CN113756709B - 一种高效辅助破岩的复合冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高效辅助破岩的复合冲击器，包括冲击器部分、液压马达部分、流量阀部分；冲击器部分包括周向冲击部分和轴向冲击部分，周向冲击部分包括弹簧二、弹簧套筒、周向锤座、周向锤、止推轴承、弹簧垫、活塞锤；轴向冲击部分包括密封圈二、振动轴；液压马达部分包含马达定子、马达转子、马达套筒，在马达套筒内固定有马达定子，在马达定子内安装马达转子；所述流量阀部分包括流量头、流量座，流量头和流量座轴向连接，流量座固定在马达套筒内壁上，在流量头和流量座上设有对应的流道孔。本发明能够实现轴向和周向的负荷冲击钻井，且在过程中保障装置的连接和运动稳定，不易损坏，延长使用寿命。

Description

一种高效辅助破岩的复合冲击器

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，特别涉及一种冲击器，具体是一种高效辅助破岩的复合冲击器。

背景技术

随着油气资源的不断开采和利用，浅层以及易开采的油气资源早已被利用，现目前油气资源主要向深硬地层开发钻探，深硬地层所遇到的复杂性和可钻性对钻井有更大的挑战，对于常规的回转钻进技术在深硬地层的可行性大大降低。所遇到硬地层卡钻、钻速低、钻头消耗大的问题更容易出现。

相比于普通钻井方式，复合冲击破岩通过轴向冲击使得钻进时有利于破碎井底的脆性大或者脆性不均匀的岩石，破碎后稍大的岩屑不仅可以降低黏滑效应，还作为地质研究的资料分析井底情况。轴向冲击可使钻头获得更高的轴向破岩能量，从而使钻头具有更高的破岩效率。复合冲击的实质就是利用复合冲击钻具形成高频轴向和周向振动，改变钻头破岩的方式，使整个钻柱的扭矩保持在一个合理的范围内，并得到稳定释放，提高破岩效率和机械钻速。想要实现复合冲击破岩，就需要研制复合冲击钻具。

集轴向冲击和周向冲击于一体的复合冲击器，相比于单一周向冲击器，加上轴向冲击后对岩石的不断冲击，使其沿着轴向破碎并扩散裂纹，可以提高周向切削破除岩屑的效率，对破岩效果和效率表现更好。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种高效辅助破岩的复合冲击器，其能够实现轴向和周向的负荷冲击钻井，且在过程中保障装置的连接和运动稳定，不易损坏，延长使用寿命。

本发明的技术方案是：

一种高效辅助破岩的复合冲击器，包括依次连接的冲击器部分、液压马达部分、流量阀部分；

所述冲击器部分包括周向冲击部分和轴向冲击部分，所述周向冲击部分包括弹簧二、弹簧套筒、周向锤座、周向锤、止推轴承、弹簧垫、活塞锤；所述轴向冲击部分包括密封圈二、振动轴；

活塞锤为空心管状结构，一端设有向外延伸的台阶，在台阶下方设有弹簧二，弹簧套筒为空心管状结构，其一端设有向内延伸的台阶，活塞锤的延伸段外径与弹簧套筒的非台阶部分的内径相配合，弹簧二的另一端设置于弹簧套筒8的台阶上；在弹簧套筒的台阶段一侧连接周向锤座，周向锤座中部内侧设有一个突出的圆环形台阶，在圆环形台阶内设有周向锤，周向锤的两端均设有止推轴承，止推轴承的两端分别连接在圆环形台阶和弹簧套筒的端面之间，将周向锤在轴向上固定；所述周向锤为中空圆筒结构，其内侧设有至少1条斜向通槽，其外侧设有至少1条凸棱，所述活塞锤的一端插入周向锤内，且活塞锤上设有与周向锤的斜向通槽相匹配的斜向凸棱，作为冲耳，通过冲耳在周向锤的斜向凹槽内运动，周向锤座内壁设有对应周向锤的凸棱的槽，周向锤通过凸棱与周向锤座的槽连接，当周向锤转动的时候带动周向锤座转动。

