CN116291182A - 一种可提高工作性能的阀式双作用液动冲击器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可提高工作性能的阀式双作用液动冲击器及方法，包括连接段、伸缩段、冲击段、外部壳体；所述连接段为上接头，用于与上部钻杆连接；在上接头下方设有伸缩段，伸缩段包括上缸套、限位垫、活阀、活塞锤；冲击段包括砧子、钻头组件，外部壳体包括外壳管；活阀用于与高压的驱动液体相互作用，相对于外壳管进行往复运动，驱动活塞锤周期性的击打砧子，砧子受到的冲击功传递给与之连接的钻头组件，进行冲击破岩。本发明包含既能滑动又能隔压的活阀和活塞锤组成的阀式结构，使活阀与活塞锤在上下往复运动中无刚性碰撞，降低能量的无用损耗，降低钻头的额外负荷，提高钻头破岩能量和效率，减弱零件由刚性碰撞损坏的风险，提高冲击器寿命。

Description

一种可提高工作性能的阀式双作用液动冲击器及方法

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，特别涉及钻井技术领域，具体是一种可提高工作性能的阀式双作用液动冲击器及方法。

背景技术

当前，世界范围内液动冲击器的研究已经到达非常成熟的领域，应用最为广泛的一种液动冲击器为阀式双作用液动冲击器，阀式双作用式液动冲击器是目前研究得最多、应用最广的一种液动冲击器。它作为辅助碎岩工具安装在回转钻具上，通过变切削为切削加冲击的破岩模式，广泛应用于地质勘探、油气田开发钻探、钻井领域。有利于提高钻进效率、提高岩心采取率、防破碎岩层堵卡钻具、提高钻头使用寿命、控制钻孔偏斜。它利用面积差或者射流负压卷吸作用产生的压力差，让活阀先于冲锤杆到达上限位位置，然后冲锤杆上行与活阀碰撞闭合，关闭水路通道，从而在冲击器上腔产生巨大的水击压强，水击压强作用于冲锤杆与活阀上端面，产生向下的推力，推动冲锤杆活阀一起下行，活阀在下限位装置作用下停止运动，冲锤杆在惯性力作用下继续下行一段自由行程后击打砧座，此过程循环往复，进行冲击做功。

从上述工作原理看，液动冲击器要想发挥最佳性能，必须保证两个条件：一是保证活塞锤与砧子碰撞前无大量摩擦接触、水流阻力等能量损耗，高压液流的压力被最大程度的利用；二是保证活塞锤与活阀在正常工作的期间，不会相互有刚性碰撞，导致的能量损耗、提前脱离导致回程提前进行的情况。但现有液动冲击器技术的阀控机构中活阀和冲锤采用分离式结构，和冲程为一固定值，冲回程末了与活阀接触后，大量的能量消耗在锤阀剧烈碰撞上，甚至出现向上的击打力大于向下的冲击力，并且在实际应用中会因为加工配合精度、冲洗液压力变化、含砂量等原因出现冲锤与活阀的刚性碰撞会损耗大量能量，从而导致冲击频率不稳、冲击功降低、水能利用率低、冲击器工作性能下降等问题出现。且其结构本身的长期冲击碰撞，将对使用寿命造成影响，增加维修和更换的频率，让使用成本增大，未达到最优解决效果。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种可提高工作性能的阀式双作用液动冲击器及方法，以解决现有液动冲击器技术中锤阀刚性碰撞、高压液流不稳定导致活阀冲锤无法正常工作、冲击器性能不稳定的技术不足的问题，从而保证钻头平稳破岩，提高钻头破岩能量和效率，减弱零件由刚性碰撞损坏的风险，提高冲击器寿命、整个钻井***的稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供一种技术方案如下：

一种可提高工作性能的阀式双作用液动冲击器，其特征在于，包括连接段、伸缩段、冲击段、外部壳体；所述连接段为上接头，用于与上部钻杆连接；在上接头下方设有伸缩段，伸缩段包括上缸套、限位垫、活阀、活塞锤；冲击段包括砧子、钻头组件，外部壳体包括外壳管；活阀用于与高压的驱动液体相互作用，相对于外壳管进行往复运动，驱动活塞锤周期性的击打砧子，砧子受到的冲击功传递给与之连接的钻头组件，进行冲击破岩；在连接段、伸缩段、冲击段内均设有流道，让液体从上到下流动，并通过液体带动伸缩段运动实现对冲击段传导动力。

进一步的，所述上接头、上缸套、限位垫、活阀、活塞锤的中部均为空心结构，自上而下形成一段流道作为中心水路，以中心水路的打开与闭合实现往复运动，并在过程中冲击破岩；

所述活阀为中空筒体，活阀的外壁包括上中下三段，活阀的上段外壁为两端突出中间收缩的哑铃状，且上段的下部台肩的外径大于上部边缘的外径，通过这上下两端卡在限位垫内，限位垫用于限制活阀的上下位移极限位置；活阀中段的外径大于下段，在下段的底部设有侧面开口的流道；所述活阀的上部套设在上缸套的内流道中；

