CN107461148B - 一种新式地热钻井冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型地热钻井冲击器，由后接头，外套管，合金头，气道孔，弹簧，逆止阀体，配气座，气缸，密封圈，拉法尔钎头体，喷嘴，合金齿组成。本发明在钻地热井过程中，高温高压气流通过冲击器内孔气道，高速气体进入活塞和拉法尔钎头体的内孔，动力气体推动钎头体旋转和轴向往复运动，根据拉法尔管道原理，气体到达冲击器出口时温度快速降到50℃以下，及时冷却钻头，冲击器在回弹过程中，气体推动逆止阀，使合金头回弹，闭合气道，弹簧装置吸收冲击器往复运动过程中的冲击动力，使冲击器整体运动稳定，在喷嘴处增加冲蚀合金，减少钎头体气道出口的气体冲蚀，相比以往的动力缓冲装置，结构更简单，更易于装配，可实施性更强。

Description

一种新式地热钻井冲击器

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，具体涉及一种用于高温地热气体钻井的新式冲击器。

背景技术

环境污染是我国经济持续、快速、健康发展必须要解决的关键问题。地热资源其可再生、无污染以及储量丰富等优点引起了世界各国的广泛关注。地热资源中的干热岩型资源避免了热水型资源开发利用导致的地面沉降等问题，干热岩的开发利用具有普遍性，从理论上讲，只要深度达到在任何地方都能发现热源，因此，干热岩吸引了国内外研究者的广泛关注，合理的地热勘探井技术的选用会影响整体施工进度和效率，为了高效利用高温地热资源，需要提高钻井作业效率，降低作业成本，针对坚硬岩石脆性大而抗剪强度较低不耐冲击的弱点，在破碎较坚硬地层中比现有的旋转钻进效率有极大的提高，钻头的使用寿命得到了数倍的提升，降低了钻孔的成本。

由于聚晶金刚石(PDC)钻头切削齿还不能适应硬质地层，地热钻井牙轮钻头轴承中的橡胶密封材料会生退化，造成密封失效，钻井液及岩屑进入轴承腔从而导致轴承损坏，限制钻头在井底的钻进时间，导致起下钻次数增加和钻头使用数量增多，从而增加成本，因此普遍采用冲击器钻井，国外在高温地热钻井方面做了大量工作，形成了相应的配套技术，我国对高温地热的开发还处于前期阶段，相关配套技术还没有形成体系，干热岩钻进方式采用国内使用高风压潜孔钻和冲击器钻具，随着地热能的开发，对它们的需求也在未来几年中将递增。

据了解，目前很多厂家以提高潜孔钻和冲击器的各零部件材料性能来提高冲击器的寿命，但最后得到的效果并不理想，如英国主要潜孔钻和冲击器采用的钢种为15CrNi3Mo和40CrNi2Mo，占有率最高，所选用钢材为22SiMnCrNi2Mo，此钢种价格较高，使用情况也不十分稳定，不断在钢材成分上作调整，希望改善其性能，很多钻探公司也试用过，感到效果并不明显，后来就改用牙轮钻头用钢SN2025，现场使用反映出的效果仍不理想，断裂频率较大，关键是如何提高其综合机械性能，对潜孔钻和冲击器，根据其受力特点，重要的是如何提高其多次冲击性能。

在使用现有的冲击器的时候，由于井下温度过高，以及现有的冲击器受到冲击力频繁，造成钻头外排合金齿在孔深2/3处断裂，掉合金齿，新钻头肉眼可见齿与基体间有缝隙，钻头合金齿不等高，因此需要寻找一种较新的钻进方法，可以采用新式冲击器，减少甚至去掉橡胶密封件来提高抗温能力，但目前在这方面，还鲜有能解决上述问题的技术出现，主要是因为冲击器温度较高，导致密封效果下降，如果采用其他抗高温的密封件，虽然暂时解决了高温的问题，但其密封效果又达不到井下的要求，导致正常作业很容易因进入杂质而中断。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种新式地热钻井冲击器，利用在密相气力输送系统中，经常采用拉法尔管(缩放管)对气源流量进行控制，它可以保证输送用的压缩空气流量恒定、稳定，对气源流量的波动进行控制主要是利用拉法尔管的扼流作用，即当拉法尔管出口的压缩空气气流速度达到超音速时，出口压力扰动对进口压力没有任何影响，快速使出口温度降低到50℃左右，保证了冲击器的长寿命和高效率破岩。

