CN218716512U - 一种多复合式冲击钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多复合式冲击钻井工具，包括锤座、套筒、换向座、喷嘴、摆锤、换向套、静阀和动阀，静阀设置于套筒内，套筒的下端与锤座的上端套接，静阀布置于锤座上方，动阀设置于静阀上端；摆锤、换向座由上至下依次套设于锤座内，喷嘴设置于换向座内，换向套的上端套接于静阀内，并与动阀连接，动阀随换向套转动，换向套的下端套接于摆锤内。能同时产生轴向和扭转冲击，有效提高钻压，减少粘滑现象，结构简单，工作可靠的复合冲击器。

Description

一种多复合式冲击钻井工具

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，具体涉及一种多复合式冲击钻井工具。

背景技术

目前石油钻井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。PDC钻头以剪切为主，切削扭矩大，破岩效率高，工作寿命长。牙轮钻头以冲击破碎为主，破岩效率低，工作寿命短。为了提高破岩效率，目前90％以上井段都采用PDC钻头，只在深层井段少量采用牙轮钻头。但随着现代石油勘探开发逐步迈向深井超深井，井底围压越来越高，原本较软的岩石也变得异常坚硬，PDC钻头难以吃入岩石。另外，PDC钻头切削扭矩大，反扭矩也大，当钻遇坚硬地层时，由于破岩能量不足，常导致钻头瞬间停止转动，等到钻柱能量聚集到一定程度时，钻头超速转动后反转，造成钻头发生周期性粘滑振动，从而损害钻头寿命，严重影响机械钻速。为了提高深井硬地层的机械钻速，必须同时解决PDC钻头吃入深度不够和粘滑振动两个问题。

为了解决吃入深度不够的问题，出现了许多轴向冲击工具，以提供正常钻压额外的钻压。例如，液动阀式冲击器、射流冲击器、旋冲螺杆等。其中，NOV公司的旋冲螺杆以螺杆马达为动力，驱动一组凸轮滚轮产生轴向高频往复冲击。为了解决粘滑振动问题，出现了许多周向冲击工具，以提供正常扭矩额外的扭矩。ULTERRA公司的扭力冲击器，通过复杂的液压结构设计，利用高压泥浆驱动摆锤产生周向高频往复冲击。这些工具有一定的提速效果，但功能相对单一。

随着技术的发展，目前市场上出现了一些复合冲击工具，试图通过轴向冲击工具与周向冲击工具合二为一，达到双重提速效果。这些工具主要分为两类，一类是基于扭力冲击器开发，在其上部、下部或者内部增加轴向冲击功能，一类是基于轴向冲击器开发，在冲击器下端增加凸轮、棘轮或螺旋机构，利用斜面将原先的轴向冲击转化为复合冲击。然而，目前这些复合冲击工具仍然存在一些问题。例如，有些工具提速效果依然不明显，有些工具由于冲击力太大甚至造成副作用，有些工具结构复杂、故障率较高、使用寿命较短等等。

针对上述工程问题和解决方案的部分缺陷，本发明结合旋冲钻具、扭力冲击器及水力振荡器的特点，提出并设计了一种新型多复合式冲击钻井工具，力求有效解决PDC钻头深井硬地层提速问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种多复合式冲击钻井工具，能同时产生轴向和扭转冲击，有效提高钻压，减少粘滑现象，结构简单，工作可靠的复合冲击器。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种多复合式冲击钻井工具，包括锤座、套筒、换向座、喷嘴、摆锤、换向套、静阀和动阀，静阀套设于套筒内，套筒的下端套接于锤座的上端外，静阀布置于锤座上方，动阀设置于静阀上端；

摆锤、换向座由上至下依次套设于锤座内，喷嘴设置于换向座内，换向套的上端套接于静阀内，并与动阀连接，动阀随换向套转动，换向套的下端套接于摆锤内。

按照上述技术方案，动阀为环形盘状结构，环形盘上沿周向设有一对弧形槽；

静阀包括中空中间轴、上端盖和下端盖，上端盖和下端盖分别布置于中空中间轴的上端和下端，上端盖上设有一对弧形槽，中间轴上开设有内外连通孔，动阀与上端盖贴合，动阀转动过程中动阀上的弧形槽与静阀上的弧形槽错位相交或重叠形成上下通道。

按照上述技术方案，锤座外周开有多个高压流道，内周开有多个低压流道，锤座内周还开有2个对称布置的锤击槽；

摆锤包括圆筒基体，圆筒基体外壁设有2个对称布置的大撞块，每个大撞块的两侧圆筒基体筒壁上开有内外连通通道；圆筒内部设有2个小撞块，每个小撞块的两侧圆筒基体筒壁上开有内外连通通道；

