CN113565432B - 一种射流式冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种射流式冲击器，它的外壳短接上部设置导流器，导流器下面设置内套筒，射流元件、隔板、运动装置间隔设置在内套筒中，射流元件滑动连接于内套筒上端口处，运动装置的上运动装置固定上活塞杆，上活塞杆穿过隔板与射流元件固定，运动装置的下运动装置固定下活塞杆，下活塞杆与铁砧间隙配合，下活塞杆下部外端与铁砧上端面之间安装有碟簧，铁砧设置于冲击接头的上端口处；运动装置包括上运动装置套、上运动装置、下运动装置套、下运动装置、滚珠、滚珠套、运动装置保护套,滚珠向右滚动时，上运动装置和下运动装置之间的距离逐渐增大，带动上活塞杆上行，下活塞杆下行。本发明能够在钻头上产生很好的纵向振动，提速效果非常明显。

Description

一种射流式冲击器

技术领域

本发明涉及的是石油工程、采矿工程、岩土工程等领域所使用的钻井辅助高效破岩工具，具体涉及一种射流式冲击器。

背景技术

随着勘探开发技术的进步，油气井深度不断的增加，深井、超深井数目也随之增加。我国未来的开发重点之一是4500米以下的深部地层。在水平井、大位移井、深井、超深井等复杂井中，存在着机械钻速低，破岩效率低等问题，使得钻井成本大大提高。为了降低成本，满足新的钻井条件的要求，高效辅助破岩设备就显得格外重要。通过大量室内实验和现场实践可知，当冲击力周期施加在钻头上的时候，钻头的破岩效率将得到显著地增加，从而提高机械钻速，降低成本。

目前，射流式辅助高效破岩工具大多是用射流元件直接驱动活塞做功从而为钻头提供轴向冲击力，这种设计采用康达尔效应原理，结构简单，制造方便被广泛应用，但是存在射流元件压力不高，导致在工作时，钻头无法获得较大的冲击能量。

发明内容

本发明的目的是提供一种射流式冲击器，这种射流式冲击器用来解决在水平井、大位移井、深井、超深井等复杂井中，机械钻速低，破岩效率低等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种射流式冲击器包括外壳短接、冲击接头、内套筒、射流元件、运动装置、铁砧，外壳短接、冲击接头连接成筒状体，外壳短接上部设置导流器，导流器下面设置内套筒，射流元件、隔板、运动装置间隔设置在内套筒中，射流元件滑动连接于内套筒上端口处，运动装置的上运动装置固定上活塞杆，上活塞杆穿过隔板与射流元件固定连接，运动装置的下运动装置固定下活塞杆，下活塞杆与铁砧间隙配合，下活塞杆下部外端与铁砧上端面之间安装有碟簧，铁砧设置于冲击接头的上端口处；运动装置包括上运动装置套、上运动装置、下运动装置套、下运动装置、滚珠、滚珠套、运动装置保护套，滚珠套的上下两端分别固定上运动装置套和下运动装置套，滚珠套内有滚珠，滚珠套设置在运动装置保护套中，运动装置保护套与内套筒固定连接；上运动装置位于上运动装置套，下运动装置位于下运动装置套，滚珠自由处于上运动装置和下运动装置之间，上运动装置的下底面与下运动装置的上底面相对于滚珠对称，上运动装置的下底面与下运动装置的上底面之间的距离自左向右逐渐减少，上运动装置的下底面与下运动装置的上底面右端呈弧形相向靠拢，滚珠向右滚动时，上运动装置和下运动装置之间的距离逐渐增大；

导流器具有中通孔和侧斜孔；射流元件具有中心主流道入口、右控制道入口、主流道左出口、主流道右出口，射流元件采取单稳态单射流道非对称设计，且射流元件的右壁面相较于左壁面更加靠近中心主流道入口中心线；流体从主流道左出口经过隔板的左侧流道、内套筒的左侧流道、运动装置保护套的左侧流道、滚珠套的左侧流道从左侧进入滚珠套，推动滚珠向右滚动；流体从主流道右出口经过隔板的右侧流道、内套筒的右侧流道、运动装置保护套的右侧流道、滚珠套的的右侧流道从右侧进入滚珠套，推动滚珠向左滚动。

上述方案中射流元件焊接在前盖板和后盖板中，形成一个动力装置，前、后盖板对合在一起安装体，安装体上开有一个控制孔和两个流道孔，控制孔与射流元件的左控制道入口连接，两个流道孔分别与主流道左出口、主流道右出口相连接。

