频率可调扭力冲击提速装置
技术领域
本发明涉及钻井液压扭力冲击工具技术领域,是一种频率可调扭力冲击提速装置。
背景技术
随着油田不断开发,钻井难度、钻井深度也在不断增加。在遇到一些硬地层时钻头就会出现粘滑振动现象,极易造成钻头切削齿损伤并随之失效,直接影响钻井速度。通过不断的实验研究发现钻头在钻进过程中由于地层原因扭矩无法平稳输出,由此产生粘滑问题。因此解决钻头在钻进过程中的扭矩传递问题成为提速的关键。实验表明对钻头输出平稳的扭矩冲击力,钻头就能够持续切削地层,从而消除粘滑振动提高钻进速度,降低钻井成本。目前国内大面积使用的扭力冲击工具是阿特拉公司的Torkbuster扭转冲击器,虽提速效果明显,但价格昂贵,只租不卖,实际费用核算后钻井成本并没有降低,且对泥浆要求较高,并不是每口丼都能实现提速。国内其他公开的扭力冲击工具如长江大学公开的扭力冲击器结构过于复杂,装置无泄压孔容易憋死,导致内部高压冲蚀损毁零件而失效同时冲击力也易消耗,工具连接钻杆为外螺纹需要钻换接头;西南石油大学公开的扭转冲击钻井提速工具冲击牙口外露容易卡上岩屑导致失效,且两个公开的扭力冲击工具都是固定频率,不能实现变频工作。
发明内容
本发明提供了一种频率可调扭力冲击提速装置,克服了上述现有技术之不足,其能有效解决目前的扭力冲击工具存在适用范围有限、装置内部零件易毁损和冲击力易消耗以及不能实现变频工作的问题。
本发明的技术方案是通过以下措施来实现的:一种频率可调扭力冲击提速装置,包括外筒、冲击筒、换向套座、冲击锤、换向套、压盖、导流滤网、轴承座和下接头;外筒的内部为内径依次增大的上台阶孔、中台阶孔和下台阶孔,在下台阶孔的内壁中部上有环形卡槽,外筒的下部内壁上设置有外筒花键;冲击筒的下部外壁上有下接头安装环槽,冲击筒的上部内壁上有冲击锤安装环槽,冲击锤安装环槽下方的冲击筒内壁上有内径小于冲击锤安装环槽内径的换向套座安装环槽;在下接头安装环槽上方的冲击筒外壁上沿圆周径向均匀分布有至少两个的高压流道,在每条高压流道上有贯穿冲击筒的条形导流孔,在条形导流孔下方的高压流道上设置有泄压孔,泄压孔的内端位于换向套座安装环槽下方的冲击筒内壁上,相邻两个高压流道之间的冲击锤安装环槽上设置有腰型槽,相邻两个高压流道之间的冲击锤安装环槽上设置有冲击筒排水槽,冲击筒排水槽的下端与换向套座安装环槽下端面平齐,冲击筒排水槽与腰型槽间隔分布在相邻两个高压流道之间的冲击锤安装环槽上;换向套座的内部有圆孔,在圆孔外侧的换向套座上均匀设置有两个轴向的扇形孔,两个扇形孔之间的换向套座外壁上分别设置有轴向的排水槽,对应每个排水槽外端的换向套座外壁上一体固定有小凸台;冲击锤包括锤击锤本体,冲击锤本体呈圆筒状,在冲击锤本体的外壁上对称分布有两个轴向突出的扇形击锤,每个扇形击锤外端一体固定有轴向的条状凸台,两个扇形击锤之间的冲击锤本体内壁上一体固定有两个条形轴向的梯形凸台,每个扇形击锤的两侧分别设置有贯穿冲击锤本体的条形的击锤增泄压导流孔,每个梯形凸台的两侧分别设置有贯穿冲击锤本体的条形的凸台增泄压导流孔;换向套包括换向套本体,换向套本体呈圆筒状,换向套本体的上端一体固定有外径小于换向套本体外径的上安装筒,换向套本体的下端一体固定有外径小于换向套本体外径的下安装筒,换向套本体上均匀设置有轴向的第一排水通槽、第二排水通槽、第三排水通槽和第四排水通槽,第一排水通槽和第二排水通槽之间、第三排水通槽和第四排水通槽之间的换向套本体上分别设置有轴向的上端开口、下端封闭的梯形槽,第二排水通槽和第三排水通槽之间的换向套本体上设置