磁力蓄能式旋转钻井冲击器的制作方法

本发明属于油气钻井井下工具领域，尤其涉及适用于深井和超深井硬质地层的油气钻井提速的磁力蓄能式旋转钻井冲击器。

背景技术：

旋转冲击钻井技术是在现有钻井工艺条件下实现深井和超深井硬质地层快速钻井的有效技术之一。而实现旋转冲击钻井技术的关键工具就是井下冲击器。目前，油气钻井中常使用的冲击器是液动冲击器，它的使用可大幅提高硬岩钻进速度、防止井斜、延长钻头寿命等。

液动冲击器在使用过程中出现不少问题，它的关键部件有弹簧、密封件、阀或射流元件等。其中，弹簧在高频、大功率输出条件使用寿命短；密封件耐温、抗磨损能力有限，在深井含固相流体中易失效；阀或射流元件在高排量、高黏度、含固相钻井液的冲刷下易于磨损，使用寿命较短。

井下压力系统复杂，钻井液密度和黏度变化较大，从而液动冲击器的冲击频率和冲击功很难精确控制。同时，液动冲击器对钻井液的压耗损失大。

以上这些不足严重制约液动冲击器在油气钻井中的应用。

技术实现要素：

鉴于现有技术的以上问题，本发明的目的是提供一种适用于深井和超深井硬质地层的油气钻井提速的磁力蓄能式旋转钻井冲击器，以能够至少解决以上问题之一。

本发明采用的方案如下：

一种磁力蓄能式旋转钻井冲击器，包括：壳体，位于所述壳体内的动力模块、传动模块、以及冲击模块；所述传动模块用于将所述动力模块的动力传递至所述冲击模块，以使所述冲击模块形成往复冲击运动；

所述壳体内还设有沿所述冲击方向排布的第一磁铁、第二磁铁；所述第一磁铁和所述第二磁铁的同性磁极沿所述冲击方向相面对设置，并且所述第一磁铁和所述第二磁铁之间通过间隙间隔；

所述冲击模块向上运动时压缩所述第一磁铁和所述第二磁铁之间的间隔距离；所述冲击模块向下运动时所述第一磁铁和所述第二磁铁之间的排斥力对所述冲击模块做功。

作为一种优选的实施方式，所述第一磁铁位于所述第二磁铁的上方且位置固定，所述第二磁铁能随所述冲击模块往复运动。

作为一种优选的实施方式，所述冲击模块包括位于所述壳体内的圆柱凸轮、凸轮传动推杆以及冲锤；所述圆柱凸轮套设于所述凸轮传动推杆外且位置固定；所述冲锤位于所述圆柱凸轮的下方且连接所述凸轮传动推杆的下端；所述第二磁铁固定套设于所述凸轮传动推杆外；所述圆柱凸轮上设有轨迹结构；所述凸轮传动推杆能沿所述轨迹结构带动所述冲锤往复运动。

作为一种优选的实施方式，所述轨迹结构包括设置于所述圆柱凸轮上端面的曲面轮廓轨迹；所述曲面轮廓轨迹包括多个串联形成一圆环的轨迹单元；每个轨迹单元沿周向均具有升程段和回程段，每相邻两个升程段之间具有一回程段；所述回程段为一与所述冲击方向平行的断面。

作为一种优选的实施方式，所述升程段的轮廓线为正弦曲线。

作为一种优选的实施方式，所述凸轮传动推杆外位于所述圆柱凸轮的上方固定套设有凸轮滚子座；所述凸轮滚子座的下端设有凸轮滚子；所述凸轮滚子座通过所述凸轮滚子能沿所述曲面轮廓轨迹运动。

作为一种优选的实施方式，所述壳体内还设有套设于所述凸轮传动推杆外的磁铁定位环；所述磁铁定位环固定于所述壳体内壁且位于所述第一磁铁的上方；所述凸轮传动推杆的外壁位于所述第二磁铁的下方设有限位台阶；所述第一磁铁与所述第二磁铁均套设于所述凸轮传动推杆外并且位于所述磁铁定位环与所述限位台阶之间。

