CN205172424U - 一种能够调节参数的冲击发生机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种能够调节参数的冲击发生机构，包括：输出轴；外筒；空间凸轮组件，即上凸轮和下凸轮，其啮合点高低不同，啮合齿数及啮合齿的高度参数是能够调节的；具有止推轴承功能的耐磨组件，包括设置在下凸轮的下端内孔的上挡圈和下挡圈、设置在下挡圈的半圆弧形状的滚珠槽内的多个钢球滚珠及紧固下挡圈的两个螺钉；滑动轴承组件，包括设置在输出轴台阶面上的滑动轴承内圈及与其相适配的滑动轴承外壳。该冲击发生机构与井下动力钻具连接后，可作为井底辅助破岩工具，能够全面提高油气钻井的机械钻速。同时，由于空间凸轮组件的参数能够调节，且该冲击机构整体结构简单，各组件容易更换，使用寿命更长。

Description

一种能够调节参数的冲击发生机构

技术领域

本实用新型属于地质探矿工程及石油钻井技术领域，涉及一种能够调节参数的冲击发生机构。

背景技术

深层油气资源的勘探开发是我国实现石油工业稳定发展，确保能源安全的重要保障。石油钻井作为油气勘探开发中的一个重要环节，钻井技术水平的高低直接关系到油气勘探开发的效益的好坏，但目前深部中硬以上地层的机械钻速仍普遍较低。

提高钻井速度的核心途径是如何提高钻头的破岩效率。近年来，旋冲钻井技术得到了广泛应用，可以大幅度提高钻井的机械钻速。旋冲钻井是在常规钻井设备的基础上加装冲击器，在旋转破岩的同时对钻头施加一个高频冲击力，从而实现旋转与冲击联合破岩的钻井技术。现有技术中应用于石油钻井技术领域的冲击器类型比较多，其中应用最多的是液动冲击器。从很多研究资料及现场应用来看，液动冲击器在工作原理上仍处于技术研发和完善阶段，这限制了冲击破岩技术在钻井中的应用。

近年来，以TorkBuster扭力冲击器、NOV旋冲钻具为代表的冲击钻井新工具，通过改变传统冲击钻井工具的提速机理，在很多地区已经应用于深井、超深井下部的难钻地层，且均起到了一定的提速提效的效果。但目前技术尚未成熟，井下工作的稳定性还与现场要求有一定的差距。

因此，迫切需要开展类似冲击钻井工具的攻关研发，以缩短复杂地质条件下深井、超深井的钻井周期，全面提高深井、超深井钻井的机械钻速。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供了一种能够调节参数的冲击发生机构，主要包括输出轴，其在上端与井下动力钻具的主轴通过花键连接，其在下端与钻头通过螺纹连接；与输出轴同轴的外筒，其在上端与井下动力钻具的外壳通过螺纹连接；还有与外筒和输出轴分体式设计的空间凸轮组件；另有设置在输出轴的环形台阶槽内的具有止推轴承功能的耐磨组件；以及滑动轴承组件，设置在输出轴与外筒之间，且与位于外筒下端的内壁螺纹连接。

其中，空间凸轮组件包括上凸轮和下凸轮，上凸轮和下凸轮的啮合点高低不同。根据地层岩性所需的破岩冲击功及冲击频率，上凸轮与下凸轮的啮合齿数与啮合齿的高度参数是能够调节的，从而可以组成不同的凸轮组件，满足不同的工况使用要求。

另外，具有止推轴承功能的耐磨组件包括设置在下凸轮下端内孔的上挡圈、下挡圈以及设置在下挡圈的半圆弧形状的滚珠槽内的多个钢球滚珠及紧固下挡圈的两个螺钉。

还有滑动轴承组件，包括设置在输出轴台阶面上的滑动轴承内圈及相配的滑动轴承外壳。

优选地，下凸轮与输出轴之间采用左旋螺纹联接(除非特别指出，其余螺纹连接均采用右旋螺纹)，防止凸轮组件在运动过程中松脱。由此，当井下动力钻具通过花键将动力传递到输出轴上时，输出轴又通过螺纹将扭矩传递到下凸轮上，带动下凸轮高速旋转。

