CN108590510B - 旋转配流式复合冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旋转配流式复合冲击器，通过在异型钻头座的上部设置两个第一工作面和两个第二工作面，两个第一工作面为平行于异型钻头座的中轴面的平面，两个第二工作面为弧形面；在往复式冲击元件的下部设置两个第三工作面和两个第四工作面，且两个第三工作面为与两个第一工作面相适配的平面，两个第四工作面为与两个第二工作面相适配的弧形面；在高压钻井液的作用下往复式冲击元件可周期性与异型钻头座接触，将往复式冲击单元单一的轴向冲击转化成异型钻头座轴向与周向的复合运动，从而改变钻头的破岩方式，通过对地层同时施加轴向与周向的冲击载荷，大大提高了钻头的破岩效率。

Description

旋转配流式复合冲击器

技术领域

本发明涉及石油勘探技术领域，尤其涉及一种旋转配流式复合冲击器。

背景技术

随着石油开采逐渐向深井、超深井方向发展，在石油钻井过程中，除开必要的非钻井时间，纯钻进所花的时间占据了整个作业时间的80％以上，因此，钻头机械钻速的提高有利于钻井时间的减少。机械钻速的提高，不仅可以提高钻井经济效率，减少钻井成本，而且在一些特殊情况下，对特殊地层进行快钻并及时封固，更有利于避免井下事故的发生。为此，在深井、超深井的钻井作业中一般通过在钻头上设置冲击器以提高钻速。

现有技术一般通过扭力冲击器来提高钻头机械的钻速，扭力冲击器整体呈圆柱形，冲击器竖截面由内到外包括换向器、摆锤、阀体和外壳；换向器内设有中心流道，换向器可在高压钻井液的作用下往复式旋转，其周向方向上设有多条供钻井液流过的通道；摆锤套设在换向器的外侧，在其上设计有与换向器中的通道相对应的流道；阀体套设在摆锤的外侧，摆锤可在阀体中作往复的冲击运动，并将冲击载荷传递给阀体，在阀体上设计有流道以与摆锤上的流道联通；外壳体套设在阀体的外侧，在外壳体与阀体之间形成有凹槽型的腔体，钻井液流至该腔体内，在阀体的挤压下可形成相对高压或低压的钻井液。实际工作中，位于同一对角线上的腔体将形成一组压力相等的液压体系，在各层结构流道的连通作用下，换向器会在液力压差作用下旋转，并将中心流道处的钻井液引入到摆锤的作用面上，从而带动摆锤与换向器同方向旋转，由于阀体相对转速较低，因此摆锤的周向旋转受到限制，并与阀体发生碰撞，瞬时产生冲击载荷；在碰撞结束瞬时，换向器在液力压差作用下改变流道连通的方向，致使中心液流流入摆锤腔体的另一侧，从而改变摆锤的旋转方向，并带动换向器逆方向旋转，如此往复形成对钻头的高频周向冲击，提高钻头的转速。

但是，由于该结构内部流道较多，冲蚀问题严重，换向器的寿命问题得不到有效保证，并最终严重影响工具的正常使用。

发明内容

为了克服现有技术下的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种旋转配流式复合冲击器，本发明的旋转配流式复合冲击器采用旋转式的高低压配流方案，简化了内部流道的结构，避免严重冲蚀现象；其次，将冲击单元单一的轴向冲击转化成异型钻头座轴向与周向的复合运动，从而改变钻头的破岩方式，通过对地层同时施加轴向与周向的冲击载荷，提高了钻头的破岩效率。

本发明提供一种旋转配流式复合冲击器，包括异型钻头座、外壳体和上接头，所述外壳体的上端套设在所述上接头的下部，所述外壳体的下端套设在所述异型钻头座的上部，所述异型钻头座与所述外壳体转动相连；

所述外壳体内设有往复式冲击元件，在高压钻井液的冲击下所述往复式冲击元件可沿所述外壳体的轴向方向上下运动；所述异型钻头座的上部设有两个第一工作面和两个第二工作面，两个所述第一工作面和两个所述第二工作面均相对于所述异型钻头座的中轴面镜面对称分布，两个所述第一工作面为平行于所述异型钻头座的中轴面的平面，两个所述第二工作面为弧形面，所述弧形面沿所述异型钻头座的轴向延伸，且所述弧形面的一端与所述异型钻头座的端面相连，另一端与相邻的所述第一工作面的下端相连；所述往复式冲击元件的下部设有两个第三工作面和两个第四工作面，两个所述第三工作面为与两个所述第一工作面相适配的平面，两个所述第四工作面为与两个所述第二工作面相适配的弧形面。

