CN103953281A - 复合冲击钻井工具 - Google Patents

Abstract

一种复合冲击钻井工具，在上、下外壳体构成的圆筒内固定有导向套筒、上端盖、冲击筒和下端盖；周向摆锤组件摆动地设在冲击筒内，换向器摆动地设在摆锤组件内侧；换向器内设一缸体；轴向冲锤组件滑设在圆筒内，有滑设于缸体内的活塞及上、下活塞杆，钻头座周向固定地设在下外壳体底端，上、下活塞杆与换向器间设有第一凸轮机构和第二凸轮机构；冲击筒和缸体上设有导通缸体的液体配流通道，换向器上设有接通相应配流通道的配流孔，由换向器的正、反向摆动使进入缸体内的液体流向间歇地变化，由此，驱动轴向冲锤组件上下往复移动，同时驱动周向摆锤组件往复摆动。该钻井工具有“立体破岩”效果，可消除或降低“粘滑”效应，提高破岩效率和机械钻速。

Description

复合冲击钻井工具

技术领域

本发明是关于石油开发领域中一种井下钻具，尤其涉及一种复合冲击钻井工具。

背景技术

在现代常规钻井中，通常使用PDC钻头和牙轮钻头。PDC钻头在钻遇硬地层或研磨性地层时，钻头通常会发生“粘滑”振动，造成很大的钻头转速的波动、钻柱中扭矩的大波动，进而会造成钻柱系统的不稳定、降低钻柱部件的寿命。当使用牙轮钻头钻硬地层时，受其工作原理的限制，导致其机械钻速不会很高，从而大大增加了钻井成本。在钻水平井或者大位移井时，由于摩阻等因素会造成钻压不能传递到钻头处，易造成机械钻速降低，也会增加钻井成本。

目前在钻井过程中使用的各类冲击钻井工具可以解决上述问题，这些工具主要包括扭转冲击器和轴向冲击钻具，其中扭转冲击器是通过钻井液驱动工具来产生高频扭转冲击力，这种工具能较好的解决PDC钻头的“粘滑”振动，但当钻遇中硬及高研磨性地层时，对钻头与工具的匹配性提出了较高的要求，这种工具只能用于PDC钻头，且不能解决钻水平井或大位移井时钻压的传递问题。轴向冲击钻具是通过钻井液驱动工具来产生较大的轴向冲击力来破碎岩石，这种工具需要结合特定的冲击钻头一起使用，轴向冲击钻具的机械钻速较低，同时现有的轴向冲击钻具的易损件较多，寿命较短，不能满足钻井现场的应用。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种复合冲击钻井工具，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合冲击钻井工具，钻头具有“立体破岩”效果，消除或降低“粘滑”效应，以提高破岩效率和机械钻速。

本发明的另一目的在于提供一种复合冲击钻井工具，发挥现有两种冲击破岩方式各自的优势、弥补不足，提高钻井工具的稳定性，延长使用寿命。

本发明的目的是这样实现的，一种复合冲击钻井工具，该钻井工具包括固定连接的管状上外壳体和下外壳体，在上、下外壳体构成的圆筒内由上向下顺序设有轴向和周向均固定的导向套筒、上端盖、冲击筒和下端盖，上、下端盖上均设有贯通的导流孔；一周向摆锤组件往复摆动地同轴设置在冲击筒内侧，所述冲击筒内壁面沿周向对称设有两个横截面呈扇形的轴向贯通腔体，所述周向摆锤组件包括一圆环体和沿该圆环体外缘周向对称设置的两个横截面呈扇形的摆动柱体，两个扇形的摆动柱体对应摆动地设置在两个扇形贯通腔体内；一圆筒形换向器往复摆动地同轴设置在所述周向摆锤组件内侧；换向器内同轴设有一缸体，所述缸体与冲击筒呈相对固定设置；一轴向冲锤组件上下移动地滑设在上、下外壳体构成的圆筒内，所述轴向冲锤组件包括有滑设于缸体内的活塞及其上、下活塞杆，所述上活塞杆向上穿过缸体顶部和上端盖延伸至导向套筒内，上活塞杆顶端设有一配重体，所述下活塞杆向下穿过缸体底部和下端盖延伸至下外壳体下部，下活塞杆底端设有一冲头体；一管状钻头座周向固定地挂设在下外壳体的底端，由所述移动的冲头体撞击该钻头座的顶部；所述上活塞杆与换向器上端设有驱使换向器沿其转轴朝正向摆动的第一端面凸轮机构，所述下活塞杆与换向器下端设有驱使换向器沿其转轴朝反向摆动的第二端面凸轮机构；所述冲击筒和缸体上设有导通缸体上腔和下腔的液体配流通道，所述换向器的筒壁上设有接通相应配流通道的配流孔，由换向器的正、反向摆动使进入缸体内的液体流向间歇地变化，由此，驱动轴向冲锤组件上下往复移动，同时，由从缸体流出的液体间歇地作用在周向摆锤组件的扇形摆动柱体的两侧，驱动周向摆锤组件正、反向往复摆动。

在本发明的一较佳实施方式中，所述下端盖底部抵顶在下外壳体内壁上部设置的阶梯孔孔肩上，以实现轴向定位；所述下端盖侧壁设有缺槽，该缺槽与下外壳体内壁设置的凸块卡设，以实现下端盖周向定位；所述导向套筒、上端盖、冲击筒和下端盖各相对接触的连接面之间分别设有定位块和对应的定位槽，由此实现导向套筒、上端盖、冲击筒的周向定位。

