专利名称：一种长寿命高性能空气锤的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于石油天然气钻井中的长寿命高性能空气锤， 适合于由于密封失效、弹簧断裂、冲击或强振动引起连接件失效而造 成空气锤寿命短、机械效率不高的气体钻井工况。
背景技术：
气体钻井是以气体作为循环介质的钻井技术，自十九世纪中期首 次使用以来，现己被广泛应用于世界各地油气井(包括煤层气)的钻 探和开发上。空气锤钻进技术是气体钻井技术的一个分支，空气锤钻 井技术已被世界公认为是縮短钻井周期、降低钻井成本、解放油气层 的一种实用技术。目前应用于石油天然气钻探中的空气锤钻井工艺， 在现场使用中表现了很多优越性，如可以保护油气层、大幅度提高机 械钻速和治理井漏等等。即使这样，也暴露了许多技术问题，即目前 使用中的空气锤普遍寿命不长，机械效率不高，常发生失效事故。根 据现场资料研究发现，空气锤的使用寿命短、性能不稳定，具体表现 在密封件和弹簧件易失效、钻头掉落，钻齿脱落、工作一定时间后整 机性能下降快等几个方面，这严重抑制了空气锤钻井技术优势的发挥 及其推广应用。
发明内容
本发明的目的是为了防止或大幅减缓由于冲击、强振动、摩擦 引起气体钻井用空气锤密封件失效、连接件失效、内部部件摩擦损失 大，流体能量损耗多、整体寿命低且性能衰减严重等问题，为有效提 高空气锤使用寿命及增强其整体性能，特提出一种长寿命高性能空气 锤。
为了达到上述目的，本发明解决此问题所采用的技术方案是，一 种长寿命高性能空气锤，是由上接头、逆止阀、弹簧、碟簧组、配气 座、内缸、外壳、密封垫片、自补偿密封组件、减振垫片组、卡盘、 卡环、钻头组成，其特征是外壳上端用螺纹与上接头连接，外壳下 端用螺纹与下接头连接，下接头再与钻头花键连接，外壳内腔为阶梯
状；配气座中心孔安装有逆止阀、弹簧，逆止阀顶端设计成圆锥形， 上接头与配气座之间安装有碟簧组，碟簧组采用叠合式组合；内缸安 装在外壳内腔，上端定位于配气座的台阶，下端定位于外壳内腔的台 阶，内缸外表面对称分布有四道轴向平槽，槽内加工有径向的气体流 通孔，内缸内装活塞；钻头加工有环槽安装卡环，钻头外圆设置一圈 保径齿；内缸与配气座配合面安有密封垫片，密封垫片由聚四氟乙烯 橡胶圈制成。
在配气座上开有12个气体流通孔，配气座尾杆表面开有5 10道 环形槽。在外壳与下接头之间安装有上减振垫片；在下接头与钻头之 间安装有下减振垫片。在活塞中心孔尾部和钻头中心孔顶部安装有自 补偿密封组件，自补偿密封组件由橡胶套、弹簧和钢套组成；橡胶套 的受摩擦部分嵌入弹簧，下部未受摩擦部分直径大于上部受摩擦部分； 橡胶套的内圆面与钢套进行过盈配合，钢套上端突出台阶压在橡胶套 的上表面。橡胶套选用能耐高温、耐摩擦的材料，用聚酰亚胺PI或聚 醚醚酮PEEK。弹簧预先拉伸在橡胶套内，橡胶套外表面承受磨损，内 表面受钢套限制，工作过程中橡胶套被磨损，弹簧产生压縮回复力带 动橡胶套压縮，发生由内向外的形变，起到自补偿的作用。
长寿命由如下措施保证①壳体及轴件采用CAE软件进行强度校 核；②密封件采用自补偿密封组件，可以适应高温强摩擦环境；(D空 气锤与空气钻头连接部件可以阻止冲击能量(空气锤下行能量的上返 部分、不规则井底对钻头产生的向上冲击能量(该能量由钻压提供)) 沿轴向向上传递，使空气锤与钻头的连接螺纹(及下部钻具组合的连 接螺纹)不承受或承受很少的冲击，从而可延长空气锤及其它下部钻 具组合连接螺纹的使用寿命，防止钻头落井；④使用蝶簧代替普通弹 簧，适应小长径比工作空间、使用寿命更高。
