本发明专利技术公开了一种井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统，包括外壳、驱动总成、万向轴节、传动轴、旋转冲击总成、钻头；传动轴与外壳转动连接；旋转冲击总成包括用来为钻头传递旋转动力的旋转传动组件、用来为钻头提供高频轴向冲击动力的冲击组件；旋转传动组件跟随传动轴转动时，冲击组件对旋转传动组件施加沿钻井轴向方向的高频冲击力；钻头的钻头体外端设置有环形钻头；环形钻头的内环端面上滑动配合有中心钻头；环形钻头的头端与中心钻头的头端之间形成内凹圆柱区域。本发明专利技术公开了一种井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井方法。本发明专利技术通过整体的结构设置，可同时实现步进破岩、井底卸荷、冲旋钻井的作用，极大地提升了破岩钻井效率。率。率。
【技术实现步骤摘要】
井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统及方法
[0001]本专利技术属于钻井
，具体涉及一种井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统及方法。
技术介绍
[0002]提高破岩效率是钻井工程领域一直研究的热点，提高破岩工具破岩能力及寿命、强化井底破岩能量是现在最常用的提高破岩效率的方法，依据上述方法，至今为止已经形成了多种破岩钻井系统，实践表明，上述系统在一定程度上提高了破岩效率，但仍未达到现场预期指标，如何进一步提升破岩效率成为制约坚硬难钻地层钻井的瓶颈问题。
[0003]钻井破岩过程的破岩工具与地层之间关系可以理解成战争过程的攻击方与防守方之间的关系，破岩工具攻击、地层岩层防守，强化破岩工具的持续破岩能力固然可以提高破岩效率，倘若能够瓦解“防守方
”‑
地层的防守能力，即降低地层对岩石的抗钻能力，那么破岩效率也一定能够得到提高。
[0004]基于此，本申请提出一种井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统及方法，本申请中的旋转冲击总成的设置既向钻头传递了旋转动力，还向钻头传递了钻井轴向的高频冲击力，该钻井系统中的钻头包括外部环形钻头、内部中心钻头两部分，通过外部环形钻头、内部中心钻头的内凹外凸的阶梯型设置实现井底中心部位的应力卸荷，释放地应力降低岩石抗钻能力，同时本申请的内部中心钻头相对于外部环形钻头的可伸缩设置实现了步进破岩，并且实现了自动分配与调控冲击能量；利用上述多个有利于提高破岩效率的设置实现破岩效率的再次提升，以及对井底钻具的保护。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统及方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统，包括呈圆筒状结构的外壳；所述外壳内设置有沿轴向方向依次相连的驱动总成、万向轴节、传动轴、旋转冲击总成；所述旋转冲击总成的端部设置钻头；
[0008]所述传动轴的外壁面与外壳的内壁面进行转动连接；
[0009]所述旋转冲击总成包括用来为钻头传递旋转动力的旋转传动组件、用来为钻头提供高频轴向冲击动力的冲击组件；所述旋转传动组件的一端与传动轴相连、另一端与钻头相连；所述旋转传动组件跟随传动轴转动时，所述冲击组件对旋转传动组件施加沿钻井轴向方向的高频冲击力；
[0010]所述钻头的钻头体外端设置有环形钻头；所述环形钻头的内环端面上滑动配合有中心钻头；所述钻头内部设置钻头内腔，所述钻头内腔内设置有将中心钻头沿轴向向外压出的施力组件；所述环形钻头的头端与中心钻头的头端之间形成内凹圆柱区域。
[0011]优选的，所述旋转传动组件与传动轴同轴设置且一端的内壁面与传动轴的外壁面进行轴向方向的滑动连接，所述旋转传动组件的另一端与钻头相连；所述旋转传动组件的中部与外壳之间形成环形空间；
[0012]所述冲击组件包括位于环形空间内的冲击环，所述冲击环的外壁面与外壳的内壁面进行轴向方向的滑动连接；
[0013]所述冲击环面向钻头的端面上沿圆周方向均匀设置一圈第一冲击棘齿；所述冲击环背向钻头的端面上沿圆周方向均匀设置若干冲击弹簧，所述冲击弹簧的另一端与外壳相连；
[0014]所述旋转传动组件面向冲击环的端面上设置有与第一冲击棘齿相配合的第二冲击棘齿。
[0015]优选的，设置有第一冲击棘齿的冲击环端面上设置第一冲击部；
[0016]设置有第二冲击棘齿的旋转传动组件端面上设置能够与第一冲击部相配合的第二冲击部；
[0017]所述旋转传动组件跟随传动轴转动过程中，当冲击环的第一冲击部端面与旋转传动组件的第二冲击部端面相贴时，所述第一冲击棘齿的齿顶未到达第二冲击棘齿的齿根处、第二冲击棘齿的齿顶未到达第一冲击棘齿的齿根处。
[0018]优选的，所述旋转传动组件包括旋转传动轴、冲击头；
[0019]所述旋转传动轴与传动轴同轴设置且一端与传动轴的外壁面进行轴向方向的滑动连接，所述旋转传动轴的另一端与冲击头的一端进行同轴固定连接，所述冲击头的另一端与钻头相连；
[0020]所述第二冲击部、第二冲击棘齿设置在冲击头面向冲击环的端面上。
[0021]优选的，所述冲击头的外端面与外壳的内端面之间设置密封圈。
[0022]优选的，所述施力组件包括设置在钻头内腔内的步进传力体；所述步进传力体与钻头内腔进行轴向方向的滑动连接；所述步进传力体的外端与中心钻头相连，所述步进传力体的内端与步进弹簧相连，所述步进弹簧的另一端与钻头内腔的内端面固定连接；
[0023]所述钻头的钻头体上设置喷嘴流道、中心钻头排屑流道，所述喷嘴流道与钻头内腔相连通。
