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　　(73)专利权人中石化江钻石油机械有限公司地址430223湖北省武汉市东湖新技术开发区庙山小区华工园一路5号

　　本实用新型公开了一种复合冲击钻井工具,包括套筒,套筒内沿长度方向由上至下依次设置有自激振荡腔、端盖和锤座,锤座内依次设有冲击锤和换向座,冲击锤内设有换向套,换向座内设有主喷嘴,锤座下端连接钻头,端盖和换向套均沿轴向设有中心孔,高压钻井液经过端盖、换向套的中心孔及主喷嘴组成的中心流道。本实用新型能同时产生轴向和扭转冲击,有效提高钻压,减少粘滑现象,结构简单工作可靠的复合冲击器。

　　1.一种复合冲击钻井工具,其特征在于,包括套筒,套筒内沿长度方向由上至下依次设置有自激振荡腔(10)、端盖(4)和锤座(1),锤座(1)内依次设有冲击锤(5)和换向座(2),冲击锤(5)内设有换向套(3),换向座(2)内设有主喷嘴(9),锤座(1)下端连接钻头,端盖(4)和换向套(3)均沿轴向设有中心孔,高压钻井液经过端盖(4)、换向套(3)的中心孔及主喷嘴

　　2.根据权利要求1所述的复合冲击钻井工具,其特征在于,换向套中心孔(31)上下贯穿换向套(3),钻井液进入换向套中心孔(31),进而向下流动,钻井液部分进入换向套中心孔

　　(31)中,部分进入冲击锤(5)与锤座(1)之间,进入冲击锤(5)与锤座(1)之间的钻井液可以驱动冲击锤(5)旋转,进而往复撞击锤座(1),并将冲击扭矩传递至锤座(1),进而通过锤座

　　3.根据权利要求1所述的复合冲击钻井工具,其特征在于,锤座(1)与套筒(6)之间设有锁紧环,进行轴向定位安装,锁紧环包括沿周向分布的多个扇形锁紧块(7),套筒下部通过花键与锤座连接,通过花键配合传递钻头破岩扭矩。

　　4.根据权利要求1所述的复合冲击钻井工具,其特征在于,换向套(3)的底部具有扶正面与换向座(2)扶正面接触,在换向套(3)顶部设置扶正面与端盖下部扶正面接触,使换向套(3)的上端与下端均在径向受到限制,使得换向套(3)在旋转的过程中有扶正面的支撑,端盖下方开有一大一小两阶梯孔,上下一组大孔和一组小孔,分别用于扶正安装冲击锤(5)和换向套(3)。

　　5.根据权利要求1所述的复合冲击钻井工具,其特征在于,自激振荡腔(10)上沿轴向由上至下依次设有上喷嘴(101)、谐振腔室(102)和下喷嘴(103),谐振腔室(102)的出口端设有碰撞壁(104)。

　　6.根据权利要求1所述的复合冲击钻井工具,其特征在于,端盖(4)底部沿周向布置有多个连接孔(42),端盖(4)通过螺栓或螺钉与锤座(1)连接固定,螺栓或螺钉穿过连接孔

　　7.根据权利要求1所述的复合冲击钻井工具,其特征在于,主喷嘴(9)的喷嘴直径小于换向套中心孔(31)的直径。

　　8.根据权利要求1所述的复合冲击钻井工具,其特征在于,锤座(1)内圈沿周向分布有多个排液槽(11),换向座(2)具有卡设于排液槽(11)内的凸棱(21),

　　凸棱(21)的相对两侧与排液槽(11)平面接触,使得换向座(2)能够与锤座(1)保持相对静止的状态,当锤座(1)旋转时,换向座(2)与锤座(1)一同旋转,安装于锤座(1)内的换向套

　　(3),位于换向座(2)的上方,换向套(3)具有用于供钻井液流通的换向套中心孔(31)。

　　9.根据权利要求1或8所述的复合冲击钻井工具,其特征在于,端盖(4)的侧壁上沿周向分布有多个侧面流道(41),侧面流道(41)与端盖中心孔(43)连通,锤座(1)外圈沿周向分布有多个第二导流槽(12),第二导流槽(12)与侧面流道(41)连通,第二导流槽(12)的底部设有副喷嘴(13),副喷嘴(13)与锤座(1)的中心孔底部连通,

