CN103306600A - 一种凸轮式轴向旋冲工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种凸轮式轴向旋冲工具，包括旋转驱动部件和冲击部件，所述旋转驱动部件包括驱动轴和依次套设在所述驱动轴上的旋转驱动筒和第一凸轮块，彼此间相互固接；所述冲击部件包括与所述第一凸轮块端面相匹配的第二凸轮块、与所述第二凸轮块轴向滑动连接的第一限位结构、套合在所述驱动筒上的弹性件，以及设置在所述弹性件一端的第二限位结构，所述弹性件的另一端抵持在第二凸轮块上；所述驱动轴通过旋转驱动筒带动所述第一凸轮块旋转，进而驱动所述第二凸轮块在所述弹性件的伸缩行程内沿轴向运动，用于产生冲击作用力。本发明能同时提供旋转和冲击两种作用力，对密封性要求较低，还可以与动力钻具配合使用。

Description

一种凸轮式轴向旋冲工具

技术领域

本发明涉及钻井工具领域，更具体地说，涉及一种同时提供旋转作用力和冲击作用力的凸轮式轴向旋冲工具。

背景技术

目前油田常采用的钻井工具大部分只能单一的提供扭矩旋转作用力，对于较硬的地层或研磨性地层使用这种钻具钻井时，常因缺少足够的作用力破坏地层，这样钻头很容易出现卡钻、磨损等现象，减少钻头使用寿命，无形中增加成本，且钻井速度较低，影响钻井效率。

国内外目前解决上述问题是研究一种在旋转作用力的基础上再增加冲击力的旋转冲击钻井工具，常用的分为两大类，一种是以高压液流如清水、泥浆等作为动力介质的冲击器称为液动冲击器，是一种将液体压力能转变为冲击能做功的装置；另一种以压缩空气为驱动介质的冲击器称为气动冲击器，有时也叫气动潜孔锤，是一种将气体压力能转变为冲击能做功的装置。这些设备虽然可以提高硬脆性、破碎性地层的钻井速度，减少钻头的磨损，但密封性要求极高，提高了制造成本。而且这些设备本身的结构决定了在钻井设备组合中不能加入动力钻具（涡轮或螺杆），气动冲击器和液动冲击器产生冲击作用的同时会附带有脉冲波动，这就不适合动力钻具与驱动轴和钻头的连接。

发明内容

本发明的目的在于提供一种靠机械作用同时提供旋转和冲击两种作用力的凸轮式轴向旋冲工具，不仅解决了只有旋转作用力的钻井工具效率低、成本高的问题，同时还由于本发明是靠机械作用提供作用力，对密封性要求较低，而且不会产生脉冲作用，这样可以与动力钻具联合使用，解决了液动和气动冲击器对密封性要求高以及不能与动力钻具结合使用的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种钻井设备用凸轮式轴向旋冲工具，包括旋转驱动部件和冲击部件，其中，所述旋转驱动部件包括驱动轴、旋转驱动筒和第一凸轮块，所述旋转驱动筒和第一凸轮块依次套设在所述驱动轴上并相互固接；所述冲击部件包括与所述第一凸轮块端面相匹配的第二凸轮块、与所述第二凸轮块轴向滑动连接的第一限位结构、套合在所述旋转驱动筒上的弹性件，所述冲击部件还包括设置在所述弹性件一端的第二限位结构，所述弹性件的另一端抵持在第二凸轮块上；所述驱动轴通过旋转驱动筒带动所述第一凸轮块旋转，进而驱动所述第二凸轮块在所述弹性件的伸缩行程内沿所述旋转驱动筒的轴向运动，用于产生冲击作用力。

在本发明的凸轮式轴向旋冲工具中，所述第二凸轮块远离所述第一凸轮块的一端开设有多个第一凹槽。

在本发明的凸轮式轴向旋冲工具中，所述第一限位结构包括外壳体和固定连接在所述外壳体上并与多个所述第一凹槽相对应的卡位件。

在本发明的凸轮式轴向旋冲工具中，所述弹性件为弹簧。

在本发明的凸轮式轴向旋冲工具中，所述第二限位结构包括中间镂空的环盖，所述环盖上开有与所述旋转驱动筒的一端相匹配的第二凹槽，所述环盖通过所述第二凹槽套合在所述旋转驱动筒的一端，所述弹性件抵持在所述环盖上。

