CN110409999B - 一种井下辅助钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种井下辅助钻井工具，包括：冲击能量发生器，其能够将钻井液的能量转化进而产生轴向的冲击能量。冲击能量分配器，其能够对所述冲击能量发生器产生的轴向冲击能量进行重新分配，从而形成轴向冲击能量和周向冲击能量。这给钻头提供了一种高频变化的复合方向的冲击力，同时，该井下辅助钻井工具能够增加钻头的轴向冲击力而增强复合冲击力，大大提高了钻具的破岩效率和机械钻速。所述井下辅助钻井工具还包括设置在冲击能量发生器和冲击能量分配器之间的减震器，其能够降低钻井工具的轴向震动，减少钻头的冲击，有效提高了钻头的使用减震器寿命。

Description

一种井下辅助钻井工具

技术领域

本发明涉及石油工业机械技术和钻井工艺技术领域，具体地涉及一种井下辅助钻井工具。

背景技术

随着石油钻井技术的不断发展，为了满足钻井工程中的需求出现了许多不同功能的钻井工具。随着科技的飞速发展，现有技术中的钻井工具的性能得到了很大的提高。

然而，在一些特殊工况下，仍然存在一些问题。例如，在软硬交错地层或硬地层中施工时，由于这种地层的岩性变化大或强度大，地层软硬交错，在钻井过程中易诱发井下钻具振动，从而导致钻头长时间处于动态不稳定的工作状态。钻头工作状态的不稳定会造成井下钻柱处于轴向振动、横向振动和周向振动的耦合状态，这三种井下振动形式分别主要表现为跳钻、涡动和粘滑。钻头振动不仅会降低钻头的破岩效率，还会造成钻头牙齿或切削齿的先期损坏、钻具疲劳破坏，进而导致机械钻速慢、钻头进尺少、钻头寿命短、钻具先期失效和井下落物等一系列影响钻井周期和钻井费用的问题。

此外，在现有技术中，钻具钻头的稳定性和攻击性在一定程度上是难以兼顾的。因此，为了提高钻头的稳定性，经常采用增加钻头刀翼数量、减小切削齿尺寸、增加布齿密度等降低钻头攻击性的措施。然而，这在提高PDC钻头使用寿命的同时却降低了钻头的机械钻速。为此，很多辅助破岩工具应运而生，也起到了一定的应用效果。然而，这些工具均以降低和抑制某一种单一形式的井下振动为主。由于振动之间是相互耦合的，一旦钻头发生多种振动，现有的钻具组合与提速工具还是难以保证机械钻速能够得到有效的提高。

因此，基于现有技术，亟需一种井下辅助钻井工具，用于提高钻具的破岩效率。

发明内容

针对如上所述的技术问题，本发明旨在提供一种井下辅助钻井工具，该井下辅助钻井工具能够减小井下轴向振动对钻头的冲击而防止钻头损坏，并且能够减少卡滑和“失速”现象的发生，避免钻头损坏和钻具失效，从而提高了钻头寿命。同时，该井下辅助钻井工具能够增大钻头的轴向冲击力，大大提高了钻具的钻进效率，并且能够给钻头提供一种高频变化的复合方向的冲击力。此外，该井下辅助钻井工具还能够在钻进过程中自动存储、释放超过限定值的扭矩，从而有效地增加了钻头破岩能力，提高了破岩效率，解决了钻头在硬地层、夹层的憋跳钻、粘滑、“失速”、机械钻速慢等问题。

根据本发明，提供了一种井下辅助钻井工具，包括：冲击能量发生器，其包括：圆柱形的外套，同心布置在所述外套内的中空的传动轴，布置在所述传动轴上的阀盘机构，其中，所述阀盘机构包括定阀盘和动阀盘，所述动阀盘设置成能由所述传动轴驱动旋转，从而使所述阀盘机构的过流面积呈周期性变化，和形成于所述外套和传动轴之间的钻井液分流机构，其包括密封式安装在所述外套内壁上的活塞头、安装在所述活塞头的内部的分流件、设置在所述外套内的传力套筒，以及设置在所述活塞头的下游并处于所述传力套筒内的至少一个涡轮节，其中，所述分流件构造成允许一部分钻井液直接流入所述传动轴的内部通道而另一部分钻井液经所述涡轮节流入所述内部通道，所述传力套筒的两端分别与所述活塞头和定阀盘固定连接，所述涡轮节构造成能够在钻井液的作用下带动所述传动轴旋转；以及设置在所述冲击能量发生器下游的冲击能量分配器，其包括：中空的芯轴，其一端与所述定阀盘连接，另一端与下部钻具相连，和压扭外壳，其与所述外套的下游端连接，并与所述芯轴形成螺旋配合，从而将所述芯轴承受的轴向冲击力转化为复合冲击力。

