一种钻头提速装置的制作方法

1.本发明涉及钻井领域，具体地涉及一种钻头提速装置。


背景技术：

2.pdc钻头是钻井作业中常用的钻头之一，具有良好的钻进效率。然而，这种在中钻头硬以上及高研磨性地层的应用中存在严重的“粘滑”现象，导致钻头的吃入深度不够、使用寿命低等问题。同时，pdc钻头的“粘滑”现象也会导致钻柱扭转振荡、钻进过程不稳定，尤其是钻遇软硬交替及非均质性地层时会发生剧烈的不规则振动，容易造成复合切削片崩齿，导致pdc钻头失效，对于钻头和钻具造成巨大的损害。
3.为解决上述问题，目前常用的做法是在pdc钻头增加扭力冲击器、射流冲击器等钻井提速工具。但是这些工具在非均质性深部地层中提速效果不佳，地层适应性差。


技术实现要素：

4.针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种钻头提速装置。本发明的钻头提速装置能够有效地提高钻头在非均质性深部地层的钻进效率，并能够提高钻进过程的稳定性。
5.根据本发明，提供了一种钻头用提速装置，包括圆筒状的本体，所述本体内限定有流体流通的第一通道；设置在所述第一通道内的阀机构，所述阀机构具有变压通道，以及设置在所述第一通道内并与所述阀机构相连的控制机构。
6.其中，所述控制机构能够在流过第一通道的流体的作用下进行周期性的运动，并带动阀机构进行周期性的旋转。所述阀机构设置为当其进行周期性旋转时能够周期性地改变所述变压通道的节流面积，使得流过变压通道的流体产生周期性变化的往复轴向冲击并输送至钻头。
7.在一个优选的实施例中，所述控制机构包括设置在所述本体内并与所述阀机构相连的第一筒体和套设在第一筒体外侧的能够带动第一筒体进行同步旋转的第二筒体，以及换向组件。所述换向组件能够使得第二筒体在一定角度范围内进行周期性的往复旋转，从而使得第二筒体能够带动第一筒体及阀机构进行周期性的旋转。
8.在一个优选的实施例中，所述换向组件包括设置在所述第一通道内并处于所述阀机构下游的支撑座，以及套设在所述第二筒体外侧的第三筒体。所述支撑座将第一通道分为位于支撑座上游的第二通道和位于支撑座下游的第三通道，其中所述第二通道内的流体压力高于第三通道内的流体压力。
9.其中，在所述第二筒体和第三筒体之间形成有多个独立的空腔，所述第二筒体的外侧具有多个能够分别伸入所述空腔中并将相应的空腔隔断为第一腔体和第二腔体的分隔体，所述第一腔体和第二腔体能够交替地连分别通第二通道和第三通道，使得各所述分隔体能够在两侧的第一腔体和第二腔体之间所形成的压差作用下在相应的空腔内进行往复移动，并带动第二筒体进行往复转动。
10.在一个优选的实施例中，在所述第三筒体的内壁上设置有多个能够与第二筒体外壁相接的凸台，所述空腔布置在相邻的任意两个凸台的之间。
11.在一个优选的实施例中，在所述第一筒体上设置有多个沿径向贯穿第一筒体的外壁从而与第二通道相连通的第一高压流道，以及沿第一筒体轴向延伸并与所述第三通道相连通的第一低压流道。
12.在所述第二筒体上沿周向设置有多个第一配流通道，所述第一配流通道沿径向贯穿第二筒体，使得所述第一腔体和第二腔体能够通过第一配流通道分别与所述第一高压流道和第一低压流道相连通，从而在第一腔体和第二腔体之间产生压力差。
13.在一个优选的实施例中，在所述第一筒体和第二筒体之间设置有限位组件，使得所述第一筒体在第二筒体旋转至与所述空腔的端部相接的极限位置后能够相对于第二筒体继续旋转，从而使得第一腔体和第二腔体分别与第一低压流道和第一高压流道相连通，导致第二筒体和第一筒体沿与第一方向相反的第二方向进行同步转动。
14.在一个优选的实施例中，在所述第三筒体的外壁上还设置有连通第二通道的第二高压通道，在所述凸台上设置有连通第三通道的第二低压通道，在所述分隔体的周向两侧还分别设置有紧靠分隔体的贯穿第二筒体的第一配流通道。
15.其中，所述分隔体两侧的第二配流通道设置为当分隔体运动至于所述凸台相接的位置时使得靠近凸台的第二配流通道与第二高压通道相连通，远离凸台的第二配流通道与第二低压通道相连通，从而在分隔体的周向两侧形成压力差。
