CN112240160B - 一种钻井提速工具 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种钻井提速工具，包括：圆筒状的外壳；用于连接钻头的下座体；同心布置在所述外壳内的支撑套，所述支撑套包括供钻井液从中流过的中心通道，在所述支撑套内设有喷嘴，从而将钻井液分成高压钻井液和低压钻井液；扭转冲击机构，其包括依次顺序套设在所述支撑套上的换向锤、扭转冲击锤以及与所述下座体固定连接的上座体；其中，在所述扭转冲击锤与所述上座体之间形成有呈轴对称分布的第一周向液腔和第二周向液腔，所述扭转冲击机构构造成能够使所述第一周向液腔和所述第二周向液腔交替地连通高压钻井液和低压钻井液，以使得所述扭转冲击锤在高压钻井液和低压钻井液之间的压差作用下来回转动，从而产生往复扭转冲击。

Description

一种钻井提速工具

技术领域

本发明属于能源勘探开发技术领域，具体地涉及一种钻井提速工具。

背景技术

近年来，随着能源勘探技术的不断发展，为了满足钻井工程中的不同需求出现了许多不同功能的钻井工具，并且现有技术中的钻井工具的性能也得到了很大的提高。

然而，在一些特殊工况下，现有的钻井提速工具仍然存在一些问题。例如，在中硬以上地层或高研磨性地层中施工时，PDC钻头在钻井过程中存在严重的“粘滑”现象。钻头的“粘滑”现象会导致钻柱扭转振荡，导致钻进过程不稳定，且钻头的吃入深度不够。特别地，当钻遇软硬交替及非均质性地层时钻头会发生剧烈的不规则振动，从而造成复合切削片崩齿，导致钻头失效，减少了钻头的使用寿命，对于钻头和钻具造成巨大的损害，极易诱发井下事故。此外，钻头的不规则振动还会导致机械钻速慢，进而降低钻头的破岩效率。

目前，现有技术中的PDC钻头通常结合扭力冲击器、射流冲击器等单一冲击功能的钻井提速工具，在非均质性深部地层中，这些钻井提速工具无法充分发挥出提速效果，其破岩钻进效率低，且地层适应性差。

因此，亟需一种能够将单一冲击功能集成于一体而形成复合冲击以改善钻头冲击方式的钻井提速工具。

发明内容

针对至少一些如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种钻井提速工具，该钻井提速工具能够同时对钻头施加周向往复的破岩扭矩冲击和轴向往复的钻压冲击，从而大大提高钻具的破岩效率。同时，该钻井提速工具能够有效抑制钻头的不稳定的轴向跳动和周向粘滑振动，从而保护钻头和钻具，能够有效延长钻头和钻具的使用寿命。此外，该钻井提速工具采用纯机械结构，其性能稳定可靠，且没有橡胶件和电子件，使其具有很强的耐高温高压能力，能够有效增强钻进提速工具的适用性，提高破岩效率，延长了钻井提速工具的使用寿命。

为此，本发明提出了一种钻井提速工具，包括：圆筒状的外壳；连接在所述外壳的下游端且用于连接钻头的下座体；同心布置在所述外壳内的支撑套，所述支撑套包括供钻井液从中流过的中心通道，在所述支撑套内设有喷嘴，从而将钻井液分成高压钻井液和低压钻井液；扭转冲击机构，其包括依次顺序套设在所述支撑套上的换向锤、扭转冲击锤以及与所述下座体固定连接的上座体，所述换向锤和所述扭转冲击锤能够相对转动，其中，在所述扭转冲击锤与所述上座体之间形成有呈轴对称分布的第一周向液腔和第二周向液腔，所述扭转冲击机构构造成能够使所述第一周向液腔和所述第二周向液腔交替地连通高压钻井液和低压钻井液，以使得所述扭转冲击锤在高压钻井液和低压钻井液之间的压差作用下来回转动，从而产生往复扭转冲击。

在一个优选的实施例中，所述换向锤的外表面径向相对地设有沿轴向延伸的通槽，所述扭转冲击锤的内表面设有径向向内延伸的限位筋，所述限位筋能够在相应的通槽内沿周向运动，以限定所述换向锤与所述扭转冲击锤的相对转动角度，并且通过与所述通槽的侧壁的接合而带动所述换向锤转动。

在一个优选的实施例中，在所述换向锤的外表面且处于所述通槽的周向两侧设有轴向延伸的第一低压过流通道，且所述换向锤还设有在周向上彼此间隔开且贯穿换向锤侧壁的第一高压过流通道，所述第一低压过流通道通过所述下座体中的流道与低压钻井液连通。

在一个优选的实施例中，在所述扭转冲击锤的外表面径向相对地设有在周向上与所述限位筋间隔开90度的扇形凸起，在所述上座体的内表面设有径向相对的径向凸起，所述第一周向液腔和所述第二周向液腔在周向上形成于所述扇形凸起与所述径向凸起的侧端面之间。

在一个优选的实施例中，在所述扇形凸起的周向两侧设有冲击配流通道，在所述限位筋的周向两侧设有换向配流通道，所述冲击配流通道和所述换向配流通道均沿轴向部分延伸且贯穿所述扭转冲击锤的侧壁，其中，所述扭转冲击锤构造成能够使所述扇形凸起的一侧的所述冲击配流通道与所述第一高压过流通道连通而形成进液通道，并使另一侧的所述冲击配流通道与所述第一低压过流通道连通而形成排液通道，使得所述第一周向液腔通过所述进液通道与高压钻井液连通，所述第二周向液腔通过所述排液通道与所述低压钻井液连通，从而使所述扭转冲击锤在钻井液的压差作用下产生扭转冲击。

