CN110725646A - 一种射流式三维复合冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射流式三维复合冲击器，包括上接头、碟簧、压盖、射流元件、导流块、摆锤、上壳体、下壳体、换向器、内筒、冲锤、喷嘴、喷嘴底座、下接头；摆锤在射流元件调控作用下，产生周期性转动并与下壳体发生接触碰撞产生扭转冲击力，摆锤在转动过程中带动换向器旋转，进而驱动冲锤产生与摆锤转动频率相同周期性上下往复运动，并与下接头发生接触碰撞产生轴向冲击力。本发明提供的射流式三维复合冲击器能够产生频率相同的扭转冲击和轴向冲击力，有利于提高破岩能量、改善破岩环境。

Description

一种射流式三维复合冲击器

技术领域

本发明涉及油气勘探、地质勘探、地热井开发技术领域，特别涉及一种射流式三维复合冲击器。

背景技术

随着油气勘探开发逐渐向深部、深海和山前构造带拓展，深井、超深井、定向水平井比例越来越高。与此同时，由于岩石在深层、大围压作用下力学参数明显增大、可钻性和研磨性增强，造成在钻进深层、大围压地层时常常遇到机械钻速慢、行程进尺短、钻头消耗量大等瓶颈。

为了解决上述难题，在不增加地面机泵设备条件下，通过在钻头上方设置辅助破岩工具，以求达到合理利用并转化泥浆水力能量来达到增加钻头破岩能量、降低破岩阻力的理念和方式正在逐渐被广泛接受。因此，国内外相关企业和学者都在开展不同类型的辅助破岩工具研发工作。

而以射流元件为核心控制单元的近钻头辅助破岩工具在近几年不断出现，这其中又以射流式液动锤和射流式扭冲工具为代表，但二者在应用过程中也反映出一些不足和缺陷，比如：射流式液动锤主要是依靠冲锤上下往复运动产生单一轴向冲击力，没有扭转冲击功能，从而常常出现在提高破岩能量的同时无法有效改善破岩环境，导致钻头提前失效、降低行程进尺的情况；而射流式扭冲工具则正好相反，其主要是依靠摆锤来回转动产生单一扭转冲击力，没有轴向冲击功能，这就造成在改善钻头破岩环境同时无法大幅提高破岩能量，导致提速效果不明显的情况。

因此，迫切需要研发一种能够同时产生扭转冲击力和轴向冲击力的新型射流式辅助破岩工具，以满足深井、超深井钻井施工中提速降本的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种射流式三维复合冲击器，能够产生频率相同的扭转冲击和轴向冲击力，从而使钻头实现三维复合冲击作用下的立体式破岩效果，提高高研磨性硬地层破岩能量，改善破岩环境，消除钻头粘滑现象。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种射流式三维复合冲击器，其特征在于，包括：射流元件、摆锤、上壳体、下壳体、换向器、内筒、喷嘴、喷嘴底座和下接头；

所述射流元件安装在所述上壳体内；所述射流元件内部设有中心腔、左排液道、右排液道、左信号道和右信号道；所述射流元件和所述上壳体之间形成有下排液腔和上排液腔，所述左排液道与所述下排液腔连通，所述右排液道与所述上排液腔连通；

所述下壳体连接于所述上壳体下方；所述下壳体上半部分内部设有左液流道和右液流道，所述中心腔的左输出道连通所述左液流道，右输出道连通所述右液流道；所述下壳体中部内设有上排液道和下排液道；

所述摆锤装配在所述下壳体内，并在两者之间形成左前工作腔和右前工作腔，且所述左前工作腔和所述右前工作腔分别位于所述摆锤周向的两侧；所述左前工作腔连通所述左液流道，所述右前工作腔连通所述右液流道；

所述换向器装配在所述下壳体内，并在两者之间形成环形过流腔，所述上排液道将所述上排液腔与所述环形过流腔连通，所述下排液道将所述下排液腔与所述环形过流腔连通；所述换向器上端设有中心过流腔和过流孔，所述中心过流腔与所述环形过流腔之间通过所述过流孔连通；所述换向器中部设有上液流道、下液流道和扇形排液道；所述换向器通过传动面与所述摆锤连接；

