本发明涉及石油天然气钻探技术领域，具体而言，涉及一种具有旋转破碎装置的钻井工具短节及其使用方法。
背景技术：
目前用于形成井眼的主要破岩工具有牙轮钻头、pdc钻头以及复合钻头等。由于pdc钻头钻进破岩效率较高、相同周期内进尺较多、可靠性及井眼质量较好等优点，目前在石油钻井工程中，pdc钻头被广泛应用于石油天然气钻井作业中。但是尽管如此，由于地层结构、钻井复杂性、岩石受力不平衡性、钻柱偏移等因素，钻井面临着岩屑堆积、井壁掉块塌陷、钻具托压、钻井脱靶等技术难题，特别是岩屑块堆积导致卡钻现象更是成为出现井下事故的重要原因之一。如何有效解决卡钻问题一直以来备受关注，其直接关系钻井效率、钻井技术的提升和发展，而钻井托压也同样无可避免地引起钻柱加不上钻压、钻头无进尺等问题，严重影响钻井效率，提高了钻井成本。
技术实现要素：
为了弥补以上不足，本发明提供了一种具有旋转破碎装置的钻井工具短节及其使用方法，旨在改善目前在石油钻井过程中，岩屑块堆积对石油钻井效率的影响，导致钻井成本提高，钻井效率降低等问题，同时对钻进过程中解决钻柱托压、钻柱偏移等问题也有一定作用。
本发明是这样实现的：本发明提供的一种具有旋转破碎装置的钻井工具短节，包括短节本体、旋转破碎装置、驱动装置和传动导筒。
所述短节本体一端设有公锥螺纹，另一端设有母锥螺纹，在所述短节本体内靠近母锥螺纹处开设有至少一个导向槽，所述短节本体上周向和/或轴向开设有至少一个第一安装孔贯穿至内表面，在靠近所述公锥螺纹处内表面设置有第一密封圈槽，在所述第一密封圈槽上部沿所述母锥螺纹方向上设置有放置台阶用于放置弹簧。
所述旋转破碎装置一端为第一旋转体，所述第一旋转体为牙轮形状，其上布置有锥形齿，所述旋转破碎装置另一端为轴颈，所述轴颈远离所述第一旋转体末端设有齿轮轴，所述旋转破碎装置还配套设有轴套，所述轴套与所述轴颈通过轴承副连接，所述轴套上开设有第一滚珠孔，所述旋转破碎装置通过轴套插接入所述第一安装孔内过盈连接。
所述驱动装置包括转轴筒、螺旋叶片及阻液盘，所述转轴筒一端设置有第一滚珠环槽，所述第一滚珠环槽内径向开设有第二滚珠孔，所述阻液盘设置在所述第一滚珠环槽上部，所述阻液盘上开设有一个放液孔，在所述转轴筒剩余部分设有螺旋叶片，所述螺旋叶片沿所述转轴筒轴向呈螺旋状攀升，所述螺旋叶片与所述转轴筒焊接连接或铆接连接，所述阻液盘与所述转轴筒过盈配合连接或焊接连接。
所述传动导筒设有第一圆周平台及第二圆周平台，所述第二圆周平台上开设有导向块槽、齿条插接孔、过液孔、第二安装孔、第二密封圈槽和第二滚珠环槽，所述导向块槽用于安装导向块，所述导向块另一端与所述导向槽间隙配合并能在所述导向槽内自由滑动，并通过阻止块防止传动导筒安装好后脱落，所述齿条插接孔内插接有齿条，所述齿条与所述齿轮轴啮合，所述第二安装孔用于安装驱动装置的转轴筒，通过第一滚珠环槽与所述第二滚珠环槽的配合用以安装滚珠形成轴承副连接，在流体力驱动下可保证所述驱动装置自由转动，所述第一圆周平台与所述放置台阶用以定位弹簧。
在本发明的一种实施例中，所述钻井工具短节最大周向直径应小于井眼直径。
在本发明的一种实施例中，所述短节本体轴向至少开设有一个流道。
在本发明的一种实施例中，所述短节本体两端均设置母锥螺纹。
在本发明的一种实施例中，所述旋转破碎装置的第一旋转体、轴颈和齿轮轴三者可一体设计或两两一体设计并与另一部件通过螺纹连接或焊接或通过孔轴过盈配合形成一体，或三者均通过螺纹连接或焊接或通过孔轴过盈配合形成一体。
在本发明的一种实施例中，所述第一旋转体形状可以是牙轮形、蘑菇形、圆柱形或圆锥形；所述第一旋转体上可布置有锥形齿、pdc齿或其他钻井常用的各类齿型。
在本发明的一种实施例中，所述驱动装置的螺旋叶片在投影平面内的圆周直径应小于所述传动导筒的孔径。
在本发明的一种实施例中，所述齿条与所述齿轮轴能完全啮合，所述齿条与所述齿轮轴的齿形应同为直齿或斜齿。
在本发明的一种实施例中，钻井工具短节i可以单个或多个组合使用在整个钻柱的任意位置，也可直接与钻头连接用在靠近井底处，其主要用在斜井段和/或水平井端。
本发明实施例另提供一种具有旋转破碎装置的钻井工具短节的使用方法，其利用上述的具有旋转破碎装置的钻井工具短节进行，包括以下步骤：
步骤一：首先，将齿条插接安装在传动导筒第二圆周平台上的齿条插接孔中，并保证齿条安装可靠属过盈装配，再将导向块胀紧安装在导向块槽中，最后将驱动装置置于传动导筒第二圆周平台上的第二安装孔中适当位置，确保第一滚珠环槽和第二滚珠环槽处于相同位置后，然后通过专有工具将构成轴承副的滚珠从第二滚珠孔放入滚珠环槽中，至此传动导筒与驱动装置安装完成；
步骤二：然后将旋转破碎装置安装入第一安装孔中，安装过程中应注意轴套与短节本体上第一安装孔过盈装配，同时注意旋转安装的旋转破碎装置，确保其可以自由转动；
步骤三：将步骤一中组合安装好的传动导筒和驱动装置及步骤二中安装有的旋转破碎装置的短节本体进行装配，具体而言，首先将密封圈等放置在各密封圈槽内，其次将步骤一中的组装件通过导向块定位准确后并在传动导筒第一圆周平台下端套接弹簧后通过导向槽将其安装置于短节本体内，并来回拉动驱动装置调整使齿条与齿轮轴啮合并能传动，以观察到旋转破碎装置自由转动为标准，最后将阻止块胀紧安装在导向槽内即完成钻井工具短节i安装；
步骤四：钻井工具短节i可以单个或多个组合使用在整个钻柱的任意位置，多个组合利用钻柱连接，也可直接与钻头连接，用在靠近井底处，其主要用在斜井段和/或水平井端，在使用中有驱动装置一段应位于整个钻柱的上部，即远离井底的一端，不能颠倒使用。
本发明的有益效果是：
1、旋转破碎装置周期往复性运动，在旋转体上的锥形齿、pdc齿等对岩屑块进行二次往复破碎，有助于减小钻具卡钻风险；
2、阻液盘周期性阻挡过液孔，第二圆周平台两端周期性产生压力差，使钻井液对下部钻具产生周期性冲击力，对下部钻具产生轴向冲击，加之弹簧压缩后对短节的弹簧推力，产生周期性的轴向震动，有助于推动下部钻具脱离粘滞力束缚，减小钻具托压现象；
3、由于设有旋转破碎装置，当多个组合使用本发明的钻井工具短节时，其旋转破碎装置还可以达到对钻柱扶正作用，当与钻头组合使用时还可以达到分散保径作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为图1的剖切特殊表达示图；
图3为图1中隐藏短节本体的装配示意图；
图4为图1中短节本体的全剖示图；
图5为图1中旋转破碎装置的结构示意图；
图6为图2中驱动装置的结构示意图；
图7为图1中传动导筒的结构示意图；
图8为图2中齿条的结构示意图；
图9为实施例2的结构示意图；
图10为实施例2中旋转破碎装置的结构示意图；
图11为实施例3的结构示意图；
图12为实施例4的结构示意图；
图13为实施例5的结构示意图；
图14为实施例5中旋转破碎装置结构示意图；
图15为实施例6中钻井工具短节组合使用示意图；
图16为实施例6中钻井工具短节与pdc钻头组合使用示意图；
图17为实施例6中钻井工具短节在井眼中的使用示意图。
图中：100-短节本体；110-公锥螺纹；120-母锥螺纹；130-导向槽；140-第一安装孔；150-第一密封圈槽；160-放置台阶；170-流道；200-旋转破碎装置；210-第一旋转体；211-锥形齿；220-轴颈；221-齿轮轴；230-轴套；231-第一滚珠孔；240-第二旋转体；241-pdc齿；250-叶轮；300-驱动装置；310-转轴筒；311-第一滚珠环槽；3110-第二滚珠孔；320-螺旋叶片；330-阻液盘；331-放液孔；400-传动导筒；410-第一圆周平台；420-第二圆周平台；421-导向块槽；422-齿条插接孔；423-过液孔；424-第二安装孔；425-第二密封圈槽；426-第二滚珠环槽；500-弹簧；600-齿条；700-阻止块；800-导向块；900-钻头；1000-钻柱；i-钻井工具短节。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种具有旋转破碎装置的钻井工具短节，包括短节本体100、旋转破碎装置200、驱动装置300和传动导筒400。
请参阅图2、图3和图4，短节本体100一端设有公锥螺纹110，另一端设有母锥螺纹120，在短节本体100内靠近母锥螺纹120处开设有至少一个导向槽130，短节本体100上周向和/或轴向开设有至少一个第一安装孔140贯穿至内表面，在靠近公锥螺纹110处内表面设置有第一密封圈槽150，在第一密封圈槽150上部沿母锥螺纹120方向上设置有放置台阶160用于放置弹簧500。需要说明的是，短节本体100最大周向直径应略小于井眼直径，保证短节本体100能够顺利进入到井眼内，具体地，短节本体100上可布置有锥形齿211、pdc齿241或其他钻井常用的各类齿型。
请参阅图5，旋转破碎装置200一端为第一旋转体210，第一旋转体210形状可以是牙轮形、蘑菇形、圆柱形或圆锥形；第一旋转体210上可布置有锥形齿211、pdc齿241或其他钻井常用的各类齿型，旋转破碎装置200另一端为轴颈220，轴颈220远离第一旋转体210末端设有齿轮轴221，旋转破碎装置200还配套设有轴套230，轴套230与轴颈220通过轴承副连接，轴套230上开设有第一滚珠孔231，方便把钢珠通过第一滚珠孔231放入到轴套230内部，旋转破碎装置200通过轴套230插接入第一安装孔140内过盈连接。在具体设置时，旋转破碎装置200的第一旋转体210、轴颈220和齿轮轴221三者可一体设计或两两一体设计并与另一部件通过螺纹连接或焊接或通过孔轴过盈配合形成一体，或三者均通过螺纹连接或焊接或通过孔轴过盈配合形成一体。
请参阅图6，驱动装置300包括转轴筒310、螺旋叶片320及阻液盘330，转轴筒310一端设置有第一滚珠环槽311，第一滚珠环槽311内径向开设有第二滚珠孔3110，方便把钢珠通过第二滚珠孔3110放入到第一滚珠环槽311和第二滚珠环槽426内，阻液盘330设置在第一滚珠环槽311上部，阻液盘330上开设有一个放液孔331，在转轴筒310剩余部分设有螺旋叶片320，螺旋叶片320沿转轴筒310轴向呈螺旋状攀升，螺旋叶片320与转轴筒310焊接连接或铆接连接，阻液盘330与转轴筒310过盈配合连接或焊接连接。
请参阅图7和图8，传动导筒400设有第一圆周平台410及第二圆周平台420，第二圆周平台420上开设有导向块槽421、齿条插接孔422、过液孔423、第二安装孔424、第二密封圈槽425和第二滚珠环槽426，导向块槽421用于安装导向块800，导向块800另一端与导向槽130间隙配合并能在导向槽130内自由滑动，并通过阻止块700防止传动导筒400安装好后脱落，齿条插接孔422内插接有齿条600，齿条600与齿轮轴221能完全啮合，齿条600与齿轮轴221的齿形应同为直齿或斜齿。第二安装孔424用于安装驱动装置300的转轴筒310，通过第一滚珠环槽311与第二滚珠环槽426的配合用以安装滚珠形成轴承副连接，在流体力驱动下可保证驱动装置300自由转动，第一圆周平台410与放置台阶160用以定位弹簧500。需要说明的是，驱动装置300的螺旋叶片320在投影平面内的圆周直径应略小于传动导筒400的孔径。
实施例2
请参阅图9和图10，本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：轴颈220上固定有第二旋转体240，第二旋转体240为圆柱形，第二旋转体240上均匀的设置有pdc齿241。
实施例3
请参阅请参阅请参阅图11，本实施例与实施例1、2基本相同，不同之处在于：短节本体100的轴向至少开设有一个流道170。
实施例4
请参阅图12，本示例与前述实施例基本相同，不同之处在于：短节本体100两端均设置母锥螺纹120。
实施例5
请参阅图13和图14，本示例与前述实施例基本相同，不同之处在于：轴颈220远离第一旋转体210的一端固定有叶轮250。
实施例6
请参阅图15-图17，本示例与前述实施例基本相同，不同之处在于：钻井工具短节i可以单个或多个组合使用在整个钻柱1000的任意位置，多个组合使用利用钻柱1000连接，也可直接与钻头900连接用在靠近井底处，其主要用在斜井段和/或水平井端。
前述本发明实施例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合，在此不再一一列举。
本发明实施例另提供一种具有旋转破碎装置的钻井工具短节的使用方法，其利用上述的一种具有旋转破碎装置的钻井工具短节进行，包括以下步骤：
步骤一：首先，将齿条600插接安装在传动导筒400第二圆周平台420上的齿条插接孔422中，并保证齿条600安装可靠属过盈装配，再将导向块800胀紧安装在导向块槽421中，最后将驱动装置300置于传动导筒400第二圆周平台420上的第二安装孔424中适当位置，确保第一滚珠环槽311和第二滚珠环槽426处于相同位置后，然后通过专有工具将构成轴承副的滚珠从第二滚珠孔3110放入滚珠环槽中，至此传动导筒400与驱动装置300安装完成；
步骤二：然后将旋转破碎装置200安装入第一安装孔140中，安装过程中应注意轴套230与短节本体100上第一安装孔140过盈装配，同时注意旋转安装的旋转破碎装置200，确保其可以自由转动；
步骤三：将步骤一中组合安装好的传动导筒400和驱动装置300及步骤二中安装有的旋转破碎装置200的短节本体100进行装配，具体而言，首先将密封圈等放置在各密封圈槽内，其次将步骤一中的组装件通过导向块800定位准确后并在传动导筒400第一圆周平台410下端套接弹簧500后通过导向槽130将其安装置于短节本体100内，并来回拉动驱动装置300调整使齿条600与齿轮轴221啮合并能传动，以观察到旋转破碎装置200自由转动为标准，最后将阻止块700胀紧安装在导向槽130内即完成钻井工具短节i安装。
步骤四：钻井工具短节i可以单个或多个组合使用在整个钻柱1000的任意位置，多个组合利用钻柱1000连接，也可直接与钻头900连接，用在靠近井底处，其主要用在斜井段和/或水平井端，在使用中有驱动装置300一段应位于整个钻柱1000的上部，即远离井底的一端，不能颠倒使用。
该具有旋转破碎装置的钻井工具短节的工作原理：由于转轴筒310与第二圆周平台420通过轴承副连接，驱动装置300在钻井液的冲击螺旋叶片320作用下转动，阻液盘330随之转动，当阻液盘330上的放液孔331与第二圆周平台420上的过液孔423不相通时，钻井液不能顺利通过，导致第二圆周平台420两端产生压力差，在压力差作用下推动传动导筒400向井低方向传动；
在压力差的作用力下安装在传动导筒400上的齿条600随之向下运动，由于齿条600与齿轮轴221啮合，加之导向块800与导向槽130作用限制传动导筒400周向转动，齿条600从而带动旋转破碎装置200作旋转运动；
当阻液盘330与过液孔423相通时，第二圆周平台420两端压力差消失，安装在第一圆周平台410与放置台阶160之间的弹簧500复位推动传动导筒400向地面方向传动，齿条600随之向上运动从而带动旋转破碎装置200作反方向的旋转运动。在放液孔331与过液孔423周期性的重合错位过程中，旋转破碎装置200产生周期性的正反方向旋转运动，旋转破碎装置200的周期性转动对岩屑块进行连续反复破碎，同时由于阻液盘330周期性阻挡钻井液，使钻井液对下部钻具产生周期性冲击力，同时弹簧500对短节施加弹簧推力，使钻柱产生轴向震动，有助于减小钻柱托压现象。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。