CN113006680B - 一种低压耗扭力冲击钻井工具及破岩方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低压耗扭力冲击钻井工具及破岩方法，包括竖直设置的扭冲壳体以及涡轮总成和动阀座，动阀座上竖直设置有第一孔、第二孔，涡轮壳体内设置第三孔、第四孔和第二排液孔、扭冲腔体和扭冲锤，扭冲腔体的第二空腔被扭冲锤的凸块分隔成与第三孔连通的第一腔室和与第二排液孔连通的第二腔室，通过钻井液驱动涡轮转子，并带着动阀座旋转，第一腔室通过第一孔和第二孔周期性地连通，当内部高压钻井液和外部低压钻井液周期性进入第一腔室时，从而使扭冲锤周期性地顺时针旋转冲击扭冲腔体和逆时针旋转复位。本发明提供钻井工具及其破岩方法，利用钻头压降工作，压耗低，可增加PDC钻头水功率，与常规螺杆钻具组合使用，从而提高钻井效率。

Description

一种低压耗扭力冲击钻井工具及破岩方法

技术领域

本发明涉及涉及石油与天然气开发的钻井工程领域，尤其涉及一种低压耗扭力冲击钻井工具及破岩方法。

背景技术

钻井工程占油气开发成本的50％以上，投资大且风险高，提高钻井效率是降低勘探开发成本的最佳途径，也是油公司、钻井承包商和技术服务公司一贯追求的重要目标。近两年，国际油价大幅度降低，竞争也日益激烈，石油公司只有更加注重高效钻井、降本增效、拥有核心技术，才能获得竞争优势。显然，提高钻速、降低钻井成本是目前石油工程领域急需的技术之一。

众所周知，目前主要钻井方法是通过螺杆钻具驱动PDC(硬质合金)钻头旋转钻进的机械破岩方法。在正常钻进过程中，钻头输出扭矩和转速均匀；在实际钻进过程中，当钻柱提供给钻头的扭矩小于工作面上岩石的剪切极限时，钻头停止旋转，处于粘滞阶段；随着钻柱继续旋转，其为钻头提供扭矩持续增加；当扭矩逐渐增至一定值，足以克服钻头下岩石剪切极限时，钻柱中扭转弹性能将瞬间释放，钻头与岩石的接触界面就发生滑移，使钻头扭矩随着时间出现一种波动状态，出现所谓的粘滑现象。

在粘滑过程中，摩擦扭力与时间关系曲线是锯齿状，这种现象将导致PDC钻头过早失效，还降低破岩效率，制约机械钻速。研究发现，通过在PDC钻头处安装传感器进行惊喜参数实际测量，在垂直井中，粘滑现象是一种常见的井下振动现象，实际操作人员只能通过降低转盘转速和提高钻头质量解决。高转速易发生轴向振动，粘滑现象极大损害钻头寿命。为消除 PDC钻头的粘滑振动现象，国内外对此进行了大量的试验研究和现场应用，其中扭力冲击器是可以减小或消除该现象的最有效方法。扭力冲击器通过产生直接作用于钻头上的高频、低幅的扭力冲击来降低或消除粘滑振动现象，提高机械钻速,延迟钻头寿命。

中国专利号CN201818241 U的实用新型专利公开了一种扭转冲击钻井工具，其具体方案包括：所述扭转冲击发生器主要由导流盖、冲击锤和截流喷嘴等组成，空腔内由内到外依次为截流喷嘴、筛管、定位套、冲击锤。流体由导流通孔13经截流喷嘴7分流成三部分：一部分直接到达钻头，一部分流体经分流槽14到锤座导流道31，由启动仓入口流道27流入启动仓28，推动启动锤头26贴合反定位面25，使冲击锤4和定位套5以相同角速度逆时针转动，当冲击锤头21由正敲击面23到达反敲击面29时，冲击锤4停止转动，定位套5继续逆时针转动，直至启动锤头26与正定位面30贴合，使启动仓28中的流体由启动仓出口流道24流出，经泄流通道16到达钻头内部。核心是在工具内部设置截流喷嘴，让冲击锤两个扇形端面之间形成压差，从而获得推动冲击锤的动能，发生旋转运动，撞击冲击腔。目前的扭力冲击器在实现冲击功能的时候，取得较好效果时，必须消耗2-3MPa的能量。