在周向锤座的圆环形台阶另一端设有振动轴，振动轴和周向锤座之间有一段空隙，用于放置弹簧一，让弹簧一上下分别连接振动轴和周向锤座的圆环形台阶；

所述液压马达部分包含马达定子、马达转子、马达套筒，马达套筒连接在弹簧套筒的另一端，在马达套筒内固定有马达定子，在马达定子内安装螺杆状的马达转子，马达转子在靠近活塞锤的一端设有圆筒，在圆筒上设有多个流道槽，且圆筒末端与活塞锤接触；

所述流量阀部分包括流量头、流量座，流量头和流量座轴向连接，流量座固定在马达套筒内壁上，流量头为旋转结构，在流量头和流量座上设有对应的流道孔。

进一步的，周向锤内的斜向通槽轨迹设计使用螺旋轨迹。

进一步的，所述活塞锤在其延伸段的外径上也设有凸棱，且该延伸段凸棱对应的弹簧套筒设有槽，用于与延伸段的凸棱相配合，延伸段在上下运动的过程中顺着弹簧套筒的槽运动，以避免其发生旋转。

进一步的，在活塞锤与马达转子接触的位置设有台阶，在台阶内安装有推力轴承，从而实现马达转子和活塞锤的相对转动。

进一步的，所述振动轴在靠近弹簧一的一端设有限位螺母，限位螺母内侧设有螺纹，在振动轴用于安装限位螺母的位置设有对应的螺纹且长度大于限位螺母的螺纹长度，限位螺母可在振动轴上移动，以调节限位螺母的位置，进而调节适应的弹簧一的长度。

进一步的，所述流量座和流量头的流道孔均设有至少2个，且每一个流道孔的大小不同，在转动一周之内，至少有一次流量座的流道孔会和流量头的流道孔重合。

进一步的，所述流量座分为大段和小段，大段的外径大于小段的外径，在大段上设有至少一个凸棱，并在马达套筒内设有对应流量座的凸棱的槽，马达套筒的槽用于限定凸棱的周向旋转移动，在流量座上下移动的时候，通过流量座的凸棱在马达套筒的槽内上下移动；在大段和小段之间设有锥螺纹，并在马达套筒内也设有对应的锥螺纹，通过锥螺纹让流量座固定到马达套筒内，

进一步的，在周向锤座和振动轴之间还设有密封套管，密封套管连接在周向锤座上，并且在密封套管内侧设有密封槽，密封槽内安装有密封圈一，实现密封套管和振动轴之间接触面的密封。

进一步的，在流量座的窄端设有密封槽，在密封槽内安装有密封圈二，实现流量座17和马达套筒之间接触面的密封。

进一步的，所述流量座与流量头连接的位置设有一段沉孔，流量头的一端放入沉孔内，保持间隙配合，在流量头的流道孔下方设有一段正向的锥形段，正向的锥形段后设有另一段反向的锥形段，反向的锥形段大径小于正向的锥形段，在马达转子对应反向的锥形段处设有锥形孔，用于容纳流量头的反向的锥形段。

本发明的有益效果是：

通过设置周向和轴向两套冲击装置，能够有效的实现在钻进作业中破岩的效果，提高钻井效率，并且通过对结构的设计，使其具备更好的运动效果，保持更长的使用寿命。

附图说明

图1为本发明优选实例一个极限状态的结构示意图；

图2为图1中A-A截面的放大图；

图3为图1中流量座区域的放大图；

图4为图1中弹簧一区域的放大图；

图5为本发明图1中A-A截面图；

图6为本发明图1中流量头的立体图；

图7为本发明图1中流量座的立体图；

图8为本发明图1中周向锤的立体图；

图9为本发明图1中活塞锤的立体图。

图中所示：

1.振动轴，2.密封圈二，3.密封套管，4.弹簧一，5.限位螺母，6.周向锤座，7.止推轴承，8.套筒，9.弹簧二，10.弹簧垫，11.活塞锤，12.马达套筒，13.马达定子，14.马达转子，15.流量头，16.密封圈二，17.流量座，18.周向锤，19.流道槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-9所示，一种高效辅助破岩的复合冲击器，包括依次连接的冲击器部分、液压马达部分、流量阀部分；

