CN112392399B - 复合冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种复合冲击器。具体技术方案为：一种复合冲击器，复合冲击器两端分别上部钻具和钻头可拆卸螺纹连接；复合冲击器包括轴向冲击部分、扭转冲击部分以及辅助部分；所述轴向冲击部分的冲锤在弹簧和高压钻井液的共同作用下，轴向冲击上壳体，产生轴向冲击力；所述扭转冲击部分的摆锤在高压钻井液的作用下，扭转冲击下壳体，产生扭转冲击力；所述换向开关与中心管插接在一起，同时分别对扭转、轴向冲击换向。本发明通过高压钻井液推动冲锤、摆锤分别产生轴向、扭转冲击，有效提高机械钻速以及降低钻柱系统或钻头处的粘滑现象，在井下复杂多变的环境中稳定可靠。

Description

复合冲击器

技术领域

本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种复合冲击器。

背景技术

目前，随着陆地浅层油气资源逐渐枯竭，深井、超深井以及新型油气资源的开发逐渐成为一种趋势。在深井、超深井钻井作业中，由于地层可钻性差异、岩石耐磨性强、岩石抗压强度和抗剪强度较大等因素的影响，导致在钻井过程中机械钻速低，并且加长的钻柱系统容易产生粘滑现象，降低钻井作业效率。现有的井下冲击工具基本都是单一的轴向冲击或者单一的扭转冲击，使用效果一般。

因此，如何同时产生轴向和扭转冲击提高机械钻速，减少钻柱粘滑现象，是本领域渴望解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能同时产生轴向和扭转冲击提高机械钻速，减少粘滑现象的复合冲击器。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种复合冲击器，所述复合冲击器两端分别与上部钻具和钻头可拆卸螺纹连接；所述复合冲击器包括轴向冲击部分、扭转冲击部分以及辅助部分；

所述轴向冲击部分包括位于上壳体内部，产生冲击的冲锤、对冲锤移动换向的中心管和中间管、插接在中间管上端的固定块、装配在上壳体的调整螺钉以及位于固定块和冲锤之间的弹簧；所述轴向冲击部分的冲锤上下往复冲击上壳体产生轴向冲击力；

所述扭转冲击部分包括位于下壳体内部，产生冲击的摆锤、对摆锤扭转换向的换向开关、装配在摆锤上下端的上端盖、下端盖；所述扭转冲击部分的摆锤扭转往复冲击下壳体产生扭转冲击力；

所述辅助部分包括与上部钻具连接的上接头、与钻头连接的下接头以及产生高低压腔的喷嘴等。

优选的，所述冲锤内外分别与中间管和上壳体间隙配合；所述冲锤与中间管同轴心；所述冲锤与上壳体同轴心。

优选的，所述中心管设计有孔a、孔b和孔c；所述中间管设计有的孔d和孔e；所述中心管与中间管同轴心。

优选的，所述孔a和孔b分别对称开两个，孔a和孔b的轴心线平行；所述孔c均布四个；所述孔d和孔e分别对称开两个，孔d与孔e的轴心线具有一定的相位差。

优选的，所述固定块内部与中间管插接，外部为齿轮结构，周向由装配在上壳体的调整螺钉限位，轴向由上接头限位；所述弹簧两端分别顶住固定块和冲锤，依靠上接头拧紧施加预压力。

优选的，所述换向开关与中心管连接处插接在一起，换向开关转动时带动中心管一起转动换向；所述中心管和下端盖内部装配有喷嘴，利用中心管和下端盖的台阶以及弹簧挡圈对喷嘴轴向限位；所述下端盖利用端盖螺钉固定在下壳体内部。

优选的，所述换向开关上设计有对称的流体流道a；在上端盖以上的换向开关上设计有两层孔f，每层均布四个；所述摆锤上设计有对称的流体流道e，对称的流体流道f，对称的流体流道g以及对称的流体流道h；所述下壳体内部开有流体流道b和流道c；所述下端盖开有对称的流体流道j和对称的流体流道k。

