CN108625769B - 扭转冲击钻井提速工具 - Google Patents

Abstract

本发明为一种扭转冲击钻井提速工具，包括外壳本体，外壳本体内设有外壳中心孔，外壳本体的另一端设有钻头座，钻头座内设置有钻头座中心孔，钻头座中心孔远离外壳本体的一端能密封套设钻头；外壳中心孔内同轴套设有驱动轴，驱动轴内设置有沿轴向贯通设置的驱动轴中心孔，驱动轴的一端穿设于钻头座中心孔内，驱动轴的一端的外壁上套设有能对钻头座产生周向往复冲击的、且轴向固定的周向冲击结构，周向冲击结构内设置有沿轴向贯通设置的周向冲击结构中心孔，周向冲击结构中心孔与驱动轴中心孔能连通地设置。该扭转冲击钻井提速工具结构简单，使用寿命长，并且能改善钻头的切削状态，延长钻头使用寿命，提高钻头破碎岩石的效率。

Description

扭转冲击钻井提速工具

技术领域

本发明涉及石油开发领域中的井下钻井工具，尤其涉及一种扭转冲击钻井提速工具。

背景技术

在钻井工程中，机械钻速的提高是永恒的目标。随着石油勘探开发的发展，深井、超深井的比例逐渐增大。而在深井、超深井的钻井过程中，容易出现机械钻速低、钻头使用寿命低等问题，这些问题大幅度的增加了钻井成本。

在深井、超深井的钻进过程中，其难点在于岩石的硬度很高，其破碎需要的能量较大。目前所通用的钻井方式中，多采用机械破岩的方式，即采用钻头切削破碎岩石。

钻头中，使用较多的为PDC钻头，其通过镶嵌在钻头胚体上的PDC切削齿对岩石进行剪切。PDC切削齿的缺点为抗冲击载荷的能力较差，而在深井硬质地层的钻进过程中，钻压的波动情况难以避免，即产生较为严重的轴向振动，一旦出现这种情况，PDC钻头切削齿吃入岩石内部的深度会发生改变，并使得钻头处的扭矩发生波动，易出现PDC钻头切削齿的崩齿。

目前，一些研究人员提出了给PDC钻头提供高频低幅往复的扭转冲击的方式，并研制了相应的扭力冲击器，该类工具得到了一定的应用，同时也出现了一定的问题，例如工具内的运动部件较多，且工作介质中含有一定的颗粒状的物质，这就使得工具表面的耐磨处理的要求比较高，常常使得工具的使用寿命达不到现场需求。

出现上述的问题，主要是由于工具内部结构所造成的，目前的大部分的扭力冲击器采用的是“面-面”接触的摩擦方式，尤其是在承受载荷的位置处，会使得此处的寿命出现严重的下降，一旦磨损到一定程度，相应的通道会出现泄漏、运动部件尺寸出现偏差等，使得工具提前失效，造成破岩效率较低，钻井成本较高。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种扭转冲击钻井提速工具，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种扭转冲击钻井提速工具，克服现有技术中存在的钻头切削齿易崩齿、扭力冲击器易失效等技术问题，该扭转冲击钻井提速工具结构简单，使用寿命长，并且能改善钻头的切削状态，延长钻头使用寿命，提高钻头破碎岩石的效率。

本发明的目的是这样实现的，一种扭转冲击钻井提速工具，包括一端能与钻铤密封连接的外壳本体，所述外壳本体内设有沿轴向贯通的外壳中心孔，所述外壳本体的另一端设有自外向内地同轴固定套设于所述外壳中心孔内的钻头座，所述钻头座内设置有沿轴向贯通设置的钻头座中心孔，所述钻头座中心孔远离所述外壳本体的一端能同轴密封套设钻头；所述外壳中心孔内同轴套设有轴向固定且能绕所述外壳中心孔的中心轴周向转动的驱动轴，所述驱动轴内设置有沿轴向贯通设置的驱动轴中心孔，所述驱动轴的一端穿设于所述钻头座中心孔内，所述驱动轴的一端的外壁上套设有能对所述钻头座产生周向往复冲击的、且轴向固定的周向冲击结构，所述周向冲击结构内设置有沿轴向贯通设置的周向冲击结构中心孔，所述周向冲击结构中心孔与所述驱动轴中心孔能连通地设置。

