一种脉动式双向冲击器

摘要

本发明公开了一种脉动式双向冲击器，脉动式双向冲击器，包括壳体动力机构和冲击机构，其中：冲击机构包括是联轴器、中心轴、弹簧、滑套和冲击阀，中心轴设有与壳体内置上下两个环形槽连通的径向旁通孔，中心轴下部通过花键组与冲击阀构成轴向滑动配合连接，冲击阀连同其上方的弹簧设在壳体下环形槽内，滑套设在冲击阀上冲击阀下端与壳体下环形槽内凸沿构成冲击配合。该脉动式双向冲击器能够同时产生轴向冲击和扭转冲击双重作用，轴向冲击与扭转冲击配合，既能引发钻柱轴向振动减小滑动钻进摩擦阻力，降低压差卡钻风险，增加钻压，削弱脱压影响，又能够提高钻头瞬时切削力，防止粘滑振动。还具有结构简单、操作方便、便于安装、安全可靠的优点。

权利要求

1.脉动式双向冲击器，包括壳体（1）、动力机构（2）和冲击机构，其特征在于：壳体（1）内设置有上下两个环形槽，动力机构（2）为钻具螺杆泵并设在壳体上环形槽内；所述冲击机构是在动力机构输出轴上通过联轴器（3）连接中心轴（7），中心轴（7）为下端带有单向阀（14）的中空结构，中心轴（7）靠近上、下端部分别设有与壳体（1）内置上下两个环形槽连通的径向旁通孔（4，12），中心轴（7）下部通过花键组（9）与冲击阀（8）构成轴向滑动配合连接，冲击阀（8）连同其上方的弹簧（6）设在壳体（1）下环形槽内，冲击阀（8）上设有与中心轴（7）下旁通孔（12）开闭配合的滑套（13），壳体（1）内上下两个环形槽之间的凸出部位与中心轴（7）构成旋转密封配合，冲击阀（8）上部分别与中心轴（7）和壳体（1）构成轴向滑动密封配合，冲击阀（8）下端与壳体（1）下环形槽内凸沿构成冲击配合。

2.根据权利要求1所述的脉动式双向冲击器，其特征是：冲击阀（8）下端与壳体（1）下环形槽内凸沿冲击配合面为斜面。

3.根据权利要求2所述的脉动式双向冲击器，其特征是：冲击阀（8）与壳体（1）下环形槽内凸沿分别通过上冲击块（15）和下冲击块（16）构成冲击配合，并且上冲击块（15）和下冲击块（16）均采用多块，上冲击块（15）和下冲击块（16）的冲击接触面是倾斜的。

4.根据权利要求3所述的脉动式双向冲击器，其特征是：上冲击块（15）内预制由排液槽。

5.根据权利要求4所述的脉动式双向冲击器，其特征是：所述排液槽包括直槽和斜槽按同一旋转方向布置。

6.根据权利要求1-5任一所述的脉动式双向冲击器，其特征是：壳体（1）与中心轴（7）之间、冲击阀（8）与壳体（1）和中心轴（7）之间的密封面均安装密封装置（11）。

说明书

一种脉动式双向冲击器

技术领域

[0001] 本发明涉及石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探行业专用设备领域，尤其是一种脉动式双向冲击器。

背景技术

[0002] 随着油气田开发难度的日益加大和钻井技术的快速发展，深井、超深井、大位移井、长水平段水平井、多级分支井等复杂结构井的数量与日俱增，但是深部硬地层的快速钻进仍是制约钻井提速的关键技术瓶颈之一，其中PDC钻头具有钻速高、成本低、制造工艺成熟等特点，在钻井提速中起到了一定的积极作用，在各种类型井眼的钻进过程中得到了日益广泛的应用，但由于井眼类型、地层岩石特性等因素的影响，没有完全发挥PDC钻头高钻速的技术优势。（1）在深井、超深井中，钻硬地层时易产生粘滑振动，钻头憋钻，扭矩升高，当升高到一定程度时钻齿前的岩石被切削掉，钻头和钻柱积蓄的能量快速释放，钻头瞬时加速至正常转速的数倍，粘滑振动不仅降低钻进速度，损坏钻头切削齿，减少钻头和钻柱使用寿命，还极易造成钻柱脱扣，导致钻具脱落的井下复杂事故；（2）在大位移井、长水平段水平井等复杂结构井中，钻柱平躺在井底，摩擦阻力大，钻头脱压严重，破岩效率大大降低，并且在滑动钻井时，钻柱不旋转，极易发生压差卡钻事故。

