CN201705197U - 射流脉动发生器及其冲锤装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及石油勘探钻井所用的钻井工具，其包括射流脉动发生器及冲锤装置，其中射流脉动发生器由发生器本体和喷嘴采用固定连接构成；冲锤装置包括射流脉动发生器、活塞机构和冲击锤等部件，其中喷嘴是由硬质合金加工为一整体；活塞机构是由活塞、活塞缸套、活塞杆及缸盖构成；冲击锤是由冲锤、砧子和冲击锤外套组成。本实用新型解决了现有冲击锤使用寿命短的技术难题，并且大幅度提高深井岩层、高陡构造带地层、易斜地层等硬地层钻井速度，降低了钻井成本。

Description

射流脉动发生器及其冲锤装置 

技术领域

本实用新型涉及石油勘探钻井用的钻井工具，具体地为一种射流脉动发生器及其冲击锤装置，主要用于硬岩石地层或深井的钻探，应用于石油勘探、地质资源勘测等方面。 

技术背景

现阶段油气及地质勘探钻井的方法是旋转钻进，当钻遇深井地层和钻遇硬岩石层时，由于地层岩石的可钻性差，钻进速度较低。目前使用的射流脉动冲击锤为旋转剪切破岩为主、非周期性地冲击压碎破岩为辅的钻井方法，提供周期性脉动冲击载荷，可以提高了钻进速度，但因易损部件寿命短，而没有得到广泛使用。其主要结构为分体式组合结构，包括脉冲发生器、信号传输通道、活塞机构和冲锤机构。 

目前正在使用的射流脉动冲击锤存在以下缺陷： 

1、脉冲发生器结构复杂。采用了分体式组合结构，误差较大，并存在间隙，泥浆射流穿过间隙时易损坏该发生器。在多相流体(液、固、气)中，水击压力波衰减很严重，尤其是在固相含量较高、粘度较高、粘滞性较强、耗散系数较大的结构流体中，水击压力波无法在通道中传播，因而也就无法作用射流，并无法使射流改变流道，导致冲击器无法连续工作； 

2、活塞机构设计不合理，活塞机构与脉冲发生器存在间隙。泥浆射流，进入活塞缸套后，当泥浆射流换向时，部分固体颗粒不会沿着曲折的射流流体通道被排出，残留在活塞缸套中，另外还有部分固体颗粒卡在活塞机构与脉冲发生器的间隙中。实践证明，残留的固体颗粒积少成多，积聚在缸套和间隙中，使活塞无法运动，致使冲击器无法工作； 

3、冲锤机构与活塞杆之间的配合是锥面配合，主要依靠锥面之间的预紧摩擦，保持连接。实践证明：由于泥浆进入锥面起到了润滑作用，减少了锥面的摩擦力，以及振动等原因，使活塞杆与冲锤脱离连接，导致冲锤不能正常工作。 

4、另外，泥浆射流具有很强的切割、磨削和冲蚀能力，现有的射流式冲击器，在高速射流流道口，没有采用耐磨削、抗冲蚀的高硬度硬质合金，或者没有采用整体结构的硬质合金构件，致使射流元件和冲击器寿命很短，无法满足钻井需要。 

发明内容

为解决现有的射流脉动冲击锤存在的缺陷，本实用新型提供了一种经济、实用、高效的射流脉动发生器，以及以本发明射流脉动发生器为基础的冲锤装置。 

本实用新型提供了一种射流脉动发生器，由发生器本体和喷嘴采用固定连接构成；其中，发生器本体由发生器基体和左右压盖及连接螺栓构成；喷嘴是由硬质合金加工为一整体。 

作为上述技术方案的改进，其中喷嘴为一个圆台状或圆柱状，其内孔为变径的流线型，其入口的截面为圆形，出口的截面为曲边矩形。 

作为上述技术方案的改进，其中发生器基体为一钉子形体，由一块钢结合金的圆柱体，或者合金钢的圆柱体加工而成；钉子形体的圆柱体上有密封机构，圆柱体的中心有一个圆锥入口、曲边矩形出口的锥型孔，围绕着中心孔，有四个对称分布的圆孔，其中两个是螺纹孔，另两个是射流通孔；钉子形体的矩形体上有两个射流通道、若干个螺栓通孔、两个压力波信号通道，两通道的出口分别安装在曲边矩形出口的两侧。 

