本发明涉及一种钻井工具，特别是一种针对硬地层钻井提速的扭转冲击钻井工具，属于机械工程或钻井工程技术领域。
背景技术：
石油天然气与人们的日常生活和工业生产息息相关。随着国民经济的快速发展，全世界对于油气资源的消耗也在不断增加。当前，我国国内原油产量已连续多年下降，对外依存度超过石油安全极限。尽管如此，但我国依然具有较大的石油剩余开采量，面对能源危机加剧的局面，加速我国油气资源的开发显得必要而紧迫。随着油气开采的不断进行，浅层油气资源不断减少，深层油气资源勘探开发成为我国中长期油气资源发展的重要组成部分。然而，深部地层由于地层年代久远且承受较大的地应力，普遍存在岩石强度和硬度高、可钻性差等问题，使得深井段的机械钻速普遍较低。
将冲击应用于深部地层的岩石破碎从而提高破岩效率是近年来国际上常用的钻井提速技术。近年来，国内外开发了扭转冲击钻井技术，且大量现场应用案例证明了该技术用于提高深部地层破岩效率的先进性。因此，国内外众多研究单位均开展关于扭转冲击钻具设计、扭转冲击提速机理研究等方面的研究。专利US6742609B2、CN101463709B、CN201554363U、CN201778652U等所报道的结构主要通过棘轮结构形成冲击，其缺点在于棘轮式结构比较脆弱，撞击处容易出现磨损或断裂。专利US7096980B2、CN103628819B、CN102454346B等所报道的结构则主要通过不同压力腔道的液体驱动冲击锤撞击冲击短节，其缺点在于零件间的摩擦阻力问题及工具的密封问题。基于现有技术存在的问题，提出一种新型的扭转冲击钻具结构从而用于深部地层的岩石破碎，具有重要意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于为了克服上述难点，特提出一种偏心式扭转冲击钻具，用于提高深部地层或研磨性地层的钻井效率。
为达到上述目的，本发明解决此技术问题采用的技术方案是：
一种偏心式扭转冲击钻具，主要由冲击短节、壳体、密封圈、防掉块、堵头、弹簧、锁紧块、冲击锤、传动轴、推力球轴承、涡轮定子、涡轮转子、定子压帽、转子压帽和转换接头组成，其特征在于所述冲击短节上端的内侧设有扇形空腔和扇形凸块，扇形空腔用于安放冲击锤，扇形凸块用于承受冲击锤的撞击；所述冲击短节的中部设有与扇形空腔连通的内孔，其中部外侧设有安放防掉块的冲击短节凹槽，其下端内部设有与钻头连接的冲击短节螺纹，其下端外部设有与壳体耦合的冲击短节花键；所述壳体下端设有与冲击短节耦合的壳体花键，在壳体内壁的壳体花键上端设有用于防掉块作用的壳体凹槽；所述传动轴的上端设有上部圆柱，其下端设有下部圆柱，上部圆柱和下部圆柱的中心轴不重合；所述传动轴设有中部圆盘且传动轴的上部圆柱的中心轴与中部圆盘的中心轴重合，传动轴的中部圆盘上设有沿其轴线方向的过流通孔；所述冲击锤为等截面块状体，冲击锤上设有轴向传动圆孔；当将所述冲击锤装于下部圆柱上时，二者的形心轴不重合，即冲击锤绕下部圆柱的中心轴的转动为偏心转动；所述冲击短节的顶端与传动轴的中部圆盘间设有推力球轴承；所述壳体内壁中部设有支承台阶，涡轮定子安放于壳体内壁的支承台阶上并通过定子压帽压紧；所述传动轴的上部圆柱穿过涡轮转子，涡轮转子通过转子压帽压紧固定于传动轴上；所述转换接头下端与壳体连接，上端与钻铤或动力钻具连接；当所述传动轴安装于壳体内时，传动轴的上部圆柱和中部圆盘的中心轴均与壳体的中心轴重合；当钻井液由转换接头进入钻具时，涡轮转子带动传动轴转动，使得传动轴的下部圆柱绕壳体的中心轴做公转运动，下部圆柱带动冲击锤转动，偏心转动的冲击锤远离轴向传动圆孔的部分撞击扇形凸块，在冲击力作用下冲击锤绕下部圆柱高速转动并使冲击锤远离轴向传动圆孔的部分避开扇形凸块的阻碍，当冲击锤绕过扇形凸块后由于其绕下部圆柱的偏心转动以及下部圆柱绕钻具中心轴公转运动的共同作用，偏心转动的冲击锤远离轴向传动圆孔的部分在离心力的作用下再次远离钻具形心轴并为下一次撞击扇形凸块作准备；所述传动轴在涡轮转子的驱动下作周期转动，使得冲击锤在扭转方向周期性地撞击冲击短节上的扇形凸块，从而形成周期性的扭矩脉冲并经冲击短节传至钻头。