一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置 技术领域： [0001] 本发明涉及一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置,属于油气开采提速工具领域。 背景技术： [0002] 浅层油气资源的逐渐枯竭迫使油气勘探目标逐渐向深部地层转变,深部地层岩石具有硬度高、研磨性强、可钻性差等特点,钻遇该地层时,PDC钻头磨损快、进尺慢、寿命低,严重制约着深部地层钻井提速。因此,提高PDC钻头在深部地层机械钻速是当前油气勘探开发领域的迫切需求,通常采用方法是使用钻井提速工具。 [0003] 目前国内外为了提高深部地层的钻井效率,已经研制出多种轴向振动冲击钻具、扭力冲击钻具以及复合提速钻具。轴向振动冲击钻具是将钻井液的液压能转换为机械能,为钻头提供额外的轴向冲击力。但它产生的轴向冲击功相对较小,冲击频率过大也会影响冲击器的寿命；扭力冲击钻具是利用钻井液驱动内部冲击摆锤做来回的旋转冲击,将泥浆压力能转换成一定频率、周向扭转型机械破岩能量传递给PDC钻头。扭力冲击钻具虽然在周向上剪切破岩效率较高,但对钻头与冲击器的匹配性要求较高,且高研磨性地层时效果不佳；复合提速钻具能同时为钻头提供额外的轴向冲击力和旋转冲击扭矩,可以有效增强钻头的破岩能力,减轻黏滑、卡钻现象,延长钻头使用时间。但现有的复合提速钻具存在内部结构复杂、冲击元件多且能量消耗大、两种冲击频率无配合和提速效果不佳等问题。 [0004] 针对以上问题,提出了一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置,该发明只需一个元件就可以同时产生轴向冲击和周向冲击,结构简单,且两种冲击频率存在配合关系。 发明内容： [0005] 本发明针对当前冲击提速装置适用范围窄、功能单一,只能产生周向冲击或者轴向冲击、结构复杂、提速效果不佳等问题设计了一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置。本发明在PDC钻头钻进地层期间,可提供两种形式的冲击破岩，既能提供纵向上的冲击破岩,增强对岩石的破坏；又能产生横向的扭力剪切破岩,消除黏滑效应,从而形成更高效的“立体破岩”效果,对提高石油开采效率具有重要意义。 [0006] 本发明的技术方案： [0007] 本发明为一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置,主要包括保护壳体、传动装置、轴向冲击发生装置、周向冲击发生装置、PDC钻头；所述保护壳体主要包括钻杆接头、冲击器连接壳体、蓄水壳体、防掉环；所述传动装置主要包括分流器、滚动轴承一、滚动轴承二、涡轮轴；所述轴向冲击发生装置主要包括限位弹簧、轴向升降器、花键轴、轴向冲击座、轴向冲击锤、花键转盘、升降平台；所述周向冲击发生装置主要包括周向冲击锤、冲击传递器； [0008] 所述冲击器连接壳体主要包括内流道、滑动导轨、支撑平台。所述分流器主要包括圆形斜孔和圆环基体。所述轴向升降器主要包括泄压孔和轴向升降器基体。所述花键轴主要包括冲击槽一、冲击槽二、外花键、内花键。所述花键转盘主要包括花键槽和圆盘基体。所述周向冲击锤主要包括冲击锤一、冲击孔一、冲击孔二、冲击锤二。所述冲击传递器主要包括汇流槽、支撑环、周向冲击座一、周向冲击座二。 [0009] 各部分连接方式为保护壳体与传动装置为间隙配合,轴向冲击发生装置与保护壳体通过螺纹连接,周向冲击发生装置与保护壳体为间隙配合,PDC钻头与保护壳体通过螺纹连接。 [0010] 所述保护壳体中的钻杆接头与冲击器连接壳体通过螺纹连接,冲击器连接壳体与蓄水壳体通过螺纹连接,蓄水壳体与防掉环通过螺纹连接；所述分流器与冲击器连接壳体为间隙配合,滚动轴承一与分流器底部台阶孔为过渡配合,滚动轴承二与蓄水壳体中支撑平台的台阶孔为过渡配合,涡轮轴的上下两端分别与滚动轴承一、滚动轴承二为过盈配合。 [0011] 所述轴向冲击发生装置中的限位弹簧安装在涡轮轴与花键轴之间,轴向升降器与所述保护壳体中冲击器连接壳体通过螺纹连接；花键轴与涡轮轴通过花键连接,并与轴向升降器为间隙配合；轴向冲击座与冲击传递器通过螺纹连接；轴向冲击锤与花键轴通过螺纹连接；花键转盘与花键轴通过花键连接；升降平台与轴向升降器为间隙配合,并与花键轴为间隙配合,且上表面贴合花键轴轴肩,以带动花键轴轴向运动。 [0012] 所述周向冲击发生装置中的周向冲击锤与花键轴为间隙配合,冲击传递器与蓄水壳体为间隙配合。 [0013] 本发明有以下优点： [0014] 1.与轴向振动冲击钻具和扭力冲击钻具相比,本发明能够同时产生轴向冲击和周向冲击,从而消除黏滑效应,提高钻井效率； [0015] 2.与传统复合提速钻具相比,本发明结构更简单紧凑,控制更简便； [0016] 3.与传统复合提速钻具相比,本发明仅需一个执行元件就能同时实现两种不同工况冲击,破岩效率更高,消耗能量更少； [0017] 4.与传统复合提速钻具相比,本发明内无电子元件,工作安全可靠； 附图说明： [0018] 为了更清楚的说明本发明的技术方案,下面对本专利的附图做简单的介绍,图中模型比例并不代表实物比例,现场应用时可根据实际条件进行调整。 [0019] 图1为本发明一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置整体结构示意图； [0020] 图2为本发明一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置保护壳体结构示意图； [0021] 图3为本发明一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置传动装置结构示意图； [0022] 图4为本发明一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置轴向冲击发生装置结构示意图； [0023] 图5为本发明一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置周向冲击发生装置结构示意图； [0024] 图6为本发明一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置冲击器连接壳体结构示意图； [0025] 图7为本发明一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置分流器结构示意图； [0026] 图8为本发明一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置轴向升降器结构示意图； [0027] 图9为本发明一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置花键轴结构示意图； [0028] 图10为本发明一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置花键转盘结构示意图； [0029] 图11为本发明一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置周向冲击锤结构示意图； [0030] 图12为本发明一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置冲击传递器结构示意图； [0031] 图13为本发明一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置冲击锤一初始工作位置示意图； [0032] 图14为本发明一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置冲击锤一完成冲击位置示意图； [0033] 图15为本发明一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置冲击锤二初始工作位置示意图； [0034] 图16为本发明一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置冲击锤二完成冲击位置示意图。 [0035] 图中： [0036] 1、保护壳体；2、传动装置；3、轴向冲击发生装置；4、周向冲击发生装置；5、PDC钻头；6、钻杆接头；7、冲击器连接壳体；8、蓄水壳体；9、防掉环；10、分流器；11、滚动轴承一； 12、滚动轴承二；13、涡轮轴；14、限位弹簧；15、轴向升降器；16、花键轴；17、轴向冲击座；18、轴向冲击锤；19、花键转盘；20、升降平台；21、周向冲击锤；22、冲击传递器；23、内流道；24、滑动导轨；25、支撑平台；26、圆形斜孔；27、圆环基体；28、泄压孔；29、轴向升降器基体；30、冲击槽一；31、冲击槽二；32、外花键；33、内花键；34、花键槽；35、圆盘基体；36、冲击锤一； 37、冲击孔一；38、冲击孔二；39、冲击锤二；40、汇流槽；41、支撑环；42、周向冲击座一；43、周向冲击座二。 