本发明的技术方案如下：

一种新式地热钻井冲击器，由后接头，密封圈Ⅰ，外套管，合金头，气道孔，弹簧Ⅰ，逆止阀体，弹簧Ⅱ，进气套，配气座，卡环，保持环，密封圈Ⅱ，前接头，调整垫，垫片，密封圈Ⅲ，拉法尔钎头体，小喷嘴，大喷嘴组成。

所述后接头的内部钻有气道孔，气道孔下方设有扩孔，上端外部设有公螺纹，下方设有锥螺纹，并通过锥螺纹与外套管连接，所述垫片安装在接头和外套管之间，支撑和保护后接头和外套管的密封端面，所述后接头的锥螺纹段与外圆周面之间设有台阶，锥螺纹段根部设有环形槽，所述密封圈Ⅰ安装环形槽内，对后接头和外套管的接触面处进行密封防止外界流体或杂质进入冲击器内部腔室。

所述合金头安放在后接头的扩孔部位的环形面处，工作过程中，合金头的下表面与扩孔部位的环形面循环接触和分离，合金头用耐冲蚀材料加工成型，合金头与逆止阀体摩擦焊接固定，逆止阀体内部钻有交叉气道孔，用于高温高压气体进入和排出，逆止阀体和配气座由直螺纹连接，弹簧Ⅱ安放在逆止阀体和配气座内孔中，用于保持逆止阀体和合金头的上下运动，弹簧Ⅱ安装在后接头和配气座之间，弹簧Ⅱ减少了之前的碟簧和垫环的安装工序，又能有效保护接头和配气座的耐冲击作用，结构简单可靠。

所述配气座与逆止阀体直螺纹连接，进气套安装在配气座和外套管之间，配气座的外圆柱面加工有密封槽，安装密封圈Ⅲ，配气座前端面周向加工有通孔，为气体进出提供通道。

所述卡环坐落在外套管内壁加工的台阶面处，保持环压紧在卡环端面，密封圈Ⅱ镶嵌在保持环内部槽内，拉法尔钎头体的轴向和周向的稳定，减少它们运动过程中的周向的串动，前接头压紧在保持环端面，前接头外圆柱面上加工有螺纹，与外套管端面内孔螺纹连接，前接头有内花键，拉法尔钎头体加工有外花键，前接头与拉法尔钎头体花键配合运动，前接头与外套管端面设置有调整垫，起到支撑和保护前接头和外套管的密封端面的作用。

所述拉法尔钎头体内孔加工有拉法尔管结构，利用拉法尔管原理，高速气体通过拉法尔管道温度可以降到50℃左右，可以快速冷却钻头，并带走井底岩屑。

所述固定套筒与拉法尔钎头体的连接方式为分体式结构，相对以往整体式结构，易于加工和安装。

进一步的，所述拉法尔钎头体的出口部位加工有圆柱内孔，内孔圆柱面上嵌入大喷嘴，拉法尔钎头外周镶嵌装配6个边齿，斜面钻铰6个齿孔用于压装斜面齿，拉法尔钎头体平面加工有面齿孔，配合3个面齿，斜面周向凹槽部位钻有3个气孔，气孔内表面安装小喷嘴。

进一步的，所述拉法尔钎头体由20CrMnSiNi制成，边齿由Q1519粉末烧结合成、斜面齿由Y-Z1220粉末烧结合成、面齿由Y-Z1214粉末烧结合成，都具有较强的抗冲击性和耐磨性。

