CN113027331B - 井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统，包括外壳、驱动总成、万向轴节、传动轴、旋转冲击总成、钻头；传动轴与外壳转动连接；旋转冲击总成包括用来为钻头传递旋转动力的旋转传动组件、用来为钻头提供高频轴向冲击动力的冲击组件；旋转传动组件跟随传动轴转动时，冲击组件对旋转传动组件施加沿钻井轴向方向的高频冲击力；钻头的钻头体外端设置有环形钻头；环形钻头的内环端面上滑动配合有中心钻头；环形钻头的头端与中心钻头的头端之间形成内凹圆柱区域。本发明公开了一种井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井方法。本发明通过整体的结构设置，可同时实现步进破岩、井底卸荷、冲旋钻井的作用，极大地提升了破岩钻井效率。

Description

井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统及方法

技术领域

本发明属于钻井技术领域，具体涉及一种井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统及方法。

背景技术

提高破岩效率是钻井工程领域一直研究的热点，提高破岩工具破岩能力及寿命、强化井底破岩能量是现在最常用的提高破岩效率的方法，依据上述方法，至今为止已经形成了多种破岩钻井系统，实践表明，上述系统在一定程度上提高了破岩效率，但仍未达到现场预期指标，如何进一步提升破岩效率成为制约坚硬难钻地层钻井的瓶颈问题。

钻井破岩过程的破岩工具与地层之间关系可以理解成战争过程的攻击方与防守方之间的关系，破岩工具攻击、地层岩层防守，强化破岩工具的持续破岩能力固然可以提高破岩效率，倘若能够瓦解“防守方”-地层的防守能力，即降低地层对岩石的抗钻能力，那么破岩效率也一定能够得到提高。

基于此，本申请提出一种井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统及方法，本申请中的旋转冲击总成的设置既向钻头传递了旋转动力，还向钻头传递了钻井轴向的高频冲击力，该钻井系统中的钻头包括外部环形钻头、内部中心钻头两部分，通过外部环形钻头、内部中心钻头的内凹外凸的阶梯型设置实现井底中心部位的应力卸荷，释放地应力降低岩石抗钻能力，同时本申请的内部中心钻头相对于外部环形钻头的可伸缩设置实现了步进破岩，并且实现了自动分配与调控冲击能量；利用上述多个有利于提高破岩效率的设置实现破岩效率的再次提升，以及对井底钻具的保护。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统，包括呈圆筒状结构的外壳；所述外壳内设置有沿轴向方向依次相连的驱动总成、万向轴节、传动轴、旋转冲击总成；所述旋转冲击总成的端部设置钻头；

所述传动轴的外壁面与外壳的内壁面进行转动连接；

所述旋转冲击总成包括用来为钻头传递旋转动力的旋转传动组件、用来为钻头提供高频轴向冲击动力的冲击组件；所述旋转传动组件的一端与传动轴相连、另一端与钻头相连；所述旋转传动组件跟随传动轴转动时，所述冲击组件对旋转传动组件施加沿钻井轴向方向的高频冲击力；

所述钻头的钻头体外端设置有环形钻头；所述环形钻头的内环端面上滑动配合有中心钻头；所述钻头内部设置钻头内腔，所述钻头内腔内设置有将中心钻头沿轴向向外压出的施力组件；所述环形钻头的头端与中心钻头的头端之间形成内凹圆柱区域。

优选的，所述旋转传动组件与传动轴同轴设置且一端的内壁面与传动轴的外壁面进行轴向方向的滑动连接，所述旋转传动组件的另一端与钻头相连；所述旋转传动组件的中部与外壳之间形成环形空间；

所述冲击组件包括位于环形空间内的冲击环，所述冲击环的外壁面与外壳的内壁面进行轴向方向的滑动连接；

所述冲击环面向钻头的端面上沿圆周方向均匀设置一圈第一冲击棘齿；所述冲击环背向钻头的端面上沿圆周方向均匀设置若干冲击弹簧，所述冲击弹簧的另一端与外壳相连；

所述旋转传动组件面向冲击环的端面上设置有与第一冲击棘齿相配合的第二冲击棘齿。

优选的，设置有第一冲击棘齿的冲击环端面上设置第一冲击部；

设置有第二冲击棘齿的旋转传动组件端面上设置能够与第一冲击部相配合的第二冲击部；

所述旋转传动组件跟随传动轴转动过程中，当冲击环的第一冲击部端面与旋转传动组件的第二冲击部端面相贴时，所述第一冲击棘齿的齿顶未到达第二冲击棘齿的齿根处、第二冲击棘齿的齿顶未到达第一冲击棘齿的齿根处。

