CN106837198A - 复合减震工具 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种复合减震工具。该复合减震工具能与钻具相连接。复合减震工具包括：振动检测装置，振动检测装置能根据钻具产生的振动生成振动信号；轴向减震装置，轴向减震装置用于对钻具受到轴向的作用力进行补偿；周向减震装置，周向减震装置用于对钻具受到周向的作用力进行补偿；控制装置，控制装置分别与振动检测装置、轴向减震装置以及周向减震装置电性连接；控制装置用于根据振动信号选择控制轴向减震装置以及周向减震装置。控制装置能根据振动信号的振动类型和振动强度打开和关闭轴向减震装置和/或周向减震装置，从而能钻具进行的轴向的减震和/或周向的减震，避免了因为震动而对钻头的破坏，提高钻头破岩效率，又能有效提高工具寿命。

Description

复合减震工具

技术领域

本发明涉及石油钻井领域，尤其涉及一种复合减震工具。

背景技术

在石油、天然气和地质钻井过程中经常会钻遇一些硬岩层、砾石岩层和软硬交错地层。井底不平、钻头牙齿间歇压入岩石及岩石间歇破碎、钻柱绕井眼中心的涡动等情况都可能会使钻柱发生周向震动或横向震动。

对于轴向震动，当钻头的纵向振动频率与钻具纵向振动的固有频率相匹配时，就会产生跳钻现象即共振现象。钻柱共振将引起工程事故，使钻柱过早失效，甚至最终导致油井报废。

对于周向震动，钻头正常钻进过程中，PDC钻头在钻压的作用下不断吃入岩石，依靠钻柱提供的扭力不断旋转剪切破碎岩石。当地层岩石硬度高或钻头切入地层过深，钻头切削片处的扭矩不足以破岩时，钻头会暂时停止转动，而此时地表钻盘还在持续转动，此时上、下部钻杆出现不同转速。由于钻杆具有刚性，钻杆开始积聚扭矩能量。当钻杆积聚的扭矩能量大于钻头破岩能量时，钻头破碎岩石，此时钻柱上的扭矩能量突然释放，钻头会高速旋转。当钻柱的旋转速度降到静态摩阻起作用的临界值以下时停止旋转，上述这种持续周期约1～40s(秒)的“卡－滑”现象就是粘滑振动现象。由于上述粘滑振动过程也是一个能量积累和释放的过程，粘滑振动过程中扭矩的波动很大，这不仅会严重影响钻井效率，也威胁着钻井安全。例如，当实际的扭矩过大，甚至超过设备所能承受的扭矩极限时，会致使钻井无法进行。

有关文献报告每年因井下钻具震动导致的事故损失达3亿美元。钻柱的震动问题是造成井下工具和其他底部钻具损害并导致各种井下事故发生的主要原因之一，严重地影响钻具寿命，导致钻头提前失效，严重影响钻头寿命和钻井效率。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种复合减震工具，其能对钻具在钻井过程中遇到的轴向振动或横向振动进行减震。

为了实现上述目的，本发明提供了一种复合减震工具，该复合减震工具能与钻具相连接，所述复合减震工具包括：

振动检测装置，所述振动检测装置能根据所述钻具产生的振动生成振动信号；

轴向减震装置，所述轴向减震装置用于对所述钻具受到轴向的作用力进行补偿；

周向减震装置，所述周向减震装置用于对所述钻具受到周向的作用力进行补偿；

控制装置，所述控制装置分别与所述振动检测装置、所述轴向减震装置以及所述周向减震装置电性连接；

所述控制装置用于根据所述振动信号控制所述轴向减震装置以及所述周向减震装置。

优选的，所述周向减震装置包括：

第一外管；

设置在所述第一外管内的往复转动机构，其中，所述往复转动机构包括往返冲击装置和套设在所述往返冲击装置外的往返运动缸；

所述往返冲击装置与所述往返运动缸之间形成有至少两个相互隔离的压力腔室，各所述压力腔室的体积随所述压力腔室内的液体的体积的改变而改变；

所述往返冲击装置上设置有进液通孔，所述进液通孔能分别与各所述压力腔室相连通；

所述往返运动缸上设置有第一排液口，所述第一外管设置有能与所述第一排液口相连通的第二排液口，各所述压力腔室能依次与所述第一排液口、第二排液口相连通形成出液流道，以使所述往返冲击装置能在所述往返运动缸内做周向往返转动。

优选的，所述第一排液口的数量与所述压力腔室的数量相适配，以使各所述压力腔室能分别与所述第一排液口相连通。

优选的，所述第一外管为中空的圆柱体，其内壁上形成有连通所述第一排液口的环形排液槽。

优选的，所述周向减震装置还包括：

用于控制所述往返冲击装置上设置有进液通孔启闭的第一电磁阀；

用于控制所述第一排液口启闭的第二电磁阀；

所述控制装置与所述第一电磁阀以及所述第二电磁阀电连接，以使所述第一电磁阀控制部分所述进液通孔开启以及所述第二电磁阀控制与处于开启状态的所述进液通孔相对应的所述第一排液口开启。

优选的，所述往返运动缸包括：

往返运动缸本体，所述往返运动缸本体呈中空圆柱体状；

所述第一排液口，所述第一排液口设置在所述往返运动缸本体上；

两个第一扇形凸起，所述第一扇形凸起相对设置在所述往返运动缸本体内侧壁上；

所述往返冲击装置包括：

往返冲击装置本体，所述往返冲击装置本体为中空的筒体；

所述进液通孔，设置在所述往返冲击装置本体上；

两个第二扇形凸起，所述第二扇形凸起相背设置在所述往返冲击装置本体的外侧壁上，所述第一扇形凸起和所述第二扇形凸起相适配，以使所述往返冲击装置与所述往返冲击缸之间形成有至少两个所述压力腔室。