上述方案中隔板左右对称开有左侧流道、右侧流道，左侧流道与内套筒的左侧流道入口相连接，右侧流道与内套筒的右侧流道入口相连接。

上述方案中滚珠套的上下两端分别通过螺钉固定上运动装置套和下运动装置套，滚珠套的左右均开有直径较小的左侧流道和右侧流道，运动装置保护套的左右也开有直径较小的左侧流道和右侧流道，运动装置保护套的左侧流道与内套筒的左侧流道出口相连接，运动装置保护套的右侧流道与内套筒的右侧流道出口相连接，运动装置保护套前面、滚珠套前面均开有直径较大的流体排出口且相通，运动装置保护套后面、滚珠套后面均开有直径较大的流体排出口且相通。

上述方案中外壳短接与冲击接头通过六方套相连接，六方套内壁为六边形，六方套内壁与冲击接头的六方接头相匹配，六方套外部有外螺纹，六方套与外壳短接螺纹连接；六方套上端具有导流孔，冲击接头上端有与中心流道相通的导流孔，六方套上的导流孔与冲击接头上的导流孔一一对应且连接。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明射流元件和运动装置之间的配合作用对钻井液流干扰作用强，能够在钻头上产生很好的纵向振动，提速效果非常明显。

2.本发明采用射流元件间接控制活塞进行运动，可以大幅度提高工具的使用寿命，并且便于更换零件。

3.本发明无电子元件与易损元件，冲击过程不会对电测仪器产生干扰，有利于MWD、LWD等随钻电测仪器的稳定工作，极大减少起下钻次数，提高钻井效率。

4.本发明采用的是射流元件驱动滚珠在滚珠套内不断运动，从而带动活塞轴向运动，使钻头获得一定的冲击能量,结构简单，易于实现，成本较低，便于在油田现场的推广应用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明滚珠套的结构示意图；

图3是本发明运动装置保护套的结构示意图；

图4是本发明内套筒的结构示意图；

图5是本发明射流元件的结构示意图；

图6是本发明隔板的结构示意图；

图7是本发明外壳短接的结构示意图；

图8是本发明导流器的结构示意图；

图9是本发明六方套的结构示意图；

图10是本发明冲击接头的结构示意图；

图11是本发明滚珠套、上运动装置套、下运动装置套连接关系示意图。

图中：1.滚珠套、2.滚珠、3.下运动装置套、4.下运动装置、6.上运动装置套、7.上运动装置、8.螺钉、9.运动装置保护套、10.内套筒、11.射流元件、13.后盖板、14.隔板、15.下活塞杆、16.外壳短接、17.上活塞杆、18.导流器、19.六方套、20.冲击接头、21.铁毡、22.碟簧、23.滚珠套排液孔、24.滚珠套进液孔、25.滚珠套螺纹孔、26. 运动装置保护套进液孔入口、27. 运动装置保护套进液孔出口、28运动装置保护套排液孔、29.主流道入口、30.主流道左出口、31.主流道右出口、32.右控制道入口、33.隔板左流道、34.活塞孔、35.隔板右流道、36.中通孔、37.侧斜孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

结合图1-图11所示，这种射流式冲击器包括外壳短接16、冲击接头20、内套筒10、射流元件11、运动装置、铁砧21，外壳短接16、冲击接头20连接成筒状体，外壳短接16上部设置导流器18，导流器18固定在外壳短接16内壁，靠近外壳短接16上端口处设置，导流器18下面设置内套筒10，射流元件11、隔板14、运动装置间隔设置在内套筒10中，射流元件11滑动连接于内套筒上端口处，运动装置的上运动装置7固定上活塞杆17，上活塞杆17穿过隔板中心设置的活塞孔34与射流元件11固定连接，运动装置的下运动装置4固定下活塞杆15，下活塞杆15与铁砧21间隙配合，下活塞杆15下部外端与铁砧21上端面之间安装有碟簧22，铁砧21设置于冲击接头20的上端口处。上活塞杆17与隔板14采用间隙配合，上端与射流元件相互连接，使得上活塞杆17可以在轴向运动，并带动射流元件11上下运动。下活塞杆15上安装有碟簧22，下端与铁砧21采用间隙配合，使得下活塞杆15可以轴向运动。

