CN202202804U - 一种定向旋转式空气锤 - Google Patents

Abstract

一种定向旋转式空气锤，主要由隔离机构、配气旋转机构、活塞组件和钻头构成，隔离机构包括上接头、回转接头、逆止阀、弹簧、弹簧座放置阀芯、弹簧座和外壳；配气旋转机构设在隔离机构内，包括回转轴、配气座、进气管、后气腔和前气腔，配气座顶面与弹簧座固定连接，底面上以环形阵列方式布置有多个锯齿状凸锥，进气管上端连接在配气座上，下端伸入活塞组件内，在进气管上设有进气口；活塞组件设在隔离机构内，包括活塞、卡环和卡环半，在活塞顶面以环形阵列方式布置有多个与配气座底面锯齿状凸锥相匹配的凸锥，活塞上径向设有分别通向后气腔和前气腔的进气孔；钻头通过花键连接在花键接头上，钻头的尾部连接有钻头尾管。它具有极强的实用性。

Description

一种定向旋转式空气锤

技术领域

本实用新型属于石油、天然气钻井装备领域，具体涉及石油、天然气钻探过程中使用欠平衡方式钻井时的钻井工具，更为具体的说，是涉及一种定向旋转式空气锤，它适合在水平井、定向井和大位移井等井况使用。 

背景技术

气体钻井技术是采用空气锤依靠高压气体提供动力进行冲击破岩的，它比一般回转钻井机械的钻速要快10倍以上，具有非常明显的优势。为了提高钻井机械的钻速，加快钻井工程进度，空气锤钻井在国内外的石油、天然气井钻探行业得到了广泛的应用。然而，普通空气锤因其结构的限制，无法自行旋转，只能够提供冲击功能，这在垂直井内应用时具有良好的效果，在对扭矩要求较高的水平井、定向井和大位移井等井况使用时，由于井壁摩擦阻力的原因，使用效果大打折扣，甚至无法使用。 

为了使空气锤不仅满足在垂直井使用，而且满足对扭矩要求较高的水平井、定向井和大位移井等井况使用，就必须对普通空气锤结构进行改进，使得它在提供冲击功能的同时能够输出扭矩，例如中国专利文献公开的“自转式空气锤”（公开号：CN 101781969；公开日：2010年7月21日），它包括旋转隔离机构、旋转机构、配气机构、活塞组件和防掉落钎头，所述旋转隔离机构包括上接头、橡胶密封锥、逆止阀体、弹簧、密封圈和外缸，其中，所述上接头一端与钻具组合螺纹连接，上接头的另一端与外缸螺纹连接，所述橡胶密封锥与逆止阀体通过弹簧定位在上接头与配气机构的配气座盖之间，密封圈设置在上接头和外缸之间；所述旋转机构包括离合器、螺旋棒和螺旋母，其中，离合器安装在配气机构的配气座内部，螺旋棒上部通过花键与离合器相连接，螺旋棒下部通过花键与螺旋母相连接，螺旋母通过螺纹连接在活塞组件的活塞上部。其工作过程是：当活塞受空气膨胀上行过程中，离合器处于逆齿状态，螺旋棒无法转动，螺旋棒通过花键连接的螺旋母向右旋转，带动活塞向右旋转，活塞带动传动套向右旋转，传动套通过花键带动钎头旋转；高压气体推动活塞继续上行，到达上死点后，活塞开始下行冲击钎头，实现冲击作用。它虽然在提供冲击功能的同时输出了扭矩，实现了自旋转，但其在实际应用中经反复试验，输出的扭矩太小，仍然无法解决在水平井、定向井和长分支井等井况钻探过程中的扭矩要求和不能钻进的难题；其次，经它钻探的井壁凹凸不平，在后期完井和固井时，需要单独对井壁进行平整处理，增加了作业量，拖延了工程进度；此外，它还具有结构复杂、可靠性差和制造成本高等不足。 

