具有轴向冲击功能的井下提速工具的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于石油钻井作业中具有轴向冲击功能的井下提速工具，以解决钻井中硬岩破岩效率低的问题。其技术方案是：工具外部，上壳体、下壳体通过螺纹相连；多级涡轮定子和涡轮转子通过平键装配在涡轮轴上，多级涡轮上端通过螺母固定，下端与传动轴通过螺纹相连；上流盘中心套入轴承后装进传动轴下部，外周通过传动棒与上壳体螺纹连接；下流盘装进传动轴下部与上流盘贴合，其下端面上开有插槽；活塞锤装在环腔壳里由环腔壳体上部嵌入下流盘插槽中；半分环卡在砧座凹槽中，八方套通过螺纹固定在下壳体上，并卡在下壳体与砧座之间。本发明能够产生周期性的轴向力，对下部钻具产生周期性的冲击，提高了钻头破岩效率与机械钻速，降低钻井成本。
【专利说明】
具有轴向冲击功能的井下提速工具
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于石油天然气钻探工程、矿山开采、地质钻探等领域中的具有轴向冲击功能的井下提速工具。
【背景技术】
[0002]随着赋存较好的浅层油气资源日趋枯竭，钻井工程逐渐向深井、超深井等环境条件严峻的领域发展。井深增加后，岩石破碎的难度会大大增加，导致钻头破岩效率不高，寿命大大降低，钻井速度大幅下降。现有能产生轴向冲击的液动冲击器大都依靠换向阀实现，其容易因钻井液的冲蚀导致开关阀件损坏从而造成整个冲击器性能不稳定，寿命短。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是:为了解决深井、超深井中钻头破岩效率和机械钻速不高等问题，以及现有液动冲击器易损坏的问题，特提供一种具有轴向冲击功能的井下提速工具。
[0004]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0005]具有轴向冲击功能的井下提速工具，由螺母(I)、上壳体(2)、涡轮轴(3)、平键(4)、涡轮定子(5)、涡轮转子(6)、传动棒(7)、密封圈(8)、传动轴(9)、密封圈(10)、轴承(11)、流道A-1(12)、上流盘(13)、密封圈(14)、下流盘(15)、流道Β-Π (16)、环腔壳体(17)、环内腔
(18)、活塞锤(19)、下壳体(20)、环外腔(21)、砧座(22)、流道(23)、密封圈(24)、半分环
(25)、弹性体(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)组成，其特征在于:工具外部，上壳体(2)与下壳体(20)通过螺纹相连；多级涡轮定子(5)和涡轮转子(6)通过平键(4)装配在涡轮轴(3)上，多级涡轮的上端通过螺母(I)固定，下端与传动轴(9)通过螺纹相连;上流盘(13)中心套入轴承(11)后装进传动轴
(9)的下部，外周通过传动棒(7)与上壳体(2)螺纹连接;下流盘(15)与传动轴(9)下部通过花键配合相连，同时其上端面与上流盘(13)的下端面贴合，下流盘(15)的下端面上开有插槽；活塞锤(19)装在环腔壳体(17)里形成环内腔(18)，由环腔壳体(17)上部嵌入下流盘
(15)下端面的插槽中；半分环(25)卡在砧座(22)的凹槽中，砧座(22)贴紧活塞锤(19)后与下壳体(20)的内壁形成环外腔(21);八方套(27)通过螺纹固定在下壳体(20)上，卡在下壳体(20)与砧座(22)之间，其上端与半分环(25)间装有弹性体(26)。
[0006]所述的上流盘(13)在上端面以Rl为半径开通孔，在下端面以R2为半径开孔至上流盘(13)厚度的一半，Rl是R2的四分之三;在180°方向各开有一个呈扇形状的通孔流道A-1