虽然扭力冲击器能消除PDC钻头粘滑效应，但是无法解决在定向井、水平井中定向钻进，且可根据需要随时调整井斜。

中国专利号CN210343256U公开了一种石油钻井用多功能钻具组合的制作方法，其具体方案包括：从上到下依次可拆卸连接的钻杆、加重钻杆、随钻堵漏阀、随钻测斜系统、可控变径扶正器、螺杆钻具、扭力冲击器、PDC钻头；所述螺杆钻具与随钻测斜系统配合实现定向钻进；扭力冲击器对PDC钻头进行保护。

目前，扭力冲击器通过内部设置截流喷嘴驱动冲击锤工作，使工具压耗较高，若直接在螺杆钻具和PDC钻头之间连接扭力冲击器，钻头压耗加上扭力冲击器压耗形成的总压耗过高，接近或超过螺杆钻具传动轴总成的最大压耗值，容易造成螺杆钻具过早失效，出现钻井复杂事故。另外，破岩效率影响因素比较多，不仅跟粘滑现象有关，还与钻头转速成正比，与钻头水功率成指数关系；扭力冲击器压耗过高，降低了钻头水功率，影响了提速效果。

综上所述，急需一种低耗扭力冲击钻井工具，既能提供扭冲击力，又不消耗钻井液能量，不增加螺杆钻具与钻头之间的压耗，保证钻头获得足够水功率，同时，解决粘滑振动，进一步提高钻井速度和钻头使用寿命，另外，可以将螺杆钻具与钻头组合或螺杆钻具和PDC钻头组合，进一步提高破岩效率和机械钻井速度，大幅度降低钻井成本。

发明内容

为了解决以上问题，本发明的目的是提供一种低压耗扭力冲击钻井工具及破岩方法，旨在用于解决现有的扭力冲击压耗过高，降低了钻头的水功率，限制了与螺杆钻具组合使用的问题，使在解决粘滑现象同时，进一步提高钻头破岩效率和钻头旋转速度，从而提高机械钻速，从而提高破岩效率，延长钻头使用寿命。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：

一种低压耗扭力冲击钻井工具，包括扭冲壳体以及安装于所述扭冲壳体后端的涡轮壳体、涡轮总成和动阀座，所述扭冲壳体前端内部设有扭冲腔体、扭冲锤、防掉环和扭冲接头，所述扭冲壳体后端内部设有动阀座腔体；所述动阀座前后两端为柱型结构，中部呈后窄前宽的倒圆锥台型；

动阀座后端柱形结构与涡轮总成的芯轴连接，倒圆锥台型部位位于动阀座腔体内，倒圆锥台型部位的内部纵向设有贯穿前端柱形结构的第一中心孔，倒圆锥台型结构的内部还纵向设有第一孔和第二孔；所述第一孔和第二孔相对设置在第一中心孔两侧，且第二孔与第一中心孔连通；

位于扭冲壳体内部设有纵向的第二中心孔，第二中心孔后端连通动阀座腔体，动阀座前端的柱型结构伸入第二中心孔中；

在扭冲壳体内，与第二中心孔并列设有第三孔，第三孔的前方错位设有纵向的第九孔，第三孔的前端与第九孔的后端通过横向的第八孔连通，第三孔后端连通动阀座腔体；

在扭冲壳体内，第九孔的前端与扭冲腔体之间设有环形孔，第九孔与扭冲腔体通过环形孔连通；

所述第一孔、第二孔和第三孔各自与第一中心孔的轴向距离相等；

所述第二中心孔前端连通横向设置的第六孔，第六孔远离第二中心孔的一端开口在扭冲壳体侧壁上；

位于环形孔的中部设有第七孔；第七孔一端连通扭冲腔体，一端连通动阀座腔体。

进一步的是，所述第七孔包括至少四个扇形通孔，每个扇形通孔的后端各自连通动阀座腔体，全部扇形通孔的前端合拢并连通扭冲腔体顶部，使第七孔呈合围的花朵结构。

进一步的是，所述扭冲腔体包括纵向设置的第一空腔以及相对设置在第一空腔两侧的第二空腔，第一空腔的横截面为圆型，第二空腔的横截面为扇形，第一空腔与第二空腔连成一体；

扭冲锤以可绕扭冲腔体轴线往复转动的方式安装于扭冲腔体内，扭冲锤主体安装于第一空腔内，扭冲锤侧壁凸起形成两个对称的凸块，两凸块一一对应设置于两个第二空腔内，两凸块各自将所在的第二空腔分割为第一腔室和第二腔室。