在一个优选的实施例中，在上座体的所述径向凸起的中部设有沿轴向延伸以形成第二低压过流通道的第一凹槽，且在所述上座体的对应于所述径向凸起的外表面上设有周向间隔开且沿轴向部分延伸的第二凹槽，在所述第二凹槽的底部设有贯穿所述上座体的侧壁的第二高压过流通道，其中，所述扭转冲击锤构造成能够在所述扇形凸起与所述径向凸起接触的极限位置时使所述限位筋的一侧的所述换向配流通道与所述第二低压过流通道连通，而另一侧的所述换向配流通道与所述第二高压过流通道连通，从而使所述扭转冲击锤和所述换向锤在钻井液的压差作用下相对转动，以完成扭转换向。

在一个优选的实施例中，还包括设置在所述外壳与所述支撑套之间且处于所述扭转冲击机构的上游端的轴向冲击机构，其包括依次顺序套设在所述支撑套的外侧且与所述换向锤固定连接的换向锤连接筒、与所述扭转冲击锤固定连接的扭转冲击锤连接筒，以及用于提供轴向冲击力的轴向冲击锤。

在一个优选的实施例中，在所述轴向冲击锤的轴向两端形成有第一轴向液腔和第二轴向液腔，所述换向锤连接筒和所述扭转冲击锤连接筒能够相对转动，以使所述第一轴向液腔和所述第二轴向液腔交替地连通高压钻井液和低压钻井液，从而使所述轴向冲击锤在高压钻井液和低压钻井液之间的压差作用下产生往复轴向冲击。

在一个优选的实施例中，所述换向锤连接筒径向相对地设有若干贯穿所述换向锤连接筒的侧壁的第三高压过流通道，以及形成于外表面上并处于所述换向锤连接筒和所述扭转冲击锤连接筒之间的第三低压过流通道，其中，若干所述第三高压过流通道在轴向上间隔开分布，并且所述第三低压过流通道与所述换向锤上的所述第一低压过流通道连通。

在一个优选的实施例中，所述扭转冲击锤连接筒在轴向上对应于所述第三高压过流通道地设有贯穿所述扭转冲击锤连接筒的侧壁的配流通道，不同轴向位置的所述配流通道在周向上错开一定角度设置，

其中，所述扭转冲击锤连接筒在所述扭转冲击锤的带动作用下能够往复交替地使所述第三高压过流通道与一端的所述配流通道连通，而使所述第三低压过流通道与另一端的所述配流通道连通，以使所述第一轴向液腔与高压钻井液连通，所述第二轴向液腔与低压钻井液连通，从而使所述轴向冲击锤在钻井液的压差作用下产生往复轴向冲击。

在一个优选的实施例中，在所述扭转冲击机构和所述轴向冲击机构之间设有导流机构，所述导流机构包括固定连接在所述上座体的端部的端盖，在所述端盖的外壁面上设有与所述第二高压过流通道连通的过流槽。

在一个优选的实施例中，所述导流机构还包括套设在所述扭转冲击锤连接筒上的导流垫块，所述外壳的内壁设有环形凸台，其中，所述导流垫块安装在所述环形凸台上，且所述导流垫块的一端设有径向向内延伸的第三导流槽。

在一个优选的实施例中，所述扭转冲击锤连接筒和所述换向锤连接筒分别设有贯穿侧壁且对应连通的第一导流槽和第二导流槽，所述第二高压过流通道依次通过所述过流槽、所述第三导流槽、所述第二导流槽以及所述第一导流槽与高压钻井液连通。

在一个优选的实施例中，所述换向锤与所述换向锤连接筒通过连接盖板形成固定连接，所述连接盖板设有第一凸台和第二凸台，所述换向锤的一端设有与所述第一凸台适配连接的第一卡槽，所述换向锤连接筒的一端设有与所述第二凸台适配连接的第二卡槽。

在一个优选的实施例中，所述扭转冲击锤与所述扭转冲击锤连接筒通过连接挡块形成固定连接，所述连接挡块设有挡块凸台，所述扭转冲击锤的端部设有若干在周向上均布的第一方孔槽，所述扭转冲击锤连接筒的端部设有与所述第一方孔槽对应的第二方孔槽，所述挡块凸台插装于所述第一方孔槽和所述第二方孔槽中。

在一个优选的实施例中，所述下座体与所述外壳通过防掉挡块和定位环形成连接，在所述外壳的下端内壁设有环形凹槽，所述下座体设有贯穿侧壁且用于安装所述防掉挡块的插槽，所述定位环固定安装在所述下座体内以使所述防掉挡块沿所述插槽径向顶入所述环形凹槽，从而使所述下座体与所述外壳形成挂接。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。

