本實(shí)用新型涉及一種用于石油鉆井、礦山開采、地質(zhì)鉆探等領(lǐng)域中的基于渦輪和凸輪產(chǎn)生沖擊振蕩的井下工具。

背景技術(shù)：

隨著石油天然氣資源的不斷開采，鉆井過(guò)程中所面臨的問(wèn)題也越來(lái)越多，在鉆井過(guò)程中，地層硬度和鉆井難度隨著井深的增加是呈指數(shù)形式增加的，提高硬地層鉆速是被世界所公認(rèn)的難題之一。目前，我國(guó)大部分可開采油氣資源埋藏于深部地層，鉆井已經(jīng)逐步向深井和超深井發(fā)展，這些油田基本上都已經(jīng)進(jìn)入高含水和高采出程度的開發(fā)后期，穩(wěn)產(chǎn)壓力越來(lái)越大，要使油田得以持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)展，勘探開發(fā)深部堅(jiān)硬地層將是油田在未來(lái)增儲(chǔ)上產(chǎn)的關(guān)鍵，但是對(duì)于下部地層，尤其是深部堅(jiān)硬地層，存在著鉆井效率低、鉆具壽命短、鉆井周期長(zhǎng)、鉆井成本高的難題，嚴(yán)重影響著石油鉆探開發(fā)的整體效益，特別是鉆井效率非常低這一問(wèn)題，迫切需要發(fā)展高效破巖鉆井方法，提高深部資源的鉆探效率?，F(xiàn)在比較有效的鉆井工具主要是旋沖鉆具，到目前為止的所有的旋沖鉆具，其最主要的部分不外乎就是我們所說(shuō)的沖擊器。而現(xiàn)如今，世界上各個(gè)國(guó)家所用的沖擊器種類是非常多的，但是其工作原理不外乎也就是這么幾個(gè)：液動(dòng)式?jīng)_擊器、氣動(dòng)式?jīng)_擊器以及電動(dòng)式?jīng)_擊器、機(jī)械作用式?jīng)_擊器，還有就是氣液兩相混合式?jīng)_擊器。而在石油行業(yè)最多的還是液動(dòng)式?jīng)_擊器和氣動(dòng)式?jīng)_擊器。其中液動(dòng)式?jīng)_擊器是利用了高壓水或者高壓鉆井液的沖擊作用來(lái)作為帶動(dòng)液動(dòng)式的沖擊器工作的，而且液動(dòng)式的沖擊器應(yīng)用已經(jīng)超過(guò)了一百年，這方面的發(fā)展已經(jīng)取得了重大的突破，液動(dòng)式的沖擊器的應(yīng)用成果是十分顯著的，并且經(jīng)過(guò)逾百年的技術(shù)革新，已經(jīng)是非常成熟的技術(shù)了。液動(dòng)式的沖擊器利用鉆井液的作用，它對(duì)鉆井液能量的利用明顯是強(qiáng)于其他類型的沖擊器的，對(duì)于巖屑的清理能力也是非?？捎^的。

