本發(fā)明涉及一種鉆井工具，特別是一種針對硬地層鉆井提速的復(fù)合沖擊鉆井工具，屬于機(jī)械工程或鉆井工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

地層中的油氣資源是基于一定的鉆采工藝，通過鉆井系統(tǒng)在地層中形成井眼開采出來的，該鉆井系統(tǒng)包括井架與頂驅(qū)等地面設(shè)備以及鉆桿與鉆頭等井下設(shè)備。井口能量由持續(xù)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)盤輸入鉆柱系統(tǒng)，該能量通過鉆柱由井口傳至井底的鉆頭，鉆頭在下部鉆具的重量以及鉆柱的扭矩下與地層直接作用，刮切巖石并形成井眼，鉆頭破碎的巖屑由鉆井液帶出井筒完成鉆井過程。

隨著油氣資源開采的不斷進(jìn)行，深井超深井的數(shù)量逐步增大。通常情況下，隨井深的增加，巖石強度增大且可鉆性變差，鉆頭破巖能量需求增加使鉆井效率降低；另一方面，由于鉆柱具有大長徑比的特性，其剛度很小，在地層的阻礙作用下，鉆柱系統(tǒng)很容易產(chǎn)生振動，包括縱向、橫向和扭轉(zhuǎn)振動。鉆頭處產(chǎn)生振動時速度和加速度通常都較高，這種振動會造成鉆頭處的能量浪費，還容易引起下部鉆具的提前失效并影響井身質(zhì)量，進(jìn)一步影響鉆井效率與開發(fā)成本。

螺桿鉆具和渦輪鉆具等井下動力工具可用于增大鉆頭處的扭矩從而提高鉆井效率。然而，隨著井深的增大，井口設(shè)備的泵壓能力限制了這些工具在深井中的應(yīng)用。現(xiàn)有研究表明，作用于鉆頭上的高頻沖擊載荷可加速巖石破碎并減緩鉆柱振動，并實現(xiàn)鉆井效率的提高。現(xiàn)有沖擊鉆井主要包括兩類：一類為軸向沖擊，例如液動沖擊器；另一類為扭轉(zhuǎn)沖擊，例如扭轉(zhuǎn)沖擊器。既然軸向沖擊和扭轉(zhuǎn)沖擊都能加速鉆頭破巖效率，那么如何將這兩種功能結(jié)合起來形成實用的復(fù)合沖擊鉆井工具便是難點所在。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于為了克服上述難點，特提出一種復(fù)合沖擊鉆井工具，用于提高深部地層或硬地層的鉆井效率。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明解決此技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：

一種復(fù)合沖擊鉆井工具，主要由沖擊短節(jié)、殼體、防掉塊、螺帽、徑向彈簧、密封圈、沖擊錘、軸向彈簧、沖擊軸、止推軸承、定軸、渦輪定子、渦輪轉(zhuǎn)子、定子壓帽、轉(zhuǎn)子壓帽和轉(zhuǎn)換接頭組成，其特征在于所述沖擊短節(jié)的頂端設(shè)有承撞塊，該承撞塊上設(shè)有用于承受沖擊錘撞擊的斜面；所述沖擊錘底端設(shè)有沖擊塊，該沖擊塊上設(shè)有用于撞擊沖擊短節(jié)的承撞塊的斜面，沖擊錘頂端設(shè)有通孔且通孔上設(shè)有矩形花鍵槽；所述沖擊軸上設(shè)有矩形花鍵，沖擊軸的下端設(shè)有圓盤形臺階；所述殼體中間設(shè)有臺階且在殼體臺階的下端面與沖擊錘的上端面間設(shè)有軸向彈簧。

所述的一種復(fù)合沖擊鉆井工具，其特征在于所述沖擊短節(jié)的承撞塊數(shù)量為一個或者兩個，沖擊錘的沖擊塊數(shù)量為一個或者兩個。

所述的一種復(fù)合沖擊鉆井工具，其特征在于所述沖擊錘的矩形花鍵槽與沖擊軸的矩形花鍵間隙配合；所述沖擊軸下端的圓盤形臺階用于防止沖擊錘向下脫落。

所述的一種復(fù)合沖擊鉆井工具，其特征在于所述沖擊短節(jié)與殼體下端通過花鍵連接，即由鉆柱傳遞的扭矩和鉆壓均通過殼體下端的花鍵作用于沖擊短節(jié)上；所述殼體上端通過螺紋與轉(zhuǎn)換接頭連接。

所述的一種復(fù)合沖擊鉆井工具，其特征在于所述沖擊短節(jié)中間和殼體下端均設(shè)有凹槽，防掉塊放置于兩個凹槽間并通過徑向彈簧將防掉塊推向殼體從而防止沖擊短節(jié)從殼體上脫離；所述徑向彈簧處于壓縮狀態(tài)。

所述的一種復(fù)合沖擊鉆井工具，其特征在于所述渦輪定子通過定子壓帽壓緊固定于殼體內(nèi)，定子壓帽通過螺紋與殼體連接；所述渦輪轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)子壓帽壓緊固定于定軸上，轉(zhuǎn)子壓帽通過螺紋與定軸連接；所述定軸與沖擊軸通過螺紋連接，定軸下端設(shè)有臺階；在所述殼體臺階上端與定軸臺階下端間設(shè)有止推軸承用于支撐定軸。

所述的一種復(fù)合沖擊鉆井工具，其特征在于當(dāng)鉆井液流入工具時，渦輪轉(zhuǎn)子在流體作用下順時針轉(zhuǎn)動。

所述的一種復(fù)合沖擊鉆井工具，其特征在于沖擊短節(jié)上設(shè)有密封圈溝槽且沖擊短節(jié)與殼體由密封圈密封。

所述的一種復(fù)合沖擊鉆井工具，其工作方法在于所述轉(zhuǎn)換接頭與上部鉆柱連接，鉆井液由轉(zhuǎn)換接頭流入工具并帶動渦輪轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動，由于渦輪轉(zhuǎn)子壓緊于定軸上，因此定軸也將隨渦輪轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動；定軸帶動沖擊軸相對于殼體旋轉(zhuǎn)，由于沖擊軸與沖擊錘通過花鍵連接，因此沖擊軸也將帶動沖擊錘順時針轉(zhuǎn)動；沖擊短節(jié)相對殼體在圓周方向僅能微小轉(zhuǎn)動；沖擊錘每轉(zhuǎn)動一圈便撞擊沖擊短節(jié)上的承撞塊一次或者兩次，并在沖擊短節(jié)上產(chǎn)生高頻扭矩脈沖，該高頻扭矩脈沖直接傳至鉆進(jìn)中的鉆頭用于輔助破巖；在沖擊錘和沖擊短節(jié)撞擊過程中，沖擊錘沿軸向向上運動從而使沖擊錘的沖擊塊在沖擊短節(jié)的承撞塊上滑動，在這一過程中沖擊錘壓縮軸向彈簧，當(dāng)沖擊錘的沖擊塊從沖擊短節(jié)的承撞塊上滑脫時，沖擊錘在自身重力以及軸向彈簧恢復(fù)力的作用下向下運動；隨著沖擊錘的不斷轉(zhuǎn)動，沖擊錘周期性地撞擊沖擊短節(jié)，從而形成周期性的沖擊脈沖；由于沖擊錘的沖擊塊與沖擊短節(jié)的承撞塊為斜面撞擊，因此沖擊短節(jié)所受沖擊力既有扭轉(zhuǎn)分力又有軸向分力。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是：(1)本發(fā)明可產(chǎn)生周期性的復(fù)合沖擊脈沖，可用于提高鉆井效率；(2)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、長度小、無電子元器件，容易操作且對下部鉆具影響小。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種復(fù)合沖擊鉆井工具的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一種復(fù)合沖擊鉆井工具的沖擊錘的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明一種復(fù)合沖擊鉆井工具的防掉單元的截面示意圖；

圖中：1.沖擊短節(jié)，2.殼體，3.防掉塊，4.螺帽，5.徑向彈簧，6.密封圈，7.沖擊錘，8.軸向彈簧，9.沖擊軸，10.止推軸承，11.定軸，12.渦輪定子，13.渦輪轉(zhuǎn)子，14.定子壓帽，15.轉(zhuǎn)子壓帽，16.轉(zhuǎn)換接頭。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1和圖2所示，一種復(fù)合沖擊鉆井工具，主要由沖擊短節(jié)1、殼體2、防掉塊3、螺帽4、徑向彈簧5、密封圈6、沖擊錘7、軸向彈簧8、沖擊軸9、止推軸承10、定軸11、渦輪定子12、渦輪轉(zhuǎn)子13、定子壓帽14、轉(zhuǎn)子壓帽15和轉(zhuǎn)換接頭16組成，其特征在于所述沖擊短節(jié)1的頂端設(shè)有承撞塊，該承撞塊上設(shè)有用于承受沖擊錘7撞擊的斜面；所述沖擊錘7底端設(shè)有沖擊塊，該沖擊塊上設(shè)有用于撞擊沖擊短節(jié)1的承撞塊的斜面，沖擊錘7頂端設(shè)有通孔且通孔上設(shè)有矩形花鍵槽；所述沖擊軸9上設(shè)有矩形花鍵，沖擊軸9的下端設(shè)有圓盤形臺階；所述殼體2中間設(shè)有臺階且在殼體2臺階的下端面與沖擊錘7的上端面間設(shè)有軸向彈簧8。

所述的一種復(fù)合沖擊鉆井工具，其特征在于所述沖擊短節(jié)1的承撞塊數(shù)量為一個或者兩個，沖擊錘7的沖擊塊數(shù)量為一個或者兩個。

所述的一種復(fù)合沖擊鉆井工具，其特征在于所述沖擊錘7的矩形花鍵槽與沖擊軸9的矩形花鍵間隙配合；所述沖擊軸9下端的圓盤形臺階用于防止沖擊錘7向下脫落。

所述的一種復(fù)合沖擊鉆井工具，其特征在于所述沖擊短節(jié)1與殼體2下端通過花鍵連接，即由鉆柱傳遞的扭矩和鉆壓均通過殼體2下端的花鍵作用于沖擊短節(jié)1上；所述殼體2上端通過螺紋與轉(zhuǎn)換接頭16連接。

如圖3所示，所述的一種復(fù)合沖擊鉆井工具，其特征在于所述沖擊短節(jié)1中間和殼體2下端均設(shè)有凹槽，防掉塊3放置于兩個凹槽間并通過徑向彈簧5將防掉塊3推向殼體2從而防止沖擊短節(jié)1從殼體2上脫離；所述徑向彈簧5處于壓縮狀態(tài)。

所述的一種復(fù)合沖擊鉆井工具，其特征在于所述渦輪定子12通過定子壓帽14壓緊固定于殼體2內(nèi)，定子壓帽14通過螺紋與殼體2連接；所述渦輪轉(zhuǎn)子13通過轉(zhuǎn)子壓帽15壓緊固定于定軸11上，轉(zhuǎn)子壓帽15通過螺紋與定軸11連接；所述定軸11與沖擊軸9通過螺紋連接，定軸11下端設(shè)有臺階；在所述殼體2臺階上端與定軸11臺階下端間設(shè)有止推軸承10用于支撐定軸11。

所述的一種復(fù)合沖擊鉆井工具，其特征在于當(dāng)鉆井液流入工具時，渦輪轉(zhuǎn)子13在流體作用下順時針轉(zhuǎn)動。

所述的一種復(fù)合沖擊鉆井工具，其特征在于沖擊短節(jié)1上設(shè)有密封圈溝槽且沖擊短節(jié)1與殼體2由密封圈6密封。

如圖1所示，所述的一種復(fù)合沖擊鉆井工具，其工作方法在于所述轉(zhuǎn)換接頭16與上部鉆柱連接，鉆井液由轉(zhuǎn)換接頭16流入工具并帶動渦輪轉(zhuǎn)子13順時針轉(zhuǎn)動，由于渦輪轉(zhuǎn)子13壓緊于定軸11上，因此定軸11也將隨渦輪轉(zhuǎn)子13一起順時針轉(zhuǎn)動；定軸11帶動沖擊軸9相對于殼體2旋轉(zhuǎn)，由于沖擊軸9與沖擊錘7通過花鍵連接，因此沖擊軸9也將帶動沖擊錘7一起順時針轉(zhuǎn)動；沖擊短節(jié)1相對殼體2在圓周方向僅能微小轉(zhuǎn)動；沖擊錘7每轉(zhuǎn)動一圈便撞擊沖擊短節(jié)1上的承撞塊一次或者兩次，并在沖擊短節(jié)1上產(chǎn)生高頻扭矩脈沖，該高頻扭矩脈沖直接傳至鉆進(jìn)中的鉆頭用于輔助破巖；在沖擊錘7和沖擊短節(jié)1撞擊過程中，沖擊錘7沿軸向向上運動從而使沖擊錘7的沖擊塊在沖擊短節(jié)1的承撞塊上滑動，在這一過程中沖擊錘7壓縮軸向彈簧，當(dāng)沖擊錘7的沖擊塊從沖擊短節(jié)1的承撞塊上滑脫時，沖擊錘7在自身重力以及軸向彈簧8恢復(fù)力的作用下向下運動；隨著沖擊錘7的不斷轉(zhuǎn)動，沖擊錘7周期性地撞擊沖擊短節(jié)1，從而形成周期性的沖擊脈沖；由于沖擊錘7的沖擊塊與沖擊短節(jié)1的承撞塊為斜面撞擊，因此沖擊短節(jié)1所受沖擊力既有扭轉(zhuǎn)分力又有軸向分力。

以上所述具體實施方式用于說明本發(fā)明而非限制本發(fā)明的范圍，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和原則前提下所作出的等同變化與修改，均屬于本發(fā)明系統(tǒng)的保護(hù)范圍。