一种自发电风压电磁联合冲击自转式空气锤及使用方法
阅读说明：本技术 一种自发电风压电磁联合冲击自转式空气锤及使用方法 (Self-generating wind pressure electromagnetic combined impact autorotation type air hammer and using method thereof ) 是由 王国华 王金城 申宇航 邓富多 王琳贵 李峥 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种自发电风压电磁联合冲击自转式空气锤及使用方法,它包括发电组件、活塞组件、旋转组件和钻头组件,所述发电组件包括上接头、中间接头、涡轮、涡轮轴、绝缘方箱、发电机、弹性垫、定位块,其中,上接头与中间接头通过螺纹连接,两定位块安装在中间接头的内部,绝缘方箱位于两个定位块内部所形成的方形空腔内,绝缘方箱内的底部为弹性垫,弹性垫上部为安装的发电机,发电机通过圆柱固定在绝缘方箱内部,涡轮与发电机通过涡轮轴连接。本发明使钻头受到更大的冲击力辅助破岩,混合式步进电机式的旋转组件提供更大的扭矩使钻头旋转,减少高压气体作为旋转动力时的能量损失,精确地控制钻头旋转的角度。(The invention provides a self-generating wind pressure electromagnetic combined impact rotation type air hammer and a using method thereof, and the self-generating wind pressure electromagnetic combined impact rotation type air hammer comprises a power generation assembly, a piston assembly, a rotation assembly and a drill bit assembly, wherein the power generation assembly comprises an upper joint, a middle joint, a turbine shaft, an insulating square box, a power generator, an elastic cushion and positioning blocks, the upper joint is connected with the middle joint through threads, the two positioning blocks are arranged in the middle joint, the insulating square box is positioned in a square cavity formed in the two positioning blocks, the elastic cushion is arranged at the bottom in the insulating square box, the power generator is arranged at the upper part of the elastic cushion, the power generator is fixed in the insulating square box through a cylinder, and the turbine is connected with the power generator through the turbine shaft. The invention leads the drill bit to be subjected to larger impact force to assist in rock breaking, and the hybrid stepping motor type rotating assembly provides larger torque to lead the drill bit to rotate, thereby reducing the energy loss when high-pressure gas is used as rotating power and accurately controlling the rotating angle of the drill bit.)
