.5度(1.5° )至 大約8度(8° )之間的范圍內。在有些實施方式中，角度f在大約3度(3° )至大約5 度(5° )之間的范圍內。在一特定的實施方式中，角度f為大約4.75度(4.75° )。角度f通常選擇成隨著旋轉式泥土鉆頭102和適配器接頭136從脫離狀態移向接 合狀態，而使得旋轉式泥土鉆頭102與適配器接頭136對準。這樣，旋轉式泥土鉆頭102 響應于錘擊組件103和鉆柱106的旋轉經受較小的搖擺。應指出的是，角度f的值影響 通過適配器接頭136在鉆柱106與旋轉式泥土鉆頭102之間傳遞的轉動能的量。當角度 f的值分別增大和減小時，在鉆柱106與旋轉式泥土鉆頭102之間傳遞的轉動能的量分別 增加和減小。在該實施方式中，當旋轉式泥土鉆頭102與適配器接頭136處于聯接狀態時，環 形表面158和159彼此間隔開。環形表面158和159的彼此間隔開使得重擊力F不通過 環形表面158和159而在適配器接頭136與旋轉式泥土鉆頭102之間通過。作為替代， 重擊力F的第一部分通過梯形工具接頭螺紋143和梯形旋轉式泥土鉆頭螺紋144在適配器 接頭136與旋轉式泥土鉆頭102之間通過。適配器接頭136與旋轉式泥土鉆頭102彼此聯接，使得徑向表面153和154(圖 7a和7b)彼此接合并在它們之間形成界面。因為表面153和154相對于中心線147徑向 延伸，所以它們為徑向表面。徑向表面153與154彼此接合，使得重擊力F的第二部分 通過表面153和154在適配器接頭136與旋轉式泥土鉆頭102之間通過。應指出的是，重擊力F通過表面153和154比通過梯形工具接頭螺紋143和梯形旋轉式泥土鉆頭螺紋144，能更有效地在適配器接頭136與旋轉式泥土鉆頭102之間通 過。重擊力F通過梯形工具接頭螺紋143和梯形旋轉式鉆頭螺紋144所引起的衰減比通過 表面153和154經受的更大。重擊力F通過表面153和154所引起的衰減比通過梯形工 具接頭螺紋143和梯形旋轉式鉆頭螺紋144經受的較小。這樣，重擊力F從表面153和 154通過，比從梯形工具接頭螺紋143和梯形旋轉式泥土鉆頭螺紋144通過，更加有效。然而，應指出的是，當角度f分別增大和減小時，重擊力F通過梯形工具接頭螺 紋143和梯形旋轉式泥土鉆頭螺紋144的效率提高和降低。還應指出的是，適配器接頭 136與旋轉式泥土鉆頭102之間的界面能具有許多其它的形狀，現在將更詳細地討論所述 許多其它形狀中的一種形狀。圖7c是處于聯接狀態的適配器接頭136和旋轉式泥土鉆頭102的橫截面圖。在 該實施方式中，環形表面158和159響應于處于聯接狀態的旋轉式泥土鉆頭102與適配器 接頭136而彼此接合。環形表面158和159彼此接合，使得重擊力F的第三部分通過環 形表面158和159在適配器接頭136與旋轉式泥土鉆頭102之間通過。如上所述，重擊 力F的第一部分通過梯形工具接頭螺紋143和梯形旋轉式泥土鉆頭螺紋144在適配器接頭 136與旋轉式泥土鉆頭102之間通過。

在該實施方式中，適配器接頭136與旋轉式泥土鉆頭102彼此聯接，使得外徑 向表面153a面對外徑向表面154a，而外徑向表面153b面對外徑向表面154b。因為表面 153a、153b、154a和154b相對于中心線147徑向延伸，所以它們為徑向表面。此外，因 為表面153a和154a安置成離開中心線147，所以它們為外表面。因為表面153a和154a 安置成比表面153b和154b遠離中心線147，所以表面153a和154a安置成離開中心線 147。因為表面153b和154b朝中心線147安置，所以它們為內表面。因為表面153b和 154b安置成比表面153a和154a靠近中心線147，所以表面153b和154b朝中心線147安 置。