发明内容

本实用新型的目的在于：针对上述现有技术的不足，提供一种具有冲击功能的同时能够输出较大扭矩的定向旋转式空气锤，它克服了现有普通空气锤不能在水平井、定向井和长分支井等井况使用的技术瓶颈。 

本实用新型为解决其技术问题所采用的技术方案如下。 

一种定向旋转式空气锤，主要由隔离机构、配气旋转机构、活塞组件和钻头构成， 

-所述隔离机构包括上接头、回转接头、逆止阀、弹簧、弹簧座放置阀芯、弹簧座和外壳，所述上接头的上端用作连接钻具，下端内止口与配气旋转机构的回转轴连接，下端外止口与回转接头的上端螺纹连接，回转接头的下端以台阶定位的方式连接在配气旋转机构的回转轴上，在上接头、回转接头和回转轴的三者连接处设有蝶形弹簧、止推垫片和止推轴承；所述逆止阀设在配气旋转机构回转轴的中心孔上，逆止阀通过弹簧、弹簧座放置阀芯和弹簧座定位在配气旋转机构的配气座上，配气旋转机构的回转轴下端与弹簧座连接；所述外壳的上、下端分别与弹簧座和花键接头螺纹连接；

-所述配气旋转机构设置在隔离机构内部，配气旋转机构包括回转轴、配气座、进气管、后气腔和前气腔，所述回转轴装配连接在隔离机构的上接头、回转接头和弹簧座上；配气座与隔离机构的外壳螺纹连接，顶面与弹簧座固定连接，底面上以环形阵列的方式布置有多个锯齿状的凸锥；进气管的上端连接在配气座上，下端伸入活塞组件内，在进气管上设有进气口；所述后气腔由配气座、进气管、隔离机构外壳和活塞组件活塞之间的环形空间形成；所述前气腔由活塞组件活塞、卡环半、钻头和隔离机构外壳之间的环形空间形成；

-所述活塞组件设置在隔离机构内部，活塞组件包括活塞、卡环和卡环半，所述活塞的顶面与配气旋转机构的配气座底面相向，在活塞顶面以环形阵列的方式布置有多个与配气座底面的锯齿状凸锥相匹配的凸锥，活塞的中心孔底端与钻头尾管对应，活塞上径向设有两组进气孔，其中一组进气孔通向配气旋转机构的后气腔，另一组进气孔通向配气旋转机构的前气腔；所述卡环定位在钻头尾端处的隔离机构外壳上，用作防止活塞在安装时掉落；所述卡环半定位在钻头的花键上部台阶处； 

-所述钻头通过花键连接在花键接头上，钻头的尾部连接有钻头尾管。

所述活塞上的进气孔径向投影与半径方向有一倾角 ，该倾角为1～5°。 

所述配气座相向于弹簧座的端面上设有弹簧卡圈。 

所述隔离机构的上接头与回转接头连接处设有金属垫片和/或密封圈。 

所述上接头的下端内止口与配气旋转机构的回转轴的连接处设有密封圈。 

所述外壳的上端与弹簧座的连接处设有密封圈。 

所述配气旋转机构的回转轴下端与弹簧座的连接处设有密封圈。 

所述外壳的下端与花键接头的连接处设有密封圈。 

所述配气座与外壳的连接处设有密封圈。 

本实用新型的有益效果是： 

与普通空气锤相比，本实用新型将空气锤结构做大幅度改进，增加其自动旋转功能，使得空气锤在提供冲击的同时能够输出扭矩，方便应用于在对扭矩有较大要求的水平井、定向井和大位移井等井况，能够有效提高石油、天然气钻探的机械钻速，加快钻井工期；

