本發(fā)明涉及一種用于石油天然氣鉆探工程領(lǐng)域的高頻扭轉(zhuǎn)復(fù)位軸向振動(dòng)沖擊工具。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，油氣需求量越來越大，而我國(guó)淺層油氣資源則口益枯竭，油氣開采必然向更深、更硬地層方向發(fā)展，并且我國(guó)的深層油氣儲(chǔ)量相當(dāng)豐富，油氣資源開采難度也逐漸加大。因此石油天然氣鉆井所鉆地層將會(huì)越來越深，地質(zhì)年代會(huì)越來越長(zhǎng)遠(yuǎn)，巖石越來越硬。但是，鉆井技術(shù)水平限制著深井、超深井的發(fā)展，提高深井硬巖鉆井速度成為鉆井界鉆研的重要課題之一。當(dāng)前油氣田勘探開發(fā)鉆井中仍選用傳統(tǒng)的牙輪鉆頭，配合PDC鉆頭及噴射鉆井裝置的旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)。鉆井過程當(dāng)中碰到硬地層時(shí)，鉆井效率降低，鉆頭壽命變的更短，鉆井周期變的更長(zhǎng)，成本升的更高。

因此，如何有效提高深部地層的鉆井效率是當(dāng)今鉆井工程中急需解決的一個(gè)問題，探求更新、更高效的破巖技術(shù)，提高鉆井速度、降低鉆井成本、縮小勘探開發(fā)周期，這是鉆井技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要方向。沖旋鉆井技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外鉆井技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，不過目前仍存在壽命短、受鉆井液性能影響較大，沖擊振動(dòng)參數(shù)不合理，單方面提高沖擊功等方面的問題，這些因素阻礙了沖擊鉆井技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，所以開展新型沖擊鉆井工具的研制已經(jīng)是沖旋鉆井技術(shù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了探索解決現(xiàn)有沖擊振動(dòng)工具壽命短、沖擊振動(dòng)參數(shù)不合理、不能有效提高深井鉆速等問題，本發(fā)明提供了一種高頻扭轉(zhuǎn)復(fù)位軸向振動(dòng)沖擊工具。本發(fā)明的沖擊工具通過轉(zhuǎn)換總成實(shí)現(xiàn)泥漿通道周期性變化，利用流道變化產(chǎn)生性的壓差推動(dòng)滑套向前移動(dòng)，產(chǎn)生軸向位移與軸向作用力，作用在沖擊花鍵上，驅(qū)動(dòng)沖擊花鍵與沖擊錘一起向前運(yùn)動(dòng)，沖擊錘前端扭簧壓縮，沖擊錘沖擊砧子，從而對(duì)鉆頭產(chǎn)生高頻沖擊振動(dòng)作用，當(dāng)滑套后移時(shí)，扭簧對(duì)沖擊錘施加一 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，使沖擊錘轉(zhuǎn)動(dòng)，使沖擊錘進(jìn)入另一個(gè)花鍵槽，此后重復(fù)此周期性運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：高頻扭轉(zhuǎn)復(fù)位軸向振動(dòng)沖擊工具，通過螺紋連接固定安裝在鉆頭上部，其包括渦輪總成、轉(zhuǎn)換總成、沖擊總成；在轉(zhuǎn)換總成前端接沖擊總成，后端接渦輪總成；所述渦輪總成包括上接頭、防掉帽、防掉接頭、支撐環(huán)、上旋塞、渦輪軸、渦輪定子、渦輪轉(zhuǎn)子、渦輪外殼、上花鍵、下旋塞，在上接頭前端安裝支撐環(huán),在渦輪外殼后端安裝上旋塞,并將渦輪外殼安裝在上接頭前端,將防掉接頭安裝在支撐環(huán)和上旋塞中心通孔，并裝上防掉帽,然后在防掉接頭前端安裝渦輪軸，再將渦輪定子和渦輪轉(zhuǎn)子安裝到渦輪軸上，最后安裝上花鍵和下旋塞，分別用于固定渦輪轉(zhuǎn)子和渦輪定子，利用防掉帽防止渦輪軸向下掉落，泥漿從支撐環(huán)和上旋塞圓周通孔上進(jìn)入渦輪工作腔，驅(qū)動(dòng)渦輪工作，帶動(dòng)渦輪軸旋轉(zhuǎn)，并將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過上花鍵向下傳遞；所述的轉(zhuǎn)換總成包括下花鍵、墊片、導(dǎo)流短節(jié)、O型密封圈、矩形密封圈a、旋轉(zhuǎn)套、上外殼、節(jié)流嘴、定位筒、調(diào)整墊片、滑套、壓力密封圈、碟簧、芯軸、中外殼、推力球軸承組、深溝球軸承、密封圈a，在下花鍵前端放入墊片后再安裝導(dǎo)流短節(jié)，將上外殼安裝到渦輪外殼前端，將O型密封圈和矩形密封圈a分別安裝到旋轉(zhuǎn)套內(nèi)外圓周上，再將旋轉(zhuǎn)套安裝到導(dǎo)流短節(jié)上，再安裝定位筒固定旋轉(zhuǎn)套，并將中外殼安裝到上外殼前端，將節(jié)流嘴安裝到導(dǎo)流短節(jié)前端，再安裝調(diào)整墊片和滑套，并在滑套前端安裝壓力密封圈，依次將密封圈a、深溝球軸承、推力球軸承組、碟簧安裝到芯軸上，再將芯軸安裝到滑套前端，通過下花鍵將上部轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到導(dǎo)流短節(jié)，使導(dǎo)流短節(jié)前端圓周上的導(dǎo)流孔與旋轉(zhuǎn)套之間處于周期性連通和關(guān)閉狀態(tài)，從而產(chǎn)生周期性的壓差變化，作用在滑套上，產(chǎn)生軸向位移和軸向作用力，驅(qū)動(dòng)芯軸向前移動(dòng)，碟簧受壓蓄能，壓縮到極限位置后復(fù)位，推動(dòng)芯軸向后移動(dòng)；所述的沖擊總成包括密封圈b、沖擊花鍵、導(dǎo)向花鍵、密封圈c、沖擊錘、下外殼、扭簧、耐磨環(huán)、下接頭、矩形密封圈b、定位塊、密封環(huán)、調(diào)整環(huán)、鎖緊環(huán)、砧子，將導(dǎo)向花鍵安裝到芯軸前端，再將密封圈b和沖擊花鍵組合到一起，然后安裝到導(dǎo)向花鍵內(nèi)，將密封圈c安裝到?jīng)_擊錘后端圓周上，再將沖擊錘安裝到導(dǎo)向花鍵，并將下外殼安裝到中外殼前端，將扭 簧安裝到?jīng)_擊錘后，安裝耐磨環(huán)，再將下接頭安裝到下外殼前端，依次將鎖緊環(huán)、調(diào)整環(huán)、密封環(huán)、定位塊安裝到砧子上，再將砧子安裝到下接頭前端，并旋緊鎖緊環(huán)，芯軸向前移動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)沖擊花鍵和沖擊錘向前移動(dòng)，扭簧壓縮，直至與砧子碰撞，產(chǎn)生沖擊，并最終作用在鉆頭上，提高鉆頭破巖效率，當(dāng)芯軸向后移動(dòng)時(shí)，扭簧復(fù)位，產(chǎn)生反向推力和力矩，驅(qū)動(dòng)沖擊錘產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并在沖擊錘尾部楔形結(jié)構(gòu)導(dǎo)向作用下，進(jìn)入另一個(gè)花鍵槽，從而使沖擊錘在產(chǎn)生沖擊作用過程中處于不斷旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，避免沖擊錘出現(xiàn)不均勻磨損；所述的沖擊錘后端花鍵為個(gè)，尾部設(shè)計(jì)為楔形面，便于通過楔形面作用進(jìn)入下外殼的另一花鍵槽，保證沖擊錘在產(chǎn)生沖擊過程中處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。所述的導(dǎo)流短節(jié)與旋轉(zhuǎn)套之間處于周期性的連通和關(guān)閉狀態(tài)，使芯軸能夠周期性地向前和向后移動(dòng)。