图1是根据本发明的钻井提速工具的局部剖视图。

图2显示了图1所示钻井提速工具中的下座体的结构。

图3显示了图1所示钻井提速工具中的防掉挡块的结构。

图4显示了图1所示钻井提速工具中的定位环的结构。

图5显示了图1所示钻井提速工具中的换向锤的结构。

图6显示了连接挡盖的结构。

图7显示了图1所示钻井提速工具中的扭转冲击锤的结构。

图8显示了图1所示钻井提速工具中的上座体的结构。

图9是扭转冲击机构旋转冲击未达到极限位置时沿图1中线H-H的剖面示意图。

图10是扭转冲击机构旋转冲击到极限位置后换向锤完成换向时沿图1中线H-H的剖面示意图。

图11显示了图1所示钻井提速工具中的换向锤连接筒的结构。

图12显示了连接盖板的结构。

图13显示了图1所示钻井提速工具中的扭转冲击锤连接筒的结构。

图14显示了连接挡块的结构。

图15是轴向冲击机构在轴向冲击时轴向冲击锤的高压侧的剖面示意图。

图16是轴向冲击机构在轴向冲击时轴向冲击锤的低压侧的剖面示意图。

图17显示了图1所示钻井提速工具中的端盖的结构。

图18显示了图1所示钻井提速工具中的导流垫块的结构。

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

下面通过附图来对本发明进行介绍。

需要说明的是，在本申请中，将根据本发明的钻井提速工具下放到井筒中时远离井口的一端定义为下端或相似用语，将靠近井口的一端定义为上端或相似用语。

图1是根据本发明的钻井提速工具100的局部剖视图。如图1所示，钻井提速工具100包括外壳2。外壳2构造成圆筒状，且外壳2的一端(图1中的下端)的内壁设有内螺纹。外壳2的上游端连接有接头1，接头1的一端(图1中的上端)的外表面上设有能与外壳2的端部的内螺纹适配连接的外螺纹。接头1通过螺纹连接与外壳2形成固定连接。接头1的另一端(图1中的下端)设有正锥形连接扣，其用于连接上部钻具。钻井提速工具100通过接头1能够与上部钻具快速连接，且连接稳定可靠。

如图1所示，在外壳2的内部同心布置有支撑套13。支撑套13设有供钻井液从中流过的中心流道，且在外壳2与支撑套13之间形成有环空部分。中心流道内的高压钻井液能够经过支撑套13滤砂后透过支撑套13的侧壁，从而进入环空部分。支撑套13的一端设有台阶形缩颈部，支撑套13通过台阶形缩颈部与接头1对应缩颈孔进行插装连接。支撑套13的另一端设有轴向向外延伸的圆筒形连接部，圆筒形连接部的直径大于支撑套13的直径，且在圆筒形连接部与支撑套13的连接处设有若干过流孔131，若干过流孔131在周向上均匀分布设置。在一个实施例中，在圆筒形连接部外侧设有外螺纹，而在下座体16的上端内壁上设有内螺纹，支撑套13通过圆筒形连接部的外螺纹与下座体16的内螺纹适配安装，从而形成固定连接。在支撑套13的下端内部设有喷嘴12，喷嘴12通过螺纹固定安装在支撑套13内，且处于圆筒形连接部的轴向内侧。喷嘴12将中心流道内的钻井液分成高压钻井液和低压钻井液，且过流孔131与低压钻井液连通。

根据本发明，钻井提速工具100还包括用于连接钻头的下座体16。如图1和图2所示，下座体16大致呈中空圆柱体，且下座体16连接在外壳2的下端。下座体16的外周表面设有环形径向凸起，环形径向凸起设有沿轴向延伸且周向均布的连接卡槽。同时，外壳2的下端设有若干能够分别与下座体16上的连接卡槽适配连接的轴向凸起。由此，下座体16与外壳2通过适配连接的连接卡槽和轴向凸起而形成周向固定连接，从而能够使上部钻具的扭矩依次通过接头1、外壳2和下座体16传递给钻头。

如图2所示，在下座体16的外周表面还设有径向向内延伸的环形槽。在环形槽的底部设有若干贯穿下座体16的侧壁的插槽163，若干插槽163在周向上均匀分布。在一个实施例中，下座体16的侧壁上设有四个插槽163。插槽163用于安装防掉挡块14。如图3所示，防掉挡块14包括圆弧形的弧形块141，以及连接在弧形块141的中部且沿弧形块141的直径向内延伸的插接部142。插接部142用于安装在下座体16的插槽163内，且能够在插槽163内径向移动。同时，在外壳1的对应于插槽163的内壁处设有环形凹槽，环形凹槽的轴向宽度设置成大于弧形块141的厚度。安装时，若干防掉挡块14的插接部142对应预先安装在插槽163内，然后通过定位环15沿轴向旋入下座体16内，从而将防掉挡块14沿插槽163径向顶出，使弧形块141落入外壳2上的环形凹槽内。由此，使下座体16挂接在外壳1的下端，从而能够有效防止下座体16在施工过程中脱落。图4显示了定位环15结构。在一个实施例中，定位环15通过螺纹连接沿轴向旋入下座体16内而与下座体16形成固定连接。

在一个实施例中，下座体16的一端内壁设有螺纹，下座体16通过螺纹与支撑套13的圆筒形连接部形成固定连接。下座体16的另一端构造成负锥形连接扣，用于连接钻头。

根据本发明，在支撑套13与外壳2形成的环空部分内设有用于产生周向破岩扭矩冲击的扭转冲击机构，以及用于产生轴向钻压冲击的轴向冲击机构。如图1所示，扭转冲击机构处于轴向冲击机构的下端且相互连接，扭转冲击机构与下座体16连接，轴向冲击机构与上接头1连接。

下面通过附图详细介绍扭转冲击机构和轴向冲击机构。

根据本发明，扭转冲击机构包括套设在支撑套13上的换向锤11，如图5所示，换向锤11为中空圆柱体形。在换向锤11的外周表面径向相对地设有两个沿轴向延伸的通槽117。在换向锤11的外表面且处于通槽117的周向两侧设有轴向延伸的第一低压过流通道113，从而在通槽117与第一低压过流通道113之间形成了轴向延伸的拨叉116。同时，换向锤11还设有在周向上彼此间隔开且贯穿换向锤11的侧壁的第一高压过流通道112，第一高压过流通道112周向上处于径向相对的通槽117之间，而在轴向上部分延伸且间隔开设置。在图5所示的实施例中，在换向锤11的侧壁上设有八个第一高压过流通道112。换向锤11套设在支撑套13上且处于下部区域，换向锤11的下端面与支撑套13的圆筒形连接部的上端面接触，且第一低压过流通道113与支撑套13上的过流孔131连通，从而使第一低压过流通道113通过过流孔131与喷嘴12的下端的低压钻井液连通。

