扭转振动辅助破岩工具技术领域
本发明涉及油气勘探开发或地质钻探作业领域的井下工具，尤其涉及一种扭
转振动辅助破岩工具。
背景技术
钻井是通过建立井筒将地面与地层深部连接起来的工艺方法。钻头是钻井过
程中最重要的破岩工具。当钻遇硬岩层时，钻头破碎岩石的能力将大打折扣，机
械钻速因此大幅降低，可能由数十米每小时降至一米每小时甚至更低。为提高机
械钻速，尤其是钻遇硬岩层时的机械钻速，近几年来，研究人员根据共振的物理
原理提出了通过产生共振频率诱导岩石部分破碎，从而辅助钻头破岩，提高机械
钻速的方法。
共振频率是指一物理系统在特定频率下，比其他频率以更大的振幅进行振动
的情形，这些特定频率称为共振频率。在该频率下，很小的周期驱动力便可产生
很大幅度的振动。通常一个系统具有多个共振频率，在这些频率上振动比较容易，
在其它频率上振动比较困难。若系统受到复杂振动的作用，一般会选择其共振频
率随此频率振动，如同将其它频率过滤掉一般。
英国阿伯丁大学1998年提出将共振破岩技术用于石油钻井，并经多年持续
研究，形成了以压电材料为振动源的共振破岩工具样机。该样机装备有特殊研制
的钻头。室内实验证实这套样机在硬岩层中钻进时，机械钻速较传统工具大幅提
高。
美国NASA的推进器研究所提出一种超声振动辅助取芯的工具，即取芯钻头
旋转时，同时受到压电材料所引发的高频振动，岩石同时受到旋转剪切和高频冲
击作用，破碎得更快。使用这种方法取芯时，消耗的功率更少，钻头工作寿命更
长，且不需要使用钻井液。
国内北京航空航天大学、沈阳自动化研究所均就振动破岩钻头进行了初步研
究，以压电材料为核心器件试制了超微振动破岩钻头。其原理是采用超声波激励
变幅杆发生高频振动，该振动经与变幅杆相连的质量块进一步放大，放大后的振
动传递到钻头上，钻头高频冲击岩石，从而形成孔洞。
综合看来，目前国内外的研究集中于通过压电材料产生高频轴向振动，并将
振动传递到钻头上，使钻头发生轴向振动，这种振动最终作用于岩石，从而提高
破岩效果。
由于常规PDC钻头切削齿为金刚石复合片，质地硬脆，通常难以承受高频的
轴向冲击；另外压电材料在不断伸缩变形过程中自身温度将急剧升高，短时间内
即可达到200或300℃，不宜与常规井下工具共同使用。
由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种扭转振动辅助破
岩工具，以克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种扭转振动辅助破岩工具，克服现有技术中存在的
钻头切削齿易损坏、压电材料不宜与常规井下工具共同使用的问题，通过钻头对
岩石施加高频的扭转振动，辅助钻头破碎岩石，提高机械钻速，延长钻头使用寿
命。
本发明的目的是这样实现的，一种扭转振动辅助破岩工具，所述扭转振动辅
助破岩工具的底部连接有钻头，其特征在于：包括一测控短节，所述测控短节下
方连接有能扭转振动的振动短节，所述振动短节内部设置有振动装置，所述振动
短节下方连接有加速度测量短节，所述加速度测量短节的底部连接所述钻头。
在本发明的一较佳实施方式中，所述振动装置包括一电机，所述电机下方连
接有齿轮组，所述齿轮组下方连接有能旋转接触所述振动短节的振动凸轮。
在本发明的一较佳实施方式中，所述振动短节上部设置有过渡接头，所述过
渡接头下方连接有能相对所述过渡接头扭转振动、且内部与所述过渡接头的内部
上下贯通的振动下接头，所述振动下接头下方能扭转地连接所述加速度测量短
节。
在本发明的一较佳实施方式中，所述过渡接头内设有上下贯通的第一通孔，
所述第一通孔底部固定连接有一电机支座，所述电机支座内设有上下贯通的电机
支座过孔，所述电机支座上设置所述电机，所述电机上设置有电机控制器，所述
电机下方连接有一联轴器，所述联轴器下端穿过所述电机支座连接所述齿轮组。
在本发明的一较佳实施方式中，所述振动下接头内侧上部设有第一盲孔，所
述振动下接头内侧下部设有第二盲孔，所述第一盲孔与所述第二盲孔之间形成有
振动座，所述振动座内设置有侧壁能被所述振动凸轮旋转接触的凸轮容纳槽，所
述振动座内还设置有能上下贯通所述第一盲孔和所述第二盲孔的振动座通孔。
在本发明的一较佳实施方式中，所述齿轮组包括与所述电机连接的主动齿
