CN110159187A - 一种高风压潜孔冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高风压潜孔冲击器，属井下工具技术领域。该冲击器由外壳体、上接头、下接头、钎头和冲击活塞构成，外壳体的一端通过螺纹安装有上接头，外壳体的另一端螺纹安装有下接头，下接头上通过保持环装有钎头，上接头和钎头之间通过套管和钎尾管装有冲击活塞。该冲击器通过更换后调气塞能有效改变气体流速，从而能有效改变冲击器的冲击频率，以应对不同的岩层而提高钻孔效率；同时能有效降低冲击活塞与钎头冲击过程中冲击活塞与钎头断裂失效的可能性，解决了现有冲击器不能根据岩层改变冲击频率而导致的钻孔效率低，同时冲击部位易断裂失效的问题。

Description

一种高风压潜孔冲击器

技术领域

本发明涉及一种高风压潜孔冲击器，属井下工具技术领域。

背景技术

近些年来，随着我国不断加大对基础设施以及各类矿场的投入，气动潜孔冲击器凭借其结构简单、操作方便、便于维修、可有效清除井底岩屑、不受钻孔深度限制、可减少钻具磨损等优点，在岩石破碎机械技术领域受到了巨大的重视。随着气动潜孔冲击器钻进技术的迅速发展，其应用领域不断拓宽, 从初始的爆破孔施工, 逐步发展到水文水井钻凿,地质岩芯勘探, 水库坝基帷幕灌浆, 工程地质勘查, 非开挖管线铺设, 建筑基础及岩土工程等几乎所有钻孔施工领域。

气动潜孔冲击器利用高压空气作为动力源，驱动冲击器内的活塞高速度、高频率地做往复运动，使活塞获得足够的能量冲击钻头而进行钻孔作业。冲击力以应力波的形式作用于钻头，极短的时间内产生巨大的冲击能量，能有效地破碎岩石，快速成孔，达到凿岩钻孔的目的。

冲击器在凿岩钻孔过程中，冲击器遇到岩层特性较软时，冲击器频率高更有利于钻进，但是现有的冲击器不能根据地层改变冲击频率，因此现有冲击器钻孔效率较低；同时现有冲击器在实际应用中经常发生冲击部位断裂失效的问题。

发明内容

本发明的发明目的是：针对现有技术不足，提供一种能改变冲击频率以应对不同岩层，从而提高钻孔效率；同时能有效降低冲击部位断裂失效的可能性的一种高风压潜孔冲击器。

本发明的技术方案是：

一种高风压潜孔冲击器，它由外壳体、上接头、下接头、钎头和冲击活塞构成，外壳体的一端螺纹安装有上接头，外壳体的另一端螺纹安装有下接头，下接头上通过保持环装有钎头，其特征在于：上接头下方的外壳体内壁上装有套管，套管上端的内壁上螺纹安装有配气座，配气座上活动装有逆止阀，逆止阀和上接头密封接触连接，配气座的底部中心部位设置有装配管，装配管的内壁上通过凸缘螺纹安装有调气塞；配气座下方的套管内壁上活动安装有冲击活塞，冲击活塞与钎头间歇接触连接。

所述的调气塞呈阶梯圆台状，调气塞的中心部位设置有调气孔。

所述的钎头端面的中心部位设置有通气孔，通气孔的上端固装有钎尾管，钎尾管的一端延伸至钎头上方，延伸至钎头上方的钎尾管上端的圆周上均布有透气孔；钎头的底部固装有金刚齿，金刚齿一侧的钎头底部设置有气眼，气眼与通气孔的下端连通。

所述的配气座的顶部端面上均布设置有矩形通气槽，矩形通气槽下方的配气座圆周上设置有环形配气槽，环形配气槽上均布有配气座径向连通孔，配气座径向连通孔与装配管的中心孔连通。

所述的套管圆周的中间部位外径小于两端部位外径，套管圆周上与环形配气槽对应状均布有套管径向上连通孔，套管径向上连通孔下方的套管内壁上设置有通气台肩，通气台肩下方的套管上均布有套管径向下连通孔。

