CN104329019A - 一种高频钻井冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高频钻井冲击器，其包括一短节外壳；上接头和下接头，射流元件，入口喷嘴，一砧子，具有哑铃状液压腔的活塞缸以及一哑铃状活塞，其中，活塞缸的外径小于短节外壳的内径，以使活塞缸与短节外壳之间留有一环空；活塞缸的外部沿圆周方向均匀设置有四条轴向缸体外侧筋，将活塞缸与短节外壳之间的环空分隔为四条独立的流道，分别作为做功流道、复位流道、高压旁通流道和低压旁通流道，射流元件为所述做功流道和所述复位流道提供交变压力，使活塞缸的上腔压力和下腔压力交替变化，使活塞在所述活塞缸中上下振动。本发明可广泛地应用于石油钻井中，能够有效地解决硬地层钻进的难题，加速油气田勘探开发的进程。

Description

一种高频钻井冲击器

技术领域

本发明涉及一种钻井提速工具，具体涉及一种可针对不同地层调节扭矩冲击力和轴向冲击力，以达到该冲击器最优化使用状态的高频钻井冲击器。

背景技术

为适应油气勘探工作发展的需要，石油钻井工作主要是向深部和硬老地层区块拓展，在深井钻井以及西部许多区块浅部钻井过程中，硬地层钻进的难题非常突出。如在苏里格地区、四川东部油田、塔里木盆地北部油田等勘探开发钻井工作中都遇到了较硬地层。而目前油气田勘探开发钻井中仍主要采用传统的牙轮钻头、PDC(Polycrystalline DiamondComposite，聚晶金刚石复合片)钻头配合动力马达及喷射钻井装置的旋转钻井技术。但这些旋转钻井技术在钻遇硬地层时，钻井效率很低，钻头寿命短，钻井周期长，成本高。

从碎岩理论讲，冲击旋转钻进技术是解决硬岩钻进难题的有效方法之一。冲击旋转钻进就是在普通旋转钻进钻具的钻头上连接冲击器，冲击器是一种井底动力机械，依靠冲洗钻井用的高压钻井液介质，推动其活塞冲锤上下运动撞击钻头，钻头在冲击动载和静压回转的联合作用下破碎岩石。冲击力不同于静压力，它是一种加载速度极大的动载荷，作用时间极短，岩石中的接触应力瞬时可达最大值并引起应力集中，岩石不易产生塑性变形，表现为脆性增加，岩石易形成大体积破碎，从而提高碎岩速度。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可针对不同地层调节扭矩冲击力和轴向冲击力，以达到该冲击器最优化使用状态的高频钻井冲击器。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种高频钻井冲击器，其特征在于，该高频钻井冲击器包括：

一短节外壳；

上接头和下接头，所述的上接头和下接头分别密封连接于所述短节外壳的上端和下端；

射流元件，所述的射流元件与所述的短节外壳采用过盈配合的方式设置在位于所述上接头下部的所述短节外壳内，所述的射流元件内设置有两个相互贯通的叉形输出道；

入口喷嘴，所述的入口喷嘴设置于所述射流元件的顶部中心并连通所述上接头处的钻井液总流入通道与所述射流元件的两输出道；

一砧子，所述砧子密封紧固连接在位于所述下接头上部的所述短节外壳内，

一具有哑铃状液压腔的活塞缸，所述活塞缸同轴地设置于所述射流元件与所述砧子之间的所述短节外壳内；以及

一哑铃状活塞，所述哑铃状活塞滑动设置于所述活塞缸内；

其中，所述活塞缸的外径小于所述短节外壳的内径，以使所述活塞缸与所述短节外壳之间留有一环空；所述活塞缸的外部沿圆周方向均匀设置有四条轴向缸体外侧筋，将所述活塞缸与所述短节外壳之间的环空分隔为四条独立的流道，分别作为做功流道、复位流道、高压旁通流道和低压旁通流道，所述射流元件为所述做功流道和所述复位流道提供交变压力，使所述活塞缸的上腔压力和下腔压力交替变化，使所述活塞在所述活塞缸中上下振动。

