CN105275384B - 一种冲击钻井装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冲击钻井装置。所述冲击钻井装置包括：壳体，其构造为中空的管段，其下端用于连接钻头；动力转换机构，其设置于所述壳体的内部，所述动力转换机构能够将部分旋转动力转换为向下的冲击力，并且将所述冲击力传递至所述钻头。这种冲击钻井装置冲击钻井装置结构简单，实用性强。

Description

一种冲击钻井装置

技术领域

本发明涉及地质探矿工程及石油钻井技术领域，特别涉及一种冲击钻井装置。

背景技术

当前，旋转冲击钻井是石油钻井行业广泛关注的热点技术，特别是在深井硬地层快速钻进方面具有普通旋转钻井不可比拟的优越性，因此自该技术诞生以来就得到了较快的发展。

冲击器属于井下动力工具，是旋转冲击钻井的核心部件，其性能好坏直接决定了旋转冲击钻井的提速效果。现有技术中应用于石油钻井技术领域的冲击器类型比较多，其中最多的是液动冲击器。液动冲击器的主要部件如缸体、缸盖、元件压盖等处较多地使用了橡胶密封或者金属焊接，但在实际应用过程中，受其自身结构形式的限制和使用条件的影响，无论是密封还是焊接方式都存在一定程度的不足，在使用过程中存在焊接部位开裂导致泄漏或者泄压，以及密封圈因冲蚀断裂失效的现象，由此影响了冲击器的正常工作，进而降低了冲击器的使用寿命。可见液动冲击器的使用寿命问题始终是制约该技术发展的瓶颈。因此，急需一种结构简单、实用性强的冲击钻井装置。

发明内容

针对上述的问题，本发明提出了一种冲击钻井装置，该冲击钻井装置结构简单，实用性强。

根据本发明提出的冲击钻井装置包括：壳体，其构造为中空的管段；动力转换机构，其设置于壳体的内部，动力转换机构能够将部分旋转动力转换为向下的冲击力，并且将冲击力传递至钻头。

将本发明的冲击钻井装置连接至钻头，壳体的上端连接到钻杆上，钻井时钻杆带动壳体旋转以带动钻头的旋转钻进，优选地，动力转换机构将旋转动力转换为直线往复运动，特别是将向下的冲击力传递给钻头，从而使得钻头在高速旋转的同时对井底岩石产生高频冲击，加快了钻井的动作频率，提高钻井效率。

在一个实施例中，动力转换机构包括砧座和冲锤，砧座构造为阶梯轴，砧座的台阶面上设置有齿面向上的下棘轮，冲锤形成为套管状以套装于砧座的小直径段上，冲锤的下端设置有与下棘轮配合的上棘轮。通过砧座和冲锤的啮合轨道实现砧座与冲锤之间的动力转换，由此给予钻头向下的冲击力。

在一个实施例中，砧座的上端设置有旋转动力接头，以连接旋转动力源。当连接旋转动力源后砧座在旋转动力源的带动下做旋转运动。

在一个实施例中，冲锤的外壁上设置有限位花键，壳体的内壁上形成有与限位花键配合的键槽，以限制冲锤的径向移动。由此实现砧座的径向限位，从而砧座的旋转带动冲锤旋转的同时，由于砧座与冲锤的啮合轨道，冲锤沿壳体轴向方向往复移动。

在一个实施例中，壳体上端的内壁上设置有凸台，冲锤和凸台的下台面之间设置有碟形弹簧组。由于蝶形弹簧组的设置，当砧座旋转带动冲锤向上移动时冲锤压缩蝶形弹簧组，给予碟形弹簧组较大的预紧力，由此碟形弹簧组蓄积了较多的势能，当冲锤向下移动时蝶形弹簧组蓄积的势能得以释放出来，从而增大了冲锤向下的冲击力。