作为一种优选的实施方式，所述壳体内壁上设有螺纹段；所述磁铁定位环通过螺纹连接于所述螺纹段上；所述磁铁定位环通过转动可调整所述第一磁铁与所述第二磁铁之间的初始间隙距离。

作为一种优选的实施方式，所述凸轮滚子座的下端设有梯形凸起结构；所述梯形凸起结构的端部安装有滚子；所述梯形凸起结构的数量与所述轨迹单元的数量相等且一一对应。

作为一种优选的实施方式，所述传动模块包括位置固定的传动轴；所述传动轴的上端连接所述动力模块，所述传动轴的下端通过平键连接所述凸轮传动推杆的上端，以带动所述凸轮传动推杆转动；所述凸轮传动推杆能相对于所述传动轴上下往复运动。

作为一种优选的实施方式，所述凸轮传动推杆的上端设有容置所述平键的键槽；所述凸轮传动推杆的上端伸入所述凸轮传动推杆的下端；所述平键通过螺钉固定于所述键槽内。

作为一种优选的实施方式，所述传动轴外套设有轴承；所述轴承的外圈固定于所述壳体的内壁上，所述轴承的内圈固定于所述传动轴外。

作为一种优选的实施方式，所述轴承为角接触球；所述轴承的下方设有轴承压紧盖。

作为一种优选的实施方式，所述动力模块包括固定于所述壳体内壁的井下电机；所述井下电机通过定位螺钉固定于所述壳体上；所述井下电机的输出轴连接所述传动轴的上端。

作为一种优选的实施方式，所述壳体在所述冲锤的下方设有铁砧体；所述铁砧体用于所述冲锤冲击；所述铁砧体的下端伸出所述壳体并通过锥形螺纹连接下接口管。

作为一种优选的实施方式，所述壳体包括上壳体、中壳体、以及下壳体；所述上壳体的下端通过锥形螺纹连接所述中壳体的上端；所述中壳体的下端通过锥形螺纹连接所述下壳体的上端；所述动力模块以及所述传动模块固定于所述上壳体；所述第一磁铁、第二磁铁以及所述冲击模块位于所述中壳体、下壳体内。

作为一种优选的实施方式，所述井下电机为可调频率电机。

作为一种优选的实施方式，所述凸轮传动推杆位于升程段的最高位置时第二磁铁和第一磁铁不接触。

与现有技术相比,本发明所提供的磁力蓄能式旋转钻井冲击器具有以下优点：

1、本发明的传动和冲击过程全部为纯机械机构实现，避免使用阀和射流元件等易损耗部件，冲击器的寿命长、可靠性高；同时，纯机械传动和冲击不受钻井液体系的影响，冲击器的工作的条件限制少，使用范围广，可适应高温高压的井下环境。

2、该冲击器的冲击功是由一对永磁铁利用磁铁同极相斥(同性排斥)的特性，压缩两极之间的间隙距离，排斥力迅速增加，冲锤在排斥力的作用下获得冲击功，蓄能和释能的过程两磁铁没有直接的机械接触，避免了使用弹簧蓄能过程中弹簧循环压缩造成的机械疲劳损坏，从而有效改善整个冲击器的寿命和可靠性。

3、井下电机为整个冲击器提供动力，通过调节井下电机的转速来调节冲击器的冲击频率，冲击频率稳定，不受钻井液体系变化的影响。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种实施方式所提供的磁力蓄能式旋转钻井冲击器结构示意图；

图2是图1的圆柱凸轮示意图；

图3是图2的立体图；

图4是图2的曲面轮廓轨迹展开图；

图5是图1中下壳体与铁砧体的截面图。

其中：1—上壳体，2—井下电机，3—o型密封圈，4—传动轴，5—角接触球轴承，6—轴承压紧盖，7—磁铁定位环，8—第一磁铁，9—第二磁铁，10—凸轮传动推杆，11—凸轮滚子座，12—圆柱凸轮，13—油封，14—中壳体，15—冲锤，16—铁砧体，17—下壳体，18—下接口，19—o型密封圈，20—内六角螺钉，21—凸轮滚子，22—滑动平键，120—曲面轮廓轨迹，121—升程段，122—回程段。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1至图5，为本发明一种实施方式提供的一种磁力蓄能式旋转钻井冲击器示意图。其中，该磁力蓄能式旋转钻井冲击器包括：壳体，位于所述壳体内的动力模块、传动模块、以及冲击模块；所述传动模块用于将所述动力模块的动力传递至所述冲击模块，以使所述冲击模块形成往复冲击运动。

