CN115707853A - 一种扭力震击器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气井工程井下作业技术领域，特别是涉及一种扭力震击器及其使用方法，本扭力震击器的外筒内设有压力平衡活塞、延时机构和冲击锤；延时机构与压力平衡活塞之间形成密封腔，密封腔中充满液压油；延时机构包括低压腔、高压腔、旋转活塞和伸缩密封圈；旋转活塞和冲击锤分别布置在中通芯轴的外壁上；高压腔包括连通的缓冲段和完全连通段，所述缓冲段的厚度与旋转活塞的厚度相匹配，且小于完全连通段的厚度；外筒的内壁上还设有锤座；旋转活塞上设有泄油孔，低压腔上设有连通孔。通过本扭力震击器及其使用方法，能有效解决打击力不足以解卡的问题，提高卡钻事故的解卡成功率，缩短非钻井时间，降低钻井成本。

Description

一种扭力震击器及其使用方法

技术领域

本发明涉及油气井工程井下作业技术领域，特别是涉及一种扭力震击器及其使用方法。

背景技术

石油钻井过程中，随着钻井深度的不断增加，钻遇地层的情况越来越复杂，造成各种卡钻事故频发，用来处理卡钻事故的非钻井时间也越来越多，导致油气开采成本不断上升。

现有技术中，提出了公开号为CN204225821U，授权公告日为2015年03月25日的中国实用新型专利文件，来解决上述存在的技术问题，该专利文献所公开的技术方案如下：一种单缸双作用液压机械式随钻震击器。该震击器包含：外筒和设置在该外筒内的内轴，所述的外筒包含锁紧套、花键套、震击套、调节缸以及接头；所述的内轴包含芯轴；所述的外筒还包含：运行缸，其一端与所述的震击套连接，其另一端与所述的调节缸连接；所述的内轴还包含：设在所述运行缸内的运行轴，其一端与所述的芯轴连接；设在所述运行缸内的延长轴，其一端与所述的运行轴的另一端连接；在所述的运行缸与内轴之间还设有液压延时系统以及机械锁紧机构。

上述技术方案是目前井下作业震击解卡工程中常用的技术方案，在实际应用过程中，并不是能够百分百解决井下卡钻问题，井下卡钻工况复杂，卡点形态多样，可以预见的某些工况下上下击会造成卡点越击越死，使井下复杂情况越发恶化。

现有技术中，提出了公开号为CN207436916U，授权公告日为2018年06月01日的中国实用新型专利文件，来解决上述存在的技术问题，该专利文献所公开的技术方案如下：一种螺杆式双作用提速工具，包括动力总成、万向轴总成、传动总成和冲击总成。所述的动力总成由螺杆将液体能量转化为旋转的机械能，从而通过万向轴总成和传动总成带动冲击总成的旋转阀旋转，由于在旋转阀和阀盖都开有孔，使钻井液周期性进锤头和锤体筒腔内，在液体的推动下锤头周期性撞击锤体筒产生周向震击，同时旋转阀和阀盖的轴向孔周期性错位使液体压力变化，产生高频的轴向震动，并通过下接头将轴向和周向冲击力传递到钻头，消除粘滑现象，保护了钻头，从而提高钻头破岩效率。

上述技术方案在实际使用过程中，会出现以下问题：该方案通过螺杆将部分液体能量转化为旋冲机械能，提供的能量有限，且分为轴向力和周向力，导致速度和打击力不足，对卡点的震击解卡效果不明显。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种扭力震击器及其使用方法，通过液压泄露阻尼效应原理将钻杆中的扭力能量蓄积后瞬间释放，对卡点形成周向震击，该技术方案区别于传统的上下击震击解卡，提供了一种新的震击解卡技术方法，能提高卡钻事故的解卡成功率，缩短非钻井时间，降低钻井成本。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种扭力震击器，包括依次连接的上接头、外筒、下接头以及位于外筒内的中通芯轴，其特征在于：所述外筒内还设有压力平衡活塞、延时机构和冲击锤；所述延时机构与压力平衡活塞之间形成密封腔，所述密封腔中充满液压油；所述延时机构包括低压腔、高压腔、旋转活塞和伸缩密封圈；所述旋转活塞和冲击锤分别布置在中通芯轴的外壁上；所述高压腔包括连通的缓冲段和完全连通段，所述缓冲段的厚度与旋转活塞的厚度相匹配，且小于完全连通段的厚度；所述外筒的内壁上还设有用于与冲击锤发生撞击的锤座；所述旋转活塞上设有连通低压腔和高压腔的泄油孔，所述低压腔上设有与密封腔连通的连通孔；所述旋转活塞在扭力的带动下旋转，旋转至缓冲段时，在液压泄露阻尼效应的作用下蓄积能量，当完全旋转至完全连通段时，高压腔与低压腔连通，阻力消失，旋转活塞在蓄积的扭力作用下加速旋转，带动冲击锤加速旋转，直至冲击锤撞击到锤座后停止旋转。

