具有軸向沖擊功能的井下提速工具的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于石油鉆井作業中具有軸向沖擊功能的井下提速工具，以解決鉆井中硬巖破巖效率低的問題。其技術方案是：工具外部，上殼體、下殼體通過螺紋相連；多級渦輪定子和渦輪轉子通過平鍵裝配在渦輪軸上，多級渦輪上端通過螺母固定，下端與傳動軸通過螺紋相連；上流盤中心套入軸承后裝進傳動軸下部，外周通過傳動棒與上殼體螺紋連接；下流盤裝進傳動軸下部與上流盤貼合，其下端面上開有插槽；活塞錘裝在環腔殼里由環腔殼體上部嵌入下流盤插槽中；半分環卡在砧座凹槽中，八方套通過螺紋固定在下殼體上，并卡在下殼體與砧座之間。本發明能夠產生周期性的軸向力，對下部鉆具產生周期性的沖擊，提高了鉆頭破巖效率與機械鉆速，降低鉆井成本。
【專利說明】
具有軸向沖擊功能的井下提速工具
技術領域
[0001]本發明涉及一種用于石油天然氣鉆探工程、礦山開采、地質鉆探等領域中的具有軸向沖擊功能的井下提速工具。
【背景技術】
[0002]隨著賦存較好的淺層油氣資源日趨枯竭，鉆井工程逐漸向深井、超深井等環境條件嚴峻的領域發展。井深增加后，巖石破碎的難度會大大增加，導致鉆頭破巖效率不高，壽命大大降低，鉆井速度大幅下降。現有能產生軸向沖擊的液動沖擊器大都依靠換向閥實現，其容易因鉆井液的沖蝕導致開關閥件損壞從而造成整個沖擊器性能不穩定，壽命短。

【發明內容】

[0003]本發明的目的是:為了解決深井、超深井中鉆頭破巖效率和機械鉆速不高等問題，以及現有液動沖擊器易損壞的問題，特提供一種具有軸向沖擊功能的井下提速工具。
[0004]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
[0005]具有軸向沖擊功能的井下提速工具，由螺母(I)、上殼體(2)、渦輪軸(3)、平鍵(4)、渦輪定子(5)、渦輪轉子(6)、傳動棒(7)、密封圈(8)、傳動軸(9)、密封圈(10)、軸承(11)、流道A-1(12)、上流盤(13)、密封圈(14)、下流盤(15)、流道Β-Π (16)、環腔殼體(17)、環內腔
(18)、活塞錘(19)、下殼體(20)、環外腔(21)、砧座(22)、流道(23)、密封圈(24)、半分環
(25)、彈性體(26)、八方套(27)、流道A-Π (28)、流道Α-ΙΠ (29)、流道B-1 (30)、流道A-1V
(31)、流道Β-ΠΚ32)組成，其特征在于:工具外部，上殼體(2)與下殼體(20)通過螺紋相連；多級渦輪定子(5)和渦輪轉子(6)通過平鍵(4)裝配在渦輪軸(3)上，多級渦輪的上端通過螺母(I)固定，下端與傳動軸(9)通過螺紋相連;上流盤(13)中心套入軸承(11)后裝進傳動軸
(9)的下部，外周通過傳動棒(7)與上殼體(2)螺紋連接;下流盤(15)與傳動軸(9)下部通過花鍵配合相連，同時其上端面與上流盤(13)的下端面貼合，下流盤(15)的下端面上開有插槽；活塞錘(19)裝在環腔殼體(17)里形成環內腔(18)，由環腔殼體(17)上部嵌入下流盤
(15)下端面的插槽中；半分環(25)卡在砧座(22)的凹槽中，砧座(22)貼緊活塞錘(19)后與下殼體(20)的內壁形成環外腔(21);八方套(27)通過螺紋固定在下殼體(20)上，卡在下殼體(20)與砧座(22)之間，其上端與半分環(25)間裝有彈性體(26)。
[0006]所述的上流盤(13)在上端面以Rl為半徑開通孔，在下端面以R2為半徑開孔至上流盤(13)厚度的一半，Rl是R2的四分之三;在180°方向各開有一個呈扇形狀的通孔流道A-1
(12)，在垂直于兩個流道A-1(12)連線的180°方向上各開有一個呈扇形狀的流道Α-Π(28)和流道Α-ΙΠ (29)，其中流道A- Π (28)是從上流盤(13)的上端面開通孔，流道Α-ΙΠ (29)是從上流盤(13)的下端面開孔至上流盤(13)厚度的一半，流道Α-ΠΚ29)的開孔面積是流道Α-Π