本發(fā)明的有益效果是：(1)沖擊錘在產(chǎn)生沖擊振動(dòng)作用過程中,能夠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),避免沖擊錘發(fā)生不均勻磨損,有效提高沖擊錘使用壽命,保證沖擊振動(dòng)參數(shù)不產(chǎn)生明顯波動(dòng)；(2)高頻扭轉(zhuǎn)復(fù)位軸向振動(dòng)沖擊工具能夠?qū)︺@頭施加高頻軸向振動(dòng)沖擊,加速鉆頭破巖,增加單只鉆頭進(jìn)尺,提高鉆頭使用壽命,減少起下鉆次數(shù)；(3)利用泥漿過流面積變化,產(chǎn)生壓力差,從而產(chǎn)生軸向位移和軸向沖擊,有效利用了鉆井能量；(4)能夠提高鉆井速度、降低生產(chǎn)成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明圖1中A-A截面圖。

圖3是本發(fā)明圖1中B-B截面圖。

圖4是本發(fā)明圖1中C-C截面圖。

圖5是本發(fā)明圖1中D-D截面圖。

圖6是本發(fā)明圖1中D1-D1截面圖。

圖7是本發(fā)明圖1中E-E截面圖。

圖8是本發(fā)明圖1中F-F截面圖。

圖9是本發(fā)明圖1中G-G截面圖。

圖10是沖擊花鍵結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11是沖擊錘結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中1.上接頭，2.防掉帽，3.防掉接頭，4.支撐環(huán)，5.上旋塞，6.渦輪軸，7.渦輪定子，8.渦輪轉(zhuǎn)子，9.渦輪外殼，10.上花鍵，11.下旋塞，12.下花鍵，13.墊片，14.導(dǎo)流短節(jié)，15.O型密封圈，16.矩形密封圈a，17.旋轉(zhuǎn)套，18.上外殼，19.節(jié)流嘴，20.定位筒，21.調(diào)整墊片，22.滑套，23.壓力密封圈，24.碟簧，25.芯軸，26.中外殼，27.推力球軸承組，28.深溝球軸承，29.密封圈a，30.密封圈b，31.沖擊花鍵，32.導(dǎo)向花鍵，33.密封圈c，34.沖擊錘，35.下外殼，36.扭簧，37.耐磨環(huán)，38.下接頭，39.矩形密封圈b，40.定位塊，41.密封環(huán)，42.調(diào)整環(huán)，43.鎖緊環(huán)，44.砧子。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

