一种石油钻井工具

摘要

本发明涉及一种石油钻井工具，尤其涉及一种用于硬质地层的石油钻井提速工具，属于石油钻井技术领域。主要包括上接头、外壳、下接头，在外壳内自上而下依次设有阀体、分流件、弹簧、冲锤、射流件，分流件与上接头螺纹连接，阀体通过弹簧与分流件滑动连接，射流件与下接头螺纹连接，冲锤滑动安装在分流件与射流件之间，分流件在液力差作用下向上运动堵住流道，然后在水击作用向下运动对钻头产生轴向冲击；同时，射流件对钻头产生射流冲击，通过双重冲击增大钻压，增大岩石的吃入深度，提高机械钻速。此外，外壳内壁与外壁均产生驱动钻头旋转的扭矩，减小钻头的转动波动，避免或减小粘滑振动，进而提高破岩效率、加快钻井速度。

权利要求

1.一种石油钻井工具，包括上接头、外壳、下接头，所述上接头一端与钻杆螺纹连接，另一端与外壳螺纹连接，所述外壳另一端与下接头螺纹连接，所述下接头另一端与PDC钻头螺纹连接，其特征在于，所述外壳内部自上而下依次设置有与上接头螺纹连接的分流件、与分流件滑动连接的冲锤以及与下接头螺纹连接的射流件，所述外壳内壁开设有螺旋状且横截面为圆弧的螺旋滑道，所述冲锤外壁开设有呈螺旋状分布且横截面为圆弧的多个第一球座，所述螺旋滑道与呈螺旋状分布的多个第一球座相互配合形成呈螺旋状分布的多个球形容置空间，所述球形容置空间内设置有第一滚动体且第一滚动体与球形容置空间之间存在间隙，所述冲锤通过第一滚动体在外壳的螺旋滑道内向下做螺旋运动时，其旋转方向与钻头钻进时的旋转方向一致，产生驱动钻头旋转的扭矩，所述外壳外壁开设有螺旋状分布且横截面为优弧的多个第二球座，所述第二球座内设置有第二滚动体且在第二滚动体与第二球座之间存在间隙，所述外壳外壁的多个第二球座形成的螺旋线的旋向与钻头钻进时的旋转方向一致，当第二滚动体与井壁接触摩擦时产生驱动钻头旋转的扭矩，所述上接头为中空的回转体结构，其中空部分包括第一流道和第二流道，所述分流件为中空的回转体结构，其中空部分包括第九流道，所述冲锤包括冲锤本体，所述冲锤本体底部设置有圆柱状的冲头，在冲头之间开设有贯穿的矩形槽形成第十五流道，所述冲锤本体上部设置有环形凹槽，该环形凹槽与分流件下表面之间形成第十流道，所述环形凹槽中间设置有圆锥状的封堵凸台，在封堵凸台圆周方向均匀开设有多个倾斜的圆柱通孔形成第十三流道，所述环形凹槽分界面的面积小于冲锤本体与冲头分界面的面积，所述射流件为空心回转体结构，其中空部分包括自上而下依次设置的第十六流道、第十七流道、第十八流道、第十九流道，所述下接头为空心回转体结构，其中空部分包括第二十流道和第二十一流道，所述冲锤、射流件以及外壳之间围成的空间形成第十四流道。

2.根据权利要求1所述的石油钻井工具，其特征在于，所述外壳的螺旋滑道的长度大于由一列第一滚动体在冲锤外壁的第一球座内等间距分布所形成螺旋凸起的长度，并且外壳的螺旋滑道的导程、旋向分别与螺旋凸起导程、旋向一致。

3.根据权利要求2所述的石油钻井工具，其特征在于，由一列第二滚动体在外壳外壁的第二球座内等间距分布所形成螺旋凸起的长度大于由一列第一滚动体在冲锤外壁的第一球座内等间距分布所形成螺旋凸起的长度，并且外壳外壁形成的螺旋凸起的导程、旋向分别与冲锤外壁形成的螺旋凸起的导程、旋向一致。

4.根据权利要求3所述的石油钻井工具，其特征在于，所述分流件下端外壁与所述冲锤上端内壁之间形成泄压环空，在所述外壳的螺旋滑道上方开设有两个呈180°分布的阶梯状通孔用于形成第十一流道和第十二流道，所述泄压环空与阶梯状通孔相通并且在所述阶梯状通孔内设置有过滤丝堵。

