CN103939010B - 冲击式钻井设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冲击式钻井设备，包括壳体，在壳体内部设置有能轴向往复运动的冲锤，冲锤的上游端部通过动力转换机构连接于周向转动的动力源，在壳体内部，冲锤的下游与冲锤间隔式设置有能沿轴向运动的砧子使得冲锤能对砧子施加轴向冲击力，砧子通过作用于其的阻挡结构而实现轴向运动限位。动力转换机构包括在周向外壁上设置有波浪形导轨的圆柱状连接件和与波浪形导轨相配合的导向销，冲锤通过导向销连接于动力转换机构，以实现冲锤的轴向往复运动。本发明的冲击式钻井设备能够对地层岩石产生高频冲击，提高钻井速率。另外本发明的冲击式钻井设备结构简单、零部件少、使用寿命较长。

Description

冲击式钻井设备

技术领域

本发明涉及一种钻井设备，特别是一种冲击式钻井设备。

背景技术

在油气钻井领域中，随着深井、超深井需求的出现，对钻井设备的要求也越来越高。在深井、超深井钻探中，地层岩石硬度高、可钻性差的特点日益突出，从而对钻井设备和钻井技术的要求越来越高。

旋冲钻井设备是一种特别适合于这些情况的钻井设备，其核心之一是液动射流式冲击器。特别是在硬地层钻进中，这种旋冲钻井设备比比常规旋转钻进提高50-100%，钻进效率得到大幅提高。

在现有技术中，通常使用的旋冲钻井设备是射流式冲击器。例如在中国专利公开CN2550477Y中披露了一种射流式冲击器。在这种射流式冲击器中，在柱形缸体外表面上焊接有圆弧状长条金属片，这样金属片与缸本体围出了侧腔通道。这种密封方式存在较多焊接部位，在使用过程中容易出现焊接开裂而导致密封失效的问题。

中国专利公开CN301433708Y中披露了一种射流式冲击器缸体和缸盖结构。在该射流式冲击器种，射流式冲击器缸体和缸盖通过焊镶和粘贴而成为一体。在实际应用过程中，由于活塞和冲锤的反复冲击，焊镶和粘贴部位同样存在容易开裂导致泄漏、泄压的现象。

旋冲钻井设备的射流式液动冲击器易出现密封失效或焊接开裂的问题，这影响了旋冲钻井设备的正常工作，进而影响和制约了旋冲钻井设备的使用寿命。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种冲击式钻井设备。这种冲击式钻井设备不但能在旋转钻井的同时对钻头提供冲击力提高钻井速率，而且其结构简单、零部件较少从而使用寿命较长。

根据本发明，提供了一种冲击式钻井设备，包括能转动的中空的壳体，在壳体内部设置有能轴向往复运动的冲锤，冲锤的上游端部通过动力转换机构连接于周向转动的动力源，在壳体内部，冲锤的下游与冲锤间隔式设置有能沿轴向运动的砧子，使得冲锤能对砧子施加轴向冲击力，砧子通过作用于其的阻挡结构而实现轴向运动限位，其中，动力转换机构包括在周向外壁上设置有波浪形导轨的圆柱状连接件和与波浪形导轨相配合的导向销，冲锤通过导向销连接于动力转换机构，以实现冲锤的轴向往复运动。

通过本发明的冲击式钻井设备，通过连接件周向外壁上的波浪形导轨和与之相配合的导向销能够将动力源施加的轴向转动转换成冲锤的轴向往复运动，从而实现在旋转钻进的同时对井底岩石产生高频冲击。此外，根据本发明的冲击式钻井设备结构简单，没有复杂的密封结构和焊接连接，在使用中也不会出现密封失效或焊接开裂等问题，使得其使用寿命较长。

在一个实施例中，波浪形导轨的形状为以连接件的周向转动方向为参照，每个波峰的后侧边比前侧边更陡。这样，导向销在沿波浪形导轨运动过程中会以相对较慢的速度升高到最高点，然后以较快的速度落回到最低点，使得冲锤对砧子的冲击力更大。

