近钻头轴向冲压振动器的制作方法

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1.本发明涉及钻探机具，特别涉及一种近钻头轴向冲压振动器。

背景技术：

2.随着钻探行业的发展，钻孔技术要求也随之越来越高。冲击回转钻进技术因具有钻进效率高、适用范围广、单钻头寿命长等优点而被广泛应用，此外，该技术还能有效减少甚至避免钻进过程中的堵心、“打滑”和孔斜现象。冲击器是冲击回转钻进的核心部件，其按驱动介质类型可分为液动冲击器和气动冲击器。相比于气动冲击器，液动冲击器因原理简单，适用范围广，操作相对安全，而备受工程应用领域青睐。
3.目前常规液动冲击器具有以下不足之处：
①
结构复杂，零部件数量多；
②
冲击能较小，且冲击频率低，解卡能力有限；
③
冲击瞬间可显著提高瞬时钻压，但冲击间歇孔底钻压低。

技术实现要素：

4.本发明提供了一种近钻头轴向冲压振动器，其目的是为了解决现有冲击器具结构复杂，解卡能力有限的问题。
5.为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种近钻头轴向冲压振动器，包括：
6.上接头，在轴向上设置有上接头中心流体通道；
7.外缸，螺接于上接头的下端；
8.冲锤，位于所述外缸内并与所述外缸的内壁形成流体环空通道，所述冲锤套设于所述上接头，且冲锤与所述上接头的下端面之间产生使冲锤沿上接头轴向运动的弹力，所述冲锤靠近所述上接头的一侧还设置有流体径向输出通道，所述流体径向输出通道连通所述上接头中心流体通道和流体环空通道，所述冲锤沿轴向方向还设置有流体压力工作腔；
9.砧子，包括振荡部和设置在所述振荡部下方延长部，所述砧子设置在所述流体压力工作腔内，所述砧子可在流体压力工作腔内沿上接头的轴向方向运动，所述振荡部包括射流切换腔，所述射流切换腔连通有与流体压力工作腔相连通的振荡入口，射流切换腔还连通有连通砧子中心流体通道的振荡出口，所述砧子中心流体通道设置在所述延长部的轴向方向上；
10.所述花键套，设置在所述外缸的底端，所述延长部穿过花键套伸出外缸，所述花键套限制所述砧子伸出外缸的长度。
11.优选的，所述上接头包括第一变径段、第二变径段和第三变径段，所述第一变径段和第三变径段分别设置在第二变径段的两端，所述第一变径段用于连接钻柱，所述第三变径段用螺接所述外缸，所述第三变径段的直径小于所述第二变径段的直径以形成供外缸抵接的第一变径台阶。
12.优选的，所述第三变径段的下方还设置有第四变径段，所述第四变径段外套设有弹簧和调整垫片，所述调整垫片位于所述弹簧的下方，所述冲锤自下而上的将调整垫片和
弹簧抵接在所述第二变径台阶上，所述上接头中心流体通道贯穿所述第一变径段、第二变径段、第三变径段和第四变径段。
13.优选的，所述流体压力工作腔包括用于连接上接头的第一腔体和用于液体施加冲击力的第二腔体，所述第一腔体位于第二腔体的上方且第一腔体的直径小于第二腔体的直径，所述第一腔体与第二腔体的连接处形成冲锤台阶面。
14.优选的，所述延长部靠近振荡部的一侧形成有砧子中上台阶面，所述砧子在振荡出口以下至砧子中上台阶面以上的区域内外轮廓为扁圆形以与流体压力工作腔的内壁形成流体弓形截面通道，所述延长部在所述砧子中心流体通道处还设置有砧子输入通道，所述砧子输入通道设置在延长部的径向方向，所述砧子输入通道连通所述砧子中心流体通道和振荡出口，所述砧子中上台阶面以下和振荡出口以上的外轮廓为圆形。
15.优选的，所述延长部还设置有砧子中下台阶面，所述砧子中下台阶面位于所述砧子中上台阶面的下方，所述砧子中下台阶面用于与花键套的上端面抵接以限制砧子的最低行程，所述砧子中上台阶面用于与冲锤的下端面抵接以限制砧子的最高行程。
16.优选的，所述流体径向输出通道均布设置2-4个。