所述活塞锤为上下贯穿的中空筒体，活塞锤的内壁包括上中下三段，活塞锤的上段内壁自上而下设有三段台阶，第一段的内径小于第二段内径，第二段内径大于第三段内径，形成一段环形腔体，第三段作为活塞锤中心水孔，且第一段的内径与活阀的中段外径匹配，第三段的内径与活阀的下段外径匹配；活塞锤的中段内壁为直管段作为中心液流通道；活塞锤的下段作为内缩圆柱段与中心液流通道之间设有水平的台阶，且内缩圆柱段的内径大于中心液流通道，内缩圆柱段的内壁套设在砧子的外侧；所述活塞锤的外壁上侧设有从上到下直径依次变大的三层，且在上缸套的外侧设有导向套，导向套下方设有活塞锤导向套，所述活塞锤导向套与活塞锤外壁上侧的第二层外径相匹配；所述中心液流通道的侧面设有至少两个贯穿活塞锤壁面的侧向节流孔，侧向节流孔直径远小于中心液流通道的内径，活塞锤与外壳管之间有一段环空，作为外侧排水环空。

进一步的，钻头组件的上端连接到砧子的下方，钻头组件的外径面上部设有钻头上限位段，确保钻头组件在上下运动的时候不会从外壳管内脱出，钻头组件中部设有花键段，在外壳管内侧设有与花键段配套的内花键，确保钻头能顺着内花键上下运动，让钻头组件不发生转动，在花键段下方设有冲击钻头，冲击钻头位于外壳管的下侧，且冲击钻头的外径大于花键段，通过冲击钻头与花键段的台阶保持钻头组件向上运动的极限位移。

进一步的，所述钻头组件对应的外壳管内壁从上到下依次设有导向衬套、止动环、套筒，所述套筒内设有内花键，所述止动环与钻头上限位段配合，限制钻头组件的向下位移；所述套筒的外侧设有外螺纹，所述外壳管的底部设有内螺纹，套筒与外壳管的底部通过螺接固定，在外壳管下侧内部设有一段台阶，当套筒安装到位时，将导向衬套抵紧到外壳管下侧的台阶上。

进一步的，所述活阀的底部为封闭结构，将设在活阀底部上方侧面开口的流道作为侧向排水孔，侧向排水孔所对应的环形腔体底部在初始状态下与活阀的底部保持靠近，且活阀的底部设有倒角，活塞锤中心水孔的上边缘也设有倒角，让活阀的底部与活塞锤中心水孔之间在初始状态下保持间隙。

进一步的，所述砧子包括内径与内缩圆柱段匹配的上段及内径大于内缩圆柱段的下段，且砧子上段与内缩圆柱段的水平面台阶接触，砧子下段与砧子上段之间的台阶与活塞锤的底部接触，在活塞锤与砧子抵接的情况下，内缩圆柱段的水平段台阶与砧子的顶部之间有多条槽体，作为抬锤槽；

砧子的下段向上设有沉孔，在砧子下段与砧子上段之间的台阶设有多个外侧排水孔连接到沉孔，在对应外侧排水孔的活塞锤上设有多个泄流孔；

在所述钻头组件中设有钻头中心水孔，承接从外侧排水孔送来的液体并从冲击钻头中排出。

进一步的，所述上接头通过下方侧面设置的螺纹段与外壳管的上部内侧连接，在上接头与外壳管之间设有密封圈；所述上缸套套设在导向套内，且上缸套短于导向套，导向套的底部设有向内收缩的台阶，在上缸套和导向套之间通过台阶固定有限位垫，限位垫为一侧开口的环形结构，且开口侧的宽度与活阀的上段的最小外径相同，限位垫卡入活阀后，通过活阀实现上下运动的限位。

一种采用上述无刚性碰撞的阀式双作用液动器进行液动冲击的方法，包括如下步骤：

S1、在初始状态下，活塞锤与活阀在重力作用下，均处于最低位置；

S2、从顶部输入的液体的压力包括启动值和上限值；当压力大于上限值时，从井口送来的高压液体通过中心钻杆柱向上接头的进水口送入液动冲击器时，首先进入活阀内腔，从内腔底部的侧向排水孔流入活阀与活塞锤形成的环形腔体内，由于活阀此时处于最低位，与活塞锤之间的缝隙太小，无法让大量液体进入活塞垂活塞锤中心水孔，环形腔体内压力极速升高，迫使质量较轻的活阀迅速向上运动直到活阀的台肩被限位垫挡住；