如上所述的旋转配流式复合冲击器，可选的，所述异型钻头座包括底座和设置在所述底座上的凸起部，所述第一工作面和第二工作面设置在所述凸起部上；所述底座的外侧壁上设有多个向上凸起的第一牙掌，多个所述第一牙掌沿所述底座的周向均匀分布；所述外壳体的下端设有多个用于与所述第一牙掌相配合的第二牙掌，所述第二牙掌沿所述外壳体的周向均匀分布。

如上所述的旋转配流式复合冲击器，可选的，所述异型钻头座内设有沿轴向凸起的台阶面，所述异型钻头座的台阶面上端固定设有芯筒，所述芯筒的上端与所述上接头固定连接；所述芯筒内也设有沿轴向凸起的台阶面，所述芯筒的台阶面将所述芯筒的内部分成芯筒上腔体和芯筒下腔体，所述芯筒的台阶面上设有喷座，所述喷座的外侧套设有旋转配流轴，所述旋转配流轴的上端与所述上接头可转动相连；所述芯筒的外侧套设有所述往复式冲击元件，所述往复式冲击元件位于所述芯筒和所述外壳体之间。

如上所述的旋转配流式复合冲击器，可选的，所述喷座包括本体和设置在所述本体上的凸台，所述旋转配流轴套设在所述凸台的外侧；所述本体的周向外侧还设有固定环，所述固定环与所述本体之间设有多个扰流翼板。

如上所述的旋转配流式复合冲击器，可选的，所述喷座内设有联通所述旋转配流轴和芯筒下腔体的通孔，且所述通孔的内径小于所述旋转配流轴的内径。

如上所述的旋转配流式复合冲击器，可选的，所述往复式冲击元件内设有沿轴向方向凸起的台阶面，所述往复式冲击元件的台阶面将所述往复式冲击元件内部分成往复式冲击元件上腔体和往复式冲击元件下腔体；所述旋转配流轴还包括四个配流块，所述配流块用于联通所述旋转配流轴和所述芯筒，四个所述配流块两两成组、且分别与所述往复式冲击元件上腔体和往复式冲击元件下腔体相对应，每一组中的所述配流块均沿所述旋转配流轴的竖截面对称分布。

如上所述的旋转配流式复合冲击器，可选的，在所述配流块的侧壁上还设有与所述旋转配流轴的外表面的切线方向相平行的喷嘴，同一配流块中的所述喷嘴均位于同一侧面上，位于同一组所述配流块中的所述喷嘴朝向相反。

如上所述的旋转配流式复合冲击器，可选的，所述芯筒上设有联通所述芯筒和所述往复式冲击元件的槽口，所述槽口与所述配流块位于同一水平面上。

如上所述的旋转配流式复合冲击器，可选的，所述旋转配流轴的上端与所述上接头之间还设有轴套，所述轴套的下端与所述旋转配流轴的上端可转动连接。

如上所述的旋转配流式复合冲击器，可选的，所述轴套与所述旋转配流轴之间还设有回转支撑，所述回转支撑包括外环和内环，所述外环与所述轴套固定连接，所述内环可相对于所述外环转动；在所述旋转配流轴的外侧壁上设有连接键，所述内环的内侧壁上设有键槽，通过所述连接键和键槽的配合实现所述旋转配流轴和所述回转支撑的连接。

本发明提供的旋转配流式复合冲击器，通过在异型钻头座的上部设置两个第一工作面和两个第二工作面，两个第一工作面和两个第二工作面相对于异型钻头座的中轴面镜面对称分布，两个第一工作面为平行于异型钻头座的中轴面的平面，两个第二工作面为弧形面；在往复式冲击元件的下部设置两个第三工作面和两个第四工作面，且两个第三工作面为与两个第一工作面相适配的平面，两个第四工作面为与两个第二工作面相适配的弧形面；在高压钻井液的作用下往复式冲击元件可周期性与异型钻头座接触，通过第一工作面和第三工作面、第二工作面和第四工作面的配合将往复式冲击单元单一的轴向冲击转化成异型钻头座轴向与周向的复合运动，从而改变钻头的破岩方式，通过对地层同时施加轴向与周向的冲击载荷，大大提高了钻头的破岩效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的旋转配流式复合冲击器的结构简图；

