CN117823036A - 一种冲击破岩工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲击破岩工具，包括上接头、外壳、单向阀、配流器、冲锤弹簧、缸体、冲锤、阀座、下砧铁、卡盘、下接头，是依靠高压流体推动冲锤上行压结工作弹簧储存能量,而以工作弹簧释放出的能量驱动冲锤下行进行冲击的冲击破岩工具，工作原理主要包括上冲程和下冲程：当高压流体通过配流器流下时，由于下端通过阀座封闭，产生向上的压力，这时推动冲锤压缩工作弹簧上行，即冲击破岩工具的上行程；冲锤与下砧铁上的阀座分离，产生泄流，冲锤下部的压力消失，冲锤靠着惯性继续向上运动压缩弹簧储存能量，当冲锤的速度为零时，工作弹簧开始释放能量，推动冲锤下行打击下砧铁。本发明能耗低，并能提高冲击破岩工具的工作稳定性。

Description

一种冲击破岩工具

技术领域

本发明涉及破岩工程技术领域，具体涉及一种冲击破岩工具。

技术背景

在油气、地热、物探等钻井工程中,时常会遇到难钻地层,钻井难度大,对钻头磨损严重,钻井成本随之增大。为有效地提高钻头在难钻地层中的钻进效率,会在钻头上加装破岩提速工具，冲击器(也称冲击破岩工具)便是常用的提速工具。冲击器接在钻头上,在旋转钻进的同时，给钻头施加一定频率的轴向冲击力,使钻头对岩层产生轴向的冲击力,来提高破岩效率。

目前,冲击器通常是利用钻井用的高压流体流经换向元件等部件,产生上下压差,来驱动冲击体进行往复运动,进而产生一定频率的冲击。但在深部地层钻井中,由于流体压力高,液体压缩性差,导致冲击器性能不稳定，难以正常运行。现有冲击器利用本体内流通的钻井液在冲击体的上端和冲击体的下端之间形成的压力差使冲击体沿轴向往复运动,缸体的封闭和打开是通过冲击体的上下移动来实现腔体的打开和封闭。在深部钻井工程中，由于液体压缩性差,井下绝对压力大，冲击体下移过程要克服冲击体下方的高压液体阻力,冲击体的动力能量消耗大,无法实现高效冲击，甚至不能工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种冲击破岩工具，以解决现有冲击器流体能损耗大，性能不稳定的问题。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：

一种冲击破岩工具，包括上接头、外壳、单向阀、配流器、冲锤弹簧、缸体、冲锤、阀座、下砧铁、卡盘、下接头，冲击破岩工具的外壳上端连接上接头，下端连接卡盘，卡盘下部设置下接头，外壳内部的上接头下方安装单向阀，配流器安装在单向阀以下，单向阀下方装入配流器的上部孔内，与配流器形成间隙配合，单向阀与配流器之间设置有弹簧，配流器的下部连接缸体，配流器、缸体与外壳形成固定装配，缸体下部设置冲锤，冲锤上端与缸体内腔形成间隙配合，缸体内配流器与冲锤之间设置冲锤弹簧，下砧铁设置在冲锤下方，下砧铁通过花键或滑动键与卡盘相连接，下砧铁与下接头固定连接，卡盘能向下砧铁及下接头传递扭矩，下砧铁及下接头能相对卡盘轴向滑动。

单向阀的下端设置弹簧，弹簧处于压缩状态，弹簧的弹力使单向阀上端与上接头的孔口贴紧，使上接头的内孔处于关闭状态，从上接头上部流入的流体能压开单向阀流往冲击破岩工具下部，从冲击破岩工具下部往上流的流体无法打开单向阀，不能流入上接头，单向阀的侧面设置与单向阀内腔相通的侧孔，使单向阀的内外流体连通，确保单向阀开、关运动时阀内流体的流出与流入，保证单向阀顺利开、关。

配流器下端装入缸体，配流器内部设置有轴向流道和径向流道，缸体上部设置径向通孔与配流器内轴向流道和径向流道相连通，来自单向阀的流体通过配流器流道和缸体径向通孔进入缸体、冲锤与外壳形成的环腔。

冲锤上部通过间隙配合装入缸体内，阀座固定在下砧铁的上端，冲锤、阀座、下砧铁内设置中心通孔，冲锤下部内孔与阀座的外壁之间为间隙配合，缸体下部的缸壁上设置径向通孔，缸体与冲锤之间设置冲锤弹簧。

