射流脈動發生器及其衝錘裝置的製作方法

2023-06-05 13:04:06 2

專利名稱：射流脈動發生器及其衝錘裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及石油勘探鑽井用的鑽井工具，具體地為一種射流脈動發生器及其 衝擊錘裝置，主要用於硬巖石地層或深井的鑽探，應用於石油勘探、地質資源勘測等方面。
背景技術：
現階段油氣及地質勘探鑽井的方法是旋轉鑽進，當鑽遇深井地層和鑽遇硬巖石層 時，由於地層巖石的可鑽性差，鑽進速度較低。目前使用的射流脈動衝擊錘為旋轉剪切破巖 為主、非周期性地衝擊壓碎破巖為輔的鑽井方法，提供周期性脈動衝擊載荷，可以提高了鑽 進速度，但因易損部件壽命短，而沒有得到廣泛使用。其主要結構為分體式組合結構，包括 脈衝發生器、信號傳輸通道、活塞機構和衝錘機構。目前正在使用的射流脈動衝擊錘存在以下缺陷1、脈衝發生器結構複雜。採用了分體式組合結構，誤差較大，並存在間隙，泥漿射 流穿過間隙時易損壞該發生器。在多相流體(液、固、氣)中，水擊壓力波衰減很嚴重，尤 其是在固相含量較高、粘度較高、粘滯性較強、耗散係數較大的結構流體中，水擊壓力波無 法在通道中傳播，因而也就無法作用射流，並無法使射流改變流道，導致衝擊器無法連續工 作；2、活塞機構設計不合理，活塞機構與脈衝發生器存在間隙。泥漿射流，進入活塞缸 套後，當泥漿射流換向時，部分固體顆粒不會沿著曲折的射流流體通道被排出，殘留在活塞 缸套中，另外還有部分固體顆粒卡在活塞機構與脈衝發生器的間隙中。實踐證明，殘留的固 體顆粒積少成多，積聚在缸套和間隙中，使活塞無法運動，致使衝擊器無法工作；3、衝錘機構與活塞杆之間的配合是錐面配合，主要依靠錐面之間的預緊摩擦，保 持連接。實踐證明由於泥漿進入錐面起到了潤滑作用，減少了錐面的摩擦力，以及振動等 原因，使活塞杆與衝錘脫離連接，導致衝錘不能正常工作。4、另外，泥漿射流具有很強的切割、磨削和衝蝕能力，現有的射流式衝擊器，在高 速射流流道口，沒有採用耐磨削、抗衝蝕的高硬度硬質合金，或者沒有採用整體結構的硬質 合金構件，致使射流元件和衝擊器壽命很短，無法滿足鑽井需要。
發明內容為解決現有的射流脈動衝擊錘存在的缺陷，本實用新型提供了一種經濟、實用、高 效的射流脈動發生器，以及以本發明射流脈動發生器為基礎的衝錘裝置。本實用新型提供了一種射流脈動發生器，由發生器本體和噴嘴採用固定連接構 成；其中，發生器本體由發生器基體和左右壓蓋及連接螺栓構成；噴嘴是由硬質合金加工 為一整體。作為上述技術方案的改進，其中噴嘴為一個圓臺狀或圓柱狀，其內孔為變徑的流 線型，其入口的截面為圓形，出口的截面為曲邊矩形。作為上述技術方案的改進，其中發生器基體為一釘子形體，由一塊鋼結合金的圓柱體，或者合金鋼的圓柱體加工而成；釘子形體的圓柱體上有密封機構，圓柱體的中心有一 個圓錐入口、曲邊矩形出口的錐型孔，圍繞著中心孔，有四個對稱分布的圓孔，其中兩個是 螺紋孔，另兩個是射流通孔；釘子形體的矩形體上有兩個射流通道、若干個螺栓通孔、兩個 壓力波信號通道，兩通道的出口分別安裝在曲邊矩形出口的兩側。