进一步，作为优选，所述做功流道和所述复位流道的位置相对设置，所述高压旁通流道和所述低压旁通流道的位置相对设置；所述活塞缸的顶部和底部分别与所述射流元件和所述砧子密封紧固连接，在位于所述做功流道一侧的所述活塞缸顶部开设有一用来连通所述射流元件的其中一输出道和所述活塞缸上腔的上活塞做功冲程开孔，在位于所述做功流道一侧的所述活塞缸中下部开设有一用来连通所述做功流道和所述活塞缸下腔的下活塞做功冲程开孔；同时，在位于所述复位流道一侧的所述活塞缸底部开设有一用来连通所述复位流道和所述活塞缸下腔的下活塞复位开孔，在位于所述复位流道一侧的所述活塞缸中上部开设有一用来连通所述复位流道和所述活塞缸上腔的上活塞复位开孔；在所述砧子的下部具有一吸入室，所述吸入室内设置有一环形喷嘴，所述环形喷嘴将所述吸入室分隔为两个部分；在靠近所述射流元件入口喷嘴位置处设置有一高压旁通流道入口，在位于所述环形喷嘴内部的所述吸入室内设置有一高压旁通流道出口；所述低压旁通流道连通所述射流元件的排液道和位于所述环形喷嘴外部的所述吸入室。

进一步，作为优选，在所述活塞的底端刻有45°-80°的斜面，同时在所述砧子的上端面也刻出相应的斜面，以使所述活塞底端的斜面与所述砧子上端面的斜面相互咬合。

进一步，作为优选，所述活塞包括一哑铃状的壳体，所述壳体灌注有重金属配重。

进一步，作为优选，所述的重金属配重的材料选择为铅。

进一步，作为优选，所述做功流道、复位流道、高压旁通流道和低压旁通流道均采用线切割工艺完成。

进一步，作为优选，所述活塞缸内部具有与之一体的环形限位凸台，以使所述活塞缸内腔形成哑铃状液压腔。

进一步，作为优选，所述砧子通过一环形限位卡密封紧固连接于所述短节外壳内。

进一步，作为优选，该高频钻井冲击器使用时能够根据地层特点、钻头类型及钻井规程来调整冲击器的性能参数，且有以下四种调整方式：

1)改变所述射流元件入口喷嘴的尺寸；

2)改变所述做功流道、复位流道、高压旁通流道和低压旁通流道的截面积；

3)改变所述活塞的质量；

4)改变所述活塞底端和所述砧子上端面的斜面角度。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明由于不存在自由行程阶段，活塞在下行的整个阶段，活塞上面始终作用着较高的液体压力，活塞始终处于加速运行状态；同时，由于活塞缸下腔排液是畅通的，不存在传统冲击器中回程弹簧的抵削力，有利于活塞末速度的提高。

2、本发明的活塞缸采用哑铃状液压腔结构，同时采用与之形状相配合的哑铃状活塞，从而大幅增加了过流面积，可在增大冲击功的同时提高活塞的振动频率。

3、本发明从结构上摒弃了传统冲击器的锤体结构，而且除活塞外，无其它运动零件，也没有阀及弹簧等易损件，不仅进一步提高了冲击器的可靠性，还大大延长了冲击器的使用寿命。