图2为本发明一实施例提供的异型钻头座的结构简图；

图3为图2的剖视图；

图4为本发明一实施例提供的往复式冲击元件的结构简图；

图5为图4的剖视图；

图6为本发明一实施例提供的外壳体的结构简图；

图7为图6的剖视图；

图8为本发明一实施例提供的内六角螺钉的结构简图；

图9为本发明一实施例提供的上接头的结构简图；

图10为本发明一实施例提供的芯筒的结构简图；

图11为图10的剖视图；

图12为本发明一实施例提供的喷座的结构简图；

图13为本发明一实施例提供的旋转配流轴的结构简图；

图14为图13沿第一方向的剖视图；

图15为图13沿第二方向的剖视图；

图16为本发明一实施例提供的回转支撑的结构简图。

附图标记：

1-旋转配流式复合冲击器； 11-异型钻头座；

111-底座； 112-凸起部；

113-台阶面； 1111-第一牙掌；

1121-第一工作面； 1122-第二工作面；

1123-第一密封圈槽； 1124-第一钢珠槽；

12-外壳体； 121-第二牙掌；

122-钢珠过孔； 123-密封圈放置槽；

124-第二钢珠槽； 13-上接头；

131-第二密封圈槽； 14-往复式冲击元件；

141-第三工作面； 142-第四工作面；

143-台阶面； 144-往复式冲击元件上腔体；

145-往复式冲击元件下腔体； 15-芯筒；

151-台阶面； 152-芯筒上腔体；

153-芯筒下腔体； 154-槽口；

16-喷座； 161-本体；

162-凸台； 163-固定环；

164-扰流翼板； 17-旋转配流轴；

171-配流块； 1711-喷嘴；

172-连接键； 18-轴套；

19-回转支撑； 191-外环；

192-内环； 193-键槽；

194-销钉孔； 20-内六角螺钉；

201-端面； 21-第一密封圈；

22-第二密封圈； 23-销钉。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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做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。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于方便描述不同的部件，而不能理解为指示或暗示顺序关系、相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

随着石油开采逐渐向深井、超深井方向发展，在石油钻井过程中，除开必要的非钻井时间，纯钻进所花的时间占据了整个作业时间的80％以上，因此，钻头机械钻速的提高有利于钻井时间的减少。机械钻速的提高，不仅可以提高钻井经济效率，减少钻井成本，而且在一些特殊情况下，对特殊地层进行快钻并及时封固，更有利于避免井下事故的发生。

但是，深部地层中由于岩层性质变化较为频繁，以恒定转速旋转的钻头在切削岩石中受到的反扭矩也随之振动得较为明显，当这种振动形式集聚到一定程度后，将导致钻头发生扭转振动，即粘滑振动。表观上最明显的变化即是钻头转速将发生不同程度的“失速”现象，极端情况下将导致钻头被憋停。为此，在深井、超深井的钻井作业中一般通过在钻头上设置冲击器以提高钻速。

现有技术一般通过扭力冲击器来提高钻头机械的钻速，扭力冲击器整体呈圆柱形，冲击器竖截面由内到外包括换向器、摆锤、阀体和外壳；换向器内设有中心流道，换向器可在高压钻井液的作用下往复式旋转，其周向方向上设有多条供钻井液流过的通道；摆锤套设在换向器的外侧，在其上设计有与换向器中的通道相对应的流道；阀体套设在摆锤的外侧，摆锤可在阀体中作往复的冲击运动，并将冲击载荷传递给阀体，在阀体上设计有流道以与摆锤上的流道联通；外壳体套设在阀体的外侧，在外壳体与阀体之间形成有凹槽型的腔体，钻井液流至该腔体内，在阀体的挤压下可形成相对高压或低压的钻井液。实际工作中，位于同一对角线上的腔体将形成一组压力相等的液压体系，在各层结构流道的连通作用下，换向器会在液力压差作用下旋转，并将中心流道处的钻井液引入到摆锤的作用面上，从而带动摆锤与换向器同方向旋转，由于阀体相对转速较低，因此摆锤的周向旋转受到限制，并与阀体发生碰撞，瞬时产生冲击载荷；在碰撞结束瞬时，换向器在液力压差作用下改变流道连通的方向，致使中心液流流入摆锤腔体的另一侧，从而改变摆锤的旋转方向，并带动换向器逆方向旋转，如此往复形成对钻头的高频周向冲击，提高钻头的转速。