本實用新型另外還提供了一種衝錘裝置，其包括由射流脈動發生器、活塞機構和 衝錘機構順序連接而成；其中，射流脈動發生器由發生器本體和噴嘴採用固定連接構成； 發生器本體由發生器基體和左右壓蓋及連接螺栓構成；噴嘴是由硬質合金加工為一整體； 活塞機構是由活塞、活塞套、活塞杆及壓蓋構成；衝錘機構是由衝錘、砧子和衝錘外套組成。作為上述衝錘裝置技術方案的改進，其中射流脈動發生器的噴嘴為一個圓臺狀或 圓柱狀，其內孔為變徑的流線型錐形孔，其入口的截面為圓形，出口的截面為曲邊矩形。作為上述衝錘裝置技術方案的改進，其中發生器基體為一釘子形體，由一塊鋼結 合金的圓柱體，或者合金鋼的圓柱體加工而成；釘子形體的圓柱體上有密封機構，圓柱體的 中心有一個圓錐入口、曲邊矩形出口的錐型孔，圍繞著中心孔，有四個對稱分布的圓孔，其 中兩個是螺紋孔，另兩個是射流通孔；釘子形體的矩形體上有兩個射流通道、若干個螺栓通 孔、兩個壓力波信號通道，兩通道的出口分別安裝在曲邊矩形出口的兩側。作為上述衝錘裝置技術方案的改進，其中，活塞的柱面上加工有螺旋凹槽，並與缸 套內柱面形成間隙配合；活塞杆柱面與缸蓋的中心孔形成間隙配合，在活塞杆上有排屑環， 當排屑環移至缸蓋中心孔時，彼此間隙增大，便於排出積存在缸套中的固相顆粒；活塞杆 的一端是錐形體，錐形體的端部有個圓槽通孔；活塞的另一端有凸臺，與活塞和活塞杆是一 整體；活塞套與射流脈動發生器本體通過螺栓連接。作為上述衝錘裝置技術方案的改進，其中，衝錘機構的衝錘是一圓柱體，一端部有 一圓錐孔，圓錐孔的底部有橫穿軸線的徑向圓孔和一個洩流孔；圓錐孔與活塞杆的錐體插 接，並通過衝錘上的徑向圓孔和活塞杆上的通孔，一個銷定將活塞杆和衝錘連接；衝錘的另 一端的圓柱面上安裝有扶正塊。作為上述衝錘裝置技術方案的改進，其中，砧子是一園臺體，其一端有一圓錐盲 孔，另一端有四個行星孔，分別與圓錐孔相通。技術效果1、改進後的射流脈動衝擊錘能夠大幅度提高深井巖層、高陡構造帶地層、易斜地 層等硬地層鑽井速度，降低鑽井成本；2、改進後的射流脈動衝擊錘能夠大幅度提高其使用壽命，滿足石油鑽探的需要；3、改進後的射流脈動衝擊錘能夠大幅度延長鑽頭的使用壽命，提高鑽頭進尺，減 少鑽頭的用量；4、改進後的射流脈動衝擊錘能夠有效防斜，提高鑽井質量；5、改進後的射流脈動衝擊錘能夠大幅度減弱鑽柱振動，避免鑽柱的蹩跳；6、改進後的射流脈動衝擊錘能夠有效輔助加鑽壓，提高鑽進時效；7、改進後的射流脈動衝擊錘能夠大幅度提高新型震源，為隨鑽聲波測井提供有規 律的震動波。

圖1射流脈動衝擊錘結構圖。圖1A、射流脈動衝擊錘主剖視圖；圖1B、射流脈動衝擊錘左剖視圖。圖1中、上接頭1、脈動發生器外套2、硬質合金聚能噴嘴3、射流脈動發生器本體 4、活塞缸套5、活塞6、缸蓋7、分水嶺組合體8、衝錘9、砧子10、衝擊器外套11、內八方接頭 12、外八方接頭13、卡環14、密封圈15、密封墊16、密封圈18、密封圈19、密封圈20、泥漿通 道23、活塞杆與衝錘連接銷釘24、射流出口 26、連接接頭27、螺栓56、密封圈60、螺栓71、螺 栓81。圖2、射流脈動發生器結構圖和衝錘裝置結構圖圖2A、射流脈動發生器結構圖和衝錘裝置結構圖的主剖視圖圖2B、射流脈動發生器結構圖和衝錘裝置結構圖的左剖視圖圖2中、硬質合金聚能噴嘴3坐放在射流脈動發生器本體4的中心孔中，並通過螺 栓71連接；射流脈動發生器本體4插入活塞缸套5的駝峰體35之間，並通過螺栓61連接； 活塞6的活塞杆47端部的錐體77插入衝錘9端部的錐形孔79中，並通過衝錘連接銷釘24 穿過活塞杆47端部的通孔48和衝錘9的端部錐孔79上的徑向圓孔55，實現連接。