所述冲击锤与旋转活塞在周向上呈错位布置，沿旋转方向，所述冲击锤与锤座之间的内间距小于旋转活塞与高压腔端部之间的距离。

所述外筒的内壁上还设有第一密封台肩和第二密封台肩，用于将低压腔和高压腔分隔。

所述旋转活塞的中心与冲击锤的中心位于同一轴线上，且冲击锤的宽度大于旋转活塞的宽度。

所述冲击锤和中通芯轴为一体成型。

所述中通芯轴的外壁还设有导向台肩，所述外筒内壁上设有与导向台肩相匹配的导向凹槽。

所述外筒内还设有碟簧，中通芯轴上还设有外花键，所述外筒内壁还设有与外花键配合的内花键。

一种扭力震击器的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1. 将扭力震击器通过上接头与井口钻具下端进行连接固定；

S2. 将扭力震击器下入井中，把下接头与落鱼的鱼顶进行对扣连接；

S3. 上提钻具将扭力震击器的中通芯轴上提到工作位，顺时针旋转井口转盘或者顶驱，将井口扭矩传递至卡点上方的扭力震击器；

S4. 旋转活塞顺时针旋转，压缩高压腔里的液压油，液压油通过泄油孔向低压腔流动，扭力震击器在延时机构的液压泄露阻尼效应的作用下蓄积能量，当旋转活塞完全旋转至完全连通段后，高压腔与低压腔连通，高压腔压力突然释放，冲击锤加速旋转，直至撞击到锤座后停止旋转，扭力通过外筒传递给卡点进行震击解卡；

S5. 扭力震击器一次震击结束后，反转井口转盘或者顶驱，将剩余扭矩释放，下放钻具后顺时针旋转复位，进行下次震击。

所述步骤S2还包括：对扭力震击器的紧固程度进行检查，合格后再将扭力震击器下入井中。

与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

1、本扭力震击器包括压力平衡活塞、延时机构和位于中通芯轴外壁的冲击锤，把在井口旋转钻具蓄积的能量（扭矩）传递至卡点上方的扭力震击器，通过延时机构进行突然释放形成周向震击，对卡点进行周向震击解卡。由于通过井口旋转钻具蓄积能量，得到的周向震击力可控，并通过上提、下放和旋转钻具基本操作，能够实现扭力震击器的一次下井多次震击解卡，有利于提高施工效率和解卡成功率，缩短非钻井时间，降低钻井成本。

本扭力震击器结构简单，各结构位置及彼此的连接关系设置巧妙。

2、所述冲击锤与旋转活塞在周向上呈错位布置，沿旋转方向，所述冲击锤与对应外筒上的锤座之间的内间距小于旋转活塞与对应高压腔端部之间的距离，能保证当冲击锤与对应外筒上的锤座发生撞击时，旋转活塞不会撞击高压腔端部，避免旋转活塞提前损坏，保证了装置的可靠性和使用寿命。

3、所述外筒的内壁上还设有第一密封台肩和第二密封台肩，用于将低压腔和高压腔分隔本震击器的结构布局更加合理，加工也更加方便。

4、所述旋转活塞的中心与冲击锤的中心位于同一轴线上，且冲击锤的宽度大于旋转活塞的宽度，使得冲击锤的旋转效果更好。

5、所述冲击锤和中通芯轴为一体成型，使得冲击锤与中通芯轴的连接更为紧固，扭矩的传递效果更加可靠。

6、所述中通芯轴的外壁还设有导向台肩，所述外筒内壁上设有与导向台肩相匹配的导向凹槽，导向凹槽与导向台肩的配合，使得中通芯轴上提、旋转、下放等工作过程中，中通芯轴能按既定轨迹运动。

7、花键配合使扭力震击器在非工作状态能够传递扭矩，不影响其他井下作业施工。

8、本扭力震击器的使用方法简单，操作方便，只需要进行简单的上提、下放和旋转钻具等基本操作即可。

9、检查扭力震击器的紧固程度，能有效避免发生井下落物。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中延时机构的横截面示意图；

