在地层内产生井眼的钻井装置 本发明涉及一种地层井眼钻井装置。
这种装置或机器已由现有技术公开了(见EP-A-802632)。在这里，撞锤大多直接与钻头连在一起，从而通过驱动介质将冲击能传给潜入井眼中的撞锤并由撞锤传递给井眼底部，从而尽量使连接钻杆不受冲击能的影响。钻头通过连接钻杆与设置在井眼外的驱动装置如旋转式驱动装置相连，从而装在钻头上的撞锤总是在新的井眼底部位置上掘进。主要在坚固的岩石中用所谈到的装置进行钻井。
这种钻井技术对实践生产越来越重要，这是因为：一方面，井眼质量可以较好且可以近似准确地保持钻井方向，另一方面，根据在井眼中所采取的消音方式，不对外界产生严重影响地且明显更好地满足了环境要求如消除了噪音烦扰。
在这种装置中，在井眼底部被锤松的或被掘下的石料从井眼中被排出是根据所谓的“气升式掘进法”在空心连接钻杆中实现的，其中在井眼中存在液柱且作为冲洗流体地将空气吹入在钻头上方的钻杆中，从而通过在连接钻杆中上升的空气使连接钻杆内的液柱在地面和井眼之间产生压差，所述压差引起连接钻杆内的流动速度且掘进石料以该流速经连接钻杆被排出。
在锤击钻设地层井眼时，用于排出松动材料的连接钻杆内径必须具有某个与向上输送总量匹配的最小值。与单纯的回转钻井相比，被冲松动地碎石料尺寸也比较大。
驱动位于连接钻杆下端的撞锤的驱动液是由在连接钻杆上端的适当的旋转接头通过一个设在连接钻杆内或成型于连接钻杆上的供应管供给撞锤的。
在连接钻杆直径象上述那样必须较大的情况下，在密封旋转接头时出现了问题。
液压驱动或气压驱动的撞锤在约为50巴-150巴的压力下工作。显然，在这种要求高压和大直径的气升式掘进法中，无法在迄今装在固定旋转接头和转动连接钻杆间的过渡区关键位置上的单级密封件中获得经济的使用寿命。
本发明的目的是改进上述类型的装置，从而该装置可以在较大的空心连接钻杆外径和必需的高压情况下长期不需维修地工作。
按本发明此目的可通过这种地层井眼钻井装置来实现，它具有：一个布置在待钻设地层井眼上方的且带有一个固定设置的旋转驱动头的驱动部；一个与旋转驱动头连接的且穿过旋转驱动头一直降入地层井眼中的空心连接钻杆；一个固定设置在驱动部中的且通过其把冲洗介质供给转动连接钻杆上端的第一旋转接头，冲洗介质可以通过一个沿连接钻杆延伸的第一供应管供给一个设置在连接钻杆上的输入口；一个设置在驱动部中的且通过其把高压工作液供给连接钻杆上端的第二旋转接头，所述工作液可以通过沿连接钻杆延伸的第二输入管道供给连接钻杆下端，所述第二旋转接头具有一个环绕连接钻杆的且具有一个与用于工作液的外部供应管和第二供应管上端相连的且沿轴向向两侧密封的过渡腔的外壳，其中在过渡腔的两侧分别设置了许多轴向分级的且逐步液压卸载的密封环；一个设置在连接钻杆下端上的且被设计成冲洗头的钻头，此钻头与连接钻杆内腔相通；许多设置在钻头上的且向下掘进的且由驱动液驱动的撞锤，分别在远离过渡腔的密封环侧面上设置了一个环形腔，所述环形腔具有一个用于输送由一个压缩机提供的液压压力介质的接口且它与一个用于密封环的卸载的密封环侧面相连，并且所述的环形密封环逐步液压卸载，并且设有由驱动介质作用的降压器作为压缩机。
在所述的装置中，连接钻杆被一个原则上垂直设置的外壳环绕。可以由外部输入管道经一个通入过渡腔中的固定接头输入驱动液如空气、水或液压油。此外，过渡腔环绕所述连接钻杆，从而驱动介质与连接钻杆转动位置无关地与工作介质输入管道相互联系。分别在过渡腔两侧设置了许多轴向分级的且逐步受到液压卸载的密封环。
在该装置的工作过程中，密封环的卸载(压)是如此选择的，即作用于各密封环上的压差不超过一个由所用密封件的性能决定的最大值。因此，在轴向远离过渡腔的各密封环侧上施加一个小于在朝向过渡腔的密封环侧上所施加的压力的压力。在压差作用下，密封件被压靠在连接钻杆外周面上，所述压差相应于一个密封环可持久忍耐的压差值。在沿轴向靠外的即沿远离过渡腔的方向的后续密封环中布置了作为压紧力的前卸载压力和一个降低了相应值的卸载力，这个卸载力又是用于后续密封件的压紧力。所以压紧力是逐步降低的，其中各密封环分别承受还可允许的压力如10巴-25巴。可以通过所用密封环的数目和所选择的卸载压力来实现与工作液工作压力的匹配。
由压缩机提供给密封环液压力以进行卸载且所述液压力在环形腔中起作用，所述环形腔分别在两个密封环之间布置在远离过渡腔的侧面上。
为了产生分级的卸载压力，例如使用由于装入一个活塞杆而单侧受压表面缩小的压力气缸型降压器作为压缩机，其中向具有活塞杆的缸侧供应驱动介质及其压力，从而必然通过活塞杆直径和在活塞另一侧上所保留的缩小作用面而产生一个相对工作介质压力被缩小了一个固定百分比的压力。在这种强制性地通过活塞杆形状产生压力分级的情况下，工作介质压力的波动被自动地分配给作用于各密封环的各压差是很有利的，这样不必再次调节各自的卸载压力。这种提供卸载压力的方式可以与泵和控制阀的功能无关。可以采用与所需的卸载压力级那样多的降压器，其中降压差别是由不同的活塞杆直径造成的。
压缩机可以适当地安置在旋转接头的固定外壳上，这在结构上是简单的且可以使用短的连接管路。
如果密封环的逐步平衡是在过渡腔的两侧对称进行的，则总是有两个环形腔可以与降压器相连。
在本发明装置的第一实施例中，一个与分段连接钻杆上端相连的且高度可变地支承在支承装置上的动力旋转头用作旋转式驱动装置。在此实施例中，掘进是通过动力旋转头的降低造成的。如果动力旋转头已到达其下部位置即井眼降低了一段长度时，它必须脱离连接钻杆上端并随后移入其上部位置。在此位置上，在用于固定动力旋转头驱动部件的法兰和连接钻杆上端之间出现一个自由长度，它至少相应于连接钻杆的一段的长度。现在可以装入另一个连接钻杆段。由此支承装置必须有一定的高度，所述高度至少相应于连接钻杆的一段的长度。
在另一个本发明装置实施例中，旋转式驱动装置被设计成有选择地与连接钻杆外表面作用连接(如通过夹紧手柄)的且本身结构已由连管装置公开的旋转式驱动装置。
如果该装置高度可调地安装在支承装置上，则也可以通过旋转式驱动装置将掘进力传入连接钻杆。掘进整体上是通过旋转式驱动装置的周期“跟进”实现的，即它在松开状态下向上移动一段距离，随后固定于连接钻杆外表面上并重新降低。由于旋转式驱动装置可以设置在连接钻杆纵向的几乎任一个位置上，所以，旋转式驱动装置可沿连接钻杆纵轴方向偏移的升程不再必须至少相应于其一段局部长度，从而与迄今所知的装置相比，驱动装置可以安装得很低。
高度调节最好借助于可纵向调节长度的动力源，所述动力源被设计成液压操作的活塞/动力缸。
本发明的其它设计方案可以参照附图从后续说明书中看到。其中：
图1是设在地层井眼外的本发明第一实施例的驱动部的立体图。
图1A是一个旋转式驱动装置，它是在图1所示的驱动装置的实施例中的旋转式驱动装置的另一种形式。
图2示意地画出了在本发明装置中气升式掘进系统的工作方式。
图3是工作液旋转接头的局剖侧视图。
图4放大地示出了穿过图3所示旋转接头的纵轴纵截面图。
图4A是在图4中由IVa表示的以虚线为边的区域的放大图。
图5示意地画出了三个具有不同活塞杆直径的降压器的截面图。
图6是具有许多撞锤的钻头的侧视图。
图7是图6的仰视图。
图1示出了设置在待钻设地层井眼外的本发明第一实施例装置的部件。整体由3表示的装置驱动部固定在一个支承装置2上，所述支承装置支承在一个整体由1表示的工作平台上。一个示意画出的旋转驱动头4与具有可彼此相连段的连接钻杆5装配在一起，其中只示出了所述连接钻杆的上部分且所述连接钻杆穿过工作平台1地伸入待钻设地层井眼中(仅用虚线表示)并直达钻头。由旋转驱动头4驱动连接钻杆5是可以通过在现有技术中所知道的常见的方式方法来实现，例如通过一个液压马达。
作为替换方式，也可以不用设置在连接钻杆5上端上的旋转驱动头4，而是采用一种如图1A所示的旋转式驱动装置4′，这种装置本身已经由连管装置(Verrohrungsvorrichtungen)披露了。
