CN109681114B - 应用于pdc钻头提速的双向高频扭力冲击器 - Google Patents

Abstract

一种应用于PDC钻头提速的双向高频扭力冲击器，包含钻具主体，其中所述钻具主体内设有用于安装扭力冲击组件的冲击工作腔，所述扭力冲击组件包含压力切换控制弹簧、扭力冲击摆锤和扭力传送接头，所述钻具主体的一端联结于钻杆，另一端联结扭力传送接头以传递动力，压力切换控制弹簧紧压扭力冲击摆锤，随着压力的变化扭力冲击摆锤实现轴向及径向的反复冲击，扭力冲击摆锤的冲击力量直接传递至扭力传送接头，扭力传送接头直接与钻头联结；本发明克服PDC金刚石复合片钻头在钻井作业中粘滑，停顿，瞬间冲击造成PDC钻头损坏的问题，使用中钻头能更有效长寿命的作业，达到提高钻速和延长进尺的功效。

Description

应用于PDC钻头提速的双向高频扭力冲击器

技术领域

本发明涉及钻井勘探工具的技术领域，尤其涉及一种应用于PDC钻头提速的双向高频扭力冲击器，其巧妙的将泥浆的流体能量转换成轴向及径向的，高频的，均匀稳定的机械冲击能量，并且直接传递给PDC钻头，使钻头和井底始终保持连续性，使得PDC钻头在钻井作业中能够获得更长的寿命，更多的进尺数据，同时也提高钻井速度，延长其他钻具的寿命，特别是在石油钻探行业，其推广使用为客户带来客观的经济效率，缩短钻井周期，减少起下钻次数。

背景技术

PDC钻头普遍用于地质勘探，煤田钻采，石油勘探等领域，在近年来，PDC钻头使用中事故率低，钻进速度快，其每年的钻井进尺数量一直上升，使用十分广泛，但是在井下作业时，PDC钻头的运动是及其无序的，包括横向、纵向、和扭向的振动及这些振动的组合，而这些振动会导致单个PDC切削齿的损坏，一旦有切削齿损坏，将会造成更多的切削齿做功不均匀，受力不平衡，PDC钻头的寿命将极速衰减，扭矩波动干扰定向控制和随钻测井LWD信号产生不规则井眼质量降低井身质量，钻头提前结束寿命，不仅影响PDC钻头应有的钻进寿命进尺数降低，钻头提前起钻，并且伴随着PDC的损坏，钻井速度会急剧减慢，导致钻井周期延长以及钻井事故增加的风险。

PDC钻头在井下作业时理想的状态下由钻具把压力传递给钻头，并且钻具带动钻头旋转，PDC切削齿切除岩石，这是理想期望的井眼。但实际使用中这种理想状态是不存在的，钻头由于受到地层变化，压力变化，流场变化，力传递延迟，在井下运动是及其无序的，经常产生粘滑现象，造成大量的成本浪费。经常情况为当钻头刚吃入地层，扭力不足，钻头暂时停顿，此时钻头不动，而钻杆还在旋转传递压力和扭力，此刻扭矩力量不断的在整个钻杆上积蓄，钻杆处于扭曲状体，而当岩石塑性变形力达到临界值后，钻柱上的扭力应力突然得到释放，这时钻头就会突然一下加速旋转，然后切削齿与岩石发生激烈的碰撞，就像飞车撞车一样，造成PDC切削齿的冲击损坏，数据统计显示这种损坏在钻井作业中占PDC钻头失效形式的80％。由扭力冲击器提供的额外的冲击力完全改变了PDC钻头的运动方式，其在作业是这种粘滑现象得到大大的消除，在岩石切削时钻头平稳均匀的进行切削，这样很大的提高机械钻速，延长钻头及其他钻具寿命。