5.根据权利要求4所述的石油钻井工具，其特征在于，所述过滤丝堵包括外盖板、通过连接杆与外盖板连接的内盖板、底板、以及连接内盖板与底板的侧壁，所述内盖板上开设有多个上透气孔，所述底板上开设有下透气孔，所述侧壁直径与十一流道直径相等，所述外盖板直径小于第十二流道，所述过滤丝堵长度尺寸小于所述外壳的壁厚，并且所述过滤丝堵的外盖板位于外壳外壁内侧。

6.根据权利要求3所述的石油钻井工具，其特征在于，所述外壳内还设置有阀体以及将阀体抵靠在上接头下端面的弹簧，所述外壳第二流道出口设置有45°圆锥面，所述阀体为中空回转体机构，其中空部分形成第三流道，所述阀体包括阀体粗部和阀体细部，在阀体粗部上端设置有45°圆锥面，在阀体细部外侧套装弹簧，所述弹簧一端与阀体粗部连接，另一端与分流件连接。

7.根据权利要求3所述的石油钻井工具，其特征在于，所述分流件为回转体中空结构，包括自上而下依次设置的连接部、分流部以及过流部，所述连接部设有外螺纹，其内部空间分为上下两部分，上部空间设置有支撑部，上部空间内侧的台阶面为弹簧承载台，下部空间中间形成第九流道，在第九流道设置有环形的减重环空，所述分流部自上而下依次设有两排过流孔分别形成第五流道与第六流道，所述外壳开设有与第五流道与第六流道一一对应的第七流道与第八流道，所述支撑部外壁与上部空间内壁之间的环形空间形成第四流道。

8.根据权利要求7所述的石油钻井工具，其特征在于，所述分流件与外壳之间还设置有上密封，所述分流部在第五流道与第六流道的上部与下部均开设有环形的上密封槽，在所述上密封槽内设置有上密封。

9.根据权利要求3所述的石油钻井工具，其特征在于，所述射流件为回转体中空结构，包括自上而下依次设置的撞击部、射流部以及连接部，所述撞击部为圆柱状凸台，其直径不小于冲头的直径，所述射流部上端在撞击部圆周方向均匀开设有多个圆形通孔形成第十六流道，在射流部中心自上而下开设有倒圆锥状的第十七流道、圆柱状的第十八流道以及圆锥状的第十九流道，所述连接部设有外螺纹。

10.根据权利要求9所述的石油钻井工具，其特征在于，所述射流件与外壳之间还设置有下密封，所述射流部外壁自上而下开设有两个环形的下密封槽，在所述下密封槽内设置有下密封。

说明书

一种石油钻井工具

技术领域

[0001] 本发明涉及一种石油钻井工具，尤其涉及一种用于硬质地层的石油钻井提速工具，属于石油钻井技术领域。

背景技术

[0002] 随着石油、天然气资源的不断勘探开发，钻井技术的不断发展，钻井深度越来越深，钻井过程中所遇地层岩石硬度也越来越高，这就减缓了钻井速度，提高了钻井成本。而
现有的传统旋转钻井技术并不能很好的满足高速钻井的要求，如何提高破岩效率、加快钻
井速度成为了钻井过程中的一个重要问题。

[0003] 石油钻井工程中，首要目标是提高机械钻速。目前石油钻进方式是通过钻杆带动钻头转动，通过钻头对岩石进行剪切、冲击来实现破岩。破碎的岩石通过钻井液被携带出地
面。整个钻进过程为钻头被钻柱提供的静压力压在岩石上端，而通过钻柱传递到钻头处的
扭矩驱动钻头转动，驱动方式包括转盘、顶驱及井下动力钻具提供。

[0004] 钻头是整个钻井过程中最重要的一部分，直接关系到破岩效率。其中，PDC钻头是目前使用较多、效果较好的钻头，它主要通过切削、剪切和挤压方式破碎地层。影响PDC钻头
破岩效率的参数主要包括钻压和扭矩，钻压是影响PDC钻头切削刃吃入岩石深度的主要参
数，而吃入深度可以理解为单圈切削岩石的体积，钻压越大，切削刃吃入岩石的深度越大，
机械钻速越高；扭矩是影响切削效率的参数，扭矩越高，剪切力越大，切削岩石越顺畅，钻头
转动波动越小。

[0005] 研究发现，PDC钻头在钻硬质地层时，容易出现以下两个问题：(1)钻头的转动波动较大，粘滑振动较为严重；(2)钻头吃入深度不够，机械钻速较低。以上两个问题是限制PDC
钻头在硬质地层中破岩效率与钻井速度的决定因素。

[0006] 由此可见，为了在硬质地层钻进时，能够提高破岩效率、加快钻井速度，使用PDC钻头钻进是一种有效的方法，但是同时需要解决PDC钻头在钻硬质地层时出现的粘滑振动和
吃入深度不够这两个问题。

