CN212454223U - 水力冲击发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水力冲击发生器主要涉及石油天然气钻井领域。主要由外壳体、弹簧、上导流模块、冲击模块、辊轮、连杆、叶轮、下导流模块、储油腔组成。水力冲击发生器安装在钻头上部，凸轮总成在高速钻井液作用下驱动冲击模块产生高频冲击能量，通过控制钻井液流速、叶轮、凸轮总成的结构参数，就能够实时调节冲击频率，可根据实际工况实现高频、超高频或低频冲击，最大限度提高钻头破岩效率，能有效保护钻头，是一种结构简单、操作方便、成本低廉、安全可靠的新型工具。

Description

水力冲击发生器

技术领域

本实用新型属于石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探行业领域的一种钻井井下工具，尤其是一种水力冲击发生器。

背景技术

随着井深的不断增加，岩石越来越硬，严重制约了钻头的破岩效率。理论研究与现场实践表明，钻头旋转破岩过程中，在钻头上施加一定频率的冲击力，能够有效提高钻头破岩效率。目前常规冲击工具提供的是低频高幅冲击能量，其破岩机理是利用较大幅值的冲击力在岩石表面产生较大裂纹，然后在钻头旋转的作用下使岩屑脱离井底。例如中国专利CN106223832B公开了《一种复合冲击钻井工具》，该复合冲击钻井工具包括一上下贯通的中部外壳体，中部外壳体的内壁设有向内凸设的第一环形凸台，第一环形凸台将中部外壳体内腔分为上腔和下腔；该中部外壳体上端固定连接有上短节，一阶梯状连接管的小端向上穿过上短节的中心孔，并与一上下贯通的上外壳体下端固定连接；该中部外壳体底部挂设有钻头座；阶梯状连接管的内壁固定连接一上下贯通的导流座，导流座内壁套设有一筒状换向器，筒状换向器顶端止挡于导流座内壁的第一凸缘；导流座外壁套设有一筒状摆锤，筒状摆锤顶端止挡于导流座外壁的第二凸缘；筒状换向器和筒状摆锤均向下穿过中部外壳体的第一环形凸台延伸至中部外壳体的下腔，第一环形凸台与筒状摆锤的外壁密封滑动接触；在筒状摆锤外侧且位于中部外壳体上腔内，上下滑动地套设一筒状冲锤，筒状冲锤的内壁向内凸设有第二环形凸台，第二环形凸台密封滑设于筒状摆锤外壁上，筒状冲锤的外壁与中部外壳体的内壁密封滑动接触，第二环形凸台上方和下方分别形成第一环形腔和第二环形腔；在中部外壳体下腔内设有一冲击筒，冲击筒的底座上设有上下贯通的通孔；通孔的上段卡设有一中空的喷嘴支撑座，通孔的下段构成与钻头座连接的多边形孔；筒状换向器和筒状摆锤均伸入冲击筒内部，筒状换向器的底端抵靠在喷嘴支撑座外壁的卡缘上；筒状摆锤的底端抵靠在冲击筒底座的上表面。该实用新型的复合冲击钻井工具，其轴向冲击是由质量较大的轴向筒状冲锤高速撞击形成，是一种机械冲击，能有效的将冲击载荷传递到钻头处，冲击载荷足以直接破岩；且该钻具的两种冲击(周向冲击和轴向冲击)是由一个换向机构(筒状换向器)进行控制，两种冲击载荷频率相等，破岩效率更高。

但在实际应用过程中发现，岩石越硬、冲击力越大时，钻头初始破岩效率较高，但随着时间的延长，钻进效率迅速降低，其主要原因是冲击力造成钻头切削齿崩损，影响了破岩效率。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种水力冲击发生器，既能产生高频低幅冲击能量辅助提高钻头破岩效率，又能实时控制调节冲击参数，并且结构简单、成本低廉、维护方便。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

水力冲击发生器，主要由外壳体、弹簧、上导流模块、冲击模块、辊轮、连杆、叶轮、下导流模块组成；其中：所述外壳体内设置长方形通孔，长方形通孔的一组相对面上设置内凸肩；所述叶轮横卧在外壳体内凸肩内，叶轮上分布有多个叶片，叶轮的左右凸轴外端面分别与外壳体内凸肩限位配合；所述上导流模块和下导流模块为左右对称设置，上导流模块和下导流模块分别从上下两个方位固定安装在外壳体的长方形通孔内，并与叶轮的左右凸轴构成旋转密封限位配合；所述连杆和辊轮构成旋转凸轮总成，对称设置在叶轮左右凸轴和上导流模块、下导流模块的密闭空间内，两组凸轮总成分别通过连杆内端与叶轮左右凸轴固定连接；所述冲击模块位于外壳体内凸肩上部的空间内，冲击模块下端面与辊轮构成旋转间隔支撑配合，同时与外壳体内凸肩上端面构成冲击配合；所述弹簧位于冲击模块上方的空间内，与冲击模块构成伸缩支撑配合。