在本发明的凸轮式轴向旋冲工具中，所述外壳体是由围在所述旋转驱动部件和冲击部件外侧的圆柱形筒以及和所述圆柱形筒一体成型的圆锥形筒构成，所述圆锥形筒最大内圆直径小于所述圆柱形筒的内圆直径，从而在所述圆锥形筒与所述圆柱形筒交接处使所述圆锥形筒相对于所述圆柱形筒内表面有凸出的端面，所述端面上垫有耐磨垫环；所述圆柱形筒内表面上固接有连接件，所述连接件与所述环盖之间垫有调节垫环。

在本发明的凸轮式轴向旋冲工具中，所述圆锥形筒设有外螺纹或内螺纹。

在本发明的凸轮式轴向旋冲工具中，所述第一凸轮块上间隔设有至少2个曲面曲率相同的弧形凹部，相邻的所述弧形凹部之间形成弧形凸部，所述第一凸轮块与所述第二凸轮块相接触的线型面保持径向水平接触。

在本发明的凸轮式轴向旋冲工具中，还包括平键，所述驱动轴外圆面上和旋转驱动筒内圆面上分别开有键槽，通过所述平键相连接。

在本发明的凸轮式轴向旋冲工具中，所述旋转驱动筒外圆面上设有凸起键，所述第一凸轮块的内圆面上开有与所述凸起键相匹配的键槽，使所述驱动筒与所述第一凸轮块相连接。

本发明结构设计简单合理，能同时提供旋转和冲击两种作用力，将冲击钻进的单次破碎岩石作用和旋转钻井的连续破碎岩石作用相结合，可以在很大程度上提高钻井机械钻速，减少钻头磨损；本发明是靠机械作用提供作用力，故对密封性要求较低，极大地降低制造成本，而且还可以与动力钻具配合使用，可实现钻井双重提速，降低钻井成本。

附图说明

图1为本发明凸轮式轴向旋冲工具的内部结构示意图；

图2为图1的A-A向剖视示意图；

图3为本发明凸轮式轴向旋冲工具的内部结构仰视示意图；

图4为图3的B-B向剖视示意图。

图5为本发明凸轮式轴向旋冲工具的外视结构示意图；

图6为图5的C-C向剖视示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的凸轮式轴向旋冲工具的结构原理和具体实现作进一步说明：

如图1～4所示，从图中可以从不同角度看到一种钻井设备用凸轮式轴向旋冲工具，该工具可以同时提供旋转作用力和冲击作用力，包括旋转驱动部件和冲击部件，其中，所述旋转驱动部件包括驱动轴1，旋转驱动筒2和第一凸轮块3，旋转驱动筒2和第一凸轮块3依次套设在驱动轴1上，驱动轴1外圆面上和旋转驱动筒2内圆面上分别开有键槽，通过平键16相连接，也可以是通过花键相连接。

旋转驱动筒2外圆面上设有凸起键17，凸起键17与旋转驱动筒2一体成型，第一凸轮块3的内圆面上开有与凸起键17相匹配的键槽，使旋转驱动筒2与第一凸轮块3相连接。如图3所示，这样随着驱动轴1旋转，通过平键16或花键带动旋转驱动筒2旋转，进而通过凸起键17带动第一凸轮块3旋转。

如图1所示，所述冲击部件包括与第一凸轮块3端面相匹配的第二凸轮块4，与第二凸轮块4轴向滑动连接的第一限位结构（图上未标示）、套合在旋转驱动筒2上的弹性件5，还包括设置在弹性件5一端的第二限位结构（图上未标示），弹性件5的另一端抵持在第二凸轮块4上。其中第一限位结构使第二凸轮块4不会随着第一凸轮块3的旋转而旋转，而是仅在弹性件5的伸缩行程内沿轴向运动；第二限位结构用于抵持弹性件5的一端；弹性件5优选为弹簧。

