一種水平定向鑽用射流式液動衝擊鑽具的製作方法

2023-05-05 01:33:31 1

本發明涉及堅硬複雜地層水平定向鑽穿越管道鋪設施工領域，特別涉及一種水平定向鑽用射流式液動衝擊鑽具。

背景技術：

在我國，水平定向鑽穿越鋪管技術的應用領域已更加廣泛化和專業化，鑽遇地層也呈現多元化趨勢。由於傳統的水平定向鑽進鋪管技術在硬巖地層適應性差、鑽進效率低下，硬巖水平定向鑽進鋪管技術的研究滯後，嚴重影響了水平定向鑽進鋪管技術的發展。隨著非開挖穿越在管道建設工程中的工程量不斷增多，作為非開挖穿越最經濟、時效性最強的定向鑽穿越工程量也不斷增多，而現階段在硬巖地層定向鑽穿越中時效性不能凸顯，鑽進效率較低。

常規鑽井作業中破巖方式主要有兩種，一種是迴轉切削破巖，另外一種為衝擊破巖。在水平定向鑽穿越導向孔鑽進中，受地層複雜性條件限制，在堅硬、破碎地層使用常規定向鑽井工藝與方法不能滿足現代化、城市化發展的技術需求，造成鑽進效率低，施工周期長，鑽井成本高，嚴重影響了水平定向鑽穿越鑽井技術的大力普及與推廣應用。

在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術至少存在以下問題：

在水平定向鑽穿越施工領域現有鑽具主要包括一些提供扭矩與轉速的螺杆鑽具、隨鑽測量系統以及其他相關測量和聯接用的普通鑽具，而未出現為了革新工藝、提高鑽進效率的專用於硬巖地層的特殊鑽具。

現階段在水平定向鑽穿越工程中無衝擊鑽進工藝，也未發現適合於硬巖地層水平定向鑽穿越的衝擊鑽具，只有在其它地質鑽探以及石油領域有小口徑衝擊鑽具。

綜上，現有普通衝擊鑽具一般口徑較小，衝擊功較小，無法應用在硬巖地層水平定向鑽進中，採用大口徑液動衝擊鑽具工作性能不夠穩定，使用壽命較短。

技術實現要素：

為了解決現有技術的問題，本發明實施例提供了一種水平定向鑽用射流式液動衝擊鑽具。衝擊功大，破巖能力強，工作穩定，有效提高堅硬地層水平定向鑽穿越施工的鑽進效率，降低鑽井成本，縮短施工周期，提高衝擊鑽具的使用壽命。所述技術方案如下：

一種水平定向鑽用射流式液動衝擊鑽具，以高壓流體作為動力介質，驅動鑽具提供縱向衝擊力，進而利用砧子將衝擊力傳遞至鑽頭而破碎堅硬巖層；該衝擊鑽具至少包括：上接頭、蝶形彈簧、調整墊片、上壓蓋、外缸、射流元件、缸體、行程調節錐杆、活塞、缸蓋、中接頭、衝錘、導向滑塊、外管、半圓卡、砧子、八方套及密封結構。

所述上接頭下部聯接外缸，所述外缸下部聯接中接頭，所述中接頭下部聯接外管，所述外管下部聯接八方套，均採用梯形錐螺紋聯接，聯接錐度均為1/20。

所述外缸內腔自上而下順次設置有上壓蓋、射流元件本體、缸體、缸蓋，所述缸體內設置有行程調節錐杆、活塞，所述活塞下面是活塞杆。

所述上壓蓋下部聯接射流元件並通過O型密封圈密封，同時通過O型密封圈與外缸密封，所述上壓蓋上設置有蝶形彈簧、調整墊片，所述上壓蓋上部伸入上接頭的內腔並通過O型密封圈密封。

所述缸體上部通過O型密封圈與射流元件密封，並通過O型密封圈與外缸密封；活塞下部通過O型密封圈與缸蓋和外缸密封，所述缸體底端通過定位銷與缸蓋聯接，所述缸蓋與活塞杆通過環槽結構密封，環槽結構設置於缸蓋與活塞杆接觸的中心孔內，所述活塞與缸體內側面接觸區域通過鍍磷鎳表面硬化。

所述行程調節錐杆設置在缸體內且下部與活塞聯接，活塞杆下部伸入中接頭的內腔並與衝錘聯接，均採用莫氏錐度聯接。

所述射流元件至少包括合金噴嘴、射流元件本體、合金底板、合金側板、合金劈尖；所述合金噴嘴、合金底板、合金側板、合金劈尖均為硬質合金鑲嵌組件，自上而下順次設置在與高壓流體接觸區域的射流元件本體上，並採用燕尾槽鑲嵌方式，各組件之間形成流體通道，用以流體的穩定切換與順暢排空，由此構成射流元件。