然而，由于该工具本身内部结构的缺陷，导致换向器在往复式运动中易受冲蚀，引发过早失效，影响工具的整体使用寿命。其次，由于在岩性复杂的深部地层井眼延伸较长，且目前更多采用水平井作业井型，在这种情况下，管柱容易在井眼轨迹狗腿度(水平井中井眼轨迹偏离竖直方向的角度，其大小在[0,90]之间)较大的附近产生重力堆积，由管柱重力产生的钻压无法有效传递给钻头；另外，长水平段中管柱几乎“平躺”或“斜躺”在井眼中，容易发生“托压”现象，导致钻进过程中摩擦阻力较大，并且水平井眼中岩屑携带困难，进一步增大了摩擦阻力。此时，由于扭力冲击器自身缺少轴向方向上的钻压加持，限制了破岩效率的进一步提高。

为了克服现有技术下的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种旋转配流式复合冲击器，本发明的旋转配流式复合冲击器采用旋转式的高低压配流方案，简化了内部流道的结构，避免严重冲蚀现象；其次，将冲击单元单一的轴向冲击转化成异型钻头座轴向与周向的复合运动，从而改变钻头的破岩方式，通过对地层同时施加轴向与周向的冲击载荷，提高了钻头的破岩效率。

下面将结合附图详细的对本发明的内容进行描述，以使本领域技术人员能够更加详细的了解本发明的内容。

图1为本发明一实施例提供的旋转配流式复合冲击器的结构简图；图2为本发明一实施例提供的异型钻头座的结构简图；图3为图2的剖视图；图4为本发明一实施例提供的往复式冲击元件的结构简图；图5为图4的剖视图；图6为本发明一实施例提供的外壳体的结构简图；图7为图6的剖视图；图8为本发明一实施例提供的内六角螺钉的结构简图；请参照图1-8。本实施例提供一种旋转配流式复合冲击器1，包括异型钻头座11、外壳体12和上接头13，外壳体12的上端套设在上接头13的下部，外壳体12的下端套设在异型钻头座11的上部，异型钻头座11与外壳体12转动相连。

外壳体12内设有往复式冲击元件14，在高压钻井液的冲击下往复式冲击元件14可沿外壳体12的轴向方向上下运动；异型钻头座11的上部设有两个第一工作面1121和两个第二工作面1122，两个第一工作面1121和两个第二工作面1122均相对于异型钻头座11的中轴面镜面对称分布。两个第一工作面1121为平行于异型钻头座11的中轴面的平面，两个第二工作面1122为弧形面，弧形面沿异型钻头座11的轴向延伸，且弧形面的一端与异型钻头座11的端面相连，另一端与相邻的第一工作面1121的下端相连；往复式冲击元件14的下部设有两个第三工作面141和两个第四工作面142，两个第三工作面141为与两个第一工作面1121相适配的平面，两个第四工作面142为与两个第二工作面1122相适配的弧形面。

具体的，本实施例中异型钻头座11的主要作用是连接钻头与上部钻具，同时为复合式冲击提供工作面，从而实现由单一轴向冲击向轴向冲击和周向冲击的转化；上接头13的主要作用是连接上部钻具。进一步的，请参照图1-3，本实施例的异型钻头座11包括底座111和设置在底座111上的凸起部112，异型钻头座11内设有沿轴向凸起的台阶面113，位于台阶面113下方的锥形空间用于连接钻头，其内表面上设有螺纹，该螺纹一般选用NC50型螺纹，通过该螺纹结构与钻头的连接，可以达到密封和传递扭矩的作用。第一工作面1121和第二工作面1122设置在凸起部112上，可以根据实际需要设置其具体数量，在本实施例中凸起部112上设有两组第一工作面1121和第二工作面1122，两组工作面相对于异型钻头座11的中轴面镜面对称分布。其中，第一工作面1121为平行于异型钻头座11中轴面方向的平面，其是通过与异型钻头座11的轴线平行的平面切割并在某一位置与空间斜弧面相交所形成的截平面；第二工作面1122为弧形面，弧形面沿异型钻头座11的轴向延伸，且弧形面的一端与异型钻头座11的端面相连，另一端与第一工作面1121的下端相连；该弧形面是通过投影平面内与异型钻头座11的轴线成一定夹角的直线在切割异型钻头座11的圆柱面形成的空间斜弧面，且该弧形面的开口方向与异型钻头座11的旋转方向相反，从而保证往复式冲击元件14的每次冲击对异型钻头座11产生加速的效果。