所述的冲击活塞为变径圆柱体，冲击活塞端面的中心部位设置有中心通孔，中心通孔一侧的冲击活塞端面上均布有轴向孔，轴向孔一侧的冲击活塞上与轴向孔呈对应状设置有冲击活塞径向连通孔A，冲击活塞径向连通孔A分别与轴向孔和中心通孔连通，冲击活塞径向连通孔A上方的冲击活塞圆周上与冲击活塞径向连通孔A错位设置有冲击活塞径向连通孔Ｂ，冲击活塞径向连通孔Ｂ与中心通孔连通，冲击活塞圆周上与冲击活塞径向连通孔Ｂ呈对应状设置有轴向导气槽，轴向导气槽下方的冲击活塞圆周上设置有封闭凸缘，封闭凸缘下方的冲击活塞圆周上均布有轴向储气槽；所述的冲击活塞通过封闭凸缘与外壳体间歇密封连接。

所述的中心通孔的一端与装配管的外壁滑动密封连接，中心通孔的另一端与延伸至钎头上方的钎尾管滑动接触连接。

所述的冲击活塞径向连通孔A和冲击活塞径向连通孔Ｂ对应的中心通孔内壁上分别设置有环形通气槽。

所述的调气塞上方的装配管上对称设置有长条形的装配管径向连通孔，装配管径向连通孔分别与冲击活塞径向连通孔A和冲击活塞径向连通孔B间歇连通。

所述的外壳体的内壁上与封闭凸缘对应状设置有环形气道。

本发明相较于现有技术的有益效果在于：

该高风压潜孔冲击器通过更换后调气塞能有效改变气体流速，从而能有效改变冲击器的冲击频率，以应对不同的岩层而提高钻孔效率；同时能有效降低冲击活塞与钎头冲击过程中的刚性碰撞程度，从而能有效降低冲击活塞与钎头断裂失效的可能性，解决了现有冲击器不能根据岩层改变冲击频率而导致的钻孔效率低，同时冲击部位易断裂失效的问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中A-A向的结构示意图；

图3是图1中B处的放大示意图；

图4是本发明的套管的主视示意图；

图5是本发明的配气座的主视示意图；

图6是图5的俯视示意图；

图7是图5的剖面结构示意图；

图8是本发明的冲击活塞的俯视示意图；

图9是本发明的冲击活塞的剖面结构示意图；

图10是图1中C处的放大示意图；

图11是本发明的工作状态示意图。

图中：1、外壳体，2、上接头，3、下接头，4、钎头，5、冲击活塞，6、金刚齿，7、导向套管，8、保持环，9、通气孔，10、钎尾管，11、透气孔，12、气眼，13、套管，14、配气座，15、弹簧，16、密封头，17、装配槽，18、矩形通气槽，19、环形配气槽，20、配气座径向连通孔，21、装配管，22、调气塞，23、调气孔，24、装配管径向连通孔，25、套管径向上连通孔，26、通气台肩，27、套管径向下连通孔，28、冲程气缸，29、中心通孔，30、轴向孔，31、冲击活塞径向连通孔A，32、冲击活塞径向连通孔Ｂ，33、环形通气槽，34、轴向导气槽，35、封闭凸缘，36、环形气道，37、轴向储气槽。

具体实施方式

该高风压潜孔冲击器由外壳体1、上接头2、下接头3、钎头4和冲击活塞5构成，外壳体1的一端通过螺纹安装有上接头2，上接头2上固装有金刚齿6，上接头2上的金刚齿6的作用是破碎上接头2处卡住的杂物，方便与钻柱的组装和拆卸。外壳体1的另一端螺纹安装有下接头3，下接头3上方的外壳体内壁上设置有限位台肩，限位台肩上装有导向套管7，导向套管7和下接头3之间配合夹持安装有保持环8，保持环8上活动装有钎头4，钎头4设置有限位凸缘，钎头4通过限位凸缘活动吊装在保持环8上，钎头4与下接头3通过花键连接，使得钎头4既能通过导向套管7保持一定范围内的轴向运动，又能通过下接头3随钻柱的转动而转动。

钎头4端面的中心部位设置有通气孔9，通气孔9的上端固装有钎尾管10，钎尾管10的一端延伸至钎头4上方，延伸至钎头4上方的钎尾管10端头的圆周上均布有透气孔11；钎头4的底部均布有金刚齿6，钎头4上的金刚齿6的作用是工作过程中破碎岩石。金刚齿6一侧的钎头4底部设置有气眼12，气眼12与通气孔9的下端连通。