　　锤座(1)的内圈设置有冲击舱(14),冲击锤(5)外侧设有锤头(53),锤头(53)设置于冲击舱(14)内,锤头(53)的两侧沿冲击锤(5)长度方向均设有第三导流孔(54),第三导流孔

　　(54)与冲击舱(14)连通,换向套(3)上沿换向套中心孔(31)周向分布有多个第一导流孔

　　(32),换向套中心孔(31)通过第一导流孔(32)与第三导流孔(54)连通,

　　换向套(3)外壁上设有启动舱(33),启动舱(33)内设有内键,启动舱(33)一侧设有第三导流槽(34),换向套(3)与冲击锤(5)相对正向或反向转动时,第三导流孔(54)与第三导流槽(34)对位连通或错位分离,

　　锤座(1)的内圈沿周向分布有第四导流孔(15),第四导流孔(15)与第二导流槽(12)连通,换向套(3)与锤座(1)相对正向或反向转动时,第四导流孔(15)与启动舱(33)对位连通或错位分离。

　　[0001]本实用新型涉及钻井工具技术领域,具体涉及一种复合冲击钻井工具。

　　[0002]提高深部硬地层的机械钻速是钻探行业永恒的目标,冲击破岩钻井技术是当前深井、超深井钻进硬地层应用效果较好的高效破岩技术。在目前的钻井提速工具当中,具有单一轴向冲击功能的冲击器适用于硬脆和硬塑性地层,可提高钻头破岩效率,但易产生瞬间“粘滑”现象,由于过大的轴向冲击可能导致钻头吃入地层过深,在提高机械钻速的同时增加了破岩扭矩,进一步加剧了钻头的粘滑振动。具有单一的周向冲击功能适用于硬夹地层,可施加周向冲击扭矩来消除钻头“粘滑”现象,但不能施加轴向冲击载荷提高钻头牙齿吃深,即两类工具各有优缺点。因此,在我国石油资源勘探开发需求迫切和钻井市场化的大形势下,提出一种切实可行的,能够进一步提高深部硬地层和复杂地层机械钻速和钻探效率的钻井技术及其配套工具十分必要,提出新型破岩钻具在钻井提速方面具有重要意义

　　[0003]传统的旋冲钻井和扭冲钻井冲击方式维度单一,为减少或者消除钻头在硬地层中“粘滑”现象的同时,通过施加轴向冲击载荷提高钻头牙齿吃深,进一步提高钻头的破岩效率,提出了一种新型复合冲击钻井工具,使钻具兼有轴向冲击和扭向冲击两种钻井冲击破岩的优点,其基本思路就是将轴向脉动冲击与扭转冲击破岩方式联合起来,将钻井液能量转换成轴向和扭向交替的高频冲击机械能。

　　[0004] 本实用新型要解决的技术问题是,针对现有技术存在的上述缺陷,提供了一种复合冲击钻井工具,能同时产生轴向和扭转冲击,有效提高钻压,减少粘滑现象,结构简单工作可靠的复合冲击器。

　　[0006] 一种复合冲击钻井工具,包括套筒,套筒内沿长度方向由上至下依次设置有自激振荡腔、端盖和锤座,锤座内依次设有冲击锤和换向座,冲击锤内设有换向套,换向座内设有主喷嘴,锤座下端连接钻头,端盖和换向套均沿轴向设有中心孔,高压钻井液经过端盖、换向套的中心孔及主喷嘴组成的中心流道。

　　[0007] 按照上述技术方案,换向套中心孔上下贯穿换向套,钻井液进入换向套中心孔,进而向下流动,钻井液部分进入换向套中心孔中,部分进入冲击锤与锤座之间,进入冲击锤与锤座之间的钻井液可以驱动冲击锤旋转,进而往复撞击锤座,并将冲击扭矩传递至锤座,进而通过锤座传递给钻头。

　　[0008] 按照上述技术方案,锤座与套筒之间设有锁紧环,进行轴向定位安装,锁紧环包括沿周向分布的多个扇形锁紧块,套筒下部通过花键与锤座连接,通过花键配合传递钻头破岩扭矩。

