专利名称：空气随钻震击器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于石油及天然气空气钻井井下工具，是一种连接在钻柱组合中的井下震击解卡工具，应用于欠平衡空气循环钻井，具体地说，是空气随钻震击器。
背景技术：
在钻井作业中，由于地质构造复杂、技术措施不当以及泥浆、管柱、井眼等各种原因，常常发生卡钻的事故。卡钻对钻井工作影响很大，危害也很深，如果处理不当，不仅消耗时间长，损失钻井进尺，而且可能使事故恶化，甚至造成油气井报废。随钻震击器是解除卡钻和预防更大事故的有效工具之一，当进行复杂井钻井设计或预知某井段可能发生卡钻时，最好的办法就是预先在钻具组合中使用随钻震击器。当钻具遇卡时，借助随钻震击器给卡点处施以向上或向下强烈地震击，使卡点松动，从而达到迅速解卡的目的。
随着欠平衡钻井技术的发展，作为其中主要技术之一的空气钻井技术，以其独特的优点和良好的现场实践效果越来越引起钻井界的重视。它以空气作为循环介质，其优点是可大幅度提高机械钻速，减少对敏感性产层的损害，解决井漏问题，有利于保护油气层，扩大钻井的适用范围，缩短钻井周期，降低综合成本。适用于干燥、低渗透地层、硬质胶结长页岩井段；水敏性低压地层；硬石灰岩层；硬石膏层；易塌、易漏失层和严重缺水地区等。
近年来欠平衡钻井技术在国内已经有了一定规模的应用，我国的四川、长庆等西部油田由于地层复杂，漏失严重，极大地限制了常规钻井的应用，钻井成本一直居高不下。鉴于国外空气钻井的成功应用和良好效果，国内钻井界近几年一直致力推广空气钻井，并已成功进行工业性试验和应用，成为国家及中国石油天然气集团公司“十五”重大推广技术。
许多国内钻井队到国外投标钻井作业，甲方都要求用空气循环钻井。鉴于随钻震击器在预防和处理卡钻事故的特殊作用，国外甲方要求国内钻井队在钻井工艺设计中设计了随钻震击器。由于对空气钻井认识的局限，空气介质毕竟有它自身的特性，在空气钻井中配套常规震击器暴露出许多新的问题，如(1)震击器的液压工作原理对密封性能的要求很高，一旦密封失效，工具随即失去震击功能，甚至会转变为整个钻柱的安全隐患；(2)产品结构上在变径处存有死角，带粒高速气流在死角处容易形成涡流，从而击伤工具关键的密封表面；(3)常规工艺电镀的心轴由于电镀表面与机体间有微孔穴，在遭受高密度氧气和盐雾的侵袭时，氧气易通过微孔穴氧化机体，产生腐蚀、气蚀空洞，使电镀层从机体处提前起泡脱落，导致密封失效；(4)在中东等热带地区，橡胶件极易老化，用橡胶件作为主密封件的震击器，经常在入井前其橡胶密封就提前失效，对密封性能依赖性很高的液压震击器影响巨大；(5)由于高温、气蚀工况恶劣，常规材料工具的使用寿命大幅度降低，多套国产井下工具发生断裂事故，造成巨大的经济和声誉损失，工具最长寿命也仅有60小时左右，远远无法满足空气钻井的需要。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种结构紧凑、调节方便、使用可靠的适合于欠平衡空气循环钻井工艺的空气随钻震击器。
本实用新型是这样实现的一种用于欠平衡空气循环钻井的空气随钻震击器，包括由卡瓦心轴12、卡瓦套11、隔套13、弹性机构总成16、调整套10、衬套15、中筒体14、下击调节螺母8及上击调节螺母17组成的卡瓦锁紧机构；由连接螺母21、花键筒体24和下筒体20的台阶面组成的打击机构；由花键筒体24和花键心轴30组成的扭矩传递机构；由上下连接螺纹组成的上下连接机构；由上密封组件2和下密封组件27组成的密封机构；由上接头1、上筒体5、中筒体14、下筒体20、花键筒体24和保护筒体29组成的特殊结构筒体。