17.本发明的上述方案有如下的有益效果：
18.本发明结构简单、无阀结构，总体坚固可靠，使用寿命长，而且流体压力工作腔内流体压力较大时，冲击器处于冲击间歇，此时砧子在高压流体的作用下仍可为钻头提供瞬时压力脉冲，钻头上有效作用力时间增长，进一步提高了碎岩效率，且比常规冲击器更有利于解卡。
附图说明
19.附图1为本发明的近钻头轴向冲压振动器的结构图；
20.附图2为图1中a—a剖面图；
21.附图3为图1中b—b剖面图；
22.附图4为图1中c—c剖面图；
23.附图5为图1中d—d剖面图；
24.【附图标记说明】
25.1上接头，2弹簧，3调整垫片，4外缸，5冲锤，6砧子，7花键套，8振荡盖板。
26.ⅰ‑
上接头中心流体通道；
ⅱ‑
流体径向输出通道；
ⅲ‑
流体压力工作腔；
ⅳ‑
振荡出口；
ⅴ‑
砧子输入通道；
ⅵ‑
砧子中心流体通道；
ⅶ‑
流体环空通道；
ⅷ‑
流体弓形截面通道。
27.a：冲锤台阶面；b：砧子中上台阶面；d：砧子中下台阶面。
具体实施方式
28.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
29.如图1-5所示，本发明的实施例提供了一种近钻头轴向冲压振动器，包括上接头1、弹簧2、调整垫片3、外缸4、冲锤5、砧子6和花键套7，其中上接头1在其轴向上设置有上接头中心流体通道ⅰ，该中心流体通道贯穿上接头1，上接头1的下端螺接有外缸4。冲锤5位于外缸4内，并且冲锤5与外缸4的内壁形成流体环空通道ⅶ，冲锤5套设在上接头1上，并且可以
在上接头1的轴向方向进行移动。冲锤5与上接头1的下端面之间存在可调节的弹力，该弹力是冲锤5沿上接头1轴向运动的动力源之一，冲锤5靠近上接头1一侧还设置有流体径向输出通道ⅱ，流体径向输出通道ⅱ与上接头1的轴向垂直，流体径向输出通道ⅱ设置有二至四个，流体径向输出通道ⅱ可以连通上接头中心流体通道ⅰ和流体环空通道ⅶ。进一步的，冲锤5沿着轴向方向还设置有流体压力工作腔ⅲ。当冲锤5位于最低行程时，流体径向输出通道ⅱ低于上接头中心流体通道ⅰ的最下端。
30.前述的砧子6包括振荡部和设置在振荡部下方的延长部，砧子6设置在流体压力工作腔ⅲ内，砧子6可以在流体压力工作腔ⅲ内沿着上接头1的轴向方向运动，具体来说，振荡部包括射流切换腔，射流切换腔由振荡盖板8和振荡底板围绕而成，射流切换腔为矩形体，振荡盖板8呈门字形，在振荡盖板8和振荡底板上分别设置有振荡出口ⅳ，在振荡盖板8的顶端设置有振荡入口，射流切换腔连通振荡入口，振荡入口与流体压力工作腔ⅲ相连通，延长部上还设置有砧子中心流体通道ⅵ，砧子中心流体通道ⅵ沿着延长部的轴向方向布置，砧子中心流体通道ⅵ与振荡出口ⅳ相连通。
31.前述的花键套7设置在外缸4的底部，延长部穿过花键套7伸出外缸4，花键套7限制砧子6伸出外缸4的长度。在本技术中延长部底部可以制作成钻头，也可以设置用于连接钻头的安装部。
32.具体来说，前述的上接头1自上而下的包括第一变径段、第二变径段、第三变径段和第四变径段，第一变径段用于连接钻柱，为本技术提供旋转动力。第三段用于连接外缸4，第三变径段的直径小于第二变径段的直径并在连接处形成第一变径台阶，该第一变径台阶用于限位外缸4，保证外缸4在上接头1上安装到位。上接头中心流体通道ⅰ贯穿第一变径段、第二变径段、第三变径段和第四变径段。
33.第四变径段设置在第三变径段的下方，第四变径段的直径小于第三变径段，第三变径段与第四变径段形成第二变径台阶，在第四变径段上套设有弹簧2和调整垫片3，调整垫片3位于弹簧2的下方，冲锤5自下而上的将调整垫片3和弹簧2抵接在第二变径台阶上，弹簧2产生可调的弹力。第四变径段与冲锤5之间间隙配合，冲锤5在弹力以及流体的冲击力作用下发生移动。调整垫片3具有调整间隙，传递冲击力并优化分布的功能。
