CN112796666A - 一种振动耦合式钻具冲击器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种振动耦合式钻具冲击器，包括：壳体组件；动力总成，设置于壳体组件中；耦合总成，转动设置于壳体组件中，且耦合总成与动力总成驱动连接，耦合总成内部轴向由上至下依次设置有不连通的上通道和下通道；脉冲发生器，设置于耦合总成的上通道和下通道之间，脉冲发生器的流通截面积随耦合总成的转动而周期性改变，上通道和下通道通过脉冲发生器连通；传动总成，与耦合总成的下端传动连接，传动总成用于与钻头连接。工作时，动力总成驱动耦合总成转动，使得脉冲发生器的流通截面积大小周期性改变，形成水力脉冲压力，脉冲压力作用于耦合总成、脉冲发生器和壳体组件形成的整体，最终传递给传动总成和钻头，实现钻头对岩石的脉冲冲击。

Description

一种振动耦合式钻具冲击器

技术领域

本发明涉及钻进设备技术领域，特别涉及一种振动耦合式钻具冲击器。

背景技术

随着油气资源勘探开发领域的拓展和低油价时代的到来，钻井提速成为降低钻井成本的迫切需求。通常情况下，钻头在中硬及复杂地层破岩过程中存在的粘滑、振动弹跳、不同心摇摆、反进动回转等现象是影响钻头切削效率和寿命的主要因素，从目前的技术认识和实践来看，解决这些问题最直接、最有效的途径是保持钻头持续有一个稳定的破岩状态，PDC钻头尤为如此。

近几年出现了PDC钻头扭力冲击器、PDC钻头扭矩稳定器、液力加压器、三维震荡冲击器等新工具，现场使用证明这些工具针对性地解决了某一个影响钻头破岩稳定性的因素，在一定范围和情况下提高了机械钻速和钻头寿命，但整体提速效果和使用范围仍然有限，且大部分工具不适于组合使用或配套螺杆钻具进行复合钻进。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种振动耦合式钻具冲击器，以具有脉动冲击功能。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种振动耦合式钻具冲击器，包括：

壳体组件；

动力总成，设置于所述壳体组件中；

耦合总成，转动设置于所述壳体组件中，且所述耦合总成与所述动力总成驱动连接，所述耦合总成内部轴向由上至下依次设置有不连通的上通道和下通道；

脉冲发生器，设置于所述耦合总成的上通道和所述下通道之间，所述脉冲发生器的流通截面积随所述耦合总成的转动而周期性改变，所述上通道和所述下通道通过所述脉冲发生器连通；

传动总成，与所述耦合总成的下端传动连接，所述传动总成用于与钻头连接。

优选地，在上述的振动耦合式钻具冲击器中，还包括设置于壳体组件中的弹性件，所述传动总成可相对所述耦合总成的下端轴向移动，且所述传动总成与所述耦合总成相对周向静止，所述弹性件的两端弹性作用于所述耦合总成和所述传动总成。

优选地，在上述的振动耦合式钻具冲击器中，所述脉冲发生器包括上下叠置的上脉冲盘和下脉冲盘；

所述上脉冲盘和所述下脉冲盘套设于所述耦合总成上，所述上脉冲盘和下脉冲盘中的一个固定于所述壳体组件，另一个固定于所述耦合总成，所述上脉冲盘和所述下脉冲盘均设置有液流通孔，当所述上脉冲盘和所述下脉冲盘相对旋转时，所述上脉冲盘和所述下脉冲盘的液流通孔交替连通并改变流通截面积，所述液流通孔与所述上通道和下通道连通。

优选地，在上述的振动耦合式钻具冲击器中，所述液流通孔沿圆周方式均布于所述上脉冲盘和下脉冲盘的盘面上。

优选地，在上述的振动耦合式钻具冲击器中，所述耦合总成包括由上至下依次固定连接的水帽、上传动轴、中传动轴和下传动轴；所述水帽与所述动力总成驱动连接，所述上传动轴和中传动轴均通过扶正轴承与所述壳体组件转动配合；所述下传动轴与所述传动总成传动连接：所述弹性件的两端分别作用于所述下传动轴和所述传动总成；所述上通道设置于所述上传动轴，所述下通道设置于所述中传动轴和所述下传动轴；所述脉冲发生器设置于所述上传动轴。

