石油钻井用水力低频冲击器的制作方法

本发明涉及一种解卡用冲击器，特别涉及一种石油钻井用水力低频冲击器，属于石油开采钻井工具技术领域。

背景技术：

在油水井生产过程中，受各种因素影响，经常发生卡钻故障。根据卡钻的类型不同，有多种处理方案。在所有处理方案中，液压上击器解卡是比较常见的一种。传统的液压上击器以单次震击为主，进行一次震击后，要将震击器复位才能进行下一次震击。但在某些特殊情况下，需要的是持续的高频震击，传统震击器间隔时间较长，震击效果往往并不明显。

冲击器在石油钻井中应用较为广泛，能够产生高频振动。目前钻井用冲击器一般设有带活塞的空心冲锤，其上部设有活阀。泥浆通过冲锤和冲锤下部接头的砧子中心流到钻头。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，活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。

传统的高频冲击器由于需使用弹簧，液能转换效率低。弹簧在反复振动中易断裂，冲锤上一般采用常规密封件，在高速运动条件下，强度低、寿命短。

技术实现要素：

本发明的目的在于，克服现有技术中存在的弹簧易断裂、密封件易损坏的问题，提供一种石油钻井用水力低频冲击器，制造成本低，动作可靠，使用寿命长。

为解决以上技术问题，本发明的一种石油钻井用水力低频冲击器，包括上接头、外筒、上砧子和下接头，所述上砧子的上端外周旋接在所述外筒的下端口中，所述上砧子的下端外周旋接在所述下接头的上端口中，所述下接头的中部内壁设有作为下砧子的内台阶，所述上砧子的内孔中插接有间隙配合的冲杆，所述冲杆的下端旋接有冲锤，所述冲锤位于上砧子与下砧子之间；所述冲杆的上端设有控制冲杆的活阀，所述活阀包括活阀外套，所述活阀外套旋接在所述上接头与所述外筒的上端口之间。

相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：当活阀打开时，在一定排量下，水流通过冲杆与上砧子之间的余隙时，会产生一定的节流压差，上砧子上方的液压使得冲杆上行，当冲杆的上端与活阀接触时，活阀将冲杆的上端口关闭，液流被阻断，产生水击作用；在惯性作用下，冲锤继续上行，撞击上砧子，使管柱发生振动。上行结束时，在水流及自重作用下，冲杆及冲锤快速下返，以较大的动能冲击下接头内的下砧子，完成向下冲击动作，此时冲杆的上端口再次脱离活阀。如此，冲锤不停地在上砧子与下砧子之间作往复运动，使被卡管柱发生振动，实现解卡目的。

作为本发明的改进，所述冲杆呈上细下粗结构，沿冲杆的轴线设有下端封闭的冲杆中心孔，所述冲杆中心孔的上端延伸至冲杆的上端开口；冲杆大直径段从所述上砧子的内孔中向上伸出，所述冲杆大直径段的上端设有向外凸出的冲杆大凸圈，所述冲杆大凸圈的下方安装有大活塞，所述大活塞的外周贴合在外筒大孔径段的内壁，所述大活塞的下方压有大活塞锁母，所述大活塞锁母旋接在所述冲杆大直径段的外螺纹上，所述大活塞锁母的下端面与所述上砧子的上端面之间的冲杆大直径段的圆周上对称设有冲杆径向孔，所述冲杆径向孔与所述冲杆中心孔相贯通。当冲杆的上端口脱离活阀时，液流进入冲杆中心孔并下行，从冲杆径向孔向外流动，进入大活塞下腔的环形空间，液压作用在大活塞的下端面，推动大活塞带动冲杆上行，当冲杆的上端与活阀接触时，活阀将冲杆的上端口关闭，液流被阻断，产生水击作用；在惯性作用下，冲锤继续上行，撞击上砧子，使管柱发生振动。冲杆中心孔的液流被阻断后，大活塞下腔的液压迅速下降，在水流及自重作用下，冲杆及冲锤快速下返，以较大的动能冲击下接头内的下砧子，完成向下冲击动作，此时冲杆的上端口再次脱离活阀。