16.在一个优选的实施例中，所述阀机构包括连接在一起的圆盘状的定阀盘阀盘和动阀盘阀盘，所述定阀盘阀盘和动阀盘阀盘上分别设置有一个或多个第一通孔和第二通孔。所述第一通孔和第二通孔分别沿轴向贯穿定阀盘和动阀盘，使得第一通孔和第二通孔能够对应连通，并形成为所述变压通道。所述动阀盘能够相对于定阀盘转动，从而改变所述变压通道的通流面积。
17.在一个优选的实施例中，在所述第一筒体的内侧还设置有防砂筒，在所述防砂筒上沿周向均匀地设置有多个贯穿所述防砂筒的过流孔，在所述过流孔内设置有滤砂网。
18.在一个优选的实施例中，在所述第三筒体两端的外壁上还分别设置有紧固件。
19.在一个优选的实施例中，在所述第三筒体的下端还设置有定位组件。所述定位组件包括设置在第三筒体下端的固定筒、沿径向插入所述固定筒的防掉环、以及能够沿轴向伸入所述固定筒的定位筒，所述定位筒能够在伸入所述固定筒后沿径向将所述防掉环推出。在所述本体与所述防掉环相对应的内壁上设置有能够使得防掉环伸入的环形凹槽。
附图说明
20.下面将参照附图对本发明进行说明。
21.图1显示了根据本发明的一个实施例的钻头提速装置的示意图。
22.图2为图所示的钻头提速装置的定阀盘的示意图。
23.图3为图1所示的钻头提速装置的第一筒体的示意图。
24.图4为图1所示的钻头提速装置的第二筒体的示意图。
25.图5为图1所示的钻头提速装置的第三筒体的示意图。
26.图6为图1所述的钻头提速装置的第二筒体相对于第三筒体旋转的示意图。
27.图7为图1所述的钻头提速装置第一筒体相对第二筒体转动换向的示意图。
28.图8为图1所示的钻头提速装置的防砂筒的示意图。
29.图9为图1所示的钻头提速装置的紧固件的示意图。
30.图10为图1所示的钻头提速装置的固定筒的示意图。
31.图11为图1所示的钻头提速装置的防掉环的示意图。
32.图12为图1所示的钻头提速装置的定位筒的示意图。
33.在本技术中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。
具体实施方式
34.下面通过附图来对本发明进行介绍。在本文中，所述“上端”、“上侧”或类似用语表示指向井口的一端、一侧；所述“下端”、“下侧”或类似用语表示远离井口的一端、一侧。
35.图1显示了根据本发明的一个实施例的钻头提速装置100。如图1所示，所述钻头提速装置100包括本体10。在所述本体10的下端处连接有钻头(未示出)。所述本体10设置为管状，在所述本体10内限定有流体流通的第一通道15，使得高压的井下流体(例如钻井液)能够通过本体10到达钻头处。
36.如图1所示，在所述本体10内设置有阀机构20。在一个实施例中，所述阀机构20包括连接在一起的定阀盘25和动阀盘26，其设置在所述本体10内并靠近本体10的下端。所述阀机构20具有连通所述第一通道15和钻头的变压通道22。所述阀机构20构造为当第一通道15内的流体通过变压通道22时能够使得流体产生周期性变化的压力波动，从而能够对钻头施加循环往复的轴向水力震荡冲击力，由此提高钻头的破岩效率。
37.图2为图1所示的阀机构20中的定阀盘25的示意图。如图2所示，所述定阀盘25设置为圆盘状。在所述定阀盘25的横截面251上设置有多个第一通孔252。并且，所述动阀盘26同样设置为圆盘状，在所述动阀盘26上同样设置有的与第一通孔252位置相对应的第二通孔(未示出)。由此，当定阀盘25与动阀盘26形成连接时，所述第一通孔252和第二通孔会连通从而形成为变压通道22。位于第一通道15内的流体即可通过变压通道22到达钻头处。
38.当动阀盘26相对于定阀盘25发生周期性的旋转时，所述第一通孔252和第二通孔相对应的尺寸便会发生周期性的变化，从而导致变压通道22的节流面积发生周期性的变化。此时，当流体通过变压通道22时，其压力也会随着变压通道22的尺寸变化，由此使得流体产生周期性变化的压力波动，从而能够对钻头施加循环往复的轴向水力震荡冲击力。
39.这种由定阀盘25和动阀盘26构成的阀机构20的结构、操作及功能是本领域的技术人员所熟知的，在此略去对其的详细介绍。
