一种井下复合冲击工具的制作方法

1.本发明属于油气钻井工程技术领域，具体涉及一种井下复合冲击工具。


背景技术：

2.随着石油勘探开发的发展，深井、水平井等复杂井所占的比例逐渐增加，钻井提速面临着新的挑战。钻井提速技术是油气井工程中的重要话题。现有的钻井方式主要通过钻头旋转对岩石剪切、冲击来实现破岩。钻头在钻遇硬质地层时易产生憋跳钻现象，进而需低转速、低钻压钻进，其严重制约了机械钻速。现有的pdc钻头主要以切削、剪切和挤压方式破碎地层，在钻进过程中，由于破岩能量不足及出现粘滑振动是导致机械钻速低的重要原因。当pdc钻头钻遇坚硬地层时，或钻头吃入深度过多，均会由于破岩能量不足而导致钻头瞬间停止转动，进而会导致钻头周期性地发生粘滑振动，从而损害钻头寿命，严重影响了机械钻速。
3.为有效提高pdc钻头的机械转速，同时抑制钻头的粘滑振动。现有技术中常用方式是采用复合冲击钻井工具，该工具由轴向冲击单元和扭转冲击单元两部分组成，轴向冲击单元中轴向冲锤完成正向冲程后将冲击能量传递给pdc钻头，以增加切入深度。但现有的复合冲击钻井工具在轴向冲锤进入反向冲程时，产生的冲击功易造成钻具底部的纵向振动，从而导致机械钻井效率低，工具使用寿命低等问题的发生，在难钻坚硬硬地层中提速效果受限。此外，现有的钻井提速工具故障率较高，使用寿命较短，可靠性差。


技术实现要素：

4.针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种井下复合冲击工具，该井下复合冲击工具能够对钻头产生轴向和周向复合冲击力，并且能够产生压力脉冲作用于钻头，以对钻头形成进一步的轴向冲击，此外，井下复合冲击工具能够在钻头扭矩过大时适应井下工况进行自动调节以减小吃土深度，从而能够有效防止井下马达产生滞动现象。
5.为此，根据本发明提供了一种井下复合冲击工具包括：构造为圆筒状的壳体；用于连接井下动力马达的动力主轴，所述动力主轴同心布置在所述壳体内且能够相对于所述壳体转动，所述动力主轴设有第一中心流道，在所述动力主轴的内壁面上设有沿轴向部分延伸的螺旋花键槽；用于连接钻头的输出主轴，所述输出主轴设有第二中心流道，在所述输出主轴的外壁面上设有的能够与所述螺旋花键槽适配的螺旋花键；以及凸轮机构，其包括固定套装在所述输出主轴上的凸轮和处于所述凸轮的上端的从动件，所述凸轮的上端构造成连续凸轮面，所述从动件的下端构造成平面且设有多个周向均布的滚轮，所述滚轮与所述凸轮面适配接触；其中，所述动力主轴能够带动所述输出主轴旋转，所述从动件能够在所述凸轮的作用下沿轴向往复运动，并顶起与所述壳体连接的上部钻柱，使得上部钻柱与所述输出主轴运动至行程最高点后能够在钻压的作用下，通过所述螺旋花键槽对所述螺旋花键形成轴向和周向复合冲击，并传递给钻头。
6.在一个实施例中，在所述壳体的内壁形成有端面朝下的限位台阶，所述从动件的
上端面能够通过所述限位台阶顶起与所述壳体连接的上部钻柱。
7.在一个实施例中，所述螺旋花键的螺距设置成处于100-800mm的范围内，且所述螺旋花键螺旋形延伸而形成的螺旋线的螺旋角处于5-85度的范围内。
8.在一个实施例中，所述螺旋花键的宽度设置成处于40-200mm的范围内，深度设置成处于5-20mm的范围内。
9.在一个实施例中，在所述动力主轴内设有与所述第一中心通道连通的第一偏心孔，所述第一偏心孔处于所述螺旋花键槽的轴向内端，在所述输出主轴的上端设有与所述第二中心流道连通的第二偏心孔，所述第一偏心孔与所述第二偏心通孔重叠时能够形成节流，从而产生压力脉冲。