4、本发明在使用时可根据地层特点、钻头类型及钻井规程等条件大幅度调整冲击器的性能参数，且调整方式可以有多种，因此可大大提升冲击器对各类地层的适应性。

5、本发明在活塞的底端刻出一定角度的斜面，同时在砧子的上端面也刻出相应的斜面，因此可以在实施扭矩冲击的同时实现轴向冲击。

综上所述，本发明可以广泛地应用于石油钻井中，能够有效地解决硬地层钻进的难题，取得显著经济效益，加速油气田勘探开发的进程。

附图说明

图1是本发明的一种高频钻井冲击器运动状态的整体结构示意图；

图2是本发明的一种高频钻井冲击器另一运动状态的整体结构示意图；

图3是本发明横截面的结构示意图；

图4是本发明的哑铃状活塞结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1-2所示，本发明提供的一种高频钻井冲击器包括一短节外壳1，短节外壳1的上端和下端分别密封连接一上接头2和一下接头3，在位于上接头2下部的短节外壳1内过盈配合一射流元件4，射流元件4的顶部中心设置有一连通上接头2处的钻井液总流入通道2-1与射流元件4的两输出道4-1的射流元件入口喷嘴5。在位于下接头3上部的短节外壳1内通过环形限位卡6密封紧固连接一砧子7，在射流元件4与砧子7之间的短节外壳1内同轴地设置有活塞缸8，且活塞缸8的外径小于短节外壳1的内径，以使活塞缸8与短节外壳1之间留有一环空。活塞缸8内部具有与之一体的环形限位凸台8-1，以使活塞缸8内部形成一哑铃状液压腔，活塞缸8内滑动设置有一与之相配合的哑铃状活塞9，活塞缸8的外部沿圆周方向均匀设置有四条轴向缸体外侧筋8-2，如图3所示，以将活塞缸8与短节外壳1之间的环空分隔为四条独立的流道，分别作为做功流道10、复位流道11、高压旁通流道12和低压旁通流道13，且做功流道10和复位流道11的位置相对，高压旁通流道12和低压旁通流道13的位置相对。活塞缸8的顶部和底部分别与射流元件4和砧子7密封紧固连接，但在位于做功流道10一侧的活塞缸8顶部开设有一用来连通射流元件4的其中一输出道4-1和活塞缸8上腔的上活塞做功冲程开孔8-3，在位于做功流道10一侧的活塞缸8中下部开设有一用来连通做功流道10和活塞缸8下腔的下活塞做功冲程开孔8-4。同时，在位于复位流道11一侧的活塞缸8底部开设有一用来连通复位流道11和活塞缸8下腔的下活塞复位开孔8-5，在位于复位流道11一侧的活塞缸8中上部开设有一用来连通复位流道11和活塞缸8上腔的上活塞复位开孔8-6。在砧子7的下部具有一吸入室14，吸入室14内设置有一环形喷嘴15，该环形喷嘴15将吸入室14分隔为两个部分。在靠近射流元件入口喷嘴5位置处设置有一高压旁通流道入口12-1，在位于环形喷嘴15内部的吸入室14内设置有一高压旁通流道出口12-2，以使高压旁通流道12连通上接头2处的高压钻井液和射流元件入口喷嘴5，用于为射流元件4的排液道4-2创造低压环境，并在装置故障时作为应急流道使用。低压旁通流道13连通射流元件4的排液道4-2和位于环形喷嘴15外部的吸入室14，以使射流元件4的排液道4-2与低压环境沟通。

在一个优选的实施例中，可以在活塞9的底端刻出45°-80°的斜面，同时在砧子7的上端面也刻出相应的斜面，以使活塞9底端的斜面与砧子7上端面的斜面相互咬合。当活塞9冲击砧子7时，既可以给砧子7轴向冲击又可以给砧子7扭向冲击，以便扭矩冲击时为活塞9提供反扭矩。

在一个优选的实施例中，如图4所示，活塞9包括一哑铃状的壳体9-1，壳体9-1灌注有重金属配重9-2，如铅等重金属。

在一个优选的实施例中，做功流道10、复位流道11、高压旁通流道12和低压旁通流道13均采用线切割工艺完成，以保证流体不发生刺漏。

本发明在使用时，射流元件4为做功流道10和活复位流道11提供交变压力，使活塞缸8的上腔压力和下腔压力交替变化，使活塞9在活塞缸8中上下振动，其活塞一次循环运动分为如下四个过程：

1、下行加速运动：活塞9在液体压差和重力的作用下，由缸顶向下加速运动；

2、下行碰撞：活塞9到达最低位置后与缸底发生碰撞，进行冲击功传递并换向；

3、上行运动：活塞9在液体压差作用下，克服重力和阻力，由缸底向上运动；

4、上行碰撞：活塞9到达缸顶后，活塞9与缸顶发生碰撞并换向。

此外，本发明的另一设计特点是性能参数可以大幅度调整，使用时可根据地层特点、钻头类型及钻井规程等条件调整冲击器的性能参数，且有以下四种调整方式：

1、改变射流元件入口喷嘴5的尺寸，以调整输入射流元件4的钻井液工作流量；

2、改变做功流道10、复位流道11、高压旁通流道12和低压旁通流道13的截面积；

3、改变活塞9的质量；

4、改变活塞9底端和砧子7上端面的斜面角度。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种高频钻井冲击器，其特征在于，该高频钻井冲击器包括：

