专利名称：一种低幅高频扭转冲击发生器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用于石油天然气钻井的一种低幅高频扭转冲击发生器，给钻进中 的PDC钻头提供周期性的低幅高频扭转冲击。适用于旋转钻井、复合钻井、定向钻井以及旋 转导向钻井，特别适用于钻硬质地层。
背景技术：
PDC钻头钻硬质地层时，钻头寿命短，机械钻速低。目前常采用的办法是在常规钻 具基础上配以液动冲击器，液动冲击器给钻头施加高频冲击力。这种方法对钻头所施加力 的方向为纵向，对扭向不产生作用，而钻头在钻进硬地层时通常没有足够的扭矩破碎地层， 从而钻头瞬间停止转动。这时，扭转能量储存在钻柱中，钻柱像发条一样扭紧，一旦产生了 剪切破碎地层所需的扭矩，钻柱能量便会释放出来，在PDC齿上施加比平常高得多的冲击 载荷，最终使金刚石齿破碎并导致钻头失效。在钻井过程中，起下钻和更换失效的PDC钻头 是造成钻井成本增加的一个重要因素。液动冲击器无法增加钻头的破岩扭矩，结构复杂，对 下部钻具组合影响大。
发明内容本实用新型的目的是为了降低钻头钻进时可能出现的粘滑振动，保持钻头与井 底的连续性，减少下部钻具组合及钻杆的疲劳，提高机械钻速以及钻头的钻进效率和使用 寿命，减少起下钻次数，降低钻井成本，特提出一种低幅高频扭转冲击发生器。为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是本实用新型一种低幅高频扭转冲击发生器，主要由壳体、传动轴、驱动器、滑动块、 传动销、钻杆端帽、推力轴承、定轴、涡轮定子、涡轮转子、防掉端帽、防掉挡盘和防掉拉杆组 成。所述传动轴与壳体通过花键组合相连接，传动轴和滑动块都设有凸起；驱动器位于壳体 与传动轴之间，依靠传动销驱使滑动块转动从而使滑动块凸起与传动轴凸起发生碰撞；定 轴上开有导流孔，钻井液驱动固连于定轴的涡轮转子转动，涡轮转子、定轴与驱动器以相同 的转速转动；防掉挡盘与壳体用螺纹相连接，防掉拉杆两端分别与定轴和防掉端帽用螺纹 相连接；涡轮定子由防掉挡盘压紧固定于壳体内，涡轮转子通过防掉拉杆压紧固定于定轴 上。钻井液流经防掉挡盘进入涡轮段，驱动涡轮转子带动定轴转动，流经涡轮段的钻井液大 部分穿过定轴的导流孔流入传动轴，其余部分流经定轴与壳体间的间隙进入冲击处，再经 流砂孔流出，起冷却与润滑传动轴凸起和滑动块凸起作用。滑动块凸起和传动轴凸起配合 形成棘轮结构；驱动器上开有流砂槽，滑动块上有环形凹槽和条形凹槽。壳体下端圆周均布 有四个45°的壳体花键，并形成四个45°的壳体花键槽，传动轴下端圆周均布有四个40° 的传动轴花键和四个50°的传动轴花键槽，壳体花键与传动轴花键槽形成间隙配合。壳体 内设有台阶用于安装涡轮定子，安装涡轮定子处的壳体内径与梯形螺纹小径大小相等。壳 体上端的母扣与钻铤通过转换接头相连接。防掉挡盘通过螺纹与壳体连接，在压紧涡轮定 子的同时起支撑防掉拉杆的作用。防掉端帽端面采用弧形结构，端部沿轴向为六方结构。[0006]本实用新型与现有技术相比，具有的有益效果是1、该工具长度小，用涡轮提供动 力，结构简单，壳体上端的母扣与转换接头连接，壳体内部设有台阶，安装方便；2、防掉挡盘 用螺纹固连于壳体而非采用销，安全系数高，防掉端帽端面采用弧形结构，减缓钻井液的冲 蚀，提高使用寿命；3、驱动器与壳体间留有间隙，传动轴开有导砂孔，从而可以用钻井液冷 却冲击处并清除沉积砂粒；4、定轴与钻杆端帽间采用推力球轴承，相比起用硬质合金轴承 而言，减小成本的同时也减小两者间的磨擦。
图1是本实用新型一种低幅高频扭转冲击发生器的结构示意图；图2是图1的A-A剖面示意图；图3是图1的B-B剖面示意图；图中1.防掉端帽，2.防掉挡盘，3.防掉拉杆，4.涡轮定子，5.涡轮转子，6.定 轴，7.导流孔，8.推力轴承，9.钻杆端帽，10.驱动器，11.滑动块，12.传动销，13.流砂孔， 14.传动轴，15.壳体，16.花键组合，17.传动轴凸起，18.滑动块凸起，19.环形凹槽，20.条 形凹槽，21.流砂槽，22.壳体花键槽，23.壳体花键，24.传动轴花健槽，25.传动轴花键。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型一种低幅高频扭转冲击发生器，主要由壳体15、传动轴 14、驱动器10、滑动块11、传动销12、钻杆端帽9、推力轴承8、定轴6、涡轮定子4、涡轮转子 5、防掉端帽1、防掉挡盘2和防掉拉杆3组成。