在一个实施例中，在砧子、冲锤和连接件内部还构造有彼此连通的通道。这些通道用于将在钻井过程中产生的泥浆排出底面，方便了冲击式钻井设备的使用。

在一个实施例中，在砧子的内部还设置有安装钻头的结构。

在一个实施例中，在壳体的内壁上，冲锤的区域设置有多个第一轴向导向槽，在冲锤的外表面上设置有多个与第一轴向导向槽配合使用的第一导向肋。这种结构能够抵消动力转换机构未完全转换的扭矩，确保冲锤不会相对于壳体周向转动。在另一个实施例中，壳体的内壁与冲锤的外表面之间采用八方连接。

在一个实施例中，在壳体的下游以能拆卸的方式连接有连接套，连接套的内径小于壳体的内径而形成径向向里凸出的台阶，砧子的上游部分的外径与连接套的内径相匹配，砧子的下游部分的外径大于连接套内径，在砧子的上游部分设置有凹槽，在凹槽内能拆卸地安装有径向向外凸出的与台阶相配合的限位块，以实现所述阻挡结构。这种阻挡结构不但能够对砧子起到轴向限位作用还能够在起钻的过程中防止砧子发生脱落。在一个优选的实施例中，在壳体的内壁上，台阶的上游还设置有作用于限位块的限位肩以限制限位块的轴向运动。这样，通过限位肩和台阶的共同作用实现了限位块的轴向往复运动，也就实现了砧子的轴向往复运动。

在另一个实施例中，在限位块和砧子的下游部分之间形成连接套能安装到其中的安装槽。连接套与安装槽的这种配合方式能够给传递砧子施加指向下游的轴向力，以使得钻头能够钻进。

在一个实施例中，在连接套内壁上设置有多个第二轴向导向槽，在砧子的外表面上设置有多个与第二轴向引导槽相匹配的第二导向肋。这种结构能够保证砧子与连接套或壳体同步转动，从而保证钻头能够旋转钻进。在另一个实施例中，砧子的外表面与连接套内壁之间采用八方连接。

在一个实施例中，壳体能够周向转动，并且壳体的周向转动速度小于动力源的周向转动速度。这样，钻头在旋转钻进的同时还能够受到冲锤施加的轴向冲击力，有助于钻破地层岩石。

在本申请中，用语“上游”、“下游”规定为朝向地面为上游，与上游相反的方向为下游。

与现有技术相比，本发明的优点在于，通过连接件周向外壁上的波浪形导轨和与之相配合的导向销能够将动力源施加的轴向转动转换成冲锤的轴向往复运动，从而实现在旋转钻进的同时对井底岩石产生高频冲击。波浪形导轨的形状为每个波峰的后侧边比前侧边更陡。这样，导向销在沿波浪形导轨运动过程中会以相对较慢的速度升高到最高点，然后以较快的速度落回到最低点，使得冲锤对砧子的冲击力更大。此外，根据本发明的冲击式钻井设备结构简单，没有复杂的密封结构和焊接连接，在使用中也不会出现密封失效或焊接开裂等问题，使得其使用寿命较长。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是根据本发明的冲击式钻井设备的结构示意图；

图2是图1中的A-A截面图；

图3是根据本发明的冲击式钻井设备的动力转换机构的示意图；

图4是根据本发明的动力转换机构的连接件的三维示意图；

图5以平面图示意性地显示了波浪形轨道；

图6是根据本发明的冲击式钻井设备的阻挡结构的结构示意图。

在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对发明做进一步说明。

图1示意性地显示了根据本发明的冲击式钻井设备10。冲击式钻井设备10包括中空的壳体15，在壳体15内部设置有能轴向往复运动的冲锤16。施加周向转动力动力源（未示出）的输出轴11延伸进入壳体15内并终止于冲锤16的上游，冲锤16的上游端部通过动力转换机构30连接于该输出轴11。动力转换机构30能够将输出轴11的周向转动转换成冲锤16的轴向往复运动，在下文中将对动力转换机构30进行详描述。在冲锤16的下游以与冲锤16间隔一定间隙的方式设置有可沿轴向运动的砧子17，这样实现了轴向往复运动的冲锤16对砧子17施加轴向冲击力。为了避免砧子17的轴向运动幅度过大，在壳体15内还设置了作用于砧子17的阻挡结构50。

