CN112112557B - 一种适用于深部硬地层的强动力复合冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于深部硬地层的强动力复合冲击器，包括马达套筒、周向锤座、密封套管，在马达套筒内侧顶部设有向内延伸的台阶，台阶下部设有马达定子，马达定子外侧与马达套筒固定连接，马达定子内部安装有马达转子，所述马达转子下方连接有上压盘，在上压盘下方设有与其配套使用的下压盘，下压盘下方连接振动轴，在振动轴的外侧朝下的台阶上设有弹簧；上压盘和下压盘之间的接触面结构为交错设置，当上压盘和下压盘相对转动时，下压盘在上压盘作用下向下移动，并在弹簧作用下反弹，实现上下运动的冲击。本发明能够实现轴向和周向的负荷冲击钻井，且在过程中保障装置的连接和运动稳定，不易损坏，能延长使用寿命。

Description

一种适用于深部硬地层的强动力复合冲击器

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，特别涉及一种冲击器，具体是一种适用于深部硬地层的强动力复合冲击器。

背景技术

随着各国对油气资源勘探开发和大量利用，便于开采的石油资源大多已被开发完毕，新开发的油田大多是在原来难以开发的高难度地层。其中钻井时遇到深井、超深井越来越多，遇见高岩石硬度、高岩石可钻性级值、高岩石研磨性地层的情况也越来越多，这严重影响了深部硬地层的钻井速度和勘探开发成本。特别是我国的石油资源大多位于难开发的深部硬地层，为保障国家能源安全，解决硬地层钻井过程中机械钻速低、钻头寿命短、钻井成本高等问题，降低我国石油资源开发成本就十分重要，因此需要研制开发一种能提高在深硬地层钻井时适用于深部硬地层的强动力复合冲击器。

传统钻井或者金刚石钻头钻井的机械钻速低，尤其在我国的一些硬质地层，例如含有大量花岗岩、玄武岩、闪长岩、石灰岩和白云岩等硬质岩石的地层。在这些硬地层传统钻井往往会遇到很多问题，钻进速度也很慢。

强动力复合冲击器在油田中的运用主要是在钻井过程中，特别是在深部硬地层，普通钻井方式效率低、能量消耗大，而采用提速工具后不同方向上的冲击使得黏滑效应降低，破岩能量变大，钻井效率大大提高。而为了提高破岩效率，一般都会对地层进行轴向和周向双维度破岩，以提高井下工作效率。目前的复合式冲击器在深层地下主要表现为能量太小，动力太弱，提速效果不明显等问题，液压马达部分通过分配不同的流量空腔使得马达旋转，这样难以保证运转稳定，轴向和周向冲击部分大多都直接运用滑动摩擦来实现冲击，这样在高速运转过程中不仅会产生磨损使其升温变形，从而使其寿命大大降低，并损失部分能量。在钻井的工程应用中复合冲击工具目前还主要处于试验开发阶段。而为了提高破岩效率，一般都会对地层进行轴向和周向双维度破岩，以提高井下工作效率，如申请号为2018010719882.5的《螺杆式复合冲击器》，提供了一种能实现轴向和周向转动的冲击器，但其结构依赖斜向啮合的锤头和锤座，其接触面只有一面，限位结构简单，使用磨损后会造成定位错误，影响周向冲击效果。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种能克服现有技术存在的缺陷的适用于深部硬地层的强动力复合冲击器，其能够实现轴向和周向的负荷冲击钻井，且在过程中保障装置的连接和运动稳定，不易损坏，能延长使用寿命。