有两条轴向的贯穿换向套本体的击锤增压导流孔,第四排水通槽和第一排水通槽之间的换向套本体上设置有两条轴向的贯穿换向套本体的击锤增压导流孔;压盖的下端内侧一体固定有连接环台,压盖的上端内壁上有内轴承安装环槽,在压盖的侧壁上设置有与高压流道相对应的圆弧槽;导流滤网的下部外壁设置有导流安装环槽,导流安装环槽的下部均匀分布有滤孔;在轴承座的中部和上部内壁上设置有导流滤网安装环槽,轴承座的下端外壁上设置有外轴承安装环槽;下接头的上端外壁上有卡环槽,下接头的中部内壁上一体固定有环台,下接头的下端外壁上一体固定有有下环台,下环台上方的下接头外壁上有与外筒花键相配合的下接头花键;在外筒的下台阶孔内设置有冲击筒、冲击锤、换向套座和换向套,冲击筒安装在外筒的下台阶孔内,冲击筒的外径与外筒的内径相配,在环形卡槽内安装有卡环,下接头安装环槽的上端面座在卡环的上端面上,在换向套座安装环槽内安装有换向套座,换向套座的外径与换向套座安装环槽的内径相配,小凸台位于冲击筒排水槽内,冲击锤本体的外径与冲击锤安装环槽的内径相配,冲击锤本体安装在冲击锤安装环槽内,扇形击锤位于腰型槽内并能相对腰型槽径向转动,条状凸台的外径与腰型槽的内径相配,梯形凸台周向同侧的凸台增泄压导流孔与冲击筒排水槽相通,换向套位于冲击锤本体的圆腔内,换向套本体的外径与冲击锤本体的内径相配,下安装筒安装在换向套座内,下安装筒内固定安装有调节喷嘴,下安装筒的外径与换向套座的内径相配,第一排水通槽、第二排水通槽、第三排水通槽和第四排水通槽分别与换向套座的扇形孔相通,梯形凸台位于梯形槽内并能相对于梯形槽径向转动,压盖与冲击筒的上端固定安装在一起,连接环台位于上安装筒、换向套本体和冲击锤本体形成的环形槽内,压盖的下端面与冲击锤本体的上端面相抵,内轴承安装环槽的下端面与换向套本体的上端面平齐,导流滤网安装在外筒的中台阶孔内,并且导流滤网的上端与中台阶孔的上端面相抵,导流滤网安装环槽的上部内壁与导流安装环槽的外壁固定安装在一起,对应滤孔的导流滤网安装环槽上沿圆周分布有至少一个的贯穿轴承座的椭圆孔,轴承座的下端面与换向套本体的上端面相抵,在外轴承安装环槽、内轴承安装环槽和换向套本体的上端面形成的环形空腔内安装有轴承;环台上方的下接头位于外筒与冲击筒形成环腔内,环台上方的下接头内壁与下接头安装环槽固定安装在一起,卡环的内侧座在卡环槽内,下环台位于外筒下方并且外筒花键与下接头花键间隙配合安装在一起并能相对转动。
下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进:
上述下环台上方的下接头外壁上设置有矩形槽。
上述冲击筒的上端面均匀分布有至少两个的螺纹安装孔,压盖的连接环台外侧的压盖上有与螺纹安装孔相对应的螺纹通孔,压盖通过在螺纹安装孔和与其相对应的螺纹通孔内安装螺钉安装在冲击筒的上端面上。
上述在导流滤网与中台阶孔内壁之间固定安装有密封圈,下接头安装环槽与下接头内壁之间固定安装有密封圈。
上述下安装筒内通过螺纹固定安装有调节喷嘴,导流滤网安装环槽的上部内壁与导流安装环槽的外壁通过螺纹固定安装在一起,环台上方的下接头内壁与下接头安装环槽通过螺纹固定安装在一起,外筒的上端有内螺纹,环台下方的下接头内壁上分别有内螺纹。
本发明结构合理而紧凑,零件少装配方便,内部零件不易毁损也不会出现卡死现象,外筒和环台下方的下接头内壁上的内螺纹不再需要转换接头连接钻杆,调节喷嘴可根据需要调节冲击频率,同时本发明可直接将冲击力传递给钻头,通过钻井液压力转化为机械冲击力使钻头得到稳定的扭矩持续切削地层消除粘滑,增加钻头使用寿命,加快了在坚硬岩层的钻进速度,节省了巨大的钻井成本和钻井时间,适用范围广。
