CN110905399A - 水力振荡轴向冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的水力振荡轴向冲击器包括外壳；设于外壳下端的冲击接头；设于外壳内的转动体，包括设有轴向流道的转轴及设在转轴外壁的多个螺旋叶片，转轴侧壁设有与轴向流道连通的导流孔和泄流孔，其外壁设有轨迹键；套设在转轴外的扰流板和分隔板，扰流板和分隔板分别具有多个沿周向间隔排布的第一和第二扇形翅片，相邻第一和第二扇形翅片之间分别形成第一和第二扇形开口；套设在转轴外的液动锤，其内壁设有与轨迹键配合的轨迹槽，冲击接头上端、液动锤下端、外壳内壁及转轴外壁之间限定出通过泄流孔与轴向流道连通的液压腔。本发明的水力振荡轴向冲击器能充分利用水力能量，使钻头在旋转工作的同时产生纵向振动，且伴有脉冲射流空化作用。

Description

水力振荡轴向冲击器

技术领域

本发明涉及石油钻井井下工具领域，尤其涉及一种水力振荡轴向冲击器。

背景技术

随着石油勘探技术的不断提升，石油的开发由浅层向深层不断拓展。随着钻井深度的不断提高，钻遇地层越来越复杂，岩石硬度也越来越大，转盘提供的扭矩在地下传递过程中不断降低，液柱对井底的压持效应明显。这些问题减慢钻井速度，加长钻井周期，提高了石油的开采成本，制约了油气田开发的进程。因此，提高深井、超深井的钻井速度成为石油勘探开发的重中之重。

目前，提高钻井速度的主要手段是在井下安装各类冲击器。这些冲击器由于采用大量的连接、活动件导致其存在许多薄弱处，在实际钻井过程中易发生损坏。同时，此类装置往往采用弹簧等缓冲储能装置，由于弹簧在储能和释放的过程中，有一部能量用于自身的变形，导致能量部分浪费，因此这些储能装置降低了冲击器的冲击功，影响了冲击器冲击效能。因此，新型工具的研发和利用必不可缺。

发明内容

基于前述的现有技术缺陷，本发明实施例提供了一种水力振荡轴向冲击器，该冲击器能充分利用水力能量，使钻头在旋转工作的同时产生纵向振动，且伴有脉冲射流空化作用。同时，该装置结构简单，易于实际操作中安装、使用。

为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

一种水力振荡轴向冲击器，包括：

外壳，上端用于与钻柱连接；

连接在外壳下端的冲击接头，冲击接头的上端位于外壳内，下端用于连接钻头；

穿设于外壳内的转动体，包括：转轴、设在转轴上部外壁的多个螺旋叶片；转轴中设有与冲击接头对接连通的轴向流道，转轴的侧壁设有与轴向流道连通的导流孔和泄流孔，导流孔位于螺旋叶片和泄流孔之间；转轴的外壁设有位于导流孔和泄流孔之间的轨迹键；

套设在转轴外并位于导流孔和泄流孔之间的扰流板和分隔板；其中，扰流板固定在转轴的外壁，分隔板与外壳内壁固定；并且，扰流板具有多个沿周向间隔排布的第一扇形翅片，相邻第一扇形翅片之间形成第一扇形开口；分隔板具有多个沿周向间隔排布的第二扇形翅片，相邻第二扇形翅片之间形成第二扇形开口；

套设在转轴外并位于冲击接头上端上方的液动锤，液动锤的内壁倾斜设有用于与轨迹键配合的轨迹槽；液动锤的下端与冲击接头的上端之间间隔设置，从而冲击接头的上端、液动锤的下端、外壳的内壁及转轴的外壁之间限定出液压腔，液压腔通过泄流孔与轴向流道连通。

优选地，外壳的下端设置连接套，连接套的下端设有多边形凹槽；冲击接头的外壁设有多边形凸台，多边形凸台嵌入多边形凹槽中。

优选地，冲击接头包括设在多边形凸台上端的空心圆柱体及设在多边形凸台下端的用于与钻头连接的母接头；空心圆柱体的外壁设有挂接凸起，挂接凸起嵌入设在外壳内壁上的挂接槽中。