基于此，為了有效的提高鉆頭機(jī)械鉆速，提高破巖效率的目的，我們提出一種基于渦輪與凸輪的新型振蕩沖擊器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于：為克服油氣開采過(guò)程中面臨著地層可鉆性差、機(jī)械鉆速慢等諸多難題，為進(jìn)一步提高中深井、硬地層鉆井速度、堅(jiān)硬打滑地層的鉆進(jìn)時(shí)效,降低生產(chǎn)成本，提高PDC鉆頭的破巖效果，改善鉆頭和巖石的受力情況，提高鉆頭使用壽命，特提供一種基于渦輪和凸輪的新型振蕩沖擊器。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：基于渦輪與凸輪的新型振蕩沖擊器，主要是由渦輪節(jié)殼體、六角防松螺母、上部軸、多級(jí)渦輪定子、多級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子、定位套、渦輪殼體密封圈、上部軸密封圈、推力球軸承、中部殼體、上部軸凸輪、下部軸凸輪、六角螺母、雙頭螺柱、中部殼體密封圈、下部軸、下部殼體密封圈、彈簧、下部軸殼體、下部軸密封圈、砧子、八方套、下接頭等組成；其特征在于，所述渦輪節(jié)殼體上部與螺桿鉆具相連接，下接頭下部與鉆頭相連接；所述渦輪節(jié)殼體、中部殼體、下部軸殼體、八方套依次通過(guò)絲扣連接；所述多級(jí)渦輪定子與多級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子依次共軸線交錯(cuò)布置，串于上部軸，多級(jí)渦輪下端通過(guò)上部軸軸肩和定位套固定，上端通過(guò)六角防松螺母固定，再結(jié)合渦輪節(jié)殼體和中部殼體的絲扣連接固緊，從而實(shí)現(xiàn)多級(jí)渦輪定子與多級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子的軸向和周向定位；所述上部軸軸向開有一個(gè)較深盲孔，上部軸下端設(shè)有周向布置的4個(gè)通孔；所述渦輪節(jié)外部殼體上端設(shè)有公扣，下端設(shè)有母扣，套于裝配有多級(jí)渦輪的上部軸外部；所述推力球軸承安裝于上部軸與中部殼體之間，依靠上部軸軸肩與中部殼體臺(tái)肩實(shí)現(xiàn)軸向固定；所述中部殼體與渦輪節(jié)殼體通過(guò)絲扣連接，中部殼體與渦輪節(jié)殼體之間設(shè)置有渦輪殼體密封圈，上部軸下端與中部殼體上端設(shè)置有上部軸密封圈；所述上部軸凸輪通過(guò)絲扣與上部軸下端固定，從而上部軸在渦輪的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)上部軸凸輪旋轉(zhuǎn)，下部軸凸輪通過(guò)六角螺母與雙頭螺柱與下部軸固定；所述下部軸開有較深盲孔，下部軸下端設(shè)有周向布置的4個(gè)內(nèi)流孔，彈簧安裝于下部軸外部，下部軸殼體套于彈簧外部，依靠下部軸軸肩與下部軸殼體臺(tái)肩實(shí)現(xiàn)彈簧周向定位，下部軸殼體與下部軸之間設(shè)置有下部軸密封圈；所述砧子上端布置有4個(gè)內(nèi)流孔，套于八方套內(nèi)部，下端通過(guò)直螺紋與下接頭連接。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)比較，其有益效果是：(1)基于渦輪與凸輪的新型振蕩沖擊器通過(guò)上部軸凸輪與下部軸凸輪輪緣接觸面的變化產(chǎn)生軸向振蕩，往復(fù)沖擊砧子，砧子把沖擊力傳遞到磚頭上，使鉆頭受到均勻頻率的軸向沖擊，提高破巖效率；(2)鉆頭在軸向沖擊和旋轉(zhuǎn)力的作用下，使鉆頭產(chǎn)生旋切方式破巖，可以有效減少卡鉆、粘滑現(xiàn)象，提高機(jī)械鉆速、延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型基于渦輪與凸輪的振蕩沖擊器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型下部軸處于最低點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-渦輪節(jié)殼體、2-六角防松螺母、3-上部軸、4-多級(jí)渦輪定子、5-多級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子、6-定位套、7-渦輪殼體密封圈、8-上部軸密封圈、9-推力球軸承、10-中部殼體、11-上部軸凸輪、12-下部軸凸輪、13-六角螺母、14-雙頭螺柱、15-中部殼體密封圈、16-下部軸、17-下部殼體密封圈、18-彈簧、19-下部軸殼體、20-下部軸密封圈、21-砧子、22-八方套、23-下接頭。

圖3為本實(shí)用新型上部軸凸輪結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本實(shí)用新型下部軸凸輪結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明圖1中A-A面的截面圖。