附图说明
图1为本发明实施例的主视剖视结构示意图。
图2为附图1的A-A向剖视的冲击筒、冲击锤和换向套的第一种位置结构示意图。
图3为附图1的B-B向剖视结构示意图。
图4为附图1的C-C向剖视结构示意图。
图5为附图1的A-A向剖视的冲击筒、冲击锤和换向套的第二种位置结构示意图。
图6为附图1的A-A向剖视的冲击筒、冲击锤和换向套的第三种位置结构示意图。
图7为冲击筒立体结构示意图之一。
图8为冲击筒立体结构示意图之二。
图9为换向套座的立体结构示意图。
图10为冲击锤俯视剖视结构示意图。
图11为换向套立体结构示意图。
图12为导流滤网结构示意图。
图13为压盖立体结构示意图之一。
图14为压盖立体结构示意图之二。
图15为下接头立体结构示意图之一。
图16为下接头体结构示意图之二。
图17为轴承座立体结构示意图。
附图中的编码分别为:1为外筒,2为上台阶孔,3为中台阶孔,4为下台阶孔,5为环形卡槽,6为密封圈,7为冲击筒,8为下接头安装环槽,9为冲击锤安装环槽,10为换向套座安装环槽,11为高压流道,12为条形导流孔,13为泄压孔,14为腰型槽,15为冲击筒排水槽,16为六边形扳手孔,17为换向套座,18为圆孔,19为扇形孔,20为排水槽,21为小凸台,22为冲击锤本体,23为扇形击锤,24为条状凸台,25为梯形凸台,26为击锤增泄压导流孔,27为凸台增泄压导流孔,28为换向套本体,29为上安装筒,30为下安装筒,31为第一排水通槽,32为第二排水通槽,33为第三排水通槽,34为第四排水通槽,35为梯形槽,36为击锤增压导流孔,37为压盖,38为连接环台,39为内轴承安装环槽,40为圆弧槽,41为导流滤网,42为导流安装环槽,43为滤孔,44为轴承座,45为导流滤网安装环槽,46为外轴承安装环槽,47为下接头,48为卡环槽,49为环台,50为下环台,51为下接头花键,52为卡环,53为调节喷嘴,54为椭圆孔,55为轴承,56为矩形槽,57为螺纹安装孔,58为螺纹通孔,59为螺钉。
具体实施方式
本发明不受下述实施例的限制,可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
在本发明中,为了便于描述,各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的,如:上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图1的布图方向来确定的。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述:
如附图1至附图17所示,该频率可调扭力冲击提速装置包括外筒1、冲击筒7、换向套座17、冲击锤、换向套、压盖37、导流滤网41、轴承座44和下接头47;外筒1的内部为内径依次增大的上台阶孔2、中台阶孔3和下台阶孔4,在下台阶孔4的内壁中部上有环形卡槽5,外筒1的下部内壁上设置有外筒花键;冲击筒7的下部外壁上有下接头安装环槽8,冲击筒7的上部内壁上有冲击锤安装环槽9,冲击锤安装环槽9下方的冲击筒7内壁上有内径小于冲击锤安装环槽9内径的换向套座安装环槽10;在下接头安装环槽8上方的冲击筒7外壁上沿圆周径向均匀分布有至少两个的高压流道11,在每条高压流道11上有贯穿冲击筒7的条形导流孔12,在条形导流孔12下方的高压流