專利名稱：空氣隨鉆震擊器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于石油及天然氣空氣鉆井井下工具，是一種連接在鉆柱組合中的井下震擊解卡工具，應用于欠平衡空氣循環(huán)鉆井，具體地說，是空氣隨鉆震擊器。
背景技術：
在鉆井作業(yè)中，由于地質構造復雜、技術措施不當以及泥漿、管柱、井眼等各種原因，常常發(fā)生卡鉆的事故。卡鉆對鉆井工作影響很大，危害也很深，如果處理不當，不僅消耗時間長，損失鉆井進尺，而且可能使事故惡化，甚至造成油氣井報廢。隨鉆震擊器是解除卡鉆和預防更大事故的有效工具之一，當進行復雜井鉆井設計或預知某井段可能發(fā)生卡鉆時，最好的辦法就是預先在鉆具組合中使用隨鉆震擊器。當鉆具遇卡時，借助隨鉆震擊器給卡點處施以向上或向下強烈地震擊，使卡點松動，從而達到迅速解卡的目的。
隨著欠平衡鉆井技術的發(fā)展，作為其中主要技術之一的空氣鉆井技術，以其獨特的優(yōu)點和良好的現場實踐效果越來越引起鉆井界的重視。它以空氣作為循環(huán)介質，其優(yōu)點是可大幅度提高機械鉆速，減少對敏感性產層的損害，解決井漏問題，有利于保護油氣層，擴大鉆井的適用范圍，縮短鉆井周期，降低綜合成本。適用于干燥、低滲透地層、硬質膠結長頁巖井段；水敏性低壓地層；硬石灰?guī)r層；硬石膏層；易塌、易漏失層和嚴重缺水地區(qū)等。
近年來欠平衡鉆井技術在國內已經有了一定規(guī)模的應用，我國的四川、長慶等西部油田由于地層復雜，漏失嚴重，極大地限制了常規(guī)鉆井的應用，鉆井成本一直居高不下。鑒于國外空氣鉆井的成功應用和良好效果，國內鉆井界近幾年一直致力推廣空氣鉆井，并已成功進行工業(yè)性試驗和應用，成為國家及中國石油天然氣集團公司“十五”重大推廣技術。
許多國內鉆井隊到國外投標鉆井作業(yè)，甲方都要求用空氣循環(huán)鉆井。鑒于隨鉆震擊器在預防和處理卡鉆事故的特殊作用，國外甲方要求國內鉆井隊在鉆井工藝設計中設計了隨鉆震擊器。由于對空氣鉆井認識的局限，空氣介質畢竟有它自身的特性，在空氣鉆井中配套常規(guī)震擊器暴露出許多新的問題，如(1)震擊器的液壓工作原理對密封性能的要求很高，一旦密封失效，工具隨即失去震擊功能，甚至會轉變?yōu)檎麄€鉆柱的安全隱患；(2)產品結構上在變徑處存有死角，帶粒高速氣流在死角處容易形成渦流，從而擊傷工具關鍵的密封表面；(3)常規(guī)工藝電鍍的心軸由于電鍍表面與機體間有微孔穴，在遭受高密度氧氣和鹽霧的侵襲時，氧氣易通過微孔穴氧化機體，產生腐蝕、氣蝕空洞，使電鍍層從機體處提前起泡脫落，導致密封失效；(4)在中東等熱帶地區(qū)，橡膠件極易老化，用橡膠件作為主密封件的震擊器，經常在入井前其橡膠密封就提前失效，對密封性能依賴性很高的液壓震擊器影響巨大；(5)由于高溫、氣蝕工況惡劣，常規(guī)材料工具的使用壽命大幅度降低，多套國產井下工具發(fā)生斷裂事故，造成巨大的經濟和聲譽損失，工具最長壽命也僅有60小時左右，遠遠無法滿足空氣鉆井的需要。

發(fā)明內容
本實用新型的目的在于提供一種結構緊湊、調節(jié)方便、使用可靠的適合于欠平衡空氣循環(huán)鉆井工藝的空氣隨鉆震擊器。
本實用新型是這樣實現的一種用于欠平衡空氣循環(huán)鉆井的空氣隨鉆震擊器，包括由卡瓦心軸12、卡瓦套11、隔套13、彈性機構總成16、調整套10、襯套15、中筒體14、下?lián)粽{節(jié)螺母8及上擊調節(jié)螺母17組成的卡瓦鎖緊機構；由連接螺母21、花鍵筒體24和下筒體20的臺階面組成的打擊機構；由花鍵筒體24和花鍵心軸30組成的扭矩傳遞機構；由上下連接螺紋組成的上下連接機構；由上密封組件2和下密封組件27組成的密封機構；由上接頭1、上筒體5、中筒體14、下筒體20、花鍵筒體24和保護筒體29組成的特殊結構筒體。