目前国内使用较多的扭力冲击器以国外某公司Torkbuster为代表，其对钻井液的要求极高，使用费用昂贵。其次是某石油大学研制的扭力冲击器，动力部分以叶轮驱动或者螺杆马达驱动，冲击部分多为凸轮旋转冲击传递至钻头，造价昂贵，使用寿命不长，所以在市场上未得到很好的推广及认可。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种应用于PDC钻头提速的双向高频扭力冲击器，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于PDC钻头提速的双向高频扭力冲击器，其克服PDC金刚石复合片钻头在钻井作业中粘滑，停顿，瞬间冲击造成PDC钻头损坏的问题，目前行业内提供的扭力冲击器一般只能实现径向扭力传递，本发明增加了轴向冲击，并且在轴向还安装有轴向推力碟簧组，用于吸收来自钻柱的轴向震动，使用中钻头能更有效长寿命的作业，达到提高钻速和延长进尺的功效。

为解决上述问题，本发明公开了一种应用于PDC钻头提速的双向高频扭力冲击器，包含钻具主体，其中所述钻具主体内设有用于安装扭力冲击组件的冲击工作腔，所述扭力冲击组件包含压力切换控制弹簧、扭力冲击摆锤和扭力传送接头，其特征在于：

所述扭力冲击摆锤设置于冲击工作腔内且套合于扭力传送接头的一端，所述压力切换控制弹簧设置于冲击工作腔内且两端分别抵靠扭力冲击摆锤和钻具主体，所述钻具主体的一端联结于钻杆，另一端联结扭力传送接头以传递动力，压力切换控制弹簧紧压扭力冲击摆锤，随着压力的变化扭力冲击摆锤实现轴向及径向的反复冲击，扭力冲击摆锤的冲击力量直接传递至扭力传送接头，扭力传送接头直接与钻头联结。

其中：所述钻具主体的另一端设置有钻具主体止转槽，用于与扭力传送接头的钻具扭力传送，所述钻具主体的一端设有钻杆联结螺纹接头以用于于钻杆联结。

其中：所述扭力冲击摆锤包含为下开口式的圆筒结构并套合于扭力传动接头的上端以绕其进行旋转以及轴向运动，所述圆筒式结构的内壁对应固定有两结构相同的冲击锤体，各冲击锤体内设置有摆锤泄压孔和摆锤泄压槽，两冲击锤体的下端分别对应设置有摆锤上升推动斜面，所述圆筒式结构设有连通于上方的摆锤蓄能导流孔和摆锤冲击导流孔。

其中：所述扭力传送接头的中部设有至少一个防掉槽，所述防掉槽安装防掉环以及防掉螺栓，所述扭力传送接头的中部设有台阶部，且台阶部和钻具主体的内台阶之间设有轴向吸震碟簧组。

其中：所述扭力传送接头的上端两侧设有容置冲击锤体的缺口部以及位于缺口部之间的连接部，在该上端设有随动封隔器压力传递孔，所述随动封隔器压力传递孔使得液流在蓄能时把压力传递至压力切换随动封隔器使其能随之轴向运动，所述上端的端部设有横向贯通且位于两缺口部之间的随动封隔器安装槽，以用于安装压力切换随动封隔器，从而能把液流分为两个舱室，并且由液压面积的变化实现高压及低压仓的来回转换，所述两缺口部的内侧位置对应设有压力开关阀旋转阀芯安装孔，以用于安装压力开关阀的旋转阀芯。

其中：所述缺口部的一侧为径向扭力传递冲击面，以承受扭力冲击摆锤径向做功冲击时的扭力冲击力；且在该径向扭力传递冲击面上设有蓄能压力流道，从而在于冲击完成后液流通过摆锤蓄能导流孔流入后传递压力。

其中：所述缺口部设有蓄能增压仓泄压槽，以用于摆锤冲击完成后蓄能过程中低压仓液流排走，所述缺口部的下端设有摆锤上升推力传递斜面，所述摆锤上升推力传递斜面与摆锤上升推动斜面配合，当扭力冲击摆锤受到径向压力时，把力分解为轴向力推动扭力冲击摆锤轴向运动。

其中：所述防掉环和钻具主体与扭力传送接头的防掉槽之间预留一定的轴向间隙，以在正常工作时，由于受到轴向吸震碟簧组的推力限制，扭力传送接头处于钻具主体的最前端，当受到较大的钻柱轴向冲击时碟簧吸震受到压缩，扭力传动接头相对于钻具主体轴向运动，被压回一定距离从而使钻头在工作时受到的振动、冲击能量都是均衡的。

