CN115405222A - 高频复合冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种高频复合冲击器，包括高频轴向冲击总成和扭转冲击总成。高频轴向冲击总成包括上自激振荡腔、下自激振荡腔、调整块和锁母；扭转冲击总成包括上端盖、换向拨叉、摆锤、下壳体、下端盖、下喷嘴、连接块和挡环。高频复合冲击器的高频轴向冲击总成将流动的钻井液转换为具有压力振荡的高频脉冲射流，实现高频轴向冲击，扭转冲击总成通过分流实现扭转冲击，最终实现高频复合冲击，可在复杂及深硬地层有效抑制钻柱粘滑、避免跳钻等现象。

Description

高频复合冲击器

技术领域

本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种高频复合冲击器。

背景技术

随着油气开采技术的不断发展，浅层油气资源已经无法满足能源开采需要，油气井向深井、超深井、大位移井和水平井等复杂井方向发展。在钻井深度不断增加的同时，井下地层结构多变、软硬交错，地层压力大、岩石可钻性差，钻具与地层之间及不确定的地质环境容易导致钻柱***产生各异的摩擦情况，给钻采深井带来不同程度的影响。通常在钻井过程中遇到坚硬、中等硬度且颗粒不均质岩层时，钻头的破岩效率会大大降低，井下坚硬岩石具有脆性大和抗静压强度高的特点，但是其抗冲击能力弱。通过井下冲击器对岩石施加一定频率的冲击载荷，在岩石产生剪切体的同时还能使岩石的裂纹和裂隙进一步扩大，从而使被切岩石的机械强度大幅度降低，为钻头旋转剪切破岩创造有利条件。

在目前深井、超深井开发过程当中，由于钻杆柱长度的逐渐增加会造成管柱摩阻越来越大，地面驱动和和功率损耗不断增大，导致钻进速度很低，是制约深井、超深井钻井工程的主要难题之一。而当前采用的各类冲击器由于振动大、能耗高，普遍存在一些问题，包括：冲击载荷较大、冲击器的冲击频率较低等。

为此，本发明提供一种高频复合冲击器，高压钻井液通过该工具的自激腔产生高频轴向冲击力，经过分流后扭转冲击部分产生周向扭转冲击力，通过下接头将冲击力作用于钻头，在高频复合冲击器的冲击力作用下，钻头的破岩能力增强，基于其高频轴向冲击与扭转冲击的完美结合，可在复杂及深硬地层更好的抑制钻柱的粘滑、跳钻等现象，从而降低钻柱与井壁之间的摩擦，加速钻头破岩，提高钻进效率。

发明内容

本发明提供一种高频复合冲击器，工作时高频轴向冲击部分将稳定流动的钻井流体转换为具有压力振荡的脉冲射流，实现高频轴向冲击，扭转冲击部分通过分流，实现扭转冲击，最终实现高频多向耦合冲击，可在复杂及深硬地层有效抑制钻柱粘滑、避免跳钻等现象。

本发明的技术方案是：高频复合冲击器，其特征在于：高频复合冲击器位于钻头与上部钻柱之间，包括高频轴向冲击总成和扭转冲击总成。

所述的高频轴向冲击总成包括上自激振荡腔、下自激振荡腔、调整块、锁母；上自激振荡腔上端设有弧形流道口，下端设有锥型端面，锥形端面与中轴线呈60°夹角，周向设有四个均布的定位孔，上自激振荡腔通过螺钉与下自激振荡腔连接；下自激振荡腔下端设有向上突出的锥型流道口，锥面与中轴线呈60°夹角与内壁形成槽状结构，上自激振荡腔与下自激振荡腔组合形成自激振荡腔，在锥形流道口的作用下，将稳态流动的钻井液转换为具有压力振荡的脉冲射流，实现高频轴向冲击；调整块安装在下自激振荡腔与锁母之间，锁母内壁开有六边形通道，保证钻井液通过高频轴向冲击总成后能够进入扭转冲击总成，锁母外部设有外螺纹，与接头连接，锁母将整个高频轴向冲击总成固定在上接头中，并且将高频轴向冲击部分产生的高频轴向冲击传递到上接头。

所述的扭转冲击总成包括上端盖、下壳体、摆锤、换向拨叉、下端盖、下喷嘴、连接块、挡环；下壳体安装在上端盖与下端盖之间，下壳体与上端盖、下端盖之间均通过螺钉连接，下壳体内依次安装摆锤、换向拨叉，下喷嘴安装在下端盖内部，组成扭转冲击部分；连接块安装在下接头与下端盖之间，挡环安装在下接头与连接块之间，下接头与上接头通过螺纹连接；下壳体外圆面设有两个对称分布的定位槽，与上接头内部的定位块配合，对整个扭转冲击部分进行周向定位，同时将摆锤产生的扭转冲击传递到上外壳，上外壳传递到下外壳，下外壳在将扭转冲击传递到钻头。

