CN116065949A - 一种基于旋转叶轮驱动的轴向冲击器、旋冲钻具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于旋转叶轮驱动的轴向冲击器、旋冲钻具，该轴向冲击器包括位于壳体总成内的芯轴，芯轴的上端固定连接叶轮，芯轴穿设于与壳体总成固定连接的衬管，衬管外滑动套接活塞冲锤。活塞冲锤的内表面开设有与上活塞腔连通的上环形导流腔和与下活塞腔连通的下环形导流腔，衬管开设有与上环形导流腔连通的上过流孔和与下环形导流腔连通的下过流孔，芯轴内部的中心孔与叶轮连通，芯轴的外表面开设有贯通至中心孔的上排液孔和延伸至下端面的第一排液槽，以及贯通至中心孔的下排液孔和延伸至下端面的第二排液槽。本发明提供的轴向冲击器整体压降较小，结构强度更高，能够实现高频轴向机械冲击作用，并且还可以与现有动力工具配合使用。

Description

一种基于旋转叶轮驱动的轴向冲击器、旋冲钻具

技术领域

本发明涉及油气勘探、地质勘探、地热井开发技术领域，特别是涉及一种基于旋转叶轮驱动的轴向冲击器、旋冲钻具。

背景技术

随着油气勘探逐渐向复杂储层迈进，深井、超深井的比例逐渐增加，钻遇复杂性“三高地层”(硬度高、可钻性级值高、研磨性高)几率越来越多，严重影响了深部硬地层机械钻速和钻井成本。如何提高坚硬、可钻性差的难钻地层机械钻速，是困扰钻井领域的一项技术难题。

旋冲钻井技术通过给回转切削的钻头施加轴向冲击力，使得钻头齿下的岩石产生应力集中，降低岩石弹性变形，加速岩石损伤效应，迅速形成脆性破碎坑和“跃进式”进尺的效果，从而达到提高坚硬地层机械钻速的目的。

目前研制出的轴向冲击工具有射流式冲击器、自激振荡冲击器、阀式冲击器等，虽然通过现场应用取得了一定的效果，但也存在一些技术不足，比如：射流式冲击器整体压降高，造成与现有动力工具兼容性较差；自激振荡冲击器依靠液力振荡产生的冲击能量不足，造成提速效果弱；阀式冲击器若停止工作，则内部流道将处于封闭状态，造成钻井液无法正常循环。因此，迫切需要研发一种新型轴向冲击工具，使得整体压降较小，结构强度更高，能够实现高频轴向机械冲击作用，并且还可以与现有动力工具配合使用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于旋转叶轮驱动的轴向冲击器、旋冲钻具，该轴向冲击器整体压降较小，结构强度更高，能够实现高频轴向机械冲击作用，并且还可以与现有动力工具配合使用。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于旋转叶轮驱动的轴向冲击器，包括位于壳体总成内的芯轴，所述芯轴的上端固定连接叶轮，所述芯轴穿设于与所述壳体总成固定连接的衬管，所述衬管外滑动套接活塞冲锤；

所述活塞冲锤的内表面开设有上环形导流腔和下环形导流腔，所述上环形导流腔通过所述活塞冲锤内的上导流孔与上活塞腔连通，所述下环形导流腔通过所述活塞冲锤内的下导流孔与下活塞腔连通；

所述衬管开设有与所述上环形导流腔连通的上过流孔和与所述下环形导流腔连通的下过流孔；

所述芯轴的内部设置有贯通至下端面的中心孔，所述中心孔的上端通过所述芯轴内的进液孔与所述叶轮连通，所述芯轴的外表面对应所述上过流孔的位置开设有贯通至所述中心孔的上排液孔和延伸至下端面的第一排液槽，所述芯轴的外表面对应所述下过流孔的位置开设有贯通至所述中心孔的下排液孔和延伸至下端面的第二排液槽；

当所述芯轴相对所述衬管旋转时，所述上排液孔和所述第一排液槽互斥性地与所述上过流孔导通，所述下排液孔和所述第二排液槽互斥性地与所述下过流孔导通，而且，当所述上排液孔与所述上过流孔导通时，所述第二排液槽与所述下过流孔导通，当所述第一排液槽与所述上过流孔导通时，所述下排液孔与所述下过流孔导通。