40.如图1所示，所述钻头提速装置100还包括设置在本体10内的控制机构30。所述控制机构30包括设置围绕着第一通道15布置的第一筒体40，以及套设在所述第一筒体40外侧的第二筒体50。所述第一筒体40能够相对于第二筒体50转动。同时，所述第一筒体40的下端与动阀盘26相连，使得第一筒体40的转动能够带动所述动阀盘26相对于定阀盘25进行同步转动。由此，通过固定所述定阀盘25并控制所述第一筒体40进行周期性的转动，即可控制动阀盘26相对于定阀盘25进行周期性的转动。
41.下面对第一筒体40相对于第二筒体50运动的详细过程进行说明。
42.图3为图1所示的钻头提速装置100的第一筒体40的示意图。如图3所示，在所述第一筒体40的外周面41上设置有至少一组限位组件42。所述限位组件42包括设置在第一筒体40的外周面41上的u形部，其包括沿第一筒体40的轴向延伸并沿第一筒体40的径向凸出所述外周面41的第一拨叉轴421和第二拨叉轴422。所述第一拨叉轴421和第二拨叉轴422的一端相连，并且在它们之间形成有带有一定宽度的u形部。
43.图4显示了第二筒体50的示意图。如图4所示，所述限位组件42还包括设置在所述第二筒体50的内壁上的沿轴向延伸的限位台52。当第二筒体50套设在第一筒体40的外侧时，所述限位台52能够进入所述u形部内，并能够在所述u形部沿第一筒体40的周向移动。此时，所述第一筒体40能够相对于第二筒体50进行自由转动，直至限位台52抵接在第一拨叉轴421或第二拨叉轴422上。容易理解，限位台52的宽度应小于u形部的宽度。
44.而当所述第二筒体50沿第一方向旋转至所述限位台52抵接在第一拨叉轴421上时，在所述第一拨叉轴421的限制下，所述第一筒体40无法继续相对于第二筒体50向第一方向转动。此时如果第二筒体50如果继续向第一方向转动，会带动第一筒体40进行同步转动。
45.当第二筒体50沿第二方向旋转至所述限位台52抵接在第二拨叉轴422上时，在所述第二拨叉轴422的限制下，所述第一筒体40无法继续相对于第二筒体50向第二方向转动。此时如果第二筒体50如果继续向第二方向转动时，会带动第一筒体40进行同步转动。
46.由此，通过所述限位组件42既可以限制所述第一筒体40相对于第二筒体50转动的转动行程，并能够在第一筒体40沿任意方向旋转至行程极限后使得第二筒体50能够带动第一筒体40进行反向同步转动。
47.如图1所示，所述阀机构20还包括设置在所述第一通道15内的换向组件60。所述换向组件60一方面能够带动第二筒体50进行转动，从而通过第二筒体50带动第一筒体40进行转动。另一方面，所述换向组件60能够在第一筒体40相对于第二筒体50旋转至行程极限位置后控制第二筒体50和第一筒体40换向，从而使得第二筒体50和第一筒体40形成周期性的转动，由此带动所述动阀盘26相对于定阀盘25进行周期性的转动。
48.具体地，如图1所示，所述换向组件60包括设置在第二筒体50外侧的第三筒体70，以及设置在所述第一通道15内且位于阀机构20的下游的支撑座62。所述支撑座62能够降低流过第一通道15的流体压力，从而将第一通道15分为位于支撑座上游的压力较高的第二通道151和位于支撑座下游的压力较低的第三通道152。
49.图5为图1所示的钻头提速装置100的第三筒体70的示意图。如图5所示，当所述第三筒体70套设在第二筒体50的外侧时，在所述第三筒体70和第二筒体50之间会形成有空腔71。在所述第三筒体70的内壁上设置有能够与第二筒体50的外壁相接的凸台72。在本实施例中，所述凸台72设置为2个，其沿周向均匀地布置在所述第三筒体70的内壁上。由此，当第三筒体70套设在第二筒体50的外侧时，在周向上在所述两个凸台72之间会分别形成有两个液腔75。
50.如图4所示，在所述第二筒体50的外壁上还分别设置有沿径向伸出所述第二筒体50外壁的分隔体56。所述分隔体56的数量与所述液腔75的数量相对应。当所述第三筒体70与第二筒体50相连接时，所述分隔体56能够分别伸入相应的一个液腔75内，并抵接在第三筒体70的内壁上。由此，所述分隔体56能够将所述液腔75分隔为互不连通的第一腔体751和第二腔体752。这在图6和7中有清楚的显示。
