本發(fā)明屬于石油天然氣鉆井配套設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多維沖擊鉆井工具，特別是一種深井硬地層提高機(jī)械鉆速的鉆井工具。

背景技術(shù)：
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隨著老油田常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)進(jìn)入中后期，為滿足我國(guó)對(duì)油氣資源的巨大需求，加大了對(duì)深層、薄油層、斷塊油層等復(fù)雜油層以及非常規(guī)油氣資源的開發(fā)力度。在這些油氣資源的鉆探過程中，深部堅(jiān)硬地層、強(qiáng)非均質(zhì)性和軟硬交互性地層、可鉆性差地層的機(jī)械鉆速低，延長(zhǎng)了鉆井周期，增加了資金的投入。因此，發(fā)展出能夠提高深部地層和復(fù)雜油氣藏鉆探效率的新技術(shù)及其配套工具，是提高這類井鉆探效率和我國(guó)油氣資源開發(fā)效率的必要途徑，也是應(yīng)對(duì)國(guó)內(nèi)和世界石油鉆探市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)的重要手段。

為解決鉆進(jìn)過程中機(jī)械鉆速低的問題，石油專家們分別從影響機(jī)械鉆速的各個(gè)因素(包括鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆頭選型、井底水力能量、破巖方式、鉆頭扭矩等)的角度出發(fā)，提出并發(fā)展了垂直鉆井技術(shù)、水力加壓器、水力振蕩器、渦輪鉆具和螺桿鉆具等井下動(dòng)力鉆具、高效PDC鉆頭和新型復(fù)合鉆頭、分流負(fù)壓鉆頭、水力脈動(dòng)鉆井工具和自激空化射流鉆井工具、旋沖工具，扭力沖擊器等多種提速技術(shù)及鉆井工具，在一定程度上解決了機(jī)械鉆速低、鉆井周期長(zhǎng)和資金投入大的問題。大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，對(duì)于深部堅(jiān)硬地層，旋沖鉆井和扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井取得了更好的提速效果，其主要原因是，隨著井深的增加，地層壓實(shí)程度更高變得更加堅(jiān)硬，同時(shí)井底水力能量減弱，機(jī)械鉆速對(duì)轉(zhuǎn)速和水力能量的敏感程度降低，而旋沖鉆井能夠產(chǎn)生作用于井底巖石的高頻軸向沖擊，不僅能夠使井底巖石產(chǎn)生初始裂紋并擴(kuò)展形成體積破碎提高破巖效率，同時(shí)能夠使鉆頭周期性的吃入地層，從而提高鉆頭每轉(zhuǎn)一圈的巖石破碎量，另一方面，扭轉(zhuǎn)沖擊工具能夠產(chǎn)生作用于井底巖石的扭轉(zhuǎn)沖擊振動(dòng)，將PDC鉆頭對(duì)井底巖石的剪切破碎變?yōu)闆_擊剪切破碎，補(bǔ)充鉆頭破巖扭矩的不足，消除鉆頭的粘滑效應(yīng)，提高機(jī)械鉆速和PDC鉆頭使用壽命，對(duì)堅(jiān)硬地層的提速效果較好。