如图6所示，换向锤挡盖17配作安装在换向锤11的一端外侧。换向锤挡盖17包括构造成能够适配安装到换向锤11的表面的通槽117中的弧形本体。在弧形本体的一端对称设有沿周向向外的延伸部，延伸部的周向宽度与拨叉116的宽度相等，且弧形本体的厚度与拨叉116的厚度相等。在换向锤11的拨叉116的一端设有换向锤挡盖卡槽115，换向锤挡盖17的延伸部适配安装到换向锤挡盖卡槽115中形成挂接，且换向锤挡盖17的弧形本体的未设有延伸部的一端的轴向端部与换向锤11的下端面平齐。另外，在换向锤11的通槽117的底部设有第一配作孔114，在锤挡盖挡盖17上对应设有第二配作孔(未示出)，在第一配作孔114和第二配作孔中安装固定连接件而使换向锤挡盖17与换向锤11形成固定连接。换向锤挡盖17的功能将在下文进行介绍。

在本实施例中，在换向锤11的上端外壁面上设有第一卡槽111，第一卡槽111设置在通槽117的端部。在第一卡槽111中安装连接盖板18(见图12)，换向锤11通过连接盖板18与其他零部件连接。

根据本发明，在换向锤11上套设有扭转冲击锤10，换向锤11和扭转冲击锤10能够相对转动。如图7所示，扭转冲击锤10构造成大致中空圆柱体形。在扭转冲击锤10的内表面径向对称地设有两个径向向内且沿轴向延伸的限位筋101，限位筋101对应插装在换向锤11的通槽117内。限位筋101的周向宽度小于通槽117的周向宽度。限位筋101能够在相应的通槽内转动，以限定换向锤11与扭转冲击锤10的相对转动角度，并且通过与通槽117的侧壁的接合而带动换向锤11转动。在扭转冲击锤10的外表面径向相对地设有在周向上与限位筋101间隔开90度的扇形凸起102。扇形凸起102的侧端面作为冲击面，用于在高、低压钻井液的压差作用下带动扭转冲击锤10转动。

如图7所示，在扇形凸起102的周向两侧均设有冲击配流通道103，冲击配流通道103沿轴向部分延伸且贯穿扭转冲击锤10的侧壁。在限位筋101的周向两侧设有换向配流通道104，换向配流通道104沿轴向部分延伸且贯穿扭转冲击锤10的侧壁。在一个实施例中，冲击配流通道103和换向配流通道104均设置成在轴向上间隔开分布。冲击配流通道103和换向配流通道104的轴向位置相对应，且与换向锤11上的第一高压过流通道112的轴向位置相对应。

在本实施例中，扭转冲击锤10的内壁上的限位筋101在换向锤11的上端部的连接盖板18和下端部的换向锤挡盖17的作用下形成轴向限位，从而防止扭转冲击锤10产生轴向窜动。此外，由于限位筋101两侧的冲击配流通道103中高低压不停切换，限位筋101的端面限位后能够有效实现冲击配流通道103的高低压隔离，从而防止由于高低压钻井液串通而导致启动锤无法正常换向。

在本实施例中，扭转冲击锤10的两端均设有轴向延伸的圆筒状连接部。扭转冲击锤10的下端的圆筒状连接部与下座体16形成转动连接。

根据本发明，在扭转冲击锤10上套设有上座体9，上座体9与下座体16固定连接。如图8所示，上座体9构造成圆筒状，在上座体9的内壁上径向相对地设有两个径向凸起。上座体9中的径向凸起分别安装在扭转冲击锤10的扇形凸起102之间。由此，在上座体9与扭转冲击锤10的处于扇形凸起102与径向凸起的侧端面之间在周向上形成了两个第一周向液腔和两个第二周向液腔。第一周向液腔和第二周向液腔在周向上间隔开分布，且均呈轴对称分布。第一周向液腔和第二周向液腔分别能够与高压钻井液和低压钻井液连通，以分别作为高压进液腔和低压排液腔，从而使得扭转冲击锤10的扇形凸起102能够在高压钻井液和低压钻井液之间的压差作用下实现转动。

在本实施例中，上座体9的下端设有轴向延伸的弧形凸起93，且在弧形凸起上设有第一安装孔。同时，在下座体16的外表面的上端设有能够与弧形凸起93适配安装的弧形卡槽161，且弧形卡槽161也设有能够与第一安装孔对应的第二安装孔。上座体9的弧形凸起93适配安装到下座体16的弧形卡槽161内，并通过紧定螺钉配作固定，从而使上座体9与下座体16形成固定连接。

如图8所示，在上座体9的径向凸起的中部设有径向向外凹的第二低压过流通道91，第二低压过流通道91沿轴向延伸。在上座体9的对应径向凸起的外表面上径向对称地设有周向间隔开且沿轴向延伸的凹槽，凹槽的一端延伸至上座体9的轴向上端面，另一端终止于上座体9的轴向下端面的轴向内侧。在凹槽的底部设有贯穿上座体9的侧壁的第二高压过流通道92。在一个实施例中，第二高压过流通道92在轴向上间隔开设置。第二高压过流通道92与扭转冲击锤10上的换向配流通道104在轴向上相对应。同时，在下座体16的弧形卡槽161的底部设有流道162，流道162与支撑套13上的过流孔131连通。并且，上座体9与下座体16固定连接后，第二低压过流通道91与下座体16上的流道162连通，从而使第二低压过流通道91通过流道162和过流孔131与喷嘴12的下端的低压钻井液连通。

