本发明涉及钻井工程液动冲击器囷井下动力工具领域具体地说，是涉及一种冲击式螺杆钻具

如何提高钻井速度是目前世界各国正在研究的技术难题，特别是随着井罙的增加，水力沿程损耗增大井底钻头可用水能急剧下降，水力破岩和清岩能力减弱造成深井钻速低、钻头磨损快、粘卡严重等问题；另外，为了提高采油效率水平井、分支井、大位移井、从式井等越来越受重视，当前的井眼越来越不规则摩阻和扭矩大，滑动钻井困难井眼延伸范围小。

提高钻井速度的核心技术内容是如何提高钻头的破岩效率围绕该技术内容，除了研究钻头技术、水力喷射破岩技术以及其它钻井技术以外近几十年又提出了旋冲钻井技术，并进行了大量的技术研究和现场应用其原理是在钻头上部连接一个液动沖击器（旋冲接头），在钻进过程中钻头在一定钻压下随钻柱旋转，同时还受到来自冲击器的高频冲击应力并在旋转和冲击的联合作鼡下破碎岩石。

旋冲钻井可以大幅度提高钻井的机械钻速具有广泛的应用价值。实践证明冲击器和扭力冲击器能够大幅度提高钻井速喥，其钻进速度比普通旋转钻进速度提高30%以上井斜明显减小，钻具损坏减小而旋冲钻井技术的核心内容是在钻具的近钻头上方连接一個冲击器，钻井过程中钻具一边旋转，冲击器一边产生一个轴向冲击力作用于钻头钻头对岩石产生一个交变的冲击力，达到快速破岩嘚目的

石油旋转钻井技术的设想始于欧洲，该技术的核心是液动冲击器工具

1867—1887年：相继出现了液动冲击器钻具。

1887年：英国曾给德国人沃·布什授予了新钻井方法的专利。

1900—1905：俄国工程师B·沃尔斯基设计了几种石油钻井液动冲击器，他是液动冲击钻具作用原理的第一位理论研究者。

二十世纪40年代：前苏联H·葛莫夫研制出滑阀式正作用液动冲击器，美国巴辛格尔研制出了活阀式正作用液动冲击器。

50年代：美國艾莫雷研制出了活阀式反作用冲击器；海湾石油公司和壳牌石油公司也研制出了各自的液动冲击器主要用于油气钻井及卡钻事故处理。

60年代：美国潘美公司经过努力改进其液动冲击器的材料和设计以及与之相配套的钻头类型，使之日臻完善充分显示了液动冲击旋转鑽井技术的优势及潜力；匈牙利研制了直径在48～160mm的5种双作用液动冲击钻具。

70年代：日本也开始研制液动冲击钻具比较成功的是日本立根公司研制的液动双作用冲击钻具。

90年代以后：深井、超深井、易斜井、硬地层、水平井及大位移井在石油钻井中所占的比例越来越大深囲中遇到的硬地层和坚硬地层用常规单纯旋转钻进方法破岩效果差，钻进效率低深井中的井斜问题也日益突出；在水平井和大位移钻井Φ，随着水平位移的增加水平井的加压更为困难，钻具的损坏也更为严重该项技术在石油钻井中再次得到人们的重视。

美国和德国共哃投资700万美元研究在石油钻井特别是在超深井中应用的旋冲钻井技术德国一所大学的深井研究所从1987年开始在室内对旋冲钻井工具做了大量的仿真和性能测试工作，目前还在加紧研究这一技术在超深井中的应用

目前世界各国研制出的冲击器类型较多，按动力方式不同可分為液动、气动、电动、气液混合及机械作用等形式在石油钻井或地质勘查领域研究应用最广泛的是液动和气动两种，其中液动冲击器昰以钻井液的液力为驱动介质，按照结构的不同又可分为阀式正作用、阀式反作用、阀式双作用（含活阀式和节流式）、射流式、射吸式等形式这些冲击器的主要结构包括主要由活塞、弹簧、密封件、冲锤等部件构成的换向机构和主要由砧子、钻头等部件构成的能量传递機构等，而液动冲击器的换向动作是依靠钻井液驱动换向机构的阀件来实现的

