一种旋冲耦合作用钻井工具及其工作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于在钻井过程中提供旋冲耦合作用的钻井工具及其工作方法，适用于石油天然气钻井工程以及修井服务中，也可用于地质勘探孔洞钻进工程。
【背景技术】
[0002]目前油田所采用的钻井工具大部分只能单一的提供轴向冲击力或周向扭矩，对于较硬的地层或研磨性地层，当钻具只提供轴向冲击力时，钻头的吃入深度不够，机械钻速有待提高；而当钻具只提供周向扭矩时，常缺少足够的扭矩来破坏地层，从而使钻头瞬间停止转动，出现粘滑、卡钻现象，这时钻柱会像发条一样扭紧，扭矩积聚后又快速释放，导致钻柱扭转震荡，同时钻头上也会受到更高的冲击载荷，对钻头、钻柱配套部件的使用寿命产生不利影响。
[0003]为了提高钻井速度，除了研究钻头技术、水力喷射破岩技术等钻井技术外，又提出了旋转冲击钻井技术概念，其核心内容是钻具在提供轴向冲击载荷的同时对钻头施加周向扭矩，通过大量的技术研究和现场应用证明，旋转冲击钻井可大幅提高钻井的机械钻速，达到快速破岩的目的。因此本发明提出了一种旋冲耦合作用钻井工具及其工作方法，该工具将钻井液的流体能量转化为扭矩和轴向冲击载荷，并直接作用于钻头上，大大提高了钻井效率。该工具结构简单，长度短，克服了常规钻井工具大、笨、重的问题，具有广泛的应用价值。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于为石油天然气开发钻井、非石油资源勘查开采钻井提供一种旋冲耦合作用钻井工具及其工作方法，该工具大幅提高了钻头破岩效率和钻井机械钻速，且长度短，结构简单，具有广发的应用价值。
[0005]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:一种旋冲耦合作用钻井工具主要包括过流阀、上接头、流量控制器、弹簧杆、过流挡板、阀头、密封件、弹簧、外壳、芯轴、下棘齿、上棘齿、中心孔、卸阀弹簧、随动件、旋冲套筒、下接头、调节腔室、控制阀、阀座、螺旋孔、上承撞面和下承撞面(23);其特征是:上接头通过螺纹连接在外壳上部，其内部装有过流阀；控制阀安装在上接头下端，它与外壳、芯轴的上端面共同构成了调节腔室；控制阀由流量控制器、弹簧杆、过流挡板、阀头、卸阀弹簧组成；芯轴的上部外表面与外壳的内表面构成间隙配合，两者之间有密封件，芯轴上有随动件，与旋冲套筒上的螺旋孔接触；旋冲套筒上有三个螺旋孔，下端面上有下棘齿；下接头连接在外壳的下端，其上部有单向的上棘齿与旋冲套筒的下棘齿接触；芯轴下部的螺纹用来连接钻头；旋冲耦合作用钻井工具工作方法是:当处于工作状态时，依靠流体的压差将阀头压在阀座上，流体流入调节腔室中，随着流体的增多，调节腔室内的压力和体积增大，推动外壳向上运动，从而推动钻柱向上运动；在外壳向上运动过程中，旋冲套筒相对芯轴向上运动，随动件与旋冲套筒上的螺旋孔相互作用，而旋冲套筒下端的下棘齿与下接头的上棘齿相互作用，使旋冲套筒固定，于是旋冲套筒对芯轴产生切向作用力，从而形成扭矩；当外壳向上运动后，阀头与阀座分离，流体经中心孔从钻头的水眼流出，阀头与阀座间的压差减小，调节腔室内的压力也减小，外壳以及上部的钻柱开始向下运动；在卸阀弹簧的作用下，阀头向上运动，在弹簧以及钻柱自身的重力作用下，上承撞面对钻头上的下承撞面进行撞击，对钻头产生冲击功，外壳和芯轴开始恢复到初始相对位置，在外壳向下运动的过程中，随动件仍与螺旋孔相互作用，产生了与外壳向上运动时相反的作用力，但由于下棘齿和上棘齿均是单向的，无法使旋冲套筒固定，也就无法对芯轴产生扭矩，因此芯轴不会作反向旋转；当阀头和芯轴都回复到初始位置时，继续循环上述工作过程；通过过流阀可以测量和控制流体的压力和速率，从而决定控制阀的循环周期，快速反复的冲击会使钻头相对钻柱做持续的周期性转动，同时在钻压以及冲击功的作用下，提尚机械钻速和钻进效率。
[0006]所述下棘齿和上棘齿的棘齿表面喷涂0.5-1.5mm的硬质合金涂层。
[0007]本发明的有益效果是:(1)该工具可以将钻井液的液体能量转化为旋冲耦合作用载荷，并直接作用于钻头上，大大提高了破岩效率；(2)钻具产生的旋冲耦合作用力可减弱钻头的粘滑现象，大幅提高机械钻速；(3)该工具结构简单，长度短，可以在造斜作业和弯曲井眼中使用。
【附图说明】
[0008]图1是本发明一种旋冲耦合作用钻井工具的结构示意图。
[0009]图2是本发明一种旋冲耦合作用钻井工具由横剖面A-A得到的剖面示意图。
[0010]图3是本发明一种旋冲耦合作用钻井工具的旋冲套筒示意图。
[0011]图中:1.过流阀，2.上接头，3.流量控制器，4.弹簧杆，5.过流挡板，6.阀头，7.密封件，8.弹簧，9.外壳，10.芯轴，11.下棘齿，12.上棘齿，13.中心孔，14.卸阀弹簧，15.随动件，16.旋冲套筒，17.下接头，18.调节腔室，19.控制阀，20.阀座，21.螺旋孔，22.上承撞面，23.下承撞面。
【具体实施方式】
[0012]如图1、图2、图3所示，本发明一种旋冲耦合作用钻井工具及其工作方法，主要包括过流阀1、上接头2、流量控制器3、弹簧杆4、过流挡板5、阀头6、密封件7、弹簧8、外壳9、芯轴10、下棘齿11、上棘齿12、中心孔13、卸阀弹簧14、随动件15、旋冲套筒16、下接头17、调节腔室18、控制阀19、阀座20、螺旋孔21、上承撞面22和下承撞面23 ;其特征是:上接头2通过螺纹连接在外壳9上部，其内部装有过流阀1 ;控制阀19安装在上接头2下端，它与外壳9、芯轴10的上端面共同构成了调节腔室18 ;控制阀19由流量控制器3、弹簧杆4、过流挡板5、阀头6、卸阀弹簧14组成；芯轴10的上部外表面与外壳9的内表面构成间隙配合，两者之间有密封件7，芯轴10上有随动件15，与旋冲套筒16上的螺旋孔21接触；旋冲套筒16上有三个螺旋孔21，下端面上有下棘齿11 ;下接头17连接