作为本发明的进一步改进，所述冲杆大凸圈的上方为冲杆中直径段，所述冲杆中直径段的上部设有向外凸出的冲杆小凸圈，所述冲杆小凸圈的上部为冲杆小直径段，所述冲杆小凸圈的上部安装有小活塞，所述小活塞的外周贴合在外筒小孔径段的内壁，所述小活塞的上方压有小活塞锁母，所述小活塞锁母旋接在所述冲杆小直径段的外螺纹上。当冲杆的上端口与活阀处于接触状态时，冲杆中心孔的液流被阻断，冲杆外周的液流作用在小活塞的上端面，推动冲杆下行，同时在冲杆和冲锤的自重作用下，冲锤以较大的动能冲击下砧子，完成向下冲击动作，使管柱发生振动。此时冲杆的上端口已脱离活阀，一部分液流进入冲杆中心孔并下行，从冲杆径向孔向外流动，进入大活塞下腔的环形空间，作用在大活塞的下端面；另一部分液流仍作用在小活塞的上端面，由于大活塞的面积大于小活塞，形成的合力向上，迫使冲杆上行，当冲杆的上端与活阀接触时，活阀将冲杆的上端口关闭，液流被阻断，产生水击作用；在惯性作用下，冲锤继续上行，撞击上砧子，使管柱再次发生振动。如此，冲锤不停地在上砧子与下砧子之间作往复运动，使被卡管柱发生振动，实现解卡目的。冲锤和活阀均不借助于弹簧进行复位，动作可靠，使用寿命长。

作为本发明的进一步改进，所述活阀外套的下部内腔设有阀座，所述阀座的中心设有上端封闭的阀座中心孔，所述阀座中心孔中插接有阀芯，所述阀芯呈上窄下宽的倒t形截面；所述阀芯的下端面中心设有向上凹陷的阀芯凹槽，所述阀芯凹槽的底壁中心设有向上延伸的阀芯中心沉孔，所述阀芯凹槽外周的环形区域与所述冲杆的上端口相配合，所述阀芯的大端背面与所述阀座的下端面之间支撑有碟簧；所述阀座靠近活阀外套内壁的部位设有沿轴向贯通的活阀通水孔。阀芯凹槽减小了阀芯密封面的加工面积，阀芯中心沉孔减轻了阀芯的重量，使之更加灵便；阀芯下端的截面积较大，从上接头中心孔向下流动的液流穿过活阀通水孔，作用在阀芯的台阶上，与碟簧共同推动阀芯下行，使阀芯压在冲杆的上端口，确保可靠阻断冲杆中心孔的液流。当冲杆依靠大活塞产生的更大的升力返程向上时，冲杆重新接触到阀芯密封面，并推动阀芯上行，碟簧被压缩，碟簧的弹性一方面确保阀芯与冲杆上端口的可靠接触，另一方面被压缩时进行储能，使阀芯的下行更加有力，速度更快，加快冲锤下击的速度。

作为本发明的进一步改进，所述外筒小孔径段内壁上部的台阶上安装有限制阀芯下行程的限位套，所述活阀外套的下端压在所述限位套上，所述冲杆小直径段的上部从所述限位套的中心孔中穿过，所述限位套上设有供水流通过的限位套水槽。当冲杆的上端口与活阀处于接触状态时，冲杆中心孔的液流被阻断，冲杆外周的液流作用在小活塞的上端面，推动冲杆下行，此时碟簧推动阀芯同步下行，使阀芯的密封面保持贴合在冲杆的上端口上，冲锤以较大的动能冲击下砧子，完成向下冲击动作，使管柱发生振动。当阀芯接触到限位套时停止下行，冲杆在液流压力、重力和惯性作用下继续下行完成冲击，此时冲杆的上端口被打开，液流进入冲杆中心孔，进而很快进入大活塞的下腔，大活塞产生的升力大于小活塞的阻力使冲杆上行，当冲杆的上端与阀芯再次接触时，活阀将冲杆的上端口关闭，液流被阻断，产生水击作用；在惯性作用下，冲锤继续上行，撞击上砧子，使管柱再次发生振动。

