CN107542397A

CN107542397A - 一种石油钻井用耦合冲击器

Info

Publication number: CN107542397A
Application number: CN201710767924.8A
Authority: CN
Inventors: 冯定; 孙巧雷; 张红; 杨行; 何良
Original assignee: Yangtze University
Current assignee: Yangtze University
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2018-01-05
Anticipated expiration: 2037-08-31
Also published as: CN107542397B

Abstract

本发明涉及一种石油钻井用耦合冲击器，属于石油钻采设备技术领域。该冲击器包括壳体、上接头、下接头、中心轴、涡轮定阀、涡轮动阀、上锤体、下锤体，壳体的一端螺纹安装有上接头，上接头内侧的壳体内通过涡轮定阀和涡轮动阀装有中心轴；中心轴上固装有上锤体；上锤体一侧的中心轴上套装有下锤体，下锤体与壳体键连接。该冲击器在钻井液作用下，中心轴带动上锤体对下锤体产生周期性的轴向冲击及周期性的扭转冲击，同时中心轴下端使得上活塞体周期性的压缩腔体内的流体，使钻井液进入钻头前，周期性的产生一定加压效果，并形成脉冲波动，整个冲击器，在上述耦合作用下，能有效提高钻头和岩石间的接触应力及岩石破碎效果，在提高钻头的破岩效率、提高钻速、降低钻井成本的同时，能有效避免钻头喷嘴堵塞、钻头产生泥包的现象。

Description

一种石油钻井用耦合冲击器

技术领域

本发明涉及一种石油钻井用耦合冲击器，属于石油钻采设备技术领域。

背景技术

随着深井和超深井的勘探开发比例不断增加，深部地层岩石硬度和塑性增大，常规牙轮钻头可钻性差、机械转速低、钻井周期长。为提高钻头行程机械钻速，PDC 钻头得到广泛使用，PDC 钻头在钻进瞬间遇到非均值地层，钻柱扭矩能量不能满足破碎岩石扭矩时，钻头瞬间停止转动，这时外加能量储存在钻柱中，当储存扭矩能量大于岩石破碎所需要的扭矩时，钻柱能量会瞬间释放，使钻头与钻柱一起产生剧烈振动，从而产生“粘滑振动”现象。

为消除 PDC 钻头的粘滑振动现象，为了提高机械钻速及降低井下复杂情况的发生，国内外对此进行了大量的试验研究和现场应用，其中配合使用扭转冲击器是目前可以减小或消除钻头该现象的最有效方法。而目前国内所使用的轴向与扭转冲击器绝大部分为进口工具，使用费用昂贵，国内所研究的类似冲击器极易容易遇到堵塞喷嘴、以及钻头易产生泥包的现象，因此，耦合作用冲击器的研制非常迫切。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种安全、高效、可靠、能周期性产生轴向、周向扭转并能实现脉冲加压效果、有效避免钻头喷嘴堵塞、钻头产生泥包现象的一种石油钻井用耦合冲击器。

本发明采用的技术方案是：

一种石油钻井用耦合冲击器；包括壳体、上接头、下接头、中心轴、涡轮定阀、涡轮动阀、上锤体、下锤体，其特征在于：壳体的一端螺纹安装有上接头，上接头内侧的壳体内通过涡轮定阀和涡轮动阀装有中心轴；中心轴上固装有上锤体；上锤体一侧的中心轴上套装有下锤体，下锤体与壳体键连接；上锤体与下锤体之间接触连接；下锤体的一端延伸至壳体外端，延伸至壳体外端的下锤体上螺纹安装有下接头；下接头内设置有缸筒，缸筒上设置有变径中心孔，变径中心孔内通过上阀座螺纹安装有活塞，上阀座一侧的缸筒端头螺纹安装有下阀座。

所述的活塞上设置有阶梯状的中心孔，活塞的中心孔内通过弹簧安装有上球阀；所述的下阀座前端的变径中心孔内通过弹簧安装有下球阀。

所述的上锤体为变径筒状体，上锤体的前端端面上对称设置有上锤头。

所述的下锤体为变径筒状体，下锤体的圆周上均布有连接键，下锤体的后端端面上对称设置有下锤头。

所述的变径中心孔内的上阀座与缸筒之间设置有复位弹簧。

所述的下阀座与下接头之间通过止推环安装有碟簧。

所述的中心轴的中心部位轴向设置有流道，流道端头的中心轴上径向设置有过流孔，过流孔与流道连通；所述中心轴的一端端头螺纹安装有压盖，中心轴的另一端端面上对称设置有中心轴锤头。