10.在一个实施例中，所述第一偏心孔的轴向外端形成为第一轴向冲击面，所述输出主轴的上端面形成为第二轴向冲击面，所述第一轴向冲击面与所述第二轴向冲击面之间的最大距离d小于所述从动件的轴向运动行程h。
11.在一个实施例中，在所述输出主轴的外表面设有环形限位槽，在所述动力主轴的侧壁上设有通孔，在所述通孔中安装有防掉销块，所述防掉销块的轴向内端延伸至所述环形限位槽内，
12.所述环形限位槽的轴向宽度大于所述防掉销块的宽度。
13.在一个实施例中，所述壳体构造成包括从上到下依次固定连接的上部外壳、中部接头和下部外壳。
14.在一个实施例中，在所述动力主轴上套设有轴承串，所述轴承串处于所述上部外壳与所述动力主轴之间，所述轴承串的两端分别设有第一上扶正防磨组件和第二上扶正防磨组件。
15.在一个实施例中，在所述下部外壳的下端固定连接有限位筒，在所述限位筒与所述输出主轴之间设有下扶正防磨组件。
16.与现有技术相比，本技术的优点之处在于：
17.根据本发明的井下复合冲击工具能够通过凸轮机构驱动动力主轴带动上部钻柱轴向运动，并通过螺旋花键槽对螺旋花键形成轴向和周向复合冲击，从而对钻头产生轴向和周向复合冲击力。并且井下复合冲击工具能够产生压力脉冲，并作用于输出主轴，从而对钻头形成进一步的轴向冲击，这非常有利于增强钻头冲击力，有利于提高钻头钻进施工。此外，在钻头扭矩过大时，输出主轴能够适应井下工况进行自动调节，其能够在螺旋花键与螺旋花键槽的配合作用下相对于动力主轴向上旋入，以减小钻头吃土深度，实现降低钻头扭矩，这能够有效防止井下马达产生滞动现象。这些都非常有利于提高井下复合冲击工具的井下工作性能，大大提高了钻进施工效率，显著增强了钻进施工效果。另外，该井下复合冲击工具操作方便，在工作过程中能够自适应井下实际工况，自动调节，适应性强。
附图说明
18.下面将参照附图对本发明进行说明。
19.图1显示了根据本发明的井下复合冲击工具的结构。
20.图2示意性地显示了输出主轴上的螺旋花键的结构。
21.图3示意性地显示了动力主轴上的螺旋花键槽的结构。
22.图4示意性地显示了动力主轴上的第一偏心孔与输出主轴上的第二偏心孔的分布结构。
23.图5示意性地显示了凸轮的结构。
24.图6示意性地显示了图5所示凸轮的凸轮面的展开结构。
25.图7示意性地显示了从动件的结构。
26.在本技术中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。
具体实施方式
27.下面通过附图来对本发明进行介绍。
28.在本技术中，需要说明的是，将根据本发明的井下复合冲击工具下放到井筒中靠近井口的一端定义为上端或相似用语，将远离井口的一端定义为下端或相似用语。
29.另外需要说明的是，本技术中使用的方向性用语或限定词“上”、“下”、等均是针对所参照的附图1而言。它们并不用于限定所涉及零部件的绝对位置，而是可以根据具体情况而变化。
30.图1显示了根据本发明的井下复合冲击工具100的结构。如图1所示，井下复合冲击工具100包括壳体1、同心布置在壳体1内的动力主轴2，以及用于连接钻头的输出主轴4。动力主轴2同心布置在壳体1的内部，且动力主轴2内设有沿轴向延伸的第一中心流道21，用于过流钻井液。在动力主轴2上套设有轴承串3，通过轴承串3使动力主轴2与壳体1形成转动连接。输出主轴4同心布置在壳体1内，且设置在动力主轴2的下端，输出主轴4设有沿轴向延伸的第二中心流道41。
