CN112627720A - 一种高效射吸式液动冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明属于钻井机械领域，具体涉及一种高效射吸式液动冲击器，包括：上接头、喷嘴、承喷器、限位导向套、活阀、冲击锤杆、外管、下缸套和冲击砧座接头；喷嘴安装于上接头的中心孔内，上接头下部安装于外管上端内，限位导向套安装于外管的上部内孔内，活阀的上部限位台阶悬挂于限位导向套的限位环位置，承喷器的上端安装于限位导向套的上端部内孔中，承喷器的下端导管插入至活阀上端内孔，冲击锤杆的上端安装于限位导向套的下部内孔中；冲击锤杆下端和冲击砧座接头上端均安装在下缸套内，冲击砧座接头上部安装于外管下端内，下缸套安装于外管下部内孔中。本发明能够产生稳定的射吸性能，降低启动流量和工作压力，提高液动冲击器的工作性能。

Description

一种高效射吸式液动冲击器

技术领域

本发明属于钻井机械领域，具体涉及一种高效射吸式液动冲击器。

背景技术

液动冲击器安装在回转钻具上，作为辅助碎岩工具，广泛应用于钻探、钻井领域，包括地质矿产资源钻探、石油钻井、页岩气钻井、煤层气钻井、水文水井钻探、工程施工等领域。有利于提高钻进效率、提高岩心采取率、预防破碎岩层堵卡钻具、提高钻头使用寿命、控制钻孔偏斜。

射吸式液动冲击器的活阀和冲锤主要依靠喷嘴产生的卷吸力使其上行，在上位时利用锤阀瞬时切断水路产生水击作用推动冲锤活塞向下运动击打砧子，通过冲锤对砧子的高速撞击产生冲击能量，对钻头施加周期性冲击载荷，实现冲击回转破碎岩石。同其它的液动冲击器相比，它无弹簧装置、结构简单，易损件少，耐背压性能好。

常规的射吸式液动冲击器的射吸阀控机构中，液体通过喷嘴产生高速液流，无论是套阀式还是芯阀式结构，均利用活阀或冲击锤的上端作为承喷元件。所以，常规式液动冲击器的活阀和冲击锤既是射吸元件又是执行元件。该结构的不足之处：在冲击器启动时，由于活阀和冲击锤均处于下位，喷嘴和承喷口的承喷距离为最大位置，注定了该类型冲击器在启动时需要较大喷嘴射流速度，所以要求喷嘴孔直径加工尺寸较小，需要较大的初始启动流量，启动压力大。活阀和冲击锤在上下运动过程中，与喷嘴的承喷距离始终在动态变化，射吸力也在动态变化，射吸性能不是处于稳定状态，从而影响冲击器的整体性能稳定。射吸结构参数随着零件的运动而动态变化，导致射吸力动态变化，从而导致冲击频率不稳、功率下降、水能利用率低、冲击器工作性能下降等问题出现。这是制约射吸式液动冲击器在地质岩心钻领域几十年没有推广应用的主要原因。

因此，亟待开发一种新型射吸式液动冲击器，能够克服现有的射吸式液动冲击器存在的不足，广泛应用于地质岩心钻领域。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中射吸式液动冲击器存在的启动流量大、启动和工作压力高、性能不稳定、能量利用率低的缺陷，提供一种高效射吸式液动冲击器，通过在冲击器中安装由喷嘴与承喷元件组成的固定射吸单元，使得射吸结构参数固定，产生稳定的射吸性能，能够有效提高液动冲击器工作可靠性、提高水能利用率、降低启动流量和工作压力、提高液动冲击器的工作性能。

实现本发明目的的技术方案：

一种高效射吸式液动冲击器，所述冲击器包括：上接头、喷嘴、承喷器、限位导向套、活阀、冲击锤杆、外管、下缸套和冲击砧座接头；喷嘴安装于上接头的中心孔内，喷嘴的外侧下端设置有限位台阶，喷嘴通过上接头的中心孔中的限位台阶限位固定；

上接头下部安装于外管上端内，上接头下部与外管上端配合连接；外管上部设有上部内孔和上部内孔限位台阶，限位导向套安装于外管的上部内孔内，通过外管的上部内孔限位台阶限位固定，限位导向套外表面与外管内孔表面滑动密封配合；限位导向套的中部设计有带中心孔的限位环，活阀安装于限位导向套的限位环中心孔中，活阀的上部限位台阶悬挂于限位导向套的限位环位置；