轮，所述齿轮组还包括与所述主动齿轮啮合的从动齿轮，所述从动齿轮内部连接
有固定所述振动凸轮的安装轴的一端，所述安装轴的另一端穿过所述凸轮容纳槽
槽底设置的圆弧透槽、且能转动地连接于一安装轴支撑座上，所述安装轴支撑座
固定设置于所述加速度测量短节的内部上端，所述安装轴支撑座上还设置有上下
贯通的支撑座通孔。
在本发明的一较佳实施方式中，所述振动座内设置有温度传感器。
在本发明的一较佳实施方式中，所述过渡接头的外壁下部设置有第一台阶
部，所述第一台阶部下方设置有直径减小的第一连接部，所述过渡接头位于所述
第一台阶部上方的外壁上周向均匀设置有第一花键槽，所述振动下接头的侧壁上
端设置有与所述第一花键槽匹配、且与所述第一花键槽的两侧侧壁之间设置有第
一缓冲垫的第一花键结构，所述第一连接部的外壁与所述第一盲孔的上端侧壁之
间设置有轴向定位的第一卡环；
所述加速度测量短节的外壁上部设置有第二台阶部，所述第二台阶部上方设
置有直径减小的第二连接部，所述加速度测量短节位于所述第二台阶部下方的外
壁上周向均匀设置有第二花键槽，所述振动下接头的侧壁下端设置有与所述第二
花键槽匹配、且与所述第二花键槽的两侧侧壁之间存在间隙的第二花键结构，所
述第二连接部的外壁与所述第二盲孔的下端侧壁之间设置有轴向定位的第二卡
环。
在本发明的一较佳实施方式中，所述测控短节内部设置有上下贯通的第二通
孔，所述测控短节的侧壁上设置有用于安装固定井下电源的第一安装槽和用于安
装固定控制器的第二安装槽，所述控制器包括信号收发器、微处理器和电机控制
器。
在本发明的一较佳实施方式中，所述加速度测量短节内部设置有上下贯通的
第三通孔，所述第三通孔内部设置有加速度计，所述加速度测量短节的侧壁上设
置有能安装固定加速度控制器的第三安装槽。
由上所述，本发明的扭转振动辅助破岩工具具有如下有益效果：
(1)该扭转振动辅助破岩工具能产生高频扭转振动，引起岩石的共振，辅
助钻头破岩，同时减轻对钻头的轴向冲击，提高钻头使用寿命；
(2)该扭转振动辅助破岩工具能够根据钻头的振动情况，钻遇不同岩石时
的相互作用情况及时调整振动频率，具有较强适应性；
(3)该扭转振动辅助破岩工具采用电机、齿轮组、振动凸轮等常规机械结
构，成本较低；
(4)该扭转振动辅助破岩工具设置有温度控制系统，保证整套系统安全可
靠、持久运行。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
其中：
图1：为本发明的扭转振动辅助破岩工具的结构示意图。
图2：为图1中A-A处剖视图。
图3a：为图1中B-B处剖视图。
图3b：为图1中C-C处剖视图。
图4：为图1中D-D处剖视图。
其中：100、扭转振动辅助破岩工具；1、测控短节；11、第二通孔；12、第
一安装槽；13、第二安装槽；2、振动短节；21、振动装置；211、电机；212、
齿轮组；2121、主动齿轮；2122、从动齿轮；213、振动凸轮；214、联轴器；215、
安装轴；22、过渡接头；221、第一通孔；222、第一台阶部；223、第一连接部；
224、第一花键槽；23、振动下接头；230、第二盲孔；231、第一盲孔；2311、
第一密封圈；2312、第二密封圈；232、振动座；2321、凸轮容纳槽；2322、振
动座通孔；2323、圆弧透槽；233、温度传感器；234、第一花键结构；235、第
二花键结构；24、电机支座；25、第一缓冲垫；26、第一卡环；27、第二卡环；
28、安装轴支撑座；281、支撑座通孔；3、加速度测量短节；31、第二台阶部；
32、第二连接部；33、第二花键槽；34、第三通孔；35、第三安装槽；4、钻头；
5、井下电源；6、控制器；7、加速度计；8、加速度控制器。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明
本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供的扭转振动辅助破岩工具100，扭转振动辅助破岩
工具100的底部连接有钻头4，该扭转振动辅助破岩工具100包括一测控短节1，
测控短节1下方连接有能扭转振动的振动短节2，振动短节2内部设置有振动装
置21，振动短节2下方连接有加速度测量短节3，加速度测量短节3的底部连接