其中：压力切换随动封隔器下部设置有随动封隔器弹簧，使其能随扭力冲击摆锤上下运动是紧密贴合，对液流进行分割，在扭力传送接头上设置有传压孔，在压力驱动下亦推动压力切换封隔器的往复运动。

其中：所述压力开关阀可为三棱形，当液压扭力冲击摆锤蓄能时，其为关闭状态，此时进水口流入的液流不能通过冲击腔，处于半封闭状态，当液压扭力冲击摆锤运动到要求位置后，压力开关阀在憋压状态下突然旋转，形成泄压。

通过上述内容，本发明应用于PDC钻头提速的双向高频扭力冲击器具有如下效果：

1、与钻头直接联结，牢固可靠，扭力冲击器内部除了密封圈外，无橡胶元件，无电子元件，内部尺寸紧凑，机械结构简单，泥浆流道通畅，在使用中即使扭力冲击器失效，它相当于一个钻头短接，也并不影响继续钻井作业。使用扭力冲击器可以大大增加机械钻头和钻井导向性，钻头更有效剪切破碎岩石，泥浆流量流速增加，冲击能量也随之增大，钻头机械钻头和冲击频率也相应提高。其产生的稳定均匀的冲击不会造成PDC钻头切削元件的损坏，在延长钻头寿命的同时减弱其他钻具的疲劳强度，延长钻具寿命

2、在钻具主体两端设置有进水口及出水口，钻具主体内部一共分为泥浆分配部分，动力冲击部分，冲击驱动部分，冲击驱动部分与钻头联结一体传递轴向及径向的冲击力，并且可降低钻具轴向的震动危害。动力冲击部分设置有冲击腔，压力蓄能腔，扭力冲击摆锤，泥浆压力切换阀门。冲击驱动部分设置有密封圈，防掉环，吸震碟簧组。本发明相对其他钻具增加了轴向的缓冲，在作业时同时在轴向及径向均实现冲击，更加全面保护PDC钻头的切削齿，本工具结构简单，扭力大，动力部分无橡胶元件，无电子元件，使用寿命长，即时损坏也不会对继续钻井造成影响，随泥浆压力增加，冲击频率即提高，加工简单，使用寿命长，对泥浆要求低，制造成本低。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明应用于PDC钻头提速的双向高频扭力冲击器结构示意图。

图2显示了本发明的部件分解装配示意图。

图3A和图3B显示了本发明中扭力冲击摆锤结构示意图

图4显示了本发明中扭力传送接头截面及液流开关阀示意图

图5显示了本发明中扭力传送接头结构示意图

图6显示了本发明中扭力冲击摆锤压力腔变化运动示意图

图7A显示了本发明中冲击摆锤蓄压准备状态示意图

图7B显示了本发明中冲击摆锤泄压冲击状态示意图

图8显示了本发明工作时扭力冲击及轴向力冲击示意图。

图中：1、钻具主体；1-0、进水口；1-1、防掉螺栓，1-2、钻具主体止转槽，1-3、钻杆联结螺纹接头，2、压力切换控制弹簧；3、扭力冲击摆锤；3-1、冲击锤体；3-2、摆锤泄压孔；3-3、摆锤上升推动斜面；3-4、摆锤蓄能导流孔；3-5、摆锤冲击导流孔；3-6、摆锤安装螺栓；3-7摆锤泄压槽；4、压力切换随动封隔器；5、随动封隔器弹簧；6、压力开关阀；6-1旋转阀芯；7、密封圈；8、轴向吸震碟簧组；9、防掉环；10、扭力传送接头；10-0、API内螺纹接口；10-1、下出水口；10-2、扭力传送接头止转槽；10-3、外密封槽；10-4、防掉槽；10-5内密封槽；10-6、随动封隔器压力传递孔，10-7、随动封隔器安装槽；10-8、压力开关阀旋转阀芯安装孔；10-9、轴向力传递冲击面；10-10、径向扭力传递冲击面；10-11、蓄能压力流道；10-12、蓄能增压仓泄压槽；10-13、摆锤上升推力传递斜面；11、密封圈；12、金刚石PDC钻头；13、固定螺栓。