活阀上升后，由于从环形腔体到活塞锤中心水孔的流道打开，高压液体进入活塞锤的中心液流通道下端，高压液体通过侧向节流孔流出，但由于侧向节流孔的尺寸较小，无法及时排出所有中心液流通道内的液体，此时大量液体在中心液流通道内憋压，并再次作用在活阀的下表面将其抬升，由于活阀的上表面面积受到的压力和自身重力小于下表面压力，故活阀继续维持在向上位移极限处；

S3、中心液流通道内憋压后使抬锤槽内受压，并将整个活塞锤向上抬升，直到活塞锤上升到活塞锤中心水孔运动到活阀的底部并相互插接，此时环形腔体到活塞锤中心水孔的通道被阻塞，活塞锤的上移速度下降但并未停止，此时活阀在通道阻塞后上部受压远大于下部，产生水击效应，活阀迅速下移到最低位，同时活阀的下半部分***活塞锤中心水孔中，活塞锤由上移转为停止并向下运动；

在活塞锤向上运动到极限时，此时内缩圆柱段与砧子之间通过外侧排水孔与外侧排水环空联通，中心液流通道内的高压液体从侧向节流孔和外侧排水孔流出，并通过泄流孔进入钻头中心水孔，从冲击钻头的喷孔喷出后辅助破岩排屑。

S4、由于环形强势的空间减小，压力增大，活塞锤在受压下加速向下冲击，快速移动到最低处撞击到砧子的上表面，砧子将受到的冲力均匀的传递到钻头组件上，并通过冲击钻头实现冲击破岩，在花键段的限制下，钻头组件只做轴向运动，不发生周向转动；

S5、活塞锤击打砧子后，由于活阀被限位垫限位制动，且活塞锤移动到最低处后受到岩石反向推力恢复到初始状态的初始位置，阀锤和活塞锤都位于最低处，再次出现S2中的情况，活阀再次上升，并等待活塞锤的再次上升，然后再次产生水击效应让活塞锤冲击砧子，实现液动冲击。

进一步的，前述的步骤S2中，当压力小于极限值并大于启动值时，启动后，活阀不会迅速到达上限位，而是在有自重、克服凸锥处受到的下冲击力、环形空腔的上行压力三者的作用下，在上移过程中间某段停住，并未达到上移极限位置；同时，活塞锤的位移极限也将以此改变，不会到达步骤S2中所述的最高位即转为向下移动，该情况不会影响正常破岩，但会使得破岩的冲击功减小。

与现有液动冲击器相比，本发明的特点和优势是：

1.本发明采用活塞锤与活阀分离式结构，能够实现整个钻头在破岩钻进过程中锤阀结构无刚性碰撞，进而消除向上的击打力大于向下的冲击力的可能性，水击压强作用于环形击锤受力面上，受力面积小，使得活塞锤在冲程运动时获得很高的下行冲击速度，提高能量的利用率，从而保证液动冲击器钻头有足够大的冲击功，能够平稳高效破岩，提高钻头寿命、整个钻井***的稳定性。

2.活塞锤周围有环形空腔，减少摩擦损耗，下端有侧向节流孔和外侧排水孔，能够最大程度减少活塞锤中残留的液流对冲击功的削弱，进一步提高钻井效率。

3.本发明采用上下活塞锤导向套的设计，能够根据输入的高压液流动态变化使用方式，结构简单，易拆装，无需较高的加工精度，节约成本。

4.本发明可以通过调节水压，实现全冲程和部分冲程的变换，以便适应不同的岩层所需的冲击力，同时能对钻头组件和活阀有更合理的使用安排，延长使用寿命。

5.侧向节流孔和外侧排水孔在活塞锤内腔压力过大能起到减压作用，避免结构变形。

附图说明

图1为本发明的剖面结构示意图；

图2为图1的上部示意图；

图3为图1的下部示意图；

图4为锤阀结构示意图；

图5为钻头组件结构示意图；

图6为活塞锤结构示意图；

图7为活阀结构示意图；

图8为砧子结构示意图；

图9为图1中的A-A截面示意图；

图10为图1中活阀上移后的状态示意图；

图11为图10中活塞锤上移状态示意图。

图中：

1.上接头、2.密封圈、3.上缸套、4.导向套、5.限位垫、6.活阀、7.活塞锤导向套、8.活塞锤、9.外壳管、10.砧子、11.导向衬套、12.限位段、13.止动环、14.花键段、15.套筒、16.收口圆柱段、17.冲击钻头、18.进水口、19环槽、20.台肩、21.排砂槽、22.环形腔体、23.侧向排水孔、24活塞锤中心水孔、25.中心液流通道、26.外侧排水环空、27.侧向节流孔、28.内缩圆柱段、29.抬锤槽、30.外侧排水孔、31.泄流孔、32.钻头中心水孔。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明，需要说明的是，在本文中，诸如“上”、“下”等词语，仅仅用于方便对附图进行描述，并非限制实际使用中的方向，且不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