上接头2下方的外壳体1内壁上装有套管13，套管13上端的内壁上螺纹安装有配气座14，配气座14上活动装有逆止阀，逆止阀包括弹簧15和密封头16，配气座14的顶部中心设置有装配槽17，装配槽17内通过弹簧15装有密封头16，密封头16在弹簧15的作用下与上接头2中心孔的下端口密封接触连接，逆止阀的作用是在工作完成后封闭上接头2上的进气通道（上接头2中心孔），防止水、泥浆等杂质倒灌。

装配槽17一侧的配气座14顶部端面上均布设置有矩形通气槽18，矩形通气槽18下方的配气座14圆周上设置有环形配气槽19，环形配气槽19上均布有配气座径向连通孔20。

配气座14的底部中心部位设置有装配管21，装配管21的中心孔与配气座径向连通孔20连通，装配管21的内壁上通过凸缘螺纹安装有调气塞22，调气塞22呈阶梯圆台状，调气塞22的中心部位设置有调气孔23，调气塞22上方的装配管21上对称设置有长条形的装配管径向连通孔24。

套管13圆周的中间部位外径小于两端部位外径，套管13的中间部位和外壳体1的内壁形成一个上环空，套管13圆周上与环形配气槽19对应状均布有套管径向上连通孔25，套管径向上连通孔25与环形配气槽19连通，套管径向上连通孔25下方的套管内壁上设置有通气台肩26，通气台肩26上方的套管13内径大于通气台肩26下方的套管13内径，通气台肩26下方的套管13上均布有套管径向下连通孔27。

配气座14下方的套管13内壁上活动安装有冲击活塞5，冲击活塞5、套管13和配气座14之间形成一个相对封闭的冲程气缸28。

冲击活塞5为变径圆柱体，冲击活塞5端面的中心部位设置有中心通孔29，中心通孔29的一端与装配管21的外壁滑动密封连接，中心通孔29的另一端与延伸至钎头4上方的钎尾管10滑动接触连接，中心通孔29一侧的冲击活塞5端面上均布有轴向孔30，轴向孔30一侧的冲击活塞5上与轴向孔30呈对应状设置有冲击活塞径向连通孔A31，冲击活塞径向连通孔A31分别与轴向孔30和中心通孔29连通，冲击活塞径向连通孔A31上方的冲击活塞5圆周上与冲击活塞径向连通孔A31错位设置有冲击活塞径向连通孔Ｂ32，冲击活塞径向连通孔Ｂ32与中心通孔29连通，工作过程中，冲击活塞径向连通孔B32随着活塞的上下运动与装配管径向连通孔24间歇连通，冲击活塞径向连通孔A31和冲击活塞径向连通孔Ｂ32对应的中心通孔29内壁上分别设置有环形通气槽33，环形通气槽33的作用是消除冲击活塞5在上下运动过程中因冲击活塞5可能的转动导致冲击活塞径向连通孔A31或冲击活塞径向连通孔Ｂ32与装配管径向连通孔24错位而不能与装配管径向连通孔24连通的可能，保证冲击活塞径向连通孔A31或冲击活塞径向连通孔Ｂ32与装配管径向连通孔24在高度上开始相对重合时冲击活塞径向连通孔A31或冲击活塞径向连通孔Ｂ32能与装配管径向连通孔24连通。

冲击活塞5圆周上与冲击活塞径向连通孔Ｂ32呈对应状设置有轴向导气槽34，轴向导气槽34的作用是在工作过程中增大气体流动空间而增加气体的流量。轴向导气槽34上方的冲击活塞5端头与套筒13的内壁间歇密封连接，轴向导气槽34下方的冲击活塞5圆周上设置有封闭凸缘35，封闭凸缘35上方的冲击活塞5与外壳体1之间形成中环空，封闭凸缘35下方的冲击活塞5与外壳体1之间形成下环空，外壳体1的内壁上与封闭凸缘35对应状设置有环形气道36，封闭凸缘35下方的冲击活塞5圆周上均布有轴向储气槽37，轴向储气槽37的作用是增大下环空的空间而增大气体对冲击活塞5的推力。冲击活塞5通过封闭凸缘35与外壳体1间歇密封连接，冲击活塞5底部与钎头4顶部间歇接触连接。