31.根据本发明，如图1所示，在动力主轴2的内壁面上设有沿轴向部分延伸的螺旋花键槽22。同时，在输出主轴4的外壁面上设有的能够与螺旋花键槽22适配的螺旋花键42。动力主轴2与从动主轴4能够通过螺旋花键槽22与螺旋花键42配合而形成适配连接，并且能够使从动主轴4相对于动力主轴2旋入或旋出，从而实现两者的相对轴向运动和相对转动。由此，一方面，动力主轴2与输出主轴4能够通过螺旋花键42与螺旋花键槽22传递扭矩，另一方面，输出主轴4能够在螺旋花键42与螺旋花键槽22的作用下相对于动力主轴2向上或向下运动。
32.如图1所示，在输出主轴4上套装有凸轮机构5。凸轮机构5包括固定套装在输出主轴4上的凸轮51和处于凸轮51的上端的从动件52，凸轮51的上端构造成连续的凸轮面511，从动件52的下端构造成平面，且在从动件52的下端设有多个在周向上均匀分布的滚轮53，滚轮53与凸轮面511适配接触。
33.在实际应用中，井下复合冲击工具100安装在井下动力马达(未示出)的下端。在工作时，井下动力马达驱动动力主轴2旋转，动力主轴2构造成能够带动输出主轴4旋转以将井下动力马达的动力传递给钻头。由于凸轮51固定套装在输出主轴4上，输出主轴4在转动过程中带动凸轮51旋转，从动件52能够在滚轮53与凸轮51的凸轮面511的配合作用下沿轴向往复运动，并顶起与壳体1连接的上部钻柱(未示出)，从而使得上部钻柱与输出主轴4在运动至越过最高点后能够在钻压的作用下，通过螺旋花键槽22对螺旋花键42形成轴向和周向复合冲击，并将复合冲击力传递给钻头。
34.在本实施例中，在钻头扭矩过大时，输出主轴4还能够在螺旋花键槽22与螺旋花键42的配合作用下相对于动力主轴2向上旋入以吸收一定扭矩，从而使输出主轴4相对于动力主轴2向上运动，减小了钻头吃土深度，这能够有效防止井下马达产生滞动现象。
35.根据本发明，如图1所示，壳体1构造成包括从上到下依次固定连接的上部外壳11、中部接头12和下部外壳13。动力主轴2对应处于上部外壳11和中部接头12内，输出主轴4对应处于下部外壳13内。中部接头12可以为扶正器(螺旋扶正器或直棱扶正器)，使得中部接头12能够对井下复合冲击工具100形成扶正，非常有利于增强井下复合冲击工具100的性能。
36.在一个实施例中，上部外壳11、中部接头12和下部外壳13均通过正、负锥形连接扣形成固定连接。这种连接方式安装方便快捷，且能够有效保证连接的稳定性。
37.如图1所示，轴承串3设置在动力主轴2与上部外壳11之间。优选地，轴承串3为tc轴承串，例如可以为硬质合金轴承或碳化钨轴承，其中，tc是指碳化钨，其是生产硬质合金的主要原料。轴承串3的内圈与动力主轴2过盈配合而形成固定连接，轴承串3的外圈与上部外壳11的内壁形成固定连接。由此，动力主轴2与壳体1通过轴承串3形成转动连接。
38.根据本发明，在轴承串3的上下两端分别设有第一上扶正防磨组件31和第二上扶正防磨组件32。如图1所示，第一上扶正防磨组件31处于动力主轴2与上部外壳11的径向之间。第一上扶正防磨组件31包括第一防磨静圈311和第一防磨动圈312。第一防磨静圈311与上部外壳11的内壁形成固定连接，且第一防磨静圈311的下端面抵靠压紧轴承串3的外圈的上端面。在一个实施例中，上部外壳11的内壁设有端面朝下的二级台阶，在第一防磨静圈311的外壁设有端面朝上的二级台阶，第一防磨静圈311与上部外壳11通过二级台阶配合安装形成轴向限位。第一防磨动圈312与动力主轴2的形成固定连接，且第一防磨动圈312的下端面抵靠压紧轴承串3的内圈的上端面。第一上扶正防磨组件31能够有效防止动力主轴2与上部外壳11之间的磨损。