下行程极限位置指冲锤下行到与下砧铁接触时的位置，上行程极限位置指冲锤上行到脱离阀座使得冲锤弹簧达到最大压缩量时的位置。下行程极限位置时冲锤上端面与配流器下端面的距离为L1，上行程极限位置时冲锤上端面与配流器下端面的距离为L2，冲锤在缸体内的滑动距离为L，L＝L1-L2。

所述缸体下部的径向通孔与环腔相通，缸体下端面与所述缸体下部的径向通孔上沿的距离h大于冲锤在缸体内的滑动距离L的五分之一，即h＞L/5。

所述冲锤在缸体内的滑动距离L大于阀座的高度d，阀座高度d大于缸体下端面与所述缸体下部的径向通孔上沿的距离h，即h≤d＜L。

所述冲锤在下行程极限位置时，冲锤的上端面与缸体的下端面距离f满足：0＜f＜h，下行程极限位置指冲锤下行到与下砧铁接触时的位置。

作为优选，所述单向阀的上部与上接头内孔口之间设置有密封。单向阀的上部与上接头结束，形成密封，在由上接头流入的流体压力不足时，单向阀处于关闭状态，密封可防止流体渗入。同时，单向阀下端的流体也不能流入上接头。密封圈可采用软质橡胶材质或铜质。

作为优选，配流器与上接头之间设置有垫圈。由于来自上接头的流体是否能流往冲击破岩工具下部由单向阀决定，因此，保证单向阀的结构稳定是冲击破岩工具正常工作的重要前提。同时，单向阀的下部装入配流器，单向阀的结构和工作原理配流器也参与其中，保证配流器装配的准确性、位置精度也就保证了单向阀的正常工作。因此，配流器与上接头之间设置有垫圈可实现装配时的位置调节，减少加工误差带来的不精确性，实现可靠定位和高精度装配尺寸。

作为优选，所述外壳为多段筒体相连接的组合壳体。外壳为多段筒体相连接的组合壳体，一方面可以简化冲击破岩工具的安装难度，对于冲击破岩工具在遭受局部损坏或故障时便于更换维修；另一方面，采用多段筒体相连接的组合壳体便于冲击破岩工具的加工制造。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过单向阀和配流器的使用实现流体的流通，使流体压力为冲锤的上冲程提供充足的动力来源，同时冲锤弹簧为冲锤的下冲程的动力来源储存能量，冲锤下冲程的能量来源是冲锤弹簧的压缩作用，通过冲击器外壳、缸体、冲锤等形成环腔，为冲击器提供流道，以实现压差，使得冲锤可在腔内上下移动。

(2)本发明通过在缸体内设置有与环腔连通的通孔，在当冲锤下行超过这些孔时，液流除了从原有的液路流下，还可以从缸体上的通孔流下，冲锤上下都无压力，避免冲锤憋死不运动。

(3)本发明冲锤在缸体内的滑动距离大于阀座的高度，从而使得冲锤的下端在上冲程结束时可与阀座分离，从而实现泄流，将冲锤弹簧储存的能量释放，转化为冲锤下冲程的动力，同时采用两种动力，能加快冲击破岩工具的工作频率，提高工作效率和冲击功。

(4)本发明利用冲锤上冲程运动过程中，冲锤与下砧铁上的阀座配合，对冲锤弹簧进行压缩蓄能，为冲锤提供冲击能量。冲锤下冲程运动过程中利用冲锤与阀座配合关闭液路，为冲锤的再次上行提供上举液力，使冲程完成上、下周而复始的运动。冲锤弹簧与阀座的巧妙配合，获得冲击器持续的冲击动作，结构简单，制造方便，工作可靠稳定。

附图说明

图1为本发明一种冲击破岩工具的结构示意图；

图2为本发明一种冲击破岩工具的冲锤上行程的结构示意图；

图3为本发明一种冲击破岩工具的冲锤下行程的结构示意图；

图4为本发明一种冲击破岩工具的冲锤截面示意图；

图5为本发明一种冲击破岩工具的下砧铁截面示意图。

附图标记：1-上接头，2-外壳，3-单向阀，4-配流器，5-冲锤弹簧，6-缸体，7-冲锤，8-阀座，9-下砧铁，10-卡盘，11-下接头，12-密封。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。

