CN108915583B - 机械式复合冲击钻井提速工具 - Google Patents

Abstract

本发明为一种机械式复合冲击钻井提速工具，包括内部中空的工具壳体，所述工具壳体的底部固定连接有钻头座，所述工具壳体内设置有能在流体冲击下旋转的驱动轴，所述驱动轴的下部套设有周向固定且能沿轴向往复移动的冲击锤，所述冲击锤的下方设置有能向所述钻头座传递轴向冲击载荷和扭转冲击载荷的冲击装置。该机械式复合冲击钻井提速工具将轴向冲击和扭转冲击相结合，复合冲击有效地提高破岩效率和钻头寿命。

Description

机械式复合冲击钻井提速工具

技术领域

本发明涉及石油开发领域中井下钻井工具，尤其涉及一种机械式复合冲击钻井提速工具。

背景技术

随着现有钻井技术的发展，钻遇硬质地层的情况越来越多。而目前硬质地层的钻进过程中，容易出现机械钻速低、钻头使用寿命较短。这些问题极大的增加了非钻进时间，增加了硬质地层的钻井成本。

目前出现该类问题的主要原因是深井地层的岩石硬度较高，采用常规的旋转切削破岩的方式时，钻压传递到钻头处的压力为静压力，钻头切削深度有限，使得钻头破岩效率降低。深部硬质地层中，岩石的压实程度较高，即岩石的硬度较高，采用普通的旋转破岩方式时存在两个问题，首先是钻头切削齿吃入岩石的深度较小，使得钻头转动一圈切削的岩石体积较小；其次是岩石的抗剪切能力较强，钻头需要较大的驱动扭矩才能剪切切削齿前端的岩石。

为了提高硬质地层的机械钻速，降低钻井成本，国内外一些学者根据硬质地层的特性，研制了一些相关的冲击钻井工具。

从现场应用情况得出，冲击破岩是一种可以提高机械钻速的方法。根据冲击方式可以将各类冲击钻井工具分为旋冲钻具和扭力冲击器，其中，旋冲钻具是通过给钻头提供轴向的冲击载荷，实现对钻头切削齿下端岩石的体积破碎，增加岩石的破碎效率；扭力冲击器是通过给钻头切削齿前端的岩石提供扭转方向的冲击载荷，实现对该部分岩石的冲击破碎，起到辅助破岩的作用。这两类工具在钻井现场均取得了一定的使用效果，但是均存在着一定的不足，例如目前大部分的旋冲钻具主要是通过较大的轴向冲击破岩，这种较大的冲击载荷对钻头的使用寿命提出了较高的挑战，一般不能配合目前市场上主流的PDC钻头使用。目前的扭力冲击器主要是通过对切削齿前端的岩石进行往复的冲击，这种往复的扭转冲击中的正向扭转冲击会对岩石产生破坏，有利于破岩，而反向扭转冲击会减小切削扭矩，不利于破岩，使得其不能获得预期的提速效果。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种机械式复合冲击钻井提速工具，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机械式复合冲击钻井提速工具，克服现有技术中存在的钻头使用寿命短、破岩效率低等问题，该机械式复合冲击钻井提速工具将轴向冲击和扭转冲击相结合，复合冲击有效地提高破岩效率和钻头寿命。

本发明的目的是这样实现的，一种机械式复合冲击钻井提速工具，包括内部中空的工具壳体，所述工具壳体的底部固定连接有钻头座，所述工具壳体内设置有能在流体冲击下旋转的驱动轴，所述驱动轴的下部套设有周向固定且能沿轴向往复移动的冲击锤，所述冲击锤的下方设置有能向所述钻头座传递轴向冲击载荷和扭转冲击载荷的冲击装置。

在本发明的一较佳实施方式中，所述冲击装置包括能相互扣合的上凸轮和下凸轮，所述上凸轮能沿轴向移动，所述上凸轮的顶部端面呈平面设置，所述上凸轮的底部向下延伸设置有第一扣合结构，所述第一扣合结构包括多个交错设置的第一凸齿和第一凹槽，各所述第一凸齿的一侧为呈周向倾斜设置第一斜面，各所述第一斜面的倾斜角度呈相同设置，各所述第一凸齿的另一侧为沿轴向设置的第一卡止平面；所述下凸轮的底部端面呈平面设置，所述下凸轮的顶部向上延伸设置有第二扣合结构，所述第二扣合结构包括多个交错设置的第二凸齿和第二凹槽，各所述第二凸齿的一侧为呈周向倾斜设置第二斜面，各所述第二斜面与各所述第一斜面倾斜角度呈相同设置，各所述第二凸齿能匹配卡止于相应的所述第一凹槽内，各所述第一凸齿能匹配卡止于相应的所述第二凹槽内，所述下凸轮的底部端面轴向顶抵于所述钻头座的顶面上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述钻头座内设置贯通的钻头座中心孔，所述钻头座中心孔内设置孔径呈减小设置的第一台阶部，所述冲击装置还包括套设于所述钻头座中心孔内的堵头，所述堵头的底面顶抵于所述第一台阶部的顶面上，所述堵头的顶面与所述钻头座的顶面位于相同轴向位置处。