在本实施方式中，所述壳体内还设有沿所述冲击方向排布的第一磁铁8、第二磁铁9；所述第一磁铁8和所述第二磁铁9的同性磁极沿所述冲击方向相面对设置，并且所述第一磁铁8和所述第二磁铁9之间通过间隙间隔。所述冲击模块向上运动时压缩所述第一磁铁8和所述第二磁铁9之间的间隔距离；所述冲击模块向下运动时所述第一磁铁8和所述第二磁铁9之间的排斥力对所述冲击模块做功。

在本实施方式中，壳体的长度方向与冲击模块的冲击方向(运动方向)相同。该壳体可以为圆管形结构。为便于各个组件的安装，所述壳体可以包括上壳体1、中壳体14、以及下壳体17。具体的，所述上壳体1的下端通过锥形螺纹连接所述中壳体14的上端；所述中壳体14的下端通过锥形螺纹连接所述下壳体17的上端；所述动力模块以及所述传动模块固定于所述上壳体1；所述第一磁铁8、第二磁铁9以及所述冲击模块位于所述中壳体14、下壳体17内。

在使用该磁力蓄能式旋转钻井冲击器时，通过动力模块经传动模块向冲击模块施加动力，冲击模块进行上下往复冲击运动。冲击模块在上冲程时，将第一磁铁8和第二磁铁9之间的间隔距离压缩，使得第一磁铁8和第二磁铁9之间的排斥力迅速增加，然后冲击模块在下冲程(向下运动)时，冲击模块在排斥力的作用下获得非常大的冲击力，从而获得较佳的冲击效果，大幅提高硬质岩层的钻井速度。

在本实施方式中，该磁力蓄能式旋转钻井冲击器采用第一磁铁8和第二磁铁9配合的形式为冲击器提供冲击力，避免使用阀和射流元件等易损耗部件，且第一磁铁8和第二磁铁9均为永磁铁，可长期保持磁性(理论状态下为永久保持磁性)，从而具有较佳的使用寿命以及可靠性。

所述冲击模块包括位于所述壳体内的圆柱凸轮12、凸轮传动推杆10以及冲锤15；所述圆柱凸轮12套设于所述凸轮传动推杆10外且位置固定。其中，圆柱凸轮12的下方还可以设置有油封，以保证密封性。所述冲锤15位于所述圆柱凸轮12的下方且连接所述凸轮传动推杆10的下端；所述第二磁铁9固定套设于所述凸轮传动推杆10外。所述圆柱凸轮12上设有轨迹结构。所述凸轮传动推杆10能沿所述轨迹结构带动所述冲锤15往复运动。

所述轨迹结构包括设置于所述圆柱凸轮12上端面的曲面轮廓轨迹120；所述曲面轮廓轨迹120包括多个串联形成一圆环的轨迹单元；每个轨迹单元沿周向均具有升程段121和回程段122，每相邻两个升程段121之间具有一回程段122；所述回程段122为一与所述冲击方向平行的断面。具体的，所述升程段121的轮廓线为正弦曲线。升程段121的终点位置(同样为回程段122的顶点位置)最高，回程段122的竖直断面可以利于冲锤15的迅速回落。

在本实施方式中，凸轮传动推杆10位于升程段121的最高位置时第二磁铁9和第一磁铁8不接触，二者之间依然存在间隙，如此第一磁铁8和第二磁铁9在蓄能和释能的过程中没有直接的机械接触，避免了因接触而产生的疲劳损坏及撞击，提升整个冲击器的寿命和可靠性。

所述凸轮传动推杆10外位于所述圆柱凸轮12的上方固定套设有凸轮滚子座11；所述凸轮滚子座11的下端设有凸轮滚子21；所述凸轮滚子座11通过所述凸轮滚子21能沿所述曲面轮廓轨迹120运动。其中，所述凸轮滚子座11的下端设有梯形凸起结构；所述梯形凸起结构的端部安装有凸轮滚子21；所述梯形凸起结构的数量与所述轨迹单元的数量相等且一一对应。

