CN113585960B - 中心转阀式液动冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了中心转阀式液动冲击器，它的外管上端套接在上接头下部，外管下端通过螺纹与花键套连接，钻头上的花键与花键套上的花键槽配合并设置有半圆卡，在外管内，上阀座上部外侧面与外管内壁密封接触，上阀座中部和下部从外缸套顶口插入外缸套内；上阀座下部通过套接的主阀座与下阀座连接一起，阀芯为H型转筒、置于各阀座中心孔内，下阀室下部管筒套接內缸；U型开口的活塞锤圆环壁嵌装入由外缸套与內缸组成的环形缸内，活塞锤的圆柱杆穿过下缸套与钻头顶面接触。本发明的技术效果是：减小了阀芯体积，又简化了配流通道结构，使流体通道截面积大，提高运行的可靠性。

Description

中心转阀式液动冲击器

技术领域

本发明属于钻探机具，具体涉及一种转阀式液动冲击器。

背景技术

硬岩钻孔一直以来都是制约矿产资源开发、深部资源勘探、地下空间开发利用和水电站建设等普遍面临的难题，现有的各类硬岩高效钻进工艺中，以冲击回转钻进技术在硬岩中的钻进效果最好，基于该工艺方法发明的多类型风动潜孔锤和液动冲击器亦得到了广泛使用，与风动潜孔锤相比，液动冲击器具有低能耗、清洁等优点，但现有液动冲击器普遍单次冲击功和冲击频率均比风动潜孔锤要低。

中国专利CN201711459418.9公开了一种转阀式液动冲击器，它的上接头通过螺纹与上外管连接，上接头依次将压盖和阀盖固定在缸体的上端面，缸体套入上外管中，自由转动的转子套在缸体的上端外围，缸体上有各种竖向和径向的流体通道；缸体内有活塞，活塞为一根活塞杆串有上活塞头和下活塞头，端盖密封缸体下端，由定位销定位；中接头用螺纹连接上外管与下外管，活塞杆穿过端盖与锤体连接形成一个运动整体，花键套通过螺纹与下外管连接，钻头体上的花键与花键套上的花键槽配合，形成可轴向运动的装配体，锤体下底面与钻头顶面接触。它具有单次冲击功高，冲击频率高等优点。但是该专利存在以下问题：

为了保证高压钻井液的流体能量作用至活塞上，活塞面积、缸体尺寸和流体通道大小都必须足够大，由于该转子套在缸体上端，与缸体装配的转子尺寸同样较大，转子质量大，惯性大，高速运动过程中容易因碰撞变形失效；且由于转子体积过大，与转子配合的各旋转密封接触面积较大，流体稍微含有一点杂质或者转子变形就卡堵。因此如何减小转子体积是现有技术所面临的一个技术难题。

另外，该专利的流体通道结构复杂，各流体通道间密封困难，造成高压钻井液流体能量泄流损失而不能有效运行。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种中心转阀式液动冲击器，它既能减小阀芯体积，又能简化配流通道结构，使流体通道截面积大，提高运行的可靠性。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括上接头、外管、钻头和花键套，外管上端套接在上接头下部，外管下端通过螺纹与花键套连接，钻头上的花键与花键套上的花键槽配合，形成可轴向运动的装配体，钻头顶部设置有防止钻头从花键套中脱落的半圆卡；

在外管内，上阀座上部外侧面与外管内壁密封接触，上阀座顶面由上接头下底面限位，上阀座中部和下部从外缸套顶口插入外缸套内；

在外缸套内，上阀座中部外侧与外缸套内壁密封接触，上阀座下部通过套接的主阀座与下阀座连接一起，阀芯为H型转筒、置于各阀座中心孔内，分别与上阀座、主阀座和下阀座的内壁转动配合，阀芯由阀芯中部外凸缘与对应主阀座内壁的环形槽转向限位，下阀座下部管筒套接内缸；