如图1-11所示，一种可提高工作性能的阀式双作用液动冲击器，包括连接段、伸缩段、冲击段、外部壳体；所述连接段为上接头1，用于与上部钻杆连接；在上接头1下方设有伸缩段，伸缩段包括上缸套3、限位垫5、活阀6、活塞锤8；冲击段包括砧子10、钻头组件，外部壳体包括外壳管9；活阀6用于与高压的驱动液体相互作用，相对于外壳管9进行往复运动，驱动活塞锤8周期性的击打砧子10，砧子10受到的冲击功传递给与之连接的钻头组件，进行冲击破岩；在连接段、伸缩段、冲击段内均设有流道，让液体从上到下流动，并通过液体带动伸缩段运动实现对冲击段传导动力。所述上接头1、上缸套3、限位垫5、活阀6、活塞锤8的中部均为空心结构，自上而下形成一段流道作为中心水路，以中心水路的打开与闭合实现往复运动，并在过程中冲击破岩；活阀6和活塞锤8组成阀式结构，所述活阀6为中空筒体，中空筒体的下半部分为向内延伸一小段的凸锥型，锥角为120°；活阀6的外壁包括上中下三段，活阀6的上段外壁为两端突出中间收缩的哑铃状，且上段的下部台肩20的外径大于上部边缘的外径，通过这上下两端卡在限位垫5内，限位垫5用于限制活阀6的上下位移极限位置；活阀6上部内侧的环槽19加工有倒角25°，使得活阀上端不会因高压而导致无法上移的情况，也保证了驱动液体的聚集性，活阀6在限位垫5内可上下自由活动；活阀6上下运动是由台肩20和限位垫5进行限位控制，台肩20向外凸出10mm，倒圆角5mm；活阀6中段的外径大于下段，在下段的底部设有侧面开口的流道；活阀6中段为光滑圆柱面，大径径向圆跳动为0.01～0.03mm，表面粗糙度Ra值为0.63～0.16μm，活阀6底部倒圆角5mm；所述活阀6的上部套设在上缸套3的内流道中；所述活塞锤8为上下贯穿的中空筒体，活塞锤8的内壁包括上中下三段，活塞锤8的上段内壁自上而下设有三段台阶，第一段的内径小于第二段内径，第二段内径大于第三段内径，形成一段环形腔体22，第三段作为活塞锤中心水孔24，且第一段的内径与活阀6的中段外径匹配，第三段的内径与活阀6的下段外径匹配；活阀6下端受力面为水平圆形面，上端受力面为圆锥面；活塞锤8的中段内壁为直管段作为中心液流通道25；活塞锤8的下段作为内缩圆柱段28与中心液流通道25之间设有水平的台阶，且内缩圆柱段28的内径大于中心液流通道25，内缩圆柱段28的内壁套设在砧子10的外侧，并保持2mm的间隙配合，反复的冲击也不会偏离砧子10的中心位置；所述活塞锤8的外壁上侧设有从上到下直径依次变大的三层，且在上缸套3的外侧设有导向套4，导向套4下方设有活塞锤导向套7，所述活塞锤导向套7与活塞锤8外壁上侧的第二层外径相匹配；所述中心液流通道25的侧面设有至少两个贯穿活塞锤8壁面的侧向节流孔27，侧向节流孔27直径远小于中心液流通道25的内径，；活塞锤8与外壳管9之间有一段环空，作为外侧排水环空26，且侧向节流孔27所在的活塞锤8的外侧圆柱面为向内收缩10mm的收口圆柱段16，以减少从侧向节流孔27喷出的液体对外壳管9的冲击力，降低对外壳管9的破坏，选择10mm的收缩距离是考虑到强度符合要求的情况下最大的收缩值。活塞锤8上部和活阀6中部间隙配合，高压液流不会从活塞锤8上部和活阀6中部的间隙喷出；活阀6下端面与活塞锤中心水孔24上端面齐平且有2mm的直径差。受液体压力较大时，环形腔体22上部为45°斜面，上部斜面的面积大于下部水平面面积，形成环形面积差，驱动液体向下的压力远大于向上的压力，处于下限位的活塞锤8无法向下移动，使得质量小的活阀6迅速移动到上限位，且中心水路打开，活塞锤8开始上行，至活阀6底部刚好***活塞锤中心水孔24，中心水路关闭并产生水击压强，水击压强再次作用于该环形面积上，由于驱动液体在该环形腔体产生的向下的环形压差极大，可推动活塞锤8快速向下，由于该水平环形受力面积比较小，使得活塞锤8再冲程运动时具有较高的下行速度，从而获得较高的击砧末速度，有利于增大液动冲击器的冲击功，提高工作性能。

