CN204371096U - 一种液动周向扭矩冲击发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种液动周向扭矩冲击发生器；属石油钻井工程中井下钻井提速工具领域。该冲击发生器包括壳头、壳体、筛管、循环启动器和节流塞。壳体内设有装配套装配套内装有撞击锤，撞击锤内装有筛管，筛管上通过筛管滑动轴承安装有循环启动器，撞击锤和循环启动器端口一侧安装有密封片，密封片与撞击锤和循环启动器端口紧密贴合；密封片与防掉块之间的壳体内通过定位套安装有除砂套，除砂套一侧的定位套内通过壳头滑动轴承装有节流塞。该冲击发生器通过撞击锤产生高频低幅的扭转冲击来提高机械钻速，并延长钻井工具的使用寿命。解决了现有矩冲击器结构设计不合理，从而导致钻具使用寿命短的问题。特别适用石油钻井使用。

Description

一种液动周向扭矩冲击发生器

技术领域

本实用新型涉及一种液动周向扭矩冲击发生器；属石油钻井工程中井下钻井提速工具领域。

背景技术

钻头在钻进过程中会不可避免的会出现粘滑振动，同时随着石油天然气勘探不断加大开发力度，尤其是页岩气的开发，水平井、深井及超深井在石油钻井中所占的比例越来越大，使得钻井难度不断提高，导致这一现象也越来越严重。而钻井过程中粘滑振动是常见的易造成钻具失效并导致机械钻速降低的重要因素，该现象在钻进深部硬地层时尤为明显。试验研究和理论表明，粘滑振动可通过施加于下部钻具的高频低幅地扭转冲击进行抑制。

2000年之前，液动冲击钻井使用的液动冲击器均为轴向冲击器。2000年以来，许多机构都对扭力冲击钻井技术进行了研究和应用，其主要工具为扭力矩冲击器。但长期以来，该项技术不能被广泛地推广应用，其重要原因之一是扭力矩冲击器结构设计不合理，从而导致钻具的使用寿命短。尽管在有效工作时间内来看，钻井效率可提高30%，甚至成倍提高，但综合考虑钻井作业整体是不合适的，所以该技术的应用被严重地制约。如美国的Torkbuster扭转冲击发生器利用高速钻井液涡轮带动锤体旋转敲击钻头连接短节，将扭转冲击能量传递给钻头。但Torkbuster扭转冲击发生器涡轮部件多，易损坏，传递效率低（50～60%），必须配备专用的PDC钻头，且技术垄断，只租不卖，服务费用昂贵。

哈里伯顿公司的扭转装置利用钻井液带动叶轮旋转，控制旋转阀体导通流量，冲击2个封闭区域内的冲击块，对PDC钻头产生扭转冲击。但冲击锤采用分体式设计，转动惯量小，相同频率时冲击能量小，且分体设计不能保证扭转冲击同步，有冲击紊乱、起反作用的可能。

西南石油大学公开的扭转冲击钻井提速工具，该扭转冲击钻井提速工具的防掉单元由防掉块、螺栓、弹簧和防掉槽组成。但该防掉装置的安装与拆卸不方便，并应用了弹簧等易损件。

发明内容

本实用新型的目的在于：提供一种便于安装和拆卸，在工作过程中通过产生高频低幅的扭转冲击，以提高机械钻速，并延长钻井工具使用寿命的液动周向扭矩冲击器。

本实用新型的技术方案是：

一种液动周向扭矩冲击发生器，包括壳头、壳体、筛管、循环启动器和节流塞，其特征在于：壳体内设置有装配套，装配套一端的壳体端头设置有壳头，壳头上活动卡装有防掉块，壳头通过防掉块与壳体螺纹连接；装配套另一端的壳体端头设置有锥形口，壳头上设置有中心孔，装配套内装有撞击锤，撞击锤内装有筛管，筛管上通过筛管滑动轴承安装有循环启动器，撞击锤和循环启动器端口一侧的筛管上通过固定螺母安装有密封片，密封片与撞击锤和循环启动器端口紧密贴合；密封片与防掉块之间的壳体内通过定位套安装有除砂套，除砂套一侧的定位套内通过壳头滑动轴承装有节流塞，节流塞的一端与壳头的中心孔连接，节流塞的另一端延伸至筛管端口内；壳头的中心孔由节流塞和筛管与锥形口连通。

