CN108661550B - 基于涡轮与弹簧的单向式冲击器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于涡轮与弹簧的单向式冲击器，由上接头、涡轮总成、传动总成、转换接头、冲击总成和下接头组成；上接头上部与钻杆连接，下部依次连传动壳体、转换接头和下接头，下接头下部与钻头连接，涡轮转子在钻井液的冲击作用下产生高速旋转运动，依次带动涡轮轴、传动轴、锤体固定腔、冲击锤转动，冲击锤旋转与下接头发生碰撞，产生冲击扭转振动。本发明中，冲击锤关于锤体固定腔的轴线对称安放，其旋转一次可提供两次扭转振动冲击作用，冲击锤在弹簧力的作用下和下接头不断出现周期性的周向碰撞。该工具产生的转动和冲击经下接头传递到钻头，使钻头产生高频单向周向振动，进而能有效的避免卡钻和粘滑现象产生，提高钻井效率。

Description

基于涡轮与弹簧的单向式冲击器
技术领域
本发明涉及一种用于石油天然气页岩气钻井、矿山开采、地质钻井等领域中的基于涡轮与弹簧的单向式冲击器。
背景技术
近年来，随着国家对石油天然气需求日益增加，同时对于页岩气的开采也是当今热点，也是一个挑战。因为在钻井过程中，常会因为司钻技术、经验问题以至于送钻不及时或送钻过快，或是因为井壁摩阻问题，造成施加给钻头的钻压不稳定，影响破岩效率，甚至有可能因为钻压突然增大而损坏钻头、崩裂钻头的切削齿等，影响钻进速度。另一方面PDC钻头在钻硬或研磨性地层时，通常没有足够的扭矩来破碎岩石，从而产生卡钻的现象，井下钻杆扭力释放导致钻头失效。油田深部地层岩石坚硬、研磨极值高，应用常规牙轮钻头钻进，单只钻头进尺少，需要多次起下钻且机械钻速较低；应用螺杆进行复合钻进时，由于深井中温度较高，螺杆寿命低、使用效果不理想；同时在钻探深井超深井中常出现粘滑振动现象，粘滑振动易造成钻具失效，导致机械钻速降低。此外，采用气体钻井技术钻进可较大程度提高机械钻速，但在地层出水的情况下易引起井下复杂情况发生，且气体钻井配套设备多，成本相对较大。
针对以上问题，国内外已尝试了多种工具，取得了一定的提速效果，其中高频扭转冲击类工具占提速工具的主导地位。现场实验和理论研究均表明，该类工具可以给钻头附加高频扭转冲击力，辅助钻头破岩，降低钻柱的粘滑现象，提高机械钻速，降低钻进成本，实现更大的经济效益，同时也更好地保证钻井的安全性。
发明内容
本发明的目的是：为了解决钻井过程中的钻头卡钻和钻柱的粘滑导致钻具失效和机械钻速较低的问题，特提供一种基于涡轮与弹簧的单向式冲击器，以克服现有技术的缺陷，提高钻进速度。该工具能有效保护钻头，降低成本，提高破岩效率，增加钻井效率。
本发明的技术方案是：所述基于涡轮与弹簧的单向式冲击器由上接头、涡轮总成、传动总成、转换接头、冲击总成和下接头组成；上接头上端连接钻杆，下端连接传动总成中的传动壳体；所述的涡轮总成包括轴承封盖、角接触球轴承、防掉挡圈a、传动键、涡轮转子、涡轮定子、涡轮轴、定位圈、矩形密封圈、圆柱滚子轴承、推力球轴承、防掉挡圈b，轴承封盖与涡轮轴通过螺纹进行配合，轴承封盖下方安放有两个角接触球轴承，涡轮转子、涡轮定子通过传动键安装在涡轮轴上，防掉挡圈a安装在涡轮轴的上部，定位圈安放在涡轮轴的台阶上，其上部与涡轮定子接触，预先将矩形密封圈安装到上接头上，完成以上安装后，再将涡轮轴放入上接头内，依次将圆柱滚子轴承、推力球轴承安装在涡轮轴上，并利用防掉挡圈b将其二者抵住，涡轮轴下端与传动轴通过螺纹连接进行配合；所述的传动总成包括传动壳体、传动轴，传动壳体上端与上接头连接，下端与转换接头连接，传动轴上端与涡轮轴连接，下端与锤体固定腔连接；所述冲击总成包括锤体固定腔、下接头、弹簧、导向杆、冲击锤、挡板、垫圈a、锁紧螺钉、垫圈b、锁紧螺母，下接头通过螺纹与转换接头进行连接，锤体固定腔通过螺纹与传动轴进行连接，冲击锤通过锤体固定腔上开设的矩形通孔卡入锤体固定腔内，弹簧穿过导向杆，安装在对称安放的两个冲击锤的中间，导向杆穿过锤体固定腔和冲击锤上开设的通孔，通过其两端开设的螺纹与垫圈b、锁紧螺母进行配合，挡板通过垫圈a、锁紧螺钉与锤体固定腔连接。