具体实施方式

参见图1至图8所示，本发明中应用于PDC钻头提速的双向高频扭力冲击器的所有配件进行按照图示进行装配组合后构成本发明本体，在工作时，液流压力能量的转换为轴向锤击，径向冲击能量至钻头，轴向碟簧组进行吸震，保护轴向钻柱冲击保护钻头。

所述应用于PDC钻头提速的双向高频扭力冲击器包含钻具主体1，其中所述钻具主体1内设有用于安装扭力冲击组件的冲击工作腔，所述扭力冲击组件包含压力切换控制弹簧2、扭力冲击摆锤3和扭力传送接头10，所述扭力冲击摆锤3设置于冲击工作腔内且套合于扭力传送接头10的一端，所述压力切换控制弹簧2设置于冲击工作腔内且两端分别在压力作用下顶住扭力冲击摆锤3和钻具主体1，所述钻具主体1的一端联结于钻杆，另一端联结扭力传送接头10以传递动力。

其中，所述钻具主体1中间设置有进水口1-0，作为液流流入通道，下部设置有贯通钻具主体1以用于安装扭力传送接头10的防掉螺栓1-1，起到防止扭力传送接头10掉落的安全作用，且钻具主体1内还设置有密封槽、防掉槽和安装台阶，防掉槽可用于压力切换控制弹簧2的限位止推，安装台阶用于轴向吸震碟簧组8安装于钻具主体1和扭力传送接头10之间，所述钻具主体1的另一端设置有钻具主体止转槽1-2，用于与扭力传送接头10的钻具扭力传送，优选的是，所述钻具主体止转槽1-2可为多个间隔设置于钻具主体1上的凹槽，所述钻具主体1的一端设有钻杆联结螺纹接头1-3，以用于于钻杆联结。

参照本发明中扭力冲击摆锤的分解示图，扭力冲击摆锤3具体装配后的结构图可参见图3A和图3B，所述扭力冲击摆锤3包含为下开口式的圆筒结构并套合于扭力传动接头10的上端以绕其进行旋转以及轴向运动，所述圆筒式结构的内壁对应固定有两结构相同的冲击锤体3-1，各冲击锤体3-1内设置有摆锤泄压孔3-2和摆锤泄压槽3-7，所述摆锤泄压孔3-2贯通冲击锤体3-1从而扭力冲击摆锤3蓄能时液体通过扭力传送接头10的蓄能增压仓泄压槽10-12流走泄压，两个冲击锤体3-1的下端分别对应设置有摆锤上升推动斜面3-3，用于蓄能时推动冲击摆锤3进行轴向运动，所述圆筒式结构设有连通于上方的摆锤蓄能导流孔3-4和摆锤冲击导流孔3-5，摆锤蓄能导流孔3-4用于蓄能时液流流入加压，并且随着扭力冲击摆锤3在图示方向逆时针旋转时逐步变小，而摆锤冲击导流孔3-5则在旋转时逐步打开，以及摆锤安装螺栓3-6，用于安装将冲击锤体3-1安装固定至圆筒式结构为一体，当然也可以通过焊接或者其他的方式组合为一体；摆锤泄压孔3-2与摆锤蓄能导流孔3-4相通，这样可以使得蓄能增压仓泄压槽10-12在扭力冲击摆锤3蓄能运动过程中逐步关闭。

其中，所述摆锤蓄能导流孔3-4和摆锤冲击导流孔3-5均为两个对称设置；扭力传送接头10的上端安装压力切换随动封隔器4和随动封隔器弹簧5的结构，所述扭力传送接头10的一端与钻头12联接以及液流通过，另一端的两侧设置有压力开关阀6；压力开关阀6的旋转阀芯6-1安装于蓄能压力流道10-11。

