CN107401374A - 一种扭力冲击提速工具 - Google Patents

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夏成宇
钱利勤
杨行
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Abstract

本发明涉及一种扭力冲击提速工具；属石油、天然气开采钻井工具技术领域。它由外筒、导流滤管、压盖、换向阀、冲击筒、冲击锤和换向阀座构成，外筒内装有冲击筒；冲击筒内通过换向阀座安装有换向阀；换向阀圆周上套装有冲击锤，换向阀的顶部通过密封环和向心轴承安装有压盖，压盖顶端螺纹安装有导流滤管。该工具在工作过程中，换向阀和冲击锤在钻井液作用下受力平衡，不仅保证了其密封性，而且在高压流体的持续作用保证了输出平稳且具有较大的扭矩，解决了现有提速工具结构复杂，冲击锤产生冲击力有限；工作过程极易因受力不平衡而影响密封性的问题；具有结构简单、合理且紧凑，流道清晰不易堵塞，可靠性强的特点，可有效的提高使用寿命。

Description

一种扭力冲击提速工具
技术领域
本发明涉及一种扭力冲击提速工具；属石油、天然气开采钻井工具技术领域。
背景技术
随着油气资源的不断开采，石油钻井逐渐向深井、超深井方向发展，从而使机械钻速低、钻井周期长、钻井费用高等问题尤为显著。为了提高钻井速度降低钻井成本，其中最重要的一步是提高破岩效率。单纯从提高机械钻速方面讲，国内外已经进行了大量的研究工作，并发现粘滑振动是阻碍扭力冲击器提速效果的主要原因之一，而通过实验发现粘滑振动是因在钻进过程中由于地层原因扭矩无法平稳输出导致的。为了消除粘滑振动并对钻头输出平稳的扭矩冲击力，目前市面上的提速工具多采用冲击冲击锤体和换向阀交替运动的结构来对钻头提供周期性的周向冲击，但其流道结构复杂，冲击锤产生冲击力有限；并且其对冲击筒、冲击锤及换向阀同心性要求较高，工作过程极易因冲击锤和换向阀受力不平衡而影响密封性。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种结构简单、合理且紧凑，流道清晰不易堵塞，且工作稳定性好、可靠性强，以解决目前钻头中的粘滑振动和扭转冲击工具中周向冲击力小问题的扭力冲击提速工具。
本发明的技术方案是：
一种扭力冲击提速工具；它由外筒、导流滤管、压盖、换向阀、冲击筒、冲击锤和换向阀座构成，其特征在于：外筒内装有冲击筒；冲击筒内通过换向阀座安装有换向阀；换向阀圆周上套装有冲击锤，换向阀的顶部通过密封环和向心轴承安装有压盖，压盖顶端螺纹安装有导流滤管。
所述的冲击筒呈筒状，冲击筒的圆周上设置有安装环槽，安装环槽上方的冲击筒圆周上对称设置有高压导流槽，高压导流槽之间的冲击筒的圆周上设置有高压流道，安装环槽下方的冲击筒端头设置有下环台；冲击筒的内壁上对称设置有冲击锤体槽，冲击锤体槽顶部之间的冲击筒的内壁上设置有挡板。
所述的高压流道上设置有冲击筒导流孔，高压导流槽上设置有冲击筒导流口。
所述的外筒内壁上通过通过螺栓安装有卡环，卡环的一端延伸至安装环槽内。所述的下环台上均布有环台花键，外筒下端端口上设置有与环台花键对应的
键槽，外筒与冲击筒之间通过环台花键和键槽的配合相互卡接；外筒和冲击筒通过花键块连接传递扭矩，花键块之间设有间隙。
所述的换向阀座呈凸起圆环状，换向阀座的圆周上对称设置有凸块，换向阀座的端面圆周上设置有阀座环形槽，阀座环形槽与中心流道连通。
所述的凸块和阀座环形槽的数量分别为4个。