表面153a和153b彼此間隔開以形成環形肩部156，而表面154a和154b彼此間 隔開以形成環形肩部157。環形肩部156和157分別朝內表面153b和154b安置。環形 肩部156和157分別安置成離開內表面153a和154a。表面153b和154b彼此間隔開，而 環形肩部156和157彼此間隔開以形成環形槽155。當適配器接頭136和旋轉式泥土鉆頭102處于接合狀態時，表面153a和154a彼 此間隔開，使得重擊力F不通過表面153a和154a在適配器接頭136與旋轉式泥土鉆頭102 之間通過。這樣，限制重擊力F通過表面153a和154a在適配器接頭136與旋轉式泥土 鉆頭102之間通過。此外，當適配器接頭136和旋轉式泥土鉆頭102處于接合狀態時， 表面153b和154b彼此間隔開，使得重擊力F不通過表面153b和154b在適配器接頭136 與旋轉式泥土鉆頭102之間通過。這樣，限制重擊力F通過表面153b和154b在適配器 接頭136與旋轉式泥土鉆頭102之間通過。重擊力F通過表面158和159比通過梯形工具接頭螺紋143和梯形旋轉式泥土鉆 頭螺紋144更有效地在適配器接頭136與旋轉式泥土鉆頭102之間通過。重擊力F由梯 形工具接頭螺紋143和梯形旋轉式鉆頭螺紋144通過，比由表面158和159通過，要經受 更大的衰減。重擊力F由表面158和159通過，比由梯形工具接頭螺紋143和梯形旋轉 式鉆頭螺紋144通過，要經受更小的衰減。這樣，重擊力F通過表面158和159比通過梯形工具接頭螺紋143和梯形旋轉式泥土鉆頭螺紋144更有效地通過。圖7d是圖7b的區域145中的梯形旋轉式泥土鉆頭螺紋144的側視圖，而圖7e 是圖7b的區域145中的梯形工具接頭螺紋143的側視圖。在圖7b的區域145中，梯形 工具接頭螺紋143和梯形旋轉式泥土鉆頭螺紋144螺紋地接合到一起。如圖7d所示，旋轉式泥土鉆頭螺紋144包括泥土鉆頭螺紋根部180和泥土鉆頭 螺紋牙頂181。在該實施方式中，泥土鉆頭螺紋根部180包括縱向壁185和錐形側壁184 和186。錐形側壁184和186從縱向壁185的相對端部朝中心線147延伸(圖7b)。縱向 壁185平行于縱向基準線192、并垂直于徑向基準線191。縱向壁185相對于中心線147 成角度f延伸。在該實施方式中，泥土鉆頭螺紋根部180包括縱向壁183和錐形側壁182。錐形 側壁182從與錐形側壁184相對的縱向壁185的端部延伸并朝中心線147延伸(圖7d)。 縱向壁183平行于縱向基準線192和縱向壁185、并垂直于徑向基準線191。縱向壁183 相對于中心線147成角度f延伸。如以下將更詳細地討論地，梯形旋轉式泥土鉆頭螺紋 144的錐形側壁相對于縱向基準線192成不平行的角度延伸。旋轉式泥土鉆頭螺紋144具有節距L2，其中節距L2是泥土鉆頭螺紋根部180 和泥土鉆頭螺紋牙頂181沿縱向基準線192延伸的長度。在以上引用的美國專利申請 No.20040251051中能找到關于螺距的更多信息。當節距L2增大和減小時，梯形旋轉式 鉆頭螺紋144每單位長度的螺紋數量分別增加和減少。當節距L2增大和減小時，每單位 長度的泥土鉆頭螺紋根部180的數量分別增加和減少。此外，當節距L2增大和減小時， 每單位長度的泥土鉆頭螺紋牙頂181的數量分別增加和減少。螺距L2能具有許多不同的長度值。在有些實施方式中，螺距L2具有在大約四 分之一英寸至大約一英寸的范圍內的長度值。在有些實施方式中，螺距L2具有在大約二 分之一英寸至大約一英寸的范圍內的長度值。在一特定實施方式中，螺距L2具有八分之 一英寸的長度值。