承喷器的上端安装于限位导向套的上端部内孔中，承喷器的上端与限位导向套的上端部内孔间隙配合，承喷器的上端的下表面由限位导向套的上部内孔台阶限位，承喷器的上端面由上接头的下端面限位，承喷器的上端面与限位导向套的上端面平齐；承喷器的下端导管插入至活阀上端内孔，承喷器外表面与活阀内孔滑动密封配合；

冲击锤杆的上端安装于限位导向套的下部内孔中，冲击锤杆与限位导向套滑动密封配合；冲击锤杆中心设有通孔，冲击锤杆通孔上设有内镗孔，活阀下部插入冲击锤杆内镗孔中，活阀外圆面与冲击锤杆上端内镗孔形成环状空间；

冲击锤杆下端和冲击砧座接头上端均安装在下缸套内，冲击锤杆下端外圆与下缸套内孔滑动密封配合；冲击砧座接头上端与下缸套内孔间隙配合；冲击砧座接头上部安装于外管下端内，冲击砧座接头上部与外管下端配合连接，外管下部设有下部内孔和下部限位台阶，下缸套安装于外管下部内孔中，下缸套外圆与外管下部内孔间隙配合；下缸套由外管下部内孔台阶和冲击砧座接头的台阶进行上下限位。

进一步地，所述上接头的下端面设有内沉孔，内沉孔与承喷器之间组成腔体空间。

进一步地，所述承喷器的上部圆周方向均匀开有上下连通的通水孔。

进一步地，所述限位导向套的中部内孔间隔设有上腔和下腔，限位导向套的外面沿圆周加工有纵向通水槽，通水槽连通上腔和下腔。

进一步地，所述活阀中心设有底部封闭的内孔，下端侧向设有出水孔。

进一步地，所述冲击锤杆下部设有侧向水孔，底部与冲击砧座接头的上部砧座接触面设有导流槽。

进一步地，所述喷嘴通过过盈配合安装于上接头的中心孔内。

进一步地，所述上接头下部与外管上端通过螺纹配合连接。

进一步地，所述冲击砧座接头上部与外管下端通过螺纹配合连接。

进一步地，所述喷嘴中心孔上端内孔锥度0°～150°，中心孔下端内孔直径1.5mm～50mm。

进一步地，所述内沉孔的深度为1mm～20mm。

进一步地，所述导流槽深度1.5mm～10mm。

本发明的有益技术效果在于：

1、本发明所提供的一种高效射吸式液动冲击器，在冲击器内部安装有由上接头、喷嘴、承喷元件和限位导向套组成的固定射吸单元；该固定射吸单元射吸结构参数固定，在一定的流量和压力输入条件下，产生较为衡定的射吸力，射吸性能稳定；固定射吸单元产生稳定的卷吸负压，使活阀和冲击锤的上下受力面产生压力差相比常规的射吸冲击器稳定。

2、本发明所提供的一种高效射吸式液动冲击器的固定射吸单元是专门的射吸单元，活阀和冲击锤是专门的执行单元，不同于常规射吸液动冲击器阀和冲击锤既是射吸元件又是执行元件的结构，能够有效提高能量利用率和工作效率。

3、本发明所提供的一种高效射吸式液动冲击器的固定射吸单元在输入较小流量时就能产生射效果，可以降低启动流量和工作压力，使得冲击器在低流量条件下也能有很好的工作性能；固定射吸单元形式的射吸冲击器，结构更简单，工作性能更可靠，使用维护更方便。

4、本发明所提供的一种高效射吸式液动冲击器改善了液动冲击器的射吸性能、提高了水能利用率和液动冲击器的工作性能、保证了冲击器的工作可靠度、拓宽了冲击器在小流量工况条件下的应用范围。