圖3、射流脈動發生器結構圖[0035]圖3A、射流脈動發生器主剖視圖[0036]圖3B、射流脈動發生器仰視圖；[0037]圖3C、射流脈動發生器本體左視圖；[0038]圖3D、射流脈動發生器本體圖俯視圖；[0039]圖3E、射流脈動發生器基體主剖視圖；[0040]圖3F、射流脈動發生器本體左右左視圖；[0041]圖3G、射流脈動發生器本體右視圖；[0042]圖3H、射流脈動發生器本體右壓蓋主視圖；[0043]圖3L、射流脈動發生器本體右壓蓋俯視圖；[0044]圖3M、射流脈動發生器本體右壓蓋背視圖；[0045]圖3N、射流脈動發生器本體左壓蓋主視圖；[0046]圖3P、射流脈動發生器本體左壓蓋俯視圖。[0047]圖3中、密封槽62、壓力波信號通道21、射流左流道22、射流右流道70螺紋孔28、
曲邊梯形體右壓蓋29、錐形變截面孔57、射流出口 58、密封圈槽59、曲邊梯形體左壓蓋72、 螺栓孔63、硬質合金擋板82、螺紋孔83、螺栓孔84、螺栓孔89、曲邊矩形入口 91、螺栓56圖4、硬質合金聚能噴嘴結構圖和分水嶺組合體結構圖圖4A、硬質合金聚能噴嘴仰視圖；圖4B、硬質合金聚能噴嘴主剖視圖；圖4C、硬質合金聚能噴嘴俯視圖；圖4D、分水嶺組合體主剖視圖；圖4E、分水嶺組合體左右視圖。圖4中、曲邊矩形30、流線型壁面31、固定孔32、圓錐面92、螺栓孔63、硬質合金多
5稜柱體33、梯形基體34、燕尾槽角73、射流迎蝸弧74圖5、活塞缸套結構圖和活塞缸蓋結構圖圖5A、活塞缸套仰半視圖；圖5B、活塞缸套主視圖；圖5C、活塞缸套背視圖；圖5D、活塞缸套俯視圖；圖5E、活塞缸蓋主剖視圖；圖5F、活塞缸蓋俯視圖；圖5中、密封槽64、駝峰體35、螺栓孔36、螺紋孔37、密封稜43、流體通道口 38、扇形稜39、鑽井液通道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、扇形稜夾角75、密封槽76、中心孔矩形槽49、定位銷50、月牙形缺口通道51、圓臺90圖6、活塞結構圖、砧子結構圖和砧子結構圖圖6A、活塞結構主視圖；圖6B、砧子結構右視圖；圖6C、砧子結構主視圖；圖6D、砧子結構左視圖；圖6E、砧子結構主視圖圖6中、活塞端面圓臺45、活塞柱面矩形螺紋槽46、活塞杆47、活塞杆通孔48、活 塞杆排屑環66、活塞柱面76、活塞杆錐體77、承載面95、衝擊面80、錐形中心孔52、行星斜孔53、行星斜孔角78、衝錘扶正塊25、洩流孔54、徑向圓孔 55、圓錐孔79
具體實施方式
實施例1 下面參照附圖3A-3P，具體說明本實用新型之一的射流脈動發生器的一個實施例， 射流脈動發生器(參見圖3A)由發生器本體4和噴嘴3採用固定螺栓71連接，發生器本體 4由發生器基體(參見圖3E)和左壓蓋72、右壓蓋29及連接螺栓56構成，噴嘴是由硬質合 金加工成為一整體。