该高风压潜孔冲击器的工作前，逆止阀的密封头16与上接头2的中心孔底部密封连接；冲击活塞5在自身重力作用下与钎头4接触连接，冲击活塞5上的封闭凸缘35位于外壳体1上的环形气道36内，冲击活塞径向连通孔B32与装配管21的装配管径向连通孔24连通。

该高风压潜孔冲击器的工作时，首先向上接头2的中心孔中通入高压气体，通入高压气体后，高压气体经上接头2的中心孔推动逆止阀的密封头16下行进入矩形通气槽18中，随后进入环形配气槽19中。

该高风压潜孔冲击器的工作阶段分为返程阶段和冲程阶段，具体为：

该高风压潜孔冲击器的工作时的返程阶段为：高压气体进入环形配气槽19中后分为两路支流，一路高压气体通过配气座14的配气座径向连通孔20进入装配管21的中心孔中，进入装配管21的中心孔中的气体再次分为两路支流，装配管21内的一路高压气体到达调气塞22处后经调气塞22上的调气孔23进入冲击活塞5的中心通孔29内，并随后依次通过钎尾管10和通气孔9进入气眼12，并由气眼12吹出，吹出的高压气体对孔底岩粉进行吹扫。

装配管21内的另一路高压气体依次通过装配管径向连通孔24和冲击活塞径向连通孔B32进入外壳体1和冲击活塞5形成的中环空中。

环形配气槽19中的另一路高压气体通过套管径向上连通孔25进入上环空，进入上环空的高压气体通过套管径向下连通孔27进入中环空，由套管径向下连通孔27进入中环空内的高压气体与由冲击活塞径向连通孔B32进入中环空内的高压气体合流。

在中环空内合流后的高压气体下行通过环形气道36进入下环空，进入下环空内的高压气体迅速使下环空内的气体压力增大，相比于冲程气缸28内的气体压力，下环空内的气体压力较高且压力增大速度较快，由此使冲击活塞5下端和上端形成较大的压差，进入下环空内的高压气体对冲击活塞5做功而推动冲击活塞5克服自身重力向上运动。

随着冲击活塞5向上运动，冲击活塞5上的封闭凸缘35与外壳体内壁逐渐接触连接，使下环空被封闭，此时冲击活塞5依靠自身惯性在自身重力作用下减速继续向上运动，此过程中装配管径向连通孔24不再与冲击活塞径向连通孔B32连通，随着冲击活塞5向上运动，装配管径向连通孔24被中心通孔29的内壁封闭，冲程气缸28内形成相对密闭的空间，随着冲击活塞5向上运动，冲程气缸28内的气体逐渐被压缩，冲程气缸28内的气体压力逐渐增高，增高后的气体压力使冲击活塞5进一步减速向上运动。冲击活塞5运动至最高点的过程中，冲击活塞5上的冲击活塞径向连通孔A31逐渐与装配管径向连通孔24连通，高压气体依次通过环形配气槽19、配气座径向连通孔20、装配管21和装配管径向连通孔24进入冲击活塞径向连通孔A31中并通过轴向孔30进入冲程气缸28中，使冲程气缸28气体压力进一步增大；同时轴向导气槽34的顶部逐渐超过通气台肩26使轴向导气槽34逐渐与冲程气缸28连通，高压气体由中环空进入冲程气缸28中，并与由轴向孔30进入冲程气缸28内的高压气体合流，进一步迅速增大冲程气缸28内的气体压力。

冲击活塞5运动至最高点的过程中，钎尾管10上的透气孔11与下环空逐渐连通，钎尾管10内的气体逐渐回流至下环空内，使下环空内的气体压力和钎尾管10内气体压力保持平衡，使下环空内的压力不会因冲击活塞5向上运动而压力减小，但由于由调气塞22的调气孔23进入钎尾管10内的气体较少而使进入下环空内的气体较少，因此相对于冲程气缸28内气体压力升高速度下环空内的气体压力升高速度较慢，冲击活塞5上端较于下端会形成较大压差。冲击活塞5运动至最高点后，随后进入冲程阶段。