在本发明的一较佳实施方式中，所述周向冲击结构包括一端固定套设于所述钻头座中心孔内的换向套结构，所述换向套结构内设有沿轴向贯通的换向套中心孔，所述换向套结构上沿周向间隔设置有呈十字交叉设置的第一换向透槽和第二换向透槽，所述换向套结构的外壁上转动套设有轴向固定且能绕所述外壳中心孔的中心轴往复摆动的摆锤，所述摆锤的外壁上设有两个沿轴向贯通、且径向对称设置的摆锤扇形外凸柱，所述摆锤的侧壁上位于各所述摆锤扇形外凸柱的周向两侧分别设置第一摆锤侧壁透槽和第二摆锤侧壁透槽，所述钻头座的侧壁上设置有与各所述摆锤扇形外凸柱分别对应设置的钻头座扇形透槽，各所述摆锤扇形外凸柱能摆动地设置在对应的所述钻头座扇形透槽内，所述钻头座扇形透槽的圆心角大于所述摆锤扇形外凸柱的圆心角，所述驱动轴的一端的侧壁上设有两个沿轴向贯通、且径向对称设置的驱动轴扇形外凸柱，各所述驱动轴扇形外凸柱的外壁能转动地抵靠套设于所述换向套结构的内壁上，各所述驱动轴扇形外凸柱上设置有径向贯通的驱动轴侧壁透槽，所述换向套结构的内壁与所述驱动轴的外壁之间呈径向间隔设置，所述钻头座中心孔内还固定套设有节流支撑体，所述节流支撑体的一端设置有直径呈减小设置的支撑体凸柱部，所述驱动轴的一端能转动地密封套设于所述支撑体凸柱部的外壁上，所述节流支撑体内设置有沿轴向贯通设置的支撑体中心孔，所述支撑体中心孔的孔径尺寸小于所述驱动轴中心孔的孔径尺寸，所述节流支撑体的侧壁上设有多个能连通所述换向套中心孔和所述支撑体中心孔的支撑体侧壁透孔，所述支撑体中心孔构成所述周向冲击结构中心孔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述外壳中心孔内设置有直径呈减小设置的第一台阶部和第二台阶部，所述第一台阶部和所述第二台阶部沿轴向间隔设置，所述钻头座的一端的端面轴向顶抵于所述第二台阶部上，所述摆锤的一端的端面轴向顶抵于所述第二台阶部上，所述外壳中心孔内位于所述第一台阶部和所述第二台阶部之间设置有第三台阶部，所述换向套结构的另一端的端面轴向顶抵于所述第三台阶部上；所述钻头座中心孔内设置有直径呈减小设置的第四台阶部，所述摆锤的另一端的端面轴向顶抵于所述第四台阶部上；所述钻头座中心孔内还设置有直径呈减小设置的第五台阶部，所述换向套结构的一端的端面轴向顶抵于所述第五台阶部上；所述钻头座中心孔内还设置有直径呈减小设置的第六台阶部，所述节流支撑体的另一端的端面轴向顶抵于所述第六台阶部上。

在本发明的一较佳实施方式中，各所述支撑体侧壁透孔自内向外地斜向靠近所述驱动轴扇形外凸柱的方向设置。

在本发明的一较佳实施方式中，所述驱动轴远离所述周向冲击结构的一侧的外壁与所述外壳中心孔的内壁之间设置轴向固定且能带动所述驱动轴转动的涡轮副结构，所述驱动轴的侧壁上位于所述涡轮副结构靠近所述周向冲击结构的一端的位置沿周向设置有多个径向贯通的驱动轴侧透孔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述涡轮副结构包括固定套设于所述驱动轴上的转子结构，所述涡轮副结构还包括所述外壳中心孔的内壁上套设的定子结构。

在本发明的一较佳实施方式中，所述驱动轴上位于所述涡轮副结构靠近所述周向冲击结构的一端的位置转动套设有轴向固定的止推轴承，所述止推轴承的外圈固定套设于外壳中心孔的内壁上，所述驱动轴上位于所述涡轮副结构远离所述周向冲击结构的一端的位置转动套设有轴向固定的扶正轴承，所述扶正轴承的外圈固定套设于外壳中心孔的内壁上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述外壳中心孔内设置有直径呈减小设置的第一台阶部，所述驱动轴的外壁上设置有能轴向顶抵于所述第一台阶部上的第七台阶部，所述止推轴承的一端轴向顶抵于所述第一台阶部上，所述止推轴承的另一端轴向顶抵于所述涡轮副结构的一端面上；所述外壳中心孔内远离所述周向冲击结构的一端设置有直径呈减小设置的第八台阶部，所述驱动轴上密封套设有卡环，所述卡环的外壁与所述外壳中心孔的内壁密封顶抵设置，所述卡环的一端面与所述第八台阶部轴向顶抵，所述卡环与所述扶正轴承之间设置有套设于所述外壳中心孔的内壁上的第一轴套，所述第一轴套的两端面分别与所述卡环的另一端面和所述扶正轴承的外圈的一端面轴向顶抵，所述驱动轴上还固定套设有一端面与所述卡环的另一端面顶抵的螺母结构，所述螺母结构与所述扶正轴承之间设置有套设于所述驱动轴上的第二轴套，所述第二轴套的两端面分别与所述螺母结构的另一端面和所述扶正轴承的内圈的一端面轴向顶抵。