鑒于旋沖工具和扭轉(zhuǎn)沖擊工具在深井硬地層取得的較好提速效果，國(guó)內(nèi)外各科研院所和石油公司研制了多種原理、結(jié)構(gòu)和沖擊參數(shù)各不相同的沖擊器，但大部分旋沖工具過分強(qiáng)調(diào)沖擊功對(duì)破巖效率的影響，因此導(dǎo)致沖擊頻率較低，同時(shí)由于過大的軸向沖擊可能導(dǎo)致鉆頭吃入地層過深，在提高機(jī)械鉆速的同時(shí)增加了破巖扭矩，進(jìn)一步加劇了鉆頭的粘滑振動(dòng)，另外，沖擊工具普遍存在井下的安全性差和使用壽命低的問題。扭轉(zhuǎn)沖擊工具在保證鉆頭對(duì)地層有一定吃入深度的前提下，通過扭轉(zhuǎn)方向上的高頻沖擊實(shí)現(xiàn)提速，但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在以下不足：首先是容易引發(fā)鉆頭泥包，這就要求在鉆進(jìn)過程中要經(jīng)常性的將鉆頭提離井底，開泵并高轉(zhuǎn)速甩動(dòng)鉆柱，從而消除鉆頭泥包現(xiàn)象，顯著增加了鉆進(jìn)輔助時(shí)間；其次是容易引發(fā)井斜，主要是因?yàn)榕ち_擊器提速的前提是鉆頭要有一定的吃深，這就要求要施加比常規(guī)鉆進(jìn)更大的鉆壓，否則扭轉(zhuǎn)沖擊無法有效的作用于切削齒前方的巖石上，鉆壓的增加則常常導(dǎo)致井斜增加，因此，對(duì)井身質(zhì)量控制的要求在一定程度上限制了扭力沖擊器提速潛力的發(fā)揮；再次是扭力沖擊器只能和常規(guī)鉆具配合使用，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明扭力沖擊器與螺桿鉆具配合使用時(shí)由于頻率相互干擾導(dǎo)致扭力沖擊器提速效果顯著降低，因此扭力沖擊器只能夠在常規(guī)鉆井基礎(chǔ)上進(jìn)行提速；最后是為保證提速效果扭力沖擊器要配合專門的PDC鉆頭使用，導(dǎo)致租賃和鉆頭費(fèi)用高，難以在提速的同時(shí)提高效益，使其推廣應(yīng)用受到限制。由此可見，旋沖工具和扭轉(zhuǎn)沖擊工具雖然在硬地層提速中效果初現(xiàn)，但是在應(yīng)用過程中尚存在大量的問題。因此，在我國(guó)石油資源勘探開發(fā)需求迫切和鉆井市場(chǎng)化的大形勢(shì)下，提出一種切實(shí)可行的，能夠進(jìn)一步提高深部硬地層和復(fù)雜地層機(jī)械鉆速和鉆探效率的鉆井技術(shù)及其配套工具十分必要。

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)，尋求設(shè)計(jì)提供一種多維沖擊鉆井工具，使鉆頭同時(shí)產(chǎn)生對(duì)井底巖石的軸向和扭轉(zhuǎn)沖擊，提高破巖效率、鉆頭壽命，消除鉆頭泥包，從而提高機(jī)械鉆速，降低鉆井資金投入。

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、限位臺(tái)階、限位凸起、套筒花鍵、水力元件、第一密封、第二密封、第三密封、膛線面、陽膛線、陰膛線、砧子、粗糙表面、工裝孔、下接頭和下接頭花鍵槽；上接頭、套筒和砧子內(nèi)部均設(shè)有沿軸線方向延伸的貫通的中心流道，套筒的上端設(shè)有用于連接上部鉆柱的上接頭，上接頭和套筒之間通過螺紋連接；套筒的下端設(shè)有用于連接下部鉆柱的下接頭；套筒的內(nèi)部上接頭和下接頭之間從上到下依次設(shè)置有水力元件和砧子，砧子的下端穿出套筒底端，并與設(shè)置于套筒下端的下接頭通過螺紋連接，用于進(jìn)行載荷和扭矩的傳遞；水力元件與套筒接觸面的上下兩端分別設(shè)置有第一密封和第二密封，砧子與套筒接觸面的上端設(shè)置有第三密封；套筒內(nèi)壁上設(shè)置有限位臺(tái)階和限位凸起，分別用以限水力元件和砧子的軸向位移，砧子的上端外徑大于限位凸起的內(nèi)徑，防止砧子從套筒中脫出；水力元件上部為腔室結(jié)構(gòu)，利用自激振蕩原理能夠?qū)⒘魅肫淝皇覂?nèi)部的連續(xù)穩(wěn)定射流調(diào)制成壓力劇烈波動(dòng)的脈沖射流，水力元件的下端面與限位臺(tái)階配合，上接頭將水力元件沿軸向壓緊；套筒的下端設(shè)置有套筒花鍵，下接頭上端設(shè)置有與套筒花鍵相配合的下接頭花鍵槽，套筒花鍵和下接頭花鍵槽相互配合用以傳遞外接的上部鉆柱扭矩；砧子的下端加工有多邊形結(jié)構(gòu)的工裝孔，用以插入將砧子和下接頭擰緊的工具；砧子上表面加工成粗糙表面，用以增加旋轉(zhuǎn)脈沖射流的作用面積，從而使射流的多維沖擊能夠有效作用于砧子；粗糙表面根據(jù)實(shí)際需要為紋理表面或仿生非光滑表面，以達(dá)到提高載荷和扭矩傳遞效率并提高其耐磨特性的目的；水力元件下部流道表面為膛線面，該膛線面由陽膛線和陰膛線交替組合構(gòu)成，膛線面為等距膛線、漸速膛線或混合膛線，能夠通過調(diào)節(jié)膛線數(shù)目、度數(shù)和纏距實(shí)現(xiàn)對(duì)射流加旋的調(diào)節(jié)。

