CN109025805A - 脉冲射流液动冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是脉冲射流液动冲击器，这种脉冲射流液动冲击器包括外壳短接、中轴叶轮、射流外套、过流盖板、冲击阀座、冲击短接，中轴叶轮头部穿过射流外套上端口与锥角螺帽固定连接，中轴叶轮的主体为空心柱体，叶片均布于主体上部，主体中部具有入口，主体下部具有扇形出口；过流垫片套装在射流外套上端口外，中轴叶轮的主体下部穿过过流盖板中心孔，过流盖板具有扇形流道，扇形出口与扇形流道对应设置，扇形流道与冲击阀座内腔相通；冲击短接上部固定冲击阀座，冲击阀座上端口抵在过流盖板下，冲击短接固定安装于外壳短接下部；射流外套均匀设置斜向流道，斜向流道与叶片对应设置。本发明能够产生稳定轴向冲击振动，结构简单。

Description

脉冲射流液动冲击器

技术领域：

本发明涉及的是应用在石油工程、采矿工程、岩土工程等领域中的钻井装置，具体涉及的是脉冲射流液动冲击器。

背景技术：

为适应油气勘探工作发展的需要，当代石油钻井工作主要是向深部和复杂区块拓展。在深井钻井过程中，硬地层钻进难度大、钻进速度慢的问题非常突出。因此，提高深井、超深井钻井速度是目前国内外石油行业的关键问题。

当代钻井提速方法中井下冲击器已经是不可缺少的钻井装备，但已有的井下工具普遍存在的问题是，结构设计复杂、流道设计不合理，且普遍采用冲击锤结构，产生周向或者轴向的冲击力，这样的设计思路往往导致工具零件过多，工作寿命短、工作效率低下等问题，制约了冲击器的发展。

发明内容：

本发明的目的是提供脉冲射流液动冲击器，这种脉冲射流液动冲击器用于解决现有井下冲击器零件过多，工作寿命短、工作效率低下的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种脉冲射流液动冲击器包括外壳短接、中轴叶轮、射流外套、过流盖板、冲击阀座、冲击短接，中轴叶轮头部穿过射流外套上端口与锥角螺帽固定连接，中轴叶轮的主体为空心柱体，叶片均布于主体上部，主体中部具有入口，主体下部具有扇形出口；过流垫片套装在射流外套上端口外，固定罩螺母紧固在外壳短接内，并将射流外套固定在外壳短接内，固定罩螺母下端与过流盖板螺纹连接，中轴叶轮的主体下部穿过过流盖板中心孔，过流盖板具有扇形流道，扇形出口与扇形流道对应设置，扇形流道与冲击阀座内腔相通；冲击短接上部固定冲击阀座，冲击阀座上端口抵在过流盖板下，冲击短接固定安装于外壳短接下部；射流外套均匀设置斜向流道，斜向流道与叶片对应设置，过流垫片均匀设置过流孔。

上述方案中射流外套为钟形结构，上细下粗，射流外套上端口内壁通过内合金环、外合金环与中轴叶轮固定连接，内合金环、外合金环可以实现中轴叶轮居中固定。

上述方案中射流外套上等距分布着五个斜向流道。

上述方案中外壳短接上部具有台阶，过流垫片被顶在台阶处。

上述方案中中轴叶轮的主体外部均匀分布9个叶片，入口为椭圆形的，入口有四个，均匀分布，扇形出口有两个，两个扇形出口对称设置，过流盖板的扇形流道也有两个，两个扇形流道也对称设置，椭圆形入口可以使流体流入中轴叶轮内，对称设置的扇形出口和对称设置的扇形流道用于形成周期性的连续射流。

上述方案中过流盖板的上部有阶梯型突出，用于与固定罩螺母相配合，过流盖板将中轴叶轮的入口与扇形出口分隔开。

上述方案中冲击接头通过六方套与外壳短接连接，冲击接头下部内螺纹，冲击接头中部内腔为六方形，冲击接头通过六方形内腔与六方套的外壁相配合，冲击接头上部与冲击阀座螺纹连接。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明能够产生稳定轴向冲击振动，冲击频率可以达1000-4000次/min。该工具结构简单，液流在腔内畅通性好，流体液能利用率高；工作性能稳定，是一种新型、稳定、可靠、安全的液动冲击器，易于在油田的使用与推广。

2.本发明整个阀控机构十分简单，只有中轴叶轮一个运动件，中轴叶轮和过流盖板相配合产生射流，故发生故障的机率自然降低。

3.本发明产生的高频轴向冲击振动可以提高钻头牙齿吃入岩石的深度、加快岩屑脱离井底的速度，提高机械钻速，提高幅度达1到2倍，能够有效降低钻井成本。

4.本发明不存在弹簧等缓冲复位装置，工具结构简单稳定，液流阻力最小，减少了能量损耗，提高了水力冲击功利用效率，解决了冲击效能低、单次冲击力小的问题，水力脉冲作用，更加有利于井底岩屑清洗和运移，减少岩屑的重复切削，进一步提高钻头破岩效率。

