一种扭向冲击钻井工具及钻井设备的制作方法

本发明涉及深层油气钻井设备，特别是一种扭向冲击钻井工具及钻井设备。

背景技术：

1、现有的深层油气资源钻井面临的突出技术难点是“埋藏深、地层研磨性差、可钻性差、机械钻速低”，深部硬地层的快速钻进是制约深层油气资源钻井技术发展的技术关键。在正常的钻井条件下，钻头能够连续地破碎剪切地层。然而，当钻头在深部硬地层钻进时，由于埋藏深度深，深部地层岩石的硬度和塑性均显著增加，岩石可钻性变差，通常没有足够的扭矩来破碎地层岩石，从而使钻头瞬间停止转动。此时，扭转能量在钻柱内开始聚集储存，钻柱发生扭曲(像发条一样扭紧)，当钻柱内的扭矩能量足够破碎岩石时，钻柱内积聚的扭矩能量快速释放，钻头将超高速旋转剪切破碎岩石。这种现象就是钻头在硬地层钻进时出现的粘滑现象。由于粘滑现象的存在，使得钻头不能够连续剪切破碎地层，严重降低了油气钻井的机械钻速。室内实验和现场实践均表明，粘滑现象是造成深部硬地层钻井效率低下的最重要因素。此外，钻头钻深部硬地层时存在的粘滑现象还会引起钻柱扭转震荡，直接损坏钻头的切削齿，大幅度降低钻头及下部钻具组合的使用寿命。钻头钻深部硬地层时存在的粘滑现象已经成为制约深层油气资源勘探与开发的瓶颈技术难题之一。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：解决现有的钻头容易出现粘滑现象，从而导致钻井效率低、钻头使用寿命下降的的问题，提供了一种扭向冲击钻井工具及钻井设备。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种扭向冲击钻井工具，包含下接头、冲击筒、冲击锤、配流系统和一级高压腔室；

4、所述冲击筒的一端与下接头连接；沿所述冲击筒的周向间隔设置有二级高压腔室；所述二级高压腔室均与所述一级高压腔室连通；

5、所述冲击锤转动连接于所述冲击筒内壁；所述冲击锤的外壁设置有第一限位块；所述冲击筒的对应位置处设置有第一限位槽；所述第一限位槽沿所述冲击筒周向的长度大于所述第一限位块在对应方向的长度；所述配流系统转动连接于所述冲击锤内壁；所述配流系统外壁设置有第二限位槽；所述冲击锤的对应位置处设置有第二限位块；所述第二限位槽沿所述冲击筒周向的长度大于所述第二限位块在对应方向的长度；

6、所述配流系统上还设置有第一流道；所述配流系统相对所述冲击锤转动能使所述第一限位槽沿所述冲击筒周向的两侧交替通过对应的所述第一流道和所述一级高压腔室连通；所述冲击锤在所述第二限位块沿所述冲击锤周向的两侧还设置有第二流道；所述冲击锤相对所述配流系统转动能使所述第二限位槽沿所述冲击筒周向的两侧交替通过对应的所述第二流道和所述二级高压腔室连通；

7、当所述冲击锤沿所述冲击筒周向的一侧转动至极限位置时，所述第二流道的位置随所述冲击锤改变从而改变所述第二限位槽与所述二级高压腔室连通的位置，进而由所述二级高压腔室驱动所述配流系统沿所述冲击筒周向的同一侧转动至极限位置；当所述配流系统沿所述冲击筒周向的一侧转动至极限位置时，所述第一流道的位置随所述配流系统改变从而改变所述第一限位槽与所述一级高压腔室连通的位置，进而由所述一级高压腔室驱动所述冲击锤沿所述冲击筒周向的另一侧转动至极限位置。

8、冲击筒与下接头可采用各种可以传递扭矩的连接方式，如螺栓连接或键连接。

9、二级高压腔室和一级高压腔室可以采用各种方式实现，如设置独立的高压容器或通过在对应结构上设置凹槽或腔室而成；二级高压腔室和一级高压腔室的连通结构可以是多种形式，如软管或节流喷嘴，只要能在配流系统和冲击筒的各种不同相对位置下保持和一级高压腔室和二级高压腔室的连通即可。

10、第一限位块和第一限位槽，以及第二限位块和第二限位槽可以是各种形状，只要当高压流体进入第一限位槽或第二限位槽的一侧时，高压流体能够推动第一限位块和第二限位块朝另一侧移动，进而推动冲击锤和配流系统转动即可。

11、第一限位槽的两侧能根据配流系统相对冲击锤的位置不同而交替与第一高压腔室连通，可通过如使第一限位块沿冲击筒周向的角度和配流系统的可转动角度匹配，从而使第一流道能跟随配流系统的转动分别转动至第一限位块的两侧。

