旋转配流式轴向冲击钻井工具的制作方法

本发明是关于石油开发领域中一种井下钻具，尤其涉及一种旋转配流式轴向冲击钻井工具。

背景技术：

硬质地层机械钻速的提高一直是钻井工程中的一个难以解决的问题。单位体积的硬质地层破碎需要的能量较大。目前常规钻井技术为回转钻进技术，通过钻杆带动钻头的转动来实现岩石的破碎，通过钻杆的自重来实现钻头对岩石的压力(钻压)，该压力使得钻头吃入岩石的内部，但是该种压力为静压力，其对硬质地层的岩石的破碎效率较低。

试验证明冲击钻进技术是一种有效提高硬质地层机械钻速的方法。该技术依托于旋转冲击钻井工具，该工具安装在钻头的上端，转换一部分的液动能为轴向冲击载荷，形成单向的轴向冲击，实现钻头对岩石的冲击破碎，形成体积破碎。目前该技术已经得到应用，国内外也分别研制了相应的旋转冲击钻井工具，根据其实现的方式的不同，主要分为射流式旋冲钻具、阀式旋冲钻具、自激振荡式旋冲钻具等。该项技术虽然得到一定的应用，但是使用效果并不好，从现场使用情况来看，主要问题包括：1)工具的使用寿命达不到现场需求；2)部分工具的结构较为复杂，稳定性不够。

而出现上述的问题，主要都是工具内部改变冲击部件的结构所造成的；目前的冲击钻具内改变冲击部件的运动方向的结构主要包括：1)射流腔体；2)阀体；3)振荡腔体。射流腔体主要通过腔体内部压力的变化改变射流的运动方向，发生射流时，由于钻井液的高速运动，且钻井液中有很多的固相颗粒，采用该种方式时，对射流通道的冲蚀较为严重，影响着工具的使用寿命。而阀式冲击钻具主要是通过阀体的结构的轴向往复运动来实现冲击部件运动的换向，阀体在轴向往复运动时，当其运动到极限位置时，会对限位机构产生冲击作用，该种冲击作用会严重的减小阀体的使用寿命。阀体在改变流体运动方向时，是通过突然改变方向的方式，这种突变的方式，会影响阀体工作时的稳定性，不利于工具的稳定性。而采用振荡腔体时，由于其结构的特点，导致其所产生的冲击功较小，不能满足硬质地层破岩的需要。

根据现有旋转冲击钻井工具的特点，结合本发明人多年从事该行业的实践和经验，提出了一种旋转配流式轴向冲击钻井工具，以克服现有技术的缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种旋转配流式轴向冲击钻井工具，以简化工具的结构，提高工具的使用寿命和可靠性。

本发明的另一目的在于提供一种旋转配流式轴向冲击钻井工具，以提高冲击频率和冲击功，提高破岩效率。

本发明的目的是这样实现的，一种旋转配流式轴向冲击钻井工具，该旋转配流式轴向冲击钻井工具包括一上下贯通的上接头，上接头下端轴向固定连接一上下贯通的支撑筒，支撑筒的底端外壁固定连接一钻头座，支撑筒的下部内壁固定设置一上下贯通的旋转支座，位于钻头座上方的支撑筒外壁面上轴向滑动地设有一筒状冲锤，支撑筒的外壁与筒状冲锤的内壁之间密封构成上下间隔的上腔体和下腔体，所述支撑筒的筒壁上分别设有导通上腔体和下腔体的上透孔和下透孔；位于支撑筒内部轴向设有一涡轮转筒，该涡轮转筒底部支撑设置在旋转支座上；所述涡轮转筒内壁设有涡轮叶片；在涡轮转筒的外壁上且对应上透孔和下透孔的轴向位置，分别设有第一扇形凸缘和第二扇形凸缘，第一扇形凸缘上设有贯穿涡轮转筒侧壁的第一扇形透孔，第二扇形凸缘上设有贯穿涡轮转筒侧壁的第二扇形透孔；第一扇形凸缘和第二扇形凸缘的周向外壁与支撑筒的内壁密封接触；涡轮转筒在旋转过程中，第一扇形透孔和第二扇形透孔分别交替地导通于上透孔和下透孔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述筒状冲锤的内壁沿周向对称设有两个轴向延伸的扇形滑槽；支撑筒外壁上对称设有两个能与所述扇形滑槽密封滑动设置的扇形滑柱；位于扇形滑柱上方的扇形滑槽构成所述上腔体，位于扇形滑柱下方的扇形滑槽构成所述下腔体；各所述扇形滑柱上方的支撑筒外壁分别设有一上透孔，各所述扇形滑柱下方的支撑筒外壁分别设有一下透孔；上透孔和下透孔均为扇形孔；所述第一扇形凸缘和所述第二扇形凸缘分别沿着涡轮转筒周向对称设置两个；第一扇形凸缘与第二扇形凸缘在涡轮转筒周向上呈90度交错设置。