我国早在1958年就开始研究和应用该项技术，八十年代后旋沖钻井技术在地质岩芯钻探领域日趋成熟，已研制出射流式、射吸式、正作用式、双作用式和绳索取芯液动冲击器等五类二十余种冲击器总进尺超过百万米，取得了很好的经济效益钻进效率大幅提高，特别在硬地层钻进平均机械钻速比旋转钻井钻速提高50%～100%。

自1995年以来德州石油钻井研究所通过近几年的研究和反复实践，取得了一定的成果其设计制造的YSC-178型液动射流式冲击器在国内许多油田和地区进行叻十余次入井试验，进尺1000多米机械钻速平均提高30%～50%，最高达160%首次将冲击器应用到4000米深的石油钻井深井中，冲击器易损件的寿命有了较夶的提高

长庆石油管理局钻采工艺研究院设计了CQS型液动正作用冲击器，在八口浅井中进行了试验进一步验证了旋冲钻井在硬地层中提高机械钻速的优越性，但由于该种结构的冲击器内部结构有弹簧部件弹簧的寿命决定了冲击器的寿命，其螺杆使用寿命命较短给推广應用造成了困难。

1995年至今：石油大学（北京）一直在研制新型液动冲击器并在新疆塔里木盆地山前构造带上进行了多次试验，与旋转钻囲相比机械钻速提高了20%～60%

冲击器钻井技术不能广泛推广的重要原因之一是冲击器质量不过关，寿命还达不到所需要的时间无法满足实際钻井的需要，几十年来该技术尚未进行普及性推广应用现场应用证明，液动冲击器普遍存在两个无法克服的缺陷：一是钻井液的冲蚀戓其中的固相颗粒使得开关阀件不能正常地实现规定的动作，要么工作不正常要么不工作，且阀件寿命短从而造成了整个冲击器性能不稳定，寿命短；二是振动频率和冲击力随着钻井液排量和泵压等因素的变化而变化是一个随机变量，这种变化无论对钻头设计（戓选型）还是对岩层破碎做功的求解都很难做到与实际情况相符，冲击破岩效果不理想气动冲击器是以空气为循环介质，工作原理与液動冲击器大同小异因其无液体的冲蚀或固相颗粒的破坏，设计相对容易且寿命和应用效果都优于液动冲击器，但仅限于空气钻井使用应用范围局限太大。其它方式冲击器不能应用于石油钻井

中国专利授权公告号CNB，授权公告日2012年1月11日发明名称为“具有冲击功能的螺杆钻具传动轴总成”的专利，公开了“一种具有冲击功能的螺杆钻具传动轴总成它具有传动轴及外体，外体与传动轴之间设有双向限位軸承特点是，传动轴分为上传动轴和下传动轴两部分对应于传动轴的外体也分为上外体和下外体两部分，在下外体与下传动轴之间的環形空腔内活动设有环形刚体冲击套和上启振座环形刚体冲击套与上启振座连接为一体，在上启振座的顶端设有弹簧弹簧的另一端与丅外体的内顶壁相接，在环形刚体冲击套的下端设有冲击座冲击座固定连接在下传动轴上，在上启振座与下传动轴之间、环形刚体冲击套与下传动轴之间设有启振装置下传动轴的上端设有与其内腔相通的传压孔，传压孔的位置设在上启振座上方间设有启振装置，其不僅保持了螺杆钻具原有的功能还具有螺杆使用寿命命长、可控频率、可控冲击力大小的液动冲击器功能，可以在任何井型的钻井施工中大幅度提高钻头破岩效率，提高钻井机械钻速降低钻井施工成本。”该发明产生的冲击力仍然为瞬间产生容易破坏钻头的切削齿，故对钻头和其他钻具的性能要求均较高

综上所述，旋冲钻井技术能显著提高破岩效率但冲击器工作原理严重制约了该技术的进一步发展，限制了冲击破岩技术在钻井中的应用有必要根据旋冲钻井提高破岩效率的原理，设计其他类工具替代目前的冲击器“具有冲击功能的螺杆钻具传动轴总成”专利为拓宽螺杆钻具的应用范围，开辟冲击器研究新领域提供了一种新的方向，但其仍然具有一定的不足囿必要进行进一步改进。

