CN108798500B - 一种用于动力钻具的液动冲击装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于动力钻具的液动冲击装置，技术方案是：定子外筒固定连接环形凸轮，凸轮滚轮沿环形凸轮工作面滚动，推动射吸阀相对导流喷管动作，在复位弹簧预压力作用下，切换钻井液流道，钻井液流经射吸流道时，在射吸效应作用下，射吸阀通过吸液孔吸排射吸阀与冲锤之间的钻井液，冲锤在压差作用下抬升，当钻井液流经冲击流道时，射吸阀的吸液孔关闭，钻井液进入射吸阀与冲锤之间的空间，推动冲锤冲击砧子和钻头接头，在冲锤下行到下极限位置时，射吸阀末端的卸压孔打开，节流钻井液，冲击载荷达到最大，重复钻井液流道切换，装置实现连续液动冲击。该冲击装置结构简单，不影响动力钻具定向性能，不干涉随钻测量工具，冲击过程中不产生无效的钻压波动，能够辅助钻头有效提高破岩效率。

Description

一种用于动力钻具的液动冲击装置

所属技术领域

本发明涉及一种油气田钻井工程领域，尤其涉及一种用于动力钻具的液动冲击装置。

背景技术

油气田勘探开发钻井实践表明，在钻头旋转切削破岩的同时给钻头施加高频轴向冲击载荷可以显著提高钻头破岩效率，提高钻井速度，螺杆动力钻具作为钻井工艺的一项重要措施，增加具有轴向冲击功能的功能短节，是现场亟需的技术。国内外已研究设计多种旋冲钻井工具和基于螺杆钻具的轴向冲击装置，已有的旋冲钻井工具因螺杆钻具的工艺要求和钻柱结构尺寸限制，都不能有效地与动力钻具匹配使用；已有的基于螺杆钻具的轴向冲击装置主要采用了机械方式蓄积释放机械能量而产生机械冲击的方案，这种技术方案因为一定程度上要产生无效的钻压波动，针对某些采用传统钻井技术钻速极低的研磨性地层能够显著提高钻井速度，但对于其它地层会减弱旋转切削破岩效率，总体效果上提高钻井机械速度并不明显，同时这些装置都不同程度存在冲击功偏小或寿命偏短的问题。因此，研制一种应用于螺杆动力钻具，利用钻井液液动力产生轴向冲击，不产生无效的钻压波动，并且冲击功和使用寿命都能满足实际要求的轴向冲击装置，对于钻井工程提速提效具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种应用于螺杆动力钻具的液动冲击装置，利用钻井液液动力产生轴向冲击，不产生无效的钻压波动，实现在钻头旋转切削岩石的基础上，给钻头施加合适频率和有效冲击功的轴向冲击载荷，从而提高钻头破岩效率，达到提高钻井机械钻速的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种应用于动力钻具的液动冲击装置，包括转子传动轴、定子外筒、导流喷管、射吸阀、复位弹簧、冲锤、砧子、环形凸轮、牙嵌筒、凸轮滚轮、滚轮轴、钻头接头、轴承内筒、悬挂筒。定子外筒内侧螺纹固定连接牙嵌筒和环形凸轮，滚轮轴径向穿过转子传动轴筒体上的滚轮轴限位槽，一端与射吸阀固定连接，一端装有凸轮滚轮，凸轮滚轮沿环形凸轮工作面滚动，推动射吸阀上下动作，射吸阀在复位弹簧预压力作用下相对导流喷管变换位置而切换钻井液流道，钻井液流经射吸流道时，在射吸效应作用下，射吸阀射吸喷管内侧的吸液孔吸排射吸阀与冲锤之间的钻井液，冲锤在压差作用下抬升，当钻井液流经冲击流道时，射吸喷管内侧的吸液孔关闭，钻井液进入射吸阀与冲锤之间的空间，推动冲锤冲击砧子和钻头接头，在冲锤下行到下极限位置时，射吸喷管末端的卸压孔打开，钻井液处于截流状态，冲击载荷达到最大，转子传动轴连续转动，射吸阀受环形凸轮控制,循环上下切换流道,实现轴向连续冲击。