如上所述，梯形旋轉式泥土鉆頭螺紋144的錐形側壁相對于縱向基準線192成不 平行的角度延伸。例如，在該實施方式中，錐形側壁182相對于徑向基準線191成角度 θ3延伸。此外，錐形側壁184相對于徑向基準線191成角度θ 4延伸。應指出的是， 梯形旋轉式泥土鉆頭螺紋144的錐形側壁相對于縱向基準線192成相同的角度大小延伸。角度93和θ 4能具有許多不同的角度值。在有些實施方式中，角度93和θ4 在大約1度(1° )至大約9度(9° )之間的范圍內。在有些實施方式中，角度93和04 在大約1.5度(1.5° )至大約8度(8° )之間的范圍內。在有些實施方式中，角度θ3 和94在大約3度(3° )至大約5度(5° )之間的范圍內。在一特定的實施方式中，角 度93和θ 4分別等于大約4.75度(4.75° )。在有些實施方式中，角度03和θ4彼此相 等，而在其它實施方式中，角度93和θ 4彼此不相等。在有些實施方式中，角度93和 θ 4分別等于角度f，而在其它實施方式中，角度93和θ 4不等于角度f。應指出的是， 在圖7d中未按比例示出角度93和θ4的值。
通常，選擇角度03和θ4，以減小旋轉式泥土鉆頭102與適配器接頭136彼此 過于擰緊的可能。此外，選擇角度θ 3和θ 4，以提高重擊力F通過適配器接頭136從錘 擊組件103傳遞至旋轉式泥土鉆頭102的效率。此外，當角度93和94減小和增大時，重擊力F通過適配器接頭136從錘擊組件103傳遞至旋轉式泥土鉆頭102的效率分別提高 和降低。應指出的是，梯形旋轉式泥土鉆頭螺紋144的螺旋角能具有許多不同的角度 值。在以上引用的美國專利申請No.20040251051中能找到關于螺紋的螺旋角的更多信 息。在有些實施方式中，梯形旋轉式泥土鉆頭螺紋144的螺旋角在大約1度(1° )至大 約10度(10° )的范圍內。在有些實施方式中，梯形旋轉式泥土鉆頭螺紋144的螺旋角 在大約1.5度(1.5° )至大約5度(5° )的范圍內。在一特定實施方式中，梯形旋轉式 泥土鉆頭螺紋144的螺旋角為大約2.5度(2.5° )。如圖7e所示，梯形工具接頭螺紋143包括工具接頭螺紋根部170和工具接頭螺 紋牙頂171。在該實施方式中，工具接頭螺紋根部170包括縱向壁175和錐形側壁174和 176。錐形側壁174和176從縱向壁175的相對端部延伸并朝中心線147延伸(圖7e)。 縱向壁175平行于縱向基準線192、并垂直于徑向基準線191。縱向壁175相對于中心線 147成角度f延伸。在該實施方式中，工具接頭螺紋根部170包括縱向壁173和錐形側壁172。錐形 側壁172從與錐形側壁174相對的縱向壁175的端部延伸并朝中心線147延伸(圖7e)。 縱向壁173平行于縱向基準線192和縱向壁175、并垂直于徑向基準線191。縱向壁173 相對于中心線147成角度f延伸。如以下將更詳細地討論地，梯形工具接頭鉆頭螺紋143 的錐形側壁相對于縱向基準線192成不平行的角度延伸。梯形工具接頭螺紋143具有節距Li，其中節距Ll是工具接頭螺紋根部170和工 具接頭螺紋牙頂171沿縱向基準線192延伸的長度。當節距Ll增大和減小時，梯形工具 接頭螺紋143每單位長度的螺紋數量分別增加和減少。當節距Ll增大和減小時，每單位 長度的工具接頭螺紋根部170的數量分別增加和減少。此外，當節距Ll增大和減小時， 每單位長度的工具接頭螺紋牙頂171的數量分別增加和減少。螺距Ll能具有許多不同的長度值。在有些實施方式中，螺距Ll具有在大約四 分之一英寸至大約一英寸的范圍內的長度值。在有些實施方式中，螺距Ll具有在大約二 分之一英寸至大約一英寸的范圍內的長度值。在一特定實施方式中，螺距Ll具有八分之 一英寸的長度值。