一种转阀换向式液体动力周向冲击器技术领域
本实用新型涉及一种钻井工具技术领域，特别涉及一种转阀换向式液体动力周向冲
击器。
背景技术
随着人类对地球深层探索工作的发展和深入，在深井钻井以及地球上许多区块硬地
层钻进过程中，机械钻速低，钻头寿命短等难题非常突出。如在碧玉岩、石英岩、角页岩
等硬地层或是其他变质岩底层的科学考察钻探工作中都遇到了较硬地层，在使用PDC钻头
钻进上述地层时，尤其是在深井钻探过程中卡滑效应十分严重。该卡滑效应使得钻柱内累
积的扭转弹性能不规则的释放，导致PDC钻头的破岩过程变得极不稳定，加速PDC钻头非
正常损坏，降低了PDC钻头的使用寿命，同时也会影响钻井过程中的机械钻速，降低钻井
效率。
实用新型内容
针对上述问题，本实用新型实施例提供了一种转阀换向式液体动力周向冲击器结构，
旨在解决现有技术中因卡滑效应造成的PDC钻头使用寿命短，以及钻井效率低的技术问题。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种转阀换向式液体动力周向冲击器，其特征
在于，所述转阀配液式液体动力周向冲击器包括外缸、受冲钻头套；其中，所述外缸为下
部设有牙嵌结构的空心圆柱体，所述外缸通过牙嵌与受冲钻头套连接，外缸内部由左至右
为动力模块和冲击模块，其中动力模块设置叶片心轴、旋转叶片和扶正轴承；所述旋转叶
片和扶正轴承套装于叶片心轴上；叶片心轴下端与外缸内的转阀心轴采用一体化连接；所
述一体化连接采用过赢插接、螺纹连接、万向轴连接中的任意一种；所述外缸下端设置牙
嵌形结构；所述外缸内部动力模块下端设置冲击模块，所述冲击模块设置有转阀心轴、转
阀阀壳、冲击头、止推轴承、受冲钻头套；冲击头插装于活塞缸内部且能够自由活动，冲
击头内部插装转阀阀壳，转阀阀壳内部插装转阀心轴；所述受冲钻头套下端与钻头连接。
进一步的，所述转阀阀壳内部插装转阀心轴；转阀心轴内高压入流窗口和低压出流
窗口之间安装喷嘴；冲击头插装于活塞缸的受冲端面内部，且能够在15°-45°范围内自由
活动，过流孔位于所述转阀心轴上部；所述受冲钻头套下端与钻头连接；转阀依靠分配高
低压液体驱动冲击头实现更周向冲击。
进一步的，所述冲击头与活塞缸形成的腔体可以是两个、四个或者是六个中的任意
一种。
进一步的，所述转阀心轴为一多窗口的空心圆柱体，内部设置有喷嘴，与叶片心轴
配合的转阀心轴上设置有若干窗口，与转阀阀壳配合的转阀心轴壁面沿周向分布一排若干
个高压入流窗口和一排若干个低压出流窗口，所述高压入流窗口和低压出流窗口分别布置
于所述喷嘴的上方和下方，且在轴向呈交错分布。
进一步的，所述转阀阀壳为一多窗口空心圆柱体，在与转阀心轴配合的转阀阀壳壁
面上沿周向分布一排高压窗口和一排低压窗口，转阀阀壳套装在转阀心轴上，所述高压窗
口、低压窗口分别与转阀心轴上的高压入流窗口、低压出流窗口对齐，使得交错分布的高
压入流窗口、低压出流窗口可同时打开以便流体换向流动。
进一步的，所述活塞缸与受冲钻头套之间采用一体化机加工或者插接中的任意一种
连接方式。
进一步的，所述受冲钻头套外部的牙嵌数量与外缸内侧上的牙嵌数量一致，受冲钻
头套下端设置有内螺纹；所述内螺纹用于连接下部钻井工具，受冲钻头套的外侧设置的环
形槽与外缸内侧上的环形槽在纵向上相互配合，使受冲钻头套和外缸之间通过钢珠、锁环、
柔性钢带中的任意一种方式进行锁闭。
进一步的，所述防调速喷嘴可以通过为旋转叶片分流部分流量来调节旋转叶片的转
速，已达到调节工具冲击频率的目的。
该结构的工作原理：当流体流过旋转叶片时带动旋转叶片旋转，进而通过叶片心轴