所述内筒套设在所述换向器外侧，所述内筒设有上过流道和下过流道；

所述冲锤套设在所述内筒和所述下壳体之间，所述冲锤设有上液流腔和下液流腔，所述中心过流腔、所述上液流道、所述上过流道和所述上液流腔依次连通，所述中心过流腔、所述下液流道、所述下过流道和所述下液流腔依次连通；所述上液流腔通过所述上过流道连通所述扇形排液道，所述下排液腔通过所述下过流道连通所述扇形排液道；

所述喷嘴通过所述喷嘴底座装配在所述下壳体内，所述喷嘴连通所述中心过流腔；所述喷嘴底座设有排液孔和中心排液腔，所述排液孔将所述中心排液腔和所述扇形排液道连通；

所述下接头固定连接于所述下壳体下端，所述下接头的上端面与所述冲锤的下端面相对。

优选的，所述摆锤和所述下壳体之间还形成有左后工作腔和右后工作腔，所述左后工作腔和所述右前工作腔位于所述摆锤周向的同侧，所述右后工作腔和所述左前工作腔位于所述摆锤周向的同侧；所述摆锤中设有第一过流道和第二过流道，所述第一过流道将所述右前工作腔与所述左后工作腔连通，所述第二过流道将所述左前工作腔与所述右后工作腔连通。

优选的，所述过流孔的数量为多个。

优选的，多个所述过流孔沿周向均匀分布。

优选的，所述上液流道和所述下液流道均为两个，且圆周均匀布置。

优选的，所述上过流道和所述下过流道均为两个，且圆周均匀布置。

优选的，还包括导流块，所述导流块安装在所述上壳体内，位于所述射流元件和所述下壳体之间；所述导流块设有左侧孔道和右侧孔道，所述左侧孔道连通所述左液流道和所述中心腔的左输出道，所述右侧孔道连通所述右液流道和所述中心腔的右输出道。

优选的，还包括上接头、碟簧和压盖，所述压盖插入所述上接头内侧通孔中，所述碟簧装配在所述上接头与所述压盖之间，所述压盖下端面与所述射流元件上端面接触配合。

优选的，所述内筒上端通过螺纹与所述下壳体内侧连接，所述内筒下端通过螺纹与所述下接头内侧连接。

优选的，所述喷嘴底座下端插入所述下接头通孔内侧，所述喷嘴底座上端面与所述换向器下端面接触配合。

根据上述技术方案可知，本发明提供的射流式三维复合冲击器，一方面通过射流元件控制摆锤在下壳体上端内部的周期性顺时针和逆时针转动，并与下壳体发生冲击碰撞产生扭转冲击力；另一方面摆锤在转动过程中带动换向器旋转，进而驱动冲锤在下壳体下端内部产生与摆锤扭转频率相同周期性上下往复运动，并与下接头发生冲击碰撞产生竖直向下冲击力。

综上所述，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明能够同时产生扭转冲击力和轴向冲击力，从而具备三维复合冲击功能，其中扭转冲击减小钻头破岩时扭矩波动，改善钻头破岩环境，轴向冲击提高了钻头破岩能量；从而，填补现有射流式辅助破岩工具只能产生单一轴向冲击或者单一扭转冲击的空白；

2、本发明产生的扭转冲击和轴向冲击具有相同冲击频率，通过调节钻井液排量和泵压即可实现二者冲击频率的同步调节，且避免由于扭转冲击频率与轴向冲击频率不同而产生的破岩能量传递过程中的干涉现象；

3、本发明内部钻井液流道一直处于开路状态，能够避免由于冲击器停止工作导致的钻井液流道堵塞现象，保证钻井液在井下循环流道畅通；

4、本发明能够与涡轮或螺杆等动力钻具配合使用，在不影响动力钻具输出的扭矩和转速传递的同时，增加三维复合冲击载荷，因此应用本发明可以实现在深井、超深井钻井施工的提速提效、缩短钻井周期。。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例提供的射流式三维复合冲击器的结构示意图；