在本发明的一较佳实施方式中，所述缸体、换向器和周向摆锤组件由上、下端盖轴向定位；所述缸体底端向下设有一定位销，该定位销穿过换向器底部的一圆弧形透孔，并插设在下端盖上的对应定位销孔中，由此实现缸体的周向定位。

在本发明的一较佳实施方式中，所述轴向冲锤组件的配重体，其周向均设有六个平行其轴向的直筋；所述导向套筒内壁周向均布有六个沿轴向上下贯通的导槽；所述六个直筋分别对应滑设于六个导槽内。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一端面凸轮机构是由设置在上活塞杆外壁面的第一端面凸轮和设置在换向器上端的第一凸轮导轨构成；所述第一端面凸轮为沿上活塞杆轴向设置的第一凸块；第一凸轮导轨为由换向器上端向上延伸且围绕上活塞杆外壁设置的第一圆弧形管壁；所述第一凸块底端与第一圆弧形管壁顶端分别设有形状匹配的导向面。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第二端面凸轮机构由设置在下活塞杆外壁面的第二端面凸轮和设置在换向器下端的第二凸轮导轨构成；所述第二端面凸轮为沿下活塞杆轴向设置的第二凸块；第二凸轮导轨为由换向器下端向下延伸且围绕下活塞杆外壁设置的第二圆弧形管壁；所述第二凸块顶端与第二圆弧形管壁底端分别设有形状匹配的导向面。

在本发明的一较佳实施方式中，所述液体配流通道包括冲击筒上设置的多个流道和缸体侧壁上设置的配流口；所述冲击筒的两个扇形贯通腔体之间分别设有扇形流道部，所述每个扇形流道部内间隔地设有一轴向长导流槽和一轴向短导流槽，所述长导流槽延伸至冲击筒的下部，短导流槽延伸至冲击筒的上部，所述长导流槽和短导流槽均与冲击筒内壁导通；所述缸体侧壁上设有与长导流槽、短导流槽以及扇形贯通腔体两侧面位置相对设置的多个配流口。

在本发明的一较佳实施方式中，每个扇形贯通腔体与扇形流道部之间的间隔部设有轴向贯通的通孔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述每个扇形贯通腔体的扇形角度为90°；所述每个扇形流道部的扇形角度为60°。

在本发明的一较佳实施方式中，所述换向器的圆筒顶端外缘沿周向设有两个呈径向突出且对称设置的第一扇形凸缘，所述换向器的圆筒底端外缘沿周向设有两个呈径向突出且对称设置的第二扇形凸缘，所述两个第一扇形凸缘与两个第二扇形凸缘呈空间垂直设置；邻近第一扇形凸缘周向一侧且位于换向器的圆筒上部侧壁设有与短导流槽导通的第一配流孔，邻近第一扇形凸缘周向另一侧且位于换向器的圆筒下部侧壁设有与长导流槽导通的第二配流孔；与所述第二扇形凸缘位置相对位置且位于换向器的圆筒上部和下部侧壁分别设有第三配流孔和第四配流孔；所述第一配流孔、第二配流孔、第三配流孔、第四配流孔分别对称设置两个；所述扇形流道部的顶部设有一扇形沉槽，所述换向器的第一扇形凸缘摆动地设置在所述扇形沉槽中；所述换向器的第二扇形凸缘摆动地设置在冲击筒的扇形贯通腔体的底端内。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一扇形凸缘的扇形角度为25°～30°；所述第二扇形凸缘的扇形角度为45°～60°；所述第一配流孔的宽度与短导流槽的宽度相同；所述第二配流孔的宽度与长导流槽的宽度相同。

在本发明的一较佳实施方式中，所述钻头座是由底段、中段和上段构成的阶梯形构件；钻头座底段为圆柱形，直径与下外壳体的外径相同，内部设有连接钻头的锥形母扣；钻头座中段为八棱柱体，该钻头座中段穿设于下外壳体底端的对应八角通孔内，所述中段的高度大于八角通孔长度3～7mm；钻头座的上段为圆柱体，外壁设有螺纹段，一滑设于下外壳体内部的圆筒形防落鱼的底端连接于钻头座上段的螺纹段；所述钻头座中段和上段内部设有导通底段锥形母扣的中心孔，所述钻头座上段圆柱体外壁周向均匀分布有多个与内部中心孔相通的透槽；所述防落鱼顶端推设一防空打，所述防空打为一圆环体，所述圆环体上对称设有两个向上的方形塞柱，所述方形塞柱的一侧由下向上形成圆滑过渡的曲面，以使塞柱横截面由下至上逐渐减小；冲击筒的两个长导流槽的底部分别设有一第一方孔，下端盖上分别设有与两个第一方孔对应设置的第二方孔；所述防空打设置在下端盖下方并由防落鱼顶推，所述两个塞柱穿过对应的第二方孔后塞设于对应的第一方孔内。

