CN104863497A - 一种钻头螺旋冲击装置 - Google Patents

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    • E21B4/16—Plural down-hole drives, e.g. for combined percussion and rotary drilling; Drives for multi-bit drilling units

Abstract

本发明提供了一种钻头螺旋冲击装置，包括外套管、沿竖直方向依次安装于外套管中的冲击锤和下接头，击锤的中心处设有动力输入轴，动力输入轴与冲击锤活动连接并且驱动冲击锤转动，冲击锤与外套管之间通过导向机构连接，冲击锤在导向机构的作用下沿动力输入轴上下移动；所述导向机构包括由螺旋线槽和竖直槽交替构成的锯齿形环槽以及位于锯齿形环槽中的2个以上导向块，螺旋线槽和竖直槽的数量相同并且相互连通，导向块均布于外套管的内壁上且锯齿形环槽开设于冲击锤的侧面上；该装置无弹簧类易损件，结构简单、维修方便、成本低廉，适应于各深度孔段取心且不受孔深水柱压力变化的影响，该装置可增加破岩效果、提高回次进尺长度。

Description

一种钻头螺旋冲击装置
技术领域
本发明涉及一种冲击装置，具体涉及一种钻井用的螺旋冲击装置，属于岩心钻探领域。
背景技术
深部取心钻探常遇各种复杂地层，特别是在遇到坚硬地层时，采用常规回转方式驱动钻头旋转破岩效果差，使得钻进效率低下、回次进尺长度短，影响工程施工进度且增加了生产成本。
为解决上述问题，钻井工程中出现一种冲击旋转钻井技术，即在常规旋转钻井工艺中，在不增加其它地面设备的情况下，在钻头的上面和钻铤的下面安装与钻铤直径大致相当的冲击器，并且在钻进过程中，跟随上部钻柱转动的冲击器带动钻头旋转的同时，利用上部钻井液(或压缩空气)的流动能量使冲击器本身产生周期的向下作用在钻头上的冲击力，从而加速破碎岩石；如采用液动冲击技术的中国专利“CN201110226398-一种往复式冲击旋转钻井工具”、采用气动冲击技术的中国专利“CN03138063-用于钻机中的钻头冲击装置”。
利用这一技术可以解决坚硬岩层段、软硬交错地层段钻速低、大斜度地层段井眼易斜等实际问题，以提高钻井的综合效益；在煤层气钻井中主要解决煤层顶板、底板钻进效率低的问题。然而，实践表明：随着井深的增加，钻井循环介质压耗增大，当井深很大时，可能出现循环介质仅能满足循环携岩的要求，上述装置工作状态会大受影响，极可能出现无法正常工作甚至影响钻井作业进行的可能；当钻井循环介质为空气或者充气钻井液等可压缩系数较大的介质时，上述装置均难以正常工作。因此，研发出一种不依托钻井循环介质作为能量来源的钻头冲击装置对于深井、超深井的冲击钻井提速非常有意义。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，并提供一种利用回转力产生一定频率垂直运动力的钻头螺旋冲击装置，装置中无弹簧类易损件，结构简单，对取心孔深及水柱压力不敏感，具有工作效率高、维修方便的特点；装置所产生的冲击力施加于钻头上，可增加破岩效果、提高回次进尺长度。
实现本发明目的所采用的技术方案为，一种钻头螺旋冲击装置，至少包括外套管、沿竖直方向依次安装于外套管中的冲击锤和连接钻头的下接头，所述外套管包括上套管和位于上套管下方的下套管，上套管和下套管通过位于二者之间的导向套连接，导向套的两端分别与上套管和下套管螺纹连接，冲击锤的中心处设有动力输入轴，动力输入轴与冲击锤活动连接并且驱动冲击锤转动，冲击锤的中心处开设有与动力输入轴下端横截面形状相同的盲孔，动力输入轴的下端位于盲孔中，冲击锤中开设有与盲孔连通的排液孔，排液孔的出液口位于冲击锤的外表面上，冲击锤与外套管之间通过导向机构连接，冲击锤在导向机构的作用下沿动力输入轴上下移动；所述导向机构包括由螺旋线槽和竖直槽交替构成的锯齿形环槽以及位于锯齿形环槽中的2个以上导向块，螺旋线槽和竖直槽的数量相同并且相互连通，螺旋线槽构成锯齿形环槽的上升段，竖直槽构成锯齿形环槽的下降段，导向块的数量不大于与螺旋线槽的数量，竖直槽的长度不大于动力输入轴的底面距盲孔孔底的距离，导向机构的导向块均布于导向套的内壁上、锯齿形环槽开设于冲击锤的侧面上。
该装置也可逆向实施，即导向机构的导向块均布于冲击锤的侧面上、锯齿形环槽开设于导向套的内壁上，锯齿形环槽开设于导向套的内壁上时，其螺旋线槽的旋向与锯齿形环槽开设于冲击锤的侧面上时的旋向相反。
上述两种实施方式中，螺旋线槽的旋向与冲击锤的转动方向均相同，动力输入轴的下端与冲击锤的盲孔配合，二者通过键连接传递回转力，或将动力输入轴的下端设置为棱柱型传递回转力。
由上述技术方案可知，本发明提供的钻头螺旋冲击装置，通过动力输入轴将螺杆马达、涡轮马达等动力元件产生的回转力传给冲击锤，带动冲击锤旋转，由于装置的外套管固定，锯齿形环槽与导向块之间的作用力迫使冲击锤沿锯齿形环槽的螺旋线槽向上运动，当运动到螺旋线槽(上升段)的上止点时，由于螺旋线槽和竖直槽相互连通，导向块进入竖直槽(下降段)中并且位于竖直槽的上起点，冲击锤在自重的作用下沿竖直槽自由下降，冲击连接钻头的下接头，将冲击力传给钻头，动力输入轴继续旋转，冲击锤在锯齿形环槽及导向块作用下再次随动升高和自由下降，循环往复冲击钻头，以此增加钻头碎岩效果。