所述冲击器部分包括周向冲击部分和轴向冲击部分，所述周向冲击部分包括弹簧二9、弹簧套筒8、周向锤座6、周向锤18、止推轴承7、弹簧垫10、活塞锤11；所述轴向冲击部分包括密封圈二16、振动轴1；

活塞锤11为空心管状结构，一端设有向外延伸的台阶，在台阶下方设有弹簧二9，弹簧套筒8为空心管状结构，其一端设有向内延伸的台阶，活塞锤11的延伸段外径与弹簧套筒的非台阶部分的内径相配合，弹簧二9的另一端设置于弹簧套筒8的台阶上；在弹簧套筒8的台阶段一侧连接周向锤座6，周向锤座6中部内侧设有一个突出的圆环形台阶，在圆环形台阶内设有周向锤，周向锤18的两端均设有止推轴承7，止推轴承7的两端分别连接在圆环形台阶和弹簧套筒8的端面之间，将周向锤18在轴向上固定；所述周向锤18为中空圆筒结构，其内侧设有至少1条斜向通槽，其外侧设有至少1条凸棱，所述活塞锤11的一端插入周向锤18内，且活塞锤11上设有与周向锤18的斜向通槽相匹配的斜向凸棱，作为冲耳，通过冲耳在周向锤18的斜向凹槽内运动，周向锤座6内壁设有对应周向锤18的凸棱的槽，周向锤18通过凸棱与周向锤座6的槽连接，当周向锤18转动的时候带动周向锤6座转动，周向锤18内的斜向通槽轨迹设计使用螺旋轨迹，使活塞锤11在上下移动的时候能更顺畅的运动，且本结构相比于其他单面接触的滑动结构，能通过槽型在两面进行限位，减少单面承受的压力，且减少内部定位时产生的震动，提高产品的使用寿命。

在周向锤座6的圆环形台阶另一端设有振动轴1，振动轴1和周向锤座6之间有一段空隙，用于放置弹簧一4，让弹簧一4上下分别连接振动轴1和周向锤座6的圆环形台阶；

所述液压马达部分为螺杆泵结构，包含马达定子13、马达转子14、马达套筒12，马达套筒12连接在弹簧套筒8的另一端，在马达套筒内固定有马达定子13，在马达定子13内安装螺杆状的马达转子14，马达转子14在靠近活塞锤11的一端设有圆筒，在圆筒上设有多个流道槽，且圆筒末端与活塞锤11接触；

所述流量阀部分包括流量头15、流量座17，流量头15和流量座17轴向连接，流量座17固定在马达套筒12内壁上，流量头15为旋转结构，在流量头15和流量座17上设有对应的流道孔。

所述活塞锤11在其延伸段的外径上也设有凸棱，且该延伸段凸棱对应的弹簧套筒8设有槽，用于与延伸段的凸棱相配合，延伸段在上下运动的过程中顺着弹簧套筒8的槽运动，以避免其发生旋转。在活塞锤11与马达转子14接触的位置设有台阶，在台阶内安装有推力轴承，从而实现马达转子14和活塞锤11的相对转动。

所述振动轴1在靠近弹簧一4的一端设有限位螺母5，限位螺母5内侧设有螺纹，在振动轴1用于安装限位螺母5的位置设有对应的螺纹且长度大于限位螺母的螺纹长度，限位螺母5可在振动轴上移动，以调节限位螺母5的位置，进而调节适应的弹簧一4的长度。限位螺母5可以用1个或2个，确保其固定的位置在使用过程中不发生变位，能有效固定所需长度、所述限位螺母5为直角梯形结构，其直边靠近周向锤座6，其斜边的短边侧靠近外侧，以便让弹簧一4的端部贴紧振动轴1的螺纹段，保护螺纹。