U型开口的活塞锤圆环壁嵌装入由外缸套与内缸组成的环形缸内，内缸插入活塞锤的U型开口内，内缸的底口台阶与U型开口底面确定活塞锤上升行程；

在外管中部，外缸套底座紧密插入衬套顶口，活塞锤下部在衬套内滑动，下缸套落入外管下部台阶位，下缸套的顶边紧密插入衬套底口，活塞锤的圆柱杆穿过下缸套与钻头顶面接触。

特别地，上述中心转阀式液动冲击器的流体通道布设为：第一流体通道I从上接头中心孔、上阀座中心孔、上阀座与外缸套侧壁开口以及外管内壁与外缸套外侧壁之间空隙向下伸展，第一流体通道I中部与第三流体通道III连通、底端连接第十流体通道X；

阀芯上腔侧壁开有第二流体通道II，上阀座下部侧壁设有对应于阀芯第二流体通道II的第三流体通道III；

阀芯上腔底侧壁开有第四流体通道IV，主阀座的环形槽构成第十三流体空间XIII，高压流体通过第四流体通道IV始终与第十三流体空间XIII保持联通；

主阀座环形槽的边齿上沿轴向向下开有第十四流体空间XIV，第十四流体空间XIV设有正对阀芯中部外凸缘侧边的液压开口；

阀芯下腔侧壁开有第六流体通道VI，下阀座上部侧壁设有对应于阀芯第六流体通道VI的第七流体通道VII；

由外缸套内壁与上阀座、主阀座及下阀座外侧壁缝隙构成第五流体通道V；内缸壁上从底部开有竖直向上的第八流体通道VIII，第八流体通道VIII承接内缸顶部与下阀座之间缝隙和下阀座从内缸底开设的向上的流道，接至第十四流体空间XIV；第八流体通道VIII的内缸底口塞有堵头；内缸底口的堵头上方侧壁有开口构成第十一流体通道XI；第十一流体通道XI高度与活塞锤下死点位置的圆环壁开口高度及第十流体通道X上方开口段的高度相配合；

活塞锤上方的外缸套与内缸之间空间构成第九流体空间IX；外缸套底座上方开口与活塞锤中段外径缩小形成间隙相通构成第十流体通道X；下缸套上方的衬套与活塞锤下部留存空间构成第十二流体空间XII，第十流体通道X与第十二流体空间XII始终连通；由阀芯下腔体、内缸中心孔、活塞锤中心孔和钻头中心孔相互连通构成孔底低压空间。

本发明的技术效果是：

除具有专利CN201711459418.9的全部优点外，还具有以下技术效果：

1、本发明将阀芯置于外缸套内的阀座组合之中，阀芯体积能做到很小，各配合接触端面较小，不易卡堵，易于密封，阀体质量大幅减小，相同转动速度下惯性力减小，不易发生碰撞变形；

2、与专利CN201711459418.9在缸体上加工复杂的流体通道相比，本发明的流体通道布置到外圆直径较大的外管、外缸套与内缸之间，无需在缸体上通过复杂工艺加工流体通道，显著简化了流体通道结构；又增大了流体通道的过流断面积，使流体流动畅通，减少故障发生。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1a为本发明上段的结构示意图；

图1b为本发明下段的结构示意图；

图1a下端与图1b上端组成整体。

图2为图1a中A—A剖面图；

图3为图1a中B—B剖面旋转图；

图4为图1a中C—C剖面旋转图；

图5为图1a中D—D剖面图。

图中，1、上接头；2、外管；3、外缸套；4、上阀座；5、主阀座；6、阀芯；7下阀座；8、内缸；9、活塞锤；10、衬套；11、下缸套；12、衬管；13、半圆卡；14、钻头；15、花键套。

I—第一流体通道；II—第二流体通道；III—第三流体通道；IV—第四流体通道；V—第五流体通道；VI—第六流体通道，VII—第七流体通道，VIII—第八流体通道，IX—第九流体空间，X—第十流体通道，XI—第十一流体通道，XII—第十二流体空间，XIII—第十三流体空间，XIV—第十四流体空间。