在一个优选的实施例中，在所述外套的上游端通过中接头固定连接有缸筒，在所述缸筒内安装有活塞，所述活塞与所述活塞头固定连接。

在一个优选的实施例中，所述中接头与所述活塞头在所述外套与所述活塞之间共同限定了密封的第一环状空间，在所述活塞的处于所述第一环状空间内的侧壁上设有第一通孔。

在一个优选的实施例中，在所述缸筒、活塞与中接头之间共同限定了密封的第二环状空间，所述缸筒的处于所述第二环状空间内的侧壁上设有第二通孔，在所述第二通孔内通过防砂螺帽安装有过滤网的防砂垫片。

在一个优选的实施例中，所述分流件构造成一端设有径向凸缘的套筒件，所述套筒件的周向壁上设有若干缝隙，从而允许一部分钻井液流入所述涡轮节。

在一个优选的实施例中，所述分流件固定在所述传动轴的上游端，并且在所述传动轴内邻近所述分流件处安装有汇聚喷嘴。

在一个优选的实施例中，所述涡轮节包括定子和转子，所述转子构造成能在钻井液的作用下转动，从而带动所述传动轴旋转。

在一个优选的实施例中，在所述传力套筒内的所述涡轮节的下游处设有调整环，在所述传动轴的对应于所述调整环的区域内设有通槽，用于将流经所述涡轮节的钻井液引导到所述传动轴的内部通道。

在一个优选的实施例中，在所述调整环和所述动阀盘之间安装有止推轴承。

在一个优选的实施例中，所述动阀盘上设有偏心的孔，从而使所述阀盘机构的过流面积呈周期性变化。

在一个优选的实施例中，所述动阀盘通过涡轮座与所述传动轴固定在一起，并通过轴承安装在所述定阀盘上。

在一个优选的实施例中，在所述冲击能量发生器和冲击能量分配器之间设置有减震稳扭器。

在一个优选的实施例中，所述减震稳扭器包括：弹簧筒体，其两端分别与所述外套和所述压扭外壳固定连接，设置在所述弹簧筒体内的弹簧内套，其两端分别与所述定阀盘和所述芯轴连接，其中，在所述弹簧筒体和弹簧内套之间设置有至少一组碟簧。

在一个优选的实施例中，所述碟簧的两端分别设置第一限位件和第二限位件，并且所述弹簧内套通过第二限位件与所述芯轴连接。

在一个优选的实施例中，在所述碟簧与所述第一限位件和第二限位件之间均设有用于调节所述碟簧的预紧力的垫片。

在一个优选的实施例中，所述弹簧内套与所述第二限位件固定连接，所述芯轴的一端设有芯轴套，所述芯轴套通过轴承与所述第二限位件接触。

在一个优选的实施例中，所述芯轴设有外螺旋，所述压扭外壳设有能够与所述外螺旋配合的内螺旋，以及用于注入润滑剂的通孔。

根据本发明的井下辅助钻井工具通过冲击能量发生器和冲击能量分配器能够产生轴向冲击能量和周向冲击能量，从而给钻头提供了一种高频变化的复合方向的冲击力。同时，该井下辅助钻井工具能够增强钻头的轴向冲击力，大大提高了钻具的破岩效率和机械钻速。当钻具发生失速时，钻具能够通过冲击能量分配器中的螺旋副对钻头进行轴向的移动牵引，从而防止大幅度快速轴向移动。同时，该井下辅助钻井工具通过设置减震稳扭器，使得钻井工具的钻头在接触井底的瞬间能够通过压缩碟簧对冲击力进行缓冲，从而减小井下轴向震动对钻头的冲击。有效防止了钻头损坏，钻具断裂、钻头崩齿或损坏，大大延长了钻头的使用寿命。该井下辅助钻井工具中的碟簧同时能够在钻进过程中自动存储、释放超过限定值的扭矩，从而使得该井下辅助钻井工具具有良好的稳扭功能，减少了卡滑现象的发生，避免钻具扭振，有效地解决了钻头在硬地层、夹层的憋跳钻、粘滑、“失速”、机械钻速慢等问题。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。

图1显示了根据本发明的井下辅助钻井工具的整体结构。

图2、3和4分段式地显示了图1所示井下辅助钻井工具的结构。

图5显示了根据本发明的井下辅助钻井工具中的阀盘机构的结构。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。

