一种连续轴向冲击破岩锤子
阅读说明：本技术 一种连续轴向冲击破岩锤子 (Continuous axial impact rock breaking hammer ) 是由 李永和 于 2020-12-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及油田钻探开发技术领域,特别涉及一种连续轴向冲击破岩锤子。该装置的外壳上端内部设有轴承轴,轴承轴上端套装有定子上顶圈,定子上顶圈固定在外壳内壁上,转子锁紧螺母套装在轴承轴中部并与轴承轴之间密封,轴承串置于转子锁紧螺母下端并套装在轴承轴上。本发明实现了在不影响井眼轨迹控制的前提下,能够提高各种类型钻头的破岩效率,结构合理,整体长度短,不影响井眼轨迹控制,能够产生可控的压力脉冲波,且频率高,能够对钻头实现高频冲击,直接与钻头连接,冲击力直接作用于钻头体,中间无能量损失,且冲击力大小可调,整机寿命高,无易损件,连续工作时间长,可靠性高、安装方便。(The invention relates to the technical field of oil field drilling development, in particular to a continuous axial impact rock breaking hammer. The device's shell upper end inside is equipped with the bearing axle, and bearing axle upper end cover is equipped with the top circle on the stator, and the top circle is fixed on the shell inner wall on the stator, and rotor lock nut suit is sealed between bearing axle middle part and the bearing axle, and the bearing cluster is arranged in rotor lock nut lower extreme and is suit on the bearing axle. The invention can improve the rock breaking efficiency of various types of drill bits on the premise of not influencing the control of the well track, has reasonable structure, short overall length, high frequency, controllable pressure pulse wave generation, direct connection with the drill bit, direct action of impact force on the drill bit body, no energy loss in the middle, adjustable impact force, long service life of the whole machine, no wearing parts, long continuous working time, high reliability and convenient installation, and can generate high-frequency impact on the drill bit and directly connect with the drill bit.)
技术领域：
本发明涉及油田钻探开发技术领域，特别涉及一种连续轴向冲击破岩锤子。