实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

为了清楚描述发明内容，本专利申请使用方位词“上”、“下”进行区别，所述“上”、“下”是依据以上附图的布设方位来确定的，在本发明的实际使用方向发生改变，其方位的称谓随之改变，不能视为对专利保护范围的限制。

如图1a和图1b所示，本发明包括上接头1、外管2、钻头14和花键套15，外管2上端套接在上接头1下部，外管2下端通过螺纹与花键套15连接，钻头14上的花键与花键套15上的花键槽配合，形成可轴向运动的装配体，钻头14顶部设置有防止钻头从花键套中脱落的半圆卡13；

在外管2内，上阀座4上部外侧面与外管2内壁密封接触，上阀座4顶面由上接头1下底面限位，上阀座4中部和下部从外缸套3顶口插入外缸套内；

在外缸套3内，上阀座4中部外侧与外缸套3内壁密封接触，上阀座4下部通过套接的主阀座5与下阀座7连接一起，阀芯6为H型转筒、置于各阀座中心孔内，分别与上阀座4、主阀座5和下阀座7的内壁转动配合，阀芯6由阀芯中部外凸缘与对应主阀座5内壁的环形槽转向限位，并由上阀座4和下阀座7在主阀座5的环形槽上、下边形成的台阶限制阀芯6中部外凸缘的轴向位置，下阀座7下部管筒套接内缸8；

U型开口的活塞锤9圆环壁嵌装入由外缸套3与内缸8组成的环形缸内，内缸8插入活塞锤9的U型开口内，内缸8的底口台阶与U型开口底面确定活塞锤9上升行程；

在外管2中部，外缸套3底座紧密插入衬套10顶口，活塞锤9下部在衬套10内滑动，下缸套11落入外管2下部台阶位，下缸套11的顶边紧密插入衬套10底口，活塞锤9的圆柱杆穿过下缸套11与钻头14顶面接触。

如图1a所示，第一流体通道I从上接头1中心孔、上阀座4中心孔、上阀座4与外缸套3侧壁开口以及外管2内壁与外缸套3外侧壁之间空隙向下伸展，第一流体通道I中部与第三流体通道III连通、底端连接第十流体通道X；

如图1a和图2所示，阀芯6上腔侧壁开有第二流体通道II，上阀座4下部侧壁设有对应于阀芯6第二流体通道II的第三流体通道III。

如图1a和图3所示，阀芯6上腔底侧壁开有第四流体通道IV，主阀座5的环形槽构成第十三流体空间XIII，高压流体通过第四流体通道IV始终与第十三流体空间XIII保持联通，使第十三流体空间XIII始终是高压状态。一旦第十四流体空间XIV进入高压流体时，由于第十四流体空间XIV与第十三流体空间XIII两个的作用面积差会产生压力，推动阀芯6按图3的逆时针方向转动，一旦第十四流体空间XIV空间流体卸压时，引起阀芯6按图3的顺时针方向转动，实现阀芯的往复旋转。

如图1a和图4所示，主阀座5环形槽的边齿上沿轴向向下开有第十四流体空间XIV，第十四流体空间XIV设有正对阀芯6中部外凸缘侧的有液压开口。第十四流体空间XIV是阀芯的另一个驱动流体空间，当活塞锤9位于图1所示的位置时，高压流体通过第一流体通道I、第十流体通道X、第十一流体通道XI进入到第八流体通道VIII，然后进入到第十四流体空间XIV，驱动阀芯6转动。