技术领域
本发明属于石油天然气钻井装备制造技术领域，涉及一种石油天然气气体钻井工具，尤其涉及一种自发电风压电磁联合冲击自转式空气锤及使用方法。
背景技术
气体钻井技术是采用空气锤依靠高压气体提供动力进行冲击破岩的，空气锤钻井是将旋转钻井和冲击钻井结合起来，可以大幅度提高钻井速度。空气锤从起初不能自转依靠钻机转盘驱动旋转，在垂直井中应用效果好，但在水平井、定向井中由于井壁摩擦阻力大，应用效果不甚理想。
为了解决这些问题，对空气锤的结构功能进行改进创新使其自转，例如中国专利文献公开的“一种定向旋转式空气锤”(公开号：CN102337839A；公开日：2012年2月1日)，主要由隔离机构、配气旋转机构、活塞组件和钻头构成，隔离机构包括上接头、回转接头、逆止阀、弹簧、弹簧座放置阀芯、弹簧座和外壳；配气旋转机构设在隔离机构内，包括回转轴、配气座、进气管、后气腔和前气腔，配气座顶面与弹簧座固定连接，底面上以环形阵列方式布置有多个锯齿状凸锥，进气管上端连接在配气座上，下端伸入活塞组件内，在进气管上设有进气口；活塞组件设在隔离机构内，活塞组件包括活塞、卡环和卡环半，在活塞顶面以环形阵列方式布置有多个与配气座底面锯齿状凸锥相匹配的凸锥，活塞上径向设有分别通向后气腔和前气腔的进气孔；钻头通过花键连接在花键接头上，钻头的尾部连接有钻头尾管。其旋转功能是由回转接头、回转轴、弹簧座、配气座和活塞等构件共同联合作用的，活塞在上行过程中与配气底座底面的锯齿状凸锥相互作用，并产生一定的周向力，使得配气座在特定方向旋转，带动回转轴和外壳旋转，外壳与花键结构相互作用，使钻头产生旋转运动，实现自动加压和改变钻头角度，从而使空气锤在提供冲击功能的同时输出较大扭矩，满足水平井、定向井和长分支井等井况的钻探要求，加快石油、天然气井的钻探工程进度。
这些自转式空气锤虽然都不仅能提供冲击还能自转进行钻进，但它们的旋转都是通过高压气体带动机械部件旋转的，机械部件间的摩阻较大导致的能量损失大。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种自发电风压电磁联合冲击自转式空气锤及使用方法。
本发明采用如下技术方案：
一种自发电风压电磁联合冲击自转式空气锤，包括发电组件、活塞组件、旋转组件、钻头组件。
所述发电组件包括上接头、橡胶密封圈、中间接头、涡轮、涡轮轴、绝缘方箱、发电机、弹性垫、定位块、螺钉。其中，上接头与中间接头通过螺纹连接，两定位块安装在中间接头的内部。绝缘方箱位于两个定位块内部所形成的方形空腔内，绝缘方箱内的底部为弹性垫，弹性垫上部为安装的发电机，发电机通过圆柱固定在绝缘方箱内部。
上接头中心为贯穿的空心通道，下部为通道为膨大状，涡轮位于上接头下部膨胀大状空腔内，涡轮与发电机通过涡轮轴连接。
所述定位块最外部为圆弧状，内部为矩形空间，上顶面为有角度的斜面，径向有环形通孔和有沉头孔的螺孔。
所述圆柱、绝缘方箱和定位块都有通孔，发电机的导线从通孔引出。
所述中间接头、定位块和绝缘方箱之间的间隙构成进气通道。
所述活塞组件包括活塞、第一垫圈、第二垫圈、永磁铁套、锁紧套，第一垫圈安装在活塞的台阶处，并通过活塞的台阶定位，永磁铁套安装在第一垫圈下侧，第二垫圈安装在永磁铁套下侧，锁紧套安装在第二垫圈下侧。
活塞安装在内缸中，内缸安装于外缸中，导向套安装于内缸下方，外缸中部通过台阶定位绕有线圈，活塞上方安装配气座，配气座上部内有弹簧，配气座顶部有逆止阀。
外缸安装在中间接头下部，中间接头中心为贯穿的通道，中间接头两端为膨大的腔体，上部的腔体与上接头下部的膨大状空腔配合(腔体的内径相同)，配气座的上部安装在中间接头的下部空腔内。
所述旋转组件包括定子套、定子铁芯、线圈绕组、轴承、密封圈、转子传动套、永磁铁、转子铁芯，其中定子套通过螺纹与外缸连接锁紧，定子铁芯固定在定子套上，定子铁芯设有线圈绕组，转子铁芯位于转子传动套内部，永磁铁位于转子铁芯中间，定子套通过轴承与转子传动套配合连接，转子传动套与钻头连接。