如图1所示，第一凸轮块3上间隔设有至少2个曲面曲率相同的弧形凹部，相邻的所述弧形凹部之间形成弧形凸部，第一凸轮块3与第二凸轮块4相匹配接触且接触线型面保持径向水平接触，则第二凸轮块4也有相对应的弧形凸部和弧形凹部，这样随着第一凸轮块3的旋转，第二凸轮块4并不旋转，而是沿着轴向方向运动去压缩弹性件5，当第一凸轮块3的凸部顶点与第二凸轮块4的凸部顶点相接触后，随着第一凸轮块3继续旋转时，第二凸轮块4就会被弹性件5瞬间弹出产生冲击力，如此循环则产生一定频率的冲击作用。

进一步地，如图1所示，第二凸轮块4远离第一凸轮块3的一端圆周向上开设有多个第一凹槽6，也可以是在第二凸轮块4上开设有多个间隔并列的第一腰孔，第一腰孔的长度方向与该凸轮式轴向旋冲工具的轴向方向相同。如图5所示，所述第一限位结构包括外壳体7，外壳体7与多个第一凹槽6或多个所述第一腰孔相对应的位置开有螺纹孔18；如图1所示，所述第一限位结构还包括固定连接在外壳体7上的卡位件8，优选为卡位螺钉，也可以是卡位螺栓，卡位件8可以卡入进第一凹槽6或所述第一腰孔内，这样第一凹槽6或所述第一腰孔就成为卡位件8的第一滑动轨道，使第二凸轮块4在弹性件5的伸缩行程内顺着第一滑动轨道仅沿轴向运动，不发生旋转。

第一限位结构还可以是多个卡位件8同径向间隔固定连接在第二凸轮块4上，在外壳体7上开有与卡位件8相对应的多个间隔并列第二腰孔，同样所述第二腰孔的长度方向与该凸轮式轴向旋冲工具的轴向方向相同，卡位件8可以卡入进所述第二腰孔内，这样所述第二腰孔就成为卡位件8的第二滑动轨道，使第二凸轮块4在弹性件5的伸缩行程内同样顺着第二滑动轨道仅沿轴向运动，不发生旋转。

进一步地，如图1和图2所示，所述第二限位结构包括中间镂空的圆环形环盖9，环盖9套装在驱动轴1外且同轴设置，环盖9上开有与旋转驱动筒2靠近弹性件5的一端相匹配的圆环形第二凹槽（图上未标示），环盖9通过所述第二凹槽套合在旋转驱动筒2的一端上，弹性件5抵持在环盖9上，

进一步地，如图6所示，外壳体7是由围在所述旋转驱动部件和冲击部件外侧的圆柱形筒12以及和所述圆柱形筒12一体成型的圆锥形筒13构成，圆锥形筒13最大内圆直径小于所述圆柱形筒12的内圆直径，从而在圆锥形筒13与圆柱形筒12交接处使圆锥形筒13相对于圆柱形筒12内表面有凸出的环形端面14，该端面14与第一凸轮块3和/或旋转驱动筒2之间垫有耐磨垫环15，并分别与所述耐磨垫环15的两侧端面相抵接；圆柱形筒12的内表面通过螺纹固接有连接件10，连接件10与环盖9之间垫有调节垫环11，并分别与所述调节垫环11的两侧端面相抵接，调节垫环11可以适当修改其厚度来调节弹性件5的预紧力；连接件10的内表面优选带倾斜度成内锥圆形且带有内螺纹，可以与动力钻具通过螺纹相连接，连接件10也可以设有与所连动力钻具相匹配的其它连接件，所述动力钻具包括涡轮、螺杆等。