具体的，圆柱凸轮12装配在中壳体14的内壁上，并通过螺钉周向固定。圆柱凸轮12下端与中壳体14内壁台阶接触，借此实现圆柱凸轮12轴向定位。凸轮滚子21安装在凸轮滚子座11上，凸轮滚子21与圆柱凸轮12的曲面轮廓轨迹120接触，所述凸轮传动推杆10旋转带动凸轮滚子21沿着圆柱凸轮12的曲面轮廓轨迹120运动。

在本实施方式中，第一磁铁8和第二磁铁9均为环形永磁铁。第二磁铁9和第一磁铁8装配在凸轮传动推杆10上，两永磁铁(第一磁铁8和第二磁铁9)设置为同极(同性磁极)相对，磁铁同极相斥，两永磁铁(第一磁铁8和第二磁铁9)之间的排斥力即为整个冲击器提供冲击力。

在本实施方式中，第一磁铁8和第二磁铁9均为永磁铁，第一磁铁8和第二磁铁9通过不接触即可实现冲击力的生成及传递。第一磁铁8和第二磁铁9之一可以随冲击模块上下往复运动，另一固定位置，从而在冲击模块运动时将第一磁铁8和第二磁铁9之间的间隙距离改变。具体的，所述第一磁铁8可以位于所述第二磁铁9的上方且位置固定，所述第二磁铁9能随所述冲击模块往复运动。

为便于第一磁铁8和第二磁铁9的安装，所述壳体内还设有套设于所述凸轮传动推杆10外的磁铁定位环7。所述磁铁定位环7固定于所述壳体内壁且位于所述第一磁铁8的上方；所述凸轮传动推杆10的外壁位于所述第二磁铁9的下方设有限位台阶(未标示)；所述第一磁铁8与所述第二磁铁9均套设于所述凸轮传动推杆10外并且位于所述磁铁定位环7与所述限位台阶之间。

通过如此设置，无需在第一磁铁8和第二磁铁9上开设安装结构，第一磁铁8和第二磁铁9通过排斥力的作用固定于限位台阶和磁铁定位环7之间，同时，第一磁铁8由于上方的磁铁定位环7(固定于壳体上)的作用无法上行而被限位在所处位置。相似的，第二磁铁9被限位台阶限位并在排斥力的作用下固定于凸轮传动推杆10上，随凸轮传动推杆10一同运动。

为方便调整第一磁铁8和第二磁铁9之间的初始间隙距离，以便适应不同的井下情况以及冲击需求，所述壳体内壁上设有螺纹段；所述磁铁定位环7通过螺纹连接于所述螺纹段上；所述磁铁定位环7通过转动可调整其自身的旋入距离，从而调整所述第一磁铁8与所述第二磁铁9之间的初始间隙距离。具体的，该磁铁定位环7通过转动可沿冲击方向(或排斥力方向)移动，当获取第一磁铁8和第二磁铁9之间的期望间隙距离时停止转动该磁铁定位环7。

所述传动模块包括位置固定的传动轴4。该传动轴4优选为空心传动轴4。所述传动轴4的上端连接所述动力模块，所述传动轴4的下端通过平键22连接所述凸轮传动推杆10的上端，以带动所述凸轮传动推杆10转动。所述凸轮传动推杆10能相对于所述传动轴4上下往复运动。

具体的，该平键22优选为普通平键。所述凸轮传动推杆10的上端设有容置所述平键22的键槽；所述凸轮传动推杆10的上端伸入所述凸轮传动推杆10的下端；所述平键22通过螺钉固定于所述键槽内。其中，传动轴4为阶梯轴，内孔为钻井液通道，并且内孔为阶梯孔。传动轴4的内孔两端的第一阶梯分别布置有普通平键键槽，第二阶梯孔为o型密封圈密封段，以放置o型密封圈将传动轴4与动力输出轴、凸轮传动推杆10的连接处密封。

