一種周向軸向負壓衝擊提速工具的製作方法
2023-11-06 05:11:07 1
本發明涉及石油、天然氣開採鑽井提速技術領域，是一種提高鑽井速度的周向軸向負壓衝擊工具。
背景技術：
隨著鑽井難度、鑽井深度的不斷增加，特別是深井、超深井，機械鑽速低、鑽井周期長、鑽井費用高的問題尤為顯著，提高鑽頭破巖效率、提高鑽井速度、縮短周期是鑽井技術一直追求的目標。
鑽井提速最重要的一步是提高破碎效率，脈衝射流技術是一種被現場印證的有效提高破巖效率的技術，脈衝射流提速技術通過將鑽井液連續流動轉換成一定頻率的間歇流動，改變井底巖屑床的分布，提高了井底巖屑上返速度，避免巖屑的重複破碎，同時產生軸向的衝擊，有效的提高機械鑽速。 現有的脈衝射流提速工具如中國專利CN202152634U頻率可調脈衝射流提速工具、CN205025358U產生脈衝射流的共軛旋轉密封閥所描述，其結構都採用渦輪作為驅動閥盤旋轉的動力，實現對鑽柱內流道的啟閉，在液壓力的作用下，產生軸向向下的衝擊力，從而提高機械鑽速，但是PDC鑽頭在鑽進中屢屢出現蹦齒等現象。針對PDC鑽頭因粘滑振動出現的易蹦齒問題，國際上阿特拉公司提出的Torkbuster扭轉衝擊器，通過工具內部產生高頻周期性的扭轉衝擊，使鑽頭持續切削地層，消除粘滑振動提高鑽井速度；現有的扭力衝擊提速工具如中國專利CN205135405U頻率可調扭力衝擊提速工具、CN204984255U扭力衝擊提速工具所描述，其結構採用衝擊錘體和轉換體交替運動，衝擊錘體產生周期性的周向錘擊力使鑽頭持續切屑地層，但是其流道結構複雜，衝擊錘產生錘擊力有限。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種周向軸向負壓衝擊提速工具，同時具備扭力衝擊器和脈衝射流鑽井的性能，進一步提高鑽井速度，優選的方案中，能夠實現對鑽頭的高頻周向和軸向衝擊，產生井底負壓，實現局部欠平衡鑽井，解決現有技術中脈衝射流技術中PDC鑽頭的粘滑振動問題和扭轉衝擊工具中其周向衝擊力小的問題。
為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是：一種周向軸向負壓衝擊提速工具，包括外筒、定閥座、定閥片、動閥片、衝擊筒、衝擊錘、換向閥、球軸承，其特徵是：
一種周向軸向負壓衝擊提速工具內設有互為換向控制的主閥和控制閥，其衝擊筒內壁面和衝擊錘外壁面構成主閥，衝擊錘內壁面和換向閥外壁面構成控制閥；
衝擊筒外壁面設有3個高壓導流槽和3個導流孔，內壁面設有衝擊錘槽和低壓導流槽，其低壓導流槽與中心流道連通；
衝擊錘外壁設有凸起的錘體，錘體內設有導流槽和導流孔，錘體兩側設有導流孔，衝擊錘內壁設有凸起的擋體，擋體兩側設有導流孔；
換向閥外壁設有導流槽和兩洩流槽，洩流槽通過導流孔與中心流道連通；
一種周向軸向負壓衝擊提速工具內還設有動定閥組，其動閥片固定在衝擊錘上，定閥片固定在定閥座上，定閥座與衝擊筒固定連接。
所述的衝擊錘的錘體置於衝擊筒的衝擊錘槽內，將其分割為兩個錘體液腔；
所述的換向閥置於衝擊錘內，衝擊錘的擋體置於換向閥的擋體槽內，將其分割為兩個換向閥液腔。
所述的動閥片和定閥片上各均布4個導流孔。
所述的定閥座上部圓筒設有導流孔。
所述的外筒和衝擊筒通過花鍵塊連接傳遞扭矩，花鍵塊之間設有間隙。
