钻井工具

摘要

本发明涉及钻井工具，包括外筒；设置在外筒的内腔中的动力旋转轴，动力旋转轴能被驱动以围绕其轴线转动；设置在动力旋转轴的下方的冲击发生器，冲击发生器具有在外筒内延伸并构造为能与动力旋转轴结合以在动力旋转轴的带动下围绕其轴线旋转的传动轴、上端与传动轴的下端相接合以使得能被传动轴驱动着围绕其轴线旋转并能相对于传动轴轴向移动的输出主轴，以及设置在由输出主轴的上端与外筒形成的环空之间并构造为能对输出主轴产生沿轴向的往复的冲击的冲击组件；钻头，钻头能与延伸出外筒的内腔的输出主轴的下端相连，该钻具工具能在对地层进行旋转钻进的同时，对地层产生冲击，钻进效率高。

权利要求

1.一种钻井工具，包括：

外筒，

设置在所述外筒的内腔中的动力旋转轴，所述动力旋转轴能被驱动以围绕其轴线转动，

设置在所述动力旋转轴的下方的冲击发生器，所述冲击发生器具有：传动轴，所述传动轴在所述外筒内延伸，并构造为能与所述动力旋转轴结合以在所述动力旋转轴的带动下围绕其轴线旋转，输出主轴，所述输出主轴的上端与所述传动轴的下端相接合以使得能被所述传动轴驱动着围绕其轴线旋转，并能相对于所述传动轴轴向移动，冲击组件，所述冲击组件设置在由所述输出主轴的上端与所述外筒形成的环空之间，并构造为能对所述输出主轴产生沿轴向的往复的冲击，钻头，所述钻头能与延伸出所述外筒的内腔的所述输出主轴的下端相连，其中，所述冲击组件包括：

固定套设在所述输出主轴的外壁上的凸轮砧，套设在所述输出主轴的外壁上的凸轮锤，所述凸轮锤的下端构造有从动齿以与构造在所述凸轮砧上的驱动齿构成共轭凸轮齿组，设置在由所述输出主轴与所述外筒形成的环空之间的弹性件，且所述弹性件轴向上位于所述凸轮锤的上端面与所述传动轴的下端面之间，其中，所述凸轮砧绕其轴线旋转过程中，所述驱动齿作用于所述从动齿使得所述凸轮锤轴向反复运动并作用于所述弹性件，以使得所述弹性件依次作用于所述凸轮锤和所述凸轮砧而令所述输出主轴产生轴向的往复冲击，在所述外筒的下端固定设置防磨接头，所述防磨接头与所述输出主轴间隙式配合，在所述输出主轴的外壁上套设挡圈组件，所述挡圈组件位于所述凸轮砧的下端，其中，所述挡圈组件能与所述防磨接头卡接以阻挡所述凸轮砧和所述输出主轴相对于所述传动轴进一步下移，所述挡圈组件包括：固定套设在所述输出主轴的外壁上的上挡圈，所述上挡圈位于所述凸轮砧的下端，套设在所述输出主轴的外壁上的下挡圈，所述下挡圈的下端内壁与设置在所述输出主轴的第一台阶面形成卡接，且上端面与所述上挡圈相对，设置在所述上挡圈和所述下挡圈的相对面之间的滚珠。

2.根据权利要求1所述的钻井工具，其特征在于，在所述弹性件的轴向两端分别设置有垫圈，在所述垫圈的第一圆周上设置多个周向均匀分布的通孔，所述通孔轴向贯穿。

3.根据权利要求1或2所述的钻井工具，其特征在于，所述输出主轴与所述传动轴通过花键的方式连接。

4.根据权利要求1或2所述的钻井工具，其特征在于，所述凸轮锤的外壁上突出式设置有第一花键齿，并在所述外筒的内壁上设置有能与所述第一花键齿配合的第一花键槽，在所述外筒的内壁上设置径向向内突出的凸台，所述凸台位于所述第一花键槽的下端，并能与所述第一花键齿形成卡接配合。

5.根据权利要求1或2所述的钻井工具，其特征在于，在所述外筒的内腔中设置用于驱动所述动力旋转轴绕其轴线转动的涡轮动力器，所述涡轮动力器包括：设置在所述动力旋转轴与所述外筒的环空之间的涡轮组件，所述涡轮组件的定子与所述外筒固定连接，而所述涡轮组件的转子与所述动力旋转轴固定连接，设置在所述动力旋转轴上的内外连通的流道孔，其中，向由所述外筒与所述动力旋转轴形成的环空内注入的流体，驱动所述涡轮组件使得所述涡轮组件的转子带动所述动力旋转轴绕其轴线旋转后，通过所述流道孔进入到所述动力旋转轴的内腔，并依此通过所述传动轴和所述输出主轴向下流动。