发明内容

[0007] 本发明所要解决的技术问题是：在使用PDC钻头对硬质地层钻进时，解决PDC钻头在钻硬质地层时出现的粘滑振动和吃入深度不够这两个问题，从而达到提高破岩效率、加
快钻井速度的目的，使得PDC钻头能够在硬质地层钻进时推广应用。

[0008] 为达到上述目的，本发明提供了一种石油钻井工具，包括上接头、外壳、下接头，所述上接头一端与钻杆螺纹连接，另一端与外壳螺纹连接，所述外壳另一端与下接头螺纹连
接，所述下接头另一端与PDC钻头螺纹连接，其特征在于，所述外壳内部自上而下依次设置
有与上接头螺纹连接的分流件、与分流件滑动连接的冲锤以及与下接头螺纹连接的射流
件，所述外壳内壁开设有螺旋状且横截面为圆弧的螺旋滑道，所述冲锤外壁开设有呈螺旋
状分布且横截面为圆弧的多个第一球座，所述螺旋滑道与呈螺旋状分布的多个第一球座相
互配合形成呈螺旋状分布的多个球形容置空间，所述球形容置空间内设置有第一滚动体且
第一滚动体与球形容置空间之间存在间隙，所述冲锤通过第一滚动体在外壳的螺旋滑道内
向下做螺旋运动时，其旋转方向与钻头钻进时的旋转方向一致，产生驱动钻头旋转的扭矩，
所述外壳外壁开设有螺旋状分布且横截面为优弧的多个第二球座，所述第二球座内设置有
第二滚动体且在第二滚动体与第二球座之间存在间隙，所述外壳外壁的多个第二球座形成
的螺旋线的旋向与钻头钻进时的旋转方向一致，当第二滚动体与井壁接触摩擦时产生驱动
钻头旋转的扭矩，所述上接头为中空的回转体结构，其中空部分包括第一流道和第二流道，
所述分流件为中空的回转体结构，其中空部分包括第九流道，所述冲锤包括冲锤本体，所述
冲锤本体底部设置有圆柱状的冲头，在冲头之间开设有贯穿的矩形槽形成第十五流道，所
述冲锤本体上部设置有环形凹槽，该环形凹槽与分流件下表面之间形成第十流道，所述环
形凹槽中间设置有圆锥状的封堵凸台，在封堵凸台圆周方向均匀开设有多个倾斜的圆柱通
孔形成第十三流道，所述环形凹槽分界面的面积小于冲锤本体与冲头分界面的面积，所述
射流件为空心回转体结构，其中空部分包括自上而下依次设置的第十六流道、第十七流道、
第十八流道、第十九流道，所述下接头为空心回转体结构，其中空部分包括第二十流道和第
二十一流道，所述冲锤、射流件以及外壳之间围成的空间形成第十四流道。

[0009] 作为本技术方案的进一步改进，所述外壳的螺旋滑道的长度大于由一列第一滚动体在冲锤外壁的第一球座内等间距分布所形成螺旋凸起的长度，并且外壳的螺旋滑道的导
程、旋向分别与螺旋凸起导程、旋向一致。

[0010] 作为本技术方案的进一步改进，由一列第二滚动体在外壳外壁的第二球座内等间距分布所形成螺旋凸起的长度大于由一列第一滚动体在冲锤外壁的第一球座内等间距分
布所形成螺旋凸起的长度，并且外壳外壁形成的螺旋凸起的导程、旋向分别与冲锤外壁形
成的螺旋凸起的导程、旋向一致。

[0011] 作为本技术方案的进一步改进，所述分流件下端外壁与所述冲锤上端内壁之间形成泄压环空，在所述外壳的螺旋滑道上方开设有两个呈180°分布的阶梯状通孔用于形成第
十一流道和第十二流道，所述泄压环空与阶梯状通孔相通并且在所述阶梯状通孔内设置有
过滤丝堵。

[0012] 作为本技术方案的进一步改进，所述过滤丝堵包括外盖板、通过连接杆与外盖板连接的内盖板、底板、以及连接内盖板与底板的侧壁，所述内盖板上开设有多个上透气孔，
所述底板上开设有下透气孔，所述侧壁直径与十一流道直径相等，所述外盖板直径小于第
十二流道，所述过滤丝堵长度尺寸小于所述外壳的壁厚，并且所述过滤丝堵的外盖板位于
外壳外壁内侧。