所述拉法尔钎头体的冲击器冲击破岩部分的端面内外三层布齿结构，配合气道的结构，充分发挥三种合金齿在冲击和旋转的破岩功能，及时清理井底岩屑。

所述冲击器整体结构简单可靠，可实施性强，便于在高温地热井下作业运用。

拉法尔管的原理：在密相气力输送系统中，经常采用拉法尔管(缩放管)对气源流量进行控制，它可以保证输送用的压缩空气流量恒定、稳定。对气源流量的波动进行控制主要是利用拉法尔管的扼流作用，即当拉法尔管出口的压缩空气气流速度达到超音速时，出口压力扰动对进口压力没有任何影响；当出口压力小于其临界压力p时，质量流量仅与气源贮罐中的参数有关。当气源压力、温度稳定时，其质量流量保持不变。当需要对输送管进行清扫时，开启清扫拉法尔管路，两个拉法尔管同时供气，增大气流速度对输送管壁进行彻底清扫，保证物料间不发生交叉污染，根据物料物性、输送管道布置、输送能力、料气比，配置不同喉部直径的拉法尔管组合

式中：p₀-滞止状态压力(绝压)，即压缩空气贮罐中的压力，Pa；

k-流体绝热系数，对空气k＝1.4；ρ₀-滞止状态空气密度，kg/m³，

q_m ^*-拉法尔管中压缩空气的最大质量流量，kg/s；q_m-拉法尔管中压缩空气质量流量，kg/s；出口压力(绝压)p₂-拉法尔管出口压力(绝压)，Pa；A₂-拉法尔管喉部面积，m²；

根据输送管布置、输送速度、料气比，计算输送管道阻力，输送管阻力加上压缩空气管道阻力，该值即为拉法尔管出口压力p₂，由p₀和温度决定ρ₀大小，按上式即可计算拉法尔管喉部直径。

根据气体的可压缩和膨胀性，为保证冲击器在相应的气流速度下正常工作，进口室内提供了更多的速度气体，气体进入拉法尔管吼道时，体积变小，质量不变，使得气体密度增大，使得喉道处气体密度当量比较大，造成喉道口温度较高，而随着排出口气体体积膨胀，使得气体速度迅速增加，排出气体质量流量也随之增加，排出口部位的气体密度当量比降低，在这一过程中，大量能量转化为动能，使得气体温度急剧下降，甚至低于到50℃，低于此刻井底的温度，使得出口温度平均值迅速下降，达到冷却的目的。

本专利针对现有地热井冲击锤容易掉齿、密封失效的早期热失效缺陷，根据拉法尔管的原理设计了一种用于高温地热气体钻井的新式冲击器，相对现有冲击器及地热钻井破岩工具其结构具有以下几方面的优势：

1、高温气体在高压高速情况下通过拉法尔管道结构的出口，温度会迅速降低，而速度不会减少太多，能有效冷却钎头体及合金齿，且能高速清理岩屑；

2、往复运动部分采用弹簧结构，使冲击器整体保持作业稳定和寿命延长，相比以往的缓冲装置，结构更简单更容易装配；

3、所述固定套筒与拉法尔钎头体的连接方式为分体式结构，相对以往整体式结构，易于加工和安装。

4、冲击产生破碎坑穴为回转切削创造条件，地层打滑现象减少，钻进效率提高；由于冲击回转钻进所需钻压低，所以钻头磨损小使用寿命长。

5、本所述拉法尔钎头体由20CrMnSiNi制成，相对现有技术常用的15CrNi3Mo和40CrNi2Mo材料，所选用钢材为22SiMnCrNi2Mo，这种材料价格更便宜，大部分性能也和这些材料相当，且抗冲蚀能力更好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种新式地热钻井冲击器的结构示意图；

图2为一种新式地热钻井冲击器的钎头体冲击切削端面结构示意图。

图中所示：

1-后接头，2-后接头，3-外套管，4-合金头，5-气道孔，6-弹簧Ⅰ，7-逆止阀体，8-弹簧Ⅱ，9-进气套，10-配气座，11-卡环，12-卡环，13-密封圈Ⅱ，14-前接头，15-调整垫，16-垫片，17-密封圈Ⅲ，18-拉法尔钎头体，19-小喷嘴，20-大喷嘴。

图2：21-边齿，22-斜面齿，23-面齿，24-气孔，25-圆柱内孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但并非用以限定本发明。