将扭力传递给侧面带有窗口的转阀心轴，使转阀心轴侧面的若干窗口与相对静止的转阀阀
壳上的若干窗口交错运动，进而使液体交替出入转阀阀壳上的若干窗口，使冲击头与活塞
缸形成的腔体交替出现高低压，及时腔体内部的流体交替变换方向流动，进一步推动冲击
头在活塞缸内部往复运动，产生周向冲击。
与现有技术相比，本实用新型实施例提供了一种转阀换向式液体动力周向冲击器结
构，通过提供一种既能减小卡滑效应又能提高钻井速度的工具，解决了因卡滑效应造成的
PDC钻头使用寿命短，以及钻井效率低的技术问题，本实用新型实施例延长了钻头的使用寿
命，加快了PDC钻头的破岩速度，提高了钻井效率。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的一种转阀换向式液体动力周向冲击器结构的整体结
构示意图的正视图；
图2是本实用新型实施例提供的一种转阀换向式液体动力周向冲击器结构的整体结
构示意图的侧视图；
图3是本实用新型实施例提供的一种转阀换向式液体动力周向冲击器结构A-A截面
图；
图4是本实用新型实施例提供的一种转阀换向式液体动力周向冲击器结构B-B截面
图；
1、受冲钻头套；2、牙嵌；3、钢球；4、冲击头；5、转阀阀壳；6、喷嘴；7、转
阀心轴；8、扶正轴承；9叶片心轴；10、旋转叶片；11、叶片定子；12、调速喷嘴；13、
螺纹接头；14、水眼；15、外缸；16、止推面；17中心管；18、扶正轴承肋板；19、过流
孔；20、定位环；21、高压入流窗口；22、高压窗口；23、低压窗口；24、低压出流窗口；
25、止推轴承；26活塞缸；27、母扣；V1、腔体1；V2、腔体2；V3、腔体3；V4、腔体4。
具体实施方式
下面结合附图来对本实用新型进行详细的描绘。这里特别说明，附图的提供仅为了
更好地理解本实用新型，它们不应该理解成对本实用新型的限制。
如图1至图4所示，本实用新型还提供了该结构中所使用的一种转阀换向式液体动
力周向冲击器结构，如图1-4所示，所述冲击器包括外缸15和受冲钻头套1。所述外缸15
为一设有下牙嵌的空心圆柱体，所述钻头套1上端设置有上牙嵌，所述外缸15通过牙嵌与
受冲钻头套1连接的方式承受扭向力，所述受冲钻头套1与外缸采用钢球3挂接的结构承
受轴向力；外缸15内部由左至右分别设置动力总成和冲击总成，所述动力总成由左至右设
置叶片心轴9、旋转叶片10、叶片定子11、和扶正轴承8；所述旋转叶片10、叶片定子11
和扶正轴承8套装于叶片心轴9上，叶片心轴9下端与外缸15内的转阀心轴7一体化连接；
所述一体化连接采用焊接、插接、螺纹连接、一体化加工中的任意一种；所述旋转叶片10
与扶正轴承肋板18间形成止推面16；所述冲击总成由内至外设置有转阀心轴7、转阀阀壳
5、冲击头4、所述冲击头4下端设置止推轴承25、受冲钻头套1于所述外缸间15形成的
球槽中注入钢球3；按照由左至右的顺序，活塞缸26下端设置受冲钻头套1，所述活塞缸
26中插装冲击头4，冲击头4内部插装转阀阀壳5；转阀阀壳5内部插装转阀心轴7；转阀
心轴7内部安装喷嘴6；所述止推轴承25设置于冲击头4和受冲钻头套1的交界面上；所
述过流孔19位于所述转阀心轴7与叶片心轴9的交界处；所述受冲钻头套1下端与钻头连
接。其中高压入流窗口和低压出流窗口均属所述窗口。
作为本实用新型实施例的进一步改进，所述转阀心轴7为一多窗口的空心圆柱体，
内部设置有喷嘴结构，与叶片心轴9配合的转阀心轴7设置有若干高压入流窗口21和低压
出流窗口24，与转阀阀壳5配合的窗口沿周向分布高压窗口22若干和低压窗口23若干，