附图说明

图1为本发明所提供的一种高效射吸式液动冲击器的轴向剖面结构示意图；

图2为图1中沿A-A方向的剖面结构图；

图3为图1中沿B-B方向的剖面结构图。

图中：1、上接头；2、喷嘴；3、承喷器；4、限位导向套；5、活阀；6、冲击锤杆；7、外管；8、下缸套；9、冲击砧座接头；10、内沉孔；11、通水孔；12、纵向通水槽；13、环状空间；14、出水孔；15、通孔；16、侧向水孔；17、导流槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如1图所示，本发明所提供的一种高效射吸式液动冲击器，包括上接头1、喷嘴2，承喷器3，限位导向套4，活阀5，冲击锤杆6，外管7，下缸套8，冲击砧座接头9。上接头1的下端面设有内沉孔10，深度1mm～20mm，内沉孔10与承喷器3之间组成腔体空间。上接头1上部与钻杆通过螺纹连接，喷嘴2通过过盈配合压入上接头1的中心孔内，喷嘴2的外侧下端设置有限位台阶，通过上接头1的中心孔中的限位台阶限位固定，喷嘴2上部内锥孔锥度0°～150°，下端内孔直径1.5mm～50mm。

上接头1下部安装于外管7上端内，上接头1下部与外管7上端通过螺纹刚性配合连接。外管7的连接螺纹下部设有与螺纹大小径保持同心的上部内孔及上部限位台阶，限位导向套4从外管7上口放入安装到外管7的上部内孔内，限位导向套4通过外管7的上部限位台阶定位，限位导向套4外表面与外管7内孔表面滑动密封配合安装。

如图3所示，限位导向套4的中部内孔间隔设有上腔和下腔，限位导向套4的外面沿圆周设有纵向通水槽12，纵向通水槽12连通上腔和下腔。上接头1与外管7在螺纹旋紧的情况下，上接头1下端面与限位导向套4和承喷器3的上端面正好顶紧，起到限位固定作用。

限位导向套的中部设计有带中心孔的限位环，限位环上端面距离限位导向套上端面10mm～100mm，活阀安装于限位导向套的限位环中心孔中，活阀的上部限位台阶悬挂于限位导向套的限位环位置。活阀5中心设有内孔进行通水，底部封闭不透水，上部有限位台阶，下端侧向设有出水孔14。

承喷器3的上端安装于限位导向套4的上端部内孔中，承喷器3的上端与限位导向套4的上端部内孔间隙配合，配合间隙0.03mm～0.10mm，承喷器3的上端的下表面由限位导向套4的上部内孔台阶限位，承喷器3的上端面由上接头1的下端面限位，承喷器3的上端面与限位导向套4的上端面平齐。

承喷器3的下端导管插入到活阀5上端内孔，承喷器3与活阀5滑动密封配合，配合间隙0.05mm～0.15mm，活阀5可以沿承喷器3下端导管的外表面上下滑动。如图2所示，承喷器3的上部圆周方向均匀开有上下连通的通水孔11。

冲击锤杆6的上端安装于限位导向套4的下部内孔中，冲击锤杆6与限位导向套4滑动密封配合，配合间隙0.05mm～0.15mm。冲击锤杆6中心设有通孔15，冲击锤杆6通孔15上设有内镗孔，活阀5下部插入冲击锤杆6内镗孔中，活阀5外圆面与冲击锤杆6上端内镗孔形成环状空间13。冲击锤杆6下部设有侧向水孔16，底部与冲击砧座接头9的上部砧座接触面设有导流槽17，导流槽深度1.5mm～10mm。

冲击锤杆6下端和冲击砧座接头9上端均安装在下缸套8内，冲击锤杆6下端外圆与下缸套8内孔滑动密封配合，配合间隙0.05mm～0.15mm，冲击砧座接头9上端与下缸套8内孔间隙配合，配合间隙0.05mm～0.10mm。

冲击砧座接头9上部安装于外管7下端内，外管7下端与冲击砧座接头9上部通过螺纹配合连接，冲击砧座接头9下部与钻头或钻具连接。外管7下部加工有与螺纹大小径保持同心的下部内孔及下部限位台阶，下缸套8安装在外管7下部内孔中，下缸套8外圆与外管7下部内孔两者间隙配合，配合间隙0.05mm～0.10mm，下缸套8由外管7下部内孔台阶和冲击砧座接头9的台阶进行上下定位。