如图1、图2所示，一种新式地热钻井冲击器，由后接头1，密封圈Ⅰ2，外套管3，合金头4，气道孔5，弹簧Ⅰ6，逆止阀体7，弹簧Ⅱ8，进气套9，配气座10，卡环11，保持环12，密封圈Ⅱ13，前接头14，调整垫15，垫片16，密封圈Ⅲ17，拉法尔钎头体18，小喷嘴19，大喷嘴20组成，所述后接头1的内部钻有扩孔和气道孔，垫片17安装在接头1和外套管3之间，支撑和保护后接头1和外套管3的密封端面，后接头1和外套管3由锥形螺纹连接，密封圈Ⅰ2安装在后接头1台阶部位的环形槽内，对后接头1和外套管3的接触面处进行密封保护，防止外界流体或杂质进入冲击器内部腔室，所述合金头4安放在后接头1的扩孔部位的环形面处，工作过程中，合金头4的下表面与扩孔部位的环形面循环接触和分离，合金头4用耐冲蚀材料加工成型，合金头4与逆止阀体7摩擦焊接固定，逆止阀体7内部钻有交叉气道孔5，用于高温高压气体进入和排出，逆止阀体7和配气座10由直螺纹连接，弹簧Ⅱ8安放在逆止阀体7和配气座10内孔中，用于保持逆止阀体7和合金头4的上下运动，弹簧Ⅱ8安装在后接头1和配气座10之间，弹簧Ⅱ8减少了之前的碟簧和垫环的安装工序，又能有效保护接头1和配气座10的耐冲击作用，结构简单可靠，所述配气座10与逆止阀体7直螺纹连接，进气套9安装在配气座10和外套管3之间，配气座10的外圆柱面加工有密封槽，安装密封圈Ⅲ17，配气座10前端面周向加工有通孔，为气体进出提供通道，所述卡环11坐落在外套管3内壁加工的台阶面处，保持环12压紧在卡环11端面，密封圈Ⅱ13镶嵌在保持环12内部槽内，拉法尔钎头体18的轴向和周向的稳定，减少它们运动过程中的周向的串动，前接头14压紧在保持环12端面，前接头14外圆柱面上加工有螺纹，与外套管3端面内孔螺纹连接，前接头14有内花键，拉法尔钎头体18加工有外花键，前接头14与拉法尔钎头体18花键配合运动，前接头14与外套管3端面设置有调整垫15，起到支撑和保护前接头14和外套管3的密封端面的作用，所述拉法尔钎头体18内孔加工有拉法尔管结构，利用拉法尔管原理，高速气体通过拉法尔管道温度可以降到50℃左右，可以快速冷却钻头，并带走井底岩屑，所述拉法尔钎头体18的出口部位加工有圆柱内孔25，内孔25圆柱面上嵌入大喷嘴20，拉法尔钎头体18外周镶嵌装配6个边齿25，斜面钻铰6个齿孔用于压装斜面齿22，拉法尔钎头体18平面加工有面齿孔，配合3个面齿23，斜面周向凹槽部位钻有3个气孔24，气孔24内表面安装小喷嘴19，所述拉法尔钎头体18由20CrMnSiNi制成，边齿21由Q1519粉末烧结合成、斜面齿22由Y-Z1220粉末烧结合成、面齿23由Y-Z1214粉末烧结合成，都具有较强的抗冲击性和耐磨性，拉法尔钎头体18的冲击器冲击破岩部分的端面内外三层布齿结构，配合气道的结构，充分发挥三种合金齿在冲击和旋转的破岩功能，及时清理井底岩屑。