钻头组件的上端连接到砧子10的下方，钻头组件的外径面上部设有钻头上限位段12，确保钻头组件在上下运动的时候不会从外壳管9内脱出，钻头组件中部设有花键段14，在外壳管9内侧设有与花键段14配套的内花键，确保钻头能顺着内花键上下运动，让钻头组件不发生转动，在花键段14下方设有冲击钻头17，冲击钻头17位于外壳管9的下侧，且冲击钻头17的外径大于花键段14，通过冲击钻头17与花键段14的台阶保持钻头组件向上运动的极限位移。

所述钻头组件对应的外壳管9内壁从上到下依次设有导向衬套11、止动环13、套筒15，所述套筒15内设有内花键，所述止动环13与钻头上限位段12配合，限制钻头组件的向下位移；所述套筒15的外侧设有外螺纹，所述外壳管9的底部设有内螺纹，套筒15与外壳管9的底部通过螺接固定，在外壳管9下侧内部设有一段台阶，当套筒15安装到位时，将导向衬套11抵紧到外壳管9下侧的台阶上。

所述活阀6的底部为封闭结构，将设在活阀6底部上方侧面开口的流道作为侧向排水孔23，侧向排水孔23所对应的环形腔体22底部在初始状态下与活阀6的底部保持靠近，且活阀6的底部设有倒角，活塞锤中心水孔24的上边缘也设有倒角，让活阀6的底部与活塞锤中心水孔24之间在初始状态下保持间隙。

所述砧子10包括内径与内缩圆柱段28匹配的上段及内径大于内缩圆柱段28的下段，且砧子10上段与内缩圆柱段28的水平面台阶接触，砧子10下段与砧子10上段之间的台阶与活塞锤8的底部接触；在活塞锤8与砧子10抵接的情况下，内缩圆柱段28的水平段台阶与砧子10的顶部之间有多条槽体，作为抬锤槽29；砧子10的下段向上设有沉孔，在砧子10下段与砧子10上段之间的台阶设有多个外侧排水孔31连接到沉孔，在对应外侧排水孔31的活塞锤8上设有多个泄流孔30；在所述钻头组件中设有钻头中心水孔32，承接从外侧排水孔31送来的液体并从冲击钻头17中排出。钻头组件的所有零件组装简单，对轴向公差的要求低，增加的公差被轴向弹性压缩所吸收，所有零件都很容易在冲击器外壳管9内滑动，因此拆卸时很容易拆卸。

所述活塞锤导向套7是用于让活塞锤8上移的时候使其聚拢到轴心的位置，活塞锤导向套7下端为排砂槽21，活塞锤8上部与活塞锤导向套7底部靠近位置有段过渡圆倒角10mm，内径大于活塞锤上端5mm，保证活塞锤8能准确***活塞锤导向套7中且不会有直接接触，活塞锤导向套7下端为排砂槽21可将进入活塞锤8上部与上缸套3之间空腔中的泥砂导入外侧排水孔31中。

所述上接头1通过下方侧面设置的螺纹段与外壳管9的上部内侧连接，在上接头1与外壳管9之间设有密封圈2；所述上缸套3套设在导向套4内，且上缸套3短于导向套4，导向套4的底部设有向内收缩的台阶，在上缸套3和导向套4之间通过台阶固定有限位垫5，限位垫5为一侧开口的环形结构，且开口侧的宽度与活阀6的上段的最小外径相同，限位垫5卡入活阀6后，通过活阀6实现上下运动的限位。

采用上述方案，选择模拟四川盆地南部地区气井钻探，深度2400m，以褐色致密块状石英长石泥质粉砂岩为主，故经过岩心取等分析，设置本地的启动值压力P1为18MPa，P_max为20MPa，进行计算机模拟。实现的一种无刚性碰撞的阀式双作用液动冲击方法，包括如下步骤：

S1、在初始状态下，活塞锤8与活阀6在重力作用下，均处于最低位置；

S2、从顶部输入的液体的压力包括启动值P1和上限值P_max；当压力大于上限值P_max时，从井口送来的高压液体通过中心钻杆柱向上接头1的进水口18送入液动冲击器时，首先进入活阀6内腔，从内腔底部的侧向排水孔23流入活阀6与活塞锤8形成的环形腔体22内，由于活阀6此时处于最低位，与活塞锤8之间的缝隙太小，无法让大量液体进入活塞锤中心水孔24，环形腔体22内压力极速升高，迫使质量较轻的活阀6迅速向上运动直到活阀的台肩20被限位垫5挡住；