本实用新型另外还提供了一种冲锤装置，其包括由射流脉动发生器、活塞机构和冲锤机构顺序连接而成；其中，射流脉动发生器由发生器本体和喷嘴采用固定连接构成；发生器本体由发生器基体和左右压盖及连接螺栓构成；喷嘴是由硬质合金加工为一整体；活塞机构是由活塞、活塞套、活塞杆及压盖构成；冲锤机构是由冲锤、砧子和冲锤外套组成。 

作为上述冲锤装置技术方案的改进，其中射流脉动发生器的喷嘴为一个圆台状或圆柱状，其内孔为变径的流线型锥形孔，其入口的截面为圆形，出口的截面为曲边矩形。 

作为上述冲锤装置技术方案的改进，其中发生器基体为一钉子形体，由一块钢结合金的圆柱体，或者合金钢的圆柱体加工而成；钉子形体的圆柱体上有密封机构，圆柱体的中心有一个圆锥入口、曲边矩形出口的锥型孔，围绕着中心孔，有四个对称分布的圆孔，其中两个是螺纹孔，另两个是射流通孔；钉子形体的矩形体上有两个射流通道、若干个螺栓通孔、两个压力波信号通道，两通道的出口分别安装在曲边矩形出口的两侧。 

作为上述冲锤装置技术方案的改进，其中，活塞的柱面上加工有螺旋凹槽，并与缸套内柱面形成间隙配合；活塞杆柱面与缸盖的中心孔形成间隙配合，在活塞杆上有排屑环，当排屑环移至缸盖中心孔时，彼此间隙增大，便于排出积 存在缸套中的固相颗粒；活塞杆的一端是锥形体，锥形体的端部有个圆槽通孔；活塞的另一端有凸台，与活塞和活塞杆是一整体；活塞套与射流脉动发生器本体通过螺栓连接。 

作为上述冲锤装置技术方案的改进，其中，冲锤机构的冲锤是一圆柱体，一端部有一圆锥孔，圆锥孔的底部有横穿轴线的径向圆孔和一个泄流孔；圆锥孔与活塞杆的锥体插接，并通过冲锤上的径向圆孔和活塞杆上的通孔，一个销定将活塞杆和冲锤连接；冲锤的另一端的圆柱面上安装有扶正块。 

作为上述冲锤装置技术方案的改进，其中，砧子是一园台体，其一端有一圆锥盲孔，另一端有四个行星孔，分别与圆锥孔相通。 

技术效果 

1、改进后的射流脉动冲击锤能够大幅度提高深井岩层、高陡构造带地层、易斜地层等硬地层钻井速度，降低钻井成本； 

2、改进后的射流脉动冲击锤能够大幅度提高其使用寿命，满足石油钻探的需要； 

3、改进后的射流脉动冲击锤能够大幅度延长钻头的使用寿命，提高钻头进尺，减少钻头的用量； 

4、改进后的射流脉动冲击锤能够有效防斜，提高钻井质量； 

5、改进后的射流脉动冲击锤能够大幅度减弱钻柱振动，避免钻柱的蹩跳； 

6、改进后的射流脉动冲击锤能够有效辅助加钻压，提高钻进时效； 

7、改进后的射流脉动冲击锤能够大幅度提高新型震源，为随钻声波测井提供有规律的震动波。 

附图说明

图1射流脉动冲击锤结构图。 

图1A、射流脉动冲击锤主剖视图； 

图1B、射流脉动冲击锤左剖视图。 

图1中、上接头1、脉动发生器外套2、硬质合金聚能喷嘴3、射流脉动发生器本体4、活塞缸套5、活塞6、缸盖7、分水岭组合体8、冲锤9、砧子10、冲击器外套11、内八方接头12、外八方接头13、卡环14、密封圈15、密封垫16、密封圈18、密封圈19、密封圈20、泥浆通道23、活塞杆与冲锤连接销钉24、射流出口26、连接接头27、螺栓56、密封圈60、螺栓71、螺栓81。 

