CN117127906A - 双涡轮式复合冲击器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种双涡轮式复合冲击器，包括周向冲击模块、轴向冲击模块。分流盖与止旋板将钻井液分为高压区和低压区，拨叉开关在钻井液作用下带动液压锤旋转，产生周向冲击；整流盖将钻井液输送至下方的定涡轮‑动涡轮组为动盘阀提供动力，动盘阀旋转时与定盘阀之间的过流面积发生周期性的改变，发生水锤效应产生周期性轴向冲击。本发明提供了一种全新的双涡轮式复合冲击器，应用于各类地质勘探，减少粘滑震动的产生，提高深硬地层钻探效率。
Description
技术领域
本发明属于地质资源钻井技术领域，具体涉及一种双涡轮式复合冲击器。
背景技术
随着油气资源的不断开采和利用，大部分浅层及易开采的油气资源已被利用完毕。目前油气资源主要向深硬地层开发钻探，但随着钻井深度的不断提高，钻头在井底旋转时，由于地层和钻头的复杂物理特性，钻头的旋转速度会发生周期性的变化即产生钻具的粘滑现象，使得井眼轨迹控制精度降低，钻速下降。冲击器能大幅度降低粘滑现象发生的问题，其中射吸式冲击器仅能提供轴向冲击无法解决粘滑现象和卡钻事故；涡轮式扭转冲击钻具不能承受内部旋转圆盘的钻孔压力和扭矩，寿命较低；三维振动冲击器需克服钻井液阻力，惯性大动作迟缓，响应速度低。常规的冲击钻具在深井和超深井的钻探中有诸多的问题和限制，因此能同时为钻头提供额外周向和轴向冲击、技术成熟结构可靠的新型双涡轮式复合冲击器是现阶段必须的。
发明内容
本发明的目的是提供一种同时为钻头提供额外周向与轴向冲击、技术成熟结构可靠的新型双涡轮式复合冲击器。
本发明所采用的技术方案是：双涡轮式复合冲击器由周向冲击模块和轴向冲击模块组成，周向冲击模块由上接头、分流盖、止旋板、拨叉开关、液压锤、锤座、整流盖组成，轴向冲击模块由定涡轮、动涡轮、圆锥滚子轴承、导流架、轴承端盖、涡轮轴、汇流喷嘴、动盘阀、钻铤中段、定盘阀、钻铤下段、挡圈、卡套、下接头组成。所述双涡轮式复合冲击器上接头一端为钻井液输入口，另一端直接与分流盖焊接。分流盖周向均匀分布8个弧形流道口，下端设有圆形流体入口。所述止旋板与分流盖焊接，从外到内依次安装锤座、液压锤、拨叉开关，能够使周向冲击模块平稳工作，整流盖与上接头通过螺纹连接。
所述的定涡轮与钻铤中段通过螺钉连接，涡轮轴与导流架通过圆锥滚子轴承连接，轴承端盖与导流架通过螺纹连接。所述动涡轮与涡轮轴通过花键连接，汇流喷嘴通过螺纹与钻铤下段连接，定盘阀与钻铤下段焊接，钻铤中段与钻铤下段通过螺纹连接，挡圈卡在钻铤下段、定盘阀、卡套与下接头之间，卡套与钻铤下段和下接头均用螺纹连接。
所述的分流盖旁流道设有圆形倒角，过渡圆润平滑，能够避免压力徒增，在分流盖小孔处增加的止旋板设有周向均匀分布的12个孔，能够在不阻碍钻井液流动的同时抑制涡流的产生。
所述的液压锤设有8个流道：流道a、流道b、流道c、流道d、流道e、流道f、流道g、流道h，两个摆锤：摆锤a、摆锤b，两个限位块：限位块a、限位块b。所述的拨叉开关设有中心流道，四个高压流道：高压流道a、高压流道b、高压流道c、高压流道d，两个挡流道：挡流道a、挡流道b。所述的锤座设有两个泄压流道：泄压流道a、泄压流道b，两个弧形槽：弧形槽a和弧形槽b。液压锤、拨叉开关、锤座之间有相对转动，拨叉开关和液压锤组成换向通道，液压锤和锤座组成液压锤空腔，高压钻井液推动液压锤摆动，拨叉开关转动实现各个流道内高压钻井液和低压钻井液的变化。
所述的整流盖内环设有6个泄压口，外环设有10个流道，高压钻井液通过泄压口与低压钻井液汇流后从外环流道处流出，进入定涡轮-动涡轮组，为轴向冲击提供动力。
所述的定涡轮叶片旋向与动涡轮相反，使得钻井液从定涡轮流出后垂直冲击动涡轮的叶片，推动动涡轮平稳旋转，使其流体能达到最高效的转化，满足旋冲破岩所需的频率需求。
所述的定盘阀与动盘阀之间有一偏心过流孔，动盘阀回转中心为定盘阀的几何中心，动盘阀从0°旋转到180°时，过流面积由小变大，流体压力迅速减小，产生负水锤，动盘阀继续旋转到360°，过流面积由大变小，流体压力迅速增大，产生正水锤，钻井液在过流孔流出时过流面积发生周期性变化，产生水锤效应，实现周期性轴向冲击。
本发明与现有技术比较，其具有以下有益效果：（1）止旋板能够消除分流盖旁流道前腔室涡流，减少冲刷侵蚀，增加使用寿命；（2）定涡轮-动涡轮组能够为动盘阀提供动力，实现持续的轴向冲击；（3）在完成周向冲击的同时实现连续的轴向冲击，提高钻头破岩效率，减少粘滑现象的发生。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是止旋板的结构示意图；
