一种机械式扭转冲击钻井工具技术领域
本发明涉及石油天然气井下钻井工具技术领域，尤其涉及一种机械式扭转冲
击钻井工具。
背景技术
随着油气开发的逐渐深入，陆地浅层油气资源开始逐渐枯竭，由此，对油气
资源的勘探逐渐转向深部底层。深部底层存在较高的上覆压力，导致位于深部底
层中的岩石的硬度、抗压强度、抗剪强度以及研磨性都比较高，这样，便会使得
伸入到深部底层的机械钻具的转速急剧下降。
目前，在油气开发中的钻井主力钻头为PDC(金刚石复合片)钻头。然而，
PDC钻头在深部底层进行钻进的过程中，存在严重的粘滑现象。这种粘滑现象容
易导致与PDC钻头相连接的钻柱在钻进过程中产生扭转振荡，从而使得该PDC
钻头在钻进的过程中存在机械钻速低和易疲劳失效的问题。
由此，上述PDC钻头在深部底层进行钻进的过程中需配合扭转冲击装置使
用，以此克服PDC钻头在深部底层钻进过程中产生粘滑现象的弊端。
发明内容
针对上述问题，根据本发明提出了一种机械式扭转冲击钻井工具，包括：内
部具有中空区且内周壁上开设有至少一个安装槽的上座体；与所述上座体相连接
的下座体；穿入所述中空区的冲击锤组件，所述冲击锤组件上设置有径向向外凸
出且位于所述安装槽中的冲击锤部；穿入所述冲击锤组件的内部至其穿入端与所
述下座体相接触的中心转动轴，所述中心转动轴上设置有径向向外凸出且用于驱
动所述冲击锤部在所述安装槽中进行往复摆动的外凸台。该冲击钻井工具开始工
作时，螺杆或涡轮钻具中的螺杆或涡轮转子与中心转动轴为键槽连接，这样，在
螺杆或涡轮转子开始顺时针旋转的情况下能够带动该中心转动轴一起进行顺时
针旋转。
当冲击钻井工具刚好处于开始冲击的启示状态时，该中心转动轴上设置的外
凸台的侧面与冲击挡件的斜面相嵌合。这样，在中心转动轴发生顺时针旋转的情
况下，推动该冲击挡件与冲击锤组件一起进行顺时针旋转。当上述中心转动轴旋
转到使得冲击锤部的侧面撞击到上座体的安装槽的侧面时，会产生一个与该冲击
钻井工具同向的扭矩，致使该扭矩与钻头的正常钻进扭矩相叠加，之后弹性复位
件使冲击锤组件复位，中心转动轴高速旋转带动冲击锤组件频繁撞击上座体，从
而在钻头的正常钻进扭矩上叠加了一个高频的扭矩脉冲，这种钻进方式可以减小
或消除PDC钻头在钻进过程中发生粘滑现象的弊端。
较佳的，所述冲击锤部上开设有定位槽孔。
较佳的，在所述定位槽孔中安装有冲击挡件，所述冲击挡件的厚度大于所述
定位槽孔的深度。
较佳的，所述上座体的内侧壁上设置有让位槽，所述让位槽与所述定位槽孔
相连通后用以容纳所述冲击挡件。
较佳的，在所述冲击锤部与所述上座体的内周壁之间构造成的摆动空间中安
装有弹性复位件，所述弹性复位件用于在所述冲击锤部的侧壁撞击到所述安装槽
的侧壁后，驱动所述冲击锤部进行复位。通过将该弹性复位件安装在摆动空间中，
可以使得冲击锤部的侧壁与上座体的安装槽的槽壁能够紧密贴合。另外，在冲击
锤部撞击到安装槽的槽壁后，由于中心转动轴上设置的外凸台会沿着原来的顺时
针旋转方向继续旋转。此时，位于冲击锤部中的冲击挡件将进入到让位槽中。这
样，该外凸台将无法和冲击挡件相嵌合，即无法继续作用给冲击挡件沿顺时针旋
转的力矩。
较佳的，所述冲击钻井工具还包括套设在所述上座体和所述下座体的外周壁
位置，并与所述下座体的下端为固定连接的外壳。该外壳的设置用于实现与下座
体的固定连接，以及用于连接钻柱，带动钻柱一起进行钻进。
较佳的，所述下座体的上端面沿周向间隔设置有环形凹槽，所述下座体的底
端设置有向内凹的螺纹孔。该螺纹孔的设置，可以实现与钻头的螺纹连接，这样
便于与该钻头的安装及拆卸。
