CN1009849B - 冲击回转钻用冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种应用于石油钻探领域中，采用冲击回转钻进方法时。产生冲击力的一种工具，在一定压力的流体作用下，它内部的振荡器发出振荡信号，指令工作阀工作，使振荡缸带动冲锤振荡，达到冲击钻头加速岩石破碎的目的。它的最大特点是当冲洗液为磨砾度较大的液体时，工作寿命较长，适用于石油钻探钻井的需要。对提高钻进速度，提高钻井质量，降低钻井成本有显著效果。

Description

本发明应用于钻探技术领域中。采用冲击回转钻进方法时，产生冲击力的一种工具。主要由壳体和能产生冲击功的活塞式振荡缸，活塞下部带有冲锤，冲锤作往复运动，冲击铁砧，对钻头产生冲击功。它可以适用于洗井液为磨砾度较大的钻井泥浆的石油钻井，也适用于水文、地质钻井。

冲击回转钻进是二十世纪初发明的一种效率较高的钻井方法。冲击回转钻进方法就是在目前一般回转钻进的基础上，增加一个振动冲击器，将冲击器接在钻头的上部，钻头在一定的轴向压力下高速回转的同时，冲击器对钻头施加有周期的冲击载荷，加速钻头破碎岩石。冲击回转钻进的方法，可以提高钻进速度，提高井孔质量，降低钻井成本。这种方法在水文、地质的钻井中取得了较好的效果。

目前，国内外的冲击器的种类很多，也有与本发明较为接近的技术。如美国专利公开的一份专利号为4280570的专利，是一种主要用压缩空气为动力源的冲击器。它是由一个延外壳和中心管作往复运动的主活塞和换向机构所组成。主活塞在多通道中心管和换向控制阀的控制下，上下运动并对主活塞下部的中间活塞产生冲击，又通过中间活塞对钻头施加冲击，加速钻头破碎岩石。主活塞在较纯净的介质，压缩空气的推动下，作上下运动，对中心管和阀件的磨损较小。在用压缩空气为动力的凿岩作业中，其冲击器的寿命长，能发挥出较好的作用。在石油钻井中使用的洗井液是钻井泥浆，钻井泥浆中含有大量泥砂，所以泥浆的磨砾度较高。在泥浆作为工作介质的条件下，这种的冲击器有两个不可克服的问题。一、中心管与主活塞磨损很快，影 响冲击器的寿命;二、全部钻井泥浆都要通过控制阀，因此钻井泥浆对控制阀的磨损也很快。这样使得冲击器的工作寿命降低。

在石油钻井中，有采用滑阀控制的冲击器和平面阀加弹簧控制的冲击器。因为滑阀一次控制，全部泥浆通过滑阀，滑阀磨损很快，有用几个小时就失去作用;弹簧在高频振荡的受力情况下，产生疲劳损坏，直接影响冲击器的工作寿命，影响了推广使用。

本发明的目的是创造一种冲击工具，减少工作介质对控制阀的磨损，提高冲击器工作寿命。另一个目的是使控制阀系统的结构更合理，开启灵活，改善冲击器的性能，即使是在工作条件比较差的石油钻井中也能适用。

附图说明：

附图1是本冲击器的工作原理图;

附图2是本冲击器的剖面图;

附图2a是冲击器的上半部分的剖面图;

附图2b是冲击器的下半部分的剖面图;

附图3是附图2中的A-A剖面图;

附图4是附图2中的B-B剖面图。

首先了解本冲击器的工作原理，更有利于理解本发明。

当具有一定压力的流体进入冲击器，分流器将它分成两路，一路进入振荡器（2），一路通向信号分配器（3）和工作阀（6）。流体通过振荡器（2），使振荡器（2）发生振荡信号，信号分配器（3）将通道（1）的流体按振荡信号分配，指令工作阀（6）工作。下面分两步说明冲击器的工作状态：

附图1a中振荡器（2）发生振荡，信号分配器（3）发指令，使得通道（4）是高压流体，通道（5）是低压流体，这时工作阀（6）所处的位置能使通道 （1）的流体进入振荡缸（7）的活塞上腔，振荡缸（7）的活塞下腔的流体经过工作阀（6），流向冲击器的外部，振荡缸（7）的活塞带动冲锤（8）向下运动，完成一次对钻头的冲击。

附图1b中振荡器（2）变换位置，发出不同信号，信号分配器（3）变换指令，使通道（5）是高压流体，通道（4）是低压流体，推动工作阀（6）换向。工作阀这时的位置，能使通道（1）的流体进入振荡缸（7）的活塞下腔，振荡缸（7）的活塞上腔的流体经过工作阀（6）流向冲击器外部，振荡缸（7）的活塞带动冲锤（8）向上运动，作好下次冲击准备。

有一定压力的高压液体连续通过振荡器（2），振荡器（2）产生连续变化信号，信号分配器（3）按振荡器（2）的信号指令工作阀连续工作，振荡缸（7）的活塞在工作阀（6）的指令下带动冲锤（8）连续产生冲击。

