一种高频扭力冲击器

1.本发明涉及油气钻井技术领域，具体是涉及一种高频扭力冲击器。


背景技术：

2.在用pdc钻头(聚晶金刚石复合片钻头)打难钻进地层时，通常没有足够的扭矩来破碎地层，从而使钻头瞬间停止转动，这时，扭转能量在钻柱中储存，钻柱会像发条一样扭紧，一旦产生了剪切破碎地层所需的扭矩，钻柱能量便会释放开来，在pdc齿上施加比平常高得多的冲击载荷，最终使金刚石齿破碎并导致钻头失效。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种高频扭力冲击器，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现更高频、稳定的扭力输出，提高钻井效率。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.本发明提供了一种高频扭力冲击器，包括上接头、周向阀控机构、砧子、中接头和下接头，所述上接头的一端用于钻井液通入，所述上接头的另一端与所述周向阀控机构的一端连接并内部连通，所述周向阀控机构的另一端与所述中接头的一端连接，所述砧子安装于所述周向阀控机构内，所述中接头套设于所述下接头的外周并与所述下接头的侧壁插接，且所述下接头的一端经所述中接头伸出并延伸至伸入所述砧子内，且所述砧子能够连通所述周向阀控机构和所述下接头，所述下接头的另一端经所述中接头伸出并用于连接钻头，所述砧子上靠近所述下接头一端的内壁设有弧形槽，所述下接头上靠近所述砧子一端的外壁上设有弧形凸起，且所述弧形槽的弧长大于所述弧形凸起的弧长，所述弧形凸起能够在所述弧形槽内转动。
6.优选地，所述周向阀控机构包括由外至内依次套设的外管、导流管、封隔管、慢阀、快阀和封隔芯轴，所述导流管的侧壁上开设有能够连通所述导流管内部的过水通道，所述封隔管的侧壁上开设有多个沿所述封隔管的轴向排列的过水孔，所述导流管和所述封隔管能够周向固定并使所述过水通道与所述过水孔连通，所述慢阀的重量大于所述快阀的重量，所述慢阀下端与所述快阀下端转动连接，所述慢阀的下端开设有慢阀弧形水道，所述快阀的下端开设有快阀弧形水道，所述过水通道能够连通所述慢阀弧形水道，所述慢阀和所述快阀能够相对转动，并使所述慢阀弧形水道与所述快阀弧形水道连通或不连通，所述慢阀和所述快阀的侧壁上均开设有连通通道，所述封隔芯轴的侧壁上固定有限位键，所述限位键能够经两个所述连通通道伸出并限位于所述封隔管的内壁上，且所述连通通道的侧壁与所述限位键之间有间隙，所述封隔芯轴的上端和下端分别连接有上盖和下盖，且所述封隔管、所述慢阀和所述快阀均限位于所述上盖与所述下盖之间，所述封隔芯轴内通道能够与所述限位键一侧的腔室连通，且所述封隔芯轴内通道的下端能够连通所述砧子内部。
7.优选地，所述外管的两端均凸出于所述导流管的两端，且所述外管两端的内壁均设有螺纹，所述上接头和所述中接头分别螺纹连接于所述外管的两端。
8.优选地，所述慢阀包括慢阀本体和慢阀法兰盘，所述慢阀本体的下端固定于所述慢阀法兰盘上，所述慢阀本体内部中空且侧壁上开设有能够连通所述慢阀本体内部的所述连通通道，所述慢阀弧形水道开设于所述慢阀法兰盘上，并能够贯通所述慢阀法兰盘，所述慢阀弧形水道与所述慢阀本体同圆心；所述快阀包括快阀本体和快阀法兰盘，所述快阀本体的下端固定于所述快阀法兰盘上，所述快阀本体内部中空且侧壁上开设有能够连通所述快阀本体内部的所述连通通道，所述快阀弧形水道开设于所述快阀法兰盘上，并能够贯通所述快阀法兰盘，所述快阀弧形水道与所述快阀本体同圆心。
9.优选地，所述慢阀法兰盘的下端开设有圆柱槽，所述快阀法兰盘位于所述圆柱槽内，所述慢阀法兰盘的下端面开设有下限位槽，所述快阀法兰盘的上端面对应所述下限位槽的位置开设有上限位槽，所述上限位槽和所述下限位槽之间安装有一推力轴承；所述快阀法兰盘的下端面开设有底限位槽，所述下盖的上端开设有顶限位槽，所述下盖位于所述快阀法兰盘下端，且所述底限位槽和顶限位槽之间安装有一推力轴承；所述下盖上对应所述封隔芯轴内通道的位置开设有通孔，所述通孔能够连通所述封隔芯轴内通道与所述外管的下端开口；所述快阀弧形水道的弧度为90
°
