一种轴向冲击器

1.本发明涉及钻探工具领域，具体为一种轴向冲击器。


背景技术：

2.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。
3.深部地层岩石硬度大，传统的旋转切削碎岩方式在打深部硬岩井时，钻井难度大，机械钻速低，钻井成本高，严重影响了钻井工程的经济效益。深部硬岩地层钻进难题催生了高效破岩技术的发展，通过前人的相关室内试验和现场试验可知，当钻头上有周期性的冲击力时，钻头的破岩效率将得到较大的提高，进而提高机械钻速，降低生产成本。轴向冲击器作为井下辅助破岩的动力工具，由于其不需要提供额外的能量，受到了行业越来越多的重视，逐渐成为了深井提速的一个不可或缺的技术手段。理论分析和现场试验研究表明，轴向冲击工具能够对钻头附加高频轴向冲击力，产生冲击振动，辅助钻头破岩，提高破岩效率，降低生产成本。
4.经检索，公开号为cn211230225u的中国专利于2020年8月11日公开了一种液压振动冲击器，包括外套管、接头和内套管，接头安装于外套管的上端，内套管安装于外套管的下端，内套管内滑动设有钎杆，钎杆的下端设有钎头，外套管内横向固设有隔板，隔板上转动设有转动杆，隔板上设有过流孔，转动杆上设有叶轮，叶轮位于隔板的下方，转动杆下端的边缘设有向下延展的第一凸起部，转动杆的下方设有振动块，振动块上端的边缘设有向上延展用于顶靠第一凸起部的第二凸起部，接头内开设有用于通过高压液体的过流通道，钎杆沿轴向设有用于排出高压液体的排液通道，高压液体冲击叶轮转动用于带动转动杆转动。
5.在上述技术方案中，通过第一凸起和第二凸起的撞击使得振动块沿轴向下运动撞击钎杆，并利用弹簧使振动块向上运动，从而实现对振动块的往复运动，但是第一凸起和第二凸起之间的摩擦易造成磨损，影响设备的使用寿命；该装置在工作过程中弹簧被不断地压缩和复原，易造成弹簧的损坏，也会降低设备的使用寿命；在工作过程中由于弹簧的缓冲作用，振动块向下的冲击力部分被弹簧吸收释放，降低了振动块的冲击力，从而降低了设备的能效。因此有必要设计一种轴向冲击器，以解决上述技术方案中的问题。


技术实现要素：

6.为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种轴向冲击器，通过叶轮和曲轴之间的配合带动冲锤沿轴向做往复运动，以提升设备的使用寿命和工作能效。
7.本发明是通过以下技术方案予以实现的：
8.一种轴向冲击器，包括外管，所述外管的一端连接有接头，外管通过所述接头与钻
杆连接；所述外管内部设置有轴向冲击驱动装置和轴向冲击实现装置，所述轴向冲击驱动装置包括相对设置的第一支撑件和第二支撑件，所述第一支撑件和第二支撑件的外壁均与外管的内壁抵接，且第一支撑件和第二支撑件之间形成有容置腔；所述容置腔内设置有曲轴，所述曲轴的两端分别转动连接于第一支撑件的内侧面和第二支撑架的内侧面；所述曲轴的一端外套设有叶轮，所述叶轮的旋转轴与外管的轴向截面平行；所述轴向冲击装置包括连杆和冲锤，所述连杆两端分别连接曲轴和冲锤，所述曲轴用于带动连杆及冲锤沿平行于外管轴线的方向做往复运动。
9.在上述技术方案中，高压钻井液通过接头进入外管内，并冲击叶轮，从而使叶轮转动，叶轮带动曲轴随之转动，叶轮转动的同时带动连杆沿外管轴向往复运动，连杆进而带动冲锤沿外管轴向做往复运动，实现轴向冲击的目的。
