[发明专利]一种高频动载破岩工具及其使用方法

说明书

本发明涉及一种高频动载破岩工具及其使用方法，通过高压钻井液推动冲击转锤运动储存动能，利用一部分高压钻井液结合频率控制模块控制控制阀的转向，来实现高压钻井液在冲击锤两侧的交替分配，巧妙地将钻井液的压力势能转换成扭向的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量并直接传递给PDC钻头，使整个钻柱的扭矩保持稳定和平衡，实现钻头连续稳定破岩，提高了钻井质量并降低了钻井成本。

技术领域

本发明涉及一种钻井工具，属于油气勘探领域，具体涉及一种高频动载破岩工具。

背景技术

在油气勘探的钻井过程中，深层岩石的硬度、抗压强度和研磨性显著上升，破碎单位体积所需能量增加；同时，当钻柱传递的能量不能保证钻头连续破岩时，会发生粘滑振动，加剧钻柱横向、纵向振动，其中周向震动和轴向振动不受井眼边界限制而最为剧烈，对钻头的破坏最为严重，影响机械钻速和进尺，造成钻井效率低下、质量差、成本升高等问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提出一种高频动载破岩工具，能将钻井液的压力势能转换成扭向的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量并直接传递给PDC钻头，实现钻头连续稳定破岩。

为实现以上目的，本发明所采用的技术方案包括：

一种高频动载破岩工具，其特征在于包括外壳、下接头、冲击系统，所述冲击系统位于所述外壳内部，所述下接头上部与所述外壳与所述冲击系统的下部连接，所述下接头下部用于与钻头连接；

所述冲击系统包括由外向内依次嵌套的冲击系统壳体、冲击锤、控制阀、启动锤和分流中心管，各自分别为中空结构，其中所述冲击系统壳体内壁上开有对称的主活塞腔；所述冲击锤外壁具有可在所述主活塞腔内摆动的锤翼；所述控制阀内壁上开有对称的启动活塞腔；所述启动锤外侧具有可在所述启动活塞腔内与控制阀相对摆动的锤翼；

所述冲击系统壳体上还设置有相对设置的两个控制摆动阀换向的频率控制模块，所述分流中心管将钻井液分为流经频率控制模块、控制阀和直接排出的三路，其中第一路通过频率控制模块交替进入所述启动活塞腔内的锤翼两侧，第二路通过控制阀阀位的改变交替进入主活塞腔内锤翼两侧。

优选的所述分流中心管壁面设置有筛管结构的流通孔，分流中心管内靠近底端位置设置有截流喷嘴。

进一步优选的所述频率控制模块包括叶轮和偏心导流孔；所述偏心导流孔在频率控制模块工作过程中与流通孔交替相通与错开。

优选的所述下接头与外壳、冲击系统之间由倒扣交错式锁闭机构连接，所述倒扣交错式锁闭机构包括下接头与冲击系统之间的固定轴承连接和下接头与外壳之间带有间隙的牙嵌连接。

进一步优选的所述固定轴承连接包括由多粒钢球组成的轴承。

进一步优选的所述由多粒钢球组成的轴承中单个钢球可承受8吨的压力和5吨的剪切力，所述由多粒钢球组成的轴承中钢球数量为20粒。

优选的所述带有间隙的牙嵌连接为120°对称间隙牙嵌，即牙嵌连接包括三组相同的牙嵌结构。

优选的所述外壳上端设置有公螺纹接头；所述下接头下方设置有螺纹母扣。

优选的所述分流中心管流通孔宽度为2毫米，最大流量为5L/s。

优选的工具提供的冲击能量为200焦耳。

前述一种高频动载破岩工具的使用方法，其特征在于，第一路钻井液由频率控制模块控制周期性的交替进入启动活塞腔中启动锤锤翼的两侧，控制启动锤与控制阀交替发生相对顺时针或逆时针的摆动，进而改变控制阀的阀位，使得第二路钻井液周期性的交替进入主活塞腔中冲击锤锤翼的两侧，使所述高频动载破岩工具产生扭向往复冲击。