本發(fā)明涉及石油及天然氣開采，特別是涉及一種軸扭耦合沖擊工具。
背景技術：
1、隨著石油天然氣勘探開發(fā)不斷深入，深層和特深層難動用油氣資源被逐漸重視和發(fā)現(xiàn)，開發(fā)潛力巨大。而深部地層巖石硬度高及復雜的環(huán)境特性導致了鉆速慢、鉆井周期長等問題，嚴重制約了油氣資源的勘探開發(fā)進程。提高破巖效率進而提高鉆井速度成為亟待解決的問題。機械沖擊輔助破巖技術是提高機械鉆速的技術之一，其關鍵在于設計出近鉆頭沖擊器。在旋轉鉆井的基礎上，利用沖擊器產(chǎn)生機械沖擊，以增加鉆頭的破巖能力，提高破巖效率。
2、當前市場上應用的沖擊器類型主要有軸向沖擊器和扭力沖擊器兩種。軸向沖擊器能夠對鉆頭產(chǎn)生軸向沖擊載荷，增加切削齒的切削深度。扭轉沖擊器能夠對鉆頭產(chǎn)生扭轉沖擊載荷，降低鉆頭的粘滑振動。兩種沖擊形式耦合破碎巖石效果更好，因此有學者提出了軸-扭耦合沖擊器的概念，也稱復合沖擊器、多維度沖擊器。但是當前關于軸-扭耦合沖擊器的設計大部分僅是軸向沖擊器和扭力沖擊器簡單的疊加，因此存在以下問題：工具較長，影響定向造斜能力和在彎曲井段的通過能力；能量傳遞路徑復雜，導致能量傳遞效率較低，從而影響了鉆頭的破巖效果；扭力沖擊器仍通過換向器改變流體通道實現(xiàn)扭力沖擊，結構存在死點；結構復雜，制造和維護成本較高，不利于大規(guī)模應用。
3、綜上所述，如何有效地解決深部地層巖石硬度較高、井況復雜造成的鉆進速度慢、周期長等問題，是目前本領域技術人員急需解決的問題。
技術實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的是提供一種軸扭耦合沖擊工具，該軸扭耦合沖擊工具能簡便高效的同時實現(xiàn)軸沖和扭沖，提高鉆井速度，縮短建井周期，實現(xiàn)油氣資源的經(jīng)濟高效開采。
2、為解決上述技術問題，本發(fā)明提供如下技術方案：
3、一種軸扭耦合沖擊工具，包括殼體、安裝于所述殼體內腔上部的動力機構、上端與所述動力機構連接的旋轉芯軸、與所述旋轉芯軸下端同軸配合的下接頭和沖錘，所述殼體下端與所述下接頭臺階面抵接，所述下接頭上端設有縱向分布的兩個柱狀凸起，所述柱狀凸起上設有周向貫通凹槽，所述柱狀凸起之間形成柱狀凹槽，所述沖錘裝配于所述柱狀凹槽內，所述沖錘內側有橫向貫穿的傾斜連續(xù)凹槽，所述傾斜連續(xù)凹槽與周向貫通凹槽相對接，所述旋轉芯軸的下段外徑設置有兩個與所述周向貫通凹槽和傾斜連續(xù)凹槽相配合的芯軸凸起，所述傾斜連續(xù)凹槽沿所述芯軸凸起移動且所述芯軸凸起能夠卡于所述周向貫通凹槽中。
4、可選地，還包括與所述殼體下端固定連接的防掉接頭，所述防掉接頭下端面具有凹凸臺，所述下接頭臺階面具有與所述凹凸臺相嚙合的凸凹臺肩。
5、可選地，所述防掉接頭外徑分為兩段，上段車有與殼體下端的第二內螺紋固定連接的公螺紋，所述凹凸臺設置于下段的下端面。
6、可選地，還包括防掉卡環(huán)，所述防掉卡環(huán)固定安裝于所述下接頭的上端，所述防掉卡環(huán)的外徑比所述防掉接頭的內徑小。
7、可選地，所述傾斜連續(xù)凹槽與周向貫通凹槽的槽底面平齊，起始狀態(tài)時，所述旋轉芯軸的芯軸凸起卡于所述周向貫通凹槽中。
8、可選地，所述柱狀凸起和所述沖錘內徑與所述旋轉芯軸下段外徑間隙配合。