其中噴嘴為一個圓臺狀或圓柱狀，其內孔為變徑的流線型31，其入口 的截面為圓形，出口的截面為曲邊矩形30 ；其中發生器基體(參見圖3E)為一釘子形體，由 一塊合金鋼的圓柱體加工而成；釘子形體的圓柱體上有密封機構62，圓柱體的中心有一個 圓錐入口 57、曲邊矩形出口 91，圍繞著中心孔，有四個對稱分布的圓孔，其中兩個是螺紋孔 83，另兩個是射流通孔28 ；釘子形體的矩形體上有兩個射流通道22和70、若干個螺栓通孔 84和89及若干個螺絲孔83、兩個壓力波信號通道21，兩通道的出口分別安裝在曲邊矩形 出口 91的兩側。實施例2 下面參照附圖2A-2B，具體說明本實用新型之一的衝錘裝置，它由射流脈動發生器 (參見圖3A)、活塞缸套5、活塞6、缸蓋7和衝錘機構9順序連接而成；射流脈動發生器由發 生器本體4和噴嘴3採用固定連接71構成；其中，發生器本體4由發生器基體(參見圖3E)和左壓蓋72、右壓蓋29及連接螺栓56構成；噴嘴是由硬質合金加工為一整體；活塞機構是 由活塞6、活塞缸套5、活塞杆47及缸蓋7構成；衝錘機構是由衝錘9、砧子10和衝錘外套 11組成。其中射流脈動發生器的噴嘴3為一個圓臺狀或圓柱狀，其內孔為變徑的流線型31， 其入口的截面為圓形，出口的截面為曲邊矩形30。其中發生器基體(參見圖3E)為一釘子 形體，由一塊合金鋼的圓柱體加工而成；釘子形體的圓柱體上有密封機構62，圓柱體的中 心有一個圓錐入口 57、曲邊矩形出口 91，圍繞著中心孔，有四個對稱分布的圓孔，其中兩個 是螺紋孔83，另兩個是射流通孔28 ；釘子形體的矩形體上有兩個射流通道22和70、若干個 螺栓通孔84和89、兩個壓力波信號通道21，兩通道的出口分別安裝在曲邊矩形出口 91的 兩側。射流脈動發生器(參見圖3A)坐放在活塞機構的活塞缸套5的駝峰體35之間，通過 螺栓61穿入駝峰體35的螺栓孔36中並與螺絲孔37實現螺紋固定連接。其中，活塞6的 柱面上加工有螺旋凹槽46，並與缸套內柱面形成間隙配合；活塞杆柱面47與缸蓋7的中心 孔87形成間隙配合，在活塞杆上有排屑環66，當排屑環移至缸蓋中心孔時，彼此間隙增大， 便於排出積存在缸套中的固相顆粒；活塞杆的一端是錐形體77，錐形體的端部有個圓槽通 孔48 ；活塞的另一端有凸臺45，與活塞6和活塞杆47是一整體；活塞缸套5與射流脈動發 生器(參見圖3A)通過螺栓61連接。其中的衝錘機構的衝錘9是一圓柱體，一端部有一圓 錐孔79，圓錐孔的底部有橫穿軸線的徑向圓孔55和一個洩流孔54 ；圓錐孔79與活塞杆47 的錐體插接，並通過衝錘上的徑向圓孔55和活塞杆上的通孔48，一個銷定24將活塞杆和衝 錘連接；衝錘的另一端的圓柱面上安裝有扶正塊25。其中的砧子是一園臺體，其一端有一 圓錐盲孔52，另一端有四個行星孔53，分別與圓錐孔相通。
以下結合附圖1A-1B等和具體實施案例進一步說明，本實用新型的射流脈動衝擊 錘由上接頭1、脈動衝擊發生器外套2、連接接頭27、衝擊器外套11、內八方接頭12、外八方 接頭13連接而成。射流脈動發生器外套2與射流脈動發生器本體4通過密封圈15實現軸向密封；射 流脈動發生器外套2與活塞缸套5通過密封圈18實現部分區域的徑向密封；螺栓71穿過硬質合金聚能噴嘴3上的螺栓孔32、密封墊16與射流脈動發生器本 體4上的螺紋孔28固定連接，同時硬質合金聚能噴嘴3上的曲邊矩形30插入射流脈動發 生器本體4上的曲邊矩形入口 91，此時硬質合金聚能噴嘴3上的圓錐面92坐於射流脈動發 生器本體4上的錐形變截面孔57內。螺栓81穿過活塞缸套5上的螺栓孔36、曲邊梯形體右壓蓋29上的螺栓孔63、分 水嶺組合體8上的螺栓孔85、曲邊梯形體左壓蓋72上的螺栓孔86和活塞缸套5上的螺紋 孔37固定連接。活塞6安裝在活塞缸套5中，活塞杆錐體77穿過缸蓋7的中心孔87插入衝錘9 的圓錐孔79中，銷定24穿過衝錘9的徑向圓孔55、活塞杆通孔48把活塞杆47與衝錘9連