[0013] 作为本技术方案的进一步改进，所述外壳内还设置有阀体以及将阀体抵靠在上接头下端面的弹簧，所述外壳第二流道出口设置有45°圆锥面，所述阀体为中空回转体机构，
其中空部分形成第三流道，所述阀体包括阀体粗部和阀体细部，在阀体粗部上端设置有45°
圆锥面，在阀体细部外侧套装弹簧，所述弹簧一端与阀体粗部连接，另一端与分流件连接。

[0014] 作为本技术方案的进一步改进，所述分流件为回转体中空结构，包括自上而下依次设置的连接部、分流部以及过流部，所述连接部设有外螺纹，其内部空间分为上下两部
分，上部空间设置有支撑部，上部空间内侧的台阶面为弹簧承载台，下部空间中间形成第九
流道，在第九流道设置有环形的减重环空，所述分流部自上而下依次设有两排过流孔分别
形成第五流道与第六流道，所述外壳开设有与第五流道与第六流道一一对应的第七流道与
第八流道，所述支撑部外壁与上部空间内壁之间的环形空间形成第四流道。

[0015] 作为本技术方案的进一步改进，所述分流件与外壳之间还设置有上密封，所述分流部在第五流道与第六流道的上部与下部均开设有环形的上密封槽，在所述上密封槽内设
置有上密封。

[0016] 作为本技术方案的进一步改进，所述射流件为回转体中空结构，包括自上而下依次设置的撞击部、射流部以及连接部，所述撞击部为圆柱状凸台，其直径不小于冲头的直
径，所述射流部上端在撞击部圆周方向均匀开设有多个圆形通孔形成第十六流道，在射流
部中心自上而下开设有倒圆锥状的第十七流道，圆柱状的第十八流道以及圆锥状的第十九
流道，所述连接部设有外螺纹。

[0017] 作为本技术方案的进一步改进，所述射流件与外壳之间还设置有下密封，所述射流部外壁自上而下开设有两个环形的下密封槽，在所述下密封槽内设置有下密封。

[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

[0019] (1)本发明冲锤下表面的受力面积大于上表面，冲锤会在压力差作用下向上做螺旋运动直至封堵凸台运动到最上端将第十九流道堵死，第十九流道堵死后会在冲锤上端产
生水击效应，在水击效应作用下冲锤会在第一滚动体会沿着外壳的螺旋滑道滚动，进而驱
动冲锤沿着外壳向下做螺旋运动，当运动到最下端时对射流件产生轴向冲击，轴向冲击力
通过下接头传递给钻头，同时钻井液经过第十八流道对下方的钻头产生射流冲击，通过双
重冲击增大钻压，增大岩石的吃入深度，提高机械钻速，从而达到提高破岩效率、加快钻井
速度的目的。

[0020] (2)冲锤通过第一滚动体在外壳的螺旋滑道内向下做螺旋运动时，其旋转方向与钻头钻进时的旋转方向一致，产生驱动钻头旋转的扭矩，从而减小钻头的转动波动，避免或
减小粘滑振动，提高破岩效率、加快钻井速度。外壳外壁的一列第二球座形成的螺旋线的旋
向与钻头钻进时的旋转方向一致，当第二滚动体与井壁接触摩擦时产生驱动钻头旋转的扭
矩，减小钻头的转动波动，避免或减小粘滑振动，进一步提高破岩效率、加快钻井速度。

[0021] (3)当从第一流道流入的钻井液流量较大超出设定值时，阀体会克服弹簧的弹性力向下运动，此时第二流道与第四流道连通，分流件起到分流作用，来自第二流道的钻井液
一部分流入第三流道，另一部分则流入第四流道，保证在流量较大时流入冲锤进行轴向冲
击与射流冲击的流量基本不变。流入第四流道中的钻井液通过分流件上的第五流道、第六
流道以及外壳上的第七流道、第八流道排出到外壳外壁、套管内壁以及二者之间的外部环
空中，一方面能够清洗套管壁便于钻井作业的进行，另一方面能够清洗外壳上设置的第二
滚动体，对其起到冷却与润滑的作用，进而进一步降低对第二滚动体的磨损提高使用寿命。