换向套包括中空阶梯轴，中空阶梯轴的下部大轴外圆上设有2个对称布置的换向槽；每个换向槽的两侧均设有纵向上下连通槽，在两个纵向上下连通槽之间的中空阶梯轴的下部大轴体上开设有内外连通通道；中空阶梯轴的上部小轴上开有一组内外连通的孔，端面上开有键槽；

摆锤的2个大撞块分别设置于锤座内周的2个扇形区间内，摆锤圆筒外圆、锤座的锤击槽构成相对密闭空间，形成一个周向的摆锤液压缸，大撞块相当于其内部的活塞，将锤座的锤击槽分隔成两部分，大撞块两侧流道以及换向套上的内外连通通道相当于液压管道，分别与中心流道喷嘴上方高压区、下方低压区连通或错开；

摆锤的2个小撞块分别设置于2个换向槽内；摆锤圆筒内圆、换向槽构成密闭空间，形成一个周向的换向液压缸，小撞块相当于其内部的活塞，将换向套的换向槽分隔成两部分，小撞块两侧流道相当于液压管道，分别与锤座外周高压区、内周低压区连通或错开。

按照上述技术方案，大撞块和小撞块均为扇形块，分别为大扇形块和小扇形块；换向槽和锤击槽均为扇形空间。

按照上述技术方案，锤座、套筒、换向座、喷嘴、摆锤、换向套的中心线同轴布置，形成中心流道；当高压泥浆通过中心流道和喷嘴时，在喷嘴进出口产生压差。

按照上述技术方案，动阀通过键与换向套的上端连接，换向套驱动动阀运动。

按照上述技术方案，摆锤与换向套之间设有密封环，密封环布置于换向槽上端。

按照上述技术方案，换向座实体圆环上开有弧形流道，外圆上有2个凸棱，凸棱上开有半圆槽。

按照上述技术方案，换向套主动旋转与换向套被动旋转角度之和区间为40-70度。

按照上述技术方案，换向座的上端和换向套的下端分别设有环形凸台和环形沉孔，环形凸台插入环形沉孔内。

按照上述技术方案，摆锤顺时针旋转从启动到结束，静阀与动阀的弧形槽重合形成的上下通道面积从最大变为最小或从最小变为最大，亦或摆锤顺时针旋转启动时静阀与动阀的弧形槽重合形成的上下通道面积为最大与最小之间的中间值，形成扭力冲击与轴向冲击的同相位冲击或反相位冲击，或异相位冲击。

本发明具有以下有益效果：

本工具能同时产生轴向和扭转冲击，有效提高钻压，减少粘滑现象，结构简单，工作可靠的复合冲击器；且本工具周向/轴向频率同步、工具长度短等优点，适于软硬交错地层、高造斜等各种复杂工况钻井提速作业。

附图说明

图1是本发明实施例中多复合式冲击钻井工具的结构示意图；

图2是本发明实施例中去掉套筒后多复合式冲击钻井工具的流道示意图；

图3是本发明实施例中锤座的立体图；

图4是本发明实施例中换向座的立体图；

图5是本发明实施例中摆锤的立体图；

图6是本发明实施例中换向套的立体图；

图7是本发明实施例中静阀的立体图；

图8是本发明实施例中动阀的立体图；

图9是本发明实施例中静阀与动阀装配后的俯视图；

图10是本发明实施例中顺时针冲击状态下锤座、摆锤和换向套的装配剖视图；

图11是本发明实施例中逆时针换向状态下锤座、摆锤和换向套的装配剖视图；

图12是本发明实施例中轴向冲击装置的剖视图；

图13a-图13d是本发明实施例一中扭力冲击与轴向冲击同步的截面示意图；

图14a-图14d是本发明实施例二中扭力冲击与轴向冲击异步的截面示意图；

图中，1-锤座、2-套筒、3-锁紧块、4-O形圈、5-换向座、6-定位销、7-静阀、8-内六方圆柱头螺钉、9-弹簧垫圈、10-锤扶正环、11-密封环挡圈、12-密封环、13-换向套、14-摆锤、15- 合金齿、16-O形圈、17-主喷嘴、18-主喷嘴挡圈、19-副喷嘴、24-内六方圆柱头螺钉、25-动阀盖、26-动阀。