9、可選地，所述下接頭包括上部的小徑段和下部的大徑段，所述柱狀凸起設置于小徑段，所述凸凹臺肩設置于大徑段和小徑段的臺階面上，所述大徑段的下端內腔留有與下部鉆頭連接的母接頭。
10、可選地，所述殼體的內腔由上到下分為四段，第一段內有與上部鉆柱連接的第一內螺紋，第一段、第二段、第三段內徑依次減小，第一段和第二段形成第一臺肩，第二段和第三段形成第二臺肩，第四段下部有與所述防掉接頭固定連接的第二內螺紋。
11、可選地，所述動力機構包括上扶正軸承、轉子、定子和轉換接頭，所述轉子上端與上扶正軸承內圈連接，所述上扶正軸承配合坐于第一臺肩上，所述轉子下端與轉換接頭內圈連接，所述轉換接頭坐于第二臺肩上，所述定子壓緊固定于所述上扶正軸承和轉換接頭之間，所述定子內腔與轉子旋轉配合。
12、可選地，所述旋轉芯軸外徑由上下兩段組成，上段為實心柱體，上段和所述轉換接頭通過螺紋固定連接，下段為中空腔體，下段上端設置有多個傾斜流道，所述傾斜流道連通所述旋轉芯軸外環(huán)空腔與所述旋轉芯軸內腔。
13、本發(fā)明的有益效果在于，軸扭耦合沖擊工具包括殼體、動力機構、旋轉芯軸、下接頭和沖錘。殼體具有內腔，動力機構安裝于殼體的內腔上部，動力機構提供旋轉動力。旋轉芯軸的上端與動力機構固定連接，動力機構驅動旋轉芯軸旋轉。殼體下端與下接頭臺階面抵接，以傳遞上部鉆柱傳遞下來的扭矩。殼體的上端和下接頭下端均設置有接頭，以與上部鉆柱和下部鉆頭連接。
14、旋轉芯軸下段從上至下依次、下接頭上端以及沖錘同軸配合，下接頭和沖錘與旋轉芯軸套裝配合。旋轉芯軸的下段外徑設置有兩個芯軸凸起，兩個芯軸凸起對稱分布，芯軸凸起具體可以為圓柱形凸起，芯軸凸起帶動沖錘運動實現(xiàn)軸向和周向的沖擊作用。
15、下接頭上端設有縱向對稱切割分布的兩個柱狀凸起，形成對稱分布的凸起柱狀結構。柱狀凸起之間形成柱狀凹槽，沖錘成對分布于下接頭上部柱狀凸起形成的柱狀凹槽內，柱狀凹槽的側壁與沖錘的外壁配合，沖錘內側與旋轉芯軸下段外徑配合，沖錘可在下接頭形成的空間內上下自由運動。
16、柱狀凸起上設有周向貫通凹槽，以允許旋轉芯軸旋轉過程中芯軸凸起通過。沖錘內側有橫向貫穿的傾斜連續(xù)凹槽，傾斜連續(xù)凹槽與周向貫通凹槽相對接，旋轉芯軸的下段外徑設置有兩個與周向貫通凹槽和傾斜連續(xù)凹槽相配合的芯軸凸起，傾斜連續(xù)凹槽與芯軸凸起配合。傾斜連續(xù)凹槽沿芯軸凸起移動且芯軸凸起能夠卡于周向貫通凹槽中。芯軸凸起沿傾斜連續(xù)凹槽移動并帶動沖錘上移，同時由于旋轉芯軸的旋轉速度遠遠高于下接頭的轉動速度，因此旋轉芯軸對沖錘進而對下接頭也產(chǎn)生了一個周向的扭力沖擊。當芯軸凸起旋轉至下接頭上段柱狀凸起部位時，沖錘在重力作用下完成了對下接頭的一次軸沖作用。沖錘對下接頭的周向和軸向沖擊進而會傳遞至鉆頭。
17、本發(fā)明所提供的軸扭耦合沖擊工具，在一個工具結構內同時實現(xiàn)了軸沖并帶動了扭沖，以提高鉆井速度，縮短建井周期，實現(xiàn)油氣資源的經(jīng)濟高效開采，輔助破巖效果更好；工具長度較短，適用于造斜井段；利用鉆井液動能轉換為旋轉機械能，不需要額外補充能量；工作過程中沒有閥門的閉合，沒有工作死點，鉆井液沖蝕也比較弱；結構簡單，易于實現(xiàn)，成本較低。
