[0001] 本发明涉及油气开采技术领域，尤其涉及一种阀式轴向冲击工具。

[0002] 油气资源的勘探开发一直作为资源挖掘的重点部分而不断发展，油气资源的勘探开发深度也逐渐由浅部地层转向深部地层，对于深部地层的油气资源勘探开发主要通过由地表向地下建立深井或超深井来进行，在深井或超深井的钻井作业中，随着钻入深度的加大，被钻岩石的研磨性逐渐增强，即被钻岩石强度硬度均增大，耐磨性也随之加强，使得钻井作业难度加大，易于造成钻具部件及钻具组合(combination drilling string)的受损失稳。钻具组合主要指包括钻头及钻柱等钻具的连接与配合，钻柱包括钻杆、钻铤、接头和扶正器。其中，较深的硬质地层即研磨性地层的岩石会令钻头的破岩效率降低，导致钻具的机械钻速降低，作业效率下降。

[0003] 此外，研磨性地层还易造成钻头的粘滑振动，粘滑振动是指钻头在高压下的一种被损坏的形式，钻头对研磨性地层的岩石进行钻探作业时，钻头会受到研磨性地层岩石给予的周期性载荷，在周期性载荷的作用下，钻头内部会产生应力集中，进而使得钻头表面及内部材料产生裂纹，产生裂纹的过程会在断裂面发生材料粘结和破损材料间或破损材料与基体间产生相对滑动，上述材料粘结与材料滑动现象随着钻探过程于钻头上交替进行，其中，断裂面会周期性发生急跳滑动，在周期性应力的作用下，所累积应变能会逐渐被释放，进而体现出粘滑现象。

[0004] 如此一来，导致钻头的磨损加快，甚至发生钻头切削齿的断裂，钻头的失效失稳也会使得与其配合连接的钻柱失稳，这样，钻头和钻柱的使用寿命均被降低，钻井成本显著增加。

[0005] 目前，轴向冲击钻井技术被用于解决深井钻井过程中机械钻速较低的问题，轴向冲击钻井技术主要通过轴向冲击工具对钻头产生轴向冲击载荷，以增加切削齿的切削深度从而提高钻头的破岩效率。然而，现有阀式轴向冲击工具工作效率较低。

[0041] 正如背景技术所述，随着油气开采向地壳下的钻井深度不断加大，对于深层岩石的破岩难度也不断升高，在相关技术中，轴向冲击技术被用于辅助钻头来进行地壳岩层的破岩工作，存在破岩效率较低的问题。经发明人研究发现，出现这种问题的原因主要在于：相关技术中钻具的部件结构较多、部件之间的连接结构复杂，使得钻具组合所形成的整体结构长度过长，进而与动力钻具的适配性较差且不利于对于二者配合作业时作业轨迹的定向控制，进而使得破岩效率低下。

[0042] 针对上述技术问题，本发明实施例提供一种阀式轴向冲击工具，通过在钻具内部形成多个腔体，利用钻井液液压在多个腔体内产生的液压差驱动冲锤对钻头产生周期性轴向冲击载荷，从而增加钻头的切削齿的切削深度，进而提高阀式轴向冲击工具的工作效率，即提升钻头的破岩效率。

[0043] 为了使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

[0044] 如图1所示，本发明实施例提供的阀式轴向冲击工具，包括控制组件、钻具接头、冲锤和套设于控制组件、钻具接头和冲锤的壳体1，冲锤用于提供轴向冲击力。

[0045] 钻具接头包括第一接头2和第二接头3，第一接头2连接于导流筒16远离控制组件的一端，第二接头3连接于冲锤远离控制组件的一端，钻井作业时，阀式轴向冲击工具安装于钻头上部，即第二接头3连接于钻头背离被钻岩石的一端，如图所示，沿竖直方向第一接头2位于控制组件上方，也可称之为上接头；第二接头3位于控制组件下方，也可称之为下接头。