上述图中：P表示高压区、p表示低压区、H表示高压流道(如1H)、L表示低压流道(如5L)、Y表示液压缸空间(该区间将分为两半，如13Y)，x表示与液压缸相连的流道(其压力高/低取决于连通的具体高/低压区域，如14bx)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图12所示，本发明提供的一个实施例中的一种多复合式冲击钻井工具，包括锤座1、套筒2、换向座5、喷嘴17、摆锤14、换向套13、静阀7、动阀26，套筒2的上端设有螺纹，通过螺纹与钻具连接，锤座1的下端设有螺纹，通过螺纹与钻头连接，静阀7设置于套筒2内，套筒2的下端与锤座1的上端套接，静阀7布置于锤座1上方，动阀26设置于静阀7上端；

摆锤14、换向座5由上至下依次套设于锤座1内，喷嘴17设置于换向座5内，换向套13的上端套接于静阀7内，并与动阀26连接，动阀26随换向套13转动，换向套13的下端套接于摆锤14内；锤座1、套筒2、换向座5、喷嘴17、摆锤14、换向套13组成扭力冲击装置；静阀7、动阀26组成轴向冲击装置；这些零件与其它辅助零件组成周向扭力和轴向压力复合冲击装置。

进一步地，动阀26为环形盘状结构，环形盘上沿周向设有一对弧形槽26a、26b；

静阀7包括中空中间轴、上端盖和下端盖，上端盖和下端盖分别布置于中空中间轴的上端和下端，上端盖上设有一对弧形槽7a、7b，中间轴上开设有内外连通孔7c，动阀26与上端盖贴合，动阀26转动过程中动阀26上的弧形槽26a、26b与静阀7上的弧形槽7a、7b错位相交或重叠形成上下通道30a、30b；当换向套13驱动动阀26往复摆动时，上下通道30a、 30b面积发生周期性变化；当高压泥浆通过该通道时，阀上方压力发生周期性变化，对锤座及其下方连接的钻头形成周期性冲击。

动阀26上弧形槽的距离中心轴的半径，与静阀7上弧形槽的距离中心轴的半径相同。

静阀7的截面为工字形结构，下方为扭力冲击装置的端盖，上方为轴向冲击装置的静阀；动阀26为带有键的盘状结构，盘周开有2个对称弧形槽26a、26b，中间开有中心孔，并有与换向套端面键槽13d配合的键26c。

进一步地，锤座1外周开有4个高压流道1H，内周开有2个低压流道1L，锤座1内周还开有2个对称布置的锤击槽1Y；

摆锤14包括圆筒基体，圆筒基体外壁设有2个对称布置的大撞块，每个大撞块的两侧圆筒基体筒壁上开有内外连通第一通道14ax；圆筒内部设有2个小撞块，每个小撞块的两侧圆筒基体筒壁上开有内外连通第二通道14bx；

换向套13包括中空阶梯轴，中空阶梯轴的下部大轴外圆上设有2个对称布置的换向槽 13Y；每个换向槽13Y的两侧均设有纵向上下连通槽13b，在两个纵向上下连通槽13b之间的中空阶梯轴的下部大轴体上开设有纵向排列的2组内外连通第三通道13ex；中空阶梯轴的上部小轴上开有一组内外连通的孔13c，端面上开有键槽13d；

摆锤14的2个大撞块分别设置于锤座1内周的2个锤击槽(1Y)的扇形区间内，即锤击槽(1Y)为扇形，摆锤14圆筒外圆、锤座的锤击槽1Y以及端盖7端面构成相对密闭空间，形成一个周向的摆锤液压缸，大撞块相当于其内部的活塞，将锤座的锤击槽1Y分隔成两部分，大撞块两侧第一通道14ax以及换向套扇形体上的2组内外连通第三通道13ex相当于液压管道，在摆锤和锤座及换向套的相对转动过程中，分别与中心流道喷嘴17上方高压区、下方低压区弧形流道5L连通或错开；当第一通道14ax分别与中心流道喷嘴17上方高压区、下方低压区弧形流道5L连通时，大扇形块14a将产生顺时针或逆时针运动，喷嘴17上方的中心流道作为高压区，第一通道14ax通过内外连通第三通道13ex连通或错开，进而与喷嘴17 上方的中心流道连通或错开，低压区弧形流道5L是由纵向上下连通槽13b与摆锤14及换向座5形成，第一通道14ax，第一通道14ax直接与低压区弧形流道5L连通或错开；