6.根据权利要求5所述的钻井工具，其特征在于，在所述动力旋转轴的上端设置能与所述动力旋转轴连通的喷嘴，所述喷嘴通过固定设置在所述动力旋转轴上的压帽限定，并且所述压帽的外壁上设置有径向上抵接到所述外筒的内壁的压帽沿，在所述压帽沿上设置有轴向贯穿的调流孔。

7.根据权利要求6所述的钻井工具，其特征在于，在所述外筒和所述动力旋转轴之间的环空中连通式设置位于所述涡轮组件的上端的第一流量调节防磨环，和/或，在所述外筒和所述动力旋转轴之间的环空中连通式设置位于所述涡轮组件的下端的第二流量调节防磨环。

8.根据权利要求1或2所述的钻井工具，其特征在于，在所述外筒与所述传动轴之间设置轴承串，其中，所述轴承串的内圈与所述传动轴固定，而所述轴承串的外圈与所述外筒固定。

说明书

钻井工具

技术领域

[0001] 本发明涉及油气钻井技术领域，特别是涉及一种钻井工具。

背景技术

[0002] 随着陆地深井超深井钻井、深水海洋钻井、页岩油/气开采、干热岩地热资源开发，能源开发及科学钻探领域不断拓宽，钻遇地层更加古老，岩石可钻性差。

[0003] 目前的钻井工具多为旋转钻进式的钻井工具，通过在地层上施加旋转来钻除地层。然而，这种钻井工具的钻进效果有限，对于上述可钻性差的地层来说，钻进效率较低，且
钻头容易损坏，钻进成本非常高。

[0004] 因此，需要一种能有效降低钻进成本的钻井工具。

发明内容

[0005] 针对上述问题，本发明提出了一种能够有效降低钻井成本的钻井工具。

[0006] 根据本发明提出了一种钻井工具，包括：

[0007] 外筒，

[0008] 设置在外筒的内腔中的动力旋转轴，动力旋转轴能被驱动以围绕其轴线转动，

[0009] 设置在动力旋转轴的下方的冲击发生器，冲击发生器具有：

[0010] 传动轴，传动轴在外筒内延伸，并构造为能与动力旋转轴结合以在动力旋转轴的带动下围绕其轴线旋转，

[0011] 输出主轴，输出主轴的上端与传动轴的下端相接合以使得能被传动轴驱动着围绕其轴线旋转，并能相对于传动轴轴向移动，

[0012] 冲击组件，冲击组件设置在由输出主轴的上端与外筒形成的环空之间，并构造为能对输出主轴产生沿轴向的往复的冲击，

[0013] 钻头，钻头能与延伸出外筒的内腔的输出主轴的下端相连。通过这种设置，冲击组件能对输出主轴产生沿轴向的往复的冲击，且该冲击能传递给钻头，使得钻头对地层产生
冲击。由此，钻头能在对地层进行旋转钻进的同时，对地层产生冲击。这种复合的作用有助
于快速地破碎地层岩石，从而能加快钻进效率，降低钻进成本。

[0014] 在一个实施例中，冲击组件包括：

[0015] 固定套设在输出主轴的外壁上的凸轮砧，

[0016] 套设在输出主轴的外壁上的凸轮锤，凸轮锤的下端构造有从动齿以与构造在凸轮砧上的驱动齿构成共轭凸轮齿组，

[0017] 设置在由输出主轴与外筒形成的环空之间的弹性件，且弹性件轴向上位于凸轮锤的上端面与传动轴的下端面之间，

[0018] 其中，凸轮砧绕其轴线旋转过程中，驱动齿作用于从动齿使得凸轮锤轴向反复运动并作用于弹性件，以使得弹性件依次作用于凸轮锤和凸轮砧而令输出主轴产生轴向的往
复冲击。