由于钻井时钻孔内充满着带有一定压力和流速的钻井液，装置在充满钻井液的钻孔内工作时，冲击锤的盲孔中不可避免地充填钻井液，由于冲击锤中开设有与盲孔连通的排液孔，盲孔中的钻井液可通过排液孔排出盲孔，避免动力输入轴与盲孔构成的空腔在冲击锤沿动力输入轴上下移动时出现瞬间容积变化，产生阻碍冲击锤移动。
动力输入轴与冲击锤的盲孔配合，二者之间采用键连接或将动力输入轴的下端设置为棱柱型，此种结构在实现传递回转力的同时对冲击锤的移动起导向作用。
本发明提供的钻头螺旋冲击装置包括两种实施结构，可根据实际地质情况及现场机械选择合适的实施结构，并且可通过选择螺旋线槽的不同数量改变装置的冲击频率；由于导向机构位于外套管上的部分均设置于导向套上，因此更换实施结构时可保留外套管，由于导向套的两端分别与上套管和下套管螺纹连接，因此装置易于拆装。
本发明提供的钻头螺旋冲击装置，通过导向机构中特殊的锯齿形环槽结构实现冲击锤的随动上升和自由下降，并以此产生冲击力，从根本上解决了现有技术以钻井循环介质为能量来源的冲击装置的弊端；该装置无弹簧类易损件，结构简单、维修方便、成本低廉，适应于各深度孔段取心，不受孔深水柱压力变化的影响，较好解决了硬岩取心钻孔破岩效率低下、回次进尺长度短的问题，能有效降低辅助作业时间、提高生产效率。
附图说明
图1为本发明提供的钻头螺旋冲击装置的实施结构一。
图2为图1的冲击锤的结构示意图。
图3为图1的锯齿形环槽的展开示意图。
图4为本发明提供的钻头螺旋冲击装置的实施结构二。
图5为图2的锯齿形环槽的展开示意图。
其中，1-外套管，2-动力输入轴，3-冲击锤，4-导向套，5-下接头，6-盲孔，7-排液孔，8-锯齿形环槽，81-螺旋线槽，82-竖直槽，9-导向块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。
实施例1：一种钻头螺旋冲击装置，如图1和图2所示，包括外套管1、沿竖直方向依次安装于外套管中的冲击锤3和连接钻头的下接头5，所述外套管包括上套管和位于上套管下方的下套管，上套管和下套管通过位于二者之间的导向套4连接，导向套的两端分别与上套管和下套管螺纹连接，冲击锤的中心处设有驱动冲击锤转动的动力输入轴2，冲击锤的中心处开设有与动力输入轴下端横截面形状相同的盲孔6以及与盲孔连通的排液孔7，排液孔的出液口位于冲击锤的外表面上，动力输入轴的下端呈六棱柱状并且位于盲孔中，冲击锤与外套管之间通过导向机构连接，冲击锤在导向机构的作用下沿动力输入轴上下移动；
所述导向机构由锯齿形环槽8和位于锯齿形环槽中的2个以上导向块9构成，锯齿形环槽8的结构如图3所示，锯齿形环槽由螺旋线槽81和竖直槽82交替构成，沿周向开设于冲击锤的侧面上，螺旋线槽构成锯齿形环槽的上升段，竖直槽构成锯齿形环槽的下降段，螺旋线槽和竖直槽相互连通，螺旋线槽的旋向与冲击锤的转动方向(图3中箭头所示方向)相同，导向块的数量不大于与螺旋线槽的数量，竖直槽的长度不大于动力输入轴的底面距盲孔孔底的距离，导向块均布于导向套的内壁上。
实施例2：一种钻头螺旋冲击装置，如图4所示，包括外套管1、沿竖直方向依次安装于外套管中的冲击锤3和连接钻头的下接头5，所述外套管包括上套管和位于上套管下方的下套管，上套管和下套管通过位于二者之间的导向套4连接，导向套的两端分别与上套管和下套管螺纹连接，冲击锤的中心处设有驱动冲击锤转动的动力输入轴2，冲击锤的中心处开设有与动力输入轴下端横截面形状相同的盲孔6和与盲孔连通的排液孔7，排液孔的出液口位于冲击锤的外表面上，动力输入轴与盲孔键连接，冲击锤与外套管之间通过导向机构连接，冲击锤在导向机构的作用下沿动力输入轴上下移动；
冲击锤与外套管之间固定有由锯齿形环槽8和位于锯齿形环槽中的2个以上导向块9构成的导向机构，锯齿形环槽8的结构如图5所示，锯齿形环槽8由螺旋线槽81和竖直槽82交替构成，沿周向开设于导向套的内壁上，螺旋线槽构成锯齿形环槽的上升段，竖直槽构成锯齿形环槽的下降段，螺旋线槽和竖直槽相互连通，螺旋线槽的旋向与冲击锤的转动方向(图5中箭头所示方向)相同并且与实施例1中螺旋线槽的旋向(如图3所示)相反，导向块的数量不大于与螺旋线槽的数量，竖直槽的长度不大于动力输入轴的底面距盲孔孔底的距离，导向块均布于冲击锤的侧面上。
实际使用中，可根据实际地质情况及现场机械选择合适的实施结构，并且通过选择螺旋线槽的不同数量改变每次冲击的动力输入轴转角，以此改变装置的冲击频率，如设置导向块和螺旋线槽的数量均为4，则动力输入轴每转动90°形成一次冲击，螺旋线槽的数量为8时，则动力输入轴每转动45°形成一次冲击。
动力输入轴将螺杆马达、涡轮马达等动力元件产生的回转力传给冲击锤，带动冲击锤旋转，由于装置的外套管固定，锯齿形环槽与导向块之间的作用力迫使冲击锤沿锯齿形环槽的上升段向上运动，当运动到上升段的上止点时，由于螺旋线槽和竖直槽相互连通，导向块进入下降段中并且位于下降段的上起点，冲击锤在自重的作用下沿下降段自由下降，冲击连接钻头的下接头，将冲击力传给钻头，动力输入轴继续旋转，冲击锤在锯齿形环槽及导向块作用下再次随动升高和自由下降，循环往复冲击钻头，以此增加钻头碎岩效果。