背景技术：
自上世纪80年代中期开始，利用“冲击破岩”的方法提高石油天然气钻井速度成为钻井提速的研究热点。先后诞生了几种原理相近的“液力旋冲工具”，其核心技术内涵都是利用一套特殊的“交叉换向机构”或“自激式脉冲发生装置”，让钻井流体在钻杆水眼内，产生连续的压力波动，从而在钻头上方形成一个连续的震动力，使得钻头一边旋转一边冲击地层，达到高效破岩的目的。但由于这几种工具的关键部件都要承受着钻井流体的高速冲蚀，因此普遍整机寿命短；同时由于工具结构太长，直接连接钻头又无法满足井眼轨迹控制的要求，故没有得到推广；近几年，受西方石油钻井的影响，国内一些单位和个人仿制了国外同类技术产品，推出了一种“扭力冲击工具”，旨在给钻头施加一个连续冲击的、沿钻头圆周的切线方向的力，以达到高效破岩效果。但是该工具冲击力小，力的方向不是沿钻头的轴线方向施加的，工具长度也很难缩短到0.4米以下，井眼轨迹控制大大受到制约，因此应用范围也受到了很大限制，不能大范围推广应用。
发明内容
：本发明要解决的技术问题是提供一种连续轴向冲击破岩锤子，该装置实现了在不影响井眼轨迹控制的前提下，能够提高各种类型钻头的破岩效率，结构合理，整体长度短，不影响井眼轨迹控制，能够产生可控的压力脉冲波，且频率高，能够对钻头实现高频冲击，直接与钻头连接，冲击力直接作用于钻头体，中间无能量损失，且冲击力大小可调，整机寿命高，无易损件，连续工作时间长，可靠性高、安装方便。克服了现有冲击工具结构太长，影响井眼轨迹控制，冲击力小，使用寿命短的不足。
本发明所采取的技术方案是：一种连续轴向冲击破岩锤子，包括外壳，外壳上端设计有公接头；外壳上端内部设有轴承轴，轴承轴上端套装有定子上顶圈，定子上顶圈固定在外壳内壁上，转子锁紧螺母套装在轴承轴中部并与轴承轴之间密封，轴承串置于转子锁紧螺母下端并套装在轴承轴上，转子内套套装在轴承串外侧，转子内套外壁上轴向顺次套装有多个涡轮转子，转子锁紧螺母螺纹连接在转子内套上端并压紧涡轮转子，每个涡轮转子外侧对应安装涡轮定子，定子下顶圈固定在外壳内壁上，涡轮定子通过定子上顶圈和定子下顶圈固定，定子上顶圈周向设计有多个钻井流体过流孔，该钻井流体过流孔与涡轮定子和涡轮转子之间相通；
转子内套下端设置上脉冲发生块，上脉冲发生块能够沿转子内套轴向滑动，上脉冲发生块随转子内套旋转而旋转，上脉冲发生块下端圆柱底面开有具有轴向深度的钻井流体过流通道，该钻井流体过流通道端面形状为一个过圆心的扇面与一个中心圆连线组成；上脉冲发生块下端设置锤体震动套，锤体震动套顶端面上设置有与钻井流体过流通道端面形状大小一致的脉冲发生控流孔，钻井流体过流通道端面能够与脉冲发生控流孔完全对应连通；
锤体震动套外壁与外壳内壁之间密封，锤体震动套下端连接锤头帽，钻头母接头上端伸入锤头帽内，钻头母接头外部设有能够与锤头帽下端面相贴合的限位台阶，碟簧支撑块套装钻头母接头上端，碟簧支撑块上套装碟簧，碟簧上端顶在锤体震动套上，锤头帽能够沿钻头母接头轴向滑动并对钻头母接头限位台阶面进行撞击；锤体震动套的脉冲发生控流孔与碟簧支撑块中心通道和钻头母接头中心通道均相连通；
钻头母接头外壁周向开有锁紧球道，相对应的外壳内壁上开有环形球道，所述锁紧球道与所述环形球道之间安装有锁紧钢珠，外壳底端周向设计有多个牙嵌槽，钻头母接头下端外壁周向设计有多个牙嵌，所述牙嵌槽与牙嵌相匹配安装。
定子上顶圈内壁面与轴承轴上端外壁上的锥度锁紧面相配合并通过轴承悬挂背紧帽锁紧，轴承轴顶端设有插孔。
转子锁紧螺母内壁上安装有轴承轴Y型密封圈并通过轴承轴Y型密封圈与轴承轴之间密封，外壳内壁上安装有Y型密封圈，外壳通过Y型密封圈分别与锤体震动套、钻头母接头密封。
上脉冲发生块上端为圆柱凸块，该圆柱凸块伸入转子内套内，该圆柱凸块外壁上开有轴向滑动钢球槽，该轴向滑动钢球槽相对应的转子内套内壁上开有滑动钢球槽，在轴向滑动钢球槽与滑动钢球槽之间安装滑动钢球，上脉冲发生块通过滑动钢球沿转子内套轴向滑动，上脉冲发生块通过滑动钢球随转子内套旋转而旋转。