优选的，所述轴向减震装置包括：

第二外管；

压力传导孔，所述压力传导孔设置在所述第二外管的壁上；

减震平衡部，所述减震平衡部滑动套设在所述第二外管内，所述减震平衡部在所述第二外管内受到钻井液作用于其上端面的内压力，

其中，所述减震平衡部具有位于所述压力传导孔上方的凸起部，所述凸起部的外壁与所述第二外管的内壁贴紧，所述凸起部的下端面用于承受自所述压力传导孔输入的外圧力；

变径机构，设置在所述减震平衡部内，所述变径机构设有沿所述第二外管长度方向将其贯穿的第一流道，所述控制装置与所述变径机构电连接，所述控制装置能控制所述变径机构改变所述第一流道的内径大小，从而控制所述内压力的大小。

优选的，所述控制装置通过改变所述第一流道的内径大小控制所述减震平衡部的移动。

优选的，所述变径机构为设置于所述减震平衡部上的变径电磁阀；所述变径电磁阀包括多个沿圆周排布的电磁变径阀块；相邻两个所述电磁变径阀块之间设有压簧；所述控制装置通过控制相邻两个所述电磁变径阀块远离或靠近，从而改变所述第一流道的内径大小。

优选的，所述变径电磁阀的数量为多个；多个所述变径电磁阀沿所述第二外管的长度方向排布。

优选的，所述振动检测装置获取所述钻具产生的振动生成振动信号；

所述控制装置对获取的所述振动信号进行分析，从而由所述振动信号获取当前的振动类型；

当所述振动类型为轴向振动时，所述控制装置将获取的所述振动信号与预设的第一阀值进行比较，当所述振动数据大于所述第一阀值时启动轴向减震系统；

当所述振动类型为周向震动时，所述控制装置将获取的所述振动信号与预设的第二阀值进行比较，当所述振动数据大于所述第二阀值时启动周向减震系统；

当所述振动类型为复合震动时，所述控制装置将获取的所述振动信号与预设的所述第一阀值进行比较，当振动信号大于第一阀值时启动轴向减震系统，所述控制装置将获取的所述振动数据与预设的所述第二阀值进行比较，当所述振动数据大于所述第二阀值时启动周向减震系统。

复合减震工具的控制装置能根据振动信号的振动类型和振动强度打开和关闭轴向减震装置和/或周向减震装置，从而能对钻具进行轴向的减震和/或周向的减震，避免了因为震动而对钻头的破坏，提高钻头破岩效率，又能有效提高工具寿命。

附图说明

图1是本申请实施方式中一种复合减震工具的结构示意图；

图2是本申请实施方式中一种复合减震工具的第三壳体截面示意图；

图3是本申请实施方式中一种复合减震工具的周向减震装置的往返运动缸的截面示意图；

图4是本申请实施方式中一种复合减震工具的周向减震装置的往返冲击锤的截面示意图；

图5是本申请实施方式中一种复合减震工具的周向减震装置的局部结构示意图；

图6是本申请实施方式中一种复合减震工具的周向减震装置顺时针冲击运动状态示意图；

图7是本申请实施方式中一种复合减震工具的周向减震装置逆时针冲击运动状态示意图；

图8是图1中减震平衡部与外管的配合示意图；

图9A是电磁变径阀未缩径状态结构示意图；

图9B是电磁变径阀缩径状态结构示意图；

图10A是电磁变径阀未缩径状态下减震平衡部所受压强示意图；

图10B是图10A中减震平衡部的受力示意图；

图11A是电磁变径阀缩径状态下减震平衡部所受压强示意图；

图11B是图11A中减震平衡部的受力示意图；

图12A是电磁变径阀未缩径状态下轴向减震装置工作状态示意图；

图12B是电磁变径阀缩径状态下轴向减震装置工作状态示意图；

图13是本申请的复合减震工具中各部件电连接的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种复合减震工具。参照图1以及图13所示，该复合减震工具能与钻具相连接，进而对钻具进行减震。该复合减震工具包括：振动检测装置2，振动检测装置2能根据钻具产生的振动生成振动信号；轴向减震装置4，轴向减震装置4用于对钻具受到轴向的作用力进行补偿；周向减震装置3，周向减震装置3用于对钻具受到周向的作用力进行补偿；控制装置205，控制装置205分别与振动检测装置2、轴向减震装置4以及周向减震装置3电性连接；控制装置用于根据振动信号控制轴向减震装置4以及周向减震装置3。

振动检测装置2首先以预设的采样频率采集钻具的振动数据，然后对振动数据进行处理，并以振动信号的方式发出。其中，振动信号包括振动类型和振动强度。控制装置205能接收振动检测装置2发出的振动信号，并将振动信号进行分析和对比。控制装置205首先判定该振动信号为轴向震动还是周向震动。当该振动为轴向震动时，控制装置205将该振动信号与第一预设阀值进行对比。当大于第一阀值时，控制装置205启动轴向减震装置4。当该振动为周向震动时，控制装置205将该振动信号与第二阀值进行对比。当大于第二阀值时，控制装置205启动周向减震装置3。当该振动同时为轴向震动和周向震动时，控制装置205将该震动信号同时与第一阀值与第二阀值进行对比。当大于第一阀值和/或第二阀值时，控制装置205同时启动轴向减震装置4和/或周向减震装置3，从而既对钻具进行的轴向的减震又能对钻具进行周向的减震，避免了因为震动而对钻头的破坏，提高钻头破岩效率，又能有效提高工具寿命。

在本实施方式中，供电装置1用于为复合减震工具提供电源，保证工具井下用电。对于井下工具用电，其电压常用规格包括：12V、36V。供电装置1可使用电池供电，也可采用涡轮发电机供电，当然还可以通过其他形式进行供电，本申请在此并不作具体的限定。

参照图1所示，供电装置1可以包括：第三外管101、电源腔密封盖102、电源腔103、电源105、带密封的电源出口106、供电电缆107，其中，供电装置1还设置有用于流通钻井液的过流孔104。其中，第三外管101可以呈中空的圆柱形，中空部分为贯通孔。具体的，第三外管101的上端内侧可以设置有用于和上部钻具连接的内螺纹，下端外侧可以设置有用于和振动监控系统连接的外螺纹，其内部设置有用于对电源腔103限位的限位台阶。