图9是扭转冲击机构在一个工作状态下旋转冲击未达到极限位置时沿图1中线H-H的剖面示意图。如图9所示，扭转冲击锤10的扇形凸起102的一侧的冲击配流通道103与换向锤11的一个周向位置的第一高压过流通道112连通，从而形成进液通道。高压钻井液经过支撑套13滤砂后，通过进液通道进入扇形凸起102的一侧的第一周向液腔A。此时，第一周向液腔A作为高压进液腔。而扭转冲击锤10的扇形凸起102的另一侧的冲击配流通道103＇与换向锤11的一个周向位置的第一低压过流通道113连通，从而形成排液通道，以使第二周向液腔B通过排液通道与喷嘴12的下端的低压钻井液连通，从而使低压钻井液通过排液通道进入第二周向液腔B。此时，第二周向液腔B作为低压排液腔。由此，扇形凸起102的周向两侧的高压进液腔和低压排液腔呈轴对称分布，从而使高压钻井液和低压钻井液在扇形凸起102的周向两侧形成压差。在图9所示实施例中，扭转冲击锤10的扇形凸起102在钻井液的压差作用下，通过限位筋101和通槽117的一侧的拨叉116的接合而带动换向锤11一起逆时针旋转，从而产生逆时针扭转冲击，直至扭转冲击锤10旋转到扇形凸起102与上座体9的径向凸起接触的极限位置，扭转冲击锤10产生的扭转冲击力通过上座体9和下座体16传递给钻头，从而提高钻具的破岩效率和破岩效果。

在扭转冲击锤10旋转到冲击极限位置的瞬间，第一周向液腔A中充满高压钻井液且容积达到最大，而第二周向液腔B中的低压钻井液排尽且容积达到最小。如图10所示，限位筋101的一侧的换向配流通道104与上座体9上的第二低压过流通道91连通，而限位筋101的另一侧的换向配流通道104＇与上座体9上的第二高压过流通道92连通。此时，换向锤11在限位筋101的两侧的高压钻井液和低压钻井液的压差作用下，以及自身转动惯性的作用下相对扭转冲击锤10继续逆时针旋转，直至限位筋101与通槽117的另一侧拨叉116＇接触，从而完成换向。完成换向后，第一周向液腔A通过扇形凸起102的一侧的冲击配流通道103与换向锤11的第一低压过流通道113＇连通，从而使第一周向液腔A与喷嘴12的下端的低压钻井液连通。此时，第一周向液腔A作为低压排液腔。而第二周向液腔B通过扇形凸起102的另一侧的冲击配流通道103＇与第一高压过流通道112＇连通，从而使高压钻井液经过支撑套13滤砂后，通过第一高压过流通道112＇和冲击配流通道103＇在换向后进入第二周向液腔B。此时，第二周向液腔B作为高压进液腔。由此，扭转冲击锤10在高压钻井液和低压钻井液之间的压差作用下带动换向锤11开始顺时针旋转，从而产生顺时针扭转冲击，直至扭转冲击锤10旋转到极限位置而产生扭转冲击力。在实际工作过程中，扭转冲击机构循环往复地作逆时针扭转冲击和顺时针扭转冲击，从而通过扭转冲击机构实现周向往复扭转冲击。

根据本发明，轴向冲击机构包括套设在支撑套13上的换向锤连接筒5，换向锤连接筒5的一端与接头1的端面接触，另一端与换向锤11固定连接。图11显示了换向锤连接筒5的结构。如图11所示，在换向锤连接筒5的下端侧壁设有贯穿侧壁的第二卡槽54。在一个实施例中，在换向锤连接筒5的下端侧壁设有四个在周向上均布的第二卡槽54。换向锤11与换向锤连接筒5通过连接盖板18固定连接。如图12所示，连接盖板18包括弧形本体，在弧形本体的一个面上设有第一凸台182和第二凸起183，且设有贯穿弧形本体的配作孔181。连接盖板18的第一凸台182与换向锤11端部的的第一卡槽111适配安装，第二凸台183与换向锤连接筒5下端部的第二卡槽54适配安装，并在配作孔181中安装紧固螺钉。由此，换向锤连接筒5与换向锤11通过连接盖板18形成固定连接。

在本实施例中，在换向锤连接筒5的侧壁上径向相对地设有若干贯穿侧壁的第三高压过流通道51，第三高压过流通道51沿轴向部分延伸且在轴向上间隔开设置。在一个实施例中，换向锤连接筒5设有四个第三高压过流通道51。同时，在换向锤连接筒5的外周表面形成有处于换向锤连接筒5和扭转冲击锤连接筒(将在下文中介绍)之间的第三低压过流通道52，扭转冲击锤连接筒将在下文中介绍。第三低压过流通道52与换向锤11上的第一低压过流通道113连通。