图2为沿图1中A-A截面的剖视结构示意图；

图3为沿图1中B-B截面的剖视结构示意图；

图4为沿图1中C-C截面的剖视结构示意图；

图5为沿图1中D-D截面的剖视结构示意图；

图6为沿图1中E-E截面的剖视结构示意图；

图7为沿图1中F-F截面的剖视结构示意图；

图8为沿图1中G-G截面的剖视结构示意图；

图9为本发明实施例提供的喷嘴底座的三维剖面结构示意图。

其中，1为上接头；2为碟簧；3为压盖；

4为射流元件，41为中心腔，42为左排液道，43右排液道，44为左信号道，45为右信号道；

5为导流块；6为摆锤，61为第一过流道，62为第二过流道；

7为上壳体，71为下排液腔，72上排液腔；

8为下壳体，81为左液流道，82为右液流道，83为左前工作腔，84为右前工作腔，85为左后工作腔，86为右后工作腔，87为上排液道，88下排液道；

9为换向器，91为环形过流腔；92为过流孔；93为中心过流腔；94为上液流道；95为扇形排液道；96为下液流道

10为内筒，101为上过流道，102为下过流道；

11为冲锤，111为上液流腔，112为下液流腔；

12为喷嘴；13为喷嘴底座，131为排液孔，132为中心排液腔；

14为下接头；15为传动面。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

本发明实施例提供的射流式三维复合冲击器，其特征在于，包括：射流元件4、摆锤6、上壳体7、下壳体8、换向器9、内筒10、喷嘴12、喷嘴底座13和下接头14，其结构可以参照图1所示；

其中，射流元件4安装在上壳体7内；射流元件4内部设有中心腔41、左排液道42、右排液道43、左信号道44和右信号道45；射流元件4和上壳体7之间形成有下排液腔71和上排液腔72，左排液道42与下排液腔71连通，右排液道43与上排液腔72连通；左信号道44和右信号道45均与中心腔41连通；其结构可以参照图2所示；

下壳体8连接于上壳体7下方；下壳体8上半部分内部设有左液流道81和右液流道82，中心腔41的左输出道连通左液流道81，右输出道连通右液流道82；下壳体8中部内设有上排液道87和下排液道88；

摆锤6装配在下壳体8内，并在两者之间形成左前工作腔83和右前工作腔84，且左前工作腔83和右前工作腔84分别位于摆锤6周向的两侧，这两个工作腔内的钻井液能够分别推动摆锤6沿顺时针方向或者逆时针方向扭转，如图3和图4的截面视角所示，左前工作腔83位于摆锤6周向的左侧(沿逆时针方向侧)，右前工作腔84位于摆锤6周向的右侧(沿顺时针方向侧)；左前工作腔83连通左液流道81，右前工作腔84连通右液流道82；需要说明的是，本方案中提到的“前”、“后”、“左”和“右”的方向概念是基于截面视图而言，为了便于区分和描述相对位置，并不将具体结构和使用方式仅仅限定于此；摆锤6可以为单一扇形冲击瓣结构；

换向器9装配在下壳体8内，并在两者之间形成环形过流腔91，上排液道87将上排液腔72与环形过流腔91连通，下排液道88将下排液腔71与环形过流腔91连通；换向器9上端设有中心过流腔93和过流孔92，中心过流腔93与环形过流腔91之间通过过流孔92连通；换向器9中部设有上液流道94、下液流道96和扇形排液道95；换向器9通过传动面15与摆锤6连接；

内筒10套设在换向器9外侧，内筒10设有上过流道101和下过流道102；

冲锤11套设在内筒10和下壳体8之间，冲锤11设有上液流腔111和下液流腔112，中心过流腔93、上液流道94、上过流道101和上液流腔111依次连通，中心过流腔93、下液流道96、下过流道102和下液流腔112依次连通；上液流腔111通过上过流道101连通扇形排液道95，下排液腔112通过下过流道102连通扇形排液道95；

喷嘴12通过喷嘴底座13装配在下壳体8内，喷嘴12连通中心过流腔93；喷嘴底座13设有排液孔131和中心排液腔132，其结构可以参照图9所示，排液孔131将中心排液腔132和扇形排液道95连通；