[0019] 在一个实施例中，在弹性件的轴向两端分别设置有垫圈，在垫圈的第一圆周上设置多个周向均匀分布的通孔，通孔轴向贯穿。

[0020] 在一个实施例中，输出主轴与传动轴通过花键的方式连接，

[0021] 在外筒的下端固定设置防磨接头，防磨接头与输出主轴间隙式配合，

[0022] 在输出主轴的外壁上套设挡圈组件，挡圈组件位于凸轮砧的下端，

[0023] 其中，挡圈组件能与防磨接头卡接以阻挡凸轮砧和输出主轴相对于传动轴进一步下移。

[0024] 在一个实施例中，挡圈组件包括：

[0025] 固定套设在输出主轴的外壁上的上挡圈，上挡圈位于凸轮砧的下端，

[0026] 套设在输出主轴的外壁上的下挡圈，下挡圈的下端内壁与设置在输出主轴的第一台阶面形成卡接，且上端面与上挡圈相对，

[0027] 设置在上挡圈和下挡圈的相对面之间的滚珠。

[0028] 在一个实施例中，凸轮锤的外壁上突出式设置有第一花键齿，并在外筒的内壁上设置有能与第一花键齿配合的第一花键槽，

[0029] 在外筒的内壁上设置径向向内突出的凸台，凸台位于第一花键槽的下端，并能与第一花键齿形成卡接配合。

[0030] 在一个实施例中，在外筒的内腔中设置用于驱动动力旋转轴绕其轴线转动的涡轮动力器，涡轮动力器包括：

[0031] 设置在动力旋转轴与外筒的环空之间的涡轮组件，涡轮组件的定子与外筒固定连接，而涡轮组件的转子与动力旋转轴固定连接，

[0032] 设置在动力旋转轴上的内外连通的流道孔，

[0033] 其中，向由外筒与动力旋转轴形成的环空内注入的流体，驱动涡轮组件使得涡轮组件的转子带动动力旋转轴绕其轴线旋转后，通过流道孔进入到动力旋转轴的内腔，并依
此通过传动轴和输出主轴向下流动。

[0034] 在一个实施例中，在动力旋转轴的上端设置能与动力旋转轴连通的喷嘴，喷嘴通过固定设置在动力旋转轴上的压帽限定，并且压帽的外壁上设置有径向上抵接到外筒的内
壁的压帽沿，在压帽沿上设置有轴向贯穿的调流孔。

[0035] 在一个实施例中，在外筒和动力旋转轴之间的环空中连通式设置位于涡轮组件的上端的第一流量调节防磨环，

[0036] 和/或，在外筒和动力旋转轴之间的环空中连通式设置位于涡轮组件的下端的第二流量调节防磨环。

[0037] 在一个实施例中，在外筒与传动轴之间设置轴承串，其中，轴承串的内圈与传动轴固定，而轴承串的外圈与外筒固定。

[0038] 与现有技术相比，本发明的优点在于：在冲击组件的作用下，输出主轴能收到轴向的往复式冲击，并将这种冲击能传递到钻头上，使得钻头对地层产生冲击。这种复合的作用
有助于快速地破碎地层，从而能加快钻进效率，降低钻进成本。

附图说明

[0039] 在下文中参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

[0040] 图1显示了根据本发明的一个实施方案的钻井工具的示意图；

[0041] 图2显示了图1中的钻井工具的压帽的一个实施例；

[0042] 图3显示了图1中的钻井工具的第一流量调节防磨环的一个实施例；

[0043] 图4显示了图1中的钻井工具的A‑A剖面图；

[0044] 图5显示了图1中的钻井工具的下外筒的左视图的一个实施例；

[0045] 图6显示了图1中的钻井工具的垫圈的一个实施例；

[0046] 图7显示了图1中的钻井工具的凸轮锤的一个实施例；

[0047] 图8显示了图1中的钻井工具的凸轮砧的一个实施例；

[0048] 图9显示了图1中的钻井工具的第三防磨静套的一个实施例。

[0049] 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绘制。

具体实施方式

[0050] 下面将结合附图对本发明作进一步说明。

[0051] 图1示意性地显示了根据本发明的钻井工具100的一个实施例。钻井工具100 包括外筒1、动力旋转轴13、冲击发生器和钻头(图中未示出)。其中，外筒1 为筒状结构，主要起
到连接以及传递力的作用。动力旋转轴13设置在外筒1的内腔中，能被驱动以围绕其轴线转
动，用于传递旋转扭矩，保证钻头的高效切削。冲击发生器设置在动力旋转轴13的下方，用
于为钻头提供冲击能。从而，本申请的钻具工具100的钻头能在地层中进行旋转钻进的同
时，对地层产生冲击。这种复合的作用有助于快速地破碎地层岩石，从而能加快钻进效率，
降低钻进成本。