在本发明的一较佳实施方式中，所述上凸轮的外壁上设置第一花键槽，所述工具壳体的内壁上设置与所述第一花键槽匹配的第一花键；自所述下凸轮的底部端面向下延伸设置第二花键，所述钻头座的侧壁顶部设置与所述第二花键匹配的第二花键槽，所述第二花键的底面轴向顶抵于所述第二花键槽的槽底面上，所述第二花键与所述第一花键呈周向交错设置。

在本发明的一较佳实施方式中，所述驱动轴的内部设置顶部密封的驱动轴中心孔，所述驱动轴的上部外壁与所述工具壳体的内壁之间构成流体流入空间，所述驱动轴通过上下间隔设置的扶正轴承和止推轴承转动连接于所述流体流入空间内，位于所述扶正轴承和止推轴承之间的所述驱动轴上套设能驱动所述驱动轴旋转的涡轮；所述工具壳体的内壁上位于所述流体流入空间的下方设置直径呈减小设置的第二台阶部，所述驱动轴的侧壁上位于所述流体流入空间的下方沿周向间隔设置多个流体流入透孔，所述第二台阶部上设置有能连通所述流体流入空间和所述流体流入透孔的第一锥面。

在本发明的一较佳实施方式中，所述工具壳体位于所述第二台阶部的下方固定套设有挡圈筒，所述挡圈筒的底部固定套设于所述钻头座内，所述挡圈筒的顶部外壁设有与所述工具壳体的内壁抵靠连接的第一连接部，所述驱动轴的下部转动穿设于所述挡圈筒内，且所述驱动轴的外壁与所述挡圈筒的顶部内壁密封转动抵靠，所述挡圈筒位于所述第一连接部下方的内壁与所述驱动轴的外壁之间呈径向间隔设置；

所述挡圈筒的侧壁上位于所述第一连接部下方沿周向间隔设置多个第一挡圈透槽，所述驱动轴上与所述第一挡圈透槽相对的轴向位置处设置多个沿周向间隔设置的第一扇形凸台，各所述第一扇形凸台的外壁与所述挡圈筒的内壁转动抵靠，各所述第一扇形凸台上分别设置第一驱动轴侧透槽；所述挡圈筒的侧壁下部且位于所述冲击装置的上方沿周向间隔设置多个第二挡圈透槽，所述驱动轴上与所述第二挡圈透槽相对的轴向位置处设置多个沿周向间隔设置的第二扇形凸台，各所述第二扇形凸台的外壁与所述挡圈筒的内壁转动抵靠，各所述第二扇形凸台上设置第二驱动轴侧透槽；各所述第二挡圈透槽与各所述第一挡圈透槽周向位置呈相同设置，各所述第一扇形凸台与各所述第二扇形凸台呈周向交错设置；

所述挡圈筒位于所述第一连接部下方的外壁与所述工具壳体的内壁之间呈径向间隔设置构成冲击锤容置与滑动空间，所述挡圈筒位于所述第一连接部下方的外壁上滑动抵靠套设所述冲击锤，所述冲击锤容置与滑动空间的轴向长度大于所述冲击锤的轴向长度，所述冲击锤将所述冲击锤容置与滑动空间封隔构成上腔体和下腔体，所述冲击锤的外壁与所述工具壳体的内壁之间滑动抵靠，所述冲击锤的顶部设置能与所述第一挡圈透槽连通的第一环形槽，所述第一环形槽与所述上腔体连通，所述冲击锤的底部设置能与所述第二挡圈透槽连通的第二环形槽，所述第二环形槽与所述下腔体连通，所述冲击锤的底面能抵靠撞击所述冲击装置的顶面。