下接头14固定连接于下壳体8下端，下接头14的上端面与冲锤11的下端面相对；下接头14用于连接钻头。

工作原理：射流式三维复合冲击器工作时，钻井液进入射流元件4内部，在中心腔41中产生连续的稳定的附壁效应，假设钻井液在中心腔41中向左侧壁面附壁，向下流入下壳体8的左液流道81和左前工作腔83中，推动摆锤6顺时针加速转动并与下壳体8发生冲击碰撞，从而产生顺时针方向扭转冲击力。摆锤6在顺时针转动过程中，左前工作腔83体积不断扩大，右前工作腔84体积不断缩小，其中的钻井液经过右液流道82和导流块5右侧孔道向上流入射流元件4中，经由右排液道43流入上排液腔72中；上排液腔72中的钻井液经过下壳体8中部上排液道87流入环形过流腔91中，并经由过流孔92流至换向器9中心过流腔93中，大部分钻井液通过喷嘴12流入钻头。摆锤6在顺时针转动的同时，通过六边形传动面15带动换向器9一起发生同步转动，一方面换向器9在顺时针转动过程中，上液流道94与内筒10上过流道101连通，中心过流腔93中的少部分钻井液经由上液流道94和上过流道101流入上液流腔111中，推动冲锤11向下加速运动并与下接头14发生冲击碰撞，从而产生竖直向下冲击力；另一方面换向器9在顺时针转动过程中，扇形排液道95与下过流道102连通，下排液腔112中的钻井液通过下过流道102流至扇形排液道95中，向下经由喷嘴底座13排液孔131流至中心排液腔132中，并向下流入钻头。可见，一种射流式三维复合冲击器具有顺时针扭转冲击与竖直向下冲击同步发生特性。

摆锤6顺时针冲击碰撞完成后，左前工作腔83体积不再扩大，而钻井液依旧不断地流入左前工作腔83中，造成左液流道81中的压力升高，钻井液经过射流元件4流出受阻，进而由左信号道44对流入射流元件4中的钻井液射流束产生干涉，使钻井液切换成向中心腔41右侧壁面附壁，然后经由导流块5右侧孔道进入右液流道82和右前工作腔84中，推动摆锤6开始做逆时针加速转动，并与下壳体8发生冲击碰撞，从而产生逆时针方向扭转冲击力。摆锤6在逆时针转动过程中，右前工作腔84体积不断扩大，左前工作腔83体积不断缩小，其中的钻井液一起经过左液流道81和导流块5左侧孔道向上流入射流元件4中，经由左排液道42流入下排液腔71中；下排液腔71中的钻井液经过下壳体8中部下排液道88流入环形过流腔91中，并经由过流孔92流至换向器6中心过流腔93中，大部分钻井液通过喷嘴12流入钻头。摆锤6在逆时针转动的同时，通过六边形传动面15带动换向器9一起发生同步转动，一方面换向器9在逆时针转动过程中，下液流道96与内筒10下过流道102连通，中心过流腔93中的少部分钻井液经由下液流道96和下过流道102流入下液流腔112中，推动冲锤11向上运动并与下壳体8发生接触碰撞；另一方面换向器9在逆时针转动过程中，扇形排液道95与上过流道101连通，上排液腔111中的钻井液通过上过流道101流至扇形排液道95中，向下经由喷嘴底座13排液孔131流至中心排液腔132中，并向下流入钻头。可见，一种射流式三维复合冲击器具有逆时针扭转冲击与竖直向上冲击同步发生的特性。

本发明实施例提供的射流式三维复合冲击器，工作产生的顺时针和逆时针扭转冲击力通过下壳体8传递至下接头14，而竖直向下冲击力则直接在下接头14上端面生成，且扭转冲击频率与轴向冲击频率相同，所实现三维复合冲击效果可以共同作用于井底钻头。

本发明实施例提供的射流式三维复合冲击器在发生故障、不工作时，钻井液经过上接头1和压盖3通孔进入射流元件4内部，然后通过左排液道42和右排液道43，流至下排液腔71和上排液腔72中并向下流动；上排液腔72中的钻井液经过上排液道87流入环形过流腔91中，而下排液腔71中的钻井液经过下排液道88流入环形过流腔91中，这两股钻井液再经由过流孔92流至中心过流腔93中并继续向下流动，紧接着通过喷嘴12向下喷出并流至钻头。可见，一种射流式三维复合冲击器内部钻井液流道一直处于开路状态，能够保证钻井液在井下循环流道畅通。