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：（1）本扭转冲击钻具通过冲击锤绕下部圆柱的偏心转动以及下部圆柱绕钻具中心轴公转运动的共同作用，使冲击锤在扭转方向周期性地撞击冲击短节上的扇形凸块，从而形成周期性的扭矩脉冲并经冲击短节传至钻头；（2）根据钻井现场对冲击频率的要求，可改变本结构中的涡轮类型或型号从而改变冲击频率，也可在冲击短节上方增加扇形凸块的数量从而使得传动轴每转动一圈均可形成多次撞击；本结构简单、无电子元件，对钻柱结构的影响较小。
附图说明
图1为本发明一种偏心式扭转冲击钻具的结构示意图；
图2为本发明一种偏心式扭转冲击钻具的冲击短节的结构示意图；
图3为本发明一种偏心式扭转冲击钻具的壳体的半剖示意图；
图4为本发明一种偏心式扭转冲击钻具的冲击锤的结构示意图；
图5为本发明一种偏心式扭转冲击钻具的传动轴的结构示意图；
图6为图1的A-A剖面示意图；
图7为图1的B-B剖面示意图，其中传动轴的下部圆柱驱动的冲击锤在与扇形凸块撞击后恢复离心运动状态；
图8为图1的B-B剖面示意图，其中传动轴的下部圆柱转至扇形凸块对面且冲击锤做离心运动；
图9为图1的B-B剖面示意图，其中传动轴的下部圆柱由远离扇形凸块变为靠近扇形凸块状态且冲击锤做离心运动；
图10为图1的B-B剖面示意图，其中冲击锤处于撞击扇形凸块的位置；
图11为图1的B-B剖面示意图，其中冲击锤处于撞击扇形凸块后反弹的位置；
图12为图1的C-C剖面示意图；
图13为图1的D-D剖面示意图。
图中：1.冲击短节，101.扇形空腔，102.扇形凸块，103.内孔，104.冲击短节凹槽，105.冲击短节螺纹，106.冲击短节花键，2.壳体，201.壳体花键，202.壳体凹槽，203.支承台阶，3.密封圈，4.防掉块，5.堵头，6.弹簧，7.锁紧块，8.冲击锤，801.轴向传动圆孔，9.传动轴，901.上部圆柱，902.下部圆柱，903.中部圆盘，904.过流通孔，10.推力球轴承，11.涡轮定子，12.涡轮转子，13.定子压帽，14.转子压帽，15.转换接头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1-图13所示，一种偏心式扭转冲击钻具，主要由冲击短节1、壳体2、密封圈3、防掉块4、堵头5、弹簧6、锁紧块7、冲击锤8、传动轴9、推力球轴承10、涡轮定子11、涡轮转子12、定子压帽13、转子压帽14和转换接头15组成，其特征在于所述冲击短节1上端的内侧设有扇形空腔101和扇形凸块102，扇形空腔101用于安放冲击锤8，扇形凸块102用于承受冲击锤8的撞击；所述冲击短节1的中部设有与扇形空腔101连通的内孔103，其中部外侧设有安放防掉块4的冲击短节凹槽104，其下端内部设有与钻头连接的冲击短节螺纹105，其下端外部设有与壳体2耦合的冲击短节花键106；所述壳体2下端设有与冲击短节1耦合的壳体花键201，在壳体2内壁的壳体花键201上端设有用于防掉块4作用的壳体凹槽202；所述传动轴9的上端设有上