与公开号为CN 101781969的“自转式空气锤”相比，本实用新型的旋转功能是由回转接头、回转轴、弹簧座、配气座和活塞等构件共同联合作用的，活塞在上行过程中与配气座底面的锯齿状凸锥相互作用，并产生一定的周向力，使得配气座在特定方向旋转，带动回转轴和外壳旋转，外壳与花键接头相互作用，使钻头产生旋转运动，实现自动加压和改变钻头角度，从而使空气锤在提供冲击功能的同时输出较大扭矩，满足水平井、定向井和长分支井等井况的钻探要求，加快石油、天然气井的钻探工程进度；此外，本实用新型在旋转作业的同时能将井壁壁面抹平，使井壁壁面光滑、平整，直接改善后期的完井效果和提高固井的质量。本实用新型具有结构简单、可靠性高、实用性强和制造成本低等特点。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。 

图1是本实用新型的一种结构示意图。 

图2是本实用新型的活塞冲击配气座的原理示意图。 

图3是本实用新型的活塞上进气孔在径向投影面内的投影示意图。 

图中代号含义：1—上接头；2—金属垫片；3、5、11、13、16、23—密封圈；4—回转轴；6—蝶形弹簧；7—止推垫片；8—止推轴承；9—回转接头；10—逆止阀；12—弹簧；14—弹簧座放置阀芯；15—弹簧座；17—配气座；18—进气管；19—活塞；20—钻头尾管；21—卡环；22—卡环半；24—花键接头；25—外壳；26—钻头；27—弹簧卡圈；28、29—凸锥；A—后气腔；B—前气腔；a、c—进气孔；b—进气口。 

具体实施方式

参见图1、图2和图3：本实用新型主要由四大机构构成，分别是隔离机构、配气旋转机构、活塞组件和钻头26。 

其中，隔离机构包括上接头1、回转接头9、逆止阀10、弹簧12、弹簧座放置阀芯14、弹簧座15和外壳25，上接头1的轴向中心具有中心孔，上接头1的上端用作连接钻具组合，下端内止口与配气旋转机构的回转轴4连接，在其连接处设有O型密封圈5，上接头1的中心孔与回转轴4的中心孔相通，下端外止口与回转接头9的上端螺纹连接，在其连接处设有金属垫片2和O型密封圈3，回转接头9的下端以台阶定位的方式连接在配气旋转机构的回转轴4上；在上接头1、回转接头9和回转轴4的三者连接处设有蝶形弹簧6、止推垫片7和止推轴承8；逆止阀10为锥形结构，逆止阀10的锥形端堵在配气旋转机构回转轴4的中心孔上，逆止阀10通过弹簧12、弹簧座放置阀芯14和弹簧座15定位在配气旋转机构的配气座17上，配气旋转机构的回转轴4下端与弹簧座15连接，在其连接处设有O型密封圈11；外壳25的上端与弹簧座15螺纹连接，在其连接处设有O型密封圈13，外壳25的下端与花键接头24螺纹连接，在其连接处设有O型密封圈23。 

配气旋转机构设置在隔离机构的内部，它包括回转轴4、配气座17、进气管18、后气腔A和前气腔B，回转轴4装配连接在隔离机构的上接头1、回转接头9和弹簧座15上；配气座17的顶面与弹簧座15固定连接，配气座17具有中心孔，该中心孔通过弹簧座15及弹簧座放置阀芯14与回转轴4的中心孔相通，在配气座17相向于弹簧座15的中心孔端面上设有弹簧卡圈27，配气座17与隔离机构的外壳25螺纹连接，在其连接处设有O型密封圈16，配气座17的底面上以环形阵列的方式布置有多个锯齿状的凸锥28；进气管18的上端连接在配气座17的中心孔上，下端伸入活塞组件内，在进气管18的下部设有进气口b；后气腔A由配气座17、进气管18、隔离机构外壳25和活塞组件活塞19之间的环形空间形成；前气腔B由活塞组件活塞19、卡环半22、钻头26和隔离机构外壳25之间的环形空间形成。 