在本发明的一较佳实施方式中，所述外壳本体包括外壳，所述外壳远离所述钻头座的一端密封连通套设有短接结构，所述短接结构位于所述外壳内部的一端面构成所述第八台阶部。

在本发明的一较佳实施方式中，所述钻头座位于所述外壳本体外部的一端与所述外壳本体的另一端之间通过牙龛结构龛合连接，所述钻头座与所述外壳中心孔的侧壁之间设置有能轴向固定所述钻头座的定位滚珠。

由上所述，本发明提供的扭转冲击钻井提速工具具有如下有益效果：

本发明的扭转冲击钻井提速工具结构简单，使用寿命长，周向冲击结构能对钻头产生扭转冲击载荷，增大钻头对岩石的切削载荷，改善钻头的切削状态，抑制钻头的扭转振动，实现钻头立体破岩，提高硬质地层的机械钻速，从而提高了破岩效率，降低了硬质地层的钻井成本；周向冲击结构不断往复摆动产生高频的周向冲击载荷，能够防止PDC钻头在切入深度较深时产生粘滑现象；

本发明的扭转冲击钻井提速工具结构中，驱动轴由涡轮副结构带动实现连续转动，驱动轴连续转动会改变驱动摆锤摆动的钻井液的流向，实现摆锤的往复摆动并对钻头座形成往复的扭转冲击载荷，涡轮副结构只需要带动驱动轴连续转动即可，不需承受大的扭矩，且其轴向载荷由止推轴承来承受，能够有效提高其使用寿命；

本发明的扭转冲击钻井提速工具采用机械结构提升破岩效率，未设置橡胶及电子元件等易损件，耐温性较好，使用寿命长。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的扭转冲击钻井提速工具的剖视图。

