在覆盖岩层钻井设备的钻头上连接套管的方法和装置 技术背景
本发明涉及覆盖岩层钻井设备和套管鞋，其中覆盖岩层钻井设备包括一个钻头本体，钻头本体在尾端有一个连接部分用于连接冲击装置，例如下降进入钻孔的钻锤，并且限定了钻头的旋转轴线，还包括一个用于连接套管的套管鞋，套管鞋通过槽和法兰在搭接处相互啮合连接到钻头本体上。
现有技术
覆盖岩层钻井设备以前曾在美国专利5,255,960中进行过披露。已经发现，这样构成覆盖岩层钻井设备比较合适，即套管与冲击钻头是可相对旋转的，同时轴向相互连接，以便当钻头在地下钻进时钻头将套管推进。在上述专利中描述的这种相对旋转的方案称作“搭接”，其中，套管或套管前面连接的套管鞋与钻头轴向搭接。一个焊接到套管内部的带开口的凸缘伸出到设置在钻头上的周向槽内，使钻头能够推进套管。现已发现：焊缝经常断裂，这样，套管的轴向推进停止。此外，在套管内只有有限的凹槽空间用于铺设焊接材料。
因此，本发明的一个目的是，提供一种覆盖岩层钻井设备，实际上是套管凸缘，以及连接套管凸缘的方法，其可以避免上面提到地缺点。
发明概述
本发明的这一目的和其它目的通过一种覆盖岩层钻井设备得以解决，该设备包括一个钻头本体和一个套管鞋。限定纵向旋转轴线的钻头本体包括：一个在本体纵向前端的切割面，以及一个在本体的纵向后端的连接部分，其用于与冲击装置连接。套管鞋通常为圆柱形并且适合于与套管连接。钻头本体包括一个径向向外延伸的、纵向向前的第一壁。套管鞋包括一个径向向内延伸的、纵向向后的第二壁，该第二壁面向第一壁并与第一壁相啮合，并且在钻孔操作时纵向推进。套管鞋包括两块大体一致的半圆柱形两半，以及一个环状的大体圆形的圆环，其围绕两半圆柱同轴延伸并将两半保持在一起。
圆环最好通过分别设置在圆环的前后侧面上的前后焊缝焊接到两半上。
圆环最好设置在位于两半前端的周向槽上，各槽周向相互对准。
实际上，本发明也是关于套管鞋本身，以及将套管鞋安装在钻头本体上的方法。
【附图说明】
本发明的目的和优点通过下面结合附图对优选实施例的描述将会明白，其中：
图1A示出了按照本发明的覆盖岩层钻井设备的分解图；
图1B示出了覆盖岩层钻井设备的左半部的侧视图和右半部的纵向剖面图；
图1C示出了图1B所示的覆盖岩层钻井设备的套管鞋与环状钻头之间的连接的放大图；
图2A示出了一半套管鞋的侧视图；
图2B示出了安装好的两块套管鞋的主视图；
图3示出了单件形式的环的平面图；
图4示出了沿图3中的线4-4的单件环的剖面；
图5示出了按照本发明的另一个覆盖岩层钻井设备的环状钻头与套管鞋之间的连接的视图，其与图1C相似。
本发明的优选实施例的详细描述
图1A-C示出了按照本发明的覆盖岩层钻井设备的一个优选实施例。该设备10包括一个下降进入钻孔的钻锤11，一个导向钻头12，一个环状钻头13，一个套管鞋14和一个套管15。导向钻头12和环状钻头13一起形成钻头本体。
钻锤11最好为气动型，并且对导向钻头12产生轴向冲击。导向钻头安装有烧结碳化物(硬质合金)刀片18，并且通过螺纹、齿条或突起部分16与环状钻头13连接。环状钻头安装有烧结碳化物刀片19并且与套管鞋14连接，连接的方式允许环状钻头13与套管鞋14之间围绕旋转轴线CL相对旋转。套管鞋被刚性连接到套管15上，最好通过焊接完成。
按照至此为止的描述，该设备与现有技术相似，这种设备的用途是使用这种设备钻孔，并且在钻锤和导向钻头退回之前，通过将导向钻头从环状钻头上解开把环状钻头、套管鞋和套管留在孔内。如果套管周围的地层在设备退回以后仍然稳固，可以把整个装置退回。