进一步的是，所述第一腔室侧壁设有纵向的注液孔，注液孔侧面连通第一腔室内部，后端开口与环形孔连通；

所述第二腔室侧壁设有三通形状的第一排液孔和横向的第二排液孔，第一排液孔的三通结构的三个开口端分别连通第二腔室、环形孔和第二排液孔的进液口，第二排液孔的排液口贯穿第二腔室外侧壁。

进一步的是，在扭冲壳体内，位于第二排液孔前方的壳体内表面设置有防掉环安装槽；

优选的，所述防掉环固定安装在防掉环安装槽内。

进一步的是，所述扭冲锤内部设有内孔，内孔后端与第七孔连通，内孔的前端与扭冲接头连通；所述扭冲接头外螺纹与扭冲壳体前端内螺纹连接，扭冲接头与钻头连接成一整体。

进一步的是，所述涡轮总成、第七孔、内孔和扭冲接头内的钻井液有效流通面积均大于或等于钻柱内孔的钻井液有效流通面积。

一种采用如上述所述的低压耗扭力冲击钻井工具的破岩方法，所述破岩方法包括：以下步骤：

将所述低压耗扭力冲击钻井工具置于井下开钻，通过地面泥浆泵向所述低压耗扭力冲击钻井工具内输送钻井液，钻井液带动涡轮总成的转子旋转，并通过芯轴驱动动阀座旋转，使钻具内部的高压钻井液和钻具外部的低压钻井液周期性通过第三孔、第四孔与第一腔室连通；

当钻具内部的高压钻井液与第一腔室连通时，扭冲锤的另一端的第二腔室与钻头附近的外部钻井液连通，高压钻井液推动扭冲锤顺时针旋转，撞击扭冲腔体；

当钻具内部的低压钻井液与第一腔室连通时，其内压力低于与钻头附近的外部钻井液连通的第二腔室的压力，扭冲锤发生逆时针旋转而复位；

第一腔室与钻具内部的高压钻井液和钻具外部的低压钻井液周期性连通时，扭冲锤连续不断的冲击扭冲腔体和复位；形成的冲击力通过扭冲接头作用到钻头，使钻头周期性地扭冲岩石。

进一步的是，当钻井液通过所述的低压耗扭力冲击钻井工具时，所述扭冲锤由所述钻头内外压差驱动旋转冲击运动，所述扭冲锤由所述低压耗扭力冲击钻井工具外部上下压差驱动复位。

进一步的是，破岩时，通过改变钻头喷嘴大小，调整扭冲锤发生冲击运动的冲击力；通过所述扭冲壳体的外部设置的扶正块调整有效流通面积，增加或减少用于扭冲锤复位运动的扭力。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种低压耗扭力冲击钻井工具及破岩方法，大部分钻井液经涡轮总成，并从扭冲壳体第七孔，扭冲锤的内孔，进入PDC钻头，不参与冲击锤的做功和复位运动，使整个工具的压耗大大降低。