(28)的開孔面積的兩倍;在上端面的流道A-1(12)與流道Α-Π (28)間開有接入傳動棒(7)的插口 ；在流道Α-ΙΠ (29)的軸向壁上開橢圓形通孔流道A-1V (31)，使流道Α-ΙΠ (29)與上流盤
(13)下端面的R2半徑孔通過流道A-1V(31)相貫通;下流盤(15)在上端面中心開有花鍵孔；在上端面180°方向各開有一個呈扇形狀、沉降高度為下流盤(15)厚度一半的流道B-m(32),在流道B-m (32)內各開有一組共三個通孔流道B-1 (30)；在下端面180°方向各開有一個呈扇形狀、沉降高度為下流盤(15)厚度四分之三的流道Β-Π (16)，其外周向與流道Β-ΙΠ
(32)的內周向重合，并在軸向方向上形成相通的缺口流道;在下端面垂直于兩個流道B-m
(32)連線的180°方向上各開有一個插槽;上流盤(13)與軸承(II)間裝有密封圈(10)，下流盤(15)與傳動軸(9)下部間裝有密封圈(14);傳動軸(9)下部加工成花鍵軸;砧座(22)周向開有四個通孔流道(23)，卡在其凹槽中的半分環(25)與下殼體(20)內壁間裝有密封圈(24)。
[0007]本發明的有益效果是:(I)該工具通過鉆井液過流通道的上下變化驅動活塞錘在環腔殼體內作上下周期性往復運動，從而對砧座形成往復沖擊，軸向周期沖擊力經砧座傳遞給鉆頭，使鉆頭受到周期性的軸向沖擊；(2)鉆頭在軸向沖擊的作用下，可以有效緩解卡鉆粘滑現象，使機械鉆速大大提尚，提尚鉆井效率；(3)核心部件為上流盤和下流盤，易于批量加工生產，使整體結構簡單，可用性強；(4)與其他工具配合使用，能夠有效控制和增加鉆頭的機械鉆速，延長鉆具的使用壽命，還可以增加分支井、水平井等結構井的井深，為深井油氣的勘探開發提供便利。
【附圖說明】
[0008]圖1為本發明具有軸向沖擊功能的井下提速工具的結構示意圖。
[0009]圖中:1.螺母，2.上殼體，3.渦輪軸，4.平鍵，5.渦輪定子，6.渦輪轉子，7.傳動棒，
8.密封圈，9.傳動軸，10.密封圈，11.軸承，12.流道A-1，13.上流盤，14.密封圈，15.下流盤，16.流道Β-Π，17.環腔殼體，18.環內腔，19.活塞錘，20.下殼體，21.環外腔，22.砧座，23.流道，24.密封圈，25.半分環，26.彈性體，27.八方套，28.流道A- Π ,29.流道Α-ΙΠ，30.流道B-1,31.流道 A-1V，32.流道 Β-ΙΠ。
[0010]圖2為本發明圖1的上流盤13和下流盤15在第一種流通方式時的剖面圖，其中Al對應上流盤13的A-A剖面圖，B1對應下流盤15的B-B剖面圖。
[0011]圖3為本發明圖1的上流盤13和下流盤15在第二種流通方式時的剖面圖，其中A2對應上流盤13的A-A剖面圖，B2對應下流盤15的B-B剖面圖。
[0012]圖4為本發明圖1的上流盤13和下流盤15在第三種流通方式時的剖面圖，其中A3-上對應上流盤13上半部分的A-A剖面圖，A3-下對應上流盤13下半部分的A-A剖面圖，B3對應下流盤15的B-B剖面圖。
[0013]圖5為本發明圖1的上流盤13的左視圖。
[0014]圖6為本發明圖1的上流盤13三維圖(上端面)。
[0015]圖7為本發明圖1的上流盤13三維圖(下端面)。
[0016]圖8為本發明圖1的下流盤15三維圖(上端面)。
[0017]圖9為本發明圖1的下流盤15三維圖(下端面)。
[0018]圖10為本發明圖1的上流盤13和下流盤15的裝配三維圖。
【具體實施方式】
[0019]根據附圖1所示，具有軸向沖擊功能的井下提速工具，由螺母(I)、上殼體(2)、渦輪軸(3)、平鍵(4)、渦輪定子(5)、渦輪轉子(6)、傳動棒(7)、密封圈(8)、傳動軸(9)、密封圈