在砧子17的下部设置有安装钻头的结构19，用以安装钻头（未示出）实现钻井。为了能够将在钻进过程中产生的泥浆排出，在冲锤16、砧子17和动力转换机构30还构造有彼此连通的通道12，如图1所示。在一个实施例中，砧子17的上游端部设置为平的冲击面，以便于冲锤16将将冲击能够传递给砧子17。在砧子17的侧部设置有至少一个与通道12连通的支通道18，使得砧子17内的通道能与冲锤16和动力转换机构30内的通道相连通。在一个具体的实施例中，支通道18的数量为3个，并且在周向上均匀分布。

图3示意性地显示了动力转换机构30的结构。动力转换机构30包括圆柱形连接件31，在连接件31的周向侧壁上设置有波浪形导轨32。在一个实施例中，连接件31和输出轴11之间为螺纹连接。动力转换机构30还包括与波浪形导轨32相配合的导向销33。连接件31的上游固定连接于输出轴11，冲锤16与导向销33固定连接从而实现了冲锤16与连接件31之间的连接，这样就实现了通过动力转换机构30将动力源的能量输出到冲锤16。在一个优选的实施例中，在导向销33的外部还可安装有轴承（未示出），以降低导向销33与沿波浪形导轨32之间的摩擦。

图4以三维图示意性地显示了连接件31和波浪形导轨32。优选地，波浪形导轨32的形状为以连接件31的周向转动方向为参照，每个波峰的后侧边比前侧边更陡。图5以平面图示意性地显示了波浪形轨道32，图5中的箭头为连接件31的周向转动方向，以该箭头的方向为参照，波峰34的后侧边35比前侧边36更陡。在一个实施例中，波峰34的后侧边35可与连接件31的母线平行。这样，导向销33在沿波浪形导轨32运动过程中会以相对较慢的速度升高到最高点，然后以较快的速度落回到最低点，使得冲锤16对砧子17的冲击力更大。波浪形导轨32的波峰的数量可根据设计要求而确定，这里不再赘述。

由于导轨32为波浪形，因此在连接件31周向转动时，导向销33会产生轴向往复运动的分量，从而能带动冲锤16进行轴向往复运动而实现连接件31的周向转动运到冲锤16的轴向往复运动的转换。但是在转换的过程中，必然存在未转换完全的扭矩，而这个扭矩对接下来的冲击过程来说是无用的。为了消除该扭矩，在壳体15的内壁上，冲锤16的区域设置有多个第一轴向导向槽13，在冲锤16的外表面上设置有多个与第一轴向导向槽13配合使用的第一导向肋14。在装配状态中，第一导向肋14插入到第一轴向导向槽13中。由于壳体15的周向转动速度小于动力源周向转动速度，第一轴向导向槽13会阻止第一导向肋14的快速转动，即冲锤16不会相对于壳体15周向转动而是仅轴向往复运动。图2显示了在装配状态中的第一轴向导向槽13和第一导向肋14的横截面图，从整体来看，第一轴向导向槽13和第一导向肋14呈花键连接方式。可以理解地是，第一轴向导向槽13也可设置在冲锤16的外表面上，而将第一导向肋14设置在壳体15的内壁上。在一个未示出的实施例中，壳体15与冲锤16之间还可采用八方连接。应当理解地是，所有能实现阻止冲锤16相对于壳体15周向转动的方式都可以用于本发明，而不限于本发明所公开的例子。

图6示意性地显示了作用于砧子17的阻挡结构50。阻挡结构50通过以下结构形成：在壳体15的下游以能拆卸的方式连接有连接套51，连接套51的内径小于壳体15的内径而形成径向向里凸出的台阶54。砧子17构造为其上游部分的外径与连接套51的内径相匹配，下游部分的外径大于连接套51内径。在砧子17的上游部分设置有凹槽52，在凹槽52内能拆卸地安装有径向向外凸出的限位块53。限位块53能与台阶54相接合而实现阻挡结构50。在一个实施例中，在壳体15的内壁上，台阶54的上游还设置有作用于限位块53的限位肩55以限制限位块53的轴向运动。这种结构相当于在壳体15的内部形成用于限位块53的有限的轴向运动轨道，使得限位块53只能沿轴向往复运动从而砧子17也只能轴向往复运动。

