石油鑽井雙作用液力衝擊器的製作方法

2024-03-20 16:51:05 3

專利名稱:石油鑽井雙作用液力衝擊器的製作方法
本發明是一種石油鑽井井下工具。
衝擊迴轉技術已在地質巖心鑽探中廣泛應用並取得很高的經濟效益(參見附件11981年10月中國地質學會探礦工程委員會《衝擊迴轉鑽井技術專題報告討論會集錦》)衝擊器在石油鑽井中應用的研究工作國外已經取得了許多進展。目前國外的石油鑽井衝擊器《鑽井震擊器》所述的(1984年第五期《油氣田開發工程譯叢》，譯自《ЬУРЕНИЕ》1983.№.2)一般有一帶活塞的空心衝錘，其上部有一軸向滑閥或端面活閥，泥漿通過衝錘和衝錘下部接頭的砧子中心流至鑽頭。衝錘上的彈簧迫使錘接觸閥，關閉衝錘中心流道，在上部泥漿壓力作用下衝錘連同閥高速下行，衝擊砧子及鑽頭，這閥由於行程限位機構先打開並在彈簧作用下上行回復原位，繼而衝錘在砧子反彈和彈簧力作用下上行至閥處，開始上下往復運動，產生了鑽頭的高頻衝擊。這些衝擊器的不足之處是由於單作用需使用彈簧，液能轉換效率低，彈簧在化學成分複雜的泥漿中高頻振動易氫脆、斷裂。活塞一般採用常規密封件，在高速運動條件下，強度低、壽命短，衝孔時需減小排量，否則會產生不必要的衝擊。本發明的目的是提高衝擊器液能轉換效率，取消彈簧，改善鑽頭噴嘴流束狀況。
本發明的活閥(3)為雙作用式，其上方的低壓腔(15)與井壁環形空間連通，活閥(3)把內腔和低壓腔隔開。位於活閥(3)下方的衝錘(12)上部背向裝著兩個上小下大的活塞(7)、(11)兩活塞(7)、(11)間的低壓腔(17)與井壁環形空間相通。衝錘(12)下面的砧子(14)與外筒(1)以花鍵聯接，轉盤扭矩及衝錘(12)衝擊力均由砧子(14)傳給鑽頭。
本工具是在泥漿條件下工作的。在一定排量下，通過鑽頭噴嘴的泥漿在高壓腔(16)與外形環形空間之間造成一定壓力差。由於上、下活塞(7)(11)面積上小下大，該壓差在上、下活塞(7)、(11)上造成的推力也是上小下大，兩力之合力方向向上，迫使衝錘(12)上行(上返行程S返)，直至衝錘(12)上端面與活閥(3)下端面閉合。這時泥漿流被阻斷，鑽頭噴嘴壓降驟然下降。而上活塞(7)上部空腔的壓力由於水擊作用猛然上升，巨大的推力使活閥(3)及衝錘(12)疾速下行(快速行程S快)。當活閥(3)下行一段距離受到活閥限位套(6)阻止時，兩閉合面打開泥漿流道暢道，快速行程結束，活閥(3)在高壓腔(16)與井壁環空壓差的作用下迅速上返至上死點，衝錘(12)由於慣性作用下繼續下行數毫米(自由行程S自，與快速行程S快合為工作行程SI)，以較大的動能衝擊砧子(14)，砧子(14)把衝擊力傳給鑽頭，完成了一次衝擊動作。砧子(14)的反彈和泥漿壓差作用使衝錘(12)又一次上行，不停地往復運動，使鑽頭產生高頻衝擊。
與國外現有的石油鑽井液力衝擊器的不同點是本工具的活閥和衝錘均採用雙作用形式，其它特點如下上、下活塞(7)、(11)採用類似於活塞式鑽井泥漿泵上普遍採用的帶有護環(8)、(10)的大皮碗組合式活塞，耐高溫、耐磨、壽命長、工作可靠。上活塞(7)直徑90～120mm，下活塞直徑110～114mm，上、下面積比取0.5～0.65。活塞皮碗材料可採用耐油、耐高溫的中高硬丁晴橡膠，活塞(7)、(11)用壓板、卡簧或螺帽或其它方式固定。上活塞皮碗內孔取φ70mm左右，下活塞皮碗取φ90mm左右。為了便於安裝下活塞，可將衝錘分為兩體，上一部分安裝上、下活塞，與衝錘(12)主體通過錐面或螺紋聯接。
活閥(3)和活閥配合之表面應進行硬化處理，其上密封圈採用Y型或V型。活閥杆直徑應在φ20～φ40之間。為了減輕質量活閥(3)可做成空心的。必要時也可加入彈簧將閥做成單作用式，可省去密封。活閥(3)下端面有效直徑應大於φ30，以便與衝錘上端面較好地接觸閉合。
衝錘限位套(13)與砧子(14)用螺紋連接，並套裝在衝錘上，套的上部有一向內凸起的臺階，其直徑小於衝錘(12)下部凸臺外接圓直徑。當砧子(14)相對外筒下行超過約10mm時限位套凸臺接觸衝錘上的凸臺，將衝錘拉下。衝錘限位套(13)的作用是在衝孔鑽頭離井底時，泥漿壓力將砧子(14)壓下，衝錘限位套(13)拉住衝錘(12)使其上端面無法和活閥(3)下端面接觸，從而不產生衝擊，避免了不必要的能量損失和零件磨損。
活閥(3)下端面至鑽頭之間無任何節流或換向裝置，其間任何截面的過水斷面直徑應大於5cm2，工作時，直接借用鑽頭噴嘴壓降作為工作背壓，同時使噴流束變為壓力波動很大的脈動流，增加了清巖和噴射鑽井效果。
