具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本实施例针对现有技术中仅存在旋转方式破岩易造成钻具损坏和成本投入较大这一技术问题，设计了一种井下位移冲击式钻井工具，该钻具具有结构紧凑、能量密度大的特点；能够实现水平井及大位移井的井底加压，产生高频率周期性的冲击力与静压旋转联合作用破碎岩石。以此全面解决石油钻井硬岩钻井难题，防止硬岩层及复杂地层钻井中钻斜情况发生；并达到增加钻头寿命，减少钻具损坏，从而降低钻井成本的目的。

具体的，参见图1-图2，井下位移式冲击钻具的组成包括均由环空结构组成且从上到下依次连接的过流套1、第一主轴6、承冲座16和第二主轴23，这里第一主轴6、承冲座16、第二主轴23中间设置环空结构，用来输送从过流套1流入的泥浆；承冲座16外壁上从上到下依次连接有振动套12、启振座13和冲击头15，振动套12与冲击头15通过连接套14连接固定；启振座13通过花键连接的方式实现与承冲座16的同步转动，启振座13在旋转过程中产生轴向上下周期性的位移。

可以理解为：该钻井工具是利用旋转能量和冲击能量两种方式进行破岩。

其旋转的能量，通过一个过流套1及第一主轴6，第一主轴6通过过流套1与井下动力马达(未画出)的动力输出轴连接，形成动力输入从而提供旋转运动的机械能，可选的，提供动力的井下动力马达可以包括涡轮马达、螺杆马达或电动马达等多种。

其冲击的能量，由第二主轴23上的启振座13产生；该启振座13随第二主轴23的旋转而产生周期变化的轴向位移，即形成冲击的原始基础；该位移的频率呈锯齿状或谐波状。弹簧10(下文介绍)用于产生沿轴方向上的冲击力；第二主轴23下端连接钻头，从而提供钻头位移冲击运动，并形成冲击式机械能地输出。

该钻井工具利用井下动力马达和钻头联合工作，将使钻头以旋转及位移冲击两种方式进行岩石破碎，，保护钻头并提高钻井速度。

下面对本方案提及的井下位移式冲击钻具的组成结构做详细地介绍。

井下位移式冲击钻具，主要由过流套1、第一外壳2、主轴锁紧螺母3、TC径向轴承4、滚动球轴承5、第一主轴6、中间接头7、花键套8、喷嘴9、弹簧10、第二外壳11、振动套12、启振座13、连接套14、冲击头15、承冲座16、分隔套17、PDC轴承动环18、PDC轴承静环19、下TC动环20、下TC静环21、下接头22、第二主轴23、孔用弹性挡圈-A型31、钢球32组成。

其中，过流套1用于接收从井下动力马达(未画出)流入的泥浆；过流套1下端通过螺纹形式和第一主轴6连接在一起，过流套1上端通过螺纹的形式和井下动力马达可以包括涡轮马达、螺杆马达或电动马达连接在一起。

TC径向轴承4、滚动球轴承5、安装在第一主轴6上用来起支撑作用；主轴锁紧螺母3用来锁紧第一主轴6上安装的TC径向轴承4和滚动球轴承5。

可选的，TC径向轴承4表面镀嵌硬质合金，即在轴承内外表面规则镀上硬质合金块、特种成分的焊料、硬质合金等添加物，通过专门烧结处理使其与基础件熔为一体。

本实施例中，滚动球轴承5由内圈、外座圈和钢球组成，滚动球轴承5内外圈上有圆弧滚道；5-13副滚动球轴承5组成一组；使得滚动球轴承5能够承受轴向较大的载荷，并且整体结构紧凑，所占空间小，还能承受双向载荷；工作时，滚动球轴承5使用泥浆进行润滑，减少多级球轴承的磨损；泥浆主要通过主轴传递给钻头，主轴轴向处于一定的允许间隙之内。

第一外壳2、中间接头7和第二外壳11通过螺纹的形式连接在一起；并且第一外壳2上侧连接在上文描述的井下动力马达上。

本实施例中，第一外壳2、中间接头7、第二外壳11进行调质处理，硬度HB＝250-290，然后进行发黑处理；这里设置外壳(第一外壳2、第二外壳11)用来实现内部部件的轴向和径向定位，并保证内部部件能够经受由于轴向载荷和横向应力产生的挠曲和纵向弯曲。

本实施例中，可以在外壳(第一外壳2和/或第二外壳11)上安装叶片，该叶片相当于稳定器的作用，可以满足钻直井时防止井斜的要求，钻定向井时可起到控制井眼轨迹的作用，提高钻头工作的稳定性，延长钻头使用寿命。