作为优选，射流式三维复合冲击器的上述各组成部件同轴装配，且各腔道关于共同的中心轴线对称，以达到最佳的工作效果。

为了进一步优化上述的技术方案，摆锤6和下壳体8之间还形成有左后工作腔85和右后工作腔86，左后工作腔85和右前工作腔84位于摆锤6周向的同侧(这里均为沿顺时针方向侧)，右后工作腔86和左前工作腔83位于摆锤6周向的同侧(这里均为沿逆时针方向侧)；摆锤6中设有第一过流道61和第二过流道62，第一过流道61将右前工作腔84与左后工作腔85连通，第二过流道62将左前工作腔83与右后工作腔86连通。如此设置，多个工作腔能够通过钻井液同时在不同位置推动摆锤6扭转，以优化受力。作为优选，左前工作腔83和右后工作腔86关于摆锤6中轴对称，右前工作腔84和左后工作腔85关于摆锤6中轴对称，能够使钻井液起到平衡的推动效果，摆锤6具体为两个对称扇形冲击瓣结构。

在本实施例中，过流孔92的数量为多个，以保证流量。

进一步的，多个过流孔92沿周向均匀分布，优化钻井液流动方式。具体的，四个过流孔92间隔90°设置，其结构可以参照图6所示。

作为优选，上液流道94和下液流道96均为两个，且圆周均匀布置，以保证流量和优化钻井液流动方式，其结构可以参照图7和图8所示。类似的，上过流道101和下过流道102均为两个，且圆周均匀布置。

本发明实施例提供的射流式三维复合冲击器，还包括导流块5，该导流块5安装在上壳体7内，位于射流元件4和下壳体8之间起到导流作用；导流块5设有左侧孔道和右侧孔道，左侧孔道连通左液流道81和中心腔41的左输出道，右侧孔道连通右液流道82和中心腔41的右输出道。导流块5上端面与射流元件4下端面接触配合，下端面与下壳体8上端面接触配合，起到定位装配作用。

本发明实施例提供的射流式三维复合冲击器，还包括上接头1、碟簧2和压盖3，压盖3插入上接头1内侧通孔中，碟簧2装配在上接头1与压盖3之间，压盖3下端面与射流元件4上端面接触配合。碟簧2用于抵消冲锤11在向上运动过程中与下壳体8产生的竖直向上冲击力，避免射流元件4非正常损坏。

在本实施例中，内筒10上端通过螺纹与下壳体8内侧连接，内筒10下端通过螺纹与下接头14内侧连接，通过两端配合实现内筒10的固定安装，其结构可以参照图1所示。

具体的，喷嘴底座13下端插入下接头14通孔内侧，喷嘴底座13上端面与换向器9下端面接触配合。

下面结合具体实施例对本方案作进一步介绍：

实施例一：

如图1所示，一种射流式三维复合冲击器是由上接头1、碟簧2、压盖3、射流元件4、导流块5、摆锤6、上壳体7、下壳体8、换向器9、内筒10、冲锤11、喷嘴12、喷嘴底座13和下接头14组成。

如图1～图9所示，上接头1外侧下端通过螺纹与上壳体7上端连接，上接头1内侧通孔中插入有压盖3，上接头1与压盖3之间装配有碟簧2；上壳体7内部装有射流元件4和导流块5，射流元件4上端面与压盖3下端面接触配合，射流元件4下端面与导流块5上端面接触配合，上壳体7下端通过螺纹与下壳体8外侧中间部位连接；下壳体8上半部分插入上壳体7内部，下壳体8上端面与导流块5下端面接触配合，下壳体8上部内侧装配有摆锤6，下壳体8下半部分内侧依次装配有冲锤11、内筒10和换向器9，下壳体8下端通过螺纹与下接头14连接；摆锤6上端面与导流块5下端面接触配合，摆锤6下端与换向器9通过六边形传动面15连接；换向器9下端面与喷嘴底座13上端面接触配合，换向器9外侧与内筒10接触配合；喷嘴底座13上端通过螺纹与喷嘴12连接，喷嘴底座13下端插入下接头14通孔内侧；内筒10上端通过螺纹与下壳体8内侧连接，内筒10下端通过螺纹与下接头14内侧连接，内筒10外侧与冲锤11接触配合；

射流元件4内部设有中心腔41、左排液道42、右排液道43、左信号道44、右信号道45，射流元件4和上壳体7之间设有下排液腔71和上排液腔72，左排液道42与下排液腔71连通，右排液道43与上排液腔72连通，左信号道44和右信号道45均与中心腔41连通；

