井下电源式振动冲击钻井工具.pdf

本发明属于石油钻井领域，特别涉及一种井下电源式振动冲击钻井工具，包括上外筒、电池筒、电池组、下外筒、动力筒、低速电机、下支撑、芯轴、钻头、上换向片、下换向片、花键，上外筒与下外筒螺纹连接，电池组设置在上、下外筒内部，动力筒与下外筒螺纹连接固定，下换向片设置在上换向片下部，芯轴通过螺纹与钻头连接，芯轴外侧设置花键；电池组可为低速电机提供稳定动力来源，上换向片和下换向片通过两个平滑斜面啮合后的相对运动，并在花键作用下，带动钻头做旋转和轴向冲击运动。井下电源式振动冲击钻井工具可提供稳定的轴向冲击动力源和轴向冲击频率，且不影响钻头原有旋转，实现钻头静压旋转和动载冲击联合破岩，有效提高石油钻井速度。

1.一种井下电源式振动冲击钻井工具，包括上外筒(1)、电池筒(2)、上压套(3)、上压套
密封圈(4)、电池组(5)、下外筒(6)、下压套(7)、动力筒(8)、低速电机(9)、传动轴(10)、芯轴
外筒(11)、下支撑(12)、芯轴(13)、钻头(14)、上外筒压紧螺母(15)、上压盖(16)、上压盖密
封圈(17)、上缓冲套(18)、下缓冲套(19)、下压套密封圈(20)、电缆(21)、下压盖(22)、电机
密封圈(23)、下外筒压紧螺母(24)、上换向片(25)、下换向片(26)、花键(27)、下支撑密封圈
(28)、防滑垫片(29)，其特征在于：上外筒(1)与下外筒(6)螺纹连接，上压盖(16)与电池筒
(2)螺纹连接，上压套(6)设置在上压盖(2)下部，上压套(6)与电池筒(2)通过螺纹连接固
定，上缓冲套(18)下部设置电池组(5)，下缓冲套(19)设置在电池组5下部，下缓冲套(19)下
部设置下压套(7)，下压套(7)下部为下压盖(22)，下压盖(22)通过螺纹与电池筒(2)连接，
电缆(21)设置在下缓冲套(19)和下压套(7)及下压盖(22)内部，低速电机(9)设置在下压盖
(22)下部，动力筒(8)与下外筒(6)连接固定，传动轴(10)设置在低速电机(9)下部，芯轴外
筒(11)与下外筒(6)通过螺纹连接，传动轴(10)下部设置上换向片(25)，下换向片(26)设置
在上换向片(25)下部，下换向片(26)下部设置芯轴(13)，芯轴(13)通过下部螺纹与钻头
(14)连接，芯轴(13)外侧设置花键(27)，下支撑(12)与芯轴外筒(11)通过螺纹连接，防滑垫
片(29)设置在下支撑(12)与芯轴外筒(11)之间。
2.根据权利要求1所述的井下电源式振动冲击钻井工具，其特征在于：上外筒(1)内部
设置四个带内螺纹凸台，利用上外筒压紧螺母(15)将上外筒(1)和上压盖(16)连接固定，下
外筒(2)内部设置四个带内螺纹凸台，动力筒(8)通过下外筒压紧螺母(24)与下外筒(6)连
接固定。
3.根据权利要求1所述的井下电源式振动冲击钻井工具，其特征在于：上压盖(16)下部
外周设置三道上压盖密封圈(17)，上压盖密封圈(17)为O型密封圈，可防止钻井液进入到电
池筒(2)内，上压套(6)下部外周设置两道上压套密封圈(4)，上压套密封圈(4)为O型密封
圈，防止钻井液进入电池筒(2)内，下压套(7)的上部外周设置两道下压套密封圈(20)，下压
套密封圈(20)为O型密封圈，防止钻井液进入电池筒(2)内，低速电机(9)上部设置一道电机
密封圈(23)，密封圈为方形，防止钻井液与低速电机(9)接触，下支撑(12)下部内周设置三
道下支撑密封圈(28)，下支撑密封圈(28)为O型密封圈，防止钻井液进入到工具内部。
4.根据权利要求1所述的井下电源式振动冲击钻井工具，其特征在于：上缓冲套(18)为
十字形，材料为橡胶，上压套(6)压紧上缓冲套(18)，上缓冲套(18)可保护电池组(5)免受碰
撞损坏，上缓冲套(18)下部设置电池组(5)，电池组(5)为锂电池组，电池组(5)可为低速电
机(9)提供稳定动力来源，下缓冲套(19)设置在电池组(5)下部，下缓冲套(19)为十字形，材
料为橡胶，下缓冲套(19)压紧后可保护电池组(5)免受碰撞损坏。
5.根据权利要求1所述的井下电源式振动冲击钻井工具，其特征在于：低速电机(9)安
装在动力筒(8)内部，低速电机(9)的转速范围为50～300r/min，下换向片(26)设置在上换
向片(25)的下部，两个换向片通过两个平滑斜面啮合，当上换向片(25)在传动轴(10)带动
下开始旋转后，下换向片(26)开始做往复轴向运动，两个换向片相互作用，可将低速电机
(9)的旋转运动转换成下换向片(26)的轴向往复运动。
6.根据权利要求1所述的井下电源式振动冲击钻井工具，其特征在于：芯轴(13)外侧设
置花键(27)，通过花键(27)与下支撑(12)连接，在花键(27)作用下，既可以保证钻头旋转作
用，同时将上部的轴向冲击作用传递到钻头(14)。

