活塞调控的液动冲击器的制作方法

本发明应用于石油工程、采矿工程、岩土工程等领域，是一种利用流体产生动力的冲击器，与旋转钻孔设备结合使用，对钻头施加冲击，具体涉及活塞调控的液动冲击器。

背景技术：

随着我国国民经济的高速发展，国家对油气资源的需求逐年增多。油气勘探力度不断增加，开采难度日益增大。开采层位从浅层向深层、超深层转变。钻井速度受到严重制约，因此急需提高钻井速度。目前利用冲击器冲击钻头来提高钻速，被广泛应用于钻井过程中。在旋转冲击钻井过程中，已经实现像空气这样的可压缩流体使冲击锤往复冲击。然而，通过钻井液这样的液体来驱动冲击锤进行钻井很困难，没有成功的解决方案。液体是相对不可压缩的流体，液压驱动冲击器的问题是冲击锤在下行程过程中，怎么移除冲击锤下方流体，使得冲击锤可以冲击钻头。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供活塞调控的液动冲击器，这种活塞调控的液动冲击器用于解决现有液动冲击器冲击效果不好的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种活塞调控的液动冲击器包括上部转换接头、上部间隔套筒、壳体、阀盖、活塞、冲击锤、砧座、限位螺母，上部转换接头通过螺纹与钻铤相连接，下部转换接头通过螺纹与钻头连接；壳体为筒体，壳体上端与上部转换接头螺纹连接，壳体下端设置砧座，限位螺母设置在壳体与砧座之间，限位螺母与砧座之间设置驱动销，砧座的下端为下部转换接头；缸体紧固在壳体内，上部转换接头与缸体之间有上部间隔套筒和上阀座，阀盖安装在上阀座中，阀盖四周具有流道，阀盖与缸体构成阀腔，冲击锤穿过缸体伸入到阀腔中，冲击锤底部与壳体接触，冲击锤与缸体之间形成低压腔，壳体具有低压孔道，低压孔道使得低压腔与环空相通；冲击锤上端具有气缸，第一活塞底板位于气缸内，第一活塞顶板伸入到阀腔内，冲击锤沿轴向设置有贯通的第一流体通道，冲击锤外壁设置外孔，外孔与第一流体通道相通；砧座上端具有阀缸，第二活塞底板位于阀缸内，第二活塞顶板为自由端，冲击锤底部具有活塞槽，冲击锤与砧座相接时，第二活塞顶板位于活塞槽内，砧座沿轴向设置有贯通的第二流体通道，第二流体通道一端延伸至砧座的上端面，第二流体通道另一端与下转换接头相通，第二流体通道通过内孔与阀缸相通。

上述方案中阀盖包括轮毂、活塞帽、流道，活塞帽与第一活塞对应设置，用于封闭第一活塞，流道有六个，均布在活塞帽周围。

上述方案中第一活塞的底板与顶板之间通过圆柱形部分连接而成。

上述方案中第一流体通道有四个，均布在气缸周围，第一活塞顶板下行至冲击锤时，将第一流体通道封闭。

上述方案中第二流体通道有四个，均布在阀缸周围，第二活塞顶板下行至冲击锤时，将第二流体通道封闭。

上述方案中气缸由螺纹衬套和冲击锤上端凹槽构成，螺纹衬套与冲击锤螺纹连接；阀缸由螺纹衬套和砧座上端凹槽构成，螺纹衬套与砧座螺纹连接。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明将更加适用可压缩流体，例如空气，或不可压缩的流体例如水或钻井液，将更加适用于钻杆的下端，并且能够产生在垂直方向的快速冲击，从而提高钻井速度。