道11上设置有泄压孔13,泄压孔13的内端位于换向套座安装环槽10下方的冲击筒7内壁上,相邻两个高压流道11之间的冲击锤安装环槽9上设置有腰型槽14,相邻两个高压流道11之间的冲击锤安装环槽9上设置有冲击筒排水槽15,冲击筒排水槽15的下端与换向套座安装环槽10下端面平齐,冲击筒排水槽15与腰型槽14间隔分布在相邻两个高压流道11之间的冲击锤安装环槽9上;换向套座17的内部有圆孔18,在圆孔18外侧的换向套座17上均匀设置有两个轴向的扇形孔19,两个扇形孔19之间的换向套座17外壁上分别设置有轴向的排水槽20,对应每个排水槽20外端的换向套座17外壁上一体固定有小凸台21;冲击锤包括锤击锤本体22,冲击锤本体22呈圆筒状,在冲击锤本体22的外壁上对称分布有两个轴向突出的扇形击锤23,每个扇形击锤23外端一体固定有轴向的条状凸台24,两个扇形击锤23之间的冲击锤本体22内壁上一体固定有两个条形轴向的梯形凸台25,每个扇形击锤23的两侧分别设置有贯穿冲击锤本体22的条形的击锤增泄压导流孔26,每个梯形凸台25的两侧分别设置有贯穿冲击锤本体22的条形的凸台增泄压导流孔27;换向套包括换向套本体28,换向套本体28呈圆筒状,换向套本体28的上端一体固定有外径小于换向套本体28外径的上安装筒29,换向套本体28的下端一体固定有外径小于换向套本体28外径的下安装筒30,换向套本体28上均匀设置有轴向的第一排水通槽31、第二排水通槽32、第三排水通槽33和第四排水通槽34,第一排水通槽31和第二排水通槽32之间、第三排水通槽33和第四排水通槽34之间的换向套本体28上分别设置有轴向的上端开口、下端封闭的梯形槽35,第二排水通槽32和第三排水通槽33之间的换向套本体28上设置有两条轴向的贯穿换向套本体28的击锤增压导流孔36,第四排水通槽34和第一排水通槽31之间的换向套本体28上设置有两条轴向的贯穿换向套本体28的击锤增压导流孔36;压盖37的下端内侧一体固定有连接环台38,压盖37的上端内壁上有内轴承安装环槽39,在压盖37的侧壁上设置有与高压流道11相对应的圆弧槽40;导流滤网41的下部外壁设置有导流安装环槽42,导流安装环槽42的下部均匀分布有滤孔43;在轴承座44的中部和上部内壁上设置有导流滤网安装环槽45,轴承座44的下端外壁上设置有外轴承安装环槽46;下接头47的上端外壁上有卡环槽48,下接头47的中部内壁上一体固定有环台49,下接头47的下端外壁上一体固定有有下环台50,下环台50上方的下接头47外壁上有与外筒花键相配合的下接头花键51;在外筒1的下台阶孔4内设置有冲击筒7、冲击锤、换向套座17和换向套,冲击筒7安装在外筒1的下台阶孔4内,冲击筒7的外径与外筒1的内径相配,在环形卡槽5内安装有卡环52,下接头安装环槽8的上端面座在卡环52的上端面上,在换向套座安装环槽10内安装有换向套座17,换向套座17的外径与换向套座安装环槽10的内径相配,小凸台21位于冲击筒排水槽15内,冲击锤本体22的外径与冲击锤安装环槽9的内径相配,冲击锤本体22安装在冲击锤安装环槽9内,扇形击锤23位于腰型槽14内并能相对腰型槽14径向转动,条状凸台24的外径与腰型槽14的内径相配,梯形凸台25周向同侧的凸台增泄压导流孔27与冲击筒排水槽15相通,换向套位于冲击锤本体22的圆腔内,换向套本体28的外径与冲击锤本体22的内径相配,下安装筒30安装在换向套座17内,下安装筒30内固定安装有调节喷嘴53,下安装筒30的外径与换向套座17的内径相配,第一排水通槽