优选的，所述换向开关上下设计有装配滚珠的圆弧槽；所述摆锤两端设计有装配滚珠的圆弧槽；上端盖、下端盖对应、配套设置装配滚珠和滚珠圆弧槽。

优选的，所述摆锤内外与换向开关和下壳体间隙配合；所述摆锤与换向开关同轴心；所述摆锤与下壳体同轴心；所述上端盖堵住流道c的上端，流道c的下端与流道j连通；所述下端盖堵住流道b和流道d的下端。

优选的，所述上接头、上壳体、下壳体、下接头外壁开设有螺旋槽；所述上接头与上壳体、上壳体与下壳体以及下壳体与下接头通过螺纹连接在一起。

本发明具有以下有益效果：本发明为纯机械结构，在井下复杂多变的环境中不易失效。能够利用钻井液同时产生轴向和扭转冲击力。可以有效提高机械钻速，并且减少钻柱系统的粘滑现象。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方案的复合冲击器的示意图；

图2是图1的A-A剖面视图；

图3是图1的B-B剖面视图；

图4是图1的C-C剖面视图；

图5是图1的D-D剖面视图；

图6是图1的E-E剖面视图；

图7是图1的F-F剖面视图；

图8是图1的G-G剖面视图；

图9是图1的H-H剖面视图。

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、上接头，2、密封圈a，3、固定块，31、齿轮结构，4、弹簧，5、中心管，51、孔a，52、孔b，53、孔c，6、冲锤，7、中间管，71、孔d，72、孔e，8、密封圈b，9、上壳体，10、滚珠a，11、换向开关，111、孔f，112、流道a，1115a、空腔a，1115b、空腔b，1115c、空腔c，12、上端盖，13、滚珠b，14、下壳体，141、流道b，142、流道c，143、流道d，1415a、空腔d，1415b、空腔e，15、摆锤，151、流道e，152、流道f，153、流道g，154、流道h，16、滚珠c，17、弹簧挡圈，18、喷嘴，19、下端盖，191、流道j，192、流道k，20、下接头，21、调整螺钉，22、端盖螺钉。

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复合冲击器。需要说明的是，本发明附图将其应用于石油钻井中，并非限定其只能应用于此。下面以应用于石油钻井为例。复合冲击器两端通过螺纹连接，便于拆装；复合冲击器轴向冲击部分包括位于上壳体9内部，产生冲击的冲锤6、对冲锤6移动换向的中心管5和中间管7、插接在中间管7上端的固定块3、装配在上壳体9的调整螺钉21以及位于固定块3和冲锤6之间的弹簧4；轴向冲击部分的冲锤6沿轴向上下往复冲击上壳体9产生轴向冲击力；扭转冲击部分包括位于下壳体14内部，产生冲击的摆锤15、对摆锤15扭转换向的换向开关11、装配在摆锤15上下端的上端盖12、下端盖19；扭转冲击部分的摆锤15扭转往复冲击下壳体14产生扭转冲击力；辅助部分包括与上部钻具连接的上接头1、与钻头连接的下接头20以及产生压降的喷嘴18等。

在一个优选实施例中，如图1所示，冲锤6内外分别与中间管7和上壳体9间隙配合；冲锤6与中间管7同轴心；冲锤6与上壳体9同轴心，冲锤6套在中间管7上能沿轴向滑动。

在一个优选实施例中，如图3、图4和图5所示，中心管5设计有孔a51、孔b52和孔c53；所述中间管7设计有的孔d71和孔72e；所述中心管5与中间管7同轴心。

进一步的，孔a51和孔b52分别对称开两个，孔a51和孔b52的轴心线平行；所述孔c53均布四个；所述孔d71和孔e72分别对称开两个，孔d71与孔e72的轴心线具有一定的相位差，中心管5转动的时候，中间管7在固定块3和调整螺钉21的作用下限制转动，高压钻井液交替进入冲锤6上下端，推动冲锤6轴向往复运动，实现轴向冲击。

