CN112177529A - 一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种具有碟簧‑密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置，包括上接头、外壳、涡轮驱动总成、正弦轴冲总成、螺旋扭冲总成、碟簧‑密封腔缓冲总成和下接头，涡轮驱动总成位于该工具上部，提供工具运行所需的动力，正弦轴冲总成采用正弦面结构产生轴向往复冲击，螺旋扭冲总成采用螺旋形滑道、钢球和直线短滑道结构产生扭转冲击，位于该工具下部的碟簧‑密封腔缓冲总成采用碟簧和形成封闭密封腔结构则可以缓冲过于强力的扭转冲击。本发明可以对过于强力的扭转冲击起缓冲作用以起到减小零件受载并提高该扭转冲击工具的使用寿命以及提高钻头破岩效率和钻进速度，减少起下钻和降低钻进成本。

Description

一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置

技术领域

本发明一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置，属于石油天然气行业钻井工程领域。

背景技术

随着石油工业的发展，深井超深井勘探开发的比例正逐步增加。据中石油发布的第四次全国油气资源评价结果显示：中国陆上常规天然气资源量为41.00×10¹²m³；其中，深层约占30.1％，超深层约占40.2％。陆上致密气、页岩气、煤层气等非常规天然气资源量为101.86×10¹²m³，深层—超深层致密气、页岩气资源量约占29.8％。这加大了开采石油、天然气资源的难度。

在深井钻井过程中，由于钻柱长度较长、扭转刚度减弱，井下摩阻扭矩较大，钻柱在井下的钻速降低，易造成深井机械钻速慢、钻井周期长、钻头粘滑等问题。

振荡器的使用，可有效解决上述问题。研究结果表明，振荡器通过轴向冲击增大钻头切削深度，通过扭转冲击增大切削力，进而减小了硬岩地层的粘滑振动，破岩效率显著提高。与单一轴向冲击工具和扭转冲击工具相比，振荡器的机械钻速提高至少30.2％。

然而传统的振荡器在实际工程应用中还存在一些不足，其通常利用扭转冲击块与承冲块的金属面硬性撞击产生冲击，产生的过于强力的冲击易造成振荡器易损零件的过早失效，致使整个振荡器无法工作，从而导致钻井进度中断且无法持续高速进行。

为了达到缓冲过强冲击，进而减小扭转冲击块受载，提高该振荡器的使用寿命，减少起下钻次数和降低钻井成本，提高破岩效率的目的，提出了一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置。

发明内容

本发明的目的是：针对现有的技术缺陷，提出了一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置，在产生满足钻头提速所需的冲击的同时，缓冲过强冲击，从而降低扭转冲击块的最大载荷，提高该振荡器的使用寿命，保证更长时间的高效破岩和高速钻进。

本发明采用以下技术方案：

本发明一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置，主要由上接头、外壳、涡轮驱动总成、正弦轴冲总成、螺旋扭冲总成、碟簧-密封腔缓冲总成和下接头组成；涡轮驱动总成由中心轴、串轴承、涡轮定子、涡轮转子、TC轴承、轴承支座、静密封圈组一、特殊圆螺钉、堵盖、圆螺母和轴向定位套筒二组成；正弦轴冲总成由下轴向冲击块、上轴向冲击块、静密封圈组二、内六角圆柱头螺钉、周向定位套筒和轴向定位套筒一组成；螺旋扭冲总成由动密封圈组一、同轴组合密封圈二、启动轴、钢球、动密封圈组二、动密封圈组三、扭转冲击块端盖、扭转冲击块和承冲块组成；碟簧-密封腔缓冲总成由碟簧、缓冲轴、同轴组合密封圈一、缓冲仓上部分、缓冲仓下部分、注油螺钉和同轴组合密封圈三组成。

上接头与外壳通过螺纹连接；涡轮定子通过轴承支座外圈凸起台阶和串轴承外圈轴向压紧定位固定在外壳上；涡轮转子通过中心轴下端上的轴环上轴面和TC轴承内圈压紧定位固定在中心轴上；TC轴承内圈通过圆螺母与中心轴上端螺纹配合固定在中心轴上并同时压紧涡轮转子；轴承支座通过上接头下端螺纹和外壳内壁的螺纹配合固定于外壳上并同时压紧涡轮定子。