　　[0009] 按照上述技术方案,换向套的底部具有扶正面与换向座扶正面接触,在换向套顶

　　部设置扶正面与端盖下部扶正面接触,使换向套的上端与下端均在径向受到限制,使得换向套在旋转的过程中有扶正面的支撑,端盖下方开有一大一小两阶梯孔,上下一组大孔和一组小孔,分别用于扶正安装冲击锤和换向套。

　　[0010] 按照上述技术方案,自激振荡腔上沿轴向由上至下依次设有上喷嘴、谐振腔室和下喷嘴,谐振腔室的出口端设有碰撞壁。

　　[001 1] 按照上述技术方案,端盖底部沿周向布置有多个连接孔,端盖通过螺栓或螺钉与锤座连接固定,螺栓或螺钉穿过连接孔与锤座连接。

　　[0012] 按照上述技术方案,主喷嘴的喷嘴直径小于换向套中心孔的直径。

　　[0013] 按照上述技术方案,锤座内圈沿周向分布有多个排液槽,换向座具有卡设于排液槽内的凸棱,

　　[0014] 凸棱的相对两侧与排液槽平面接触,使得换向座能够与锤座保持相对静止的状态,当锤座旋转时,换向座与锤座一同旋转,安装于锤座内的换向套,位于换向座的上方,换向套具有用于供钻井液流通的换向套中心孔。

　　[0015] 按照上述技术方案,端盖的侧壁上沿周向分布有多个侧面流道,侧面流道与端盖中心孔连通,锤座外圈沿周向分布有多个第二导流槽,第二导流槽与侧面流道连通,第二导流槽的底部设有副喷嘴,副喷嘴与锤座的中心孔底部连通,

　　[0016] 锤座的内圈设置有冲击舱,冲击锤外侧设有锤头,锤头设置于冲击舱内,锤头的两侧沿冲击锤长度方向均设有第三导流孔,第三导流孔与冲击舱连通,换向套上沿换向套中心孔周向分布有多个第一导流孔,换向套中心孔通过第一导流孔与第三导流孔连通,

　　[0017] 换向套外壁上设有启动舱,启动舱内设有内键,启动舱一侧设有第三导流槽,换向套与冲击锤相对正向或反向转动时,第三导流孔与第三导流槽对位连通或错位分离,

　　[0019] 锤座的内圈沿周向分布有第四导流孔,第四导流孔与第二导流槽连通,换向套与锤座相对正向或反向转动时,第四导流孔与启动舱对位连通或错位分离。

　　[0020] 按照上述技术方案,当钻井液流入端盖后,部分钻井液经端盖端盖中心孔、换向套中心孔、换向座和主喷嘴向下流出,由于主喷嘴出口直径较小,在主喷嘴出口以上通道形成高压,高压钻井液依次通过端盖的侧面流道、锤座的第二导流槽、第四导流孔进入启动舱,推动换向套绕工具的轴线作逆时针旋转,冲击锤绕工具的轴线作顺时针旋转,此时为未启动状态,当内键左侧面与启动舱侧面接触时,两者停止旋转,此时为启动状态,然后高压钻井液经第一导流孔、锤头右侧的第三导流孔进入锤头右侧与冲击舱侧面的间隙中,锤头的右侧承受高压,而锤头左侧的钻井液通过锤头左侧的第三导流孔、第三导流槽、换向座的通槽向下流出,锤头左侧钻井液为低压,在锤头两侧高、低压差的作用下,使冲击锤绕锤座的轴线顺时针旋转,同时冲击锤通过内键带动换向套一起同步顺时针旋转,直至锤头的左侧撞击到冲击舱的内壁面,冲击锤停止转动,并将冲击扭矩传递给锤座,此时为撞击瞬间,由于惯性的作用,换向套继续顺时针旋转,内键的左侧与启动舱的侧面脱离,高压钻井液依次经端盖的侧面流道、第二导流槽、第四导流孔进入内键与启动舱脱离形成的空腔中,与此同时,内键另一侧的钻井液经第二导流孔、排液槽、通槽向下流出,使内键另一侧形成低压,换向套在惯性和内键两侧高低压差的共同作用下继续顺时针旋转,直至内键的右侧与启动舱的侧面接触,此时为换向复位状态,换向套完成了换向作用,锤头两侧又分别与钻井液高、