所述流量座17与流量头15连接的位置设有一段沉孔，流量头1的一端放入沉孔内，保持间隙配合，在流量头15的流道孔下方设有一段正向的锥形段，正向的锥形段后设有另一段反向的锥形段，反向的锥形段大径小于正向的锥形段，在马达转子14对应反向的锥形段处设有锥形孔，用于容纳流量头15的反向的锥形段。所述流量座17和流量头15的流道孔均设有4个，且每一个流道孔的大小不同，在转动一周之内，至少有一次流量座17的流道孔会和流量头15的流道孔重合。所述流量座17分为大段和小段，大段的外径大于小段的外径，在大段上设有至少一个凸棱，并在马达套筒12内设有对应流量座17的凸棱的槽，马达套筒12的槽用于限定凸棱的周向旋转移动，在流量座17上下移动的时候，通过流量座17的凸棱在马达套筒12的槽内上下移动；在大段和小段之间设有锥螺纹，并在马达套筒12内也设有对应的锥螺纹，通过锥螺纹让流量座17固定到马达套筒12内。当液流从流量座17上方经过流量座17和流量头15孔道时，由于孔道的大小不同，在个方向产生不同压力而给予马达一个初速度，液力马达驱动流量头15旋转，通过流量头15特殊设计的流量孔和限流器上特殊设计的流量孔之间不同的配合状况来控制流量的大小。当流动头的端口进出时，在钻井液中产生不同的压力峰值模式与限流器端口对准，进而在钻柱中产生不同的钻井液流量及压力。

本实施例中优选的，在周向锤座6和振动轴1之间还设有密封套管3，密封套管3连接在周向锤座6上，并且在密封套管3内侧设有密封槽，密封槽内安装有密封圈一2，实现密封套管3和振动轴1之间接触面的密封。

在流量座17的窄端设有密封槽，在密封槽内安装有密封圈二16，实现流量座17和马达套筒12之间接触面的密封。

整个工具的外壳分成4个部分，每个部分方便设计一个作用，从头到尾分别为马达套筒12、套筒8、周向锤座6、密封套管3，不同套管之间通过螺纹连接。

流量头15和流量座17孔道的直径和个数配比使马达能不间断周期性的高效运转。液流从马达套筒12进入，依次通过流量座17和流量头15的孔道后，驱动马达转子14旋转，液流顺着定子13与转子14孔隙进入活塞锤11上面空腔，继续从转子14末端的均匀分布的三个孔道流入活塞锤11中间空腔，液流顺着空腔流向振动锤，最后钻井液从钻头设计的孔道中流出。在流量头15的流道与流量座17的流道不重合的时候，推动流量座17向下移动，并让马达转子14转动，马达转子14带动流量头15转动，然后，当流量头15的流道与流量座17的流道重合，液流从流道穿过，随着流量头15和流量座17的相对转动，每次重合的流道发生变化，让流量发生周期性变化，从而让马达转子14快速上下移动，实现冲击，高效运转。

在使用过程中：冲击器根据钻井液流动产生的流体压力变化，扩展和收缩中心空腔。由液体能通过流量阀和转子转换成机械能作用于止推轴承7并简介作用在活塞锤11上，使得活塞锤11产生往复运动，周向冲击器通过斜槽将活塞锤11的轴向运动改为周向锤18的周向运动，周向锤18旋转后会冲击在外面的锤座上，从而产生周向的冲击力。其中活塞锤11安装在套筒8中，可以上下运动，活塞锤11上具有限位结构，与其配合的套筒8上有相对应的限位槽，活塞锤11配合在限位槽上防止活塞锤11周向转动，因为活塞锤11需要进行周向冲击，在与周向锤18作用时会产生周向的扭转力矩，如果不设计限位装置，则无法驱动周向锤18产生周向转动，无法产生周向冲击。所以设计了一个滑槽型的限位装置。活塞锤11上方有用于保护的弹簧垫10，弹簧位于冲击锤与套管之间，主要用于活塞锤11的复位与提高反向冲击速度。活塞锤11的冲击筒上加工有冲耳，冲耳与周向锤18之间紧密配合，活塞锤11的上下脉冲运动通过冲耳与限位槽的配合转化为周向锤18的旋转脉冲运动。周向锤18周向脉冲旋转后会与外面的周向锤座6发生撞击，让周向锤座6产生周向振动，这种振动传递给钻头起到去除或降低黏滑效应的效果并提高破岩钻井效率。