图3是分流盖的剖面示意图；
图4是拨叉开关的结构示意图；
图5是液压锤的结构示意图；
图6是锤座的结构示意图；
图7是图1的A-A剖面视图。
附图中，仅用于说明本发明的原理，并未按照实际的比例绘制。
附图标记说明：1-上接头、2-分流盖、3-止旋板、4-拨叉开关、401-中心流道、402-挡流道a、403-高压流道a、404-高压流道b、405-挡流道b、406-高压流道c、407-高压流道d、5-液压锤、501-限位块a、502-流道a、503-流道b、504-摆锤a、505-流道c、506-流道d、507-限位块b、508-流道e、509-流道f、510-摆锤b、511-流道g、512-流道h、6-锤座、601-泄压流道a、602-弧形槽a、603-泄压流道b、604-弧形槽b、7-整流盖、8-定涡轮、9-动涡轮、10-圆锥滚子轴承、11-导流架、12-轴承端盖、13-涡轮轴、14-汇流喷嘴、15-动盘阀、16-钻铤中段、17-定盘阀、18-钻铤下段、19-挡圈、20-卡套、21-下接头。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进一步说明：
参见图1，所述的双涡轮式复合冲击器包括周向冲击模块和轴向冲击模块，周向冲击模块由上接头1，分流盖2，止旋板3，拨叉开关4，液压锤5，锤座6，整流盖7组成；轴向冲击模块由定涡轮8，动涡轮9，圆锥滚子轴承10，导流架11，轴承端盖12，涡轮轴13，汇流喷嘴14，动盘阀15，钻铤中段16，定盘阀17，钻铤下段18，挡圈19，卡套20，下接头21组成；所述双涡轮式复合冲击器上接头1一端直接与分流盖2焊接在一起，另一端为钻井液输入口； 分流盖2旁边均匀分布8个弧形流道口，下端设有圆形流体入口；所述止旋板3与分流盖2焊接；从外到内依次安装锤座6、液压锤5、拨叉开关4；整流盖7与上接头1通过螺纹连接；所述的定涡轮8与钻铤中段16通过螺钉连接；所述涡轮轴13与导流架11通过圆锥滚子轴承连接，轴承端盖12与导流架11通过螺纹连接；所述动涡轮9与涡轮轴13通过花键连接；汇流喷嘴14通过螺纹与钻铤下段18连接；定盘阀17与钻铤下段18焊接；钻铤中段16与钻铤下段18通过螺钉连接；挡圈19卡在钻铤下段18、卡套20与下接头21之间；卡套20与钻铤下段18和下接头21均用螺纹连接。
导流架11与涡轮轴13连接的一对圆锥滚子轴承10反装，两者之间设有套筒用于轴向定位；涡轮轴13与圆锥滚子轴承过盈配合，导流架11与圆锥滚子轴承10过盈配合；轴承端盖12与圆锥滚子轴承10之间设有挡油环。
参见图2、图3、图4、图5、图6和图7，所述的分流盖将钻井液分为低压液流和高压液流，分流盖主通道与拨叉开关的中心流道连通，弧形流道口与周向冲击模块的空腔连通，锤座下端均匀分布8个流道口，与整流盖连通，所述拨叉开关挡流道402与锤座泄压流道601连通，挡流道405与锤座泄压流道603连通，一直处于泄压状态，液压锤流道503、流道505与锤座弧形槽a602连通，流道509、流道511与锤座弧形槽b604连通，拨叉开关高压流道与液压锤流道连通，实现加压，拨叉开关空腔通过液压锤流道与锤座弧形槽连通，实现泄压，完成周向冲击动作。
周向冲击总成完成一次冲击包括两个状态，及顺时针冲击过程和逆时针冲击过程，两个状态相互切换，完成持续的周向冲击，具体冲击过程为：
泄压流道a601与流道h512或者流道a502连通构成泄压通道，泄压流道b603与流道d506或者流道e508连通构成泄压通道，轴向冲击顺时针初始状态，拨叉开关中心流道401的高压钻井液通过高压流道a403，与锤座的流道b503连通形成高压腔，高压流道c406与流道f509连通构成高压腔，拨叉开关的空腔通过流道c505与弧形槽a602连通形成低压腔，通过流道g511与弧形槽b604连通形成低压腔，产生的压差推动液压锤顺时针旋转同时带动拨叉开关旋转，当液压锤运动至极限位置与锤座相撞，液压锤停止运动，产生一次顺时针冲击，随后拨叉开关将在惯性作用下继续旋转至高压流道b404与流道c505连通、高压流道d407与流道g511连通；随后进入逆时针冲击初始状态，拨叉开关的空腔通过流道b503与弧形槽a602连通形成低压腔，通过流道f509与弧形槽b604形成低压腔，高压流道b404与流道c505连通、高压流道d407与流道g511连通形成高压腔，高低压腔的压差推动液压锤逆时针旋转同时带动拨叉开关旋转，当液压锤运动至极限位置与锤座相撞，液压锤停止运动，产生一次逆时针冲击，随后拨叉开关将在惯性作用下继续旋转至高压流道a403与流道b503连通，高压流道c406与流道f509连通，至此，一个完整的扭转冲击过程结束，以此往复，在钻井液的作用下不断重复该过程，实现连续的周向冲击。