所述的换向阀为变径筒状体，换向阀的大径体圆周上对称设置有换向阀导流槽，换向阀导流槽之间的换向阀圆周上对称设置有换向阀泄流槽，换向阀泄流槽之间的换向阀圆周上对称设置有换向阀导体槽A和换向阀导体槽B；换向阀导体槽A和换向阀导体槽B与阀座环形槽连通。
所述的换向阀导流槽的数量为2个，换向阀泄流槽的数量为4个；换向阀导体槽A数量为2个; 换向阀导体槽B数量为2个。
所述的换向阀导体槽A和换向阀导体槽B的两端分别为敞口状，换向阀导流槽和换向阀泄流槽的一端分别为封堵状。
所述的换向阀泄流槽和换向阀导体槽B上分别设置有防砂冲缝，防砂冲缝与换向阀中心孔连通。
所述的冲击锤为筒状体，冲击锤的圆周上间隔对称设置有冲击锤体；冲击锤体之间的冲击锤导流槽上设置有进液槽A，各冲击锤体的外侧设置有进液槽B，进液槽B之间的冲击锤圆周上设置有进液槽C和进液槽D；冲击锤的内壁上设置有梯形凸台，冲击锤通过梯形凸台与换向阀导体槽B的配合与换向阀插入连接。
所述的压盖为凸型筒状体；压盖上端的圆周上对称设置有压盖导流口，导流口下方的压盖圆周上对称设置有压盖导流槽，压盖导流槽之间的压盖圆周上对称设置有压盖圆弧槽。所述的压盖导流槽数量为2个，压盖圆弧槽数量为4个。
所述的导流滤管呈斗状体，导流滤管上端设置有环形密封槽，环形密封槽下方的导流滤管圆周上均布有虑孔，虑孔与环形密封槽之间的导流滤管上设置有螺纹。
所述的虑孔呈螺旋状设置。
所述的导流滤管通过O型密封圈与外筒密封连接。
本发明的有益效果在于：
1、 采用冲击筒、冲击锤、换向阀和换向阀座的联合作用使冲击锤在冲击锤体槽内做周期性的往复摆动，各部件之间配合合理而紧凑，能有效的避免部件因受力不均而影响工具的密封性的问题，大大提高了工具的可靠性。
2、冲击锤上具有两个冲击锤体，可以使钻头受到持续且更大的冲击，从而
有效的解决现有扭力冲击工具冲扭矩小的问题，提高了工具的周向冲击，有效解决了现有钻头的粘滑振动问题。
3、本发明结构简单、合理且紧凑，流道清晰不易堵塞可靠性强，能有效的提高使用寿命。
附图说明
图1为本发明的主视图结构剖视示意图；
图2为本发明的左视图结构剖视示意图；
图3为图1中的A—A向剖视图；
图4为图1中的B—B向剖视图；
图5为图1中的C—C向剖视图；
图6为本发明的冲击筒的立体示意图；
图7为本发明的换向阀座的立体示意图；
图8为本发明的换向阀的立体示意图；
图9为本发明的冲击锤的立体示意图；
图10为本发明的压盖的立体示意图；
图11为本发明的导流滤管的立体示意图；
图12为本发明中图1的A—A向剖视的冲击筒、冲击锤、换向阀的第一种位置图示意图；
图13为本发明中图1的A—A向剖视的冲击筒、冲击锤、换向阀的第二种位置图示意图；
图14为本发明中图1的A—A向剖视的冲击筒、冲击锤、换向阀的第三种位置图示意图；
图15为本发明中图1的A—A向剖视的冲击筒、冲击锤、换向阀的第四种位置图示意图。
图中：1、外筒，2、导流滤管，3、压盖，4、换向阀，5、冲击筒，6、冲击锤，7、换向阀座，8、安装环槽，9、高压导流槽，10、高压流道，11、下环台，12、冲击锤体槽，13、挡板，14、冲击筒导流口，15、冲击筒导流孔，16、环台花键，17、卡环，18、凸块，19、阀座环形槽，20、换向阀导流槽，21、换向阀泄流槽，22、换向阀导体槽A，23、换向阀导体槽B，24、防砂冲缝，25、冲击锤体，26、进液槽A，27、进液槽B，28、进液槽C，29、进液槽D，30、梯形凸台，31、密封环，32、向心轴承，33、压盖导流口，34、压盖导流槽，35、压盖圆弧槽，36、环形密封槽，37、虑孔，38、冲击锤导流槽，39、中心流道。
具体实施方式