作为本发明的进一步改进，所述阀芯的上部安装有阀芯密封圈与所述阀座中心孔相贴合，所述阀座中心孔的上端连接有沿径向向外延伸并贯通的阀座径向孔，所述阀座径向孔的外端旋接有活阀滤塞。阀芯密封圈使阀芯上端与阀座中心孔实现密封，当阀芯向上移动时，推动阀座中心孔中的液流从阀座径向孔和活阀滤塞排出；当阀芯向下移动时，液流经活阀滤塞过滤后，从阀座径向孔进入阀座中心孔，补入阀芯的上腔，如此可减小阀芯上下运动时的阻力，使活阀的动作更加灵敏。

作为本发明的进一步改进，所述外筒小孔径段的下部对称设有沿径向贯通的外筒滤水孔，所述外筒滤水孔的外端分别旋接有外筒滤塞，所述外筒滤水孔在高度方向位于所述冲杆小凸圈与冲杆大凸圈之间。当大活塞推动冲杆上行时，大活塞上腔的容积逐渐变小，液体从外筒滤塞排出。当阀芯将冲杆中心孔的上端口封闭，小活塞推动冲杆下行时，大活塞的下腔失压，液流从冲杆与上砧子之间的余隙流出，大活塞上腔的容积逐渐变大，外部液流将外筒滤塞过滤后，进入大活塞上腔。如此可以减小冲杆上行或下行时的阻力，使冲锤的冲击更加有力。

作为本发明的进一步改进，所述上砧子的中部外周设有向外凸出的上砧子凸圈，所述外筒的下端口压在所述上砧子凸圈的上端面，所述下接头的上端口压在所述上砧子凸圈的下端面。上砧子凸圈利于上砧子与外筒及下接头之间实现轴向定位，旋到底后可采用紧定螺钉固定防止松脱。

作为本发明的进一步改进，所述上接头的锥形母螺纹下方设有向轴线方向凸出的上接头内凸台，所述上接头内凸台的圆周上设有多个沿轴向贯通的上接头通水孔，所述上接头内凸台的内孔中旋接有向下延伸的蓄能器组件。上接头内凸台上的上接头通水孔保持上接头中心孔与活塞之间的液流畅通，当冲杆上行时，小活塞上腔的液流从活阀通水孔向上流动，使阀座上腔产生高压，液压能可以在蓄能器组件得以储存，以便增大冲锤下击时的动能。

作为本发明的进一步改进，所述蓄能器组件包括顶部封闭且下端开口的蓄能器筒体，所述蓄能器筒体的下端口旋接有蓄能器螺头，沿蓄能器螺头的轴线设有贯通的螺头中心孔，所述蓄能器螺头的上方设有与蓄能器筒体内壁相配合的蓄能器活塞，所述蓄能器活塞的顶面与所述蓄能器筒体的顶壁之间支撑有蓄能器弹簧。当大活塞推动冲杆上行时，小活塞上腔的容积变小，液流通过活阀通水孔进入阀座上腔，使阀座上腔的压力增大，蓄能器活塞在液压作用下上行，蓄能器弹簧被压缩，液压能转化为蓄能器弹簧的弹性势能，同时减小冲锤上行时的阻力，增大冲锤的上击冲击力。当冲锤完成上击后，冲杆的上端口被阀芯封闭，使大活塞的下腔失压，液流及重力推动小活塞下行，此时蓄能器弹簧推动蓄能器活塞下行，增大对小活塞的压力，使冲锤的下击更加有力。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，附图仅提供参考与说明用，非用以限制本发明。