[0046] 第一接头2与壳体1螺纹连接，第二接头3滑动连接于壳体1；进一步地，第二接头3与壳体1之间通过挂钉6连接，第二接头外壁表面设有滑槽，挂钉6穿设于滑槽，使得第二接头3悬挂于壳体1的中心孔内并可相对壳体1滑动。

[0047] 位于壳体1内壁设有第一凸台4，第一凸台4的突出部向壳体1内部延伸，壳体1侧壁周向设有多个第一通孔5，且多个第一通孔5位于第一凸台4靠近第二接头3的一侧端面下方，第一通孔5用于阀式轴向冲击工具连通于井筒环空，即阀式轴向冲击工具外部的井下环境空间。

[0048] 进一步，第一接头2、壳体1和第二接头3均为中空结构，第一接头2、壳体1和第二接头3分别具有第一接头2中心孔、壳体1中心孔以及第二接头3中心孔，第一接头2、壳体1和第二接头3沿竖直方向依次同轴连通而形成第一中心腔体。

[0049] 结合图4，冲锤包括相连接的承压环7和冲锤本体8，冲锤本体8为中空回转体，进一步，冲锤本体8为中空圆筒。

[0050] 冲锤本体8内壁设有第一台阶9，第一台阶9向冲锤本体8内部空腔延伸，冲锤本体8外侧壁轴向间隔设有第二台阶10和第三台阶11；冲锤本体8位于第二台阶10面远离第三台阶11的一侧侧壁加工有第一螺纹，第二台阶10面和第三台阶11面之间且位于冲锤本体8侧壁周向等间距设有多个第四导流孔12，第二台阶10面为第二台阶10远离第三台阶11的表面，第三台阶11面为靠近第二台阶10的表面。

[0051] 承压环7环套冲锤本体8，承压环7内壁设有第二螺纹，且承压环7外壁面与壳体1内壁面相贴，承压环7的一端抵接于第二台阶10，进一步，承压环7靠近冲锤本体8的端部表面与第二台阶10远离冲锤本体8的第一螺纹和第二螺纹用于冲锤本体8与承压环7间的螺纹连接。

[0052] 第一凸台4位于承压环7与第三台阶11之间；当第二台阶10靠近第三台阶11的端部与第一凸台4位于同一水平方向时，沿壳体1中心孔的孔径方向，第二台阶10的侧壁紧邻第一凸台4，第二台阶10靠近第三台阶11的端部侧壁表面贴合于第一凸台4背离壳体1的侧壁表面，第三台阶11远离冲锤中心孔的表面贴合于壳体1内壁。

[0053] 第一接头2靠近控制组件的端面与承压环7靠近控制组件的端面之间沿壳体1轴向形成有第一腔体13，承压环7背离控制组件的端面与第一凸台4靠近控制组件的端面间沿壳体1轴向形成有第二腔体14，第一凸台4背离控制组件的端面与第三台阶11朝向控制组件的端面间形成有第三腔体15。

[0054] 控制组件包括控制阀组件，控制阀组件和冲锤同轴设置于第一中心腔体内，控制阀连接在冲锤靠近第一接头2的端部，这样，借助阀式轴向冲击工具辅助钻井作业时，在第一中心腔体内的液压作用下，控制阀组件可与冲锤协同进行线性往复运动并通过与冲锤接触作用所产生的作用力来实现对冲锤运动状态的调控，以向钻头周期性传递冲击载荷。

[0055] 控制组件还包括滑动连接于控制阀组件的导流筒16，导流筒16的一端同轴固定于第一接头2中心孔内，例如，导流筒16的一端被第一接头2通过中心孔同轴嵌套，导流筒16的另一端与控制阀组件相连，导流筒16内设有锥形导流部17，锥形导流部17将导流筒16内部分隔为两个腔体，其中，靠近第一接头2的腔体为第一导流腔，远离第一接头2的腔体为第一滑动腔，锥形导流部17的第一锥面18朝向第一接头2，第一锥面18用于充当钻井液的导流面，导流筒16位于第一锥面18一侧的侧壁周向等间距设有多个第一导流孔19，用于导出来自第一导流腔的流体。