[0052] 在一个实施例中，冲击发生器具有传动轴20、输出主轴22和冲击组件。如图1所示，传动轴20自身为筒状，并在外筒1的内腔中延伸，其上端与动力旋转轴13结合，以在动力旋
转轴13的带动下围绕其轴线旋转。优选地，如图4所示，动力旋转轴13与传动轴20通过键齿
方式连接。具体地，在在动力旋转轴13 的下端面上设置有轴向方向延伸的第一定向键131。
同时，在传动轴20的上端面上设置有轴向延伸的第二定向键204。第一定向键131能轴向延
伸到相邻的第二定向键204所形成的槽中，以形成周向卡接，使得传动轴20可相对于动力旋
转轴13轴向移动，而不能相对于动力旋转轴13旋转。这种连接方式简单，并能保证扭矩的良
好传递。

[0053] 尤其，输出主轴22上端与传动轴20的下端相接合，以使得能被传动轴20 驱动着围绕其轴线旋转。例如，在传动轴20下端处的壁上构造有轴向延伸的安装槽201。输出主轴22
上端能轴向向上插入到该安装槽201中。并在安装槽201 的内壁和输出主轴22的外壁之间
设置花键结构，用于保证输出主轴22能随着传动轴20一起转动。这种设置方式，还能使得输
出主轴22能相对于传动轴20在轴向方向上移动。优选地，连接方式中的花键槽203可以设置
在安装槽201的内壁上且轴向延伸，在花键槽203的入口处设置有例如12‑18度的认入倒角。
同时，连接方式中的花键齿222设置在输出主轴22的外壁上，其入口端设置与花键槽 203匹
配的认入倒角，以方便输出主轴22与传动轴20的插入式连接。还有，在花键槽203的根部设
置有应力退刀槽。

[0054] 冲击组件设置在由输出主轴22的上端与外筒1形成的环空之间，并构造为能对输出主轴22产生沿轴向的往复的冲击。在一个实施例中，冲击组件包括凸轮砧27、凸轮锤26和
弹性件24。如图8所示，凸轮砧27自身为筒状，并固定套设在输出主轴22的外壁上。例如，可
以通过螺纹连接的方式将凸轮砧27固定在输出主轴22上。并在输出主轴22的外壁上与凸轮
砧27的内壁上分别设置能彼此配合的限位台阶面，以为凸轮砧27的安装进行定位，并为力
的传递提供作用平台。凸轮砧27上端面上设置有驱动齿271。如图7所示，凸轮锤26自身也为
筒状，间隙式套设在输出主轴22的外壁上，并位于凸轮砧27的上端。在凸轮锤26的下端面设
置有从动齿261，用于与驱动齿271配合而形成共轭凸轮齿组。例如，驱动齿271上具有多组
依次连接的曲面，各组曲面中包括滑坡面部分272、垂直坡面部分273和设置在两者之间的
过渡圆角面部分274。而从动齿261的曲面设置与驱动齿271的曲面为共轭设置。

[0055] 另外，凸轮锤26的外壁上突出式设置有第一花键齿39。进一步地，在周向上设置多个(例如，6个)均匀间隔式分布的第一花键齿39。如图5所示，在外筒1的内壁上设置有第一
花键槽38，以能与第一花键齿39配合。在凸轮砧27驱动凸轮锤26的过程中，由于上述第一花
键槽38与第一花键齿39配合，使得凸轮锤26只能轴向运动，并不能旋转。由此，在输出主轴
22带动凸轮砧27一起旋转时，从动齿261会沿着滑坡面部分272攀爬，使得凸轮锤26被向上
顶起。随着凸轮砧27转动，凸轮锤26到达最高点后，从动齿261在自重下沿着垂直坡面部分
273向下回落，使得凸轮锤26对凸轮砧27产生轴向向下运动。

[0056] 还有，轴向上，弹性件24设置在凸轮锤26与传动轴20的下端面之间。在凸轮锤26轴向向上运动的时候，施力于弹性件24使其被压缩；而凸轮锤26在向下运动的时候，被压缩的
弹性件24释放能量，并通过凸轮锤26施加在凸轮砧 27上，由于凸轮砧27与输出主轴22的限
位卡接配合，则能力传递到输出主轴 22上，从而对钻头产生了高频往复冲击。