具体实施方式

以下通过附图来对本发明进行介绍。

图1显示了根据本发明的井下辅助钻井工具100的结构。如图1所示，该井下辅助钻井工具100包括冲击能量发生器110。冲击能量发生器110主要用于将钻井液的能量转化进而产生轴向的冲击能量。在冲击能量发生器110的下端还设有冲击能量分配器120，冲击能量分配器120主要用于将由冲击能量发生器110产生的轴向的冲击能量进行重新分配，从而形成同时具有轴向冲击能量和周向冲击能量的复合冲击能量。井下辅助钻井工具100通过冲击能量发生器110和冲击能量分配器120能够给钻头提供高频变化的复合方向的冲击力，有效提高了钻井工具的工作效率。在冲击能量发生器110和冲击能量分配器120之间还设有减震稳扭器130，在施工过程中，其能够降低钻井工具的轴向震动，减少钻头的冲击，有效提高了钻头的使用寿命，还可以自动存储、释放超过限定值的扭矩，当发生失速时，可以对钻头轴向移动牵连，防止大幅度快速轴向位移。

在本申请中，井下辅助钻井工具100安装到钻井工具上且下入井底时，将靠近井口的一端定义为上端或相似用语，而将远离井口的一端定义为下端或相似用语。

图2显示了井下辅助钻井工具100中的冲击能量发生器110的结构。如图2所示，冲击能量发生器110包括构造为圆柱形的外套2。外套2的两端均设置成锥形连接扣。在外套2的上游端设有缸筒80，缸筒80的两端设有锥形连接扣。在缸筒80与外套2之间设有中接头81，中接头81构造成圆筒形，且两端均设有锥形连接扣。中接头81通过两端的锥形连接扣分别与缸筒80和外套2的锥形连接扣配合连接，从而使缸筒80与外套2形成固定连接。在缸筒80的上端通过锥形连接扣连接有上接头(未示出)。井下辅助钻井工具100通过上接头与上部钻具进行连接，其安装操作简单快捷。

如图2所示，在缸筒80与中接头81的内部安装有活塞82。活塞82构造成一端带有凸缘的中空轴，在凸缘部分的侧面与缸筒80的内壁之间可安装有格莱圈，从而在凸缘部分与缸筒80之间形成密封。当然，也可以采用其他的密封方式，例如，V形密封圈、组合密封圈等。中接头81安装在活塞82上，且在中接头81与活塞82之间可安装有格莱圈以使中接头81与活塞82之间形成密封。由此，在缸筒80、活塞82与中接头81之间共同限定了密封的第二环状空间89。

在本实施例中，在缸筒80的处于第二环状空间89内的侧壁上设有第二通孔83。在第二通孔83中加工有螺纹和挡圈放置槽(未示出)，并且在第一通孔83中从内向外依次安装有防砂垫片、防砂螺帽84和孔用弹性挡圈。防砂垫片设有一层孔状滤网，钻井液能够通过防砂垫片，并能通过滤网过滤掉钻井液中体积大的固相颗粒。防砂螺帽84通过螺纹连接到缸筒80上，压在防砂垫片上面。孔用弹性挡圈安装在防砂螺帽80上且处于缸筒挡圈放置槽内，用于防止缸筒80与防砂螺帽84连接松动而导致防砂垫片、防砂螺帽84脱落。通过安装防砂垫片、防砂螺帽84、孔用弹性挡圈，可以将缸筒80、活塞82、中接头81之间形成的密封空间与工具外环空相连通，两处的钻井液可以通过防砂垫片、防砂螺帽84、孔用弹性挡圈进行流动。

在本实施例中，活塞82上端的压力值为钻具内部的压力，而缸筒80、活塞82和中接头81围成的第二环状空间89内的压力为钻具外环空的压力。钻具内部的压力大于钻具外部的压力，两者之间具有压力差，且钻具内压力周期性变化，最终产生周期性变化的轴向冲击力。由此，活塞82受到一个向下的作用力，从而使得钻头的冲击力更大，有效提高了钻具的钻进效率。

如图2和3所示，在外套2的内部设有传动轴13，传动轴13与外套2同心布置。传动轴13的中心设有用于过流钻井液的内部通道52，内部通道52沿轴线方向延伸。在外套2和传动轴13之间设有钻井液分流机构。钻井液分流机构包括活塞头4，活塞头4设置在传动轴13的上游。在一个实施例中，活塞头4的内部设有螺纹。同时，在活塞82的下游端设有外螺纹，从而使活塞头4与活塞82通过螺纹形成固定连接。在活塞头4与活塞82之间设有O形密封圈，以保证活塞头4活塞82之间的密封。同时，活塞头4与外套2之间也可安装格莱圈，从而使活塞头4与外套2之间形成密封。此外，由于外套2与中接头81固定连接。由此，中接头81与活塞头4在外套2与活塞82之间共同限定了密封的第一环状空间88。