较佳的，所述下座体的内部设置有用于固定连接所述外壳与所述下座体的防
脱机构。该防脱机构的设置，可以实现外壳与下座体的固定连接，使得外壳与下
座体在轴向方向上不会发生窜动，进而，避免因外壳与下座体之间存在扭矩差而
影响钻头钻速的弊端，更进一步地避免钻头在钻进过程中发生粘滑现象的弊端。
较佳的，所述防脱机构包括对应设置在所述环形凹槽中的防脱挡件，以及还
包括固定安装在所述螺纹孔中的防脱支撑件。
较佳的，所述外壳下端的内周壁位置设置有与所述环形凹槽相连通用以容纳
所述防脱挡件的防脱限位槽。
较佳的，在所述上座体的上端设置有用于限制所述中心转动轴和所述冲击锤
组件沿轴向发生窜动的轴承下端盖。该轴承下端盖的设置，能够有效地限制中心
转动轴和冲击锤组件在转动的过程中沿轴向发生窜动，起到了固定和限位的作
用。
较佳的，在所述轴承下端盖的上部凹槽内安装有推力轴承。该推力轴承的设
置，起到了承受冲击钻井工具钻进时的压力，并且，在冲击锤部撞击到上座体的
安装槽的侧壁时，推力轴承也大大地减少了因摩擦而引起的扭矩损耗。
较佳的，在所述推力轴承的上部设置有用以限制所述推力轴承沿轴向发生窜
动的轴承上端盖。该轴承上端盖能够限制推力轴承在轴向发生窜动。
综上所述，所述冲击钻井工具具有避免钻头在钻井的过程中产生粘滑现象的
弊端的优点，以及还具有提高机械钻速、稳定钻进和提高钻柱与PDC钻头使用寿
命的优点。此外，由于该冲击钻井工具中未设置任何橡胶密封件，因而，在钻井
时对周围的环境温度以及钻井液的条件要求较低，由此，所述冲击钻井工具的使
用范围较为广泛。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。在图
中：
图1为本发明机械式扭转冲击钻井工具的半剖结构示意图。
图2为图1的B-B剖面结构示意图。
图3为图1中的防脱机构的半剖结构示意图(E-E剖面)。
图4为图3的E-E截面示意图。
图5为外壳与下座体相嵌合的状态结构示意图。
图6为图1中的冲击锤组件冲击的起始状态的截面示意图(D-D剖面)。
图7为图1中的冲击锤组件冲击时的状态结构示意图。
图8为图1中的冲击锤组件冲击后复位的状态结构示意图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例描
绘。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，该冲击钻井工具包括上座体1、下座体2、冲击锤组件3、
中心转动轴4。该冲击钻井工具由其上部设置的螺杆或涡轮钻具(图中未示出)
提供旋转动力，即通过使得螺杆或涡轮钻具中的螺杆或涡轮转子下端设置的花键
槽与中心转动轴4上端设置的花键槽41(见图2)配合安装，从而实现螺杆或涡
轮转子带动中心转动轴4一起旋转的目的。
如图1所示，在本申请的实施例中，该上座体1的内部具有中空区11。该上
座体1的外形例如可为具有中空区11的柱状体。该上座体1的内周壁上开设有
安装槽12(见图6)，该安装槽12例如可为扇形或圆弧形。在本申请的实施例
中，该安装槽12的个数可为两个。
在本申请的实施例中，该下座体2与上座体1相连接。该下座体2例如可与
上座体1为键槽式连接或插拔式连接。这样，就实现了下座体2与上座体1沿周
向的固定连接，从而，使得下座体2与上座体1能够同步转动。
在本申请的实施例中，冲击锤组件3穿入中空区11中。该冲击锤组件3例
如可与上座体1之间为间隙配合。该冲击锤组件3上设置有径向向外凸出的冲击
锤部31。当该冲击锤组件3穿入该中空区11后，刚好使得该冲击锤部31滑入该
