带有抗破裂冲洗孔的柄部适配器技术领域
一种形成岩钻设备的组成部分的岩钻柄部适配器，并且具体地但
不排它地，一种具有冲洗孔的柄部适配器，冲洗孔的边缘的形状型面
构造成使得在孔的区域处响应于压缩力和/或拉伸力形成的应力和应力
集中最小化。
背景技术
冲击钻进是一种成熟技术，其通过从安装在钻柱一端处的岩石钻
头传递到钻孔底部处的岩石的锤打冲击来破碎岩石破碎岩石需要的
能量由液力驱动活塞产生，该液力驱动活塞接触被设置在钻柱的与钻
具相反的端部处的柄部适配器。活塞撞击适配器，形成应力(或者震
动)波，该应力(或者震动)波通过钻柱传播并且最终传播到钻孔的
岩石底部。
柄部适配器典型地包括内部孔道，用以允许将冲洗流体传送到钻
具的区域。冲洗流体既能冷却工具，又能将钻屑和细粉从钻孔排出常
规地，流体经由适配器壁中的径向延伸孔被引入到柄部适配器中，该
径向延伸孔浸没在流体箱中，且在孔的任一侧上轴向地对适配器的外
表面密封。带有内部冲洗孔道的示例柄部适配器在CA2,247,842、GB
2352671、WO2012/032485、WO2008/133584和WO2004/079152中描
述。
现有柄部适配器的常见问题在于：部分地由于撞击活塞产生的压
缩应力和拉伸应力以及特别地通过适配器传输到钻柱且最终传输到钻
具的冲击波，适配器壁易于随着起源于冲洗孔且从冲洗孔传播的裂缝
而破裂。在地下应用中，气蚀破坏促使了裂纹发生，从而加剧了该问
题。柄部适配器故障对于用户来说是一特殊问题，因为它经常破坏在
围绕适配器的流体壳体处的橡胶密封件。在检修部件时需要费时的替
换工作，结果导致非常不期望的停机时间。WO2004/079152公开了一
种冲洗孔，其尝试降低在孔的区域处的应力，以缓和破裂。但是，仍
存在对于如下柄部适配器的需求，该柄部适配器的冲洗孔进一步降低
或者消除了响应于通过适配器施加和传输的压缩力及拉伸力而破裂的
可能性。
发明内容
本发明目的在于提供一种岩钻柄部适配器，其具有用于将冲洗流
体引入到适配器中的进入孔，该进入孔构造用以最小化或者消除适配
器壁经由从冲洗孔传播的裂缝而破裂的可能性。另一目的在于提供一
种柄部适配器，其构造用以抵抗在冲洗孔的区域处经受的拉伸力和压
缩力。
该目的通过冲洗孔的具体形状构造且特别地通过孔相对于适配器
的轴向长度的最前区域和最后区域的形状构造实现。具体地，本发明
的冲洗孔包括位于孔的这些轴向最前和最后部分处的非弯曲直部段，
用以在不增大其它孔区域处的应力的情况下明显降低在这些区域处的
拉伸应力。因此，本发明的构造有利地明显增大了适配器的使用寿命，
特别是在这一破坏模式成问题的环境中。根据具体实现，本发明的冲
洗孔包括超椭圆形形状型面，其中孔或者狭槽的轴向最前区域和最后
区域不包括弧形，该弧形否则将引起从其可开始裂缝的区域。现有适
配器的孔的弯曲的、圆化的或者弧形的轴向端部区域用根据本发明的
直部段替换。重要的是，直部段的端部延续到弯曲部段中，弯曲部段
中的各曲线由多个曲率半径形成，以便提供从孔的前向部段和后向部
段到孔的相应的侧部段的平滑且渐变的过渡。
根据本发明第一方面，提供了一种岩钻柄部适配器，其包括：伸
长的主体，其具有朝向活塞定位的第一端，和朝向钻柱定位的第二端；
主体，其包括轴向延伸的内部孔道，以允许冲洗流体经由第二端流到
钻柱；冲洗孔，其在径向上通过主体延伸至内部孔道，所述孔在外部
侧由边缘限定，所述边缘具有轴向前向区域，该轴向前向区域定位为
比轴向后向区域更接近第二端，所述轴向后向区域定位为更接近第一
端；其特征在于：所述边缘的最前区域和最后区域包括直部段，各
直部段在每个端部处均由一相应的弯曲部段接界。
适配器进一步包括典型可以被认为是侧部段的部分，该侧部段在
轴向上在相应的弯曲部段的端部之间延伸，以完成边缘，从而形成闭
环。优选地，侧部段是直的。更优选地，侧部段平行于适配器的纵向
轴线对准。这样的构造有利地便于制造，因为冲洗孔可用常规钻具在
轴向上推进以产生伸长的狭槽而形成。
优选地，直部段垂直于适配器的纵向轴线对准。这有益地使得在
孔的区域处的应力集中最小化，这是因为围绕所述孔的应力相对于适
配器的纵向轴线以非对称方式变化。亦即，本发明构造成尽可能地降
低由于冲击波通过适配器传输时围绕所述孔的应力类型(压缩和拉伸)
差异而引起的适配器壁破裂的风险。