所述传动轴14与壳体15通过花键组合16 相连接，传动轴14与滑动块11上分别设有凸起；驱动器10位于壳体15与传动轴14之间， 依靠传动销12驱使滑动块11转动从而使滑动块凸起18与传动轴凸起17发生碰撞；驱动 器10通过螺纹与定轴6相连接，定轴6上开有导流孔7，钻井液驱动固定于定轴6上的涡轮 转子5转动，涡轮转子5、定轴6与驱动器10以相同的转速转动；防掉挡盘2与壳体15通 过螺纹相连接，防掉拉杆3两端分别与定轴6和防掉端帽1用螺纹相连接；涡轮定子4由防 掉挡盘2压紧固定于壳体15内，涡轮转子5通过防掉拉杆3压紧固定于定轴6上。工具上端经转换接头与钻铤相连，传动轴14直接与钻头相连，从钻铤流下的钻井 液流经防掉挡盘2进入涡轮段，驱动涡轮转子5带动定轴6旋转，流经涡轮段的钻井液大部 分穿过定轴6的导流孔7进入传动轴14，其余部分流经定轴6与壳体15间的间隙进入冲 击处，再经流砂孔13流出，起冷却与润滑传动轴凸起17和滑动块凸起18作用。旋转的定 轴6通过螺纹带动驱动器10同速转动，驱动器10通过传动销12驱使滑动块11高速转动 从而撞击传动轴凸起17，能量周期性地由传动轴14传至钻头。如图2所示，滑动块11的转动使得滑动块凸起18与传动轴凸起17相碰撞，滑动 块凸起18和传动轴凸起17配合形成棘轮结构。钻井液通过涡轮段向驱动器10提供动力， 滑动块凸起18与传动轴凸起17周期性地碰撞。在此过程中，滑动块11先做同轴转动后做 偏心转动，驱动器10上开有流砂槽21，滑动块11上有环形凹槽19和条形凹槽20，条形凹 槽20起导向作用。如图3所示，壳体15下端圆周均布有四个45°的壳体花键23，并形成四个45°的 壳体花键槽22，传动轴14下端圆周均布有四个40°的传动轴花键25和四个50°的传动轴花键槽24，壳体花键23与传动轴花键槽24形成间隙配合。 在钻进地层时，地层往上的作用力使传动轴花键槽24最底端与壳体花键23最下 端相接触，该作用力施加于花键组合16上，推力轴承8仅承受流体给工具内部零件所施加 的推力。
权利要求1.一种低幅高频扭转冲击发生器，主要由壳体(15)、传动轴(14)、驱动器(10)、滑动块 (11)、传动销(12)、钻杆端帽(9)、推力轴承(8)、定轴(6)、涡轮定子(4)、涡轮转子(5)、防 掉端帽(1)、防掉挡盘(2)和防掉拉杆(3)组成，其特征在于，传动轴(14)与壳体(15)通 过花键组合(16)连接，传动轴(14)与滑动块(11)上分别设有凸起；驱动器(10)位于壳体 (15)与传动轴(14)之间，依靠传动销(12)驱使滑动块(11)转动从而使滑动块凸起(18) 与传动轴凸起(17)发生碰撞；驱动器(10)通过螺纹与定轴(6)相连接，定轴(6)上开有导 流孔(7)，防掉挡盘(2)与壳体(15)通过螺纹相连接，防掉拉杆(3)两端分别与定轴(6)和 防掉端帽(1)通过螺纹相连接；涡轮定子(4)由防掉挡盘(2)压紧固定于壳体(15)内，涡 轮转子(5)通过防掉拉杆(3)压紧固定于定轴(6)上。
2.根据权利要求1所述的扭转冲击发生器，其特征在于，滑动块凸起(18)和传动轴凸 起(17)配合形成棘轮结构；驱动器(10)上设有流砂槽(21)，滑动块(11)上设有环形凹槽 (19)和条形凹槽(20)。
3.根据权利要求1所述的扭转冲击发生器，其特征在于，壳体(15)上端设有带梯形螺 纹的母扣，壳体(15)内部设有用于安装涡轮定子(4)的台阶，安装涡轮定子(4)处的壳体 (15)内径与梯形螺纹小径大小相等。
4.根据权利要求1所述的扭转冲击发生器，其特征在于，防掉端帽(1)端面采用弧形结 构，端部沿轴向为六方结构。
专利摘要本实用新型涉及用于石油天然气钻井的一种低幅高频扭转冲击发生器，它主要由壳体、传动轴、驱动器、滑动块、传动销、钻杆端帽、推力轴承、定轴、涡轮定子、涡轮转子、防掉端帽、防掉挡盘和防掉拉杆组成，所述壳体与传动轴用花键组合连接，传动轴和滑动块上分别设有凸起，驱动器位于壳体与传动轴间，与定轴通过螺纹相连接，钻井液驱动固连于定轴上的涡轮转子转动，驱动器通过传动销驱使滑动块凸起与传动轴凸起相碰撞，防掉挡盘与壳体用螺纹相连接。本实用新型结构简单，长度小，对下部钻具组合影响小，可承受高温，能大幅降低钻头粘滑振动，提高机械钻速及钻头的使用效率，减少起下钻次数，降低钻井成本，特别适用于硬质地层。
文档编号E21B7/04GK201778652SQ20102053536
公开日2011年3月30日 申请日期2010年9月20日 优先权日2010年9月20日
发明者汤历平, 石昌帅, 祝效华 申请人:西南石油大学