中心轴下端通过花键与上轴向冲击块固连；下轴向冲击块通过花键与启动轴上端固连；周向定位套筒通过内六角圆柱头螺钉与外壳固定。

缓冲轴上端置于扭转冲击块下部内，缓冲轴下端布置于缓冲仓上部分内，缓冲仓上部分内壁上布置有一圈环槽，内壁上均布有4个连通环槽顶部的斜向细通孔；缓冲仓上部分与缓冲仓下部分通过螺纹连接；下接头通过螺纹与外壳连接。

本发明专利的进一步技术方案是：所述轴承支座内壁、扭转冲击块的上轴面和下轴面、缓冲轴的上轴面以及缓冲仓上部分的上轴面均布置有TC轴承合金涂层。

本发明专利的进一步技术方案是：下轴向冲击块下端外壁上有矩形凹槽，周向定位套筒下端内壁上有矩形凸起，上轴向冲击块与下轴向冲击块置于周向定位套筒内，周向定位套筒下端内壁上的矩形凸起置于下轴向冲击块下端外壁上的矩形凹槽内从而限制了下轴向冲击块的周向转动，下轴向冲击块周向固定，轴向自由，上轴向冲击块轴向固定，周向自由，上轴向冲击块下端和下轴向冲击块上端均是正弦面。

本发明专利的进一步技术方案是：所述扭转冲击块上部内壁上布置有4个与轴向夹角为44.47°的螺旋滑道，扭转冲击块下部外壁上布置有对称的两个夹角为30°的扇形凸起，承冲块内壁上布置有对称的两个夹角为45°的扇形凹槽，扇形凹槽对应的角度大于扭转冲击块外壁上的扇形凸起的角度。

本发明专利的进一步技术方案是：所述启动轴中部外壁上布置有平行于轴向的直线短滑道，钢球在启动轴中部外壁上的直线短滑道和扭转冲击块下部外壁上的螺旋滑道内滑动。

本发明专利的进一步技术方案是：所述缓冲舱上部分内壁上的环槽、缓冲轴外壁和轴向台阶面配合形成密闭腔结构，缓冲仓上部分与缓冲轴上均布置有4个一一对应的通孔，缓冲轴上的径向凸起与缓冲仓上部分上的径向凹槽配合保证通孔之间不会发生周向错位；缓冲仓分为上下两个部分，缓冲仓下部分内布置有对合组合的碟簧，且在缓冲仓下部分上布置有注油螺钉。

本发明的优点和积极效果是：

1、在密封腔和碟簧的共同作用下，在产生满足钻头提速所需冲击的同时，可以缓冲强力冲击，降低扭转冲击块所受的最大载荷，保护扭转冲击块不会在强力冲击的作用下过早失效，提高了振荡器的使用寿命，保证更长时间的高速钻进；

2、上轴向冲击块下端和下轴向冲击块上端均布置有正弦面，上轴向冲击块的旋转运动转化为下轴向冲击块的轴向往复冲击；扭转冲击块的内壁上均布有四条螺旋滑道，滑道内有钢球，下轴向冲击块的轴向往复运动可以转化为扭转冲击块的周向转动，该振荡器可提供由轴向往复冲击和扭转冲击组成的复合冲击，能够明显地提高钻井速度；

3、轴承支座内壁、扭转冲击块的上轴面和下轴面、缓冲轴的上轴面以及缓冲仓上部分的上轴面均布置有TC轴承合金涂层，提高了该工具的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置的整体剖视图；