[0003] 理论研究与实践应用表明，如果在钻头上施加一定频率和幅值的冲击功，则能够有效提高钻头的切削能力，对于提高钻井速度具有积极作用。专利号200910058083.9、201310014444.6、201020567011.5进行了详细说明，并设计专用冲击钻具，从中也可以看出，设计的专用冲击钻具只能产生扭转冲击，不具有轴向冲击的功能；而具有轴向冲击功能的钻具又不能产生扭转冲击。如果在钻井过程中能够同时在钻头上施加轴向冲击与扭转冲击两种动能，则可以大幅增加钻头的机械钻速和使用寿命，提高钻柱的稳定性，钻出符合设计技术要求的高质量井眼，满足油气田开发的需要。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对现有技术仅仅具备扭转冲击或轴向冲击所存在的不足，提出一种在钻头上同时产生轴向冲击和扭转冲击，且结构简单、性能可靠、控制精度高、操作方便的脉动式双向冲击器。

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0006] 脉动式双向冲击器，包括壳体1、动力机构2和冲击机构，其中：壳体1内设置有上下两个环形槽，动力机构2为钻具螺杆泵并设在壳体上环形槽内；所述冲击机构是在动力机构输出轴上通过联轴器3连接中心轴7，中心轴7为下端带有单向阀14的中空结构，中心轴7靠近上、下端部分别设有与壳体1内置上下两个环形槽连通的径向旁通孔4和12，中心轴7下部通过花键组9与冲击阀8构成轴向滑动配合连接，冲击阀8连同其上方的弹簧6设在壳体1下环形槽内，冲击阀8上设有与中心轴7下旁通孔12开闭配合的滑套13，壳体1内上下两个环形槽之间的凸出部位与中心轴7构成旋转密封配合，冲击阀8上部分别与中心轴7和壳体1构成轴向滑动密封配合，冲击阀8下端与壳体1下环形槽内凸沿构成冲击配合。

[0007] 上述方案进一步包括：

[0008] 冲击阀8下端与壳体1下环形槽内凸沿冲击配合面为斜面。

[0009] 冲击阀8与壳体1下环形槽内凸沿分别通过上冲击块15和下冲击块16构成冲击配合，并且上冲击块15和下冲击块16均采用多块，上冲击块15和下冲击块16的冲击接触面是倾斜的。

[0010] 上冲击块15内预制由排液槽。

[0011] 所述排液槽包括直槽和斜槽按同一旋转方向布置。

[0012] 壳体1与中心轴7之间、冲击阀8与壳体1和中心轴7之间的密封面均安装密封装置11。

[0013] 本发明的脉动式双向冲击器能够同时产生轴向冲击和扭转冲击双重作用，较常规冲击器只有一种冲击形式更先进，技术优势更明显，现场应用提速效果更显著。在深井、超深井中，轴向冲击与扭转冲击同时作用，既能够增加瞬时钻压提高钻头的切削力，又能够促使钻柱振动，降低卡钻风险，同时还能够防止粘滑振动；在复杂结构井中，轴向冲击与扭转冲击配合，既能形成钻柱轴向振动减小滑动钻进摩擦阻力，降低压差卡钻风险，同时增加钻头有效钻压，削弱脱压的不利影响，又能够提高钻头瞬时切削力，防止粘滑振动。脉动式双向冲击器产生的轴向冲击和扭转冲击同时作用在钻头上，不仅能够增加钻头破岩能量，而且有助于保护钻头、稳定钻柱、延长使用寿命，对于钻井工程提速提效具有重要意义。

[0014] 脉动式双向冲击器还具有结构简单、操作方便、便于安装、安全可靠的优点。为进一步提高深井、超深井、复杂结构井的机械钻速，充分发挥PDC钻头的技术优势，延长钻头和钻柱使用寿命，满足国内油气田高效开发提速提效的要求，为石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探等的现场提供了可靠地技术保障设备。