在本发明的一较佳实施方式中，所述冲击锤的外壁上自底部向上延伸设置第三花键槽，所述工具壳体的内壁上设置与所述第三花键槽匹配的内凸的第三花键。

在本发明的一较佳实施方式中，所述挡圈筒的底部设置第四花键槽，所述钻头座中心孔位于所述第一台阶部的上方的内壁上向内凸设与所述第四花键槽匹配的第四花键，所述挡圈筒的底面轴向顶抵于所述第一台阶部的顶面上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述挡圈筒的内腔底部套设所述堵头，所述堵头上设置凸柱部，所述凸柱部的顶部插设于所述驱动轴中心孔的底部，所述凸柱部的侧壁与所述驱动轴中心孔的内壁之间呈间隔设置，所述凸柱部的顶面与所述钻头座的顶面位于相同轴向位置处；所述堵头的底面顶抵于所述第一台阶部的顶面上，所述堵头上位于所述凸柱部的径向外侧设置能连通所述挡圈筒的内腔和所述钻头座中心孔的堵头通道孔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述工具壳体包括自上而下依次连接的第一短节、第二短节和第三短节，所述第一短节、所述第二短节和所述第三短节呈中空设置；所述涡轮设置于所述第二短节的内腔中，所述第二台阶部设置于所述第二短节的内壁下部，所述挡圈筒的第一连接部连接于所述第二短节的内壁底部；所述冲击锤滑动套设于所述第三短节内，所述钻头座的顶部与所述第三短节的内腔底部密封连接。

由上所述，本发明提供的机械式复合冲击钻井提速工具具有如下有益效果：

本发明的机械式复合冲击钻井提速工具中，驱动轴在流体冲击作用下旋转并驱动冲击锤上下往复移动，冲击锤能下移顶抵撞击冲击装置，冲击装置能向钻头座传递轴向冲击载荷和扭转冲击载荷，该工具将轴向冲击和扭转冲击相结合，发挥两种冲击的优点同时克服各自的不足之处，实现复合冲击，有效提高破岩效率和钻头的使用寿命；本发明的机械式复合冲击钻井提速工具性能参数可以调节，可靠性高，适用性广。

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：为本发明的机械式复合冲击钻井提速工具的结构示意图。

图2：为图1处A-A处剖视图。

图3：为本发明的冲击装置的结构示意图。

图4：为本发明的驱动轴的示意图。

图5：为本发明的挡圈筒的结构示意图。

图中：

100、机械式复合冲击钻井提速工具；

1、工具壳体；

101、第一短节；102、第二短节；103、第三短节；

11、第一花键；12、第二台阶部；121、第一锥面；13、滚珠结构；

2、钻头座；

21、钻头座中心孔；22、第一台阶部；

3、驱动轴；

30、驱动轴中心孔；

31、流体流入透孔；

321、第一扇形凸台；322、第二扇形凸台；

331、第一驱动轴侧透槽；332、第二驱动轴侧透槽；

4、冲击锤；

41、第一环形槽；42、第二环形槽；

5、冲击装置；

51、上凸轮；511、第一扣合结构；512、第一斜面；

52、下凸轮；521、第二扣合结构；522、第二斜面；

53、堵头；531、凸柱部；532、堵头通道孔；

61、扶正轴承；62、止推轴承；

7、涡轮；

71、螺母；

8、挡圈筒；

81、第一挡圈透槽；82、第二挡圈透槽；

90、流体流入空间；

91、流体过流空间；

921、上腔体；922、下腔体。

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至图5所示，本发明提供一种机械式复合冲击钻井提速工具100，包括内部中空的工具壳体1，工具壳体1的顶部与上部钻具(井下动力钻具或者钻铤，现有技术)密封连通，工具壳体1的底部固定连接有钻头座2，钻头座2的底部密封连接钻头(现有技术)，工具壳体1内设置有能在流体冲击下旋转的驱动轴3，驱动轴3的下部套设有周向固定且能沿轴向往复移动的冲击锤4，驱动轴3能通过旋转驱动冲击锤4沿轴向往复移动，冲击锤4的下方设置有能向钻头座2传递轴向冲击载荷和扭转冲击载荷的冲击装置5。

本发明的机械式复合冲击钻井提速工具100中，驱动轴3在流体冲击作用下旋转并驱动冲击锤4上下往复移动，冲击锤4能下移顶抵撞击冲击装置5，冲击装置5能向钻头座2传递轴向冲击载荷和扭转冲击载荷，该工具将轴向冲击和扭转冲击相结合，发挥两种冲击的优点同时克服各自的不足之处，实现复合冲击，有效提高破岩效率和钻头的使用寿命。