應指出的是，螺距Ll和L2通常相同，以促進使適配器接頭136和旋 轉式泥土鉆頭102在聯接狀態與分離狀態之間反復運動的能力。如上所述，梯形工具接頭螺紋143的錐形側壁相對于縱向基準線192成不平行的角度延伸。例如，在該實施方式中，錐形側壁174相對于徑向基準線190成角度91延 伸。此外，錐形側壁176相對于徑向基準線190成角度θ 2延伸。應指出的是，梯形工 具接頭螺紋143的錐形側壁相對于縱向基準線192成相同的角度大小延伸。此外，梯形工 具接頭螺紋143的錐形側壁相對于縱向基準線192通常以與梯形旋轉式泥土鉆頭螺紋144 的錐形側邊相同大小的角度延伸，以促使適配器接頭136和旋轉式泥土鉆頭102能在聯接 狀態與分離狀態之間反復運動。角度9工和θ 2能具有許多不同的角度值。在有些實施方式中，角度9工和θ2 在大約1度(1° )至大約9度(9° )之間的范圍內。在有些實施方式中，角度91和02 在大約1.5度(1.5° )至大約8度(8° )之間的范圍內。在有些實施方式中，角度Q1* θ2在大約3度(3° )至大約5度(5° )之間的范圍內。在一特定的實施方式中，角度Θ1和Θ 2分別等于大約4.75度(4.75° )。在有些實施方式中，角度9工和θ 2彼此相 等，而在其它實施方式中，角度9工和θ 2彼此不相等。在有些實施方式中，角度Q1* θ 2分別等于角度f，而在其它實施方式中，角度Q1* θ 2不等于角度f。應指出的是， 在圖7e中未按比例示出角度Q1* θ2的值。
通常，選擇角度Q1* θ2，以減小旋轉式泥土鉆頭102與適配器接頭136彼此 過于擰緊的可能。此外，選擇角度Q1* θ 2，以提高重擊力F通過適配器接頭136從錘 擊組件103傳遞至旋轉式泥土鉆頭102的效率。此外，當角度θ i和θ 2減小和增大時， 重擊力F通過適配器接頭136從錘擊組件103傳遞至旋轉式泥土鉆頭102的效率分別提高 和降低。應指出的是，角度θρ θ2、θ 3和θ 4通常具有相同大小的角度值，以促進使 適配器接頭136和旋轉式泥土鉆頭102在聯接狀態與分離狀態之間反復運動的能力。還應指出的是，梯形工具接頭螺紋143的螺旋角能具有許多不同的角度值。在 有些實施方式中，梯形工具接頭螺紋143的螺旋角在大約1度(1° )至大約10度(10° ) 的范圍內。在有些實施方式中，梯形工具接頭螺紋143的螺旋角在大約1.5度(1.5° )至 大約5度(5° )的范圍內。在一特定實施方式中，梯形工具接頭螺紋143的螺旋角為大 約2.5度(2.5° )。應指出的是，梯形工具接頭螺紋143和梯形旋轉式泥土鉆頭螺紋144 的螺旋角通常相同，以使得適配器接頭136和旋轉式泥土鉆頭102能在聯接狀態與分離狀 態之間反復運動。圖8a是根據本發明鉆孔的方法200的流程圖。在該實施方式中，方法200包括 提供旋轉式鉆機系統的步驟201，其中旋轉式鉆機系統包括滑動地接合到一起的驅動卡盤 和適配器接頭、聯接至適配器接頭的旋轉式泥土鉆頭、和與適配器接頭可在接合位置與 脫離位置之間反復運動的活塞。適配器接頭響應于活塞在脫離位置與接合位置之間運動 而相對于驅動卡盤滑動。方法200包括使流體流過旋轉式鉆機系統的步驟202，使得活塞在接合位置與脫 離位置之間運動。這樣，活塞響應于被流體促動而在接合位置與脫離位置之間運動。旋 轉式泥土鉆頭響應于活塞在接合位置與脫離位置之間運動而在延伸位置與縮回位置之間 運動。圖8b是根據本發明鉆孔的方法210的流程圖。在該實施方式中，方法210包括 提供旋轉式鉆機系統的步驟211，其中旋轉式鉆機系統包括滑動地接合到一起的驅動卡盤 和適配器接頭、聯接至適配器接頭的旋轉式泥土鉆頭、和與適配器接頭可在接合位置與 脫離位置之間反復運動的活塞。