进一步地，圆锥形筒13设有外螺纹或内螺纹，可以与PDC钻头、孕镶金刚石钻头或其它钻头通过螺纹连接。圆锥形筒还可以设有与所连钻头相匹配的其它连接件。

另外，外壳体7还可以增加设置一种控制装置，使得在施加钻压的状态下，旋转驱动部件工作，在钻头提离钻井状态时，旋转驱动部件不工作。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进或变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钻井设备用凸轮式轴向旋冲工具，其特征在于：包括旋转驱动部件和冲击部件，其中，

所述旋转驱动部件包括驱动轴（1）、旋转驱动筒（2）和第一凸轮块（3），所述旋转驱动筒（2）和所述第一凸轮块（3）依次套设在所述驱动轴（1）上并相互固接；

所述冲击部件包括与所述第一凸轮块（3）端面相匹配的第二凸轮块（4）、与所述第二凸轮块（4）轴向滑动连接的第一限位结构、套合在所述旋转驱动筒（2）上的弹性件（5），所述冲击部件还包括设置在所述弹性件（5）一端的第二限位结构，所述弹性件（5）的另一端抵持在所述第二凸轮块（4）上；

所述驱动轴（1）通过所述旋转驱动筒（2）带动所述第一凸轮块（3）旋转，进而驱动所述第二凸轮块（4）在所述弹性件（5）的伸缩行程内沿所述旋转驱动筒（2）的轴向运动，用于产生冲击作用力。

2.如权利要求1所述的凸轮式轴向旋冲工具，其特征在于：所述第二凸轮块（4）远离所述第一凸轮块（3）的一端开设有多个第一凹槽（6）。

3.如权利要求2所述的凸轮式轴向旋冲工具，其特征在于：所述第一限位结构包括外壳体（7）和固定连接在所述外壳体（7）上并与多个所述第一凹槽（6）相对应的卡位件（8）。

4.如权利要求1所述的凸轮式轴向旋冲工具，其特征在于：所述弹性件（5）为弹簧。

5.如权利要求1所述的凸轮式轴向旋冲工具，其特征在于：所述第二限位结构包括中间镂空的环盖（9），所述环盖（9）上开有与所述旋转驱动筒（2）的一端相匹配的第二凹槽，所述环盖（9）通过所述第二凹槽套合在所述旋转驱动筒（2）的一端，所述弹性件（5）抵持在所述环盖（9）上。

6.如权利要求5所述的凸轮式轴向旋冲工具，其特征在于：所述外壳体（7）是由围在所述旋转驱动部件和冲击部件外侧的圆柱形筒（12）以及和所述圆柱形筒（12）一体成型的圆锥形筒（13）构成，所述圆锥形筒（13）最大内圆直径小于所述圆柱形筒（12）的内圆直径，从而在所述圆锥形筒（13）与所述圆柱形筒（12）交接处使所述圆锥形筒（13）相对于所述圆柱形筒（12）内表面有凸出的端面（14），所述端面（14）上垫有耐磨垫环（15）；所述圆柱形筒（12）内表面上固接有连接件（10），所述连接件（10）与所述环盖（9）之间垫有调节垫环（11）。

7.如权利要求6所述的凸轮式轴向旋冲工具，其特征在于：所述圆锥形筒（13）设有外螺纹或内螺纹。

8.如权利要求1所述的凸轮式轴向旋冲工具，其特征在于：所述第一凸轮块（3）上间隔设有至少2个曲面曲率相同的弧形凹部，相邻的所述弧形凹部之间形成弧形凸部，所述第一凸轮块（3）与所述第二凸轮块（4）相接触的线型面保持径向水平接触。

9.如权利要求1所述的凸轮式轴向旋冲工具，其特征在于：所述凸轮式轴向旋冲工具还包括平键（16），所述驱动轴（1）外圆面上和旋转驱动筒（2）内圆面上分别开有键槽，通过所述平键（16）相连接。

10.如权利要求1所述的凸轮式轴向旋冲工具，其特征在于：所述旋转驱动筒（2）外圆面上设有凸起键（17），所述第一凸轮块（3）的内圆面上开有与所述凸起键（17）相匹配的键槽，使所述驱动筒（2）与所述第一凸轮块（3）相连接。

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