本冲击器的结构特点：

在壳体（16）内的上部装有三通式分流器（9）。进入冲击器的钻井泥浆首先进入三通式分流器（9）的入口，经三通式分流器（9）分为两部分。大部分钻井泥浆从分流器（9）与壳体（16）组成的通道（29）通过;一小部分钻井泥浆从分流器（9）内部的通道（20）进入振荡器（10），使振荡器（10）工作。分流器（9）的外形基本为圆柱体，为使分流器（9）能与壳体（16）组成通道（29），在分流器（9）的圆柱体外表面，延轴向切出通道，形成通道（29）。

三通式分流器（9）的下部装有振荡器（10）。它们之间采用平面对接，要保证密封，分流器（9）的通道（20）要对准振荡器（10）的泥浆入口。振荡器（10）可采用差动式、射流式、节流式等形式。外形为近似圆柱体，即在圆柱体上延轴线方向切出通道（29），与三通式分流器（9）的通道（29）相通。如果采用差动式振荡器，其活塞（19）的直径为3-50毫米。

信号分配器（11）是一个有二位三通功能的阀，其外形同振荡器（10）。平面对接在振荡器（10）的下部，但要保持端面密封和通道（29）的畅通。钻井泥浆可以从通道（17）进入信号分配器（11），并按振荡器（10）产生的交变信号，分别将通道（29）的泥浆分配给通道（30）或通道（31），传递给工作阀（12）。

工作阀（12）至少采用两个二位四通滑阀，其外形是棱柱体。即在圆柱体外表面上切出三条通道，附图3a中所示的是工作阀（12）的横截面。该棱柱体与壳体（16）的内表面形成了三条通道，通道（29）、通道（30）、通道（31）。三条通道（29）、（30）、（31）之间的密封是由轴向安装的横截面为圆形的密封条（28）来实现的，使三条通道（29）、（30）、（31）的钻井泥浆隔离。工作时工作阀（12）内的阀杆随高低压的变化信号上下运动，控制振荡缸（22）工作。振荡缸（22）内部装有活塞（23）。振荡缸（22）的下部有振荡缸盖（18），缸盖（18）中间有活塞杆可通过的孔。缸盖上有节流孔（27）。活塞（23）的下端连接冲锤（26），活塞（23）上下运动，带动冲锤（26）作冲击功。

将壳体（16）内部的分流器（9）、振荡器（10）、信号分配器（11）、工作阀（12）、振荡缸（22）、缸盖（18）固定在一定的位置，应在分流器（9）的上部用螺母（21）压紧，振荡缸缸盖（18）的下部用接箍（25）压紧实现轴向固定。用定位销（13）分别将分流器（9）、振荡器（10）、信号分配器（11）、工作阀（12）、振荡缸（22）及振荡缸盖（18）径向固定在壳体（16）上。

在接箍（25）的下部接好短接头、砧铁及钻头，这是一般冲击器所必需的通用的部分。

为了使通道（29）内的高压液体不会因为水道堵死而产生高压，可 以在振荡缸缸盖（18）上安装一个普通的安全阀（24），在产生高压时安全阀自动打开，保证冲击器的使用安全。

本发明的效果和优点：本发明是将液压伺服控制原理，应用于冲击器中，所有控制阀通过的泥浆量仅是工作介质的一部分，这样工作介质泥浆对控制阀的磨损成倍减少，提高了控制阀的工作寿命。工作阀采用的是平面阀，它工作时所需要的压力差很小，启动灵活。采用平面阀的另一个优点是，平面阀对流体中的杂质敏感性小，寿命长。所以按本发明制造的冲击器具有适应洗井液为钻井泥浆的石油钻井工程，控制系统的结构比较合理，启动灵活，寿命长等优点。如果应用于水文、地质等钻探领域中，将会取得更显著的效果。

结合申请附图2将冲击器工作过程进一步说明。

高压液体进入冲击器后，首先由分流器（9）将液体分成两路。一路进入振荡器（10），是较少量的液体。另外一路进入通道（29），进入通道（29）是大部分液体，并流向信号分配器（11）和工作阀（12）。进入振荡器（10）的液体使振荡器（10）发出振荡信号。

第一个工作冲程，振荡器（10）的振荡信号由信号分配器（11）控制，使通道（29）的流体通过孔（17）分配，指令工作阀（12）运动到附图2a所示的位置时，通道（29）的高压液体经工作阀（12）的孔（14）进入振荡缸（22）的活塞（23）上部，活塞（23）带动冲锤（26）向下运动，冲击一次。

第二个工作冲程，当振荡器（10）变换工作位置时，信号分配器（11）将通道（29）的液体经孔（17）分配，指令工作阀（12）换向，通道（29）的高压液体经工作阀（12）上的孔（15）进入通道（30），再进入振荡缸（22）的活塞（23）的下部，推动活塞（23）带动冲锤向上运动，做好下次冲击准备。