同时，轴向冲击器利用活塞锤11上下运动冲击冲击轴产生轴向冲击力，并将这种冲击力传递给钻头，提高钻井效率。活塞锤11上方是振动轴1，活塞锤11的冲击筒套在振动轴1的大孔内，振动轴1安装在密封套内，振动轴1小端头部加工有螺纹，振动轴1小端从密封套上口装入，然后将弹簧一4装在振动轴1小端上，再将限位螺母5拧紧，弹簧一4的一端抵在密封套上另一头抵在限位螺母5上，弹簧亿4的弹力将振动轴1顶在下限位置，密封套管3与周向锤座6用55°密封管螺纹连接，周向锤座6与套筒8也用55°密封套管3螺纹连接活塞锤11安装在套筒8中。活塞锤11在最底部时冲击筒与振动轴1之间有一定距离，当钻井液压力达到工作压力时，活塞锤11开始向上运动，其运动到振动轴1位置时还具有一定速度，这时活塞锤11冲击振动轴1后振动轴1开始向上运动，在活塞锤11到达位置上限后，振动轴1在惯性作用下继续向上运动一段距离，振动轴1向上运动时受到的力所做的功大部分转化为弹簧的弹力势能，在活塞锤11进入下行阶段后振动轴1也在弹簧作用下向下运动，这样的上下运动传递到钻头后就对岩石产生了轴向冲击，增强了破岩效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种高效辅助破岩的复合冲击器，包括依次连接的冲击器部分、液压马达部分、流量阀部分；

其特征在于，所述冲击器部分包括周向冲击部分和轴向冲击部分，所述周向冲击部分包括弹簧二(9)、弹簧套筒(8)、周向锤座(6)、周向锤(18)、止推轴承(7)、活塞锤(11)；所述轴向冲击部分包括密封圈二(16)、振动轴(1)；

活塞锤(11)为空心管状结构，一端设有向外延伸的台阶，在台阶下方设有弹簧二(9)，弹簧二(9)上下都设有弹簧垫(10)，弹簧套筒(8)为空心管状结构，其一端设有向内延伸的台阶，活塞锤(11)的延伸段外径与弹簧套筒的非台阶部分的内径相配合，弹簧二(9)的另一端设置于弹簧套筒(8)的台阶上；在弹簧套筒(8)的台阶段一侧连接周向锤座(6)，周向锤座(6)中部内侧设有一个突出的圆环形台阶，在圆环形台阶内设有周向锤，周向锤(18)的两端均设有止推轴承(7)，止推轴承(7)的两端分别连接在圆环形台阶和弹簧套筒(8)的端面之间，将周向锤(18)在轴向上固定；所述周向锤(18)为中空圆筒结构，其内侧设有至少1条斜向通槽，其外侧设有至少1条凸棱，所述活塞锤(11)的一端插入周向锤(18)内，且活塞锤(11)上设有与周向锤(18)的斜向通槽相匹配的斜向凸棱，作为冲耳，通过冲耳在周向锤(18)的斜向凹槽内运动，周向锤座(6)内壁设有对应周向锤(18)的凸棱的槽，周向锤(18)通过凸棱与周向锤座(6)的槽连接，当周向锤(18)转动的时候带动周向锤座(6)转动；

在周向锤座(6)的圆环形台阶另一端设有振动轴(1)，振动轴(1)和周向锤座(6)之间有一段空隙，用于放置弹簧一(4)，让弹簧一(4)上下分别连接振动轴(1)和周向锤座(6)的圆环形台阶；

