CN116324117A - 中位旁通泥浆锤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种泥浆锤，包括：活塞筒，其包括至少一个排出口，构造为接收包括钻井泥浆的单流钻井液；活塞，其定位在活塞筒内，并且构造为由钻井液的第一部分操作以往复运动移动；旁通管，其穿过活塞设置，并且与钻头流体连通；可调阀组，其构造为将钻井液的第二部分分流到旁通管中；防磨衬套，其定位为防止活塞和活塞筒的接触，其中分流到旁通管道中的钻井液的第二部分从钻头排出，钻井液的第一部分通过排出口从活塞筒沿远离钻头的方向排出。

Description

中位旁通泥浆锤

技术领域

本发明涉及一种流体或泥浆锤，泥浆锤***以及深井钻进方法。

背景技术

随着对新的无排放、可再生、基荷式地热能源供应的需求的增加，操作者不得不钻得更深以找到足够热量用于热能生产。更深的钻进，特别是在陆上，其较高的成本通常大多与机械钻速(ROP)的降低相关联。而更深的钻进往往与更硬的岩石、过压的储层以及更高的静压相关联，与之抗衡则需要更硬的岩石和更大的泥浆重量，从而导致了机械转速的降低。典型的泥浆旋转钻进方法在硬岩层中的性能指标可能差强人意。例如，与期望中的相比，典型的泥浆旋转钻进方法可能钻进速度较慢并且钻头寿命较短，因而增加了在硬岩层中的运行成本。为了提高在硬岩层中的钻进性能，已经开发出了将流体或泥浆锤与钻头相结合的冲击钻进***。

流体或泥浆锤***将钻井液中的部分动力转换为驱动钻头进入地层中的机械力。活塞运动撞击钻头所产生的冲击力可使硬岩中的机械钻速提高500％以上。然而，井控以及钻屑到地面的运输所需的钻井液中的泥浆添加剂会对流体锤的移动部造成高磨损率。工作部件上的这种高磨损率，以及通过典型的流体锤泵送以从井底清除钻屑的有限量的流体流体，这些均是典型的流体锤***的显著缺陷，使其无法用于深井钻进。因而，唯一使用的方法一般仍是旋转三锥钻进方法。然而，典型旋转三锥方法的低机械钻速和高成本至少在一定程度上阻碍了大多数国家的地热能源生产的发展，这些国家需要深层硬岩井来达到发电、脱盐、供暖、制冷和废水处理所需的地热水平。

一个典型的流体锤***是双循环水锤或流体锤(“DC流体锤”)，例如美国专利申请公开号2018/0044991A1中公开的***。DC流体锤使用双循环钻杆***将钻井泥浆从清水中分离出来。通常注入钻杆环空的清水在压力下泵送以操作水锤。该清水操作可能有助于延长维修和重建DC流体锤之间的作业时间。当操作者钻更深的井时，要求钻井泥浆具有较高的粘度，以便将钻屑运输到地面，并防止包括高气压在内的地层流体进入井中。高粘度钻井泥浆通常被泵入钻杆***的内管，并通过穿过DC流体锤的内管输送到DC流体锤的钻头面。这可以防止泥浆流过DC流体锤的工作部件，从而使部件磨损。清水和钻井泥浆在离开DC流体锤后混合在一起，并将钻屑推向地面。

然而，典型的DC流体锤具有许多缺陷。已经发现，在使用钻井泥浆钻进深井时，DC流体锤的磨损速度比预期更快，而且不能在需要的时间内发挥作用。例如，已经发现，流过DC流体锤的工作部件的清水也会磨损该部件。

用于钻进深井的典型DC流体锤的另一个缺陷在于泥浆流失量大。当总的混合流与钻屑一起排出井外时，总流体的一定比例必须在表面被清洗到大约3到10微米之间，然后才能在压力下将其泵入管中，以操作DC流体锤。该比例通常为在压力下沿钻杆运送的总流体量的20％到50％左右。从这一比例的总流体中抽取出的泥浆和钻井添加剂必须重新加入到钻井泥浆流中，这些钻井泥浆流被泵入到DC锤的内管中，与井底的锤排出的清水混合。必须放回的泥浆量可能很大，会给DC流体锤造成过高的作业成本，可能比每天更换整个DC流体锤本身的成本还要高。

典型DC流体锤的另一个缺陷在于其作业需要双循环钻杆，以便于该DC流体锤可以从该双循环钻杆接收两个分开的流。其中一个流是清水，另一个流则包含钻进泥浆和添加剂。清水流操作DC锤，而钻井泥浆则引到钻头面。然而，双循环钻杆增加了钻井***操作的复杂度，原因至少在于双循环钻杆未经美国石油协会(API)认证。