所述的上端盖设有高压流道口a、高压流道口b、高压流道口c、高压流道口d、4个螺纹孔a、台阶轴a；高压流道口将上部高压钻井液引流到扭转冲击部分，4个螺纹孔a与下壳体的螺纹孔a对应，两者通过螺钉连接，台阶轴a位于换向拨叉与摆锤之间，形成封闭的空间，实现状态切换。

所述的换向拨叉设有中心流道；两个侧流道：侧流道a和侧流道b，四个挡块：挡块a、挡块b、挡块c、挡块d，中心流道通过上端盖直接与高频轴向冲击部分连通，侧流道与中心流道连通，使其一直处于高压状态。

所述的摆锤设有8个流道：流道a、流道b、流道c、流道d、流道e、流道f、流道g、流道h，两个摆锤：摆锤a和摆锤b，两个限位块：限位块a和限位块b。

所述的下壳体设有4个高压流道：高压流道a、高压流道b、高压流道c、高压流道d，两个泄压流道：泄压流道a和泄压流道b，两个弧形槽：弧形槽a和弧形槽b，高压流道与上端盖中的高压流道口对应，使其一直处于高压状态；泄压流道与下端盖的泄压流道口对应，使其一直处于泄压状态。

所述换向拨叉、摆锤、下壳体之间能够发生相对转动，换向拨叉转动实现各个流道内高压钻井液和低压钻井液的变化，高压钻井液推动摆锤运动，实现扭转冲击。

所述的下喷嘴安装在下端盖的内孔中，上部高压钻井液经过下喷嘴时会产生压差，使得扭转冲击部分上端的压力大于下端；所述的连接块与下端盖之间形成锥型空腔，连通中心流道与泄压口，连接块设有外螺纹与下接头连接。

本发明与现有技术比较，其具有以下有益效果：(1)自激腔的设计能够使得高频轴向冲击部分产生持续的高频率轴向冲击；(2)高频轴向冲击部分内无运动件，减少了零部件的磨损增加了使用寿命；(3)扭转冲击部分能够实现顺时针、逆时针两个方向连续的扭转冲击；(4)在实现高频轴向冲击同时，并通过分流实现扭转冲击，最终实现高频复合冲击，在复杂及深硬地层有效抑制钻柱的粘滑、避免跳钻等现象。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是上自激振荡腔剖面图；

图3是下自激振荡腔剖面图；

图4是上端盖结构示意图；

图5是下端盖结构示意图；

图6是下壳体结构示意图；

图7是摆锤剖面图；

图8是换向拨叉剖面图；

图9是扭转冲击部分状态图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，仅用于说明本发明的原理，并未按照实际的比例绘制。

在附图中各附图标记的含义如下：1-上自激振荡腔，101-弧形流道口，102-定位孔，103-锥型端面，2-调整块，3-上端盖，301-高压流道口a，302-台阶轴a，303-高压流道口d，304-高压流道口c，305-螺纹孔a，306-高压流道口b，4-摆锤，401-摆锤a，402-流道a，403-流道b，404-限位块a，405-流道c，406-流道d，407-摆锤b，408-流道e，409-流道f，410-限位块b，411-流道g，412-流道h，5-下端盖，501-泄压口a，502-台阶轴b，503-泄压口c，504-泄压口b，506-泄压口d，6-挡环，7-上接头，8-下接头，9-下自激振荡腔，902-锥型流道口，903-锥面，10-锁母，11-换向拨叉，111-挡块a，112-中心流道，113-挡块b，114-侧流道b，115-挡块c，116-挡块d，117-侧流道a，12-下壳体，121-弧形槽a，122-高压流道a，123-泄压流道a，124-高压流道b，125-弧形槽b，126-高压流道c，127-泄压流道b，128-高压流道d，13-下喷嘴，14-连接块，001-泄压腔a，002-泄压腔b，003-高压腔a，004-高压腔b，005-摆锤腔a，006-摆锤腔b，007-摆锤腔c，008-摆锤腔d，009-高压腔c，010-高压腔d。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参见附图1、附图2和附图3，本发明的技术方案是：高频复合冲击器，其特征在于：高频复合冲击器位于钻头与上部钻柱之间，包括高频轴向冲击总成和扭转冲击总成；所述的高频轴向冲击总成包括上自激振荡腔1、下自激振荡腔9、调整块2、锁母10；上自激振荡腔1上端设有弧形流道口101，下端设有锥型端面103，形成流体入口，周向设有四个螺纹孔；下自激振荡腔9下端设有锥型流道口903，锥型流道口902的锥面903与下自激振荡腔9内壁夹角为60°；调整块2安装在下自激振荡腔9与锁母10之间，锁母10内壁开有六边形通道，外部设有外螺纹；所述的扭转冲击总成包括上端盖3、下壳体12、摆锤4、换向拨叉11、下端盖5、下喷嘴13、连接块14、挡环6；下壳体12安装在上端盖3与下端盖5之间，下壳体12与上端盖3之间、下壳体12与下端盖5之间通过螺钉连接，下壳体12内部依次安装摆锤4、换向拨叉11，下喷嘴13安装在下端盖5内部，连接块14安装在下接头与下端盖5之间，挡环6安装在下接头8与连接块14之间。

