本发明涉及一种钻柱振动与水力脉冲射流耦合井下冲击式钻井工具，属于石油钻井工具设计技术领域。
背景技术：
提高深井超深井的钻井速度，对于深部地层油气资源的勘探和开发至关重要，在常规作业过程中，主要依靠钻头的切削挤压以及钻头的纵向振动来提高破岩效率。研制井下增压泵，设计水力脉冲工具以及旋冲钻具等方式能够有效的利用钻井液能量来提高钻速。研究表明，利用井下增压装置将井底钻井液压力提高到100mpa左右时，可以实现超高压射流或者辅助破岩的目的，但这种增压工具寿命问题一直无法得到有效的解决。水力脉冲工具可通过改变流道的横截面积来调制脉冲射流以提高钻速。但大多数情况下由于岩屑不能及时冲离井底而造成重复破碎，甚至会造成钻头泥包，导致钻井速度下降。
技术实现要素：
基于上述技术问题，本发明提供一种钻柱振动与水力脉冲耦合井下钻井工具，该钻井工具可实现钻柱振动能量与脉冲射流的耦合，能够将井底岩屑有效剥离井底，提高岩屑的清洗能力，提高机械钻速。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种钻柱振动与水力脉冲耦合井下钻井工具，包括上接头、外筒、锁紧螺母、芯轴和下接头，上接头与外筒的上端螺纹连接，芯轴安装在外筒的内部，外筒与芯轴之间采取滑键配合方式，在外筒与芯轴之间形成有环形空腔，在环形空腔内设置蓄能复位元件，外筒的下端与锁紧螺母螺纹连接，芯轴的下端与下接头连接，在芯轴的上端设置有增压分流结构，在增压分流结构上设置有主流孔道，主流孔道与芯轴中心的流体通道连通，在主流孔道的周边设置有分流孔道，所述外筒的上部、增压分流孔道和芯轴的上部共同形成环形增压腔，分流孔道与环形增压腔连通，所述增压分流结构上还设置有射流孔道，环形增压腔通过射流孔道连通主流孔道，当外筒与芯轴产生相对运动时，可改变环形增压腔的大小，并使得射流孔道周期性开闭。
优选的，滑键设置在芯轴上，在外筒的内侧竖向设置有与滑键相配合的滑键槽，芯轴可相对于外筒上下移动、外筒可带动芯轴转动。
优选的，所述滑键的上端形成芯轴上台阶面，下端形成芯轴下台阶面，所述滑键槽的顶端形成外筒上台阶面，所述蓄能复位元件连接在芯轴上台阶面与外筒上台阶面之间，所述芯轴下台阶面与锁紧螺母相互配合。
优选的，在外筒上端与芯轴上端之间设置有滑动密封件。
优选的，所述蓄能复位元件为蝶形弹簧、液压弹簧或普通弹簧。
优选的，所述增压分流结构固定在上接头与外筒之间。
本发明的有益技术效果是：
本发明将常规钻井中连续喷射的钻井液调制为脉冲射流，可提高水力能量利用效率，并与钻柱振动相耦合，能够将井底岩屑有效剥离井底，提高岩屑的清洗能力，提高机械钻速，降低钻井成本，提高钻井工程经济效益。而且本发明整体结构简单，易于装配，具有良好的稳定性和可靠性；实现了钻柱振动能量的转移，并对其进行有效利用，减小了钻柱振动产生的危害，可有效延长钻具的使用寿命，降低钻具的使用成本，降低钻进过程的风险。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构原理示意图。
图中：1-上接头，2-分流孔道，3-射流孔道，4-外筒，5-蝶形弹簧，6-芯轴，7-滑键，8-主流孔道，9-锁紧螺母，10-下接头，11-增压分流结构，12-环形增压腔，13-滑动密封件，14-外筒上台阶面，15-芯轴上台阶面，16-芯轴下台阶面，17-流体通道。
具体实施方式
结合附图，一种钻柱振动与水力脉冲耦合井下钻井工具，包括连接钻杆的上接头1、外筒4、锁紧螺母9、芯轴6和连接钻头的下接头10。上接头1、外筒4、锁紧螺母9、芯轴6依次沿轴向安装。上接头1与外筒4的上端螺纹连接，芯轴6安装在外筒4的内部，外筒4与芯轴6之间采取滑键配合方式，用以传递上部扭矩。滑键7设置在芯轴6上，在外筒4的内侧竖向设置有与滑键相配合的滑键槽，芯轴6可相对于外筒4上下移动、外筒4可带动芯轴6转动，将扭矩传递至芯轴6。在外筒4与芯轴6之间形成有环形空腔，在环形空腔内设置蝶形弹簧5，用以缓冲上部钻柱的振动以及调节振动振幅。连接钻杆的上接头1通过外筒4压缩安装于外筒4与芯轴6组成的环形空间内的碟形弹簧5，将上部钻压传递至钻头。外筒4的下端与锁紧螺母9螺纹连接，锁紧螺母9用以防止芯轴6掉落以及限制钻柱振幅，对碟形弹簧5起限位保护作用。芯轴6的下端与下接头10连接，在芯轴6的上端设置有增压分流结构11，在增压分流结构11上设置有主流孔道8，主流孔道8与芯轴中心的流体通道17连通，在主流孔道8的周边设置有若干个分流孔道2。所述外筒4的上部、增压分流结构11和芯轴6的上部共同形成环形增压腔12，分流孔道2与环形增压腔12连通，所述增压分流结构11上还设置有射流孔道3，环形增压腔12通过射流孔道3连通主流孔道8。随着钻柱的震动，当外筒4与芯轴6产生相对运动时，可改变环形增压腔12的大小，并使得射流孔道3周期性开闭。
作为对本发明的进一步设计，所述滑键7的上端形成芯轴上台阶面15，下端形成芯轴下台阶面16，所述滑键槽的顶端形成外筒上台阶面14，所述蝶形弹簧5连接在芯轴上台阶面15与外筒上台阶面14之间，所述芯轴下台阶面16与锁紧螺母9相互配合，用以限制钻柱振动的最大位移，对蝶形弹簧5起限位保护作用。所述增压分流结构11固定在上接头1与外筒4之间。部分钻井液经分流孔道2进入环形增压腔12内，当钻柱上下振动时，压缩流经环形增压腔12内钻井液，使之增压，用以将钻柱振动能量转化为液体压能，并通过芯轴6上部将压力传递至钻头。
更进一步的，在外筒4的上端与芯轴6的上端之间设置有滑动密封件13，用以实现芯轴6与外筒4之间无漏相对运动。
本发明的工作过程大致如下：
当上接头1随着钻柱的周期性上下往复运动时，通过压缩外筒4与芯轴6之间设置的碟形弹簧5产生波动压力，并将之传递至钻头。同时外筒4与芯轴6随着钻柱的周期性上下往复运动产生相对运动，增压分流结构11压缩芯轴6上端的环形增压腔12，使环形增压腔12内的钻井液压力增大，并作用于芯轴6上端面，将增压压力通过芯轴6传递至钻头。同时由于钻柱的周期性往返运动，使得射流孔道3周期性开闭，在环形增压腔12内被压缩的钻井液通过射流孔道3形成脉冲射流。通过水力脉冲射流与钻柱振动产生的交变载荷耦合，实现脉冲射流以及钻柱振动能量耦合，从而能够将井底岩屑有效剥离井底，提高岩屑的清洗能力，提高机械钻速。
上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。
需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所做出的任何等同替代方式，或明显变型方式，均应在本发明的保护范围之内。