使用未经API认证的钻杆的钻井***的作业可能增加设备受伤或损坏的风险，例如对于用来将泥浆运送到井底的内管。因此，这种***无法提供合适的安全等级。例如，在至少一些实例中，使用未经API认证的钻杆(例如双循环钻杆)在机械上难以、甚至不可能包括典型的内防喷器(IBOP)。正如本领域技术人员所知，IBOP可以是位于顶部驱动下方的短节，在发生紧急情况或井喷时可以远程或手动关闭。如果没有IBOP，将泥浆运送到井底的内管会为喷发到井上的危险气体提供不受限制和约束的通路。此外，难以、甚至不可能将内部安全***添加到内管中。使用未经API认证的钻杆的钻井***的作业还可能增加钻井***的运行成本(例如，除非司钻使用了API认证的钻杆和安全***，否则出于安全考虑一些保险公司不会提供油井保险)。因而，典型操作者不会使用未经API认证的钻杆，从而减少了DC流体锤的使用。

至少部分的典型泥浆锤的额外缺陷在于所谓的再研磨。再研磨是指正被钻进的岩石未从钻头面冲掉，导致钻头一遍遍地对同一岩石材料进行再钻进、冲击和研磨使其成为糊状。这是由于推动通过典型的流体锤、水锤或泥浆锤的工作部并通过钻头开口排出的流体体积的限制，其结果是极其缓慢的钻井量或钻井速度，以及钻头的过早失效。例如，作为示例，再研磨可以导致水锤、流体锤或泥浆锤的钻头在仅20米(65.5英尺)后失效，而这些钻头本该坚持400米(1312.3英尺)或更多。

通过将钻井泥浆分流到钻头面，典型DC流体锤有助于增强冲洗以及减少再研磨。然而，典型DC流体锤的作业可能导致过多流体或泥浆(例如，总流体量的70％到80％)被运送到钻头面。已经发现，当过多的流体或泥浆被运送到钻头面时，可能会在钻头下形成一个高压流体垫，显著降低了DC流体锤的生产水平。同样发现，为了解决高压流体垫的问题，减少通过典型的DC流体锤内管的泥浆流量，导致钻井液总量不足以提升或运输钻屑到地面。因此已经发现必须在DC流体锤和典型的水锤、流体锤或泥浆锤上方安装一个旁路短节，以便向井内运送足够的泥浆量，从而将钻屑提升到地面。从锤上方的旁路短节流出的高流量限制了来自下方试图运输钻屑的流动物。此外，至少一些典型的流体锤、水锤、泥浆锤或DC流体锤限制为仅流动总井量的20％或者仅以此作业，在直径12英寸(30.48cm)规格的DC流体锤上，井总量大约为每分钟200到300加仑，这远低于钻进5000米深度直径12.5英寸的井所需的每分钟大约1000加仑的总井量。

因此，期望至少可以解决上述缺陷的泥浆锤钻进***。

发明内容

本申请总体上涉及一种泥浆锤，泥浆锤***以及深井中安全可行的冲击钻井方法，比典型的流体锤、泥浆锤和水锤效率更高。

术语“起下钻杆”或“进行起下钻”理解为描述将钻柱从钻孔中移出或拉出以进行调整或者更换已耗尽的部件，然后将钻柱送回钻孔中的物理行为。

在第一方面中，本发明提供一种泥浆锤，包括：活塞筒，其包括至少一个构造为接收包括钻井泥浆的单流钻井液的排出口；活塞，其定位在活塞筒内，并且构造为由钻井液的第一部分操作以往复运动移动；旁通管，其穿过活塞设置，并且与冲击钻头流体连通；可调阀组，其构造为将钻井液的第二部分分流到旁通管中；防磨衬套，其定位为防止活塞和活塞筒的接触，其中分流到旁通管道中的钻井液的第二部分从钻头排出，钻井液的第一部分通过排出口从活塞筒沿远离钻头的方向排出。

在一个实施例中，提供了一种泥浆锤，其包括活塞筒，并构造为利用包括钻井泥浆在内的钻井液进行作业。活塞定位在活塞筒内，并且构造为在活塞冲程长度的往复运动中移动。旁通管穿过活塞定位。阀组构造为允许设定量的流体流入旁通管中。防磨衬套定位以防止活塞和活塞筒的接触。钻头与旁通管流体连通。

在第二方面中，本发明提供一种***，包括：单流钻杆，构造为运送包括钻井泥浆的单流钻井液；以及与单流钻杆流体连通的泥浆锤，该泥浆锤包括：活塞筒，其包括至少一个排出口；活塞，其定位在活塞筒内，并且构造为由钻井液的第一部分操作以往复运动移动；旁通管，其穿过活塞设置，并且与冲击钻头流体连通；可调阀组，构造为将钻井液的第二部分分流到旁通管中；防磨衬套，其定位为防止活塞和活塞筒的接触，其中分流到旁通管中的钻井液的第二部分从钻头排出，钻井液的第一部分通过排出口从活塞筒沿远离钻头的方向排出。

在一个实施例中，提供了包括单流钻杆的***，该单流钻杆构造为运送包括钻井泥浆的单流钻井液。该***还可以包括与单流钻杆流体连通的泥浆锤。该泥浆锤构造为利用包括钻井泥浆在内的钻井液进行作业，并且包括活塞筒。活塞定位在活塞筒内，并且构造为在活塞行程长度的往复运动中移动。旁通管穿过活塞定位。阀组构造为允许设定量的流体流入旁通管中。防磨衬套定位以防止活塞和活塞筒的接触。钻头与旁通管流体连通。