安装凹槽12中。该冲击锤部31的截面形状例如可为扇形或圆弧形。即该冲击锤
部31可为截面形状为扇形或圆弧形且沿冲击锤组件3的外周壁的一端拉伸至另
一端构造而成。该冲击锤部31可在该安装槽12中进行往复摆动。
在本申请的实施例中，该冲击锤部31例如可对称式设置在冲击锤组件3的
两侧。这样，该冲击锤部31在中心转动轴4的带动下旋转，从而使得冲击锤部
31撞击到上座体1的安装槽12的侧壁后，作用给该上座体1均匀的扭矩冲击，
避免该上座体1因接收到的扭矩冲击不均匀而发生向一侧晃动的弊端。另外，由
于该冲击锤部31为对称式设置，这样，可以使得对称式设置的冲击锤部31能够
同时撞击上座体1。进一步地，使得该冲击钻井工具能够稳定钻进，更进一步地，
保证了钻柱在钻进过程中的稳定性。
如图1和图6所示，在一个优选的实施例中，冲击锤部31上开设有定位槽
孔311，该定位槽孔311例如可为长方形。
在一个优选的实施例中，在该定位槽孔311中安装有冲击挡件5。这样，便
实现了对该冲击挡件5的径向固定。该冲击挡件5的厚度大于定位槽孔311的深
度，即该冲击挡件5的上端面凸出于该定位槽孔311的上端面。该冲击挡件5例
如可为冲击挡块，该冲击挡块与定位槽孔311为间隙配合。
如图6所示，在一个优选的实施例中，上座体1的内侧壁上设置有让位槽13。
该让位槽13例如可位于如下所述的摆动空间32中。该让位槽13与定位槽孔311
相连通后，可用来容纳该冲击挡件5。此时，该冲击挡件5的厚度与让位槽13和
定位槽孔311相连通后形成的槽深相同。
在本申请的实施例中，中心转动轴4穿入冲击锤组件3的内部至该中心转动
轴4的穿入端42(见图1)与下座体2相接触。该中心转动轴4上设置有径向向
外凸出的外凸台43(见图6)。在螺杆或涡轮钻具转子开始旋转的情况下，通过
花键槽41带动该中心转动轴4发生顺时针转动。这样，该外凸台43将与如下所
述的冲击挡件5(见图6)的斜面51相嵌合，进而推动该冲击挡件5与冲击锤组
件3一起发生顺时针旋转。当冲击锤部31撞击到安装槽12的侧壁时，会产生顺
时针扭矩，该扭矩与冲击钻井工具自身旋转过程中产生的扭矩相互叠加，从而增
强了钻头(图中未示出)破岩的扭矩，进而，大幅度地减小或消除了钻头的粘滑
振动的问题，提高了钻头在钻进过程中的钻速，提高了工作效率。
如图1和图6所示，在一个优选的实施例中，在冲击锤部31与上座体1的
内周壁之间构造有摆动空间32，在该摆动空间32中固定安装有弹性复位件6。
该弹性复位件6例如可为扭簧、弹簧或具有弹性性能的其它弹性部件。该弹性复
位件6例如可直接套设在冲击锤组件3的外周壁位置，实现该弹性复位件6的安
装及固定。通过将该弹性复位件6安装在摆动空间32中，可以使得冲击锤部31
的侧壁与上座体1的安装槽12的槽壁能够紧密贴合。另外，在冲击锤部31撞击
到安装槽12的槽壁后，由于中心转动轴4上设置的外凸台43会沿着原来的顺时
针旋转方向继续旋转。此时，位于冲击锤部31中的冲击挡件5将进入到让位槽
13中。这样，该外凸台43将无法和冲击挡件5相嵌合，即无法继续作用给冲击
挡件5沿顺时针旋转的力矩。此时，在弹性复位件6的弹性力的作用下，使得该
冲击锤组件3开始逐渐复位。
如图1和图5所示，在一个优选的实施例中，该冲击钻井工具还包括外壳7。
该外壳7大致呈筒状，且内部为空中结构。该外壳7包括连接部71和套设部72。
该外壳7的套设部72套设在上座体1和下座体2的外周壁位置，该套设部72的
底端与下座体2的下端为固定连接。该固定连接方式例如为套设部72底端设置