图1为本发明石油钻井用水力低频冲击器的主视图。

图2为图1中冲锤组件的结构示意图。

图3为图1中上半部的放大图。

图4为图1中下半部的放大图。

图中：1.上接头；1a.锥形母螺纹；1b.上接头通水孔；2.蓄能器组件；2a.蓄能器筒体；2b.蓄能器弹簧；2c.蓄能器活塞；2d.蓄能器螺头；2d1.螺头中心孔；3.活阀；3a.活阀外套；3b.阀座；3b1.阀座中心孔；3b2.活阀通水孔；3b3.阀座径向孔；3b4.活阀滤塞；3c.阀芯；3c1.阀芯凹槽；3c2.阀芯中心沉孔；3d.阀芯密封圈；3e.碟簧；4.外筒；4a.外筒滤塞；5.限位套；5a.限位套水槽；6.冲杆；6a.冲杆小直径段；6b.冲杆小凸圈；6c.冲杆中直径段；6d.冲杆大凸圈；6e.冲杆大直径段；6f.冲杆中心孔；6g.冲杆径向孔；7.小活塞；7a.小活塞锁母；8.大活塞；8a.大活塞锁母；9.冲锤；10.上砧子；10a.上砧子凸圈；11.下接头；11a.下砧子；11b.锥形公螺纹。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明的石油钻井用水力低频冲击器包括上接头1、外筒4、上砧子10和下接头11，上砧子10的上端外周旋接在外筒4的下端口中，上砧子10的下端外周旋接在下接头11的上端口中，下接头11的下端设有与下方管柱连接的锥形公螺纹11b，下接头11的中部内壁设有作为下砧子11a的内台阶，上砧子10的内孔中插接有间隙配合的冲杆6，冲杆6的下端旋接有冲锤9，冲锤9位于上砧子10与下砧子11a之间；冲杆6的上端设有控制冲杆6的活阀3，活阀3包括活阀外套，活阀外套旋接在上接头1与外筒4的上端口之间。

上砧子10的中部外周设有向外凸出的上砧子凸圈10a，外筒4的下端口压在上砧子凸圈10a的上端面，下接头11的上端口压在上砧子凸圈10a的下端面。上砧子凸圈10a利于上砧子10与外筒4及下接头11之间实现轴向定位，旋到底后可采用紧定螺钉固定防止松脱。

当活阀打开时，在一定排量下，水流通过冲杆6与上砧子10之间的余隙时，会产生一定的节流压差，上砧子10上方的液压使得冲杆6上行，当冲杆6的上端与活阀接触时，活阀将冲杆6的上端口关闭，液流被阻断，产生水击作用；在惯性作用下，冲锤9继续上行，撞击上砧子10，使管柱发生振动。上行结束时，在水流及自重作用下，冲杆6及冲锤9快速下返，以较大的动能冲击下接头11内的下砧子11a，完成向下冲击动作，此时冲杆6的上端口再次脱离活阀。如此，冲锤9不停地在上砧子10与下砧子11a之间作往复运动，使被卡管柱发生振动，实现解卡目的。

冲杆6呈上细下粗结构，沿冲杆6的轴线设有下端封闭的冲杆中心孔6f，冲杆中心孔6f的上端延伸至冲杆6的上端开口；冲杆大直径段6e从上砧子10的内孔中向上伸出，冲杆大直径段6e的上端设有向外凸出的冲杆大凸圈6d，冲杆大凸圈6d的下方安装有大活塞8，大活塞8的外周贴合在外筒大孔径段的内壁，大活塞8的下方压有大活塞锁母8a，大活塞锁母8a旋接在冲杆大直径段6e的外螺纹上，大活塞锁母8a的下端面与上砧子10的上端面之间的冲杆大直径段6e的圆周上对称设有冲杆径向孔6g，冲杆径向孔6g与冲杆中心孔6f相贯通。当冲杆6的上端口脱离活阀时，液流进入冲杆中心孔6f并下行，从冲杆径向孔6g向外流动，进入大活塞8下腔的环形空间，液压作用在大活塞8的下端面，推动大活塞8带动冲杆6上行，当冲杆6的上端与活阀接触时，活阀将冲杆6的上端口关闭，液流被阻断，产生水击作用；在惯性作用下，冲锤9继续上行，撞击上砧子10，使管柱发生振动。冲杆中心孔6f的液流被阻断后，大活塞8下腔的液压迅速下降，在水流及自重作用下，冲杆6及冲锤9快速下返，以较大的动能冲击下接头11内的下砧子11a，完成向下冲击动作，此时冲杆6的上端口再次脱离活阀。