在第三方面中，本发明提供一种钻进方法，包括：将泥浆锤定位在钻井中，该泥浆锤包括：活塞筒，其包括至少一个排出口；活塞，其定位在活塞筒内，并且构造为在由钻井液的第一部分操作以往复运动移动；旁通管，其穿过活塞设置，并且与冲击钻头流体连通，该钻头具有钻头面；可调阀组，构造为将钻井液的第二部分分流到旁通管中；以及防磨衬套，其定位为防止活塞和活塞筒的接触；通过单流钻杆，将单流的钻井液导向泥浆锤，该钻井液包括钻井泥浆；以及操作该泥浆锤在钻井中钻进，其中分流到旁通管的钻井液的第二部分从钻头面排出，钻井液的第一部分通过排出口从活塞筒沿远离钻头的方向排出。

在一个实施例中，方法包括将泥浆锤定位在钻井中。该泥浆锤构造为利用包括钻井泥浆在内的钻井液进行作业，并且包括活塞筒。活塞定位在活塞筒内，并且构造为在活塞行程长度的往复运动中移动。旁通管穿过活塞定位。阀组构造为允许设定量的流体流入旁通管中。流入旁通管中的设定量的流体包括钻井液中钻井泥浆的第一部分。钻井液中钻井泥浆的第二部分在旁通管外流入到泥浆锤中，以操作该泥浆锤。防磨衬套定位以防止活塞和活塞筒的接触。钻头与旁通管流体连通，并且钻头具有钻头面。单流的钻井液通过单流钻杆导向到泥浆锤，钻井液包括钻井泥浆。操作泥浆锤从而在钻井中钻进。钻井泥浆的第一部分在钻头面排出泥浆锤外。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个方面的钻进***的截面图。

图2示出了根据本发明的另一个方面的泥浆锤的分解图。

图3示出了图2中示出的泥浆锤的透视图。

图4出示了根据本发明的一个方面的钻进方法的流程图。

具体实施方式

本文中使用的术语“短节”理解为子结构。这是一个笼统的术语，适用于钻柱的众多小部件，例如短钻铤、交叉接头、浮动短节、提升短节、钻头短节、入口短节和循环短节。

本发明涉及泥浆锤100、200，与典型的流体锤和水锤相比，该泥浆锤寿命更长并且性能更优。例如，与典型的流体锤和水动锤相比，所提供的泥浆锤针对深井钻进可以具有更长的寿命和更优的性能。在另一个示例中，与典型的流体锤和水锤相比，所提供的泥浆锤针对在硬岩层的钻进可以具有更长的寿命和更优的性能。所提供的泥浆锤构成为利用较高粘度的流体(例如，50微米)进行作业，并且由钻井液操作，钻井液包括钻井泥浆(例如，取代如DC流体锤设计中的清水)。例如，所提供的泥浆锤可以在其部件之间包括比至少部分典型流体锤更大的间隙，从而使得所提供的泥浆锤通过钻井液而进行作业。

单流钻井液14通过标准单流钻杆12运送到泥浆锤100。典型的单流钻杆经过API认证，因而相对于使用未经API批准的非准许类型的钻杆(例如，双循环钻杆)的典型泥浆锤(例如，DC流体锤)而言，提高了所提供的泥浆锤的安全性和易用性。例如，泥浆锤100可以使用内防喷器(IBOP)。附加地，利用钻井液操作泥浆锤不会导致典型DC流体锤会出现的高泥浆流失度，因为与典型DC流体锤的作业相比，泥浆锤100不需要精细过滤的水。

所提供的泥浆锤100、200包括活塞106，活塞106在泥浆锤的活塞筒102中以往复运动的方式移动。阀组132控制泥浆锤100中钻井液的流动，从而引起活塞的移动。在该实例中，引起活塞移动的该阀组132也以往复运动的方式移动。利用钻井泥浆操作泥浆锤的一个缺陷在于，在泥浆锤作业期间，钻井泥浆往往比期望的更快磨损这些移动部件(例如，DC流体锤试图解决的问题之一)。

为了帮助解决钻井泥浆带来的耐久性问题，泥浆锤100可以包括防磨衬套134，防止或至少减少泥浆锤的活塞筒102和活塞106的接触。在一些实施例中，泥浆锤可以包括次级防磨衬套136，防止泥浆锤的活塞筒102和引起活塞移动的阀组132的接触。一个或多个防磨衬套有助于防止泥浆锤内部部件的磨损，由此在需要更换之前延长了部件的寿命。在一个或多个防磨衬套134、136充分降解的情况下更换一个或多个防磨衬套。例如，一个或多个防磨衬套134、136可以设计为坚持大约与泥浆锤钻头108所期望的寿命相同的时长，使得防磨衬套134、136和钻头108能够同时更换。