优选地，输出轴的台阶面限制下凸轮的轴向运动。

优选地，外筒与上凸轮之间采用花键连接，且外筒的圆柱内孔的台阶面限制上凸轮的轴向运动。由此，当钻具带动下凸轮旋转时，空间凸轮组件之间的啮合齿将驱动上凸轮做轴向运动。同时由于空间凸轮组件的啮合点高低不同，导致上凸轮通过花键带动外筒做轴向的举升运动，当举升至凸轮组件的上止点时，上凸轮与外筒及上部连接的井下动力钻具的外壳一起向下加速运动，通过动力钻具的主轴对输出轴产生轴向冲击，并将此冲击传递到输出轴下端的钻头上。

优选地，具有止推轴承功能的耐磨组件，主要有设置在下凸轮的下端内孔的两个挡圈，上挡圈和下挡圈。为便于将两个挡圈组装在输出轴上，每个挡圈均包括两个半圆弧形状的结构，且该两个半圆弧形状的结构沿着外筒的内壁设置。

优选地，下挡圈每个半圆弧形状的结构与上挡圈相接触的扇环形表面上各设置有一条滚珠槽，滚珠槽的路径可以设置为与该扇环形表面的弧平行延伸的半圆弧。滚珠槽内可放置多个钢球滚珠，以此减少旋转的零部件之间的摩擦，并传递压力。

优选地，下挡圈每个半圆弧形状的结构在半圆弧的两侧分别设置有沉孔和螺纹孔，便于采用两个内六角圆柱螺钉从相反的方向分别穿过沉孔和螺纹孔组装两个半圆弧形状的结构。

优选地，为避免加工误差或两个半圆弧反向装配而导致两个半圆弧与输出轴的装配不同轴而影响使用，组装在输出轴上后，相对的两半圆弧的断面间距均小于1mm。

优选地，滑动轴承组件包括设置在输出轴台阶面上的滑动轴承内圈及相配的滑动轴承外壳，主要作用是支撑输出轴。其中，滑动轴承外壳的外表面与外筒下端的内壁螺纹连接。

由此，当停止钻井并上提钻具时，空转的输出轴及安装在其上的下凸轮、上挡圈、下挡圈等作为一个整体会下落在滑动轴承外壳的上端面上，此时上凸轮、下凸轮会脱开啮合，停止冲击，钢球滚珠会减少旋转的输出轴、耐磨组件与滑动轴承外壳之间的摩擦，避免下挡圈和滑动轴承外壳的端面之间产生频繁的滑动摩擦而严重磨损滑动轴承外壳。

优选地，滑动轴承外壳与下挡圈的端面之间设置轴向的可移动距离，避免钻具空转过程中对钻头继续产生冲击。

优选地，滑动轴承内圈的外表面和滑动轴承外壳的内表面镶嵌有硬质合金，提高该冲击机构的使用寿命。

本实用新型提出的能够调节参数的冲击发生机构的装配过程如下：

(1)将滑动轴承组件安装在输出轴下端的台阶面上；

(2)组装耐磨组件。先将多个钢球滚珠分别放置在下挡圈的两个半圆弧形状的滚珠槽内，再将下挡圈的两个半圆弧形状的结构相对的安装在输出轴的台阶面上，然后用两个内六角圆柱螺钉从相反的方向分别穿过下挡圈的两个半圆弧形状的结构两侧的沉孔和螺纹孔，将下挡圈紧固在输出轴上。然后再将上挡圈的两个半圆弧形状的结构相对的安装在输出轴的台阶面上；

(3)将下凸轮装入输出轴，同时左旋拧紧下凸轮与输出轴之间的螺纹；

(4)将上凸轮放置到外筒内部的台阶面上，并使上凸轮的外花键与外筒的内花键正确配合；

(5)将组装好的耐磨组件、输出轴及下凸轮放置到外筒内部，保证上凸轮与下凸轮的齿正确啮合后，再旋紧滑动轴承外壳与外筒下端的内壁之间的螺纹。

本实用新型的有益效果是：利用一种参数可调式冲击发生机构，其与井下动力钻具相连接后，可作为井底辅助破岩工具。在钻压的作用下，井下动力钻具在旋转的同时带动钻头轴向往复运动，一方面，增大岩石的破碎体积，提高钻井效率。另一方面，由于使用该机构带动井底钻具产生周期性的轴向振动，能够改变钻头的工作状态，使其持续接触井底，减少了卡-滑现象，实现了钻头在高速旋转切削的同时，对井底岩石产生周期性的冲击，达到旋冲钻井的目的，从而提高机械钻速。同时，由于空间凸轮组件的参数能够调节，可根据不同的工况更换为参数不同的凸轮，且该冲击机构结构简单，没有销、密封圈、焊接件等易损零部件，各组件容易更换，实用性更强，使用寿命更长，具有广泛的应用前景。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本实用新型进行更详细的描述。其中：