[0057] 需要说明的是，例如，弹性件24可以为螺旋弹簧或碟簧等。考虑到弹性件 24的承载力和使用寿命，弹性件24优选为碟簧。而在使用过程中，该碟簧的预紧力、疲劳寿命等参
数采用Mubea碟形弹簧标准进行设计。

[0058] 在一个优选的实施例中，在弹性件24的轴向上下两端分别固定设置有垫圈23，同时，该垫圈23的内圆套设在输出主轴22的外壁上。通过设置垫圈23可避免弹性件24与其他
部件之间的磨损。如图6所示，在垫圈23的第一圆周上设置轴向方向贯穿的通孔231。例如，
该第一圆周可以位于垫圈23的大约径向中间处，也就是，距离垫圈23的外壁面和内壁面相
等的圆周上。并且，在周向上，可以设置多个(比如，8个)通孔231，这些通孔231在周向上彼
此间隔开地均匀分布。在弹性件24压缩释放过程中，通孔231能有效避免水击压力，而保证
弹性件24及其相邻的部件的结构完整性，从而有利于延长钻具工具100的使用寿命。

[0059] 如图1所示，需要说明的是，根据生产加工装配的需要，外筒1可以做成分体式结构。在本申请中，外筒1可以包括从上到下依次固定(例如，螺纹)连接的上接头1’、上外筒19
和下外筒25。上接头1’主要起连接作用，可以与其它部件例如钻杆连接。上外筒19大体设置
在涡轮动力器和轴承串16的外侧(后文详述)，而下外筒25设置在大体输出主轴22的外侧。
在生产安装过程中，上外筒19与其内的部件们形成短节，以与下外筒25与其内的部件们形
成的短节连接。

[0060] 再如图1所示，在外筒1的下端设置防磨接头31。防磨接头31自身为筒状，其上端部分地插入到外筒1的下端内腔中。输出主轴22的下端能够轴向延伸出防磨接头31。该防磨接
头31能阻止输出主轴22的下端进一步回缩到外筒1的内腔中。为了提高防磨接头31与输出
主轴22的之间的抗磨性，而延长钻井工具100 的使用寿命，在防磨接头31与输出主轴22的
之间设置用于防磨的组件。例如，在输出主轴22的外壁上固定设置有第三防磨动套33。同
时，在防磨接头31的内壁中套设有第三防磨静套32。例如，图9所示，防磨接头31与第三防磨
静套32 可采用键齿配合，第三防磨静套32的下端具有突出的部分321，以径向延伸过防磨
接头31的下端面。优选的，在第三防磨动套33和第三防磨静套32的接触面之间嵌设有PDC硬
质合金块，或者第三防磨动套33和第三防磨静套32的相接触的壁面上复合有S201材料。在
输出主轴22相对于防磨接头31旋转过程中，上述设置避免了在两者之间产生磨损，有助于
提高钻井工具100的使用寿命。

[0061] 在输出主轴22的外壁上套设挡圈组件。该挡圈组件位于凸轮砧27的下端，并能与防磨接头31形成卡接，从而阻挡输出主轴22相对于传动轴20进一步下移。具体地，挡圈组件
包括上挡圈28、下挡圈30和滚珠29。其中，上挡圈28 固定设置在输出主轴22的外壁上。当
然，为了连接方便，该上挡圈28还可以通过螺纹旋拧在凸轮砧27的外壁上，两者部分套接且
两者之间设置用于彼此配合的台阶面结构。下挡圈30套设在输出主轴22的外壁上。同时，在
输出主轴22 上设置第一台阶面221，以使得第一台阶面221之上的输出主轴22的径向尺寸
缩小。轴向上，下挡圈30的上端与上挡圈28对接，下端内壁与第一台阶面221形成卡接。在下
挡圈30的外壁上设置第三台阶面301以使得之下的下挡圈30的外径尺寸缩小。滚珠29设置
在上挡圈28和下挡圈30的相对面之间。在起下钻的过程中，输出主轴22带动凸轮砧27和挡
圈组件相对于传动轴20向下移动，直到第三台阶面301坐落在防磨接头31的上端面上。也就
是，防磨接头31的上端面能与第三台阶面301形成卡接结构，起到防掉作用。另外，在起下钻
的过程中，上挡圈28跟随输出主轴22，相对于下挡圈30和防磨接头31，一起旋转，而通过设
置滚珠29，使得上挡圈28和下挡圈30之间由滑动摩擦变为滚动摩擦，使得起下钻更容易，并
降低了两者之间的磨损，延长了使用寿命。