39.如图1所示，在第一上扶正防磨组件31的上端设有顶紧螺母9，顶紧螺母9通过螺纹紧固安装在动力主轴2上。顶紧螺母9用于将第一上扶正防磨组件31的第一防磨动圈312锁紧在动力主轴2上，从而使第一防磨动圈312与动力主轴2相对静止，实现了第一防磨动圈312与动力主轴2固定连接，由此增强井下复合冲击工具100的稳定性。
40.另外，在顶紧螺母9的上端可以安装调整垫，用于作为安装时的调整件，以便于安装。
41.如图1所示，第二上扶正防磨组件32对应处于中部接头12的径向内侧。第二上扶正防磨组件32包括第二防磨静圈321和第二防磨动圈322。第二防磨静圈321与中部接头12的内壁形成固定连接，且第二防磨静圈321的上端面抵靠压紧轴承串3的外圈的下端面。在一个实施例中，中部接头12的内壁设有端面朝上的台阶，第二防磨静圈321的下端面抵靠在该台阶上形成轴向限位。第二防磨动圈322与动力主轴2的形成固定连接，且第二防磨动圈322的上端面抵靠压紧轴承串3的内圈的下端面。第二上扶正防磨组件32能够有效防止动力主轴2与中部接头12之间的磨损。
42.在工作过程中，第一上扶正防磨组件31和第二上扶正防磨组件32能够承载随井下马达中的转子的偏心运动，以及万向轴轴体的摆动和动力主轴2自身的定轴旋转产生的径向力。由此，提高了井下复合冲击工具100的导向能力和动力主轴2的传动性能。
43.根据本发明，在轴承串3与第二上扶正防磨组件32之间还可以设有顶紧组件。如图1所示，顶紧组件设置在轴承串3与第二上扶正防磨组件32的轴向之间，顶紧组件包括外顶紧套33和内顶紧套34。外顶紧套33用于顶紧轴承串3的外圈的下端面，内顶紧套34用于顶紧轴承串3的内圈的下端面。在一个实施例中，内顶紧套34设有内螺纹，其通过内螺纹与动力主轴2形成固定连接，由此，顶紧轴承串3的内圈，从而对轴承串3形成轴向限位。
44.根据本发明的一个实施例，以7”钻具为例，输出主轴4上的螺旋花键42的螺距设置成处于100-800mm的范围内，且螺旋花键42螺旋形延伸而形成的螺旋线的螺旋角设置成处于5-85度的范围内。螺旋花键42的宽度设置成处于40-200mm的范围内，深度设置成处于5-20mm的范围内。相应地，动力主轴2上的螺旋花键槽22与螺旋花键42适配。为了方便螺旋花键42与螺旋花键槽22配合，螺旋花键槽22的宽度、深度均设置成略大于螺旋花键42宽度、深度。
45.根据本发明，如图1至图4所示，在动力主轴2内设有与第一中心通道21连通的第一偏心孔211，第一偏心孔211处于螺旋花键槽22的轴向内端。同时，在输出主轴4的上端设有与第二中心流道41连通的第二偏心孔411。第一偏心孔211的轴向外端形成为第一轴向冲击面212，输出主轴4的上端面形成为第二轴向冲击面412。动力主轴2在轴向往复运动过程中，第一轴向冲击面212与第二轴向冲击面412之间的距离随之变化。
46.井下复合冲击工具100在工作过程中，输出主轴4相对于动力主轴2向上旋入至达到最高点之前，第一中心通道21依次通过第一偏心孔211、第二偏心孔411与第二中心流道41导通。此时，设有第一偏心孔211的轴向端面位置与设有第二偏心孔411的轴向端面位置之间有一定距离，第一偏心孔211和处于全开口状态。而在输出主轴4向上运动至最高点时，动力主轴2的第一轴向冲击面212与输出主轴4的第二轴向冲击面412接触重合，使得第一偏心孔211与第二偏心孔411重叠且导通面积最小，此时，第一中心通道21通过第一偏心孔211与第二偏心孔411重叠区域与第二中心流道41导通，由于重叠区域面积减小而形成节流，从而能够产生压力脉冲。产生的脉冲压力能够作用于输出主轴4的上端面，进而传递给钻头，由此使输出主轴4在脉冲压力的作用下能够对钻头形成进一步的轴向冲击，这非常有利于增强钻头冲击力，有利于提高钻头钻进施工。