附图说明

[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可
以根据这些附图获得其他的附图。

[0023] 图1为本发明实施例的整体结构示意图；

[0024] 图2为本发明实施例图1中N‑N截面剖视图；

[0025] 图3为本发明实施例图2中A‑A截面剖视图；

[0026] 图4为本发明实施例图2中B‑B截面剖视图；

[0027] 图5为本发明实施例图2中C‑C截面剖视图；

[0028] 图6为本发明实施例图2中D‑D截面剖视图；

[0029] 图7为本发明实施例图2中P处放大结构示意图；

[0030] 图8为本发明实施例图2中Q处放大结构示意图；

[0031] 图9为本发明实施例外壳的剖视图；

[0032] 图10为本发明实施例射流件的剖视图；

[0033] 图11为本发明实施例冲锤的结构示意图；

[0034] 图12为本发明实施例图11中M‑M截面剖视图；

[0035] 图13为本发明实施例分流件的剖视图。

[0036] 附图说明

[0037] 1、上接头，2、外壳，3、下接头，4、阀体，5、分流件，6、弹簧，7、过滤丝堵，8、冲锤，9、射流件，10、上密封，11、下密封，12、螺旋滑道，13、第一球座，14、第一滚动体，15、第二球座，
16、第二滚动体，17、减重环空，18、上密封槽，19、下密封槽，20、泄压环空；L1、第一流道，L2、
第二流道，L3、第三流道，L4、第四流道，L5、第五流道，L6、第六流道，L7、第七流道，L8、第八
流道，L9、第九流道，L10、第十流道，L11、第十一流道，L12、第十二流道，L13、第十三流道，
L14、第十四流道，L15、第十五流道，L16、第十六流道，L17、第十七流道，L18、第十八流道，
L19、第十九流道，L20、第二十流道，L21、第二十一流道；401、阀体粗部，402、阀体细部，501、
连接部，502、分流部，503、过流部，504、支撑部，505、弹簧承载台，701、外盖板，702、内盖板，
703、连接杆，704、侧壁，705、底板、706、上透气孔，707、下透气孔，801、冲锤本体，802、冲头，
803、环形凹槽，804、封堵凸台，901、撞击部，902、射流部，903、连接部。

具体实施方式

[0038] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0039] 本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”和“第八”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描
述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描
述的本发明的实施例能够除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

[0040] 此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些
步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它
步骤或单元。

[0041] 本发明一种石油钻井工具主要包括上接头、外壳、下接头，其中外壳一端与上接头螺纹连接，另一端与下接头螺纹连接，在外壳内自上而下依次设有阀体、分流件、弹簧、冲
锤、射流件，其中，分流件与上接头螺纹连接，阀体通过弹簧与分流件滑动连接，射流件与下
接头螺纹连接，冲锤滑动安装在分流件与射流件之间，分流件在液力差作用下向上运动堵
住流道，然后在水击作用向下运动对钻头产生轴向冲击，同时射流件对钻头产生射流冲击，
通过双重冲击增大钻压，增大岩石的吃入深度，提高机械钻速；外壳内壁与外壁均产生驱动
钻头旋转的扭矩，减小钻头的转动波动，避免或减小粘滑振动，进而提高破岩效率、加快钻
井速度；分流件起到分流作用，保证在流量较大时流入冲锤进行轴向冲击与射流冲击的流
量基本不变。

[0042] 下面结合附图1‑附图13以及具体的实施例对本发明所要求保护的技术方案进行详细说明。

[0043] 本发明的第一实施例：

[0044] 参考附图1至附图6所示，本发明一种石油钻井工具，包括上接头1、外壳2、下接头3，其中，上接头1为中空的回转体结构，其中空部分包括第一流道L1和第二流道L2，其中第
一流道L1设置有螺纹主要用于与上部钻杆螺纹连接传递扭矩与运动，同时第一流道L1与第
二流道L2为钻井液提供过流通道。上接头1下端外侧设有外螺纹与外壳2上端螺纹连接，上
接头1下端内侧设置有内螺纹与分流件5上端螺纹连接，同时，分流件5外径与外壳2内径相
等。外壳2为中空的回转体结构，其上下两端均设置有内螺纹。下接头3为中空的回转体结
构，其中空部分包括第二十流道L20和第二十一流道L21，其中第二十一流道L21设置有螺纹
主要用于与下部PDC钻头螺纹连接传递扭矩与运动，同时第二十流道L20和第二十一流道
L21为钻井液提供过流通道。下接头3上端外侧设置有外螺纹与外壳2下端螺纹连接，下接头
3上端内侧设置有内螺纹与射流件9上端螺纹连接。同时，射流件9外径与外壳2内径相等。

