扭力冲击器.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911295737.X (22)申请日 2019.12.16 (71)申请人 中国地质大学 （武汉） 地址 430000 湖北省武汉市洪山区鲁磨路 388号 申请人 山东省鲁南地质工程勘察院 （山东 省地勘局第二地质大队） (72)发明人 谭现锋段隆臣宋明春谭松成 陈宗涛 (74)专利代理机构 武汉知产时代知识产权代理 有限公司 42238 代理人 易滨 (51)Int.Cl. E21B 4/14(2006.01) E21B 4/02(2006.01) E21B 12/04。

2、(2006.01) (54)发明名称 一种扭力冲击器 (57)摘要 本发明提供一种扭力冲击器， 包括传动轴、 涡轮、 扭力传导接头和若干对扭力发生装置， 传 动轴上端通过上轴承座连接上接头， 传动轴下端 通过下轴承座连接下接头， 下接头下端连接钻 头， 涡轮安装在传动轴上， 扭力传导接头位于涡 轮下方且其上下两端分别连接上接头和下接头， 各对扭力发生装置均安装在扭力传导接头内部， 每一扭力发生装置均包括冲击砧、 连接轴和两冲 锤， 冲击砧的横截面为变厚度圆环形， 且冲击砧 的内表面设有第一冲击面， 连接轴和两冲锤均位 于冲击砧内部， 两冲锤分别安装在连接轴的两 端， 连接轴垂直连接传动轴。 本。

3、发明的有益效果： 本发明可以持续地、 同方向地生产扭转冲击振 动， 能够有效避免钻头黏滑现象的产生， 提高钻 头钻探效率。 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 111075347 A 2020.04.28 CN 111075347 A 1.一种扭力冲击器， 其特征在于： 包括传动轴、 涡轮、 扭力传导接头和若干对扭力发生 装置， 所述传动轴上下两端分别设有上轴承座和下轴承座， 且所述传动轴上端贯穿所述上 轴承座连接上接头， 所述传动轴下端贯穿所述下轴承座连接下接头， 所述上接头和所述下 接头均为空心管， 所述下接头下端连接有钻头， 所述涡轮安装在所述传动轴上且其位于所 述上轴承座下方，。

4、 所述扭力传导接头位于所述涡轮下方且其上下两端分别螺纹连接所述上 接头和所述下接头， 各对所述扭力发生装置从上至下依次安装在所述扭力传导接头内部， 且每对所述扭力发生装置中的两所述扭力发生装置之间呈中心对称， 每一所述扭力发生装 置均包括冲击砧、 连接轴和两冲锤， 所述冲击砧的横截面为变厚度圆环形， 且所述冲击砧的 内表面设有带一定倾角的第一冲击面， 所述连接轴和两所述冲锤均位于所述冲击砧内部， 两所述冲锤分别安装在所述连接轴的两端， 所述连接轴为方轴且其可活动垂直连接所述传 动轴， 所述涡轮用于带动所述传动轴转动， 所述传动轴用于带动各所述连接轴转动， 所述连 接轴用于带动所述冲锤旋转以冲击。

5、所述冲击砧产生扭力和振动， 各对所述扭力发生装置中 的两所述扭力发生装置相互配合产生扭矩和扭力冲击， 从而所述冲击砧将所述振动和所述 扭力冲击通过所述扭力传导接头传递至所述下接头， 并由所述下接头将所述振动和所述扭 力冲击传递给所述钻头。 2.如权利要求1所述的一种扭力冲击器， 其特征在于： 所述上轴承座位于所述上接头内 部， 且所述上轴承座内设有上推力球轴承和上深沟球轴承， 所述传动轴通过所述上推力球 轴承和所述上深沟球轴承连接所述上轴承座， 所述下轴承座与所述上轴承座结构相同且上 下对称， 同时所述上轴承座上端和下轴承座下端分别设有上螺母和下螺母锁紧所述传动 轴。 3.如权利要求1所述的一。

6、种扭力冲击器， 其特征在于： 各所述冲锤上均设有带一定倾角 的第二冲击面， 且所述第二冲击面的倾角与所述第一冲击面的倾角相等。 4.如权利要求1所述的一种扭力冲击器， 其特征在于： 每一所述冲击砧的外表面均设有 方形的连接键， 所述连接键位于对应所述冲击砧的最厚处且其凸出对应所述冲击砧的外表 面。 5.如权利要求4所述的一种扭力冲击器， 其特征在于： 所述扭力传导接头的横截面为圆 环形， 且所述扭力传导接头的内表面均匀设有若干条竖直键槽， 各所述冲击砧分别通过所 述连接键与所述竖直键槽之间的配合安装在所述扭力传导接头上。 6.如权利要求1所述的一种扭力冲击器， 其特征在于： 所述上接头上端螺纹。