图2：为本发明的扭转冲击钻井提速工具的外观图。

图3：为本发明的驱动轴的示意图。

图4：为本发明的摆锤的示意图。

图5：为本发明的钻头座的示意图。

图6：为第一状态时图1中A-A处的剖视图。

图7：为第二状态时图1中A-A处的剖视图。

图中：

100、扭转冲击钻井提速工具；

1、外壳本体；11、外壳；12、短接结构；

2、钻头座；21、钻头座扇形透槽；

3、驱动轴；

31、驱动轴扇形外凸柱；311、驱动轴侧壁透槽；

32、涡轮副结构；33、驱动轴侧透孔；34、卡环；35、第一轴套；36、螺母结构；37、第二轴套；

4、周向冲击结构；

41、换向套结构；411、第一换向透槽；412、第二换向透槽；

42、摆锤；421、摆锤扇形外凸柱；4221、第一摆锤侧壁透槽；4222、第二摆锤侧壁透槽；

43、节流支撑体；431、支撑体侧壁透孔；432、支撑体凸柱部；

51、第一台阶部；52、第二台阶部；53、第三台阶部；54、第四台阶部；55、第五台阶部；56、第六台阶部；57、第七台阶部；58、第八台阶部；

61、止推轴承；62、扶正轴承。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1至图7所示，本发明提供一种扭转冲击钻井提速工具100，包括一端能与钻铤(现有技术)密封连接的外壳本体1(图1为扭转冲击钻井提速工具100正常工作状态的示意图，图1中外壳本体1的顶端连接钻铤)，外壳本体1内设有沿轴向贯通的外壳中心孔，外壳本体1的另一端设有自外向内地同轴固定套设于外壳中心孔内的钻头座2，钻头座2内设置有沿轴向贯通设置的钻头座中心孔，钻头座中心孔远离外壳本体1的一端能同轴密封套设钻头(现有技术，钻头内设置有沿轴向贯通设置的钻头中心孔，钻头中心孔与钻头座中心孔连通设置，钻头的自由端设置喷嘴)，为了更好实现与钻铤、钻头的密封连接，外壳本体1连接钻铤的一端设置外锥螺纹，钻头座中心孔远离外壳本体1的一端设置有用于连接钻头的内锥螺纹；外壳中心孔内同轴套设有轴向固定且能绕外壳中心孔的中心轴周向转动的驱动轴3，驱动轴3内设置有沿轴向贯通设置的驱动轴中心孔，驱动轴的一端穿设于钻头座中心孔内，驱动轴3的一端的外壁上套设有能对钻头座2产生周向往复冲击的、且轴向固定的周向冲击结构4，周向冲击结构4内设置有沿轴向贯通设置的周向冲击结构中心孔，周向冲击结构中心孔与驱动轴中心孔能连通地设置，外壳中心孔、驱动轴中心孔、周向冲击结构中心孔和钻头座中心孔顺序连通构成钻井液轴向通道，钻井液经钻铤和钻井液轴向通道流向钻头。本发明的扭转冲击钻井提速工具100结构简单，使用寿命长，周向冲击结构4能对钻头产生扭转冲击载荷，增大钻头对岩石的切削载荷，改善钻头的切削状态，抑制钻头的扭转振动，实现钻头立体破岩，提高硬质地层的机械钻速，从而提高了破岩效率，降低了硬质地层的钻井成本；周向冲击结构4不断往复摆动产生高频的周向冲击载荷，能够防止PDC钻头在切入深度较深时产生粘滑现象；本发明的扭转冲击钻井提速工具100采用机械结构提升破岩效率，未设置橡胶及电子元件等易损件，耐温性较好，使用寿命长。

进一步，如图1、图4、图5、图6、图7所示，周向冲击结构4包括一端固定套设于钻头座中心孔内的换向套结构41，换向套结构41内设有沿轴向贯通的换向套中心孔，换向套结构41上沿周向间隔设置有呈十字交叉设置的第一换向透槽411和第二换向透槽412，换向套结构41的外壁上转动套设有轴向固定且能绕外壳中心孔的中心轴往复摆动的摆锤42，摆锤42的外壁上设有两个沿轴向贯通、且径向对称设置的摆锤扇形外凸柱421，摆锤42的侧壁上位于各摆锤扇形外凸柱421的周向两侧分别设置第一摆锤侧壁透槽4221和第二摆锤侧壁透槽4222，钻头座2的侧壁上设置有与各摆锤扇形外凸柱421分别对应设置的钻头座扇形透槽21，各摆锤扇形外凸柱421能摆动地设置在对应的钻头座扇形透槽21内，钻头座扇形透槽21的圆心角大于摆锤扇形外凸柱421的圆心角，在钻井液的压力作用下，摆锤42能绕外壳中心孔的中心轴周向往复摆动，摆锤42摆动到周向两端的位置时，摆锤扇形外凸柱421的周向侧壁能碰撞钻头座扇形透槽21的侧壁，对钻头座2产生扭转冲击载荷；驱动轴3的一端的侧壁上设有两个沿轴向贯通、且径向对称设置的驱动轴扇形外凸柱31，各驱动轴扇形外凸柱31的外壁能转动地抵靠套设于换向套结构41的内壁上，各驱动轴扇形外凸柱31上设置有径向贯通的驱动轴侧壁透槽311，换向套结构41的内壁与驱动轴3的外壁之间呈径向间隔设置，钻头座中心孔内还固定套设有节流支撑体43，节流支撑体43的一端设置有直径呈减小设置的支撑体凸柱部432，驱动轴3的一端能转动地密封套设于支撑体凸柱部432的外壁上；节流支撑体43内设置有沿轴向贯通设置的支撑体中心孔，支撑体中心孔的孔径尺寸小于驱动轴中心孔的孔径尺寸，实现钻井液的轴向节流，使得驱动轴中心孔内的钻井液压力升高，从而使得钻井液能实现周向流动，使得周向冲击结构4产生扭转冲击载荷；节流支撑体43的侧壁上设有多个能连通换向套中心孔和支撑体中心孔的支撑体侧壁透孔431，支撑体中心孔构成周向冲击结构中心孔。驱动轴3的连续转动，钻井液经驱动轴侧壁透槽311、第一换向透槽411、第一摆锤侧壁透槽4221流向钻头座扇形透槽21内时，摆锤42在钻井液的作用下顺时针转动直至摆锤扇形外凸柱421的顺时针一侧的侧壁周向碰撞顶抵钻头座扇形透槽21的顺时针一侧的侧壁上，摆锤42对钻头座2产生顺时针的扭转冲击；钻井液经驱动轴侧壁透槽311、第二换向透槽412、第二摆锤侧壁透槽4222流向钻头座扇形透槽21内时，摆锤42在钻井液的作用下逆时针转动直至摆锤扇形外凸柱421的逆时针一侧的侧壁周向碰撞顶抵钻头座扇形透槽21的逆时针一侧的侧壁上，摆锤42对钻头座2产生逆时针的扭转冲击。随着驱动轴3的连续转动，摆锤42进行往复摆动并撞击到钻头座上形成往复的扭转冲击载荷。