(12)，在垂直于两个流道A-1(12)连线的180°方向上各开有一个呈扇形状的流道Α-Π(28)和流道Α-ΙΠ (29)，其中流道A- Π (28)是从上流盘(13)的上端面开通孔，流道Α-ΙΠ (29)是从上流盘(13)的下端面开孔至上流盘(13)厚度的一半，流道Α-ΠΚ29)的开孔面积是流道Α-Π
(28)的开孔面积的两倍;在上端面的流道A-1(12)与流道Α-Π (28)间开有接入传动棒(7)的插口 ；在流道Α-ΙΠ (29)的轴向壁上开椭圆形通孔流道A-1V (31)，使流道Α-ΙΠ (29)与上流盘
(13)下端面的R2半径孔通过流道A-1V(31)相贯通;下流盘(15)在上端面中心开有花键孔；在上端面180°方向各开有一个呈扇形状、沉降高度为下流盘(15)厚度一半的流道B-m(32),在流道B-m (32)内各开有一组共三个通孔流道B-1 (30)；在下端面180°方向各开有一个呈扇形状、沉降高度为下流盘(15)厚度四分之三的流道Β-Π (16)，其外周向与流道Β-ΙΠ
(32)的内周向重合，并在轴向方向上形成相通的缺口流道;在下端面垂直于两个流道B-m
(32)连线的180°方向上各开有一个插槽;上流盘(13)与轴承(II)间装有密封圈(10)，下流盘(15)与传动轴(9)下部间装有密封圈(14);传动轴(9)下部加工成花键轴;砧座(22)周向开有四个通孔流道(23)，卡在其凹槽中的半分环(25)与下壳体(20)内壁间装有密封圈(24)。
[0007]本发明的有益效果是:(I)该工具通过钻井液过流通道的上下变化驱动活塞锤在环腔壳体内作上下周期性往复运动，从而对砧座形成往复冲击，轴向周期冲击力经砧座传递给钻头，使钻头受到周期性的轴向冲击；(2)钻头在轴向冲击的作用下，可以有效缓解卡钻粘滑现象，使机械钻速大大提尚，提尚钻井效率；(3)核心部件为上流盘和下流盘，易于批量加工生产，使整体结构简单，可用性强；(4)与其他工具配合使用，能够有效控制和增加钻头的机械钻速，延长钻具的使用寿命，还可以增加分支井、水平井等结构井的井深，为深井油气的勘探开发提供便利。
【附图说明】
[0008]图1为本发明具有轴向冲击功能的井下提速工具的结构示意图。
[0009]图中:1.螺母，2.上壳体，3.涡轮轴，4.平键，5.涡轮定子，6.涡轮转子，7.传动棒，
8.密封圈，9.传动轴，10.密封圈，11.轴承，12.流道A-1，13.上流盘，14.密封圈，15.下流盘，16.流道Β-Π，17.环腔壳体，18.环内腔，19.活塞锤，20.下壳体，21.环外腔，22.砧座，23.流道，24.密封圈，25.半分环，26.弹性体，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]图2为本发明图1的上流盘13和下流盘15在第一种流通方式时的剖面图，其中Al对应上流盘13的A-A剖面图，B1对应下流盘15的B-B剖面图。
[0011]图3为本发明图1的上流盘13和下流盘15在第二种流通方式时的剖面图，其中A2对应上流盘13的A-A剖面图，B2对应下流盘15的B-B剖面图。
[0012]图4为本发明图1的上流盘13和下流盘15在第三种流通方式时的剖面图，其中A3-上对应上流盘13上半部分的A-A剖面图，A3-下对应上流盘13下半部分的A-A剖面图，B3对应下流盘15的B-B剖面图。
[0013]图5为本发明图1的上流盘13的左视图。
[0014]图6为本发明图1的上流盘13三维图(上端面)。
[0015]图7为本发明图1的上流盘13三维图(下端面)。
[0016]图8为本发明图1的下流盘15三维图(上端面)。
[0017]图9为本发明图1的下流盘15三维图(下端面)。
[0018]图10为本发明图1的上流盘13和下流盘15的装配三维图。
【具体实施方式】
[0019]根据附图1所示，具有轴向冲击功能的井下提速工具，由螺母(I)、上壳体(2)、涡轮轴(3)、平键(4)、涡轮定子(5)、涡轮转子(6)、传动棒(7)、密封圈(8)、传动轴(9)、密封圈