优选地，外壳内设有位于转动体上方的整流板，整流板上设有多个整流孔，多个整流孔沿周向均匀排布。

优选地，整流板下表面的中心位置向内凹陷形成转槽，转轴的上端插入转槽中。

优选地，扰流板位于分隔板的上方，扰流板的下表面与分隔板的下表面贴合；或者，分隔板位于扰流板的上方，扰流板的上表面与分隔板的下表面贴合。

优选地，当转轴带动轨迹键旋转至轨迹键转入轨迹槽的底部时，扰流板封堵分隔板，此时，第一扇形翅片对应第二扇形开口，第二扇形翅片对应第一扇形开口；

当转轴带动轨迹键旋转至轨迹键从轨迹槽的顶部脱离时，扰流板打开分隔板，此时，第一扇形翅片对应第二扇形翅片，第一扇形开口对应第二扇形开口。

优选地，扰流板包括固定在转轴外壁的第一环体，第一扇形翅片为两个，两个第一扇形翅片对称设置在第一环体的外壁。

优选地，分隔板包括间隙套设在转轴外壁的第二环体，第二扇形翅片为两个，两个第二扇形翅片对称设置在第二环体的外壁；至少一个第二扇形翅片的端部与外壳的内壁连接。

优选地，液动锤包括套设在转轴外的基座以及设在基座上的多个呈圆弧状的冲击块，每个冲击块的内壁上各设置一个轨迹槽。

本发明实施例的水力振荡轴向冲击器，液动锤在上行的过程中，分隔板的第二扇形开口被扰流板的第一扇形翅片封堵，使流体冲击力无法作用在液动锤的上端，减少液动锤上行时的流体冲击力。在液动锤下行过程中，流体通过分隔板的第二扇形开口和扰流板的第一扇形开口冲击下方的液动锤，大大提高了冲击器的轴向冲击力及水力能量利用效率。

此外，扰流板被转轴带动旋转，可对钻井液流起较强的干扰作用，从而使钻井液流产生脉冲效果，提高钻井速度。并且，冲击强度可以通过改变液动锤的冲程来实现，有效的满足各种复杂情况下，对冲击强度的要求。本发明结构简单，易于实现，成本较低，便于在油田现场的推广应用。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。在附图中：

图1为本发明实施例的水力振荡轴向冲击器的结构示意图；

图2为图1中整流器的结构示意图；

图3为图1中转动体的结构示意图；

图4为图1中分隔板的结构示意图；

图5为图1中扰流板的结构示意图；

图6为图1中液动锤的结构示意图；

图7为图1中连接套的结构示意图；

图8为图1中冲击接头的结构示意图；

图9为图1中外壳的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图9所示，本发明实施例提供了一种水力振荡轴向冲击器，其可以包括：

外壳1，上端用于与钻柱(未示出)连接；

连接在外壳1下端的冲击接头8，其上端位于外壳1内，下端用于连接钻头(未示出)；

穿设于外壳1内的转动体3，包括转轴301、设在转轴301上部外壁的多个螺旋叶片10；转轴301中设有与冲击接头8对接连通的轴向流道302，侧壁设有与轴向流道302连通并位于螺旋叶片10和泄流孔13之间的导流孔11和泄流孔13，外壁设有位于导流孔11和泄流孔13之间的轨迹键12；

套设在转轴301外并位于导流孔11和泄流孔13之间的扰流板5和分隔板4；扰流板5固定在转轴301的外壁，分隔板4与外壳1内壁固定；并且，扰流板5和分隔板4分别具有多个沿周向间隔排布的第一扇形翅片501和第二扇形翅片402，相邻的第一扇形翅片501之间以及相邻的第二扇形翅片402分别形成第一扇形开口和第二扇形开口；