过流孔104用于流通钻井液。具体的，该过流孔104可以设置在电源腔103上，或者设置在第三外管101上，或者由电源腔103与第三外管101之间的间隙形成，或者还可以为其他设置方式，本申请在此并不作具体的限定。此外，过流孔104的个数可以为一个也可以为多个，本申请在此并不作具体的限定，当过流孔104的个数为多个时，其可以沿着第三外管101的周向均匀布置。

进一步的，电源腔103上、下两端可以设有扶正、定位用的法兰环。过流孔104设置在法兰环上。法兰环抵靠在限位台阶上，且法兰环与第三外管101为间隙配合。当井内钻井液在钻具内流通时，流经该供电装置1时，可以经过过流孔104和法兰环与第三外管101之间的间隙进行流通。

电源腔103和电源腔密封盖102相配合用于设置电源105，以将电源105与钻井液相隔离。电源腔103的形状和尺寸可以根据电源105的形状、大小进行确定，本申请在此并不作具体的限定。此外，电源腔103与电源腔密封盖102的配合方式可以为可拆卸连接，以便于电源105的拆装。例如，电源腔密封盖102可以为具有一定弹性的塞子，其通过过盈配合的方式设置在电源腔103的开口端。此外，在电源腔103的下部可以设置有带密封的电源出口106，供电电缆107通过该带密封的电源出口106将电输送各装置上。

在本实施方式中，振动检测装置2用于实时监测、处理井下钻具振动。振动检测装置2能将检测钻具产生的振动并以振动信号发出，其中，振动信号包括振动类型和振动强度。控制装置205能接收振动系统发出的振动信号，并根据振动信号的类型和强度发出第一执行信号或第二执行信号。轴向减震装置4能接收判断系统发出的第一执行信号并启动。周向减震装置3能接收判断系统发出的第二执行信号并启动。

在本实施方式中，振动检测装置2可以包括：第四外管201、设置在第四外管201上的振动检测传感器202。其中，振动检测传感器202可以为传感器单元。该传感器单元可以实时检测钻具的振动数据。振动检测传感器202由供电装置1供电。

在本实施方式中，控制装置205也可以设置在第四外管201内。控制装置205与振动检测装置2电连接。振动检测装置2能将检测钻具产生的振动并以振动信号发出。控制装置205能接收振动系统发出的振动信号，并根据振动信号的类型和强度发出第一执行信号或第二执行信号。其中，第一执行信号和第二执行信号可以分别开启周向减震装置3以及轴向减震装置4。

其中，第四外管201可以中空的呈圆柱状，中空部分为贯通孔，其上下两端可以设置有接头，分别为上接头、下接头。该上接头的内侧可以设置有内螺纹，用于和第三外管101相连接；该下接头的外侧可以设置有外螺纹，用于和轴向减震装置4或者周向减震装置3相连。当然，第三外管101与第四外管201可以为一个壳体；另外，当为两个壳体时也可以通过其他连接方式进行连接，本申请在此并不作具体的限定。第四外管201中设置有振动检测传感器202、控制装置205和供电电缆107。

具体的，第四外管201的外壁上可以设置有第一凹槽以及与第一凹槽相匹配的检测装置密封压盖203。第二凹槽和与第二凹槽相匹配的控制装置密封压盖204。振动检测传感器202设置在第一凹槽内，并通过检测装置密封压盖203密封；控制装置205设置在第二凹槽内，并通过控制装置密封压盖204密封。

其中，振动检测传感器202用于获取钻具的振动信号，其具体形式以及安装方式等本申请在此并不作具体的限定。例如，振动检测传感器202可以通过螺纹安装在第四外管201上。进一步的，检测装置密封压盖203将振动检测传感器202密封，以防止井内钻井液进入振动检测传感器202内，影响其正常工作。当然，如果振动检测传感器202具有防水功能，该检测装置密封压盖203可以省略。

控制装置205可以与振动检测传感器202电性连接，其可以接收振动检测传感器202发出的振动信号，并将该振动信号进行处理后与其预设的振动阈值进行对比，当检测到的值大于预设的阀值时，可以根据振动的类型启动轴向减震装置4或者周向减震装置3。控制装置205的形式以及安装方式等本申请在此并不作具体的限定。例如，控制装置205可以安装在第四外管201上。进一步的，控制装置密封压盖204将控制装置205密封，以防止井内钻井液进入控制装置205。当然，如果控制装置205具有防水功能，该控制装置密封压盖204可以省略。

在第四外管201上，还可以设置有供电密封孔，与电源105连接的供电电缆107通过该第四外管201上的供电密封孔将电分别输送到振动传感器202和控制装置205。

在本实施方式中，周向减震装置3包括：第一外管301；设置在第一外管301内的往复转动机构，其中，往复转动机构包括往返冲击装置3011和套设在往返冲击装置外3011的往返运动缸305。往返冲击装置305与往返运动缸3011之间形成有至少两个相互隔离的压力腔室30502。其中，各压力腔室30502的体积随压力腔室30502内的液体的体积改变。通过一压力腔室30502增大，另一压力腔室30502的体积减小，进而实现往返冲击装置305能在往返运动缸305内运动。

往返冲击装置3011上可以设置有进液通孔307。进液通孔307能分别与各压力腔室30502相连通。往返运动缸3011上设置有至少两个第一排液口309。第一外管301设置有能与任意一第一排液口309相连通的第二排液口3010。各压力腔室30502能依次与第一排液口309、第二排液口3010相连通形成出液流道，以使往返冲击装置3011能在往返运动缸305内做周向往返转动。进一步的，周向减震装置3还可以包括护套302、纵向压簧303、密封压盖304、第一电磁阀306、第二电磁阀308。

