CN113982470A - 用于产生高频低幅能量的冲击发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于产生高频低幅能量的冲击发生器，包括主轴以及同轴套设在主轴外侧的壳体，壳体内设有马达总成，马达总成与主轴的顶部相连接，其在钻井液的作用下驱动主轴旋转；壳体的内壁与主轴的外壁之间构成冲击部空腔，冲击部空腔内设有弹性伸缩件和冲击部，弹性伸缩件的顶部固定，底部与冲击部的顶部相连接，冲击部上设有定位件，主轴的外壁上开有与定位件相配合的棘槽，棘槽呈Z字型，当定位件位于棘槽的最低处时，壳体的底部分别与冲击部、主轴相抵接。本发明的有益之处在于，通过在主轴上设置棘槽，配合冲击部、弹性伸缩件以及对钻井液排量的调节，可以满足对钻头施加高频低幅冲击能量的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种冲击发生器，尤其涉及一种用于产生高频低幅能量的冲击发生器。
背景技术
在石油天然气钻井、地质勘探、矿山钻探等技术领域中，随着井深的不断增加，岩石越来越硬，严重制约了钻头的破岩效率。现有的理论研究与现场实践表明，在钻头旋转破岩过程的中，在钻头上施加一定频率的冲击力，能够有效提高钻头破岩效率。目前常规的冲击工具提供的是低频高幅冲击能量，其破岩机理是利用较大幅值的冲击力在岩石表面产生较大裂纹，然后在钻头旋转的作用下使岩屑脱离井底。但在实际应用中发现，当岩石越硬、冲击力较大时，虽然钻头初始破岩效率较高，但随着时间的延长，钻进效率大幅降低，其主要原因是冲击力造成钻头切削齿崩损，影响了后期破岩效率。国外研究表明，在钻头上施加高频低幅冲击能量，不仅能够大幅提高钻进效率，且不易损坏钻头切削齿，有利于延长钻头使用寿命，其机理在于，虽然较低幅值的冲击能量只能在岩石表面产生较小微裂纹，但在高频冲击的作用下，微裂纹扩展速率增加并连通形成较大裂纹，钻头旋转剪切即可使岩屑迅速脱离井底岩石。因此，目前急需设计研制一种既能产生高频低幅冲击能量辅助提高钻头破岩效率，又能实时控制调节冲击参数，同时还能满足现有钻井工艺的技术要求和设备要求，并且结构简单、成本低廉、维护方便的冲击发生器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于产生高频低幅能量的冲击发生器，以解决上述问题。
本发明提供了一种用于产生高频低幅能量的冲击发生器，包括主轴以及同轴套设在所述主轴外侧的壳体，所述壳体内设有马达总成，所述马达总成与主轴的顶部相连接，其在钻井液的作用下驱动所述主轴旋转；所述壳体的内壁与主轴的外壁之间构成冲击部空腔，所述冲击部空腔内设有弹性伸缩件和冲击部，所述弹性伸缩件的顶部固定，底部与所述冲击部的顶部相连接，所述冲击部上设有定位件，所述主轴的外壁上开有与所述定位件相配合的棘槽，所述棘槽呈Z字型，当所述定位件位于所述棘槽的最低处时，所述壳体的底部分别与所述冲击部、主轴相抵接。
优选地，所述主轴的顶部开有旁通孔，内部设有轴向贯通的钻井液通道孔，所述旁通孔与钻井液通道孔相连通。
优选地，所述马达总成包括转子和定子，所述转子通过联轴器与主轴的顶部相连接，所述定子固定在所述壳体的内壁上。
优选地，所述壳体包括设置在内壁上且呈环形的上限位件和下限位件，所述弹性伸缩件的顶部固定在所述上限位件上，当所述定位件位于所述棘槽的最低处时，所述冲击部的底部与下限位件相抵接。
优选地，所述棘槽包括依次首尾相连的倾斜段和竖直段。
优选地，所述壳体的底部与主轴之间设有推力轴承。
本发明的有益之处在于，通过在主轴上设置棘槽，配合冲击部、弹性伸缩件以及对钻井液排量的调节，可以满足对钻头施加高频低幅冲击能量的需求，其结构设计简单、性能可靠、操作方便、成本低廉、便于调节频率，可以大范围推广使用。
附图说明
图1是本发明冲击发生器的剖视图；
图2是棘槽的结构示意图。
元件标号说明：
1 壳体
11 上限位件
12 下限位件
2 马达总成
21 转子
22 定子
3 联轴器
4 主轴
401 轴体一
402 轴体二
41 旁通孔
42 棘槽
421 倾斜段
422 竖直段
43 钻井液通道孔
5 冲击部
51 定位件
6 弹性伸缩件
7 推力轴承
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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。
如图1所示，本发明提供了一种用于产生高频低幅能量的冲击发生器，该冲击发生器包括主轴4以及同轴套设在主轴4外侧的壳体1。在本发明的一个具体实施例中，主轴4呈阶梯状，包括外径较小的轴体一401和外径较大的轴体二402，壳体1套设在轴体一401外侧。
