一种超燃式单作用冲击回转钻具及冲击回转方法与流程

本发明涉及一种孔底冲击回转碎岩钻具，特别涉及一种冲击回转方法。

背景技术：

钻探工程中经常会碰到致密坚硬的岩石，这种岩石在一般的回转研磨作用下难以形成体积破碎，使得钻进效率较低，并且钻头容易在孔底打滑。常用于这种工况下的钻具多为冲击碎岩钻具，例如，气动潜孔锤、液动潜孔锤等，它们均是依靠气体或液体高压的释放来对孔底岩石产生冲击作用。中国专利cn104481395a气动冲击方法或者cn202937185u、cn107605396a等液动冲击器均是采用液体或气体的高压作为冲击能量，但是这种冲击能量释放的过程需要短暂的时间积累，使得对岩石的冲击作用时间长；另一方面，单纯的对冲击作用仅能对孔底岩石产生破碎穴，因此相邻破碎穴之间的岩石不能完全破除，也即达不到对岩石的剪切破碎效果。针对致密坚硬岩石，瞬间的冲击能量释放与回转剪切破碎耦合能有利于破碎岩石，因此如何降低冲击能量的释放时长对岩石的破碎效果具有较大的影响。

技术实现要素：

本发明提供一种超燃式单作用冲击回转钻具及冲击回转方法，该钻具能够耦合高能瞬间冲击与回转作用，大幅降低冲击能量的释放时长，进而对孔底岩石产生高能冲击及剪切作用，该钻具可提高对致密坚硬岩石的碎岩效率。

本发明利用燃料的压燃爆炸产生的瞬间高能冲击作用，相对于气动或液动冲击器能够大幅降低冲击能量的释放时长与冲击钻头对岩石的作用时长；借此作用并依靠螺纹驱动冲击钻头回转，进而对孔底岩石施加剪切破碎作用，这种高能瞬间冲击与回转相耦合能够对大幅提高对孔底岩石的破碎效果。

一种超燃式单作用冲击回转钻具，包括有壳体、控制活塞、活塞弹簧、混合室、控制弹簧、限位块、活塞、上腔和冲击钻头；

所述混合室位于壳体内，混合室在上腔上部，进油口与进气口通入混合室内，燃料和空气可通过进油口与进气口进入混合室内混合，空气和燃料的进气压力可保持混合室内的压力处于设定水平。

所述控制活塞上部位于混合室内，下部位于上腔内，控制弹簧安装在控制活塞下端，在上腔内压力较低时，控制弹簧的弹力可将控制活塞保持处于下限位置并坐落在限位块上。

所述控制活塞中部开有活动通道，限位块下方的壳体内对称开有4-6个通气口，当控制活塞在控制弹簧弹力作用下处于下限位置时，活动通道可将通气口联通，进而将混合室内的混合气体通入上腔内。

所述活塞下端固定安装有活塞弹簧，当活塞向下运动至极限位置时可依靠活塞弹簧将其向上运动复位。

所述壳体在活塞弹簧四周开有4-6个排气道，排气道用于将上腔内压燃爆炸产生的气体排至孔底以吹扫孔岩屑。

所述活塞的活塞杆与壳体以螺纹配合，可实现活塞上下回转运动。

一种超燃式单作用冲击回转钻具的冲击回转方法：

是先将超燃式单作用冲击回转钻具下放至孔底，由地面附属设备通过进气口和进油口向混合室注入一定比例的空气和燃料，空气和燃料在混合室混合并保持一定压力。混合室内的混合气体通过通气口与活动通道进入上腔。通过钻具整体钻机对超燃式单作用冲击回转钻具施压，活塞将相对于钻具向上运动并压缩上腔内的混合气体，当上腔内的压力超过控制弹簧的弹力与混合室内压力和时，控制活塞向上运动，活动通道与通气口逐渐切断；上腔内混合气体达到压燃压力时发生爆炸，上腔内的压力瞬间达到最大并推动活塞向下回转运动以冲击剪切孔底岩石，活塞向下运动逐渐将排气道暴露在上腔内，爆炸产生的气体通过排气道排至孔底并携带岩屑沿地层与钻具的环状间隙上返至地表。随着爆炸气体的排放，上腔内的压力逐渐降低，当上腔内的压力低于控制弹簧弹力与混合室内压力和时，控制弹簧推动控制活塞下行以将活动通道与通气口联通，此时混合室内的气体进入上腔内；同时，活塞处于下限位置并在活塞弹簧作用下向上运动复位并压缩上腔内进入的混合气体。如此循环往复以实现对冲击钻头对孔底的冲击回转作用。

附图说明

图1为超燃式单作用冲击回转钻具的活塞上限位置示意图。

图2为超燃式单作用冲击回转钻具活塞下限位置示意图。

图中：1-地层、2-壳体、3-控制活塞、4-限位块、5-活塞、6-活塞弹簧、7-排气道、8-冲击钻头、9-进油口、10-进气口、11-混合室、12-活动通道、13-通气口、14-控制弹簧、15-上腔、16-活塞杆。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示，一种超燃式单作用冲击回转钻具，包括有壳体2、控制活塞3、活塞弹簧6、混合室11、控制弹簧14、限位块4、活塞5、上腔15和冲击钻头8；

所述混合室11位于壳体2内，混合室11在上腔15上部，进油口9与进气口10通入混合室内，燃料和空气可通过进油口9与进气口10进入混合室11内混合，空气和燃料的进气压力可保持混合室11内的压力处于设定水平。

控制活塞3上部位于混合室11内，下部位于上腔15内，控制弹簧14安装在控制活塞3下端，在上腔15内压力较低时，控制弹簧14的弹力可将控制活塞3保持处于下限位置并坐落在限位块4上。

控制活塞3中部开有活动通道12，限位块4下方的壳体2内对称开有4～6个通气口13，当控制活塞3在控制弹簧14弹力作用下处于下限位置时，活动通道12可将通气口13联通，进而将混合室11内的混合气体通入上腔15内。

所述壳体2在活塞弹簧6四周开有4～6个排气道7，排气道7用于将上腔15内压燃爆炸产生的气体排至孔底以吹扫孔岩屑。

所述活塞5的活塞杆16与壳体2以螺纹配合，可实现活塞5上下回转运动。

一种超燃式单作用冲击回转钻具的冲击回转方法：

是先将超燃式单作用冲击回转钻具下放至致密坚硬地层孔底，由地面附属空压机及油泵通过进气口10和进油口9向混合室11注入比例为2:1的空气和燃料，空气和燃料在混合室11混合并保持压力为0.2mpa。混合室11内的混合气体通过通气口13与活动通道12进入上腔15。通过钻具整体对超燃式单作用冲击回转钻具施压，活塞5将相对于钻具向上运动并压缩上腔15内的混合气体，当上腔15内的压力超过控制弹簧14的弹力与混合室11内压力和时，控制活塞3向上运动，活动通道12与通气口13逐渐切断；上腔15内混合气体达到压燃压力时发生爆炸，上腔15内的压力瞬间达到最大并推动活塞5向下回转运动以冲击剪切孔底岩石，活塞5向下运动逐渐将排气道7暴露在上腔15内，爆炸产生的气体通过排气道7排至孔底并携带岩屑沿地层与钻具的环状间隙上返至地表。随着爆炸气体的排放，上腔15内的压力逐渐降低，当上腔15内的压力低于控制弹簧14弹力与混合室11内压力和时，控制弹簧14推动控制活塞3下行以将活动通道12与通气口13联通，此时混合室11内的气体进入上腔15内；同时，活塞5处于下限位置并在活塞弹簧6作用下向上运动复位并压缩上腔15内进入的混合气体。如此循环往复以实现对冲击钻头对孔底的冲击回转作用。

技术特征：

技术总结
一种超燃式单作用冲击回转钻具及冲击回转方法，该钻具包括壳体、控制活塞、活塞弹簧、混合室、控制弹簧、活塞、上腔和冲击钻头，控制活塞横跨混合室与上腔，控制活塞上的活动通道可与壳体上的通气口联通以将混合室内的混合气体通入上腔，控制活塞与活塞下端分别固定安装有控制弹簧与活塞弹簧，活塞的活塞杆与壳体通过螺纹配合；该方法主要是由混合室通向上腔内的燃料与空气混合气体在压力下发生爆炸，在爆炸产生的瞬间冲击作用下，活塞带动冲击钻头进行冲击回转碎岩。通过上腔与控制弹簧弹力和混合室内压力的差异控制上腔内燃料的供给通断。爆炸产生的气体能够携带岩屑上返至地面完成排屑工作。

技术研发人员：孙友宏;刘召;李强;郭威
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2019.02.02
技术公布日：2019.05.03