CN115949340A - 一种空气冲击定向钻进的钻具组合与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气冲击定向钻进的钻具组合包括冲击钎头、气动冲击器、冲击减震短节、配气分流短节、抗震空气螺杆、双向减震短节、锁定短节、无磁钻具、普通钻具串、坐键短节，其中冲击钎头、气动冲击器和冲击减震短节组成冲击碎岩组合，配气分流短节、抗震空气螺杆和双向减震短节构成定向钻具组合，锁定短节、坐键短节、无线随钻测斜仪器、无磁钻具组成定向测斜钻具组合；可实现冲击碎岩，从碎岩方式上改变传统定向钻头切削碎岩，降低了岩石破碎功，减少了钻头的磨损，提高了硬岩石钻孔效率。可实现复杂易漏地层及可钻性差坚硬地层快速定向钻进，有效提高复杂地层钻进效率，保障钻孔轨迹调整精度，显著提高了定向钻进效率，有助于推动定向钻探技术的发展。

Description

一种空气冲击定向钻进的钻具组合与应用

技术领域

本发明属于定向钻探技术领域，涉及一种钻具，具体涉及一种空气冲击定向钻进的钻具组合及其应用。

背景技术

在复杂地层钻进过程中，钻遇构造裂隙、溶洞等地层时，泥浆钻井面临冲洗介质严重漏失、甚至失返问题，气体钻井克服了漏失地层钻进难题，然而，在定向孔施工过程中，需要用到气动螺杆钻具进行钻孔施工，与常规水力螺杆相比，气动螺杆存在输出扭矩小、寿命短、坚硬地层钻进效率低等问题，无法满足岩层定向钻头回转破岩要求，限制了气体定向钻进技术在复杂地层定向钻孔施工中的应用。

与现有采用复合片或牙轮钻头定向钻进相比，冲击钻进从碎岩方式上改变传统定向钻头切削碎岩，降低了岩石破碎功，以岩石体积破碎代替研磨剪切破碎，减少了钻头的磨损，提高了硬岩石钻孔效率。同时冲击碎岩相对切削碎岩只需较小轴向压力，可有效防止钻孔偏斜，提高定向钻孔轨迹平滑度和定向钻孔施工效率。冲击碎岩过程中，要求钻头转速低，岩石切削阻力小，螺杆复杂扭矩小，可有效提高螺杆寿命。

由于气动冲击器冲击碎岩过程中，活塞向上运动时具有很大的冲击加速度，冲击能量以应力波形式沿钻具向上传递，钻具会产生强烈的周期性震动，气动螺杆钻具和电磁波随钻测量仪器因震动冲击引起的交变应力很容易疲劳损坏，因此，现有技术无法解决冲击对气动螺杆钻具和电磁波随钻测量仪器的寿命问题。同时，气动螺杆和气动冲击器两种孔底动力同时工作时，所需空气流量有较大的差异，空气螺杆需要较大的气流量，而钻具末端的气动冲击需求流量较小，过大的流量会导致冲击器冲击频率过高，引起冲击器损坏，以上几方面的问题是制约复杂地层空气定向钻进应用推广的关键因素。

发明内容

针对现有复杂地层空气定向钻进效率低、空气螺杆、无线随钻测斜仪器使用寿命短，无法实现有效利用冲击碎岩和空气钻进的优势等技术问题，本发明的目的在于，提供一种空气冲击定向钻具组合。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种空气冲击定向钻进的组合钻具，其特征在于，所述的该空气冲击定向钻进的钻具组合包括冲击钎头、气动冲击器、冲击减震短节、配气分流短节、抗震空气螺杆、双向减震短节、锁定短节、坐键短节、无线随钻测斜仪器、无磁钻具和普通钻具串构成的钻具串；其中：

所述冲击钎头、气动冲击器和冲击减震短节组成冲击碎岩组合，其中，冲击钎头安装于气动冲击器前端，气动冲击器后端与冲击减震短节固定连接；用于实现复杂地层钻进过程中，提高碎岩效率及钻进效率；气动冲击器由压缩空气提供高频冲击力，使得气动冲击器的冲击杆反复冲击冲击钎头，实现冲击钎头高频冲击碎岩；

在碎岩过程中，所述冲击减震短节用于起缓冲作用，以抵消气动冲击器工作时对钻具串的震动冲击，提高钻具串使用寿命及可靠性；

所述配气分流短节、抗震空气螺杆和双向减震短节构成定向钻具组合，其中，配气分流短节与抗震空气螺杆的转子固定连接，由压缩空气驱动空气螺杆的转子转动；

所述抗震空气螺杆包括转子、螺杆和外管，在转子与螺杆外管之间有一定的造斜工具面向角，通过改变工具面向角，实现钻具串的钻孔轨迹控制；

所述抗震空气螺杆及双向减震短节组成双重减震体系，以进一步减弱钻具串工作时带来的震动，以提高钻具串寿命；

所述锁定短节、坐键短节、无线随钻测斜仪器、无磁钻具组成定向测斜钻具组合，其中，锁定短节固定安装于无线随钻测斜仪器前端，所述双向减震短节设置有定位卡槽，锁定短节与定位卡槽配合组成无线随钻测斜仪器的轴向定位锁紧装置，防止钻具串施钻过程中发生轴向移动，影响定向精度；该轴向定位锁紧装置可实现应急托卡，当发生卡钻事故时，可应急托卡，通过打捞工具实现无线随钻测斜仪器打捞。

根据本发明，所述的冲击减震短节包括：第一内管轴、前端盖、第一密封圈组、外管、滑套、第二密封圈组、挡环、复位弹簧、后端盖和第二内管轴，其中：

所述第一内管轴与第二内管轴采用螺纹固定连接，两个挡环将滑套固定于第二内管轴上，前端盖及后端盖通过螺纹固定在外管上，所述第一内管轴与第二内管轴可轴向滑动；

所述挡环与前端盖和后端盖之间设置有两组复位弹簧，从而限制自由状态下第一内管轴与第二内管轴位置；

所述第一内管轴设置有第一阻尼气孔，第二内管轴上设置有第二阻尼气孔；前端盖及后端盖与第一内管轴与第二内管轴之间安装有第一密封圈组，滑套与外管之间设置有第二密封圈组；其中，所述第一密封圈组用于实现第一内管轴与前端盖、第二内管轴与后端盖的气体密封，第二密封圈组用于实现两个复位弹簧的腔体之间的气体密封；

当压缩空气通过第一阻尼气孔、第二阻尼气孔进入第一内管轴和第二内管轴与外管之间的复位弹簧的腔体，当冲击钻进时，气动冲击器带动第一内管轴及第二内管轴做轴向震动，震动过程中，空气通过在内轴孔与复位弹簧的腔体之间的第一阻尼气孔及第二阻尼气孔流动形成阻尼力，从而到达空气减震的目的；当气动冲击器带动第一内管轴及第二内管轴震幅较大时，第一阻尼气孔被前端盖封堵或者第二阻尼孔被后端盖封堵，此时空气压缩产生大负载阻力，从而进一步减轻冲击力对钻具串的影响；压缩空气可限制两个复位弹簧的腔体对复位弹簧的过渡压缩，同时通过压缩空气实现非接触减震。

具体地，所述配气分流短节用于实现压缩空气分流，将通往空气潜孔锤的风量控制在设定范围内，且不随负载的变化而变化，多余的空气外排至环空中，在保护气动冲击器的同时，提高碎岩效率，减少冲击钎头的磨损，提高使用寿命。

具体地，所述双向减震短节包括：接头，第一弹性体，杆体，芯管，第二弹性体和堵帽，其中：

接头与杆体通过螺纹固定连接，堵帽通过螺纹与杆体固定连接，杆体内安装有芯管，芯管可在杆体内轴向滑动，在接头与芯管及堵帽与芯管之间设置有第一弹性体及第二弹性体；所述芯管内侧有两个定位卡槽。

具体地，所述的锁定短节包括：坐轴，卡珠，第一支撑弹簧，卡套，第二支撑弹簧，其中，卡套套装于坐轴上，并在坐轴上前后滑动，坐轴前端卡槽安装有四个卡珠，卡珠底部设置有第一支撑弹簧，卡套与内轴台阶部位设置有第二支撑弹簧；所述卡套在坐轴上前后滑动，以实现卡珠的限位与释放，卡珠释放时，第一支撑弹簧推动卡珠向卡槽外移动。

进一步地，所述的无磁钻具的管壁内部设置有弹性支撑体，当无线随钻测斜仪器下放至要求位置并锁紧时，弹性支撑体稳定支撑无线随钻测斜仪器，从而在扶正无线随钻测斜仪器的同时，起到进一步减震，以保护无线随钻测斜仪器并提高测量精度。

本发明的空气冲击定向钻进的钻具组合能够用于复杂易漏地层及可钻性差坚硬地层冲击定向钻进的应用。从碎岩方式上改变传动定向钻头切削碎岩，降低了岩石破碎功，减少了钻头的磨损，提高了硬岩石钻孔效率，同时冲击碎岩相对切削碎岩只需较小轴向压力，可有效防止钻孔偏斜，提高定向钻孔轨迹平滑度和定向钻孔施工效率。冲击碎岩过程中，岩石切削阻力小，抗震空气螺杆低扭矩运转可有效提高螺杆寿命；通过在气动冲击器与抗震空气螺杆之间、抗震空气螺杆与无线随钻测斜仪之间、无磁钻具中分别设置减震装置，配合使用抗震空气螺杆组成多级全方位减震体系，以提高定向钻进轨迹测量及控制精度，同时也提高钻具串使用可靠性和使用寿命。

本发明的空气冲击定向钻具组合，具有多重减震体系，有效降低冲击器高频震动对螺杆、仪器的冲击应力影响，通过低转速气动螺杆和压缩气体分流装置设计，实现气动螺杆和气动潜孔锤匹配使用，研究形成气动冲击定向钻进技术，有利于解决复杂岩层尤其是易漏失地层的定向钻进难题。本发明可在复杂易漏地层及可钻性差坚硬地层实现快速气动冲击定向钻进，有效提高复杂地层钻进效率，与现有技术相比具有以下的技术创新：

(1)采用冲击定向钻进实现复杂地层定向钻孔施工，解决了复杂地层漏失、遇水缩径等难题，同时改变了传统螺栓驱动钻头回转切削碎岩方式，提高了碎岩效率；

利用空气钻进可有效避免井漏等井下复杂情况的发生，井底清洗及冷却条件好，延长了钻头使用寿命,有利于复杂地层进行钻进施工。

(2)解决了传统定向钻进施工中采用回转切削碎岩，机械效率低，定向施工成孔难的问题。

传统空气螺杆定向钻进施工中，螺杆输出扭矩小，转速高，回转碎岩过程中，需要较大的轴向力将钻头碎岩齿压入岩石，利用岩石低剪切强度特点，以剪切完成碎岩，当轴向压力不足或者钻头转速过高时，钻齿无法有效压入岩石，从而以岩石表面破碎和疲劳破碎为主，钻头磨损快、碎岩效率低，本发明充分利用冲击钻进瞬间冲击大，岩石以体积破碎为主，减小了岩石破碎功，减少了钻头的磨损，延长了钻头跟换周期，显著提高机械钻速,缩短钻井周期，降低钻井成本。

(3)解决了空气螺杆及液动螺杆回转碎岩需要较大的轴向力，钻孔容易偏斜，在坚硬复杂轨迹控制难度大，成本高的技术难题。

回转切削碎岩需要较大的轴向力，在钻孔施工过程中，过大的轴向力容易造成钻柱弯曲及失稳，从而造成钻孔轨迹偏斜及狗腿出现，钻孔过程中需要频繁的修正钻孔轨迹，增加了定向钻进轨迹控制难度及钻孔施工周期和成本。

(4)采用多重减震体系，可有效降低冲击器高频震动对螺杆、仪器的冲击，提高空气螺杆及无线随钻测斜仪的使用寿命。

(5)采用的配气分流短节可实现流经末端空气冲击器气流量的定量控制，且流量不随负载变化，进一步提高了碎岩效率和冲击器使用寿命。

附图说明

图1是本发明的空气冲击定向钻进的钻具组合结构示意图；

图2是冲击减震短节结构示意图；

图3是冲击减震短节减震过程示意图；

图4是双向减震短节结构示意图；

图5是锁定短节结构示意图；

图6是锁定短节定位及锁紧示意图；

图7是无磁钻具结构示意图；

图中的标记分别表示：1、冲击钎头，2、气动冲击器，3、冲击减震短节；4、配气分流短节，5、抗震空气螺杆，6、双向减震短节，7、锁定短节，8、无线随钻测斜仪器，9、无磁钻具，10、普通钻具串，11坐键短节；

301、第一内管轴，302、前端盖，303、第一密封圈组，304、外管，305、滑套，306、第二密封圈组，307、挡环，308、复位弹簧，309、后端盖，310、第二内管轴；301a、第一阻尼气孔，309a、第二阻尼气孔；

601、接头，602、第一弹性体，603、杆体，604、芯管，605、第二弹性体，606、堵帽，604a、定位卡槽；

701、坐轴，702、卡珠，703、第一支撑弹簧，704、卡套，705、第二支撑弹簧，701a、第一空气通道，704a、第二空气通道；

901、管壁，902、弹性支撑体；

以下结合说明书附图和实施例对本发明做进一步地详细说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是，以下的实施例是较优的例子，本发明并不限于以下的实施例，凡在本申请技术方案基础上做的技术特征的添加、等同变换均属于本发明权利要求书限定的保护范围。

在以下的描述中，需要说明的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”等指示钻具工作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使得本领域技术人员更容易的理解本发明的技术方案，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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本实施例给出一种空气冲击定向钻进的组合钻具，制得的该空气冲击定向钻进的钻具组合包括冲击钎头1、气动冲击器2、冲击减震短节3、配气分流短节4、抗震空气螺杆5、双向减震短节6、锁定短节7、无线随钻测斜仪器8、无磁钻具9和普通钻具10串构成的钻具串；其中：

所述冲击钎头1、气动冲击器2和冲击减震短节3组成冲击碎岩组合，以实现复杂地层钻进过程中，提高碎岩效率及钻进效率。气动冲击器2由压缩空气驱动，气动冲击器2的冲击杆反复冲击冲击钎头1，实现冲击钎头1高频冲击碎岩。

所述冲击钎头1安装于气动冲击器2前端，气动冲击器2后端与冲击减震短节3固定连接。所述气动冲击器2的冲击杆提供高频冲击力碎岩过程中，会引起钻具串的高频震动，所述冲击减震短节3起缓冲作用，以抵消对气动冲击器2对钻具串的震动冲击，提高钻具串使用寿命及可靠性。

所述配气分流短节4、抗震空气螺杆5、双向减震短节6构成定向钻具组合，配气分流短节4与抗震空气螺杆5的转子固定连接，驱动抗震空气螺杆5的转子转动。

所述抗震空气螺杆5包括转子、螺杆和外管，转子与螺杆外管之间有一定的造斜工具角，通过改变工具面向角，实现钻孔轨迹控制。

所述抗震空气螺杆5及双向减震短节6组成双重减震体系，以进一步减弱冲击钻具串工作时带来的震动，以提高钻具串寿命。

所述锁定短节7、无线随钻测斜仪器8、无磁钻具9组成定向测斜钻具组合，其中，所述锁定短节7固定安装于无线随钻测斜仪器8前端，所述双向减震短节6设置有定位卡槽604a，锁定短节7与定位卡槽604a配合组成无线随钻测斜仪器8轴向定位锁紧装置，防止施钻过程中发生轴向移动，影响定向精度。

所述定位锁紧装置可实现应急托卡，当发生卡钻等事故时，可应急托卡，通过打捞工具实现无线随钻测斜仪器8打捞。

所述冲击减震短节3包括：第一内管轴301、前端盖302、第一密封圈组303、外管304、滑套305、第二密封圈组306、挡环307、复位弹簧308、后端盖309、第二内管轴310。其中：

所述第一内管轴301与第二内管轴310采用螺纹固定连接，两个挡环307将滑套305固定于第二内管轴310上，前端盖302及后端盖309通过螺纹固定在外管304上，所述第一内管轴301与第二内管轴310可轴向滑动。所述挡环307与前端盖302、后端盖309之间设置有两组复位弹簧308，从而限制自由状态下第一内管轴301与第二内管轴310位置。

所述第一内管轴301设置有第一阻尼气孔301a、第二内管轴310上设置有第二阻尼气孔309a。前端盖302及后端盖309与第一内管轴301与第二内管轴之间310安装有第一密封圈组303，滑套305与外管304之间设置有第二密封圈组306。所述第一密封圈组303可实现第一内管轴301与前端盖302、第二内管轴310与后端盖309的气体密封，第二密封圈组306可实现两个复位弹簧308腔体之间的气体密封。

本实施例给出的空气冲击定向钻进的钻具组合的冲击减震方式在于，当高压空气通过第一阻尼气孔301a、第二阻尼气孔309a进入第一内管轴301和第二内管轴310与外管304之间的两个复位弹簧308的腔体，当冲击钻进时，气动冲击器2带动第一内管轴301及第二内管轴310做轴向震动，震动过程中，空气通过在内轴孔与复位弹簧308的腔体之间的第一阻尼气孔301a及第二阻尼气孔309a流动形成阻尼力，从而到达空气减震的目的。当气动冲击器2带动第一内管轴301及第二内管轴310震幅较大时，第一阻尼气孔301a被前端盖302封堵或者第二阻尼孔309a被后端盖309封堵，此时空气压缩产生大负载阻力，从而进一步减轻冲击力对钻具串的影响。压缩空气可限制两个复位弹簧308的腔体对复位弹簧308的过渡压缩，同时通过压缩空气实现非接触减震，结构简单、重量轻、使用寿命长。

所述的配气分流短节4，用于实现压缩空气分流，将通往空气潜孔锤的风量控制在设定范围内，且不随负载的变化而变化，多余的空气外排至环空中，在保护气动冲击器2的同时，提高碎岩效率，减少冲击钎头1的磨损，提高使用寿命。

所述双向减震短节6包括：接头601，第一弹性体602，杆体603，芯管604，第二弹性体605和堵帽606，其中：接头601与杆体603通过螺纹固定连接，堵帽606通过螺纹与杆体603固定连接，杆体603内安装有芯管604，芯管604可在杆体603内轴向滑动，在接头601与芯管604及堵帽606与芯管604之间设置有第一弹性体602及第二弹性体605。所述芯管604内侧有两个定位卡槽604a。

所述的锁定短节7，包括：坐轴701，卡珠702，第一支撑弹簧703，卡套704，第二支撑弹簧705，其中，卡套704套装于坐轴701上，可前后滑动，坐轴701前端卡槽安装有四个卡珠702，卡珠702底部设置有第一支撑弹簧703，卡套704与内轴台阶部位设置有第二支撑弹簧705。所述卡套704在坐轴701上前后滑动，可实现卡珠702的限位与释放，卡珠释702放时，第一支撑弹簧703推动卡珠702向卡槽外移动。

本实施例给出的空气冲击定向钻进的钻具组合的定向测量仪8的锁紧方式在于，下放无线随钻测斜仪器8到双向减震短节6的芯管604位置时，在双向减震短节6上的锥口及锁定短节7上锥头的导正下，锁定短节7插入芯管604中，芯管604推动锁定短节7的卡套704压缩两个支撑弹簧(703、705)并后移，当移动至芯管604的卡槽位置时，第一支撑弹簧703推动卡珠702卡紧无线随钻测斜仪器8与芯管604，可防止冲击定向钻进过程中，无线随钻测斜仪器8发生轴向移动，影响定向精度。当需要出现卡钻等孔底事故需要打捞无线随钻测斜仪器8时，只需下入打捞器，当打捞轴向力超过安全值时，便可压入卡珠702，从而实现解卡。

所述的无磁钻具9的管壁901内部设置有弹性支撑体902，当无线随钻测斜仪器8下放至要求位置并锁紧时，弹性支撑体902稳定支撑无线随钻测斜仪器8，从而在扶正无线随钻测斜仪器8的同时，起到进一步减震，以保护无线随钻测斜仪器8并提高测量精度。

本实施例给出的空气冲击定向钻进的钻具组合，可用于复杂易漏地层及可钻性差坚硬地层冲击定向钻进的应用，从碎岩方式上改变传动定向钻头切削碎岩，降低了岩石破碎功，减少了钻头的磨损，提高了硬岩石钻孔效率。同时冲击碎岩相对切削碎岩只需较小轴向压力，可有效防止钻孔偏斜，提高定向钻孔轨迹平滑度和定向钻孔施工效率。冲击碎岩过程中，岩石切削阻力小，抗震空气螺杆低扭矩运转可有效提高螺杆寿命。

通过在气动冲击器与抗震空气螺杆之间、抗震空气螺杆与无线随钻测斜仪之间、无磁钻具中分别设置减震装置，配合使用抗震空气螺杆组成多级全方位减震体系，提高了定向钻进轨迹测量及控制精度，同时也提高钻具使用可靠性和使用寿命。

以下是发明人给出的实施例。

实施例：

参见图1，本实施例给出一种空气冲击定向钻进的钻具组合，从左往右依次包括冲击钎头1、气动冲击器2、冲击减震短节3、配气分流短节4、抗震空气螺杆5、双向减震短节6、锁定短节7、无线随钻测斜仪器8、无磁钻具9和普通钻具串10构成的钻具串；其中：

冲击钎头1安装于气动冲击器2，当气动冲击器2通入定量的高压空气时，气动冲击器2带动冲击钎头1往复运动冲击碎岩，气动冲击器2与冲击减震短节3连接，冲击减震短节3可减弱左边钻具冲击带来的振动影响，冲击减震短节3与配气分流短节4通过螺纹连接，配气分流短节4控制流入左边气动冲击器2的空气流量，多余的空气排入环空中，配气分流短节4可实现对气动冲击器2供气量的定量控制。

抗震空气螺杆5的转子与配气分流短节4通过螺纹连接，压缩空气进入抗震空气螺杆5带动转子转动，从而带动抗震空气螺杆5左端钻具串整体转动，最终驱动冲击钎头1回转，辅助碎岩。

抗震空气螺杆5右端与双向减震短节6固定连接，双向减震短节6可进一步减少钻具前端碎岩带来的冲击影响。双向减震短节6与锁定短节7组成定位锁紧机构，可实现与锁定短节7固定连接的无线随钻测斜仪器8的定位及锁紧。双向减震短节6右边与无磁钻具9通过螺纹连接固定连接，无线随钻测斜仪器8定位锁紧后，无磁钻具9内部可扶正无线随钻测斜仪器8，同时起到进一步减震的作用，无磁钻具9的右端可固定连接普通钻具，在整套钻具组合中，就留有高压空气流通通道，为气动冲击器2和抗震空气螺杆5提供动力，为孔底岩屑清理、钻头冷却及返渣提供介质。

冲击减震短节结构图参见图2，包括第一内管轴301、前端盖302、第一密封圈组303、外管304、滑套305、第二密封圈组306、挡环307、复位弹簧308、后端盖309、第二内管轴310。

其中，第一内管轴301与第二内管轴310采用螺纹固定连接，两个挡环307将滑套305固定于第二内管轴310上，组成滑动组件3a；前端盖302及后端盖309通过螺纹固定在外管304上，第一内管轴301与第二内管轴310可在外管304内做轴向滑动。挡环307与前端盖302及后端盖309之间设置有两组复位弹簧308，从而限制自由状态下滑动组件在内管301中的位置。在第一内管轴301设置有第一阻尼气孔301a、第二内管轴310上设置有第二阻尼气孔309a。前端盖302及后端盖309与第一内管轴301与第二内管轴310)间安装有第一密封圈组303，滑套305与外管304之间设置有第二密封圈组306。第一密封圈组303可实现第一内管轴301与前端盖302、第二内管轴310与后端盖309的气体密封，第二密封圈组306可实现两个复位弹簧308的腔体之间的气体密封。

冲击减震短节减震过程如图3所示，其中图a为自由状态下，滑动组件3a的位置图，此时，高压空气通过第一阻尼气孔301a和第二阻尼气孔309a进入两个复位弹簧308的腔体。如图b所示，当气动冲击器2带动滑动组件3a向右移动时，压缩右边的复位弹簧腔体，右边复位弹簧腔体中的压缩空气需要通过第二阻尼气孔309a流出，由于冲击运动速度较快，而阻尼孔较小，因此会产生空气阻尼力，从而使得振幅减小，当振幅较大时，滑动组件3a右移至图C状态，此时右边弹簧308的腔体变为一个封闭腔体，进一步压缩空气将产生较大的压力，使得振幅进一步减小，由于密封腔的存在，可避免复位弹簧308过渡压缩以及常规机械减震频繁的硬撞击造成的疲劳损坏。当气动冲击器2带动滑动组件向左移动时，其工作过程与右移过程相同。

双向减震短节6的结构示意图参见图4，包括接头601，第一弹性体602，杆体603，芯管604，第二弹性体605和堵帽606，其中：

接头601与杆体603通过螺纹固定连接，堵帽606通过螺纹与杆体603固定连接，杆体603内安装有芯管604，芯管604可在杆体603内轴向滑动，在接头601与芯管604及堵帽与芯管604之间设置有第一弹性体602及第二弹性体605；所述芯管内侧有两个定位卡槽604a。

本实施例中，锁定短节7结构图参见图5，包括：坐轴701，卡珠702，第一支撑弹簧703，卡套704，第二支撑弹簧705，其中，卡套704套装于坐轴701上，可前后滑动，坐轴前端卡槽安装有四个卡珠702，卡珠底部设置有第一支撑弹簧703，卡套704与坐轴701台阶部位设置有第二支撑弹簧705。卡套704左右滑动可实现卡珠702的限位与释放，卡珠702释放时，第一支撑弹簧703推动卡珠(704)向卡槽外移动，卡套704及坐轴701上设置有第一空气通道704a及第二空气通道701a。

锁定短节定位及锁紧参见图6所示。如图a下放无线随钻测斜仪器8到双向减震短节6的芯管604位置时，在双向减震短节6上的锥口及锁定短节7上坐轴701前端锥头的导正下，坐轴701插入芯管604中，芯管604推动卡套704压缩第二支撑弹簧705并后移，当移动至芯管604的定位卡槽604a位置时，第一支撑弹簧703推动卡珠702卡紧锁定短节7与芯管604，可防止冲击定向钻进过程中，无线随钻测斜仪器8发生轴向移动，影响定向精度。当出现卡钻等孔底事故需要打捞无线随钻测斜仪器8时，只需下入打捞器，当打捞器轴向力超过安全值时，便可压入卡珠702，从而实现解卡。

无磁钻具结构图参见图7，在无磁钻具9内部管壁901上设置有弹性支撑体902，当无线随钻测斜仪器8下放至定位位置并锁紧时，弹性支撑体902支撑体稳定支撑无线随钻测斜仪器8，从而在扶正无线随钻测斜仪器8的同时，起到进一步减震，从而保护仪器、提高测量精度。

以上结合附图对本实施例的空气冲击定向钻进的钻具组合进行了详细描述，上述的实施例仅仅是示意性的，本发明不限于上述实施例，本领域的普通技术人员知晓，在不脱离本发明权利要求所保护的技术方案的基础上，可以进行技术方案的添加、简单的变换，均应属于本申请权利要求所限定的保护范围。

Claims (8)

1.一种空气冲击定向钻进的钻具组合，其特征在于，所述的该空气冲击定向钻进的钻具组合包括冲击钎头(1)、气动冲击器(2)、冲击减震短节(3)、配气分流短节(4)、抗震空气螺杆(5)、双向减震短节(6)、锁定短节(7)、无线随钻测斜仪器(8)、无磁钻具(9)和普通钻具串(10)、坐键短节(11)、构成的钻具串；其中：

所述冲击钎头(1)、气动冲击器(2)和冲击减震短节(3)组成冲击碎岩组合，其中，冲击钎头(1)安装于气动冲击器(2)前端，气动冲击器(2)后端与冲击减震短节(3)固定连接；用于实现复杂地层钻进过程中，提高碎岩效率及钻进效率；气动冲击器(2)由压缩空气提供高频冲击力，使得气动冲击器(2)的冲击杆反复冲击冲击钎头(1)，实现冲击钎头(1)高频冲击碎岩；

在碎岩过程中，所述冲击减震短节(3)用于起缓冲作用，以抵消气动冲击器(2)工作时对钻具串的震动冲击，提高钻具串使用寿命及可靠性；

所述配气分流短节(4)、抗震空气螺杆(5)和双向减震短节(6)构成定向钻具组合，其中，配气分流短节(4)与抗震空气螺杆(5)的转子固定连接，由压缩空气驱动空气螺杆(5)的转子转动；

所述抗震空气螺杆(5)包括转子、螺杆和外管，在转子与螺杆外管之间有一定的造斜工具面向角，通过改变工具面向角，实现钻具串的钻孔轨迹控制；

所述抗震空气螺杆(5)及双向减震短节(6)组成双重减震体系，以进一步减弱钻具串工作时带来的震动，以提高钻具串寿命；

所述锁定短节(7)、坐键短节(11)、无线随钻测斜仪器(8)、无磁钻具(9)组成定向测斜钻具组合，其中，所述锁定短节(7)固定安装于无线随钻测斜仪器(8)前端，所述双向减震短节(6)设置有定位卡槽(604a)，锁定短节(7)与定位卡槽(604a)配合组成无线随钻测斜仪器(8)的轴向定位锁紧装置，防止钻具串施钻过程中发生轴向移动，影响定向精度；该轴向定位锁紧装置可实现应急脱卡，当发生卡钻事故时，可应急脱卡，通过打捞工具实现无线随钻测斜仪器(8)打捞。

所述坐键短节(11)主要作用是为定向仪器提供一个稳定的座封环境，便于准确地知道马达等井下工具的方向。

2.如权利要求1所述的空气冲击定向钻进的钻具组合，其特征在于，所述的冲击减震短节(3)包括：第一内管轴(301)、前端盖(302)、第一密封圈组(303)、外管(304)、滑套(305)、第二密封圈组(306)、挡环(307)、复位弹簧(308)、后端盖(309)和第二内管轴(310)，其中：

所述第一内管轴(301)与第二内管轴(310)采用螺纹固定连接，两个挡环(307)将滑套(305)固定于第二内管轴(310)上，前端盖(302)及后端盖(309)通过螺纹固定在外管(304)上，所述第一内管轴(301)与第二内管轴(310)可轴向滑动；

所述挡环(307)与前端盖(302)和后端盖(309)之间设置有两组复位弹簧(308)，从而限制自由状态下第一内管轴(301)与第二内管轴(310)位置；

所述第一内管轴(301)设置有第一阻尼气孔(301a)，第二内管轴(310)上设置有第二阻尼气孔(309a)；前端盖(302)及后端盖(309)与第一内管轴(301)与第二内管轴(310)之间安装有第一密封圈组(303)，滑套(305)与外管(304)之间设置有第二密封圈组(306)；其中，所述第一密封圈组(303)用于实现第一内管轴(301)与前端盖(302)、第二内管轴(310)与后端盖(309)的气体密封，第二密封圈组(306)用于实现两个复位弹簧(308)的腔体之间的气体密封；

当压缩空气通过第一阻尼气孔(301a)、第二阻尼气孔(309a)进入第一内管轴(301)和第二内管轴(309)与外管(304)之间的复位弹簧(308)的腔体，当冲击钻进时，气动冲击器(2)带动第一内管轴(301)及第二内管轴(309)做轴向震动，震动过程中，空气通过在内轴孔与复位弹簧(308)的腔体之间的第一阻尼气孔(301a)及第二阻尼气孔(309a)流动形成阻尼力，从而到达空气减震的目的；当气动冲击器(2)带动第一内管轴(301)及第二内管轴(310)震幅较大时，第一阻尼气孔(301a)被前端盖(302)封堵或者第二阻尼孔(309a)被后端盖(309)封堵，此时空气压缩产生大负载阻力，从而进一步减轻冲击力对钻具串的影响；压缩空气可限制两个复位弹簧(308)的腔体对复位弹簧(308)的过渡压缩，同时通过压缩空气实现非接触减震。

3.如权利要求1所述的空气冲击定向钻进的钻具组合，其特征在于，所述配气分流短节(4)用于实现压缩空气分流，将通往空气潜孔锤的风量控制在设定范围内，且不随负载的变化而变化，多余的空气外排至环空中，避免冲击器冲击频率过高而损坏，同时，分出的压缩空气可用于井下岩屑上返。在保护气动冲击器(2)的同时，提高碎岩效率，减少冲击钎头(1)的磨损，提高使用寿命。

4.如权利要求1所述的空气冲击定向钻进的钻具组合，其特征在于，所述双向减震短节(6)包括：接头(601)，第一弹性体(602)，杆体(603)，芯管(604)，第二弹性体(605)和堵帽(606)，其中：

接头(601)与杆体(603)通过螺纹固定连接，堵帽(606)通过螺纹与杆体(603)固定连接，杆体内(603)安装有芯管(604)，芯管(604)可在杆体(603)内轴向滑动，在接头(601)与芯管(604)及堵帽(606)与芯管(604)之间设置有第一弹性体(602)及第二弹性体(605)；所述芯管(604)内侧有两个定位卡槽(604a)。

5.如权利要求1所述的空气冲击定向钻进的钻具组合，其特征在于，所述的锁定短节(7)包括：坐轴(701)，卡珠(702)，第一支撑弹簧(703)，卡套(704)，第二支撑弹簧(705)，其中，卡套(704)套装于坐轴(701)上，并在坐轴(701)上前后滑动，坐轴(701)前端卡槽安装有四个卡珠(702)，卡珠(702)底部设置有第一支撑弹簧(703)，卡套(704)与内轴台阶部位设置有第二支撑弹簧(705)；所述卡套(704)在坐轴(701)上前后滑动，以实现卡珠(702)的限位与释放，卡珠(702)释放时，第一支撑弹簧(703)推动卡珠(702)向卡槽外移动。

6.如权利要求1所述的空气冲击定向钻进的钻具组合，其特征在于，所述的无磁钻具(9)的管壁(901)内部设置有弹性支撑体(902)，当无线随钻测斜仪器(8)下放至要求位置并锁紧时，弹性支撑体(902)稳定支撑无线随钻测斜仪器(8)，从而在扶正无线随钻测斜仪器(8)的同时，起到进一步减震，以保护无线随钻测斜仪器(8)并提高测量精度。

7.权利要求1至6其中之一所述的空气冲击定向钻进的钻具组合用于复杂易漏地层及可钻性差坚硬地层冲击定向钻进的应用。

8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，从碎岩方式上改变传统定向钻头切削碎岩，降低了岩石破碎功，减少了钻头的磨损，提高了硬岩石钻孔效率，同时冲击碎岩相对切削碎岩只需较小轴向压力，可有效防止钻孔偏斜，提高定向钻孔轨迹平滑度和定向钻孔施工效率；冲击碎岩过程中，岩石切削阻力小，抗震空气螺杆低扭矩运转可有效提高螺杆寿命；

通过在气动冲击器与抗震空气螺杆之间、抗震空气螺杆与无线随钻测斜仪之间、无磁钻具中分别设置减震装置，配合使用抗震空气螺杆组成多级全方位减震体系，以提高定向钻进轨迹测量及控制精度，同时也提高钻具串使用可靠性和使用寿命。

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