附图说明

[0015] 图1是依据本发明所提出的脉动式双向冲击器结构示意图。

[0016] 图2是图1中滑套A—A截面剖视图。

[0017] 图3是图1中B—B截面剖视图。

[0018] 图4是图1中C—C截面剖视图。

[0019] 图中：1-壳体、2-动力机构、3-联轴器、4-旁通孔、5-密封装置、6-弹簧、7-中心轴、8-冲击阀、9-花键组、10-密封装置 、11-密封装置、12-旁通孔、13-滑套、14-单向阀、15-上冲击块、16-下冲击块、17-排液槽

具体实施方式

[0020] 下面结合附图来详细描述本发明。

[0021] 典型实施例1

[0022] 如图1，动力机构2安装在壳体1内部的上部，并通过联轴器3与中心轴7连接，中心轴7上部加工旁通孔4，下部加工旁通孔12，中心轴7下端安装单向阀14，壳体1与中心轴7之间安装密封装置5，冲击阀8与壳体1之间安装密封装置11，冲击阀8与中心轴7之间安装密封装置10，冲击阀8与壳体1之间安装弹簧6，中心轴7与冲击阀8通过花键组9连接，滑套13安装在冲击阀8下部，上冲击块15安装在冲击阀8下端，下冲击块16安装在壳体1下端，上冲击块15加工排液槽17。单向阀14具有单向流通功能，而且常闭，只有在压力高于设定值时才能开启通道。

[0023] 简化实施例2

[0024] 在实施例1的基础上，还可以对上述实施例作如下简化措施。

[0025] 一是在满足壳体1与中心轴7之间、冲击阀8与壳体1和中心轴7之间工件加工精度的前提下可以省略安装密封装置11。

[0026] 二是可以直接利用冲击阀8下端与壳体1下环形槽内凸沿构成冲击配合而省略上下冲击块。

[0027] 三是滑套13与冲击阀8可以是一体结构，也可以是分体组合结构。

[0028] 四是上冲击块和下冲击块冲击接触面的倾斜角度和方向根据需要进行调整，以达到最佳轴向和旋转冲击效果。

[0029] 上冲击块15的排液槽具有排液和导向双重作用。

[0030] 基于上述实施例的脉动式双向冲击器工作流程是：

[0031] 安装在钻柱与钻头之间，动力机构2采用螺杆钻具结构，当钻井液进入壳体内时，动力机构2将液体能量转换为扭转动力，通过联轴器3驱动中心轴7旋转，钻井液经过中心轴7上部旁通孔4进入中心轴7内部，然后通过中心轴7下部旁通孔12到达冲击阀8下部腔室，然后再进入钻头，由于钻头安装有喷嘴，就会产生压降，因此冲击阀8下部腔室内的钻井液就会推动冲击阀8向上移动并压缩弹簧6，与此同时，安装在冲击阀8上的滑套13也会随着向上移动，当滑套13将中心轴7下部旁通孔12瞬间关闭时，冲击阀8下部腔室内的钻井液在惯性作用下继续流动，经过钻头喷嘴进入井眼环空，此时冲击阀8下部腔室内的压力开始降低，当压力低于弹簧6的恢复力时，冲击阀8在弹簧6的推动下迅速向下移动，通过安装在下端的上冲击块15冲击到安装在壳体下端的下冲击块上，从而产生了轴向冲击；由于冲击阀8与中心轴7通过花键组9连接，因此中心轴7的旋转也会带动冲击阀8转动，所以冲击阀8是沿轴向上下移动的同时也是转动的，那么当冲击阀8轴向冲击到下冲击块16时，也会对下冲击块16产生扭转冲击的作用，当冲击阀8与下冲击块16接触时，中心轴7下部旁通孔12打开，钻井液再次进入冲击阀8下部腔室，产生的液压力推动冲击阀8向上移动并压缩弹簧6，随着上述过程不断进行，就实现了在钻头上同时产生轴向冲击和扭转冲击的双重作用。如果弹簧6损坏而无法提供恢复力导致冲击阀8不能下行时，中心轴7下部旁通孔12处于关闭状态，则会在钻柱内产生憋压，当钻井液压力升高到一定程度时，中心轴7下端的单向阀14就会开启，从而确保钻井液能够到达钻头，形成循环通路，此时就可以按照常规钻井工艺施工，不会因为内部构件的损坏而起钻，影响钻井效率。