将泥浆锤100从井中拉出或起出是一个耗时的过程，因此，与分两次将泥浆锤100从井中拉出相比，在更换钻头108的同时更换一个或多个防磨衬套134、136提高了泥浆锤的操作效率。此外，相对于与典型DC流体锤相关联的钻井泥浆损失的操作成本，更换一个或多个防磨衬套134、136的操作成本可以低得多(例如，十分之一的成本)。因此，与典型DC流体锤相比，泥浆锤100、200提供了更高的效率和操作安全性。

泥浆锤100、200包括与钻头108流体连通的旁通管104。运送到泥浆锤100、200的包括钻井泥浆在内的钻井液14可以流过旁通管104，并且在钻头面120处排出。由此，与典型泥浆锤相比，旁通管104增加了到钻头面的钻井泥浆流量，以便改善钻头面120处的冲洗并且限制再研磨。

提供了另一个阀组130以控制流入并流过旁通管104的钻井液14的量(在图1的截面图中展示为中间流16)。单流钻井液14连通到单流钻杆12，在此处流16的一部分分流到旁通管104。分流的钻井液量可以通过多个阀组130中的选择来改变。当选择了具有大直径的阀组130，较大一部分的钻井液14将导向到旁通管104中，而较少量的钻井液14导向到活塞106的操作(在图1中展示为流18A和流18B)。从多个阀组130中选择了具有较小口(例如，直径为5毫米)的阀组130的情况下，较大一部分的钻井液14导向到活塞106的操作，而较少量的钻井液14导向到旁通管104。

减小阀组130的尺寸(因此进入旁通管104的入口)将增加导向到锤100的工作部件的钻井液的比例。在给定压力和流速下，例如，6000米处2000psi D/T下速度为1000US GPM(US加仑每分钟)，减小口径将把钻井液的该比例例如从30％增加到35％，同时把钻井液到钻头面的流速从70％降低到65％。阀组130的缩小的口径将增加锤的强度，允许锤在给定流速下实现更大的冲击力。因此，当钻机的能力仅能实现1000GPM，并且需要增加活塞撞击力和/或撞击率来打破硬岩层时，减小阀组130的(内管)口径是延长钻头寿命和提高钻头机械钻速的一个调整选项。增加驱动活塞106的钻井液18A、18B的量也可以提供活塞106的更高的循环速率。最大活塞循环速率为每秒大约25个循环。相反，减少驱动活塞106的钻井液18A、18B的量可以降低活塞的循环速率，最小为大约每秒10个循环。

如果地质较软，增加阀组130的(进入旁通管104的)口径是有益的，这样锤敲击的力量较小，以及通过旁通管104到钻头面的钻井液流量增加，有助于冲洗/清除钻屑，因为地质松软，钻进速度较快。这意味着将有更多的井的环空内的钻屑被推到地面上，所以到钻头的流量的增加将有助于移动这些额外重量/体积的钻屑。通过增加自地面上钻机泵送的钻井液压力和体积，还可以提高活塞106的撞击率。这无需改变或调整阀组130(旁通管104的输入口)即可以实现。例如，如果司钻想要将活塞106的撞击率从18BPS(每秒撞击18下)提高到20BPS，那么该司钻可以提高泥浆泵的每分钟转数(RPM)，从而提高到锤100的钻井液的流量和压力。在钻井的同时可以持续地或间歇地或进行该调整，从而保持最佳撞击率。

在泥浆锤100定位到井中前，选择阀组130并将其装配到泥浆锤，而直到泥浆锤从井中移出以更换防磨衬套134、136和钻头108中的任一个，该阀组一直保持到位。此时，在重新***井中之前，可以对泥浆锤进行改变以调整阀组130，考虑是否需要增加活塞的循环速率或增加分流到旁通管104的钻井液以冲洗钻屑。

在图1中，以横截面示出了阀组130，在此处，单流14分为分流到旁通管104的中间流16以及外侧流18A、18B。中间流16进入旁通管104，之后同轴地穿过次级阀组132和活塞106。流16通过旁路管104传输，并在钻头面120处以多个排出流124A、124B排出。

同时，钻井液的外侧流18A、18B从旁通管104的外部引到由防磨衬套136保护的阀组132。外侧流18A、18B可以被迫环绕和/或通过活塞106，并且可以在通过排出口110A、110B排出泥浆锤，形成一个或多个排出流112A、112B之前就离开活塞筒102和/或活塞106(通过口140)。

在图2中，阀组130示出为具有扩口端的管道或管，用于与旁通管道104的接收端配合，并且在阀组130和旁通管104之间封装一对O型环202。阀组130的内径可以小到5毫米。阀组的内径可以从5毫米增加到10毫米、15毫米、20毫米、25毫米、30毫米，甚至在12英寸的泥浆锤中到大约50毫米。在18英寸的泥浆锤中阀组130的外径可以增加到大约75毫米。

限制运送到钻头面120的钻井液14的量可以有助于避免过多的钻井液或泥浆运送到钻头面而导致的高压垫问题。阀组130选择性地设置为使得总运送钻井液和泥浆的40％到80％能够通过旁通管104并运送到钻头面120。在一些实施例中，阀组130可以是旁通管104的组成部件。在一些实施例中，阀组130可以构造为使得可以流入和流经旁通管104的流体量可调整，例如，具有可调孔径或隔膜，从而选择性地增加或减少通过的流量。此外，可以通过运送的钻井液中压力的变化来调整阀组130。例如，阀组130可以构造为在2000psi时完全打开，并且随着钻井液压力的减小而逐渐关闭。相反的，阀组130可以构造为随着压力增长而逐渐关闭。