可选地，在上述轴向冲击器中，所述第一排液槽和所述第二排液槽为同一槽，且延伸方向与所述芯轴的轴线平行。

可选地，在上述轴向冲击器中，所述第一排液槽为多个，所述上过流孔和所述下过流孔均与所述第一排液槽数量相等，且三者均以第一旋转角为间距沿所述芯轴的周向均匀分布；所述上过流孔和所述下过流孔旋转错位，且错位角等于所述第一旋转角的一半。

可选地，在上述轴向冲击器中，所述中心孔的下端固定连接喷嘴。

可选地，在上述轴向冲击器中，所述叶轮为螺杆形，所述叶轮外套设与所述壳体总成固定连接的导流罩，所述导流罩的外表面开设有多个沿周向均匀分布的贯通至内表面的导流孔。

可选地，在上述轴向冲击器中，各个所述导流孔均相对于所述导流罩的径向偏斜设置，且偏斜方向一致。

可选地，在上述轴向冲击器中，所述导流孔与所述导流罩的内表面相切。

可选地，在上述轴向冲击器中，所述导流罩的顶部为锥形。

一种旋冲钻具，包括如上述任意一项所公开的基于旋转叶轮驱动的轴向冲击器。

与现有技术相比，本发明提供的轴向冲击器具有如下有益效果：

1)能够产生高频轴向往复冲击力，增加冲击破岩能量，提高钻压传递效率和钻头破岩效率；

2)轴向冲击器内部钻井液流道任何时候均处于开路状态，整体压降较小，并且能够防止因动力机构或者冲击机构停止工作导致的流道封闭，保证钻井液循环流道畅通；

3)以旋转叶轮作为冲击机构的动力源，使得整个冲击效果不易受到钻井液压力波动影响，工作更平稳，性能更稳定，各零件使用寿命更长；

4)能够与涡轮或螺杆等动力钻具配合使用，且不会影响动力钻具大扭矩和高转速的能量输出，实现多种载荷作用下的协同提速。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于旋转叶轮驱动的轴向冲击器的示意图；

图2是图1中冲锤9处的放大示意图；

图3是图1中芯轴8的立体示意图；

图4是图1中的A-A剖面图；

图5是图1中的B-B剖面图；

图6是图1中的C-C剖面图。

图中标记为：

1、上接头；2、上轴承；3、上壳体；31、环形过流腔；4、导流罩；41、导流孔；5、叶轮；51、工作腔；6、中接头；7、下轴承；

8、芯轴；81、进液孔；82、中心孔；83、上排液孔；84、排液槽；85、下排液孔；86、扇形凸块；

9、活塞冲锤；91、上环形导流腔；92、上导流孔；93、上活塞腔；94、下环形导流腔；95、下导流孔；96、下活塞腔；

10、衬管；101、上过流孔；102、下过流孔；11、喷嘴；12、下壳体。

具体实施方式

为了便于理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

参见图1，本发明实施例提供了一种基于旋转叶轮驱动的轴向冲击器，其主要包括三大部分：壳体总成、动力机构和冲击机构。壳体总成包括上接头1、上壳体3、中接头6和下壳体12，动力机构包括叶轮5，冲击机构包括芯轴8、活塞冲锤9和衬管10。

上壳体3上下两端通过螺纹分别与上接头1和中接头6外侧连接，下壳体12的上端通过螺纹与中接头6外侧连接，芯轴8位于壳体总成内，其外部结构如图3所示，芯轴8上部开设有四个进液孔81。芯轴8的上端通过螺纹与叶轮5固定连接，芯轴8下部穿过中接头6内部通孔，且通过下轴承7与中接头6配合，芯轴8下部外侧套装有衬管10，衬管10上端插入中接头6内侧，衬管10下端通过螺纹与下壳体12固定连接，衬管10外侧滑动套接有活塞冲锤9。

如图2所示，活塞冲锤9上端与衬管10、中接头6、下壳体12之间形成上活塞腔93，活塞冲锤9下端与衬管10、下壳体12之间形成下活塞腔96。活塞冲锤9的内表面开设有上环形导流腔91和下环形导流腔94，上环形导流腔91通过活塞冲锤9内的上导流孔92与上活塞腔93连通，下环形导流腔94通过活塞冲锤9内的下导流孔95与下活塞腔96连通。衬管10开设有上过流孔101和下过流孔102(见图6)，其中，上过流孔101与上环形导流腔91连通，下过流孔102与下环形导流腔94连通。