活阀6上升后，由于从环形腔体22到活塞锤中心水孔24的流道打开，高压液体进入活塞锤8的中心液流通道25下端，高压液体通过侧向节流孔27流出，但由于侧向节流孔27的尺寸较小，无法及时排出所有中心液流通道25内的液体，此时大量液体在中心液流通道25内憋压，并再次作用在活阀6的下表面将其抬升，由于活阀6的上表面面积受到的压力和自身重力小于下表面压力，且活阀6质量较轻，故活阀6继续维持在向上位移极限处，迅速运动h的距离到活阀上限位；

正常钻进某直井时，钻柱有若干根钻杆，外径127.0mm，内径112.0mm，钻压0-200kN，凸轮推程为10mm，钻柱钢材的弹性模量为206GPa。

S3、中心液流通道25内憋压后使抬锤槽29内受压，并将整个活塞锤8向上抬升，直到活塞锤8上升到活塞锤中心水孔24运动到活阀6的底部并相互插接，此时环形腔体22到活塞锤中心水孔24的通道被阻塞，活塞锤8的上移速度下降但并未停止，此时活阀6在通道阻塞后上部受压远大于下部，产生水击效应，活阀6迅速下移到最低位，同时活阀6的下半部分***活塞锤中心水孔24中，活塞锤8由上移转为停止并向下运动；

在活塞锤8向上运动到极限时，此时内缩圆柱段28与砧子之间通过外侧排水孔30与外侧排水环空26联通，中心液流通道25内的高压液体从侧向节流孔27和外侧排水孔30流出，并通过泄流孔31进入钻头中心水孔32，从冲击钻头17的喷孔喷出后辅助破岩排屑；

当推程为10mm、实际钻压为40～60kN时，中硬地层破岩要求钻井工具的冲击功为300～450J。

S4、由于环形强势22的空间减小，压力增大，活塞锤8在受压下加速向下冲击，快速移动到最低处撞击到砧子10的上表面，砧子10将受到的冲力均匀的传递到钻头组件上，并通过冲击钻头17实现冲击破岩，在花键段14的限制下，钻头组件只做轴向运动，不发生周向转动；

测试过程中，先将整个工具提离井底约100mm，开泵提高排量至30L/s，待工作稳定后下放钻具并加钻压至40kN，记录钻井速度、冲击频率、泵压、冲击功、功耗等参数。

S5、活塞锤8击打砧子10后，由于活阀6被限位垫5限位制动，且活塞锤8移动到最低处后受到岩石反向推力恢复到初始状态的初始位置阀锤6和活塞锤8都位于最低处，再次出现S2中的情况，活阀6再次上升，并等待活塞锤8的再次上升，然后再次产生水击效应让活塞锤8冲击砧子10，实现液动冲击；

将钻压依次降至35kN、30kN、25kN、20kN、15kN、10kN、5kN，并记录以上参数，加大排量至40L/s，进行重复测试。

S6、通过上述步骤，本发明所提供的装置在岩心测试中，钻井速度为8.61m/h；冲击功能达到400～600J，与现有的液动冲击器相比，钻井效率提高25％，故障率降低20％。

采用上述方案，结构简单，且加工要求低，降低成本并且也提高了零件的使用寿命，提高了水能的利用率，提高了液动冲击器的工作性能。

步骤S2中，当压力小于极限值并大于启动值P1时，启动后，活阀6不会迅速到达上限位，而是在有自重、克服凸锥处受到的下冲击力、环形空腔22的上行压力三者的作用下，在上移过程中间某段停住，并未达到上移极限位置；同时，活塞锤8的位移极限也将以此改变，不会到达步骤S2中所述的最高位即转为向下移动，该情况不会影响正常破岩，但会使得破岩的冲击功减小。极大的提高了从井口操作井下冲击钻具的适配性，能使用于各种地层破岩要求的环境。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种可提高工作性能的阀式双作用液动冲击器，其特征在于，包括连接段、伸缩段、冲击段、外部壳体；所述连接段为上接头(1)，用于与上部钻杆连接；在上接头(1)下方设有伸缩段，伸缩段包括上缸套(3)、限位垫(5)、活阀(6)、活塞锤(8)；冲击段包括砧子(10)、钻头组件，外部壳体包括外壳管(9)；活阀(6)用于与高压的驱动液体相互作用，相对于外壳管(9)进行往复运动，驱动活塞锤(8)周期性的击打砧子(10)，砧子(10)受到的冲击功传递给与之连接的钻头组件，进行冲击破岩；在连接段、伸缩段、冲击段内均设有流道，让液体从上到下流动，并通过液体带动伸缩段运动实现对冲击段传导动力。