进一步，如图1、图4所示，冲击装置5包括能相互扣合的上凸轮51和下凸轮52，上凸轮51能沿轴向移动，上凸轮51的顶部端面呈平面设置，冲击锤4的底面能抵靠撞击上凸轮51的顶部端面，上凸轮51的底部向下延伸设置有第一扣合结构511，第一扣合结构511包括多个交错设置的第一凸齿和第一凹槽，各第一凸齿的一侧为呈周向倾斜设置第一斜面512，各第一斜面的倾斜角度呈相同设置，各第一凸齿的另一侧为沿轴向设置的第一卡止平面；下凸轮52的底部端面呈平面设置，下凸轮52的顶部向上延伸设置有第二扣合结构521，第二扣合结构521包括多个交错设置的第二凸齿和第二凹槽，各第二凸齿的一侧为呈周向倾斜设置第二斜面522，各第二斜面522与各第一斜面512倾斜角度呈相同设置，各第二凸齿能匹配卡止于相应的第一凹槽内，各第一凸齿能匹配卡止于相应的第二凹槽内，下凸轮52的底部端面轴向顶抵于钻头座2的顶面上。

进一步，如图1所示，钻头座2内设置贯通的钻头座中心孔21，钻头座中心孔内设置孔径呈减小设置的第一台阶部22，冲击装置5还包括套设于钻头座中心孔21内的堵头53，堵头53的底面顶抵于第一台阶部22的顶面上，堵头53的顶面与钻头座2的顶面位于相同轴向位置处。

进一步，如图1、图2、图4所示，上凸轮51的外壁上设置第一花键槽，工具壳体1的内壁上设置与第一花键槽匹配的第一花键11；自下凸轮52的底部端面向下延伸设置第二花键，钻头座2的侧壁顶部设置与第二花键匹配的第二花键槽，第二花键的底面轴向顶抵于第二花键槽的槽底面上，第二花键与第一花键呈周向交错设置。上凸轮51通过第一扣合结构511与下凸轮52实现扣合，为避免冲击锤4的轴向载荷转变成上凸轮51和下凸轮52的形变能，上凸轮51的轴向不固定，上凸轮51能在冲击锤4的轴向撞击下能向下移动传递载荷，第一斜面512和第二斜面522呈倾斜配合设置，该配合能将冲击锤4的轴向冲击载荷转化为轴向冲击载荷和扭转冲击载荷，下凸轮52通过底部端面与钻头座2顶面的顶抵、第二花键的底面与第二花键槽的槽底面顶抵将轴向冲击载荷传递至钻头座2，下凸轮52通过第二花键、第二花键槽的周向卡止将扭转冲击载荷传递至钻头座2，实现对钻头座2的轴向冲击和扭转冲击结合的复合冲击。

进一步，如图1、图3所示，驱动轴3的内部设置顶部密封的驱动轴中心孔30，驱动轴3的上部外壁与工具壳体1的内壁之间构成流体流入空间90，驱动轴3通过上下间隔设置的扶正轴承61和止推轴承62转动连接于流体流入空间90内，扶正轴承61和止推轴承62上均设置允许流体流通的轴向贯通槽孔；位于扶正轴承61和止推轴承62之间的驱动轴3上套设能驱动驱动轴旋转的涡轮7，在本实施方式中，驱动轴3上设置轴承定位台阶部，止推轴承62的底面轴向顶抵于轴承定位台阶部上，涡轮7的转子(现有技术)底端轴向顶抵于止推轴承62上，涡轮7的转子顶端顶抵于扶正轴承61的底部，螺母71将扶正轴承61、涡轮7的转子压紧在驱动轴3上，涡轮7的转动会带动驱动轴3转动；

工具壳体1的内壁上位于流体流入空间的下方设置直径呈减小设置的第二台阶部12，驱动轴3的侧壁上位于流体流入空间90的下方沿周向间隔设置多个流体流入透孔31，为了便于高压钻井液流入，各流体流入透孔31自内向外呈倾斜向上设置；第二台阶部12上设置有能连通流体流入空间90和流体流入透孔31的第一锥面121。机械式复合冲击钻井提速工具100以高压钻井液为驱动介质，高压钻井液自上部钻具流入流体流入空间90，在流体流入空间90内，涡轮7在高压钻井液的冲击下旋转并带动驱动轴3旋转，高压钻井液向下继续流动经第一锥面121、流体流入透孔31流入驱动轴中心孔30，高压钻井液继续下行，部分钻井液直接流向钻头座中心孔21内，最终流向钻头座2底部连接的钻头。