[0062] 在下外筒25的内壁上设置径向向内突出的凸台40。凸台40位于第一花键槽 38的下端，并能与第一花键齿39形成卡接配合。具体地，在起下钻的过程中，凸轮锤26向下移动
并坐落在凸台40上。也就是，凸台40为凸轮锤26起到了防掉作用。

[0063] 凸轮锤26达到上止点后，其上的第一花键齿39的下端面与下外筒25的内部环形凸台40的上端面之间的距离为L1。此时，凸轮锤26凸轮轨迹最低点与凸轮砧27凸轮轨迹最低
点之间的距离为L2。下档圈30的第三台阶面301与防磨接头31的上端面之间的距离为L3。为
了确保钻井工具100的正常运行，设计时要确保L3＞L1＞L2。在钻井工具100正常工作过程
中，由于L1＞L2，凸台40并不能起到限定凸轮锤26的作用，以保证凸轮砧27与凸轮锤26能正
常配合。而在起下钻的过程中，凸轮锤26下移到凸台40上，凸轮砧27通过下挡圈30下移到防
磨接头31上，由于L3＞L1，此时凸轮锤26与凸轮砧27不能齿接触，用于避免从动齿261冲击
驱动齿271，保证了钻井工具100的安全。

[0064] 在一个实施例中，在外筒1的内腔中设置轴向上位于冲击发生器的上端的涡轮动力器，用于驱动动力旋转轴13旋转而为钻头提供旋转的能量。也就是说，本申请可以通过涡
轮动力器来产生钻头的旋转力。具体地，该涡轮动力器设置在上外筒19的内腔中。

[0065] 涡轮动力器包括涡轮组件和流道孔35。涡轮组件设置在动力旋转轴13与外筒1的环空之间。该涡轮组件包括与外筒1固定连接的定子10和与动力旋转轴 13连接的并与定子
10匹配的转子9。当流体进入到外筒1与动力旋转轴13之间的环空后，驱动转子9旋转，从而
带动动力旋转轴13绕其轴线旋转。流道孔35 设置在动力旋转轴13的壁上，用于连通动力旋
转轴13的内外。当流体进入驱动涡轮组件由涡轮组件的下端排除后，通过流道孔35进入到
动力旋转轴13的内腔，并依此通过传动轴20和输出主轴22向下传递。

[0066] 优选地，在从外到内的方向上，流道孔35向下倾斜式设置。也就是，其开口端相对于排放端位于上端。进一步优选地，流道孔35的倾斜方向与轴向的夹角为35‑50度。这种设
置能更好地收集到通过涡轮组件的流体。

[0067] 在一个实施例中，在动力旋转轴13的上端设置能与动力旋转轴13连通的喷嘴4。该喷嘴4通过固定设置在动力旋转轴13上的压帽2限定。在液体进入到外筒1的内腔中后，通过
喷嘴4调整进入到动力旋转轴13的内腔中的量，进而调整进入外筒1和动力旋转轴13之间的
环空内的流体的量。另外，在压帽2上设置有径向上抵接到外筒1的内壁的压帽沿210，如图2
所示。在压帽沿210上设置有与外筒1和动力旋转轴13之间的环空连通的调流孔211。一方
面，压帽沿 210与外筒1的内壁抵接，可以为涡轮组件起到防掉效果，还可以为动力旋转轴 
13起到扶正效果。另一方面，通过调整调流孔211的大小，可以调节进入到外筒 1和动力旋
转轴13之间的环空内的流体的流量，以进一步地控制流量和涡轮转速。优选地，喷嘴4的内
腔的流道34为维多辛斯基曲线，该种型线具有较好的流场动特性参数和较低的流阻，有助
于提高喷嘴4的调节能力。该可调的的涡轮组件，具有涡轮转速高的特点。结构上，钻井工具
100为涡轮动力器短节加上冲击发生器短节，在动力旋转轴13的带动下和冲击组件的作用
下，输出主轴22能受到轴向的往复式冲击，并将这种冲击能传递到钻头上，使得钻头对地层
产生冲击。又在流量可调的涡轮组件作用下，结合涡轮转速高的特点，采用涡轮组件驱动共
轭凸轮齿组压缩弹性件24，产生高频往复冲击，提高破岩效率，实现了可调大功率旋转扭
矩、冲击能量和高速旋转切削一体的功能，这种复合的作用有助于快速地破碎地层，从而能
加快钻进效率，降低钻进成本。