在一个优选实施例中，如图1和图2所示，固定块3内部与中间管7插接，外部为齿轮结构31，周向由装配在上壳体的调整螺钉21限位，上壳体9与下壳体14通过螺纹连接，上扣扭矩变化会产生相位差，利用固定块3的齿轮结构31与调整螺钉21对中间管7调整合适的周向位置；弹簧5两端分别顶住固定块3和冲锤6，依靠上接头1拧紧施加预压力，在冲锤6沿轴向上行时起到缓冲作用，避免产生与钻进方向相反的冲击力；在冲锤6沿轴向下行时，对冲锤6产生额外的推力。

在一个优选实施例中，如图1、图6和图9所示，换向开关11与中心管5连接处插接在一起，换向开关11转动时带动中心管5一起转动换向，在换向开关11对扭转冲击进行换向的同时，中心管5对轴向冲击进行换向；所述中心管5和下端盖19内部装配有喷嘴18，利用中心管5和下端盖19的台阶以及弹簧挡圈17对喷嘴18轴向限位，钻井液流过喷嘴18时产生压降，喷嘴18的两侧最终与冲锤6和摆锤15的两侧连通，依靠喷嘴18压降推动冲锤6和摆锤15运动；所述下端盖19利用端盖螺钉22固定在下壳体14内部。

在一个优选实施例中，如图1和图8所示，换向开关11上设计有对称的流体流道a112；在上端盖12以上的换向开关11上设计有两层孔f111，每层均布四个；摆锤15上设计有对称的流体流道e151，对称的流体流道f152，对称的流体流道g153以及对称的流体流道h154；所述下壳体14内部开有流体流道b141和流道c142；下端盖19开有对称的流体流道j191和对称的流体流道k192。

在一个优选实施例中，如图1所示，换向开关11上下设计有装配滚珠16的圆弧槽；摆锤15两端设计有装配滚珠13的圆弧槽；上端盖12、下端盖19对应、配套设置装配滚珠13和滚珠16圆弧槽，换向开关11、摆锤15转动的时候，利用滚珠13和滚珠16减小摩擦力。

在一个优选实施例中，如图1、图7、图8和图9所示，摆锤15内外与换向开关11和下壳体14间隙配合；摆锤15与换向开关11同轴心；摆锤15与下壳体14同轴心；上端盖12堵住流道c142的上端，流道c142的下端与流道j191连通；下端盖19堵住流道b141和流道d143的下端。

在一个优选实施例中，如图1所示，上接头1、上壳体9、下壳体14、下接头20外壁开设有螺旋槽，在钻井时可以起到扶正器的作用，同时可以起到排出岩屑的功能，避免泥包、卡钻；上接头1与上壳体9、上壳体9与下壳体14以及下壳体14与下接头20通过螺纹连接在一起。

下面以图1-9为例介绍所述复合冲击器的工作过程。图2为固定块3外部齿轮结构31通过调整螺钉21限制周向运动的截面示意图；图3和图4分别为中心管5和中间管7轴向开孔a51、孔b52、孔d71和孔e72的截面示意图；图5为中心管5均布四个卸压孔c53的示意图；图6为中心管5与换向开关11插接的示意图；图7为上端盖12的截面示意图；图8为扭转冲击部分截面示意图；图9为下端盖19截面示意图。

复合冲击器扭转冲击过程：复合冲击器的上接头1连接钻柱，通过钻柱注入高压钻井液，高压钻井液依次流过换向开关11的孔f111，下壳体14的流道b141，摆锤15的流道h154，进入空腔a1115a，推动换向开关11顺时针转动；同时，空腔b1115b的低压钻井液依次通过摆锤15的流道g153，下壳体14的流道c142，下端盖19的流道j191流回下接头20；当换向开关11顺时针转动到极限时，如图8所示，换向开关11的流道a112与摆锤15的流道f152连通，高压钻井液进入空腔d1415a，推动摆锤15逆时针转动，此过程摆锤15带动换向开关11一起逆时针转动；同时，空腔e1415b的低压钻井液依次通过摆锤15的流道e151，空腔c1115c，下端盖19的流道k192流回下接头20；当摆锤15逆时针冲击下壳体14后，流道d143的高压钻井液通过流道g153，进入空腔b1115b，推动换向开关11逆时针转动，直到流道a112与流道e151连通，高压钻井液进入空腔e1415b，推动摆锤15顺时针转动，此过程摆锤15带动换向开关11，直到摆锤15顺时针冲击下壳体14，如此往复，产生扭转冲击。

