CN103244052B - 一种液动锤杆式冲击钻井工具 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种液动锤杆式冲击钻井工具，属于地质探矿工程及石油钻井领域。其技术方案是：工具由涡轮驱动装置、旋转阀配流机构、冲击装置、端帽、冲锤、外缸、内缸、密封圈、导流盘、壳体和钻头组成，涡轮驱动装置包括定轴、上深沟球轴承、涡轮盘、涡轮叶片、压紧盘、下深沟球轴承和推力轴承，旋转阀配流机构包括上阀板和下阀板，冲击装置包括冲击座、弹簧和锤杆。工作时，涡轮驱动装置带动上阀板转动，输入孔与下阀板的第一过流孔及第二过流孔交替相通，使冲锤于内缸中做往复运动并实现对冲击座的循环冲击，冲击能量传至锤杆用于破岩。本发明可形成用于辅助破岩的高频轴向冲击力，有助于延长钻头寿命并提高机械钻速，特别适用于硬地层的钻进。
Description
技术领域
本发明属于地质探矿工程及石油钻井领域，具体涉及一种液动锤杆式冲击钻井工具。
背景技术
目前油气钻井主要采用普通的回转钻进技术，当钻进遇到硬地层或研磨性地层时，常出现卡钻及粘滑振动等现象，这些现象将使得钻头使用寿命缩短、钻进效率降低、钻井成本升高。为提高钻井效率，已提出了旋转冲击钻井技术，即在回转钻进的基础上对岩石破碎工具施加具有一定频率的冲击能量。液动冲击器即为典型的旋冲钻井工具，目前使用的液动冲击器主要包括阀式和射流式两大类型。阀式冲击器主要是由阀的开闭及弹簧或节流压力来实现冲击器的循环冲击；射流式冲击器是利用双稳射流元件的附壁切换功能，使得冲击器内部的钻井液交替的进入冲锤的上下腔，从而驱动冲锤往复运动，最终实现冲锤的循环运动。然而，液动冲击器目前未能规模应用与推广，其主要原因在于现有液动冲击器寿命短，冲击频率低，稳定性差且无法调节冲击载荷的大小。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种新型冲击器，即液动锤杆式冲击钻井工具。
本发明通过以下技术方案实现：一种液动锤杆式冲击钻井工具，主要由涡轮驱动装置、旋转阀配流机构、冲击装置、端帽、冲锤、外缸、内缸、密封圈、导流盘、壳体和钻头组成。其特征在于：所述涡轮驱动装置包括定轴、上深沟球轴承、涡轮盘、涡轮叶片、压紧盘、下深沟球轴承、推力轴承，定轴与涡轮盘之间设有上深沟球轴承、下深沟球轴承和推力轴承，上深沟球轴承和下深沟球轴承分别由涡轮盘的上台肩与下台肩定位，推力轴承由定轴的凸台定位，压紧盘通过螺纹与涡轮盘连接并将涡轮叶片固定在涡轮盘上；所述端帽固定于定轴上端，起导流作用；所述旋转阀配流机构包括上阀板和下阀板，上阀板通过螺纹与涡轮盘连接，上阀板的下端与下阀板的上端之间设有1～2mm的间隙，下阀板通过过盈配合固定于定轴下端，下阀板由外缸支撑；所述外缸安装于导流盘与下阀板间，内缸安装在外缸内部，二者之间形成2个第一输入流道和2个第二输入流道，冲锤将内缸分为上腔和下腔，内缸周向对称分布有2个内缸流道；所述导流盘安装在钻头内部，中间设有用于安装锤杆的通孔，圆周方向上设有1个排水口、2个第一泄流孔和2个第二泄流孔；所述冲击装置包括冲击座、弹簧和锤杆，冲击座位于内缸底端，冲击座下端设有锤杆，锤杆与导流盘间设有弹簧用于使向下运动的锤杆恢复原位；所述冲锤与内缸接触处装有密封圈，冲击座与内缸接触处装有密封圈；所述钻头通过螺纹与壳体连接。
所述上深沟球轴承和下深沟球轴承为旋转密封轴承；所述上阀板圆周方向有2个输入孔和2个输出孔，下阀板圆周分布2个第一过流孔和2个第二过流孔；所述第一泄流孔与第二泄流孔的过流面积相同，钻头上设有5个泄流喷嘴，排水口与1个泄流喷嘴相通，导流盘上的2个第一泄流孔和2个第二泄流孔分别与4个泄流喷嘴连通，5个泄流喷嘴的过流面积相同，通过改变泄流喷嘴的过流面积来调整上腔和下腔之间的压力差。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：（1）工具可形成高频轴向冲击直接作用于岩石上，给旋转钻进中的钻头提供辅助破岩能量，有助于提高机械钻速；（2）工具使用涡轮作为旋转动力装置，通过变化涡轮叶片结构容易实现对不同冲击频率的要求；（3）通过调节泄流喷嘴的过流面积差可以实现对不同大小冲击功的要求。