优选地，在上述的振动耦合式钻具冲击器中，所述动力总成为螺杆，所述螺杆转动设置于所述壳体组件内。

优选地，在上述的振动耦合式钻具冲击器中，所述螺杆的上端连接有用于限制所述螺杆向下移动的防掉总成。

优选地，在上述的振动耦合式钻具冲击器中，还包括旁通总成，所述旁通总成连接于所述防掉总成的上端。

优选地，在上述的振动耦合式钻具冲击器中，所述壳体组件由多段壳体分体组装。

优选地，在上述的振动耦合式钻具冲击器中，所述弹性件为弹簧或弹性橡胶。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的振动耦合式钻具冲击器包括壳体组件、动力总成、耦合总成、脉冲发生器和传动总成。动力总成设置于壳体组件中；耦合总成转动设置于壳体组件中，且耦合总成与动力总成驱动连接，耦合总成内部轴向由上至下依次设置有不连通的上通道和下通道；脉冲发生器设置于耦合总成的上通道和下通道之间，脉冲发生器的流通截面积随耦合总成的转动而周期性改变，上通道和下通道通过脉冲发生器连通；传动总成与耦合总成的下端传动连接，传动总成用于与钻头连接。

工作时，动力总成驱动耦合总成在壳体组件中转动，随着耦合总成的转动，脉冲发生器的流通截面积周期性改变，从而实现水力压力的脉冲变化，脉冲压力作用于耦合总成、脉冲发生器和壳体组件，由于耦合总成、脉冲发生器和壳体组件相对轴向固定，因此，脉冲压力最终传递给传动总成和钻头，实现钻头对岩石的脉冲冲击，提高了钻头的磨碎效率，提高了机械钻速。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种振动耦合式钻具冲击器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种振动耦合式钻具冲击器的耦合总成的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种振动耦合式钻具冲击器的脉冲发生器的流通截面积较大时的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种振动耦合式钻具冲击器的脉冲发生器的流通截面积较小时的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种振动耦合式钻具冲击器的脉冲发生器的分解示意图。

其中，1为旁通总成、2为防掉总成、3为动力总成、4为壳体组件、5为耦合总成、51为水帽、52为上传动轴、521为上通道、53为第一扶正轴承、54为中传动轴、541为下通道、55为下传动轴、56为第二扶正轴承、6为传动总成、7为弹性件、8为脉冲发生器、81为上脉冲盘、82为下脉冲盘、83为液流通孔。

具体实施方式

本发明的核心是提供了一种振动耦合式钻具冲击器，具有脉动冲击功能。

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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1-图2，本发明实施例提供了一种振动耦合式钻具冲击器，包括壳体组件4、动力总成3、耦合总成5、脉冲发生器8和传动总成6；其中，动力总成3设置于壳体组件4中；耦合总成5转动设置于壳体组件4中，且耦合总成5与动力总成3驱动连接，耦合总成5内部轴向由上至下依次设置有不连通的上通道521和下通道541；脉冲发生器8设置于耦合总成5的上通道521和下通道541之间，脉冲发生器8的流通截面积大小随耦合总成5的转动而周期性改变，上通道521和下通道541通过脉冲发生器8连通；传动总成6与耦合总成5的下端传动连接，传动总成6用于与钻头连接。

工作时，钻井液进入壳体组件4，动力部件3驱动耦合总成5转动，耦合总成5的转动驱使脉冲发生器8的流通截面积大小发生周期性变化，脉冲发生器8连通耦合总成5的上通道521和下通道541，从而使钻井液在振动耦合式钻具冲击器内脉冲流动，产生水力脉冲压力。当钻井进行时，钻井液通过脉冲发生器8产生水力脉冲压力，脉冲压力作用于耦合总成5、脉冲发生器8和壳体组件4，由于耦合总成5、脉冲发生器8和壳体组件4相对轴向固定，因此，脉冲压力最终传递给传动总成6和钻头，实现钻头对岩石的脉冲冲击，提高了钻头的磨碎效率，提高了机械钻速。

进一步地，在本实施例中，振动耦合式钻具冲击器还包括设置于壳体组件4中的弹性件7，传动总成6可相对耦合总成5的下端轴向移动，且传动总成6与耦合总成5相对周向静止，弹性件7的两端弹性作用于耦合总成5和传动总成6。弹性件7优选为弹簧或弹性橡胶。

如此设置，将耦合总成5的下端与传动总成6通过弹性件7柔性连接，从而使得振动耦合式钻具冲击器还具有减震功能和加压功能。

具体地，减震功能实施过程为：正常钻进时，需要向钻头施加一定的钻压，此钻压可通过耦合总成5、脉冲发生器8、壳体组件4作为一个整体作用于弹性件7，再传递给传动总成6及钻头。钻井过程中，特别是在硬地层或砾石层钻进时，钻头经常处于跳钻状态，实际上是类似于顿钻那样频繁地向井底冲击。此冲击传递到振动耦合式钻具冲击器后，传动总成6相对耦合总成5产生向上或向下运动，弹性件7发生弹性变形，同时将此动能转化为弹性势能，从而吸收或减缓钻柱及钻头的冲击、震动能量。