2、本发明的另一个更主要的目的是，在使用不可压缩的钻井液的旋转冲击钻井中，提供液压驱动的活塞。

附图说明

图1为本发明的截面图，所示是冲击锤在冲击结束附近。

图2是在图1的情况下，下部活塞向上冲击的示意图。

图3是冲击锤刚好返回或上行程结束之前的示意图。

图4是冲击锤在其上行程结束时的示意图。

图5是顶阀在开启点时，冲击锤在下行程的示意图。

图中：1上部转换接头；2壳体；3上部间隔套筒；4阀座；5缸体；6砧座；7限位螺母；8阀盖；9螺纹衬套；10第一活塞；11第二活塞；12驱动销；13流道；14冲击锤；15低压腔；16低压孔道；17气缸；18外孔；19第一流体通道；20阀缸；21内孔；22下部转换接头；23第二流体通道；24活塞帽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1所示，这种活塞调控的液动冲击器包括上部转换接头1、上部间隔套筒3、壳体2、阀盖8、冲击锤14、砧座6、限位螺母7，上部转换接头1通过螺纹与钻铤相连接，下部转换接头22通过螺纹与钻头连接；壳体2为筒体，壳体2上端与上部转换接头1螺纹连接，壳体2下端设置砧座6，限位螺母7设置在壳体2与砧座6之间，限位螺母7与砧座6设置驱动销12，砧座6的下端为下部转换接头22，限位螺母7用于限制砧座6的移动；缸体5紧固在壳体2内，上部转换接头1与缸体5之间设置有上部间隔套筒3和阀座4，上部间隔套筒3用于间隔上下两部分；阀盖8安装在阀座4中，阀盖8具有流道13，阀座4用于装配流道13，使其稳定，阀座4通过上部间隔套筒3和缸体5保持在一定位置；阀盖8与缸体5构成阀腔，冲击锤14的头部穿过缸体5伸入到阀腔中，冲击锤14底部与壳体2接触，冲击锤14与缸体5之间形成低压腔15，壳体2具有与低压腔15相通的低压孔道16，低压腔15与低压孔道16与外部低压区（外部环形空间）相通，该环形空间压力较低，低于钻杆内的流体产生的压力，使低压腔15的压力低于流体施加在冲击锤14的压力。

冲击锤14的上部细长部分与缸体5接触，能上下移动，冲击锤14下部最宽部分与壳体2接触，能上下移动。冲击锤14上端具有气缸17，第一活塞10底板位于气缸17内，第一活塞10顶板伸入到阀腔内，第一活塞10顶板为自由端，冲击锤14沿轴向设置有贯通的第一流体通道19，冲击锤14外壁设置外孔18，外孔18与第一流体通道19相通；冲击锤14用于冲击下面的砧座6从而使钻头对岩石有冲击。冲击锤14有4个第一流体通道19，冲击下部第二活塞11使活塞堵塞第二流体通道23，产生高压，这样流体可以向上提升冲击锤14，产生与砧座6的距离。

砧座6上端具有阀缸20，第二活塞11底板位于阀缸20内，第二活塞11顶板为自由端，冲击锤14底部具有活塞槽，冲击锤14与砧座6相接时，第二活塞11顶板位于活塞槽内，砧座6沿轴向设置有贯通的第二流体通道23，第二流体通道23一端延伸至砧座6的上端面，第二流体通道23另一端与下部转换接头22相通，第二流体通道23通过内孔21与阀缸20相通。第二流体通道23有四个，均布在阀缸20周围，第二活塞11顶板下行至冲击锤14时，将第二流体通道23封闭。砧座6用于把其上部冲击锤14的力传递给钻头。

阀盖8包括轮毂、活塞帽24、流道13，活塞帽24与第一活塞10对应设置，流道13有六个，均布在活塞帽24周围，阀盖8用于上部液体的流通及提供第一活塞10的入口空间，用于封闭第一活塞10。

第一活塞10由圆柱连接的底板与顶板构成。第一流体通道19有四个，均布在气缸17周围，第一活塞10顶板下行至冲击锤14时，将第一流体通道19封闭。气缸17由螺纹衬套9和冲击锤14上端凹槽构成，螺纹衬套9与冲击锤14螺纹连接；阀缸20由螺纹衬套9和砧座6上端凹槽构成，螺纹衬套9与砧座6螺纹连接。

第一活塞10、第二活塞11用于改变流体的流通道路。

砧座6位于冲击器的底端是可以上下移动的，被限位螺母7限制移动范围。驱动销12放置在细长槽中，使得砧座6和壳体2一起旋转，可以使壳体2和砧座6在纵向上自由运动，使得任何要求的静态向下的压力施加到砧座6和钻头上。向下的静压通过限位螺母7的下端肩部施加到砧座6和钻头上。当该肩部与砧座6和冲击锤14接触时候，第一活塞10的顶部和阀盖8的距离基本上等于锤击的行程，长度通常在约1/4英寸到1英寸之间。冲击行程的长度约为1/2英寸。