附图说明
图1是本发明液动锤杆式冲击钻井工具的结构剖面图；
图2是本发明液动锤杆式冲击钻井工具的另一结构剖面图；
图3是图1中的A-A截面图；
图4是图2中的B-B截面图；
图5是图1中的C-C截面图；
图6是图1中的D-D截面图；
图7是图2中的E-E截面图；
图中：1.端帽，2.定轴，3.上深沟球轴承，4.涡轮盘，5.涡轮叶片，6.压紧盘，7.下深沟球轴承，8.推力轴承9.上阀板，10.下阀板，11.上腔，12.冲锤，13.外缸，14.内缸，15.下腔，16.冲击座，17.密封圈，18.导流盘，19.弹簧，20.泄流喷嘴，21.钻齿，22.上接头，23.壳体，24.钻头，25.锤杆，26.第一输入流道，27.第二输入流道，28.排道，29.第一过流孔，30.第二过流孔，31.输入孔，32.输出孔，33.第一泄流孔，34.第二泄流孔，35.排水口，36.内缸流道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1～7所示，一种液动锤杆式冲击钻井工具，主要由涡轮驱动装置、旋转阀配流机构、冲击装置、端帽1、冲锤12、外缸13、内缸14、密封圈17、导流盘18、壳体23和钻头24组成。其特征在于：所述涡轮驱动装置包括定轴2、上深沟球轴承3、涡轮盘4、涡轮叶片5、压紧盘6、下深沟球轴承7、推力轴承8，定轴2与涡轮盘4之间设有上深沟球轴承3、下深沟球轴承7和推力轴承8，上深沟球轴承3和下深沟球轴承7分别由涡轮盘4的上台肩与下台肩定位，推力轴承8由定轴2的凸台定位，压紧盘6通过螺纹与涡轮盘4连接并将涡轮叶片5固定在涡轮盘4上；所述端帽1固定于定轴2上端，起导流作用；所述旋转阀配流机构包括上阀板9和下阀板10，上阀板9通过螺纹与涡轮盘4连接，上阀板9的下端与下阀板10的上端之间设有1～2mm的间隙，下阀板10通过过盈配合固定于定轴2下端，下阀板10由外缸13支撑；所述外缸13安装于导流盘18与下阀板10间，内缸14安装在外缸13内部，二者之间形成2个第一输入流道26和2个第二输入流道27，冲锤12将内缸14分为上腔11和下腔15，内缸14周向对称分布有2个内缸流道36；所述导流盘18安装在钻头24内部，中间设有用于安装锤杆25的通孔，圆周方向上设有1个排水口35、2个第一泄流孔33和2个第二泄流孔34；所述冲击装置包括冲击座16、弹簧19和锤杆25，冲击座16位于内缸14底端，冲击座16下端设有锤杆25，锤杆25与导流盘18间设有弹簧19用于使向下运动的锤杆25恢复原位；所述冲锤12与内缸14接触处装有密封圈17，冲击座16与内缸14接触处装有密封圈17；所述钻头24通过螺纹与壳体23连接。
所述上深沟球轴承3和下深沟球轴承7为旋转密封轴承；上阀板9圆周方向有2个输入孔31和2个输出孔32，下阀板10圆周分布2个第一过流孔29和2个第二过流孔30；所述第一泄流孔33与第二泄流孔34的过流面积相同，钻头24上设有5个泄流喷嘴20，排水口35与1个泄流喷嘴20相通，导流盘18上的2个第一泄流孔33和2个第二泄流孔34分别与4个泄流喷嘴20连通，5个泄流喷嘴20的过流面积相同，通过改变泄流喷嘴20的过流面积来调整上腔11和下腔15之间的压力差；所述上腔11与第一输入流道26相连通，下腔15与第二输入流道27相连通；下阀板10的第一过流孔29与第一输入流道26对准，第二过流孔30与第二输入流道27对准。
