本發(fā)明涉及石油、天然氣開(kāi)采鉆井提速技術(shù)領(lǐng)域，是一種提高鉆井速度的周向軸向負(fù)壓沖擊工具。

背景技術(shù)：

隨著鉆井難度、鉆井深度的不斷增加，特別是深井、超深井，機(jī)械鉆速低、鉆井周期長(zhǎng)、鉆井費(fèi)用高的問(wèn)題尤為顯著，提高鉆頭破巖效率、提高鉆井速度、縮短周期是鉆井技術(shù)一直追求的目標(biāo)。

鉆井提速最重要的一步是提高破碎效率，脈沖射流技術(shù)是一種被現(xiàn)場(chǎng)印證的有效提高破巖效率的技術(shù)，脈沖射流提速技術(shù)通過(guò)將鉆井液連續(xù)流動(dòng)轉(zhuǎn)換成一定頻率的間歇流動(dòng)，改變井底巖屑床的分布，提高了井底巖屑上返速度，避免巖屑的重復(fù)破碎，同時(shí)產(chǎn)生軸向的沖擊，有效的提高機(jī)械鉆速。 現(xiàn)有的脈沖射流提速工具如中國(guó)專利CN202152634U頻率可調(diào)脈沖射流提速工具、CN205025358U產(chǎn)生脈沖射流的共軛旋轉(zhuǎn)密封閥所描述，其結(jié)構(gòu)都采用渦輪作為驅(qū)動(dòng)閥盤(pán)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆柱內(nèi)流道的啟閉，在液壓力的作用下，產(chǎn)生軸向向下的沖擊力，從而提高機(jī)械鉆速，但是PDC鉆頭在鉆進(jìn)中屢屢出現(xiàn)蹦齒等現(xiàn)象。針對(duì)PDC鉆頭因粘滑振動(dòng)出現(xiàn)的易蹦齒問(wèn)題，國(guó)際上阿特拉公司提出的Torkbuster扭轉(zhuǎn)沖擊器，通過(guò)工具內(nèi)部產(chǎn)生高頻周期性的扭轉(zhuǎn)沖擊，使鉆頭持續(xù)切削地層，消除粘滑振動(dòng)提高鉆井速度；現(xiàn)有的扭力沖擊提速工具如中國(guó)專利CN205135405U頻率可調(diào)扭力沖擊提速工具、CN204984255U扭力沖擊提速工具所描述，其結(jié)構(gòu)采用沖擊錘體和轉(zhuǎn)換體交替運(yùn)動(dòng)，沖擊錘體產(chǎn)生周期性的周向錘擊力使鉆頭持續(xù)切屑地層，但是其流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沖擊錘產(chǎn)生錘擊力有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種周向軸向負(fù)壓沖擊提速工具，同時(shí)具備扭力沖擊器和脈沖射流鉆井的性能，進(jìn)一步提高鉆井速度，優(yōu)選的方案中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鉆頭的高頻周向和軸向沖擊，產(chǎn)生井底負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)局部欠平衡鉆井，解決現(xiàn)有技術(shù)中脈沖射流技術(shù)中PDC鉆頭的粘滑振動(dòng)問(wèn)題和扭轉(zhuǎn)沖擊工具中其周向沖擊力小的問(wèn)題。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種周向軸向負(fù)壓沖擊提速工具，包括外筒、定閥座、定閥片、動(dòng)閥片、沖擊筒、沖擊錘、換向閥、球軸承，其特征是：

一種周向軸向負(fù)壓沖擊提速工具內(nèi)設(shè)有互為換向控制的主閥和控制閥，其沖擊筒內(nèi)壁面和沖擊錘外壁面構(gòu)成主閥，沖擊錘內(nèi)壁面和換向閥外壁面構(gòu)成控制閥；

沖擊筒外壁面設(shè)有3個(gè)高壓導(dǎo)流槽和3個(gè)導(dǎo)流孔，內(nèi)壁面設(shè)有沖擊錘槽和低壓導(dǎo)流槽，其低壓導(dǎo)流槽與中心流道連通；