本發明提供的一種周向軸向負壓衝擊提速工具，通過採用以上的結構，具有以下的有益效果：
1、採用互為換向控制的主閥和控制閥結構，其中衝擊筒內壁面和衝擊錘外壁面構成主閥，衝擊錘內壁面和換向閥外壁面構成控制閥，使衝擊錘在錘體槽內周期性的往復擺動，通過衝擊錘驅動動閥片的旋轉，實現對鑽柱內流道的開啟和關閉，實現脈衝射流鑽井，能避免渦輪驅動易產生的憋死問題和採用彈簧等彈性元件引起的工具壽命較短的問題，大大提高工具的可靠性和工具的的工作壽命。
2、採用啟閉的動定閥組的結構，當動定閥組完全關閉時，產生的衝擊壓力遠比扭力衝擊工具中噴嘴的節流壓力大，可以有效解決扭力衝擊工具衝擊扭矩小的問題，提高工具的周向衝擊，進一步降低PDC鑽頭的粘滑振動。
3、本發明裝置結構簡單、長度短，採用全金屬結構，具有使用壽命長的優點。
附圖說明
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明：
圖1為本發明的主視結構剖視示意圖。
圖2為本發明的另一主視結構剖視示意圖。
圖3為本發明中圖1的A-A向剖視圖。
圖4為本發明中圖1的B-B向剖視圖。
圖5為本發明中衝擊筒的立體示意圖。
圖6為本發明中衝擊錘的立體示意圖。
圖7為本發明中換向閥的立體示意圖。
圖8為本發明中動定閥組的立體示意圖。
圖9為本發明中圖1的A-A向剖視的衝擊筒、衝擊錘、換向閥的第一種位置圖示意圖。
圖10為本發明中圖1的A-A向剖視的衝擊筒、衝擊錘、換向閥的第二種位置圖示意圖。
圖11為本發明中圖1的A-A向剖視的衝擊筒、衝擊錘、換向閥的第三種位置圖示意圖。
圖12為本發明中圖1的A-A向剖視的衝擊筒、衝擊錘、換向閥的第四種位置圖示意圖。
圖中：外筒1，定閥座2，定閥片3，定閥進液孔301，動閥片4，動閥進液孔401，衝擊筒5，衝擊錘6，換向閥 7，球軸承 8，高壓導流槽9，導流槽10，換向閥導流槽 11，錘體液腔12，錘體液腔13，換向閥洩流槽14，中心流道15，換向閥液腔16，低壓洩流槽17，換向閥液腔18，定閥座防砂篩管 19，衝擊筒錘體槽 20，進液孔21，花鍵塊 22，衝擊錘錘體23，衝擊錘擋體24，衝擊錘進液孔25，衝擊錘進液孔26，衝擊錘進液孔27，換向閥防砂割縫管28，換向閥擋體槽29，間隙30，外筒花鍵31。
具體實施方式
如圖1-2中，一種周向軸向負壓衝擊提速工具，包括外筒1、定閥座2、定閥片3、動閥片4、衝擊筒5、衝擊錘6、換向閥7、球軸承8；
如圖3中，一種周向軸向負壓衝擊提速工具內設有互為換向控制的主閥和控制閥，其衝擊筒5內壁面和衝擊錘6外壁面構成主閥，衝擊錘6內壁面和換向閥7外壁面構成控制閥；
如圖5中，衝擊筒5外壁面設有三個高壓導流槽9和三個導流孔21，內壁面設有衝擊錘槽20和低壓導流槽17,其低壓導流槽17與中心流道15連通；
如圖6中，衝擊錘6外壁設有凸起的錘體23，錘體23內設有導流槽10和導流孔25，錘體23兩側設有導流孔26，衝擊錘6內壁設有凸起的擋體24，擋體24兩側設有導流孔27；
如圖7中，換向閥7外壁設有導流槽11和兩洩流槽14，洩流槽14通過導流孔28與中心流道15連通；
如圖1、2中，一種周向軸向負壓衝擊提速工具內還設有動定閥組，其動閥片4固定在衝擊錘6上，定閥片3固定在定閥座2上，定閥座2與衝擊筒5固定連接。