[0045] 参考附图2、附图5、附图9、附图11所示，外壳2内部自上而下依次设置有与上接头1螺纹连接的分流件5、与分流件5滑动连接的冲锤8以及与下接头3螺纹连接的射流件9，其
中，外壳2内壁开设有螺旋状且横截面为圆弧的螺旋滑道12，其中圆弧优选为半圆弧。在冲
锤8外壁开设有呈螺旋状分布且横截面为圆弧的一列第一球座13，其中圆弧优选为半圆弧
也即第一球座13形状为半球。螺旋滑道12与呈螺旋状分布的一列第一球座13相互配合形成
呈螺旋状分布的一列球形容置空间，并在球形容置空间内设置有第一滚动体14且第一滚动
体14与球形容置空间之间存在间隙，也即第一滚动体14的直径略小于球形容置空间的直径
保证第一滚动体14能在球形容置空间内自由转动，以便第一滚动体14在运动时对钢球产生
的磨损会分布在第一滚动体14整个表面，有效避免局部磨损提高其使用寿命，由于第一滚
动体14与其配合的部件之间为滚动摩擦，因此能够降低第一滚动体14与第一球座13之间，
以及第一滚动体14与螺旋滑道12之间的摩损，提高第一球座13与螺旋滑道12的使用寿命。
冲锤8通过第一滚动体14在外壳2的螺旋滑道12内向下做螺旋运动时，其旋转方向与钻头钻
进时的旋转方向一致，产生驱动钻头旋转的扭矩，从而减小钻头的转动波动，避免或减小粘
滑振动，提高破岩效率、加快钻井速度。外壳2外壁开设有螺旋状分布且横截面为优弧的一
列第二球座15，并且第二球座15内设置有第二滚动体16且在第二滚动体16与第二球座15之
间存在间隙，也即第二滚动体16的直径略小于第二球座15的直径以保证第二滚动体16能在
第二球座15内自由转动，以便第二滚动体14在与套管壁接触时对球体产生的磨损会分布在
第二滚动体16整个表面，有效避免局部磨损提高其使用寿命。第二球座15横截面为优弧也
即第二球座15的形状为大于半球，目的在于避免安装在其内的第二滚动体16脱落。外壳2外
壁的一列第二球座15形成的螺旋线的旋向与钻头钻进时的旋转方向一致，当第二滚动体16
与井壁接触摩擦时产生驱动钻头旋转的扭矩，减小钻头的转动波动，避免或减小粘滑振动，
进一步提高破岩效率、加快钻井速度。

[0046] 参考附图2、附图12、附图13所示，分流件5为中空的回转体结构，其中空部分包括第九流道L9用于为钻井液提供过流通道。冲锤8包括冲锤本体801，冲锤本体801底部设置有
圆柱状的冲头802，在冲头802之间开设有贯穿的矩形槽形成第十五流道L15，主要目的在于
增大冲锤8下表面(冲锤本体801与冲头802交界面)的表面积，冲锤本体801上部设置有环形
凹槽803，该环形凹槽803与分流件5下表面之间形成第十流道L10用于为钻井液提供过流通
道。其中，环形凹槽803中间设置有圆锥状的封堵凸台804，在封堵凸台804圆周方向均匀开
设有多个倾斜的圆柱通孔形成第十三流道L13用于为钻井液提供过流通道，射流件9为空心
回转体结构，其中空部分包括自上而下依次设置的第十六流道L16、第十七流道L17、第十八
流道L18、第十九流道L19，冲锤8、射流件9以及外壳2之间围成的空间形成第十四流道L14，
以上流道均为钻井液提供过流通道。本发明将环形凹槽803分界面的面积设置为小于冲锤
本体801与冲头802分界面的面积，其目的在于钻井液经过时，在液力作用下冲锤8下表面的
受力面积大于上表面，冲锤8会在压力差作用下向上做螺旋运动直至封堵凸台804运动到最
上端将第十九流道L19堵死。

