CN114458211B - 一种电驱动智能震击器及操作方法 - Google Patents

一种电驱动智能震击器及操作方法 Download PDF

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CN114458211B CN202210100529.5A CN202210100529A CN114458211B CN 114458211 B CN114458211 B CN 114458211B CN 202210100529 A CN202210100529 A CN 202210100529A CN 114458211 B CN114458211 B CN 114458211B
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Abstract

本发明涉及一种电驱动智能震击器及操作方法。它能实现钻井过程中遇卡时上、下独立震击且井下智能控制震击力度和延时时间。其技术方案是：本发明包括上心轴模块、下心轴模块、液缸上接头、液缸下接头、中部液缸、上击延时控制模块、下击延时控制模块、螺旋电缆；控制信号通过螺旋电缆传输到电机，利用电机驱动齿轮旋转进而带动齿圈挡圈旋转从而控制阀芯上阻尼孔的过流面积，达到井下智能控制震击力度和延时时间的目的；采用了上心轴模块和下心轴模块的分体式设计，可根据需要独立实现上击或下击。本发明具有井下智能调控震击力度和延时时间，控制精度高，调节速度快，操作简单等特点。

Description

一种电驱动智能震击器及操作方法
技术领域
本发明涉及石油天然气开采钻井工具技术领域，特别涉及一种电驱动智能震击器及操作方法。
背景技术
震击器是一种利用震击器上部钻柱的拉压蓄能对被卡的下部钻具进行向上或向下冲击震击的井下工具，作为一种极为有效的解卡钻具，在石油钻采的行业中已经被广泛的应用。
现如今世界各国石油钻探行业中采用的震击器按照作用原理分为机械式、液压式和液压-机械式三种；按照震击方向分为上击式、下击式和双向式。
震击器通常会根据需要调节震击力度、延时时间等震击参数，现有的震击器一般只能在井口进行调节且需要拆、装，难以针对井下卡钻工况进行井下智能调控，以使震击器在可控制的范围内达到最好的震击解卡效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电驱动智能震击器及操作方法，以解决上述背景技术中提出的震击器缺乏便捷的调节方式及井下智能调节等问题。
针对上述问题，本发明提供如下技术方案：一种电驱动智能震击器及操作方法，包括上心轴模块、下心轴模块、液缸上接头、液缸下接头、中部液缸、上击延时控制模块、下击延时控制模块、螺旋电缆；所述上心轴模块包括上心轴、上部外套筒、定位套筒、密封防尘圈、金属导电环；所述下心轴模块包括下心轴、下部外套筒、密封防尘圈、金属导电环；所述上击延时控制模块包括上击活塞阀芯、电机、上击齿轮、齿圈挡圈A、上击电机安装架；所述下击延时控制模块包括下击活塞阀芯、电机、下击齿轮、齿圈挡圈B、下击电机安装架；所述液缸上接头、中部液缸、液缸下接头连接组成整个震击器的外壳主体；所述上击延时控制模块安装于上心轴模块上；所述下击延时控制模块安装于中部液缸内。
优选地，所述上部外套筒套装于上心轴的外部，所述上部外套筒的凹槽A处安装密封防尘圈；所述上心轴中部的上心轴花键和液缸上接头内部的上接头花键槽配合；所述金属导电环位于上心轴端面的内螺纹底部；所述定位套筒套装于上心轴端部；所述上击延时控制模块中的上击活塞阀芯将上击液压油腔分为上击延时区和上击加速区；所述螺旋电缆连接上下两个金属导电环与两个电机。
优选地，所述下部外套筒套装于下心轴上，所述下部外套筒凹槽B处安装密封防尘圈；所述下心轴中部的下心轴花键和液缸下接头内部的下接头花键槽配合；所述金属导电环位于下心轴A段端面的外螺纹段底部；所述下击活塞阀芯将下击液压油腔分为下击延时区和下击加速区。
优选地，所述上击电机安装架安装在定位套筒与上击活塞阀芯上；所述电机安装在上击电机安装架上，所述电机上安装上击齿轮；所述上击齿轮与套在上击活塞阀芯上的齿圈挡圈A外啮合；所述齿圈挡圈A开有泄压槽A；上击活塞阀芯上开有阻尼孔A，阻尼孔A由N个小孔构成，N≥2。