加压功能实施过程为：正常钻进时，需要向钻头施加一定的钻压，此钻压可通过耦合总成5、脉冲发生器8、壳体组件4作为一个整体作用于弹性件7，再传递给传动总成6及钻头。实现了在上部钻柱不动的情况下，通过钻井液向钻头施加钻压，使钻头与上部钻具实现了柔性连接，将上部钻具给予钻头的刚性加压变为机械式柔性加压。钻井过程中，特别是在大位移井钻进时，由于井壁的摩阻不断变化，钻井液施加的钻压也不断在变化，变化的钻压作用于由耦合总成5、脉冲发生器8、壳体组件4组成的整体，整体再作用于弹性件7，弹性件7形变蓄能，通过传动总成6传递给钻头，从而通过柔性变形来吸收或释放钻压的波动能量。

如图2-图5所示，本实施例提供了一种具体的脉冲发生器8，该脉冲发生器8包括上下叠置的上脉冲盘81和下脉冲盘82，上脉冲盘81和下脉冲盘82可相对转动；上脉冲盘81和下脉冲盘82套设于耦合总成5上，上脉冲盘81和下脉冲盘82中的一个固定于壳体组件4，另一个固定于耦合总成5。具体地，上脉冲盘81固定于壳体组件4，下脉冲盘82固定于耦合总成5，则耦合总成5带动下脉冲盘82相对上脉冲盘81转动。或者下脉冲盘82固定于壳体组件4，上脉冲盘81固定于耦合总成5，耦合总成5带动上脉冲盘81相对下脉冲盘82转动。上脉冲盘81和下脉冲盘82均设置有液流通孔83，当上脉冲盘81和下脉冲盘82相对旋转时，上脉冲盘81和下脉冲盘82的液流通孔83交替连通并改变流通截面积，液流通孔83与上通道521和下通道541连通。

工作时，如图3所示，当上脉冲盘81和下脉冲盘82相对转动到液流通孔83相对时，脉冲发生器8的流通截面积变大，此时产生的脉冲压力较小。如图4所示，当上脉冲盘81和下脉冲盘82相对转动到液流通孔83错开时，脉冲发生器8的流通截面积变小，此时产生的脉冲压力较大。随着上脉冲盘81和下脉冲盘82相对不停地旋转，脉冲发生器8的流通截面积交替变大和变小，从而产生的脉冲压力周期性的变大和变小。

如图5所示，进一步地，在本实施例中，液流通孔83沿圆周方式均布于上脉冲盘81和下脉冲盘82的盘面上，从而使脉冲压力变化更加规律均匀。液流通孔83优选为腰型孔，能够调节的流通截面积范围较大。

如图2所示，进一步地，在本实施例中，耦合总成5包括由上至下依次固定连接的水帽51、上传动轴52、中传动轴54和下传动轴55；水帽51与动力总成3驱动连接，上传动轴52和中传动轴54均通过扶正轴承与壳体组件4转动配合，具体地，上传动轴52通过第一扶正轴承53轴向限位地与壳体组件4转动配合，中传动轴54通过第二扶正轴承56轴向限位地与壳体组件4转动配合；下传动轴55与传动总成6传动连接，具体地，下传动轴55与传动总成6通过花键轴向移动地连接，下传动轴55与传动总成6相对周向静止；弹性件7的两端分别作用于下传动轴55和传动总成6；上通道521设置于上传动轴52，上通道521通过径向通孔与壳体组件4内的环空连通，下通道541设置于中传动轴54和下传动轴55，下通道541通过径向通孔与壳体组件4内的环空连通；脉冲发生器8设置于上传动轴52。

耦合总成5采用分段组合连接，方便加工和安装，当然，耦合总成5还可以为一体加工结构。

在本实施例中，进一步地，动力总成3为螺杆，螺杆转动设置于壳体组件4内。钻井液泵入振动耦合式钻具冲击器中，钻井液流经螺杆时驱动螺杆转动，螺杆转动带动耦合总成5转动。当然，动力总成3还可以为电机等驱动部件。

在本实施例中，螺杆的上端连接有用于限制螺杆向下移动的防掉总成2。通过防掉总成2防止螺杆向下脱出。具体地，防掉总成2包括限位杆和限位孔，限位杆可相对限位孔转动，但限位杆的上端大于限位孔的孔径，限位杆不能从限位孔中向下移出，实现限位。