在本发明的一较佳实施方式中，所述上、下端盖上设置的贯通的导流孔为扇形通孔；所述上、下端盖上分别对称设置两个扇形通孔；所述上端盖的两个扇形通孔与冲击筒的两个扇形流道部及其两边的通孔位置相对设置；所述下端盖的两个扇形通孔与冲击筒的两个扇形贯通腔体位置相对设置；所述下端盖上还设有与冲击筒的四个轴向贯通通孔相对设置的四个穿孔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述冲击筒外壁的上部和下部分别设有一圈上沟槽和下沟槽，所述上外壳体的内壁对应所述上沟槽对应设有第一沟槽，所述下外壳体的内壁对应所述下沟槽对应设有第二沟槽，相对应的沟槽内设有多个滚珠，由此，将上外壳体、下外壳体及冲击筒轴向固定连接。

由上所述，本发明复合冲击钻井工具，其上端连接钻挺，下端连接钻头，钻井液由上外壳体的上端开口进入导向套筒中，通过上、下端盖的导流孔以及冲击筒设置的上下贯通的流道流入下端盖下方的下外壳体内，再通过钻头座的中心孔流入钻头；同时，高压钻井液通过液体配流通道进入缸体的下腔，通过推动活塞并带动轴向冲锤组件高速向上运动，由缸体上腔流出的钻井液驱动周向摆锤组件顺时针(从周向摆锤组件上方观察)摆动，当轴向冲锤组件移动到最上端时，其下活塞杆与换向器下端设置的第二端面凸轮机构驱使换向器沿其转轴朝反向摆动一角度，此时，由换向器将液体配流通道作出改变，高压钻井液通过改变后的液体配流通道进入缸体的上腔，推动活塞并带动轴向冲锤组件高速向下运动，由缸体下腔流出的钻井液驱动周向摆锤组件逆时针(从周向摆锤组件上方观察)摆动，同时由冲头体撞击所述钻头座，进而将冲击力传递给钻头进行破岩；当冲锤组件移动到最下端时，其上活塞杆与换向器上端设置的第一端面凸轮机构驱使换向器沿其转轴朝正向(逆时针)摆动一角度，由换向器的摆动将之前的液体配流通道接通，高压钻井液再次通过之前的液体配流通道进入缸体的下腔，通过推动活塞并带动冲锤组件高速向上运动，同时钻井液驱动周向摆锤组件顺时针摆动；由此，由轴向冲锤组件上下往复移动驱动换向器往复摆动来改变钻井液进入缸体的流向，使进入缸体内的钻井液流向间歇地变化，驱动周向摆锤组件正、反向往复摆动，并驱动轴向冲锤组件上下往复移动，从而产生高频的轴向冲击力，进行破岩作业。本发明的复合冲击钻井工具，其钻头具有“立体破岩”效果，可以消除或降低“粘滑”效应，提高破岩效率和机械钻速，该工具能够发挥现有两种冲击破岩方式各自的优势、弥补不足，提高钻井工具的稳定性，延长使用寿命；该工具结构简单、易损件少，增加了轴向冲锤的冲程，提高了单次轴向的冲击功。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1A：为本发明复合冲击钻井工具的结构示意图。