参见附图4、附图5、附图6、附图7和附图8，本发明的技术方案是：高频复合冲击器，其特征在于：下壳体12安装在上端盖3与下端盖5之间，下壳体12上的螺纹孔a305与上端盖3和下端盖5上的螺纹孔a305对应，通过螺钉固定，摆锤4、换向拨叉11依次安装在下壳体12内部；所述下壳体12泄压流道a123与下端盖泄压口a501连通、泄压流道b127与下端盖泄压口b504连通，一直处于泄压状态，高压流道d128和高压流道口b306对应、高压流道a122和高压流道口c304对应、高压流道b124和高压流道口d303对应、高压流道c126和高压流道口a301对应，一直处于高压状态。

所述的换向拨叉11侧流道a117两侧的空腔为连通状态且与下端盖5的泄压口c503连通，换向拨叉11侧流道b114两侧的空腔为连通状态且与下端盖5的泄压口d506连通；所述的摆锤腔a005和摆锤腔c007通过流道a402和流道h412与侧流道a117或泄压口c503连通，实现加压和泄压，摆锤腔b006和摆锤腔d008通过流道d406和流道e408与侧流道b114或泄压口d506连通，实现加压和泄压，完成扭转冲击动作。

参见附图9，在一个具体实例中，扭转冲击总成完成一次冲击有5个状态包括：状态1、状态2、状态3、状态4、状态5。从状态1到状态3为顺时针冲击过程，状态3到状态5为逆时针冲击过程，两个过程互相转换，完成持续的轴向冲击，具体冲击过程为：

所述的状态1设定为扭转冲击部分顺时针冲击过程的初始状态，泄压流道a123、流道g411和挡块d116构成泄压腔a001，泄压流道b127、流道c405和挡块b113构成泄压腔b002；高压流道a122、流道b403和挡块a111构成高压腔a003，高压流道c126、流道f409和挡块c115构成高压腔b004；弧形槽a121、流道h412和挡块d116构成摆锤腔a005，弧形槽b125、流道d406和挡块b113构成摆锤腔b006；弧形槽a121、流道a402和侧流道a117构成摆锤腔c007，弧形槽b125、流道e408和侧流道b114构成摆锤腔d008。

高压钻井液从上端盖3的高压流道口a301进入高压腔a003、从高压流道口c304进入高压腔b004，同时泄压腔a001和泄压腔b002处于泄压状态，由于钻井液压力作用换向拨叉11逆时针转动，扭转冲击部分从状态1切换为状态2。此时，状态2中的摆锤腔a005与侧流道a117连通、摆锤腔b006与侧流道b114连通，摆锤腔c007与泄压口c503连通、摆锤腔d008与泄压口d506连通，中心流道112中的高压钻井液通过两个侧流道进入摆锤腔a005和摆锤腔b006，推动摆锤4顺时针转动，摆锤内部的限位块a404推动挡块d116，使得换向拨叉11与摆锤4同步顺时针旋转，完成一次顺时针冲击，扭转冲击部分从状态2转换到状态3。此时，高压流道d128、流道g411和挡块d116构成高压腔c009，高压流道b124、流道c405和挡块a113构成高压腔d010；高压钻井液从上端盖3的高压流道口b306进入高压腔c009，从高压流道口d303进入高压腔d010，同时泄压腔a001和泄压腔b002处于泄压状态，在钻井液的压力作用下，换向拨叉11顺时针旋转到极限位置，扭转冲击部分从状态3转换到状态4。