，所述慢阀弧形水道的弧度为30
°
。
10.优选地，所述砧子的上端伸入所述圆柱槽内，且所述砧子与所述圆柱槽的侧壁通过多个螺钉连接固定。
11.优选地，所述导流管的侧壁上设有两个导流面，两个所述导流面的上端延伸至所述导流管的上端，且两个所述导流面能够承接经所述外管上端开口流下的钻井液，两个所述导流面的下端不接触，且两个所述导流面下端之间形成的间隙与所述过水通道的上端连通，所述过水通道的下端延伸至所述导流管的下端；所述过水通道为l型，且包括纵向通道和横向通道，所述纵向通道的上端与两个所述导流面之间的间隙连通，所述纵向通道的下端与所述横向通道的一端连通。
12.优选地，所述封隔管的内壁上开设有键槽，所述限位键能够嵌入所述键槽内，所述限位键的侧壁为曲面。
13.优选地，所述中接头上远离所述砧子的一端设有中花键，所述下接头的外壁上设有下花键，且所述中花键与所述下花键插接配合，所述下接头在与所述中接头接触的端面上设有轴承。
14.优选地，所述下接头在伸出所述中接头的外壁上设有卡瓦槽，所述卡瓦槽内用于嵌入卡瓦，且所述卡瓦的一端面接触所述中接头的端面，所述卡瓦为两片式分体结构。
15.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
16.本发明提供的高频扭力冲击器，上接头的一端用于钻井液通入，上接头的另一端与周向阀控机构的一端连接并内部连通，使钻井液能够进入周向阀控机构内，将卷吸作用下的阀控机构由轴向差动改为周向差动，减小了阀件重力对卷吸效果的影响，缓解了钻井液对阀体的直接冲蚀，改善阀体之间的磨阻，降低阀体闭阀后到开阀所需排量，提高了周向阀控机构应对不同井斜的能力，并大大提高了周向阀控机构的开关频率，周向阀控机构的另一端与中接头的一端连接，砧子安装于周向阀控机构内，中接头套设于下接头的外周并与下接头的侧壁花键插接，以实现传扭，且下接头的一端经中接头伸出并延伸至伸入砧子内，砧子能够连通周向阀控机构和下接头，下接头的另一端经中接头伸出并用于连接钻头，砧子上靠近下接头一端的内壁设有弧形槽，下接头上靠近砧子一端的外壁上设有弧形凸
起，且弧形槽的弧长大于弧形凸起的弧长，弧形凸起能够在弧形槽内转动，砧子随着周向阀控机构内部慢阀周期性往复转动而转动，并在周向阀控机构运动过程中的推阀阶段末期、流道打开时，使弧形槽的壁面撞击弧形凸起的壁面产生冲击，将钻井液的液压能转换成扭向的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量，并直接传递给钻头，这就使钻头不需要等待积蓄足够的扭力能量就可以切削地层，降低了粘滑振动影响，整体结构紧凑，无橡胶件和电子元器件，实现更高频、稳定的扭力输出，提高钻井效率。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1是本发明提供的高频扭力冲击器的结构示意图；
19.图2是本发明中快阀与慢阀的安装示意图；
20.图3是本发明中导流管的结构示意图；
21.图4是本发明中封隔管的结构示意图；
22.图5是本发明中慢阀的结构示意图；
23.图6是图5的俯视图；
24.图7是本发明中快阀的结构示意图；
25.图8是图7的俯视图；
26.图9是本发明中砧子的结构示意图；
27.图10是本发明中中接头的结构示意图；
28.图11是本发明中下接头的结构示意图；
29.图12是本发明中周向阀控机构处于(a)回阀状态时的俯视图；
30.图13是本发明中周向阀控机构处于(b)水击状态时的俯视图；
31.图14是本发明中周向阀控机构处于(c)推阀状态时的俯视图；
32.图15是本发明中周向阀控机构处于(d)回阀状态时的俯视图；
33.图中：100-高频扭力冲击器，1-上接头，2-周向阀控机构，21-外管，22-导流管，221-导流面，222-过水通道，23-上盖，24-封隔管，241-过水孔，25-慢阀，251-第一腔室，252-第二腔室，253-慢阀弧形水道，254-慢阀本体，255-慢阀法兰盘，26-快阀，261-快阀本体，262-快阀法兰盘，263-快阀弧形水道，27-封隔芯轴，271-限位键，28-下盖，3-砧子，31-弧形槽，311-砧子打击面，4-卡瓦，5-中接头，51-中花键，6-推力轴承，7-下接头，71-下花键，72-弧形凸起，721-下接头打击面。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.本发明的目的是提供一种高频扭力冲击器，以解决现有的油气钻井中由于钻头与地层之间的粘滑振动导致的钻头失效加快、钻速降低等影响钻井效率与成本的技术问题。