上述方案进一步包括：

所述上导流模块和下导流模块与叶轮的左右凸轴之间设置旋转密封轴承。

所述凸轮总成是由多个辊轮分别通过转轴固定在对应的连杆的外端构成；所述辊轮绕转轴自由转动。

所述下导流模块与外壳体之间预设储油腔，储油腔内充满润滑油。

所述冲击模块呈上宽下窄结构，下窄部分与叶轮左右凸轴和上导流模块、下导流模块的密闭空间构成滑动插接配合。

所述辊轮圆周表面设有防磨层；所述冲击模块下端面设有防磨层。

研究表明，在钻头上施加高频低幅冲击能量，不仅能够大幅提高钻进效率，而且不易损坏钻头切削齿，有利于延长钻头使用寿命。其机理在于，虽然较低幅值的冲击能量只在岩石表面产生较小微裂纹，但在高频冲击作用下，微裂纹扩展速率增加并连通形成较大裂纹，钻头旋转剪切即可使岩屑迅速脱离井底岩石，当冲击频率进一步增加，并接近岩石固有频率时，钻头破岩效率成倍提高。

本实用新型的优点是：本实用新型既能产生高频低幅冲击能量辅助提高钻头破岩效率，又能实时控制调节冲击参数，根据实际工况实现高频、超高频或低频冲击，最大限度提高钻头破岩效率，能有效保护钻头；同时满足现有钻井工艺的技术要求和设备要求，并且还具有结构简单、成本低廉、维护方便，便于大范围推广使用的特点。

附图说明

图1是本实用新型的水力冲击发生器半剖结构示意图。

图2是本实用新型的水力冲击发生器叶轮剖面示意图。

图3是本实用新型的水力冲击发生器的辊轮与连杆构成的凸轮总成剖面结构图。

图4是本实用新型的水力冲击发生器的当辊轮5与冲击模块4接触状态剖面示意图。

图5是本实用新型的水力冲击发生器的当辊轮5与冲击模块4脱离状态剖面示意图。

图中：1.外壳体，2.弹簧，3.上导流模块，4.冲击模块，5.辊轮，6.连杆，7. 叶轮，8.下导流模块，9.储油腔。

具体实施方式

下面结合附图来详细描述本实用新型。

实施例1

一种水力冲击发生器，主要由外壳体1、弹簧2、上导流模块3、冲击模块4、辊轮5、连杆6、叶轮7、下导流模块8组成；其中：所述外壳体1内设置长方形通孔，长方形通孔的一组相对面上设置内凸肩；所述叶轮7横卧在外壳体1内凸肩内，叶轮7上分布有多个叶片，叶轮7的左右凸轴外端面分别与外壳体1内凸肩限位配合；所述上导流模块3和下导流模块8为左右对称设置，上导流模块3和下导流模块8分别从上下两个方位固定安装在外壳体1的长方形通孔内，并与叶轮7的左右凸轴构成旋转密封限位配合；所述连杆6和辊轮5构成旋转凸轮总成，对称设置在叶轮7左右凸轴和上导流模块3、下导流模块8的密闭空间内，两组凸轮总成分别通过连杆6内端与叶轮7左右凸轴固定连接；所述冲击模块4位于外壳体1内凸肩上部的空间内，冲击模块4下端面与辊轮5构成旋转间隔支撑配合，同时与外壳体1内凸肩上端面构成冲击配合；所述弹簧2位于冲击模块4上方的空间内，与冲击模块4构成伸缩支撑配合。

实施例2

在实施例1的基础上进一步包括：

所述上导流模块3和下导流模块8与叶轮7的左右凸轴之间设置旋转密封轴承。

所述凸轮总成是由4个辊轮5分别通过转轴固定在对应的连杆6的外端构成；所述辊轮5绕转轴自由转动。

所述下导流模块8与外壳体1之间预设储油腔9，储油腔9内充满润滑油。

所述冲击模块4呈上宽下窄结构，下窄部分与叶轮7左右凸轴和上导流模块3、下导流模块8的密闭空间构成滑动插接配合。

所述辊轮5圆周表面设有防磨层；所述冲击模块4下端面设有防磨层。

实施例3

参照附图1，水力冲击发生器主要由外壳体1、弹簧2、上导流模块3、冲击模块4、辊轮5、连杆6、叶轮7、下导流模块8、储油腔9组成。弹簧2安装在外壳体1外凸肩与冲击模块4之间，上导流模块3安装在外壳体的内孔中，弹簧2和冲击模块4套装在上导流模块3外部。叶轮7横置在上导流模块3和下导流模块8之间，叶轮7在上导流模块3的流体冲击下可绕其水平转轴转动。