如图1a和图5所示，阀芯6下腔侧壁开有第六流体通道VI，下阀座7上部侧壁设有对应于阀芯6第六流体通道VI的第七流体通道VII。

如图1a所示，由外缸套3内壁与上阀座4、主阀座5及下阀座7外侧壁缝隙构成第五流体通道V；内缸8壁上从底部开有竖直向上的第八流体通道VIII，第八流体通道VIII承接内缸8顶部与下阀座7之间缝隙和下阀座7从内缸底开设的向上的流道，接至第十四流体空间XIV；第八流体通道VIII的内缸底口塞有堵头；内缸8底口的堵头上方侧壁有开口构成第十一流体通道XI；第十一流体通道XI高度与活塞锤9下死点位置的圆环壁开口高度及第十流体通道X上方开口段的高度相配合；

活塞锤9上方的外缸套3与内缸8之间空间构成第九流体空间IX；外缸套3底座上方开口与活塞锤9中段外径缩小形成间隙相通构成第十流体通道X，下缸套11上方的衬套10与活塞锤9下部留存空间构成第十二流体空间XII，第十流体通道X与第十二流体空间XII始终连通；由阀芯6下腔体、内缸8中心孔、活塞锤9中心孔和钻头14中心孔相互连通构成孔底低压空间。

如图1b所示,衬管12套入外管2下段，通过外管2下部台阶的下方阶面确定轴向位置，衬管12与花键套15共同限定半圆卡13的位置。

本发明的工作原理：

当活塞锤9恰好运动到下死点位置时，如图1所示，高压流体从第一流体通道I、第十流体通道X、第十一流体通道XI、第八流体通道VIII进入到顶部主阀座5的第十四流体空间XIV，使主阀座5环形槽构成的第十三流体空间XIII与第十四流体空间XIV内的流体压强相等且处于高压状态，由于第十三流体空间XIII与第十四流体空间XIV面积差的作用，阀芯6旋转适当的角度。

阀芯6的旋转导致第二流体通道II和第四流体通道IV断开联通（图2和图3的阀芯转位），第六流体通道VI和第七流体通道VII联通（图5的阀芯通道正对），同时第六流体通道VI与孔底低压空间直接相通，导致活塞锤9顶面第九流体空间IX经第七流体通道VII后，进入低压状态，而活塞锤9底面第十二流体空间XII处于高压状态，活塞锤9在第十二流体空间XII高压流体的作用下向上运动；活塞锤9顶面第九流体空间IX内流体通过第五流体通道V、第六流体通道VI、第七流体通道VII排至孔底。

同时第十一流体通道XI与第十流体通道X断开联通，且在活塞锤9向上运动到一定位置时第十一流体通道XI与孔底低压空间联通，第十四流体空间XIV通过第八流体通道VIII、第十一流体通道XI与孔底低压空间联通；

而第十三流体空间XIII通过第一流体通道I、第四流体通道IV始终处于高压状态，导致阀芯6在十三流体空间XIII与十四流体空间XIV的压力差作用下旋转一定角度返回到初始位置。

第二流体通道II与第三流体通道III连通（图2所示），第六流体通道VI与第七流体通道VII断开（图5所示）；高压流体通过第一流体通道I、第二流体通道II、第三流体通道III和第五流体通道V进入活塞锤9顶面第九流体空间IX，高压流体还通过第一流体通道I以及第十流体通道X进入第十二流体空间XII，由于活塞锤9在第九流体空间IX端的面积大于第十二流体空间XII端的面积，导致活塞锤9逐渐向下加速运动，直至冲击到钻头14；回到图1所示的下死点位置，活塞锤9完成一个周期循环，在阀芯6与活塞锤9的运动相互配合下如此往复，实现冲击作用。

Claims (3)

1.中心转阀式液动冲击器，包括上接头（1）、外管（2）、钻头（14）和花键套（15），外管（2）上端套接在上接头（1）下部，外管（2）下端通过螺纹与花键套（15）连接，钻头（14）上的花键与花键套（15）上的花键槽配合，形成可轴向运动的装配体，钻头（14）顶部设置有防止钻头从花键套中脱落的半圆卡（13），其特征是：