摆锤14的2个小撞块分别设置于2个换向槽13Y内；摆锤14圆筒内圆、换向槽13Y以及密封环12端面构成密闭空间，形成一个周向的换向液压缸，小撞块相当于其内部的活塞，将换向套13的换向槽13Y分隔成两部分，小撞块两侧第二通道14bx相当于液压管道，在摆锤和锤座及换向套的相对转动过程中，分别与锤座1外周高压流道1H、内周低压流道1L连通或错开；当其分别与锤座1外周高压流道1H、内周低压流道1L连通时，小撞块将产生顺时针或逆时针运动；该运动将驱动摆锤14改变运动方向。

大撞块的个数为2个，对称布置于摆锤的圆筒基体外壁上，小撞块的个数为2个，对称布置于摆锤的圆筒基体内壁，锤击槽的个数也为2个，对称布置于锤座内周，换向槽的个数也为2个，对称布置于换向套的外周。

进一步地，大撞块和小撞块均为扇形块，分别为大扇形块14a和小扇形块14b；换向槽 13Y和锤击槽1Y均为扇形空间，分别作为换向液压缸空间和摆锤液压缸空间。

进一步地，换向槽13Y为下端未贯通的纵向槽。

进一步地，锤座1、套筒2、换向座5、喷嘴17、摆锤14、换向套13的中心线同轴布置，形成中心流道；当高压泥浆通过中心流道和喷嘴17时，在喷嘴17进出口产生压差，该压差驱动摆锤运动。

进一步地，静阀7、动阀26与换向套13中心线同轴布置。

进一步地，动阀26通过键与换向套的上端连接，动阀26上的键26c与换向套13上的键槽13d配合，换向套13驱动动阀26运动。

进一步地，摆锤14与换向套13之间设有密封环12，密封环12布置于换向槽13Y上端，密封环12外端设置有密封环挡圈。

进一步地，换向座5实体圆环上开有2个弧形流道5L，外圆上有2个凸棱，凸棱上开有半圆槽5L＇。

进一步地，换向套主动旋转与换向套被动旋转角度之和区间为40-70度。

摆锤14顺时针旋转从启动到结束，静阀7与动阀26的弧形槽重合形成的上下通道面积从最大变为最小或从最小变为最大，亦或摆锤14顺时针旋转启动时静阀7与动阀26的弧形槽重合形成的上下通道面积为最大与最小之间的中间值，形成扭力冲击与轴向冲击的同相位冲击或反相位冲击，或异相位冲击。

进一步地，换向座5的上端和换向套13的下端分别设有环形凸台和环形沉孔，环形凸台插入环形沉孔内。

所述换向套13驱动摆锤14运动换向一段时间后，当换向液压缸的换向槽13Y的液压第二通道14bx关闭时，摆锤14的大撞块与换向液压缸的换向槽13Y侧面贴合，摆锤14反过来带动换向套13运动；

所述摆锤14的大撞块与换向液压缸的换向槽13Y侧面贴合后，摆锤14将启动顺时针运动或逆时针运动；摆锤14启动顺时针运动时，钻具周向工作扭矩最小，此时静阀7与动阀 26联合形成的上下通道面积30a、30b可以设计为最大，使轴向力最小。反之，顺时针运动结束时，钻具周向工作扭矩最大，上下通道面积30a、30b面积可以设计为最小，使轴向力最大。即摆锤14顺时针旋转从启动到结束，上下通道面积30a、30b从最大变为最小(同相冲击)。另外，摆锤14顺时针旋转从启动到结束，上下通道面积30a、30b也可以设计为从最小变为最大(反相冲击)。还可以设计摆锤14顺时针启动时，上下通道面积30a、30b为最大与最小之间的中间值，使周向冲击与轴向冲击形成相位差(相位冲击)。本条对周向和轴向的同相冲击、反相冲击和相位冲击三种关联冲击结构均持权利要求。

本发明的工作原理：

图1示意性地显示了本发明的一种复合冲击钻井工具实施例。本实施例包括锤座1、套筒2、锁紧块3、O形圈4、换向座5、定位销6、端盖或静阀7、内六方圆柱头螺钉8、弹簧垫圈9、锤扶正环10、密封环挡圈11、密封环12、换向套13、摆锤14、合金齿15、O形圈 16、主喷嘴17、主喷嘴挡圈18、副喷嘴19、内六方圆柱头螺钉24、动阀盖25、动阀26。另有锁紧块3塞销孔及其堵头套件未在图中示意。

