[发明专利]冲击式钻井设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻井设备，特别是一种冲击式钻井设备。

背景技术

在油气钻井领域中，随着深井、超深井需求的出现，对钻井设备的要求也越来越高。在深井、超深井钻探中，地层岩石硬度高、可钻性差的特点日益突出，从而对钻井设备和钻井技术的要求越来越高。

旋冲钻井设备是一种特别适合于这些情况的钻井设备，其核心之一是液动射流式冲击器。特别是在硬地层钻进中，这种旋冲钻井设备比比常规旋转钻进提高50-100%，钻进效率得到大幅提高。

在现有技术中，通常使用的旋冲钻井设备是射流式冲击器。例如在中国专利公开CN2550477Y中披露了一种射流式冲击器。在这种射流式冲击器中，在柱形缸体外表面上焊接有圆弧状长条金属片，这样金属片与缸本体围出了侧腔通道。这种密封方式存在较多焊接部位，在使用过程中容易出现焊接开裂而导致密封失效的问题。

中国专利公开CN301433708Y中披露了一种射流式冲击器缸体和缸盖结构。在该射流式冲击器种，射流式冲击器缸体和缸盖通过焊镶和粘贴而成为一体。在实际应用过程中，由于活塞和冲锤的反复冲击，焊镶和粘贴部位同样存在容易开裂导致泄漏、泄压的现象。

旋冲钻井设备的射流式液动冲击器易出现密封失效或焊接开裂的问题，这影响了旋冲钻井设备的正常工作，进而影响和制约了旋冲钻井设备的使用寿命。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种冲击式钻井设备。这种冲击式钻井设备不但能在旋转钻井的同时对钻头提供冲击力提高钻井速率，而且其结构简单、零部件较少从而使用寿命较长。

根据本发明，提供了一种冲击式钻井设备，包括能转动的中空的壳体，在壳体内部设置有能轴向往复运动的冲锤，冲锤的上游端部通过动力转换机构连接于周向转动的动力源，在壳体内部，冲锤的下游与冲锤间隔式设置有能沿轴向运动的砧子，使得冲锤能对砧子施加轴向冲击力，砧子通过作用于其的阻挡结构而实现轴向运动限位，其中，动力转换机构包括在周向外壁上设置有波浪形导轨的圆柱状连接件和与波浪形导轨相配合的导向销，冲锤通过导向销连接于动力转换机构，以实现冲锤的轴向往复运动。

通过本发明的冲击式钻井设备，通过连接件周向外壁上的波浪形导轨和与之相配合的导向销能够将动力源施加的轴向转动转换成冲锤的轴向往复运动，从而实现在旋转钻进的同时对井底岩石产生高频冲击。此外，根据本发明的冲击式钻井设备结构简单，没有复杂的密封结构和焊接连接，在使用中也不会出现密封失效或焊接开裂等问题，使得其使用寿命较长。

在一个实施例中，波浪形导轨的形状为以连接件的周向转动方向为参照，每个波峰的后侧边比前侧边更陡。这样，导向销在沿波浪形导轨运动过程中会以相对较慢的速度升高到最高点，然后以较快的速度落回到最低点，使得冲锤对砧子的冲击力更大。

在一个实施例中，在砧子、冲锤和连接件内部还构造有彼此连通的通道。这些通道用于将在钻井过程中产生的泥浆排出底面，方便了冲击式钻井设备的使用。

在一个实施例中，在砧子的内部还设置有安装钻头的结构。

在一个实施例中，在壳体的内壁上，冲锤的区域设置有多个第一轴向导向槽，在冲锤的外表面上设置有多个与第一轴向导向槽配合使用的第一导向肋。这种结构能够抵消动力转换机构未完全转换的扭矩，确保冲锤不会相对于壳体周向转动。在另一个实施例中，壳体的内壁与冲锤的外表面之间采用八方连接。

在一个实施例中，在壳体的下游以能拆卸的方式连接有连接套，连接套的内径小于壳体的内径而形成径向向里凸出的台阶，砧子的上游部分的外径与连接套的内径相匹配，砧子的下游部分的外径大于连接套内径，在砧子的上游部分设置有凹槽，在凹槽内能拆卸地安装有径向向外凸出的与台阶相配合的限位块，以实现所述阻挡结构。这种阻挡结构不但能够对砧子起到轴向限位作用还能够在起钻的过程中防止砧子发生脱落。在一个优选的实施例中，在壳体的内壁上，台阶的上游还设置有作用于限位块的限位肩以限制限位块的轴向运动。这样，通过限位肩和台阶的共同作用实现了限位块的轴向往复运动，也就实现了砧子的轴向往复运动。

在另一个实施例中，在限位块和砧子的下游部分之间形成连接套能安装到其中的安装槽。连接套与安装槽的这种配合方式能够给传递砧子施加指向下游的轴向力，以使得钻头能够钻进。

在一个实施例中，在连接套内壁上设置有多个第二轴向导向槽，在砧子的外表面上设置有多个与第二轴向引导槽相匹配的第二导向肋。这种结构能够保证砧子与连接套或壳体同步转动，从而保证钻头能够旋转钻进。在另一个实施例中，砧子的外表面与连接套内壁之间采用八方连接。