5.本发明为液动全金属结构，无电子元件，冲击过程不会对电测仪器产生干扰，有利于MWD、LWD等随钻电测仪器的稳定工作；工作稳定，冲击器内部不易出现压力平衡点，利于长时间的稳定工作。

四、附图说明：

图1为本发明的剖视图，此时中轴叶轮扇形出口与过流盖板的扇形流道相互连通液体可以顺利流通。

图2为图1中D-D剖面向下的俯视图，图中清楚的显示了中轴叶轮上的叶片与射流外套的斜向流道的配合关系。

图3为图1中E-E剖面向下的俯视图，此时中轴叶轮的扇形出口与过流盖板的扇形流道相互垂直，使液体流道闭合。

图4为图1中B-B剖面向下的俯视图，此时流道完全打开，上部压力全部释放，压力释放产生的水利震荡，进一步提高钻头破岩效率。

图5为图1中G-G剖面向下的俯视图，显示了六方套、外壳短接、冲击短接的配合关系。

图6为中轴叶轮的下部流道与过流盖板不导通时的状态示意图，此时过流盖板的流道大部分被中轴叶片阻塞，周期性的联通和封闭产生连续的射流。连续的高速射流冲击下部与冲击短接相连接的圆形冲击阀座，从而将轴向冲击传递给钻头，同时上部憋压。

图中，1锥角螺帽；2外合金环；3内合金环；4中轴叶轮；5固定罩螺母；6过流垫片；7射流外套；8过流盖板，9冲击阀座；10外壳短接；11六方套；12冲击短接；13斜向流道；14入口；15扇形出口；16扇形流道；17叶片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，这种脉冲射流液动冲击器包括外壳短接10、锥角螺帽1、中轴叶轮4、过流垫片6、射流外套7、过流盖板8、冲击阀座9、六方套11、冲击短接12，中轴叶轮4头部穿过射流外套7上端口与锥角螺帽1固定连接，中轴叶轮4的主体为空心柱体，叶片17均布于主体上部，主体中部具有入口14，主体下部具有扇形出口15；过流垫片6套装在射流外套7上端口外，过流垫片6均匀设置过流孔，固定罩螺母5紧固在外壳短接10内，并将射流外套7固定在外壳短接10内，固定罩螺母5下端与过流盖板8螺纹连接，中轴叶轮的主体下部穿过过流盖板8中心孔，过流盖板8具有扇形流道16，扇形出口15与扇形流道16对应设置，扇形流道16与冲击阀座9内腔相通；冲击短接12上部固定冲击阀座9，冲击阀座9上端口抵在过流盖板8下，冲击短接12固定安装于外壳短接10下部。

流体从外壳短接10上部进入冲击器，经过子弹形的锥角螺帽1与过流垫片6充满外壳短接10与射流外套7组成的环形空间，在上部压力的作用下，流体从射流外套7上的斜向流道13进入射流外套7内，经过射流外套斜向流道13的高速流体冲击中轴叶轮4上的叶片17，叶片17驱动整个中轴叶轮4转动，液体从中轴叶轮4下部的四个对称的椭圆形入口进入中轴叶轮4内，在上下压差的作用下，转动的中轴叶轮4与下部的过流盖板8的扇形流道16相互配合，通过对扇形流道16开闭的交替产生连续水射流和水利震荡，连续的水射流冲击冲击阀座9，与冲击阀座9相连的冲击短接12把轴向冲击传递给钻头，从而辅助钻头破岩。

射流外套7为钟形结构，上细下粗，中轴叶轮4穿过射流外套上端口与锥角螺帽1通过螺纹进行连接，内合金环3、外合金环2使中轴叶轮4居中固定。射流外套7的外壁上等距分布着五个斜向流道13，参阅图2，斜向流道13与叶片17对应设置。当流体在压差的作用下，通过斜向流道13进入射流外套7内，高速流体冲击中轴叶轮的叶片17，驱动中轴叶轮4旋转。

中轴叶轮4的主体上部向上形成实心圆柱形柱体，柱体的上部为台阶式的突出，用于与锥角螺帽1相互配合，主体外部均匀分布的9个叶片17，参阅图3，主体中部对称分布的四个椭圆形入口，可以使流体流入中轴叶轮4内，主体下部为两组对称的扇形出口15，扇形出口15与过流盖板8配合形成周期性的联通和封闭，参阅图4、图6，产生连续的射流。连续的高速射流冲击下部与冲击短接12相连接的圆形冲击阀座9，从而将轴向冲击传递给钻头，同时产生的水力脉冲作用有利于井底岩屑清洗和运移减少岩屑的重复切削，进一步提高钻头破岩效率。