复合冲击器轴向冲击过程：复合冲击器的上接头1连接钻柱，通过钻柱注入高压钻井液，摆锤15带动换向开关11一起逆时针转动，换向开关11带动中心管5逆时针转动，孔a51与孔d71关闭，冲锤6上端的钻井液，通过孔d71连通中心管5与中间管7之间的环空低压区；孔b52与孔e72连通，高压钻井液通过孔b52和孔e72进入冲锤6的下端，推动冲锤6压缩弹簧4沿轴向上行；当摆锤15带动换向开关11一起顺时针转动，换向开关11带动中心管5顺时针转动，孔a51与孔d71连通，高压钻井液通过孔a51和孔d71进入冲锤6的上端，与弹簧4一起推动冲锤6沿轴向下行，冲击上壳体9；孔b52与孔e72关闭，冲锤6下端的钻井液，通过孔e72连通中心管5与中间管7之间的环空低压区，如此往复，产生轴向冲击。

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 (4)

1.一种复合冲击器，其特征在于：所述复合冲击器两端分别与上部钻具和钻头可拆卸螺纹连接；所述复合冲击器包括轴向冲击部分、扭转冲击部分以及辅助部分；

所述轴向冲击部分包括位于上壳体（9）内部，产生冲击的冲锤（6）、对冲锤（6）移动换向的中心管（5）和中间管（7）、插接在中间管（7）上端的固定块（3）、装配在上壳体（9）的调整螺钉（21）以及位于固定块（3）和冲锤（6）之间的弹簧（4）；所述固定块（3）内部与中间管（7）插接，外部为齿轮结构（31），周向由装配在上壳体的调整螺钉（21）限位，轴向由上接头（1）限位；所述弹簧（5）两端分别顶住固定块（3）和冲锤（6），依靠上接头（1）拧紧施加预压力；所述轴向冲击部分的冲锤（6）上下往复冲击上壳体（9）产生轴向冲击力；

所述中心管（5）设计有孔a（51）、孔b（52）和孔c（53）；所述中间管设计有的孔d（71）和孔e（72）；所述中心管（5）与中间管（7）同轴心；

所述孔a（51）和孔b（52）分别对称开两个，孔a（51）和孔b（52）的轴心线平行；所述孔c（53）均布四个；所述孔d（71）和孔e（72）分别对称开两个，孔d（71）与孔e（72）的轴心线具有一定的相位差；

所述扭转冲击部分包括位于下壳体（14）内部，产生冲击的摆锤（15）、对摆锤（15）扭转换向的换向开关（11）、装配在摆锤（15）上下端的上端盖（12）、下端盖（19）；所述扭转冲击部分的摆锤（15）扭转往复冲击下壳体（14）产生扭转冲击力；

所述换向开关（11）与中心管（5）连接处插接在一起，换向开关（11）转动时带动中心管（5）一起转动换向；所述中心管（5）和下端盖（19）内部装配有喷嘴（18），利用中心管（5）和下端盖（19）的台阶以及弹簧挡圈（17）对喷嘴（18）轴向限位；所述下端盖（19）利用端盖螺钉（22）固定在下壳体（14）内部；所述换向开关（11）上设计有对称的流体流道a（112）；在上端盖（12）以上的换向开关（11）上设计有两层孔f（111），每层均布四个；所述摆锤（15）上设计有对称的流体流道e（151），对称的流体流道f（152），对称的流体流道g（153）以及对称的流体流道h（154）；所述下壳体（14）内部开有流体流道b（141）和流道c（142）；所述下端盖（19）开有对称的流体流道j（191）和对称的流体流道k（192）；