所述的密封片的边缘设置有密封片通孔。

所述的防掉块由两个半圆形的防掉体相互咬合而成，防掉块的外表圆周上设置有外螺纹；防掉块的内表面设置有限位键，壳头的外表圆周上与限位键对应状设置有限位键槽，防掉块通过限位键与限位键槽的配合活动安装在壳头上。

所述的撞击锤5呈筒状，撞击锤5的外表圆周上对称状设置有截面呈凸字形的冲击锤头30，冲击锤头30之间的撞击锤内壁圆周上对称状设置有启动锤头29，冲击锤头30两侧的撞击锤5上分别设置有撞击锤顺时针转动排液槽18和撞击锤逆时针转动排液槽19，启动锤头29两侧的撞击锤5上分别设置有循环启动器逆时针转动排液槽20和循环启动器顺时针转动排液槽21。

所述的筛管呈管状体，筛管的圆周上螺旋状设置有侧流槽39，侧流槽一侧的筛管圆周上均布有排流孔40。

所述的循环启动器呈筒状，循环启动器的圆周上呈对称状设置有设置有凸块，对称状的凸块上交叉设置有撞击锤逆时针转动高压流道22和撞击锤顺时针转动高压流道23，凸块之间的循环启动器圆周上对称状设置有启动锤头槽16。

所述的定位套为圆环状，定位套的圆周上均布有液流口31。

所述的节流塞呈T字状，节流塞上设置有中心通孔33，节流塞的圆周上设置有液流侧孔32，液流侧孔32与中心通孔33连通。

所述的装配套呈筒状，装配套的外表圆周上对称状设置有循环启动器顺时针转动导流槽28和循环启动器逆时针转动导流槽40，循环启动器顺时针转动导流槽28和循环启动器逆时针转动导流槽40上分别设置有导流孔27；装配套4的圆周内壁上对称状设置有泄流槽26，泄流槽26之间的装配套4内壁上对称状设置有冲击锤头槽34。

本实用新型的优点在于：

(1)、该液动周向扭矩冲击发生器通过除砂套，可使钻井液流经节流塞侧向通道并流入导流槽时会被除去添加剂和重晶石等砂粒，可避免因砂粒沉积而失效；

(2) 该液动周向扭矩冲击发生器通过撞击锤的双冲击锤头，在产生同等冲击功的条件下可提高冲击元件的使用寿命；

(3) 该液动周向扭矩冲击发生器撞击锤的双冲击锤头对称分布，同时冲击时可避免加剧下部钻具的涡动；

(4) 该液动周向扭矩冲击发生器的防掉块易于装配和拆卸且安全性高，同时无弹簧等易损件，使用寿命高。

附图说明

图1为本实用新型的剖视结构示意图；

图2为图1的A-A向的剖视结构示意图；

图3为本实用新型的撞击锤的结构示意图；

图4为本实用新型的撞击锤的截面结构示意图；

图5为本实用新型的筛管的结构示意图；

图6为本实用新型的循环启动器的结构示意图；

图7为本实用新型的循环启动器的截面结构示意图；

图8为本实用新型的定位套结构示意图；

图9为本实用新型的节流塞的结构示意图；

图10为本实用新型的装配套的结构示意图；

图11为本实用新型的装配套的截面结构示意图；

图12为图1的B-B向的剖视结构示意图；

图13为图1的C-C向的剖视结构示意图；

图14为本实用新型的启动器逆时针转动的原理示意图；

图15为本实用新型的启动器顺时针转动的原理示意图。

图中：1、壳头，2、防掉块，3、壳体，4、装配套，5、撞击锤，6、循环启动器，7、筛管，8、节流塞，9、除砂套，10、定位套 ，11、筛管滑动轴承，12、密封片，13、壳头滑动轴承，14、限位键，15、限位键槽，16、启动锤头槽，17、固定螺母，18、撞击锤顺时针转动排液槽，19、撞击锤逆时针转动排液槽，20、循环启动器逆时针转动排液槽，21、循环启动器顺时针转动排液槽，22、撞击锤逆时针转动高压流道，23、撞击锤顺时针转动高压流道，24、侧流槽，25、排流孔，26、泄流槽，27、导流孔，28、循环启动器顺时针转动导流槽，29、启动锤头，30、冲击锤头，31、液流口，32、液流侧孔，33、中心通孔，34、冲击锤头槽，35、锥形口，36、中心孔，37、公扣，38、母扣；39、密封片通孔，40、循环启动器逆时针转动导流槽。