沖擊錘外壁設(shè)有凸起的錘體，錘體內(nèi)設(shè)有導(dǎo)流槽和導(dǎo)流孔，錘體兩側(cè)設(shè)有導(dǎo)流孔，沖擊錘內(nèi)壁設(shè)有凸起的擋體，擋體兩側(cè)設(shè)有導(dǎo)流孔；

換向閥外壁設(shè)有導(dǎo)流槽和兩泄流槽，泄流槽通過(guò)導(dǎo)流孔與中心流道連通；

一種周向軸向負(fù)壓沖擊提速工具內(nèi)還設(shè)有動(dòng)定閥組，其動(dòng)閥片固定在沖擊錘上，定閥片固定在定閥座上，定閥座與沖擊筒固定連接。

所述的沖擊錘的錘體置于沖擊筒的沖擊錘槽內(nèi)，將其分割為兩個(gè)錘體液腔；

所述的換向閥置于沖擊錘內(nèi)，沖擊錘的擋體置于換向閥的擋體槽內(nèi)，將其分割為兩個(gè)換向閥液腔。

所述的動(dòng)閥片和定閥片上各均布4個(gè)導(dǎo)流孔。

所述的定閥座上部圓筒設(shè)有導(dǎo)流孔。

所述的外筒和沖擊筒通過(guò)花鍵塊連接傳遞扭矩，花鍵塊之間設(shè)有間隙。

本發(fā)明提供的一種周向軸向負(fù)壓沖擊提速工具，通過(guò)采用以上的結(jié)構(gòu)，具有以下的有益效果：

1、采用互為換向控制的主閥和控制閥結(jié)構(gòu)，其中沖擊筒內(nèi)壁面和沖擊錘外壁面構(gòu)成主閥，沖擊錘內(nèi)壁面和換向閥外壁面構(gòu)成控制閥，使沖擊錘在錘體槽內(nèi)周期性的往復(fù)擺動(dòng)，通過(guò)沖擊錘驅(qū)動(dòng)動(dòng)閥片的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆柱內(nèi)流道的開(kāi)啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)脈沖射流鉆井，能避免渦輪驅(qū)動(dòng)易產(chǎn)生的憋死問(wèn)題和采用彈簧等彈性元件引起的工具壽命較短的問(wèn)題，大大提高工具的可靠性和工具的的工作壽命。

2、采用啟閉的動(dòng)定閥組的結(jié)構(gòu)，當(dāng)動(dòng)定閥組完全關(guān)閉時(shí)，產(chǎn)生的沖擊壓力遠(yuǎn)比扭力沖擊工具中噴嘴的節(jié)流壓力大，可以有效解決扭力沖擊工具沖擊扭矩小的問(wèn)題，提高工具的周向沖擊，進(jìn)一步降低PDC鉆頭的粘滑振動(dòng)。

3、本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、長(zhǎng)度短，采用全金屬結(jié)構(gòu)，具有使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明的主視結(jié)構(gòu)剖視示意圖。