7、连接钻杆接 头， 所述钻杆接头连接钻杆， 所述钻杆用于带动所述钻杆接头旋转。 7.如权利要求1所述的一种扭力冲击器， 其特征在于： 所述传动轴中部从上至下依次均 匀设有若干对方孔， 每一所述连接轴分别通过一所述方孔与所述传动轴连接， 且所述连接 轴与对应所述方孔之间均为间隙配合连接。 8.如权利要求2所述的一种扭力冲击器， 其特征在于： 所述上轴承座和所述下轴承座上 分别设有若干上腰形孔和若干下腰形孔， 各所述上腰形孔均匀分布在所述上推力球轴承和 所述上深沟球轴承的外侧， 各所述下腰形孔均匀分布在下推力球轴承和下深沟球轴承的外 侧。 9.如权利要求8所述的一种扭力冲击器， 其特征在于： 所述钻。

8、杆接头内设有中空通道， 地面钻井液驱动装置通过所述中空通道和所述上腰形孔连通所述涡轮。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111075347 A 2 一种扭力冲击器 技术领域 0001 本发明涉及钻探工具技术领域， 尤其涉及一种扭力冲击器。 背景技术 0002 随着社会的发展， 人类对自然资源的需求量日益增加， 目前我们能够使用的能源 仍然主要是煤炭、 石油、 天然气、 页岩气等化石燃料。 随着开采年限的增加， 表层的、 易开采 的这些化石燃料已经越来越少， 深部的、 难以开采的化石燃料越来越多， 这便对钻探技术提 出了更高的挑战。 钻探过程中， 常常会由于钻压、 转速、 送钻速度、 司钻技术。

9、、 井壁摩阻等问 题， 造成钻头损坏、 切削齿崩断、 切削齿过快磨损、 影响破岩效率， 甚至影响成孔(成井)。 0003 另外， PDC钻头(聚晶金刚石复合片钻头)在钻遇硬岩或研磨性地层时， 通常没有足 够的扭矩来破碎岩石， 从而产生卡钻现象； 油田深部地层岩石坚硬、 研磨极值高， 应用常规 牙轮钻头钻进， 单只钻头进尺少， 需要多次起下钻且机械钻速较低； 应用螺杆进行复合钻进 时， 由于深井中温度较高， 螺杆寿命低、 效果不理想； 在深部超深部钻探时常出现钻头粘滑 振动现象， 导致钻头失效， 钻速降低等不利情况。 发明内容 0004 有鉴于此， 为解决钻探过程中钻头卡钻、 粘滑导致钻具失效和。

10、机械钻速低的问题， 本发明的实施例提供了一种扭力冲击器， 以克服现有技术的不足， 并提高钻速、 保护钻头及 降低成本， 从而提高钻探效率。 0005 本发明的实施例提供一种扭力冲击器， 包括传动轴、 涡轮、 扭力传导接头和若干对 扭力发生装置， 所述传动轴上下两端分别设有上轴承座和下轴承座， 且所述传动轴上端贯 穿所述上轴承座连接上接头， 所述传动轴下端贯穿所述下轴承座连接下接头， 所述上接头 和所述下接头均为空心管， 所述下接头下端连接有钻头， 所述涡轮安装在所述传动轴上且 其位于所述上轴承座下方， 所述扭力传导接头位于所述涡轮下方且其上下两端分别螺纹连 接所述上接头和所述下接头， 各对所述。

11、扭力发生装置从上至下依次安装在所述扭力传导接 头内部， 且每对所述扭力发生装置中的两所述扭力发生装置之间呈中心对称， 每一所述扭 力发生装置均包括冲击砧、 连接轴和两冲锤， 所述冲击砧的横截面为变厚度圆环形， 且所述 冲击砧的内表面设有带一定倾角的第一冲击面， 所述连接轴和两所述冲锤均位于所述冲击 砧内部， 两所述冲锤分别安装在所述连接轴的两端， 所述连接轴为方轴且其可活动垂直连 接所述传动轴， 所述涡轮用于带动所述传动轴转动， 所述传动轴用于带动各所述连接轴转 动， 所述连接轴用于带动所述冲锤旋转以冲击所述冲击砧产生扭力和振动， 各对所述扭力 发生装置中的两所述扭力发生装置相互配合产生扭矩和。