套设在转轴301外并位于冲击接头8上端上方的液动锤6，其内壁倾斜设有用于与轨迹键12配合的轨迹槽14；液动锤6的下端与冲击接头8的上端之间间隔设置，从而冲击接头8的上端、液动锤6的下端、外壳1的内壁及转轴301的外壁之间限定出液压腔22，液压腔22通过泄流孔13与轴向流道302连通。

如图9所示，在本实施例中，外壳1整体呈空心柱体状，其上端内壁设有内螺纹，用于与钻柱螺纹连接。冲击接头8可直接与外壳1下端连接，例如可通过螺纹连接的方式实现，也可以间接连接。在一个实施例中，冲击接头8可通过连接套7设置在外壳1的下端。结合图7和图8所示，外壳1的下端内壁设有内螺纹21，连接套7的上端外壁设有外螺纹16，两者通过螺纹方式连接。连接套7的下端设有多边形凹槽17。冲击接头8的外壁设有多边形凸台19，多边形凸台19嵌入多边形凹槽17中。如此，多边形凸台19与多边形凹槽17配合，使冲击接头8沿周向与连接套7固定，进而可以较佳的将钻柱的扭矩传递下去。

进一步地，冲击接头8包括设在多边形凸台19上端的空心圆柱体及设在多边形凸台19下端的用于与钻头连接的母接头。空心圆柱体的外壁设有挂接凸起18，外壳1内壁设有挂接槽20，挂接凸起18嵌入挂接槽20中。通过挂接凸起18与挂接槽20的配合，防止在上提钻柱过程中，冲击接头8脱落。挂接凸起18与挂接槽20各可以为多个，以提高连接的稳固性。

结合图2所示，外壳1内设有位于转动体3上方的整流板2，整流板2上设有多个沿周向均匀排布整流孔9。钻柱输送来的流体通过整流孔9后可垂直冲刷螺旋叶片10，实现水力能量的高效利用。整流板2大致呈圆形，其下表面的中心位置向内凹陷形成转槽，转轴301的上端插入转槽中。从而可保证转轴301与外壳1的同心度，并可对转轴301的轴向进行限位，使得转轴301在外壳1中稳定的周向旋转。

如图3所示，转动体3的转轴301呈空心的圆柱体状，其下端插入冲击接头8中。转轴301上部外壁设置的多个螺旋叶片10在经受来自钻柱输送来且经整流板2整流后的钻井液的冲刷作用，可产生周向的旋转扭矩，进而转轴301被驱动旋转。

转轴301的侧壁设有与轴向流道302连通的导流孔11和泄流孔13，其中导流孔11位于泄流孔13的上方，并且导流孔11靠近螺旋叶片10的下端设置，泄流孔13靠近转轴301的下端设置。转轴301外壁设置的轨迹键12可以为多个，例如2个，其可以为形成在转轴301的外壁上的凸起。

如图6所示，液动锤6包括套设在转轴301外的基座15以及设在基座15上的多个呈圆弧状的冲击块601，每个冲击块601的内壁上各设置一个轨迹槽14。其中，基座15呈板状或片状，其中心位置设有直径大于转轴301外径的开口；或者基座15也可以呈圈状。如此，基座15与转轴301间隙配合，使得液动锤6能在轨迹键12和轨迹槽14的配合作用下沿转轴301的轴向上下移动。基座15的边缘设有用于固定冲击块601的弧形固定翼151，冲击块601可贴合在弧形固定翼151的内壁。冲击块601的数量与轨迹键12的数量相匹配，其内壁向内凹陷形成轨迹槽14，轨迹槽14倾斜向上延伸。

在本实施例中，扰流板5与转轴301固定，而分隔板4与外壳1内壁固定。从而，转轴301可带动扰流板5相对于分隔板4旋转。从而，第一扇形翅片501可旋转与第二扇形翅片402或第二扇形开口对应。籍此，打开或阻断钻进液的下行至作用于液动锤6的通道。

如图5所示，扰流板5包括固定在转轴301外壁的第一环体502，第一环体502可通过螺纹配合、过盈配合、焊接、粘接等方式固定套设在转轴301的外壁。第一扇形翅片501为两个，两个第一扇形翅片501的形状完全相同，并以对称的方式设置在第一环体502的外壁。