所述的活塞一端端面上对称设置有活塞锤头；活塞锤头与中心轴锤头接触连接。

所述的上锤体与过流孔之间的中心轴上通过定位环装有扶正轴承。

所述的壳体一端端口上装有端盖，端盖与下锤体之间装有碟簧。

所述的上阀座和下阀座分别为锥形体。

本发明的有益效果在于：

该石油钻井用耦合冲击器在钻井液作用下，中心轴带动上锤体对下锤体产生周期性的轴向冲击及周期性的扭转冲击，同时中心轴下端使得上活塞体周期性的压缩腔体内的流体，使钻井液进入钻头前，周期性的产生一定加压效果，并形成脉冲波动，整个冲击器，在上述耦合作用下，能有效提高钻头和岩石间的接触应力及岩石破碎效果，在提高钻头的破岩效率、提高钻速、降低钻井成本的同时，能有效避免钻头喷嘴堵塞、钻头产生泥包的现象。

附图说明

图1为本发明的剖视结构示意图；

图2为本发明的中心轴的立体结构示意图；

图3为本发明的活塞的剖视结构示意图；

图4为本发明的活塞的立体结构示意图；

图5为本发明的阀座的剖视结构示意图；

图6为本发明的上锤体的剖视结构示意图；

图7为本发明的上锤体的立体结构示意图；

图8为本发明的下锤体的剖视结构示意图；

图9为本发明的下锤体的立体结构示意图。

图中：1、壳体，2、上接头，3、下接头，4、中心轴，5、涡轮定阀，6、涡轮动阀，7、上锤体，8、下锤体，9、流道，10、过流孔，11、压盖，12、中心轴锤头，13、上锤头，14、连接键，15、下锤头，16、端盖1，17、碟簧，18、缸筒，19、上阀座，20、活塞，21、弹簧，22、上球阀，23、扶正轴承，24、活塞锤头，25、复位弹簧，26、下阀座，27、下球阀。

具体实施方式

该石油钻井用耦合冲击器包括壳体1、上接头2、下接头3、中心轴4、涡轮定阀5、涡轮动阀6、上锤体7、下锤体8。壳体1的一端螺纹安装有上接头2，上接头2上端有管螺纹，用于与上部钻柱连接。上接头2内侧的壳体1内通过涡轮定阀6和涡轮动阀6装有中心轴4；中心轴4的中心部位轴向设置有流道9，流道9端头的中心轴1上径向设置有过流孔10，过流孔10与流道9连通；中心轴的一端端头螺纹安装有压盖11，中心轴4的另一端端面上对称设置有中心轴锤头12。

中心轴4上固装有上锤体7；上锤体7与过流孔10之间的中心轴4上通过定位环装有扶正轴承23。

上锤体7为变径筒状体，上锤体7的前端端面上对称设置有上锤头13。上锤体7一侧的中心轴4上套装有下锤体8，下锤体8为变径筒状体，下锤体8的圆周上均布有连接键14，下锤体8通过连接键14与壳体1内壁上的键槽配合与壳体1键连接；下锤体8的后端端面上对称设置有下锤头15。上锤体7与下锤体8之间通过上锤头13和下锤头15接触连接。壳体1一端端口上装有端盖16，端盖16与下锤体8之间装有碟簧17。

下锤体8的一端延伸至壳体1外端，延伸至壳体1外端的下锤体8上螺纹安装有下接头3；下接头3内设置有缸筒18，缸筒18与下锤体8滑动连接；缸筒18上设置有变径中心孔，变径中心孔内通过上阀座19螺纹安装有活塞20，活塞20上设置有阶梯状的中心孔，活塞的中心孔内通过弹簧21安装有上球阀22；活塞20一端端面上对称设置有活塞锤头24；活塞锤头24与中心轴锤头12接触连接。变径中心孔内的上阀座19与缸筒18之间设置有复位弹簧25。

上阀座19一侧的缸筒18端头螺纹安装有下阀座26，上阀座19和下阀座26分别为锥形体。下阀座26与下接头3之间通过止推环安装有碟簧17；下阀座26前端的变径中心孔内通过弹簧21安装有下球阀27。上球阀22用于封堵活塞20上的阶梯状中心孔，下球阀27用于封堵缸筒18上的变径中心孔。

该石油钻井用耦合冲击器的上锤头13、下锤头15、中心轴锤头12和活塞锤头24分别呈锥形，各锤头一侧的端面分别为坡面（上锤头13与下锤头15之间、中心轴锤头12与活塞锤头24之间相互挤压接触面）；工作时，钻井液通过冲击涡轮定阀5、涡轮动阀6从而带动中心轴4转动，进而带动上锤体7相对下锤体8转动；这一过程中，上锤头13与下锤头15之间由锤头底部开始相互挤压；由于壳体1与下锤体8采用花键连接，同时由于上锤头13与下锤头15之间的接触面为坡面，上锤体7相对下锤体8转动挤压时，在轴向上对下锤头15形成一个压迫力，从而带动下锤体8整体轴向移动，这一过程中并逐步压缩碟簧17，随着上锤体7的转动，上锤头13与下锤头15之间转动至最高点；即上锤头13和下锤头15的顶部相互接触；此时即为下锤体8的最大压缩行程。