本发明的技术方案是：

一种适用于深部硬地层的强动力复合冲击器，包括外部壳体，所述外部壳体包括从上到下连接的马达套筒、周向锤座、密封套管，马达套筒、周向锤座、密封套管均为中空圆筒结构，在马达套筒内侧顶部设有向内延伸的台阶，台阶下部设有马达定子，所述马达定子外侧与马达套筒固定连接，马达定子内部安装有马达转子，所述马达转子下方设有连杆，连杆长度超过马达定子的长度，在连杆底部连接有上压盘，在上压盘下方设有与其配套使用的下压盘，所述下压盘下方连接振动轴，振动轴外侧分为上段和下段，振动轴上段外侧与密封套管内壁接触，振动轴下段外侧直径小于上段外侧，在振动轴的台阶上设有弹簧，在密封套管内侧底部设有向内延伸的凸缘，凸缘与振动轴的下段外径相配合，弹簧底部连接到凸缘上，上压盘和下压盘之间的接触面结构为交错设置，当上压盘和下压盘相对转动时，下压盘在上压盘作用下向下移动，并在弹簧作用下反弹，实现上下运动的冲击。

进一步的，在马达转子的连杆下侧设有键槽，在键槽内安装有键，通过键连接有外齿轮，在外齿轮外侧连接有内齿轮，在内齿轮外侧设有偏心片，所述偏心片为新月形结构，其一侧厚度大于另一侧厚度，偏心片使得外齿轮和内齿轮永远处于偏心位置，使外齿轮与内齿轮形成偏心连接。

进一步的，所述内齿轮的外侧设有至少一个凸起，在偏心片上设有至少一个与之配合的槽口，该槽口位于偏心片上最厚段的内侧，且该槽口和凸起之间为过盈配合，以确保偏心片能固定在内齿轮的外侧。

进一步的，在马达转子的连杆中部设有密封环，密封环外侧与周向锤座过盈配合连接，密封环内侧设有深沟球轴承，所述深沟球轴承内侧设有轴套，轴套下方设有多个条形槽，且条形槽的数量与键的数量一致，其条形槽卡在键的两侧，实现轴套和键的相对固定；轴套外侧与深沟球轴承内径过盈配合实现相对固定，马达转子下方的连杆与轴套内壁有一定间隙，作为轴套流道。

进一步的，所述密封环，其上部设有一段向内延伸的盖板层，所述盖板层覆盖深沟球轴承的上表面，为下部的齿轮连接创造一个密封环境，避免了钻井液固相对齿轮啮合的磨损

进一步的，外齿轮上下部分分别由深沟球轴承和周向锤座的圆环台阶实现轴向固定，内齿轮下方通过设置在周向锤座内壁的一个圆环形台阶实现支撑固定，内齿轮的上方与密封环有一定游隙。

进一步的，所述上压盘下方和下压盘上方都设有多个放射状的凸条和凹槽，所述凸条和凹槽整体结构均为外大内小，凸条和凹槽的截面均为波浪形结构，当上压盘不旋转时，下压盘的凸条进入上压盘的凹槽，实现相对固定，当上压盘旋转时，上压盘的凸条挤压下压盘的凸条，使其向下移动，直到上压盘下方和下压盘上方的两组凸条的顶点接触后，下压盘在弹簧带动下向上移动，然后再次下移，以此实现上下冲击。

进一步的，所述振动轴设有从顶部连接到其内侧的轴流道。

进一步的，所述马达定子，在其顶部下侧设有沉孔，沉孔内安装有圆锥滚子轴承，圆锥滚子轴承下方与马达转子连接。

进一步的，所述马达定子，其内部设有多条马达孔道，所述马达孔道从马达定子顶部靠近边缘处，延伸到马达定子内侧面形成出口，马达孔道的出口与径向保持一定夹角；

马达转子上设有多个马达叶片，所述马达叶片的结构为弧板结构或倾斜的直板结构，确保马达孔道内冲击的流体可带动马达叶片转动，进而带动马达转子转动。

本发明的有益效果是：

本发明可以在同一段机构内，通过上压盘和下压盘的结构，实现轴向冲击，同时利用齿轮连接的偏心轮结构，实现周向冲击，让本发明能在一段空间内实现复合冲击结构，其实现冲击的结构简单且稳定，能确保冲击效果和使用寿命，且无需特别使用脉冲发生装置，避免对结构本身的冲蚀；装置之间也为可拆卸结构，便于安装拆卸和后期更换耗损部件。