10.进一步地，所述曲轴包括中间轴，所述中间轴为“u”字形，所述“u”字形中间轴的顶部开口两侧均连接有一个柱形轴，两个所述柱形轴远离“u”字形中间轴的前端分别转动连接于第一支撑件和第二支撑件上；所述叶轮套设于其中一个柱形轴外；所述连杆连接于“u”字型中间轴的底部。当叶轮带动曲轴旋转时，“u”字形中间轴以柱形轴的轴心线为圆心做旋转，连接于“u”字形中间轴底部的连杆随之运动，从而带动连接于连杆另一端的冲锤平行于外管轴线做往复运动。
11.进一步地，所述轴向冲击装置还包括飞轮，所述飞轮套设于曲轴远离飞轮的柱形轴的外壁上。由于飞轮具有存储旋转动能的作用，一旦飞轮旋转起来，则飞轮储存的能量和钻井液冲击叶轮的能量同时作用于曲轴，能够实现曲轴有规律的旋转运动，有利于实现冲锤有规律的冲击运动，避免卡堵情况的发生。
12.进一步地，所述冲锤形成有通孔，所述通孔与外管共轴；所述通孔内设置有平行于外管轴向截面的销轴，所述销轴的两端分别连接于冲锤上，所述冲锤通过销轴与连杆连接。在冲锤上开设通孔有利于钻井液快速穿过，避免钻井液的滞留降低了钻井液的流速，从而使叶轮受到的冲力持续稳定。
13.进一步地，所述连杆的两端均设置有两个连接通孔，所述“u”字形中间轴的底部穿过其中一个连接通孔，所述销轴穿过另一个连接通孔；其中一个所述连接通孔为腰型孔，所述腰型孔的长边与外管的轴线平行。将其中一个连接通孔设置成腰型孔，可以防止曲轴在还未到最低位置时，冲锤已经到达最低位置，避免了旋转干涉的发生。
14.进一步地，所述外管内部形成有第一空腔、第二空腔和第三空腔，所述第一空腔与接头连接；所述第一空腔远离接头的一端与第二空腔连通，且所述第二空腔的内径小于第一空腔；所述第二空腔远离第一空腔的一端与第三空腔连通，且所述第三空腔的内径小于第二空腔；所述轴向冲击驱动装置设置于第一空腔内；所述冲锤设置于第二空腔内，且冲锤的外侧壁与第二空腔的内壁滑动抵接。由于第三空腔的内径小于第二空腔，而冲锤的外径与第二空腔相适配，因此冲锤在下降后会冲击外管的内壁，这种冲击力经由外管传递至与外管下端连接的钻头，避免了对钻头的直接冲击，防止对钻头的损坏。
15.进一步地，所述接头内形成有导流通道；所述导流通道的出液口位于叶轮的正上方。将导流通道的出液口设置在叶轮的正上方，便于高压钻井液更有效的冲击叶轮，提升叶轮旋转速度和转动力。
16.进一步地，两个所述柱形轴远离“u”字形中间轴的一端分别通过深沟球轴承连接
于第一支撑件或第二支撑件内侧壁上。通过深沟球轴承连接柱形轴可以减小摩擦、磨损，有利于曲轴在叶轮的带动下旋转运动。
17.进一步地，所述飞轮和叶轮均通过键与柱形轴连接。
18.进一步地，所述飞轮和叶轮上均设置有键齿，所述柱形轴上开设有与所述键齿相适配的键槽，所述飞轮和叶轮均通过键齿和键槽之间的配合与柱形轴连接。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
20.(1)本发明提供的一种轴向冲击器，高压钻井液通过接头进入外管内，并冲击叶轮，从而使叶轮转动，叶轮带动曲轴随之转动，叶轮转动的同时带动连杆沿外管轴向往复运动，连杆进而带动冲锤沿外管轴向做往复运动，实现轴向冲击的目的。本发明结构简单，采用曲轴连接叶轮和冲锤，设备不易因磨损而降低使用寿命；通过将冲锤提升到一定高度，利用连杆向下时施加给冲锤向下的力及冲锤自身的重力势能，提升了冲锤的冲击力，进而提升了设备的能效。
21.(2)本发明提供的冲击器轴向冲击频率与曲轴转速有关，曲轴转速与叶轮转速一致，而叶轮转速由钻井流量流速控制，故可以通过钻井液流量、流速等来控制冲击器冲击频率。