下壳体8上半部分内部两侧分别设有左液流道81和右液流道82，下壳体8与摆锤6装配后形成左前工作腔83、右前工作腔84、左后工作腔85、右后工作腔86，下壳体8中部设有上排液道87和下排液道88，下壳体8与换向器9之间设有环形过流腔91，上排液道87将上排液腔72与环形过流腔91连通，下排液道88将下排液腔71与环形过流腔91连通；

摆锤6中设有第一过流道61和第二过流道62，通过第一过流道61将右前工作腔84与左后工作腔85连通，通过第二过流道62将左前工作腔83与右后工作腔86连通，摆锤6通过传动面15与换向器9连接；

换向器9上端设有中心过流腔93和四个过流孔92，中心过流腔93与环形过流腔91之间通过过流孔92连通，换向器9中部设有上液流道94、下液流道96和扇形排液道95，上液流道94和下液流道96均为两个、且圆周均匀布置；

内筒10设有上过流道101和下过流道102，上过流道101和下过流道102均为两个、且圆周均匀布置；

冲锤11设有上液流腔111和下液流腔112，上液流腔111与上过流道101连通，下液流腔112与下过流道102连通；

喷嘴底座13设有排液孔131和中心排液腔132，排液孔131将中心排液腔132和扇形排液道95连通。

所述射流式三维复合冲击器工作时，钻井液经过上接头1和压盖3通孔进入射流元件4内部，在中心腔41中产生连续的稳定的附壁效应，假设钻井液在中心腔41中向左侧壁面附壁，经由导流块5左侧孔道向下流入下壳体8的左液流道81和左前工作腔83中，并通过摆锤6的第二过流道62流入右后工作腔86中，推动摆锤6顺时针加速转动并与下壳体8发生冲击碰撞，从而产生顺时针方向扭转冲击力。摆锤6在顺时针转动过程中，左前工作腔83和右后工作腔86体积不断扩大，右前工作腔84和左后工作腔85体积不断缩小，左后工作腔85内的钻井液经由摆锤6第一过流道61流入右前工作腔84中，并与右前工作腔84中的钻井液一起经过右液流道82和导流块5右侧孔道向上流入射流元件4中，经由右排液道43流入上排液腔72中；上排液腔72中的钻井液经过下壳体8中部上排液道87流入环形过流腔91中，并经由过流孔92流至换向器9中心过流腔93中，大部分钻井液通过喷嘴12流入钻头。摆锤6在顺时针转动的同时，通过六边形传动面15带动换向器9一起发生同步转动，一方面换向器9在顺时针转动过程中，上液流道94与内筒10上过流道101连通，中心过流腔93中的少部分钻井液经由上液流道94和上过流道101流入上液流腔111中，推动冲锤11向下加速运动并与下接头14发生冲击碰撞，从而产生竖直向下冲击力；另一方面换向器9在顺时针转动过程中，扇形排液道95与下过流道102连通，下排液腔112中的钻井液通过下过流道102流至扇形排液道95中，向下经由喷嘴底座13排液孔131流至中心排液腔132中，并向下流入钻头。可见，所述一种射流式三维复合冲击器具有顺时针扭转冲击与竖直向下冲击同步发生特性。

摆锤6顺时针冲击碰撞完成后，左前工作腔83和右后工作腔86体积不再扩大，而钻井液依旧不断地流入左前工作腔83和右后工作腔86中，造成左液流道81中的压力升高，钻井液经过射流元件4流出受阻，进而由左信号道44对流入射流元件4中的钻井液射流束产生干涉，使钻井液切换成向中心腔41右侧壁面附壁，然后经由导流块5右侧孔道进入右液流道82和右前工作腔84中，同时通过第一过流道61流入左后工作腔85中，推动摆锤6开始做逆时针加速转动，并与下壳体8发生冲击碰撞，从而产生逆时针方向扭转冲击力。摆锤6在逆时针转动过程中，右前工作腔84和左后工作腔85体积不断扩大，左前工作腔83和右后工作腔86体积不断缩小，右后工作腔86内的钻井液经由第二过流道62流入左前工作腔83中，并与左前工作腔83中的钻井液一起经过左液流道81和导流块5左侧孔道向上流入射流元件4中，经由左排液道42流入下排液腔71中；下排液腔71中的钻井液经过下壳体8中部下排液道88流入环形过流腔91中，并经由过流孔92流至换向器6中心过流腔93中，大部分钻井液通过喷嘴12流入钻头。摆锤6在逆时针转动的同时，通过六边形传动面15带动换向器9一起发生同步转动，一方面换向器9在逆时针转动过程中，下液流道96与内筒10下过流道102连通，中心过流腔93中的少部分钻井液经由下液流道96和下过流道102流入下液流腔112中，推动冲锤11向上运动并与下壳体8发生接触碰撞；另一方面换向器9在逆时针转动过程中，扇形排液道95与上过流道101连通，上排液腔111中的钻井液通过上过流道101流至扇形排液道95中，向下经由喷嘴底座13排液孔131流至中心排液腔132中，并向下流入钻头。可见，所述一种射流式三维复合冲击器具有逆时针扭转冲击与竖直向上冲击同步发生的特性。