[0056] 控制阀组件包括控制阀芯20、控制阀端盖21和套设于控制阀芯20的控制阀外筒22，控制阀外筒22同轴滑动连接于导流筒16背离第一接头2的一端，且当控制阀外筒22相对导流筒16滑动时，控制阀外筒22的端部可伸入第一滑动腔，控制阀外筒22远离导流筒16的端面与承压环7朝向导流筒16的表面抵接。

[0057] 结合图2，控制阀外筒22远离导流筒16的一端内壁设有内螺纹，冲锤本体8靠近导流筒16的一端外壁设有外螺纹，内螺纹和外螺纹相配合用于控制阀外筒22与冲锤本体8之间的螺纹固定。

[0058] 控制阀端盖21盖在控制阀外筒22与导流筒16连接的端部，且控制阀端盖21位于第一滑动腔内。

[0059] 控制阀外筒22筒壁还周向间隔设有多个第二导流孔23，例如，多个第二导流孔23可周向间隔设于控制阀外筒22中部筒壁，示例性地，中部筒壁可为沿控制阀外筒22轴向从端部延伸至筒长三分之一到三分之二的筒壁区域，包括筒长的二分之一筒壁处。

[0060] 如图3所示，控制阀芯20可相对控制阀外筒22滑动，其为中空圆筒，控制阀芯20与冲锤本体8相连通，且控制阀芯20中心孔内径与冲锤本体8中心孔内径相等。

[0061] 控制阀芯20靠近控制阀外筒22一侧的侧壁设有第二凸台24，第二凸台24的外壁抵接于控制阀外筒22内壁。

[0062] 第二凸台24侧壁周向间隔设有多个第三导流孔25，且多个第三导流孔25中的每个第三导流孔25与每个第二导流孔23对应连通。

[0063] 控制阀芯20位于第二凸台24两侧侧壁相对设有第一压力通孔26和第二压力通孔27。

[0064] 进一步地，控制组件还包括调节塞28，调节塞28固定于在控制阀芯20靠近控制阀端盖21的一端，并被塞入控制阀芯20的中心孔内，进一步地，调节塞28为圆柱状，以更好地与控制阀芯20匹配，提高安装便利性；调节塞28中部沿轴向设有塞体通孔29，如此一来，通过将设有塞体通孔29的调节塞28连接于控制阀芯20，可改变调节塞28塞体通孔29内外压差，即通过改变控制阀芯20两端流体流量来改变控制阀芯20端部所受压力，从而起到调节控制阀芯20的运动速度作用。

[0065] 控制组件还包括调节弹簧，其包括第一调节弹簧30和第二调节弹簧31，第一调节弹簧30和第二调节弹簧31均套设于控制阀芯20，第一调节弹簧30弹性连接于控制阀端盖21远离导流筒16的端面和第二凸台24靠近导流筒16的端面之间，第二调节弹簧31弹性连接于第二凸台24远离导流筒16的端面与冲锤本体8靠近导流筒16的端面之间。

[0066] 这样，通过设置于控制阀芯20与控制阀端盖21之间的第一调节弹簧30，以及，控制阀芯20与冲锤本体8之间的第二调节弹簧31，能够降低控制阀芯20单独相对控制阀外筒22运动时的末速度，以减小控制阀芯20所受冲击，良好实现了对于控制阀芯20端部的缓冲保护，延长控制阀芯20的使用寿命。

[0067] 作为一个例子，壳体1为外套筒，第一接头2靠近控制组件的一端和第二接头3靠近控制组件的一端均被外套筒套设，从而使第一接头2和第二接头3相对位于外套筒两端。