在高压液体的作用下，振荡器（10）不断地变换位置，活塞（23）不停地上下运动，带动冲锤（26）工作，完成周期性地冲击作用。

具体实施过程，也是一个实施例：

壳体（16）的外径为178毫米的合金钢管制成，为了方便安装可分段制成，断开的地方用接箍连接。壳体（16）的上部是三通式分流器（9）。分流器（9）内部通道（20）的直径为1.5-15毫米之间，最好制成7毫米。在分流器（9）外表面上，延轴向设有通道（29），将三通式分流器装入壳体（16）内，与壳体（16）形成通道（29）。通道（29）的面积约为20平方厘米。这样大量的钻井泥浆要从通道（29）通过，少量钻井泥浆被分流进入振荡器（10）。

振荡器（10）采用的是差动式的，振荡器（10）在分流器（9）下面，与其平面对接。中间为了密封，用横截面为圆形的橡胶圈密封，使通道（20）分流的液体进入振荡器（10）。振荡器的形式很多，安装在本冲击器上的振荡器的外形是圆柱体表面延轴向切去一部分，这部分的横截面是弓形面积。切除一部分后振荡器（10）与壳体（16）就能形成通道（29）。安装时注意振荡器（10）的通道（29）与分流器（9）的通道（29）相通，可用定位销（13）固定。振荡器（10）的活塞直径是35毫米。

信号分配器（11）安装在振荡器（10）的下部。信号分配器（11）是个二位三通阀，外形与上述的分流器（9）、振荡器（10）相同，也是平面对接，用定位销（13）固定。

工作阀（12）是采用两个二位四通滑阀，其外形制成棱柱体，也就是在圆柱体外表面，延轴向切去三部分，切去部分的横截面是弓形面（如附图3所示）。将工作阀安装在壳体（16）内部，切去部分就形成三条泥浆通道（29）、（30）、（31）。在工作阀（12）圆柱面上安有三组轴向 密封条（28），使通道（29）、（30）、（31）之间的液体隔离。

两个工作阀（12）下面装有一个振荡缸（22）。振荡缸（22）内部是活塞（23），活塞（23）的直径95毫米，上有三组活塞环。活塞（23）的下部用螺纹连接有冲锤（26）。振荡缸（22）下端用振荡缸盖（18）盖上。缸盖（18）上的节流孔（27）的数量为3-100个，每个孔的直径为0.2-8毫米。最好设有20个节流孔（27），每个孔的直径是1.5毫米。

为了将壳体（16）内部的零件固定在壳体（16）内，壳体（16）上部和振荡缸盖（18）的下端用螺母（21）、（25）压紧。为了保证工作安全，在振荡缸盖（18）上安装一个普通球形安全阀（24）。

在壳体（16）的下端接上钻具接头、铁砧，制成一个冲击回转钻用冲击器。用于6级以上的岩石钻进中，当泥浆泵的泵压为150MPa时，可产生的冲击频率为600-1000次/分钟，冲击功可达10-15公斤.米，比普通回转钻进速度提高50-100%，钻井成本降低10-25%。

Claims (6)

1、一种适应于高压液体为工作介质的冲击回转钻用冲击器，有壳体和能产生冲击功的活塞式振荡缸，活塞下部带有冲锤，冲锤作往复运动，冲击铁砧，对钻头产生冲击功，其特征在于：壳体内的上部装有三通式分流器，三通式分流器的外形是在圆柱体的外表面上延轴向切出通道，分流器内部有分流的通道，三通式分流器的下部装有振荡器，振荡器与分流器之间采用平面对接，振荡器的外形同分流器，近似圆柱体，即在圆柱体的外表面上，延轴向切出通道，振荡器下部平面对接一个信号分配器，信号分配器是一个二位三通阀，外形同分流器或振荡器，至少有两个工作阀，工作阀采用的是二位四通滑阀，其外形为棱柱体，使工作阀能与壳体的内表面形成三条通道，三条通道之间安装有密封装置，工作阀下部是活塞式振荡缸，在振荡缸下部有振荡缸缸盖，振荡缸缸盖上设有节流孔，冲击器的顶部用螺母压紧，下部用接箍压紧，壳体内的阀件的径向定位采用定位销。

2、如权利要求1所述的冲击回转钻用冲击器，其特征在于：分流器内部通道的直径为1.5-15毫米之间。

3、如权利要求1所述的冲击回转钻用冲击器，其特征在于：振荡器是采用差动式振荡器，振荡器的活塞的直径为3-50毫米。

4、如权利要求1所述冲击回转钻用冲击器，其特征在于：工作阀上的密封装置是横截面为圆形的密封条。

5、如权利要求1所述的冲击回转钻用冲击器，其特征在于：振荡缸上的节流孔的数量为3-100个，每个孔的直径为0.2-8毫米。

6、如权利要求1所述的冲击回转钻用冲击器，其特征在于：振荡缸缸盖上装有安全阀。

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