图2为本发明一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置的A-A向剖视图；

图3为本发明一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置的扭转冲击块的三维立体图；

图4为本发明一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置的上轴向冲击块的三维立体图；

图5为本发明一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置的启动轴的三维立体图；

图6为本发明一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置的缓冲轴的三维立体图；

图7为本发明一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置的B-B向剖视图；

图8为本发明一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置的缓冲仓上部分的剖视图。

图中：1.上接头；2.堵盖；3.特殊圆螺钉；4.中心轴；5.圆螺母；6.静密封圈组一；7.TC轴承；8.轴承支座；9.涡轮定子；10.涡轮转子；11.外壳；12.串轴承；13.轴向定位套筒二；14.周向定位套筒；15.静密封圈组二；16.上轴向冲击块；17.内六角圆柱头螺钉；18.下轴向冲击块；19.轴向定位套筒一；20.启动轴；21.动密封圈组一；22.扭转冲击块端盖；23.钢球；24.动密封圈组二；25.扭转冲击块；26.同轴组合密封圈二；27.动密封圈组三；28.承冲块；29.缓冲轴；30.静密封圈组三；31.缓冲仓上部分；32.同轴组合密封圈一；33.缓冲仓下部分；34.注油螺钉；35.碟簧；36.同轴组合密封圈三；37.下接头；38.涡轮驱动总成；39.正弦轴冲总成；40螺旋扭冲总成；41.碟簧-密封腔缓冲总成；42.矩形凸起；43.上轴面；44.下轴面；45.冲击端面；46.螺旋滑道；47.扇形凸起；48.正弦面；49.花键；50.矩形凹槽；51.通孔；52.直线短滑道；53.凸起台阶；54.轴环；55.底部轴面；56.扇形凹槽；57.环槽；58.径向凸起；59.径向凹槽；60.斜向细通孔；61轴向台阶面。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，本发明一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置，主要由上接头1、外壳11、涡轮驱动总成38、正弦轴冲总成39、螺旋扭冲总成40、碟簧-密封腔缓冲总成41和下接头37组成；所述涡轮驱动总成38由中心轴4、串轴承12、涡轮定子9、涡轮转子10、TC轴承7、轴承支座8、静密封圈组一6、特殊圆螺钉3、堵盖2、圆螺母5和轴向定位套筒二13组成；所述正弦轴冲总成39由下轴向冲击块18、上轴向冲击块16、静密封圈组二15、内六角圆柱头螺钉17、周向定位套筒14和轴向定位套筒一19组成；所述螺旋扭冲总成40由动密封圈组一21、同轴组合密封圈二26、启动轴20、钢球23、动密封圈组二24、动密封圈组三27、扭转冲击块端盖22、扭转冲击块25和承冲块28组成；所述碟簧-密封腔缓冲总成41由碟簧35、缓冲轴29、同轴组合密封圈一32、缓冲仓上部分31、缓冲仓下部分33、注油螺钉34和同轴组合密封圈三36组成；

上接头1通过螺纹与外壳11连接；下接头37通过螺纹与外壳11连接；涡轮驱动总成38、正弦轴冲总成39和螺旋扭冲总成40通过上接头1、下接头37的轴向压紧作用依次固定于外壳11中，碟簧-密封腔缓冲总成41置于下接头37空腔中；涡轮定子9通过轴承支座8外圈凸起台阶53和串轴承12外圈轴向压紧定位固定在外壳11上；涡轮转子10通过中心轴4下端上的轴环54上轴面和TC轴承7内圈压紧定位固定在中心轴4上；TC轴承7内圈通过圆螺母5与中心轴4上端螺纹配合固定在中心轴4上并同时压紧涡轮转子10；轴承支座8通过上接头1下端螺纹和外壳11内壁的螺纹配合固定于外壳11上并同时压紧涡轮定子9；

中心轴4下端通过花键49与上轴向冲击块16固连；下轴向冲击块18通过花键49与启动轴20上端固连；周向定位套筒14通过内六角圆柱头螺钉17与外壳11固定。

如图1和图6所示，缓冲轴29上端置于扭转冲击块25下部内，缓冲轴29下端布置于缓冲仓上部分31内，缓冲仓上部分31内壁上布置有一圈环槽57，内壁上均布有四个连通环槽57顶部的斜向细通孔60；缓冲仓上部分31与缓冲仓下部分33通过螺纹连接。

如图3、图5、图6和图8所示，轴承支座8内壁、启动轴的底部轴面55扭转冲击块25的上轴面43、下轴面44和冲击端面45、缓冲轴29的上轴面以及缓冲仓上部分31的上轴面均布置有TC轴承合金涂层。

如图2和图4所示，下轴向冲击块18下端外壁上有矩形凹槽50，周向定位套筒14下端内壁上有矩形凸起42，上轴向冲击块16与下轴向冲击块18置于周向定位套筒14内，周向定位套筒14下端内壁上的矩形凸起42置于下轴向冲击块18下端外壁上的矩形凹槽50内从而限制了下轴向冲击块18的周向转动，下轴向冲击块18周向固定，轴向自由，上轴向冲击块16轴向固定，周向自由，上轴向冲击块16下端和下轴向冲击块18上端均是正弦面48。