图1B：为本发明复合冲击钻井工具的上段结构放大示意图。

图1C：为本发明复合冲击钻井工具的下段结构放大示意图。

图1D：为图1A中A-A处剖面结构示意图。

图1E：为图1A中B-B处剖面结构示意图。

图2A：为本发明中下外壳体的结构示意图。

图2B：为图2A的剖视结构示意图。

图3：为本发明中导向套筒的结构示意图。

图4：为本发明中上端盖的结构示意图。

图5：为本发明中下端盖的结构示意图。

图6A：为本发明中冲击筒的结构示意图。

图6B：为从上方观察冲击筒的立体结构示意图。

图6C：为从下方观察冲击筒的立体结构示意图。

图7A：为本发明中换向器的立体结构示意图一。

图7B：为本发明中换向器的立体结构示意图二。

图8：为本发明中缸体的结构示意图。

图9：为本发明中轴向冲锤组件的结构示意图。

图10：为本发明中钻头座的结构示意图。

图11：为本发明中周向摆锤组件的结构示意图。

图12：为本发明中防落鱼的结构示意图。

图13：为本发明中防空打的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1A～图1E所示，本发明提出一种复合冲击钻井工具100，该钻井工具100包括固定连接的管状上外壳体11和下外壳体12，所述上外壳体11为圆筒状，上端为连接钻杆的锥螺纹公扣，内部为中空结构；如图2A、图2B所示，所述下外壳体12也为圆筒状，下端设有截面为八边形的通孔121，在下外壳体12上部内壁还设有阶梯孔肩；如图1A、图3、图4、图5和图6A、图6B、图6C所示，在上、下外壳体11、12构成的圆筒内由上向下顺序设有轴向和周向均固定的导向套筒2、上端盖3、冲击筒4和下端盖5，所述下端盖5底部抵顶在下外壳体12内壁的阶梯孔孔肩上，以实现轴向定位；所述下端盖5侧壁设有缺槽53，该缺槽53与下外壳体12内壁的设置的凸块122卡设，以实现下端盖5的周向定位；所述导向套筒2、上端盖3、冲击筒4和下端盖5各相对接触的连接面之间分别设有定位块和对应的定位槽，由此实现导向套筒2、上端盖3、冲击筒4的周向定位；所述冲击筒4外壁的上部和下部分别设有一圈上沟槽48和下沟槽49，所述上外壳体11的内壁对应所述上沟槽48对应设有第一沟槽113，所述下外壳体12的内壁对应所述下沟槽49对应设有第二沟槽123，相对应的沟槽内设有多个滚珠，由此，将上外壳体11、下外壳体12及冲击筒4轴向固定连接；在上外壳体11、下外壳体12的内壁与冲击筒4外壁之间还分别设有密封圈；如图4、图5所示，上端盖3、下端盖5的中心位置分别设有透孔31、透孔51，所述上、下端盖3、5上还设有贯通的扇形导流孔32、52；如图1A～图1E、图6A～图6C和图11所示，一周向摆锤组件9往复摆动地同轴设置在冲击筒4内侧，所述冲击筒4内壁面沿周向对称设有两个横截面呈扇形的轴向贯通腔体41，所述周向摆锤组件9包括一圆环体91和沿该圆环体91外缘周向对称凸设的两个横截面呈扇形的摆动柱体92，两个扇形的摆动柱体92对应摆动地设置在两个扇形贯通腔体41内；如图7A、图7B所示，一圆筒形换向器6往复摆动地同轴设置在所述周向摆锤组件9内侧；换向器6内同轴设有一缸体7(如图8所示)，所述缸体7与冲击筒4呈相对固定设置；如图9所示，一轴向冲锤组件8上下移动地滑设在上、下外壳体11、12构成的圆筒内，所述轴向冲锤组件8包括有滑设于缸体7内的活塞81及其上、下活塞杆82、83，活塞81将缸体7密封分隔为上腔和下腔，所述上活塞杆82向上穿过缸体7顶部和上端盖3的透孔31延伸至导向套筒2内，上活塞杆82顶端设有一配重体84，所述下活塞杆83向下穿过缸体7底部和下端盖5的透孔51延伸至下外壳体12的下部，下活塞杆83底端设有一冲头体85；如图10所示，一顶部封闭的管状钻头座13周向固定地挂设在下外壳体12的底端，所述钻头座13是由底段131、中段132和上段133构成的阶梯形构件；钻头座底段131为圆柱形，直径与下外壳体12的外径相同，内部设有连接钻头(图中未示出)的锥形母扣1311；钻头座中段132为八棱柱体，该钻头座中段132穿设于下外壳体12底端的对应八边形通孔121内，所述中段132的高度大于八边形通孔121长度3～7mm；钻头座的上段133为圆柱体，外壁设有螺纹段，一滑设于下外壳体12内部的圆筒形防落鱼14的底端螺纹连接于钻头座上段133的螺纹段，所述钻头座中段132和上段133内部设有导通底段锥形母扣的中心孔134，所述钻头座上段133圆柱体外壁周向均匀分布有多个与内部中心孔134相通的透槽135；由所述移动的冲头体85撞击该钻头座13的顶部；所述上活塞杆82与换向器6上端设有驱使换向器6沿其转轴朝正向摆动的第一端面凸轮机构，当轴向冲锤组件8从上向下移动时，第一端面凸轮机构能够驱使换向器6向正向摆动一预定角度；所述下活塞杆83与换向器6下端设有驱使换向器6沿其转轴朝反向摆动的第二端面凸轮机构，当轴向冲锤组件8从下向上移动时，第二端面凸轮机构能够驱使换向器6向反向摆动一相等的预定角度，由此，通过轴向冲锤组件8上下往复移动，以使换向器6进行正反向往复摆动；所述冲击筒4和缸体7上设有导通缸体7上腔和下腔的液体配流通道，所述换向器6的筒壁上设有接通相应配流通道的配流孔，由换向器6的正、反向摆动使进入缸体7内的液体流向间歇地变化，由此，驱动轴向冲锤组件8上下往复移动，同时，由从缸体7流出的液体间歇地作用在周向摆锤组件9的扇形摆动柱体92的两侧，驱动周向摆锤组件9正、反向往复摆动。

由上所述，本发明复合冲击钻井工具，其上端连接钻挺，下端连接钻头，钻井液由上外壳体11的上端开口进入导向套筒2中，通过上、下端盖3、5的导流孔32、52以及冲击筒4设置的上下贯通的流道流入下端盖5下方的下外壳体12内，再通过钻头座13的中心孔134流入钻头；同时，高压钻井液通过液体配流通道进入缸体7的下腔，通过推动活塞81并带动轴向冲锤组件8高速向上运动，由缸体7上腔流出的钻井液驱动周向摆锤组件9顺时针(从周向摆锤组件9上方观察)摆动，当轴向冲锤组件8移动到最上端时，其下活塞杆83与换向器6下端设置的第二端面凸轮机构驱使换向器6沿其转轴朝反向(顺时针)摆动一角度，此时，由换向器6将液体配流通道作出改变，高压钻井液通过改变后的液体配流通道进入缸体7的上腔，推动活塞81并带动轴向冲锤组件8高速向下运动，由缸体7下腔流出的钻井液驱动周向摆锤组件9逆时针(从周向摆锤组件9上方观察)摆动，同时由冲头体85撞击所述钻头座13，进而将冲击力传递给钻头进行破岩；当轴向冲锤组件8移动到最下端时，其上活塞杆82与换向器6上端设置的第一端面凸轮机构驱使换向器6沿其转轴朝正向(逆时针)摆动一角度，由换向器6的摆动将之前的液体配流通道接通，高压钻井液再次通过之前的液体配流通道进入缸体7的下腔，通过推动活塞81并带动轴向冲锤组件8高速向上运动，同时钻井液驱动周向摆锤组件9顺时针摆动；由此，由轴向冲锤组件8上下往复移动驱动换向器6往复摆动来改变钻井液进入缸体7的流向，使进入缸体7内的钻井液流向间歇地变化，驱动周向摆锤组件9正、反向往复摆动，并驱动轴向冲锤组件8上下往复移动，从而产生高频的轴向冲击力，进行破岩作业。本发明的复合冲击钻井工具，其钻头具有“立体破岩”效果，可以消除或降低“粘滑”效应，提高破岩效率和机械钻速，该工具能够发挥现有两种冲击破岩方式各自的优势、弥补不足，提高钻井工具的稳定性，延长使用寿命；该工具结构简单、易损件少，增加了轴向冲锤的冲程，提高了单次轴向的冲击功。