部圆柱901，其下端设有下部圆柱902，上部圆柱901和下部圆柱902的中心轴不重合；所述传动轴9设有中部圆盘903且传动轴9的上部圆柱901的中心轴与中部圆盘903的中心轴重合，传动轴9的中部圆盘903上设有沿其轴线方向的过流通孔904；所述冲击锤8为等截面块状体，冲击锤8上设有轴向传动圆孔801；当将所述冲击锤8装于下部圆柱902上时，二者的形心轴不重合，即冲击锤8绕下部圆柱902的中心轴的转动为偏心转动；所述冲击短节1的顶端与传动轴9的中部圆盘903间设有推力球轴承10；所述壳体2内壁中部设有支承台阶203，涡轮定子11安放于壳体2内壁的支承台阶203上并通过定子压帽13压紧；所述传动轴9的上部圆柱901穿过涡轮转子12，涡轮转子12通过转子压帽14压紧固定于传动轴9上；所述转换接头15下端与壳体2连接，上端与钻铤或动力钻具连接；当所述传动轴9安装于壳体2内时，传动轴9的上部圆柱901和中部圆盘903的中心轴均与壳体2的中心轴重合。
如图7-图11所示，当钻井液由转换接头15进入钻具时，涡轮转子12带动传动轴9转动，使得传动轴9的下部圆柱902绕壳体2的中心轴做公转运动，下部圆柱902带动冲击锤8转动，偏心转动的冲击锤8远离轴向传动圆孔801的部分撞击扇形凸块102，在冲击力作用下冲击锤8绕下部圆柱902高速转动并使冲击锤8远离轴向传动圆孔801的部分避开扇形凸块102的阻碍，当冲击锤8绕过扇形凸块102后由于其绕下部圆柱902的偏心转动以及下部圆柱902绕钻具中心轴公转运动的共同作用，偏心转动的冲击锤8远离轴向传动圆孔801的部分在离心力的作用下再次远离钻具形心轴并为下一次撞击扇形凸块102作准备；所述传动轴9在涡轮转子12的驱动下作周期转动，使得冲击锤8在扭转方向周期性地撞击冲击短节1上的扇形凸块102，从而形成周期性的扭矩脉冲并经冲击短节1传至钻头。
如图7-图11所示，在所述扭转冲击钻具的运转过程中，冲击锤8的运动为一种复合运动，即冲击锤8绕传动轴9的下部圆柱902转动的同时下部圆柱902也绕壳体2的中心轴转动；当冲击锤8顺时针撞击扇形凸块102后，冲击锤8立即反弹并绕下部圆柱902逆时针转动，在下部圆柱902及冲击锤8本身的离心力的作用下，冲击锤8绕过扇形凸块102后便继续做离心运动，直至下一次的冲击锤8与扇形凸块102撞击；在流体的作用下，涡轮转子12持续驱动传动轴9转动并带动冲击锤8周期性地撞击扇形凸块102，从而在冲击短节1上形成周期性的扭转冲击。
如图12所示，在所述扭转冲击钻具安装时，先将防掉块4压入冲击短节凹槽104中，待壳体花键201与冲击短节花键106配合后，壳体凹槽202与冲击短节凹槽104位于同一高度，防掉块4在弹簧6的作用下贴向壳体凹槽202的壁面；当钻头或冲击短节1承受拖拽力时，防掉块4将承受剪切作用并防止冲击短节1与壳体2的分离；堵头5通过螺纹安装于壳体1上；当需要对所述扭转冲击钻具进行拆卸时，将堵头5从壳体2上取下，通过安装堵头5的小孔将防掉块4往里面推从而避免防掉块4对壳体凹槽202的作用，将壳体2从冲击短节1中抽出便可完成二者的拆卸。
如图13所示，冲击短节1下端设有4个冲击短节花键106和4个花键槽，壳体花键201与冲击短节1的花键槽配合，在冲击短节1与壳体2通过花键配合后二者间存在沿扭转方向的5º-10º的相对转动。
以上所述具体实施方式用于说明本发明而非限制本发明的范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的构思和原则前提下所作出的等同变化与修改，均属于本发明系统的保护范围。