12、第二限位槽的两侧能根据配流系统相对冲击锤的位置不同而交替与第二高压腔室连通，可通过如使第二高压腔室的分布间距、第二流道的分布间距以及冲击锤的可转动角度匹配实现，从而第二流道能随着冲击锤的转动分别与位于第二限位槽两侧的高压腔室连通。

13、使用时，通过如向一级高压腔室内灌注液压油或泥浆的方式保持一级高压腔室内的压力，则本方案的扭向冲击钻井工具能够自行产生沿冲击筒周向的高频往复冲击；具体地，当第一限位槽的其中一侧通过第一流道和一级高压腔室连通，则一级高压腔室的压力会驱动位于第一限位槽中的第一限位块朝第一限位槽的另一侧移动，进而驱动冲击锤旋转直至第一限位块撞击第一限位槽对应的侧壁并形成第一冲击；而当冲击锤转动至极限位置，位于冲击锤上的第二流道的位置会随之发生改变，从而使第二限位槽与二级高压腔室连通的位置改变，因此二级高压腔室的压力会驱动配流系统朝与第一限位块旋转方向相同的方向旋转，直至第二限位槽和第二限位块发生撞击从而形成第二冲击；

14、而当配流系统转动至极限位置时，位于配流系统上的第一流道的位置会随之发生变化，从而使第一限位槽与一级高压腔室连通的位置改变，因此一级高压腔室的压力会驱动第一限位块反向移动，进而驱动冲击锤反向旋转直至第一限位块撞击第一限位槽对应的侧壁并形成第一反向冲击；而当冲击锤转动至反向的极限位置，位于冲击锤上的第二流道的位置会随之发生改变，从而使第二限位槽与二级高压腔室连通的位置改变，因此二级高压腔室的压力会驱动配流系统也反向旋转，直至第二限位槽和第二限位块发生撞击从而形成第二反向冲击；而配流系统转动至反向的极限位置时，位于配流系统上的第一流道的位置会随之发生变化，从而再次改变第一限位槽两侧的压力梯度，进而再次驱动冲击锤转动；因此只要保持一级高压腔室内具有足够驱动冲击锤和配流系统转动的压力，则本方案的扭向冲击钻井工具内的冲击锤和配流系统会不断循环往复旋转，进而不断给冲击筒施加往复冲击并传递到下接头；将钻头接上下接头时，则能通过下接头为钻头施加高频扭力。

15、综上，本方案的扭向冲击钻井工具能将一级高压腔室和二级高压腔室内的流体能量转换成扭向的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量并通过下接头传递给钻头，从而通过高频扭力改善钻头的运动状态，使得钻头可以连续旋转剪切岩石，而不需等待钻柱积蓄足够的扭力能量，提高了钻头的破岩效率，从根本上消除了钻头钻深部硬地层时出现的粘滑现象，能够显著提高深部硬地层钻井的机械钻速，延长钻头和下部钻具组合的使用寿命。

16、同时本方案的扭向冲击钻井工具是一种纯机械动力钻井提速工具，内部无需任何电子元器件和控制系统，结构简单、成本低廉、工作可靠。

17、作为本发明的优选方案，所述配流系统沿所述冲击筒长度方向的一端设置有配流盘；所述第一流道为设置于所述配流盘上的条形槽；所述条形槽的长度沿所述冲击筒周向设置。

18、条形槽可以是各种形状，如长圆形或扇形，只要能在本方案冲击锤和冲击筒的两个极限位置下分别使第一限位槽的两端与一级高压腔室连通即可。

19、本方案即对于第一限位槽，高压流体先输送至配流盘，再通过配流盘上作为第一流道的条形槽进入第一限位槽的其中一侧，是一种端面配流结构，相比于现有的节流喷嘴配流结构，本方案的结构简单、成本低廉且工作可靠。

20、作为本发明的优选方案，所述配流盘上还设置有第二条形槽；所述第二条形槽的长度沿所述冲击筒周向设置；所述第二条形槽用于保持所述二级高压腔室和所述一级高压腔室的连通。

21、第二条形槽可以是各种形状，如长圆形或扇形，只要能在本方案配流系统和冲击筒的各种不同相对位置下保持和一级高压腔室和二级高压腔室的连通即可。

22、本方案即对于第二限位槽，高压流体先输送至配流盘，再通过配流盘上的第二条形槽进入第二限位槽的其中一侧，是一种端面配流结构，相比于现有的节流喷嘴配流结构，本方案的结构简单、成本低廉且工作可靠。

23、作为本发明的优选方案，所述第一限位块和所述第二限位块沿所述冲击筒的周向错开。

24、本方案推荐第一限位块和第二限位块沿所述冲击筒的周向错开，进而能够使于第二限位块对应的第二流道和二级高压腔室与第一限位块错开，从而能够简流道和冲击筒的外形和结构，减少本方案的设计和加工难度。

25、作为本发明的优选方案，所述第一限位块的数量和/或所述第二限位块的数量大于一；所述第一限位块和/或所述第二限位块相对所述冲击筒的轴线中心对称布置。

26、第一限位槽的数量、第二限位槽的数量和第一限位块、第二限位块分别对应。

27、本方案推荐了第一限位块的数量和/或第二限位块的数量大于一，并使他们中心对称布置，从而能够使冲击锤和/或配流系统能够产生更大的扭矩，并使他们分别受到的多处高压流体的压力产生的弯矩能够相互抵消，从而只在冲击筒上产生沿冲击筒周向的冲击，改善本方案冲击筒的受力状态。

28、作为本发明的优选方案，还包含外筒体；所述冲击筒连接于所述外筒体的内壁。

29、本方案在冲击筒的外侧还设置有外筒体，从而能对冲击筒及其内部的结构形成保护；同时也便于在外筒体和冲击筒之间设置为一级高压腔室和/或二级高压腔室提供高压流体的管路。

30、作为本发明的优选方案，所述外筒体朝向所述下接头的一端设置有周向限位槽；所述周向限位槽沿所述外筒体的周向间隔分布；所述下接头上设置有与所述周向限位槽对应的周向限位凸起；所述周向限位凸起安装于所述周向限位槽内。

31、周向限位槽和周向限位块可以是各种能够传递钻压和扭矩的形状，如矩形或齿形。

32、本方案推荐在外筒体和下接头还通过周向限位槽和周向限位块进行连接，从而保证钻头能够获得足够的钻压和扭矩。

33、作为本发明的优选方案，所述外筒体和所述冲击筒之间还设置有v形组合封。

34、v形组合封的具体选型根据冲击筒和外筒体的具体结构而定。

35、本方案推荐采用v型组合封，相比常规的金属迷宫密封具有更可靠的密封效果。

36、作为本发明的优选方案，所述冲击筒和所述下接头螺纹连接。

37、下接头和冲击筒的螺纹连接可以是各种形式，如通过法兰和螺栓将下接头和冲击筒连接为一体，或直接在下接头和冲击筒上分别设置内螺纹和外螺纹，从而将下接头和冲击筒直接螺纹连接。

38、本方案推荐下接头和冲击筒采用螺纹连接，一方面能保证下接头和冲击筒连接可靠，另一方面也方便拆装下接头和冲击筒，从而能根据不同的需要更换不同的下接头。

39、一种钻井设备，包含钻头和本发明的一种扭向冲击钻井工具。

40、本方案的钻井设备包含钻头和本发明的一种扭向冲击钻井工具，使用时将钻头安装于下接头，并保持一级高压腔室和二级高压腔室内的压力，则扭向冲击钻井工具能够将一级高压腔室和二级高压腔室内的流体能量转换成扭向的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量并通过下接头传递给钻头，从而消除了钻头钻深部硬地层时出现的粘滑现象，能够显著提高深部硬地层钻井的机械钻速，延长钻头和下部钻具组合的使用寿命。

41、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

42、1、本方案的扭向冲击钻井工具能将高压腔室内的流体能量转换成扭向的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量并通过下接头传递给钻头，从而通过高频扭力改善钻头的运动状态，使得钻头可以连续旋转剪切岩石，而不需等待钻柱积蓄足够的扭力能量，提高了钻头的破岩效率，从根本上消除了钻头钻深部硬地层时出现的粘滑现象，能够显著提高深部硬地层钻井的机械钻速，延长钻头和下部钻具组合的使用寿命。

43、同时本方案的扭向冲击钻井工具是一种纯机械动力钻井提速工具，内部无需任何电子元器件和控制系统，结构简单、成本低廉、工作可靠。

44、2、本方案的扭向冲击钻井工具可进一步采用配流盘和条形槽组合的端面配流结构，相比于现有的节流喷嘴配流结构，本方案的结构简单、成本低廉且工作可靠。

45、3、本方案的钻井设备包含钻头和本发明的一种扭向冲击钻井工具，使用时将钻头安装于下接头，并保持高压腔室内的压力，则扭向冲击钻井工具能够高压腔室内的流体能量转换成扭向的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量并通过下接头传递给钻头，从而消除了钻头钻深部硬地层时出现的粘滑现象，能够显著提高深部硬地层钻井的机械钻速，延长钻头和下部钻具组合的使用寿命。