附图1为本实用新型提出的能够调节参数的冲击发生机构的结构示意图。

附图2为下凸轮的结构示意图。

附图3为上凸轮的结构示意图。

附图4为附图1的局部放大示意图S。

附图5为耐磨组件中的下挡圈的结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的实施例作进一步说明。

图1中，根据本实用新型的能够调节参数的冲击发生机构包括输出轴1，输出轴1在上端与井下动力钻具的主轴通过花键A连接，输出轴1在下端与钻头通过螺纹B连接。

根据本实用新型的能够调节参数的冲击发生机构还包括外筒2，外筒2与输出轴1同轴设计，其与井下动力钻具的外壳通过螺纹C连接。

根据本实用新型的能够调节参数的冲击发生机构还包括空间凸轮组件3，其与外筒2和输出轴1分体式设计。

根据本实用新型的能够调节参数的冲击发生机构还包括耐磨组件4，耐磨组件4具有止推轴承功能，且设置在输出轴1的环形台阶槽内。

根据本实用新型的能够调节参数的冲击发生机构还包括滑动轴承组件5，其设置在输出轴1与外筒2之间，且与外筒2的下端的内壁螺纹连接。

空间凸轮组件3包括上凸轮3a和下凸轮3b，其啮合点高低不同，根据地层岩性所需的破岩冲击功及冲击频率，其啮合齿数及啮合齿的高度参数是能够调节的，从而可以组成不同的凸轮组件，满足不同的工况使用要求。下面将着重介绍空间凸轮组件3的结构。

图2所示为下凸轮3b，其中，下凸轮3b与输出轴1之间采用左旋螺纹联接，防止凸轮组件3在运动过程中松脱。输出轴1的台阶面限制下凸轮3b的轴向运动。这样，当井下动力钻具通过花键将动力传递到输出轴1上时，输出轴1又通过螺纹将扭矩传递到下凸轮上3b，带动下凸轮3b高速旋转。

图3所示为上凸轮3a，外筒2与上凸轮3a之间采用花键连接，且外筒2的圆柱内孔的台阶面限制上凸轮3a的轴向运动。

由此，当钻具带动下凸轮3b旋转时，空间凸轮组件3之间的啮合齿将驱动上凸轮3a做轴向运动。同时由于空间凸轮组件3的啮合点高低不同，导致上凸轮通过花键带动外筒做轴向的举升运动，当举升至凸轮组件的上止点时，上凸轮3a与外筒2及上部连接井下动力钻具的外壳一起向下加速运动，通过动力钻具的主轴对输出轴1产生轴向冲击，并将此冲击传递到输出轴1下端的钻头上。

下面将着重介绍耐磨组件4的结构。如图4所示，具有止推轴承功能的耐磨组件4，包括设置在下凸轮3b下端内孔中的上挡圈4a，下挡圈4b，为便于将两个挡圈组装在输出轴1上，每个挡圈均包括两个半圆弧形状的结构，且该两个半圆弧形状的结构沿着外筒2的内壁设置。

下挡圈4b每个半圆弧形状的结构与上挡圈4a相接触的扇环形表面上各设置有一条滚珠槽，滚珠槽的路径可以设置为与该扇环形表面的弧平行延伸的半圆弧。滚珠槽内可放置多个钢球滚珠4c，以此减少旋转的零部件之间的摩擦，并传递压力。

下挡圈4b每个半圆弧形状的结构在半圆弧的两侧分别设置有沉孔和螺纹孔，便于采用两个螺钉4d从相反的方向分别穿过沉孔和螺纹孔组装两个半圆弧形状的结构。

为避免加工误差或两个半圆弧反向装配而导致两个半圆弧与输出轴1的装配不同轴而影响使用，组装在输出轴1上后，将上挡圈4a与下挡圈4b组装在输出轴1上后，上挡圈4a或下挡圈4b中的相对的两个半圆弧的断面间距均小于1mm。如图5所示。