Claims (9)

1.一种钻头螺旋冲击装置，至少包括外套管、沿竖直方向依次安装于外套管中的冲击锤和连接钻头的下接头，其特征在于：冲击锤的中心处设有动力输入轴，动力输入轴与冲击锤活动连接驱动冲击锤转动，冲击锤与外套管之间通过导向机构连接，冲击锤在导向机构的作用下沿动力输入轴上下移动；所述导向机构包括由螺旋线槽和竖直槽交替构成的锯齿形环槽以及位于锯齿形环槽中的2个以上导向块，螺旋线槽和竖直槽的数量相同并且相互连通，螺旋线槽构成锯齿形环槽的上升段，竖直槽构成锯齿形环槽的下降段；导向机构中导向块均布于外套管的内壁上且锯齿形环槽沿周向开设于冲击锤的侧面上，或者导向机构的导向块均布于冲击锤的侧面上且锯齿形环槽沿周向开设于外套管的内壁上。
2.根据权利要求1所述的钻头螺旋冲击装置，其特征在于：锯齿形环槽开设于外套管的内壁上时与开设于冲击锤的侧面上时其螺旋线槽的旋向相反，螺旋线槽的旋向与冲击锤的转动方向相同。
3.根据权利要求1所述的钻头螺旋冲击装置，其特征在于：冲击锤的中心处开设有与动力输入轴下端横截面形状相同的盲孔，动力输入轴的下端位于盲孔中，动力输入轴的底面距盲孔孔底的距离不小于锯齿形环槽竖直槽的长度。
4.根据权利要求3所述的钻头螺旋冲击装置，其特征在于：冲击锤中开设有与盲孔连通的排液孔，排液孔的出液口位于冲击锤的外表面上。
5.根据权利要求3所述的钻头螺旋冲击装置，其特征在于：动力输入轴的下端与盲孔键连接。
6.根据权利要求3所述的钻头螺旋冲击装置，其特征在于：动力输入轴的下端呈棱柱型。
7.根据权利要求1所述的钻头螺旋冲击装置，其特征在于：所述外套管包括上套管和位于上套管下方的下套管，上套管和下套管通过位于二者之间的导向套连接，导向套的两端分别与上套管和下套管螺纹连接。
8.根据权利要求7所述的钻头螺旋冲击装置，其特征在于：导向块均布于导向套的内壁上或锯齿形环槽开设于导向套的内壁上。
9.根据权利要求1所述的钻头螺旋冲击装置，其特征在于：导向块的数量不大于与螺旋线槽的数量。
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