在本实施例中，在活塞82的处于第一环状空间88内的侧壁上设有第一通孔85。如图2所示，第一通孔85连通了活塞82的中心流道与该第一环状空间88。通过第一通孔85将活塞82内部的压力传递到活塞头4的上端面，由于钻具内压力周期性变化，所以产生周期性变化的轴向冲击力。进一步增加了钻头的轴向冲击力，从而提高了钻具的钻进效率。

在本实施例中，在活塞头4内还安装有分流件6。如图2所示，分流件6构造成一端带有凸缘的套筒件。在套筒件的周向壁上设有若干缝隙，若干缝隙沿套筒件的周向均匀分布。分流件6固定安装到传动轴13的上游端。在一个实施例中，分流件6的下端内表面加工有螺纹，分流件6通过螺纹连接固定在传动轴13的上游端。在传动轴13的邻近分流件6的上游端还安装有汇聚喷嘴8。由此，来自上部钻具的钻井液经过分流件6时，一部分钻井液(下面称为第一钻井液)直接通过汇聚喷嘴8流入传动轴13的内部通道52，另一部分钻井液(下面称为第二钻井液)通过分流件6的侧壁上的缝隙进入传动轴13与外套2的环空空间，从而实现了钻井液的分流。第二钻井液的流动将在下文中详细介绍。

在本实施例中，在汇聚喷嘴8的外表面上加工有外螺纹，由此，汇聚喷嘴8通过螺纹连接固定到传动轴13上。为了保证汇聚喷嘴8与传动轴13之间的密封性，在一个实施例中。在传动轴13的与汇聚喷嘴8接触的内表面上设有密封槽，在密封槽中安装有O形密封圈，从而实现汇聚喷嘴8与传动轴13之间的密封。汇聚喷嘴8可采用耐冲蚀材料制成。在一个优选的实施例中，汇聚喷嘴8采用硬质合金制成。这样不仅能够有效保证汇聚喷嘴8与传动轴13之间的密封性能，增强其会聚钻井液的效果，还能够保证汇聚喷嘴具有一定的硬度，从而提高汇聚喷嘴8的使用寿命。

根据本发明，钻井液分流机构还包括安装在外套2的内壁上的传力套筒11。如图2所示，传力套11构造成圆筒状。传力套筒11的上游端与活塞头4固定连接。在一个实施例中，在传力套筒11的两端的内侧表面均设有螺纹，传力套筒11的上游端与活塞头4通过螺纹连接，并通过紧定螺钉进一步固定。这样，能够有效保证传力套筒11与活塞头4之间的稳定性，减少钻具的震动。传力套筒11的下游端与下文将要详细介绍的阀盘机构连接。

如图2和3所示，在活塞头4的下端设有若干涡轮节12，涡轮节12安装在传动轴13上，且处于传力套筒11的内部。每个涡轮节12均包括定子和转子，其中，定子与传力套筒11的内壁紧密接触，而转子安装到传动轴13上。转子构造成能在钻井液(即第二钻井液)的作用下转动，通过转子与传动轴13之间的摩擦力而带动传动轴13旋转。在若干涡轮节12的上、下两端可均安装有滚动轴承10，用于起到径向支撑扶正的作用。安装在若干涡轮节12上端的滚动轴承的上端面可与活塞头4的下端面相抵接，以实现轴向上的定位。若干涡轮节12通过两端滚动轴承10挤紧，并通过调整环14(图3中所示)调节涡轮节12的轴向位置。在本实施例中，调整环14的长度可以通过实际配合尺寸调节，以避免加工误差。其定子之间相互挤紧，且转子之间也相互挤紧。由此，当由分流件6流入传动轴13与外套2的环空空间的第二钻井液流过涡轮节12而带动转子旋转，转子进而通过涡轮节12与传动轴13之间的摩擦力带动传动轴13旋转，从而实现传动轴13的转动。

如图3所示，在处于涡轮节12的下端的滚动轴承的下游端安装有调整环14，调整环14用于调节涡轮节12的轴向位置，保证其能够有效带动传动轴13转动。调整环14处于传力套筒11内。在调整环14与传动轴13之间安装有支撑套15，以用于保证调整环14和传动轴13之间的径向空间。此外，在传动轴13的对应于调整环14的区域内设有通槽51，用于将流经涡轮节12的第二钻井液引导到传动轴13的内部通道52内。这样，在操作期间，被分流的第二钻井液能够不断地流经涡轮节12，从而保证涡轮节12的持续旋转。