优选地，所述下击活塞阀芯安装于中部液缸内部，并与下击电机安装架连接；所述电机安装在下击电机安装架上，所述电机上安装下击齿轮；所述下击齿轮与套在下击电机安装架内部的齿圈挡圈B内啮合；所述齿圈挡圈B开有泄压槽B；下击活塞阀芯上开有阻尼孔B，阻尼孔B由N个小孔构成，N≥2。
为了实现本发明的目的，本发明的另一方面提出了一种电驱动智能震击器的操作方法，本发明的方法解决技术问题的技术方案的步骤如下：
当需要控制上击力度及上击延时时间时：
步骤S1：控制信号通过螺旋电缆传输至上击延时控制模块中的电机，电机控制上击齿轮旋转，上击齿轮带动齿圈挡圈A旋转，齿圈挡圈A上的泄压槽A与上击活塞阀芯上的阻尼孔A匹配，从而上击加速区内的液压油通过泄压槽A、匹配的阻尼孔A与上击延时区连通；步骤S2：通过上提钻杆至预定位置，使上击加速区内的液压油通过匹配的阻尼孔A流入到上击延时区内，上击活塞阀芯因而随着上心轴模块的移动缓慢向上移动，当上击活塞阀芯到达中部液缸的变截面台阶A时，上心轴模块在上部钻具的拉伸蓄能下向上加速运动，碰撞产生向上震击；通过控制电机旋转的圈数来控制匹配的上击活塞阀芯上的阻尼孔A的孔数，从而控制上击力度和上击延时时间。
当需要控制下击力度及下击延时时间时：
步骤S1：控制信号通过螺旋电缆传输至下击延时控制模块中的电机，电机控制下击齿轮旋转，下击齿轮带动齿圈挡圈B旋转，齿圈挡圈B上的泄压槽B与下击活塞阀芯上的阻尼孔B匹配，从而下击加速区内的液压油通过泄压槽B、匹配的阻尼孔B与下击延时区连通；
步骤S2：通过下压钻杆至预定位置，使下击加速区内的液压油通过匹配的阻尼孔B流入到下击延时区内，下击活塞阀芯因而随着中部液缸的下移缓慢向下移动，当下击活塞阀芯到达下心轴的变截面台阶B时，中部液缸在上部钻具的压缩蓄能下向下加速运动，碰撞产生向下震击；通过控制电机旋转的圈数来控制匹配的下击活塞阀芯上的阻尼孔B的孔数，从而控制下击力度和下击延时时间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明电驱动智能震击器及操作方法，采用了模块化设计便于组装和拆卸维修；同时采用上心轴模块和下心轴模块的分体式设计，可根据需要独立实现上击或下击。
2.本发明电驱动智能震击器及操作方法，应用机电液一体技术，通过机电液延时控制装置和智能控制技术，利用电机智能控制阀芯上阻尼孔的过流面积，达到井下智能控制震击力度和延时时间的目的，以便达到最好的震击解卡效果；控制精度高，调节速度快，操作简单。
附图说明
图1为本专利的整体结构示意图；
图2为本专利的上心轴结构示意图；
图3为本专利的下心轴结构示意图；
图4为本专利的上击控制模块结构示意图；
图5为本专利的上击控制模块局部结构示意图；
图6为本专利的下击控制模块结构示意图；
图7为本专利的液缸总成结构示意图；
图8为本专利的上击液压腔内部结构示意图；
图9为本专利的下击液压腔内部结构示意图；
图中：1、上心轴模块；2、液缸上接头；201、上接头花键槽；3、中部液缸；301、变截面台阶A；4、液缸下接头；401、下接头花键槽；5、下心轴模块；6、上击延时控制模块；7、下击延时控制模块；8、螺旋电缆；9、上击液压油腔；901、上击延时区；902、上击加速区；10、下击液压油腔；1001、下击延时区；1002、下击加速区；11、下心轴；1101、下心轴花键；1102、变截面台阶B；12、下部外套筒；1201、凹槽B；13、密封防尘圈；14、金属导电环；15、上心轴；1501、上心轴花键；16、上部外套筒；1601、凹槽A；17、定位套筒；18、上击活塞阀芯；1801、阻尼孔A；19、电机；20、上击齿轮；21、齿圈挡圈A；2101、泄压槽A；22、上击电机安装架；23、下击活塞阀芯；2301、阻尼孔B；24、下击齿轮；25、齿圈挡圈B；2501、泄压槽B；26、下击电机安装架。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的描述，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。