运动装置包括上运动装置套6、上运动装置7、下运动装置套3、下运动装置4、滚珠2、滚珠套1、运动装置保护套9，滚珠套1的上下两端分别固定上运动装置套6和下运动装置套3，滚珠套1、上运动装置套6、下运动装置套3三者的中心均为矩形孔，滚珠套1内有滚珠2，滚珠套1矩形孔的宽度与滚珠2直径相等，以使滚珠2只能沿矩形孔内壁向左可向右直线行走，矩形孔限制滚珠2的前后运动；滚珠套1设置在运动装置保护套9中，运动装置保护套9与内套筒10固定连接；上运动装置7位于上运动装置套6，下运动装置4位于下运动装置套3，滚珠2自由处于上运动装置7和下运动装置4之间，上运动装置7的下底面与下运动装置4的上底面相对于滚珠2对称，上运动装置7的下底面与下运动装置4的上底面之间的距离自左向右逐渐减少，上运动装置7的下底面与下运动装置4的上底面右端呈弧形相向靠拢，滚珠2向右滚动时，顶着上运动装置下底面、下运动装置上底面，使上运动装置7和下运动装置4之间的距离逐渐增大，带动上活塞上行，下活塞下行。

导流器具有中通孔36和侧斜孔37；射流元件11具有中心主流道入口29、右控制道入口32、主流道左出口30、主流道右出口31，射流元件11采取单稳态单射流道非对称设计，且射流元件的右壁面相较于左壁面更加靠近中心主流道入口中心线；流体从主流道左出口30经过隔板14的左侧流道、内套筒10的左侧流道、运动装置保护套9的左侧流道、滚珠套1的左侧流道从左侧进入滚珠套1，推动滚珠2向右滚动；流体从主流道右出口31经过隔板14的右侧流道、内套筒10的右侧流道、运动装置保护套9的右侧流道、滚珠套1的的右侧流道从右侧进入滚珠套1，推动滚珠2向左滚动。

隔板14左右对称开有左侧流道（即隔板左流道33）、右侧流道（即隔板右流道35），左侧流道（隔板左流道33）与内套筒10的左侧流道入口相连接，右侧流道（隔板右流道35）与内套筒10的右侧流道入口相连接。

滚珠套1设置有滚珠套螺纹孔25，滚珠套1的上下两端分别通过螺钉8固定上运动装置套6和下运动装置套3，滚珠套1的左右均开有直径较小的左侧流道和右侧流道（即滚珠套两侧的滚珠套进液孔24），运动装置保护套9的左右也开有直径较小的左侧流道和右侧流道（即运动装置保护套两侧的运动装置保护套进液孔，运动装置保护套进液孔为直角形的，运动装置保护套进液孔入口26设置于运动装置保护套9上端面，运动装置保护套进液孔出口27设置于运动装置保护套9内壁），运动装置保护套9的左侧流道与内套筒10的左侧流道出口相连接，运动装置保护套9的右侧流道与内套筒10的右侧流道出口相连接；运动装置保护套9前面、滚珠套1前面均开有直径较大的流体排出口且相通，运动装置保护套9后面、滚珠套1后面均开有直径较大的流体排出口且相通，即滚珠套排液孔23与运动装置保护套排流孔28相通。

本实施方式射流元件11焊接在前盖板和后盖板13中，形成一个动力机构，前、后盖板对合在一起安装体，安装体上开有一个控制孔和两个流道孔，控制孔与射流元件的右控制道入口连接，两个流道孔分别与主流道左出口30、主流道右出口31相连接。

外壳短接16与冲击接头20通过六方套19相连接，六方套19内壁为六边形，六方套内壁与冲击接头的六方接头相匹配，六方套19外部有外螺纹，六方套19与外壳短接16螺纹连接；六方套19上端具有导流孔，冲击接头上端有与中心流道相通的导流孔，六方套上的导流孔与冲击接头上的导流孔一一对应且连接。

本发明工作时，冲击接头20下端连接钻头，钻井液进入外壳短接16后流入导流器内，一部分钻井液通过导流器中通孔36、射流元件的主流道入口29进入射流元件11内部；另一部分钻井液通过导流器侧斜孔37、射流元件右控制道入口进入射流元件11内部。

射流元件11采用单稳态单通道非对称设计，射流元件11的右侧开有控制道。这样设计在初始状态下可使得钻井液更易在射流元件主流道左出口30射出。

射流元件主流道左出口30射出的钻井液通过隔板14，内套筒10的流道流入运动装置中，带动滚珠2向右运动，从而带动下活塞杆15轴向运动对铁砧21产生冲击。滚珠2向右运动的同时也带动上活塞杆17向上进行运动。由射流元件11所组成的动力机构与内套筒10滑动连接，使得动力机构可以和上活塞杆17共同向上运动。