本发明提到的转子传动轴是上细下粗中间有空腔的柱状体，用于传递马达扭矩和钻压，顶端是水帽联接螺纹，用于与动力钻具水帽连接，其下是动力钻具轴承串心轴安装位置，下部末端腔内是内花键副，外侧是悬挂支承体，内花键副用于与钻头接头轴向滑动联接，传递马达扭矩到钻头接头，进而传递到钻头，并传递钻压，悬挂支承体通过悬挂筒悬挂钻头接头，转子传动轴下部空腔内壁从上到下依次是导流喷管密封面、射吸阀密封面和冲锤密封面，在射吸阀密封面位置布置有两个对称的穿壁滚轮轴限位槽。

本发明提到的环形凸轮是一短筒体，用于控制流道切换，上端是凸轮工作面，包括抬升工作面、冲击工作面和过渡工作面，抬升工作面和冲击工作面是一段圆环面，过渡工作面是空间曲面，用于抬升和冲击工作面的连续过渡，下端是牙崁结构，通过与牙嵌筒牙崁相插接，与动力钻具外壳固定连接。

本发明提到的导流喷管上端是圆柱形，侧面是密封面，与转子传动轴导流喷管密封面配合，可上下滑动，下端是正方柱体，侧面是四棱柱体密封面，中间是截面为正方形的流道，在正方柱体下部对称布置有射吸导流口和冲击导流口，分别向射吸流道和冲击流道导流。

本发明提到的射吸阀上端是圆柱体，圆柱中间是方孔，方孔4角有轴向贯通的小圆孔，用于平衡射吸阀上下动作时上下两端产生的压力，圆柱侧面是密封面，在其径向有2个螺纹孔，用于固定滚轮轴，下端是一侧偏置的射吸喷管，其外侧是柱体弧面，其余3面是平面，各面兼具密封作用，射吸喷管上部内侧有一圆吸液孔，末端有卸压孔，通过改变卸压孔的位置和大小可以控制装置冲击力的大小， 在螺纹孔垂直方向，圆柱体内中间方孔布置有射吸流道和冲击流道。

本发明提到的冲锤是一圆柱体，其一侧有矩形槽，与射吸阀射吸喷管下端相配合，下部中间是圆孔，与矩形槽下端组成流道。

本发明提到的砧子是一圆柱体，其上端有一导流体，与冲锤矩形槽相配合，并导流钻井液到中心流道。

本发明提到的钻头接头上端是外花键副，用于与转子传动轴滑动连接并传递扭矩，下端通过螺纹与钻头固定连接，中间部位为螺纹，与悬挂筒下端螺纹固定连接，通过悬挂筒，悬挂钻头和钻头接头于转子传动轴下端悬挂支承面处。

本发明提到的一种应用于动力钻具的液动冲击装置,其使用过程如下:

转子传动轴上端与动力钻具的水帽通过螺纹固定连接，定子外筒与动力钻具外壳固定连接，共同组成具有旋冲功能的动力钻具。在工具下入井底后，钻头悬空时，本发明的冲锤、砧子和钻头接头一起下行，射吸阀卸压孔一直导通，装置不产生冲击，实现防空打功能。钻头接触井底加载钻压时，冲锤、砧子和钻头接头一起上行，射吸阀卸压孔处于节流状态，在转子传动轴转动过程中，环形凸轮推动凸轮滚轮带动射吸阀切换钻井液流道，当射吸流道导通时，射吸阀射吸喷管内侧的吸液孔吸排射吸阀与冲锤之间的钻井液，冲锤抬升，当冲击流道导通时，射吸喷管内侧的吸液孔关闭，钻井液进入射吸阀与冲锤之间的空间，推动冲锤冲击砧子和钻头接头，在冲锤下行到下极限位置时，射吸喷管末端的卸压孔打开，节流钻井液，冲击载荷达到最大，重复钻井液流道切换，装置连续液动冲击，实现动力钻具的旋冲钻进。

