CN1056333A - 液力钻井震击器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液压钻井震击器，这种震击器包 括能在相应的伸出和收缩位置之间运动的一心轴和 一壳，以便将震动冲击传递给被卡物体，心轴上的活 塞在壳中的缸中滑动，和一个在壳上的限制组件，该 组件有一个内密封，该密封与心轴的增大部分接合， 以便封闭活塞和限制组件之间的高压注油腔，限制组 件包括针止回阀，当心轴的增大部分与密封接合时， 该阀提供液压油从高压腔中非常缓慢的泄漏。在与 高压腔相对的限制装置上的注油补偿腔有与心轴内 部压力相平衡的压力，心轴内部的压力是通过心轴壁 上的孔传递的。

Description

本发明涉及震击器，它被用于解脱卡在井筒中的物体。特别是涉及一种新的和改进的液力钻井震击器，即使在钻井过程中，钻具被卡在井筒里，也能够使用液力钻井震击器将往复上下的冲击传递给钻具。

由于在钻井中遇到恶劣条件，过去液力震击器的使用基本上被限制在“打捞”作业中。对于钻井作业使用来说，震击器必须能够经受长期的井下工作条件，并且在需用时可随时保持工作状态。在为了换钻头而将钻具从井孔中提出之前，钻井震击器确实须在井下保持几天，甚至几周的时间。由于钻井过程中因本身的特性会产生高扭矩应力和振动，因此，钻井震击器必须坚固得足以承受这种高扭矩和振动。

现有的液力钻井震击器，如拉福（Love）的专利3，566，981、韦伯（Webb）的专利4，109，736和撒利夫（Sutliff）的专利2，645，459，都是在心轴的外面用计量套筒作为上、下钻机构。当液压油在该套筒的外表面和壳的小直径部分的内壁之间的微小间隙中发生泄漏时，该套筒从壳中小直径部分中抽出，进入壳中大直径部分中。慢泄漏减慢了心轴的纵向移动，使它在管柱中持续一段时间。当计量套筒到达大直径部位时，提供了一大的旁路通道，该通道允许心轴自由运动，直到冲击面相碰。在心轴反向运行过程中，套筒下端离开心轴阀座以便使它自由地运动到处于准备击发位置。尽管带有计量套筒的震击器已得到广泛应用，但在它们作为高压密封时，其滑动表面易发生磨损，使密封效果下降。由于这些套筒需要紧公差，所以其加工费用高昂。现有的其它震击器具有高压密封，这些密封在井筒中易受到钻井泥浆的损坏从而降低密封寿命。申请人所知道的现有的所有计量套筒都设计有内腔，这些内腔通过壳体中的开孔与外面相补偿。这些孔造成的弱点在弯曲转动过程中产生在周期应力作用下可能导致疲劳破坏。

本发明的目的是提供一种新的、改进的液压震击器，这种震击器克服了上述现有震击器中的问题。

本发明的另一目的是提供一种新的、改进的带有计量阀的液力震击器。该计量阀制造工艺简单，成本较低，易于更换。利用这种计量阀，就可不必制造、使用大型的价格昂贵的、并且历来都必须加工成紧公差的部件。