本發(fā)明工作時(shí)，外接的轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)帶動(dòng)上接頭和套筒繞著多維沖擊鉆井的軸線順時(shí)針(俯視)轉(zhuǎn)動(dòng)，套筒通過套筒花鍵與下接頭花鍵槽的配合帶動(dòng)下接頭產(chǎn)生完全相同的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)，鉆井液從上接頭的中心流道流入并進(jìn)入水力元件，依次經(jīng)過諧振、反饋、選頻及放大等自激振蕩過程形成壓力劇烈波動(dòng)的脈沖射流；由水力元件上端產(chǎn)生的脈沖射流進(jìn)入水力元件下端的膛線面，該脈沖射流在膛線面的作用下演變成為脈沖旋轉(zhuǎn)射流，最后脈沖旋轉(zhuǎn)射流由水力元件的下端噴出作用于砧子上端的粗糙表面，對(duì)砧子上端面產(chǎn)生脈動(dòng)軸向沖擊和切向剪切，從而使砧子產(chǎn)生軸向和扭轉(zhuǎn)(順時(shí)針(俯視))方向的高頻振動(dòng)，繼而帶動(dòng)下接頭和與下接頭連接的外部鉆頭產(chǎn)生作用于井底巖石的三維沖擊，實(shí)現(xiàn)高效破巖。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是通過鉆頭對(duì)井底巖石施加軸向沖擊，在不增加鉆壓的前提下增加鉆頭切削齒吃入地層的深度，同時(shí)，通過鉆頭對(duì)井底巖石施加扭轉(zhuǎn)沖擊，補(bǔ)充轉(zhuǎn)盤所提供的破巖扭矩的不足，增加鉆頭每轉(zhuǎn)一圈的巖石破碎量，防止井斜，消了粘滑振動(dòng)，提了鉆頭使用壽命；二是將旋轉(zhuǎn)沖擊和扭轉(zhuǎn)沖擊結(jié)合，有效的解決扭轉(zhuǎn)沖擊工具在應(yīng)用過程中由于鉆頭泥包所導(dǎo)致的鉆井輔助時(shí)間增加的難題；三是使用時(shí)擬采用高頻沖擊，將沖擊頻率和鉆頭牙齒切削井底同一點(diǎn)的頻率拉開，該技術(shù)配合螺桿鉆具一起使用，在復(fù)合鉆井提速的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速和鉆探效率；另外，該工具將水力能量直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械沖擊力，能量利用率高，使用壽命長(zhǎng)；四是采用本發(fā)明所述裝置將消除提速效果對(duì)鉆頭的依賴性，只依靠常規(guī)鉆頭選型，不再使用專用鉆頭，這樣可以極大的降低資金投入，有利于該技術(shù)的推廣應(yīng)用；其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，安全可靠，壓耗低，不影響鉆具結(jié)構(gòu)，適用于多種鉆井平臺(tái)，加工制造和使用維護(hù)成本低，對(duì)于深井、超深井和復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的安全快速鉆進(jìn)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)剖視結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖2為本發(fā)明主體結(jié)構(gòu)的A-A剖面圖。