优选的，所述旋转传动组件包括旋转传动轴、冲击头；

所述旋转传动轴与传动轴同轴设置且一端与传动轴的外壁面进行轴向方向的滑动连接，所述旋转传动轴的另一端与冲击头的一端进行同轴固定连接，所述冲击头的另一端与钻头相连；

所述第二冲击部、第二冲击棘齿设置在冲击头面向冲击环的端面上。

优选的，所述冲击头的外端面与外壳的内端面之间设置密封圈。

优选的，所述施力组件包括设置在钻头内腔内的步进传力体；所述步进传力体与钻头内腔进行轴向方向的滑动连接；所述步进传力体的外端与中心钻头相连，所述步进传力体的内端与步进弹簧相连，所述步进弹簧的另一端与钻头内腔的内端面固定连接；

所述钻头的钻头体上设置喷嘴流道、中心钻头排屑流道，所述喷嘴流道与钻头内腔相连通。

优选的，所述驱动总成包括定子、转子；所述定子固定设置在外壳的内端面上，所述转子在定子的内部。

优选的，所述万向轴节与外壳之间形成万向流通腔，所述万向流通腔与定子、转子之间的流通腔相连通；

所述传动轴、旋转传动组件的中部设置有沿轴向贯通的传动流通腔；所述传动流通腔与钻头内腔相连通；

所述万向轴节的端部设置有连通万向流通腔、传动流通腔的万向轴贯通孔。

优选的，所述传动轴的外壁面与外壳的内壁面之间通过止推轴承进行转动连接；

所述止推轴承的两端还设置有TC轴承，所述TC轴承的内圈与传动轴外壁面相连，所述TC轴承的外圈与外壳的内壁面相连。

本发明还提供一种井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井方法。

井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井方法，基于井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统进行实施，所述钻井方法包括以下步骤：

1)将钻井液泵送至驱动总成内，钻井液的压力能转换为转子的转动机械能，由万向轴节、传动轴、旋转传动组件传递给钻头；

2)环形钻头首先接触井底，在钻压扭矩的作用下对钻头外环部位的岩石进行破碎；在旋转传动组件转动的过程中，在井底反推靠力的作用下，冲击组件对旋转传动组件施加沿钻井轴向方向的高频冲击力，从而实现对外部环形钻头的冲击，使外部环形钻头实现冲旋钻井；

3)随着环形钻头破岩的进行，在中心钻头的内凹圆柱区内形成岩石柱，有效释放了井底应力；

4)当中心钻头也接触到井底后，在外部环形钻头承受冲击时，外部环形钻头高速破岩，步进弹簧被压缩蓄能，为中心钻头集聚破岩能量，此时中心钻头低速破岩或者不破岩；当外部环形钻头冲击结束时，外部环形钻头破岩变慢或者停止，步进弹簧伸展为中心钻头提供破岩动力使中心钻头快速破岩，从而实现井底岩石的步进破碎；

5)在冲旋钻井、井底卸荷、步进破岩的过程中，喷嘴流道喷射钻井液清洗钻头，并将岩屑通过中心钻头排屑通道携带至地面。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过整体的结构设置，可同时实现步进破岩、井底卸荷、冲旋钻井的作用，极大地提升了破岩钻井效率，具体如下：

钻头通过外部环形钻头、内部中心钻头的内凹外凸的阶梯型设置实现井底中心部位的应力卸荷，释放地应力降低岩石抗钻能力；

中心钻头的可伸缩设置以及步进弹簧的设置，与外部环形钻头配合实现了步进破岩，并能自动分配与调控冲击能量；

旋转传动组件带动钻头跟随传动轴转动时，冲击组件对旋转传动组件施加沿钻井轴向方向的高频冲击力，从而实现对外部环形钻头的冲击。

(2)本发明中第一冲击部、第二冲击部的设置，当冲击环的第一冲击部端面与旋转传动组件的第二冲击部端面相贴时，第一冲击棘齿、第二冲击棘齿中相应齿顶并未到达相应齿根，即冲击环冲击旋转传动组件时，第一冲击棘齿的齿顶没有与第二冲击棘齿的齿根进行接触撞击、第二冲击棘齿的齿顶没有与第一冲击棘齿的齿根进行接触撞击，从而降低了第一冲击棘齿、第二冲击棘齿的损坏率，提高了使用寿命。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统的结构示意图；