进一步，如图1所示，工具壳体1位于第二台阶部12的下方固定套设有挡圈筒8，挡圈筒8的底部固定套设于钻头座2内，在本实施方式中，挡圈筒8的底部设置第四花键槽，钻头座中心孔21位于第一台阶部22的上方的内壁上向内凸设与第四花键槽匹配的第四花键，挡圈筒8的底面轴向顶抵于第一台阶部22的顶面上。第四花键和第四花键槽配合卡止实现挡圈筒8底部的周向固定，挡圈筒8的底面轴向顶抵于第一台阶部22的顶面上实现挡圈筒8底部的轴向定位。挡圈筒8的顶部外壁设有与工具壳体1的内壁抵靠连接的第一连接部，第一连接部实现挡圈筒8顶部的定位。驱动轴3的下部转动穿设于挡圈筒8内，且驱动轴3的外壁与挡圈筒8的顶部内壁密封转动抵靠，挡圈筒8位于第一连接部下方的内壁与驱动轴3的外壁之间呈径向间隔设置，构成流体过流空间91。

如图1、图5所示，挡圈筒8的侧壁上位于第一连接部下方沿周向间隔设置多个第一挡圈透槽81，驱动轴3上与第一挡圈透槽81相对的轴向位置处设置多个沿周向间隔设置的第一扇形凸台321，各第一扇形凸台321的外壁与挡圈筒8的内壁转动抵靠，各第一扇形凸台321上分别设置第一驱动轴侧透槽331；挡圈筒8的侧壁下部且位于冲击装置5的上方沿周向间隔设置多个第二挡圈透槽82，驱动轴3上与第二挡圈透槽82相对的轴向位置处设置多个沿周向间隔设置的第二扇形凸台322，各第二扇形凸台322的外壁与挡圈筒8的内壁转动抵靠，各第二扇形凸台322上设置第二驱动轴侧透槽332；各第二挡圈透槽82与各第一挡圈透槽81周向位置相同设置，各第一扇形凸台321与各第二扇形凸台322呈周向交错设置。各第一扇形凸台321上的第一驱动轴侧透槽331与第一挡圈透槽81相对连通时，各第二扇形凸台322上的第二驱动轴侧透槽332与第二挡圈透槽82错开。

如图1所示，挡圈筒8位于第一连接部下方的外壁与工具壳体的内壁之间呈径向间隔设置构成冲击锤容置与滑动空间，挡圈筒8位于第一连接部下方的外壁上滑动抵靠套设冲击锤4，冲击锤容置与滑动空间的轴向长度大于冲击锤4的轴向长度，冲击锤4将冲击锤容置与滑动空间封隔成上腔体921和下腔体922；冲击锤4的外壁与工具壳体1的内壁之间滑动抵靠，在本实施方式中，冲击锤4的外壁上自底部向上延伸设置第三花键槽，工具壳体1的内壁上设置与第三花键槽匹配的内凸的第三花键，第三花键能滑动插设于对应的第三花键槽内，实现冲击锤4的周向固定及轴向滑动导向；冲击锤4的顶部设置能与第一挡圈透槽81连通的第一环形槽41，第一环形槽41与上腔体921连通，冲击锤4的底部设置能与第二挡圈透槽82连通的第二环形槽42，第二环形槽42与下腔体922连通，冲击锤4的底面能抵靠撞击冲击装置5的顶面。

当驱动轴3旋转至第一驱动轴侧透槽331与第一挡圈透槽81相对连通时，第二驱动轴侧透槽332与第二挡圈透槽82错开，驱动轴中心孔30内一部分高压钻井液经第一驱动轴侧透槽331、第一挡圈透槽81流入第一环形槽41、上腔体921，高压钻井液对第一环形槽41的槽底产生向下的作用力，在该作用力的推动下，冲击锤4向下移动，冲击锤4的底面撞击冲击装置5的顶面，冲击装置5将该轴向冲击载荷转化为轴向冲击载荷和扭转冲击载荷传递至钻头座2，实现冲击破岩，起到提高机械钻速，降低钻井成本的作用。

当驱动轴3旋转至第二驱动轴侧透槽332与第二挡圈透槽82相对连通时，第一驱动轴侧透槽331与第一挡圈透槽81错开，高压钻井液不再流向第一环形槽41，驱动轴中心孔30内一部分高压钻井液经第二驱动轴侧透槽332、第二挡圈透槽82流入第二环形槽42、下腔体922，高压钻井液对第二环形槽42的槽底产生向上的作用力，在该作用力的推动下，冲击锤4向上移动，第一环形槽41及上腔体921的钻井液经第一挡圈透槽81流向流体过流空间91。