所述钻头4。在振动装置21的作用下，振动短节2微振幅高频(一般该频率范围
为200-800Hz)扭转振动，进而使扭转振动辅助破岩工具100能产生高频扭转振
动，引起岩石的共振，辅助钻头4破岩，同时减轻对钻头4的轴向冲击，有效提
高钻头4的使用寿命。
进一步，如图1所示，振动装置21包括一电机211，电机211下方连接有齿
轮组212，齿轮组212下方连接有能旋转接触所述振动短节的振动凸轮213。振
动凸轮213的数量可以是一个或者多个，采用多个振动凸轮213时，多个振动凸
轮213形状及大小相同、且沿振动短节2周向均匀设置，且振动凸轮213的突出
部应朝向以振动短节2的中心轴线为旋转中心的同一旋转方向上(沿顺时针方向
或逆时针方向)设置。
进一步，如图1所示，振动短节2上部设置有过渡接头22，过渡接头22下
方连接有能相对过渡接头22扭转振动、且内部与过渡接头22的内部上下贯通的
振动下接头23，振动下接头23下方能扭转地连接所述加速度测量短节3。
如图1所示，在本实施方式中，过渡接头22内设有上下贯通的第一通孔221，
第一通孔221底部固定连接有一电机支座24，电机支座24内设有上下贯通的电
机支座过孔(一个或者多个，图中未示出)，以确保切削液顺利通过；电机支座
24上设置所述电机211，电机211上设置有电机控制器(用于控制电机211的转
速，现有技术，图中未示出)，电机211下方连接有一联轴器214，联轴器214
下端穿过电机支座24连接所述齿轮组212。
进一步，如图1、图2所示，振动下接头23内侧上部设有第一盲孔231，振
动下接头23内侧下部设有第二盲孔230，第一盲孔231与第二盲孔230之间形成
有振动座232，振动座232内设置有侧壁能被振动凸轮213旋转接触的凸轮容纳
槽2321，凸轮容纳槽2321的数量与振动凸轮213的数量一致，凸轮容纳槽2321
为多个时，凸轮容纳槽2321沿周向均匀布置，且每个凸轮容纳槽2321的形状及
大小相同。在本实施方式中，凸轮容纳槽2321的截面形状为开口朝向径向外侧
的U形或者V形(V形底部为圆弧过渡)。振动座232内还设置有上下贯通的振
动座通孔2322，振动座通孔2322的数量为一个或者多个，振动座通孔2322用于
确保第一盲孔231与第二盲孔230之间上下贯通，保证工作过程中切削液顺利通
过。
进一步，如图1所示，齿轮组212包括与电机连接的主动齿轮2121，齿轮组
212还包括与主动齿轮2121啮合的从动齿轮2122，主动齿轮2121直径大于从动
齿轮2122直径，在转动时，从动齿轮2122的转速高于主动齿轮2121，比如二者
转速比为1:5，电机211转速为2000rpm时，主动齿轮2121转速为2000rpm，从
动齿轮2122转速为10000rpm；从动齿轮2122带动振动凸轮213旋转，从动齿轮
2122内部连接有固定振动凸轮213的安装轴215的一端，安装轴215的另一端穿
过凸轮容纳槽2321槽底设置的圆弧透槽2323、且能转动地连接于一安装轴支撑
座28上，安装轴支撑座28固定设置于加速度测量短节3的内部上端，安装轴支
撑座28上还设置有上下贯通的支撑座通孔281。从动齿轮2122的数量与振动凸
轮213的数量一致。安装轴215上端均固定连接于与同一主动齿轮2121啮合的
从动齿轮2122上，保证振动凸轮213的旋转方向和旋转速度一致。
进一步，如图1所示，为了保证扭转振动辅助破岩工具100安全可靠的运行
使用，避免高温造成安全隐患，振动座232内设置有温度传感器233。温度传感
器233用来检测振动短节2中部的温度，当温度高于门限值，表示振动过于剧烈，
需降低电机转速，否则，电机正常运转。
进一步，如图1、图3a、图3b所示，过渡接头22的外壁下部设置有第一台
阶部222，第一台阶部222下方设置有直径减小的第一连接部223，过渡接头22
位于第一台阶部222上方的外壁上周向均匀设置有第一花键槽224，振动下接头
23的侧壁上端设置有与第一花键槽224匹配、且与第一花键槽224的两侧侧壁之
间设置有第一缓冲垫25的第一花键结构234，第一连接部223的外壁与第一盲孔
231的上端侧壁之间设置有轴向定位的第一卡环26，在本实施方式中，第一连接