图2是图1中A的局部放大图；

图3是本发明中钻头的结构示意图；

图4是本发明中冲击环的结构示意图；

图5是本发明中冲击头上第二冲击棘齿、环形凹面的结构示意图；

图6是本发明中环形凸块端面与环形凹槽端面相贴时第一冲击棘齿、第二冲击棘齿的配合示意图；

其中：

1-外壳；

2-驱动总成，201-定子，202-转子；

3-万向轴节，301-万向流通腔，302-万向轴贯通孔；

4-传动轴，401-止推轴承，402-TC轴承；

5-旋转冲击总成，501-冲击环，5011-冲击滑动键，5012-第一冲击部，5013-第一冲击棘齿，502-冲击弹簧，503-冲击头，5031-第二冲击部，5032-第二冲击棘齿，504-旋转传动轴，505-密封圈；

6-钻头，601-环形钻头，602-中心钻头，603-钻头内腔，604-内凹圆柱区域，605-步进传力体，606-步进弹簧，607-喷嘴流道，608-中心钻头排屑流道；

7-传动流通腔；

8-旁通阀。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“底”、“顶”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

如图1所示，井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统，包括呈圆筒状结构的外壳1；所述外壳1内设置有沿轴向方向依次相连的驱动总成2、万向轴节3、传动轴4、旋转冲击总成5；所述旋转冲击总成5的端部设置钻头6；其中驱动总成2的旋转动力通过万向轴节3传递给传动轴4，传动轴4再将旋转动力传递给旋转冲击总成5，旋转冲击总成5将旋转动力传递给钻头6；同时，在实际生产过程中，外壳1可根据实际情况分段设计生产，以便于驱动总成2、万向轴节3、传动轴4、旋转冲击总成5的安装；

所述传动轴4的外壁面与外壳1的内壁面进行转动连接；

所述旋转冲击总成5包括用来为钻头6传递旋转动力的旋转传动组件、用来为钻头6提供高频轴向冲击动力的冲击组件；所述旋转传动组件的一端与传动轴4相连、另一端与钻头6相连；所述旋转传动组件跟随传动轴4转动时，所述冲击组件对旋转传动组件施加沿钻井轴向方向的高频冲击力，从而实现钻头的冲旋钻井；

如图3所示，所述钻头6的钻头体外端设置有环形钻头601；所述环形钻头601的内环端面上滑动配合有中心钻头602；所述钻头6内部设置钻头内腔603，所述钻头内腔603内设置有将中心钻头602沿轴向向外压出的施力组件；所述环形钻头601的头端与中心钻头602的头端之间形成内凹圆柱区域604；其中，环形钻头601、中心钻头602上均设置切削齿。

当钻遇地应力较高的地层时，环形钻头601上的切削齿首先对钻头外环部位的岩石进行破碎，破碎的岩石随着喷嘴喷射出的钻井液被排出。

中心钻头602的高度较低，因此，在中心钻头602端面区域形成内凹圆柱区604，即形成内凹外凸的阶梯结构；在钻遇地层过程中，该内凹圆柱区内会形成“岩石柱”。当钻遇地应力较高区域，岩石可钻性差，此种阶梯结构在钻进过程中所形成的“岩石柱”有效的降低甚至消除了地应力对岩石可钻性的影响，大大提高了岩石可钻性，“岩石柱”部位形成了应力卸载区域，能有效防止“掏心”情况的发生。中心钻头602对中间“岩石柱”进行破碎，形成的岩屑被喷嘴流道607内喷嘴喷射而出的钻井液携带、冲洗，随后经中心钻头排屑流道608排出。

优选的，如图2所示，所述旋转传动组件与传动轴4同轴设置且一端的内壁面与传动轴4的外壁面进行轴向方向的滑动连接，所述旋转传动组件的另一端与钻头6相连，从而实现旋转动力在传动轴4、旋转传动组件5、钻头6之间的传递；具体地，传动轴4外壁面的一端沿圆周方向均匀设置有若干第一滑动键槽，第一滑动键槽沿传动轴4的轴向方向延伸，而旋转传动组件内壁面的相应端部沿圆周方向设置若干与第一滑动键槽进行轴向滑动配合的第一滑动键；所述旋转传动组件的中部与外壳1之间形成环形空间；