上述方案中，所述的基于涡轮与弹簧的单向式冲击器，其特征在于：所述角接触球轴承(3)的数量为2件，弹簧的数量为8件，导向杆的数量为8件，冲击锤的数量为2件，垫圈a的数量为3件，锁紧螺钉的数量为3件，垫圈b的数量为16件，锁紧螺母的数量为16件。
上述方案中，所述的基于涡轮与弹簧的单向式冲击器，其特征在于：冲击锤关于锤体固定腔的轴线对称安放，在冲击锤一次旋转过程中可以提供两次扭转振动冲击。
本发明的有益效果是：(1)通过涡轮和弹簧实现冲击作用，工作性能稳定可靠；(2)解决了钻井过程中井下钻具容易造成的遇阻或遇卡的难题；(3)该工具设计合理，性能可靠，产生周向冲击的有效保护钻头，消除钻头的粘滑和卡钻现象，提高机械钻速；(4)该工具适应性强，不仅可应用于深层直井，还可配合定向仪器应用于定向井和水平井中；(5)该工具有动作无死点，提供高频扭转冲击；(6)操作简单、寿命长、提速效果好等优点，配合PDC钻头使用可有效提高深井硬地层机械钻速。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明图1中的A-A截面图。
图3是本发明图1冲击总成的内部结构图。
图4～7为本发明一个撞击周期过程，图4为冲击锤与下接头未碰撞；图5为冲击锤与下接头两碰撞面刚接触；图6为冲击锤与下接头碰撞过程中；图7为冲击锤与下接头两碰撞面刚脱离。
图中1.上接头，2.轴承封盖，3.角接触球轴承，4.防掉挡圈a，5.传动键，6.涡轮转子，7.涡轮定子，8.涡轮轴，9.定位圈，10.矩形密封圈，11.圆柱滚子轴承，12.推力球轴承，13.防掉挡圈b，14.传动壳体，15.传动轴，16.转换接头，17.锤体固定腔，18.下接头，19.弹簧，20.导向杆，21.冲击锤，22.挡板，23.垫圈a，24.锁紧螺钉，25.垫圈b，26.锁紧螺母。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明作进一步说明：参见附图，基于涡轮与弹簧的单向式冲击器，其特征在于：所述基于涡轮与弹簧的单向式冲击器由上接头1、涡轮总成、传动总成、转换接头16、冲击总成和下接头18组成；上接头1上端连接钻杆，下端连接传动总成中的传动壳体14；所述的涡轮总成包括轴承封盖2、角接触球轴承3、防掉挡圈a4、传动键5、涡轮转子6、涡轮定子7、涡轮轴8、定位圈9、矩形密封圈10、圆柱滚子轴承11、推力球轴承12、防掉挡圈b13，轴承封盖2与涡轮轴8通过螺纹进行配合，轴承封盖2下方安放有两个角接触球轴承3，涡轮转子6、涡轮定子7通过传动键5安装在涡轮轴8上，防掉挡圈a4安装在涡轮轴8的上部，定位圈9安放在涡轮轴8的台阶上，其上部与涡轮定子7接触，预先将矩形密封圈10安装到上接头1上，完成以上安装后，再将涡轮轴8放入上接头1内，依次将圆柱滚子轴承11、推力球轴承12安装在涡轮轴8上，并利用防掉挡圈b13将其二者抵住，涡轮轴8下端与传动轴15通过螺纹连接进行配合；所述的传动总成包括传动壳体14、传动轴15，传动壳体14上端与上接头1连接，下端与转换接头16连接，传动轴15上端与涡轮轴8连接，下端与锤体固定腔17连接；所述冲击总成包括锤体固定腔17、下接头18、弹簧19、导向杆20、冲击锤21、挡板22、垫圈a23、锁紧螺钉24、垫圈b25、锁紧螺母26，下接头18通过螺纹与转换接头16进行连接，锤体固定腔17通过螺纹与传动轴15进行连接，冲击锤21通过锤体固定腔17上开设的矩形通孔卡入锤体固定腔17内，弹簧19穿过导向杆20，安装在对称安放的两个冲击锤21的中间，导向杆20穿过锤体固定腔17和冲击锤18上开设的通孔，通过其两端开设的螺纹与垫圈b25、锁紧螺母26进行配合，挡板22通过垫圈a23、锁紧螺钉24与锤体固定腔17连接。
