[发明专利]井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井系统及方法

权利要求书

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；

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；

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。

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。

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，所述冲击头的外端面与外壳的内端面之间设置密封圈。

4.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；

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。

5.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。

6.如权利要求5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；

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；

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。

7.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；

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。

8.井底冲旋步进联合卸荷破岩高效钻井方法，其特征在于，基于如权利要求1～7任一所述的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：

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；

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；

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；

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；

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。