　　低压接通,冲击锤与换向套同步逆时针旋转,并撞击锤座,如此周而复始,冲击锤不断往复撞击锤座。

　　[0022] 本实用新型能同时产生轴向和扭转冲击,有效提高钻压,减少粘滑现象,结构简单工作可靠的复合冲击器,本实用新型实施例提供了一种复合冲击钻井工具,由于同时对钻头提供了轴向冲击和周向冲击,进一步提高钻头的破岩效率,本复合冲击钻井工具轴向冲击装置,采用自激振荡腔产生水力脉冲方案,取消了轴向冲击锤设计,提高了工具安全性和工作可靠性,本复合冲击钻井工具结构简单、拆卸方便、工作可靠。

　　[0028] 图6是本实用新型实施例中在未启动状态时图1中A‑A剖视图,

　　[0029] 图7是本实用新型实施例中在开始启动状态时图1中A‑A剖视图,

　　[0030] 图8是本实用新型实施例中在撞击瞬间状态时图1中A‑A剖视图,

　　[0031] 图9是本实用新型实施例中在换向复位状态时图1中A‑A剖视图,

　　[0041] 参照图1,图9所示,本实用新型提供的一种实施例中一种复合冲击钻井工具,包括套筒,套筒内沿长度方向由上至下依次设置有自激振荡腔10、端盖4和锤座1 ,锤座1内依次设有冲击锤5和换向座2,冲击锤5内设有换向套3,换向座2内设有主喷嘴9,锤座1下端连接钻头,套筒6的上端用于与上部钻柱连接,并且套筒6的上端设有套筒中心孔,端盖4和换向套3均沿轴向设有中心孔,高压钻井液经过端盖4、换向套3、主喷嘴9组成的中心流道,在主喷嘴9上下方形成压差,作为驱动冲击锤和换向套运动的动力源。

　　[0042] 进一步地,自激振荡腔10和端盖4组成上部轴向冲击装置,端盖4与锤座1相连,端

　　盖4、冲击锤5、锤座1、换向套3、换向座2和主喷嘴9组成下部扭转冲击装置,有上部轴向冲击装置和下部扭转冲击装置,二者组合在一起安装在套筒6内。

　　[0043] 进一步地,换向套中心孔31上下贯穿换向套3,钻井液可以进入换向套中心孔31 ,进而向下流动,钻井液部分进入换向套中心孔31中,部分进入冲击锤5与锤座1之间,进入冲击锤5与锤座1之间的钻井液可以驱动冲击锤5旋转,进而往复撞击锤座1 ,并将冲击扭矩传递至锤座1,进而通过锤座1传递给钻头。

　　[0044] 进一步地,锤座1与套筒6之间设有锁紧环,进行轴向定位安装,锁紧环包括沿周向分布的多个扇形锁紧块7,

　　[0045] 套筒下部通过花键与锤座连接,套筒的内圈沿周向布置有多个花键槽,锤座的外圈相应位置沿周向布置有多个花键,花键设置于相应的花键槽内,通过花键配合传递钻头破岩扭矩。

　　[0046] 进一步地,换向套3的底部具有扶正面与换向座2扶正面接触,在换向套3顶部设置扶正面与端盖下部扶正面接触,使换向套3的上端与下端均在径向受到限制,使得换向套3在旋转的过程中有扶正面的支撑,不易发生倾斜,防止换向套3高速旋转时卡死,同时,还能保证端盖4与换向套3的相对位置关系准确,端盖下方开有一大一小两阶梯孔,上下一组大孔和一组小孔,分别用于扶正安装冲击锤5和换向套3。

　　[0047] 端盖4可以具有端盖中心孔43和侧面流道41 ,端盖中心孔43可以与换向套中心孔31同轴设置,流经侧面流道41的钻井液流至端盖4的外侧。

　　[0048] 进一步地,自激振荡腔10上沿轴向由上至下依次设有上喷嘴101、谐振腔室102和下喷嘴103,谐振腔室102的出口端设有碰撞壁104。

　　[0049] 进一步地,自激振荡腔10与套筒6之间设有自激振荡腔密封圈106,套筒6的外壁设有密封槽105,自激振荡腔密封圈106设置于密封槽105内。

　　[0050] 进一步地,端盖4底部沿周向布置有多个连接孔42,端盖4通过螺栓或螺钉与锤座1连接固定,螺栓或螺钉穿过连接孔42与锤座1连接。

　　[0051] 进一步地,主喷嘴9的喷嘴直径小于换向套中心孔31的直径,在工具中起到蹩压的作用,使得部分钻井液可以进入冲击锤5与锤座1之间,从而驱动冲击锤5撞击锤座1。

　　[0052] 进一步地,锤座1内圈沿周向分布有多个排液槽11 ,换向座2具有卡设于排液槽11内的凸棱21,

　　[0053] 凸棱21的相对两侧与排液槽11平面接触,使得换向座2能够与锤座1保持相对静止的状态,当锤座1旋转时,换向座2与锤座1一同旋转,安装于锤座1内的换向套3,位于换向座2的上方,换向套3具有用于供钻井液流通的换向套中心孔31。

　　[0054] 进一步地,换向座2大致安装于锤座1中部的位置,且锤座1于换向座2的底部设有支撑换向座2的台阶,以使换向座2稳定的安装于锤座1内。

　　[0055] 进一步地,端盖4的侧壁上沿周向分布有多个侧面流道41 ,侧面流道41与端盖中心孔43连通,锤座1外圈沿周向分布有多个第二导流槽12,第二导流槽12与侧面流道41连通,第二导流槽12的底部设有副喷嘴13,副喷嘴13与锤座1的中心孔底部连通,

　　[0056] 锤座1的内圈两侧对称设置有两个冲击舱14,冲击锤5外两侧对称设有两个锤头

　　53,两个锤头53分别设置于两个冲击舱14内,每个锤头53的两侧沿冲击锤5长度方向均设有第三导流孔54,第三导流孔54与冲击舱14连通,换向套3上沿换向套中心孔31周向分布有多

　　个第一导流孔32,换向套中心孔31通过第一导流孔32与第三导流孔54连通,

　　[0057] 换向套3外壁上设有启动舱33,启动舱33内设有内键,启动舱33一侧设有第三导流槽34,换向套3与冲击锤5相对正向或反向转动时,第三导流孔54与第三导流槽34对位连通或错位分离,

　　[0058] 换向座2沿轴向设有通槽22,通槽22布置于主喷嘴9的两侧,

　　[0059] 锤座1的内圈沿周向分布有第四导流孔15,第四导流孔15与第二导流槽12连通,换向套3与锤座1相对正向或反向转动时,第四导流孔15与启动舱33对位连通或错位分离。

　　[0060] 进一步地,当钻井液流入端盖4后,部分钻井液经端盖端盖中心孔43、换向套中心孔31、换向座2和主喷嘴9向下流出,由于主喷嘴9出口直径较小,在主喷嘴9出口以上通道形成高压,高压钻井液依次通过端盖4的侧面流道41、锤座的第二导流槽12、第四导流孔15进入启动舱33,推动换向套3绕工具的轴线绕工具的轴线作顺时针旋转,此时为未启动状态,当内键51左侧面与启动舱33侧面接触时,两者停止旋转,此时为启动状态,然后高压钻井液经第一导流孔32、锤头53右侧的第三导流孔54进入锤头53右侧与冲击舱14侧面的间隙中,锤头53的右侧承受高压,而锤头53左侧的钻井液通过锤头53左侧的第三导流孔54、第三导流槽34、换向座2的通槽22向下流出,锤头53左侧钻井液为低压,在锤头53两侧高、低压差的作用下,使冲击锤5绕锤座1的轴线顺时针旋转,同时冲击锤5通过内键51带动换向套3一起同步顺时针旋转,直至锤头53的左侧撞击到冲击舱14的内壁面,冲击锤5停止转动,并将冲击扭矩传递给锤座1,此时为撞击瞬间,由于惯性的作用,换向套3继续顺时针旋转,内键51的左侧与启动舱33的侧面脱离,高压钻井液依次经端盖4的侧面流道

　　41、第二导流槽12、第四导流孔15进入内键51与启动舱33脱离形成的空腔中,与此同时,内键51另一侧的钻井液经第二导流孔52、排液槽11、通槽22向下流出,使内键51另一侧形成低压,换向套3在惯性和内键51两侧高低压差的共同作用下继续顺时针旋转,直至内键51的右侧与启动舱33的侧面接触,此时为换向复位状态,换向套3完成了换向作用,锤头53两侧又分别与钻井液高、低压接通,冲击锤5与换向套3同步逆时针旋转,并撞击锤座1 ,如此周而复始,冲击锤5不断往复撞击锤座1。