所述外管的內腔自上而下順次設置有衝錘、砧子，所述衝錘下部縮徑處設 置有若干個碳纖維聚四氟乙烯材質的導向滑塊，沿圓周均勻分布，所述砧子上部設置有半圓卡，中部與八方套採用滑動聯接，所述砧子內腔設置有通道，底部設置有與下接頭聯接的錐形螺紋孔。

所述導向滑塊為碳纖維聚四氟乙烯材質，均勻分布於衝錘圓周的六個鍵槽內，呈花鍵形式，用以水平定向鑽進衝錘扶正與穩定。

所述衝錘由合金鋼與碳纖維聚四氟乙烯粘接而成。

本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是：

該水平定向鑽用射流式液動衝擊鑽具是一種採用雙穩態射流元件為控制機構的新型鑽具，其工作穩定，衝擊功大，破巖能力強，能夠明顯改善堅硬地層水平定向鑽穿越施工的鑽進效率，縮短水平定向鑽穿越施工周期，降低水平定向鑽穿越管道鋪設施工成本；有效解決非開挖鋪管施工中在硬巖地層水平定向鑽穿越破巖時能力不足的問題，改變常規定向鑽穿越單一迴轉破巖的局面，能量利用率高，適用於硬巖地層水平定向鑽穿越導向孔衝擊迴轉鑽進施工，應用前景良好。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明實施例提供的水平定向鑽用射流式液動衝擊鑽具整體結構示意圖；

圖2是本發明實施例提供的圖1中上局部結構示意圖；

圖3是本發明實施例提供的圖1中下局部結構示意圖；

圖4是本發明實施例提供的圖3中B-B剖視圖。

圖中各符號表示含義如下：

1上接頭；2,7,8,11,12,13,17為O型密封圈；3蝶形彈簧；4調整墊片；5螺釘；6上壓蓋；9外缸；

10射流元件，

10.1合金噴嘴，10.2射流元件本體，10.3合金底板，10.4合金側板，10.5 合金劈尖；

14缸體；15行程調節錐杆；16活塞；18缸蓋；19定位銷；20中接頭；21衝錘；22導向滑塊；23外管；24半圓卡；25砧子；26八方套；27活塞杆。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。

參見圖1所示，本發明實施例提供了一種水平定向鑽用射流式液動衝擊鑽具，是水平定向鑽穿越非開挖鋪管施工導向孔鑽進過程中採用衝擊迴轉鑽進的專用鑽具，專用于堅硬巖層水平定向鑽穿越鑽進施工領域，該鑽具以高壓流體作為動力介質，驅動鑽具做功形成縱向振動，提供鑽井施工中的縱向衝擊力，達到衝擊碎巖與迴轉鑽進雙重作用的效果，進而利用砧子將衝擊力傳遞至鑽頭衝擊其前方工作面而破碎堅硬巖層；該衝擊鑽具至少包括：上接頭1、O型密封圈2、7、8、11、12、13、17、蝶形彈簧3、調整墊片4、螺釘5、上壓蓋6、外缸9、射流元件10、缸體14、行程調節錐杆15、活塞16、缸蓋18、定位銷19、中接頭20、衝錘21、導向滑塊22、外管23、半圓卡24、砧子25、八方套26、活塞杆27等零部件。

具體地，所述上接頭1下部螺紋聯接外缸9，外缸9下部螺紋聯接中接頭20，中接頭20下部螺紋聯接外管23，外管23下部螺紋聯接八方套26，均採用梯形錐螺紋聯接，聯接錐度均為1/20；八方套26內設置有砧子25；聯接後總長約為2622mm，外徑約為203.2mm。

所述外缸9內腔自上而下順次設置有上壓蓋6、射流元件10、缸體14、缸蓋18，缸體14內設置有行程調節錐杆15、活塞16，活塞16下面是活塞杆27；所述上壓蓋6下部通過螺釘5聯接射流元件10並通過O型密封圈8密封，同時通過O型密封圈7與外缸9密封，在上壓蓋6的柱體上設置有蝶形彈簧3、調整墊片4，蝶形彈簧3起到緩衝預緊作用，裝配尺寸誤差可由蝶形彈簧3或調整墊片4調節，從而實現對衝擊鑽具系統內任意零部件的過載保護，以避免衝擊鑽具在水平定向鑽穿越鑽井施工過程中受到突然的外力而被損壞，保證衝擊鑽具在井內正常工作；所述上壓蓋6上部伸入上接頭1內腔並通過O型密封圈2密封。