活塞组件设置在隔离机构的内部，活塞组件包括活塞19、卡环21和卡环半22，活塞19的顶面与配气旋转机构的配气座17底面相向，在活塞19顶面以环形阵列的方式布置有多个锯齿状的凸锥29，这些锯齿状的凸锥29与配气座17底面的锯齿状凸锥28相匹配，并相互作用，活塞19的中心孔底端与钻头尾管20对应，在活塞19上径向设有两组进气孔，这两组进气孔的朝向交错，其中一组进气孔c通向配气旋转机构的后气腔A，该进气孔c与活塞19的中心轴线夹角为45°，另一组进气孔a通向配气旋转机构的前气腔B，该进气孔a与活塞19的中心轴线夹角为20°，这两组进气孔（a、c）的径向投影与活塞19的半径方向有一倾角，该倾角为1～5°，通常为3°，进气孔（a、c）的径向投影与活塞19的半径方向倾角使活塞在上行和下行时有一个旋转运动，以增大钻头旋转的周向力；卡环21定位在钻头26尾端处的隔离机构外壳25上，它用作防止活塞19在安装时掉落；卡环半22定位在钻头26的花键上部台阶处。 

钻头26通过花键连接在花键接头24上，钻头26的尾部连接有钻头尾管20。 

本实用新型的工作过程是：当活塞19复位在下死点处，活塞19的中心孔下端与钻头尾管20衔接，活塞19上的进气孔a的端口接通进气管18上的进气口b，进气孔c的端口处于进气管18下端；压缩气体从上接头1的中心孔进入回转轴4的中心孔，并推开逆止阀10，进入配气座17的进气管18内，经进气管18上的进气口b和活塞19上的进气孔a进入前气腔B内；前气腔B处于进气状态，后气腔A处于排气状态，前气腔B内的气体推动活塞19上行，开始活塞19的上冲程；直到进气孔c的端口被进气管18遮盖关闭，后气腔A封闭，前气腔B继续进气；后气腔A内的气体被压缩，活塞19继续上行；当活塞19上行至进气孔a的端口被进气管18堵塞关闭时，前气腔B停止进气，上、下两气腔都封闭，活塞19在惯性和压差作用下继续上行；直到进气管18上的进气口b与活塞19上的进气孔c的端口接通，即后气腔A开始进气，活塞19在惯性作用下继续上行，活塞19的中心孔与钻头尾管20脱离，前气腔B与钻头尾管20接通，前气腔B内的气体通过钻头尾管20和钻头26排出；当活塞19运行到接近上死点时，活塞19上的锯齿状凸锥29冲击配气座17底面布置的锯齿状凸锥28，使配气座17产生很大的周向力，配气座17、弹簧座15和回转轴4径向轴向都固定在一起，而外壳25和弹簧座15螺纹连接在一起，在周向力的作用下通过外壳25和花键接头24带动钻头26转动一角度；当活塞19到达上死点，后气腔A继续进气，前气腔B继续排气，在气压和自重的作用下，活塞19转入下行程；在下行程运动中，当活塞19的中心孔与钻头尾管20接触，前气腔B封闭，排气结束，后气腔A依然进气；活塞19下行至进气孔c的端口脱离进气管18上的进气口b时，后气腔A封闭，停止进气，气腔内的气体膨胀做功，前气腔B内的气体被压缩，活塞19继续下行，直到进气管18上的进气口b与进气孔a的端口接通，前气腔B开始进气；活塞19继续下行，并处于进气管18的下端面处时，后气腔A开始排气，此时，活塞19在自重和惯性作用下运行至下死点，并撞击钻头26；下冲程结束，转入上冲程，空气锤如此循环往复，实现旋转冲击钻头26，达到高效破岩钻进。 

Claims (9)