参见图1～图3，芯轴8的内部设置有贯通至下端面的中心孔82，中心孔82的上端通过进液孔81与叶轮5连通，芯轴8下部外侧均匀设置有四个以排液槽84为间隔的扇形凸块86，排液槽84平行于轴线方向延伸至芯轴8的下端面，扇形凸块86上下两端分别开设有与中心孔82连通的上排液孔83和下排液孔85，其中，上排液孔83与衬管10的上过流孔101的位置对应，下排液孔85与衬管10的下过流孔102的位置对应。

如图3所示，上排液孔83和下排液孔85是上下正对的，两者都和排液槽84一样以90°为间距沿芯轴8的周向均匀分布，且都与排液槽84旋转错位45°。与此同时，由图5可见，衬管10的上过流孔101也为四个，同样以90°为间距均匀分布，因此当芯轴8相对衬管10旋转时，上排液孔83和排液槽84互斥性地与上过流孔101导通，即，当上排液孔83与上过流孔101导通时，排液槽84与上过流孔101不导通，而当排液槽84与上过流孔101导通时，上排液孔83与上过流孔101不导通。同理，由图6可见，下过流孔102为等间距90°的四个，当芯轴8相对衬管10旋转时，下排液孔85和排液槽84互斥性地与下过流孔102导通。另外，对比图5和图6可知，上过流孔101和下过流孔102旋转错位45°，所以如图5和图6所示，当上排液孔83与上过流孔101导通时，排液槽84与下过流孔102导通，而且推理可知，当排液槽84与上过流孔101导通时，下排液孔85与下过流孔102导通。

参见图1和图4，本实施例中，叶轮5为螺杆形，叶轮5外侧套设导流罩4，导流罩4与上壳体3之间形成环形过流腔31，导流罩4下端通过螺纹与中接头6内侧连接，叶轮5的上端通过上轴承2与导流罩4配合，导流罩4内部与叶轮5之间存在有六个工作腔51，导流罩4壁面均匀开设有六个导流孔41。为了提升动力，各个导流孔41均相对于导流罩4的径向偏斜设置，且偏斜方向一致，进一步地，导流孔41可以与导流罩4的内表面相切，例如图4所示那样，导流孔41顺时针方向与工作腔51相切。为了使钻井液以更高速度流入环形过流腔31，可以将导流罩4的顶部设计为锥形。

需要说明的是，在其他的实施例中，导流孔41和工作腔51可以设置为其他数量。当然，叶轮5也可以采用其他结构形式，只要能在钻井液的带动下为芯轴8提供旋转动力即可，如果叶轮5单独可以提供足够的动力，还可以去掉导流罩4。

下面介绍本发明的轴向冲击器的工作原理。

如图1～图6所示，钻井液从壳体总成中的上接头1进入内部之后，依次经过环形过流腔31和导流孔41高速喷射进入动力机构中的工作腔51，驱动叶轮5旋转进而带动冲击机构中的芯轴8一起同步转动，工作腔51内部的钻井液向下经由进液孔81流入芯轴8的中心孔82内，由于衬管10下端通过螺纹固定于下壳体12内，因此在芯轴8旋转过程中，上排液孔83、下排液孔85和排液槽84周期性地与上过流孔101和下过流孔102连通。

当上排液孔83与上过流孔101连通时，中心孔82内的钻井液依次通过上排液孔83、上过流孔101、上环形导流腔91、上导流孔92流入上活塞腔93，推动活塞冲锤9向下加速运动冲击下壳体12产生向下的轴向机械冲击力，并向下传递至钻头从而起到增加冲击破岩能量的效果，提高钻头破岩效率，而活塞冲锤9向下加速运动的过程中，下活塞腔96内的钻井液通过下导流孔95、下环形导流腔94、下过流孔102流入排液槽84内，并向下流至钻头。

当下排液孔85与下过流孔102连通时，中心孔82内的钻井液依次通过下排液孔85、下过流孔102、下环形导流腔94、下导流孔95流入下活塞腔96，推动活塞冲锤9向上加速运动冲击中接头6产生向上的轴向机械冲击力，从而使得上部钻柱产生轴向振动，起到减小钻柱与井壁之间摩阻和提高钻压传递效率的效果，而活塞冲锤9向上加速运动的过程中，上活塞腔93内的钻井液通过上导流孔92、上环形导流腔91、上过流孔101流入排液槽84内，并向下流至钻头。