图中标记：

1、上接头，2、花键外筒，3、中通芯轴，4、碟簧，5、花键，6、压力平衡活塞，7、延时机构，8、锤座外筒，9、冲击锤，10、下接头，11、锤座，7.1、低压腔，7.2、高压腔，7.3、旋转活塞，7.4、第一密封台肩，7.5、伸缩密封圈，7.6、泄油孔，7.7、第二密封台肩。

具体实施方式

实施例1

作为本发明基本实施方式，本发明包括一种扭力震击器，包括依次连接的上接头1、外筒、下接头10以及位于外筒内的中通芯轴3、压力平衡活塞6、延时机构7和冲击锤9。所述中通芯轴3能够在外筒中沿轴线往返滑动。所述延时机构7与压力平衡活塞6之间形成密封腔，所述密封腔中充满液压油。所述延时机构7包括低压腔7.1、高压腔7.2、旋转活塞7.3和伸缩密封圈7.5。所述旋转活塞7.3上设有连通低压腔7.1和高压腔7.2的泄油孔7.6，所述低压腔7.1上设有与密封腔连通的连通孔。所述旋转活塞7.3和冲击锤9分别布置在中通芯轴3的外壁上。所述外筒的内壁上还设有用于与冲击锤9发生撞击的锤座11。

所述高压腔7.2包括连通的缓冲段和完全连通段，所述缓冲段的厚度与旋转活塞7.3的厚度相匹配，且小于完全连通段的厚度，使得当所述旋转活塞7.3在扭力的带动下旋转，旋转至缓冲段时，压缩高压腔7.2里的液压油，液压油只能通过泄油孔7.6向低压腔7.1流动，因为控制了泄油孔7.6的大小，液压油需要时间流过去来平衡两边的压力，这就让里面的芯轴顺时针旋转产生了滞后的现象，即液压泄露阻尼效应。当旋转活塞7.3完全旋转至完全连通段时，高压腔7.2与低压腔7.1沟通，阻力消失，旋转活塞7.3在蓄积的扭力作用下加速旋转，带动冲击锤9加速旋转，直至冲击锤9撞击到锤座11后停止旋转，输出周向打击力实现震击解卡。

实施例2

作为本发明一较佳实施方式，本发明包括一种扭力震击器，包括依次连接的上接头1、外筒、下接头10以及位于外筒内的中通芯轴3、压力平衡活塞6、延时机构7和冲击锤9。所述延时机构7与压力平衡活塞6之间形成密封腔，所述密封腔中充满液压油。所述延时机构7包括低压腔7.1、高压腔7.2、旋转活塞7.3和伸缩密封圈7.5。所述外筒的内壁上还设有锤座11、第一密封台肩7.4和第二密封台肩7.7。所述锤座11用于与冲击锤9发生撞击，第一密封台肩7.4和第二密封台肩7.7用于分隔低压腔7.1和高压腔7.2。所述旋转活塞7.3和冲击锤9分别布置在中通芯轴3的外壁上，且冲击锤9与旋转活塞7.3在周向上呈错位布置，沿顺时针旋转方向，所述冲击锤9与锤座11之间的内间距小于旋转活塞7.3与第一密封台肩7.4之间的距离。

所述旋转活塞7.3上设有连通低压腔7.1和高压腔7.2的泄油孔7.6，所述低压腔7.1上设有与密封腔连通的连通孔。所述高压腔7.2包括连通的缓冲段和完全连通段，所述缓冲段的厚度与旋转活塞7.3的厚度相匹配，且小于完全连通段的厚度。在扭力作用下，旋转活塞7.3旋转至缓冲段时，在液压泄露阻尼效应的作用下蓄积能量，当完全旋转至完全连通段时，高压腔7.2与低压腔7.1连通，阻力消失，旋转活塞7.3在蓄积的扭力作用下加速旋转，带动冲击锤9加速旋转，直至冲击锤9撞击到锤座11后停止旋转。

在该过程中，在扭力作用下，高压腔7.2的液压油通过泄油孔7.6流到低压腔7.1，在中通芯轴3旋转过程中，低压腔7.1的体积是增大的，液压油在泄油孔7.6喷出过程中为了低压腔7.1的压力平衡，设置了压力平衡活塞6，并与低压腔7.1连通。