在一个实施例中，上棘轮沿下棘轮棘齿的坡度较小侧向上移动时，冲锤向上运动，当上棘轮沿下棘轮棘齿的坡度较大侧向下移动时，冲锤向下运动以撞击砧座，并且砧座将冲击力传递至钻头。由此冲锤向上运动时上棘轮沿着下棘轮的棘齿的坡度较小侧移动，从而冲锤的向上运动较为缓慢，但是冲锤向下运动时上棘轮沿着下棘轮棘齿的坡度较大侧移动，由此冲锤的回落速度快，冲击力度大。

在一个实施例中，壳体的下端连接有下接头，并且下接头的上端部旋入壳体内，砧座的大直径段的外壁上设置有防掉块，当砧座向下移动时，防掉块能够卡持于下接头的上端部。由此钻具起钻时冲击钻井装置跟随钻具一并提起，防止冲击钻井装置的下落。

在一个实施例中，壳体的上端连接有上接头，上接头的下端部旋入壳体内，上接头的下端部和凸台的上台面之间设置有上轴承静套，砧座的上端的侧壁上设置有台阶，台阶和旋转动力接头之间设置有上轴承动套，并且上轴承动套贴附于上轴承静套内。由此上轴承静套随钻具做低速旋转，而上轴承动套随着砧座做高速旋转。上轴承静套和上轴承动套的设置使得各个接头与壳体以及砧座之间的摩擦力降低，提高了这些部件的使用寿命。

在一个实施例中，下接头的上端部与砧座之间设置有下轴承静套，并且所述下轴承静套和所述砧座之间设置有防磨带。下轴承静套随钻具做低速旋转，防磨带用于降低砧座与下轴承静套之间的摩擦，提高其使用寿命。

在一个实施例中，下轴承静套花键连接于下接头，和/或旋转动力接头花键连接于旋转动力源。上述采用花键连接提高了部件之间连接的可靠性，由此冲锤向下撞击砧座时顺利地将冲击能量传递给钻头，避免冲锤撞击到壳体上。

在本申请中，用语“上”、“下”规定为壳体连接至钻杆上，相对于井底的位置，靠近井底的位置为“下”，远离井底的位置为“上”。用于“内”和“外”规定为相对于壳体的内部而言的，朝向壳体内部的方向为“内”，与“内”相反的方向为“外”。

与现有技术相比，本发明的优点在于，所述冲击钻井装置的动力转换机构包括砧座和冲锤，通过啮合轨道将砧座的旋转运动转换为冲锤的上下移动，特别是将砧座的部分旋转动力转换为冲锤向下的冲击力，并且冲锤将这个冲击力通过砧座传递至钻头，从而实现钻头在高速旋转钻进的同时高频冲击井底岩石，提高机械钻进速度。优选地，蝶形弹簧组的设置进一步提高冲锤向下冲击力的强度。另外防掉块的设置使得该冲击钻井装置始终连接在钻杆上，而不会出现掉落的问题。此外，上轴承静套、上轴承动套、下轴承静套以及防磨带的设置提高了各个部件之间可靠连接，稳定工作的同时，避免各个部件之间的摩擦，提高了该冲击钻井装置的使用寿命。并且该冲击钻井装置中省去了大量的焊接以及密封圈等零部件，由此结构简单。

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是根据本发明的一个优选实施例的冲击钻井装置的剖视图；

图2是图1所示冲击钻井装置沿A向的剖视图；

图3是图1所示冲击钻井装置沿B向的剖视图；

图4是图1所示冲击钻井装置的砧座旋转运动时下棘轮棘齿的啮合轨迹展开图；

图5是图1所示冲击钻井装置的冲锤旋转运动时上棘轮棘齿的啮合轨迹展开图。

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

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供的冲击钻井装置包括壳体和动力转换机构，动力转换机构设置在壳体内。下面将详细地描述本发明的冲击钻井装置及其各个部件。

如图1所示，壳体10形成为中空的管段。如图1所示壳体10的下端连接有下接头12，砧座9的下端螺纹连接到钻头上，如图所示，下接头12的上端部旋入壳体10内。相应地，壳体10的上端连接有上接头2，并且上接头2的下端部旋入壳体10内。