该扭力冲击提速工具由外筒1、导流滤管2、压盖3、换向阀4、冲击筒5、冲击锤6和换向阀座7构成，外筒1内装有冲击筒5。冲击筒5呈筒状，冲击筒5的圆周上设置有安装环槽8，安装环槽8上方的冲击筒5圆周上对称设置有高压导流槽9，高压导流槽9用于保证冲击锤6受力稳定。高压导流槽9上设置有冲击筒导流口14。高压导流槽9之间的冲击筒5的圆周上设置有高压流道10；高压流道10上设置有冲击筒导流孔15。安装环槽8下方的冲击筒5端头设置有下环台11；下环台11上均布有环台花键16。冲击筒5的内壁上对称设置有冲击锤体槽12，冲击锤体槽12顶部之间的冲击筒5的内壁上设置有挡板13。
外筒1下端端口上设置有与环台花键16对应的键槽，外筒1与冲击筒5之间通过环台花键16和键槽的配合相互卡接；外筒1和冲击筒5之间通过环台花键16和键槽的配合传递扭矩，环台花键16和键槽之间设有间隙。外筒1内壁上通过通过螺栓安装有卡环17，卡环17的一端延伸至安装环槽8内。
冲击筒5内通过换向阀座7安装有换向阀4；换向阀座7呈凸起圆环状，换向阀7的圆周上对称设置有4个凸块18，换向阀座7的端面圆周上设置有4个阀座环形槽19，阀座环形槽19与中心流道连通。
换向阀4为变径筒状体，换向阀4的大径体圆周上对称设置有2个换向阀导流槽20，换向阀导流槽20之间的换向阀4圆周上对称设置有4个换向阀泄流槽21，换向阀泄流槽21之间的换向阀4圆周上对称设置有2个换向阀导体槽A22和2个换向阀导体槽B23；换向阀导体槽A22和换向阀导体槽B23的两端分别为敞口状，换向阀导体槽A22和换向阀导体槽B23与阀座环形槽19连通。换向阀导流槽20和换向阀泄流槽21的一端分别为封堵状。换向阀泄流槽21和换向阀导体槽B23上分别设置有防砂冲缝24，防砂冲缝24与换向阀中心孔连通。
换向阀4圆周上套装有冲击锤6，冲击锤6为筒状体，冲击锤6的圆周上间隔对称设置有冲击锤体25；冲击锤体25之间的冲击锤导流槽38上设置有进液槽A26，各冲击锤体6的外侧设置有进液槽B27，进液槽B27之间的冲击锤6圆周上设置有进液槽C28和进液槽D29；冲击锤6的内壁上设置有梯形凸台30，冲击锤6通过梯形凸台30与换向阀导体槽B23的配合与换向阀4插入连接。由于换向阀4置于冲击锤6内，且梯形凸台30位于换向阀导体槽B23内，由此使换向阀4置于冲击锤6之间分割为两个换向阀液腔。同时，由于冲击锤6置于冲击筒5内，且冲击锤体25位于冲击筒5的冲击锤体槽12内，由此使冲击筒5与冲击锤6之间分割为两个冲击锤体液腔。
换向阀4的顶部通过密封环31和向心轴承32安装有压盖3。压盖3为凸型筒状体；压盖3上端的圆周上对称设置有压盖导流口33，压盖导流口33下方的压盖3圆周上对称设置有2个压盖导流槽34，压盖导流槽34之间的压盖3圆周上对称设置有4个压盖圆弧槽35。
压盖3顶端螺纹安装有导流滤管2。导流滤管2呈斗状体，导流滤管2上端设置有环形密封槽36，环形密封槽36内装有密封圈；导流滤管2通过密封圈与外筒1密封连接。环形密封槽36下方的导流滤管2圆周上螺旋状均布有虑孔37，虑孔37与环形密封槽36之间的导流滤管2圆周上设置有螺纹，以用于与压盖3的螺纹连接。
该扭力冲击提速工具工作时钻柱驱动外筒1旋转，由于外筒1和冲击筒5之间通过环台花键16和键槽的配合传递扭矩，外筒1在旋转的同时带动冲击筒5转动，从而带动冲击筒5上的钻头旋转；由于换向阀4置于冲击锤6内，且梯形凸台30位于换向阀导体槽B23内，同时，由于冲击锤6置于冲击筒5内，且冲击锤体25位于冲击筒5的冲击锤体槽12内，冲击筒5转动过程中同时带动冲击锤6和换向阀4转动。与此同时，钻井液进入导流滤管2内。