參見附圖1，高頻扭轉(zhuǎn)復(fù)位軸向振動(dòng)沖擊工具，通過螺紋連接固定安裝在鉆頭上部，其包括渦輪總成、轉(zhuǎn)換總成、沖擊總成；在轉(zhuǎn)換總成前端接沖擊總成，后端接渦輪總成；所述渦輪總成包括上接頭1、防掉帽2、防掉接頭3、支撐環(huán)4、上旋塞5、渦輪軸6、渦輪定子7、渦輪轉(zhuǎn)子8、渦輪外殼9、上花鍵10、下旋塞11，在上接頭1前端安裝支撐環(huán)4,在渦輪外殼9后端安裝上旋塞5,并將渦輪外殼9安裝在上接頭1前端,將防掉接頭3安裝在支撐環(huán)4和上旋塞5中心通孔，并裝上防掉帽2,然后在防掉接頭3前端安裝渦輪軸6，再將渦輪定子7和渦輪轉(zhuǎn)子8安裝到渦輪軸6上，最后安裝上花鍵10和下旋塞11，分別用于固定渦輪轉(zhuǎn)子8和渦輪定子7，利用防掉帽2防止渦輪軸6向下掉落，泥漿從支撐環(huán)4和上旋塞5圓周通孔上進(jìn)入渦輪工作腔，驅(qū)動(dòng)渦輪工作，帶動(dòng)渦輪軸6旋轉(zhuǎn)，并將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過上花鍵10向下傳遞。所述的轉(zhuǎn)換總成包括下花鍵12、墊片13、導(dǎo)流短節(jié)14、O型密封圈15、矩形密封圈a16、旋轉(zhuǎn)套17、上外殼18、節(jié)流嘴19、定位筒20、調(diào)整墊片21、滑套22、壓力密封圈23、碟簧 24、芯軸25、中外殼26、推力球軸承組27、深溝球軸承28、密封圈a29，在下花鍵12前端放入墊片13后再安裝導(dǎo)流短節(jié)14，將上外殼18安裝到渦輪外殼9前端，將O型密封圈15和矩形密封圈a16分別安裝到旋轉(zhuǎn)套17內(nèi)外圓周上，再將旋轉(zhuǎn)套17安裝到導(dǎo)流短節(jié)14上，再安裝定位筒20固定旋轉(zhuǎn)套17，并將中外殼26安裝到上外殼18前端，將節(jié)流嘴19安裝到導(dǎo)流短節(jié)14前端，再安裝調(diào)整墊片21和滑套22，并在滑套22前端安裝壓力密封圈23，依次將密封圈a29、深溝球軸承28、推力球軸承組27、碟簧24安裝到芯軸25上，再將芯軸25安裝到滑套22前端，通過下花鍵12將上部轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到導(dǎo)流短節(jié)14，使導(dǎo)流短節(jié)14前端圓周上的導(dǎo)流孔與旋轉(zhuǎn)套17之間處于周期性連通和關(guān)閉狀態(tài)，從而產(chǎn)生周期性的壓差變化，作用在滑套22上，產(chǎn)生軸向位移和軸向作用力，驅(qū)動(dòng)芯軸25向前移動(dòng)，碟簧24受壓蓄能，壓縮到極限位置后復(fù)位，推動(dòng)芯軸25向后移動(dòng)。

所述的沖擊總成包括密封圈b30、沖擊花鍵31、導(dǎo)向花鍵32、密封圈c33、沖擊錘34、下外殼35、扭簧36、耐磨環(huán)37、下接頭38、矩形密封圈b39、定位塊40、密封環(huán)41、調(diào)整環(huán)42、鎖緊環(huán)43、砧子44，將導(dǎo)向花鍵32安裝到芯軸25前端，再將密封圈b30和沖擊花鍵31組合到一起，然后安裝到導(dǎo)向花鍵32內(nèi)，將密封圈c33安裝到?jīng)_擊錘34后端圓周上，再將沖擊錘34安裝到導(dǎo)向花鍵32，并將下外殼35安裝到中外殼26前端，將扭簧36安裝到?jīng)_擊錘34后，安裝耐磨環(huán)37，再將下接頭38安裝到下外殼35前端，依次將鎖緊環(huán)43、調(diào)整環(huán)42、密封環(huán)41、定位塊40安裝到砧子44上，再將砧子44安裝到下接頭38前端，并旋緊鎖緊環(huán)43，芯軸25向前移動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)沖擊花鍵31和沖擊錘34向前移動(dòng)，扭簧36壓縮，直至與砧子44碰撞，產(chǎn)生沖擊，并最終作用在鉆頭上，提高鉆頭破巖效率，當(dāng)芯軸25向后移動(dòng)時(shí)，扭簧36復(fù)位，產(chǎn)生反向推力和力矩，驅(qū)動(dòng)沖擊錘34產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并在沖擊錘34尾部楔形結(jié)構(gòu)導(dǎo)向作用下，進(jìn)入另一個(gè)花鍵槽，從而使沖擊錘34在產(chǎn)生沖擊作用過程中處于不斷旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，避免沖擊錘34出現(xiàn)不均勻磨損。

所述的沖擊錘34后端花鍵為4個(gè)，尾部設(shè)計(jì)為楔形面，便于通過楔形面作用進(jìn)入下外殼35 的另一花鍵槽，保證沖擊錘34在產(chǎn)生沖擊過程中處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。所述的導(dǎo)流短節(jié)14與旋轉(zhuǎn)套17之間處于周期性的連通和關(guān)閉狀態(tài)，使芯軸25能夠周期性地向前和向后移動(dòng)。