在本发明的一较佳实施方式中，所述涡轮叶片沿着涡轮转筒周向均匀设置多片；各涡轮叶片的一侧分别与涡轮转筒的内壁连接，各涡轮叶片的另一侧分别与轴向设置在涡轮转筒中心的圆柱体连接。

在本发明的一较佳实施方式中，旋转支座包括固定于支撑筒内壁的轴承支撑座和设置在轴承支撑座上的止推轴承；所述轴承支撑座由支撑座本体和由支撑座本体的中心部向上凸设的凸柱构成；所述凸柱中心部设有向下轴向贯通轴承支撑座的贯通孔；止推轴承套设在所述凸柱上；所述涡轮转筒底部支撑在该止推轴承上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述贯通孔中轴向设置一喷嘴；支撑座本体上邻近其边缘位置周向间隔设有多个通孔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述上接头下端外侧螺纹连接一中部短节；该中部短节底端内侧向内设有一凸环，凸环内壁设有花键槽；所述支撑筒上部外壁设有与所述花键槽对应配合连接的花键，花键上方的支撑筒外壁设有一周向环槽，周向环槽内设有一悬挂环；所述悬挂环的外缘挂设于所述凸环的顶面。

在本发明的一较佳实施方式中，所述支撑筒上部内壁向内设有一定位环，一扶正环悬挂筒由上向下穿过所述定位环，扶正环悬挂筒顶端设有一外凸的卡缘，卡缘卡设在定位环顶部；一扶正环上部与扶正环悬挂筒的下部外侧螺纹联接，扶正环的顶部抵靠在定位环的底部；所述涡轮转筒的上端外壁与扶正环下部内壁密封接触。

在本发明的一较佳实施方式中，所述筒状冲锤包括有冲锤本体、冲锤端盖和冲锤密封环；所述冲锤本体为上端开口的筒体，冲锤本体的筒体底面设有能由上向下穿设支撑筒的第一穿孔；所述冲锤端盖固定设置在冲锤本体的上端开口，冲锤端盖上设有能穿过支撑筒的第二穿孔；所述冲锤密封环设置在第二穿孔与支撑筒外壁之间，并通过螺钉固定于第二穿孔上。

由上所述，本发明提出的旋转配流式轴向冲击钻井工具，能通过筒状冲锤的轴向往复运动来实现对钻头的轴向冲击，增加钻头吃入岩石内部的深度，同时对钻头切削齿周边的岩石产生破坏，产生更多的微裂纹，使得岩石的抗剪切能力降低，从而提高岩石的破碎效率，提高机械钻速，缩减钻井周期，降低钻井成本。该旋转配流式轴向冲击钻井工具中，筒状冲锤的换向是由涡轮转筒的连续转动来实现的，涡轮转筒连续转动不会出现转速的突变以及由突变产生的振动，由此能提高涡轮转筒的稳定性及其使用寿命，且该旋转配流式轴向冲击钻井工具的换向较为简单，工具的频率可以根据改变涡轮叶片的数量以及形状来实现调节。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明旋转配流式轴向冲击钻井工具的结构剖视示意图；