具体实施方式

该液动周向扭矩冲击发生器包括壳头1、壳体3、筛管7、循环启动器6和节流塞8。壳体3内设置有装配套4。装配套4呈筒状，装配套4的外表圆周上对称状设置有循环启动器顺时针转动导流槽28和循环启动器逆时针转动导流槽40，循环启动器顺时针转动导流槽28和循环启动器逆时针转动导流槽40上分别设置有导流孔27；装配套4的圆周内壁上对称状设置有泄流槽26，泄流槽26之间的装配套4内壁上对称状设置有冲击锤头槽34。

装配套4一端的壳体3端头设置有壳头1，壳头1上活动卡装有防掉块2。防掉块2由两个半圆形的防掉体相互咬合而成，防掉块2的外表圆周上设置有外螺纹；防掉块2的内表面设置有限位键14，壳头1的外表圆周上与限位键14对应状设置有限位键槽15，防掉块2通过限位键14与限位键槽15的配合活动安装在壳头1上，壳头1通过防掉块2与壳体3螺纹连接。

装配套4另一端的壳体3端头设置有锥形口35，壳头1上设置有中心孔36。装配套4内装有撞击锤5。撞击锤5呈筒状，撞击锤5的外表圆周上对称状设置有截面呈凸字形的冲击锤头30，冲击锤头30之间的撞击锤5内壁圆周上对称状设置有启动锤头29，冲击锤头30两侧的撞击锤5上分别设置有撞击锤顺时针转动排液槽18和撞击锤逆时针转动排液槽19，启动锤头29两侧的撞击锤5上分别设置有循环启动器逆时针转动排液槽20和循环启动器顺时针转动排液槽21。撞击锤5通过冲击锤头30与冲击锤头槽34的配合与装配套4滑动连接，撞击锤5内安装有筛管7，筛管7上通过筛管滑动轴承11安装有循环启动器6。

筛管7呈管状体，筛管7的圆周上螺旋状设置有侧流槽24，侧流槽24一侧的筛管7圆周上均布有排流孔25。排流孔25用于排出由泄流槽26及循环启动器6流下的钻井液。侧流槽24一方面可使钻井液流向循环启动器6，另一方面可使下流的钻井液形成涡流，让钻井液中大颗粒固体下沉，起到过滤钻井液的作用。

循环启动器6呈筒状，循环启动器6的圆周上呈对称状设置有设置有凸块，对称状的凸块上交叉设置有撞击锤逆时针转动高压流道22和撞击锤顺时针转动高压流道23，凸块之间的循环启动器6圆周上对称状设置有启动锤头槽16。启动锤头槽16用于与撞击锤5的启动锤头29配合。

撞击锤5和循环启动器6端口一侧的筛管7上通过固定螺母17安装有密封片12，密封片12的边缘设置有密封片通孔39，密封片12与撞击锤5和循环启动器6端口紧密贴合。

密封片12与防掉块2之间的壳体3内通过定位套10安装有除砂套9，除砂套9用于除去上返钻井液中的颗粒性物质，定位套10用于固定除砂套9。除砂套9一侧的定位套10内通过壳头滑动轴承13装有节流塞8。壳头滑动轴承13一方面起密封作用，另一方面当该扭矩冲击发生器工作时，可使钻头相对于钻铤做低幅高频地周向运动。

定位套10为圆环状，定位套10的圆周上均布有液流口31。节流塞8呈T字状，节流塞8上设置有中心通孔33，节流塞8的圆周上设置有液流侧孔32，液流侧孔32与中心通孔33连通。

节流塞8的一端与壳头1的中心孔36连通，节流塞8的另一端延伸至筛管7端口内与筛管7过盈配合；壳头1的中心孔36通过节流塞8和筛管7与锥形口35连通。

该液动周向扭矩冲击发生器壳头1上设置有与钻铤相连的公扣37，锥形口35的内壁上设置有与钻头相连的母扣38（参见附图1—13）。

该液动周向扭矩冲击发生器防掉块2的限位键14和壳头1的限位键槽15之间存有一定的间隙，工作时，壳体3相对于壳头1能在一定的范围内转动，因此可将冲击能量完全传至钻头。工作过程中，井口转盘经钻柱输送的扭矩和钻压通过壳头1、防掉块2和壳体3而传递给钻头。钻井液在节流塞8的作用下；一部分由节流塞8的中心通孔33直接通过筛管7的中空通道流至钻头。