本发明相对于现有技术，具有如下的有益效果：

1、一种用于动力钻具的液动冲击装置利用钻井液液动力产生轴向冲击，与动力钻具匹配实现旋冲钻井，装置不产生无效的钻压波动，能够辅助钻头显著提高破岩效率；

2、一种用于动力钻具的液动冲击装置结构简单、长度适中，对动力钻具的定向性能影响小，同时不干涉随钻测量工具的使用；

3、一种用于动力钻具的液动冲击装置适用于各种岩层，不改变钻井工艺，不改变钻井参数，应用范围广。

附图说明

图1是动力钻具液动冲击装置总体结构图；

图2是动力钻具液动冲击装置A-A截面图；

图3是转子传动轴结构图；

图4是环形凸轮结构图；

图5是导流喷管结构图；

图6是射吸阀结构图。

上图中：动力钻具转子1、动力钻具外壳2、动力钻具水帽3、转子传动轴4、导流喷管5、射吸阀6、环形凸轮7、牙嵌筒8、冲锤9、砧子10、钻头接头11、动力钻具轴承串12、定子外筒13、复位弹簧14、冲击流道15、射吸流道16、轴承内筒17、悬挂筒18、凸轮滚轮19、滚轮轴20、水帽联接螺纹101、滚轮轴限位槽102、悬挂支承面103、内花键副104、导流喷管密封面105、射吸阀密和冲锤密封面106、冲击导流口501、圆柱密封面502、四棱柱体密封面503、射吸导流口504、压力平衡孔601、吸液孔602、射吸阀密封面603、卸压孔604、抬升工作面701、冲击工作面702、牙崁结构703。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明提到的一种用于动力钻具的液动冲击装置，包括转子传动轴4、导流喷管5、射吸阀6、环形凸轮７、牙嵌筒８、冲锤９、砧子10、钻头接头11、定子外筒13、复位弹簧14、轴承内筒17、悬挂筒18、凸轮滚轮19、滚轮轴20。定子外筒13内孔螺纹固定连接牙嵌筒8和环形凸轮7，凸轮滚轮19沿环形凸轮7工作面滚动，推动射吸阀6相对导流喷管5动作，在复位弹簧14预压力作用下，切换钻井液流道，钻井液流经射吸流道16时，在射吸效应作用下，射吸阀6通过吸液孔吸排射吸阀6与冲锤9之间的钻井液，冲锤9在压差作用下抬升，当钻井液流经冲击流道15时，射吸阀6的吸液孔关闭，钻井液进入射吸阀6与冲锤9之间的空间，推动冲锤9冲击砧子10和钻头接头11，在冲锤9下行到下极限位置时，射吸阀6末端的卸压孔打开，节流钻井液，冲击载荷达到最大，重复钻井液流道切换，装置实现连续液动冲击。

如图3所示，所述转子传动轴4是上细下粗中间有空腔的柱状体，顶端是水帽联接螺纹101，用于连接动力钻具水帽3，其下是动力钻具轴承串12心轴安装位置，下部末端腔内是内花键副104，外侧是悬挂支承体，悬挂支承体上端面是悬挂支承面103，内花键副104用于与钻头接头11轴向滑动联接，传递马达扭矩，并传递钻压，悬挂支承面103处通过悬挂筒16悬挂钻头接头11，转子传动轴下部空腔内壁从上到下依次是导流喷管密封面105、射吸阀密封面和冲锤密封面106，在射吸阀密封面位置布置有两个对称的滚轮轴限位槽102，贯穿轴壁。