请继续参照图1、图4和图5。在与异型钻头座11相配合的往复式冲击元件14下端面上设有与第一工作面1121相适配的第三工作面141和与第二工作面1122相适配的第四工作面142。本实施例中第三工作面141和第四工作面142的数量均为两个，两个第三工作面141均为平面，其平行于往复式冲击元件14的轴向方向，两个第三工作面141互成180夹角对称设置；两个第四工作面142均为弧形面，其往复式冲击元件14的轴向延伸，两个弧形面的斜截面投影线互呈90度夹角。

本实施例通过上述设置，在高压钻井液的驱动下在往复式冲击元件14的上下两侧周期性形成压力不同的高低压，从而驱动往复式冲击元件14沿外壳体12的轴向方向上下运动。当往复式冲击元件14相下运动时，通过第一工作面1121和第三工作面141、第二工作面1122和第四工作面142的配合将往复式冲击元件14轴向的冲击力转化成异型钻头座11轴向和周向的冲击力，周向的冲击力可以降低钻头的粘滑效应，提高机械钻速；轴向的冲击力使钻头能够保持一定的钻压加持，从而大大提高了钻头的破岩效率。

本实施例提供的旋转配流式复合冲击器1，通过在异型钻头座11的上部设置第一工作面1121和第二工作面1122，且第一工作面1121为平行于异型钻头座11中轴面的平面，第二工作面1122为弧形面；在往复式冲击元件14的下部设置第三工作面141和第四工作面142，且第三工作面141为与第一工作面1121相适配的平面，第四工作面142为与第二工作面1122相适配的弧形面；在高压钻井液的作用下往复式冲击元件14可周期性与异型钻头座11接触，通过第一工作面1121和第三工作面141、第二工作面1122和第四工作面142的配合将往复式冲击元件14轴向的冲击力转化成异型钻头座11轴向和周向的的复合运动，从而改变钻头的破岩方式，通过对地层同时施加轴向与周向的冲击载荷，大大提高了钻头的破岩效率。

进一步的，请继续参照图1-3和图6-8。本实施例中异型钻头座11与外壳体12之间的可转动相连是通过下述结构实现的。在凸起部112的外侧壁上开设有用于容纳钢珠的第一钢珠槽1124，第一钢珠槽1124呈半圆形，其与开设在外壳体12内表面上的第二钢珠槽124配合组成一个完整的圆环形状。在钢珠槽内设有多个圆形钢珠，在二者相对转动时起到类似于轴承的作用。圆形钢珠是通过开设在外壳体12上的钢珠过孔122放入的，在钢珠过孔122中还设有内六角螺钉20，以实现密封固定，该内六角螺钉20的端面201呈半圆形凹槽面，以防止钢珠通过时阻力过大。为使二者之间的转动更为灵敏便捷可在异型钻头座11和外壳体12上设置两组相对应的第一钢珠槽1124和第二钢珠槽124。

在第一钢珠槽1124的下方还设有第一密封圈槽1123，与此对应的在外壳体12中的第二钢珠槽124的下方还设有相应的密封圈放置槽123，第一密封圈21设置在二者之间以实现异型钻头座11与外壳体12之间的密封。

更近一步的，在底座111的外侧壁上设有多个向上凸起的第一牙掌1111，多个第一牙掌1111沿底座111的周向均匀分布；在外壳体12的下端设有多个用于与第一牙掌1111相配合的第二牙掌121，第二牙掌121沿外壳体12的周向均匀分布。相邻的第二牙掌121之间的距离大于第一牙掌1111的长度，从而在将第一牙掌1111和第二牙掌121配合后使得二者之间有一定的补偿距离。现有技术中，当钻具发生粘滑运动以后，外壳体的转速相对较慢，由于地层中阻力矩的存在使得异型钻头座11的转速也会降低，钻头对地层的切削力效果也逐渐减弱。而采用本申请的结构，在往复式冲击元件14的冲击下，可以使异型钻头座11保持高速的周向转动，实现牙掌面之间的距离补偿，从而降低钻头失速的可能，维持钻头的高速运转。