另一部分由筛管7的侧流槽24、循环启动器6的撞击锤逆时针转动高压流道22或撞击锤顺时针转动高压流道23、撞击锤5的撞击锤顺时针转动排液槽18或撞击锤逆时针转动排液槽19，进入至冲击锤头槽34后，由撞击锤顺时针转动排液槽18或撞击锤逆时针转动排液槽19的槽口排出，再由筛管7的排流孔25流向钻头。

再一部分由节流塞8的液流侧孔32、定位套10的液流口31、密封片通孔39进入至装配套4的循环启动器顺时针转动导流槽28和循环启动器逆时针转动导流槽40，然后通过循环启动器顺时针转动导流槽28和循环启动器逆时针转动导流槽40上分别设置的导流孔27、撞击锤5的循环启动器逆时针转动排液槽20或循环启动器顺时针转动排液槽21进入循环启动器6的启动锤头槽16后，经循环启动器逆时针转动排液槽20或循环启动器顺时针转动排液槽21的槽口和泄流槽26，由排流孔25流向钻头。

具体过程为：当撞击锤5逆时针起振时，如图14所示，高压液体通过筛管7的侧流槽24后经过撞击锤逆时针转动高压流道22和撞击锤顺时针转动排液槽18到达冲击锤头槽34（冲击腔）一侧；在高压液体的作用下撞击锤5开始逆时针旋转，该侧的冲击锤头槽34内逐渐充满液体，使得其体积变大，冲击锤头槽34另一侧体积逐渐被压缩减小，且冲击锤头槽34另一侧中的液体经过撞击锤逆时针转动排液槽19由撞击锤逆时针转动槽19的槽口流出，最后通过筛管7下端的八个排流孔25流向钻头。

当冲击锤头30在冲击锤头槽34内做逆时针转动时，循环启动器6随撞击锤5一起做逆时针转动，当撞击锤5停止转动时，循环启动器6由于惯性作用将继续逆时针转动。循环启动器6逆时针转动同时，高压流体由循环启动器逆时针转动导流槽40经过循环启动器顺时针转动排液槽21进入启动锤头槽16，从而加速循环启动器6的旋转。循环启动器6旋转过程中启动锤头槽16一侧体积逐渐增大，启动锤头槽16另一侧体积逐渐被压缩减小，且启动锤头槽16另一侧中的液体经过循环启动器逆时针转动排液槽20由泄流槽26流出，最后通过筛管7下端的八个排流孔25流向钻头。

当循环启动器6逆时针转动结束时，撞击锤5刚好达到顺时针起振状态。高压液体通过筛管7的侧流槽24后经过撞击锤顺时针转动高压流道23和撞击锤逆时针转动排液槽19到达冲击锤头槽34，在高压液体的作用下撞击锤5开始顺时针旋转，如图15所示，冲击锤头槽34一侧逐渐充满液体，使得其体积变大，冲击锤头槽34另一侧体积逐渐被压缩减小，且冲击锤头槽34另一侧中的液体经过撞击锤顺时针转动排液槽18由撞击锤顺时针转动槽18的槽口流出，最后通过筛管7下端的八个排流孔25流向钻头。当冲击锤头30在冲击锤头槽34内做顺时针转动时，循环启动器6随撞击锤5一起做顺时针转动，当撞击锤5停止转动时，循环启动器6由于惯性作用将继续顺时针转动。

循环启动器6顺时针转动的同时，高压流体由循环启动器顺时针转动导流槽28经过循环启动器逆时针转动排液槽20进入启动锤头槽16加速循环启动器6的旋转。循环启动器6旋转过程中启动锤头槽16一侧空间体积逐渐增大，启动锤头槽16另一侧空间体积逐渐被压缩减小，且启动锤头槽16另一侧中的液体经过循环启动器顺时针转动排液槽21由泄流槽26流出，最后通过筛管7下端的八个排流孔40流向钻头。

上述操作过程为该液动周向扭矩冲击发生器的一个完整工作周期，它将重复上述操作，不断循环，由此形成高频低幅地冲击。该液动周向扭矩冲击发生器产生的冲击将由壳体3直接传至钻头，进而实现向钻头提供高频低幅扭转冲击的目的。