[0068] 本发明实施例提供的阀式轴向冲击工具可应用于钻井作业，下面，对阀式轴向冲击工具的工作过程进行描述说明，钻井过程中，阀式轴向冲击工具安装于钻头上部，通过于阀式轴向冲击工具内部的特征结构设计以形成多个腔体，利用被通入多个腔体内的钻井液来形成压差，该压差可使得阀式轴向冲击工具内部各组件协同轴向运动来达到不同运动及工作状态，从而实现阀式轴向冲击工具内冲锤的线性往复运动并通过与第二接头3的周期性撞击接触来产生周期性冲击载荷，周期性冲击载荷进而被传递至钻头，显著提升了钻头的工作效率，其中，该阀式轴向冲击工具还通过内部设置的控制组件来调控控制组件自身和/或冲锤的运动及工作状态。

[0069] 本领域技术人员可以理解的是，钻头上部即指钻井时背离钻头与被钻岩石相接触的一端的部分。

[0070] 钻井作业时，阀式轴向冲击工具内部被通入钻井液，钻井液从第一接头2中心孔流入钻具内部，经导流筒16侧壁所设的多个第一导流孔19沿导流筒16轴向流入第一导流腔内，再通过控制阀外筒22上的第二导流孔23和控制阀芯20侧壁上的第三导流孔25流入控制阀芯20中心孔和冲锤本体8中心孔内，最后，钻井液由第二接头3流出阀式轴向冲击工具。

[0071] 需要说明的是，钻井液是钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的循环流体。示例性地，钻井液包括清水、泥浆、无粘土相冲洗液、乳状液、泡沫及压缩空气。

[0072] 在工具下放过程中，用于与钻头相连的第二接头3位于外套筒中心孔内，第二接头3在重力作用下会从外套筒中心孔内部沿外套筒轴向向外套筒外部伸出一段距离，同时，冲锤本体8会沿外套筒轴向向下运动一段距离，即使得第一凸台4与第四导流孔12靠近第二接头3的冲锤本体8侧壁之间存在避让空间，也就是说，第四导流孔12所开设位置靠近第二接头3的冲锤本体8体壁表面位于外套筒的第一凸台4下方，此时，阀式轴向冲击工具处于第一工作状态(图5)。

[0073] 第一工作状态下，冲锤本体8中心孔的孔道、第二腔体14以及第三腔体15通过设于外套筒侧壁的第一通孔5与井筒环空相连通，其中，本领域技术人员可以理解的是，井筒环空为钻具位于井内四周的环形空间。

[0074] 在冲锤本体8远离第二接头3的一端，冲锤本体8靠近控制阀外筒22的端面为第一承压端面32，在冲锤本体8轴向方向上，第一承压端面32受到来自第一腔体13内流体的压力作用，冲锤本体8与第一承压端面32相对且远离控制阀外筒22的端面为第二承压端面33，在冲锤本体8靠近第二接头3的一端，冲锤本体8远离第二接头3的端面为第三承压端面34，冲锤本体8靠近第二接头3的端面为第四承压端面35，第二承压端面33、第三承压端面34和第四承压端面35受井筒环空流体所带来的压力作用，第二承压端面33、第三承压端面34和第四承压端面35所受压力小于第一承压端面32所受压力，如此，使得冲锤受到沿冲锤主体轴向竖直向下的作用力，以让冲锤相对外套筒保持静止，有效防止钻头在未与井底接触的情况下冲锤主体轴向冲击于第二接头3，发生结构空打。

[0075] 结合图6，当阀式轴向冲击工具下放至井底时，阀式轴向冲击工具远离井底一端连接有钻柱，钻柱带动外套筒向下移动，冲锤本体8第四导流孔12内的空间与第二腔体14间的流体通道被第一凸台4截流。控制阀芯20处于沿竖直方向相对导流筒16线性滑动的滑动行程的最下端位置，即距离第二接头3最近的位置；此时，控制阀芯20的端面抵接于冲锤本体8第一台阶9的表面，控制阀外筒22侧壁所开设的第二导流孔23与控制阀芯20侧壁上的第三导流孔25之间所形成的连通空间达到最大，即二者连通用于流体的流通效率最高，处于最大过流面积，阀式轴向冲击工具处于第二工作状态。