36.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
37.如图1-图11所示，本实施例提供一种高频扭力冲击器100，包括上接头1、周向阀控机构2、砧子3、中接头5和下接头7，上接头1的一端用于钻井液通入，上接头1的另一端与周向阀控机构2的一端连接并内部连通，使钻井液能够进入周向阀控机构2内，将卷吸作用下的阀控机构由轴向差动改为周向差动，减小了阀件重力对卷吸效果的影响，缓解了钻井液对阀体的直接冲蚀，改善阀体之间的磨阻，降低阀体闭阀后到开阀所需排量，提高了周向阀控机构2应对不同井斜的能力，并大大提高了周向阀控机构2的开关频率，周向阀控机构2的另一端与中接头5的一端连接，砧子3安装于周向阀控机构2内，以实现砧子3随着周向阀控机构2内部慢阀25的转动而转动，中接头5套设于下接头7的外周并与下接头7的侧壁花键插接，以实现传扭，且下接头7的一端经中接头5伸出并延伸至伸入砧子3内，砧子3能够连通周向阀控机构2和下接头7，下接头7的另一端经中接头5伸出并用于连接钻头，砧子3上靠近下接头7一端的内壁设有弧形槽31，下接头7上靠近砧子3一端的外壁上设有弧形凸起72，且弧形槽31的弧长大于弧形凸起72的弧长，弧形凸起72能够在弧形槽31内转动，砧子3随着周向阀控机构2内部周期性转动而转动，并在周向阀控机构2运动过程中的推阀阶段末期、流道打开时，使弧形槽31的壁面撞击弧形凸起72的壁面产生冲击，将钻井液的液压能转换成扭向的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量，并直接传递给钻头，这就使钻头不需要等待积蓄足够的扭力能量就可以切削地层，降低了粘滑振动影响，整体结构紧凑，无橡胶件和电子元器件，实现更高频、稳定的扭力输出，提高钻井效率。弧形凸起72所对应的圆心角为120
°
，弧形槽31所对应的圆心角为240
°
。
38.具体地，周向阀控机构2包括由外至内依次套设的外管21、导流管22、封隔管24、慢阀25、快阀26和封隔芯轴27，外管21的内壁上和导流管22的外壁可设置为过盈配合且其上均设有限位台阶面，两处限位台阶面能够上下排列并重合，实现限位功能，导流管22的侧壁上开设有能够连通导流管22内部的过水通道222，使得钻井液经外管21上端的开口流下时，能够进入过水通道222，封隔管24的侧壁上开设有多个沿封隔管24的轴向排列的过水孔241，导流管22和封隔管24能够通过孔轴过盈配合等方式实现周向固定并使过水通道222与过水孔241连通，配合封隔管24和封隔芯轴27的设置，使钻井液通过过水通道222时能够产生卷吸作用而产生压力降，进而便于推动快阀26和慢阀25动作，慢阀25的重量大于快阀26的重量，使得慢阀25的转速要低于快阀26的转速，慢阀25下端与快阀26下端转动连接，慢阀25的下端开设有慢阀弧形水道253，快阀26的下端开设有快阀弧形水道263，过水通道222能够连通慢阀弧形水道253，进而在受到压差作用时，由于重量的差别使快阀26和慢阀25的加速度不同进而转速不同，实现快阀26和慢阀25的相对转动，以使慢阀弧形水道253与快阀弧形水道263连通或不连通，实现周向阀控机构2的不同内部转动状态，慢阀25和快阀26的侧壁上均开设有连通通道，封隔芯轴27的侧壁上固定有限位键271，限位键271能够经两个连通通道伸出并限位于封隔管24的内壁上，且连通通道的侧壁与限位键271之间有间隙，在慢阀弧形水道253与快阀弧形水道263连通时，钻井液沿轴向流经过水通道222并在与其通过过水孔241连接的第二腔室252形成卷吸作用而压力降低，限位键271两侧腔室(即连通通道