31、第二排水通槽32、第三排水通槽33和第四排水通槽34分别与换向套座17的扇形孔19相通,梯形凸台25位于梯形槽35内并能相对于梯形槽35径向转动,压盖37与冲击筒7的上端固定安装在一起,连接环台38位于上安装筒29、换向套本体28和冲击锤本体22形成的环形槽内,压盖37的下端面与冲击锤本体22的上端面相抵,内轴承安装环槽39的下端面与换向套本体28的上端面平齐,导流滤网41安装在外筒1的中台阶孔3内,并且导流滤网41的上端与中台阶孔3的上端面相抵,导流滤网安装环槽45的上部内壁与导流安装环槽42的外壁固定安装在一起,对应滤孔43的导流滤网安装环槽45上沿圆周分布有至少一个的贯穿轴承座的椭圆孔54,轴承座44的下端面与换向套本体28的上端面相抵,在外轴承安装环槽46、内轴承安装环槽39和换向套本体28的上端面形成的环形空腔内安装有轴承55;环台49上方的下接头47位于外筒1与冲击筒7形成环腔内,环台49上方的下接头47内壁与下接头安装环槽8固定安装在一起,卡环52的内侧座在卡环槽48内,下环台50位于外筒1下方并且外筒花键与下接头花键51间隙配合安装在一起并能相对转动。
卡环52可以防止外筒1中的各部件脱落,小凸台21位于冲击筒排水槽15内防止换向套座17随换向套随意转动,扇形孔19用于排流,换向套可以相对换向套座17自由转动,本发明通过更换调节喷嘴53来控制冲击频率,扇形击锤23位于腰型槽14内并能相对腰型槽14径向转动,梯形凸台25位于梯形槽35内并能相对于梯形槽35径向转动,冲击锤通过腰型槽14和梯形槽35的角度开口大小来控制行程,在换向套和冲击锤转动到一定位置时,冲击筒7中高压流道11上的条形导流孔12会与冲击锤上的凸台增泄压导流孔27一端连通,然后从冲击筒7外部获得压力驱动,进而推动换向套,当换向套被推到一定位置时,换向套的击锤增压导流孔36与冲击锤上的击锤增泄压导流孔26的一侧连通,推动扇形击锤23撞击腰型槽14的侧壁形成周向力并通过下接头47传递给钻头得到均有扭力冲击力;压盖37与换向套配合可以自由转动,换向套的转动也受换向套上梯形槽35的角度控制,压盖37压死后,冲击筒7内部就形成了内外两个流体进入通道和一个输出通道,通过两支流体不断交替流入排出得到循环冲击;在外轴承安装环槽46、内轴承安装环槽39和换向套的上端面形成的环形空腔内安装有轴承55便于冲击筒7和下接头47灵活转动,冲击筒7和下接头47的转动行程又受到外筒花键和下接头花键51两者配合间隙大小的限制;轴承座44上的椭圆孔54用于通过滤孔43过滤之后的流体,导流滤网41和轴承座44可以在外筒1内自由转动。
本发明的具体工作过程如下:外筒1的上端连接钻杆或钻挺,流体通过外筒1内孔到达导流滤网41,一部分经过导流滤网41的滤孔43流入冲击筒7的高压流道11,一部分流体到达换向套的调节喷嘴53缩径增压(见附图1),当两股流体被分流进入冲击筒7的高压流道11和换向套内时,扭力发生机构开始工作,(见附图2、5、6)(见附图2)进入高压流道11的流体通过冲击筒7的条形导流孔12经过凸台增泄压导流孔27到达换向套的梯形槽35并将梯形槽35内部填满流体,推动换向套到达(附图2)中的位置;梯形槽35被高压流通填满后,多余的流体会从泄压孔13流出,进入冲击筒7内汇入调节喷嘴53流出的流体;腰型槽14因被压盖37封闭形成负压,流体从击锤增泄压导流孔36的一侧孔经过换向套的排水槽流出汇入调节喷嘴53流出的流体;另一股流入换向套内部的高压流体由换向套的击锤增压导流孔36经过另一侧的击锤增泄压导流孔26推动扇形击锤23并将腰型槽14填满高压流体,随着扇形击锤23的转动,卡在梯形槽35内的梯形凸台25也被带动(见附图5)。