所述摆锤（15）内外与换向开关（11）和下壳体（14）间隙配合；所述摆锤（15）与换向开关（11）和下壳体（14）同轴心；所述上端盖（12）堵住流道c（142）的上端，流道c（142）的下端与流道j（191）连通；所述下端盖（19）堵住流道b（141）和流道d（143）的下端；

所述辅助部分包括与上部钻具连接的上接头（1）、与钻头连接的下接头（20）以及产生高低压腔的喷嘴（18）；

所述复合冲击器的扭转冲击过程：复合冲击器的上接头（1）连接钻柱，通过钻柱注入高压钻井液，高压钻井液依次流过换向开关（11）的孔f（111），下壳体（14）的流道b（141），摆锤（15）的流道h（154），进入空腔a（1115a），推动换向开关（11）顺时针转动；同时，空腔b（1115b）的低压钻井液依次通过摆锤（15）的流道g（153），下壳体（14）的流道c（142），下端盖（19）的流道j（191）流回下接头（20）；当换向开关（11）顺时针转动到极限时，换向开关(11)的流道a（112）与摆锤(15)的流道f（152）连通，高压钻井液进入空腔d（1415a），推动摆锤(15)逆时针转动，此过程摆锤(15)带动换向开关(11)一起逆时针转动；同时，空腔e(1415b)的低压钻井液依次通过摆锤（15）的流道e（151），空腔c（1115c），下端盖（19）的流道k（192）流回下接头（20）；当摆锤（15）逆时针冲击下壳体（14）后，流道d（143）的高压钻井液通过流道g（153），进入空腔b（1115b），推动换向开关（11）逆时针转动，直到流道a（112）与流道e（151）连通，高压钻井液进入空腔e（1415b），推动摆锤（15）顺时针转动，此过程摆锤（15）带动换向开关（11），直到摆锤（15）顺时针冲击下壳体（14），如此往复，产生扭转冲击；

所述复合冲击器的轴向冲击过程：复合冲击器的上接头（1）连接钻柱，通过钻柱注入高压钻井液，摆锤（15）带动换向开关（11）一起逆时针转动，换向开关（11）带动中心管（5）逆时针转动，孔a（51）与孔d（71）断开连接，冲锤（6）上端的钻井液，通过孔d（71）连通中心管（5）与中间管（7）之间的环空低压区；孔b（52）与孔e（72）连通，高压钻井液通过孔b（52）和孔e（72）进入冲锤（6）的下端，推动冲锤（6）压缩弹簧（4）沿轴向上行；当摆锤（15）带动换向开关（11）一起顺时针转动，换向开关（11）带动中心管（5）顺时针转动，孔a（51）与孔d（71）连通，高压钻井液通过孔a（51）和孔d（71）进入冲锤（6）的上端，与弹簧（4）一起推动冲锤（6）沿轴向下行，冲击上壳体（9）；孔b（52）与孔e（72）断开连接，冲锤（6）下端的钻井液，通过孔e（72）连通中心管（5）与中间管（7）之间的环空低压区，如此往复，产生轴向冲击。

2.根据权利要求1所述的复合冲击器，其特征在于：所述冲锤（6）内外分别与中间管（7）和上壳体（9）间隙配合；所述冲锤（6）与中间管（7）同轴心；所述冲锤（6）与上壳体（9）同轴心。

3.根据权利要求1所述的复合冲击器，其特征在于：所述换向开关（11）上下设计有装配滚珠（16）的圆弧槽；所述摆锤（15）两端设计有装配滚珠（13）的圆弧槽；上端盖（12）、下端盖（19）对应、配套设置装配滚珠（13）和滚珠（16）圆弧槽。

4.根据权利要求1所述的复合冲击器，其特征在于：所述上接头（1）、上壳体（9）、下壳体（14）、下接头（20）外壁开设有螺旋槽；所述上接头（1）与上壳体（9）、上壳体（9）与下壳体（14）以及下壳体（14）与下接头（20）通过螺纹连接在一起。

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