在本实施方式中，如图5、图7A和图8所示，所述缸体7、换向器6和周向摆锤组件9由上、下端盖3、5轴向定位；所述缸体7底端向下设有一定位销79，该定位销79穿过换向器6底部的一圆弧形透孔69，并插设在下端盖5上的对应定位销孔59中，由此实现缸体7的周向定位。

如图3和图9所示，在本实施方式中，所述轴向冲锤组件8的配重体84，其周向均设有六个平行其轴向的直筋841；所述导向套筒2内壁周向均布有六个沿轴向上下贯通的导槽21；所述六个直筋841分别对应滑设于六个导槽21内，由此实现轴向冲锤组件8的周向固定(即：轴向冲锤组件8只能沿着导槽21轴向上下移动)。

如图1A～图1C、图7A、图7B和图9所示，在本实施方式中，所述第一端面凸轮机构是由设置在上活塞杆82外壁面的第一端面凸轮821和设置在换向器6上端的第一凸轮导轨61构成；所述第一端面凸轮821为沿上活塞杆82轴向设置的第一凸块；第一凸轮导轨61为由换向器6上端向上延伸且围绕上活塞杆82外壁设置的第一圆弧形管壁；所述第一凸块底端与第一圆弧形管壁顶端分别设有形状匹配的导向面。所述第二端面凸轮机构由设置在下活塞杆83外壁面的第二端面凸轮831和设置在换向器6下端的第二凸轮导轨62构成；所述第二端面凸轮831为沿下活塞杆83轴向设置的第二凸块；第二凸轮导轨62为由换向器6下端向下延伸且围绕下活塞杆83外壁设置的第二圆弧形管壁；所述第二凸块顶端与第二圆弧形管壁底端分别设有形状匹配的导向面。在本实施方式中，所述第一端面凸轮机构与第二端面凸轮机构可呈同轴90度交错设置。

进一步，如图11所示，当本发明的复合冲击钻井工具在向井下送入的过程中，使轴向冲锤组件8和周向摆锤组件9均处于预定的初始位置，在周向摆锤组件9的上端部也设置一第三凸轮导轨93，该第三凸轮导轨93与换向器上端的第一凸轮导轨61形状相同，但其高度低于第一凸轮导轨61，其作用只是定位初始位置。

在本实施方式中，如图6A～图6C和图8所示，所述液体配流通道包括冲击筒4上设置的多个流道和缸体7侧壁上设置的配流口；所述冲击筒4的两个扇形贯通腔体41之间分别设有扇形流道部42，所述每个扇形流道部42内间隔地设有一轴向长导流槽421和一轴向短导流槽422(短导流槽422设置在长导流槽421的逆时针方向一侧)，所述长导流槽421延伸至冲击筒4的下部(与缸体7的下部对应)，短导流槽422延伸至冲击筒4的上部(与缸体7的上部对应)，所述长导流槽421和短导流槽422均与冲击筒4内壁导通；所述缸体7下部侧壁上设有与两个长导流槽421底部对应的两个第一配流口71，所述缸体7上部侧壁上设有与两个短导流槽422底部对应的两个第二配流口72；所述缸体7上部侧壁上还设有与两个扇形贯通腔体41一侧面(从工具上方观察，为逆时针方向终点)位置相对的两个第三配流口73，所述缸体7下部侧壁上还设有与两个扇形贯通腔体41另一侧面(从工具上方观察，为顺时针方向终点)位置相对的两个第四配流口74。在本实施方式中，每个扇形贯通腔体41与扇形流道部42之间的间隔部设有轴向贯通的通孔43(本实施方式中设置四个通孔43)。

在本实施方式中，所述每个扇形贯通腔体41的扇形角度为90°；所述每个扇形流道部42的扇形角度为60°。

进一步，在本实施方式中，如图7A、图7B所示，所述换向器6的圆筒顶端外缘沿周向设有两个呈径向突出且对称设置的第一扇形凸缘67，所述换向器6的圆筒底端外缘沿周向设有两个呈径向突出且对称设置的第二扇形凸缘68，所述两个第一扇形凸缘67与两个第二扇形凸缘68呈空间垂直设置；邻近第一扇形凸缘67周向一侧(逆时针方向)且位于换向器6的圆筒上部侧壁设有可与短导流槽422导通的第一配流孔63，邻近第一扇形凸缘67周向另一侧(顺时针方向)且位于换向器6的圆筒下部侧壁设有可与长导流槽421导通的第二配流孔64；与所述第二扇形凸缘68位置相对位置且位于换向器6的圆筒上部和下部侧壁分别设有可与第三配流口73和第四配流口74对应导通的第三配流孔65和第四配流孔66；所述第一配流孔63、第二配流孔64、第三配流孔65、第四配流孔66分别对称设置两个；所述扇形流道部42的顶部设有一扇形沉槽423，所述换向器的第一扇形凸缘67摆动地设置在所述扇形沉槽423中；所述换向器的第二扇形凸缘68摆动地设置在冲击筒4的扇形贯通腔体41的底端内侧。