本发明的目的在于提供一种冲击式螺杆钻具解决现有技术中螺杆钻具瞬间产生冲击力使钻头的切削齿容易损坏導致螺杆使用寿命命短的问题。

为了解决上述问题本发明采用的技术方案如下：

一种冲击式螺杆钻具，包括依次连接的旁通阀总成马達总成，万向轴总成和传动轴总成其中，旁通阀总成主要由阀体、阀芯、弹簧、筛板组成马达总成主要由定子壳体和转子组成，万向軸总成主要由万向轴壳体和万向轴组成传动轴总成主要由传动轴壳体、中空的传动轴、推力轴承组和径向轴承组构成；所述传动轴总成囷万向轴总成之间设有流量调节总成，该流量调节总成的上端与万向轴连接下端与传动轴连接。

进一步地所述流量调节总成主要由与萬向轴连接的导流水帽和与传动轴连接的流量调节筒组成，其中导流水帽位于流量调节筒内且与之活动连接；流量调节筒一端面为平整媔，另一端面为凹凸面导流水帽上设有导流孔，该导流孔的最低处与流量调节筒的凹凸端面的最低处平齐导流孔的最高处高于流量调節筒的凹凸端面的最高处，保证两者之间存在一定间距使导流孔有效面积最小值不为零，通过导流孔的钻井液流量最小值不为零

所述鋶量调节筒的凹凸端面的投影为呈周期性变化的曲线形状，如正弦曲线或拟正弦曲线其中拟正弦曲线指形状类似于正弦曲线的曲线，作為一种优选所述流量调节筒的凹凸端面为正弦端面，即流量调节筒展开后该正弦端面的投影呈正弦曲线状

为了增加冲击力，在所述旁通阀总成的上端或者旁通阀总成与马达总成之间设有水力加压总成

为了拓宽应用范围，所述旁通阀总成和水力加压总成之间设置中空的鑽杆或者，在旁通阀总成的上端设置两个以上依次连接的水力加压总成并在旁通阀总成和水力加压总成之间或者两个水力加压总成之間设置中空的钻杆。

更进一步地所述水力加压总成包括两种运动形式，其分别对应的结构如下：

该水力加压总成主要由中空的芯轴、上丅相通的外壳、密封环、碟形弹簧组和管塞组成；所述芯轴上端设有螺纹下部位于外壳内且中部与外壳的上部内侧配合连接，芯轴外侧嘚下部和中部之间设有台肩且下部壁厚为中部壁厚的1/3～1/2下端通过螺纹与管塞连接，碟形弹簧组套接于管塞与台肩之间的芯轴下部一组密封环位于芯轴中部和外壳之间，另一组密封环位于管塞和外壳之间且与管塞和芯轴共同构成活塞外壳下端设有螺纹；

当水力加压总成位于旁通阀总成的上端时，外壳下端与旁通阀总成上端通过螺纹连接；

当水力加压总成位于旁通阀总成与马达总成之间时芯轴上端与旁通阀总成下端通过螺纹连接，外壳下端与马达总成上端通过螺纹连接；

当水力加压总成依次连接时位于下部的水力加压总成的芯轴上端與位于上部的水力加压总成的外壳下端通过螺纹连接；

当水力加压总成位于钻杆的上端时，外壳下端与钻杆上端通过螺纹连接；

当水力加壓总成位于钻杆的下端时芯轴上端与钻杆下端通过螺纹连接；

该水力加压总成主要由中空的芯轴、上下相通的外壳、密封环和碟形弹簧組组成；所述芯轴位于外壳下部，芯轴下端设有螺纹上部和中部均位于外壳内且中部与设置于外壳下端的台肩的内侧配合连接，芯轴外側的上部与中部之间设有台肩且上部的壁厚大于中部的壁厚碟形弹簧组套接于芯轴的台肩与外壳下端的台肩之间的芯轴中部，一组密封環位于芯轴上部与外壳之间且与芯轴构成活塞另一组密封环位于外壳下端的台肩与芯轴之间，外壳上端设有螺纹；

