CN106639943A - 高频扭转复位轴向振动冲击工具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于石油天然气钻井工程的高频扭转复位冲击工具，通过螺纹连接安装在钻头上部，包括涡轮总成、转换总成、冲击总成。所述的转换总成前端接冲击总成，后端接涡轮总成；通过转换总成实现泥浆通道周期性变化，利用流道变化产生性的压差推动滑套向前移动，产生轴向位移与轴向作用力，作用在冲击花键上，驱动冲击花键与冲击锤一起向前运动，冲击锤前端扭簧压缩，冲击锤冲击砧子，滑套后移时，扭簧对冲击锤施加一个转动力矩，使冲击锤转动，冲击锤进入另一个花键槽，此后重复此周期性运动。本发明的高频扭转复位轴向振动冲击工具结构简单，对钻头和地层的适应性较强，能够提高钻井效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于石油天然气钻探工程领域的高频扭转复位轴向振动冲击工具。
背景技术
随着经济不断发展，油气需求量越来越大，而我国浅层油气资源则口益枯竭，油气开采必然向更深、更硬地层方向发展，并且我国的深层油气储量相当丰富，油气资源开采难度也逐渐加大。因此石油天然气钻井所钻地层将会越来越深，地质年代会越来越长远，岩石越来越硬。但是，钻井技术水平限制着深井、超深井的发展，提高深井硬岩钻井速度成为钻井界钻研的重要课题之一。当前油气田勘探开发钻井中仍选用传统的牙轮钻头，配合PDC钻头及喷射钻井装置的旋转钻井技术。钻井过程当中碰到硬地层时，钻井效率降低，钻头寿命变的更短，钻井周期变的更长，成本升的更高。
因此，如何有效提高深部地层的钻井效率是当今钻井工程中急需解决的一个问题，探求更新、更高效的破岩技术，提高钻井速度、降低钻井成本、缩小勘探开发周期，这是钻井技术发展的一个主要方向。冲旋钻井技术是目前国内外钻井技术发展的主要方向之一，不过目前仍存在寿命短、受钻井液性能影响较大，冲击振动参数不合理，单方面提高冲击功等方面的问题，这些因素阻碍了冲击钻井技术的进一步发展，所以开展新型冲击钻井工具的研制已经是冲旋钻井技术发展的重要环节。
发明内容
为了探索解决现有冲击振动工具寿命短、冲击振动参数不合理、不能有效提高深井钻速等问题，本发明提供了一种高频扭转复位轴向振动冲击工具。本发明的冲击工具通过转换总成实现泥浆通道周期性变化，利用流道变化产生性的压差推动滑套向前移动，产生轴向位移与轴向作用力，作用在冲击花键上，驱动冲击花键与冲击锤一起向前运动，冲击锤前端扭簧压缩，冲击锤冲击砧子，从而对钻头产生高频冲击振动作用，当滑套后移时，扭簧对冲击锤施加一 个转动力矩，使冲击锤转动，使冲击锤进入另一个花键槽，此后重复此周期性运动。
本发明的技术方案是：高频扭转复位轴向振动冲击工具，通过螺纹连接固定安装在钻头上部，其包括涡轮总成、转换总成、冲击总成；在转换总成前端接冲击总成，后端接涡轮总成；所述涡轮总成包括上接头、防掉帽、防掉接头、支撑环、上旋塞、涡轮轴、涡轮定子、涡轮转子、涡轮外壳、上花键、下旋塞，在上接头前端安装支撑环,在涡轮外壳后端安装上旋塞,并将涡轮外壳安装在上接头前端,将防掉接头安装在支撑环和上旋塞中心通孔，并装上防掉帽,然后在防掉接头前端安装涡轮轴，再将涡轮定子和涡轮转子安装到涡轮轴上，最后安装上花键和下旋塞，分别用于固定涡轮转子和涡轮定子，利用防掉帽防止涡轮轴向下掉落，泥浆从支撑环和上旋塞圆周通孔上进入涡轮工作腔，驱动涡轮工作，带动涡轮轴旋转，并将旋转运动通过上花键向下传递；所述的转换总成包括下花键、垫片、导流短节、O型密封圈、矩形密封圈a、旋转套、上外壳、节流嘴、定位筒、调整垫片、滑套、压力密封圈、碟簧、芯轴、中外壳、推力球轴承组、深沟球轴承、密封圈a，在下花键前端放入垫片后再安装导流短节，将上外壳安装到涡轮外壳前端，将O型密封圈和矩形密封圈a分别安装到旋转套内外圆周上，再将旋