所述缸體14上部通過O型密封圈11與射流元件10密封，同時通過O型密封圈12、13與外缸9密封；活塞16下部通過O型密封圈17與缸蓋18和外缸9螺旋密封，缸體14底端通過定位銷19與缸蓋18聯接，缸蓋18與活塞杆27通過環槽密封結構實現密封，環槽密封為壓力差遞減原理，且環槽結構設置於缸蓋18與活塞杆2727接觸的中心孔內，環槽深度為3mm，寬度亦為3mm，環槽間距為12mm，環槽密封結構能夠實現活塞杆27與缸蓋18之間的動密封，起到穩定缸體14下腔工作壓力的作用，以保證衝擊鑽具工作的穩定性；所述活塞16與缸體14內側面接觸區域通過鍍磷鎳實現表面硬化，從而增強活塞16的耐磨能力，提高活塞16在缸體14內運動過程中的密封性，改善衝擊鑽具的工作性能。

所述行程調節錐杆15設置在缸體14內且下部與活塞16聯接，活塞杆27下部伸入中接頭20內腔並與衝錘21聯接，均採用莫氏錐度聯接；行程調節錐杆15的行程範圍為0～100mm，衝擊行程可自由調節，衝擊功450J～520J，可根據衝擊鑽具系統內不同的行程設置有不同的衝擊功與工作頻率，以滿足衝擊鑽具在不同地層進行水平定向鑽穿越施工時的技術要求。

同時參見圖2所示，所述射流元件10至少包括合金噴嘴10.1、射流元件本體10.2、合金底板10.3、合金側板10.4、合金劈尖10.5等零部件；所述合金噴嘴10.1、合金底板10.3、合金側板10.4、合金劈尖10.5自上而下順次設置在與高壓流體接觸區域的射流元件本體10.2上，並採用燕尾槽鑲嵌方式，各組件之間形成流體通道，用以流體的穩定切換與順暢排空，由此構成射流元件10；所述合金噴嘴10.1、合金底板10.3、合金側板10.4、合金劈尖10.5均為硬質合金鑲嵌組件，以增強射流元件10的抗磨性能和整體強度，進而提高射流衝擊鑽具的整體使用壽命。

同時參見圖3、圖4所示，所述外管23內腔自上而下順次設置有衝錘21、砧子25，衝錘21下部縮徑處設置有若干個碳纖維聚四氟乙烯材質的導向滑塊22，沿圓周均勻分布，水平導向滑塊22與衝錘21組成的衝擊體在外管23內水平往復運動時，由於水平導向滑塊22與合金鋼組成水平摩擦副時具有磨損係數小等特點，因此能夠起到導正衝錘21的作用，同時提高衝錘21的耐磨性能；砧子25上部設置有半圓卡24，砧子25中部與八方套26採用滑動聯接，以防止砧子25脫離衝擊鑽具或不隨衝擊鑽具轉動；砧子25內腔設置有通道，底部設 置有用於與下接頭聯接的錐形螺紋孔。

所述導向滑塊22為碳纖維聚四氟乙烯材質，普通圓鍵形狀，數量為六個，均勻粘接分布於衝錘21四周，呈花鍵形式，用以水平定向鑽進衝錘21的扶正與穩定，且導向滑塊22置於衝錘21圓周均勻分布的六個鍵槽內，水平導向滑塊22與衝錘21磨損係數小，水平導向性強，可起到導正衝錘21的作用，在保證衝擊鑽具內過流斷面積滿足其工作要求的前提下最大限度減少衝錘21偏磨現象，實現外管23與水平導向滑塊22、衝錘21組成的水平摩擦副的均勻磨損，從而提高衝擊鑽具的使用壽命；所述衝錘21由合金鋼與碳纖維聚四氟乙烯兩種材料粘接而成，旨在建立摩擦係數較小的水平滑動摩擦副，從而在不影響衝擊鑽具整體強度和使用性能的基礎上提高其使用壽命；所述半圓卡24配合衝錘21與砧子25、活塞16與缸體14共同作用，起到防空打作用，當衝錘21隨砧子25下行到控制距離後，活塞16在缸體14內運動亦達到下死點，缸體14下腔入水口被封堵，高壓流體不能進入下腔驅動活塞16作回程運動，進而起到防空打的作用，以便衝擊鑽具出井後即自動停止工作，防止空載作用下對衝擊鑽具的損害。