1.一种定向旋转式空气锤，主要由隔离机构、配气旋转机构、活塞组件和钻头（26）构成，其特征在于：

-所述隔离机构包括上接头（1）、回转接头（9）、逆止阀(10）、弹簧(12)、弹簧座放置阀芯（14）、弹簧座（15）和外壳（25），所述上接头（1）的上端用作连接钻具，下端内止口与配气旋转机构的回转轴（4）连接，下端外止口与回转接头（9）的上端螺纹连接，回转接头（9）的下端以台阶定位的方式连接在配气旋转机构的回转轴（4）上，在上接头（1）、回转接头（9）和回转轴（4）的三者连接处设有蝶形弹簧（6）、止推垫片（7）和止推轴承（8）；所述逆止阀（10）设在配气旋转机构回转轴（4）的中心孔上，逆止阀（10）通过弹簧（12）、弹簧座放置阀芯（14）和弹簧座（15）定位在配气旋转机构的配气座（17）上，配气旋转机构的回转轴（4）下端与弹簧座（15）连接；所述外壳（25）的上、下端分别与弹簧座（15）和花键接头（24）螺纹连接；

-所述配气旋转机构设置在隔离机构内部，配气旋转机构包括回转轴（4）、配气座（17）、进气管（18）、后气腔（A）和前气腔（B），所述回转轴（4）装配连接在隔离机构的上接头（1）、回转接头（9）和弹簧座（15）上；配气座（17）与隔离机构的外壳（25）螺纹连接，顶面与弹簧座（15）固定连接，底面上以环形阵列的方式布置有多个锯齿状的凸锥；进气管（18）的上端连接在配气座（17）上，下端伸入活塞组件内，在进气管（18）上设有进气口（b）；所述后气腔（A）由配气座（17）、进气管（18）、隔离机构外壳（25）和活塞组件活塞（19）之间的环形空间形成；所述前气腔（B）由活塞组件活塞（19）、卡环半（22）、钻头（26）和隔离机构外壳（25）之间的环形空间形成；

-所述活塞组件设置在隔离机构内部，活塞组件包括活塞（19）、卡环（21）和卡环半（22），所述活塞（19）的顶面与配气旋转机构的配气座（17）底面相向，在活塞（19）顶面以环形阵列的方式布置有多个与配气座（17）底面的锯齿状凸锥相匹配的凸锥，活塞（19）的中心孔底端与钻头尾管（20）对应，活塞（19）上径向设有两组进气孔，其中一组进气孔（c）通向配气旋转机构的后气腔（A），另一组进气孔（a）通向配气旋转机构的前气腔（B）；所述卡环（21）定位在钻头（26）尾端处的隔离机构外壳（25）上，用作防止活塞（19）在安装时掉落；所述卡环半（22）定位在钻头（26）的花键上部台阶处； 

-所述钻头（26）通过花键连接在花键接头（24）上，钻头（26）的尾部连接有钻头尾管（20）。

2.根据权利要求1所述定向旋转式空气锤，其特征在于：所述活塞（19）上的进气孔（a、c）径向投影与活塞（19）的半径方向有一倾角，该倾角为1～5°。

3.根据权利要求1所述定向旋转式空气锤，其特征在于：所述配气座（17）相向于弹簧座（15）的端面上设有弹簧卡圈（27）。

4.根据权利要求1所述定向旋转式空气锤，其特征在于：所述隔离机构的上接头（1）与回转接头（9）连接处设有金属垫片（2）和/或密封圈（3）。

5.根据权利要求1所述定向旋转式空气锤，其特征在于：所述上接头（1）的下端内止口与配气旋转机构的回转轴（4）的连接处设有密封圈（5）。

6.根据权利要求1所述定向旋转式空气锤，其特征在于：所述外壳（25）的上端与弹簧座（15）的连接处设有密封圈（13）。

7.根据权利要求1所述定向旋转式空气锤，其特征在于：所述配气旋转机构的回转轴（4）下端与弹簧座（15）的连接处设有密封圈（11）。

8.根据权利要求1所述定向旋转式空气锤，其特征在于：所述外壳（25）的下端与花键接头（24）的连接处设有密封圈（23）。

9.根据权利要求1所述定向旋转式空气锤，其特征在于：所述配气座（17）与外壳（25）的连接处设有密封圈（16）。

Images