技術領域：

本發(fā)明屬于石油天然氣鉆井配套設備技術領域，涉及一種沖擊鉆井工具，特別是一種激發(fā)鉆柱振動的沖擊鉆井工具。

背景技術：
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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，定向井、水平井及大位移井等復雜結構井技術逐漸成為高效開發(fā)此類資源的最有效有段。在復雜結構井的鉆進過程中，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)，尤以水平井最為嚴重，常常導致鉆柱無法繼續(xù)向下運動、無法給鉆頭施加鉆壓，從而極大地降低機械鉆速，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，是使用復雜結構井高效開發(fā)鉆進的關鍵。目前，一般的做法是優(yōu)化井身結構和泥漿性能、采用旋轉導向鉆井等措施來減小鉆柱與井壁之間的摩阻，從而提高機械鉆速，并提高水平井段的極限延伸距離，但是上述技術措施均存在一定的局限性，難以推廣使用。研究表明：振動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，振動減阻技術已經(jīng)廣泛應用于各個工程領域，振動減阻技術屬于可控的主動減阻技術，如何將其應用于鉆柱與井壁減阻，以克服常規(guī)減摩阻技術的局限性，是復雜結構井鉆井減阻理論研究及工具研制的一個重要發(fā)展方向。

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

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的主體結構包括上接頭、套筒、鎖緊螺母、葉輪、導流盤、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)動桿、流道、滑動棱和中心流道；筒狀結構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置有多個傾斜的葉片，相鄰葉片之間形成葉輪流道，葉輪中間設置有方孔，方孔與沖錘上端的驅(qū)動桿配合；沖錘的中間設有驅(qū)動桿，導流盤安裝在葉輪的下方并套裝在驅(qū)動桿上，沖錘在葉輪的帶動下產(chǎn)生相對于導流盤的周向轉動，套筒內(nèi)側在導流盤和沖錘之間設有限位臺階，用于限制導流盤的軸向位移；導流盤的軸向上開有扇形流道，沖錘在軸向上設有與扇形流道相對應的流道，使用時通過扇形流道和流道在軸向上的相對旋轉改變鉆井液的過流面積，從而產(chǎn)生水擊效應激發(fā)沖錘向下運動；導流盤的周側上對稱式設有兩個限位凹槽，限位凹槽內(nèi)部與套筒內(nèi)側的限位凸起配合限制導流盤的周向轉動，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構用于傳遞扭矩；砧子的中間設有中心流道，沖錘和砧子之間的套筒內(nèi)壁上設置有螺旋梯，沖錘上設有與螺旋梯相互配合的滑動棱，沖錘在轉動的過程中，螺旋梯和滑動棱使沖錘軸向上升，當沖錘沿軸向上升至最高點時，隨著沖錘的周向旋轉，沖錘上的流道與導流盤上的扇形流道相互錯開，與此同時，滑動棱與螺旋梯完全脫開，沖錘沿著軸向瞬間高速向下運動并沖擊砧子；隨著葉輪的連續(xù)旋轉，導流盤和沖錘之間的流道周期性的重合和錯開；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。

本發(fā)明所述沖擊鉆井工具接入鉆柱進行鉆進時，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動，從而帶動沖錘產(chǎn)生相對于導流盤的相對運動，相對運動包括周向運動以及沖錘與套筒內(nèi)壁上的螺旋梯相互作用產(chǎn)生的軸向運動，從而周期性接通或者阻斷鉆井液，當沖錘運行至軸向最高點時鉆井液的流動被瞬間截止時，沖錘與套筒內(nèi)壁上的螺旋梯脫開，由于水擊效應，導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動，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)周向轉動，導流盤和沖錘之間鉆井液的流動通道打開，導流盤上部被壓縮的鉆井液向下釋放，水擊效應消除，沖錘在螺旋梯的作用下沿著軸向向上運動，同時砧子在鉆壓的作用下向上運動以待沖錘的下一次沖擊，當沖錘上升至軸向最高位置時，導流盤的扇形流道再次被關閉，從而產(chǎn)生水擊效應使沖錘高速沖擊砧子；鉆井液驅(qū)使葉輪轉動使鉆井液流道周期性重合和錯開，如此交替往復，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)鉆柱在軸向上進行周期性振動，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效率提高。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，針對高摩阻井段鉆進過程中存在的“托壓”及“粘滑”現(xiàn)象，利用振動能夠?qū)δΣ粮敝g的摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響的特性，創(chuàng)新性的將振動減阻技術引入鉆井工程中，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，具有廣泛的應用前景，適用于多種鉆井平臺，加工制造和使用維護成本低，對于提高高摩阻井段鉆井速度、降低生產(chǎn)成本具有重要的實際意義。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的主體結構剖視原理示意圖。