第一外管301具有相对的上端和下端，其下端可以通过传力机构连接有钻头接头3012。钻头接头3012用于连接钻头，以将周向往返转动产生的扭矩传递给钻头。当然，第一外管301的下端还可以连接轴向减震装置4或者供电装置1。例如，第一外管301可以与第二外管401相连接。操作人员可以根据实际的作业需求调整各装置的安装顺序。整体上，第一外管301可以呈中空的圆柱形，其中空部分为贯通孔。进一步的，第一外管301的贯通孔为变内径的台阶通孔。

当第一外管301的下端可以通过传力机构连接有钻头接头3012时，第一外管301的上部可以设置有内螺纹，用于和第四外管201的下端相连接；其下部可以设置有用于传递扭矩的传力件，具体的，该传力件可以为花键。相应的，钻头接头3012上可以设置有与花键配合的键槽，花键和键槽配合形成传力机构。当然，传力机构的形式并不限于上述花键和键槽的形式，还可以为其他能够传递扭矩的形式，所属领域技术人员在本申请的技术精髓启示下，还可能做出其他的变更，但只要其实现的功能和效果与本申请相同或相似，均应涵盖于本申请保护范围内。

在第一外管301的侧壁上可设置有第二排液口3010，用于排出往返运动缸305中的钻井液。具体的，第二排液口3010的个数可以为偶数，例如，可以为两个，四个，六个等，本申请在此并不作具体的限定。第二排液口3010可以沿着轴向对称布置。进一步的，第一外管301上还设置有用于连通第二排液口3010的环形排液槽30101。当往返运动缸305在往返冲击运动过程中，多个第一排液口309可以在同一个圆周上转动，在本实施方式中，通过采用环形排液槽30101的方式将它们连接在一起后，能用于传递高、低压力。

往返运动缸305可以为中空的圆柱体。往返运动缸305可以包括往返运动缸本体，往返运动缸本体呈中空圆柱体状；第一排液口309，第一排液口设置在往返运动缸本体上；两个第一扇形凸起，第一扇形凸起相对设置在往返运动缸本体内侧壁上。具体的，往返运动缸305可以呈“T”形圆柱体，整体上，上端直径大、下端直径小。具体的，往返运动缸305上端内孔为四段圆弧和四个直线段组成的形状，四段圆弧是两个直径大小不等的圆弧，两个大直径圆弧段与四个直线段形成两个对称的第一扇形凸起。往返运动缸305下部内孔为通孔，且通孔直径等于或小于上部小直径圆弧的直径。往返运动缸305上部大直径段设置有第一排液口309，用于排出往返运动缸305中的钻井液。第一排液口309的个数可以为偶数个。

往返冲击装置3011内部为圆筒形。往返冲击装置3011包括：往返冲击装置本体，往返冲击装置本体为中空的筒体；进液通孔307，设置在往返冲击装置本体上；两个第二扇形凸起，第二扇形凸起相背设置在往返冲击装置本体的外侧壁上，第一扇形凸起和第二扇形凸起相适配，以使往返冲击装置与往返冲击缸之间形成有至少两个压力腔室。第二扇形凸起为四段圆弧和四个直线段组成。两个大直径段圆弧和四段直线形成两个对称的第二扇形凸起。往返冲击装置3011安装在往返运动缸305内，往返冲击装置3011的扇形凸起与往返运动缸305的扇形空间中。往返冲击装置3011扇形凸起对应的圆弧角度小于往返运动缸305的扇形空间对应的圆弧角度。以使往返冲击装置305与往返运动缸3011之间可以形成有至少两个相互隔离的压力腔室30502。往返冲击装置3011下部大直径段圆弧直径与往返冲击缸305上部内孔大直径圆弧直径相同，往返冲击装置3011下部小直径段圆弧直径与往返冲击缸305上部内孔小直径圆弧直径相同。

往返冲击装置3011还可以包括纵向压簧303，其可以用于为与其抵接的第一电磁阀306、第二电磁阀308提供回复力。具体的，纵向压簧303可以包括第一纵向压簧和第二纵向压簧。其中第一纵向压簧用于与第一电磁阀306相配合；第二纵向压簧用于与第二电磁阀308相配合的第二纵向压簧。

往返冲击装置3011上设置有进液通孔307，用于流通钻井液。当进液通孔307与环形空间相连通时，形成进液通道。具体的，进液通孔307的个数可以为偶数个。

第一电磁阀306可以为圆弧条形，与纵向压簧303配合使用，通电时第一电磁阀306向上推动，打开进液通孔307。护套302可为圆筒状，安装在往返冲击装置3011内孔上端，用于纵向压簧303和第一电磁阀306定位。

密封压盖304用于与往返运动缸305、往返冲击装置3011形成密封腔，在钻井液压力的作用下驱动往返冲击装置3011做周向冲击运动。具体的，密封压盖304可为圆环形，外径与往返运动缸305上部外径相同，内径与往返冲击装置3011上端圆柱段外径相同。往返冲击缸305安装在第一外管301的内孔台阶处，第一外管301内孔台阶为往返冲运动缸305提供支撑。

在往返运动缸305与第一外管301间设置有第二纵向压簧和第二电磁阀308。第二电磁阀308通电后，第二电磁阀308向下运动，打开连通第二排液口3010和第一排液口309，排出往返运动缸305内的钻井液。往返冲击缸305下部通过螺纹与钻头接头3012相连，两种连接后周向减震系统外壳体301下部花键与钻头接头3012上部大直径段花键相配合，用于传递钻柱扭矩和往返运动缸305产生的额外往返冲击扭矩。

周向减震装置3未启动时，第一外管301通过下部花键与钻头接头312配合，将上部钻具扭矩传递到钻头破岩。周向减震装置3启动后，配合花键一方面要传递上部钻具的扭矩用于钻头破岩，同时还传递往返运动缸305的周期性冲击扭矩，用于减轻钻具的周向黏滑振动，提高钻头破岩效率，保护钻头。