12、扭力冲击， 从而所述冲击砧将所述 振动和所述扭力冲击通过所述扭力传导接头传递至所述下接头， 并由所述下接头将所述振 动和所述扭力冲击传递给所述钻头。 0006 进一步地， 所述上轴承座位于所述上接头内部， 且所述上轴承座内设有上推力球 轴承和上深沟球轴承， 所述传动轴通过所述上推力球轴承和所述上深沟球轴承连接所述上 说明书 1/5 页 3 CN 111075347 A 3 轴承座， 所述下轴承座与所述上轴承座结构相同且上下对称， 同时所述上轴承座上端和下 轴承座下端分别设有上螺母和下螺母锁紧所述传动轴。 0007 进一步地， 各所述冲锤上均设有带一定倾角的第二冲击面， 且所述第二冲击面的 倾角。

13、与所述第一冲击面的倾角相等。 0008 进一步地， 每一所述冲击砧的外表面均设有方形的连接键， 所述连接键位于对应 所述冲击砧的最厚处且其凸出对应所述冲击砧的外表面。 0009 进一步地， 所述扭力传导接头的横截面为圆环形， 且所述扭力传导接头的内表面 均匀设有若干条竖直键槽， 各所述冲击砧分别通过所述连接键与所述竖直键槽之间的配合 安装在所述扭力传导接头上。 0010 进一步地， 所述上接头上端螺纹连接钻杆接头， 所述钻杆接头连接钻杆， 所述钻杆 用于带动所述钻杆接头旋转。 0011 进一步地， 所述传动轴中部从上至下依次均匀设有若干对方孔， 每一所述连接轴 分别通过一所述方孔与所述传动轴连。

14、接， 且所述连接轴与对应所述方孔之间均为间隙配合 连接。 0012 进一步地， 所述上轴承座和所述下轴承座上分别设有若干上腰形孔和若干下腰形 孔， 各所述上腰形孔均匀分布在所述上推力球轴承和所述上深沟球轴承的外侧， 各所述下 腰形孔均匀分布在下推力球轴承和下深沟球轴承的外侧。 0013 进一步地， 所述钻杆接头内设有中空通道， 地面钻井液驱动装置通过所述中空通 道和所述上腰形孔连通所述涡轮。 0014 本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是： 0015 1)由所述涡轮提供动力， 带动所述冲锤旋转冲击所述冲击砧， 所述涡轮的转速由 钻井液控制， 故工作性能稳定可靠； 0016 2)冲击振动。

15、部分结构简单， 工作可靠， 能够解决钻井过程中卡钻和粘滑现象等难 题； 0017 3)本发明设计巧妙， 能够根据需要， 设计安装多对所述扭力发生装置， 以获得不同 的冲击频率， 从而适应不同情况的钻探需求； 0018 4)所述冲锤和所述冲击砧的接触面角度可根据实际需要进行合理调节， 以获得不 同的冲击力， 从而实现对冲击力的调节； 0019 5)本发明操作安装简单， 配合PDC钻头能够有效提高深井硬岩层的机械钻速。 附图说明 0020 图1是本发明一种扭力冲击器的结构示意图。 0021 图2是图1中传动轴1与扭力发生装置4的连接结构示意图。 0022 图3是图1中扭力发生装置4的截面示意图。 。

16、0023 图4是图1中上轴承座5的结构示意图。 0024 图中： 1-传动轴， 11-方孔， 2-涡轮， 3-扭力传导接头， 4-扭力发生装置， 41-冲击砧， 42-连接轴， 43-冲锤， 44-第一冲击面， 45-第二冲击面， 46-连接键， 5-上轴承座， 51-上推力 球轴承， 52-上深沟球轴承， 53-上螺母， 54-上腰形孔， 6-上接头， 7-下轴承座， 71-下推力球 轴承， 72-下深沟球轴承， 73-下螺母， 74-下腰形孔， 8-下接头， 9-钻杆接头， 91-中空通道。 说明书 2/5 页 4 CN 111075347 A 4 具体实施方式 0025 为使本发明的目的。