所述中通芯轴3的外壁还设有导向台肩，所述外筒内壁上连接与导向台肩相匹配的导向凹槽。当导向凹槽与导向台肩的配合，使得中通芯轴3上提、旋转、下放等工作过程中，中通芯轴3能按既定轨迹运动。实施例3

作为本发明最佳实施方式，参照说明书附图1，本发明包括一种扭力震击器，包括依次连接的上接头1、外筒、下接头10以及位于外筒内的中通芯轴3、压力平衡活塞6、延时机构7和冲击锤9。所述外筒可以包括螺纹连接的花键外筒2和锤座外筒8，所述下接头10与锤座外筒8螺纹连接。所述外筒内依次设有碟簧4、外花键5、压力平衡活塞6、延时机构7和冲击锤9。所述延时机构7与压力平衡活塞6之间形成密封腔，所述密封腔中充满液压油。参照说明书附图2，所述延时机构7包括低压腔7.1、高压腔7.2、旋转活塞7.3和伸缩密封圈7.5。所述外花键5、旋转活塞7.3和冲击锤9分别布置在中通芯轴3的外壁上，其中冲击锤9和中通芯轴3为一体成型。所述旋转活塞7.3上设有连通低压腔7.1和高压腔7.2的泄油孔7.6，所述低压腔7.1上设有与密封腔连通的连通孔。

所述花键外筒2内壁还设有与外花键5配合的内花键5。所述锤座外筒8的内壁上还设有锤座11、第一密封台肩7.4和第二密封台肩7.7，所述第一密封台肩7.4和锤座11沿锤座外筒8的轴向方向设置，同轴且宽度相同，所述第一密封台肩7.4将低压腔7.1和高压腔7.2分隔，锤座11端用于与冲击锤9发生撞击。所述冲击锤9与旋转活塞7.3在周向上呈错位布置，沿旋转方向，所述冲击锤9与锤座11之间的内间距小于旋转活塞7.3与第一密封台肩7.4之间的距离，具体可以为：所述旋转活塞7.3的中心与冲击锤9的中心位于同一轴线上，且冲击锤9的宽度大于旋转活塞7.3的宽度即可。所述第二密封台肩7.7将高压腔7.2分隔为彼此连通的缓冲段和完全连通段，所述缓冲段的厚度与旋转活塞7.3的厚度相匹配，且小于完全连通段的厚度，具体可以为：所述缓冲段的厚度与第二密封台肩7.7的厚度之和等于完全连通段的厚度。

所述中通芯轴3的外壁还设有导向台肩，所述锤座外筒8的内壁上设有与导向台肩相匹配的导向凹槽。

上述扭力震击器的使用方法，具体包括以下步骤：

S1. 当油气井施工过程中发生卡钻事故需要震击解卡时，充分循环钻井液尽可能将井筒里的岩屑携带出井口，停泵后将钻杆在卡点上端卸扣，将上部钻具起出，将扭力震击器通过上接头1与井口钻具下端进行连接固定。

S2. 扭力震击器安装完毕后，检查扭力震击器本体螺纹的紧固程度，避免发生井下落物，完成扭力震击器的检测。将扭力震击器下入井中，把下接头10与落鱼的鱼顶进行对扣连接。

S3. 通过大钩上提钻具将扭力震击器的中通芯轴3上提到工作位，顺时针旋转井口转盘或者顶驱8-15圈，将井口扭矩传递至卡点上方的扭力震击器；

S4. 旋转活塞7.3顺时针旋转，压缩高压腔7.2里的液压油，液压油通过泄油孔7.6向低压腔7.1流动，扭力震击器在延时机构7的液压泄露阻尼效应的作用下蓄积能量，当旋转活塞7.3完全旋转至完全连通段后，高压腔7.2与低压腔7.1连通，高压腔7.2压力突然释放，冲击锤9加速旋转，直至撞击到锤座11后停止旋转，扭力通过外筒传递给卡点进行震击解卡。

S5. 扭力震击器一次震击结束后，反转井口转盘或者顶驱，将剩余扭矩释放，下放钻具后顺时针旋转复位，进行下次震击。

实施例4

作为本发明又一较佳实施方式，本发明与实施例3区别在于上提和下放钻具时，扭力震击器的工作状态不同。实施例3在下放钻具时扭力震击器中通芯轴3处于收缩状态，扭力震击器整体能够传递扭矩，上提钻具后中通芯轴3处于拉伸状态，扭力震击器处于周向震击状态。本实施例中，在下放钻具的时候，扭力震击器中通芯轴3处于拉伸状态，扭力震击器整体能够传递扭矩，与落鱼进行对扣连接后继续下放钻具，中通芯轴3处于压缩状态，扭力震击器处于周向震击的工作状态。总体上，实施例3优于本实施例。

