CN110792391B - 耐高温射流冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耐高温射流冲击器，属于钻井工具领域，包括外壳；设置在所述外壳内的射流元件，所述射流元件构造成能够将进入所述射流元件中的流体周期性地沿出口导出；设置在所述外壳内的活塞装置，所述活塞装置包括连接所述射流元件的出口的活塞缸、设置在所述活塞缸内的活塞以及设置在所述活塞上的活塞杆，所述活塞杆构造成能够在所述射流元件导入的流体的作用下周期性地做往复运动；以及连接在所述活塞杆端部的冲锤，所述冲锤随所述活塞杆移动而周期性地向下游组件施加冲击力。本发明具有良好的耐温性能，能够提高高温环境下工具井下工作寿命。

Description

耐高温射流冲击器

技术领域

本发明涉及一种耐高温射流冲击器，尤其是一种高温环境下钻井辅助破岩用射流冲击器，属于钻井工具领域。

背景技术

随着能源需求的日益扩大，深井超深井、非常规油气资源和地热资源开发成为新的能源勘探方向。在深井超深井钻探过程中，遇到的岩石硬度高、岩石可钻性极值高、岩石研磨性强的复杂地层越来越多。在这种地层中，地层温度可达180℃以上，干热岩钻井中井下温度可达240℃。这些深部硬地层、高温钻井给钻井提速工具带来了新的挑战。

近年来的工程实践证明射流冲击器作为一种辅助破岩工具，能够有效提高硬脆性地层的机械钻速的，但现有液动射流式冲击器不能直接应用于高温环境中。在高温环境下冲击器缸体、活塞和活塞杆间运动副磨损加剧，因此有必要对现有密封结构和冲击力传递方式进行升级，形成一种高温射流冲击器。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种耐高温射流冲击器，具有良好的耐温性能，能够提高高温环境下工具井下工作寿命。

发明提出了一种耐高温射流冲击器，包括：

外壳；

设置在所述外壳内的射流元件，所述射流元件构造成能够将进入所述射流元件中的流体周期性地沿出口导出；

设置在所述外壳内的活塞装置，所述活塞装置包括连接所述射流元件的出口的活塞缸、设置在所述活塞缸内的活塞以及设置在所述活塞上的活塞杆，所述活塞和所述活塞杆构造成能够在所述射流元件导入的流体的作用下周期性地做往复运动；以及

连接在所述活塞杆端部的冲锤，所述冲锤随所述活塞杆移动而周期性地向下游组件施加冲击力；

其中，所述耐高温射流冲击器的整体均采用耐高温的金属材质。

本发明的进一步改进在于，所述外壳包括外缸，所述外缸内固定安装所述射流元件和所述活塞装置；以及通过中接头连接所述外缸的外管，所述外管内设置有供所述冲锤移动的空腔。

本发明的进一步改进在于，所述外壳还包括上接头，所述上接头连接在所述外缸的端部；所述外壳还包括砧子，所述砧子的一端连接在所述外管，另一端连接下游组件。

本发明的进一步改进在于，所述射流元件的入口设置有元件压盖，所述元件压盖上设置有一个主流孔和至少一个分流孔；并且所述元件压盖的外侧设置有螺旋线型槽。

本发明的进一步改进在于，所述活塞缸内设置有腔体，所述活塞在所述腔体内滑动密封设置，并且所述活塞将所述腔体分为第一空间和第二空间；

所述活塞缸的入口端设置有连通第一空间的第一入口，以及连通第二空间的第二入口。

本发明的进一步改进在于，所述缸体的出口端设置有缸体压盖，所述缸体压盖中部设置有中心孔。

本发明的进一步改进在于，所述缸体压盖通过金属环密封连接所述缸体，并且所述缸体压盖的中心孔内设有螺旋线型滑动密封结构，用于密封所述活塞杆。

本发明的进一步改进在于，所述外管的空腔内设置有滚珠轴承环，所述滚珠轴承环内壁上设置有若干滚珠和水口；

其中，所述冲锤穿过滚珠轴承环并能够在所述滚动轴承环内滑动或转动。

本发明的进一步改进在于，所述冲锤的下部设置为三段式变截面的锥形体，所述冲锤的底部设置有与所述砧子选择性接触的球面。

本发明的进一步改进在于，所述砧子的外表面分为上段和下段，所述上段的截面圆形并且设置有螺旋形的环槽；所述下段为八方面，并通过八方套连接所述外管。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明所述的一种耐高温射流冲击器，采用全金属材质，耐高温效果好。能够实现高温300℃下的密封效果，且减小活塞、活塞缸、活塞杆和冲锤等运动副之间的磨损，在高温环境下更有效的传递冲击能力，提高冲击器井下工作寿命。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方案的耐高温射流冲击器的结构示意图；