47.为了确保动力主轴2的第一轴向冲击面212与输出主轴4的第二轴向冲击面412能够接触重合，第一轴向冲击面212与第二轴向冲击面412之间的最大距离d设置成小于从动件52的轴向运动行程h(见图6)。
48.如图1至图3所示，在输出主轴4的外表面设有环形限位槽43，在动力主轴2的侧壁上设有通孔23，在通孔23中安装有防掉销块6，防掉销块6的轴向内端延伸至环形限位槽43内。井下复合冲击工具100在入井过程中，防掉销块6能够起到良好的防掉作用，有效防止输出主轴4掉落。安装时，防掉销块6从通孔23中从外向内穿过通孔23并插入环形限位槽43中。为了避免防掉销块6在工作时掉出，在动力主轴2的对应于通孔23的位置处套设有套筒(未示出)。
49.在本实施例中，环形限位槽43的轴向宽度大于防掉销块6的轴向宽度。并且，环形限位槽43的宽度减去防掉销块6的轴向宽度的值大于输出主轴4能够相对于动力主轴2轴向运动的行程的最大值，以保证输出主轴4向上运动至最高点时，设有第一偏心孔211的轴向端面位置能够与设有第二偏心孔411的轴向端面位置重合。
50.根据本发明，输出主轴4同心布置在下部外壳13的内部，凸轮机构5固定套装在输出主轴4上。如图5所示，凸轮机构5中的凸轮51构造成圆筒状，且凸轮51的上端面形成为连续凸轮面511。图6显示了凸轮51的展开结构。在图5和图6所示的实施例中，在凸轮51的上端面设有三段凸轮工作面。凸轮51驱动从动件52轴向运动的行程为h，即凸轮51的最高工作面与最低工作面之间的距离。
51.在一个实施例中，凸轮51的内壁设有内螺纹，在输出主轴4的外壁上设有一段外螺纹。凸轮51通过螺纹连接方式固定安装在输出主轴4上。由此，凸轮51能够随输出主轴4同步旋转。
52.如图7所示，从动件52构造成大致呈圆筒状，从动件52的内径设置成大于输出转轴4的外径，由此，从动件52与输出转轴4间隙配合，从动检52能够沿输出主轴4的轴向运动。从动件52的下端面构造成平面。多个滚轮53周向均布设置在从动件52的下端面上，并且，滚轮53的轴线方向沿从动件52的直径方向。在图7所示实施例中，在从动件52的下端面上设有三个滚轮53。为了便于安装滚轮53，从动件52的下端面可以构造成台阶面，滚轮53安装在台阶面上。从动件52通过滚轮53与凸轮51上端的凸轮面511适配接触。由此，凸轮51随输出主轴4旋转时，从动件52能够在滚轮53与凸轮面511的作用下沿轴向往复运动。
53.在一个未示出的实施例中，滚轮53也可以由滚珠代替。
54.根据本发明，在壳体1的内壁形成有端面朝下的限位台阶55，从动件52的上端面能够通过限位台阶55顶起与壳体1连接的上部钻柱。在一个实施例中，中部外壳12的下端延伸至下部外壳13内，且中部外壳12的下端面形成为限位台阶55。
55.如图1所示，在下部外壳13的下端固定有限位筒7。在一个实施例中，限位筒7通过螺纹与下部外壳13形成固定连接。在限位筒7与输出主轴4之间设有下扶正防磨组件8。下扶正防磨组件8包括扶正防磨动圈和形成于限位筒7内壁上的扶正防磨静圈。扶正防磨动圈与输出主轴4固定连接，例如通过螺纹形成固定连接。由此，通过下扶正防磨组件8有效防止输出主轴4与下部外壳13之间的磨损。