圖2為本發(fā)明的另一主視結(jié)構(gòu)剖視示意圖。

圖3為本發(fā)明中圖1的A-A向剖視圖。

圖4為本發(fā)明中圖1的B-B向剖視圖。

圖5為本發(fā)明中沖擊筒的立體示意圖。

圖6為本發(fā)明中沖擊錘的立體示意圖。

圖7為本發(fā)明中換向閥的立體示意圖。

圖8為本發(fā)明中動(dòng)定閥組的立體示意圖。

圖9為本發(fā)明中圖1的A-A向剖視的沖擊筒、沖擊錘、換向閥的第一種位置圖示意圖。

圖10為本發(fā)明中圖1的A-A向剖視的沖擊筒、沖擊錘、換向閥的第二種位置圖示意圖。

圖11為本發(fā)明中圖1的A-A向剖視的沖擊筒、沖擊錘、換向閥的第三種位置圖示意圖。

圖12為本發(fā)明中圖1的A-A向剖視的沖擊筒、沖擊錘、換向閥的第四種位置圖示意圖。

圖中：外筒1，定閥座2，定閥片3，定閥進(jìn)液孔301，動(dòng)閥片4，動(dòng)閥進(jìn)液孔401，沖擊筒5，沖擊錘6，換向閥 7，球軸承 8，高壓導(dǎo)流槽9，導(dǎo)流槽10，換向閥導(dǎo)流槽 11，錘體液腔12，錘體液腔13，換向閥泄流槽14，中心流道15，換向閥液腔16，低壓泄流槽17，換向閥液腔18，定閥座防砂篩管 19，沖擊筒錘體槽 20，進(jìn)液孔21，花鍵塊 22，沖擊錘錘體23，沖擊錘擋體24，沖擊錘進(jìn)液孔25，沖擊錘進(jìn)液孔26，沖擊錘進(jìn)液孔27，換向閥防砂割縫管28，換向閥擋體槽29，間隙30，外筒花鍵31。

具體實(shí)施方式

如圖1-2中，一種周向軸向負(fù)壓沖擊提速工具，包括外筒1、定閥座2、定閥片3、動(dòng)閥片4、沖擊筒5、沖擊錘6、換向閥7、球軸承8；

如圖3中，一種周向軸向負(fù)壓沖擊提速工具內(nèi)設(shè)有互為換向控制的主閥和控制閥，其沖擊筒5內(nèi)壁面和沖擊錘6外壁面構(gòu)成主閥，沖擊錘6內(nèi)壁面和換向閥7外壁面構(gòu)成控制閥；

如圖5中，沖擊筒5外壁面設(shè)有三個(gè)高壓導(dǎo)流槽9和三個(gè)導(dǎo)流孔21，內(nèi)壁面設(shè)有沖擊錘槽20和低壓導(dǎo)流槽17,其低壓導(dǎo)流槽17與中心流道15連通；

如圖6中，沖擊錘6外壁設(shè)有凸起的錘體23，錘體23內(nèi)設(shè)有導(dǎo)流槽10和導(dǎo)流孔25，錘體23兩側(cè)設(shè)有導(dǎo)流孔26，沖擊錘6內(nèi)壁設(shè)有凸起的擋體24，擋體24兩側(cè)設(shè)有導(dǎo)流孔27；

如圖7中，換向閥7外壁設(shè)有導(dǎo)流槽11和兩泄流槽14，泄流槽14通過(guò)導(dǎo)流孔28與中心流道15連通；

如圖1、2中，一種周向軸向負(fù)壓沖擊提速工具內(nèi)還設(shè)有動(dòng)定閥組，其動(dòng)閥片4固定在沖擊錘6上，定閥片3固定在定閥座2上，定閥座2與沖擊筒5固定連接。

如圖3、5、6中，所述的沖擊錘6的錘體23置于沖擊筒5的沖擊錘槽20內(nèi)，將其分割為兩個(gè)錘體液腔12和13；

如圖3、6、7中，所述的換向閥7置于沖擊錘6內(nèi)，沖擊錘6的擋體24置于換向閥7的擋體槽29內(nèi)，將其分割為兩個(gè)換向閥液腔16和18。

如圖8中，所述的動(dòng)閥片4和定閥片3上各均布4個(gè)導(dǎo)流孔301和401，通過(guò)旋轉(zhuǎn)動(dòng)閥片4使動(dòng)閥片4上的導(dǎo)流孔401和定閥片3上的導(dǎo)流孔301連通和關(guān)閉。

如圖1、2中，所述的定閥座2上部圓筒設(shè)有導(dǎo)流孔19。

如圖4中，所述的外筒1和沖擊筒5通過(guò)花鍵塊22和31連接傳遞扭矩，花鍵塊22和31之間設(shè)有間隙30。

如圖9~12中，為沖擊筒、沖擊錘、換向閥的四種位置圖。

該周向軸向負(fù)壓沖擊提速工具工作原理如下：

工作時(shí)鉆柱驅(qū)動(dòng)外筒1旋轉(zhuǎn)，外筒花鍵31和沖擊筒5的花鍵22配合，帶動(dòng)沖擊筒5上的鉆頭旋轉(zhuǎn)；鉆井液經(jīng)定閥片3、動(dòng)閥片4流入中心流道15，由于動(dòng)定閥片的孔板結(jié)構(gòu)的節(jié)流作用，動(dòng)定閥組上部壓力大于下部的壓力。