周向减震装置3启动工作时，进液通孔307对应的第一电磁阀306向上运动，打开进液通孔307，钻具内的高压钻井液可以通过该进液通孔307进入往返运动缸305与往返冲击装置3011之间形成的压力腔室30502中。具体的，当压力腔室30502的数量为两个时，高压钻井液可以进入某一压力腔室30502内。当压力腔室30502为四个时，高压钻井液可以进入相对的两个腔室内。同时，往返运动缸305的第二电磁阀308向下运动，打开第一排液口309，使得第一排液口309与第二排液口3010相连通。

当高压钻井液进入往返运动缸305与往返冲击装置3011和密封压盖形成扇形密封空间(压力腔室30502)时，高压钻井液推动往返冲击装置3011运动，当往返冲击装置3011运动到一个方向死点时，往返冲击装置3011冲击往返运动缸305，在冲击力的作用下，往返运动缸305运动，并通过下部钻头接头3012传递到钻头，此时通过第一电磁阀306和第二电磁阀308关闭现已打开的进液通孔307和第一排液口309，打开另外的进液通孔307和第一排液口309。高压钻井液进入未进入的压力腔室30502内且不进入已经进入的压力腔室30502内。高压钻井液进而反向推动往返冲击装置3011运动，当往返冲击装置3011运动到反向死点时，关闭已打开的进液通孔307和第一排液口309，打开另外进液通孔307和第一排液口309。往返冲击装置3011做往返冲击运动，往返运动液缸305在往返冲击装置3011的冲击作用下作往返运动，并通过下部花键传递到钻头。钻头的往返运动能有效地减轻钻具钻头周向黏滑振动，提高钻头破岩效率，保护钻头。

在一具体的实施方式中，周向减震装置3包括：第一外管301、护套302、纵向压簧303、密封压盖304、往返运动缸305、第一电磁阀306、第二电磁阀308、往返冲击装置3011、钻头接头3012。其中，第一外管301为中空的圆柱形，中空部分为台阶通孔，其上部设置有连接螺纹，用于与第四外管201下部螺纹相连，下部设置有花键，用于传递扭矩。如图2所示，第一外管301上有2个对称的第二排液口3010，用于将返运动缸305中钻井液排至环空。两个排液口间通过环形排液槽30101相连通。

往返运动缸305为中空的“T”形状圆柱体，上端直径大、下端直径小。如图3所示，往返运动缸305上端内孔为四段圆弧和四个直线段组成的形状。四段圆弧包括两个大直径的圆弧和两个小直径的圆弧。两个大直径圆弧段与四个直线段形成两个对称的扇形空间，扇形空间对应圆弧角度为30°-175°。往返运动缸305下部内孔为通孔，且通孔直径等于或小于上部小直径圆弧的直径，用于形成钻井液流通通道。往返运动缸305上部大直径段有四个第一排液口309，用于排出往返运动缸中钻井液。图3中分别标记为309A和309B，相同标记的第一排液口在周向减震装置3工作时具有一样的开关步骤。在往返运动缸305的侧壁上形成有第二电磁阀卡槽30501，其用于定位安装第二电磁阀308和纵向压簧303。具体的，第二电磁阀卡槽30501在周向上的位置可以与第一排液口309相对。具体的，第二电磁阀卡槽30501的个数可以与第二电磁阀308以及第一排液口309相同，位置相匹配。当第一排液口309为共轭的四个时，如图3所示，第二电磁阀卡槽30501为组内相轴向对称的30501A和30501B。通电时，第二电磁阀308向下运动，以打开第一排液口309。

请结合参阅图4，往返冲击装置3011内部可呈圆筒形，外部可由四段圆弧和四个直线段组成。往返冲击装置3011与往返运动缸305之间可以形成有至少两个压力腔室30502。当往返冲击装置3011相对往返运动缸305运动时，压力腔室30502可以为两个或者四个。

其中，两个大直径段圆弧和四段直线形成两个对称的扇形凸出块，扇形对应圆弧角度可为30°～150°，且往返冲击装置3011扇形凸起对应的圆弧角度小于往返运动缸305的扇形空间对应的圆弧角度。

往返冲击装置3011上有四个进液通孔307为钻井液提供流进通道，如图4所示，分别标记为307A和307B，相同标记的往返冲击装置进液通孔307在周向减震装置3工作时具有一样的开关步骤。

第一电磁阀306可以为圆弧条形，与纵向压簧303配合使用，安装在第一电磁阀卡槽301101内，该第一电磁阀卡槽301101的个数与第一电磁阀306以及进液通孔307的个数相同，位置相匹配。当进液通孔307为共轭的四个时，如图4所示，第一电磁阀卡槽301101为组内轴向对称的301101A和301101B。通电时，第一电磁阀306向上推动，打开进液通孔307。

护套302可以为圆筒状，安装在往返冲击装置3011内孔上端，用于为纵向压簧303和第一电磁阀306定位。

密封压盖304可为圆环形，外径与往返运动缸305上部外径相同，内径与往返冲击装置3011上端圆柱段外径相同。

往返冲击缸305下部通过螺纹与钻头接头312相连，两者连接后周向减震系统外壳体301下部花键与钻头接头312上部大直径段花键相配合，用于传递钻柱扭矩和往返运动缸305产生的额外往返冲击扭矩。

往返运动缸305安装在第一外管301内孔台阶处，第一外管301内孔台阶为往返冲运动缸305提供支撑(图1所示)。如图5所示，往返冲击装置3011安装在往返运动缸305内，往返冲击装置3011的扇形凸起位于往返运动缸305的扇形空间中，往返冲击装置3011下部大直径段圆弧直径与往返冲击缸305上部内孔大直径圆弧直径相同，往返冲击装置3011下部小直径段圆弧直径与往返冲击缸305上部内孔小直径圆弧直径相同。

密封压盖304的作用是使得往返运动缸305与往返冲击装置3011形成压力腔室30502。具体的，密封压盖304可以设置在往返冲击缸305上端并套设在往返冲击装置3011外。

