专利名称:石油钻井双作用液力冲击器的制作方法
本发明是一种石油钻井井下工具。
冲击回转技术已在地质岩心钻探中广泛应用并取得很高的经济效益(参见附件11981年10月中国地质学会探矿工程委员会《冲击回转钻井技术专题报告讨论会集锦》)冲击器在石油钻井中应用的研究工作国外已经取得了许多进展。目前国外的石油钻井冲击器《钻井震击器》所述的(1984年第五期《油气田开发工程译丛》，译自《ЬУРЕНИЕ》1983.№.2)一般有一带活塞的空心冲锤，其上部有一轴向滑阀或端面活阀，泥浆通过冲锤和冲锤下部接头的砧子中心流至钻头。冲锤上的弹簧迫使锤接触阀，关闭冲锤中心流道，在上部泥浆压力作用下冲锤连同阀高速下行，冲击砧子及钻头，这阀由于行程限位机构先打开并在弹簧作用下上行回复原位，继而冲锤在砧子反弹和弹簧力作用下上行至阀处，开始上下往复运动，产生了钻头的高频冲击。这些冲击器的不足之处是由于单作用需使用弹簧，液能转换效率低，弹簧在化学成分复杂的泥浆中高频振动易氢脆、断裂。活塞一般采用常规密封件，在高速运动条件下，强度低、寿命短，冲孔时需减小排量，否则会产生不必要的冲击。本发明的目的是提高冲击器液能转换效率，取消弹簧，改善钻头喷嘴流束状况。
本发明的活阀(3)为双作用式，其上方的低压腔(15)与井壁环形空间连通，活阀(3)把内腔和低压腔隔开。位于活阀(3)下方的冲锤(12)上部背向装着两个上小下大的活塞(7)、(11)两活塞(7)、(11)间的低压腔(17)与井壁环形空间相通。冲锤(12)下面的砧子(14)与外筒(1)以花键联接，转盘扭矩及冲锤(12)冲击力均由砧子(14)传给钻头。
本工具是在泥浆条件下工作的。在一定排量下，通过钻头喷嘴的泥浆在高压腔(16)与外形环形空间之间造成一定压力差。由于上、下活塞(7)(11)面积上小下大，该压差在上、下活塞(7)、(11)上造成的推力也是上小下大，两力之合力方向向上，迫使冲锤(12)上行(上返行程S返)，直至冲锤(12)上端面与活阀(3)下端面闭合。这时泥浆流被阻断，钻头喷嘴压降骤然下降。而上活塞(7)上部空腔的压力由于水击作用猛然上升，巨大的推力使活阀(3)及冲锤(12)疾速下行(快速行程S快)。当活阀(3)下行一段距离受到活阀限位套(6)阻止时，两闭合面打开泥浆流道畅道，快速行程结束，活阀(3)在高压腔(16)与井壁环空压差的作用下迅速上返至上死点，冲锤(12)由于惯性作用下继续下行数毫米(自由行程S自，与快速行程S快合为工作行程SI)，以较大的动能冲击砧子(14)，砧子(14)把冲击力传给钻头，完成了一次冲击动作。砧子(14)的反弹和泥浆压差作用使冲锤(12)又一次上行，不停地往复运动，使钻头产生高频冲击。
与国外现有的石油钻井液力冲击器的不同点是本工具的活阀和冲锤均采用双作用形式，其它特点如下上、下活塞(7)、(11)采用类似于活塞式钻井泥浆泵上普遍采用的带有护环(8)、(10)的大皮碗组合式活塞，耐高温、耐磨、寿命长、工作可靠。上活塞(7)直径90～120mm，下活塞直径110～114mm，上、下面积比取0.5～0.65。活塞皮碗材料可采用耐油、耐高温的中高硬丁晴橡胶，活塞(7)、(11)用压板、卡簧或螺帽或其它方式固定。上活塞皮碗内孔取φ70mm左右，下活塞皮碗取φ90mm左右。为了便于安装下活塞，可将冲锤分为两体，上一部分安装上、下活塞，与冲锤(12)主体通过锥面或螺纹联接。
活阀(3)和活阀配合之表面应进行硬化处理，其上密封圈采用Y型或V型。活阀杆直径应在φ20～φ40之间。为了减轻质量活阀(3)可做成空心的。必要时也可加入弹簧将阀做成单作用式，可省去密封。活阀(3)下端面有效直径应大于φ30，以便与冲锤上端面较好地接触闭合。
冲锤限位套(13)与砧子(14)用螺纹连接，并套装在冲锤上，套的上部有一向内凸起的台阶，其直径小于冲锤(12)下部凸台外接圆直径。当砧子(14)相对外筒下行超过约10mm时限位套凸台接触冲锤上的凸台，将冲锤拉下。冲锤限位套(13)的作用是在冲孔钻头离井底时，泥浆压力将砧子(14)压下，冲锤限位套(13)拉住冲锤(12)使其上端面无法和活阀(3)下端面接触，从而不产生冲击，避免了不必要的能量损失和零件磨损。
活阀(3)下端面至钻头之间无任何节流或换向装置，其间任何截面的过水断面直径应大于5cm2，工作时，直接借用钻头喷嘴压降作为工作背压，同时使喷流束变为压力波动很大的脉动流，增加了清岩和喷射钻井效果。