驱动轴3持续转动，冲击锤4在驱动轴中心孔30流出的高压钻井液作用下上下往复移动，实现冲击锤4对冲击装置5的持续冲击。通过调节涡轮7的数量可以调节机械式复合冲击钻井提速工具100的冲击频率，调节方式较为简单。

进一步，如图1、图2所示，挡圈筒8的内腔底部套设前述的堵头53，堵头上设置凸柱部531，凸柱部531的顶部插设于驱动轴中心孔30的底部，凸柱部531的侧壁与驱动轴中心孔30的内壁之间呈间隔设置，凸柱部531的顶面与钻头座2的顶面位于相同轴向位置处；堵头53的底面顶抵于第一台阶部22的顶面上，堵头53通过螺纹固定连接于挡圈筒8的内壁底部，堵头53上位于凸柱部531的径向外侧设置能连通挡圈筒8的内腔和钻头座中心孔21的堵头通道孔532。驱动轴中心孔30内下行的高压钻井液冲击作用于凸柱部531的顶面上，凸柱部531通过第一台阶部22将该轴向冲击载荷传递给钻头座2，凸柱部531的顶面与钻头座2的顶面位于相同轴向位置处，即凸柱部531所受的轴向载荷与冲击装置5传递给钻头座的轴向冲击载荷及扭转冲击载荷位于同一轴向位置处，二者之间相位差为0，钻头座2所受的轴向冲击稳定可靠。此处凸柱部531所受轴向冲击载荷可以通过改变堵头53的尺寸来调节，可以根据不同地层的需要，预先选择合适的堵头53。

进一步，为了方便制造及安装，如图1所示，工具壳体1包括自上而下依次连接的第一短节101、第二短节102和第三短节103，第一短节101、第二短节102和第三短节103呈中空设置；涡轮7设置于第二短节102的内腔中，第二台阶部12设置于第二短节102的内壁下部，挡圈筒8的第一连接部连接于第二短节102的内壁底部；冲击锤4滑动套设于第三短节103内，钻头座2的顶部与第三短节103的内腔底部密封连接，在本实施方式中，钻头座2的顶部通过花键结构与第三短节103的底部周向卡止固定，钻头座2与第三短节103之间还设置滚珠结构13，实现其固定连接。

使用本发明的机械式复合冲击钻井提速工具100进行钻井时，首先完成工具的组装，连接上部的钻铤和底部的钻头，利用钻杆将组装好的机械式复合冲击钻井提速工具100和钻头下入井中，高压钻井液自钻铤流入流体流入空间90，在流体流入空间90内，涡轮7在高压钻井液的冲击下旋转(在本发明的一具体实施例中，涡轮顺时针转动)并带动驱动轴3旋转，高压钻井液向下继续流动经第一锥面121、流体流入透孔31流入驱动轴中心孔30，高压钻井液继续下行，部分钻井液直接流向钻头座中心孔21内，最终流向钻头座2底部连接的钻头。

还有一部分钻井液通过第一驱动轴侧透槽331或第二驱动轴侧透槽332流向冲击锤4，实现冲击锤4的轴向往复移动：当驱动轴3旋转至第一驱动轴侧透槽331与第一挡圈透槽81相对连通时，第二驱动轴侧透槽332与第二挡圈透槽82错开，驱动轴中心孔30内一部分高压钻井液经第一驱动轴侧透槽331、第一挡圈透槽81流入第一环形槽41、上腔体921，高压钻井液对第一环形槽41的槽底产生向下的作用力，在该作用力的推动下，冲击锤4向下移动，冲击锤4的底面撞击冲击装置5的顶面，冲击装置5将该轴向冲击载荷转化为轴向冲击载荷和扭转冲击载荷传递至钻头座2，实现冲击破岩，起到提高机械钻速，降低钻井成本的作用。

当驱动轴3旋转至第二驱动轴侧透槽332与第二挡圈透槽82相对连通时，第一驱动轴侧透槽331与第一挡圈透槽81错开，高压钻井液不再流向第一环形槽41，驱动轴中心孔30内一部分高压钻井液经第二驱动轴侧透槽332、第二挡圈透槽82流入第二环形槽42、下腔体922，高压钻井液对第二环形槽42的槽底产生向上的作用力，在该作用力的推动下，冲击锤4向上移动，第一环形槽41及上腔体921的钻井液经第一挡圈透槽81流向流体过流空间91。