钻井流体过流通道轴向深度为5-20mm。
上脉冲发生块下端圆柱底面开有多个钻井流体过流通道，所述多个钻井流体过流通道沿上脉冲发生块下端圆柱底面周向均匀布置，多个钻井流体过流通道端面的孔扇面面积累加不大于一半的对应圆面积，锤体震动套上端面周向设置与钻井流体过流通道同样数量的脉冲发生控流孔。
钻头母接头的限位台阶上开有多个泄压孔，钻头母接头上端外壁上开有轴向滑动销子孔道，相对应的锤头帽内壁上开有滑动销子孔道，所述轴向滑动销子孔道与滑动销子孔道之间安装锤头帽滑动销子，锤头帽通过锤头帽滑动销子能够沿钻头母接头轴向滑动并对钻头母接头限位台阶面进行撞击。
钻头母接头上端外壁上设有碟簧顶紧台阶，碟簧支撑块抵在该碟簧顶紧台阶上。
钻头母接头外壁上的锁紧球道上开有一个径向螺纹孔，丝堵Ⅰ连接在该径向螺纹孔内，丝堵Ⅰ顶端设计有与锁紧球道相一致的球道，丝堵Ⅰ中心螺纹连接丝堵Ⅱ，丝堵Ⅱ贯穿丝堵Ⅰ顶端球道和钻头母接头内部，丝堵Ⅱ直径大于锁紧钢珠。
定子下顶圈通过螺纹连接在外壳内壁上，定子下顶圈在外螺纹圆柱面上割有0.5-2mm宽的水平割缝，割缝的长为对应圆周长度的1/3，在割缝长度的中间位置钻有1个锁紧螺纹孔，锁紧螺纹孔的深度贯穿定子下顶圈厚度。
本发明的有益效果是：本发明实现了在不影响井眼轨迹控制的前提下，能够提高各种类型钻头的破岩效率，结构合理，整体长度短，不影响井眼轨迹控制，能够产生可控的压力脉冲波，且频率高，能够对钻头实现高频冲击，直接与钻头连接，冲击力直接作用于钻头体，中间无能量损失，且冲击力大小可调，整机寿命高，无易损件，连续工作时间长，可靠性高、安装方便。
附图说明：
下面结合附图和
具体实施方式
对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的A-A向剖面图。
图3为外壳的结构示意图。
图4为图3的B-B向剖面图。
图5为钻头母接头结构与连接示意图。
图6为钻头母接头的结构示意图。
图7为图6的C-C向剖面图。
图8为锤体震动套及锤头帽的结构示意图。
图9为图8的D-D向剖面图。
图10为锤头帽的仰视图。
图11为轴承轴悬挂连接结构示意图。
图12为图11的E-E向剖面图。
图13为定子上顶圈的俯视图。
图14为涡轮转子压紧结构示意图。
图15为图14的F-F向剖面图。
图16为涡轮定子压紧结构示意图。
图17为定子下顶圈的结构示意图。
图18为图17的G-G向剖面图。
图19为转子内套及上脉冲发生块的结构示意图。
图20为图19的H-H向剖面图。
图21为图20的M-M向剖面图。
图22为上脉冲发生块的仰视图。
图23为上脉冲发生块及锤体震动套的结构示意图。
图24为图23的N-N向剖面图。
图25为本发明使用时示意图。
具体实施方式：
如图1、图2所示，一种连续轴向冲击破岩锤子，包括外壳1，外壳1上端设计有公接头；外壳1上端内部设有轴承轴16，轴承轴16上端套装有定子上顶圈7，定子上顶圈7固定在外壳1内壁上，转子锁紧螺母3套装在轴承轴16中部并与轴承轴16之间密封，轴承串18置于转子锁紧螺母3下端并套装在轴承轴16上，转子内套4套装在轴承串18外侧，转子内套4外壁上轴向顺次套装有多个涡轮转子6，转子锁紧螺母3螺纹连接在转子内套4上端并压紧涡轮转子6，每个涡轮转子6外侧对应安装涡轮定子5，定子下顶圈10固定在外壳1内壁上，涡轮定子5通过定子上顶圈7和定子下顶圈10固定，定子上顶圈7周向设计有多个钻井流体过流孔35，该钻井流体过流孔35与涡轮定子5和涡轮转子6之间相通；
转子内套4下端设置上脉冲发生块8，上脉冲发生块8能够沿转子内套4轴向滑动，上脉冲发生块8随转子内套4旋转而旋转，上脉冲发生块8下端圆柱底面开有具有轴向深度的钻井流体过流通道39，该钻井流体过流通道39端面形状为一个过圆心的扇面与一个中心圆连线组成；如图23、图24所示，上脉冲发生块8下端设置锤体震动套9，锤体震动套9顶端面上设置有与钻井流体过流通道39端面形状大小一致的脉冲发生控流孔30，钻井流体过流通道39端面能够与脉冲发生控流孔30完全对应连通；