进一步参见图5显示扭力传送接头10的示意图，由图示可以知道，所述扭力传送接头10的下端设置API内螺纹接口10-0以用于钻头12的联结；以及下出水口10-1，以用于液流通道；还包含扭力传送接头止转槽10-2以与钻具主体1的钻具主体止转槽1-2相配合，以传动钻杆扭矩；所述扭力传送接头的中部以及所述扭力传送接头止转槽10-2的上方设有外密封槽10-3、至少一个防掉槽10-4和内密封槽10-5，所述外密封槽10-3用于安装密封圈11；所述防掉槽10-4安装防掉环9以及防掉螺栓1-1，所述内密封槽10-7用于安装密封圈7以对扭力传送接头10和钻具主体1之间的密封，所述扭力传送接头10的中部设有台阶，且台阶和钻具主体1的内台阶之间设有轴向吸震碟簧组8。

所述扭力传送接头10的上端供扭力冲击摆锤3套入且两侧设有容置冲击锤体3-1的缺口部以及位于缺口部之间的连接部，在上端设有随动封隔器压力传递孔10-6，所述随动封隔器压力传递孔10-6可横向设置于连接部且连通至缺口部使得液流在蓄能时把压力传递至压力切换随动封隔器4，此时随动封隔器4所受压力与外部液流压力相等，如图7A所示，扭力冲击摆锤中间设置有一个安装孔，通过固定螺栓13把其月随动封隔器4联结在一起，因随动封隔器受到随动封隔器安装槽10-7的限制而不能随扭力冲击摆锤3旋转，在固定螺栓13的带动下只能上下运动。所述上端的端部设有横向贯通且位于两缺口部之间的随动封隔器安装槽10-7，以用于安装压力切换随动封隔器4，从而能把液流分为两个舱室，并且由液压面积的变化实现高压及低压仓的来回转换，如图7A所示，此时为准备阶段，此时P1等于P2，而冲击摆锤3的冲击腔P1的压力面积大约P2腔，此时液流压力产生的力F1大于F2，并且F1可以被分解为轴向力及径向力促使冲击摆锤3上升并且逆时针旋转压缩压力切换控制弹簧2进行蓄能，所述两缺口部的内侧位置对应设有压力开关阀旋转阀芯安装孔10-8，以用于安装压力开关阀6的旋转阀芯6-1，所述上端的端部为轴向力传递冲击面10-9，以承受扭力冲击摆锤3轴向做功冲击时的锤击面，所述缺口部的一侧为径向扭力传递冲击面10-10，以承受扭力冲击摆锤3径向做功冲击时的扭力冲击力；且在该径向扭力传递冲击面10-10上设有蓄能压力流道10-11，从而在于冲击完成后液流通过摆锤蓄能导流孔3-4流入后传递压力，此时压力开关阀6处于关闭状体，液流不能直接流入下出水口10-1；所述缺口部设有蓄能增压仓泄压槽10-12，以用于摆锤冲击完成后蓄能过程中低压仓液流排走；摆锤泄压槽3-7与摆锤中间有一个相通的导流孔，当扭力冲击摆锤3逆时针旋转时，该孔与扭力传送接头10的蓄能增压仓泄压槽10-12逐步重合，像一个蝶阀开关逐步打开使P2腔与P3腔相通，而顺时针旋转即冲击工作时，其过程为逐步闭合；所述缺口部的下端设有摆锤上升推力传递斜面10-13，所述摆锤上升推力传递斜面10-13与摆锤上升推动斜面3-3配合，当扭力冲击摆锤3受到径向压力时，把力分解为轴向力推动扭力冲击摆锤3轴向运动。

图7B是扭力冲击摆锤3压力腔变化运动示意图，液流通过摆锤蓄能导流孔3-4流入时，此时摆锤冲击导流孔3-5处于关闭状态，受扭力传送接头10的冲击面10-10封闭，液流通道面积受到随动封隔器4的隔断产生变化如图7A及图7B所示。蓄压时压力开关阀6处于受压状态并且受到扭力冲击摆锤3的圆周限制，处于关闭状态，此时受力F1>F2,扭力冲击摆锤3图示方向逆时针旋转，在摆锤上升推力传递斜面10-13的限制下受到轴向推力从而相对于轴向进行运动，此时受到位于扭力冲击摆锤3和钻具主体1内腔之间的轴向压力切换弹簧2的推力逐步增大。P2腔的液流通过摆锤泄压孔3-7进行排走，当扭力冲击摆锤3的圆周限制运动至极限位置后，压力开关阀6会突然旋转导致P1仓失压，瞬间P2远大于P1，P1仓与P3仓相通，P1仓受压面积小于P2仓，此时扭力冲击摆锤3在压力作用下迅速相对于示意图6顺时针旋转，产生径向扭力冲击，而压力切换弹簧2的压缩能量也得到释放，扭力冲击摆锤3轴向快速运动产生轴向冲击，这样即把轴向和径向的冲击力传递给扭力传送接头10，再由扭力传送接头传送至钻头12，使冲击功作用在岩石上，完成一次工作周期，随着冲击完成，压力开关阀6在图7A所示位置不能旋转从而再次处于关闭状态，又一次蓄压，压力增加到一定极限时完成上述的一个周期泄压，所以压力越大，液流越快，扭力冲击摆锤3冲击频率及能量就会越大，从而实现本发明所述功能。