本发明的再一个目的，是提供一种新的、改进的其内部具有补偿机构的震击器，因而它不存在外部孔，不会因弯曲转动中的周期应力而使弱点处遭到破坏。

本发明又一个目的是提供一种新的、改进的总体布置独特的震击器。以使所有高压密封都完全与钻井泥浆相隔绝，减少泥浆对密封件的污染，从而保证密封件获得较长的使用寿命。

本发明再一个目的是提供一种新的、改进的具有阻尼功能的钻井震击器。这种阻尼功能防止在大倾斜井筒中，壳相对于心轴向下运动时所产生的张力冲击波。

本发明的这些及其他目的是通过提供一种液力钻井震击器装置来实现的。这种震击器包括一个套接在壳中的、并在伸出的和收缩的相对位置之间运动的心轴。心轴的上端和壳的下端设有螺纹。因此，震击器能够连接在钻柱里。心轴和壳上的花键相互配合以实现相对滑动并传递钻井扭矩。为了暂时减慢心轴和壳的相对运动，使势能储存在管柱中，特设一种液压系统，该系统包括一心轴上的活塞，该活塞在壳中的液压缸中滑动。壳上的流量限制装置与活塞隔开以便提供一个充满液压油的高压腔。流量限制装置有一中心孔，心轴穿过该孔延伸，还有一径向偏离该中心孔的孔，该孔用来装配针阀。针阀和该孔之间的预定的间隙可严格限制来自高压腔的油液流量。心轴上的扩大直径的阀头与流量限制装置进行密封配合后，心轴和活塞的进一步运动将引起泄漏的液压油有控制地通过针阀进入位于流量限制装置旁的补偿腔中。有控制的泄漏使心轴的运动速度减慢，从而在向上震击的情况下，能在管柱中拉伸。当心轴头通过限制装置的孔时，心轴得以作相对外壳的上行运动，以使冲击面猛烈撞击承撞面。与上述机构相同的第二个限制系统，和心轴上的第二个阀头，也适用于本发明中震击器作向下冲击的动作。花键腔和两个补偿腔被浮动活塞封住，这些浮动活塞与心轴的内孔相连，从而提供了内部压力补偿由于本发明中所使用的所有高压密封件完全与钻井泥浆相隔绝，从而使密封件的使用寿命达到最佳水平。

本发明所具备的其它一些目的、特征和优点，在结合附图对本发明最佳实施例进行详细描述之后将更加清楚。

图1为根据本发明带震击器的钻具示意图;

图2A-2E为新的、改进的液力震击器的纵向右侧剖视图，它们均表示处于准备击发的位置，所有图都是按实际的上、下顺序排列的。

图3为计量系统的局部放大剖视图;

图4为本发明改进型的局部剖视图。

首先参看图1，采用典型的旋转工艺，用钻头11地下钻进井筒10。为了提供必要的重量，在钻头11上面连接一节很重的钻铤12，以便于钻头钻孔。根据本发明的震击器13连接在钻铤柱12上，但通常不必朝向在中点上面的上端。其余的钻铤12′可以连接在震击器13的上面。由一节节钻管构成的钻具14向上延伸到井筒顶端。钻井泥浆用泵从钻具14和钻铤12向下泵入，穿过钻头11的喷嘴，并通过钻具和井筒壁之间的环形空间返回地面。该钻井泥浆有一静水压头，该静水压头比地层液体压力要高，以便防止地下水喷出。该泥浆亦用来清洗钻头，并将钻屑带出孔外。

现在参照图2A至2E，由本发明构成的液力钻井震击器13包括套接在壳组件21里的心轴组件20。心轴组件20包括一花键心轴22，花键心轴22上有螺纹23，心轴22通过该螺纹23与向地面伸出的管子相连接。花键心轴22的下部24设有外花键25，外花键25与花键壳27上的内花键26相啮合，以便提供一个滑动连接和扭矩传递连接。花键壳27上端的密封圈31配合在花键心轴22的外表面上，以便防止钻井泥浆的进入。如图2B所示，花键心轴20的下端在28处与冲击器心轴29通过螺纹相连接。压紧螺母30用来防止螺纹偶然松脱，并提供一个能够与花键26下端的承撞面相碰的冲击面。冲击器心轴29的上端部分32有一加厚的横截面，以便提供一向下冲击面33。冲击面33对着冲击器壳36的向里的台肩35上的承撞面34，冲击器壳36的上端通过螺纹37与花键壳27的下端连接。

如图2C所示，冲击器心轴29的下端通过螺纹48与上压力心轴42的上端连接。在上压力心轴42的上端形成了一个带有一个或多个径向孔44的向外的台肩43。孔44将台肩43上、下两环形空间45和46直接地与心轴组件20的内孔47连通。带有内、外密封圈51和52的环状浮动活塞50，其密封圈51和52分别与冲击器心轴29和补偿壳件38的壁53和54相配合，环状浮动活塞50的作用是使内孔47中的压力与冲击器心轴29和冲击器壳38、36以及设有花键25、26的内部区域之间的环状区域的压力达到均衡。活塞50也考虑了由于热膨胀而带来的体积变化。浮动活塞50受到盘形弹簧58向上的偏压，该盘形弹簧58作用在浮动活塞50的下端面和台肩43的上端面之间。第二个浮动活塞60装在台肩43的下面，并用液压手段使内孔压力与上压力心轴42和上压力壳38之间的环状空间61中的压力达到均衡。活塞60也带有密封圈63和64，以防止液体由此泄漏，盘形弹簧65将偏压向下施加在浮动活塞60上。