锤体震动套9外壁与外壳1内壁之间密封，锤体震动套9下端连接锤头帽12，钻头母接头2上端伸入锤头帽12内，钻头母接头2外部设有能够与锤头帽12下端面相贴合的限位台阶，碟簧支撑块11套装钻头母接头2上端，碟簧支撑块11上套装碟簧13，碟簧13上端顶在锤体震动套9上，锤头帽12能够沿钻头母接头2轴向滑动并对钻头母接头2限位台阶面进行撞击；锤体震动套9的脉冲发生控流孔30与碟簧支撑块11中心通道和钻头母接头2中心通道均相连通；
钻头母接头2外壁周向开有锁紧球道，相对应的外壳1内壁上开有环形球道，所述锁紧球道与所述环形球道之间安装有锁紧钢珠21，外壳1底端周向设计有多个牙嵌槽24，钻头母接头2下端外壁周向设计有多个牙嵌27，所述牙嵌槽24与牙嵌27相匹配安装，用于传递扭矩。
定子上顶圈7内壁面与轴承轴16上端外壁上的锥度锁紧面33相配合并通过轴承悬挂背紧帽17锁紧，轴承轴16顶端设有插孔32。
转子锁紧螺母3内壁上安装有轴承轴Y型密封圈20并通过轴承轴Y型密封圈20与轴承轴16之间密封，外壳1内壁上安装有Y型密封圈22，外壳1通过Y型密封圈22分别与锤体震动套9、钻头母接头2密封。
上脉冲发生块8上端为圆柱凸块，该圆柱凸块伸入转子内套4内，该圆柱凸块外壁上开有轴向滑动钢球槽，该轴向滑动钢球槽相对应的转子内套4内壁上开有滑动钢球槽36，在轴向滑动钢球槽与滑动钢球槽36之间安装滑动钢球23，上脉冲发生块8通过滑动钢球23沿转子内套4轴向滑动，上脉冲发生块8通过滑动钢球23随转子内套4旋转而旋转。
钻井流体过流通道39轴向深度为5-20mm。
上脉冲发生块8下端圆柱底面开有多个钻井流体过流通道39，所述多个钻井流体过流通道39沿上脉冲发生块8下端圆柱底面周向均匀布置，多个钻井流体过流通道39端面的孔扇面面积累加不大于一半的对应圆面积，锤体震动套9上端面周向设置与钻井流体过流通道39同样数量的脉冲发生控流孔30。
钻头母接头2的限位台阶上开有多个泄压孔29，钻头母接头2上端外壁上开有轴向滑动销子孔道26，相对应的锤头帽12内壁上开有滑动销子孔道31，所述轴向滑动销子孔道26与滑动销子孔道31之间安装锤头帽滑动销子19，锤头帽12通过锤头帽滑动销子19能够沿钻头母接头2轴向滑动并对钻头母接头2限位台阶面进行撞击。
钻头母接头2上端外壁上设有碟簧顶紧台阶28，碟簧支撑块11抵在该碟簧顶紧台阶28上。
如图3、图4所示，外壳1底部端面处有多个用于传递扭矩的牙嵌槽24。外壳1内表面上设有一环形球道，3个Y型密封槽和一段连接螺纹。外壳1顶部内台阶处采用过渡圆弧25。外壳1外表面上端有标记槽，其标识内容为：“Vector Hammer，ID：生产日期LYH序列号”。外壳1外表面形状设计为阶梯状，细的部分直径在60mm-178mm，粗的部分直径在70mm-190mm，总体长度在300mm-600mm之间，粗细部分长度比1:1。
如图5、图6、图7所示，钻头母接头2的锁紧球道设计为两边是2个半圆弧，且2个半圆弧圆心距为2-3mm，装入锁紧钢珠21后，钻头母接头2能与外壳1上下移动2-3mm的距离。钻头母接头2外壁上的锁紧球道上开有一个径向螺纹孔，丝堵Ⅰ14连接在该径向螺纹孔内，丝堵Ⅰ14顶端设计有与锁紧球道相一致的球道，丝堵Ⅰ14中心螺纹连接丝堵Ⅱ15，丝堵Ⅱ15贯穿丝堵Ⅰ14顶端球道和钻头母接头2内部，丝堵Ⅱ15直径大于锁紧钢珠21。钻头母接头2通过锁紧钢珠21与外壳1连接在一起，连接时保持钻头母接头2与外壳1的牙嵌与牙嵌槽的相互插入。