高压钻井液和低压钻井液在整流盖处汇流进入轴向冲击模块，流经定涡轮，定涡轮叶片旋向与动涡轮相反，使得钻井液从定涡轮流出后垂直冲击动涡轮的叶片，使其流体能达到最高效的转化，钻井液随后由导流架流至汇流喷嘴处，从动盘阀上的小孔流入，从定盘阀中流出。定盘阀与动盘阀之间有一偏心过流孔，而动盘阀回转中心为定盘阀的几何中心，故动盘阀旋转时与定盘阀之间的过流面积发生周期性的改变，发生水锤效应产生周期性轴向冲击。钻井液从定盘阀流出时为脉冲射流，在钻铤下段与下接头的两个空腔内缓冲成稳定的连续流后流入钻头。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种双涡轮式复合冲击器，其特征在于：双涡轮式复合冲击器包括周向冲击模块、轴向冲击模块，其中：
所述的周向冲击模块包含了上接头（1）、分流盖（2）、止旋板（3）、拨叉开关（4）、液压锤（5）、锤座（6）和整流盖（7）；其特征在于上接头（1）与分流盖（2）通过焊接固定；分流盖（2）周向均匀分布8个弧形流道口，下端设有圆形流道入口；所述止旋板（3）与分流盖（2）焊接；整流盖（7）与上接头（1）通过螺纹连接；
所述的轴向冲击模块包含了定涡轮（8）、动涡轮（9）、圆锥滚子轴承（10）、导流架（11）、轴承端盖（12）、涡轮轴（13）、汇流喷嘴（14）、动盘阀（15）、钻铤中段（16）、定盘阀（17）、钻铤下段（18）、挡圈（19）、卡套（20）和下接头（21）；所述定涡轮（8）与钻铤中段（16）通过螺钉连接；涡轮轴（13）与导流架（11）通过圆锥滚子轴承（10）连接；轴承端盖（12）与导流架（11）通过螺纹连接；动涡轮（9）与涡轮轴（13）通过花键连接；汇流喷嘴（14）通过螺纹与钻铤下段（18）连接；定盘阀（17）直接焊接在钻铤下段（18）上；钻铤中段（16）与钻铤下段（18）通过螺纹连接；挡圈（19）卡在钻铤下段（18）、卡套（20）与下接头（21）之间；卡套（20）与钻铤下段（18）和下接头（21）均用螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的双涡轮式复合冲击器，其特征在于：所述分流盖（2）的旁流道设有圆形倒角，能够避免压力徒增，分流盖（2）的流道口安装有止旋板（3），能够抑制流道中涡流现象的产生。
3.根据权利要求1所述的双涡轮式复合冲击器，其特征在于：所述的液压锤（5）设有8个流道：流道a（502）、流道b（503）、流道c（505）、流道d（506）、流道e（508）、流道f（509）、流道g（511）、流道h（512），两个摆锤：摆锤a（504）、摆锤b（510），两个限位块：限位块a（501）、限位块b（507）；所述的拨叉开关（4）设有中心流道（401），四个高压流道：高压流道a（403）、高压流道b（404）、高压流道c（406）、高压流道d（407），两个挡流道：挡流道a（402）、挡流道b（405）；所述的锤座（6）设有两个泄压流道：泄压流道a（601）、泄压流道b（603），两个弧形槽：弧形槽a（602）和弧形槽b（604）；液压锤（5）、拨叉开关（4）、锤座（6）之间有相对转动，高压钻井液推动液压锤（5）摆动，拨叉开关（4）转动实现各个流道内高压钻井液和低压钻井液的变化。
4.根据权利要求1所述的双涡轮式复合冲击器，其特征在于：所述的整流盖（7）内环设有6个周向均布的泄压口，外环设有流道，高压钻井液和低压钻井液在整流盖（7）汇流后从外环流道处流出，进入轴向冲击模块。
5.根据权利要求1所述的双涡轮式复合冲击器，其特征在于：所述定涡轮（8）叶片旋向与动涡轮（9）相反，钻井液从定涡轮（8）流出后垂直冲击动涡轮（9）的叶片，使其流体能达到最高效的转化，满足旋冲破岩的频率需求。
6.根据权利要求1所述的双涡轮式复合冲击器，其特征在于：所述定盘阀（17）与动盘阀（15）之间设有偏心过流孔，动盘阀（15）回转中心为定盘阀（17）的几何中心，钻井液通过过流孔时，过流面积发生周期性变化，产生水锤效应，实现周期性轴向冲击。
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