碟簧2用于抵消冲锤11在向上运动过程中与下壳体8产生的竖直向上冲击力，避免射流元件4非正常损坏。

所述一种射流式三维复合冲击器工作产生的顺时针和逆时针扭转冲击力通过下壳体8传递至下接头14，而竖直向下冲击力则直接在下接头14上端面生成，且扭转冲击频率与轴向冲击频率相同，所实现三维复合冲击效果可以共同作用于井底钻头。

所述一种射流式三维复合冲击器在发生故障、不工作时，钻井液经过上接头1和压盖3通孔进入射流元件4内部，然后通过左排液道42和右排液道43，流至下排液腔71和上排液腔72中并向下流动；上排液腔72中的钻井液经过上排液道87流入环形过流腔91中，而下排液腔71中的钻井液经过下排液道88流入环形过流腔91中，这两股钻井液再经由过流孔92流至中心过流腔93中并继续向下流动，紧接着通过喷嘴12向下喷出并流至钻头。可见，所述一种射流式三维复合冲击器内部钻井液流道一直处于开路状态，能够保证钻井液在井下循环流道畅通。

实施例二：

如图1和图5所示，实施例一中，传动面15为正六边形传动面。实施例二与实施例一的区别仅在于，传动面15的形状不同，在实施例二中，传动面15为正方形传动面。

综上所述，本发明实施例公开了一种射流式三维复合冲击器，包括上接头、碟簧、压盖、射流元件、导流块、摆锤、上壳体、下壳体、换向器、内筒、冲锤、喷嘴、喷嘴底座、下接头；摆锤在射流元件调控作用下，产生周期性转动并与下壳体发生接触碰撞产生扭转冲击力，摆锤在转动过程中带动换向器旋转，进而驱动冲锤产生与摆锤转动频率相同周期性上下往复运动，并与下接头发生接触碰撞产生轴向冲击力。本发明实施例提供的射流式三维复合冲击器能够产生频率相同的扭转冲击和轴向冲击力，有利于提高破岩能量、改善破岩环境。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种射流式三维复合冲击器，其特征在于，包括：射流元件(4)、摆锤(6)、上壳体(7)、下壳体(8)、换向器(9)、内筒(10)、喷嘴(12)、喷嘴底座(13)和下接头(14)；

所述射流元件(4)安装在所述上壳体(7)内；所述射流元件(4)内部设有中心腔(41)、左排液道(42)、右排液道(43)、左信号道(44)和右信号道(45)；所述射流元件(4)和所述上壳体(7)之间形成有下排液腔(71)和上排液腔(72)，所述左排液道(42)与所述下排液腔(71)连通，所述右排液道(43)与所述上排液腔(72)连通；

所述下壳体(8)连接于所述上壳体(7)下方；所述下壳体(8)上半部分内部设有左液流道(81)和右液流道(82)，所述中心腔(41)的左输出道连通所述左液流道(81)，右输出道连通所述右液流道(82)；所述下壳体(8)中部内设有上排液道(87)和下排液道(88)；

所述摆锤(6)装配在所述下壳体(8)内，并在两者之间形成左前工作腔(83)和右前工作腔(84)，且所述左前工作腔(83)和所述右前工作腔(84)分别位于所述摆锤(6)周向的两侧；所述左前工作腔(83)连通所述左液流道(81)，所述右前工作腔(84)连通所述右液流道(82)；