56.下面简述根据本发明的井下复合冲击工具100的工作过程。首先，将井下复合冲击工具100连接在井下马达的下端，组装完成后将其下入井筒，在下入井筒的过程中，在防掉销块6和限位筒7的作用下，能够有效防止输出主轴4掉落。将井下复合冲击工具100下入到井下预定位置时，启动钻具。
57.在正常工作状态下，井下动力马达驱动动力主轴2旋转，动力主轴2通过螺旋花键42与螺旋花键槽22的配合作用带动输出主轴4旋转，以将井下动力马达的动力传递给钻头。同时，一方面，输出主轴4在转动过程中带动凸轮51旋转，这使得从动件52在滚轮53与凸轮51的凸轮面511的配合作用下沿轴向往复运动，并在向上运动时顶起与壳体1连接的上部钻柱，直至向上运动h(行程)而达到最高点。越过最高点后，螺旋花键42产生脱离趋势，这时，输出主轴41由于螺旋花键42的脱离会产生瞬时降速。进而，上部钻柱与输出主轴4在钻压的作用下，通过螺旋花键槽22对螺旋花键42形成轴向和周向复合冲击，并将复合冲击力传递给钻头。由此，对钻头形成轴向和周向复合冲击。
58.另一方面，动力主轴2在往复轴向运动过程中，动力主轴2的第一轴向冲击面212与输出主轴4的第二轴向冲击面412之间的距离周期性变化，从而使得第一偏心孔211与第二偏心孔411周期性重叠而形成节流，从而产生压力脉冲。产生的脉冲压力作用于输出主轴4
的上端面，进而传递给钻头，由此使输出主轴4在脉冲压力的作用下对钻头形成进一步的轴向冲击，这非常有利于增强钻头冲击力，有利于提高钻头钻进施工。
59.在钻头扭矩过大时，输出主轴4能够适应井下工况自动调节，其在螺旋花键槽22与螺旋花键42的配合作用下能够相对于动力主轴2向上旋入以吸收一定扭矩，从而使输出主轴4相对于动力主轴2向上运动，减小了钻头吃土深度，实现降低钻头扭矩，这能够有效防止井下马达产生滞动现象，非常有利于提高井下复合冲击工具100的井下工作性能，大大提高了钻进施工效率，显著增强了钻进施工效果。
60.根据本发明的井下复合冲击工具100能够通过凸轮机构5驱动动力主轴2带动上部钻柱轴向运动，并通过螺旋花键槽22对螺旋花键42形成轴向和周向复合冲击，从而对钻头产生轴向和周向复合冲击力。并且井下复合冲击工具100能够产生压力脉冲，并作用于输出主轴4，从而对钻头形成进一步的轴向冲击，这非常有利于增强钻头冲击力，有利于提高钻头钻进施工。此外，在钻头扭矩过大时，输出主轴4能够适应井下工况进行自动调节，其能够在螺旋花键槽22与螺旋花键42的配合作用下相对于动力主轴2向上旋入，以减小钻头吃土深度，实现降低钻头扭矩，这能够有效防止井下马达产生滞动现象。这些都非常有利于提高井下复合冲击工具100的井下工作性能，大大提高了钻进施工效率，显著增强了钻进施工效果。另外，该井下复合冲击工具100操作方便，在工作过程中能够自适应井下实际工况，自动调节，适应性强。
61.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
62.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
63.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
64.最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。