如图8、图9、图10所示，锤体震动套9上端为六方或四方形状，顶端面上开有一个或多个脉冲发生控流孔30，其孔的几何形状为60-180°过圆心的扇形孔和中心孔连线组成，如果开孔数量超过1个，则每个孔沿着圆心均布，且孔扇面面积累加不能大于一半的对应圆面积。开孔的数量和几何形状必须与上脉冲发生块8相等，锤体震动套9下端有螺纹，用于连接锤头帽12。锤头帽12中心圆内表面有2-6个圆柱形滑动销子孔。锤头帽12外圆底端面采用圆形倒角，倒角值一般为R2-R10，锤头帽12上端面为锥形面，碟簧支撑块11底端底面为锥形面，与锤头帽12上的对应角度锥面座装。
如图11、图12、图13所示，定子上顶圈7上下两端面上分别有钻井流体过流环形面34，深度一般为3-20mm，钻井流体过流环形面34中间面上有2-6个钻井流体过流孔35，定子上顶圈7中心孔为锥度孔，相对应轴承轴16有一个锥度锁紧面33，锥度与定子上顶圈7上的锥度孔相配套，用于锁紧二者的配合。
如图14、图15所示，涡轮转子6套装到转子内套4上，并用转子锁紧螺母3压紧，转子锁紧螺母压紧面上有3-6个装配孔，便于上紧(或卸松)转子锁紧螺母3。
如图16、图17、图18所示，定子上顶圈7装到外壳1内腔顶部，然后涡轮定子5依次装入，涡轮定子5的数量一般采用2-8个，并与涡轮转子6数量对等。定子下顶圈10与外壳1上的螺纹连接，拧紧后将涡轮定子5固定到外壳1的内腔中。定子下顶圈10通过螺纹连接在外壳1内壁上，定子下顶圈10在外螺纹圆柱面上割有0.5-2mm宽的水平割缝37，割缝37的长为对应圆周长度的1/3，在割缝37长度的中间位置钻有1个锁紧螺纹孔38，锁紧螺纹孔38的深度贯穿定子下顶圈10厚度。定子下顶圈10内径有3-4个装配槽，用于装卸该部件。
如图19、图20、图21、图22所示，上脉冲发生块8的钻井流体过流通道39端面形状为一个过圆心的扇面与一个中心圆连线组成，中心圆孔用于调整压力脉冲波最大峰值，扇面包角用于调整压力脉冲波最大峰值脉宽。转子内套4外圆面上有一条键槽，长度横贯整个等径外表面，用于固定涡轮转子5的，防止工作时相互打滑。
如图25所示，将本发明外壳1上的公接头连接到钻井用钻具(或螺杆)上，钻头母接头2连接到钻头上。工作时，当钻井流体泵入到外壳1的内腔时，钻井流体通过定子上顶圈7上的钻井流体过流孔35进入到涡轮转子6和涡轮定子5的空腔中，由于涡轮的功能特征所致，涡轮转子6便产生高速旋转，同时涡轮转子6带动转子锁紧螺母3、转子内套4、上脉冲发生块8、滑动钢球23同步高速旋转。在压差的作用下，上脉冲发生块8沿着转子内套4中的滑动钢球23下滑，与下方的锤体震动套9形成平面贴合。锤体震动套9由于只能上下移动而不能旋转，于是当上脉冲发生块8上的过流扇面区与锤体震动套9的脉冲发生控流孔30位置发生相对变化时，即钻井流体流道(过流面积)从小到大(或从大到小)变化时，便产生了循环压耗的变化，即产生了一个压力波，上脉冲发生块8连续旋转，这种压力波便连续产生。当上脉冲发生块8上的过流扇面区与锤体震动套9的脉冲发生控流孔30处于180°背向位置时(即过流通道关闭，只有中心调压孔常开)，便产生一个压力高峰值，此时，锤体震动套9上部横截面上的压力便大于下部碟簧13预紧力，在这个力差的作用下，锤体震动套9便快速向下冲击；反之，当上上脉冲发生块8上的过流扇面区与锤体震动套9的脉冲发生控流孔30处于同向位置时(即过流通道全部开启)，压力值为最低值，此时，锤体震动套9上部横截面上的压力小于下部碟簧13预紧力，锤体震动套9便恢复到原来位置。
如此往复，锤体震动套9与连接在一起的锤头帽12连续撞击钻头母接头2的限位台阶面，钻头母接头2再将这个冲击力传递到钻头上，钻头在常规钻压的基础上，额外的拥有了一个连续的冲击力，其作用原理类同于生活当中的冲击电钻，于是便达到了快速、高效破岩的目的。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
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