冲杆大凸圈6d的上方为冲杆中直径段6c，冲杆中直径段6c的上部设有向外凸出的冲杆小凸圈6b，冲杆小凸圈6b的上部为冲杆小直径段6a，冲杆小凸圈6b的上部安装有小活塞7，小活塞7的外周贴合在外筒小孔径段的内壁，小活塞7的上方压有小活塞锁母7a，小活塞锁母7a旋接在冲杆小直径段6a的外螺纹上。当冲杆6的上端口与活阀处于接触状态时，冲杆中心孔6f的液流被阻断，冲杆6外周的液流作用在小活塞7的上端面，推动冲杆6下行，同时在冲杆6和冲锤9的自重作用下，冲锤9以较大的动能冲击下砧子11a，完成向下冲击动作，使管柱发生振动。此时冲杆6的上端口已脱离活阀，一部分液流进入冲杆中心孔6f并下行，从冲杆径向孔6g向外流动，进入大活塞8下腔的环形空间，作用在大活塞8的下端面；另一部分液流仍作用在小活塞7的上端面，由于大活塞8的面积大于小活塞7，形成的合力向上，迫使冲杆6上行，当冲杆6的上端与活阀接触时，活阀将冲杆6的上端口关闭，液流被阻断，产生水击作用；在惯性作用下，冲锤9继续上行，撞击上砧子10，使管柱再次发生振动。如此，冲锤9不停地在上砧子10与下砧子11a之间作往复运动，使被卡管柱发生振动，实现解卡目的。冲锤9和活阀均不借助于弹簧进行复位，动作可靠，使用寿命长。

活阀外套3a的下部内腔设有阀座3b，阀座3b的中心设有上端封闭的阀座中心孔3b1，阀座中心孔3b1中插接有阀芯3c，阀芯3c呈上窄下宽的倒t形截面；阀芯3c的下端面中心设有向上凹陷的阀芯凹槽3c1，阀芯凹槽3c1的底壁中心设有向上延伸的阀芯中心沉孔3c2，阀芯凹槽3c1外周的环形区域与冲杆6的上端口相配合，阀芯3c的大端背面与阀座3b的下端面之间支撑有碟簧3e；阀座3b靠近活阀外套3a内壁的部位设有沿轴向贯通的活阀通水孔3b2。阀芯凹槽3c1减小了阀芯密封面的加工面积，阀芯中心沉孔3c2减轻了阀芯3c的重量，使之更加灵便；阀芯3c下端的截面积较大，从上接头中心孔向下流动的液流穿过活阀通水孔3b2，作用在阀芯3c的台阶上，与碟簧3e共同推动阀芯3c下行，使阀芯3c压在冲杆6的上端口，确保可靠阻断冲杆中心孔6f的液流。当冲杆6依靠大活塞8产生的更大的升力返程向上时，冲杆6重新接触到阀芯密封面，并推动阀芯3c上行，碟簧3e被压缩，碟簧3e的弹性一方面确保阀芯3c与冲杆上端口的可靠接触，另一方面被压缩时进行储能，使阀芯3c的下行更加有力，速度更快，加快冲锤9下击的速度。

外筒小孔径段内壁上部的台阶上安装有限制阀芯3c下行程的限位套5，活阀外套3a的下端压在限位套5上，冲杆小直径段6a的上部从限位套5的中心孔中穿过，限位套5上设有供水流通过的限位套水槽5a。当冲杆6的上端口与活阀处于接触状态时，冲杆中心孔6f的液流被阻断，冲杆6外周的液流作用在小活塞7的上端面，推动冲杆6下行，此时碟簧3e推动阀芯3c同步下行，使阀芯3c的密封面保持贴合在冲杆6的上端口上，冲锤9以较大的动能冲击下砧子11a，完成向下冲击动作，使管柱发生振动。当阀芯3c接触到限位套5时停止下行，冲杆6在液流压力、重力和惯性作用下继续下行完成冲击，此时冲杆6的上端口被打开，液流进入冲杆中心孔6f，进而很快进入大活塞8的下腔，大活塞8产生的升力大于小活塞7的阻力使冲杆6上行，当冲杆6的上端与阀芯3c再次接触时，活阀将冲杆6的上端口关闭，液流被阻断，产生水击作用；在惯性作用下，冲锤9继续上行，撞击上砧子10，使管柱再次发生振动。