该高风压潜孔冲击器的工作时的冲程阶段为：冲击活塞5运动至最高点后，在冲击活塞5自身重力和冲击活塞5上下两端气体压差的共同作用下使冲击活塞5向钎头4方向运动，冲击活塞5向钎头4运动过程中，钎尾管10上的透气孔11逐渐不再与下环空连通，下环空被相对封闭，随着冲击活塞5的向下运动，下环空内的高压气体被逐渐压缩，压缩后的高压气体对钎头4做功，使钎头4对岩石做功而破碎岩石，同时被压缩后的下环空内的高压气体有效降低了冲击活塞5的冲击速度，降低了冲击活塞5与钎头4碰撞时的冲击应力，因此有效降低了冲击活塞5底部和钎头4顶部因反复冲击而断裂失效的可能性。

冲击活塞5向下冲击钎头4的过程中，冲击活塞5上的封闭凸缘35逐渐不再与外壳体1接触，封闭凸缘35随着冲击活塞5向下运动逐渐向下运动至外壳体1上的环形气道36内，使下环空不再被封闭，高压气体通过环形气道36再次进入下环空内；同时装配管径向连通孔24逐渐不再与冲击活塞径向连通孔A31连通，且轴向导气槽34逐渐不再与冲程气缸连通，轴向导气槽34上方的冲击活塞5端头与套管13的内壁逐渐接触密封连接，使冲程气缸28再次形成相对密闭的空间，随着冲击活塞5的不断下行，冲程气缸28内的压力逐渐降低，冲击活塞5下端的下环空内的气体压力逐渐高于冲程气缸28内的气体压力，随着冲击活塞5的继续下行，装配管径向连通孔24逐渐与冲击活塞径向连通孔B32连通，高压气体由装配管21依次通过装配管径向连通孔24、冲击活塞径向连通孔B32进入中环空，并与由上环空通过套管径向下连通孔27进入中环空的气体再次合流，在中环空内合流的高压气体再次下行进入下环空中。

冲击活塞5冲击钎头4后，随后进入返程阶段，返程阶段和冲程阶段依次交替进行，使冲击活塞5不断冲击钎头4，从而使钎头4对岩石做功破碎岩石。

调气塞22上的调气孔23能对进入装配管21的高压气体分流，因此通过更换不同孔径的调气孔23的调气塞22即可改变高压气体在中环空和下环空的流速，具体为：

更换大调气孔的调气塞22时，装配管21内的高压气体通过调气孔23进入中心通孔29内的高压气体较多，调气孔23的分流作用较强，因此通过装配管径向连通孔24进入中环空和下环空内的高压气体流速较慢，冲击活塞5的冲击频率被降低。遇到岩石特性较硬时，通过更换大调气孔的调气塞22可降低冲击活塞5的冲击频率，从而有效保护钎头，避免钎头与岩层的连续高频碰撞而损坏。

更换小调气孔的调气塞22时，调气孔23的分流作用减小，进入中环空和下环空内的高压气体流速较快，因此冲击活塞5的冲击频率被升高。遇到岩石特性较软时，通过更换小调气孔的调气塞22可升高冲击活塞5的冲击频率，从而使岩石在高频冲击下更快地破碎，由此提高钻孔效率。

该高风压潜孔冲击器通过更换后调气塞22能有效改变气体流速，从而能有效改变冲击器的冲击频率，以应对不同的岩层而提高钻孔效率；同时能有效降低冲击活塞5与钎头4冲击过程中冲击活塞5与钎头4断裂失效的可能性，解决了现有冲击器不能根据岩层改变冲击频率而导致的钻孔效率低，同时冲击部位易断裂失效的问题。

Claims (10)