一短节外壳；

上接头和下接头，所述的上接头和下接头分别密封连接于所述短节外壳的上端和下端；

射流元件，所述的射流元件与所述的短节外壳采用过盈配合的方式设置在位于所述上接头下部的所述短节外壳内，所述的射流元件内设置有两个相互贯通的叉形输出道；

入口喷嘴，所述的入口喷嘴设置于所述射流元件的顶部中心并连通所述上接头处的钻井液总流入通道与所述射流元件的两输出道；

一砧子，所述砧子密封紧固连接在位于所述下接头上部的所述短节外壳内，

一具有哑铃状液压腔的活塞缸，所述活塞缸同轴地设置于所述射流元件与所述砧子之间的所述短节外壳内；以及

一哑铃状活塞，所述哑铃状活塞滑动设置于所述活塞缸内；

其中，所述活塞缸的外径小于所述短节外壳的内径，以使所述活塞缸与所述短节外壳之间留有一环空；所述活塞缸的外部沿圆周方向均匀设置有四条轴向缸体外侧筋，将所述活塞缸与所述短节外壳之间的环空分隔为四条独立的流道，分别作为做功流道、复位流道、高压旁通流道和低压旁通流道，所述射流元件为所述做功流道和所述复位流道提供交变压力，使所述活塞缸的上腔压力和下腔压力交替变化，使所述活塞在所述活塞缸中上下振动。

2.根据权利要求1所述的一种高频钻井冲击器，其特征在于，所述做功流道和所述复位流道的位置相对设置，所述高压旁通流道和所述低压旁通流道的位置相对设置；所述活塞缸的顶部和底部分别与所述射流元件和所述砧子密封紧固连接，在位于所述做功流道一侧的所述活塞缸顶部开设有一用来连通所述射流元件的其中一输出道和所述活塞缸上腔的上活塞做功冲程开孔，在位于所述做功流道一侧的所述活塞缸中下部开设有一用来连通所述做功流道和所述活塞缸下腔的下活塞做功冲程开孔；同时，在位于所述复位流道一侧的所述活塞缸底部开设有一用来连通所述复位流道和所述活塞缸下腔的下活塞复位开孔，在位于所述复位流道一侧的所述活塞缸中上部开设有一用来连通所述复位流道和所述活塞缸上腔的上活塞复位开孔；在所述砧子的下部具有一吸入室，所述吸入室内设置有一环形喷嘴，所述环形喷嘴将所述吸入室分隔为两个部分；在靠近所述射流元件入口喷嘴位置处设置有一高压旁通流道入口，在位于所述环形喷嘴内部的所述吸入室内设置有一高压旁通流道出口；所述低压旁通流道连通所述射流元件的排液道和位于所述环形喷嘴外部的所述吸入室。

3.根据权利要求2所述的一种高频钻井冲击器，其特征在于，在所述活塞的底端刻有45°-80°的斜面，同时在所述砧子的上端面也刻出相应的斜面，以使所述活塞底端的斜面与所述砧子上端面的斜面相互咬合。

4.根据权利要求2所述的一种高频钻井冲击器，其特征在于，所述活塞包括一哑铃状的壳体，所述壳体灌注有重金属配重。

5.根据权利要求4所述的一种高频钻井冲击器，其特征在于，所述的重金属配重的材料选择为铅。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种高频钻井冲击器，其特征在于，所述做功流道、复位流道、高压旁通流道和低压旁通流道均采用线切割工艺完成。

7.根据权利要求1-5任一项所述的一种高频钻井冲击器，其特征在于，所述活塞缸内部具有与之一体的环形限位凸台，以使所述活塞缸内腔形成哑铃状液压腔。

8.根据权利要求6所述的一种高频钻井冲击器，其特征在于，所述活塞缸内部具有与之一体的环形限位凸台，以使所述活塞缸内腔形成哑铃状液压腔。

9.根据权利要求1-5任一项所述的一种高频钻井冲击器，其特征在于，所述砧子通过一环形限位卡密封紧固连接于所述短节外壳内。

10.根据权利要求1-5任一项所述的一种高频钻井冲击器，其特征在于，该高频钻井冲击器使用时能够根据地层特点、钻头类型及钻井规程来调整冲击器的性能参数，且有以下四种调整方式：

1)改变所述射流元件入口喷嘴的尺寸；

2)改变所述做功流道、复位流道、高压旁通流道和低压旁通流道的截面积；

3)改变所述活塞的质量；

4)改变所述活塞底端和所述砧子上端面的斜面角度。