能够对钻头产生周期性的周向振动的钻具的制作方法

本发明涉及一种用于与钻头连接的辅助钻具，尤其涉及一种能够对钻头产生周期性的周向振动的钻具。

背景技术：

随着石油钻井行业的发展，钻井提速的重要性日益呈现。在实际钻井过程中，不存在理想的钻进状态，钻头的运动是无序的，杂乱无章的。井下的振动包括横向、纵向和扭向的振动以及这几种振动的组合，井下无规律的不良振动会损坏钻头切削齿，导致钻头寿命降低；另一方面，在坚硬和塑性地层，采用正常钻进钻压则钻头切削齿无法有效吃入地层，采用过高钻压又会导致切削齿崩损。

综上，传统钻头依靠钻杆带动旋转钻入地层，因为没有对钻头的振动方向和频率进行约束，所以钻头的振动方向和频率都是杂乱无章的，一方面导致钻进地层困难、效率低下，另一方面容易损坏钻头的切削齿，降低钻头寿命。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种能够对钻头产生周期性的周向振动的钻具。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种能够对钻头产生周期性的周向振动的钻具，包括套管形的钻具本体和用于与钻头连接的下接头，所述下接头的上端与所述钻具本体的下端连接，所述下接头设有竖向中心通孔，所述下接头与所述钻具本体的下端通过非固定连接装置连接，所述非固定连接装置使所述下接头与所述钻具本体之间在具有传动功能的同时具有微距移动空间；所述钻具还包括安装于所述钻具本体的竖向中心通孔内的引流件、压帽、心轴、驱动阀、冲击锤、冲击套筒和喷嘴，所述压帽设有竖向中心通孔且套装于所述钻具本体的竖向中心通孔的上段内，所述压帽的中上段厚度逐渐减小且在内外两侧均形成内凹弧形过渡面，所述压帽的上端通过所述引流件与所述钻具本体的内壁连接，所述引流件设有竖向中心通孔且所述引流件的内壁比所述压帽的下段内壁更靠近所述钻具本体的内壁，所述压帽的中上段外壁与所述钻具本体的内壁之间形成环形的导流内腔，所述引流件的下端与所述压帽的中段内壁之间设有间隙且该间隙与所述导流内腔相通，所述心轴设有竖向中心通孔，所述心轴的上端与所述压帽的下端连接，所述驱动阀设有竖向中心通孔且通过该竖向中心通孔套装于所述心轴外且能够旋转，所述冲击锤设有竖向中心通孔且通过该竖向中心通孔套装于所述驱动阀外且能够旋转，所述冲击套筒的中上段通过自身的竖向中心通孔套装于所述冲击锤外，所述冲击套筒套装于所述钻具本体的中段内，所述心轴的下端向外弯曲后与所述冲击套筒的下端连接，所述冲击套筒的下端同时与所述下接头的上端连接，所述驱动阀的上端和所述冲击锤的上端分别与所述压帽的下端旋转连接，所述驱动阀的下端与所述心轴的下段外壁旋转连接，所述冲击锤的下端与所述冲击套筒的下段内壁旋转连接，所述压帽的下端与所述冲击套筒的上端连接，所述心轴上与所述驱动阀对应的圆周壁上设有多个横向的心轴过流孔，所述驱动阀上与所述心轴过流孔对应的位置设有横向的驱动通孔，竖向同一高度的两个所述驱动通孔对称分布于所述驱动阀的竖向中心轴线两侧，所述驱动阀的外周表面设有横向的止推凹槽，竖向同一高度的两个所述止推凹槽对称分布于所述驱动阀的竖向中心轴线两侧，所述止推凹槽的轴向两侧槽壁表面为圆弧形过渡面，两个所述驱动通孔与两个所述止推凹槽均匀分布于所述驱动阀的圆周上，所述冲击锤的外周壁上设有两个外凸的锤头，竖向同一高度的两个所述锤头对称分布于所述冲击锤的竖向中心轴线两侧，所述冲击锤的外周壁上位于所述锤头周向两侧的位置分别设有横向的第一冲击锤通孔，同一个所述锤头两侧的两个所述第一冲击锤通孔的内端之间的周向距离与对应的所述驱动通孔的周向宽度相同，所述冲击套筒的内壁上设有横向内凹的套筒凹槽，两个所述套筒凹槽对称分布于所述冲击套筒的竖向中心轴线两侧，两个所述锤头分别置于两个所述套筒凹槽内且能够周向摆动，同一个所述锤头两侧的两个所述第一冲击锤通孔能够同时置于对应的所述套筒凹槽内，所述冲击锤的内周壁上设有两个内凸的止推凸块，竖向同一高度的两个所述止推凸块对称分布于所述冲击锤的竖向中心轴线两侧，两个所述止推凸块分别置于对应的两个所述止推凹槽内，所述冲击锤的外周壁上位于所述止推凸块周向两侧的位置分别设有横向的第二冲击锤通孔，同一个所述止推凸块两侧的两个所述第二冲击锤通孔的外端之间的周向距离不大于对应的所述止推凹槽的周向宽度，所述冲击套筒的外周表面设有竖向的引流凹槽，竖向同一高度的四个所述引流凹槽对称分布于所述冲击套筒的竖向中心轴线两侧，每两个所述引流凹槽分别位于两个所述套筒凹槽的同一侧，所述引流凹槽的上端与所述导流内腔相通且下端封闭，所述冲击套筒的外周壁上与所述引流凹槽对应且与所述第二冲击锤通孔相通高度的位置设有引流通孔，所述引流通孔与所述引流凹槽相通，所述喷嘴安装于所述心轴的下段内壁上，所述喷嘴的竖向中心通孔为上大下小的锥形孔且其最小孔径小于所述心轴的竖向中心通孔的孔径，所述喷嘴的竖向中心通孔的上端和下端分别与所述心轴的竖向中心通孔的下端和所述下接头的竖向中心通孔的上端相通。