图2以三维剖视图示意了本发明的主要流道构成。本发明的一种复合冲击钻井工具，产生扭力与轴向复合冲击的动力源来自于高压泥浆压力能，各个运动件均是在压差形成的推力下运动。图2显示了一个优选实施例的中心流道，由锤座1、套筒2、换向座5、喷嘴17、摆锤14、换向套13构成，这些零件中心线同轴，形成中心流道。当高压泥浆通过中心流道和喷嘴17时，在喷嘴17进出口产生压差，该压差驱动摆锤运动。

图3-图8示意了主要零件的三维结构图，以显示本发明的关键特征。详细说明如下：

图3示意锤座1，其外周开有4个高压流道1H，内周开有2个低压流道1L,另外开有2个扇形区间的锤击槽1Y。下部有4个牙嵌块与套筒底部牙嵌槽配合，上部有端盖定位销和螺栓连接孔。高压流道1H中间设有内外连通孔，该流道将端盖中心孔高压流体引入换向液压缸(参见图10、图11)。高压流道1H下方钻有斜孔，用于安装副喷嘴，辅助提高压差。低压流道1L底部低于最下方的换向座安装平面。参见图2，其作用是将喷嘴下方低压引入低压流道1L。

图4示意换向座5，其实体圆环上开有2个弧形流道5L,外圆上有2个凸棱，凸棱上开有半圆槽5L＇。弧形流道5L将喷嘴下方低压引入换向套4个上下贯通的低压区13b(参见图6、图10、图11)。凸棱与锤座低压流道1L槽配合，防止换向座5旋转；凸棱上的半圆槽5L＇与低压流道1L连通。

图5示意摆锤14，其基体为圆筒状，圆筒外部设有2个大扇形块14a,每个块的两侧开有内外连通第一通道14ax；圆筒内部设有2个较小的小扇形块14b,每个块的两侧开有内外连通第二通道14bx。

图6示意换向套13，其基体为中空阶梯轴，下部大轴外圆上有4个上下连通槽13b,2个上下未连通的换向槽13Y。在两个上下连通槽13b之间的扇形体上开有纵向排列的2组内外连通第三通道13ex。上部小轴上开有一组内外连通的孔13c，端面上开有键槽13d。

图7示意端盖或静阀7，其外形为工字形结构，下方为扭力冲击装置的端盖，上方为轴向冲击装置的静阀，静阀上开有2个对称弧形槽7a、7b，中间轴上开有内外连通孔7c。

图8示意动阀26，其为带有键的盘状结构，盘周开有2个对称弧形槽26a、26b，中间开有中心孔，并有与换向套端面键槽13d配合的键26c。

图9示意静阀7与动阀26装配后的俯视图，显示了过流通道的形成。所述动阀26上的弧形槽26a、26b，与静阀7上的弧形槽7a、7b，错位重叠相交形成上下通道30a、30b。当换向套13驱动动阀26往复摆动时，上下通道30a、30b面积发生周期性变化。当高压泥浆通过该通道时，阀上方压力发生周期性变化，对锤座及其下方连接的钻头形成周期性水力脉冲冲击。