所述换向器(9)装配在所述下壳体(8)内，并在两者之间形成环形过流腔(91)，所述上排液道(87)将所述上排液腔(72)与所述环形过流腔(91)连通，所述下排液道(88)将所述下排液腔(71)与所述环形过流腔(91)连通；所述换向器(9)上端设有中心过流腔(93)和过流孔(92)，所述中心过流腔(93)与所述环形过流腔(91)之间通过所述过流孔(92)连通；所述换向器(9)中部设有上液流道(94)、下液流道(96)和扇形排液道(95)；所述换向器(9)通过传动面(15)与所述摆锤(6)连接；

所述内筒(10)套设在所述换向器(9)外侧，所述内筒(10)设有上过流道(101)和下过流道(102)；

所述冲锤(11)套设在所述内筒(10)和所述下壳体(8)之间，所述冲锤(11)设有上液流腔(111)和下液流腔(112)，所述中心过流腔(93)、所述上液流道(94)、所述上过流道(101)和所述上液流腔(111)依次连通，所述中心过流腔(93)、所述下液流道(96)、所述下过流道(102)和所述下液流腔(112)依次连通；所述上液流腔(111)通过所述上过流道(101)连通所述扇形排液道(95)，所述下排液腔(112)通过所述下过流道(102)连通所述扇形排液道(95)；

所述喷嘴(12)通过所述喷嘴底座(13)装配在所述下壳体(8)内，所述喷嘴(12)连通所述中心过流腔(93)；所述喷嘴底座(13)设有排液孔(131)和中心排液腔(132)，所述排液孔(131)将所述中心排液腔(132)和所述扇形排液道(95)连通；

所述下接头(14)固定连接于所述下壳体(8)下端，所述下接头(14)的上端面与所述冲锤(11)的下端面相对。

2.根据权利要求1所述的射流式三维复合冲击器，其特征在于，所述摆锤(6)和所述下壳体(8)之间还形成有左后工作腔(85)和右后工作腔(86)，所述左后工作腔(85)和所述右前工作腔(84)位于所述摆锤(6)周向的同侧，所述右后工作腔(86)和所述左前工作腔(83)位于所述摆锤(6)周向的同侧；所述摆锤(6)中设有第一过流道(61)和第二过流道(62)，所述第一过流道(61)将所述右前工作腔(84)与所述左后工作腔(85)连通，所述第二过流道(62)将所述左前工作腔(83)与所述右后工作腔(86)连通。

3.根据权利要求1所述的射流式三维复合冲击器，其特征在于，所述过流孔(92)的数量为多个。

4.根据权利要求3所述的射流式三维复合冲击器，其特征在于，多个所述过流孔(92)沿周向均匀分布。

5.根据权利要求1所述的射流式三维复合冲击器，其特征在于，所述上液流道(94)和所述下液流道(96)均为两个，且圆周均匀布置。

6.根据权利要求1所述的射流式三维复合冲击器，其特征在于，所述上过流道(101)和所述下过流道(102)均为两个，且圆周均匀布置。

7.根据权利要求1所述的射流式三维复合冲击器，其特征在于，还包括导流块(5)，所述导流块(5)安装在所述上壳体(7)内，位于所述射流元件(4)和所述下壳体(8)之间；所述导流块(5)设有左侧孔道和右侧孔道，所述左侧孔道连通所述左液流道(81)和所述中心腔(41)的左输出道，所述右侧孔道连通所述右液流道(82)和所述中心腔(41)的右输出道。

8.根据权利要求1所述的射流式三维复合冲击器，其特征在于，还包括上接头(1)、碟簧(2)和压盖(3)，所述压盖(3)插入所述上接头(1)内侧通孔中，所述碟簧(2)装配在所述上接头(1)与所述压盖(3)之间，所述压盖(3)下端面与所述射流元件(4)上端面接触配合。

9.根据权利要求1所述的射流式三维复合冲击器，其特征在于，所述内筒(10)上端通过螺纹与所述下壳体(8)内侧连接，所述内筒(10)下端通过螺纹与所述下接头(14)内侧连接。

10.根据权利要求1所述的射流式三维复合冲击器，其特征在于，所述喷嘴底座(13)下端插入所述下接头(14)通孔内侧，所述喷嘴底座(13)上端面与所述换向器(9)下端面接触配合。

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