本發(fā)明涉及一種用于石油天然氣鉆探工程領域的高頻扭轉復位軸向振動沖擊工具。

背景技術：

隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展，油氣需求量越來越大，而我國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，并且我國的深層油氣儲量相當豐富，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越來越深，地質年代會越來越長遠，巖石越來越硬。但是，鉆井技術水平限制著深井、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鉆井技術。鉆井過程當中碰到硬地層時，鉆井效率降低，鉆頭壽命變的更短，鉆井周期變的更長，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今鉆井工程中急需解決的一個問題，探求更新、更高效的破巖技術，提高鉆井速度、降低鉆井成本、縮小勘探開發(fā)周期，這是鉆井技術發(fā)展的一個主要方向。沖旋鉆井技術是目前國內外鉆井技術發(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的進一步發(fā)展，所以開展新型沖擊鉆井工具的研制已經(jīng)是沖旋鉆井技術發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

技術實現(xiàn)要素：

為了探索解決現(xiàn)有沖擊振動工具壽命短、沖擊振動參數(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復位軸向振動沖擊工具。本發(fā)明的沖擊工具通過轉換總成實現(xiàn)泥漿通道周期性變化，利用流道變化產生性的壓差推動滑套向前移動，產生軸向位移與軸向作用力，作用在沖擊花鍵上，驅動沖擊花鍵與沖擊錘一起向前運動，沖擊錘前端扭簧壓縮，沖擊錘沖擊砧子，從而對鉆頭產生高頻沖擊振動作用，當滑套后移時，扭簧對沖擊錘施加一 個轉動力矩，使沖擊錘轉動，使沖擊錘進入另一個花鍵槽，此后重復此周期性運動。

本發(fā)明的技術方案是：高頻扭轉復位軸向振動沖擊工具，通過螺紋連接固定安裝在鉆頭上部，其包括渦輪總成、轉換總成、沖擊總成；在轉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入渦輪工作腔，驅動渦輪工作，帶動渦輪軸旋轉，并將旋轉運動通過上花鍵向下傳遞；所述的轉換總成包括下花鍵、墊片、導流短節(jié)、O型密封圈、矩形密封圈a、旋轉套、上外殼、節(jié)流嘴、定位筒、調整墊片、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分別安裝到旋轉套內外圓周上，再將旋轉套安裝到導流短節(jié)上，再安裝定位筒固定旋轉套，并將中外殼安裝到上外殼前端，將節(jié)流嘴安裝到導流短節(jié)前端，再安裝調整墊片和滑套，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動傳遞到導流短節(jié)，使導流短節(jié)前端圓周上的導流孔與旋轉套之間處于周期性連通和關閉狀態(tài)，從而產生周期性的壓差變化，作用在滑套上，產生軸向位移和軸向作用力，驅動芯軸向前移動，碟簧受壓蓄能，壓縮到極限位置后復位，推動芯軸向后移動；所述的沖擊總成包括密封圈b、沖擊花鍵、導向花鍵、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)、調整環(huán)、鎖緊環(huán)、砧子，將導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，然后安裝到導向花鍵內，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)，芯軸向前移動時，驅動沖擊花鍵和沖擊錘向前移動，扭簧壓縮，直至與砧子碰撞，產生沖擊，并最終作用在鉆頭上，提高鉆頭破巖效率，當芯軸向后移動時，扭簧復位，產生反向推力和力矩，驅動沖擊錘產生旋轉運動，并在沖擊錘尾部楔形結構導向作用下，進入另一個花鍵槽，從而使沖擊錘在產生沖擊作用過程中處于不斷旋轉狀態(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，尾部設計為楔形面，便于通過楔形面作用進入下外殼的另一花鍵槽，保證沖擊錘在產生沖擊過程中處于旋轉狀態(tài)。所述的導流短節(jié)與旋轉套之間處于周期性的連通和關閉狀態(tài)，使芯軸能夠周期性地向前和向后移動。

本發(fā)明的有益效果是：(1)沖擊錘在產生沖擊振動作用過程中,能夠旋轉運動,避免沖擊錘發(fā)生不均勻磨損,有效提高沖擊錘使用壽命,保證沖擊振動參數(shù)不產生明顯波動；(2)高頻扭轉復位軸向振動沖擊工具能夠對鉆頭施加高頻軸向振動沖擊,加速鉆頭破巖,增加單只鉆頭進尺,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,產生壓力差,從而產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、降低生產成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖。

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是沖擊花鍵結構示意圖。

圖11是沖擊錘結構示意圖。

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.渦輪轉子，9.渦輪外殼，10.上花鍵，11.下旋塞，12.下花鍵，13.墊片，14.導流短節(jié)，15.O型密封圈，16.矩形密封圈a，17.旋轉套，18.上外殼，19.節(jié)流嘴，20.定位筒，21.調整墊片，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.調整環(huán)，43.鎖緊環(huán)，44.砧子。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明：

參見附圖1，高頻扭轉復位軸向振動沖擊工具，通過螺紋連接固定安裝在鉆頭上部，其包括渦輪總成、轉換總成、沖擊總成；在轉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圓周通孔上進入渦輪工作腔，驅動渦輪工作，帶動渦輪軸6旋轉，并將旋轉運動通過上花鍵10向下傳遞。所述的轉換總成包括下花鍵12、墊片13、導流短節(jié)14、O型密封圈15、矩形密封圈a16、旋轉套17、上外殼18、節(jié)流嘴19、定位筒20、調整墊片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分別安裝到旋轉套17內外圓周上，再將旋轉套17安裝到導流短節(jié)14上，再安裝定位筒20固定旋轉套17，并將中外殼26安裝到上外殼18前端，將節(jié)流嘴19安裝到導流短節(jié)14前端，再安裝調整墊片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將上部轉動傳遞到導流短節(jié)14，使導流短節(jié)14前端圓周上的導流孔與旋轉套17之間處于周期性連通和關閉狀態(tài)，從而產生周期性的壓差變化，作用在滑套22上，產生軸向位移和軸向作用力，驅動芯軸25向前移動，碟簧24受壓蓄能，壓縮到極限位置后復位，推動芯軸25向后移動。

所述的沖擊總成包括密封圈b30、沖擊花鍵31、導向花鍵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、調整環(huán)42、鎖緊環(huán)43、砧子44，將導向花鍵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，然后安裝到導向花鍵32內，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向前移動時，驅動沖擊花鍵31和沖擊錘34向前移動，扭簧36壓縮，直至與砧子44碰撞，產生沖擊，并最終作用在鉆頭上，提高鉆頭破巖效率，當芯軸25向后移動時，扭簧36復位，產生反向推力和力矩，驅動沖擊錘34產生旋轉運動，并在沖擊錘34尾部楔形結構導向作用下，進入另一個花鍵槽，從而使沖擊錘34在產生沖擊作用過程中處于不斷旋轉狀態(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，尾部設計為楔形面，便于通過楔形面作用進入下外殼35 的另一花鍵槽，保證沖擊錘34在產生沖擊過程中處于旋轉狀態(tài)。所述的導流短節(jié)14與旋轉套17之間處于周期性的連通和關閉狀態(tài)，使芯軸25能夠周期性地向前和向后移動。