图8是本发明工作时扭力冲击及轴向力冲击示意图。

所述防掉环9和钻具主体1与扭力传送接头10的防掉槽之间预留一定的轴向间隙，以在正常工作时，由于受到轴向吸震碟簧组8的推力限制，扭力传送接头10处于钻具主体1的最前端，当受到较大的钻柱轴向冲击时碟簧吸震受到压缩，扭力传动接头10相对于钻具主体1轴向运动，被压回一定距离从而使钻头12在工作时受到的振动、冲击能量都是均衡的，有益的，而不是很大峰值的，避免对钻头造成破坏。

当然在上述示意图中为了把功能描述清楚，使用了弹簧，蓄能仓等元件，即使换为蓄能气囊或者其他元件，比如压力开关阀的其他形式依然能实现本功能。

在钻具主体中间设置压力切换控制弹簧，压力切换控制弹簧紧压扭力冲击摆锤，随着压力的变化扭力冲击摆锤实现轴向及径向的反复冲击，扭力冲击摆锤的冲击力量直接传递至扭力传送接头，扭力传送接头直接与钻头联结。

扭力传送接头与钻具本体通过止转的槽配合结构，在钻具传送接头与钻具主体之间设置密封圈，防止钻井液渗漏刺穿钻具本体，扭力传送接头与钻具主体通过防掉环和防掉槽的结构嵌为一体，保证两者之间可以相互相对于轴向小距离移动，但受到压力或者拉力均不至于分离，确保安全，钻具主体与扭力传送接头之间还通过防掉螺栓进行双重安全保护，在钻具主体与扭力传送接头设置了轴向吸震碟簧组，使扭力传送接头工作是处于弹力张紧状态，来自钻柱的震动可以被其吸收。

钻具主体与扭力传送接头之间设置有冲击工作腔，通过流体压力的变化实现扭力冲击摆锤的摆动冲击，上下冲击。

扭力传送接头的前端为API螺纹接口，通过其与钻头联结，中间为出水口，降压后的钻井液通过出水口与钻头水眼相通，完成钻井液对钻头的冷却及井底清洗。

扭力传送接头在上端设置有径向冲击面及轴向锤击面，分别接受压力变化时摆锤冲击的能量并传递至钻头。

扭力传送接头的上端设置压力腔分割槽，用于安装压力切换随动封隔器，压力切换随动封隔器随扭力冲击摆锤上下运动，而扭力冲击摆锤旋转时，其相应能把摆锤的冲击腔蓄能腔进行有效的封隔，实现液体压力的差动。

压力切换随动封隔器下部设置有随动封隔器弹簧，使其能随扭力冲击摆锤上下运动是紧密贴合，对液流进行分割，在扭力传送接头上设置有传压孔，在压力驱动下亦推动压力切换封隔器的往复运动。