扭转冲击部分完成顺时针冲击后，进入逆时针冲击，设定状态4为逆时针冲击的初始状态。此时，状态3中的摆锤腔c007与侧流道a117连通、摆锤腔d008与侧流道b114连通、摆锤腔a005与泄压口c503连通、摆锤腔b006与泄压腔d506连通，中心流道112中的高压钻井液通过两个侧流道进入摆锤腔c007和摆锤腔d008，推动摆锤4逆时针转动，摆锤4内部的限位块b410推动挡块a111，使得换向拨叉11与摆锤4同步逆时针旋转，完成一次逆时针冲击，扭转冲击部分从状态4转换到状态5。此时，高压钻井液从上端盖3的高压流道口a301进入高压腔a003、从高压流道口c304进入高压腔a004，同时泄压腔a001和泄压腔b002处于泄压状态，在钻井液的压力作用下换向拨叉11逆时针转动，扭转冲击部分从状态5切换到状态2，至此，一个完整的扭转冲击过程结束，以此往复，在钻井液的作用下不断重复该过程，实现连续的扭转冲击。

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。

Claims (6)

1.高频复合冲击器，其特征在于：高频复合冲击器包括高频轴向冲击总成和扭转冲击总成；

所述的高频轴向冲击总成包括：上自激振荡腔(1)、下自激振荡腔(9)、调整块(2)、锁母(10)；上自激振荡腔(1)上端设有弧形流道口(101)，下端设有锥型端面(103)，形成流体入口，周向设有四个定位孔(102)；下自激振荡腔(9)下端设有锥型流道口(902)，与下自激振荡腔(9)内壁形成槽状结构；调整块(2)安装在下自激振荡腔(9)与锁母(10)之间，锁母(10)内壁开有六边形通道，外部设有外螺纹；

所述的扭转冲击总成包括：上端盖(3)、下壳体(12)、摆锤(4)、换向拨叉(11)、下端盖(5)、下喷嘴(13)、连接块(14)、挡环(6)；下壳体(12)安装在上端盖(3)与下端盖(5)之间，通过螺钉连接，由外到内依次安装下壳体(12)、摆锤(4)、换向拨叉(11)，下喷嘴(13)安装在下端盖(5)内部，组成扭转冲击部分；连接块(14)安装在下接头(8)与下端盖(5)之间，挡环(6)安装在下接头(8)与连接块(14)之间。

2.根据权利要求1所述的高频复合冲击器，其特征在于：所述的上自激振荡腔(1)与下自激振荡腔(9)设有四个对应的定位孔，下自激振荡腔(9)内部的锥型流道口(902)锥面(903)与内壁夹角为60°，上自激振荡腔(1)与下自激振荡腔(9)组合形成高频轴向冲击部分。

3.根据权利要求1所述的高频复合冲击器，其特征在于：所述的上端盖(3)设有高压流道口a(301)、高压流道口b(306)、高压流道口c(304)、高压流道口d(303)、4个螺纹孔a(305)、台阶轴a(302)；高压流道口将上部高压钻井液引流到扭转冲击部分；4个螺纹孔a(305)周向分布并与下壳体的螺纹孔a(305)对应，两者通过螺钉连接；台阶轴a(302)位于换向拨叉(11)与摆锤(4)之间。

4.根据权利要求1所述的高频复合冲击器，其特征在于：所述的换向拨叉设有中心流道(112)，两个侧流道：侧流道a(117)和侧流道b(114)，四个挡块：挡块a(111)、挡块b(113)、挡块c(115)、挡块d(116)；所述的摆锤设有8个流道：流道a(402)、流道b(403)、流道c(405)、流道d(406)、流道e(408)、流道f(409)、流道g(411)、流道h(412)，两个摆锤：摆锤a(401)和摆锤b(407)，两个限位块：限位块a(404)和限位块b(410)；所述的下壳体设有4个高压流道：高压流道a(122)、高压流道b(124)、高压流道c(126)、高压流道d(128)，两个泄压流道：泄压流道a(123)和泄压流道b(127)，两个弧形槽：弧形槽a(121)和弧形槽b(125)；换向拨叉(11)、摆锤(4)、下壳体(12)之间能够发生相对转动，换向拨叉(11)转动实现各个流道内高压钻井液和低压钻井液的变化，高压钻井液推动摆锤(4)运动。

5.根据权利要求1所述的高频复合冲击器，其特征在于：所述的下端盖(5)设有4个泄压口：泄压口a(501)、泄压口b(504)、泄压口c(503)、泄压口d(406)，四个螺纹孔a(305)和台阶轴b(502)，其中泄压口a(501)和泄压口c(503)位于台阶轴b(502)上，台阶轴b(502)位于换向拨叉(11)与摆锤(4)之间。

6.根据权利要求1所述的高频复合冲击器，其特征在于：所述的下喷嘴(13)安装在下端盖(5)的内孔中，使得上部高压钻井液经过下喷嘴(13)时会产生压差；所述的连接块(14)与下端盖(5)之间形成锥型空腔，连通中心流道(112)与泄压口，连接块(14)设有外螺纹与下接头(8)连接。

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