[0024]优选的，所述驱动总成包括定子、转子；所述定子固定设置在外壳的内端面上，所述转子在定子的内部。
[0025]优选的，所述万向轴节与外壳之间形成万向流通腔，所述万向流通腔与定子、转子之间的流通腔相连通；
[0026]所述传动轴、旋转传动组件的中部设置有沿轴向贯通的传动流通腔；所述传动流通腔与钻头内腔相连通；
[0027]所述万向轴节的端部设置有连通万向流通腔、传动流通腔的万向轴贯通孔。
[0028]优选的，所述传动轴的外壁面与外壳的内壁面之间通过止推轴承进行转动连接；
[0029]所述止推轴承的两端还设置有TC轴承，所述TC轴承的内圈与传动轴外壁面相连，所述TC轴承的外圈与外壳的内壁面相连。
[0030]本专利技术还提供一种井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井方法。
[0031]井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井方法，基于井底冲旋步进联合卸荷破岩高效
钻井系统进行实施，所述钻井方法包括以下步骤：
[0032]1)将钻井液泵送至驱动总成内，钻井液的压力能转换为转子的转动机械能，由万向轴节、传动轴、旋转传动组件传递给钻头；
[0033]2)环形钻头首先接触井底，在钻压扭矩的作用下对钻头外环部位的岩石进行破碎；在旋转传动组件转动的过程中，在井底反推靠力的作用下，冲击组件对旋转传动组件施加沿钻井轴向方向的高频冲击力，从而实现对外部环形钻头的冲击，使外部环形钻头实现冲旋钻井；
[0034]3)随着环形钻头破岩的进行，在中心钻头的内凹圆柱区内形成岩石柱，有效释放了井底应力；
[0035]4)当中心钻头也接触到井底后，在外部环形钻头承受冲击时，外部环形钻头高速破岩，步进弹簧被压缩蓄能，为中心钻头集聚破岩能量，此时中心钻头低速破岩或者不破岩；当外部环形钻头冲击结束时，外部环形钻头破岩变慢或者停止，步进弹簧伸展为中心钻头提供破岩动力使中心钻头快速破岩，从而实现井底岩石的步进破碎；
[0036]5)在冲旋钻井、井底卸荷、步进破岩的过程中，喷嘴流道喷射钻井液清洗钻头，并将岩屑通过中心钻头排屑通道携带至地面。
[0037]本专利技术的有益效果是：
[0038](1)本专利技术通过整体的结构设置，可同时实现步进破岩、井底卸荷、冲旋钻井的作用本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统，其特征在于，包括呈圆筒状结构的外壳；所述外壳内设置有沿轴向方向依次相连的驱动总成、万向轴节、传动轴、旋转冲击总成；所述旋转冲击总成的端部设置钻头；所述传动轴的外壁面与外壳的内壁面进行转动连接；所述旋转冲击总成包括用来为钻头传递旋转动力的旋转传动组件、用来为钻头提供高频轴向冲击动力的冲击组件；所述旋转传动组件的一端与传动轴相连、另一端与钻头相连；所述旋转传动组件跟随传动轴转动时，所述冲击组件对旋转传动组件施加沿钻井轴向方向的高频冲击力；所述钻头的钻头体外端设置有环形钻头；所述环形钻头的内环端面上滑动配合有中心钻头；所述钻头内部设置钻头内腔，所述钻头内腔内设置有将中心钻头沿轴向向外压出的施力组件；所述环形钻头的头端与中心钻头的头端之间形成内凹圆柱区域。2.如权利要求1所述的井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统，其特征在于，所述旋转传动组件与传动轴同轴设置且一端的内壁面与传动轴的外壁面进行轴向方向的滑动连接，所述旋转传动组件的另一端与钻头相连；所述旋转传动组件的中部与外壳之间形成环形空间；所述冲击组件包括位于环形空间内的冲击环，所述冲击环的外壁面与外壳的内壁面进行轴向方向的滑动连接；所述冲击环面向钻头的端面上沿圆周方向均匀设置一圈第一冲击棘齿；所述冲击环背向钻头的端面上沿圆周方向均匀设置若干冲击弹簧，所述冲击弹簧的另一端与外壳相连；所述旋转传动组件面向冲击环的端面上设置有与第一冲击棘齿相配合的第二冲击棘齿。3.如权利要求2所述的井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统，其特征在于，设置有第一冲击棘齿的冲击环端面上设置第一冲击部；设置有第二冲击棘齿的旋转传动组件端面设置能够与第一冲击部相配合的第二冲击部；所述旋转传动组件跟随传动轴转动过程中，当冲击环的第一冲击部端面与旋转传动组件的第二冲击部端面相贴时，所述第一冲击棘齿的齿顶未到达第二冲击棘齿的齿根处、第二冲击棘齿的齿顶未到达第一冲击棘齿的齿根处。4.如权利要求3所述的井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统，其特征在于，所述旋转传动组件包括旋转传动轴、冲击头；所述旋转传动轴与传动轴同轴设置且一端与传动轴的外壁面进行轴向方向的滑动连接，所述旋转传动轴的另一端与冲击头的一端进行同轴固定连接，所述冲击头的另一端与钻头相连；所述第二冲击部、第二冲击棘齿设置在冲击头面向冲击环的端面上。5.如权利要求4所述的井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统，其特征在于，所述冲击头的外端面与外壳的内端面之间设置密封圈。...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘永旺，魏森，管志川，邹德永，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：
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