图9为本发明一实施例提供的上接头的结构简图；请继续参照图1和图9。本实施例中外壳体12和上接头13之间是通过螺纹连接的方式实现固定连接的，具体的，在上接头13的下部设有第二密封圈槽131，其内设有第二密封圈22，用于密封上接头13和外壳体12之间的间隙。第二密封圈槽131的数量为两个，沿上接头13的轴向分布。位于第二密封圈槽131上方的上接头13的外表面上设有外螺纹，在外壳体12的上部内侧壁上设有内螺纹，从而实现二者之间的螺纹连接。上接头13的上部的外表面呈锥形斜面，用于连接上部钻具，在该锥形斜面的外侧壁上设有外螺纹结构，该外螺纹结构采用一般选用NC50型螺纹结构。

下面将介绍本实施例的旋转配流式复合冲击器1的内部结构。

图10为本发明一实施例提供的芯筒的结构简图；图11为图10的剖视图；请继续参照图1、图10和图11。可选的，在本实施例中异型钻头座11的台阶面113的上端固定设有芯筒15，芯筒15的上端与上接头13固定连接，芯筒15与异型钻头座11和上接头13之间的固定连接方式均可选用螺纹连接的方式。芯筒15内也设有沿轴向凸起的台阶面151，芯筒15的台阶面151将芯筒的内部分成芯筒上腔体152和芯筒下腔体153，芯筒15的台阶面151上设有喷座16，喷座16的外侧套设有旋转配流轴17，旋转配流轴17的上端与上接头13可转动相连；即，在本实施例中喷座16和旋转配流轴17均位于芯筒上腔体152内。芯筒15的外侧套设有往复式冲击元件14，往复式冲击元件14位于芯筒15和外壳体12之间。

图12为本发明一实施例提供的喷座的结构简图；请继续参照图1和图12。本实施例中，喷座16的作用是为旋转配流轴17提供旋转支撑，进一步的，本实施例中，喷座16包括本体161和设置在本体161上的凸台162，旋转配流轴17套设在凸台162的外侧；本体161的周向外侧还设有固定环163，固定环163与本体161之间设有多个扰流翼板164，多个扰流翼板164沿周向均匀分布，该扰流翼板164可以改变进入到芯筒下腔体153内的钻井液的压力。

进一步的，在喷座16内设有联通旋转配流轴17和芯筒下腔体153的通孔，且通孔的内径小于旋转配流轴17的内径；由于通孔的内径旋转配流轴17的内径，导致流经此处的钻井液在通孔两侧的压力实现变化，通常为提高钻井液的压力变化，可以将通孔的直径设置成远小于旋转配流轴17的内径。

图13为本发明一实施例提供的旋转配流轴的结构简图；图14为图13沿第一方向的剖视图；图15为图13沿第二方向的剖视图；请继续参照图1、图4-5和图13-15。在本实施例中，往复式冲击元件14内设有沿轴向方向凸起的台阶面143，往复式冲击元件14的台阶面143将往复式冲击元件14内部分成往复式冲击元件上腔体144和往复式冲击元件下腔体145。旋转配流轴17还包括四个配流块171，配流块171用于联通旋转配流轴17和芯筒15，四个配流块171两两成组、且分别与往复式冲击元件上腔体144和往复式冲击元件下腔体145相对应，每一组中的配流块171均沿旋转配流轴17的竖截面对称分布，两组配流块171之间的组间距离可根据系统水力参数优化得出。

在配流块171的侧壁上还设有与旋转配流轴17的外表面的切线方向相平行的喷嘴1711，同一配流块171中的喷嘴1711均位于同一侧面上，即在配流块171中喷嘴1711均设置在同一侧面上，其他侧面均为封闭面；位于同一组配流块171中的喷嘴1711朝向相反，使得旋转配流轴17始终朝向同一方向旋转。

芯筒15上设有联通芯筒15和往复式冲击元件14的槽口154，槽口154的数量与配流块171的数量相等，槽口154也呈两组对称分布，且同一组槽口154与同一组配流块171位于同一水平面上。

进一步的，在旋转配流轴17的上端与上接头13之间还设有轴套18，轴套18的下端与旋转配流轴17的上端可转动连接。

图16为本发明一实施例提供的回转支撑的结构简图；请继续参照图1、图13和图16。具体的，在轴套18与旋转配流轴17之间还设有回转支撑19，回转支撑19起到类似轴承的作用，其包括外环191和内环192，内环192可相对于外环191转动。在内环192的内侧壁上设有键槽193，旋转配流轴17的外侧壁上设有连接键172，通过连接键172和键槽193的配合实现旋转配流轴17和回转支撑19的连接。回转支撑19的外环191的端面上还设有销钉孔194，通过销钉23将回转支撑19的外环191与轴套18连接，从而固定外环191。