转套安装到导流短节上，再安装定位筒固定旋转套，并将中外壳安装到上外壳前端，将节流嘴安装到导流短节前端，再安装调整垫片和滑套，并在滑套前端安装压力密封圈，依次将密封圈a、深沟球轴承、推力球轴承组、碟簧安装到芯轴上，再将芯轴安装到滑套前端，通过下花键将上部转动传递到导流短节，使导流短节前端圆周上的导流孔与旋转套之间处于周期性连通和关闭状态，从而产生周期性的压差变化，作用在滑套上，产生轴向位移和轴向作用力，驱动芯轴向前移动，碟簧受压蓄能，压缩到极限位置后复位，推动芯轴向后移动；所述的冲击总成包括密封圈b、冲击花键、导向花键、密封圈c、冲击锤、下外壳、扭簧、耐磨环、下接头、矩形密封圈b、定位块、密封环、调整环、锁紧环、砧子，将导向花键安装到芯轴前端，再将密封圈b和冲击花键组合到一起，然后安装到导向花键内，将密封圈c安装到冲击锤后端圆周上，再将冲击锤安装到导向花键，并将下外壳安装到中外壳前端，将扭簧安装到冲击锤后，安装耐磨环，再将下接头安装到下外壳前端，依次将锁紧环、调整环、密封环、定位块安装到砧子上，再将砧子安装到下接头前端，并旋紧锁紧环，芯轴向前移动时，驱动冲击花键和冲击锤向前移动，扭簧压缩，直至与砧子碰撞，产生冲击，并最终作用在钻头上，提高钻头破岩效率，当芯轴向后移动时，扭簧复位，产生反向推力和力矩，驱动冲击锤产生旋转运动，并在冲击锤尾部楔形结构导向作用下，进入另一个花键槽，从而使冲击锤在产生冲击作用过程中处于不断旋转状态，避免冲击锤出现不均匀磨损；所述的冲击锤后端花键为个，尾部设计为楔形面，便于通过楔形面作用进入下外壳的另一花键槽，保证冲击锤在产生冲击过程中处于旋转状态。所述的导流短节与旋转套之间处于周期性的连通和关闭状态，使芯轴能够周期性地向前和向后移动。
本发明的有益效果是：(1)冲击锤在产生冲击振动作用过程中,能够旋转运动,避免冲击锤发生不均匀磨损,有效提高冲击锤使用寿命,保证冲击振动参数不产生明显波动；(2)高频扭转复位轴向振动冲击工具能够对钻头施加高频轴向振动冲击,加速钻头破岩,增加单只钻头进尺,提高钻头使用寿命,减少起下钻次数；(3)利用泥浆过流面积变化,产生压力差,从而产生轴向位移和轴向冲击,有效利用了钻井能量；(4)能够提高钻井速度、降低生产成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明图1中A-A截面图。
图3是本发明图1中B-B截面图。
图4是本发明图1中C-C截面图。
图5是本发明图1中D-D截面图。
图6是本发明图1中D1-D1截面图。
图7是本发明图1中E-E截面图。
图8是本发明图1中F-F截面图。
图9是本发明图1中G-G截面图。
图10是冲击花键结构示意图。
图11是冲击锤结构示意图。
图中1.上接头，2.防掉帽，3.防掉接头，4.支撑环，5.上旋塞，6.涡轮轴，7.涡轮定子，8.涡轮转子，9.涡轮外壳，10.上花键，11.下旋塞，12.下花键，13.垫片，14.导流短节，15.O型密封圈，16.矩形密封圈a，17.旋转套，18.上外壳，19.节流嘴，20.定位筒，21.调整垫片，22.滑套，23.压力密封圈，24.碟簧，25.芯轴，26.中外壳，27.推力球轴承组，28.深沟球轴承，29.密封圈a，30.密封圈b，31.冲击花键，32.导向花键，33.密封圈c，34.冲击锤，35.下外壳，36.扭簧，37.耐磨环，38.下接头，39.矩形密封圈b，40.定位块，41.密封环，42.调整环，43.锁紧环，44.砧子。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