根据本发明，在传动轴13的下端还可安装有涡轮座18。在一个实施例中，涡轮座18通过螺纹连接固定安装到传动轴13上，其能够随传动轴13转动。在调整环14与涡轮座18之间安装有若干止推轴承16。止推轴承16套接在传动轴13上，处于传动轴13与传力套11之间，用于承担轴向载荷。在本实施例中，在涡轮座18与外套2之间设有定位套17。

如图3所示，钻井液分流机构还包括安装在传动轴13上的阀盘机构60。阀盘机构60设置在传动轴13的下游端，且处于传力套筒11内。阀盘机构60包括安装在外套2、传力套筒11的内壁上的定阀盘23。定阀盘23与传力套筒11固定连接，并且保持静止。在一个实施例中，定阀盘23通过螺纹与传力套筒11相连接，并在定阀盘23与传力套筒11之间设有紧定螺钉进行进一步固定。为了保证定阀盘23与传力套筒11之间的密封性，在一个实施例中，在定阀盘23的下端外表面上设有密封槽，在密封槽中安装有格莱圈以进行密封。在定阀盘23的内侧还可安装有防磨套21，定阀盘23的内表面与防磨套21之间通过过盈配合安装。

图5显示了阀盘机构60的具体结构。如图5所示，在一个实施例中，在定阀盘23的下端内表面加工有螺纹，用于与相应的下游部件连接。同时，在定阀盘23与下游部件之间可设有O形密封圈而形成密封。定阀盘23上加工有第一孔56。

在本实施例中，在定阀盘23的上端(图3中的左端)例如通过轴承20安装有动阀盘19。动阀盘19与涡轮座18固定连接，从而与传动轴13形成固定连接。在一个实施例中，动阀盘19与涡轮座18通过螺纹连接固定在一起。在动阀盘19的内表面也可安装有防磨套21，该防磨套21与动阀盘19之间通过过盈配合进行安装。在本实施例中，在动阀盘19上设有第二孔55。尽管在图4中未明确示出，然而根据本发明，第一孔56与第二孔55彼此间形成偏心关系。

根据本发明，由于定阀盘23固定不旋转而动阀盘19会在传动轴13的带动下旋转，并且定阀盘23上的第一孔56与动阀盘19上的第二孔55形成偏心关系，因此随着动阀盘19的转动，动阀盘19和定阀盘23之间的过流面积呈周期性变化。从而导致动阀盘19以上的压强是不断变化的，活塞82上的通孔85将该压力传递至活塞头4的上端面且形成周期性变化的压力，并最终传递给安装在井下辅助钻井工具100下游处的钻头，使得钻头在常规钻压、扭矩的作用下叠加部分高频复合冲击力，大大提高了钻具的破岩效率。此外，该作用力是高频变化的，其频率取决于涡轮节12旋转的频率，且其变化幅度取决于动阀盘19与定阀盘23之间过流面积变化的幅度。该作用力使得钻具具有了轴向和周向的复合冲击力，有效提高了钻具的复合钻进功能，大大提高了钻具的钻进效率。

根据本发明的井下辅助钻井工具100还包括减震器130。如图3和4所示，减震器130设置在冲击能量发生器110的下游端。减震器130包括弹簧筒体28，弹簧筒体28构造成圆筒形，且在弹簧筒体28的两端分别设有锥形连接扣。在弹簧筒体28内设有管状的弹簧内套24，弹簧内套24与弹簧筒体28同心布置，且弹簧内套24的上端与定阀盘23固定连接。在一个实施例中，弹簧内套24与定阀盘23之间通过螺纹固定连接。同时，在弹簧内套24与定阀盘23之间设有若干O形密封圈22，以使弹簧内套24与定阀盘23之间形成密封。

在本实施例中，在弹簧筒体28与弹簧内套24的环空空间内设有若干组碟簧27。碟簧27能够沿轴向伸缩，从而缓释钻具的轴向冲击。在碟簧27的两端分别设有第一限位件25和第二限位件29，且在碟簧27的与第一限位件25和第二限位件29之间分别安装有垫片26。垫片26起到调整碟簧27的初始预紧力的作用。