由于导流滤管2呈漏斗状，对钻井液起一定的节流作用；进入导流滤管2内的钻井液其中一部分钻井液经导流滤管2上的虑孔37进入至导流滤管2与压盖3之间，再经压盖3的压盖导流口33、压盖导流槽34和压盖圆弧槽35流入冲击筒5与外筒1之间；钻井液进入到冲击筒5与外筒1之间后，其中一部分经高压导流槽9、冲击锤导流槽38、进液槽A26和换向阀导流槽20流入冲击锤体液腔中的一个中。
进入导流滤管2内的另一部分钻井液则经过导流滤管2的下端口流入中心流道39中，由于导流滤管2的节流作用导致进入冲击筒5内的液体压力大于中心流道39中的液体压力。
进入到冲击筒5与外筒1之间的另一部分钻井液则通过高压流道10和冲击筒导流孔15流入换向阀4的换向阀导体槽A22和换向阀导体槽B23中，由于换向阀4的换向阀导体槽A22与换向阀座7中的阀座环形槽19连通，而阀座环形槽19又与中心流道39连通，即换向阀4的换向阀导体槽B23的压力大于换向阀4的换向阀导体槽A22的压力，换向阀4将顺时针旋转，但此时换向阀4的换向阀导体槽B23被冲击锤6的梯形凸台30挡住即换向阀4保持不动（参见附图12）。
与此同时，冲击锤体液腔通过冲击锤6的进液槽B27和换向阀泄流槽21与中心流道39连通，从而使一个冲击锤体液腔的压力大于另一个冲击锤体液腔压力，由此迫使换向阀4随着冲击锤6一起逆时针旋转旋（参见附图13）。
换向阀4随着冲击锤6一起逆时针旋转旋的同时，冲击锤6的冲击锤体25与冲击锤体槽12的一边碰撞，这一过程中，冲击锤6的进液槽D29与冲击筒5的冲击筒导流孔15连通，冲击锤6的进液槽C28通过阀座环形槽19与中心流道39连通，致使换向阀导体槽A22压力大于换向阀导体槽B23压力，迫使换向阀4逆时针旋转（参见附图14）。换向阀4逆时针旋转的同时；冲击锤体液腔与冲击锤导流槽38连通，冲击锤体液腔通过换向阀泄流槽21与中心流道39连通，使两个冲击锤体液腔的压力失衡，迫使换向阀4随着冲击锤6一起顺时针旋转（参见附图15）。
换向阀4随着冲击锤6一起顺时针旋转时，冲击锤6的冲击锤体25与冲击筒5的冲击锤体槽12的另一边碰撞，而冲击筒5的高压流道10与换向阀液腔中的一个连通，另一个换向阀液腔通过阀座环形槽19与中心流道39连接，致使两个换向阀液腔压力失衡，致使换向阀4独自顺时针旋转至初始位置；如此循环，使冲击锤体25不断正、反向撞击冲击锤体槽12，从而可有效的解决粘滑振动问题。
该新型扭力冲击提速工具在工作过程中，换向阀4和冲击锤6在钻井液作用下受力平衡，不仅保证了其密封性，而且在高压流体的持续作用保证了输出平稳且具有较大的扭矩，解决了现有提速工具结构复杂，冲击锤产生冲击力有限；工作过程极易因受力不平衡而影响密封性的问题；具有结构简单、合理且紧凑，流道清晰不易堵塞，可靠性强的特点，可有效的提高使用寿命。

Claims (10)

1.一种扭力冲击提速工具；它由外筒（1）、导流滤管（2）、压盖（3）、换向阀（4）、冲击筒（5）、冲击锤（6）和换向阀座（7）构成，其特征在于：外筒（1）内装有冲击筒（5）；冲击筒（5）内通过换向阀座（7）安装有换向阀（4）；换向阀（4）圆周上套装有冲击锤（6），换向阀（4）的顶部通过密封环（31）和向心轴承（32）安装有压盖（3），压盖（3）顶端螺纹安装有导流滤管（2）。