(10)、軸承(11)、流道4-1(12)、上流盤(13)、密封圈(14)、下流盤(15)、流道8-11(16)、環腔殼體(17)、環內腔(18)、活塞錘(19)、下殼體(20)、環外腔(21)、砧座(22)、流道(23)、密封圈
(24),半分環(25),彈性體(26),八方套(27),流道A- Π (28)、流道Α-ΙΠ (29),流道B-1 (30),流道A-1V(31)、流道Β-ΠΚ32)組成，其特征在于:工具外部，上殼體(2)與下殼體(20)通過螺紋相連；多級渦輪定子(5)和渦輪轉子(6)通過平鍵(4)裝配在渦輪軸(3)上，多級渦輪的上端通過螺母(I)固定，下端與傳動軸(9)通過螺紋相連;上流盤(13)中心套入軸承(11)后裝進傳動軸(9)的下部，外周通過傳動棒(7)與上殼體(2)螺紋連接;下流盤(15)與傳動軸(9)下部通過花鍵配合相連，同時其上端面與上流盤(13)的下端面貼合，下流盤(15)的下端面上開有插槽;活塞錘(19)裝在環腔殼體(17)里形成環內腔(18)，由環腔殼體(17)上部嵌入下流盤(15)下端面的插槽中；半分環(25)卡在砧座(22)的凹槽中，砧座(22)貼緊活塞錘
[19]后與下殼體(20)的內壁形成環外腔(21);八方套(27)通過螺紋固定在下殼體(20)上，卡在下殼體(20)與砧座(22)之間，其上端與半分環(25)間裝有彈性體(26)。
[0020]工作時，鉆井液從上殼體(2)內進入多級渦輪，通過渦輪將鉆井液的壓力轉化為機械能帶動渦輪轉子(6)轉動，并通過平鍵(4)帶動渦輪軸(3)轉動，同時渦輪軸(3)通過傳動軸(9)將轉矩傳遞給下流盤(15)，環腔殼體(17)連同活塞錘(19)與下流盤(15)固連轉動;鉆井液經多級渦輪下端流出后進入上流盤(13)的流道A-1(12)中，隨后一部分鉆井液從所對應的下流盤(15)的流道B-1(30)流入環外腔(21)，再經流道(23)流出，另一部分鉆井液從所對應的下流盤(15)的流道Β-ΙΠ (32)經內周向軸向缺口流道流入流道B- Π (16)中，最后進入環內腔(18)，流入環內腔(18)內的鉆井液驅動活動的活塞錘(19)往下運動沖擊砧座(22)，這個過程為第一種流通方式；當流入環內腔(18)內的鉆井液充滿整個環內腔(18)時，活塞錘(19)往下運動到最低點，此后進入流道Β-ΙΠ(32)中的鉆井液只從流道B-1(30)流出進入環外腔(21)，這個過程為第二種流通方式;隨著第二種流通方式中進入環外腔(21)的鉆井液迅速增多，將產生較大的壓力驅使活塞錘(19)反向向上運動，這時環內腔(18)內的鉆井液將被擠出流道Β-ΙΠ (32)的缺口流道，這將產生一個與傳動軸(9)反向的力矩使得下流盤
(15)和上流盤(13)出現轉動速度差，當下流盤(15)的流道Β-ΙΠ (32)因轉速差對應到上流盤
(13)的流道Α-ΙΠ (29)時，環內腔(18)內的鉆井液從流道A-1V(31)流出進入環外腔(21)，連同由流道Α-Π (28)流入的多級渦輪下端出口的鉆井液一起再次增壓驅使活塞錘(19)反向向上運動，當活塞錘(19)上升到最高點時，封蓋住流道Β-ΙΠ(32)的缺口流道，環內腔(I8)內的鉆井液全部流出，此時由流道Α-Π (28)流入的多級渦輪下端出口的鉆井液迅速進入流道A-1V (31)形成大壓力使得上流盤(13)和下流盤(15)同速轉動，此時上流盤(I 3)的流道A-1
(12)重新對應下流盤(15)的流道Β-ΙΠ(32)，這個過程為第三種流通方式。
[0021]三種流通方式的循環進行將驅動活塞錘(19)在環腔殼體(17)內作上下周期性往復運動，從而對砧座(22)形成往復沖擊。
【主權項】