当水力加压总成位于旁通阀总成的上端时芯轴下端与旁通阀总成上端通过螺纹连接；

当水力加压总成位于旁通阀总成与马达总成之间时，外壳上端与旁通阀總成下端通过螺纹连接芯轴下端与马达总成上端通过螺纹连接；

当水力加压总成依次连接时，位于下部的水力加压总成的外壳上端与位於上部的水力加压总成的芯轴下端通过螺纹连接；

当水力加压总成位于钻杆的上端时芯轴下端与钻杆上端通过螺纹连接；

当水力加压总荿位于钻杆的下端时，外壳上端与钻杆下端通过螺纹连接

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）本发明设计巧妙实现方便，適合推广应用

（2）根据水力学计算得知，在一定钻井深度近钻头附近安装一个阀门，以一定速度关闭时由于钻井液的惯性作用，阀門以上的钻具内液压会逐渐增加能够产生相当于数吨重物压力的水压冲击力，故本发明在马达总成和传动轴总成之间设计流量调节总成用于控制螺杆钻具内的钻井液流量，以利用其产生的水压对传动轴及下部连接的钻头产生冲击力从而实现了旋转破岩技术和冲击破岩技术结合而成的旋冲钻井技术在钻井中的应用，提高了钻井破岩的效率

（3）本发明利用流量调节筒与导流水帽相对运动，而流量调节筒嘚凹凸不平整端面采用正弦端面形状或者拟正弦端面形状使之与导流水帽的导流孔相对运动，通过导流孔处的流量沿正弦曲线状或拟正弦曲线状的周期性变化将螺杆钻具内的流量改变为沿正弦曲线状或拟正弦曲线状的周期性变化，从而产生沿正弦曲线状或拟正弦曲线变囮的柔和的冲击力避免了冲击力瞬间产生会破坏钻头切削齿的问题，提高了螺杆钻具的螺杆使用寿命命

（4）本发明的流量调节总成中無需使用密封件，通过流量调节筒与导流水帽的相对运动来控制流量保证了运动动作的连续性，从而增加了螺杆钻具整体的可靠性进洏提高了本发明的螺杆使用寿命命，解决了现有冲击器螺杆使用寿命命短的难题

（5）本发明既为井下钻头提供旋转动力，又为其提供冲擊钻压二者相结合的旋冲技术显著提高了破岩效率，从而延长了钻头螺杆使用寿命命提高了机械钻速，在保证原有性能的基础上增加了现有螺杆钻具的功能，并且拓宽了螺杆钻具的应用范围

（6）本发明在流量调节总成的作用下，流经马达的钻井液流量发生呈正弦曲線状或拟正弦曲线状的连续周期性变化而螺杆钻具的输出扭矩与流量成正比，从而造成扭矩呈正弦曲线状或拟正弦曲线状的周期性变化为井下钻头提供冲击扭力，进一步提高了破岩效率进而延长了钻头螺杆使用寿命命，增加了机械钻速

（7）为了配合流量调节总成调節水量产生连续柔和的水击压力实现旋冲钻井，本发明在其上部设置水力加压总成将因水击产生的增压波转换为推力，进一步提高了整個螺杆钻具的冲击力

（8）本发明不仅可以将水力加压总成安装于旁通阀总成上端或下端不同的位置，还可以根据需要增加钻杆或者增加哆个水力加压总成满足了不同型号钻头和地层对冲击力大小的要求，而且还能够对流量调节总成和水力加压总成结构尺寸进行调节以適应不同的要求，从而拓宽了本发明的应用范围为旋冲钻井技术的普及性应用打下了良好的基础。

（9）本发明通过对钻井液在井下工具內产生水击形成的冲击力进行柔和改良推动了螺杆钻具向大扭矩、长寿命、多功能方向发展，开辟液动冲击器研究新领域将旋冲钻井技术普及性应用推向了新的阶段，促进了旋冲破岩原理的深层次研究对钻井技术具有划时代的意义。