圖2為本發(fā)明的主體結構b-b剖視圖。

圖3為本發(fā)明的主體結構c-c剖視圖。

圖4為本發(fā)明的主體結構f-f剖視圖。

圖5為本發(fā)明的主體結構d-d剖視圖。

圖6為本發(fā)明的主體結構e-e剖視圖。

具體實施方式：

下面通過實施例并結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。

實施例：

本實施例的主體結構包括上接頭1、套筒2、鎖緊螺母3、葉輪4、導流盤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)動桿61、流道62、滑動棱63和中心流道71；筒狀結構的套筒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上沿周向均勻設置有多個傾斜的葉片41，相鄰葉片41之間形成葉輪流道42，葉輪2中間設置有方孔43，方孔43與沖錘6上端的驅(qū)動桿61配合；沖錘6的中間設有驅(qū)動桿61，導流盤5安裝在葉輪4的下方并套裝在驅(qū)動桿61上，沖錘6在葉輪4的帶動下產(chǎn)生相對于導流盤5的周向轉動，套筒2內(nèi)側在導流盤5和沖錘6之間設有限位臺階22，用于限制導流盤5的軸向位移；導流盤5的軸向上開有扇形流道51，沖錘6在軸向上設有與扇形流道51相對應的流道62，使用時通過扇形流道51和流道62在軸向上的相對旋轉改變鉆井液的過流面積，從而產(chǎn)生水擊效應激發(fā)沖錘6向下運動；導流盤5的周側上對稱式設有兩個限位凹槽52，限位凹槽52內(nèi)部與套筒內(nèi)側的限位凸起21配合限制導流盤5的周向轉動，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構(圖示為八邊形)用于傳遞扭矩；砧子7的中間設有中心流道71，沖錘6和砧子7之間的套筒2內(nèi)壁上設置有螺旋梯23，沖錘6上設有與螺旋梯23相互配合的滑動棱63，沖錘6在轉動的過程中，螺旋梯23和滑動棱63使沖錘6軸向上升，當沖錘6沿軸向上升至最高點時，隨著沖錘6的周向旋轉，沖錘6上的流道62與導流盤5上的扇形流道51相互錯開，與此同時，滑動棱63與螺旋梯23完全脫開，沖錘6沿著軸向瞬間高速向下運動并沖擊砧子7；隨著葉輪4的連續(xù)旋轉，導流盤5和沖錘6之間的流道周期性的重合和錯開；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。

本實施例所述沖擊鉆井工具接入鉆柱進行鉆進時，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動，從而帶動沖錘6產(chǎn)生相對于導流盤5的相對運動，相對運動包括周向運動以及沖錘6與套筒2內(nèi)壁上的螺旋梯23相互作用產(chǎn)生的軸向運動，從而周期性接通或者阻斷鉆井液，當沖錘6運行至軸向最高點時鉆井液的流動被瞬間截止時，沖錘6與套筒2內(nèi)壁上的螺旋梯23脫開，由于水擊效應，導流盤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動，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)周向轉動，導流盤5和沖錘6之間鉆井液的流動通道打開，導流盤5上部被壓縮的鉆井液向下釋放，水擊效應消除，沖錘6在螺旋梯23的作用下沿著軸向向上運動，同時砧子7在鉆壓的作用下向上運動以待沖錘6的下一次沖擊，當沖錘6上升至軸向最高位置時，導流盤5的扇形流道51再次被關閉，從而產(chǎn)生水擊效應使沖錘6高速沖擊砧子7；鉆井液驅(qū)使葉輪4轉動使鉆井液流道周期性重合和錯開，如此交替往復，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)鉆柱在軸向上進行周期性振動，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效率提高。