高性能由如下措施保证①配气座结构开有12个通孔，流道更通 畅，配气效率高；②配气座顶部使用蝶簧组代替普通弹簧，减振性能 更平稳；③配气座尾部开有多个环槽，在保证密封的同时，减少摩擦 能量损耗；④活塞末端与钻头接触面积适中，减少因大接触面积带来 的接触能量损耗，提高能量传递效率；⑤逆止阀顶部形状具有很强的
导流作用，且密封性能更好。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果a)本发明具有寿
命长和性能高两大特征，能有效提高空气锤使用寿命及增强其整体性
能；(2)其配气效率高，密封效果好，摩擦损耗能量少，工作可靠性 高，输出性能稳定；(3)其结构简单，能提高空气锤的整体技术经济 效益，可用于石油天然气气体钻井中。
图1是本发明长寿命高性能空气锤的结构示意图。 图中l上接头，2逆止阀，3弹簧，4碟簧组，5密封垫片，6配 气座，7内缸，8外壳，9活塞，IO垫片，11自补偿密封组件，12上 减振垫片，13卡环，14下接头，15下减振垫片，16钻头，A下气室， B上气室。
图2是本发明空气锤中配气座6的剖面图。 图3是本发明空气锤中配气座6的俯视图。 图中6a,气体流通孔。
图4是本发明空气锤中自补偿密封组件11的结构示意图。 图中lla.橡胶套，llb.弹簧，llc.钢套。
具体实施例方式
按照图1所示，空气锤的工作原理是气体从上接头1中心孔进
入，分两路运行， 一路经逆止阀2的径向孔和轴向孔，配气座6、活塞
9、和钻头16的中心通孔至井底，冷却钻头和喷吹岩屑；另一路经过
配气座6的轴向孔和径向孔，进入外壳8和内缸7的环形间隙，经内 缸7下端的排气槽口至活塞9与外壳8之间的环空，进入空气锤下气 室A，此时下气室A进气，上气室B排气，处于下死点的活塞9在背压 及下气室A作用下上行，直到活塞9与配气座6相接触，此时下气室A 进气，上气室B封闭。背压及压气继续推动活塞向上运动，下气室A 进气，上气室B压縮，当活塞9下台阶与外壳8内腔壁接触时，下气 室A和上气室B都封闭。活塞9由于惯性及背压作用继续上行，下气 室A封闭，直到活塞9上端与内缸7的内腔壁脱离，压气经内缸7下 端的排气槽口进去内缸7与配气座6之间的上气室B，上气室B开始进气。活塞9继续上行，当活塞9与自补偿密封组件11分开时，下气室 A的压气经自补偿密封组件11中心孔，钻头16的气体通道(中心孔、 排气孔)排出。上气室B仍然进气，下气室A排气。当活塞9运动到 上死点时，回程终了。接着在上气室B压气和自重作用下，活塞9又 开始向下运动，转入冲击运动。上气室B处于进气状态，下气室A排 气。向下运动过程中，当活塞9下端面运动到接触自补偿密封组件11 时下气室A排气结束，活塞9下行，下气室A封闭，上气室B仍进气。 当活塞9上端面接触内缸7时，上气室B封闭，气体膨胀做功推动活 塞9下行，当活塞9的下台阶与外壳9内腔壁脱离时，下气室A开始 进气，活塞9继续下行，其上端面脱离配气座6时，上气室B排气， 此时下气室A继续进气，活塞9继续下行至下死点，撞击钻头16。冲 程结束，又转入下一个回程。空气锤如此循环往复回、冲程，冲击钻 头，实现破岩钻进。
按照图1所示，设计的逆止阀2顶端呈圆锥形，更利于气体通畅 流动，减轻了气体对逆止阀2顶端的冲蚀作用，流体能量损失更少， 逆止阀2的使用寿命更高。
按照图1所示，上接头1与配气座6之间的碟簧组4采用叠合式 组合，减震性能优于普通弹簧，可以有效缓解活塞9上行对配气座6 及上接头1的冲击。