附图说明

图1为本发明的剖视图；

图2为本发明的周向振动部分的细节放大图；

图3为图1中B-B截面视图；

图4为图1中A-A截面视图；

图5为马达定子的立体结构示意图；

图6为马达定子内部流道的剖面结构示意图。

图中：

1马达套筒，2锥滚子轴承，3马达转子，4马达定子，5键，6外齿轮，7内齿轮，8偏心片，9周向锤座，10密封套管，11弹簧，12振动轴，13密封圈，14下压盘，15滚动体，16上压盘，17轴套，18密封环，19深沟球轴承，20轴套流道，

301马达叶片，

401马达孔道，

1201轴流道，

1801盖板层。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明，需要说明的是，在本文中，诸如“上”、“下”等词语，仅仅用于方便对附图进行描述，并非限制实际使用中的方向，且不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

如图1所示，一种适用于深部硬地层的强动力复合冲击器，包括外部壳体，所述外部壳体包括从上到下连接的马达套筒1、周向锤座9、密封套管10，马达套筒1、周向锤座9、密封套管10均为中空圆筒结构，在马达套筒1内侧顶部设有向内延伸的台阶，台阶下部设有马达定子4，所述马达定子4外侧与马达套筒1固定连接，马达定子4内部安装有马达转子3，所述马达转子3下方设有连杆，连杆长度超过马达定子4的长度，在连杆底部连接有上压盘16，在上压盘16下方设有与其配套使用的下压盘14，所述下压盘14下方连接振动轴12，所述振动轴12设有从顶部连接到其内侧的轴流道1201，振动轴12外侧分为上段和下段，振动轴12上段外侧与密封套管10内壁接触，振动轴12下段外侧直径小于振动轴12上段外侧，在振动轴12的台阶上设有弹簧11，在密封套管10内侧底部设有向内延伸的凸缘，密封套管10的凸缘与振动轴12的下段外径相配合，弹簧11底部连接到密封套管10的凸缘上，所述上压盘16下方和下压盘14上方都设有多个放射状的凸条和凹槽，凸条和凹槽相邻设置，使得每一个凸条两侧均有与凸条尺寸相同的凹槽，上压盘16下方和下压盘14上方的凸条和凹槽尺寸和形状均相同，所述凸条和凹槽整体结构均为外大内小，即确保每一条凹槽和凸条的尺寸均匀，不会因为放射状结构而导致每一条凹槽和凸条尺寸出现不均匀，影响转动，凸条和凹槽的截面均为波浪形结构，当上压盘16不旋转时，下压盘的凸条进入上压盘16的凹槽，实现相对固定，当上压盘16旋转时，上压盘16的凸条挤压下压盘14的凸条，使其向下移动，直到上压盘16下方和下压盘14上方的两组凸条的顶点接触后，当上压盘16和下压盘14相对转动时，下压盘14在上压盘16作用下向下移动，并在弹簧11作用下反弹，实现上下运动的冲击。

在某些实施例下，可以在上压盘16或下压盘14的凸条上设置半球形的凸球，进一步增加滑动时带动上下移动的效果。

如图1和2所示，在马达转子3的连杆下侧设有键槽，在键槽内安装有键5，通过键5连接有外齿轮6，在外齿轮6外侧连接有内齿轮7，且内齿轮7的内径大于外齿轮6的外径，在内齿轮7外侧设有偏心片8，所述偏心片8为新月形结构，使其形成偏心结构，偏心片8在连接到内齿轮7的外侧后，使外齿轮6和内齿轮7永远处于偏心位置，外齿轮6与内齿轮7形成偏心连接，即当外齿轮6在连杆的带动下旋转，因为连杆保持径向不动，外齿轮6也会保持径向不动，而此时与外齿轮6啮合的内齿轮7因为受到偏心片8和周向锤座9内壁接触而限位，导致内齿轮7与外齿轮8。所述内齿轮7的外侧设有一个凸起，在偏心片8上设有至少一个与之配合的槽口，该槽口位于偏心片8上最厚段的内侧，且该槽口和凸起之间为过盈配合，以确保偏心片8能固定在内齿轮7的外侧。

外齿轮6上下部分分别由深沟球轴承19和周向锤座9的圆环台阶实现轴向固定，内齿轮7下方通过设置在周向锤座9内壁的一个圆环形台阶实现支撑固定，内齿轮7的上方与密封环18有一定游隙，如2mm，留下足够的转动间隙。