井下电源式振动冲击钻井工具

技术领域

本发明涉及一种井下电源式振动冲击钻井工具，属于石油钻井领域。

背景技术

目前石油行业正处于寒冬期，为应对长期、持续的低油价形势，需要不断提高石油
勘探开发效率，降低油气开发成本。通过提高石油钻井的机械钻速可有效减少钻井建井周
期，降低钻井成本。振动冲击钻井技术是一种高效提高钻井机械钻速的新技术，该技术通过
对钻头施加轴向冲击载荷，在钻头原有旋转作用的基础上，增加了轴向冲击作用，实现了钻
头的旋转压入和冲击联合破岩，改变了常规钻井岩石破岩方式，可有效提高钻头破岩效率，
因此振动冲击钻井技术具有广阔的应用前景。

现有振动冲击钻井技术工具包括液动式、旋转阀式、射流式、螺杆式等，其轴向冲
击载荷的动力源主要来自钻井液水力能量、钻柱的振动能量等，由于需要消耗钻井液水力
能量，钻柱振动不稳定等原因，导致该类振动冲击钻井工具存在着动力源不稳定，消耗钻井
液水力能量大、稳定性不高、单次冲击能量低等问题，严重制约了振动冲击钻井技术的大规
模推广应用。

本发明提出了一种井下电源式振动冲击钻井工具，可提供稳定的钻头轴向冲击动
力源，稳定的轴向冲击频率，高效的动力转化，而且不影响钻头原有的旋转作用，实现了钻
头静压旋转和动载冲击联合破岩，改变了常规石油钻井破岩方式，可有效提高钻头破岩效
率，降低钻井成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种可提供稳定的钻头轴向冲击动力源，稳定
的轴向冲击频率，高效的动力转化，而且不影响钻头原有的旋转作用，实现钻头静压旋转和
动载冲击联合破岩的井下电源式振动冲击钻井工具。

本发明所述的井下电源式振动冲击钻井工具由上外筒、电池筒、上压套、密封圈、
电池组、下外筒、下压套、动力筒、低速电机、传动轴、芯轴外筒、下支撑、芯轴、钻头、压紧螺
母、上压盖、上缓冲套、下缓冲套、电缆、下压盖、上换向片、下换向片、花键、防滑垫片组成。
上外筒与下外筒通过螺纹连接形成装置外筒，上外筒内部设置四个带内螺纹的凸台，利用
压紧螺母与上压盖连接，上压盖下部外周设置三道O型密封圈，上压盖与电池筒通过螺纹连
接。上压盖的下部设置上压套，上压套与电池筒通过螺纹连接，上压套的下部外周设置两道
O型密封圈。上缓冲套设置在上压套的下部，上缓冲套为十字形。上缓冲套的下部为电池组，
电池为锂电池。下缓冲套设置在电池组的下部，下缓冲套与电池外筒通过螺纹连接，下缓冲
套的上部外周设置两道O型密封圈。下缓冲套下部设置下压套，下压套与电池筒通过螺纹连
接，下压套的上部外周设置两道O型密封圈。下压套下部为下压盖，下压盖通过螺纹与电池
筒连接。下缓冲套、下压套和下压盖的内部设置电缆，通过电缆使电池组和低速电机连接。
低速电机设置在下压盖下部，低速电机上部设置一道方形密封圈，低速电机安装在动力筒
的内部，动力筒通过压紧螺母与下外筒连接固定。传动轴设置在低速电机的下部，通过螺纹
与低速电机的外轴连接，传动轴的中间外围设置三道O型密封圈。芯轴外筒与下外筒通过螺
纹连接，与上外筒形成整个工具的外筒结构。传动轴与上换向片通过螺纹连接，下换向片设
置在上换向片下部，两个换向片通过两个平滑斜面啮合，两个换向片相互作用，将低速电机
的旋转运动转换成下换向片的轴向往复运动。下换向片下部设置芯轴，芯轴通过下部螺纹
与钻头连接，芯轴外侧设置花键，通过花键与下支撑连接，花键既可以保证钻头的旋转作
用，同时可以传递上换向片轴向冲击作用。下支撑与芯轴外筒通过螺纹连接，下支撑的下部
内周设置三道O型密封圈，防滑垫片设置在下支撑与芯轴外筒之间。