在一些实施例中，可以在从多个不同尺寸的阀组中选择阀组130时进行该调整。在这些方面中，阀组130的可调整性为钻井操作者提供了基于不同钻井条件和地质而控制流入旁通管104的流体量的能力。运送到泥浆锤100的钻井液中没有流经旁通管104的剩余部分在压力下被推入泥浆锤100中以操作泥浆锤。当从多个不同尺寸的阀组中选择阀组130时，利用新钻头108将锤下钻到井中前，在地面对阀组130进行选择和安装。因此，司钻选择调整阀组130之前，该阀组将保持设定的开度，例如，30毫米。司钻将基于之前400米的钻井操作中锤100的性能以及根据地质情况在300米到1000米之间钻进的最后一个钻头108的状况来选择阀组(由此确定进入旁通管104的所需口径)。

相较于每分钟仅能向钻面运送总计大约200到400加仑(GPM)(每分钟757.1到1514.2公升(LPM))的典型水锤或流体锤，本发明人发现直径12英寸(30.48厘米)规格的泥浆锤100能够运送总计大约800到1000GPM(3028.3到3785.4LPM)。在提到12英寸型号的泥浆锤时，应当理解，该锤的外径(OD)是12英寸。12英寸锤可以具有大约11英寸的筒径，因而该锤可以使用12英寸的钻头，而12英寸的钻头是最小的钻头之一，一般12英寸锤使用的钻头范围在12英寸到17英寸。

在一个示例中，该总运送流量可以包括通过泥浆锤100的工作部件强制运送的300GPM(1135.6LPM)和通过旁通管104运送的700GPM(2649.8LPM)。该总运送流量是钻进5000米(16404英尺)深的12.5英寸井时总井容积的大约80％到100％，相对于如上所述的至少部分典型流体锤或泥浆锤而言，该流通能力已经有所提高(例如，100％到150％)。

因而，泥浆锤100、200接收单流钻井液14，向钻头面120运送定量的钻井液，并且对剩余部分的钻井液进行操作，同时限制钻井液对泥浆锤内部部件的负面作用。相较于典型的泥浆旋转钻进方法，本发明人发现泥浆锤100在硬岩层以更快的速率(例如，相较于300毫米/小时或0.98英尺/小时，以10米/小时或者32.81英尺/小时，)钻进。本发明人还发现，在硬岩层中钻进时，泥浆锤的钻头108具有比典型的高级旋转钻头更长的使用寿命(例如，相较于使用寿命最终时20米或65.62英尺，使用寿命最终时达到400米或1312.3英尺)。

图1示出了根据本发明一个实施例的钻进***10的截面图。钻进***10包括单流钻杆12和泥浆锤100。单流钻杆12可以是任意合适、标准且API认证的钻杆。单流钻杆12可以联接到泥浆锤100。例如，单流钻杆12可以包括联接到泥浆锤100一端的内螺纹部分的外螺纹部分。钻井液的流14可以通过单流钻杆12运送到泥浆锤100。如本领域技术人员将认识到的，钻井液包括钻井泥浆和各种添加剂。

泥浆锤100的主体可以包括多个部件。这些部件可以包括活塞筒102、顶部短节126、驱动短节138和/或其他合适部件中的一个或多个，其他合适部件例如是图2中示例泥浆锤200的分解图中展示的一个或多个部件。泥浆锤100包括活塞106。活塞106定位在活塞筒102中。活塞106构造为沿图1中双箭头128的方向往复运动平移。活塞106的往复运动限定了由图1中双箭头114所指定的活塞冲程长度。在各个实例中，当钻进作业所需的流体或泥浆压力运送到泥浆锤100时，活塞106可以以每秒大约10到25个循环的速度进行往复运动的循环。活塞106平移过两个活塞冲程长度后回到起始位置时完成了一个循环。在一些实例中，可以通过降低流体或泥浆运送到泥浆锤100的压力来控制活塞106以低于每秒10到25个循环的速度进行循环。相反，可以通过增加运送到泥浆锤100的流体或泥浆的压力来提高活塞的循环速度。在一些实施例中，冲程长度可以在大约20到60毫米之间(0.79到2.36英寸)。在至少一些示例中，活塞冲程长度可以是大约40mm(1.57英寸)。

在一些方面中，随着活塞106的移动，活塞106一端上的界面116撞击钻头108。在一些示例中，例如所示出的，活塞106的另一端撞击阀组132。在其他示例中，阀组132可以定位在所示出的活塞106的一端的对端。在一些实施例中，阀组132可以环绕活塞106定位。如本领域技术人员将认识到的，阀组132构造为引起活塞106的移动。在各个实例中，阀组132可以包括单个阀或者可以包括多个阀或其他合适部件。在一些实例中，阀组132可以包括一个或多个单向阀和/或柱塞。在其他方面中，活塞106可以包括口140，取代或附加于阀组132。口140可以构造为引起活塞106的移动。通过具有控制可以流经的钻井液量的可变孔径或隔膜，阀组132可以是可调整的。在一些实施例中，阀组132是可以从一定的阀门直径范围中选择的多个阀组132中的一个。