上述结构中，非固定连接装置用于使下接头与钻具本体之间在具有传动功能的同时具有微距移动空间，这样既能传递旋转动力，又能使下接头带动钻头具有微动移动空间，为实现钻头被周向和轴向振动以提高钻进效果的功能提供前提条件；压帽用于固定安装心轴、可旋转安装驱动阀和冲击锤并与冲击套筒连接，同时其中上段逐渐变薄与钻具本体之间形成导流内腔且与引流件配合形成引流凸台以便于将钻井液引流到导流内腔内；心轴用于作为驱动阀的安装基础，同时通过自身的竖向中心通孔对钻井液进行引流；心轴的竖向中心通孔内的钻井液通过心轴过流孔进入驱动阀的驱动通孔内，再分别经过不同的第一冲击锤通孔进入套筒凹槽内，推动冲击锤的锤头在正时针或逆时针方向旋转，同时，导流内腔内钻井液通过引流凹槽、引流通孔和第二冲击锤通孔后冲击驱动阀的止推凹槽的其中一侧槽壁，迫使驱动阀反向旋转，驱动阀的驱动通孔内的钻井液分别经过另外的第一冲击锤通孔进入套筒凹槽内，推动冲击锤的锤头反向旋转，如此循环，使冲击锤的锤头反复冲击冲击套筒的套筒凹槽，形成周向方向的冲击力并通过下接头最终作用在钻头上，使钻头受到周期性的周向振动；止推凹槽和止推凸块配合对驱动阀与冲击锤之间的相对旋转进行限位，避免驱动阀旋转角度过大导致无法实现冲击锤锤头的反复摆动；喷嘴用于缩小钻井液流出喷嘴时的截面积，从而使心轴的竖向中心通孔内的钻井液的压力增大，迫使其进入导流内腔和驱动阀的驱动通孔内。

进一步，为了避免进入导流内腔的钻井液中的杂质影响其后续工作并便于安装引流件，所述引流件的下端与所述压帽的中段外壁之间的间隙内安装有环形过滤板，所述环形过滤板的内周壁通过衬环和波形弹簧与所述引流件连接，所述压帽的中前段设有横向的压帽过流孔。

作为优选，为了实现驱动阀和冲击锤的良好旋转功能，所述驱动阀的上端与所述压帽的下端和所述冲击锤的上端之间通过深沟球轴承连接，所述冲击锤的上端与所述压帽的下端之间通过第一滚针轴承连接，所述驱动阀的下端与所述心轴的下段外壁之间、所述冲击锤的下端与所述冲击套筒的下段内壁之间分别通过止推轴承连接，所述冲击锤的下端与所述冲击套筒的下段内壁之间还设有第二滚针轴承。

作为优选，为了实现冲击套筒与下接头之间稳固且快速的连接，所述冲击套筒的下端外壁为上大下小的圆锥壁且设有外螺纹，所述下接头的上端内壁为圆锥壁且设有内螺纹，所述冲击套筒的下端与所述下接头的上端之间通过螺纹连接。

进一步，为了确保心轴不会旋转，所述心轴的下端与所述冲击套筒的下端之间通过防转销连接。

进一步，为了便于安装喷嘴且便于排出冲击套筒内的钻井液，所述喷嘴的上端通过所述心轴的下段内壁限位，所述喷嘴的下端通过第一孔用弹性挡圈阻挡限位，所述心轴的下段位于所述喷嘴与所述心轴的下端之间的位置设有心轴引流孔，所述心轴的下段与所述冲击套筒之间设有过流间隙，所述套筒凹槽、所述过流间隙、所述心轴引流孔和所述下接头的竖向中心通孔相通。

作为优选，为了便于加工和组装且兼具周向传动连接、轴向传动连接及微距移动功能，所述非固定连接装置包括传动花键、第二孔用弹性挡圈、钢球和安装螺钉，所述传动花键安装于所述下接头的上端与所述钻具本体的下端，所述传动花键用于使所述钻具本体带动所述下接头旋转；所述钻具本体的下段套装于所述下接头的上段外，所述钻具本体的下段壁上设有一个或多个径向的安装通孔，所述钻具本体的下段内壁上设有圆周方向的外环形凹槽，所述安装通孔与所述外环形凹槽相通，所述下接头的上段外壁上设有圆周方向的内环形凹槽，多个所述钢球同时置于所述内环形凹槽和所述外环形凹槽内，所述安装螺钉置于所述安装通孔内且其内端抵住所述钢球、外端被安装于所述安装通孔外端的所述第二孔用弹性挡圈挡住限位。

进一步，为了提高连接稳定性和密封性，所述心轴的上端与所述压帽的下端之间通过螺纹连接且两者接触位置安装有第一“o”形密封圈，所述心轴的下段内壁与所述喷嘴的上端之间通过螺纹连接且两者接触位置安装有第二“o”形密封圈。

具体地，为了便于连接钻杆和钻头，所述钻具本体的竖向中心通孔的上端为锥孔且该锥孔孔壁上设有上内螺纹，所述下接头的竖向中心通孔的下端为锥孔且该锥孔孔壁上设有下内螺纹。

本发明的有益效果在于：

本发明通过将钻具本体、引流件、压帽、心轴、驱动阀、冲击锤、冲击套筒、喷嘴和下接头有效组装整合为钻井液引流结构以及驱动阀和冲击锤的旋转传动结构，并最终产生周期性的周向振动功能，使用时上端和下端分别与钻杆和钻头连接，在不影响将钻杆的旋转动力传递给钻头的功能前提下，将钻井液的流体动力转换为对下接头最终对钻头形成的周期性的周向振动，其振动方向和振动频率都形成规律，不但有效降低了周向不规格振动产生的“粘-滑效应”，帮助钻头更好地吃入地层，提高了钻进速度和效率，提高了井眼质量，而且保护了钻头，延长了钻头寿命；如果长期使用后内部零件损坏导致其振动驱动功能失效，也无需解耦，不影响旋转动力传递功能，可以继续使用。

附图说明

图1是本发明所述能够对钻头产生周期性的周向振动的钻具的轴向半剖图；

图2是图1中的a-a剖视图放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1和图2所示，本发明所述能够对钻头产生周期性的周向振动的钻具，包括套管形的钻具本体1和用于与钻头(图中未示)连接的下接头28，下接头28的上端与钻具本体1的下端连接，下接头28设有竖向中心通孔，下接头28与钻具本体1的下端通过非固定连接装置连接，所述非固定连接装置使下接头28与钻具本体1之间在具有传动功能的同时具有微距移动空间；所述钻具还包括安装于钻具本体1的竖向中心通孔3内的引流件4、压帽14、心轴12、驱动阀13、冲击锤16、冲击套筒17和喷嘴21，压帽14设有竖向中心通孔且套装于钻具本体1的竖向中心通孔3的上段内，压帽14的中上段5的厚度逐渐减小且在内外两侧均形成内凹弧形过渡面，压帽14的上端通过引流件4与钻具本体1的内壁连接，引流件4设有竖向中心通孔且引流件4的内壁比压帽14的下段内壁更靠近钻具本体1的内壁，如此在压帽14的中段内壁处形成引流凸台，压帽14的中上段5的外壁与钻具本体1的内壁之间形成环形的导流内腔8，引流件4的下端与压帽14的中段内壁之间设有间隙且该间隙与导流内腔8相通，心轴12设有竖向中心通孔，心轴12的上端与压帽14的下端连接，驱动阀13设有竖向中心通孔且通过该竖向中心通孔套装于心轴12外且能够旋转，冲击锤16设有竖向中心通孔且通过该竖向中心通孔套装于驱动阀13外且能够旋转，冲击套筒17的中上段通过自身的竖向中心通孔套装于冲击锤16外，冲击套筒17套装于钻具本体1的中段内，心轴12的下端向外弯曲后与冲击套筒17的下端连接，冲击套筒17的下端同时与下接头28的上端连接，驱动阀13的上端和冲击锤16的上端分别与压帽14的下端旋转连接，驱动阀13的下端与心轴12的下段外壁旋转连接，冲击锤16的下端与冲击套筒17的下段内壁旋转连接，压帽14的下端与冲击套筒17的上端连接，心轴12上与驱动阀13对应的圆周壁上设有多个横向的心轴过流孔(图中未标记)，驱动阀13上与所述心轴过流孔对应的位置设有横向的驱动通孔(图中不可视)，竖向同一高度的两个所述驱动通孔对称分布于驱动阀13的竖向中心轴线两侧，驱动阀13的外周表面设有横向的止推凹槽(图中不可视)，竖向同一高度的两个所述止推凹槽对称分布于驱动阀13的竖向中心轴线两侧，所述止推凹槽的轴向两侧槽壁表面为圆弧形过渡面，两个所述驱动通孔与两个所述止推凹槽均匀分布于驱动阀13的圆周上，冲击锤16的外周壁上设有两个外凸的锤头(图中不可视)，竖向同一高度的两个所述锤头对称分布于冲击锤16的竖向中心轴线两侧，冲击锤16的外周壁上位于所述锤头周向两侧的位置分别设有横向的第一冲击锤通孔(图中不可视)，同一个所述锤头两侧的两个所述第一冲击锤通孔的内端之间的周向距离与对应的所述驱动通孔的周向宽度相同，冲击套筒17的内壁上设有横向内凹的套筒凹槽(图中未标记)，两个所述套筒凹槽对称分布于冲击套筒17的竖向中心轴线两侧，两个所述锤头分别置于两个所述套筒凹槽内且能够周向摆动，同一个所述锤头两侧的两个所述第一冲击锤通孔能够同时置于对应的所述套筒凹槽内，冲击锤16的内周壁上设有两个内凸的止推凸块(图中不可视)，竖向同一高度的两个所述止推凸块对称分布于冲击锤16的竖向中心轴线两侧，两个所述止推凸块分别置于对应的两个所述止推凹槽内，冲击锤16的外周壁上位于所述止推凸块周向两侧的位置分别设有横向的第二冲击锤通孔(图中不可视)，同一个所述止推凸块两侧的两个所述第二冲击锤通孔的外端之间的周向距离不大于对应的所述止推凹槽的周向宽度，冲击套筒17的外周表面设有竖向的引流凹槽(图中不可视)，竖向同一高度的四个所述引流凹槽对称分布于冲击套筒17的竖向中心轴线两侧，每两个所述引流凹槽分别位于两个所述套筒凹槽的同一侧，所述引流凹槽的上端与导流内腔8相通且下端封闭，冲击套筒17的外周壁上与所述引流凹槽对应且与所述第二冲击锤通孔相通高度的位置设有引流通孔(图中不可视)，所述引流通孔与所述引流凹槽相通，喷嘴21安装于心轴12的下段内壁上，喷嘴21的竖向中心通孔为上大下小的锥形孔且其最小孔径小于心轴12的竖向中心通孔的孔径，喷嘴21的竖向中心通孔的上端和下端分别与心轴12的竖向中心通孔的下端和下接头28的竖向中心通孔的上端相通。

如图1和图2所示，本发明所述能够对钻头产生周期性的周向振动的钻具的工作原理如下：

1、旋转动力传动过程：使用时，本钻具分别通过钻具杯本体1的上端和由钻井设备驱动旋转的钻杆(图中未示)连接，通过下接头28与钻头(图中未示)连接；钻杆旋转依次带动钻具本体1、下接头28和钻头旋转，实现钻井功能；由于下接头28与钻具本体1的下端通过非固定连接装置连接，下接头28与钻具本体1之间在具有传动功能的同时具有微距移动空间，所以为下述内容中下接头28受到周向振动从而对钻头形成振动的过程提供了前提条件。

2、周向振动产生过程：钻井液从钻具本体1的竖向中心通孔3的上端向下流动，在喷嘴21的节流作用下，一部分钻井液在压帽14的中段内壁处的引流凸台作用下进入导流内腔8内，还有一部分钻井液通过心轴12的心轴过流孔进入驱动阀13的驱动通孔内，再分别经过冲击锤16的不同的第一冲击锤通孔进入冲击套筒17的套筒凹槽内，推动冲击锤16的锤头在正时针(或逆时针)方向旋转；同时，导流内腔8内的钻井液通过引流凹槽、引流通孔和第二冲击锤通孔后冲击驱动阀13的止推凹槽的其中一侧槽壁，迫使驱动阀13反向旋转，驱动阀13的驱动通孔内的钻井液分别经过另外的第一冲击锤通孔进入套筒凹槽内，推动冲击锤16的锤头反向旋转，如此循环，使冲击锤16的锤头反复冲击冲击套筒17的套筒凹槽，形成周向方向的冲击力并通过下接头28最终作用在钻头上，使钻头受到周期性的周向振动。

上述对钻头周期性的周向振动的振动方向和振动频率都形成规律，不但有效降低了周向不规格振动产生的“粘-滑效应”，帮助钻头更好地吃入地层，提高钻进速度和效率，提高了井眼质量，而且保护了钻头，延长了钻头寿命。

如图1和图2所示，下面还公开了本发明的多种优化结构，可以根据实际需要将下述一种或多种结构与上述结构进行叠加组合后形成新的更加优化的技术方案。

为了避免进入导流内腔8的钻井液中的杂质影响其后续工作并便于安装引流件4，引流件4的下端与压帽14的中段外壁之间的间隙内安装有环形过滤板9，环形过滤板9的内周壁通过衬环7和波形弹簧6与引流件4连接，压帽14的中前段5设有横向的压帽过流孔。钻井液进入导流内腔8之前首先经过环形过滤板9过滤以滤除较大杂质。

为了实现驱动阀13和冲击锤16的良好旋转功能，驱动阀13的上端与压帽14的下端和冲击锤16的上端之间通过深沟球轴承11连接，冲击锤16的上端与压帽14的下端之间通过第一滚针轴承15连接，驱动阀13的下端与心轴12的下段外壁之间、冲击锤16的下端与冲击套筒17的下段内壁之间分别通过止推轴承19连接，冲击锤16的下端与冲击套筒17的下段内壁之间还设有第二滚针轴承18。

为了实现冲击套筒17与下接头28之间稳固且快速的连接，冲击套筒17的下端外壁为上大下小的圆锥壁且设有外螺纹，下接头28的上端内壁为圆锥壁且设有内螺纹，冲击套筒17的下端与下接头28的上端之间通过螺纹连接。

为了确保心轴12不会旋转，心轴12的下端与冲击套筒17的下端之间通过防转销(图中未标记)连接。

为了便于安装喷嘴21且便于排出冲击套筒17内的钻井液，喷嘴21的上端通过心轴12的下段内壁限位，喷嘴21的下端通过第一孔用弹性挡圈23阻挡限位，心轴12的下段位于喷嘴21与心轴12的下端之间的位置设有心轴引流孔24，心轴12的下段与冲击套筒17之间设有过流间隙22，所述套筒凹槽、过流间隙22、心轴引流孔24和下接头28的竖向中心通孔相通。

为了便于加工和组装且兼具周向传动连接、轴向传动连接及微距移动功能，所述非固定连接装置包括传动花键(图中未示出)、第二孔用弹性挡圈26、钢球25和安装螺钉27，所述传动花键安装于下接头28的上端与钻具本体1的下端，所述传动花键用于使钻具本体1带动下接头28旋转；钻具本体1的下段套装于下接头28的上段外，钻具本体1的下段壁上设有一个或多个径向的安装通孔，钻具本体1的下段内壁上设有圆周方向的外环形凹槽，所述安装通孔与所述外环形凹槽相通，下接头28的上段外壁上设有圆周方向的内环形凹槽，多个钢球25同时置于所述内环形凹槽和所述外环形凹槽内，安装螺钉27置于所述安装通孔内且其内端抵住钢球25、外端被安装于所述安装通孔外端的第二孔用弹性挡圈26挡住限位。

为了提高连接稳定性和密封性，心轴12的上端与压帽14的下端之间通过螺纹连接且两者接触位置安装有第一“o”形密封圈10，心轴12的下段内壁与喷嘴21的上端之间通过螺纹连接且两者接触位置安装有第二“o”形密封圈20。

为了便于连接钻杆和钻头，钻具本体1的竖向中心通孔的上端为锥孔且该锥孔孔壁上设有上内螺纹2，下接头28的竖向中心通孔的下端为锥孔且该锥孔孔壁上设有下内螺纹29。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。