如图3所示，第一限位件25构造成圆筒形，且两端均设有锥形连接扣。第一限位件25套接安装在弹簧内套24上，且处于外套2与弹簧筒体28之间。第一限位件25通过两端的锥形连接扣分别与外套2和弹簧筒体28的锥形连接扣配合安装而形成固定连接。碟簧27的上端抵接在第一限位件25的下端面，从而对碟簧27形成限位。如图5所示，第二限位件29固定安装在弹簧内套24的下端，在一个实施例中，第二限位件29与弹簧内套24之间通过螺纹连接。碟簧27抵接在第二限位件29的上端而形成对碟簧27的限位。

在钻头受到地层的瞬间冲击时，碟簧27会受到压缩并将冲击能量转化为碟簧27的弹性势能而存储在碟簧27中。此时，钻头会被逐渐从井底提起，直到钻头回到原来的旋转速度。当钻头的扭矩减少时，碟簧27存储的能量释放，维持钻头正常钻井。压缩碟簧27能够对冲击力进行缓冲，并且使得井下辅助钻井工具100能够通过碟簧27自动存储、释放超过限定值的扭矩，有效减少了钻具的震动，避免了钻头损坏，延长了钻头的使用寿命。

图4显示了井下辅助钻井工具100中的冲击能量分配器120的结构。如图4所示，冲击能量分配器120设置在减震器130的下游端。冲击能量分配器120包括构造为中空状的芯轴35。在芯轴35的上端通过螺纹和紧定螺钉34固定连接有芯轴套33，而芯轴35的下端用于连接下部钻具，如钻头(未示出)。芯轴套33与芯轴35之间密封连接，且芯轴套33与弹簧筒体28的内表面之间密封连接。在一个实施例中，在芯轴套33与芯轴35之间设有若干O形密封圈32，而在芯轴套33与弹簧筒体28的下端内表面之间安装有若干格莱圈31，从而使芯轴套33与芯轴35及弹簧筒体28之间均形成密封连接。此外，为了降低第二限位件29和芯轴套33之间的摩擦和减少两者之间的阻力，在第二限位件29和芯轴套33之间安装有轴承30。

根据本发明，冲击能量分配器120还包括压扭外壳37。如图4所示，压扭外壳37构造成圆筒形，其两端设置成锥形连接扣。压扭外壳37安装在芯轴35上，且压扭外壳37上端的正锥形连接扣与弹簧筒体28下端的锥形连接扣配合形成固定连接。在压扭外壳37的内表面上设有内螺旋槽，同时，在芯轴35上设有能够与压扭外壳37上的内螺旋槽相配合的外螺旋。通过芯轴35与压扭外壳37之间的螺旋配合能够将芯轴35所承受的轴向冲击力转化为复合冲击力。当钻具失速时，井下辅助钻井工具100能够通过螺旋副对钻头产生轴向的移动牵引，从而防止大幅度快速轴向移动，有效防止了钻头损坏，减少了井下钻井工具和随钻测量仪器的损坏，延长了钻井工具的使用寿命。

在本实施例中，在压扭外壳37的内表面上设有径向向外的环形凹槽。在压扭外壳37的设有环形凹槽的侧壁上设有通孔70。通过该通孔70能够向压扭外壳37与芯轴35之间的空隙中注入润滑剂，如润滑油或润滑脂等。在该通孔70中可安装有螺塞36，以形成密封。这样，能够有效保证芯轴35与压扭外壳37之间的螺旋配合以及两者之间的润滑，从而使得螺旋配合运动自如，大大增强了井下辅助钻井工具100的抗冲击性能。

如图4所示，在压扭外壳37的下端还可设有密封体39。密封体39安装在芯轴35上。密封体39构造成中空的圆柱体形，在密封体39的上端内侧设有锥形连接扣。密封体39通过上端的锥形连接扣与压扭外壳37的下端的锥形连接扣配合连接，通过螺纹固定连接在一起。在一个实施例中，在密封体39与芯轴35之间设有若干格莱圈38，从而使芯轴35与密封体之间形成密封。

下面简述根据本发明的井下辅助钻井工具100的工作原理。在实际应用中，将井下辅助钻井工具100安装在紧靠钻头的钻井工具的钻柱上。在钻井施工时，当钻头接触井底的瞬间，钻头会受到地层给予的向上冲击力。此时，井下辅助钻井工具100的芯轴35通过与压扭外壳37之间的螺旋副向上运动，整个钻井工具处于压缩状态，从而使得整个钻井管柱变短，并且压缩碟簧27将冲击能量转化为碟簧27的弹性势能而存储在碟簧27中，从而对钻头所受的冲击力进行缓冲。而当钻具发生粘滑现象时，钻头收到超过设定值的扭矩，此时，在芯轴35与压扭外壳37之间的螺旋副的作用下，压缩碟簧27带动钻头上移，直到钻头回到原来的旋转速度。当钻头的扭矩减少时，碟簧27所存储的能量释放，通过第二限位件29和芯轴套33推动芯轴35，并通过与压扭外壳37之间的螺旋副向下运动，从而释放扭矩能量，维持钻头正常钻井。