阀芯3c的上部安装有阀芯密封圈3d与阀座中心孔3b1相贴合，阀座中心孔3b1的上端连接有沿径向向外延伸并贯通的阀座径向孔3b3，阀座径向孔3b3的外端旋接有活阀滤塞3b4。阀芯密封圈3d使阀芯3c上端与阀座中心孔3b1实现密封，当阀芯3c向上移动时，推动阀座中心孔3b1中的液流从阀座径向孔3b3和活阀滤塞3b4排出；当阀芯3c向下移动时，液流经活阀滤塞3b4过滤后，从阀座径向孔3b3进入阀座中心孔3b1，补入阀芯3c的上腔，如此可减小阀芯3c上下运动时的阻力，使活阀的动作更加灵敏。

外筒小孔径段的下部对称设有沿径向贯通的外筒滤水孔，外筒滤水孔的外端分别旋接有外筒滤塞4a，外筒滤水孔在高度方向位于冲杆小凸圈6b与冲杆大凸圈6d之间。当大活塞8推动冲杆6上行时，大活塞8上腔的容积逐渐变小，液体从外筒滤塞4a排出。当阀芯3c将冲杆中心孔6f的上端口封闭，小活塞7推动冲杆6下行时，大活塞8的下腔失压，液流从冲杆6与上砧子10之间的余隙流出，大活塞8上腔的容积逐渐变大，外部液流将外筒滤塞4a过滤后，进入大活塞8上腔。如此可以减小冲杆6上行或下行时的阻力，使冲锤9的冲击更加有力。

上接头1的内腔设有与上方管柱连接的锥形母螺纹1a，锥形母螺纹1a的下方设有向轴线方向凸出的上接头内凸台，上接头内凸台的圆周上设有多个沿轴向贯通的上接头通水孔1b，上接头内凸台的内孔中旋接有向下延伸的蓄能器组件2。上接头内凸台上的上接头通水孔1b保持上接头中心孔与活塞之间的液流畅通，当冲杆6上行时，小活塞7上腔的液流从活阀通水孔3b2向上流动，使阀座3b上腔产生高压，液压能可以在蓄能器组件2得以储存，以便增大冲锤9下击时的动能。

蓄能器组件2包括顶部封闭且下端开口的蓄能器筒体2a，蓄能器筒体2a的下端口旋接有蓄能器螺头2d，沿蓄能器螺头2d的轴线设有贯通的螺头中心孔2d1，蓄能器螺头2d的上方设有与蓄能器筒体2a内壁相配合的蓄能器活塞2c，蓄能器活塞2c的顶面与蓄能器筒体2a的顶壁之间支撑有蓄能器弹簧2b。当大活塞8推动冲杆6上行时，小活塞7上腔的容积变小，液流通过活阀通水孔3b2进入阀座3b上腔，使阀座上腔的压力增大，蓄能器活塞2c在液压作用下上行，蓄能器弹簧2b被压缩，液压能转化为蓄能器弹簧2b的弹性势能，同时减小冲锤9上行时的阻力，增大冲锤9的上击冲击力。当冲锤9完成上击后，冲杆6的上端口被阀芯3c封闭，使大活塞8的下腔失压，液流及重力推动小活塞7下行，此时蓄能器弹簧2b推动蓄能器活塞2c下行，增大对小活塞7的压力，使冲锤9的下击更加有力。

以上仅为本发明之较佳可行实施例而已，非因此局限本发明的专利保护范围。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述。