优选地，弯曲部段包括由多个半径形成的弯曲型面，以便弯曲半
径在离开各直部段、垂直于适配器的纵向轴线的方向上减小。这有利
地提供了从直部段到侧部段的平滑渐变过渡，以便由于压缩载荷以及
拉伸载荷引起的应力集中最小化，特别是降低了响应于压缩力的疲劳。
所述孔的边缘的形状型面离开轴向最末端的直部段逐渐地弯曲，
以消除适配器壁中可能因非平滑或成角度的边缘部段而产生高应力集
中区域的区域。
优选地，边缘的形状型面是伸长的，以便在垂直于适配器的纵向
轴线的平面中，孔的轴向长度大于孔的宽度。优选地，孔在边缘处的
形状型面是大致矩形的，其中矩形的角部按照多个曲率半径弯曲。将
一系列不同的曲率半径用于孔边缘的各弓形区域消除了在相对于纵向
轴线的边缘方向上的急剧变化。优选地，在垂直于适配器的纵向轴线
的平面中，各前向直部段和后向直部段的长度大致相等。优选地，在
轴向平面且在垂直于适配器的纵向轴线的平面中，边缘的形状型面均
是对称的。对称的形状型面既有利于易制造性，而且有利于围绕孔的
区域以及在大体整个适配器上的均匀应力分布。
优选地，边缘的形状型面在径向方向上从外部侧通过伸长的主体
到内部孔道被保持。亦即，孔的形状型面通过适配器壁的径向方向在
外表面和内部孔道之间是均一的。具体地，冲洗孔的内部边缘的形状
型面对应于在适配器的外部侧处的边缘的形状型面，且与之大致相同。
因此，在孔的区域处的应力特性旨在围绕孔的区域在径向方向上通过
适配器壁且特别地通过伸长的主体的外表面及内表面都是均一的。
可选地，边缘的形状型面通过等式(x/a)n+(y/b)n＝1限定，其
中x与适配器的纵向轴线对准。优选地，a大致等于b，并且其中n是
包括小数的实数，其中可选地，3＜n＜5。可选地，a＝r；b＝r+dr，其中-r＜dr＜r
并且优选地dr＝0，其中r可以在0到W/2的范围中，其中W是孔在垂
直于适配器的纵向轴线的方向上的宽度。可选地，根据具体实现，r在
0和15之间，且可选地，在2至13之间。
根据本发明第二方面，提供了包括如本文要求保护的柄部适配器
的岩钻设备。优选地，设备进一步包括：伸长的活塞，该伸长的活塞
具有主长度和与适配器的第一端接触的能量传递端；和钻柱，其由多
个被联接的伸长的钻杆形成，其中钻柱的最后的钻杆联接到适配器的
第二端。
附图说明
现在将参考附图仅仅举例说明本发明的具体实现，其中：
图1例示了根据本发明具体实现的形成岩钻设备的组成部分的柄
部适配器的外侧视图，包括伸长的钻柱和液力驱动的往复移动活塞；
图2例示了通过图1中的适配器的横截面侧视图；
图3例示了在图2的适配器中的冲洗孔道的放大横截面图；
图4例示了形成在根据本发明具体实现的图1的适配器中的冲洗
孔的放大外侧视图。
具体实施方式
参考图1，岩钻设备包括伸长的能量传递适配器100，能量传递适
配器100包括主体(或长度部段)101，主体101具有相对于纵向轴线
109的前向端103和后向端104。多个轴向平行的伸长的花键106在伸
长的主体101的朝向后向端104的后向区域处从外表面102向外径向
突出。花键106构造成由旋转马达(未示出)的相应的花键接合，以
在钻进操作期间引起适配器100绕轴线109的旋转。适配器100进一
步包括冲洗孔道105，冲洗孔道105在轴向上定位在端部103、104之
间，并且从外表面102在径向上延伸通过适配器主体101至在适配器
100中轴向延伸的内腔或者区域。
适配器100构造用于联接到伸长的钻柱，并允许将应力波传输到
位于钻孔的最深区域处的钻具(未示出)，以施加冲击钻进动作。具
体地，适配器的前向端103可以联接到最后的伸长的钻杆107的后向
端，钻杆107形成钻柱的组成部分。最后的适配器端104构造成由液
力驱动活塞108接触，以在适配器100和钻柱内产生应力波。该设备
进一步包括围绕适配器表面102定位在外部的冲洗流体箱及关联的密
封、阀和泵(未示出)，以便冲洗孔105浸没在箱中，从而允许流体
引入到适配器100中且接着在轴向上通过伸长的钻杆107。
参考图2和3，适配器100包括从孔105的区域在轴向上延伸到
最前端103的内部伸长的孔道200。具体地，孔道200包括最后端206
和开放的最前端207，最前端207定位为与延伸通过各钻杆107的内部
孔道(未示出)流体连通。
孔105由具有闭环构造的外部边缘202限定，其中所述环包括直