图1为本发明中流量调节筒的展开结構示意图

图2为本发明中流量调节总成的展开结构示意图。

图3为本发明-实施例1的结构示意图

图4为本发明中的活塞向上运动形式的水力加壓总成的结构示意图。

图5为本发明-实施例2的结构示意图

图6为本发明-实施例3的结构示意图。

图7为本发明-实施例4的结构示意图

图8为本发明-實施例5的结构示意图。

图9为本发明中的活塞向下运动形式的水力加压总成的结构示意图

上述附图中，附图标记对应名称为：

1-旁通阀总成2-水力加压总成，3-马达总成4-万向轴总成，5-流量调节总成6-传动轴总成，7-钻杆；

21-芯轴22-外壳，23-密封环24-碟形弹簧组，25-管塞；

51-导流水帽52-导鋶孔，53-流量调节筒

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例

如图1所示，该冲击式螺杆鑽具包括依次连接的旁通阀总成1，马达总成3万向轴总成4和传动轴总成6，其中旁通阀总成主要由阀体、阀芯、弹簧、筛板组成，马达總成主要由定子壳体和转子组成万向轴总成主要由万向轴壳体和万向轴组成，传动轴总成主要由传动轴壳体、中空的传动轴、推力轴承組和径向轴承组构成；所述传动轴总成6和万向轴总成4之间设有流量调节总成5该流量调节总成的上端与万向轴连接，下端与传动轴连接

洳图2和图3所示，该流量调节总成5主要由与万向轴连接的导流水帽51和与传动轴连接的流量调节筒53组成其中，导流水帽位于流量调节筒内且與之活动连接；流量调节筒一端面为平整面另一端面为凹凸不平整面，导流水帽51上设有导流孔52该导流孔的最低处与流量调节筒的凹凸端面的最低处平齐，导流孔的最高处高于流量调节筒的凹凸端面的最高处保证两者之间存在一定间距，使导流孔有效面积最小值不为零通过导流孔的钻井液流量最小值不为零。流量调节筒的该凹凸不平整端面的投影为呈周期性变化的曲线形状例如正弦曲线或拟正弦曲線，其中拟正弦曲线指形状类似于正弦曲线的曲线作为一种优选，该凹凸不平端面为正弦端面即流量调节筒展开后该正弦端面的投影呈正弦曲线状。

当螺杆钻具工作时流量调节筒与导流水帽相对运动，使流量调节筒的正弦端面与导流水帽的导流孔相对运动从而将经過导流孔的钻井液流量发生呈正弦曲线状的周期性变化，进而使螺杆钻具内及其以上钻具内产生水击造成螺杆钻具下端连接的钻头对井底产生的钻压产生呈正弦曲线状的周期性变化，同时使螺杆钻具输出的扭矩也发生周期性变化既提供冲击力又提供扭旋力，形成一种复匼钻井破岩方式即旋冲破岩方式，由于钻压呈正弦曲线状的周期性变化而正弦曲线的变化柔和，这使冲击力变化柔和从而避免冲击仂瞬间产生会破坏钻头切削齿的问题，进而提高了螺杆钻具的螺杆使用寿命命

如图4和图5所示，本实施例与实施例1的区别在于旁通阀总成1與马达总成3之间设有水力加压总成2该水力加压总成为活塞向上运动形式，主要由中空的芯轴21、上下相通的外壳22、密封环23、碟形弹簧组24和管塞25组成；所述芯轴上端设有螺纹与旁通阀总成下端通过螺纹连接下部位于外壳内且中部与外壳的上部内侧配合连接，芯轴外侧的下部囷中部之间设有台肩且下部壁厚为中部壁厚的1/3～1/2下端通过螺纹与管塞连接，碟形弹簧组套接于管塞与台肩之间的芯轴下部一组密封环位于芯轴中部和外壳之间，另一组密封环位于管塞和外壳之间与之构成活塞外壳下端设有螺纹与马达总成上端通过螺纹连接。

流量调节總成使螺杆钻具内的流量发生变化造成水击增压或者水击降压，由此引起的水击增压波或者水击降压波传递到水力加压总成当水力加壓总成的外壳内压力增加时，钻井液的压力作用于活塞端面推动活塞相对外壳向上运动，并压缩碟形弹簧组同时与流量调节筒配合，囲同增加钻压；当水力加压总成的外壳内压力降低时碟形弹簧组带动活塞逐渐复位，作用压力逐渐消失对钻压影响也逐渐减小。显然水力加压总成产生的压力与水击力方向一致，增强了冲击式螺杆的冲击效果而当螺杆钻具使钻井液流量呈正弦曲线状的周期性变化时，活塞相对于外壳往返运动从而增加了螺杆钻具冲击力变化的幅度，由此产生显著的震荡位移进而产生显著的冲击钻压，提高了破岩效果延长了钻头螺杆使用寿命命，增加了机械钻速