震击器13的高压部分包括上、下心轴42、66和压力壳67。在心轴66的上端向外延伸的台肩69（如图2D）带有一个高压密封环70，以便使活塞贴在壳67的内壁72上滑动。台肩69通过螺纹39与上压力心轴42的下端连接。上计量部件74装在壳38的下端，下计量部件75装在下壳件68的上端，该下计量部件75与上计量部件74的结构相同。在活塞69和上计量部件74之间的环状空间76形成上高压腔，在下计量部件75与活塞69之间的环状空间77形成了下高压腔。心轴42和壳38之间的环状空间61形成与高压腔76相连的补偿腔，心轴66与壳68之间的下部环状空间84构成一与下高压腔77相连的补偿腔。所有高压腔和补偿腔都注满了粘度适当的液压油。

补偿腔61的上端由浮动活塞60构成，补偿腔84的下端由另一浮动活塞85构成（图2E），浮动活塞85由弹簧86向上施加偏压作用。弹簧86安装在环87上，环87是由套筒88和卡箍89支撑在心轴66上。内、外密封圈82、83用于防止液体泄漏。通过开口处87′浮动活塞85的下端面与心轴组件20的内孔47相连通。活塞60、85和50在防止腔57、61、76、77和84中的液压油以及高压密封圈免受钻井泥浆的污染损坏的同时，考虑到由热效应带来的压力平衡和体积变化。

如图2C所示，上压力心轴42设有一小段具有增大直径的外表面101的区段100。当心轴组件20处于如图所示的待击发位置时，该表面101处于与计量组件74内表面上的高压密封件相配合。该表面101与这种密封件的配合显示出在心轴组件20和其活塞69向上运动时必定伴随着计量组件74计量液压油量。与此相似，当心轴66上的下阀头112与下计量组件75孔中的高压密封配合时，心轴组件20和活塞69向下运动必定伴随着下计量组件75计量液压油量。由于计量组件74和75结构相同，但相向布置，因此只对下计量组件75进行详细描述。

参照图3，下计量组件75包括一长套筒104，该套筒104通过螺纹80与补偿壳68的上端部105连接。用密封圈106把套筒104与压力壳67密封住。在套筒104上部设有一轴向孔107，孔107向下延伸到直径缩小的计量孔108。计量孔108下壁与轴向孔109相交，轴向孔109向下通到横向孔110，横向孔110与压力壳67和套筒104下部之间的环状空间111相连通。一对横向孔115和116将环状空间111与压力心轴66和补偿壳68之间的环状空间117相连通。环状空间117向下通到补偿腔84。

计量阀芯120滑动地装在孔108中，并受盘形弹簧121向下偏压作用。盘形弹簧121由盖122固定。盖122上可有一通孔130，或在盖122下面设置一些径向孔穿过套筒104上部筒壁。在阀芯120的下端最好设有径向延伸的槽123或其它装置，以确保通过阀芯120的外壁和孔108的内壁之间的间隙124来进行流量限制。根据井下温度和系统中所使用的液压油的粘度，将间隙124设计得相当小，以达到最佳的震击效果。

在靠近孔壁114的下端，套筒104上的环状凹槽126中装有高压密封组件125。凹槽126的下端由补偿壳68的105部分的上端构成。一旦密封组件125与心轴头112的外表面接合，在心轴66进一步向下运动时，该密封组件125就能阻止液压油从计量套筒104的孔115中泄漏，只要密封件125与心轴头112的外表面接合，在心轴66向下运动时必定伴随着计量的液流通过阀芯120从高压腔77进入补偿腔84中。一旦心轴头112的上端离开密封件125，就立刻形成一个大旁路区，从而使心轴组件20能在壳21中下落，并用撞击面33冲击承撞面34。