34.进一步的，流体压力工作腔ⅲ包括第一腔体和第二腔体，第一腔体位于第二腔体的上方并连通第二腔体，第一腔体用于连接上接头1的第四变径段，第二腔体用于液体施加冲击力，第一腔体和第二腔体在连接处形成冲锤台阶面a。优选的，第一腔体的直径小于第二腔体的直径。
35.在前述提及的砧子中心流体通道ⅵ、流体压力工作腔ⅲ的连通通过如下方式进行。延长部靠近振荡部的一侧形成有砧子中上台阶面b，砧子6在振荡出口ⅳ以下、且砧子中上台阶面b以上的区域内的外轮廓为扁圆形，该扁圆形的区域与流体压力工作腔ⅲ的内壁形成流体弓形截面通道
ⅷ
，延长部在砧子中心流体通道ⅵ处设置有砧子输入通道
ⅴ
，砧子输入通道
ⅴ
设置在延长部的径向方向，砧子输入通道
ⅴ
连通砧子中心流体通道ⅵ和振荡出口ⅳ。砧子中上台阶面b以下和振荡出口ⅳ以上的外轮廓为圆形。
36.前述的砧子中上台阶面b的下方还设置有砧子中下台阶面d，砧子中下台阶面d用于与花键套7的上端抵接，可以限制砧子6的最低行程，前述的砧子中上台阶面b与冲锤5的下端面抵接，可以限制砧子6的最高行程。通过砧子中下台阶面d和砧子中上台阶面b可以限
制砧子6的行程距离。
37.钻井液通过上接头中心流体通道ⅰ进入本技术内部，由于振荡部的存在，流体压力工作腔ⅲ内的钻井液会产生持续性的规律压力波动，流体压力工作腔ⅲ内的钻井液冲击力比较大时，作用在冲锤台阶面a上，钻井液产生的冲击力迫使冲锤5压缩弹簧2向上滑动，此时弹簧2处的钻井液依次流经流体环空通道ⅶ、流体弓形截面通道
ⅷ
、砧子输入通道
ⅴ
、砧子中心流体通道ⅵ和钻头后排出。与此同时，作用在砧子6上端的钻井液给与砧子6冲击力脉冲，冲击力能量通过砧子6传递给钻头，接着，流体压力工作腔ⅲ内的钻井液冲击力变小，此时流体压力工作腔ⅲ内的钻井液依次经过射流切换腔、振荡出口ⅳ、流体弓形截面通道
ⅷ
、砧子输入通道
ⅴ
、砧子中心流体通道ⅵ排出，弹簧2的弹力大于作用在冲锤台阶面a上的钻井液冲击力，迫使冲锤5快速下行，冲击砧子6，冲击能量经过砧子6的传递给钻头。随后流体压力工作腔ⅲ内的钻井液又转变为压力较大的状态，进行第二次循环。
38.需要强调的是，本技术中指出的钻井液产生的压力变化是通过振荡部的自激振荡产生的，如以正弦或者余弦的形式有规律的变化，而且此处的冲击力大或小是与弹簧2产生的弹力作为对比。
39.本技术除实现前述的冲击钻头的作用外，还具有防打空功能。具体来说，当本技术悬空时，冲锤5和砧子6在自重的作用下向下滑落，砧子中下台阶面d被花键套7限制，导致砧子6和砧子6上设置的钻头悬空而不掉落。冲锤5由于下滑一段距离，因此，上接头中心流体通道ⅰ和流体径向输出通道ⅱ得以连通，此时进入上接头1的钻井液会依次经过上接头中心流体通道ⅰ、流体径向输出通道ⅱ、流体环空通道ⅶ、流体弓形截面通道
ⅷ
、砧子输入通道
ⅴ
、砧子中心流体通道ⅵ和钻头排出，而不会驱动冲锤5工作，形成防空打，对本技术有一定的保护作用。
40.本发明结构简单、无阀结构，可采用全金属加工制造，也可使用3d打印等增材制造方式进行关键结构件加工，总体坚固可靠，使用寿命长。本发明流体压力工作腔ⅲ内流体压力较大时，冲击器处于冲击间歇，此时砧子6在高压流体的作用下仍可为钻头提供瞬时压力脉冲，钻头上有效作用力时间增长，进一步提高了碎岩效率，且比常规冲击器更有利于解卡。