　　[0061] 进一步地,所述复合冲击钻井工具轴向冲击装置包括,安装于上部的自激振荡腔,与扭转冲击装置共用的端盖。轴向冲击装置利用钻具内泥浆通过上部的自激振荡腔产生水力脉冲振荡作用在端盖,端盖有一个脉冲轴向力,端盖与扭转冲击装置的锤座固定联接在一起,所以脉冲轴向力作用于锤座并传递到钻头上,给钻头施加周期性轴向冲击载荷。

　　[0062] 所述自激振荡腔采用不同结构,可以产生不同频率和不同压力幅值的水力脉冲振荡。

　　[0063] 所述的锤座同时承受轴向冲击装置中自激振荡腔产生的轴向冲击力和扭转冲击装置中冲击锤产生的扭转冲击力。

　　[0065] 本实用新型的工作原理,本实用新型实施例提供了一种复合冲击钻井工具,由上部的轴向冲击装置和下部的扭转冲击装置组成。

　　[0066] 参见图1所示,示意性地显示了本实用新型的一种复合冲击钻井工具实施例。本实施例包括锤座1、换向座2、换向套3、端盖4、冲击锤5、套筒6、锁紧块7、密封圈8、主喷嘴9、自激振荡腔10。

　　[0067] 参见图1、图2、和图3所示,在套筒6的上方部位安设有自激振荡腔10,自激振荡腔10有上喷嘴101、谐振腔室102、下喷嘴103、碰撞壁104、密封槽105、自激振荡腔密封圈106。自激振荡腔10下方安装端盖4,端盖4通过螺栓、连接孔42与锤座1固定连接。进一步的自激振荡腔10的材料为硬质合金,可以提高耐冲蚀能力而提高自激振荡腔的使用寿命。

　　[0068] 参见图1、图3、图4和图6所示,锤座1下端有螺纹用于与钻头连接,锤座1上端通过螺钉、端盖连接孔42与端盖4固定联接。锤座1具有位于其内侧的排液槽11 ,本实施例中,排液槽11的横截面为圆弧形,在其它实施例中,排液槽11的横截面也可以为矩形或者其它形状,换向座2大致安装于锤座1中部的位置,且锤座1于换向座2的底部设有支撑换向座2的台阶,以使换向座2稳定的安装于锤座1内,且换向座2具有卡设于排液槽11内的凸棱21 ,本实施例中,凸棱21的相对两侧与排液槽11平面接触,使得换向座2能够与锤座1保持相对静止的状态,当锤座1旋转时,换向座2与锤座1一同旋转,安装于锤座1内的换向套3,位于换向座2的上方,换向套3具有用于供钻井液流通的换向套中心孔31 ,本实施例中,换向套中心孔31上下贯穿换向套3,钻井液可以进入换向套中心孔31 ,进而向下流动,换向套3的底部具有扶正面与换向座扶正面接触,在换向套3顶部设置扶正面与端盖下部扶正面接触,使换向套3的上端与下端均在径向受到限制,使得换向套3在旋转的过程中有扶正面的支撑,不易发生倾斜,防止换向套3高速旋转时卡死,同时,还能保证端盖4与换向套3的相对位置关系准确。

　　[0069] 参见图1所示,在一些实施例中,复合冲击钻井工具还可以包括位于锤座1与换向套3之间的冲击锤5,钻井液部分进入换向套中心孔31中,部分进入冲击锤5与锤座1之间,进入冲击锤5与锤座1之间的钻井液可以驱动冲击锤5旋转,进而往复撞击锤座1 ,并将冲击扭矩传递至锤座1,进而通过锤座1传递给钻头。

　　[0070] 参见图1所示,本实施例中,通过在换向座2中心安装主喷嘴9,主喷嘴9可以通过螺纹或卡簧、或其它方式固定于换向座2上,主喷嘴9与换向座2之间还可以设置主喷嘴密封圈,同时喷嘴直径小于换向套中心孔31的直径,在工具中起到蹩压的作用,使得部分钻井液可以进入冲击锤5与锤座1之间,从而驱动冲击锤5撞击锤座1。