如圖3、5、6中，所述的衝擊錘6的錘體23置於衝擊筒5的衝擊錘槽20內，將其分割為兩個錘體液腔12和13；
如圖3、6、7中，所述的換向閥7置於衝擊錘6內，衝擊錘6的擋體24置於換向閥7的擋體槽29內，將其分割為兩個換向閥液腔16和18。
如圖8中，所述的動閥片4和定閥片3上各均布4個導流孔301和401，通過旋轉動閥片4使動閥片4上的導流孔401和定閥片3上的導流孔301連通和關閉。
如圖1、2中，所述的定閥座2上部圓筒設有導流孔19。
如圖4中，所述的外筒1和衝擊筒5通過花鍵塊22和31連接傳遞扭矩，花鍵塊22和31之間設有間隙30。
如圖9~12中，為衝擊筒、衝擊錘、換向閥的四種位置圖。
該周向軸向負壓衝擊提速工具工作原理如下：
工作時鑽柱驅動外筒1旋轉，外筒花鍵31和衝擊筒5的花鍵22配合，帶動衝擊筒5上的鑽頭旋轉；鑽井液經定閥片3、動閥片4流入中心流道15，由於動定閥片的孔板結構的節流作用，動定閥組上部壓力大於下部的壓力。
如圖3、9中，動定閥組上部的高壓流體經導流孔19、導流槽9和導流孔21進入衝擊錘6的導流槽10，然後經導流孔25、換向閥7的導流槽11和導流孔26進入錘體液腔12；錘體液腔13經導流孔26、洩流槽14和導流孔流道28與動定閥組下部的中心流道15連通，其中錘體液腔12為高壓腔，錘體液腔13為低壓腔，衝擊錘6在兩側壓力差的作用下逆時針旋轉，同時帶動固定在衝擊錘6上的動閥片4旋轉，動定閥組逐漸關閉，錘體液腔12和13之間的壓力差隨之增加，衝擊錘6錘擊衝擊筒5時，動定閥組完全關閉，作用在衝擊錘6上的錘擊力最大；由於衝擊錘6內壁凸起的擋體24的作用，帶動換向閥7一起旋轉至圖10的位置。
如圖3、10中，換向閥液腔16經導流孔27、導流孔21和導流槽9與換向閥上部連通，換向液腔16為高壓腔；換向閥液腔18經導流孔27、導流槽17與中心流道15連通，換向液腔18為低壓腔；換向閥7在兩側壓力差的驅動下逆時針旋轉至圖11位置。
如圖3、11中，動定閥上部的高壓流體經導流孔19、導流槽9和導流孔21進入衝擊錘6的導流槽10，然後經導流孔25、換向閥7的導流槽11和導流孔26進入錘體液腔13，錘體液腔13為高壓腔；錘體液腔12經導流孔26、洩流槽14和導流孔流道28與動定閥組下部的中心流道15連通，錘體液腔12為低壓腔；衝擊錘6在錘體23兩側壓差作用下順時針旋轉，同時帶動動閥片和換向閥旋轉至圖12位置，動定閥組開啟。
如圖3、12中，換向閥液腔18經導流孔27、導流孔21和導流槽9與換向閥上部連通，換向液腔18為高壓腔；換向閥液腔16經導流孔27、導流槽17與中心流道15連通，換向液腔16為低壓腔；換向閥7在兩側壓力差的驅動下順時針旋轉至圖9位置。
該周向軸向負壓衝擊提速工具經圖9-10-11-12-9的一個周期的循環，衝擊錘6完成一次正向衝擊、一次反向衝擊，動定閥組完成一次啟閉，實現鑽柱內流道的一次啟閉。
上述的實施例僅為本發明的優選技術方案，而不應視為對於本發明的限制，本申請中的實施例及實施例中的特徵在不衝突的情況下，可以相互任意組合。本發明的保護範圍應以權利要求記載的技術方案，包括權利要求記載的技術方案中技術特徵的等同替換方案為保護範圍。即在此範圍內的等同替換改進，也在本發明的保護範圍之內。