现在回到图1C，图1B中的接头17以放大的剖面图形式示出。环状钻头13在其轴向内端具有周向延伸的外部凸缘20，其包括轴向间隔开的壁21和22，它们分别纵向向前和向后，并且与旋转轴线CL大体垂直延伸。壁21与纵向向后的壁24A一起在环状钻头上形成一个环状槽23A，其底部为24B。环状延伸的内槽23设置在套管鞋14上，用于容纳凸缘20。内槽23的边界为沿纵向分别向前和向后的轴向间隔开的壁24和25，并且沿与轴线CL大体垂直的方向延伸。该槽的轴向长度比凸缘的轴向长度长，以便允许套管相对于环状钻头有一些轴向运动。然而，这些长度被这样选择，即套管鞋的自由端或外端40决不会碰撞在环状钻头上。
套管鞋14包括两个大体一致的、成镜像的两半14A和14B，其具有大体半圆柱形形状(见图2A和2B)。在每一半的前部38设置有周向凹槽26，该凹槽包括第一或前斜角27、底面28和第二或后斜角29。底面28与旋转轴线CL大体平行，并且与第一斜角27通过一个外部钝角连接。底面28与第二斜角29通过一个内部钝角连接。第一斜角27与第二斜角29大体平行。两半上具有纵向边30，其成形为纵向延伸的斜角以便用于焊接，斜角之间形成角β用于容纳焊料。
提供一个圆环31用于将准备焊接的两半放置好(见图3和4)。圆环31具有大体长菱形的截面，并且包括平行的、平坦的、径向间隔开的内部和外部表面32、33，以及两个轴向间隔开的表面34和35，它们每一个都相对于旋转轴线CL倾斜延伸。每一个倾斜面34和35与垂直于旋转轴线CL的线P形成锐角α。角α最好大约30°。
套管鞋14按照下面的方式安装在环状钻头13上。圆环31的最小直径比环状钻头13的凸缘20的最大直径大。这就意味着圆环可以放置在环状钻头的槽23的底面23A的周围，如图1C中的点画线31A所示。在完成这些以后，套管鞋14的两半14A和14B放置在环状钻头的周围，以便套管鞋的槽23容纳环状钻头的凸缘20。同时，两半放置在环状钻头的周围，圆环31轴向滑落到周向对准的凹槽26上，这样，两半相互之间并且相对于环状钻头就放置好了。随后，由圆环倾斜面34和35与套管鞋的第一和第二斜角27和29分别形成的前部和后部V形凹槽用于焊接。焊接首先通过在形成的凹槽处充满焊接材料而完成，因此产生轴向前部焊缝36和轴向后部焊缝37。随后，由斜角30形成的纵向延伸的接头被焊接在一起。或者纵向延伸的斜角30可以被首先焊接。
这样，通过坚固的焊接，用于覆盖岩层钻井设备的套管鞋就可以生产出来了，以便能够在相当长的时间内保持套管的轴向推进。此外，还设计了一个大的通道空间，用于铺设焊接材料，这样使得该设备比较容易生产。
现在回到图5，其示出了与图1B相似的按照本发明的另一个实施例的覆盖岩层钻井设备的视图。环状钻头13′的四周设置有一个周向延伸的内部槽23′，其包括轴向延伸的间隔开的壁21′和22′，它们沿着与旋转轴线CL大体垂直的方向延伸。相应的周向延伸的外部凸缘20′设置在套管鞋14′上。凸缘20′通过轴向间隔开的壁24′和25′界定。槽23′的轴向长度比凸缘20′的轴向长度长，以便允许套管相对于环状钻头进行一些轴向运动。然而，轴向长度被这样选择，即允许套管鞋的前部轴向焊缝36′碰撞到环状钻头上。形成冲击面25′的焊缝36′可以采用在这种冲击下耐用的材料制造。
在操作覆盖岩层钻井设备时，钻头本体旋转同时通过冲击装置被冲击，以便钻孔。在钻头本体推进时，环状钻头的壁24与套管鞋的壁21啮合，以便推动套管前进。流体通过内部通道50、52传送到钻头本体的前面，用于冷却和清洁刀片18。与切屑一起传输的液体，通过回流通道54出来，该通道54设置在套管鞋的径向内部，随后在套管15内传送。
本发明可以在附属权利要求的范围内自由变化。尽管本发明已在此结合优选实施例进行了描述，本领域的技术人员应当明白，只要不偏离附属权利要求限定的精神和范围，可以进行没有详细描述的增加、删除、改进和替换。