22.(3)本发明提供的冲击器轴向冲击驱动装置中设计有飞轮，飞轮具有储存能量的特点，故有利于冲击过程的规律性，有利于冲击过程的连续性。
23.(4)本发明提供的冲击器中设计的钻井液通道宽敞，钻井液能够顺利通过，从而对钻井液中的固相含量、颗粒大小等无特殊要求，适应性广。
24.(5)本发明提供的冲击器安装方便，操作简单，产生的轴向冲击配合钻头能够有效提高深井硬岩层的机械钻速。
附图说明
25.图1为根据本发明实施例的一种轴向冲击器的正面剖视图；
26.图2为根据本发明实施例的轴向冲击驱动装置正面剖视图；
27.图3为根据本发明实施例的接头结构示意图；
28.图4为根据本发明实施例的接头正面剖视图；
29.图5为根据本发明实施例的外管正面破视图；
30.图6为根据本发明实施例的第一支撑件结构示意图；
31.图7为根据本发明实施例的第二支撑件结构示意图；
32.图8为根据本发明实施例的曲轴结构示意图；
33.图9为根据本发明实施例的叶轮结构示意图；
34.图10为根据本发明实施例的飞轮结构示意图；
35.图11为根据本发明实施例的连杆结构示意图；
36.图12为根据本发明实施例的冲锤结构示意图；
37.图13为根据本发明实施例的外管轴向视图；
38.图14为根据本发明实施例的曲轴、叶轮和飞轮连接示意图。
39.图中：1、接头；101、导流通道；2、外管；201、第一空腔；202、第二空腔；203、第三空腔；204、第一环形凸出面；205、第二环形凸出面；3、第一支撑件；301、导流孔；302、第一连接
孔；4、叶轮；401、叶轮轴；402、叶轮叶片；5、飞轮；6、键齿；7、深沟球轴承；8、曲轴；801、“u”字形中间轴；802、柱形轴；9、第二支撑件；901、第二连接孔；10、连杆；1001、腰型孔；1002、圆形连接通孔；11、销轴；12、冲锤；1201、通孔；1202、冲锤连接孔；13、钻头。
具体实施方式
40.以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
44.如图1所示，本实施例提供一种轴向冲击器，包括外管2，所述外管2的一端连接有接头1，外管2通过所述接头1与钻杆连接。
45.如图3和图4所示，所述接头1包括接头上端和接头下端，所述接头上端和接头下端均为圆柱形，所述接头上端中间为中空设置，所述接头下端开设有导流通道101，高压钻井液通过导流通道101流入外管2内；所述接头下端外径与外管2内径相适配，接头下端外侧面设置于螺纹，接头下端通过螺纹与外管2螺接；所述接头上端的外径与外管2的外径相等，接头上端与钻杆连接。
46.如图5和图13所示，外管2内形成有第一空腔201、第二空腔202和第三空腔203，所述第一空腔201的顶部与接头1连接，所述第三空腔203的底部连接有钻头13。
47.第一空腔201的底面与第二空腔202的顶面连通，且第一空腔201的内径大于第二空腔202的内径，因此第一空腔201的底面周圈形成有第一环形凸出面204；第二空腔202的
底面与第三空腔203的顶面连通，第二空腔202的内径大于第三空腔203的内径，在第二空腔202的底面周圈形成有第二环形凸出面205。