[0076] 在上述第二工作状态下，第一承压端面32受到来自第一腔体13内流体的压力作用，第二承压端面33受来自冲锤主体中心孔孔道流体的压力作用，此时，第一承压端面32所受压力大于第二承压端面33所受压力，第一承压端面32和第二承压端面33间的压差为第一压差，第一压差即为钻井液流经控制阀外筒22的第二导流孔23与控制阀芯20的第三导流孔25时产生的压差，第一压差所形成的作用力方向沿冲锤主体的轴向向下，也就是使冲锤主体向第二接头3方向移动的作用力。

[0077] 第三承压端面34受到来自井筒环空流体的压力作用，第四承压端面35受到来自冲锤中心孔孔道内流体的压力作用，第三承压端面34所受压力小于第四承压端面35所受压力，第三承压端面34和第四承压端面35之间的压差为第二压差，钻头端部连接有钻头喷嘴，第二压差为钻井液流经钻头喷嘴处产生的压差，第二压差所形成的作用力沿冲锤轴向方向向上。当第一压差小于第二压差时，即钻井液流经控制阀组件第二导流孔23和第三导流孔25处的压差小于钻头喷嘴处的压差时，冲锤主体受力方向沿轴向向上，冲锤主体沿轴向向上运动，即冲锤主体向靠近导流筒16的方向运动。

[0078] 如图7所示，当冲锤主体向靠近导流筒16的方向运动至最大行程位置时，控制阀端盖21与导流筒16相抵接，冲锤主体停止运动，工具处于第三工作状态。随后，控制阀芯20继续向靠近导流筒16的方向运动，在控制阀芯20继续向靠近导流筒16的方向运动的过程中，第二导流孔23与第三导流孔25所形成的过流空间的流体流通量逐渐减小，也即流体流经控制阀芯20位于第三导流孔25及控制阀外筒22位于第二导流孔23处内壁的过流面积逐渐减小，也就是第一过流面积。

[0079] 结合图8和图9，当控制阀芯20向靠近导流筒16的方向运动至控制阀芯20端部与控制阀端盖21相抵靠时，控制阀芯20停止运动，工具处于第四工作状态，该状态下，第一过流面积达到最小，钻井液在该处产生的压差大于钻头喷嘴处的压差，即第一压差大于第二压差，此时冲锤主体整体受力方向沿轴向向下，冲锤主体开始向下运动，即向靠近第二接头3的方向运动。当冲锤主体运动至与第二接头3端部发生碰撞时，产生轴向冲击载荷并传递至钻头，此时，阀式轴向冲击工具处于第五工作状态。

[0080] 进一步地，控制阀芯20继续向下运动，第一过流面积逐渐增大，当控制阀芯20运动至其端部与冲锤主体本体第一台阶9相抵时，控制阀芯20停止运动，此时，工具恢复至第二工作状态。第一过流面积再次达到最大，第一压差小于第二压差。此时冲锤主体整体受力方向沿轴向向上，冲锤主体开始向上运动复位。这样，阀式轴向冲击工具于第二、第三、第四和第五工作状态下依次循环，冲锤主体本体通过轴向往复运动与第二接头3发生碰撞，于第二接头3上产生周期性轴向冲击载荷，进而传递至与第二接头3相连的钻头。

[0081] 本发明提供的阀式轴向冲击工具以高压钻井液为驱动介质，通过内部设有的控制阀组件实现了对冲锤往复移动的阀式控制，从而能够对第二接头产生稳定的周期性轴向冲击载荷，进而传递至钻头并增加钻头的破岩能量。在旋转破岩的基础上，增加了钻头切削齿吃入深度，有效提高破岩效率和机械钻速。不仅如此，该阀式轴向冲击工具活动部件较少，稳定可靠，整体结构短，应用范围较广。

[0082] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语描上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0083] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

[0084] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0085] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征，上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0086] 本说明书中各实施例或实施方式采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

[0087] 应当指出，在说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等表示的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语未必是指同一实施例。此外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合明确或未明确描述的其他实施例实现这样的特征、结构或特性处于本领域技术人员的知识范围之内。

[0088] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。