图2、射流脉动发生器结构图和冲锤装置结构图 

图2A、射流脉动发生器结构图和冲锤装置结构图的主剖视图 

图2B、射流脉动发生器结构图和冲锤装置结构图的左剖视图 

图2中、硬质合金聚能喷嘴3坐放在射流脉动发生器本体4的中心孔中，并通过螺栓71连接；射流脉动发生器本体4***活塞缸套5的驼峰体35之间，并通过螺栓61连接；活塞6的活塞杆47端部的锥体77***冲锤9端部的锥形孔79中，并通过冲锤连接销钉24穿过活塞杆47端部的通孔48和冲锤9的端部锥孔79上的径向圆孔55，实现连接。 

图3、射流脉动发生器结构图 

图3A、射流脉动发生器主剖视图 

图3B、射流脉动发生器仰视图； 

图3C、射流脉动发生器本体左视图； 

图3D、射流脉动发生器本体图俯视图； 

图3E、射流脉动发生器基体主剖视图； 

图3F、射流脉动发生器本体左右左视图； 

图3G、射流脉动发生器本体右视图； 

图3H、射流脉动发生器本体右压盖主视图； 

图3L、射流脉动发生器本体右压盖俯视图； 

图3M、射流脉动发生器本体右压盖背视图； 

图3N、射流脉动发生器本体左压盖主视图； 

图3P、射流脉动发生器本体左压盖俯视图。 

图3中、密封槽62、压力波信号通道21、射流左流道22、射流右流道70螺纹孔28、曲边梯形体右压盖29、锥形变截面孔57、射流出口58、密封圈槽59、曲边梯形体左压盖72、螺栓孔63、硬质合金挡板82、螺纹孔83、螺栓孔84、螺栓孔89、曲边矩形入口91、螺栓56 