实施例一：参考图1、图2、图3、图4、图5所示，一种冲击破岩工具，包括上接头1、外壳2、单向阀3、配流器4、冲锤弹簧5、缸体6、冲锤7、阀座8、下砧铁9、卡盘10、下接头11，其特征在于：冲击破岩工具的外壳2上端连接上接头1，下端连接卡盘10，卡盘10下部设置下接头11，外壳2内部的上接头1下方安装单向阀3，配流器4安装在单向阀3以下，单向阀3下方装入配流器4的上部孔内，与配流器4形成间隙配合，单向阀3与配流器4之间设置有弹簧，配流器4的下部连接缸体6，配流器4、缸体6与外壳2形成固定装配，缸体6下部设置冲锤7，冲锤7上端与缸体6内腔形成间隙配合，缸体6内配流器4与冲锤7之间设置冲锤弹簧5，下砧铁9设置在冲锤7下方，下砧铁9通过花键或滑动键与卡盘10相连接，下砧铁9与下接头11固定连接，卡盘10能向下砧铁9及下接头11传递扭矩，下砧铁9及下接头11能相对卡盘10轴向滑动。

单向阀3的下端设置弹簧，弹簧处于压缩状态，弹簧的弹力使单向阀3上端与上接头1的孔口贴紧，使上接头1的内孔处于关闭状态，从上接头1上部流入的流体能压开单向阀3流往冲击破岩工具下部，从冲击破岩工具下部往上流的流体无法打开单向阀3，不能流入上接头1，单向阀3的侧面设置与单向阀3内腔相通的侧孔，使单向阀3的内外流体连通，确保单向阀3开、关运动时阀内流体的流出与流入，保证单向阀3顺利开、关。

配流器4下端装入缸体6，配流器4内部设置有轴向流道和径向流道，缸体6上部设置径向通孔与配流器4内轴向流道和径向流道相连通，来自单向阀3的流体通过配流器4流道和缸体6径向通孔进入缸体6、冲锤7与外壳2形成的环腔。

冲锤7上部通过间隙配合装入缸体6内，阀座8固定在下砧铁9的上端，冲锤7、阀座8、下砧铁9内设置中心通孔，冲锤7下部内孔与阀座8的外壁之间为间隙配合，缸体6下部的缸壁上设置径向通孔，缸体6与冲锤7之间设置冲锤弹簧5。

下行程极限位置指冲锤7下行到与下砧铁9接触时的位置，上行程极限位置指冲锤7上行到脱离阀座8使得冲锤弹簧5达到最大压缩量时的位置。下行程极限位置时冲锤7上端面与配流器4下端面的距离为L1，上行程极限位置时冲锤7上端面与配流器4下端面的距离为L2，冲锤7在缸体内的滑动距离为L，L＝L1-L2。

所述缸体6下部的径向通孔与环腔相通，缸体6下端面与所述缸体下部的径向通孔上沿的距离h大于冲锤7在缸体内的滑动距离L的五分之一，即h＞L/5。

所述冲锤7在缸体6内的滑动距离L大于阀座8的高度d，阀座8高度大于缸体6下端面与所述缸体下部的径向通孔上沿的距离h，即h≤d＜L。

所述冲锤7在下行程极限位置时，冲锤7的上端面与缸体6的下端面距离f满足：0＜f＜h，下行程极限位置指冲锤7下行到与下砧铁9接触时的位置。

作为优选，所述单向阀3的上部与上接头1内孔口之间设置有密封12。

作为优选，配流器4与上接头1之间设置有垫圈。

作为优选，所述外壳2为多段筒体相连接的组合壳体。

本发明的基本工作原理如下：

在非工作状态时，冲锤7与下砧铁9相贴，阀座8插入冲锤7内孔，使得下端封闭(图1)。参考图2所示，高压流体进入上接头1顶开单向阀3，高压流体通过配流器4的轴向流道和径向流道，经缸体6上部的通孔进入由缸体6、外壳2、冲锤7形成的环空，由于下端封闭，冲锤7上、下端面存在压差，产生向上的压力，推动冲锤7压缩冲锤弹簧5上行，冲锤7上行后，冲锤7与下砧铁9分离，当冲锤7的上行距离大于阀座8的高度d时，产生泄流，抬升冲锤7向上的压力消失，冲锤7靠着惯性继续向上运动压缩冲锤弹簧5储存能量，当冲锤7的速度为零时，冲锤7不再向上运动，此时到达上行程极限位置。到达上行程极限位置后，冲锤弹簧释放能量，推动冲锤7下行打击下砧铁9，到达下行程极限位置(参考图3)。阀座重新插入冲锤内孔后，封闭液路，再一次在冲锤上、下端面形成压差，对冲锤7产生向上的压力开始再一次的上升、下降过程，周而复始。冲锤7不断击打下砧铁9，同时通过卡盘10可向下接头传递扭矩。这就是该冲击破岩工具的基本工作原理。