1.一種軸扭耦合沖擊工具，其特征在于，包括殼體(1)、安裝于所述殼體(1)內腔上部的動力機構、上端與所述動力機構連接的旋轉芯軸(4)、與所述旋轉芯軸(4)下端同軸配合的下接頭(8)和沖錘(6)，所述殼體(1)下端與所述下接頭(8)臺階面抵接，所述下接頭(8)上端設有縱向分布的兩個柱狀凸起(801)，所述柱狀凸起(801)上設有周向貫通凹槽(802)，所述柱狀凸起(801)之間形成柱狀凹槽，所述沖錘(6)裝配于所述柱狀凹槽內，所述沖錘(6)內側有橫向貫穿的傾斜連續(xù)凹槽(601)，所述傾斜連續(xù)凹槽(601)與周向貫通凹槽(802)相對接，所述旋轉芯軸(4)的下段外徑設置有兩個與所述周向貫通凹槽(802)和傾斜連續(xù)凹槽(601)相配合的芯軸凸起(402)，所述傾斜連續(xù)凹槽(601)沿所述芯軸凸起(402)移動且所述芯軸凸起(402)能夠卡于所述周向貫通凹槽(802)中。
2.根據(jù)權利要求1所述的軸扭耦合沖擊工具，其特征在于，還包括與所述殼體(1)下端固定連接的防掉接頭(7)，所述防掉接頭(7)下端面具有凹凸臺，所述下接頭(8)臺階面具有與所述凹凸臺相嚙合的凸凹臺肩(803)。
3.根據(jù)權利要求2所述的軸扭耦合沖擊工具，其特征在于，所述防掉接頭(7)外徑分為兩段，上段車有與殼體(1)下端的第二內螺紋固定連接的公螺紋，所述凹凸臺設置于下段的下端面。
4.根據(jù)權利要求2所述的軸扭耦合沖擊工具，其特征在于，還包括防掉卡環(huán)(5)，所述防掉卡環(huán)(5)固定安裝于所述下接頭(8)的上端，所述防掉卡環(huán)(5)的外徑比所述防掉接頭(7)的內徑小。
5.根據(jù)權利要求4所述的軸扭耦合沖擊工具，其特征在于，所述傾斜連續(xù)凹槽(601)與周向貫通凹槽(802)的槽底面平齊，起始狀態(tài)時，所述旋轉芯軸(4)的芯軸凸起(402)卡于所述周向貫通凹槽(802)中。
6.根據(jù)權利要求4所述的軸扭耦合沖擊工具，其特征在于，所述柱狀凸起(801)和所述沖錘(6)內徑與所述旋轉芯軸(4)下段外徑間隙配合。
7.根據(jù)權利要求2所述的軸扭耦合沖擊工具，其特征在于，所述下接頭(8)包括上部的小徑段和下部的大徑段，所述柱狀凸起(801)設置于小徑段，所述凸凹臺肩(803)設置于大徑段和小徑段的臺階面上，所述大徑段的下端內腔留有與下部鉆頭連接的母接頭。
8.根據(jù)權利要求2-7任一項所述的軸扭耦合沖擊工具，其特征在于，所述殼體(1)的內腔由上到下分為四段，第一段內有與上部鉆柱連接的第一內螺紋，第一段、第二段、第三段內徑依次減小，第一段和第二段形成第一臺肩，第二段和第三段形成第二臺肩，第四段下部有與所述防掉接頭(7)固定連接的第二內螺紋。
9.根據(jù)權利要求8所述的軸扭耦合沖擊工具，其特征在于，所述動力機構包括上扶正軸承(201)、轉子(202)、定子(203)和轉換接頭(3)，所述轉子(202)上端與上扶正軸承(201)內圈連接，所述上扶正軸承(201)配合坐于第一臺肩上，所述轉子(202)下端與轉換接頭(3)內圈連接，所述轉換接頭(3)坐于第二臺肩上，所述定子(203)壓緊固定于所述上扶正軸承(201)和轉換接頭(3)之間，所述定子(203)內腔與轉子(202)旋轉配合。
10.根據(jù)權利要求9所述的軸扭耦合沖擊工具，其特征在于，所述旋轉芯軸(4)外徑由上下兩段組成，上段為實心柱體，上段和所述轉換接頭(3)通過螺紋固定連接，下段為中空腔體，下段上端設置有多個傾斜流道(401)，所述傾斜流道(401)連通所述旋轉芯軸(4)外環(huán)空腔與所述旋轉芯軸(4)內腔。