如图6所示，周向减震装置3顺时针转动冲击时，周向减震装置3启动工作时，2个进液通孔307B对应第一电磁阀卡槽301101B中的第一电磁阀306向上运动，打开2个进液通孔307B，同时2个往返运动缸的低压排液口309B对应的第二电磁阀卡槽30501B中的第二电磁阀308向下运动，打开2个往返运动缸的低压排液口309B。钻具内高压钻井液通过2个进液通孔307B进入往返运动缸305与往返冲击装置3011和密封压盖304形成扇形密封空间，此时压力腔室30502已通过环形排液槽30101和第二排液口3010与低压环空钻井液相连。由于钻具内钻井液压力高于环空钻井液压力，往返冲击装置3011两面存在压差，因此在高压钻井液推动下，往返冲击装置3011顺时针转动运动。当往返冲击装置3011运动到一个方向死点时，往返冲击装置3011冲击往返运动缸305，在冲击力的作用下，使往返运动缸305运动，并通过下部钻头接头3012螺纹传递到钻头。另外，当返冲击锤311运动到一个方向死点时，通过第一电磁阀306、第二电磁阀308运动关闭现已打开的2个进液通孔307B和2个第一排液口309B。如图7以及图8所示，打开另外2个进液通孔307A和2个第一排液口309A。高压钻井液反向推动往返冲击装置3011做逆时针运动，当往返冲击装置3011运动到反向死点时，关闭已打开的2个进液通孔307A和2个第一排液口309A，打开另外2个进液通孔307B和2个第一排液口309B。往返冲击装置3011在往返运动缸305做着往返冲击运动(图6、图7所示)。往返运动液缸305在往返冲击装置3011的冲击作用下作往返运动，并通过下部花键传递到钻头。钻头的往返运动能有效地减轻钻具钻头周向黏滑振动，提高钻头破岩效率，保护钻头。

在本实施方式中，供电装置1为复合减震工具提供电源，保证工具井下用电。供电装置1包括：第三外管101、电源腔密封盖102、电源腔103、过流孔104、电源105、带密封的电源出口106、供电电缆107。其中，第三外管101为中空圆柱形，中空部分为台阶通孔。第三外管101上部与钻具通过螺纹连接的方式相连接，其下部也可以与第四外管201通过螺纹连接的方式相连接。电源腔103上、下两端带有具有扶正、定位的法兰环，法兰环上设置有过流孔104。电源腔103对应的下法兰端面安放在第三外管101内台阶孔上，法兰环外径与第三外管101内孔间隙配合。电源105安放在电源腔103内，上部有电源腔密封盖102密封。电源腔103下部有带密封的电源出口106，供电电缆107通过下部带密封的电源出口106将电输送到控制装置205、振动检测装置2、轴向减震装置4以及周向减震装置3上。

振动监控系统包括：第四外管201、振动检测传感器202、检测装置密封压盖203、控制装置密封压盖204、控制装置205、信号传输电缆206。

第四外管201呈中空的圆柱状，上下两端设置有螺纹，带螺纹的上端与第三外管101相连，带螺纹的下端能与第一外管301相连。振动检测传感器202通过螺纹安装在振动监控外壳体201上，检测装置密封压盖203将振动检测传感器202密封。控制装置205安装在第四外管201上，控制装置密封压盖204将控制装置205密封。供电电缆107通过振动监控外壳体201内孔上的供电密封孔将电分别输送到振动传感器202和控制装置205。振动检测传感器202通过信号传输电缆206将测量的数据信号传输至控制装置205。

控制装置205可以包括振动数据采集器和分析处理振动数据模块，首先振动数据采集器根据程序设定的采样频率采集振动测量传感器数据，然后利用分析处理振动数据模块对振动数据进行处理分析，并与程序中设定的数据进行对比，判断周向振动强度是否大于设定值。若井下振动数据大于设定阈值，启动周向减震装置3，以减轻钻具振动。当井下振动数据小于设定阈值，控制装置205将控制周向减震装置3停止工作，从而达到能消除井下钻具周向振动对钻具、钻头的破坏，提高钻头破岩效率，又能有效提高工具寿命的目的。

在本实施方式中，轴向减震装置4通过接收控制装置205的信号(第二执行信号)启动或停止减震的工作。轴向减震装置4包括第二外管401；压力传导孔406，压力传导孔406设置在第二外管401的壁上；减震平衡部402，减震平衡部402滑动套设在第二外管401内，减震平衡部402在第二外管401内受到钻井液作用于其上端面的内压力，其中，减震平衡部402具有位于压力传导孔406上方的凸起部，凸起部的外壁与第二外管401的内壁贴紧，凸起部的下端面用于承受自压力传导孔406输入的外圧力；变径机构，设置在减震平衡部402内，变径机构设有沿第二外管长度方向将其贯穿的第一流道，控制装置205与变径机构电连接，控制装置205能控制变径机构改变第一流道的内径大小，从而控制内压力的大小。

减震平衡部402为有一内通孔(即第一流道)的T形圆柱体。减震平衡部402包括凸起部，凸起部设置在减震平衡部402的外壁上且凸起部的外壁与第二外管的内壁贴紧上部圆柱与第二外管401内圆孔配合。下部底端设有螺纹与下接头408相连。如图1所示，中间段为花键段与第二外管401的下端花键相连。减震平衡部通过与第一流道的壁花键配合，可以在传递扭矩同时又能上下运动。

如图1所示，减震平衡部402的下端伸出第二外管401并连接有下接头408。该下接头408可以连接位于钻具减震工具下方的工具，在减震平衡部402移动过程中，第二外管401及其上部的工具与下接头408及下方的工具的距离也会发生相对变化。

减震平衡部402上端圆柱外圆设有密封组合403(比如密封圈、密封副)，密封组合403用于密封减震平衡部402的上部圆柱段与轴向减震装置4的第二外管401的内壁之间。