適配器接頭響應于活塞在脫離位置與接合位置之間運動 而相對于驅動卡盤滑動。在該實施方式中，活塞包括離開適配器接頭設置的回流活塞口和緊接適配器接 頭設置的驅動活塞口。此外，旋轉式鉆機系統可包括具有回流引導口和驅動引導口的流 量控制管。回流引導口可在與回流活塞口連通的第一位置和不與回流活塞口連通的第二 位置之間反復運動，此外，驅動引導口可在與驅動活塞口連通的第一位置和不與驅動活 塞口連通的第二位置之間反復運動，方法210包括使流體流過活塞的端口的步驟212，使得活塞在接合位置與脫離位 置之間運動。這樣，活塞被流體促動而相應地在接合位置與脫離位置之間運動。當活塞 在接合位置與脫離位置之間時，運動而旋轉式泥土鉆頭相應地在延伸位置與縮回位置之間運動。圖8c是根據本發明制造旋轉式鉆機系統的方法220的流程圖。在該實施方式中，方法220包括提供旋轉式泥土鉆頭的步驟221和將錘擊組件聯接至旋轉式泥土鉆頭的 步驟222。根據本發明，錘擊組件包括滑動地接合到一起的驅動卡盤和適配器接頭、和與 適配器接頭可在接合位置與脫離位置之間反復運動的活塞。適配器接頭因活塞在脫離位 置與接合位置之間運動而相應地相對于驅動卡盤滑動。旋轉式泥土鉆頭聯接至適配器接 頭，使得其響應于適配器接頭滑動而滑動。鉆柱聯接至錘擊組件并使流體流過。活塞因流體的流動而相應地在接合位置與 脫離位置之間運動。這樣，活塞因通過流體的促動而相應地在接合位置與脫離位置之間 運動。此外，旋轉式泥土鉆頭因活塞在接合位置與脫離位置之間運動而相應地在延伸位 置與縮回位置之間運動。圖8d是根據本發明制造旋轉式鉆機系統的方法230的流程圖。在該實施方式 中，方法230包括提供旋轉式泥土鉆頭的步驟231和將錘擊組件聯接至旋轉式泥土鉆頭的 步驟232。在該實施方式中，錘擊組件包括滑動地接合到一起的驅動卡盤和適配器接頭、 和與適配器接頭可在接合位置與脫離位置之間反復運動的活塞。適配器接頭因活塞在脫 離位置與接合位置之間運動而相應地相對于驅動卡盤滑動。在該實施方式中，活塞包括離開適配器接頭設置的回流活塞口和緊接適配器接 頭設置的驅動活塞口。此外，旋轉式鉆機系統可包括具有回流引導口和驅動引導口的流 量控制管。回流引導口可在與回流活塞口連通的第一位置和不與回流活塞口連通的第二 位置之間反復運動，此外，驅動引導口可在與驅動活塞口連通的第一位置和不與驅動活 塞口連通的第二位置之間反復運動，在操作中，活塞響因流體流過旋轉式鉆機系統而相應地在接合位置與脫離位置 之間運動。這樣，活塞由于被流體促動而相應地在接合位置與脫離位置之間運動。旋轉 式泥土鉆頭因活塞在接合位置與脫離位置之間運動而相應地在延伸位置與縮回位置之間 運動。應指出的是，方法200能包括許多其它步驟，將通過方法210更詳細地討論所述 許多其它步驟中的若干步驟。應指出的是，方法220能包括許多其它步驟，將通過方法 230更詳細地討論所述許多其它步驟中的若干步驟。此外，應指出的是，能以許多不同的 順序執行方法200、210、220和230中的步驟。圖9a是根據本發明鉆透地層的方法240的流程圖。在該實施方式中，方法240 包括提供通過鉆柱以可操作的方式聯接至鉆孔機的泥土鉆頭的步驟241，其中鉆孔機通過 鉆柱向泥土鉆頭施加鉆壓。方法240包括向泥土鉆頭施加重擊力的步驟242，其中重擊力 在大約1尺磅/平方英寸(lft-lb/in2)至大約4尺磅/平方英寸(4ft-lb/in2)的范圍內。鉆壓可在許多不同的范圍內。例如，在一實施方式中，鉆壓在大約1,000磅/平 方英寸孔徑至大約10,000磅/平方英寸孔徑的范圍內。能以許多不同的方式向泥土鉆頭 施加重擊力。例如，在有些實施方式中，通過錘擊組件向泥土鉆頭施加重擊力。