如图4所示，所述环形凸轮7是一短筒体，上端是凸轮工作面，包括抬升工作面701、冲击工作面702和过渡工作面，抬升工作面701和冲击工作面702是一段圆环面，过渡工作面是空间曲面，用于抬升和冲击工作面的连续过渡，下端是牙崁结构703，用于与牙嵌筒8牙崁配合连接。

如图5所示，所述导流喷管5上端是圆柱形，侧面是密封面502，与转子传动轴导流喷管密封面105配合，可上下滑动，下端是正方柱体，中间是截面为正方形的流道，柱体下部对称分布有射吸导流口501和冲击导流口504，分别向射吸流道16和冲击流道15导流，柱体侧面是密封面503。

如图6所示，所述射吸阀6是中间为方孔流道的圆柱体，方孔流道4角有轴向贯通的压力平衡孔601，用于平衡射吸阀6上下动作时上下两端产生的压力，圆柱侧面是射吸阀密封面603，并有对称布置的2个滚轮轴固定孔，下端是一侧偏置的射吸喷管，其外侧是柱体弧面，其余3面是平面，各面具有密封作用，射吸喷管上部内侧有一圆吸液孔602，末端有卸压孔604，在螺纹孔垂直方向，圆柱体内和中间方孔外是一侧是射吸流道16，一侧是冲击流道15，流道截面是圆形。

所述冲锤9是一圆柱体，其一侧有矩形槽，与射吸阀射６吸喷管相配合，下部中间是圆孔，与矩形槽下端组成流道。

所述砧子10是一圆柱体，其上端有一导流体，与冲锤矩形槽相配合，并导流钻井液到中心流道。

所述钻头接头11上部是外花键副，用于与转子传动轴4滑动连接并传递扭矩，下端通过螺纹与钻头固定连接，中间部位为螺纹，与悬挂筒18下端螺纹固定连接，悬挂钻头和钻头接头于转子传动轴４悬挂支承面处。

本发明提到的一种应用于动力钻具的液动冲击装置,其使用过程如下:

钻头接触井底时，冲锤6、砧子7和钻头接头8一起上行，射吸阀3射吸喷管303卸压孔304关闭，在转子传动轴1转动过程中，环形凸轮4推动凸轮滚轮15带动射吸阀3切换钻井液流道，当射吸流道12接通时，射吸阀3射吸喷管303内侧的吸液圆孔302吸排射吸阀3与冲锤6之间的钻井液，以抬升冲锤6，当冲击流道11接通时，射吸喷管303内侧的吸液圆孔302关闭，钻井液进入射吸阀3与冲锤6之间的空间，推动冲锤6冲击砧子7和钻头接头8，在冲锤6下行到下极限位置时，射吸喷管303末端的卸压孔304打开，钻井液流道导通，重复上述动作，实现动力钻具的旋冲钻进。

转子传动轴4上端与动力钻具水帽3通过螺纹固定连接，定子外筒13与动力钻具外壳2固定连接，共同组成具有旋冲功能的动力钻具。在工具下入井底后，钻头悬空时，本发明的冲锤9、砧子10和钻头接头11一起下行，射吸阀卸压孔606一直导通，装置不产生冲击，实现防空打功能。钻头接触井底加载钻压时，冲锤9、砧子10和钻头接头11一起上行，射吸阀卸压孔606处于节流状态，在转子传动轴转动过程中，环形凸轮7推动凸轮滚轮19带动射吸阀6切换钻井液流道，当射吸流道16导通时，射吸阀射吸液孔604吸排射吸阀6与冲锤9之间的钻井液，冲锤9抬升，当冲击流道15导通时，射吸阀射吸液孔604关闭，钻井液进入射吸阀6与冲锤9之间的空间，推动冲锤9冲击砧子10和钻头接头11，在冲锤9下行到下极限位置时，射吸喷管末端的卸压孔606打开，节流钻井液，冲击载荷达到最大，重复钻井液流道切换，装置连续液动冲击，实现动力钻具的旋冲钻进。