综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出的其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。

Claims (9)

1.一种扭力震击器，包括依次连接的上接头（1）、外筒、下接头（10）以及位于外筒内的中通芯轴（3），其特征在于：所述外筒内还设有压力平衡活塞（6）、延时机构（7）和冲击锤（9）；所述延时机构（7）与压力平衡活塞（6）之间形成密封腔，所述密封腔中充满液压油；所述延时机构（7）包括低压腔（7.1）、高压腔（7.2）、旋转活塞（7.3）和伸缩密封圈（7.5）；所述旋转活塞（7.3）和冲击锤（9）分别布置在中通芯轴（3）的外壁上；所述高压腔（7.2）包括连通的缓冲段和完全连通段，所述缓冲段的厚度与旋转活塞（7.3）的厚度相匹配，且小于完全连通段的厚度；所述外筒的内壁上还设有用于与冲击锤（9）发生撞击的锤座（11）；所述旋转活塞（7.3）上设有连通低压腔（7.1）和高压腔（7.2）的泄油孔（7.6），所述低压腔（7.1）上设有与密封腔连通的连通孔；所述旋转活塞（7.3）在扭力的带动下旋转，旋转至缓冲段时，在液压泄露阻尼效应的作用下蓄积能量，当完全旋转至完全连通段时，高压腔（7.2）与低压腔（7.1）连通，阻力消失，旋转活塞（7.3）在蓄积的扭力作用下加速旋转，带动冲击锤（9）加速旋转，直至冲击锤（9）撞击到锤座（11）后停止旋转。

2.根据权利要求1所述的一种扭力震击器，其特征在于：所述冲击锤（9）与旋转活塞（7.3）在周向上呈错位布置，沿旋转方向，所述冲击锤（9）与锤座（11）之间的内间距小于旋转活塞（7.3）与高压腔（7.2）端部之间的距离。

3.根据权利要求2所述的一种扭力震击器，其特征在于：所述外筒的内壁上还设有第一密封台肩（7.4）和第二密封台肩（7.7），用于将低压腔（7.1）和高压腔（7.2）分隔。

4.根据权利要求3所述的一种扭力震击器，其特征在于：所述旋转活塞（7.3）的中心与冲击锤（9）的中心位于同一轴线上，且冲击锤（9）的宽度大于旋转活塞（7.3）的宽度。

5.根据权利要求1或4所述的一种扭力震击器，其特征在于：所述冲击锤（9）和中通芯轴（3）为一体成型。

6.根据权利要求1所述的一种扭力震击器，其特征在于：所述中通芯轴（3）的外壁还设有导向台肩，所述外筒内壁上设有与导向台肩相匹配的导向凹槽。

7.根据权利要求1所述的一种扭力震击器，其特征在于：所述外筒内还设有碟簧（4），中通芯轴（3）上还设有外花键（5），所述外筒内壁还设有与外花键（5）配合的内花键（5）。

8.一种扭力震击器的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1. 将扭力震击器通过上接头（1）与井口钻具下端进行连接固定；

S2. 将扭力震击器下入井中，把下接头（10）与落鱼的鱼顶进行对扣连接；

S3. 上提钻具将扭力震击器的中通芯轴（3）上提到工作位，顺时针旋转井口转盘或者顶驱，将井口扭矩传递至卡点上方的扭力震击器；

S4. 旋转活塞（7.3）顺时针旋转，压缩高压腔（7.2）里的液压油，液压油通过泄油孔（7.6）向低压腔（7.1）流动，扭力震击器在延时机构（7）的液压泄露阻尼效应的作用下蓄积能量，当旋转活塞（7.3）完全旋转至完全连通段后，高压腔（7.2）与低压腔（7.1）连通，高压腔（7.2）压力突然释放，冲击锤（9）加速旋转，直至撞击到锤座（11）后停止旋转，扭力通过外筒传递给卡点进行震击解卡；

S5. 扭力震击器一次震击结束后，反转井口转盘或者顶驱，将剩余扭矩释放，下放钻具后顺时针旋转复位，进行下次震击。

9.根据权利要求8所述的一种扭力震击器的使用方法，其特征在于：所述步骤S2还包括：对扭力震击器的紧固程度进行检查，合格后再将扭力震击器下入井中。

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