本发明所提供的高效射吸式液动冲击器工作过程：

图1为本发明所提供的高效射吸式液动冲击器的初始工作状态，活阀5的上部限位台阶悬挂在限位导向套4限位环位置，活阀5下端面与冲击锤杆6中心通孔15上端面有一自由行程距离h(h＝2mm～60mm)，活阀5上端面与承喷器3的上部下平面间的距离为活阀行程H(H＝5mm～100mm)。流体通过液动冲击器钻杆柱内孔通道，经上接头1中心孔，通过喷嘴2的中心孔产生高速流束，高速流束通过上接头1的内沉孔10与承喷器3之间组成的腔体空间，经承喷器3的上口和中心孔进入活阀5的内孔形成扩散。高速流束在经过上接头1与承喷器3之间组成的腔体空间时，与其周围流体存在流速差，从而导致腔体空间内液体压力降低，腔外液体与腔内液体形成压力差，腔外液体就会在压力差作用下通过承喷器上部通水孔11被卷吸流入腔体空间，被喷嘴2流出的高速流体携带通过承喷器3中心孔进入活阀5内孔。液流进入活阀5内孔，通过活阀5下部出水孔14流出，经活阀5下端面与冲击锤杆6上端面之间的自由行程间隙h，经过冲击锤杆6的通孔15进入下缸套8，通过冲击砧座接头9中心孔进入钻头或钻具接头，流体在通过钻头或钻具的外环空间向上返出时，环空阻力会产生节流作用。

上接头1、喷嘴2、承喷器3、限位导向套4组成结构参数固定的射吸单元，喷嘴2流出的高速流体不断卷吸液流，上接头1的内沉孔10与承喷器3之间组成的腔体空间和限位导向套4的上腔通过承喷器3上部圆周分布的通水孔11连通，限位导向套4上腔和下腔通过其圆周纵向通水槽12连通。上接头1的内沉孔10与承喷器3之间组成的腔体空间、限位导向套4上腔和下腔三部分均为低压区，活阀5和冲击锤杆6的上下端形成压力差。由于活阀5质量远远小于冲击锤杆6，活阀5在卷吸压力差作用下先于冲击锤杆5上行，当上行到承喷器3的限位面时，活阀5停止运动，行程长度为H；随后，冲击锤杆6在压差作用下，向上运动，当运动到冲击锤杆6的通孔15上端面与活阀5下端面碰撞时，活阀5与冲击锤杆6的通孔15上端面贴合呈密封状态，由自由行程h流经冲击锤杆6中心的液流通道切断，在活阀5内部、上接头1的内沉孔10与承喷器3之间组成的腔体空间、限位导向套4上腔和下腔流体压强骤然升高(水击效应)，由于中心水路瞬间被切断，产生的巨大水击压力迫使活阀5与冲击锤杆6快速向下，开始冲程运动。

当活阀5和冲击锤杆6一起下行到限位导向套4的限位位置时，限位导向套4的限位环挂住活阀5的上部限位台阶，阻止活阀5继续下行。冲击锤杆6在惯性力作用下继续下行，冲击锤杆6的通孔15上端面脱离活阀5下端面，走完自由行程h，冲击锤杆6底部击打冲击砧座接头9砧座面，击打力通过冲击砧座接头9传递给与液动冲击器连接的钻具或钻头，进行碎岩做功。此时，由于冲击锤杆6的通道15上端面和活阀5下端面脱离了一段距离h，液动冲击器的中心水路恢复打开，活阀5和冲击锤杆6开始回程运动，又开始下一个工作循环，周而复始，冲击锤杆6以一定频率和冲击功击打冲击砧座接头9砧座面，通过传递装置传到与液动冲击器连接的钻具或钻头处，进行碎岩做功。

上接头1、喷嘴2、承喷器3、限位导向套4组成固定射吸单元，具有射吸结构参数固定的特点，固定射吸单元是专门射吸功能执行机构，活阀5和冲击锤杆6是专门的执行元件，改变了常规射吸式液动冲击器活阀和冲击锤既是射吸元件又是执行元件，解决了常规射吸式液动冲击器需要较大的工作流量、能量利用率低、启动流量大、泵压高、性能不稳定等技术不足。提高了水能利用率，降低了冲击器的工作流量和压力，拓宽了射吸式液动冲击器的工作流量范围，使射吸式液动冲击器在小流量工况条件下也能发挥出较好的性能，提高了液动冲击器的工作稳定性。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (12)

1.一种高效射吸式液动冲击器，其特征在于，所述冲击器包括：上接头(1)、喷嘴(2)、承喷器(3)、限位导向套(4)、活阀(5)、冲击锤杆(6)、外管(7)、下缸套(8)和冲击砧座接头(9)；喷嘴(2)安装于上接头(1)的中心孔内，喷嘴(2)的外侧下端设置有限位台阶，喷嘴(2)通过上接头(1)的中心孔中的限位台阶限位固定；