51.如图3所示，在所述第一筒体40的外壁上还沿周向设置有多个连通所述第一通道15的第三通孔44。所述第三通孔44位于所述支撑座62的上侧，从而能够与第二通道151相连通，由此形成为压力较高的第一高压流道45。同时，在所述第一筒体40的外壁上还沿周向设置有多个通槽46。所述通槽46沿轴向贯穿所述第一筒体40的外壁，从而与第一筒体40下端的支撑座62相连通。由此，所述通槽46通过支撑座62与第三通道152相连，从而形成为第一低压流道47。
52.如图4所示，在所述分隔体56的周向两侧还分别设置有紧靠分隔体56的第一配流通道55。所述第一配流通道55设置在所述分隔体56的两侧，并沿径向贯穿第二筒体50的外壁。由此，当所述第二筒体50位于第一筒体40和第三筒体70之间时，位于所述第二筒体50外侧的第一腔体751和第二腔体752能够通过所述第一配流通道55与所述第一高压流道45或第一低压流道47相连通。
53.容易理解，当所述第一腔体751和第二腔体752分别与第一高压流道45和第一低压流道47相连通时，所述第一腔体751和第二腔体752之间会产生压力差。此时，所述分隔体56便能够在第一腔体751和第二腔体752之间的压差作用下在所述空腔71内转动，从而带动第二筒体50相对于第三筒体70转动，并改变第一腔体751和第二腔体752的容积。
54.而当分隔体56旋转至凸台72的位置处时，其能够抵接在凸台72上，从而仅能够向远离凸台72的方向转动。此时所述第一腔体751和第二腔体752中的一个的容积达到最大，另一个的容积变为零。
55.而在本发明中，所述控制机构30设置为当所述分隔体需要向靠近第一腔体751的方向移动时(即第一腔体751容积减小时)，使得第一腔体751仅与第一低压流道47相连通，而第二腔体752与第一高压流道45相连通。由此使得第一腔体751的压力小于第二腔体752的压力，从而使得流体压力推动分隔体56向靠近第一腔体751的方向移动。
56.同时，所述控制机构30设置为在第一腔体751的容积变为最小时使得第一腔体751仅与第一高压流道45相连通，而第二腔体752仅与第一低压流道47相连通，从而完成第一腔体751和第二腔体752之间压力转换。这样，第一腔体751的压力高于第二腔体752的压力，由此推动分隔体56向远离第一腔体751的方向移动。由此，通过第一腔体751和第二腔体752之间压力的不断转换，即可实现分隔体56的循环转动。此时，在分隔体56的带动下，所述第二筒体50和第一筒体40也会实现循环转动。
57.上述第一腔体751和第二腔体752之间压力转换能够通过调节第一高压流道45和第一低压流道47与所述第一配流通道55之间的相对位置实现，这一过程将在下文中进行详细阐述。
58.如图3和图4所示，所述第一配流通道55设置在分隔体56两侧。同时，所述第一配流通道55设置为多个，从而在第二筒体50相对于第三筒体70旋转时保证第一配流通道55始终与第一腔体751和第二腔体752相连通。
59.同时，当限位台52抵接在第一拨叉轴421上时，所述第一高压流道45的位置设置为与连通第一腔体751的第一配流通道55相连通，所述第一低压流道47的位置设置为与连通第二腔体751的第一配流通道55相连通。由此，通过第一配流通道55使得第一高压流道45与第一低压流道47分别与第一腔体751和第二腔体752相连通。而由于当限位台52抵接在第一拨叉轴421上时，在所述限位组件42的作用下，所述第二筒体50能够带动第一筒体40向第一
方向进行同步运动，因此在这一过程中，所述第一高压流道45与第一低压流道47与第一配流通道55的相对位置会保持不变，所述第一高压流道45与第一低压流道47始终分别与第一腔体751和第二腔体752相连通，由此保证第一腔体751和第二腔体751始终存在压差。