在外管（2）内，上阀座（4）上部外侧面与外管（2）内壁密封接触，上阀座（4）顶面由上接头（1）下底面限位，上阀座（4）中部和下部从外缸套（3）顶口插入外缸套内；

在外缸套（3）内，上阀座（4）中部外侧与外缸套（3）内壁密封接触，上阀座（4）下部通过套接的主阀座（5）与下阀座（7）连接一起，阀芯（6）为H型转筒、置于各阀座中心孔内，分别与上阀座（4）、主阀座（5）和下阀座（7）的内壁转动配合，阀芯（6）由阀芯中部外凸缘与对应主阀座（5）内壁的环形槽转向限位，下阀座（7）下部管筒套接内缸（8）；

U型开口的活塞锤（9）圆环壁嵌装入由外缸套（3）与内缸（8）组成的环形缸内，内缸（8）插入活塞锤（9）的U型开口内，内缸（8）的底口台阶与U型开口底面确定活塞锤（9）上升行程；

在外管（2）中部，外缸套（3）底座紧密插入衬套（10）顶口，活塞锤（9）下部在衬套（10）内滑动，下缸套（11）落入外管（2）下部台阶位，下缸套（11）的顶边紧密插入衬套（10）底口，活塞锤（9）的圆柱杆穿过下缸套（11）与钻头（14）顶面接触。

2.根据权利要求1所述的中心转阀式液动冲击器，其特征是，其流体通道布设为：

第一流体通道I从上接头（1）中心孔、上阀座（4）中心孔、上阀座（4）与外缸套（3）侧壁开口以及外管（2）内壁与外缸套（3）外侧壁之间空隙向下伸展，第一流体通道I中部与第三流体通道III连通、底端连接第十流体通道X；

阀芯（6）上腔侧壁开有第二流体通道II，上阀座（4）下部侧壁设有对应于阀芯（6）第二流体通道II的第三流体通道III；

阀芯（6）上腔底侧壁开有第四流体通道IV，主阀座（5）的环形槽构成第十三流体空间XIII，高压流体通过第四流体通道IV始终与第十三流体空间XIII保持连通；

主阀座（5）环形槽的边齿上沿轴向向下开有第十四流体空间XIV，第十四流体空间XIV设有正对阀芯（6）中部外凸缘侧边的液压开口；

阀芯（6）下腔侧壁开有第六流体通道VI，下阀座（7）上部侧壁设有对应于阀芯（6）第六流体通道VI的第七流体通道VII；

由外缸套（3）内壁与上阀座（4）、主阀座（5）及下阀座（7）外侧壁缝隙构成第五流体通道V；内缸（8）壁上从底部开有竖直向上的第八流体通道VIII，第八流体通道VIII承接内缸（8）顶部与下阀座（7）之间缝隙和下阀座（7）从内缸底开设的向上的流道，接至第十四流体空间XIV；第八流体通道VIII的内缸底口塞有堵头；内缸（8）底口的堵头上方侧壁有开口构成第十一流体通道XI；第十一流体通道XI高度与活塞锤（9）下死点位置的圆环壁开口高度及第十流体通道X上方开口段的高度相配合；

活塞锤（9）上方的外缸套（3）与内缸（8）之间空间构成第九流体空间IX；外缸套（3）底座上方开口与活塞锤（9）中段外径缩小形成间隙相通构成第十流体通道X，下缸套11上方的衬套（10）与活塞锤（9）下部留存空间构成第十二流体空间XII，第十流体通道X与第十二流体空间XII始终连通；由阀芯（6）下腔体、内缸（8）中心孔、活塞锤（9）中心孔和钻头（14）中心孔相互连通构成孔底低压空间。

3.根据权利要求2所述的中心转阀式液动冲击器，其特征是，衬管（12）套入外管（2）下段，通过外管（2）下部台阶的下方阶面确定轴向位置，衬管（12）与花键套（15）共同限定半圆卡（13）的位置。