17、、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合附图对本发明实施方 式作进一步地描述。 0026 请参考图1， 本发明的实施例提供了一种扭力冲击器， 包括传动轴1、 涡轮2、 扭力传 导接头3和若干对扭力发生装置4。 0027 所述传动轴1中部从上至下依次均匀设有若干对方孔11， 且其上下两端分别设有 上轴承座5和下轴承座7， 所述传动轴1上端贯穿所述上轴承座5螺纹连接上接头6， 所述传动 轴1下端贯穿所述下轴承座7螺纹连接下接头8， 所述上接头6和所述下接头8均为空心管， 且 所述上接头6和所述下接头8的上下两端均设螺纹， 所述上接头6上端螺纹连接钻杆接头9， 所述钻杆接头9连接钻杆(附图中未画出)。

18、， 所述钻杆接头9内设有中空通道91， 所述下接头8 下端连接有钻头(附图中未画出)， 所述钻杆用于带动所述钻杆接头9旋转， 所述钻杆接头9 依次带动所述上接头6和所述下接头8转动， 从而所述下接头8带动所述钻头旋转。 0028 请参考图1和图4， 所述上轴承座5位于所述上接头6内部， 且所述上轴承座5内设有 上推力球轴承51和上深沟球轴承52， 所述传动轴1通过所述上推力球轴承51和所述上深沟 球轴承52连接所述上轴承座5， 所述下轴承座7与所述上轴承座5结构相同且上下对称， 同时 所述上轴承座5上端和所述下轴承座7下端分别设有上螺母53和下螺母73锁紧所述传动轴 1， 使得所述传动轴1不能。

19、做轴向和径向平移运动， 只能绕其轴心线做旋转运动， 本实施例中 所述上轴承座5和所述下轴承座7上分别设有若干上腰形孔54和若干下腰形孔74， 各所述上 腰形孔54均匀分布在所述上推力球轴承51和所述上深沟球轴承52的外侧， 各所述下腰形孔 74均匀分布在下推力球轴承71和下深沟球轴承72的外侧。 0029 所述涡轮2安装在所述传动轴1上且其位于所述上轴承座5下方， 所述涡轮2包括涡 轮定子和涡轮转子(附图中未画出)， 且所述涡轮转子连接所述传动轴1， 本实施例中地面钻 井液驱动装置通过所述中空通道91和所述上腰形孔54连通所述涡轮2， 所述地面钻井液驱 动装置可将携带能量的钻井液输送至所述中空。

20、通道91， 并通过所述上腰形孔54流至所述涡 轮2处冲击涡轮叶片， 从而所述涡轮2将所述钻井液的流体能转换为涡轮转子旋转的机械 能， 在所述涡轮转子的带动下， 所述传动轴1跟随所述涡轮转子同步旋转； 所述钻井液在冲 击所述涡轮叶片后继续向下流动， 并依次通过所述扭力发生装置4、 所述下腰形孔74和所述 下接头8， 最终进入所述钻头， 实现对所述钻头的冲洗和润滑等作用。 0030 所述扭力传导接头3位于所述涡轮2下方且其上下两端分别螺纹连接所述上接头6 和所述下接头8， 所述扭力传导接头3的横截面为圆环形， 且所述扭力传导接头3的内表面均 匀设有若干条竖直键槽(附图中未画出)。 0031 请参考。

21、图1和图3， 各对所述扭力发生装置4从上至下依次安装在所述扭力传导接 头3内部， 且每对所述扭力发生装置4中的两所述扭力发生装置4之间呈中心对称。 每一所述 扭力发生装置4均包括冲击砧41、 连接轴42和两冲锤43， 所述冲击砧41的横截面为变厚度圆 环形， 且所述冲击砧41内表面的最厚处设有带一定倾角的第一冲击面44， 每一所述冲击砧 41的外表面均设有方形的连接键46， 所述连接键46位于对应所述冲击砧41的最厚处且其凸 出对应所述冲击砧41的外表面， 各所述冲击砧41分别通过所述连接键46与所述竖直键槽之 间的配合安装在所述扭力传导接头3上。 0032 请参考图1和图2， 所述连接轴42。

22、和两所述冲锤43均位于所述冲击砧41内部， 两所 说明书 3/5 页 5 CN 111075347 A 5 述冲锤43分别安装在所述连接轴42的两端， 所述连接轴42为方轴且其可活动垂直连接所述 传动轴1， 具体地， 每一所述连接轴42分别通过一所述方孔11与所述传动轴1连接， 且所述连 接轴42与对应所述方孔11之间均为间隙配合连接， 各所述冲锤43上均设有带一定倾角的第 二冲击面45， 且所述第二冲击面45的倾角与所述第一冲击面44的倾角相等， 所述连接轴42 用于带动所述冲锤43转动以冲击所述冲击砧41产生振动， 从而所述冲击砧41将所述振动通 过所述扭力传导接头3传递至所述下接头8， 。