如圖3、9中，動(dòng)定閥組上部的高壓流體經(jīng)導(dǎo)流孔19、導(dǎo)流槽9和導(dǎo)流孔21進(jìn)入沖擊錘6的導(dǎo)流槽10，然后經(jīng)導(dǎo)流孔25、換向閥7的導(dǎo)流槽11和導(dǎo)流孔26進(jìn)入錘體液腔12；錘體液腔13經(jīng)導(dǎo)流孔26、泄流槽14和導(dǎo)流孔流道28與動(dòng)定閥組下部的中心流道15連通，其中錘體液腔12為高壓腔，錘體液腔13為低壓腔，沖擊錘6在兩側(cè)壓力差的作用下逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)固定在沖擊錘6上的動(dòng)閥片4旋轉(zhuǎn)，動(dòng)定閥組逐漸關(guān)閉，錘體液腔12和13之間的壓力差隨之增加，沖擊錘6錘擊沖擊筒5時(shí)，動(dòng)定閥組完全關(guān)閉，作用在沖擊錘6上的錘擊力最大；由于沖擊錘6內(nèi)壁凸起的擋體24的作用，帶動(dòng)換向閥7一起旋轉(zhuǎn)至圖10的位置。

如圖3、10中，換向閥液腔16經(jīng)導(dǎo)流孔27、導(dǎo)流孔21和導(dǎo)流槽9與換向閥上部連通，換向液腔16為高壓腔；換向閥液腔18經(jīng)導(dǎo)流孔27、導(dǎo)流槽17與中心流道15連通，換向液腔18為低壓腔；換向閥7在兩側(cè)壓力差的驅(qū)動(dòng)下逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至圖11位置。

如圖3、11中，動(dòng)定閥上部的高壓流體經(jīng)導(dǎo)流孔19、導(dǎo)流槽9和導(dǎo)流孔21進(jìn)入沖擊錘6的導(dǎo)流槽10，然后經(jīng)導(dǎo)流孔25、換向閥7的導(dǎo)流槽11和導(dǎo)流孔26進(jìn)入錘體液腔13，錘體液腔13為高壓腔；錘體液腔12經(jīng)導(dǎo)流孔26、泄流槽14和導(dǎo)流孔流道28與動(dòng)定閥組下部的中心流道15連通，錘體液腔12為低壓腔；沖擊錘6在錘體23兩側(cè)壓差作用下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)動(dòng)閥片和換向閥旋轉(zhuǎn)至圖12位置，動(dòng)定閥組開(kāi)啟。

如圖3、12中，換向閥液腔18經(jīng)導(dǎo)流孔27、導(dǎo)流孔21和導(dǎo)流槽9與換向閥上部連通，換向液腔18為高壓腔；換向閥液腔16經(jīng)導(dǎo)流孔27、導(dǎo)流槽17與中心流道15連通，換向液腔16為低壓腔；換向閥7在兩側(cè)壓力差的驅(qū)動(dòng)下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至圖9位置。

該周向軸向負(fù)壓沖擊提速工具經(jīng)圖9-10-11-12-9的一個(gè)周期的循環(huán)，沖擊錘6完成一次正向沖擊、一次反向沖擊，動(dòng)定閥組完成一次啟閉，實(shí)現(xiàn)鉆柱內(nèi)流道的一次啟閉。

上述的實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，而不應(yīng)視為對(duì)于本發(fā)明的限制，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征在不沖突的情況下，可以相互任意組合。本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求記載的技術(shù)方案，包括權(quán)利要求記載的技術(shù)方案中技術(shù)特征的等同替換方案為保護(hù)范圍。即在此范圍內(nèi)的等同替換改進(jìn)，也在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。