60.而当所述分隔体56运动至与所述凸台72相接的位置时，在所述凸台72的作用下，所述分隔体56无法继续向第一方向进行运动，所述第二筒体50处于静止状态。此时，在惯性作用下，所述第一筒体40会继续向第一方向转动，直至限位台52抵接在第二拨叉轴422上。在这一过程中，第一筒体40会相对于第二筒体50旋转，导致第一配流通道55与第一高压流道45以及第一低压流道47之间的相对位置发生改变。
61.所述第一高压流道45和第一低压流道47的位置设置为当限位台52抵接在第二拨叉轴422上时第一高压流道45与连通第二腔体752的第一配流通道55相连通，同时第一低压流道47与连通第一腔体751的第一配流通道55相连通。由此，第一腔体751内的流体压力低于第二腔体752的流体压力。此时，所述分隔体56会向与第一方向相反的第二方向转动，直至其重新沿反方向抵接在另一侧的凸台72上。此时，在惯性作用下，所述第一筒体40会继续向第二方向移动，直至限位台52抵接在第二拨叉轴422上，所述第一高压流道45重新与连通第一腔体751的第一配流通道55相连通，所述第一低压流道47重新与连通第二腔体752的第一配流通道55相连通。
62.而当第一通道15内始终有流体通过时，上述运动过程会循环不断地进行，由此实现第一筒体40的往复运动。
63.下文以图中的逆时针方向为第一方向作为示例，对整个阀机构20和换向组件60的旋转过程进行详细说明。
64.图6为第二筒体50相对于第三筒体70旋转的示意图。如图6所示，在带动第二筒体50相对于第三筒体70向第一方向旋转时，连通所述第一腔体751的第一配流通道55与第一筒体40上的第三通孔44相连通，从而与所述第一高压流道45相连通，而连通所述第二腔体752的第一配流通道55与第一筒体40上的通槽46相连通，从而与所述第一低压流道47相连通。此时，所述第一腔体751的压力高于第二腔体752的压力，在这一压差作用下，所述第一分隔体56会相对于第三筒体70沿逆时针方向转动，带动第二筒体50沿逆时针方向转动。
65.在第二筒体50沿逆时针方向转动的过程中，所述第二筒体50的内壁上的限位台52会在第一筒体40的外壁上的u形部内转动，直至限位台52抵接在第一拨叉轴421上。随后，当所述第二筒体50继续沿逆时针方向转动时，会带动第一筒体40沿逆时针进行同步转动。
66.图7为图1所述的钻头提速装置第一筒体40相对第二筒体50转动换向的示意图。如图7所示，当所述第二筒体50旋转至第二腔体752的容积减小至零时，此时在第三筒体70的限制下，所述第二筒体50停止转动。随后，在第一筒体40的转动惯性的作用下，所述第一筒体40会继续沿着逆时针方向相对于第二筒体50转动，直至所述限位台52抵接在第二拨叉轴422上。
67.在第一筒体40相对于第二筒体50转动的过程中，位于第一筒体40上的第一高压流道45以及第一低压流道47会随着第一筒体40一同相对于第一配流通道55转动，直至所述限位台52抵接在第二拨叉轴422上。此时，连通所述第一腔体751的第一配流通道55与所述第一低压流道47相连通，而连通所述第二腔体752的第一配流通道55与所述第一高压流道45相连通。由此，所述第二腔体752的压力会大于第一腔体751的压力，使得第二筒体50进行顺
时针旋转，带动第一筒体40进行顺时针旋转，完成换向。
68.除此以外，如图1所示，在所述第三筒体70的上端的外壁上还设置有紧固件78。所述紧固件78用于固定第一筒体40、第二筒体50以及第三筒体70之间的连接，防止三者在外力作用下发生偏斜或脱离。
69.如图1所示，在一个优选的实施例中，在所述第一筒体40的内侧还设置有防砂筒80。
70.图8为图1所示的钻头提速装置100的防砂筒80的示意图。如图8所示，所述防砂筒80设置为与第一筒体40结构相近的圆筒状。在所述防砂筒80上沿周向均匀地设置有多个贯穿所述防砂筒80的过流孔82，在所述过流孔82内设置有滤砂网(未示出)。由此，当第一通道15的流体流至所述控制机构30前能够首先经过滤砂网。通过所述滤砂网能够防止流体内的固态杂质进入控制机构30内，堵塞控制机构30和阀机构20。