23、并由所述下接头8将所述振动传递给所述钻头， 本实施例中所述冲锤43在所述传动轴1和所述连接轴42的带动下， 以所述第二冲击面45旋 转冲击所述第一冲击面44， 根据力的作用原理， 在所述第二冲击面45与所述第一冲击面44 冲击接触时， 所述第一冲击面44会对所述冲锤43产生一个径向分力和切向分力， 所述径向 分力使所述连接轴42沿着方孔11方向移动， 直至错开所述第一冲击面44， 由于所述冲击砧 41的不等厚设计， 所述冲锤43是存在运动空间的， 从而所述冲锤43的径向移动会使所述冲 锤43避开所述第一冲击面44的阻挡； 另外所述切向分力被所述涡轮2提供的作用力克服， 从 而所述冲锤43在所述。

24、涡轮2及所述传动轴1的带动下继续旋转， 直至旋转180 后， 另一所述 冲锤43冲击所述冲击砧41， 重复上述动作， 至此一所述扭力发生装置4在一圈内两次产生冲 击力完成， 进入下一个循环。 0033 本发明中由于单个所述扭力冲击发生装置4只能产生冲击力和冲击振动， 要产生 扭力， 则需要所述扭力冲击发生装置4成对设置， 以产生的成对的两冲击力， 而由成对的所 述扭力冲击发生装置4产生的两所述冲击力大小基本相等， 方向相反， 且两所述冲击力不在 同一条直线上， 符合扭力作用要求， 故能够产生扭力作用， 又由于所述扭力冲击发生装置4 在冲击过程中会有冲击振动， 因此成对的两所述扭力冲击发生装置4。

25、之间相互配合能够产 生扭矩和扭力冲击。 0034 本实施例中可根据实际钻探需要选择在所述传动轴1上安装一对或多对所述扭力 发生装置4， 以获得不同的扭力冲击频率， 当有多对所述扭力发生装置4时， 各对所述扭力发 生装置4分别均匀地安装在所述扭力传导接头3内部， 具体地， 当有两对所述扭力发生装置4 时， 其中一对所述扭力发生装置4与另一对所述扭力发生装置4之间互相垂直； 当有三对所 述扭力发生装置4时， 其中一对所述扭力发生装置4与其相邻的另一对所述扭力发生装置4 之间的夹角为60 ， 以此类推。 0035 本发明的工作原理为： 0036 工作时， 地面钻机驱动所述钻杆旋转， 从而所述钻杆带动。

26、所述钻杆接头9旋转， 所 述钻杆接头9带动所述上接头6旋转， 接着所述上接头6带动所述扭力传导接头3旋转， 然后 由所述扭力传导接头3带动所述下接头8旋转， 最终所述下接头8将所述地面钻机提供的旋 转动力传递给所述钻头， 实现旋转切削破岩； 与此同时， 所述地面钻井液驱动装置将携带能 量的所述钻井液依次通过所述中空通道91和所述上腰形孔51输送至所述涡轮2处， 以驱动 所述涡轮2转动， 所述涡轮2带动所述传动轴1转动， 从而所述传动轴1带动所述连接轴42转 动， 所述连接轴42又带动所述冲锤43转动以冲击所述冲击砧41而产生扭力和振动， 从而所 述冲击砧41将所述扭力和所述振动通过所述扭力传导。

27、接头3传递至所述下接头8， 并由所述 下接头8将所述扭力和所述振动传递给所述钻头， 因此所述钻头在受到所述地面钻机提供 的旋转动力的同时还会受到所述扭力发生装置4提供的扭力和振动作用， 从而可对所述钻 头实现有效保护， 并可使所述钻头在扭力冲击和振动作用下钻进， 以实现高效破岩， 提高钻 说明书 4/5 页 6 CN 111075347 A 6 井效率。 0037 在本文中， 所涉及的前、 后、 上、 下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部 件相互之间的位置来定义的， 只是为了表达技术方案的清楚及方便。 应当理解， 所述方位词 的使用不应限制本申请请求保护的范围。 0038 在不冲突的情况下， 本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。 0039 以上所述仅为本发明的较佳实施例， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精神和 原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说明书 5/5 页 7 CN 111075347 A 7 图1 说明书附图 1/3 页 8 CN 111075347 A 8 图2 说明书附图 2/3 页 9 CN 111075347 A 9 图3 图4 说明书附图 3/3 页 10 CN 111075347 A 10 。