所述压力开关阀在压力变化下进行旋转，实现冲击器钻井液的开闭，从而驱动冲击锤来回摆动冲击。

扭力传送接头的泄压口与出水口相通，实现钻井液的流动。

扭力冲击摆锤安装于冲击腔内，在钻井液压力的流动变化下，其在扭力传送接头端部实现旋转、摆动冲击、后退蓄能以及泄压轴向冲击。

扭力冲击摆锤为圆筒结构，安装于钻具本体冲击腔内，圆筒结构内设置有两个冲击锤体，冲击锤体设置有摆锤上升推动斜面，憋压时，由于扭力冲击摆锤的冲击面受到面积大于蓄能面，从而产生压差，扭力冲击摆锤相对于扭力传送接头逆时针方向旋转，此时在两个斜面的限制下，扭力冲击摆锤在轴向远离钻头方向运动，此时蓄压腔的钻井液通过泄压孔排至出水孔，当扭力冲击摆锤逆时针旋转一定角度的同时并且远离钻头轴向运动一段距离后，后端弹簧压力随之增加，增压仓压力逐步增大，增压仓液流入口逐步减小，而蓄压舱液流入口逐步打开。当扭力冲击摆锤达到极限位置后压力开关阀突然在压力作业下旋转，大面积打开泄压孔与出水口联通释放压力，此时蓄压仓受压面积大于增压仓，扭力冲击摆锤强劲有力的冲击扭力传送接头的冲击面及尾部，实现轴向及径向的冲击。

当钻具主体与扭力冲击摆锤以及扭力传送接头装配在一起后，通过液流压力变化驱动扭力冲击摆锤，传递扭力及冲击力至钻头上。

液压驱动扭力冲击摆锤可相对于扭力传送接头在压力变化下，作轴向往复运动即轴向冲击，以及在圆周上来回摆动，即作扭力冲击，当然也可以取消轴向运动功能，单纯的径向扭力冲击。

液压驱动摆锤为主要工作元件之一，其产生的冲击力主要作用在扭力传送接头上，扭力传送接头上还设置有受冲击面以及受锤击面。另外还设置有泄压通道以及压力开关阀。

所述压力开关阀可为三棱形，当液压扭力冲击摆锤蓄能时，其为关闭状态，此时进水口流入的液流不能通过冲击腔，处于半封闭状态，当液压扭力冲击摆锤运动到要求位置后，压力开关阀在憋压状态下突然旋转，形成泄压。

由此可见，本发明的优点在于：

1、与钻头直接联结，牢固可靠，扭力冲击器内部无橡胶元件，无电子元件，内部尺寸紧凑，机械结构简单，泥浆流道通畅，在使用中即使扭力冲击器失效，它相当于一个钻头短接，也并不影响继续钻井作业。使用扭力冲击器可以大大增加机械钻头和钻井导向性，钻头更有效剪切破碎岩石，泥浆流量流速增加，冲击能量也随之增大，钻头机械钻头和冲击频率也相应提高。其产生的稳定均匀的冲击不会造成PDC钻头切削元件的损坏，在延长钻头寿命的同时减弱其他钻具的疲劳强度，延长钻具寿命

2、在钻具主体两端设置有进水口及出水口，钻具主体内部一共分为泥浆分配部分，动力冲击部分，冲击驱动部分，冲击驱动部分与钻头联结一体传递轴向及径向的冲击力，并且可降低钻具轴向的震动危害。动力冲击部分设置有冲击腔，压力蓄能腔，扭力冲击摆锤，泥浆压力切换阀门。冲击驱动部分设置有密封圈，防掉环，吸震碟簧组。本发明相对其他钻具增加了轴向的缓冲，在作业时同时在轴向及径向均实现冲击，更加全面保护PDC钻头的切削齿，本工具结构简单，扭力大，动力部分无橡胶元件，无电子元件，使用寿命长，即时损坏也不会对继续钻井造成影响，随泥浆压力增加，冲击频率即提高，加工简单，使用寿命长，对泥浆要求低，制造成本低。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (7)

1.一种应用于PDC钻头提速的双向高频扭力冲击器，其特征在于：包含钻具主体，所述钻具主体内设有用于安装扭力冲击组件的冲击工作腔，所述扭力冲击组件包含压力切换控制弹簧、扭力冲击摆锤和扭力传送接头，所述扭力冲击摆锤设置于冲击工作腔内且套合于扭力传送接头的一端，所述压力切换控制弹簧设置于冲击工作腔内且两端分别抵靠扭力冲击摆锤和钻具主体，所述钻具主体的一端联结于钻杆，另一端联结扭力传送接头以传递动力，压力切换控制弹簧紧压扭力冲击摆锤，随着压力的变化扭力冲击摆锤实现轴向及径向的反复冲击，扭力冲击摆锤的冲击力量直接传递至扭力传送接头，扭力传送接头直接与钻头联结；