所述高压入流窗口21和低压出流窗口24分别布置于所述喷嘴结构6的上方和下方，在轴
向呈交错分布且数量一致。其中，喷嘴6产生的节流压降负责为给冲击头供液的高压窗口
和低压窗口产生压差。冲击头4将冲击力作用于活塞缸26，并由活塞缸26传递给受冲钻头
套1。本实用新型在实际实施过程中1组至多组冲击头均在本专利的保护范围内。
作为本实用新型实施例的进一步改进，所述转阀阀壳5为一多窗口空心圆柱体，在
与转阀心轴7配合的转阀心轴上沿周向分布一排大小一致的高压入流窗口若干和一排大小
一致的低压出流窗口若干，高、低压窗口数量为转阀心轴7高、低压窗口的2倍，转阀阀
壳5套装在转阀心轴7外部，所述高压窗口22和低压窗口23可与转阀心轴7上的高压入
流窗口21、低压出流窗口24对齐，使得沿轴向呈交错分布的高、低压窗口可同时打开。
作为本实用新型实施例的进一步改进，所述受冲钻头套1为上端设有活塞缸26，外
侧设有牙嵌、下部设有母扣的空心圆柱体，所述牙嵌数量与冲击缸3壳体上的牙嵌数量一
致，本体下端设置有内螺纹可与钻头连接，外圆设置有球槽，配合冲击缸3壳体球槽，通
过注入钢球3实现悬挂，冲击头4插接于活塞缸26内部，且可自由活动，活塞缸26与冲
击头4相互配合形成若干相互分离的腔体V1、V2、V3、V4，所述腔体可与所述转阀阀壳5
上的高、低压窗口连通。
作为本实用新型实施例的进一步改进，所述转阀阀壳5和受冲钻头套1通过焊接固
定。
与现有技术相比，本实用新型实施例提供了一种转阀换向式液体动力周向冲击器结
构，通过提供一种既能减小卡滑效应又能提高钻井速度的工具，解决了因卡滑效应造成的
PDC钻头使用寿命短，以及钻井效率低的技术问题，本实用新型实施例延长了钻头的使用寿
命，加快了PDC钻头的破岩速度，提高了钻井效率。
本实用新型在工作时：所述外缸15为一设有下牙嵌的空心圆柱体，所述钻头套1上
端设置有上牙嵌，所述外缸15通过牙嵌与受冲钻头套1连接的方式承受扭向力，所述受冲
钻头套1与外缸采用钢球3挂接的结构承受轴向力；外缸15内部由左至右分别设置动力总
成和冲击总成，所述动力总成由左至右设置叶片心轴9、旋转叶片10、叶片定子11、和扶
正轴承8；所述旋转叶片10、叶片定子11和扶正轴承8套装于叶片心轴9上，叶片心轴9
下端与外缸15内的转阀心轴7一体化连接；所述一体化连接采用焊接、插接、螺纹连接、
一体化加工中的任意一种；所述冲击总成由内至外设置有转阀心轴7、转阀阀壳5、冲击头
4、所述冲击头4下端设置止推轴承25、受冲钻头套1于所述外缸间15形成的球槽中注入
钢球3；按照由左至右的顺序，活塞缸26下端设置受冲钻头套1，所述活塞缸26中插装冲
击头4，冲击头4内部插装转阀阀壳5；转阀阀壳5内部插装转阀心轴7；转阀心轴7内部
安装喷嘴6；所述止推轴承25设置于冲击头4和受冲钻头套1的交界面上；所述过流孔19
位于所述转阀心轴7与叶片心轴9的交界处；所述受冲钻头套1下端与钻头连接。其中高
压入流窗口和低压出流窗口均属所述窗口。所述转阀心轴7为一多窗口的空心圆柱体，内
部设置有喷嘴结构，与叶片心轴9配合的转阀心轴7设置有若干高压入流窗口21和低压出
流窗口24，与转阀阀壳5配合的窗口沿周向分布高压窗口22若干和低压窗口23若干，所
述高压入流窗口21和低压出流窗口24分别布置于所述喷嘴结构6的上方和下方，在轴向
呈交错分布且数量一致。其中，喷嘴6产生的节流压降负责为给冲击头供液的高压窗口和
低压窗口产生压差。冲击头4将冲击力作用于活塞缸26，并由活塞缸26传递给受冲钻头套。
本实用新型在实际实施过程中1组至多组冲击头均在本专利的保护范围内。所述转阀阀壳5