套在活阀上的碟形弹簧(5)可缓冲冲锤上行的冲击，储存能量，并使活阀和冲锤能更好地接触闭合。碟形弹簧(5)内径应在活阀(3)杆直径和活阀下端面直径之间选取，一般仅大于前者1～3mm，数量在2个左右。
外筒(1)上和上、下活塞(7)(11)配合处最易磨损，应进行表面强化处理，如渗碳或多元共渗，然后淬火，如有条件可进一步镀一层0.02～0.07mm的硬铬。
活阀(3)上部低压腔(15)和两活塞间低压腔(17)通过带有滤网的空心的滤塞(9)与井壁环空相通，滤塞(9)装在外筒上，用螺纹或卡簧固定。两个腔各塞滤塞3～4个，滤塞(9)孔径应大于φ10。
冲锤(12)的重量及行程分别可根据不同冲击功和频率要求分为数级(范围见本说明书主要性能参数范围)。冲锤行程的调整是通过调整套(4)实现的。
为了便于加工、调整、拆装和维护，外筒(1)上部(活阀(3)上方)，开口朝上，与外筒间应留有足够的泥浆流道，最小过水断面应大于10cm2。蓄能器(2)的作用是吸收活阀(3)突然关闭时剧烈的压力波动，保护冲击器及上部钻具。并在冲锤(12)下行末时补充部分不足的液量，提高冲击效率，同时防止气蚀。
主要性能参数范围钻头直径 (吋) 6～12 1/4冲锤重量 (kg) 20～100工作行程 (mm) 10～50自由行程 (mm) ≥4～7冲击频率 (次／分) 100～500冲击功 (kg～m) 30～150上活塞直径(mm) 50～140下活塞直径(mm) 80～160上下活塞面积比 0.5～0.65工作压力 (kg／cm2) 10～60平均排量下钻头背压 (kg／cm2) 10～30泥浆排量 (l／s) 10～40本发明的优点是，取消了弹簧，提高了液能转换效率，延长了活塞寿命，避免了冲孔时不必要的另件磨损，减缓了冲击器造成上部钻具中的压力波动。
附图中(1)外筒，(2)蓄能器，(3)活阀，(4)调整套，(5)碟形弹簧，(6)活阀限位套，(7)上活塞，(8)(10)尼龙环，(9)滤塞，(11)下活塞，(12)冲锤，(13)冲锤限位套，(14)砧子，(15)(17)低压腔，(16)高压腔。
本冲击器入井使用前须结合前面所述的参数范围根据钻井工程的要求调整参数，对于8 1/2 ″井眼中所用冲击器，工作行程一般选15～25冲锤重量50～70kg泥浆排量与常见钻井泥浆排量相近，约20～30升／秒，钻头喷嘴面积的确定是以该排量下的理论喷嘴压降应在10～30kg／cm2范围内为依据的。钻井时使用钻压应为5～9吨，开泵后迅速增加转速，大排量情况下较易起动。希望提高频率和冲击功，可加大排量。
权利要求
1.一种包括有外筒(1)可上、下往复运动的冲锤(12)及可传递冲击的砧子(14)的液力冲击器。其特征是具有两个活塞，上面一个是小活塞(7)，下面一个是大活塞(11)。
2.按照权利要求
1所述的冲击器，其特征是所说的活阀(3)其中一端通过外筒上的孔与冲击器外相通。
3.按照权利要求
1、2所述的冲击器，其特征是所说的上、下活塞(7)(11)均采用带有保护环(8)、(10)的活塞式钻井泥浆泵中所用的大皮碗组合式活塞。
4.按照权利要求
1、2所述的冲击器，其特征是砧子(14)上装有一个套在冲锤(12)上的限位套。
5.按照权利要求
1、2所述的冲击器，其特征是外筒内或其上方装有类似于液压回路中的蓄能器。
6.按照权利要求
1、2所述的冲击器，其特征是外筒上与上、下活塞配合的表面渗碳或多元共渗，然后淬火并镀硬铬。
7.按照权利要求
1、2所述的冲击器，其特征是外筒上有一带有网状物的中空滤塞。
8.按照权利要求
1、2所述的冲击器，其特征是自所说的冲锤(12)上端面至砧子(14)下端面的泥浆流道的任何水断面面积均大于5cm2。
专利摘要
石油钻井双作用液力冲击器是一种石油井下工具，可实现冲击回转钻井，以期得到更高的钻井速度，并减少钻铤，防止井斜，还可用于解卡。该工具主要技术特征包括双作用式的活阀和冲锤，有尼龙保护环、大皮碗组合式活塞、借用钻头喷嘴压降作为工作背压、造成脉动喷射流束，冲孔冲锤限位停振机构，上行碟形弹簧缓冲机构，蓄能器，缓冲压力波动。
文档编号E21B4/14GK85202387SQ85202387
公开日1986年4月2日 申请日期1985年6月7日
发明者张益友, 黄鸣 申请人:地质矿产部石油钻井研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan