CN206016669U - 复合冲击钻井工具 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种复合冲击钻井工具，包括中部外壳体，其上端固定连接有上短节，一连接管向上穿过上短节与一上外壳体固定连接；中部外壳体底部挂设有钻头座；连接管内壁固定导流座，导流座内壁套设筒状换向器，导流座外壁套设筒状摆锤；在筒状摆锤外侧滑动套设一筒状冲锤；在中部外壳体下腔内设有一冲击筒；筒状换向器和筒状摆锤均伸入冲击筒内部。本实用新型的复合冲击钻井工具，其轴向冲击是由质量较大的轴向筒状冲锤高速撞击形成，是一种机械冲击，能有效的将冲击载荷传递到钻头处，冲击载荷足以直接破岩；且该钻具的周向冲击和轴向冲击是由一个筒状换向器进行控制，两种冲击载荷频率相等，破岩效率更高。

Description

复合冲击钻井工具

技术领域

本实用新型是关于石油开发领域中一种井下钻具，尤其涉及一种复合冲击钻井工具。

背景技术

石油钻井工程中，机械钻速的提高是永恒的目标。目前石油钻进方式是通过钻杆带动钻头转动，通过钻头对岩石进行剪切、冲击等，实现岩石的破碎。破碎的岩石通过钻井液被携带出地面。整个钻进过程为钻头被钻柱提供的静压力压在岩石上端，而通过钻柱传递到钻头处的扭矩驱动钻头转动，驱动方式包括转盘、顶驱及井下动力钻具提供。

钻头是整个钻井过程中最重要的一部分，直接关系到破岩的效率。PDC钻头是目前使用较多、效果较好的钻头，其主要是通过对岩石的剪切来实现破岩。影响PDC钻头破岩效率的参数主要包括钻压和扭矩，钻压是影响PDC钻头切削刃吃入岩石深度的主要参数，而吃入深度可以理解为单圈切削岩石的体积，钻压越大，切削刃吃入岩石的深度越大，机械钻速越高；扭矩是影响切削效率的参数，扭矩越高，剪切力越大，切削岩石越顺畅，钻头转动波动越小。

一般认为PDC钻头适合钻中软及较软的地层，不适合硬质地层的钻进，在钻硬质地层时，容易出现：1)钻头的转动波动较大，粘滑振动较为严重；2)钻头吃入深度不够，机械钻速较低。以上是限制PDC钻头在硬质地层中使用的原因。

而目前在钻遇硬质地层时，一般采用牙轮钻头或者金刚石钻头，这两种钻头在硬质地层中，主要的破岩方式是冲击和磨压的方式，这两种钻头虽然能破碎硬质地层，但是破岩效率不是很高。

为了提高硬质地层的机械钻速，使用PDC钻头钻进是一种有效的方法，但是同时需要解决PDC钻头在钻遇硬质地层时出现的粘滑振动和吃入深度不够这两个问题。

为了解决硬质地层机械钻速低的问题，一些学者提出并设计了旋冲钻具，该种工具是在旋转钻进的基础上增加轴向冲击，并传递到钻头处，采用冲击的方式来实现岩石的体积破岩，目前这些工具按工作原理可以分为两大类：阀式冲击器和射流式冲击器。该类工具在现场已经得到应用，有一定的提速效果，但是也出现了一些问题，主要包括：1)冲击功较大，钻头的使用寿命达不到现场应用要求；2)较大的冲击功对底部钻具组合(BHA)的使用寿命提出了挑战；3)不利于造斜工作的进行。

为了抑制PDC钻头的粘滑振动，国内外分别研制了扭力冲击器，并在现场得到应用。该工具的工作原理是在PDC钻头处提供高频往复的扭转冲击，减小钻头处扭矩的波动。目前，该工具在现场得到了应用，且使用效果较好，但是该工具只是起到减振的效果，对硬质地层的机械钻速的提高有限。

本实用新型人已申请的名称为“复合冲击钻井工具(CN 204457422U)”的专利，其轴向冲击是由特定的结构形成脉冲的射流，并撞击到壳体上，由于流体的流变性，其所产生的冲击载荷较小，传递到钻头处的能量有限，不足以产生直接破岩，其主要作用是振动减阻；同时该钻具的轴向冲击和扭转冲击的频率不同，两种冲击载荷各自工作，破岩效率有限。本实用新型人已申请的名称为“复合冲击钻井工具(CN103953281B)”的专利，该专利中的复合冲击是由一个凸轮机构来实施，由于破岩需要的冲击功较大，凸轮机构容易出现磨损较为严重进而出现提前失效的情况，严重限制了该工具的现场使用。

基于以上提出的问题，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，结合旋冲钻具及扭力冲击器的特点，为了提高硬质地层的机械钻速，提出并设计了一种复合冲击钻井工具，以克服现有技术的缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种复合冲击钻井工具，以提高硬质地层的破岩效率，降低硬质地层的钻井成本。

本实用新型的另一目的在于提供一种复合冲击钻井工具，抑制PDC钻头的粘滑振动，提高钻井工具的稳定性，延长使用寿命。

本实用新型的目的是这样实现的，一种复合冲击钻井工具，该复合冲击钻井工具包括一上下贯通的中部外壳体，中部外壳体的内壁设有向内凸设的第一环形凸台，第一环形凸台将中部外壳体内腔分为上腔和下腔；该中部外壳体上端固定连接有上短节，一阶梯状连接管的小端向上穿过上短节的中心孔，并与一上下贯通的上外壳体下端固定连接；该中部外壳体底部挂设有钻头座；

阶梯状连接管的内壁固定连接一上下贯通的导流座，导流座内壁套设有一筒状换向器，筒状换向器顶端止挡于导流座内壁的第一凸缘；导流座外壁套设有一筒状摆锤，筒状摆锤顶端止挡于导流座外壁的第二凸缘；筒状换向器和筒状摆锤均向下穿过中部外壳体的第一环形凸台延伸至中部外壳体的下腔，第一环形凸台与筒状摆锤的外壁密封滑动接触；

在筒状摆锤外侧且位于中部外壳体上腔内，上下滑动地套设一筒状冲锤，筒状冲锤的内壁向内凸设有第二环形凸台，第二环形凸台密封滑设于筒状摆锤外壁上，筒状冲锤的外壁与中部外壳体的内壁密封滑动接触，第二环形凸台上方和下方分别形成第一环形腔和第二环形腔；

在中部外壳体下腔内设有一冲击筒，冲击筒的底座上设有上下贯通的通孔；通孔的上段卡设有一中空的喷嘴支撑座，通孔的下段构成与钻头座连接的多边形孔；筒状换向器和筒状摆锤均伸入冲击筒内部，筒状换向器的底端抵靠在喷嘴支撑座外壁的卡缘上；筒状摆锤的底端抵靠在冲击筒底座的上表面。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述中部外壳体底部固定设有一悬挂短节，所述钻头座的上部向上穿过悬挂短节并连接一防落鱼，该防落鱼能挂设在悬挂短节的顶部。

在本实用新型的一较佳实施方式中，钻头座外壁与悬挂短节内壁为花键连接；防落鱼是由两个对称的半圆环对接构成的一圆环结构。

在本实用新型的一较佳实施方式中，钻头座上部外壁设有卡缘，卡缘卡设在防落鱼上表面中的环形卡槽上。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述冲击筒内壁上呈十字交叉地对称设有轴向延伸至底座上表面的一对第一扇形槽和一对第二扇形槽，所述第一扇形槽的扇形角度大于第二扇形槽的扇形角度；喷嘴支撑座下部侧壁环设有多个贯通其侧壁的透孔，所述第二扇形槽底端设有与喷嘴支撑座侧壁的透孔连通的连通槽；位于第一扇形槽与第二扇形槽之间的冲击筒外壁上分别设有一导流槽，四个导流槽轴向向下延伸接近冲击体底部，各导流槽中设有贯通冲击筒筒壁的导流孔；四个导流槽中其中一对对称分布的导流槽为第一导流槽，另一对对称分布的导流槽为第二导流槽；冲击筒的顶部固定设有一端盖，所述端盖上设有中心孔，筒状摆锤密封穿过该中心孔，所述端盖的侧壁周向设有四个与所述导流槽对应导通的过流槽；所述端盖上侧与第一环形凸台下侧之间形成一环形空间。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述筒状摆锤上位于中部外壳体下腔的外筒壁对称设有一对轴向设置的第一扇形凸柱，紧邻第一扇形凸柱两侧的筒壁上分别设有第一配流孔和第二配流孔；所述筒状摆锤上位于中部外壳体下腔的内筒壁对称设有一对轴向设置的第二扇形凸柱，紧邻第二扇形凸柱两侧的筒壁上分别设有第三配流孔和第四配流孔；所述第一扇形凸柱与第二扇形凸柱呈十字交叉设置，且第一扇形凸柱的扇形角度大于第二扇形凸柱的扇形角度；所述第一扇形凸柱摆动地设置在冲击筒的第一扇形槽内；筒状摆锤对应各第一扇形凸柱的轴向上方的侧壁上，由下向上顺序设有一第一扇形透孔、一第二扇形透孔和一第三扇形透孔，所述第一扇形透孔的扇形角度与第一扇形凸柱相同，第二扇形透孔和第三扇形透孔的扇形角度相同且均小于第一扇形凸柱扇形角度的一半，第二扇形透孔和第三扇形透孔在周向上呈相错设置；第一扇形透孔在轴向上位于中部外壳体的下腔内，第一扇形透孔外侧与所述环形空间连通；第二扇形透孔在轴向上位于中部外壳体的上腔内，第二扇形透孔外侧与第二环形腔连通；第三扇形透孔在轴向上位于中部外壳体的上腔内，第三扇形透孔外侧与第一环形腔连通。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述筒状换向器上位于中部外壳体下腔的外筒壁呈十字交叉式对称设有一对轴向设置的第三扇形凸柱和一对轴向设置的第四扇形凸柱，在各第三扇形凸柱上且邻近第三扇形凸柱两侧分别设有第一换向孔和第二换向孔；在各第四扇形凸柱的外壁上分别设有一轴向延伸设置的第三扇形槽；所述筒状摆锤上的第二扇形凸柱摆动地设置在筒状换向器的第三扇形槽中；筒状换向器对应各第三扇形凸柱的轴向上方的侧壁上，由下向上顺序设有一第四扇形透孔、一第五扇形透孔和一第六扇形透孔；第四扇形透孔、第五扇形透孔和第六扇形透孔与同侧的第三扇形凸柱位于同一直线上；第五扇形透孔、第六扇形透孔与第二扇形透孔的扇形角度相同，第一扇形透孔的扇形角度大于第四扇形透孔的扇形角度；在轴向位置上，第四扇形透孔、第五扇形透孔和第六扇形透孔分别与第一扇形透孔、第二扇形透孔和第三扇形透孔高度对应；在筒状换向器的侧壁上且围绕所述第四扇形透孔、第五扇形透孔和第六扇形透孔分别凸设有一扇形凸缘。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述喷嘴支撑座内固设有一喷嘴。

在本实用新型的一较佳实施方式中，该中部外壳体与上短节为螺纹连接；阶梯状连接管的小端与上外壳体下端为螺纹连接；导流座与阶梯状连接管的内壁为螺纹连接；中部外壳体底部与悬挂短节为螺纹连接。

由上所述，本实用新型的复合冲击钻井工具，其轴向冲击是由质量较大的轴向筒状冲锤高速撞击形成，是一种机械冲击，能有效的将冲击载荷传递到钻头处，冲击载荷足以直接破岩；且该钻具的两种冲击(周向冲击和轴向冲击)是由一个换向机构(筒状换向器)进行控制，两种冲击载荷频率相等，破岩效率更高。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：

图1：为本实用新型复合冲击钻井工具的结构剖视示意图；

图2：为本实用新型中中部外壳体的结构示意图；

图3：为本实用新型中上外壳体的结构示意图；

图4：为本实用新型中阶梯状连接管的结构示意图；

图5：为本实用新型中上短节的结构示意图；

图6：为本实用新型中导流座的结构示意图；

图7A:为本实用新型中筒状摆锤的结构示意图一；

图7B:为本实用新型中筒状摆锤的结构示意图二；

图7C:为本实用新型中筒状摆锤的结构示意图三；

图8A:为本实用新型中筒状换向器的结构示意图一；

图8B:为本实用新型中筒状换向器的结构示意图二；

图8C:为本实用新型中筒状换向器的结构示意图三；

图9A:为本实用新型中冲击筒的结构示意图一；

图9B:为本实用新型中冲击筒的结构示意图二；

图9C:为本实用新型中冲击筒的结构示意图三；

图9D:为本实用新型中冲击筒的结构示意图四；

图10:为本实用新型中筒状冲锤的结构示意图；

图11:为本实用新型中端盖的结构示意图；

图12A:为本实用新型中喷嘴支撑座的结构示意图一；

图12B:为本实用新型中喷嘴支撑座的结构示意图二；

图13:为本实用新型中喷嘴的结构示意图；

图14A:为本实用新型中防落鱼的结构示意图一；

图14B:为本实用新型中防落鱼的结构示意图二；

图15:为本实用新型中悬挂短节的结构示意图；

图16A:为本实用新型中钻头座的结构示意图一；

图16B:为本实用新型中钻头座的结构示意图二；

图17：为表示在本实用新型复合冲击钻井工具中三个剖切位置(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)的示意图；

图18A：为本实用新型复合冲击钻井工具中筒状换向器和筒状摆锤处于第一状态时，位于Ⅰ位置的结构示意图；

图18B：为本实用新型复合冲击钻井工具中筒状换向器和筒状摆锤处于第一状态时，位于Ⅱ位置的结构示意图；

图18C：为本实用新型复合冲击钻井工具中筒状换向器和筒状摆锤处于第一状态时，位于Ⅲ位置的结构示意图；

图19A：为本实用新型复合冲击钻井工具中筒状换向器和筒状摆锤处于第二状态时，位于Ⅰ位置的结构示意图；

图19B：为本实用新型复合冲击钻井工具中筒状换向器和筒状摆锤处于第二状态时，位于Ⅱ位置的结构示意图；

图19C：为本实用新型复合冲击钻井工具中筒状换向器和筒状摆锤处于第二状态时，位于Ⅲ位置的结构示意图；

图20A：为本实用新型复合冲击钻井工具中筒状换向器和筒状摆锤处于第三状态时，位于Ⅰ位置的结构示意图；

图20B：为本实用新型复合冲击钻井工具中筒状换向器和筒状摆锤处于第三状态时，位于Ⅱ位置的结构示意图；

图20C：为本实用新型复合冲击钻井工具中筒状换向器和筒状摆锤处于第三状态时，位于Ⅲ位置的结构示意图；

图21A：为本实用新型复合冲击钻井工具中筒状换向器和筒状摆锤处于第四状态时，位于Ⅰ位置的结构示意图；

图21B：为本实用新型复合冲击钻井工具中筒状换向器和筒状摆锤处于第四状态时，位于Ⅱ位置的结构示意图；

图21C：为本实用新型复合冲击钻井工具中筒状换向器和筒状摆锤处于第四状态时，位于Ⅲ位置的结构示意图；

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。

如图1～图5所示，本实用新型提出一种复合冲击钻井工具100，该复合冲击钻井工具100包括一上下贯通的中部外壳体1，中部外壳体1的内壁设有向内凸设的第一环形凸台13，第一环形凸台13将中部外壳体1内腔分为上腔11和下腔12(如图1、图2所示)；该中部外壳体1上端内壁固定连接有上短节21，一阶梯状连接管22的小端向上穿过上短节21的中心孔，并与一上下贯通的上外壳体23下端内壁固定连接；上短节21上部与上外壳体23下部之间为花键定位连接；该中部外壳体1底部挂设有钻头座3；

如图1、图6所示，阶梯状连接管22的内壁固定连接一上下贯通的导流座24，导流座24内壁套设有一筒状换向器4，筒状换向器4顶端止挡于导流座24内壁的第一凸缘241；导流座24外壁套设有一筒状摆锤5，筒状摆锤5顶端止挡于导流座24外壁的第二凸缘242；筒状换向器4和筒状摆锤5均向下穿过中部外壳体1的第一环形凸台13延伸至中部外壳体的下腔12，第一环形凸台13与筒状摆锤5的外壁密封滑动接触；

如图1、图10所示，在筒状摆锤5外侧且位于中部外壳体上腔11内，上下滑动地套设一筒状冲锤6，筒状冲锤6的内壁向内凸设有第二环形凸台63，第二环形凸台63密封滑设于筒状摆锤5外壁上，筒状冲锤6的外壁与中部外壳体1的内壁密封滑动接触，第二环形凸台63上方和下方分别形成第一环形腔61和第二环形腔62；

如图1所示，在中部外壳体下腔12内设有一冲击筒7；冲击筒7的底座71上设有上下贯通的通孔711；通孔711的上段卡设有一中空的喷嘴支撑座8(如图12A、图12B所示)，通孔711的下段为与钻头座3连接的多边形孔(如：正六边形孔)；冲击筒7通过底座71通孔711的下段多边形孔套接在钻头座3上(多边形孔构成冲击筒7与钻头座3的周向定位)；筒状换向器4和筒状摆锤5均伸入冲击筒7内部，筒状换向器4的底端抵靠在喷嘴支撑座8外壁的卡缘81上；筒状摆锤5的底端抵靠在冲击筒底座的上表面712；在冲击筒底座的上表面712且位于筒状摆锤5内侧对应设有一与通孔711上段连通的沉槽713；

在本实施方式中，如图1、图14A、图14B、图15、图16A、图16B所示，所述中部外壳体1底部固定设有一悬挂短节32，悬挂短节32的外壁与中部外壳体1底部的内壁采用螺纹连接；所述钻头座3的上部向上穿过悬挂短节32的中心孔并连接一防落鱼33，该防落鱼33能挂设在悬挂短节32的顶部；钻头座3穿设在悬挂短节32中心孔中的外壁与悬挂短节中心孔的内壁之间采用花键连接构成周向方向的定位(例如：钻头座3的外壁设置滑键，悬挂短节中心孔的内壁设置对应的键槽；或者相反)；为了便于钻头座3的装配和拆卸，防落鱼33是由两个对称的半圆环对接构成的一完整的圆环结构；钻头座3上部外壁设有卡缘31，卡缘31卡设在防落鱼33上表面中的环形卡槽上；

进一步，在本实施方式中，如图9A～图9D所示，所述冲击筒7内壁上，在周向方向呈十字交叉地对称设有轴向延伸至底座上表面712的一对第一扇形槽72和一对第二扇形槽73，所述第一扇形槽72的扇形角度大于第二扇形槽73的扇形角度；喷嘴支撑座8下部侧壁环设有多个贯通其侧壁的透孔82，所述第二扇形槽73底端设有与喷嘴支撑座侧壁的多个透孔82连通的连通槽731，所述连通槽731由底座上表面712倾斜向下设置并延伸至通孔711的上段内壁；所述多个透孔82也与沉槽713连通；位于第一扇形槽72与第二扇形槽73之间的冲击筒7外壁上分别设有一导流槽，四个导流槽轴向向下延伸接近冲击体底部，各导流槽中设有贯通冲击筒筒壁的导流孔；四个导流槽中其中一对对称分布的导流槽为第一导流槽74，另一对对称分布的导流槽为第二导流槽75，第一导流槽74中的导流孔为第一导流孔741，第二导流槽75中的导流孔为第二导流孔751；冲击筒7的顶部固定设有一端盖76(可由螺钉轴向固定连接在冲击筒7的顶部)，如图11所示，所述端盖76上设有中心孔761，筒状摆锤5密封穿过该中心孔761，所述端盖76的侧壁周向设有四个与所述第一导流槽74和第二导流槽75对应导通的过流槽762；所述端盖76上侧与第一环形凸台13下侧之间形成一环形空间K；

在本实施方式中，如图7A～图7C所示，所述筒状摆锤5上位于中部外壳体下腔12的外筒壁对称设有一对轴向延伸至筒状摆锤底部的第一扇形凸柱51，紧邻第一扇形凸柱51两侧的筒壁上分别设有第一配流孔511和第二配流孔512；所述筒状摆锤5上位于中部外壳体下腔12的内筒壁还对称设有一对轴向延伸并接近筒状摆锤底部的第二扇形凸柱52，紧邻第二扇形凸柱52两侧的筒壁上分别设有第三配流孔521和第四配流孔522；所述第一扇形凸柱51与第二扇形凸柱52在筒状摆锤周向方向呈十字交叉设置，且第一扇形凸柱51的扇形角度大于第二扇形凸柱52的扇形角度；所述第一扇形凸柱51摆动地设置在冲击筒7的第一扇形槽72内；筒状摆锤5对应各第一扇形凸柱51的轴向上方的侧壁上，由下向上顺序设有一第一扇形透孔53、一第二扇形透孔54和一第三扇形透孔55，所述第一扇形透孔53的扇形角度与第一扇形凸柱51的扇形角度相同，第二扇形透孔54和第三扇形透孔55的扇形角度相同且均小于第一扇形凸柱51扇形角度的一半，第二扇形透孔54和第三扇形透孔55在筒状摆锤周向方向上呈相错设置；第一扇形透孔53在筒状摆锤轴向上位于中部外壳体的下腔12内，第一扇形透孔53外侧始终与所述环形空间K连通；第二扇形透孔54在筒状摆锤轴向上位于中部外壳体的上腔11内，第二扇形透孔54外侧始终与第二环形腔62连通；第三扇形透孔55在筒状摆锤轴向上也位于中部外壳体的上腔11内，第三扇形透孔55外侧始终与第一环形腔61连通；

在本实施方式中，如图8A～图8C所示，所述筒状换向器4上位于中部外壳体下腔12的外筒壁呈十字交叉式对称设有一对轴向设置的第三扇形凸柱41和一对轴向设置的第四扇形凸柱42，在各第三扇形凸柱41上且邻近第三扇形凸柱41两侧分别设有贯通筒状换向器侧壁的第一换向孔411和第二换向孔412；在各第四扇形凸柱42的外壁上分别设有一轴向延伸设置的第三扇形槽421；所述筒状摆锤5上的第二扇形凸柱52摆动地设置在筒状换向器的第三扇形槽421中；筒状换向器4对应各第三扇形凸柱41的轴向上方的侧壁上，由下向上顺序设有一第四扇形透孔43、一第五扇形透孔44和一第六扇形透孔45；第四扇形透孔43、第五扇形透孔44和第六扇形透孔45与同侧的第三扇形凸柱41位于同一直线(与轴线平行)上；第五扇形透孔44、第六扇形透孔45与第二扇形透孔54的扇形角度基本相同，第一扇形透孔53的扇形角度大于第四扇形透孔43的扇形角度；在轴向位置上，第四扇形透孔43、第五扇形透孔44和第六扇形透孔45分别与第一扇形透孔53、第二扇形透孔54和第三扇形透孔55高度对应；在筒状换向器4的侧壁上且围绕所述第四扇形透孔43、第五扇形透孔44和第六扇形透孔45分别凸设有一扇形凸缘46(也可以理解为是在第四扇形透孔、第五扇形透孔和第六扇形透孔的位置分别凸设有扇形凸缘，上述第四扇形透孔、第五扇形透孔和第六扇形透孔贯通对应的扇形凸缘)，所述扇形凸缘的壁厚与第三扇形凸柱41和第四扇形凸柱42的厚度相同，由此，当第五扇形透孔44与第二扇形透孔54相对正、或第六扇形透孔45与第三扇形透孔55相对正时，能够使相互对正的两个扇形透孔之间构成相对应的连通通道；在本实施方式中，由于第一扇形透孔53的扇形角度大于第四扇形透孔43的扇形角度，能够使筒状换向器4和筒状摆锤5在相对摆动过程中，第一扇形透孔53与第四扇形透孔43始终处于密封连通的状态。

在本实施方式中，所述喷嘴支撑座为一上下贯通的管状结构，喷嘴支撑座上部固设有一喷嘴9(如图13所示)；

在本实施方式中，该中部外壳体1与上短节21为螺纹连接；阶梯状连接管22的小端与上外壳体23下端为螺纹连接；导流座24与阶梯状连接管22的内壁为螺纹连接。

本实用新型的复合冲击钻井工具100在工作时，其上外壳体23上端连接钻铤，钻头座3下端连接钻头；钻井液由上外壳体23的上端开口进入该复合冲击钻井工具100内部，再通过阶梯状连接管22、导流座24、筒状换向器4内腔、喷嘴9、喷嘴支撑座8和冲击筒的通孔711、钻头座3的中心孔流入钻头中，并由钻头的喷嘴流出；

进一步，本实用新型的复合冲击钻井工具100由筒状换向器的第四扇形透孔43、筒状摆锤5的第一扇形透孔53、环形空间K、端盖的过流槽762、冲击筒7的相应导流槽和导流孔顺序构成驱动筒状换向器4和筒状摆锤进行摆动的第一路高压液体进入流道；由筒状换向器4上的相应换向孔、筒状摆锤上的相应配流孔顺序构成驱动筒状换向器4和筒状摆锤进行摆动的第二路高压液体进入流道；由第一路高压液体进入流道和第二路高压液体进入流道的重复地交替导通，使筒状换向器4和筒状摆锤5往复地进行顺时针和逆时针摆动，筒状摆锤在循环摆动中产生的周向震动，通过冲击筒7传递至钻头座3，进而传递给钻头，从而对钻头实施周向冲击；

同时，高压钻井液还通过第六扇形透孔45与第三扇形透孔55对应连通时的第三路高压液体进入流道进入第一环形腔61，或者，通过第五扇形透孔44与第二扇形透孔54对应连通时的第四路高压液体进入流道进入第二环形腔62，由此，驱动筒状冲锤6上下往复移动，筒状冲锤6产生的轴向震动通过中部外壳体(中部外壳体上的第一环形凸台13)传递至钻头座3，进而传递给钻头，从而对钻头实施轴向冲击；

本实用新型的复合冲击钻井工具，其轴向冲击是由质量较大的轴向筒状冲锤高速撞击形成，是一种机械冲击，能有效的将冲击载荷传递到钻头处，冲击载荷足以直接破岩；且该钻具的两种冲击(周向冲击和轴向冲击)是由一个换向机构(同一个筒状换向器4)进行控制，两种冲击载荷频率相等，破岩效率更高。

下面结合图17、图18A～图18C、图19A～图19C、图20A～图20C和图21A～图21C对本实用新型复合冲击钻井工具100的使用过程作出相应描述：

其中，图17为表示在本实用新型复合冲击钻井工具中三个剖切位置(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)的示意图；Ⅰ剖切位置能够表示筒状换向器4、筒状摆锤5、冲击筒7和中部外壳体1之间在周向方向上的位置关系；Ⅱ剖切位置能够表示筒状换向器的第五扇形透孔44与筒状摆锤的第二扇形透孔54在周向方向上的位置关系；Ⅲ剖切位置能够表示筒状换向器的第六扇形透孔45与筒状摆锤的第三扇形透孔55在周向方向上的位置关系；

由于第一扇形透孔53的扇形角度大于第四扇形透孔43的扇形角度，能够使筒状换向器4和筒状摆锤5在相对摆动过程中，第一扇形透孔53与第四扇形透孔43始终处于密封连通的状态；又由于第一扇形透孔53外侧始终与所述环形空间K连通，因此，筒状换向器4与筒状摆锤5在相对摆动中，第四扇形透孔43通过第一扇形透孔53能够始终与环形空间K保持连通状态。

本实用新型复合冲击钻井工具100在运行过程中，其中筒状换向器4和筒状摆锤5具有四种状态；

第一种状态为筒状换向器4和筒状摆锤5在冲击筒7内都逆时针摆动至极限位置的状态；如图18A所示，在第一种状态时，筒状换向器4中的第一换向孔411被筒状摆锤5的内壁遮挡不导通；筒状换向器4中的第二换向孔412与筒状摆锤5的第二配流孔512对应导通，构成高压进液通道；冲击筒7的第一扇形槽72通过筒状摆锤5的第一配流孔511、冲击筒底座上的沉槽713、喷嘴支撑座上的透孔82、通孔711与钻头座3的中心孔导通，构成相应的低压回液通道；同时，在第一种状态时，如图18B所示，筒状摆锤5的第二扇形透孔54与筒状换向器4的第五扇形透孔44不导通，第二环形腔62通过第二扇形透孔54、沉槽713、喷嘴支撑座上的透孔82、通孔711与钻头座3的中心孔导通，构成低压回液通道；如图18C所示，筒状摆锤5的第三扇形透孔55与筒状换向器4的第六扇形透孔45导通，进而与第一环形腔61导通，构成高压进液通道；因此，在第一种状态时，高压钻井液顺序经过第六扇形透孔45、第三扇形透孔55向第一环形腔61内供应高压液体，同时，第二环形腔62内的液体顺序经过第二扇形透孔54、沉槽713、喷嘴支撑座上的透孔82、通孔711和钻头座3的中心孔实现回液，由此，驱使筒状冲锤6向下移动，筒状冲锤6产生的轴向向下震动通过中部外壳体1传递至钻头，从而对钻头实施轴向冲击；在筒状冲锤6向下移动的同时，高压液体顺序经过筒状换向器4中的第二换向孔412、筒状摆锤5的第二配流孔512作用在第一扇形凸柱一侧壁上，驱使筒状摆锤5并同时带动筒状换向器4作顺时针方向摆动。

如图19A所示，当筒状摆锤5在冲击筒7内顺时针摆动至极限位置、而筒状换向器4相对筒状摆锤5仍处于逆时针摆动极限位置时为第二种状态；

在第二种状态时，筒状换向器4与筒状摆锤5之间在周向上的位置关系没有变化，而筒状摆锤5与冲击筒7之间在周向上的位置关系发生了变化；此时，第一导流槽74上的第一导流孔741与筒状摆锤5上的第三配流孔521导通构成高压进液通道；而筒状摆锤5上的第四配流孔522与冲击筒7上的第二扇形槽73对应导通，再通过第二扇形槽73底部的连通槽731、喷嘴支撑座上的透孔82、通孔711与钻头座3的中心孔导通，构成低压回液通道；由此，通过钻井液驱动筒状换向器4相对筒状摆锤5作顺时针方向摆动。此时，由于筒状换向器4与筒状摆锤5之间在周向上的位置关系没有变化，筒状摆锤5的第二扇形透孔54与筒状换向器4的第五扇形透孔44仍不导通(如图19B所示)，筒状摆锤5的第三扇形透孔55与筒状换向器4的第六扇形透孔45还处于导通状态(如图19C所示)，因此，筒状冲锤6仍处于下方位置。

如图20A所示，当筒状摆锤5在冲击筒7内顺时针摆动至极限位置、同时筒状换向器4相对筒状摆锤5也顺时针摆动至极限位置时为第三种状态；

在第三种状态时，筒状换向器4中的第二换向孔412被筒状摆锤5的内壁遮挡不导通；筒状换向器4中的第一换向孔411与筒状摆锤5的第一配流孔511对应导通，构成高压进液通道；冲击筒7的第一扇形槽72通过筒状摆锤5的第二配流孔512、冲击筒底座上的沉槽713、喷嘴支撑座上的透孔82、通孔711与钻头座3的中心孔导通，构成低压回液通道；同时，在第三种状态时，如图20B所示，筒状摆锤5的第二扇形透孔54与筒状换向器4的第五扇形透孔44导通，进而与第二环形腔62导通，构成高压进液通道；如图20C所示，筒状摆锤5的第三扇形透孔55与筒状换向器4的第六扇形透孔45不导通，第一环形腔61通过第三扇形透孔55、沉槽713、喷嘴支撑座上的透孔82、通孔711与钻头座3的中心孔导通，构成低压回液通道；因此，在第三种状态时，高压钻井液顺序经过第五扇形透孔44、第二扇形透孔54向第二环形腔62内供应高压液体，同时，第一环形腔61内的液体顺序经过第三扇形透孔55、沉槽713、喷嘴支撑座上的透孔82、通孔711和钻头座3的中心孔实现回流，由此，驱使筒状冲锤6向上移动，冲击力传给阶梯状连接管22，但是由于上短节21与上外壳体23之间为花键连接(如图1、图3、图5所示)，且阶梯状连接管22与上短节21之间留有适当的缓冲间隙，因此，该冲击力不会向上传递给钻挺；在筒状冲锤6向上移动的同时，高压液体顺序经过筒状换向器4中的第一换向孔411、筒状摆锤5的第一配流孔511作用在第一扇形凸柱另一侧壁上，驱使筒状摆锤5并同时带动筒状换向器4作逆时针方向摆动。

如图21A所示，当筒状摆锤5在冲击筒7内逆时针摆动至极限位置、而筒状换向器4相对筒状摆锤5仍处于顺时针摆动极限位置时为第四种状态；

在第四种状态时，筒状换向器4与筒状摆锤5之间在周向上的位置关系仍与第三种状态时相同，而筒状摆锤5与冲击筒7之间在周向上的位置关系却与第一种状态时相同；此时，第二导流槽75上的第二导流孔751与筒状摆锤5上的第四配流孔522导通构成高压进液通道；而筒状摆锤5上的第三配流孔521与冲击筒上的第二扇形槽73对应导通，再通过第二扇形槽73底部的连通槽731、喷嘴支撑座上的透孔82、通孔711与钻头座3的中心孔导通，构成低压回液通道；由此，通过钻井液驱动筒状换向器4相对筒状摆锤5作逆时针方向摆动。此时，由于筒状换向器4与筒状摆锤5之间在周向上的位置关系没有变化，筒状摆锤5的第二扇形透孔54与筒状换向器4的第五扇形透孔44仍导通(如图21B所示)，筒状摆锤5的第三扇形透孔55与筒状换向器4的第六扇形透孔45还处于不导通状态(如图21C所示)，因此，筒状冲锤6仍处于上方位置。

进一步，当筒状换向器4相对筒状摆锤5作逆时针方向摆动至极限位置时，筒状换向器4和筒状摆锤5又回到第一种状态的位置(如图18A所示)；这样，本实用新型复合冲击钻井工具100完成了一个周期的运动，在一个周期的运动过程中，筒状摆锤给钻头提供了两次周向冲击载荷，筒状冲锤给钻头提供了一次轴向向下冲击载荷；如此，在高压流体的驱动下，筒状摆锤不断往复摆动对钻头实施周向冲击，筒状冲锤不断往复上下移动对钻头实施轴向冲击。

由上所述，本实用新型复合冲击钻井工具，结合轴向冲击钻具和扭转冲击钻具的特点，提出了一种高效复合的立体破岩方式，即在PDC钻头上端接一个钻井工具，同时产生轴向和周向冲击载荷，这种破岩方式的主体是通过PDC钻头切削岩石，而PDC钻头上端的钻井工具中，通过筒状冲锤产生的轴向冲击载荷作用在岩石上，使得岩石产生裂缝甚至直接破碎，这样就能使得PDC钻头更容易切入岩石内部，增加单次切入深度，从而提高破岩效率，同时，通过筒状摆锤不断往复摆动产生周向冲击载荷，防止PDC钻头在切入深度较深时产生粘滑现象。这样就能形成立体破岩，能大大提高钻井的机械钻速，这种破岩方式能解决硬质地层的机械钻速低的问题，从而大大降低钻井成本。

本实用新型的复合冲击钻井工具，能消除了钻头的“粘滑”效应，能产生轴向冲击载荷。该钻井工具能提高硬质地层的破岩效率，降低硬质地层的钻井成本，提高钻井工具的稳定性，延长使用寿命。

本实用新型的复合冲击钻井工具，其轴向冲击是由质量较大的轴向筒状冲锤高速撞击形成，是一种机械冲击，能有效的将冲击载荷传递到钻头处，冲击载荷足以直接破岩；且该钻具的两种冲击(周向冲击和轴向冲击)是由一个换向机构(筒状换向器)进行控制，两种冲击载荷频率相等，破岩效率更高；该工具的两种冲击载荷分别是由液体推动冲锤和摆锤来实施，实施过程中部件的磨损较少。该工具中没有橡胶及电子元件，抗温性较好。设计的复合冲击钻具的技术参数(主要包括冲击频率和冲击功)可以通过改变喷嘴直径(喷嘴9的通流孔径)的方式来进行调节，使其能适应不同地层的钻进需要。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。

Claims (9)

1.一种复合冲击钻井工具，其特征在于：该复合冲击钻井工具包括一上下贯通的中部外壳体，中部外壳体的内壁设有向内凸设的第一环形凸台，第一环形凸台将中部外壳体内腔分为上腔和下腔；该中部外壳体上端固定连接有上短节，一阶梯状连接管的小端向上穿过上短节的中心孔，并与一上下贯通的上外壳体下端固定连接；该中部外壳体底部挂设有钻头座；

阶梯状连接管的内壁固定连接一上下贯通的导流座，导流座内壁套设有一筒状换向器，筒状换向器顶端止挡于导流座内壁的第一凸缘；导流座外壁套设有一筒状摆锤，筒状摆锤顶端止挡于导流座外壁的第二凸缘；筒状换向器和筒状摆锤均向下穿过中部外壳体的第一环形凸台延伸至中部外壳体的下腔，第一环形凸台与筒状摆锤的外壁密封滑动接触；

在筒状摆锤外侧且位于中部外壳体上腔内，上下滑动地套设一筒状冲锤，筒状冲锤的内壁向内凸设有第二环形凸台，第二环形凸台密封滑设于筒状摆锤外壁上，筒状冲锤的外壁与中部外壳体的内壁密封滑动接触，第二环形凸台上方和下方分别形成第一环形腔和第二环形腔；

在中部外壳体下腔内设有一冲击筒，冲击筒的底座上设有上下贯通的通孔；通孔的上段卡设有一中空的喷嘴支撑座，通孔的下段构成与钻头座连接的多边形孔；筒状换向器和筒状摆锤均伸入冲击筒内部，筒状换向器的底端抵靠在喷嘴支撑座外壁的卡缘上；筒状摆锤的底端抵靠在冲击筒底座的上表面。

2.如权利要求1所述的复合冲击钻井工具，其特征在于：所述中部外壳体底部固定设有一悬挂短节，所述钻头座的上部向上穿过悬挂短节并连接一防落鱼，该防落鱼能挂设在悬挂短节的顶部。

3.如权利要求2所述的复合冲击钻井工具，其特征在于：钻头座外壁与悬挂短节内壁为花键连接；防落鱼是由两个对称的半圆环对接构成的一圆环结构。

4.如权利要求3所述的复合冲击钻井工具，其特征在于：钻头座上部外壁设有卡缘，卡缘卡设在防落鱼上表面中的环形卡槽上。

5.如权利要求1所述的复合冲击钻井工具，其特征在于：所述冲击筒内壁上呈十字交叉地对称设有轴向延伸至底座上表面的一对第一扇形槽和一对第二扇形槽，所述第一扇形槽的扇形角度大于第二扇形槽的扇形角度；喷嘴支撑座下部侧壁环设有多个贯通其侧壁的透孔，所述第二扇形槽底端设有与喷嘴支撑座侧壁的透孔连通的连通槽；位于第一扇形槽与第二扇形槽之间的冲击筒外壁上分别设有一导流槽，四个导流槽轴向向下延伸接近冲击体底部，各导流槽中设有贯通冲击筒筒壁的导流孔；四个导流槽中其中一对对称分布的导流槽为第一导流槽，另一对对称分布的导流槽为第二导流槽；冲击筒的顶部固定设有一端盖，所述端盖上设有中心孔，筒状摆锤密封穿过该中心孔，所述端盖的侧壁周向设有四个与所述导流槽对应导通的过流槽；所述端盖上侧与第一环形凸台下侧之间形成一环形空间。

6.如权利要求5所述的复合冲击钻井工具，其特征在于：所述筒状摆锤上位于中部外壳体下腔的外筒壁对称设有一对轴向设置的第一扇形凸柱，紧邻第一扇形凸柱两侧的筒壁上分别设有第一配流孔和第二配流孔；所述筒状摆锤上位于中部外壳体下腔的内筒壁对称设有一对轴向设置的第二扇形凸柱，紧邻第二扇形凸柱两侧的筒壁上分别设有第三配流孔和第四配流孔；所述第一扇形凸柱与第二扇形凸柱呈十字交叉设置，且第一扇形凸柱的扇形角度大于第二扇形凸柱的扇形角度；所述第一扇形凸柱摆动地设置在冲击筒的第一扇形槽内；筒状摆锤对应各第一扇形凸柱的轴向上方的侧壁上，由下向上顺序设有一第一扇形透孔、一第二扇形透孔和一第三扇形透孔，所述第一扇形透孔的扇形角度与第一扇形凸柱相同，第二扇形透孔和第三扇形透孔的扇形角度相同且均小于第一扇形凸柱扇形角度的一半，第二扇形透孔和第三扇形透孔在周向上呈相错设置；第一扇形透孔在轴向上位于中部外壳体的下腔内，第一扇形透孔外侧与所述环形空间连通；第二扇形透孔在轴向上位于中部外壳体的上腔内，第二扇形透孔外侧与第二环形腔连通；第三扇形透孔在轴向上位于中部外壳体的上腔内，第三扇形透孔外侧与第一环形腔连通。

7.如权利要求6所述的复合冲击钻井工具，其特征在于：所述筒状换向器上位于中部外壳体下腔的外筒壁呈十字交叉式对称设有一对轴向设置的第三扇形凸柱和一对轴向设置的第四扇形凸柱，在各第三扇形凸柱上且邻近第三扇形凸柱两侧分别设有第一换向孔和第二换向孔；在各第四扇形凸柱的外壁上分别设有一轴向延伸设置的第三扇形槽；所述筒状摆锤上的第二扇形凸柱摆动地设置在筒状换向器的第三扇形槽中；筒状换向器对应各第三扇形凸柱的轴向上方的侧壁上，由下向上顺序设有一第四扇形透孔、一第五扇形透孔和一第六扇形透孔；第四扇形透孔、第五扇形透孔和第六扇形透孔与同侧的第三扇形凸柱位于同一直线上；第五扇形透孔、第六扇形透孔与第二扇形透孔的扇形角度相同，第一扇形透孔的扇形角度大于第四扇形透孔的扇形角度；在轴向位置上，第四扇形透孔、第五扇形透孔和第六扇形透孔分别与第一扇形透孔、第二扇形透孔和第三扇形透孔高度对应；在筒状换向器的侧壁上且围绕所述第四扇形透孔、第五扇形透孔和第六扇形透孔分别凸设有一扇形凸缘。

8.如权利要求1所述的复合冲击钻井工具，其特征在于：所述喷嘴支撑座内固设有一喷嘴。

9.如权利要求2所述的复合冲击钻井工具，其特征在于：该中部外壳体与上短节为螺纹连接；阶梯状连接管的小端与上外壳体下端为螺纹连接；导流座与阶梯状连接管的内壁为螺纹连接；中部外壳体底部与悬挂短节为螺纹连接。