在本实施方式中，所述第一扇形凸缘67的扇形角度为25°～30°；所述第二扇形凸缘68的扇形角度为45°～60°；所述第一配流孔63的宽度与短导流槽422的宽度相同；所述第二配流孔64的宽度与长导流槽421的宽度相同。

在本实施方式中，所述上、下端盖3、5上设置的贯通的导流孔32、52为扇形通孔；所述上、下端盖3、5上分别对称设置两个扇形通孔；所述上端盖3的两个导流孔32与冲击筒4的两个扇形流道部42及其两边的通孔43位置相对设置；所述下端盖5的两个导流孔52与冲击筒4的两个扇形贯通腔体41位置相对设置；所述下端盖5上还设有与冲击筒4的四个轴向贯通通孔43相对设置的四个穿孔54。

由此，当换向器6周向摆动时，所述第一扇形凸缘67在扇形沉槽423内往复摆动，间歇地封闭扇形流道部42内的短导流槽422顶端和长导流槽421顶端，使换向器6上相应的配流孔导通或封闭短导流槽422和长导流槽421与冲击筒4内壁对应连通的出口，以使进入缸体7的钻井液流向间歇地变化，以驱动轴向冲锤组件8上下往复移动和周向摆锤组件9往复摆动。

在本实施方式中，如图1A～图1C、图12和图13所示，为了防止本发明的复合冲击钻井工具在向井下送入的过程中，钻头未接触井底前发生轴向冲锤组件8和周向摆锤组件9空打，在下端盖5的下方设置有一防空打15；所述防空打15由防落鱼14顶端推设于下端盖5的下方；所述防空打15包括一圆环体151，所述圆环体151上对称设有两个向上的方形塞柱152，所述方形塞柱152的一侧由下向上形成圆滑过渡的曲面1521，以使塞柱152横截面由下至上逐渐减小，所述环形体151上设有与扇形贯通腔体41底端对应的缺口，也方便钻井液的流通；冲击筒4的两个长导流槽421的底部分别设有一第一方孔4211(如图6C所示)，下端盖5上分别设有与两个第一方孔4211对应设置的第二方孔55(如图5所示)；所述防空打15设置在下端盖5下方并由防落鱼14顶推，所述两个塞柱152穿过对应的第二方孔55后塞设于对应的第一方孔4211内。由此，当复合冲击钻井工具100在向井下送入的过程中，钻头未接触井底前，由于钻头座中段132的高度大于八角通孔121长度3～7mm，因此，钻头座13是挂设在八角通孔121中，此时，防空打15由于重力作用处于与下端盖5底面呈间隙的位置，此时，两个方形塞柱152没有完全将第一方孔4211封闭，使缸体7上腔也处于未封闭状态，因此，轴向冲锤组件8和轴向摆锤组件9不会动作，可避免发生空打；当复合冲击钻井工具100底端的钻头接触井底后，防落鱼14顶推防空打15上移，由两个方形塞柱152将对应的两个第一方孔4211完全封闭，此时缸体7上腔被密封，所述轴向冲锤组件8和轴向摆锤组件9可以根据钻井液的流向正常工作。

当在下钻过程中，由于自重，轴向冲锤组件8处于最下端，工具处于初始位置，这时轴向冲锤组件8上活塞杆82的第一端面凸轮821驱动换向器6逆时针转到极限位置，此时，周向摆锤组件9也处于逆时针的极限位置(如图1D、图1E所示，周向摆锤组件9的两个摆动柱体92此时位于冲击筒4的两个扇形贯通腔体41中逆时针方向的极限位置)，换向器6的第一扇形凸缘67将冲击筒4的短导流槽422的上端口封闭；此时由于防落鱼14和防空打15的作用，轴向冲锤组件8和轴向摆锤组件9不会动作。

当复合冲击钻井工具100底端的钻头接触井底后，防空打15的作用解除；钻井液由冲击筒4的长导流槽421上端口进入，通过换向器6的第二配流孔64和缸体7的第一配流口71进入缸体7下腔，推动活塞81上移，驱动轴向冲锤组件8向上移动；同时，缸体7上腔内流出的钻井液通过缸体7的第三配流口73和换向器6的第三配流孔65，进入扇形贯通腔体41内，由于两个摆动柱体92中逆时针方向的一侧面与两个扇形贯通腔体41中相对侧面以及换向器6下端的第二扇形凸缘68此时构成一密封空间C(如图1D、图1E所示)，由缸体7上腔流出的钻井液进入该密封空间C中，钻井液作用在两个摆动柱体92中逆时针方向的一侧面上，并驱动两个摆动柱体92向顺时针方向摆动。