[0068] 在喷嘴4的上端面与压帽2之间设置有密封圈3，以防止液体通过压帽2与喷嘴4之间的空隙进入到外筒1和动力旋转轴13之间的环空内。

[0069] 在一个实施例中，在外筒1和动力旋转轴13之间的环空中连通式设置第一流量调节防磨环8。该第一流量调节防磨环8位于涡轮组件的上端，并与外筒1 固定连接。如图3所
示，该第一流量调节防磨环8构造为环状，以套接在动力旋转轴13的外壁上，且其上具有周
向分布的多个轴向连通的流量调节孔81(例如， 16‑20个)。通过设置流量调节孔81的大小
和多少而调节流量。优选地，第一流量调节防磨环8可以由硬质合金材料JZ09制成。在第一
流量调节防磨环8与动力旋转轴13之间还设置第一防磨动环7。该第一防磨动环7固定式套
设在动力旋转轴13的外壁上，其外壁与上述第一流量调节防磨环8匹配，而用于保护旋转轴
13，防止其在相对旋转过程中被磨损。例如，在第一防磨动环7和第一流量调节防磨环8相配
合的圆柱面之间可以嵌有YG8硬质合金复合片或复合有S201冶金结合材料，用于增加耐磨
性。

[0070] 在外筒1和动力旋转轴13之间的环空中连通式设置第二流量调节防磨环12。该第二流量调节防磨环12位于涡轮组件的下端，并与外筒1固定连接。该第二流量调节防磨环12
设置在涡轮组件的下游，用于调节排出涡轮组件的流体的流量，而保证通过涡轮组件的流
体的压降，进而保证涡轮组件的良好工作状态。第二流量调节防磨环12的自身结构和制造
材料可以与第一流量调节防磨环8相同或类似。在第二流量调节防磨环12与动力旋转轴13
之间设置第二防磨动环11，用于保护旋转轴13，防止其在相对旋转过程中被磨损。同理地，
在第二防磨动环 11与第二流量调节防磨环12相配合的圆柱面之间也可以嵌有YG8硬质合
金复合片或复合有S201冶金结合材料，用于增加耐磨性。

[0071] 轴向上，可以通过第二流量调节防磨环12为涡轮组件进行定位。具体地，在上外筒19的内壁上设置朝向上端的第四台阶面191。同时，在动力旋转轴13 的外壁上设置朝向上
端的第五台阶面131。在组装后，第二流量调节防磨环12的下端面与第四台阶面191抵接，而
第二防磨动环11的下端面与第五台阶面131 抵接。而在涡轮组件的上方，可以通过第一流
量调节防磨环8为涡轮组件进行定位。当然，为了加工安装方便，还可以在第一流量调节防
磨环8的上端增加一些调节件。例如，在第一流量调节防磨环8的上端设置有静圈压环6。该
静圈压环 6的轴向两端分别第一流量调节防磨环8和上接头1’的下端面抵接。在第一防磨
动环7的上端设置动圈压环5。该动圈压环5的轴向上端抵接于压帽5的下端面上。上述设置
保证了涡轮动力器与上外筒19和动力旋转轴13之间的位置关系，结构简单，安装便利。

[0072] 在一个实施例中，传动轴20轴向向上延伸到上外筒19的内腔中，并在外筒 1与传动轴20之间设置轴承串16。安装后，轴承串16的内圈与传动轴20固定，而轴承串16的外圈与
外筒1固定。通过设置该轴承串16可以保证传动轴20与外筒1之间的旋转和扭矩传递。需要
说明的是，为了优化结构，该轴承串16可以与涡轮组件设置在同一短节上。

[0073] 在轴承串16的轴向两端分别设置用于限定轴承串16的位置的限位组件。具体地，在轴承串16的上端，固定套接(例如，螺纹设置)在传动轴20的外壁上上的第四防磨动套15
的下端与轴承串16的内圈抵接；在第六台阶面192(该台阶面设置在上外筒19的内壁上)和
轴承串16的外圈的上端面之间设置有第四防磨静套14。在轴承串16的下端，设置有第五防
磨动套17以位于第七台阶面202 (设置在传动轴20的外壁上)和轴承串16的内圈的下端面
之间；在下外筒25 的上端面与轴承串16的外圈的下端面之间设置有第五防磨静套18，第四
防磨动套15和第四防磨静套14的配合圆柱面上，以及第五防磨动套17和第五防磨静套18的
配合圆柱面上，均镶嵌有YG8硬质合金复合片或复合有S201冶金结合材料。上述限定了轴承
串16的轴向位置，且设置简单，易于实现。