根据本发明，在换向锤连接筒5上套设有扭转冲击锤连接筒3。扭转冲击锤连接筒3的一端与接头1的端面接触，另一端与扭转冲击锤10固定连接。图13显示了扭转冲击锤连接筒3的结构。如图13所示，扭转冲击锤连接筒3的侧壁下端设有若干贯穿侧壁的第二方孔槽33，若干第二方孔槽33在周向上均布分布。优选地，扭转冲击锤连接筒3设有四个第二方孔槽33。同时，在扭转冲击锤10的上端的圆筒状连接部上设有若干贯穿圆筒状连接部的第一方孔槽105，第一方孔槽105与扭转冲击锤连接筒3的第二方孔槽33相对应。扭转冲击锤连接筒5与扭转冲击锤10通过连接挡块19形成固定连接。如图14所示，连接挡块19包括弧形的挡块本体。在挡块本体的一个面上设有挡块凸台192，且在挡块本体的处于挡块凸台192的两侧设有连接孔191。安装连接扭转冲击锤连接筒3与扭转冲击锤10时，对准第一方孔槽105和第二方孔槽33后，将挡块凸台192安装在第一方孔槽105和第二方孔槽33中，并在连接孔191中安装紧固螺钉。由此，扭转冲击锤连接筒3与扭转冲击锤10通过连接挡块19形成固定连接。

在本实施例中，在扭转冲击锤连接筒3的侧壁上设有贯穿侧壁的配流通道31，配流通道31沿轴向部分延伸。配流通道31在轴向上与第三高压过流通道51相对应，而在周向上错开一定角度设置。在工作工程中，换向锤连接筒5随换向锤11同步转动，扭转冲击锤连接筒3随扭转冲击锤10同步转动，从而使配流通道31能够选择性地与换向锤连接筒5的第三高压过流通道51对应连通。

根据本发明，轴向冲击机构还包括套设在扭转冲击锤连接筒3的外侧的轴向冲击锤4。轴向冲击锤4为中空圆柱体形，且在内壁中部设有径向向内的环形凸台。轴向冲击锤4通过环形凸台套设在扭转冲击锤连接筒3的外壁面上，从而在轴向冲击锤4的轴向两端形成有第一轴向液腔和第二轴向液腔。换向锤连接筒5和扭转冲击锤连接筒3分别在换向锤11和扭转冲击锤10的带动下转动，从而能够使第一轴向液腔和第二轴向液腔中的一个与高压钻井液连通，而另一个与低压钻井液连通。由此，使轴向冲击锤4在钻井液的压差作用下产生轴向冲击。

图15是轴向冲击机构在产生轴向冲击过程中轴向冲击锤4的高压侧的剖面示意图。下面以轴向冲击机构的一个具体的工作状态进行说明，当扭转冲击锤10中的限位筋101与换向锤11的一侧的拨叉116接触时，如图15所示，换向锤连接筒5的一个轴向位置的第三高压过流通道51与扭转冲击锤连接筒3的一个轴向位置的配流通道31连通，从而形成进液通道。高压钻井液经过支撑套13滤砂后，通过该进液通道进入轴向冲击锤4与扭转冲击锤连接筒3形成的处于环形凸台的一端的环空部分C内，进而进入第一轴向液腔。此时，第一轴向液腔作为高压进液腔，且容积不断增大。与此同时，如图16所示，换向锤连接筒5的第三低压过流通道52与扭转冲击锤连接筒3的另一个轴向位置的配流通道31＇连通，进而和轴向冲击锤4与扭转冲击锤连接筒3形成的处于环形凸台的另一端的环空部分D连通而形成排液通道，从而使第二轴向液腔通过排液通道与喷嘴12的下端的低压钻井液连通。此时，第二轴向液腔作为低压排液腔，且容积不断减小。以第一轴向液腔为处于轴向冲击锤4的轴向上端为例。高压钻井液经进液通道进入第一轴向液腔，而第二轴向液腔中的低压钻井液通过排液通道排入喷嘴12的下端的低压通道。由此，轴向冲击锤4在高压钻井液和低压钻井液之间的压差作用下，产生从上往下的轴向冲击，直至运动到冲击极限位置完成正向冲击。轴向冲击锤4产生的正向冲击力通过外壳2、导流垫块6、端盖8、上座体9和下座体16传递给钻头，从而提高钻具的破岩钻压和破岩效率。

当扭转冲击锤10旋转到冲击极限位置后完成换向，即扭转冲击锤10中的限位筋101与换向锤11的一侧的拨叉116接触时，换向锤连接筒5和扭转冲击锤连接筒3分别在换向锤11和扭转冲击锤10的带动作用下，随换向锤11和扭转冲击锤10转动，从而完成轴向冲击锤4的两端的高压进液腔与低压排液腔的切换。此时，换向锤连接筒5的另一个轴向位置的第三高压过流通道51＇与扭转冲击锤连接筒3的一个轴向位置的配流通道31＇连通，从而形成进液通道。由此，高压钻井液通过该进液通道进入第二轴向液腔。此时，第二轴向液腔作为高压进液腔。同时，换向锤连接筒5的第三低压过流通道52与扭转冲击锤连接筒3的另一个轴向位置的配流通道31连通，而形成排液通道，从而使第一轴向液腔通过排液通道与喷嘴12的下端的低压钻井液连通。此时，第一轴向液腔作为低压排液腔。由此，高压钻井液经进液通道进入第二轴向液腔，而第一轴向液腔中的低压钻井液通过排液通道排入喷嘴12的下端的低压通道。由此，轴向冲击锤4在高压钻井液和低压钻井液之间的压差作用下，产生从下往上的轴向冲击，直至运动到极限位置完成反向冲击。在实际施工过程中，轴向冲击机构循环往复地作正向冲击和反向冲击，从而通过轴向冲击机构实现轴向往复冲击。

此外，在换向锤连接筒5的下端处于第三高压过流通道51的轴向外侧设有贯穿侧壁的第一导流槽53。在扭转冲击锤连接筒3的侧壁上设有能够与第一导流槽53相对应的第二导流槽32。第一导流槽53和第二导流槽32连通并通过支撑套13与高压钻井液连通，上座体9上的第二高压过流通道92通过导流机构(将在下文中介绍)与第一导流槽53和第二导流槽32连通，进而与高压钻井液连通。