随着钻井液驱动转子旋转，带动转子芯轴旋转，并将旋转运动传递给动阀座。当动阀座的第一孔与所述扭冲壳体上部端面设置有第三孔连通时，少量钻井液进入第三孔，并经过扭冲壳体的内部流道进入扭冲壳体环形流道，最后经过第四孔进入扭冲腔体的第一腔室，而扭冲腔体的第二腔室通过第二排液孔与下部壳体外部连通，由于钻具内的钻井液压力远高压钻具外的钻井液压力，第一腔室的压力远高于第二腔室的压力，而将第一腔室和第二腔室隔开的扭冲锤被压差推动下，发生旋转运动从而冲击扭冲腔体，受冲击的扭冲腔体迫使与其通过螺纹连接成整体的PDC钻头冲击岩石；当动阀座的第二孔与所述扭冲壳体上部端面设置有第三孔连通时，少量钻井液通过扭冲壳体的第六孔进入动阀座的中心管和第二孔，进入所述扭冲壳体上部端面设置有第三孔，并并经过扭冲壳体的内部流道进入扭冲壳体环形流道，最后经过第四孔进入扭冲腔体的第一腔室，而扭冲腔体的第二腔室通过第二排液孔与下部壳体外部连通，由于钻具外上部的钻井液压力略低于钻具外下部的钻井液压力，第一腔室的压力略低于第二腔室的压力，而将第一腔室和第二腔室隔开的扭冲锤被压差推动下，发生复位旋转运动。随着动阀座不断旋转运动，第一腔室周期性的与钻井内部钻井液和钻具外部钻井液连通，从而使扭冲锤周期性冲击钻头和复位。扭力冲击钻井工具通过涡轮总成驱动动阀座旋转，使钻具内高压钻井液和钻具外低压钻井液周期性的进入第一腔室，从而驱动扭冲锤周期性撞击扭冲腔体和复位，使钻头对岩石以扭转冲击破碎为主，防止钻头粘滑振动，不仅结构简单，而且使其实现高频、低幅、大冲击扭力，将该扭力直接作用于PDC钻头上，消除钻头的粘滑振动现象，提高PDC钻头寿命。

本发明中驱动冲击锤工作的压差来自于钻具内外压差，而不需要在工具内部设置截流喷嘴，使整个工具的有效流通面积与钻杆相同。以钻具外径为172mm的扭冲工具为例，可以计算，工具正常工作时的两端压差低于0.01MPa，可以忽略不计。这样，工具不增加系统的能耗，不降低钻头水功率，与传统的扭力冲击器相比，使用本方法的破岩效率更高；另外，本发明不增加工具压耗，不影响与传统螺杆钻具的复合，可进一步扭冲工具的旋转速度，从而大幅度提高钻井机械速度。