驱动轴3持续转动，冲击锤4在驱动轴中心孔30流出的高压钻井液作用下上下往复移动，实现冲击锤4对冲击装置5的持续冲击。

冲击装置5的上凸轮51和下凸轮52通过第一斜面512和第二斜面522倾斜配合，该配合将冲击锤4的轴向冲击载荷转化为轴向冲击载荷和扭转冲击载荷，下凸轮52通过底部端面与钻头座2顶面的顶抵、第二花键的底面与第二花键槽的槽底面顶抵将轴向冲击载荷传递至钻头座2，下凸轮52通过第二花键、第二花键槽的周向卡止将扭转冲击载荷传递至钻头座2，实现对钻头座2的轴向冲击和扭转冲击结合的复合冲击。

由上所述，本发明提供的机械式复合冲击钻井提速工具具有如下有益效果：

本发明的机械式复合冲击钻井提速工具中，驱动轴在流体冲击作用下旋转并驱动冲击锤上下往复移动，冲击锤能下移顶抵撞击冲击装置，冲击装置能向钻头座传递轴向冲击载荷和扭转冲击载荷，该工具将轴向冲击和扭转冲击相结合，发挥两种冲击的优点同时克服各自的不足之处，实现复合冲击，有效提高破岩效率和钻头的使用寿命；本发明的机械式复合冲击钻井提速工具性能参数可以调节，可靠性高，适用性广。

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。

Claims (9)

1.一种机械式复合冲击钻井提速工具，包括内部中空的工具壳体，所述工具壳体的底部固定连接有钻头座，其特征在于，所述工具壳体内设置有能在流体冲击下旋转的驱动轴，所述驱动轴的下部套设有周向固定且能沿轴向往复移动的冲击锤，所述冲击锤的下方设置有能向所述钻头座传递轴向冲击载荷和扭转冲击载荷的冲击装置；

所述冲击装置包括能相互扣合的上凸轮和下凸轮，所述上凸轮能沿轴向移动，所述上凸轮的顶部端面呈平面设置，所述上凸轮的底部向下延伸设置有第一扣合结构，所述第一扣合结构包括多个交错设置的第一凸齿和第一凹槽，各所述第一凸齿的一侧为呈周向倾斜设置第一斜面，各所述第一斜面的倾斜角度呈相同设置，各所述第一凸齿的另一侧为沿轴向设置的第一卡止平面；所述下凸轮的底部端面呈平面设置，所述下凸轮的顶部向上延伸设置有第二扣合结构，所述第二扣合结构包括多个交错设置的第二凸齿和第二凹槽，各所述第二凸齿的一侧为呈周向倾斜设置第二斜面，各所述第二斜面与各所述第一斜面倾斜角度呈相同设置，各所述第二凸齿能匹配卡止于相应的所述第一凹槽内，各所述第一凸齿能匹配卡止于相应的所述第二凹槽内，所述下凸轮的底部端面轴向顶抵于所述钻头座的顶面上。

2.如权利要求1所述的机械式复合冲击钻井提速工具，其特征在于，所述钻头座内设置贯通的钻头座中心孔，所述钻头座中心孔内设置孔径呈减小设置的第一台阶部，所述冲击装置还包括套设于所述钻头座中心孔内的堵头，所述堵头的底面顶抵于所述第一台阶部的顶面上，所述堵头的顶面与所述钻头座的顶面位于相同轴向位置处。

3.如权利要求1所述的机械式复合冲击钻井提速工具，其特征在于，所述上凸轮的外壁上设置第一花键槽，所述工具壳体的内壁上设置与所述第一花键槽匹配的第一花键；自所述下凸轮的底部端面向下延伸设置第二花键，所述钻头座的侧壁顶部设置与所述第二花键匹配的第二花键槽，所述第二花键的底面轴向顶抵于所述第二花键槽的槽底面上，所述第二花键与所述第一花键呈周向交错设置。

4.如权利要求2所述的机械式复合冲击钻井提速工具，其特征在于，所述驱动轴的内部设置顶部密封的驱动轴中心孔，所述驱动轴的上部外壁与所述工具壳体的内壁之间构成流体流入空间，所述驱动轴通过上下间隔设置的扶正轴承和止推轴承转动连接于所述流体流入空间内，位于所述扶正轴承和止推轴承之间的所述驱动轴上套设能驱动所述驱动轴旋转的涡轮；所述工具壳体的内壁上位于所述流体流入空间的下方设置直径呈减小设置的第二台阶部，所述驱动轴的侧壁上位于所述流体流入空间的下方沿周向间隔设置多个流体流入透孔，所述第二台阶部上设置有能连通所述流体流入空间和所述流体流入透孔的第一锥面。