参见附图1，高频扭转复位轴向振动冲击工具，通过螺纹连接固定安装在钻头上部，其包括涡轮总成、转换总成、冲击总成；在转换总成前端接冲击总成，后端接涡轮总成；所述涡轮总成包括上接头1、防掉帽2、防掉接头3、支撑环4、上旋塞5、涡轮轴6、涡轮定子7、涡轮转子8、涡轮外壳9、上花键10、下旋塞11，在上接头1前端安装支撑环4,在涡轮外壳9后端安装上旋塞5,并将涡轮外壳9安装在上接头1前端,将防掉接头3安装在支撑环4和上旋塞5中心通孔，并装上防掉帽2,然后在防掉接头3前端安装涡轮轴6，再将涡轮定子7和涡轮转子8安装到涡轮轴6上，最后安装上花键10和下旋塞11，分别用于固定涡轮转子8和涡轮定子7，利用防掉帽2防止涡轮轴6向下掉落，泥浆从支撑环4和上旋塞5圆周通孔上进入涡轮工作腔，驱动涡轮工作，带动涡轮轴6旋转，并将旋转运动通过上花键10向下传递。所述的转换总成包括下花键12、垫片13、导流短节14、O型密封圈15、矩形密封圈a16、旋转套17、上外壳18、节流嘴19、定位筒20、调整垫片21、滑套22、压力密封圈23、碟簧 24、芯轴25、中外壳26、推力球轴承组27、深沟球轴承28、密封圈a29，在下花键12前端放入垫片13后再安装导流短节14，将上外壳18安装到涡轮外壳9前端，将O型密封圈15和矩形密封圈a16分别安装到旋转套17内外圆周上，再将旋转套17安装到导流短节14上，再安装定位筒20固定旋转套17，并将中外壳26安装到上外壳18前端，将节流嘴19安装到导流短节14前端，再安装调整垫片21和滑套22，并在滑套22前端安装压力密封圈23，依次将密封圈a29、深沟球轴承28、推力球轴承组27、碟簧24安装到芯轴25上，再将芯轴25安装到滑套22前端，通过下花键12将上部转动传递到导流短节14，使导流短节14前端圆周上的导流孔与旋转套17之间处于周期性连通和关闭状态，从而产生周期性的压差变化，作用在滑套22上，产生轴向位移和轴向作用力，驱动芯轴25向前移动，碟簧24受压蓄能，压缩到极限位置后复位，推动芯轴25向后移动。
所述的冲击总成包括密封圈b30、冲击花键31、导向花键32、密封圈c33、冲击锤34、下外壳35、扭簧36、耐磨环37、下接头38、矩形密封圈b39、定位块40、密封环41、调整环42、锁紧环43、砧子44，将导向花键32安装到芯轴25前端，再将密封圈b30和冲击花键31组合到一起，然后安装到导向花键32内，将密封圈c33安装到冲击锤34后端圆周上，再将冲击锤34安装到导向花键32，并将下外壳35安装到中外壳26前端，将扭簧36安装到冲击锤34后，安装耐磨环37，再将下接头38安装到下外壳35前端，依次将锁紧环43、调整环42、密封环41、定位块40安装到砧子44上，再将砧子44安装到下接头38前端，并旋紧锁紧环43，芯轴25向前移动时，驱动冲击花键31和冲击锤34向前移动，扭簧36压缩，直至与砧子44碰撞，产生冲击，并最终作用在钻头上，提高钻头破岩效率，当芯轴25向后移动时，扭簧36复位，产生反向推力和力矩，驱动冲击锤34产生旋转运动，并在冲击锤34尾部楔形结构导向作用下，进入另一个花键槽，从而使冲击锤34在产生冲击作用过程中处于不断旋转状态，避免冲击锤34出现不均匀磨损。
所述的冲击锤34后端花键为4个，尾部设计为楔形面，便于通过楔形面作用进入下外壳35 的另一花键槽，保证冲击锤34在产生冲击过程中处于旋转状态。所述的导流短节14与旋转套17之间处于周期性的连通和关闭状态，使芯轴25能够周期性地向前和向后移动。
Claims (3)
1.高频扭转复位轴向振动冲击工具，其特征在于：所述的轴向振动冲击工具包括涡轮总成、转换总成、冲击总成，在转换总成前端连接冲击总成，后端连接涡轮总成；所述涡轮总成包括上接头(1)、防掉帽(2)、防掉接头(3)、支撑环(4)、上旋塞(5)、涡轮轴(6)、涡轮定子(7)、涡轮转子(8)、涡轮外壳(9)、上花键(10)、下旋塞(11)，在上接头(1)前端安装支撑环(4),在涡轮外壳(9)后端安装上旋塞(5),并将涡轮外壳(9)安装在上接头(1)前端,将防掉接头(3)安装在支撑环(4)和上旋塞(5)中心通孔