上接头(1)下部安装于外管(7)上端内，上接头(1)下部与外管(7)上端配合连接；外管(7)上部设有上部内孔和上部内孔限位台阶，限位导向套(4)安装于外管(7)的上部内孔内，通过外管(7)的上部内孔限位台阶限位固定，限位导向套(4)外表面与外管(7)内孔表面滑动密封配合；限位导向套(4)的中部设计有带中心孔的限位环，活阀(5)安装于限位导向套(4)的限位环中心孔中，活阀(5)的上部限位台阶悬挂于限位导向套(4)的限位环位置；承喷器(3)的上端安装于限位导向套(4)的上端部内孔中，承喷器(3)的上端与限位导向套(4)的上端部内孔间隙配合，承喷器(3)的上端的下表面由限位导向套(4)的上部内孔台阶限位，承喷器(3)的上端面由上接头(1)的下端面限位，承喷器(3)的上端面与限位导向套(4)的上端面平齐；承喷器(3)的下端导管插入至活阀(5)上端内孔，承喷器(3)外表面与活阀(5)内孔滑动密封配合；

冲击锤杆(6)的上端安装于限位导向套(4)的下部内孔中，冲击锤杆(6)与限位导向套(4)滑动密封配合；冲击锤杆(6)中心设有通孔(15)，冲击锤杆(6)通孔(15)上设有内镗孔，活阀(5)下部插入冲击锤杆(6)内镗孔中，活阀(5)外圆面与冲击锤杆(6)上端内镗孔形成环状空间(13)；

冲击锤杆(6)下端和冲击砧座接头(9)上端均安装在下缸套(8)内，冲击锤杆(6)下端外圆与下缸套(8)内孔滑动密封配合；冲击砧座接头(9)上端与下缸套(8)内孔间隙配合；冲击砧座接头(9)上部安装于外管(7)下端内，冲击砧座接头(9)上部与外管(7)下端配合连接，外管(7)下部设有下部内孔和下部限位台阶，下缸套(8)安装于外管(7)下部内孔中，下缸套(8)外圆与外管(7)下部内孔间隙配合；下缸套(8)由外管(7)下部内孔台阶和冲击砧座接头(9)的台阶进行上下限位。

2.根据权利要求1所述的一种高效射吸式液动冲击器，其特征在于，所述上接头(1)的下端面设有内沉孔(10)，内沉孔(10)与承喷器3之间组成腔体空间。

3.根据权利要求1所述的一种高效射吸式液动冲击器，其特征在于，所述承喷器(3)的上部圆周方向均匀开有上下连通的通水孔(11)。

4.根据权利要求1所述的一种高效射吸式液动冲击器，其特征在于，所述限位导向套(4)的中部内孔间隔设有上腔和下腔，限位导向套(4)的外面沿圆周加工有纵向通水槽(12)，通水槽(12)连通上腔和下腔。

5.根据权利要求1所述的一种高效射吸式液动冲击器，其特征在于，所述活阀(5)中心设有底部封闭的内孔，下端侧向设有出水孔(14)。

6.根据权利要求1所述的一种高效射吸式液动冲击器，其特征在于，所述冲击锤杆(6)下部设有侧向水孔(16)，底部与冲击砧座接头(9)的上部砧座接触面设有导流槽(17)。

7.根据权利要求1所述的一种高效射吸式液动冲击器，其特征在于，所述喷嘴(2)通过过盈配合安装于上接头(1)的中心孔内。

8.根据权利要求1所述的一种高效射吸式液动冲击器，其特征在于，所述上接头(1)下部与外管(7)上端通过螺纹配合连接。

9.根据权利要求1所述的一种高效射吸式液动冲击器，其特征在于，所述冲击砧座接头(9)上部与外管(7)下端通过螺纹配合连接。

10.根据权利要求1所述的一种高效射吸式液动冲击器，其特征在于，所述喷嘴(2)中心孔上端内孔锥度0°～150°，中心孔下端内孔直径1.5mm～50mm。

11.根据权利要求2所述的一种高效射吸式液动冲击器，其特征在于，所述内沉孔(10)的深度为1mm～20mm。

12.根据权利要求6所述的一种高效射吸式液动冲击器，其特征在于，所述导流槽(17)的深度1.5mm～10mm。

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