[0047] 本发明第一实施例的工作原理为：钻井液自上而下依次流经第一流道L1、第二流道L2、第九流道L9、第十流道L10、第十三流道L13、第十四流道L14、第十五流道L15、第十六
流道L16、第十七流道L17、第十八流道L18、第十九流道L19，第二十流道L20和第二十一流道
L21最终由钻头水眼射出，在此过程中，由于冲锤8下表面的受力面积大于上表面，因此冲锤
8会在压力差作用下向上做螺旋运动直至封堵凸台804运动到最上端将第十九流道L19堵
死，第十九流道L19堵死后会在冲锤8上端产生水击效应，在水击效应作用下冲锤8会在第一
滚动体14会沿着外壳2的螺旋滑道12滚动，进而驱动冲锤8沿着外壳2向下做螺旋运动，当运
动到最下端时对射流件9产生轴向冲击，轴向冲击力通过下接头3传递给钻头，同时钻井液
经过第十八流道L18对下方的钻头产生射流冲击，通过双重冲击增大钻压，增大岩石的吃入
深度，提高机械钻速，从而达到提高破岩效率、加快钻井速度的目的。同时，冲锤8通过第一
滚动体14在外壳2的螺旋滑道12内向下做螺旋运动时，其旋转方向与钻头钻进时的旋转方
向一致，产生驱动钻头旋转的扭矩，从而减小钻头的转动波动，避免或减小粘滑振动，提高
破岩效率、加快钻井速度。外壳2外壁的一列第二球座15形成的螺旋线的旋向与钻头钻进时
的旋转方向一致，当第二滚动体16与井壁接触摩擦时产生驱动钻头旋转的扭矩，减小钻头
的转动波动，避免或减小粘滑振动，进一步提高破岩效率、加快钻井速度。当冲锤8运动到最
下端完成对射流件9的轴向冲击后，水击效应得到充分释放，此时冲锤8下表面的受力面积
大于上表面，因此冲锤8会在压力差作用下再次向上做螺旋运动直至封堵凸台804运动到最
上端将第十九流道L19堵死，第十九流道L19堵死后会在冲锤8上端产生水击效应，在水击效
应作用下冲锤8会在第一滚动体14会沿着外壳2的螺旋滑道12滚动，进而驱动冲锤8沿着外
壳2向下做螺旋运动，当运动到最下端时对射流件9产生轴向冲击，轴向冲击力通过下接头3
传递给钻头，如此反复循环，产生周期性的轴向冲击。

[0048] 本发明为使得冲锤8能够沿外壳2向上或向下做螺旋运动，并起到向上运动封堵第九流道L9向下运动轴向冲击射流件9的作用。将外壳2的螺旋滑道12的长度设置为大于由一
列第一滚动体14在冲锤8外壁的第一球座13内等间距分布所形成螺旋凸起的长度，从而保
证冲锤8能够沿外壳2向上或向下做螺旋运动具有足够的运动距离；为使得冲锤8能够沿外
壳2向上或向下的螺旋运动能够顺畅进行，并且能够有效的传递扭矩，将外壳2的螺旋滑道
12的导程、旋向分别设置为与螺旋凸起导程、旋向一致。

[0049] 本发明为有效降低外壳2与套管内壁之间的摩擦，提高钻井工具的使用寿命，将由一列第二滚动体16在外壳2外壁的第二球座15内等间距分布所形成螺旋凸起的长度设置为
大于由一列第一滚动体14在冲锤8外壁的第一球座13内等间距分布所形成螺旋凸起的长
度，一方面变外壳2的直接滑动摩擦磨损为第二滚动体16的滚动摩擦磨损，保护外壳2不被
磨损损坏，另一方面在外壳2上设置更多的第二球座15安装更多的第二滚动体16，可以将滚
动摩擦分担到更多的受力部件上，进而提高受力部件也即第二滚动体16的使用寿命。为使
外壳2与套管内壁之间的摩擦力产生有助于钻头的驱动力矩，将外壳2外壁形成的螺旋凸起
的导程、旋向设置为分别与冲锤8外壁形成的螺旋凸起的导程、旋向一致。

[0050] 需要说明的是，虽然套管对第二滚动体16产生的摩擦力为阻力，但是阻力作用给第二滚动体16后，最终表现为第二滚动体16的滚动以及与第二球座15的不规则碰撞，整个
外壳上表现为一列第二滚动体16的部分与套管接触的第二滚动体16的滚动以及与第二球
座15的不规则碰撞，由于滚动方向与碰撞方向的不确定性会导致作用力接近相互平衡，在
外壳2外壁形成的螺旋凸起的导程、旋向设置为分别与冲锤8外壁形成的螺旋凸起的导程、
旋向一致时，会产生或倾向产生驱动钻头旋转方向的力矩。若外壳2外壁不做出上述设置的
话，套管对外壳的摩擦作用力不但会加速外壳的摩擦损坏以及发热变形，并且会持续产生
较大的阻碍力矩。

[0051] 本发明为使得冲锤8能够沿外壳2向上或向下做螺旋运动时能够不受内部气压的干扰，将分流件5下端外壁与冲锤8上端内壁之间形成泄压环空20与外部环空相通，具体是
通过在外壳2的螺旋滑道12上方开设有两个呈180°分布的阶梯状通孔用于形成第十一流道
L11和第十二流道L12，其中，第十一流道L11和第十二流道L12为气体过流通道，通过泄压环
空20与阶梯状通孔相通来保证冲锤8能够沿外壳2向上或向下做螺旋运动时能够不受内部
气压的干扰，以便能够顺畅进行。此外，为防止外界环空中的杂质通过阶梯状通孔进入外
壳，在阶梯状通孔内设置有过滤丝堵7。为实现在防止外界杂质进入外壳的前提下，能够让
气体顺利在阶梯状通孔通过，将过滤丝堵7的结构设计为包括外盖板701、通过连接杆703与
外盖板701连接的内盖板702、底板705、以及连接内盖板702与底板705的侧壁704，所述内盖
板702上开设有多个上透气孔706，所述底板705上开设有下透气孔707，所述侧壁704直径与
十一流道L11直径相等，所述外盖板701直径小于第十二流道L12，所述过滤丝堵7长度尺寸
小于所述外壳2的壁厚，并且所述过滤丝堵7的外盖板701位于外壳2外壁内侧。