它的卡瓦鎖緊機構主要由卡瓦心軸9、卡瓦12、卡瓦套11、彈性機構總成16、下?lián)粽{節(jié)螺母8以及上擊調節(jié)螺母17組成，卡瓦心軸9的外圓具有梯形的外棱帶，卡瓦套11的內孔具有梯形的內棱帶，卡瓦12為內孔和外圓均帶有與卡瓦心軸9、卡瓦套11相匹配的梯形棱帶的彈性套，三個串聯(lián)的筒彈簧構成彈性機構總成16。
在外徑尺寸發(fā)生變化(變徑)的保護筒體29的軸伸部位的和花鍵心軸30的軸伸端，設計為流線式外形結構。
在關鍵的具有密封結構的變徑部位，有三組密封，前兩個密封組之間間距大于一個沖程長度，在第二組與第三組密封之間有一個蓄油槽。
采用由特殊材料和特殊結構設計的組合密封。它由一個C型環(huán)32和一個密封圈31組成，C型環(huán)32將密封圈31包圍，使密封圈與密封表面間不產生相對運動。
本實用新型的優(yōu)點在于結構緊湊、調節(jié)方便、使用可靠，適合于欠平衡空氣循環(huán)的鉆井工藝。


圖1為本實用新型的上部結構示意圖；圖2為本實用新型的下部結構示意圖；圖3(a)、(b)、(c)分別為鎖緊機構的結構圖；圖4為軸伸變徑處的結構圖；圖5為密封組件截面圖。
具體實施方式
采用全機械式工作原理，其核心鎖緊機構設計成行程控制的卡瓦式結構，它主要由卡瓦心軸9、卡瓦12、卡瓦套11、彈性機構總成16、下?lián)粽{節(jié)螺母8以及上擊調節(jié)螺母17組成，卡瓦心軸9外圓具有梯形的外棱帶，卡瓦套11的內孔具有梯形的內棱帶，卡瓦12為內孔和外圓均帶有與卡瓦心軸9、卡瓦套11相匹配的梯形棱帶的彈性套，三個串聯(lián)的筒彈簧構成彈性機構總成16?？諝怆S鉆震擊器出廠和正常鉆井作業(yè)時，卡瓦機構鎖緊，處于復位狀態(tài)，卡瓦的內棱帶嵌入卡瓦心軸的溝槽內，此時卡瓦“抱緊”卡瓦心軸(圖2(a))。由于卡瓦被其兩端的彈性套限位不能移動，從而使卡瓦心軸不能軸向移動。震擊作業(yè)時，下壓或上提鉆柱，彈性機構受力變形，卡瓦與卡瓦套之間產生相對位移(圖2(b))，同時上部鉆柱被拉伸或壓縮產生彈性變形。當鉆柱對隨鉆震擊器施加的拉力或壓力達到標定釋放力時，彈性機構總成達到一定的壓縮量，卡瓦外棱帶與卡瓦套內棱帶錯開，進入卡瓦套內棱帶的溝槽內，卡瓦突然張開，卡瓦心軸在鉆柱拉力或壓力的作用下從卡瓦中迅速拉(壓)出(圖2(c))，此時，被拉伸(或壓縮)的鉆柱突然收縮(或伸長)，鉆柱儲存的能量瞬時釋放，產生強大的震擊力和沖擊能量，使卡點松動，起到解卡的作用。用調節(jié)扳手撥動上、下?lián)粽{節(jié)螺母，使之產生軸向位移，從而改變卡瓦和卡瓦套棱帶之間的相對位置，即可筒便地達到調節(jié)震擊釋放力的目的。
將具有外徑尺寸變化的臺肩保護筒體29和花鍵心軸30軸伸部位，設計成流線型結構(圖3)，在外部不存在變徑死角，當攜帶有大量固體巖屑顆粒的高速氣流在由震擊器外表面和井眼形成的環(huán)行空間內向上運動時，流態(tài)穩(wěn)定，不致在變徑部位形成旋渦，從而減少循環(huán)氣體中攜帶的高速固體巖屑顆粒對隨鉆震擊器表面的撞擊和破壞。
本實用新型滑動密封外露表面采用特殊的表面處理工藝，內鍍一層軟合金，較軟的鍍層中結構緊密無微孔隙，同時由于硬度較低可降低鍍層中的內應力，減少微裂紋的產生，提高表面質量，從而杜絕高密度腐蝕性介質的腐蝕通道，表面的鍍硬鉻提高表面的耐磨性能，從而達到耐腐蝕和耐磨的雙重目的。另外，本實用新型將關鍵的密封組采用二級密封設計，一級為隔離環(huán)境介質，另一級為工作介質密封(圖3)。在保護筒體29和花鍵筒體30內配置有三組密封，第一組密封36和第二組密封33之間間距大于兩個沖程長度。在隨鉆作業(yè)中，如果暴露在外的密封表面被撞擊、腐蝕和點蝕損壞，當需要進行震擊作業(yè)時，第一組密封36失效。由于第一組密封36與第二組密封35之間有一定的間距，使第二組密封35的配合表面始終處于保護筒體內，循環(huán)介質不會損壞第二組密封35的配合表面，確保第二道密封35的有效性，在第二組密封35與第三組密封33之間有一個蓄油槽34，以實現密封件與滑動表面之間的潤滑和冷卻。