本发明的有益效果是：

橡胶材料的上缓冲套和下缓冲套在压紧后，可很好保护电池组免受冲击碰撞损
坏。高温锂电池组可在井下为低速电机提供稳定的动力来源，低速电机可提供稳定的低速
旋转运动，上下换向片的相对运动可将电机的旋转运动转换成可靠的轴向运动，通过花键
作用既可以保证钻头原有的旋转运动，同时实现钻头的轴向往复运动。通过钻头静压旋转
和轴向冲击的联合破岩作用，可有效提高钻头破岩效率，实现快速钻井，降低钻井成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：1、上外筒 2、电池筒 3、上压套 4、上压套密封圈 5、电池组 6、下外筒 7、下
压套 8、动力筒 9、低速电机 10、传动轴 11、芯轴外筒 12、下支撑 13、芯轴 14、钻头 15、
上外筒压紧螺母 16、上压盖 17、上压盖密封圈 18、上缓冲套 19、下缓冲套 20、下压套密
封圈 21、电缆 22、下压盖 23、电机密封圈 24、下外筒压紧螺母 25、上换向片 26、下换向
片 27、花键 28、下支撑密封圈 29、防滑垫片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

如图1所示，本发明所述的井下电源式振动冲击钻井工具，包括上外筒1、电池筒2、
上压套3、上压套密封圈4、电池组5、下外筒6、下压套7、动力筒8、低速电机9、传动轴10、芯轴
外筒11、下支撑12、芯轴13、钻头14、上外筒压紧螺母15、上压盖16、上压盖密封圈17、上缓冲
套18、下缓冲套19、下压套密封圈20、电缆21、下压盖22、电机密封圈23、下外筒压紧螺母24、
上换向片25、下换向片26、花键27、下支撑密封圈28、防滑垫片29。上外筒1与下外筒6通过螺
纹连接，形成装置基本外筒，上外筒1内部设置四个带内螺纹的凸台，利用上外筒压紧螺母
15将上外筒1和上压盖16连接固定，上压盖16下部外周设置三道上压盖密封圈17，上压盖密
封圈17为O型密封圈，可防止钻井液进入到电池筒2内，上压盖16与电池筒2通过螺纹连接。
上压套6设置在上压盖2下部，上压套6与电池筒2通过螺纹连接固定，上压套6下部外周设置
两道上压套密封圈4，上压套密封圈4为O型密封圈，可进一步防止钻井液进入电池筒2内，上
压套6可压紧下部的上缓冲套18。上缓冲套18为十字形，材料为橡胶，上压套6压紧上缓冲套
18后，上缓冲套18可很好保护电池组5免受碰撞损坏。上缓冲套18下部设置电池组5，电池组
5为高温锂电池组，电池组5可为低速电机9提供稳定动力来源。下缓冲套19设置在电池组5
下部，下缓冲套19为十字形，材料为橡胶，下缓冲套19压紧后可很好保护电池组5免受碰撞
损坏。下缓冲套19下部设置下压套7，下压套7与电池筒2通过螺纹连接，下压套7上部外周设
置两道下压套密封圈20，可防止钻井液进入电池筒2内。下压套7下部为下压盖22，下压盖22
通过螺纹与电池筒2连接。电缆21设置在下缓冲套19和下压套7及下压盖22的内部，电缆21
将电池组5和低速电机9连接。低速电机9设置在下压盖22下部，低速电机9上部设置一道电
机密封圈23，密封圈为方形，可防止钻井液与低速电机9接触，低速电机9安装在动力筒8内
部。动力筒8通过下外筒压紧螺母24与下外筒6连接固定。传动轴10设置在低速电机9下部，
传动轴10通过螺纹与低速电机9外轴连接，传动轴10中间外周设置三道密封圈。芯轴外筒11
与下外筒6通过螺纹连接，并与上外筒1形成整个工具的外筒结构。传动轴10下部设置上换
向片25，并通过螺纹连接，下换向片26设置在上换向片25的下部，两个换向片通过两个平滑
斜面啮合，当上换向片25在传动轴10带动下开始旋转后，下换向片26开始做往复轴向运动，
两个换向片相互作用，可将低速电机9的旋转运动转换成下换向片26的轴向往复运动。下换
向片26下部设置芯轴13，芯轴13通过下部螺纹与钻头14连接，芯轴13外侧设置花键27，通过
花键27与下支撑12连接，在花键27作用下，既可以保证钻头旋转作用，同时将上部的轴向冲
击作用传递到钻头14。下支撑12与芯轴外筒11通过螺纹连接，下支撑12下部内周设置三道
下支撑密封圈28，下支撑密封圈28为O型密封圈，可防止钻井液进入到工具内部，防滑垫片
29设置在下支撑12与芯轴外筒11之间。