图2是根据本发明的一个实施方案的元件压盖的结构示意图；

图3是根据本发明的一个实施方案的活塞缸的结构示意图，显示了活塞缸的上端面的结构；

图4是图3的A-A剖视示意图；

图5是根据本发明的一个实施方案的金属环的结构示意图，显示了活塞缸的上端面的结构

图6是根据本发明的一个实施方案的外管的结构示意图，显示了设置有滚珠轴承环的结构；

图7是图6的B-B截面剖视示意图，显示了滚珠轴承环的截面的结构。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

在附图中各附图标记的含义如下：1、外壳，2、射流元件，3、活塞装置，4、冲锤，5、砧子，11、上接头，12、外缸，13、中接头，14、外管，15、滚珠轴承环，16、滚珠，17、水口， 21、元件压盖，22、主流孔，23、分流孔，24、螺旋线型槽，31、活塞缸，32、活塞，33、活塞杆，34、腔体，35、缸体压盖，311、第一入口，312、第二入口，341、第一空间，342、第二空间，351、中心孔，352、螺旋线型滑动密封结构，353、金属环，41、锥形体，42、球面。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的耐高温射流冲击器。根据本发明的耐高温射流冲击器，具有良好的耐温性能，能够提高高温环境下工具井下工作寿命。

如图1所示，本实施例所述的耐高温射流冲击器，包括外壳1，所述外壳1的端部连接下游组件，如钻头或螺杆。所述外壳1的端部可以直接连接钻头，也可以通过螺杆间接连接钻头。本实施例还包括射流元件2，所述射流元件2设置在所述外壳1的内部，并且所述射流元件2造成能够将进入所述射流元件2中的流体周期性地沿出口导出。所述外壳1内部还设置有活塞装置3，所述活塞装置3包括连接所述射流元件2的出口的活塞缸31、设置在所述活塞缸31内的活塞32以及设置在所述活塞32上的活塞杆33。所述射流元件2将流体周期性地导入所述活塞缸31中，从而控制推动所述活塞在所述活塞缸31内座往返运动。本实施例所述耐高温射流冲击器还包括冲锤4，所述冲锤4设置在所述外壳1内部，并且所述冲锤4固定连接在所述活塞杆33的端部。当所述活塞在所述活塞缸31内做往复运动时，所述冲锤4随所述活塞杆33移动，而周期性地向下游组件施加冲击力。

在使用根据本实施例所述的耐高温射流冲击器时，流体从所述外壳1上端引入，并通过所述射流元件2的入口流入到所述射流元件2内部。所述射流元件2通过周期性地引出所述流体喷射到所述活塞装置3中，通过控制流入流体的流量能够控制所述活塞装置3中，从而推动所述活塞做周期性往复移动。所述活塞做周期性往复移动的同时，带动所述活塞杆33移动，从而带动所述冲锤4移动并向下游组件施加冲击力。这样，就能够辅助钻头破岩。

在一个实施例中，所述外壳1包括外缸12，所述外缸12为圆筒形状，并且所述外缸12内固定安装所述射流元件2和所述活塞装置3。所述外壳1还包括外管14，所述外管14内设置有供所述冲锤4移动的空腔。其中，所述外管14和所述外缸12之间通过中接头13相连。

在根据本实施例所述的耐高温射流冲击器中，所述外缸12和所述外管14的端部设置有螺旋线型滑动密封结构352，所述外缸12和所述中接头13之间、所述中接头13和所述外管14之间均通过螺旋线型滑动密封结构352连接。所述螺旋线型滑动密封结构352中的螺旋线型纹能够提高密封性，保证所述外缸12和所述外管14之间能够在滑动的同时保持密封的状态。