的区域和弯曲区域。孔105从外表面102在径向上延伸通过适配器壁
203至内表面201，内表面201限定了内部孔道200。因此，冲洗孔105
进一步由具有与外部边缘202相同的形状型面的最内部或者内部边缘
205限定，其中边缘202、205由径向延伸的表面204联接，表面204
垂直于轴线109对准，且限定钻孔105的径向壁。表面204在垂直于
轴线109的平面中是大致直的且非弯曲的，以便孔105的形状型面从
外部边缘202在径向方向上至内部边缘205是均一的。在使用中，流
体经由孔105被引入适配器100中。然后，流体被迫使通过孔道200
并且进入最后的钻杆107，以从围绕钻具(未示出)的区域中冲洗切屑
以及(由于适配器100和钻杆107在切削操作期间绕轴线109旋转)
冷却钻杆107和切削刀具两者。
参考图4，冲洗孔105包括大体伸长的形状型面，其中在垂直于
轴线109的平面406中，轴向长度L大于宽度W。孔105可以认为包
括轴向前向区域400和轴向后向区域410，轴向前向区域400相对于轴
向后向区域410被定位为更接近适配器的前向端103，轴向后向区域
410被定位为更接近适配器的后向端104。前向区域和后向区域400、
410由相应的非弯曲直部段形成，以便在与垂直于轴线109的平面406
对应的平面中，在前向区域和后向区域400、410处径向延伸的壁面204
是大致平面。相应的直边缘区域400、410在每个相应端部401、402
处由弯曲部段403接界，各弯曲部段403从前向区域400向外且向后
弯曲通过大致90°，并且从后向区域410向外且向前弯曲通过大致90
°。亦即，各弯曲部段403被限定在直部段端部401、402与侧部段405
的轴向端部404之间。侧部段405是非弯曲的，并且平行于轴线109
且垂直于前向直区域和后向直区域400、410对准。侧部段405的轴向
长度大于直的区域400、410(在端部401、402之间)的相应长度，以
便孔105包括在轴向上与适配器100的主长度对准的大体伸长构造。
因此，壁面204在各侧部段405处从外部边缘202在径向方向上至内
部边缘205是大致平面。
各弯曲的边缘部段403包括由多个不同的曲率半径限定的形状型
面，以在前向(和后向)端部401、402与侧部段端部404之间形成扫
圆弧过渡。具体地，在弯曲部段403的端部区域407、409处的曲率半
径大于在中间弯曲区域408处的相应曲率半径。该构造有利于在应力
波(压缩或者拉伸的)经过孔105在轴向上传输通过适配器壁203时
使得应力集中最小化。
本发明主题有利于使得响应于沿着轴线109的压缩载荷在前向区
域和后向区域400、410处的应力和应力集中最小化，且特别地，使得
所形成的且被增强的在弯曲部段403处的挤压力以及在直的区域400、
410的中间区域处的拉伸应力最小化。本发明的孔的形状型面构造成分
配应力，并且特别地构造成降低在前向区域和后向区域400、410处因
适配器100中的与弯曲部段403和直的区域400、410相邻的位置处的
应力类型(压缩和拉伸)改变引起的应力载荷。根据一个具体实现，
孔105在最外和最内边缘202、205处的形状型面呈超椭圆形的型式，
该超椭圆形可选地由xn+yn＝rn限定，其中n是包括小数的实数，为
3＜n＜5。值r在0至W/2的范围中，且特别地在2至13mm之间。
使用计算仿真，利用在边缘202、205处由以上等式限定的超椭圆
形形状型面，其中r是12mm，发现具有典型长度和宽度构造的适配器
100在孔105的区域中表现出明显降低的应力集中。具体地，使适配器
100在狭槽105的区域处承受250MPa的静态压缩载荷，则观察到最大
应力为325MPa，这又提供了325/250＝1.3的应力集中系数。这与具有
如下冲洗孔(105)的适配器形成对比，在冲洗孔(105)中，前向区
域和后向区域(对应于直的区域400、410和弯曲部段403的组合)是
半圆形的(具有中间直部段405)。该构造导致384MPa的最大应力，
和384/250＝1.54的应力集中系数。因此，本发明的构造在适配器100
由于活塞108的快速往复冲击运动而承受高周疲劳时提供显著的15％
应力降低。因此，包括本发明的冲洗孔105的适配器增强了装置的使
用寿命。