动力转换机构设置在壳体10的内部，其包括多个相互协调动作的部件，动力转换机构的作用是将部分旋转动力转换为向下的冲击力，并且将冲击力传递至钻头。由此可以看出动力转换机构实现旋转运动到直线往复运动的转换，从而将旋转动力转换为向下的冲击力，当钻头接收到这个冲击力时将其施加到井底的岩石上，以此提高钻头的钻进速度。

作为优选的实施例，如图1所示，动力转换机构包括砧座9和冲锤8，砧座9形成为阶梯轴，砧座9的台阶面上设置有齿面向上的下棘轮90(参见图4)，冲锤8形成为套管状，并且冲锤套装在砧座9的小直径段的外侧，并且冲锤8的下端设置有与下棘轮90配合的上棘轮80(参见图5)。上棘轮80和下棘轮90的啮合轨道实现旋转运动到直线往复运动的转换。砧座9和冲锤8可以采用常规砧座和冲锤常用的材料，进一步地，砧座的下棘轮和冲锤的上棘轮可以采用硬质合金，以提高耐磨强度，延长使用寿命。

如图1所示，优选地，砧座9的上端设置有旋转动力接头1，砧座9通过该旋转动力接头1连接旋转动力源，由此能够实现砧座9的旋转运动，优选地，旋转动力接头1花键连接于旋转动力源。进一步地，如图2所示，冲锤的外壁上设置有限位花键15，壳体10的内壁上形成有与限位花键15配合的键槽，以限制冲锤的径向移动。由此砧座9的径向位移受到限制，砧座9绕其轴线，即壳体的轴线做旋转运动，确保砧座9与冲锤8之间动力的可靠传递。由此壳体10在钻具的带动下做低速旋转，以确保钻头的旋转钻进，另外砧座9在旋转动力接头1的带动下做高速旋转，并且将其中部分的旋转动力转换为冲锤8向下的冲击力，由此使得井底岩石受到一定频次的冲击。

作为优选地，如图1所示，壳体10的上端的内壁上设置有凸台，冲锤8和凸台的下台面之间设置有碟形弹簧组。进一步地，蝶形弹簧组的上方和下方分别设置有第一垫圈5和第二垫圈7，以降低蝶形弹簧组及与其接触的部件的摩擦力，延长这些部件的使用寿命。

另外，如图4和图5所示，砧座9的旋转运动，图4中箭头的指向为砧座9旋转运动时下棘轮90的棘齿900的啮合轨迹展开方向，随着砧座9的高速旋转运动，上棘轮80沿下棘轮90的棘齿900的坡度较小侧901向上移动时，冲锤8向上运动，当上棘轮80沿下棘轮90的棘齿900的坡度较大侧902向下移动时，冲锤8向下运动以撞击砧座9，并且砧座9将冲击力传递至钻头。可以看出，上棘轮80和下棘轮90的啮合轨道的展开轨迹线为波浪形，图5中箭头的方向为在砧座9的带动下冲锤8的上棘轮80的棘齿800的啮合轨迹展开方向，从图中可以看护，每个棘齿的后侧边比前侧边更陡。砧座9在高速转动时，冲锤8的上棘轮80的棘齿800以较慢的速度沿着砧座9的下棘轮90的棘齿900的前侧(即坡度较小侧)上行，冲锤8上移，并且在上移的过程中冲锤8压缩碟形弹簧组6，碟形弹簧组6的势能得到累积。当上棘轮80的棘齿800行至下棘轮90的棘齿900的最高点后，在重力和碟形弹簧组6的势能作用下，以较快的速度沿着下棘轮90的棘齿900的坡度较大侧902回落到最低点，从而对砧座9产生冲击，接着上棘轮80的棘齿800在沿着下棘轮90的下一个棘齿移动，重复上述动作，再次对岩石产生高频冲击。可以根据实际生产情况设定上棘轮80和下棘轮90中的棘齿个数n，由此可以实现下棘轮旋转1周，冲锤冲击n次。