下面对本实施例实现钻井液压差的过程进行详细描述，以使本实施例的方案更加清楚。

在底部钻具未产生粘滑运动时，上接头13将扭矩传递给外壳体12，外壳体12再通过牙掌之间的作用驱动异型钻头座11旋转，此时异型钻头座11与外壳体12的牙掌在与旋转方向相同的一面接触，而在另一侧的牙掌相对面之间则留出一段间隙，这时，钻头所需的扭矩主要由上部钻具提供。钻井液在通过上接头13之后进入轴套18中，并进一步进入旋转配流轴17中的管体通道；此时钻井液主要分为四组去向，第一组：大部分的钻井液经过旋转配流轴17进入喷座16中，通过通孔进入芯筒15的芯筒下腔体153，由于通孔的内径远小于与旋转配流轴17的内径，使得芯筒上腔体152中的高压钻井液的压力进一步升高，在小空间范围内形成高压系统。第二组：钻井液由旋转配流轴17进入配流块171中，并经过喷嘴1711高速喷出，喷出1711喷出的高压钻井液再进入由芯筒15与旋转配流轴17之间的腔室，并进一步通过喷座16上的扰流翼板164进入到芯筒下腔体153中，由于喷座16对流场压力的改变，芯筒下腔体153中的压力相对旋转配流轴17内的压力为低压系统。第三组：钻井液通过芯筒15上的槽口154进入往复式冲击元件下腔体145内，从而将旋转配流轴17内的较高压力钻井液引入到往复式冲击元件下腔体145中。第四组：芯筒15与旋转配流轴17之间的腔室中的钻井液通过在芯筒15上垂直配置的槽口154引入到往复式冲击元件上腔体144中，由于该部分钻井液与第二组钻井液压力体系一致，因此相对第三组钻进液，第四组钻井液在往复式冲击元件上腔体144中形成较低压力系统。通过这四组钻井液的配置，在往复式冲击元件14的上下两个腔体中将形成压力差，并作用在锤体内部的台阶面143上，从而在两侧不同压力的推动下实现锤体的运动，图1所示为某时刻高压钻井液进入往复式冲击元件下腔体145并推动往复式冲击元件14向上运动的状态。

由于旋转配流轴17中喷嘴1711的直径较小，喷嘴1711内外也处于两套压力系统下，因此高压钻井液在高速喷出喷嘴1711之后会为旋转配流轴17提供扭矩，驱动旋转配流轴17以一定角速度旋转，与此同时，芯筒15采用螺纹连接方式固定在工具内部，旋转配流轴17上的配流块171与芯筒15上的槽口154是周期性连通的。由于配流块171沿对称分布，而芯筒15上的槽口也呈对称分布，因此旋转配流轴17每转动一圈，往复式冲击元件14中的压力连续改变四次，从而完成锤体的四次运动(两次向上，两次向下)。往复式冲击元件14在每次向下运动时，锤体本身积蓄动能，并通过工作面与异型钻头座11上的工作面接触，由于锤体上的工作面沿圆柱面分布，且工作面的开口方向与旋转方向一致，因此，锤体中的轴向冲击力将进一步转化为异型钻头座11同一旋转方向的轴向冲击与扭转冲击，从而加速破岩效果。由于旋转配流轴17的转速较高，因此冲击往复式冲击元件14内的两个腔体中高低压的转换频率较高，而往复式冲击元件14的运动幅度较小，从而实现高频低幅的冲击效果，更有利于岩石的立体破碎，也减小对工具本身的伤害。

若底部的钻具发生粘滑运动，外壳体12的转速相对较慢，使得正常工作状态下与异型钻头座11的牙掌接触面开始脱离，此时，异型钻头座11由于地层中阻力矩的存在，转速也会逐渐降低，钻头对地层的切削力效果也逐渐减弱。而在此种状况下，本实施例的往复式冲击元件14并不受影响，其作用的原理与未发生粘滑运动时一致，只是此时往复式冲击元件14还可实现第一牙掌1111和第二牙掌121之间的距离补偿，从而降低钻头失速的可能，维持钻头的高速运转。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (10)

1.一种旋转配流式复合冲击器，其特征在于，包括异型钻头座、外壳体和上接头，所述外壳体的上端套设在所述上接头的下部，所述外壳体的下端套设在所述异型钻头座的上部，所述异型钻头座与所述外壳体转动相连；