在這些 實施方式中，錘擊組件響應于流體通過鉆柱的流動來操作。應指出的是，方法240能包括許多其它步驟。例如，在有些實施方式中，方法 240包括以大約1100次/分鐘至大約1400次/分鐘的速率向泥土鉆頭施加重擊力的步驟。在這些實施方式中，方法可包括響應于調節通過鉆柱的流體流動而調節重擊力的步驟。 方法240可包括響應于泥土鉆頭通過地層的鉆進速率的指示而調節重擊力的振幅和/或頻 率的步驟。方法240可包括通過鉆柱以大約1,000立方英尺/分鐘(cfm)至大約4,000立 方英尺/分鐘(cfm)的速率提供氣流的步驟。方法240可包括通過鉆柱以大約40磅/平 方英寸(40psi)至大約80磅/平方英寸(SOpsi)的壓力提供氣流的步驟。圖9b是根據本發明鉆透地層的方法250的流程圖。在該實施方式中，方法250 包括提供鉆孔機和鉆柱的步驟251和通過鉆柱以可操作的方式將泥土鉆頭聯接至鉆孔機 的步驟252。方法250包括通過鉆柱以大約40磅/平方英寸(40psi)至大約80磅/平方 英寸(SOpsi)的氣壓提供氣流的步驟253、以及向泥土鉆頭施加重擊力的步驟254，其中重 擊力小于大約5尺磅/平方英寸(5ft-lb/in2)。重擊力可在許多不同范圍內。例如，在一實施方式中，重擊力在大約lft-lb/in2 至大約4ft_lb/in2的范圍內。應指出的是，方法250能包括許多其它步驟。例如，在有些實施方式中，方法 250包括響應于泥土鉆頭通過地層的鉆進速率的指示來調節重擊力的步驟。在有些實施方 式中，方法250包括調節重擊力以驅使泥土鉆頭通過地層的鉆進速率為預期鉆進速率的 步驟。方法250可包括通過調節重擊力的振幅和頻率中的至少一個來調節泥土鉆頭通過 地層的鉆進速率的步驟。方法250包括通過鉆柱向泥土鉆頭施加鉆壓的步驟，其中鉆壓 在大約30,000磅至大約130,000磅的范圍內。圖9c是根據本發明鉆透地層的方法260的流程圖。在該實施方式中，方法260 包括提供通過鉆柱以可操作的方式聯接至鉆孔機的泥土鉆頭的步驟261、以及通過鉆柱以 低于大約80磅/平方英寸(SOpsi)的氣壓提供氣流的步驟262，其中鉆孔機向泥土鉆頭施 加鉆壓。方法260包括向泥土鉆頭施加隨時間變化的重擊力的步驟263，其中隨時間變化 的重擊力小于大約5尺磅/平方英寸(5ft-lb/in2)。隨時間變化的重擊力能具有許多不同 的值。例如，在一實施方式中，隨時間變化的重擊力在大約1.2ft_lb/in2至大約3.6ft_lb/ in2的范圍內。能以許多不同的方式向泥土鉆頭施加隨時間變化的重擊力。例如，在有 些實施方式中，通過錘擊組件向泥土鉆頭施加隨時間變化的重擊力。應指出的是，方法260能包括許多其它步驟。例如，在有些實施方式中，方法 260包括響應于泥土鉆頭通過地層的鉆進速率的指示來調節隨時間變化的重擊力的振幅的 步驟。在有些實施方式中，方法260包括響應于泥土鉆頭通過地層的鉆進速率的指示來 調節隨時間變化的重擊力的頻率的步驟。盡管已示出并描述了本發明的特定實施方式，但本領域的技術人員將想到許多 的改進和替代的實施方式。 因此，本發明僅受所附權利要求的限制。
權利要求
1.一種鉆透地層的方法，包括通過鉆柱以可操作的方式將泥土鉆頭聯接至旋轉頭，其中所述旋轉頭通過所述鉆柱 向所述泥土鉆頭施加鉆壓；以及向所述泥土鉆頭施加重擊力，其中所述重擊力在大約1尺磅/平方英寸(ft-lb/in2)至 大約5尺磅/平方英寸(ft-lb/in2)的范圍內。
2.如權利要求1所述的方法，其進一步包括以大約1100次/分鐘至大約1400次/分 鐘的速率向所述泥土鉆頭施加重擊力。
3.如權利要求1所述的方法，其進一步包括通過調節所述鉆柱的流體流動而相應地調 節所述重擊力。