在本实施方式中，内压力与外压力之一向下，另一向上。为便于实施，减震平衡部402的上端面面积大于其下端面面积，从而使得内压力的方向向下。进一步的，减震平衡部402的外壁沿由上至下方向经变径台阶外径缩小。压力传导孔406所通入的钻井液(位于复合减震工具与井壁之间)作用于变径台阶上。

压力传导孔406设于第二外管401下部且位于凸起部的下方，其上可以设置有过滤器407。通常，过滤器407可以设置于压力传导孔406的内部。在本实施方式中，压力传导孔406用于传递环空钻井液压力，过滤器407对流入的液体进行过滤，从而避免岩屑将轴向减震装置4压力传导孔406封堵。

减震平衡部402可以设有变径机构；控制装置205连接变径机构；控制装置205能够控制变径机构改变第一流道的内径大小。其中，控制装置205可以控制向变径机构输入的电流大小、或电压大小、抑或磁场的大小，从而控制变径机构的大小，当然，控制装置也可以通过传输信息指令来控制变径机构的内径大小。考虑到变径机构实现变径的方式无论从结构抑或结构结合软件的形式均存在多种，本实施方式在此不作任何限制。

具体的，变径机构可以为设置于第一流道的壁上的变径电磁阀404。供电电缆107和信号传输电缆206连接电磁变径阀404。

其中，变径电磁阀404包括多个沿圆周排布的电磁变径阀块4041，比如电磁变径阀块4041可为2-10块。相邻两个电磁变径阀块之间设有压簧405。控制装置205通过控制相邻两个电磁变径阀块4041远离或靠近，从而改变多个电磁变径阀块4041所围成圆周的大小。

具体的，相邻两个电磁变径阀块4041可以通过电磁感应所产生的磁场进行吸引或排斥，相应的，控制装置205可以控制向电磁变径阀块4041输入的电流大小，从而控制各个电磁变径阀块4041所产生磁场的大小。

在本实施方式中，电磁变径阀404的结构如图9A、图9B所示，电磁变径阀404包括压簧405和电磁变径阀块4041。图9A是电磁变径阀404初始状态(也可以理解为未缩径状态，在此状态下电磁变径阀404可以未通电，即，控制装置205将电力供应机构与电磁变径阀404之间截断)，电磁变径阀块4041在压簧405的作用力下处于张开状态，此时，电磁变径阀快4041组成一个圆孔的过流孔，此过流孔可以与减震平衡部402的内通孔直径一致或相同。

具体地如图10A至图11B，第一流道的壁上设有容纳变径电磁阀404的圆周凹槽；变径电磁阀404未变径时第一流道的内径沿长度方向不变。在本实施方式中，变径电磁阀404的数量可以为多个(两个及以上)。多个变径电磁阀404沿外管的延伸方向排布。其中，圆周凹槽的数量与变径电磁阀404的数量相同且一一对应。相邻两个变径电磁阀404之间可以间隔一定的距离，从而起到较佳地减震效果。

在本实施方式中，图9B是电磁变径阀404启动后的状态，电磁变径阀块4041围构成一个圆形闭合通道，闭合通道直径小于减震平衡部402的第一流道内径。由于第一流道的内径变小，因此，减震平衡部402的上端面积增大，为此钻井液作用在减震平衡部402产生一个更大的向下作用力。

在本实施方式中，图10A及图10B所示是减震平衡部402的电磁变径阀404未启动受力图。如图10A所示，减震平衡部402上端面受钻具内压力为Pp，上端面面积为Auo，变径台阶面受环空压力Pa，变径台阶面面积为Ado。

图10B是减震平衡部402受力情况，受向下的作用力Fo，向上作用力Fa，为实现精确控制，一并考虑轴向减震装置4内的钻井液对减震平衡部402下端面的作用力WOB。从而，这些力之间关系如下：

此时，减震平衡部402所受合力向上，因此，如图12A所示，减震平衡部402处于上死点位置(在上死点位置外管的内壁设有起限位作用的变径处)。

图11A及图11B所示是减震平衡部电磁变径阀启动后受力图。图11A所示，减震平衡部402上端面受钻具内压力为Pp，上端面面积为Aso，变径台阶面受环空压力Pa，下端面面积为Ado。

对比图10A和图11A，减震平衡部402上端面由于电磁变径阀404启动而面积变大。图11B是减震平衡部402受力情况，受上下的作用Fs，向上作用力Fa，一并考虑轴向减震装置4内的钻井液对减震平衡部402下端面的作用力WOB。这些力之间关系如下：

此时，减震平衡部402所受合力向下，因此，如图12B所示，减震平衡部402处于下死点位置。通常情况下，此时减震平衡部402向下的合力大于向上的合力20-40KN。

在这种情况下，当钻头出现跳动时，钻头通过下接头408带动减震平活塞402向上运动，随后在液力推力作用下，减震平衡部402再次向下运动到下死点(图12B)。在液力推动下，钻具、钻头的轴向震动被这种液力平衡作用大大减轻，从而保护了钻具、钻头，提高了钻头破岩效率，延长了钻具寿命。

不同的电磁变径阀404启动后减震平衡部402的上端面不同，因此提供减震强度范围也不相同，通常情况下，减震执行系统中电磁变径阀404数量为1-10个。

振动检测装置2首先以预设的采样频率采集钻具的振动数据，然后对振动数据进行处理，并以振动信号的方式发出。其中，振动信号包括振动类型和振动强度。控制装置205能接收振动检测装置2发出的振动信号，并将振动信号进行分析和对比。控制装置205首先判定该振动信号为轴向震动还是周向震动。当该振动为轴向震动时，控制装置205将该振动信号与第一阀值进行对比。当大于第一阀值时，控制装置205启动轴向减震装置4。当该振动为周向震动时，控制装置205将该振动信号与第二阀值进行对比。当大于第二阀值时，控制装置205启动周向减震装置3。当该振动同时为轴向震动和周向震动时，控制装置205将该震动信号同时与第一阀值与第二阀值进行对比。当大于第一阀值和/或第二阀值时，控制装置205启动轴向减震装置4和/或周向减震装置，从而既对钻具进行的轴向的减震又能对钻具进行周向的减震，避免了因为震动而对钻头的破坏，提高钻头破岩效率，又能有效提高工具寿命。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (11)