圖3為本發(fā)明主體結(jié)構(gòu)的B-B剖面圖。

圖4為本發(fā)明主體結(jié)構(gòu)的C-C剖面圖。

圖5為本發(fā)明三是膛線面的平面展開圖。

具體實(shí)施方式：

下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(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、限位臺(tái)階21、限位凸起22、套筒花鍵23、水力元件3、第一密封4、第二密封6、第三密封8、膛線面5、陽膛線51、陰膛線52、砧子7、粗糙表面71、工裝孔72、下接頭9和下接頭花鍵槽91；上接頭1、套筒2和砧子7內(nèi)部均設(shè)有沿軸線方向延伸的貫通的中心流道，套筒2的上端設(shè)有用于連接上部鉆柱的上接頭1，上接頭1和套筒2之間通過螺紋連接；套筒2的下端設(shè)有用于連接下部鉆柱的下接頭9；套筒2的內(nèi)部上接頭1和下接頭9之間從上到下依次設(shè)置有水力元件3和砧子7，砧子7的下端穿出套筒2底端，并與設(shè)置于套筒2下端的下接頭9通過螺紋連接，用于進(jìn)行載荷和扭矩的傳遞；水力元件3與套筒2接觸面的上下兩端分別設(shè)置有第一密封4和第二密封6，砧子7與套筒2接觸面的上端設(shè)置有第三密封8；套筒2內(nèi)壁上設(shè)置有限位臺(tái)階21和限位凸起22，分別用以限水力元件3和砧子7的軸向位移，砧子7的上端外徑大于限位凸起22的內(nèi)徑，防止砧子7從套筒2中脫出；水力元件3上部為腔室結(jié)構(gòu)，利用自激振蕩原理能夠?qū)⒘魅肫淝皇覂?nèi)部的連續(xù)穩(wěn)定射流調(diào)制成壓力劇烈波動(dòng)的脈沖射流，水力元件3的下端面與限位臺(tái)階21配合，上接頭1將水力元件3沿軸向壓緊；套筒2的下端設(shè)置有套筒花鍵23，下接頭9上端設(shè)置有與套筒花鍵23相配合的下接頭花鍵槽91，套筒花鍵23和下接頭花鍵槽91相互配合用以傳遞外接的上部鉆柱扭矩；砧子7的下端加工有多邊形結(jié)構(gòu)的工裝孔72(本實(shí)例中為六邊形)，用以插入工具從而將砧子7和下接頭9擰緊；砧子7上表面加工成粗糙表面71，用以增加旋轉(zhuǎn)脈沖射流的作用面積，從而使射流的多維沖擊能夠有效作用于砧子7；粗糙表面71可根據(jù)實(shí)際需要優(yōu)化為紋理表面或仿生非光滑表面，以達(dá)到提高載荷和扭矩傳遞效率并提高其耐磨特性的目的；水力元件3下部流道表面為膛線面5，該膛線面5由陽膛線51和陰膛線52交替組合構(gòu)成，膛線面5為等距膛線、漸速膛線或混合膛線，能夠通過調(diào)節(jié)膛線數(shù)目、度數(shù)和纏距實(shí)現(xiàn)對(duì)射流加旋的調(diào)節(jié)。

本實(shí)施例工作時(shí)，外接的轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)帶動(dòng)上接頭1和套筒2繞著多維沖擊鉆井的軸線順時(shí)針(俯視)轉(zhuǎn)動(dòng)，套筒2通過套筒花鍵23與下接頭花鍵槽91的配合帶動(dòng)下接頭9產(chǎn)生完全相同的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)，鉆井液從上接頭1的中心流道流入并進(jìn)入水力元件3，依次經(jīng)過諧振、反饋、選頻及放大等自激振蕩過程形成壓力劇烈波動(dòng)的脈沖射流；由水力元件3上端產(chǎn)生的脈沖射流進(jìn)入水力元件3下端的膛線面5，該脈沖射流在膛線面5的作用下演變成為脈沖旋轉(zhuǎn)射流，最后脈沖旋轉(zhuǎn)射流由水力元件3的下端噴出作用于砧子7上端的粗糙表面71，對(duì)砧子7上端面產(chǎn)生脈動(dòng)軸向沖擊和切向剪切，從而使砧子7產(chǎn)生軸向和扭轉(zhuǎn)(順時(shí)針(俯視))方向的高頻振動(dòng)，繼而帶動(dòng)下接頭9和與下接頭9連接的外部鉆頭產(chǎn)生作用于井底巖石的三維沖擊，實(shí)現(xiàn)高效破巖。

本實(shí)施例針對(duì)深井硬地層破巖效率低、機(jī)械鉆速低和資金投入大高的難題，提出利用水力能量調(diào)制脈沖旋轉(zhuǎn)射流激發(fā)鉆頭對(duì)井底巖石的多維沖擊，從而提高破巖效率、消除鉆頭泥包，從而最終提高機(jī)械鉆速的思路，具有廣泛的應(yīng)用前景，所采用的裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、安全可靠、壓耗低、不影響鉆具結(jié)構(gòu)、適用于多種鉆井平臺(tái)、加工制造和使用維護(hù)的成本較低等特點(diǎn)，對(duì)于深井、超深井和復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的安全快速鉆進(jìn)具有重要的實(shí)際意義。