Claims (4)

1.一种用于动力钻具的液动冲击装置，其特征是：包括转子传动轴（4）、导流喷管（5）、射吸阀（6）、环形凸轮（７）、牙嵌筒（８）、冲锤（９）、砧子（10）、钻头接头（11）、定子外筒（13）、复位弹簧（14）、轴承内筒（17）、悬挂筒（18）、凸轮滚轮（19）、滚轮轴（20）；定子外筒（13）内孔螺纹固定连接牙嵌筒（8）和环形凸轮（7），凸轮滚轮（19）沿环形凸轮（7）工作面滚动，推动射吸阀（6）相对导流喷管（5）动作，在复位弹簧（14）预压力作用下，切换钻井液流道，钻井液流经射吸流道（16）时，在射吸效应作用下，射吸阀（6）通过吸液孔吸排射吸阀（6）与冲锤（9）之间的钻井液，冲锤（9）在压差作用下抬升，当钻井液流经冲击流道（15）时，射吸阀（6）的吸液孔关闭，钻井液进入射吸阀（6）与冲锤（9）之间的空间，推动冲锤（9）冲击砧子（10）和钻头接头（11），在冲锤（9）下行到下极限位置时，射吸阀（6）末端的卸压孔打开，节流钻井液，冲击载荷达到最大，重复钻井液流道切换，装置实现连续液动冲击；所述转子传动轴（4）是上细下粗中间有空腔的柱状体，顶端是水帽联接螺纹（101），用于连接动力钻具水帽（3），其下是动力钻具轴承串（12）心轴安装位置，下部末端腔内是内花键副（104），外侧是悬挂支承体，悬挂支承体上端面是悬挂支承面（103），内花键副（104）用于与钻头接头（11）轴向滑动联接，悬挂支承面（103）处通过悬挂筒（16）悬挂钻头接头（11），转子传动轴下部空腔内壁从上到下依次是导流喷管密封面（105）、射吸阀密封面和冲锤密封面（106），在射吸阀密封面位置布置有两个对称的滚轮轴限位槽（102），贯穿轴壁；所述环形凸轮（7）是一短筒体，上端是凸轮工作面，包括抬升工作面（701）、冲击工作面（702）和过渡工作面，抬升工作面（701）和冲击工作面（702）是一段圆环面，过渡工作面是空间曲面，下端是牙崁结构（703），用于与牙嵌筒（8）牙崁配合连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于动力钻具的液动冲击装置，其特征是：所述导流喷管（5）上端是圆柱形，侧面是密封面（502），与转子传动轴导流喷管密封面（105）配合，下端是正方柱体，中间是截面为正方形的流道，柱体下部对称分布有射吸导流口（501）和冲击导流口（504），分别向射吸流道（16）和冲击流道（15）导流，柱体侧面是密封面（503）。

3.根据权利要求1所述的一种用于动力钻具的液动冲击装置，其特征是：所述射吸阀（6）是中间为方孔流道的圆柱体，方孔流道4角有轴向贯通的压力平衡孔（602），圆柱侧面是密封面（605），并有对称布置的2个滚轮轴固定孔，下端是一侧偏置的射吸喷管，其外侧是柱体弧面，其余3面是平面，射吸喷管上部内侧有一圆吸液孔（604），末端有卸压孔（606），在螺纹孔垂直方向，圆柱体内和中间方孔外是一侧是射吸流道（603），一侧是冲击流道（601），流道截面是圆形。

4.根据权利要求1所述的一种用于动力钻具的液动冲击装置，其特征是：所述钻头接头（8）上端是外花键副，下端通过螺纹与钻头固定连接，中间部位为螺纹；所述悬挂筒（14）下端是螺纹，与钻头接头（8）中间的螺纹固定连接，上端是台阶状圆筒。