的键槽721与下座体2底端设置的键槽21相嵌合。这样，便实现了外壳7与下
座体2之间的周向固定连接。进一步地，在外壳7旋转的情况下，可以带动该下
座体2进行同步转动，从而在钻进过程中传递钻柱扭矩。
在本申请的实施例中，该连接部71用于连接钻柱。该连接部71例如可与钻
柱为螺纹连接。这样便于钻柱的安装及拆卸。进一步地，该连接部71可以是内
部为空中，且在周壁上设置有内螺纹，或者该连接部71的内部为实体外部设置
有外螺纹。该连接部71的具体设计可根据与其相连接的钻柱设置的螺纹扣型情
况来确定。
在一个优选的实施例中，下座体2的上端面沿周向间隔设置有环形凹槽22
(见图4)。该环形凹槽22例如可在下座体2的上端面等间距设置。该下座体2
的底端设置有向内凹的螺纹23。该螺纹23的设置，可以实现与钻头的螺纹连接，
螺纹23的具体设计可根据与其相连接的钻头设置的螺纹扣型情况来确定。
在本申请的实施例中，外壳7下端的内周壁位置设置有与每个环形凹槽22
相连通的防脱限位槽73(见图3)。该防脱限位槽73的开口端例如可为朝该外
壳7的内部中心方向。该防脱限位槽73的设置，用以与环形凹槽22一起容纳如
下所述的防脱挡件81(见图3)。
如图1、图3和图4所示，在一个优选的实施例中，该下座体2的内部设置
有防脱机构8。该防脱机构8包括防脱挡件81和防脱支撑件82。该防脱挡件81
可为防脱挡块。该防脱挡件81镶嵌在上述环形凹槽22中。该防脱支撑件82可
从下座体2底端设置的螺纹孔23中逐渐旋入到下座体2的内部至该防脱支撑件
82上端的外周壁刚好与每个防脱挡件81的外侧壁相贴合。这样，使得每个防脱
挡件81的外缘刚好与该防脱限位槽73(见图6)下部的直角台阶面相卡接，实
现该防脱挡件81的悬挂。进而，实现了每个防脱挡件81的部分嵌入到下座体2
的侧壁中。进一步地，实现了外壳7与下座体2的固定连接，使得下座体2与外
壳7连接为一体。在轴向方向上，外壳7与下座体2之间不会发生窜动。由此可
见，便可大大地避免外壳7与下座体2在一起旋转过程中，因存在扭矩差而影响
钻头钻速的弊端，更进一步地避免钻头在钻进过程中发生粘滑现象的弊端。
当该冲击钻井工具使用完成后需要进行保养时，首先卸掉该防脱支撑件82，
然后经该外壳7向每个防脱挡件81中顶入销钉。这样，使得每个防脱挡件81沿
径向发生收缩，从而使得每个防脱挡件81的径向直径小于下座体15的外径。此
时，每个防脱挡件81将不再与外壳7中设置的防脱限位槽73相卡接，由此，向
上拔出该外壳7，便实现了外壳7与下座体2的分离。
如图1所示，在上座体1的上端设置有轴承下端盖101。该轴承下端盖101
例如可通过销钉紧固在中心转动轴4的外周壁位置。该轴承下端盖101的设置，
能够有效地限制中心转动轴4和冲击锤组件3在转动的过程中沿轴向发生窜动，
起到了固定和限位的作用。
在一个优选的实施例中，在轴承下端盖101的上部安装凹槽内安装有推力轴
承103。该推力轴承103的设置，起到了承受冲击钻井工具钻进时的压力，并且，
在冲击锤部31撞击到上座体1的安装槽12的侧壁时，推力轴承103也大大地减
少了因摩擦而引起的扭矩损耗。
在一个优选的实施例中，在推力轴承103的上部设置有轴承上端盖104。该
轴承上端盖104能够限制推力轴承103在轴向发生窜动。
如图1所示，根据本发明，在中心转动轴4与轴承下端盖101之间的缝隙中
以及在中心转动轴4与下座体2之间的间隙中均固定安装有滚针轴承。该滚针轴
承主要起到在中心转动轴4带动冲击锤组件3一起相对上座体1进行转动的过程