如上所述，上计量组件74与下计量组件75结构相同，并包括一个向上安装的阀座芯130。该阀座芯130装在套筒131中所构成的轴向孔中，套筒131固定在补偿壳38上。套筒131靠近它的上端设有高压密封件132，该密封件132与心轴42上的阀头100共同发生作用。一旦阀头100的上端表面与密封件132接合，在其继续向上运动时，从高压腔76穿过阀座芯130进入补偿腔61的液压油必定会计量。这样就减慢了心轴组件20向上运动的速度。从而在地面上的管柱中能进行变形。一旦阀头100离开密封件132，心轴组件20就加速向上，从而在向上的方向上引起震动冲击。

如附图所示将零部件组装起来，并将高压腔76、77和补偿腔61、84中都注满合适的液压油。花键腔57中也可注满液压油，或注满一种更适合于在苛刻条件下进行润滑的油。当钻具下到井筒时，将震击器13连接在钻铤柱的上端上，并借助于连线在花键26的下端的螺母30使其延长。如果在钻井过程中将震击器设在钻具的中性点以上，那么震击器13仍保持张紧状态。当泵送的钻井泥浆穿过震击器13时，在钻头11喷嘴上方的较高的内压力就产生张紧力。花键25和26将扭矩从心轴组件20传递到心轴下面的与钻铤连接的壳21上。

心轴20内的钻井泥浆不会污染和损害高压密封件125和132或活塞密封件70，这是由于用浮动活塞60和85将充满液压油的腔61、76、77和84与钻井泥浆隔开。花键腔57也用浮动活塞50与钻井泥浆隔离开。花键腔57和补偿腔61、84都能承受通过孔44和横向空间87′在心轴20中的压力。因此，这些密封件和液压油接触不到环状通道中含有钻屑或其它碎石的钻井泥浆。

即使震击器13下面的钻铤柱或钻头被卡在井筒中，震击器13能够作如下的向上冲击动作。心轴20下到壳21中，以便使上心轴头100和下心轴头112分别接近相应的计量套筒131和104。当上心轴头100的下部与高压密封件132接合时，针阀130打开使液压油从补偿腔61流到压力腔76中。当下心轴头112与高压密封件125接合时，在钻机测井电缆张力指示器上能够看到阻止其向下运动的阻力。不释放其它的负荷，管子就被提起。由于上心轴头100与高压密封件132接合，心轴向上运动将引起针阀130坐下，并限制从压力腔76流入补偿腔61的液压油。被限制的液流提供了司钻时间，以提起钻具并储存势能。一旦心轴头100向上测量并离开高压密封件132时，心轴20就向上加速运动以便使螺母30向花键26下端猛烈冲击，从而将震动冲击传递给被卡部位。钻管可以反复下放，然后让钻管延伸，以便将一连串的冲击传递给被卡物体，直到被撞松为止。

对于震击器向下震击，将心轴20在壳21内下放，直到测井电缆指示器上能看到其不能进一步下放为止。该指示器信号表示下心轴头112已能触到下计量组件75上的高压密封件125。当上心轴头110碰到密封件132时，由于针阀130打开，上心轴头100不阻止其向下运动。然后司钻释放心轴20上的负荷，该负荷使下心轴头112在活塞69会产生对通过针阀120进入补偿腔84的液压油进行计量时缓慢地通过套筒104。当下心轴头112上部外表面离开高压密封件125时，心轴组件20就突然向下落使撞击面33撞击承撞面34。所产生的震动冲击通过壳21传给下面的被卡物体。通过提升心轴20进行反复震动冲击，直到阻力表明上心轴头100先与密封件132接合为止，这些使下心轴头112和套筒104处于待击状态，然后释放震击器13上的重量从而使震击器松开、撞击。

浮动活塞60、85、和50确保在补偿腔和花键腔中的压力与心轴组件20的内孔47里的压力基本相等，并容许因热膨胀引起的微小体积变化。对内部而不是外部的压力补偿具有几个优点。壳21中的孔形成薄弱点，在弯曲转动过程中受周期应力的作用，这种作用可导致疲劳破坏。当具有外部补偿的震击器被提出孔外时，钻井泥浆从钻具外部的孔隙中向下流出这可注意到钻具的油漏。而且，由于经过钻头喷嘴后压力下降，震击器内部的压力则高于环状通道的压力，这就使得通过液压油的密封件的泄漏流到外面，从而防止环状通道中的钻井泥浆中的颗粒损伤密封件。