在本实施例中，振动耦合式钻具冲击器还包括旁通总成1，旁通总成1连接于防掉总成2的上端。钻井液通过旁通总成1进入振动耦合式钻具冲击器。

如图2所示，在本实施例中，壳体组件4由多段壳体分体组装，具体地，壳体组件4包括上壳体41、中壳体42和下壳体43，其中，耦合总成5的上传动轴52位于上壳体41中，上传动轴52与上壳体41通过第一扶正轴承53转动配合；中传动轴54位于中壳体42中，中传动轴54与中壳体42通过第二扶正轴承56转动配合；下传动轴55和弹性件7位于下壳体43内。

优选地，上壳体41、中壳体42和下壳体43之间通过螺纹连接，水帽51、上传动轴52、中传动轴54和下传动轴55之间通过螺纹连接，上脉冲盘81与中壳体42通过螺纹连接，下脉冲盘82与上传动轴52通过螺纹连接。如此，方便拆装。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种振动耦合式钻具冲击器，其特征在于，包括：

壳体组件(4)；

动力总成(3)，设置于所述壳体组件(4)中；

耦合总成(5)，转动设置于所述壳体组件(4)中，且所述耦合总成(5)与所述动力总成(3)驱动连接，所述耦合总成(5)内部轴向由上至下依次设置有不连通的上通道(521)和下通道(541)；

脉冲发生器(8)，设置于所述耦合总成(5)的上通道(521)和所述下通道(541)之间，所述脉冲发生器(8)的流通截面积大小随所述耦合总成(5)的转动而周期性改变，所述上通道(521)和所述下通道(541)通过所述脉冲发生器(8)连通；

传动总成(6)，与所述耦合总成(5)的下端传动连接，所述传动总成(6)用于与钻头连接。

2.根据权利要求1所述的振动耦合式钻具冲击器，其特征在于，还包括设置于壳体组件(4)中的弹性件(7)，所述传动总成(6)可相对所述耦合总成(5)的下端轴向移动，且所述传动总成(6)与所述耦合总成(5)相对周向静止，所述弹性件(7)的两端弹性作用于所述耦合总成(5)和所述传动总成(6)。

3.根据权利要求2所述的振动耦合式钻具冲击器，其特征在于，所述脉冲发生器(8)包括上下叠置的上脉冲盘(81)和下脉冲盘(82)；

所述上脉冲盘(81)和所述下脉冲盘(82)套设于所述耦合总成(5)上，所述上脉冲盘(81)和下脉冲盘(82)中的一个固定于所述壳体组件(4)，另一个固定于所述耦合总成(5)，所述上脉冲盘(81)和所述下脉冲盘(82)均设置有液流通孔(83)，当所述上脉冲盘(81)和所述下脉冲盘(82)相对旋转时，所述上脉冲盘(81)和所述下脉冲盘(82)的液流通孔(83)交替连通并改变流通截面积，所述液流通孔(83)与所述上通道(521)和所述下通道(541)连通。

4.根据权利要求3所述的振动耦合式钻具冲击器，其特征在于，所述液流通孔(83)沿圆周方式均布于所述上脉冲盘(81)和下脉冲盘(82)的盘面上。

5.根据权利要求3所述的振动耦合式钻具冲击器，其特征在于，所述耦合总成(5)包括由上至下依次固定连接的水帽(51)、上传动轴(52)、中传动轴(54)和下传动轴(55)；所述水帽(51)与所述动力总成(3)驱动连接，所述上传动轴(52)和所述中传动轴(54)均通过扶正轴承与所述壳体组件(4)转动配合；所述下传动轴(55)与所述传动总成(6)传动连接：所述弹性件(7)的两端分别作用于所述下传动轴(55)和所述传动总成(6)；所述上通道(521)设置于所述上传动轴(52)，所述下通道(54)设置于所述中传动轴(54)和所述下传动轴(55)；所述脉冲发生器(8)设置于所述上传动轴(52)。

6.根据权利要求1所述的振动耦合式钻具冲击器，其特征在于，所述动力总成(3)为螺杆，所述螺杆转动设置于所述壳体组件(4)内。

7.根据权利要求6所述的振动耦合式钻具冲击器，其特征在于，所述螺杆的上端连接有用于限制所述螺杆向下移动的防掉总成(2)。

8.根据权利要求7所述的振动耦合式钻具冲击器，其特征在于，还包括旁通总成(1)，所述旁通总成(1)连接于所述防掉总成(2)的上端。

9.根据权利要求1所述的振动耦合式钻具冲击器，其特征在于，所述壳体组件(4)由多段壳体分体组装。

10.根据权利要求2所述的振动耦合式钻具冲击器，其特征在于，所述弹性件(7)为弹簧或弹性橡胶。

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