正常钻进时，活塞82的上端面为钻具内钻井液，而活塞82、中接头81和缸筒80所限定的第二环状空间内的液体为钻具环空中的钻井液。两种钻井液的压力不同，钻具内钻井液的压力大于钻具环空中的钻井液的压力，两者之间具有压力差，由此，在压差的作用下，活塞82受到持续地向下的作用力，该作用力通过活塞82、活塞头4、传力套筒11、定阀盘23、弹簧内套24、第二限位件29、轴承30、芯轴套33等零部件传递给芯轴35，进而传递给钻头或下部钻具，显著增强了钻头的轴向冲击力，显著增强钻头的复合冲击力，有效提高了钻具的钻进效率。

同时，在正常钻进过程中，钻井液通过钻井工具的内部。钻井液流经分流件6时产生分流，一部分钻井液继续通过汇聚喷嘴8沿着传动轴13的中心管道52向下流动。而另一部分通过分流件6的侧壁上的缝隙，流向活塞头4与分流件6之间的环空空间内，进而流经滚动轴承10和多组涡轮节12。在流经涡轮节12时，带动涡轮转子转动。而涡轮转子通过摩擦力带动传动轴13旋转，进而带动涡轮座18和动阀盘19旋转。由于定阀盘23不旋转，动阀盘19与定阀盘23之间的孔是偏心的。因此，随着动阀盘19的转动，动阀盘19与定阀盘23之间的过流面积呈周期性变化。从而导致动阀盘19以上的压强是不断变化的，该压强作用在活塞头处形成周期性变化的压力，且该压力是高频变化的，其频率取决于涡轮节12旋转的频率，且其变化幅度大小取决于动阀盘19与定阀盘23之间过流面积变化的幅度。由此，该高频变化的作用力通过第一活塞头4、传力套筒11、定阀盘23、弹簧内套24、第二限位件29、芯轴套33传递给芯轴35。由于芯轴35与压扭外壳37之间的螺旋配合，使得该作用力方向改变为螺旋线升角的方向，最终传递给安装在井下辅助钻井工具100下游处的钻头，使得钻头在常规钻压、扭矩的作用上，叠加了一部分高频复合冲击力，从而提高了钻具的破岩效率和机械钻速。

根据本发明的井下辅助钻井工具100通过设置冲击能量发生器110，实现了将钻井液的能量转化进而产生轴向的冲击能量，并通过冲击能量分配器120对冲击能量进行重新分配，从而将轴向冲击力转化为复合冲击力，给钻头提供了一种高频变化的具有轴向和周向的复合方向的冲击力，大大提高了钻具的破岩效率和机械钻速。该井下辅助钻井工具还通过设置活塞82，缸筒80等零件显著增强了钻头的轴向冲击力，从而增强钻头的复合冲击力，进一步提高了钻具的钻进效率。同时，该井下辅助钻井工具100通过设置减震器130，使得钻井工具的钻头在接触井底的瞬间通过压缩碟簧27能够对冲击力进行缓冲。当钻具发生失速时，钻具能够通过冲击能量分配器120中的螺旋副对钻头进行轴向的移动牵引，有效地防止了大幅度快速轴向移动。从而能够有效防止钻头损坏，避免钻具扭振，防止钻具断裂、钻头崩齿或损坏，有效降低了钻井工具的轴向震动，大大延长了钻头的使用寿命，减少了井下钻井工具和随钻测量仪器的损坏，延长了钻井工具的使用寿命。碟簧27同时能够在钻进过程中自动存储、释放超过限定值的扭矩，从而使得该井下辅助钻井工具100具有良好的稳扭功能。

尽管上面详细地介绍了根据本发明的井下辅助钻井工具100的各个零部件，然而应当理解，并非所有零部件都是必须的。相反，其中一些零部件可以省略，只要不影响根据本发明的井下辅助钻井工具100的相应功能实现即可。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种井下辅助钻井工具，包括：

冲击能量发生器，其包括：

圆柱形的外套(2)，

同心布置在所述外套(2)内的中空的传动轴(13)，

布置在所述传动轴(13)上的阀盘机构(60)，其中，所述阀盘机构包括定阀盘(23)和动阀盘(19)，所述动阀盘设置成能由所述传动轴驱动旋转，从而使所述阀盘机构(60)的过流面积呈周期性变化，和