所述外壳体内设有往复式冲击元件，在高压钻井液的冲击下所述往复式冲击元件可沿所述外壳体的轴向方向上下运动；所述异型钻头座的上部设有两个第一工作面和两个第二工作面，两个所述第一工作面和两个所述第二工作面均相对于所述异型钻头座的中轴面镜面对称分布，两个所述第一工作面为平行于所述异型钻头座的中轴面的平面，两个所述第二工作面为弧形面，所述弧形面沿所述异型钻头座的轴向延伸，且所述弧形面的一端与所述异型钻头座的端面相连，另一端与相邻的所述第一工作面的下端相连；所述往复式冲击元件的下部设有两个第三工作面和两个第四工作面，两个所述第三工作面为与两个所述第一工作面相适配的平面，两个所述第四工作面为与两个所述第二工作面相适配的弧形面。

2.根据权利要求1所述的旋转配流式复合冲击器，其特征在于，所述异型钻头座包括底座和设置在所述底座上的凸起部，所述第一工作面和第二工作面设置在所述凸起部上；所述底座的外侧壁上设有多个向上凸起的第一牙掌，多个所述第一牙掌沿所述底座的周向均匀分布；所述外壳体的下端设有多个用于与所述第一牙掌相配合的第二牙掌，所述第二牙掌沿所述外壳体的周向均匀分布。

3.根据权利要求2所述的旋转配流式复合冲击器，其特征在于，所述异型钻头座内设有沿轴向凸起的台阶面，所述异型钻头座的台阶面上端固定设有芯筒，所述芯筒的上端与所述上接头固定连接；所述芯筒内也设有沿轴向凸起的台阶面，所述芯筒的台阶面将所述芯筒的内部分成芯筒上腔体和芯筒下腔体，所述芯筒的台阶面上设有喷座，所述喷座的外侧套设有旋转配流轴，所述旋转配流轴的上端与所述上接头可转动相连；所述芯筒的外侧套设有所述往复式冲击元件，所述往复式冲击元件位于所述芯筒和所述外壳体之间。

4.根据权利要求3所述的旋转配流式复合冲击器，其特征在于，所述喷座包括本体和设置在所述本体上的凸台，所述旋转配流轴套设在所述凸台的外侧；所述本体的周向外侧还设有固定环，所述固定环与所述本体之间设有多个扰流翼板。

5.根据权利要求4所述的旋转配流式复合冲击器，其特征在于，所述喷座内设有联通所述旋转配流轴和芯筒下腔体的通孔，且所述通孔的内径小于所述旋转配流轴的内径。

6.根据权利要求5所述的旋转配流式复合冲击器，其特征在于，所述往复式冲击元件内设有沿轴向方向凸起的台阶面，所述往复式冲击元件的台阶面将所述往复式冲击元件内部分成往复式冲击元件上腔体和往复式冲击元件下腔体；所述旋转配流轴还包括四个配流块，所述配流块用于联通所述旋转配流轴和所述芯筒，四个所述配流块两两成组、且分别与所述往复式冲击元件上腔体和往复式冲击元件下腔体相对应，每一组中的所述配流块均沿所述旋转配流轴的竖截面对称分布。

7.根据权利要求6所述的旋转配流式复合冲击器，其特征在于，在所述配流块的侧壁上还设有与所述旋转配流轴的外表面的切线方向相平行的喷嘴，同一配流块中的所述喷嘴均位于同一侧面上，位于同一组所述配流块中的所述喷嘴朝向相反。

8.根据权利要求7所述的旋转配流式复合冲击器，其特征在于，所述芯筒上设有联通所述芯筒和所述往复式冲击元件的槽口，所述槽口与所述配流块位于同一水平面上。

9.根据权利要求8所述的旋转配流式复合冲击器，其特征在于，所述旋转配流轴的上端与所述上接头之间还设有轴套，所述轴套的下端与所述旋转配流轴的上端可转动连接。

10.根据权利要求9所述的旋转配流式复合冲击器，其特征在于，所述轴套与所述旋转配流轴之间还设有回转支撑，所述回转支撑包括外环和内环，所述外环与所述轴套固定连接，所述内环可相对于所述外环转动；在所述旋转配流轴的外侧壁上设有连接键，所述内环的内侧壁上设有键槽，通过所述连接键和键槽的配合实现所述旋转配流轴和所述回转支撑的连接。