参照附图2，叶轮7上分布有6个叶片，均匀布置。

参照附图3，辊轮5安装在连杆6端部，辊轮5与连杆6构成凸轮总成并固定安装在叶轮7左右凸轴两端，凸轮总成跟随叶轮7转动，辊轮5与连杆6构成的凸轮总成是两组，左右对称布置。冲击模块4位于辊轮5与连杆6构成的凸轮总成的上部密闭空间内，下导流模块8与外壳体之1间为储油腔9，储油腔9内充满润滑油，辊轮5表面安装防磨片。

水力冲击发生器安装在钻头上部，高速钻井液经过上导流模块3驱动叶7轮高速旋转，由于凸轮总成固定安装在叶轮7的端部，因此凸轮总成也会随着高速旋转。参照附图4，当辊轮5与冲击模块4接触时，冲击模块4就会向上移动，并压缩弹簧2蓄能。参照附图5，随着叶轮7的继续转动，使得辊轮5与冲击模块4脱离，弹簧2蓄能释放，冲击模块4向下移动并冲击外壳体1。高速钻井液经过叶轮7后，经下导流模块8进入钻头，随着叶轮7连续旋转，冲击模块4不断往复移动冲击外壳体1，叶轮7转速越快，冲击模块4往复移动的速度越快，冲击频率也越高。通过调节钻井液的流速、叶轮7与凸轮总成的结构参数等因素，就可以控制水力冲击发生器的冲击频率，从而满足现场不同工况的技术工艺要求。

现场测试结果表明，水力冲击发生器能够完全满足国内现有钻井工艺的技术要求，平均机械钻速提高116%-368%，尤其是在我国西北、西南等工区的深井、超深井钻井过程时，提速效果非常显著，大幅缩短了钻井周期、降低了钻井成本，取得了较大的经济效益和社会效益。

Claims (6)

1.水力冲击发生器，主要由外壳体（1）、弹簧（2）、上导流模块（3）、冲击模块（4）、辊轮（5）、连杆（6）、叶轮（7）、下导流模块（8）组成；其特征在于：所述外壳体（1）内设置长方形通孔，长方形通孔的一组相对面上设置内凸肩；所述叶轮（7）横卧在外壳体（1）内凸肩内，叶轮（7）上分布有多个叶片，叶轮（7）的左右凸轴外端面分别与外壳体（1）内凸肩限位配合；所述上导流模块（3）和下导流模块（8）为左右对称设置，上导流模块（3）和下导流模块（8）分别从上下两个方位固定安装在外壳体（1）的长方形通孔内，并与叶轮（7）的左右凸轴构成旋转密封限位配合；所述连杆（6）和辊轮（5）构成旋转凸轮总成，对称设置在叶轮（7）左右凸轴和上导流模块（3）、下导流模块（8）的密闭空间内，两组凸轮总成分别通过连杆（6）内端与叶轮（7）左右凸轴固定连接；所述冲击模块（4）位于外壳体（1）内凸肩上部的空间内，冲击模块（4）下端面与辊轮（5）构成旋转间隔支撑配合，同时与外壳体（1）内凸肩上端面构成冲击配合；所述弹簧（2）位于冲击模块（4）上方的空间内，与冲击模块（4）构成伸缩支撑配合。

2.根据权利要求1所述的水力冲击发生器，其特征在于：所述上导流模块（3）和下导流模块（8）与叶轮（7）的左右凸轴之间设置旋转密封轴承。

3.根据权利要求1或2所述的水力冲击发生器，其特征在于：所述凸轮总成是由多个辊轮（5）分别通过转轴固定在对应的连杆（6）的外端构成；所述辊轮（5）绕转轴自由转动。

4.根据权利要求3所述的水力冲击发生器，其特征在于：所述下导流模块（8）与外壳体（1）之间预设储油腔（9），储油腔（9）内充满润滑油。

5.根据权利要求4所述的水力冲击发生器，其特征在于：所述冲击模块（4）呈上宽下窄结构，下窄部分与叶轮（7）左右凸轴和上导流模块（3）、下导流模块（8）的密闭空间构成滑动插接配合。

6.根据权利要求5所述的水力冲击发生器，其特征在于：所述辊轮（5）圆周表面设有防磨层；所述冲击模块（4）下端面设有防磨层。

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