所述定子铁芯外表面设有用于缠绕线圈绕组的通槽，所述通槽均匀分布在与定子套同轴线的定子铁芯上。
所述转子铁芯内侧有圆周均匀分布的齿，与定子铁芯的两通槽之间形成的齿错开半个齿距的距离。
所述转子铁芯和定子铁芯之间的间隙构成气隙。
钻头组件，包括钻头、半卡环、下接头和防掉接头，钻头通过花键与转子传动套连接，半卡环通过其较薄的一端在外缸的台阶处定位，下接头通过螺纹与外缸连接卡住半卡环，半卡环通过台阶卡住钻头，防掉接头通过螺纹与钻头连接锁紧。
供电导线安装在外缸之中，传感器Ⅰ安装在线圈上面，传感器Ⅱ安装在控制系统上面，控制系统安装在定子套上面。
自发电风压电磁联合冲击自转式空气锤的使用方法，包括高压气体通过涡轮使涡轮旋转，再通过涡轮轴将动力传递给发电机，发电机将机械能转为电能，然后此电能可用于空气锤的冲击和旋转；当高压气体推开逆止阀进入配气座和内缸，推动活塞向下运动到外缸内部的传感器感应到活塞上的永磁铁套全部进入外缸内部缠绕的线圈中，控制系统就给外缸内部缠绕的线圈通电，线圈产生的感应磁场使永磁铁套受到强大的向下的磁力，进而带动活塞以更大的动力通过导向套导向撞击钻头。
当传感器感应到活塞撞击完钻头，进入回程阶段时，控制系统给旋转组件的定子铁芯上的线圈绕组通入脉冲电流，每一个脉冲控制转子铁芯旋转一个固定角度，而转子铁芯固定在转子传动套上，转子传动套又带动钻头旋转，钻头的旋转角度可通过电流脉冲次数控制。
本发明的有益效果：
本发明与现有的自转式空气锤相比，本发明将自转式空气锤结构做了调整，增加了发电机构，电磁推进装置，使活塞受到比只有高压气体推动力更大的电磁推动力和高压气体推动力的合力，使钻头受到更大的冲击力辅助破岩，混合式步进电机式的旋转组件提供非常大的扭矩使钻头旋转，不仅避免了高压气体带动机械部件旋转的较大摩阻产生的能量损失，而且能精确地控制钻头旋转的角度。
本发明与公开号为CN102337839A的一种定向旋转式空气锤相比，旋转功能采用混合式步进电机，当传感器感应到活塞撞击完钻头，进入回程阶段时，控制系统给旋转组件的定子铁芯上的线圈绕组通入脉冲电流，每一个脉冲控制转子铁芯旋转一个固定角度，而转子铁芯固定在转子传动套上，转子传动套又带动钻头旋转，不仅避免了高压气体带动机械部件旋转摩阻产生的较大能量损失，而且能精确地控制钻头旋转的角度。
本发明具有结构简单、可靠性高、实用性强和制造成本低的优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明图1所示A部的局部放大结构示意图；
图3为本发明图2所示C向剖切结构示意图；
图4为本发明图1所示B部的局部放大结构示意图；
图5为本发明图4所示D向剖切结构示意图；
图6为本发明图1所示E部的局部放大结构示意图；
图中：1-上接头、2-涡轮、3-涡轮轴、4-橡胶密封圈、5-绝缘方箱、6-通孔、7-圆柱、8-螺钉、9-发电机、10-弹性垫、11-定位块、12-中间接头、13-逆止阀、14-弹簧、15-配气座、16-内缸、17-活塞、18-导向套、19-第一垫圈、20-永磁铁套、21-线圈、22-第二垫圈、23-锁紧套、24-定子套、25-轴承、26-转子铁芯、27-永磁铁、28-定子铁芯、29-线圈绕组、30-密封圈、31-转子传动套、32-外缸、33-钻头、34-进气通道、35-通槽、36-气隙、37-供电导线、38-传感器Ⅰ、39-传感器Ⅱ、40-控制系统、41-半卡环、42-下接头、43-防掉接头。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
如图1-6所示，本发明的一种自发电风压电磁联合冲击自转式空气锤，包括发电组件、活塞组件、旋转组件、钻头组件。
所述发电组件包括上接头1、橡胶密封圈4、中间接头12、涡轮2、涡轮轴3、绝缘方箱5、发电机9、弹性垫10、定位块11、螺钉8。其中，上接头1与中间接头12通过螺纹连接，上接头1与中间接头12之间安装有橡胶密封圈4，两定位块11安装在中间接头12的内部，并通过中间接头12的台阶定位，再通过螺钉8锁紧固定。绝缘方箱5位于两个定位块11内部所形成的方形空腔内，绝缘方箱5内的底部为弹性垫10，弹性垫10上部为安装的发电机9，发电机9通过圆柱7固定在绝缘方箱5内部。上接头1中心为贯穿的空心通道，下部的通道为膨大状，涡轮2位于上接头1下部膨胀大状空腔内，涡轮2与发电机9通过涡轮轴3连接。