当轴向冲锤组件8移动到上端时，轴向冲锤组件8下活塞杆83的第一端面凸轮831驱动换向器6顺时针转到极限位置，此时，换向器的扇形凸缘67将冲击筒4的长导流槽421的上端口封闭；钻井液由冲击筒4的短导流槽422上端口进入，通过换向器6的第一配流孔63和缸体7的第二配流口72进入缸体7上腔，推动活塞81下移，驱动轴向冲锤组件8向下移动；同时，缸体7下腔内流出的钻井液通过缸体7的第四配流口74和换向器6的第四配流孔65，进入扇形贯通腔体41内，由于两个摆动柱体92中顺时针方向的一侧面与两个扇形贯通腔体41中相对侧面以及换向器6下端的第二扇形凸缘68此时构成另一密封空间D(如图1D、图1E所示)，由缸体7下腔流出的钻井液进入该密封空间D中，钻井液作用在两个摆动柱体92中顺时针方向的一侧面上，并驱动两个摆动柱体92向逆时针方向摆动。此时，轴向冲锤组件8和周向摆锤组件9又回到初始位置，工具已经完成了一个周期的运动，给钻头提供了一次轴向和两次周向冲击。如此循环运动，使钻头在旋转的同时冲击破岩。在轴向冲锤组件8撞击钻头座13时，由于钻头座中段132的高度大于八角通孔121长度3～7mm，因此钻头座13可以沿轴向有3～7mm的移动量，以保证冲击力完全作用在钻头上。

当钻井液通过相应的液体配流通道驱动轴向冲锤组件8和周向摆锤组件9运动的同时，一部分高压钻井液通过冲击筒4上的通孔43和下端盖5上的穿孔54直接流入下外壳体12内，经过钻头座13流入钻头内。

在上述轴向冲锤组件8和周向摆锤组件9运动过程中，由缸体7内排出的钻井液，通过下端盖5的扇形通孔52也流入下外壳体12内，再通过钻头座13流入钻头。

本发明的复合冲击钻井工具，具有“立体破岩”效果，可以消除或降低“粘滑”效应，提高钻头钻硬地层或研磨性地层的破岩效率和机械钻速，该工具能够发挥现有两种冲击破岩方式各自的优势、弥补不足，提高钻柱系统的稳定性和安全性，延长使用寿命；该工具结构简单、易损件少，增加了轴向冲锤的冲程，提高了单次轴向的冲击功。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (14)

1.一种复合冲击钻井工具，其特征在于：该钻井工具包括固定连接的管状上外壳体和下外壳体，在上、下外壳体构成的圆筒内由上向下顺序设有轴向和周向均固定的导向套筒、上端盖、冲击筒和下端盖，上、下端盖上均设有贯通的导流孔；一周向摆锤组件往复摆动地同轴设置在冲击筒内侧，所述冲击筒内壁面沿周向对称设有两个横截面呈扇形的轴向贯通腔体，所述周向摆锤组件包括一圆环体和沿该圆环体外缘周向对称设置的两个横截面呈扇形的摆动柱体，两个扇形的摆动柱体对应摆动地设置在两个扇形贯通腔体内；一圆筒形换向器往复摆动地同轴设置在所述周向摆锤组件内侧；换向器内同轴设有一缸体，所述缸体与冲击筒呈相对固定设置；一轴向冲锤组件上下移动地滑设在上、下外壳体构成的圆筒内，所述轴向冲锤组件包括有滑设于缸体内的活塞及其上、下活塞杆，所述上活塞杆向上穿过缸体顶部和上端盖延伸至导向套筒内，上活塞杆顶端设有一配重体，所述下活塞杆向下穿过缸体底部和下端盖延伸至下外壳体下部，下活塞杆底端设有一冲头体；一管状钻头座周向固定地挂设在下外壳体的底端，由所述移动的冲头体撞击该钻头座的顶部；所述上活塞杆与换向器上端设有驱使换向器沿其转轴朝正向摆动的第一端面凸轮机构，所述下活塞杆与换向器下端设有驱使换向器沿其转轴朝反向摆动的第二端面凸轮机构；所述冲击筒和缸体上设有导通缸体上腔和下腔的液体配流通道，所述换向器的筒壁上设有接通相应配流通道的配流孔，由换向器的正、反向摆动使进入缸体内的液体流向间歇地变化，由此，驱动轴向冲锤组件上下往复移动，同时，由从缸体流出的液体间歇地作用在周向摆锤组件的扇形摆动柱体的两侧，驱动周向摆锤组件正、反向往复摆动。

2.如权利要求1所述的复合冲击钻井工具，其特征在于：所述下端盖底部抵顶在下外壳体内壁上部设置的阶梯孔孔肩上，以实现轴向定位；所述下端盖侧壁设有缺槽，该缺槽与下外壳体内壁设置的凸块卡设，以实现下端盖周向定位；所述导向套筒、上端盖、冲击筒和下端盖各相对接触的连接面之间分别设有定位块和对应的定位槽，由此实现导向套筒、上端盖、冲击筒的周向定位。

3.如权利要求1所述的复合冲击钻井工具，其特征在于：所述缸体、换向器和周向摆锤组件由上、下端盖轴向定位；所述缸体底端向下设有一定位销，该定位销穿过换向器底部的一圆弧形透孔，并插设在下端盖上的对应定位销孔中，由此实现缸体的周向定位。

4.如权利要求1所述的复合冲击钻井工具，其特征在于：所述轴向冲锤组件的配重体，其周向均设有六个平行其轴向的直筋；所述导向套筒内壁周向均布有六个沿轴向上下贯通的导槽；所述六个直筋分别对应滑设于六个导槽内。

5.如权利要求1所述的复合冲击钻井工具，其特征在于：所述第一端面凸轮机构是由设置在上活塞杆外壁面的第一端面凸轮和设置在换向器上端的第一凸轮导轨构成；所述第一端面凸轮为沿上活塞杆轴向设置的第一凸块；第一凸轮导轨为由换向器上端向上延伸且围绕上活塞杆外壁设置的第一圆弧形管壁；所述第一凸块底端与第一圆弧形管壁顶端分别设有形状匹配的导向面。