在该冲击破岩工具中，冲锤7是最重要的零件，靠冲锤7击打下砧铁9完成冲击回转的运动，对于冲锤弹簧5来说，则是有储存能量和释放能量的作用，当高压流体流下推动冲锤7上行，压缩连接在冲锤7上的冲锤弹簧5，这个时候冲锤弹簧5就在储存能量，而泄流后，冲锤7底部无向上的力，这时，冲锤弹簧5释放能量，推动冲锤7下行打击下砧铁9。当高压流体通过上接头1流下时，为了让流体在冲击破岩工具内的压力均衡，在单向阀3的下部设计了一个配流器4，液流在配流器4里通过。缸体6、冲锤7与外壳2形成的环腔，而环腔的设计是提供液路，让高压流体在冲击破岩工具内畅通无阻。

参考图1所示，在非工作状态时，冲锤7与下砧铁9相贴，下端封闭，当高压流体通过配流器4流下时，由于下端封闭，产生向上的压力，这时推动冲锤7压缩冲锤弹簧5上行，这个就是冲击破岩工具的上行程。

参考图2所示，当冲锤7上行后，冲锤7与下砧铁9分离，产生泄流，冲锤7下部的压力消失，冲锤7靠着惯性继续向上运动压缩冲锤弹簧5储存能量，当冲锤7的速度为零时，冲锤7不再向上运动，这时，冲锤弹簧5开始释放能量，推动冲锤7下行打击下砧铁9，这是冲击破岩工具的下冲程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种冲击破岩工具，包括上接头、外壳、单向阀、配流器、冲锤弹簧、缸体、冲锤、阀座、下砧铁、卡盘、下接头，其特征在于：冲击破岩工具的外壳上端连接上接头，下端连接卡盘，卡盘下部设置下接头，外壳内部的上接头下方安装单向阀，配流器安装在单向阀以下，单向阀下方装入配流器的上部孔内，与配流器形成间隙配合，单向阀与配流器之间设置有弹簧，配流器的下部连接缸体，配流器、缸体与外壳形成固定装配，缸体下部设置冲锤，冲锤上端与缸体内腔形成间隙配合，缸体内配流器与冲锤之间设置冲锤弹簧，下砧铁设置在冲锤下方，下砧铁通过花键或滑动键与卡盘相连接，下砧铁与下接头固定连接，卡盘能向下砧铁及下接头传递扭矩，下砧铁及下接头能相对卡盘轴向滑动；

单向阀的下端设置弹簧，弹簧处于压缩状态，弹簧的弹力使单向阀上端与上接头的孔口贴紧，使上接头的内孔处于关闭状态，从上接头上部流入的流体能压开单向阀流往冲击破岩工具下部，从冲击破岩工具下部往上流的流体无法打开单向阀，不能流入上接头，单向阀的侧面设置与单向阀内腔相通的侧孔，使单向阀的内外流体连通，确保单向阀开、关运动时阀内流体的流出与流入，保证单向阀顺利开、关；

配流器下端装入缸体，配流器内部设置有轴向流道和径向流道，缸体上部设置径向通孔与配流器内轴向流道和径向流道相连通，来自单向阀的流体通过配流器流道和缸体径向通孔进入缸体、冲锤与外壳形成的环腔；

冲锤上部通过间隙配合装入缸体内，阀座固定在下砧铁的上端，冲锤、阀座、下砧铁内设置中心通孔，冲锤下部内孔与阀座的外壁之间为间隙配合，缸体下部的缸壁上设置径向通孔，缸体与冲锤之间设置冲锤弹簧；

所述缸体下部的径向通孔与环腔相通，缸体下端面与所述缸体下部的径向通孔上沿的距离h大于冲锤在缸体内的滑动距离L的五分之一；

所述冲锤在缸体内的滑动距离L大于阀座的高度d，阀座高度d大于等于缸体下端面与所述缸体下部的径向通孔上沿的距离h；

所述冲锤在下行程极限位置时，冲锤的上端面与缸体的下端面距离f满足：0＜f＜h。

2.根据权利要求1所述的一种冲击破岩工具，其特征在于：所述单向阀的上部与上接头内孔口之间设置有密封。

3.根据权利要求1所述的一种冲击破岩工具，其特征在于：配流器与上接头之间设置有垫圈。

4.根据权利要求1所述的一种冲击破岩工具，其特征在于：所述外壳为多段筒体相连接的组合壳体。