(10)、轴承(11)、流道4-1(12)、上流盘(13)、密封圈(14)、下流盘(15)、流道8-11(16)、环腔壳体(17)、环内腔(18)、活塞锤(19)、下壳体(20)、环外腔(21)、砧座(22)、流道(23)、密封圈
(24),半分环(25),弹性体(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)组成，其特征在于:工具外部，上壳体(2)与下壳体(20)通过螺纹相连；多级涡轮定子(5)和涡轮转子(6)通过平键(4)装配在涡轮轴(3)上，多级涡轮的上端通过螺母(I)固定，下端与传动轴(9)通过螺纹相连;上流盘(13)中心套入轴承(11)后装进传动轴(9)的下部，外周通过传动棒(7)与上壳体(2)螺纹连接;下流盘(15)与传动轴(9)下部通过花键配合相连，同时其上端面与上流盘(13)的下端面贴合，下流盘(15)的下端面上开有插槽;活塞锤(19)装在环腔壳体(17)里形成环内腔(18)，由环腔壳体(17)上部嵌入下流盘(15)下端面的插槽中；半分环(25)卡在砧座(22)的凹槽中，砧座(22)贴紧活塞锤
[19]后与下壳体(20)的内壁形成环外腔(21);八方套(27)通过螺纹固定在下壳体(20)上，卡在下壳体(20)与砧座(22)之间，其上端与半分环(25)间装有弹性体(26)。
[0020]工作时，钻井液从上壳体(2)内进入多级涡轮，通过涡轮将钻井液的压力转化为机械能带动涡轮转子(6)转动，并通过平键(4)带动涡轮轴(3)转动，同时涡轮轴(3)通过传动轴(9)将转矩传递给下流盘(15)，环腔壳体(17)连同活塞锤(19)与下流盘(15)固连转动;钻井液经多级涡轮下端流出后进入上流盘(13)的流道A-1(12)中，随后一部分钻井液从所对应的下流盘(15)的流道B-1(30)流入环外腔(21)，再经流道(23)流出，另一部分钻井液从所对应的下流盘(15)的流道Β-ΙΠ (32)经内周向轴向缺口流道流入流道B- Π (16)中，最后进入环内腔(18)，流入环内腔(18)内的钻井液驱动活动的活塞锤(19)往下运动冲击砧座(22)，这个过程为第一种流通方式；当流入环内腔(18)内的钻井液充满整个环内腔(18)时，活塞锤(19)往下运动到最低点，此后进入流道Β-ΙΠ(32)中的钻井液只从流道B-1(30)流出进入环外腔(21)，这个过程为第二种流通方式;随着第二种流通方式中进入环外腔(21)的钻井液迅速增多，将产生较大的压力驱使活塞锤(19)反向向上运动，这时环内腔(18)内的钻井液将被挤出流道Β-ΙΠ (32)的缺口流道，这将产生一个与传动轴(9)反向的力矩使得下流盘
(15)和上流盘(13)出现转动速度差，当下流盘(15)的流道Β-ΙΠ (32)因转速差对应到上流盘
(13)的流道Α-ΙΠ (29)时，环内腔(18)内的钻井液从流道A-1V(31)流出进入环外腔(21)，连同由流道Α-Π (28)流入的多级涡轮下端出口的钻井液一起再次增压驱使活塞锤(19)反向向上运动，当活塞锤(19)上升到最高点时，封盖住流道Β-ΙΠ(32)的缺口流道，环内腔(I8)内的钻井液全部流出，此时由流道Α-Π (28)流入的多级涡轮下端出口的钻井液迅速进入流道A-1V (31)形成大压力使得上流盘(13)和下流盘(15)同速转动，此时上流盘(I 3)的流道A-1
(12)重新对应下流盘(15)的流道Β-ΙΠ(32)，这个过程为第三种流通方式。
[0021]三种流通方式的循环进行将驱动活塞锤(19)在环腔壳体(17)内作上下周期性往复运动，从而对砧座(22)形成往复冲击。
【主权项】