接在一起。螺栓61穿過曲邊梯形體右壓蓋29上的螺栓孔63和射流脈動發生器本體4上的 螺栓孔89與曲邊梯形體左壓蓋72上的螺紋孔83絲扣連接。分水嶺組合體8上的硬質合金多稜柱體33通過燕尾槽73與梯形基體34相連接。缸蓋7的圓臺90安裝在缸套的活塞孔42中，通過密封圈19實現密封，同時其上 的定位銷50插入缸套的定位孔44中，實現定位。
7[0085]外八方接頭13插入內八方接頭12中，通過密封圈20實現密封，通過卡環14使彼 此不能脫離，並且可以在一定範圍內的軸向移動。本實用新型的上接頭與鑽鋌連接，外八方接頭與鑽頭連接。其工作過程是這樣 的當射流脈動衝擊錘正常工作時，泥漿射流從上接頭1進入射流脈動衝擊錘中，經 過硬質合金聚能噴嘴3，經射流脈動發生器本體4的射流左流道22、上缸套射流口 41，進入 活塞缸套5的上腔室93，推動活塞6及衝錘9加速向下運動，衝擊砧子10，砧子通過承載面 95，把衝擊載荷傳給內八方接頭13進而驅動鑽頭破碎巖石。活塞6和衝錘9衝擊砧子10 時，活塞及推動活塞的射流突然停止運動，產生水擊波。水擊波經射流左流道22、上缸套射 流口 41、壓力波信號通道21傳遞給射流，導致射流換向，經下缸套射流口 67、射流右流道 70、流體通道口 38進入活塞缸套5的下腔室94，推動活塞向上運動，同時，把上腔室93的泥 漿經上缸套射流口 41、射流出口 58、泥漿通道23、行星斜孔53、外八方接頭水眼96、鑽頭水 眼排入井底。當活塞上行，並與缸套碰撞時，活塞和推動活塞運動的泥漿突然停止運動，產生 水擊波。水擊波經流體通道口 38、射流右流道70、經下缸套射流口 67、壓力波信號通道21 傳給射流，使射流換向，進入射流左流道22，驅動活塞6加速下行，同時把剛套下腔室的泥 漿經流體通道口 38、射流右流道70、經下缸套射流口 67、射流出口 58、泥漿通道23、行星斜 孔53、外八方接頭水眼96、鑽頭水眼排入井底。在活塞6上、下運動的過程中，聚積在缸套上腔室93的固體顆粒，可以通過活塞柱 面76上的螺旋槽46，被泥漿推入下腔室94中，或者積存在螺旋槽46中。聚積在缸套下腔 室94的固體顆粒，則在接單根前的提鑽循環泥漿時，通過活塞杆排屑環66和缸蓋中心孔87 的螺旋槽46，被泥漿帶入泥漿通道23。當缸套下腔室94裡的固體顆粒被泥漿帶走後，活塞 下端面與缸蓋圓臺90的端面接觸，活塞柱面76堵住了流體通道口 38，射流無法進入缸套下 腔室94，亦即射流無法推動活塞運動，有效地防止了衝錘9衝擊砧子10，以防空打。以上所述只是分別闡述了本實用新型的兩個技術方案的實施例，並非對本實用新 型作任何形式上的限制，任何未脫離本實用新型技術方案內容，依據本實用新型的技術實 質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化或修飾，仍屬於本實用新型技術方案的範 圍內。
權利要求一種射流脈動發生器，其特徵為由發生器本體和噴嘴採用固定連接構成；其中，發生器本體由發生器基體和左右壓蓋及連接螺栓構成；噴嘴是由硬質合金加工為一整體。
2.根據權利要求1所述的射流脈動發生器，其特徵是其中噴嘴為一個圓臺狀或圓柱 狀，其內孔為變徑的流線型，其入口的截面為圓形，出口的截面為曲邊矩形。
3.根據權利要求1所述的射流脈動發生器，其特徵是其中發生器基體為一釘子形體， 由一塊鋼結合金的圓柱體，或者合金鋼的圓柱體；釘子形體的圓柱體上有密封機構，圓柱體 的中心有一個圓錐入口、曲邊矩形出口的錐型孔，圍繞著中心孔，有四個對稱分布的圓孔， 其中兩個是螺紋孔；釘子形體的矩形體上有兩個射流通道、若干個螺栓通孔、兩個壓力波信 號通道，兩通道的出口分別安裝在曲邊矩形出口的兩側。
4.一種衝錘裝置，其特徵為包括由射流脈動發生器、活塞機構和衝錘機構順序連接 而成；其中，射流脈動發生器由發生器本體和噴嘴採用固定連接構成；其中，發生器本體由 發生器基體和左右壓蓋及連接螺栓構成；噴嘴是由硬質合金加工為一整體；活塞機構是由 活塞、活塞缸套、活塞杆及缸蓋構成；衝錘機構是由衝錘、砧子和衝錘外套組成。
5.根據權利要求4所述的衝錘裝置，其特徵為其中射流脈動發生器的噴嘴為一個圓 臺狀或圓柱狀，其內孔為變徑的流線型，其入口的截面為圓形，出口的截面為曲邊矩形。
6.根據權利要求4所述的衝錘裝置，其特徵為其中發生器基體為一釘子形體，由一 塊鋼結合金的圓柱體，或者合金鋼的圓柱體；釘子形體的圓柱體上有密封機構，圓柱體的中 心有一個圓錐入口、曲邊矩形出口的錐型孔，圍繞著中心孔，有四個對稱分布的圓孔，其中 兩個是螺紋孔；釘子形體的矩形體上有兩個射流通道、若干個螺栓通孔、兩個壓力波信號通 道，兩通道的出口分別安裝在曲邊矩形出口的兩側。
7.根據權利要求4所述的衝錘裝置，其特徵為其中活塞的柱面上加工有螺旋凹槽，並 與缸套內柱面形成間隙配合；活塞杆柱面與缸蓋的中心孔形成間隙配合，在活塞杆上有排 屑環，當排屑環移至缸蓋中心孔時，彼此間隙增大，便於排出積存在缸套中的固相顆粒；活 塞杆的一端是錐形體，錐形體的端部有個圓槽通孔；活塞的另一端有凸臺，與活塞和活塞杆 是一整體，活塞套與射流脈動發生器通過螺栓連接。
8.根據權利要求4所述的衝錘裝置，其特徵為其中衝錘機構的衝錘是一圓柱體，一端 部有一圓錐孔，圓錐孔的底部有橫穿軸線的徑向圓孔和一個洩流孔；圓錐孔與活塞杆的錐 體插接，並通過衝錘上的徑向圓孔和活塞杆上的通孔，一個銷定將活塞杆和衝錘連接；衝錘 的另一端的圓柱面上安裝有扶正塊。
專利摘要本實用新型涉及石油勘探鑽井所用的鑽井工具，其包括射流脈動發生器及衝錘裝置，其中射流脈動發生器由發生器本體和噴嘴採用固定連接構成；衝錘裝置包括射流脈動發生器、活塞機構和衝擊錘等部件，其中噴嘴是由硬質合金加工為一整體；活塞機構是由活塞、活塞缸套、活塞杆及缸蓋構成；衝擊錘是由衝錘、砧子和衝擊錘外套組成。本實用新型解決了現有衝擊錘使用壽命短的技術難題，並且大幅度提高深井巖層、高陡構造帶地層、易斜地層等硬地層鑽井速度，降低了鑽井成本。
文檔編號E21B1/28GK201705197SQ20102016972
公開日2011年1月12日 申請日期2010年4月26日 優先權日2010年4月26日
發明者劉大紅, 劉白楊 申請人:劉白楊;劉大紅