在一个实施例中，所述外壳1还包括上接头11，所述上接头11连接在所述外缸12的端部，即所述上接头11设置在所述外缸12远离所述中接头13的一端。在本实施例中，所述上接头11连接所述外缸12的上端，所述中接头13连接在所述外缸12的下端，在本发明中，所述外缸12的上端为根据本实施例所述耐高温射流冲击器在井下工作状态时的状态确定的。在本实施例中，所述外壳1还包括砧子5，所述砧子5设置在所述外壳1的最下端。其中，所述砧子5的一端连接在所述外管14，另一端连接下游组件，用于传递所述冲锤4的冲击能量给下游组件。

在根据本实施例所述耐高温射流冲击器中，所述外壳1在工作状态下，从上到下依次为所述上接头11、所述外缸12、所述中接头13、所述外管14和所述砧子5。其中，流体从上接头11流入，随后进入到射流元件2中。所述射流元件2将流体周期性地导入到活塞装置3中，进而所述活塞装置3带动冲锤4周期性移动。所述冲锤4通过砧子5对所述下游组件施加压力。

在一个实施例中，如图2所示，所述射流元件2的入口设置有元件压盖21，所述元件压盖21上设置有一个主流孔22和至少一个分流孔23。优选地，所述主流孔22的数量为一个，并设置在中间。所述分流孔23的数量为两个，分别设置在所述主流孔22的两侧。所述分流孔23用于控制进入射流元件2的流量。在一个优选的实施例中，所述元件压盖21的外侧设置有螺旋线型槽24，高压流体在环槽53内曲折流动，产生节流效应，从而达到阻漏的目的，并实现密封。

在一个实施例中，如图3和图4所示，所述活塞缸31内设置有腔体34，所述活塞32在所述腔体34内滑动密封设置，并且所述活塞32将所述腔体34分为第一空间341和第二空间342，所述第一空间341为腔体34中所述活塞32的一侧，所述第二空间342为所述腔体34中所述活塞32的另一侧。所述活塞缸31的入口端设置有连通第一空间341的第一入口311，以及连通第二空间342的第二入口312。在本实施例中，所述射流元件2的出口设置为两个，分别连接所述第一入口311和第二入口312。

在使用根据本实施例所述的耐高温射流冲击器时，钻井液从外壳1的上接头11进入内部，并通过主流孔22和分流孔23进入射流元件2。所述射流元件2周期性地分别开启两个出口，并将钻井液流体分别通过第一入口311和第二入口312。射流元件2周期性地将流体导入第一空间341和第二空间342，从而推动所述活塞往复运动。

在一个实施例中，所述缸体的出口端设置有缸体压盖35，所述缸体压盖35中部设置有中心孔351。所述压盖设置在所述缸体的下端，所述中心孔351用于伸出所述活塞杆33，所述活塞杆33能够沿所述中心孔351伸出。

在一个优选的实施例中，所述缸体压盖35通过金属环353密封连接所述缸体（如图5所示），并且所述缸体压盖35的中心孔351内设有螺旋线型滑动密封结构352，并且所述活塞杆33上也设置有与其相配合的螺旋线型滑动密封结构352。

根据本实施例所述的耐高温射流冲击器中，所述缸体压盖35通过金属环353连接所述缸体，相比于橡胶环等材质具有更好的耐高温效果，在钻井地层中温度较高时本实施例所述耐高温射流冲击器仍然可以使用。在本实施例中所述缸体压盖35的中心孔351设置有螺纹352，在活塞杆33伸出的过程中能够通过螺纹352转动，从而保证冲锤4的角度不会发生偏差。

在一个实施例中，所述外管14的空腔内设置有滚珠轴承环15，所述滚珠轴承环15内壁上设置有若干滚珠和水口17。其中，所述冲锤4穿过滚珠轴承环15并能够在所述滚动轴承环内滑动或转动。在本实施例中，所述滚珠和所述水口17间隔布置成一周。

在本实施例中，如图6和图7所示，所述滚珠轴承环15能够支撑所述冲锤4的中部，保证所述冲锤4处于合适的位置，并能够始终对准所述砧子5端部的位置。所述滚珠轴承环15内的滚珠能够在所述冲锤4移动时滚动，从而减少摩擦。水口17用于过流钻井液，避免产生过大压降，保证设备安全运行。

在一个实施例中，所述冲锤4的上端设置有锥形内孔，所述活塞杆33插入到所述锥形内孔中，实现固定连接。所述冲锤4的下部设置为三段式变截面的锥形体41，即所述冲锤4下部设置有相连的三段结构，均为锥形。所述冲锤4的底部设置有与所述砧子5选择性接触的球面。