当钻具工作时，上部钻杆流入的钻井液经壳体通道流向涡轮驱动装置，驱动涡轮叶片5转动，涡轮叶片5带动涡轮盘4及上阀板9旋转；在此过程中，定轴2及下阀板10固定不动。当上阀板9的输入孔31与下阀板10的第一过流孔29相通时，钻井液依次流过输入孔31及第一过流孔29并在第一输入流道26处分流成两部分：一部分高压钻井液直接流向第一泄流孔33，另一部分高压钻井液流入上腔11；与此同时，上阀板9的输出孔32与下阀板10的第二过流孔30相通，下腔15中的钻井液经第二输入流道27从第二泄流孔34排出或经排道28从排水口35排出，推动冲锤12向下撞击冲击座16，所形成的冲击能量传至锤杆25用于破碎岩石。当上阀板9的输入孔31与下阀板10的第二过流孔30相通时，钻井液依次流过输入孔31及第二过流孔30并在第二输入流道27处分流成两部分：一部分高压钻井液直接流向第二泄流孔34，另一部分高压钻井液通过内缸流道36流入下腔15，推动冲锤12向上滑动；与此同时，上阀板9的输出孔32与下阀板10的第一过流孔29相通，上腔11中的钻井液经第一输入流道26从第一泄流孔33或经排道28从排水口35排出，锤杆25在弹簧19作用下向上运动恢复原位。当流体持续作用于涡轮驱动装置时，输入孔31与第一过流孔29及第二过流孔30交替相通，使得冲锤12于内缸14中做往复运动，实现对冲击座16的循环冲击，并将冲击能量传至锤杆25用于冲击岩石，辅助钻齿21破岩。
Claims (3)
1.一种液动锤杆式冲击钻井工具，主要由涡轮驱动装置、旋转阀配流机构、冲击装置、端帽（1）、冲锤（12）、外缸（13）、内缸（14）、密封圈（17）、导流盘（18）、壳体（23）和钻头（24）组成；其特征在于：所述涡轮驱动装置包括定轴（2）、上深沟球轴承（3）、涡轮盘（4）、涡轮叶片（5）、压紧盘（6）、下深沟球轴承（7）、推力轴承（8），定轴（2）与涡轮盘（4）之间设有上深沟球轴承（3）、下深沟球轴承（7）和推力轴承（8），上深沟球轴承（3）和下深沟球轴承（7）分别由涡轮盘（4）的上台肩与下台肩定位，推力轴承（8）由定轴（2）的凸台定位，压紧盘（6）通过螺纹与涡轮盘（4）连接并将涡轮叶片（5）固定在涡轮盘（4）上；所述端帽（1）固定于定轴（2）上端，起导流作用；所述旋转阀配流机构包括上阀板（9）和下阀板（10），上阀板（9）通过螺纹与涡轮盘（4）连接，上阀板（9）的下端与下阀板（10）的上端之间设有1～2mm的间隙，下阀板（10）通过过盈配合固定于定轴（2）下端，下阀板（10）由外缸（13）支撑；所述外缸（13）安装于导流盘（18）与下阀板（10）间，内缸（14）安装在外缸（13）内部，二者之间形成2个第一输入流道（26）和2个第二输入流道（27），冲锤（12）将内缸（14）分为上腔（11）和下腔（15），内缸（14）周向对称分布有2个内缸流道（36）；所述导流盘（18）安装在钻头（24）内部，中间设有用于安装锤杆（25）的通孔，圆周方向上设有1个排水口（35）、2个第一泄流孔（33）和2个第二泄流孔（34）；所述第一泄流孔（33）与第二泄流孔（34）的过流面积相同，钻头（24）上设有5个泄流喷嘴（20），排水口（35）与1个泄流喷嘴（20）相通，导流盘（18）上的2个第一泄流孔（33）和2个第二泄流孔（34）分别与4个泄流喷嘴（20）连通，5个泄流喷嘴（20）的过流面积相同，通过改变泄流喷嘴（20）的过流面积来调整上腔（11）和下腔（15）之间的压力差；所述冲击装置包括冲击座（16）、弹簧（19）和锤杆（25），冲击座（16）位于内缸（14）底端，冲击座（16）下端设有锤杆（25），锤杆（25）与导流盘（18）间设有弹簧（19）用于使向下运动的锤杆（25）恢复原位；所述冲锤（12）与内缸（14）接触处装有密封圈（17），冲击座（16）与内缸（14）接触处装有密封圈（17）；所述钻头（24）通过螺纹与壳体（23）连接。
2.根据权利要求1所述的一种液动锤杆式冲击钻井工具，其特征在于：所述上深沟球轴承（3）和下深沟球轴承（7）为旋转密封轴承。
3. 根据权利要求1所述的一种液动锤杆式冲击钻井工具，其特征在于：上阀板（9）圆周方向有2个输入孔（31）和2个输出孔（32），下阀板（10）圆周分布2个第一过流孔（29）和2个第二过流孔（30）。
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