2.根据权利要求1所述的一种扭力冲击提速工具；其特征在于：所述的冲击筒（5）呈筒状，冲击筒（5）的圆周上设置有安装环槽（8），安装环槽（8）上方的冲击筒（5）圆周上对称设置有高压导流槽（9），高压导流槽（9）之间的冲击筒（5）的圆周上设置有高压流道（10），安装环槽（8）下方的冲击筒（5）端头设置有下环台（11）；冲击筒（5）的内壁上对称设置有冲击锤体槽（12），冲击锤体槽（12）顶部之间的冲击筒（5）的内壁上设置有挡板（13）；所述的高压流道（10）上设置有冲击筒导流孔（15），高压导流槽（9）上设置有冲击筒导流口（14）；所述的下环台（11）上均布有环台花键（16），外筒（1）下端端口上设置有与环台花键（16）对应的键槽，外筒（1）与冲击筒（5）之间通过环台花键（16）和键槽的配合相互卡接；所述的外筒（1）内壁上通过螺栓安装有卡环（17），卡环（17）的一端延伸至安装环槽（8）内。
3.根据权利要求1所述的一种扭力冲击提速工具；其特征在于：所述的换向阀座（7）呈凸起圆环状，换向阀座（7）的圆周上对称设置有凸块（18），换向阀座（7）的端面圆周上设置有阀座环形槽（19），阀座环形槽（19）与中心流道（39）连通，所述的凸块（18）和阀座环形槽（19）的数量分别为4个。
4.根据权利要求1所述的一种扭力冲击提速工具；其特征在于：所述的换向阀（4）为变径筒状体，换向阀（4）的大径体圆周上对称设置有换向阀导流槽（20），换向阀导流槽（20）之间的换向阀（4）圆周上对称设置有换向阀泄流槽（21），换向阀泄流槽（21）之间的换向阀（4）圆周上对称设置有换向阀导体槽A（22）和换向阀导体槽B（23）；换向阀导体槽A（22）和换向阀导体槽B（23）与阀座环形槽（19）连通。
5.根据权利要求4所述的一种扭力冲击提速工具；其特征在于：所述的换向阀导流槽（20）的数量为2个，换向阀泄流槽（21）的数量为4个；换向阀导体槽A（22）数量为2个; 换向阀导体槽B（23）数量为2个。
6.根据权利要求5所述的一种扭力冲击提速工具；其特征在于：所述的换向阀导体槽A（22）和换向阀导体槽B（23）的两端分别为敞口状，换向阀导流槽（20）和换向阀泄流槽（21）的一端分别为封堵状。
7.根据权利要求6所述的一种扭力冲击提速工具；其特征在于：所述的换向阀泄流槽（21）和换向阀导体槽B（23）上分别设置有防砂冲缝（24），防砂冲缝（24）与换向阀中心孔连通。
8.根据权利要求1所述的一种扭力冲击提速工具；其特征在于：所述的冲击锤（6）为筒状体，冲击锤（6）的圆周上间隔对称设置有冲击锤体（25）；冲击锤体（25）之间的冲击锤导流槽（38）上设置有进液槽A（26），各冲击锤体（25）的外侧设置有进液槽B（27），进液槽B（27）之间的冲击锤（6）圆周上设置有进液槽C（28）和进液槽D（29）；冲击锤（6）的内壁上设置有梯形凸台（30），冲击锤（6）通过梯形凸台（30）与换向阀导体槽B（23）的配合与换向阀（4）插入连接。
9.根据权利要求1所述的一种扭力冲击提速工具；其特征在于：所述的压盖（3）为凸型筒状体；压盖（3）上端的圆周上对称设置有压盖导流口（33），压盖导流口（33）下方的压盖（3）圆周上对称设置有压盖导流槽（34），压盖导流槽（34）之间的压盖（3）圆周上对称设置有压盖圆弧槽（35）；所述的压盖导流槽（34）数量为2个，压盖圆弧槽（35）数量为4个。
10.根据权利要求1所述的一种扭力冲击提速工具；其特征在于：所述的导流滤管（2）呈斗状体，导流滤管（2）上端设置有环形密封槽（36），环形密封槽（36）下方的导流滤管（2）圆周上均布有虑孔（37），虑孔（37）与环形密封槽（36）之间的导流滤管（2）上设置有螺纹；所述的虑孔（37）呈螺旋状设置；所述的导流滤管（2）通过O型密封圈与外筒（1）密封连接。
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