Claims (9)

1.一种液动周向扭矩冲击发生器，包括壳头（1）、壳体（3）、筛管（7）、循环启动器（6）和节流塞（8），其特征在于：壳体（3）内设置有装配套（4），装配套（4）一端的壳体（3）端头设置有壳头（1），壳头（1）上活动卡装有防掉块（2），壳头（1）通过防掉块（2）与壳体（3）螺纹连接；装配套（4）另一端的壳体（3）端头设置有锥形口（35），壳头（1）上设置有中心孔（36），装配套（4）内装有撞击锤（5），撞击锤（5）内装有筛管（7），筛管（7）上通过筛管滑动轴承（11）安装有循环启动器（6），撞击锤（5）和循环启动器（6）端口一侧的筛管（7）上通过固定螺母（17）安装有密封片（12），密封片（12）与撞击锤（5）和循环启动器（6）端口紧密贴合；密封片（12）与防掉块（2）之间的壳体（3）内通过定位套（10）安装有除砂套（9），除砂套（9）一侧的定位套（10）内通过壳头滑动轴承（13）装有节流塞（8），节流塞（8）的一端与壳头（1）的中心孔（36）连接，节流塞（8）的另一端延伸至筛管（7）端口内；壳头（1）的中心孔（36）由节流塞（8）和筛管（7）与锥形口连通。

2.根据权利要求1所述的一种液动周向扭矩冲击发生器，其特征在于：所述的密封片（12）的边缘设置有密封片通孔（39）。

3.根据权利要求1所述的一种液动周向扭矩冲击发生器，其特征在于：所述的防掉块（2）由两个半圆形的防掉体相互咬合而成，防掉块（2）的外表圆周上设置有外螺纹；防掉块（2）的内表面设置有限位键（14），壳头（1）的外表圆周上与限位键（14）对应状设置有限位键槽（15），防掉块（2）通过限位键（14）与限位键槽（15）的配合活动安装在壳头（1）上。

4.根据权利要求1所述的一种液动周向扭矩冲击发生器，其特征在于：所述的撞击锤（5）呈筒状，撞击锤（5）的外表圆周上对称状设置有截面呈凸字形的冲击锤头（30），冲击锤头（30）之间的撞击锤（5）内壁圆周上对称状设置有启动锤头（29），冲击锤头（30）两侧的撞击锤（5）上分别设置有撞击锤顺时针转动排液槽（18）和撞击锤逆时针转动排液槽（19），启动锤头（29）两侧的撞击锤（5）上分别设置有循环启动器逆时针转动排液槽（20）和循环启动器顺时针转动排液槽（21）。

5.根据权利要求1所述的一种液动周向扭矩冲击发生器，其特征在于：所述的筛管（7）呈管状体，筛管（7）的圆周上螺旋状设置有侧流槽（24），侧流槽（24）一侧的筛管（7）圆周上均布有排流孔（25）。

6.根据权利要求1所述的一种液动周向扭矩冲击发生器，其特征在于：所述的循环启动器（6）呈筒状，循环启动器（6）的圆周上呈对称状设置有设置有凸块，对称状的凸块上交叉设置有撞击锤逆时针转动高压流道（22）和撞击锤顺时针转动高压流道（23），凸块之间的循环启动器（6）圆周上对称状设置有启动锤头槽（16）。

7.根据权利要求1所述的一种液动周向扭矩冲击发生器，其特征在于：所述的定位套（10）为圆环状，定位套（10）的圆周上均布有液流口（31）。

8.根据权利要求1所述的一种液动周向扭矩冲击发生器，其特征在于：所述的节流塞（8）呈T字状，节流塞（7）上设置有中心通孔（33），节流塞（8）的圆周上设置有液流侧孔（32），液流侧孔（32）与中心通孔（33）连通。

9.根据权利要求1所述的一种液动周向扭矩冲击发生器，其特征在于：所述的装配套（4）呈筒状，装配套（4）的外表圆周上对称状设置有循环启动器顺时针转动导流槽（28）和循环启动器逆时针转动导流槽（40），循环启动器顺时针转动导流槽（28）和循环启动器逆时针转动导流槽（40）上分别设置有导流孔（27）；装配套（4）的圆周内壁上对称状设置有泄流槽（26），泄流槽（26）之间的装配套（4）内壁上对称状设置有冲击锤头槽（34）。