在马达转子3的连杆中部设有密封环18，密封环18外侧与周向锤座9过盈配合连接，密封环18内侧设有深沟球轴承19，所述深沟球轴承19内侧设有轴套17，且轴套17是上段外侧与深沟球轴承19内侧过盈配合连接，轴套17的下段外侧与深沟球轴承19内壁不接触，轴套17下方设有多个条形槽，如2个，且条形槽的数量与键5的数量一致，在本实施例中都设为2个，其条形槽均设置在深沟球轴承19下方区域，条形槽卡在键5的两侧，对键5实现固定，实现轴套17和键5的相对固定；轴套17外侧与深沟球轴承19内径过盈配合实现相对固定，马达转子3下方的连杆与轴套17内壁有一定间隙，作为轴套流道20。所述密封环18，其上部设有一段向内延伸的盖板层1801，所述盖板层1801覆盖深沟球轴承19的上侧并与其表面紧贴，为下部的齿轮连接创造一个密封环境，避免了钻井液固相进入内外齿轮啮合区域，对齿轮啮合面造成磨损。

所述马达定子4，在其顶部下侧设有沉孔，沉孔内安装有圆锥滚子轴承2，圆锥滚子轴承2下方与马达转子3连接。以确保马达转子3的径向稳定，不会发生偏移。如图4所示，所述马达定子4，其内部设有多条马达孔道401，优选为4条，所述马达孔道401从马达定子4顶部靠近边缘处，延伸到马达定子4内侧面形成出口，马达孔道401的出口与径向保持一定夹角；马达转子3上设有多个马达叶片301，所述马达叶片301的结构为弧板结构或倾斜的直板结构，确保马达孔道401内冲击的流体可带动马达叶片301转动，进而带动马达转子3转动。为了提高冲击效率，一条纵向的马达孔道401可以有多个出口，且马达孔道401与轴向保持倾斜，并且同一个马达孔道401上的出口也保持倾斜，倾斜角度优选为10-15°，使其能够更好的冲击马达叶片301，让马达叶片301受力点更多，便于提高旋转稳定性，且避免应力集中。

本发明的使用过程如下：

本发明在使用时，钻井液流体从马达套筒1进入，并通过联通马达定子4顶部和内侧的马达孔道401冲击马达叶片301，带动整个马达转子3转动，马达转子3下方链接的偏心片8、内齿轮7、外齿轮6实现了周向震动，而马达转子3下方链接的上压盘16和下压盘14通过相对设置的凹槽和凸条实现上下相对运动，同时结合设置于振动轴12下方的弹簧11，以实现轴向运动。

流体冲击了马达叶片301后会顺着设置于深沟球轴承9和马达转子3的连杆之间的轴套流道20进入轴流道1201，并通过振动轴12的中空腔体向下移动。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种适用于深部硬地层的强动力复合冲击器，包括外部壳体，其特征在于，所述外部壳体包括从上到下连接的马达套筒（1）、周向锤座（9）、密封套管（10），马达套筒（1）、周向锤座（9）、密封套管（10）均为中空圆筒结构，在马达套筒（1）内侧顶部设有向内延伸的台阶，台阶下部设有马达定子（4），所述马达定子（4）外侧与马达套筒（1）固定连接，马达定子（4）内部安装有马达转子（3），所述马达转子（3）下方设有连杆，连杆长度超过马达定子（4）的长度，在连杆底部连接有上压盘（16），在上压盘（16）下方设有与其配套使用的下压盘（14），所述下压盘（14）下方连接振动轴（12），振动轴（12）外侧分为上段和下段，振动轴（12）上段外侧与密封套管（10）内壁接触，振动轴（12）下段外侧直径小于上段外侧，在振动轴（12）的台阶上设有弹簧（11），在密封套管（10）内侧底部设有向内延伸的凸缘，凸缘与振动轴（12）的下段外径相配合，弹簧（11）底部连接到凸缘上，上压盘（16）和下压盘（14）之间的接触面结构为交错设置，当上压盘（16）和下压盘（14）相对转动时，下压盘（14）在上压盘（16）作用下向下移动，并在弹簧（11）作用下反弹，实现上下运动的冲击；