此旋转式驱动装置4′具有一个固定的外部件4″，一个其内径与连接钻杆5外径匹配的且有选择地至少在驱动方向上与其有效相连的即与其受力或形状相配地接合的环形内部件4可相对所述外部件受到转动驱动。所述驱动可以如通过一个液压马达来实现。通过其位置固定的外部件4″，旋转式驱动装置4′可以与设置在支承装置2上的位置可变的动力源2′如主轴或活塞/缸单元作用连接。如果连接钻杆5和旋转式驱动装置4′的内部件4是如此设计的，即在连接钻杆5纵向上也可以获得连接钻杆与内部件4之间的受力相配的连接，则掘进力可以看成通过旋转式驱动装置4′传入连接钻杆中。但是也可以使旋转式驱动装置4′牢固地支承在支承装置上且如此设计内部件4和连接钻杆5，即使连接钻杆5可以在内部件4中沿其纵向移动。在这种情况下，掘进力如通过与仍待描述的第一旋转接头10的连接被传入连接钻杆中。
在连接钻杆5上端上设有一个由10表示的第一旋转接头，在地层井眼底部被钻松动的材料通过所述旋转接头并经排出管21被向外排出，借助第一输入管道13将压缩空气送入连接钻杆中。在第一旋转接头10下方设有整体由20表示的第二旋转接头。支承装置2可绕水平轴A摆动且与摆动驱动机构6相连，从而它可以变得倾斜且也可以偏离垂直地层井眼地掘进。
图2示意地画出了钻井过程。在此过程中，由钻头40的撞锤41锤松的碎石从如部分充水而达到水平面9′的地层井眼9的底部16被向外排出。连接钻杆5内腔构成了矿浆输送管道8，此管道中通常充满了水，在钻头40上方通过一个进气阀43将空气吹入上述管道中。所述空气在钻井装置外受到一个未示出的压缩机的压缩并通过第一输入管道13和第一旋转接头10并借助第一供应管12将压缩空气沿连接钻杆5向下吹入。吹入的空气通过在矿浆输送管道8中因吹风而混入空气的液体与在地层井眼9的外部液体之间的密度差而在矿浆输送管道8内造成升流，碎石通过矿浆输送管道被向上传送且通过排出管11冲出装置外。通过第二输入管道23，在与第一旋转接头成一体地示出的第二旋转接头20中将工作介质供给第二供应管22并通过此供应管沿连接钻杆向下传送工作介质以便驱动钻头40的撞锤41。
图3示出了第二旋转接头20的侧视图，其中画出了视图的左半部，而右半部示出了一个经过连接钻杆5的轴线B的用于将工作介质引入第二供应管22中的第二旋转接头20的剖面。在外壳内24设有分级的密封件(其工作方式以后再描述)和转动轴承32。外壳24通过该转动轴承可转动地支承在连接钻杆5外周上。第二旋转接头20例如可通过转矩套管25(Drehmomentstutz)固定在图1所示的支承装置2上。这种固定可以借助螺栓来实现，当第二旋转接头20应该随之转动时，只须松开所述螺栓。如果本发明的装置只是暂时仅用于钻管驱动，则松开环绕连接钻杆5的第二旋转接头20的外壳24的作用在于：在松开工作液输入管道后，第二旋转接头20随之旋转，从而在此状态下的密封环既不受液压力也不受机械力，结果延长了装置的使用寿命。
在所示实施例中，在位置固定的外壳24上装有三个降压器50，其功能以后再探讨。
图4示出了穿过第二旋转接头20的截面。驱动撞锤的工作介质(因环境和操作技术的原因而优选水)通过一个与第二输入管道23(图2)相连的固定接头26被供给过一个环绕连接钻杆5的过渡腔27。在第二旋转接头20区域内，连接钻杆5表面应该尽可能地平滑和平整，从而靠置其上的密封件不会受到过度磨损。工作介质由过渡腔27到达穿过旋转驱动头20的冲洗介质供应管12，经过分布于外周上的转接换口14而流入一个成型于连接钻杆5上端的环形腔15中，并再从此环形腔中流入沿连接钻杆5外侧导流的第二供应管22。供应管12也可以是一个沿连接钻杆外侧导流的管道。这两个供应管12、22和矿浆输送管道8是分开的。
外壳24具有上法兰28和下法兰29，在这两个法兰之间形成了用于该第二供应管22中的工作介质的过渡腔27。在过渡腔27两侧上装有四个沿轴向前后分级的且用30a、30b、30c、30d表示的密封环，所述密封环在此实施例中具有一个大致成L形的横截面。各密封环的其中一个边35′(图4A)对着指向输入高压的过渡腔27且以它的外侧面靠在连接钻杆5自转的外周面5′上。另一个边35″在一个垂直于连接钻杆5轴的平面内向外延伸。边35″分别设置在相邻环34a、34b、34c、34d之间，所述环安装在外壳与外周面5′相邻的圆柱形腔36中且和位于它们中间的边35″合成一组或一块，从而固定了所有的密封环。