下面结合图1-图9，对本发明实施例的装配过程进行说明：

1)将O形圈16安装在换向座5内的密封沟槽中，将主喷嘴17螺纹旋入换向座5中间螺纹孔，旋到底后安装好主喷嘴挡圈18。

2)将锤座1立放在工作台上，将换向座5的2个凸棱对准锤座1的2低压流道1L的凹槽，压到与底面接触。

3)安装换向套13，注意2个非贯通扇形换向槽13Y开口向上，换向座5凸台插入换向套13下方沉孔内。

4)安装摆锤14，两大扇形块14a放入锤座1的扇形空间的锤击槽1Y内，两小扇形块放入换向套扇形空间的换向槽13Y内，摆锤14下方凸台插入换向座5沉孔内。

5)安装密封环12、密封环挡圈11、锤扶正环10。

6)在锤座1端面安装定位销6，定位销孔对准定位销安装端盖7，安装弹簧垫圈9和内六方圆柱头螺钉8。

7)将动阀26键对准换向套端面键槽，外圆与端盖或静阀7内孔配合，将动阀盖25用内六方圆柱头螺钉24紧固在静阀7上，盖设于动阀26上。

8)在锤座1上安装副喷嘴19、O形圈4，在静阀7上安装O形圈4。

9)将套筒2套在锤座1上压到底，使牙嵌正确配合。

10)从套筒2塞销孔将锁紧块3依次塞入锁紧环空内，安装堵头套件。

具体地，下面结合图10-图12，对本发明工作过程进行说明：

图10、图11为三维立体剖视图，纵剖面显示了高低压连通区域，横剖面显示了周向液压缸两侧的压力通道。两图分别示意了摆锤14顺时针冲击和逆时针换向的状态。

复合冲击钻井工具组装好后，摆锤14和换向套13可作旋转运动，其周向初始状态可以是任意位置，为描述工作过程，不妨将图10状态作为工具装配后的初始状态。结合图1看图 10，所述摆锤14圆筒外圆、锤座扇形空间的锤击槽1Y以及端盖7端面形成密闭空间，相当于一个周向液压缸。大扇形块14a相当于活塞，装配后位于锤座1的扇形空间的锤击槽1Y内并将该空间分为两部分。大扇形块两侧第一通道14ax以及换向套扇形体上的2组第三通道 13ex相当于液压管道。这里14ax、13ex中的x表示该通道可以是高压通道，也可以是低压通道，还可以是未连通。所述大扇形块14a所在的液压缸，以下简称摆锤液压缸。

图10右侧，钻柱中高压流体进入工具后，通过端盖7中心孔、换向套13中心孔和第三通道13ex、第一通道14ax，进入摆锤液压缸上侧，摆锤14大扇形块14a另一侧第一通道14ax 与下方低压区弧形流道5L连通，大扇形块14a产生顺时针运动。注意：图10左侧，小扇形块14b与其所在的扇形区间组成的换向液压缸(详述见后)两侧第二通道14bx均未连通，此时换向液压缸不工作。另外，小扇形块14b与液压缸底部贴合，摆锤14顺时针转动时，将带动换向套13一起运动。

图11中所述摆锤14圆筒内圆、换向套扇形空间的换向槽13Y以及密封环12端面形成密闭空间，相当于一个周向液压缸。小扇形块14b相当于活塞，装配后位于换向套13的扇形空间的换向槽13Y内并将该空间分为两部分，小扇形块两侧第二通道14bx相当于液压管道。所述小扇形块14b所在的液压缸，简称换向液压缸。

图11示意了摆锤14带动换向套13一起运动并撞击锤座1之后的状态。撞击瞬间，摆锤 14停止旋转，与其一起运动的换向套13由于惯性继续旋转，原本贴合的小扇形块14b与换向套13脱离，锤座1外周高压流体经过高压流道1H、第二通道14bx进入小扇形块14b一侧液压腔。同时，相反一侧的液压腔与锤座1内周低压流道1L连通。在液压作用下，小扇形块14b将产生逆时针运动，换向套13将产生顺时针运动。经过一段时间后，摆锤液压缸液路换向，摆锤油缸主动逆时针运动。换向液压缸液路关闭，小扇形块14b与换向套13在反方向贴合，换向套13被动逆时针运动。

从图10初始状态开始，摆锤带动换向套一起顺时针运动——摆锤顺时针撞击锤座并停止运动——换向套继续顺时针运动——摆锤被换向油缸液压驱动促使摆锤油缸液路换向——摆锤逆时针运动——摆锤带动换向套一起逆时针运动——摆锤逆时针撞击锤座并停止运动——换向套继续逆时针运动——摆锤被换向油缸液压驱动促使摆锤油缸液路换向——摆锤顺时针运动——摆锤带动换向套一起顺时针时针运动，这样的过程周而复始，使扭力冲击装置持续工作。

图12示意了本实施例与轴向冲击装置有关的部件，图12为与轴向冲击装置的装配剖视图，包括套筒2、换向套13、静阀7、动阀26、动阀盖25和内六方圆柱头螺钉24等。产生轴向脉冲冲击的过程是：换向套13驱动动阀26运动，动阀26与静阀7形成的上下通道面积发生周期变化。当高压泥浆通过该通道时，阀上方压力发生周期性变化，对锤座及其下方连接的钻头形成周期性水力脉冲冲击。

进一步说明，换向套13与动阀26的轴向连接方式。图6、图8所示为键连接，图12示意了另一实施例，换向套13与动阀26端面处为台阶。

进一步说明，换向套13的旋转角度。换向套13不管是顺时针还是逆时针运动，都包括 2个过程，一是由摆锤14带动的被动运动，一是换向油缸驱动的主动运动，换向套被动与主动旋转角度之和区间为40-70度，优选55度。

进一步说明，换向套13从顺时针运动开始到结束时，静阀7与动阀26的配合状态。说明如何实现扭力冲击与轴向冲击的同步或异步。

在一个实施例一中，换向套13从顺时针运动开始到结束，静阀7与动阀26的配合形成的过流面积从最大变为最小，见图13a-图13d。在扭力冲击与轴向冲击同步情况下，图13a示意换向套13顺时针运动的开始状态下图1的B-B剖视图；图13b示意图13a状态下图1 的A-A剖视图，静阀7与动阀26的配合状态，此时过流面积最大。图13c示意换向套13顺时针运动的结束状态下图1的B-B剖视图；图13d示意图13c状态下图1的A-A剖视图，静阀7与动阀26的配合状态，此时过流面积最小。

石油钻井时从地面向井底看，钻头顺时针旋转破岩。扭力冲击装置往复摆动存在两个方向的冲击，只有顺时针方向冲击是增加破岩扭矩。因此摆锤顺时针启动时，钻头破岩扭矩最小；反之，摆锤顺时针撞击锤座停止运动时，钻头破岩扭矩最大。在上述实施例中，顺时针启动时过流面积最大，轴向力最小；运动结束时，轴向力最大。即破岩扭矩与轴向压力同时小或同时大，扭力冲击与轴向冲击同步。

改变静阀7与动阀26的初始配合状态，只需要改变图8中动阀26的键与弧形流道的相对位置关系。图8中两者对称线重合，可以使其存在错位角。

在另一个实施例二中，将错位角变为换向套13的旋转角度。换向套13从顺时针运动开始到结束，静阀7与动阀26的配合形成的过流面积从最小变为最大，见图14a-图14d。在扭力冲击与轴向冲击异步情况下，图14a示意换向套13顺时针运动的开始状态下图1的B-B剖视图；图14b示意图14a状态下图1的A-A剖视图，静阀7与动阀26的配合状态，此时过流面积最小。图14c示意换向套13顺时针运动的结束状态下图1的B-B剖视图；图14d示意图14c状态下图1的A-A剖视图，静阀7与动阀26的配合状态，此时过流面积最大。该实施例的结果是：破岩扭矩小时，轴向压力大；破岩扭矩大时，轴向压力小。扭力冲击与轴向冲击相反。

前面两个实施例中，错位角为0，则扭力冲击与轴向冲击同步；错位角为换向套的旋转角，则扭力冲击与轴向冲击相反。还可以将错位角改为其它值，则扭力冲击与轴向冲击将存在一个精确的相位差。

综上所述，1)本复合冲击钻井工具扭力冲击装置，在锤座上设置了换向座，且换向座能够通过凸棱与锤座的排液槽配合，使换向座可以稳固的卡设于锤座内；2)本复合冲击钻井工具扭力冲击装置，即使换向座与锤座之间存在泥砂，换向座也能方便的从锤座中取出；3)本复合冲击钻井工具扭力冲击装置，换向座通过上部短柱面与换向套下部内孔配合，保证换向套在高速旋转的过程中不易发生因倾斜而导致卡死的现象；4)本复合冲击钻井工具扭力冲击装置，取消了普通扭力冲击器的中心管，增大了钻井液在锤座中心的过流面积，换向套不易出现冲蚀现象；5)本复合冲击钻井工具轴向冲击装置，采用水力振荡器盘阀式水力脉冲方案，取消了冲击锤设计，提高了工具安全性和工作可靠性；6)本复合冲击钻井工具轴向冲击装置，利用扭力冲击装置换向套作为驱动盘阀运动的动力源，不需要额外的涡轮或螺杆驱动；7)本复合冲击钻井工具扭力冲击与轴向冲击，可以实现同步冲击或相位差精准可控的异步冲击；8) 本复合冲击钻井工具长度短，适于高造斜井下动力钻井；9)本复合冲击钻井工具结构简单、拆卸方便、工作可靠。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多复合式冲击钻井工具，其特征在于，包括锤座(1)、套筒(2)、换向座(5)、喷嘴(17)、摆锤(14)、换向套(13)、静阀(7)和动阀(26)，静阀(7)套设于套筒(2)内，套筒(2)的下端套接于锤座(1)的上端外，静阀(7)布置于锤座(1)上方，动阀(26)设置于静阀(7)上端；

摆锤(14)、换向座(5)由上至下依次套设于锤座(1)内，喷嘴(17)设置于换向座(5)内，换向套(13)的上端套接于静阀(7)内，并与动阀(26)连接，动阀(26)随换向套(13)转动，换向套(13)的下端套接于摆锤(14)内。

2.根据权利要求1所述的多复合式冲击钻井工具，其特征在于，动阀(26)为环形盘状结构，环形盘上沿周向设有弧形槽；

静阀(7)包括中空中间轴、上端盖和下端盖，上端盖和下端盖分别布置于中空中间轴的上端和下端，上端盖上设有弧形槽，中间轴上开设有内外连通孔(7c)，动阀与上端盖贴合，动阀(26)转动过程中动阀(26)上的弧形槽与静阀(7)上的弧形槽错位相交或重叠形成上下通道。

3.根据权利要求1或2所述的多复合式冲击钻井工具，其特征在于，锤座(1)外周开有多个高压流道(1H)，内周开有多个低压流道(1L)，锤座(1)内周还开有锤击槽(1Y)；

摆锤(14)包括圆筒基体，圆筒基体外壁设有大撞块，每个大撞块的两侧圆筒基体筒壁上开有内外连通第一通道(14ax)；圆筒内部设有小撞块，每个小撞块的两侧圆筒基体筒壁上开有内外连通第二通道(14bx)；

换向套(13)包括中空阶梯轴，中空阶梯轴的下部大轴外圆上设有换向槽(13Y)；每个换向槽(13Y)的两侧均设有纵向上下连通槽(13b)，在相邻两个纵向上下连通槽(13b)之间的中空阶梯轴的下部大轴体上开设有内外连通第三通道(13ex)；中空阶梯轴的上部小轴上开有一组内外连通的孔(13c)；

摆锤(14)的大撞块设置于锤座(1)内周的锤击槽(1Y)内，摆锤(14)圆筒外圆、锤座的锤击槽(1Y)构成相对密闭空间，形成一个周向的摆锤液压缸，大撞块相当于其内部的活塞，将锤座的锤击槽(1Y)分隔成两部分，大撞块两侧第一通道(14ax)以及换向套上的内外连通第三通道(13ex)相当于液压管道，分别与中心流道喷嘴(17)上方高压区、下方低压区连通或错开；

摆锤(14)的小撞块设置于换向槽(13Y)内；摆锤(14)圆筒内圆、换向槽(13Y)构成密闭空间，形成一个周向的换向液压缸，小撞块相当于其内部的活塞，将换向套(13)的换向槽(13Y)分隔成两部分，小撞块两侧第二通道(14bx)相当于液压管道，分别与锤座(1)外周高压流道(1H)、内周低压流道(1L)连通或错开。

4.根据权利要求3所述的多复合式冲击钻井工具，其特征在于，大撞块和小撞块均为扇形块，分别为大扇形块(14a)和小扇形块(14b)；换向槽(13Y)和锤击槽(1Y)均为扇形空间。

5.根据权利要求3所述的多复合式冲击钻井工具，其特征在于，大撞块的个数为2个，对称布置于摆锤的圆筒基体外壁上，小撞块的个数为2个，对称布置于摆锤的圆筒基体内壁，锤击槽的个数也为2个，对称布置于锤座内周，换向槽的个数也为2个，对称布置于换向套的外周。

6.根据权利要求3所述的多复合式冲击钻井工具，其特征在于，摆锤(14)与换向套(13)之间设有密封环(12)，密封环(12)布置于换向槽(13Y)上端。

7.根据权利要求1所述的多复合式冲击钻井工具，其特征在于，锤座(1)、套筒(2)、换向座(5)、喷嘴(17)、摆锤(14)、换向套(13)的中心线同轴布置，形成中心流道；当高压泥浆通过中心流道和喷嘴(17)时，在喷嘴(17)进出口产生压差。

8.根据权利要求1所述的多复合式冲击钻井工具，其特征在于，动阀盖(25)通过键与换向套的上端连接，换向套(13)驱动动阀(26)运动；换向座(5)的上端和换向套(13)的下端分别设有环形凸台和环形沉孔，环形凸台插入环形沉孔内；

换向座(5)实体圆环上开有弧形流道(5L)，外圆上有2个凸棱，凸棱上开有半圆槽(5L＇)。

9.根据权利要求3所述的多复合式冲击钻井工具，其特征在于，换向套主动旋转与换向套被动旋转角度之和区间为40-70度。

10.根据权利要求2所述的多复合式冲击钻井工具，其特征在于，摆锤(14)顺时针旋转从启动到结束，静阀(7)与动阀(26)的弧形槽相交重合形成的上下通道面积从最大变为最小或从最小变为最大，亦或摆锤(14)顺时针旋转启动时静阀(7)与动阀(26)的弧形槽相交重合形成的上下通道面积为最大与最小之间的中间值，形成扭力冲击与轴向冲击的同相位冲击或反相位冲击，亦或异相位冲击。

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