一种钻井用旋钮冲击钻头的制作方法

本实用新型涉及石油天然气钻井设备及其相关零部件技术领域，尤其是涉及一种钻井用旋钮冲击钻头。

背景技术：

随着油气勘探开发的不断发展，油气田中深井、超深井的比例占整个油气井的比例不断增加。由于深井的地层岩石强度大、研磨性高、可钻性差，所以会使钻具出现跳动严重的情况，并最终导致钻速迟缓、钻井周期延长以及钻井成本增加。一旦钻头破岩能力不足，那么吃入岩石的钻头瞬间停止转动，钻柱则持续旋转直至钻头处积蓄的能量达到剪切破碎地层的临界值，此时钻头瞬间高速转动并释放钻柱能量，随后整个钻柱进入“卡-滑”循环。“卡-滑”现象的出现，直接引起无规律的震动，在PDC(Polycrystalline Diamond Compact bit)钻头齿上施加比平时高很多的冲击载荷，导致钻头过早失效，也会缩短BHA(Bottom Hole Assembly)的使用寿命，并会影响井身质量造成负面影响。

由此可见，如何研究出一种钻井用旋钮冲击钻头，具有产生高频低幅扭转冲击力的功能，以达到提升旋钮冲击钻头破岩效率的目的，从而显著降低钻头“卡-滑”现象的发生概率，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种钻井用旋钮冲击钻头。

本实用新型一种钻井用旋钮冲击钻头，包括钻头基体，所述钻头基体上端键接钻头接头，所述钻头基体与所述钻头接头中央为空腔结构，所述空腔结构侧壁开设有安装槽，所述安装槽内插接冲击撞锤座，所述冲击撞锤座的中心通孔内插接冲击撞锤，所述冲击撞锤的中心通孔内插接转向分流器，所述冲击撞锤座的上端面和下端面分别可拆卸连接上旋转导流盖和下旋转压盖，所述上旋转导流盖中心开设有分流孔。

所述冲击撞锤座外侧周向对称设有偶数道圆弧形凹槽，所述凹槽侧壁上开设有径向进液孔，与每个所述凹槽位置相对的所述冲击撞锤座内侧设有弧形凸起，所述进液孔贯穿所述凸起，相邻所述凸起之间构成滑槽和泄流孔，所述冲击撞锤外侧周向设有圆弧状侧耳，所述侧耳与所述滑槽周向滑动连接，所述冲击撞锤侧壁开设有径向通孔，所述冲击撞锤内侧设有凸棱，所述凸棱与所述转向分流器外侧的连接槽周向滑动连接，所述转向分流器外侧周向设有多道弧形泄流孔，所述转向分流器侧壁设有径向进液孔。

钻井液通过所述分流孔、进液孔和泄流孔实现周期性输入输出，钻井液周期性输入输出所转化的动力驱动所述转向分流器和所述冲击撞锤完成高频低幅的周期性周向扭转动作。

进一步地，所述冲击撞锤座外侧周向对称设有四道所述凹槽，四道所述凹槽上的进液孔分别为第一进液孔、第二进液孔、第三进液孔和第四进液孔，与所述第一进液孔、第二进液孔、第三进液孔和第四进液孔对应的泄流孔为所述冲击撞锤座中的第一泄流孔和第二泄流孔；所述转向分流器中的进液孔为贯穿所述转向分流器本身主进液孔，与所述主进液孔对应的泄流孔为所述转向分流器外侧的第三泄流孔、第四泄流孔、第五泄流孔和第六泄流孔。

进一步地，所述冲击撞锤中的侧耳数量为两个，所述凸棱的数量为两道，两个所述侧耳所处直线与两道所述凸棱所处直线相互垂直。

进一步地，所述转向分流器中心开设有轴向通孔。

进一步地，所述转向分流器底部与所述下旋转压盖之间安装有滚珠轴承。

进一步地，所述下旋转压盖与钻头基体内部通过丝扣固定连接。

进一步地，所述安装槽为八方安装槽，所述冲击撞锤座底部外端设有八方形安装座，所述八方形安装座与所述八方形安装槽插接固定。

进一步地，所述钻头接头和所述钻头基体之间的连接键为防转花键。

进一步地，所述钻头基体的下端钻头处设有水眼。

进一步地，所述冲击撞锤座的上端面和下端面通过螺栓固定连接所述上旋转导流盖和下旋转压盖。

本实用新型一种钻井用旋钮冲击钻头，与现有技术相比具有以下优点：

首先，该钻井用旋钮冲击钻头中由依次套接的所述冲击撞锤座、冲击撞锤、转向分流器以及螺栓连接固定的上旋转导流盖、下旋转压盖构成的扭力冲击总成，并通过合理设计所述分流孔、进液孔和泄流孔的位置结构使扭力冲击总成成为一个可周期性进排水的机构，从而使该扭力冲击总成能够巧妙的将部分钻井液的流体能量转换成高频、低幅的周向扭转冲击动力，该设计赋予扭力冲击总成绿色节能的优点；且该动力可直接作用在所述钻头基体上，使在钻井过程中BHA提供的持续扭力与旋钮冲击钻头产生的高频、低幅扭转冲击力相结合，以达到显著提高破岩效率的目的。

其次，该旋钮冲击钻头各零部件之间连接关系简单且能够满足应用强度和位置限定的需求，如所述冲击撞锤座、冲击撞锤以及转向分流器等通过在外形的特殊结构设计使其采用简单的依次插接方式便能够实现合理限定相互之间安装位置以及相互之间滑动行程的目的。可见，所述旋钮冲击钻头整体结构设计即简单又合理，易于生产制造，且制造成本低，因此该设计具有极强的可推广性。

再者，由于该旋钮冲击钻头各零部件之间的连接关系均能够满足扭力冲击总成所需的机械强度，所以能够保证所述旋钮冲击钻头具有更长的使用寿命。因为上述各零部件之间的连接方式十分简单，所以能够赋予旋钮冲击钻头便于组装与拆卸维修的优点，提高检修效率，为实际应用提供极高的便利性。

最后，所述扭力冲击总成通过合理设计所述泄流孔与进液孔的数量，并优化进排水路线，使扭力冲击总成在每个周向旋转周期中所产生的高频、低幅的扭转冲击力的大小分布更加均匀，从而使所述旋钮冲击钻头的运行也更加平稳，有利于延长其使用寿命，同时还能够提升该旋钮钻头的钻井质量，避免钻头发生“卡-滑”现象。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1横剖面A-A得到的扭力冲击总成启动状态示意图；

图3为图2中转向分流器顺时针旋转示意图；

图4为图3中冲击撞锤逆时针旋转示意图；

图5为图4中转向分流器逆时针旋转示意图；

图6为本实用新型中冲击撞锤座的结构示意图；

图7为本实用新型中冲击撞锤的结构示意图；

图8为本实用新型中转向分流器的结构示意图。

图中：1、钻头基体，2、钻头接头，3、冲击撞锤座，4、冲击撞锤， 5、转向分流器，6、下旋转压盖，7、上旋转导流盖，8、分流孔，9、滚珠轴承，10、水眼，11、防转花键，301、第一进液孔，302、第二进液孔，303、第三进液孔，304、第四进液孔，305、第一泄流孔，306、第二泄流孔，501、主进液孔，502、第三泄流孔，503、第四泄流孔，504、第五泄流孔，505、第六泄流孔。

具体实施方式

为了更好的理解本实用新型，下面结合具体实施例和附图对本实用新型进行进一步的描述。

如图1所示，一种钻井用旋钮冲击钻头，它由钻头基体1、钻头接头2、冲击撞锤座3、冲击撞锤4、转向分流器5、下旋转压盖6、上旋转导流盖7、分流孔8、滚珠轴承9、水眼10、防转花键11组成。由转向分流器5安装在冲击撞锤4的中心通孔内，冲击撞锤4安装在冲击撞锤座3的中心通孔内，上旋转导流盖7和下旋转压盖6分别用螺栓紧固在冲击撞锤座3上下两端，组成扭力冲击总成。所述水眼10的设计是为了在钻井过程中及时将钻头上裹挟的泥沙冲洗干净，以保证钻头的锋利性。

转向分流器5底部与下旋转压盖6之间安装有滚珠轴承9，使所述转向分流器5与所述下旋转压盖6之间实现滚动连接，减小两者之间的摩擦阻力，降低磨损程度。钻头基体1与钻头接头2连接后中空部分即所述空腔结构形成扭力冲击总成安装仓，扭力冲击总成下端与钻头基体1内部用简单的丝扣相连即可达到良好的固定效果，该设计便能够顺利将扭力冲击总成产生的高频、低幅的周向扭转冲击动力施加于所述钻头基体1上。

钻头基体1与钻头接头2之间配合有防转花键11，以保证在钻井过程中，钻头基体1与钻头接头2保持相对静止的状态，为外界动力更有效的施加于钻头基体1上提供便利。

由转向分流器5安装在冲击撞锤4的中心通孔内，冲击撞锤4安装在冲击撞锤座3的中心通孔内，上旋转导流盖7和下旋转压盖6分别用螺栓紧固在冲击撞锤座3上下两端，组成扭力冲击总成。其中，分流孔8和出液孔分别位于所述扭力冲击总成的上端和下端。

所述扭力冲击总成安装在螺杆马达传动轴壳体1内。钻头基体1安装在螺杆马达传动轴壳体1下端，螺杆马达传动轴壳体1底端有花键，与钻头基体1外侧的花键相配合。接触面上端有钢珠式旋转防掉9下端有密封圈10。冲击撞锤座3底部外端加工成八方形凸起，与钻头基体1上部内端内八方形安装槽相配合，从而能够为钻头基体1提供持续的扭转冲击。

如图6所示，所述扭力冲击总成的外侧设有四道对称的圆弧形凹槽和对称的通孔以组成换向进液孔。所述换向进液孔包括：第一进液孔301、第二进液孔302、第三进液孔303和第四进液孔304。钻井液通过分流孔8进入到所述进液孔，从而驱动转向分流器5实现高频、低幅的周向运动。

其中，第一进液孔301、第二进液孔302、第三进液孔303和第四进液孔403，与所述第一进液孔301、第二进液孔302、第三进液孔303和第四进液孔403对应的泄流孔为所述冲击撞锤座3中的第一泄流孔305和第二泄流孔306。所述转向分流器5中的进液孔为贯穿所述转向分流器5本身主进液孔501，与所述主进液孔501对应的泄流孔为所述转向分流器5外侧的第三泄流孔502、第四泄流孔503、第五泄流孔504和第六泄流孔505。

所述冲击撞锤4中的侧耳数量为两个，所述凸棱的数量为两道，两个所述侧耳所处直线与两道所述凸棱所处直线相互垂直，该结构设计配合进液孔、泄流孔的数量和位置分布使得扭力冲击总成在每个周向旋转周期中所产生的高频、低幅的扭转冲击力的大小分布更加均匀。

本实用新型高频、低幅周向运转的工作原理如下所述：

如图2所示钻井液通过分流孔8进入到第一进液孔301、第三进液孔 303，从而推动转向分流器5顺时针转动。转向分流器5与冲击撞锤4之间配合形成的液腔内液体从第一泄流孔305、第二泄流孔306排出。此时如图 3所示钻井液将从主液孔501进入，推动冲击撞锤4逆时针旋转。冲击撞锤 4与冲击撞锤座3之间配合形成的液腔内液体从第三泄流孔502、第五泄流孔504排出。此时如图4所示钻井液进入第二进液孔302、第四进液孔304，推动转向分流器5逆时针转动。转向分流器5与冲击撞锤4之间配合形成的液腔内液体从第一泄流孔305、第二泄流孔306排出。此时如图5所示钻井液将从主液孔501进入，推动冲击撞锤4顺时针旋转。冲击撞锤4与冲击撞锤座3之间配合形成的液腔内液体从第四泄流孔503、第六泄流孔505排出。此时状态恢复到如图2所示状态。

综上所述，该钻井用旋钮冲击钻头能够代替传统的PDC钻头并在提供稳定破岩动力的同时辅助施加高频、低幅周向扭转冲击，在原破岩动力和新高频、低幅周向扭转冲击动力的协同作用下可大幅提高机械钻速。本设计结构合理、性能稳定，在钻头遇硬质地层时可有效减少钻头“卡-滑”现象，并延长钻头寿命，降低钻井成本。

以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。