本发明的具体工作情况如下：

在初期钻井过程中，采用传统的PDC钻头进行钻井，在钻井至接近干热岩地层后，起钻，将本发明所提供的钻井冲击器通过上部的公螺纹，连接安装到钻杆下方，下钻，到达预定位置以后，高温高压气流通过冲击器内孔气道，高速气体进入拉法尔钎头体18的内孔，动力气体推动拉法尔钎头体18旋转和轴向往复运动，根据拉法尔管道原理，气体到达冲击器出口时温度快速降到50℃以下，及时冷却钻头，冲击器在回弹过程中，气体推动逆止阀体7，使合金头4回弹，闭合气道，弹簧装置吸收冲击器往复运动过程中的冲击动力，使冲击器整体运动稳定，在喷嘴处增加冲蚀合金，减少钎头体气道出口的气体冲蚀。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种新式地热钻井冲击器，其特征在于，由后接头(1)，密封圈Ⅰ(2)，外套管(3)，合金头(4)，气道孔(5)，弹簧Ⅰ(6)，逆止阀体(7)，弹簧Ⅱ(8)，进气套(9)，配气座(10)，卡环(11)，保持环(12)，密封圈Ⅱ(13)，前接头(14)，调整垫(15)，垫片(16)，密封圈Ⅲ(17)，拉法尔钎头体(18)，小喷嘴(19)，大喷嘴(20)组成；

所述后接头(1)的内部钻有气道孔(5)，气道孔(5)下方设有扩孔，上端外部设有公螺纹，下方设有锥螺纹，并通过锥螺纹与外套管(3)连接，所述垫片(16)安装在后接头(1)和外套管(3)之间，支撑和保护后接头(1)和外套管(3)的密封端面，所述后接头(1)的锥螺纹段与外圆周面之间设有台阶，锥螺纹段根部设有环形槽，所述密封圈Ⅰ(2)安装环形槽内，对后接头(1)和外套管(3)的接触面处进行密封；

所述合金头(4)安放在后接头(1)的扩孔部位的环形面处，合金头(4)用耐冲蚀材料加工成型，合金头(4)与逆止阀体(7)摩擦焊接固定，逆止阀体(7)内部钻有交叉气道孔(5)，用于高温高压气体进入和排出，逆止阀体(7)和配气座(10)由直螺纹连接，弹簧Ⅱ(8)安放在逆止阀体(7)和配气座(10)内孔中，用于保持逆止阀体(7)和合金头(4)的上下运动，工作过程中，合金头(4)的下表面与扩孔部位的环形面循环接触和分离；弹簧Ⅱ(8)安装在后接头(1)和配气座(10)之间，结构简单可靠；所述配气座(10)与逆止阀体(7)直螺纹连接，进气套(9)安装在配气座(10)和外套管(3)之间，配气座(10)的外圆柱面加工有密封槽，安装密封圈Ⅲ(17)，配气座(10)前端面周向加工有通孔，为气体进出提供通道，所述拉法尔钎头体(18)的上方与配气座(10)下方相抵，并设置于外套管(3)内部；所述卡环(11)坐落在外套管(3)内壁加工的台阶面处，保持环(12)压紧在卡环(11)端面，密封圈Ⅱ(13)镶嵌在保持环(12)内部槽内，所述拉法尔钎头体(18)的轴向和周向的稳定，减少它们运动过程中的周向的窜动，前接头(14)压紧在保持环(12)端面，前接头(14)外圆柱面上加工有螺纹，与外套管(3)端面内孔螺纹连接，前接头(14)有内花键，拉法尔钎头体(18)加工有外花键，前接头(14)与拉法尔钎头体(18)通过内花键和外花键配合运动，前接头(14)与外套管(3)端面设置有调整垫(15)，起到支撑和保护前接头(14)和外套管(3)的密封端面的作用；

所述拉法尔钎头体(18)内孔加工有拉法尔管结构。

2.根据权利要求1所述一种新式地热钻井冲击器，其特征在于，所述拉法尔钎头体(18)的出口部位加工有圆柱内孔(25)，内孔(25)圆柱面上嵌入大喷嘴(20)，拉法尔钎头体(18)外周镶嵌装配6个边齿(21)，斜面钻铰3个齿孔用于压装斜面齿(22)，面齿圆周120°均匀分布，拉法尔钎头体(18)平面加工有面齿孔，配合3个面齿(23)，斜面周向凹槽部位钻有3个气孔(24)，气孔(24)内表面安装小喷嘴(19)。

3.根据权利要求2所述一种新式地热钻井冲击器，其特征在于，拉法尔钎头体(18)由20CrMnSiNi制成，边齿(21)由Q1519粉末烧结合成、斜面齿(22)由Y-Z1220粉末烧结合成、面齿(23)由Y-Z1214粉末烧结合成。