它的卡瓦锁紧机构主要由卡瓦心轴9、卡瓦12、卡瓦套11、弹性机构总成16、下击调节螺母8以及上击调节螺母17组成，卡瓦心轴9的外圆具有梯形的外棱带，卡瓦套11的内孔具有梯形的内棱带，卡瓦12为内孔和外圆均带有与卡瓦心轴9、卡瓦套11相匹配的梯形棱带的弹性套，三个串联的筒弹簧构成弹性机构总成16。
在外径尺寸发生变化(变径)的保护筒体29的轴伸部位的和花键心轴30的轴伸端，设计为流线式外形结构。
在关键的具有密封结构的变径部位，有三组密封，前两个密封组之间间距大于一个冲程长度，在第二组与第三组密封之间有一个蓄油槽。
采用由特殊材料和特殊结构设计的组合密封。它由一个C型环32和一个密封圈31组成，C型环32将密封圈31包围，使密封圈与密封表面间不产生相对运动。
本实用新型的优点在于结构紧凑、调节方便、使用可靠，适合于欠平衡空气循环的钻井工艺。
图1为本实用新型的上部结构示意图；图2为本实用新型的下部结构示意图；图3(a)、(b)、(c)分别为锁紧机构的结构图；图4为轴伸变径处的结构图；图5为密封组件截面图。
具体实施方式
采用全机械式工作原理，其核心锁紧机构设计成行程控制的卡瓦式结构，它主要由卡瓦心轴9、卡瓦12、卡瓦套11、弹性机构总成16、下击调节螺母8以及上击调节螺母17组成，卡瓦心轴9外圆具有梯形的外棱带，卡瓦套11的内孔具有梯形的内棱带，卡瓦12为内孔和外圆均带有与卡瓦心轴9、卡瓦套11相匹配的梯形棱带的弹性套，三个串联的筒弹簧构成弹性机构总成16。空气随钻震击器出厂和正常钻井作业时，卡瓦机构锁紧，处于复位状态，卡瓦的内棱带嵌入卡瓦心轴的沟槽内，此时卡瓦“抱紧”卡瓦心轴(图2(a))。由于卡瓦被其两端的弹性套限位不能移动，从而使卡瓦心轴不能轴向移动。震击作业时，下压或上提钻柱，弹性机构受力变形，卡瓦与卡瓦套之间产生相对位移(图2(b))，同时上部钻柱被拉伸或压缩产生弹性变形。当钻柱对随钻震击器施加的拉力或压力达到标定释放力时，弹性机构总成达到一定的压缩量，卡瓦外棱带与卡瓦套内棱带错开，进入卡瓦套内棱带的沟槽内，卡瓦突然张开，卡瓦心轴在钻柱拉力或压力的作用下从卡瓦中迅速拉(压)出(图2(c))，此时，被拉伸(或压缩)的钻柱突然收缩(或伸长)，钻柱储存的能量瞬时释放，产生强大的震击力和冲击能量，使卡点松动，起到解卡的作用。用调节扳手拨动上、下击调节螺母，使之产生轴向位移，从而改变卡瓦和卡瓦套棱带之间的相对位置，即可筒便地达到调节震击释放力的目的。
将具有外径尺寸变化的台肩保护筒体29和花键心轴30轴伸部位，设计成流线型结构(图3)，在外部不存在变径死角，当携带有大量固体岩屑颗粒的高速气流在由震击器外表面和井眼形成的环行空间内向上运动时，流态稳定，不致在变径部位形成旋涡，从而减少循环气体中携带的高速固体岩屑颗粒对随钻震击器表面的撞击和破坏。
本实用新型滑动密封外露表面采用特殊的表面处理工艺，内镀一层软合金，较软的镀层中结构紧密无微孔隙，同时由于硬度较低可降低镀层中的内应力，减少微裂纹的产生，提高表面质量，从而杜绝高密度腐蚀性介质的腐蚀通道，表面的镀硬铬提高表面的耐磨性能，从而达到耐腐蚀和耐磨的双重目的。另外，本实用新型将关键的密封组采用二级密封设计，一级为隔离环境介质，另一级为工作介质密封(图3)。在保护筒体29和花键筒体30内配置有三组密封，第一组密封36和第二组密封33之间间距大于两个冲程长度。在随钻作业中，如果暴露在外的密封表面被撞击、腐蚀和点蚀损坏，当需要进行震击作业时，第一组密封36失效。由于第一组密封36与第二组密封35之间有一定的间距，使第二组密封35的配合表面始终处于保护筒体内，循环介质不会损坏第二组密封35的配合表面，确保第二道密封35的有效性，在第二组密封35与第三组密封33之间有一个蓄油槽34，以实现密封件与滑动表面之间的润滑和冷却。