过流盖板8的上部为圆盘形结构外部有阶梯型突出，可以与固定罩螺母5相配合，过流盖板8将中轴叶轮4的入口与扇形出口15分隔开。

冲击接头为中空柱体，冲击接头上部通过螺纹与冲击阀座9相连接，参阅图5，冲击接头中部通过六方套11与外壳短接10连接，冲击接头中部内腔为六方形，用于与六方套11的外壁相配合传递上部扭矩，冲击接头下部内壁有螺纹用于安装钻头。

本发明的安装方法：把中轴叶轮4放入射流外套7内，射流外套7上部的孔隙部分安装外合金环2与内合金环3固定中轴叶轮同心，锥角螺帽1通过丝扣紧固在中轴叶轮4的上部随中轴叶轮一起转动，过流垫片6安装在射流外套7的上部一同放入外壳短接10内，过流垫片6卡在外壳短接10的最上部的台阶处，通过固定罩螺母5上的螺纹与外壳短接10内螺纹进行连接，把射流外套7紧固在外壳短接10内。把六方套11套装在冲击接头上，冲击短接12的上部使用螺纹与冲击阀座9相连，最后把组装好上下两部分通过六方套11外部的螺纹与外壳短接10连接，完成安装。

本发明的工作过程：开始时，如图1所示，当高速液流通过冲击器上端时，经过锥角螺帽1过流垫片6，同时锥角螺帽1可以减小液体流动的阻力，高速流体通过过流垫片6充满外壳短接10与射流外套7，流体通过射流外套斜向流道13，从而连续不断的冲击中轴叶轮4上均匀分布的叶片17带动中轴叶轮6旋转，流体通过中轴叶轮4下部的四个对称的椭圆形入口，进入中轴叶轮4内部，因为中轴叶轮4上部是封闭的，所以流体只能通过中轴叶轮4最下部的两个对称的扇形出口15流出，不断旋转的中轴叶轮4与过流盖板8相配合，产生连续的脉冲射流，脉冲水射流利用水力冲击，水锤作用产生的巨大瞬态能量,水射流不断冲击冲击阀座9，冲击短接12把轴向冲击力传递给钻头从而进行辅助破岩。

Claims (7)

1.一种脉冲射流液动冲击器，其特征在于：这种脉冲射流液动冲击器包括外壳短接（10）、中轴叶轮（4）、射流外套（7）、过流盖板（8）、冲击阀座（9）、冲击短接（12），中轴叶轮（4）头部穿过射流外套（7）上端口与锥角螺帽（1）固定连接，中轴叶轮（4）的主体为空心柱体，叶片（17）均布于主体上部，主体中部具有入口（14），主体下部具有扇形出口（15）；过流垫片（6）套装在射流外套（7）上端口外，固定罩螺母（5）紧固在外壳短接（10）内，并将射流外套（7）固定在外壳短接（10）内，固定罩螺母（5）下端与过流盖板（8）螺纹连接，中轴叶轮（4）的主体下部穿过过流盖板（8）中心孔，过流盖板（8）具有扇形流道（16），扇形出口（15）与扇形流道（16）对应设置，扇形流道（16）与冲击阀座（9）内腔相通；冲击短接（12）上部固定冲击阀座（9），冲击阀座（9）上端口抵在过流盖板（8）下，冲击短接（12）固定安装于外壳短接（10）下部；射流外套（7）均匀设置斜向流道（13），斜向流道（13）与叶片（17）对应设置，过流垫片（6）均匀设置过流孔。

2.根据权利要求1所述的脉冲射流液动冲击器，其特征在于：所述的射流外套（7）为钟形结构，上细下粗，射流外套（7）上端口内壁通过内合金环（3）、外合金环（2）与中轴叶轮（4）固定连接，内合金环（3）、外合金环（2）实现中轴叶轮（4）居中固定。

3.根据权利要求2所述的脉冲射流液动冲击器，其特征在于：所述的射流外套（7）上等距分布着五个斜向流道（13）。

4.根据权利要求3所述的脉冲射流液动冲击器，其特征在于：所述的外壳短接（10）上部具有台阶，过流垫片（6）被顶在台阶处。

5.根据权利要求4所述的脉冲射流液动冲击器，其特征在于：所述的中轴叶轮（4）的主体外部均匀分布9个叶片（17），入口（14）为椭圆形的，入口（14）有四个，均匀分布，扇形出口（15）有两个，两个扇形出口（15）对称设置，过流盖板（8）的扇形流道（16）也有两个，两个扇形流道（16）也对称设置。

6.根据权利要求5所述的脉冲射流液动冲击器，其特征在于：所述的过流盖板（8）的上部有阶梯型突出，用于与固定罩螺母（5）相配合，过流盖板（8）将中轴叶轮的入口（14）与扇形出口（15）分隔开。

7.根据权利要求6所述的脉冲射流液动冲击器，其特征在于：所述的冲击接头通过六方套（11）与外壳短接（10）连接，冲击接头下部内螺纹，冲击接头中部内腔为六方形，冲击接头通过六方形内腔与六方套（11）的外壁相配合，冲击接头上部与冲击阀座（9）螺纹连接。