通过冲击器的流体的流动由两个活塞控制，其中第二活塞11可滑动地安装在砧座6内，第一活塞10类似地安装在冲击锤14中。这两个活塞都是平衡的，小的力足以移动活塞。第二活塞11的行程由阀缸20的长度控制，也就是说，下阀的行程等于阀缸20的长度减去第二活塞11底板的长度。第二活塞11向上运动过程中遇到螺纹衬套9停止，螺纹衬套9与砧座6的上端螺纹连接。第二活塞11的顶板是与砧座6上平面平齐。

第二活塞11下方的砧座6有四个孔道，由于第二活塞11堵住第二流体通道23的一部分，所以产生高压，并且由于第二活塞11的重量，当冲击器正在运行并且流体向下流动时，第二活塞11被保持在底部位置。当冲击锤14下面和砧座6上面聚集在一起时，流体通过内孔21将第二活塞11提升。这时流体从第二流体通道23流出，流体压力降低，第二活塞11下部产生低压，使得第二活塞11向下运动。

当冲击锤14冲击砧座6时，存在瞬时冲击或水锤，使得第二活塞11与砧座6之间压力急剧上升，并且在最大加速度下使第二活塞11进入活塞槽，从而使冲击锤14向上运动。

当冲击锤14下降时，冲击锤面和上砧座面之间的空间的流体可以流动，当两面相碰时，第二流体通道23关闭。第二活塞11在冲击锤14最下面的状态时，上端可以与砧座6的顶部一样高，以便在锤击砧座6之后将其关闭。

第一活塞10的操作工作流程，气缸17由螺纹衬套9和下方运行冲击锤14构成。第一活塞10的上端在冲击锤14顶部上方延伸一段距离，以防止冲击锤14的顶部与阀盖8的下表面接触。外孔18与流体通过第一流体通道19相连，当第一活塞10的顶板与冲击锤14的上部相接触时第一流体通道19上部将不能进入流体，流体只能从外孔18流出。

如上所述，当冲击锤14在上部时流体从外孔18流出，流过第一流体通道19，而第一活塞10由于上下压差的原因，在向下的过程中，第一活塞10逐渐开启，当外孔18被缸体5堵住时，第一活塞10被压到下面，产生巨大的憋压压力，冲击锤14冲击砧座6。

如图1所示，活塞和冲击锤14全部显示在动力冲程底端的位置，即冲击锤14撞击砧座6时的方位。现在将通过参考图2-5更详细地描述冲击锤14冲击的过程。

根据图2，冲击锤14下面和砧座6上面汇合在一起，第二活塞11进入活塞槽内堵住流体第一流体通道19，第二活塞11被液体压在下部，将第二流体通道23一部分堵住，使得冲击锤14下部产生高压，从而将冲击锤14迅速提起。

当冲击锤14上升时，第一活塞10的顶板进入阀盖8，如图3所示。（活塞的动量承载着最后一小部分）。当该第一活塞10进入该阀盖活塞帽24时，围绕第一活塞10的压力基本上小于流道13内的压力，压差将第一活塞10快速升高到其顶部。

如图4所示。一旦冲击锤14的底部与第二活塞11有一段间距的时候，流体从冲击锤14排出从孔道流入。由于流体对第二活塞11的压力大于流体从内孔21进去后对第二活塞11有一个上浮的力，使得第二活塞11仍然处于其下部位置，流体仍然从被第二活塞11遮盖的第二流体通道23流过。

如图5所示，当冲击锤14向上运动时，流体对下部的第二活塞11的冲击力小于从内孔21进入的流体所带来的浮力，使得第二活塞11向上运动第二流体通道23露出，下部压力减小，而第一活塞10因为流体冲击力的不断增大，从而堵住第一流体通道19，第一活塞10上部产生高压，由于压力差冲击锤14向下运动，继续一次冲程。