采用新型的由特殊材料和特殊结构设计的组合密封(图4)。该组合密封经航空、兵器等多种机械行业的各种介质考验，是一种可自行弹性补偿、高寿命、低摩擦、无泄漏、耐超高压的优质密封件。它由一个C型环32和一个密封圈31组成，处于工作状态时C型环32将密封圈31包围，使密封圈与密封表面之间不产生相对运动，相当于静密封，C型环32材料采用经过特殊处理的聚四氟乙烯，不仅有一定的弹性、散热性、还有较好的机械性能和耐高温能力，以抵御含有固体岩屑颗粒的高速气流的冲击。
依据该产品的使用和性能要求，制定了专项材料规范，提出了材料的理化指标及各项具体参数，确定了符合空气钻井要求的专用钢材。材料进厂后，在由计算机控制的可控气氛热处理生产线上进行处理，各种参数经过准确设定和调整，使处理后的材料性能在最佳使用范围内。重要零件严格进行无损探伤。外部壳体零件进行整体抗氧化处理，使产品的强度、可靠性及使用寿命适合空气钻井的特殊工况。
权利要求1.一种用于欠平衡空气循环钻井的空气随钻震击器，包括卡瓦心轴(12)、卡瓦套(11)、隔套(13)、弹性机构总成(16)、调整套(10)、衬套(15)、中筒体(14)、下击调节螺母(8)及上击调节螺母(17)，其特征在于由卡瓦心轴(12)、卡瓦套(11)、隔套(13)、弹性机构总成(16)、调整套(10)、衬套(15)、中筒体(14)、下击调节螺母(8)及上击调节螺母(17)组成的卡瓦锁紧机构；由连接螺母(21)、花键筒体(24)和下筒体(20)的台阶面组成的打击机构；由花键筒体(24)和花键心轴(30)组成的扭矩传递机构；由上密封组件(2)和下密封组件(27)组成的密封机构；由上接头(1)、上筒体(5)、中筒体(14)、下筒体(20)、花键筒体(24)和保护筒体(29)组成的特殊结构筒体。
2.根据权利要求1所述的空气随钻震击器，其特征在于它的卡瓦锁紧机构主要由卡瓦心轴(9)、卡瓦(12)、卡瓦套(11)、弹性机构总成(16)、下击调节螺母(8)以及上击调节螺母(17)组成，卡瓦心轴(9)的外圆具有梯形的外棱带，卡瓦套(11)的内孔具有梯形的内棱带，卡瓦(12)为内孔和外圆均带有与卡瓦心轴(9)、卡瓦套(11)相匹配的梯形棱带的弹性套，三个串联的筒弹簧构成弹性机构总成(16)。
3.根据权利要求1所述的空气随钻震击器，其特征在于在变径的保护筒体(29)的轴伸部位的和花键心轴(30)的轴伸端，设计为流线式外形结构。
4.根据权利要求1所述的空气随钻震击器，其特征在于在具有密封结构变径的保护筒体(29)，有三组密封，前两个密封组之间间距大于一个冲程长度，在第二组与第三组密封之间有一个蓄油槽。
5.根据权利要求1所述的空气随钻震击器，其特征在于所述的密封组件(31)、(32)由一个C型环(32)和一个密封圈(31)组成，C型环(32)将密封圈(31)包围，使密封圈与密封表面间不产生相对运动。
专利摘要一种用于欠平衡空气循环钻井的空气随钻震击器，包括由卡瓦心轴12、卡瓦套11、隔套13、弹性机构总成16、调整套10、衬套15、中筒体14、下击调节螺母8及上击调节螺母17组成的卡瓦锁紧机构；由连接螺母21、花键筒体24和下筒体20的台阶面组成的打击机构；由花键筒体24和花键心轴30组成的扭矩传递机构；由上下连接螺纹组成的上下连接机构；由上密封组件2和下密封组件27组成的密封机构；由上接头1、上筒体5、中筒体14、下筒体20、花键筒体24和保护筒体29组成的特殊结构筒体，结构紧凑、调节方便、使用可靠，适合于欠平衡空气循环的钻井工艺。
文档编号E21B31/00GK2767647SQ200520001899
公开日2006年3月29日 申请日期2005年2月3日 优先权日2005年2月3日
发明者刘广华, 陈 光, 张国田, 黄衍福 申请人:中国石油天然气集团公司, 北京石油机械厂, 中油长城钻井有限责任公司