部223的外壁与第一盲孔231的上端侧壁的对应位置上，均设置有第一卡环安装
槽(图中未示出)；为了保证连接密封性，第一连接部223的外壁底部与第一盲
孔231的上端侧壁之间还设置有第一密封圈2311；第一缓冲垫25用以消除振动
下接头23的扭转振动对过渡接头22及其上方的测控短节1的振动影响。
加速度测量短节3的外壁上部设置有第二台阶部31，第二台阶部31上方设
置有直径减小的第二连接部32，加速度测量短节3位于第二台阶部31下方的外
壁上周向均匀设置有第二花键槽33，振动下接头23的侧壁下端设置有与第二花
键槽33匹配、且与第二花键槽33的两侧侧壁之间存在间隙的第二花键结构235，
第二连接部32的外壁与第二盲孔230的下端侧壁之间设置有轴向定位的第二卡
环27，在本实施方式中，第二连接部32的外壁与第二盲孔230的下端侧壁的对
应位置上，均设置有第二卡环安装槽(图中未示出)；为了保证连接密封性，第
二连接部32的外壁顶部与第二盲孔230的下端侧壁之间还设置有第二密封圈
2312。振动下接头23与过渡接头22、振动下接头23与加速度测量短节3之间的
花键连接用于传递扭矩，并且花键结构与花键槽之间存在扭转间隙，以实现振动
短节2的微振幅扭转振动。振动短节2的振动幅度由花键结构与花键槽之间存在
间隙决定，该间隙值不小于振动凸轮213旋转接触凸轮容纳槽2321侧壁时振动
下接头23产生的扭转幅度。
进一步，如图1、图4所示，测控短节1内部设置有上下贯通的第二通孔11，
测控短节1的侧壁上设置有用于安装固定井下电源5的第一安装槽12和用于安
装固定控制器6的第二安装槽13。井下电源5是电池组或者井下发电机，为电机
211提供电源。控制器6包括信号收发器、微处理器和电机控制器(图中未分别
示出)，信号收发器(为脉冲发生器或者其他无线信号发生装置)用于接收温度
和加速度测量数据，并将该数据提交微处理器，微处理器对数据进行判断后，输
出控制信号至信号收发器，信号收发器将控制信号输送至电机控制器，从而实现
电机转速的调整。
进一步，如图1所示，加速度测量短节3内部设置有上下贯通的第三通孔34，
第三通孔34内部设置有加速度计7，加速度测量短节3的侧壁上设置有能安装固
定加速度控制器8的第三安装槽35。加速度计7用于检测钻头4的横向加速度，
本发明的扭转振动辅助破岩工具100在使用时，通过电机211旋转带动齿轮
组212运转，进而带动振动凸轮213旋转接触凸轮容纳槽2321的侧壁，实现振
动短节2的微振幅高频扭转振动，并传递给钻头4，引起岩石共振，辅助钻头破
岩。在使用过程中，切削液自测控短节1内部的第二通孔11顶部注入，流经振
动短节2内部的各贯通孔，进入加速度测量短节3内部的第三通孔34，最终到达
钻头4处。使用过程中，微处理器分析接收到的温度和加速度信息，首先判断温
度，若温度高于门限值(如200℃)，则降低电机211的转速，使系统温度下降
一定程度(如下降50℃)，若温度低于门限值，则保持电机211转速不变；之后
判断加速度信息，当加速度值小于门限值(如1g)且此时电机211转速小于设定
下限值(如500rpm)时，逐步调高电机211的转速，直至加速度值高于门限值；
当加速度值小于门限值(如1g)且此时电机211的转速大于设定上限值(如
3000rpm时)，逐步调低电机211的转速，直至加速度值高于门限值；当加速度
值大于门限值时，维持电机211的转速不变。
由上所述，本发明的扭转振动辅助破岩工具具有如下有益效果：
(1)该扭转振动辅助破岩工具能产生高频扭转振动，引起岩石的共振，辅
助钻头破岩，同时减轻对钻头的轴向冲击，提高钻头使用寿命；
(2)该扭转振动辅助破岩工具能够根据钻头的振动情况，钻遇不同岩石时
的相互作用情况及时调整振动频率，具有较强适应性；
(3)该扭转振动辅助破岩工具采用电机、齿轮组、振动凸轮等常规机械结
构，成本较低；
(4)该扭转振动辅助破岩工具设置有温度控制系统，保证整套系统安全可
靠、持久运行。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。
任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变
化与修改，均应属于本发明保护的范围。