实施例一：如图1到图9所示，一种电驱动智能震击器及操作方法，包括：上心轴模块1、下心轴模块5、液缸上接头2、液缸下接头4、中部液缸3、上击延时控制模块6、下击延时控制模块7、螺旋电缆8；上心轴模块1包括上心轴15、上部外套筒16、定位套筒17、密封防尘圈13、金属导电环14；下心轴模块5包括下心轴11、下部外套筒12、密封防尘圈13、金属导电环14；上击延时控制模块6包括上击活塞阀芯18、电机19、上击齿轮20、齿圈挡圈A21、上击电机安装架22；下击延时控制模块7包括下击活塞阀芯23、电机19、下击齿轮24、齿圈挡圈B25、下击电机安装架26；液缸上接头2、中部液缸3、液缸下接头4连接组成整个震击器的外壳主体；上击延时控制模块6安装于上心轴模块1上，下击延时控制模块7安装于中部液缸3内，分别控制上击和下击。
进一步，上部外套筒16套装于上心轴15的外部，上部外套筒16凹槽A1601处安装密封防尘圈13，起密封防尘的作用；上心轴15中部的上心轴花键1501和液缸上接头2内部的上接头花键槽201配合起传递扭矩的作用；金属导电环14位于上心轴15端面的内螺纹内部底部，当震击器和上部电动钻具配合时传输电信号；定位套筒17套装于上心轴15下部起定位作用；所述上击延时控制模块6中的上击活塞阀芯18将上击液压油腔9分为上击延时区901和上击加速区902；螺旋电缆8连接上下两个金属导电环14与两个电机19，传输电信号。
进一步，下部外套筒12套装于下心轴11上，下部外套筒12凹槽B1201处安装密封防尘圈13，起密封防尘的作用；下心轴11中部的下心轴花键1101和液缸下接头4内部的下接头花键槽401配合传递扭矩；金属导电环14位于下心轴11A段端面的外螺纹顶部与下部电动钻杆连接时传递扭矩；下击活塞阀芯23将下击液压油腔10分为下击延时区1001和下击加速区1002。
进一步，上击电机安装架22安装在定位套筒17与上击活塞阀芯18上将两者连接固定；电机19安装在上击电机安装架22上，电机19上安装上击齿轮20；上击齿轮20与套在上击活塞阀芯18上的齿圈挡圈A21外啮合；齿圈挡圈A21开有泄压槽A2101；上击活塞阀芯18上开有阻尼孔A1801，阻尼孔A1801由N个小孔构成，N≥2。
进一步，下击活塞阀芯23安装于中部液缸3内部，并与下击电机安装架26连接；电机19安装在下击电机安装架26上，电机19上安装下击齿轮24；下击齿轮24与套在下击电机安装架26内部的齿圈挡圈B25内啮合；齿圈挡圈B25开有泄压槽B2501；下击活塞阀芯23上开有阻尼孔B2301，阻尼孔B2301由N个小孔构成，N≥2。
实施例二：结合图1到图9说明本实施例，本实施例是通过以下步骤实现的：
当需要控制上击力度及上击延时时间时：
步骤S1：控制信号通过螺旋电缆8传输至上击延时控制模块6中的电机19，电机19控制上击齿轮20旋转，上击齿轮20带动齿圈挡圈A21旋转，齿圈挡圈A21上的泄压槽A2101与上击活塞阀芯18上的阻尼孔A1801匹配，从而上击加速区902内的液压油通过泄压槽A2101、匹配的阻尼孔A1801与上击延时区901连通；
步骤S2：通过上提钻杆至预定位置，使上击加速区902内的液压油通过匹配的阻尼孔A1801流入到上击延时区901内，上击活塞阀芯18因而随着上心轴模块1的移动缓慢向上移动，当上击活塞阀芯18到达中部液缸3的变截面台阶A301时，上心轴模块1在上部钻具的拉伸蓄能下向上加速运动，碰撞产生向上震击；通过控制电机19旋转的圈数来控制匹配的上击活塞阀芯18上的阻尼孔A1801的孔数，从而控制上击力度和上击延时时间。在井深和大钩速度一定的条件下，匹配的孔越多，其液压油从上击加速区902内流入到上击延时区901内的速度越快，震击器上击的时间越短，对应钻杆储蓄能量越小，震击力度越小。
当需要控制下击力度及下击延时时间时：
步骤S1：控制信号通过螺旋电缆8传输至下击延时控制模块7中的电机19，电机19控制下击齿轮24旋转，下击齿轮24带动齿圈挡圈B25旋转，齿圈挡圈B25上的泄压槽B2501与下击活塞阀芯23上的阻尼孔B2301匹配，从而下击加速区1002内的液压油通过泄压槽B2501、匹配的阻尼孔B2301与下击延时区1001连通；