为了防止钻具起钻过程中动力转换机构向下掉，如图1所示，下砧座9的大直径段的外壁上设置有防掉块11，起钻时钻具带着壳体10向上移动，而动力转换机构没有一起上移，而是壳体10向上移动，砧座向下移动当，砧座9上的防掉块11卡在下接头12的上端部，由此继续上移的壳体10带着动力转换机构以及钻头一起上移，从而实现起钻下钻。

另外，为了防止动力转换机构中的部件之间以及这些部件与壳体10之间严重磨损而影响它们的寿命，优选地，如图1所示，上接头2的下端部和壳体10的上端的内壁上设置的凸台的上台面之间设置有上轴承静套3，砧座9的上端的侧壁上设置有台阶，台阶和旋转动力接头1之间设置有上轴承动套4，并且上轴承动套4贴附于上轴承静套3内。进一步地，下接头12的上端部与砧座9之间设置有下轴承静套13，下轴承静套13和砧座9之间设置有防磨带。下轴承静套13随钻具做低速旋转，优选地，如图3所示，下轴承静套13花键连接于下接头12。如图所示，进一步地，轴承静套13通过花键过盈配合卡持在下接头12的下端部。防磨带用于降低砧座9与下轴承静套13之间的摩擦，提高其使用寿命。防磨带可以采用硬质合金或其他耐磨材料。此外，由于上轴承动套和上轴承静套之间的间隙小于壳体与砧座之间的间隙，减少了砧座与壳体之间的摩擦，并且使得砧座不会在壳体内出现较大的晃动，在一定程度上起到对砧座的扶正作用。同样地，下轴承静套和防磨带之间的间隙小于壳体和砧座之间的间隙，减少了砧座和壳体之间摩擦的同时，相应地也对砧座起到了扶正作用。

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。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 (6)

1.一种冲击钻井装置，其特征在于，包括：

壳体，其构造为中空的管段；

动力转换机构，其设置于所述壳体的内部，所述动力转换机构能够将部分旋转动力转换为向下的冲击力，并且将所述冲击力传递至钻头，

所述动力转换机构包括砧座和冲锤，所述砧座构造为阶梯轴，所述砧座的台阶面上设置有齿面向上的下棘轮，所述冲锤形成为套管状以套装于所述砧座的小直径段上，所述冲锤的下端设置有与所述下棘轮配合的上棘轮，

所述砧座的上端设置有旋转动力接头，以连接旋转动力源，

所述冲锤的外壁上设置有限位花键，所述壳体的内壁上形成有与所述限位花键配合的键槽，以限制所述冲锤的径向移动，

所述壳体上端的内壁上设置有凸台，所述冲锤和所述凸台的下台面之间设置有碟形弹簧组。

2.根据权利要求1所述的冲击钻井装置，其特征在于，所述上棘轮沿所述下棘轮棘齿的坡度较小侧向向上移动时，所述冲锤向上运动，当所述上棘轮沿所述下棘轮棘齿的坡度较大侧向下移动时，所述冲锤向下运动以撞击所述砧座，并且所述砧座将所述冲击力传递至所述钻头。

3.根据权利要求2所述的冲击钻井装置，其特征在于，所述壳体的下端连接有下接头，并且所述下接头的上端部旋入所述壳体内，所述砧座的大直径段的外壁上设置有防掉块，当所述砧座向下移动时，所述防掉块能够卡持于所述下接头的所述上端部。

4.根据权利要求2所述的冲击钻井装置，其特征在于，所述壳体的上端连接有上接头，所述上接头的下端部旋入所述壳体内，所述上接头的所述下端部和所述凸台的上台面之间设置有上轴承静套，所述砧座的上端的侧壁上设置有台阶，所述台阶和所述旋转动力接头之间设置有上轴承动套，并且所述上轴承动套贴附于所述上轴承静套内。

5.根据权利要求3所述的冲击钻井装置，其特征在于，所述下接头的上端部与所述砧座之间设置有下轴承静套，并且所述下轴承静套和所述砧座之间设置有防磨带。

6.根据权利要求5所述的冲击钻井装置，其特征在于，所述下轴承静套花键连接于所述下接头，和/或所述旋转动力接头花键连接于所述旋转动力源。