当动力机构和上活塞杆17上升到极限位置与导流器18相接触时，射流元件11的控制道被堵塞，没有钻井液流入射流元件11的控制道中，由于射流元件11右壁面相较于左壁面更加靠近射流元件的喷嘴中心线。由康达尔效应可知，射流会切换到右侧，使得滚珠2向左运动，下活塞杆15在碟簧22的作用下向上运动，上活塞杆17与运动机构由于重力作用向下运动恢复到初始位置。当射流元件11远离导流器18时，射流元件右控制道入口有钻井液流过，使得射流元件11内流体依附在射流元件11的左壁面，从射流元件主流道左出口30流出，形成一个循环，使得下活塞杆不断上下运动，对钻头进行冲击。

滚珠套1前后开有两个滚珠套排液孔23，钻井液进入滚珠套后可以通过排液孔排出，流经六方套19、冲击接头20最终流入钻头。

Claims (4)

1.一种射流式冲击器，其特征在于：这种射流式冲击器包括外壳短接（16）、冲击接头（20）、内套筒（10）、射流元件（11）、运动装置、铁砧（21），外壳短接（16）、冲击接头（20）连接成筒状体，外壳短接（16）上部设置导流器（18），导流器（18）下面设置内套筒（10），射流元件（11）、隔板（14）、运动装置间隔设置在内套筒（10）中，射流元件（11）滑动连接于内套筒（10）上端口处，运动装置的上运动装置（7）固定上活塞杆（17），上活塞杆（17）穿过隔板（14）与射流元件（11）固定连接，运动装置的下运动装置（4）固定下活塞杆（15），下活塞杆（15）与铁砧（21）间隙配合，下活塞杆（15）下部外端与铁砧（21）上端面之间安装有碟簧（22），铁砧（21）设置于冲击接头（20）的上端口处；运动装置包括上运动装置套（6）、上运动装置（7）、下运动装置套（3）、下运动装置（4）、滚珠（2）、滚珠套（1）、运动装置保护套（9），滚珠套（1）的上下两端分别固定上运动装置套（6）和下运动装置套（3），滚珠套（1）内有滚珠（2），滚珠套（1）设置在运动装置保护套（9）中，运动装置保护套（9）与内套筒（10）固定连接；上运动装置（7）位于上运动装置套（6）中，下运动装置（4）位于下运动装置套（3）中，滚珠（2）自由处于上运动装置（7）和下运动装置（4）之间，上运动装置（7）的下底面与下运动装置（4）的上底面相对于滚珠（2）对称，上运动装置（7）的下底面与下运动装置（4）的上底面之间的距离自左向右逐渐减少，上运动装置（7）的下底面与下运动装置（4）的上底面右端呈弧形相向靠拢，滚珠（2）向右滚动时，上运动装置（7）和下运动装置（4）之间的距离逐渐增大；

导流器具有中通孔（36）和侧向斜孔（37）；射流元件（11）具有中心主流道入口（29）、右控制道入口（32）、主流道左出口（30）、主流道右出口（31），射流元件（11）采取单稳态单射流道非对称设计，且射流元件（11）的右壁面相较于左壁面更加靠近中心主流道入口中心线；流体从主流道左出口（30）经过隔板（14）的左侧流道、内套筒（10）的左侧流道、运动装置保护套（9）的左侧流道、滚珠套（1）的左侧流道从左侧进入滚珠套（1），推动滚珠（2）向右滚动；流体从主流道右出口（31）经过隔板（14）的右侧流道、内套筒（10）的右侧流道、运动装置保护套（9）的右侧流道、滚珠套（1）的的右侧流道从右侧进入滚珠套（1），推动滚珠（2）向左滚动。

2.根据权利要求1所述的射流式冲击器，其特征在于：所述的射流元件（11）焊接在前盖板和后盖板（13）中，形成一个动力装置，前、后盖板对合在一起构成安装体，安装体上开有一个控制孔和两个流道孔，控制孔与射流元件的右控制道入口连接，两个流道孔分别与主流道左出口（30）、主流道右出口（31）相连接。

3.根据权利要求2所述的射流式冲击器，其特征在于：所述的隔板（14）左右对称开有左侧流道、右侧流道，左侧流道与内套筒的左侧流道入口相连接，右侧流道与内套筒的右侧流道入口相连接。

4.根据权利要求3所述的射流式冲击器，其特征在于：所述的外壳短接（16）与冲击接头（20）通过六方套（19）相连接，六方套（19）内壁为六边形，六方套（19）内壁与冲击接头（20）的六方接头相匹配，六方套（19）外部有外螺纹，六方套（19）与外壳短接（16）螺纹连接；六方套（19）上端具有导流孔，冲击接头（20）上端有与中心流道相通的导流孔，六方套（19）上的导流孔与冲击接头（20）上的导流孔一一对应且连接。

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