6.如权利要求1所述的复合冲击钻井工具，其特征在于：所述第二端面凸轮机构由设置在下活塞杆外壁面的第二端面凸轮和设置在换向器下端的第二凸轮导轨构成；所述第二端面凸轮为沿下活塞杆轴向设置的第二凸块；第二凸轮导轨为由换向器下端向下延伸且围绕下活塞杆外壁设置的第二圆弧形管壁；所述第二凸块顶端与第二圆弧形管壁底端分别设有形状匹配的导向面。

7.如权利要求1所述的复合冲击钻井工具，其特征在于：所述液体配流通道包括冲击筒上设置的多个流道和缸体侧壁上设置的配流口；所述冲击筒的两个扇形贯通腔体之间分别设有扇形流道部，所述每个扇形流道部内间隔地设有一轴向长导流槽和一轴向短导流槽，所述长导流槽延伸至冲击筒的下部，短导流槽延伸至冲击筒的上部，所述长导流槽和短导流槽均与冲击筒内壁导通；所述缸体侧壁上设有与长导流槽、短导流槽以及扇形贯通腔体两侧面位置相对设置的多个配流口。

8.如权利要求7所述的复合冲击钻井工具，其特征在于：每个扇形贯通腔体与扇形流道部之间的间隔部设有轴向贯通的通孔。

9.如权利要求8所述的复合冲击钻井工具，其特征在于：所述每个扇形贯通腔体的扇形角度为90°；所述每个扇形流道部的扇形角度为60°。

10.如权利要求9所述的复合冲击钻井工具，其特征在于：所述换向器的圆筒顶端外缘沿周向设有两个呈径向突出且对称设置的第一扇形凸缘，所述换向器的圆筒底端外缘沿周向设有两个呈径向突出且对称设置的第二扇形凸缘，所述两个第一扇形凸缘与两个第二扇形凸缘呈空间垂直设置；邻近第一扇形凸缘周向一侧且位于换向器的圆筒上部侧壁设有与短导流槽导通的第一配流孔，邻近第一扇形凸缘周向另一侧且位于换向器的圆筒下部侧壁设有与长导流槽导通的第二配流孔；与所述第二扇形凸缘位置相对位置且位于换向器的圆筒上部和下部侧壁分别设有第三配流孔和第四配流孔；所述第一配流孔、第二配流孔、第三配流孔、第四配流孔分别对称设置两个；所述扇形流道部的顶部设有一扇形沉槽，所述换向器的第一扇形凸缘摆动地设置在所述扇形沉槽中；所述换向器的第二扇形凸缘摆动地设置在冲击筒的扇形贯通腔体的底端内。

11.如权利要求10所述的复合冲击钻井工具，其特征在于：所述第一扇形凸缘的扇形角度为25°～30°；所述第二扇形凸缘的扇形角度为45°～60°；所述第一配流孔的宽度与短导流槽的宽度相同；所述第二配流孔的宽度与长导流槽的宽度相同。

12.如权利要求7所述的复合冲击钻井工具，其特征在于：所述钻头座是由底段、中段和上段构成的阶梯形构件；钻头座底段为圆柱形，直径与下外壳体的外径相同，内部设有连接钻头的锥形母扣；钻头座中段为八棱柱体，该钻头座中段穿设于下外壳体底端的对应八角通孔内，所述中段的高度大于八角通孔长度3～7mm；钻头座的上段为圆柱体，外壁设有螺纹段，一滑设于下外壳体内部的圆筒形防落鱼的底端连接于钻头座上段的螺纹段；所述钻头座中段和上段内部设有导通底段锥形母扣的中心孔，所述钻头座上段圆柱体外壁周向均匀分布有多个与内部中心孔相通的透槽；所述防落鱼顶端推设一防空打，所述防空打为一圆环体，所述圆环体上对称设有两个向上的方形塞柱，所述方形塞柱的一侧由下向上形成圆滑过渡的曲面，以使塞柱横截面由下至上逐渐减小；冲击筒的两个长导流槽的底部分别设有一第一方孔，下端盖上分别设有与两个第一方孔对应设置的第二方孔；所述防空打设置在下端盖下方并由防落鱼顶推，所述两个塞柱穿过对应的第二方孔后塞设于对应的第一方孔内。

13.如权利要求8所述的复合冲击钻井工具，其特征在于：所述上、下端盖上设置的贯通的导流孔为扇形通孔；所述上、下端盖上分别对称设置两个扇形通孔；所述上端盖的两个扇形通孔与冲击筒的两个扇形流道部及其两边的通孔位置相对设置；所述下端盖的两个扇形通孔与冲击筒的两个扇形贯通腔体位置相对设置；所述下端盖上还设有与冲击筒的四个轴向贯通通孔相对设置的四个穿孔。

14.如权利要求1所述的复合冲击钻井工具，其特征在于：所述冲击筒外壁的上部和下部分别设有一圈上沟槽和下沟槽，所述上外壳体的内壁对应所述上沟槽对应设有第一沟槽，所述下外壳体的内壁对应所述下沟槽对应设有第二沟槽，相对应的沟槽内设有多个滚珠，由此，将上外壳体、下外壳体及冲击筒轴向固定连接。