在一个优选的实施例中，所述砧子5的外表面分为上段和下段，所述上段的截面圆形并且设置有螺旋形的环槽。所述下段为八方面，并通过八方套连接所述外管14。

在安装根据本实施例所述的耐高温射流冲击器时，首先将射流元件2和活塞缸31依次装入外缸12中，之后在活塞缸31中装入活塞、金属环353和缸体压盖35。然后将中接头13固定在所述外缸12上。再将外缸12中放入元件压盖21中，并连接上接头11。将滚珠轴承环15装入外管14中，旋紧滚珠轴承环15的螺纹与外管14固定。然后将外管14与中接头13螺纹连接。所述冲锤4穿入外管14和滚珠轴承环15的内部，使活塞杆33插入到冲锤4的端部。最后将八方套与砧子5连接，放入砧子5卡瓦，将八方套与外管14螺纹连接，完成工具组装。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (7)

1.一种耐高温射流冲击器，其特征在于，包括：

外壳（1）；所述外壳（1）包括外缸（12）；所述外缸（12）通过中接头（13）连接有外管（14）；

设置在所述外壳（1）内的射流元件（2），所述射流元件（2）构造成能够将进入所述射流元件（2）中的流体周期性地沿出口导出；所述射流元件（2）的入口设置有元件压盖（21），所述元件压盖（21）的外侧设置有螺旋线型槽（24）；

设置在所述外壳（1）内的活塞装置（3），所述活塞装置（3）包括连接所述射流元件（2）的出口的活塞缸（31）、设置在所述活塞缸（31）内的活塞（32）以及设置在所述活塞（32）上的活塞杆（33），所述活塞和所述活塞杆（33）构造成能够在所述射流元件（2）导入的流体的作用下周期性地做往复运动；以及

连接在所述活塞杆（33）端部的冲锤（4），所述冲锤（4）随所述活塞杆（33）移动而周期性地向下游组件施加冲击力；

其中，所述耐高温射流冲击器的整体均采用耐高温的金属材质；所述外缸（12）内固定安装所述射流元件（2）和所述活塞装置（3），所述外管（14）内设置有供所述冲锤（4）移动的空腔；所述活塞缸（31）的出口端设置有缸体压盖（35），所述缸体压盖（35）通过金属环（353）密封连接所述活塞缸（31），并且所述缸体压盖（35）的中心孔（351）内设有螺旋线型滑动密封结构（352），用于密封所述活塞杆（33）；活塞杆（33）上也设置有与其相配合的螺旋线型滑动密封结构；

所述外管（14）的空腔内设置有滚珠轴承环（15），所述滚珠轴承环（15）内壁上设置有若干滚珠（16）和水口（17），所述滚珠（16）和所述水口（17）间隔布置成一周；其中，所述冲锤（4）穿过滚珠轴承环（15）并能够在所述滚珠轴承环（15）内滑动或转动。

2.根据权利要求1所述的耐高温射流冲击器，其特征在于，所述外壳（1）还包括上接头（11），所述上接头（11）连接在所述外缸（12）的端部；所述外壳（1）还包括砧子（5），所述砧子（5）的一端连接在所述外管（14），另一端连接下游组件。

3.根据权利要求2所述的耐高温射流冲击器，其特征在于，所述元件压盖（21）上设置有一个主流孔（22）和至少一个分流孔（23）。

4.根据权利要求3所述的耐高温射流冲击器，其特征在于，所述活塞缸（31）内设置有腔体（34），所述活塞在所述腔体（34）内滑动密封设置，并且所述活塞（32）将所述腔体（34）分为第一空间（341）和第二空间（342）；

所述活塞缸（31）的入口端设置有连通第一空间（341）的第一入口（311），以及连通第二空间（342）的第二入口（312）。

5.根据权利要求4所述的耐高温射流冲击器，其特征在于，所述缸体压盖（35）中部设置有中心孔（351）。

6.根据权利要求5所述的耐高温射流冲击器，其特征在于，所述冲锤（4）的下部设置为三段式变截面的锥形体（41），所述冲锤（4）的底部设置有与所述砧子（5）选择性接触的球面。

7.根据权利要求6所述的耐高温射流冲击器，其特征在于，所述砧子（5）的外表面分为上段和下段，所述上段的截面圆形并且设置有螺旋形的环槽；所述下段为八方面，并通过八方套连接所述外管（14）。

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