进一步，如图1所示，外壳中心孔内设置有直径呈减小设置的第一台阶部51和第二台阶部52，第一台阶部51和第二台阶部52沿轴向间隔设置，钻头座2的一端的端面轴向顶抵于第二台阶部52上，摆锤42的一端的端面轴向顶抵于第二台阶部52上，外壳中心孔内位于第一台阶部51和第二台阶部52之间设置有第三台阶部53，换向套结构41的另一端的端面轴向顶抵于第三台阶部53上；钻头座中心孔内设置有直径呈减小设置的第四台阶部54，摆锤42的另一端的端面轴向顶抵于第四台阶部54上，第二台阶部52和第四台阶部54实现摆锤42的轴向定位；钻头座中心孔内还设置有直径呈减小设置的第五台阶部55，换向套结构41的一端的端面轴向顶抵于第五台阶部55上，第三台阶部53和第五台阶部55实现换向套结构41的轴向定位；钻头座中心孔内还设置有直径呈减小设置的第六台阶部56，节流支撑体43的另一端的端面轴向顶抵于第六台阶部56上。

在本实施方式中，如图1所示，各支撑体侧壁透孔431自内向外地斜向靠近驱动轴扇形外凸柱31的方向设置。各支撑体侧壁透孔431倾斜设置更有利于钻井液自换向套中心孔流向支撑体中心孔，各支撑体侧壁透孔431也可以垂直于支撑体中心孔的中心轴设置。

进一步，如图1、图3所示，驱动轴3远离周向冲击结构4的一侧(图1中驱动轴3的上部)的外壁与外壳中心孔的内壁之间设置轴向固定且能带动驱动轴3转动的涡轮副结构32(现有技术，其安装和使用与现有技术中的涡轮钻具中的涡轮结构相同)，涡轮副结构32包括固定套设于驱动轴3上的转子结构，涡轮副结构32还包括外壳中心孔的内壁上固定套设的定子结构，转子结构由呈弯曲设置的多个转子叶片沿周向间隔构成，定子结构由定子叶片沿周向间隔构成，定子叶片的弯曲方向与转子叶片的弯曲方向呈相反设置。涡轮副结构32内转子结构和定子结构的级数可以是一级也可以是多级，具体数量由扭转冲击钻井提速工具100的工作参数需求来确定，其结构简单，调整方式简单。驱动轴3的侧壁上位于涡轮副结构32靠近周向冲击结构4的一端的位置沿周向设置有多个径向贯通的驱动轴侧透孔33。钻井液经驱动轴侧透孔33喷射进入涡轮副结构32，钻井液喷射冲击转子叶片带动驱动轴3转动，钻井液的动能转化为驱动轴的转动机械能。

进一步，如图1所示，驱动轴3上位于涡轮副结构32靠近周向冲击结构4的一端的位置转动套设有轴向固定的止推轴承61，止推轴承61的外圈固定套设于外壳中心孔的内壁上，驱动轴3上位于涡轮副结构32远离周向冲击结构4的一端的位置转动套设有轴向固定的扶正轴承62，扶正轴承62的外圈固定套设于外壳中心孔的内壁上。止推轴承61能够承担较大的轴向载荷，扶正轴承62能够起到扶正驱动轴3的作用。

驱动轴3由涡轮副结构32带动实现连续转动，驱动轴3连续转动会改变驱动摆锤42摆动的钻井液的流向，实现摆锤42的往复摆动并对钻头座形成往复的扭转冲击载荷，涡轮副结构32只需要带动驱动轴3连续转动即可，不需承受大的扭矩，且其轴向载荷由止推轴承来承受，能够有效提高其使用寿命。

进一步，如图1、图3所示，驱动轴3的外壁上设置有能轴向顶抵于第一台阶部51上的第七台阶部57，止推轴承61的一端轴向顶抵于第一台阶部51上，止推轴承61的另一端轴向顶抵于涡轮副结构32的一端面上，第七台阶部57轴向顶抵于第一台阶部51上，将外壳中心孔封隔成互不连通的第一腔室和第二腔室，涡轮副结构32位于第一腔室内，钻头座2密封套设连接于第二腔室的内壁上；外壳中心孔内远离周向冲击结构4的一端设置有直径呈减小设置的第八台阶部58，驱动轴3上密封套设有卡环34，卡环34的外壁与外壳中心孔的内壁密封顶抵设置，卡环34的一端面与第八台阶部58轴向顶抵，卡环34与扶正轴承62之间设置有套设于外壳中心孔的内壁上的第一轴套35，第一轴套35的两端面分别与卡环34的另一端面和扶正轴承62的外圈的一端面轴向顶抵，驱动轴3上还固定套设有一端面与卡环34的另一端面顶抵的螺母结构36，螺母结构36与扶正轴承62之间设置有套设于驱动轴3上的第二轴套37，第二轴套37的两端面分别与螺母结构36的另一端面和扶正轴承62的内圈的一端面轴向顶抵。螺母结构36有效地起到驱动轴3防松作用。