在钻井过程中，安装在壳体15下游的连接套51能对砧子17施加朝向下游的作用力，以使得钻头能够钻进。在一个实施例中，连接套51与壳体15以能拆卸的方式相连接，使得砧子17的安装和拆卸更加方便。

为了使得钻头能够以转动形式钻进，还需要将砧子17设置为与壳体15或连接套51同步转动。这里可采用与冲锤16和壳体15之间的连接方式相同的方式，为了简单起见，这里不再赘述。

在钻井过程中，壳体15进行转动，并其通过砧子17与连接套51连接，安装在砧子17上的钻头与壳体15同步转动而实现转动钻进。在此过程中，动力源带动输出轴11以高于壳体15的转速而周向转动。动力转换机构30通过设置在连接件31外表面上的波浪形导轨32将输出轴11的周向转动变成冲锤16的轴向往复运动。这样，冲锤16对砧子17施加冲击，砧子17又将该冲击作用传递给钻头以对地层岩石产生高频冲击，从而实现了钻井提速作用。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种冲击式钻井设备，包括，

能转动的中空的壳体，

在所述壳体内部设置有能轴向往复运动的冲锤，所述冲锤的上游端部通过动力转换机构连接于周向转动的动力源，

在所述壳体内部，所述冲锤的下游与所述冲锤间隔式设置有能沿轴向运动的砧子，使得所述冲锤能对所述砧子施加轴向冲击力，所述砧子通过作用于其的阻挡结构而实现轴向运动限位，

其中，所述动力转换机构包括在周向外壁上设置有波浪形导轨的圆柱状连接件和与所述波浪形导轨相配合的导向销，所述冲锤通过所述导向销连接于所述动力转换机构，以实现所述冲锤的轴向往复运动。

2.根据权利要求1所述的冲击式钻井设备，其特征在于，所述波浪形导轨的形状为以所述连接件的周向转动方向为参照，每个波峰的后侧边比前侧边更陡。

3.根据权利要求1或2所述的冲击式钻井设备，其特征在于，所述壳体的内壁与所述冲锤的外表面之间采用八方连接。

4.根据权利要求1或2所述的冲击式钻井设备，其特征在于，在所述壳体的内壁上，所述冲锤的区域设置有多个第一轴向导向槽，在所述冲锤的外表面上设置有多个与所述第一轴向导向槽配合使用的第一导向肋。

5.根据上述权利要求1或2所述的冲击式钻井设备，其特征在于，在所述壳体的下游以能拆卸的方式连接有连接套，所述连接套的内径小于所述壳体的内径而形成径向向里凸出的台阶，所述砧子的上游部分的外径与所述连接套的内径相匹配，所述砧子的下游部分的外径大于所述连接套内径，在所述砧子的上游部分设置有凹槽，在所述凹槽内能拆卸地安装有径向向外凸出的与所述台阶相配合的限位块，以实现所述阻挡结构。

6.根据权利要求5所述的冲击式钻井设备，其特征在于，在所述限位块和所述砧子的下游部分之间形成所述连接套能安装到其中的安装槽。

7.根据权利要求5所述的冲击式钻井设备，其特征在于，在所述壳体的内壁上，所述台阶的上游还设置有作用于所述限位块的限位肩以限制所述限位块的轴向运动。

8.根据权利要求5所述的冲击式钻井设备，其特征在于，所述砧子的外表面与所述连接套内壁之间采用八方连接。

9.根据权利要求5所述的冲击式钻井设备，其特征在于，在所述连接套内壁上设置有多个第二轴向导向槽，在所述砧子的外表面上设置有多个与所述第二轴向引导槽配合使用的第二导向肋。

10.根据上述权利要求1或2所述的冲击式钻井设备，其特征在于，所述壳体能够周向转动，并且所述壳体的周向转动速度小于所述动力源的周向转动速度。