环34a、34b、34c、34d在其朝向外周面5′的内周面上留有环形腔38a、38b、38c、38d以便容纳密封环的边35′。环形腔38a、38b、38c分别具有一个各自的接口39a、39b、39c，通过这些接口由降压器50供入一个压力介质。供给各环形腔38a、38b、38c压力介质通过朝向过渡腔27的相邻环的内周面和外周面5′之间的缝隙到达邻近过渡腔27的密封环的背面。因此，例如，在环形腔38c中的压力到达密封环30d的边35′背面31d并试图从外周面5′起向上升。在17处，处于完全压力下的液体渗入环形腔38d中并将边35′压在外周面5′上。在环形腔38c内的压力与此压紧作用相反地作用。对压紧作用来说，压差是决定性的。如此选择接口39c内的压差，即有效压差不超过约为10巴-25巴范围中某个临界值，密封环30d可持久地忍耐该临界值。
供给接口39c压力将密封环30c边35′压到外表面5c上。此压力对密封环30c来说一般太高了。由此在这里，供给接口39b一个较低压力，此压力卸载(压)地作用于密封环30c边35′外侧31c上，从而密封环30c不会有危险。在最靠近的密封环30b中用供给接口39a的压力实现了卸载(压)，因此，不再威胁密封环30a。从而过渡腔27中的高压被逐步降低，于是各密封环的边35′只承受对其不构成威胁的部分压力。
如上所述，在外壳24内设有轴承32，连接钻杆5可以通过轴承在固定安装在外壳24内转动且它径向地将密封环保持在一个位于构成密封面的连接钻杆外表面5′的对面的限定位置上。此转动的外表面5′通过密封环30a、30b、30c、30d将摩擦力矩传给外壳24，所述外壳受到上述转矩套管25的支承。
所示的实施例如被设计用于工作介质压力为70巴左右的情况。第一环形腔38d承受一个大约为过渡腔27内的工作介质压力的85％的压力。第二环形腔38c承受一个约为工作介质压力的50％的压力，而第三环形腔则为15％。结果是，在第一密封环30a上的压差约为10巴，在第二密封环30b、第三密封环30c上的压差约为25巴，在第四密封环30d上的压差约为10巴。在此压力下，尽管存在大的连接钻杆5外周且存在一个由旋转驱动头产生于外周面5′上的5-20m的周向速率，但不会出现太大的磨损，如果在过渡腔27的整个压力下只有一个密封件，则根据本发明上述磨损是不可避免的。
根据工作介质压力的情况，密封环数目是可变的，但是在各密封环上的压差总不超过一个临界值如25巴。
各密封环30d、30c、30b的压力卸载是与工作介质压力密切相关地通过各降压器50的几何形状而得到控制的。图5A、5B、5C示出了三个被设计成液压缸56的降压器50A、50B、50C。缸56分别具有一个顶板55和一个底板57以及一个穿过顶板55的且具有不同直径D的活塞杆51A、51B、51C，但是可以具有相同活塞53和直到过渡腔27的接头58都是封闭的且具有相同直径的缸腔54。工作介质分别通过在活塞杆侧的接头52即在顶板55中的接头被供给进缸56。缸腔54中充满了与工作介质不同的液压介质且此缸腔通过接头58和液压输入管道与环形腔38a、38b、38c的接口39a、39b、39c相连。如果在所有使用的降压器50中，缸腔54直径和活塞53直径是相同的，则由降压器50产生的压力只是由在排除活塞杆横截面后所保留的缸腔54的剩余横截面确定的。因此，具有最小活塞杆横截面的降压器50A产生了最高压力。它与环形腔38c相连。
在缸腔54和环形腔38a、38b、38c中的液压介质最好是润滑剂如润滑脂，它润滑密封环30a、30b、30c、30d。密封环由弹性体材料构成。
在图6、7中画出了一个钻头40，例如为了驱动，它使用了水作为工作介质。由工作介质驱动的撞锤41通过支架44与安装板42相连，所述安装板安装在连接钻杆5下端上。装在撞锤41上的钻具45向下作用于井眼9底部10(图2)并在那里碎裂岩石。各作用位置因钻头40沿周向的转动而前移。由于将钻具45设置在不同半径上，所以整个钻井横截面可以交叠(作用)。钻具45的数目和布局可以与井眼9的直径和待排出的废料相匹配。撞锤41的下端受到一个其直径等于井眼直径的圆盘形导向板46的夹持和引导。