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它的附图。

图1为本发明实施例提供的低压耗扭力冲击钻井工具的结构示意图；

图2为图1的低压耗扭力冲击钻井工具的动阀座的结构示意图；

图3为图2的动阀座前端面的俯视图；

图4为图1的扭冲壳体的结构示意图；

图5为图4的扭冲壳体后端的俯视图；

图6为图4的扭冲壳体的A-A横截面结构示意图；

图7为图4的扭冲壳体的B-B横截面结构示意图；

图8为图4的扭冲壳体的前端的俯视图；

图9为图1的低压耗扭力冲击钻井工具的C-C横截面结构示意图；

图10为图1的低压耗扭力冲击钻井工具的扭冲腔体的结构示意图；

图11为图10的扭冲腔体D-D横截面结构示意图；

图12为图1的低压耗扭力冲击钻井工具的扭冲锤的结构示意图；

图13为图12的扭冲锤E-E横截面结构示意图；

图14为图1的防掉环的结构示意图；

图15为图11的扭冲锤与扭冲腔体配合的结构示意图；

图16为图1的低压耗扭力冲击钻井工具与PDC钻头配合的结构示意图；

图17为PDC钻头内部流道结构示意图；

图18为图1的低压耗扭力冲击钻井工具的扭冲接头与PDC钻头为一整体的结构示意图；

图19为图1的低压耗扭力冲击钻井工具与PDC钻头为一整体的结构示意图；

图20为图1的低压耗扭力冲击钻井工具的钻具组合在井下工作扭冲锤顺时针旋转冲击扭冲腔体时，其内部流道结构示意图；

图21为图20的低压耗扭力冲击钻井工具的扭冲锤顺时针旋转冲击扭冲腔体时，其F-F 横截面结构示意图；

图22为图1的低压耗扭力冲击钻井工具的钻具组合在井下工作扭冲锤逆时针复位时，其内部流道结构示意图；

图23为图22的低压耗扭力冲击钻井工具的扭冲锤逆时针复位时G-G横截面结构示意图；

附图标记：1、涡轮壳体；2、涡轮总成；201、定子；202、转子；203、芯轴；3、动阀座；301、第一孔；302、第二孔；303、第一中心孔；4、扭冲壳体；41、动阀座腔体；401、第三孔；402、第九孔；403、环形孔；404、第四孔；405、第二排液孔；406、第二中心孔； 407、第六孔；408、第七孔；409、密封槽；410、防掉环安装槽；411、第八孔；5、扭冲腔体；501、注液孔；502、第一排液孔；507、第一空腔；503、第二空腔；5031、第一腔室； 5032、第二腔室；6、扭冲锤；601、内孔；602、凸块；7、防掉环；8、扭冲接头；9、钻头；901、钻头内孔；902、钻头喷嘴。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种低压耗扭力冲击钻井工具，参见图1-图23，通常与PDC钻头9 配合使用，以起到钻井的目的，包括扭冲壳体4以及安装于所述扭冲壳体4后端的涡轮壳体 1、涡轮总成2和动阀座3，通常涡轮壳体1与扭冲壳体4之间采用螺纹连接，拆装方便；所述扭冲壳体4前端内部设有扭冲腔体5、扭冲锤6、防掉环7和扭冲接头8，所述扭冲壳体4 后端内部设有动阀座腔体41；所述动阀座3前后两端为柱型结构，中部呈后窄前宽的倒圆锥台型；其中，扭冲钻井工具的前端为钻头9工作的一端，后端为往涡轮总成2内输送钻井液的一端；

所述涡轮总成2为由两组以上定子201和转子202组串联构成，动阀座3后端柱形结构与涡轮总成2的芯轴203之间通过花键套204连接，倒圆锥台型部位位于动阀座腔体41内，倒圆锥台型部位的内部纵向设有贯穿前端柱形结构的第一中心孔303，倒圆锥台型结构的内部还纵向设有第一孔301和第二孔302；所述第一孔和第二孔相对设置在第一中心孔303两侧，且第二孔302与第一中心孔303连通；

位于扭冲壳体4内部设有纵向的第二中心孔406，第二中心孔后端连通动阀座腔体41，动阀座3前端的柱型结构伸入第二中心孔406中；

在扭冲壳体4内，与第二中心孔406并列设有第三孔401，第三孔401的前方错位设有纵向的第九孔402，第三孔401的前端与第九孔402的后端通过横向的第八孔411连通，第三孔401后端连通动阀座腔体41；

在扭冲壳体4内，第九孔402的前端与扭冲腔体5之间设有环形孔403，第九孔402与扭冲腔体5通过环形孔403连通；

所述第一孔301、第二孔302和第三孔401各自与第一中心孔303的轴向距离相等；轴向距离为第一孔301、第二孔302和第三孔401各自的孔中心到第一中心孔303的距离相等，当动阀座旋转时，使第一孔301或第二孔302与第三孔401间歇式连通；

所述第二中心孔406前端连通横向设置的第六孔407，第六孔407远离第二中心孔406 的一端开口在扭冲壳体4侧壁上；

位于环形孔403的中部设有第七孔408；第七孔408一端连通扭冲腔体5，一端连通动阀座腔体41。

作为本实施例的优化方案，参见图1-图23，所述第七孔408包括至少四个扇形通孔，每个扇形通孔的后端各自连通动阀座腔体41，全部扇形通孔的前端合拢并连通扭冲腔体5顶部，使第七孔408呈合围的花朵结构。

作为本实施例的优化方案，参见图1-图23，所述扭冲腔体5包括纵向设置的第一空腔507 以及相对设置在第一空腔507两侧的第二空腔503，第一空腔507的横截面为圆型，第二空腔503的横截面为扇形，第一空腔507与第二空腔503连成一体；

扭冲锤6以可绕扭冲腔体5轴线往复转动的方式安装于扭冲腔体5内，扭冲锤6主体安装于第一空腔507内，扭冲锤6侧壁凸起形成两个对称的凸块602，两凸块602一一对应设置于两个第二空腔503内，两凸块602各自将所在的第二空腔503分割为第一腔室5031和第二腔室5032。

作为本实施例的优化方案，参见图1-图23，所述第一腔室5031侧壁设有纵向的注液孔 501，注液孔501侧面连通第一腔室5031内部，后端开口与环形孔403连通；

所述第二腔室5032侧壁设有三通形状的第一排液孔502和横向的第二排液孔405，第一排液孔502的三通结构的三个开口端分别连通第二腔室5032、环形孔403和第二排液孔405 的进液口，第二排液孔405的排液口贯穿第二腔室5032外侧壁。