在本发明的一具体实施例中，如图1、图2所示，外壳本体1包括外壳11，外壳11远离钻头座2的一端密封连通套设有短接结构12，短接结构12位于外壳11内部的一端面构成前述的第八台阶部58。短接结构12的自由端通过外锥螺纹密封连接钻铤。

进一步，如图1、图2所示，钻头座2位于外壳本体1外部的一端与外壳本体1的另一端之间通过牙龛结构龛合连接，实现钻头座2与外壳本体1之间的周向定位，钻头座2与外壳中心孔的侧壁之间设置有定位滚珠，钻头座2通过定位滚珠轴向固定在外壳本体1内。

使用本发明的扭转冲击钻井提速工具100进行硬质地层的钻井工作时，首先完成扭转冲击钻井提速工具100的组装，将钻头密封连接于钻头座2内，将钻铤密封连接于外壳本体1的一端，将扭转冲击钻井提速工具100下入井中直至钻头到达指定位置。

钻井开始前，驱动轴3、换向套结构41、摆锤42和钻头座2的位置处于第一状态，如图6所示，驱动轴扇形外凸柱31位于驱动轴侧壁透槽311顺时针一侧的外壁封堵于第一换向透槽411的径向内侧，第一换向透槽411的径向外侧与第一摆锤侧壁透槽4221连通，驱动轴扇形外凸柱31位于驱动轴侧壁透槽311逆时针一侧的外壁封堵于第二换向透槽412的径向内侧，第二换向透槽412的径向外侧与第二摆锤侧壁透槽4222、钻头座扇形透槽21连通，摆锤扇形外凸柱421的逆时针一侧的侧壁与钻头座扇形透槽21的逆时针一侧的侧壁周向顶抵；

开始钻井，钻井液自钻铤经外壳中心孔进入驱动轴中心孔，驱动轴中心孔内的钻井液在节流支撑体43的作用下被节流升压，一部分钻井液通过驱动轴侧透孔33流向涡轮副结构32进而带动驱动轴3顺时针转动(本发明的一具体实施例中的转动方向，可根据实际需求调整转动方向)，驱动轴侧壁透槽311与第一换向透槽411、第一摆锤侧壁透槽4221连通，构成高压进液通道，钻头座扇形透槽21通过第二摆锤侧壁透槽4222、第二换向透槽412、换向套中心孔、支撑体侧壁透孔431与支撑体中心孔连通，构成低压通道，钻井液经驱动轴侧壁透槽311、第一换向透槽411、第一摆锤侧壁透槽4221流向钻头座扇形透槽21内位于摆锤扇形外凸柱421的逆时针一侧，摆锤42在钻井液的作用下顺时针转动直至摆锤扇形外凸柱421的顺时针一侧的侧壁周向碰撞顶抵钻头座扇形透槽21的顺时针一侧的侧壁上，摆锤42对钻头座2产生顺时针的扭转冲击，此时驱动轴3、换向套结构41、摆锤42和钻头座2的位置处于第二状态，如图7所示，驱动轴扇形外凸柱31位于驱动轴侧壁透槽311逆时针一侧的外壁封堵于第一换向透槽411的径向内侧，第一换向透槽411的径向外侧与第一摆锤侧壁透槽4221、钻头座扇形透槽21连通，驱动轴扇形外凸柱31位于驱动轴侧壁透槽311顺时针一侧的外壁封堵于第二换向透槽412的径向内侧，第二换向透槽412的径向外侧与第二摆锤侧壁透槽4222连通；