如图3所示，扭转冲击块25上部内壁上布置有四个与轴向夹角为44.47°的螺旋滑道46，扭转冲击块25下部外壁上布置有对称的两个夹角为30°的扇形凸起47，承冲块28内壁上布置有对称的两个夹角为45°的扇形凹槽56，扇形凹槽56对应的角度大于扭转冲击块25外壁上的扇形凸起47的角度。

如图5所示，启动轴20中部外壁上布置有平行于轴向的直线短滑道52，钢球23在启动轴20中部外壁上的直线短滑道52和扭转冲击块25下部外壁上的螺旋滑道46内滑动。

如图6和图8所示，缓冲仓上部分31内壁上的环槽57、缓冲轴29外壁和轴向台阶面61配合形成密闭腔结构，缓冲仓上部分31与缓冲轴29上均布置有四个一一对应的通孔51，缓冲轴29上的径向凸起58与缓冲仓上部分31上的径向凹槽59配合保证通孔51之间不会发生周向错位；缓冲仓分为上下两个部分，缓冲仓下部分33内布置有对合组合的碟簧35，且在缓冲仓下部分33上布置有注油螺钉34。

本发明一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置的工作原理是：

钻杆内钻井液的流体动能驱动涡轮高速旋转为中心轴4提供动力，上轴向冲击块16通过花键49与中心轴4固连，与中心轴4一起做高速旋转运动，周向定位套筒14下端内壁上有矩形凸起42，下轴向冲击块下端外壁上布置有矩形凹槽50，下轴向冲击块18受到周向定位套筒14限制，只能做轴向往复运动，上轴向冲击块16下端和下轴向冲击块18上端均是正弦面48，从而使得下轴向冲击块18在轴向往复运行产生轴向往复冲击。

启动轴20与下轴向冲击块18通过花键49固连，下轴向冲击块18带动启动轴20下行，启动轴20中部外壁上布置有平行于轴向的直线短滑道52，钢球23在启动轴20中部外壁上的直线短滑道52和扭转冲击块25下部外壁上的螺旋滑道46内滑动，将下轴向冲击块18的轴向往复运动转化为扭转冲击块的周向转动，扭转冲击块上的扇形凸起撞击承冲块28产生扭转冲击，启动轴20下行撞击缓冲轴29使其下行压缩碟簧35，当启动轴20不再下行时，缓冲轴29压缩碟簧35至允许设定最大形变，此时启动轴20也不再推动缓冲轴29下行，碟簧35恢复原始状态并开始推动缓冲轴29上行，从而带动启动轴20上行，该过程使得扭转冲击块25复位并为作下一次扭转冲击做好准备。

缓冲轴29下行时，原本对齐的缓冲轴29上的通孔51与缓冲仓上部分31上的斜向细通孔60产生轴向错位，缓冲仓上部分31内壁上的环槽57、缓冲轴29外壁和轴向台阶面61共同形成密闭腔结构，阻碍启动轴20继续下行，使得过于强力的扭转冲击得到缓冲，在缓冲仓下部分33中布置有对合组合的碟簧35，缓冲轴29下行时使碟簧35受到压缩，碟簧35产生阻碍缓冲轴29继续下行的阻力，进一步使得过于强力的扭转冲击得到缓冲。

Claims (6)

1.本发明一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置，主要由上接头(1)、外壳(11)、涡轮驱动总成(38)、正弦轴冲总成(39)、螺旋扭冲总成(40)、碟簧-密封腔缓冲总成(41)和下接头(37)组成；所述涡轮驱动总成(38)由中心轴(4)、串轴承(12)、涡轮定子(9)、涡轮转子(10)、TC轴承(7)、轴承支座(8)、静密封圈组一(6)、特殊圆螺钉(3)、堵盖(2)、圆螺母(5)和轴向定位套筒二(13)组成；所述正弦轴冲总成(39)由下轴向冲击块(18)、上轴向冲击块(16)、静密封圈组二(15)、内六角圆柱头螺钉(17)、周向定位套筒(14)和轴向定位套筒一(19)组成；所述螺旋扭冲总成(40)由动密封圈组一(21)、同轴组合密封圈二(26)、启动轴(20)、钢球(23)、动密封圈组二(24)、动密封圈组三(27)、扭转冲击块端盖(22)、扭转冲击块(25)和承冲块(28)组成；所述碟簧-密封腔缓冲总成(41)由碟簧(35)、缓冲轴(29)、同轴组合密封圈一(32)、缓冲仓上部分(31)、缓冲仓下部分(33)、注油螺钉(34)和同轴组合密封圈三(36)组成；