在各个方面中，泥浆锤100包括防磨衬套134，定位在活塞106和活塞筒102之间。随着活塞106以其往复运动而移动，活塞106和活塞筒102之间的摩擦力可以导致活塞106和/或活塞筒102降解。利用钻井液操作泥浆锤100会加快该降解的速度。为了帮助防止该降解，防磨衬套134帮助防止活塞106和活塞筒102之间的接触。随着活塞106的移动，防磨衬套134代替(更加昂贵的)活塞106和/或活塞筒102降解。防磨衬套134由合适的耐磨材料构成，例如钨、双合金、碳和金刚石浸渍钢。当降解到防磨衬套134无法再防止活塞106和活塞筒102的接触时的磨损极限时，可以更换防磨衬套134。在各个实例中，防磨衬套134构成为在防磨衬套134和钻头108达到各自磨损极限前的泥浆锤100作业期间，使用寿命大约和钻头108一样长(例如，大约40小时的持续作业)。

在泥浆锤100包括阀组132的实例中，阀组132也以往复运动而移动。在这些实例中，泥浆锤100可以包括次级防磨衬套136，位于阀组132和活塞筒102之间。为了帮助防止阀组132和/或活塞筒102的降解，防磨衬套136帮助防止阀组132和活塞筒102的接触。对防磨衬套134的描述同等地应用到次级防磨衬套136上。因此，考虑到利用钻井液操作泥浆锤100所产生的降解诱导影响，防磨衬套134、136延长了泥浆锤100的作业寿命。

在一些方面中，泥浆锤100包括旁通管104。旁通管104定位为穿过活塞106。在一些实例中，旁通管104可以定位为穿过阀组132。在一些实例中，旁通管104相对于活塞106和或活塞筒102的居中(例如，沿其长轴线定位)。在一些方面中，旁通管104的内径在大约2英寸到3英寸之间(大约5.08厘米到7.62厘米)。旁通管104与钻头108流体连通(例如，在界面118处)，由此钻井液可以通过旁通管104运送到钻头108。泥浆锤100构造为运送到泥浆锤100的钻井液的定量部分通过旁通管104导向，而运送的钻井液的剩余部分在压力下被推入泥浆锤100中以操作泥浆锤100。例如，从泥浆流体的流14开始，流14的部分16流入到旁通管104中，而部分18A和部分18B流入到泥浆锤100中。对通过旁通管104运送到钻头面120的钻井液量进行计量，有助于避免过多的钻井液或泥浆运送到钻头面120而导致的高压垫问题。

在各个方面中，为了控制进入旁通管104的定量流，泥浆锤100包括阀组130。阀组130可以是单个阀或者转接器，或者可以是多个阀和/或多个转接器。在一些实例中，阀组130可以是旁通管道104的部件。在其他实例中，例如图1和图2中示出的，阀组130可以定位在旁通管104的接收端。阀组130可以构造为允许设定量(例如，流16)的运送到泥浆锤100的钻井液14(例如，流14)流到旁通管104中。在一些实例中，该设定量可以是小于总运送钻井液14的80％的量。在一些实例中，该设定量可以是是总运送钻井液14的大约50％到80％。在一些方面中，阀组130可以是不可调整的，因此阀组构造为仅允许单个设定量的钻井液进入旁通管104。在其他方面中，阀组130可以是可调整的，因此钻井操作者可以调整阀组130构造为允许流入旁通管104的流体的设定量。通过具有控制可以流经的钻井液量的可变孔径或隔膜，阀组130可以是可调整的。在一些实施例中，阀组130是可以从一定的阀门直径范围中选择的多个阀组130中的一个。在这些方面中，可调整性为钻井操作者提供了基于不同钻进条件和地质而更改运送到钻头面120的钻井液14的量的能力。

泥浆锤100包括钻头108。在一些方面中，钻头108可以联接到泥浆锤100的主体，因此该钻头是可移除的。钻头108包括钻头面120。钻头108包括一个或多个出口122A、122B，使得钻井液16能够在钻头面120排出。该一个或多个出口122A、122B与旁通管104流体连通。钻井液的流16流过旁通管104，在钻头面120处作为一个或多个排出流124A、124B而排出。在泥浆锤100作业期间，该一个或多个排出流124A、124B冲洗掉钻头108上的钻屑。

在一些方面中，泥浆锤100的主体可以包括驱动短节，驱动短节包括驱动短节138和护罩226(如图2所示)。在一些方面中，驱动短节138包括稳定翼。在一些方面中，驱动短节还可以包括合适的钻头保持***，用来保持钻头108。