所述定位块11最外部为圆弧状，内部为矩形空间，上顶面为有角度的斜面，径向有环形通孔与有沉头孔的螺孔。
所述圆柱7、绝缘方箱5和定位块11上都有通孔6，发电机9的导线从通孔6引出。
所述中间接头12、定位块11、绝缘方箱5之间的间隙构成进气通道34。
所述活塞组件包括活塞17、第一垫圈19、第二垫圈22、永磁铁套20、锁紧套23，第一垫圈19安装在活塞17的台阶处，并通过活塞17的台阶定位，永磁铁套20安装在第一垫圈19下侧，第二垫圈22安装在永磁铁套20下侧，锁紧套23安装在第二垫圈22下侧，锁紧套23通过螺纹锁紧。
活塞17安装在内缸16中，内缸16安装于外缸32中，导向套18安装于内缸16下方，外缸32中部绕有线圈21，线圈21通过外缸台阶定位，活塞17上方安装配气座15，配气座15上部内有弹簧14，配气座15顶部有逆止阀13。
外缸32安装在中间接头12下部，中间接头12中心为贯穿的通道，中间接头12两端为膨大的腔体，上部的腔体与上接头1下部的膨大状空腔配合(腔体的内径相同)，配气座15的上部安装在中间接头12的下部空腔内。
所述旋转组件包括定子套24、定子铁芯28、线圈绕组29、轴承25、密封圈30、转子传动套31、永磁铁27、转子铁芯26和气隙36，其中定子套24通过螺纹与外缸32连接锁紧，定子铁芯28固定在定子套24上，定子铁芯28设有线圈绕组29，转子铁芯26位于转子传动套31内部，永磁铁27位于转子铁芯26中间，定子套24通过轴承25与转子传动套31配合连接，用密封圈30密封处理，转子传动套31与钻头33连接。
所述定子铁芯28外表面设有用于缠绕线圈绕组29的通槽35，所述通槽35均匀分布在与定子套24同轴线的定子铁芯28上。
所述转子铁芯26内侧有圆周均匀分布的齿，与定子铁芯28的两通槽35之间形成的齿错开半个齿距的距离。
所述转子铁芯26和定子铁芯28之间的间隙构成气隙36。
钻头组件，包括钻头33、半卡环41、下接头42和防掉接头43，钻头33通过花键与转子传动套31连接，半卡环41通过其较薄的一端在外缸32的台阶处定位，下接头42通过螺纹与外缸32连接卡住半卡环41，半卡环41通过台阶卡住钻头33，防掉接头43通过螺纹与钻头33连接锁紧。
供电导线37安装在外缸32之中，传感器Ⅰ38安装在线圈21上面，传感器Ⅱ39安装在控制系统40上面，控制系统40安装在定子套24上面。
自发电风压电磁联合冲击自转式空气锤的使用方法如下：包括
高压气体通过涡轮2使其旋转，再通过涡轮轴3将动力传递给发电机9，发电机9将机械能转为电能，然后此电能可用于空气锤的冲击和旋转；当高压气体推开逆止阀13进入配气座15和内缸16，推动活塞17向下，运动到外缸32内部的传感器Ⅰ38感应到活塞17上的永磁铁套20全部进入外缸32内部缠绕的线圈21中，控制系统40就给外缸32内部缠绕的线圈21通电，线圈21产生的感应磁场使永磁铁套20受到强大的向下的磁力，进而带动活塞17以更大的动力通过导向套18导向撞击钻头33。
当传感器Ⅱ39感应到活塞17撞击完钻头33，进入回程阶段时，控制系统40给旋转组件的定子铁芯28上的线圈绕组29通入脉冲电流，每一个脉冲控制转子铁芯26旋转一个固定角度，而转子铁芯26固定在转子传动套31上，转子传动套31又带动钻头33旋转，钻头33的旋转角度可通过电流脉冲次数控制。
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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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各实施例技术方案的精神和范围。
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