[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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于钻井技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

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；

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。

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；

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。