形成于所述外套(2)和传动轴(13)之间的钻井液分流机构，其包括密封式安装在所述外套(2)内壁上的活塞头、安装在所述活塞头的内部的分流件(6)、设置在所述外套(2)内的传力套筒(11)，以及设置在所述活塞头的下游并处于所述传力套筒内的至少一个涡轮节(12)，其中，所述分流件(6)构造成允许一部分钻井液直接流入所述传动轴(13)的内部通道(52)而另一部分钻井液经所述涡轮节(12)流入所述内部通道(52)，所述传力套筒(11)的两端分别与所述活塞头和定阀盘(23)固定连接，所述涡轮节(12)构造成能够在钻井液的作用下带动所述传动轴(13)旋转；以及

设置在所述冲击能量发生器下游的冲击能量分配器，其包括：

中空的芯轴(35)，其一端与所述定阀盘(23)连接，另一端与下部钻具相连，和

压扭外壳(37)，其与所述外套(2)的下游端连接，并与所述芯轴(35)形成螺旋配合，从而将所述芯轴承受的轴向冲击力转化为复合冲击力。

2.根据权利要求1所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，在所述外套(2)的上游端通过中接头(81)固定连接有缸筒(80)，在所述缸筒(80)内安装有活塞(82)，所述活塞(82)与所述活塞头(4)固定连接。

3.根据权利要求2所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，所述中接头(81)与所述活塞头(4)在所述外套(2)与所述活塞(82)之间共同限定了密封的第一环状空间(88)，在所述活塞(82)的处于所述第一环状空间(88)内的侧壁上设有第一通孔(85)。

4.根据权利要求3所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，在所述缸筒(80)、活塞(82)与中接头(81)之间共同限定了密封的第二环状空间(89)，所述缸筒(80)的处于所述第二环状空间(89)内的侧壁上设有第二通孔(83)，在所述第二通孔(83)内通过防砂螺帽(84)安装有过滤网的防砂垫片。

5.根据权利要求1所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，所述分流件(6)构造成一端设有径向凸缘的套筒件，所述套筒件的周向壁上设有若干缝隙，从而允许一部分钻井液流入所述涡轮节(12)。

6.根据权利要求5所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，所述分流件(6)固定在所述传动轴(13)的上游端，并且在所述传动轴(13)内邻近所述分流件(6)处安装有汇聚喷嘴(8)。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，所述涡轮节包括定子和转子，所述转子构造成能在钻井液的作用下转动，从而带动所述传动轴(13)旋转。

8.根据权利要求7所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，在所述传力套筒(11)内的所述涡轮节(12)的下游处设有调整环(14)，在所述传动轴(13)的对应于所述调整环(14)的区域内设有通槽(51)，用于将流经所述涡轮节(12)的钻井液引导到所述传动轴的内部通道(52)。

9.根据权利要求8所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，在所述调整环(14)和所述动阀盘(19)之间安装有止推轴承(16)。

10.根据权利要求1到6中任一项所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，所述动阀盘(19)上设有偏心的孔，从而使所述阀盘机构(60)的过流面积呈周期性变化。

11.根据权利要求10所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，所述动阀盘(19)通过涡轮座(18)与所述传动轴(13)固定在一起，并通过轴承(20)安装在所述定阀盘(23)上。

12.根据权利要求1所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，在所述冲击能量发生器和冲击能量分配器之间设置有减震稳扭器(130)。

13.根据权利要求12所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，所述减震稳扭器(130)包括：

弹簧筒体(28)，其两端分别与所述外套(2)和所述压扭外壳(37)固定连接，

设置在所述弹簧筒体(28)内的弹簧内套(24)，其两端分别与所述定阀盘(23)和所述芯轴(35)连接，

其中，在所述弹簧筒体和弹簧内套之间设置有至少一组碟簧(27)。

14.根据权利要求13所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，所述碟簧(27)的两端分别设有第一限位件(25)和第二限位件(29)，并且所述弹簧内套(24)通过第二限位件(29)与所述芯轴(35)连接。

15.根据权利要求14所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，在所述碟簧(27)与所述第一限位件(25)和第二限位件(29)之间均设有用于调节所述碟簧(27)的预紧力的垫片(26)。

16.根据权利要求15所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，所述弹簧内套(24)与所述第二限位件(29)固定连接，在所述芯轴(35)的一端设有芯轴套(33)，所述芯轴套(33)通过轴承(30)与所述第二限位件(29)接触。

17.根据权利要求1所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，所述芯轴(35)设有外螺旋，所述压扭外壳(37)设有能够与所述外螺旋配合的内螺旋，以及用于注入润滑剂的通孔。

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