所述的基于涡轮与弹簧的单向式冲击器，其特征在于：所述角接触球轴承3的数量为2件，弹簧19的数量为8件，导向杆20的数量为8件，冲击锤21的数量为2件，垫圈a23的数量为3件，锁紧螺钉24的数量为3件，垫圈b25的数量为16件，锁紧螺母26的数量为16件。
所述的基于涡轮与弹簧的单向式冲击器，其特征在于：冲击锤21关于锤体固定腔17的轴线对称安放，在冲击锤21一次旋转过程中可以提供两次扭转振动冲击。
工作时，高压钻井液从上接头1流入，通过涡轮总成经传动轴和下壳体往下流动。当高压钻井液通过涡轮总成时，带动涡轮转子6高速旋转，涡轮转子6通过涡轮轴8、传动轴15带动锤体固定腔17旋转，锤体固定腔17再带动冲击锤21旋转，冲击锤21旋转时与下接头18发生碰撞，产生冲击扭转振动作用；如图4～7所示，当冲击锤21和下接头18发生碰撞时，对下壳体产生冲击扭转振动作用，此时，导向杆20上的弹簧19被压缩，冲击锤21在惯性力的作用下与下接头18产生碰撞并沿导向杆20向内移动一小段距离，从而绕过下接头18上的凸起部分，继续做旋转运动；当冲击锤21和下接头18分离时，冲击锤21在弹簧19的作用下又恢复到原来的状态，并继续旋转准备下一次的碰撞。这样冲击锤21的锤面与下接头18会不断出现周期性的周向碰撞，由此形成高频单向周向冲击。工具产生的转动和冲击经下接头18传递到钻头，实现为钻头提供动力，并使钻头产生高频单向周向振动的目的，进而对转头实现有效的保护，提高钻井效率。

Claims (1)

1.基于涡轮与弹簧的单向式冲击器，其特征在于：所述基于涡轮与弹簧的单向式冲击器由上接头(1)、涡轮总成、传动总成、转换接头(16)、冲击总成和下接头(18)组成；上接头(1)上端连接钻杆，下端连接传动总成中的传动壳体(14)；所述的涡轮总成包括轴承封盖(2)、角接触球轴承(3)、防掉挡圈a(4)、传动键(5)、涡轮转子(6)、涡轮定子(7)、涡轮轴(8)、定位圈(9)、矩形密封圈(10)、圆柱滚子轴承(11)、推力球轴承(12)、防掉挡圈b(13)，轴承封盖(2)与涡轮轴(8)通过螺纹进行配合，轴承封盖(2)下方安放有两个角接触球轴承(3)，涡轮转子(6)、涡轮定子(7)通过传动键(5)安装在涡轮轴(8)上，防掉挡圈a(4)安装在涡轮轴(8)的上部，定位圈(9)安放在涡轮轴(8)的台阶上，其上部与涡轮定子(7)接触，预先将矩形密封圈(10)安装到上接头(1)上，完成以上安装后，再将涡轮轴(8)放入上接头(1)内，依次将圆柱滚子轴承(11)、推力球轴承(12)安装在涡轮轴(8)上，并利用防掉挡圈b(13)将其二者抵住，涡轮轴(8)下端与传动轴(15)通过螺纹连接进行配合；所述的传动总成包括传动壳体(14)、传动轴(15)，传动壳体(14)上端与上接头(1)连接，下端与转换接头(16)连接，传动轴(15)上端与涡轮轴(8)连接，下端与锤体固定腔(17)连接；所述冲击总成包括锤体固定腔(17)、下接头(18)、弹簧(19)、导向杆(20)、冲击锤(21)、挡板(22)、垫圈a(23)、锁紧螺钉(24)、垫圈b(25)、锁紧螺母(26)，下接头(18)通过螺纹与转换接头(16)进行连接，锤体固定腔(17)通过螺纹与传动轴(15)进行连接，冲击锤(21)通过锤体固定腔(17)上开设的矩形通孔卡入锤体固定腔(17)内，弹簧(19)穿过导向杆(20)，安装在对称安放的两个冲击锤(21)的中间，弹簧(19)的数量为8件，导向杆(20)的数量为8件，导向杆(20)穿过锤体固定腔(17)和冲击锤(21)上开设的通孔，通过其两端开设的螺纹与垫圈b(25)、锁紧螺母(26)进行配合，垫圈b(25)的数量为16件，锁紧螺母(26)的数量为16件，冲击锤(21)关于锤体固定腔(17)的轴线对称安放，在冲击锤(21)一次旋转过程中提供两次扭转振动冲击，挡板(22)通过垫圈a(23)、锁紧螺钉(24)与锤体固定腔(17)连接，垫圈a(23)的数量为3件，锁紧螺钉(24)的数量为3件。
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