1.具有轴向冲击功能的井下提速工具，由螺母(I)、上壳体(2)、涡轮轴(3)、平键(4)、涡轮定子(5)、涡轮转子(6)、传动棒(7)、密封圈(8)、传动轴(9)、密封圈(10)、轴承(11)、流道A-1 (12)、上流盘(13)、密封圈(14)、下流盘(15)、流道B-Π (16)、环腔壳体(17)、环内腔(18)、活塞锤(19)、下壳体(20)、环外腔(21)、砧座(22)、流道(23)、密封圈(24)、半分环(25)、弹性体(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)组成，其特征在于:工具外部，上壳体(2)与下壳体(20)通过螺纹相连；多级涡轮定子(5)和涡轮转子(6)通过平键(4)装配在涡轮轴(3)上，多级涡轮的上端通过螺母(I)固定，下端与传动轴(9)通过螺纹相连;上流盘(13)中心套入轴承(11)后装进传动轴(9)的下部，外周通过传动棒(7)与上壳体(2)螺纹连接;下流盘(15)与传动轴(9)下部通过花键配合相连，同时其上端面与上流盘(13)的下端面贴合，下流盘(15)的下端面上开有插槽；活塞锤(19)装在环腔壳体(17)里形成环内腔(18)，由环腔壳体(17)上部嵌入下流盘(15)下端面的插槽中；半分环(25)卡在砧座(22)的凹槽中，砧座(22)贴紧活塞锤(19)后与下壳体(20)的内壁形成环外腔(21);八方套(27)通过螺纹固定在下壳体(20)上，卡在下壳体(20)与砧座(22)之间，其上端与半分环(25)间装有弹性体(26)。2.根据权利要求1所述的具有轴向冲击功能的井下提速工具，其特征在于:所述的上流盘(13)在上端面以Rl为半径开通孔，在下端面以R2为半径开孔至上流盘(13)厚度的一半，Rl是R2的四分之三;在180°方向各开有一个呈扇形状的通孔流道A-1 (12)，在垂直于两个流道A-1(12)连线的180°方向上各开有一个呈扇形状的流道Α-Π(28)和流道Α-ΙΠ(29)，其中流道Α-Π (28)是从上流盘(13)的上端面开通孔，流道Α-ΠΚ29)是从上流盘(13)的下端面开孔至上流盘(13)厚度的一半，流道Α-ΙΠ(29)的开孔面积是流道Α-Π (28)的开孔面积的两倍;在上端面的流道A-1(12)与流道Α-Π (28)间开有接入传动棒(7)的插口 ；在流道Α-ΙΠ(29)的轴向壁上开椭圆形通孔流道A-1V(31)，使流道Α-ΙΠ (29)与上流盘(13)下端面的R2半径孔通过流道A-1V (31)相贯通。3.根据权利要求1所述的具有轴向冲击功能的井下提速工具，其特征在于:所述的下流盘(15)在上端面中心开有花键孔;在上端面180°方向各开有一个呈扇形状、沉降高度为下流盘(15)厚度一半的流道Β-ΙΠ(32)，在流道Β-ΙΠ(32)内各开有一组共三个通孔流道B-1(30);在下端面180°方向各开有一个呈扇形状、沉降高度为下流盘(15)厚度四分之三的流道Β-Π (16)，其外周向与流道Β-ΠΚ32)的内周向重合，并在轴向方向上形成相通的缺口流道;在下端面垂直于两个流道Β-ΙΠ(32)连线的180°方向上各开有一个插槽。4.根据权利要求1所述的具有轴向冲击功能的井下提速工具，其特征在于:所述的上流盘(13)与轴承(11)间装有密封圈(10)，下流盘(15)与传动轴(9)下部间装有密封圈(14);传动轴(9)下部加工成花键轴。5.根据权利要求1所述的具有轴向冲击功能的井下提速工具，其特征在于:所述的砧座(22)周向开有四个通孔流道(23)，卡在其凹槽中的半分环(25)与下壳体(20)内壁间装有密封圈(24)。
【文档编号】E21B4/02GK105927144SQ201610250094
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月21日
【发明人】田家林, 周韬, 杨琳, 杨应林, 杜凡, 蔡旭东, 胡书辉
【申请人】西南石油大学