5.如权利要求4所述的机械式复合冲击钻井提速工具，其特征在于，所述工具壳体位于所述第二台阶部的下方固定套设有挡圈筒，所述挡圈筒的底部固定套设于所述钻头座内，所述挡圈筒的顶部外壁设有与所述工具壳体的内壁抵靠连接的第一连接部，所述驱动轴的下部转动穿设于所述挡圈筒内，且所述驱动轴的外壁与所述挡圈筒的顶部内壁密封转动抵靠，所述挡圈筒位于所述第一连接部下方的内壁与所述驱动轴的外壁之间呈径向间隔设置；

所述挡圈筒的侧壁上位于所述第一连接部下方沿周向间隔设置多个第一挡圈透槽，所述驱动轴上与所述第一挡圈透槽相对的轴向位置处设置多个沿周向间隔设置的第一扇形凸台，各所述第一扇形凸台的外壁与所述挡圈筒的内壁转动抵靠，各所述第一扇形凸台上分别设置第一驱动轴侧透槽；所述挡圈筒的侧壁下部且位于所述冲击装置的上方沿周向间隔设置多个第二挡圈透槽，所述驱动轴上与所述第二挡圈透槽相对的轴向位置处设置多个沿周向间隔设置的第二扇形凸台，各所述第二扇形凸台的外壁与所述挡圈筒的内壁转动抵靠，各所述第二扇形凸台上设置第二驱动轴侧透槽；各所述第二挡圈透槽与各所述第一挡圈透槽周向位置呈相同设置，各所述第一扇形凸台与各所述第二扇形凸台呈周向交错设置；

所述挡圈筒位于所述第一连接部下方的外壁与所述工具壳体的内壁之间呈径向间隔设置构成冲击锤容置与滑动空间，所述挡圈筒位于所述第一连接部下方的外壁上滑动抵靠套设所述冲击锤，所述冲击锤容置与滑动空间的轴向长度大于所述冲击锤的轴向长度，所述冲击锤将所述冲击锤容置与滑动空间封隔构成上腔体和下腔体，所述冲击锤的外壁与所述工具壳体的内壁之间滑动抵靠，所述冲击锤的顶部设置能与所述第一挡圈透槽连通的第一环形槽，所述第一环形槽与所述上腔体连通，所述冲击锤的底部设置能与所述第二挡圈透槽连通的第二环形槽，所述第二环形槽与所述下腔体连通，所述冲击锤的底面能抵靠撞击所述冲击装置的顶面。

6.如权利要求5所述的机械式复合冲击钻井提速工具，其特征在于，所述冲击锤的外壁上自底部向上延伸设置第三花键槽，所述工具壳体的内壁上设置与所述第三花键槽匹配的内凸的第三花键。

7.如权利要求5所述的机械式复合冲击钻井提速工具，其特征在于，所述挡圈筒的底部设置第四花键槽，所述钻头座中心孔位于所述第一台阶部的上方的内壁上向内凸设与所述第四花键槽匹配的第四花键，所述挡圈筒的底面轴向顶抵于所述第一台阶部的顶面上。

8.如权利要求5所述的机械式复合冲击钻井提速工具，其特征在于，所述挡圈筒的内腔底部套设所述堵头，所述堵头上设置凸柱部，所述凸柱部的顶部插设于所述驱动轴中心孔的底部，所述凸柱部的侧壁与所述驱动轴中心孔的内壁之间呈间隔设置，所述凸柱部的顶面与所述钻头座的顶面位于相同轴向位置处；所述堵头的底面顶抵于所述第一台阶部的顶面上，所述堵头上位于所述凸柱部的径向外侧设置能连通所述挡圈筒的内腔和所述钻头座中心孔的堵头通道孔。

9.如权利要求8所述的机械式复合冲击钻井提速工具，其特征在于，所述工具壳体包括自上而下依次连接的第一短节、第二短节和第三短节，所述第一短节、所述第二短节和所述第三短节呈中空设置；所述涡轮设置于所述第二短节的内腔中，所述第二台阶部设置于所述第二短节的内壁下部，所述挡圈筒的第一连接部连接于所述第二短节的内壁底部；所述冲击锤滑动套设于所述第三短节内，所述钻头座的顶部与所述第三短节的内腔底部密封连接。