随着上锤体7的继续转动，上锤头13和下锤头15的顶部接触状态瞬间解除，同时也在碟簧17的作用下，上锤头13与下锤头15之间瞬间相互冲击锤头底部，由此形成一个轴向的振动冲击，该冲击即刻直接作用于下接头3上，由于上锤体7相对下锤体8转动的同时，相对可对下锤体8施加一个周向转动力，如此循环，上锤体7可对下锤体8产生一个周期性的周向扭转冲击及周期性的轴向冲击，进而能有效提高钻头和岩石间的接触应力及岩石破碎效果。

上锤体7相对下锤体8转动的同时；钻井液通过过流孔10和流道9在上球阀22处形成憋压，随着钻井液的压力增大，压迫上球阀22开启并进入上阀座19与缸筒18之间的复位弹簧25处再次形成憋压，由于缸筒18与下锤体8之间为滑动连接；中心轴4在旋转过程中，通过中心轴锤头12与活塞锤头24之间的相互挤压（与上锤头13与下锤头15的工作原理一致），同时配合回复弹簧25，使塞体20沿轴向周期性往复运动，从而周期性压缩活塞20内腔复位弹簧25处的钻井液，当该处的钻井液压力增大到一定值后，压迫下球阀27开启并作用到钻头上；由此使钻井液进入钻头前，周期性的产生一定的加压效果，并形成脉冲波动。在上述各力的耦合作用下该石油钻井用耦合冲击器，能有效提高钻头和岩石间的接触应力及岩石破碎效果，同时在提高钻头的破岩效率、提高钻速、降低钻井成本的同时，能有效避免钻头喷嘴堵塞、钻头产生泥包的现象。

Claims

1.一种石油钻井用耦合冲击器；包括壳体（1）、上接头（2）、下接头（3）、中心轴（4）、涡轮定阀（5）、涡轮动阀（6）、上锤体（7）、下锤体（8），其特征在于：壳体（1）的一端螺纹安装有上接头（2），上接头（2）内侧的壳体（1）内通过涡轮定阀（5）和涡轮动阀（6）装有中心轴（4）；中心轴（4）上固装有上锤体（7）；上锤体（7）一侧的中心轴（4）上套装有下锤体（8），下锤体（8）与壳体（1）键连接；上锤体（7）与下锤体（8）之间接触连接；下锤体（8）的一端延伸至壳体（1）外端，延伸至壳体（1）外端的下锤体（8）上螺纹安装有下接头（3）；下接头（3）内设置有缸筒（18），缸筒（18）上设置有变径中心孔，变径中心孔内通过上阀座（19）螺纹安装有活塞（20），上阀座（19）一侧的缸筒（18）端头螺纹安装有下阀座（26）。

2.根据权利要求1所述的一种石油钻井用耦合冲击器；其特征在于：所述的活塞（20）上设置有阶梯状的中心孔，活塞（20）的中心孔内通过弹簧（21）安装有上球阀（22）；所述的下阀座（26）前端的变径中心孔内通过弹簧（21）安装有下球阀（27）。

3.根据权利要求1所述的一种石油钻井用耦合冲击器；其特征在于：所述的上锤体（7）为变径筒状体，上锤体（7）的前端端面上对称设置有上锤头（13）。

4.根据权利要求1所述的一种石油钻井用耦合冲击器；其特征在于：所述的下锤体（8）为变径筒状体，下锤体（8）的圆周上均布有连接键（14），下锤体（8）的后端端面上对称设置有下锤头（15）。

5.根据权利要求1所述的一种石油钻井用耦合冲击器；其特征在于：所述的变径中心孔内的上阀座（22）与缸筒（18）之间设置有复位弹簧（25）。

6.根据权利要求1所述的一种石油钻井用耦合冲击器；其特征在于：所述的下阀座（26）与下接头（3）之间通过止推环安装有碟簧（17）；壳体（1）一端端口上装有端盖（16），端盖（16）与下锤体（8）之间装有碟簧（17）。

7.根据权利要求1所述的一种石油钻井用耦合冲击器；其特征在于：所述的中心轴（1）的中心部位轴向设置有流道（9），流道（9）端头的中心轴（1）上径向设置有过流孔（10），过流孔（10）与流道（9）连通；所述中心轴（1）的一端端头螺纹安装有压盖（11），中心轴（1）的另一端端面上对称设置有中心轴锤头（12）。

8.根据权利要求1所述的一种石油钻井用耦合冲击器；其特征在于：所述的活塞（20）一端端面上对称设置有活塞锤头（24）；活塞锤头（24）与中心轴锤头（12）接触连接。

9.根据权利要求1所述的一种石油钻井用耦合冲击器；其特征在于：所述的上锤体（7）与过流孔（10）之间的中心轴（1）上通过定位环装有扶正轴承（23）。

10.根据权利要求1所述的一种石油钻井用耦合冲击器；其特征在于：所述的上阀座（19）和下阀座（26）分别为锥形体。