本發明實施例的裝配過程：參見圖1所示，首先將行程調節錐杆15、活塞16依次放入缸體14，再將缸蓋18與缸體14通過定位銷19鉚接成為一體放入外缸9內，並將外缸9與中接頭20擰緊；同時將上壓蓋6和射流元件10通過螺釘聯接後放入外缸9內腔的上部，依次將調整墊片4、碟形彈簧3放入上壓蓋6內，最後將上接頭1與外缸9擰緊；上部結構裝配完成後，測量並確定調整墊片4的準確厚度。

將衝錘21和導向滑塊22聯接到活塞16下面的活塞杆27錐斷面，並放置於外管23內，將外管23與中接頭20擰緊；將砧子25放入八方套26中，再將半圓卡24卡住砧子25後放入外管23內，最後將八方套26與外管23擰緊，完成裝配。

該水平定向鑽用射流式液動衝擊鑽具裝配時，要注意各部件密封圈裝配質量，尤其是射流元件10下端與缸體14間的密封、缸體14與外缸9、上壓蓋6與射流元件10之間的密封；在裝配和使用過程中，應注意檢查各處O型密封圈的完整度，磨損與割傷的密封圈應及時更換，要保證各部件密封處工作可靠，不產生洩露。缸體14上的O型密封圈11的長度為參考值，應選取與缸體14上 的密封溝槽相匹配的密封圈，缸體14外環槽的O型密封圈12、13不能太緊或太松，缸體14裝入外缸9時，應在缸體14四周或外缸9內腔塗抹機油，並由一端慢慢敦入外缸9內孔，敦入時密切注意O型密封圈，防止其被割傷或切斷；缸體14到位後，再組裝活塞16及缸蓋18，尤其要注意缸體14與缸蓋18上的定位銷19定位對準後再輕輕敲擊缸蓋18使之到位，缸體14裝入外缸9後，先將中接頭20擰緊，進而壓緊缸蓋18，防止串動；裝配活塞16時應注意鬆緊度，不宜太緊或太松，應保證活塞16與衝錘21在缸體14內運動自如，無卡阻現象。

裝配外管23及砧子25過程中，應測量校對衝擊鑽具的行程尺寸。衝擊鑽具裝配完成後清水試壓5分鐘，20MPa下應無洩漏。同時，衝擊鑽具裝配時和使用後，應在絲扣及內部各零件表面塗油防鏽。該水平定向鑽用射流式液動衝擊鑽具裝配完成後可整體裝箱運輸，也可以卸開中接頭20及衝錘21後分二體運輸。

本發明實施例的工作原理：該水平定向鑽用射流式液動衝擊鑽具與螺杆馬達鑽具配合使用，聯接方式為螺杆馬達鑽具在該衝擊鑽具的後端，且衝擊鑽具的上、下接頭分別為API標準螺紋接頭，上接頭1與水平定向鑽穿越施工迴轉鑽具聯接，下接頭與牙輪鑽頭或其他附屬鑽井設備聯接。

上接頭1與鑽杆或螺杆馬達鑽具聯接後，由泥漿泵輸出的高壓液體，經鑽杆或螺杆馬達、上接頭1後輸入射流元件10的合金噴嘴10.1處，高壓射流從合金噴嘴10.1高速噴出，產生附壁作用，假如先附壁於右側，高壓水首先進入缸體14的上腔，推動活塞16做功，與活塞16聯接的衝錘21便衝擊砧子25，砧子25以螺紋聯接方式同其他鑽具聯接，衝擊力便經鑽頭上部鑽具傳至鑽頭，這就形成一次衝擊作用。通過螺杆馬達的循環泥漿帶動射流式液動衝擊鑽具工作，高壓泥漿一方面驅動衝擊鑽具破碎巖石，另一方面驅動其迴轉，避免在衝擊碎巖過程中出現鑽頭被卡死現象，同時減少鑽杆迴轉，降低對孔內鑽具的磨損。

高壓流體在輸出的同時，反饋信號回至射流元件10的信號控制孔，在活塞16行程末了，促使射流產生換向，流體經射流元件10與缸體14下腔聯接的通道進入缸體14的下腔，然後推動活塞16作返向運動；同樣，在高壓流體輸出的同時，反饋訊號被傳遞至射流元件10的另一信號控制道，從而將射流又換到開始位置，如此住返實現衝擊動作。

缸體14的上下腔回水則通過射流元件10的兩個輸出道返到排空孔，再經與排空孔通道、中接頭20及砧子25內孔注入下部鑽具及鑽頭，完成孔底衝洗及鑽頭冷卻，最後返回到地表孔口。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。