图4、硬质合金聚能喷嘴结构图和分水岭组合体结构图 

图4A、硬质合金聚能喷嘴仰视图； 

图4B、硬质合金聚能喷嘴主剖视图； 

图4C、硬质合金聚能喷嘴俯视图； 

图4D、分水岭组合体主剖视图； 

图4E、分水岭组合体左右视图。 

图4中、曲边矩形30、流线型壁面31、固定孔32、圆锥面92、螺栓孔63、硬质合金多棱柱体33、梯形基体34、燕尾槽角73、射流迎蜗弧74 

图5、活塞缸套结构图和活塞缸盖结构图 

图5A、活塞缸套仰半视图； 

图5B、活塞缸套主视图； 

图5C、活塞缸套背视图； 

图5D、活塞缸套俯视图； 

图5E、活塞缸盖主剖视图； 

图5F、活塞缸盖俯视图； 

图5中、密封槽64、驼峰体35、螺栓孔36、螺纹孔37、密封棱43、 

流体通道口38、扇形棱39、钻井液通道40、上缸套射流口41、活塞孔42、定位孔44、密封槽65、下缸套射流口67、扇形棱夹角75、密封槽76、 

中心孔矩形槽49、定位销50、月牙形缺口通道51、圆台90 

图6、活塞结构图、砧子结构图和砧子结构图 

图6A、活塞结构主视图； 

图6B、砧子结构右视图； 

图6C、砧子结构主视图； 

图6D、砧子结构左视图； 

图6E、砧子结构主视图 

图6中、活塞端面圆台45、活塞柱面矩形螺纹槽46、活塞杆47、活塞杆通孔48、活塞杆排屑环66、活塞柱面76、活塞杆锥体77、承载面95、冲击面80、 

锥形中心孔52、行星斜孔53、行星斜孔角78、冲锤扶正块25、泄流孔54、径向圆孔55、圆锥孔79 

具体实施方式

实施例1： 

下面参照附图3A-3P，具体说明本实用新型之一的射流脉动发生器的一个实施例，射流脉动发生器(参见图3A)由发生器本体4和喷嘴3采用固定螺栓71连接，发生器本体4由发生器基体(参见图3E)和左压盖72、右压盖29及连接螺栓56构成，喷嘴是由硬质合金加工成为一整体。其中喷嘴为一个圆台状或圆柱状，其内孔为变径的流线型31，其入口的截面为圆形，出口的截面为曲边矩形30；其中发生器基体(参见图3E)为一钉子形体，由一块合金钢的圆柱体加工而成；钉子形体的圆柱体上有密封机构62，圆柱体的中心有一个圆锥入口57、曲边矩形出口91，围绕着中心孔，有四个对称分布的圆孔，其中两个是螺纹孔83，另两个是射流通孔28；钉子形体的矩形体上有两个射流通道22和70、若干个螺栓通孔84和89及若干个螺丝孔83、两个压力波信号通道21，两通道的 出口分别安装在曲边矩形出口91的两侧。 

实施例2： 

下面参照附图2A-2B，具体说明本实用新型之一的冲锤装置，它由射流脉动发生器(参见图3A)、活塞缸套5、活塞6、缸盖7和冲锤机构9顺序连接而成；射流脉动发生器由发生器本体4和喷嘴3采用固定连接71构成；其中，发生器本体4由发生器基体(参见图3E)和左压盖72、右压盖29及连接螺栓56构成；喷嘴是由硬质合金加工为一整体；活塞机构是由活塞6、活塞缸套5、活塞杆47及缸盖7构成；冲锤机构是由冲锤9、砧子10和冲锤外套11组成。其中射流脉动发生器的喷嘴3为一个圆台状或圆柱状，其内孔为变径的流线型31，其入口的截面为圆形，出口的截面为曲边矩形30。其中发生器基体(参见图3E)为一钉子形体，由一块合金钢的圆柱体加工而成；钉子形体的圆柱体上有密封机构62，圆柱体的中心有一个圆锥入口57、曲边矩形出口91，围绕着中心孔，有四个对称分布的圆孔，其中两个是螺纹孔83，另两个是射流通孔28；钉子形体的矩形体上有两个射流通道22和70、若干个螺栓通孔84和89、两个压力波信号通道21，两通道的出口分别安装在曲边矩形出口91的两侧。射流脉动发生器(参见图3A)坐放在活塞机构的活塞缸套5的驼峰体35之间，通过螺栓61穿入驼峰体35的螺栓孔36中并与螺丝孔37实现螺纹固定连接。其中，活塞6的柱面上加工有螺旋凹槽46，并与缸套内柱面形成间隙配合；活塞杆柱面47与缸盖7的中心孔87形成间隙配合，在活塞杆上有排屑环66，当排屑环移至缸盖中心孔时，彼此间隙增大，便于排出积存在缸套中的固相颗粒；活塞杆的一端是锥形体77，锥形体的端部有个圆槽通孔48；活塞的另一端有凸台45，与活塞6和活塞杆47是一整体；活塞缸套5与射流脉动发生器(参见图3A)通过螺栓61连接。其中的冲锤机构的冲锤9是一圆柱体，一端部有一圆锥孔79，圆锥孔的底部有横穿轴线的径向圆孔55和一个泄流孔54；圆锥孔79与活塞杆47的锥体插接，并通过冲锤上的径向圆孔55和活塞杆上的通孔48，一个销定24将活塞杆和冲锤连接；冲锤的另一端的圆柱面上安装有扶正块25。其中的砧子是一园台体，其一端有一圆锥盲孔52，另一端有四个行星孔53，分别与圆锥孔相通。 

下面结合附图1A-1B等和具体实施案例进一步说明，本实用新型的射流脉动冲击锤由上接头1、脉动冲击发生器外套2、连接接头27、冲击器外套11、内八方接头12、外八方接头13连接而成。 

射流脉动发生器外套2与射流脉动发生器本体4通过密封圈15实现轴向密封；射流脉动发生器外套2与活塞缸套5通过密封圈18实现部分区域的径向密 封； 

螺栓71穿过硬质合金聚能喷嘴3上的螺栓孔32、密封垫16与射流脉动发生器本体4上的螺纹孔28固定连接，同时硬质合金聚能喷嘴3上的曲边矩形30***射流脉动发生器本体4上的曲边矩形入口91，此时硬质合金聚能喷嘴3上的圆锥面92坐于射流脉动发生器本体4上的锥形变截面孔57内。 

螺栓81穿过活塞缸套5上的螺栓孔36、曲边梯形体右压盖29上的螺栓孔63、分水岭组合体8上的螺栓孔85、曲边梯形体左压盖72上的螺栓孔86和活塞缸套5上的螺纹孔37固定连接。 

活塞6安装在活塞缸套5中，活塞杆锥体77穿过缸盖7的中心孔87***冲锤9的圆锥孔79中，销定24穿过冲锤9的径向圆孔55、活塞杆通孔48把活塞杆47与冲锤9连接在一起。 

螺栓61穿过曲边梯形体右压盖29上的螺栓孔63和射流脉动发生器本体4上的螺栓孔89与曲边梯形体左压盖72上的螺纹孔83丝扣连接。 

分水岭组合体8上的硬质合金多棱柱体33通过燕尾槽73与梯形基体34相连接。 

缸盖7的圆台90安装在缸套的活塞孔42中，通过密封圈19实现密封，同时其上的定位销50***缸套的定位孔44中，实现定位。 

外八方接头13***内八方接头12中，通过密封圈20实现密封，通过卡环14使彼此不能脱离，并且可以在一定范围内的轴向移动。 

本实用新型的上接头与钻铤连接，外八方接头与钻头连接。其工作过程是这样的： 

当射流脉动冲击锤正常工作时，泥浆射流从上接头1进入射流脉动冲击锤中，经过硬质合金聚能喷嘴3，经射流脉动发生器本体4的射流左流道22、上缸套射流口41，进入活塞缸套5的上腔室93，推动活塞6及冲锤9加速向下运动，冲击砧子10，砧子通过承载面95，把冲击载荷传给内八方接头13进而驱动钻头破碎岩石。活塞6和冲锤9冲击砧子10时，活塞及推动活塞的射流突然停止运动，产生水击波。水击波经射流左流道22、上缸套射流口41、压力波信号通道21传递给射流，导致射流换向，经下缸套射流口67、射流右流道70、流体通道口38进入活塞缸套5的下腔室94，推动活塞向上运动，同时，把上腔室93的泥浆经上缸套射流口41、射流出口58、泥浆通道23、行星斜孔53、外八方接头水眼96、钻头水眼排入井底。 

当活塞上行，并与缸套碰撞时，活塞和推动活塞运动的泥浆突然停止运动， 产生水击波。水击波经流体通道口38、射流右流道70、经下缸套射流口67、压力波信号通道21传给射流，使射流换向，进入射流左流道22，驱动活塞6加速下行，同时把刚套下腔室的泥浆经流体通道口38、射流右流道70、经下缸套射流口67、射流出口58、泥浆通道23、行星斜孔53、外八方接头水眼96、钻头水眼排入井底。 

在活塞6上、下运动的过程中，聚积在缸套上腔室93的固体颗粒，可以通过活塞柱面76上的螺旋槽46，被泥浆推入下腔室94中，或者积存在螺旋槽46中。聚积在缸套下腔室94的固体颗粒，则在接单根前的提钻循环泥浆时，通过活塞杆排屑环66和缸盖中心孔87的螺旋槽46，被泥浆带入泥浆通道23。当缸套下腔室94里的固体颗粒被泥浆带走后，活塞下端面与缸盖圆台90的端面接触，活塞柱面76堵住了流体通道口38，射流无法进入缸套下腔室94，亦即射流无法推动活塞运动，有效地防止了冲锤9冲击砧子10，以防空打。 

以上所述只是分别阐述了本实用新型的两个技术方案的实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制，任何未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化或修饰，仍属于本实用新型技术方案的范围内。 

Claims (8)

1.一种射流脉动发生器，其特征为：由发生器本体和喷嘴采用固定连接构成；其中，发生器本体由发生器基体和左右压盖及连接螺栓构成；喷嘴是由硬质合金加工为一整体。

2.根据权利要求1所述的射流脉动发生器，其特征是：其中喷嘴为一个圆台状或圆柱状，其内孔为变径的流线型，其入口的截面为圆形，出口的截面为曲边矩形。

3.根据权利要求1所述的射流脉动发生器，其特征是：其中发生器基体为一钉子形体，由一块钢结合金的圆柱体，或者合金钢的圆柱体；钉子形体的圆柱体上有密封机构，圆柱体的中心有一个圆锥入口、曲边矩形出口的锥型孔，围绕着中心孔，有四个对称分布的圆孔，其中两个是螺纹孔；钉子形体的矩形体上有两个射流通道、若干个螺栓通孔、两个压力波信号通道，两通道的出口分别安装在曲边矩形出口的两侧。

4.一种冲锤装置，其特征为：包括由射流脉动发生器、活塞机构和冲锤机构顺序连接而成；其中，射流脉动发生器由发生器本体和喷嘴采用固定连接构成；其中，发生器本体由发生器基体和左右压盖及连接螺栓构成；喷嘴是由硬质合金加工为一整体；活塞机构是由活塞、活塞缸套、活塞杆及缸盖构成；冲锤机构是由冲锤、砧子和冲锤外套组成。

5.根据权利要求4所述的冲锤装置，其特征为：其中射流脉动发生器的喷嘴为一个圆台状或圆柱状，其内孔为变径的流线型，其入口的截面为圆形，出口的截面为曲边矩形。

6.根据权利要求4所述的冲锤装置，其特征为：其中发生器基体为一钉子形体，由一块钢结合金的圆柱体，或者合金钢的圆柱体；钉子形体的圆柱体上有密封机构，圆柱体的中心有一个圆锥入口、曲边矩形出口的锥型孔，围绕着中心孔，有四个对称分布的圆孔，其中两个是螺纹孔；钉子形体的矩形体上有两个射流通道、若干个螺栓通孔、两个压力波信号通道，两通道的出口分别安装在曲边矩形出口的两侧。

7.根据权利要求4所述的冲锤装置，其特征为：其中活塞的柱面上加工有螺旋凹槽，并与缸套内柱面形成间隙配合；活塞杆柱面与缸盖的中心孔形成间 隙配合，在活塞杆上有排屑环，当排屑环移至缸盖中心孔时，彼此间隙增大，便于排出积存在缸套中的固相颗粒；活塞杆的一端是锥形体，锥形体的端部有个圆槽通孔；活塞的另一端有凸台，与活塞和活塞杆是一整体，活塞套与射流脉动发生器通过螺栓连接。

8.根据权利要求4所述的冲锤装置，其特征为：其中冲锤机构的冲锤是一圆柱体，一端部有一圆锥孔，圆锥孔的底部有横穿轴线的径向圆孔和一个泄流孔；圆锥孔与活塞杆的锥体插接，并通过冲锤上的径向圆孔和活塞杆上的通孔，一个销定将活塞杆和冲锤连接；冲锤的另一端的圆柱面上安装有扶正块。 

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