1.一种复合减震工具，其特征在于，复合减震工具能与钻具相连接，所述复合减震工具包括：

振动检测装置，所述振动检测装置能根据所述钻具产生的振动生成振动信号；

轴向减震装置，所述轴向减震装置用于对所述钻具受到轴向的作用力进行补偿；

周向减震装置，所述周向减震装置用于对所述钻具受到周向的作用力进行补偿；

控制装置，所述控制装置分别与所述振动检测装置、所述轴向减震装置以及所述周向减震装置电性连接；

所述控制装置用于根据所述振动信号控制所述轴向减震装置以及所述周向减震装置。

2.根据权利要求1所述的复合减震工具，其特征在于，所述周向减震装置包括：

第一外管；

设置在所述第一外管内的往复转动机构，其中，所述往复转动机构包括往返冲击装置和套设在所述往返冲击装置外的往返运动缸；

所述往返冲击装置与所述往返运动缸之间形成有至少两个相互隔离的压力腔室，各所述压力腔室的体积随所述压力腔室内的液体的体积的改变而改变；

所述往返冲击装置上设置有进液通孔，所述进液通孔能分别与各所述压力腔室相连通；

所述往返运动缸上设置有第一排液口，所述第一外管设置有能与所述第一排液口相连通的第二排液口，各所述压力腔室能依次与所述第一排液口、第二排液口相连通形成出液流道，以使所述往返冲击装置能在所述往返运动缸内做周向往返转动。

3.如权利要求2所述的复合减震工具，其特征在于，所述第一排液口的数量与所述压力腔室的数量相适配，以使各所述压力腔室能分别与所述第一排液口相连通。

4.如权利要求3所述的复合减震工具，其特征在于，所述第一外管为中空的圆柱体，其内壁上形成有连通所述第一排液口的环形排液槽。

5.如权利要求3所述的复合减震工具，其特征在于，所述周向减震装置还包括：

用于控制所述往返冲击装置上设置有进液通孔启闭的第一电磁阀；

用于控制所述第一排液口启闭的第二电磁阀；

所述控制装置与所述第一电磁阀以及所述第二电磁阀电连接，以使所述第一电磁阀控制部分所述进液通孔开启以及所述第二电磁阀控制与处于开启状态的所述进液通孔相对应的所述第一排液口开启。

6.如权利要求5所述的复合减震工具，其特征在于，所述往返运动缸包括：

往返运动缸本体，所述往返运动缸本体呈中空圆柱体状；

所述第一排液口，所述第一排液口设置在所述往返运动缸本体上；

两个第一扇形凸起，所述第一扇形凸起相对设置在所述往返运动缸本体内侧壁上；

所述往返冲击装置包括：

往返冲击装置本体，所述往返冲击装置本体为中空的筒体；

所述进液通孔，设置在所述往返冲击装置本体上；

两个第二扇形凸起，所述第二扇形凸起相背设置在所述往返冲击装置本体的外侧壁上，所述第一扇形凸起和所述第二扇形凸起相适配，以使所述往返冲击装置与所述往返冲击缸之间形成有至少两个所述压力腔室。

7.如权利要求1所述的复合减震工具，其特征在于，所述轴向减震装置包括：

第二外管；

压力传导孔，所述压力传导孔设置在所述第二外管的壁上；

减震平衡部，所述减震平衡部滑动套设在所述第二外管内，所述减震平衡部在所述第二外管内受到钻井液作用于其上端面的内压力，

其中，所述减震平衡部具有位于所述压力传导孔上方的凸起部，所述凸起部的外壁与所述第二外管的内壁贴紧，所述凸起部的下端面用于承受自所述压力传导孔输入的外圧力；

变径机构，设置在所述减震平衡部内，所述变径机构设有沿所述第二外管长度方向将其贯穿的第一流道，所述控制装置与所述变径机构电连接，所述控制装置能控制所述变径机构改变所述第一流道的内径大小，从而控制所述内压力的大小。

8.如权利要求7所述的复合减震工具，其特征在于，所述控制装置通过改变所述第一流道的内径大小控制所述减震平衡部的移动。

9.如权利要求8所述的复合减震工具，其特征在于，所述变径机构为设置于所述减震平衡部上的变径电磁阀；所述变径电磁阀包括多个沿圆周排布的电磁变径阀块；相邻两个所述电磁变径阀块之间设有压簧；所述控制装置通过控制相邻两个所述电磁变径阀块远离或靠近，从而改变所述第一流道的内径大小。

10.如权利要求9所述的复合减震工具，其特征在于，所述变径电磁阀的数量为多个；多个所述变径电磁阀沿所述第二外管的长度方向排布。

11.如权利要求1所述的复合减震工具，其特征在于，所述振动检测装置获取所述钻具产生的振动生成振动信号；

所述控制装置对获取的所述振动信号进行分析，从而由所述振动信号获取当前的振动类型；

当所述振动类型为轴向振动时，所述控制装置将获取的所述振动信号与预设的第一阀值进行比较，当所述振动数据大于所述第一阀值时启动轴向减震系统；

当所述振动类型为周向震动时，所述控制装置将获取的所述振动信号与预设的第二阀值进行比较，当所述振动数据大于所述第二阀值时启动周向减震系统；

当所述振动类型为复合震动时，所述控制装置将获取的所述振动信号与预设的所述第一阀值进行比较，当振动信号大于第一阀值时启动轴向减震系统，所述控制装置将获取的所述振动数据与预设的所述第二阀值进行比较，当所述振动数据大于所述第二阀值时启动周向减震系统。