的两端面与限位键271外壁、限位面之间所形成的第一腔室251与第二腔室252)形成压差，进而推动快阀26和慢阀25转动，同时，根据从上向下沿着钻具轴向看的钻头沿着顺时针方向转动的事实，通过对快阀弧形水道263和快阀26上连通通道的相对位置设置(如图7-图8所示)，将推阀方向设计为顺时针方向，从而实现周向阀控机构2带着砧子3对钻头实现顺时针方向的扭力冲击，封隔芯轴27的上端和下端分别连接有上盖23和下盖28，且封隔管24、慢阀25和快阀26均限位于上盖23与下盖28之间，以便于实现各结构之间的相对运动，其中，上盖23的下端面接触封隔芯轴27、快阀26、慢阀25和封隔管24的上端面，快阀26的上端面、慢阀25的上端面与上盖23的下端面之间为间隙配合，且导流管22的内壁上也设有限位台阶面，上盖23的部分外缘能够限位于限位台阶面处，封隔芯轴27内通道能够与限位键271一侧的腔室(第一腔室251)连通，且封隔芯轴27内通道的下端能够连通砧子3内部，通过上述设计，将卷吸作用下的轴向差动改为周向差动，改善了阀体之间的磨阻，缓解了钻井液对阀体的直接冲蚀，可控的降低了阀体闭阀后到开阀所需排量，提高了周向阀控机构2应对不同井斜的能力，并大大提高了周向阀控机构2的开关频率及服役寿命。上盖23和下盖28均通过螺钉固定于封隔芯轴27上，在实际安装过程中，可根据实际需要选择螺钉的数量，以保证稳定连接。
39.外管21的两端均凸出于导流管22的两端，且外管21两端的内壁均设有螺纹，上接头1和中接头5分别螺纹连接于外管21的两端，实现各结构之间的稳定连接，且拆卸方便。
40.慢阀25包括慢阀本体254和慢阀法兰盘255，慢阀本体254的下端固定于慢阀法兰盘255上，慢阀本体254内部中空且侧壁上开设有能够连通慢阀本体254内部的连通通道，慢阀弧形水道253开设于慢阀法兰盘255上，并能够贯通慢阀法兰盘255，以便于钻井液通过，慢阀弧形水道253与慢阀本体254同圆心，封隔管24的下端和导流管22的下端均与慢阀法兰盘255的上端间隙配合，降低转动时的摩阻。快阀26包括快阀本体261和快阀法兰盘262，快阀本体261的下端固定于快阀法兰盘262上，快阀本体261内部中空且侧壁上开设有能够连通快阀本体261内部的连通通道，快阀弧形水道263开设于快阀法兰盘262上，并能够贯通快阀法兰盘262，以便于钻井液通过，快阀弧形水道263与快阀本体261同圆心，快阀法兰盘262的下端面与下盖28上端面间隙配合，并通过快阀法兰盘262与下盖28之间的推力轴承6限位。
41.慢阀法兰盘255的下端开设有圆柱槽，快阀法兰盘262位于圆柱槽内，快阀法兰盘262的外径小于慢阀法兰盘255的外径，进而便于实现套装，且快阀弧形水道263的外侧与快阀法兰盘262的外圆弧形相切，避免发生干涉，慢阀法兰盘255的外圆柱面与外管21内壁为孔轴间隙配合，慢阀本体254的内外圆柱面、快阀本体261的内外圆柱面、封隔管24的内圆柱面、封隔芯轴27的外圆柱面之间为孔轴间隙配合，慢阀本体254套设于快阀本体261外周，慢阀法兰盘255的下端面开设有下限位槽，快阀法兰盘262的上端面对应下限位槽的位置开设有上限位槽，上限位槽和下限位槽之间安装有一推力轴承6，实现快阀26和慢阀25稳定地相对转动；快阀法兰盘262的下端面开设有底限位槽，下盖28的上端开设有顶限位槽，下盖28位于快阀法兰盘262下端，且底限位槽和顶限位槽之间安装有一推力轴承6，实现快阀26相较于下盖28的稳定转动；下盖28上对应封隔芯轴27内通道的位置开设有通孔，通孔能够连通封隔芯轴27内通道与外管21的下端开口，实现钻井液的流通；快阀弧形水道263的弧度为90
°
，慢阀弧形水道253的弧度为30
°
，在实际设计过程中，本领域技术人员可根据实际需要
对快阀弧形水道263和慢阀弧形水道253的弧度进行适应性更改。
42.砧子3的上端伸入圆柱槽内，且砧子3与圆柱槽的侧壁通过多个螺钉连接固定，且螺钉为周向圆周阵列均布，进而能够实现砧子3和慢阀25的连接，保证慢阀25能够带动砧子3转动，实现砧子3对下接头7的击打。