在壳体1内设有马达总成2，马达总成2具体地包括转子21和定子22，转子21通过联轴器3与轴体一401的顶部相连接，定子22固定在壳体1的内壁上。经过过滤的钻井液在流入马达总成2后会在马达总成2内造成一定的压力差，推动转子21绕定子22的轴线旋转，进而驱动主轴4旋转。在具体实施中，在轴体一401的顶部还开有旁通孔41，主轴4内部设有轴向贯通的钻井液通道孔43，旁通孔41与钻井液通道孔43相连通。这样大部分钻井液在推动转子21做功后会经旁通孔41流入钻井液通道孔43，最后经钻头水眼喷出，实现对钻头的冷却清洗以及钻井液的循环利用。
为在钻头上施加高频低幅冲击能量，在壳体1的内壁与轴体一401的外壁之间构成冲击部空腔，冲击部空腔内设有弹性伸缩件6和冲击部5，弹性伸缩件6具体地为弹簧，其顶部固定，底部与冲击部5的顶部相连接。冲击部5上设有定位件51，轴体一401的外壁上开有与定位件51相配合的棘槽42，棘槽42如图2所示呈Z字型，当定位件51位于棘槽42的最低处时，壳体1分别与冲击部5、主轴4相抵接。这样当所述主轴4旋转时，定位件51会沿棘槽42作上下往复运动，并将定位件51向上运动时弹性伸缩件6受压储存的弹性势能转变为定位件51向下运动时经壳体1传递给主轴4的冲击力。优选地，壳体1包括设置在内壁上且呈环形的上限位件11和下限位件12，冲击部空腔由上限位件11、轴体一401的外壁、下限位件12和壳体1的内壁共同限定，弹性伸缩件6的上端固定在上限位件11上，当定位件51位于棘槽42的最低处时，冲击部5的底部与下限位件12相抵接。在下限位件12与轴体二402之间还设有推力轴承7，推力轴承7用于承受壳体1带来的轴向冲击力并将该冲击力传递给主轴4。进一步地，棘槽42包括依次首尾相连的倾斜段421和竖直段422，设置竖向延伸的竖直段422有利于冲击部5快速下落，从而实现冲击作用。本领域技术人员可以根据需要调节棘槽42的形状、幅值等参数，以满足对钻头施加高频低幅冲击能量的要求。
本发明的冲击发生器的工作原理如下：
在钻井液的作用下，马达总成2通过联轴器3驱动主轴4旋转，主轴4旋转时，由于棘槽42的限位作用，定位件51会沿着棘槽42运动，驱动冲击部5作上下往复移动。当冲击部沿着倾斜段421向上移动时，弹性伸缩件6受压储存弹性势能，接着当定位件5进入直线段422中，弹性伸缩件6在弹性复位作用下驱动冲击部5迅速向下移动直至棘槽42的最低处，冲击下限位件12和推力轴承7，并通过推力轴承7将冲击力传递至主轴4，最终传递至钻头上，达到辅助钻头破岩的功效。随着主轴4的不断旋转，上述过程不断重复，进而对钻头产生周而复始的冲击作用。在此过程中，操作人员可以通过调节钻井液的排量来控制冲击发生器的冲击频率，从而满足不同工况的技术工艺要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种用于产生高频低幅能量的冲击发生器，其特征在于，包括主轴(4)以及同轴套设在所述主轴(4)外侧的壳体(1)，
所述壳体(1)内设有马达总成(2)，所述马达总成(2)与主轴(4)的顶部相连接，其在钻井液的作用下驱动所述主轴(4)旋转；
所述壳体(1)的内壁与主轴(4)的外壁之间构成冲击部空腔，所述冲击部空腔内设有弹性伸缩件(6)和冲击部(5)，所述弹性伸缩件(6)的顶部固定，底部与所述冲击部(5)的顶部相连接，所述冲击部(5)上设有定位件(51)，所述主轴(4)的外壁上开有与所述定位件(51)相配合的棘槽(42)，所述棘槽(42)呈Z字型，当所述定位件(51)位于所述棘槽(42)的最低处时，所述壳体(1)的底部分别与所述冲击部(5)、主轴(4)相抵接。
2.根据权利要求1所述的冲击发生器，其特征在于，所述主轴(4)的顶部开有旁通孔(41)，内部设有轴向贯通的钻井液通道孔(43)，所述旁通孔(41)与钻井液通道孔(43)相连通。
3.根据权利要求1所述的冲击发生器，其特征在于，所述马达总成(2)包括转子(21)和定子(22)，所述转子(21)通过联轴器(3)与主轴(4)的顶部相连接，所述定子(22)固定在所述壳体(1)的内壁上。
4.根据权利要求1所述的冲击发生器，其特征在于，所述壳体(1)包括设置在内壁上且呈环形的上限位件(11)和下限位件(12)，所述弹性伸缩件(6)的顶部固定在所述上限位件(11)上，当所述定位件(51)位于所述棘槽(42)的最低处时，所述冲击部(5)的底部与下限位件(12)相抵接。
5.根据权利要求1所述的冲击发生器，其特征在于，所述棘槽(42)包括依次首尾相连的倾斜段(421)和竖直段(422)。
6.根据权利要求1所述的冲击发生器，其特征在于，所述壳体(1)的底部与主轴(4)之间设有推力轴承(7)。
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