为一多窗口空心圆柱体，在与转阀心轴7配合的转阀心轴上沿周向分布一排大小一致的高
压入流窗口若干和一排大小一致的低压出流窗口若干，高、低压窗口数量为转阀心轴7高、
低压窗口的2倍，转阀阀壳5套装在转阀心轴7外部，所述高压窗口22和低压窗口23可
与转阀心轴7上的高压入流窗口21、低压出流窗口24对齐，使得沿轴向呈交错分布的高、
低压窗口可同时打开。所述受冲钻头套1为上端设有活塞缸26，外侧设有牙嵌、下部设有
母扣的空心圆柱体，所述牙嵌数量与冲击缸3壳体上的牙嵌数量一致，本体下端设置有内
螺纹可与钻头连接，外圆设置有球槽，配合冲击缸3壳体球槽，通过注入钢球3实现悬挂，
冲击头4插接于活塞缸26内部，且可自由活动，活塞缸26与冲击头4的相互配合形成若
干相互分离的腔体V1、V2、V3、V4，所述腔体可与所述转阀阀壳5上的高、低压窗口连通。
当高压流体进入外缸15后驱动旋转叶片10和叶片定子11形成的间隙后，将高压流
体能量转化为机械能，与此同时，流过叶片的流体经过过流孔19流入转阀心轴7，高速旋
转的叶片心轴9带动与之连接的转阀心轴7旋转，使得转阀心轴7上的高压入流窗口和低
压出流窗口与转阀阀壳5上的高、低压窗口能在某一时刻对齐，此时，腔体V1、V2将与转
阀心轴7的高压入流窗口连通，而腔体V3、V4将与转阀心轴7的低压出流窗口连通。同时，
高压流体通过转阀心轴7上的过流孔19进入心轴内腔，因喷嘴6位于转阀心轴7高、低压
窗口之间，因此由于喷嘴6的作用，在喷嘴6上、下端形成压差，上方为高压，下方位低
压，流体由高压入流窗口进入到由冲击头4和活塞缸26套配合形成的腔体V1、V2内，由
于转阀心轴7的高、低压窗口沿轴向交错分布，使得相邻两个腔体V3、V4和低压窗口以及
低压出流窗口同时连通，此时，冲击头4在两腔流体压差的作用下开始旋转并撞击活塞缸
26，，冲击通过活塞缸26和转阀阀壳5传递给受冲钻头套1；该冲击功通过受冲钻头套1传
递到钻头上，使钻头产生周向冲击。
当转阀心轴7继续旋转，下一时刻转阀心轴7的高压窗口将旋转至相邻腔体V3、V4，
使得V3、V4腔体与转阀阀壳5上的高压窗口以及转阀心轴上的高压入流窗口连通，与此同
时，先前与高压窗口连通的腔体V1、V2将与转阀阀壳5的低压窗口以及转阀心轴7的低压
出流窗口连通，此时，原来的高压腔变成了低压腔，而原来的低压腔则变为了高压腔，冲
击头4在两腔流体压差的作用下开始朝相反方向旋转并撞击活塞缸26，该冲击功作用于受
冲钻头套1上并使其朝相反方向旋转。高速旋转的叶片心轴9带动转阀心轴7快速旋转，
使得相邻腔体的高、低压窗口快速交替打开，如此反复，冲击头4往复运动并撞击活塞缸
26，并将冲击力传递至受冲钻头套1，最终对钻头产生高频冲击功。
本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本实用新型能够在钻井过程
中通过交变的高压流体驱动冲击头往复撞击活塞缸并将冲击传递至受冲钻头套形成高频冲
击功，可减少PDC钻头的卡滑效应，改善PDC钻头工作环境，促进PDC钻头稳定工作，延
长钻头的使用寿命，并加快PDC钻头破岩速度。
上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上
述方式的限制，只要采用了本实用新型的结构构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，
或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保
护范围之内。