本实施例中，为使中心孔82内的钻井液以更强冲力流向钻头，中心孔82的下端固定连接有喷嘴11。另外，为了简化结构，上活塞腔93内的钻井液和下活塞腔96内的钻井液通过同一槽(即排液槽84)流向钻头。当然，也可以分别设置排液槽使上活塞腔93和下活塞腔96内的钻井液流向钻头，例如，芯轴8的外表面对应上过流孔101的位置开设延伸至下端面的第一排液槽，对应下过流孔102的位置开设延伸至下端面的第二排液槽，当芯轴8相对衬管10旋转时，上排液孔83和第一排液槽互斥性地与上过流孔101导通，下排液孔85和第二排液槽互斥性地与下过流孔102导通，而且，当上排液孔83与上过流孔101导通时，第二排液槽与下过流孔102导通，当第一排液槽与上过流孔101导通时，下排液孔85与下过流孔102导通。

需要说明的是，排液槽84可以设置为其他数量，只要上过流孔101、下过流孔102和排液槽84以同一旋转角为间距沿周向均匀分布，并且上过流孔101和下过流孔102旋转错位该旋转角的一半即可，例如，上过流孔101、下过流孔102和排液槽84都设置为三个(旋转角为120°)，那么上过流孔101和下过流孔102需设置成旋转错位60°。

本发明还提供一种旋冲钻具，该旋冲钻具包括上述实施例公开的轴向冲击器。由于上述实施例公开的轴向冲击器具有上述技术效果，因此具有该轴向冲击器的旋冲钻具同样具有上述技术效果，本文在此不再赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于旋转叶轮驱动的轴向冲击器，其特征在于，包括位于壳体总成内的芯轴，所述芯轴的上端固定连接叶轮，所述芯轴穿设于与所述壳体总成固定连接的衬管，所述衬管外滑动套接活塞冲锤；

所述活塞冲锤的内表面开设有上环形导流腔和下环形导流腔，所述上环形导流腔通过所述活塞冲锤内的上导流孔与上活塞腔连通，所述下环形导流腔通过所述活塞冲锤内的下导流孔与下活塞腔连通；

所述衬管开设有与所述上环形导流腔连通的上过流孔和与所述下环形导流腔连通的下过流孔；

所述芯轴的内部设置有贯通至下端面的中心孔，所述中心孔的上端通过所述芯轴内的进液孔与所述叶轮连通，所述芯轴的外表面对应所述上过流孔的位置开设有贯通至所述中心孔的上排液孔和延伸至下端面的第一排液槽，所述芯轴的外表面对应所述下过流孔的位置开设有贯通至所述中心孔的下排液孔和延伸至下端面的第二排液槽；

当所述芯轴相对所述衬管旋转时，所述上排液孔和所述第一排液槽互斥性地与所述上过流孔导通，所述下排液孔和所述第二排液槽互斥性地与所述下过流孔导通，而且，当所述上排液孔与所述上过流孔导通时，所述第二排液槽与所述下过流孔导通，当所述第一排液槽与所述上过流孔导通时，所述下排液孔与所述下过流孔导通。

2.根据权利要求1所述的轴向冲击器，其特征在于，所述第一排液槽和所述第二排液槽为同一槽，且延伸方向与所述芯轴的轴线平行。

3.根据权利要求2所述的轴向冲击器，其特征在于，所述第一排液槽为多个，所述上过流孔和所述下过流孔均与所述第一排液槽数量相等，且三者均以第一旋转角为间距沿所述芯轴的周向均匀分布；所述上过流孔和所述下过流孔旋转错位，且错位角等于所述第一旋转角的一半。

4.根据权利要求1所述的轴向冲击器，其特征在于，所述中心孔的下端固定连接喷嘴。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的轴向冲击器，其特征在于，所述叶轮为螺杆形，所述叶轮外套设与所述壳体总成固定连接的导流罩，所述导流罩的外表面开设有多个沿周向均匀分布的贯通至内表面的导流孔。

6.根据权利要求5所述的轴向冲击器，其特征在于，各个所述导流孔均相对于所述导流罩的径向偏斜设置，且偏斜方向一致。

7.根据权利要求6所述的轴向冲击器，其特征在于，所述导流孔与所述导流罩的内表面相切。

8.根据权利要求7所述的轴向冲击器，其特征在于，所述导流罩的顶部为锥形。

9.一种旋冲钻具，其特征在于，包括如权利要求1～8中任意一项所述的基于旋转叶轮驱动的轴向冲击器。

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