如图4所示，分隔板4包括间隙套设在转轴301外壁的第二环体401，第二环体401的内径大于转轴301外径，从而第二环体401与转轴301间隙配合。第二扇形翅片402亦为两个，两个第二扇形翅片402的形状完全相同，并以对称的方式设置在第二环体401的外壁。并且，至少一个第二扇形翅片402的端部与外壳1的内壁连接。籍此实现分隔板4与外壳1的固定。

螺旋叶片10的下端与扰流板5和分隔板4中位于上方的板之间间隔，从而螺旋叶片10的下端、扰流板5和分隔板4中位于上方的板、外壳1的内壁及转轴301的外壁之间限定出另一个液压腔23(为以示区别，将该液压腔23定义为上部液压腔23)，该上部液压腔23通过导流孔11与轴向流道302连通。并且，当第一扇形翅片501与第二扇形翅片402对应时，此时第一扇形开口亦与第二扇形开口对应，从而钻井液可经第一扇形开口与第二扇形开口向下流动，冲刷液动锤6。

在一个实施例中，第一扇形翅片501的形状与第二扇形开口的形状相同，第二扇形翅片402的形状与第一扇形开口的形状相同。即第一扇形翅片501的弧度与第二扇形开口弧度相等，第二扇形翅片402的弧度与第一扇形开口弧度相等。这样，当转轴301带动扰流板5旋转至第一扇形翅片501与第二扇形开口对应时，第一扇形翅片501可对第二扇形开口形成完全封堵，以最大限度的减小液动锤6的上行阻力，保证液动锤6能够顺利的向上移动。

在本实施例中，扰流板5和分隔板4之间的上下位置关系可相对自由，可以为扰流板5位于分隔板4的上方，也可以为分隔板4位于扰流板5的上方。为提高扰流板5对分隔板4的封堵效果，两者之间优选为贴合设置。当扰流板5位于分隔板4的上方时，扰流板5的下表面与分隔板4的下表面贴合。或者，当分隔板4位于扰流板5的上方时，扰流板5的上表面与分隔板4的下表面贴合。由此，可避免在扰流板5和分隔板4之间形成孔隙，保证第一扇形翅片501在与第二扇形开口对应时，第二扇形开口被较佳的封堵。

当转动体3旋转时，带动转轴301外壁的轨迹键12一起旋转。当轨迹键12被带动旋转入轨迹槽14的底部时，扰流板5封堵分隔板4。此时，第一扇形翅片501对应第二扇形开口，第二扇形翅片402对应第一扇形开口。则液动锤6上部的钻井液压力减小，在轨迹键12和轨迹槽14的配合作用，以及经泄流孔13进入液压腔22中的钻井液的作用下，液动锤6上行。当轨迹键12从轨迹槽14的顶部脱离，液动锤6上行完成，扰流板5打开分隔板4。此时，第一扇形翅片501对应第二扇形翅片402，第一扇形开口对应第二扇形开口。上部液压腔23中的钻井液向下流动，作用在液动锤6的上端，进而钻井液在液动锤6的上部憋压，增加液动锤6下行冲击动力。液动锤6在重力及上部钻井液的冲击力的作用下开始向下运动，撞击冲击接头8的上端。随着转轴301的转动，液动锤6不断地、往复地上行下行，实现钻头的上下振动。

本发明实施例的水力振荡轴向冲击器，液动锤6在上行的过程中，分隔板4的第二扇形开口被扰流板5的第一扇形翅片501封堵，使流体冲击力无法作用在液动锤6的上端，减少液动锤6上行时的流体冲击力。在液动锤6下行过程中，流体通过分隔板4的第二扇形开口和扰流板5的第一扇形开口冲击下方的液动锤6，大大提高了冲击器的轴向冲击力及水力能量利用效率。