采用新型的由特殊材料和特殊結構設計的組合密封(圖4)。該組合密封經航空、兵器等多種機械行業(yè)的各種介質考驗，是一種可自行彈性補償、高壽命、低摩擦、無泄漏、耐超高壓的優(yōu)質密封件。它由一個C型環(huán)32和一個密封圈31組成，處于工作狀態(tài)時C型環(huán)32將密封圈31包圍，使密封圈與密封表面之間不產生相對運動，相當于靜密封，C型環(huán)32材料采用經過特殊處理的聚四氟乙烯，不僅有一定的彈性、散熱性、還有較好的機械性能和耐高溫能力，以抵御含有固體巖屑顆粒的高速氣流的沖擊。
依據該產品的使用和性能要求，制定了專項材料規(guī)范，提出了材料的理化指標及各項具體參數，確定了符合空氣鉆井要求的專用鋼材。材料進廠后，在由計算機控制的可控氣氛熱處理生產線上進行處理，各種參數經過準確設定和調整，使處理后的材料性能在最佳使用范圍內。重要零件嚴格進行無損探傷。外部殼體零件進行整體抗氧化處理，使產品的強度、可靠性及使用壽命適合空氣鉆井的特殊工況。
權利要求1.一種用于欠平衡空氣循環(huán)鉆井的空氣隨鉆震擊器，包括卡瓦心軸(12)、卡瓦套(11)、隔套(13)、彈性機構總成(16)、調整套(10)、襯套(15)、中筒體(14)、下?lián)粽{節(jié)螺母(8)及上擊調節(jié)螺母(17)，其特征在于由卡瓦心軸(12)、卡瓦套(11)、隔套(13)、彈性機構總成(16)、調整套(10)、襯套(15)、中筒體(14)、下?lián)粽{節(jié)螺母(8)及上擊調節(jié)螺母(17)組成的卡瓦鎖緊機構；由連接螺母(21)、花鍵筒體(24)和下筒體(20)的臺階面組成的打擊機構；由花鍵筒體(24)和花鍵心軸(30)組成的扭矩傳遞機構；由上密封組件(2)和下密封組件(27)組成的密封機構；由上接頭(1)、上筒體(5)、中筒體(14)、下筒體(20)、花鍵筒體(24)和保護筒體(29)組成的特殊結構筒體。
2.根據權利要求1所述的空氣隨鉆震擊器，其特征在于它的卡瓦鎖緊機構主要由卡瓦心軸(9)、卡瓦(12)、卡瓦套(11)、彈性機構總成(16)、下?lián)粽{節(jié)螺母(8)以及上擊調節(jié)螺母(17)組成，卡瓦心軸(9)的外圓具有梯形的外棱帶，卡瓦套(11)的內孔具有梯形的內棱帶，卡瓦(12)為內孔和外圓均帶有與卡瓦心軸(9)、卡瓦套(11)相匹配的梯形棱帶的彈性套，三個串聯(lián)的筒彈簧構成彈性機構總成(16)。
3.根據權利要求1所述的空氣隨鉆震擊器，其特征在于在變徑的保護筒體(29)的軸伸部位的和花鍵心軸(30)的軸伸端，設計為流線式外形結構。
4.根據權利要求1所述的空氣隨鉆震擊器，其特征在于在具有密封結構變徑的保護筒體(29)，有三組密封，前兩個密封組之間間距大于一個沖程長度，在第二組與第三組密封之間有一個蓄油槽。
5.根據權利要求1所述的空氣隨鉆震擊器，其特征在于所述的密封組件(31)、(32)由一個C型環(huán)(32)和一個密封圈(31)組成，C型環(huán)(32)將密封圈(31)包圍，使密封圈與密封表面間不產生相對運動。
專利摘要一種用于欠平衡空氣循環(huán)鉆井的空氣隨鉆震擊器，包括由卡瓦心軸12、卡瓦套11、隔套13、彈性機構總成16、調整套10、襯套15、中筒體14、下?lián)粽{節(jié)螺母8及上擊調節(jié)螺母17組成的卡瓦鎖緊機構；由連接螺母21、花鍵筒體24和下筒體20的臺階面組成的打擊機構；由花鍵筒體24和花鍵心軸30組成的扭矩傳遞機構；由上下連接螺紋組成的上下連接機構；由上密封組件2和下密封組件27組成的密封機構；由上接頭1、上筒體5、中筒體14、下筒體20、花鍵筒體24和保護筒體29組成的特殊結構筒體，結構緊湊、調節(jié)方便、使用可靠，適合于欠平衡空氣循環(huán)的鉆井工藝。
文檔編號E21B31/00GK2767647SQ200520001899
公開日2006年3月29日 申請日期2005年2月3日 優(yōu)先權日2005年2月3日
發(fā)明者劉廣華, 陳 光, 張國田, 黃衍福 申請人:中國石油天然氣集團公司, 北京石油機械廠, 中油長城鉆井有限責任公司