4.如權利要求3所述的方法，其進一步包括根據所述泥土鉆頭鉆進地層的速率指示而 相應地調節所述重擊力的振幅和/或頻率。
5.如權利要求1所述的方法，其進一步包括通過所述鉆柱提供速率大約1,000立方英 尺/分鐘(1,OOOcfm)至大約4,000立方英尺/分鐘(4,OOOcfm)的氣流。
6.如權利要求1所述的方法，其進一步包括通過所述鉆柱提供壓力低于大約100磅/ 平方英寸(psi)的氣流。
7.如權利要求1所述的方法，其中，所述的鉆壓在大約1,000(1,000)磅/平方英寸孔 徑至大約1,000(10,000)磅/平方英寸孔徑的范圍內。
8.如權利要求1所述的方法，其中，通過錘擊組件向所述泥土鉆頭施加所述重擊力。
9.如權利要求8所述的方法，其中，所述錘擊組件是通過響應流經所述鉆柱的流體而 操作的。
10.—種鉆透地層的方法，其包括提供鉆孔機和鉆柱；通過所述鉆柱以可操作的方式將泥土鉆頭聯接至所述鉆孔機；通過所述鉆柱提供氣壓低于大約100磅/平方英寸(psi)的氣流；以及通過所述鉆柱提供速率在大約1,000立方英尺/分鐘(1,OOOcfm)至大約4,000立方英 尺/分鐘(4,OOOcfm的氣流。
11.如權利要求10所述的方法，其中，所述重擊力在大約1磅/平方英寸至大約4磅 /平方英寸之間。
12.如權利要求10所述的方法，其進一步包括根據所述泥土鉆頭鉆進地層的速率指示 來調節所述重擊力。
13.如權利要求10所述的方法，其進一步包括調節所述重擊力以獲得預期的鉆進速率。
14.如權利要求10所述的方法，其進一步包括通過調節所述重擊力的振幅和頻率中的 至少一個來調節所述泥土鉆頭鉆進地層的鉆進速率。
15.如權利要求10所述的方法，其進一步包括通過所述鉆柱向所述泥土鉆頭施加鉆 壓，其中，所述鉆壓在大約30,000磅(30,OOOlbs)至大約130,000磅(130,OOOlbs)之間。
16.—種鉆透地層的方法，包括通過鉆柱以可操作的方式將泥土鉆頭聯接至旋轉頭，其中所述旋轉頭向所述泥土鉆 頭施加鉆壓；通過所述鉆柱提供氣壓在大約40磅/平方英寸(psi)至大約100磅/平方英寸之間的 氣流；以及通過所述鉆柱提供速率在大約1,000立方英尺/分鐘(cftn)至大約4,000立方英尺/ 分鐘之間的氣流。
17.如權利要求16所述的方法，其進一步包括向所述泥土鉆頭施加隨時間變化的重擊 力，其中，所述隨時間變化的重擊力是以小于大約5磅/平方英寸(psi)的力和小于大約 1500次/分鐘的頻率而施加的。
18.如權利要求17所述的方法，其中，通過錘擊組件向所述泥土鉆頭施加所述隨時間 變化的重擊力。
19.如權利要求17所述的方法，其進一步包括根據所述泥土鉆頭鉆進地層的速率指示 而調節所述隨時間變化的重擊力的幅度。
20.如權利要求17所述的方法，其進一步包括根據所述泥土鉆頭鉆進地層的速率指示 而調節所述隨時間變化的重擊力的頻率。
21.如權利要求17所述的方法，其中，所述隨時間變化的重擊力在大約1.2磅/平方 英寸(1.2psi)至大約3.6磅/平方英寸(3.6psi)之間。
全文摘要
本發明公開了一種鉆透地層的方法，其包括提供鉆孔機(160)和鉆柱(106)、以及通過鉆柱以可操作的方式將泥土鉆頭(102)聯接至鉆孔機。通過鉆柱以低于大約一百磅/平方英寸(100psi)的氣壓提供氣流，并向泥土鉆頭施加重擊力，其中重擊力小于大約五尺磅/平方英寸(5ft-lb/in2)。
文檔編號E21B4/14GK102016217SQ200980101259
公開日2011年4月13日 申請日期2009年8月6日 優先權日2008年8月6日
發明者艾倫·W·佩尼, 詹姆斯·W·蘭福德 申請人:阿特拉斯科普柯塞科羅克有限責任公司