作为本实施例的优化方案，参见图1-图23，在扭冲壳体内，位于第二排液孔405前方的壳体内表面设置有防掉环安装槽410；

优选的，所述防掉环7固定安装在防掉环安装槽410内。

作为本实施例的优化方案，参见图1-图23，所述扭冲锤6内部设有内孔601，内孔601 后端与第七孔408连通，内孔601的前端与扭冲接头8连通；所述扭冲接头8外螺纹与扭冲壳体4前端内螺纹连接，扭冲接头8与钻头9连接成一整体。

作为本实施例的优化方案，参见图1-图23，所述涡轮总成2、第七孔408、内孔601和扭冲接头8内的钻井液有效流通面积均大于或等于钻柱内孔的钻井液有效流通面积。

所述扭冲接头8与钻头通过螺纹连接成一整体，或者所述扭冲接头8与PDC钻头9直接设置成为一整体，参见图16-图17所述扭冲接头8与PDC钻头9直接加工成整体。

本发明实施例还提供一种破岩方法，采用上述的一种低压耗扭力冲击钻井工具，将所述低压耗扭力冲击钻井工具置于井下开钻，通过地面泥浆泵向所述低压耗扭力冲击钻井工具内输送钻井液，钻井液带动涡轮总成2的转子202旋转，并通过芯轴203驱动动阀座3旋转，使钻具内部的高压钻井液和钻具外部的低压钻井液周期性通过第三孔401、第四孔404与第一腔室5031连通；在钻井时低压耗扭力冲击钻井工具位于地下，主要通过与若干钻杆与地面的泥浆泵连接，通过泥浆泵向低压耗扭力冲击钻井工具内注入钻井液，由上部钻杆依次进入涡轮总成2、动阀座3、扭冲壳体4内的钻井液，大部分通过第七孔408和扭冲锤6的内孔 601，进入PDC钻头9的内孔901，最后从钻头喷嘴902高速喷向正前方的岩石，由于钻头喷嘴902的截流作用，使工具内外压差超过3MPa，而另一部分钻井液则周期性进入第一腔室 5031。

当钻具内部的高压钻井液与第一腔室5031连通时，扭冲锤6的另一端的第二腔室5032 与钻头附近的外部钻井液连通，高压钻井液推动扭冲锤6顺时针旋转，撞击扭冲腔体5；即当所述动阀座3的第一孔301与所述第三孔401对应时，钻具内部的高压钻井液通过第一孔 301、第三孔401、第八孔411、第九孔402、环形孔403、第四孔404、注液孔501与第一腔室5031连通并进入该腔室，由于第二腔室5032通过第一排液孔502和第二排液孔405与所述扭冲壳体4的外侧连通，由于钻头喷嘴902的截流作用，第一腔室5031内钻井液压力比第二腔室5032内的钻井液压力高约3MPa，在两端压差作用下，所述扭冲锤6的凸块602顺时针旋转，并撞击所述扭冲腔体5的第二空腔503的内壁，冲击力由扭冲腔体5、扭冲接头8、 PDC钻头9作用于岩石。

当钻具内部的低压钻井液与第一腔室5031连通时，其内压力低于与钻头附近的外部钻井液连通的第二腔室5032的压力，扭冲锤6发生逆时针旋转而复位；即当所述动阀座3的第二孔302与所述第三孔401对应时，钻具外部的低压钻井液通过第六孔407、第二中心孔406、第一中心孔303、第二孔302、第三孔401、第八孔411、第九孔402、环形孔403、第四孔404、注液孔501与第一腔室5031连通并进入该腔室，由于第二腔室5032通过第一排液孔502和第二排液孔405与所述扭冲壳体4的外侧连通，由于钻井液携带岩屑从钻具外部环空向上流动过程，所述扭冲壳体4的第二排液孔405比第六孔407压力高，则第二腔室5032内钻井液压力比第一腔室5031内的钻井液压力高，在两端压差作用下，所述扭冲锤6的凸块 602逆时针旋转复位。

第一腔室5031与钻具内部的高压钻井液和钻具外部的低压钻井液周期性连通时，扭冲锤 6连续不断的冲击扭冲腔体5和复位；形成的冲击力通过扭冲接头8作用到钻头9，使钻头9 周期性地扭冲岩石。