圖6為本發(fā)明圖1中B-B面的截面圖。

具體實(shí)施方式

根據(jù)附圖所示，基于渦輪與凸輪的新型振蕩沖擊器，主要是由渦輪節(jié)殼體1、六角防松螺母2、上部軸3、多級(jí)渦輪定子4、多級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子5、定位套6、渦輪殼體密封圈7、上部軸密封圈8、推力球軸承9、中部殼體10、上部軸凸輪11、下部軸凸輪12、六角螺母13、雙頭螺柱14、中部殼體密封圈15、下部軸16、下部殼體密封圈17、彈簧18、下部軸殼體19、下部軸密封圈20、砧子21、八方套22、下接頭23組成；其特征在于，所述渦輪節(jié)殼體1上部與螺桿鉆具相連接，砧子21下部與鉆頭相連接；所述渦輪節(jié)殼體1、中部殼體10、下部軸殼體19、八方套25依次通過(guò)絲扣連接；所述多級(jí)渦輪定子4與多級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子5依次共軸線交錯(cuò)布置，共同串于上部軸3，多級(jí)渦輪下端通過(guò)上部軸軸肩和定位套6固定，上端通過(guò)六角防松螺母2固定，再結(jié)合渦輪節(jié)殼體1和中部殼體10的絲扣連接固緊，從而實(shí)現(xiàn)多級(jí)渦輪定子4與多級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子5的軸向和周向定位；所述上部軸3軸向開有一個(gè)較深盲孔，上部軸3下端設(shè)有周向布置的4個(gè)通孔；所述渦輪節(jié)殼體1上端設(shè)有公扣，下端設(shè)有母扣，套于裝配有多級(jí)渦輪的上部軸3外部；所述推力球軸承9安裝于上部軸3與中部殼體10之間，依靠上部軸3軸肩與中部殼體10臺(tái)肩實(shí)現(xiàn)軸向固定；所述中部殼體10與渦輪節(jié)殼體1通過(guò)絲扣連接，中部殼體10與渦輪節(jié)殼體1之間設(shè)置有渦輪殼體密封圈7，上部軸3下端與中部殼體10上端設(shè)置有上部軸密封圈8；所述上部軸凸輪11通過(guò)絲扣與上部軸3下端固定，從而上部軸3在渦輪的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)上部軸凸輪11旋轉(zhuǎn)，下部軸凸輪12通過(guò)六角螺母13與雙頭螺柱14與下部軸16固定；所述下部軸16開有較深盲孔，下部軸16下端設(shè)有周向布置的4個(gè)通孔，彈簧18安裝于下部軸16外部，下部軸殼體19套于彈簧18外部，依靠下部軸16軸肩與下部軸殼體19臺(tái)肩實(shí)現(xiàn)彈簧18周向定位，下部軸殼體19與下部軸16之間設(shè)置有下部軸密封圈20；所述砧子(21)上端布置有4個(gè)內(nèi)流孔，套于八方套(22)內(nèi)部，下端通過(guò)直螺紋與下接頭(23)連接。

工作時(shí)，鉆井液經(jīng)渦輪節(jié)殼體1內(nèi)部，沖擊多級(jí)渦輪定子4和多級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子5，將鉆井液的液壓能轉(zhuǎn)化為多級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子5的機(jī)械能，使得多級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子5旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)上部軸3轉(zhuǎn)動(dòng)，再結(jié)合推力球軸承9，進(jìn)而帶動(dòng)上部軸凸輪11旋轉(zhuǎn)；鉆井液從多級(jí)渦輪定轉(zhuǎn)子葉片流出，經(jīng)過(guò)上部軸3下端的內(nèi)流孔，經(jīng)過(guò)上部軸3中心孔流道，流入下部軸16中心孔，再經(jīng)過(guò)下部軸16下端的內(nèi)流孔流出，經(jīng)過(guò)砧子21的內(nèi)流孔，經(jīng)過(guò)下接頭23，最后流向與下接頭23連接的鉆頭。當(dāng)上部軸凸輪11旋轉(zhuǎn)時(shí)，其上面的凸緣與下部軸凸輪12凸緣接觸面積改變，從而使得上部軸凸輪11凸緣沿著下部軸凸輪12凸緣由最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)，再由最高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)，如此循環(huán)往復(fù)，由于下部軸凸輪12與下部軸16連接，因此在兩個(gè)凸輪凸緣接觸面積發(fā)生改變的循環(huán)過(guò)程中，下部軸16壓縮彈簧18，使得下部軸16軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生軸向沖擊力，從而使得下部軸16下端沖擊砧子21，進(jìn)而將沖擊力傳遞給鉆頭。當(dāng)上部軸凸輪11輪緣最高點(diǎn)與下部軸凸輪12輪緣最低點(diǎn)接觸時(shí)，下部軸16處于最高點(diǎn)，如圖1所示，當(dāng)上部軸凸輪11輪緣最高點(diǎn)與下部軸凸輪12輪緣最高點(diǎn)接觸時(shí)，下部軸16處于最地點(diǎn)，如圖2所示，如此循環(huán)往復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)下部軸的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，沖擊砧子21，產(chǎn)生軸向沖擊，進(jìn)而將沖擊力傳遞給鉆頭，提高鉆頭破巖效果，降低粘滑影響，最終達(dá)到鉆井提速的目的。