所述冲击组件位于环形空间内；

所述冲击组件包括位于环形空间内的冲击环501，所述冲击环501的外壁面与外壳1的内壁面进行轴向方向的滑动连接，具体地，如图4所示，冲击环501的外壁面沿圆周方向均匀设置有若干冲击滑动键5011，冲击滑动键5011沿传动轴4的轴向方向延伸，而外壳1内壁面的相应位置处沿圆周方向设置若干与冲击滑动键5011进行轴向滑动配合的冲击滑动键槽；

所述冲击环501面向钻头6的端面上沿圆周方向均匀设置一圈第一冲击棘齿5013；所述冲击环501背向钻头6的端面上沿圆周方向均匀设置若干冲击弹簧502，所述冲击弹簧502的另一端与外壳1相连，具体地，所述冲击弹簧502的弹力方向与传动轴4的轴向方向相平行；

如图5所示，所述旋转传动组件面向冲击环501的端面上设置有与第一冲击棘齿5013相配合的第二冲击棘齿5032。

所述旋转传动组件跟随传动轴4转动时，第一冲击棘齿5013、第二冲击棘齿5032之间的配合使冲击环501在轴向上产生周期型的位移变化，进而带动冲击弹簧502产生周期型的压缩与释放，从而对钻头6产生高频的轴向冲击。

优选的，设置有第一冲击棘齿5013的冲击环501端面上设置第一冲击部5012；

设置有第二冲击棘齿5032的旋转传动组件端面上设置能够与第一冲击部5012相配合的第二冲击部5031；

如图6所示，所述旋转传动组件跟随传动轴4转动过程中，当冲击环501的第一冲击部5012端面与旋转传动组件的第二冲击部5031端面相贴时，所述第一冲击棘齿5013的齿顶未到达第二冲击棘齿5032的齿根处、第二冲击棘齿5032的齿顶未到达第一冲击棘齿5013的齿根处。其中，本申请中，第一冲击棘齿5013、第二冲击棘齿5032的齿形轮廓是相吻合的。

其中，第一冲击部5012、第二冲击部5031为相互配合的环形凸台-环形凹槽设置；当第一冲击部5012为环形凸台时，第二冲击部5031就为环形凹槽，当第一冲击部5012为环形凹槽时，第二冲击部5031就为环形凸台。

第一冲击棘齿5013可以位于第一冲击部5012的径向外侧，也可以设置成第一冲击棘齿5013位于第一冲击部5012的径向内侧；

第二冲击棘齿5032可以位于第二冲击部5031的径向外侧，也可以设置成第二冲击棘齿5032位于第二冲击部5031的径向内侧。

当第一冲击部5012为环形凸台、第一冲击棘齿5013位于环形凸台的径向外侧时，第一冲击棘齿5013、环形凸台之间的位置关系如图4所示；

当第二冲击部5031为环形凹槽、第二冲击棘齿5032位于环形凹槽的径向外侧时，第二冲击棘齿5032、环形凹槽之间的位置关系如图5所示。

其中，环形凸台凸出的长度大于环形凹槽内凹的长度，因此当环形凸台端面与环形凹槽端面相贴时，第一冲击棘齿5013、第二冲击棘齿5032中的相应齿顶接触不到相应齿根。

钻井时，驱动总成2将旋转动力通过万向轴节3、传动轴4、旋转传动组件传递给钻头6，从而为钻头6提供旋转钻井的动力；同时，当旋转传动组件转动时(在该过程中冲击环501上冲击滑动键5011与外壳1上冲击滑动键槽的滑动配合对冲击环501的周向进行限位，使冲击环501不转动)，在钻井井底的反推靠力作用下，第二冲击棘齿5032与第一冲击棘齿5013之间会循环出现齿顶对顶-交错的循环，使冲击环501在轴向上产生周期型的位移变化，进而带动冲击弹簧502产生周期型的压缩与释放，当第一冲击棘齿5013、第二冲击棘齿5032对顶徒然交错时，冲击弹簧502弹出释放能量，冲击环501的第一冲击部5012端面冲击旋转传动组件的第二冲击部5031端面，在该冲击过程中，第一冲击棘齿5013、第二冲击棘齿5032中相应齿顶并未到达相应齿根，旋转传动组件继续旋转一微小角度使第一冲击棘齿5013侧面与第二冲击棘齿5032相应侧面面面接触，旋转传动组件继续旋转，第一冲击棘齿5013、第二冲击棘齿5032之间相对运动，如此循环。旋转一周往复冲击的次数与冲击环501上棘齿数目有关，通过设计驱动总成2的钻速和冲击环501上棘齿数目可以控制冲击频率。冲击组件产生的高频冲击力通过旋转传动组件传递给钻头6，从而实现钻头6对钻井井底的高频冲击，进而实现钻井井底的冲旋高效钻进。

同时，本申请中第一冲击部5012、第二冲击部5031的设置，当冲击环501的第一冲击部5012端面与旋转传动组件的第二冲击部5031端面相贴时，第一冲击棘齿5013、第二冲击棘齿5032中相应齿顶并未到达相应齿根，即冲击环501冲击旋转传动组件时，第一冲击棘齿5013的齿顶没有与第二冲击棘齿5032的齿根进行接触撞击、第二冲击棘齿5032的齿顶没有与第一冲击棘齿5013的齿根进行接触撞击，从而降低了第一冲击棘齿5013、第二冲击棘齿5032的损坏率、提高了使用寿命。

优选的，所述旋转传动组件包括旋转传动轴504、冲击头503；

所述旋转传动轴504与传动轴4同轴设置且一端与传动轴4的外壁面进行轴向方向的滑动连接，即旋转传动轴504能够跟随传动轴4进行转动，在转动的过程中，也能进行轴向的滑动，所述旋转传动轴504的另一端与冲击头503的一端进行同轴固定连接，所述冲击头503的另一端与钻头6相连；

所述第二冲击部5031、第二冲击棘齿5032设置在冲击头503面向冲击环501的端面上。

优选的，所述冲击头503的外端面与外壳1的内端面之间设置密封圈505。

优选的，如图3所示，所述施力组件包括设置在钻头内腔603内的步进传力体605；所述步进传力体605与钻头内腔603进行轴向方向的滑动连接，具体地，步进传力体605的外壁面沿圆周方向均匀设置有若干步进滑动键，步进滑动键沿传动轴4的轴向方向延伸，而钻井内腔603壁面的相应位置处沿圆周方向设置若干与步进滑动键进行轴向滑动配合的步进滑动键槽；所述步进传力体605的外端与中心钻头602相连，所述步进传力体605的内端与步进弹簧606相连，所述步进弹簧606的另一端与钻头内腔603的内端面固定连接；

所述钻头6的钻头体上设置喷嘴流道607、中心钻头排屑流道608；所述喷嘴流道607内设置喷嘴，用来提供钻井液，所述中心钻头排屑流道608用来将中心钻头602钻井产生的岩屑排入井眼环空。所述喷嘴流道607与钻头内腔603相连通。

本申请中步进传力体605以及步进弹簧606的设置，在内凹中心钻头602实现卸荷井底压力的作用下，还实现中心钻头602对“岩石柱”的破碎：当中心钻头602也接触到井底后，在外部环形钻头601承受冲击时，外部环形钻头601高速破岩，步进弹簧606被压缩蓄能，为中心钻头602集聚破岩能量，此时中心钻头602低速破岩或者不破岩；当外部环形钻头601冲击结束时，外部环形钻头602破岩变慢或者停止，步进弹簧606伸展为中心钻头602提供破岩动力使中心钻头602快速破岩，从而实现井底岩石的步进破碎。

优选的，所述驱动总成2包括定子201、转子202；所述定子201固定设置在外壳1的内端面上，所述转子202在定子201的内部；其中转子202的一端与万向轴节3相连，万向轴节3的另一端与传动轴4相连。

优选的，所述万向轴节3与外壳1之间形成万向流通腔301，所述万向流通腔301与定子201、转子202之间的流通腔相连通；

所述传动轴4、旋转传动组件的中部设置有沿轴向贯通的传动流通腔7；所述传动流通腔7与钻头内腔603相连通；

所述万向轴节3的端部设置有连通万向流通腔301、传动流通腔7的万向轴贯通孔302。

优选的，所述传动轴4的外壁面与外壳1的内壁面之间通过止推轴承401进行转动连接；

所述止推轴承401的两端还设置有TC轴承402，所述TC轴承402的内圈与传动轴4外壁面相连，所述TC轴承402的外圈与外壳1的内壁面相连。

TC轴承402的设置一方面使传动轴4与外壳1之间的转动连接更加稳定，另一方面也对止推轴承401的轴向进行了定位。

具体地，所述外壳1远离钻头6的一端设置旁通阀8；所述旁通阀8与驱动总成2的入口相连。

实施例2：

一种井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井方法，基于实施例1中的井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统进行实施，所述钻井方法包括以下步骤：

1)将钻井液泵送至驱动总成2内，钻井液的压力能转换为转子202的转动机械能，由万向轴节3、传动轴4、旋转传动组件传递给钻头6；

2)环形钻头601首先接触井底，在钻压扭矩的作用下对钻头6外环部位的岩石进行破碎；在旋转传动组件转动的过程中，在井底反推靠力的作用下，冲击组件对旋转传动组件施加沿钻井轴向方向的高频冲击力，从而实现对外部环形钻头601的冲击，使外部环形钻头601实现冲旋钻井；其中高频冲击实现原理：旋转传动组件跟随传动轴4转动时，第一冲击棘齿5013、第二冲击棘齿5032之间的配合使冲击环501在轴向上产生周期型的位移变化，进而带动冲击弹簧502产生周期型的压缩与释放，从而对钻头6产生高频的轴向冲击；

3)随着环形钻头601破岩的进行，在中心钻头602的内凹圆柱区604内形成岩石柱，有效释放了井底应力；

4)当中心钻头602也接触到井底后，在外部环形钻头601承受冲击时，外部环形钻头601高速破岩，步进弹簧606被压缩蓄能，为中心钻头602集聚破岩能量，此时中心钻头602低速破岩或者不破岩(该过程中中心钻头602跟随环形钻头601旋转，但中心钻头602破岩的速率较慢)；当外部环形钻头601冲击结束时，外部环形钻头601破岩变慢或者停止(此时环形钻头601依然转动，只是破岩速率变慢)，步进弹簧606伸展为中心钻头602提供破岩动力使中心钻头602快速破岩，从而实现井底岩石的步进破碎；

5)在冲旋钻井、井底卸荷、步进破岩的过程中，喷嘴流道607喷射钻井液清洗钻头，并将岩屑通过中心钻头排屑通道608携带至地面。

本发明通过整体的结构设置，可同时实现步进破岩、井底卸荷、冲旋钻井的作用，极大地提升了破岩钻井效率；旋转冲击总成2的设置，具有冲击频次高、冲击力大、使用寿命长的特点；本发明适用范围广，可用于直井、定向井等各种井型；采用本发明钻井过程中，操作施工跟常规钻井完全相同，对地面设施、钻井管柱没有特殊要求，有利于推广和应用。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统，其特征在于，包括呈圆筒状结构的外壳；所述外壳内设置有沿轴向方向依次相连的驱动总成、万向轴节、传动轴、旋转冲击总成；所述旋转冲击总成的端部设置钻头；

所述传动轴的外壁面与外壳的内壁面进行转动连接；

所述旋转冲击总成包括用来为钻头传递旋转动力的旋转传动组件、用来为钻头提供高频轴向冲击动力的冲击组件；所述旋转传动组件的一端与传动轴相连、另一端与钻头相连；所述旋转传动组件跟随传动轴转动时，所述冲击组件对旋转传动组件施加沿钻井轴向方向的高频冲击力；

所述钻头的钻头体外端设置有环形钻头；所述环形钻头的内环端面上滑动配合有中心钻头；所述钻头内部设置钻头内腔，所述钻头内腔内设置有将中心钻头沿轴向向外压出的施力组件；所述环形钻头的头端与中心钻头的头端之间形成内凹圆柱区域；

所述旋转传动组件与传动轴同轴设置且一端的内壁面与传动轴的外壁面进行轴向方向的滑动连接，所述旋转传动组件的另一端与钻头相连；所述旋转传动组件的中部与外壳之间形成环形空间；

所述冲击组件包括位于环形空间内的冲击环，所述冲击环的外壁面与外壳的内壁面进行轴向方向的滑动连接；

所述冲击环面向钻头的端面上沿圆周方向均匀设置一圈第一冲击棘齿；所述冲击环背向钻头的端面上沿圆周方向均匀设置若干冲击弹簧，所述冲击弹簧的另一端与外壳相连；

所述旋转传动组件面向冲击环的端面上设置有与第一冲击棘齿相配合的第二冲击棘齿；

设置有第一冲击棘齿的冲击环端面上设置第一冲击部；

设置有第二冲击棘齿的旋转传动组件端面设置能够与第一冲击部相配合的第二冲击部；

所述旋转传动组件跟随传动轴转动过程中，当冲击环的第一冲击部端面与旋转传动组件的第二冲击部端面相贴时，所述第一冲击棘齿的齿顶未到达第二冲击棘齿的齿根处、第二冲击棘齿的齿顶未到达第一冲击棘齿的齿根处。

2.如权利要求1所述的井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统，其特征在于，所述旋转传动组件包括旋转传动轴、冲击头；

所述旋转传动轴与传动轴同轴设置且一端与传动轴的外壁面进行轴向方向的滑动连接，所述旋转传动轴的另一端与冲击头的一端进行同轴固定连接，所述冲击头的另一端与钻头相连；

所述第二冲击部、第二冲击棘齿设置在冲击头面向冲击环的端面上。

3.如权利要求2所述的井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统，其特征在于，所述冲击头的外端面与外壳的内端面之间设置密封圈。

4.如权利要求1所述的井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统，其特征在于，所述施力组件包括设置在钻头内腔内的步进传力体；所述步进传力体与钻头内腔进行轴向方向的滑动连接；所述步进传力体的外端与中心钻头相连，所述步进传力体的内端与步进弹簧相连，所述步进弹簧的另一端与钻头内腔的内端面固定连接；

所述钻头的钻头体上设置喷嘴流道、中心钻头排屑流道，所述喷嘴流道与钻头内腔相连通。

5.如权利要求1所述的井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统，其特征在于，所述驱动总成包括定子、转子；所述定子固定设置在外壳的内端面上，所述转子在定子的内部。

6.如权利要求5所述的井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统，其特征在于，所述万向轴节与外壳之间形成万向流通腔，所述万向流通腔与定子、转子之间的流通腔相连通；

所述传动轴、旋转传动组件的中部设置有沿轴向贯通的传动流通腔；所述传动流通腔与钻头内腔相连通；

所述万向轴节的端部设置有连通万向流通腔、传动流通腔的万向轴贯通孔。

7.如权利要求1所述的井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统，其特征在于，所述传动轴的外壁面与外壳的内壁面之间通过止推轴承进行转动连接；

所述止推轴承的两端还设置有TC轴承，所述TC轴承的内圈与传动轴外壁面相连，所述TC轴承的外圈与外壳的内壁面相连。

8.井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井方法，其特征在于，基于如权利要求1～7任一所述的井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统进行实施，所述钻井方法包括以下步骤：

1)将钻井液泵送至驱动总成内，钻井液的压力能转换为转子的转动机械能，由万向轴节、传动轴、旋转传动组件传递给钻头；

2)环形钻头首先接触井底，在钻压扭矩的作用下对钻头外环部位的岩石进行破碎；在旋转传动组件转动的过程中，在井底反推靠力的作用下，冲击组件对旋转传动组件施加沿钻井轴向方向的高频冲击力，从而实现对外部环形钻头的冲击，使外部环形钻头实现冲旋钻井；

3)随着环形钻头破岩的进行，在中心钻头的内凹圆柱区内形成岩石柱，有效释放了井底应力；

4)当中心钻头也接触到井底后，在外部环形钻头承受冲击时，外部环形钻头高速破岩，步进弹簧被压缩蓄能，为中心钻头集聚破岩能量，此时中心钻头低速破岩或者不破岩；当外部环形钻头冲击结束时，外部环形钻头破岩变慢或者停止，步进弹簧伸展为中心钻头提供破岩动力使中心钻头快速破岩，从而实现井底岩石的步进破碎；

5)在冲旋钻井、井底卸荷、步进破岩的过程中，喷嘴流道喷射钻井液清洗钻头，并将岩屑通过中心钻头排屑通道携带至地面。

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