所述液压马达部分包含马达定子(13)、马达转子(14)、马达套筒(12)，马达套筒(12)连接在弹簧套筒(8)的另一端，在马达套筒(12)内固定有马达定子(13)，在马达定子(13)内安装螺杆状的马达转子(14)，马达转子(14)在靠近活塞锤(11)的一端设有圆筒，在圆筒上设有多个流道槽，且圆筒末端与活塞锤(11)接触；

所述流量阀部分包括流量头(15)、流量座(17)，流量头(15)和流量座(17)轴向连接，流量座(17)固定在马达套筒(12)内壁上，流量头(15)为旋转结构，在流量头(15)和流量座(17)上设有对应的流道孔。

2.根据权利要求1所述的一种高效辅助破岩的复合冲击器，其特征在于，周向锤(18)内的斜向通槽轨迹设计使用螺旋轨迹。

3.根据权利要求2所述的一种高效辅助破岩的复合冲击器，其特征在于，所述活塞锤(11)在其延伸段的外径上也设有凸棱，且该延伸段凸棱对应的弹簧套筒(8)设有槽，用于与延伸段的凸棱相配合，延伸段在上下运动的过程中顺着弹簧套筒(8)的槽运动，以避免其发生旋转。

4.根据权利要求3所述的一种高效辅助破岩的复合冲击器，其特征在于，在活塞锤(11)与马达转子(14)接触的位置设有台阶，在台阶内安装有推力轴承，从而实现马达转子(14)和活塞锤(11)的相对转动。

5.根据权利要求4所述的一种高效辅助破岩的复合冲击器，其特征在于，所述振动轴(1)在靠近弹簧一(4)的一端设有限位螺母(5)，限位螺母(5)内侧设有螺纹，在振动轴(1)用于安装限位螺母(5)的位置设有对应的螺纹且长度大于限位螺母的螺纹长度，限位螺母(5)可在振动轴上移动，以调节限位螺母的位置，进而调节适应的弹簧一(4)的长度。

6.根据权利要求5所述的一种高效辅助破岩的复合冲击器，其特征在于，所述流量座(17)和流量头(15)的流道孔均设有至少2个，且每一个流道孔的大小不同，在转动一周之内，至少有一次流量座(17)的流道孔会和流量头(15)的流道孔重合。

7.根据权利要求6所述的一种高效辅助破岩的复合冲击器，其特征在于，所述流量座(17)分为大段和小段，大段的外径大于小段的外径，在大段上设有至少一个凸棱，并在马达套筒(12)内设有对应流量座(17)的凸棱的槽，马达套筒(12)的槽用于限定凸棱的周向旋转移动，在流量座(17)上下移动的时候，通过流量座的凸棱在马达套筒(12)的槽内上下移动；在大段和小段之间设有锥螺纹，并在马达套筒(12)内也设有对应的锥螺纹，通过锥螺纹让流量座(17)固定到马达套筒内。

8.根据权利要求7所述的一种高效辅助破岩的复合冲击器，其特征在于，在周向锤座(6)和振动轴(1)之间还设有密封套管(3)，密封套管(3)连接在周向锤座(6)上，并且在密封套管(3)内侧设有密封槽，密封槽内安装有密封圈一(2)，实现密封套管(3)和振动轴(1)之间接触面的密封。

9.根据权利要求8所述的一种高效辅助破岩的复合冲击器，其特征在于，在流量座(17)的窄端设有密封槽，在密封槽内安装有密封圈二(16)，实现流量座(17)和马达套筒(12)之间接触面的密封。

10.根据权利要求1所述的一种高效辅助破岩的复合冲击器，其特征在于，所述流量座(17)与流量头(15)连接的位置设有一段沉孔，流量头(15)的一端放入沉孔内，保持间隙配合，在流量头(15)的流道孔下方设有一段正向的锥形段，正向的锥形段后设有另一段反向的锥形段，反向的锥形段大径小于正向的锥形段，在马达转子(14)对应反向的锥形段处设有锥形孔，用于容纳流量头(15)的反向的锥形段。