2.根据权利要求1所述的一种可提高工作性能的阀式双作用液动冲击器，其特征在于，所述上接头(1)、上缸套(3)、限位垫(5)、活阀(6)、活塞锤(8)的中部均为空心结构，自上而下形成一段流道作为中心水路，以中心水路的打开与闭合实现往复运动，并在过程中冲击破岩；

所述活阀(6)为中空筒体，活阀(6)的外壁包括上中下三段，活阀(6)的上段外壁为两端突出中间收缩的哑铃状，且上段的下部台肩(20)的外径大于上部边缘的外径，通过这上下两端卡在限位垫(5)内，限位垫(5)用于限制活阀(6)的上下位移极限位置；活阀(6)中段的外径大于下段，在下段的底部设有侧面开口的流道；所述活阀(6)的上部套设在上缸套(3)的内流道中；

所述活塞锤(8)为上下贯穿的中空筒体，活塞锤(8)的内壁包括上中下三段，活塞锤(8)的上段内壁自上而下设有三段台阶，第一段的内径小于第二段内径，第二段内径大于第三段内径，形成一段环形腔体(22)，第三段作为活塞锤中心水孔(24)，且第一段的内径与活阀(6)的中段外径匹配，第三段的内径与活阀(6)的下段外径匹配；活塞锤(8)的中段内壁为直管段作为中心液流通道(25)；活塞锤(8)的下段作为内缩圆柱段(28)与中心液流通道(25)之间设有水平的台阶，且内缩圆柱段(28)的内径大于中心液流通道(25)，内缩圆柱段(28)的内壁套设在砧子(10)的外侧；所述活塞锤(8)的外壁上侧设有从上到下直径依次变大的三层，且在上缸套(3)的外侧设有导向套(4)，导向套(4)下方设有活塞锤导向套(7)，所述活塞锤导向套(7)与活塞锤(8)外壁上侧的第二层外径相匹配；所述中心液流通道(25)的侧面设有至少两个贯穿活塞锤(8)壁面的侧向节流孔(27)，侧向节流孔(27)直径远小于中心液流通道(25)的内径，活塞锤(8)与外壳管(9)之间有一段环空，作为外侧排水环空(26)。

3.根据权利要求2所述的一种可提高工作性能的阀式双作用液动冲击器，其特征在于，钻头组件的上端连接到砧子(10)的下方，钻头组件的外径面上部设有钻头上限位段(12)，确保钻头组件在上下运动的时候不会从外壳管(9)内脱出，钻头组件中部设有花键段(14)，在外壳管(9)内侧设有与花键段(14)配套的内花键，确保钻头能顺着内花键上下运动，让钻头组件不发生转动，在花键段(14)下方设有冲击钻头(17)，冲击钻头(17)位于外壳管(9)的下侧，且冲击钻头(17)的外径大于花键段(14)，通过冲击钻头(17)与花键段(14)的台阶保持钻头组件向上运动的极限位移。

4.根据权利要求3所述的一种可提高工作性能的阀式双作用液动冲击器，其特征在于，所述钻头组件对应的外壳管(9)内壁从上到下依次设有导向衬套(11)、止动环(13)、套筒(15)，所述套筒(15)内设有内花键，所述止动环(13)与钻头上限位段(12)配合，限制钻头组件的向下位移；所述套筒(15)的外侧设有外螺纹，所述外壳管(9)的底部设有内螺纹，套筒(15)与外壳管(9)的底部通过螺接固定，在外壳管(9)下侧内部设有一段台阶，当套筒(15)安装到位时，将导向衬套(11)抵紧到外壳管(9)下侧的台阶上。

5.根据权利要求4所述的一种可提高工作性能的阀式双作用液动冲击器，其特征在于，所述活阀(6)的底部为封闭结构，将设在活阀(6)底部上方侧面开口的流道作为侧向排水孔(23)，侧向排水孔(23)所对应的环形腔体(22)底部在初始状态下与活阀(6)的底部保持靠近，且活阀(6)的底部设有倒角，活塞锤中心水孔(24)的上边缘也设有倒角，让活阀(6)的底部与活塞锤中心水孔(24)之间在初始状态下保持间隙。

6.根据权利要求5所述的一种可提高工作性能的阀式双作用液动冲击器，其特征在于，所述砧子(10)包括内径与内缩圆柱段(28)匹配的上段及内径大于内缩圆柱段(28)的下段，且砧子(10)上段与内缩圆柱段(28)的水平面台阶接触，砧子(10)下段与砧子(10)上段之间的台阶与活塞锤(8)的底部接触，在活塞锤(8)与砧子(10)抵接的情况下，内缩圆柱段(28)的水平段台阶与砧子(10)的顶部之间有多条槽体，作为抬锤槽(29)；

砧子(10)的下段向上设有沉孔，在砧子(10)下段与砧子(10)上段之间的台阶设有多个外侧排水孔(31)连接到沉孔，在对应外侧排水孔(31)的活塞锤(8)上设有多个泄流孔(30)；