1.具有軸向沖擊功能的井下提速工具，由螺母(I)、上殼體(2)、渦輪軸(3)、平鍵(4)、渦輪定子(5)、渦輪轉子(6)、傳動棒(7)、密封圈(8)、傳動軸(9)、密封圈(10)、軸承(11)、流道A-1 (12)、上流盤(13)、密封圈(14)、下流盤(15)、流道B-Π (16)、環腔殼體(17)、環內腔(18)、活塞錘(19)、下殼體(20)、環外腔(21)、砧座(22)、流道(23)、密封圈(24)、半分環(25)、彈性體(26)、八方套(27)、流道A-Π (28)、流道Α-ΙΠ (29)、流道B-1 (30)、流道A-1V(31)、流道Β-ΠΚ32)組成，其特征在于:工具外部，上殼體(2)與下殼體(20)通過螺紋相連；多級渦輪定子(5)和渦輪轉子(6)通過平鍵(4)裝配在渦輪軸(3)上，多級渦輪的上端通過螺母(I)固定，下端與傳動軸(9)通過螺紋相連;上流盤(13)中心套入軸承(11)后裝進傳動軸(9)的下部，外周通過傳動棒(7)與上殼體(2)螺紋連接;下流盤(15)與傳動軸(9)下部通過花鍵配合相連，同時其上端面與上流盤(13)的下端面貼合，下流盤(15)的下端面上開有插槽；活塞錘(19)裝在環腔殼體(17)里形成環內腔(18)，由環腔殼體(17)上部嵌入下流盤(15)下端面的插槽中；半分環(25)卡在砧座(22)的凹槽中，砧座(22)貼緊活塞錘(19)后與下殼體(20)的內壁形成環外腔(21);八方套(27)通過螺紋固定在下殼體(20)上，卡在下殼體(20)與砧座(22)之間，其上端與半分環(25)間裝有彈性體(26)。2.根據權利要求1所述的具有軸向沖擊功能的井下提速工具，其特征在于:所述的上流盤(13)在上端面以Rl為半徑開通孔，在下端面以R2為半徑開孔至上流盤(13)厚度的一半，Rl是R2的四分之三;在180°方向各開有一個呈扇形狀的通孔流道A-1 (12)，在垂直于兩個流道A-1(12)連線的180°方向上各開有一個呈扇形狀的流道Α-Π(28)和流道Α-ΙΠ(29)，其中流道Α-Π (28)是從上流盤(13)的上端面開通孔，流道Α-ΠΚ29)是從上流盤(13)的下端面開孔至上流盤(13)厚度的一半，流道Α-ΙΠ(29)的開孔面積是流道Α-Π (28)的開孔面積的兩倍;在上端面的流道A-1(12)與流道Α-Π (28)間開有接入傳動棒(7)的插口 ；在流道Α-ΙΠ(29)的軸向壁上開橢圓形通孔流道A-1V(31)，使流道Α-ΙΠ (29)與上流盤(13)下端面的R2半徑孔通過流道A-1V (31)相貫通。3.根據權利要求1所述的具有軸向沖擊功能的井下提速工具，其特征在于:所述的下流盤(15)在上端面中心開有花鍵孔;在上端面180°方向各開有一個呈扇形狀、沉降高度為下流盤(15)厚度一半的流道Β-ΙΠ(32)，在流道Β-ΙΠ(32)內各開有一組共三個通孔流道B-1(30);在下端面180°方向各開有一個呈扇形狀、沉降高度為下流盤(15)厚度四分之三的流道Β-Π (16)，其外周向與流道Β-ΠΚ32)的內周向重合，并在軸向方向上形成相通的缺口流道;在下端面垂直于兩個流道Β-ΙΠ(32)連線的180°方向上各開有一個插槽。4.根據權利要求1所述的具有軸向沖擊功能的井下提速工具，其特征在于:所述的上流盤(13)與軸承(11)間裝有密封圈(10)，下流盤(15)與傳動軸(9)下部間裝有密封圈(14);傳動軸(9)下部加工成花鍵軸。5.根據權利要求1所述的具有軸向沖擊功能的井下提速工具，其特征在于:所述的砧座(22)周向開有四個通孔流道(23)，卡在其凹槽中的半分環(25)與下殼體(20)內壁間裝有密封圈(24)。
【文檔編號】E21B4/02GK105927144SQ201610250094
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月21日
【發明人】田家林, 周韜, 楊琳, 楊應林, 杜凡, 蔡旭東, 胡書輝
【申請人】西南石油大學