泥浆锤100的活塞筒102包括一个或多个排出口110A、110B。这些排出口110A、110B在图1中示出。然而，应当理解，在一些实施例中，活塞筒102可以仅包括单个排出口或两个以上排出口。对于具有单个排出口的实施例，该排出口可以环绕活塞筒102的任意合适位置而延伸。钻井液18A、18B流经阀组132并操作活塞106之后，该钻井液可以通过一个或多个排出口110A、110B排出活塞筒102。排出口110A、110B的排出钻井液沿远离钻头108的方向(例如，在作业期间沿向上方向)排出，如排出流112A、112B所指示的。引导排出流112A、112B远离钻头108有助于冲洗钻头108上的钻屑。

图2示出了根据本发明的实施例的泥浆锤200的分解透视图。泥浆锤200构造为如上关于泥浆锤100所述地作业，其中相同的特征使用相似的参考号。在各个实例中，泥浆锤100可以包括泥浆锤200的任意部件，反之亦然。还应当理解，图1和图2中所示出的部件无须按比例示出。泥浆锤200可以包括顶部短节126。泥浆锤200包括旁通管104。阀组130定位在旁通管104的接收端。在一些实例中，一个或多个O型环202定位在旁通管104和阀组130之间。泥浆锤200包括活塞106。在一些实例中，泥浆锤200可以包括防磨衬套134。泥浆锤200包括活塞筒102。在一些实例中，泥浆锤200可以包括驱动短节138。泥浆锤200包括钻头108。

在各个实例中，泥浆锤200可以包括以下部件的任意合适组合：一个或多个O型环204、弹性挡圈206、分配器208、顶部筒或短节210、单向阀或柱塞211、Y型环或单向阀212、弹簧214、压缩缓冲器216、旁通管座218、轴承衬220、一个或多个钻头止动圈222、224和护罩226。在一些实例中，压缩缓冲器216可以是圆环，例如，钢环。单向阀或柱塞211、Y型环或单向阀212、弹簧214和/或压缩缓冲器216可以包括阀组132。在一些实例中，轴承衬220可以是冷压的。在一些实例中，钻头止动圈222可以是O型环。图3示出了图2中示出的泥浆锤200的组装后透视图。

图4展示了根据本公开的一个方面的钻进方法的流程图。虽然参考图4中展示的流程图对示例方法400进行了描述，应当理解，还可以使用进行与方法400相关联的动作的许多其他方法。例如，可以改变一些方框的顺序，某些方框可以与其他方框相结合，而所述的一些方框是可选的。

泥浆锤100、200可以定位在钻井中(方框402)。泥浆锤100、200可以是本文所述实施例中的任一个。单流钻井液14可以通过单流钻杆12运送到泥浆锤100,200(方框404)。钻井液14包括钻井泥浆。单流钻杆12可以是任意合适、标准且API认证的钻杆。在示例中，定位在钻井中的泥浆锤100、200构成为对钻井液进行操作，使得能够将钻井液的单流14导向到泥浆锤100、200。这与至少一些典型DC流体锤形成对比，这些DC流体锤需要双循环钻杆***将钻井泥浆从清水中分离出来。至少这种典型的DC流体锤的一些无法通过单流钻杆进行作业。一些典型的DC流体锤可以适应于通过单流钻杆进行作业，但是这种适应导致相较于本文描述的所提供的泥浆锤100、200而言效率较低的泥浆锤或流体锤。

之后可以操作泥浆锤100、200在钻井中钻进(方框406)。在单流钻井液14导向到泥浆锤100、200的示例中，设定量(例如，50％到80％之间)的钻井液在作业期间流入到泥浆锤100、200的旁通管104中。在各个实例中，流入到旁通管104中的钻井液16在钻头面120排出泥浆锤100、200。单流钻井液14的剩余部分18A、18B可以在旁通管104之外流入到泥浆锤100、200中，从而操作泥浆锤100、200。在一些方面中，方法400可以进一步包括更换泥浆锤100、200的一个或多个防磨衬套(例如，防磨衬套134和/或防磨衬套136)。在一个示例中，在防磨衬套134和/或防磨衬套136一旦到达各自磨损极限时就对其进行更换。在一个示例中，防磨衬套134和/或防磨衬套136构成为在泥浆锤100、200作业期间，需要与钻头108的磨损极限相同的时间到达它们各自的磨损极限。

如本文所使用的，“大约”、“大体”和“基本”理解为意指数值范围内的数字，例如提到数字的-10％到+10％的范围，优选地，提到数字的-5％到+5％的范围，更优选地，提到数字的-1％到+1％的范围，最优选地，提到数字的-0.1％到+0.1％的范围。

本说明书和权利要求书中的术语“包括”、“包含”或“具有”等用于包容性含义，即指明所述的特征的存在，但不排除附加或另外特征的存在。

进一步地，本文所有的数值范围应当理解为包括该范围内的所有数，无论整数还是分数。而这些数值范围应当被解释为为提到该范围内的任何数字或数字子集的权利要求提供支持。例如，从1到10的公开应当被解释为支持从1到8的范围、从3到7的范围、从1到9的范围、从3.6到4.6的范围、从3.5到9.9的范围等。