驱动轴3继续顺时针转动，驱动轴侧壁透槽311与第二换向透槽412、第二摆锤侧壁透槽4222连通，构成高压进液通道，钻头座扇形透槽21内位于摆锤扇形外凸柱421的逆时针一侧通过第一摆锤侧壁透槽4221、第一换向透槽411换向套中心孔、支撑体侧壁透孔431与支撑体中心孔连通，构成低压通道，钻井液经驱动轴侧壁透槽311、第二换向透槽412、第二摆锤侧壁透槽4222流向钻头座扇形透槽21内位于摆锤扇形外凸柱421的顺时针一侧，摆锤42在钻井液的作用下逆时针转动，钻头座扇形透槽21内位于摆锤扇形外凸柱421的逆时针一侧的钻井液通过低压通道排出流向支撑体中心孔，摆锤42逆时针转动直至摆锤扇形外凸柱421的逆时针一侧的侧壁周向碰撞顶抵钻头座扇形透槽21的逆时针一侧的侧壁上，摆锤42对钻头座2产生逆时针的扭转冲击，此时驱动轴3、换向套结构41、摆锤42和钻头座2的位置处于第一状态，如图6所示。随着驱动轴3的连续转动，摆锤42进行往复摆动并撞击到钻头座上形成往复的扭转冲击载荷。

由上所述，本发明提供的扭转冲击钻井提速工具具有如下有益效果：

本发明的扭转冲击钻井提速工具结构简单，使用寿命长，周向冲击结构能对钻头产生扭转冲击载荷，增大钻头对岩石的切削载荷，改善钻头的切削状态，抑制钻头的扭转振动，实现钻头立体破岩，提高硬质地层的机械钻速，从而提高了破岩效率，降低了硬质地层的钻井成本；周向冲击结构不断往复摆动产生高频的周向冲击载荷，能够防止PDC钻头在切入深度较深时产生粘滑现象；

本发明的扭转冲击钻井提速工具结构中，驱动轴由涡轮副结构带动实现连续转动，驱动轴连续转动会改变驱动摆锤摆动的钻井液的流向，实现摆锤的往复摆动并对钻头座形成往复的扭转冲击载荷，涡轮副结构只需要带动驱动轴连续转动即可，不需承受大的扭矩，且其轴向载荷由止推轴承来承受，能够有效提高其使用寿命；

本发明的扭转冲击钻井提速工具采用机械结构提升破岩效率，未设置橡胶及电子元件等易损件，耐温性较好，使用寿命长。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种扭转冲击钻井提速工具，包括一端能与钻铤密封连接的外壳本体，所述外壳本体内设有沿轴向贯通的外壳中心孔，所述外壳本体的另一端设有自外向内地同轴固定套设于所述外壳中心孔内的钻头座，所述钻头座内设置有沿轴向贯通设置的钻头座中心孔，所述钻头座中心孔远离所述外壳本体的一端能同轴密封套设钻头；其特征在于，所述外壳中心孔内同轴套设有轴向固定且能绕所述外壳中心孔的中心轴周向转动的驱动轴，所述驱动轴内设置有沿轴向贯通设置的驱动轴中心孔，所述驱动轴的一端穿设于所述钻头座中心孔内，所述驱动轴的一端的外壁上套设有能对所述钻头座产生周向往复冲击的、且轴向固定的周向冲击结构，所述周向冲击结构内设置有沿轴向贯通设置的周向冲击结构中心孔，所述周向冲击结构中心孔与所述驱动轴中心孔能连通地设置；

所述周向冲击结构包括一端固定套设于所述钻头座中心孔内的换向套结构，所述换向套结构内设有沿轴向贯通的换向套中心孔，所述换向套结构上沿周向间隔设置有呈十字交叉设置的第一换向透槽和第二换向透槽，所述换向套结构的外壁上转动套设有轴向固定且能绕所述外壳中心孔的中心轴往复摆动的摆锤，所述摆锤的外壁上设有两个沿轴向贯通、且径向对称设置的摆锤扇形外凸柱，所述摆锤的侧壁上位于各所述摆锤扇形外凸柱的周向两侧分别设置第一摆锤侧壁透槽和第二摆锤侧壁透槽，所述钻头座的侧壁上设置有与各所述摆锤扇形外凸柱分别对应设置的钻头座扇形透槽，各所述摆锤扇形外凸柱能摆动地设置在对应的所述钻头座扇形透槽内，所述钻头座扇形透槽的圆心角大于所述摆锤扇形外凸柱的圆心角，所述驱动轴的一端的侧壁上设有两个沿轴向贯通、且径向对称设置的驱动轴扇形外凸柱，各所述驱动轴扇形外凸柱的外壁能转动地抵靠套设于所述换向套结构的内壁上，各所述驱动轴扇形外凸柱上设置有径向贯通的驱动轴侧壁透槽，所述换向套结构的内壁与所述驱动轴的外壁之间呈径向间隔设置，所述钻头座中心孔内还固定套设有节流支撑体，所述节流支撑体的一端设置有直径呈减小设置的支撑体凸柱部，所述驱动轴的一端能转动地密封套设于所述支撑体凸柱部的外壁上，所述节流支撑体内设置有沿轴向贯通设置的支撑体中心孔，所述支撑体中心孔的孔径尺寸小于所述驱动轴中心孔的孔径尺寸，所述节流支撑体的侧壁上设有多个能连通所述换向套中心孔和所述支撑体中心孔的支撑体侧壁透孔，所述支撑体中心孔构成所述周向冲击结构中心孔。