具体实施方式： [0037] 下面结合附图对本发明作进一步说明： [0038] 如图1、图2、图3、图4、图5所示,本发明为一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置,主要包括保护壳体1、传动装置2、轴向冲击发生装置3、周向冲击发生装置4、PDC钻头5；所述保护壳体1主要包括钻杆接头6、冲击器连接壳体7、蓄水壳体8、防掉环9；所述传动装置2主要包括分流器10、滚动轴承一11、滚动轴承二12、涡轮轴13；所述轴向冲击发生装置3主要包括限位弹簧14、轴向升降器15、花键轴16、轴向冲击座17、轴向冲击锤18、花键转盘19、升降平台20；所述周向冲击发生装置4主要包括周向冲击锤21、冲击传递器22； [0039] 如图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12所示,所述冲击器连接壳体7主要包括内流道23、滑动导轨24、支撑平台25。所述分流器10主要包括圆形斜孔26和圆环基体27。所述轴向升降器15主要包括泄压孔28和轴向升降器基体29。所述花键轴16主要包括冲击槽一30、冲击槽二31、外花键32、内花键33。所述花键转盘19主要包括花键槽34和圆盘基体35。所述周向冲击锤21主要包括冲击锤一36、冲击孔一37、冲击孔二38、冲击锤二39。所述冲击传递器22主要包括汇流槽40、支撑环41、周向冲击座一42、周向冲击座二43。 [0040] 如图1、图2、图3、图4所示,各部分连接方式为保护壳体1与传动装置2为间隙配合,轴向冲击发生装置3与保护壳体1通过螺纹连接,周向冲击发生装置4与保护壳体1为间隙配合,PDC钻头5与保护壳体1通过螺纹连接。 [0041] 所述保护壳体1中的钻杆接头6与冲击器连接壳体7通过螺纹连接,冲击器连接壳体7与蓄水壳体8通过螺纹连接,蓄水壳体8与防掉环9通过螺纹连接；所述分流器10与冲击器连接壳体7为间隙配合,滚动轴承一11与分流器10底部台阶孔为过渡配合,滚动轴承二12与蓄水壳体8中支撑平台25的台阶孔为过渡配合,涡轮轴13的上下两端分别与滚动轴承一 11、滚动轴承二12为过盈配合。 [0042] 所述轴向冲击发生装置3中的限位弹簧14安装在涡轮轴13与花键轴16之间,轴向升降器15与所述保护壳体1中冲击器连接壳体7通过螺纹连接；花键轴16与涡轮轴13通过花键连接,并与轴向升降器15为间隙配合；轴向冲击座17与冲击传递器22通过螺纹连接；轴向冲击锤18与花键轴16通过螺纹连接；花键转盘19与花键轴16通过花键连接；升降平台20与轴向升降器15为间隙配合,并与花键轴16为间隙配合,且上表面贴合花键轴16轴肩,以带动花键轴16轴向运动。 [0043] 所述周向冲击发生装置4中的周向冲击锤21与花键轴16为间隙配合,冲击传递器 22与蓄水壳体8为间隙配合。 [0044] 工作原理： [0045] 本发明一种错位式复合冲击PDC钻头提速装置,其工作原理分为以下四步： [0046] 第一步：钻井液从钻杆接头6流入,经过分流器10后分为两部分,一部分用于推动涡轮轴11转动；另一部分经圆形斜孔26、内流道23最终流入轴向升降器15中； [0047] 第二步：涡轮轴11转动下,花键转盘19上的孔与泄压孔28会在连通和闭合的状态之间转换,当处于闭合状态时,轴向升降器15与内流道23相连通的两个进液孔压力增大,使升降平台20沿滑动导轨24上升,从而带动花键轴16、轴向冲击锤18升至轴向最高位置,此时冲击槽一30会逐渐与冲击孔一37连通,由于轴向冲击锤18排水量减少,花键轴16空心部分压力增大,钻井液从冲击孔一37快速冲出,推动冲击锤一36转动并撞击周向冲击座一42,完成单次周向冲击,在此过程中冲击槽二31与冲击孔二38因为尺寸错位而不连通； [0048] 第三步：当处于连通状态时,轴向升降器15中的两个进液孔压力减小,在复位弹簧 14的作用下花键轴16、轴向冲击锤18、升降平台20加速向下移动,待轴向冲击锤18撞击轴向冲击座17后产生轴向冲击,此时花键轴16处于轴向最低位置,冲击槽二31会逐渐与冲击孔二38连通,钻井液从冲击孔二38快速冲出,推动冲击锤二39转动并撞击周向冲击座二43,完成单次周向冲击,在此过程中冲击槽一30与冲击孔一37因为尺寸错位而不连通,周向冲击和轴向冲击由冲击传递器22传递给PDC钻头5； [0049] 第四步：两部分钻井液最后都会汇集到轴向冲击座17处,经过轴向冲击座17上的孔流入到PDC钻头5内。