一种涡流式水力脉冲轴向冲击工具的制作方法

本发明涉及石油、天然气开采钻井提速技术领域，是一种涡流式水力脉冲轴向冲击工具。

背景技术：

近年来，随着水平井和深井的日渐增多，钻遇坚硬且研磨性强的地层时，使用常规动力钻具普遍存在机械钻速低的问题。为了提高钻探效率，相继出现了脉冲空化射流钻井、旋转冲击钻井、粒子射流钻井、超高压喷射钻井、控压钻井等技术。但这些技术在现场应用中均存在一定的不足，如粒子射流钻井技术和控压钻井技术设备复杂、投资大，超高压喷射钻井技术需要提供高压泥浆泵；旋转冲击钻井技术和脉冲射流钻井技术结构简单，能有效提高钻速，但二者的应用范围和工作稳定性均有一定局限性，比如目前石油钻井应用的液动冲击器，包括阀式、射流式、射吸式，通过冲锤高频反复运动来实现，工具中的滑阀、弹簧、冲锤等零部件极易损坏，工具的使用寿命较短，且加工复杂、维修难；水力脉冲钻井工具多通过涡轮或者螺杆驱动动定阀来产生水力脉冲，较多的运动部件也限制了工具的使用。随后出现了水力脉冲旋冲钻井技术，将旋转冲击钻井技术和脉冲射流钻井技术结合，综合两类技术的优势，改善井底岩石的受力状态、强化清洗井底，有效提高机械钻速。比如专利cn201520631449一种钻井用水力脉冲装置中，通过自激振荡形成脉冲射流，给钻头施加周期性的冲击作用力，但自激振荡腔产生水力脉冲幅值较小，且自激振荡喷嘴易损；cn201520848134一种振动冲击短节中，通过螺杆或者涡轮驱动动定阀产生水力脉冲，其运动部件较多，且动定阀磨损后会出现分离，截流产生的水力脉冲会减弱的问题。

基于以上提出的问题，本发明人凭借多年从事相关行业的经验和实践，结合水力脉冲钻井技术和旋转冲击钻井技术，提出并设计了一种涡流式水力脉冲轴向冲击工具，以克服现有技术的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种涡流式水力脉冲轴向冲击工具，提高地层的破岩效率，降低钻井成本。

为解决上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种涡流式水力脉冲轴向冲击工具，包括一个管状的壳体，壳体内设置水力脉冲发生装置，壳体上连接外套将水力脉冲发生装置固定，外套内设置与之配合的芯轴，外套和芯轴之间的连接可为花键或者多边形连接，芯轴下端连接防掉螺母，水力脉冲发生装置沿直径剖分为2个部分，剖面上设置有流体入口和流体出口，流体入口设置有喷射槽，且与流体入口连通，流体入口和喷射槽外围设置有环形槽，环形流道和喷射槽连通，喷射槽后设置流道槽，流道槽分为上导流槽和下导流槽，上导流槽和下导流槽与涡腔连通，上导流槽指向流体出口，下导流槽指向涡腔切向方向，涡腔切向方向设置有上回流流道和下回流流道，与环形流道连通。

本发明提供的一种涡流式水力脉冲轴向冲击工具，通过采用以上的结构，具有以下的有益效果：

1、本发明通过轴向机械冲击和水力脉冲的共同作用，增强钻头冲击力，优化井底流场，改善岩石受力状况，提高机械钻速；

2、本发明依靠水力脉冲转化为机械的轴向冲击钻井，无需冲锤等活动部件，结构简单、易加工，工具寿命长达几百小时，使用寿命长，性能可靠；

3、本发明的水力脉冲发生装置利用涡流产生水力脉冲，脉冲幅值较大，且无任何运动部件，结构可靠，寿命长。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的主视结构剖视示意图。

图2和图3为本发明的水力脉冲发生装置三维示意图。

图4为本发明的水力脉冲发生装置主视结构剖视示意图。

图5为图1的a-a截面图。

图6为图1的另一种a-a截面图。

图中：壳体1，水力脉冲发生装置2，水力脉冲发生装置的上半部分201，水力脉冲发生装置的下半部分202，剖面203，流体入口204，喷射槽205，流道槽206，上导流槽207，下导流槽208，涡腔209，上回流流道210，下回流流道211，环形流道212，流体出口213，外套3，芯轴4，防掉螺母5，花键6，多边形7。

具体实施方式

如图1中，一种涡流式水力脉冲轴向冲击工具，包括一个管状的壳体1，壳体1内设置水力脉冲发生装置2，壳体1上连接外套3将水力脉冲发生装置2固定，外套3内设置与之配合的芯轴4，外套3和芯轴4之间的连接可为花键6或者多边形7连接，芯轴4下端连接防掉螺母5，壳体1下端设置下接头，芯轴4上端设置上接头，上下接头可以根据需要为公接头或者母接头。

如图2中，水力脉冲发生装置2沿直径剖分为2个部分201和202，剖面为203。

如图3中，剖面203上设置有流体入口204和流体出口213，流体入口204设置有喷射槽205，且与流体入口204连通，流体入口204和喷射槽205外围设置有环形槽212，环形流道212和喷射槽206连通，喷射槽205后设置流道槽206，流道槽206分为上导流槽207和下导流槽208，上导流槽207和下导流槽208与涡腔209连通，上导流槽207指向流体出口205，下导流槽208指向涡腔209切向方向，涡腔209切向方向设置有上回流流道210和下回流流道211，与环形流道212连通。

如图4、5中，外套3和芯轴4之间的连接可为花键6或者多边形7连接。

涡流式水力脉冲轴向冲击工具的工作原理为：水力脉冲发生装置2产生周期性的水力脉冲，由于水力脉冲存在波峰和波谷的幅值差，涡流式水力脉冲轴向冲击工具在水力脉冲作用下产生周期性的轴向振动冲击，使钻头承受的钻压产生波动，工具扭矩通过外套3和芯轴4之间设置的花键6或者多边形7传递到钻头，由于振动载荷可相对降低岩石的破坏强度，故可提高钻头破岩效果，同时水力脉冲装置形成脉冲射流作用于井底，强化了井底清洗作用，改善了井底岩石受力状况，提高了机械破岩效率。

水力脉冲发生装置的水力脉冲产生机理为：流体通过流体入口204，经过喷射槽205流体加速流入流道槽206，流体可以经过上导流槽207和下导流槽208流动，由于附壁效应，流体随机沿上导流槽207和下导流槽208中的一条流道流动，假设流体先沿下导流槽208流动，流体沿切线方向流入涡腔209，流体在涡腔209内形成涡流，此时流体入口204处压力增加，产生高压，随着涡流强度的增加，上回流流道210有一部分流体进入，经环形流道212，下换向流道215，喷射槽205喷出的流体经下换向流道215向上喷射流体的扰动，流体由下导流槽208逐渐换向到上导流槽207，流体流向涡腔209中心的流体出口213，流体直接流出，流体入口204压力不增加，处于水力脉冲的低压区，随着流量的增加，下回流流道211有一部分流体进入，经环形流道212，上换向流道214，喷射槽205喷出的流体经上换向流道214向下喷射流体的扰动，流体换向流入下导流槽208，如此反复形成周期性的水力脉冲。

上述的实施例仅为本发明的1种优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。