中，能够减小冲击锤组件3与上座体1之间的摩擦力以及扭矩损耗。
如图6、图7和图8所示，根据本发明的第一个示例，该冲击钻井工具开始
工作时，螺杆或涡轮钻具中的螺杆或涡轮转子与中心转动轴4为键槽连接，从而
实现了螺杆或涡轮转子与中心转动轴4之间周向的固定连接。这样，在螺杆或涡
轮转子开始顺时针旋转的情况下能够带动该中心转动轴一起进行顺时针旋转。
如图6所示，此时冲击钻井工具刚好处于开始冲击的启示状态。该中心转动
轴4上设置的外凸台43的侧面与冲击挡件5的斜面51相嵌合。这样，在中心转
动轴4发生顺时针旋转的情况下，推动该冲击挡件5与冲击锤组件3一起进行顺
时针旋转。由于在冲击锤部31与上座体1的内周壁之间构造有摆动空间32，在
摆动空间32中安装有弹性复位件6。在上述中心转动轴4进行旋转的过程中，该
弹性复位件6将会被压缩，具有弹性力。当上述中心转动轴4旋转到使得冲击锤
部31的侧面撞击到上座体1的安装槽12的侧面时，会产生一个与该冲击钻井工
具同向的扭矩，致使该扭矩与冲击钻井工具自身在钻进过程中产生的扭矩相叠
加。这样，便使得该冲击钻井工具具有了较大的钻进扭矩。该较大的钻进扭矩作
用到钻头上，便提高了该钻头的钻进扭矩，从而，提高了钻头的钻速，进一步地，
减小或消除了该钻头在钻进过程中发生粘滑现象的弊端。
如图7所示，当中心转动轴4上设置的外凸台43推动冲击挡件5进入到让
位槽13中时，外凸台43的侧面与冲击挡件5的斜面51不再相嵌合。这样，中
心转动轴4将不再作用给该冲击挡件5继续旋转的驱动力，该中心转动轴4将在
螺杆或涡轮转子的带动下继续进行顺时针旋转。此时的冲击锤组件3带动冲击挡
件5在上述弹性复位件6的作用下开始复位，即该冲击锤组件3将带动冲击挡件
5开始沿逆时针方向进行旋转。
如图8所示，当该冲击锤组件3和冲击挡件5在弹性复位件6的弹性力的作
用下，使得该冲击锤部31在沿逆时针方向旋转的过程中，该冲击锤部31的侧面
碰撞到上座体1的安装槽12的侧面。此时，中心转动轴4在螺杆或涡轮转子的
带动下，使得该外凸台43重新回到其侧面与冲击挡件5的斜面51相嵌合的状态，
为重复下一个冲击动作做好准备。由此可见，在上述冲击锤组件3不断循环往复
撞击上座体1中的安装槽12的侧面后，即可对该钻头产生高频冲击。当该钻头
周向接收到脉冲式的高频扭矩与钻柱产生的扭矩相叠加时，可以大大地减小或消
除钻头在钻进过程中发生粘滑现象。另外，由于钻头的周向接收到脉冲式的高频
扭矩后与钻柱产生的扭矩相叠加，这样，避免了由于钻进扭矩的突然释放对钻头
和钻柱产生冲击载荷，进而可能损坏该钻头或钻柱的弊端，从而，延长了该钻头
和钻具的使用寿命。
根据本发明，该冲击钻井工具具有避免钻头在钻井的过程中产生粘滑现象的
弊端的优点，以及还具有提高机械钻速、稳定钻进过程和提高钻柱与PDC(金刚
石复合片)钻头使用寿命的优点。此外，由于该冲击钻井工具中未设置任何橡胶
密封件，因而，在钻井时对周围的环境温度以及钻井液的条件要求较低，由此，
所述冲击钻井工具的使用范围较为广泛。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的
情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只
要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起
来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内
的所有技术方案。