图4所示为本发明的另一个最佳实施例。当钻进很斜的定向孔时，有必要释放相当重的负荷，以使钻柱下到孔底。这样重的负荷有可能引起震击器释放并向下冲击。如果发生这种情况，负荷释放作用将在地面进行，并可能向下冲击。一般说来，在地面将不会出现任何问题，这是由于钻管处在钻机吊机的牢固控制之下。但如果震击器完全封闭，钻管放在滑套里，例如当增加另一个接头或管架时，震击器下面的钻铤将开始向下运动。然后，震击器的作用就象套筒连接一样，直到达到壳和心轴之间的自由行程的尽头，而且震击器处于待击状态。当震击器处于待冲击状态时，若震击器下面的底孔装置的突然止住，就能使张力冲击波通过钻管传给地面，这种突然止住可能将钻管从滑套中击出。这一点是可以预想到的。

为了减少这种可能出现的问题，当震击器从准备好了的位置伸出时，需要以一种限制震击器自由伸出的装置。另外，当震击器从待击发状态关闭时，该装置允许其较好自由的运动。换句话说，由改进所提供的阻尼是定向偏置。通过在心轴部分66上的截圆锥状的（frusto-Conical）表面142来实现这种阻尼。该心轴部分66从下阀头112的上外表面直径113到心轴部分的标准直径143是逐渐减小的。锥形表面142和计量套筒104的孔外表面114之间所形成的环状区域144构成了一液压油旁路通道，当壳21相对于心轴20从图2A-2E所示的待击发位置向下运动时，该通道在截面尺寸上是逐渐减小到零。而且高压密封件125达到阀头表面113。换句话说，在向下震击过程中，当心轴20相对壳21从待击发位置向下运动时，通道的横截面尺寸是逐渐增大的。心轴20的向下移动仅仅在冲程开始时受到限制，而且限制作用很快衰减。以致冲击以同一速度进行，好象通道阻尼不存在一样。当然，液压油流体在通道144被切断之后，液压油流体就必须完全从阻尼套筒104的阀针120所形成的计量通道中穿过。

在凯斯林（Kisling）的专利3，709，478中所示的机械钻井震击器中，通过提供在下调节套筒上的锥形内表面达到相同的阻尼原理。该锥形内表面与在心轴的相邻外表面上的外部加厚或与可移动的套筒共同作用。锥面是向上、向外倾斜，且这样设置，使得锥形表面小直径处在壳的待击发位置时，环绕套筒或加厚处之间的间隙非常小。这样，如果震击器已关闭且心轴开始向下运动，为了向下加速并防止震击器冲击时产生张力振动波，使锥形表面与套筒活塞的外表面之间的旁路通道逐渐减小到近乎于零。

到此，我们应对这种新改进型液力钻井震击器有所认识。该震击器包括了本发明所有的目的和特征。针阀的作用是减慢心轴的运动，并根据液压油流动的方向起止回阀作用。用棉花球和类似物阻塞环状阻尼孔比堵圆孔更困难，这是由于圆形孔必然能渡过。针阀为自清洁式。在震击器重新冲击时，该针阀能够将留在环状阻尼孔中的任何杂物清除掉。这种针阀易于用其它的不同规格的针来替换，这样可以改变震击器的操作性能。换用不同粘性的液压油就可改变操作特性，而这种替换不需将钻具拆开。除了在下机构75中使用特殊的带有较小的出口直径的针阀外，对于上、下冲击腔来说基本上能够使用同一计量机构。扩大的间隙提供下钻负荷，该负荷约为向上冲击负荷的1/3。由于有2个独立的密封腔，尽管其中一个腔可能没有压力，震击器仍能在一个方向上操作。由于在本发明中没有使用一般的滑动套筒活塞作为分离装置，因此，避免了滑动磨损，而这种滑动磨损会降低针阀的使用效果。在这里公开的针阀的制造成本比套筒活塞便宜得多，套筒活塞必须保持非常紧密的配合。本发明中的震击器即能够向上或向下冲击震动，也能够象这里所描述和图示的那样，在两个方向上进行冲击。