71.如图5所示，在一个优选的实施例中，在所述第三筒体70的凸台72的中部还设第二低压通道721。所述第二低压通道721沿轴向延伸直至第三筒体70的下端从而能够与通过所述支撑座62与第三通道152相连通，由此形成为低压通道。同时，在所述第三筒体70的外壁上沿周向间隔地设置有多个第二高压通道722。所述第二高压通道722能够与所述支撑座62上游的第二通道151相通，从而形成为高压通道。
72.图9为图1所示的钻头提速装置100的紧固件78的示意图。如图9所示，所述紧固件78设置为大致圆柱形。在所述紧固件78的外壁上沿周向均与地设置有多个过流孔781，所述过流孔781与第三筒体70外壁上的多个第二高压通道722对应连通。
73.同时，如图1所示，在所述紧固件78的上端还设置有连接件77。所述连接件77与所述本体10的径向间形成有连通所述过流孔781的间隙771。并且，在所述连接件77上还设置有连通所述间隙771和所述第二通道151的第四通孔772。由此，位于第二通道151内的流体能够依次通过第二通道151、第四通孔772以及过流孔781到达第二高压通道722中，实现第二高压通道722与第二通道151之间的连通。
74.如图4所示，在所述第二筒体50上还设置有多个贯穿第二筒体50的第二配流通道58。由此，当所述分隔体56旋转至第一腔体751或第二腔体752体积最大的极限位置(即所述分隔体56与凸台72相接的位置)时，所述第二筒体50停止转动。此时所述分隔体56两侧的第二配流通道58设置为靠近凸台72侧端面的一侧的第二配流通道58与所述第二低压通道721相通，而远离凸台72侧端面的一侧的第二配流通道58与所述第二高压通道722相通。
75.通过这种设置，能够在所述限位台52的两侧形成压力差，这一压力差能进一步保证第二筒体50能够在限位台52两侧的压力差的作用下完成换向旋转。由此，通过限位台52两侧的压差保证第二筒体50停止转动后，第一筒体40能够相对于第二筒体50旋转，直至限位台52从与第一拨叉轴421抵接的位置运动至与第二拨叉轴422抵接的位置，此时所述第一腔体751和第二腔体752分别与第一低压流道47以及第一高压流道45相连通，使得所述第二腔体752的压力高于第一腔体751的压力，进而使得分隔体56带动第二筒体50向反向运动，顺利完成换向。
76.同时，如图1所示，在所述支撑座62的下端的本体内还设置有定位组件90。所述定位组件90包括设置在第三筒体70下端的固定筒92，沿径向插入所述固定筒92的防掉环94，以及能够沿轴向伸入所述固定筒92的定位筒97。
77.图10为图1所示的钻头提速装置100的固定筒92的示意图。如图10所示，所述固定筒92大致设置为中空的圆柱形。在所述固定筒92的下端的外壁上连接槽93。所述连接槽93用于与钻头相连接，从而将转动力矩传递至钻头处。同时，在所述固定筒92轴向中部的外壁上设置有连通固定筒92内壁的卡槽96。所述防掉环94通过插入卡槽96的方式与所述固定筒92相连接。
78.图11为图1所示的钻头提速装置100的防掉环94的示意图。如图11所示，所述防掉环94大致设置为“t”形，其上端941设置为与所述本体10内壁相适配的圆弧形，下端942设置为棱柱形。由此，通过将所述防掉环94的下端942插入所述卡槽93内，即可实现防掉环94与固定筒92之间的连接，防止第三筒体和固定筒与本体10分离。
79.图12为图1所示的钻头提速装置100的定位筒97的示意图。如图12所示，所述定位筒97设置为圆筒状。在所述定位筒97的上端设置有外螺纹971。同时，在所述固定筒92下端的内壁上还设置有内螺纹(未示出)。由此，作业人员可以通过旋转定位筒97从而将定位筒97旋入固定筒92内。当定位筒97的上端与防掉环94的下端942相接后，继续旋转定位筒97，即可沿径向将所述防掉环94推出，使得所述防掉环94具有大于固定筒92的直径。
80.同时，在所述本体10与所述防掉环94相对应的内壁上设置有环形凹槽95。由此，当防掉环94沿径向伸出固定筒92后，其能够伸入的环形凹槽95内，从而与本体10的内壁形成固定连接。此时，所述定位组件90会被固定在所述本体10内，由此防止整个阀机构20和换向组件60在重力作用下落出本体10之外，造成落鱼事故。