在中间接头7与承冲座16连接的端面与设置在承冲座16上的振动套12形成有间隔空间，弹簧10安装在间隔空间内，弹簧10通过不断的伸长、压缩从而来存储和释放能量；可以理解为，中间接头7与振动套12之间通过弹簧10实现弹性连接，振动套12、连接套14、冲击头15沿着承冲座16的轴向进行安装，并能够传递弹簧10产生的冲击。

上文提及的钢球32分别安装在振动套12和冲击头15外侧，用于支撑振动套12与冲击头15。

可以理解为，振动套12和承冲座16连在一起，能够和承冲座16一起旋转；连接套14和振动套12连接固定，振动套12通过连接套14将冲击力传递给冲击头15；冲击头15对承冲座16产生冲击；冲击头15外面装有钢球32支撑冲击头15；承冲座16通过花键套用键的形式将旋转运动传递第二主轴23，进一步传递给钻头，是钻头旋转。

可选的，承冲座16上面套有PDC轴承动环18和PDC轴承静环19，PDC轴承动环18、PDC轴承静环19安装在承冲座16上并可以相对滑动，PDC轴承动环18、PDC轴承静环19用来支撑承冲座16；PDC轴承动环18和第二主轴23一起旋转，PDC轴承静环19保持静止；下接头22实现对第二主轴23的密封。

本实施例中，参见图3-图8，启振座13通过键的形式和第二主轴23连接；启振座13是一种由上启振体和下启振体组成的位移轴承，材料为55SiMoVA，热处理硬度HRC54-57，粗磨后进行无损探伤和酸洗检查，然后进行回火处理；启振座13由上启振体和下启振体组成，能够产生轴向位移；启振座13的上启振体和下启振体的钢球槽节圆展开线具有正弦或余弦谐波槽形、锯齿槽形、矩形槽形、三角形槽型等四种结构，该四种结构对应的每种槽的数目可变化的，可以为2个、3个、4个、5个、6个或者更多。

承冲座16靠近第一主轴6的一端还设有喷嘴9，喷嘴9起到整个钻井工具的自动推动作用，同时能改进钻头的辅助射流效果，在不增加地面泵功率的情况下，大幅度提高射流对井底的冲击力。

下面对具体的工作方式进行阐述：

当井下动力马达(涡轮马达、螺杆马达或电动马达等)转动时，会通过过流套1带动第一主轴6、承冲座16、第二主轴23转动，并且第二主轴23连接的钻头对地层施加压力，从而来破碎岩石。同时启振座13在花键的连接作用下和第二主轴23、承冲座16一起旋转。此时启振座13在旋转过程中产生轴向位移，带动承冲座16在轴线方向上下周期性的移动。

当启振座13轴向位移增加时，将位移递给连接套14，并且连接套14在轴线方向上移动，带动振动套12沿轴向方向上移动。振动套12压缩弹簧10，使弹簧10能够储层能量，同时承冲座16和花键套连接更紧密。

当启振座13轴向位移减小时，带动承冲座16在轴线上沿下运动，并且弹簧10中的储层的能量不断地释放。由于启振座13里面的滚珠径向位移速度不是均匀的，使得弹簧在释放能量中弹簧并不是均匀的伸长，于是对振动套12产生周期性的冲击。

振动套12将冲击力通过连接套14传递给冲击头15，接着冲击头15对承冲座16再产生冲击，承冲座16将冲击力传递给钻头，使得钻头作用在岩石层上的冲击力周期性的变化。

当然，在钻进过程中，泥浆一部分沿过流套1、第一主轴6、承冲座16、第二主轴23的轴心方向运动来带动钻头破碎岩石，另一部分对TC径向轴承4与滚动球轴承5进行润滑，还有一部分泥浆直接和弹簧10一起对振动套12产生冲击，并且可以来润滑钢球32。

过流套1和第一主轴6连接螺纹处具有观察孔用来观察在装配时螺纹在旋入时是否到位；主轴锁紧螺母3用来限制TC径向轴承4和滚动球轴承5在第一主轴6上的位置。第一外壳2上部用来连接涡轮马达、螺杆马达或电动马达等形式马达外壳。第一外壳2、中间接头7、第二外壳11用来轴向和径向定位钻具，能够经受由于轴向载荷和横向应力产生的挠曲和纵向弯曲，是由高质量的锻钢棒料钻孔镗孔而成，热处理并且精磨内孔。

第一外壳2上可安装叶片，相当于稳定器的作用，可以满足钻直井时防止井斜的要求，钻定向井时可起到控制井眼轨迹的作用，还可以提高钻头工作的稳定性，从而延长钻头使用寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。