[0052] 为实现对钻头进行射流冲击，增大钻压，进而增大岩石的吃入深度，提高机械钻速。本发明的射流件9为回转体中空结构，包括自上而下依次设置的撞击部901、射流部902
以及连接部903，撞击部901为圆柱状凸台，其直径不小于冲头802的直径，以便能够充分承
载来自冲头802的轴向冲击。同时，射流部902上端在撞击部901圆周方向均匀开设有多个圆
形通孔形成第十六流道L16，在射流部902中心自上而下开设有倒圆锥状的第十七流道L17，
圆柱状的第十八流道L18以及圆锥状的第十九流道L19，所述连接部903设有外螺纹用于与
下接头3螺纹连接。

[0053] 本发明的第二实施例：

[0054] 参考附图2、附图7、附图8、附图9、附图13所示，与本发明的第一实施例相比，本发明的第二实施例的外壳2内还设置有阀体4以及将阀体4抵靠在上接头1下端面的弹簧6。其
中，外壳2的第二流道L2出口设置有45°圆锥面，阀体4为中空回转体机构，其中空部分形成
第三流道L3，阀体4包括阀体粗部401和阀体细部402，在阀体粗部401上端设置有45°圆锥面
有利于与外壳2可靠贴合，在阀体细部402外侧套装弹簧6，弹簧6一端与阀体粗部401连接，
另一端与分流件5连接。

[0055] 同时，本发明第二实施例的分流件5为回转体中空结构，还包括自上而下依次设置的连接部501、分流部502以及过流部503，其中，连接部501设有外螺纹，其内部空间分为上
下两部分，上部空间设置有支撑部504，上部空间内侧的台阶面为弹簧承载台505，下部空间
中间形成第九流道L9，在第九流道L9设置有环形的减重环空17用于减轻分流件5的重量。分
流部502自上而下依次设有两排过流孔分别形成第五流道L5与第六流道L6，所述外壳2开设
有与第五流道L5与第六流道L6一一对应的第七流道L7与第八流道L8，所述支撑部504外壁
与上部空间内壁之间的环形空间形成第四流道L4。

[0056] 本发明第二实施例的工作原理为：当从第一流道L1流入的钻井液流量较大超出设定值时，阀体4会克服弹簧6的弹性力向下运动，此时第二流道L2与第四流道L4连通，分流件
5起到分流作用，来自第二流道L2的钻井液一部分流入第三流道L3，另一部分则流入第四流
道L4，保证在流量较大时流入冲锤8进行轴向冲击与射流冲击的流量基本不变。流入第四流
道L4中的钻井液通过分流件5上的第五流道L5、第六流道L6以及外壳2上的第七流道L7、第
八流道L8排出到外壳外壁、套管内壁以及二者之间的外部环空中，一方面能够清洗套管壁
便于钻井作业的进行，另一方面能够清洗外壳2上设置的第二滚动体16，对其起到冷却与润
滑的作用，进而进一步降低对第二滚动体16的磨损提高使用寿命。

[0057] 本发明的第三实施例：

[0058] 参考附图2、附图10所示，与本发明的第二实施例相比，本发明的第三实施例，为提高分流件5与外壳2之间的密封效果，在分流件5与外壳2之间还设置有上密封10，本发明不
限制上密封10的结构形式，示例的，可以是O型密封圈、密封环或者其他形式的密封。分流部
502在第五流道L5与第六流道L6的上部与下部均开设有环形的上密封槽18，在上密封槽18
内设置有上密封10。本发明的第三实施例，为提高射流件9与外壳2之间的密封效果，在射流
件9与外壳2之间还设置有下密封11，本发明不限制下密封11的机构形式，示例的，可以是O
型密封圈、密封环或者其他形式的密封。射流部902外壁自上而下开设有两个环形的下密封
槽19，在下密封槽19内设置有下密封11。

[0059] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依
然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进
行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术
方案的范围。