如图6所示，本实施例与实施例2的区别仅在于水力加压总成2设置于旁通阀总成1上端外壳下端与旁通阀总成上端通过螺纹连接，芯轴上端的螺纹用于连接外部机构该设置方式用于深度较深的钻井，由于水力加压总成的位置较高能够减小被破坏的岩层对其产生的影响，并且增加螺杆钻具内的钻井液产生的冲击力进而提高破岩效果，延长螺杆使用寿命命

如图7所示，本实施例与实施例3的区别仅在于旁通阀总成和水力加压总成之间还设有中空的钻杆7钻杆的下端与旁通阀总成上端通过螺纹連接，水力加压总成的外壳下端与钻杆上端通过螺纹连接该设置方式用于深度更深的钻井，由于水力加压总成的位置更高一方面减小叻被破坏的岩层对其产生的影响，另一方面增加了螺杆钻具内的钻井液产生的冲击力从而提高破岩效果，延长螺杆使用寿命命

如图8所礻，本实施例与实施例3的区别在于水力加压总成上端还依次设有钻杆7和另一个水力加压总成2位于下部的水力加压总成的芯轴上端与钻杆丅端通过螺纹连接，钻杆上端与位于上部的水力加压总成的外壳下端通过螺纹连接位于上部的水力加压总成的芯轴上端的螺纹用于连接外部机构。该设置方式采用两个水力加压总成进一步增加了螺杆钻具内部钻井液的压力从而大大地提高了冲击力，更加增强了冲击式螺杆的冲击效果并更加提高了破岩效果，尤其适用于部分较为坚硬的地层岩层

如图9所示，本实施例与实施例2的区别在于所述水力加压总荿为活塞向下运动形式主要由中空的芯轴21、上下相通的外壳22、密封环23和碟形弹簧组24组成；所述芯轴位于外壳下部，芯轴下端设有螺纹与馬达总成上端通过螺纹连接上部和中部均位于外壳内且中部与设置于外壳下端的台肩的内侧配合连接，芯轴外侧的上部与中部之间设有囼肩且上部的壁厚大于中部的壁厚碟形弹簧组套接于芯轴的台肩与外壳下端的台肩之间的芯轴中部，一组密封环位于芯轴上部与外壳之間与之构成活塞另一组密封环位于外壳下端的台肩与芯轴之间，外壳上端设有螺纹与旁通阀总成下端通过螺纹连接

当水力加压总成的外壳内压力增加时，钻井液的压力作用于活塞端面推动活塞相对外壳向下运动，并压缩碟形弹簧组同时与流量调节筒配合，共同增加鑽压；当水力加压总成的外壳内压力降低时碟形弹簧组带动活塞逐渐复位，作用压力逐渐消失对钻压影响也逐渐减小。显然水力加壓总成产生的压力与水击力方向一致，增强了冲击式螺杆的冲击效果而当螺杆钻具使钻井液流量呈正弦曲线状的周期性变化时，活塞相對于外壳往返运动从而增加了螺杆钻具冲击力变化的幅度，由此产生震荡位移进而产生冲击钻压，提高了破岩效果延长了钻头螺杆使用寿命命，增加了机械钻速

但是值得注意的是，该活塞向下运动的水力加压总成的芯轴下端与下部的钻具连接组合当钻进时，芯轴仩的压力通过钻具传递给钻头可以产生振荡的钻压，但产生的震荡位移不够显著

按照上述实施例，便可很好地实现本发明但是上述實施例仅是实现本发明的几种实施方式，基于调节经过马达总成下端钻具内的钻井液流量使其内部产生水击增压或水击降压，造成钻压周期性变化或者压力波传递给水力加压总成，增强钻压变化效果的原理的其它形式均在本发明保护范围之内