[0074] 需要说明的是，在安装过程中，初始状态下，传动轴20的下端面与垫圈23 中的上垫圈之间留有与轴承串16额定窜动量相当的距离。在轴承串16发生一定位移的窜动后，传
动轴20的下端面才会顶紧垫圈23中的上垫圈。而为了保证在之初就能利用弹性件24的弹
性，在传动轴20的外侧间隙式套设有顶紧套21。在初始状态下，该顶紧套21的轴向两端分别
与第五防磨静套18和垫圈23中的上垫圈抵接。

[0075] 在钻进的过程中，钻压通过上接头1、上外筒19和传动轴组件(包括第四防磨静套14、第四防磨动套15、轴承串16、第五防磨动套17、第五防磨动套18) 传递给传动轴20，进而
通过输出主轴22传递给钻头。从而，上部涡轮组件在工作中，不需传递钻压，其自身寿命得
到了有效保障。

[0076] 在本申请中，动力旋转轴13内部具有轴向通孔，作为钻井液的排空流道。动力旋转轴13的上段通过螺纹与压帽2相互配合，并在轴向上将流量调节喷嘴4 顶紧且压紧橡胶密
封圈3。动力旋转轴13的中段相对于上段直径增加，且从上到下方向上，外侧依次套有动圈
压环5和静圈压环6、第一防磨动环7和第一流量调节防磨环8、驱动涡轮组件的转子9和定子
10，以及第二防磨动环11和第二流量调节防磨环12。动力旋转轴13的下段相对于中段直径
增加，其上设置有内外连通的流道孔35。其下端面处与传动轴20形成齿接结构。上述设置的
动力旋转轴13保证功能运作的基础上，结构优化。

[0077] 同时，从上到下方向上，输出主轴22的外直径由细及粗构造有多级台阶。在输出主轴22的第一级圆柱段的上段与传动主轴20花键配合。在与传动主轴20 配合的花键段的下
方，输出主轴22的外壁增加，并依次套有上垫片23、弹簧件 24、下垫片23、凸轮锤26、凸轮砧
27、上挡圈28、滚珠29和下挡圈30，并且，该段设置有普通粗牙螺纹以与凸轮砧27连接，同时
在凸轮砧27的外壁通过普通细牙螺纹以连接下挡圈30。在安装过程中，凸轮砧27通过普通
粗牙螺纹拧紧在输出主轴22上，使其内侧与输出主轴22台阶面配合顶紧，再通过调节空间
凸轮砧27与上挡圈28的普通细牙螺纹的旋入深度，将上挡圈28、滚珠29和下挡圈30等顶紧
在输出主轴22的第一台阶面221处。上述设置的输出主轴22在实现动力传动的过程中，结构
紧凑。

[0078] 上述钻井工具100的具体工作过程如下。

[0079] 首先，将上述钻井工具100下入到要被钻进的井内。在此过程中，输出主轴 22、凸轮砧27和挡圈组件一起向下运动，并坐落在防磨接头31的上端面上。而凸轮锤26下落到凸
台40上。

[0080] 在钻井工具1的钻头接触到井底时，继续下放钻井工具1(即施加钻压)，使得输出主轴22带动凸轮砧27和挡圈组件相对于外筒1轴向向上移动，直到凸轮锤26和凸轮砧27配
合为止。

[0081] 然后可进行钻井。向钻井工具100内泵送流体，流体进入到动力旋转轴13 与外筒1之间的环空内，驱动涡轮组件的转子9旋转。转子9带动动力旋转轴13 转动，并依次带动传
动轴20和输出主轴22转动，以为设置在输出主轴22的下端的钻头供给旋转动力。同时，旋转
的输出主轴22带动凸轮砧27一起旋转，而凸轮砧27轴向顶升凸轮锤26，用于压缩弹性件24，
在弹性件24弹力以及凸轮锤26的自重作用下，凸轮锤26对凸轮砧27产生轴向冲击，该轴向
的往复冲击作用在输出主轴22上，最终传递给钻头。由此使得钻头旋转的同时，产生往复冲
击，提高破岩效率，为超深油井、地热井、干热岩井的坚硬及复杂地层高效钻进提供新的技
术手段。

[0082] 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。