本文所公开的示例和方面解释为仅仅是示意性的，而不以任何方式限制本公开的范围。对于本领域的技术人员来说，显然可以在不背离所讨论的基本原则的情况下对上述示例的细节进行改动。换言之，对以上描述中具体披露的示例的各种修改和改进都在所附权利要求书的范围内。例如，可以考虑各个示例的特征的任意合适组合。

Claims (24)

1.一种泥浆锤，包括：

活塞筒，其包括至少一个构造为接收包括钻井泥浆的单流钻井液的排出口；

活塞，其定位在所述活塞筒内，并且构造为由所述钻井液的第一部分操作以往复运动移动；

旁通管，其穿过所述活塞设置，并且与钻头流体连通；

可调阀组，其构造为将所述钻井液的第二部分分流到所述旁通管中；

防磨衬套，其定位为防止所述活塞和所述活塞筒的接触；

其中分流到所述旁通管中的所述钻井液的第二部分从所述钻头排出，所述钻井液的第一部分通过所述排出口从所述活塞筒沿远离所述钻头的方向排出。

2.根据权利要求1所述的泥浆锤，其中所述防磨衬套由耐磨材料构成。

3.根据权利要求2所述的泥浆锤，其中所述耐磨材料为钨、双合金、碳和金刚石浸渍钢中的至少一个。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的泥浆锤，其中所述可调阀组定位在所述旁通管的接收端。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的泥浆锤，其中所述可调阀组是所述旁通管的部件。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的泥浆锤，进一步包括次级阀组，所述次级阀组构造为导向所述第一部分的钻井液以引起所述活塞的所述往复运动。

7.根据权利要求6所述的泥浆锤，其中所述旁通管穿过所述次级阀组定位。

8.根据权利要求6或权利要求7所述的泥浆锤，进一步包括防磨次级衬套，其定位以防止所述次级阀组和所述活塞筒的接触。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的泥浆锤，其中所述旁通管的内径在大约2到3英寸之间。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的泥浆锤，其中所述旁通管位于所述活塞筒的中心。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的泥浆锤，进一步包括驱动短节，所述驱动短节具有以下各项中的至少一个：稳定翼、护罩以及钻头保持***。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的泥浆锤，其中所述活塞筒包括至少两个排出口，所述排出口构造为使用时沿向上远离所述钻头的方向排出钻井液。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的泥浆锤，其中所述钻头为冲击钻头。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的***，其中所述活塞的冲程长度在20毫米到60毫米之间。

15.根据权利要求1-14中任一项所述的***，其中所述活塞以每秒10个到25个循环的速率进行循环。

16.根据权利要求1-15中任一项所述的***，其中所述单流钻杆包括内防喷器。

17.一种***，包括：

单流钻杆，其构造为运送包括钻井泥浆的单流钻井液；

与所述单流钻杆流体连通的泥浆锤，所述泥浆锤包括：

活塞筒，其包括至少一个排出口；

活塞，其定位在所述活塞筒内，并且构造为由所述钻井液的第一部分操作以往复运动移动；

旁通管，其穿过活塞设置，并且与钻头流体连通；

可调阀组，其构造为将所述钻井液的第二部分分流到所述旁通管中；

防磨衬套，其定位为防止所述活塞和所述活塞筒的接触；

其中分流到所述旁通管中的所述钻井液的第二部分从所述钻头排出，所述钻井液的第一部分通过所述排出口从所述活塞筒沿远离所述钻头的方向排出。

18.根据权利要求17所述的***，其中所述活塞的冲程长度在20毫米到60毫米之间。

19.根据权利要求17或权利要求18所述的***，其中所述活塞以每秒10个到25个循环的速率进行循环。

20.根据权利要求17-19中任一项所述的***，其中所述单流钻杆包括内防喷器。

21.一种钻进方法，包括：

(a)将泥浆锤定位在钻井中，所述泥浆锤包括：

活塞筒，其包括至少一个排出口；

活塞，其定位在所述活塞筒内，并且构造为由所述钻井液的第一部分操作以往复运动移动；

旁通管，其穿过所述活塞定位并且与冲击钻头流体连通，所述钻头具有钻头面；

可调阀组，其构造为将所述钻井液的第二部分分流到所述旁通管中；

防磨衬套，其定位为防止所述活塞和所述活塞筒的接触；

(b)将单流的所述钻井液通过单流钻杆导向到所述泥浆锤，所述钻井液包括钻井泥浆；

(c)操作所述泥浆锤在钻井中钻进；

其中分流到所述旁通管中的所述钻井液的第二部分在所述钻头面处从所述钻头排出，所述钻井液的第一部分通过所述排出口从所述活塞筒沿远离所述钻头的方向排出。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述钻井泥浆的所述第二部分占运送到所述泥浆锤的钻井液总量的50％到80％之间。

23.根据权利要求21或权利要求22所述的方法，其中所述钻井液在压力下运送到所述泥浆锤。

24.根据权利要求21-23中任一项所述的方法，其中所述单流的钻井液以大约每分钟800加仑到每分钟1000加仑的速率导向到所述泥浆锤。

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