图2A：为本发明中支撑筒的立体结构示意图；

图2B：为本发明中支撑筒的剖视结构示意图；

图3A：为本发明中涡轮转筒的立体结构示意图一；

图3B：为本发明中涡轮转筒的剖视结构示意图；

图3C：为本发明中涡轮转筒的立体结构示意图二；

图4A：为本发明中冲锤本体的立体结构示意图；

图4B：为本发明中冲锤本体的剖视结构示意图；

图4C：为本发明中冲锤端盖的结构示意图；

图4D：为本发明中冲锤密封环的结构示意图；

图5A：为本发明中轴承支撑座的立体结构示意图一；

图5B：为本发明中轴承支撑座的立体结构示意图二；

图6A：为本发明中中部短节的立体结构示意图一；

图6B：为本发明中中部短节的剖视结构示意图；

图7A：为本发明中扶正环悬挂筒的剖视结构示意图；

图7B：为本发明中扶正环悬挂筒的立体结构示意图；

图8A：为本发明中扶正环的剖视结构示意图；

图8B：为本发明中扶正环的立体结构示意图；

图9：为本发明中钻头座的立体结构示意图；

图10：为本发明旋转配流式轴向冲击钻井工具中显示剖切位置的示意图；

图11A：为本发明旋转配流式轴向冲击钻井工具中涡轮转筒处于第一状态时，位于Ⅰ位置的结构示意图；

图11B：为本发明旋转配流式轴向冲击钻井工具中涡轮转筒处于第一状态时，位于Ⅱ位置的结构示意图；

图12A：为本发明旋转配流式轴向冲击钻井工具中涡轮转筒处于第二状态时，位于Ⅰ位置的结构示意图；

图12B：为本发明旋转配流式轴向冲击钻井工具中涡轮转筒处于第二状态时，位于Ⅱ位置的结构示意图；

图13A：为本发明旋转配流式轴向冲击钻井工具中涡轮转筒处于第三状态时，位于Ⅰ位置的结构示意图；

图13B：为本发明旋转配流式轴向冲击钻井工具中涡轮转筒处于第三状态时，位于Ⅱ位置的结构示意图；

图14A：为本发明旋转配流式轴向冲击钻井工具中涡轮转筒处于第四状态时，位于Ⅰ位置的结构示意图；

图14B：为本发明旋转配流式轴向冲击钻井工具中涡轮转筒处于第四状态时，位于Ⅱ位置的结构示意图；

具体实施方式

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

如图1所示，本发明提出一种旋转配流式轴向冲击钻井工具100，该旋转配流式轴向冲击钻井工具100包括一上下贯通的上接头1，上接头1下端轴向固定连接一上下贯通的支撑筒2，支撑筒2的底端外壁固定连接一钻头座3，支撑筒2的下部内壁固定设置一上下贯通的旋转支座4，位于钻头座3上方的支撑筒2外壁面上轴向滑动地设有一筒状冲锤5，支撑筒2的外壁与筒状冲锤5的内壁之间密封构成上下间隔的上腔体91和下腔体92，所述支撑筒2的筒壁上分别设有导通上腔体91和下腔体92的上透孔21和下透孔22(如图2A、图2B所示)；位于支撑筒2内部轴向设有一涡轮转筒6，该涡轮转筒6底部支撑设置在旋转支座4上；所述涡轮转筒6内壁设有涡轮叶片65；在涡轮转筒6的外壁上且对应上透孔21和下透孔22的轴向位置，分别设有第一扇形凸缘61和第二扇形凸缘62(如图3A、图3B、图3C所示)，第一扇形凸缘61上设有贯穿涡轮转筒侧壁的第一扇形透孔611，第二扇形凸缘62上设有贯穿涡轮转筒侧壁的第二扇形透孔621；第一扇形凸缘61和第二扇形凸缘62的周向外壁(与对应支撑筒的外侧表面)与支撑筒2的内壁密封接触；涡轮转筒6在旋转过程中，第一扇形透孔611和第二扇形透孔621分别交替地导通于上透孔21和下透孔22；由此，交替地形成由涡轮转筒6内部经第一扇形透孔611、上透孔21连通上腔体91的第一高压流体通道，和由涡轮转筒6内部经第二扇形透孔621、下透孔22连通下腔体92的第二高压流体通道。

本发明的旋转配流式轴向冲击钻井工具工作时，高压流体从上接头1流入工具内部，其中一部分的流体向下依次通过支撑筒2、涡轮转筒6、旋转支座4及钻头座3流入与钻头座3连接的钻头(图中未示出)处，该部分流体在轴向向下通过涡轮转筒6时，流体压力会作用在涡轮叶片65上，从而驱动涡轮转筒6旋转(涡轮转筒6的转动方向由其中涡轮叶片65设置的旋向而定)；另一部分的高压流体会分别经过涡轮转筒6上的第一扇形透孔611和第二扇形透孔621交替地导通于支撑筒2上的上透孔21和下透孔22，从而交替地进入上腔体91和下腔体92；当上腔体91进液时，筒状冲锤5向上移动，此时下腔体92内的液体(流体)通过下透孔22和支撑筒2与涡轮转筒6之间的间隙93泄流；当下腔体92进液时，筒状冲锤5向下移动，此时上腔体91内的液体通过上透孔21和支撑筒2与涡轮转筒6之间的间隙93泄流；筒状冲锤5轴向的往复的运动，形成冲击载荷并直接作用在钻头座3上，并传递到钻头处。

本发明提出的旋转配流式轴向冲击钻井工具，能通过筒状冲锤的轴向往复运动来实现对钻头的轴向冲击，增加了钻头吃入岩石内部的深度，同时对钻头切削齿周边的岩石产生破坏，产生更多的微裂纹，使得岩石的抗剪切能力降低，从而提高岩石的破碎效率，提高机械钻速，缩减钻井周期，降低钻井成本。在该旋转配流式轴向冲击钻井工具中，筒状冲锤的换向是由涡轮转筒的连续转动来实现的，涡轮转筒连续转动不会出现转速的突变以及由突变产生的振动，由此能提高涡轮转筒的稳定性及其使用寿命，且该旋转配流式轴向冲击钻井工具的换向较为简单，工具的频率可以根据改变涡轮叶片的数量以及形状来实现调节。

进一步，在本实施方式中，如图1、图2A、图2B、图4A、图4B所示，所述筒状冲锤本体5的内壁沿周向对称设有两个轴向向下延伸的扇形滑槽512；支撑筒2外壁上对称设有两个能与所述扇形滑槽512密封滑动设置的扇形滑柱23；位于扇形滑柱23上方的扇形滑槽构成所述上腔体91，位于扇形滑柱23下方的扇形滑槽构成所述下腔体92；各所述扇形滑柱23上方居中位置的支撑筒外壁分别设有一个上透孔21，各所述扇形滑柱23下方居中位置的支撑筒外壁分别设有一个下透孔22；各上透孔21和各下透孔22均为扇形孔；如图3A、图3B、图3C所示，所述第一扇形凸缘61和所述第二扇形凸缘62分别沿着涡轮转筒6周向对称设置两个；上下间隔设置的第一扇形凸缘61与第二扇形凸缘62在涡轮转筒6周向上呈90度交错设置。

如图3A、图3C所示，各所述第一扇形凸缘61沿其周向的一侧边，与该第一扇形凸缘61上的第一扇形透孔611沿其周向的同一侧边之间构成第一扇形凸缘边框柱体612，所述第一扇形凸缘61上的各第一扇形凸缘边框柱体612具有相同的弧形宽度；各所述第二扇形凸缘62沿其周向的一侧边，与该第二扇形凸缘62上的第二扇形透孔621沿其周向的同一侧边之间构成第二扇形凸缘边框柱体622，所述第二扇形凸缘62上的各第二扇形凸缘边框柱体622具有相同的弧形宽度；第一扇形凸缘边框柱体612的弧形宽度与第二扇形凸缘边框柱体612的弧形宽度相同，并且相互交错设置的第一扇形凸缘61与第二扇形凸缘62上的第一扇形凸缘边框柱体612与第二扇形凸缘边框柱体622在涡轮转筒6周向上呈上下对应重叠设置。

如图3A、图3B、图3C所示，在本实施方式中，所述涡轮叶片65沿着涡轮转筒6周向均匀设置多片；各涡轮叶片65的一侧分别与涡轮转筒6的内壁连接，各涡轮叶片65的另一侧分别与轴向设置在涡轮转筒中心的圆柱体66连接。

如图1、图5A、图5B所示，在本实施方式中，旋转支座4包括固定于支撑筒2内壁的轴承支撑座41和设置在轴承支撑座41上的止推轴承42；所述轴承支撑座41由支撑座本体411和由支撑座本体的中心部向上凸设的凸柱412构成；所述凸柱412中心部设有向下轴向贯通轴承支撑座的贯通孔413；止推轴承42套设在所述凸柱412上；所述涡轮转筒6底部支撑在该止推轴承42上，以使涡轮转筒6能够相对支撑筒2旋转。轴承支撑座41螺纹联接于支撑筒2内壁，在轴承支撑座41的下端面，围绕其轴向中心设置有一个六边形凹槽414，以便于旋转轴承支撑座41与支撑筒2内壁进行螺纹联接。

如图1、图5A、图5B所示，在本实施方式中，所述贯通孔413中轴向设置一喷嘴43；所述喷嘴43通过螺纹安装在贯通孔413中；支撑座本体411上邻近其边缘位置周向间隔设有多个通孔415；多个通孔415均为长圆形通孔且呈弧形间隔设置；如图1所示，支撑筒2与涡轮转筒6之间的间隙93与多个通孔415对应导通，当上腔体91或下腔体92内流体低压泄流时，低压流体可以通过多个通孔415向下流至钻头座3。

如图1、图6A、图6B所示，在本实施方式中，所述上接头1上端设有与油管或钻杆(图中未示出)连接的外螺纹，所述上接头1下端外侧螺纹连接一中部短节11；该中部短节11底端内侧向内设有一凸环111，凸环111内壁设有花键槽112；如图2A、图2B所示，所述支撑筒2上部外壁设有与所述花键槽112对应配合连接的花键24，花键24上方的支撑筒2外壁设有一个周向环槽25，周向环槽25内设有一悬挂环12；所述悬挂环12的外缘挂设于所述凸环111的顶面；为了便于装配，本实施方式中，所述悬挂环12是由两个半环对合构成的。

如图1、图7A、图7B、图8A、图8B所示，在本实施方式中，所述支撑筒2上部内壁向内设有一定位环26，一扶正环悬挂筒71由上向下穿过所述定位环26，扶正环悬挂筒71顶端设有一外凸的卡缘711，卡缘711卡设在定位环26顶部；一扶正环72上部与扶正环悬挂筒71的下部外侧螺纹联接，扶正环72的顶部抵靠在定位环26的底部；所述涡轮转筒6的上端外壁与扶正环72下部内壁密封接触。扶正环悬挂筒71的顶面沿其周向设有四个凹槽712(呈十字形分布)，以便于旋转扶正环悬挂筒71与扶正环72进行螺纹联接。

进一步，如图1、图4A、图4B、图4C和图4D所示，在本实施方式中，所述筒状冲锤5包括有冲锤本体51、冲锤端盖52和冲锤密封环53；所述冲锤本体51为上端开口的筒体，冲锤本体51的筒体底面设有能由上向下穿设支撑筒2的第一穿孔511，所述扇形滑槽512设置在冲锤本体51的内壁上；所述冲锤端盖52螺纹连接在冲锤本体51的上端开口，冲锤端盖52上设有能穿过支撑筒2的第二穿孔521；所述冲锤密封环53设置在第二穿孔521与支撑筒2外壁之间，冲锤密封环53通过螺钉固定于第二穿孔上。为了便于装配，在本实施方式中，所述冲锤密封环53也是由两个半环对合构成的。

如图9所示，所述钻头座3为圆筒状，钻头座3上端内部设有与支撑筒2的底端外壁固定连接的内螺纹；钻头座3下端内部设置有锥螺纹，用于连接钻头。

下面结合图10、图11A、图11B、图12A、图12B、图13A、图13B和图14A、图14B、对本发明旋转配流式轴向冲击钻井工具100的使用过程作出相应描述：

其中，图10为表示在本发明旋转配流式轴向冲击钻井工具中两个剖切位置(Ⅰ和Ⅱ)的示意图；Ⅰ剖切位置能够表示上腔体91、上透孔21与涡轮转筒6中第一扇形凸缘61上的第一扇形透孔611之间在周向方向上的位置关系；Ⅱ剖切位置能够表示下腔体92、下透孔22与涡轮转筒6中第二扇形凸缘62上的第二扇形透孔621之间在周向方向上的位置关系；

本发明旋转配流式轴向冲击钻井工具100在运行过程中，其中筒状冲锤5和涡轮转筒6具有四种状态；以涡轮转筒6顺时针转动(由下向上看)为例进行描述(涡轮转筒6的转动方向由其中涡轮叶片65设置的旋向而定)。

如图11A、图11B所示，在第一种状态时，涡轮转筒6顺时针转动，上透孔21被第一扇形凸缘边框柱体612遮挡，同时，下透孔22被第二扇形凸缘边框柱体622遮挡，高压流体不能进入上腔体91和下腔体92，此时,筒状冲锤5不运动。

如图12A、图12B所示，在第二种状态时，涡轮转筒6继续顺时针转动，上透孔21与间隙93连通，使得上腔体91内的低压流体能通过间隙93、多个通孔415排出；同时，下透孔22与第二扇形透孔621连通，使得高压流体能流入下腔体92内，此时筒状冲锤5的下腔体92进入高压流体而上腔体91排出低压流体，推动筒状冲锤5向下运动。

如图13A、图13B所示，在第三种状态时，涡轮转筒6继续顺时针转动，上透孔21再次被第一扇形凸缘边框柱体612遮挡，同时，下透孔22再次被第二扇形凸缘边框柱体622遮挡，高压流体不能进入上腔体91和下腔体92，此时,筒状冲锤5不运动。

如图14A、图14B所示，在第四种状态时，涡轮转筒6继续顺时针转动，上透孔21与第一扇形透孔611连通，使得高压流体能流入上腔体91内，同时，下透孔22与间隙93连通，使得下腔体92内的低压流体能通过间隙93、多个通孔415排出；此时筒状冲锤5的上腔体91进入高压流体而下腔体92排出低压流体，推动筒状冲锤5向上运动。

涡轮转筒6继续顺时针转动，筒状冲锤5和涡轮转筒6又回到第一种状态的位置；这样，本发明旋转配流式轴向冲击钻井工具100完成了一个周期的运动，在一个周期的运动过程中，筒状冲锤5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，筒状冲锤不断往复上下移动对钻头实施轴向冲击。

由上所述，本发明提出的旋转配流式轴向冲击钻井工具，能通过筒状冲锤的轴向往复运动来实现对钻头的轴向冲击，增加钻头吃入岩石内部的深度，同时对钻头切削齿周边的岩石产生破坏，产生更多的微裂纹，使得岩石的抗剪切能力降低，从而提高岩石的破碎效率，提高机械钻速，缩减钻井周期，降低钻井成本。该旋转配流式轴向冲击钻井工具中，筒状冲锤的换向是由涡轮转筒的连续转动来实现的，涡轮转筒连续转动不会出现转速的突变以及由突变产生的振动，由此能提高涡轮转筒的稳定性及其使用寿命，且该旋转配流式轴向冲击钻井工具的换向较为简单，工具的频率可以根据改变涡轮叶片的数量以及形状来实现调节。

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