所述扭力冲击摆锤包含为下开口式的圆筒式结构并套合于扭力传送接头的上端以绕其进行旋转以及轴向运动，所述圆筒式结构的内壁对应固定有两结构相同的冲击锤体，各冲击锤体内设置有摆锤泄压孔和摆锤泄压槽，两冲击锤体的下端分别对应设置有摆锤上升推动斜面，所述圆筒式结构设有连通于上方的摆锤蓄能导流孔和摆锤冲击导流孔；

所述扭力传送接头的中部设有至少一个防掉槽，所述防掉槽安装防掉环以及防掉螺栓，所述扭力传送接头的中部设有台阶部，且台阶部和钻具主体的内台阶之间设有轴向吸震碟簧组；

所述扭力传送接头的上端两侧设有容置冲击锤体的缺口部以及位于缺口部之间的连接部，在扭力传送接头的上端设有随动封隔器压力传递孔，所述扭力传送接头的上端随动封隔器压力传递孔使得液流在蓄能时把压力传递至压力切换随动封隔器使其能随之轴向运动，所述上端的端部设有横向贯通且位于两缺口部之间的随动封隔器安装槽，以用于安装压力切换随动封隔器，从而能把液流分为两个舱室，并且由液压面积的变化实现高压及低压仓的来回转换，所述两缺口部的内侧位置对应设有压力开关阀旋转阀芯安装孔，以用于安装压力开关阀的旋转阀芯。

2.如权利要求1所述的应用于PDC钻头提速的双向高频扭力冲击器，其特征在于：所述钻具主体的另一端设置有钻具主体止转槽，用于与扭力传送接头的钻具扭力传送，所述钻具主体的一端设有钻杆联结螺纹接头以用于与钻杆联结。

3.如权利要求1所述的应用于PDC钻头提速的双向高频扭力冲击器，其特征在于：所述缺口部的一侧为径向扭力传递冲击面，以承受扭力冲击摆锤径向做功冲击时的扭力冲击力；且在该径向扭力传递冲击面上设有蓄能压力流道，从而在冲击完成后液流通过摆锤蓄能导流孔流入后传递压力。

4.如权利要求1所述的应用于PDC钻头提速的双向高频扭力冲击器，其特征在于：所述缺口部设有蓄能增压仓泄压槽，以用于扭力冲击摆锤冲击完成后蓄能过程中低压仓液流排走，所述缺口部的下端设有摆锤上升推力传递斜面，所述摆锤上升推力传递斜面与摆锤上升推动斜面配合，当扭力冲击摆锤受到径向压力时，把力分解为轴向力推动扭力冲击摆锤轴向运动。

5.如权利要求1所述的应用于PDC钻头提速的双向高频扭力冲击器，其特征在于：所述防掉环和钻具主体与扭力传送接头的防掉槽之间预留一定的轴向间隙，以在正常工作时，由于受到轴向吸震碟簧组的推力限制，扭力传送接头处于钻具主体的最前端，当受到轴向的冲击时轴向吸震碟簧组吸震受到压缩，扭力传送接头相对于钻具主体轴向运动，被压回一定距离从而使钻头在工作时受到的振动、冲击能量都是均衡的。

6.如权利要求1所述的应用于PDC钻头提速的双向高频扭力冲击器，其特征在于：压力切换随动封隔器下部设置有随动封隔器弹簧，使其能随扭力冲击摆锤上下运动而紧密贴合，对液流进行分割，在扭力传送接头上设置有传压孔，在压力驱动下推动压力切换随动封隔器的往复运动。

7.如权利要求1所述的应用于PDC钻头提速的双向高频扭力冲击器，其特征在于：所述压力开关阀为三棱形，当液流冲击扭力冲击摆锤蓄能时，其为关闭状态，此时进水口流入的液流不能通过冲击腔，处于半封闭状态，当液流冲击扭力冲击摆锤运动到要求位置后，压力开关阀在憋压状态下突然旋转，形成泄压。