2.如权利要求1所述的扭转冲击钻井提速工具，其特征在于，所述外壳中心孔内设置有直径呈减小设置的第一台阶部和第二台阶部，所述第一台阶部和所述第二台阶部沿轴向间隔设置，所述钻头座的一端的端面轴向顶抵于所述第二台阶部上，所述摆锤的一端的端面轴向顶抵于所述第二台阶部上，所述外壳中心孔内位于所述第一台阶部和所述第二台阶部之间设置有第三台阶部，所述换向套结构的另一端的端面轴向顶抵于所述第三台阶部上；所述钻头座中心孔内设置有直径呈减小设置的第四台阶部，所述摆锤的另一端的端面轴向顶抵于所述第四台阶部上；所述钻头座中心孔内还设置有直径呈减小设置的第五台阶部，所述换向套结构的一端的端面轴向顶抵于所述第五台阶部上；所述钻头座中心孔内还设置有直径呈减小设置的第六台阶部，所述节流支撑体的另一端的端面轴向顶抵于所述第六台阶部上。

3.如权利要求1所述的扭转冲击钻井提速工具，其特征在于，各所述支撑体侧壁透孔自内向外地斜向靠近所述驱动轴扇形外凸柱的方向设置。

4.如权利要求1所述的扭转冲击钻井提速工具，其特征在于，所述驱动轴远离所述周向冲击结构的一侧的外壁与所述外壳中心孔的内壁之间设置轴向固定且能带动所述驱动轴转动的涡轮副结构，所述驱动轴的侧壁上位于所述涡轮副结构靠近所述周向冲击结构的一端的位置沿周向设置有多个径向贯通的驱动轴侧透孔。

5.如权利要求4所述的扭转冲击钻井提速工具，其特征在于，所述涡轮副结构包括固定套设于所述驱动轴上的转子结构，所述涡轮副结构还包括所述外壳中心孔的内壁上套设的定子结构。

6.如权利要求4所述的扭转冲击钻井提速工具，其特征在于，所述驱动轴上位于所述涡轮副结构靠近所述周向冲击结构的一端的位置转动套设有轴向固定的止推轴承，所述止推轴承的外圈固定套设于外壳中心孔的内壁上，所述驱动轴上位于所述涡轮副结构远离所述周向冲击结构的一端的位置转动套设有轴向固定的扶正轴承，所述扶正轴承的外圈固定套设于外壳中心孔的内壁上。

7.如权利要求6所述的扭转冲击钻井提速工具，其特征在于，所述外壳中心孔内设置有直径呈减小设置的第一台阶部，所述驱动轴的外壁上设置有能轴向顶抵于所述第一台阶部上的第七台阶部，所述止推轴承的一端轴向顶抵于所述第一台阶部上，所述止推轴承的另一端轴向顶抵于所述涡轮副结构的一端面上；所述外壳中心孔内远离所述周向冲击结构的一端设置有直径呈减小设置的第八台阶部，所述驱动轴上密封套设有卡环，所述卡环的外壁与所述外壳中心孔的内壁密封顶抵设置，所述卡环的一端面与所述第八台阶部轴向顶抵，所述卡环与所述扶正轴承之间设置有套设于所述外壳中心孔的内壁上的第一轴套，所述第一轴套的两端面分别与所述卡环的另一端面和所述扶正轴承的外圈的一端面轴向顶抵，所述驱动轴上还固定套设有一端面与所述卡环的另一端面顶抵的螺母结构，所述螺母结构与所述扶正轴承之间设置有套设于所述驱动轴上的第二轴套，所述第二轴套的两端面分别与所述螺母结构的另一端面和所述扶正轴承的内圈的一端面轴向顶抵。

8.如权利要求7所述的扭转冲击钻井提速工具，其特征在于，所述外壳本体包括外壳，所述外壳远离所述钻头座的一端密封连通套设有短接结构，所述短接结构位于所述外壳内部的一端面构成所述第八台阶部。

9.如权利要求1所述的扭转冲击钻井提速工具，其特征在于，所述钻头座位于所述外壳本体外部的一端与所述外壳本体的另一端之间通过牙龛结构龛合连接，所述钻头座与所述外壳中心孔的侧壁之间设置有能轴向固定所述钻头座的定位滚珠。