所述传动轴4外套设有轴承5；所述轴承5的外圈固定于所述壳体的内壁上，所述轴承5的内圈固定于所述传动轴4外。具体的，所述轴承5为角接触球；所述轴承5的下方设有轴承压紧盖6。其中，该角接触球轴承5装配在上壳体1的内壁，从而支撑和固定传动轴4。角接触球轴承5的外圈与上壳体1内壁的台阶相配合，角接触球轴承5的内圈与传动轴4的轴肩配合，轴承压紧盖6与上外壳体通过螺纹连接，以压紧角接触球轴承5，实现传动轴4的轴向定位和固定。

所述动力模块包括固定于所述壳体内壁的井下电机2；所述井下电机2通过定位螺钉固定于所述壳体上；所述井下电机2的输出轴连接所述传动轴4的上端。具体的，该井下电机2优选为可调频率电机。井下电机2通过内六角螺钉20(定位螺钉)固定在上壳体1，其中，上壳体1外壁均布六个定位螺钉20将井下电机2固定在上壳体1内壁上。井下电机2输出轴端的o型密封圈3实现传动轴4和井下电机2输出轴之间的密封，从而防止钻井液渗漏。

所述壳体在所述冲锤15的下方设有铁砧体16；所述铁砧体16用于所述冲锤15冲击；所述铁砧体16的下端伸出所述壳体并通过锥形螺纹连接下接口管18。具体的，冲锤15与凸轮传动推杆10下端通过细牙螺纹连接成一体。冲锤15的下端与铁砧体16间隙配合，从而保证冲锤15周向旋转和轴向往复运动，并且，通过o型密封圈19密封冲锤15的下端与铁砧体16的连接处。铁砧体16通过六方结构与下壳体17配合连接，以实现将上部钻杆的扭矩传递到钻头。铁砧体16与下接口管18通过锥形螺纹连接。

本实施方式提供的磁力蓄能式旋转钻井冲击器工作过程如下：井下电机2通过传动轴4将扭矩传递到凸轮传动推杆10，并带动凸轮传动推杆10旋转。凸轮传动推杆10旋转带动凸轮滚子21沿着圆柱凸轮12的曲面轮廓轨迹120上运动。凸轮滚子21沿着圆柱凸轮12的曲面轮廓轨迹120的升程段121上升，整个凸轮传动推杆10同与之装配的第二磁铁9同时抬升，继而第二磁铁9和第一磁铁8之间的间隙距离减小，两永磁铁间的排斥力迅速增大，磁势能增加，同时，冲锤15轴向升高，与铁砧体16之间产生轴向距离。当凸轮滚子21旋转运动到圆柱凸轮12的回程段122，回程段122为竖直断面(轮廓线近似直线)，凸轮滚子21和凸轮传动推杆10在两永磁铁的排斥力作用下瞬时回落，磁势能迅速释放，冲锤15同步迅速回落，在排斥力和重力的作用下短时间内对铁砧体16进行轴向冲击，轴向冲击振动通过下接口管18传递到与之相连接的钻头，以上轴向冲击过程循环往复，冲锤15以一定的频率不断冲击铁砧体16，冲击振动传递到钻头，从而完成磁力蓄能式磁力蓄能式旋转钻井冲击器在井下钻井的冲击振动效能。

与现有技术相比,本实施方式所提供的磁力蓄能式旋转钻井冲击器具有以下优点：

1、本实施方式的传动和冲击过程全部为纯机械机构实现，避免使用阀和射流元件等易损耗部件，冲击器的寿命长、可靠性高；同时，纯机械传动和冲击不受钻井液体系的影响，冲击器的工作的条件限制少，使用范围广，可适应高温高压的井下环境。

2、该冲击器的冲击功是由一对永磁铁利用磁铁同极相斥(同性排斥)的特性，压缩两极之间的间隙距离，排斥力迅速增加，冲锤15在排斥力的作用下获得冲击功，蓄能和释能的过程两磁铁没有直接的机械接触，避免了使用弹簧蓄能过程中弹簧循环压缩造成的机械疲劳损坏，从而有效改善整个冲击器的寿命和可靠性。

3、井下电机2为整个冲击器提供动力，通过调节井下电机2的转速来调节冲击器的冲击频率，冲击频率稳定，不受钻井液体系变化的影响。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。