48.所述第一空腔201内设置有轴向冲击驱动装置。如图2所示，轴向冲击驱动装置包括第一支撑件3、第二支撑件9、叶轮4、飞轮5和曲轴8。如图6所示，第一支撑件3包括半圆形顶面和弧形侧面，所述第一支撑件3的外侧壁与第一空腔201的内壁抵接；所述第一支撑件3上的半圆形顶面上开设有导流孔301，所述导流孔301与导流通道101出液口连通，且导流孔301孔径与导流通道101出液口内径相等。所述第一支撑件3的半圆形顶面和弧形侧面合围形成的内部空间为具有开口的长方体，第一支撑件3的弧形侧面上与开口相对的内壁上开设有第一连接孔302。如图7所示，第二支撑件9包括半圆形顶面和弧形侧面，所述第二支撑件9的外侧壁与第一空腔201的内部抵接，第二支撑件9的半圆形顶面和弧形侧面合围形成的内部空间为具有开口的长方体，第二支撑件9的弧形侧面上与开口相对的内壁上开设有第二连接孔901。安装时，第一支撑件3的弧形侧面的侧端面与第二支撑件9弧形侧面的侧端面抵接，第一支撑件3的半圆形顶面的直线侧端面与第二支撑件9的半圆形顶面的直线侧端面抵接，安装好后，第一连接孔302和第二连接孔901正好相对，且第一支撑件3和第二支撑件9中间形成有容置腔。
49.所述容置腔内设置有曲轴8，如图8所示，所述曲轴8包括中间轴，所述中间轴为“u”字形，所述“u”字形中间轴801的顶部开口两侧均连接有一个柱形轴802，两个所述柱形轴802远离“u”字形中间轴801的前端分别转动连接于第一连接孔302和第二连接孔901内。如图14所示，两个柱形轴802远离“u”字形中间轴的一端均连接有深沟球轴承7，两个深沟球轴承7分别设置于第一连接孔302和第二连接孔901内。
50.靠近第一支撑件3的柱形轴802外套设有叶轮4，所述叶轮4位于导流孔301的正下方，如图9所示，所述叶轮4包括叶轮4轴，所述叶轮4轴内壁设置有键齿6，与叶轮4连接的柱形轴802外侧开设有与键齿6相适配的键槽，所述键齿6卡接于键槽内；叶轮4轴外壁上设置有多个平行于叶轮4轴轴线的叶轮4叶片。
51.靠近第二支撑件9的柱形轴802外套设有飞轮5(如图10所示)，所述飞轮5与柱形轴802接触的一侧上设置有键齿6，所述柱形轴802上设置有与键齿6相适配的键槽，所述键齿6卡接于键槽内。
52.所述第二空腔202内设置有轴向冲击发生装置，所述轴向冲击发生装置包括连杆10和冲锤12。如图11所示，所述连杆10两端均开设有连接通孔，其中一个为腰型孔1001，另一个为圆形连接通孔1002；所述腰型孔1001与“u”字形中间轴801的底部连接，具体为，“u”字形中间轴801的底部穿过腰型孔1001。
53.如图12所示，所述冲锤12为圆柱形，冲锤12外径与第二空腔202内径相适配；冲锤12内部形成有通孔1201；冲锤12底部端面上设置有弹性层。所述冲锤12侧壁相对开设有两个冲锤连接孔1202，所述两个冲锤连接孔1202之间连接有销轴11，所述销轴11的中间与圆形连接通孔1002连接，具体为，销轴11中间穿过圆形连接通孔1002。
54.本实施例提供的一种轴向冲击器的工作过程如下：高压钻井液通过接头1的导流通道101和第一支撑件的导流孔301进入，从而冲击叶轮4叶片，使叶轮4发生旋转，叶轮4带动与之连接的柱形轴802旋转，进而是“u”字形中间轴801及另一柱形轴802旋转，另一柱形轴802带动其上的飞轮5旋转；当“u”字形中间轴801旋转时，带动连杆10运动，连杆10进而带
动冲锤12上下(沿外管2轴线方向)往复运动，当冲锤12向下运动至最底端时，会对第二环形凸出面205形成冲击，该冲击力由外管2传输至与外管2底部连接的钻头等部件上，从而实现对钻头的周期性冲击。
55.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。