下面将着重介绍滑动轴承组件5的结构。如图4所示，滑动轴承组件5包括设置在输出轴1台阶面上的滑动轴承内圈5a及与其相适配的滑动轴承外壳5b，其主要作用是支撑输出轴1。其中，滑动轴承外壳的外表面与外筒2下端的内壁螺纹连接。

由此，当停止钻井上提钻具时，空转的输出轴1及安装在其上的下凸轮3b、上挡圈4a、下挡圈4b等作为一个整体会下落在滑动轴承外壳5b的上端面上，此时上凸轮3a、下凸轮3b会脱开啮合，停止冲击，钢球滚珠4c会减少旋转的输出轴1、耐磨组件4与滑动轴承外壳5b之间的摩擦，避免下挡圈4b和滑动轴承外壳5b的端面之间产生严重滑动摩擦而严重磨损滑动轴承外壳5b。

滑动轴承外壳5b与下挡圈4b的端面之间设置轴向可移动的距离，避免钻具空转过程中继续对钻头产生冲击。

另外，滑动轴承内圈5a的外表面和滑动轴承外壳5b的内表面镶嵌有硬质合金，可大大提高该冲击机构的使用寿命。

虽然已经参考优选实施例对本实用新型进行了描述，但在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种能够调节参数的冲击发生机构，其特征在于，包括：

输出轴，其在上端与井下动力钻具的主轴通过花键连接，其在下端与钻头通过螺纹连接；

外筒，与所述输出轴同轴,其在上端与井下动力钻具的外壳通过螺纹连接；

空间凸轮组件，与所述外筒和所述输出轴分体式设计；

具有止推轴承功能的耐磨组件，其设置在所述输出轴的环形台阶槽内；

滑动轴承组件，其设置在所述输出轴与所述外筒之间，且与位于外筒下端的内壁螺纹连接；

其中，

所述空间凸轮组件包括上凸轮和下凸轮，所述上凸轮与所述下凸轮的啮合点高低不同，且其啮合齿数及啮合齿的高度参数是能够调节的；

所述具有止推轴承功能的耐磨组件包括设置在所述下凸轮的下端内孔中的上挡圈和下挡圈、设置在所述下挡圈的半圆弧形状的滚珠槽内的多个钢球滚珠及紧固所述下挡圈的两个螺钉；

所述滑动轴承组件包括设置在所述输出轴台阶面上的滑动轴承内圈及与其相适配的滑动轴承外壳。

2.根据权利要求1所述的能够调节参数的冲击发生机构，其特征在于，所述下凸轮与所述输出轴之间采用左旋螺纹连接。

3.根据权利要求1或2所述的能够调节参数的冲击发生机构，其特征在于，所述输出轴的台阶面限制所述下凸轮的轴向运动。

4.根据权利要求1所述的能够调节参数的冲击发生机构，其特征在于，所述上凸轮与所述外筒之间采用花键连接，且所述外筒的圆柱孔内的台阶面限制所述上凸轮的轴向运动。

5.根据权利要求1所述的能够调节参数的冲击发生机构，其特征在于，所述上挡圈与所述下挡圈均为两个半圆弧形状的结构，且所述两个半圆弧形状的结构沿着所述外筒的内壁设置。

6.根据权利要求1或5所述的能够调节参数的冲击发生机构，其特征在于，所述下挡圈的每个半圆弧形状的结构与所述上挡圈相接触的扇环形表面上各设置有一条滚珠槽，滚珠槽的路径可以设置为与该扇环形表面的弧平行延伸的半圆弧。

7.根据权利要求6所述的能够调节参数的冲击发生机构，其特征在于，所述下挡圈的两个半圆弧形状的结构在半圆弧的两侧分别设置有沉孔和螺纹孔。

8.根据权利要求7所述的能够调节参数的冲击发生机构，其特征在于，所述上挡圈和下挡圈的两个半圆弧形状的结构组装在所述输出轴上，相对的两个半圆弧的断面间距均小于1mm。

9.根据权利要求1所述的能够调节参数的冲击发生机构，其特征在于，所述滑动轴承外壳与所述下挡圈的端面之间设置轴向的可移动距离。

10.根据权利要求1所述的能够调节参数的冲击发生机构，其特征在于，所述滑动轴承内圈的外表面和滑动轴承外壳的内表面镶嵌有硬质合金。