如附图5所示,在换向套被带到这个位置时,刚才流体通过梯形槽35进入冲击筒7的条形导流孔12被压盖37封闭,换向套的梯形槽35内的流体会形成负压,经过凸台增泄压导流孔27从冲击筒7的冲击筒排水槽15流出汇入调节喷嘴53流出的流体;此时冲击锤上的梯形凸台25另一侧的凸台增泄压导流孔27与冲击筒7上的条形导流孔12接通,由于压力差的关系,换向套上的梯形槽35又被高压流体填满,推动换向套到达附图6的位置;此时附图6与附图2各部件位置正好对称相反,通过完成上述工作过程,冲击锤上的扇形击锤23又会回到附图2位置。这样扇形击锤23不断往复敲击冲击筒7的腰型槽14侧壁将流体压力转换为机械冲击力。在所有流出的流体和调节喷嘴53流出的流体合流为一股通过47下接头内孔流向钻头,当钻头在顺时针钻进过程中,外筒1上的外筒花键的侧壁会随着钻具的自转一直推动下接头47上的下接头花键51转动,当频率可调扭力冲击提速装置开始工作时,下接头47上的下接头花键51开始转动,反向转动冲击力与钻具的自转抵消,正向转动冲击力将传递给钻头从而得到平稳输出的扭力,消除钻头粘滑振动。
可根据实际需要,对上述频率可调扭力冲击提速装置作进一步优化或/和改进:
如附图1、15、16所示,下环台50上方的下接头47外壁上设置有矩形槽56,矩形槽56可以减小下接头47与外筒1之间的摩擦。
如附图1、7、13、14所示,冲击筒7的上端面均匀分布有至少两个的螺纹安装孔57,压盖37的连接环台38外侧的压盖37上有与螺纹安装孔57相对应的螺纹通孔58,压盖37通过在螺纹安装孔57和与其相对应的螺纹通孔58内安装螺钉59安装在冲击筒7的上端面上,压盖37由螺钉59旋入冲击筒7上的螺纹安装孔57中,压紧压盖37和冲击筒7。
如附图1所示,在导流滤网41与中台阶孔3内壁之间固定安装有密封圈6,下接头安装环槽8与下接头47内壁之间固定安装有密封圈6。
如附图1所示,下安装筒30内通过螺纹固定安装有调节喷嘴53,导流滤网安装环槽45的上部内壁与导流安装环槽42的外壁通过螺纹固定安装在一起,环台49上方的下接头47内壁与下接头安装环槽8通过螺纹固定安装在一起,外筒1的上端有内螺纹,环台49下方的下接头47内壁上分别有内螺纹。螺纹连接方便安装与拆卸,外筒1和环台49下方的下接头47内壁上的内螺纹不再需要通过转换接头连接钻杆。为了便于维修和拆卸,冲击筒7的下端内壁为六边形扳手孔16。
本发明结构合理而紧凑,零件少装配方便,内部零件不易毁损也不会出现卡死现象,外筒1和环台49下方的下接头47内壁上的内螺纹不再需要转换接头连接钻杆,并且没有内部心轴,钻井液可直接进入换向套驱动扇形击锤23,增加了调节喷嘴53,可根据需要调节冲击频率,冲击筒7外部高压流道11下方增加了泄压孔13,可流出从滤孔43进入的小颗粒,不会堆积造成卡死现象,也不会造成卡死后内部高压冲毁内部零件造成落井的危险,即便卡死失效也不会影响正常钻进,条形导流孔13为长条形流量更大冲击力也增大,同时本发明可直接将冲击力传递给钻头,通过钻井液压力转化为机械冲击力使钻头得到稳定的扭矩持续切削地层消除粘滑,增加钻头使用寿命,加快了在坚硬岩层的钻进速度,节省了巨大的钻井成本和钻井时间,适用于所有井的钻进工作。
以上技术特征构成了本发明的实施例,其具有较强的适应性和实施效果,可根据实际需要增减非必要的技术特征,来满足不同情况的需求。