81.以下简述根据本发明的钻头提速装置100的工作过程。
82.本发明的钻头提速装置100用于对钻头施加一个循环往复的轴向水力震荡冲击力，从而能够降低岩石破裂难度，形成体积破碎，达到提高破岩效率的目的。在钻头钻进的过程中，高压的钻井液会经过井下管柱(未示出)流至第一通道15内。随后部分钻井液会经过防砂筒80，第一筒体40和第二筒体50进入至所述空腔71内。此时所述第一腔体751和第二腔体752分别与第一高压流道45以及第一低压流道47相连通，使得所述第一腔体751的压力会高于第二腔体752的压力。在这一压差作用下，所述分隔体56会相对于第三筒体70沿第一方向转动，带动所述第一筒体40进行同步转动。
83.随后，当所述第二筒体50旋转至第二腔体752的容积减小至零时，此时在第三筒体70的限制下，所述第二筒体50停止转动。随后在第一筒体40的转动惯性的作用下，所述第一筒体40会继续沿着逆时针方向相对于第二筒体50转动，直至所述限位台52抵接在第二拨叉轴422上。
84.在第一筒体40相对于第二筒体50转动的过程中，位于第一筒体40上的第一高压流道45和第一低压流道47会随着第一筒体40一同相对于第二筒体50转动。直至所述限位台52抵接在第二拨叉轴422上时，所述第一高压流道45会通过第一配流通道55与第二腔体752相连通，所述第一低压流道47会通过第一配流通道55与第一腔体751相连通。此时第二腔体752的压力会大于第一腔体751的压力，使得第二筒体50进行顺时针旋转，带动第一筒体40进行顺时针旋转。
85.重复上述过程，即可实现第一筒体40的周期性旋转，从而带动所述动阀盘26相对于定阀盘25周期性旋转。
86.当动阀盘26相对于定阀盘25周期性旋转时，所述变压通道22的节流面积也会发生
周期性的变化，使得流过变压通道22的流体压力发生周期性变化。通过这一压力变化能够向钻头施加一个循环往复的轴向水力震荡冲击力，从而增加钻头的钻进能力。
87.最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种钻头提速装置(100)，包括：圆筒状的本体(10)，所述本体内限定有流体流通的第一通道(15)；设置在所述第一通道内的阀机构(20)，所述阀机构具有变压通道(22)，以及，设置在所述第一通道内并与所述阀机构相连的控制机构(30)，其中，所述控制机构能够在流过第一通道的流体的作用下进行周期性的运动，并带动阀机构进行周期性的旋转，所述阀机构设置为当其进行周期性旋转时能够周期性地改变所述变压通道的通流面积，使得流过变压通道的流体产生周期性变化的压力波动，形成能够输送至钻头的轴向冲击。2.根据权利要求1所述的钻头提速装置，其特征在于，所述控制机构包括设置在所述本体(10)内并与所述阀机构相连的第一筒体(40)和套设在第一筒体外侧的能够带动第一筒体进行同步旋转的第二筒体(50)，以及，换向组件(60)，所述换向组件能够使得第二筒体在一定角度范围内进行周期性的往复旋转，从而使得第二筒体能够带动第一筒体及阀机构进行周期性的旋转。3.根据权利要求2所述的钻头提速装置，其特征在于，所述换向组件包括设置在所述第一通道内并处于所述阀机构(20)下游的支撑座(62)，以及套设在所述第二筒体外侧的第三筒体(70)，所述支撑座将第一通道分为位于支撑座上游的第二通道(151)和位于支撑座下游的第三通道(152)，其中所述第二通道内的流体压力高于第三通道内的流体压力，其中，在所述第二筒体和第三筒体之间形成有多个独立的空腔(71)，所述第二筒体的外侧具有多个能够分别伸入所述空腔中并将相应的空腔隔断为第一腔体(751)和第二腔体(752)的分隔体(56)，所述第一腔体和第二腔体能够分别交替地连通第二通道和第三通道，使得各所述分隔体能够在两侧的第一腔体和第二腔体之间所形成的流体压差作用下在相应的空腔内进行往复转动，并带动第二筒体进行往复转动。4.