由于在已公开的实施例中，在不脱离本发明构思的情况下，能做出的一定的变化或修改，附属的权利要求书的目的在于将属于本发明思想和范围内的所有的变化和修改包括进去。

Claims (10)

1、适用于钻井应用的液力震击器装置，其特征在于，心轴部件套接在壳部件中，以便在伸出和收缩位置之间作相对运动；用于防止所述部件相对转动的装置；所述部件上的冲击面适于通过所述心轴部件的伸缩运动将对靠的冲击面带到所述的其中一个位置；和用于短时限制所述心轴部件朝所述其中一个位置运动的装置，该装置包括在带有内孔的所述壳部件上的限制装置和在所述内孔中的密封装置，在所述心轴部件上的活塞装置能密封地在所述壳部件里的缸体装置中滑动，所述活塞装置与所述限制装置轴向间隔开，以便提供一个适合注满液压油的环状压力腔，在所述心轴部件上的增大直径表面能够与所述限制装置所述内孔的所述密封装置相接合，以防止在它们之间发生泄漏，和在所述限制装置中的计量通道装置，用于当所述活塞装置向所述限制装置运动时限制来自所述压力腔的液压油流量，所述限制装置能有效地使所述心轴部件相对所述壳部件的运动变慢，直到所述表面装置与所述孔中的所述密封件脱离接合为止。

2、根据权利要求1的震击器，其特征在于，所述限制装置还包括一个阀座孔，该孔与所述腔相连，和一个装在该阀座孔中的阀件，所述阀件与所述计量通道的阀座孔之间的间隙很小，因而形成所述计量通路装置。

3、根据权利要求2的震击器，其特征在于，所述的阀座孔有一圆筒形壁，所述的阀件是一个圆柱形的销钉，该销钉滑动地装在所述阀座孔中。

4、根据权利要求2的震击器，其特征在于，还包括用于给所述阀件施加偏压使其进入所述阀座孔中的弹簧装置，所述弹簧装置允许所述阀件脱离所述阀座孔以便让液压油液流入所述腔中。

5、根据权利要求3的震击器，其特征在于，还包括用于给所述销钉施加偏压使其进入所述阀座孔中的弹簧装置，所述弹簧装置允许所述销钉脱离所述阀座孔以便让液压油液流入所述腔中。

6、根据权利要求3的震击器，其特征在于，在所述销钉的内端有液流槽，以确保对油流的任何限制基本上是在所述销钉的外表面和阀座孔的内表面之间的环状间隙空间中进行。

7、根据权利要求1的震击器，其特征在于，心轴上的所述表面装置由心轴的增大直径部分所提供，因此，当所述增大直径部分相对于所述限制装置轴向隔开时，液压油液能自由地在所述心轴和所述限制装置的所述内孔之间流动。

8、根据权利要求1的震击器，其特征在于，还包括一个在所述心轴和所述壳部件之间形成的环状补偿腔，该腔靠近所述高压腔并在所述限制装置的相对一端上，所述补偿腔注满了液压油液，当所述活塞装置朝着相应所述限制装置运动时，该补偿腔适合接收穿过所述计量通道装置流入的液压油流，当所述活塞装置离开相应所述限制装置时，该补偿腔适于向所述高压腔提供液压油液。

9、根据权利要求8的震击器，其特征在于，还包括一个浮动活塞，该浮动活塞构成了所述补偿腔的外端，所述浮动活塞可以移动以适应所述补偿腔的体积变化;和一个在所述心轴里的孔，该孔装置将该所述心轴的孔内的钻井液体的压力传递给所述浮动活塞。

10、根据权利要求9的震击器，其特征在于，还包括所述心轴和壳部件上的密封件，用于封闭所述相应的防转动装置，以便使所述相应的防转动装置在一池油中起作用，其中一个所述密封件是另一个浮动活塞，该活塞密封地接合在所述心轴和壳部件之间，所述孔装置也将其中在心轴孔中的钻井液体的压力传递给所述另一个浮动活塞，以便使这个压力与所述油池中的压力相均衡。

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