41.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.近钻头轴向冲压振动器，其特征在于，包括：上接头(1)，在轴向上设置有上接头中心流体通道(ⅰ)；外缸(4)，螺接于上接头(1)的下端；冲锤(5)，位于所述外缸(4)内并与所述外缸(4)的内壁形成流体环空通道(ⅶ)，所述冲锤(5)套设于所述上接头(1)，且冲锤(5)与所述上接头(1)的下端面之间产生使冲锤(5)沿上接头(1)轴向运动的弹力，所述冲锤(5)靠近所述上接头(1)的一侧还设置有流体径向输出通道(ⅱ)，所述流体径向输出通道(ⅱ)连通所述上接头中心流体通道(ⅰ)和流体环空通道(ⅶ)，所述冲锤(5)沿轴向方向还设置有流体压力工作腔(ⅲ)；砧子(6)，包括振荡部和设置在所述振荡部下方延长部，所述砧子(6)设置在所述流体压力工作腔(ⅲ)内，所述砧子(6)可在流体压力工作腔(ⅲ)内沿上接头(1)的轴向方向运动，所述振荡部包括射流切换腔，所述射流切换腔连通有与流体压力工作腔(ⅲ)相连通的振荡入口，射流切换腔还连通有连通砧子中心流体通道(ⅵ)的振荡出口(ⅳ)，所述砧子中心流体通道(ⅵ)设置在所述延长部的轴向方向上；所述花键套(7)，设置在所述外缸(4)的底端，所述延长部穿过花键套(7)伸出外缸(4)，所述花键套(7)限制所述砧子(6)伸出外缸(4)的长度。2.根据权利要求1所述的近钻头轴向冲压振动器，其特征在于：所述上接头(1)包括第一变径段、第二变径段和第三变径段，所述第一变径段和第三变径段分别设置在第二变径段的两端，所述第一变径段用于连接钻柱，所述第三变径段用螺接所述外缸(4)，所述第三变径段的直径小于所述第二变径段的直径以形成供外缸(4)抵接的第一变径台阶。3.根据权利要求2所述的近钻头轴向冲压振动器，其特征在于：所述第三变径段的下方还设置有第四变径段，所述第四变径段外套设有弹簧(2)和调整垫片(3)，所述调整垫片(3)位于所述弹簧(2)的下方，所述冲锤(5)自下而上的将调整垫片(3)和弹簧(2)抵接在所述第二变径台阶上，所述上接头中心流体通道(ⅰ)贯穿所述第一变径段、第二变径段、第三变径段和第四变径段。4.根据权利要求1所述的近钻头轴向冲压振动器，其特征在于：所述流体压力工作腔(ⅲ)包括用于连接上接头(1)的第一腔体和用于液体施加冲击力的第二腔体，所述第一腔体位于第二腔体的上方且第一腔体的直径小于第二腔体的直径，所述第一腔体与第二腔体的连接处形成冲锤台阶面(a)。5.根据权利要求1所述的近钻头轴向冲压振动器，其特征在于：所述延长部靠近振荡部的一侧形成有砧子中上台阶面(b)，所述砧子(6)在振荡出口(ⅳ)以下至砧子中上台阶面(b)以上的区域内外轮廓为扁圆形以与流体压力工作腔(ⅲ)的内壁形成流体弓形截面通道(
ⅷ
)，所述延长部在所述砧子中心流体通道(ⅵ)处还设置有砧子输入通道(
ⅴ
)，所述砧子输入通道(
ⅴ
)设置在延长部的径向方向，所述砧子输入通道(
ⅴ
)连通所述砧子中心流体通道(ⅵ)和振荡出口(ⅳ)，所述砧子中上台阶面(b)以下和振荡出口(ⅳ)以上的横截面外轮廓为圆形。6.根据权利要求5所述的近钻头轴向冲压振动器，其特征在于：所述延长部还设置有砧子中下台阶面(d)，所述砧子中下台阶面(d)位于所述砧子中上台阶面(b)的下方，所述砧子中下台阶面(d)用于与花键套(7)的上端面抵接以限制砧子(6)的最低行程，所述砧子中上台阶面(b)用于与冲锤(5)的下端面抵接以限制砧子(6)的最高行程。
7.根据权利要求1所述的近钻头轴向冲压振动器，其特征在于：所述流体径向输出通道(ⅱ)均布设置有2-4个。

技术总结

本发明提供了一种近钻头轴向冲压振动器，涉及钻探机具，包括上接头、外缸、冲锤、砧子，花键套，其中外缸与上接头连接，砧子位于冲锤内，冲锤与上接头之间设置有弹簧，冲锤受到液体冲击力和弹力的作用，在轴向上进行往复运动，间歇性地冲击砧子，实现钻孔，本发明结构简单、无阀结构，总体坚固可靠，使用寿命长，而且流体压力工作腔内流体压力较大时，冲击器处于冲击间歇，此时砧子在高压流体的作用下仍可为钻头提供瞬时压力脉冲，钻头上有效作用力时间增长，进一步提高了碎岩效率，且比常规冲击器更有利于解卡。于解卡。于解卡。