上接头(1)通过螺纹与外壳(11)连接；下接头(37)通过螺纹与外壳(11)连接；涡轮驱动总成(38)、正弦轴冲总成(39)和螺旋扭冲总成(40)通过上接头(1)、下接头(37)的轴向压紧作用依次固定于外壳(11)中，碟簧-密封腔缓冲总成(41)置于下接头(37)空腔中；涡轮定子(9)通过轴承支座(8)外圈凸起台阶(53)和串轴承(12)外圈轴向压紧定位固定在外壳(11)上；涡轮转子(10)通过中心轴(4)下端上的轴环(54)上轴面和TC轴承(7)内圈压紧定位固定在中心轴(4)上；TC轴承(7)内圈通过圆螺母(5)与中心轴(4)上端螺纹配合固定在中心轴(4)上并同时压紧涡轮转子(10)；轴承支座(8)通过上接头(1)下端螺纹和外壳(11)内壁的螺纹配合固定于外壳(11)上并同时压紧涡轮定子(9)；

中心轴(4)下端通过花键(49)与上轴向冲击块(16)固连；下轴向冲击块(18)通过花键(49)与启动轴(20)上端固连；周向定位套筒(14)通过内六角圆柱头螺钉(17)与外壳(11)固定；

缓冲轴(29)上端置于扭转冲击块(25)下部内，缓冲轴(29)下端布置于缓冲仓上部分(31)内，缓冲仓上部分(31)内壁上布置有一圈环槽(57)，内壁上均布有四个连通环槽(57)顶部的斜向细通孔(60)；缓冲仓上部分(31)与缓冲仓下部分(33)通过螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置，其特征在于：所述轴承支座(8)内壁、启动轴的底部轴面(55)扭转冲击块(25)的上轴面(43)、下轴面(44)和冲击端面(45)、缓冲轴(29)的上轴面以及缓冲仓上部分(31)的上轴面均布置有TC轴承合金涂层。

3.根据权利要求1所述的一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置，其特征在于：下轴向冲击块(18)下端外壁上有矩形凹槽(50)，周向定位套筒(14)下端内壁上有矩形凸起(42)，上轴向冲击块(16)与下轴向冲击块(18)置于周向定位套筒(14)内，周向定位套筒(14)下端内壁上的矩形凸起(42)置于下轴向冲击块(18)下端外壁上的矩形凹槽(50)内从而限制了下轴向冲击块(18)的周向转动，下轴向冲击块(18)周向固定，轴向自由，上轴向冲击块(16)轴向固定，周向自由，上轴向冲击块(16)下端和下轴向冲击块(18)上端均是正弦面(48)。

4.根据权利要求1所述的一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置，其特征在于：所述扭转冲击块(25)上部内壁上布置有四个与轴向夹角为44.47°的螺旋形滑道(46)，扭转冲击块(25)下部外壁上布置有对称的两个夹角为30°的扇形凸起(47)，承冲块(28)内壁上布置有对称的两个夹角为45°的扇形凹槽(56)，扇形凹槽(56)对应的角度大于扭转冲击块(25)外壁上的扇形凸起(47)的角度。

5.根据权利要求1所述的一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置，其特征在于：所述启动轴(20)中部外壁上布置有平行于轴向的直线短滑道(52)，钢球(23)在启动轴(20)中部外壁上的直线短滑道(52)和扭转冲击块(25)下部外壁上的螺旋形滑道(46)内滑动。

6.根据权利要求1所述的一种具有碟簧-密封腔缓冲功能的高效破岩振荡装置，其特征在于：所述缓冲仓上部分(31)内壁上的环槽(57)、缓冲轴(29)外壁和轴向台阶面(61)配合形成密闭腔结构，缓冲仓上部分(31)与缓冲轴(29)上均布置有四个一一对应的通孔(51)，缓冲轴(29)上的径向凸起(58)与缓冲仓上部分(31)上的径向凹槽(59)配合保证通孔(51)之间不会发生周向错位；缓冲仓分为上下两个部分，缓冲仓下部分(33)内布置有对合组合的碟簧(35)，且在缓冲仓下部分(33)上布置有注油螺钉(34)。

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