步骤S2：通过下压钻杆至预定位置，使下击加速区1002内的液压油通过匹配的阻尼孔B2301流入到下击延时区1001内，下击活塞阀芯23因而随着中部液缸3的下移缓慢向下移动，当下击活塞阀芯23到达下心轴11的变截面台阶B1102时，中部液缸3在上部钻具的压缩蓄能下向下加速运动，碰撞产生向下震击；通过控制电机19旋转的圈数来控制匹配的下击活塞阀芯23上的阻尼孔B2301的孔数，从而控制下击力度和下击延时时间。在井深和大钩速度一定的条件下，匹配的孔越多，其液压油从下击加速区1002内流入到下击延时区1001内的速度越快，震击器下击的时间越短，对应钻杆储蓄能量越小，震击力度越小。
本发明工作原理：本明以上心轴模块1、下心轴模块5配合液缸上接头2、中部液缸3、液缸下接头4形成的空腔作为液压油腔，利用内部液压油在延时区和加速区之间的流动受阻来提供延时作用，钻杆的延迟与压缩蓄力实现上下震击作用。
当下压钻柱时，上心轴模块1复位，下击活塞阀芯23随中部液缸3向下移动，由于下击活塞阀芯23上的阻尼孔B2301，下击加速区1002中的液压油不能及时到达下击延时区1001使上心轴模块1、液缸上接头2、中部液缸3运动变缓，此时上部钻具压缩蓄能，当下击活塞阀芯23通过变截面台阶B1102时，下击加速区1002中的液压油突然被释放，上心轴模块1、液缸上接头2、中部液缸3在上部钻具的压缩蓄能的作用下向下加速运动，台阶面碰撞产生向下震击。当上提钻柱时，上击活塞阀芯18随着上心轴模块1的移动向上击加速区902移动，由于上击活塞阀芯18上的阻尼孔B2301流量有限，上击加速区902内的液压油不能及时流到上击延时区901中从而使上心轴模块1运动变缓，此时上部钻具拉伸蓄能，上击活塞阀芯18通过中部液缸3的变截面台阶301时，上击加速区902中的液压油突然被释放，上心轴模块1在上部钻具的拉伸蓄能的作用下向上加速运动，台阶面碰撞产生向上震击。上击延时控制模块6、下击延时控制模块7作为机电液延时控制装置，通过井下弱电传输技术用两个装在不同位置的电机19控制齿轮齿圈，间接控制上击活塞阀芯18、下击活塞阀芯23的开度，达到控制延时时间和震击力度的目的。
对于本领域技术人员而言，显然本专利不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本专利的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本专利。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本专利的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本专利内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (3)

1.一种电驱动智能震击器，包括上心轴模块(1)、下心轴模块(5)、液缸上接头(2)、液缸下接头(4)、中部液缸(3)、上击延时控制模块(6)、下击延时控制模块(7)、螺旋电缆(8)；其特征在于：所述上心轴模块(1)包括上心轴(15)、上部外套筒(16)、定位套筒(17)、密封防尘圈(13)、金属导电环(14)；所述下心轴模块(5)包括下心轴(11)、下部外套筒(12)、密封防尘圈(13)、金属导电环(14)；所述上击延时控制模块(6)包括上击活塞阀芯(18)、电机(19)、上击齿轮(20)、齿圈挡圈A(21)、上击电机安装架(22)；所述下击延时控制模块(7)包括下击活塞阀芯(23)、电机(19)、下击齿轮(24)、齿圈挡圈B(25)、下击电机安装架(26)；所述液缸上接头(2)、中部液缸(3)、液缸下接头(4)连接组成整个震击器的外壳主体；所述上击延时控制模块(6)安装于上心轴模块(1)上；所述下击延时控制模块(7)安装于中部液缸(3)内；