在马达转子（3）的连杆下侧设有键槽，在键槽内安装有键（5），通过键（5）连接有外齿轮（6），在外齿轮（6）外侧连接有内齿轮（7），在内齿轮（7）外侧设有偏心片（8），所述偏心片（8）为新月形结构，其一侧厚度大于另一侧厚度，偏心片（8）使得外齿轮（6）和内齿轮（7）永远处于偏心位置，使外齿轮（6）与内齿轮（7）形成偏心连接；

所述内齿轮（7）的外侧设有至少一个凸起，在偏心片（8）上设有至少一个与之配合的槽口，该槽口位于偏心片（8）上最厚段的内侧，且该槽口和凸起之间为过盈配合，以确保偏心片（8）能固定在内齿轮（7）的外侧；

在马达转子（3）的连杆中部设有密封环（18），密封环（18）外侧与周向锤座（9）过盈配合连接，密封环（18）内侧设有深沟球轴承（19），所述深沟球轴承（19）内侧设有轴套（17），轴套（17）下方设有多个条形槽，且条形槽的数量与键（5）的数量一致，其条形槽卡在键（5）的两侧，实现轴套（17）和键（5）的相对固定；轴套（17）外侧与深沟球轴承（19）内径过盈配合实现相对固定，马达转子（3）下方的连杆与轴套（17）内壁有一定间隙，作为轴套流道（20）。

2.根据权利要求1所述的一种适用于深部硬地层的强动力复合冲击器，其特征在于，所述密封环（18），其上部设有一段向内延伸的盖板层（1801），所述盖板层（1801）覆盖深沟球轴承（19）的上表面，为下部的齿轮连接创造一个密封环境，避免了钻井液固相对齿轮啮合的磨损。

3.根据权利要求2所述的一种适用于深部硬地层的强动力复合冲击器，其特征在于，外齿轮（6）上下部分分别由深沟球轴承（19）和周向锤座（9）的圆环台阶实现轴向固定，内齿轮（7）下方通过设置在周向锤座（9）内壁的一个圆环形台阶实现支撑固定，内齿轮（7）的上方与密封环（18）有一定游隙。

4.根据权利要求1所述的一种适用于深部硬地层的强动力复合冲击器，其特征在于，所述上压盘（16）下方和下压盘（14）上方都设有多个放射状的凸条和凹槽，所述凸条和凹槽整体结构均为外大内小，凸条和凹槽的截面均为波浪形结构，当上压盘（16）不旋转时，下压盘的凸条进入上压盘（16）的凹槽，实现相对固定，当上压盘（16）旋转时，上压盘（16）的凸条挤压下压盘（14）的凸条，使其向下移动，直到上压盘（16）下方和下压盘（14）上方的两组凸条的顶点接触后，下压盘（14）在弹簧（11）带动下向上移动，然后再次下移，以此实现上下冲击。

5.根据权利要求1所述的一种适用于深部硬地层的强动力复合冲击器，其特征在于，所述振动轴（12）设有从顶部连接到其内侧的轴流道（1201）。

6.根据权利要求1所述的一种适用于深部硬地层的强动力复合冲击器，其特征在于，所述马达定子（4），在其顶部下侧设有沉孔，沉孔内安装有圆锥滚子轴承（2），圆锥滚子轴承（2）下方与马达转子（3）连接。

7.根据权利要求1所述的一种适用于深部硬地层的强动力复合冲击器，其特征在于，所述马达定子（4），其内部设有多条马达孔道（401），所述马达孔道（401）从马达定子（4）顶部靠近边缘处，延伸到马达定子（4）内侧面形成出口，马达孔道（401）的出口与径向保持一定夹角；

所述马达转子（3）上设有多个马达叶片（301），所述马达叶片（301）的结构为弧板结构或倾斜的直板结构，确保马达孔道（401）内冲击的流体可带动马达叶片（301）转动，进而带动马达转子（3）转动。

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