此外，扰流板5被转轴301带动旋转，可对钻井液流起较强的干扰作用，从而使钻井液流产生脉冲效果，提高钻井速度。并且，冲击强度可以通过改变液动锤6的冲程来实现，有效的满足各种复杂情况下，对冲击强度的要求。本发明结构简单，易于实现，成本较低，便于在油田现场的推广应用。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容，可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种水力振荡轴向冲击器，其特征在于，包括：

外壳，上端用于与钻柱连接；

连接在外壳下端的冲击接头，冲击接头的上端位于外壳内，下端用于连接钻头；

穿设于外壳内的转动体，包括：转轴、设在转轴上部外壁的多个螺旋叶片；转轴中设有与冲击接头对接连通的轴向流道，转轴的侧壁设有与轴向流道连通的导流孔和泄流孔，导流孔位于螺旋叶片和泄流孔之间；转轴的外壁设有位于导流孔和泄流孔之间的轨迹键；

套设在转轴外并位于导流孔和泄流孔之间的扰流板和分隔板；其中，扰流板固定在转轴的外壁，分隔板与外壳内壁固定；并且，扰流板具有多个沿周向间隔排布的第一扇形翅片，相邻第一扇形翅片之间形成第一扇形开口；分隔板具有多个沿周向间隔排布的第二扇形翅片，相邻第二扇形翅片之间形成第二扇形开口；

套设在转轴外并位于冲击接头上端上方的液动锤，液动锤的内壁倾斜设有用于与轨迹键配合的轨迹槽；液动锤的下端与冲击接头的上端之间间隔设置，从而冲击接头的上端、液动锤的下端、外壳的内壁及转轴的外壁之间限定出液压腔，液压腔通过泄流孔与轴向流道连通。

2.如权利要求1所述的水力振荡轴向冲击器，其特征在于，外壳的下端设置连接套，连接套的下端设有多边形凹槽；冲击接头的外壁设有多边形凸台，多边形凸台嵌入多边形凹槽中。

3.如权利要求2所述的水力振荡轴向冲击器，其特征在于，冲击接头包括设在多边形凸台上端的空心圆柱体及设在多边形凸台下端的用于与钻头连接的母接头；空心圆柱体的外壁设有挂接凸起，挂接凸起嵌入设在外壳内壁上的挂接槽中。

4.如权利要求1所述的水力振荡轴向冲击器，其特征在于，外壳内设有位于转动体上方的整流板，整流板上设有多个整流孔，多个整流孔沿周向均匀排布。

5.如权利要求4所述的水力振荡轴向冲击器，其特征在于，整流板下表面的中心位置向内凹陷形成转槽，转轴的上端插入转槽中。

6.如权利要求1所述的水力振荡轴向冲击器，其特征在于，扰流板位于分隔板的上方，扰流板的下表面与分隔板的下表面贴合；或者，分隔板位于扰流板的上方，扰流板的上表面与分隔板的下表面贴合。

7.如权利要求1所述的水力振荡轴向冲击器，其特征在于，

当转轴带动轨迹键旋转至轨迹键转入轨迹槽的底部时，扰流板封堵分隔板，此时，第一扇形翅片对应第二扇形开口，第二扇形翅片对应第一扇形开口；

当转轴带动轨迹键旋转至轨迹键从轨迹槽的顶部脱离时，扰流板打开分隔板，此时，第一扇形翅片对应第二扇形翅片，第一扇形开口对应第二扇形开口。

8.如权利要求1所述的水力振荡轴向冲击器，其特征在于，扰流板包括固定在转轴外壁的第一环体，第一扇形翅片为两个，两个第一扇形翅片对称设置在第一环体的外壁。

9.如权利要求1所述的水力振荡轴向冲击器，其特征在于，分隔板包括间隙套设在转轴外壁的第二环体，第二扇形翅片为两个，两个第二扇形翅片对称设置在第二环体的外壁；至少一个第二扇形翅片的端部与外壳的内壁连接。

10.如权利要求1所述的水力振荡轴向冲击器，其特征在于， 液动锤包括套设在转轴外的基座以及设在基座上的多个呈圆弧状的冲击块，每个冲击块的内壁上各设置一个轨迹槽。

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