根据权利要求3所述的钻头提速装置，其特征在于，在所述第三筒体(70)的内壁上设置有多个能够与所述第二筒体(50)的外壁对接的凸台(72)，各所述空腔在周向上布置在相邻的两个凸台之间。5.根据权利要求4所述的钻头提速装置，其特征在于，在所述第一筒体(40)上设置有多个沿径向贯穿第一筒体的外壁从而与第二通道相连通的第一高压流道(45)，以及沿第一筒体轴向延伸并与所述第三通道相连通的第一低压流道(47)，在所述分隔体的周向两侧还分别设置有紧靠分隔体的第一配流通道(55)，所述第一配流通道沿径向贯穿第二筒体，使得所述第一腔体和第二腔体能够通过第一配流通道分别与所述第一高压流道和第一低压流道相连通，从而在第一腔体和第二腔体之间产生压力差。6.根据权利要求5所述的钻头提速装置，其特征在于，在所述第一筒体和第二筒体之间设置有限位组件(42)，使得所述第一筒体在第二筒体旋转至与所述空腔的端部相接的极限位置后能够相对于第二筒体继续旋转，从而使得第一腔体和第二腔体分别与第一低压流道和第一高压流道相连通，导致第二筒体和第一筒体沿与第一方向相反的第二方向进行同步转动。7.根据权利要求6所述的钻头提速装置，其特征在于，所述限位组件包括设置在第二筒
体的内壁上的限位台(52)以及设置在第一筒体外壁上的u形部(423)，所述限位台能够在所述u形部的通槽内沿周向运动，以限定所述第一筒体与所述第二筒体的相对转动角度，并且通过与所述通槽的侧壁的接合而带动所述第一筒体转动。8.根据权利要求5-7中任一项所述的钻头提速装置，其特征在于，在所述第三筒体的外壁上还设置有连通第二通道的第二高压通道(722)，在所述凸台上设置有连通第三通道的第二低压通道(721)，在所述第二筒体上沿周向设置有多个贯穿第二筒体的第二配流通道(58)，其中，所述分隔体两侧的第二配流通道设置为当分隔体运动至于所述凸台相接的位置时使得靠近凸台侧端面的第二配流通道与第二高压通道相连通，远离凸台侧端面的第二配流通道与第二低压通道相连通，从而在分隔体的周向两侧形成压力差。9.根据权利要求1-7中任一项所述的钻头提速装置，其特征在于，所述阀机构包括连接在一起的圆盘状的定阀盘(25)和动阀盘(26)，所述定阀盘和动阀盘上分别设置有一个或多个第一通孔(252)和第二通孔，所述第一通孔和第二通孔分别沿轴向贯穿定阀盘和动阀盘，使得第一通孔和第二通孔能够对应连通，并形成为所述变压通道，所述动阀盘能够相对于定阀盘转动，从而改变所述变压通道的通流截面积。10.根据权利要求1-7中任一项所述的钻头提速装置，其特征在于，在所述第一筒体的内侧还设置有防砂筒(80)，在所述防砂筒上沿周向均匀地设置有多个贯穿所述防砂筒的过流孔(82)，在所述过流孔内设置有滤砂网。11.根据权利要求3-7中任一项所述的钻头提速装置，其特征在于，在所述第三筒体上端的外壁上还设置有紧固件(78)。12.根据权利要求3-7中任一项所述的钻头提速装置，其特征在于，在所述第三筒体的下端还设置有定位组件(90)，所述定位组件包括设置在第三筒体下端的固定筒(92)、沿径向插入所述固定筒的防掉环(94)，以及能够沿轴向伸入所述固定筒的定位筒(97)，所述定位筒能够在伸入所述固定筒后沿径向将所述防掉环推出，在所述本体与所述防掉环相对应的内壁上设置有能够使得防掉环伸入的环形凹槽(95)。

技术总结
本发明涉及一种钻头提速装置，包括圆筒状的本体，所述本体内限定有流体流通的第一通道；设置在所述第一通道内的阀机构，所述阀机构具有变压通道，以及设置在所述第一通道内并与所述阀机构相连的控制机构。其中，所述控制机构能够在流过第一通道的流体的作用下进行周期性的运动，并带动阀机构进行周期性的旋转。所述阀机构设置为当其进行周期性旋转时能够周期性地改变所述变压通道的尺寸，使得流过变压通道的流体产生周期性变化的往复轴向冲击并输送至钻头。击并输送至钻头。击并输送至钻头。


技术研发人员：崔晓杰 赵建军 陈武君 臧艳彬 赵晨熙 尹慧博
受保护的技术使用者：中石化石油工程技术研究院有限公司
技术研发日：2022.03.14
技术公布日：2023/9/23