所述上部外套筒(16)套装于上心轴(15)的外部，所述上部外套筒(16)的凹槽A(1601)处安装密封防尘圈(13)；所述上心轴(15)中部的上心轴花键(1501)和液缸上接头(2)内部的上接头花键槽(201)配合；所述金属导电环(14)位于上心轴(15)端面的内螺纹底部；所述定位套筒(17)套装于上心轴(15)端部；所述上击延时控制模块(6)中的上击活塞阀芯(18)将上击液压油腔(9)分为上击延时区(901)和上击加速区(902)；所述螺旋电缆(8)连接上下两个金属导电环(14)与两个电机(19)；所述上击电机安装架(22)安装在定位套筒(17)与上击活塞阀芯(18)上；所述电机(19)安装在上击电机安装架(22)上，所述电机(19)上安装上击齿轮(20)；所述上击齿轮(20)与套在上击活塞阀芯(18)上的齿圈挡圈A(21)外啮合；所述齿圈挡圈A(21)开有泄压槽A(2101)；上击活塞阀芯(18)上开有阻尼孔A(1801)，阻尼孔A(1801)由N个小孔构成，N≥2；
所述下部外套筒(12)套装于下心轴(11)上，所述下部外套筒(12)凹槽B(1201)处安装密封防尘圈(13)；所述下心轴(11)中部的下心轴花键(1101)和液缸下接头(4)内部的下接头花键槽(401)配合；所述金属导电环(14)位于下心轴(11)A段端面的外螺纹段底部；所述下击活塞阀芯(23)将下击液压油腔(10)分为下击延时区(1001)和下击加速区(1002)；所述下击活塞阀芯(23)安装于中部液缸(3)内部，并与下击电机安装架(26)连接；所述电机(19)安装在下击电机安装架(26)上，所述电机(19)上安装下击齿轮(24)；所述下击齿轮(24)与套在下击电机安装架(26)内部的齿圈挡圈B(25)内啮合；所述齿圈挡圈B(25)开有泄压槽B(2501)；下击活塞阀芯(23)上开有阻尼孔B(2301)，阻尼孔B(2301)由N个小孔构成，N≥2。
2.一种根据权利要求1所述的电驱动智能震击器的操作方法，其特征在于，该操作方法步骤如下：
步骤S1：当需要控制上击力度及上击延时时间时，控制信号通过螺旋电缆(8)传输至上击延时控制模块(6)中的电机(19)，电机(19)控制上击齿轮(20)旋转，上击齿轮(20)带动齿圈挡圈A(21)旋转，齿圈挡圈A(21)上的泄压槽A(2101)与上击活塞阀芯(18)上的阻尼孔A(1801)匹配，从而上击加速区(902)内的液压油通过泄压槽A(2101)、匹配的阻尼孔A(1801)与上击延时区(901)连通；
步骤S2：通过上提钻杆至预定位置，使上击加速区(902)内的液压油通过匹配的阻尼孔A(1801)流入到上击延时区(901)内，上击活塞阀芯(18)因而随着上心轴模块(1)的移动缓慢向上移动，当上击活塞阀芯(18)到达中部液缸(3)的变截面台阶A(301)时，上心轴模块(1)在上部钻具的拉伸蓄能下向上加速运动，碰撞产生向上震击；通过控制电机(19)旋转的圈数来控制匹配的上击活塞阀芯(18)上的阻尼孔A(1801)的孔数，从而控制上击力度和上击延时时间。
3.一种根据权利要求1所述的电驱动智能震击器的操作方法，其特征在于，该操作方法步骤如下：
步骤S1：当需要控制下击力度及下击延时时间时，控制信号通过螺旋电缆(8)传输至下击延时控制模块(7)中的电机(19)，电机(19)控制下击齿轮(24)旋转，下击齿轮(24)带动齿圈挡圈B(25)旋转，齿圈挡圈B(25)上的泄压槽B(2501)与下击活塞阀芯(23)上的阻尼孔B(2301)匹配，从而下击加速区(1002)内的液压油通过泄压槽B(2501)、匹配的阻尼孔B(2301)与下击延时区(1001)连通；
步骤S2：通过下压钻杆至预定位置，使下击加速区(1002)内的液压油通过匹配的阻尼孔B(2301)流入到下击延时区(1001)内，下击活塞阀芯(23)因而随着中部液缸(3)的下移缓慢向下移动，当下击活塞阀芯(23)到达下心轴(11)的变截面台阶B(1102)时，中部液缸(3)在上部钻具的压缩蓄能下向下加速运动，碰撞产生向下震击；通过控制电机(19)旋转的圈数来控制匹配的下击活塞阀芯(23)上的阻尼孔B(2301)的孔数，从而控制下击力度和下击延时时间。
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过盈配合量对液压震击器阻尼阀性能的影响;高巧娟;陈慧慧;郭晨;;石油矿场机械(第04期);全文 *

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