，并装上防掉帽(2),然后在防掉接头(3)前端安装涡轮轴(6)，再将涡轮定子(7)和涡轮转子(8)安装到涡轮轴(6)上，最后安装上花键(10)和下旋塞(11)，分别用于固定涡轮转子(8)和涡轮定子(7)，利用防掉帽(2)防止涡轮轴(6)向下掉落，泥浆从支撑环(4)和上旋塞(5)圆周通孔上进入涡轮工作腔，驱动涡轮工作，带动涡轮轴(6)旋转，并将旋转运动通过上花键(10)向下传递；所述的转换总成包括下花键(12)、垫片(13)、导流短节(14)、O型密封圈(15)、矩形密封圈a(16)、旋转套(17)、上外壳(18)、节流嘴(19)、定位筒(20)、调整垫片(21)、滑套(22)、压力密封圈(23)、碟簧(24)、芯轴(25)、中外壳(26)、推力球轴承组(27)、深沟球轴承(28)、密封圈a(29)，在下花键(12)前端放入垫片(13)后再安装导流短节(14)，将上外壳(18)安装到涡轮外壳(9)前端，将O型密封圈(15)和矩形密封圈a(16)分别安装到旋转套(17)内外圆周上，再将旋转套(17)安装到导流短节(14)上，再安装定位筒(20)固定旋转套(17)，并将中外壳(26)安装到上外壳(18)前端，将节流嘴(19)安装到导流短节(14)前端，再安装调整垫片(21)和滑套(22)，并在滑套(22)前端安装压力密封圈(23)，依次将密封圈a(29)、深沟球轴承(28)、推力球轴承组(27)、碟簧(24)安装到芯轴(25)上，再将芯轴(25)安装到滑套(22)前端，通过下花键(12)将上部转动传递到导流短节(14)，使导流短节(14)前端圆周上的导流孔与旋转套(17)之间处于周期性连通和关闭状态，从而产生周期性的压差变化，作用在滑套(22)上，产生轴向位移和轴向作用力，驱动芯轴(25)向前移动，碟簧(24)受压蓄能，压缩到极限位置后复位，推动芯轴(25)向后移动；所述的冲击总成包括密封圈b(30)、冲击花键(31)、导向花键(32)、密封圈c(33)、冲击锤(34)、下外壳(35)、扭簧(36)、耐磨环(37)、下接头(38)、矩形密封圈b(39)、定位块(40)、密封环(41)、调整环(42)、锁紧环(43)、砧子(44)，将导向花键(32)安装到芯轴(25)前端，再将密封圈b(30)和冲击花键(31)组合到一起，然后安装到导向花键(32)内，将密封圈c(33)安装到冲击锤(34)后端圆周上，再将冲击锤(34)安装到导向花键(32)，并将下外壳(35)安装到中外壳(26)前端，将扭簧(36)安装到冲击锤(34)后，安装耐磨环(37)，再将下接头(38)安装到下外壳(35)前端，依次将锁紧环(43)、调整环(42)、密封环(41)、定位块(40)安装到砧子(44)上，再将砧子(44)安装到下接头(38)前端，并旋紧锁紧环(43)，芯轴(25)向前移动时，驱动冲击花键(31)和冲击锤(34)向前移动，扭簧(36)压缩，直至与砧子(44)碰撞，产生冲击，并最终作用在钻头上，提高钻头破岩效率，当芯轴(25)向后移动时，扭簧(36)复位，产生反向推力和力矩，驱动冲击锤(34)产生旋转运动，并在冲击锤(34)尾部楔形结构导向作用下，进入另一个花键槽，从而使冲击锤(34)在产生冲击作用过程中处于不断旋转状态，避免冲击锤(34)出现不均匀磨损。
2.根据权利要求1所述的高频扭转复位轴向振动冲击工具，其特征在于：所述的冲击锤(34)后端花键为4个，尾部设计为楔形面，便于通过楔形面作用进入下外壳(35)的另一花键槽，保证冲击锤(34)在产生冲击过程中处于旋转状态。
3.根据权利要求1所述的高频扭转复位轴向振动冲击工具，其特征在于：所述的导流短节(14)与旋转套(17)之间处于周期性的连通和关闭状态，使芯轴(25)能够周期性地向前和向后移动。
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