在所述钻头组件中设有钻头中心水孔(32)，承接从外侧排水孔(31)送来的液体并从冲击钻头(17)中排出。

7.根据权利要求6所述的一种可提高工作性能的阀式双作用液动冲击器，其特征在于，所述上接头(1)通过下方侧面设置的螺纹段与外壳管(9)的上部内侧连接，在上接头(1)与外壳管(9)之间设有密封圈(2)；所述上缸套(3)套设在导向套(4)内，且上缸套(3)短于导向套(4)，导向套(4)的底部设有向内收缩的台阶，在上缸套(3)和导向套(4)之间通过台阶固定有限位垫(5)，限位垫(5)为一侧开口的环形结构，且开口侧的宽度与活阀(6)的上段的最小外径相同，限位垫(5)卡入活阀(6)后，通过活阀(6)实现上下运动的限位。

8.一种可提高工作性能的阀式双作用液动冲击方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在初始状态下，活塞锤(8)与活阀(6)在重力作用下，均处于最低位置；

S2、从顶部输入的液体的压力包括启动值和上限值；当压力大于上限值时，从井口送来的高压液体通过中心钻杆柱向上接头(1)的进水口(18)送入液动冲击器时，首先进入活阀(6)内腔，从内腔底部的侧向排水孔(23)流入活阀(6)与活塞锤(8)形成的环形腔体(22)内，由于活阀(6)此时处于最低位，与活塞锤(8)之间的缝隙太小，无法让大量液体进入活塞垂活塞锤中心水孔(24)，环形腔体(22)内压力极速升高，迫使质量较轻的活阀(6)迅速向上运动直到活阀的台肩(20)被限位垫(5)挡住；

活阀(6)上升后，由于从环形腔体(22)到活塞锤中心水孔(24)的流道打开，高压液体进入活塞锤(8)的中心液流通道(25)下端，高压液体通过侧向节流孔(27)流出，但由于侧向节流孔(27)的尺寸较小，无法及时排出所有中心液流通道(25)内的液体，此时大量液体在中心液流通道(25)内憋压，并再次作用在活阀(6)的下表面将其抬升，由于活阀(6)的上表面面积受到的压力和自身重力小于下表面压力，故活阀(6)继续维持在向上位移极限处；

S3、中心液流通道(25)内憋压后使抬锤槽(29)内受压，并将整个活塞锤(8)向上抬升，直到活塞锤(8)上升到活塞锤中心水孔(24)运动到活阀(6)的底部并相互插接，此时环形腔体(22)到活塞锤中心水孔(24)的通道被阻塞，活塞锤(8)的上移速度下降但并未停止，此时活阀(6)在通道阻塞后上部受压远大于下部，产生水击效应，活阀(6)迅速下移到最低位，同时活阀(6)的下半部分***活塞锤中心水孔(24)中，活塞锤(8)由上移转为停止并向下运动；

在活塞锤(8)向上运动到极限时，此时内缩圆柱段(28)与砧子之间通过外侧排水孔(30)与外侧排水环空(26)联通，中心液流通道(25)内的高压液体从侧向节流孔(27)和外侧排水孔(30)流出，并通过泄流孔(31)进入钻头中心水孔(32)，从冲击钻头(17)的喷孔喷出后辅助破岩排屑。

S4、由于环形腔体(22)的空间减小，压力增大，活塞锤(8)在受压下加速向下冲击，快速移动到最低处撞击到砧子(10)的上表面，砧子(10)将受到的冲力均匀的传递到钻头组件上，并通过冲击钻头(17)实现冲击破岩，在花键段(14)的限制下，钻头组件只做轴向运动，不发生周向转动；

S5、活塞锤(8)击打砧子(10)后，由于活阀(6)被限位垫(5)限位制动，且活塞锤(8)移动到最低处后受到岩石反向推力恢复到初始状态的初始位置，阀锤(6)和活塞锤(8)都位于最低处，再次出现S2中的情况，活阀(6)再次上升，并等待活塞锤(8)的再次上升，然后再次产生水击效应让活塞锤(8)冲击砧子(10)，实现液动冲击。

9.如权利要求8所述的一种可提高工作性能的阀式双作用液动冲击方法，其特征在于，步骤S2中，当压力小于极限值并大于启动值时，启动后，活阀(6)不会迅速到达上限位，而是在有自重、克服凸锥处受到的下冲击力、环形空腔(22)的上行压力三者的作用下，在上移过程中间某段停住，并未达到上移极限位置；同时，活塞锤(8)的位移极限也将以此改变，不会到达步骤S2中所述的最高位即转为向下移动，该情况不会影响正常破岩，但会使得破岩的冲击功减小。

Images