43.导流管22的侧壁上设有两个导流面221，导流面221为在导流管22的上端形成的弧形曲面，且自上向下，两个导流面221逐渐靠近，即两个导流面221之间形成的开口逐渐减小，两个导流面221的上端延伸至导流管22的上端，且两个导流面221能够承接经外管21上端开口流下的钻井液，两个导流面221的下端不接触，且两个导流面221下端之间形成的间隙与过水通道222的上端连通，进而使得经导流面221流下的钻井液能够进入过水通道222内，过水通道222的下端延伸至导流管22的下端，以便于钻井液经过水通道222的下端流入至慢阀弧形水道253内；过水通道222为l型，且包括纵向通道和横向通道，纵向通道的上端与两个导流面221之间的间隙连通，纵向通道的下端与横向通道的一端连通，通过l型的过水通道222配合周向转阀设计，提高了卷吸作用的效果，即提高了周向阀控机构2启动的灵敏度和对启动流量的要求。
44.封隔管24的内壁上开设有键槽，限位键271能够嵌入键槽内，实现封隔管24和封隔芯轴27的周向定位，限位键271的侧壁为曲面，且在限位键271的两侧均设有两个限位面，同侧的两个限位面分别用于在快阀26与慢阀25转动过程中，对两个连通通道的端面限位。
45.中接头5上远离砧子3的一端设有中花键51，下接头7的外壁上设有下花键71，且中花键51与下花键71插接配合，以实现传扭，下接头7在与中接头5接触的端面上设有推力轴承6，即，在下接头7的部分外壁上端面设有一圈轴承槽，轴承槽内安装推力轴承6，中接头5的部分内壁下端面与推力轴承6接触。
46.下接头7在伸出中接头5的外壁上设有卡瓦槽，卡瓦槽内用于嵌入卡瓦4，且卡瓦4的一端面接触中接头5的端面，卡瓦4为两片式分体结构，实现下接头7与中接头5的限位的同时，还便于安装与拆卸。卡瓦槽的槽深远大于卡瓦4与外管21之间的缝隙尺寸，从而保证卡瓦4安装位置的稳定。
47.对于周向阀控机构2内钻井液的具体流通如下：
48.外流道流体从外管21上端的入口流入，沿着导流管22的导流面221，流入过水通道222，之后进入慢阀弧形水道253，再进入快阀弧形水道263，最后从外管21下端的出口流出；
49.内流道流体从限位键271一侧的腔室(第二腔室252)通过过水孔241流出，同时从外管21下端的出口、下盖28的通孔、封隔芯轴27内通道流入限位键271另一侧的腔室(第一腔室251)，或内流道流体通过过水孔241流入第二腔室252，同时从封隔芯轴27内通道、下盖28的通孔、外管21下端的出口流出第一腔室251。
50.钻井液从上接头1流入周向阀控机构2，再从砧子3内通孔、下接头7内通孔流出，具体工作过程如下：
51.如图12-图15所示，从钻井液的流动方向沿着整体的轴线看，慢阀25右端面与限位键271对称轴的夹角为θ1，快阀26右端面与限位键271对称轴的夹角为θ2，在周向阀控机构2往复转动的过程中，θ1的变化范围为：30
°
到120
°
，θ2的变化范围为：20
°
到100
°
，且下接头打击面721与限位键271对称面的夹角为30
°
，砧子打击面311与慢阀25右端面共面。
52.(a)回阀，如图12所示：在卷吸作用下，慢阀25、快阀26逆时针转动，θ1由30
°
增大到
120
°
，θ2由20
°
增大到100
°
。
53.(b)水击，如图13所示：θ1变为120
°
，θ2变为100
°
，快阀弧形水道263和慢阀弧形水道253完全错开而外流道关闭并产生水击，腔室产生高压；
54.(c)推阀，如图14所示：慢阀25、快阀26顺时针转动，θ1由120
°
减小到30
°
，θ2由100
°
减小到20
°
，由于体积、材质等原因，θ2快于θ1减小的速度并首先减小到20
°
；θ1减小到30
°
时，通道刚好打开，此时砧子打击面311撞击下接头打击面721产生冲击；
55.(d)回阀，如图15所示：通道打开后，在卷吸作用下，慢阀25、快阀26逆时针转动，θ1由30
°
增大到120
°
，θ2由20
°
增大到100
°
，且由于快阀26、慢阀25之间的差动，快阀弧形水道263和慢阀弧形水道253之间的过流面积由小变大、再由大变小，进入下一个循环。
56.本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。