在上述工作过程中，随着钻井液驱动涡轮总成2，并驱动所述动阀座3旋转，从而使钻具内部的高压钻井液和钻具外部的低压钻井液周期性通过第一孔301、第二孔302与第一腔室5031连通，扭冲锤6的凸块602连续不断的顺时针旋转冲击扭冲腔体和逆时针旋转复位。

优化上述实施例，所述扭冲壳体4的下部内表面设置的防掉环安装槽410位于所述第二排液孔405下部，所述第一空腔507的上下两端的扭冲壳体4内表面设置密封槽409，在所述扭冲壳体4的外部，所述第二排液孔405和所述第六孔407之间设置扶正块，进一步增加两端压差，提高扭冲锤6的凸块602复位能力。

作为本实施例的优化方案，当钻井液通过所述的低压耗扭力冲击钻井工具时，所述扭冲锤6由所述钻头9内外压差驱动旋转冲击运动，所述扭冲锤6由所述低压耗扭力冲击钻井工具外部上下压差驱动复位。

作为本实施例的优化方案，通过改变钻头9喷嘴902大小，调整扭冲锤6发生冲击运动的冲击力，通过所述扭冲壳体4的外部设置的扶正块调整有效流通面积，增加或减少用于扭冲锤6复位运动的能力。

钻井液通过所述的低压耗扭力冲击钻井工具时，所述扭冲锤6由所述PDC钻头9内外压差驱动旋转冲击运动，所述扭冲锤6由所述低压耗扭力冲击钻井工具外部上下压差驱动复位，不但能够有效克服常规钻井方法遇到的粘滑现象，延长PDC钻头9的使用寿命，还能降低本发明压耗，不影响螺杆钻具的性能，可以与常规螺杆钻具组合使用，提高钻头旋转速度，增加PDC钻头的水功率，从而进一步提高钻井效率。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种低压耗扭力冲击钻井工具，包括扭冲壳体(4)以及安装于所述扭冲壳体(4)后端的涡轮壳体(1)、涡轮总成(2)和动阀座(3)，所述扭冲壳体(4)前端内部设有扭冲腔体(5)、扭冲锤(6)、防掉环(7)和扭冲接头(8)，其特征在于：所述扭冲壳体(4)后端内部设有动阀座腔体(41)；所述动阀座(3)前后两端为柱型结构，中部呈后窄前宽的倒圆锥台型；

动阀座(3)后端柱形结构与涡轮总成(2)的芯轴连接，倒圆锥台型部位位于动阀座腔体(41)内，倒圆锥台型部位的内部纵向设有贯穿前端柱形结构的第一中心孔(303)，倒圆锥台型结构的内部还纵向设有第一孔(301)和第二孔(302)；所述第一孔和第二孔相对设置在第一中心孔(303)两侧，且第二孔(302)与第一中心孔(303)连通；第一孔(301)的一端与动阀座腔体(41)连通；

位于扭冲壳体(4)内部设有纵向的第二中心孔(406)，第二中心孔后端连通动阀座腔体(41)，动阀座(3)前端的柱型结构伸入第二中心孔(406)中；

在扭冲壳体(4)内，与第二中心孔(406)并列设有第三孔(401)，第三孔(401)的前方错位设有纵向的第九孔(402)，第三孔(401)的前端与第九孔(402)的后端通过横向的第八孔(411)连通，第三孔(401)后端连通动阀座腔体(41)；

在扭冲壳体(4)内，第九孔(402)的前端与扭冲腔体(5)之间设有环形孔(403)，第九孔(402)与扭冲腔体(5)通过环形孔(403)连通；

所述第一孔(301)、第二孔(302)和第三孔(401)各自与第一中心孔(303)的轴向距离相等；且动阀座旋转时，第一孔(301)或第二孔(302)与第三孔(401)间歇式连通；

所述第二中心孔(406)前端连通横向设置的第六孔(407)，第六孔(407)远离第二中心孔(406)的一端开口在扭冲壳体(4)侧壁上；

位于环形孔(403)的中部设有第七孔(408)；第七孔(408)一端连通扭冲腔体(5)，一端连通动阀座腔体(41)；

所述扭冲腔体(5)包括纵向设置的第一空腔(507)以及相对设置在第一空腔(507)两侧的第二空腔(503)，第一空腔(507)的横截面为圆型，第二空腔(503)的横截面为扇形，第一空腔(507)与第二空腔(503)连成一体；扭冲锤(6)主体安装于第一空腔(507)内，扭冲锤(6)侧壁凸起形成两个对称的凸块(602)，两凸块(602)一一对应设置于两个第二空腔(503)内，两凸块(602)各自将所在的第二空腔(503)分割为第一腔室(5031)和第二腔室(5032)；