根据本发明，在扭转冲击机构和轴向冲击机构之间设有导流机构。上座体9上的第二高压过流通道92通过导流机构与高压钻井液连通。导流机构包括固定连接在上座体9的上端部的端盖8。如图17所示，端盖8为中空圆柱体，在端盖8的外周表面设有与上座体9上的凹槽对应的过流槽81，从而使上座体9上的第二高压过流通道92与端盖8的过流槽81连通。在端盖8的上端面设有轴向向外延伸的环形安装部。在环形安装部上安装止推轴承7，止推轴承7的内孔套装在环形支撑部上。导流机构还包括轴向抵接在止推轴承7的一端的导流垫块6。如图18所示，导流垫块6为中空圆柱体，且一端设有轴向向外延伸的环形凸台，环形凸台设有若干在周向上均布且沿径向向内延伸的第三导流槽61。在外壳2的内壁上设有径向向内的环状凸台，导流垫块6套装在外壳2的环状凸台与扭转冲击锤连接筒3之间。导流垫块6的环形凸台的上端面与外壳2的环状凸台的下端面抵接，且导流垫块6的环形凸台套装在止推轴承7的外圆面上，以防止止推轴承7产生径向位移。并且，导流垫块6的第三导流槽61连通端盖8的过流槽81和扭转冲击锤连接筒3的第二导流槽32，从而通过导流机构实现上座体9上的第二高压过流通道92与高压钻井液连通。

根据本发明，钻井提速工具100能够通过调整轴向冲击锤4的工作行程，来实现扭转冲击机构与轴向冲击机构协同配合，从而往复循环实现周向扭矩和轴向钻压的复合冲击。

根据本发明的钻井提速工具100能够同时对钻头施加周向往复的破岩扭矩冲击和轴向往复的钻压冲击，从而大大提高钻具的破岩效率，增强了钻具的破岩效果。同时，钻井提速工具100能够有效抑制钻头的不稳定的轴向跳动和周向粘滑振动，从而保护钻头和钻具，有效延长了钻头和钻具的使用寿命。此外，钻井提速工具100采用纯机械结构，其性能稳定可靠，并且没有橡胶件和电子件，使其具有很强的耐高温高压能力，能够有效增强钻进提速工具100的适用性，提高破岩施工效率，延长了钻井提速工具100的使用寿命。

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 (16)

1.一种钻井提速工具，包括：

圆筒状的外壳（2），所述外壳的上端连接有接头；

连接在所述外壳的下游端且用于连接钻头的下座体（16）；

同心布置在所述外壳内的支撑套（13），所述支撑套包括供钻井液从中流过的中心通道，支撑套的一端设有台阶形缩颈部，另一端设有圆筒形连接部，支撑套的一端通过台阶形缩颈部与接头内对应的缩颈孔进行插装连接，另一端通过圆筒形连接部与下座体固定连接，从而在外壳与支撑套之间形成有环空部分，在所述支撑套内设有喷嘴（12），从而将钻井液分成高压钻井液和低压钻井液，中心通道内的高压钻井液能够经过支撑套滤砂后透过支撑套的侧壁，从而进入环空部分，在支撑套与圆筒形连接部的连接处设有与低压钻井液连通的过流孔（131）；

设置在所述环空部分内的扭转冲击机构，其包括依次顺序套设在所述支撑套上的换向锤（11）、扭转冲击锤（10）以及与所述下座体固定连接的上座体（9），所述换向锤和所述扭转冲击锤能够相对转动，

其中，在所述扭转冲击锤与所述上座体之间形成有呈轴对称分布的第一周向液腔和第二周向液腔，所述扭转冲击机构构造成能够使所述第一周向液腔和所述第二周向液腔交替地连通高压钻井液和低压钻井液，以使得所述扭转冲击锤在高压钻井液和低压钻井液之间的压差作用下来回转动，从而产生往复扭转冲击。

2.根据权利要求1所述的钻井提速工具，其特征在于，所述换向锤的外表面径向相对地设有沿轴向延伸的通槽（117），所述扭转冲击锤的内表面设有径向向内延伸的限位筋（101），所述限位筋能够在相应的通槽内沿周向运动，以限定所述换向锤与所述扭转冲击锤的相对转动角度，并且通过与所述通槽的侧壁的接合而带动所述换向锤转动。

3.根据权利要求2所述的钻井提速工具，其特征在于，在所述换向锤的外表面且处于所述通槽的周向两侧设有轴向延伸的第一低压过流通道（113），且所述换向锤还设有在周向上彼此间隔开且贯穿换向锤侧壁的第一高压过流通道（112），所述第一低压过流通道通过所述下座体中的流道（162）与低压钻井液连通。

4.根据权利要求3所述的钻井提速工具，其特征在于，在所述扭转冲击锤的外表面径向相对地设有在周向上与所述限位筋间隔开90度的扇形凸起（102），在所述上座体的内表面设有径向相对的径向凸起，所述第一周向液腔和所述第二周向液腔在周向上形成于所述扇形凸起与所述径向凸起的侧端面之间。

5.根据权利要求4所述的钻井提速工具，其特征在于，在所述扇形凸起的周向两侧设有冲击配流通道（103），在所述限位筋的周向两侧设有换向配流通道（104），所述冲击配流通道和所述换向配流通道均沿轴向部分延伸且贯穿所述扭转冲击锤的侧壁，

其中，所述扭转冲击锤（10）构造成能够使所述扇形凸起（102）的一侧的所述冲击配流通道（103）与所述第一高压过流通道（112）连通而形成进液通道，并使另一侧的所述冲击配流通道与所述第一低压过流通道（113）连通而形成排液通道，使得所述第一周向液腔通过所述进液通道与高压钻井液连通，所述第二周向液腔通过所述排液通道与所述低压钻井液连通，从而使所述扭转冲击锤在钻井液的压差作用下产生扭转冲击。

6.根据权利要求5所述的钻井提速工具，其特征在于，在所述上座体的所述径向凸起的中部设有沿轴向延伸以形成第二低压过流通道（91）的第一凹槽，且在所述上座体的对应于所述径向凸起的外表面上设有周向间隔开且沿轴向部分延伸的第二凹槽，在所述第二凹槽的底部设有贯穿所述上座体的侧壁的第二高压过流通道（92），

其中，所述扭转冲击锤构造成能够在所述扇形凸起（102）与所述径向凸起接触的极限位置时使所述限位筋的一侧的所述换向配流通道与所述第二低压过流通道连通，而另一侧的所述换向配流通道与所述第二高压过流通道连通，从而使所述扭转冲击锤和所述换向锤在钻井液的压差作用下相对转动，以完成扭转换向。

7.根据权利要求6所述的钻井提速工具，其特征在于，还包括设置在所述外壳与所述支撑套之间且处于所述扭转冲击机构的上游端的轴向冲击机构，其包括依次顺序套设在所述支撑套的外侧且与所述换向锤固定连接的换向锤连接筒（5）、与所述扭转冲击锤固定连接的扭转冲击锤连接筒（3），以及用于提供轴向冲击力的轴向冲击锤（4）。

8.根据权利要求7所述的钻井提速工具，其特征在于，在所述轴向冲击锤的轴向两端形成有第一轴向液腔和第二轴向液腔，所述换向锤连接筒和所述扭转冲击锤连接筒能够相对转动，以使所述第一轴向液腔和所述第二轴向液腔交替地连通高压钻井液和低压钻井液，从而使所述轴向冲击锤在高压钻井液和低压钻井液之间的压差作用下产生往复轴向冲击。

9.根据权利要求8所述的钻井提速工具，其特征在于，所述换向锤连接筒径向相对地设有若干贯穿所述换向锤连接筒的侧壁的第三高压过流通道（51），以及形成于外表面上并处于所述换向锤连接筒和所述扭转冲击锤连接筒之间的第三低压过流通道（52），

其中，若干所述第三高压过流通道在轴向上间隔开分布，并且所述第三低压过流通道与所述换向锤上的所述第一低压过流通道（113）连通。

10.根据权利要求9所述的钻井提速工具，其特征在于，所述扭转冲击锤连接筒在轴向上对应于所述第三高压过流通道设有贯穿所述扭转冲击锤连接筒的侧壁的配流通道（31），不同轴向位置的所述配流通道在周向上错开一定角度设置，

其中，所述扭转冲击锤连接筒在所述扭转冲击锤的带动作用下能够往复交替地使所述第三高压过流通道与一端的所述配流通道连通，而使所述第三低压过流通道与另一端的所述配流通道连通，以使所述第一轴向液腔与高压钻井液连通，所述第二轴向液腔与低压钻井液连通，从而使所述轴向冲击锤在钻井液的压差作用下产生往复轴向冲击。

11.根据权利要求7到10中任一项所述的钻井提速工具，其特征在于，在所述扭转冲击机构和所述轴向冲击机构之间设有导流机构，所述导流机构包括固定连接在所述上座体的端部的端盖（8），在所述端盖的外壁面上设有与所述第二高压过流通道连通的过流槽（81）。

12.根据权利要求11所述的钻井提速工具，其特征在于，所述导流机构还包括套设在所述扭转冲击锤连接筒上的导流垫块（6），所述外壳的内壁设有环形凸台，其中，所述导流垫块安装在所述环形凸台上，且所述导流垫块的一端设有径向向内延伸的第三导流槽（61）。

13.根据权利要求12所述的钻井提速工具，其特征在于，所述扭转冲击锤连接筒和所述换向锤连接筒分别设有贯穿侧壁且对应连通的第一导流槽（53）和第二导流槽（32），所述第二高压过流通道依次通过所述过流槽、所述第三导流槽、所述第二导流槽以及所述第一导流槽与高压钻井液连通。

14.根据权利要求7所述的钻井提速工具，其特征在于，所述换向锤与所述换向锤连接筒通过连接盖板（18）形成固定连接，所述连接盖板设有第一凸台（182）和第二凸台（183），所述换向锤的一端设有与所述第一凸台适配连接的第一卡槽（111），所述换向锤连接筒的一端设有与所述第二凸台适配连接的第二卡槽（54）。

15.根据权利要求7所述的钻井提速工具，其特征在于，所述扭转冲击锤与所述扭转冲击锤连接筒通过连接挡块（19）形成固定连接，所述连接挡块设有挡块凸台（192），所述扭转冲击锤的端部设有若干在周向上均布的第一方孔槽（105），所述扭转冲击锤连接筒的端部设有与所述第一方孔槽对应的第二方孔槽（33），所述挡块凸台插装于所述第一方孔槽和所述第二方孔槽中。

16.根据权利要求1所述的钻井提速工具，其特征在于，所述下座体与所述外壳通过防掉挡块（14）和定位环（15）形成连接，在所述外壳的下端内壁设有环形凹槽，所述下座体设有贯穿侧壁且用于安装所述防掉挡块的插槽（163），所述定位环固定安装在所述下座体内以使所述防掉挡块沿所述插槽径向顶入所述环形凹槽，从而使所述下座体与所述外壳形成挂接。

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