1.一种高风压潜孔冲击器，它由外壳体（1）、上接头（2）、下接头（3）、钎头（4）和冲击活塞（5）构成，外壳体（1）的一端螺纹安装有上接头（2），外壳体（1）的另一端螺纹安装有下接头（3），下接头（3）上通过保持环（8）装有钎头（4），其特征在于：上接头（2）下方的外壳体（1）内壁上装有套管（13），套管（13）上端的内壁上螺纹安装有配气座（14），配气座（14）上活动装有逆止阀，逆止阀和上接头（2）密封接触连接，配气座（14）的底部中心部位设置有装配管（21），装配管（21）的内壁上通过凸缘螺纹安装有调气塞（22）；配气座（14）下方的套管（13）内壁上活动安装有冲击活塞（5），冲击活塞（5）与钎头（4）间歇接触连接。

2.根据权利要求1所述的一种高风压潜孔冲击器，其特征在于：所述的调气塞（22）呈阶梯圆台状，调气塞（22）的中心部位设置有调气孔（23）。

3.根据权利要求1所述的一种高风压潜孔冲击器，其特征在于：所述的钎头（4）端面的中心部位设置有通气孔（9），通气孔（9）的上端固装有钎尾管（10），钎尾管（10）的一端延伸至钎头（4）上方，延伸至钎头（4）上方的钎尾管（10）端头的圆周上均布有透气孔（11）；钎头（4）的底部固装有金刚齿（6），金刚齿（6）一侧的钎头（4）底部设置有气眼（12），气眼（12）与通气孔（9）的下端连通。

4.根据权利要求1所述的一种高风压潜孔冲击器，其特征在于：所述的配气座（14）的顶部端面上均布设置有矩形通气槽（18），矩形通气槽（18）下方的配气座（14）圆周上设置有环形配气槽（19），环形配气槽（19）上均布有配气座径向连通孔（24），配气座径向连通孔（24）与装配管（21）的中心孔连通。

5.根据权利要求1所述的一种高风压潜孔冲击器，其特征在于：所述的套管（13）圆周的中间部位外径小于两端部位外径，套管（13）圆周上与环形配气槽（19）对应状均布有套管径向上连通孔（25），套管径向上连通孔（25）下方的套管（13）内壁上设置有通气台肩（26），通气台肩（26）下方的套管（13）上均布有套管径向下连通孔（27）。

6.根据权利要求1所述的一种高风压潜孔冲击器，其特征在于：所述的冲击活塞（5）为变径圆柱体，冲击活塞（5）端面的中心部位设置有中心通孔（29），中心通孔（29）一侧的冲击活塞（5）端面上均布有轴向孔（30），轴向孔（30）一侧的冲击活塞（5）上与轴向孔（30）呈对应状设置有冲击活塞径向连通孔A（31），冲击活塞径向连通孔A（31）分别与轴向孔（30）和中心通孔（29）连通，冲击活塞径向连通孔A（31）上方的冲击活塞（5）圆周上与冲击活塞径向连通孔A（31）错位设置有冲击活塞径向连通孔Ｂ（32），冲击活塞径向连通孔Ｂ（32）与中心通孔（29）连通，冲击活塞（5）圆周上与冲击活塞径向连通孔Ｂ（32）呈对应状设置有轴向导气槽（34），轴向导气槽（34）下方的冲击活塞（5）圆周上设置有封闭凸缘（35），封闭凸缘（35）下方的冲击活塞（5）圆周上均布有轴向储气槽（37）；所述的冲击活塞（5）通过封闭凸缘（35）与外壳体（1）间歇密封连接。

7.根据权利要求6所述的一种高风压潜孔冲击器，其特征在于：所述的中心通孔（29）的一端与装配管（21）的外壁滑动密封连接，中心通孔（29）的另一端与延伸至钎头（4）上方的钎尾管（10）滑动接触连接。

8.根据权利要求6所述的一种高风压潜孔冲击器，其特征在于：所述的冲击活塞径向连通孔A（31）和冲击活塞径向连通孔Ｂ（32）对应的中心通孔（29）内壁上分别设置有环形通气槽（33）。

9.根据权利要求1所述的一种高风压潜孔冲击器，其特征在于：所述的调气塞（22）上方的装配管（21）上对称设置有长条形的装配管径向连通孔（24），装配管径向连通孔（24）分别与冲击活塞径向连通孔A（31）和冲击活塞径向连通孔B（32）间歇连通。

10.根据权利要求1所述的一种高风压潜孔冲击器，其特征在于：所述的外壳体（1）的内壁上与封闭凸缘（35）对应状设置有环形气道（36）。