所述扭冲锤(6)以可绕扭冲腔体(5)轴线往复转动的方式安装于扭冲腔体(5)内，所述扭冲锤(6)内部设有内孔(601)，内孔(601)后端与第七孔(408)连通，内孔(601)的前端与扭冲接头(8)连通；所述扭冲接头(8)外螺纹与扭冲壳体(4)前端内螺纹连接，扭冲接头(8)与钻头(9)连接成一整体。

2.根据权利要求1所述的低压耗扭力冲击钻井工具，其特征在于：所述第七孔(408)包括至少四个扇形通孔，每个扇形通孔的后端各自连通动阀座腔体(41)，全部扇形通孔的前端合拢并连通扭冲腔体(5)顶部，使第七孔(408)呈合围的花朵结构。

3.根据权利要求1所述的低压耗扭力冲击钻井工具，其特征在于：所述第一腔室(5031)侧壁设有纵向的注液孔(501)，注液孔(501)侧面连通第一腔室(5031)内部，后端开口与环形孔(403)连通；

所述第二腔室(5032)侧壁设有三通形状的第一排液孔(502)和横向的第二排液孔(405)，第一排液孔(502)的三通结构的三个开口端分别连通第二腔室(5032)、环形孔(403)和第二排液孔(405)的进液口，第二排液孔(405)的排液口贯穿第二腔室(5032)外侧壁。

4.根据权利要求3所述的低压耗扭力冲击钻井工具，其特征在于：在扭冲壳体(4)内，位于第二排液孔(405)前方的壳体内表面设置有防掉环安装槽(410)；所述防掉环(7)固定安装在防掉环安装槽(410)内。

5.根据权利要求3所述的低压耗扭力冲击钻井工具，其特征在于：所述涡轮总成(2)、第七孔(408)、内孔(601)和扭冲接头(8)内的钻井液有效流通面积均大于或等于钻柱内孔的钻井液有效流通面积。

6.一种采用如权利要求1-5任意一项所述的低压耗扭力冲击钻井工具的破岩方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述低压耗扭力冲击钻井工具置于井下开钻，通过地面泥浆泵向所述低压耗扭力冲击钻井工具内输送钻井液，钻井液带动涡轮总成(2)的转子旋转，并通过芯轴(203)驱动动阀座(3)旋转，使钻具内部的高压钻井液和钻具外部的低压钻井液周期性通过第三孔(401)、第四孔(404)与第一腔室(5031)连通；

当钻具内部的高压钻井液与第一腔室(5031)连通时，扭冲锤(6)的另一端的第二腔室(5032)与钻头附近的外部钻井液连通，高压钻井液推动扭冲锤(6)顺时针旋转，撞击扭冲腔体(5)；

当钻具内部的低压钻井液与第一腔室(5031)连通时，其内压力低于与钻头附近的外部钻井液连通的第二腔室(5032)的压力，扭冲锤(6)发生逆时针旋转而复位；

第一腔室(5031)与钻具内部的高压钻井液和钻具外部的低压钻井液周期性连通时，扭冲锤(6)连续不断的冲击扭冲腔体(5)和复位；形成的冲击力通过扭冲接头(8)作用到钻头(9)，使钻头(9)周期性地扭冲岩石。

7.如权利要求6所述的破岩方法，其特征在于：当钻井液通过所述的低压耗扭力冲击钻井工具时，所述扭冲锤(6)由所述钻头(9)内外压差驱动旋转冲击运动，所述扭冲锤(6)由所述低压耗扭力冲击钻井工具外部上下压差驱动复位。

8.如权利要求6或7所述的破岩方法，其特征在于：破岩时，通过改变钻头喷嘴大小，调整扭冲锤(6)发生冲击运动的冲击力；通过所述扭冲壳体(4)的外部设置的扶正块调整有效流通面积，增加或减少用于扭冲锤(6)复位运动的扭力。

Images