套在活閥上的碟形彈簧(5)可緩衝衝錘上行的衝擊，儲存能量，並使活閥和衝錘能更好地接觸閉合。碟形彈簧(5)內徑應在活閥(3)杆直徑和活閥下端面直徑之間選取，一般僅大於前者1～3mm，數量在2個左右。
外筒(1)上和上、下活塞(7)(11)配合處最易磨損，應進行表面強化處理，如滲碳或多元共滲，然後淬火，如有條件可進一步鍍一層0.02～0.07mm的硬鉻。
活閥(3)上部低壓腔(15)和兩活塞間低壓腔(17)通過帶有濾網的空心的濾塞(9)與井壁環空相通，濾塞(9)裝在外筒上，用螺紋或卡簧固定。兩個腔各塞濾塞3～4個，濾塞(9)孔徑應大於φ10。
衝錘(12)的重量及行程分別可根據不同衝擊功和頻率要求分為數級(範圍見本說明書主要性能參數範圍)。衝錘行程的調整是通過調整套(4)實現的。
為了便於加工、調整、拆裝和維護，外筒(1)上部(活閥(3)上方)，開口朝上，與外筒間應留有足夠的泥漿流道，最小過水斷面應大於10cm2。蓄能器(2)的作用是吸收活閥(3)突然關閉時劇烈的壓力波動，保護衝擊器及上部鑽具。並在衝錘(12)下行末時補充部分不足的液量，提高衝擊效率，同時防止氣蝕。
主要性能參數範圍鑽頭直徑 (吋) 6～12 1/4衝錘重量 (kg) 20～100工作行程 (mm) 10～50自由行程 (mm) ≥4～7衝擊頻率 (次／分) 100～500衝擊功 (kg～m) 30～150上活塞直徑(mm) 50～140下活塞直徑(mm) 80～160上下活塞面積比 0.5～0.65工作壓力 (kg／cm2) 10～60平均排量下鑽頭背壓 (kg／cm2) 10～30泥漿排量 (l／s) 10～40本發明的優點是，取消了彈簧，提高了液能轉換效率，延長了活塞壽命，避免了衝孔時不必要的另件磨損，減緩了衝擊器造成上部鑽具中的壓力波動。
附圖中(1)外筒，(2)蓄能器，(3)活閥，(4)調整套，(5)碟形彈簧，(6)活閥限位套，(7)上活塞，(8)(10)尼龍環，(9)濾塞，(11)下活塞，(12)衝錘，(13)衝錘限位套，(14)砧子，(15)(17)低壓腔，(16)高壓腔。
本衝擊器入井使用前須結合前面所述的參數範圍根據鑽井工程的要求調整參數，對於8 1/2 ″井眼中所用衝擊器，工作行程一般選15～25衝錘重量50～70kg泥漿排量與常見鑽井泥漿排量相近，約20～30升／秒，鑽頭噴嘴面積的確定是以該排量下的理論噴嘴壓降應在10～30kg／cm2範圍內為依據的。鑽井時使用鑽壓應為5～9噸，開泵後迅速增加轉速，大排量情況下較易起動。希望提高頻率和衝擊功，可加大排量。
權利要求
1.一種包括有外筒(1)可上、下往復運動的衝錘(12)及可傳遞衝擊的砧子(14)的液力衝擊器。其特徵是具有兩個活塞，上面一個是小活塞(7)，下面一個是大活塞(11)。
2.按照權利要求
1所述的衝擊器，其特徵是所說的活閥(3)其中一端通過外筒上的孔與衝擊器外相通。
3.按照權利要求
1、2所述的衝擊器，其特徵是所說的上、下活塞(7)(11)均採用帶有保護環(8)、(10)的活塞式鑽井泥漿泵中所用的大皮碗組合式活塞。
4.按照權利要求
1、2所述的衝擊器，其特徵是砧子(14)上裝有一個套在衝錘(12)上的限位套。
5.按照權利要求
1、2所述的衝擊器，其特徵是外筒內或其上方裝有類似於液壓迴路中的蓄能器。
6.按照權利要求
1、2所述的衝擊器，其特徵是外筒上與上、下活塞配合的表面滲碳或多元共滲，然後淬火併鍍硬鉻。
7.按照權利要求
1、2所述的衝擊器，其特徵是外筒上有一帶有網狀物的中空濾塞。
8.按照權利要求
1、2所述的衝擊器，其特徵是自所說的衝錘(12)上端面至砧子(14)下端面的泥漿流道的任何水斷面面積均大於5cm2。
專利摘要
石油鑽井雙作用液力衝擊器是一種石油井下工具，可實現衝擊迴轉鑽井，以期得到更高的鑽井速度，並減少鑽鋌，防止井斜，還可用於解卡。該工具主要技術特徵包括雙作用式的活閥和衝錘，有尼龍保護環、大皮碗組合式活塞、借用鑽頭噴嘴壓降作為工作背壓、造成脈動噴射流束，衝孔衝錘限位停振機構，上行碟形彈簧緩衝機構，蓄能器，緩衝壓力波動。
文檔編號E21B4/14GK85202387SQ85202387
公開日1986年4月2日 申請日期1985年6月7日
發明者張益友, 黃鳴 申請人:地質礦產部石油鑽井研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan