技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于石油天然氣鉆井配套設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種沖擊鉆井工具，特別是一種激發(fā)鉆柱振動(dòng)的沖擊鉆井工具。

背景技術(shù)：
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隨著我國石油天然氣開發(fā)逐漸向深層、非常規(guī)和海洋油氣資源的推進(jìn)，定向井、水平井及大位移井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井技術(shù)逐漸成為高效開發(fā)此類資源的最有效有段。在復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的鉆進(jìn)過程中，鉆柱與井壁之間的接觸及摩擦將消耗部分鉆壓，這種現(xiàn)象隨著井斜的增大而逐漸顯現(xiàn)，尤以水平井最為嚴(yán)重，常常導(dǎo)致鉆柱無法繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)、無法給鉆頭施加鉆壓，從而極大地降低機(jī)械鉆速，并限制了水平井段的極限延伸距離。因此，如何減少鉆柱與井壁之間的摩擦，將上部鉆柱的部分重量向下順利傳遞至鉆頭，確保鉆頭高效破巖，是使用復(fù)雜結(jié)構(gòu)井高效開發(fā)鉆進(jìn)的關(guān)鍵。目前，一般的做法是優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)和泥漿性能、采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井等措施來減小鉆柱與井壁之間的摩阻，從而提高機(jī)械鉆速，并提高水平井段的極限延伸距離，但是上述技術(shù)措施均存在一定的局限性，難以推廣使用。研究表明：振動(dòng)能夠改變摩擦副之間的摩擦狀態(tài)，使摩擦副之間的摩擦系數(shù)降低，振動(dòng)減阻技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域，振動(dòng)減阻技術(shù)屬于可控的主動(dòng)減阻技術(shù)，如何將其應(yīng)用于鉆柱與井壁減阻，以克服常規(guī)減摩阻技術(shù)的局限性，是復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井減阻理論研究及工具研制的一個(gè)重要發(fā)展方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，涉及一種激發(fā)鉆柱振動(dòng)的沖擊鉆井工具，激發(fā)鉆柱產(chǎn)生軸向周期性振動(dòng)，以減少鉆柱與井壁之間的接觸和摩擦，提高機(jī)械鉆速。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)包括上接頭、套筒、鎖緊螺母、葉輪、導(dǎo)流盤、沖錘、砧子、密封、下接頭、限位凸起、限位臺階、螺旋梯、防掉凸起、葉片、葉輪流道、方孔、扇形流道、限位凹槽、驅(qū)動(dòng)桿、流道、滑動(dòng)棱和中心流道；筒狀結(jié)構(gòu)的套筒上端安裝有用于連接上部鉆柱的上接頭；套筒內(nèi)部上接頭下方從上到下依次安裝有鎖緊螺母、葉輪、導(dǎo)流盤、沖錘、砧子和下接頭；葉輪嵌套式安裝在沖錘的上端并通過鎖緊螺母與沖錘鎖緊，葉輪和沖錘兩者配合部分為四邊形，葉輪上沿周向均勻設(shè)置有多個(gè)傾斜的葉片，相鄰葉片之間形成葉輪流道，葉輪中間設(shè)置有方孔，方孔與沖錘上端的驅(qū)動(dòng)桿配合；沖錘的中間設(shè)有驅(qū)動(dòng)桿，導(dǎo)流盤安裝在葉輪的下方并套裝在驅(qū)動(dòng)桿上，沖錘在葉輪的帶動(dòng)下產(chǎn)生相對于導(dǎo)流盤的周向轉(zhuǎn)動(dòng)，套筒內(nèi)側(cè)在導(dǎo)流盤和沖錘之間設(shè)有限位臺階，用于限制導(dǎo)流盤的軸向位移；導(dǎo)流盤的軸向上開有扇形流道，沖錘在軸向上設(shè)有與扇形流道相對應(yīng)的流道，使用時(shí)通過扇形流道和流道在軸向上的相對旋轉(zhuǎn)改變鉆井液的過流面積，從而產(chǎn)生水擊效應(yīng)激發(fā)沖錘向下運(yùn)動(dòng)；導(dǎo)流盤的周側(cè)上對稱式設(shè)有兩個(gè)限位凹槽，限位凹槽內(nèi)部與套筒內(nèi)側(cè)的限位凸起配合限制導(dǎo)流盤的周向轉(zhuǎn)動(dòng)，砧子的下端穿出套筒下端，并與下接頭通過螺紋連接，套筒下端直徑小于上端形成收縮段，收縮段與套筒上端連接處安裝有防掉凸起，防止砧子掉出，砧子與套筒下端配合部分為多邊形結(jié)構(gòu)用于傳遞扭矩；砧子的中間設(shè)有中心流道，沖錘和砧子之間的套筒內(nèi)壁上設(shè)置有螺旋梯，沖錘上設(shè)有與螺旋梯相互配合的滑動(dòng)棱，沖錘在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，螺旋梯和滑動(dòng)棱使沖錘軸向上升，當(dāng)沖錘沿軸向上升至最高點(diǎn)時(shí)，隨著沖錘的周向旋轉(zhuǎn)，沖錘上的流道與導(dǎo)流盤上的扇形流道相互錯(cuò)開，與此同時(shí)，滑動(dòng)棱與螺旋梯完全脫開，沖錘沿著軸向瞬間高速向下運(yùn)動(dòng)并沖擊砧子；隨著葉輪的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)流盤和沖錘之間的流道周期性的重合和錯(cuò)開；下接頭下端加工有螺紋，能直接與鉆頭或下部鉆柱相連以傳遞沖擊振動(dòng)。

本發(fā)明所述沖擊鉆井工具接入鉆柱進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，將上接頭的上端與上部鉆柱相連接，下接頭的下端與鉆頭或下部鉆柱相連接，鉆井液自上部鉆柱進(jìn)入上接頭，流經(jīng)上接頭的中間流道后，沖擊葉輪，葉輪在鉆井液的沖擊作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)沖錘產(chǎn)生相對于導(dǎo)流盤的相對運(yùn)動(dòng)，相對運(yùn)動(dòng)包括周向運(yùn)動(dòng)以及沖錘與套筒內(nèi)壁上的螺旋梯相互作用產(chǎn)生的軸向運(yùn)動(dòng)，從而周期性接通或者阻斷鉆井液，當(dāng)沖錘運(yùn)行至軸向最高點(diǎn)時(shí)鉆井液的流動(dòng)被瞬間截止時(shí)，沖錘與套筒內(nèi)壁上的螺旋梯脫開，由于水擊效應(yīng)，導(dǎo)流盤上部鉆井液壓力急劇上升，使作用在沖錘上端的壓力相應(yīng)急劇增大，從而使沖錘、葉輪和鎖緊螺母組成的整體瞬間高速軸向運(yùn)動(dòng)，并沖擊砧子上端面，砧子將該沖擊通過下接頭傳遞給鉆頭或下部鉆柱；隨著沖錘的持續(xù)周向轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)流盤和沖錘之間鉆井液的流動(dòng)通道打開，導(dǎo)流盤上部被壓縮的鉆井液向下釋放，水擊效應(yīng)消除，沖錘在螺旋梯的作用下沿著軸向向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)砧子在鉆壓的作用下向上運(yùn)動(dòng)以待沖錘的下一次沖擊，當(dāng)沖錘上升至軸向最高位置時(shí)，導(dǎo)流盤的扇形流道再次被關(guān)閉，從而產(chǎn)生水擊效應(yīng)使沖錘高速?zèng)_擊砧子；鉆井液驅(qū)使葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)使鉆井液流道周期性重合和錯(cuò)開，如此交替往復(fù)，形成周期性作用力作用于連接在下接頭下端的鉆頭或下部鉆柱上，激發(fā)鉆柱在軸向上進(jìn)行周期性振動(dòng)，使得鉆柱與井壁之間的靜止接觸及摩擦得以消除，消除高摩扭井段鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的“拖壓”及“粘滑”現(xiàn)象，上部鉆柱的重力得以向下順利傳遞，形成作用在鉆頭上的有效鉆壓，使得鉆頭的破巖鉆進(jìn)效率提高。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，針對高摩阻井段鉆進(jìn)過程中存在的“托壓”及“粘滑”現(xiàn)象，利用振動(dòng)能夠?qū)δΣ粮敝g的摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響的特性，創(chuàng)新性的將振動(dòng)減阻技術(shù)引入鉆井工程中，突破常規(guī)減阻措施的局限性，有效減小鉆柱與井壁之間的摩阻和扭矩，具有有效、可控的特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景，適用于多種鉆井平臺，加工制造和使用維護(hù)成本低，對于提高高摩阻井段鉆井速度、降低生產(chǎn)成本具有重要的實(shí)際意義。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)剖視原理示意圖。

圖2為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)b-b剖視圖。

圖3為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)c-c剖視圖。

圖4為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)f-f剖視圖。

圖5為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)d-d剖視圖。

圖6為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)e-e剖視圖。

具體實(shí)施方式：

下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

實(shí)施例：

本實(shí)施例的主體結(jié)構(gòu)包括上接頭1、套筒2、鎖緊螺母3、葉輪4、導(dǎo)流盤5、沖錘6、砧子7、密封8、下接頭9、限位凸起21、限位臺階22、螺旋梯23、防掉凸起24、葉片41、葉輪流道42、方孔43、扇形流道51、限位凹槽52、驅(qū)動(dòng)桿61、流道62、滑動(dòng)棱63和中心流道71；筒狀結(jié)構(gòu)的套筒2上端安裝有用于連接上部鉆柱的上接頭1；套筒2內(nèi)部上接頭1下方從上到下依次安裝有鎖緊螺母3、葉輪4、導(dǎo)流盤5、沖錘6、砧子7和下接頭9；葉輪4嵌套式安裝在沖錘6的上端并通過鎖緊螺母3與沖錘6鎖緊，葉輪4和沖錘6兩者配合部分為四邊形，葉輪4上沿周向均勻設(shè)置有多個(gè)傾斜的葉片41，相鄰葉片41之間形成葉輪流道42，葉輪2中間設(shè)置有方孔43，方孔43與沖錘6上端的驅(qū)動(dòng)桿61配合；沖錘6的中間設(shè)有驅(qū)動(dòng)桿61，導(dǎo)流盤5安裝在葉輪4的下方并套裝在驅(qū)動(dòng)桿61上，沖錘6在葉輪4的帶動(dòng)下產(chǎn)生相對于導(dǎo)流盤5的周向轉(zhuǎn)動(dòng)，套筒2內(nèi)側(cè)在導(dǎo)流盤5和沖錘6之間設(shè)有限位臺階22，用于限制導(dǎo)流盤5的軸向位移；導(dǎo)流盤5的軸向上開有扇形流道51，沖錘6在軸向上設(shè)有與扇形流道51相對應(yīng)的流道62，使用時(shí)通過扇形流道51和流道62在軸向上的相對旋轉(zhuǎn)改變鉆井液的過流面積，從而產(chǎn)生水擊效應(yīng)激發(fā)沖錘6向下運(yùn)動(dòng)；導(dǎo)流盤5的周側(cè)上對稱式設(shè)有兩個(gè)限位凹槽52，限位凹槽52內(nèi)部與套筒內(nèi)側(cè)的限位凸起21配合限制導(dǎo)流盤5的周向轉(zhuǎn)動(dòng)，砧子7的下端穿出套筒2下端，并與下接頭9通過螺紋連接，套筒2下端直徑小于上端形成收縮段，收縮段與套筒2上端連接處安裝有防掉凸起24，防止砧子7掉出，砧子7與套筒2下端配合部分為多邊形結(jié)構(gòu)(圖示為八邊形)用于傳遞扭矩；砧子7的中間設(shè)有中心流道71，沖錘6和砧子7之間的套筒2內(nèi)壁上設(shè)置有螺旋梯23，沖錘6上設(shè)有與螺旋梯23相互配合的滑動(dòng)棱63，沖錘6在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，螺旋梯23和滑動(dòng)棱63使沖錘6軸向上升，當(dāng)沖錘6沿軸向上升至最高點(diǎn)時(shí)，隨著沖錘6的周向旋轉(zhuǎn)，沖錘6上的流道62與導(dǎo)流盤5上的扇形流道51相互錯(cuò)開，與此同時(shí)，滑動(dòng)棱63與螺旋梯23完全脫開，沖錘6沿著軸向瞬間高速向下運(yùn)動(dòng)并沖擊砧子7；隨著葉輪4的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)流盤5和沖錘6之間的流道周期性的重合和錯(cuò)開；下接頭9下端加工有螺紋，能直接與鉆頭或下部鉆柱相連以傳遞沖擊振動(dòng)。

本實(shí)施例所述沖擊鉆井工具接入鉆柱進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，將上接頭1的上端與上部鉆柱相連接，下接頭9的下端與鉆頭或下部鉆柱相連接，鉆井液自上部鉆柱進(jìn)入上接頭1，流經(jīng)上接頭1的中間流道后，沖擊葉輪4，葉輪4在鉆井液的沖擊作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)沖錘6產(chǎn)生相對于導(dǎo)流盤5的相對運(yùn)動(dòng)，相對運(yùn)動(dòng)包括周向運(yùn)動(dòng)以及沖錘6與套筒2內(nèi)壁上的螺旋梯23相互作用產(chǎn)生的軸向運(yùn)動(dòng)，從而周期性接通或者阻斷鉆井液，當(dāng)沖錘6運(yùn)行至軸向最高點(diǎn)時(shí)鉆井液的流動(dòng)被瞬間截止時(shí)，沖錘6與套筒2內(nèi)壁上的螺旋梯23脫開，由于水擊效應(yīng)，導(dǎo)流盤5上部鉆井液壓力急劇上升，使作用在沖錘6上端的壓力相應(yīng)急劇增大，從而使沖錘6、葉輪4和鎖緊螺母3組成的整體瞬間高速軸向運(yùn)動(dòng)，并沖擊砧子7上端面，砧子7將該沖擊通過下接頭9傳遞給鉆頭或下部鉆柱；隨著沖錘6的持續(xù)周向轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)流盤5和沖錘6之間鉆井液的流動(dòng)通道打開，導(dǎo)流盤5上部被壓縮的鉆井液向下釋放，水擊效應(yīng)消除，沖錘6在螺旋梯23的作用下沿著軸向向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)砧子7在鉆壓的作用下向上運(yùn)動(dòng)以待沖錘6的下一次沖擊，當(dāng)沖錘6上升至軸向最高位置時(shí)，導(dǎo)流盤5的扇形流道51再次被關(guān)閉，從而產(chǎn)生水擊效應(yīng)使沖錘6高速?zèng)_擊砧子7；鉆井液驅(qū)使葉輪4轉(zhuǎn)動(dòng)使鉆井液流道周期性重合和錯(cuò)開，如此交替往復(fù)，形成周期性作用力作用于連接在下接頭9下端的鉆頭或下部鉆柱上，激發(fā)鉆柱在軸向上進(jìn)行周期性振動(dòng)，使得鉆柱與井壁之間的靜止接觸及摩擦得以消除，消除高摩扭井段鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的“拖壓”及“粘滑”現(xiàn)象，上部鉆柱的重力得以向下順利傳遞，形成作用在鉆頭上的有效鉆壓，使得鉆頭的破巖鉆進(jìn)效率提高。