按照图2所示，设计的配气座6有12个气体流通孔，流场通畅， 从而减少了流体能量在配气座上的损耗，开12个通孔后配气座6仍具 有足够的结构安全性，配气座6尾杆进行开槽设计，降低与活塞配合 时的摩擦力，也使密封效果更好。
按照图1和图4所示，开始工作时，橡胶套lla具有足够的强度， 橡胶套lla外表面承受均匀磨损；工作一定时间后，橡胶套lla外表 面磨损逐渐严重，橡胶套lla强度减弱，此时被预拉伸的弹簧lib产 生压缩回复力，带动橡胶套lla压縮，橡胶套lla内表面受到钢套llc 的径向限制，受压縮的橡胶套lla自内向外发生形变，从而起到自补 偿的作用。橡胶套lla磨损越严重，强度降低越低，补偿作用越大。
权利要求
1、一种长寿命高性能空气锤，是由上接头、逆止阀、弹簧、碟簧组、配气座、内缸、外壳、密封垫片、自补偿密封组件、减振垫片组、卡环、钻头组成。其特征是外壳(8)上端用螺纹与上接头(1)连接，外壳(8)下端用螺纹与下接头(14)连接，下接头(14)再与钻头(16)花键连接，外壳(8)内腔为阶梯状；配气座(6)中心孔安装有逆止阀(2)、弹簧(3)，逆止阀(2)顶端设计成圆锥形，上接头(1)与配气座(6)之间安装有碟簧组(4)，碟簧组(4)采用叠合式组合；内缸(7)安装在外壳(8)内腔，上端定位于配气座(6)的台阶，下端定位于外壳(8)内腔的台阶，内缸(7)外表面对称分布有四道轴向平槽，槽内加工有径向的气体流通孔(6a)，内缸(7)内装活塞(9)；钻头(16)加工有环槽安装卡环(13)；钻头(16)外圆设置一圈保径齿；在内缸(7)与配气座(6)配合面安有密封垫片(5)，密封垫片(5)由聚四氟乙烯橡胶圈制成。
2、 根据权利要求1所述的空气锤，其特征是在配气座(6)开 有12个气体流通孔(6a)，配气座(6)尾杆表面开有5~10道环形槽。
3、 根据权利要求1所述的空气锤，其特征是在外壳(8)与下 接头(14)之间安装有上减振垫片(12);在下接头(14)与钻头(16) 之间安装有下减振垫片(15)。
4、 根据权利要求1所述的空气缍，其特征是在活塞(9)中心 孔尾部和钻头(16)中心孔顶部安装有自补偿组合密封组件(11)，自 补偿组合密封组件(11)由橡胶套(lla)、弹簧(lib)和钢套(llc) 组成；橡胶套(lla)的受摩擦部分嵌入弹簧(llb)，下部未受摩擦部 分直径大于上部受摩擦部分；橡胶套(lla)的内圆面与钢套(llc)进 行过盈配合，钢套(lie)上端突出台阶压在橡胶套(lla)的上表面。
5、 根据权利要求4所述的橡胶套，其特征是橡胶套(lla)选 用能耐高温、耐摩擦的材料，用聚酰亚胺PI或聚醚醚酮PEEK。
全文摘要
本发明涉及一种用于石油天然气钻井中的长寿命高性能空气锤。它能有效提高空气锤使用寿命及增强其整体性能。其技术方案是外壳上端用螺纹与上接头连接，外壳下端用螺纹与下接头连接，下接头再与钻头花键连接，外壳内腔为阶梯状；配气座中心孔安有逆止阀、弹簧，上接头与配气座间安有碟簧组；内缸安装在外壳内腔，内缸外表面对称分布有四道轴向平槽，槽内加工有径向的气体流通孔，内缸内装活塞；钻头加工有环槽安装卡环，钻头外圆设置有一圈保径齿；在内缸与配气座配合面安有密封垫片。本发明具有寿命长和性能高两大特征，能有效提高空气锤使用寿命及增强其整体性能；其结构简单，可用于石油天然气气体钻井中。
文档编号E21B1/30GK101363305SQ20081004624
公开日2009年2月11日 申请日期2008年10月7日 优先权日2008年10月7日
发明者凌玉梅, 祝效华, 华 童, 原 高 申请人:西南石油大学